청정 석탄기술 현장리포트 (중국
태원)
중국 과학성 산하 산서성 석탄화학연구소
가스화·액화 복합플랜트 국산화
청정기술 공동개발
EU와 MOU체결
석탄액화기술은 석탄을 산소 및 스팀에 의해 가스화시켜 얻은 합성가스를 정제하여 인조 휘발유 및 디젤로 전환하고 남은 가스를 고효율로
발전하는 복합플랜트 기술이다. 이는 석탄액화공장과 석탄가스화복합발전(IGCC)를 연계하는 공정이다.
세계 주요국은 석유 및
천연가스 가격이 상승하여 석탄을 가스화해서 합성석유와 전기를 생산하는 방안의 경제성이 높아짐에 따라 청정 석탄발전기술 확보에 주력하고 있다.
특히 독자적인 기술을 확보하거나 기술 도입으로 석탄액화와 IGCC가 복합된 공장을 건설, 석유대체유 대량생산을 목표로 하고 있다.
이런 점에서 중국은 우리에게 많은 점을 시사하고 있다. 2020년까지 연간 1억4000만배럴의 석탄합성석유 생산을 목표로 하고
있다. 무엇보다 중국은 정부차원의 인센티브 지원으로 수천억원이 소요되는 CTL과 IGCC의 실증연구를 실현했다. 또 기초기술을 확보, 자국이
개발한 기술로 상용화를 달성하기위해 해외 주요국의 앞선 기술과 투자유치를 하고 있다.
구체적으로 중국은 지난해 9월
EU와 2020년까지 온실가스 배출이 거의 없는 시범용 석탄복합발전소를 건설키로 합의한 데 이어, 지난달 20일 청정 석탄발전기술 공동 개발에
관한 양해각서를 체결했다.
EU는 이번 중국과의 연구개발 사업에 약 600만달러를 투자할 계획이다.
결론적으로 중국은
석탄가스화를 기반으로 석탄액화와 복합발전을 연계하는 복합공정기술의 국산화를 실현하고 있다.
반면 국내에선 CTL과 IGCC 두기술
수준 모두 국외 상용기술에 비해 규모면에서 1만분의 1에도 미치지 못할 정도로 매우 작다.
사례로 가스화발전의 경우 해외 상용규모가
하루 2000~3000톤을 처리하여 250MW급의 발전을 하고 있다. 하지만 국내선 하루 3톤을 처리, 0.3MW 발전을 할 수 있는 설비를
보유하고 있다.
FT공정이라 불리는 CTL은 더욱 열악하다. 해외 상용 규모가 하루 7500~2만배럴이지만 국내 FT공정설비는 전무할
실정이다.
국내기술의 수준은 이처럼 미약하다. 우리가 90년대 이후 청정 석탄액화 및 발전기술개발에 뒤처지면서 중국과의 원천기술확보
격차는 크게 벌어졌다.
중국이 한걸음씩 CTL과 IGCC원천기술을 확보한 결실은 조기 국산화를 위해 기술개발의 가속화를 필요로 하고
있는 우리에게 큰 도움을 줄 수 있다는 판단이다. 특히 국산 상용공장의 건설에 많은 시간 및 예산이 소요되고 향후 유가가 더 상승하면 기술도입
자체도 어려울 것으로 예상된다. 이런 점에서 중국의 원천기술과 실증용 상용시설은 우리의 기술개발 과정을 단축하고 완성도를 높이는데 기여할 수
있을 전망이다.
이에 본지는 국내 에너지안보를 확립하고 향후 급증할 국외 기술수요를 국산기술에 의해 제공하여 신사업을 창출하기
위해서 국산 석탄액화발전의 복합공장과 관련된 기술의 시급한 확보가 필요하다는 판단에 따라 중국과학원(CAS)산하 산서성 석탄화학연구소(ICC)를
방문, 중국의 원천기술과 실증용 상용시설을 현장 취재했다.
