지하 석탄 가스화

Underground coal gasification
지하 석탄 가스화
공정 유형화학의
산업 부문석유 가스 산업
석탄 산업
공급원료석탄
제품석탄 가스
대기업아프리카
링크 에너지
카본 에너지
주요 시설앙그렌 발전소 (우즈베키스탄)
마주바 발전소 (남아공)
친칠라 시연 시설(호주)
발명가칼 빌헬름 지멘스
발명의 연도1868
개발자아프리카 탄소 에너지
Ergo Exergy 테크놀로지
스코친스키 광업 연구소

지하 석탄 가스화(UCG)는 석탄을 제품 가스로 변환하는 산업 공정입니다.UCG는 산화제와 증기의 주입을 사용하여 채굴되지 않은 석탄층에서 수행되는 현장 가스화 공정입니다.제품 가스는 [1]표면에서 드릴로 뚫린 생산 유정을 통해 표면으로 나오게 됩니다.

주요 생산 가스는 메탄, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소이다.비율은 형성 압력, 석탄 깊이 및 산화제 균형에 따라 달라집니다.가스 출력은 전기 생산을 위해 연소될 수 있다.또는 이 가스출력을 합성천연가스를 생산하는데 사용할 수도 있고 연료(예를 들어 디젤), 비료, 폭발물 및 기타 제품의 생산을 위한 화학원료로 수소와 일산화탄소를 사용할 수도 있다.

이 기법은 전통적인 채굴 방법으로 채광하기 어렵거나 기술적으로 복잡한 석탄 자원에 적용될 수 있다.UCG는 일부 자원에 대해 기존의 석탄 채굴 방법에 대한 대안을 제공합니다.그것은 환경 [2]운동가들의 많은 우려와 연관되어 있다.

역사

지하 석탄 가스화에 대한 최초의 언급은 1868년 윌리엄 지멘스 경이 런던 화학 협회 연설에서 [3][4]광산의 폐기물과 석탄의 지하 가스화를 제안했을 때였다.러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프는 이후 20년 동안 [4][5]지멘스의 아이디어를 더욱 발전시켰다.

1909-1910년 미국 기술자 앤슨 G. 벳츠에게 "미광탄 [4][5]사용법"으로 미국, 캐나다, 영국 특허권이 부여되었다.UCG에 대한 첫 번째 실험 작업은 노벨상 수상자인 윌리엄 램지 경의 지도 아래 1912년 영국 더럼에서 시작될 계획이었다.그러나 램지는 제1차 세계대전이 시작되기 전에 UCG 현장 작업을 시작할 수 없었고 프로젝트는 포기되었다.[4][5]

초기 테스트

1913년 러시아의 망명자 블라디미르 레닌이 탄광에서 지하 [4][5][6]석탄 가스화에 의해 노동자들을 위험한 노동으로부터 해방시키겠다고 약속하는 "기술의 위대한 승리"라는 기사를 프라브다에 썼다.

1928년과 1939년 사이에 소련에서는 국영 기관인 포드젬가즈에 [6]의해 지하 실험이 실시되었다.챔버법을 사용한 첫 번째 테스트는 1933년 3월 3일 크루토바 광산의 모스크바 석탄 분지에서 시작되었다.이 테스트와 몇 가지 테스트에 실패했습니다.최초의 성공적인 실험은 1934년 4월 24일 도네츠크 석탄 [5]화학 연구소에 의해 도네츠크 분지의 리시찬스크에서 수행되었다.

최초의 파일럿 스케일 프로세스는 1935년 2월 8일 도네츠크 분지의 홀리브카에서 시작되었다.생산량이 점차 증가하여 1937-1938년에 지역 화학 공장에서 생산된 가스를 사용하기 시작했습니다.1940년, 리시찬스크와 [5]툴라에 실험 공장이 세워졌다.제2차 세계대전 후 소련의 활동은 1960년대 초 5개의 산업용 UCG 공장을 가동하면서 절정에 달했다.그러나 이후 소련의 활동은 방대한 천연가스 자원의 발견으로 감소하였다.1964년에 소련 프로그램은 [5]강등되었다.2004년 현재 우즈베키스탄의 앙렌 사이트와 러시아의 유즈노-아빈스크 사이트만이 운영을 [7]계속하고 있다.

