글로벌 화학기업들은 1970년부터 국제유가 및 천연가스 코스트가 꾸준히 상승하자 석탄 베이스 천연가스 기술 개발을 가속화했고 최근 들어 상용화되고 있다.
다만, 독일 및 남아프리카, 미국에 건설한 파일럿(Pilot) 플랜트가 석탄의 천연가스화 기술 시험을 성공적으로 수행했지만 국제유가가 떨어지면서 수익성이 저조해 운영을 중지했다.
중국은 2012년 Datang International Keshiketeng Coal Gas 1단계 공정 13억5000만입방미터, Xinjiang Qinghua Coal Chemical 1단계 공정 13억5000만입방미터의 석탄가스 플랜트를 건설했다.
글로벌 석탄 베이스 천연가스 생산능력은 30억9000만입방미터에 달하는 것으로 파악되고 있다.
특히, 중국은 총 생산능력이 무려 935억입방미터에 달하는 석탄 베이스 천연가스화 프로젝트 10건을 승인했고, Datang International Keshiketeng Coal Gas와 Xinjiang Qinghua Coal Chemical이 2012년 12월 석탄가스 플랜트를 완공하면서 프로젝트 중 가장 빠른 진척을 나타냈다.
중국은 각각 13억5000만입방미터 플랜트를 가동함으로써 총 생산능력을 27억입방미터 확대했다.
Datang International Keshiketeng Coal Gas는 1단계 공정을 2012년 7월 가동했고, 2단계 공정은 건설하고 있다.
Xinjiang Qinghua Coal Chemical는 2012년 55억입방미터 프로젝트를 완료했고 2013년 6월 정제 천연가스 생산을 시작했으며 2013년 8월부터 동부이송 파이프라인으로 보내고 있다.
Xinjiang Qinghua Coal Chemical 1단계 공정 프로젝트는 2013년 가동에 돌입했다.
중국은 앞으로 5년 이내에 석탄 베이스 천연가스화 프로젝트를 급격히 확대할 것으로 알려졌다.

천연가스, 석유화학 원료로 급부상
석탄 베이스 천연가스 프로젝트는 2012년 기준 미승인 프로젝트를 포함해 40개 이상이며 총 생산능력이 1902억5000만입방미터에 달하고 있다.
Inner Mongolia Hulunbeier Huaneng Yimin Coal & Electricity가 60억입방미터, Xinwen Mining Group (Yili) Energy Development는 20억입방미터 플랜트를 건설했고 생산된 석탄 천연가스는 Xinjiang과 Inner Mongolia에 공급하고 있다.
Xinjiang은 석탄계 천연가스 비중이 큰 지역으로 건설 진행 및 예정 천연가스화 프로젝트가 30개에 이르며, 총 생산능력이 1000억입방미터를 넘고 있다. Inner Mongolia도 400억입방미터에 달한다.
National Energy Administration은 석탄계 천연가스화 발전계획에 따라 석탄계 천연가스 프로젝트를 2011-2015년 Xinjiang, 서부의 Shanxi, Shaanxi, West Inner Mongolia 3개 지역, East Inner Mongolia, Yunnan, Guizhou에 분배했다.
Xinjiang은 국가산업정책상 석탄화학 부문에서 특별 선택된 지역으로 석탄 오일화 프로젝트를 급격히 진행하고 있으며 석탄 알코올 에테르화 연료(Coal-to-Ether Fuel) 부문에서 꾸준히 발전하고 있다.
Datang International Keshiketeng Coal Gas 2차 공정 프로젝트는 2013년 완료했다.
중국은 석탄계 천연가스 생산능력이 2013년 40억5000입방미터에 달한 것으로 추정되고 있다.
2014년에는 Datang International Power Generation이 Liaoning의 Fuxin 소재 1단계 13억입방미터, Inner Mongolia Huineng Coal Chemical이 16억입방미터 플랜트를 완공해 총 생산능력을 69억5000만입방미터로 확대했다.
2015년에는 천연가스 총 생산능력이 650억입방미터에 달하고 생산량이 180억입방미터로 가동률이 20%를 넘은 것으로 추정되고 있다.

인프라 확충으로 천연가스 소비 급증
천연가스는 산업인프라 발전에 따라 천연가스 소비가 급격히 증가하고 있다
1996년 이전에는 부족한 산업인프라 때문에 천연가스 소비량 또한 낮은 수준을 유지했지만, 1996년 이후 대규모 천연가스 파이프가 완성되면서 소비량이 크게 증가했다.
천연가스 소비의 급격한 신장은 2006-2010년 두드러졌으며, 2007년 천연가스 시장의 공급 격차가 존재한 후에도 매년 증가추세를 나타내고 있다.
2010년 소비량은 1073억입방미터로 18.1% 증가했다.
천연가스 실소비량은 2012년 1459억입방미터로 증가한 반면 생산량은 1067억1000만입방미터에 그쳐 공급 부족이 391억9000만입방미터에 달했다.

