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[기고] 폐자원 가스화 통한 화학원료 및 수소생산 기술
폐자원 가스화 기술로 폐기물 처리·수소생산 이룰 수 있어
구재회 박사 고등기술연구원
가스신문  |  kgnp@gasnews.com
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[1467호] 승인 2021.01.08  23:30:39
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▲ [그림1]폐자원 가스화 합성가스에 의한 화학원료(메탄올 등) 및 수소 생산
   
 

폐자원을 열적으로 처리하는 기술은 연소(Combustion), 열분해(Pyrolysis), 가스화(Gasification) 및 액화(Liquefaction) 네 가지 기술로 분류할 수 있다. 연소기술은 완전 산화반응, 열분해는 무산소 반응이며 가스화는 부분산화반응으로 통상적으로 구분한다.

폐자원 가스화기술은 산화제(순산소, 공기, 스팀 등)와 반응시켜 합성가스(syngas)를 생산하는 기술이며, 합성가스의 주요 성분은 수소(H2), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4)과 같은 연료가스로 구성된다. 가스화기술은 반응온도 및 산화제 종류에 따라서 합성가스의 주요 조성이 달라지며, 본 기고에서는 화학원료 및 수소를 생산하는 데 필요한 일산화탄소 및 수소를 주요 성분으로 생산하는 1,200℃ 이상의 고온 순산소를 이용하는 폐자원 가스화 기술로서 메탄과 하이드로카본 가스류(CmHn)는 생성되지 않게 하여 화학원료로의 전환에 용이한 가스화 기술에 대해 소개하고자 한다.

폐자원을 이용해 고온 순산소 가스화를 통해 생산된 합성가스는 폐자원의 특성에 따라 H2/CO비가 0.5∼1.1범위로 생산되었으며, 합성가스에는 부분산화반응에 의해 이산화탄소도 함께 발생된다. 또한 합성가스에는 입자상 및 기체상 오염물질을 함유하고 있어서 정제과정을 거쳐 청정한 합성가스를 생산한 후, 최종 생산하고자 하는 화학원료에 따라 CO를 수소로 전환하는 공정을 거쳐 H2/CO비를 조절하여 수소와 일산화탄소를 합성해 화학원료(메탄올 등)를 생산하거나 고순도 수소를 생산하게 된다.

국내의 경우 메탄올은 수입에 의존하고 있음에 따라 폐자원을 이용한 생산을 검토하는 기업이 늘어나고 있으며, 수소는 부생가스, LNG 개질 또는 전기분해에 의해 생산되고 있다. 폐자원을 이용하여 이러한 고부가가치 화학원료 및 수소를 생산하기 위한 기술로서 가스화 기술을 적용할 수 있다.

수소에너지 활성화 정책에 따라 수소의 수요를 위해 부생가스에 의한 수소생산과 더불어 LNG개질에 의한 수소 생산을 증대하고 있으며, 전기분해에 의한 수소생산 기술 개발도 활발히 진행되고 있다. LNG개질은 화석연료를 사용하므로 온실가스 발생은 필연적이며 수전해 기술은 경제성을 확보하기 위해 지속적인 연구가 필요하다. 폐자원에서 수소를 생산하기 위한 기술로서 가스화기술을 활용할 수 있다. 폐자원 가스화를 통해 생산된 청정한 합성가스를 이용 고순도 수소를 생산할 수 있으며, 수소충전소 및 연료전지의 연료로서 활용이 가능하므로 수소 생산/공급원으로서 폐자원을 활용할 수 있다.

가스화 기술에 의해 화학원료 및 수소를 생산하여 이용하면 폐자원을 열화학적으로 재활용 할 수 있다. 이는 폐자원을 원천적으로 분해 재활용이 가능하므로 재활용율도 함께 증대시킬 수 있다.

   
▲ [그림2]폐자원 가스화 합성가스에 의한 수소충전소 및 연료전지 발전 연계 구성도
   
▲ [그림3]폐자원 가스화 및 합성가스 활용기술의 국내 개발 현황
   
▲ [그림4]폐자원 순산소 가스화 및 합성가스 활용기술의 국내 개발 과정

폐자원 가스화 및 합성가스, 활용 기술의 국내 기술 수준

국내 폐자원 가스화, 합성가스 정제 및 합성가스 이용기술의 수준은 Pilot 규모로 개발이 되어 있으며, 현재까지 개발된 기술 현황을 그림에 정리하였다. 아직까지 상용규모 플랜트 개발은 진행되지 못하고 있으며 Pilot Plant 개발을 통해 확보된 기술을 바탕으로 상용급 설계기술은 일정부분 달성하고 있다.

