칭화로 가스화 기술의 발전 과정

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이 게시물은 마지막으로 2016-8-8 09:57에 청화로에 의해 수정되었습니다. 청화로의 가스화 기술 발전 과정에 대한 정보는 베이징 영더청대과학기술유한공사에서 제공했습니다.
I. 개요
현재, 우리나라의 1차 에너지 소비량 중 석탄이 차지하는 비율은 약 66%이며, 석탄의 총 소비량은 약 37억 톤에 달합니다.우리나라의 에너지 특징은 석탄이 많고 석유는 부족하며 가스도 적은 것입니다. 따라서 석탄을 중심으로 하는 에너지 소비 구조는 당분간 크게 변하지 않을 것입니다.산업화와 도시화가 점점 더 진행됨에 따라, 에너지 소비량을 통제하고 환경적 제약을 준수해야 하는 요구도 점차 강화되고 있습니다. 그러므로 석탄을 청정하고 효율적으로 활용하는 방법을 적극적으로 모색하고, 석탄을 다각도로 활용할 수 있는 기술을 개발하는 것이 현재 우리나라의 중요한 과제가 되고 있습니다.다양한 석탄 종합 활용 기술 중에서 가스화는 석탄을 청정하게 전환하는 데 있어 핵심적이고 중요한 기술입니다.우리나라는 세계에서 가장 많은 가스화 기술을 활용하는 국가입니다. 가스화는 석탄 기반의 화학제품, 석탄 기반의 액체 연료, 합성천연가스, IGCC 발전, 수소 생산, 직접환원 제철 등과 같은 공정 산업의 기반이 됩니다.석탄 소비량이 많은 국가로서, 가스화는 우리나라가 석탄을 효율적이고 청정하게 활용할 수 있도록 하는 핵심 기술입니다. 또한, 석탄 연소로 인한 환경 오염 문제를 해결하는 데에도 중요한 역할을 합니다.가스화 기술도 현대 석탄화학 산업 발전에서 가장 중요하고 핵심적인 공정 중 하나입니다.그것의 선택과 안정적이고 효율적이며 경제적인 운영은 프로젝트의 성공 여부에 매우 중요합니다.현재 석유화학 산업에서 널리 사용되고 있는 가스화 기술에는 크게 두 가지 유형이 있습니다. 바로 수소화 석탄 슬러리용 내화블록 기술과 건조 분말형 수냉벽 기술입니다. 하지만 이 두 기술 모두 각자의 단점을 가지고 있습니다.이 두 가지 기술과 비교했을 때, 수탄슬러리 수냉벽 가스화 기술을 적용한 2세대 청화로는 수탄슬러리 내화블록과 건분 수냉벽 기술의 모든 장점을 충분히 활용하면서도 그 단점들은 효과적으로 극복합니다. 이는 우리나라의 독자적인 지식재산권을 바탕으로 한 가스화 기술이 세계 최고 수준에 도달했다는 것을 의미합니다. 수탄슬러리 수냉벽 청화로가 석유화학 산업에서 널리 사용됨에 따라, 우리나라의 석탄화학 산업도 더욱 발전할 것이며, 우리나라는 가스화 기술 분야에서 선도적인 위치를 차지하게 될 것입니다.二、칭화로의 발전 과정 2001년부터 칭화대학교와 베이징 달리코 과학기술유한회사는 가스화 기술에 대한 초기 연구개발 작업을 시작했습니다.2011년, 국내 최대의 독립적인 산업용 가스 공급업체인 영덕가스그룹이 기존에 베이징달리코과학기술유한회사가 담당하던 업무를 인수했습니다. 이에 따라 새로운 칭화로 산학연 연합체가 구성되었으며, 베이징영덕칭다과학기술유한회사가 설립되었습니다. 이 회사는 칭화로 가스화 기술을 독점적으로 운영하면서, 칭화대학교와 함께 칭화로 관련 기술의 연구개발 및 보급을 진행하고 있습니다.칭화대학교 열에너지공학과는 오랫동안 석탄 연소, 가스화, 청정석탄 기술 분야의 연구개발에 힘써왔습니다. 이 학과는 다수의 **중점 과학기술 프로젝트**와 자연과학기금, 863, 973과 같은 프로젝트들을 수행해왔으며, 국내에서 선도적이거나 국제적으로도 선진적인 수준에 해당하는 많은 중요한 성과를 거두었습니다.**863 계획의 지원(2002AA529050) 하에 2002년에 1세대 칭화로의 모델 연구, 냉상 유동장 실험 연구, 수치 시뮬레이션 및 열상 시뮬레이션 실험 연구를 완료했으며, 산업화 과정에서 발생하는 일부 기술적 문제들을 해결했습니다.연소 분야에서 널리 사용되는 단계별 공기 공급 방식과 수직형 회오리로의 구조를 혁신적으로 가스화 공정에 도입함으로써, 가스화 기술의 핵심적인 문제들을 극복했습니다. 이를 통해 해외가 가지고 있던 유동층 가스화 기술에 대한 독점을 무너뜨리고, 독자적인 지식재산권을 갖춘 가스화 특허를 만들어냈습니다.