석탄가스화에의한청정...

2005. 12

석탄 가스화에 의한 청정발전 및 수소생산 복합 기술

머 리 말

석유자원의 제한성과 최근 석유 가격의 폭등은 세계 많은 나

라들로 하여금 대체에너지로서의 석탄 이용을 확대하고 새로운

기술 개발을 촉진하는 계기가 되고 있습니다. 현재 세계 에너지

수요는 화석에너지의 비중이 약 8 5 %를 차지하고 있으며, 이중

석유 39%, 석탄 25%, 천연가스 22%, 원자력 6%, 수력 7% 및 재

생에너지 1 %로서 주로 석유, 석탄 및 천연가스에 크게 의존하고

있습니다. 그러나 이들 주요 에너지원의 가채 매장량과 생산량을

감안한 향후 사용 가능한 기간은 석유와 천연가스의 경우 불과

4 0 ~ 5 0년, 석탄의 경우 약 2 3 0년으로 예측하고 있습니다. 따라서

석탄은 화석에너지 중에서 가장 풍부한 에너지 자원으로서 세계

각국에 널리 분포되어 있어 석유나 천연가스 등 타에너지원에 비

해 안정적인 원료 공급이 가능하다는 이점을 지니고 있으나, 석

탄은 현재와 같은 직접연소 방식으로는 N Ox, SOx 등의 심각한

공해문제를 유발하고, 더욱이 지구온난화 가스인 C O2 배출의 주

요 원인을 제공하고 있습니다.

석탄 가스화 기술은 고체인 석탄을 가스로 전환하여 일산화탄

소와 수소를 생산하여 가스터빈의 연료로 사용할 수 있게 함으로

서 석탄과 가스터빈을 연결하는 가교 역할을 하고 있습니다. 더

욱이 대형 가스터빈의 출현은 고효율 발전시스템인 석탄 가스화

복합발전( I G C C )을 가능토록 하였습니다. IGCC 발전 기술은 기존

미분탄 발전에 비해 고효율 발전을 가능하게 할뿐만 아니라

N Ox, SOx 및 C O2를 획기적으로 줄일 수 있어 지구 온난화 문제

를 완화할 수 있는 미래 발전 기술로 부각되고 있습니다. 본 연

구를 통하여 석탄 가스화 기술과 석탄을 활용한 가스화 복합발전

기술, 수소 생산 및 활용에 대한 선진국의 새로운 기술개발 동향

을 면밀히 분석함으로서 다가올 에너지 위기에 대비하고자 하며,

연구 결과가 기업의 기술 개발과 정부의 정책 자료로서 활용되기

를 바랍니다.

본 보고서는 과학기술자를 활용한 기술정보분석사업에 참여하

고 계시는 박태준 전문연구위원과 본 연구원의 배국진 선임연구

원이 공동 집필한 것으로 노고에 깊이 감사드리며, 본 보고서에

수록된 내용은 연구자 개인의 의견으로서 한국과학기술정보연구

원의 공식 의견이 아님을 밝혀드립니다.

2 0 0 5년 1 2월

한국과학기술정보연구원

원 장

제1장서 론 …………………………………………………………………1

1. 세계 주요 에너지 자원 현황………………………………………………1

2. 세계 주요 에너지 자원으로서 석탄의 역할 …………………………… 3

제2장석탄사용에따른환경문제 ………………………………………7

1. 석탄 사용에 따른 환경 문제 …………………………………………… 7

2. 청정석탄 연소 기술……………………………………………………… 1 0

3. 발전소 효율 증대를 위한 진보된 기술 …………………………………1 6

제3장석탄가스화및 IGCC 발전기술…………………………………2 1

1. 석탄 가스화 기술………………………………………………………… 2 1

2. 석탄 가스화 복합발전(IGCC) 기술 …………………………………… 3 8

3. IGCC 발전 기술의 전망 …………………………………………………4 8

4. 합성가스 및 수소 생산 하이브리드 복합발전 …………………………5 1

제4장IGCC 발전및 수소생산기술정보분석 ……………………5 5

1. IGCC 발전 기술정보 분석 ……………………………………………… 5 5

i

목 차

2. 화석연료에 의한 수소 생산기술 정보 분석 ………………………… 6 4

제5장결론및 건의사항 …………………………………………………7 1

참고문헌 ……………………………………………………………………7 7

i i

표 목차

<표 1-1> 발전용 석탄의 원소 및 공업분석…………………………………… 5

<표 1-2> 발전용 석탄의 회분 및 용융 온도 ………………………………… 5

<표 2-1> CO2 배출량 비교 ……………………………………………………… 9

<표 3-1> 가스화 장치 비교………………………………………………………2 9

<표 3-2> 석탄 가스화 플랜트의 합성가스 분석치 ………………………… 3 0

<표 3-3> IGCC 발전의 특성치 비교 ………………………………………… 4 9

<표 3-4> 제2, 3세대 IGCC 발전의 성능 비교 ……………………………… 4 9

<표 3-5> 제2, 3세대 IGCC 발전의 비용 비교 ……………………………… 5 0

<표 4-1> 소속기관별 문헌게재 랭킹( I G C C )………………………………… 6 0

<표 4-2> 주제어의 순위 변화( 1 9 8 5∼2 0 0 5 )…………………………………… 6 3

<표 4-3> 기관별 순위(수소생산 기술) ……………………………………… 6 7

<표 4-4> 주제 분야별 분포(수소생산 기술)………………………………… 6 8

그림목차

<그림 1-1> 세계 석유 및 석탄 매장량 분포 ………………………………… 2

<그림 2-1> 배연탈황 장치( F G D )를 설치한 석탄 발전소 ………………… 1 1

<그림 2-2> 600㎿급 발전소(FGD) 흡수탑…………………………………… 1 3

<그림 2-3> 미국 발전소 열효율 변화 과정 ………………………………… 1 7

<그림 2-4> 발전 시스템의 열효율 …………………………………………… 1 8

<그림 2-5> 증기 추기를 이용한 열병합 발전소 …………………………… 2 0

<그림 3-1> Lurgi dry-ash gasifier……………………………………………… 3 1

<그림 3-2> BGL Slagging gasifier …………………………………………… 3 1

<그림 3-3> High Temp. Winker 가스화 장치 ……………………………… 3 2

i i i

<그림 3-4> MBEL 가스화 장치와 연계된 ABGE 복합 발전 시스템…… 3 3

<그림 3-5> Prenflo gasifier……………………………………………………… 3 4

<그림 3-6> Texaco gasifier with full heat recovery ………………………… 3 4

<그림 3-7> 석탄 가스화 장치 종류에 따른 석탄의 흐름 및 온도 분포 … 3 5

<그림 3-8> 석탄 가스화 반응기 형식과 석탄의 적합성 개념도 ………… 3 6

<그림 3-9> Buggenum IGCC 발전소 전경…………………………………… 4 0

<그림 3-10> IGCC 발전용 대형 가스터빈 …………………………………… 4 1

<그림 3-11> Nakoso IGCC 파일럿 플랜트…………………………………… 4 1

<그림 3-12> IGCC 발전소 개략 공정도 ……………………………………… 4 3

<그림 3-13> IGCC, 연료전지, 메탄올, SNG 하이브리드 시스템 ………… 5 2

<그림 4-1> 년도별 문헌 건수 추이( I G C C ) ………………………………… 5 6

<그림 4-2> 문헌건수(IGCC) vs 원유가격 추이 비교 ……………………… 5 7

<그림 4-3> 석탄 가스화 관련 문헌 건수 추이……………………………… 5 8

<그림 4-4> 문헌의 국가별 분포( I G C C )……………………………………… 5 9

<그림 4-5> 주제분야별 분포( I G C C ) ………………………………………… 6 1

<그림 4-6> 년도별 문헌 건수 추이(수소생산 기술) ……………………… 6 5

<그림 4-7> 국가별 분포(수소생산 기술) …………………………………… 6 6

i v

1. 세계주요에너지자원현황

○ 두 차례에 걸친 석유 파동과 최근 석유 가격의 폭등은 세계

각국으로 하여금 대체 에너지로 석탄을 사용하기 위한 새로운

기술 개발을 촉진하는 계기가 되고 있다. 현재 세계 에너지 수

요는 화석에너지의 비중이 약 8 5 %를 차지하고 있으며, 이중

석유 39%, 석탄 25%, 천연가스 22%, 원자력 6%, 수력 7%, 재

생에너지 1 %로서 세계 에너지는 주로 석유, 석탄 및 천연가스

에 의존하고 있다. 이들 주요 에너지의 가채 매장량과 생산량

을 감안한 향후 사용가능한 기간은 석유와 천연가스의 경우

4 0 ~ 6 0년, 석탄의 경우 약 2 3 0년으로 예측하고 있다. 따라서 석

탄은 지구상의 화석에너지 중에서 가장 중요한 에너지 자원중

의 하나이며, 단지 석유만이 지구상의 에너지 수요에 대응하여

석탄보다 많은 량을 공급하고 있다.

○ Peak oil 이론을 제창한 M. K. Hubbert의 예측에 의하면 석유

생산은 2 0 6 0년을 전후로 피크에 도달하고 그 후 석유 생산은

1

제1장

서 론

급격히 감소하여 거의 고갈 상태에 이른다고 예측하고 있다.( 1 )

미국 및 기타 세계 각 지역의 석유정에서 이미 석유 고갈의

징후가 나타나고 있다. 일부 신 Hubbert 이론의 추종자들은 석

유 고갈과 함께 지구상에 대재앙이 올수도 있다는 비관론을

펴고 있다. 이를 뒷받침할 만한 현상은 현재 세계 일차에너지

소비 중에 석유가 차지하는 비중이 4 0 %를 넘고, 중국을 비롯

하여 많은 개발도상 국가들의 석유 소비량은 서방 선진국과

E U국가들의 소비를 능가하며, 향후 석유 소비는 더욱 가속화

될 것으로 전망되고 있다는 것이다. 더욱이 지구상의 석유 매

장량의 2 / 3가 중동에 편재되어 있기 때문에, 중동지역의 계속

되는 분쟁과 정치적인 불안은 안정적인 석유공급과 에너지 가

격에 먹구름을 드리우고 있다. <그림 1 - 1 >의 세계 석유 및 석

탄 매장량 분포에서 보여 주는 바와 같이 석탄의 경우 매장량

은 지구 전체에 넓게 분포되어 있으며, 최소한 세계 6 0여개 국

2 석탄 가스화에 의한 청정 발전 및 수소생산 복합 기술

<그림 1-1> 세계 석유 및 석탄 매장량 분포

자료：clean coal technology, option for the future, DTI, IEA, 1993

가에 많은 량의 석탄이 매장되어 있다.

2. 세계주요에너지자원으로서석탄의역할

○ 석탄은 석유, 천연가스 등의 다른 화석에너지에 비해 방대한

매장량과 또한 광범위한 지역에 분포되어 있다. 석탄은 지하에

묻힌 식물이 지열과 토양의 압력에 의해 분해됨으로서 수백만

년~수억년에 걸쳐 형성되었다. 석탄은 그 조성과 품질이 다양

하며, 주로 연소 가능한 탄소와 다양한 다른 원소들로 구성되

어있다. 이들 성분은 수소, 산소, 질소, 유황 분으로 구성되어

있으며, 그 이외 비연소성 광물 성분이 존재한다. 더욱이 석탄

채취 과정에서 석탄은 주변 탄층 및 물에 의해 비연소성 물질

로 오염된다. 광산에서 석탄 제품은 특정한 고객의 요구에 맞

게 처리되며, 품질향상을 위해 첨단기술의 적용이 늘어나고 계

속적으로 연구 개발이 이뤄지고 있다.

○ 석탄은 성공적인 응용을 통해 2 1세기에 세계 에너지 수요를

충당하는 중요한 역할을 계속적으로 수행하여 나갈 것으로 전

망되며, 에너지 안보와 에너지의 안정적인 공급에 있어 중요

한 역할을 감당할 것이 확실시 된다. 갈탄( l i g n i t e )은 석탄의

초기 생성 물질이며, 탄소 함량이 낮고 열량이 적어 이를 저

질탄 또는 저품위 석탄(low rank coal)이라 칭한다. 역천탄

(bituminous coal)은 높은 열량을 가지며, 보다 오랜 세월 동안

제1장 서 론 3

압축과 탄화 과정을 거쳤다. 무연탄( a n t h r a c i t e )은 탄소 함량이

많고 열량이 가장 높아 탄화가 가장 오래된 석탄이라 할 수

있다. 지구 지질의 복잡성으로 인해 석탄을 함유한 탄층의 분

포가 일정치 않음에도 불구하고 석탄은 지구상의 모든 대륙에

산재하여 매장되어 있다. 이같이 매장량이 풍부한 석탄은 석

유, 천연가스와 달리 고체이므로 수송 또는 다루기가 어렵다

는 문제점과 석탄 중에 많은 양의 미연소성 회분이 존재하며,

이를 제거하는데 많은 비용 및 복잡한 기술과 어려움이 뒤따

른다.

○ <표 1-1> 및 <표 1 - 2 >는 미국, 호주, 캐나다, 중국, 인도네시아

등지에서 수입된 발전 연료용 석탄의 분석치를 보여주고 있다.

석탄은 탄소 함량이 낮은 갈탄에서 탄소 성분이 점차 높아지

는 역천탄 , 무연탄에 이르기까지 고정 탄소, 휘발 성분, 회분

등의 물리, 화학적인 조성이 크게 다름을 알 수 있다. 특히 석

탄에 함유된 회분은 주성분인 A l2O3 및 S i O2의 함량에 따라 회

분의 용융 온도가 높아진다. 따라서 석탄은 사용하는 용도에

따라 적절한 석탄이 선정되어야 한다.

