한국화학연구원(원장 김충섭) 화학기술연구부 박상언 장종산 박사팀은 대보공업(대표 박찬우)과 공동으로 석유화학단지의 산화공정에서 배출되는 이산화탄소를 산화제로 사용해 나노형 탈수소 촉매 및 Styrene을 제조하는 신공정을 개발했다. 과학기술부의 온실가스저감기술 개발사업 중 "이산화탄소 산화제 활용에 의한 에틸벤젠 탈수소 공정개발" 과제를 수행해 개발한 것으로 Pilot 테스트를 통한 스팀 사용으로 기존공정보다 반응온도를 50oC 이상 낮추고 에너지 소모를 30% 이상 절감할 수 있는 효과를 가지고 있다. 개발된 이산화탄소 산화제 활용에 의한 Styrene Monomer 제조기술은 석유화학 산화공정에서 배출된 이산화탄소를 추가로 정제하지 않고 직접 재활용하는 새로운 에너지 절약형 공정기술이며 최근에 지구온난화 방지를 위해 기후변화 협약의 핵심주제로 논의되고 있는 이산화탄소 배출 저감 방법으로서 화학공정에 산화제로서 재활용하는 신화학 기술로도 평가되고 있다. 이제까지 개발됐던 이산화탄소 저감 기술은 연소 및 공정효율을 개선해 에너지 절약에 의해 이산화탄소를 저감하는 방법이었던 반면, 신기술은 이산화탄소를 화학공정에 직접 투입해 이산화탄소 배출을 크게 억제하고 화학공정의 이산화탄소 폐자원을 직접 활용함으로써 경제성을 크게 개선할 수 있는 것으로 나타나고 있다. 2000년 이산화탄소 산화제 활용 에틸벤젠 탈수소 촉매 및 신공정에 대한 미국특허 2건(미국특허 6034032호 및 6037511호)을 등록했고, 한국·일본에 3건의 특허를 출원해 국산 기술을 확보하는 성과를 올렸다. 신 개발된 Styrene 제조공정은 에틸벤젠과 스팀희석제를 사용해 탈수소촉매 상에서 제조되는데 에틸벤젠은 나프타 분해공정에서 나오는 에틸렌과 BTX 제조공정에서 얻어지는 벤젠과의 반응에 의해 얻어진다. Styrene은 플래스틱 및 고무원료 물질로 사용되며, 스티로폴로 대표되는 PS, 사무용기기, 키보드 등에 사용되는 ABS, 합성고무, 타이어, 라텍스 등 생활 및 산업에 광범위하게 활용되고 있다. 기존의 Styrene은 에틸벤젠에서 수소 한분자를 떼어내는 탈수소과정에 의해 생산하는데 600oC 부근의 고온에서 과량의 스팀을 사용해야 하기 때문에 분리를 위한 냉각과정에서 스팀의 잠열손실로 인한 에너지 소모량이 60만톤 기준으로 연간 75억원 이상에 달했다. 이산화탄소 산화제 적용기술은 이산화탄소의 산소원자가 수소를 떼어내 효과적으로 Styrene을 제조할 수 있으며, 스팀 대신 사용하기 때문에 잠열손실에 의한 에너지 소모가 최소화되는 특징이 있다. Styrene 공정의 운전을 가능하게 하는 가장 핵심적인 요소는 반응성과 선택성을 유지시켜 주는 촉매로 기존 Styrene 제조공정은 벌크 형태의 철-칼륨-전이금속 혼합산화물 촉매가 사용됐으며, 국내에서는 연간 100억원의 사용촉매를 100% 수입에 의존하고 있다. 이산화탄소 산화제를 활용한 Styrene 신공정은 철산화물과 조촉매가 고분산된 나노형 탈수소 촉매를 사용했기 때문에 효능이 극대화될 수 있었다. 나노형 탈수소 촉매는 철산화물 활성성분과 선택성을 도와주는 조촉매가 나노크기로 분산됨으로써 이산화탄소 산화제 작용이 촉진돼 Styrene 제조공정의 화학평형이 개선됐고, 이에 따라 기존 공정에 비해 Styrene 수율이 10% 이상 향상되거나 반응온도가 50oC 이상 저감되는 결과를 얻었다. 국내 Styrene 시장은 총 생산량이 약 250만톤, 금액으로는 1조6000억원 규모로 세계 4위를 기록하고 있다. 그러나 국내 모든 Styrene 공정은 외국으로부터 기술을 도입했고 공정운전의 핵심요소인 촉매 역시 일본, 미국 등에서 전량 수입하고 있어 대외의존도가 심각한 상태이며, 최근에 공급 과잉으로 수익성이 크게 악화돼 생산성 향상 및 원가절감이 절실한 상황이다. 따라서 석유화학단지의 산화공정 플랜트에서 배출되는 이산화탄소를 Styrene 제조공정에 투입한 결과 이산화탄소 재활용의 효과로 연간 58만톤 감소, 에너지효율 30% 상승(이산화탄소 저감 연간 32만톤), 화학평형 개선에 의한 조업조건 개선 등으로 약 10%의 원가절감 효과(60만톤 공정 기준 연간 140억원 개선)가 기대되고 있다. 이에 따라 Styrene 공정의 핵심요소인 촉매 국산화에 의해 연간 1000톤(100억원)의 Styrene 제조 촉매 시장의 부분 대체가 가능할 것으로 예상된다. 또 그 동안 이산화탄소는 사용목적에 따라 추가 정제된 후 탄산염, 요소, 청량음료 첨가제 등의 제한적인 용도로만 활용돼 생산업에서 배출되는 다량의 이산화탄소의 활용이 미흡한 상황이어서 이산화탄소 활용기술 개발이 절실했었다. 국내에서는 에틸렌 산화에 의한 EO(Ethylene Oxide) 제조공정에서 연간 33만톤의 순도 95% 이상 이산화탄소 부산물이 배출중이다. 그래프,도표:<세계 최초로 개발된 Styrene 제조용 나노촉매><한국화학연구원 장종산 박사 한국화학연구원 박상언 박사><이산화탄소 활용촉매 성능평가 결과> <Chemical Daily News 2002/03/13> |
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