화학연, 차세대 청정연료 DME 생산용 촉매 개발

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한국화학연구원
2005-01-13 15:04
대전--(뉴스와이어)--한국화학연구원(원장 김충섭)은 과학기술부 21세기 프론티어사업단 중 “이산화탄소저감및처리기술개발사업단(단장 박상도)”의 연구비 지원 하에 디메틸 에테르(DME: Dimethyl Ether) 제조를 위한 반응분리막반응기 공정개발(연구책임자 이규호/전기원) 연구를 수행한 결과, DME를 생산하기 위한 고활성촉매를 개발하였다.

이번 촉매개발의 주역은 화학(연) 촉매팀의 전기원 박사로 SK(주) 오전근 박사팀에서는 화학(연)에서 개발한 본 촉매를 실제공정조건과 유사한 조건하에서 촉매성능을 평가하여 기술의 우수성을 확인한 바 있으며 상업화 타당성을 검토하고 있다.

현재 본 촉매기술로 개발된 DME가 차세대 청정연료로 보급될 경우 국내 1조원이상의 국내시장 창출과 해외 수출을 기대할 수 있으며, 동시에 기존의 공정시스템에서 배출되는 이산화탄소의 배출량이 연간 135,000탄소톤(TC) 감소(에너지 절감액 약 700억원)가 예상된다.

한국화학연구원은 본 기술을 지난 2004년 10월 선진국(미국, 일본 등)에 특허로 등록한 바 있으며, 2004년 12월 말에 관련기업에 기술이전 계약을 체결하였다.

본 연구는 한국화학연구원에서 이산화탄소 절감효과 및 환경개선효과가 큰 DME 생산기술 국산화 필요성을 이산화탄소 저감 및 처리기술 사업단에 제안하였으며 SK(주)가 함께 참여하였다. 본 연구 과제의 목표는 메탄올에서 DME를 제조하는 공정에 있어서 문제가 되는 수분의 문제를 해결하기 위해 분리막과 촉매를 함께 사용하여 반응효율을 높이는 것이다.

DME(디메틸 에테르 : Dimethyl Ether)란 물질은 인체에 무해하고 환경친화적인 성질로 인하여 오존층 파괴의 주범인 CFC를 대체하여 헤어스프레이, 면도크림, 락카페인트 등의 에어로졸 분사제로 사용되었다. 또한 LPG와 그 물성이 매우 흡사하며, 최근 고유가시대에 디젤이나 LPG를 대체할 차세대 청정연료로 부각되고 있다.

더구나 환경문제가 중요시 되는 요즈음 DME의 청정연료로서의 가치는 앞으로 더욱 중요시 되며, 연료급 DME의 대량생산에는 경제적인 생산방법이 필요하였다.

최근 세계적으로 특히 일본, 중국, 인도, 한국을 중심으로 한 아시아 지역에서 10년 이내에 그 수요가 크게 증가 할 것으로 예상되고 있어 국내에서도 DME 대량 생산을 위한 기술의 확보가 절실하였다.

그러나 기존에 원천 기술 보유사에 의해 공급된 촉매는 고가의 무수 메탄올을 사용하여 생산 비용의 많이 들고, 높은 반응온도, 낮은 수율 등의 문제가 있었으므로 함수 메탄올을 사용해도 낮은 반응온도에서 높은 수율을 낼 수 있는 신규 촉매를 개발할 필요가 있었다.

한국화학연구원은 ‘과학기술부 21세기 프론티어 연구개발사업’의 일환으로 수행되는 “이산화탄소 저감 및 처리 기술개발사업”의 연구비 지원 하에 2002년 10월부터 디메틸에테르(DME : Dimethyl Ether)제조를 위한 반응분리막반응기 공정개발에 착수하여 금번 상업화 가능한 원천 촉매 기술을 확보하게 되었다.

이번에 DME 제조용 고활성 촉매가 개발됨에 따라 우선 새로운 촉매를 이용한 메탄올 탈수에 의한 DME 제조 공정을 사업화 할 계획이다. 또한 국내의 기술로 DME를 경제성 높게 생산할 수 있는 새로운 촉매를 개발하여 생산공정의 국산화 및 해외에의 기술이전을 기대할 수 있게 되었다.

