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석탄 가스화

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목차

1. 개요

석탄 가스화는 석탄을 고온에서 산소, 수증기와 반응시켜 일산화탄소와 수소의 혼합물인 합성가스를 생성하는 기술이다. 이 기술은 17세기부터 연구되었으며, 가스등 조명, 가스레인지 등에 활용되었다. 20세기 이후에는 IGCC(가스화 복합 발전) 기술 개발을 통해 발전 효율을 높이고, 황산화물, 질소산화물, 이산화탄소 배출량을 줄이는 친환경 에너지 기술로 주목받고 있다. 석탄 가스화는 다양한 연료를 사용할 수 있으며, 에너지 안보 강화에도 기여할 수 있다. 그러나 환경 오염 문제가 있으며, 탄소 포집 및 저장 기술을 통해 문제 해결을 시도하고 있다.

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석탄 가스화
개요
주요 성분일산화탄소
수소
이산화탄소
메탄
수증기
생성 과정석탄의 열분해 또는 부분 산화
용도연료
화학 원료
수소 생산
기술
가스화 방법고정층 가스화
유동층 가스화
용융 가스화
가스화제공기
산소
수증기
이산화탄소
반응
주요 반응탄소 + 수증기 → 일산화탄소 + 수소 (수성 가스 반응)
탄소 + 산소 → 일산화탄소
일산화탄소 + 수증기 → 이산화탄소 + 수소 (수성 가스 전환 반응)
탄소 + 수소 → 메탄
부수 반응이산화탄소 생성
황화수소 생성
암모니아 생성
응용
합성 연료피셔-트롭슈 공정을 통한 액체 연료 생산
메탄올 합성
디메틸 에테르 합성
발전복합 화력 발전
가스 터빈 발전
연료 전지
화학 원료암모니아 생산
비료 생산
다양한 화학 제품 생산
환경적 측면
장점석탄 활용도 증대
배출 가스 감소 가능성
다양한 응용 분야
단점이산화탄소 배출
처리 비용
에너지 소모
추가 정보
탄소 포집 및 저장CCS 기술과 연계 가능
수소 생산수소 생산의 중요한 경로
차세대 기술고효율 가스화 기술
바이오매스 혼합 가스화
친환경적 가스화 공정 개발

2. 역사

과거에는 석탄을 가스화하여 만든 석탄가스를 배관을 통해 가정에 공급하여 조명, 난방, 요리에 사용했다. 19세기 초, 얀 바티스타 헬몬트는 나무와 석탄을 가열할 때 나오는 가스를 발견했고, 이후 윌리엄 머독은 가스를 제조, 정제, 저장하는 방법을 개발하여 볼턴 앤 왓트 공장 외관과 면방 등을 밝혔다. 런던 앤 웨스트민스터 가스라이트 앤 코크 회사는 최초의 상업용 가스 공장을 건설했고, 웨스트민스터 다리를 가스등으로 밝혔다.

19세기 중반에는 중소도시마다 가스 공장이 생겨 가로등에 가스를 공급했고, 가스등은 중산층까지 확산되었다. 이후 가스레인지와 스토브가 등장하면서 가스 사용이 더욱 확대되었다. 1860년대는 유기화학 발전과 함께 가스 개발의 황금기를 맞이했다. 발생 가스(Producer gas), 수성 가스(Water gas), 몬드 가스(Mond gas) 등 다양한 가스 생산 공정이 개발되었고, 카르뷰레티드 수성 가스(CWG)는 1950년대까지 미국의 주요 석탄 가스화 기술이었다.

백열 가스등은 등유램프와 양초를 대체하여 야간 교대근무를 가능하게 하는 등 산업 생산을 가속화하고 사회를 변화시켰다. 1880년대 후반 가스계량기와 선불 가스계량기의 발명은 도시가스 판매에 중요한 역할을 했다.

20세기 초, 토목기술자 협회(ICE)는 가스 제조 학생들을 위한 과정을 시작했고, 왕립 헌장을 받았다. 가스 라이트 앤 코크 컴퍼니는 가스 기기 시험 시설인 "왓슨 하우스"를 열어 산업계에 안전 및 성능 표준을 확립하는 데 기여했다.