완전한 가스화 기술 연구 및 개발을 위한 실험 방법을 구축했으며, 단계별 산소 공급과 관련된 핵심적인 전환 기술 문제를 해결했습니다；강한 환원성 기체 환경에서 연소성 가스 내의 산소 제트의 연소에 대해 이론적 및 실험적 연구를 수행하여, 산소 제트의 역화염 연소와 관련된 핵심 기술 문제를 해결하였다；가압 조건 하에서 압력이 코크스-수증기 기화 반응 동역학에 미치는 영향 파라미터를 수정하여, 보다 완벽하고 신뢰성 있는 기화로 동역학 전체 모델을 구축하였다；수소화 석탄 슬러리 가스화로의 석탄 종류 적용 범위를 더욱 확대했습니다；산소 단계별 가스화 공정의 설계 지침과 공정 설계 패키지가 마련되었습니다.영덕가스그룹은 풍부한 화학공학 설계 및 운영 경험을 갖춘 고급 엔지니어들을 보유하고 있습니다. 이들은 오랫동안 화학공학 기술과 공정의 개발 및 생산 운영에 종사해 왔으며, 화학공학 분야와 가스화 분야에서 풍부한 설계 및 운영 경험과 기술적 노하우를 가지고 있습니다.영덕가스그룹과 칭화대학교가 공동으로 설립한 베이징영덕칭다과학기술유한공사는 칭화대학교로부터 독점적인 권한을 부여받아 칭화로의 가스화 기술을 운영하고 있습니다. 또한, 칭화로의 공정 설계 및 프로젝트 실행에 필요한 기술적 지원을 제공하며, 산업화 과정에서 발생하는 여러 공학적 문제들을 해결합니다.제1세대 칭화로 내화블록 기화 기술(비슬래그-슬래그 분급 기화 기술)을 적용한 대형 산업 설비들이 각각 대당후룬베이르(18/30 프로젝트), 오르도스시 진청타이 화학유한공사(1단계 60만 톤 메탄올 생산 설비), 산시양메이펑시 비료(그룹) 린이 지사에서 가동되고 있습니다. 현재까지 세 곳의 설비 모두 안정적으로 운영되고 있습니다. 제1세대 칭화로는 2007년 12월에 중국 석유화학공업협회의 과학기술 성과 평가를 통과했으며, 해당 기술은 국제적으로 선진적인 수준에 도달했다고 평가받았습니다.2009년에 이 기술은 ‘중국 질소비료 산업협회’에 의해 산업 발전을 지원하는 핵심 기술로 선정되었으며, 석화협회가 수여하는 2009년도 과학기술 진보 1등상을 받았습니다.　 대당 훌룬베이르 화학비료 유한공사의 연간 18만 톤의 합성암모니아 및 30만 톤의 요소 생산 프로젝트는 1세대 칭화식 가스화 기술이 적용되며, 4.0MPa의 압력과 직경 2800mm인 두 대의 가스화로 시스템과 이를 지원하는 석탄 슬러리 제조 시스템, 슬래그 처리 시스템이 구축됩니다.대당 훌룬베이르(18/30 프로젝트)는 훌룬베이르 지역의 갈색석탄을 가스화 원료로 사용합니다.무연탄이나 석탄에 비해 갈탄의 가격은 낮으며, 반응성은 높습니다. 하지만 발열량은 상대적으로 낮고 수분 함량은 높아, 보통 25%～60% 정도입니다.　　우리나라의 갈색석탄 자원을 더 효과적으로 활용하기 위해, 최근에는 국내외에서 고정층 가스화, 유동층 가스화, 분말가스화와 같은 다양한 가스화 기술들이 갈색석탄의 활용을 위해 많은 실증 프로젝트가 진행되고 있습니다. 하지만 이러한 가스화 기술들은 모두 공장에 투입되는 갈색석탄을 일정 수준으로 사전 처리해야 하며, 그에 따른 투자 비용도 상당합니다. 특히 일부 기술들은 많은 양의 신선한 물을 사용할 뿐만 아니라, 대량의 폐수도 발생시켜 석탄화학 산업에 큰 환경적 부담을 안겨줍니다. 　 석유화학 산업은 오랫동안 저비용, 고효율이며 환경 친화적인 방식으로 갈탄을 석탄화학 공정에 활용할 수 있는 기술을 모색해 왔습니다.2012년까지, 1세대 칭화로 가스화 기술의 성공적인 실제 적용 사례들 덕분에 사람들은 희망을 볼 수 있었습니다.2012년 6월, 대당후룬베이어 화학비료유한공사에서 세계 최초의 갈색석탄 수화석탄 슬러리 가스화 장치가 한 번에 성공적으로 가동되었습니다.그리고 2013년 1월에는 두 대의 갈색가스 화학로를 240시간 동안 연속으로 가동하는 데 성공했습니다.2015년 말, 대당 훌룬베이르 화학비료회사에서 또 하나의 좋은 소식이 전해졌습니다. 세계 최초의 갈색석탄 수증기화 장치인 18.30 프로젝트가 예정보다 빨리 가동되기 시작한 것입니다!　 칭화로의 가스화 기술이 등장하기 이전의 수석탄 슬러리 기류층 가스화 기술에서는, 갈색석탄을 원료로 사용할 경우 갈색석탄의 높은 수분 함량으로 인해 슬러리를 만드는 것이 어려웠습니다. 그 결과 얻어지는 석탄 슬러리의 농도는 53% 정도에 불과했습니다. 당시 사람들의 전통적인 관념에 따르면, 58% 미만의 농도를 가진 석탄 슬러리는 수석탄 슬러리 기류층 가스화 기술에 사용될 수 없다고 여겨졌습니다.하지만 대당 훌룬베이르 화학비료 유한공사에서는 칭화로 가스화 장치가 훌룬베이르시의 갈색석탄 자원을 기반으로 하며, 동명광산의 갈색석탄을 가스화 원료로 사용합니다. 석탄 슬러리의 농도는 46%~51%이며, 장치는 안정적으로 운영되고 있습니다.2012년 6월에 성공적으로 가동된 이후 계속해서 안정적으로 운영되고 있습니다. 