26 공업화학 전망, 제11권 제1호, 2008

기획특집 청정석탄기술－

석탄가스화 공정 특성 및 해외동향

이 재 구†⋅이 시 훈

한국에 지기술연구원 가스화연구센터

Coal Gasification Processes and R&D Status

JaeGoo Lee† and SeeHoon Lee

Gasification Research Center, Korea Institute of Energy Research

Abstract: 석탄가스화 공정은 사용연료와 목 에 따라 다양하게 개발되어 왔으며, 가스화기나 운 방법에 따라 합성가

스 조성, 발열량, 환율 등과 같은 성능들이 변하게 된다. 주요공정사별 가스화기 상용화 랜트와 새롭게 개발되고

있는 공정에 하여 분석하고, 향후 가스화공정 개발 방향에 하여 알아보기로 한다.

Keywords: coal conversion, gasification, gasifier, syngas

1. 기술개요1)

석탄은 연소조 이 어렵고 오염물질이 발생

하는 어려운 문제 이 있으나, 석유나 천연가

스에 비해 매장량이 풍부하고, 범 한 지역

에 고루 분포되어 있어, 실화되는 석유

천연가스 고갈을 해결할 수 있는 기술들

의 하나로서 많은 심을 받고 있다. 청정

석탄 이용기술의 핵심 공정인 석탄가스화는

고온․고압 반응장치에서 석탄이 산소, 수증기

와 반응하여 합성가스(CO+H2)를 생산하는

과정을 말한다. 기의 석탄가스화 기술은 합

성가스를 생산하여 체 도시가스용으로 이용

되었으나, 차 화학공업원료, 암모니아, 메탄

올, 디젤이나 가솔린을 생산하는 기술로 확

되었으며, 력생산을 포함한 다양한 제품을

생산하는 “polygeneration"의 일환으로 개발되

어지고 있다. 가스화 기술은 효율이 높은 가스

터빈 개발이 석탄과 같은 기존의 화력발 용

연료를 가스터빈용으로 사용할 수 있게 하는

†주 자(E-mail: jaegoo@kier.re.kr)

가교 역할을 하여, 석탄가스화 복합발 (IGCC:

Integrated coal Gasification Combined Cycle)

과 같은 신발 기술 분야의 주공정으로 개발

이 진행되어 왔다. 최근에는 고유가와 더불어

력생산에서 석탄 사용에 따른 오염물질 발

생과 지구온난화 문제 때문에 국제 인 환경

규제와 압력이 가 됨으로써, 에 지 환 효

율이 높고 실 인 CO2 배출 감을 유도할

수 있는 가스화 기술이 세계각국의 폭 인

지지를 통해서 빠르게 개발되고 있다.

석탄가스화기술의 연구개발은 석탄의 종류

조성, 후속공정의 목 에 따라 다양한 구조

의 반응기들이 개발되어 왔다. 석탄가스화 공

정 개발의 공통 인 과제는 가스화 반응 장치

설계, 환율 증 , 처리 용량 증 , 회재 용

융, 고온․고압 운 , 재질 탄종에 한 제

한성 감소 등이다. 한 가스 정제, 폐기물 처

리 환경 문제 개선, Scale-up 방법 등도 가

스화의 확산을 해 해결해야 할 과제가 되었

다. 특히 획기 인 기술 개발로 타 에 지에

비해 경제 우 를 확보하는 것이 상용화

보 확산을 해 가장 필요한 부분이다. 본 고

KIC News, Volume 11, No. 1, 2008 27

에서는 석탄가스화기 기술개발 동향과 향후 기

술개발 추진방향에 해서 소개하고자 하 다.

2. 석탄가스화 공정

석탄 가스화 공정은 원료(미분탄/슬러리),

산화제(O2/Air), 가스화제(H2O), 반응기 형태,

Ash 제거 방법 등에 따라 발열량, 합성가스

조성이 달라지며, 사용 목 에 따라 여러 형태

들이 개발되었다. 가스화제로 공기와 수증기를

사용하면 수소와 일산화탄소로 구성되는 열

량(3000 kcal/Nm3 이하) 가스가 생성된다.

