<온실가스 감축 필수 7>정유산업 환경대응 기술 강화해야

우리나라는 세계 4위의 석유 수입국이자 세계 7위의 석유소비국이다. 관세청에 따르면 올해 에너지 수입액은 고유가 지속으로 인해 사상 처음으로 800억달러를 넘어설 것으로 전망되고 있다.

이중 원유는 올 상반기에만 269억7600만달러(5863만5000톤)을 수입해 전년 동기대비 44.5%의 증가율을 기록했으며 전체 에너지 수입액의 64.2%를 기록했다.

특히 원유를 수입해 각 공정을 통해 다양한 제품군을 생산하는 정유산업은 에너지 사용량에 있어서나 온실가스 배출에 있어서도 특별한 주의가 이행되는 산업군임에는 틀림없다.

박명호 엑서지엔지니어링 대표는 "고유가 지속, 환경규제 심화, 에너지 안보 문제의 중요성에 비추어 볼 때 우리나라 정유산업은 자원 탐사, 신에너지생산, 환경대응기술 개발연구가 필수적"이라고 강조했다.

정유공장은 상압증류공정(CDU), 메록스공정(MEROX), 납사수 침탈공정(NHT), 등/경유/잔사유 수첨탈황공정(HDS), 접촉개질공정, 감압증류공정, 중질유 수첨분해공정, 접촉중질유 분해공정, 수소공장 등 크게 25개의 공정으로 이뤄진다.

일반적으로 원유를 증류하게 되면 1차로 비점 범위에 따라 LPG, LSR, 나프타, 등유, LGO 및 AR과 같은 유뷴들이 분리 정제돼 나온다.

또한 유동 촉매접촉 분해공정(FCC)SK 수첨 촉매 분해공정과 같이 고비점의 중질유분을 휘발유, 경유와 같은 경질유로 전환하는 중질유 업그레이드 공정을 통해 원료 공급을 위해 1차 증류공정에서 바닥으로 나오는 물질의 감압 증류를 통해 비점에 따라 다시 VGO와 VR로 분리하기도 한다.

원유는 상압증류탑에서 LPG, 납사, 등유, 경유, 상압잔사유로 분리되며 탑 상부에서 얻어지는 LPG와 납사는 안정화공정을 거치면서 LPG와 납사로 분리된다.

안정화 탑에서 얻어진 납사는 다시 공정을 거치면서 경질 납사와 중질 납사로 분리가 되며 중질 납사는 접촉 개질 반응의 주원료가 된다.

메록스 공정은 가스나 유분에 포함한 머캡탄류의 황 성분을 무취의 다시설파이드로 변환하는 공정으로 다른 공정에 비해서는 에너지 소비가 적은 편이지만 최종 제품인 휘발유나 경유 등으로 시판되기 위해서는 필수적으로 거쳐야 할 공정이다.

수첨 탈황 공정은 접촉 개질 반응에 투입되는 납사 중의 황성분과 다른 불순물들을 제거해 접촉개질 반응의 촉매를 보호하기 위한 목적이 예전에는 주기능이었지만 최근에는 연료유를 사용하는 황성분의 규제가 시행됨에 따라 연료유 증 황성분을 저감하기 위한 목적으로 많이 신설됐다.

그 대표적인 예가 등ㆍ경유 산업에 보급되기 시작한 것은 1990년대 초반부터다.

에너지 사용 측면에서 보면, 단위 시간당 처리량이 많은 상압증류 공정이 가장 많은 에너지를 소비하며, 수소제조공정, 등ㆍ경유수 침탈황, 중질유 수첨 분해, 코크스화공정 감압증류공정 순으로 파악됐다.

접촉중질유분해공정은 에너지를 많이 사용하지만 부생에너지로 전기와 고압스팀을 많이 사용하므로 실제는 적은 에너지를 사용한다. 수소제조 공정은 단위 처리량이 많지 않지만 에너지 원단위가 높은 관계로 에너지 소비가 많은 것으로 나타났다.

대기 오염의 70~80%이상이 차량의 배기가스에 기인하므로 수송용 연료의 황 및 방향족 규제가 심화되고 있다. 향후 10년내 황성분 규제는 경유 현행 430ppm→10ppm 이하, 휘발유 현행130ppm→10ppm이하로 실행될 것으로 고심도 탈황기술 들이 연구되고 있다.

엑서지엔지니어링과 서울대학교 공학연구소에 따르면 원유정제공정은 기술의 수명이 비교적 길고 초기 투자비용이 매우 커서 신기술의 개발속도가 느린 편이다.

