가스화

가스화 공정의 첫 번째 주요 단계는 열분해이다. 열분해는 고체 또는 액체 상태의 탄화수소 연료를 고온의 무산소 또는 저산소 환경에 노출시켜 열적으로 분해하는 과정이다. 이 단계에서는 원료에 포함된 휘발성 물질이 기화되어 가스 형태로 빠져나오고, 고체 잔류물인 코크스가 남게 된다.

열분해 단계에서 생성되는 가스는 주로 메탄, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 및 다양한 탄화수소 증기로 구성된다. 이때 생성되는 가스의 조성과 양은 원료의 종류(예: 석탄, 중유, 바이오매스)와 열분해 조건(온도, 가열 속도, 압력)에 크게 의존한다. 열분해는 가스화 공정의 초기 단계로서, 이후 진행되는 산화 및 환원 반응을 위한 준비 단계 역할을 한다.

가스화 공정에서 산화 단계는 열분해 단계에서 생성된 휘발성 물질과 고체 잔류물(숯)이 공급된 산화제와 반응하여 열을 발생시키는 과정이다. 주로 공기나 산소, 수증기가 산화제로 사용된다. 이 반응은 매우 발열 반응으로, 가스화로 내부에 필요한 고온을 유지하고, 환원 단계에 필요한 열에너지를 공급하는 핵심 역할을 한다.

산화 반응의 주요 목적은 열원을 제공하는 것이며, 이 과정에서 일산화탄소와 이산화탄소가 생성된다. 예를 들어, 탄소가 산소와 완전 연소하면 이산화탄소가 생성되며 다량의 열이 방출된다. 불완전 연소 시에는 일산화탄소가 생성된다. 이 단계에서 공급되는 산화제의 양과 종류는 최종 생성 가스의 조성과 공정의 열적 균형에 직접적인 영향을 미친다.

따라서 산화 단계는 가스화 공정이 자체적으로 유지될 수 있도록 필요한 에너지를 공급하는 열원부 역할을 하며, 이후의 환원 반응을 위한 전제 조건을 마련한다. 효율적인 산화 반응 제어는 전체 가스화 공정의 경제성과 안정성을 결정하는 중요한 요소이다.

환원은 가스화 공정의 세 번째 핵심 단계로, 열분해와 산화 단계에서 생성된 중간 생성물들이 추가로 반응하여 최종적인 합성 가스를 생성하는 과정이다. 주로 산화층 상부에서 일어나며, 고온의 일산화탄소와 수소가 주요 생성물이다.

이 단계에서는 산화 단계에서 생성된 이산화탄소와 수증기가 고온의 탄소와 반응한다. 이산화탄소는 탄소와 반응하여 일산화탄소를 생성하는 흡열 반응을 일으키며, 수증기는 탄소와 반응하여 일산화탄소와 수소를 생성하는 수증기 개질 반응을 통해 수소를 공급한다. 이러한 환원 반응들은 전체 공정에서 필요한 에너지를 상당 부분 소모하므로, 반응을 유지하기 위해 충분한 열이 공급되어야 한다.

환원 공정의 효율은 반응 온도, 압력, 연료와 산화제의 접촉 시간, 그리고 사용되는 가스화로의 설계에 크게 의존한다. 높은 온도는 일반적으로 반응 속도를 증가시키고 생성 가스 중 일산화탄소와 수소의 비율을 높이는 데 유리하다. 다양한 형태의 가스화로는 각기 다른 환원 조건을 제공하여 최종 합성 가스의 조성을 제어한다.

이렇게 생성된 합성 가스는 정제 과정을 거쳐 발전용 연료나 화학 공업의 기초 원료로 사용된다. 또한, 추가적인 수소 분리 공정을 통해 수소 생산의 원천이 되기도 한다.

고정층 가스화로는 고체 연료를 고정된 층 위에 쌓아 올린 상태에서 가스화를 진행하는 가장 전통적인 형태의 가스화 장치이다. 연료층은 고정되어 있으며, 가스화제(공기, 산소, 수증기 등)는 연료층을 아래에서 위로 또는 위에서 아래로 통과한다. 이 방식은 구조가 비교적 단순하고 운전이 용이하며, 특히 반응성이 낮은 석탄이나 코크스와 같은 연료에 적합하다.

