기획특집: 재제조 기술 사용 후 화학 촉매 재제조 기술 및 시장현황 박 해 경 전 민 기 고 형 림* 한서대학교 촉매공정기술연구원, *한경대학교 화학공학과 Remanufacturing Technology and Market Situation of Used Chemical Catalyst Hea Kyung Park, Min Kee Jun, and Hyung Lim Koh* Research Institute of Catalyst Technology, Hanseo University, Seosan, Chungnam 356-706, Korea *Department of Chemical Engineering, Hankyung National University, Ansung, Kyunggi 456-749, Korea Abstract: 최근 화학촉매가 수명을 다한 후 대부분 폐기되거나 분쇄 후 유가 금속을 회수하는 단계를 지나, 이를 재제조를 하여 자원순환이란 관점에서의 많은 경제적 환경적 이점들을 충족하고 있다. 이미 탈질 SCR촉매의 경우 국내뿐만 아니라 전세계적으로 재제조를 하여 많은 전력회사와 수요처들이 쓰고 있는 실정이고, 이 모든 것이 불 과 최근 5, 6년 사이에 일어난 일임을 볼 때, 세계적인 기술의 수준이 비슷한 상태로 가능한 빨리 다른 분야의 많은 촉매들도 재제조 가능성을 확인하고 연구 개발을 하여야 할 것이다. 본 고는 많고 다양한 화학촉매분야에서 선택과 집중이란 측면, 즉 가장 많은 양이 사용되고 가장 수명이 짧고 부가가치가 높은 몇 가지 촉매에 대한 재제 조 기술의 현황과 전망에 대해 기술하고자 하였다. Keywords: catalyst, remanufacturing, SCR 1. 서 론 1) 촉매는 화학 산업의 꽃으로 불린다. 매년 우리 나라뿐만 아니라 전세계적으로 많은 양의 화학 촉 매가 다양한 용도로 사용되고 있다. 촉매는 대부 분 소모성 물질로서 그 수명에 한계가 있으며 수 명을 다한 후에는 폐기되는 것이 대부분이었다. 그러나 일부 촉매의 경우 고온에서 배소하는 정도 로 재생(regeneration)을 하여 이용하기도 하였다. 이러한 촉매의 재생은 소극적 의미에서의 촉매의 이용이고 현재는 보다 적극적인 의미에서의 화학 촉매의 재제조가 큰 관심을 끌고 있는 것이 사실 이다. 자원 순환이란 관점에서 폐기보다는 재제조 를 함으로서 신촉매 생산대비 물질자원의 절약, 생산경비 절감 등 많은 이점이 있는 것이 사실이 다[1]. 화학 촉매는 크게 환경분야와 화학공정 분 야로 나눌 수 있다. 주저자 (E-mail: jhkp@hanseo.ac.kr) 환경분야는 소각로, 발전소 등에 적용되는 SCR 촉매, 휘발유 자동차의 삼원촉매, 그리고 경유차에 적용되는 DOC 및 DPF와 일반 산업장에서 발생 되는 휘발성 유기 화합물을 제거하는 VOC촉매 등이 있고 화학공정분야의 경우 정유 공정 촉매와 석유 화학 분야의 촉매를 들 수 있다. 석유화학 분 야의 공정 촉매는 그 분야가 대단히 많고 각각의 촉매를 사용용도별로 잘 추적한다면 많은 부분에 서 재제조가 가능할 것으로 사료된다. 사용 후 화 학 촉매의 재제조 기술 및 절차는 일반적인 전자 제품이나 자동차 부품과는 달리 화학촉매가 장착 되어 있는 정유 및 석유화학 공정, 발전소, 그리고 소각로 등의 촉매가 모듈화되어 있거나 반응기에 장착되어 있는 경우가 대부분이나, 자동차의 경우 는 촉매가 하나의 부품으로 배기가스 후단에 장착 되어 있다. 자동차를 제외한 대부분의 화학 촉매 는 촉매 자체로 있는 것이 아니라 촉매를 체계화 된 틀 속에서 하나의 묶음으로 된 모듈 형태로 되 14 공업화학 전망, 제15권 제5호, 2012
