[특별기획(Ⅰ)] 전력분야 연소 후 습식 CO2 포집기술 및 동향

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개요

CO

2

포집 및 저장기술(CCS: Carbon Capture and Storage)은 비용 효과적인 CO

²

감축수단으로 2050년 기준, 전체 CO

2

감축분의 약 22%를 차지할 것으로 예 상 되 고 있 다 (IEA, Energy Technology Perspectives, 2012).

우리나라는 세계 9위의 온실가스 배출국으로 전력 산업분야는 총배출량의 26%를 차지하고 이중 석탄화 력 발전분야는 전체 전력분야 배출량 중 70% 이상을 차지하고 있다. 이에 따라 국내외적으로 화력발전소 에서 배출되는 CO

²

를 포집하기 위한 기술개발사업이 활발히 진행되고 있다.

발전소에서 발생하는 배기가스 중 함유된 CO

²

를 포집하기 위한 다양한 기술 중 상용화에 가장 근접한 기술은 신뢰성과 경제성이 높은 아민 화합물 흡수제 를 기반으로 하는 습식 CO

²

포집 공정이다. 이 공정은

CO

²

가 포함된 배가스를 흡수제와 적절한 온도 압력에 서 접촉시켜 CO

2

를 선택적으로 포집하는 기술이다.

본 논문에서는 국내외적으로 대규모로 진행되고 있 는 화력발전분야 연소후 습식 CO

2

기술개발 동향에 대하여 논하고자 한다.

연소후 습식 아민 CO

2

포집 기술

습식 흡수제를 이용한 연소후 이산화탄소 포집 공 정은 석탄, 천연가스와 같은 화석연료의 연소시 발생 하는 배기가스 중 이산화탄소를 포집하는 공정이다.

이공정에서 40~60 ℃의 배기가스는 흡수탑에서 흡수 제와 접촉하기 위해 보내지며 배기가스중 이산화탄소 는 흡수탑에서 흡수제와 화학적으로 결합한다. 화학 적 결합에 의해 이산화탄소를 흡수한 흡수제는 열교 환기를 거쳐 가열되어 탈거탑의 상부로 주입된다. 흡 수제의 재생은 통상 100~140℃의 온도 및 대기압 정

전력분야 연소 후 습식 CO 2 포집기술 및 동향

이인영

KEPCO 전력연구원 [email protected]

그림 1. 습식 이산화탄소 포집 공정도

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도의 압력에서 탈거탑에서 수행된다. 이산화탄소가 제거된 흡수제는 열교환기를 거쳐 다시 흡수탑으로 펌프에 의해 이송된다. 포집된 이산화탄소는 압축되 어 지중 저장되거나, 석유회수증진공정 등에서 이용 된다.

연소후 습식 CO

²

포집기술의 기술개발 방향은 에 너지 효율이 향상된 고효율을 흡수제 및 공정을 개발 하는 것이다. 고효율의 흡수제는 포집율이 높고, 흡수 및 재생속도가 빠르며, 낮은 열화도와 부식도를 가져 야 한다. 또한 흡수제의 재생시 사용되는 에너지가 적 어야 한다. 흡수제의 재생에너지 소비는 전체공정 에 너지의 약 70%를 사용하므로 재생에너지를 줄일 수 있는 흡수제 및 공정을 개발하기 위한 노력이 활발히 진행되고 있다.

대규모 파일럿플랜트 현황

흡수제 및 공정의 개발과 성능확인 그리고 공정격 상을 위한 설계 자료를 도출하기 위하여 대규모의 실

증설비와 파일럿설비들이 건설되어 운전 중에 있다.

국내외적으로 진행되고 있는 전력분야 연소후 습식 CO

²

포집을 위한 실증 및 대규모 파일럿플랜트는 [표 1]과 같다.

국외 대규모 실증 파일럿 플랜트 현황 1) 미국

- Plant Barry CO

²

capture plant

Southern Company는 미분탄 Alabama사 Plant Barry 화력발전소에 이산화탄소 포집설비건설을 위 하여 DOE 등으로 부터 자금을 받아 실증 프로젝트를 시작하였다.

