원유처리과정에서 나오는 찌꺼기를 어떻게 재활용할 수 있습니까?

석유정제는 원유의 주성분인 탄화수소의 혼합물들을 비등점 차이에 따라 분류하는 증류과정과 이 증류과정을 통해 뽑아 낸 여러 가지 유분 중에 포함되어 있는 불순물을 제거하고, 또 촉매를 첨가하여 탄화수소에 반응을 일으켜 성질이 다른 탄화수소를 만들어 내는 전화(분해, 개질) 과정으로 나뉜다. 이와 같은 증류, 탈황, 분해, 개질 등의 공정을 총칭하여 석유 정제라고 한다.

원유 정제 과정에서는 다양한 부산물이 생성되며, 대표적으로 잔사유, 아스팔트, 황, 폐촉매 등이 있다. 이 중 중질유(잔사유)는 끓는점이 높고 점도가 크며, 황 및 금속 성분이 많이 포함되어 있어 석유화학 연료로 직접 활용하기에는 한계가 있다. 따라서 일부는 도로용 아스팔트나 발전용 연료 등으로 사용되며, 고도화 설비를 통해 분해·개질 과정을 거쳐 경질유로 전환되어 석유화학 원료로 활용되기도 한다. 또한 정유 공정에서 발생하는 부산물 중 하나인 석유 코크스는 추가 가공을 통해 인조 흑연으로 전환되어 리튬이차전지 음극재로 활용되는 등, 고부가가치 소재로 재활용되고 있다.

최근에는 정유 부산물의 고부가가치 재활용이 더욱 활발해지고 있다. 포스코퓨처엠은 정유 부산물인 석유코크스를 원료로 인조흑연 음극재를 생산하고 있으며, 천연흑연과 인조흑연을 혼용하면서 인조흑연의 비중을 늘리는 추세이다. 또한 정유 잔사유에서 추출한 피치(Pitch)를 탄소섬유와 고기능성 탄소소재의 원료로 활용하는 기술도 상용화되고 있다.

이차전지 산업의 급성장에 따라 원유 찌꺼기로부터 배터리용 음극재, 도전재, 탄소나노튜브(CNT) 등의 고부가가치 소재를 생산하는 석유화학-배터리 융합 비즈니스가 새로운 수익 모델로 주목받고 있다. 국내 정유사들도 잔사유의 탄소소재 전환 R&D에 적극 투자하고 있다.

해설 및 핵심용어 정리

(1) 원유(Crude Oil)

흑갈색의 끈적끈적한 가연성 액체로 여러 가지 탄화수소 화합물을 주성분으로 하고 있으며, 이밖에 불순물로 황, 산소 및 질소 화합물 등을 함유하고 있다. 일반적으로 유정에서 나온 천연 상태 그대로의 석유를 원유라고 부르는데, 가스가 상부로 올라오면서 액체로 변화된 콘덴세이트와 같은 것도 원유로 취급하는 경우도 있다. 세계적으로 유통되는 원유는 여러 유전의 원유를 혼합한 것이 대부분인데, 유전의 명칭과 반드시 일치하지는 않는다. 대표적인 원유인 아라비안라이트는 파라핀계의 중간기 원유로서 휘발유·경유 경질유분이 약간 많은 경질 원유이다. 그대로 연료유로 사용되기도 하지만 보통 고유황 원유로 분류되어 잔사유는 탈황 장치를 거쳐야 한다. 천연으로 산출하는 액체의 탄화수소로 흑갈색을 띤 석유계 연료를 말하며, 이 원유로부터 얻어진 가솔린, 등유, 경유 및 각종 증류 정제품을 총칭하여 석유라 한다. 원유가 어느 계의 탄화수소를 주성분으로 하고 있는가에 따라 파라핀기원유, 나프텐기원유, 중간기원유(앞의 두 개의 중간), 특수원유(방향족이 많은 것)의 4종류로 분리된다.

원유의 조성은 산지에 따라 다소 다르지만, 대략 탄소(75~90%), 수소(8~25%), 산소(0~3.3%), 질소(0~2%), 황(0~5%)이고, 발열량은 40~50MJ/kg정도이다. 또한 분류에 의해 가솔린(비점 320~470K), 등유(450~570K), 경유(470~600K), 중유(520~630K)등으로 비점이 낮은 순으로 정제된다. 이와 같이 원유를 처리해서 각종 석유 제품을 제조하는 공정을 석유 정제라 하며, 이것은 원유의 성분을 분리하는 증류와 분리한 것을 사용 목적에 맞도록 물리적, 화학적인 처리를 하여 최종적인 제품을 만드는 정제로 되어 있다.