열량 가스는 에 지 도가 작아 수송

장에 불리하며, 유독성의 일산화탄소 때문에

직 가정용 연료로 사용하기는 곤란하다는

단 을 가지고 있다. 그러나 공정이 단순하여

제조가 쉽고 비용이 렴하여 발 용으로 이

용하면 경제성이 유망하다는 이 도 있다. 가

스화제로 산소와 수증기를 사용하면 생성가스

에 질소가 없어 발열량이 커지며 수소를

가스화제로 이용하면 메탄가스가 생성되어

열량(5000～6000 kcal/Nm3)가스를 생성할

수 있으며, 이를 메탄화 개질시키면 발열량이

8500∼10000 kcal/Nm3인 고열량 가스를 제조

할 수 있는데, 이를 합성 는 체 천연가스

(SNG)로 부르며 천연가스와 동등한 고 에

지 도를 가지고 있어 장거리 수송 넓은

지역에의 공 이 가능하다.

고정층 가스화 반응기는 처음으로 개발된

가스화 반응기로서 1934년 서독에서 개발된

Lurgi형을 비롯한 여러 가지 모델이 있으며,

이미 많은 나라에서 실용화 되어 있다. 0.25∼

1.5인치 크기로 분쇄된 석탄은 반응기 상부에

장입되어 력에 의해 아래로 내려가면서 건

류되고 가스화가 이루어진다. 가스화제인 공기

는 산소, 수증기를 반응기 하부로부터 공

하며 가스화기의 온도 분포는 1000∼2000 ℃

가 되며 반응기의 형태, 조업 조건 등에 따라

출구 가스 온도는 500∼600 ℃가 된다. 한

반응기의 연결 사용수에 따라 단일식, 2단식

등으로 구분할 수도 있다. 고정층 방법은 석탄

의 체류시간이 길기 때문에 탄소 환율이 크

고 석탄과 가스화제가 서로 역류하기 때문에

열효율이 좋다는 장 을 가지고 있다. 그러나

결성이 큰 석탄에는 부 합하고 타르, 페놀

등이 많이 생성되며, 회처리가 비교 어렵다

는 단 을 가지고 있다. 한 시설의 형화에

는 기계 인 제약이 따른다는 단 도 있다.

유동층 반응기는 석탄 입자를 약 10∼20

mesh로 분쇄하여 공 하며, 유동화 운 범

에 해당하는 속도로 가스화제를 공 함으로써

유동층 조작의 특성인 균일한 온도 분포를 얻

는다. 이 형태의 가장 형 인 것은 1926년

독일에서 개발되어 실용화된 상압 Winkler형

이다. 석탄 처리 용량은 고정층보다 훨씬 크고

반응 속도도 빠르나, 짧은 체류 시간으로 인하

여 미반응 탄소가 회분과 함께 반응기에서 유

출될 가능성이 크다. 따라서 원료 탄종, 석탄

입도 가스화제 흡입 속도 등 유동화 조작

변수의 최 화가 이루어져야 하며 각각의 조

작 변수 기술에 따라 수많은 유형의 모델

이 개발되고 있다.

분류층 반응기는 석탄을 반응물과 병류 반

송시켜 회분의 용융 이상의 온도(약 1400

℃)에서 가스화 반응을 하는 것으로 표 으

로 Texaco, Shell, E-Gas공정 등이 있다. 원료

탄의 70% 정도를 200 mesh 이하의 미세 분

말로 처리하여 수증기, 산소와 함께 반응기에

공 하면 석탄과 가스화제가 탁 상태로 존

재하게 된다. 미반응탄소가 반응기를 빠져 나

가는 것을 막고 빠른 반응 속도를 얻기 하

여 미세 분말 처리된 석탄을 이용한다. 이 같

은 특성때문에 복합 발 에 이용될 경우 부하

변동에 민감하게 처할 수 있다는 장 이 있

다. 분류층 가스화기의 운 은 고온 역에서

진행되기 때문에 타르나 페놀 등이 생성되지

않으며 사용할 수 있는 석탄의 범 가 넓다.

한 조작이 단순하고 소형의 장치로도 다량

의 고온 가스를 제조할 수 있다. 그러나 시스

28 공업화학 전망, 제11권 제1호, 2008

Table 1. Typical Coal Gasification Conditions and Performance of Various Gasifiers

가스화반응기

Feed

산화제압력(MPa)

온도(℃) 산소 스생성가스열량

탄소환율

냉가스가스효율

type fuelsize,mm

반응 출구kg/kg-coal(maf)

kg/kg-coal(maf)