○ 석탄은 세계 에너지 수요의 1 / 4을 공급하고 있으며, 세계 전력

생산의 경우 4 0 %를 석탄에 의존하고 있다. 또한 석탄은 전력

이외 철강 및 시멘트 생산을 위한 필수적인 원료로 사용되고

있다. 그러나 이 같이 풍부한 석탄은 연소 시에 발전소 등에서

많은 양의 C O2가 발생함으로서 지구 온난화 가스 발생의 주범

이 지목되고 있다. 현재 지구 차원에서 석탄 사용에 따른 C O2


제1장 서 론 5

C o a l

R a n k +

M i n e

C N R

m v b

C a n a d a

A l a s k a

lig A

U S A

D r a y t o n

h v C b

A u s t r a l i a

D a t o n g

h v B b

C h i n a

R o t o

Sub A

I n d o n e s i a

Proximate Analysis (dry basis, wt%)

A s h

V M

F C

1 6 . 5 4

2 4 . 8 8

5 8 . 5 9

9 . 5 9

4 8 . 8 1

4 1 . 6 0

1 7 . 0 0

3 2 . 9 1

5 0 . 3 7

1 5 . 1 2

2 8 . 7 6

5 6 . 1 2

1 . 6 9

4 8 . 8 0

4 9 . 5 2

Ultimate Analysis (daf, wt%)

C

H

N

S

O *

8 4 . 6 9

4 . 3 7

0 . 2 9

0 . 5 2

1 0 . 1 3

5 4 . 2 6

4 . 1 7

0 . 2 7

0 . 4 9

4 0 . 8 2

8 1 . 5 0

4 . 7 7

0 . 6 6

1 . 0 4

1 2 . 0 3

7 1 . 5 5

4 . 0 3

0 . 9 4

0 . 7 9

2 2 . 6 9

6 7 . 1 3

5 . 8 0

1 . 3 2

0 . 2 7

2 5 . 4 7

<표 1-1> 발전용 석탄의 원소 및 공업분석( 2 )

<표 1-2> 발전용 석탄의 회분 및 용융 온도( 2 )

C o a l C N R A l a s k a D r a y t o n D a t o n g R o t o

Proximate Analysis (dry basis, wt%)

K2O

N a2O

S i O2

A l2O3

F e2O3

C a O

M g O

S O2

0 . 8 1

0 . 8 3

5 4 . 0 0

3 2 . 7 9

4 . 2 3

4 . 6 8

1 . 1 9

1 . 3 7

1 . 5 7

1 . 0 5

4 4 . 3 0

2 3 . 0 5

5 . 6 3

1 7 . 6 3

3 . 7 7

2 . 2 4

0 . 4 5

0 . 2 1

5 4 . 0 2

3 4 . 0 4

4 . 2 6

4 . 3 5

0 . 3 2

1 . 9 9

2 . 5 0

0 . 2 4

4 1 . 4 0

1 7 . 7 9

2 8 . 2 1

6 . 3 6

2 . 9 0

1 . 6 2

0 . 8 7

0 . 2 4

3 2 . 5 8

2 7 . 4 9

2 1 . 2 3

4 . 1 1

1 . 8 5

2 . 3 0

Ash Fusion Temperature (℃)

Ti

Ts

Th

Tf

1 , 3 5 1

1 , 4 7 7

1 , 6 4 9

1 , 6 4 9

1 , 1 9 2

1 , 2 2 7

1 , 2 7 4

1 , 2 9 1

1 , 4 8 0

1 , 6 4 9

1 , 6 4 9

1 , 6 4 9

1 , 2 2 3

1 , 2 5 7

1 , 3 1 3

1 , 3 2 8

1 , 4 8 4

1 , 5 0 4

1 , 5 0 8

1 , 5 1 1

주：+：by difference

주：*：by ASTM classification

주：Ti：Initial Deformation Temperature Ts：Softening Temperature

주：Th：Hemisperical Temperature Tf：Fluid Temperature

저감을 위한 기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.

○ 특히 청정 발전기술로 각광을 받고 있는 기술 중의 하나는 석

탄을 가스화하여 합성가스(synthesis gas)를 생산하고, 가스터

빈에서 연소시켜 전력을 생산하고 발생되는 폐열을 회수하여

고압 증기를 생산하여 증기터빈 구동을 통해 전력을 생산하는

가스화 복합발전(Integrated gasification combined cycle：

IGCC) 기술이라 하겠다. 기존 미분탄 발전에 비해 발전효율이

높고, NOx, SOx를 획기적으로 줄이며, CO2 배출을 약 20% 줄

일 수 있다. 또한 합성가스를 이용, 수성가스 반응( s h i f t

c o n v e r s i o n )에 의해 수소( H2)를 생산하여 연료전지 원료 또는

청정에너지를 생산하고 C O2를 분리 및 격리 저장함으로서

C O2 배출을 완전히 억제할 수 있다.


1. 석탄사용에따른환경문제

○ 오늘날 전력 생산을 위해 화석연료 연소 시에 대기 중에 방출

되는 C O2의 영향은 지구 온난화 문제의 중요한 쟁점으로 부각

되고 있다. 인간이 생산하는 지구상의 총 C O2 발생량의 2 5 %

가 화석연료를 사용하는 발전소에서 배출된다. 또한 전 세계

발전량의 약 4 0 %가 석탄 발전소에서 생산되며, 이들 발전소의

배출 가스는 전체 온실가스(Greenhouse gas)의 약 1 0 %를 점

유하고 있다( 3 ). 따라서 전 세계 발전소를 가동정지 한다 해도

지구 온난화 문제를 완전히 해결할 수 없는 실정이다. 지구상

에는 자국의 유일한 에너지 자원이 석탄인 나라들이 많고, 신

흥 공업국가 또는 개발도상 국가들은 공업의 성장과 인구 증

가에 대비하기 위하여 발전 시설을 계속 늘리고 있는 실정이

므로, 화석에너지 사용에 따른 지구 전체의 C O2 배출 억제는

선진 공업 국가에서 더 규제 하는 것이 실효성이 있을 것이라

는 견해가 지배적이며, 선진국과 개발도상국간에 지구온난화

에 대한 국제 협약이 쟁점이 되고 있다.

7

제2장

석탄 사용에 따른 환경 문제

○ 1 9 9 2년 6월 브라질 리우 유엔환경개발회의( U N C E D )에서 유엔

기후변화협약( U N F C C C )이 채택되었으나, 각국의 현저한 입장

차이로 C O2 배출방식의 구체적인 규제에 합의를 보지 못하였

으나, 1994년 3월 구체적인 실천 조항을 명시한 의정서가 채택

되고 기후변화협약이 공식 발효되었다. 온실가스를 사고 팔수

있는 기후변화협약을 구체적으로 추진하기 위한 교토의정서가

1 9 9 7년 1 2월에 교토에서 개최된 제3차 당사국 총회에서 채택

되었으며, 2005년 2월 1 6일 정식 발효되었다. 교토의정서는 기

후변화 협약 부속서 국가인 3 9개 선진국과 경제 전환국을 중

심으로 제1차 공약 기간인 2 0 0 8 ~ 2 0 1 2년에 온실가스 배출량을

1 9 9 0년의 배출량의 5 . 2 %를 감축하기로 하고 각국의 여건에 따

라 - 8 % ~ + 1 0 %까지 차별화된 목표를 부여하였다. 기후변화협

약이 세계 각국의 최대 관심사로 떠오르고 있는 것은 단순히

지구 환경 문제뿐만 아니라 각국의 에너지 소비를 규제함으로

서 각국의 경제 성장과 산업 구조에까지 영향을 미치게 되기

때문이다.

○ 미국 또는 유럽 선진 공업국들은 공해 저감 및 C O2 배출 규제

협약과 관련하여 이를 줄이기 위한 구체적인 대응 방안을 강

구 중이며, 유럽 국가들은 대형 석탄 연료 발전소를 대상으로

지구온난화 가스 배출 규제를 강화하고 있다. 미국은 U S

Clean Air Act를 발효 중이며, US DOE는 향후 1 5년간 U S

$ 6 0억을 투입하여 석탄 및 다양한 화석 에너지를 사용하여

고효율의 전력, 화학 제품원료 및 청정 에너지를 생산하고,


C O2 배출을 제로로 줄이기 위한 에너지 플랜트 연구개발을 위

한 Vision21 Project를 추진 중에 있다. 일본은 에너지와 환경의

조화를 위해 New Sunshine 프로젝트를 적극 추진함으로서 화

석에너지의 효율 향상, 연료 전환, 신 재생에너지 및 C O2 고정

화 연구를 추진하고 있다.

○ 지구 전체로 볼 때 인간의 활동에 의해 생성되는 C O2 배출량

은 지구 온난화 영향의 50% 정도를 차지하고 있다( 4 ). 또한 발

전소와 수송부문에서의 C O2 배출량은 인간이 만들어내는 C O2

의 약 1 3 %가 되며, 전체 C O2 생산량 중에서 9 ~ 1 0 %가 석탄

발전소에서 배출된다( 5 ). <표 2 - 1 >에서 보여주는 바와 같이 석

탄은 천연가스에 비해 약 2배의 탄산가스를 배출하며, 동일한

석탄이라도 연소 효율에 따라 C O2 배출량은 큰 차이를 나타내

고 있다.( 6 )

○ C O2 배출량 억제 또는 효율 및 투자 측면에서 볼 때 천연가스

는 현 시점에서 선택할 수 있는 가장 청정한 에너지로 평가된

제2장 석탄 사용에 따른 환경 문제 9

<표 2-1> CO2 배출량 비교( 6 )

F u e l C o m b u s t i o n Power Generation

C a r b o n

(㎏/ G J )

C O2

(㎏/GJ)

C o m p a r a t i v e

( % )

C O2

(㎏/㎿h )

E f f .

( % )

C o m p a r a t i v e

( % )

L i g n i t e

C o a l

O i l ( c r u d e )

O i l ( H e a v y )

Natural Gas

2 6 . 2

2 4 . 5

1 9

2 0

1 3 . 8

9 6

9 0

7 0

7 4

5 1

1 0 8

1 0 0

7 8

8 2

5 6

9 3 5

8 2 9

7 1 8

7 1 6

7 5 3

5 0 7

4 0 5

3 7

3 9

4 5

3 9

3 9

4 0

5 0

1 1 3

1 0 0

8 7

8 7

9 1

6 1

4 9

다. 장기적으로 볼 때 발전 연료로 사용될 화석연료의 선택 조

건은 각 국의 에너지 수요와 안정적인 성장과 환경에 미치는

영향이 주요 고려 사항이 될 것이며, 지구 전체적으로 볼 때

연료의 수요/공급에 크게 좌우될 것으로 예측된다. 환경 영향

을 줄이고 C O2 억제를 위해서 단기적으로 천연가스 발전소에

투자할 수도 있겠으나, 이는 임시방편에 불과하고 매장량을 고

려할 때 장기적으로 석탄 발전소에 의존하게 될 것이다. 현 시

점에서 볼 때 화석연료 사용에 따른 이산화탄소를 줄이는 가

장 효율적이고 비용이 적게 드는 방법은 발전소, 수송부문 및

유틸리티 최종 수요 측면에서 에너지 발생 및 이용 효율을 극

대화 시키는 방법이다. 따라서 보다 진보된 청정석탄 이용 기

술인 석탄 가스화 복합발전(IGCC) 기술은 이러한 요구를 충

족시킬 수 있는 대안으로 제시될 수 있는 차세대 청정 발전

기술이라 할 수 있다.

2. 청정석탄연소기술

가. 미분탄연료연소

○ 미분탄 연료(pf) 연소는 발전소에서 가장 널리 사용되고 있는

기술로서, 석탄을 미쇄한 분말로 분쇄하고 연소용 공기와 함께

주입하여 대형 보일러에서 연소한다. 보일러에서 석탄에 함유

된 대부분의 탄소 성분은 연소하고 발생한 열은 고압 증기를

1 0 석탄 가스화에 의한 청정 발전 및 수소생산 복합 기술

발생하여 터보 발전기를 구동, 전력을 생산한다. 대기 중의 공

해 물질을 억제하기 위한 법의 출현은 미분탄 연소시와 연도

가스 중에 함유된 다량의 S O2 및 N Ox를 제거하기 위한 기술

개발을 자극하게 되었다. 현대적인 설계 경향은 단일 대형 보

일러에 여러 가지 터보발전기를 연결하고 이에 필요한 증기를

공급하게 되며, <그림 2 - 1 >에서 보여주는 바와 같이 대기로 배

출되는 연도 가스 중의 S Ox 등과 같은 공해 물질을 제거하기

위하여 배연탈황설비( F G D )를 설치하고 있다.

나. 분진제거기술

○ 대규모 석탄 연소 발전소에서는 분진 제거를 위해서 주로 두

가지 방법으로 석탄 연소시에 발생하는 분진을 제거하고 있다.

즉, 전기집진기(EP) 및 부직포 또는 백 필터(bag filter)를 사

제2장 석탄 사용에 따른 환경 문제 1 1

<그림 2-1> 배연탈황 장치( F G D )를 설치한 석탄 발전소

자료：Clean Coal Technology, DTI, IEA

용하고 있다. 소규모 연소 장치에서는 사이클론 필터를 사용하

기도 한다. 유황 함량이 1% 이하인 석탄에서 전기 집진장치를

사용하는 것은 집진효과가 떨어지나, EP를 설치하는 것은 백

필터보다 설치비용이나 운전비용이 적다. 소규모 연소 장치에

서는 사이클론 필터를 사용하는 것이 바람직하다.

○ 전기집진기( E P )는 대형 보일러에서 가장 많이 사용되는 집진

장치로서 집진 효율은 약 99.5% 또는 그 이상이며, 현재 시행

되고 있는 모든 공해 분진 배출 규격에 맞는 장치라 할 수 있

다. 전기 집진기에서 먼지 입자는 전기장에 의해 전하를 띠게

되고 입자는 하부의 회수판에 모이게 된다. 회수판을 주기적으

로 진동하여 먼지입자를 배출 호퍼에서 회수한다.

○ 전기집진기 대신 직포를 사용한 백 필터를 이용하기도 하며,

이 시스템은 회분의 특성에 덜 민감하고 보다 융통성이 있으

며 설계 집진 효율은 99.5% 이상이다. 백 필터는 큰 표면적을

갖는 기공성 직포로 구성되어 있으며 가스 중의 먼지를 제거

한다. 백 필터에 의해 포집된 먼지는 역방향으로 주기적으로

공기를 사용하여 충격을 가함으로서 분진을 제거하고, 하부에

설치된 호퍼에 포집해서 회수한다.

다. 배연탈황( Flue Gas Desulphurisation)

○ 유황분을 함유한 석탄 연소에서 S O2 제거 가능한 방법은 아래

와 같이 세가지가 있다.


① 석탄 중에 함유된 유황 성분을 석탄 연소 이전에 제거하는

방법

② 회분 중에 함유된 유황 성분을 농축하도록 연소 또는 전환

공정을 설계하여 S O2 배출을 줄이는 방법.

③ S O2를 대기중에 배출하기 이전에 연소 가스 중에서 제거

하는 배연 탈황(FGD) 방법

배연 탈황법은 재생 공정과 비재생 공정이 있으며, 두 방법 모두

화학용액을 사용하여 연도 가스중의 S O2를 흡수한다.

○ 재생공정(regenerable process)에서는 S O2, 황산 또는 원소 상태

유황이 재생 과정에서 배출되며, 흡수용액을 재사용한다. 비재

생공정(non-regenerable process)에서는 S O2가 흡수용액과 반응

하여 새로운 화합물을 형성하게 된다. 흡수 용액이 유황 성분


<그림 2-2> 600㎿급 발전소( F G D )흡수탑

으로 포화 상태가 되면, 용액을 교체해야 된다. 두 가지 공정

모두 연도 가스 중의 유황 분을 9 0 %까지 제거하는 것이 가능

하나, 재생공정의 경우 공정이 복잡하고 설치비용이 더 많이

소요된다. 1991년 이후 대부분의 석탄 발전소 배연 탈황 공정

은 비재생 공정으로서, 습식(wet scrubber) 공정을 채택하고

있다. 습식공정은 생석회 또는 석회석을 물과 혼합하여 만든

흡수제를 연도 가스와 접촉시켜서 유황 성분을 제거한다. 잔유

물로서는 황산칼슘(calcium sulphate) 및 아황산칼슘( c a l c i u m

s u l p h a t e )의 젖은 부산물이 생성된다. 이를 건조하거나 완전히

산화시키면 석고가 생성되며 공업용으로 사용된다. 습식 공정

은 기술의 신뢰성이 매우 높다.

