바이오 오일 업그레이드 방법은 무엇인가요? 불안정한 바이오 오일을 가치 있는 연료로 전환

원유 바이오 오일을 그대로 사용하는 것은 선택 사항이 아니라 필수 사항입니다. 부식성이 있고 불안정한 중간체를 가치 있는 연료 또는 화학 원료로 변환해야 합니다. 이를 달성하기 위한 주요 방법은 산소를 제거하고 안정적인 탄화수소를 생성하는 수소화탈산소화(HDO) 및 촉매 분해와 같은 화학 공정과 직접 연소를 위해 준비하는 유화와 같은 물리적 방법입니다.

원유 바이오 오일의 핵심 과제는 높은 산소 및 수분 함량으로 인해 산성을 띠고 불안정하며 기존 연료와 혼합되지 않는다는 점입니다. 따라서 모든 업그레이드 방법은 본질적으로 가치와 기존 에너지 인프라와의 호환성을 높이기 위한 탈산소화 및 안정화 전략입니다.

원유 바이오 오일 업그레이드가 필요한 이유

바이오매스의 급속 열분해로 생산되는 원유 바이오 오일은 물, 탄(char), 수백 가지의 산소 함유 유기 화합물의 복잡한 혼합물입니다. 이 독특한 구성은 널리 사용되기 전에 극복해야 할 몇 가지 중요한 기술적 문제를 야기합니다.

높은 산소 함량과 낮은 에너지 가치

원유 바이오 오일의 산소 함량은 무게 기준으로 최대 40-50%에 달할 수 있습니다. 이것이 발열량이 기존 원유의 절반에 불과한 낮은 이유의 근본 원인입니다. 업그레이드는 이 산소를 제거하여 최종 제품의 에너지 밀도를 높이는 것을 목표로 합니다.

화학적 불안정성 및 노화

바이오 오일은 열적으로 불안정합니다. 시간이 지남에 따라 또는 가열되면 반응성 성분(알데히드 및 케톤 등)이 중합되어 점도가 크게 증가합니다. 이 "노화" 과정은 액체 오일을 고체 슬러지로 변환시켜 저장 및 운송에 심각한 문제를 일으킬 수 있습니다.

높은 산도 및 부식성

유기산(주로 아세트산 및 포름산)의 존재로 인해 원유 바이오 오일은 산성도(pH 2-3)가 높습니다. 이러한 산도는 탄소강과 같은 표준 건축 자재에 부식을 일으키므로 취급 및 가공을 위해 더 비싸고 특수한 장비가 필요합니다.

화석 연료와의 혼합 불가

높은 산소 및 수분 함량으로 인한 바이오 오일의 높은 극성으로 인해 가솔린 및 디젤과 같은 비극성 탄화수소 연료와 혼합되지 않습니다. 이로 인해 사전 처리 없이는 기존 석유 정제소에서 쉽게 혼합하거나 공동 처리할 수 없습니다.

주요 화학적 업그레이드 경로

화학적 업그레이드는 주로 산소 제거를 통해 바이오 오일의 조성을 근본적으로 변경하기 위해 화학 결합을 끊고 형성하는 것을 포함합니다.

수소화탈산소화(HDO): 가장 직접적인 경로

수소화탈산소화(HDO)는 수소처리라고도 하며 가장 많이 연구되고 효과적인 업그레이드 방법입니다. 바이오 오일을 촉매 위에서 고온(300-400°C) 및 고압 조건에서 수소 가스와 반응시킵니다.

이 공정은 물 형태로 산소를 제거하고, 이중 결합을 포화시키며, 안정적인 탄화수소가 풍부한 생성물을 만듭니다. 생성된 오일은 훨씬 더 높은 발열량을 가지며 기존 원유 분획과 유사하여 "드롭인(drop-in)" 연료로 추가 정제하는 데 적합합니다.

촉매 분해: 정유 공장과의 통합

이 접근 방식은 대부분의 석유 정제소에 있는 표준 설비인 유동층 촉매 분해 장치(FCC)에 바이오 오일을 투입하는 것을 포함합니다. FCC 장치의 고온 및 촉매는 크고 산소 함유 분자를 더 작고 가치 있는 가솔린 범위의 탄화수소로 분해합니다.

일반적인 전략은 공동 처리(co-processing)로, 소량의 바이오 오일 스트림을 주요 석유 가스 오일 스트림과 함께 FCC에 공급하는 것입니다. 이는 수십억 달러 규모의 기존 인프라를 활용하지만 촉매 비활성화 및 코크스 생성과 관련된 상당한 문제를 야기합니다.

에스테르화: 안정화 전략

에스테르화는 바이오 오일의 부식성 카르복실산을 구체적으로 표적으로 합니다. 산 촉매 존재 하에 알코올(메탄올 또는 에탄올 등)과 오일을 반응시켜 유기산을 덜 부식성이 있고 더 안정한 에스테르로 전환합니다.

이 방법은 주로 바이오 오일의 저장 안정성을 개선하고 산도를 낮춥니다. 그러나 발열량을 크게 증가시키지는 않으므로 완전한 업그레이드 솔루션이라기보다는 전처리 단계로 간주되는 경우가 많습니다.