사용후 화학 촉매 재제조 기술 및 시장현황 어 반응기에 장착되어 있거나 촉매가 그대로 반응 기에 장착된 경우가 있다. 어느 경우이든 화학촉 매의 경우, 재제조 프로세스인 분해 공정은 적용 된 공정에서 촉매반응기의 해체나 모듈을 분리하 는 것을 분해라고 한다. 이렇게 분해된 촉매는 육 안검사를 거쳐 재제조가 가능한 경우 적정 재제조 용액에 의한 세정 공정을 거치고 분석기기에 의한 검사 공정후 촉매활성을 교정하여 다시 모듈 또는 반응기에 장착 조립하여 사용후 재제조 촉매를 완 성하게 되는 것이다. 따라서 사용 후 화학촉매의 재제조 절차는 재제조 5단계인 해체(disassembly), 세척(cleaning), 검사 및 분류(inspection & sorting), 수리ㆍ조정(reconditioning), 재조립(reassembly) 단 계로 구성된다. 본 고에서는 화학촉매분야의 재제 조를 하기와 같은 3개 분야에 중점을 두어 현재의 기술 상황과 향후의 전망에 대해 서술하고자 한다. 1) 사용 후 RHDS (Resid Hydrodesulfurization) 촉매의 재제조 기술 2) 사용 후 SCR촉매 재제조 기술 3) 사용 후 가솔린 자동차 촉매의 재제조 기술 2. 사용 후 화학 촉매 재제조 시장 2.1. 시장 현황 및 전망 본 화학 촉매가 적용되는 시장은 그 분야로 볼 때 대단히 광범하고 크다고 할 수 있겠다. 화학 촉 매 시장의 적용분야를 정성적으로 먼저 살펴보면 소각로 발전소에서 가동중인 SCR촉매, 자동차 배 출가스 저감 시스템의 경우 가솔린 자동차의 삼원 촉매장치, 디젤자동차의 DOC 및 DPF, 그리고 일 반사업장에서 적용되는 VOC촉매를 들 수 있겠다. 삼원 촉매 장치의 경우 거의 모든 가솔린 자동차 에 적용되는 바 우리나라뿐 아니라 세계적인 가솔 린 자동차의 수를 상상한다면 그 시장 규모가 얼 마나 큰지 가히 짐작할 수 있으리라 생각된다. 정 유 및 석유화학 산업에 있어서도 중질류 분해공 정, 개질공정, 석유화학제품의 생산공정 등의 수많 은 공정에서 막대한 양의 정유 및 석유화학 공정 촉매가 사용되고 있다. 그러나 상기의 자동차 촉 Table 1. 세계 촉매 시장 규모 (단위 : 억원, %) 구분 2010 2011 2012 연평균 성장률 에너지 환경촉매 195,600 208,510 222,271 6.6 석유 정제촉매 34,680 35,547 36,436 2.5 석유 화학제조촉매 56,352 58,043 59,784 3 합계 286,632 302,099 318,491 5.3 Table 2. 세계 재생촉매 시장 규모 (단위 : 억원, %) 구분 2010 2011 2012 2015 연평균 성장률 Off site 34,083 36,162 38,368 45,826 6.6 In-site 1,205 1,067 908 294 - 합계 35,288 37,229 39,276 46,120 5.5 매나 정유 및 석유화학 공정촉매는 촉매 자체의 특성상 촉매의 종류, 적용되는 공정, 운전환경 등 에 따라 제한적인 촉매의 수명이 존재한다. 주어 진 수명이 경과한 사용 후 촉매는 신촉매로 교체 되고 회수된 사용 후 촉매는 촉매의 구성성분인 일부 유가금속을 추출하여 다른 산업으로 재이용 하고 나머지는 그대로 전량을 폐기 처분하고 있 다. 이렇듯 사용 후 촉매의 폐기처분과 신촉매 제 조에 따라 막대한 경제적, 환경적 손실을 초래하 고 있다. 이러한 상황에서 폐기처분될 사용 후 촉 매를 다시 재제조하여 사용한다면 경제적으로나 환경적으로 큰 이점이 발생할 것이므로 향후 엄청 난 규모로 발생되는 사용 후 촉매에 대한 재제조 기술의 개발은 매우 시급하며 정부에서는 이를 보 급하는 데 주력을 해야 할 것이다. 따라서 재제조 산업의 특성상 이들 화학 촉매의 초기 시장 진입 이 힘들더라도 일단 시장에 진입하면 향후 그 시 장이 굉장히 커질 것으로 사료된다. Table 1과 Table 2는 세계 촉매 시장과 재생 촉매 시장의 규 모를 나타낸다. 또한 Figure 1은 용도에 따른 재생 촉매 시장의 분포를 나타낸다[2]. 각각의 촉매별로 그 시장 현황을 살펴보면, KIC News, Volume 15, No. 5, 2012 15
