흡착식 가솔린 회수 공정 성능

주국택, 박종기, 조성철, 이호균, 조순행

한국에너지기술연구소

Performance of Adsorptive Gasoline Recovery Unit

K. T. Chue, J. Park, S. C. Cho, H. G. Lee, S. H. Cho

Korea Institute of Energy Research

서론

산업이 발달됨에 따라서 석유류 및 유기화합물의 사용량이 크게 증가하였고 이를 취급하는 과정에서 대기로 방출되는 휘발성 유기화합물은 자원의 손실과 대기 환경 오염을 초래한다. 휘발성 탄화수소 화합물은 광화학 스모그를 유발할 뿐만 아니라 지구 온난화와 성층권 오존층을 파괴하는 원인 물질이고 악취와 발암성 물질이기 때문에 인체 건강에 영향을 준다. 레이드 증기압이 하절기와 동절기에 각각 약 67, 86 kPa이며 초비점과 종비점이 각각 약 28, 207 oC인 가솔린은 정유공장, 저유소, 주유소 등에서 이를 취급 또는 저장하는 과정에서 손실되어 대기로 배출된다. 이렇게 자원의 손실과 대기 환경 오염을 유발하는 탄화수소의 배출을 억제하기 위해서 대기환경보전법을 제정하여 시행하고 있다. 유럽연합국가와 EPA Standard 40 CFR Part 63에서는 가솔린 1000 리터를 탱크로리에 입고할 때에 탄화수소 배출량을 10 g으로 제한하고 있다. 독일 Ta Luft 법규에서는 가솔린 1000리터 출하시 메탄을 제외한 탄화수소 배출량을 0.15 g으로 제한하면서 시간당 4kg 이하로 배출하도록 하는 총량제를 적용하고 있고 벤젠 배출량은 5mg 이하로 줄여야 한다.

본 연구에서는 가솔린 오염공기를 처리하여 가솔린은 회수하여 재활용하고 청정공기만을 대기로 배출할 수 있는 목적으로 개발된 □흡착회수장치 (AVRU: Adsorptive Vapor Recovery Unit)□의 연속운전을 통해서 얻은 성능 및 공정 운전 변수의 영향 등을 검토하였다.

실험

오염공기에서 가솔린을 회수하기 위한 용도로 개발된 AVRU 장치는 흡착식 포집탑 1기, 흡착탑 2기, 응축기 1기와 유봉식 진공펌프로 구성되었다1-2).흡착탑 상단부는 직경 2″높이 50 cm이고, 하단부는 직경 1.4 cm 길이 50 cm인 동관 13개를 직경 13 cm이고 높이 50 cm인 원통관에 넣어서 제작되었다. 실험용 오염공기는 직경 30 cm, 높이 60 cm의 가솔린 저장조에 공기를 연속적으로 발포시켜서 만들었다. AVRU 장치에서 배출되는 청정공기의 탄화수소 농도는 GC-FID또는 가연성 가스 센서 (COSMOTECH, XP311-A)를 이용하여 분석하였다.

AVRU 장치의 여러 운전 방법 중에서도 흡착탑 2기만을 이용한 가솔린 회수 공정의 운전 개념은, [그림 1]에서 보는 바와 같이, 외기를 가솔린 저장조에 발포시켜 만들어진 오염공기를 응축기의 상단에서 배출되는 비응축가스와 혼합하여서 흡착탑(I)에 공급하여 탄화수소를 제거하고 청정공기를 대기로 배출한다. 탄화수소를 흡착한 흡착탑(II)는 유봉식 진공펌프를 가동하여 압력을 대기압 이하로 감압한 상태에서 저압세정가스(외기 또는 흡착과정의 배가스)를 원료가스의 공급 방향과 반대 방향으로부터 흡착탑에 보내어 탄화수소를 탈착시키고, 이때 얻어지는 탈착가스는 응축기에 보내어 가솔린은 회수하고 비응축가스는 오염공기와 혼합되어 흡착탑에 공급된다.

AVRU의 2개 흡착탑의 일주기는 축압, 흡착, 감압, 저압세정탈착과정을 밟아서 운전되었는데 [그림 2]에 나타내었다. 축압과정은 10∼20초 지속되는데 오염공기를 흡착탑 상단에서부터 공급하여 압력을 850∼950 mmHg까지 올리고, 흡착과정은 오염공기를 10∼25 Nl/분으로 공급하여서 탄화수소를 흡착하여 제거한다. 흡착시간(t1)은 3.5∼7.5분으로 변화시키면서 cycle time에 따라서 공정의 성능 변화를 알아보았다. 탈착과 저압세정과정은 유봉식 진공펌프를 가동하여 흡착탑의 압력을 50 mmHg 이하로 떨어뜨려서 탄화수소를 탈착하였다. 저압세정과정은 흡착과정 동안에 탑 출구에서 배출되는 청정공기의 일부 또는 외기를 흡착탑의 하단부에 공급하여 탄화수소를 탈착하는 과정이다. 감압과 저압세정으로 흡착탑을 재생하여서 얻어진 탄화수소로 농축된 탈착가스는 응축기로 보내어 압력 1.0 ∼ 1.5 atm에서 10∼27 oC의 냉각수와 열교환시켜서 가솔린을 액상으로 회수하고 비응축가스는 오염공기와 혼합하여 흡착탑에서 재처리된다.