HHVMJ/m

3 % %

고정층 BGL dry B, SB5～

50O2 2.5 > 2000 450 0.52 0.36 13.2 99.9 88

유동층

HTW dry Lig < 6 O2/air 1.0 < 1000850～

9000.54 0.36 11.5 96 85

U-gas dry B, SB < 6 O2/air 0.4950～

1090NA NA NA 5.0 95.3 69.6

KRW dry B, SB < 6 O2/air 3.2870～

1040<1010 0.68 0.44 12.1 95 80.8

분류층

Texaco1) wet B < 0.5 O2 2.11260～

1540<800 0.9 - 10.1 97.2 74.3

DOW2) wet SB, Lig NA O2 4.1

1320～

1430<1038 0.86 - 9.8 98.9 77

Shell3) dry B, Lig < 0.1 O2 4.4 2000 900 0.8 0.3 10.8 98 85

PRENFLO3) dryB, SB,

Lig< 0.1 O2 2.2

1500～

2000

1350～

16000.89 0.3 11.2 99 81.0

GSP4) dry SB, Lig < 0.2 O2 3.0

1600～

2000NA 1.03 0.06 11.8 99.3 79.6

주) 재의 공정사는 1) GE,

2) ConocoPhillips,

3) Shell,

4) Siemens임.

템 체의 열 손실이 크고 용융된 회의 배출

장치가 다소 복잡하여 설비의 내열성이 확보

되어야 한다는 단 이 있다. 반응기 형태별 특

성을 Table 1에 비교하 다.

3. 주요공정사의 가스화 공정

석탄 가스화기의 주요 메이커는 GE, Shell,

Conoco phillips 등이며, Lurgi 가스화기의 Mark

IV형은 남아공에서 CTL용이나, Dakota사에서

SNG생산용으로 이용되고 있다. 주요 메이커 다

음 단계로 개발되고 있는 공정기술로는 Siemens

사가 인수한 Future Energy 가스화기와 국의

ECUST의 OMB 형식의 가스화기, KBR의

TRIG, MHI의 공기사용 방식 등이 있다.

3.1. Texaco (GE사)

60년 이상의 기술 개발 경험을 가지고 있는

GE사의 Texaco 공정은 250개의 가스화 설비

를 125개 랜트에서 보유하고 있으며, 재도

65개 이상의 라이센스 설비로부터 3.5억 scfd

의 합성가스를 생산하고 있다. 1940년 말에

처음 개발된 Texaco 가스화 공정은 천연가스

개질공정을 통해 합성가스를 생산하고 이것으

로부터 액체탄화수소로 환하는 공정에서 출

발하여 NH3 생산을 한 합성가스 생산공정,

그리고 오일 가스화를 거쳐 석탄 가스화 공정으

로까지 발 하 다. 석탄가스화 공정의 상업화는

1983년 미국의 Eastman Chemicals사에 처음 시

도된 것을 발 으로, 1984년에 Cool Water IGCC

공정이 운 되었으며, 재 Texaco 가스화 공정

을 이용하여 력을 생산하는 IGCC 발 소로

KIC News, Volume 11, No. 1, 2008 29

(a) (b)

Figure 1. Texaco 가스화기 (a) Quenching 방식, (b) Syngas cooler 방식.

는 석유 coke를 연료로 하는 EI Dorado (40

MWe)와 석탄을 연료로 하는 Polk (250 MWe)

가 표 이다. Texaco 공정은 가스화 상

연료가 물과 함께 슬러리 형태(습식 공정)로

산소와 함께 상단으로 주입되고 가스화기 하

부에서 합성가스가 생성, 배출되며, 이의 냉각

방식에 따라 Figure 1에 나타낸 바와 같이 두

가지로 구분된다. Figure 1(a)는 가스화기 하

단부에 있는 물에 합성가스 슬래그를 직

시켜 냉각하는 냉(quenching)방식이며,

Figuare 1(b)는 복사열교환기에서 열을 회수

하여 스 압력 온도를 올리는 공정을 이용

하는 syngas cooler 방식이다.

가스화기의 운 온도는 보통 1250～1450

℃ 정도이며, 조업압력은 IGCC인 경우에는 30

bar 그리고 화학원료 생산의 경우에는 60～80

bar 정도를 유지한다. 본 공정을 용하는

IGCC 표 시공 랜트의 성능은 미국 동부지

역과 서부 지역의 역청탄을 사용하여 최

화되었으며, IGCC 로젝트는 Bechtel사와 공

동으로 수행한 CoolWater (120 MW, 1984년

∼1989년) TECO Polk (250 MW, 1995년부터

재까지) 등이 있다(Figure 2 참조). 특히

Tampa Electric사의 Polk발 소는 1996년 9월

에 상업화되어 250 MW 규모로 재에도 운

되고 있으며 가스화기 기술 개발의 큰 공헌을

하 으며 가스화 기술의 표 인 랜트로서

인정받고 있다(Figure 3 참조). 가스화에 의한

원료물질 회수 공정으로는 1983년 Eastman

Chemical사가 테네시 Kingsport에서 상업화한

공정이 있으며 아세탈 합성을 한 원료를

량 석탄에서 얻게 되었고, 가동율도 98∼99%

수 으로 유지되고 있다.

