부생가스

부생가스는 석유화학산업단지 등에서 산업부산물로 발생되는 것으로 메탄가 스 등 종류가 다양하다. 보통 자가발전 및 자체공장 연료로 재활용되고 있는 데 잉여 부생가스를 산업용 연료로 전환하는 사업모델이 증가할 것으로 예상 된다.³⁹⁾

부생가스 이용의 중요한 이유는 산업공정에서 발생하는 폐가스(waste gas) 는 매우 많은 양의 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 황, 질소 산화물들을 포함하 고 있다. 이들 중 일산화탄소, 수소등은 유용한 에너지원임에도 그냥 버려지고 있어 경제적인 손실이 될 뿐아니라 대기 환경에도 악영향을 미치고 있다. 특 히 제철소에서 발생하는 COG(코오크스로 가스), BFG(고로가스), LDG(전로가 스), carbon black 제조시 발생하는 폐가스등은 일산화탄소와 이산화탄소를 다 량 함유하는데 이렇게 발생하는 폐가스의 양은 포항, 광양제철소에서만 1년에 3×10¹⁰m³에 이른다.

가. 부생가스 배출량⁴⁰⁾

구분 COGK

(백만 Nm³/년) BFG

(백만 Nm³/년)

LDG

(백만 Nm³/년)

열량계 (조kcal/년)

포항제철소 2,107 14,534 712 21.6

광양제철소 1,183 9,763 497 13.5

계 3,290 24,297 1,209 35.1

[표 3.7] 포항, 광양제철소의 부생가스 배출량(1991년)

이들 중 BFG와 CDG 경우에는 폐가스중 CO의 구성 비율이 20%, 70%로서 매우 높은 편이다. 또한 Carbon black 제조시 발생하는 페가스는 13% 가량의 CO를 포함하고 있다.

이들 국가기간 산업인 제철소의 부생가스 경우 재활용 실적이 부진하여 극 히 일부만 회수되고 나머지는 모두 폐기되고 있는 실정이다. 특히 제철소 부 생가스 중 BFG나 LDG중 20 ~ 70%를 차지하는 일산화탄소는 에너지원으로 활용될 수 있는 귀중한 자원임에도 불구하고 회수나 재활용이 거의 되지 않고

39) 부생가스 도시가스 전환사업 '관심 집중', 투데이에너지,2007년04월12일

40) 산업자원부, 산업체 부생가스로부터 유용한 에너지원의 생물학적 생산기술 개발, 2001

버려지는 실정이다

나. 부생가스 분포⁴¹⁾

현재 수소의 이용은 에너지원보다는 화학제품의 원료 및 화학공장의 공정가 스로 널리 사용되고 있다. 국내 석유화학 공장에서는 Naphtha cracking을 이 용하여 수소를 제조하고 있으며 울산, 여천, 대산 등의 대규모 석유화학 단지 에서 상당량이 생산되고 있다. 이러한 석유화학 단지의 생산 수소는 자체 공 정 이용을 위한 것이므로, 공급량이 수요량에 맞추어져 있으므로 부생가스로 구분하기는 어렵다. 부생 가스로서 수소가 대량으로 발생하는 공장으로는 가 성소다 업체, 스티렌모노머 공장이며 제철소의 경우 COG(Coke oven Gas)로 불리는 수소를 포함한 가스가 대량 생산 된다.

다. 수소

1) 가성 소다 공업

식염 전해법을 이용하는 가성소다를 제조하면 양극에서는 염소가스가 발생 가호 음극에서는 가성소다와 수소가스가 동시에 발생한다.

2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2+ H2

위의 반응식에 의하면 가성소다 1톤 생산 시 수소 280m³이 발생한다. 수소 는 수분 외에 불순물이 거의 없고 순도가 99.9% 이상이므로 압축 수소로 시 관 가능하다. 국내 가성소다 생산업체의 생산량은 백광산업 10만톤, 동양화학 4.5만톤, 삼성정밀화학 16만톤, 한화종합화학 62만톤, LG화학 18만톤 정도이다.

41) 산업자원부, 파워파크(Power park) 조성을 위한 기획연구사업, 2005

국내 가성소다 생산량은 2000년 기준 1,135천톤 규모 이므로 연간 2.8만톤 정 도의 부생수소가 발생하는 것으로 계산 된다. 현재 발생수소의 대부분은 석유 화학공장이나 합성염산 제조공정에 재투입 되고 있으며 상당량은 보일러 열원 으로 이용되고 있다.

2) 스티렌모노머제조(styrene monomer)

스티렌모노머는 플라스틱의 원료로서 90% 이상이 에틸벤젠의 탈수소화로 생산된다. 해당 반응은 흡열반응으로 부산물로 수소가 발생한다. 반응식은 다 음과 같다

C6H5-CH2-CH3 → C6H5=CH2(SM) + H2

2000년 기준 국내 스티렌모노머 생산량은 2,466천톤 정도이고 SM 1톤당 19kg의 수소가 발생한다면 3.8만톤의 수소가 발생하는 것으로 계산된다.

라. COG

가성소다 공정, 스타이렌모노머 공정 외에 대량의 부생수소가 발생하는 곳은 제철소의 COG(Coke Oven Gas) 가스이다. 이들 부생가스 및 기타 부생가스 발생원과 생성 수소의 농도를 표 3.8에 정리하였다. 수소농도가 50% 이상인 경우가 대부분이며 PSA(pressure swing adsorption) 등의 공정을 이용하여 고 순도 수소를 얻을 수 있다.

Feed source H2 %

Steam reforming 64-96

Ehylene off-gas 35-98

Catalytic reformer off-gas 75-90

chlorine off-gas 98

Dissociated ammonia 75

H2CO cold box 94-99.5

EB-styrene off-gas 80-85

Methanol loop purge 68-84

Butadiene off-gas 79

Ammonia loop purge 60

Toluene HDA H2 Purge 57

Cyclohexane H2 purge 42

LPG dehydrogenation 58

[표 3.8] 부생수소의 발생원과 생성 가스 내 수소 농도

바. 메탄

에너지원으로 사용되는 천연가스외의 메탄 발생은 주로 농축산 산업과 폐기 물 매립, 하폐수 처리과정에서 발생한다. 이러한 메탄은 대기 중에 방충될 경 우 지구온난화를 야기하며 온실가스 효과는 CO₂의 20배에 해당하는 것으로 알려져 있다. 국내 메탄의 발생량은 농경지 감소 및 폐기물 감축대책 추진 등 으로 1990년 이후 감소추세에 있다. 환경부 보고서에 의하면 배출 부분별 온 실가스 배출비중 전망은 다음 표 3.9와 같다. 이산화탄소 배출비중은 1990년 77%에서 2000년 86.6%로 증가하였고 메탄은 농경지 감소 및 폐기물 감축대책 추진 등으로 1990년 20.8%에서 2000년 6.8%로 크게 감소하였다.

다른 부생수소와 달리 메탄은 개질 공정 등을 이용한 수소 전환 공정이 필 요한 특징이 있다. 또한 발생원이 분산되어 있어 대규모 처리 공정을 도입하 기에 어렵고 발생량이 일정하지 않으므로 분산 처리, 이용 시설이 필요하다.

온실가스 1990 1995 2000 1990~2000연평균 증가율(%)

CO2 63.9 103.6 116.8 6.2

CH4 17.3 10.9 9.2 -6.1

N2O 1.8 2.6 3.7 7.4

HFC N.A. 0.7 1.4

-PFC N.A. N.A. 0.6

-SF6 N.A. 1.7 3.2

-[표 3.9] 온실가스 종류별 배출현황(단위: 백만 TC)