H2S 메르캅탄 제거제를 선택하는 방법?

탄화수소 시스템 내 H2S 및 메르캅탄 이해하기

원유 및 천연가스 내 H2S 및 메르캅탄의 존재

황화수소(H2S)와 다양한 메르캅탄은 발견된 원유 매장지의 약 78%와 천연가스 전역의 약 65%에서 자연적으로 존재한다. 이들은 미생물이 유기물을 분해할 때 또는 열이 분자 결합을 끊는 과정을 통해 생성된다. 이러한 황을 포함한 화학물질은 탄화수소 흐름에 쉽게 혼합되는 경향이 있다. 산성 원유(sour crude oil)는 일반적으로 50ppm 이상의 H2S를 포함하고 있어 정제 공장에서 특히 문제시된다. 메르캅탄의 경우, 이 화합물들은 화학 수업에서 자주 언급되는 특징적인 티올(thiol)기를 가지고 있다. 그 함량은 지하에 위치한 암석층의 종류에 따라 대략 10ppm에서 최대 200ppm까지 다양하게 나타난다.

H2S 및 메르캅탄 제거제 적용 시 관련된 독성, 냄새 및 부식 위험

황화수소(H2S)에 노출되면 100ppm 농도 수준에서도 치명적일 수 있다. 메르캅탄은 또 다른 문제인데, 비록 그 정도는 덜하지만 여전히 강력한 물질이다. 우리는 약 10ppb 수준에서 이미 이를 냄새로 감지할 수 있는데, 이는 올림픽 규모의 수영장 전체에 들어있는 물 속에서 단 한 방울의 액체를 찾아내는 것과 비슷한 수준이다. 이러한 화합물은 또한 파이프라인 재료를 심하게 부식시키며, 산 생성으로 인해 부식 속도가 20~40% 가량 빨라진다. 이로 인해 중류(Midstream) 사업자들은 예기치 못한 유지보수 문제 해결을 위해 매년 약 74만 달러를 지출해야 하는데, 이는 작년 포넘연구소(Ponemon)의 조사 결과에 따른 것이다. 최근의 안전 연구들은 또한 기업들이 H2S를 적절히 관리하지 않을 경우 현장 작업자들의 위험이 상당히 증가함을 보여주고 있다. 이 경우 위험 수준은 스위트 원유(Sweet crude oil)를 다룰 때보다 최대 8배까지 높아진다.

하류 공정 및 제품 품질에 미치는 영향

H2S가 처리 과정에서 적절히 제거되지 않을 경우, 정상적인 마모 속도보다 30~50% 더 빠른 속도로 정제 촉매를 파괴하게 되며, 이는 시스템에서 얻을 수 있는 처리량을 크게 줄이는 결과를 초래합니다. 또한 메르캅탄이 완제 연료에 잔류하는 문제도 있습니다. 이러한 화합물은 옥탄가를 약 2~3포인트 낮추며, EPA의 황 함량 기준인 15ppm(백만 분의 15) 한도를 위반하게 되어 심각한 벌칙을 받을 수 있습니다. 석유화학 생산 분야에서는 이러한 불순물들이 중합 공정에도 문제를 일으킵니다. 간단히 말해, 중합 과정에서 계획대로 진행되지 않을 경우 해마다 훨씬 더 많은 부적합 제품이 발생하게 됩니다. 업계 보고서에 따르면, 북미 지역 대부분의 관련 공장에서 이러한 불량 산출물이 연간 12~18% 증가한 것으로 나타났습니다.

H2S 메르캅탄 제거제 기술의 유형과 그 작동 원리

트라이아진 계열 H2S 메르캅탄 제거제: 작동 원리 및 효율성

트라이아진 기반 제형은 핵친 공격 반응을 통해 황화수소 분자를 결합함으로써 작용하며, 위험한 H2S 가스를 쉽게 증발하지 않는 안정된 트리티아인 화합물로 전환한다. 현장 테스트 결과에 따르면, 온도가 섭씨 93도 또는 화씨 200도 이하일 경우 이러한 화학적 제거제는 가스 흐름에서 약 95%의 황화수소를 제거할 수 있다. 이는 H2S 관리가 중요한 천연가스 처리 공장 및 석유 정제소에서 특히 유용하다. 산업계의 시험을 통해 기존 아민 처리 시스템과 병행 사용하더라도 호환성 문제 없이 메르캅탄 농도를 10~15ppm 범위 내로 감소시킬 수 있음이 확인되었다.