제1차 세계 대전 동안 가스 산업의 부산물은 폭발물의 원료로 사용되었고, 전쟁 간 시대에는 수직 레토르트가 개발되었으며, 벤졸과 콜타르는 가스 산업에 수익을 제공했다. 제2차 세계 대전 후 석유가 콜타르를 대체하면서 가스 산업은 경제적 문제에 직면했다. 가스 난로, 가스레인지, 냉장고 등 다양한 가스 기기와 용도가 개발되어 도시와 마을의 삶의 질 향상에 기여했다. 전기 조명의 발전은 가스등을 대체했다.

20세기 이후, 제1차 세계 대전 동안 가스 산업의 부산물인 페놀, 톨루엔, 암모니아 및 황 화합물은 폭발물의 원료로 활용되었다.[5] 전쟁 간 시대에는 연속식 수직 레토르트가 개발되어 기존의 수평식 레토르트를 대체했고, 무수 가스 홀더와 강철 파이프가 등장하면서 가스 공급 능력이 향상되었다. 벤졸은 차량 연료로, 콜타르는 유기 화학 산업의 주요 원료로 사용되어 가스 산업에 수익을 가져다주었다.

제2차 세계 대전 이후 석유가 유기 화학 산업의 주요 원료로 콜타르를 대체하면서 가스 산업은 경제적 어려움을 겪게 되었다. 하지만, 석유와 천연가스의 가격 상승으로 인해 가스화와 같은 기술이 다시 주목받기 시작했다.

2. 1. 초기 역사 (유럽)

얀 바티스타 헬몬트(Jan Baptista van Helmont)는 1609년경 저서 ''Origins of Medicine''에서 나무와 석탄을 가열할 때 나오는 "야생의 정령"을 "가스"라고 칭하며, 이는 고대 카오스와 거의 같다고 기술했다.[2] 1681년 뮌헨의 요한 베커(Johann Becker)와 1684년 잉글랜드 위건의 존 클레이턴(John Clayton)이 비슷한 실험을 수행했는데, 클레이턴은 이를 "석탄의 정령"이라 불렀다.[2] 윌리엄 머독(William Murdoch)은 가스를 제조, 정제, 저장하는 새로운 방법을 발견하여 1792년 자신의 집, 1797년 맨체스터 경찰 위원회 건물 입구, 버밍엄의 볼턴 앤 왓트 공장 외관, 1805년 랭커셔 살포드(Salford, Greater Manchester)의 대형 면방을 조명했다.[2]

1783년 루뱅 가톨릭 대학교(Old University of Leuven)의 얀 피터 민켈레어스(Jan Pieter Minckeleers) 교수, 1787년 스코틀랜드 컬로스(Culross)의 던덜널드 제9대 백작 아치볼드 코크레인(Archibald Cochrane, 9th Earl of Dundonald) 경이 각자의 집을 가스등으로 밝혔다.[2] 1799년 필립 르 봉(Philippe le Bon)이 가스난로 특허를 받았고, 1801년 가로등을 시연했다.[2] 1812년 런던 앤 웨스트민스터 가스라이트 앤 코크 회사(Gas Light and Coke Company)가 최초의 상업용 가스 공장을 건설, 1813년 웨스트민스터 다리를 가스등으로 밝혔다.[2] 1816년 렘브란트 필(Rembrandt Peale) 등이 볼티모어 가스라이트 회사(Gas Light Company of Baltimore)를 설립했다.[2] 1825년 하노버에 최초의 독일 가스 공장이 건설되었고, 1870년까지 독일에는 340개의 가스 공장이 있었다.

1830년대 런던 앤 웨스트민스터 가스라이트 앤 코크 회사(Gas Light and Coke Company)의 열악한 작업 환경은 노동자들의 건강을 악화시켰다.[3] 1807년 런던 팰 몰(Pall Mall)에 최초의 공공 배관 가스 공급으로 13개의 가스등이 설치되었다.[4] 발명가 프레드릭 윈저(Frederick Albert Winsor)와 배관공 토마스 서그(Thomas Sugg)의 공로였으나, 가로등과 가정용 가스 개발은 법률 문제로 지연되었다.[4] 윌리엄 머독과 새뮤얼 클레그(Samuel Clegg)는 공장과 작업장에 가스등을 설치했다.[4]

1850년대에는 중소도시마다 가스 공장이 생겨 가로등에 가스를 공급했고, 가스등은 중산층까지 확산되었으며, 이후 가스레인지와 스토브가 등장했다.[4] 1860년대는 유기화학 발전으로 가스 개발의 황금기를 맞았다. 발생 가스(Producer gas)와 수성 가스(Water gas) 생산 공정이 개발되었고, 몬드 가스(Mond gas)는 암모니아와 콜타르를 함유하여 활용되었다. 카르뷰레티드 수성 가스(CWG)는 1875년 태디우스 S. C. 로우(Thaddeus S. C. Lowe)에 의해 개선되어 1950년대까지 미국의 주요 석탄 가스화 기술이었다.

