- 철강산업의 부생가스에서 수소, 일산화탄소 분리 회수하는 차세대 분리막 공정 기술이전

- 상용화 시 경제적 효과 및 온실가스 저감 기여, 현재 실증 플랜트 공정기술 개발 중

활용도가 낮았던 철강산업 부생가스로부터 유용한 자원인 수소와 일산화탄소를 분리·정제하는 분리막* 공정이 국내 독자 기술로 개발돼 기술을 이전한다. 상용화 시 지금보다 저렴한 가격으로 수소와 일산화탄소를 생산하고 온실가스 감축에 기여할 것으로 기대된다.

* 여러 기체가 혼합되어 있는 물질 중에, 원하는 기체만 선택적으로 분리할 수 있는 막 소재를 가지고, 막을 직병렬로 다단으로 연결하여 원하는 기체의 순도 및 회수율을 높이는 정제기술

한국화학연구원(원장 이미혜)은 단일가스켐(주)(대표 장세훈)과 지난 12월 21일, 화학연 중회의실에서 철강 부생가스 속 수소와 일산화탄소를 고순도로 회수하는 분리막 공정 기술이전 협약식을 열었다. 이날 행사에는 화학연 이미혜 원장, 단일가스켐(주) 장세훈 대표 등 관계자 6명이 참석했다.

(좌부터) 단일가스켐(주) 신재욱 연구소장, 장세훈 대표, 한국화학연구원 이미혜 원장, 김정훈 박사, 전기원 단장, 황영규 본부장

철강산업에서 나오는 부생가스는 국내 연간 8천만 톤으로 추정된다*. 부생가스에는 수소, 일산화탄소 등이 섞여 있어 이를 분리·정제하면 고부가가치 자원으로 활용될 수 있음에도 불구하고 현재 부생가스 대부분이 발전 연료로만 사용되고 있다. 발전 효율은 약 38%대로 낮으며 그 과정에서 3천만 톤 이상의 이산화탄소가 발생한다.

* 출처: 산업통상자원부 에너지관리공단 부생가스 발생 및 이용현황보고서(2015)

부생가스로부터 수소와 일산화탄소를 분리·정제하는 기술은 난이도가 높아 국내에는 독자 기술이 없다. 미국, 중국 등 일부 국가에서만 흡착법(PSA*) 공정을 상용화해 독점적으로 운영하고 있으며, 우리나라에서도 일부 기업에서 해외 흡착법 상용 공정을 수입해 소규모 플랜트를 시범운영하고 있는 상황이다. 그러나 기존 흡착법은 고압에서 운전되며 가스 회수율이 낮아서 플랜트 제작·운영 비용 및 에너지가 많이 드는 단점을 가지고 있다.

* Pressure Swing Adsorption

화학공정연구본부 김정훈 박사팀은 기존 상용 흡착법 기술의 문제점을 해결하기 위해, 철강 부생가스로부터 수소와 일산화탄소를 회수하는 분리막 기술을 세계 최초로 개발했다. 

연구팀은 95% 이상의 고순도 수소를 95% 이상 회수하고, 99% 이상의 고순도 일산화탄소를 90% 이상 회수하는 분리막 원천기술을 각각 개발했다. 개발된 분리막 공정은 상용 흡착법에 비해 공정이 간단하면서도 회수율이 높아 적은 비용과 낮은 에너지로도 운영될 수 있다*.

* 회수율: 투입된 원료 대비 최종 생성물/고순도: 총 물질 중 주성분인 순물질이 차지하는 비율이 높음.

수소 회수 막 분리 미니 파일럿

개발 기술을 활용해 국내 철강 부생가스에서 수소와 일산화탄소를 회수할 경우 경제적 효과가 크다. 수소를 회수할 경우 현재 수소 제조 가격의 약 60% 가격으로 수소를 얻을 수 있고*, 일산화탄소 회수시 현재 일산화탄소 시장 가격의 약 66% 가격으로 일산화탄소를 얻을 수 있다**.

* 개발된 수소 분리막 공정 원천기술을 스케일 업한 상용 플랜트 10,000Nm3/h설계를 바탕으로 경제성 분석 결과 부생가스의 일종인 코크스로 가스(COG)의 H2를 회수할 시 1kg당 회수단가는 1,876원으로 현재 수소 제조가격 3,000원과 비교해 경제성이 우수하다.

** 개발된 일산화탄소 분리막 공정 원천기술을 스케일 업한 10,000Nm3/h 상용 플랜트를 바탕으로 경제성 평가 결과 부생가스의 일종인 전로가스(LDG)로부터 일산화탄소(CO) 회수의 경우 CO 1Nm3당 회수단가가 331.7원으로 현재의 CO 시장가격 500원과 비교해 경제성이 우수하다.

일산화탄소 회수 막 분리 미니 파일럿

또한 본 공정을 활용하면, 기존 천연가스·석유화학 촉매 공정으로 생산하는 수소와 일산화탄소 일부를 대체할 수 있어 기존 석유화학산업 공정으로부터 발생하는 이산화탄소를 감축할 수 있다. 

구체적으로는 부생가스로부터 수소 1톤 생산 시 2.46톤의 이산화탄소를, 일산화탄소 1톤 생산 시 2.21톤의 이산화탄소를 감축할 수 있다. 2030년 이후 각각 10만 톤을 생산할 경우 이산화탄소 감축량은 매년 약 66.7만 톤으로 예상된다.

연구팀은 본 기술 관련 국내외 특허 출원 및 등록을 10건 완료했으며, 세계 최고 수준의 분리막 분야 SCI 논문인 J. Membrane Science와 Polymer J. 등에 4편 이상 게재했다.

현재 화학연 연구팀과 기술이전 기업 단일가스켐(주)는 수소 회수 분리막 공정 원천기술을 토대로 상용화 전 단계인 스케일 업 실증 플랜트 기술을 공동 개발하고 있다. 향후 일산화탄소 분리막 파일럿 공정 실증 기술도 개발 추진할 예정이다.

연구책임자 김정훈 박사는 “스케일 업 실증화가 향후 상용화로 연결되면 전 세계 철강회사에 수출할 수 있는 기회가 열릴 수 있다. 전 세계 부생가스 속 수소와 일산화탄소를 자원화하면 수소경제 활성화 등 경제적 효과를 창출할 수 있다. 

더불어 국내외 철강산업의 온실가스 감축과 탄소중립에도 크게 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

본 연구성과는 과학기술정보통신부 차세대 탄소자원화 사업(단장 전기원)의 지원을 받아 수행되었다.

문의: 차세대탄소자원화연구단 전기원 단장(042-860-7671, 010-3464-3520)

김정훈 책임연구원(042-860-7513, 010-9822-4388)