황산과 질산의 생산 공정의 전과정 평가

오영균, 임희진, 이동엽, 박선원

한국과학기술원 화학공학과

Life Cycle Assessment for Sulfuric and Nitric Acid Production Systems

Young-gyun Oh, Heejin Lim, Dong-Yup Lee, Sunwon Park

Department of Chemical Engineering, KAIST

1. 서론

황산과 질산은 화학공업에서 필수적인 산(Acid)으로써 산업 전반에서 다양한 용도로 이용되고 있다. 황산은 강력한 탈수작용에 의해 각종 건조제, 탈수제로 사용되고 있다. 질산의 경우 비료 및 화약의 원료가 되는 니트로화합물의 합성과 수렴제 등의 의약품으로 많이 사용되고 있다. 이 두 물질은 하나의 공정으로 얽혀 있기 때문에 각 물질의 생산 공정에 대한 환경적인 영향을 알아보기 위해서는 전체 공정을 모두 살펴볼 필요가 있다.

본 연구에서는 황산과 질산을 생산하는 공정의 환경 영향도를 알아보기 위하여 환경성평가 도구인 전과정평가(Life Cycle Assessment, LCA)를 이용하여 각 공정을 분석하여 보았다.

2. 황산과 질산 생산 공정의 특징

a) Sulfuric acid	b) Nitric acid

[Fig. 1] The process diagram for sulfuric acid and nitric acid

국내에서는 산화바나듐(V2O5) 촉매를 이용한 접촉법을 이용하여 황산을 제조하고 있다. 연소와 전화 공정을 거쳐 98 % 황산 또는 발연황산을 제조한다. 질산의 경우 암모니아의 일차, 이차 산화 공정과 흡수 공정을 거쳐 황산을 이용하여 농축하여 산업적으로 많이 이용되는 고농도의 질산을 생산하게 된다. 이 때 앞서 설명한 방법으로 제조된 황산이 이용되게 되는데, 대부분 두 공정이 함께 있어서 제조된 황산은 일부 판매되고, 일부는 질산 제조 공정에 이용되게 된다.[1, 2] 이렇게 두 공정이 함께 운전되고 있기 때문에 두 물질을 생산하는 과정에서의 환경 영향 정도를 알아보기 위해서는 두 공정을 함께 고려할 필요가 있다.

3. 전과정 평가를 위한 목적 및 범위 설정

(1) 제품 시스템의 정의

본 연구에서는 질산과 황산의 원료획득에서 생산, 수송, 사용, 환경설비 및 유틸리티에 이르는 제품과 관련된 모든 과정을 전과정(Life Cycle)으로 정의하여 시스템 경계로 삼았다.

(2) 기능 단위 및 기준 흐름

본 연구에서는 98% 황산과 98%질산을 대상으로 하였다. 황산공정은 질산 등 다른 무기화학제품의 원료로 사용되며 질산은 시약 또는 여러 화학제품을 만드는 원료료 사용된다. 기능 단위는 다른 환경 데이터와의 비교를 위하여 황산, 질산  1000kg을 기준으로 정하였으며, 기준 흐름 역시 같은 단위를 이용하였다.

(3) 데이터 범위

시간적 범위는 1999년, 지역적 범위는 한국이며, 각 산업의 현 기술을 기술적 범위로 잡았다.

(4) 시스템 경계설정 및 데이터 수집 요건

본 연구에서는 전체시스템에 대한 누적질량기여도(Cumulative contribution)에 근거하여 사전에 결정된 비율(99%)을 구성하는 물질을 포함시켰다. 투입물 분석결과 공정에 유입되는 황과 암모니아에 대해서는 원료 채취, 운송 단계에서 제품 제조 단계까지 모두 포함하였다. 또한 제조 단계에서 투입되는 전기, 스팀, 용수 등과 같은 에너지 집약적인 공정은 모두 포함시키는 것으로 하였다.

