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창훈 서문
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1 석탄합성가스의합성연료변환사업 유영돈 고등기술연구원 Plant Engineering 센터

2 석탄가스화기반으로한연료및원료공정개념도 석탄 가스화공정 합성가스 (CO, H 2, CO 2 ) 합성가스정제공정 복합발전 전력 산소 (O 2 ) H 2 /CO : 0.5~0.9 CO 2, 황 연료전지 전력 (CO + H 2 O CO 2 + H 2 ) CO + 2 H 2 CH 3 OH 수성가스전환공정 H 2 /CO = 2 합성가스정제공정 메탄올합성공정 메탄올 (CH 3 OH) CO 2, 황 CO + 2 H 2 - (CH 2 )- + H 2 O H 2 /CO = 합성가스 ( H 2, CO 2 ) F-T 합성공정 합성원유 ((-CH 2 -) n ) 3CO + 3 H 2 CH 3 OCH 3 + CO 2 H 2 /CO = 1 합성가스정제공정 DME 합성공정 DME (CH 3 OCH 3 ) 수소 수소정제공정 합성가스정제공정 CO 2, 황 CO + 3 H 2 CH 4 + H 2 O CO 2, 황 H 2 /CO = 3 합성가스정제공정 SNG 합성공정 SNG (CH 4 ) CO 2, 황

3 석탄가스화기반으로한연료및원료합성조건 대상물질 Methanol DME F-T Liquid SNG 주요반응식 / ( 반응열 ) (kj/mol) CO + 2 H 2 CH 3 OH (91) 3CO + 3 H 2 CH 3 OCH 3 + CO 2 (246) CO + 2 H 2 - (CH 2 )- + H 2 O (165) CO + 3 H 2 CH 4 + H 2 O (206) 온도 ( ) 압력 (MPa) 230~ ~ / ~700 5~10 3~10 0.1~3 > 2 촉매 Cu/Zn/Al 2 O 3 Cu/Zn/Al 2 O 3 /g-al 2 O 3 Co, Fe Ni H 2 /CO 비율 이상 / 2 3 CH 4 최소최소최소최대 CO 2 제거는선택사항제거는선택사항제거는선택사항제거 황화합물 ppb 수준 ppb 수준 ppb 수준 ppb 수준 추가정제및 분리공정수분, CO 2, DME 분리수분, CO 2, methanol 분리정제공정필요수분제거

4 합성연료를위한가스화기선정시고려사항 석탄탈황, 석탄열회수집진수성가스전환연료합성정제, 분리연료가스화 CO 2 분리 Coal composition Coal rank Gasification condition Temperature, Pressure, Heating rate, Residence time Oxidant : air, O 2, steam Plant configuration Coal feeding system : powder, slurry Flow geometry Heat recovery, protecting Syngas cleaning Chemical Synthesis Product

5 합성연료에따른가스화기선정시고려항목 고려항목 Methanol / DME / F-T Liquid SNG Pressure 가스화기운전압력이높을수록유리, 건식가스화방식보다습식가스화방식이유리 Temperature Oxidant Coal feeding system Flow geometry Slagging/Non-slagging에의해결정 가스화기온도가높은분류층방식이유리 99% 이상의산소순도 건식가스화방식보다습식가스화방식이유리 Slagging/Non-slagging에의해결정 가스화기온도가낮은고정층, 유동층방식이유리 99% 이상의산소순도 합성가스내 H 2 농도가높이기위해증기필요 온도제어를통해합성가스내 CH 4 농도가높은 2단가스화방식이유리 Heat recovery, protecting 습식가스화방식일경우, 열손실을최소화할수있는내화벽방식채택하며, 내화벽을보호할수있는냉각 방식채택 가스화기노벽의보호를위해 membrane wall 방식이유리 합성가스내 CH 4 농도 CO 2 CH 4 낮을수록유리 가스화온도가높을수록유리 (slagging 가스화방식이유리 ) CO 2 제거여부는선택사항 CH 4 높을수록유리 가스화온도가낮은유동층방식또는 Non-slagging 가스화방식이유리 Slaggin 방식에서는 2단가스화방식을채택 CO 2 제거여부는필수사항이므로, CO 2 배출량이최소화할수있는건식가스화방식이유리

