가스화 기술은 석탄, 중질잔사유, 펫코크, 등의 저급 화석연료를 고효율 및 고청정으로 활용할 수 있는 대표적인 차세대 화석연료 활용기술로서 관련 시장은 지속적으로 그리고 급속도로 팽창하고 있다. 수년전만 하더라도 기존 미분탄 활용 기술에 비하여 대용량화 및 이용률 등의 한계가 지적되어 왔으나 최근에는 이러한 한계들이 대부분 극복되고 있으며, 미래에는 가스터빈 또는 산소제조를 위한 이온전달 멤브레인 등의 관련 기술의 지속적인 발전으로 인하여 보다 경쟁력이 있는 기술이 될 것으로 예상된다. 초기에는 미국과 유럽에서 기술 개발 및 시장을 주도하여 왔으며 최근에는 중국이 매우 빠른 속도로 대용량화 기술 개발을 완료하여 자국에서 시장 확대 및 외국으로의 진출을 노리고 있다. 특히 석탄가스화 기술은 이산화탄소 포집 기술을 포함할 경우 매우 매력적인 기술이며, 우리나라와 같이 천연가스 가격이 비싼 나라에서는 석탄가스화에 의한 천연가스 생산 플랜트가 지금도 충분한 경제성을 가진다는 점 등을 고려하면 석탄가스화 기술은 지속적으로 관심을 가져야 하는 기술이다. 이에 본고에서는 가스화 기술에 관한 세계 최대의 컨퍼런스인 2014 가스화 기술 컨퍼런스에서의 자료와 최신 자료들을 활용하여 주요 기술 보유 업체들의 최근의 기술개발 및 상업화 동향을 살펴보았다.
가스화 기술은 석탄, 중질잔사유, 펫코크, 등의 저급 화석연료를 고효율 및 고청정으로 활용할 수 있는 대표적인 차세대 화석연료 활용기술로서 관련 시장은 지속적으로 그리고 급속도로 팽창하고 있다. 수년전만 하더라도 기존 미분탄 활용 기술에 비하여 대용량화 및 이용률 등의 한계가 지적되어 왔으나 최근에는 이러한 한계들이 대부분 극복되고 있으며, 미래에는 가스터빈 또는 산소제조를 위한 이온전달 멤브레인 등의 관련 기술의 지속적인 발전으로 인하여 보다 경쟁력이 있는 기술이 될 것으로 예상된다. 초기에는 미국과 유럽에서 기술 개발 및 시장을 주도하여 왔으며 최근에는 중국이 매우 빠른 속도로 대용량화 기술 개발을 완료하여 자국에서 시장 확대 및 외국으로의 진출을 노리고 있다. 특히 석탄가스화 기술은 이산화탄소 포집 기술을 포함할 경우 매우 매력적인 기술이며, 우리나라와 같이 천연가스 가격이 비싼 나라에서는 석탄가스화에 의한 천연가스 생산 플랜트가 지금도 충분한 경제성을 가진다는 점 등을 고려하면 석탄가스화 기술은 지속적으로 관심을 가져야 하는 기술이다. 이에 본고에서는 가스화 기술에 관한 세계 최대의 컨퍼런스인 2014 가스화 기술 컨퍼런스에서의 자료와 최신 자료들을 활용하여 주요 기술 보유 업체들의 최근의 기술개발 및 상업화 동향을 살펴보았다.
Gasification technology is one of the representative next-generation fossil fuel utilization technologies, converting low grade fossil fuels such as coal, heavy residue oil, pet-coke into highly clean and efficient energy sources. Accordingly, related market demand for gasification technology is eve...
Gasification technology is one of the representative next-generation fossil fuel utilization technologies, converting low grade fossil fuels such as coal, heavy residue oil, pet-coke into highly clean and efficient energy sources. Accordingly, related market demand for gasification technology is ever increasing steadily and rapidly. A few years ago, conventional pulverized coal utilization technology had an edge over the gasification technology but the most significant technical barrier of limited capacity and availability has been largely overcome nowadays. Futhermore, it will be more competitive in the future with the advancement of related technologies such as gas turbine, ion transfer membrane and so on. China has recently completed a commercialization-capable large-scale coal gasification technology for its domestic market expansion and foreign export, rapidly becoming a newcomer in the field and competing with existing US and EU technical leadership at comparable terms. Techno-economic aspect deserves intensive attention and steady R&D efforts need to continue in organized, considering that gasification technology is quite attractive combined with $CO_2$ capture process and coal to SNG plant is economically viable in Korea where natural gas is very expensive. In the present paper, recent technology development and commercialization trend of many leading companies with coal gasification expertise have been reviewed with significant portion of literature cited from the recently held '2014 Gasification Technology Conference'.
