석탄 가스화란?

오늘은 청정화력발전 기술 중 하나인 석탄 가스화에 대해 이야기해보려고 한다.

석탄가스화는 Clean Coal Technology로, 친환경 발전이다. 

오늘 이야기하는 가스화 소개는 가스화에 대한 기본 개념으로, 이후에 다룰 바이오매스 가스화에도 적용되는 부분들이 상당히 많은 내용이다.

1. 가스화 기술

석탄을 에너지원으로 활용하는 대표적인 기술인 석탄연소 기술은 충분한 산소를 공급하여 석탄 속에 존재하는 탄소와 수소를 이산화탄소와 수증기로 완전히 전환시키는 과정에서 발생하는 열에너지를 활용하는 기술이다. 반면에 석탄가스화 기술은 완전연소에 필요한 산소량보다 부족한 산소를 공급하여 주성분이 CO, H2, CH4 등으로 이루어진 합성가스를 생산하여 다양한 목적의 후단 공정에서 활용하는 기술이다. 석탄가스화는 크게 pyrolysis와 char 가스화 반응으로 구분할 수 있다. 열분해 과정은 수분의 증발과정과 저분자 물질이 저온(77~800℃)에서 분해되어 탈휘발화(devolatilization)되는 과정이다. 두 번째 과정이 char 가스화 반응은 고상과 기상의 이종간 반응(heterogeneous reaction)으로 내부 기공구조(pore structure) 때문에 반응이 복잡하며 탈휘발화 과정에 비해 반응속도가 매우 느리다. 따라서 char 가스화 반응속도가 전체 석탄 가스화 반응의 반응속도를 결정하게 된다.

Overall of Gasification Mechanism

가스화 기술은 저급 연료(석탄,(석탄, 폐기물, 바이오매스 및 중질 잔사유 등)를 산소 및 스팀에 의해 가스화한 후 생산된 합성가스(일산화탄소와 수소가 주성분)를 정제하여 전기, 화학원료, 액체연료 및 수소 등의 고급 에너지로 전환시키는 복합기술로서 가스화 기술,, 합성가스 정제기술, 합성가스 전환 기술로 구분된다.

Overall of Gasification Technology

가스화 기술을 이용하면 원유로부터 추출하는 대부분의 화학물질을 C1 합성을 통하여 제조가 가능하고, 기후변화협약, 환경규제, 자원의 제약에 대응할 수 있는 석유나 천연가스의 고갈에 대비한 에너지원의 안정적인 확보 차원에서 저비용, 저공해, 고효율화의 기술이다. 석탄가스화(Coal gasification)는 석탄을 고열로 기체화 하여 합성가스를 만들어 발전 등에 사용하는 것을 말한다. 석탄에 고열을 가하면 고체, 액체, 기체 순서로 변하는데, 이렇게 만들어진 합성가스는 천연가스를 대체할 수 있다.

석탄가스화의 가장 대표적인 활용 방식인 가스화 복합발전(IGCC: Integrated Gasification Combined Cycle)은 저급 연료를 고온고압 조건에서 불완전연소 및 가스화 반응을 시켜 합성가스(CO와 H2가 주성분)를 만들어 정제공정을 거친 후 가스터빈으로 1차 발전, 증기터빈으로 2차 발전하는 고효율, 친환경적 복합발전방식이다. 석탄가스화 시스템은 가스화기, 산소공급 장치인 공기 분리 설비,, 가스정제설비로 구성되며, 최종 활용 목적에 따라 다른 설비가 연계된다. 최종 목적이 전력 생산인 경우에는 복합발전 설비가 연계되고, 중국과 일본에서 현재 많이 활용하는 방안인 비료를 생산하는 경우에는 석탄을 가스화시킨 후 정제 과정을 통한 다음 암모니아 가스로 합성하여 비료의 원료로 사용하며 특정한 화학원료 생산이 목적일 경우는 적절한 전환 공정이 연계된다.

넓은 의미의 “가스화”는 어떤 형태이든 탄소가 함유된 물질을 발열량을 갖는 가스 생성물로 전환하는 모든 과학적, 공학적 과정을 의미한다. 이 정의에서 연소과정은 배제되는데, 그 이유는 연소반응에 의해 생성되는 연소가스(flue gas)는 잔존 발열량을 가지지 않기 때문이다. 가스화에 포함된 세부기술은 열분해(pyrolysis), 부분산화(partial oxidation) 및 수소화(hydrogenation) 과정 등이 포함한다. 초기의 가스화 기술은 열분해(산소의 부재 상태에서 연료에 열을 적용)의 비중이 높았지만, 오늘날 가스 생산에서는 그 중요성이 점차 줄어들고 있다. 현대의 가스화 기술은 산소, 공기(또는 스팀)등의 산화제와 연료를 반응시켜 다양한 비율의 H2와 CO가 주성분인 합성가스(synthesis gas or syngas)를 생산해 내는 부분산화 기술로 인식되고 있다.

부분산화의 공급원료로는 고체, 액체, 기체 연료(석탄, 잔사유, 천연가스 등)의 적용이 가능하고, 가스의 경우는 가스를 가스화하여 합성가스를 생산하여 필요한 용도에 따라 사용하고 있다. 합성가스의 용도가 다양해진 최근에는 수증기 개질(steam reforming)이나 촉매 부분산화(catalytic partial oxidation)와 같은 촉매공정을 포함하는 가스화도 가스화 기술의 영역에 포함되었다.

