전세계적으로 헬륨(He)의 수요는 지속적인 증가세를 나타내고 있다.

이러한 헬륨은 산소, 질소, 아르곤 등 여타 산업용가스들과 달리 인공적인 제조가 현실적으로 불가능한 아이템이다.

헬륨 자체가 공기중에 0.0005% 밖에 함유되어 있지 않은 희귀가스인 탓에 상업성을 확보할 수 있을 만큼 대량생산하기 위해서는 과도한 설비투자가 요구돼 투자대비 경제성이 전혀 없기 때문이다.

이에 따라 현재 지구상에서 생산, 유통, 사용되고 있는 모든 헬륨은 전량 천연가스(Natural Gas)로부터 추출된 제품이다.

그러나 모든 천연가스전에서 헬륨이 추출되는 것은 아니며 매장량 측면에서 상업성을 갖춘 몇몇 대형 천연가스전에서 전세계 산업용 헬륨의 수요를 모두 충당하고 있다.

이같은 조건을 갖추고 있는 천연가스전은 세계적으로 10여개소에 불과해 헬륨은 천연가스에서 추출, 액화, 정제된 이후 전세계 수요고객들에게 도착하기 까지 상당한 시일이 소요될 수밖에 없는 시장구조를 띄고 있다.

헬륨 생산.공급업체들이 고도의 초저온 엔지니어링 기술을 동원, 배송과정에서 발생할 수 있는 누수(loss)를 최소화하는데 다각적인 노력을 기울이고 있는 것도 이러한 이유에 기인하는 것이다.

오는 2005년 가동을 목표로 최신 헬륨 추출.액화플랜트의 건설이 진행되고 있는 알제리의 스킥다(Skikda)플랜트를 기본 모델로 하여 천연가스에서 헬륨을 추출하여 고객에게 공급되기까지의 전과정을 살펴보기로 한다.

[천연가스 액화공정]

위에 언급된 바와 같이 천연가스 추출법은 인류가 헬륨을 상업적으로 생산해낼 수 있는 현존하는 유일한 방법이다.

천연가스에 함유된 헬륨의 량은 가스전의 위치나 매장량 등에 의해 좌우되는데 스킥다(Skikda)플랜트의 경우 시간당 5만N㎥의 천연가스에서 5.55mol%의 헬륨을 추출할 수 있는 것으로 알려져 있다.

천연가스 생산과정에서 부산물로서 헬륨을 추출하여 공급하기 위해서는 가스의 가공은 물론 천연가스 액화, 초저온 가스분리, 추출, 정제, 저장 등에 대해 기술적으로 매우 복잡한 과정들을 거쳐야만 한다.

이를 위해 에어리퀴드, 에어프로덕트, BOC, 프렉스에어, 린데, 메싸 등 전세계의 메이저급 헬륨공급업체들은 약 1백여년전에 개발되었던 공기액화장치를 기본으로 기술개발에 매진, 헬륨의 생산과 공급을 위한 다방면의 지식과 기술노하우를 확보하고 있다.

이와 관련 알제리는 세계적인 천연가스 매장국가로서 생산된 천연가스의 대부분을 파이프라인 및 액체가스 형태로 유럽지역에 판매하고 있다.

현존하는 4개의 천연가스 파이프라인중 2개는 가스전이 위치한 사하라사막에서 이탈리아와 스페인에 연결되어 있으며 또다른 2개의 파이프라인은 천연가스 액화플랜트가 위치한 Arzew(모로코 국경지역)와 Skidda(튀니지 국경지역)에 연결되어 있다.

이러한 알제리의 천연가스에는 여타 천연가스전에 비해 상대적으로 미량의 헬륨이 함유되어 있지만 막대한 천연가스 매장량을 바탕으로 Skikda 액화플랜트의 처리능력이 워낙 크기 때문에 회수되는 헬륨의 량도 상업적으로 활용가능한 수준이다.

실제로 업계전문가들은 향후 전세계 헬륨수요의 약 10%를 Skikda플랜트가 감당하게 될 것으로 예상하고 있다.

