기술의 개요
현 상황에서 대용량의 이산화탄소 감축을 위해서는, 가장 큰 점배출원인 석탄 화력발전소에 대하여 이산 화탄소 회수저장 기술(CCS: Carbon Capture and Storage)을 개발하고 적용하는 것이 단기적으로 가장 현실적이라고 할 수 있다. 이중 이산화탄소 회수 기술 은 크게 연소 후 회수법, 연소 전 회수법 및 순산소 연 소법(연소 중)으로 나누어진다. [그림 1]에는 각각의 기술 개념을 나타내었다. 연소 후 회수법(Post- combustion capture)은 기존의 발전소에서 나오는 연소 배가스 내에서 이산화탄소를 선택적으로 분리해 내는 방법으로서 흡수법, 흡착법 등이 사용된다. 연소
전 회수법(Pre-combustion capture)은 석탄을 연소 가 아닌 가스화 또는 부분산화를 통해 일산화탄소와 수소를 주성분으로 하는 합성가스로 변환시킨 뒤, 이 를 수성가스 반응(Water-gas shift reaction)을 통해 일산화탄소에서 이산화탄소와 수소를 만들어내고, 이 산화탄소를 흡수 또는 흡착법을 통해 분리해낸다. 그 러므로 이 방법에서는 석탄에서 미리 탄소 성분을 이 산화탄소로 분리해 내고, 나온 수소를 통해 전기를 생 산하게 된다. 순산소 연소법은 공기에서 질소를 분리 해내고 순산소를 통해 연료를 연소한 뒤, 배가스 주성 분이 이산화탄소와 수증기가 되므로 응축을 통해 쉽 게 수증기를 분리함으로써 이산화탄소를 회수하는 방
그림 1. 이산화탄소 회수 방법의 개념도.
서 상 일
한전전력연구원 수화력발전연구소, [email protected]
법이다.
위 세 가지 방법 중, 연소 전 탈 탄소화는 전 세계적 으로 inventory가 매우 제한된 반면에 순산소 연소와 연소 후 회수법은 기존 발전소에의 적용이 가능하며, 2020년까지의 상업 적용을 위하여 기술 개발이 전 세 계적으로 활발하게 진행되고 있다.
순산소 연소는 질소 분리를 위한 전력 비용이 많이 든다는 단점을 가지고 있고, 연소 후 회수법은 흡수제 를 재생하는데 있어서 열에너지 비용이 많이 든다는 단점을 가지고 있다. 각각의 방법에서 들어가는 비용 은 보고서에 따라 다양하게 비교되고 있지만, 두 기술 모두 발전효율을 약 10% 내외로 떨어뜨리는 것으로 알려져 있어 이를 보상하기 위한 옵션이 필요하다. 이 중 순산소 연소는 저등급의 연료를 사용할 수 있다는 점, 노내(연소실 내부) 탈황 및 탈질이 가능하여 후처 리 설비 비용을 줄일 수 있다는 점, 발전소 내 이산화 탄소 회수를 위해 들어가는 별도의 필요 공간이 작다 는 점 등에서 연소 후 회수법과 비교하면 장점을 가지 고 있다.
[그림 2]에는 순산소 연소 적용 석탄 화력발전소의 개념도를 나타내었다. [그림 1]에서 기술한 것처럼 공
기분리장치(ASU: Air Separation Unit)에서 질소 를 분리하고 남은 순산소가 석탄의 산화제로 사용 되며, 배가스는 이산화탄소 처리장치(CPU: CO2
Processing Unit)를 통하여 압축 정제되어 저장 가능 한 형태로 준비된다. 순산소 연소 시에는 보일러 내부 의 화염 온도가 공기 연소 시에 비해 급격하게 올라가 고 열 흡수량 역시 급격하게 늘어나므로, 이를 공기 연소 시와 각 전열면의 열 흡수량을 배합하기 위해 배 가스의 일부를 재순환하여 순산소와 섞어 산화제로 사용하게 된다. 즉, 기존의 산화제인 공기 중 질소가 이산화탄소와 수증기로 대체되는 형태를 보이게 된다.