라. 질소산화물( N Ox)의제거

○ 어떠한 화석 연료의 연소에 있어서도 질소 산화물( N Ox)이 생

성된다. 모든 국가에서 자동차에 의한 도로 수송이 질소 산화

물 배출의 주요 생성 원인이 되고 있다. 그러나 각 공해 배출

원의 규모는 적은 반면, 그 수량은 막대한 양에 달한다. 따라

서 N Ox의 배출 억제를 위해서는 발전소와 같이 소수의 대규

모 발생원을 대상으로 하는 것이 바람직한 접근이라 하겠다.

많은 국가들은 발전소에서 N Ox 배출 억제를 위한 규정을 강

화하고 있다. 이 같은 배출물 억제를 위한 조치는 추가적인 연

소 설비의 설계 변경에 의해서 가능하며, 연도가스 중의 N Ox

생성을 9 0 %까지 줄일 수 있다.


가) 연소로 개조(Combustion Modifications)

○ 석탄 연소 과정에서 N Ox의 생성은 산소의 공급량, 연소 온도,

석탄 중에 함유된 질소 성분과 휘발분의 비율에 의존하게 된

다. 석탄의 연소 조건을 변경함으로서 N Ox의 생성을 보다 줄

일 수 있으며, 연소로의 산소 공급량을 줄이거나 국부 온도를

줄이는 방법, 즉 석탄을 고온 영역에 보다 짧은 시간 체류하게

하는 두 가지 방법에 의해 가능하다. 연소로 설계 변경은 연소

로 내에서 공기와 연료를 다른 위치에서 주입함으로서 N Ox의

생성을 최소화할 수 있다. 이 단계적인 연료-공기 주입은 화염

을 기준으로 하거나 또는 저N Ox 버너를 사용하여 연소로의

길이에 따라 여러 위치에서 주입을 시행할 수 있다.

○ 저N Ox 버너는 기존 또는 새로운 석탄 연소장치에 설치할 수

있다. 버너에 처음 투입하는 공기와 연료의 혼합 비율을 조절

함으로서 효율적인 연소를 위한 최소한의 수준에서 화염의 주

요한 부분에서 연소 온도 및 산소 농도를 적절하게 유지할 수

있다. 보다 발전된 저N Ox 버너는 N Ox 함량을 약 5 0 %까지 줄

일 수 있다.

나) 연도가스 처리기술(Flue Gas Treatment)

○ 연소로 내에서 연소 방법에 의해 N Ox를 배출 허용 범위까지

줄이는 데는 한계가 있으므로 연도 가스에서 대기 중으로 배

출되는 N Ox를 배출 허용 한계까지 줄여야 한다. 현재 실용화

되고 있는 기술은 세 가지로서, Selective catalyst reduction


(SCR), Selective non-catalytic reduction (SNCR) 및 S O2/ N Ox

제거를 위한 혼합 공정이다.

○ SCR 공정은 촉매를 사용하여 연도 가스중의 N Ox를 8 0 ~ 9 0 %

까지 줄이고, 공해 물질을 질소와 증기로 변환한다. SNCR 기

술도 연도가스 중에서 N Ox 제거가 가능하나, NOx 제거율이

4 0 ~ 5 0 %로 매우 낮다. SOx 및 N Ox 혼합 공정은 대부분 실험

실 또는 개발 단계에 있어 상업화된 것은 많지 않으며, 이 공

정은 설비가 복잡하고 비용이 많이 든다는 단점이 있으나, 유

황 또는 황산제품 생산을 위한 잠재력이 있어 개발이 적극 추

진되고 있다.

3. 발전소효율증대를위한 진보된기술

가. 미분탄발전소효율증대를위한기술동향

○ 산업 분야의 지속적인 목표는 모든 석탄 발전소의 열효율을

높이는데 집중되어 왔다. 현대적인 발전소들은 초창기의 발전

소에 비해 열효율이 많이 상승하였다. 예를 들면, 구 독일의

경우 1 9 0 0년대에 단위 전력을 생산하는데 소요되는 전력 원단

위는 약 7 5 %까지 떨어졌으며, 이것은 S O2, NO2, 이산화탄소

( C O2) 및 폐열 손실을 줄이는 것에 해당하는 만큼 상승하였

다. <그림 2 - 3 >에서 보여주는 바와 같이 미국의 발전소의 효율


은 계속적으로 상승하여 3 3 %까지 상승하였다. 가장 양호한 발

전소는 효율이 4 0 %까지 접근하고 있다. 대부분 미분탄 보일러

를 사용하며 공해 배출 설비를 갖춘 발전소들은 전체 발전 효

율이 약 3 5 %에 달하고 있다.

나. 발전소효율증대잠재력

○ 이미 확립된 기술을 활용하여 발전 효율을 향상 시키는 것은

공해 배출물을 줄이는데 가장 손쉽고 또한 비용이 가장 적게

드는 방법이나, 증기 사이클로서는 한계가 있다. <그림 2 - 4 >에


<그림 2-3> 미국 발전소 열효율 변화 과정

자료：Clean coal technology, DTI, 1993

서 보는 바와 같이 이상적인 증기 사이클에서 얻을 수 있는

열효율은 약 6 5 %이다. 그러나 터빈에 공급되는 증기는 공급

과정에서 열손실이 일어나고, 또한 공급 배관과 연료가 증기로

전환되는 과정에서도 손실이 발생한다. 또한 추가적인 열손실

이 터빈과 전력 생산 과정에서 일어나며, 전력 생산과 비례하

여 보조 기기들의 운전에 필요한 에너지가 소모된다. 증기는

전력 생산 과정에서 많은 양의 에너지가 전력으로 전환되지

못하고 저급 에너지로서 냉각수에 배출되어야 한다.

○ 덴마크와 일본에서 이룩한 기술 개발은 미분탄 발전소에서 공

해 배출설비를 갖추고 배출 가스를 억제하면서 발전 효율을


<그림 2-4> 발전 시스템의 열효율

자료：Clean Coal Technology, DTI/IEA

4 0 %이상 높이고 있다. 이 같은 효율 상승은 증기, 물의 운전

조건 향상에 기인하며, 또한 재질의 설계 조건을 향상시켰다.

발전된 증기/물 공정의 발전된 개선 사항은 주로 이중 재가열,

증기 압력과 온도 상승, 보일러 공급수와 과열증기 온도 상승

및 응축기 압력 감소 등의 설계 및 운전 조건의 개선을 포함

하고 있다.

○ 이러한 개발은 가스터빈의 설계, 터빈 및 배관 재질의 개선에

의해 이뤄졌으며, 자동제어 시스템도 많이 개선되었다. 발전

된 미분탄 발전 시스템은 S O2, NOx 등을 만족할만한 수준으

로 억제하면서 발전효율이 4 5 %까지 접근할 것으로 기대되고

있다.

다. 열병합발전의선택

○ 비록 진보된 초임계 사이클에 있어서도 증기의 물리적인 특성

상 기존 발전소에서는 불가피한 열손실이 발생하게 된다. 열병

합발전( C H P：combined heat and power) 또는 c o - g e n e r a t i o n

플랜트에서는 <그림 2 - 5 >에서 보여주는 바와 같이 터빈에서

배출되는 저급열을 산업체 또는 지역난방에 이용하는 것이 주

된 원리라 하겠다. 이 방법은 에너지 사용 효율을 높이고 또한

요구되는 열과 전력 생산시에 발생하는 전체적인 공해 배출량

을 줄일 수 있다.

○ 환경적인 이슈는 장기적으로 열병합 발전의 보급을 자극할 것


으로 보이며, 가까운 장래에 경제적이고 정치적인 이슈로 연계

될 전망이다. 이 같은 사업은 과거 또는 현 시점에서 발전소

입지에 관한 국가 정책들에 달려있다. 열병합 발전은 발전소에

인접한 저급열(low-grade heat)을 필요로 하는 가시적인 시장

인 수요처가 존재하여야 한다. 몇 나라에서 열병합 발전이 시

도되었으나, 열원과 수요처간의 거리가 너무 멀어서 취소된 바

있다. 그러나 어떤 국가에서는 강력한 재정적 유인책과 세제

혜택을 줌으로서 열병합 발전의 보급을 자극하고 있다. 전통적

으로 스칸디나비아 국가들이 CHP 및 지역난방을 많이 이용하

고 있다.


<그림 2-5> 증기 추기를 이용한 열병합 발전소

1. 석탄가스화기술(Coal gasific a tion technolog y )

가. 석탄가스화기술개발경위

○ 청정 발전 기술 중에서 가장 중요한 요소 기술은 석탄 가스화

기술로서 그간 수많은 공정이 개발되었으나, 오늘날 상업화된

가스화 공정은 4 ~ 5개에 불과하다. 고온·고압 하에서 운전되

며 보다 높은 전환율과 효율을 실현하고 경제성과 신뢰성이

있는 석탄 가스화 기술 개발을 위해 미국, 영국, 일본, 독일,

네덜란드 등의 일부 선진국에서 많은 연구 개발비를 투입하여

새로운 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 석탄 가스화가 어려

운 이유 중의 하나는 고체인 석탄의 물리·화학적 특성이 매

우 복잡하기 때문이며, 석탄 중에 함유된 회분 역시 가스화 반

응의 장해 요인으로 작용하고 있다.

○ 가스화 기술은 탄소를 포함한 고체 또는 액체 연료를 가스로

전환하는 기술로서 이들 생성가스의 주성분은 수소( H2)와 일

2 1

제3장

석탄 가스화 및 IGCC 발전 기술

산화탄소( C O )이다. 가스화 기술이 이용된 것은 1 0 0년이 넘으

며, 가정용 난방, 조명, 암모니아, 메탄올 등의 화학공업 원료

와 석유 또는 디젤유의 생산 등과 같은 많은 분야에 사용되었

다. 최근 대형 가스터빈의 개발에 힘입어 가스화 기술을 통한

전력 생산에 관심을 갖게 되었다.

○ 가스화의 화학적인 특성은 공급 원료의 부분산화 반응을 수반

하며, 연소 반응과 공급 원료의 산화반응으로 공급물질은 산소

의 결핍 상태에서 열분해 반응이 일어난다. 가스화를 위한 산화

제로는 산소( O2)나 공기 및 증기가 사용된다. 증기는 온도 조절

과 반응 속도 조절 기능을 하게 되며, 반응 과정에서 탄소와 반

응하여 열을 흡수하는 흡열반응을 일으킨다. 산화제로서 순수

한 산소 또는 공기 중 어떤 것을 사용할 지의 여부는 공급 원

료의 반응성( r e a c t i v i t y )에 관련된 많은 인자에 의존하게 된다.

또한 사용되는 가스화 공정의 형태는 생성 가스가 사용되는 용

도에 따라 달라지고 경제성에도 많은 영향을 미치게 된다.

○ 석탄 가스화 기술은 2 0 0년 전인 1 7 9 2년 영국의 W i l l i a m

M u r d o c k에 의해 발명된 이후 1 8 1 2년 세계 최초로 런던에 C o a l

Gas Company가 설립되어 석탄가스가 가로등과 가정, 상업 등

의 연료로 사용되었다. 미국은 1 8 1 6년에 B a l t i m o r e에서 처음으

로 석탄가스 생산을 개시한 바 있고 1 9 3 0년에는 1 1 , 0 0 0개의

Producer gasifier가 가동된 바 있다.

○ 근대적인 석탄 가스화 장치는 석탄 매장이 풍부한 독일에서

본격적으로 개발 되었으며, 1920년 이후 상업화된 Winkler 유


동층 가스화 장치, 1936년경에 상업화된 Lurgi 고정층 가스화

장치 및 1 9 4 8년경에 상업화된 Koppers-Totzek(K-T) 분류상

공정이 보급되었다. 이들이 제1세대 가스화 장치의 대표적인

공정이라 할 수 있다. 제1세대 가스화 장치는 Lurgi 가스화 장

치를 제외하고 대부분 상압에서 운전되었으며, 이들은 실용화

된지가 오래 되었으나 기술적인 면과 더불어 경제적인 측면에

서 아직 개발의 여지를 안고 있다. 특히 제1세대 가스화 기술

의 개발은 L i n d e - F r a n k l의 산소 분리 공정 개발에 많은 영향

을 입은 바 있다.

○ 1 9 5 0 ~ 1 9 6 0년대에는 미국 등 세계 여러 곳에서 저렴한 천연가

스가 발견되고 또한 중동지역에서 많은 양의 석유가 발견됨으

로서 미국과 유럽에서는 석탄가스 개발이 일시 퇴조하기 시작

하였다. 그러나 천연가스나 석유자원이 없는 지역과 또한 석탄

매장량이 풍부한 유럽지역, 인도, 남아프리카 등 일부 지역에

서는 석탄 가스화 플랜트를 계속 개발하여 건설한 바 있다.

1 9 7 3년 제1차 석유 파동 이후 석탄 가스화 기술에 관한 관심

이 미국을 비롯한 일부 선진국에서 다시 고조되기 시작하였으

며, 제1세대 석탄가스화 기술을 보완한 제2세대 기술인

Texaco, Destec, Shell, British Gas/Lurgi Slagger, High Temp.

Winkler 공정이 파일럿 플랜트와 대형 시범플랜트 개발을 통

하여 상업화되어 보급되었다.

○ 지난 수십 년간 석탄 가스화의 중요한 응용은 석유화학분야에

서 활발하게 이뤄졌으며, 고체 또는 액체 탄화수소 원료를 합

제3장 석탄 가스화 및 IGCC 발전 기술 2 3

성가스로 전환하여, 메탄올, 암모니아 및 수소를 생산하였다.

또한 생산된 수소를 정유공장에서 석유의 탈황(HDS) 또는 촉

매 열분해( h y d r o c r a c k i n g )에 사용하고 있다. 기타 특별한 가스

화 활용 분야는 석탄으로 자동차 연료 및 합성 천연가스

( S N G )를 생산하여 천연가스와 함께 사용하는 것을 들 수 있

다. 최근 대형 가스터빈과 연계된 IGCC 발전기술이 일부 선진

국에서 상업화 단계에 와 있어 석탄 가스화 복합발전( I G C C )

은 고효율을 추구하는 미래형 발전기술로서 환경문제와 지구

온난화 가스를 완화하기 위한 청정 석탄 발전 기술로 각광을

받고 있다.

나. 석탄가스화장치

○ 석탄 가스화 장치(coal gasifier)는 석탄 가스화 복합 발전을 위

해 초기에는 고정층(fixed bed) 방식을 채택하였으나, 점차적

으로 유동층(fluidized bed) 방식을 거쳐 현재 분류상 가스화

(Entrained flow) 장치를 목표로 개발되고 있다. 고정층 및 유

동층 가스화 장치는 석탄 종류에 대한 제한성이 있고 반응속

도가 느려서 부하 추종성이 떨어지는 것으로 평가되고 있는

반면, 분류상 가스화 장치는 광범위한 종류의 석탄 사용이 가

능하고 다른 가스화 방식에 비해 대용량의 가스화 장치가 가

능하다. 또한 부하 변동에 따른 적응력이 뛰어난 것으로 평가

되고 있다. 석탄 가스화 기술은 대략 7가지로 분류할 수 있는

데, 고정층 가스화 장치의 경우 dry ash 또는 slag 상태, 유동


층 가스화 장치에서는 dry 또는 agglomerating ash 상태, 분류

상 가스화 장치에서는 dry 또는 slag 및 molten bath gasifier

등으로 구분할 수 있다.

