586…NICE, 제29권 제5호, 2011
배경
기후변화에 대응하기 위한 CO2 감축의 기술적 방 안으로는 에너지 효율 향상, 저탄소 에너지(재생에너 지와 원자력) 및 이산화탄소 포집저장 기술 등이 있 지만, 이들 기술 중 어느 한 기술만을 사용하여 발생 하는 많은 양의 이산화탄소를 감축하는 것은 매우 어 려운 일이므로 다양한 기술적 접목이 이루어져야 한 다. CO2 포집저장 기술의 기본적인 개념은 화석연료 사용으로 발생된 CO2를 대기로 방출하기 전에 포집하 여 분리하고, 압축·수송하여 안정하게 저장(Storage) 하는 기술을 총칭하는 것으로 보통 CCS(Carbon Capture and Storage)로 명명되고 있다. 이와 같은 CCS 기술은 신규 및 기존 석탄과 가스화력 발전소, 산업공정 등에서 발생하는 CO2 대부분을 저감할 수 있는 일련의 기술로 국내외 온실가스 감축목표 달성 에 크게 기여할 것이고, 특히 발전부문에 적용하는 경 우가 가장 효과가 크다. 그러나 비용 효과적 CCS 기 술 보급 및 확산은 상용기술 확보와 CCS 관련 국가 정책기반이 우선시 되어야 한다. 이러한 추세에 의거 우리 정부는 국가 온실가스 중기(2020) 감축목표를 2020년 BAU(Business As Usual) 대비 30% 감축하 는 것으로 최종 확정 후, 지식경제부를 중심으로 여러 부처에서 다양한 CCS 관련 기술개발과 실증을 추진 하고 있다.
본 고에서 다루고자 하는“10 MW 연소 후 건식 CO2 포집기술 개발”도 2002년 교육과학부 21C 프론 티어 사업의 일환으로 추진된 CDRS 사업단의 지원 으로 연소후 건식 재생 CO2흡수기술 개발이 시작되 었으며, 전력연구원에서는 고체 흡수제 개발을 담당
하고, 에너지기술연구원에서는 유동층을 이용한 포집 공정을 개발하여 세계 최초로 2010년 3월 남부발전 (주) 하동화력본부에서 0.5 MW 건식 CO2 포집설비 를 준공하였다(사업기간: 2002. 10~2011. 3). 이러한 경과를 거쳐 개발된 본 기술은 정부 부처간 연구개발 모범 승계사례로서 2010년 11월부터 지경부의 에너지 자원 기술개발사업의 일환으로“10 MW 연소 후 건 식 CO2포집기술 개발”과제를 수행하고 있다.
본 논문에서는“10 MW 연소후 건식 CO2 포집기 술 개발”과 관련하여 0.5 MW 건식 CO2포집공정 운 전 경험과 10 MW 포집공정 기술개발 현황을 개략적 으로 소개하고자 한다.
기술개요
연소 후 건식 CO2포집공정은 흡수 및 재생 유동층 반응기로 구성된다. 고체 흡수제는 흡수반응기에서 선택적으로 CO2를 포집하고, 이렇게 CO2를 흡수한 흡수제를 재생반응기로 보내 열로 재생하여 고 농도 의 CO2로 분리하고 재생된 고체흡수제를 다시 흡수반 응기로 순환시켜 재사용한다. 이러한 순환과정을 통 해 CO2를 빠르게 많이 포집하고(흡수반응), 고농도로 뱉어내는 과정(재생반응)을 반복하여 CO2를 저 비용 으로 분리하는 기술이다.
[그림 1]은 발전소의 탈황장치 후단에 설치되는 건 식 CO2 포집공정의 개념도이다. 그림에서 보듯이 시 스템은 흡수반응기와 재생반응기 및 두 반응기 사이 의 고체 순환공정으로 구성되어 있으며, 고체흡수제 의 활성성분은 알카리 금속 또는 알카리 토금속의 탄 산염, 고체 아민 등이 있으며, 각 반응기에서 일어나는 특·별·기·획(Ⅱ)
10 MW 연소후 건식 CO2 포집기술 개발
류청걸, 위영호
한전전력연구원 녹색성장연구소, {ckryu, yhwi}@kepri.re.kr
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 29, No. 5, 2011…587 대표적 알카리 금속의 반응식은 다음과 같다.