실증 플랜트는 25MW급으로 하루 약 500톤의 이 산화탄소를 포집할 수 있다. CO

²

포집효율은 90% 이 상이며 포집된 CO

2

는 파이프라인으로 12마일 떨어진 Cirtonelle 유전에 주입된다.

이 프로젝트에서 사용된 CO

2

습식 포집기술(KM- CDR)은 MHI사와 Kansai 전력회사에 의해 공동 개 표 1. 화력발전소 대규모 CO

2

포집 파일럿 플랜트 현황

플랜트 위치 용량(ton-CO

²

/yr) 사업총괄 기술제공사 진행상태

Aberthaw Wales, UK 15,000 RWE Power Cansolv Operational

Boryeong Boryeong, Korea 80,000 KEPCO KEPCO Operational

Ferrybridge West Yorkshire, UK 30,000 SSE Doosan Power

Systems, Vattenfall Operational

Guodian Tianjin, China 10,000 Tianjin Beitang

Power Plant

China Guodian

Corporation Under construction Hazelwood Latrobe Valley,

Australia 15,000 GDF Suez

Hazelwood

CO2CRC, Process

Group Operational

Plant Barry Alabama, US 150,000 Southern Company Mitsubishi Heavy

Industries Operational Shand Carbon

Capture Test Facility Estevan, Canada 36,000 SaskPower Hitachi Under construction Shanghai

Shidongkou Shidongkou, China 120,000 Huaneng Shanghai

Shidongkou China Huaneng

Group Operational

Shengli China 40,000 Shengli Power Plant SINOPEC Operational

Technology Centre

Mongstad Mongstad, Norway 100,000 TCM Aker Clean Carbon

Alstom Operational

Wilhelmshaven Germany 25,000 E.ON Fluor Operational

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발된 기술로 고효율의 아민 기반 용매를 배기가스 중 이산화탄소와 반응시켜 포집 분리하는 기술이다.

KM-CDR(MHI)공정은 일본 화력발전소에서 소규모 로 실증되었으며 Plant Barry 프로젝트는 이 기술을 이용한 최대 규모의 석탄화력발전소 실증프로젝트이 다. 본 프로젝트에는 Southern Companty, Alabama Power, DOE, MHI, EPRI 등이 참여하였다.

2) 캐나다

- Boundary Dam CO

2

capture plant

Boundary Dam 프로젝트는 캐나다 Saskatchewan 주에 있는 Boundary Dam 석탄화력발전소에 포집설

비를 건설하고 저장하기 위한 12.4억(1.24-billion) 달 러 규모의 프로젝트이다. 포집된 CO

2

는 석유증진공정 (EOR)에서 사용되거나 심층 저장된다. 이 프로젝트 는 석탄화력발전과 연계한 세계 최대 규모의 상용 CCS 프로젝트이다.

Boundary Dam CO

2

포집 플랜트는 110MW급 석 탄화력발전소로부터 발생하는 배기가스중 CO

2

를 연간 약 백만톤 포집할 수 있다. 이 프로젝트에서 SNC Lavaline사와 Shell의 자회사인 Cansolv Technologies사가 EPC사로 선정되었다. 본 프로젝트 에서 SNC Lavaline사는 건설역무를 담당하였으며 Cansolv사는 아민 기반의 CO

2

포집 공정기술을 시험 표 2. Plant Barry CO

2

포집설비 특징

Item Contents

Location Bucks, Alabama

Customer Southern Company

Precess KM DCR

^TM

Process

Solvent KS-1

Scale Equivalent to 25MW

Flue gas quantity 116,800 Nm3/hr

CO

2

recovery ratio 90%

CO

2

recovery capacity 500 metric ton/day CO

2

concentration in flue gas 10.1mol%

그림 2. Plant Barry CO

2

포집설비

표 3. Boundary Dam CO

2

포집설비 특징

Item Contents

Location Saskatchewan

Customer Saskpower

Precess Cansolve Process

Solvent Shell

Scale 110MW

CO

2

absorber 35ft×35tf×145ft Concrete CO

2

recovery capacity 3,300 metric ton/day

CO

2

recovery ratio 90%

CO

2

concentration in flue gas 12mol%

그림 3. Boundary Dam CO

2

포집설비

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하고 Hitachi사는 석탄화력발전소와 CO

2

포집설비를 연계하기 위한 스팀터빈을 설계하였다. 이 CO

2

포집 설비는 2011년 건설이 시작되어 2013년 건설을 완료 하고 2014년 상반기에 상업운전을 시작할 예정이다.