○ 이와 같이 서로 다른 형태의 석탄 가스화 기술은 생성가스의

열량에 따라 저발열량(low btu), 중발열량(medium btu) 및 고

발열량(high btu) 가스로 분류되며, 광범위한 석탄을 원료로

하여 공정의 특성에 따라 필요한 합성가스를 생산하게 된다.

생성된 합성가스의 용도가 발전용 또는 상업용 연료, 화학공업

연료 등으로 그 이용되는 목적에 따라 생성가스의 조성과 열

량이 달라지며, 또한 환경 문제와 관련된 가스 정제 방법도 중

요하다. 석탄 가스화에 의한 합성가스 이용을 위해 석탄 가스

화기의 설계 및 공정 선정을 위해서는 다음과 같은 조건을 구

비해야 하고 면밀히 검토해야한다.

- 석탄 종류에 제한이 적어야 한다.

- 탄소 전환율이 높아야 한다.

- 최종 사용 목적에 따라 C O / H2, CH4 생성량의 조절이 가능

해야 한다.

- 공해 배출물이 적고 환경 대책이 용이해야 한다.

- 고압 가스화가 가능해야 한다.

- 장치가 단순하여 유지 관리가 용이해야 한다.

- 단위 부피당 가스 생산량이 많고 대용량 설계가 가능해야

한다.

- 부하 변동, 장치의 기동 및 정지가 용이해야 한다.


- 기술의 신뢰성과 경제성이 있어야 한다.

○ 특히 석탄 가스화 장치 내에서 가스화 반응 과정은 석탄의 건

조, 열분해, 산화 및 c h a r의 가스화 반응이 병행하여 일어난다.

특히 c h a r의 가스화 반응은 열분해 반응에 비해 매우 느리며,

이 char 가스화 반응이 전체 반응속도를 결정하는 인자가 된

다. char의 반응속도를 크게 하기 위해서는 반응 온도를 높여

야 하나, 온도가 너무 높으면 char 중에 함유된 회분이 용해되

어 반응기 내부를 막히게 하며, 내부 재질과 내화물을 손상시

키게 된다. 따라서 반응 온도와 원료특성 및 반응 조건에 따라

반응기의 형태와 구조가 결정된다.

○ 석탄의 복잡한 물리·화학적인 특성 때문에 석탄 가스화 장치

를 개발하는 과정은 1단계에서 기초적인 석탄 가스화 반응실

험을 수행한 후에 bench scale, PDU 실험을 통한 요소 기술을

터득하는 것이 필수적이다. 2단계는 scale-up, 설계기술 확립을

통한 시범 플랜트(demonstration plant) 건설로 점차 규모를 확

대한다. 또한 가스화 반응기의 구조, 열전달, 재질, 반응 특성,

효율 등의 전체적인 시스템과 연계된 엔지니어링 및 설계상의

결함을 시정하고 설계 기술을 확립하며, 상업화 이전 단계에서

예측되는 문제점을 해결한 후에 점차 상업화 규모의 플랜트

건설을 추진하게 된다.


다. 석탄가스화반응

○ 석탄 가스화 반응은 석탄을 열분해 하여 건류 c h a r를 생성하

고, 생성된 c h a r가 부분산화(partial oxidation), 수성가스 반응

(shift reaction) 등의 고체-기상 반응에 의하여 고체인 석탄이

가스로 전환되는데 최종적으로 석탄이 전부 가스 상태로 전환

된다. 석탄은 이들 반응에 의해 CO, H2, CO2, H2S, COS, H2S로

전환된다. 아래에서 설명될 ( 1 ) ~ ( 9 )식과 같은 반응은 고온의

석탄 가스화 반응기 내에서 연속적이거나 병렬로 일어난다. 이

중 열분해 반응은 3 0 0 ~ 7 0 0℃에서 매우 짧은 시간 내에 일어

나고 반응속도 결정 단계(rate controlling step)인 c h a r의 가스

화 반응을 거치면서, 대부분의 석탄이 가스로 전환되고 적은

양의 타르나 미반응 탄소 및 회분의 형태로 반응기 밖으로 배

출된다.

○ 생성된 c h a r는 산소와 연소 반응으로 가스화에 필요한 반응열

을 공급하고, 연소 반응열의 일부를 사용하여 잔유 c h a r가

C H4, H2, CO, CO2, 및 H2O로 전환된다. 가스화 반응 온도는 가

급적 높을수록 바람직하며, 공정의 특성에 따라 9 0 0℃~ 1 , 7 0 0℃

범위에서 반응한다. 가스화 반응을 고온으로 유지하면, 함유된

회분이 용융되어 clinker 또는 용융 슬래그를 생성하기 때문에

가스화 공정은 slag 처리에 따라 dry ash 또는 slagging 가스화

장치로 구분되며, slag 처리에 관한 연구가 필요하다. 특히

c h a r의 가스화 및 슬래그 용융 상태에 관한 많은 연구가 집중


되고 있다.

- 석탄의 열분해 및 탈휘발화 반응 ：

가열에 의해 생성된 휘발 성분은 탄화수소로 구성된 가스와

tar 등의 복합적인 물질로 구성되며, char는 주로 고정탄소,

회분, 미발생된 휘발분으로 구성된다.

Coal → volatile matters + char …………………… ( 1 )

- 가스화에서 휘발 성분의 분해 및 반응 ：

volatile matter → lower hydrocarbons

( O2, CO2, H2) → (CO, H2, CH4, CO2, H2O ) ……… ( 2 )

- 탄소 및 휘발성분 중의 수소 산화 반응 ：

C + O2 → C O2 ……………………………………… ( 3 )

H2 + 1/2O2 → H2O ………………………………… ( 4 )

- CO, H2O 에 의한 탄소의 가스화 반응 ：

C + CO2 → 2CO …………………………………… ( 5 )

C + H2O → CO + H2 …………………………… ( 6 )

- CO 전환 반응(shift reaction) ：

CO + H2O → C O2 + H2 …………………………… ( 7 )

- 압력 및 온도 변화에 따른 휘발 성분의 수소화 및 탄소의

메탄화 반응 ：

CnHm + H2 → nC H4 ………………………………… ( 8 )

C + 2H2 → C H4……………………………………… ( 9 )


라. 가스화 공정의 형태

○ 현재 세계적으로 다양한 종류의 가스화 공정이 개발되고 있다.

이들의 차이점은 설계 기술, 규모, 경험 및 사용 연료의 종료

에 따라 다르며, 이들을 구분하는 가장 유용한 방법은 유체 흐

름의 형태와 가스화 장치에 공급되는 연료 및 산화제의 사용

방법이라 할 수 있다. 전통적인 고체 연료 보일러는 다음 세

종류로 구분하게 된다. 즉, pf-연소, 유동층 연소 및 grate 연소

로 구분되나, 가스화 기술은 분류상(entrained flow), 유동층

(fluidized bed), 고정층(fixed bed) 가스화 장치로 크게 분류하

고 있다. 유동층 가스화 장치는 유동층 연소기와 유사하고 분

류상 가스화 장치는 p f -연소기와 유사하며, 이들 특징을 <표

3 - 1 >에 나타내었다.

1) 고정층 가스화 장치(Fixed bed gasifier)

○ 고정층 가스화 장치 또는 이동층 가스화 장치에서는 산화제


<표 3-1> 가스화 장치 비교

Entrained flow Fluidised bed Moving bed

Fuel types Solid & liquid S o l i d S o l i d

Fuel size(solid) < 500μm 0 . 5 - 5 m m 5 - 5 0 m m

Fuel residence time 1 - 1 0 s e c 5 - 5 0 s e c 1 5 - 3 0 m i n

Gas outlet temperature 9 0 0 ~ 1 4 0 0℃* 7 0 0 ~ 9 0 0℃ 4 0 0 ~ 5 0 0℃

* 가스화장치를 quench stage로 할 경우 배출가스 온도는 이보다 훨씬 낮은 2 0 0℃ 까지

낮아진다.

자료：Gasification of solid & liquid fuels for power generation, DTI, 1999.

( O2 및 증기)는 가스화기의 하단에 주입된다. 생성된 가스는

고체 연료 공급층을 통해 상부로 배출된다. 고체 연료층은 하

부에서 소모되는 원료만큼 점차 아래로 이동하게 된다. 고정

층 가스화기의 특징은 원료와 생성가스의 흐름이 맞흐름

(countercurrent flow)을 이룬다는 점이며, 생성된 합성가스는

고체층을 통과하면서 투입 원료와 열 교환을 통해 냉각되고

건조와 탈휘발(devolatalization) 현상이 일어난다. 가스화기 내

부의 하부에서는 약 1 , 1 0 0℃에서 상부 5 0 0℃까지 현저한 온도

차가 발생한다. 연료의 가스화 반응 과정에서 탈휘발화

(devolatilization) 현상에 의해 생성되는 합성가스 중에는 많은

량의 타르 성분과 C H4가 함유되어 있다. 생성 가스는 배출 후

에 물로서 세척하여 타르 성분을 제거한다. 따라서 고정층 가

스화기에서는 고온의 생성가스를 별도로 냉각할 필요가 없다.


<표 3-2> 석탄 가스화 플랜트의 합성가스 분석치( 7 )

Gasification process Fixed bed Fluidized bed Entrained bed

Types of Coal Lignite Hard Lignite Hard Lignite Hard

C O2

CO

H2

N2+ A r

C H4

C n H m

H2S / C O S

T o t a l

% V o l .

% V o l .

% V o l .

% V o l .

% V o l .

% V o l .

% V o l .

% V o l .

3 4 . 0

1 3 . 4

3 6 . 2

1 . 2

1 3 . 1

0 . 9

0 . 2

1 0 0 . 0

2 8 . 0

2 2 . 0

3 8 . 7

1 . 0

9 . 0

0 . 4

0 . 9

1 0 0 . 0

1 9 . 0

3 8 . 0

4 0 . 0

1 . 0

2 . 0

-

-

1 0 0 . 0

2 4 . 0

3 1 . 0

4 1 . 0

2 . 0

2 . 0

-

-

1 0 0 . 0

1 1 . 9

5 5 . 9

2 9 . 6

2 . 0

0 . 1

-

0 . 5

1 0 0 . 0

1 0 . 5

5 5 . 0

3 2 . 1

1 . 9

0 . 1

-

0 . 4

1 0 0 . 0

H i

H i

k J / N m3

k c a l / N m3

1 0 , 8 7 5

2 , 6 0 0

1 0 , 4 2 0

2 , 4 9 0

9 , 8 1 0

2 , 3 4 5

9 , 4 5 5

2 , 2 6 0

1 0 , 1 3 0

2 , 4 2 2

1 0 , 4 6 0

2 , 5 0 0

○ 고정층 가스화기는 당초 석탄 원료를 위해 설계되었으나, 석탄

이외 폐기물 등의 다른 고체 연료를 사용할 수도 있다. <그림

3 - 1 >과 <그림 3 - 2 >는 제1세대 및 제2세대 고정층 가스화 장치

인 Lurgi dry-ash gasifier와 BGL slagging gasifier를 보여주고

있다. Lurgi dry-ash gasifier는 1 9 3 6년경에 상업화 플랜트가 건

설되었으며, 세계 최초로 건설된 독일의 Lunen 석탄 가스화

복합발전소에 적용된 바 있다. 그 후 미국 North Dakota의

Great Plains 합성가스 플랜트와 남아프리카 SASOL synfuel

플랜트에 적용되었다.

2) 유동층 가스화 장치(fluidized bed gasifier)

○ 유동층 가스화기는 석탄과 회분이 가스의 흐름과 같이 위로


<그림 3-1> Lurgi dry-ash gasifier <그림 3-2> BGL slagging gasifier

유동하게 된다. 유동층 가스화기에서는 반응 온도 조절을 위해

산화제로 산소보다는 공기를 사용한다. 가스화 장치의 구조는

유동층 연소기와 유사하며, 연료중의 회분이 용융하여 엉켜 붙

지 않아야 하고 연료 입자가 녹으면, 유동층은 응집되어 유동

성을 잃게 된다. 산화제로 쓰이는 공기는 반응 온도를 회분의

용융점 이하로 조절해야 하는데 통상 1 , 0 0 0℃ 이하로 유지한다.

○ 유동층 가스화기의 장점은 광범위한 고체 연료 사용이 가능하

다는 것이며, 목재 또는 가정 폐기물의 사용에도 적합하다. 특

히 유동층 가스화기에서는 회분 농도가 매우 높은 석탄이나

고융점의 회분을 함유한 석탄 연료의 사용이 가능하다. 분류상

가스화기 등에서는 회분을 용융 슬래그로 만들기 위해 많은

에너지 손실이 발생한다. 현재 실용화되고 있는 대표적인 유동


<그림 3-3> High Temp. Winkler 가스화 장치

층 가스화장치로는 <그림 3 - 3 >의 High Temp. Winkler(HTW)

를 포함하여, <그림 3 - 4 >에 나타낸 British Coal Corp.에서 개발

한 MBEL 고압 유동층 가스화 장치와 상압 순환 유동층가스

화기를 통합한 ABGC 복합 발전시스템 등을 들수 있다. 현재

대규모 유동층 가스화기가 운전되는 것은 드물다.

3) 분류상 가스화 장치(Entrained flow gasifier)

○ 분류상 가스화 장치는 미분탄(pf) 또는 분무된 기름을 산화제

인 산소 또는 공기와 병열로 분사하여 가스화 장치 상부 또는

하단부에서 주입한다. 분류상 가스화기의 주요한 특징은

1 , 0 0 0℃이상 1 , 7 0 0℃의 매우 높은 온도에서 운전되고 또한 균일


<그림 3-4> MBEL 가스화 장치와 연계한 ABGC 복합 발전 시스템

한 온도를 유지할 수 있다는 점이다. 가스화 장치내에서 연료

의 체류 시간이 수초 이내로 매우 짧아 대용량의 가스화 장치

가 가능하다는 이점이 있다. 반응기에 주입되는 원료는 미분쇄

하여 균일한 조성을 가져야 하기 때문에 쉽게 분쇄되지 않는

바이오매스 또는 폐기물 원료는 분류상 가스화기에는 적합하

지 않다.

○ 분류상 가스화기에서는 반응 온도가 매우 높기 때문에 석탄에

함유된 회분은 용융 슬래그 형태로 제거된다. 분류상 가스화

장치를 사용해서 정유공장 등에서 액체 석유 연료 및 중질유

의 가스화가 가능하다. 분류상 가스화기는 모든 종류의 석탄

및 석유를 원료로 사용할 수 있어 현재 세계적으로 수많은 가

스화 공정 발전소( G P P：Gasifiction Power Plant)가 가동 중이


<그림 3-5> Prenflo gasifier <그림 3-6> Texaco gasifier with full

heat recovery

거나 건설 중에 있다. 현재 2 0 0 ~ 5 0 0㎿급 상업화 운전 중인 대

표적인 가스화 발전소( G P P )는 Texaco gasifier, Shell gasifier,

Prenflo gasifier 등을 채택한 가스화 복합 발전소 ( I G C C )가 있

으며, 미국, 네덜란드, 스페인, 이탈리아 등지에서 정상 조업

중에 있다. <그림 3 - 5 >와 <그림 3 - 6 >은 Krupp Uhde 및 T e x a c o

사가 개발한 대표적인 분류상 가스화 장치로서, 스페인, 미국,

이탈리아 등지에서 석탄과 중질유의 가스화에 의한 IGCC 발

전소가 가동 중에 있다.

