신재생에너지 (2)고온 개질기(High Temperature Reformer)기술
개질반응·신재생 합성기술 에너지문제 해결
신재생에너지 (2)고온 개질기(High Temperature Reformer)기술
개질반응·신재생 합성기술 에너지문제 해결
  • 한국에너지
  • 승인 2006.05.26 00:00
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고온개질기, 화석연료·폐유기물질 가스화로 합성가스 생산
폐기물 관리·고온개질기 운영하면 100년간 원유 수입 대체

▲ 김 현 영
미국 미주리대
물리화학 명예교수

경 력
1965~1971 미국 미주리대 물리화학 조교수
1971~1980 미국 미주리대 물리화학 부교수
1973~1975 한국과학원 초빙교수
1973`~1974 일본 교토대학 초빙교수
1980~1989 미국 미주리대 물리화학 교수
1982~1983 정부 풀부라이트 교환교수, 연세대
1989~현재 미국미주리대 물리화학 명예교수

 

석탄개질반응은 석탄가스화로도 널리 알려져 있다. 화학방정식으로는(C+H2O→CO+H2)/ (C+CO2→2CO)이며 흡열반응이고 환응반응(연소나 소각에서 일어나는 산화반응의 반대)이다. 생성되는(CO+H2)는 합성가스라 부른다. 이 반응의 특징은 열을 흡수하고 고온(1200℃이상)에서 효율적으로 진행되지만 1200℃ 이하에서는 일어나지 않는다.(Int’l. J. of Hydrogen Energy, Vol. 28/11, pp.1179∼1186)

<도1>은 온도에 따른 반응속도를 표시한 것이고 <도2>가 위의 열역학적 요구상황을 충족시키는 고온개질로이다. 고온개질로는 합성가스를 합성가스버너에서 연소해 생성되는 초고온의 증기(H2O)와 이산화탄소(CO2)가 개질반응(환원반응)로 안으로 유입돼 노의 온도를 1200℃ 이상으로 유지하고 반응에 필요한 열을 제공한다.
그리고 합성가스버너에 주입된 산소는 합성가스 연소에 완전 소모되고 개질반응로 안에는 일절 유입되지 않아 개질반응의 효율을 높이는 것이 특징이다.

그러면 고온개질기가 신재생에너지에 왜 필요한가? 개질반응에 의해서 석탄과 같은 모든 화석 연료가 깨끗하게 탄소와 수소로 분리된다. CO가스가 CO2로 변하고 CO2와 H2를 분리하면 수소가스(신재생에너지)와 온실가스(CO2)가 되는 것이다.
이제 온실가스만 안전하게 오랫동안 저장하는 일만 남는다. 나아가서 합성가스(CO+H2)는 화학공업의 기본재료로서 모든 화학물질(석유, DME, 메탄올 등)을 합성해낸다. 예를 들어 석탄에서 석유를 합성하는 과정도 개질반응부터 시작해 수소를 충분히 생산한 후에 수소가스와 석탄을 적절한 온도와 기압 아래서 석유가 생성되는 것이다.

자동차 엔진에 쓸 수 있는 DME(휘발유 보다 더욱 환경친화적인 물질)를 합성하는 것도 합성가스에서 H2/CO 비율을 조정해 합성하는 것이다.
이들 예와 같이 합성가스에서 현대 문명에 필요한 물질을 합성해 낼 수 있다. 합성가스를 경제적으로 생성하는 방법이 화석연료 개질반응이다. 또 인간이 창조한 현대 문명의 숙명적 과제가 온실가스 제거라면 이것 역시 개질반응에서 시작한다.

개질반응의 대상은 화석연료 뿐만 아니라 탄소를 골격으로 하는 물질은 모두 합성가스를 생성한다. 지구상의 미생물에서부터 사람 몸체까지 셀룰로스로 구성된 모든 식물, 즉 유기물 전체가 대상이다.
지구가 태양 가까이 접근해 1200℃ 이상의 온도가 유지된다면 무기물질을 제외한 지구상의 모든 물질이 합성가스로 변한다. 개질반응의 대상물질은 무한하다는 의미이다. 결론적으로 개질반응 기술과 합성가스에서 신재생에너지를 합성하는 기술을 소유하면 에너지 문제에서만은 지구상의 마지막 생존자가 될 수 있다는 것이다.

에너지 자립의 첫 단추인 개질반응이 효율적으로 진행되었을 때 신재생에너지 합성기술이 성공할 수 있다. 여기에 고온 개질기 기술이 필요하다. <도2>의 고온 개질기 기술(Pat. KR0391121, 2003/06/30; KR10-2005-0026655)은 Reformer body, syngas burner와 feed stock input 으로 돼 있다.
1) feed stock input을 통해서 개질 대상 물질(탄화물질)이 유입되고
2) syngas burner에서 합성가스를 연소해 초고온의 증기와 CO2가스를 생성, reformer body로 유입한다.
3) 초고온의 증기와 CO2 가스는 reformer body를 1200℃ 이상으로 유지하고 feed stock input에서 유입되는 개질 대상 물질과 반응해 합성가스를 생성한다. 생성된 합성가스는 상부를 통해서 방출돼 100℃ 이하로 식혀서 저장탱크에 저장된다.
개질반응을 유지하기 위한 합성가스의 소모량은 생성된 합성가스의 30∼40%이며 개질 대상물질(feed stock)에 따라 차이가 있다. 1.0톤의 원유(-CH2-)는 0.429톤의 수소가스를 생성한다. 이는 열량으로는 1200TOE의 신재생에너지에 해당된다.

<도2>의 고온개질기는 산소가 일절 reformer body안으로 유입되지 않기 때문에 폐유기물질을 개질하는데 적절하다. 재래식 개질로에서는 reformer body 안에서 개질대상물질(feed stock)을 소각하여 발생하는 열을 개질반응에 사용하기 때문에 feed stock이 유기물질일 경우에는 옥신과 같은 이차오염 물질이 합성된다.
그러나 <도2>와 같은 고온개질기에서는 산소가 일절 유입되지 않기 때문에 이차오염(유독)물질 합성의 위험성이 없다. 이 특효로 인해서 고온개질기는 화석연료(석탄, 석유) 뿐만 아니라 많은 양의 폐유기물질을 가스화해 합성가스를 생산할 수 있게 된다.

2003년도 환경부 통계자료에서 가스화 가능한 폐기물을 <표1>에 합산했다. 연간 총 1160만 톤이나 된다. 고온개질기로 가스화 하였을 때 합성가스 2/5는 가스화 과정에서 사용된다 하고 3/5만 합했을 때 수소가스가 연간 298만 톤이 생성된다.
열량을 계산하면 87x108TOE (1만kcal)의 신재생에너지가 된다. 이것을 우리나라 연간 에너지 소비량(2x108)TOE와 비교해 보라. 우리가 철저하게 <표1>의 폐기물을 관리해 고온개질기를 운영한다면 앞으로 100년 동안은 원유 수입을 하지 않아도 된다. 물론 신재생에너지 비율은 걱정할 것도 없고 CDM에 의한 수입도 상당할 것으로 본다.
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