합성연료를위한정제설비고려사항 석탄탈황, 정제및석탄열회수집진수성가스전환연료합성연료가스화 CO 2 분리분리 집진 집진후단온도가 300 이상수성가스전환설비 By-pass 유량제어를통해 H 2 /CO 비율조정, Sour gas 용 Co-Mo 촉매사용 공정의단순화를위해화학원료합성과수성가스전환을동시에진행하는공정도있음탈황 촉매의피독을방지하기위하여황화합물은 ppb

6 합성연료를위한정제설비고려사항 석탄탈황, 정제및석탄열회수집진수성가스전환연료합성연료가스화 CO 2 분리분리 집진 집진후단온도가 300 이상수성가스전환설비 By-pass 유량제어를통해 H 2 /CO 비율조정, Sour gas 용 Co-Mo 촉매사용 공정의단순화를위해화학원료합성과수성가스전환을동시에진행하는공정도있음탈황 촉매의피독을방지하기위하여황화합물은 ppb 수준까지제거 Rectisol 공정적용 / Selexsol 공정 + ZnO Guard bed 적용도가능 기타 : Total halides < 10 ppb, Acetylene < 10 ppb, NH 3 < 10 ppb, HCN < 10 ppb, Iron Carbonyl < 10 ppb, Nickel Carbonyl < 10 ppb CO 2 제거 Methanol, DME, F-T 합성에서는반드시 CO 2 제거가필요하지는않음 SNG 공정에서는반드시 CO 2 제거가필요

7 합성연료공정선정시고려사항 (1) 석탄 석탄가스화 열회수 집진 수성가스전환 탈황, CO 2 분리 화학원료합성 정제및분리 화학원료 공급조건 H 2 /CO = 1, 2, 3 으로제어 탈황, CO 2 제거 (SNG 제조공정에서는필수 ) 열교환을통해촉매의활성온도이상으로예열반응기의운전압력 최적합성압력이상 수송및저장을고려하여압력결정에너지회수 촉매의최대사용온도, 전환률을고려하여결정 에너지이용효율측면에서의고압증기회수가유리 Co-production 전력생산등을고려하여합성시스템결정 Once-through, Recycle 공정을선택

8 합성연료공정선정시고려사항 (2) 석탄탈황, 정제및석탄열회수집진수성가스전환연료합성연료가스화 CO 2 분리분리 반응열을제어하기위한반응기의종류 Equilibrium-limited reactor : Gas recycling, Feed gas splits, Reactor in series Throughwall-cooled reactor : 강제적인냉각방법적용 Steam-moderated reactor : 증기에의한온도제어와수성가스전환반응을동시에진행 Combined reactor

SASOL SASOL Throughwall-cooled reactor Steam-moderated

recovery (steam quality) Catalyst volume Pressure drop

9 반응열을제어하는방법에따라반응기의종류 ICI Haldor-Topsoe Equilibrium-limited reactor Lurgi SASOL Linde MGC/MHI SASOL SASOL Throughwall-cooled reactor Steam-moderated reactor DAVY 반응기선정 Single train capacity Energy recovery (steam quality) Catalyst volume Pressure drop Conversion 공정의경제성 Heat recovery Energy integration Recycle scheme Refining, separation

10 중국내의 SNG 프로젝트진행현황 (1) 2011 년자료 ASIACHEM Collected by public data No. Company Status 1 Huineng Coal Chemical Construction underway 2 Shenhua Group Construction underway 3 CNOOC Proposed China Huadian Hulunbeier Energy Proposed 5 Huaneng Yimin Coal & Power Generation Crop. Proposed 6 Datang /Beijing Gas/ Tianjin Jinneng Construction underway 23 7 China Guedian Corporation Proposed 8 Beijing Holding Group Planned 9 CNOOC, Datong Coal Mining Group Proposed 10 CPIC, Shandong Xinwen Mining Group Construction underway 11 Luan Group Planned 12 China National Coal Group Planned 13 Yitai Group Planned 14 Xinjing Guotou Baodi Energy Planned 15 Qinghua Group Construction underway 16 Shendong Tianlong Group Construction underway 17 China Huaneng Group Construction underway 18 Henan Coal Chemical Group Planned 19 China National Coal Group Planned 20 China Huadian Corporation Planned 21 Kailuan Group Planned 22 Xinjiang Guanghui Group Proposed 23 Anhui Province Energy Group / SDIC Planned 24 Datang International Construction underway 25 Sichuan Coal gasification Co., Ltd. Proposed 25 석탄 SNG 설비가동중인천연가스배관망건설중인천연가스배관망계획중인천연가스배관망

