석유 정제시 발생되는 최종 생성물(bottom-of-the-barrel)인 잔사유 또는 석유코크스를 가스화하는 기술은 수소 생산, 증기 또는 전력을 생산하기 위하여 이용되는 경우이다.
미국은 전력 생산에 역점을 두고 수소 생산을 부차적으로 고려하고 있지만 이는 미국내 천연가스의 풍부함으로 인한 경제성 문제로 기인하는 점이고, 유럽과 일본의 경우에는 경질 및 청정 연료를 생산하기 위한 목적으로 수소 공급에 주안점을 두고 있다는 점이 특징으로 보여지는데, 기술의 근본적인 차이점은 없다고 볼 수 있다.
미국은 Texaco공정을 이용하여 많은 플랜트가 건설되었는데, El Dorado Project는 Kansas주에 석유코크스와 잔사유 등을 사용하여 35MW전력을 생산하고 정유공장 전체전력을 충당하고 40% 증기공급과 공정에 필요한 가스를 공급하는 목적으로 건설된 것이다. Star Enterprise Project는 Texaco와 Aramco의 50:50의 투자로 Delaware에 석유 코크스를 Texaco기술로 가스화 하여 전력과 가스를 생산하고 있다.
일본은 Ube 암모니아 공장에서 석유코크스를 원료로 가스화하여 수소를 생산하고 이를 암모니아 합성용 원료로 공급하고 있으며, 전력중앙연구소에서는 1995년부터 감압잔사유, 오리멀젼 등 각종 중질유를 사용한 가스화 실험을 수행하고 있다.
유럽은 이탈리아에서 가장 활발하게 중질잔사유를 연구 및 실용화되고 있다는 것이 특징이며, 네덜란드 등에서도 이용되고 있다.
네덜란드 Royal Duch/Shell사는 1,650톤/일 규모 가스화장치 3기를 Pernis 정유공장에 설치하여 Hydocracker에 수소를 생산하여 공급하고 있으며, 이탈리아에서는 수소제조 뿐 아니라 이탈리아 전체 소비전력의 5% 이상을 공급하기 위하여 추진되고 있다.
3) 폐기물 가스화
소각을 대체하는 신기술로 부각되고 있는 폐기물 가스화는 폐기물 감량화와 폐기물로부터 유용한 가스 및 에너지를 회수하기 위한 매력적인 방법으로 평가되고 있다. 폐기물 가스화기술은 전력을 생산하는데 소요되는 화석에너지의 소비를 줄여 공해저감은 물론 지구 온난화 가스를 저감하는데 크게 기여함으로서 지구 온난화 방지를 위한 교토협정을 충족시킬 것으로 전망된다.
현재 세계적으로 다수의 폐기물 가스화 공정이 개발되었으나, 폐기물의 복잡한 물성을 해결하기 위해서 기술적인 신뢰성과 경제성을 확립하기 위한 추가적인 많은 노력이 이루어지고 있다.
폐기물 가스화 처리기술은 매립과 소각처리의 한계와 더불어 폐기물 재생성의 증가 때문에 유럽에서 중요한 이슈로 대두되어져 왔으며 국제적으로 다양한 연구개발이 추진되고 있다. 그 중에서도 폐기물 가스화 공정의 가장 두드러진 처리 기술로는 다음과 같다.
1990년 독일 통일이후, 구 동독지역의 드레스덴에 있는 SVZ 폐기물 재활용센터의 Schwarze Pumpe 플랜트는 갈탄을 이용하여 도시가스를 만들어내는 공정을 복합발전을 위한 연료와 메탄올 생성을 위한 합성가스를 만들어내는 플랜트로 전환한 사례이다. 이 공정은 특히 여러 종류의 고형 또는 액상 폐기물과 처리하기 어려운 오염물들을 환경 친화적인 공정을 거쳐 유용한 물질들(메탄올, 합성가스, 수소, 발전, 안정적인 슬래그)로 회수하는 가스화 공정이다.
