기상천외 에너지 2탄 ; 다양한 합성가스 전환 기술

기상천외 에너지 2탄 ; 다양한 합성가스 전환 기술

 

▣ 합성가스란?

구성 : H2 + CO로 구성된 가스, 가열된 코크스에 수증기를 가하면 발생되는 가스.

-고전적 역할-

암모니아 합성, 메탄올 합성, 옥소 합성, 수소 첨가 등에 사용되는 화합물 합성용 원료가스,

여러 화학 제품의 원료가 되는 이것은 연료가스와 용도적으로 구분하기 위해 명명한 것이다.

-추가된 역할-

피셔 - 트롭슈 합성 (; Fischer-Tropsch synthesis)을 거쳐 합성 연료의 제조에 사용되는 중간 원료 가스, 제조되는 합성 연료는 메탄부터 중질유에 이르는 석유계 탄화수소이다.

 

※ 합성가스의 가치가 ‘화학제품의 원료’에서 ‘합성연료’로 변화하였음을 알 수 있다.

 

▣ 합성가스의 생산 & 활용

[그림 1. Syngas process (production & application)]

 출처: 대학생 신재생에너지 기자단 홈페이지

 합성가스는 어떠한 탄화수소에서도 전환이 가능하며, 메탄올이나 비료와 같은 화학물질부터 연료까지 다양한 활용이 가능하다. 합성가스의 공정에 있어 가장 중요한 부분은 촉매 공정으로 각 합성가스 공정에 따라 다양하게 선택된다.

여기서 주목할 점은 석탄과 나프타 같은 석유계 탄화수소 화합물 뿐 아니라 바이오매스와 이산화탄소를 활용하여 합성가스를 생산할 수 있다는 점이다.

 

▣ 합성가스의 가치

 인류에게 석유가 작용하는 기능은 크게 두 가지로 나눠지는데, 에너지원과 화학물질 원료의 기능이다.

이 두 가지 기능은 인류에게는 너무도 중요한 영향을 주었다. 수송, 발전, 가정, 생활, 취사 과정에서 에너지원으로 사용되며 인류에게 높은 기동성과 편리성을 가져다주었다. 또, 한 인간이 사용하는 제품의 70% 이상이 석유화학 제품으로 석유로부터 파생된 것이다.

에너지원과 물질적 자원, 이 두 가지 기능은 인류에게 의식주 전반에 걸쳐 큰 영향력을 행사한다.

[그림 2. 에너지원 기능_가스화 복합 발전 (IGCC; Integrated Gasification Combined Cycle)]

출처 : IEEFA (Institute for Energy Economics and Financial Analysis)

 

[그림 3. Syngas application (Fischer-Tropsch 반응_좌, 메탄올 합성_우)]

출처 : HELLO T 첨단 프리미엄

 

합성가스는 석유의 두 가지 기능을 모두 대체할 수 있는데, 합성가스를 중간 다리 삼아 바이오매스, 매립지가스, 이산화탄소로부터 석유의 기능을 얻어내는 것이 가능하다.

 

▣ 바이오매스 및 석탄에서 합성가스 생산

 바이오매스와 석탄은 가스화 설비를 통하여 합성가스로 전환되는데, 가스화 설비는 보통 전처리(feed), 가스화기(gasifier), 정제(gas-cleaning), 후단 설비로 구성된다.

[그림 4. Gasification process]

출처 : ABC power

 

가스화 반응에서 촉매가 중요하며, 공정에 따라 촉매의 종류와 Catalytic bed의 유형이 선택된다.

[그림 5. 가스화기의 종류 (bed의 유형에 따른 분류)]

출처 : 공업화학 전망, 제15권, 제6호

 

[그림 6. 가스화기 내부의 반응]

출처 : 공업화학 전망, 제15권, 제6호

 

가스화기 내부에서는 부분 산화, 수증기 개질, 이산화탄소 개질, 수소개질, 수성가스화 등 여러 반응이 일어나며 합성가스가 생성된다. 이후 정제공정(Gas cleaning unit)을 통하여 미립자, 알칼리, 질소/황화합물, 타르, 산성가스 등 불순물을 제거하여 후단 공정에서 화학물질을 합성하거나 액체연료의 합성, 발전설비 등으로 사용된다.