트라이아진 외 대체제: 산화 및 흡수 경로

금속 기반 스캐븐저 및 질소 화합물을 포함하는 제품은 황화수소(H2S)를 원소황 또는 황산염 부산물로 전환시키는 산화환원 반응을 통해 작용한다. 예를 들어, 산화철 펠릿은 화학적 흡착 과정을 통해 산성 원유 파이프라인에서 H2S의 약 80~90%를 제거할 수 있다. 이러한 물질들은 pH 관련 문제가 없고 온도가 150도 섭씨를 초과하는 조건에서도 잘 작동하기 때문에 기존의 트리아진 계열 화학제품보다 장점이 있다. 다만, 철 황화물이 장비 표면에 스케일링되는 문제를 방지하기 위해 산소와 H2S 농도 사이의 적절한 균형을 유지해야 한다는 점이 중요하다.

수용성과 유용성 H2S 및 메르캅탄 스캐븐저 제형

수처리 공정에서 MEA 트라이아진과 같은 수용성 스크래번저는 수기반 용액 내에서 빠르게 퍼지기 때문에 일반적으로 사용됩니다. 예를 들어, 석유 작업에서 발생하는 생산수 처리에 매우 효과적입니다. 반면, 알킬화 아민으로 제조된 유용성 스크래번저는 탄화수소가 많거나 점성이 높은 원유가 있는 환경에서 특히 이황화수소를 제거하는 데 사용됩니다. 작년에 발표된 최신 연구에서는 이러한 유용성 시스템에 대해 흥미로운 결과를 보여주었습니다. 이들은 TAN이 높은 어려운 원유 상황에서도 이황화수소 농도를 약 92%까지 감소시켰습니다. 더욱 중요한 점은 점성이 매우 높은 유체를 처리할 때 수용성 제품보다 약 18% 더 뛰어난 성능을 발휘하여 실제 현장 적용에서 큰 의미를 갖는다는 것입니다.

재생형 대 비재생형 스크래번저: 장기 운영에 미치는 영향

산화아연 흡수제는 재사용이 가능한 재생형 기술에 속하며, 교체 전 약 5~7회 정도 재사용할 수 있어 일회용 트리아진 제품과 비교했을 때 화학물질 비용을 약 40% 절감할 수 있습니다. 문제는 대부분의 대규모 시스템이 여전히 비재생형 제거제를 사용하고 있다는 점인데, 이는 예측 가능한 작동 성능과 실무 적용의 용이성 때문입니다. 업계 보고서에 따르면, 이러한 기존 시스템은 가스 처리 시설에서 가스 흐름 내의 거의 모든 황화수소를 제거할 수 있으며, 꾸준히 99.9%의 제거 효율을 달성합니다. 하지만 이로 인해 많은 공장들이 매년 재생형 대안 옵션에 비해 30~50% 더 많은 폐기물 화학물질을 배출하게 되는 단점도 존재합니다.

적절한 H2S 및 메르캅탄 제거제 선택을 위한 핵심 요소

H2S 농도 수준 및 필요한 제거 능력

처리의 효과는 시스템 내에 존재하는 황화물의 양과 밀접한 관련이 있습니다. 황화수소 농도가 100만분의 200을 초과하면, 파이프라인 기준을 통과하기 위해 스케이븐저가 최소 90퍼센트 이상의 효율로 작동해야 합니다. 적절한 투입량의 균형을 찾는 것은 플랜트 운영자들에게 까다로운 과제입니다. 충분한 양의 스케이븐저를 주입하지 않으면 위험한 가스가 시스템에 잔류하게 되고, 반대로 과도하게 주입할 경우 실제 산업 운영 사례에서 확인된 바에 따르면 화학 비용이 15~40퍼센트까지 증가할 수 있습니다. 따라서 많은 시설에서는 이제 연속 모니터링 장비와 자동 주입 시스템을 함께 활용하고 있습니다. 이러한 시스템은 하루 동안 변화하는 산성가스 농도에 따라 화학약품 사용량을 동적으로 조절하여 안전성과 예산 제약 모두를 관리하는 데 도움을 줍니다.

운전 온도 및 압력이 스케이븐저 성능에 미치는 영향

트리아진 기반 제형은 140°F 이상의 온도에서 가속화된 열 분해로 인해 35% 효율이 저하되는 반면, 금속 기반 스큐븐저는 320°F까지 안정적인 성능을 보여줍니다. 고압 시스템(>1,500 psi)에서는 압축 사이클 중 H2S 누출을 방지하기 위해 빠른 반응 속도를 갖는 비재생성 스큐븐저가 유리합니다.