기획특집: 재제조기술 Figure 1. 용도에 따른 재생 촉매의 시장분포. Table 3. 국내 정유사별 RHDS촉매 연간 발생 현황 및 처리현황 정유사별 SK(주) 울산공장 S-oil(주) GS 칼텍스(주) 현대 오일뱅크 계 연간발생량(지정폐기물량) 약 10,000톤 발생(등경유탈황폐촉매 약 4,000톤) 약 5,000톤 발생(등경유탈황폐촉매 약 2,000톤) 약 4,000톤 발생(등경유탈황폐촉매 약 1,500톤) 약 4,000톤 발생(등경유탈황폐촉매 약 1,500톤) 약 23,000톤(100%) 전 세계적으로 RHDS촉매는 연간 약 35만 톤 에서 40만 톤씩 폐촉매로 발생이 되고 있는 실정 이고, 국내에서는 Table 3에서와 같이 폐촉매가 배출되고 있다. 현재 국내 5개의 정유사에서 발생한 사용 후 RHDS촉매의 양은 약 23,000톤 정도이고, 발생량 중 69%가 국내에서 재활용되고, 23%는 수출, 8% 는 매립처리되고 있는 것으로 확인되었다. 촉매의 재활용은 촉매를 분쇄하여 유가금속을 추출하는 것이 대부분이고 담체인 실리카(SiO 2 ) 계통은 주 로 국내에서 시멘트 원료 등으로 재활용되고 있는 실정이다. 이들 촉매는 수명이 짧고 그 양이 방대 하여 재제조를 하여 다시 사용한다면 막대한 경제 적 환경적 이익을 볼 수 있을 것이다. 매년 이들 촉매는 100% 수입에 의존하고 있으며 kg당 약 18 불씩에 수입하므로 수입량만 연간 약 2,500억 원 (수입량은 폐촉매 발생량의 약 1/2정도임)에 달하 며 향후 중질유 분해 시설이 계속 확충될 경우에 는 그 양이 더욱더 늘어날 것이고 또한 본 기술의 개발시 등경유 탈황 촉매의 재제조도 가능하므로 수입 대체 약 4,000억 원에 달할 것으로 예상이 되 고 이를 재제조시 그 절반만 잡더라도 RHDS촉매 의 재제조 시장규모는 약 2,000억 원이 된다. 또한 본 기술이 상용화될 경우 전 세계적인 RHDS촉매 의 재제조 시장 규모는 대단히 클 것으로 예측된다 [5]. 발전소의 연소가스 중의 질소산화물을 제거하 기 위하여 사용되는 탈질 SCR 촉매의 국내 연간 총 소요량은 약 43,445톤이며 국내 한전 산하 발 전소 현황 및 탈질 SCR 촉매 소요 현황을 Table 4에 나타내었다. Table 5에는 우리나라 대형 도시 폐기물 소각시설을 기준으로 하여 소각로 현황 및 16 공업화학 전망, 제15권 제5호, 2012
사용후 화학 촉매 재제조 기술 및 시장현황 Table 4. 국내 한전산하 발전소 현황 및 탈질 SCR 촉매 소요량 유종 배출 가스량 (Sm 3 /hr) 촉매 공간속도 (hr -1 ) 부피(m 3 ) 소요 촉매량 무게(ton) 중유+경유 8,522,600 4,000 2,130 2,556 석탄(국내탄+유연탄) 32,886,000 2,000 16,443 19,731 가스 63,824,400 7,000 9,117 10,940 계 105,233,000 27,690 33,227 국내 한전산하 발전소에서 필요한 SCR촉매 33,227 ton 그 외 민수용 발전소에서 필요한 SCR촉매 9,968 ton (한전발전소의 30%) 전체 탈질 촉매 수요량 약 43,445 ton Table 5. 국내 주요 소각로 현황 및 탈질 SCR 촉매 소요량 소각 시설명 쓰레기 처리량 (톤/일) 배출 가스량 (Sm 3 /hr) 쓰레기 톤당 배출 가스량 (Nm 3 /톤) 부피(m 3 ) 소요 촉매량 무게(톤) 비고 목동 175 39,067 5,358 9.8 11.8 창원 205 36,073 4,223 9.0 10.8 평촌 200 34,784 4,174 8.7 10.4 해운대 230 43,486 4,537 10.9 13.0 다대 197 27,844 3,392 6.9 8.3 상계 287 92,633 7,746 23.2 27.8 평균 공간속도 4000 hr -1 기준 중동 186 40,107 5,175 10.0 12.0 성서 197 23,405 2,851 5.6 6.7 일산 322 45,305 4,537 11.3 13.6 계 382,704 95.4 114.5 우리나라 대형 도시폐기물소각시설을 기준으로 소요 촉매량 산정 중소형 소각시설의 소요 촉매량 포함 시 소요 촉매량 증가 소요 촉매 현황을 나타내었다. Table 4에서 보는 것처럼 한전 산하 발전소에서 소요되는 탈질 SCR 촉매의 총 소요량은 33,227톤이며 그 외 민수용 발전소에서 필요한 탈질 SCR 촉매의 경우는 9,968톤으로서 한전 발전소의 약 30% 수준이다. 탈질 SCR 촉매의 연간 총 소요량은 약 43,445 톤이며 이를 바탕으로 톤당 1,000불로 계산을 해 보면 약 520억 정도로 계산이 되고 이를 바탕으로 재제조시 70% 정도의 시장(현재 신품대비 60% 재제조 비용으로 한전에 공급중)으로 환산하면 약 200억 정도의 재제조 시장이 형성된다. 