I. 제목
탄화수소 촉매분해에 의한 연속적 수소제조 기술 개발에 관한 연구
II. 연구개발의 목적 및 필요성
천연가스 및 LPG를 카본 촉매로 분해하여 대량의 수소를 연속적으로 생산하기 위해 유동층 시스템 기술을 개발하고자 한다. 이를 위하여서는 첫 번째로 메탄 및 LPG 분해에 적합한 촉매를 탐색하고, 반응특성을 파악하는 반응공학적 기초연구가 필요하다. 둘째로는 탄화수소의 촉매분해 반응이 연속적으로 이루어져야만 공정의 경제성을 확보하기 때문에 연속공정이 가능한 유동층 반응기의 개발이 요구된다. 것이다. 마지막으로 반응부산물로 생성되는 카본블랙을 고분자 메트릭스의 혼합 방법 및 후처리 방법에 하여 복합체를 제조하거나 물성에 따른 정전기 방지용, EMI 차폐용, 전자 부품 테스트 등의 고부가가치 제품으로의 활용방안을 연구하여 기존의 천연가스 수증기 개질 공정과의 경제성 비교에서 우위를 가질 수 있는 연구가 수행될 것이다.
또한 본 연구의 상업적 적용을 위하여 소규모 장치에서 얻어진 연구결과의 적용이 가장 적합한 수소 생산업체인 SPG 케미칼 공장에서 발생하는 부산물인 메탄을 분해하여 수소를 생산하는 pilot 규모의 유동층 반응 시스템을 제작, 운전하고, 아울러 메탄과 수소를 분리하는 5.0N㎥/hr규모의 PSA 장치와 연계하여 명실상부한 수소제조 공정의 전체 시스템을 운전하고, 조업조건을 확립하고, 상업적 규모의 생산 공정의 기본 자료를 얻고자 한다.
이 연구를 통한 결과는 탄화수소로부터 대량의 수소를 CO₂ - free 한 방법으로 생산하는 새로운 기술이 개발되고, 이 연구를 통하여 탄화수소의 촉매분해 원천기술을 획득할 것이다. 또한 반응부산물인 카본의 효과적인 활용방안 또한 모색될 것이다.
III. 연구개발의 내용 및 범위
- 메탄 및 LPG 분해에 적합한 촉매를 탐색하고, 다양한 촉매에 따른 반응 특성 자료 확보
- 카본블랙의 반응 활성점 특성 파악 및 반응 메카니즘 규명
- 연속적 반응을 위한 유동층 반응기의 설계 및 조업 조건에 따른 반응 특성 자료 확보
- 가압 반응기 제작 및 가압반응 특성 자료 확보
- 고온유동층 반응기의 열전달 특성 시뮬레이션 자료 확보
- 반응생성물로 생성되는 카본블랙의 기본 물성 측정 및 고분자 충진재로 활용연구
- pilot 규모의 실험설비 설계, 제작 및 운전 자료 확보
- 수소정제를 위한 PSA 설계 및 제작
- 반응시스템과 PSA 연계 실험을 통한 전체공정 운전 자료 확보
IV. 연구개발결과
- Rubber grade, pigment grade 및 conductive 카본블랙의 메탄 및 에탄 분해 촉매 특성 자료
- 메탄 및 에탄 혼합물에서의 반응 특성 자료
- 카본블랙의 반응 활성점 생성 메카니즘 규명
- 부탄 및 프로판의 카본블랙에 의한 분해 특성 자료
- 상업용 LPG의 카본블랙 촉매 분해 특성 자료
- Lab scale 유동층 반응기에서 조업조건에 따른 메탄의 반응특성 자료
- Lab scale 유동층 반응기에서 프로판 분해 특성 자료
- Lab scale 유동층 반응기에서 촉매의 장시간 반응 특성 자료
- Scale-up 유동층 반응기에서의 가압 반응 특성 자료
- Pilot 반응시스템 설계, 제작 및 운전 자료
- 수소정제를 위한 5.0 N㎥/hr PSA 설계, 제작
- Pilot 반응시스템과 PSA 연계 실험 자료
- Pilot 반응시스템 열전달 특성 simulation 자료
- 반응 생성물 카본블랙의 고무 충진재 활용 자료
- 반응생성물 카본블랙의 전자파 차페용 충진재 활용 자료
- 반응생성물 카본블랙의 표면처리 자료
V. 연구개발결과의 활용계획
본 연구의 핵심적인 결과는 탄화수소 (주로 천연가스와 LPG)를 CO₂의 발생이 없이 수소를 생산할 수 있는 적절한 촉매의 개발, 연속적 반응이 가능한 유동층 반응기의 개발, 생성된 수소를 정제하는 PSA 시스템의 적용, 그리고 반응생성물인 카본블랙의 재활용에 있다.
따라서 다양한 산업 분야에서 이러한 기술개발 결과를 활용할 수 있다고 할 수 있다. 우선 수소를 대량으로 필요로 하는 석유화학, 및 정유 공장에서 기존의 수증기 개질방식 대신에 이 기술을 활용하면 향후 문제가 되는 탄소세를 회피하면서 대량의 수소를 생산할 수 있다. 또한 제철공장에서 나오는 COG (Coke Oven Gas)에서 많이 포함된 메탄을 수소로 개질함으로서 CO₂ 문제 해결과 함께 연료의 up-grading도 가능하다. 또한 기존의 수증기 개질 반응에 비하여 공정이 간단하기 때문에 초기 투자비 및 운전비용이 적게 소요된다. 이 기술의 또 다른 응용분야는 매립지 가스의 활용이다. 국내의 매립지 가스에는 메탄이 많이 포함되어 있고, 또한 수증기 개질에 큰 문제가 되는 황화수소가 많기 때문에 이를 정제하는 비용이 많이 든다. 하지만 이 기술을 적용하면 사용되는 카본블랙 촉매가 촉매독으로 작용하는 황화수소에 영향을 받지 않기 때문에 고비용이 소요되는 황화가스 정제공정이 필요 없게 된다.
마지막으로 탄화수소 분해 과정에서 발생하는 카본블랙은 타이어 충진재로 바로 사용이 가능하며, 후처리를 통하여 특수용 카본블랙으로 적용할 수 있다. 때문에 타이어산업 및 전자재로 산업에도 활용이 가능하다.