[특별기획] 순산소 연소 발전 기술

(1)

순산소 연소 발전의 개요

순산소 연소 발전의 연소 특징을 이해하기 쉽게 하 기 위하여 이론 당량비의 메탄에 대한 공기연소와 순 산소 연소 화학반응식을 아래 식에 비교하였다.

공기 연소: CH

4

+ 2(O

2

+3.76N

2

)

⇒ CO

2

+ 2H

2

O + 7.52N

2

순산소 연소: CH

4

+ 2O

2

⇒ CO

2

+ 2H

2

O 위의 반응식으로부터 순산소 연소시 응축시스템을 이용하여 배가스의 수분을 제거하면 고농도의 CO

2

회 수가 용이하며 공기 중에 포함된 질소의 가열로 인한 열손실을 줄일 수 있어 에너지 효율도 크게 증가한다.

따라서 순산소 연소는 연료를 절약하고 고농도 CO

2

회수비용을 저감함으로써 이산화탄소 규제에 대한 적 극적인 대처방안이 된다. 이 이외에 연소기로 질소가 공급되지 않기 때문에 공해성 가스인 NOx 배출을 완 전하게 제어할 수 있는 특징이 있다. 순산소 발전이 많은 장점들이 있음에도 산업에 적용되지 못했던 이 유는 산소제조 비용이 고가이고, 화염의 온도가 너무 높아 노즐과 연소실 등이 손상되는 경우가 발생하기 때문이었다. 그러나 최근 들어 PSA (Pressure Swing Adsorption), ITM (Ion Transport Membrane) 기법 등으로 산소 제조비용이 저감되고 있고 CO

2

혹은 H

2

O의 재순환 기술 등 신연소기술이 개발되고 있어 대량 이산화탄소 배출원에 CCS 기술의 적용시기를 나

타내고 있다. 2015년에 발전 및 산업 분야에 적용을 시 작으로 확대되어 2035년에는 수송 분야까지 확대될 것 으로 예상된다. 특히 수송 분야는 수소경제와 관련되 어 있으며, 이는 대량을 수소를 제조하기 위하여 석탄 가스화에서 생성된 합성가스로부터 수소를 생산하고

동시에 발생한 이산화탄소는 CCS 기술, 특히 연소전 CO

2

포집기술이 적용하여야 한다. 대표적인 연소전 공 정은 [그림 7]과 같이 수소스테이션, IGCC, ZECA(Zero Emission Coal Alliance, 무공해 석탄이 용 수소제조 공정)을 들 수 있다.

그림 7. 연소전 CO2포집 적용 공정.

안국영, 이대근, 박정훈

한국기계연구원, *한국에너지기술연구원 [email protected], {dklee, pjhoon}@kier.re.kr*

(2)

특·별·기·획(Ⅲ)

순산소 연소발전기술의 적용이 확대될 것으로 전망되 고 있다.

선진 각국은 십 여년 이상의 연구를 거쳐 현재 수십 MW급 규모의 순산소 연소 발전 실증 과제를 추진 및 진행 중에 있으며, 2007년도 이후 진행되고 있는 대형 실증 과제는 [표 1]과 같다.

순산소 발전 적용 연구 1) 가스 터빈 발전

가스터빈 발전 적용에 있어서 순산소 연소시 발생 되는 터빈 고온문제 및 산소제조에 따른 효율저하를 극복하기 위하여 여러 방법들이 시도되고 있다.

B&W USA 30 2007 Pilot PC Bit. Sub B., Lig.

Jupiter USA 20 2007 Industr. No FGR NG, Coal

Oxy-coal UK UK 40 2008 Pilot PC

Vattenfall Germany 30 2008 Pilot PC Lignite (Bit.) With CCS

Total, Laoq France 30 2009 Industrial Nat gas With CCS

Pearl Piant USA 66 2009 22MWe PC Bit. Side stream

Callide Australia 90 2010 30MWe PC Bit. With CCS

Ciuden-PC Spain 20 2010 Pilot PC Anthra.(Petck)

Ciuden-CFB Spain 30 2010 Pilot CFB Anthra.(Petck)

Jamestown USA 150 2013 50MWe CFB Bit. With CCS

Endessa Spain ~1,500 2015 With CCS

Vattenfall

Germany ~1,000 2015 ~250Mwe PC Lignite (Bit.) With CCS

(Janschwaide)

Youngdong Korea 400 2016 ~100Mwe PC

표 1. 순산소 연소 관련 대형 실증 과제

PROJECT LOCATION MWth Start Up Boiler Type Main Fuel CO2Train

(B) 수증기 사이클

그림 1. CO2와 수증기 Semi-closed 사이클.