차세 청정 석탄 발 방식의 표 형 설비

로서 GE사는 용량 630 MW, 복합발 용 가

스터빈: 7FB × 2, 가스화기 : 2+1의 모델로

제시하고 있다. 재 GE 석탄가스화 설비는 9

개 시설이 엔지니어링 는 건설단계에 있다.

재 착수되고 있는 랜트로는 AEP사의 미

국 Ohio주 Meigs county와 West Virginia의

Mason county에 두 곳이 검토되었으며, 2005

년 FEED study를 착수하여 2006년말 완료하

여, 2012년 상업화 가동 정에 있다. 다른 하

나는 Duke Energy사의 것으로 Indiana주 Ed-

wardsport에 건설 정으로 2007 FEED Study

를 완료하 고, 2011년 상업화 가동 정에 있다.

30 공업화학 전망, 제11권 제1호, 2008

Figure 2. Texaco 가스화기가 IGCC에 용된 시스템 흐름도.

Figure 3. Texaco 가스화기가 사용되고 있는 Tampa 발 소.

3.2. SCGP (Shell사)

Shell사가 개발 보 하고 있는 Shell 석

탄가스화 공정(SCGP, Shell Coal Gasification

Process)은 1956년 오일가스화기 개발을 시작

하여 다양한 탄화수소를 합성가스로 환하는

공정에 사용되었으며 100여 개의 Shell 가스화

기가 여하는 40여 개의 합성가스 로젝트가

진행되었다. SCGP와 PLENFLO의 원조는

1941년 개발된 상압의 Koppers-Totzek 공정으

로 1차오일 쇼크시 1973∼1974년경 많이 설치되

어 인도, 국 등에 70여 개가 설치된 바 있다.

Shell사는 1972년 Amsterdam에서 작은 규모

의 일럿으로 SCGP를 개발하여 독일 Harberg

랜트(150 t/d)와 미국의 Deer Park 랜트

(250∼400 t/d)에서 검증 실험을 해 scale-up

되었다. 1999년 PLENFLO와 통합하여 재

의 SCGP가 되었다. SCGP의 상업용 IGCC로

의 용은 1998년 네덜란드 Buggenum에 Nuon

Power사 소유로 2000 t/d규모의 가스화기가

설치되어 253 MWe을 력을 생산하고 있다.

가스화기 온도는 1300∼1500 ℃ 정도이고,

조업압력은 IGCC일 경우에 25∼30 bar, 수소

KIC News, Volume 11, No. 1, 2008 31

Figure 4. SCGP 가스화기 구조.

생산공정일 경우에는 60 bar로 유지한다. SCGP

공정에서 석탄(건식)은 산소 수증기와 함

께 가스화기 하단부로 주입, 가스화 되며 합성

가스 소량의 CO2를 생성하게 된다(Figure

5 참조). 석탄 회재는 용융 슬래그 형태로 가

스화기 내부 표면을 따라 흘러내려 가스화기

바닥의 water bath에서 냉각되며, 일부는 가

스화기 벽면에 부착되어 보호막을 형성하기도

한다. 합성가스는 가스화기 출구에서 재순환되

는 fuel-gas에 의해 900 ℃ 정도로 냉각되며,

다시 syngas cooler에서 300 ℃까지 냉각되면

서 고압 스 과 압 스 을 생성하게 된다.

냉각된 합성가스는 세라믹 필터에서 미세입자

Figure 5. SCGP가 IGCC에 용된 시스템 흐름도.

를 포집하여 약 50%는 가스화기 상부로 다시

보내져 냉각 fuel-gas로 사용되고 나머지는 배

가스 처리 시스템으로 보내져 가스터빈을 구

동하게 된다.

분류층 슬래깅 가스화 형태인 SCGP의 탄소

환율은 1회통과(once-through)시 99% 이상

이고 가스화로부터 생성된 합성가스비율(냉가

스효율)은 약 80% 수 으로 슬러리 공 방

식보다 높으나, 고압으로 운 하기 한 공

시스템이 매우 복잡하여 시설비가 많이 소요

되는 단 이 있다.

