화학비료 제조시 원자재 사용 현황

1. 화학비료 제조 기본 도표(Chemical Fertilizer)

기초원자재             중간원료              완제품

o 납사   ―――――→    암모니아     ―――――――→   질소질비료(Nitrogen Fertilizer)

화학반응                       화학반응        (요소, 황산암모늄, 질산암모늄)

황산

o 인광석 ――――――→  인산   ――――→  ――――→  복합비료제조(Complex Fertilizer)

화학반응                          화학반응    (D.A.P,  M.A.P,  수출용복비)

o 염화가리  ―――――――――――

o 유   황  ――――――――――――→ 황산 : 인광석과 반응하여 인산제조

2. 배합비료(Blending Fertilizer)

제 1종 복합비료와 질소, 인산, 가리(요소, 황산암모늄, 질산암모늄, 인산단비, 염화가리,

황산가리등 단비)를 작물의 특성에 맞도록 배합하여 제조한 전용복비를 말함

◎ 비료제조 공정 내용

1. 암모니아 공장

암모니아는 비료의 삼성분(질소질, 인산질, 가리질) 중의 질소질 성분이 되는 중간제품으    로 정유공장에서 공급되는 납사 또는 LPG를 원료로 사용하고 있다.

암모니아는 수소와 질소로된 화합물(NH3)로서 이를 만들기 위해, 수소와 질소가스가        필요하며 수소는 납사 또는 LPG에서 질소는 공기로부터 얻으며 다음과 같은 다섯 단계의    공정을 통해 제조된다.

1)  납사(LPG)탈류

2)  납산(LPG)증기개질(1차개질 및 2차개질)

3)  가스전환

4)  가스정제

5)  암모니아 합성

1)  납사(LPG)탈류

원료납사에는 50ppm의 유황이 포함되어 있는데 이 유황이 촉매에 해로우므로 제거 하여    사용하여야 한다.

원료납사중에 포함된 유황을 제거하기 위하여 납사에 수소가스를  첨가하여 수첨반응탑에    보내 유화물을 수소첨가 반응시켜 유화수소로 전환케하여 유화수소로분리탑에서 유화수소    를 분리제거한다. 이렇게 해서 1차 탈류된 납사는 유황분이 5ppm까지 감소 된다.

1차탈류된 납사에 잔류유황분을 제거하기 위해 다시 수소를 첨가해서 탈류탑으로 보        내 수소첨가반응후 유화수소를 촉매에 흡착시켜 유황분을 0.5ppm까지 낮춘다.

LPG(황함유율 30ppm)를 원료로 사용하는 경워에는 2차탈류 과정만 거치게 된다.

2)  납사(LPG)증기개질

가) 1차 납사(LPG)개질

납사(LPG)개질의 목적은 탄화수소화합물인 납사(LPG)를 수증기와 반응시켜 암모니아       합성에 필요한 수소(H2)를 얻는 것이다.

이것을 화학식으로 표시하면 다음과 같다.

CH4    ／     H20     →     CO     ／     3H2

CO    ／     H20     →     CO2    ／     H2

탈류공정을 거친 납사(LPG)가스에 수증기를 첨가하여 촉매가 들어있는 개질관을 통과      하므로서 1차개질반응이 일어난다.

1차개질반응으로 생성된 가스는 수손(H2), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 및 메탄가      스(CH4)외 혼합가스로 메탄함량은 9∼10%로가 된다

이 반응은 외부에서 열을 흡수하는 흡열반으이므로 외부에서 열을 공급해야 하며 이를      위해 납사(LPG)버너로 열을 공급한다. 이때 생기는 고온의 연돌가스는 보일러 급수외      예열, 2차개질에 들어가는 공기의 예열등에 사용하며 최대한의 폐열을 회수한다.

