열분해 가스화 기술 특징과 에너지회수1

열분해 가스화 기술 특징과 에너지회수1

1.서론

상업화된 폐기물 열화학적(Thermo-Chemical) 처리 방법으로는 열분해(pyrolysis), 소각(incineration) 그리고 가스화(gasification)를 들 수 있다. 각각을 구별하는 방법에 대해서 많은 의견이 있지만, 일반적으로 분류하는 방법으로는 폐기물과 반응하는데 필요한 공기 또는 산소의 공급량, 반응 온도로 구별하는 것이 가장 타당한 방법이라 생각되며, 공기 또는 산소의 공급량 및 온도에 따라 생성물(가스상, 액상, 기상)의 조성 및 양이 결정된다. 이러한, 열화학적 처리 과정 중에서 필연적으로 원치 않는 2차 오염물질이 발생되며, 각각의 처리 공정에 따라 적절한 가스 정제 공정이 필요하다. 따라서, 이들 열화학적 처리 방법 중에 어떤 방법으로 처리할 것인가를 결정하는 것은 단순한 문제는 아니고, 기술적인 측면 뿐만 아니라, 환경적, 지역적 특성을 종합적으로 고려하여 결정하여야 한다.

본 리포트에서는 열분해, 소각 그리고 가스화에 대한 기술적인 특성을 분석하고, 그 가운데서도 가스화에 대한 상업화 전망 그리고 외국 기술 동향에 대한 조사를 실시하였다. 먼저, 이해를 돕기 위하여 이들 열화학적 처리 공정에 대한 각각의 공정 구성에 대한 개략도를 [그림 1]에 나타내었으며, 소각, 가스화 및 열분해 각각의 특징은 <표 1>에 나타내었다. 폐기물 소각은 폐기물 내의 가연분을 산소와 반응시켜 CO2, H2O가 주성분인 연소가스로 변환시키면서 남는 잔재(ash)는 매립 등으로 최종 처분하는 폐기물의 감량화 및 안정화를 목적으로 하는 중간 처리 방법이다. 폐기물 소각은 폐기물 열화학적 처리 방법 중에서 기술적으로 성숙된 검증 기술이지만, 소각 과정 중에 원치 않는 2차 오염물질의 발생으로 기술적인 측면 뿐만 아니라 사회적인 측면에서도 많은 관심의 대상이 되고 있다. 소각 과정 중에 발생되는 2차 오염물질 중에서 먼저 가스상 물질로는 다이옥신과 같은 독성 유기물질, 산성 가스 그리고 질소산화물 등을 들 수 있으며, 고상 물질로는 소각 잔재보다는 소각 잔재 내에 포함되어 환경 오염을 야기하는 중금속을 들 수 있다. 이러한 2차 오염물질의 발생은 폐기물 그 자체에 오염물질이 이미 포함되어 있다는 점과 소각로에서 폐기물의 연소 특성상 필연적으로 일정량 발생될 수 밖에 없기 때문에 발생량을 어떻게 최소화하는 것이 관건일 것이다. 소각 특성상 고온의 과잉 산소 분위기에서 발생되는 오염물질로는 폐기물 내에 포함된 황 성분은 SOx와 같은 황산화물이 있으며, 폐기물과 공기 내의 질소 성분은 NOx와 같은 질소 산화물로 배출되며 이러한 오염물질을 규제치 이하로 배출하기 위해서는 적절한 세정 설비와 SNCR(Selective Non Catalytic Reduction) 또는 SCR(Selective Catalytic Reduction)과 같은 질소산화물 분해 설비가 필요하다. 특히, 다양한 성상을 갖는 폐기물 완전 연소하는데는 이론적으로 완전 연소에 필요한 공기(또는 산소)보다는 과량으로 공급하기 때문에 배가스 처리 설비가 다른 열화학적 처리 방법에 대해 크다는 단점이 있다.

소각을 통한 에너지 회수 방법으로는 고온의 연소 가스의 현열(sensible heat)을 보일러에서 증기로 회수하는 방법이 유일한 방법으로, 회수된 증기를 이용하여 증기터빈을 구동한 전력 생산 또는 난방용 온수 생산 등을 들 수 있다.