다상 탄화수소 스트림의 용해도 및 상 적합성

액체 탄화수소 함량이 2% 미만인 가스 처리 공정에서는 수용성 스큐븐저가 주로 사용되며, 오일에 용해되는 형태는 15~30%의 염수를 포함하는 원유 흐름에서 에멀젼 형성을 방지합니다. 상 분배 시험을 통해 원치 않는 상으로의 스큐븐저 잔류량이 5% 미만임을 확인하여 경제성을 유지해야 합니다.

원료의 화학 조성 및 잠재적 간섭 물질

메르캅탄이 풍부한 원료(>500ppm RSH)는 글리콜 콘택터 내 오염을 방지하기 위해 H2S/메르캅탄 양성친화성을 가진 스크래빈저를 필요로 한다. 아민계 시스템은 산소를 포함한 불순물에 노출될 경우 20~50% 효율이 저하되므로, 용존 산소(O²)가 >10ppm 포함된 유체의 경우 사전 여과 처리가 필요하다.

성능 비교: 트라이아진 기반과 비트라이아진 기반 H2S 메르캅탄 스크래빈저

반응 메커니즘: 화학적 결합 대 산화환원 전이

트리아진 기반 제거제는 핵친핵성 첨가 반응이라 불리는 화학 반응을 통해 황화수소와 결합함으로써 작용한다. 이 과정에서 유해한 가스는 무해한 트라이설파이드 화합물로 전환된다. 트리아진 외의 대안을 찾는 경우, 질산염과 같은 비-트리아진 솔루션이 있는데, 이들은 산화환원 반응을 통해 다르게 작동한다. 이러한 대체 물질은 H2S를 원소 황 또는 황산염 화합물로 전환하는 방식이다. 2024년 최신 제거제 효율 보고서에 따르면, 트리아진 시스템은 온도가 상온 수준(약 25도 섭씨)일 때 약 95%의 황화수소 제거율을 달성한다. 그러나 온도가 80도 섭씨를 초과하면 물질이 열분해되기 시작하면서 성능이 약 12% 감소하는 문제가 발생한다. 반면 산화환원 기반 시스템은 고온 조건에서도 비교적 안정적인 성능을 유지하며, 트리아진 계열보다 훨씬 넓은 온도 범위에서 88% 이상의 효율을 유지한다.

다양한 현장 조건에서의 제거 효율

셰일가스 작업 현장 시험 결과, 고유량 조건에서 동등한 H2S 감소를 달성하려면 트리아진이 비트리아진 옵션보다 20% 더 높은 투여량이 필요한 것으로 나타났습니다.

부산물 생성 및 장비 영향

트리아진이 반응할 경우 트리설파이드 염을 생성하며, 이는 파이프라인 내부에 침전물로 쌓이는 경향이 있다. 특히 칼슘 농도가 높은 지역에서는 스케일링 문제를 약 18% 정도 증가시킨다. 반면 비트리아진 산화환원계 제품은 반응 후 산성 부산물을 생성하므로 pH 관리가 철저히 이루어져야 한다. 하지만 적어도 파이프를 막는 고체 침전물은 남기지 않는다는 장점이 있다. 어느 경우든 부식 모니터링은 중요하다. 트리아진 계열 제품을 사용할 경우 매년 약 0.03mm 정도의 파이프 벽 두께 감소가 발생한다. 산성 가스 환경에서 질산염 기반 제품은 연간 약 0.05mm의 부식 속도를 보이며, 이는 장기적인 유지보수 비용 측면에서 상당한 차이를 만든다.

지속적 사용의 비용-편익 분석

트리아진은 첨단 비트리아진 제거제의 가격인 lb당 $1.50에 비해 lb당 $1.20이 소요되지만, 대량 적용 시 운영상의 비용 절감 효과가 나타납니다.

• 비트리아진 시스템의 경우 투여량이 30% 낮음
• 수용성 부산물로 인해 폐기물 처리 비용이 50% 감소함

5년간의 산업 분석 결과, 트리아진의 총 소유 비용은 평균 74만 달러인 반면 최적화된 비트리아진 솔루션은 62만 달러로, 차세대 제형에 대한 초기 투자를 정당화합니다.