재 SCGP는 기동시간을 5일 수 으로 가

능한 빠르게 하고, 가용율을 86∼92% 수 으

로 향상시키는 것에 주안 을 두고 개발되고

있다. 연료의 활용측면에서는 폐탄, 갈탄

에서 역청탄, 무연탄에 이르기까지 거의 모든

종류의 석탄을 사용할 수 있으며, 운 도 에

연료변경이 가능하고, 0.1 mm 이하가 90% 이

상으로 분쇄가 가능한 고형연료 가스화가 가

능하여 여러 형태의 바이오매스도 이용할 수

도 있다. 2008년 반까지 합성가스 반응기와

cooler를 하나의 설비로 연결하며 단일 가스화

기의 용량을 5000 t/d 규모까지 확 할 것으

로 기 된다. 1600 ℃의 온도 역에서 산소

스 과 반응하여 석탄을 가스로 환하며

융융 슬래그는 반응기 하부로 제거된다. 고온

에서의 반응은 열분해생성물을 억제하며, 멤

인 벽면으로부터 압 스 을 생산한다. 멤

32 공업화학 전망, 제11권 제1호, 2008

(a) (b)

Figure 6. SCGP 사례 (a) Nuon Power Plant,

(b) Yueyang Plant.

인 벽은 가용율 향상에 아주 요한 역할

을 하며, 반응 후 합성가스는 순환되는 찬 합

성가스에 의해 냉이 이루어지고 냉각기에서

압 는 고압 스 을 생산한다.

재 국에 10개 이상의 SCGP가 이용되고

있는데, 주로 비료 생산을 한 암모니아 제조

나 메탄올 제조용으로 사용되며, 석탄가스화

기술보 속도가 더욱 빨라지고 있다. 일례로

국 허난성의 Yueyang에 진행되는 가스화

로젝트는 Shell China와 Sinopec사가 합작하여

진행하는 것으로 2000 t/d의 석탄을 Sinopec

비료공장에 필요한 원료로 환시킬 것이다

(Figure 6 참조). 향후 Shell공정은 네덜란드

Eemshaven에 신기술을 용하려는 계획으로

Nuon Magnum 로젝트로를 추진하고 있다.

이것은 고효율 가스화, 20% 이상의 바이오매

스를 사용하는 등 여러 가지 연료를 사용하고

오염물질을 감하는 것이 목 으로 용량은

1,200 MWe로 가스화기는 3 × 2000 tpd로 하

고 있다. 체 시스템에서는 CO2 capture를

목표로 하고 복합발 을 선행 으로 수행한

다음에 가스화기를 연계할 정인 것으로 알

려지고 있다.

3.3. E-Gas (ConocoPhillips사)

ConocoPhillips사의 E-Gas기술은 1975∼1982

년 사이 36 t/d규모로 기본 인 R&D를 수행

Figure 7. Wabash 랜트의 E-Gas 가스화기.

하 고, 갈탄을 사용하여 400 t/d (1979∼1983

년), 1600 t/d (1983∼1987년) 규모와 아역청

탄을 사용하여 2400 t/d (1987∼1995, Rochell

Mine), 2500 t/d (1995∼2000) 규모로 실증과

정을 거쳐 1995년부터 재까지 Wabash 랜

트에서 상용화 규모로 운 되고 있다. IGCC에

용되는 E-Gas 기술은 Palquemine에 있는

Dow Chemical의 Louisiana Gasification Tech-

nology Inc. (LGTI)의 설비에서 사용되었다.

LGTI의 가스화 설비는 PRB (Powder River

Basin)탄 370만톤을 가스화하 고, 1987년에서

1995년에 운 되었으나, Louisiana주의 천연가

스 가격이 $2/MMBtu 범 로 떨어지면서 운

이 정지되었다. LGTI에서는 두 의 West-

inghouse 501D모델가스 터빈( 재는 Siemens

사 SGT6-3000)을 사용하여 총 65000 시간동

안의 력생산을 하 다.

표 인 트로 Wabash 발 소는 부지

면 이 20 acres (8.1만 m2)로 인디아나폴리스

인근의 Wabash강가에 치하고 있으며, 1995

년 운 개시 이래 역청탄 기 2500 t/d, 석

유코크스 기 2000 t/d 규모로 운 되어 Net

Power로 262 MWe의 력을 생산하고 있다

(Figure 7 참조). ConocoPhillips사가 가스화

련분야를 장에서 기술지원을 해주고 있으

며, 랜트 소유는 SG Solution (Wabash Valley

KIC News, Volume 11, No. 1, 2008 33

Power와 Global Energy의 합자회사)이 합성

가스제조부분까지 합성가스에서 력생산 공

부분을 Duke Energy가 나 어서 소유하고

있다.