공정과정, 기술적 완성도 높아
중국은 천연가스 개발 목표를 2011-2015년 수립했다.
2011년부터 천연가스 수요가 증가하고 있고, 특히 CCHP (Combined Cooling Heat & Power)를 분배하면서 인프라가 확충돼 천연가스 소비가 가속화되고 있다.
전력발전 및 천연가스 자동차 또한 천연가스 소비 신장에 중요한 역할을 하고 있으며, 2011-2015년 1차 에너지 중 천연가스 소비비중이 8% 높아진 것으로 나타나고 있다.
석탄계 천연가스화 공정은 합성 알루미나(Alumina)화, 메탄올(Methanol)화로 이어지고 있다.
모두 석탄 가스화 후 정제공정까지 포함하고 있으며, 석탄 메탄올화와 석탄 합성알루미나화는 정제 가스가 메탄올이나 알루미나 합성에 사용돼 소량의 메탄이 필요한 반면 석탄 천연가스화는 가스를 메탄화법으로 정제헤 대량의 메탄이 필요한 것으로 알려졌다.
석탄 천연가스 공정에서는 분해된 석탄에 압력을 가해 합성가스를 생산하며, 천연 석탄가스의 냉각, 낮은 온도에서 메탄올 정제, 흡수 냉동, 메탄올화, 건조 과정을 거친다. 또한 페놀(Phenol), 알루미나, 황(Sulfur), 폐수, 잔여물 공정을 포함한다.
주요 공정은 석탄가스화를 통한 합성가스 생산이며 일산화탄소(Carbon Monoxide) 변환과 정제, 합성가스의 메탄올화 반응을 통해 천연가스를 생산한다.
석탄계 천연가스화 공정은 기술적으로 완성도가 높으며, 전문가와 화학기업들이 정제기술과 메탄올화에 관한 연구개발에 집중하고 있다.

합성가스·부산물 활용도 높여야
다운스트림 발전에 따라 석탄계 천연가스의 부산물을 활용하는 것도 용이해져 수익성 향상으로 연결되고 있으며 환경보호에도 큰 역할을 할 것으로 판단된다.
천연가스는 개발에 제한이 있는 반면 합성가스는 규제가 없어 화학산업 발전에 있어 상당한 잠재력을 지닌 것으로 평가되고 있다.
일차적으로 부산물을 활용해 경제성을 향상시키고 있다.
콜타르(Coal Tar)는 1만가지 이상의 유기결합을 지닌 복잡한 혼합물로 500가지 이상이 잘 알려져 있고 200가지를 추출할 수 있으며 50가지는 경제적으로 유용한 것으로 알려졌다.
경유, 페놀, 나프탈렌(Naphthalene), 세유(Washing Oil), 안트라센(Anthracene), 카르바졸(Carbazol), 인돌(Indole), 아스팔트(Asphalt) 등은 합성수지, 합성섬유, 살충제, 염료, 의약품, 코팅제, 첨가제 생산에서 천연원료로 사용될 뿐만 아니라 금속, 건설, 섬유, 제지, 운송 분야의 기초원료가 활용되고 있다. 대부분은 석유화학에서 생산할 수 없는 것이 특징이다.
석유 나프타 리그로인(Petroleum Naphtha ligroin)으로 불리는 천연 가솔린(Gasoline)은 무색투명하며 옅은 노랑색의 액체로 상온 및 1기압 조건에서 물에 용해되지 않으며 밀도는 입방미터당 650kg이다.
석유 나프타 리그로인은 파라핀(Paraffin) 55.4%, 단일고리 알케인(Monocyclic Alkane) 30.3%, 양고리식 알케인(Bicyclic Alkanes) 2.4%, 알킬벤젠(Alkylbenzene) 11.7%, 벤젠(Benzene) 0.1%, 인단(Indane) 및 테트라인(Tetrain) 0.1%를 함유하고 있다.
특히, 황을 비롯해 천연페놀, 중유, 알루미늄 황산염(Ammonium Sulfate)은 우수한 화학원료로 사용되고 있다.
다운스트림 발전에 따라 석탄계 천연가스 부산물 및 잉여 합성가스 활용이 석탄계 천연가스 프로젝트의 성공으로 이끄는 중요한 열쇠로 부상하고 있다.

정밀화학, 천연가스 트랜드에 동참
천연가스의 주요 구성물은 안정한 분자구조를 갖는 메탄으로 화학제품의 다운스트림에 유용하게 활용되고 있다.
화학제품 생산을 위해 사용하는 천연가스 기술에는 2가지가 존재하고 있다.
먼저, 천연가스의 직접적인 변환을 통해 생산하거나 천연가스를 수소가스(Hydrogen Gas)와 일산화탄소를 포함한 합성가스로 변형 및 가공하고 있다.
다만, 친환경 에너지이면서도 휼륭한 화학원료로 사용되나 천연가스 수급타이트로 화학산업 활용은 한계가 나타나고 있다.
따라서 천연가스 관련산업이 발전하기 위해서는 천연가스의 충분한 공급과 정책적 지원이 요구되고 있다.
정밀화학 부문에서도 기술적으로 활용할 가능성이 있고, 특정품목은 천연가스의 충분한 공급을 필요로 하기 때문에 미래개발 트렌드로 주목되고 있다. <정현섭 기자: jhs@chemlocus.com>