수소 생산방법 및 공정 알아보기 - 개질 수소+탄소포집(블루 수소)

개질수소(Gray Hydrogen)란?

개질수소는 천연가스나 석탄, 석유 등의 탄화수소계 화석연료를 활용하여 각종 촉매 반응을 통해 생산된 수소를 뜻하는 것으로, 현재 전 세계에서 생산되는 수소량 중 95% 이상이 바로 개질수소에 의한 생산방식입니다. 개질반응은 수증기 개질(Steam Methane reforming), 이산화탄소 개질(Carbon dioxide Methane Reforming), 부분 산화(Partial Oxidation)등의 방법이 있으며, 이 중 수증기 개질반응이 가장 널리 활용되고 있습니다.

근래 들어서는 천연가스(LNG)를 이용한 개질 수소방식이 많이 이용되고 있는데요. 이는 천연가스의 가격이 상대적인 저렴함과 배출가스가 적다는 장점이 있기 때문입니다. 그러나 이러한 천연가스 역시나 메탄수소계이기 때문에 탄소가 배출되는 문제점이 지적되고 있습니다. 그렇기 때문에 이러한 개질 반응을 이용한 수소방식을 그레이 수소(Gray Hydrogen)라고 불립니다. 여기서 만약 탄소만을 따로 모을 수 있는 탄소포집장치를 설치하게 된다면, 대기중의 탄소배출없이 수소를 생산할 수 있게 되는데 이를 블루수소(Blue Hydrogen)이라고 불립니다.

탄소포집에 관한 글

2021.08.11 - [투자 아이디어 에너지] - 탄소포집활용저장기술

탄소포집활용저장기술

탄소포집활용저장기술이란 무엇인가? 근래 들어서 친환경 기술, 친환경 산업이라는 용어들을 자주 접하게 됩니다. 폭우나 가뭄, 그리고 여름에는 폭염이나 겨울에는 한파와 같이 극단적인 기후

kairosm4628.tistory.com

개질수소의 생산 방법

수증기 촉매 개질 방법

탄화수소를 수소로 전환하는 공정의 기본으로 메탄에(주로 천연가스) 고온의 수증기를 주입하게 되면, 수성가스화 반응을 통해 일차적으로 수소와 일산화탄소로 분리되고, 철 또는 구리 촉매를 활용한 고운전환반응기(HTS)에서 일산화탄소의 해리반응을 통하여 추가적인 수소가 생산되며, PSA공정을 통해 수소이 고순도화가 이루어지게 하는 공정입니다. 이러한 수증기 개질방식은 SMR 반응기 자체로는 효율이 40~50% 수준이지만 폐열회수장치를 통해 전체적인 효율이 80%대까지 올라가 수소제조 공정 중 가장 에너지 효율이 높은 것으로 알려지고 있습니다.

이산화탄소 개질 방법

이산화탄소를 흡열반응의 활용수단으로 삼아 메탄(천연가스)를 개질하는 방법으로, 사실상 수증기 촉매 개질반응의 역반응이라고 볼 수 있습니다. 위의 수증기 촉매 개질방법 대비 수소생산량이 낮아 효율은 낮으나, 이산화탄소를 재활용할 수 있다는 점에서 온실가스 배출을 저감시킬 수 있다는 점이 장점이지만, 촉매 표면에 탄소가 축적되어 촉매의 활성이 급격히 저하되는 현상을 야기시키는 코크형성(Coke formation) 및 탄소축적(Cole Depostion)이 발생되어 전환효율이 낮아진다는 단점이 현존합니다. 참고로 개질초기의 전환율은 메탄과 이산화탄소가 각각 53%,67%이나 장기운전시 각각 43%, 56%로 저하된다는 보고내용이 있습니다.

참고로 이산화탄소 개질방법은 아래 화학식에서도 볼 수 있듯이, 중간 단계에서 물을 생산할 수 있으며, 또한 탄소도 따로 분리할 수 있기 때문에, 탄소포집 방법 또는 탄소자원화의 전략으로 합성가스 제조등의 활용방법으로도 현재 많은 연구가 이루어지고 있습니다.

부분산화개질 방법

메탄(천연가스)의 부분산화 공정은 약한 발열반응이며, 외부로부터 열의 공급이 필요없기때문에 수증기 촉매 개질방법에 비해서 에너지 소비면에서느 효율적이라고 할 수 있습니다. 또한 반응속도가 더 빠르기 때문에 단일 단계의 반응 장치가 고도화될 수 있다면, 이를 사용함으로써 소형, 고효율의 공정설계가 가능하다는 장점을 지니고 있습니다. 그러나 단점으로는 앞에서 언급했듯이, 반응속도가 빠르기 때문에 반응자체가 폭발적이라 조절이 쉽지 않다는 점과 아래의 화학식이 보여주듯이 개질공정을 통해 얻을 수 있는 수소농도가 상대적을 낮다는 점과 개질 진행시간에 따라 개질기 안의 탄소가 침착할 가능성이 커 효율이 특정시간이 지나면 급격히 떨어진다는 점이 있습니다.