석탄 사용효율·오염물질 배출저감 실현
ICC 청정 가스화·액화 관련 R&D 주도
저질탄 일
100톤처리 유동층 가스화개발
일 1500톤 합성석유 파이롯 플랜트 가동
중국은 석탄에 대한 에너지의존도가 높은 나라이다.
중국은 오는 2050년
석탄과 기타에너지 비중을 절반씩 유지한다는 1차 에너지수급 전략을 마련하고 있다.
국 정부 자료에 따르면 지난 1999년 석탄
68.2%, 석유 20.9%, 천연가스 3.1%, 수력 7.8%이다. 2010년에는 석탄 64%, 석유 20%, 천연가스 7%, 수력
9%이다.
이처럼 석탄의 높은 의존도로 인해 석탄의 청정과 고효율 기술개발은 중국의 에너지수급을 위한 중요한
과제이다.
이런 점에서 ICC는 중국의 청정 석탄기술 관련 R&D를 주도하고 있다.
중국 석탄사용
현황을 살펴보면 직화가 80%에 이른다. 이를 수치화하면 지난 2003년 17억톤, 2020년 30억톤 규모에 이를 전망이다. 이처럼
석탄사용효율이 낮은 점도 중국의 해외석유의존도를 높이며 에너지난을 부채질하고 있다. 중국은 지난 2004년 1억톤의 석유를
수입했다.
석유와 천연가스 등 자원은 제한된 반면 수송용 연료로 석탄사용이 급격히 늘어나고 있지만 석탄사용에 따른 낮은 효율은
중국의 또다른 고민이다.
ICC 후앙지지
교수는 “석탄사용효율은 선진국보다 낮은 20% 수준”이라고 설명했다.
석탄직화로 인한 재, NOx, SOx, 중금속, 이산화탄소 등 오염물질 배출도 심각한 상황이다. 이에 대해 ICC 지안구오 왕
부소장은 “ICC의 오염물질 배출저감연구에 대해 현재 완전한 전환과정에 있다”고 밝혔다.
왕 부소장은 또 “ICC의
석탄에너지전환연구는 이제 상용화 단계에 이르렀다. 중국 지방정부가 ICC가 개발한 석탄에너지전환에 따른 오염물질 배출저감공정을 도입할
예정”이라고 설명했다.
이처럼 중국은 청정석탄기술개발에 주력하고 있다.
ICC가 원천기술을 확보한 석탄에너지전환연구는
열분해와 액화공정인 가스화로 합성가스와 유기물 타르를 생산하고 이를 인조연료와 화학연료로 사용하는 공정이다. 또 합성가스에서 NOx, SOx를
제거하는 기술도 개발했다.
ICC 조우징 라이 고문은 석탄가스화 관련 현재 연구개발에 대해 “가스화를 통해 암모니아 합성가스,
메탄올 합성가스, FT 신가스를 생산하는 상용플랜트 공정을 마무리하고 있다”며 향후 관련기술의 완성도를 높여 IGCC, 퓨얼셀 수소에너지 산업용
수소 등 미래형 석탄가스화 기술을 확보하는 노력을 하고 있다”고 밝혔다.
ICC는 지난 20년동안 기술개발을 통해 하루 200톤
규모의 석탄을 처리할 수 있는 능력을 갖춘 친환경 석탄가스화 테스트를 완료했다.
특히 3000㎈이하의 저질탄을 하루 100톤 처리할
수 있는 유동층 가스화 기술을 독자적으로 개발했다. 또 현재 하루 500톤규모의 압축가스화 설비를 개발하고 있다.
ICC는 새로운
개념의 석탄가스화 기술인 하이브리드 가스화설비를 개발하고 파이롯 플랜트를 구축했다. 2010년 하루 100~300 톤규모의 시범플랜트 건설할
예정이다.