나) 2차 납사(LPG)개질

1차개질 공정을 거친 부분적으로 개질된 가스는 공기압축기에서 공급되는 공기와 함께      촉매가 들어있는 2차개질로에 보낸다. 공기는 질소와 산소의 혼합물이므로 2차 개질촉매     층 입구에서 1차개질을 거친 가스와 공기중의 산소와 연소되어 질소만 남게되므로 암모     니아 합성에 필요한 질소를 얻을 수 있다.

상기 부분 연소된 가스는 2차개질 촉매를 거치면서 개질반응이 일어나 메탄함량이 0.2%     가 된다. 이때 발생한 연소열을 2차개질 반으어에 필요한 열공급원이 되며 2차개질에서     나오는 고온가스는 2개의 폐열보일러(열교환기)를 거쳐 고압증기를 발생시켜면서 가스전     환 공정으로 간다.

3) 가스 전환

1,2차 개질과정에서 생성된 일산화탄소(CO)는 촉매층에서 수증기와 반응 수소와 탄산가     스로 전환된다.

CO    ／     H20     →     H2     ／     CO2

이 가스전환은 고온과 저온의 2단계로만 전환탑에서 이루어진다.

4) 가스정제

가) 탄산가스(CO2)제거

암모니아공장에 채택된 CO2제거공정은 Catacarb공정으로 화학용액(Chemical Solution)       을 이용하여 가스중의 CO2를 흡수, 분리하며, 이용액을 Catacarb용액이라 한다.

전환과정을 거친 가스는 CO2흡수탑을 통과함으로서 가스중의 탄산가스(CO2)는             Catacarb용액에 흡수되고 CO2가스를 흡수한 Catacarb용액은 분리탑으로 보내 가열하       여 CO2를 분리한후 다시 흡수탑으로 보내진다.  이분리된 탄산가스(CO2)는 요소공장       으로 가서 요소제조에 사용된다. 상기흡수과정을 거쳐 탄산가스가 제거된 합성가스는       메탄화공정(Methanator)로 간다.

나) 메탄화공정(Methanator)

메탄화공정에서는 미량의 잔류 일산화탄소(CO)와 탄산가스(CO2)를 촉매층에서 수소와       반응시켜 메탄(CH4)으로 전환시킨다.

5) 암모니아 합성

암모니아합성에 필요한 가스는 수소와 질소 비울이 3대1이며 이합성가스 비율은 2차 개      질과정에서 첨가되는 공기량에 의해 조정된다.  메탄화공정을 통과한 정제된 합성가스      는 대형 합성가스 압축기에 의해 150기압까지 압축되어 촉매가 들어있는 합성탑에 들어      가 암모니아가 합성된다.

3H2   ／     N2     →     2NH3

합성탑에서 나온 암모니아와 미반응가스는 냉각되어 암모니아는 액화분리되고 미반응 가     스는 다시 합성탑으로 순환된다.

액화분리된 암모니아는 -33℃의 저온 액체암모니아 저장탱크와 복비 및 요소공장등에      암모니아를 공급하기 위한 Surge 탱크로 간다.

암모니아 생산공정도

연소가스            연소가스             연소가스

대기중으로       대기중으로       대기중으로

↑              ↑                 ↑

																																		증기											탄 산 가 스					-→	요소제조에 사 용
	수소							수소																										↑											↑
납사	↓ -→		가열기		-→	유 화 수 소 분리탑		↓ -→		가열기					-→	최 종 탈황탑	-→	1차 개질로									-→		2차 개질로			-→		열회수기					-→				전환탑	-→	탄 산 가 스 분리기					-→	메 탄 전환탑				-→ ↑		압축기
(원료)			↑							↑↑								↑ ↑											↑					↑
																																		물
										부 탄							부 탄 (연료)												압축기
	유 황 시 설 (공해방지시설)									(원 료)																			↑
	(동력공장 방지시설 공동사용)
			↑																										공 기
																																																										↓
	Bunker-c																	액화분리										←-			흡수탑				←-						암모니아제품 (비료제조에 사용)					←- ↑				분리기				←			암모니아 합성탑
	(연 료)
																																											암모니아수
																				↓												수 소 회 수																							→

2. 요소 공장

요소공장은 암모니아와 탄산가스를 원료로 사용하며 다음과 같은 단위공정으로 구성 된다.

