가스의 생성은 지구탄생과 더불어 오랜 역사를 가지고 있다. 하지만 화석연료인 천연가스나 LPG의 경우는 수천만년에 걸쳐 지구표면의 지하에 각종 화학반응과 물질의 결합으로 생성된 데 반해 산업용가스는 1차적으로 대기중의 공기를 분리하는 형태로 사용돼 왔다.
영국을 중심으로 한 산업혁명 직전에 발견돼 가스의 공기분리는 산업화를 앞당겨 왔고 이를 이용한 기간산업들의 성장기반이 됐다는 사실에는 두 말할 필요가 없다.
따라서 지구상에 존재하는 가스 즉, 기체·액체상의 가스는 제조 및 운반의 용이성으로 인해 각종 기초 산업소재로서 직접 사용되거나 간접적으로 영향을 미치는 등 다양한 수요를 나타내고 있는 소중한 자원이다.
우리가 호흡하고 있는 공기중에는 질소 78.082%, 산소 20.945%, 아르곤 0.933%, 이산화탄소 0.037%(한국표준과학연구원 김진석 박사)가 차지하고 있으며 이중에는 함유량이 0.001~0.000001%에 불가한 네온, 헬륨, 메탄, 크립톤, 수소, 아산화질소, 일산화탄소, 크세논 등의 미세한 가스가 포함돼 있다.
이번호에서는 지난호에 이어 초심(初審) 기획 제3탄(마지막편)으로 가스의 수요별 공정 및 특징을 정리해 독자여러분들께 가스에 대한 기초적인 상식을 재확인하고자 합니다.
쓰레기용융
2002년부터 규제대상에 오른 다이옥신 배출을 계기로 산소를 조연제로 사용하는 가스화 용융로의 사용이 증가하면서 산소 PSA의 수요분야로 점차 정착되고 있는 추세다.
가정과 각종 빌딩 등 우리의 생활범위로부터 나오는 쓰레기는 각 자치단체가 수집, 소각처리하고 있지만 이 쓰레기 처리사업에 커다란 전기가 찾아온 것은 다이옥신의 규제정책에서 시작된다.
쓰레기처리장으로부터의 배출 다이옥신 농도가 엄격하게 제한되어 각 자치단체는 다이옥신을 저감할 수 있는 가스화 용융시스템으로의 전환에 여념이 없다.
따라서 자원회수시설(소각로)로 통칭되는 가스화 용융방식은 다이옥신 배출량을 환경 기준치보다 10배나 낮추는 동시에 매립해야할 소각 잔재를 최소화할 수 있다는데 환경친화적인 사업의 하나로 각광받고 있는 셈이다.
결국 용광로 내부의 온도는 1,600℃에 가까운 고온상태로 투입한 쓰레기 가운데 가연물질과 플라스틱 등은 가스화하고 금속, 유리 등의 불순물은 녹여버린다.
이때 투입되는 보통 연소공기의 수 퍼센트의 산소로도 부화하기 때문에 반드시 고순도를 필요로 하지 않는다. 때문에 고로 기술을 바탕으로 한 타입으로 산소를 불어넣고 있으며 질소는 쓰레기를 일단 무산소 분위기하에서 열분해하는 때의 분위기가스로써 사용된다.
이같이 산소를 투입해 용융화된 쓰레기 슬래그는 전량 건설 현장의 바닥재로 활용하고 소각열은 지역내 난방의 열원으로 사용될 수 있다는 것은 높은 관심의 대상이 되고 있다.
암모니아는 배기가스 탈취용이다.
비즈니스 측면에서는 산소의 PSA공급이 중심이 되지만 고순도를 필요로 하지 않고 있으며 24시간 연속 운전을 위해 설비규모나 가스판매형태는 장치형으로 공급되는 것이 기본적이다.
400~1,500㎥/h형 중형 PSA가 일반적이지만 최근에는 소각장의 대형화 추세로 인해 2,500~3,000㎥/h형 대형 설비가 필요한 경우도 늘어나고 있다.
