[논문]오일샌드를 이용한 pilot급 합성가스 제조 및 활용 시스템 개발

정석우; 이도연; 정우현; 황상연; 박준성

오일샌드를 이용한 pilot급 합성가스 제조 및 활용 시스템 개발
Technology Development for Pilot Scale Syngas Production and Utilization System using Oil Sand 원문보기

한국신재생에너지학회 2009년도 추계학술대회 논문집, 2009 Nov. 25, 2009년, pp.537 - 540

정석우 (고등기술연구원 Plant Engineering센터) , 이도연 (고등기술연구원 Plant Engineering센터) , 정우현 (고등기술연구원 Plant Engineering센터) , 황상연 (고등기술연구원 Plant Engineering센터) , 박준성 (고등기술연구원 Plant Engineering센터)

초록
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오일샌드는 아스팔트와 같은 중질유를 10% 이상 함유한 모래 또는 사암으로서, 겉으로 보기에는 시커먼 흙이나 모래처럼 보이나 내부에는 모래(점토)와 같은 광물질이 70~80%, 에너지원으로 활용이 가능한 중질유 성분인 bitumen이 10~18%, 물이 3~5% 정도 혼합되어 있다. 본 연구에서는 이러한 오일샌드 활용방안 개발을 위하여 오일샌드로부터 bitumen의 추출 및 증류 특성에 대한 시험을 진행하였으며, 가스화를 통한 합성가스 제조, 합성가스 중 분진제거 및 탈황, CO/$H_2$비 제어를 위한 합성가스 전환 등의 시험을 진행하였는데, pilot급 시스템을 이용한 합성가스 제조 시험 결과 중질잔사유를 5~7 kg/h 공급하는 조건에서 CO 40~50%, $H_2$ 20~30%, $CO_2$ 10~20% 조성의 합성가스 18~22 $Nm^3$/h를 제조하였다.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 오일샌드와 같은 미활용 저급 연료원으로부터 합성가스를 제조하고 활용하기 위한 기술 개발을 위하여 캐나다 및 몽골로부터 수급한 오일샌드를 대상으로 용매를 이용한 bitumen 추출특성 시험을 진행하였으며, bitumen 이용 가스화를 통한 합성가스 제조 장치, 집진장치, 탈황장치, 합성가스 전환장치 등의 단위설비에 대한 성능평가 시험을 진행하였는데, 운전압력은 2∼2.5기압, 운전온도 1,200∼1,300℃, 중질잔사유를 5∼7 kg/h 공급하는 조건에서 가스화 반응에 의해 CO 40∼50%, H2 20∼30%, CO2 10∼ 20% 조성의 합성가스를 18∼22 Nm3/h 제조할 수 있었다.

