간단히 말해, 열분해유 정제는 원유 상태의 불안정한 바이오 오일을 사용 가능한 연료 또는 화학 원료로 업그레이드하는 데 필요한 다단계 공정입니다. 주요 방법으로는 숯을 제거하기 위한 물리적 여과가 있으며, 이어서 화학적 업그레이드, 특히 수소처리(또는 수소탈산소화)를 통해 산소를 제거하고 산도를 낮추며 안정성을 향상시킵니다. 그 후 분별 증류와 같은 단계를 사용하여 업그레이드된 오일을 기존 원유 정제와 유사하게 특정 연료 분획으로 분리할 수 있습니다.
열분해유 정제의 핵심 과제는 단순한 정제가 아니라 근본적인 화학적 변환입니다. 목표는 오일을 산성, 부식성, 불안정하게 만드는 높은 농도의 산소를 제거하여 기존 연료 인프라와 호환되는 탄화수소와 유사한 제품을 만드는 것입니다.
핵심 과제: 원유 열분해유가 사용 불가능한 이유
바이오 오일 또는 바이오 원유라고도 불리는 원유 열분해유는 기존 원유와 근본적으로 다릅니다. 고유한 화학적 특성으로 인해 "드롭인" 연료로 사용하기 전에 강력한 정제가 필요합니다.
높은 산소 함량
거의 전적으로 탄화수소(수소와 탄소)로 구성된 석유와 달리 열분해유는 상당한 양의 산소(중량 기준 35-40%)를 포함합니다. 이 산소는 산, 알데히드, 케톤, 페놀과 같은 화합물 내에 결합되어 있습니다.
이 높은 산소 함량은 낮은 에너지 밀도, 화학적 불안정성, 높은 산도와 같은 대부분의 다른 문제의 근본 원인입니다.
산도 및 부식성
산소 함유 화합물, 특히 아세트산과 포름산은 열분해유를 매우 산성으로 만들며, pH는 일반적으로 2에서 3 사이입니다. 이로 인해 오일은 표준 탄소강 파이프, 탱크, 엔진 부품에 극도로 부식성이 강하여 특수하고 값비싼 내식성 재료가 필요합니다.
높은 수분 함량
열분해유는 15-30%의 물을 포함할 수 있으며, 이는 열분해 과정에서 생성되고 오일과 섞일 수 있습니다. 이 수분 함량은 오일의 발열량을 크게 낮추고 저장 또는 처리 중에 상 분리 문제를 일으킬 수 있습니다.
화학적 불안정성
열분해유는 열적으로 불안정합니다. 가열하면 반응성 산소 함유 화합물이 중합되어 걸쭉한 슬러지와 고체 숯을 형성하는 경향이 있습니다. 이로 인해 사전 안정화 없이는 증류와 같은 전통적인 정제 공정이 거의 불가능합니다. 오일이 고온에서 고형화되어 장비를 막을 수 있기 때문입니다.
주요 정제 전략 및 기술
열분해유 정제는 고유한 문제를 체계적으로 해결하도록 설계된 일련의 단계를 포함합니다. 단일 방법으로는 완전한 해결책이 될 수 없으며, 종종 조합하여 사용됩니다.
1단계: 물리적 전처리
필수적인 첫 번째 단계는 물리적 오염 물질을 제거하는 것입니다. 이는 일반적으로 열분해 반응기 직후 숯 입자를 제거하기 위한 고온 가스 여과 및/또는 응축된 오일의 액체 여과를 포함합니다. 이는 하류 촉매 오염 및 장비 침식을 방지합니다.
2단계: 수소처리 (수소탈산소화 - HDO)
이것은 열분해유에 가장 중요하고 효과적인 정제 기술입니다. 이 공정은 촉매 존재 하에 고온(300-400°C) 및 고압(최대 200 bar)에서 수소 가스와 오일을 반응시키는 것을 포함합니다.
HDO의 주요 목표는 산소 원자를 물(H₂O)로 전환하여 제거하는 것입니다. 이는 동시에 산도를 낮추고, 오일의 발열량을 증가시키며, 화학적 안정성을 극적으로 향상시킵니다. 결과물은 훨씬 덜 부식성인 더 탄화수소와 유사한 액체입니다.
3단계: 촉매 분해
안정화된 바이오 오일은 표준 정유 공장의 유동층 촉매 분해기(FCC)에서 공동 처리될 수 있습니다. 여기서 소량(일반적으로 5% 미만)으로 석유 가스 오일과 혼합됩니다.