11 중국내의 SNG 프로젝트진행현황 (2) 2011 년자료 ASIACHEM Collected by public data 대당국제 ( 大唐国际 ; Datang International) SNG 프로젝트 (6) 내몽고츠펑시, 228억위엔 ( 약 33.13억달러 ) 투자 SNG : 1200만 Nm 3 /d (40억 Nm 3 / 년, 2.8 백만톤 / 년 ) 년 5 월착공 년부터 448 km 수송배관을통해북경에 SNG 공급 25 요녕대당국제푸신 ( 辽宁大唐国际阜新 ) SNG 프로젝트 (24) 226 억위엔 ( 약 억달러 ) 를투자 SNG : 1200 만 Nm 3 /d (40 억 Nm 3 / 년 ) 1100km 수송배관을통해심양, 대련에 SNG 공급 화인전력 ( 华银电 ) 과광동불산공용사업 ( 广东佛山公用事业 ) 공고회사 SNG 프로젝트 (2) 174 억위엔투자, 15 억 Nm 3 / 년의 SNG 프로젝트 2009 년착공, 2011 년부터생산시작 신화닝매그룹 ( 神华宁煤集团 ) SNG 프로젝트 (1) 2009 년 4 월 8 일내몽골어얼뚸스 ( 鄂尔多斯 ) 에 SNG 프로젝트착공 (2009 년 4 월자료 ) 140 억위엔투자, 부지면적 1,000,000 m 2 SNG 생산량 : 20 억 Nm 3 / 년, 2008 년 8 월착공, 2012 년생산투입예정

12 대당국제 ( 大唐国际 ; Datang International) SNG 프로젝트 (1) 설비명능력수량비고 1 석탄공급 505 T/h 3 2 석탄가스화합성가스 : 44,000 Nm 3 /h 대 Lurgi 가스화기 (spare 3 기 ) 3 CO 전환, 냉각 218,700 Nm 3 /h 6 부분변환 4 저온메탄올세척 336,500 Nm 3 /h 6 5 메탄화 220,000 Nm 3 /h 6 6 흡수냉각 6 7 ASU 산소제조 45,000 Nm 3 /h 6 8 황회수 3 9 석탄가스, 수분분리 500 T/h 6 10 페놀분리 6 11 암모니아 3 12 오수처리및회수 450 T/h 3 13 증기보일러 390 T/h MPa; C

13 대당국제 ( 大唐国际 ; Datang International) SNG 프로젝트 (2) 대상탄 : 갈탄 생산품 수분 34.1%, 회분 11.22% 발열량 (LHV) : 14.4 MJ/kg 가격 : 120 위엔 / 톤 (19,000 원 / 톤 ) 품명연간생산량생산품가격비고 1 SNG 40 억 Sm 위엔 /Nm 3 (256 원 /Nm 3 ) 0.23 달러 /Nm 3 2 타르 508,800 톤 1,200 위엔 / 톤 달러 / 톤 3 나프타 101,280 톤 2,800 위엔 / 톤 달러 / 톤 4 페놀 57,600 톤 4,200 위엔 / 톤 달러 / 톤 5 유황 120,036 톤 800 위엔 / 톤 달러 / 톤 6 액체암모니아 52,560 톤 1,600 위엔 / 톤 달러 / 톤 SNG 조성 : 6.75 톤 -water/1000 Nm 3 -SNG SNG 조성 CO CO 2 N 2 +Ar H 2 CH 4 합계 함량 vol.%

