[특별기획(Ⅱ)] 발전소 CO2 포집비용 절감을 위한 건식 CO2 포집기술

서론

이산화탄소 포집 및 저장(CCS: Carbon Capture

& Storage) 기술은 에너지효율향상과 더불어 발전소 에서의 CO

2

배출을 대량으로 저감할 수 있는 가장 비 용효과적인 수단이다. Global CCS Institute(GCCSI) 에 따르면 현재 전세계적으로 2022년까지 65개의 LSIP(대규모 통합 CCS 실증 사업)

¹⁾

가 진행 및 계획 되어 있으며 이 중 30개 프로젝트가 발전분야의 프로 젝트다. 2개의 발전분야 LSIP가 현재 건설 중에 있으 며, 캐나다 Boundary Dam 발전소 프로젝트에서는 Cansolv 기술을 사용하는 연소후 포집기술을, 미국 미 시시피주 Kemper County 프로젝트에서는 582 MW IGCC 발전소에 Selexol 기술을 사용하는 연소전 포집 기술을 실증할 예정이다. 이 두 기술은 모두 용매를 이용하여 CO

2

를 포집하는 습식 CO

2

포집기술이다.

발전소 CO

2

포집기술은 산업공정에 사용해오던 CO

2

포집기술을 발전소 배가스에 사용하기 적합하게 개량하는 형태로 주로 개발되고 있다. 하지만 현재의 기술수준으로는 포집비용이 너무 높아 정책적인 뒷받 침 없이는 실증 규모 설비의 보급이 어려운 상황이다.

이에 따라 전 세계적으로 포집비용을 낮추기 위한 CO

2

흡수제 개발 및 성능개선, 공정 최적화 등 다양한 연구개발이 진행되고 있지만 여전히 수용가능한 수준 의 포집비용을 갖춘 기술의 실증은 이루어지지 않고

있다. 발전소 대상 대규모 CO

2

포집 프로젝트의 대부 분이 습식 기술을 채택하여 진행되고 있는 가운데 CO

2

포집 비용을 낮추기 위한 대안 기술로 건식 CO

2

포집기술이 한국과 미국, 유럽을 중심으로 개발되고 있다. 이에 본 고에서는 발전소 적용을 목표로 하는 건식 CO

2

포집기술에 대해 간략히 소개하고 주요기술 의 특징 및 개발동향을 살펴보고자 한다.

건식 CO

2

포집기술

건식 CO

2

포집기술에서는 연소전 또는 연소후 가 스 중에 포함된 CO

2

를 포집하기 위하여 고체흡수제를 사용한다. 발전소에서와 같이 대량의 가스를 고체흡 수제를 이용하여 처리하기 위해서는 흡수탑과 재생탑, 두 개의 유동층 반응기로 구성되는 순환유동층 공정 이 주로 이용된다. 고체흡수제는 두 유동층 반응기를 순환하면서 흡수탑에서는 공급되는 처리 대상가스 중 에 포함된 CO

2

를 선택적으로 흡수하고 재생탑에서는 흡수한 CO

2

를 배출하면서 재생된다. 흡수탑에서는 CO

2

가 제거된 가스가 배출되며, 재생탑에서 배출되는 고농도의 CO

2

는 정제 및 압축과정을 거쳐 CO

2

저장 소로 보내진다.

건식 CO

2

포집기술에 사용되는 고체흡수제는 빠른 CO

2

흡수속도 및 높은 CO

2

흡수능과 함께 유동층 공정 에 사용하기에 적합한 물성 및 장기간 사용가능한 내구

1. LSIP(Large Scale Integrated Project)의 기준은 석탄발전소의 경우 연간 80만톤 이상, 기타 산업시설에서는 연간 40만톤 이상의 CO

2

를 포집저장하는 규모

발전소 CO

2

포집비용 절감을 위한 건식 CO

2

포집기술

백점인

KEPCO 전력연구원

[email protected]

성, 저가 등의 요구조건을 만족시켜야 한다. 이와 함께 대량의 흡수제가 소요되므로 생산이 용이하고 흡수제 성능 및 품질이 균일하여야 한다. 고체 CO

2

흡수제는 CO

2

와 직접 반응하는 활성물질과 활성물질을 지지하는 지지체로 구성된다. 지지체는 활성물질의 응집현상을 억제하고, 활성물질을 흡수제 몸체 전체에 고르게 분산 시키며, 흡수제에 강도를 부여하고, 반응기체의 흐름을 원활하게하기 위한 통로를 제공하는 역할을 한다.