가솔린 자동차 촉매의 경우는 가솔린 및 경유 자동차의 등록 현황을 Table 6에 나타내었으며, 차령별 등록현황을 Table 7에 나타내었다. 2009년 2월 기준 자동차의 총 등록대수는 약 1,400만 대 이상으로 확인되었고 등록 차량 가운데서 차령이 10년 이상된 차량이 약 500여 만 대에 이르는 것 으로 파악되고 있다. 2004년부터 자동차 배출가스 의 규제가 강화됨으로 해서 이에 따른 자동차용 촉매의 수요가 증가하고 있으며 이는 즉, 자동차 용 사용 후 촉매가 증가하고 있다는 것으로 예상 할 수가 있다. 현재 가솔린차의 평균 차령은 8.2년 으로 많은 차들이 10년을 넘은 것을 확인할 수 있다. 위의 Table에서 보면 가솔린차의 절반 정도는 재 KIC News, Volume 15, No. 5, 2012 17
기획특집: 재제조기술 Table 6. 연료별ㆍ차종별 등록(보유)현황 (2009년 12월 기준, 단위 : 대) 구분 계 휘발유 경유 LPG 기타 소계 17,325,209 8,526,135 6,314,554 2,390,962 93,559 (점유율) 100% 49.21% 36.45% 13.80% 0.54% 승용 13,023,818 8,506,125 2,647,104 1,825,333 14,912 승합 1,080,687 8,155 709,292 339,615 23,625 화물 3,166,512 11,830 2,875,070 225,599 54,007 특수 54,192 25 53,088 415 664 가솔린 자동차 : 매연 저감 장치 내 화학촉매(삼원촉매) 장착 디젤(경유) 자동차 : 화학촉매(DOC, DPF) 장착 출처 : 자동차등록통계월보(2009, KAMA) Table 7. 차령별 등록 현황 (2009년 12월 기준, 단위 : 대) 차령 1 5년 6 7년 8 10년 11 13년 13 15년 16년 이상 총계 소계 6,487,293 2,058,539 2,740,366 2,641,190 2,360,461 1,037,360 17,325,209 승용 5,263,495 1,547,050 2,068,000 1,653,473 1,825,698 666,102 13,023,818 승합 303,990 75,915 105,942 429,553 105,345 59,942 1,080,687 화물 901,863 428,436 559,914 553,596 419,333 303,370 3,166,512 특수 17,945 7,138 6,510 4,568 10,085 7,946 54,192 출처 : 자동차등록통계월보(2009, KAMA) 제조가 되어야 하고 가솔린차 촉매를, 배기량에 따라 다르지만, 평균 가격으로 약 300,000원으로 잡고 재제조 가격은 이의 70%로 잡고 약 400만 대를 곱하면, 재제조 시장이 약 8,400억 원이 됨을 예측할 수 있다. 따라서 본 화학촉매의 재제조 국 내 시장의 규모만 1조원이 훨씬 넘는 규모가 되고 향후 이러한 재제조 기술을 바탕으로 외국으로 수 출을 하게 된다면 그 규모는 엄청날 것으로 사료 된다. 아울러 본 기술의 개발로 수백종이 넘는 다 양한 정유 및 석유화학촉매의 재제조 기술 파급효 과는 향후 더더욱 커질 것으로 사료된다. 2.2. 사용 후 화학촉매 처리현황 사용 후 촉매는 자원재순환과 환경오염방지의 관점에서 산업화된 선진 국가들에서 재제조를 통 한 활용을 위해 중요한 연구과제로 현재도 연구개 발이 진행되고 있고 확립된 기술은 이미 실제로 상용화되어 현장에 많은 양의 촉매가 공급되고 있 는 실정이다[4]. 사실 전체 촉매분야의 재제조 시장 및 기술 개 발은 초기 상태이나 이미 선진국의 많은 회사들은 재생이란 이름으로 실제로 많은 촉매를 재제조하 여 전세계적인 많은 정유 회사에 납품, 공급을 하 고 있는 실정이다. 특히 RHDS촉매의 경우 프랑스 의 유로캣은 실제 정유사의 공정에 맞게 맞춤형으 로 재제조를 하고 있으며 사우디, 프랑스, 미국 등 지에서 재제조 공장을 가동하여 공급중이다. 현재 우리나라의 경우 사용 후 RHDS촉매의 재제조 기 술은 전무하며 몇몇 학계에서 기초 실험을 하고 있는 중이고 이에 대한 기술이 시급한 실정이다. 일본 및 미국의 경우, 화학공정 촉매로 사용하 는 수소화탈황(HDS) 사용 후 촉매의 처리방법에 는 재제조, 유가금속 회수 및 안정적 처리의 세 가 지 방법이 있으며, 어느 한 가지 방법으로는 HDS 사용 후 촉매의 전부를 처리할 수 없고 이 모든 방 법을 다 동원하고 있다. 그 비율은 사용 후 촉매의 18 공업화학 전망, 제15권 제5호, 2012