천연가스 액화공정에서 천연가스는 초저온공정에 들어가기 앞서 열교환기의 막힘현상 방지를 위해 반드시 건조공정 및 이산화탄소(CO2) 제거공정을 거쳐야만 한다.

그렇지 않을 경우 천연가스에 함유된 수분(H2O)과 CO2가 열교환기 내에서 동결(凍結)되어 열교환기의 작동불능을 초래할 수 있기 때문이다.

LNG플랜트에 있어 천연가스는 냉각기를 통해 냉각되어 액화된다.

그러나 단순한 냉각기만으로는 천연가스에 함유된 비등점(boiling point)이 낮은 헬륨, 질소(N2), 수소(H2), 아르곤(Ar) 등을 액화시킬 수 있을 만큼 충분한 온도저하를 꾀할 수 없어 이들 가스는 기체상태로 남아있게 된다.

즉 냉각기로 천연가스를 냉각한 후 분리장치(separator)를 통해 기체가스를 분리해내면 원료 천연가스에 비해 헬륨의 농도가 짙은 기체를 확보할 수 있다.

다시 말해 헬륨생산업체의 시각에서 보면 천연가스 액화공정은 본격적인 헬륨추출을 위한 원료가스의 생산공정인 셈이다.

물론 이렇게 얻어진 기체가스에는 헬륨과 함께 메탄, 질소, 중탄화수소 등과 같은 가스들이 다량 함유되어 있으며 각각의 함유량은 LNG플랜트의 액화공정에 따라 달라질 수 있다.

<표-1>은 시간당 5만N㎥의 원료천연가스를 처리할 수 있는 헬륨액화플랜트의 헬륨 회수율을 설명하고 있다.

이를 보면 시간당 5만N㎥의 천연가스를 액화처리하면 헬륨 5.55mol%, 메탄(CH4) 40.55mol%, 질소 55.55mol%의 추출가스를 얻을 수 있다.

한편 이같은 천연가스 액화공정에서 최대한 높은 효율을 얻어내기 위해서는 가능한 많은 량의 천연가스를 동시에 처리하는 것이 효과적이며 액화플랜트의 활용성 및 편의성 증대를 위해 하나의 라인이 아닌 여러개의 액화라인을 다중 설치하는 것이 일반적이다.

생산라인 하나의 최대 한계치는 기본적으로 컴프레셔(압축기)나 열교환기의 크기 및 처리능력에 따라 좌우되며 현존하는 최대의 라인은 2003년초 현재 시간당 460.000N㎥ 규모이다.

열교환기의 경우 대다수 플랜트들과 마찬가지로 코일로 휘감긴(coil-wound) 제품을 사용한다.


[헬륨 추출공정]

천연가스 액화공정에 의해 얻어진 헬륨-질소-메탄의 혼합가스(원료가스)에서 헬륨을 추출해내기 위해서는 초저온 분리공정을 수행해야 하며 기본원리는 냉각과 액화로서 LNG의 생산공정과 유사하다.

헬륨-질소-메탄으로 구성된 기체상태의 원료가스에는 약 80%에 달하는 헬륨이 함유되어 있으며 이를 액화시키면 증류컬럼을 통해 헬륨과 질소, 메탄을 각각 분리해낼 수 있다.

이때 콜드박스(cold box, 그림-1)는 초저온 가스분리플랜트와 동일한 사양을 채용하면 되고 내부에 열교환기, 컬럼, 연결파이프, 초저온 컨트롤 밸브 그리고 각종 지원장치들이 배치된다.

콜드박스내에서 저온공정과 직간접적으로 연관되는 모든 기계장치 및 파이프라인들은 반드시 절연(絶緣)성능을 갖추어야 하며 콜드박스 자체에도 분말(powder) 형태의 절연체를 채워 넣어 절연효과를 극대화한다.

콜드박스에 분말절연체를 사용하는 이유는 향후 콜드박스의 수리 및 보수시에 제거가 용이하기 때문이다.

