고형 유기물질을 ash로 전환하는 것
1. 기술소개
(1) 기술 개요
대부분의 고체형태 연료는 수송이나 처리공정이 복잡하고 연소시에 회재가 발생하여 보일러 튜브손상이나 회재를 처리해야하는 어려움이 있으며, 오염물질을 포함하고 있어서 환경공해 문제를 유발하게 된다. 열화학적으로 액체 또는 가스로 전환하는 기술은 연료 중 오염물질을 사전에 제거함으로써 이와 같은 문제점을 해결할 수 있다. 열화학적인 연료전환 기술로는 연소, 탄화, 가스화 및 열분해 방법이 있다. 연료 이용기술 분야에서 자주 사용되고 있는 용어들을 구분하여 정리하면 다음과 같다.
연소는 물질의 화학에너지(chemical energy)를 현열(sensible heat)로 빠르게 전환시키는 발열반응으로 좁은 반응영역(reaction zone)에서 탄화수소계 화합물이 공기와 반응하여 화염을 형성하고 이산화탄소와 물로 되는 과정을 말한다. 이와 유사한 용어로 소각(incineration)이란 사전적 의미로는 “고형 유기물질을 ash로 전환하는 것”이며, 하나의 반응기 안에서 다단계 과정(즉, incineration = pyrolysis + gasification + thermal oxidation)을 거치는 것을 말한다. 가끔씩 사용되는 용어로 열적산화(thermal oxidation)는 고온 및 과잉산소에서 가스상 유기물을 이산화탄소 및 수증기로 전환하는 공정을 말한다.
가스화(gasification)는 탄화수소계 물질을 부분산화를 통해 CO, H2 및 CH4 등과 같은 혼합가스 형태로 전환하는 공정으로 탄소성분의 일부가 산화제에 의한 연소열을 이용하여 합성가스생성에 필요한 열을 공급한다. 스팀개질(steam reforming)에 의한 가스화는 가스화제로 수증기를 사용하고 열을 공급하여 중질 유분을 경질 성분으로 전환시킨다.
열분해(pyrolysis)는 산소를 공급하지 않는 상태에서 유기물을 가열에 의해서만 처리하는 과정을 말하며, 온도 및 체류시간에 따라 가스, 오일 및 char 생성량이 달라진다. 열적 가스화(thermal gasification)는 syngas 생성량을 최대로 하기 위해 고온 및 짧은 체류시간으로 열분해하는 것을 말하며, 반대로 char 생성량을 최대로 하기 위해 저온 및 체류시간을 증가시켜 열분해 하는 것은 탄화(carbonisation)라고 한다.
본 장에서 소개하고자 하는 가스화 응용기술이란 탄화수소(대부분의 고체연료 주요성분은 C, H, O, N, S임)로 구성된 물질인 석탄, 저급 잔사유, 산업 폐기물 등으로부터 산소 또는 공기에 의해 부분산화하여 열을 발생하고, 발생된 열을 남아있는 탄소(C)성분이 생성된 CO2나 H2O와 반응할수 있도록 공급하여 깨끗한 합성가스(CO+H2)를 생산하는 기술을 말한다.
가스화 원리를 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다. 탄화수소가 혼합된 물질을 가열하면 100℃ 근처에서 결합되지 않은 수분이 건조되고 350 ~550℃범위에서 열분해가 일어나는데, 가열되는 속도에 따라 열분해 반응 후 생성물의 분포나 조성은 다르게 나타난다.
열분해 후 생성된 char를 수증기와 반응시켜 열량을 지닌 가스를 만들어 주는 것을 가스화라 하는데, char와 수증기와의 반응은 흡열 반응이므로 외부에서 필요한 열을 가해주어야 한다. 통상적으로 상업적인 공정에서 열공급은 char를 연소시켜 char와 가스와의 반응에 필요한 열을 공급한다. Char-CO2 환원 반응은 고온, 저압에서 유리하며 900℃ 이하에서는 거의 일어나지 않으며, char-수증기 반응은 590℃이상의 온도에서 잘 이루어진다.
가스화제로 수증기와 산소를 사용할 경우에 생성되는 합성가스는 주로 CO와 H2로 비교적 발열량이 높은 중발열량가스(5,000~6,000kcal/m3)가 되며, 산소 대신에 공기를 사용할 경우에는 생성가스 중에 질소 성분이 증가되어 생성 가스의 발열량이 감소하게 되는데, 이때의 가스를 저발열량 가스(3,000kcal /m3이하)라 한다. 중발열량가스를 촉매 존재하에서 메탄가스(CH4)로 전환시킬 수 있으며, 이것을 합성천연가스(Synthetic Natural Gas)라 한다.
이외에도 CO는 수증기와 반응하여 H2를 생성하게 되는데, 가스화 반응기 내에서보다 생성가스로부터 수소제조를 위해 철촉매등을 사용하여 용도에 따라 조정한다.