사용후 화학 촉매 재제조 기술 및 시장현황 80% 정도를 재제조하며, 10% 정도 유가금속을 회수하여 재제조에 이용하며 나머지는 사용 후 촉 매에 함유된 중금속의 용출을 최소화하여 매립하 고 있다[3]. 미국의 AMAX사, 대만의 Full-Yeild Industry사 등에서는 석유화학 사용 후 촉매의 재제조 및 다 른 다양한 용도로 사용하고 있다. 탈질촉매의 경 우는 전세계적으로 재제조 시작 시점이 2004년 정 도에 시작이 되었다. 초기에 수요자가 실증 및 검 증을 요구하고 신품을 만드는 업체들의 조직적 반 발에도 불구하고 현재, 우리나라뿐 아니라 이미 전세계적으로 거의 모든 발전소에서 재제조한 탈 질 촉매를 쓰고 있는 실정이고 이미 많은 신품을 만드는 업체들도 이젠 할 수 없이 재제조 시장에 뛰어든 형국이 된 상황이다. 독일의 경우 SCR촉 매를 이미 ENVICA GmbH 및 EnBw 등의 회사가 최초 상업 영업을 수행한 이래 많은 독일 일본 회 사들이 뛰어들고 있으며, 이제는 거의 모든 탈질 촉매를 전 세계적으로 재제조하여 사용하고 있는 실정이다. 향후 화학촉매의 재제조 세계시장은 공 정 촉매 탈질촉매뿐 아니라 가솔린 자동차 촉매 재제조 시장도 엄청나게 커질 것으로 사료된다. 국내에서 확립된 사용 후 화학촉매 재제조 시장 규모는 최근 SCR탈질 촉매를 바탕으로 급속히 성 장하고 있다. 구체적으로 확립된 재제조의 5단계 를 거치지 않고 수요자와 공급자의 필요에 의해 공급되는 것도 상당 부분 존재한다. 탈질촉매를 예로 들면 초기 재제조 기술 개발은 독일보다 앞 섰으나 국내시장은 독일에 먼저 내주는 결과를 초 래했다. 이는 초기 기술은 개발되었으나 수요자가 요구하는 실적이 없어서 고전한 것인데, 현재는 국내 업체에 의해 재제조 촉매가 공급되고 있으며 수요자의 누구도 이 기술을 의심하는 사람이 없는 상황이다. 국내 (주)KC코트렐, (주)나노 등의 회사 는 한전 등 발전소에 계속해서 막대한 양의 재제 조 촉매를 공급하고 있으며 현재는 중국으로 수출 도 하고 있는 상황이다. 재제조 산업의 특성상 나 머지 대부분의 화학 촉매의 경우도 유사한 과정을 겪으리라 본다. 따라서 정부는 이에 맞춰 기술을 개발하고 품질인증 시스템을 구축하고 재제조 촉 매의 보급과 수요촉진을 독려해서 자원순환의 본 래 목적에 충실하여 재제조 산업 발전의 원동력이 될 수 있도록 노력하여야 한다. 위에서 보는 바와 같이 화학 촉매의 경우 선진 국들은 분야별로 체계화하여 재제조 기술개발을 하고 있는 실정이다. 이 분야의 재제조 기술은 선 진국들과 비슷하게 시작되었지만 탈질 SCR촉매의 경우는 우리나라가 기술이 더 뛰어나다고 할 수 있 겠다. 그러나 정유 및 석유화학 공정 촉매의 경우 는 선진국보다 많이 뒤쳐진 것이 사실이고 광범위 하고 다양한 정유 및 석유화학 공정 촉매의 재제 조에 앞으로 많은 기술 개발이 이루어져야 할 것이다. 특히 중질유 탈황촉매인 RHDS (resid hydrodesulfurization) 촉매의 재제조기술 개발과 가솔린 자동차 촉매의 재제조 상용공정 확립은 무엇보다 시급하다. 3. 사용 후 화학 촉매의 기술 일반적으로 사용 후 화학 촉매의 재제조 기술은 재제조 과정과 부합하여 이루어지는데 촉매마다 그 재제조 방법이 다를 수 있으나 전반적인 재제 조 상황은 Figure 2에 나타내었다. 그리고 이를 각 공정별, 단계별로 정리하면 다음과 같다. 3.1. 해체 단계 사용 후 화학촉매를 촉매반응장치나 모듈로부 터 촉매를 분리하여 촉매를 회수하는 과정이다. 정유 및 석유화학공정 촉매나 발전소나 소각로 배 출가스 정화시설에 사용되는 탈질 SCR 촉매의 경 우 및 대부분의 촉매를, 촉매가 충전되어 있는 촉 매 모듈로부터 촉매를 분리하여 촉매를 회수하는 과정이며, 가솔린 및 경유차의 경우도 장치 내에 충전되어 있는 촉매를 회수하는 과정이다. 공정 촉매의 경우는 반응기 내부에 충전되어 있는 촉매 모듈을 수거하여 모듈을 분해하여 촉매를 회수하 는 것이 포함된다. 화학촉매 재제조 단계중 회수 단계에서는 경제적이고 효율적으로 촉매장치나 KIC News, Volume 15, No. 5, 2012 19