덧붙여 열교환기의 경우 콜드박스에서 동시에 다수의 가스공급라인에 대한 열교환 기능을 수행할 수 있도록 알루미늄 평판(plate-fin) 열교환기(사진-2)를 채용하는 것이 일반적이며 진공챔버 내에서 약 600℃의 온도로 브레이징(brazing)하여 깨끗한 표면을 유지한다.

<표-2>은 이러한 초저온플랜트 열교환기의 주요사양을 적시한 것이다.

한편 초저온 분리공정에 의해 혼합가스(헬륨-질소-메탄)에서 헬륨을 분리해냈더라도 추출된 헬륨에는 아직 상당량의 질소와 메탄이 포함되어 있어 곧바로 헬륨을 액화하기에는 다소 어려움이 있다.

이에 따라 불순물인 질소와 메탄은 압력변환흡착(PSA) 방식으로 제거된다.

구체적으로 질소와 메탄은 헬륨액화공정이 진행되는 동안 헬륨보다 먼저 동결되는데 이를 대기온도 하에서 PSA플랜트를 통해 흡착제로 흡착하여 제거하는 방식이다.

이렇게 천연가스 액화공정, 헬륨추출공정, PSA흡착공정(정제공정) 등을 거친 후에야 비로소 상품성을 가진 순도 5N(99.999%)의 기체헬륨이 탄생하는 것이다.


[헬륨 액화 및 저장공정]

LNG와 마찬가지로 헬륨 또한 운송(배송)을 위해서는 기체를 액체로 액화시키는 공정이 필수적이며 이를 위해서는 미세불순물의 흡착 및 헬륨의 액화, 액체헬륨 저장, 배송컨테이너의 준비 및 충전 등에 대한 전반적인 기술력이 요구된다.

이러한 헬륨액화플랜트는 1800년대에 디자인된 공기액화플랜트를 기초로 발전되었으며 지난 10여년간 생산능력이나 크기면에서 지속적인 확대일로를 걷고 있다.

일례로 Skikda플랜트에 7천8백만달러를 투자한 린데의 경우 지난 1895년 Carl von Linde氏가 열교환기와 팽창밸브(expansion valve)를 주축으로한 액화공정을 설계했다.

이후 37년이 지난 1932년 린데는 공기액화플랜트의 원리를 기초로 3단계의 냉각공정을 채택한 헬륨액화플랜트를 건설했다.

당시 이 헬륨액화플랜트의 생산능력은 시간당 3~4리터에 불과했지만 초저온 분야에 대한 혁신적인 기술개발이 잇따르면서 현재 린데의 단일 헬륨액화플랜트 생산규모는 시간당 3천5백리터를 넘어섰다.

헬륨액화공정의 첫단계는 PSA플랜트를 통해 회수 및 정제된 기체헬륨을 약 2.0MPa의 압력으로 액화장치(콜드박스)에 투입하는 것으로 시작된다.

투입된 헬륨은 액화공정의 전처리 단계로서 액체질소(LN2)를 활용한 냉각공정을 거치는데 ‘헬륨 브레이튼 사이클(Helium Brayton Cycle)’의 제어를 통해 LN2의 기화작용과 1차냉각된 헬륨가스의 재냉각을 거치면서 약 80K(절대온도)까지 냉각이 이루어진다.

이 과정에서 가스베어링 터보 팽창기(Gas-bearing turboexpander)가 각 공정마다 각각의 온도별로 설치되어 액화에 근접한 수준까지 온도를 낮추게 된다.

이때 헬륨은 ‘동작유체를 저온에서 감압(減壓)하여 급격히 팽창시키면 이에 비례해 유체의 온도가 하락한다’는 ‘줄-톰슨 효과’에 따라 원료가스(헬륨)가 팽창되면서 동시에 부분 액화된다.

이렇게 형성된 액체헬륨은 초저온 액체를 저장할 수 있는 저장컨테이너로 보내지고 아직 기체로 남아있는 헬륨가스는 액화를 위해 포집되어 다시 콜드박스로 보내지는 과정을 반복하게 되는 것이다.

이와 관련 초저온공정에 사용되는 열교환기는 저온상태에서 활용이 가능하고 진공유지가 용이한 진공 평판(vacuum-brazed plate-fin) 열교환기를 채용하며 액체헬륨저장탱크는 다층(multilayer) 진공절연된 2중(내.외조) 압력용기를 사용한다.

