I. 제목
석탄이용 합성석유 제조기술 개발
II. 연구개발의 목적 및 중요성
본 연구의 최종목표는 석탄을 하루 10톤 가스화하여 15배럴/일의 석탄합성석유를 생산할 수 있는 국산 석탄간접액화 통합공정의 개발이다. 핵심 개발기술은 석탄가스화기, 석탄가스 정제기술, 촉매와 반응기를 포함한 액화기술 및 소재기술이다. 핵심기술을 원천 기술화하여 이들 기술을 조합, 15배럴/일 규모의 통합공정을 구성하고 운전하고자 한다. 통합공정의 운전 결과로부터 scale-up 인자를 도출하여 200배럴/일 규모의 파일럿 액화공정의 설계를 계획하고 있다.
우리나라는 전체에너지의 55.9%를 차지하는 석유의 안정적 공급을 위해 일부의 석유를 타연료에서 제조한 합성석유로 대체하는 것이 매우 중요하다. 석탄합성석유는 우리나라 영토에서 하루 수만 배럴의 대규모로 그리고 배럴당 75달라 이하로 경제성 있게 제조할 수 있는 장점이 있다. 석탄합성석유 제조 사업에 대한 수요가 전 세계적으로 급격하게 늘고 있으나, 기술 제공이 가능한 회사의 수는 매우 제한적이고 기술제공을 꺼리고 있어서 기술 도입이 용이하지 않은 상태이다. 따라서 시급하게 석탄액화 국산기술을 확보하면, 외국 회사의 기술제공 불투명성으로부터 벗어나 국내 합성석유 공장을 우리 기술로 건설하여 에너지기술 자립을 이룩하면서 에너지안보를 확보할 수 있을 것이다 특히 국외에서 석탄액화기술의 수요가 급증하면 우리가 개발한 기술을 적용함으로서 에너지플랜트 수출 산업화가 가능하다.
III. 연구개발의 내용 및 범위
연구원 내 4개의 팀이 역할을 분담하여 기술개발을 수행하고 있다. 액화공정 개발팀이 총괄 팀의 역할을 같이 수행한다. 총괄 팀은 통합 공장의 설계 및 건설을 담당한다. 석탄가스화기 개발팀은 석탄 전처리를 포함하여 가스화기 및 고온 가스 처리까지의 가스화 전 공정을 개발한다. 석탄가스 정제기술 개발팀은 먼지 및 황화합물의 정제 공정 개발을 담당한다. 액화공정 개발팀은 액화 촉매의 개발, 촉매 대량 제조 공정 및 반응기 개발을 담당한다. 소재개발 팀은 고온 세라믹 필터의 개발을 담당한다.
총 사업기간은 5년이고 1차년도에는 각 공정 개발 및 통합공정 설계, 2차년도에는 통합공정 건설, 3차년도에는 시운전, 4차년도에는 운전에 의한 scale-up factor를 도출하고, 5차년도에는 파일럿 규모인 200배럴/일급의 액화공정을 설계하도록 계획되어 있다.
1차년도인 금년도에는 15배럴/일급 통합액화공정의 기본 설계를 수행하였다. 각 공정의 필수 장비에 대한 설계를 수행하였고, 공정별 핵심 원천기술을 확보하였다. 설계의 완성도를 향상시키기 위해 기존 1톤/일급 가스화기에 연계하여 0.1배럴/일급의 정제장치 및 액화반응시스템을 설계하여 제작하였다.
IV. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
각 공정별 연구개발 결과는 다음과 같다.
○ 석탄가스화기: 미분탄 시료(200mesh 이하)를 계면활성제를 이용해서 슬러리상태의 CWM(Coal Water Mixture)을 제조하여 가스화 실험(석탄 농도: 63%, 가스온도: 최대 1,550℃ 가스화기 압력: 1기압)을 수행한 결과, 가스화기 내부온도는 1200~1400℃ 범위로 유지되었으며 합성가스 발열량은 1700kcal/Nm³ 수준이었다. O₂/fuel 비율에 따른 합성가스 조성은 산소량 증가에 따라 CO₂ 농도가 증가하였으며, H₂, CO의 농도는 감소하였고, CH₄는 매우 낮은 농도를 보였다. 0.1배럴/일 규모의 합성석유 제조 공정에 고압의 합성가스를 안정적으로 공급하기 위해 기존 가스화기의 내화재 교체, 후랜지 및 스크러버 부식부분과 센서 교체, 가스화기 내부의 개선, 석탄 전처리장비, 버너 및 고온 열교환기 제작을 완료하였다.
국내에서 생산되는 고 알루미나 계열 내화재와 크롬 함유 내화재의 비교특성 시험으로부터 알루미나 계열 내화재가 크롬이 함유된 내화제에 비해 용융 슬랙에 의한 침식이 매우 빠르게 진행됨을 알았으며, Cr₂O₃가 20% 이상 함유된 내화재를 1톤/일급 습식가스화기에 적용하는 것이 적절함을 확인할 수 있었다.
기존의 1톤/일 규모의 습식가스화기 기술을 바탕으로 10톤/일을 처리할 수 있는 가스화기의 scale-up 설계도 수행하였다.
