한국에너지기술연구원 청정연료연구실

연구실 개요

한국에너지기술연구원 청정연료연구실 (실장: 라호원 책임연구원)은 저등급 연료를 이용한 청정 연료 생산을 통한 우리나라 에너지 안보에 기여하는 임무와 가스 처리, 생산 및 활용의 다양화와 원유 중질화 경향에 대비하여 석유 가스 자원의 안정적인 확보에 기여하는 임무를 수행하고 있습니다. 본 연구실은 연구 분야에 따라서, 크게 5개 그룹 (가스화 연구 그룹, 석탄 고품위화 연구 그룹, 집진 연구 그룹, 촉매 연구 그룹, 석유가스 연구 그룹)으로 나누어지며, 35명의 정t규 인원 (21명의 책임 연구원, 1명의 책임 기술원, 10명 선임 연구원, 2명의 선임 기술원, 그리고 1명의 기술원)으로 구성되어 있습니다. 그리고 주요 연구 분야 및 보유 기술은 아래와 같습니다.

• - 저등급 연료의 가스화 기술

• - 저등급 연료의 고품위화 기술

• - 석탄 액화 기술

• - 저등급 연료 이용 에너지 생산 기술

• - 고상 및 액상 연료화 기술

• - 가스 생산 기술 (Ex. 천연 가스, 바이오 가스, 합성 가스 등)

• - 비전통 석유 자원의 처리/전환/활용 기술

• - 정유/석유화학/가스 분야의 고효율 공정

석유가스연구 그룹 소개

본 연구 그룹은 화학 공정 에너지 절감과 에너지 생산에 필요한 고효율 공정 개발 및 실용화 연구를 중점적으로 수행하고 있습니다.
본 연구 그룹의 구성 인원은 아래와 같습니다.

이름 (직급)	주요 연구 분야	이름 (직급)	주요 연구 분야
김종남 (책임)	- 석유화학 및 정유공정 - 해양플랜트 topside - 올레핀 분리 - 온실가스 포집 - PSA - 탈황	한상섭 (책임)	- 흡착기술 - 정유/석유화학공정기술 - 환경기술
박종기 (책임)	- 증류공정연구 - 공정모사 - 액상 흡착	박종호 (책임)	- 흡착분리
윤형철 (책임)	- 반응 공학 - 전기 화학 - 분리 공정	정태성 (책임)	- 분리공정 - 환경화학 - 계면공학
조동우 (선임)	- 열역학 및 분리공정 - 원유 생산 공정 - 정유/석유화학 공정 - Oil Upgrading	조강희 (선임)	나노구조를 갖는 고성능 흡착제 및 촉매 물질 개발
김선형 (선임)	열역학, 상평형	범희태 (선임)	흡착분리공정 (PSA)

본 연구실은 흡착 및 증류 분리 기술에 기반한 다양한 에너지 절감 공정을 상용화하였으며, 상용화한 기술은 아래와 같습니다.

• - 산소 PSA(pressure swing adsorption) 공정

• - 공기로부터 99.99% 이상의 고순도 질소를 생산하는 질소 PSA 공정

• - 친환경 냉매인 99.95%의 이소부탄을 흡착분리하는 공정

• - 슈가에스테르를 분리하는 SMB 공정

• - PGMEA 반응 및 공비증류공정

• - 극저온 메탄증류분리공정

• - 수소함유 혼합가스에서 고순도의 수소를 정제하는 수소 PSA 공정
  (국내 보급 및 인도 수출)

이 외에도 바이오가스에서 메탄 분리공정, 연소배가스에서 이산화탄소 흡착분리공정, 경질 올레핀 흡착분리공정, 경유 흡착탈황기술, 과산화수소 농축기술, 중질유 중의 유기산 제거기술 등을 기업에 기술 이전하였습니다.

주요 연구 분야 및 주요 수행 과제 소개

1. 경질 올레핀 분리공정

석유화학의 기초원료인 경질 올레핀(에틸렌, 프로필렌, 부틸렌)의 분리는 지난 80여년 동안 심냉/고압 증류공정이 사용되었는데 올레핀과 파라핀의 비점 차가 작아서 장치비와 운전비가 많이 들므로 이를 대체하기 위하여 흡착기술, 막분리기술 등이 연구되고 있다. 본 연구실에서는 산자부 중대형과제로 SK이노베이션과 공동연구를 진행하여 세계 최초로 저비용 경질 올레핀 흡착분리기술인 Ole-SIV 공정을 개발하여 국가신기술(NET) 인증을 받았다. 이 기술을 C4 혼합물에서 부텐-1 분리에 적용하면 장치비 20%와 운전비 40% 절감이 가능하고 연료(C4-LPG)로 쓰던 부산물에서 부텐-2를 분리하여 1,3-부타디엔 제조 원료로 활용할 수 있다. 그리고 중질유접촉분해설비(FCC) 배가스에 포함된 15~20vol%의 에틸렌 회수에 이 기술을 적용하면 99.6vol%의 에틸렌을 95% 회수율로 얻을 수 있으며 기존 심냉분리 대비 25%의 에너지를 절감할 수 있다. 저가인 에탄을 원료로 한 에틸렌 생산용 가스 크래커 증가와 납사 크래커 신규투자 저하로 프로필렌 공급 부족을 대처하기 위하여 프로판 탈수소화공정(PDH)이 많이 건설되고 있는데 PDH 공정에서 프로필렌을 분리하는 흡착공정을 연구하고 있다.