고정층 가스화로는 가스화제의 주입 방향과 생성 가스의 배출 방향에 따라 상향식과 하향식으로 구분된다. 상향식 가스화로에서는 가스화제가 하부에서 주입되어 연료층을 상승하면서 반응하고, 생성 가스는 상부에서 배출된다. 반면 하향식 가스화로에서는 가스화제와 연료가 반대 방향으로 이동한다. 각 방식은 생성되는 가스의 조성과 온도 분포에 차이를 보인다.

이 가스화로의 주요 단점은 대규모 처리에 한계가 있다는 점이다. 연료층의 두께와 통과하는 가스의 유속에 제약이 있어 처리 용량을 크게 높이기 어렵다. 또한, 연료의 입도가 균일해야 하며, 반응 후 남은 회분의 배출이 연속적으로 이루어지지 않아 운전이 간헐적일 수 있다. 이러한 특성으로 인해 주로 중소 규모의 화학 원료 생산이나 지역적 연료 가스 공급에 활용되었다.

유동층 가스화로는 고체 연료를 유동화된 상태에서 가스화하는 장치이다. 유동층이란 고체 입자층에 기체를 아래에서 위로 불어넣어 입자들이 부유하며 마치 끓는 액체처럼 움직이는 상태를 말한다. 이 방식은 연료와 산화제, 열매체가 균일하게 혼합되어 열전달과 물질전달이 매우 효율적으로 이루어지는 것이 특징이다. 석탄이나 바이오매스와 같은 미분말 연료를 처리하는 데 적합하며, 반응 온도가 비교적 낮고 균일하게 유지되는 장점이 있다.

이 가스화로의 주요 구성 요소는 반응기, 유동화 매체(주로 모래), 그리고 연료 및 산화제 주입 시스템이다. 연료는 미분쇄되어 반응기 하부로 주입되며, 공기나 산소와 같은 산화제도 함께 공급된다. 유동화 매체는 열을 저장하고 분산시켜 반응기를 균일한 온도로 유지하는 역할을 한다. 반응기 내부에서는 열분해, 산화, 환원 반응이 동시에 일어나 수성 가스나 합성가스를 생성한다.

유동층 가스화로는 크게 순산소 유동층과 공기 유동층으로 구분할 수 있다. 순산소를 사용하면 생성 가스 중 질소 함량이 낮아 고품질의 합성가스를 얻을 수 있어 화학 원료 생산에 유리하다. 반면 공기를 사용하면 설비가 간단하고 운전 비용이 저렴하지만, 생성 가스의 발열량이 낮아 발전용 연료로 주로 사용된다. 또한, 순환유동층 방식은 반응기에서 빠져나온 미반응 연료와 매체를 재순환시켜 연료 전환율을 높이는 기술이다.

이 방식은 반응 조건 제어가 용이하고 다양한 등급의 연료를 처리할 수 있어 폐기물 처리와 바이오매스 에너지화 분야에서도 널리 연구되고 있다. 특히 반응 온도가 800~1000°C로 상대적으로 낮아 타르 생성이 고정층 가스화로보다 많을 수 있다는 단점도 있지만, 연속 공정으로 운전이 가능하고 대용량 처리에 적합하다는 장점으로 인해 상업적 규모의 플랜트에 적용되고 있다.

분류층 가스화로는 고체 연료와 가스화제(주로 공기 또는 산소)가 서로 반대 방향으로 이동하며 반응하는 방식의 가스화 장치이다. 이 방식은 고정층 가스화로와 유사하게 연료층이 고정되어 있지만, 연료와 가스화제의 흐름 방향이 다르다는 점이 특징이다. 연료는 가스화로 상부에서 투입되어 중력에 의해 하부로 서서히 이동하고, 가스화제는 하부에서 상부로 흘러 올라가며 연료와 접촉하여 가스화 반응을 일으킨다.