흡수반응기 :
M2CO3(s)+H2O(g)+CO2(g)→2MHCO3(S) 발열반응 재생반응기 :
2MHCO3(S)→M2CO3(s)+H2O(g)+CO2(g) 흡열반응 이러한 건식 CO2 포집기술은 3高(흡수능, 내열성, 기-고 접촉), 3無(폐수발생, 2차오염, 부식), 3低(투자 비, 소요부지, 저가 활성소재)의 특징을 가지고 있다.
특히 국내 고유기술인 본 기술은 세계선도 기술로서 미래 CCS 수출시장 선점이 가능하며, 포집비용을 50%이상 저감할 수 있어 원자력, 신재생에너지에 비 해 경쟁력이 있는 혁신기술로 평가 받고 있다.
기술개발 현황
1) 원천기술 개발 및 0.5 MW 운전경험
[그림 2]에서 보는 것과 같이 한국에너지기술연구 원에서는 2003년 실험실 규모의 배가스 2 Nm3/hr 용 량의 실험장치 개발을 시작으로, 2006년 배가스 100 Nm3/hr (0.025 MW) 규모의 CO2 건식 포집공정을 개발하여 2008년 CO2 제거율 85% 수준으로 50시간 연속운전을 달성한 실적이 있다. 이것은 최초로 실제 배가스를 활용한 장시간 연속운전 성공으로 동 기술 에 대한 개발 청사진을 제시할 수 있었다는 의미를 부 여할 수 있다.
이후 2009년에 [그림 3]과 같은 0.5 MW 규모의 건식 CO2 포집공정을 한국남부발전(주) 하동화력에
세계 최초로 설치하여 약 100일 동안의 운전을 통하 여 10 MW 공정 개발을 위한 설계인자 도출 등 중요 한 공정자료를 획득하고 있다. 본 설비는 세계 최초로 개발되어 운영 중에 있는 관계로 구성품의 개량 등 설 비를 up-grade한 후 2011년 7월에 32일 campaign 운 전을 통해 1,000시간 연속운전을 달성하였다. 이 기간 중에 50시간 이상 CO2제거율 > 80%, 재생율 > 90%
달성을 하였는데, 이것은 고체흡수제 100 사이클 이상 흡수-재생 결과로서 향후 기술개발에 대한 뚜렷한 목 표의식을 가질 수 있게 하는 결과라 할 수 있다.
공정개발과 더불어, 전력연구원에서는 유동층 공정 에 사용하기 적합한 구형의 형상과 내마모도를 갖춘 흡수제를 분무건조법으로 제조하는 원천기술을 개발 하였다. 이러한 기술로 알카리 금속을 활성성분으로 하는 다양한 고체 흡수제를 개발하였고, 0.5 MW 포 집공정에서는 KEP-CO2P 흡수제를 사용하여 약 100
특·별·기·획(Ⅱ)
그림 1. 연소 후 건식 CO2포집공정 개념도.
그림 3. 0.5 MW 건식 CO2 포집설비 전경 및 부속 설비.
그림 2. 건식 CO2포집공정의 개발 추이.
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일간 운전하였다. [그림 4]에서 보는 것과 같은 일련 의 공정을 거쳐 제조된 건식흡수제는 구형의 입자로 강도가 우수하여 에너지기술연구원에서 개발한 공정 에서의 연속운전에도 마모현상이 거의 없음이 확인되 었고, 습식아민(generic MEA) 흡수제에 비해 CO2
흡수능이 우수한 것으로 나타났다. 현재는 흡수제의 흡수능 유지와 내마모도 향상 및 재생온도 저감을 통 한 공정적용 최적의 흡수제 조성 개발 및 대량생산 기 술 최적화가 진행 중이다.
