에기硏, 저압 암모니아 합성촉매 및 고순도 양산 성공
기존 하버-보슈 공정의 3분의 1 압력에서도 생산 가능
[이투뉴스] 합성 비료의 원료로 인류의 식량문제 해결에 크게 기여한 암모니아(NH3)가 최근 들어 다시 떠오르고 있다. 친환경 연료인 수소를 저장, 운반해줄 수단이자 무탄소 연료로 주목받고 있기 때문이다. 이런 가운데 국내 연구진이 세계 최고 수준의 저압 암모니아 합성촉매를 대량으로 생산할 수 있는 기술을 개발했다.
한국에너지기술연구원 청정연료연구실 윤형철 박사팀은 기존 하버-보슈 공정에 필요한 압력의 3분의 1 수준으로도 99.9%의 고순도 암모니아 합성 촉매를 생산할 수 있는 양산법을 개발했다. 암모니아 생산 기술은 해외 플랜트 기업이 독점하고 있고, 우리나라는 암모니아를 100% 수입하고 있다.
1909년 개발 이후 현재까지 사용되고 있는 하버-보슈 공정은 화석연료에서 생산한 수소와 공기 중 질소를 고온(400℃ 이상), 고압(150bar 이상)에서 반응시켜 암모니아를 합성하는 공정으로 과정 중 이산화탄소 방출과 에너지 소모가 크다.
연구진은 기존 하버-보슈 공정의 한계를 극복, 암모니아 합성 촉매를 양산하기 위한 제법과 촉매 성형법 개발에 성공했다. 여기에 그치지 않고 하루 1kg의 암모니아를 생산할 수 있는 실험실 규모 공정을 구축해 50bar에서도 99.9%의 순도를 갖는 고순도 암모니아 생산에 성공했다.
에기연은 최민기 한국과학기술원 교수진과 공동 개발한 분말 형태의 루테늄·산화바륨 촉매를 원주형 펠릿 형태로 만들어 상업적으로 활용할 수 있도록 제품화했다. 또 기존 160도에서 제조되는 촉매를 상온에서 제조할 수 있도록 개발해 촉매 합성시간을 기존대비 3분의 1로 줄여 생산효율을 높였다.
이를 통해 생산한 촉매는 연구진이 구축한 국내 유일의 암모니아 생산공정을 통해 성능을 평가했다. 암모니아 생산공정은 원료인 수소와 질소를 공급하는 공급부와 암모니아를 합성하는 반응부, 합성한 암모니아를 냉각 분리해 고순도의 암모니아를 추출하는 냉각부로 구성된다. 연구진은 공정의 유기적 설계를 통해 50bar의 압력과 400℃ 이하의 저온에서도 암모니아를 생산하는데 성공했다.
이번에 개발한 촉매 양산법과 독자적으로 설계한 암모니아 생산 공정을 이용하면 암모니아 생산에 소요되는 비용을 15% 이상 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 더불어 기존 공정보다 낮아진 압력은 공정의 구성품인 압축기, 반응기 등의 제작비용도 낮춰 생산비용 전체를 줄일 수 있다.
연구책임자인 윤형철 에너지연 박사는 “저압·저온 저비용 암모니아 생산기술은 탄소중립의 미래를 앞당길 수 있는 열쇠가 될 것이며, 향후 청정수소 및 무탄소 연료 도입을 위한 암모니아 생산플랜트 국산화에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
한편 에너지기술연구원은 올해 암모니아 생산과 장기 운전을 통해 안정성을 확보하고 하루 5kg의 생산공정을 제작키로 했다. 더 나아가 하루 50kg의 파일럿 규모에서 검증을 통해 우리나라가 청정 암모니아 생산국 지위를 확보하는데 기여한다는 계획이다.
채덕종 기자 yesman@e2news.com