에너지/환경

세계 첫 1,000t급 CO2 자원화 이용 만능 용제 DMF 합성 파일럿 장치 구축

발행일 : 2019 / 08 / 08

최근, 금속유기화학국가중점실험실 딩쿠이링(丁奎嶺) 연구팀은 촉매에 의한 이산화탄소(CO2)전환의 혁신적인 새 기법-CO2로부터 “만능 용제” N,N-다이메틸폼아마이드(DMF)를 제조하는 새 경로를 개발했다. 2019년 8월 6일, “CO2 자원화 이용 DMF 합성 플랜트 기술, 공법 및 장비” 프로젝트는 전문가위원회의 과학기술 성과 평가에 통과됐다. 해당 기술은 세계 선진 수준에 도달했다.

해당 프로젝트는 세계 최초의 CO2 원료로부터 DMF를 합성하는 산업화 공정이다. 연구팀은 CO2 온실가스 자원화 이용 문제를 오래 동안 연구했다. 또한 다년간 촉매에 의한 수소화 분야 연구 경험을 기반으로 신형 유기금속촉매를 개발해 온화한 조건에서 CO2를 “탄소 자원”으로 사용함과 아울러 화학적 전환을 거쳐 메탄올, DMF 등 화공 원료를 제조함으로써 CO2 자원화 이용에 “녹색화학”적 해결 방법을 제공했다. 아울러 “석탄가스” 일산화탄소(CO)를 원료로 하는 전통적인 방법을 개변시켰다.

해당 새 공법은 CO2, 수소 및 디메틸아민을 원료로 한다. 연구팀은 촉매로 CO2를 전환시켜 DMF를 합성하는 새 촉매 시스템, 새 플랜트 기술, 새 장비를 개발했으며 1,000t/년의 파일럿 장치를 구축했다. 해당 파일럿 장치는 이미 1,200여 시간 안정하게 작동했다. 72시간 테스트 결과, 해당 장치는 작동이 안정적이고 제품 순도는 99.5% 이상이며 선택성은 99.97% 이상이고 단일 라운드 전환율은 59% 이상이며 제품 1t 당 촉매 소모는 0.65g 이하, 디메틸아민은 640.42Kg, 수소는 320.1표준입방미터, CO2는 331.7표준입방미터이다.

해당 프로젝트의 촉매반응 시스템 및 촉매 시스템은 독창성을 보유하고 있다. 연구팀은 촉매반응 메커니즘 연구 및 촉매 분자 설계를 통해 균일촉매의 선택성, 활성 및 안정성 최적화 제어 어려움을 해결했으며 CO를 원료로 하는 전통적인 공법을 개변시켰다. 해당 핵심 기술은 국제특허를 출원함과 아울러 미국, 유럽, 일본 시장에 진입했다.

해당 프로젝트의 반응기 설계 및 핵심 장비는 창의성을 보유하고 있다. 연구팀은 해당 촉매반응의 “2-쾌속 1-느림(兩快一慢)” 과정 및 캐스케이드(Cascade) 특성에 근거하여 제트(Jet) 및 버블링(Bubbling) 결합형 반응기 설계 아이디어를 제안하여 신형 균일촉매 반응기 핵심 설비를 개발했고 2개 발열반응 특성에 근거하여 고정밀 온도 제어시스템을 개발했으며 경량물질 제거, 탈수, 정제, 안전제어 등 유닛 및 시스템을 통합함으로써 공법 및 장치의 유연성 제어, 안전하고 안정한 작동을 달성했다.

해당 기술 공법은 합리하고 고효율적일 뿐만 아니라 반응조건이 온화하고 친환경적이다. 또한 에너지 효율의 전환율은 53.8%에 달한다. 1t 제품을 생산하는데 종합 에너지소모는 0.3064t 표준석탄(Standard coal), 폐가스 배출은 6.67표준입방미터이며 고체폐기물/폐수 무배출을 달성할 수 있다.

1,000t급 파일럿 장치 구축은 CO2 자원화 이용에 새 경로를 개척했으며 기존의 CO를 원료로 하는 산업화 기술에 비하여 원료 원가를 절감시켰을 뿐만 아니라 원료가 풍부하고 “3가지 폐기물”의 배출을 대폭 감소시켰다. 새 공법은 CO2 및 수소를 원료로 이용하기에 과잉 수소 및 CO2 업체 및 기업의 경제적 효익을 뚜렷하게 높일 수 있다.

향후 해당 신기술의 산업화 시범 장치 구축을 가속화할 전망이다.