청정에너지인 석탄가스화 복합발전 기술개발
ReSEAT 전문연구위원 오창섭
간이 에너지를 사용하지 않으면 어떻게 될까? 에너지는 인 간이 활동하는 힘이며 물체가 가지고 있는 일을 할 수 있 는 능력을 말한다. 에너지를 사용하면 전등에 불을 켜거나 자동차 를 움직이거나 승강기를 움직일 수 있다. 우리나라는 에너지를 만 드는 필요한 자원 공급을 대부분 수입에 의존하고 있기 때문에, 에 너지를 효율적으로 사용하는 것이 우리의 의무이자 관심사이다. 21 세기 들어서, 전 세계는 환경오염과 새로운 에너지 개발 문제에 맞닿으며 화석 연료 사용에서 벗어나기 위한 움직임이 일었다. 이 가운데, 우리나라는 에너지 과소비 및 급속한 대기 환경 악화로 발생하는 문제의 근본적인 해결책을 마련하고자 했다.
청정에너지인 석탄가스화 복합발전 기술개발 •109 기존의 소재와 발전 기술로는 환경오염 방지나 에너지 소비 절약에 한계가 있기 때문에, 첨단 소재를 개발해서 효율적인 에너지 사용을 할 수 있도록 해야 했다. 일상생활과 산업 현장에서 발생되는 환경 유해 물질을 효과적으로 제거하여 쾌적한 생활환경을 조성할 수 있도록 하는 것이 주된 목표였다. 현재 일반적인 연구 개발에서 사용되고 있는 배기 가스 후처리 시스템은 여러 단계의 공정을 연속해서 운영하고 있는데, 집진과 탈황을 위해 배기가스를 냉각시켜 처리한 후 탈질을 위해 다시 온도를 높이는 공정 중 시설비와 운전비가 과다하게 요구되는 단점이 있었다.
집진 공정에서 사용되는 여과 재료는 일반적으로 섬유 고분자 재질로, 불꽃에 의해 파손되거나 200℃이하의 온도에서만 사용할 수 있다는 단점이 있다. 때문에, 고온 배출 미세분자의 직접적 집진과 열에너지의 회수를 위한 새로운 여과 재료의 개발이 요구되었다. 재생 에너지나 수소 및 원자력 등의 미래 에너지원이 개발 보급되어 완전히 상용화 되기 전까지는 여전히 석탄이나 석유 및 천연가스가 주 에너지원의 역할을 할 것이기 때문에, 화석연료 사용에 따른 오염 물질 배출의 대폭적인 저감과 에너지 효율 향상을 통한 청정 기술의 개발 또한 요구 되었다.
이로 인해 석탄가스화 복합발전(IGCC)이나 이산화탄소 포집 및 저장 등의 기술이 개발되고 있으며 특히, 석탄가스화 복합 발전 기술은 이 시스템을 더욱 발전시켜 석탄가스화 및 이산화탄소 포집 공정 결합에서 생산되는 수소를 수소 연료 전지와 결합해서 발전 효율을 60%까지
대폭 증가시킬 수 있도록 한다. 이 시스템에서는 석탄으로부터 제조된 가스를 정제한 후 가스터빈을 가동하여야 하는데, 가스터빈의 부식과 마모를 방지하기 위해 아주 세밀한 정밀 집진이 요구되고 있다. 이런 요구에 대응할 수 있는 다양한 집진기 중, 세라믹 필터 집진기는 기존에 사용하던 섬유 필터에 비해 단단한 고체 형태로 되어 있기 때문에 별도의 지지체를 사용하지 않고 이용할 수 있어 설치비와 운전비를 크게 줄일 수 있다. 또, 마모성과 같은 기계적 강도와 열이나 화학적 으로 내성을 유지하면서 적당한 크기의 기공을 이뤄 고온이나 고압에서 필요한 절대 효율을 추구할 수 있다.
선진국에서는 세라믹 필터에 대해 다양한 기술 개발과 연구가 활발 하게 진행되고 있으며, 국내에서도 상용화된 세라믹 필터의 제품들이 출시되고 있다. 하지만, 상용화를 위해서는 필터 자체의 성능뿐만 아니라 시스템 적용기술 및 설계 기술에 대한 더욱 많은 연구가 필요 하다. 특히, 국산 제품의 상용화를 위해서는 필터 표면에 포집된 분진을 필터의 내측으로부터 공기를 역류시켜 제거하는 역 세정 효과를 극대화 시키도록 설계하고 작동하도록 해야 한다. 이를 위해서는 펄스제트에 의해 형성되는 유동장의 형상을 관찰하고 일일이 분석해서 최적의 시스템을 구성하는 연구를 필수적으로 해야 한다.
