정유-석유화학 통합 콤플렉스: COTC (Crude Oil To Chemical)

기존 정유 공장의 경우 원유를 상압 분리하여 나온 제품 중 상당부분이 연료로 사용되고 일부인 납사를 이용하여 석유화학 기초 원료인 에틸렌 등 올레핀을 생산하였지만, 원유를 곧바로 석유화학 기초 원료로 전환하는 공정이 상용화되고 있으며 납사의 수율이 기존보다 훨씬 높아 정유의 획기적인 변화라고 할 수 있다. Fuel로 시장에 팔 경우 톤당 550불인데 이를 conversion하여 petrochemical로 팔 경우 톤당 1400불을 받을 수 있다면 매력적인 사업이 아닐까?

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Crude oil은 정제라는 과정을 통해 boiling point (상대휘발도 차이)에 따라 여러 석유화학 제품으로 분리를 하여 대부분 fuel로 사용하거나 heavy 성분들은 또다시 upgrading을 하여 부가가치를 높이며 특히 CDU로부터 분리된 naphtha를 cracking하여 석유화학의 원료로 사용하여 왔다.

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현재의 정유공장으로부터 transportation fuel인 가솔린, 디젤, 중유 등은 정유 제품 전체의 약 50%를 차지하고 있다. 그래서 정유 마진은 원유와 이들 연료유와의 가격 차이에 크게 의존하고 있으며 지난 몇 년 자료를 보면 마진의 폭이 크게 흔들렸음을 보여준다. 이외에도 여러 요인들에 의해 정유산업은 새로운 도전에 직면해 있다. 첫 번째로 청정연료에 대한 요구로서 환경 이슈 및 각종 규제로 인해 향후 더 엄격한 기준의 초저유황 연료가 아니면 생존하기 어려울 수 있다.

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전기차, 수소차 등 비화석 연료 대체 차량의 증가로 향후 연료유에 대한 소비는 둔화될 것이므로 이렇듯 규제는 강화되고 판매는 감소되는 이중고의 환경에서 살아남기 위해서는 패러다임의 전환이 필요하다. 이를 해결하기 위한 중요한 issue가 부가가치가 높은 제품을 생산하는 것으로 fuel보다는 chemical로의 전환이 이에 대한 solution으로 보인다.​

Crude oil demand by products (source: Wood Mackenzie)

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Crude oil을 곧바로 chemical 원료로 만드는 이른바 COTC (crude Oil To Chemical) 공정이 요즘 각광을 받고 있다. 이는 crude oil을 단지 연료로 사용하는데 그치지 않고 가치가 더 높은 chemical로 전환할 수 있기 때문이다. 통계에 따르면 crude oil로부터 납사는 약 8~10% 추출할 수 있으며 integration이 잘 된 refinery의 경우에도 약 17% 납사를 생산하지만 COTC를 적용할 경우 적어도 40%의 납사를 생산할 수 있다.

Block Diagram of classical integration of petrochemical and refinery (source: Futurebridge Analysis)

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COTC (Crude Oil To Chemical) plant는 주로 중국과 중동에서 시작하고 있으며 COTC plant에 대한 기술의 선택은 결국 feedstock과 end product의 type에 의존하며 COTC의 가장 큰 목적은 light olefin과 aromatic yield의 극대화이다.​

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​지금까지의 steam cracking 기술은 주로 납사나 가스오일 혹은 에탄을 원료로 하여 에틸렌, 프로필렌을 생산하는 개념이었고 crude oil을 원료로 할 경우 coke 형성이나 cracker의 fouling등으로 인해 상용화되지 못했다. 이를 극복하기 위해 많은 시도들이 진행되어 왔고 steam cracker에 crude oil을 도입하기 전 먼저 전처리를 하는 것으로 개발되었으며 ExxonMobil이나 Shell에서 수행하고 있었다.

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아람코의 경우 hydro processing과 de-asphalting을 steam cracking에 조합하여 올레핀 생산을 위한 기술을 가지고 있으며, Hydro processing과 de-asphalting 단계를 통해 파라핀을 만들고 이후 steam cracking에서 olefin으로 전환을 할 수 있다.

