NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 4, 2015 … 479

연구실소개

연구실 소개

한국에너지기술연구원 석유가스연구실은 화학

공정 에너지 절감과 에너지원 생산에 필요한 고효

율 공정 개발 및 실용화 연구를 수행하고 있다. 본 연

구실은 흡착 및 증류분리기술에 기반한 다양한 에너

지 절감 공정들을 상용화하였다. 1990년대 초에 국

내 최초로 산소 PSA(pressure swing adsorption) 공정

을 상업화한 이후로 공기로부터 99.99% 이상의 고

순도 질소를 생산하는 질소 PSA 공정, 친환경 냉매

인 99.95%의 이소부탄을 흡착분리하는 공정, 슈가에

스테르를 분리하는 SMB 공정, PGMEA 반응 및 공

한국에너지기술연구원 석유·가스연구실

김 종 남한국에너지기술연구원 석유가스연구실

jnkim@kier.re.kr

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비증류공정, 극저온 메탄증류분리공정을 실용화하

였고 수소함유 혼합가스에서 고순도의 수소를 정제

하는 수소 PSA 공정은 국내 보급뿐만 아니라 인도에

수출하였다. 이 외에도 바이오가스에서 메탄 분리공

정, 연소배가스에서 이산화탄소 흡착분리공정, 경질

올레핀 흡착분리공정, 경유 흡착탈황기술, 과산화수

소 농축기술 등을 기업에 기술이전하였고 암모니아

수를 이용한 이산화탄소 흡수분리공정을 개발하였

다. 최근에는 각 종 올레핀 함유 배가스에서 올레핀

을 회수하는 공정, 일산화탄소 분리공정, 산소 선택

성 흡착제를 활용한 저가 산소제조, 바이오프로덕트

에서 이소부틸렌 회수기술, 해양 기회원유 생산을

위한 Oil-FPUSO의 topside 공정, 해양에서 천연가스

를 생산하는 FLNG의 산성가스 및 수분제거공정, 중

질유 중의 유기산 제거기술, 미래 무탄소 연료인 암

모니아를 전기화학적으로 제조하는 기술, 흡착식 냉

동기 등을 연구하고 있다.

주요연구분야

1) 경질 올레핀 분리공정

석유화학의 기초원료인 경질 올레핀(에틸렌, 프

로필렌, 부틸렌)의 분리는 지난 80여년 동안 심냉/고

압 증류공정이 사용되었는데 올레핀과 파라핀의 비

점 차가 작아서 장치비와 운전비가 많이 들므로 이

를 대체하기 위하여 흡착기술, 막분리기술 등이 연

구되고 있다. 본 연구실에서는 산자부 중대형과제로

SK이노베이션과 공동연구를 진행하여 세계 최초로

저비용 경질 올레핀 흡착분리기술인 Ole-SIV 공정

을 개발하여 국가신기술(NET) 인증을 받았다. 이 기

술을 C4 혼합물에서 부텐-1 분리에 적용하면 장치비

20%와 운전비 40% 절감이 가능하고 연료(C4-LPG)

로 쓰던 부산물에서 부텐-2를 분리하여 1,3-부타디

엔 제조 원료로 활용할 수 있다. 그리고 중질유접촉

분해설비(FCC) 배가스에 포함된 15~20vol%의 에틸

렌 회수에 이 기술을 적용하면 99.6vol%의 에틸렌을

95% 회수율로 얻을 수 있으며 기존 심냉분리 대비

25%의 에너지를 절감할 수 있다. 저가인 에탄을 원

료로 한 에틸렌 생산용 가스 크래커 증가와 납사 크

래커 신규투자 저하로 프로필렌 공급 부족을 대처하

기 위하여 프로판 탈수소화공정(PDH)이 많이 건설

되고 있는데 PDH 공정에서 프로필렌을 분리하는 흡

착공정을 연구하고 있다.

2) 일산화탄소(CO) 흡착분리기술

일산화탄소의 발생원은 수증기개질(SMR) 가스,

부분산화반응(POX) 가스/자열반응(ATR) 가스, 제철

소의 코크스로가스(COG)/고로가스(BFG)/전기로가

스(LDG), 석탄/바이오매스/도시고형폐기물(MSW)의

가스화반응가스, 메탄올 퍼지가스, 석유화학공정 부

생가스 등과 같이 아주 다양하다. 이러한 혼합가스

에서 CO 성분을 분리하기 위하여 사용되고 있는 방

법에는 저온증류법, 흡착법, 흡수법 등이 있다. 본 연

구실에서는 일산화탄소 선택성 흡착제와 이를 활용

한 CO 분리공정을 연구하고 있다. CO 선택성 흡착

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제는 Cu(I) 화합물을 용해시켜 지지체(혹은 기질)에

함침하거나, Cu(I) 화합물의 직접 열처리에 의한 단

층분산 방법을 적용하여 제조하고 있다. CO 성분을

선택적으로 흡착하기 위한 π-착화합결합은 특정 전

이금속과 흡착질 사이의 결합이므로 π-착화합 매체

와 지지체의 선정, 제조 방법 및 활성화 조건 등과 같

은 인자가 중요하다.