질소의 경우도 PSA방식의 공급이 많지만 일부에서는 액체형태로 공급하고 사용자가 기화해 사용하고 있다.
식품, 음료
식품, 음료분야에서의 산업용가스 수요는 냉각, 냉동을 비롯해 맥주, 탄산음료의 발포용을 주용도로 하는 액체탄산(드라이아이스를 포함)이 대표적이지만 그 이외에도 조리, 운반, 저장, 육성의 갖가지 장면에서 다양한 가스가 사용되고 있다.
대량으로 사용하는 일부 수요처에서는 저장탱크를 설치, 운용하고 있지만 대부분은 실린더, LGC를 사용하는 경우가 다수를 차지하고 있다.
대체로 먹는 경제는 경제동향에 좌우되기 어려운 안정된 수요분야로 인식돼 온 탓에 물량 증감은 대체로 낮은 편이지만 최근 수년 동안은 소비자의 기호 변화 등으로 인해 생산품목의 변경, 공장의 집약화, 제조원가 절감 등을 이유로 안정적인 시장이라고 단정짓기는 어려운 형편이다.
하지만 음식과 관련해 문제점이 늘어나고 있는 상황에서 광우병, O-157균의 출현 등은 식음료에 대한 안전의식이 높아지고 있어 오존에 의한 살균, 세정과 용존산소 제거 등의 이유로 새로운 산업용가스의 수요가 주목되고 있다.
최종 소비자가 일반 대중소비자인 식품산업은 기업의 생존과 직결되는 제품이미지로 연결돼 무엇보다도 안전과 청결 그리고 환경문제에의 대처방식은 매우 적극적으로 변화되고 있다.
그중에서도 맥주제조업체의 경우는 지구 온난화 대책의 일환으로 오존층 보호차원의 탄산의 매입량을 줄이고 여타 가스의 주입을 통한 새로운 제품을 선보이는 등 사업적인 변화로 이어지고 있다.
맥주에서 액체탄산는 성분조정과 원료탱크의 가압용, 원료를 채울 때 주입용으로 사용된다.
맥주의 맛과 목 넘김은 탄산의 농도에 의해 결정되기 때문에 성분조정이 불가결하게 된다.
하지만 식품, 음료분야에서는 산업용가스의 최대소비자였던 맥주공장이 환경대책의 이미지효과를 노려 액화탄산의 양을 줄이고 알코올발효시 발생되는 원료탄산의 회수로 바꾸고 있다.
이에 대형공장에서의 액체탄산 구입량은 단계적으로 30~50%까지 축소되고 있는 양상이다.
또한 패스트푸드, 쿨택배, 아이스크림 업체 등은 배송 합리화와 환경개선의 2개의 효과를 노리고 드라이아이스에 의한 냉각수송을 적극 활용하고 있다.
실제로 어류나 육류제품에 대한 택배배송의 경우 얼음포장을 하고도 신선도 보장을 위해 추가로 드라이아이스로의 재포장을 실시하는 등 냉각기 가동보다는 사용이 간편한 포장기법을 활용하고 있는 것으로 나타났다.
이는 패스트푸드점의 햄버거 패티 급속냉동과 게, 참치 등 고급어패류와 닭고기와 같은 육류, 아이스크림의 초콜릿 등의 고형화 등에 사용되는 액화질소동결은 원래 한정된 수요분야이지만 공장의 집약과 일부 생산공장의 통합으로 인해 소비량 증감이 뚜렷하게 나타나고 있는 양상이다.
여기에 최근에는 일부 과자나 와인, 마요네즈 등은 산화에 의한 품질 변화를 방지하기 위해 질소와 탄산에 의한 산소제거와 제품손상을 막기 위한 차원에서 가스주입 포장이라는 것을 명기하고 있는 것이 증가하고 있다.
질소는 산화방지용으로서 산소 제거는 물론 여분의 산소분이 들어가지 않도록 퍼지용 등으로 다양하게 사용되고 있다.
오존에 의한 조리기구, 제조라인의 세정, 살균도 공장의 위생관리의 하나로써 주목되어 사용빈도가 높아지고 있다.
