합성가스

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1. 개요
2. 합성가스 생산 방법
3. 합성가스의 조성 및 반응
4. 합성가스의 활용
5. 대한민국 내 현황 및 전망
6. 한반도 정세와 합성가스
참조

1. 개요

합성가스는 석탄 가스화, 플라즈마 가스화, 천연 가스 또는 탄화수소의 수증기 개질, 바이오매스 가스화 등 다양한 방법으로 생산되는 가스 혼합물이다. 합성가스는 주로 일산화탄소와 수소로 구성되며, 수소 공급원, 연료, 화학 물질 생산 등 다양한 용도로 활용된다. 대한민국은 에너지 안보 강화를 위해 석탄 가스화 기술 개발에 힘쓰고 있으며, 북한 역시 석탄 가스화 기술을 활용한 경험이 있다.

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합성가스
개요
합성 가스 설비의 모습
다른 이름	수성 가스, 발생로 가스
주성분	일산화탄소와 수소의 혼합물
제조 방법	석탄, 천연 가스 또는 바이오매스의 고온 가스화
용도	연료 화학 제품 생산 전력 생산
상세 정보
정의	다양한 탄소 함유 물질의 불완전 연소로 생성된, 일산화탄소와 수소를 주성분으로 하는 기체 혼합물이다.
역사	1800년대: 석탄 가스화로 생산된 수성 가스가 조명 및 난방용으로 사용되었다. 20세기 초: 하버-보슈 공정에서 암모니아 생산을 위한 수소 공급원으로 사용되었다. 20세기 후반: 천연 가스 개질을 통한 합성 가스 생산이 증가했다.
제조 방법	석탄 가스화: 석탄을 고온에서 산소 또는 수증기와 반응시켜 합성 가스를 생산한다. 천연 가스 개질: 천연 가스를 고온에서 수증기와 반응시켜 합성 가스를 생산한다. 바이오매스 가스화: 바이오매스를 고온에서 산소 또는 수증기와 반응시켜 합성 가스를 생산한다. 폐기물 가스화: 폐기물을 고온에서 산소 또는 수증기와 반응시켜 합성 가스를 생산한다.
구성 성분	일산화탄소 (CO) 수소 (H₂) 이산화탄소 (CO₂) 메탄 (CH₄) 질소 (N₂) 기타 미량 가스 (황화수소, 암모니아 등)
활용	연료: 발전, 난방, 수송 연료 등으로 사용된다. 화학 제품 생산: 암모니아, 메탄올, 합성 연료 등 다양한 화학 제품 생산의 원료로 사용된다. 전력 생산: 가스 터빈 또는 연료 전지를 사용하여 전기를 생산한다.
장점	다양한 원료 사용 가능: 석탄, 천연 가스, 바이오매스, 폐기물 등 다양한 탄소 함유 물질을 원료로 사용할 수 있다. 높은 에너지 효율: 연소 효율이 높아 에너지 효율을 높일 수 있다. 환경 친화적: 청정 에너지원으로 활용 가능하며, 폐기물 처리에도 활용할 수 있다.
단점	생산 비용: 생산 설비 투자 비용이 높고, 생산 과정에서 에너지 소비가 많다. 유해 물질 발생 가능성: 생산 과정에서 유해 물질이 발생할 수 있으며, 일산화탄소 중독의 위험이 있다. 저장 및 운송의 어려움: 기체 상태로 저장 및 운송이 어렵다.
안전	일산화탄소 중독 예방: 일산화탄소는 무색, 무취의 유독 가스이므로, 환기를 철저히 하고 감지기를 설치해야 한다. 화재 및 폭발 예방: 가연성 가스이므로, 화기 취급에 주의하고 누출을 방지해야 한다.
환경 영향	온실 가스 배출 감소: 석탄을 대체하여 사용할 경우 온실 가스 배출을 감소시킬 수 있다. 폐기물 처리 문제 해결: 폐기물을 에너지원으로 활용하여 폐기물 처리 문제를 해결할 수 있다.
미래 전망	수소 경제 시대의 핵심 기술: 수소 생산의 중요한 방법으로 주목받고 있다. 탄소 포집 및 활용 (CCU) 기술과 연계: 탄소 배출량을 줄이는 데 기여할 수 있다.
추가 정보
관련 기술	가스화, 하버-보슈 공정, 피셔-트롭슈 공정
관련 기업	지멘스 제너럴 일렉트릭 미쓰비시 중공업
참고 문헌	Speight, James G. (2002). Chemical and process design handbook. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-137433-0. Boehman, André L.; Le Corre, Olivier (2008). Combustion of Syngas in Internal Combustion Engines. Combustion Science and Technology, 180(6), 1193–1206.