제안 방법

Fig. 1은 이러한 탈황장치의 구성도를 나타낸 것으로 공급탱크에서 펌프에 의해 공급되는 철킬레이트는 U자형으로 구성된 탈황장치 상단에 설치된 노즐을 통하여 분사되면서 합성가스와 접촉하게 되고, 공급되는 철킬레이트의 양은 유량계를 이용하여 측정되도록 구성하였으며, 탈황장치에서 분사된 철킬레이트 용액은 하부의 수위제어장치에서 콘트롤 밸브가 레벨스위치의 신호를 받아 일정한 수위를 유지하면서 제어되어 고압으로 운전되는 내부의 합성가스는 외부로 유출되지 않고 철킬레이트 용액만 receiver 탱크로 배출되도록 구성하였다.
고등기술연구원에서는 오일샌드와 같은 미활용 저급 연료원에 가스화 및 액화 기술을 적용하여 DME를 제조하고, 연료전환 공정에서 배출되는 온실가스인 CO₂를 자체 고형폐기물을 이용하여 고정화시키는 공정 개발을 진행하고 있는데, 본 연구에서는 이러한 개발의 일환으로 캐나다 및 몽골 오일샌드의 물성 비교 시험과 더불어 추출된 bitumen을 이용하여 다양한 용도로 활용이 가능한 합성가스 제조를 위하여 고점도 시료 공급장치, 가스화 반응기, 집진 및 탈황시스템, 합성가스 전환시스템 등으로 구성되는 pilot급 규모의 가스화 시스템을 구축 후 수급이 용이하면서 bitumen과 유사한 분석결과를 나타낸 중질잔사유를 적용하여 가스화를 통한 합성가스 제조 운전 특성 시험을 진행하였다.
지지체에 SiC 코팅을 하는 방식으로 제작된 세라믹필터 적용 집진장치를 설치하였다. 그리고, H₂S 제거를 통해 후단 공정에서의 촉매 피독을 방지하기 위하여 철킬레이트 용액을 분사하는 방식의 습식 탈황장치를 연계하였는데, 철킬레이트 공급탱크, receiver 탱크, 고압 펌프, 유량계, 탈황장치, 분사노즐, 수위제어 장치 등으로 탈황장치를 구성하였다.
발생의 문제가 있으므로 본 연구에서는 오일샌드 시료를 담기 위한 glass filter, bitumen을 추출하기 위한 추출용 column, 증발되는 용매를 계속 재활용할 수 있도록 응축시키기 위한 콘덴서, 용매를 담기 위한 플라스크 및 플라스크 내부를 예열시키기 위한 가열장치 등으로 구성되고, 용매(solvent)를 이용하는 추출방식을 적용하였다. 그리고, 이와 같은 장치로부터 추출된 bitumen의 경질화를 위하여 감압 증류장치를 구성하였다.
물성분석 결과 bitumen과 가장 유사한 특성을 가지는 것으로 확인된 중질잔사유를 대상으로 가스화 시스템을 이용하여 합성가스 제조 시험을 진행하였는데, Fig. 3은 가스화기 운전압력 2기압, 운전온도 1,200℃ 조건에서 진행된 가스화 시스템의 운전결과를 나타낸 것이다. Fig.
오일샌드 개발이 한창인 캐나다의 경우에는 일반적으로 고온의 증기를 이용한 추출방식을 적용하고 있으나, 이러한 방식은 효율이 낮고 다량의 LNG 연료 사용에 따른 CO₂ 발생의 문제가 있으므로 본 연구에서는 오일샌드 시료를 담기 위한 glass filter, bitumen을 추출하기 위한 추출용 column, 증발되는 용매를 계속 재활용할 수 있도록 응축시키기 위한 콘덴서, 용매를 담기 위한 플라스크 및 플라스크 내부를 예열시키기 위한 가열장치 등으로 구성되고, 용매(solvent)를 이용하는 추출방식을 적용하였다. 그리고, 이와 같은 장치로부터 추출된 bitumen의 경질화를 위하여 감압 증류장치를 구성하였다.
합성가스 전환장치는 가스화기에서 생성된 합성가스의 주요 성분인 CO와 H₂의 비율을 DME 제조를 위한 연료전환 공정의 운전조건에 맞도록 조절하기 위한 설비로서, 본 연구에서는 Cr₂O₃/ Fe₂O₃ 계열의 고온 전환반응 촉매를 충진한 상태에서 스팀을 반응기로 공급하여 합성가스와의 수성가스 전환반응을 촉진시킴으로써 합성가스 중 CO가 H₂로 전환되도록 구성하였다.
합성가스 중에는 미세분진과 H₂S 가스가 포함되어 있으므로 정제 공정이 필요한데, 일차적으로 미세분진 제거를 위하여 부식성 가스에 대한 영향이 적은 Al₂O₃ 지지체에 SiC 코팅을 하는 방식으로 제작된 세라믹필터 적용 집진장치를 설치하였다. 그리고, H₂S 제거를 통해 후단 공정에서의 촉매 피독을 방지하기 위하여 철킬레이트 용액을 분사하는 방식의 습식 탈황장치를 연계하였는데, 철킬레이트 공급탱크, receiver 탱크, 고압 펌프, 유량계, 탈황장치, 분사노즐, 수위제어 장치 등으로 탈황장치를 구성하였다.

성능/효과

Cr₂O₃/Fe₂O₃ 계열의 고온 전환반응 촉매를 수소를 이용하여 환원시킨 후 합성가스 전환장치 운전압력 2기압, 스팀을 공급하는 상태에서의 운전 온도 300℃, CO 13%, CO₂ 5%, H₂ 8%의 희석된 합성가스를 13 Nm³ /h 공급하는 조건에서 합성가스 전환 시험을 진행한 결과, Fig. 7의 그래프에서 알 수 있듯이 출구에서의 합성가스 조성이 CO 7%, CO₂ 8%, H₂ 13% 정도로 측정됨으로써 CO 기준 합성가스 전환효율 50% 정도 달성이 가능한 것으로 파악되었다.
그리고, Al2O3 지지체에 SiC 분말을 코팅한 Φ 60 mm, 길이 1,000 mm의 국산 세라믹필터 적용 집진장치 시험 결과 99.7% 이상의 분진 제거효율을 달성하였고, 철킬레이트를 분사하는 방식의 습식 탈황장치를 이용하여 1,000~1,050 ppm의 H2S 가스가 유입되는 상태에서 후단의 농도는 0.1 ppm 이하를 유지함으로써 99.9% 이상의 H2S 제거효율을 달성하였으며, 고온 전환촉매를 사용 하는 합성가스 전환설비 시험 결과 CO 농도 기준 50%의 전환효율을 달성하였다.
그리고, Fig. 4는 이러한 조건에서 제조된 합성가스의 조성을 나타낸 것으로 CO 40∼50%, H2 20∼30%, CO2 10∼20% 정도인 것으로 확인되었으며, 가스화 성능을 나타내는 탄소전환율과 냉가스효율은 각각 평균적으로 97.5%, 62.5% 정도를 나타내었다.
그리고, 습식 탈황장치의 성능평가 시험에서는 전단의 H₂S 가스 농도는 실시간으로 측정되는 on-line 분석기, 후단의 농도는 on-line GC를 이용하여 측정하였는데, Fig. 6의 그래프에 나타내었듯이 탈황장치 전단에 농도 1,000~1,050 ppm 정도의 H₂S 가스가 유입되는 상태에서 후단의 농도는 0.1 ppm 이하를 유지함으로써 99.9% 이상의 H₂S 가스 제거효율을 나타내는 것으로 확인되었다.
먼저, 집진장치의 성능평가를 위하여 미세분진으로 평균 입자크기 74㎛의 미분탄을 사용하여 질소 가스를 공급하는 상태에서 cold test를 진행하였는데, 측정 결과 집진시스템 전단의 분진 농도는 14,090 mg/Nm³, 후단의 분진농도는 40 mg/Nm³으로 측정됨으로써 분진 제거효율은 99.7% 이상인 것으로 확인되었다. Fig.