유동층 공정에 적합한 물성, 즉 구형이면서 밀도가 0.8 g/ml 이상이고, 입자크기분포가 좁고 평균입경이 약 100 ㎛ 정도 되는 균일한 품질의 고체 CO

2

흡수제 를 대량으로 생산하기 위해 분무건조기술이 주로 사 용되고 있다. 분무건조기술은 흡수제, 촉매, 식품, 의 료, 케미컬 등의 산업에서 고체분말을 생산하기 위해 널리 이용되고 있는 상업기술이다. 분무건조기술을 이용하여 고체흡수제를 제조하기 위한 공정은 크게 활성물질 및 지지체 원료를 물과 같은 적정한 용매에

혼합하여 슬러리를 만드는 과정, 분쇄기를 이용하여 원료를 더욱 작은 크기로 분쇄하면서 슬러리 특성을 균질화하는 과정, 분무건조기를 이용하여 슬러리를 구형의 생소지체 입자로 분무성형하는 과정, 생소지 체 입자를 소성로에서 소성하여 강도를 구현하면서 슬러리 특성제어를 위해 투입한 유기첨가제를 제거하 는 소성과정으로 나누어진다. 분무건조법을 이용하여 생산되는 입자는 원료물질의 특성, 슬러리 특성, 분무 방법에 따라 [그림 1]과 같이 다양한 구조를 갖게 된 다. 고체 CO

2

흡수제는 we11-mixed component particle로 분류될 수 있다.

건식 CO

2

포집기술은 연소후, 연소전, 연소중 포집 에 따라 고체흡수제의 사용온도가 크게 변하며 이에 맞게 고체 흡수제에 사용되는 활성물질과 지지체, 그 리고 공정 구성 및 운전조건도 달라진다. 건식 CO

2

포 집에 사용가능한 고체재료 및 활성물질 함량에 따른 CO

2

흡수능을 [그림 2]에 나타내었다. 연소후 포집에

그림 1. 분무건조기술을 이용하여 생산된 다양한 형상의 입자[1].

서는 저온용 흡수제가, 연소전 포집에서는 중고온용 흡수제가 주로 사용된다. 최근 CaO를 이용한 연소후 포집공정도 유망 포집기술로 새롭게 대두되었다. 분 무건조법을 이용한 고체흡수제 제조에 주로 사용되는 활성물질은 연소후 포집에서는 Na

2

CO

3

와 K

2

CO

3

이며 연소전 포집에서는 MgO이다.

연소후 CO

2

포집공정은 발전소에서 연소배가스가 대기로 배출되는 굴뚝 전단에 위치한다. 연소후 포집 에 사용되는 Na

2

CO

3

흡수제와 K

2

CO

3

흡수제의 흡수 온도범위는 각각 40∼60, 60∼80 ℃이고 재생온도범 위는 80∼120, 100∼240 ℃이다. 재생의 경우 재생가 스 분위기에 따라 재생온도가 변하며 N

2

로 재생할 때 에는 150 ℃ 이전에 완전 재생이 가능하나, CO

2

나 실 제 공정조건인 CO

2

와 H

2

O 혼합가스 분위기에서는 흡 수제를 완전히 재생하기 위한 온도가 상승한다. 동일 한 활성물질 함량을 기준으로 Na

2

CO

3

흡수제는

K

2

CO

3

흡수제에 비해 CO

2

흡수능이 높고 흡수 및 재 생 온도가 낮은 장점이 있으나 흡수반응속도가 느리 고 흡수온도범위에서 반응에 필요한 수증기의 공급 및 제어가 어려워 공정개발 관점에서는 사용이 용이 하지가 않다. 이에 따라 K