본 연구는 메탄올에서 DME를 제조하는 공정에 있어서 수분의 문제를 해결하기 위해 분리막과 촉매를 함께 사용하여 반응효율을 높이는 것을 목표로 하여 연구개발에 착수하였다. 기존 메탄올 탈수 촉매가 물이 존재할 경우 촉매의 성능이 저하되는 문제를 해결하기 위한 것이었으며 수분을 제거함으로써 이 문제를 해결하고 반응 전환율을 높일 수 있기 때문이다

한국화학연구원은 수십년 간의 분리막과 촉매개발경험과 축적된 기술을 활용하여 최적의 촉매의 선별과 막반응기 개발을 시도하였다. 그리하여 이번 개발 촉매의 적용으로 물이 다량 함유된 미정제 메탄올을 사용할 수 있고, 기존 촉매에 비해 뛰어난 활성을 보이고 있으며, 낮은 온도에서도 높은 전환율을 얻어 반응전단계의 에너지 소모량을 크게 줄일 수 있어 단순한 형태의 반응기 개발이 가능할 것으로 예상되어 DME 공정의 Scale-up이 더욱 용이 하게 되었다.

한국화학연구원은 이번에 개발된 촉매로 실제 공장 적용 가능성에 대해 SK(주)와 검토하여 에너지와 시설투자비 절감, 잠재 시장의 엄청난 규모 등에서 매우 긍정적인 결과 얻었다. 이로써 청정 연료 DME 생산을 위한 촉매/공정 분야에서 선진 기술을 능가하는 원천기술을 보유하게 되었다.

SK(주)는 이번에 개발된 촉매의 상업화 타당성을 검토하고 있으며, 프론티어 사업단의 계속적인 지원을 받아 DME 제조공정의 효율을 높이는 연구를 추진 중이다.

개발 촉매의 적용으로 물이 다량 함유된 미정제 메탄올을 사용할 수 있어 원료비용의 절감과 메탄올 정제에 소요되는 막대한 투자비와 에너지 사용량을 절감할 수 있게 되었다.

기존 촉매에 비해 뛰어난 활성을 보이고 있어, 낮은 온도에서도 높은 전환율을 얻어, 반응전단계의 에너지 소모량을 크게 줄일 수 있고 단순한 형태의 반응기 개발이 가능할 것으로 예상되어 DME 공정의 Scale-up이 더욱 용이 하게 되었다.

개발된 촉매/공정으로 향후 5~6년 이내에 하루 10,000톤의 DME를 생산할 수 있을 것으로 기대되며 이로써 연간 1,800만 배럴(bbl)의 경유(디젤시장의 약 10% ; 연간 1조원 시장규모)를 대체 할 수 있다.

또한 개발 촉매에 의한 효율 증대로 인해 에너지 사용량이 저감됨으로써 지구온난화의 주범인 이산화탄소의 배출량을 연간 135,000탄소톤(에너지 절감액 7백억원)을 저감할 수 있게 되었다.

한국화학연구원은 본 기술을 지난 2004년 10월 선진국(미국, 일본 등)에 특허로 등록한 바 있으며, 2004년 12월 말에 관련기업과 기술이전 계약을 체결하였다.

한국화학연구원 개요
한국화학연구원은 1976년 설립 이래 화학 및 관련 융・복합 분야 기술 개발과 화학기술의 산업체 이전, 화학 전문인력 양성 및 다양한 화학 인프라 지원 서비스를 통해 국가 화학산업 발전에 선도적인 역할을 수행해 왔습니다.

또한 첨단 화학 인프라를 바탕으로 친환경 화학공정, 고부가가치 그린 화학소재, 의약 및 바이오화학 분야에서 원천 기술을 개발하고 국가 현안 해결형 융‧복합 기술 개발을 선도하고 있으며, 강소기업 육성과 기술사업화 촉진을 통한 화학산업의 지속적인 발전에 앞장서고 있습니다.

이제 화학(연)은 우리나라 화학 연구 역량을 결집하여 화학강국 실현에 기여하고 건강하고 풍요로운 지속가능 사회를 위한 화학기술 개발에 최선을 다하겠습니다.

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