2. 합성가스 생산 방법

합성가스는 천연 가스 또는 액체 탄화수소의 수증기 개질 또는 부분 산화, 석탄 가스화를 통해 생산된다.^[6] 이 외에도 바이오매스를 이용하거나 쓰레기를 플라스마화하여 합성가스를 생산할 수도 있다.

석탄 가스화의 경우, 백열 코크스와 증기를 반응시켜 일산화탄소와 수소를 생성하는 첫 번째 반응은 강한 흡열 반응이다.^[1] 코크스층이 냉각되면 증기 대신 공기를 주입하여 발열 반응을 일으켜 온도를 높이고, 다시 일산화탄소를 생성하는 흡열 반응이 일어난다. 이러한 일련의 과정을 반복하여 합성가스를 생산한다.

합성가스의 화학적 조성은 원료와 공정에 따라 달라진다. 석탄 가스화로 생산된 합성가스는 일반적으로 일산화탄소 30~60%, 수소 25~30%, 이산화탄소 5~15%, 메탄 0~5%의 혼합물이며, 소량의 다른 가스도 포함한다.^[10] 합성가스는 천연 가스의 절반 미만의 에너지 밀도를 갖는다.^[11]

이 외에도 압력 스윙 흡착(PSA), 아민 세정, 막 반응기를 통해 수소를 CO|이산화 탄소^영어에서 분리하는 방법^[12], 이산화탄소와 메탄,^[13]^[14] 또는 이산화탄소의 부분적인 수소화 등 새로운 화학량론에 초점을 맞춘 다양한 대체 기술이 연구되었지만, 상업적 가치가 있는 것은 없다.^[12] 다른 연구는 전기 분해, 태양 에너지, 마이크로파 및 전기 아크를 포함하여 공정을 구동하기 위한 새로운 에너지원에 초점을 맞추고 있다.^[15]^[16]^[17]^[18]^[19]^[20]

재생 에너지원에서 생성된 전기를 고온 전기 분해를 통해 이산화탄소와 물을 합성 가스로 처리하는 방법도 연구 중이며, 이는 생성 과정에서 탄소 중립을 유지하기 위한 시도이다. 아우디(Audi)는 Sunfire라는 회사와 제휴하여 2014년 11월 이 공정을 사용하여 e-디젤을 생성하는 파일럿 플랜트를 열었다.^[21]

2. 1. 석탄 가스화

석탄에 고열을 가하면 고체, 액체, 기체 순서로 변화하는데, 이렇게 만들어진 합성가스는 천연가스를 대체할 수 있다. 석탄 가스화 반응식은 다음과 같다.^[1]

:

대한민국은 두산중공업 등의 기업을 중심으로 석탄 가스화 기술 개발에 힘쓰고 있다.^[28] 2011년 말, 두산중공업은 국내 첫 석탄 가스화 실증 플랜트를 수주하였다. 석탄가스화 기술은 세계적으로 5개 실증 플랜트만 운영될 정도로 아직 상용화되지 않은 고난이도 기술이다.^[28] 2006년 정세균 산업자원부 장관은 미국을 방문해 새뮤얼 보드먼 미국 에너지부 장관과 회담을 갖고 석탄 가스화 발전소 개발사업인 퓨처젠(FutureGen) 프로그램에 가입했으며, 이 프로그램에 1000만달러를 투자할 계획이다.^[27]

북한은 남흥청년화학기업소에 석탄 가스화 발전소를 건설하여 운영한 경험이 있다. 1999년 9월 7일 북한은 평안남도 안주의 남흥청년화학기업소에 북한 최초의 석탄 가스화 발전소를 완공했다.^[24] 그러나, 2010년 4월 23일 남흥청년화학기업소에서 대형 폭발사고가 발생해 30여 명이 사망하는 등^[26] 문제점을 노출하기도 했다.

2. 2. 천연가스 및 탄화수소 개질

천연 가스 또는 액체 탄화수소를 수증기 개질하거나 부분 산화하여 합성가스를 생산한다.^[6] 천연 가스나 석유류와 같은 탄화수소를 수증기 개질할 때에는 수증기를 이용하며, 부분 산화법은 이보다 더 고온에서 진행된다.^[22]

:

\rm -CH_2- + H_2O \longrightarrow CO + 2H_2

(수증기 개질법)

:

\rm -CH_2- + {1 \over 2}O_2 \longrightarrow CO + H_2

(부분 산화법)

메탄의 수증기 개질은 메탄 1몰당 206 kJ가 필요한 흡열 반응이다.