2. 특징

가스화 반응은 석탄 내 탄소, 수소 성분과 산소와의 부분연소 반응과 이들 연소 생성물과 석탄 내의 미반응 탄소와의 가스화 반응으로 크게 구성되는데, 이때 공급되는 산소량은 석탄을 완전 연소시키는데 필요한 산소량보다 적은 양을 공급하여 부분 산화반응을 일으킨다. 불완전연소를 하는 가스화 반응에서는 연료내의 S와 N성분이 공해물질인 SOx와 NOx 형태가 아닌 황화수소(H2S)와 암모니아(NH3)형태로 발생시켜 제거가 용이할 뿐만 아니라 유황이나 황산 등 화학물질로 회수가 가능하여 관련 산업에서 원료로 활용이 가능하다. 석탄 내에 황성분이 많을수록 가스화 방식이 기존 연소방식보다 유리한데 유황성분은 가스화 반응에 의해 황화수소(H2S) 가스로(H2S) 주로 발생되는데 정유공정에서 50년 이상 사용되어 오고 있는 Claus공정을 통하면 황화수소가스로부터 원소 유황이나 황산을 생산해낼 수 있다. 이들 유황이나 황산은 유상판매가 가능하게 되므로 시료 내의 유황성분을 공해물질인 SOx로 발생시키는 대신 판매할 수 있는 제품으로 추출해내게 되기 때문에 시료에 유황성분이 많을수록 연소 처리 공정에 비해 더욱 경제적으로 유리하게 된다.

석탄가스화 기술의 특징은 석탄이 갖고 있는 에너지의 대부분을 화학에너지(chemical energy)로 바꾸어 발생하게 되므로 후단 정제공정에서의 온도 변화로 인한 전체 공정의 효율 감소가 적게 된다는 점이다. 연소반응에 의해 생성된 가스에는 연료 성분이 포함되지 않으므로 다이옥신 등의 저감을 위해 급속 세정을 하게 되면 가스 내의 현열이 거의 없어지게 되어 에너지의 손실이 크게 된다. 반면에 가스화반응의 주요 생성물은 CO와 H2이므로 이들 가스는 연소 시 큰 발열량을 내게 된다. 즉 가스화반응에 의해서 시료 내의 상당 부분 에너지가 CO나 H2 같이 화학에너지를 포함한 가스로 변환되고 이들 가스는 급속 냉각을 시키더라도 자체의 화학 에너지가 그대로 유지되어 필요시 연소를 시키면 가스터빈이나 증기터빈을 통해 에너지를 재회수 할 수 있는 유리한 점이 있다. 시료에 함유된 에너지로부터 화학적 에너지로 회수하는 비율을 나타낸 것이 냉가스 효율(cold gas efficiency)이며 석탄가스화의 경우는 냉가스 효율은 시료 및 공정 조건에 따라 65~80%에 달한다.

3. 가스화 반응

석탄 가스화는 석탄을 고온 고압 조건에서 부분 산화를 통해 발생하는 열을 이용하여 반응중간생성물인 CO2와 H2O를 미반응 탄소와 반응시켜 CO와 H2의 혼합물인 합성가스로 전환하는 과정을 의미한다. 석탄가스화는 석탄의 건조 및 예열, 휘발분의 분리, char의 가스화 반응 등의 과정을 거친다

석탄의 가스화는 대부분 벤젠고리 형태로 존재하는 석탄의 화학결합을 절단하여 CO, H2, CH4, CO2 등의 저분자로 분해시키는 것이다. 이에 관여하는 반응으로는 다음의 건류 열분해, 부분산화, 수성가스화, 촤 가스화 반응 등의 여러 반응이 있으며, 이 반응을 통하여 석탄은 연료용 가스나 합성용 가스로 전환된다. 가스화 반응기 내에서는 이 반응들이 연속적이거나, 동시에 일어나 석탄의 대부분이 가스화되고,, 일부는 소량의 타르나 또는 회분으로 반응기 외부로 배출된다.

4. 가스화 종류별 특징

석탄 가스화 반응이 일어나는 gasifier는 그 형식에 따라 고정층, 유동층, 분류층으로 구분되며 공기 또는 산소가 산화제로 사용된다. 또한 석탄의 공급 방식에 따라 건식 및 습식으로 구분된다.

Category	Fixed/Moving-bed		Fluidized-bed		Entrained-bed
Operating Temp. (℃)	300 ~ 1,100		650 ~ 1,100		1,500 ~ 1,900
Operating Press. (bar)	10 ~ 100		10~ 40		25 ~ 80
Feed Coal Size	6 ~ 50 mm		6 ~ 10 mm		< 100 ㎛
Gas Outlet Temp. (℃)	Low (425 ~ 600)		Moderate (900 ~ 1,050)		High (1,250 ~ 1,600)
Other Characteristics	Hydrocarbons in Gas		Low Carbon Conversion		High Carbon Conversion
Ash Conditions	Dry Bottom	Slagging	Dry Ash	Agglomerating	Slagging
Typical Process	Lurgi	BGL	Winkler, HTW, KBR, CFB, HRL	KRW, U-Gas	Shell, GE Energy, Simens, E-Gas, MHI, TPRI, ECUST, PWR
Coal Rank	Low	High	Low	Any	Any
Oxidant Requirement	Low	Low	Moderate	Moderate	Low
Steam Requirement	High	Low	Moderate	Moderate	Low
Advantage	Small scale. Mature for heat. Can handle moisture. Non carbon ash.	Small scale Low particles and tar	Large scale Direct or indirect heating	Large scale	Can be scaled Potential for low tar
Disadvantage	Scale limitations. High tar yield. Feed size limits. Slagging risk.	Scale limitations Feed size limits Moisture sensitivity	Medium tar yield Higher particle loading		High particles content in the gas Potentially high S/C

 

 5. 석탄가스화 녹색기술 인증(배출)

 석탄 가스화 기술을 이용하여 녹색기술을 인증받기 위해서는 아래 항목을 충족해야 한다.

석탄 가스화 녹색기술 인증(한국에너지기술평가원)