CO + H2O → CO2 + H2
△H= -29.0kJ/mol
고체연료에 포함된 유황과 질소성분은 가스화 반응으로 수소 또는 일산화탄소와 반응하여 H2S, COS, CS2, NH3 변화되어 연소에 의해 배출되는 가스와는 다른 형태의 화합물을 형성한다.
(2) 기술 특징
가스화 기술은 1940년대에는 화학원료를 합성하기 위한 기초물질로 이용이 되었으나, 석유개발과 함께 쇠퇴하게 되었다. 활발한 가스화 공정 개발은 1970년대와 1980년에 있었던 두 차례의 oil shocks 이후로 주목적은 석탄을 석유 대체용으로 이용하는 것이었다. 폐기물 처리에서 가스화 공정이 도입된 요인은 폐기물 매립장소가 한정적이라는 점, 기타 환경적 요인과 재래식 연소 방식을 통해 폐기물 처리시 발생되는 기술적인 문제를 해결하기 위한 것으로 전형적인 가스화 공정도는 [그림 3]과 같다.
가스화를 응용한 기술은 다양한 연료(석탄, 중질잔사유, 폐기물, 바이오매스), 다양한 생성물(수소, 전기, 화학원료등)로 적용이 가능함과 동시에 저공해, 고효율이라는 특성을 지니고 있다. 즉, 종전의 가스화 기술은 석탄을 주연료로 이용하였지만, 최근에는 정유부산물인 중질잔사유나 석유코크스, 바이오매스 및 폐기물등에 걸쳐 저급연료나 저열량 연료에 이르기까지 다양한 물질을 이용한 가스화 기술이 개발되고 있다.
또한 세계적으로 강화되는 있는 지구온난화 및 환경규제에 대응하기 위하여 고효율 가스화 복합발전기술, 정유공정에서 발생하는 중질잔사유를 이용한 경질화용 수소제조 분야와 안정적 감량화 및 에너지 회수를 위한 폐기물 처리등 여러 분야에서 가스화 기술이 적용되고 있는 것이다.
가스화 분위기는 H2 및 CO 등에 의한 환원성 분위기로 생성된 합성가스 중 오염물질은 H2S, NH3와 같은 형태를 형성하여 연소에서 형성되는 SOx, NOx보다 가스정제 방법이 용이하고 시스템을 소형화 할 수 있다. 환원성분위기에서 중금속은 금속형태로, 기타 무기물은 용융 및 냉각 응고되어 유리질 형태의 슬래그를 형성하여 매립 또는 재활용시 용출 특성이 매우 적다.
(3) 기술 용도
석탄, 중질유, 폐기물 등 저급탄화수소를 가스화하면 전력산업에서 복합발전(IGCC:Integrated Gasi-fication Combined Cycle)용으로 이용 가능하여 세계적으로 최근 가스화 기술응용분야를 주도해 오고 있다. 정유산업에서는 원유의 중질화에 따라 수송용 고급연료의 부족 현상이 심화되고 있으며 중질유로부터 수소를 제조하거나 복합발전용으로 이용되고 있다.
이외에도 철광석 환원을 위해 제철소에서 환원가스를 제조하거나, 폐기물 처리분야에서 안정적 감량화와 자원 회수를 위해 응용되고 있다. 합성가스는 정제 및 분리기술과 접목하여 메탄올 또는 가솔린과 같은 합성연료를 제조하거나 수소를 분리하여 연료전지 연료로 이용이 가능하다.
가스화를 이용한 복합발전기술은 21세기에 기존의 화력발전 방식을 대체할 것으로 보여지는데, 이는 효율이 높고 환경 오염물 배출량을 현저하게 낮출 수 있기 때문이다. 본 기술은 현재까지 낮게 유지되어 왔던 국제 원유가로 인해 경제성이 상대적으로 저평가 되었지만, 기술이 점차 개발됨에 따라 투자비가 낮아져서 경쟁력이 확보되고 있으며, 국가별 자원보유 특성에 따라 다양한 연료를 이용한 가스화 기술의 보급이 증가되고 있다.
자원의 고갈로 인해 채굴되는 원유의 특성은 점차 중질화 되어가고 있으며, 연료소비의 고급화로 인하여 중질유의 경질화를 위한 수소 소요량은 점차 증가되고 있다. 정유과정에서 생성되는 중질잔사유나 석유코크스등과 같은 잉여 중질유분의 가스화 기술은 경제적인 수소 제조를 가능케 하여 경질-중질유간 수급 불균형 해소 및 bottomless refinery 시스템을 구현할 수 있다.
경제활동에서 소비증가에 따라 폐기물 발생이 급증하고 있기 때문에, 발생된 폐기물을 처리하는 기술은 다이옥신이나 용출수 발생과 같은 후처리가 필요없는 안정적인 시스템으로 개발하는 것이 중요한 현안으로 대두되고 있다. 고온하에서 촉매 없이 반응하는 가스화 기술은 연료 중 포함된 염소나 중금속등의 유해물질에 큰 제약을 받지 않는 기술 특성이 있어 하수슬러지, 폐플라스틱, 폐유 등과 같은 폐기물을 안정적으로 감량화 할 수 있다.