(A) CO₂순환 사이클

(B) AZEP 사이클

그림 2. Chemical looping과 AZEP 사이클.

(A) Chemical looping 사이클

(3)

순산소 연소시 터빈 고온문제를 해결하기 위하여 CO

2

나 H

2

O를 재순환시켜 [그림 1]과 같이 터빈 입구 의 온도를 떨어뜨리는 방법이 제시되고 있다. [그림 1 (A)]의 연소기에 CO

2

를 추가로 공급하는 방식은 배 가스에서 회수된 CO

2

를 재순환하여 연소기에 공급하 는 방식이다. 이 사이클에서는 CO

2

가 압축기를 통해 연소기로 공급되며, 터빈출구의 배가스에서 회수된 배열을 이용하여 스팀터빈을 구동한다. [그림 1(B)]

에 나타낸 사이클은 수증기 사이클로서 수증기를 연 소기에 추가 공급하여 화염온도를 낮추는 방식으로, 배가스의 주성분이 수증기이므로 고압터빈과 저압터 빈의 2단 구조로 구성되며, 터빈의 효율을 향상시키기 위하여 저압터빈 전단에 연소기(재열기)가 추가로 설 치된다. 이 사이클에서는 응축을 통해 CO

2

를 제거하 고 남는 물을 회수열교환기(recuperator)로 가열하여 연소기로 공급되는 수증기를 만들게 된다.

[그림 2]와 같은 사이클 내에 산소제조과정이 포함 되는 방법은 산소제조비용을 절감할 수 있어 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. [그림 2(A)]에

나타낸 방법은 금속물질(Me)을 매개체로 하여 산화/

환원 반응기에서 산소를 분리하여 순산소 연소를 가능 하게 하는 사이클(chemical looping cycle)이다. [그림 2(B)]에 나타낸 사이클은 노르웨이의 Norsk Hydro 사에서 개발 중인 AZEP(Advanced Zero Emission Power) 사이클로서 멤브레인을 이용하여 산소를 제조 하고 순산소 연소를 가능하게 하는 방식이다. 압축기 에서 압축 공급된 공기가 멤브레인을 지나면서 산소만 이 선택적으로 투과되어 순산소 연소기에 공급되며, 이 때 발생된 배가스의 열은 멤브레인에 공급되는 압 축공기를 가열하고 가스터빈으로 공급된다.

미래기술로서 [그림 3]과 같이 순산소 연소를 연료 전지 시스템에 적용하는 하이브리드 사이클(hybrid cycle)을 보여준다. 분산발전용으로 주로 사용되는 용 융탄산염 연료전지나 고체산화물 연료전지는 고온의 배가스를 이용할 수 있기 때문에 하이브리드 시스템의 구성이 용이한데, 하이브리드 시스템 구성 시 순산소

(B) MCFC/GT 사이클 그림 3. SOFC/GT과 MCFC/GT 사이클.

(A) SOFC/GT 사이클

그림 4. Clean Energy Systems (CES) 사이클.

그림 5. 미분탄 순산소 연소시스템의 개략도.

(4)

특·별·기·획(Ⅲ)

연소를 적용하면 고농도의 CO

2

회수가 가능한 고효율 사이클을 구성할 수 있다. [그림 3(A)]는 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell: SOFC)와 가스 터빈을 결합시킨 SOFC/GT 하이브리드 발전시스템이며, [그 림 3(B)]는 용융탄산염 연료전지(molten carbonate fuel cell: MCFC)와 가스터빈을 결합시킨 MCFC/GT 발전 시스템에 순산소 연소가 적용된 사이클이다.

미국의 Clean Energy Systems 사 (이하 CES)는 1999년부터 순산소 연소 이용 발전시스템관련 연구를 수행하였으며 2006년 캘리포니아주에 위치한 Kimberlina 발전소에서 5MW 급 순산소 연소 발전 시스템을 [그림 4]와 같이 개발하였다. CES 사이클 에서는 터빈 입구 온도 조절을 위하여 물을 재순환하 여 가스 발생기에 스팀을 공급하는 방식을 사용하는 것이 특징이다.