이 공정은 일반적으로 연료의 건조, 열분해, 가스화, 연소의 단계가 가스화로의 높이 방향으로 명확하게 구분되어 진행된다. 하부에서 공급된 가스화제는 먼저 하단의 잔사층을 통과하며 예열되고, 그 후 연소 구역에서 잔류 탄소와 반응하여 고온을 생성한다. 이 고온 가스는 상부로 이동하면서 환원 구역에서 수증기나 이산화탄소와 반응하여 일산화탄소와 수소를 생성하고, 더 상승하면 열분해 구역과 건조 구역을 통과하며 최종적으로 생성가스로 배출된다.

분류층 가스화로의 주요 장점은 열효율이 높고, 생성 가스의 발열량이 비교적 높으며, 운전이 안정적이라는 점이다. 또한 다양한 등급의 석탄이나 코크스를 원료로 사용할 수 있어 적용 범위가 넓다. 그러나 반응 속도가 상대적으로 느리고, 대형화에 한계가 있으며, 생성 가스 중 타르 성분이 많을 수 있다는 단점도 있다. 이 기술은 주로 도시 가스나 합성가스 제조에 역사적으로 널리 사용되어 왔다.

분사층 가스화로는 분말 형태의 원료를 고온의 반응로 내로 직접 분사하여 가스화하는 방식이다. 주로 미분탄이나 바이오매스 분말과 같은 매우 미세한 고체 연료를 처리하는 데 사용된다. 원료는 운반 가스와 함께 고속으로 반응로 하부 또는 측면으로 분사되며, 이 과정에서 급격한 가열과 함께 열분해, 산화, 환원 반응이 매우 빠르게 일어난다. 반응로 내부는 고온의 유동층 상태를 유지하여 원료 입자가 균일하게 반응할 수 있도록 한다.

이 방식의 주요 특징은 반응 속도가 매우 빠르고, 공정이 연속적이며, 대용량 처리가 가능하다는 점이다. 또한 반응 온도가 매우 높아 타르 생성이 적고, 생성된 합성가스의 품질이 우수하다. 그러나 원료를 균일한 미분말 상태로 준비해야 하며, 고온 운전을 위한 내화물 재료와 고효율의 원료 분사 시스템이 필요하다는 점이 기술적 도전 과제로 꼽힌다.

분사층 가스화 공정은 주로 대규모 석탄 가스화 복합발전 플랜트나 바이오매스를 이용한 고급 바이오연료 생산 시설에서 적용된다. 빠른 반응 속도와 높은 탄소 전환율 덕분에 효율적인 수소 생산이나 화학 원료 제조에도 적합한 기술로 평가받는다.

가스화 기술의 주요 장점은 다양한 저급 연료를 고부가가치 에너지원으로 전환할 수 있다는 점이다. 석탄이나 중유 같은 고체 또는 액체 연료뿐만 아니라, 바이오매스나 도시 고형 폐기물과 같은 재생 에너지원이나 폐기물도 가스화 대상이 될 수 있다. 이를 통해 기존에 활용이 어렵거나 환경 부담이 큰 자원을 청정한 연료 가스나 화학 원료로 변환할 수 있어 자원의 효율적 활용을 극대화한다.

또 다른 중요한 장점은 환경 친화성이다. 직접 연소에 비해 가스화 공정을 통해 생성된 합성 가스는 정제 과정을 거쳐 황이나 먼지 같은 오염 물질을 제거할 수 있다. 이렇게 정제된 가스를 가스 터빈이나 내연기관에서 사용하면 대기 오염 물질 배출을 현저히 줄일 수 있다. 특히 석탄을 직접 태우는 것보다 가스화 복합 발전 방식을 통해 발전 효율을 높이고 이산화 탄소 배출을 감소시킬 수 있어 청정 기술로 주목받고 있다.