Gasification technology is one of the representative next-generation fossil fuel utilization technologies, converting low grade fossil fuels such as coal, heavy residue oil, pet-coke into highly clean and efficient energy sources. Accordingly, related market demand for gasification technology is ever increasing steadily and rapidly. A few years ago, conventional pulverized coal utilization technology had an edge over the gasification technology but the most significant technical barrier of limited capacity and availability has been largely overcome nowadays. Futhermore, it will be more competitive in the future with the advancement of related technologies such as gas turbine, ion transfer membrane and so on. China has recently completed a commercialization-capable large-scale coal gasification technology for its domestic market expansion and foreign export, rapidly becoming a newcomer in the field and competing with existing US and EU technical leadership at comparable terms. Techno-economic aspect deserves intensive attention and steady R&D efforts need to continue in organized, considering that gasification technology is quite attractive combined with $CO_2$ capture process and coal to SNG plant is economically viable in Korea where natural gas is very expensive. In the present paper, recent technology development and commercialization trend of many leading companies with coal gasification expertise have been reviewed with significant portion of literature cited from the recently held '2014 Gasification Technology Conference'.
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문제 정의
특히 MHPS사는 TEPCO(Tokyo Electric Power Company)와 함께 후쿠시마에 2기의 500 MWe(gross)급 IGCC 플랜트의 건설을 추진하고 있다[20]. 이 플랜트에는 산소부화형 (산소 농도 약 25% 예상) 가스화기와 산성가스 제거공 정으로서 Wet MDEA 공정을 채택하고자 계획하고 있으며 발전효율 48%(LHV 기준)를 목표로 하고 있다. 이전 Nakoso 250 MWe(gross)급 발전소에서의 효율이 약 42%(LHV 기준)인 점에 비하여 매우 높은 목표를 설정하였는데, 목표 달성에 성공한다면 USC 발전에 비하여 상당히 높은 발전 효율을 달성하는 IGCC 발전소가 탄생하게 되는 것이다.
상기와 같은 기술에 의한 높은 효율 및 높은 이용률 등으로 Shell사는 가스화 기술의 세계 최강자 자리를 지켜왔으나 Shell사 가스화기의 가격이 높다는 이야기가 지속적으로 제기되었다. 이번 컨퍼런스에서는 본인들도 인정한 높은 가격과 특정한 석탄(주: 저급탄으로 판단됨)에서 발생하는 융착(fouling) 문제를 해결하기 위하여 합성가스 급랭 기술을 채택한 가스화 시스템을 소개하였다. 건설비(CAPEX)를 낮추기 위한 방안 으로서 그림 2(b)에 나타낸 바와 같이 일단계로 합성 가스 냉각기의 하류 부분에 물을 분사하여 합성가스 냉각기의 크기를 대폭 줄이는 기술을 채택하였다.
국가별 시장으로는 중국, 시료로는 석탄, 생산품으로는 SNG 중심의 시장을 알 수 있으며, 특히 최근에 진행 중인 프로젝트로는 10기 이상의 가스화 기를 설치하는 대형 플랜트가 주를 이루고 있음을 알수 있다. 이와 같이 가스화 시장은 지속적으로 팽창할 것으로 예상되므로 이에 본고에서는 세계 최대의 가스화 기술 컨퍼런스인 2014년 Gasification Technology Conference에 발표된 자료를 중심으로 하여 석탄가스화 기술의 개발 동향 및 상업화 현황을 살펴보고자 한다.
제안 방법
Lurgi 사는 남아프리카 공화국의 CTL 프로젝트와 미국의 SNG 프로젝트 이후 대형 프로젝트에 실적을 별로 보이지 않다가 2000년대 이후 다시 활발한 상업화 활동을 전개하고 있다. 2000년 이후 진행된 프로젝트로서 중국의 Shenhua사와 Datang사에 기술을 제공한 MTP(Methanol to Propylene) 프로젝트를 들 수 있는데, 각 프로젝트에서는 197 만톤/년의 석탄을 사용하여 propylene 47 만톤/년, 가솔린 18.5 만톤/년, LPG 4.1 만톤/년의 화학원료를 생산하고자 하였다[32]. 2011년에 발표된 ‘Shenhua사와의 MTP-1 프로젝트의 성공에 힘입어 50만톤/년의 propylene을 생산하는 프로젝트를 진행하기로 하였다’는 보도자료[33]를 참고하면 방금 언급한 47 만톤/년의 MTP-1 프로젝트는 성공적으로 진행되고 있는 것으로 판단된다.