3) 영국

- Ferrybridge CO

2

capture plant

Scottish and Southern Energy(SSE)사 는 Ferrybridge 석탄화력발전소에서 CO

2

포집파일럿설 비를 건설하고 시험하기 위하여 영국 정부로부터 약 6.3백만 파운드의 자금을 받았다. 이 파일럿설비는 2011년에 건설되어 운전되고 있다. 이 프로젝트는 석 탄화력발전소에서 아민 기반의 연소후 포집기술을 시 험하고 상용규모의 기술개발을 위하여 진행되었다.

SSE사는 Doosan Bacock과 Vaternfall사와 공동으로

프로젝트를 진행하고 있으며 포집기술로 캐나다의 HTC Purenergy사 기술을 적용하였다.

Ferrybridge 발전소의 CO

2

포집설비는 영국에서 운전되고 있는 가장 큰 연소후 CO

2

포집설비이며 90%의 포집효율을 보이고 있다. 이 포집설비는 500MW 석탄화력발전소의 배기가스중 일부를 분기 하여 일일 약 100톤의 CO

2

를 포집할 수 있는 설비로 기존의 아민흡수제인 MEA와 RS-2 흡수제를 이용 하여 시험하였다.

4) 노르웨이

- Mongstad TCM CO

2

capture plant

TCM(Technology Centre Mongstad)은 2012년 Gasnoa사, Statoil사, Shell사 그리고 Sasol사에 의해 설립되었으며 연간 약 10만톤의 CO

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를 포집할 수 있 표 4. Ferrybridge CO

2

포집설비 특징

Item Contents

Location West Yorkshire, England, UK Customer Scottish and Southern Energy

Precess HTC Purenergy

Solvent MEA, RS-2

Scale 5MW

CO

2

absorber 2.3m×39m(dia×height) CO

2

recovery capacity 30,000 ton/yr

CO

2

recovery ratio 90%

그림 4. Ferrybridge CO

2

포집설비

표 5. Mongstad TCM CO

2

포집설비 특징

Item Contents

Location Mongstad Norway

Customer Gassnova/Statoil/Shell/Sasol Precess Aker Clean Technology/Alstom

Solvent Amines/NH

3

Scale 5MW

CO

2

absorber height: 60m Concrete CO

2

recovery capacity 100,000 metric ton/year

그림 5. Mongstad TCM CO

2

포집설비

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는 설비를 건설하였다. 2006년 노루웨이 정부는 Mongtad에서 CO

2

포집설비의 실증과 시험센터를 건 설하는데 합의하였다. TCM은 국제적으로 연소후 습 식 CCS 기술개발자들이 TCM 설비를 이용하여 각자 개발한 기술을 실험할 수 있도록 하였다.

TCM 파일럿설비는 2종류 설비로부터 발생한 이산 화탄소를 2가지 방법의 포집기술을 이용하여 실험할 수 있는 설비이다. 배기가스원은 열병합발전소와 Mongstad Refinery사의 촉매열분해설비이다. 또한 사 용되는 포집기술은 연소후 습식 아민 포집기술과 Chilled 암모니아 공정(CAP) 기술이다. 현재까지 Aker 사, Hitachi사, Mitsubishi사, Siemens사 등 주요 CCS기 술개발 회사들이 TCM의 아민 플랜트를 사용하는 실험 에 관심을 보이면서 시험을 위한 신청을 마쳤다.