이는 청화로의 가스화 기술이 갈탄을 비롯한 저농도 수소화 석탄의 개발 및 활용 분야에서 획기적인 진전을 이루었음을 보여줍니다. 이 기술은 중요한 공학적 모델이 되며, 우리나라가 처리가 어려운 갈탄 자원을 고도화된 친환경적인 가스화 기술을 통해 활용할 수 있는 실질적인 방안을 제시해 줍니다.　 칭화로 기술이 갈색석탄 응용 분야에서 거둔 성과는 업계 내 더 많은 기업들의 관심을 끌었습니다.2013년 7월, 내몽골 울란타이안 에너지화학유한회사의 연간 135만 톤 규모의 합성암모니아 생산 프로젝트에서는 2세대 칭화로 기술(수탄슬러리 수냉벽 가스화 기술)이 채택되었습니다. 이 프로젝트는 싱안맹 지역에서 생산되는 갈색석탄을 원료로 사용하며, 석탄 슬러리의 농도는 53%입니다.건설 프로젝트를 시작하기 전, 울란타이안 에너지화학 유한회사는 거의 4년에 걸쳐 기술을 선정하는 과정을 거쳤습니다. 국내외의 10여 가지 가스화 기술에 대해 기술적·경제적 측면에서 평가를 진행한 결과, 칭화로가 흥안맹의 갈색석탄을 가스화하는 데 가장 적합한 기술이라고 판단되었습니다.역시 2013년에, 신장 티안예 회사의 연간 20만 톤 규모의 에틸렌글리콜 생산 프로젝트와 신장 궈타이신화 광업주식회사의 1,4-부탄디올 생산 프로젝트에서도 칭화로를 가스화 기술로 선택했습니다. 이들은 신장 지역의 갈색석탄을 사용했으며, 석탄 슬러리의 농도는 53%였습니다.저농도 수탄슬러리의 응용 기술은 현재 제2세대 칭화로가 시장에서 경쟁 우위를 점하는 핵심 무기가 되었습니다. 2005년, 칭화대학교는 2세대 칭화로의 연구개발에 착수했습니다. 2세대 칭화로의 수코크스 슬러리 수냉벽 기술은 가스화로의 연소실에 수냉벽 형태를 적용한 것으로, 가스화로의 내부 구조 자체가 막형 수냉벽으로 되어 있으며, 이는 가스화로의 압력을 견딜 수 있는 외부 케이스 안에 설치됩니다.가스화로가 가동될 때, 가스화 반응 구역의 막형 벽에 형성된 회분층이 수냉벽을 보호하는 역할을 하여, 수냉벽 관이 용슬래그의 침식으로부터 손상되는 것을 방지하고 “슬래그로 슬래그를 막는” 효과를 얻을 수 있습니다.2011년 8월 22일, 세계 최초의 수냉식 수탄슬러리 가스화로가 산시성 양메이펑시 비료공장에서 처음으로 투입에 성공했습니다. 첫 투입과 동시에 안정적인 운전 상태에 들어갔으며, 연구개발 및 설계 당시의 목표들이 모두 실현되었습니다.2012년 1월 9일에 계획된 점검을 통해, 석탄화학 산업에서 처음으로 원료를 투입한 후 140일 동안 안전하고 안정적으로 연속 가동되는 기적이 일어났습니다.2012년 9월 3일, 중국 석유화학공업연합회는 베이징에서 관련 전문가들을 모아 “수탄슬러리 수냉벽 칭화로 가스화 기술”에 대한 과학기술 성과 평가 회의를 개최했습니다.72시간 연속 가동 테스트 결과, 해당 장치는 안정적으로 작동하며 자동화 수준이 높고 안전하고 신뢰성이 뛰어나며 조작 성능도 우수한 것으로 나타났습니다；투자 및 운영 비용이 낮으며, 석탄 종류에 대한 적응성이 우수함；이 장치는 전부 우리나라의 자체 기술과 국산 장비를 사용하여 제작되었으며, 국산화율은 100%에 달합니다.평가 데이터는 설계 지표를 달성했습니다: 산소 소비량은 404.3 Nm³/1000 Nm³(CO+H2), 석탄 소비량은 605.0 kg 석탄/1000 Nm³(CO+H2)이며, 합성가스의 유효 성분(CO+H2) 비율은 78.46%, 탄소 전환율은 97.6%입니다.심사위원회는 해당 가스화로 기술이 뛰어난 혁신성을 가지고 있으며, 독자적인 지식재산권도 보유하고 있다고 판단했습니다. 또한, 수석탄 슬러리용 내화블록과 건조분말 수냉벽을 활용한 가스화로의 장점들도 갖추고 있어 종합적인 성능이 우수합니다. 이 기술은 명백한 경제적·사회적 효과를 가져오며, 전반적으로 국제적으로 선도적인 수준에 있다고 평가하여, 이 기술의 인증을 만장일치로 승인했습니다.고압 기류층 가스화 기술은 공급 방식에 따라 수탄슬러리 공급(습식)과 건분 공급(건식)의 두 가지로 나눌 수 있다.습식 수탄슬러리 공급 방식은 유량 전달이 안정적이고 신뢰할 수 있다는 특징이 있어, 가스화로 내의 산소-석탄 비율을 제어 가능한 범위 내에 유지함으로써 가스화로의 안정적인 운전을 보장합니다.건식 공급 방식은 고압 고농도 운송을 사용하며, 석탄 분말의 흐름이 불안정하여 가스화로 내의 산소와 석탄의 비율이 균형을 잃기 쉬워, 가스화로의 안전한 작동에 영향을 미칩니다.