전후 실험

제2차 세계대전 후, 에너지 부족과 소련 결과의 확산은 서유럽과 미국에 새로운 관심을 불러일으켰다.미국에서는 1947-1958년 앨라배마 주 고가스에서 테스트가 실시되었다.이 실험은 앨라배마 전력과 미국 광산국(Bureau of Mines)의 협력 하에 실시되었다.Gorgas에서의 실험은 1953년까지 7년 동안 계속되었고, 미국 의회가 자금을 철회한 후 미국 광산국은 그에 대한 지원을 철회했다.이 실험에서 1953년까지 총 6,000톤의 석탄이 연소되었다.그 실험은 가연성 합성 [8]가스를 생산하는 데 성공했다.실험은 1954년 이후 다시 시작되었고 이번에는 석유와 모래의 혼합물을 이용한 수력 분쇄로 이루어졌지만 1958년 [9]비경제적인 이유로 결국 중단되었다.1973-1989년에는 광범위한 테스트가 수행되었다.미국 에너지부와 몇몇 대형 석유 및 가스 회사들이 몇 가지 테스트를 실시했다.Lawrence Livermore National Laboratory는 1976-1979년 [4][5]와이오밍 주 캠벨 카운티에 있는 Hoe Creek 테스트 현장에서 세 가지 테스트를 수행했습니다.

Livermore는 Sandia National Laboratories 및 Radian Corporation과 협력하여 1981-1982년 워싱턴 [4]주 Centralia 근처의 WIDCO 광산에서 실험을 수행했습니다.1979-1981년 와이오밍주 Rawlins 근처에서 급경사 이음매의 지하 가스화가 입증되었다.이 프로그램은 1986-1988년 [5][7]와이오밍 주 한나 근처에서 열린 록키 마운틴 재판에서 절정을 이뤘다.

유럽에서는 1948년 벨기에의 Bois-la-Dame과 1949년 [7]모로코의 Jerada에서 스트림 방법을 테스트했다.시추공 방법은 1949-1950년 영국의 뉴먼 스피니와 베이튼에서 테스트되었다.몇 년 후,[5][7] 1958-1959년 뉴먼 스피니 더비셔에서 상업용 파일럿 계획인 P5 Trial을 개발하기 위한 첫 번째 시도가 이루어졌다.뉴먼 스피니 프로젝트는 1957년에 승인되었으며 증기 보일러와 3.75 MW 터보 교류 발전기로 구성되어 있습니다.[10]석탄위원회는 1959년 [10]여름 가스화 계획을 포기했다.1960년대에 유럽의 작업은 풍부한 에너지와 저유가 때문에 중단되었다가 1980년대에 재개되었다.현장 테스트는 1981년 브루앙 아르투아에서, 1983-1984년 프랑스 라 오뜨 드울에서, 1982-1985년 벨기에 툴린에서, 1992-1999년 스페인 [4]테루엘 지방의 엘 트레메달 현장에서 실시되었다.1988년 유럽공동체와 6개 유럽국가위원회는 유럽실무그룹을 [7]결성했다.

뉴질랜드에서는 1994년 헌틀리 석탄 분지에서 소규모 실험이 실시되었습니다.호주에서는 [7]1999년부터 테스트가 실시되었다.중국은 1980년대 후반 이후 최대 규모의 프로그램을 운영해 16차례 시범운영했다.[4][11]

과정

지하 석탄 가스화 과정.

지하 석탄 가스화는 석탄층에 있는 동안 석탄을 가스로 변환합니다.가스는 채굴되지 않은 석탄층에 뚫린 유정을 통해 생성되고 추출됩니다.사출 웰은 지하 연소 과정을 점화 및 연료로 하기 위해 산화제(공기, 산소)와 증기를 공급하는 데 사용됩니다.제품 가스를 [7][12]표면으로 끌어올리기 위해 별도의 생산 웰이 사용됩니다.고압 연소는 700–900°C(1,290–1,650°F)의 온도에서 수행되지만 최대 1,500°C(2,730°F)[4][7]에 이를 수 있습니다.

이 과정은 석탄을 분해하여 이산화탄소, 수소
2
2, 일산화탄소, 메탄(CH)을
4 발생시킨다.또한 황산화물(SO
x), 일질소산화물(NO
x), 황화수소(HS
2)를 포함한 각종 오염물질을 [7]소량 생산한다.석탄면이 연소되어 인접 영역이 고갈됨에 따라 [4]작업자가 주입하는 산화제의 양을 제어한다.