14 미국내의석탄 /Pet coke SNG 프로젝트 (10. 7) No. Name Developer Location SNG capacity (MCFD/MNm 3 /d) Gasification Notes 1 Taylorville Energy Center Tenaska Taylorville, IL 65/ Cash Creek Generation ERORA 3 Power Holdings Power Holdings Cash Creek, KY Jefferson County, IL 93/ / Secure Energy ICG, Secure Energy Decatur, IL 45-56/ Siemens (2X 500MWth) GE Quench ( CF) GE Quench (5 X 900 CF) Siemens (2X 500MWth) SNG IGCC Coal : 6500 Tons/d 건설비 : $3.5 billion Feasibility study 완료시점 : 2014 년 SNG IGCC On hold? Coal : 1.4 million tons/y SNG to BP. 건설비 : $800 Million 2013 년가동 5 Indian Gasification Leucadia/E3, Johnston Indiana 110/3.1 GE 6 Kentucky New Gas Peabody/COP Kentucky / CoP E-gas Seq. tests planned in KY 7 Hunton Hunton Energy 8 Mississippi Leucadia 9 Lackawana Clean Energy Lackawana Clean Energy Brazoria County, TX International Paper site, MS 180/ MW + steam TBD/Pet coke SNG + steam to Dow 125/3.54 TBD Pet coke Lackawana, NY 85/2.4 TBD Pet coke/bio mass

미국내의석탄 SNG 사업추진현황 상업용석탄 SNG 설비 (1984 년부터가동, 연 120 만톤생산 ) No. Name Location SNG capacity (MCFD/MNm 3 /d) 1 Taylorville Energy Center Taylorville, IL 65/1.84 2 Cash Creek Generation Cash Creek, KY 93/2.

15 미국내의석탄 SNG 사업추진현황 상업용석탄 SNG 설비 (1984 년부터가동, 연 120 만톤생산 ) No. Name Location SNG capacity (MCFD/MNm 3 /d) 1 Taylorville Energy Center Taylorville, IL 65/ Cash Creek Generation Cash Creek, KY 93/ Power Holdings Jefferson County, IL 150/ Secure Energy Decatur, IL 45-56/ Indian Gasification Indiana 110/ Kentucky New Gas Kentucky / Hunton Brazoria County, TX 8 Mississippi International Paper site, MS 180/ MW + steam 125/ Lackawana Clean Energy Lackawana, NY 85/

16 North Dakota SNG plant : 설비개략도

17 North Dakota SNG plant : 전경

외부산물가스화 Lurgi Mark IV 14기 (2기 spare ), fixed bed, dry ash type 30기압, 1200 수성가스전환공정 탈황전공정으로, H 2 /CO 비율을 3.

18 North Dakota SNG plant : 특징요약 설비명 : DGC Great Plains Synfuel Plant ( 미국 North Dakota 주 ) 설비개요 운전시작 : 1984년. 운전개시이내현재까지안정적으로운전중. 연간가동율은 90% 이상 원료 : 설비인근에서채굴한갈탄 ( 수분 38%, 회분 6%, 3900 kcal/kg) 원료공급량 : 18,000 톤 / 일 제품 : 도시가스 ( 메탄 ) ; 480 만m 3 /day (267 Nm 3 /T-coal) 외부산물가스화 Lurgi Mark IV 14기 (2기 spare ), fixed bed, dry ash type 30기압, 1200 수성가스전환공정 탈황전공정으로, H 2 /CO 비율을 3.0 정도로조정 Co-Mo 촉매사용 전체합성가스의 30% 정도공급합성가스정제공정 산성가스제거 : Rectisol 공정, 황회수 : Stretford 공정 CO 2 분리공정 : Rectisol 공정에서 H 2 S와 CO 2 동시분리 CO 2 EOR : 5000톤 / 일 (16.5 Mpa, 330 km 이송, CO %, H 2 S 1.1%)

19 North Dakota SNG plant : 설계시공정흐름도

20 North Dakota SNG plant : Train concept

21 North Dakota SNG plant : 부산물 부산물 Ammonium Sulfate [(NH 4 ) 2 SO 4 ] Anhydrous Ammonia (NH 3 ) Carbon Dioxide (CO 2 ) Dephenolized Cresylic Acid (71% C 7 H 8 O, 12% C 8 H 10 O, 8% C 8 H 12 O Krypton and Xenon gas (89% Kr, 8% Xe) Liquid Nitrogen (N 2 ) Naphtha (46% C 6 H 6, 18% C 7 H 8, 4% C 8 H 10 ) Phenol (C 6 H 6 O) 생산량 110,000 Ton/year 400,000 Ton/year 1.56 MMTon/year 33 MM pound/year 3.1 MM liter/year 200,000 gallons/year 7 MM gallons/year 33 MM pounds/year

