<온실가스 감축 필수 8> 석화산업 고효율에너지 기술 도입 절실

전문가들은 화학산업 에너지 절감기술 개발은 에너지 저소비 공정개발, 생산성 증대기술 개발, 저 에너지 원단위(고부가 제품 개발)기술 개발로 확대돼야 한다고 입을 모으고 있다.

반면 석유화학산업은 대형 장치산업이면서 공정구성이 복잡하기 때문에 대체공정 적용시 성능보장과 다단계 영향파급 그리고 조업차질 가능성 우려 등이 상존하고 있어 접근이 쉽지만은 않을 게 현실이다.

이에따라 환경이나 에너지 효율 향상에 대한 대안제시 경우에도 이 같은 생산 공정의 자체의 속성을 이해 반영하고 공정전반을 조망하는 기술적 바탕이 전제돼야 한다는 지적이다.

기존공정의 조업개선은 투자대비 효과가 높고 접근이 용이한 기술적 대안으로 앞으로도 개선의 여지가 많으며 열흐름의 통합적 개선, 지식기반적 접근하에 공정 분석을 바탕으로 한 통계, 설계, 운전장치의 개선, 그리고 다변수 예측기법을 통한 운전효율 향상 등을 통해 전체적인 에너지 효율화가 가능하다.

이 기법들은 석유화학 공정에서 동일하게 적용할 수 있으므로, 업계협조 및 인센티브 제공과 함께 전문연구기관의 주도하에 공동연구를 추짐하며, 학문적 차원을 벗어난 실질차원에서 접급한다면 효과가 기대되는 부분이다.

대체, 신규공정 개발은 장기적으로 보다 근원적인 산업경쟁력을 갖기 위한 필수과정으로 꾸준히 진행돼야 한다.

석유화학산업은 석유 또는 천연가스 등을 원료로 합성수지, 합성섬유원료, 합성고무 등 화학제품을 생산하는 산업이며 세계 경기, 유가, 수급조건에 따르 흐름이 주직적으로 반독되는 경기순환형 산업이다.

석유화학산업의 범위는 한국 표준산업분류상 석유화학계 기초유기화합물 제조업, 기타 기초화합물제조업, 합성고무제조업, 합성수지제조업으로 이뤄져 있다.

화학산업은 원유를 정제해 연료 및 석유화학연료를 생산하는 정유산업과 정유산업에서 생산된 나프타,  BTX(벤젠, 톨루엔, 크실렌의 약어), 프로필렌 등을 사용해 기초원료(에틸렌, 프로필렌, 부타디엔 등), 중간원료, 합성수지, 합성섬유원료, 합성고무 등 70여종의 제품을 생산하는 석유화학산업이 있다.

이외 석유화학산업에서 생산된 중간제품을 활용해 염료, 농약, 의약품, 도료 등을 생산하는 정밀화학산업으로 이루어진다.

정유 및 석유화학산업은 대규모 설비투자가 소요되는 자본 및 기술집약적인 장치산업으로서 원유정제 및 NCC 설비를 모체로 관련공장들이 수직 계열화 단지화돼 있다.(울산, 여수, 대산 등), 초기 투자비용이 크고 규모의 경제가 작용하며 기술선점 효과가 높은 고도의 기술 집약적 산업이다.

한국석유화학공업협회에 따르면 우리나라의 석유화학산업은 세계 5위의 생산규모를 보유한 동시에 무역수지 흑자의 절반을 차지하는 수출 효자산업으로 자리매김하고 있다.

석유화학산업의 근간인 에틸렌을 우리나라는 576만톤을 생산했으며 지난해 우리나라는 이 산업과 관련 수출 208억달러 수입 95억달러를 기록하며 113억달러의 흑자를 기록하며 전체 무역수지 흑자인 293억달러의 40%를 이 분야에서 일궈냈다.

국가가 선진화될수록 1인당 플라스틱 소비량이 증가하는데 중국은 선진국에 비해 17%, 인도는 5% 미만으로 향후 세계 석유화학제품 수요는 중국, 인도, 등 개도국 중심으로 성장할 것으로 전망되고 있다.

정유, 석유화학, 정밀화학, 코크스 등 화학산업 분야에서 사용되고 있는 에너지는 전체 50.3%를 차지하고 있다. 화학산업에 사용되는 에너지의 약 53%는 에너지 소비이고 약 47%가 화학산업 제품 생산에 소비되는 에너지다.

석유화학산업에 사용되는 주요 에너지는  B-C유(13%), 전기(20%), 사용연료의 부산물(60%) 등으로서 사용원료의 부산물은 반응공정 중에 생산되는 부생가스(off-gas, 메탄, LPG 등)과 부생유이다.

에너지관리공단에 따르면 고효율 향상 등 기술의 발달로 인해 지난 10년간 석유화학부분의 국내 전체 대비 에너지 소비비율은 6.0%에서 3.9%로 비중이 감소한 것으로 나타났다.

◆ 온실가스 감축수단 도출

엑서지엔지니어링과 서울대학교 공학연구소는 석유화학산업이 단위 제품마다 기술이 다르고 각각의 공정이 가동되므로 단위 제품 생산기술에 대한 감축수단 기술을 도출했다.