스위스의 Thermoselect사에 의해 최초로 개발된 [그림 9]에 나타낸Thermoselect공정은 다이옥신 등 유해가스를 완전분해하고 소각재를 재활용하고 있다. 독일 Karlsruhe시 ThermoSelect Sudwest에는 처리량이 10톤/h 규모의 가스화 장치가 설치되어 있으며, 유사한 형태의 폐기물 가스화 공정이 일본 치바현의 가와사키 제철소에 용량 300톤/일 규모로 설치 운전중이다.
SIMENS 폐기물 가스화 공정은 오염물질의 배출 극소화에 초점을 맞추었으며 Thermoselect, Plasma 용융소각 등과 같이 폐기물 소각처리의 새로운 공정으로 대두되고 있다. 이 공정은 폐기물에서 고형 탄화물과 건류 가스를 만들어 에너지화하는 것으로 에너지 회수에 중점을 두고 있다.
일본은 1963년이래 현재까지 일본에서의 도시폐기물 처리를 수집을 통해서 소각처리 하거나 직접 매립하는 방법을 사용해 왔으나, 보다 환경 친화적인 폐기물 가스화 및 열분해 시설로 전환해나가고 있다.
최근에는 오래된 제철소 시설 등을 이용한 가스화 기술개발이 두드러지게 나타나는데, [그림 10]의 NKK 용융가스화 공정은 Nippon Steel에서 개발한 24톤/일 규모로 1996년부터 운전되고 있다.
미국에서는 Texaco사가 석탄이나 중질잔사유를 처리하는 분류층 가스화 장치를 폐플라스틱 가스화장치로 이용하기 위한 사업을 추진 중에 있다. 이외에도 MSW 및 폐기물 처리를 위한 기술개발로 87~400톤/일 규모의 Andco Torrax사의 MSW 가스화 공정과 16톤/일 규모의 Brightstar Synfuels 공정 등이 있다.
4) 국내의 경우
1950년대 말에 나주 비료공장에 전남 화순탄을 원료로 하여 석탄가스화에 의한 암모니아 제조 플랜트를 설치하였으나, 탄종 선정에 따른 공정선정이 잘못되어 정상적인 운전이 이루어지지 못하였다.
1960년부터 1970년까지 경유 및 B-C유(No.6 Oil)를 사용하여 충주비료공장에서 암모니아 합성을 위한 합성 가스 제조용으로 수소를 생산한 바 있다. 1968년 나주비료 공장에 B-C유를 사용하는 가스화장치가 설치되어 수소 생산용으로 사용되다 현재는 옥탄올 생산 원료인 합성가스를 생산하는데 사용하고 있다.
1960년대의 석유 저가화로 인해 석탄이용기술의 개발에 침체기를 맞이하였으나, 1970년대에 들어서면서부터 2차례의 석유 파동으로 인해 에너지 절약 및 대체 에너지 개발에 관한 연구가 비로소 시작되었다. 국내의 기술 개발은 1988년 대체에너지법에 의한 정부의 지원으로 G-7 신에너지기술개발 연구계획이 수립되고, 정부출연연구소와 기업연구소 및 대학이 참여하여 석탄가스화 기술이 IGCC 연구 개발사업의 일환으로 추진되고 있다.
현재까지 주로 석탄 및 오일을 이용한 가스화 기술을 위하여 기초연구 단계를 벗어나 bench scale에서의 실험을 통하여 핵심기술을 개발하고 있다. 폐기물 가스화 기술은 최근에 이르러 시작하게 되었으며 연구의 초점은 소각에 의한 다이옥신 발생 억제나 안정적 감량화를 위한 것에 집중되어 있다.
가스화 기술과 관련된 국내 연구 개발 현황을 요약하면, 1988~1990년에 대체에너지법에 의해 가스화 기초 연구가 시작되었고 1992년 한전과 KIER에서 IGCC 연구개발 사업을 추진하기 시작하였고, 1995년부터는 G-7사업으로 1~3톤/일 규모의 가스화 및 정제기술에 대한 연구가 이루어지고 있다. 이와 병행하여 한국전력에서는 1996년부터 300㎿급 상용화 IGCC 발전소를 2005년까지 건설하기 위한 타당성을 검토하였다.