E-Gas공정은 가압 방식의 산소를 사용하는

2단 분류층 슬래깅 공정이며, 연료 80%를

화학에 지로 15%를 열에 지로 회수한다. 슬

러리 상태로 연료가 공 되고 생성 회재는 감

압 장치와 분쇄기에 의해 연속 으로 분쇄되

면서 배출된다. 연료는 역청탄, 아역청탄, 석유

코크스 폐기물과 같은 렴한 연료를 사용

하고, Rod Mill을 사용하여 물과 혼합상태로

미분쇄하여 이송할 수 있는 슬러리로 제조된

다. 1단 가스화 부분은 수평형 구조에 해당되

며, 고온의 온도에서 슬러리와 산소가 반응하

여 합성가스와 용융슬래그를 형성한다. 2단에

서는 합성가스의 에 지 함량을 증가시키기

하여 일부 슬러리를 추가 으로 주입한다.

슬러리 조제시에는 특별한 첨가제 없이 사용

하며, 촤의 재순환이 환율 증가에 핵심이다

(Figure 8 참조).

E-Gas 공정에서는 1단/2단의 공 량비를 90/

10, 75/25 등으로 조 하는 가스화 운 기술에

의해 연료의 유연성을 확보하고 효율을 증가

시키는 효과를 얻게 된다. 형 인 합성가스

조성으로는 N2 1.9%, Ar 0.6%, CO2 15.4%,

CO 48.4%, H2 33.2%, CH4 0.5% 수 이다. 가

스조성 제어는 1단과 2단의 공 비로써 조

하고 필요에 따라 steam/H2O 는 합성가스로

냉각한다. 한 슬러리를 이용하여 고온 생성

가스의 열을 회수하는 특수한 열회수 장치가

있다. 이와 같은 연속 인 회 처리 장치와 열

회수하는 장치가 이 공정의 특징이며 Texaco

공정과의 다른 큰 차이 이다. E-Gas기술에 의

한 열회수법은 고온의 합성가스로부터 고압스

을 생산하는 fire-tube boiler를 보유하고 있어

종래의 발 소 스 발생기보다 작고, 렴하다.

합성가스 황성분은 원소유황으로 회수하

는데, 부분의 가스화 정제공정의 유황회수 공

정에서 tail gas를 소각하는 반면, 본 공정에서

Figure 8. E-Gas공정에서 1단, 2단가스화 반응물

질 공 방법.

Figure 9. E-Gas 가스화기가 IGCC에 용된 시스

템 흐름도.

는 2단 가스화로 재순환함으로써 유황 회수

효율을 증가시키고 있다. 가스화기에서 생성된

가스는 Char와 회분 제거를 하여 고온

Cyclone으로 보내져서, 물에 의한 Quenching

이 이루어지고 감압부에서 감압되어 슬러리

농도 28～34%로 제1단 가스화기로 되돌아간

다. Cyclone을 나온 고온 가스는 고온 폐열 회

수부인 Boiler, Superheater, Economizer를 거

치면서 온도가 낮아지고 산성 가스가 제거된

다음 가스터빈에 공 된다.

E-gas 공정은 Texaco공정과 공 방식이 유

사한 을 지니고 있으나 연료의 사용을 갈탄

에 있어서까지 확 한 과, 2 Stage, Upflow

34 공업화학 전망, 제11권 제1호, 2008

방식이 특징으로 나타나 있으며, 산소의 소모량

은 Texaco 공정보다 다소 으나 운 경험

실 은 은 편이다. 공정가동 황은 년간 2

회에 걸쳐 버 교체, trace metal 등에 의한

침식된 내화물을 교체하는 과정에서 40여 일간

가동이 지되어 년간 평균 availability는 80%

수 이다. ConocoPhillips사의 향후 설비 운용

계획에 의하면 년간 10% 이상을 더 향상시킬

수 있을 것으로 상하고 있다.

4. 개발중인 가스화 공정 기술

4.1. Siemens Fuel Gasifier

Siemens사의 연료 가스화 공정은 1975년 독

일 Freiberg 지역의 갈탄 고체연료를 가스

화하기 하여 개발된 것으로 GSP 공정으로

알려졌다. 1991년 Noell사가 인수한 다음, 폐기

물이나 액상 잔재 등을 가스화하도록 개발하

고, 한동안 Future Energy GmbH 소유로

있다가 재는 Siemens사에서 인수하 다. 본

래 Simens사는 가스터빈 기술을 보유하고 있

어서 석탄가스화 기술을 보유하게 됨으로써

IGCC 랜트 건설에서 종 보다는 유리한 입

지를 갖추었다고 볼 수 있다.