지하 석탄 가스화에는 다양한 설계가 있으며, 이 모든 설계는 산화제를 주입하고 반응 영역에 증기를 주입하는 수단을 제공하며, 또한 생산 가스가 지표면으로 제어된 방식으로 흐를 수 있는 경로를 제공합니다.석탄은 연륜, 조성 및 지질 역사에 따라 유동 저항성이 크게 다르기 때문에 일반적으로 가스를 운반하는 석탄의 자연 투과성은 적절하지 않습니다.석탄의 고압 분해를 위해 수력파쇄, 전기링크 및 역연소를 [4][12]다양한 정도로 사용할 수 있다.

가장 단순한 설계에서는 두 개의 수직 웰(주입 및 생산)을 사용합니다.때로는 두 우물 사이에 통신을 확립해야 하며, 일반적인 방법은 석탄의 내부 경로를 열기 위해 역연소를 사용하는 것입니다.또 다른 대안은 두 개의 수직 [13]웰을 연결하는 측면 웰을 드릴로 뚫는 것입니다.소련에서는 단순한 수직 우물, 경사 우물 및 긴 굴절 유정이 있는 UCG가 사용되었다.소련의 UCG 기술은 Ergo Exergy에 의해 추가로 개발되어 1999-2003년 링컨의 친칠라 현장, 마주바 UCG 발전소(2007년) 및 호주 쿠가 에너지의 실패한 UCG 파일럿(2010년)에서 테스트되었다.

1980년대와 1990년대에 로렌스 리버모어 국립 연구소에 의해 CRIP(제어 철회 및 주입 지점)로 알려진 방법이 개발되어 미국과 스페인에서 시연되었다.이 방법은 석탄에 수직 생산 우물 및 방향 시추된 확장 가로 유정을 사용한다.측방향 웰은 산화제 및 증기의 주입에 사용되며 주입 [13]지점은 인젝터를 수축시켜 변경할 수 있습니다.

탄소 에너지는 한 쌍의 가로 유정을 병렬로 사용하는 시스템을 최초로 채택했다.이 시스템은 두 우물 사이의 석탄을 점진적으로 채굴하면서 주입 유정과 생산 유정 사이의 일정한 분리 거리를 허용합니다.이 접근방식은 우물 세트당 최대량의 석탄에 대한 접근을 제공하고 생산 가스 [14]품질의 일관성을 높이기 위한 것입니다.

2012년 5월 개발사인 Portman Energy가 발표한 신기술은 단일 수직 우물(SWIFT, Single Well Integrated Flow Tubing)으로 산화제 공급과 승가스 회수 모두를 위한 것이다.이 설계는 누출 모니터링, 부식 방지 및 열 전달을 위해 튜브 스트링의 단일 케이스를 밀폐하고 불활성 가스로 채웁니다.석탄에 수평으로 천공된 일련의 횡방향 산화제 공급 라인과 단일 또는 복수의 신가스 회수 파이프라인을 통해 한 번에 더 넓은 면적의 석탄을 연소할 수 있다.개발자들은 이 방법이 이전의 설계 방식보다 최대 10배까지 singas 생산을 증가시킬 것이라고 주장한다.단일 우물 설계는 개발 비용이 상당히 절감되고 시설과 우물 헤드가 단일 지점에 집중되어 지상 접근 도로, 파이프라인 및 시설 설치 공간을 감소시킨다는 것을 의미합니다.[9] 영국 특허청은 Portman Energy에 의한 완전 특허 출원 GB2501074를 2013년 10월 16일에 공표할 것을 통지했습니다.

UCG 공정에는 다양한 종류의 석탄이 적합하며 갈탄에서 역청까지 석탄 등급이 성공적으로 가스화될 수 있습니다.UCG를 위한 적절한 위치를 선택할 때는 지표 조건, 수문 지질학, 암석학, 석탄량, 품질 등 매우 많은 요소가 고려된다.CSIRO Experation & Mining의 Andrew Beath에 따르면 기타 중요한 기준은 다음과 같습니다.

  • 깊이 100~600m(330~1,970피트)
  • 두께가 5m(16피트)를 넘다
  • 회분 함량 60% 미만
  • 최소 불연속성
  • 귀중한 [15]대수층으로부터의 격리.

Liberty Resources Limited의 Peter Sallans에 따르면 주요 기준은 다음과 같습니다.

  • 깊이 100~1,400m (330~4,590피트)
  • 두께가 3m(9.8피트)를 넘다
  • 회분 함량 60% 미만
  • 최소 불연속성
  • 귀중한 [16]대수층으로부터의 격리.