동시에 습식 공급 방식은 고압 조건에서의 운전이 가능하며, 가스화 시스템의 압력은 4.0MPa, 6.5MPa, 8.7MPa 조건에서도 이미 성숙한 상용화된 운영 장치가 존재합니다.현재 건조분말 공급 가스화로의 최고 압력은 4.0MPa에 불과합니다.가스화 시스템의 압력을 높이면 장비의 크기를 줄일 수 있으며, 시스템 운영에 필요한 에너지 소비도 감소시켜 화학 공정에서 등압 합성을 실현할 수 있다.가스화로는 보호 구조에 따라 내화벽돌형과 수냉벽형 두 가지로 나눌 수 있다.수냉벽 구조를 채택함으로써, 가스화로의 운전 온도는 1500℃ 이상까지 올릴 수 있어, **가스화로가 다양한 종류의 석탄을 사용할 수 있게 되고, 운영 비용도 절감됩니다.반면, 내화블록 가스화로의 운전 온도는 1400℃를 초과해서는 안 됩니다. 제2세대 칭화로 — 수석탄 슬러리 수냉벽 칭화로의 성공적인 연구개발 및 가동을 통해, 건식 공급 방식의 수냉벽 기화로에서 발생하는 안정성 문제와, 습식 공급 방식의 내화블록 기화로에서 나타나는 석탄 종류에 따른 적응 문제가 근본적으로 해결되었습니다；“고탄소, 고열량, 고회분”을 특징으로 하는 석탄의 가스화를 실현함으로써, 가스화에 사용되는 석탄을 현지에서 조달할 수 있게 되어, 용광로에 투입되는 석탄의 비용을 줄일 수 있었습니다；동시에 수코크스 슬러리 수냉벽 기화 기술의 특징은 현재 석탄의 청정하고 효율적인 활용이라는 발전 동향에 부합합니다.2012년에는 수소화 석탄 슬러리를 이용한 수냉식 벽면을 가진 칭화로의 가스화 기술이 산업정보부의 《선진 가스화 에너지 절약 기술 보급 실시 방안》에 포함되었습니다.2015년, 산업정보부와 재정부는 공동으로 『산업 분야에서의 석탄 청정하고 효율적인 활용을 위한 행동 계획(2015-2020)』을 발표했습니다. 이 계획에 따라 수소화 석탄 슬러리를 이용한 수냉식 보일러가 산업 분야에서 석탄을 효율적으로 활용하기 위한 21가지 참고 기술 중 하나로 선정되었습니다.삼. 칭화로의 가스화 기술 원리
칭화로의 가스화 기술은 석탄을 원료로 하여, 순수한 산소를 가스화제로 사용하여 가스화로 내에서 고온 부분 산화 반응을 일으킵니다. 이를 통해 CO와 H2가 주성분인 공정 가스가 생성됩니다. 이 공정 가스는 급냉실과 세척탑을 거쳐 정화된 후, 다음 공정 단계에서 원료 가스로 사용됩니다.수탄슬러리 가스화 공정은 비촉매 부분 산화 공정입니다.고순도 산소와 수석탄 슬러리는 특수하게 제작된 연소 노즐을 통해 혼합된 후 가스화로에 주입됩니다. 그곳에서 고온 고압 상태에서 부분 산화 반응이 일어나서, CO와 H2가 주성분인 원유가스가 생성됩니다. 가스화로 내에서 석탄 슬러리와 산소는 다음과 같은 반응을 합니다:
CmHnOsr + m/2O2 → mCO + (n/2 – r)H2 + rH2S
CmHnOsr → (m/4 – r/2)CH4 + (m – n/4 + r/2)C + H2S
C + O2 → CO2 + Q
C + O2 → CO + Q
CO + O2 → CO2 + Q
C + CO2 → 2CO – Q
C + H2O → CO + H2 – Q
CO + H2O → H2 + CO2 – Q
CO + H2O → CO2 + H2 + Q
CO + H2 → CH4 + H2O + Q
CO + H2 → CH4 + CO2 + Q
CO2 + H2 → CH4 + H2O + Q
C + H2 → CH4 + Q
H2 + O2 → H2O + Q
CH4 + O2 → CO2 + H2O + Q
가스화로 내에서는 주로 세 가지 반응이 일어납니다. 즉, 탄소의 산화, 수증기의 분해, 그리고 이산화탄소의 환원입니다. 그중 탄소의 산화 과정에서 많은 열이 발생하여, 나머지 두 가지 흡열 반응과 가스화로 내의 고온을 유지하는 데 도움이 됩니다.기화 반응의 산물은 주로 CO+H2와 소량의 H2O(g) 및 CO2, H2S, CH4, N2 등의 기체입니다. 기류층은 2상 병류 기화 반응기입니다.석탄 슬러리와 가스화제가 균일하게 혼합된 후, 특수한 노즐을 통해 분사되어 반응실로 들어갑니다. 그곳에서 즉시 연소가 일어나며, 온도는 1300~1700℃에 달합니다.산소와 수코크스 슬러리는 노즐을 통해 혼합된 후 가스화로 내부로 들어가, 몇 초 만에 가스화됩니다.높은 전환율을 달성하기 위해 부분 산화를 통해 에너지를 방출시켜, 가스화로가 석탄 재의 융점 이상의 온도에서 반응할 수 있도록 유지합니다.반응 온도는 선택된 석탄의 특성에 따라 결정되며, 가스화 압력은 공정의 요구사항에 따라 결정됩니다. 가스화 반응 속도는 매우 빠르며, 고체는 보통 몇 초 정도만 용광로 내에 머물게 됩니다. 