따라서 대표적인 식품용 가스라고 말하면 식료, 냉각용도의 탄산이지만 식음료의 안전에 대한 의식향상과 철저한 품질관리를 위해서 질소 등의 사용이 급속히 증가하고 있는 셈이다.
의료
산업혁명과 눈부신 과학의 발전에도 불구하고 인류에게 무병장수는 영원한 동경의 대상이 되고 있다.
현재 전세계적으로 건강관리(healthcare) 비지니스가 하나의 거대한 산업을 형성하고 있는 이유도 이러한 인류의 원초적 본능에 기인한다.
의료용가스시장의 주요 가스인 의료용 산소는 최근 수년간 증가추세를 보이고 있다.
관련 전문가들은 의료용가스를 비롯 관련장비.기술 등의 시장이 현재 전세계적으로 33억달러(약 4조1백25억원)에 달하고 있고 향후 산업용가스 분야중 가장 높은 성장률을 보일 것이라고 예상하고 있다.
이에 따라 산업용가스 업체들도 조직과 전략을 재정비하면서 의료용산소는 물론 건강관리 장비, 서비스, 특수가스 시장까지 공략하면서 시장이 대폭 확대됐고 25년전과는 비교할 수 없을 정도도 지금의 의료용가스 산업은 비약적 발전을 거듭하고 있는 상황이다.
산소 이외에도 외과수술을 위한 이산화탄소, 살균 혼합물, 연구용가스, 질소, 헬륨, 레이저가스 등이 의료용가스로 구분되고 있으며 최근 세계적으로 관심이 고조되고 있는 산소방은 의료용가스를 응용한 사업의 좋은 예이다.
아직까지 의료용산소가 의료용가스산업에 있어 높은 비중을 점유하고 있지만 관련업체들은 포괄적인 건강관리 서비스를 제공하기 위해 서비스, 기술, 특수가스 등으로 시장다각화를 꾀하고 있는 추세이다.
특히 서비스분야는 전통적으로 산업용가스 업체들의 영역밖에 존재했지만 프랑스 에어리퀴드의 ‘의료용 살균제(Hospital disinfection)’처럼 의료용가스 시장 공략을 위한 중요한 부분으로 자리잡고 있다.
신기술분야에 있어서도 미국 프렉스에어의 「Grab ‘n Go ™ 포터블 산소」가 홈케어(homecare) 비지니스를 타켓으로 삼고 있으며 남아프리카에 있는 BOC의 자회사인 아프록스(Afrox)는 남아프리카내 개인병원 병상의 30%를 소유하고 있다.
연간 10~15%의 성장을 보이고 있는 저온생물학도 의료용가스 업계에는 새로운 기회로 작용할 전망이다.
더욱이 저온생물학과 관련 냉동, 건조, 저장에 사용되는 질소는 약물치료 및 인간게놈프로젝트의 상업화와 더불어 폭발적인 시장확대가 예견되고 있으며 이외에도 수술용 레이저가스, 마취용 크세논(Xe), 흡입용 산화질소 등이 최근 새롭게 부각되고 있는 의료용가스 시장이다.
의료용가스 시장은 전형적으로 소수의 거대 병원들에 의해 주도되고 있으며 가스품목의 다양화, 치열한 경쟁, 장기 공급계약 등을 특징으로 한다.
또한 의료용산소와 같은 중요 품목의 경우 한층 심화된 경쟁구도와는 달리 공급업체들이 시장참여를 지속할 이유를 찾기 어려울 만큼 가격하락이 심각한 상황이다.
현재 전세계 의료용가스 시장을 분할하고 있는 메이저 산업용가스 업체들의 점유율은 에어리퀴드가 22%로 세계시장을 선도하고 있으며 프렉스에어(10%), AGA(8%), AP(8%), 린데(6%), NSC(5%), BOC(4%) 등 6개사가 뒤를 잇고 있다.
에어리퀴드는 지난 95년 의료용가스, 홈케어, 의료용장비, 병원위생 등 4개 분야만을 전문적으로 담당하는 '에어리퀴드 산테(Sante)'를 설립했다.