마. 가스화장치의특성과석탄의적합성

○ 석탄 가스화 반응기의 형태에 따라 반응기 내부의 유체 흐름

과 온도 분포, 석탄의 반응기 내 체류시간, 회분 제거 방법 및


<그림 3-7> 석탄 가스화 장치 종류에 따른 석탄의 흐름 및 온도 분포( 7 )

연소 분위기는 각기 다르다. 반응기의 특징과 그 장단점 및 반

응기 내에서 유체의 흐름과 온도 분포, 사용할 석탄의 적합성

평가 기준을 <그림 3-7>, <그림 3 - 8 >에 나타내었다.

1) 고정층 가스화기의 특징

○ 고정층 가스화기(fixed bed gasifier)는 구조가 간단하고 실용화

실적이 많은 안정된 기술이기는 하나, 점결탄을 사용할 수 없

고 타르 등의 액체 부산물이 생성된다는 단점이 있다. Lurgi,

GeGAS, Wellman Galusha 공정 등이 있으며, 다음과 같은 특

징이 있다.

- 증기와 산화제는 석탄에 대해 향류로 흐른다.

- 석탄 입자의 크기는 1/4inch 이상으로 구성된다.


<그림 3-8> 석탄 가스화 반응기 형식과 석탄의 적합성 개념도( 7 )

- Slagging 형태의 가스화기를 제외하고 고체와 회분은 가스

화로에서 제거된다.

- 입구 반응물과 배출가스 온도는 층내를 제외하고 5 3 8℃ 이

하가 된다.

2) 유동층 가스화기(fluidized bed gasifier)의 특징

○ 유동층 가스화 장치는 혼합도가 좋고 균일한 온도 분포를 형

성하며 단위 부피당 처리 용량이 크고 생성 가스의 조성이 균

일하나, 생성 가스의 현열 손실과 탄소 손실이 크다는 단점이

있다. 대표적인 공정으로서는 Winkler, Hygas, Hydrane,

Westinghouse 공정 등이 있으며, 그 특징은 다음과 같다.

- 증기와 산화제는 석탄에 대해서 향류로 흐른다.

- 석탄의 주입과 흐름은 유동화 상태에 맞춰 조절된다.

- 회분은 고체 응집의 형태로 층내를 빠져 나간다.

- 입구 반응물 온도는 5 4 0℃ 이하로 낮다.

- 배출 가스 온도는 8 8 0 ~ 1 , 0 0 0℃로 비교적 낮다.

3) 분류상 가스화기(entrained-flow gasifier)의 특징

○ 석탄 사용 범위가 넓고 처리 용량이 크며 액체 생성물은 없으

나, 열손실 및 탄소 손실이 많고 분쇄기 비용이 크다는 단점이

있다. 대표적인 공정으로는 Kopper-Totzek, Bi-Gas, Texaco,

Shell, CE, Dow공정 등이 있으며, 그 특징은 아래와 같다.


- 증기와 산화제는 석탄에 대해서 병류로 흐른다.

- 석탄 입자는 분말의 형태로 주입된다.

- 회분은 용융 상태로 가스화기에서 제거된다.

- 입구 반응물 온도는 낮다.

- 가스 배출 온도는 회분의 용융온도에 따라 1 , 2 5 0 ~ 1 , 6 0 0℃

범위로 높다.

이들 반응기의 선정과 석탄 종류의 적합성은 상기 <그림 3 - 8 >과

같다.

2. 석탄가스화복합발전(IGCC) 기술

가. IGCC 기술개발배경

○ 석탄 가스화 복합발전( I G C C )기술은 1 9 7 2년 독일의 S t e a g사의

1 7 0㎿, Lurgi 고정층 석탄 가스화 장치에 의한 발전 플랜트가

세계 최초로 건설되어 시험 운전된 것이 효시이다. 이 시험운

전을 통하여 가스화 장치와 가스터빈, 증기터빈을 연결한 복합

발전의 가능성을 실증하였다. 두 차례의 석유파동을 겪으면서

선진 각국은 석탄 가스화 복합발전 기술 개발에 막대한 투자

를 하고 있으며, 특히 이중에서 가장 핵심 기술이라 할 수 있

는 석탄 가스화 기술 개발에 가장 큰 역점을 두고 있고, 많은

시행착오를 거치면서 기술개발을 추진 중에 있으며, 일부 상용


화 단계에 와 있다.

○ 미국의 경우에는 IGCC 발전 기술은 보다 우수한 환경 보전성

이 있는 플랜트 개발에 역점을 두었으나, 유럽에서는 환경 문

제는 물론 탈석유 기술 개발 위주로 연구 개발이 추진되었다.

미국의 Texaco 석탄 가스화 장치가 적용된 Cool Water

P r o j e c t (석탄처리：1,000t/d, 125㎿)의 IGCC 발전소는 발전 효

율을 3 0 %로 설정하고 건설하였으며, IGCC 플랜트의 기술적인

신뢰성이 확인되고, 배기가스 중의 N Ox, SOx 등의 환경 요인

과 C O2를 기존 화력발전소에 비해 획기적으로 줄일 수 있음이

입증되었다. 네덜란드에 Shell 가스화 공정을 적용한

Buggenum, IGCC 발전소 (석탄처리：2,000T/d, 250㎿)는 환경

에 대한 적합성은 물론 대형 발전소를 실현하고 발전 효율을

4 3 %까지 높여, 현재 정상 운전 중에 있다.

○ E C에서 THERMI Program의 일환으로 추진된 독일의 P r e n f l o

석탄 가스화 공정을 사용한 IGCC 발전소(석탄 및 코크스 처

리량：2,600T/D, 300㎿)가 스페인의 P u e r t o l l a n o에 건설되어

1 9 9 7년부터 가동 중에 있다. 이 발전소의 특징은 회분이 4 7 %

인 저질 석탄과 정유공장 부산물인 코크스 혼합 원료를 사용

하여 발전 효율을 4 5 %까지 올렸다는 점이다. 일본의 경우

Sunshine Project로 추진 중인 IGCC 플랜트 개발은 선진 기술

을 추적하고 자국의 독자적인 기술을 확보하기 위한 목적으로

추진되었다. 1990년까지 Nakoso 파일럿 플랜트(석탄처리：

200T/d, 13㎿) 시운전을 위해 막대한 연구 개발비를 투자한


바 있으며, 현재 2 5 0㎿ 급 상업화 규모 IGCC 발전소 건설을

추진 중에 있다. 최근 세계 각국에 건설된 상업화 규모 I G C C

발전소는 대부분 분류상 석탄 가스화 공정(entarained flow

gasification process)을 채택하고 있다.

○ 가스터빈의 경우 이미 확립된 기술이나, GE, Westinghouse,

ABB, Simens 등의 세계 유명 가스터빈 생산업체들이 I G C C

발전용 대형 가스터빈을 개발하고 있다. 석탄 가스는 탈황 정

제 시스템을 거치면서 가스 터빈에 공급됨으로 가스 중에 부

식성 물질 또는 회분 입자가 없도록 정제하고 있다. 가스터빈

날개의 고온 부식으로 인한 로터의 파손 방지를 위해 고온 내

식성 재료를 개발하고, 또한 N Ox 생성을 줄이고, 터빈 연소 온

도를 높이기 위한 고온 재질 개발을 통하여 가스터빈 효율을

획기적으로 개선하고 있다.


<그림 3-9> Buggenum IGCC 발전소 전경

자료：Royal Dutch Shell, Amsterdam Research Centre 제공.

○ 일본의 전력중앙연구소는 저 NOx 연소와 가스터빈 연소 온도

를 1 , 5 0 0℃ 이상의 고온까지 올리기 위한 초고온 합금재료 및

세라믹 터빈 개발을 추진한 바 있다. 미국의 Fluor Daniel사는

가스터빈에 수분 주입에 의한 시스템의 간소화 및 효율 증대

를 위해 HAT(Humid Air Turbine) 사이클을 개발하였다.


<그림 3-10> IGCC 발전용 대형 가스터빈

자료：Royal Dutch Shell Amsterdam Research Centre 제공.

<그림 3-11> Nakoso IGCC 파일럿 플랜트

자료：Clean Coal Technology, DTI, IEA

IGCC 발전의 효율 상승을 위해서는 가스화 공정설비의 고성

능 및 가스터빈의 고효율화가 요구된다. 가스터빈의 고효율화

는 압축기, 연소기, 터빈 등의 각 구성 요소의 성능에 따라 좌

우되며, 근본적으로 터빈 입구 온도 즉, 연소기 출구온도 상승

이 지배적인 영향을 주게 된다.

나. IGCC 발전기술

○ 지난 1 0여년 동안 세계 전력 생산 분야는 대형 가스터빈의 개

발에 의해 많은 변화가 있었다. 가스터빈을 개방사이클( o p e n

cycle gas turbine：OCGT) 또는 폐열 보일러(WHB) 및 증기

터빈(steam turbine)과 연결한 복합사이클(combined cycle gas

t u r b i n e：C C G T )을 운영함으로서 전력생산을 위해 고효율, 청

정발전 및 손쉬운 운전을 이룩할 수 있었다. 가스터빈만을 사

용한 발전 기술의 단점은 천연가스, 경유, LPG 등의 청정연료

만을 가스터빈 연소용 연료로 사용할 수 있다는 점이다. 가스

터빈은 기존 발전소와 같이 고체인 석탄 또는 중질유를 연료

로 사용할 수 없다.

○ 가스화 기술은 전통적인 발전 연료인 석탄 및 중질유를 가스

터빈과 연결해 주는 가교 역할을 하고 있으며, 이 같은 기존

연료들을 연료 가스로 전환하여 공해 물질과 불순물을 정제한

후 가스터빈 발전소에 사용할 수 있게 하였다. 따라서 가스화

기술은 고체 또는 중질유 등의 어떠한 연료라도 가스터빈에


사용할 수 있는 가능성을 제시하였다.

○ 더욱이 생성된 합성가스 연료는 가스터빈에서 연소하기 이전

에 입자, NOx, SOx 제거를 위해 정제 과정을 거치게 되며, 가

스화 발전소( G P P；gasification based power plant) 또는 I G C C

발전소의 공해 배출 농도와 C O2 배출량은 기존 발전소에 비해

현저하게 낮다. 따라서 가스화 복합발전( I G C C )은 천연가스 연

소 발전소의 환경 수준에 접근할 수 있는 유일한 석탄을 원료

로 사용하는 청정 발전기술로 평가되고 있으며, 더욱이 I G C C

발전소는 기존의 석탄 발전소에 비해 효율이 더 높다. <그림

3 - 1 2 >는 IGCC 발전소의 개략 공정도를 보여주고 있다.

○ 청정 석탄 발전 기술로 각광을 받고 있는 IGCC 발전 기술은

가스화 기술과 가스터빈을 연계한 복합발전 기술을 최적 상태

로 조합한 것으로서 가스화 장치의 여러 가지 조건을 조합하


<그림 3-12> IGCC 발전소 개략 공정도

는 형태에 따라 후공정의 정제 및 발전 시스템이 달라지며, 그

주요 구성과 골격은 다음과 같다.

- 석탄 가스화 장치(coal gasifier)

- 가스 정제 및 탈황장치(gas purification and desulfurization

e q u i p m e n t )

- 공기압축기 및 가스터빈 연소장치(air compressor &

c o m b u s t o r )

- 가스터빈 및 발전기(gas turbine expander & generator)

- 폐열회수 보일러( H R S G )

- 증기터빈(steam turbine)

- 공기 분리 장치( A S U )

○ 석탄 가스화 장치로부터 생성된 주성분이 H2와 C O인 합성가

스는 정제된 후 가스터빈에서 연소하여 터빈의 구동을 통해

전력을 생산한다. 가스터빈 배출 가스는 고온 폐열 보일러

( H R S G )에서 고압증기를 생산하여 추가적으로 전력을 생산하

게 되므로 이러한 석탄에 의한 발전 방식을 석탄 가스화 복합

발전( I G C C )이라 한다.

○ 분쇄된 미분탄은 슬러리 또는 미분탄 형태로 가스화기

( g a s i f i e r )에 산소 또는 공기, 증기와 같이 공급된다. 산화제 산

소는 공기분리 시스템( A S U )에서 공급되며, 가스화기에서 반

응온도 약1 , 0 0 0 ~ 1 , 5 0 0℃에서 생성된 합성가스는 약2 0 0℃로 냉

각되고 가스는 물로 세척되어 암모니아, 불순물 등을 제거한

다. 가스 중에 함유된 불순물은 탈황 공정에서 정제되고, 유황


으로 회수된다. 정제된 청정 합성가스( H2, CO)는 가스터빈에

서 연소되어 터빈을 구동하여 전력을 생산한다. 가스터빈에서

배출되는 약5 0 0 ~ 5 5 0℃의 연소 후 배기가스는 폐열보일러

( H R S G )에서 고압 증기를 생성하고 증기터빈을 구동하여 추

가로 전력을 생산한다. 석탄 중의 회분은 공정에 따라 재( a s h )

또는 용융슬래그 형태로 회수된다.

○ 공기분리 시스템( A S U )에서 발생되는 질소( N2)는 가스터빈의

연소기에 공급하여 N Ox 발생을 억제하는데 사용된다. 최근에

가스화 기술에 대한 관심이 고조된 이유 중의 하나는 소형 발

전소에도 적용이 가능하고, 바이오매스 또는 페기물의 가스화

도 가능하기 때문이다. 기존 석탄 발전소는 석탄 이외의 다른

고체 연료는 사용할 수 없었다. 석탄 가스화에 의해 생성된 합

성가스는 기존 발전소 보일러와 c o - f i r i n g이 가능하며, 특히 지

구 온난화 가스인 C O2를 획기적으로 줄일 수 있다. 현재 북미,

또는 유럽에서 석탄, 중질유, 페기물의 가스화에 의한 수많은

가스화 복합 발전소가 운전 중이거나 또는 개발 중에 있다.

○ IGCC 발전에서 산성 가스 정제 및 유황 회수 기술은 탈황 공

정 중에서 가장 복잡한 부분이다. 이 공정에서 비용을 줄이고

또한 효율을 높이기 위한 다양한 회수 매체 및 다양한 장치가

제안되고 있다. 석탄 가스화기에서 생성된 가스 중에는 분진,

산성가스( H2S, COS, CO2), 암모니아, 타르 및 알칼리 금속 화

합물 등의 불순물이 포함되어 있으므로, 이러한 불순물들은 가

스 정제 계통에서 제거해야 한다. 가스 정제 계통은 크게 두


부분으로 나눌 수 있으며, 분진 및 입자물질을 제거하는 집진

장치와 H2S 등을 제거하는 산성가스 처리 장치로 구분할 수

있다. 한편 가스 정제 방법은 고온 가스 정제와 저온 가스 정

제 방법이 있으며, 고온 정제 방법은 아직 개발 단계에 있으므

로 현재 IGCC 플랜트에서는 상업적으로 입증된 저온 습식 가

스 정제법이 사용되고 있다.