기획특집: 재제조기술 Figure 2. 사용후 화학 촉매 재제조 기술 공정도. 촉매모듈을 분해하여 촉매장치나 촉매모듈에 충 전되어 있는 촉매가 파손되지 않도록 촉매를 회수 하는 것이 가장 중요한 요소가 된다. 촉매를 회수 하는 과정에서 촉매가 물리적인 손상을 입게 되면 촉매의 재제조가 불가하게 되므로 촉매가 손상되 지 않고 촉매를 분리 회수하는 기법의 정립이 요구 된다. 3.2. 세척단계 촉매장치나 촉매모듈로부터 분리 회수된 촉매 에 대해서 촉매를 다양한 방법으로 세척하여 촉매 표면에 축적되어 있는 각종 오염물질을 제거하는 과정이다. 촉매를 세척하는 방법은 촉매의 종류 및 촉매의 오염상태에 따라 여러 방법들이 있으며 보편적으로 크게 물리적인 방법에 의한 촉매의 세 정과 재제조 화학용액을 사용하는 화학적인 방법 에 의한 세정 방법으로 구분될 수 있다. 촉매의 세 척은 상기의 물리화학적인 세정방법들을 적절하 게 조합하여 수행한다. 3.3. 검사 및 분류 촉매 세척단계를 거친 촉매를 대상으로 촉매의 물리화학적 특성과 촉매의 활성을 평가하는 과정 이다. 촉매의 물성특성은 촉매의 성능을 결정짓는 매우 중요한 요소이므로 각종 물성특성 분석기기 를 이용하여 촉매의 물성특성을 분석한다. 물성특 성 분석은 촉매표면에 축적되어 있는 불순성분의 종류와 함량, 촉매활성성분의 함량, 촉매의 비표면 적, 기공분포 및 기공부피, 열적안정성, 결정구조, 촉매표면 상태 등의 분석이 포함된다. 또한 촉매 의 반응활성을 평가하여 촉매의 물성특성 분석결 과와 반응활성 평가 결과를 비교 분석함으로써 촉 매의 성능상태를 결정한다. 이를 토대로 촉매의 성능을 교정하고 복원하기 위한 자료를 확보한다. 3.4. 수리ㆍ조정 검사 및 분류 단계를 거친 촉매를 대상으로 촉 매의 성능을 교정하여 성능을 복원시키는 과정이 다. 촉매의 성능 교정은 상기의 촉매의 검사 및 분 류과정에서 확인된 촉매의 활성저하 원인에 따라 촉매의 활성저하 원인이 되었던 요소는 제거하고 활성을 나타내기 위하여 필요한 요소는 다시 보충 함으로서 완성된다. 3.5. 재조립 수리ㆍ조정 단계를 거침으로서 성능이 복원된 촉매를 다시 촉매장치나 촉매모듈에 충전한 후 결 합하는 과정이다. 촉매를 촉매장치나 촉매모듈에 촉매가 손상되지 않도록 하면서 경제적이고 효율 적인 조립 공정의 정립이 필요하다. 20 공업화학 전망, 제15권 제5호, 2012
사용후 화학 촉매 재제조 기술 및 시장현황 Figure 3. 사용후 화학촉매 재제조 기술개발 과정. 1st 2nd Figure 4. SCR촉매 재제조 공정. 이들 단계를 복합적으로 정리하여 Figure 3에 나 타내었다. 이미 국내에서도 (주)나노와 (주)KC코트렐 그 리고 그 외 몇몇 업체들이 본격적으로 기술개발을 진행중에 있으며, SCR촉매의 경우 이미 한전 등 발 전소에 대량으로 상용 납품을 하고 있는 실정이다. 외국의 경우 기술 개발 사례를 보면 다음과 같다. 3.5.1. 사례 1. 사용 후 SCR 촉매 재제조 기술 개발 (일본 / Babcock Hitachi K.K.) BHK사는 2003년에 세계에서 가장 큰 SCR 반 응기(750 MW) 중 하나를 보유하고 있는 독일의 Mehrum 발전소와 SCR 촉매에 대한 재제조 계약 을 체결하였고, 최초로 BHK사에서 재제조된 촉 매의 기술 수준은 신촉매 대비 약 2/3 수준이었으 며, 재제조 촉매의 성능을 개선하기 위하여 사용 후 촉매 재제조 공정을 개발하였다. BHK사의 사용 후 SCR 촉매 재제조 공정은 크게 두 가지(세척공 KIC News, Volume 15, No. 5, 2012 21