후속연구

따라서, 향후에는 이러한 시험 결과를 바탕으로 합성가스의 DME 전환설비, 전환가스 액화장치 등의 설계/제작을 통해 추가적으로 연계함으로써 저급 연료원의 공급에서부터 액체연료 제조까지의 통합된 연료전환 공정 구축 및 운전기술 개발을 진행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	오일샌드란 무엇인가?	오일샌드는 아스팔트와 같은 중질유를 10% 이상 함유한 모래 또는 사암으로서, 겉으로 보기에는 시커먼 흙이나 모래처럼 보이나 내부에는 모래(점토)와 같은 광물질이 70~80%, 에너지원으로 활용이 가능한 중질유 성분인 bitumen이 10~18%, 물이 3~5% 정도 혼합되어 있다. 본 연구에서는 이러한 오일샌드 활용방안 개발을 위하여 오일샌드로부터 bitumen의 추출 및 증류 특성에 대한 시험을 진행하였으며, 가스화를 통한 합성가스 제조, 합성가스 중 분진제거 및 탈황, CO/$H_2$비 제어를 위한 합성가스 전환 등의 시험을 진행하였는데, pilot급 시스템을 이용한 합성가스 제조 시험 결과 중질잔사유를 5~7 kg/h 공급하는 조건에서 CO 40~50%, $H_2$ 20~30%, $CO_2$ 10~20% 조성의 합성가스 18~22 $Nm^3$/h를 제조하였다.
	오일샌드 활용을 위해 추출을 해야하는데, 고온의 증기를 이용한 추출 방법에는 어떤 문제점이 있는가?	오일샌드 개발이 한창인 캐나다의 경우에는 일반적으로 고온의 증기를 이용한 추출방식을 적용하고 있으나, 이러한 방식은 효율이 낮고 다량의 LNG 연료 사용에 따른 CO 2 발생의 문제가 있으므로 본 연구에서는 오일샌드 시료를 담기 위한 glass filter, bitumen을 추출하기 위한 추출용 column, 증발되는 용매를 계속 재활용할 수있도록 응축시키기 위한 콘덴서, 용매를 담기 위한 플라스크 및 플라스크 내부를 예열시키기 위한 가열장치 등으로 구성되고, 용매(solvent)를 이용하는 추출방식을 적용하였다. 그리고, 이와 같은 장치로부터 추출된 bitumen의 경질화를 위하여 감압 증류장치를 구성하였다.
	오일샌드에 존재하는 에너지원으로 활용이 가능한 중질유 성분은 무엇인가?	오일샌드는 아스팔트와 같은 중질유를 10% 이상 함유한 모래 또는 사암으로서, 겉으로 보기에는 시커먼 흙이나 모래처럼 보이나 내부에는 모래(점토)와 같은 광물질이 70~80%, 에너지원으로 활용이 가능한 중질유 성분인 bitumen이 10~18%, 물이 3~5% 정도 혼합되어 있다. 본 연구에서는 이러한 오일샌드 활용방안 개발을 위하여 오일샌드로부터 bitumen의 추출 및 증류 특성에 대한 시험을 진행하였으며, 가스화를 통한 합성가스 제조, 합성가스 중 분진제거 및 탈황, CO/$H_2$비 제어를 위한 합성가스 전환 등의 시험을 진행하였는데, pilot급 시스템을 이용한 합성가스 제조 시험 결과 중질잔사유를 5~7 kg/h 공급하는 조건에서 CO 40~50%, $H_2$ 20~30%, $CO_2$ 10~20% 조성의 합성가스 18~22 $Nm^3$/h를 제조하였다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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