2

CO

3

흡수제가 현재 파일럿 CO

2

포집설비 개발에 이용되고 있다. [그림 3]에 Na

2

CO

3

또는 K

2

CO

3

고체흡수제를 이용한 건식 CO

2

포집공정 개략도를 나타내었다, M은 Na 또는 K를 의미한다. 한편, Na

2

CO

3

나 K

2

CO

3

흡수제를 이용한 CO

2

흡수반응시 필수적으로 요구되는 수증기의 공급 및 제어 부담을 줄이면서 흡수제 재생온도를 낮추어 재생에너지 소모를 감소시키기 위한 방법으로 습식 CO

2

포집공정에서 주로 사용되는 흡수제인 아민을 고 체지지체에 함침시켜 만든 고체아민흡수제가 새롭게 개발되고 있다. 고체아민흡수제의 흡수온도는 약 40

∼60 ℃이고 재생온도는 100∼120 ℃이다. 고체아민 흡수제는 열 및 흡수능에 대한 장기 내구성 부족, 낮 은 고체입자밀도로 인한 공정 운전의 어려움 등의 단 점이 극복되어야 한다.

연소전 CO

2

포집기술은 석탄가스화복합발전 (IGCC: Integrated Gasification Combined Cycle)에 적용되는 기술이다. 연소후 포집공정이 주로 상압에 서 운전되는 반면 연소전 포집공정은 고압에서 운전 되며, 석탄을 가스화하여 얻은 연료가스(또는 합성가 스)를 연소기에서 연소하기 전에 가스 중에 고농도로

그림 2. 사용온도에 따른 고체흡수제 종류별 흡수능 비교.

그림 3. 고체흡수제를 이용한 연소후 건식 순환유동층 CO

2

포집 공정 개략도.

포함된 CO

2

를 포집한다. 고압에서 CO

2

를 포집함에 따 라 포집된 CO

2

의 수송 및 저장에 필요한 압축비용을 절감할 수 있으며, 고농도의 CO

2

를 포집하기 때문에 연소후 포집에 비해 CO

2

분리가 상대적으로 용이하다 는 장점이 있다. 상업적으로 운전 중인 연소전 CO

2

포 집공정은 습식기술로서 공정운전온도를 40 ℃ 수준 또는 그 이하로 낮추어야 한다. 이에 비해 건식 CO

2

포집기술은 현재 소규모 파일럿 기술개발 단계로, 200

℃ 이상의 중고온에서 운전이 가능하므로 IGCC 시스 템 전체 열효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 연소 전 포집에서는 MgO를 활성물질로 사용한 고체흡수 제가 주로 개발되고 있다. MgO 단독으로는 CO

2

와 잘 반응하지 않기 때문에 반응을 활성화시키기 위하여 K

2

CO

3

와 같은 첨가제를 혼합하여 흡수제를 제조한다.

MgO 흡수제를 사용하는 포집공정에서의 CO

2

흡수탑 과 재생탑은 각각 200∼250 ℃ 및 350∼450 ℃에서 주 로 운전된다. 연소전 건식 CO

2

포집 공정의 구성은 [그림 3]의 연소후 공정과 거의 유사하다. 연소전 CO

2

포집공정에서는 촉매를 이용하여 연료가스 중의 CO 를 H

2

O와 반응시켜 연료인 H

2

를 추가로 생산함과 동 시에 CO를 CO

2

로 전환함으로써 연료가스 중의 CO

2

농도를 높이는 수성가스전환반응이 CO

2

포집공정 전 단에 설치된다. 건식 CO

2

포집기술에서는 수성가스전 환촉매를 고체 CO

2

흡수제와 함께 흡수탑에서 사용함 으로써 수성가스전환반응과 동시에 CO

2

를 포집하는 이른바 촉진수성가스전환반응(SEWGS: Sorption Enhanced Water Gas Shift)이 가능하다. 이 경우 수 성가스전환반응의 정반응이 촉진되고, 수성가스전환 반응에 소요되는 스팀의 양을 감소시킬 수 있으며, 수 성가스전환공정을 별도로 설치할 필요가 없어 공정이 간소화되는 효과를 얻을 수 있다.

