간단히 말해, 열분해유를 디젤로 전환하는 주요 방법은 수소화처리(hydrotreating), 특히 수소탈산소화(hydrodeoxygenation, HDO)라고 불리는 고압, 고온 촉매 공정을 통해서입니다. 이 화학 공정은 수소를 사용하여 높은 산소 함량과 기타 불순물을 제거하는데, 이러한 불순물은 원료 열분해유를 산성으로 만들고 불안정하게 하며 디젤 연료의 직접적인 대체재로 부적합하게 만듭니다. 이 공정은 복잡하며 상당한 전처리 및 후처리 단계를 필요로 합니다.
핵심 과제는 단순히 오일을 전환하는 것이 아니라, 본질적으로 부식성이 있고 불안정한 특성을 극복하는 것입니다. 원료 열분해유는 원유와 화학적으로 매우 다르며, 이를 안정적이고 사용 가능한 디젤 연료로 업그레이드하는 것은 기술적 난관이 많은 에너지 집약적이고 비용이 많이 드는 공정입니다.
열분해유가 아직 디젤이 아닌 이유
전환 과정을 이해하려면 먼저 왜 전환이 필요한지 이해해야 합니다. 원료 열분해유(종종 바이오 원유라고도 함)는 고유한 화학적 특성 때문에 표준 디젤 엔진에 사용할 수 없습니다.
높은 산소 함량
열분해유는 산, 알데히드, 페놀과 같은 화합물에 갇힌 매우 높은 농도의 산소(종종 35-40%)를 포함합니다. 이것이 다른 많은 문제의 근본 원인입니다.
부식성 산도
산소 함유 화합물, 특히 아세트산과 포름산은 오일을 매우 산성으로 만듭니다(pH 2-3). 이 정도의 산도는 표준 저장 탱크, 파이프라인 및 엔진 부품을 빠르게 부식시킬 것입니다.
화학적 불안정성
열분해유는 열적으로 불안정합니다. 시간이 지남에 따라 또는 가열될 때 분자들이 중합이라는 과정으로 서로 반응합니다. 이는 필터, 연료 라인 및 인젝터를 막는 두꺼운 검과 슬러지를 형성합니다.
높은 수분 함량
오일은 종종 상당한 양의 물(15-30%)과 함께 생산되며, 이는 오일과 혼합됩니다. 이는 에너지 밀도를 낮추고 연소 문제를 일으킬 수 있습니다.
낮은 연소 특성
디젤과 비교할 때 열분해유는 세탄가가 매우 낮아 압축 시 쉽게 발화하지 않습니다. 이는 엔진 성능 저하 및 높은 배출량으로 이어집니다.
핵심 전환 공정: 바이오 원유 업그레이드
열분해유 업그레이드는 위에 나열된 문제를 해결하도록 설계된 다단계 공정입니다. 주요 목표는 산소를 제거하고 연료를 안정화하는 것입니다.
1단계: 전처리 및 안정화
주요 전환 전에 원료 오일은 종종 안정화 단계를 거칩니다. 이는 가장 반응성이 높은 알데히드를 전환하고 저장 및 가열 중 중합을 방지하기 위한 낮은 온도에서의 경미한 형태의 수소화처리입니다.
2단계: 수소탈산소화(HDO)
이것이 전환의 핵심입니다. 안정화된 오일은 고온(300-400°C) 및 고압(100-200 bar)에서 수소 가스 흐름과 함께 고압 반응기로 공급됩니다.
특수 촉매의 존재 하에 수소는 오일과 반응합니다. 이 반응은 탄소-산소 결합을 끊어 물(H₂O) 형태로 산소를 제거합니다. 또한 황 및 질소와 같은 다른 오염 물질도 제거합니다.
3단계: 촉매의 역할
촉매 없이는 이 공정이 불가능합니다. 이들은 일반적으로 기존 정유 공장에서 사용되는 것과 유사한 알루미나 지지체에 코발트-몰리브덴(CoMo) 또는 니켈-몰리브덴(NiMo)과 같은 황화물 기반 촉매입니다. 촉매 성능과 수명은 중요한 기술적 및 경제적 요소입니다.