반응으로 생성된 원시 합성가스의 메탄 함량은 매우 낮아, 보통 0.1% 미만입니다. 반면, 탄소의 전환율은 98%에 달합니다.반응 온도가 높기 때문에 타르, 페놀 및 고분자 탄화수소와 같은 응집 가능한 부산물이 생성되지 않아 환경 오염이 적으며, 폐수 배출량도 적습니다. 가스화 공정은 제펄팅 공정, 가스화 공정, 회수 처리 공정의 세 부분으로 나뉩니다.원료 석탄과 물, 그리고 소량의 첨가제가 분쇄기 내에서 분쇄되어 58~65% 농도의 석탄 슬러리가 만들어집니다. 이 석탄 슬러리는 고압 석탄 슬러리 펌프의 도움을 받아 공정 버너를 통해 수냉식 가스화로 안으로 들어갑니다；공기분리장치에서 나온 산소는 공정 버너를 통해 가스화로로 들어갑니다. 석탄 슬러리와 산소는 가스화로 내에서 가스화 반응을 거칩니다. 그 결과 생성된 합성가스와 슬래그 등은 가스화로 하부에 위치한 냉각실에서 냉각 및 세척 처리를 받습니다. 온도가 낮아진 합성가스는 합성가스 파이프라인을 통해 세척 및 정화 시스템으로 들어갑니다；냉각된 슬래그는 락후프와 슬래그 배출 파이프를 통해 정기적으로 슬래그 탱크로 배출되며, 미세한 슬래그가 섞인 검은 물은 슬래그 처리 시스템으로 들어가 처리된 후 다시 시스템 내에서 순환하여 재사용됩니다. 그림 1-제펄화 공정의 개요도 그림 2-가스화 공정의 개요도 http://ydqd.yingdegas.com/chinese/DataBase/UploadFile/20160808091722822.jpg 그림 3-회수 처리 공정의 개요도 4. 수코크스 슬러리를 이용한 수냉식 보일러의 기술적 특징들 4.1 높은 안전성: 수코크스 슬러리를 원료로 사용하기 때문에 운영이 안전하고 신뢰할 수 있으며, 분말 석탄을 사용할 때 발생하는 불안정성, 가연성, 폭발 위험, 마모 및 누출과 같은 문제들을 피할 수 있다.수냉벽은 열에너지 공학 분야에서 검증된 수직 매달림형 관 구조를 채택하여, 물 순환의 안전성을 보장함과 동시에 복잡한 열팽창 처리 문제를 방지합니다.수순환은 자연순환 방식으로 설계되어 강제순환으로 작동하며, 사고 발생 시에는 자연순환이 가능하여 수냉벽의 안전한 운전을 최대한 보장합니다.4.2 석탄 종류에 대한 적응성이 뛰어남: 가스화 온도는 내화물의 제약을 받지 않으며, 실제 산업적 운전 온도는 1520℃(또는 그 이상)에 달한다. 가스화 반응 속도가 빠르고 탄소 전환율도 높으며, 다양한 종류의 석탄에도 잘 적응한다. 따라서 고회분, 고회용점, 고황 함량을 가진 석탄도 처리할 수 있으며, 가스화된 석탄을 현지에서 직접 활용하기도 용이하다.4.3 높은 시스템 가동률: 장치는 연속적이고 안정적으로 작동하며, 버너 부분에는 특수 처리가 적용되어 있습니다. 한 번의 연속 가동 주기는 120일 이상 유지됩니다. 따라서 매년 내화블록을 교체해야 하는 번거로움 없이 가동할 수 있으며, 연간 가동 시간은 8000시간에 달합니다.4.4 환경 친화적이고 에너지 효율적임: 반응 온도가 높아 잔탄 함량이 낮으며, 타르나 페놀, 고분자 탄화수소와 같은 응집성이 있는 부산물이 생성되지 않습니다. 따라서 환경 오염이 적으며, 폐수의 배출량도 적어 처리가 용이합니다；동시에 펄프 제조 공정에서는 처리가 어려운 다양한 유기성 폐수를 사용할 수 있습니다.4.5 시스템의 시작 속도가 빠름: 조합형 점화 및 가열 과정이 단순화되어, 점화와 원료 투입 과정이 일괄적으로 이루어집니다.수탄슬러리 투입 점화에는 독특한 “화염 점화” 기술이 사용되며, 가스화로가 냉상 상태에서 정격 부하에 도달하는 데 단 5시간밖에 걸리지 않습니다.4.6 에너지 절약: 기화 압력이 높으며, 원료 운반 시스템의 영향을 받지 않습니다. 후속 공정의 요구에 따라 보다 합리적으로 선택할 수 있어, 메탄올 합성과 동일한 압력을 유지함으로써 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.“고회분, 고회용점, 고유황” 성분을 가진 석탄도 처리할 수 있어, 석탄의 지역 내 가스화가 용이해지고 운송 비용도 절감됩니다. 이를 통해 석탄의 가치가 몇 배로 상승합니다；내화블록 교체 횟수가 줄어들어, 매년 300만 위안 이상의 교체 비용을 절약할 수 있습니다；4.7 투자 절감: 가스화 장치를 100% 국산화함으로써, 국내에서 사용되는 다른 압력 가스화 기술에 비해 투자비가 30~50% 절감됩니다.4.8 기술적 세부 사항의 철저한 처리: 칭화대학교의 가스화 기술은 산업화 과정에서 세부 설계 면에서 많은 혁신을 보였습니다. 