석탄 합성천연가스(SNG)

왜 배우는가: 석탄 합성천연가스는 석탄 가스화와 메탄화를 잇는 개념으로, 석탄 자원을 천연가스 대체 연료로 쓰는 경제성과 연소 호환성을 설명하는 데 필요하다. 시험에서는 개요, 제조공정, 활용가치를 한꺼번에 묻는 방식으로 출제되므로 공정 원리와 활용 조건을 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제101회 3교시 2번, 제98회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

석탄 합성천연가스(SNG)는 석탄을 가스화하여 얻은 합성가스를 메탄화하여 메탄을 주성분으로 만든 천연가스 대체 연료이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 합성천연가스(SNG): 메탄을 주성분으로 하며 천연가스와 같은 용도로 쓰이는 합성 기체연료이다.
• 석탄 가스화: 석탄을 산소 또는 공기와 증기로 처리하여 합성가스를 만드는 공정이다.
• 합성가스(syngas): 수소와 일산화탄소가 주성분인 가스로, SNG 제조의 중간 생성물이다.
• 메탄화(methanation): 일산화탄소와 이산화탄소를 수소와 반응시켜 메탄을 만드는 반응이다.
• 수성가스 전환 반응: 합성가스의 일산화탄소를 수증기와 반응시켜 수소 비율을 높이는 반응이다.
• 웨버 지수: 가스의 발열량과 비중으로 정의되며 연소기 호환성을 판단하는 지표이다.

2. 개념 풀이

석탄 합성천연가스는 석탄을 가스화하여 얻은 합성가스를 정제하고 메탄화하여 메탄 함량을 높인 기체연료이다. 석탄의 경제성과 풍부한 매장량을 활용하면서도 천연가스 설비에 그대로 공급할 수 있도록 만든 것이 핵심 목적이다. 따라서 SNG는 석탄을 원료로 하더라도 최종 가스의 성질이 천연가스에 가깝도록 설계된 연료로 이해해야 한다.

원리는 세 단계로 설명된다. 첫째, 석탄 가스화에서 산소(또는 공기)와 증기를 사용하여 석탄의 분자 결합을 끊으면 수소와 일산화탄소의 혼합가스인 합성가스가 생성된다. 둘째, 합성가스에서 황화합물 같은 불순물을 제거하고 수성가스 전환 반응으로 수소 비율을 조정한다. 셋째, 정제된 가스를 메탄화 반응기에 넣어 일산화탄소와 이산화탄소를 메탄으로 바꾼다. 메탄화 반응은 다음과 같이 나타낸다.

$CO + 3H_2 \rightarrow CH_4 + H_2O$

$CO_2 + 4H_2 \rightarrow CH_4 + 2H_2O$

위 식에서 CO는 일산화탄소, CO₂는 이산화탄소, H₂는 수소, CH₄는 메탄, H₂O는 물을 뜻한다. 첫 식은 일산화탄소 1몰이 수소 3몰과 반응하여 메탄 1몰과 물 1몰을 만든다는 뜻이다. 두 반응 모두 발열반응이므로 반응기의 온도 제어가 공정 안정성의 핵심이다. SNG 제조의 주요 관리 항목은 반응기 온도, 압력, 촉매 상태, 수소 대 일산화탄소 비율이며, 촉매가 손상되면 메탄화 효율이 떨어지고 미반응 가스가 늘어나므로 촉매 관리가 공정의 경제성을 좌우한다.

SNG는 메탄 농도만 높이는 것이 아니라 웨버 지수를 천연가스와 맞춰 연소 호환성을 확보한 연료이다.

웨버 지수는 가스의 발열량과 비중으로 정의되는 지표로, 가스를 바꿔 쓸 때 연소기에 미치는 영향을 판단하는 기준이다. 연소기는 연료의 열 입력 특성에 맞춰 설계되므로 웨버 지수가 크게 달라지면 화염이 불안정해지거나 과열이 생길 수 있다. 석탄 기반 가스는 발열량만 맞춘다고 연소 특성이 같아지지 않으므로, SNG는 기존 연소기와 호환되도록 프로판을 혼합하여 웨버 지수를 맞추어 생산된다. 이러한 혼합 연료는 화염 특성이 복잡해지므로, 가스터빈과 산업용 연소기를 설계하기 전에 기초 연소 특성을 파악하는 연구가 필요하다.

3. 등장 배경과 필요성

석유와 천연가스의 공급은 가격 변동과 해외 의존이라는 구조적 문제를 안고 있다. 이에 따라 매장량이 풍부하고 가격 상승 폭이 비교적 작은 석탄을 에너지원으로 활용하려는 요구가 커졌다. 석탄 가스화는 석탄을 기체연료로 바꾸어 이용하는 석탄 청정 이용 기술의 대표적인 방식이며, SNG는 그 결과물 가운데 천연가스를 대체하는 형태이다.

석탄으로 만든 합성가스는 그 자체로 발전이나 화학 원료로 쓸 수 있지만, 천연가스 배관망과 기존 연소 설비에 바로 공급하려면 메탄 중심의 SNG로 전환해야 한다. 이 점에서 SNG의 필요성은 석탄 자원을 천연가스 인프라에 연결하는 데 있다. 그래서 SNG는 천연가스 대체 수단으로 평가된다.

상업 사례로 미국 노스다코타주의 Great Plains Synfuels Plant는 1984년부터 갈탄을 원료로 SNG를 생산해 왔다. 이 플랜트는 미국에서 석탄 기반 SNG를 생산하는 유일한 시설로 알려져 있으며, 생산된 SNG는 미국 천연가스 공급망으로 보내진다. 이 사례는 석탄 기반 SNG가 기술적으로 가능하다는 것을 보여 주지만, 설비 규모와 투자비가 커서 경제성이 조건에 따라 달라진다는 점도 함께 고려해야 한다.