물리적 및 대안적 방법

이러한 방법들은 바이오 오일의 물리적 특성을 수정하거나 아예 다른 에너지 운반체로 변환하며, 종종 자본 투자가 적게 듭니다.

유화: 연소를 위한 더 간단한 접근 방식

유화는 물리적 혼합 공정입니다. 바이오 오일을 탄화수소 연료(일반적으로 디젤) 및 계면활성제와 혼합하여 안정적인 마이크로 에멀젼을 만듭니다.

이를 통해 최소한의 개조만으로 기존 디젤 엔진, 용광로 또는 보일러에서 바이오 오일을 연소시킬 수 있습니다. 이는 고정식 열 및 전력 생산을 위해 바이오 오일을 사용하는 실용적이고 저렴한 경로이지만 고품질의 수송 연료를 생산하지는 못합니다.

증기 개질: 연료 대신 수소 생산

바이오 오일을 액체 연료로 전환하는 대신, 증기 개질은 이를 원료로 사용하여 수소 또는 합성 가스(수소와 일산화탄소의 혼합물)를 생산합니다.

이 고온 공정에서 바이오 오일은 증기와 반응하여 기체 생성물을 생성합니다. 이는 바이오 오일을 직접적인 연료 대체재가 아닌, 중요한 산업 화학 물질 및 청정 에너지 운반체인 수소를 생산하기 위한 재생 가능한 공급원으로 자리매김하게 합니다.

상충 관계 이해

단 하나의 완벽한 업그레이드 방법은 없으며, 각각은 효과, 비용 및 복잡성의 균형을 이룹니다.

수소 딜레마

HDO는 매우 효과적이지만 다량의 고압 수소에 의존합니다. 이 수소를 생산하는 것은 에너지를 많이 소비하고 비용이 많이 들며, 공정의 경제적 타당성에 대한 주요 운영 비용 및 잠재적 병목 현상을 나타냅니다.

촉매 비활성화 및 코크스화

바이오 오일은 촉매에 매우 가혹합니다. 중합되는 경향이 코크스(탄소질 고체)를 생성하여 촉매 표면에 침착되어 활성 부위를 막고 효율성을 저하시킵니다. 이러한 급격한 비활성화는 특히 촉매 분해의 주요 기술적 장애물입니다.

공정 복잡성 대 제품 품질

업그레이드 공정의 강도와 최종 제품의 품질 사이에는 직접적인 관계가 있습니다. 에스테르화 또는 유화와 같은 온화하고 덜 비싼 방법은 응용 분야가 제한된 저품질 제품을 산출합니다. 반면에 HDO와 같은 자본 집약적인 공정은 고품질의 대체 가능한 탄화수소 연료를 생산합니다.

목표에 맞는 방법 선택

최적의 업그레이드 전략은 최종 제품 요구 사항과 운영 제약 조건에 따라 완전히 결정됩니다.

최종 목표가 드롭인 수송 연료 생산인 경우: HDO는 고품질의 정제소 준비된 탄화수소 제품을 만드는 가장 직접적인 경로이지만, 높은 자본 및 운영 비용이 수반됩니다.
기존 정제 인프라 활용이 주요 초점인 경우: FCC 장치에서의 공동 처리는 통합을 위한 매력적인 경로를 제공하지만, 코크스화 및 촉매 안정성 문제를 극복하기 위해 상당한 연구가 여전히 필요합니다.
보관 또는 지역 사용을 위해 바이오 오일을 안정화하는 것이 주요 초점인 경우: 에스테르화는 부식성을 줄이고 운송 또는 보관 중 오일의 분해를 방지하기 위한 표적화되고 비용 효율적인 방법을 제공합니다.
고정식 엔진 또는 보일러에서 즉시 사용하는 것이 주요 초점인 경우: 유화는 고정식 전력 응용 분야에서 난방유 또는 디젤의 대체재로 바이오 오일을 사용하는 가장 실용적이고 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다.

궁극적으로 올바른 바이오 오일 업그레이드 전략을 선택하는 것은 최종 제품 요구 사항, 사용 가능한 인프라 및 경제적 제약 조건에 대한 명확한 평가에 달려 있습니다.

요약표:

방법	주요 공정	주요 목표	주요 장점	주요 과제
수소화탈산소화(HDO)	촉매를 이용한 고압 H₂	정제소 준비된 탄화수소 생산	최고 품질, 드롭인 연료 잠재력	높은 수소 소비 및 비용
촉매 분해	촉매를 이용한 FCC 장치 내 분해	석유 스트림과의 공동 처리	기존 정제 인프라 활용	코크스화로 인한 촉매 비활성화
에스테르화	알코올 및 촉매와의 반응	산도 감소 및 안정성 향상	저비용 안정화	에너지 가치를 크게 증가시키지 않음
유화	디젤 및 계면활성제와의 혼합	엔진/보일러에서 직접 연소 가능하게 함	열/전력용 간단하고 저렴함	수송 연료가 아닌 저품질 제품
증기 개질	고온에서 증기와의 반응	수소/합성 가스 생산	청정 에너지 운반체(H₂) 생성	제품을 액체 연료에서 가스로 전환