각 액체헬륨저장탱크의 저장능력은 11만4천리터(3만갤런) 정도이며 유실률(loss)은 일반적으로 하루당 0.3% 전후이다.

이후 저장탱크에 저장된 액체헬륨은 1만1천갤런 또는 1만5천갤런 용량의 ISO컨테이너에 충전되어 해외의 헬륨수요처에 공급된다.

고객사에 의해 사용완료된 ISO컨테이너의 경우 헬륨생산플랜트로 돌아오는 과정에서 진공이 파괴되어 내부 온도상승, 외부 불순물 유입 등의 우려가 있으므로 재사용하기 이전에 반드시 클리닝 공정을 거치게 된다.

만일 회수된 컨테이너 내부에 잔여 헬륨이 남아있을 경우에는 이를 회수한 후 액화플랜트로 보내 재액화하여 사용한다.

<그림-3>은 지금까지 언급됐던 천연가스 액화에서 헬륨저장에 이르는 전체 헬륨생산공정을 간략히 도식화하여 설명하고 있다.


[전세계 헬륨매장량 8천9백41억scf]

현재 전세계 헬륨생산 업체는 에어리퀴드, 에어프로덕트, BOC, 프렉스에어, 엑슨모빌 등 10여개사로 미국, 알제리, 폴란드, 러시아 등 국가들의 천연가스전에서 연간 약 60억scf(standard cubic feet)의 헬륨을 초저온분리 방식으로 생산하여 전세계에 공급하고 있다.

특히 미국은 헬륨생산이 가능한 천연가스전을 가장 많이 보유하고 있는 국가로서 전세계 헬륨공급량의 85~90%를 생산하는 최대 헬륨생산국이자 전세계 헬륨수요의 60% 이상을 소비하고 있는 최대 헬륨소비국가이기도 하다.

실제로 2001년 현재 전세계 헬륨매장량을 나타낸 <표-3>을 보면 미국이 전체 매장량의 36%에 이르는 3천2백8억7천2백만 입방피트(cubic feet)의 헬륨을 자국 영토내에 보유하고 있으며 2천4백15억5천5백만 입방피트(27%)를 보유한 러시아가 세계에서 두번째로 많은 헬륨보유국가로 조사됐다.

이어 Skikda플랜트 건설과 더불어 신흥 헬륨공급국가로 급부상하고 있는 알제리가 1천81억5천9백만 입방피트, 캐나다 7백21억6백만 입방피트, 중국 3백96억5천8백만입방피트, 폴란드 1천8억1천6백만 입방피트 등의 헬륨매장량을 나타냈다.

이외에도 연간 헬륨생산량 5억~6억 입방피트의 Ras Laffan플랜트 건설이 진행중인 카타르를 비롯한 여타국가들이 전체 헬륨매장량의 11%(1천9억4천8백만 입방피트)를 차지, 전세계 헬륨매장량은 총 9천억 입방피트에 이르고 있는 것으로 분석됐다.

현존하는 주요 헬륨액화플랜트들의 생산능력에 있어서도 2003년초를 기준으로 볼 때 미국이 Shute Creek플랜트, Otis플랜트, Liberal플랜트 등 11개 플랜트를 통해 세계 최대규모인 연간 58억9천8백만scf의 헬륨생산능력을 갖추고 있는 것으로 나타났다.

미국을 제외하면 알제리의 Arzew플랜트 6억 입방피트(cubic feet), 러시아 Orenburg플랜트 2억 입방피트, 폴란드 Odolanow플랜트 7천5백만 입방피트 등으로 전세계 헬륨생산가능량은 연간 총 67억7천3백만scf 규모이다.<표-4>

이외에도 아직 생산이 개시되지는 않았지만 연간 6억 입방피트 규모의 알제리 Skikda플랜트가 2005년 가동될 예정이며 카타르의 Ras Laffan플랜트(5억~6억입방피트), 미국 뉴멕시코州 St John's Anitcline reservoir플랜트(총매장량 6백40억입방피트) 등도 현재 건설이 진행중이다.