백열 가스등은 등유램프와 양초를 대체하여 야간 교대근무를 가능하게 하는 등 산업 생산을 가속화하고 사회를 변화시켰다. 1880년대 후반 가스계량기와 선불 가스계량기의 발명은 도시가스 판매에 중요한 역할을 했다.

1903년 재건된 토목기술자 협회(ICE)는 가스 제조 학생들을 위한 과정을 시작했고, 1929년 왕립 헌장을 받았다.[5] 1926년 가스 라이트 앤 코크 컴퍼니는 가스 기기 시험 시설인 "왓슨 하우스"를 열어 산업계에 안전 및 성능 표준을 확립하는 데 기여했다.[5]

제1차 세계 대전 동안 가스 산업의 부산물은 폭발물의 원료로 사용되었고, 여성 타이피스트 고용 등 사회적 변화를 가져왔다. 전쟁 간 시대에는 수직 레토르트가 개발되었고, 벤졸과 콜타르는 가스 산업에 수익을 제공했다. 제2차 세계 대전 후 석유가 콜타르를 대체하면서 가스 산업은 경제적 문제에 직면했다.

가스 난로, 가스레인지, 냉장고 등 다양한 가스 기기와 용도가 개발되어 도시와 마을의 삶의 질 향상에 기여했다. 전기 조명의 발전은 가스등을 대체했다.

2. 2. 20세기 이후

제1차 세계 대전 동안 가스 산업의 부산물인 페놀, 톨루엔, 암모니아 및 황 화합물은 폭발물의 귀중한 원료로 활용되었다.[5] 가스 공장의 석탄은 대부분 바다를 통해 운송되었는데, 이는 적의 공격에 취약했다.

전쟁 간 시대에는 연속식 수직 레토르트가 개발되어 기존의 수평식 레토르트를 대체했다. 무수 가스 홀더와 2~4인치 강철 파이프가 등장하면서 가스 공급 능력이 향상되었다. 특히, 강철 파이프는 최대 50psi의 압력으로 가스를 전달하여 기존 주철 파이프의 평균 2~3인치 수주(500~750 Pa)보다 훨씬 높은 압력을 견딜 수 있었다. 벤졸은 차량 연료로, 콜타르는 신흥 유기 화학 산업의 주요 원료로 사용되어 가스 산업에 큰 수익을 가져다주었다.

제2차 세계 대전 이후 석유가 유기 화학 산업의 주요 원료로 콜타르를 대체하면서 가스 산업은 경제적 어려움을 겪게 되었다. 하지만, 석유와 천연가스의 가격 상승으로 인해 가스화와 같은 기술이 다시 주목받기 시작했다.

3. 대한민국

1990년대부터 대한민국은 석탄 가스화 기술 개발을 시작했다. 2006년 정세균 산업자원부 장관은 미국을 방문, 새뮤얼 보드먼 미국 에너지부 장관과 회담을 갖고 퓨처젠(FutureGen) 프로그램에 1000만달러를 투자하며 참여했다.[19]

2010년대에는 두산중공업 등 기업 주도로 석탄 가스화 기술 상용화 노력이 이루어졌다. 2011년 두산중공업은 국내 첫 석탄 가스화 실증 플랜트를 수주하였다. 당시 석탄 가스화 기술은 세계적으로 5개 실증 플랜트만 운영될 정도로 상용화되지 않은 고난이도 기술이었다.[14]

2012년, 정부는 환경 문제와 에너지 효율을 고려하여 노후 화력발전소를 IGCC로 대체할 계획을 발표했다.[20] 현재 태안 IGCC 실증 플랜트 운영 등 기술 고도화 및 상용화를 추진하고 있다.