2. 3. 바이오매스 가스화

이론적으로는, 드물게 실행되지만, 바이오매스와 관련 탄화수소 공급 원료는 폐기물 에너지화 가스화 시설에서 바이오가스와 바이오 숯을 생성하는 데 사용될 수 있다.^[7] 생성된 가스(주로 메탄과 이산화탄소)는 때때로 "합성가스"로 설명되지만, 그 구성은 합성가스와 다르다. 폐기물 바이오매스로부터 기존 합성가스(주로 H₂ 및 CO)를 생성하는 연구가 진행되었다.^[8]^[9]

2. 4. 플라즈마 가스화

전 세계에서 막대한 쓰레기가 쏟아져 나온다. 이 쓰레기는 쓰레기 매립지 또는 쓰레기 소각장을 통해 처리한다. 쓰레기 소각은 쓰레기를 연소시키는 것인데, 막대한 산소를 소모하고 막대한 이산화탄소와 중금속 재를 분출해 지역 주민들이 소각장 신설에 크게 반발한다.

그러나 쓰레기를 1만 도의 초고열로 플라스마화시키면, 연소가 아니기 때문에 산소가 불필요하고, 쓰레기 자체가 바로 플라스마 분자로 변환되어 이산화탄소나 중금속 재가 나오지 않는다. 여기서 발생한 쓰레기 플라즈마 분자를 이용하면 합성가스를 같은 공장에서 동시에 만들 수 있고, 이 합성가스로 바로 발전을 할 수 있다.

2. 5. 기타 생산 방법

압력 스윙 흡착(PSA), 아민 세정, 막 반응기를 통해 수소를 CO|이산화 탄소^영어에서 분리할 수 있다.^[12] 이산화탄소와 메탄,^[13]^[14] 또는 이산화탄소의 부분적인 수소화 등 새로운 화학량론에 초점을 맞춘 다양한 대체 기술이 연구되었지만, 상업적 가치가 있는 것은 없다.^[12] 다른 연구는 전기 분해, 태양 에너지, 마이크로파 및 전기 아크를 포함하여 공정을 구동하기 위한 새로운 에너지원에 초점을 맞추고 있다.^[15]^[16]^[17]^[18]^[19]^[20]

재생 에너지원에서 생성된 전기를 고온 전기 분해를 통해 이산화탄소와 물을 합성 가스로 처리하는 데 사용할 수 있다. 이는 생성 과정에서 탄소 중립을 유지하기 위한 시도이다. 아우디(Audi)는 Sunfire라는 회사와 제휴하여 2014년 11월 이 공정을 사용하여 e-디젤을 생성하는 파일럿 플랜트를 열었다.^[21]

3. 합성가스의 조성 및 반응

합성가스의 화학적 조성은 원료와 공정에 따라 달라진다. 석탄 가스화로 생산된 합성가스는 일반적으로 일산화탄소 30~60%, 수소 25~30%, 이산화탄소 5~15%, 메탄 0~5% 및 소량의 다른 가스를 포함한다.^[10] 합성가스는 천연 가스의 절반 미만의 에너지 밀도를 갖는다.^[11]

합성가스의 조성은 그 이용 목적에 따라 변화시킨다. 예를 들어, 메탄올 합성에 사용되는 합성 가스는 수소:일산화탄소=2:1의 몰비이다. 이 조성비는 사용되는 원료 외에 수증기나 산소의 양을 조절하거나, 다음 식과 같은 수성 가스 변환 반응을 일으키도록 함으로써 이루어진다.

: $\rm CO + H_2O \longrightarrow CO_2 + H_2$

이 혼합물에서 더 많은 수소를 생산하기 위해 더 많은 증기를 첨가하고 수성 가스 변환 반응을 수행한다.

수소는 압력 스윙 흡착(PSA), 아민 세정, 막 반응기를 통해 CO₂에서 분리될 수 있다.^[12]

4. 합성가스의 활용

합성가스는 수소 공급원이자 연료로 사용된다.^[12] 철광석을 직접 환원하여 스펀지 철을 만드는 데에도 사용된다.^[23] 화학적으로는 메탄올 생산에 쓰이는데, 메탄올은 아세트산과 여러 아세테이트 화합물을 만드는 데 필요한 물질이다. 또한 피셔-트롭쉬 공정을 통해 액체 연료와 윤활유를 생산하며, 이전에는 모빌사의 메탄올에서 가솔린으로 변환하는 공정에도 사용되었다. 하버-보슈법을 이용하여 암모니아를 생산하는데, 이는 대기 중의 질소(N₂)를 암모니아로 바꿔 비료로 사용할 수 있게 해준다. 더불어 중간 알데하이드를 거쳐 옥소 알코올을 생산하기도 한다.

5. 대한민국 내 현황 및 전망

대한민국은 합성가스 생산 및 활용을 위해 다양한 노력을 하고 있다. 석탄 가스화 기술 개발을 통해 천연가스를 대체하여 에너지 안보를 강화하는 방향을 모색 중이다.