본 연구에서 이용된 데이터는 현장 자료를 기초로 하여, 현장에서 측정이 불가능한 것들은 문헌과 비교 검토하여 계산하였다. 이렇게 수집된 모든 데이터의 데이터 범주로는 에너지 투입량, 원재료 투입량, 기타 투입량과 제품 그리고 대기배출물, 수계배출물, 토양배출물 및 기타환경배출물질들이 포함된다. 데이터 범주는 현재 배출물 관리기준에 대해 실제 생산현장에서 관리되는 물질과 문헌을 바탕으로 선정하였다.

4. 전과정 영향 평가 및 해석

본 연구에서는 질산과 황산의 국내 데이터와 해외 데이터를 비교하기 위해, 전과정목록분석에서 파악된 목록 항목들을 영향 범주별로 분류, Eco-Indicator95를 이용하여 가중치를 부여한 후 환경부하를 비교하여 보았다.[3] 황산과 질산의 경우 인체에 유해하며, 생산 공정에서 발생되는 CO2, NOx, SOx 등에 의해 지구온난화, 산성화와 오존층 파괴 등의 영향이 예상되기 때문에 다음과 같은 영향 범주를 선택하여 비교하여 보았다.

□인간독성(Human Ecotoxicity Potential, HEP)

□산성화(Acidification Potential, AP)

□지구온난화(Global Warning in 20 years, GWP20)

□오존층파괴(Ozone Depletion, ODP)

(a) HEP	(b) AP

(c) GWP20	(d) ODP

[Fig. 2] LCA results of nitric acid applying four different categories

인간 독성의 경우 대기 배출물 중에서 vanadium, nickel, lead, cadmium에서, 산성화에서는 sulfur dioxide, nitrogen oxide이, 지구온난화 범주에서는 carbon dioxide에 의해, 오존층 파괴는 halone에서 차이가 나는 것으로 나타났다.

(a) HEP	(b) AP

(c) GWP20	(d) ODP

[Fig. 3] LCA results of sulfuric acid applying four different categories

각 범주들을 비교한 결과 우리나라 공정에서 환경 영향도가 크게 나타나는 것을 볼 수 있다. 특히 SOx와 NOx에서 훨씬 많은 차이를 보이는데 이는 주로 연료의 차이로 볼 수 있다. 외국과 같은 공정으로 생산되고 있기 때문에 실제 공정에서 발생하는 SOx와 NOx에는 특별한 차이가 없으나 Steam을 만들기 위하여 사용되는 연료가 외국의 경우는 주로 천연가스를 사용하고 있으나 우리 나라의 경우는 중유, 경유를 사용하고 있기 때문에 이렇게 차이가 많이 나는 것으로 분석된다. 그리고 같은 이유로 CO2도 외국에 비해 많이 나오는 것을 살펴볼 수 있다.

9. 결론

본 연구에서는 황산과 질산에 대하여 전과정 평가기법을 적용하여 환경 영향도를 외국의 데이터와 비교 분석하여 보았다. 원료를 전량 수입하여 쓰고 있기 때문에 원료물질 생산공정에서의 환경부하보다는 에너지원에서의 차이와 수송거리에서의 차이가 전체적인 차이를 만들고 있다고 볼 수 있다. 따라서 생산 공정에서 환경부하를 줄이려 한다면, 스팀의 이용량을 감소함으로써 제품의 환경성을 개선할 수 있을 것이다.

감사

환경부의 국가기본산업/기초소재별 국가표준환경성 정보(LCI INFRA D/B) 구축 사업과, 2000년도 두뇌한국21사업에 의하여 부분 지원되었기에 감사드립니다.

참고문헌

[1] John J. McKetta: Chemical processing handbook, Marcel Dekker, Inc., 1993

[2] Jacqueline I. Kroschwitz, Mary Howe-Grant: Encyclopedia of chemical technology 4th ed., John Wiley & Sons., Inc., 1996

[3] 임희진, 이동엽, 박선원, □전과정 평가를 이용한 PET공정의 환경성 분석 및 개선□, 한국전과정평가학회, 2000, pp. 53-60