이렇게 되어 보일러 내 질소 성분이 이산화탄소로 대 체되는 경우 질소산화물 농도가 떨어지고 노내(연소 실 내부) 탈황 효율이 높아지는 것으로 알려져 있어 기존의 탈황장치(FGD)와 탈질장치(SCR) 등을 없애 거나 최소화할 수 있다고 보고되고 있다.
주요 기술적 이슈들
위 순산소 연소를 적용하면서 많은 기술적인 문제 들이 존재할 수 있지만, 가장 중요한 것은 아무도 이 개념을 실제 보일러에 적용해 본 적이 없으므로 어떤
특·별·기·획(Ⅲ)
그림 2. 순산소 연소 적용 석탄화력발전소의 개념도.
일이 발생할지 잘 모른다는 것이다. 결국, 누가 먼저 이를 실제 발전 시스템에 적용해보느냐가 가장 중요 하며, 가장 치열하게 경쟁이 이루어지는 부분도 역시 실증 플랜트의 규모라고 할 수 있다. 이에 대해서는 다음 장에 설명하였다.
실증 플랜트의 규모 외에 중요한 기술적 이슈들은 크게 전체 플랜트, ASU 및 CPU, 보일러, 그리고 환 경설비 등으로 나누어서 정리할 수 있다. 결국, 이들 이슈를 해결함으로써 질소 분리 및 이산화탄소 회수 시 발생하는 효율 페널티를 최소화하고 공기/순산소 운전 모드 모두에서 안정적인 고효율 운전을 수행하 는 것이 중요한 목표이다. 각각에 대한 주요한 내용
및 세부 목표는 [표 1]에 정리하여 나타내었다.
국외 연구현황
앞에서 기술한 것처럼 순산소 연소를 통한 이산화 탄소 회수 기술은 결국 실증 연구 플랜트의 규모가 가 장 중요하다고 할 수 있다. 현재 Lab-scale 또는 1 MW 이하의 Pilot 장치에서의 개념 정립은 이미 완성 된 상황이며, 10 MW 이상 규모에서의 실증이 진행되 고 있고, 100 MW 이상 규모에서의 실증도 구체적으 로 계획되고 있다. [그림 3]에는 현재까지 진행되었거 나 앞으로 진행 예정인 실증 플랜트의 규모들을 나타 내었다. 현재 실증이 진행되고 있는 가장 큰 규모의 과
그림 3. 전세계 순산소 연소 실증과제 현황.
보일러
순산소연소 시스템 설계 기술 보일러 내 전열면의 열매칭 기술 공기유입 최소화 기술
안정된 연소조건 확보 공기/순산소 조건 열매칭
공기 유입 최소화를 통한 이산화탄소 고농도 확보
환경설비
노내 탈황 및 탈질 기술
배가스 재순환 시 농축 오염물질 제어 기술 (황화합물, 먼지 등)
노내 부식 제어 기존 환경설비 최소화
CPU 전단 이산화탄소 내 불순물 최소화
제는 일본과 호주가 공동으로 호주에서 진행하고 있 는 Callide A(30 MW) 과제와 스웨덴 전력회사인 Vattenfall 이 독일의 Shwarz-Pumpe에서 진행하고 있는 과제를 들 수 있다[그림 4]. Callide A는 기존의 발전소를 개조하는 과제이며, Vattenfall 과제는 연소 실증을 위해 신규로 건설한 순산소 연소 과제이다. 현재 두 과제 모두 성공적으로 진행되고 있으며 Vattenfall 의 경우에는 독일의 Janschwart에 250 MW 규모의 실증 과제를 계획하여 진행하고 있다. 이들 과제는 모 두 미분탄 보일러에 적용하는 과제이며, CFB 보일러 에 적용하고자 하는 과제는 현재 스페인에서 CIUDEN project로 계획하여 진행하고 있다.
