세계적으로 지구온난화 문제가 대두되면서 연소공정(가열, 소각, 용융)을 사용하는 산업체에서는 CO2 배출을 줄이기 위해 많은 노력을 하고 있다.
이에 현실적으로 해결 가능한 방법은 매우 제한적이지만 그 가운데 가장 유력한 방법 중 하나가 기존 공기연소를 순산소 연소로 대체하는 방법이다.
순산소 연소는 공기연소와 달리 질소가 없기 때문에 폐열낭비가 줄고 연소효율이 높아져 결과적으로 CO2 배출이 줄어든다. 또한 공기 대신 순산소를 이용할 경우 연소 배가스의 대부분이 CO2와 수분으로 이루어져 산소 분리회수가 용이할 수 있다. 그러나 산소비용이 추가로 들기 때문에 어떻게 산소를 저렴한 가격으로 만들 것인가가 기술보급의 관건이다.
산소 제조의 대표적인 방법인 심랭분리법은 고순도 산소를 대량으로 얻을 수 있지만 초저온 단열장치인 Cold Box가 필요하고 이에 부수되는 설비가 많아 초기 투자비가 많이 든다. 따라서 산소를 중소규모로 사용할 경우 상온흡착방식인 VSA(Vacuum Swing Adsorption)법을 많이 사용하게 된다.
하지만 이 방법은 비교적 저렴한 장치비용으로 산소를 생산할 수 있으나 생산된 산소에 아르곤과 질소가 혼입되는 문제로 인해 산소의 순도가 94%를 넘지 못하고 잔류 질소는 연소시 NOx로 변하기 때문에 NOx 제거장치를 별도로 설치해야 하는 단점이 있다.
이에 대성산업가스(주)(대표 김형태)는 최근 기존의 산소 VSA와 달리 순산소 연소시 NOx가 발생하지 않도록 질소가 없는 N2 free형 산소 PVSA(Pressure Vacuum Swing Adsorption) 장치를 개발해 시운전에 성공했다.
현재 시판되고 있는 2탑식 산소 VSA로 생산된 산소에는 질소가 1-4% 포함되어 있으나 이번 개발된 공정에는 질소가 300~500ppm으로 대폭 낮아져 연소시 별도의 NOx 제거시설을 설치할 필요가 없다. 또한 산소순도는 기존 산소 VSA로는 도달이 불가능한 97%까지 높아져 산소용접이나 절단도 가능하다.
그동안 미국, 일본 등 선진기술을 가진 업체 및 연구소에서 상온흡착방식으로 질소를 제거하여 산소순도를 높이려는 시도가 많이 있었다.
그러나 대부분이 흡착탑을 4개 이상 연결해 사용하거나 공기분리를 위한 흡착공정에 불순물 제거를 위한 정제공정을 별도로 연결하여 사용하는 방식을 채택했고 이로 인해 생산비 및 초기투자비가 증가해 결과적으로 상용화에 실패했다.
이번에 대성산업가스에서 개발한 PVSA 기술은 2개의 ZMS(Zeolite Molecular Sieve)탑에 1개의 CMS(Carbon Molecular Sieve)탑을 추가하여 유기적으로 운전되도록 했으며 이로 인해 초기 투자비 및 산소 생산단가가 4탑 방식에 비해 상당히 낮아졌다.
현재 이 기술은 정부 프론티어사업의 일환인 이산화탄소저감기술개발사업에서 연구비를 지원받아 대성초저온연구소(DCRI;Daesung Cryogenic Research Institute)와 연세대 이창하 박사 연구팀이 6년간의 연구를 통해 개발됐고 한국에너지기술연구원의 순산소 보일러 개발팀과 연계하여 장치의 실증화 테스트를 완료했다.
이에 따라 3탑을 이용한 N2 free 산소 PVSA 기술은 세계에서 처음으로 개발되어 국내는 물론 미국과 일본에 특허가 등록됐다.
온실가스 감축문제가 대두되면서 국내에서도 순산소 연소 및 CO2 회수기술의 중요성이 점점 커지고 있다.
따라서 이번 N2 free 산소 PVSA 공정개발로 인해 국내 산소제조 흡착분리법의 수준을 한 단계 끌어올리는 성과를 거뒀다.
PVSA 공정은 제철, 용융, 용접 외에 다양한 분야에 적용 가능성을 가지고 있다.
대성산업가스(주)는 PVSA 공정의 대형화와 소형화를 동시에 진행하는 한편 이동이 편리한 산소제조 장치를 제작하여 산소수급이 어려운 산간벽지 및 도서지역에서의 용접, 절단용으로 보급할 계획이다.
