석탄가스화의 새로운 방법

국문 초록 (Abstract)

재래식 석탄가스화 방법인, 부분 산화 가스화(파쇄된 석탄의 부분 산화(연소)) 방법은 최근 잦은 폭발에 의해 전면 중단되고 있다. 원인은 간단하다. 부분산화 방식에서 산소를 주입하여 석탄을 연소한 후 연소열에서 온도가 올라가면 고온의 증기(hot steam)를 주입하여 Lurgi의 coal gas(C+H₂O ↔ CO+H₂) 환원/흡열반응을 유도한다. 그러다보니 산화반응과 환원반응이 같은 반응로 안에서 일어나고 산화 cycle에서는 연소열에 의해서 로 온도를 상승시키고 steam cycle에서는 환원반응, 즉 개질반응에 의해서 로 온도가 내려간다. 개질반응이 전혀 없다고 해도, 로 자체의 열손실이 상당하기 때문에 주로 1000~1100℃ 에서 운영되었고, 2~3% 정도의 탄소가 개질되었다고 본다. 이 온도에서는 Lurgi의 석탄 가스 반응 외에 여러 가지 다른 가스 반응이 일어나고 2~3% 정도의 탄소개질은 Lurgi의 반응이 아닐 수도 있다. 저자가 2000년도에 실험으로 Lurgi의 석탄가스화 반응은 1200℃ 이상에서 일어나지 그 이하의 온도에서는 일어나지 않는다는 것을 보여주었다. 따라서 고온개질기를 구성하여 석탄뿐만 아니라, 모든 탄화물질은 1200℃이상의 로에서 탄소개질반응이 빨리 일어난다는 것을 증명하였다. 그 후 많은 Lurgi 가스화기를 연구하는 분들이 석탄산화 cycle에서 로 온도를 1200℃ 까지 올리려고 산소가스를 과잉 주입하곤 하였다. 과다한 산소가스 주입은 많은 산소가스를 가스화 시스템 전체에 스며들게 한다. 결과적으로 소형/부분적 폭발이 더러 발생하더니, 최근에 와서 Lurgi의 재래식 가스화 R/D는 주춤한 상태이다.
그렇다고 해서 석탄과 같은 편리한 에너지원을 인간이 그냥 포기하겠는가? 당연히 더 안전한 방법을 찾는데 R/D를 강화할 것이다. 석탄가스화 기술에 새로운 패러다임을 소개하고자 한다. 첫째, 석탄을 사소가스로 태워서는 안된다. 열분해하여 Flue gas, Oil, Tar와 Cokes로 분리한다. Flue gas 일부는 열분해 과정에서 소모되고, 오일 Oil, Tar와 Cokes는 가루 형태로 Kim reformer (Wikipedia)를 통해서 100% 개질된다. 여태까지 알려진 어느 방법 보다 탄소→합성가스 전환율이 높다고 하겠다. 이 방법은 안전하고, 초기 투자비가 저렴하고, 합성가스의 새로운 시대를 열 것으로 본다. 이 방법에서는 Biomass와 Wastes가 자연스럽게 가스화 된다.