 

▣ 광 촉매를 통해 태양광으로 합성가스를 생산하는 기술(고려대 연구)

 

[그림 7. 광 촉매를 이용하여 이산화탄소의 합성가스 전환]

출처 : Widely Controllable Syngas Production by a Dye Sensitized TiO2 Hybrid System with Re^I and Co^III Catalysts under Visible-Light Irradiation

 

 CO₂를 환원하여 CO로 전환하는 것은 C1 Chemistry의 유용한 원료로써 큰 의의가 있다. 주로 사용되는 가스화 설비와 같이 화학반응을 통하여 합성가스를 생산하는 경우 탄화수소의 산화 정도를 제한하기 힘든 탓에 모든 탄소의 CO 전환을 하지 못하고 CO₂의 발생이 불가피하다.

이에 반하여, ternary hybrid catalyst (삼중 촉매_ ReI and CoIII on TiO2)를 이용하여 가시광선 영역의 태양에너지 만으로 이산화탄소는 일산화탄소로, 물을 수소로 전환하는 이 기술이 지닌 장점을 살펴보면 다음과 같다.

1)      에너지 측면의 장점_가시광선 영역의 태양에너지를 활용

2)       CO selectivity 향상_ CO₂의 생성을 억제하기 쉽다.

3)       H2 / CO ratio 조절 용이_ F-T 합성, 메탄올 합성 등 다양한 후단 공정으로 적용이 용이함을 의미

4)       안정성 향상

5)       이산화탄소 저감효과

 

 

▣ 태양열을 이용하여 폐가스를 통해 합성가스를 생산하는 기술

[그림 8. 태양열을 이용하여 합성가스 생산]

출처 : KR patent no. 10-1717866

 

 태양열 시스템(헬리오스탯을 사용한 태양에너지의 열에너지 전환, 증기 발생기로부터 증기터빈 발전)을 통하여 열에너지를 포집하고 (물과 이산화탄소를 포함한) 연료 스트림을 가열하고, (고체산화물 전해질을 포함한 연료전지) 합성가스 생산 셀에서 이산화탄소와 물을 합성가스로 전환한다. 후단설비에서 합성가스의 합성연료화, 발전 설비(power plant) 등으로 활용하는 기술이다.

 

이처럼 합성가스는 석유계 화석연료인 석탄, 천연가스에서 뿐 아니라 바이오매스, 폐가스, 이산화탄소로부터 친환경적인 생산이 가능하다.

또한, 생성되는 합성가스의 수소 발생 비율을 조절하여 연료전지의 power로 사용이 가능하고, 탄화수소로 합성하여 가솔린, 디젤과 같은 석유계 액체연료부터 암모니아, 비료, 하이드라진, 메탄올, 폼알데하이드, 에탄올 등 다양한 탄화수소의 합성까지 가능하다.

결과적으로 합성가스를 통하여 석유화학에서도 효율을 높일 수 있고, 합성가스 자체로 새로운 에너지원이자 물질적 자원으로 작용할 수 있기 때문에 에너지, 환경, 자원의 측면에서 모두 긍정적으로 전망된다.

Reference

1) 『Duke’s Edwardsport IGCC still dealing with technical problems』,IEEFA , 2013.09.02

http://ieefa.org/dukes-edwardsport-igcc-still-dealing-with-technical-problems/

2) ㈜신에너지 종합연구소 고문 혼마 타쿠야, 『바이오매스의 에너지 이용; 바이오매스의 직접연소와 가스화 프로세스』, HELLO T, 2010.06

http://magazine.hellot.net/magz/article/articleDetail.do?flag=all&showType=showType1&articleId=ARTI_000000000036064&articleAllListSortType=sort_1&page=1&selectYearMonth=201006&subCtgId=

3) 이은도, 『목질계 바이오매스 에너지화』, 공업화학 전망 제15권 제6호, 2012

4) 이종수, 『 Widely Controllable Syngas Production by a Dye Sensitized TiO2 Hybrid System with Re^I and Co^III Catalysts under

 Visible-Light Irradiation 』, 고려대학교, 2017.06

5) KR patent no. 10-1717866, 2017.03.17