이 회사는 설립이후 매년 평균 15%이상의 성장률을 보이고 있으며 에어리퀴드 전체 매출의 13%를 충당한다.
유럽지역 의료용가스 업계의 최강자로 군림했던 AGA는 린데의 한 부분이 됐다.
또한 AGA와 린데의 자회사인 ‘INO Therapeutics'는 최근 FDA의 승인을 받은 산화질소를 사용한 폐혈관 확장 신경제인 ‘INO맥스’의 마케팅에 돌입했다.
미국내 의료용가스 매출 1위 업체인 프렉스에어도 호흡치료.연구.살균.바이오메디컬.홈케어 등 5개 마켓그룹으로 조직을 재정비했다.
이를 기반으로 프렉스에어는 다각화된 생산라인, 서비스, 응용기술 등을 부각시켜 북미지역에서 가장 영향력있는 공급업체로서 입지를 다지고 있다.
여기에 기술발전에 의한 시장변화에도 적극 부응해 ‘Grab ‘n Go ™ 포터블 산소 발생기’ ‘헬륨충전소’ 그리고 MRI 관련 서비스 등에 진출했다.
에어프로덕트는 벤더(vendor)를 단일화한다는 점에 있어선 프렉스에어나 BOC와 유사하지만 아직도 시장보다는 제품본위의 조직구성을 보여주고 있다는 점에서 대별된다.
에어프로덕트는 경쟁사보다 월등히 많은 저온충전용 헬륨을 공급하고 있으며 미국 MRI시장의 65%이상을 점유하고 있다.
하지만 이같이 전세계적으로 의료용가스에 대한 사업적 움직임이 활발히 전개되는 상황에서 국내 의료용가스 관련 사업은 아직도 원재료공급에만 만족, 전문적인 활동이 부진한 실정이다.
현재 국내 의료용가스 사업은 액메이커와 충전소, 판매업소간에 병.의원에 대한 산소 등의 공급권 경쟁이 주된 관건이 되고 있다.
따라서 매년 초에 실시되는 입찰시점에서는 끊임없이 잡음이 일고 있으며 업체간 불신을 조장하는 장본인이기도 하다.
병.의원에 공급되는 가스는 주로 호흡용 산소를 비롯해 MRI용 액체헬륨, 마취용 N2O, 레이저 수술용 탄산과 혼합가스, 질소 등 수십여종에 달한다.
특히 산소의 경우 대부분의 산업용가스 업체가 판매허가를 가진 탓에 입찰때마다 과열경쟁으로 인한 가격하락을 유발하는 전쟁터를 방불케하고 있다.
또 전량 수입에 의존하는 액체헬륨의 경우 공급처가 한정된 상황이긴 하지만 자기공명장치인 MRI의 필수재료는 물론 점검시 많은 양이 사용되면서 수요처 확보를 위한 경쟁이 치열한 실정이다.
여기에는 이같은 사업에 걸림돌이 되는 불필요한 법적 규제, 즉 식품의약품안전관리법의 개정도 적극 검토해야 한다.
현행 관련법에 따르면 의료용가스 제조 및 판매허가를 받기 위해 업체가 구비해야할 가스크로마토그라피 등을 제외한 장비의 대부분이 실제적으로는 전혀 쓸모가 없다는 사실은 OECD 가입국가로서의 체면과도 관련해 무지의 극치가 아닐 수 없다.
구체적으로 의료용가스의 용도을 살펴보면 산소의 용도는 주로 흡입용이다.
하지만 흡입용이라고 해도 구급시, 마취시에 사용되는 인공공기, 고압산소치료용 등 사용형태는 다양하다.
또한 마취시에는 인공공기의 혼합물로 질소가 혼합해서 사용된다.
질소는 수술실에서 사용되는 자동메스장치의 구동원이나 피부병의 냉동수술용으로서도 사용되기도 한다. 또 생체세포 보존, 제대혈보관 은행용으로도 사용된다.
