석탄의 화학적 전처리 기술 동향과 전략
석탄의 화학적 전처리 기술 동향과 전략
  • 승인 2007.10.04
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MCL 공정방법 대안 찾아야
▲ 김재호 대한석탄공사 기술연구소 소장
석탄으로부터 황 및 무기물 제거를 위해 석탄을 물리적으로 처리하는 기본 원칙은 입자크기를 미세하게 하거나 밀도차이에 의해 분리하는 것이다. 그러나 이러한 방법으로 제거하기가 힘든 유기황을 제거하거나 물리적 방법으로도 어느 정도 제거가 가능한 황철광(Pyritic sulfur, 무기황)의 제거 효율을 높이거나 또는 연소 과정에서 회분을 형성하는 석탄내 무기물을 상당량 제거하는 등 황 및 무기물(회분) 제거 효율이 높다는 장점을 갖는 것이 화학적 처리 방법이다.

지금까지 발표된 화학적 처리 방법의 종류 역시 매우 많으며 각각 서로 다른 효율을 보이겠지만 일반적으로 화학적 처리 방법은 95~99%의 황철광(무기황), 약 40%의 유기황을 제거하는 것으로 평균 50~80%의 전유황을 제거하는 것으로 알려져 있다.(석탄의 전유황 = 무기황 + 유기황)

물리적 방법과 화학적 처리 방법의 차이를 보면 화학적 처리 방법은 효율면에서는 매우 우수하나 처리 가격면에서 수용 가능한 방법이 아직까지 도출되지 않아 실제로 상업화된 기술은 없다. 단지 황성분이나 무기물의 제거율이 높은 잠재성을 갖고 있기 때문에 향후 발생할 수 있는 수요에 대비해 많은 연구가 수행되고 있는 것이다. 역사적으로 볼 때 지금까지 연구되고 있는 화학적 처리 방법은 매우 많다.

이들중 대표적인 방법을 [표]에 나타내 봤는데 지금까지 가장 큰 가능성을 보이고 있는 방법으로 알려져 있는 것은 Meyer(미국 TRW Co.) 공정으로 화학적 처리 방법중에서는 유일하게 8톤/일의 시험설비에서 평가됐던 방법이다.

화학적 처리 방법중에서 또하나 큰 개발 잠재력을 갖고 있는 방법으로 알려져 있는 것은 미국 PETC(Pittsburgh Energy Technology Center)에서 수행한 바 있는 ERDA 공정에 의한 방법으로 2차 오염 물질의 처리 등과 같은 문제를 갖고 있어서 이들이 상용화 되기 위해서는 향후 3~5년의 연구기간이 더 필요한 것으로 알려져 있다.

그러나 최근 환경규제가 강화되고 기존에 사용되고 있던 석탄 연소 후 오염 처리 공정에 더욱 비용이 많이 소요돼 원천적으로 탄을 기존의 유류 사용 보일러에 대체용으로 사용할 수 있도록 하거나 또는 새로 건설되는 보일러에 배기 가스 처리 설비가 필요 없을 정도의 깨끗한 에너지로 만드는 것에 대한 수요가 점차 증가되고 있어 최근에 이들 화학적 처리 방법이 다시 심도 있게 연구되고 있는 추세이다.

■ 선진국의 화학적 처리에 대한 신 기술개발 동향

석탄의 화학적 처리 방법은 아직까지 상업화 된 방법은 없지만 처리효율이 높기 때문에 환경 규제가 점차로 강화됨에 따라 그 중요성이 더해지고 있다. 이러한 이유로 유럽 각국에서는 석탄 전처리 방법으로 화학적 처리 방법에 많은 관심을 보이고 있는데 2000년에 미국 PECT에서 지원하는 석탄 연구과제중에 석탄 전처리 분야에 대한 지원 과제만 36가지나 되고 있다. 이중 화학적 처리 방법인 MCL(Molten Caustic Leaching, 알칼리 침출) 방법이 가장 많은 지원을 받고 있는데 이 방법 역시 미국 TRW Co.의 Meyers공정(표 참조)에 의해서 다시 시작된 방법이다. 본고에서는 화학적 석탄 전처리 방법중에서 현재 가장 많은 관심을 받고 있는 방법이 바로 MCL Process이므로 이에 대해서만 논의하고자 한다.