1) 요소합성

2) 분해부문

3) 회수부문

4) 결정과 재립부문

1) 요소합성

암모니아 공정에서 공급되는 탄산가스와 액체암모니아를 250기압까지 압축시켜 순환 카바메이트 용액과 함께 요소합성탑으로 보낸다.

여기서 요소합성 반응이 이루어지며 이것을 화학식으로 표시하면 다음과 같다.

2NH3      ／      CO2      →     NH2COONH4

액체암모니아        탄산가스         암모니움카바메이트

NH2COONH4     →    NH2CONH2     ／      H2O

암모니움카바메이트          요  소                 물

2) 분해부문

합성반응 생성물은 요소, 암모니움카바메이트, 수소 및 과량의 암모니아를 포함한다. 따라서 반응생성물로부터 요소를 분리하기 위해 분해과정이 필요하며 이 과정은 고얍분해, 저압분해, 기체분리의 3단계로 이루어진다. 이 과정에서 과량의 암모니아는 압력이 감소할때 기화 분리되고 암모니움카바메이트는 암모니아와 CO2로 분해되어 분리된다.

3) 회수부문

분해과정에서 분리된 암모니아와 탄산가스는 원심분리기에서 오는 모액에 흡수하여카바메이트 용액이 되어 요소합성으로 순환되어 보충되는 암모니아, 탄산가스와 함께 요소합성에서 다시 사용된다.

4) 결정과 재립부문

분해부문에서 나오는 요소용액은 결정기의 전 공정내에서 결정이 되고 원심분리기에서 요소결정이 분리되어 뜨거운 공기에 의해 건조되어 수분이 0.3% 미만으로 된다.

건조된 결정은 유동건조기(FLUIDIZING DRYER)를 통하여 제립탑(PRILL TOWER) 꼭대기로 운반되어 증기로 가열 용융요소로 만든후 분배기(Distributor)를 통하여 제립탑으로 흘러내려 작은방울을 형성하여 떨어지게 하여 제립탑 밑에서 불어올린 찬바람에 의해 웅고되어 제품이 된다.

3. 복합비료 공장

복비 비료는 비료의 3요소인 질소, 인산, 가리질을 포함한 비료로 암모니아, 인산, 요소, 가리 및 충전물(제오라이트, 벤토라이트)등을 원료로 사용 입자비료를 만든는 것으로서 각 공정별 요약설명은 다음과 같다.

1) 중화반응

- 기체암모니아와 인산을 중화반응조에 보내 반응시켜 1인안(MAP : Monoammonium phosphate)과 2인안(DAP : Diammonium phosphate)의 혼합물인 비중이 큰 Slurry를 만든다.

- 이 반응은 완전히 반응이 종결된 것이 아니고 부분 중화된 Slurry로 순환하는 물과 복비의 비중에 따라 적정량의 충전물(제오라이트, 석고)을 혼합시켜 제립기로 보낸다.

(수출용 복비인 DAP의 경우는 충전물을 첨가하지 않음)

- 이때 발생되는 폐수는 석고수 Coling pond로 보내고 Vent되는 Vapor는 Scrubber(집진기)로 보내져 처리한후 세정수를 공정에 재순환 이용하거나 냉각탑으로 보내 냉각시킨 후 Scrubber의 세정수로 재이용하고 잉여폐수는 폐수 처리장으로 보낸다.

2) 제  립

제립기로 보내진 Slurry는 복비의 기종에 따라 적정량의 첨가되는 염화가리와 혼합하여 회전되는 제립기에서 입자가 형성된다. (수출용 DAP는 염화가리 첨가되지 않음)

3) 건  조

제립기에서 나온 복합물의 입자는 5% 정도의 수분을 함유하므로 건조기에서 더운 공기로 건조시켜 1%이하로 수분을 낮춘다.