예를 들어, 세척탑 바닥에 위치한 가스 분배기를 통해 슬러지수와 가스가 충분히 혼합되도록 함으로써 가스의 세척 효과를 높였습니다；증발탱크 내의 환형 홈 분배기 설계 덕분에 증발 시스템의 점검이 더욱 용이해집니다；진공 플래시의 액체 밀봉 설계 덕분에 플래시 탱크가 더 이상 막히지 않으며, 세부적인 개선을 통해 기화 시스템이 장기간 안정적으로 작동할 수 있습니다.다섯째, 칭화로의 성공적인 보급. 석탄 슬러리 수냉벽을 활용한 칭화로의 가스화 기술은 열에너지 공학과 화학공학이 융합된 새로운 기술입니다. 이 기술을 적용한 가스화로는 다양한 종류의 석탄에도 잘 적용될 수 있으며, 원료 석탄을 현지에서 조달함으로써 원가를 절감할 수 있습니다. 이를 통해 석탄을 더 깨끗하게 활용할 수 있는 길이 열렸으며, 풍부한 ‘고품질, 고량, 고효율’의 석탄 자원을 활용하는 혁신적인 방안이 마련되었습니다.일일 석탄 투입량이 1000톤인 가스화로를 기준으로 할 때, 원료 석탄의 가격이 톤당 100위안 하락하면 각 로는 매년 3천만 위안 이상의 원료 석탄 비용을 절감할 수 있다.수냉벽을 내화블록 대신 사용하면 내화블록의 수리 비용이 줄어듭니다.내화블록의 사용 수명은 보통 1.5년 정도이며, 매번 내화블록을 교체하는 데 드는 비용은 약 200만 원입니다.수냉벽의 수명을 10년으로 가정할 경우, 연간 약 100만 위안 이상의 유지보수 비용을 절감할 수 있습니다.수소탄소 슬러리 수냉벽 가스화로는 내화블록을 사용하는 다른 가스화로에 비해, 설비가 가동된 후 매우 뚜렷한 경제적 효과와 사회적 효과를 가져옵니다.가스화는 석탄을 청정하게 전환하는 데 있어 중요한 기술 중 하나입니다. 수소화 석탄 슬러리를 이용한 수냉식 화로는 다양한 종류의 석탄에 적용할 수 있으며, 가스화 효율이 높고 오염물질 배출이 적습니다. 또한 운영이 안정적이며, 다른 유사한 기술들과 비교했을 때 투자 비용이 적고 가동률이 높다는 장점이 있습니다. 따라서 석탄화학 기업들에게는 투자 비용이 적고 운영 비용이 낮은 새로운 형태의 가스화 기술을 제공해줍니다. 이를 통해 석탄화학 기업들의 시장 경쟁력이 향상되며, 지역 경제 발전에도 기여합니다. 또한 생태환경 보호에도 도움이 되어, 지역 경제 발전과 지방 재정 수입 증대에 기여하는 좋은 사회적 효과를 가져옵니다.수코크스 슬러리 수냉벽 청화로의 구조적 장점을 활용하면, 기존의 수코크스 슬러리 내화블록 가스화로를 매우 용이하게 개조할 수 있다. 이는 수코크스 슬러리 수냉벽 청화로의 보급과 활용에 더욱 넓은 발전 가능성을 제공한다.칭화로 가스화 기술은 석탄을 청정화하기 위해 개발된 것으로, 풍부한 ‘고탄소·고열량·고황’ 석탄 자원을 활용하여 혁신적인 해결책을 모색했습니다. 2세대 수석탄 슬러리 수냉법을 적용한 칭화로 가스화 기술은 산시성의 양메이펑시, 신장위구르자치구의 티안예, 양메이지산 등지에서 이미 운영되고 있습니다. 또한, 스자좡잉딩, 웨이팡잉더, 클라마이잉더, 중해석유천야화공유한회사, 장쑤더방싱화화공과학기술유한회사, 산동진청화공과학기술유한회사, 하북정원화공그룹유한회사, 양취안석탄산업(그룹)유한책임회사, 흥안맹우란타이안에너지화공유한책임회사 등 10여 개 회사와 계약을 맺었습니다.현재, 귀주 수청광업그룹 신성석탄화학유한회사, 헤이룽장 북대황농업주식회사 하오량허지점, 안후이 화이화 서북에너지화학회사의 수탄슬러리 내화벽돌로를 위한 수냉벽 기술 개조가 진행되고 있습니다.이는 수코크스 슬러리 수냉벽 청화로 기술의 보급과 활용에 더욱 넓은 발전 전망을 제공할 것입니다.신장 티엔예의 연간 20만 톤 규모의 에틸렌글리콜 생산 프로젝트는, 유효한 합성가스(CO+H2)의 생산량이 120,000 Nm3/h가 되도록 설계되었습니다.가스화 장치는 수코크스 슬러리 수냉벽 칭화로 가스화 기술을 채택하며, 가스화로는 6.5MPa, φ2800mm의 이중 개방형 구조를 가집니다. 단일 가스화로의 설계 생산능력은 하루 1500톤의 석탄 처리량입니다.신장 지역의 흑탄을 사용하며, 흑탄만으로 젤을 만들 경우 그 농도는 53%입니다. 하지만 코크스 가루를 혼합하면 젤화 능력을 58% 이상으로 높일 수 있습니다.그림 4 – 신장 티안예의 두 대의 칭화형 가스화 장치
사용되는 석탄 종류: 신화석탄
공업적 분석 결과:
수분 함량: Marwt% 24.4
회분 함량: Adwt% 6.56
휘발분 함량: Vdwt% 30.99
고정탄소 함량: FCdwt% 62.45
원소 분석 결과:
탄소 함량: CCdwt% 75.71
황 함량: HHdwt% 3.7
질소 함량: NNdwt% 0.54
