합성가스로부터 고발열량 합성천연가스 생산을 위한 촉매반응 특성 및 경제성 분석

Abstract

2050년 탄소중립을 목표로 한 국내 정책에 의해 많은 이산화탄소를 배출하는 석탄의 사용량은 점차 줄어들 것이고, 이를 대체하기 위하여 천연가스의 사용량은 증가할 것이다. 국내 천연가스 배관망은 천연가스 사용처를 위해 천연가스 열량 제도를 시행하고 있어, 천연가스의 발열량(9,800-10,600 kcal/Nm3)이 정해져 있다. 다양한 탄화수소로부터 생산한 합성가스(Syngas)에 의해 합성천연가스(SNG, Synthetic Natural Gas)를 생산하는 연구는 탄화수소의 연소 방법을 대체할 수 있는 기술로 평가된다. 합성가스로부터 메탄을 합성하는 기술로 얻을 수 있는 합성천연가스의 발열량(9,300 kcal/Nm3)은 기존의 천연가스 배관망에 공급하기에 부족한 발열량을 가지고 있어, 합성천연가스 공정에 발열량을 보완해주기 위해 LPG(Liquid Petroleum Gas)를 혼합할 수 있는 별도의 열조설비가 필요하므로 공정 구축에 추가적인 비용이 발생한다. 본 연구에서는 메탄화 반응을 이용한 경질 탄화수소 생산과 피셔 –트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응을 연계하여 고발열량 합성천연가스(High calorie SNG)를 생산하는 촉매 및 공정을 검토하였다. 반응 공정을 위해 합성가스 분기 비율과 Co/Fe, Ni/Co 촉매의 반응 특성을 실험실(lab.) 규모로 연구하고, 규모 확대를 위해 벤치(bench) 규모의 등온반응기(Isothermal reactor)와 단열 반응기(Adiabatic reactor)에 대한 경질탄화수소(C2-C4, Light hydrocarbon) 합성 연구를 수행하였다. 본 연구의 결과를 바탕으로 20 Nm3/h 파일럿(pilot) 규모의 설비를 운영하여 H2(2.4%), CO(0.0%) CO2(1.1%), CH4(81.9%), C2-C4(14.6%)와 고발열량(10,523 kcal/Nm3) 합성천연가스를 생산하였고, 상업 규모의 공정 시뮬레이션을 통해 공정 최적화(process optimization)와 경제성 분석(economic feasibility analysis)을 수행하였다. 연간 상업 규모인 석탄 5만 톤의 합성천연가스 생산공정에서 피셔-트롭쉬를 이용한 고발열량 합성천연가스를 생산하는 공정은 합성천연가스 단독 공정에 LPG를 혼합하는 것 보다 약 23억 원의 추가 운영 이익을 기대할 수 있다. 장기적으로 2050년까지 탄소중립을 위해 국내에서 천연가스 가격이 석탄보다 높아질 것으로 예상된다. 그뿐만 아니라 국내 LPG 가격을 고려하였을 때, 합성천연가스 공정에 LPG를 단순 혼합하는 것보다 피셔-트롭쉬 반응을 이용하여 합성가스로부터 경질 탄화수소를 합성하여 고발열량 합성천연가스를 생산하는 것이 경제적으로 유리하다. 이에 따라 합성가스로부터 유래된 합성천연가스 공정 + 피셔-트롭쉬 공정이 국내 실정에 적합한 탄소중립 대안이 될 수 있을 것이다.