마지막으로, 생성된 수성 가스나 코크스로 가스는 매우 다목적으로 활용될 수 있는 플랫폼 화학물질이라는 점이다. 이 합성 가스는 발전용 연료로 직접 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 화학 공업에서 메탄올, 암모니아, 합성 연료 등 다양한 화학 제품의 원료로 전환될 수 있다. 또한 추가 공정을 통해 수소를 생산해 수소 경제의 핵심 공급원으로도 기여할 수 있어 에너지 전환 시대에 중요한 기술로 평가받는다.

가스화 기술은 여러 장점에도 불구하고 경제성, 기술적 복잡성, 환경적 문제 등 몇 가지 단점을 가지고 있다. 가장 큰 단점 중 하나는 높은 초기 투자 비용과 운영 비용이다. 가스화로 설비는 고온 고압 조건에서 운전되어야 하며, 내식성과 내열성이 뛰어난 고가의 재료를 사용해야 한다. 또한 공정 제어와 안전 관리에 상당한 기술력과 유지보수 비용이 요구된다.

생성된 합성가스에는 일산화탄소, 황화수소, 암모니아, 타르, 먼지 등 다양한 불순물이 포함되어 있다. 이러한 불순물들은 후속 공정인 가스 정제 과정에서 제거되어야 하며, 이는 추가적인 설비 투자와 에너지 소비를 유발한다. 특히 석탄을 원료로 사용할 경우 황 성분 제거를 위한 탈황 공정이 필수적이며, 이 과정에서 발생하는 황산이나 석고와 같은 부산물 처리도 문제가 될 수 있다.

환경적 측면에서도 완전한 탄소 포집 및 저장 기술이 동반되지 않을 경우 이산화탄소 배출 문제가 있다. 가스화 자체는 직접 연소보다는 청정하지만, 최종적으로 합성가스를 연소하면 온실가스가 배출된다. 또한 공정 중 생성되는 폐수와 고형 폐기물(예: 슬래그)의 처리와 처분도 중요한 환경 관리 과제이다.

마지막으로, 가스화 기술의 경제성은 원료 가격과 전통적인 천연가스 가격에 크게 의존한다. 천연가스 가격이 낮을 경우, 석탄이나 바이오매스를 가스화하여 얻는 합성가스의 경쟁력이 떨어질 수 있다. 이는 시장 변동성에 따른 투자 위험을 증가시키는 요인으로 작용한다.

가스화 기술은 발전 분야에서 화석 연료의 효율적 활용과 신재생에너지 통합을 위한 핵심 기술로 주목받는다. 석탄이나 바이오매스와 같은 고체 연료를 가스터빈이나 연료전지에 직접 사용할 수 있는 합성가스로 전환함으로써, 기존의 직접 연소 방식보다 높은 발전 효율을 달성할 수 있다. 특히 복합화력발전 시스템과 결합할 경우, 가스화 과정에서 생성된 합성가스로 가스터빈을 먼저 구동하고, 그 배기열을 이용해 증기터빈을 추가로 돌리는 방식으로 전체적인 에너지 효율을 극대화할 수 있다.

가스화 발전의 주요 형태는 통합가스화복합발전이다. IGCC는 석탄 가스화 공정, 가스 정제 공정, 그리고 복합화력발전 공정을 하나의 시스템으로 통합한 기술이다. 이 방식은 기존의 석탄 화력발전에 비해 황산화물이나 질소산화물 같은 대기 오염 물질 배출을 현저히 낮출 수 있으며, 이산화탄소 포집 및 저장 기술과의 연계가 상대적으로 용이하다는 장점이 있다. 따라서 청정석탄기술의 한 축으로 평가받는다.

또한, 가스화 기술은 폐기물을 에너지원으로 활용하는 폐기물 에너지화 분야에서도 적용된다. 도시 고형 폐기물이나 산업 폐기물을 가스화로에서 처리하여 발전에 필요한 연료 가스를 생산함으로써, 매립에 의한 환경 부담을 줄이면서 동시에 에너지를 회수하는 일석이조의 효과를 거둘 수 있다. 이는 순환 경제와 자원 재활용 차원에서도 의미가 크다.

