가스화 기술 수준 향상을 위한 제안

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가스화 기술 수준 향상을 위한 제안
저자/출처: 중국화학공정주식회사 총엔지니어 왕수건
날짜: 2016-08-03
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분말석탄 가스화 기술, 수소화 석탄 슬러리 가스화 기술, 분쇄된 석탄을 이용한 압력 가스화 기술은 각각 약 15년, 30년, 40년에 걸쳐 연구와 실제 적용, 개선이 이루어져 왔으며, 그 기술 수준도 상당히 높아졌습니다. 하지만 가스화는 여전히 석탄화학 공정에서 가장 많은 투자가 필요하고 에너지 소비도 가장 많은 공정이며, 발생하는 문제도 가장 많습니다.가스화 기술의 고유한 특성과 생산 운영 과정에서 발생하는 문제들을 고려할 때, 가스화 기술은 여전히 상당한 개선과 발전의 여지가 있습니다. 국산화 수준을 더욱 향상시키고 설비 투자를 줄여야 합니다. 수입된 Shell, GSP, GE, 콜린 가스화 기술과 국내의 유사한 가스화 기술을 비교해보면, 투자 비용이 훨씬 높습니다. 그 주된 이유는 첫째, 소프트웨어 관련 비용이 높다는 것입니다(특허료 + PDP 비용 + 기술 서비스 비용). 둘째, 특정 특허가 부여된 장비나 핵심 장비를 구입해야 한다는 점입니다. 셋째, 일부 공정이나 제어 시스템의 설계가 너무 복잡하거나 비합리적이어서 투자 비용이 높아지는 원인이 됩니다.따라서 우리는 해외의 가스화 기술을 도입할 때, 특허가 부여된 장비나 핵심 장비(즉, 지정된 제조업체의 장비)를 구매하는 것을 더욱 줄이고, 프로세스와 관리를 더욱 최적화함으로써 투자 비용을 낮춰야 합니다. 가스화 압력을 높이고, 한 개의 보일러에 투입되는 석탄의 양을 늘리는 것입니다. 현재 사용되고 있는 다양한 가스화 공정을 살펴보면, 수소화 석탄 슬러리 가스화 공정의 경우 가스화 압력이 6.5~8.7MPa에 달하는 반면, 다른 가스화 공정들의 경우는 압력이 1.0~4.0MPa 사이에 머물러 있습니다. 이로 인해 장비가 커지고 투자 비용도 증가하며, 석탄화학 공정의 에너지 소비도 많아집니다.따라서 기화 압력은 더욱 높일 여지가 있으며, 예를 들어 루치사는 MK+ 파쇄 가스 기화 공정의 기화 압력을 6.0MPa까지 높였습니다(아직 전면적인 산업화는 이루어지지 않았음). 단일 가스화로의 처리 능력이 낮은 것도 석탄화학 공장의 투자 비용과 부지 면적이 크게 되는 주된 원인입니다. 현재 셸의 분말가스화 방식이나 다중 노즐을 이용한 수계 석탄 슬러리 가스화 공정의 경우 단일 가스화로에서 처리할 수 있는 석탄의 양은 최대 3000톤/일에 달하지만, 다른 가스화 공정들의 경우에는 그 양이 1000~2200톤/일 사이에 머물러 있습니다. 일부 공정들은 3000톤/일까지 처리할 수 있다고 하지만, 아직 실제 산업적으로 활용된 사례는 없습니다. 투자를 종합적으로 줄이고 에너지 효율을 높이기 위해, 현재 가동 중이거나 건설 중인 석탄화학 프로젝트들을 살펴보면, 가스화 기술은 이상한 상황에 처해 있는 것 같습니다. 즉, 설비 투자가 많고 에너지 효율도 높거나, 아니면 설비 투자가 적고 에너지 효율도 낮은 경우뿐입니다.