배기가스 속의 미세먼지 제거를 위한 연구 기술로는 대다수 산업 현장에서 적용하는 것으로, 낮은 운전 온도나 파손 현상 발생에 필요한 백 필터가 있다. 처리량은 우수하나 집진 효율이 낮고 압력 손실이
청정에너지인 석탄가스화 복합발전 기술개발 •111 높은 사이클론, 고온에서 전기장의 강하와 고온고압에서 전극 설계 등의 문제점이 있는 전기 집진기 그리고 안정적인 집진 효율은 있으나 기계적 진동이나 열 충격과 열화 위험성이 있는 세라믹필터 등이 있다. 고온에 적용하기 위한 세라믹 필터와 금속 필터가 몇몇 선진 국가의 기업에서 개발되어 상용화되고 있다. 하지만 제한적인 여과 면적으로 대형화하기가 어렵고, 촉매의 담지와 같은 기능성 부여에도 한계를 보이고 있다. 이와 같이 다양한 문제점을 해결하기 위해서는 새로운 방법의 설계와 적용을 통해 더 넓은 여과 면적을 가지도록 대형화된 필터를 제조하고, 고온 배기가스의 처리가 가능한 세라믹 필터를 만드는 것이 필수라고 생각된다. 최근에는 필터 제조에 사용 되는 원료 조제의 변화를 통해 필터의 물리적 특성 변화를 유도하고 필터의 형상, 크기, 기공의 크기 등을 자유롭게 변화 및 조절할 수 있는 필터를 제조할 수 있는 기술이 발전되고 있어 그에 대한 필터의 제조 기술을 연구했다.
필터 내부에 기능성 촉매의 담지를 통해 각종 산업 공정에서 발생 되는 배기가스 중, 미세분진과 유해가스를 처리할 수 있는 필터 제조를 연구했다. 기존의 선진국의 제품은 대부분 압축 성형으로 제조하기 때문에 제품의 밀도, 무게, 크기, 기공의 크기와 같은 여러 가지 면에서 최근에 개발된 세라믹 필터와는 다른 점이 많다. 최근에 개발된 세라믹 필터는 담지체를 이용한 새로운 제조 방법을 적용함으로써 필터의 외형을 여러 가지 형태로 제조할 수 있고 상부와 하부를 금속 소재 재질로 결합시켜 연결함으로써 모듈로 만들 수 있다. 이것은 일정 공간
내에서 여과 효율을 극대화 할 수 있으며 기존의 필터와 비교해서 동일 체적에서 7, 8배 넓은 여과 면적을 나타냄으로써 장치를 단순화 할 수 있고 설치비와 운전비의 절감에도 큰 효과가 있다.
세라믹 촉매 필터의 운전 공정에서 배기가스 속에 포함된 불꽃과 분진은 필터의 표층에서 여과되고, 유해가스는 필터 내부에 코팅된 촉매의 반응을 통해 청정가스로 전환되어 배출되고 있다. 필터에서 촉매의 담지는 각종 산업 공정의 배기가스 중 분진과 유해가스를 동시에 처리할 수 있어 효율적이고 경제적으로 처리할 수 있다는 장점이 있다.
새로운 시스템은 기존의 공정이 다단계 처리 방식인데 비해 일체화 공정으로 실비비나 운전비에서 많은 경제적 이득을 얻을 수 있을 것이다. 이러한 작용 필터의 개발 성공은 일반적으로 분진 포집과 유해 가스를 동시에 저감시킬 수 있고, 이를 위해 세라믹 필터의 적용 가능 공정으로 기존의 백 필터 공정 및 차세대 에너지원으로 각광 받고 있는 신기술인 석탄복합화력 발전설비(IGCC), 가압유동층 연소복합발전(PFBC) 등의 청정연소시설 등 산업전반에 여러 분야에 적용할 수 있다. 이같이 고온집진용 세라믹필터 제조 기술은 선진국이 독점하고 있는 환경 기술로서 다양한 형태로 제작되어 우수한 내열성, 내화학성, 내마모성 그리고 우수한 여과면적, 통기도, 기공률을 확보하는 제품들이다.
이에 우리나라도 국제환경 규제에 대응할 수 있는 확실한 성능의 환경 친화적 제품 생산과 활용이 필수적이기 때문에, 이에 대한 연구가 꾸준히 이루어져서 효율적인 에너지를 활용함으로써 우리나라 환경 개선과 더욱 더 청정한 복지국가를 이루어나가기를 바란다.
카본에어로겔은 무엇이며 어디에 이용되는가? •113