Siemens 공정은 건식으로 상부에서 공 하

는 형태로, 실린더 형태의 반응기로 시공이 간

편하고, 단일버 를 사용함으로써 가스화 반응

물인 석탄/산소/스 의 주입제어를 단순화 시

킬 수 있다는 장 이 있다(Figure 10 참조).

한 슬래그와 고온의 합성가스가 동일한 방

향으로 흐르게 됨으로써 슬래그 탭에서의 막

힘 상 등을 방지할 수 있는 유리한 을 지

니고 있다.

원료의 형태에 따라 Siemens 공정은 다소

다른 설계안을 보유하고 있는데, 회재를 포함

하는 석탄과 같은 경우에는 나선형으로 감긴

cooling screen을 설치하는 형태로 표면은 SiC

캐스터블과 용융 슬래그로 덮여진다. 가스

는 유기성 액상 폐기물의 경우에는 부분 인

Figure 10. Siemens 가스화기 구조.

quenching 방식을 사용하고, 흑액과 같은 경우

에는 cooling screen 방식과 량 quenching 방

식을 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

Siemens 공정은 기기동(cold start)이 2시

간 이내에 가능하고, 연료에 한 유연성을 확

보하고 있다는 을 특징으로 부각시키고 있

다. 재 Freiberg에는 5 MWth 규모로 습식

건식공 시설을 갖춘 분류층 가스화기가

설치되어 석탄 바이오매스등 연료에 따른

cooling screen이나 cooling wall에 한 성능

실험을 수행하고 있다(Figure 11 참조). 상업

화 시례로는 1984년부터 운 되고 있는 독일

Schwarze Pumpe에서 갈탄을 가스화 하던 것을

액체폐기물용으로 사용하고 있는 200 MWth,

25 bar 규모의 가스화기와 체코의 Vresová에서

타르 액상폐기물을 가스화하는 175 MWth

규모의 가스화기가 운 되고 있다. 재까지는

석탄가스화 실 이 많다고 볼 수는 없는데,

2009년 국의 Ningxia에서 합성가스제조

화학원료제조용으로 500 MWth 5기가 석탄을

가스화하는 공정으로 추진 에 있다.

KIC News, Volume 11, No. 1, 2008 35

Figure 11. Freiberg의 가스화기 개발 랜트.

4.2. CCP Gasifier

일본이 미국, 독일 등의 선진국 기술을 추

하여, 자체의 고유기술을 확보함과 동시에 상

업화 Plant 개발을 실 하기 한 목 으로

개발된 것으로 상업화 랜트인 1700 T/D가

스화기는 2001년에 설계한 이후 설계, 건설 포

함 6년 후인 2007년 9월에 가동되기 시작하

다. 일본 석탄가스화기 개발은 NEDO 주 하

에 9개 력회사, 원개발, 력 앙연구소의

11개 법인으로 구성된 청정석탄발 연구조합

(CCP, Clean Coal Power R&D Co.)을 발족

시켜 1986년부터 국가보조사업으로 개발되어

왔다. 본 모델은 1974년 력 앙연구소

(CRIEPI)와 미쓰비시 공업(MHI)에서 2 T/D

분류층 가스화 PDU 장치로 처음 개발되었고, 이

후 200 T/D pilot plant를 1990년도에 완공하여

랜트 기술개발을 수행되었다(Figure 12 참조).

CCP 석탄가스화공정은 분류층 가스화기

유일하게 공기를 사용하는 1실 2단 반응형 가

스화 방식이다. 상단 하단의 복수 버 에

의해 가스화기 내에 선회류가 형성되며, 상단

버 로의 산소공 량을 억제시켜 가스화기 상

부에서 반응성이 풍부한 Char을 생성하고, 하

단버 로는 상단버 보다 많은 양의 산소를

Figure 12. 일본의 IGCC 가스화기 개발추진

일정개요.

Figure 13. 공기사용 2단 가스화기 구조 온도

분포.

공 하고 탄소를 속히 가스화함과 동시에

고온가스를 발생시킨다. 한 선회류 형성에

의해 상부에서 생성된 반응성이 풍부한 Char

를 아래쪽으로 끌어 들여서 가스화를 진시

키고 동시에 하부의 고온화에 의해 석탄회 용

융 흐름을 용이하게 해 다.