국내 연구현황
국내에서도 순산소 연소를 통한 이산화탄소 회수 기술에 대하여 2006년부터 연구가 수행되었다. 에너 지기술연구원에서 기초 연구로서 미분탄 순산소 연소 기술을 연소기에 대하여 개발하였으며, 100 kW 규모 연소로에서 연소 시스템의 중요한 설계 인자들을 도 출해내는 작업을 수행하였다. 실증 규모의 과제가 본 격적으로 시작된 것은 2007년으로, 남동발전에서 운 영하고 있는 영동화력 1호기(125 MW급)에 순산소 연소를 적용하기 위한 연구가 전력연구원 및 남동발 전을 중심으로 시작되어 지금에까지 이르고 있다.
2007년부터 2010년까지 진행된 1단계에서는 순산소 특·별·기·획(Ⅲ)
(A) 독일 Vattenfall 실증 설비 (10 MW) (B) 호주 Callide 실증 설비 (30 MW)
그림 4. 해외 주요 순산소 연소 실증 설비.
그림 5. 영동화력 1호기 순산소연소 실증 설비 배치 계획.
서론
이산화탄소(Carbon dioxide, CO2)의 대량 배출원인 발전소, 제철소, 시멘트 사업장 등에서 발생하는 CO2를 직접적으로 포집, 저장하는 CCS(Carbon Dioxide Capture and Storage) 기술 중 CO2포집 기술은 대상 공정의 CO2 발생 조건 (CO2 농도, 배가스 온도/압력 등)에 따라 다양하게 접근할 수 있다. 현재 많은 연구가 이루어지고 있는 CO2포집 기술은 흡수법 (absorption), 흡착법(adsorption), 막분리법(membrane) 등이 있 으며 이 중 흡수법은 기술적 성숙도가 높고, CO2의 대 량 처리가 용이하여 CCS 기술의 상용화에 가장 근접
한 포집 기술이라 할 수 있다. 현재 가장 많은 연구가 이루어지고 있는 대표적인 CO2 흡수제인 아민계 흡수 제는 높은 재생 온도 (~140℃), 열화 및 부식, 흡수 제의 높은 가격 등의 문제점을 가지고 있기 때문에 이 를 대체하기 위한 흡수제 개발이 활발하게 이루어지 고 있다. 아민과 함께 CO2흡수제로 각광을 받고 있는 암모니아 수는 오래전부터 산성가스의 처리를 위해 사용되어 왔으며 저렴한 흡수제 비용, 높은 화학적 안 정성, 높은 CO2 포집량, 낮은 재생에너지 등 많은 장 점이 존재한다. 그러나, 암모니아수를 사용한 CO2포 집 공정은 암모니아의 높은 휘발성으로 인하여 아민 증 과제가 된다. [그림 5]에는 현재 진행되고 있는 영
동화력 1호기 순산소 연소 실증시 설비 배치 계획을 나타내었다.
결론 및 향후 전망
순산소 연소 기술은 연소 후 회수법과 함께 석탄 화 력발전소에서의 이산화탄소 회수에 있어 핵심적인 역 할을 할 기술로, 전 세계적으로 매우 빠르게 실증 및 상용화가 진행되고 있다. 이는 현재까지 결국은 순산 소 연소를 적용함에 있어 발생할 수 있는 기술적 문제
인 정책 및 상황이 뒷받침되어야 할 것으로 보인다.
특별히, 국내에서의 적용을 위해서는 이산화탄소의 저장소가 확보되는 것이 매우 시급하며, 이에 대한 별 도의 연구개발이 진행되어야 한다.
덧붙여서, 순산소 연소를 통한 이산화탄소 회수 기 술은 이전의 공기 연소시와 비교하여 매우 많은 비용 이 드는 기술이다(이는 모든 이산화탄소 회수 기술에 해당된다). USC 석탄 화력발전을 포함한 고효율 발전 기술이 뒷받침되어야만 순산소연소를 포함한 이산화 탄소 회수 기술의 상용화가 가능할 것으로 보여진다.
암모니아수를 이용한 CO
2포집 기술
한건우*, 안치규, 이창훈, 김제영, 전희동
포항산업과학연구원 CO2연구단, *[email protected]
