[미국] 석탄에서 청정 중간유분 연료를 생산하기 위한 공정
석탄에서 청정한 중간유분 연료를 생산하면서도 배출은 최소화하는 새로운 공정이 개발되었다. 펜실베니아주립대학(Penn State University) EMS 에너지연구소(EMS Energy Institute)는 역청탄(Bituminous Coal)에서 액체를 만들기 위한 새로운 용매추출공정(Solvent Extraction Process)을 개발 및 테스트하였다. 그리고 연구진은 새로운 공정을 통해 얻어진 연료가 소규모 제트 엔진, 디젤엔진 기반의 픽업트럭, 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell) 등의 다양한 분야에 성공적으로 활용할 수 있음을 보여주었다.
이번 공정의 핵심은 정제공정 중 발생하는 부산물인 접촉분해경유(Light Cycle Oil)를 포함한 석탄을 추출하고, 잔류고형물을 분리한 후 황을 제거하기 위해 수소처리하고, 아로마틱 화합물을 제거하기 위해 수소화 과정을 진행한 후 최종적으로 연료 물질을 확보하기 위해 증류하는 것이다. 3단계의 추출 과정을 통해 얻어지는 최적 수율은 최대 75% 수준이며, 수소처리 및 수소화 추출 공정에서 얻어지는 중질유분 연료의 최대 수율은 80%인 것으로 나타났다. 여기서 사용되는 용매는 공정의 처음 단계로 되돌아가서 재활용될 수 있다.
공정을 통해 얻어지는 액상 제품은 항공유 분야에서 활용이 가능하다. 이들은 Jet A나 JP-8 연료를 바로 대체하여 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 Jet A나 JP-8 연료보다 높은 온도에서도 열분해에 대한 저항성이 높다. F-35와 같은 고성능 항공기의 열을 조절하는데 이 연료를 활용할 수 있다. 또한 중간유분은 석유를 기반으로 얻어진 디젤과 완전하게 호환되며, 경차량 분야에 적용이 가능하다. 이 외의 다른 분야에서 디젤을 활용할 수 있는지에 대해서는 아직 테스트가 이루어지지 않았다.
석탄을 액체연료로 변환하는 공정은 많은 환경적 이슈를 불러일으키고 있다. 연구진은 환경적인 배출을 거의 0의 수준으로 저감하기 위해 성공적으로 입증된 추출, 분리, 수소처리, 수소화 및 증류의 핵심 공정들을 다른 공정과 연계하는 개념적인 공정(Conceptual Process)을 설계하였다. 수소처리 및 수소화 단계에서 필요한 수소의 대부분은 태양광발전과 같이 탄소를 배출하지 않는 발전을 통해 얻어진 전기를 물 분해 공정에 적용하여 확보한다. 그리고 수소처리 공정에서 필연적으로 만들어지는 황화수소를 분리하기 위해 새로운 촉매 공정을 적용하는 방안을 도출하였다. 여기서 분리된 수소는 공정에 재활용하고, 회수된 황은 판매가 가능한 부산물로 이용한다.
추가적으로 필요한 수소는 최종 추출 단계를 거친 후 잔류하는 석탄을 가스화하여 얻어진다. 고온 가스화(Gasification)과정은 석탄의 광물성분을 용해하여 슬래그(Slag)를 만들고 이를 유리 제품으로 사용하여 도로포장에서 사용되는 채움재로 활용할 수 있다. 그리고 CO2 포획과정에서 얻어지는 중질잔류물이나 바이오매스(Biomass)는 가스화 장치에 함께 투입될 수 있다.
CO2 원료에는 연소히터나 가스화장치에서 발생하는 배출물을 포함한다. 원료 가스를 CO2-H2 혼합물로 변환한 후 원하는 수소를 분리하는 과정에서 CO2가 발생하는 것이다. 포획된 탄소는 조류 광생물반응기(Algae Photobioreactor)에서 사용될 수 있다. 이를 통해 바이오오일을 생산할 수 있으며, 이는 석탄에서 얻어진 오일제품과 혼합할 수 있다. 그리고 광생물반응기를 통해 사용된 조류를 가스화 장치에 재활용할 수 있다.
전체적으로 요약하자면 새로운 공정에서 투입되는 것은 석탄, 물, 비탄소 전기 및 추출과정을 위한 용매이다. 이를 통해 항공기나 디젤엔진에 적합한 청정연료, 다양한 화학분야에 활용이 가능한 황, 용융고화슬래그 등을 생산할 수 있다. 그리고 이 과정에서 CO2 배출은 최소화될 것으로 기대된다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 8월 12일]
[원문보기]
Process concept for a zero-emission route to clean middle-distillate fuels from coal
A novel process configuration has been developed for producing clean middle-distillate fuels from coal with minimal emissions. The EMS Energy Institute at Penn State University has developed and tested a solvent extraction process for making liquids from bituminous coals, and has shown the successful use of these fuels in small jet engines, a diesel-engine pickup truck, and a solid oxide fuel cell. The core of the process involves extracting coals with light cycle oil, a refinery byproduct, separating the residual solids, hydrotreating the liquid to remove sulfur, hydrogenating to eliminate aromatic compounds, and finally distilling to obtain the fuel products, which represent the majority of the liquid yield. The optimum yield of the raw extract, after three stages of extraction, is as high as 75%. The recovery of middle-distillate fuels from the hydrotreated and hydrogenated extract is up to 80%. A solvent stream would be recycled back to the front end of the process.
The liquid product is of particular interest as an aviation fuel. It appears to be suitable as a potential drop-in replacement for Jet A or JP-8 fuels. In addition, it has a much greater resistance to pyrolytic breakdown at high temperatures than either Jet A or JP-8. The fuel could be considered for thermal management on high-performance aircraft such as the F-35. The middle-distillate is also fully compatible with conventional petroleum-derived diesel for light-duty applications such as in light road vehicles. It has not yet been tested in other diesel applications.
Coal conversion to liquid fuels has many potential environmental issues. A conceptual process design has been developed in which the successfully-demonstrated core processes of extraction, separation, hydrotreating and hydrogenation, and distillation have been augmented with other operations selected to reduce total process emissions nearly to zero. Most of the hydrogen needed for the hydrotreating and hydrogenation steps would be produced by electrolysis of water using non-carbon electricity, e.g. from photovoltaics.
Hydrotreating the extract inevitably produces hydrogen sulfide. New catalytic processes for H2S splitting are recommended for destruction of this material, recycling the hydrogen back into the process, and recovering the sulfur as a marketable byproduct. Additional hydrogen could be produced by gasifying the residual partially extracted coal recovered after the final extraction step. Gasification at high temperature would melt the mineral constituents of the coal, allowing the resulting slag to be vitrified into a glassy product that could be used as, e.g. fill material for road construction. Heavy distillation residua or biomass material from CO2 capture could also be co-fed to the gasification unit.
Likely sources of CO2 include emissions from fired process heaters and from the gasification unit, after shifting the raw gas to a CO2-H2 mixture and separating the desired hydrogen. The intended approach for carbon capture would use algae photobioreactors. Algae would be harvested for production of a bio-oil that could be blended with the coal-derived oil product. "Spent" algae would be consumed in the gasification unit.
Overall inputs to the process would be coal, water, non-carbon electricity, and make-up solvent for extraction. The outputs would be clean liquid fuel, with a bio- component, suitable for use in jet or diesel engines; sulfur for sale to various chemical applications, and a vitrified slag. Other emissions would be minimal.
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