4) 선  별

건조기를 거쳐 나온 복합비료는 그 입자의 크기가 다양하므로 이것을 선별기(Screen)로 보내어 규격입자, 큰입자, 작은입자의 3종으로 선별하고 규격입자는 제품화 하기 위해 다음 공정으로 보내고 큰 입자는 분쇄기로 분쇄시킨후 작은입자와 함께 순환시켜 다시 제립기로 보낸다.

5) 냉각 및 제품피복

- 선별공정에서 분리된 규격입자 제품은 복비창고로 보내기전에 냉각기에서 공기로 냉각시킨 다음 최종 선별기를 거쳐작은 입자를 제거후 저장창고로 보낸다.

- 피복제품(Coating)은 국내 비종의 경우 거의 사용하지 않고 있으며 수출비료(DAP)의 경우 수입선의 요구에 따라 사용되고 있으나 이는 비료의 창고 저장중 공기중의 수분을 흡수하여 덩어리가 되거나 또는 이것이 심하면 녹아나는 현상을 방지하기 위해 피복한다. 이 Coating은 상기 냉각기에서 나온 비료를 피복기에 보내 Talc와 함께 회전하면서 피복된다.

6) DUST 회수

복비의 생산과정은 고체 물건을 많이 취급하기 때문에 각종 기계장치에서 비료의 먼지가 상당량 발생하므로 1차로 집진기를 거쳐 90∼95%의 분진을 회수 재이용하고 2차로 습식 집진장치에서 잔여 분진과 대부분의 암모니아 및 fume 인산용액에 의해 흡수 제거되며 최종 단계에서 충전물을 채운 세정탑에서 물로 대부분의 고체물질을 흡수하고 청정공기만 대기 방출시킨다. 배출되는 세정폐액은 인산공장으로 보내거나 석고 폐수처리장으로 보낸다.

4. 인산 공장

인산은 복합비료의 인산질 성분을 공급하기 위한 복비공장의 중간제품으로서 인광석 및 황산을 원료로 사용하며 다음과 같은 단위공장으로 구성된다.

1)  인광석 선별 및 분쇄

2)  반수석고 분해반응

3)  반수석고 여과

4)  이수석고 전환

5)  이수석고 여과

1) 인광석 선별 및 분쇄

선박으로 수입된 인광석은 입자크기가 굵고 고르지 않으므로 황산으로 분해를 잘 시키려면 큰 입자는 선별하여분쇄를 해야한다.

창고로부터 운반되온 인광석중 Screen(12mesh - 1,41mm)을 통과한 작은 입자는 직접 분쇄인광석 저장조로 보내고 Screen에 걸린 큰 입자는 회전 분쇄기로 이송되어 분쇄기내의 절구와 함께 혼자 회전하면서 잘게 분쇄되면 분쇄인광석 저장조로 보낸다.

2) 반수석고 분해반응

저장조의 인광석은 콘베이어로 이송돼 일정량씩 계량된후 총 10개의 격실로 된 2개의 반응조에서 황산으로 분해되어 인산과 반수석고의 혼합물인 Hemi-Slurry가 된다

분해반응의 첫단계는 처음의 5개 반응 간격에서 일어나며 두번째 단계에서는 분해반응 일을 제거하고 일부 Slurry는 첫단계로 재순환시키면서 반응이 완료된 Hemi-Slurry를 반수석고 여과기로 보낸다.

3) 반수석고 여과

Hemi-Slurry를 Belt Fillter에서 인산과 반수석고로 분리시키는 과정으로서, 한쪽방향으로만 움직이는 Belt위의 여과포에 Slurry를 떨어뜨리면 여과포 밑의 진공에 의해 여과포를 통과 인산은 저장탱크(46% P2O5)로 보내고 여과포 위에 걸린 반수석고는 다음 과정에서 재순환된 저농도 인산으로 씻어 이수석고 전환 부문의 수황탱크로 보낸다.