FCC 장치는 큰 분자를 휘발유와 같은 더 작고 가치 있는 분자로 "분해"합니다. 그러나 바이오 오일 공동 처리는 여전히 촉매 수명 단축 및 순수 석유 스트림 처리보다 낮은 연료 수율을 포함한 과제를 안고 있습니다.
4단계: 분별 증류
상당한 수소처리 후, 업그레이드된 오일은 증류의 고온을 견딜 수 있을 만큼 충분히 안정해집니다. 분별 증류는 오일을 끓는점에 따라 나프타(휘발유 전구체), 등유(제트 연료), 디젤과 같은 다른 분획으로 분리합니다.
원유 열분해유의 직접 증류는 중합 및 코킹 경향으로 인해 불가능합니다.
대체 방법: 유화
덜 까다로운 응용 분야의 경우 유화는 저비용 업그레이드 옵션입니다. 이는 열분해유를 디젤과 같은 기존 연료와 혼합하고 계면활성제 패키지를 추가하는 것을 포함합니다. 결과는 일부 고정식 엔진, 용광로 또는 보일러에서 연소될 수 있는 안정적인 에멀젼이지만, 현대 운송 엔진에는 적합하지 않습니다.
절충점 이해
열분해유 업그레이드는 기술적으로 가능하지만, 신중하게 고려해야 할 상당한 경제적 및 공학적 과제를 수반합니다.
높은 수소 비용
수소처리는 가장 효과적인 방법이지만 가장 비쌉니다. 이는 생산 및 취급 비용이 많이 드는 산업용 가스인 수소를 대량으로 소비합니다. 이 수소 소비는 바이오 오일을 연료로 업그레이드하는 데 가장 큰 운영 비용입니다.
촉매 비활성화
전처리 후에도 열분해유의 잔류 오염 물질과 산성 특성은 HDO 및 분해에 사용되는 촉매에 가혹합니다. 이 촉매는 효과를 빠르게 잃어(비활성화) 잦고 값비싼 교체 또는 재생이 필요합니다.
높은 자본 비용
원유 및 부분적으로 업그레이드된 바이오 오일의 부식성 특성으로 인해 반응기, 배관 및 용기는 스테인리스강과 같은 값비싼 합금으로 제작되어야 합니다. 또한, 수소처리의 고압, 고온 조건은 견고하고 값비싼 반응기 시스템을 요구합니다.
수율 대 품질
최종 제품의 품질과 액체 수율 사이에는 본질적인 절충점이 있습니다. 더 공격적인 정제(고온, 긴 체류 시간)는 더 높은 품질의 완전히 탈산소화된 오일을 생산하지만, 액체의 더 많은 부분을 경질 가스로 전환하여 생산되는 액체 연료의 전체 부피를 줄입니다.
목표에 맞는 올바른 선택
최적의 정제 전략은 전적으로 목표 최종 제품 및 경제적 제약에 따라 달라집니다.
- 주요 초점이 운송 등급의 드롭인 연료 생산이라면: 강력한 여과, 심층 수소처리 및 분별 증류를 포함하는 다단계 경로가 유일한 실행 가능한 경로입니다.
- 고정식 보일러 또는 용광로용 저등급 연료를 생산하는 것이 목표라면: 여과 후 디젤과의 유화와 같은 더 간단한 공정이 충분하고 비용 효율적인 솔루션이 될 수 있습니다.
- 고부가가치 생화학 물질을 추출하는 것이 목표라면: 특정, 약하게 업그레이드된 오일 분획에 대한 용매 추출 및 진공 증류의 조합이 연료를 위한 완전한 탈산소화보다 우선시될 수 있습니다.
궁극적으로 원유 열분해유를 가치 있는 제품으로 변환하는 것은 그 도전적인 특성에 대한 명확한 평가와 올바른 정제 기술에 대한 전략적 투자에 달려 있습니다.
요약표:
| 정제 단계 | 주요 목표 | 주요 과제 |
|---|---|---|
| 물리적 여과 | 숯 및 고체 입자 제거 | 촉매 오염 및 장비 침식 방지 |
| 수소처리 (HDO) | 산소 제거, 산도 감소, 안정성 향상 | 높은 수소 소비량 및 촉매 비활성화 |
| 촉매 분해 | 큰 분자를 연료 전구체로 분해 | 공동 처리 한계 및 촉매 수명 단축 |
| 분별 증류 | 업그레이드된 오일을 연료 분획(예: 디젤, 나프타)으로 분리 | 중합 방지를 위한 사전 안정화 필요 |
| 유화 | 저등급 연료 사용을 위해 디젤과 혼합 | 운송 엔진에는 부적합 |
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