2. 본론

1)가스화 기술현황

가스화 산업은 원유나 천연가스가 개발되기 이전인 1950년까지 매우 활발히 산업적으로 이용되어 왔으며, 대표적인 예로 석탄 가스화를 통해 난방용 연료와 자동차나 항공기의 연료로 이용한 것을 들 수 있다. 그러나 값싸게 채굴이 가능한 원유를 이용하는 기술이 개발된 이후로는 가스화만을 산업적으로 이용하는 분야는 한때 침체기를 맞게 되었다. 그러나, 오일쇼크로 인한 고유가로 인해 대체 에너지의 개발 필요성이 인식되면서 가스화를 기반으로한 에너지 이용 기술이 다시 각광을 받게 되었다. 이러한 점은 가스화를 통해 얻어진 합성가스 용량을 나타내는 [그림 4]의 예에서 극명하게 나타나있다. 즉, 1976년, 1982년의 고유가 시기 전후로 합성가스 생산량의 두드러진 증가가 있었음을 알 수 있다. 최근 다시 고유가 시대를 맞이하여 2005년 이후 다시 한번 합성가스 생산량이 크게 증가함을 알 수 있다.

2)가스화 방식

가스화 방식은 크게 <표 3>에 나타낸 것과 같이, 고정층 방식, 유동층 방식 그리고 분류층 방식으로 대별되고 있다. 가스화 방식은 적용 가능 시료, 시료 크기, 체류시간, 반응제, 재처리 방식 및 얻어진 합성가스의 이용 목적에 따라 결정된다. 가스화기 개발 초기에는 고정층 방식을 채용하고 공기를 사용한 non-slagging 방식으로 시작하였지만, 현재는 분말 시료나 액상 시료를 사용할 경우에는 대량의 합성가스 생산 및 환경성을 고려한 분류층 방식을 사용하고 반응제로는 산소를 사용한 slagging 방식을 채택하는 경향이 있다. 여기서, slagging의 의미는 폐기물 내에 포함된 불연물을 용융하여 처리하는 방법을 나타낸다. 그러나, 폐기물과 같이 성상 변화가 커서 미분화가 어려운 경우에는 고정층 가스화 방식에 산소를 사용한 slagging 방식을 선호하는 추세이다. 유동층 방식은 시료와 반응제와의 혼합이 우수하지만, 유동화재(모래를 사용)와 시료가 고온에 혼합할 때 클링커 등이 형성하여 재 배출 방해하는 문제점을 야기할 소지가 많다.

 

3)합성가스 정제

합성가스의 이용 목적에 따라 합성가스 정제 공정에서 제거하여야할 오염물질 및 오염물질의 제거 농도를 결정하여야한다. 일반적으로 합성가스 내에 포함되는 있는 오염물질로는 H2S, COS, HCl, NH3, HCN, 분진 그리고 Fe(CO)5, Ni(CO)4과 같은 metal carbonyls로 알려져 있다. 합성가스를 일반적인 보일러에서 연소하여 증기를 얻는 경우의 합성가스 정제 수준은 이들 오염물질을 수십 ppm까지만 정제하여도 보일러 연소 배가스 내에서의 오염물질이 법적인 배출 허용 기준치 이하로 배출될 수 있으나, 가스엔진 이용 발전이나 가스 터빈을 이용한 복합발전할 경우, 배출 가스 내의 오염물질이 배출 허용 기준치 이하로 배출되게 하는 것은 당연할 뿐만 아니라, 합성가스 내의 오염물질에 의한 설비의 부식등을 더 심각하게 고려하여 더 낮은 수준까지 정제될 수 있도록 합성가스 정제 설비의 설계 및 운전 목표를 정하여야 한다. 특히, 합성가스를 연료전지의 연료로 사용할 경우에는 연료전지의 전극 부식, 전해질의 손상을 방지하기 위해서 연료가스 내의 오염물질 허용 농도를 ppb 수준(H2S, HCl < 0.1 ppm 이하)까지 정제하여야한다.

[그림 8]은 발전 설비에 따라 합성가스 유입 온도 범위와 합성가스 정제 설비의 적정 온도 범위를 나타낸 것이다. 일반적으로 보일러 및 가스엔진의 연료로 사용하기 위해서는 100℃ 이하로 합성가스를 공급하여도 되지만, 가스터빈의 경우에는 발전 효율을 증가시키기 위하여 가능한 고온으로 공급하는 것이 좋다. 그러나 가스터빈 재질의 한계로 인해 현재는 500℃ 정도까지 공급할 수 있다. 합성가스의 주성부인 CO, H2를 연료로 사용하는 연료전지인 용융탄산염 연료전지나 고체산화물 연료전지의 경우는 각각 600, 900℃ 정도에서 작동되기 때문에 상온에서 정제한 후 합성가스를 가열하여 공급하거나, 고온에서 정제되는 공정을 채택하여 정제 후 그대로 연료전지로 공급하게 하는 등 발전 설비에 따라 적절한 정제 공제 공정의 선정 및 정제 공정의 온도를 결정하여야한다.

