유준재 교수님 1팀

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : Coke Oven Gas를 이용한 알데하이드 생산 공정 모델링

영문 : Modeling an Aldehyde Production Process Using Coke Oven Gas

과제 팀명

유준재교수님 1팀

지도교수

유준재 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20223400** 전*진(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20193400** 최*현

서울시립대학교 화학공학과 20203400** 남*현

서울시립대학교 화학공학과 20223400** 김*영

서울시립대학교 화학공학과 20223400** 이*민

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 인구의 기하급수적인 증가와 이에 따른 산업 발전으로 인해 에너지 수요가 급격히 증가함에 따라 과거에는 주로 화석연료를 통해 에너지가 공급되어 왔다. 현재의 탄소 기반 에너지 시스템은 글로벌 연료자원의 고갈과 기후변화에 대응해야 하며, 이에 따라 새로운 재생 가능 에너지원의 탐색과 화석연료의 지속가능한 활용이 에너지 공급망의 핵심 과제로 부상하고 있다. 산업 부문 중 철강산업은 가장 많은 에너지를 소비하는 분야로, 전 세계 CO₂ 배출량의 약 9%를 차지한다. 이 산업에서 생성되는 COG(Coke Oven Gas)는 연료이자 환원제로 사용되며, 석탄을 Coke Oven Battery에서 고온으로 산소 없이 가열해 생산된다. COG는 높은 함량의 수소와 유용한 화합물을 포함하고 있어, 여러 산업 폐가스 중에서도 특히 주목받는 자원이다.

◇ Formaldehyde는 전 세계적으로 연간 약 2,500만~3,000만 톤 이상이 생산되어 소비되는 대표적인 기초 화학물질로, 산업적 가치가 매우 큰 물질이다. 높은 반응성과 저렴한 원가 덕분에 다양한 부가가치 화학제품의 전구체로 활용되며, 특히 Melamine - Phenol 수지·요소 수지 등 고부가가치 수지 생산에 핵심적으로 사용된다. 이러한 수지는 접착제, 합판, 파티클보드, MDF, 단열재 제조에 필수적인 성분으로, 건축·가구 산업 전반에서 막대한 수요를 차지한다. 경제적 측면에서도 Formaldehyde는 매우 중요한데, 특히 COG와 같은 철강 산업 부생가스를 원료로 활용할 경우 저부가가치 가스를 고부가가치 화학물질로 전환할 수 있어, 자원 활용 효율을 높이는 동시에 온실가스 저감 효과까지 달성할 수 있다.

◇ 본 연구는 화석연료의 지속가능한 활용을 목표로, Coke Oven Battery에서 생산된 raw COG를 기반으로 Syngas를 생산하여, 최종적으로 고부가가치 물질인 Aldehyde를 얻는 것을 목표로 한다.

◇ 먼저, raw COG는 냉각 공정을 거쳐 온도를 낮춘 후, H₂S/NH₃/BTX scrubber를 통해 해당 물질들을 제거한다. 이후, desorption 공정을 통해 흡수된 성분을 탈착시켜 용매를 재순환한다. 이 일련의 purification 과정을 통해 clean COG를 생산하게 된다. 정제된 clean COG에는 합성연료 (Syngas)와 Olefin을 포함하고 있다. 본 연구는 크게 두 경로로 Formaldehyde를 생산하고자 한다. 먼저, Syngas를 Methanol로 합성하여 Formaldehyde를 생산하고자 한다. 두 번째로는, 대표적 Olefin 물질인 Ethylene을 합성하여 Formaldehyde를 생산하고자 한다. 이처럼 COG를 활용하여 Formaldehyde를 생산해내는 공정을 통합하여 구성하고자 한다.

◇ 마지막으로, 구축된 Aspen Plus 시뮬레이션 모델을 바탕으로 TEA를 수행하여 경제성을 평가하고, 이를 통해 공정의 실현 가능성을 검토한다. 더 나아가, 해당 공정이 관련 산업 전반에 미칠 수 있는 경제적 파급 효과를 분석한다.

개발 과제의 배경

◇ 그림 1을 보면 20세기 이후 인구의 빠른 증가와 산업화의 가속으로 글로벌 에너지 수요는 빠르게 증가하는 추세이다. 이러한 수요는 주로 화석연료의 연소 및 활용으로 충당되었으나, 지구온난화와 환경오염 문제의 발생으로 친환경 에너지 공급원의 개발, 기존 화석 연료의 개질을 통한 탄소 배출 저감 및 환경오염 감축이 요구되고 있다.

그림 1. Global direct primary energy consumption (Energy Institute - Statistical Review of World Energy (2024))

◇ Coke Oven Gas (COG)는 철강 산업의 주요 열원인 코크스의 주 부산물로, 석탄을 무/저산소 조건에서 고온 가열하는 공정에서 생성된다. 과거 COG는 다량의 수소, CH4 등의 가연 성분에 집중하여 단순히 연료로 사용하였다 (그림 2). 그러나 기술의 개발로 CH4를 활용한 SMR (Steam Methane Reforming), WGS (Water-Gas Shift) 등의 공정이 도입되어 Syngas와 수소 생산의 가능성이 입증되었고, COG 내 성분을 다양하게 활용한 고부가가치 생산 공정 연구가 관심을 모으기 시작하였다.

