도소, 공장 배출 저농도 CO2 재활용 … 경제적 파급효과 90조원

일본이 이산화탄소(CO2) 재활용 사업을 강화하고 있다.
도소(Tosoh)는 이산화탄소 분리 및 포집을 위한 화학적 흡수, 막분리, 물리적 흡수 기술을 개발하는 전방위적 사업화에 나설 계획이다.
현재까지 아민(Amine) 수용액 및 중공사막 모듈, 합성 제올라이트(Zeolite) 등 독자기술의 특징을 활용한 프로세스를 확립했으며 앞으로 화력발전소와 화학 플랜트 수요 증가에 대응할 계획이다.
도소는 탄소중립 구현을 위해 재생에너지를 도입하고 전력·산업부문이 배출하는 이산화탄소를 분리·포집하는 기술을 정착시키는 것이 필수적이라고 판단하고 2030년을 목표로 실증시험 스케일업을 본격화하고 있다.
이산화탄소 분리·포집 기술은 화력발전소와 화학공장이 배출하는 이산화탄소 및 대기 중 이산화탄소를 포집해 화학제품 원료로 공급하는 기술로 산업계의 주목을 받고 있다.
공장에서 배출하는 연소가스에 포함된 이산화탄소의 농도는 일반적으로 10-20% 저농도이기 때문에 저농도 이산화탄소를 분리·포집하는 기술 개발이 활발한 것으로 파악된다.
일본 경제산업성에 따르면, 일본은 앞으로 50년 동안 플랜트와 소재, 연료비 등을 포함해 이산화탄소 분리·포집의 경제적 파급효과가 10조엔(약 90조5570억원)에 달할 것으로 추산되고 있다.
기존 아민 수용액을 활용한 화학적 흡수법은 석유화학 연료 보일러 등에서 배출되는 이산화탄소 포집에 적합하나 배기가스에 포함된 협잡가스, 특히 질소산화물(NOx)에 대한 내구성이 낮다는 단점이 있다.
도소는 수용해성이 높은 수산기를 지닌 2환식 3급 아민을 발견해 높은 질소산화물 내성과 포집 성능을 지닌 이산화탄소 포집 아민을 개발했다.
범용 MEA(Monoethanolamine)는 시간이 경과하면 질소산화물의 영향으로 분해되는 반면, 도소 개발제품은 120일 동안 진행한 시험에서 분해되지 않았고 이산화탄소 포집률을 90% 이상 유지했을 뿐만 아니라 범용 아민 대비 약 2배의 포집 성능까지 확인했다.
도소는 이산화탄소 포집 아민액 개발제품을 활용해 2022년 여름부터 난요(Nanyo) 사업장 벤치 플랜트에서 배기가스에서 이산화탄소와 산소를 분리하고 이산화탄소를 포집하는 프로세스의 실증시험을 실시했으며 2024년 가을 상업 스케일 실험을 시작할 예정이다.
이소시아네이트(Isocyanate) 화학제품 원료용 나프타(Naphtha) 베이스 일산화탄소(CO)를 생산하고 있는 2개 라인 가운데 1개 라인을 개조하며, 이산화탄소 약 4만톤을 연소 가스로부터 포집해 일산화탄소 생산용 원료로 이용함으로써 나프타 사용량을 감축하고 이소시아네이트 저탄소화에 기여할 것으로 기대하고 있다.
도소는 화력발전소를 비롯한 시멘트 및 화학설비의 이산화탄소 재활용 수요가 증가할 것으로 전망하고 아민액 공급 확대를 계획하고 있다.
질소산화물 및 이산화탄소 농도에 맞추어 최적화한 아민과 시험 데이터를 제공하고 엔지니어링기업과 연계한 설비 설계 지원 등까지 고려하고 있는 것으로 알려졌다.
화력발전소에서 배출되는 이산화탄소용 분리·포집막 기술은 교토(Kyoto)공예섬유대학, 도쿄(Tokyo)공업대학 등과 공동으로 지지체에 알카놀아민(Alkanolamine)을 분리기능층으로 도포한 중공사막으로 구성된 이산화탄소 분리모듈을 개발하고 있다.
도소 관계자는 “공중사막은 물 분리 등에 활용되며 지지체가 비교적 저렴하기 때문에 막 코스트다운이 가능하다”고 강조했다.
일본 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO) 프로젝트로 추진하고 있으며 2023년 4월 요카이치(Yokkaichi) 사업장에서 화력발전소의 실제 배기가스 실험에 들어갔다.
아직 간이 벤치 설비를 통해 시험하고 있으나 조기에 벤치 설비에서 모듈 막 면적을 확대해 내구성·분리성 시험을 개시할 방침이다.
2028년까지 파일럿 시험으로 이행하고 도소가 그린이노베이션 기금 사업으로 추진하는 이산화탄소 베이스 우레탄(Urethane) 원료 생산 프로젝트에 원료로 투입할 계획이다.
이산화탄소 물리흡착은 자동차 배기가스 정화촉매와 VOCs(휘발성 유기화합물) 흡착제거용으로도 개발해 온 합성 제올라이트의 새로운 용도로 기대되고 있다.
아민 흡수액을 활용한 화학흡착법은 발전소, 제철공장 등 대규모 설비용이지만 합성 제올라이트를 활용한 이산화탄소 물리흡수는 소규모 설비에도 적용할 수 있어 도소는 새로운 주축사업으로 기술 개발에 임할 계획이다. (윤우성 기자)