2) 석탄 연소 발전

석탄의 가연성분 중에는 약 70% 정도의 탄소성분 이 포함되어 있어서 다른 연료에 비하여 연소에 따 른 CO

2

의 배출농도가 매우 높아 순산소 연소를 하 는 경우 CO

2

의 저감과 발생되는 CO

2

의 회수 효과가 크다. [그림 5]와 같이 스웨덴의 전력회사인 Vattenfall의 경우 30MWth Oxy-PC 화력발전용 보일러 플랜트를 세계 최초로 2008년 9월 완공하고 운영 중에 있다.

3) 국내 순산소 연소 가스터빈 발전 기술

국내의 순산소 연소 가스터빈에 관한 연구에서는 터 빈 고온문제를 해결하기 위하여 H

2

O를 연소기에 재순 환시킴으로써 온도를 조절할 수 있게 하였으며 산소생 산 비용 때문에 시스템 효율 및 경제성이 저하되는 것 을 극복할 수 있도록 [그림 6]과 같이 고효율의 사이클 을 도출하였다. [그림 6]의 점선 아래의 발전시스템은 각종 열설비의 배열을 이용하여 생산된 스팀을 순산소 연소 시스템에 공급하여 전력을 발생시킴으로서 발전 량을 증가시킬 뿐만 아니라 산소생산에 따른 효율저하 도 최소화할 수 있는 실용화가 기대되는 시스템이다.

산소제조 기술

현재까지 상용화되어 있는 기존 산소제조 기술로는 심냉법, PSA법 및 고분자막(polymer) 분리법 등이 있다. 200tO

2

/day 이하에서는 흡착시스템이 더 경제적 이나 이산화탄소를 줄이기 위한 산소 연소용 산소 제 조 기술로는 심냉법(cryogenic distillation)이 가장 많 이 사용되고 있는 실정이다. 현재의 산소 제조 공정 규 모는 약 3,500tO

2

/day이고 산소연소에 적합한 0.17MPa의 낮은 압력으로 95% O

2

를 공급할 때의 전 형적인 전력 소비량은 약 200~240kWh/tO

2

이다. 이 에 비해 VPSA 공정의 경우 흡착을 이용하여 산소를 제조하는 공정으로 현재까지 단일공정으로는 약 250tO

2

/day까지 생산가능 하지만 대용량에서는 단가 가 높은 단점이 있다. 또한 polysulfone, polyimide 계 열의 폴리머를 이용한 HFM의 경우도 산소 제조 단가 가 낮은 장점은 있지만 산소의 농도가 40% 정도로 낮 다는 단점이 있어 이산화탄소 회수용 산소 제조로는 적합하지 않다. 따라서 대용량으로 산소를 제조하는 방법은 심냉법에 의존할 수 밖에 없는 실정이나 전체 발전단가에서 산소제조(ASU)가 차지하는 비율이 약 18% 수준이기 때문에 보다 효율이 높은 산소제조 기 술이 요구되고 있다. 이에 선진국을 중심으로 분리막 과 흡수제를 이용한 저가 산소제조 공정 개발이 추진 되고 있으며 각 기술에 대해 간단히 살펴보고자 한다.

그림 6. 배열 이용 순산소 연소 발전시스템 개략도(한국기 계연구원).

(5)

1) 이온전도성 분리막(Ion transport membrane, ITM)을 이용한 산소제조 기술

이온전도성 분리막을 이용한 산소제조 기술은 페롭 스카이트 계열의 산화물 격자 안의 산소 빈자리 (oxygen vacancy)를 산소가 차지하는 과정을 통해 고 압의 공기로부터 산소를 분리하는 기술이다. 이 기술은 Teraoka에 의해 산소 빈자리를 통한 산소 이온의 투과 가능성이 제시된 이후 연구가 활발히 진행되어 미국의 경우 Air Product, BP, Ceramtec, Praxair 등의 회사 에서 고순도 산소 생산용 제조기술을 확보하였고, 일본 의 경우 동북대와 노리다께 등에서 연구를 수행하고 있다. 최근에는 유럽에서도 ITM 연구를 수행하고 있 으며 네덜란드의 ECN과 twente 대학, 노르웨이의 NTNT와 SINTEF, 독일의 Julich 연구소와 RWTH Aachen 대학에서 모듈 및 시스템에 대한 기술을 개발 중이다. 미국 Air product 사의 경우는 평판형 분리막

을 중심으로 분리막 반응기를 개발하여 5 TPD 규모의 산소제조 공정을 실증하였고, Praxair의 경우 관형 분 리막을 이용하여 0.2 TPD 보일러용 산소분리막을 실 증하였다. 미국의 경우 공정 연구를 중심으로 연구가 진행되고 있는 반면 유럽의 경우 모듈 개발 연구를 중 심으로 연구가 추진되고 있다. 본 기술은 향후 짧게는 5 년, 길게는 10년 이내에 산소연소용 산소제조 공정으로 상용화 될 것으로 기대된다. [그림 7]은 Air product 사 의 5 TPD 규모의 분리막 공정을 보여준다.