즉, 유량이 많을 경우와 H2S 농도가 높을 경우에는 아민을 이용하여 합성가스 내에서 H2S를 흡수하여 합성가스 내에서 H2S를 제거한 다음, 흡수된 아민으로부터 고농도의 H2S를 추출하기 하면서 황 회수하는 공정인 Claus 공정을 연계하는 정제 설비가 가장 효과적이다는 것이 알려져 있다. 합성가스 유량 및 H2S 농도가 중간 정도(예를들면, 합성가스 유량 : 0.1～10 MMN3/day, H2S 농도: 100～100,000 ppm) 경우에는 3가의 철 킬레이트를 사용하여 합성가스 내의 H2S를 제거하고, 2가로 변환된 철킬레이트에 공기를 공급하여 다시 3가의 철킬레이트로 재생하는 방법을 사용하는 것이 가장 적합한 탈황 공정이다. 철 킬레이트를 이용한 탈황 방법의 주요 반응식은 다음과 같다.

특히, 킬레이트를 이용하여 탈황하는 것이 적합한 합성가스 유량과 H2S 농도 범위는 50～300톤/일급 생활 폐기물을 가스화 설비에서 배출되는 합성가스 유량 및 H2S 농도 범위에 해당되므로, 국내 폐기물 가스화 설비에 대한 탈황 공정은 킬레이트를 이용한 공정을 적용하는 것이 기술적으로 가장 안전한 탈황 방법이라 할 수 있다. 철 킬레이트를 이용한 저온형 탈황 방법은 ppb 수준까지는 H2S를 제거할 수 없으므로 연료 전지의 연료로 사용하기 위해서는 이와같은 저온형(amine+claus, amine+chelate) 탈황 공정을 1차로 적용하여 ppm 수준까지 탈황하고, 2차 공정으로 ZnO나 Fe, Mn oxide를 사용한 흡착 공정을 적용하여 ppb 수준까지 정제하는 요구된다.

HCl의 경우도 일반적인 소각 공정에서의 HCl을 제거하는 방법인 NaOH 수용액이나 Ca(OH)2 알카리 분말을 이용하여 제거할 수 있다. 이러한 탈염 방법 역시 ppm 수준까지는 제거가 되나 ppb 수준까지는 어렵다. 따라서, 200℃ 이상의 온도에서 CaCO3, Na2CO3를 이용한 흡착을 통해서 ppb 수준까지 HCl을 제거하여야 한다.

<표 4>는 폐기물을 소각, 열분해 및 가스화 공정과 증기 터빈을 연계하여 발전할 경우, 최종 배출되는 배가스 내의 오염물질의 농도를 나타낸 것이다. 특히, Lurgi사의 스토커식 소각 방식에서 채택한 배가스 처리 공정은 다양한 소각 설비에서의 배가스 처리 공정 중에서 다이옥신 제거 효율이 가장 우수한 spray absorber, fabric filter로 구성된 공정으로, 이 경우 다이옥신 배출 농도가 0.03 ng-TEQ/Nm3인 반면, 가스화, 열분해, 열분해와 가스화 공정의 조합 공정에서의 배가스 처리 설비는 소각 설비와 비교하여 비교적 단순하지만, 배가스 내의 다이옥신 농도를 보면, 0.001 ng-TEQ/Nm3 이하로 매우 낮게 배출됨을 알 수 있다. 폐기물 내에 포함된 황 성분은 소각 공정에서는 SO2 형태인 반면 가스화 공정에서는 H2S 형태로 배출되기 때문에 가스 엔진 등에 허용되는 수준까지의 황 성분 제거는 이미 다양하게 개발된 상업화된 공정을 통해 각국에서 정한 환경기준치 이하로 정제되어 배출되고 있다. 또한 소각로로 공급되는 공기는 완전 연소에 필요한 공기 이상으로 공급(연소 가스 내에 산소가 존재)하지만, 공기를 사용하지 않는 열분해, 완전 연소 조건보다 적은 양의 산소를 공급하는 가스화의 특성상 발생된 배가스 또는 합성 가스 유량이 소각 배가스 유량보다 1/5 이하로, 가스 정제 설비 규모가 적어도 된다는 장점이 있다.

[출처] 열분해 가스화 기술 특징과 에너지회수|작성자 열분해가스화