석유화학산업은 공정개발에 많은 시간과 비용이 소요되며, 반면 상품 수명 주기 및 투자회수기간이 매우 긴 대규모 장치산업의 속성을 가지고 있다. 이에 따라 신규기술에 의한 대체공정 개발은 희소성이 강하며 사업적 측면에서 매우 큰 파급효과를 제공하고 있다.

엑서지와 서울대에 따르면 석유화학산업에서 최근에 개발됐거나, 개발 예정인 신기술의 동향을 정리하면 다음과 같다.

기초유분(에틸렌, 프로필렌, BTX, BD 등)은 가장 많은 에너지를 소비하는 나프타분해공장(NCC)의 에너지 절감을 위한 나프타 촉매, 분해, 올레핀 흡착분리, 코크 방지, 튜브 내구성 향상 등의 기술이 개발되고 있다.

증류탑의 개선 또는 추출 증류 공정에서 용매의 변경에 의한 증류 효율의 향상에 의해 에너지를 절감할 수 있는 기술들이 개발되고 있다.

중간원료 p-크실렌 제조 공정에서 막분리 기술 또는 신촉매를 적용해 에너지를 절감하기위한 신공정이 국외에서 개발되고 있다. 또한 기존 공정의 추출, 증류, 결정화 기술들을 통합해 분리 효율을 높이기 위한 기술개발이 이뤄지고 있다.

SM제조 공정에서는 과량의 스팀이 사용돼 에너지가 많이 소비되는 에틸 벤젠의 탈수소화 공정에 대한 신기술 개발이 집중되고 있다. 탈수소 반응에서 스팀 대신에 이산화탄소를 사용하는 신공정이 국내외에서 활발하게 연구되고 있다.

또한 기존 공정에서 사용되는 촉매를 신촉매로 대체하거나 촉매의 수명을 연장해 스팀의 소모량을 줄임으로써 에너지를 절감하기 위한 기술이 기존의 면허를 갖고 있는 국외 기업들에 의해서 개발되고 있다.

VCM제조 공정에서는 에탄올 원료로 사용해 직접 전환에 의한 VCM제조 신공정이 국외에서 개발되고 있다. 국내에서는 EDC분해로의 공정 최적화에 의해서 수율을 증가시킨 사례가 있으며, EDC 및 VCM 분리를 위한 증류 공정의 개선에 의해서 에너지를 절약하는 기술이 개발됐다.

EO/EG공정에서는 EO의 합성 반응에 막 반응기를 적용하거나 신촉매를 적용해 EO의 수율을 높이기 위한 신공정이 국외에서 개발중에 있다. EG제조 공정에 대해서는 에틸렌 카보네이트를 거치는 신공정이 개발되고 있다. 또한 촉매를 사용해 과잉으로 투입되는 물을 획기적으로 줄여서 에너지를 절감하기 위한 신공정이 연구 개발되고 있다.

PO제조 공정은 기존의 상업화 공정에서 사용하는 염소화합물을 사용하지 않는 기술의 하나로 PO/SM 공정이 개발됐으며, 최근에는 SM을 생산하지 않고 PO만 생산하는 신공정이 개발됐다.

합성수지 분야는 제품의 용도에 따라 매우 다양한 등급의 제품을 생산한다는 특징을 지니고 있어 신기술의 개발은 생산 공정의 에너지를 절약하는 기술보다는 제품의 특성을 향상시켜서 용도를 넓히거나 촉매를 대체해 원가를 절감하기 위한 방향으로 연구개발이 이뤄지고 있다.

신공정에 의한 에너지가 획기적으로 절감된 사례는 HDPE의 제조공정에서 기존의 유화중합과 용액중합 공정을 유동층을 사용하는 기상중합으로 대체해 투자비 및 운전비를 줄이고, 에너지 사용량을 절감한 신공정이 개발돼 국내 일부 기업에서 적용중이다.

에탄올 제조공정은 신촉매를 적용해 알콜 수율 향상 및 에너지 보존을 위한 기술이 개발되고 있다.

엑서지와 서울대는 전체적인 석유화학분야의 기술개발동향과 국내외의 신기술 활용 현황을 분석해 33개의 온실가스 감축 수단을 제시했으며 이미 적용됐으나 시장 점유율 10%이하로 온실가스 배출 감축이 가능해 보급을 확대할 필요성이 있는 감축수단 9개와 2020년이내 상용화가 가능한 경우를 분류했다.

◆ 업계대책

석유화학산업업종도 대책반을 구성해 온실가스 감축방안을 모색하고 있다.

대책반은 올해 석유화학산업에 적용가능한 온실가스 배출량 산정 방법론을 검증하고 국내 관련산업에서 효과적인 비용으로 저감 가능한 잠재량 분석 및 기후변화협약 홍보 및 정보교류를 위한 워크숍 개최를 주요 운영목표로 설정하고 있다.

대책반은 하반기에는 국제 기준과 배출 원단위 분석에 근거한 업계의 온실가스 배출통계 구축과 중장기 사업계획으로 한계 비용을 고려한 온실가스 저감 분석의 토대를 마련한다는 방침이다.

또한 온실가스 감축과 관련한 데이터 베이스 구축과 함께 CDM(청정개발체제 ; Clean Development Mechanism)사업 추진과 배출권 관리 등 온실가스 관리에 대한 기초를 마련한다는 구상이다.