[그림 1] AVRU 장치의 운전 개념도	[그림 2] 일주기 운전도

결과 및 토론

오염공기 처리량 : 감압과 저압세정만으로 흡착탑을 재생하였을 때 흡착제의 수명을 실험적으로 검토하기 위하여 약 2,200시간 (11,000 cycle)의 연속 운전을 하였다. 처리된 오염공기를 [그림 3]에 나타내었는데, 청정공기를 통해서 배출되는 탄화수소의 농도를 약 200 ppmv 이하로 유지시키면서 장기간에 걸쳐 약 15 Nl/분의 일정한 유속으로 오염공기를 처리할 수 있었음을 알 수 있다. 즉, 감압과 저압세정을 적용한 흡착제의 재생이 우수함을 의미한다. 흡착제를 처음 충진한 후 약 6,200 cycle (1,700시간) 동안은 cycle time을 7.5분으로 유지하였고, 6,200∼7,700 cycle 동안에는 cycle time을 3.33분, 4분, 5분, 6분, 7.5분으로 변화시켰고 이후로는 5분으로 유지하였다. 약 3,200 cycle (400시간) 까지는 평균 15 Nl/분으로 오염공기를 처리하다가 점차로 평균 10∼11 Nl/분으로 감소하였는데 이는 하절기에 대기 온도의 상승으로 인하여 오염공기 중 탄화수소 농도가 상대적으로 높아졌고 응축기에 공급되는 냉각수의 온도도 높아져 흡착탑으로 재순환되는 비응축가스의 유속이 높아졌기 때문이다.

[그림 3] 연속운전동안에 처리된 오염공기 유속

가솔린 회수량 : AVRU 장치의 연속 운전을 통하여 약 0.5∼0.97 리터/시간으로 응축기 하단에서 가솔린을 회수할 수 있었는데 저압세정가스 유속, 응축 압력과 냉각수 온도, 주변 온도, 오염공기의 탄화수소 농도에 따라 크게 변하였다. 탈착에 사용된 유봉식 진공펌프의 전력은 0.4 kW인데 회수 가솔린 리터당 소비 전력은 약 0.4∼0.8 kWh이다.

저압세정가스 유속의 영향 : Cycle time이 5분, 응축기의 압력은 1.2 Kgf/cm2G, 냉각수 온도는 20 ∼27 oC인 조건에서 저압세정가스비에 따른 오염공기 처리유속과 가솔린 회수량, 청정공기의 탄화수소 농도를 [그림 4]에 나타내었다. 저압세정가스비가 12∼15% 일 때 오염공기 처리 유속과 가솔린 회수량은 각각 17 Nl/분과 0.92 리터-가솔린/hr로 최대값을 갖는다. 저압세정가스비를 5%로 유지하였을 때는 흡착탑 후미의 재생이 충분하지 못하여서 약 1000 ppmv의 높은 농도의 탄화수소가 대기로 배출되나 25%까지 증가시키면 청정공기의 평균 탄화수소 농도를 약 20 ppmv까지 줄일 수 있다.

[그림 4] 저압세정가스비에 따른 AVRU 장치의 성능 (좌: 오염공기처리량과 회수가솔린량, 우: 청정공기의 iC4 농도)

가솔린의 저장 또는 취급시설에는 농도가 약 20∼40 vol.%인 탄화수소를 함유한 오염공기가 대기로 배출되어 자원 손실뿐만 아니라 대기환경오염을 유발한다. 이를 해결하기 위해서 흡착회수장치를 개발하여 연속 운전 실험을 한 결과 탄화수소의 농도가 약 200 ppmv이하인 청정공기를 배출하면서 0.5∼0.97 리터/시간으로 가솔린을 회수할 수 있었고 소비전력은 회수 가솔린 리터당 0.4∼0.8kWh이었다. 1996년도 국내 가솔린 생산량이 70,935천 배럴이었고 약 0.178%의 손실율을 적용하더라도 연간 약 14,426톤이 대기로 휘발되어서 막대한 에너지가 손실되는데 본 연구에서 개발된 AVRU 장치를 자원 손실과 대기환경오염을 방지할 수 있는 설비로 활용될 수 있도록 더욱 발전시켜야 하겠다.

참고문헌

1.대한민국 특허출원 제 14769호 (1998년)

2.일본 特許平10-208572