(4) 기술 개발동향
1) 국외
미국(Texaco,Destec, Kellog 등), 네덜란드(Shell), 독일(Krupp Koppers), 이태리(Ansaldo), 일본(NEDO 주관 프로젝트 등)을 주축으로 개발되고 있다. 현재 네덜란드 Buggenam(253MWe), 스페인 Puertollano(298MWe), 미국의 Tampa(250MWe), Wabash River (262MWe)에 석탄가스화 플랜트가 운전중이며, 중질잔사유 가스화 공정은 이태리 Falconara(234MWe)외 다수에서 플랜트가 운전 중에 있다.
이외 바이오매스 및 폐기물을 이용한 가스화 시설을 포함하면 30여곳 이상에 달한다. 세계적으로 국가별 연료 사정에 따른 에너지 수급 해결책 및 환경문제와 온실가스 저감 대책의 일환으로 개발되고 있으며, 미국의 경우 Vision 21 clean energy program으로 연료다변화 가스화 기술이 개발되고 있다. 가스화 공정별 선진국의 기술개발 동향과 여러 종류의 연료를 사용하여 운전중인 가스화 플랜트를 요약하면 <표 1>과 같다.
(1) 복합발전용 석탄가스화
IGCC발전기술은 천연가스 연소에 의한 복합발전시스템만큼 공해 물질을 줄일 수 있게 하였으며, 발전 효율도 43~50%로 매우 높다. IGCC 발전소는 1972년 독일에서 처음 시운전된 이래, 1, 2차 석유 파동을 거치면서 미국, 영국, 독일, 일본, 네덜란드등 선진국에서 전력 생산을 위한 가스화 기술 개발에 많은 노력을 기울이게 되었다.
미국은 1980년대에 에너지성(DOE) 주관으로 약 60개의 석탄가스화 연구를 추진하고, 그 이후 DOE와 기업공동으로 약 $60억을 투입하여 청정석탄기술(CCT) 개발을 추진하였다.
현재 미국은 1999~2015년까지 약 $57억을 투입하여 21세기 청정 에너지 플랜트를 목표로 하는 “Vision 21 program”을 추진중에 있다.
신개념의 발전소는 석탄 발전소의 발전 효율을 60%이상 향상시키고, 열병합 발전효율은 90%이상, 공해, 환경 요인은 완전히 제거시키고 탄산가스를 40~50%로 줄이는 것을 목표로 하고 있다.
또한 다양한 연료를 사용한 IGCC와 연료전지를 연계하여 전력을 생산할 뿐만 아니라 화학 공업 원료를 동시에 생산하는 복합적인 발전기술을 추진하고 있다.
일본은 1970년 초에 Sun-shine 프로젝트의 일환으로 석탄가스화 및 IGCC 연구개발을 추진한 바 있다. 분류층(Entrained flow)가스화 방식의 IGCC는 신에너지 산업기술종합 개발기구(NEDO)의 주관하여 9개 전력회사, 전원개발, 전력중앙연구소의 11개 법인으로 구성된 “석탄가스화 복합발전기술 연구조합”을 발족시켜 1986년부터 국가 보조사업으로 추진해오고 있다.
일본의 IGCC 플랜트는 석탄 처리량 2,000톤/일을 목표로 하여 200톤/일 규모의 파일럿 플랜트를 건설하여 시험하였으며, 미국, 독일 등과 같은 선진국 기술을 추적하기 위해 건조연료공급기술, 공기를 가스화제로 사용함과 동시에 건식 가스 정제(탈황, 탈진)기술 개발 및 1,300℃급 가스 터빈을 사용하여 열효율 향상을 목표로 연구하고 있다.
영국은 British Gas에서 고정층 가스화 공정을 이용한 복합발전용 파일럿 플랜트를 건설하여 1979~1986년에 스코트랜드에서 600톤/일 규모로 실험을 수행하였다. Shell사는 150~400톤/일 파일럿 규모를 거쳐 1995년부터 네덜란드 Buggenum에 분류층 2,000톤/일, 250 MW IGCC 플랜트를 건설, 시험가동 중에 있다.
독일은 Krupp Koppers사에서 Prenflo (Pressure entrained-flow)공정 시운전 결과를 바탕으로 스페인에 EU THERMIE 프로그램으로 298MW 규모의 석탄-석유 코크스 혼합연료의 IGCC 플랜트를 1998년에 건설하여 현재 상업화 시험 중에 있다.
선진국에서의 가스화복합발전 연구개발에서 공정개발에서의 공통적인 과제는 석탄 가스화 반응 장치 설계, 전환율 증대, 처리 용량 증대, 회재 용융, 고온 고압 조작과 재질 및 탄종에 대한 제한성을 줄이는 것과 가스 정제, 폐기물 처리 및 환경 문제 개선, Scale-up 방법, 특히 획기적인 기술 개발로 타에너지에 비해 석탄 가스의 경제적 우위를 확보하기 위한 연구개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
☞ 다음호에 계속
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