이번 컨퍼런스에서는 본인들도 인정한 높은 가격과 특정한 석탄(주: 저급탄으로 판단됨)에서 발생하는 융착(fouling) 문제를 해결하기 위하여 합성가스 급랭 기술을 채택한 가스화 시스템을 소개하였다. 건설비(CAPEX)를 낮추기 위한 방안 으로서 그림 2(b)에 나타낸 바와 같이 일단계로 합성 가스 냉각기의 하류 부분에 물을 분사하여 합성가스 냉각기의 크기를 대폭 줄이는 기술을 채택하였다. 다음 단계로는 측면에 설치한 버너 기술을 채택하되 하향류 형식을 택하여 가스화기의 하부에 급랭용기를 설치하여 대류형 냉각기를 완전히 없애는 가스화기를 채택함으로써 건설비를 보다 낮출 수 있도록 개념을 설정하였으며(그림 2(b)), Wison사(중국의 엔지니어링사)와공동으로 중국의 난징(Nanjing)에 1,000 톤/일급의 실증용 완전 급랭형 가스화기를 건설하여 2013년부터 운전을 시작하였다[2, 3].
2014년 5월에 환경영향 평가를 시작하였으며 2020년에 플랜트 가동을 목표로 하고 있다. 그림 8(b)에 MHPS사의 500 MWe급 IGCC 시스템의 개념도를 나타내었는데, 이 시스템에서는 적은 규모의 ASU(Air Separation Unit)를 설치하여 질소를 제조 하여 미분탄 이송용으로 활용하고 산소는 가스화기로 공급되는 공기에 더하여 산소부화 공기 공급형 가스화기를 구현하고자 한다[21].
건설비(CAPEX)를 낮추기 위한 방안 으로서 그림 2(b)에 나타낸 바와 같이 일단계로 합성 가스 냉각기의 하류 부분에 물을 분사하여 합성가스 냉각기의 크기를 대폭 줄이는 기술을 채택하였다. 다음 단계로는 측면에 설치한 버너 기술을 채택하되 하향류 형식을 택하여 가스화기의 하부에 급랭용기를 설치하여 대류형 냉각기를 완전히 없애는 가스화기를 채택함으로써 건설비를 보다 낮출 수 있도록 개념을 설정하였으며(그림 2(b)), Wison사(중국의 엔지니어링사)와공동으로 중국의 난징(Nanjing)에 1,000 톤/일급의 실증용 완전 급랭형 가스화기를 건설하여 2013년부터 운전을 시작하였다[2, 3]. 즉 Shell사는 기존의 대류형에서 대류형 + 급랭형 및 급랭형으로 가스화기의 다양화를 이루고 있는데 무엇보다도 비교적 비싸다고 알려진 자사 가스화 기술의 가격 경쟁력을 확보하자는 전략 이라고 판단할 수 있다.
SES사의 경우 GTI(Gas Technology Institute)에서 개발한 유동층 공정인 U-GAS 기술을 채택하여 상업화를 모색하고 있다. 중국 내몽고의 Zao Zhuang 플랜트에서 400 톤/일급 가스화기 2기를 사용하여 2009년과 2010년에 수분 함량이 20% 이상인 내몽고 갈탄을 사용하여 가스화 테스트를 수행하였다. 2009년 실험에서 수분을 12% 정도로 건조시켜 투입한 실험에서 79%의 냉가스효율과 96%의 탄소전환율을 확보하였고, 2010년에는 수분을 1.
대상 데이터
5억불을 투자하여 헤난성(Henan Province)에 10 bar의 압력에서 운전되는 3기(1기는 예비용)의 1,200 톤/일급 가스화기를 이용하여 30만톤/년 메탄올을 생산하는 플랜트를 건설하였다[25]. 2012년 플랜트 가동을 시작하였는데, 회분이 27%~47%에 이르는 고회분 석탄을 사용하였으며 2013년에 최고 58일의 연속운전을 달성하고 목표대비 87%의 메탄올 생산량을 확보하였다. 최근에는 중국과 TIANWO-SES 합작사 설립, 일본 고베 스틸의 자회사인 Midrex Technologies사와 파트 너쉽 체결 등으로 지속적으로 상업화를 모색하고 있는데[26], YIMA 프로젝트 이후의 신규 프로젝트는 보고되지 않고 있다.