2) 연소 후 건식 10 MW 포집기술 개발
교육과학부와 지식경제부간의 연구개발 승계 모범 사례로 평가되는 본 기술개발은“10 MW 연소후 건 식 CO2 포집기술 개발”이라는 2010년 11월부터 시작 되어 현재에 이르고 있다. 위에서 언급했듯이 0.5 MW 설비의 다양한 변수 실험 운전을 통한 10 MW 설계인자 도출이 진행되었으며, 10 MW FEED 설계 도서 개발을 위한 유입 배가스 량 및 성상검토를 통한 배가스 유량 결정, 각 단위 기기별 예상 소요에너지 단위 기기별 열 및 물질수지 작성 등의 역무가 이루어 졌다. 이를 바탕으로 10 MW 건식 CO2 포집공정의 P&ID를 작성하였으며, P&ID 검토를 위한 공정설계
실무자들의 지속적인 검토를 거쳐 10 MW FEED 설 계도서가 작성 중에 있다.
Main 이산화탄소 포집 설비의 부지는 스팀과 배기 가스 공급 용이성 때문에 배기가스 취입구인 하동화 력 8호기 FGD 옆에 선정하였다. CO2저장 Tank 및 Receiver Tank를 Main설비 하부에 배치하여 공간을 확보하고, Main Fan, Bag Filter 및 2차 FGD 등의 설비를 CO2 포집 설비 전단에 배치하여 운전, 유지보 수 및 설비 점검이 용이하고, 부지를 최대한 활용할 수 있게끔 배치도를 구성하였다.
곧 작성될 FEED를 통해 10 MW 포집 플랜트 건 설을 위한 상세설계가 이루어져 본격적인 공정개발 및 공정건설 업무가 이루어 질 것이다. 또한 상세설계 전 건설될 포집 플랜트에 대한 3D-모델링을 통하여 설치 예정부지에 플랜트를 배치해 봄으로써 설비의 대략적 크기를 산정하고 반응기와 배기가스와 스팀 파이프의 유기적 연결을 확인하여 최적의 설계 포인 트를 찾고자하는 목적으로 10 MW 연소 후 건식 CO2
포집 플랜트 3D-모델링 연구를 수행하고 있다. [그림 5]와 같은 3차원 예상 모형설비 구축하여 전체적인 lay out을 확인함으로서 제작시 문제점을 살펴보고 운 전시 최적의 효율을 얻고자 하였다.
특·별·기·획(Ⅱ)
그림 4. 건식 CO2흡수제 제조 공정.
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 29, No. 5, 2011…589 향후 계획 및 맺음말
기술개발을 위한 향후 계획은 단기계획과 중장기 계획으로 구분할 수 있으며, 현재 진행 중인 과제인
“10 MW 연소 후 건식 CO2 포집기술 개발”에 대한 단기계획으로는 10 MW FEED를 통한 상세설계 및 공정 건설, 시운전과 1,000시간 연속운전, 10 MW 건 식 CO2 포집기술의 경제성 평가를 통한 300 MW FEED 작성이 순차적으로 이루어 질 것이다. 이와 병 행하여 최적의 K계 혹은 고체아민 등의 신규흡수제 조성개발과 대량생산 기술 최적화가 동시에 이루어
질 것이다.
중장기 계획으로는 [그림 6]과 같은 공정 격상일정 에 의거 다음과 같은 기술개발이 진행될 예정이다.
먼저, 공정의 장기 운전을 통한 신뢰성 확보가 우선 되어야 하며, 이때 규모 격상을 통한 기술 입증이 가 능해야 한다. 또한 신뢰성 있는 엔지니어링 데이터 확 보에 의한 경제성 평가 및 경쟁력 확보가 필요하며, 석탄 배가스의 오염물질에 대해 영향이 적은 흡수제 를 개발하여 기타 기술과의 기술적 우월성을 확보해 야 하며, 한국 고유기술로 현재 국제기술을 선도하고 있으므로 원천 및 핵심기술을 보유하여 자생력을 높 여야 한다. 또한, 기존기술의 포집비용을 1/2수준으로 저감할 수 있는 기술임을 입증하여 국내 조기 실증 및 상용화로 막대한 국제시장 점유에 대한 마스터플랜을 준비해야 한다.
이와 더불어 건식 CO2 흡수기술은 향후 R&D에서 상용화 단계로 접근하면서 원활한 시장진입과 기술적 우위를 지키기 위해 보다 적극적인 R&D와 특허출원 을 통하여 권리화도 추진해야 할 것이다.
특·별·기·획(Ⅱ)
그림 6. 연소 후 건식 CO2포집기술 개발 향후 계획.
그림 5. 10 MW 건식 CO2 포집플랜트 3D-모델링.