인 함량: SSdwt% 0.58
산소 함량: OOdwt% 12.91
염소 함량: CLCLdwt% 0.014
비소 함량: AsAsdug/g 0.35
저위 발열량: Qnet.arMJ/kg 20.01
분쇄 용이성 지수: HGI/100
회분의 융점 및 변형 온도: DT℃ 1250
연화 온도: ST℃ 1280
유동 온도: FT℃ 1300
일반적인 슬러리 제조 공정에서의 슬러리 농도: %53.04
일반적인 석탄 슬러리의 점도 (100s-1, 25℃): mPa.s 954
표 1: 신장 티안예의 원료인 갈색석탄의 특성
2015년 8월, 신장 티안예의 첫 번째 수증기 석탄 슬러리 가스화 장치가 성공적으로 가동되었습니다. 단 일주일도 채 되지 않아 후속 공정들도 순조롭게 진행되었습니다. 2015년 10월에는 두 대의 가스화 장치가 동시에 가동되어, 시간당 120,000 Nm3 이상의 가스가 생산되었습니다.2016년 3월 기준으로, 가스화로의 연속 운전 기간은 100일 이상에 달했으며, 안정적이고 장기적으로 최적의 성능을 발휘하는 설계 목표가 실현되었습니다.주요 기술 지표: 석탄 슬러리 농도: 58% (40% 코크스 가루 혼합), 유효 가스 성분: CO+H2≥78%, 단위 산소 소비량: ≤420Nm3/1000 Nm3(CO+H2), 단위 석탄 소비량: ≤620kg/1000 Nm3(CO+H2), 탄소 전환율: ≥98%, 슬래그 내 가연성 물질 함량: ≤5%.현재까지, 수탄슬러리 수냉벽 칭화로는 신장 티엔예에서 산업적인 장기 운전에 성공적으로 도입되었습니다.신장 톈예에서의 성공적인 운용을 통해, 칭화로는 신장의 갈색가스 화학 공정에 적용될 때 그 종합 에너지 소비량이 국내 최고 수준에 도달했습니다.6. 칭화로 가스화의 발전 전망
1. 중소 규모의 질소비료 생산 기업들의 구식 생산 설비 개선
기존의 석탄화학 공정들은 대부분 상압 고정층 가스화 기술을 사용하는데, 이 방식의 특징은 에너지 소비가 많고, 오염물질 배출량이 높으며, 환경 오염이 심하고, 수익성이 낮다는 것입니다. 즉, 흔히 말하는 “높은 에너지 소비, 높은 오염물질 배출, 높은 환경 오염, 낮은 수익성”이라는 특징을 가집니다.‘세 가지 높은 수준과 하나의 낮은 수준’이라는 여러 가지 압력 때문에, 전통적인 석탄화학 산업의 구조 조정과 산업 고도화가 필수적입니다. 현재 국내에서는 고정식 가스생산 설비를 보유한 500여 개의 기업들이 산업 고도화를 위한 개조를 진행하고 있습니다.또한, 석탄을 압력을 가해 기화시키는 설비의 경우 투자 비용이 높아, 이미 어려운 상황에 처해 있는 중소 규모의 질소비료 생산업체들이 이를 도입하기가 어렵습니다. 따라서 투자 비용이 낮은 수계 석탄 슬러리 수냉식 가스화 기술이 많은 중소 규모의 질소비료 생산업체와 가스 생산업체들에게 최적의 기술로 선택될 것입니다.고정층 가스화에 비해 원료 석탄의 종류를 변경하고 소비량을 줄임으로써 톤당 암모니아 생산 비용을 500위안 이상 절감할 수 있으며, 연간 20만 톤의 합성암모니아를 생산하는 기업의 경우 매년 1억 위안의 비용을 절약할 수 있다.수코크스 슬러리 수냉벽 칭화로 기화 방식을 도입함으로써, 안전하고 환경친화적일 뿐만 아니라 운영 주기도 길며, 투자 및 운영 비용도 **감소합니다.이는 기업의 생산 효율을 크게 높여주며, 생태환경 보호에도 도움이 됩니다. 또한 지역 경제 발전과 지방 재정 수입 증대에 기여하여, 우수한 사회적·경제적 효과를 가져옵니다.2. 현대 석탄화학공업의 전체 가스화 기술: 석탄화학공업 프로젝트들은 일반적으로 석탄 소비량이 많고, 물 사용량도 많으며, 배출되는 폐수, 폐가스, 폐고형물의 양도 많은 특징을 가지고 있습니다.석탄화학공정에서 배출되는 ‘3가지 폐기물’ 중에는 유해 성분이 많아 처리가 어렵습니다.예를 들어 석탄을 이용한 천연가스 생산의 경우, 수소화 석탄 슬러리 가스화 방식 외에 고정층 가스화나 유동층 가스화 방식을 사용한다면 폐수 처리가 매우 큰 과제가 되며, 심지어 **“863” 과학기술 프로젝트에도 포함되기도 했습니다.현재 국내에는 석탄화학공정에서 발생하는 폐수를 처리하는 다양한 방법들이 있지만, 그 효과는 전반적으로 불안정합니다. ‘제로 배출’을 실현하는 것은 더욱 어렵습니다.폐수 처리 문제가 해결되지 않아, 국내 여러 석탄화학 프로젝트들이 계속해서 착공이나 가동이 지연되고 있습니다. 　　현재 국내에서는 수코크스 가스화를 제외한 루치로, BGL로, 항천로, GSP로, SHELL로, 엔드로와 같은 가스화 기술들을 사용할 때 모두 증기가 필요합니다. 