또한 ECUST는중국 최대의 석유화학 회사인 Sinopec과 공동으로 CO2를 이용한 건식 미분탄 공급 및 멤브레인 벽을 채택한 SE(Sinopec + ECUST) 가스화 기술을 개발하고 있는데 1,000 톤/일급의 실증용 가스화기를 2014년 1월부터 성공적으로 가동하고 있으며 2개의 프로젝트에 1,500톤/일급 가스화기 21기를 제공할 예정이라고 한다. 그림7에 운전 중 가스화기로서 세계 최대 크기(용량 3,000톤/일, 생산품 methanol/alkene)라고 주장하는 내몽고 Rongxin Chemicals사에서 운전 중인 OMB 슬러리 가스화기의 전경, 그리고 주요 프로젝트에서 2013년의 신뢰도와 이용률을 나타내는 자료를 함께 나타내었다.
성능/효과
IGCC 발전 시스템의 상업화에 걸림돌로서 기존 미분탄 발전소(특히 초초임계압(USC, Ultra-Super Critical) 발전소)에 비하여 건설비가 다소 높고 이용률이 낮다는 점인데, 건설비의 문제는 IGCC 시스템의 추가적인 효율 향상과 향후 이산화탄소 포집이 현실화될 시점에 해결이 될 것으로 기대되고 있다. 또한 Edwardsport 발전소의 이용률이 아직은 비교적 낮지만 지속적으로 향상되고 있다는 점도 IGCC 기술의 상업화의 확장에는 긍정적 측면으로 작용할 것으로 판단된다.
또한 중국에서 가동 중인 여러 가스화기에서 90% 이상 또는 99% 이상의 이용률을 나타내는 등으로 시스템의 안전성이 매우 높아진 시점이 되었다. 여기에 더하여 압력비와 터빈입구온도를 지속적으로 상승시키는 고효율 가스터빈이 등장하고 있으며, 이러한 고효율 가스터빈을 이용할 경우에는 USC 발전시스템보다 발전 효율이 수 % 이상 높은 IGCC 발전 시스템을 구현할수 있는 시점이 되었다. 가스터빈은 지금도 효율 향상을 위한 기술 개발이 계속 이루어지고 있고 여기에 더하여 고효율 산소제조 공정인 ITM(Ion Transfer Membrane) 기술 등이 지속적으로 개발되고 있으므로 미래에는 보다 에너지 효율이 높고 청정성을 보장하는 석탄가스화 시스템으로 발전할 것으로 판단된다.
후속연구
여기에 더하여 압력비와 터빈입구온도를 지속적으로 상승시키는 고효율 가스터빈이 등장하고 있으며, 이러한 고효율 가스터빈을 이용할 경우에는 USC 발전시스템보다 발전 효율이 수 % 이상 높은 IGCC 발전 시스템을 구현할수 있는 시점이 되었다. 가스터빈은 지금도 효율 향상을 위한 기술 개발이 계속 이루어지고 있고 여기에 더하여 고효율 산소제조 공정인 ITM(Ion Transfer Membrane) 기술 등이 지속적으로 개발되고 있으므로 미래에는 보다 에너지 효율이 높고 청정성을 보장하는 석탄가스화 시스템으로 발전할 것으로 판단된다. 경제 성장의 측면에서 우리나라와 항상 비교가 되는 이웃나라의 경우, 우선 일본은 USC 발전보다 훨씬 발전 효율이 높은 IGCC 발전 시스템을 건설할 계획으로 있고, 또한 중국은 자체 가스화 기술을 이제 미국을 포함한 여러 외국에 수출을 시도하고 있다.