3) SMB 기술

의사이동층(Simulated Moving Bed) 기술은 액체

혼합물 분리에 주로 사용된다. 본 연구실에서 개발

한 SMB용 밸브시스템은 기존에 주로 사용되는 로타

리 밸브시스템에 비하여 dead volume이 적고 운전이

용이하다. 이 밸브시스템을 활용하여 당과 지방산

의 반응으로 생성되는 당에스터를 미반응 당과 분리

하는 SMB 장치와 운전 기술을 개발하여 실용화하였

다. 원료 대비 용매 사용량은 약 2.5배이며 제품(당에

스터)의 순도는 98wt% 이상이고 회수율은 95%이다.

그리고 반도체 제조공정에 사용되는 화합물 분리정

제를 위하여 12개의 칼럼으로 구성된 SMB 공정도

상용화하였고 SMB 장치를 연구원 창업기업을 통하

여 인도에 수출하였다. 본 연구실에서는 독자적으로

개발한 밸브시스템 및 SMB 장치를 이용하여 다양한

액체혼합물 분리를 시도하고 있다.

4) 저가 산소제조기술

대량의 공기분리는 심냉분리법이 사용되고 있고

중소규모(3,000Nm3/h 이하)에는 산소PSA 공정이 많

이 사용된다. 공기는 78% 질소, 21% 산소, 0.93% 아

르곤과 기타 미량성분들로 구성되어 있다. 산소PSA

는 질소를 선택적으로 흡착하는 제올라이트 분자체

흡착제를 사용하는데 산소와 아르곤의 흡착량이 유

사하여 95% 이하의 산소를 농축한다. 본 연구실에서

는 산소 선택 흡착성이 우수한 BaO-Mg계 흡착제와

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흡착분리공정을 개발하였다. 이 공정은 97%의 산소

생산시에 90% 회수율과 12 ton-O2/ton-흡착제/day

생산성을 보여서 저가로 산소를 제조할 수 있다. 앞

으로 이 기술은 파일롯 플랜트 연구 후에 상업화될

예정이다.

5) 해양 기회원유 생산용 FPUSO

원유의 수요는 지속적으로 증가하고 있는데 육

상의 대규모 유전 발견이 매우 어려워지고 있어서

해양 유전 개발이 증가하고 있다. 2014년 기준 전세

계 원유 생산량의 33%가 해양에서 생산되고 있으

며 2030년에는 49%로 증가할 것으로 예상된다. 현

재 생산되는 해양원유는 대부분 API 30 이상의 경질

유이며 천해에 많이 매장된 기회원유(고유황, 고산

도, 고칼슘 등을 함유한 저급원유)는 기술 및 경제

적인 한계로 본격적인 개발이 이루어지지 않고 있

다. 본 연구실은 산업부 중대형과제로 중공업사, 정

유사, 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. 해양플랜트

의 topside 공정은 선진업체가 독점하고 있지만 해양

해양 기회원유 생산용 FPUSO 개념도

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기회원유를 생산하는 세계 최초의 신기술이 개발되

면 신규 시장 창출과 조선·해양산업의 경쟁력을 높

일 수 있다.

6) FLNG topside 공정

해양에서 액화천연가스를 생산하는 LNG FPSO

(FLNG)의 세계 최초 상업화 설비가 삼성중공업과

대우조선해양에서 제작 중에 있다. FLNG의 topside

공정은 가스/오일/물 분리용 separator, MEG회수공

정, 산성가스(CO2, H2S) 제거공정, 수은제거공정, 수

분 제거공정, NGL 회수공정, 액화공정으로 구성되

어 있는데 전부 해외 기술에 의존하고 있다. 본 연구

실은 topside 공정 중에서 산성가스를 제거하는 흡착

제 및 흡착분리공정과 TEG 수분 제거공정 개발에

참여하고 있다. 산성가스 제거용 흡착제는 CO2 흡착

량이 크면서 CO2/CH4 선택도가 매우 높고, 탈착이

잘 이루어져야 한다. 제품가스 중의 CO2와 H2S 농도

는 각각 50ppm과 4ppm 이하이다. TEG 수분 제거공

정을 통과한 천연가스 중의 수분 농도는 2 lb H2O/

mmscf 이하여야 하므로 재생탑에서 TEG 순도를

99.96wt% 이상으로 높여야 한다. 첨가제를 이용한

공비증류로 TEG 중의 수분을 탈거하는 연구를 진행

중이다.

7) 암모니아 연료 생산기술

인류의 생존을 위협하는 화석연료 고갈과 지구온

난화 문제에 대처하기 위하여 태양광, 풍력 등 자연

에너지를 저장과 이송이 용이한 무탄소 연료인 암모

니아로 전환하여 기 구축된 내연기관이나 연료전지

로 활용하는 기술의 개발이 필요하다. 이 기술의 실

용화를 위해서는 상압에서 물과 질소를 이용해 저비

용으로 암모니아를 생산할 수 있는 전기화학적 암모

니아 합성기술을 확보하여야 한다. 가솔린이나 디젤

의 70% 이상을 암모니아로 대체할 수 있는 자동차를

보급할 경우 CO2 배출량을 기존 자동차 대비 70% 이

상 획기적으로 줄일 수 있다. 본 연구실에서는 용융

염을 이용한 전기화학적 암모니아 합성기술을 연구

하고 있다. 이 기술의 핵심은 질소의 이온화율이 높

은 전극, 산소이온 제거용 전극, 용융염 전해셀 개발

이다.

연구실 구성원

석유가스연구실은 한상섭(실장), 김종남, 김권일,

박종기, 박종호, 윤형철, 정태성, 조동우, 조강희, 범

희태, Post Doc 2명, 위촉연구원 및 석박사 과정 14명

등 총 26명으로 구성되어 있다.