정원호 박사 (C1 가스 리파이너리 사업단), 이진원 교수(서강대 화공생명공학과), 하경수 교수 (서강대 화공생명공학과) 연구진은 대표적인 화석연료 자원이면서 온실가스이기도 한 메탄 자원을 저온의 플라즈마 기술과 유전체 촉매 기술을 활용하여 에틸렌, 수소 등 고부가 화합물로 전환시키는 연구를 수행하였다.

 

 

 

 기존에는, 메탄을 초고온 (섭씨 1500도 이상)에서 아세틸렌화하여 C2 화합물 (탄소수가 2인 탄화수소)을 제조하는 기술이 상용화되어 있었다. 또한, 산화제를 사용하여 이량화하는 산화이량화 (oxidative coupling of methane)기술과 산소를 사용하지 않는 촉매전환법이 다른 한편에서 개발되어 오고 있었다. 산화이량화법은 800도가 넘는 반응온도가 필요하고, 무촉매 전환법은 촉매 제조 조건과 반응조건이 1000도에 이르는 고운이라 반응기 재질 선정, 촉매의 변성, 코크 생성 등의 문제를 안고 있다.

이에 비해 유전체 장벽이라는 소재의 특수성으로부터 상온에서 유도되는 유전체 장벽 플라즈마 방전(DBD 플라즈마 방전) 기술은 메탄의 라디칼화를 저온에서 선택적으로 이끌어내어 경질 탄화수소를 비교적 높은 전환율과 수율로 얻을 수 있는 기술이며, 여기에 선택도 조절 유전체 촉매를 활용함으로써 생성물의 분포도를 조절할 수 있다.

본 연구에서는, 에틸렌을 제조하는 기존의 에탄 크래킹 센터 (Ethane Cracking Center)의 생산성을 향상시키는 방향으로 저온플라즈마 반응기를 사용하는 신공정안을 제안하고 이들이 기술경제성 관점에서 타당하다는 것을 정량적으로 보였다. 천연가스 혹은 셰일가스전의 가스 중 일부 (5 - 15%의 에탄, 프로판 등)만 ECC의 피드로 사용되고, 대부분의 메탄은 열원을 충당하거나 전기를 발생시키기 위해 사용된다. 본 연구진은 활용도가 상대적으로 낮은 메탄을 에틸렌으로 전환시킴으로써 전체적인 생산성을 향상시키고자 하였다. 메탄을 별도의 저온 플라즈마 반응기에서 C2 - C4의 화합물로 우선 전환시키고, 이중 에틸렌은 생성물로, 아세틸렌은 수소화 후 생성물로 전환시키고, 에탄과 프로판 등 포화탄화수소는 ECC의 피드로 보내어 올레핀 (에틸렌, 프로필렌)을 생산하는 구조를 제안하였다. 플라즈마 반응기에 사용되는 촉매에 따라 불포화탄화수소 선택도가 높은 공정과 포화탄화수소 선택도가 높은 공정으로 구분하여 각각의 공정이 최고의 효율을 갖는 구조를 제안하고, 이들의 기술경제성을 분석하였다. 이 과정에서 소요되는 전력양과 비용을 결정하기 위하여 전기회로 모델을 제안하고 이를 정량화한 점이 높이 평가 받았다.

 

 

Fig.1  (a) A combined production technology for ethylene and hydrogen with ECC and DBD plasma reactor. (b) Detailed process flow diagram of a DBD plasma reactor part. (c) Schematic of ECC. ECC consists of the furnace (FN-1), cold box (HE-2, 3, 4, and 5), series distillation columns, and hydrogenation reactor (R-1). CL-1: demethanizer, CL-2: deethanizer, CL-3: depropanizer, CL-4: debutanizer, and CL-5: C2 splitter.

 

 

 이로써, 신공정으로 얻어진 에틸렌의 가격이 기존 공정에서 얻어진 가격과 격차가 크지 않아 상용화에 대한 가능성이 높았으며, 경쟁기술 대비해서도 높은 경쟁력을 보였다. 또한, 신재생 에너지 활용에 대한 가능성도 높은 것으로 드러났다. 

 

 

Fig. 2. Performance summary; (a) LCE (에틸렌 생산가격 의미) comparison results with other ethylene production technologies. MTO: methanol-to-olefins, OCM: oxidative coupling of methane, and Gsf: gasification of biomass. 

 

 향후 이산화탄소의 전주기적 발자국을 추적하는 LCA (life cycle assessment) 연구를 추가 수행하여 경제성 뿐만 아니라 친환경 기술로서의 가능성도 평가하고자 한다.

 

 메탄전환을 위한 저온플라즈마 기술과 이를 활용한 에틸렌 생산공정안의 경제성 평가 결과는 Chemical Engineering Journal 에 발표되었다 (IF 16.74, "A Combined Production Technology for Ethylene and Hydrogen with an Ethane Cracking Center and Dielectric Barrier Discharge Plasma Reactor", https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142155)

 

 

 

연구실 홈페이지: https://sites.google.com/view/kshalab

논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142155