○ 집진 장치는 사이클론과 세라믹 필터를 이용한 방법이 주종을

이루고 있으며, 현재 운전 중인 IGCC 플랜트에 채택되고 있

다. 재래식 습식 정제는 wet scrubber를 이용하고 있으나, 효율

의 감소로 세라믹 필터로 전환되고 있는 실정이다. 탈황공정은

저온가스 정제에서는 4 0 ~ 1 5 0℃에서 운전되며, 불순물을 제거

하기 위하여 물 또는 다른 액상 용매를 사용한다. 저온 공정의

장점은 적은 투자비로 산성가스 및 불순물을 낮은 수준까지

제거할 수 있으나, 발생가스 온도를 약4 0℃이하까지 낮춰야

함으로 열교환 장치 등의 투자비가 증가하고, 열손실이 많아

발전소의 효율을 감소시키는 단점이 있다.

○ 반면 고온 가스 정제 공정은 석탄가스의 온도를 5 0 0℃까지 유

지하며, 고정층(fixed bed), 이동층(moving bed), 유동층

(fluidized bed) 등이 있으며, 탈황제로는 칼슘 계통, 철 계통,

동 계통, 아연 계통, 용융염계 등이 있다. 산소를 이용한 I G C C

공정에서 가장 적응성이 높은 기술로는 아연 계통( Z i n c -

Titanate, Zinc-Ferrite)에 의한 이동층 또는 유동층이 유리한

것으로 평가되고 있다.


○ 상업적으로 이용 가능한 공정은 회수 매체와 적용된 공정의

물리·화학적인 특성에 따라 대개 5종류(①화학 흡수(알칼리

화학제품), ②물리적인 흡착( C O2, H2S 용해도가 높은 유기용

매), ③혼합 시스템(알칼리 화학제품과 유기 용매의 혼합물) ,

④고체 흡착제, ⑤유황의 전환 반응(용액과 반응기에 의해 유

황을 회수) )로 분류되고 있다. 산성 가스 제거 및 탈황 관련

주요 상업화 공정을 아래에 열거하였다.

- Chemisorption Processes：

A l k a n o a m i n e s；EA, DEA, DGA(Fluor), DIP(Shell)

Alkaline salt solutions；Carl Still(NH4OH), Catacarb(K2C O3) ,

B e n f i e l d ( K2C O3), Alkazid(amino

a c i d s )

- Physical Absorption Processes：

Selexol(DMEPED), Rectisol (methanol), Fluor(propylene

carbonate), Puriso (N-methyl pyrrollidine)

- Mixed Solvents：

Sulfinol(Sufolane &DIPA), Shell Amiso(methano &DGA),

L u r g i .

- Solid Sorbents：

Zinc oxide, Molecular sieve, Iron oxide, Lime, Activated C,

Zinc ferrite, Solid supported molten salts, in-bed sulfur

c a p t u r e

- Sulfur Conversion：


Claus, Sulfur Redox, Stretford, Thylox

3. IGCC 발전기술의전망

○ 향후 IGCC 발전 플랜트의 규모가 1 9 9 0년 중반이나, 2000년 이

후의 시범 플랜트 규모인 1 0 0 ~ 2 5 0㎿에서 상업화 규모인

5 0 0 ~ 6 0 0㎿수준에 도달하면, 석탄 가스화 장치 효율 증가와 탈

황 기술 및 가스터빈 효율 증가로 전체 시스템 효율이 현재의

4 3 %수준에서 4 7 ~ 5 2 %까지 상승할 것으로 전망된다. 미국

DOE 산하 P&PE 연구소에서 현재 IGCC 요소 기술을 보완하

고 개량하여 2 0 1 0년경에 상업화가 적용될 제3세대 IGCC 발전

기술에 대해 예측한 바에 의하면, 보다 발전된 제3세대 I G C C

기술은 가스화 장치에서의 전환율이 1 0 0 %에 가까운 높은 효

율이 가능할 것으로 전망하였다( 8 ). 또한 가스화 장치, 탈황, 폐

열회수 장치가 보다 저렴할 것으로 예측하고 있다. 석탄가스

중의 분진 및 입자들의 처리에는 건식으로 ceramic filter,

granular bed filter를 선정할 것으로 보며, 탈황 기술은 건식방

법을 적용하여, 운전 온도를 3 0 0 ~ 6 5 0℃ 범위에서 조작하면,

건식은 습식에 비해 2 ~ 3 % ( H H V )의 열효율 향상이 기대되고

있다.

○ 가스터빈은 연소기 및 터빈의 재질 개선을 통하여 연소 온도를

현재의 1 , 2 9 0℃에서 1 , 4 2 7℃까지 상승시킴으로서 현저한 효율


상승을 기대하고 있다. 증기터빈과 폐열회수 시스템인 H R S G

계통은 고, 중, 저압 증기 계통인 triple-pressure, reheat HRSG

시스템을 채택함으로서 2 0 1 0년경에는 현재보다 시설투자비를

약 15% 절감할 것으로 전망하고 있다. 또한 제3세대 IGCC 발


<표 3-3> IGCC 발전소 특성치 비교( 8 )

G e n e r a t i o n F i r s t S e c o n d T h i r d

Time Frame 1 9 8 0 s 1 9 9 0 s 2 0 1 0 s

S y s t e m

Efficiency, %Low to mid 30s Low to mid 40s Low 50s

Turbine Inlet

Temp, (℉)1 , 9 5 0 2 , 3 5 0 ~ 2 , 6 0 0

Steam CycleLow, Single

P r e s s u r e

Dual Pressure

W i t h / r e h e a t

Triple Pressure

W i t h / R e h e a t

G a s i f i e r

Slurry feed

W e t

P a r i c u l a t e

c l e a n u p

Slurry or dry

f e e d , a d v a n c e d

P a r t i c u l a t e

c l e a n u p , d e m o

Dryfeed advanced

P a r t i c u l a t e

c l e a n u p ,

c o m m e r c i a l

D e s u l f u r i z a t i o n w e t dry or wet d r y

IGCC System Present (2nd Gen) Future (3rd Gen)

Turbine Temperature(oF) 2 , 3 5 0 2 , 6 0 0

Gas Turbine Power,MW 1 9 2 . 1 2 7 9 . 5

Steam Turbine, MW 8 5 . 5 1 6 6 . 5

Misc. Power, MW ( 9 . 2 ) ( 9 . 3 )

Auxiliary Power, MW ( 8 . 1 ) ( 1 3 . 1 )

Total Net. Power, MW 2 6 0 . 4 4 2 3 . 6

HHV Net Efficiency,% 4 3 . 9 5 2 . 2

<표 3-4> 제2, 3세대 IGCC 발전소 성능 비교( 8 )

전 플랜트 건설비를 현재보다 약 45% 낮은 $ 1 , 0 5 0 /㎾ 이하로

줄일 수 있을 것으로 예측하고 있다. <표 3-3>, <표 3-4>, <표 3 -

5 >에서 제1, 2, 3세대 IGCC 기술에 대해 비교하였다.

○ 제1세대 IGCC 기술은 1 9 8 4 ~ 1 9 8 9년까지 성능 시험한 1 0 0㎿급

Cool Water 플랜트 수준이며, 제2세대 IGCC 기술은 T e x a c o ,

Shell, Prenflo 등의 가스화 공정으로서 상업화 규모인

3 0 0 ~ 5 0 0㎿급 IGCC 발전 플랜트이다. 제3세대 IGCC 기술은

발전효율이 현재의 4 3 . 9 %에서 5 2 . 2 %로 상승할 것으로 예측되

며, 투자비를 U S $ 1 , 4 0 8 /㎾에서 U S $ 1 , 0 4 9 /㎾로 획기적으로 줄

일 수 있을 것으로 전망하고 있다. 따라서 2 0 1 0년경의 I G C C


<표 3-5> 제2, 3세대 IGCC 발전소 비용 비교( 8 )

S y s t e mPresent

(2nd Gen)

F u t u r e

(3rd Gen)

Total Net. Power, MW 2 6 0 4 2 4

Installed Equip. Cost, $1,000

G a s i f i c a t i o n 9 7 , 3 3 0 1 0 8 , 1 2 4

Gas Turbine 1 6 , 4 7 1 2 0 , 1 2 2

Turbine Compressor 2 5 , 5 8 8 2 7 , 4 1 3

HRSG/Steam Turbine 3 8 , 7 7 0 6 1 , 7 3 7

M i s c . 5 7 , 7 9 8 6 9 , 8 3 4

Engineering, contingencies,

finance cost, startup cost1 2 8 , 0 1 0 1 4 , 4 6 3

Total Capital Requirements 3 6 6 , 5 3 6 4 4 4 , 7 3 6

Total Capital, $/kw 1 , 4 0 8 1 , 0 4 9

Net Operating Cost, $1,000 4 1 , 6 4 4 5 6 , 9 9 2

Cost of Electricity, Constant

Dollars, Mills/kwh5 3 . 9 4 9 . 4

발전 플랜트는 가스화기, 탈황공정, 가스터빈 및 폐열 회수 시

스템, 계측제어 시스템의 획기적인 기술 개발에 의해 보다 경

제적인 발전소가 운영될 것으로 전망된다.

4. 합성가스및 수소생산하이브리드복합발전

가. 청정에너지로서의수소

○ 수소는 우주에 가장 많이 존재하는 원소로서, 수소 연료를 연

소시엔 단지 청정에너지와 수증기만을 생산한다. 에너지 미래

학자들은 에너지 사용 형태의 변화는 바이오매스로부터 점차

석탄, 석유, 천연가스 최종적으로 청정에너지인 수소로 갈 것

으로 예측하고 있다. 화석에너지는 향후 5 0 ~ 1 0 0년 후엔 피크

에 도달하고 화석에너지 가격은 급격히 상승하여 재생에너지

로부터 생산되는 수소는 더욱 경쟁력을 갖게 될 것으로 보며,

장기적으로 수소는 재생에너지(renewable energy)로부터 생산

될 것으로 전망하고 있다.

○ 수소는 석유, 천연가스, 석탄 등의 화석연료의 가스화, 물의 전

기분해에 의해 생산되며, 현재 세계적으로 천연가스 개질

(reforming) 48%, 납타 등의 석유 증기 개질 30%, 석탄의 가

스화 18%, 전기분해 4 %로서 수소 생산의 약 9 6 %가 화석에너

지에 의존하고 있는 실정이다. 더욱이 화석연료에 의해 수소를


생산할 경우엔 다량의 C O2 발생이 불가피하며, 특히 화석연료

에 의한 수소 생산시에 천연가스 보다 탄소 성분이 많은 중질

유, 석탄에서의 C O2 배출량이 2 ~ 4배 높게 나타나고 있다.

○ GHGT-4 및 GHGT-5 보고서에서 논의된 바에 의하면, 수소를

활용한 전력 생산 및 C O2 포획을 위해서는 석탄과 정유공장의

중질 잔사유( V R )의 가스화가 유리한 것으로 평가하고 있다.

미국 캘리포니아에서 여러 곳의 정유공장 잔사유 가스화 프로

젝트가 추진 중이며, 다른 지역에서도 기존 발전소를 가스화

플랜트로 설비 일부의 개조를 추진 중이다. 기존 발전소의 개

조를 통하여 연도가스 중의 C O2 포획을 증대시키고, 동시에

전력 생산량을 늘리며 모든 공해 물질을 포획·저장하여 제로

로 줄일 수 있다.


<그림 3-13> IGCC, 연료전지, 메탄올, SNG 하이브리드 시스템

○ 2 5 0㎿ Tampa IGCC 발전소의 가스화기에서는 습식 저온 탈황

공정을 통과한 합성가스(조성：CO 48.3%, H2 33.8%, CO2

10%, CH4 0 . 2 % )를 가스터빈에 공급하고 있다. 이 경우 합성가

스 생산은 8 2 . 1 %이다. <그림 3 - 1 3 >에서 보여주는 바와 같이 탈

황된 합성가스 중에 함유된 C O는 수성가스 반응기( S h i f t

c o n v e r t e r )에서 촉매 반응에 의해 수소로 전환되며, 메탄올 및

유기용매를 생산하고 또한 합성가스 및 수소는 가스 터빈 및

연료 전지에 공급하여 전력을 생산함으로서 발전효율을 극대

화시키고 C O2는 격리 저장이 가능하다.

○ 향후 이 같은 석탄을 원료로 하는 IGCC 발전 기술과 수소,

SNG, 화학제품 생산을 연계한 하이브리드 시스템의 개발은

미래에 보다 저렴한 석탄 원료를 사용하여 공해를 줄이고, 더

욱이 지구온난화 가스를 획기적으로 줄일 수 있는 전력, 수소,

합성가스 생산 및 화학 공업 연료를 생산할 수 있는 미래 기

술로 각광받을 것으로 전망된다.


5 4 석탄가스화에 의한 청정 발전 및 수소생산 복합기술

○ 본 장에서는 IGCC 발전 및 수소 생산 기술에 대한 기술문헌

분석을 통해 현재의 연구개발 현황 및 기술개발 추이를 다각

적으로 분석하였다.

○ 분석에는 미국의 민간학술정보전문기관인 I S I (Institute for

Scientific Information)에서 구축한 Web of Science D B를 사용

하였다. Web of Science는 과학, 사회과학, 예술 및 인문학 분

야에서 권위 있는 저널 9 , 0 0 0여 종에 대한 학술정보를 제공하

는 D B로서 특히, 개별 논문에 대한 인용 정보를 제공하고 있

어 연구자들은 인용 정보 탐색 기능을 통해 저널 아티클, 특허

혹은 보고서 등 자신의 관심 문헌에 대한 인용 현황을 파악할

수 있어 기술정보의 계량적 분석에 많이 사용되고 있다.

1. IGCC 발전기술정보분석

○ 검색은 첫째, “IGCC" 및“Integrated Gasfication combined

5 5

제4장

IGCC 발전 및 수소 생산 기술 정보 분석

c y c l e "라는 검색어가“C o a l "이라는 검색어와 T S ( T o p i c：제목,

키워드, 초록)에 동시에 포함되는 것, 둘째, 1986년 이후의 문

헌으로 제한하여 수행하였다. 상기의 검색조건을 통해 2 3 0여건

의 문헌이 조사되었다.

가. 년도별추이

○ 연도별 논문건수의 추이를 살펴보면 1 9 8 6년부터 1 9 9 0년의 6년

간은 거의 문헌이 검색되지 않았으며, 1991년부터 문헌이 지속

적으로 발표되고 있는 것으로 분석되었다. <그림 4 - 1 >에서 누

적건수 추이를 보면 1 9 9 1년 이후 논문은 전체적인 경향에서는

완만한 증가추세를 보이고 있으나, 4∼5년 단위의 기간을 두고

추세가 증가와 감소를 반복하고 있는 것을 알 수 있다.