MCL 방법은 1960년 미국의 U.S.steel Co.에서 제철용 코크스의 탈황을 목적으로 개발된 방법이다. 가성 소다(NaOH)를 높은 온도 (350℃)에서 용융시켜 석탄과 접촉시킴으로써 석탄으로부터 황성분 및 무기물을 물에 용해시킬수 있는 염으로 전환시켜 제거하는 방법인데 황성분은 무기 및 유기황을 합쳐서 90%, 무기물(회분)은 95% 이상 제거하여 매우 효과가 큰 것으로 알려져 있다. 그러나 처리후 석탄의 물리, 화학적 성질이 변하여 코크스로 사용하지 못하는 경우가 있어 연구가 중단됐다.

그러다가 최근에 환경 규제가 강화되고 석유와 같이 부가가치가 높은 자원이 연료로 소모되는 것에 대한 제한 필요성이 거론되면서 석유와 동일 등급의 석탄 연료 개발에 대한 수요가 관심의 대상이 되고 있고 이에 편승하여 MCL 방법이 다시 연구되기 시작했다.

■ 우리나라의 화학적 전처리 기술 개발 동향

우리나라에서는 아직까지 화학적 석탄 전처리를 연구한 예는 없다. 현재까지 석탄 전처리에 대해 연구된 예를 보면 선진국에서의 기술 동향에 따라 주로 물리적 방법이 연구돼 왔으며 또한 이러한 전처리보다는 습식 및 건식 탈황등 후처리 방법이 주로 연구되고 있다.

화학적 전처리중에서 MCL 방법에 대해서는 에너지기술연구원과 대한석탄공사 연구소에서 지난 2년간 산자부 지원으로 수행한 연구 결과가 있다. 주로 장성탄으로부터 무기물(회분) 제거를 목적으로 수행해 좋은 제거율을 얻었다.

■ 선진국 MCL 공정 기술 수준

MCL 공정을 연구해온 미국의 TRW 및 PETC 등의 주장에 의하면 MCL 공정의 가장 큰 장점은 높은 탈황 및 무기물 제거 효율과 이로 인해 이들 석탄을 사용하기 위해 새로이 건설되는 화력발전소의 규모가 크게 작아진다는 것이다. 황성분의 함량이 적어서 탈황 시스템을 갖출 필요가 없고, 만일 환경 규제가 더욱 강화돼 탈황 시스템을 갖춰야 한다 하더라도 그 장치는 최소화 될 것이며 무기물의 양이 적어서 회분 처리장 역시 최소화 될 수 있다는 것이다.

화학적 처리 방법의 가장 큰 단점인 경제적 불리함에 대해서 미국 TRW에서는 다음과 같은 경제성 분석을 제시하고 있다. 황함량이 적으므로 탈황설비에 투입되는 비용과 비교할 때 경쟁력을 갖는다는 것으로 탈황설비를 갖추는데 소요되는 비용과 MCL 처리 공정에 투입되는 비용을 비교하면 발전용량 500MW 이하에서는 탈황 설비비와 비교해 경쟁력이 있는 것으로 나타나고 있다.

또한 미국 TRW에서는 최근 체코의 풍부한 갈탄을 대상으로 MCL 공정을 상업화시키기 위해 노르웨이의 Selfint사와 함께 추진중이다. 체코 갈탄은 특히 황성분이 많아 이를 주 연료로 사용하는 체코의 각 산업체에서는 유럽연맹의 환경 규제에 대처하는 방안으로서 정부 주도하에 이를 추진하고 있다.

MCL 처리탄은 처리 후 표면적이 크게 증가해 중금속 처리 등의 흡착제로의 활용이 가능하며 회분이 적고 탄소분이 많아 제철산업에서 탄소함량 조절제 즉 가탄제로 활용이 가능하다. 배출가스 중 환경오염물질의 처리가 필요없는 청정에너지로의 활용이 환경규제의 강화와 함께 다시 부각되고 있고 이에 대한 연구가 보다 심도 있게 수행돼 결코 선진국에서 다 해놓은 것을 뒤쫓는 형태의 연구가 또 수행돼서는 안된다고 판단된다.

