I. 제목
천연가스로부터 수송용 오일 생산 핵심 요소 기술 개발
II. 연구개발의 목적 및 중요성
GTL(gas to liquids) 기술은 지구상에서 존재하는 화석에너지 가운데 가장 청정한 저탄소 에너지원인 천연가스 혹은 메탄하이드레이트(불타는 얼음)를 원료로 하여 수송용 오일(디이젤, 가솔린)을 생산할 수 있는 기술이다. 참고로 전자의 가채 매장년수는 현재 사용량 기준으로 약 60년이지만, 아직 활용되고 있지 않은 고립화(stranded) 천연가스(1 tcf 이상/25년 이상 가채년수) 역시 약 60년 정도 된다. 그리고 후자는 2015년을 상업생산 목표로 채굴기술을 개발 중에 있으며 약 200년 정도로 알려져 있다. 따라서 이 둘의 매장년수를 합치면 향후 300여년이 넘으며 지구상에서 존재하는 가장 풍부한 1차 에너지원이라 할 수 있다. 이는 조만간 석유경제시대를 넘어 천연가스가 에너지 믹스의 주종으로 부각되는 가스경제의 도래를 암시한다.
일례로 미 FRB(연방준비제도 이사회) 전의장인 앨런 그린스펀은 현재와 같은 석유매장량과 생산 및 정제능력의 한계를 감안해 볼 때 “천연가스를 단순 취사 혹은 난방에 필요한 단순 열에너지가 아닌 고부가가치화하기 위한 GTL 기술은 앞으로 세계에너지 공급의 매우 중요한 균형자로서 역할을 하게 될 것이다”라고 예측하고 있다.
결국 미래 석유에너지 수요에 능동적으로 대처하기 위한 기술로서 천연가스를 매개체로 한 청정 수송용 오일(가솔린, 디젤)을 생산하는, 소위 GTL(gas to liquids) 기술은 가스전을 사실상의 유전으로 치환할 수 있는 에너지 자립화 기술이라 할 수 있으며 핵심 단위공정의 국산화 및 엔지니어링 설계에 필요한 핵심원천기술을 가급적 조기에 자체 확보하는 것이 중요하다.
III. 연구개발의 내용 및 범위
당해 년도(2007)는 2차 연구기간으로 우선 복합개질(수증기-CO₂ 복합 개질) 반응촉매 국산화 설계 및 성능 최적화를 통한 recipe 제공, 스케일-업 설계가 용이한 bayonet 형태의 고효율 열교환형 개질 반응기 설계, 제작 및 기초성능 평가 그리고 Fischer-Tropsch 합성 반응에 있어 반응 활성과 촉매 안정성이 향상된 촉매 제조 기술 개발에 관한 연구가 수행되었다.
IV. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
본 연구에서 사용한 여러 가지 담지된 니켈 촉매 중에서 Ni/MgO-Al₂O₃ (담체 중 MgO 함량 : 20 wt%) 촉매가 가장 우수한 촉매 활성 및 탄소 저항성을 나타냈다. Ni/MgO-Al₂O₃촉매의 우수한 촉매 성능 및 탄소 저항성은 MgO가 수증기와 이산화탄소의 흡착을 증진시키고, 염기성이 있어 탄소 저항성을 가지게 하며, NiO가 담체에 잘 분산되어 있고 또한 담체와 강한 상호작용을 하여 소결로 인한 촉매 비활성화 및 코크 형성으로 인한 촉매 비활성화를 예방할 수 있기 때문이다.
0.5 bbl/day 규모의 FT 합성공정 운전의 원료량에 해당하는 FT 합성반응의 원료인 합성가스 제조를 위해 합성가스 생산량 기준 26.5 Nm³/h급 내부열교환형 반응기 모듈을 운전하고 성능을 평가하였다. 반응 튜브 국부 과열을 억제하기 위하여 연소로 측면에 가열용 가스 버너를 배치하였다. 천연가스 6 Nm³/h, CO₂ 2.82 Nm³/h 및 물 6.2 kg/h의 공급물 조건에서 개질온도 733.9 ℃로 운전한 결과 생산된 합성가스 내 H₂/CO비는 2.32를 나타내었으며 합성가스는 24.7 Nm³/h를 생산 가능하였다. 해당 반응 조건에서 메탄전환율과 이산화탄소 전환율은 각각 90.4%와 44.7%를 얻을 수 있었다. 복합개질을 이용하는 합성가스 제조용 내부 열교환형 반응기의 성능 결과는 scale-up 설계를 위한 자료로 활용 가능하다.
액상 오일 생산을 위한 Fischer-Tropsch 합성 반응의 촉매로서 메탈 구조체에 코팅된 15 wt% Co - 0.5 wt% Cs/γ-Al₂O₃가 가장 바람직한 촉매로 판단되었다. 향후, Fischer-Tropsch 합성 반응용 열교환 반응기를 설계하고, 또한 최적화된 촉매 recipe를 이용하여 열교환 반응기에 사용될 메탈 구조체 촉매를 제조할 예정이다. 이를 이용하여 우리 고유 모델의 고효율 액체 연료 생산을 위한 Fischer-Tropsch 합성 반응용 열교환 반응기 시스템을 제작하여 운전하고자 한다.
천연가스로부터 복합개질에 의한 합성가스 제조(H₂/CO = 2)를 위한 촉매 설계 기술 국산화, 합성가스 제조 공정의 단위 반응기 설계 기술, 반응기 scale-up 엔지니어링 설계 기술, 합성 가스로부터, 액체 연료를 생산할 수 있는 Fischer-Tropsch 반응기 설계 기초 자료 확보, 그리고 석탄 액화(CTL) 및 가스 액화(GTL) 등 국가 사업의 기본 핵심 기술로 활용할 계획이다.