2) Ceramic Auto-thermal Recovery(CAR) 산소제조 기술 CAR 공정 기술은 ITM과 유사한 페롭스카이트 계 열 혹은 이와 다른 산화물을 혼합한 세라믹 흡수제를 두개의 bed에 충진한 후, 한 bed가 공기로부터 산소 를 흡수할 때 다른 bed는 CO

2

rich flue gas 혹은 저 압의 스팀으로 산소를 재생하는 방식으로 연속적으로 산소를 제조하는 기술이다. 본 기술은 BOC에서 처음 연구를 수행하였으며 산소 흡수제는 짧은 시간 안에 가역적으로 흡수·재생이 되어야 하며, 산소를 흡수 후 고온에서 자동으로 재생되어야 하기 때문에 Ceramic Auto-thermal Recovery라 명명되었다.

CAR 공정은 BOC에 의해 2002년에 Lab. 규모의 연 구가 완료되었으며 현재 30kg/hr 수준의 O

2

생산 PDU 공정을 설치하여 연구를 수행하고 있다. 최근에 는 DOE 지원으로 Western Research Institute와 함 께 1.0TPD 규모의 연구를 진행하고 있는 실정이다.

MOF(metal organic framework)를 이용한 이산화탄소 분리기술 개발

MOF는 금속 이온들을 유기 리간드가 배위결합을 통해서 연결하고 있는 구조적 특징을 갖고 있다. 주로

수소 및 메탄 저장과 관련되어 MOF가 주목을 받아왔 으나, 최근에는 이산화탄소에 흡착/저장과 관련하여 활 발한 MOF 연구 결과가 발표되고 있으며, 독일 BASF 에서 가스 저장매체 및 흡착제로 상업화를 추진 중이다.

그림 7. Air product & Chemical 사의 ITM 실증 공정.

CO

2

안화승, 김훈식*, 정순관**

인하대학교, *경희대학교, **한국에너지기술연구원 [email protected], [email protected]*, [email protected]**

[특별기획] 순산소 연소 발전 기술

순산소 연소 발전의 개요

순산소 연소 발전의 연소 특징을 이해하기 쉽게 하 기 위하여 이론 당량비의 메탄에 대한 공기연소와 순 산소 연소 화학반응식을 아래 식에 비교하였다.

공기 연소: CH

+ 2(O

+3.76N

)

⇒ CO

+ 2H

O + 7.52N

순산소 연소: CH

+ 2O

⇒ CO

+ 2H

O 위의 반응식으로부터 순산소 연소시 응축시스템을 이용하여 배가스의 수분을 제거하면 고농도의 CO

회 수가 용이하며 공기 중에 포함된 질소의 가열로 인한 열손실을 줄일 수 있어 에너지 효율도 크게 증가한다.

따라서 순산소 연소는 연료를 절약하고 고농도 CO

혹은 H

O의 재순환 기술 등 신연소기술이 개발되고 있어 대량 이산화탄소 배출원에 CCS 기술의 적용시기를 나

동시에 발생한 이산화탄소는 CCS 기술, 특히 연소전 CO

포집기술이 적용하여야 한다. 대표적인 연소전 공 정은 [그림 7]과 같이 수소스테이션, IGCC, ZECA(Zero Emission Coal Alliance, 무공해 석탄이 용 수소제조 공정)을 들 수 있다.

안국영, 이대근*, 박정훈*

특·별·기·획(Ⅲ)

순산소 연소발전기술의 적용이 확대될 것으로 전망되 고 있다.

선진 각국은 십 여년 이상의 연구를 거쳐 현재 수십 MW급 규모의 순산소 연소 발전 실증 과제를 추진 및 진행 중에 있으며, 2007년도 이후 진행되고 있는 대형 실증 과제는 [표 1]과 같다.