경제학

지하 석탄 가스화는 다른 기술(예: 너무 깊고, 낮은 등급 또는 얇은 지층을 가진 이음매)[4]로 경제적으로 회수할 수 없는 석탄 자원에 접근할 수 있도록 한다.UCG는 경제회수 가능 매장량을 6000억t [17]늘릴 것으로 추산된다.Lawrence Livermore National Laboratory는 UCG가 미국에서 회수 가능한 석탄 매장량을 300%[18] 늘릴 수 있을 것으로 추정합니다.Livermore와 Linc Energy는 UCG 자본과 운영 비용이 기존 [4][19]채굴에 비해 낮다고 주장합니다.

UCG 제품 가스는 복합 사이클 가스터빈(CCGT) 발전소의 화재에 사용되며, 일부 연구에 따르면 전력섬 효율은 최대 55%이며, UCG/CCGT 프로세스 효율은 최대 43%입니다.천연가스 대신 UCG 제품 가스를 사용하는 CCGT 발전소는 분쇄 석탄 화력발전소(및 관련 업스트림 프로세스)보다 더 높은 출력을 달성할 수 있어 온실가스([citation needed]GHG) 배출량이 크게 감소한다.

UCG 제품 가스는 다음 용도로도 사용할 수 있습니다.

  • 액체 연료의 합성
  • 암모니아 및 비료와 같은 화학물질의 제조
  • 합성 천연가스 생산
  • 수소의 생산.

또, 지하 석탄 가스화의 부산물로 발생하는 이산화탄소를 재배향해, [citation needed]오일 회수 강화에 사용할 수 있다.

지하 생산 가스는 천연 가스의 대체 수단이며 광업, 운송 및 고형 폐기물을 제거함으로써 잠재적으로 비용을 절감합니다.배출권 거래, 세금 및 기타 배출 감소 정책(예: 호주 정부가 제안한 탄소 오염 감소 계획)[citation needed]에 의해 추진되는 높은 석탄 가격을 고려할 때 예상되는 비용 절감액은 증가할 수 있다.

프로젝트

쿠거에너지와 링컨에너지는 2016년 [20][21][22][23][24]활동이 금지될 때까지 에르고엑서지가 제공한 UCG 기술을 기반으로 호주 퀸즐랜드에서 시범사업을 진행했다.[25] 링크 에너지의 자회사인 Yerostigaz는 우즈베키스탄 앙렌에서 하루에 약 100만 입방 미터(3500만 입방 피트)의 신가스를 생산하고 있습니다.생산된 신가스는 앙렌 [26]발전소에서 연료로 사용됩니다.

남아프리카공화국에서는 Eskom(Ergo Exergy를 기술 공급자로 함)이 상업용 전기 [27][28][29]생산을 위한 신가스 공급에 대비해 시연 공장을 운영하고 있다.아프리카 카본[30] 에너지는 자유주 테우니센 인근의 50MW 발전소에 대한 환경 승인을 받았으며, UCG가 국내 가스 공급 옵션으로 지정된 DOE의 독립 전력 생산자(IPP) 가스 프로그램에[31] 참여할 준비가 되어 있습니다.

ENN은 [citation needed]중국에서 성공적인 파일럿 프로젝트를 운영했습니다.

또한 호주, 영국, 헝가리, 파키스탄, 폴란드, 불가리아,[27] 캐나다, 미국, 칠레, 중국, 인도네시아, 인도, 남아프리카, 보츠와나 등지에서 프로젝트를 전개하고 있는 기업이 있다.제우스 개발공사에 따르면, 전 세계에서 60개 이상의 프로젝트가 개발 중에 있다.

환경 및 사회적 영향

채굴을 없애면 광산 안전 문제가 [32]없어집니다.기존 석탄 채굴 및 가공에 비해 지하 석탄 가스화는 지표면 손상과 고형 폐기물 배출을 없애고 이산화황(SO
2)과 산화질소([4][33]NO
x) 배출을 줄여준다.비교를 위해 UCG singas의 회분 함량은 약 10mg3/[18]m로 추정되며, 회분 함량은 최대 70mg3/m에 달할 수 있는 기존 석탄 연소 연기와 비교된다.그러나 UCG 운영은 표면 가스화기처럼 정확하게 제어할 수 없습니다.변수에는 물의 유입 속도, 가스화 구역 내 반응물의 분포, 공동 성장 속도가 포함됩니다.이는 온도 측정과 제품 가스의 품질 및 [4]양 분석을 통해서만 추정할 수 있습니다.