기록을 달성하기 위한 목적의 운전을 진행하였다고 느낄 정도로 세계 기록에 대한 애착을 보였는데, 이와 같은 자료 및 대화로부터 향후 세계 석탄가스화 시장을 선도하고 싶다는 ECUST 기술진들의 욕심을 느낄 수 있었다. 또한 ECUST는중국 최대의 석유화학 회사인 Sinopec과 공동으로 CO2를 이용한 건식 미분탄 공급 및 멤브레인 벽을 채택한 SE(Sinopec + ECUST) 가스화 기술을 개발하고 있는데 1,000 톤/일급의 실증용 가스화기를 2014년 1월부터 성공적으로 가동하고 있으며 2개의 프로젝트에 1,500톤/일급 가스화기 21기를 제공할 예정이라고 한다. 그림7에 운전 중 가스화기로서 세계 최대 크기(용량 3,000톤/일, 생산품 methanol/alkene)라고 주장하는 내몽고 Rongxin Chemicals사에서 운전 중인 OMB 슬러리 가스화기의 전경, 그리고 주요 프로젝트에서 2013년의 신뢰도와 이용률을 나타내는 자료를 함께 나타내었다.
)인 합성가스를 생산하고 정제 공정을 거친 후 IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle), CTL(Coal to Liquid, 합성석유 생산), SNG(Substitute Natural Gas, 대체천연가스 생산), 메탄올/DME/암모니아 등 화학물질 생산 등의 공정에 다양하게 응용되는 기술이다. 이 기술은 시료의 에너지화 변환 효율이 높고 가스 정제공정에서 저급 원료 속에 포함되어 있는 불순물(특히 황화합물)을 매우 청정한 수준으로 처리할 수 있는 특성으로 인하여 현재에도 대표적인 청정석탄 활용기술(CCT: Clean Coal Technology)로 인식되고 있으며, 석유와 천연가스의 가채년수가 점차 짧아질 차세대에는 더욱 효용성이 높은 기술이 될 것으로 예상 된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
가스화 시스템이 상당히 안전하다고 생각되는 이유는 무엇인가?
멤브레인 벽에 얇은 두께의 내화재를 설치하고 내화재 위에 일부 슬랙이 응고되고 응고 슬랙 위로 용융 슬랙이 흐르게 되어 1,500~1,600oC의 고온에서 운전이 가능하여 이용율(availability)을 높일 수있다. 가스화기의 외부에는 별도의 압력용기를 추가로 설치하며, 가스화기와 외부 압력용기 사이의 공간에 질소를 공급하여 가스화기와 동압을 유지함으로써 실질적으로 가스화기의 멤브레인 벽은 내부와 외부가 동압을 이루게 되므로 이론적으로는 기계적인 응력을 전혀 받지 않게 되어 가스화 시스템은 상당히 안전하다고 할 수 있다.
가스화 기술은 어떠한 특징을 갖는가?
가스화 기술은 석탄, 원유공장 최종 잔류 제품(중질 잔사유, 펫코크 등), 폐기물 등의 저급 원료를 시료로 하여 완전연소에 비하여 충분하지 않은 산화제(산소, 수증기, 공기 등)를 공급하여 주성분이 일산화탄소(CO)와 수소(H2)인 합성가스를 생산하고 정제 공정을 거친 후 IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle), CTL(Coal to Liquid, 합성석유 생산), SNG(Substitute Natural Gas, 대체천연가스 생산), 메탄올/DME/암모니아 등 화학물질 생산 등의 공정에 다양하게 응용되는 기술이다. 이 기술은 시료의 에너지화 변환 효율이 높고 가스 정제공정에서 저급 원료 속에 포함되어 있는 불순물(특히 황화합물)을 매우 청정한 수준으로 처리할 수 있는 특성으로 인하여 현재에도 대표적인 청정석탄 활용기술(CCT: Clean Coal Technology)로 인식되고 있으며, 석유와 천연가스의 가채년수가 점차 짧아질 차세대에는 더욱 효용성이 높은 기술이 될 것으로 예상 된다.
가스화 기술이란?
가스화 기술은 석탄, 중질잔사유, 펫코크, 등의 저급 화석연료를 고효율 및 고청정으로 활용할 수 있는 대표적인 차세대 화석연료 활용기술로서 관련 시장은 지속적으로 그리고 급속도로 팽창하고 있다. 수년전만 하더라도 기존 미분탄 활용 기술에 비하여 대용량화 및 이용률 등의 한계가 지적되어 왔으나 최근에는 이러한 한계들이 대부분 극복되고 있으며, 미래에는 가스터빈 또는 산소제조를 위한 이온전달 멤브레인 등의 관련 기술의 지속적인 발전으로 인하여 보다 경쟁력이 있는 기술이 될 것으로 예상된다.
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