3. 1. 더불어민주당과 석탄 가스화

더불어민주당은 석탄 가스화 기술, 특히 지하 석탄 가스화(UCG)를 탄소 중립 목표 달성을 위한 중간 단계 기술로 보는 경향이 있다. UCG는 채굴되지 않은 석탄층에서 산소나 공기 같은 기체 산화제를 주입하여 가스를 생성하고, 이를 지표면으로 가져와 화학 원료나 발전용 연료로 사용하는 기술이다.

더불어민주당은 재생에너지 확대 정책과 함께, 석탄 가스화 기술의 친환경성을 강화하고 CCS(탄소 포집 및 저장) 기술을 연계할 필요성을 강조한다. UCG는 경제적으로 채굴하기 어려운 석탄 자원에도 적용 가능하고, 기존 석탄 채굴 방식보다 환경 및 사회적 영향이 적다는 장점이 있지만, 대수층 오염 가능성 등 환경적 우려도 존재하기 때문이다.

4. 북한

1999년 9월 7일 북한은 평안남도 안주의 남흥청년화학기업소에 북한 최초의 석탄 가스화 발전소를 완공했다.[16] 이에 대해 한국 산업자원부(현 산업통상자원부)는 석탄 가스화가 비효율적이라고 비판했다.[17] 2010년 4월 23일 북한이 강성대국의 이정표, 비료의 자급자족 기틀 마련이라며 자랑하던 남흥청년화학기업소에서 대형 폭발사고가 발생해 30여 명이 사망했다.[18]

5. 기술

석탄 가스화는 석탄을 고온, 고압에서 산소, 수증기와 반응시켜 일산화탄소(CO), 수소(H2) 등이 주성분인 합성가스를 제조하는 기술이다. 합성가스는 정제 과정을 거쳐 발전, 난방, 화학제품 생산 등에 활용된다.

가스화 과정에서 석탄은 산소와 수증기를 불어넣으면서 가열(가압하는 경우도 있음)된다. 외부 열원으로 석탄을 가열하는 경우 이 과정을 "타열식"이라고 하며, "자열식" 과정은 가스화기 자체 내에서 발생하는 발열 화학 반응을 통해 석탄을 가열하는 것을 의미한다. 공급되는 산화제가 연료의 완전 산화(연소)에는 불충분해야 한다. 반응 동안 산소와 물 분자는 석탄을 산화시켜 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 수증기(H2O) 및 수소(H2)의 기체 혼합물을 생성한다.

: 3C(즉, 석탄) + O2 + H2O → H2 + 3CO

알케인(천연가스, 휘발유, 경유 등)을 생산하려면 석탄가스를 피셔-트롭슈 공정 반응기에 보낸다. 수소가 최종 생성물인 경우, 석탄가스(주로 CO)는 수성가스 전환 반응을 거쳐 수증기와의 반응에 의해 더 많은 수소를 생성한다.

: CO + H2O → CO2 + H2

5. 1. 가스화 복합발전 (IGCC)

석탄 가스화 복합 발전(IGCC, Integrated Gasification Combined Cycle)은 석탄, 중질잔사유 등의 저급 원료를 고온·고압에서 한정된 산소와 수증기로 불완전연소시켜 합성가스를 만들고, 이를 정제하여 가스터빈 (1차 발전)과 증기터빈 (2차 발전)을 구동하는 고효율, 친환경 발전 방식이다.[15] IGCC는 석탄으로 합성가스를 만드는 가스화 공정, 합성가스 속 입자와 황 화합물을 제거하여 깨끗한 합성가스를 만드는 정제 공정, 그리고 가스터빈과 증기터빈으로 구성된 복합 발전 플랜트로 구성된다. 가스화 과정에서 공기 대신 산소를 사용하기 때문에 대규모 산소 플랜트가 필요하다. 가스화는 석탄과 산소, 증기 또는 물을 고온 고압 용기에 넣어 반응시켜 합성가스의 주성분인 수소(H)와 일산화탄소(CO)를 생성한다. 합성가스 정제 설비는 합성가스를 사용 목적에 맞게 정화하는 공정으로, 발전 설비에서는 주로 가스터빈 구동에 문제가 없도록 입자를 제거하고 부식을 일으키거나 공해 물질을 배출할 수 있는 황 화합물을 제거한다.[15]

기존 석탄 화력 발전소는 석탄을 태워 발생한 열로 증기를 만들어 증기터빈을 돌려 전기를 생산한다. 반면 IGCC는 석탄을 고온에서 산소, 물과 함께 가스화시켜 일산화탄소(50%)와 수소(30%)로 구성된 합성가스를 만든 후, 이 가스로 가스터빈을 돌려 전기를 생산한다. 또한 가스터빈에서 나오는 배기가스의 열을 모아 증기터빈을 돌려 추가로 전기를 생산한다.