하지만 엑서지와 서울대는 최근의 고유가 및 원유의 중질화, 환경규제의 심화로 인해 정유산업에서의 신기술 도입이 빠르게 증가할 것으로 예측하며 정유공장의 에너지절감기술로서 미활용 열회수, 열이용ㆍ열교환 최적화, 에너지 다소비 증류공정 고효율화, 공정 해석을 통한 최적화, 신촉매 기술 등을 분석했다.

우리 정유업계에는 상압증류탑, 진공증류탑 증의 에너지 이용 효율을 향상시키기 위해 분리벽형 증류탑, 최적운전조건 설정, 열교환 최적화, 열회수 등의 기술이 도입되고 있다.

또한 효율적인 공정 운전을 목표로 자동 공정 제어 기술과 온라인 최적화 기술을 결합해 공장 완전자동화를 추구하고 있으며 이 과정에서 보다 정밀한 공정모델과 온라인 분석기술이 개발되고 있다.

엑서지엔니지어링에 따르면 국내에서도 자동공정제어 기술이 확산되고 정유공정 온라인 최적화 기술이 적용되기 시작하고 있으며 온라인을 활용한 분석기술은 선진국 수준에 도달했다고 전한다.

과거에 아스팔트 유분으로 사용되던 중질유분에 해당하는 감압 잔사유를 새로운 촉매를 사용해 열분해함으로써 경질유로 분해해 분리 회수하는 새로운 공정들이 많이 개발돼 원유에서 유용한 성분을 회수해 이용하는 비율을 비약적으로 증가시키는 새로운 기술들이 많이 개발되고 있다.

수소처리화공정 및 접촐개질공정에서 저온운전이 가능한 신촉매기술 개발을 통해서 에너지 절약을 꾀하고 있으며 또한, 신촉매기술 개발로 액체연료 수율 향상 및 질소산화물(NOx)와 황산화물(SOx)의 발생감소로 에너지의 고효율화 및 환경오염 물질 저감에도 기여를 하고 있다.

원유정제공정은 다른 단위공정들이 집합돼 있고, 단위 공정들의 규모가 크고 장치비가 높은 특성을 가지고 있다.

엑서지와 서울대에 따르면 해당 공정 설비의 개선이나 신공정 개체로 에너지 효율향상과 온실가스 저감효과를 얻을 수 있는 데, 높은 장치비로 인해 단위 공정 전체의 개체보다는 부분 공정 개선이 더 적용 가능한 것으로 전해진다.

해당 공정 설비의 개선이나 신공정 개체로 에너지 효율 향상과 온실가스 저감 효과를 얻을 수 있는데, 높은 장치비로 인해 단위 공정 전체의 개체보다는 부분 공정 개선이 바람직하다는 지적이다. 

현재 도출된 감축수단도 시스템 대체보다는 부분 공정 개선이 더 많은 것으로 전해진다.

엑서지와 서울대는 이미 적용됐으나 시장 점유율 10%이하로 온실가스 배출 감축을 가능하게 해 보급을 확대할 필요성이 있는 16개와 아직 상용화 되지 않았으나 2020년까지 국내 도입이 가능한 2개 등 모두 18개의 감축수단을 제시하고 있다.

◆ 정유업계 대책

정유업계도 정유업종 대책반을 편성해 기후변화협약 이행을 대비해 활동하고 있다.

대책반은 올해 업계의 에너지 사용량, 온실가스 배출량과 배출 감축 잠재량을 산정하고 에너지 소비효율 향상을 위한 정유회사간 정보를 교류한다는 방침이다.

대책반에 따르면 올 상반기 중에는 경제활동에 투입된 에너지 소비의 효율성을 평가하는 '에너지 원단위' 개념을 적용한 배출 저감 계획을 수립하고자 했으나 정제공정과 석유화학공정이 따로 발달하고 있는 특성에 따라 에너지 원단위 개념을 이용한 접근이 어렵다는 결론을 내렸다.

이에따라 대책반은 각사별 잠채감축량 및 목표를 구체화시킬 수 있는 기술에 대한 검토와 이를 통해 실현될 수 있는 온실가스 감축량 및 비용 분석에 들어갔다고 전했다.

대책반 관계자는 "에너지 절약 및 온실가스 배출저감을 위한 제2차 자발적 협약시의 갓사별 온실가스 배출과 잠재감축량 조사를 올 연말까지 추진할 계획으로 매월 정례 회의를 통해 국내 타업종과의 정보교류와 공동 워크샵 개최 및 해외사례 조사 활동을 펼쳐나갈 것"이라고 말했다.