4) 이수석고 전환

반수석고를 이수석고로 전환시키는 과정으로서, 수화탱크까지 들어온 Slurr중의 미반응 인광석을 분해시키기 위해 소량의 황산과 규조토를 첨가한후 Slurry의 온도를 반수석고 과정보다 약간 낮게 유지하면 이수석고 재결정이 추진되어 결정이 커지고 고르게 되어 다음 과정에서 여과 및 세척이 용이해 진다.

5) 이수석고 여과

수화탱크로부터 온 Di-Slurry에서 인산과 이수석고를 분리하는 과정으로서, Slurry를 진공이 걸린 회전식 여과기의 Fillter Pan에 떨어뜨리면 여과포를 통과한 인산은 하부탱크로 모이고 이 저농도 인산을 다시 반수석고 여과기로 보낸다.

여과포에 걸린 이수석고는 Pan이 뒤집힐때 하부로 떨어져 공정에서 회수된 석고수로 다시 Slurry가 되어 석고수 처리장으로 보낸다.

o 반수반응공정 : 분쇄된 인광석에 순환인산 및 황산을 투입하여 인산 및 반수석고 생성

o 반수여과공정 : 제품인산과 저농도 인산 및 반수석고를 분리하는 시설

o 이수반응공정 : 반수석고 및 미 반응된 Slurry에 황산 및 규조토를 가하여 여과하기 쉬운                   이수석고로 변형시킴

o 이수여과공정 : 이수석고와 여과액을 분리하는 시설

<반  응>

주반응 : Ca3(PO4)2 ／ 3H2SO4 ／ 2H20 → 2H3PO4(인산) ／ 3aSO4.2H20(부산물-석고)

부반응 : CaF2 ／ H2SO4  →  CaSO4 ／ 2HF

6HF ／ SiO2  →  H2SiF6 ／ SiO2

3SiF4 ／ 2H2O  → 2H2SiF6 ／ SiO2

CaCO3 ／ H2SO4  → CaSO4 ／ CO2  ／ H2O

5. 황산 공장

황산은 복합비료의 인산질 성분이 되는 인산을 만들기 위한 중간제품으로 유황을 원료로 사용하여 다음과 같은 단위공정으로 구성된다.

1)  유황 연소 부문

2)  전환부문

3)  열회수 부문

4)  SO3 흡수 부문

1) 유황 연소 부문

유황을 연소시켜 아황산가스(SO2)로 변화시키는 공정으로서 교체유황과 용융유황을 병행하여 사용할 수 있다.

고체유황은 야적장에서 페이로다로 운반되어 유황용융조에서 스팀으로 녹여 침전소로 보내고 용융유황은 직접 침전조로 보내 불순물을 침전시킨후 유황연소로 보낸다.

연소로에서 용융유황은 건조탑을 거쳐 공기에 의해 연소되어 아황산가스(SO2)로 변하여 이때 발생된 연소열은 폐열보일러에서 스팀을 발생시킨다.

2) 전환부문

폐열보일러를 나온 아황가스는 바나듐 촉매층으로 충전된 2개의 전환탑을 통과하여 황산가스(SO3)로 전환된다.

1차 전환탑에는 3단의 촉매층이 있으며 3단을 통과한 가스는 열회수탑에서 대부분의 황산가스(SO3)는 98% 순환 황산에 흡수되고 나머지의 아황산가스(SO2) 2차 전환탑에서 다시 황산가스(SO3)로 전환된다.

3) 열회수 부문

1차 전환탑을 통과한 황산가스(SO3)가 열회수탑에서 황산에 흡수될때의 흡수열을 회수하는 공정으로서 열회수탑을 나온 고온의 황산은 저압보일러를 통과하면서 저압스팀을 발생시키며 저압스팀은 터어빈 발전기를 구동시켜 전기를 생산한다.

4) 흡수 부문

SO3가스를 열회수탑과 최종 흡수탑에서 황산에 흡수시켜 황산제품을 만드는 공정으로서 두 흡수탑에서 생성된 황산은 98%, 펌프탱크를 거친후 93% 황산제품 저장탱크로 보내다.