2010년 이후 미국은 정부 지원을 통해 IGCC 상용화 개발을 주도하고 있으며, 2014년까지 전 세계적으로 25.5GW의 상용화를 추진했다.[15] 쉘(Shell), GE, 미쓰비시중공업 등 일부 선진국 기업만이 가스화 공정기술 원천기술을 보유하고 있으며, 이들 기업은 정부 주도로 약 30년 이상 수조 원의 개발비를 투입하여 실증 플랜트를 상용화하고 있다.[15]

2006년 정세균 산업자원부 장관은 미국을 방문하여 퓨처젠(FutureGen) 프로그램에 가입하고 1000만달러를 투자했다.[19] 2011년 말 두산중공업은 국내 첫 석탄 가스화 실증 플랜트를 수주했다.[14] 지식경제부는 2012년 이후 수명이 다하는 기존 화력발전소를 모두 IGCC로 대체할 계획이었다.[20]

몇몇 IGCC 기반 프로젝트가 진행되었으나, 일부는 목표를 달성하지 못하고 중단되기도 했다.

  • 켐퍼 프로젝트: 갈탄을 연료로 사용하는 IGCC 발전소로 설계되었으나, 2017년 "청정 석탄" 발전 계획은 폐기되고 천연가스 발전소로 운영될 예정이다.
  • 캘리포니아 수소 에너지(HECA): 석탄과 석유 코크스를 연료로 사용하는 IGCC 다목적 발전소로 계획되었으나, 2016년 캘리포니아 에너지 위원회에 의해 신청이 종료되었다.
  • 텍사스 청정 에너지 프로젝트(TCEP): 석탄을 연료로 사용하는 IGCC 기반 발전/다목적 프로젝트로, 탄소 포집 및 저장 기술을 활용할 예정이었다.


탄소 포집 및 저장을 사용하는 발전소는 규제 문제에 대한 부분적 해결책으로 여겨지기도 했지만, 비용 증가와 환경 운동가들의 반대에 직면하기도 했다.[6]

5. 2. 가스화 공정

석탄 가스화의 핵심은 가스화 공정이다. 가스화는 석탄과 산소, 수증기 등을 고온, 고압에서 반응시켜 합성가스(주로 수소와 일산화탄소)를 만드는 과정이다.

가스화 방식에 따라 여러 유형으로 나뉜다.

가스화 방식설명장점단점
고정층 가스화비교적 큰 입자의 석탄 사용기술 단순효율 낮음
유동층 가스화분쇄된 석탄 사용효율 높음기술 복잡
분류층 가스화미분탄(아주 미세하게 분쇄된 석탄) 사용효율 가장 높음, 고온 운전기술 난이도 가장 높음



송풍 방식에 따라서도 직접 송풍 방식과 역 송풍 방식으로 나뉜다.

송풍 방식설명장점단점추가 설명
직접 송풍석탄과 산화제가 반응기 반대편에서 공급되어 반응생성 가스 정제 필요, 유독 부산물 발생 (특수 시설 필요)남아프리카 공화국의 SASOL 플랜트: 역청탄과 무연탄을 사용하는 고압 "Lurgi" 가스화 공정 사용.[2] (석유 수입 제재로 건설)
역 송풍석탄과 산화제가 반응기 같은 쪽에서 공급, 반응대에서 생성된 가스는 코크와 재 통과 (이산화탄소와 수증기가 일산화탄소와 수소로 환원)유독 부산물 없음가스 생산 속도 느림 (1980년대 이전까지)소련 KATEKNIIUgol'의 "TERMOKOKS-S" 공정: 가스와 중온 코크스 동시 생산 (경제적, 환경 친화적). 몽골 울란바토르, 러시아 크라스노야르스크에서 운영 중.