그림 2. Composition of COG (이전 연구에서 발췌)

◇ Syngas는 COG를 통해 얻을 수 있는 대표적인 핵심 원료로, 수소와 CO의 혼합 가스이다. Fisher-Tropsch 합성, Methanol 합성 등 다양한 공정의 원료로 활용되며 꾸준한 산업적 수요를 보이고 있다. 대표적인 Syngas의 생산 원리는 상술한 SMR (Steam Methane Reforming)과 부분 산화 (Partial oxidation)이다. SMR은 CH4를 수증기와 함께 개질하여 Syngas를 얻는 방식이고, 부분 산화는 제한된 산소량에서 CH4를 반응시켜 Syngas를 얻는 방식이다. 본 연구에서는 일차적으로 가치 있는 Olefin 성분을 분리한 후, 남은 COG를 Syngas로 변환하는 공정을 제시할 것이다.

◇ Formaldehyde는 1859년 발견되어 1868년 생산법이 확립된 이래, 가장 중요한 화학적 중간체의 일종으로 간주되어 왔다. 접착제, 고분자 화합물, 페인트, 코팅제 등 산업적으로 광범위하게 활용되는 Formaldehyde의 수요를 충족하기 위해 다양한 생산 공정이 고안되었고, 최초 생산법이었던 Methanol-공기 혼합 증기의 백금 촉매 반응을 시작점으로 수율 제고를 위한 촉매 개발과 공정 개발이 지속되어 왔다.

◇ 다양한 연구에도 불구하고, formaldehyde의 주 생산 방법은 여전히 Methanol을 원료로 한다. 현재 주로 활용되는 BASF 공정 (Water Ballast Process)는 Methanol-물의 혼합물을 사용하며, ICI/Degussa 공정은 Methanol-공기 혼합물을 사용한다. 하지만 두 공정 모두 700K 이상의 고온을 필요로 하기에 대량의 에너지를 요구하는 문제가 있다. 이를 극복하기 위해 최근 주목받는 Formox Process는 Methanol-공기 혼합물을 기존 silver 촉매가 아닌 철-몰리브덴 촉매에 통과시키는 방식으로 550~600 K의 상대적 저온의 반응 조건을 확보하며 에너지 효율을 제고하였다. 하지만 선행 연구에서는 단일 반응기에 대한 반응 조건을 위주로 연구하였기에, 공정 전반에 대한 경제성 및 에너지 분석이 부족한 상태이다.

◇ 따라서 본 연구는 COG – Syngas – Methanol – Formaldehyde까지의 전 생산 공정을 Aspen Plus를 통해 모사 및 연결하고, Formaldehyde 생산 효율을 분석한다. 또한 Syngas 생산 공정 이전에 Olefin을 선제적 분리하여 이를 활용한 고부가가치 부산물 공정을 모사한다. 그림 2에서 활용되는 Olefin인 Ethylene (C2H4)와 Propylene (C3H6)를 각각 분리하여, 가치 있는 물질을 생산하는 Oxidation 공정을 설계한다.

◇ 이를 통해 COG로부터 고부가가치 생산물을 만드는 다양한 공정의 흐름 포트폴리오를 완성한다. 또한 각 공정의 효율 및 경제성 평가를 통해 공정의 현실성과 기술적 타당성을 평가한다. 본 연구로 COG 통합 활용 공정 구조를 완성함으로써 COG를 보다 가치 있게 활용하는 방법론을 제시하고 지구온난화 예방, 탄소 배출 저감에 기여할 수 있을 것이다. 또한 고부가가치 화학제품 전환의 방향 제시로 순환경제 구현과 지속가능한 화학 산업의 패러다임 구축을 돕는다. 궁극적으로 온실가스 배출 저감과 경제적 효율성을 달성하고 탄소 중립 사회로의 전환 가속에 힘을 싣고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 따라서 본 연구는 2가지의 큰 갈래로 진행된다. 먼저 첫 번째로 COG – Syngas – Methanol – Formaldehyde까지의 전 생산 공정을 Aspen Plus를 통해 모사 및 연결하고, Formaldehyde 생산 효율을 분석한다. Methanol – Formaldehyde 공정에 기존 연구된 반응기를 도입하여 세부 모사하면서, 차세대 반응기가 도입된 신공정의 운용 효율 검증을 통해 공정의 현실성을 보인다. 위 공정을 구현하는 과정에서, 정제하지 않은 COG에는 NH₃, H₂S, 고체 불순물이 포함되어 있으므로 이를 H₂S 0.01 ppmv 이하, NH₃ 0.1 ppmv 이하, BTX 5 ppmv 이하로 제거하는 것을 목표로 한다. 또한 Methanol 합성 비율에 맞는 Syngas를 제조하기 위하여 CH4를 chemical looping 공정을 통해 H2, CO 비율을 조절한다. Methanol로부터 Formaldehyde를 메탄올 잔존 0.5 wt% 이하, 금속 불순물 1 ppmv 이하로 생산하는 것을 목표로 한다.

◇ 또한 두 번째로 COG 내 Olefin 성분을 활용한 고부가가치 부산물 공정을 모사하고 그 효용을 확인한다. 이를 위해 COG에서 Syngas 생산 공정으로 진행하기 이전 Olefin 성분을 선제적 분리한다. Figure 2에서 확인되는 Olefin인 Ethylene (C2H4)와 Propylene (C3H6)를 각각 활용, Ethylene으로는 Formaldehyde 생산 공정을, Propylene으로는 Propylene oxide, Acrylic acid 등의 생산 공정을 선택하여 연구한다.

◇ 앞선 두 갈래의 공정 모사로 COG를 원료로 하는 고부가가치 물질 생산 공정을 구현한 후, 기술-경제성 평가 (Techno-Economic Analysis, TEA)를 통해 설계한 공정의 현실적, 경제적 타당성을 검토하여 공정 완성도를 종합적으로 판단한다.

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용