가스화 공정을 통해 생성된 합성가스는 다양한 화학 원료 생산의 기초 물질로 활용된다. 합성가스는 일산화탄소와 수소의 혼합 가스로, 이를 원료로 하여 메탄올, 암모니아, 합성 연료 등 여러 가지 중요한 화학 물질을 제조할 수 있다. 특히 석탄이나 바이오매스와 같은 비전통적 원료로부터 화학 원료를 생산하는 핵심 경로로서 그 중요성이 크다.

메탄올 생산은 대표적인 응용 사례이다. 합성가스를 촉매 반응시켜 메탄올을 제조하는 공정은 이미 상업적으로 확립되어 있다. 이렇게 생산된 메탄올은 포름알데히드, 아세트산 등의 기본 화학물질을 만드는 데 사용되거나, 최근에는 메탄올을 이용한 올레핀 합성 기술을 통해 에틸렌, 프로필렌 같은 기초 석유화학 원료를 생산하는 데도 주목받고 있다. 이는 석유에 대한 의존도를 낮추는 대체 경로로 평가받는다.

또한, 암모니아 합성은 전통적으로 수소와 질소를 반응시켜 제조하는데, 이 과정에 필요한 수소의 주요 공급원으로 가스화 공정이 이용된다. 석탄 가스화를 통해 생산된 합성가스에서 수소를 분리·정제하여 암모니아 합성에 사용한다. 이렇게 만들어진 암모니아는 비료의 주원료가 되어 농업 분야에 기여한다. 이 외에도 피셔-트롭슨 합성 공정을 통해 합성가스를 액체 연료나 파라핀, 올레핀 등으로 전환하는 연구와 적용이 지속되고 있다.

가스화 공정은 수소 생산의 중요한 방법 중 하나이다. 석탄이나 바이오매스, 폐기물과 같은 탄소 함유 원료를 가스화로에서 고온의 수증기와 반응시키면, 수성 가스라 불리는 일산화탄소와 수소의 혼합 가스가 생성된다. 이 생성 가스는 추가적인 수성 가스 전환 반응 공정을 거쳐 더 많은 수소를 생산하는 데 사용된다.

특히 석탄 가스화를 통한 수소 생산은 화석 연료 기반의 대규모 청정 수소 생산 경로로 주목받고 있다. 이 공정에서 생성된 합성 가스는 일산화탄소를 제거하고 수소를 농축하는 가스 분리 공정을 통해 고순도의 수소를 얻을 수 있다. 이렇게 생산된 수소는 석유 정제 공장에서 탈황 공정에 사용되거나, 암모니아 합성 등의 화학 공업 원료로 활용된다.

탄소 포집 및 저장 기술과 결합할 경우, 가스화 방식을 통한 수소 생산은 탄소 중립 목표에 부합하는 저탄소 에너지 공급원으로 평가받는다. 따라서 기존의 천연가스 개질 방식에 비해 이산화탄소 배출을 크게 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있어, 수소 경제로의 전환에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

가스화 기술은 폐기물 처리 분야에서 기존의 매립이나 소각 방식을 대체할 수 있는 유망한 기술로 주목받고 있다. 특히 도시 고형 폐기물이나 산업 폐기물과 같은 고체 폐기물을 대상으로 하여, 단순히 폐기물의 부피를 줄이는 데 그치지 않고 유용한 에너지 자원으로 전환한다는 점에서 장점을 가진다. 이러한 과정을 통해 생성 가스를 얻어 발전이나 열 공급에 활용할 수 있으며, 최종적으로 남는 슬래그는 건축 자재 등으로 재활용될 수 있다.

폐기물 가스화는 일반적으로 높은 온도에서 산소 공급을 제한한 상태로 진행되어, 다이옥신이나 퓨란과 같은 유해 물질의 생성을 소각 공정보다 현저히 낮출 수 있다고 평가된다. 또한, 매립지에 대한 의존도를 줄이고 온실 가스 배출을 감소시켜 환경 부담을 완화할 수 있다. 이 기술은 플라스틱, 고무, 목재, 섬유 등 다양한 종류의 혼합 폐기물을 처리할 수 있어 분류 과정을 간소화할 수 있는 잠재력도 있다.