그리고 이 증기를 만들기 위해서는 염분을 제거한 물이 필요한데, 이 물은 신선한 물을 처리하여 보일러용 물로 만든 것입니다. 따라서 물의 활용률은 80%에도 미치지 못합니다. 내몽골이나 신장과 같은 물이 부족한 지역에서는 염분 함량이 높은 물을 사용해야 하므로, 물의 활용률은 더욱 낮아집니다.앞으로 환경 규제가 점점 더 엄격해지고 수자원이 점점 더 부족해지는 상황에서, 폐수 처리와 물 절약은 석탄화학 프로젝트의 성공 여부를 결정하는 핵심 요소 중 하나가 될 가능성이 높습니다. 　　건분 기화 기술의 경우, 석탄 분말 제조 공정에서는 주로 연료 가스나 다른 매체를 이용하여 석탄에 포함된 여분의 수분을 건조시키며, 일반적으로 2% 정도까지 건조하는 것이 요구됩니다.이 물은 내몽골, 신장과 같이 수자원이 부족한 지역에서는 더욱 귀중하게 여겨지지만, 아직까지 회수할 방법이 없습니다.석탄 분말 파이프라인의 건조를 유지하기 위해 석탄 분말 운송 파이프라인에는 증기 가열이 필요하며, 일부 응축액은 회수되지 못해 낭비가 발생합니다. 　 칭화로 가스화는 물의 대부분을 수석탄 슬러리 형태로 투입하는 방식으로, 석탄의 함수율에 특별한 요구사항이 없으며 투입되는 물의 수질에 대한 요구도 낮습니다. 일반적으로 슬러리 제조에 사용되는 물은 처리가 어려운 유기성 폐수를 활용하기 때문에 환경 보호 측면에서 효과적입니다.건분 가스화는 석탄에 포함된 여분의 수분을 제거한 다음, 필요한 양의 수분을 점차적으로 추가하는 과정입니다. 가스화로에서 필요한 수분은 반드시 고압 과열 증기 형태로 투입되어야 하며, 변환 공정에서 필요한 수분은 과열 증기나 보일러 물 형태로 투입되어야 합니다. 따라서 건분 가스화는 칭화로 가스화에 비해, 수코크스 슬러리 가스화보다 물의 사용에 있어 더 높은 품질과 더 많은 양의 물이 요구된다. 현재 인기가 높은 석탄에서 천연가스를 생산하는 프로젝트의 경우, 루치 로는 8%~12%의 메탄을 함유하고 있어 석탄에서 천연가스를 생산하는 데 경제적이라고 여겨집니다. 하지만 루치 로는 8mm~50mm 크기의 석탄만을 사용할 수 있으며, 채굴 과정에서 발생하는 많은 양의 석탄 찌꺼기는 활용할 수 없습니다. 또한 루치 로는 페놀이 포함된 폐수를 대량으로 생성하기 때문에 이를 처리하는 것도 어렵습니다.수탄슬러리 가스화로는 반폐쇄식 공급 방식과 습식 분쇄 방식, 그리고 기류층 가스화를 사용하므로 전 과정에서의 오염이 적습니다. 가스화와 변환 과정에서는 증기가 필요하지 않으며, 탄슬러리를 만들 때는 알코올이 포함된 폐수를 활용할 수 있습니다. 또한 발생하는 폐수의 양도 적으며, 폐수 내의 유해 물질도 단일합니다. 폐수의 COD 값은 200~760mg/L에 불과하여 생화학적 처리가 용이합니다.수코크스 슬러리 수냉벽 칭화로 가스화 기술을 활용하면, 첫째로, 석탄 채굴 과정에서 발생하는 분말석탄을 활용할 수 있다；둘째, 루치로에서 발생하는 처리가 어려운 폐수를 처리할 수 있습니다；셋째, 오수 처리에 드는 투자를 일부 절약할 수 있습니다；넷째, 일부 오수 처리 장치의 운영 비용을 절감할 수 있습니다. 　　따라서 구체적인 석탄을 이용한 천연가스 생산 프로젝트의 경우, 전문가들은 우선 원료 석탄의 덩어리화율과 분쇄된 석탄의 사용량을 고려하여 덩어리 석탄과 분쇄된 석탄의 균형을 맞추어야 한다고 조언합니다. 만약 균형을 맞춘 후에도 여전히 분쇄된 석탄이 남아 있고 다른 활용 방법이 없다면, 가스화 장치는 고정층 가스화 기술을 주로 사용하고 칭화로 가스화 기술을 보조적으로 사용하는 이중 가스화 방식을 채택해야 합니다. 또한, 청수와 오수의 양도 균형을 맞춰서 재활용할 수 있도록 해야 합니다. 　 7. 요약
오늘날 세계의 경쟁은 궁극적으로 에너지를 둘러싼 다툼입니다. 실제로 경험을 통해 진실이 드러납니다. 중국에는 현재 다양한 유형의 보일러가 1,000대 이상 있으며, 그에 따른 경험과 교훈도 매우 많습니다. 석탄 가스화는 석탄을 청정하게 전환하는 데 있어 핵심적인 기술입니다. 이 기술의 선택과 안정적이고 효율적이며 경제적인 운영은 프로젝트의 성공 여부에 매우 중요합니다.수소화 석탄 슬러리 수냉벽 기화 기술의 성공적인 운용은 풍부한 ‘고탄분·고칼로리·고황’ 석탄 자원을 청정하게 개발·이용할 수 있는 혁신적인 방안을 제시했습니다. 이를 통해 우리나라는 세계 석탄 기화 분야에서의 주도권과 발언권을 크게 강화할 수 있었으며, 석탄 자체를 효율적이고 친환경적으로 활용할 수 있는 강력한 기술적 지원도 얻게 되었습니다.