침하 현상은 모든 형태의 추출 산업에서 공통적인 문제이다.UCG는 공동에 회분을 남기는 반면, UCG 이후 남아 있는 보이드의 깊이는 일반적으로 다른 석탄 [4]추출 방법보다 큽니다.

지하 연소는 NO와
2 SO를 생성하고
x 산성비를 포함한 배출량을 낮춥니다.

대기 중 CO
2 배출에 관해 UCG 지지자들은 이 과정이 지질학적 탄소 저장에 [4]유리하다고 주장해 왔다.UCG와 CCS(Carbon capture and storage) 기술을 결합하면 연소 과정에서 생성된 고투과성 암석(예: 석탄이 [34]있던 공동)에 CO의
2 일부를 현장에서 다시 주입할 수 있습니다.암모니아나 황화수소 등의 오염물질을 비교적 저렴한 비용으로 [citation needed]제품 가스에서 제거할 수 있습니다.

단, 2013년 말 현재 CCS는 UCG 프로젝트의 범위에 포함되지 않고 환경적인 문제가 발생한 적이 있기 때문에 상업적인 규모로 구현된 적이 없습니다.2014년 호주 정부는 퀸즐랜드주 달링다운스 [35]푸드보울의 친칠라 인근에 있는 링컨에너지의 시험용 지하석탄가스화 공장에서 발생한 심각한 환경오염 혐의로 고발했다.2016년 4월 UCG가 금지되었을 때 퀸즐랜드 광산부 장관 앤서니 린햄은 다음과 같이 말했습니다.Queensland의 환경과 우리의 귀중한 농업에 대한 잠재적 위험은 잠재적인 경제적 이익보다 훨씬 큽니다.UCG의 활동은 퀸즐랜드에서 [25]더 이상 사용할 수 있는 수준이 아닙니다.

한편, 2010년 3월 원자력 과학 회보에 실린 기사에서 UCG는 대량의 탄소 배출을 초래할 수 있다고 지적한 바 있다.기사는 "탄소 포집이나 다른 완화 기술을 사용하지 않고 4조 톤의 석탄을 추가로 추출할 경우 대기 중 이산화탄소 수치가 4배로 증가할 수 있다"며 "지구 평균 온도가 섭씨 5도에서 10도 사이 상승할 수 있다"[36][37]고 밝혔다.

대수층 오염은 잠재적인 환경 [4][38]문제이다.유기물 및 종종 유독성 물질(페놀 등)은 가스화 후 지하실에 남아 있을 수 있습니다.현장 폐로와 재활은 UCG, 석유 및 가스 또는 채굴이든 자원 개발 승인의 표준 요건이며 UCG 챔버의 폐로는 비교적 간단하다.페놀 침출수는 높은 수용성과 가스화에 대한 높은 반응성으로 인해 가장 심각한 환경적 위험입니다.미국 에너지부의 Lawrence Livermore Institute는 와이오밍 주 Hoe Creek에서 매우 얕은 깊이에서 정수압 없이 초기 UCG 실험을 수행했습니다.그들은 그 장소를 해체하지 않았고 실험 결과 발암물질인 벤젠을 포함한 오염물질이 검출되었다.그 방은 나중에 물에 잠겼고 그 장소는 성공적으로 복구되었다.일부 연구에 따르면 지하수에서 이러한 미량의 오염물질의 지속성은 단기간에 유지되며 지하수는 [33]2년 이내에 회복된다.그럼에도 불구하고 규제 요건의 지원을 받는 적절한 실천요강은 각 챔버를 세척 및 폐기하고 UCG 현장을 복구하는 것이어야 한다.

새로운 UCG 기술과 관행은 "클린 캐번"[39] 개념을 구현함으로써 지하수 오염과 관련된 문제와 같은 환경 문제를 해결한다고 주장한다.이는 운전 중 및 폐로 후 발생하는 증기를 통해 가스화기를 자가 청소하는 과정이다.지하 가스화기 압력을 주변 지하수 압력 이하로 유지하는 것도 중요한 관행이다.압력 차이는 지하수를 가스화기로 연속적으로 흐르게 하고 가스화기에서 나온 어떤 화학물질도 주변 지층으로 빠져나갈 수 없다.압력은 오퍼레이터가 [39]표면의 압력 밸브를 사용하여 제어합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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추가 정보

"Beyond fracking", New Scientist 특집 기사(Fred Pearce), 2014년 2월 15일

외부 링크