2006년 정세균 산업자원부 장관은 미국을 방문해 새뮤얼 보드먼 미국 에너지부 장관과 회담을 갖고 석탄 가스화 발전소 개발사업인 퓨처젠(FutureGen) 프로그램에 가입했으며, 1000만달러를 투자할 것이다.^[27]

두산중공업은 2011년 말 국내 첫 석탄 가스화 실증 플랜트를 수주하였다. 석탄가스화 기술은 세계적으로 5개 실증 플랜트만 운영될 정도로 아직 상용화되지 않은 고난이도 기술이다.^[28] 국제협력을 통해 관련 기술 고도화 및 상용화에 힘을 쏟고 있다.

6. 한반도 정세와 합성가스

1999년 9월 7일 북한은 평안남도 안주에 있는 남흥청년화학기업소에 북한 최초의 석탄 가스화 발전소를 완공했다.^[24] 한국 산업자원부는 석탄 가스화가 비효율적이라고 비판했다.^[25] 북한이 강성대국의 이정표이자 비료의 자급자족 기틀을 마련한 것이라며 자랑하던 남흥청년화학기업소에서는 2010년 4월 23일 대형 폭발사고가 발생해 30여 명이 사망했다.^[26]

쓰레기를 1만도의 초고열로 플라즈마화하면, 연소가 아니기 때문에 산소가 불필요하고, 쓰레기 자체가 바로 플라즈마 분자로 변환되어 이산화탄소나 중금속 재가 나오지 않는다. 여기서 발생한 쓰레기 플라즈마 분자를 이용하면 합성가스를 같은 공장에서 동시에 만들 수 있고, 이 합성가스로 바로 발전을 할 수 있다.

참조

_[1] 서적 Chemical and process design handbook McGraw-Hill 2002
_[2] 웹사이트 Syngas Cogeneration / Combined Heat & Power http://www.clarke-en[...] 2016-02-22
_[3] 웹사이트 Why Let it go to Waste? Enerkem Leaps Ahead With Trash-to-Gas Plans http://www.dailytech[...] 2010-03-03
_[4] 논문 Combustion of Syngas in Internal Combustion Engines 2008-05-15
_[5] 웹사이트 Wood gas vehicles: firewood in the fuel tank https://www.lowtechm[...] 2019-06-13
_[6] 논문 Coal gasification and the Phenosolvan process http://web.anl.gov/P[...] 1974
_[7] 웹사이트 Sewage treatment plant smells success in synthetic gas trial - ARENAWIRE https://arena.gov.au[...] 2019-09-11
_[8] 논문 Clean synthesis gas production from municipal solid waste via catalytic gasification and reforming technology
_[9] 논문 Carbon Neutral Fuels and Chemicals from Standalone Biomass Refineries https://www.ijee.lat[...] 2023-12-29
_[10] 웹사이트 Syngas composition http://www.netl.doe.[...] National Energy Technology Laboratory, U.S. Department of Energy 2015-05-07
_[11] 서적 Process and environmental technology for producing SNG and liquid fuels Environmental Protection Agency 1975
_[12] 서적 Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry
_[13] 웹사이트 dieBrennstoffzelle.de - Kvaerner-Verfahren http://www.diebrenns[...] 2019-12-17
_[14] 간행물 Method and apparatus for producing h2-rich synthesis gas
_[15] 웹사이트 Sunshine to Petrol http://energy.sandia[...] Sandia National Laboratories 2013-04-11
_[16] 웹사이트 Integrated Solar Thermochemical Reaction System http://www1.eere.ene[...] U.S. Department of Energy 2013-04-11
_[17] 뉴스 New Solar Process Gets More Out of Natural Gas https://www.nytimes.[...] 2013-04-10
_[18] 웹사이트 A solar booster shot for natural gas power plants http://www.pnnl.gov/[...] Pacific Northwest National Laboratory 2013-04-12
_[19] 논문 Power-to-Syngas: An Enabling Technology for the Transition of the Energy System? 2017-05-08
_[20] 간행물 Method and means of generating gas from water for use as a fuel
_[21] 뉴스 Audi in new e-fuels project: synthetic diesel from water, air-captured CO2 and green electricity; "Blue Crude" http://www.greencarc[...] 2014-11-14
_[22] 간행물 Volume 3: Turbo Expo 2007 ASME 2007-05
_[23] 서적 Sponge iron production by direct reduction of iron oxide PHI Learning 2012
_[24] 뉴스 https://news.naver.c[...]
_[25] 뉴스 https://news.naver.c[...]
_[26] 뉴스 https://news.naver.c[...]
_[27] 뉴스 https://news.naver.c[...]
_[28] 뉴스 https://news.naver.c[...]

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