22 North Dakota SNG plant : 현재공정흐름도 1)Addition of a Startup Flare, 2) Removal of LWI, 3) Phenol Purification unit added 4) Sulfur Recovery (Stretford) Unit removed, 5) Flue Gas Desulfurization unit added 6) Ammonia plant added, 7) CO2 Compression and Pipeline added 8) Wet Electrostatic Precipitator added

23 우리나라석탄 SNG 사업추진현황 운영중인천연가스배관망 공사중또는계획중인배관망 삼척생산기지 (2013 년준공 ) 국내기업, 발전사에서석탄 SNG 설비타당성조사 상업용석탄 SNG 설비 1 호기 2014 년부터가동, 연 50 만톤생산 2 호기 2017 년부터연 50 만톤가동계획 타당성조사 타당성조사

24 포스코 SNG 프로젝트현황 설비개요 용량 : 연산 SNG 50 만톤생산 석탄처리량 : 5500 톤 / 일 ( 아역청탄사용, 20% 까지 Pet coke 혼합가능 ) 설치위치 : 전남광양포스코제철소내 프로젝트참여 EPC : 포스코건설 상세설계 : 대우엔지니어링 FEED : Jacobs 공정라이센서 일정 가스화기 : ConocoPhillips 사 E-Gas 수성가스전환 : Linde, 합성가스정제 : Linde 사 Rectisol, 황회수 : Ortloff 사 메탄합성 : Haldor Topsoe 사 TREMP PDP : 가스화기 ; 2010 년 ¾ 분기완료, 정제및메탄화기 ; 2011 년 ¼ 분기완료 FEED : 2011 년 ¼ 분기완료 상세설계 : 2011 년완료 공사 : 2011 년 4 월착공 참고자료 : 2010 년 GTC 발표자료 : POSCO Gwangyang SNG Project

25 SNG 생산가격 500 Wet feeding gasifier Dry feeding gasifier 습식가스화적용 ( 내몽고지역 ) SNG : 16 억Nm 3 /y 용량 SNG cost ( 원 /Nm3) $9.6/MMBTU $7.2/MMBTU $4.8/MMBTU SNG 제조원가석탄비용 : 53% 감가상각비 : 20% 건식가스화적용 ( 산동지역 ) SNG : 40 억Nm 3 /y 용량 SNG 제조원가석탄비용 : 59% 감가상각비 : 15% x x x x x10 3 Coal price ( 원 / 톤 ) 1) 석탄으로부터천연가스제조의경쟁력분석 (2010 년 `1 월, 중국 Coal-To-SNG conference 발표자료 ) 1 위안 = 160 원, 1 $ = 1100 원 2) 현재천연가스배관을통한공급가격 : 서기동수 1 선 : 84 원 /Nm 3, 섬경 1, 2 선 : 109 원 /Nm 3 임 3) 현재건설중인배관을통한공급가격 ( 예상 ) : 서기동수 2 선 353 원 /Nm 3 ($8.5/MMBTU, 유가 $80 기준 )

천연가스와전기의동시생산 (Hybrid IGCC) 경제성분석 석탄 석탄가스화 열회수 탈황, SNG

200 250 300 350 400 450 500 SNG cost ( 원 /Nm3) 1)

26 천연가스와전기의동시생산 (Hybrid IGCC) 경제성분석 석탄 석탄가스화 열회수 탈황, SNG 집진수성가스전환건조, 압축 CO 2 분리합성 SNG Coal : 64,000 원 / 톤 Coal : 104,000 원 / 톤 Coal : 128,000 원 / 톤 Combined cycle Power Electricity price ( 원 /kwh) SNG cost ( 원 /Nm3) 1) 석탄으로부터천연가스제조와병합발전기술의경제성분석 (2010년 `1월, 중국 Coal-To-SNG conference 발표자료 )

중앙아시아연구 원우논집

중앙아시아연구 원우논집 93 석탄화학산업의 혁신을 통한 중국의 새로운 에너지패러다임 김예진 (한양대학교 국제학대학원 중국학과 석사과정) Ⅰ. 서론 Ⅱ. 석탄 화학을 통한 중국의 부상 Ⅲ. 석탄 확보를 위한 중국의 자원외교 Ⅳ. 결론 19세기 영국은 석탄이라는 자원을 활용하여 국제 경제를 이끌어갔고, 20세기 미국은 석유경제로 세계 패권을 장악했다. 하지만 21세기이후,