Wison Group과 Shell의 공동 개발한 가압 유동층 가스화 기술(Hybrid)은 고급 분쇄 석탄 가스화 기술이다. 기존 Shell SCGP 폐열 보일러 장점과 검증된 기술(이송 시스템, 분쇄 석탄 가압 가스화 버너 배열, 측면 분사 버너 막형 워터 월, 간헐적 배출 등)을 결합했다. 또한, 합성가스 냉각기, 비산재 필터 등 고장 잦은 필터를 제거하고 합성가스 급냉 공정을 결합하여 효율성을 높였다.

이 외에도 지하 석탄 가스화(UCG) 기술이 있다. UCG는 채굴되지 않은 석탄층에 산소나 공기를 주입하여 가스화하는 방식이다. 생산된 가스는 화학 원료나 발전용 연료로 사용된다. 경제적 채굴이 어려운 자원에 적용 가능하고, 기존 채굴 방식보다 환경 및 사회적 영향이 적지만, 대수층 오염 가능성 등 환경적 우려가 있다.

최근 석탄 가스화 프로젝트에서는 온실가스 배출 문제 해결을 위해 탄소 포집, 이용 및 저장(CCUS) 기술이 활용된다. 가스화는 연소보다 이산화탄소 포집이 용이하여, 중요한 장점으로 꼽힌다.

5. 3. 합성가스 정제

합성가스 정제 설비는 합성가스의 사용 목적에 적합하도록 깨끗하게 처리하는 공정이다. 발전 설비에서 합성가스 정제 공정은 주로 가스터빈 등의 구동에 문제가 되지 않도록 입자를 제거하고, 부식을 일으키거나 공해 물질을 배출할 수 있는 황 화합물을 제거하는 기능을 수행한다.[7]

6. 장점 및 단점

석탄 가스화는 기존 석탄 화력발전보다 발전 효율이 높고, 황산화물, 질소산화물, 이산화탄소 등의 오염 물질 배출량을 줄일 수 있으며, 중질잔사유, 바이오매스, 폐기물 등 다양한 연료를 사용할 수 있다는 장점이 있다.[15] 하지만, 플랜트 건설 및 운영에 상당한 비용이 소요되는 등 초기 투자 비용이 높고, 이산화탄소 배출 문제가 있으며, 일부 공정에서는 수자원 사용량이 많다는 단점도 있다.[15]

6. 1. 장점

석탄 가스화 기술은 기존 석탄 화력발전 대비 발전 효율이 높고, 황산화물(90% 이상), 질소산화물(75% 이상), 이산화탄소(25%) 배출량을 줄일 수 있어 친환경적이다.[15] 또한, 중질산사유, 바이오매스, 폐기물 등 다양한 연료를 사용할 수 있어 천연자원이 부족한 한국의 에너지 안보 강화에 기여할 수 있다.[15]

이러한 장점 덕분에 석탄 가스화는 환경 친화적인 신재생에너지로 주목받고 있으며, 사용 가치가 낮은 석탄을 활용하여 고효율 에너지를 생산할 수 있다는 경제적 이점도 제공한다. 또한, 액화된 석탄 가스는 파이프를 통해 수송이 가능하여 운송 비용을 절감할 수 있다.

6. 2. 단점

석탄 가스화는 여러 장점에도 불구하고 몇 가지 단점을 가지고 있다.

우선, 초기 투자 비용이 매우 높다. 석탄 가스화 기술은 복잡하고 높은 기술 수준을 요구하기 때문에, 플랜트 건설 및 운영에 상당한 비용이 소요된다.[15] 이는 상용화 초기 단계에서 기술 개발 및 시장 선점을 위한 경쟁이 치열한 이유 중 하나이다.[14]

또한, 석탄 가스화 과정에서 이산화탄소(CO2)가 다량 배출된다는 문제점이 있다. 기존 석탄 화력발전소에 비해 이산화탄소 배출량이 적기는 하지만, 여전히 기후 변화의 주요 원인 중 하나로 지목되고 있다. 따라서, 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술과 연계하여 CO2 배출량을 줄이는 노력이 필요하다.

일부 공정에서는 수자원 사용량이 많다는 점도 단점으로 지적된다.

7. 환경 영향

석탄 가스화는 기존의 석탄 화력발전 방식보다 환경적인 측면에서 몇 가지 장점을 가지고 있지만, 여전히 해결해야 할 환경 문제들이 존재한다.