고체입자를 이용하는 연소중 건식 CO

2

포집기술의 대표적인 사례는 매체순환연소(CLC: Chemical Looping Combustion) CO

2

포집기술이다. CLC CO

2

포집기술의 특징은 연료의 연소에 필요한 산소를 고 체입자인 산소공여입자가 제공한다는 것이다. CLC

공정은 [그림 4]에서와 같이 연료반응기와 공기반응 기로 구성되는 순환유동층공정을 사용한다. 산소전달 매체인 산소공여입자는 두 반응기를 순환하면서 연료 반응기에서는 연료에 산소를 전달하여 연료를 연소시 키고, 공기반응기에서는 반응기에 공급되는 공기 중 의 산소를 얻어 다시 재생된다. 공기반응기에서는 미 반응 산소가 소량 함유된 N

2

가 배출되며, 연료반응기 에서는 CO

2

와 H

2

O로 구성된 가스가 배출되므로 H

2

O 를 응축시키면 CO

2

만 남게 된다. 즉 CLC기술은 공기 분리기 없이 일종의 순산소연소가 가능한 미래형 연 소기술이며 별도의 CO

2

포집설비 없이 연료의 연소중 에 CO

2

를 원천적으로 분리할 수 있는 기술이다. 매체 순환연소에서 두 반응기에서의 반응열의 합은 일반 공기연소에서의 연소열과 동일하며, 두 반응기의 운 전 온도는 산소공여입자의 종류 및 연료의 종류에 따 라 다르며 약 600∼1,200 ℃이다. 따라서 고온의 화염 으로 인한 NOx 발생이 거의 없는 친환경 연소기술이 다. 또한 고체 및 가스 연료에 모두에 적용가능하며 연료 및 공정 특성에 따라 금속산화물 종류가 다른 산 소공여입자 선택이 가능하다. 가스 연료인 경우 니켈 산화물, 고체연료인 경우 철산화물 또는 CaSO

4

를 활 성물질로 사용하는 산소공여입자가 파일럿 CLC 공 정개발에 주로 이용되고 있다. 또한 전기, 열, 질소 및

그림 4. 매체순환연소를 이용한 CO

2

포집 및 발전 시스템

개략도.

수소를 동시에 생산가능하며, 부분산화를 통한 합성 가스 생산이 가능하다는 다양한 장점을 지니고 있다.

기술개발 동향

건식 CO

2

포집기술은 한국, 미국, 유럽에서 주로 개 발되고 있다. 따라서 일정규모 이상의 가시적인 성과 를 거두고 있는 기술개발 사례를 중심으로 기술개발 동향을 정리하였다.

연소후 건식 CO

2

포집기술은 한국이 기술개발을 주도하고 있다. 전력연구원에서 개발한 K

2

CO

3

흡수 제를 이용하여 한국에너지기술연구원에서 순환유동 층공정기술을 개발하였으며, 2009년 한국남부발전 하 동화력본부에 0.5 MW 포집설비를 설치한 후 1,000시 간 연속운전 등 98일 campaign 변수 실험운전을 통 해 80∼90%의 CO

2

제거성능을 입증하였다. 이를 바 탕으로 2014년 9월에 10 MW 포집설비를 하동화력 본부에 설치완료하고 현재 시운전을 진행하고 있다.

2014년 총 1,000시간의 운전을 진행하여 수백 MW급 연소후 건식 CO

2

포집설비 설계를 위한 자료 도출과 함께 건식 CO

2

포집기술에 대한 신뢰도를 향상시킬 계획이다. 한편 미국 ADA-ES에서는 아민기가 부착 된 고체흡수제를 이용한 연소 후 CO

2

포집기술을 개 발 중이며 1 kW 규모의 배가스 연계 실험을 마치고 현재 1 MW 파일럿 설비 상세 설계를 완료하고 건설

을 진행 중이다.