H2S 및 머캅탄 제거제 적용 시 고려해야 할 운영 및 환경적 요소

부식 방지 전략에 미치는 영향

H2S 제거제는 파이프라인과 저장 탱크에서 황화물 스트레스 크랙킹(Sulfide Stress Cracking)의 주요 원인 중 하나인 황화수소(H2S)를 제거함으로써 부식 문제에 대응한다. 연구에 따르면, 산성가스 시스템에서 H2S 제거제를 사용하여 H2S 농도를 10ppm 이하로 낮출 경우 유지보수 비용을 약 40% 정도 절감할 수 있다. 다양한 유형의 제거제는 화학적으로 서로 다른 작용을 한다. 트리아진 계열의 제거제는 반응 후 안정한 티아다이아진(Thiadiazine) 화합물을 잔여물로 생성하는 반면, 금속 카복실산염 등 트리아진이 아닌 다른 유형의 제거제는 덜 부식적인 잔여물을 남긴다. 운영자는 제거제 선택 시 관련된 금속의 종류도 고려해야 한다. 예를 들어, 특정 아민계 제품은 고온 조건에서 탄소강 장비의 피팅 부식을 가속화할 수 있다.

파이프라인, 분리기 및 처리 장치와의 화학적 호환성

스케이븐저 제형이 제대로 작동하려면 생산 환경에서 발생하는 세 가지 주요 상(가스, 원유, 생산수) 모두에서 가용성을 유지해야 합니다. 그렇지 않으면 나중에 오염 문제를 겪게 됩니다. 수산화나트륨 혼합물과 같은 수용성 유형은 여러 상이 동시에 흐를 때 유제를 형성하는 경향이 있습니다. 반면에 기름에 용해되는 제품은 장기적으로 처리 장비 내부의 고무 씰을 손상시킬 수 있습니다. 실제 현장 결과를 살펴보면, 온도가 섭씨 120도를 초과할 때마다 활성 성분들이 열 분해되기 시작하여 운영 효율이 약 25% 감소하는 것으로 나타났습니다. 또한 유량 보장을 위한 파이프라인 첨가제와의 상호 호환성 시험도 반드시 고려해야 합니다. 이러한 물질들이 서로 잘 반응하지 않을 경우, 정제 장비 내부에 끈적한 슬러지가 쌓이는 문제가 자주 발생하며, 이는 정비 점검 시 누구도 원치 않는 골칫거리가 됩니다.

환경 영향 및 규제 준수 과제

재생 가능한 스크래버(scavengers)는 일회용 제품에 비해 폐기물 발생을 약 60~70퍼센트 줄일 수 있습니다. 그러나 이러한 시스템은 재활성화 과정에 상당한 에너지를 필요로 하며, 이는 비용이 많이 들 수 있습니다. 산화아연 슬러리(zinc oxide slurries)와 같은 비재생 대체제는 중금속을 포함하고 있어 폐기 관련 규제 문제에 직면하고 있습니다. 환경보호청(EPA)은 2023년 해양수역으로 배출할 수 있는 아연의 양을 단지 백만분의 2(2ppm)로 제한하는 새로운 가이드라인을 발표했습니다. 작년에 발표된 연구에 따르면 트리아진(triazine) 기반 화합물은 폐수처리장에서 생화학적 산소 요구량(BOD)을 약 35퍼센트 증가시켜 필요한 배출 허가를 받는 것을 더욱 어렵게 하고 있습니다. 이러한 요인들로 인해 많은 시설 관리자들이 국제적인 친환경 기준을 준수하면서도 운영 효율성을 유지할 수 있도록 도와주는, 자연적으로 80퍼센트 이상 분해되는 ISO 14001 인증 스크래버 제품으로 전환하고 있습니다.

자주 묻는 질문 섹션

원유에 존재하는 메르캅탄이란 무엇인가?

원유에 포함된 메르캅탄은 냄새가 감지되는 황을 함유한 화합물로, 부식성을 가질 수 있으며 일반적으로 그 화학적 특성 때문에 모니터링 대상이 된다.

H2S 노출의 위험성은 무엇인가?

H2S에 노출되면 독성 특성으로 인해 약 100ppm 정도의 낮은 농도에서도 위험하며 치명적일 수 있다.

처리 공장에서 H2S 제거가 중요한 이유는 무엇인가?

H2S 제거는 부식을 가속화하고 정제 촉매를 열화시키며 제품 내 황 함량 기준을 초과하여 안전성과 제품 품질 모두에 영향을 미치기 때문에 매우 중요하다.

트리아진 계열 스큐밴저는 어떻게 작동하는가?

트리아진 계열 스큐밴저는 황화수소를 안정한 부산물로 화학적으로 결합함으로써 공정 유체 내 H2S 농도와 관련 위험을 효과적으로 줄인다.

트리아진이 아닌 스큐밴저가 더 친환경적인가?

비트리아진 제거제는 고형 찌꺼기를 덜 생성하고 더 넓은 유효 온도 범위와 같은 운영상의 이점을 제공함으로써 환경 친화적일 수 있습니다.