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중국에 건설되는 COTC plant들은 주로 PX생산에 집중하고 있다. 현재 중국내 운전중인 COTC plant에는 crude oil을 이용하여 PX생산을 극대화하고 그 외 벤젠이나 다른 chemical도 생산하도록 운전되고 있다. Crude oil의 chemical Conversion은 약 42%이다. PX는 PET, PTA 제조에 사용되므로 downstream 공정과 align되고 있다.

COTC Plants (Source: IHS)

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​ExxonMobil은 light crude를 steam cracker에서 직접 처리하여 고부가 가치의 석유화학 원료를 생산한다. 2014년 싱가폴에 세계 최초 COTC가 launching되었으며, 원유를 예열하여 flash tank를 통해 부분 증발된 vapor를 steam cracker에 도입하여 올레핀을 생산하는 개념이다.

중국 정유회사 Hengli의 PX configuration (source: Axens and IHS)

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아람코와 사빅의 J/V COTC plant는 전환율 50%의 COTC로서 아라비안 라이트 crude oil 하루 40만 배럴을 처리하여 년 9백만 톤의 chemical을 생산하는 공장을 2025년에 운전을 시작할 예정이라고 한다.

아람코 정유공장 configuration (Source: IHS)

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​사우디에서도 COTC를 건설중이며 light crude 2천만 tpa를 이용하여 석유화학제품 9백만 tpa를 생산하여 45% conversion을 예상하고 있다.

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COTC 기술을 더 develop하여 아람코는 CB&I (McDermott으로 변경됨)의 에틸렌 크래커 기술과 CLG (Chevron Lummus Global)의 hydro processing 기술 그리고 아람코의 TC2C (Thermal Crude to Chemical) 기술을 조합하여 70~80%의 conversion이 가능한 기술을 상용화하여 이를 통해 chemical conversion을 70~80%를 목표로 하고 있다.

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COTC의 핵심 기술로는 resid hydrocracking, hydrocracking, hydrotreating, steam/thermal cracking이다.​

자료: 한국석유화학협회

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초기 투자비가 천문학적이라 투자에 대한 효율성이 매우 중요한 경쟁력의 요소이다. 중국과 사우디의 예에서 비슷한 scale 및 crude oil처리량에 대해 중국보다 사우디 경우의 투자비가 훨씬 높았지만 사우디의 경우 원료 및 condensate 등에 대한 가격 경쟁력이 높고 반면 중국의 경우 투자비의 효율성과 자국내시장에 대한 수요 증가세 등 환경적 요인에 의해 경쟁력을 유지하고 있다. 기술적 경쟁력은 운전비 측면에서 유틸리티 사용량의 최소화 및 수소 소모량의 최소화가 중요한 factor이다.

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Lummus에 따르면 TC2C기술은 현재 적용중이거나 개발중인 crude to chemical 기술중 chemical yield가 매우 높고 폐열 회수를 통해 에너지 효율을 높이되 탄소 배출을 줄이고 CAPEX/OPEX를 크게 낮출 수 있다고 한다. Crude oil외에 기존 정유 공장에서 나오는 slurry oil이나 pyrolysis oil등 저부가 가치 연료유 제품을 처리하여 olefin, aromatic등으로 전환시킬 수 있다. 기존 정유 공정 대비 naphtha 생산 수율을 최대 5배 이상 높일 수 있을 것으로 본다.

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향후 COTC 공정의 점유율이 점점 커질수록 NCC, ECC처럼 기존 chemical conversion을 위한 공정의 입지가 점점 줄어들 것으로 보여 이에 대한 대비도 필요할 듯 하다. 아울러 COTC의 생산 규모가 매우 크기 때문에 전세계 수요 공급에 큰 영향을 줄 수 있어서 자칫 chemical의 공급과잉이 형성되면 기존 석유화학회사에 타격이 불가피함에 따라 자체 기술력을 바탕으로 수익성이 높고 상대적으로 경쟁이 심하지 않은 고부가가치 정밀화학이나 첨단 소재산업으로의 발빠른 움직임이 그 어느때보다 필요할 듯 하다.

 

 

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