국내 무연탄 처리 신규수요처 개발해야
저품위 석탄 도입, 공급시스템 구축 필요



■ 우리나라 MCL 공정 기술 수준

MCL 공정에 대해 우리나라에서는 에너지기술연구원과 대한석탄공사 연구소가 수행했던 연구가 유일한 연구결과이다. 결과의 규모는 아직까지 실험실적 규모이고 이를 파이롯트 규모까지 확대하는 것을 정부 연구 과제로 추진중이다.

연구 결과를 간단히 요약하면 국내탄의 MCL 공정에 의한 무기물 제거 효율은 90%로, 장성탄의 회분 함량 37%에서 처리후 MCL 처리장성탄의 회분 함량은 6%로 감소됐다. 또한 연소를 위한 착화온도가 장성탄 570℃에서 MCL 처리장성탄이 약 180℃ 낮아져 390℃ 정도의 유연탄과 비슷한 착화온도를 나타내 국내탄의 연료로서의 활용 가능성을 보여 줬다.

■ 선진국 기술 개발 전략

미국의 경우 석탄을 청정에너지화하려는 목적은 다음과 같이 크게 두가지가 있다.

하나는 석탄으로부터 회분을 형성하는 무기물과 무기황인 황철광(Pyritic sulfur)을 상당량 제거하므로서 현재 사용되고 있는 석유나 천연가스를 대치할 수 있는 석탄 연료를 개발하는 것이다.

또하나는 모든 석탄을 대상으로 연소후 처리시설을 추가로 설치할 필요가 없는 청정석탄 연료를 개발하는 것이다. 이 경우에는 유기황까지도 제거해야 하며 이를 위해서는 처리 비용이 많이 소요될 수 밖에 없다. 그러나 기술의 개발 정도에 따라 현재 사용되는 석유가격의 약 80% 이내로 적용이 가능하다면 처리탄은 충분한 가격 경쟁력을 갖는다고 보고하고 있다.

결국 궁극적인 목적은 산성비등의 주원인이 되고 있는 화석연료인 석탄을 청정에너지화하는 것이다.

■ 우리나라 연구 개발 목표 및 전략

우리나라에서는 아직까지 석탄 전처리 방법으로 화학적 처리를 도입하려는 계획은 없다. 이유는 지금까지 보고된 자료에 의한 경제성 때문인데 화학적 처리중에서 특히 MCL 공정 방법은 점차 가치가 부각되고 있는 상태이므로 우리나라에서도 이에 대한 대안이 있어야 한다고 판단된다.

우리나라에서 석탄 전처리 공정을 도입한다면 두가지 방향으로 전개돼야 한다. 하나는 국내무연탄을 처리해 신규 수요처를 개발하는 것이며, 다른 하나는 값비싼 low sulfur coal 대신 값싼 저품위 석탄을 도입하여 이를 처리하고 수요처에 공급할 수 있는 시스템 구축이다.

우리나라뿐만 아니라 세계적으로 무연탄의 수요는 감소하고 있다. 이에 대한 대안으로 선진국에서는 무연탄의 수요처를 △전극봉 및 흑연의 원료 △제철소의 가탄제(Carbon riser) △Black polymer 의 충진물(filler material) △Filter △활성탄 및 분자체(Molecular sieve) △오염 물질 control과 같은 분야에서 찾고 있으며 연구가 계속되고 있다.

국내탄을 처리해 순도 높은 탄소체를 만들어 위와 같은 분야에 적용, 시험하는 작업이 필요하다 하겠다.

저급 유연탄을 처리하는 경우에는 기존 화력발전소의 설비비 및 운전비와 비교할 필요가 있다. 발전소에서 사용하는 배연탈황장치 및 회분 처리 설비인 전기집진장치 등은 규모가 크고 매우 고가의 설비비이며 운전비 역시 많이 소요된다.

특히 비산재의 매립은 현재 우리나라에서도 큰 문제가 되고 있다. 화학적 처리는 이러한 처리 설비의 규모를 최소화 시켜 설치비를 격감시키고 비산재 문제를 해결시킬 수 있는 방법이라고 판단된다.

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