(2) 원유의 종류

가. 나프타(Naphtha)

이것은 거친 가솔린 또는 중질 가솔린으로 불리는 석유성분의 하나로 가솔린과 등유의 중간정도의 성분을 가지고 있다. 나프타는 옥탄가가 낮기 때문에 내연기관용 연료보다는 가솔린 조합원료 및 석유 화학 공업용 원료로 이용되는 경우가 많다. 나프타의 성상을 구성하고 있는 탄화수소의 종류에 의해 파라핀계, 나프텐계 및 방향족계가 있다.

경질 나프타(끓는점 100℃ 이하)와 중질 나프타(끓는점 약 100∼200℃)로 구분된다.

나. 휘발유(Gasoline)

나프타와 같은 비점의 석유제품이나, 조성상 내연기관에 적당하도록 제조된 경질 석유제품으로 휘발유라 한다. 이것은 제조 방법에 의해 습성천연가스로부터 분리되는 천연가솔린(natural gasoline), 원유의 정유에 의해 제조되는 직류가솔린(straight-run gasoline), 가압 하에서 중질 석유잔분을 분해하여 제조하는 분해가솔린(cracked gasoline), 직류가솔린의 개질에 의해 제조되는 개질 가솔린(reformed gasoline), 저급 올레핀계 탄화수소를 중합시켜 제조하는 옥탄가가 높은 중합가솔린(polymer gasoline) 등이 있다. 비중은 0.65~0.75. 발열량은 46MJ/kg 정도이다.

다. 등유(Kerosene)

운유를 분류할 때, 150~300℃에서 유출하는 유분을 발하며, 주성분은 데칸(CH)에서 헥사데칸(CH)까지의 탄화수소이다. 등유는 등불용으로 상당히 중요한 석유 제품이었기 때문에 지금도 이것을 석유라고 불리고 있다. 등유는 난방 및 주방용, 석유발동기용, 제트연료의 원료, 등불용, 기계세정용 및 석유제의 원료로 이용되고 있다. 가정용 연료로는 연소가스를 실내에 방출하기 때문에 잘 정제된 연소하기 쉬운 파라핀계 탄화수소를 주체로 한 백등유를 사용하며, 일반적으로 농업용 기기에는 다 등유를 사용하고 있다.

라. 경유(Light Oil)

원유의 200~350℃사이에서 유출하는 유분으로, 경유는 석유기관이나 고속 디젤기관 연료, 수성가스 발열용, 석탄가스 중의 액화 성분 회수용 및 분해가솔린 제조용 등에 이용되고 있다. 고속 디젤용 연료에 대한 품질은 엄격하기 때문에 경유의 품질은 세탄가가 높고 착화성이 좋고 또한 부식 성분을 포함하지 않는다. 비중은 0.83~0.88, 발열량은 42MJ/kg정도이다.

마. 중유(Heavy Oil)

중유에는 직류중유, 분해중유, 혼합중유의 3가지가 있다. 직류중유는 상압잔유 혹은 감압 하에서 증류하여 경질분을 유출한 후의 감압잔류를 가리킨다. 또한 분해중유는 가열 분해에 의해서 직류중유를 분해하여 가솔린을 뽑아낸 잔류 및 접촉분해에 의해 가솔린을 제조한 잔류를 말한다. 접촉 분해에 의한 잔류는 올레핀 및 유리탄소를 많이 포함하고 있어 불안정하기 때문에 직류중유와 혼합하여 사용하는 경우가 많다. 이것을 혼합 중유라 한다. 일반적으로는 A, B, C중유로 분류하는데, A중유는 유황분, 회분이 적고 점성이 작아 요업용, 제련용, 소중형 저속디젤기관용으로 사용된다. B중유는 수분, 유황분, 점성, 잔류탄소분이 비교적 적어 대형 저속디젤기관용 및 소구기관용 연료로 사용된다. C중유는 수분, 회분, 유황분이 많고 점성도 커 가열로용, 화력발전용 연료로 사용된다.