○ 석탄가스 정제 기술: 선행연구로부터 건식의 탈황제를 이용하여 중온에서 석탄가스에 포함된 황화합물을 제거하는 기술을 이미 개발한 바 있다. 이 기술을 이용하여 0.1배럴/일 규모의 합성석유 제조 공정 용도로 10 ㎥/hr의 석탄가스를 정제하는 건식탈황 시스템을 설계하여 제작하였다. 이 장치의 성능 평가를 수행하여 운전 조건을 확립하였다. 15배럴/일 규모의 액화공정 용도로 건식탈황 시스템을 100배 scale-up을 하여 1000 ㎥/hr의 합성가스를 정제하는 장비를 설계하였다.
액화반응용 촉매를 보호하기 위해 석탄가스의 황성분을 ppb 단위로 최소화하고 동시에 CO₂도 제거하기 위해 1000 ㎥/hr의 석탄가스 처리용 습식탈황공정(Rectisol)의 설계도 완료하였다. 15배럴/일 규모의 액화공정에서는 건식탈황과 습식탈황 공정 모두를 평가할 예정이다. 고온고압합성가스 정제용 집진시스템은 전산모사를 통하여 탈진가스 튜브 라인에 구멍 설치 및 일정 규격의 Safety filter 설치 등 최적 설계를 수행하였다.
○ 액화공정 기술: 액화공정 개발 분야에서는 특허분석을 통한 국내고유의 석탄액화용 반응기 및 촉매 개발에 중점을 두고 연구를 진행하였다. 그 결과 고유의 가스분사장치 및 촉매/합성석유 분리장치를 개발하였다. 기존 촉매보다 우수한 KIER benchmark 촉매를 개발하였으며, 고유의 촉매제조법도 확립하였다. 또한 실험실 규모에서 15배럴/일 규모의 석탄액화설비로 scale-up에 따른 기술적 위험성을 최소화하기 위해, 0.01배럴/일 및 0.1배럴/일 규모 석탄액화설비를 설계하였고, 현재 제작 및 기초실험이 완료된 상태이다. 15배럴/일 규모 석탄액화 반응 시스템에 대한 기본설계도 완료하였다. 액화유 upgrading은 Pt가 담지된 산촉매가 왁스 형태의 합성석유를 diesel이나 middle distillate로 전환시키는데 효과적임을 확인하였다.
○ 필터 소재 기술: 필터 소재로 탄화규소질 (SiC)을 선정하였고, 우수한 내구성과 열충격 저항성 및 내식성을 갖는 캔들 필터 형상화를 위한 공정 데이터를 확보하였다. 한쪽 끝단이 막힌 single-ended type 튜브 형상을 단일 공정으로 제작하기 위한 압출성형 금형을 제작해서 60 mm OD × 40 mm ID × 500 mm L급 캔들 필터 성형체를 제조하였고, 이에 대한 원천기술을 확보하였다.
○ 15배럴/일 규모 통합공정 설계: 1일 10톤의 석탄을 분쇄하고 슬러리화 하는 전처리공정, 버너 등을 포함한 가스화기, 석탄가스 급냉 시스템 등 가스화 전 공정의 설계를 완료하였다. 가스화에 의해 발생된 1000 ㎥/hr의 석탄가스에 포함된 분진제거용 필터시스템과 황성분을 분리하는 2종류의 탈황(건식 및 습식) 시스템도 설계하였다. 액화반응기는 반응열을 효과적으로 제거하기 위해 슬러리기포탑 반응기는 철촉매를 사용하여 반응온도 200-250℃에서 왁스를 주로 생산하도록 저온 FT 공정을 기반으로 설계하였다. 반응생성물의 분리, 촉매 분리 및 왁스 저장 탱크 등의 설계가 완료되었다. 통합공정의 설계에는 물질 수지, 파이핑, 주요설비 리스트 등이 포함되어 실제 공정의 건설비용의 산정도 가능한 정도로 완성도가 높다.
2차년도에는 통합공정의 설계를 바탕으로 공정의 건설이 진행될 것이다. 가스화, 정제, 액화 및 소재 등 각 공정의 원천기술 확보 및 공정을 개선하여 완성도를 향상시키는 노력도 지속적으로 수행될 것이다. 특히, 1차년도에 구축된 0.1배럴/일급의 소형 석탄액화통합공정의 운전을 통하여 15배럴/일급 공정의 설계 완성도 향상에 주력하고, 개발된 국산기술의 실증을 수행할 것이다.
활용에 대한 건의: 본 연구의 궁극적인 목적은 국산 석탄액화 파일럿 공정(200배럴/일 규모)의 설계에 있다. 파일럿 공정 기술이 확보되면 한국도 석탄액화기술 보유국이 된다. 개발된 기술은 국내 액화공장 건설에 우선적으로 사용될 것이며, 국외 수요의 일부를 담당하여 에너지 플랜트 수출을 달성하고자 한다. 또한 1단계 연구에서 구축된 15배럴/일급 공정은 국내에서 추진되고 있는 바이오매스(BTL) 및 천연가스(GTL) 합성석유 제조기술 개발에 파일럿 공정 개발 용도로 사용할 수 있다.