헬륨공급업체별로는 에어프로덕트 33%, BOC 30%, 프렉스에어 30% 그리고 에어리퀴드.메싸.린데 등 3개사가 7%의 산업용 헬륨시장을 점유하고 있다.

한편 전세계 헬륨수요비중은 2002년말 이후부터 부동의 1위였던 MRI 시장의 침체와 2위 광섬유 시장의 퇴조가 두드러지고 있는 가운데 부양(浮揚)용 시장이 지난해 처음으로 전체 헬륨수요의 15.1%를 점유하며 세계 최대 시장으로 떠올랐다.

1위의 자리를 내놓은 MRI는 2002년(21%)대비 6%가량 하락한 15%를 기록했으며 용접용 14.9%, 크로마토그래피 7.6%, 열전이 6.4%, 누출감지 5.6%, 압입(壓入) 5.5%, 광섬유 4.1% 등의 순으로 수요비중이 높게 나타났다.

MRI의 수요하락과 관련 업계전문가들은 시장포화와 헬륨 손실방지를 위한 소형 초저온 냉각장치들의 보급확대에 따른 결과로 분석하고 향후에도 매년 1% 가량 수요하락이 지속될 것으로 예상하고 있다.


[국내 시장동향]

전량 수입에 의존하고 있는 국내 헬륨시장은 한국산업가스(이하 KIG, 대한특수가스 포함), 프렉스에어코리아(이하 PKC), 에어리퀴드코리아서비스(이하 ALKOS), 비오씨가스코리아(이하 BOCK), 메싸-MS가스 등 수입업체 5개사에 의해 주도되고 있다.

지난해 약 3백억원~4백억원의 시장을 형성한 것으로 추정되고 있으며 광섬유시장의 급격한 침체와 미국 서부항만 폐쇄로 인한 헬륨파동 등의 악재가 잇따른 2002년을 제외하면 연평균 20%대를 넘나드는 고감도 시장성장이 나타나고 있다.

구체적으로 관세청 집계에 따르면 지난해 국내 헬륨수입량은 총 546,219㎏(약 3,441,179㎥, 1㎏≒6.3㎥)으로 2002년의 465,441㎏대비 17.3% 가량 시장이 성장했다.

헬륨컨테이너 단위로는 지난해 약 110~120여개가 수입되었으며 삼성전자를 고객사로 확보한 KIG가 월평균 3대분의 컨테이너를 수입, 국내 헬륨시장의 약 35%를 점유하고 있는 것으로 분석된다.

KIG에 이어 PKC와 ALKOS가 20~23%의 점유율로 2위권을 형성하고 있으며 나머지 25~30%의 시장을 BOCK와 메싸MS가 분할하고 있는 형국이다.

올해의 경우에도 상반기까지 이미 지난해 연간 헬륨수입량의 57.6%에 이르는 314,899㎏(약 1,983,863㎥)이 수입됐다.

이는 전년동기(255,623㎏)대비 23.1%가량 시장이 성장한 것으로 전체 수입량에서 수출량을 제외한 실제 국내소비량에 있어서는 올해 상반기 340,267㎏(약 2,143,682㎥)으로 2002년 전체 소비량(523,682㎏)의 65%를 넘어섰다.

이에 더해 삼성전자 탕정공장, LG필립스LCD 파주공장 등 대단위 제7세대 TFT-LCD 제조공장들의 1차가동이 임박하고 있고 올해초 수입업체 5개사 모두가 헬륨컨테이너 대여료 인상 등을 이유로 10% 이상의 가격인상을 단행한바 있어 올해 국내 헬륨시장은 예년을 넘어서는 대폭적인 성장이 예견되고 있는 상황이다.

한편 그동안 ALKOS(에어리퀴드)를 통해 헬륨을 공급받아 왔던 대성산업가스가 LG필립스 파주공장에 대한 헬륨공급권 확보이후 자체 헬륨수입라인 구축을 모색중인 것으로 알려져 있어 향후 국내 헬륨업계의 판도변화를 이끌 최대 변수로 지목되고 있다.