위의 그림은 국내에서 고부가가치 화학원료 및 수소 생산을 위한 순산소 가스화용융기술 개발과정을 정리한 것이다. 가스화 타입별 개발이 진행되었으나 2014년말 국제 유가 폭락으로 2015년까지 진행되던 국책연구가 중단된 이후 후속 연구가 진행되지 못하고 있는 실정이다. 상업용으로 국내 보급 및 해외 수출을 위해서는 최소규모의 상용급 플랜트 건설 및 운전을 통한 성능 검증이 되어야 가능하며, 이는 민간 위주로 진행하는 것이 어려움에 따라 정부 주도의 국책연구를 통해 개발이 추진되어야 가능하다고 생각된다.

2000년대부터 정부 주도로 개발이 진행되었고, 대기업에 의한 민간주도로 병행하여 진행되었으나 민간주도의 국산화 개발 및 국내 모델 개발에는 한계성이 나타나서 정부 연계로 진행하게 되었다. 정부 주도로 폐자원 가스화 기술개발이 가스화기술, 합성가스 정제기술에 이어 합성가스 활용기술로 개발이 지속적으로 이뤄져 Pilot 규모 플랜트 개발은 완성하였으나, 상용급 규모 개발이 진행되지 않음에 따라 아직까지 사업화에 이르지 못하고 있다.

고등기술연구원은 국책R&D를 통해 개발한 5톤/일급 폐자원 순산소 가스화용융로, 합성가스 정제시스템(습식, 건식), 합성가스 내 일산화탄소의 수소 전환시스템, H2/CO ratio 제어시스템 및 합성가스의 메탄올전환 시스템을 개발하였으며 이에 대한 주요 사진을 나타냈다.

폐자원 순산소 가스화 플랜트에서 합성가스의 고부가가치 화학원료 및 수소 생산을 위해 합성가스 오염물질 정제시스템을 개발하였고 가스화로 출구와 합성가스 정제설비 후단에서의 오염물질 농도 측정을 통해 Pilot 규모 플랜트 성능을 확보했다.

   
▲ [그림5]고등기술연구원의 5톤/일급 폐자원 순산소 가스화 플랜트 및 상용급 설계기술 개발
   
▲ [그림6]고등기술연구원의 Pilot규모 폐자원 가스화 플랜트에서의 합성가스 정제 능력

폐자원 가스화기술 및 합성가스의 고부가가치 활용(화학원료 및 수소) 필요성

폐자원의 물질 재활용은 한계에 이르렀으며, 폐플라스틱 등 재활용품의 해외 수출은 금지되고, 소각과 고형연료 연소 열병합발전시설에 대한 NIMBY 현상으로 폐기물의 안정적인 처리에 대한 사회 이슈가 커지고 있다. 매립지 확보 및 폐기물에너지 설치부지 확보가 어려워지고 있으며 폐기물 처리 문제도 심각해 지고 있다. 또한 미세먼지 및 온실가스에 대한 사회 이슈도 부각되고 있다.

폐자원 가스화 기술은 폐기물의 사회적 이슈 해소가 가능하고, 폐기물의 고부가가치 활용을 통한 경제성 향상으로 보다 친환경적인 처리를 가능하게 하며 고형연료 연소 열병합과 소각시설에 대한 부정적인 인식을 해소할 수 있는 특징을 가지고 있다. 고상 및 액상 형태의 폐기물을 LNG수준의 기체연료(syngas)로 전환하여 활용이 가능하고, 기체연료인 합성가스 상태에서 오염물질을 고도 정제하므로 대기중으로 배출되는 오염물질을 Zero-배출에 가깝게 달성할 수 있다. 또한 화학원료 또는 고순도 수소를 생산하는 과정에서 이산화탄소가 소각 대비 10% 감축되며, 공정 특성상 고농도의 이산화탄소 회수가 가능하여 이산화탄소 제품화 또는 CCU기술의 적용이 용이하다.

폐기물의 처리는 지역 분산형으로 진행되는 특성이 있으므로 각 지역별 수소에너지 공급원으로의 역할을 담당할 수 있겠다.

폐자원을 고부가가치 화학원료 또는 수소로 생산하기 위해서는 합성가스에 포함된 오염물질을 고효율로 제거해야 함에 따라 매우 친환경적인 플랜트라는 장점과 함께 운전비용이 증가한다는 단점이 있다. 운전비용은 증가하지만 생산품이 고부가가치이므로 경제성을 확보할 수 있으며, 사회적 요구에 맞는 청정기술을 도입해야 하는 시기이므로 폐기물의 처리·재활용 패러다임의 변화가 필요한 적절한 시기다.

   
▲ [그림7]고등기술연구원의 일 5톤급 폐자원 순산소 가스화 합성가스 정제 및 합성가스 이용 플랜트 사진
   
▲ [그림8]폐자원 가스화에 의한 화학원료 및 수소 생산 기술의 필요성
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