이산화탄소는 탄산동결수술, 바이오연구에 있어서의 혐기배양, CO2레이저, 산소 흡입시 순산소 대비 5~10%첨가 그리고 외과수술 등이 주된 용도이며 액체헬륨은 MRI의 마그네트 냉각용이다.
우주산업
로켓 추진용으로 액체수소를 사용하는 산업용가스의 대표적인 수요처이다.
아직까지 국내에서는 실용화되고 있지는 않지만 액체단위로 수소 수요처 1개소는 실로 어마어마한 양을 사용하고 있다.
액체수소와 액체산소는 로켓 추진제이다.
공기가 없는 우주에 발사되어지는 로켓은 산화원인 산소를 탑재하지 않으면 안된다.
추진력과 자신의 무게는 반비례하기 때문에 가능한 한 가벼운 연료가 바람직하다.
그런 점에서 수소가 사용되는 것이다.
실제로 2톤 무게의 정지위성발사를 위한 로켓 1기당 액체수소탑재량은 323㎘이며 액체산소는 108㎘가 필요하다.
연료의 가압, 퍼지용, 벨브구동용, 배관의 리크테스트용으로는 헬륨이 사용된다.
또한 지상의 발사장 등 설비배관용으로는 질소를 사용한다.
전기추진력을 이용하는 이온엔진용으로써 크세논이 인공위성에 탑재되어있다.
펄프표백
표백은 산화·환원의 원리를 이용하며 산화제(酸化濟)를 사용하는 산화표백과 환원제(還元濟)를 사용하는 환원표백으로 나뉜다.
산화표백은 산화작용을 이용하여 섬유 속의 색소 불순물을 없애고 탈색하는 것을 말하는데 표백제의 성분에 따라 염소계와 산소계(과산화물)로 나뉜다.
염소계표백제로는 표백분·차아염소산나트륨, 아염소산나트륨 등이 있고 산소계표백제로는 과산화수소, 과탄산나트륨과 붕산나트륨, 과망간산칼륨 등이 있다.
염소계표백제는 산화력이 매우 강해서 염색물인 경우 본래의 색이 변하거나 모직물, 견직물, 나일론처럼 질소를 함유한 섬유는 색이 누렇게 변할 우려가 있다.
따라서 흰색 면직물이나 마직물, 폴리에스테르 섬유에만 사용할 수 있다.
반면에 산소계표백제는 염소계에 비해 표백작용이 약하므로 거의 모든 섬유에 사용할 수 있다. 세탁용 세제에 들어 있는 것은 산소계표백제이다.
또한 환원표백은 환원작용을 이용하여 섬유 속의 색소 불순물을 분해하거나 녹게 하여 탈색하는 방법으로 소디움하이드로설파이트, 티오유레아다이옥사이드, 롱갈리트 등이 사용된다.
모직물·견직물 등의 질소를 함유한 섬유를 표백하거나 철분 또는 염소계표백제에 의해 누렇게 변색한 섬유를 원상태로 되돌릴 때 효과적이다.
따라서 염소 대체의 표백제로서의 산소 어플리케이션. 액체가스와 PSA공급이 진행되어 대형 공장에의 도입은 당연시 되고 있다.
염소를 적게 쓰자는 움직임으로부터 산소를 원료로 하는 오존표백의 사용도 일부에서 시작하고 있지만 최근 1~2년 사이에는 전환 움직임이 정체된 듯한 분위기다.
제지업계에서는 최근 수년간 배수 중에 포함된 잔류 염소에 의한 환경피해를 저감하기 위해 표백공정에서의 염소이용을 줄이고 여러 가지 기술개발에 노력하고 있다.
오존법도 그 중의 하나이지만 오존발생기의 신뢰성, 이니셜코스트, 표백능력의 불확정한 부분도 많고 같은 대체법인 이산화염소법을 채용하는 공장도 있어 전면적인 채용에는 이르지 못하고 있는 상황이다.
실제로 원료펄프로부터 불순물을 제거해 흰색으로 탈색하는 시스템이 표백이지만 산소는 표백의 전단계 리그닝으로 불리우는 불순물 제거로 탈리그닝제로써 많이 사용된다.