기획특집: 재제조기술 Figure 5. 촉매 재제조 설비. Figure 6. BHK SCR촉매 재제조 장비. 정, 함침공정)의 공정으로 구성되어 있으며, 각 주 요 공정 사이에는 각각의 건조 공정으로 구성되어 있다(Figure 4). Figure 5에 재제조 설비사진과 Figure 6에 재제조 공장을 나타내었다. 3.5.2. 사례 2. 사용 후 HDS 촉매의 재제조 기술 개발 (프랑스 / Eurecat) 사용 후 HDS촉매는 carbon (5 20 wt%), sulfur (7 15 wt%) 및 다공성인 촉매의 기공에 잔존하 는 약간의 hydrocarbon을 함유하고 이런 물질들은 공기 중에서 자연적으로 발화하는 물질이기 때문 에 이런 위험성을 배제하기 위한 분리기술이 필요 하며 위험요소를 최소화하기 위해 Eurecat사는 습 식법을 기본으로 하는 Roto-Louvre oven 기술 (Figure 7)을 사용하는데 세계적인 여러 기업들 (Eurecat, Porocel, Tricat 등)의 대부분이 Eurecat 사의 기술을 이용하여 상업적 재제조 공정을 운영 하고 있다[7]. Figure 7은 Roto-Louvre oven 기술을 이용한 사 용 후 HDS 촉매 재제조의 전체공정을, Figure 8은 Eurecat사의 사용 후 HDS 촉매 재제조 공정을, Figure 9는 미국 TRICAT사의 재제조 공장을 보여준다. 22 공업화학 전망, 제15권 제5호, 2012
사용후 화학 촉매 재제조 기술 및 시장현황 Figure 7. Roto-Louvre oven의 측면과 단면. Figure 8. Eurecat사의 사용 후 HDS 촉매 재제조공정. 4. 기대효과 4.1. 경제적 기대효과 사용 후 화학 촉매 발생량 및 시장규모가 엄청 난 규모임을 짐작할 수 있다. 현재는 배출되는 화 학촉매를 원래의 목적으로 재제조하여 사용치 않 고 지정폐기물이나 특정 폐기물로 매립 혹은 유가 금속만 회수를 하거나 수출하고 있다. 국내 시장 의 규모만 1조원이 훨씬 넘는 규모가 되고 향후 이러한 재제조 기술을 바탕으로 외국으로 수출을 하게 된다면 그 규모는 엄청나서 약 수백조원 가 까이 될 것으로 사료된다. 아울러 본 기술의 개발 로 수백 종이 넘는 다양한 정유 및 석유화학촉매 의 재제조 기술 파급효과를 생각하면 그 시장규모 는 국내에서만 천문학적 규모가 될 것이므로 본 연구로 인한 경제적 기대효과는 참으로 크다고 할 수 있으며, 또한 대부분의 화학 촉매가 수입에 의존 하는 바 수입 대체 효과 및 외화절감에도 이 익을 줄 수 있겠다. 또한 재제조 산업의 특성상 인 력이 많이 소모되는 바 고용창출의 효과도 크다고 할 수 있다. 4.2. 환경적 기대효과 환경적 기대효과 역시 사용 후 화학 촉매 발생 량을 보면 엄청난 규모임을 짐작할 수 있다. 대부 분 배출되는 화학촉매를 원래의 목적으로 재제조 KIC News, Volume 15, No. 5, 2012 23
기획특집: 재제조기술 Figure 9. 미국 TRICAT사의 HDS촉매 재제조 공장. 하여 사용치 않고 지정폐기물이나 특정 폐기물로 매립을 하든지 아니면 유가금속만 회수를 하든지 아니면 수출을 하는 것을 볼 수 있다. 이를 매립 시 엄청난 환경적 피해를 줄 수 있는데 이런 사용 후 촉매를 매립하지 않고 재제조하는 것은 환경적 자원 순환의 관점에서 대단히 높이 평가할 일이라 사료된다. 5. 맺음말 화학촉매분야의 재제조 기술개발의 기본 방향 은 각 분야별 재제조 기술개발을 완료하고 이를 바탕으로 다음 단계로 사용 후 재제조 촉매의 고 효율 성능 개발기술을 수행한 후 상업화 재제조 각 촉매 분야별로 최적 공정 조합 설계 기술 및 경 제성을 고려한 재제조 공정 설계 기술이 무엇보다 우선으로 진행되고 아울러 공정 촉매의 경우 실증 시험까지 완료하며 추후 품질 인증 기준까지 확립 하는 것이 기본 방향이다. 이를 바탕으로, 1) 이미 재제조 기술개발을 통해 상용화된 SCR 촉매의 경우 저비용, 고효율 공정기술 개발이 시 급하고, 품질인증 기반을 구축하여 품질인증을 받 은 표준화된 SCR촉매가 시장에서 신뢰를 갖고 사 업이 진행될 수 있도록 시급히 추진을 하여야 할 과제로 사료된다. 아울러 본 촉매도 고효율 성능 지속을 위한 재제조 기술개발과 최적의 상용 재제 조 공정 설계기술이 연이어 연구과제로 개발되어 야할 것이다. 2) 그리고 우리나라에서 소모품인 촉매를 제일 많이 사용하는 정유공정 촉매인 RHDS촉매의 재 제조 기술 개발이 시급히 요구되는 실정이다. RHDS 촉매는 중질유 탈황 촉매로서 연간 4개 정유사에 서 엄청난 규모로 사용하고 있는 촉매이나 그 수 명은 6개월에서 1년 밖에 되지 않는 실정이다. 