ICC는 이미 촉매방식으로 반응기를 통해 합성가스를 생산하는 FT합성가스설비를 가동하고 있다. 이 설비는 하루 1500톤
규모인 파이롯 플랜트이다. 지난 2001년 건설했다. 2002년 테스트를 거쳐 현재까지 6차례 시험가동하고 있다.
이밖에 ICC는
석탄가스화 과정에서 발생하는 재를 응집하는 설비도 자체 개발한 것을 비롯 슬러리단계의 합성가스를 생산하기 위한 촉매도
개발했다.
ICC가 개발한 청정 석탄기술과 관련, 또 다른 장점은 석탄에서 합성연료를 생산하는 CTL의 경제성 확보이다. 석탄
1톤(80위안·1만400원)을 투입, 최종 석유 1톤당 2050위안(26만6500원)의 합성오일 생산할 수 있는 시범플랜트를 가동하고
있다.
ICC 첸유 리우 교수는 이에 대해 “석탄 5톤을 가스화하고 이를 정제과정을 거치면 CO+H2 6400N㎥를 생산한다. 이후
FTS(개질화과정)거치면 1.05톤 오일과 0.1톤 가스 생산할 수 있는 수치”라고 설명했다.
ICC는 고순도 알코올 합성가스
공정개발도 마무리하고 있다. 오는 2010년 연간 1000톤 파이롯 플랜트를 건설할 예정이다.
이밖에 DME 합성가스를 연간
1만톤규모로 처리할 수 있는 시범플랜트도 건설한다. 이와 관련 DME합성연료 촉매에 대한 1700시간 촉매수명 테스트도 끝냈다.
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해외 현황
합성석유 복합플랜트 확대
세계 상용 데모급 5기 가동
미국 중국 인도 남아공 EU 등 세계 주요국은
고유가 및 환경적 이유로 CTL과 IGCC 기술개발사업을 적극 추진하고 있다. 또 이들 국가내에서도 상용화 플랜트에 대한 수요가 급격히 늘어나고
있다.
미국과 EU를 비롯 중국과 인도 등이 석탄 가스화와 액화 등 첨단 기술을 적용하여 온실가스 배출이 거의없는 청정 화력발전소
건설을 적극 추진하고 있다.
남아프리카공화국의 사솔사는 지난 1950년대부터 석탄에서 합성석유를 생산하는 CTL공장을 지속적으로
증설하여 현재 하루 15만배럴규모의 공장을 가동하고 있다.
미국 중국 필리핀 인도 뉴질랜드 호주 및 대만 등이 석탄으로부터
액체연료를 생산하여 자국의 에너지안보를 확립하고 있다. 또 원유수입을 대체하기위해 CTL 및 전기 동시생산 복합공장 사업의 타당성조사 또는
계약단계에 있다.
석탄가스화복합발전은 상용 데모급 5개 발전소(미국 2기 중국 1기, 네덜란드 1기, 스페인 1기)가 가동중이다.
이들 발전소는 자국 정부 및 EU가 절반에 이르는 투자지원을 했다.
미국은 정부와 업계가 공동으로 청정 화력발전소 건설을 확대하고
있다.
미국 에너지부는 높은 천연가스 가격으로 인하여 정부지원없이도 석탄가스화복합발전의 경제성이 확보된다는 판단하에 오는
2012년 가동을 목표로 8개 기업과 공동으로 청정 석탄발전소 건설 사업( FutureGen 프로젝트)을 추진하고 있다.
이 사업은
이산화탄소 격리·석탄 가스액화 기술을 적용하여 온실가스 배출없이 전기를 생산하는 10억달러규모의 산·관 프로젝트이다. 미국전력(AEP)사와
시너지사는 GE 에너지사 등과 합작, 기존 석탄발전소보다 오염물질 배출량이 적은 629MW급 석탄 가스화 발전소를 건설, 오는 2010년부터
가동할 계획이다.
인도는 지난 2일 미국과 청정 석탄발전기술 분야의 협력을 확대키로 합의하고 미국의 석탄 액화기술 전문가를 초청하여
연구개발 사업을 공동 추진할 예정이다.