오존은 표백제인 염소의 대체. 염소에 의한 환경오염을 요인으로 인식돼 제지업체에서는 탈염소화를 진행시키고 있다.
이러한 움직임은 염소계 약품 삭감효과와 배수 중에 유해물질을 잔류시키지 않는 환경개선효과가 있다.
또 산소는 배수처리용으로써도 사용되고 있다. 제지업체의 배수는 양도 많고 산소배수처리에 적합한 분야로 자리매김하고 있다.
펄프표백용 산소공급은 PSA가 일반적이다. 오존원료공급용 산소 공급도 새롭게 오존표백 실시하는 공장이 없었기 때문에 그다지 큰 움직임은도 없는 편이다.
조선
대형 조선소는 협력회사인 하청, 재하청기업이 상존하는 외적인 번성기를 맞아 융성한 분위기를 조장해 왔지만 최근에는 설비축소와 합리화의 결과로 인해 과거와 같은 대량소비형의 노동집약형산업에서 점차 탈피하는 모습을 보이고 있다.
특히 주변국과의 원가경쟁이 심해진 이래 조선기술의 혁신이 진행되고 네비게이션, 통신, 광학, 전자 등 첨단기술을 구사하면서 생산공정에는 컴퓨터통합관리 시스템이 채용되고 있는 추세이다.
철가공에 관해서도 아웃소싱, 허브화가 진전되어 조선소에서의 현지작업은 지속적으로 축소되고 있다.
하지만 이러한 움직임에도 불구하고 대형 조선소를 중심으로 하는 기업들은 여전히 대규모 수요처인 것만은 변함이 없다.
PSA방식으로의 공급이 거의 없는 조선소는 월간사용량이 10만~35만㎥인 액체산소는 전량 BULK방식으로 공급된다.
용단가스의 경우는 대형조선소 대부분이 아세틸렌에서 벗어나 에틸렌, 프로필렌, LNG 등으로 바뀌고 있는 추세이고 육상작업에서는 프로판을 주로 사용하고 있다.
또한 용접작업의 반자동, 자동화가 진전됨에 따라 탄산의 대형 소비처로도 성장함과 동시에 반자동용접기와 와이어의 수요처이기도 하다.
용단기는 산소 플라즈마와 대형가스 절단기가 주류로 사용되고 있으며 레이저 가공기는 아직까지 보급률이 그다지 높지 못한 편이다.
산소와 아세틸렌, 에틸렌, 프로필렌, LNG, 프로판, 수소 등 용단가스는 강판의 절단용으로 용단가스로 예열한 후 산소로 산화절단한다.
산소플라즈마절단의 경우 별도의 절단가스는 필요없지만 산소를 산화작업에 사용한다.
용접부분에서는 에어를 차단하고 용접품질을 향상시킴과 동시에 작업의 자동화를 위해 탄산이 실드가스로서 사용된다.
LNG 탱크용 용접에서는 아르곤과 헬륨의 TIG 용접과 아르곤 단품 또는 아르곤+탄산의 MIG용접이 있다.
질소는 LNG와 LPG의 퍼지용, 저온탱크의 쿨다운용 액체질소도 있다.
저장탱크의 기밀테스트용 헬륨, 배에 탑재되는 소화용 실린더에는 탄산과 질소가 수요된다.
우리나라는 세계 조선업을 손에 쥐고 있을 만큼 아직까지는 국가소득의 상당부분을 차지하고 있다고 해도 과언이 아니다.
또한 세계적인 저장탱크 등 교체시기를 맞이함과 동시에 환경개선의 대책도 있고 LNG 이용이 세계적으로 증가하면서 수송용 LNG선박의 수주가 활발히 진행되고 있다.
한국은 현재 세계 시장의 36%에 미치고 있는 것으로 나타나고 있지만 2위인 일본에 이어 중국이 조선대국으로 급부상하고 있어 이에 대한 대비책 마련이 급선무한 실정이다.
