천연가스 정제 공정에서 아민 여과 시스템에 활성탄이 필수적인 이유

천연가스, 정제 가스 및 액화석유가스(LPG)는 일반적으로 황화수소(H ₂S)와 이산화탄소(CO ₂)를 함유하고 있다. 이러한 산성 가스는 가스를 수송하거나 추가 공정을 거치기 전에 제거되어야 한다. 이용 가능한 가스 정제 기술 중에서 아민 흡수법은 높은 제거 효율과 용매 재생을 통한 지속적인 운전이 가능하다는 장점으로 인해 가장 널리 사용되는 방법이다.

현대식 가스 정제 공정에서 MDEA(메틸디에탄올아민), DEA(디에탄올아민), MEA(모노에탄올아민)와 같은 용매가 흡수기와 재생기 사이를 지속적으로 순환한다. 이러한 아민 용매는 재사용이 가능하지만, 장기간 운전 중 점진적으로 오염된다. 중질 탄화수소, 분해 생성물, 열 안정 염류, 부식 입자, 윤활유 및 기타 불순물이 순환 용액에 축적된다. 오염 수준이 일정 수준에 도달하면 아민 시스템 전반의 성능이 저하되기 시작한다.

이러한 이유로 활성탄 여과가 많은 아민 처리 시스템의 표준 구성 요소가 되었다. 활성탄은 H₂S를 직접 제거하는 것이 아니라 용매의 청결도를 유지함으로써 아민 용액이 설계된 효율을 훨씬 더 오랜 기간 동안 유지할 수 있도록 한다.

왜 아민 용액이 오염되는가?

모든 아민 유닛은 여러 출처에서 유입되는 오염물질에 노출됩니다. 공급 가스는 종종 응축성 탄화수소, 압축기 오일, 미세 고체 입자를 유입시킵니다. 한편 내부 부식으로 인해 황화철 및 녹 입자가 생성되며, 용매 재생 과정에서 반복적인 가열로 인해 점차 분해 생성물이 생성되어 아민 용액에 용해됩니다.

이러한 오염물질 중 상당수는 부유 상태가 아니라 용해 상태이기 때문에 기존의 기계적 필터로 제거할 수 없습니다. 오염이 증가함에 따라 운영자는 일반적으로 불안정한 발포 현상, 흡수 효율 저하, 압력 강하 증가, 용매 손실 증가 등을 관찰하게 됩니다. 심각한 경우, 과도한 오염으로 인해 예기치 않은 정비 정지가 발생하여 용매 교체 또는 장비 세척이 필요할 수도 있습니다.

다양한 아민 용매 중에서 MDEA는 H₂S 제거에 대한 뛰어난 선택성으로 인해 널리 사용된다. 그러나 장기 운전은 불가피하게 탄화수소, 열 안정 염류, 분해 생성물, 철 입자 및 기타 오염 물질의 축적을 초래한다. 이러한 불순물은 탈황 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 아민 공정장치에서 가장 큰 운영상 과제 중 하나인 아민 발포 현상을 유발한다.

아민 발포는 운영 손실을 초래하는 가장 흔한 원인 중 하나이다. 심각한 발포는 액체 이송, 흡수기 및 재생기 내 압력 강하 증가, 처리 용량 감소, 그리고 질량 전달 효율 저하를 유발한다. 그 결과 정제된 천연가스가 H₂S 규격을 충족하지 못할 수 있다. 또한 대량의 아민 용액이 거품과 함께 하류로 이동하여 지속적인 화학약품 손실을 초래할 수 있다. 운영자는 종종 공장 처리량을 줄이고 항발포제를 지속적으로 주입해야 하며, 이는 운영 비용을 크게 증가시킨다.

발포의 주요 원인은 중질 탄화수소(C5 이상), 윤활유, 압축기 오일, 부유 고체 및 아민 분해 생성물이다. 이러한 물질들은 계면활성제로 작용하여 아민 용액의 표면 장력을 낮추고 지속적인 발포를 촉진한다.