<그림 4-1> 년도별 문헌 건수 추이( I G C C )

○ 이는 <그림 4 - 2 >의 문헌 건수와 원유 가격의 추이를 나타낸

그림에서 보듯이 원유 가격의 변동과 일정 부분 관계가 있는

것을 알 수 있다. 그림에서 보듯이 대체적으로 원유가격이 하

락세에서 증가세로 돌아서면 그 다음해에 문헌의 건수가 대폭

증가하는 것을 알 수 있다. 이는 원유 가격 상승에 따라 보다

저렴한 석탄 이용의 중요성 부각 및 사회적 요구를 반영해 평

소보다 활발한 연구가 진행되기 때문인 것으로 분석된다.

○ <그림 4 - 3 >은 IGCC 기술의 기본 기술이라 할 수 있는 석탄 가

스화(Coal Gasfication) 관련 기술의 문헌 추이를 나타낸 그림

이다. 검색은 I G C C의 검색과 마찬가지로 첫째, “C o a l "이라는

검색어와“Gasification", “Gasifier" 및“G a s i f y i n g "이라는 검색어

가 T S ( T o p i c：제목, 키워드, 초록)에 동시에 포함되는 것, 둘

제4장 IGCC 발전 및 수소 생산 기술 정보 분석 5 7

<그림 4-2> 문헌건수( I G C C ) vs 원유가격 추이 비교

자료：통계청 월간국제통계( 9 )

주주：원유가격은 미국서부텍사스 중질유의 배럴당 가격임.

째, “generation", “power", “e l e c t r i c * "과 같은 검색어를 사용하

여 발전과 관련된 문헌으로 제한하였으며 셋째, 1986년 이후의

문헌으로 제한하여 수행하였다. 상기의 검색조건을 통해 2 , 2 3 0

여건의 문헌이 조사되었다.

○ 문헌추이가 <그림 4 - 1 >에서와 다소 차이는 있지만 유사한 경

향을 보이고 있으며, <그림 4 - 3 >에서 앞의 작은 막대바는 석탄

가스화와 관련된 문헌 2 , 2 3 0여건 중에 포함된 I G C C와 관련 문

헌추이를 나타낸 것이다. 문헌수에서는 증감이 있지만, 석탄

가스화 기술내에서의 비중 측면에서 보면 1 9 9 3년 이후에 낮은

경우 6%, 높은 경우 1 4 %정도를 보이고 있으나 대체적으로

1 0 %내의 비중을 차지하고 있는 것으로 나타나 획기적인 기술

개발이 일어나고 있는 것은 아닌 것으로 분석되었다.


<그림 4-3> 석탄 가스화 관련 문헌 건수 추이

나. 국가별분포

○ 검색 결과를 사용해 국가별 문헌 분포를 살펴보면, 미국이 전

체의 27% 정도를 차지하고 있으며, 일본, 네덜란드, 영국, 핀

란드의 순으로 그 뒤를 잇고 있다. 상위 3개국의 문헌 수는 전

체 논문수의 55% 정도, 상위 7개국의 문헌 수는 전체 논문수

의 8 0 %를 넘을 정도로 이 분야 연구의 경우 기술개발 주도국

과 그 외의 나라사이에 기술 격차가 상당히 있음을 알 수 있

다. 한국의 경우 총 1 1편의 논문을 발표해 논문 순위로는 7위

에 랭크되어 있지만, 1위국인 미국의 6 3편에 비하면 상당한 차

이를 보이고 있다.

다. 기관/저자별추이

○ <표 4 - 1 >은 저자의 소속기관 분석을 통해 3편 이상의 논문을


<그림 4-4> 문헌의 국가별 분포( I G C C )

발표한 3 0개 기관들을 순위별로 나타낸 표이다. <표 4 - 1 >을 보

면 국가별 분포와는 달리 1∼2위 기관이 미국의 기관이 아니

라 일본의 전력중앙연구소(CRIEPI) 및 스페인의 C S I C로 나타

났다. 일본과 스페인은 이외에도 각각 6개 및 2개의 기관이 상

위 3 0개 기관에 랭크되어 있다. 특히, 국가별 순위 2위인 일본

은 1위인 미국보다 1개 기관이 많은 7개의 기관이 1 5위 안에

포진하고 있어, 다수의 기관에서 다양한 연구가 이루어지고 있

으며, 미국과 함께 이 분야의 기술개발을 선도하고 있음을 단

적으로 알 수 있다. 한국은 3편의 문헌을 발표한 아주대학교가


<표 4-1> 소속기관별 문헌게재 랭킹( I G C C )

순위 기 관 명 건수순위 기 관 명 건수

1 C R I E P I (일본) 1 2 1 5 Air Prod & Chem Inc(미국) 3

2 C S I C (스페인) 8 1 5 Ajou Univ(한국) 3

3 Seikei Univ(일본) 7 1 5 Brithish Coal Corp(영국) 3

3 US DOE(미국) 7 1 5 Carbona Corp(핀란드) 3

5 Environpower Inc(핀란드) 6 1 5 Cranfield Univ(영국) 3

5 I G T (미국) 6 1 5 C S I R O (호주) 3

5 E P R I (미국) 6 1 5Ishikawajima Harima Heavy Ind Co

Ltd (일본)3

8 R T I (미국) 5 1 5 Mitsubishi Heavy Ind Co Ltd(일본) 3

9 Carnegie Mellon Univ(미국) 4 1 5 New Energy & Ind Dev Org(일본) 3

9 Elcogas SA(스페인) 4 1 5 Politecn Milan(이태리) 3

9Netherlands Energy Res FDN

(네덜란드)4 1 5 Tech Res Ctr Finlnad(핀란드) 3

9 Tohoku Univ(일본) 4 1 5 Univ ESSEN GESAMTHSCH(독일) 3

9 Univ Leeds(영국) 4 1 5 Univ Murcia(스페인) 3

9 Univ Utrecht(네덜란드) 4 1 5 Univ Tokyo(일본) 3

1 5 ABO AKAD UNIV(핀란드) 3 1 5 Univ Ulster(북아일랜드) 3

유일하게 공동 1 5위에 랭크되어 있으며, 이외에 충남대학교가

2편, 전력연구원, 한국에너지기술연구원 등이 1편씩의 논문을

발표한 것으로 조사되었다.

라. 주제분야분포

○ Web of Science에서 제공하는 주제 분야는 범위가 다소 광범

위하여 유의한 결과를 도출하기는 어렵지만, 개략적인 분야별

연구 현황을 파악하기 위해 분석하였다. <그림 4 - 5 >를 보면 당

연한 결과이겠지만, “에너지 및 연료”및“화학공학”관련 문

헌이 각 25.0% 및 2 2 . 5 %로 가장 높은 비중을 차지하고 있으

며, 다음으로 기계공학(8.5%), 열역학(8.5%), 기계학( 6 . 0 % )의

순으로 나타났다. 관련 유해물질 처리를 위한 환경 분야는 예

상보다 적은 4 . 7 %정도로 나타났다.


<그림 4-5> 주제 분야별 분포( I G C C )

마. 주제어(Keyword) 분석

○ <표 3 - 2 >는“석탄 가스화”관련 문헌의 주제어(저자 주제어

및 Web of Science 제공 주제어)에 대한 검색기간( 1 9 8 5년∼

2 0 0 5년) 전체 및 5년 단위로 그룹핑하여 3 0위까지의 주제어를

순위별로 나타낸 표이다. 주제어를 5년 단위로 그룹핑하여 살

펴봄으로서 연구주제의 변화를 살펴보고자 하였으나 분석결과

유의한 사항을 찾을 수 없었다. 다만 표를 통해 열분해

( p y r o l y s i s )의 경우 전체 5위, 9위 → 5위 → 4위, 생체연료

( b i o m a s s )의 경우 전체 1 3위, 순위에 없음 → 1 8위 → 7위로

나타나 관련 기술의 중요도가 점점 높아지고 있음을 알 수 있

었으며, 촉매 관련(catalysis, catalysts) 주제어의 경우 1 9 8 5년∼

1 9 9 0년대에만 주제어 랭킹에 포함되고 전체 및 그 이후에는

랭킹에 없어 그 중요도가 상대적으로 덜해지고 있는 것으로

나타났다. 한편 IGCC 관련 주제어는 전체로는 3 5위, 29위 →

3 7위 → 3 7위로 나타났다.



<표 4-2> 주제어의 순위 변화( 1 9 8 5∼2 0 0 5 )

순위 전체 건수 2 0 0 5 - 2 0 0 1 건수 2 0 0 0 - 1 9 9 6 건수 1 9 9 5 - 1 9 9 1 건수

1 g a s i f i c a t i o n 5 8 4 g a s i f i c a t i o n 2 6 2 g a s i f i c a t i o n 1 8 4 g a s i f i c a t i o n 1 3 8

2 c o a l 3 4 0 c o a l 1 6 1 c o a l 1 0 5 c o a l 7 4

3 c o m b u s t i o n 2 5 1 c o m b u s t i o n 1 2 9 c o m b u s t i o n 8 8 k i n e t i c s 6 6

4 k i n e t i c s 2 1 3 p y r o l y s i s 1 0 4 k i n e t i c s 6 7 r e a c t i v i t y 4 3

5 p y r o l y s i s 2 0 0 k i n e t i c s 8 0 p y r o l y s i s 6 2 c a r b o n 3 9

6 r e a c t i v i t y 1 5 0 r e a c t i v i t y 6 4 c h a r 5 4 c h a r 3 8

7 c h a r 1 3 8 b i o m a s s 5 2 coal gasification 5 2 coal gasification 3 6

8 coal gasification 1 3 2 c h a r 4 6 r e a c t i v i t y 4 3 c o m b u s t i o n 3 4

9 c a r b o n 1 2 5 c a r b o n 4 4 c a r b o n 4 2 p y r o l y s i s 3 4

1 0 o x i d a t i o n 9 5 coal gasification 4 4 o x i d a t i o n 3 6s t e a m

g a s i f i c a t i o n3 0

1 1s t e a m

g a s i f i c a t i o n8 8 b e h a v i o r 3 8

s t e a mg a s i f i c a t i o n

3 2 o x i d a t i o n 2 9

1 2 C O2 8 0 C O2 3 4 m o d e l 2 6 C O2 2 5

1 3 b i o m a s s 7 9 t e m p e r a t u r e 3 3 t e m p e r a t u r e 2 6 char gasification 2 2

1 4 coal char 7 3 m o d e l 3 2 r e d u c t i o n 2 5 coal char 2 2

1 5 t e m p e r a t u r e 7 2 c a r b o n - d i o x i d e 3 0 e v o l u t i o n 2 3 g r a p h i t e 2 2

1 6 b e h a v i o r 6 9 coal char 3 0 n i t r i c - o x i d e 2 3 c a l c i u m 2 1

1 7 char gasification 6 9 o x i d a t i o n 3 0 b e h a v i o r 2 2 brown coal 2 0

1 8 m o d e l 6 9 o x y g e n 2 9 b i o m a s s 2 1 o x y g e n 1 8

1 9 o x y g e n 6 5 char gasification 2 7 C O2 2 1 a d s o r p t i o n 1 7

2 0 r e d u c t i o n 6 3 f l u i d i z e d - b e d 2 7 coal char 2 1 c a t a l y s i s 1 6

2 1 g r a p h i t e 5 5 r e a c t o r 2 6 char gasification 2 0 m e c h a n i s m 1 6

2 2 s t e a m 5 4 r e d u c t i o n 2 6 s t e a m 1 9 c a t a l y s t s 1 4

2 3 c a l c i u m 5 3s t e a m

g a s i f i c a t i o n2 6 activated carbon 1 8 d e v o l a t i l i z a t i o n 1 4

2 4 a d s o r p t i o n 5 2 s t e a m 2 4 a d s o r p t i o n 1 8c a r b o n

g a s i f i c a t i o n1 3

2 5 c a r b o n - d i o x i d e 4 9 h y d r o g e n 2 3 o x y g e n 1 8 coal chars 1 3

2 6 d e v o l a t i l i z a t i o n 4 9 m e c h a n i s m 2 3 coal combustion 1 7 s u l f u r 1 3

2 7 activated carbon 4 7 d e v o l a t i l i z a t i o n 2 1 p r e s s u r e 1 7 t e m p e r a t u r e 1 3

2 8 m e c h a n i s m 4 6 g a s i f i e r 2 1 c a l c i u m 1 6 r e d u c t i o n 1 2

2 9 r e a c t o r 4 4 g r a p h i t e 2 0 h y d r o p y r o l y s i s 1 6 m o d e l 1 1

3 0 n i t r i c - o x i d e 4 3 activated carbon 1 9 c h a r s 1 5 m o d e l i n g 1 1

- - - f l u i d i z e d - b e d 1 9 f l u i d i z e d - b e d 1 5 n i c k e l 1 1

- - - g a s 1 9 g a s 1 5 p a r t i c l e s 1 1

- - - r e l e a s e 1 9 p a r t i c l e s 1 5 s t e a m 1 1

- - - - - - - I G C C 1 1

2. 화석연료에의한수소생산기술정보분석

○ 검색은 첫째, 우선 화석연료 관련 검색어“coal", “p e t r o l e u m " ,

“fossil fuel" 등과 수소 가스 관련 검색어“H2", “H - 2 " ,

“hydrogen gas" 등이 T S ( T o p i c：제목, 키워드, 초록)에 동시에

포함되는 것, 둘째, 첫째 조건을 만족하는 결과에서 생산 관련

문헌만으로 제한하기 위하여“production", “producing" 등의 검

색어를 T S ( T o p i c：제목, 키워드, 초록)로 제한하여 검색 후

“waste", “cracking", “bacteria" 등의 검색어를 사용하여 노이즈

를 제거하였다. 상기의 검색조건을 통해 1 9 8 6년 이후에 게재된

3 2 0여건의 문헌이 조사되었다. 하지만, 완벽하게 노이즈를 제거

하기는 어려워 일정 부분 노이즈 문헌이 있을 것으로 추정된다.

가. 년도별추이

○ 연도별 논문건수의 추이를 살펴보면 앞에서 분석한 IGCC 관련

기술과 유사하게 1 9 8 6년부터 1 9 9 0년의 6년간은 거의 문헌이 검

색되지 않았으며, 1991년부터 문헌이 지속적으로 발표되고 있

는 것으로 분석되었다. <그림 4 - 6 >을 살펴보면 1 9 9 1년부터 2 0 0 0

년까지는 1 9 9 2년을 제외하면 큰 증감 없이 문헌이 발표되었음

을 알 수 있으며 그 후 2 0 0 1년부터 문헌의 수가 빠르게 증가하

고 있는 것으로 나타났다. 2005년 문헌 수는 2 0 0 0년 대비 2 . 5배

가 넘는데, 검색 시점이 1 1월 중순임을 감안할 때 실제로는 이

수치보다는 훨씬 높은 증가율을 보일 것으로 추정된다.