순산소 발전 적용 연구 1) 가스 터빈 발전

가스터빈 발전 적용에 있어서 순산소 연소시 발생 되는 터빈 고온문제 및 산소제조에 따른 효율저하를 극복하기 위하여 여러 방법들이 시도되고 있다.

순산소 연소시 터빈 고온문제를 해결하기 위하여 CO

나 H

O를 재순환시켜 [그림 1]과 같이 터빈 입구 의 온도를 떨어뜨리는 방법이 제시되고 있다. [그림 1 (A)]의 연소기에 CO

를 추가로 공급하는 방식은 배 가스에서 회수된 CO

를 재순환하여 연소기에 공급하 는 방식이다. 이 사이클에서는 CO

가 압축기를 통해 연소기로 공급되며, 터빈출구의 배가스에서 회수된 배열을 이용하여 스팀터빈을 구동한다. [그림 1(B)]

를 제거하 고 남는 물을 회수열교환기(recuperator)로 가열하여 연소기로 공급되는 수증기를 만들게 된다.

[그림 2]와 같은 사이클 내에 산소제조과정이 포함 되는 방법은 산소제조비용을 절감할 수 있어 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. [그림 2(A)]에

나타낸 방법은 금속물질(Me)을 매개체로 하여 산화/

특·별·기·획(Ⅲ)

연소를 적용하면 고농도의 CO

2) 석탄 연소 발전

석탄의 가연성분 중에는 약 70% 정도의 탄소성분 이 포함되어 있어서 다른 연료에 비하여 연소에 따 른 CO

의 배출농도가 매우 높아 순산소 연소를 하 는 경우 CO

의 저감과 발생되는 CO

의 회수 효과가 크다. [그림 5]와 같이 스웨덴의 전력회사인 Vattenfall의 경우 30MWth Oxy-PC 화력발전용 보일러 플랜트를 세계 최초로 2008년 9월 완공하고 운영 중에 있다.

3) 국내 순산소 연소 가스터빈 발전 기술

국내의 순산소 연소 가스터빈에 관한 연구에서는 터 빈 고온문제를 해결하기 위하여 H

산소제조 기술

현재까지 상용화되어 있는 기존 산소제조 기술로는 심냉법, PSA법 및 고분자막(polymer) 분리법 등이 있다. 200tO

/day 이하에서는 흡착시스템이 더 경제적 이나 이산화탄소를 줄이기 위한 산소 연소용 산소 제 조 기술로는 심냉법(cryogenic distillation)이 가장 많 이 사용되고 있는 실정이다. 현재의 산소 제조 공정 규 모는 약 3,500tO

/day이고 산소연소에 적합한 0.17MPa의 낮은 압력으로 95% O

를 공급할 때의 전 형적인 전력 소비량은 약 200~240kWh/tO

이다. 이 에 비해 VPSA 공정의 경우 흡착을 이용하여 산소를 제조하는 공정으로 현재까지 단일공정으로는 약 250tO

1) 이온전도성 분리막(Ion transport membrane, ITM)을 이용한 산소제조 기술

2) Ceramic Auto-thermal Recovery(CAR) 산소제조 기술 CAR 공정 기술은 ITM과 유사한 페롭스카이트 계 열 혹은 이와 다른 산화물을 혼합한 세라믹 흡수제를 두개의 bed에 충진한 후, 한 bed가 공기로부터 산소 를 흡수할 때 다른 bed는 CO

CAR 공정은 BOC에 의해 2002년에 Lab. 규모의 연 구가 완료되었으며 현재 30kg/hr 수준의 O

생산 PDU 공정을 설치하여 연구를 수행하고 있다. 최근에 는 DOE 지원으로 Western Research Institute와 함 께 1.0TPD 규모의 연구를 진행하고 있는 실정이다.

MOF(metal organic framework)를 이용한 이산화탄소 분리기술 개발

MOF는 금속 이온들을 유기 리간드가 배위결합을 통해서 연결하고 있는 구조적 특징을 갖고 있다. 주로

수소 및 메탄 저장과 관련되어 MOF가 주목을 받아왔 으나, 최근에는 이산화탄소에 흡착/저장과 관련하여 활 발한 MOF 연구 결과가 발표되고 있으며, 독일 BASF 에서 가스 저장매체 및 흡착제로 상업화를 추진 중이다.

CO

안화승, 김훈식*, 정순관**

안국영, 이대근, 박정훈