Nakoso 랜트는 발 용량 250 MW에서

송 단 효율 42%, 탄소 환율 98 이상, 냉가

스 효율 78% 이상을 목표로 하고 있으나, 아

직은 랜트 운 실 이 충분하지 않은 상태

라고 할 수 있다.

4.3. OMB Gasifier

국에는 1980년도부터 석탄가스화기가 도

입되었는데, 기에는 Lurgi 고정층 가스화기

가 도입되어 7기가 설치되었다. 1987년 Texaco

36 공업화학 전망, 제11권 제1호, 2008

Figure 14. OMB 가스화 공정도.

가스화기가 Lunan 비료공정에 처음 도입된

이래 21기가 운 에 있으며, 2000년 이후부

터는 Shell 가스화기가 다수 도입되었거나 재

건설 에 있다. 이러한 설치 운 배경을

바탕으로 국화동과기 (ECUST, East China

University of Science Technology) 산하 청정

석탄연구소에서는 1990년부터 석탄슬러리 가

스화 기술에 한 연구를 착수하 다. 2000년에

22 T/D규모의 OMB (Opposed Multi Burner)

형식의 가스화기 개발에 성공하 고, 2004년

Dezhou에서 750 T/D 가스화기와 2005년 Lunan

의 Yankuang 그룹의 Guotai사에 1150 T/D

규모의 상용 가스화기를 운 하 다.

운 결과, 합성가스 수율은 Texaco공정보다

9% 증가하고 동일한 산소소모량에서 탄소

환율이 98% 수 임이 발표되었다. 본 공정기

술은 여러 개의 버 를 사용하기 때문에 Scale-

up이 용이하고, 산소소모량이 상 으로

다고 알려지고 있다. 그러나 좀 더 구체 인

랜트의 성능은 상용 랜트에서의 보 결

과에 따라 확실하게 밝 질 것이다.

이외에도 유동층 형태의 U-Gas (KRB사)라

든지, 아직 상용화 수 에는 미치지 못하지만

아주 컴팩트하고 탄종 응성과 우수한 성능

을 동시에 구비하는 Rocketdyne사의 가스화

기 등을 포함하여 다양한 형태의 가스화기가

개발 에 있다.

5. 맺음말

화학원료나 비료산업에서 합성가스 공 원

확보는 석탄가스화에 의해서만이 경쟁력을 확

보할 수 있을 것으로 보이며, 가장 활발하게

진행되고 있는 분야이다. CTL, SNG 사업은

최근 유가 천연가스 가격 상승에 따라

차 기술개발 건설에 한 검토가 확 되고

있다. 미국에서의 가스화 시장 못지않게 재

국 시장은 major 업체에서 건설을 진행하고

있는 가스화 기술의 각축장이라 할 수 있다.

가스화 기술의 개발은 연료 용성을 확 하

는 방향으로의 flexible 가스화기 개발이 각 공

정사별로 추진이 되고 있다. 습식공정사에서

고압의 건식 공 기술을 개발하고 있는가 하

면, 건식공정사에서 quenching 방식 등에

한 기술개발이 추진되고 있다. 석탄가스화 공

정을 이용하는 분야인 IGCC, SNG, CTL 로

젝트에서는 CO2 배출문제를 완화하기 하여

바이오매스를 혼합 이용하는 방안에 해서도

많은 심을 기울이고 있다. 향후 석탄가스화

KIC News, Volume 11, No. 1, 2008 37

를 이용하는 력생산이나 CTL SNG 시

장 확 는 얼마나 가스화기를 포함하는 체

랜트 건설단가를 낮출 수 있느냐와 효율향

상 CO2 회수 장 여부에 따라 속도가

달라질 것이다.

참 고 문 헌

1. C. Higman and M. van der Burgt, Gasifi-

cation, Elsevier (2003).

% 자 소 개

이 재 구

1977～1981 서울시립 학교 화학공학과 학사

1984～1988 제일제당(주)1989～1992 한국과학기술원 화학공학과

석사1992～1997 한국과학기술원 화학공학과

박사1988～ 재 한국에 지기술연구원

가스화연구센터 책임연구원

2. T. Takematsu and C. Maude, IEACR 37,

March (1991).

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Conference Paper (2007).

9. Z. Zhou, Gasification Technologies Confer-

ence Paper (2007).

이 시 훈

1992～1996 한양 학교 화학공학과 학사

1996～1998 한국과학기술원 화학공학과 석사

1998～2003 한국과학기술원 생명화학공학과 박사

2003～ 재 한국에 지기술연구원 가스화연구센터 선임연구원