5) 독일

- Wilhelmshaven CO

2

capture plant

Fluor사와 E.ON 사는 석탄화력발전소 CO

2

포집기 술 개발을 위한 협력관계를 맺고 독일 Wihelmshaven 에 있는 E.ON사의 석탄화력발전소에 CO

2

회수 파일 럿플랜트를 건설하였다. 이 포집플랜트에 적용된 공 정은 Fluor사의 Ecoamine FG Plus 기술에 기초한 공정이다. 포집플랜트는 2010년에 건설을 시작하여 2012년 상반기에 시운전을 마쳤다. Wilhelmshaven

CO

2

포집플랜트는 하루 19,500Nm

³

/hr 의 배기가스 가스를 처리하여 약 70톤의 CO

2

를 포집할 수 있으며 포집율은 90%이다. 포집플랜트는 실증설비에 적용되 는 구조를 모두 가지고 있으며 여러 재생에너지소비 를 줄이기 위한 설비를 포함하고 있다. Fluor사는 개 발 흡수제(Ecoamine FG Plus)의 에너지소비, 열화, 환경적 영향을 줄이기 위한 기술을 개발하기 위해 본 플랜트를 이용하고 있다.

국내 대규모 실증 파일럿 플랜트 현황 1) 보령화력 10MW 급 습식 CO

2

포집 플랜트

한국전력공사 전력연구원은 2010년 보령화력발전 소에 0.1MW급(2ton/day) Test Bed를 건설하여 자 체개발한 흡수제(KoSol) 및 공정의 성능을 발전소 배 기가스 조건하에서 실험하고 격상설계 자료를 확보하 기 위해 운전하였다. CO

2

포집 Test bed에서 약 100 여건의 변수운전을 실시하여 기존 상용 흡수제 (MEA) 및 개발흡수제(KoSol)의 최적 운전조건 및 주요 운전 변수별 영향을 파악하였다. 또한, 최적 운전 조건을 바탕으로 2011년 4월 2일부터 5월 14일까지 1,000시간 무정지 장기 연속운전에 성공하였다.

개발된 흡수제(KoSol) 및 0.1 MW CO

2

포집 Test bed의 운전결과를 토대로 2013년 5월 보령화력본부 8 호기에 세계적 규모 (10MW급)의 석탄화력발전소

표 6. Wilhelmshaven CO

2

포집설비 특징

Item Contents

Location Wilhelmshaven, German

Customer E.ON

Precess Fluor

Solvent Eco-amine FG Plus

Scale 3.5MW

CO

2

recovery capacity 25,000 ton/yr

CO

2

recovery ratio 90% 그림 6. Wilhelmshaven CO

2

포집설비

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연소후 습식 CO

2

포집 실증 파일럿 플랜트 건설을 완 료하였다.

보령화력에 설치된 10MW급 습식 이산화탄소 포 집 플랜트는 연간 8만톤 정도의 이산화탄소를 포집 (CO

2

포집효율 90%이상)할 수 있는 규모로 국내 화 력발전소에 처음으로 적용된 실증 파일럿 설비이다.

보령화력 실증 파일럿 플랜트는 산업통상자원부 기 술개발사업인「10MW급 연소 후 습식아민 CO

2

포집 기술개발」연구사업으로 건설되었다. 본 사업은 10MW급 연소후 습식아민 CO

2

포집 파일럿설비를 석탄화력발전소에 연계하여 건설하고, 연속 운전을 통해 100∼300MW급 기본설계를 도출하는 것을 목 표로 하고 있다. 특히, 한전 전력연구원은 본 플랜트를 이용하여 개발된 습식 CO

2

포집 흡수제인 KoSol 흡 수제의 성능을 구현할 계획이며 장기연속운전 등을 통해 공정의 신뢰성을 향상시켜 실용(100∼300

MW) 설비 격상을 위한 기본 설계 자료를 확보해 나 갈 계획이다.

맺음말

기술개발사업이 활발히 진행되고 있는 CCS 분야 중 연소후 습식 CO

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포집기술은 높은 기술 안정성과 신뢰성으로 상용화에 가장 근접한 기술이다. 본 기술 의 기술개발 방향은 에너지 효율이 향상된 고효율을 CO

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포집 흡수제 및 공정을 개발하는 것이며 이를 달 성하기 위해 국내외적으로 많은 기술개발사업이 진행 되고 있다. 특히, 대규모 파일럿플랜트 건설 및 운전을 통하여 실증사업에 필요한 기술검증 및 격상자료를 도출하고 있다. 우리나라도 세계적 규모(10MW)의 연소후 습식 CO

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