2. SMB (Simulated Moving Bed) 기술

의사이동층(Simulated Moving Bed) 기술은 액체혼합물 분리에 주로 사용된다. 본 연구실에서 개발한 SMB용 밸브시스템은 기존에 주로 사용되는 로타리 밸브시스템에 비하여 dead volume이 적고 운전이 용이하다. 이 밸브시스템을 활용하여 당과 지방산의 반응으로 생성되는 당에스터를 미반응 당과 분리하는 SMB 장치와 운전 기술을 개발하여 실용화하였다. 원료 대비 용매 사용량은 약 2.5배이며 제품(당에스터)의 순도는 98wt%이상이고 회수율은 95%이다. 그리고 반도체 제조공정에 사용되는 화합물 분리정제를 위하여 12개의 칼럼으로 구성된 SMB 공정도 상용화하였고 SMB 장치를 연구원 창업기업을 통하여 인도에 수출하였다. 본 연구실에서는 독자적으로 개발한 밸브시스템 및 SMB 장치를 이용하여 다양한 액체혼합물 분리를 시도하고 있다.

3. 해양 기회원유 생산용 FPUSO

원유의 수요는 지속적으로 증가하고 있는데 육상의 대규모 유전 발견이 매우 어려워지고 있어서 해양 유전 개발이 증가하고 있다. 2014년 기준 전세계 원유 생산량의 33%가 해양에서 생산되고 있으며 2030년에는 49%로 증가할 것으로 예상된다. 현재 생산되는 해양원유는 대부분 API 30 이상의 경질유이며 천해에 많이 매장된 기회원유(고유황, 고산도, 고칼슘 등을 함유한 저급원유)는 기술 및 경제적인 한계로 본격적인 개발이 이루어지지 않고 있다. 본 연구실은 산업부 중대형과제로 중공업사, 정유사, 대학들과 협력하여 해양기회원유를 생산하는 FPUSO(floating, production, upgrading, storage and offloading)기술을 개발하고 있다. 여기서 연구되고 있는 기술들은 gas lift 시스템, hydrate & wax 억제제, 칼슘 및 유기산 제거 기능이 부가된 separator, light/heavy cut, HTL 등으로 이루어져 있다. 해양플랜트의 topside 공정은 선진업체가 독점하고 있지만 해양 기회원유를 생산하는 세계 최초의 신기술이 개발되면 신규 시장 창출과 조선,해양산업의 경쟁력을 높일 수 있다.

4. 추출 증류 공정 기술 개발

고순도의 이소프로판올, 에탄올 등은 반도체 공정 및 전자산업에서 세정제로 사용되며, 사용량도 막대하다. 이들 물질은 물과 균일성 공비점 (Homogeneous Azeotrope)을 형성하여, 일반 증류로는 고순도화 할 수 없어서 주로, 공비제를 추가하는 공비증류를 사용하고 있다. 이 경우, 제품이 Bottom으로 배출되어 금속 성분이나 Heavy Component가 미량 함유될 수 있고 에너지 소비도 많은 단점이 있다. 반면에 추출증류 공정의 경우 제품이 Top으로 배출되므로, Heavy Component가 제품에 함유될 가능성이 없으며, 운전 에너지 절감도 가능하다. 이에 본 연구에서는 이소프로판올을 대상으로 한 추출 증류 기술을 개발하기 위해서, 추출제 선별을 위한 열역학 (기액 상평형) 및 분리 공정 (증류 공정 모사 및 실험) 관련 연구를 진행하였다. 이를 통해서, 기존의 공비 증류 비교 20% 운전 에너지 절감이 가능한 증류 공정을 개발하였다.

5. PSA를 이용한 PFCs 및 NF3적정 농축 기술

지구온난화에 대한 전 지구적인 공동 대응 노력의 가시화에 따른 동참, OECD 국가로서의 의무 분담 필요 및 국내 온실 가스 감축 목표제 및 배출권 거래제에 대비한 기술 개발 필요성의 일환으로, 국내 주력 산업 중의 하나인 반도체 및 LCD 산업에서 널리 사용되는 대표적인 Non-CO2 온실 가스 중의 하나인, PFCs와 NF3를 처리하기 위한 기술 개발 과제의 일환으로 개발되었다. 상기의 언급된 물질들의 온난화 지수가 6,500 ~ 23,900으로 매우 높아서 소량 배출 저감만으로 온실 가스 저감의 큰 효과를 거둘 수가 있게 된다. 하지만, 관련 업계에서는 낮은 분해율에 대한 문제 해결과 함께 에너지 소비 과다 문제점 (과다 운영비 문제 포함)과 NOx 규제 등의 환경 규제에 대응할 수 있는 기술을 개발을 요구하고 있는 상황이다. 이에 본 연구에서는 과량 질소와 혼합 배출되는 PFCs 및 NF3 성분들을 적정 농축하여, 연소 시 발생하는 과량 질소에 의한 과도한 에너지 소비 문제와 NOx 발생 문제를 해결할 수 있는 PSA 기반의 적정 농축 기술을 개발하였다.