예를 들어, SHELL 가스화 공정에는 합성가스 냉각기가 있어 5.2 MPa의 중압 증기를 생산할 수 있으며, 에너지 효율이 높지만 투자 비용도 높습니다；예를 들어, GSP, 우주로, 콜린과 같은 가스화 공정의 투자 비용은 셸의 가스화 공정에 비해 낮습니다. 하지만 수냉벽에서 생성되는 저압의 포화수증기는 에너지 가치가 낮아 활용하기 어렵습니다. 가스화로에서 나오는 1350℃의 고온 가스를 그대로 냉각시키면 가스에 많은 수분이 포함되게 되는데, 이는 깊은 수준의 CO 변환이 필요한 석탄화학 프로젝트(예: 합성암모니아 프로젝트)에는 적합합니다. 하지만 깊은 수준의 변환이 필요하지 않은 석탄화학 프로젝트(석탄에서 가스나 석유를 생산하는 경우)에서는 가스 내의 수분이 과도해져 에너지 가치가 떨어지고 에너지 손실이 발생합니다. 또한 에너지를 회수하기 위해 열교환기나 분리기를 추가해야 하므로 공정이 복잡해지고 저항이 증가하며, 투자도 늘어납니다；수코크스 슬러리 가스화는 거의 모두 급냉 공정을 거치므로, 이러한 문제도 존재합니다；석탄 분쇄 압력 가스화와 CO 변환도 대량의 저압 포화 증기를 생성하여 활용하기가 비교적 어렵습니다.따라서 가스화 공정의 선택은 석탄화학 프로젝트 전체를 고려하여 이루어져야 하며, 투자를 줄이면서도 에너지 효율을 높여 프로젝트 전반의 합리성과 효율성을 확보해야 한다. 에너지 및 물 사용량을 줄이기 위해, 석탄화학 프로젝트는 에너지와 물을 많이 소비하는 사업입니다. 따라서 에너지와 물 사용량을 더욱 줄이는 것이 필수적입니다. 가스화 분야에서도 개선할 수 있는 부분이 있습니다.예를 들어, Shell의 가스화 공정에서는 압축된 순환 가스를 사용하여 합성가스의 온도를 약 900℃까지 낮춥니다. 이러한 방식은 에너지 낭비를 초래합니다. 따라서 다른 매체나 방법을 사용하여 온도를 낮추고 먼지를 제거할 수 있을지에 대해, 국내의 여러 엔지니어링 회사들이 개선 방안을 모색하고 있습니다；Shell 가스화 공정은 건식 먼지 제거 방식을 사용하며, 많은 양의 퍼징 가스가 필요하여 소비량이 증가하는데, 이 부분도 개선할 수 있습니다. 현재 대형 석탄화학 프로젝트에서는 원료인 분말석탄과 파쇄석탄의 비율 문제를 해결하기 위해 여러 종류의 가스화 공정을 조합하여 고려하고 있으며, 서로 다른 가스화 공정에서 발생하는 문제들을 통합적으로 처리할 수 있는 결합 방식을 도입하는 것도 검토될 수 있다.예를 들어, 현재의 대규모 석탄을 이용한 천연가스 생산 프로젝트들은 대부분 석탄을 분쇄하여 압력을 가해 기화시키는 방식과 유동층 기화 방식(수석탄 슬러리 기화 또는 분말석탄 기화)을 결합한 방식을 사용합니다. 석탄을 분쇄하여 압력을 가해 기화시키는 방식과 수석탄 슬러리 기화 방식을 함께 사용하면, 석탄을 분쇄하여 기화시킬 때 발생하는 많은 양의 유해한 폐수를 수석탄 슬러리 제조에 활용할 수 있습니다. 이렇게 하면 물 사용량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 폐수 처리에 드는 비용과 투자도 줄어들어 환경 오염도 감소됩니다. 회수수 처리 시스템을 최적화하여 먼지 유출량을 줄여야 합니다. 현재 일부 가스화 설비에서는 가스에 포함된 먼지의 양이 많아, CO 변환 장치의 열교환기가 막히거나 첫 번째 변환로의 상부 촉매가 비활성화되는 문제가 발생합니다. 또한, 오수 배출량과 회수수 순환량도 많은 문제가 있습니다. 따라서 가스 세척 및 회수수 순환 공정을 더욱 최적화할 필요가 있습니다.