이 촉매를 모든 정유사들이 현재 수입에 의존하고 있 으며 이러한 RHDS촉매의 재제조 상용화가 무엇 보다 시급한 과제라 하겠다. 이러한 공정 촉매는 현장 PILOT가 필수적이며 재제조 성공시 연간 수 백억원의 수입 대체 효과 및 외화 절감까지 가능 하다고 할 수 있다. 아울러 본 촉매도 고효율 성능 지속을 위한 재제조 기술개발과 최적의 상용재제 조 공정 설계기술이 연이어 연구과제로 개발되어 야 할 것이다. 3) 사용 후 가솔린 자동차 촉매의 경우도 고효 율 성능 지속을 위한 재제조 기술개발과 최적의 상용 재제조 공정 설계기술이 연이어 연구과제로 개발되어야 할 과제가 되고 조만간 품질 인증 기 반도 구축되어야 한다. 4) 또한 촉매는 화학산업에서 그 종류가 수백 24 공업화학 전망, 제15권 제5호, 2012
사용후 화학 촉매 재제조 기술 및 시장현황 가지가 넘고 그 양도 분야별로 광범해서 정유 및 석유화학 공정에 적용되는 촉매의 재제조 우선순 위를 정할 필요가 있고 따라서 정유 및 석유화학 공정 촉매의 우선순위 조사연구를 수행한 후 이를 바탕으로 순위별 재제조 촉매 기술 개발이 진행 되는 것이 올바른 순서라 하겠다. 따라서 화학 촉 매 분야의 재제조는 향후 20년에서 30년간 지속적 으로 이루어져야 할 과제로 사료된다. 5) 본 화학 촉매는 재제조 기술 개발에서 그 성 능이 뛰어나고 파급효과도 큰 점에 비추어 적극적 인 정부의 정책이 실제적으로 더 필요한데도 불구 하고 다소 소외된 점이 없지 않았던 것이 사실이 다. 화학촉매는 정부의 정책적인 관심과 뒷받침이 있어야 재제조 기술이 성장을 할 수 있다. 그 이유 는 화학쪽 관련 업계는 굉장히 보수적이고 신품도 다른 제품으로 교체를 하지 않으려는 속성이 있기 때문이다. 따라서 정부는 기술 개발된 화학촉매의 품질 인증을 가능한 빨리 추진하고 보급 활성화를 위한 조치를 취하여야 한다고 판단된다. 참 고 문 헌 1. NCPC, Remanufacturing industry trends and development strategy, 157, KITECH, Seoul, Korean (2007). 2. BBC Research, Global market for catalyst regeneration, report Code: CHM046A, London, UK (2006). 3. P. Dufresne, Hydroprocessing catalysts regeneration and recycling, Applied Cat., A: General, 67, 322 (2007). 4. H. K. Park, J. of KSEE., 27, 859 (2005). 5. M. Marafi, A. Stanislaus, and E. Furimsky, Handbook of spent hydrocarbon processing catalyst, 321, Elsevier, Amsterdam, Netherland (2010). 6. KNCPC, Resource circulation technology roadmap, 75, KITECH, Seoul, Korean (2010). 7. G. Berrebi, P. Dufresne, and Y. Jacquier, Resources, Conservation and Recycling, 10, 1 (1994). 박 해 경 1986 연세대 화학공학과 학사 1988 연세대 화학공학과 석사 1989 1990 (주)호남정유 사원 1994 연세대 화학공학과 박사 1995 현재 한서대학교 화학공학과 교수 전 민 기 1988 연세대 화학공학과 학사 1990 연세대 화학공학과 석사 1990 1998 대림산업(주) 대덕연구소 2005 2008 (주)비아글로벌 이사 2011 현재 한서대학교 연구교수 고 형 림 1993 연세대 화학공학과 학사 1995 연세대 화학공학과 석사 2001 연세대 화학공학과 박사 2001 2012 효성기술원 수석연구원 2012 현재 한경대학교 화학공학과 조교수 KIC News, Volume 15, No. 5, 2012 25