따라서 적절한 아민 배합을 선택하는 것만큼 용매의 품질 유지도 매우 중요하다.

아민 여과에서 활성탄의 역할

입상 활성탄(GAC)은 일반적으로 사이드스트림 여과 루프에 설치되며, 여기서 희석 아민의 일부가 공정으로 다시 유입되기 전에 활성탄층을 지속적으로 통과한다.

고도로 발달된 기공 구조와 엄청난 내부 표면적을 갖춘 활성탄은 다양한 용해된 유기 오염물질을 효과적으로 흡착한다.

카트리지 필터나 백 필터는 주로 부유 고형물을 제거하는 데 초점을 맞추는 반면, 활성탄은 탄화수소, 분해 생성물, 계면활성제, 유기산 및 용매 오염을 유발하는 기타 화합물을 흡착합니다. 이러한 불순물을 지속적으로 제거함으로써 활성탄은 공정 운전을 중단하지 않고도 용매의 품질을 유지합니다.

청정한 용매는 가스 처리 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 용매의 사용 수명을 연장하고, 교체 빈도를 줄이며, 장기적인 운영 비용을 낮춥니다.

아민 순환 시스템에서 활성탄 흡착은 폼 발생 및 오염 방지에 가장 효과적인 방법 중 하나입니다. 단순히 입자를 포집하는 것과 달리, 활성탄은 분자 간 상호작용에 기반한 표면 분리 과정인 흡착을 통해 오염 물질을 제거합니다.

활성탄 아민 용액에서 열 안정 염류, 분해 생성물, 탄화수소, 발포제 및 착색 불순물을 효과적으로 제거합니다. MDEA 시스템에서는 주로 발포를 유발하는 탄화수소 및 오염 물질을 제거하는 기능을 수행합니다.

발포 감소 및 공정장치 신뢰성 향상

발포는 아민 처리 장치에서 가장 흔한 운영 문제 중 하나입니다. 안정된 거품은 흡수기 내부의 기체-액체 접촉을 저해하여 H ₂₂S 및 CO₂ 제거 효율을 낮추고, 용매 이송량과 재생 에너지 소비량을 증가시킵니다.

현장 경험에 따르면, 과도한 발포는 용매 내 유기 오염 물질의 축적과 밀접한 관련이 있습니다. 활성탄은 이러한 화합물의 농도를 효과적으로 낮추어 거품의 안정성을 감소시키고 기포가 더 빠르게 붕괴되도록 합니다.

오염된 MDEA 용액에 대한 연구 결과, 활성탄과 용매 간 충분한 접촉이 오염물 제거 효율을 크게 향상시킨다는 것이 입증되었다. 효과적인 활성탄 여과 장치를 갖춘 공정장치는 일반적으로 거품 발생 사고가 줄어들고, 운영 안정성이 향상되며, 용매의 수명도 연장된다.

연구에 따르면, 활성탄의 소포 성능은 접촉 시간과 투입량 모두에 직접적으로 의존한다. 만족스러운 오염물 제거 및 거품 감소를 달성하기 위해서는 일반적으로 약 15분 이상의 최소 접촉 시간이 필요하다. 활성탄 투입량을 증가시키면 거품 억제 효과가 더욱 향상되며, 연구에 따르면 투입량이 약 50 wt%에 이르기까지 거의 선형적인 관계가 관찰된다. 표면장력 측정 결과, 심하게 거품이 발생하는 MDEA 용액도 적절한 활성탄 처리 후 거의 거품이 없는 상태로 정화될 수 있음이 확인되었다.

아민 시스템에 적합한 활성탄 선택

활성화된 탄소 모두가 아민 여과 응용 분야에서 동일한 성능을 발휘하지는 않습니다. 흡착 효율은 기공 구조, 원료, 기계적 강도 및 입자 크기 분포에 따라 달라집니다.