일본에서는 발전사들이 회사를 설립하고 일본정부가 30%의 자금을 출연하여 250MW급
IGCC 데모발전소를 2004년부터 건설하여 내년 완공 예정이다.
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중 청정 석탄기술 거점
석탄전환연구 세계적
수준
▲CAS / ICC
중국과학원산하 산서성 석탄화학연구소는 CAS가 직접 관리하는
중국내 고등기술 R&D기관의 하나이다. 지난 1954년 설립된 CAS 대련연구소가 1961년 태원으로 옮기면서 석탄화학연구의 거점으로
자리잡았다.
ICC의 주요 연구분야는 석탄화학·엔지니어링, 촉매화학·엔지니어링, 화학반응 엔지니어링
등이다.
청정 석탄기술은 ICC가 비교우위를 확보한 학문분야이다. 석탄액화와 석탄가스화 과정의 최적화를 비롯, 석탄연소의 오염
통제, 석탄과 석탄의 부수물에 대한 집약, 초임계 화학 엔지니어링과 추출, 가스생산과 정화 등이다.
특히 석탄전환은 해외기술과
차별성을 확보하고 있다. 석탄전환은 촉매반응과 합성에 의한 석탄가스화와 FT합성연료 분야이다. 이 분야에선 오염통제와 C1(탄소계열)
화학엔지니어링 연구를 진행하고 있다.
또 석탄에서 추출한 합성물질인 카본필버와 폴리머를 개발하고 있다.
연구인력은
운전인력 100여명을 포함 모두 900명이다. 이중 교수 34명, 스탭 452명, 석박사과정 학생 310명이 일하고 있다. 연간예산
1200만달러(물가수준 반영할 경우 한화 400억원규모)로 3개 연구실과 4개 센터를 운영하고 있다.
연구실은 석탄전환 산서성 키랩·탄소물질 CAS 키랩·촉매반응적용 랩이다. 센터는 합성연료 엔지니어링
연구센터, 석탄가스화 엔지니어링 센터, 에너지 화학엔지니어링센터, 탄소물질 하이 퍼포먼스 엔지니어링센터
등이다.
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<인터뷰> 지앙구오 왕
CAS ICC 부소장
“원천기술 한국에 이전”
왕 부소장은 “청정 석탄기술의 해외이전을 위한 공동연구 및 공동플랜트 수출을 추진하고 있다”면서 한국과의 기술교류에
대해서도 깊은 관심을 보였다.
그는 “오는 7월 부산에서 열리는 한중 청정 석탄기술 워크숍에 ICC 소장을 비롯 주요인사들이 참석할
예정”이라며 “이 모임에서 에너지기술연구원과 ICC 양기관 기술교류협력 MOU를 체결할 것”이라고 밝혔다.
그는 또 “이번 워크숍은
양국 교류의 첫걸음”이라며 “양국의 기술정보교환은 이제까지 인터넷에 소개된 기술에만 의존했던 것과 달리 서로에게 부족한 핵심기술을 접목시킬 수
있는 좋은 기회”라고 말했다.
또 “이같은 양국 교류를 통해 한국과 중국이 각기 보유한 우월적 기술을
교류하여 서로의 이해를 확보할 수 있을 것”이라고 덧붙였다.
그는 한국이 확보한 우월적 기술에 대해 “한국이 미국 등 해외로부터
기술도입에 대해 적극적이라는 점에서 우월성이 있다고 판단하고 있다”고 설명했다.
또 최근 한국이 청정 석탄기술의 도입과 국산화를
위한 정부 프로젝트에 대해 “ICC가 한국 시장에 원천기술 제공과 실증용 플랜트를 수출할 수 있는 기회를 얻는다면 한국도 중국
CTL·IGCC연계 복합발전플랜트 시장에 진출할 수 있는 교두보를 확보할 수 있을 것”이라고 말했다.