석탄 가스화는 석탄을 직접 연소시키는 방식보다 대기 오염 물질 배출량을 줄일 수 있다. 특히, 황산화물(SO2)과 질소산화물(NOx) 배출량을 크게 줄일 수 있는데, 이는 석탄에 포함된 황 성분이 가스화 과정에서 황화수소(H2S)와 황화카보닐(COS) 형태로 전환된 후 제거되기 때문이다. 또한, 질소 성분도 대부분 무해한 질소 가스(N2)로 전환되며, 일부 생성되는 암모니아(NH3)와 시안화수소(HCN)는 냉각 과정에서 제거된다.[11][12]

하지만, 석탄 가스화 과정에서도 이산화탄소(CO2)는 여전히 배출된다. 이산화탄소는 지구 온난화의 주요 원인 물질 중 하나로, 기후 변화에 큰 영향을 미친다.[13]

석탄 가스화 과정에서는 재와 슬래그가 발생한다. 비슬래깅(Non-slaging) 가스화기는 기존 석탄 연소 방식과 유사한 건식 재를 생성하는데, 이 재에는 중금속이 포함될 수 있어 환경 문제를 야기할 수 있다. 반면, 슬래깅(Slaging) 가스화기는 재 성분을 유리질 슬래그 형태로 만들어 중금속을 안정화시키고, 이를 콘크리트 골재, 도로 건설용 아스팔트 골재, 연마 분사용 모래, 지붕 과립 등 다양한 용도로 활용할 수 있게 한다.[13]

석탄 가스화 과정에서 생성되는 합성가스에는 미세먼지(PM)가 포함될 수 있다. 또한, 석탄에 포함된 수은, 비소 등의 유해 물질도 배출될 수 있다.[11][12]

과거 석탄 가스를 제조했던 시설에서는 토양 및 지하수 오염 문제가 발생하기도 했다. 제조 과정에서 발생하는 부산물인 석탄 타르, 암모니아, 폐타르 등이 환경으로 유출되어 오염을 일으켰다. 특히, 석탄 타르에는 벤젠(Benzene) 등의 단환 방향족 탄화수소와 다환 방향족 탄화수소(PAHs) 등의 유해 물질이 포함되어 있어 심각한 환경 문제를 야기할 수 있으며, 프러시안 블루를 포함한 블루 빌리라는 페로페리시안화물은 시안화물 가스와 관련된 특유의 냄새를 발생시키기도 한다.[10]

7. 1. 탄소 포집 및 저장 (CCS)

석탄 가스화 기술은 이산화탄소(CO2) 배출량을 줄이기 위해 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술과 연계하여 개발되고 있다. MHI 등 글로벌 발전설비 업체들이 상용화 및 시장 선점 경쟁을 벌이고 있다.[14]

캘리포니아 수소 에너지(HECA) 프로젝트와 서밋의 텍사스 청정 에너지 프로젝트(TCEP)는 석탄 가스화 과정에서 발생하는 이산화탄소의 90%를 렉티솔 공정을 사용하여 포집, 원유 증진 회수(EOR)에 활용하려 했다. HECA는 2016년 3월 캘리포니아 에너지 위원회에 의해 신청이 종료되었고, TCEP는 연소 전 렉티솔 공정을 통해 이산화탄소 90% 포집을 계획했다.[6]

켐퍼 프로젝트는 셀렉솔 공정을 이용하여 이산화탄소의 65% 이상을 포집하여 원유 증진 회수에 사용하려 했으나, 2017년 7월 "청정 석탄" 발전 계획은 폐기되었다.[6]

이러한 발전소들은 설계 개선과 대량 생산을 통해 경제성을 확보하면 규제 문제에 대한 부분적 해결책으로 여겨질 수 있지만, 비용 증가와 환경 문제로 인해 어려움을 겪고 있다.[6]

8. 세계 동향

2030년까지 석탄 가스화 발전 시장은 400GW, 1200조원 규모로 확대될 것으로 예상되며, GE, 미쓰비시중공업(MHI) 등 세계적인 발전 설비 업체들이 상용화와 시장 선점을 위해 경쟁하고 있다.[14]