제철공정에서 가스화 이용기술로는 POSCO 포항제철소에서 FINEX 공정중 철광석 용융가스화 장치를 개발하였는데, FINEX 프로젝트는 1992년 12월부터 포항제철, 포항산업과학연구원 및 오스트리아의 VAI간의 국제공동프로젝트로서 진행되고 있다.
포항제철은 상업화에 성공한 신제철공정인 COREX 공정을 도입하여, 1995년에 60만톤/년 규모의 COR EX C-2000 설비를 포항제철소에 구축하여, 현재에는 70만톤/년 규모로 순조로운 조업을 하고 있다.
폐기물 처리에 가스화 이용은 2000년부터 KIER과 고등기술원에서 연구를 시작하여 파일럿규모로 진행중에 있으며, 정유업계에서의 가스화 응용기술은 1996년 여천에 B-C를 사용하는 Shell 가스화기가 설치 운전되고 있으며, 중질잔사유 가스화를 이용한 300~600MWe급 IGCC타당성 검토를 완료한 바 있다.
2. 시장동향(30%)
가스화 공정은 반응기에서 반응물간의 접촉방식에 따라 고정층, 유동층, 분류층 반응기로 나눌 수 있으며, 각 장치의 반응기내에서의 흐름 및 온도분포 형태는 [그림 13]과 같다.
고정층 가스화 공정은 처음으로 개발된 가스화 공정으로 1934년 독일에서 개발된 Lurgi형을 비롯한 여러 공정이 실용화되었다.
크기가 0.25~1.5inch인 연료를 반응기 상부에서 투입하면 중력에 의해 아래로 내려가면서 하부로부터 공급되는 공기나 산소와 수증기에 의해 건류되고 가스화가 이루어진다. 이 방법은 연료의 체류시간이 길기 때문에 전환율이 높고 연료와 가스화제가 서로 역류하기 때문에 열효율이 좋다는 장점을 가지고 있다.
그러나 점결성이 큰 경우에는 부적합하고 타르, 페놀 등이 많이 생성되며, 회처리가 비교적 어렵다는 단점을 가지고 있다. 본 공정은 석탄이나 RDF 형태의 폐기물 가스화에 주로 이용되고 있다.
유동층 반응기는 연료입자를 약 10~20mesh로 분쇄하여, 유동화 범위에 해당하는 속도로 가스화제를 공급하여 유동층 조작의 특성인 균일한 온도 분포를 얻을 수 있다. 이 형태의 가장 전형적인 것은 1926년 독일에서 개발되어 실용화된 상압 Winkler형이다.
연료처리 용량은 고정층 장치보다 훨씬 크며, 반응 속도도 빠르나, 체류시간이 짧아서 미반응 탄소가 회분과 함께 반응기에서 유출될 가능성이 있다. 본 공정은 무연탄이나 바이오매스, 하수슬러지 등의 폐기물 가스화에 이용되고 있다. 분류층 가스화 공정은 반응물들을 동일방향으로 운반시키면서 회분의 용융점 이상의 온도(약 1400℃)에서 가스화 하는 것으로 대표적으로 Koppers Tozek, Shell, Texaco 공정이 있다.
연료를 70% 정도를 200mesh이하의 미세 분말로 하여 수증기, 산소와 함께 공급하면 반응기 내에서 균일하게 분포된 상태로 존재하게 된다. 미반응 탄소가 빠져나가는 것을 막기 위해서는 혼합을 좋게 하고 온도를 증가시켜야 하며, 가스화 속도가 빨라 복합 발전에 이용될 경우 부하 변동에 민감하게 대처할 수 있다는 장점이 있다.
본 공정은 복합발전용 석탄 및 잔사유 가스화 또는 액상폐기물 처리에 이용되고 있다. 공정별 특성을 비교하면 <표3>과 같다.
☞ 다음호에 계속
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