4단계: 분별
HDO 반응기의 출력물은 이제 산소가 적고 훨씬 더 안정적인 합성 원유입니다. 이 합성 원유는 증류탑(분별이라고 불리는 공정)으로 공급되어 끓는점에 따라 디젤 범위 분획을 포함한 다양한 연료 분획으로 분리됩니다.
절충점 및 과제 이해
기술적으로 실현 가능하지만, 열분해유를 디젤로 전환하는 것은 상업적 배치를 제한하는 상당한 실제적 과제에 직면해 있습니다.
높은 운영 비용
HDO 공정은 생산 비용이 많이 드는 막대한 양의 수소를 필요로 합니다. 고압 및 고온 또한 상당한 에너지 투입을 요구하여 운영 비용을 증가시킵니다.
촉매 비활성화
전처리된 열분해유의 잔류 오염 물질과 산성 특성은 값비싼 촉매를 빠르게 "독성"으로 만들고 비활성화시킬 수 있습니다. 이는 수명을 단축시키고 빈번하고 비용이 많이 드는 교체를 요구하며 운영 중단 시간을 유발합니다.
심각한 재료 부식
오일의 산성 때문에 반응기, 배관 및 기타 장비는 값비싼 내식성 스테인리스 스틸 또는 기타 합금으로 제작되어야 하므로 플랜트의 초기 투자 비용이 크게 증가합니다.
원료 다양성
열분해유의 정확한 화학적 구성은 사용된 원료(예: 목재, 농업 폐기물, 플라스틱)에 따라 달라집니다. 이러한 다양성은 안정적이고 최적화된 업그레이드 공정을 유지하기 어렵게 만듭니다.
대안 경로: 공동 처리
더 경제적으로 실현 가능한 단기적 접근 방식은 공동 처리(co-processing)입니다. 이 모델에서는 소량의 전처리된 열분해유(일반적으로 5-10%)가 기존 정유 공장의 공급 흐름에 직접 혼합됩니다. 이는 기존 인프라를 활용하지만, 정유 공장의 주요 촉매에 대한 오일 오염 물질의 부정적인 영향으로 인해 비율이 제한됩니다.
목표에 맞는 올바른 선택
열분해유를 전환하는 접근 방식은 전적으로 목표에 따라 달라집니다.
- 주요 초점이 연구 개발이라면: 비활성화에 더 강하고 효율적인 전처리 방법을 개발하여 오일을 안정화하는 새로운 저비용 촉매 개발에 집중하십시오.
- 주요 초점이 상업적 실행 가능성이라면: 독립적인 전용 업그레이드 플랜트 건설은 막대한 재정적 위험을 수반하므로, 파트너 정유 공장과의 공동 처리를 가장 실용적인 시장 진출 경로로 조사하십시오.
- 주요 초점이 환경 영향이라면: 순환 경제를 촉진하지만, 업그레이드 공정 자체는 에너지 및 자원 집약적이므로 전체 탄소 발자국을 신중하게 분석해야 함을 인정하십시오.
궁극적으로 열분해유를 디젤로 전환하는 것은 화학과의 싸움이며, 성공은 관련된 기술적 과제와 경제적 현실에 대한 깊은 이해를 필요로 합니다.
요약표:
| 단계 | 공정 | 주요 목표 |
|---|---|---|
| 1 | 전처리 및 안정화 | 반응성 알데히드를 전환하여 중합 방지 |
| 2 | 수소탈산소화 (HDO) | 수소 및 촉매를 사용하여 산소 제거 (300-400°C, 100-200 bar) |
| 3 | 분별 | 업그레이드된 오일을 디젤 및 기타 연료 분획으로 분리 |
| 주요 과제 | 높은 비용 및 촉매 비활성화 | 값비싼 수소 및 내식성 장비 필요 |
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