현재는 상용화 초기 단계이지만, 2010년 이후 미국은 정부 지원을 바탕으로 IGCC 상용화 개발을 주도하고 있으며, 2014년까지 전 세계적으로 25.5GW의 상용화를 추진하고 있다. IGCC 기술의 핵심인 가스화 공정 기술은 쉘(Shell), GE, Uhde, 코노코필립스(Conoco-Phillips), 미쓰비시중공업 등 선진국 특정 업체들만이 보유하고 있으며, 이들은 정부 주도로 30년 이상 수조 원의 개발비를 투입하여 실증 플랜트를 상용화하고 있다.[15]

2006년 정세균 산업자원부 장관은 미국을 방문하여 새뮤얼 보드먼 미국 에너지부 장관과 회담을 갖고, 석탄 가스화 발전소 개발 사업인 퓨처젠(FutureGen) 프로그램에 가입하여 1000만달러를 투자했다.[19]

2011년 말 두산중공업은 국내 최초로 석탄 가스화 실증 플랜트를 수주하였다. 석탄 가스화 기술은 전 세계적으로 5개의 실증 플랜트만 운영될 정도로 아직 상용화되지 않은 고난도 기술이다.[14]

지식경제부는 2012년 이후 수명이 다하는 기존 화력발전소를 모두 IGCC로 대체할 계획이었다.[20]

가스화 및 합성가스 기술 협의회(Gasification and Syngas Technologies Council)에 따르면, 전 세계적으로 686기의 가스화기를 갖춘 272개의 가스화 플랜트가 운영 중이며, 238기의 가스화기를 갖춘 74개의 플랜트가 건설 중이다. 이들 대부분은 석탄을 원료로 사용한다.[7]

2017년 기준으로 석탄 가스화 산업의 대규모 확장은 중국에서만 일어나고 있는데, 중국 지방 정부와 에너지 기업들이 일자리 창출과 석탄 시장 확보를 위해 이 산업을 지원하고 있다. 대부분의 플랜트는 석탄이 풍부한 외딴 지역에 위치해 있다.

중국 중앙 정부는 이러한 플랜트들이 이산화탄소를 다량 배출하고, 물 부족 지역에서 많은 양의 물을 사용하는 등 환경 목표와 상충되는 문제를 인식하고 있다.[8]

파키스탄 타르 석탄 광산에서는 저급 석탄(갈탄)을 이용한 파일럿 프로젝트가 수행되었다. 이 프로젝트는 광산 발전소의 규격 미달 석탄(off-spec coal)인 폐기 석탄층을 활용했다. 파일럿 플랜트는 상향식 가스화 기술을 기반으로 하였으며, 가스화 효율과 수소 생산을 개선하기 위해 도시 고형 폐기물과 규격 미달 갈탄을 혼합하여 사용했다.[9]

참조

[1] 웹사이트 The On-Road LNG Transportation Market in the US https://web.archive.[...] 2014-06-14
[2] 서적 Natural Gas: A Basic Handbook https://books.google[...] Elsevier
[3] 서적 Flora Tristan's London Journal, A Survey of London Life in the 1830s George Prior, Publishers
[4] 서적 Powering Progress, NYSEG's 150 Years of Energy and Enterprise New York State Electric and Gas Corporation
[5] 서적 The History of the Gas Light and Coke Company 1812-1949 Ernest Benn Limited
[6] 뉴스 A Real Carbon Solution https://www.nytimes.[...] 2013-03-16
[7] 웹사이트 The Gasification Industry http://www.gasificat[...] Gasification and Syngas Technologies Council 2016-05-10
[8] 뉴스 'Irrational' Coal Plants May Hamper China's Climate Change Efforts https://www.nytimes.[...] 2017-02-08
[9] 논문 Hydrogen production from municipal waste and low grade lignite blend https://www.scienced[...]
[10] 웹사이트 Archived copy https://web.archive.[...] 2009-06-14
[11] 보고서 Process and environmentals technology for producing SNG and liquid fuels U.S. EPA 1975-05
[12] 간행물 Coal gasification and the phenolsolvan process American Chemical Society 1974-09
[13] 서적 Gasification, Second Edition Elsevier
[14] 뉴스 https://news.naver.c[...]
[15] 웹인용 보관된 사본 https://web.archive.[...] 2013-06-01
[16] 뉴스 https://news.naver.c[...]
[17] 뉴스 https://news.naver.c[...]
[18] 뉴스 https://news.naver.c[...]
[19] 뉴스 https://news.naver.c[...]
[20] 뉴스 https://news.naver.c[...]


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