고품질 과립형 활성탄은 유기 오염물질을 흡착할 수 있는 잘 발달된 기공 네트워크를 갖추어야 하며, 지속적인 작동 중 마모를 최소화하기 위해 뛰어난 경도를 유지해야 합니다.

정유소 및 천연가스 처리 공장의 경우, 적절한 활성탄을 선택하는 것이 정제 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 주요 선정 기준은 다음과 같습니다.

요오드 수: 소분자에 대한 흡착 용량을 나타냅니다. 아민 여과용 활성탄은 일반적으로 요오드 수가 900 mg/g 이상이어야 하며, 더 높은 요오드 수는 일반적으로 우수한 흡착 성능을 제공합니다.

기공 구조: 이는 가장 중요한 요소입니다. 중질 탄화수소, 검은색 수지(검정색 점착성 물질), 아스팔텐 등은 비교적 큰 분자이므로, 잘 발달된 중공구조(2–50 nm) 및 대공구조(50 nm 초과)가 필수적입니다. 코코넛 껍질 활성탄은 미세공이 풍부하여 소규모 열분해 생성물의 흡착에 매우 적합하지만, 석탄 기반 과립형 활성탄은 중공 비율이 높아 탄화수소 및 거품 발생 물질 제거에 더 적합합니다. 미세공이 과도하게 많을 경우, 오히려 소분자에 의해 막혀 대규모 오염물질의 흡착 효율이 저하될 수 있습니다.

기계적 강도: 지속적으로 순환하는 가압 액체 시스템에서는 강도가 낮은 활성탄이 쉽게 분쇄되어 미세한 입자로 변할 수 있으며, 이는 거품 발생을 악화시키고 하류 정밀 필터를 막는 원인이 될 수 있습니다. 일반적으로 경도가 95% 이상인 제품을 권장합니다.

표면적: 흡착 용량을 충분히 확보하기 위해 최소 800 m²/g 이상의 특정 표면적을 권장하며, 고급 제품은 종종 1,000 m²/g을 초과한다.

적절한 활성탄을 선택하고 용매 품질을 정기적으로 모니터링하면 여과 성능을 크게 향상시키고 수명을 연장할 수 있다.

심각한 MDEA 거품 문제를 겪고 있던 한 대규모 천연가스 처리 공장에서 여과 매체를 8 *30 메시 과립형 활성탄으로 교체한 결과, 거품 발생이 완전히 해소되었으며, 흡수기와 재생기 모두에서 정상적인 압력 강하가 회복되었고, 제품 가스 사양 내 H ₂S 농도가 안정화되었으며, 아민 유출 손실이 70% 이상 감소했고, 소포제 화학약품 사용량이 급격히 감소하였다.

다른 설치 현장에서는, 석탄 기반 활성 탄소 아민 순환 펌프 하류에 설치된 필터로 인해 발포 현상이 90% 감소하였고, 전체 시스템 안정성이 향상되었으며 재생 에너지 소비량이 약 15% 낮아졌다. 업계 보고서에 따르면, 적절히 설계된 활성탄 여과 시스템은 아민 보충 비용을 15~30% 절감하면서 계획 외 정지 시간을 거의 50% 줄일 수 있다.

결론

활성탄은 산성 가스 제거를 위한 아민 용매를 대체하지는 않지만, 용매의 청결도 유지 및 가스 탈황 장치의 안정적 운영을 위해 매우 중요한 역할을 한다. 기계식 필터가 포집할 수 없는 용해된 유기 오염물질을 제거함으로써 활성탄은 발포 현상을 최소화하고, 오염물 축적을 줄이며, 가스 처리 효율을 높이고, 용매 수명을 연장한다.

천연가스 처리 시설이 계속해서 운영 신뢰성 및 비용 절감에 중점을 두고 있는 가운데, 적절히 설계된 활성탄 여과 시스템은 아민 처리 플랜트의 장기 성능을 극대화하기 위한 가장 실용적이고 경제적인 투자 중 하나로 남아 있다.