나. 국가별분포

○ 검색 결과를 사용해 국가별 문헌 분포를 살펴보면, 미국이 전

체의 약 20% 정도를 차지하고 있으며, 일본(15.4%), 캐나다

(6.4%), 독일(6.4%), 프랑스(6.2%), 영국(3.9%), 네덜란드

( 3 . 9 % )의 순으로 그 뒤를 있고 있다. 수소 생산 기술의 경우

상위 2개국인 미국과 일본이 전체의 35% 정도를 차지하고 있

어 이 분야의 기술을 주도하고 있다고 할 수 있지만, 미국, 일

본을 제외한 상위국들도 3∼6 %대로 크게 차이가 나지 않으며,

기타 국가의 비율도 약 2 5 %에 달해 여러 나라에서 이 분야에

관심을 가지고 연구를 진행 중임을 알 수 있다. 이를 통해 미

래 핵심 기술 중의 하나라고 할 수 있는 청정에너지 생산에


<그림 4-6> 년도별 문헌 건수 추이(수소생산 기술)

많은 나라들이 관심을 기울이고 있음을 단적으로 알 수 있다.

한국의 경우 총 6편의 문헌을 발표해 논문 건수로는 1 4위에

랭크되어 있으며, IGCC 기술 분야와 마찬가지로 1위국인 미국

의 7 0편에 비하면 상당한 차이를 보이고 있다.

다. 기관별추이

○ <표 4 - 3 >은 저자의 소속기관 분석을 통해 3편 이상의 논문을

발표한 2 5개 기관들을 순위별로 나타낸 표이다. <표 4 - 3 >을 보

면 공교롭게도 앞에서 분석한 IGCC 기술 분야와 마찬가지로

국가별 분포와는 달리 1위 기관이 국가별 순위 1위인 미국의

기관이 아니라 일본의“Tokyo Inst Technology”및 러시아의

“Russian Acad Sci”로 나타났다. 미국의 경우 상위 2 5개 기관

에 1개 기관만이 포함되어 있는 것은 특이할 만하다. <표 4 - 3 >


<그림 4-7> 국가별 분포(수소생산 기술)

주：괄호안의 숫자는 문헌 건수

에 나타난 기관 분포를 보면 1위 기관과 1 2위 기관 사이에 큰

격차가 있지 않으며, 2편을 발표한 2 6위 기관까지가 6 6개 기관

이나 되어 이를 통해 현재 수소 생산 관련 연구가 여러 나라

의 여러 기관에서 이루어지고 있음을 짐작할 수 있으며, 주도

적으로 연구를 주도하고 있는 기관은 아직은 없는 것으로 추

정된다.


<표 4-3> 기관별 순위(수소생산 기술)

순위 기 관 명 건수순위 기관명 건수

1 Tokyo Inst Technol(일본) 7 1 2INST RECH CATALYSE

(프랑스)3

2 R A S (러시아) 7 1 2 J A E R I (일본) 3

4 C S I C (스페인) 6 1 2 KFA Julich GmbH(독일) 3

5 C A S (중국) 5 1 2King Fahd Univ Petr &

Minerals (사우디아라비아)3

5 Ctr Coal Utilizat(일본) 5 1 2 Kyushu Univ(일본) 3

5 N I A I S T (일본) 5 1 2Natl Inst Resources & Environm

(일본)3

5 Univ Saskatchewan(카나다) 5 1 2Netherlands Energy Res Fdn

(네덜란드)3

9 Gunma Univ(일본) 4 1 2Rhein Westfal TH Aachen

(독일)3

9 Univ Cambridge(영국) 4 1 2SHELL INT PETR

MAATSCHAPPIJ BV(네덜란드)3

9 Univ New S Wales(호주) 4 1 2 Univ Calgary(카나다) 3

1 2 A I S T (일본) 3 1 2 Univ Miami(미국) 3

1 2Commiss European Communities

(네덜란드)3 1 2 Univ Utrecht(네덜란드) 3

1 2Haldor Topsoe Res Labs

(덴마크)3

○ 한국의 경우 한국과학기술원이 2편, 한국과학기술연구원,

POSCO 등이 각 1편의 논문을 발표한 것으로 조사되어 아직

까지는 국내에서의 연구가 활발하게 진행되지는 않고 있는 것

으로 분석된다. 또한, 참고로 관련 문헌 중 가장 인용도가 높

았던 문헌은 1 9 9 2년에 Florida Solar Energy CTR에서 Inst. J.

Hydrogen Energy에 게재하여 그 이후 3 7편의 문헌에 인용된

“How to produce hydrogen from fossil-fuel without CO2

e m i s s o n "이란 문헌인 것으로 조사되었다.


<표 4-4> 주제 분야별 분포(수소생산 기술)

주 제 분 야 건수 비율

Energy & Fuels 1 4 6 4 6 . 1 %

Engineering, Chemical 1 2 8 4 0 . 4 %

Environmental Sciences 4 6 1 4 . 5 %

Chemistry, Physical 2 9 9 . 1 %

Physics, Atomic, Molecular & Chemical 2 9 9 . 1 %

T h e r m o d y n a m i c s 2 7 8 . 5 %

Chemistry, Applied 2 1 6 . 6 %

Engineering, Petroleum 1 9 6 . 0 %

Physics, Nuclear 1 7 5 . 4 %

M e c h a n i c s 1 6 5 . 0 %

Chemistry, Multidisciplinary 1 4 4 . 4 %

Metallurgy & Metallurgical Engineering 1 2 3 . 8 %

Nuclear Science & Technology 1 2 3 . 8 %

Engineering, Mechanical 1 1 3 . 5 %

Materials Science, Multidisciplinary 1 0 3 . 2 %

기타 1 1 8 1 8 . 0 %

라. 주제분야별분포추이

○ IGCC 기술 분야 정보 분석과 마찬가지로 수소 생산 기술 분

야 정보 분석에서도 개략적인 분야별 연구 현황을 파악하기

위해 주제 분야를 분석하여 보았다. <표 4 - 5 >를 보면 IGCC 기

술 분야와 마찬가지로“에너지 및 연료”및“화학공학”관련

문헌이 각 46.1% 및 4 0 . 4 %로 압도적으로 많은 높은 비중을 차

지하고 있으며, 다음으로 환경과학(14.5%), 물리화학( 9 . 1 % ) ,

원자/분자/화학관련 물리학(9.1%), 열역학( 8 . 5 % )의 순으로 나

타났다. IGCC 기술 분야가 응용 기술에 좀 더 치우쳐 있다면,

수소 생산 기술 분야의 경우는 순수 과학 분야가 상대적으로

좀 더 높은 비중을 차지하고 있는 것으로 나타나 아직까지는

상용화보다는 이론 연구가 주를 이루고 있는 것으로 추정된다.


7 0 석탄가스화에 의한 청정 발전 및 수소생산 복합기술

○ 현재 세계적으로 계획되거나 설계, 건설 또는 시운전 단계에

있는 상업화 가스화 청정 발전소인 IGCC 발전소는 약3 5개에

달한다. 이들 발전소의 규모는 1 0㎿ 보다 적은 규모에서 5 0 0㎿

대용량까지 다양하며, 사용되는 원료 또한 석탄뿐만 아니라 중

질 잔사유, 바이오매스, 하수 슬러지 및 도시 폐기물 등 다양

하다. 특히 IGCC 발전 기술의 개발 보급은 지구 차원의 환경

및 지구 온난화 문제 저감을 위한 대안으로 제시되고 있으며,

또한 고효율 대형 가스 터빈의 개발에 힘입은 바가 크다. 종래

가스터빈 연료로서 경유 및 천연 가스만을 원료로 사용하였으

나, 고체인 석탄뿐만 아니라 다양한 원료를 가스화하여 청정에

너지로 전환하여, 가스터빈에 사용할 수 있게 함으로서 N Ox,

S Ox 등의 환경문제를 줄이고 발전 효율을 향상시키며 더욱이

지구 온난화 가스인 C O2를 획기적으로 줄일 수 있게 하였다.

따라서 가스화 기술은 석탄뿐만 아니라 다양한 고체 및 액체

연료와 가스 터빈을 연계하는 중요한 가교 역할을 하고 있다.

○ 미국, 네덜란드, 스페인 등은 2 5 0 ~ 3 0 0㎿ 규모의 석탄, 석탄-

7 1

제5장

결론 및 건의 사항

코크스 혼합원료를 사용하는 상업화 규모의 IGCC 발전소를

건설하여, 1995년 이후 가동 중에 있으며, 이탈리아에서는 정

유 공장의 고유황 중질 잔사유를 가스로 전화하여, 250~

5 0 0㎿급 IGCC 발전소를 2 0 0 0년부터 정상 가동 중에 있다. 독

일의 경우 도시 폐기물과 석탄 혼합 원료를 원료로 하는 6 0

㎿급 IGCC 플랜트가 1 9 9 9년부터 가동 중에 있다. 따라서 세

계 각국은 다가올 석유 자원의 고갈과 석유 위기에 대비하여

석탄뿐만 아니라 다양한 원료의 가스화 기술을 활용한 청정

발전플랜트인 IGCC 발전 기술 개발에 많은 노력을 기울이고

있다.

○ 향후 1 0 ~ 1 5년 이내에 지구 온난화 문제 해결과 환경규제 강

화로 새로운 석탄 가스화 및 중질유 가스화 IGCC 발전 기술

의 증가는 지속될 것이며, 또한 세계 많은 지역에 새로운 기술

이 확산될 것으로 전망된다. 특히 발전 원료로서 석탄을 많이

사용하고 있는 미국에서 8~16GWe, 중국에서 6 ~ 8 G W e의 석

탄 가스화 발전소가 건설되고 또한 2 0 1 5년까지 EU 국가에서

석탄 이외 중질유에 의한 1 4 G W e의 IGCC 발전소가 건설될 것

으로 D T I는 전망하고 있다.

○ 미국은 석탄 매장량이 약3 , 0 0 0억 톤으로서 향후 2 5 0년을 사용

할 양을 보유하고 있으며, 전력 생산의 약5 0 %이상을 석탄 발

전소에 의존하고 있어 지구 온난화 문제와 환경문제에 대한

심각한 국제적인 압력에 직면하고 있다. 특히 이들 발전소들의

6 8 %이상이 2 0 ~ 3 0년 된 구형 발전소로서 새로운 환경에 대응


하기 위해 많은 시설 투자를 필요로 하고 있다. 그간 청정석탄

기술개발(Clean Coal Technology) 프로그램을 통해 정부와 기

업이 공동으로 연구 개발비 약U S $ 6 0억을 투입한 바 있다.

이 연구 프로그램을 통하여 석탄의 IGCC 발전, 유동층 연소,

탈황, 탈질, 연소, 석탄 처리 기술 등의 많은 설계 자료를 획득

하였으나, 미국정부는 석유, 석탄이라는 단일 화석에너지에 의

존하는 위험에서 탈피하고, 에너지와 환경문제를 해결해야만

하는 새로운 도전에 직면하고 있다.

○ 미국 D O E에서 2 0 1 5년까지 추진하고 있는 Vision 21 프로그램

의 최종목표는 석탄 발전소의 효율을 현재의 3 5 %에서 6 0 %로

향상시키며, 발전 효율은 7 5 %이상, 열병합 발전 효율은 8 5 ~

90%, 환경오염은 무공해 배출, 에너지 이용 효율 증대를 통한

C O2 배출량 저감은 40~50%, 또한 화석연료 연소에 의해 대

기 중에 배출되는 C O2량은 전혀 없으며, 석탄 액화 연료 가격

은 U S $ 2 0 / b b l을 목표로 하고 있다.

○ Vision 21 프로그램의 2 1세기 에너지 플랜트의 핵심 기술은 가

스화 기술로서, 이 기술은 가스화에 의해 생성된 합성가스는

가스터빈에서 연소하여 전력을 생산하는 IGCC 발전 기술과 또

한 연료 전지에 필요한 수소를 생산하고 생성된 합성가스는 화

학 공정의 원료와 산업체의 청정연료 및 간접액화에 의해 수송

연료를 생산할 수 있다. 특히 IGCC 발전소의 효율 향상은 원료

의 다양화뿐만 아니라 IMT 기술을 이용한 산소 분리 공정, 산

화제 대신 C O2를 이용하는 공정, 고온 탈황 기술 등을 통하여

제5장 결론 및 건의 사항 7 3

획기적인 발전효율을 기대하고 있다. 미래형 플랜트의 연료 다

양화를 위해 석탄, 바이오매스, 가연성 페기물의 가스화 연구가

향후 연구 개발의 초점이 되고 있다. 더욱이 석탄에서 생산된

수소를 활용한 고온 연료 전지와 가스터빈과 IGCC 복합 발전

에 의해 전력효율이 혁신적으로 향상될 것으로 전망된다.

○ 국내에서는 한국에너지기술연구원( K I E R )에서 습식석탄 및 중

질유 분류상 가스화 기술을 개발한 바 있다. 또한 도시폐기물

( M S W )의 가스화 연구, 수소 연구 및 다양한 연료전지 기술

개발을 추진하고 있다. 한국전력(주), 고등기술연구원 등에서

도 연료전지, 가스화, 탈황촉매 등을 개발하고 있다. 한국전력

(주)은 3 0 0㎿급 I G C C발전소를 건설하기 위한 타당성 연구를

마친 단계이며, 일부 정유회사는 정유공장에서 생산되는 중질

잔사 유를 가스화하여 IGCC 발전 및 수소를 생산하기 위한

타당성 조사를 수행한 바 있다.

○ 청정 석탄 가스화 기술인 IGCC 발전 기술은 2 1세기의 혁신적

인 기술로 평가됨으로 중장기적으로 환경문제와 지구온난화

문제를 완화하기 위한 국제적인 압력에 대응하기 위하여 지금

부터 많은 준비를 해야 할 것이다. 또한 중장기적으로 신규

IGCC 발전소 건설 및 기존 석탄 발전소의 건설 및 부분 개조

를 추진하고 장기적으로 천연가스 복합 발전을 단계적으로 석

탄 가스화 IGCC 발전소로 전환해야 할 것이다. 미국의 V i s i o n

21 프로그램에서 보여주는 바와 같이 석탄뿐만 아니라 다양한

원료를 투입하여 전력, 합성가스, 수소 및 화학제품 등의 다양


한 제품을 생산하고, 공해 없는 2 1세기형 플랜트를 추진하여야

할 것이다. 이를 위해 국가출연연구소, 기업, 대학 등이 공동연

구와 협력을 통해 핵심기술을 개발하여야 할 것이며, 또한 인

력양성에 많은 노력을 기울여야 할 것이다. 무엇보다 정부의

지속적인 연구 지원이 이뤄져야 할 것이며, 선진국과의 기술

협력을 통해 2 1세기 에너지 형태인 IGCC 발전 기술이 국내에

도입되기 위한 기반을 구축해야 할 것이다.

제5장 결론 및 건의 사항 7 5

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debate, future energy supply, Oil & Gas Journal, 2003.

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석탄 가스화에 의한 청정발전 및 수소생산 복합기술

2 0 0 5년 1 2월 1 5일 인쇄

2 0 0 5년 1 2월 2 0일 발행

발 행 처

서울특별시 동대문구 청량리동 2 0 6 - 9

◯우 1 3 0 - 7 4 2

전화 : 3299-6114

등록: 1991년2월 1 2일 제5 - 2 5 8호

발 행 인

조 영 화

인 쇄 처

이룸출판사

BA534 박태준·배국진

저자소개

박 태 준

•공학박사•전, 한국에너지기술연구원 석좌연구원•현, 한국과학기술정보연구원 전문연구위원

배 국 진

•공학석사•현, 한국과학기술정보연구원 선임연구원

석탄가스화에의한청정...

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