연소전 건식 CO

2

포집기술은 유럽과 한국에서 가 시적인 성과를 보이고 있다. 네덜란드의 ECN (Energy research Center of the Netherlands)은 2006년부터 시작된 CACHET 프로그램과 후속 프로 그램인 CAESAR(CArbon-free Electricity by SEWGS:

Advanced materials, Reactor-, and process design) 프로그램을 통하여 SEWGS 소재와 공정 기술을 개 발하고 있다. ECN은 [그림 6]에 나타낸 바와 같이 K

2

CO

3

promoted hydrotalcite를 CO

2

흡수제로 사용 하고 Fe-Cr계 WGS촉매를 사용하는 6개의 고정층으 로 구성된 SEWGS공정을 개발하였다. K

2

CO

3

promoted hydrotalcite의 CO

2

흡수능을 약 6∼7 wt% 정도로 제시하고 있다. 현재 20 kW

th

규모의 기 술개발을 완료하고 하루 35 ton CO

2

포집을 목표로 한 기술개발을 추진하고 있다. ECN의 SEWGS공정 은 약 400 ℃, 고압에서 WGS반응과 동시에 CO

2

를 흡수한 후 감압하여 CO

2

를 분리하면서 흡수제를 재생 시키는 PSA(Pressure Swing Adsorption) 공정을 사용하고 있다. 따라서 연료로 사용되는 수소는 고온 고압 상태를 유지하나 CO

2

는 저압에서 회수되므로 저 장을 위해서는 고압으로 다시 압축해야 하는 단점이 있다. 이에 비해 한국에서는 한국전력공사-한국에너 지기술연구원-고등기술연구원 공동연구로 순환유

그림 5. 한국전력공사-한국에너지기술연구원의 연소후 건식 CO

2

포비설비 규모격상 경과.

동층공정을 사용하며 TSA(Temperature Swing Adsorption)을 이용하는 SEWGS 기술을 개발 중이 다. TSA를 사용하면 고압에서 흡수 및 재생이 가능 하고 장치의 운전이 훨씬 단순해지는 장점이 있는 반 면 고강도의 흡수제가 개발되어야 한다. 현재 CO

2

흡 수능이 약 10 wt%인 K

2

CO

3

promoted MgO 흡수제 를 개발하여 5 kW급 SEWGS공정에서 시험 진행 중 이며, 흡수 및 재생온도는 각각 약 230 ℃와 380 ℃이 며 2014년까지의 운전결과를 바탕으로 2015년에 0.1 MW 규모로 격상할 예정이다.

매체순환연소연소기술은 가스연료인 경우 유럽과 한국이, 고체 연료인 경우 유럽과 미국이 각각 기술개 발을 주도하고 있다. 유럽연합은 GRACE Project와 CLC Gaspower 프로그램을 통해 천연가스 매체순환 연소기술 개발을 수행하였다. 스웨덴의 Chalmers 대 학이 NiO계 산소공여입자를 개발하고 VITO(Flemish Institute for Technological Research)사에서 입자를

분무건조법으로 대량생산하였다. 이 입자를 이용하여 오스트리아 Vienna University of Technology에 설 치한 120 kW

th

급 공정에서 1,500시간 이상의 매체순 환연소 시험을 성공적으로 마치고 10 MW 실증설비 기본설계까지 완료하였다. 캐나다의 Cenovus Energy 사는 이 기술을 이용하여 Alberta에 10 MW 스팀생 산공정을 운영하는 사업을 추진중이다. 국내에서는 한국전력공사 전력연구원이 개발한 NiO계 산소공여 입자를 이용하여 한국에너지기술연구원이 200 kW

th

급 천연가스 매체순환연소공정 개발을 수행하였고 100시간 이상 연속운전을 통해 연료전환율 99.2%, CO

2

선택도 99% 이상의 성공적인 성능시험 결과를 얻었다. 유럽연합의 ENCAP 프로젝트와 ECLAIR 프로젝트에서는 저가인 철계 천연광물인 ilmenite (iron titanium oxide, FeTiO

3

/(Fe

2

TiO

5

+TiO

2

))를 산소공여입자로 사용하여 고체연료인 석탄을 직접 연 소하는 기술을 개발 중에 있다. 100 kW

th

공정을 Chalmers 대학에 설치하여 1 MW

th

공정 개발과 산 소공여입자 개발에 활용하고 있으며, 상용규모(450 MW) CLC 공정 개발을 위한 설계 자료 도출을 위해 ALSTOM사는 1 MW

th

공정을 Tech. Univ. of Darmstadt에 설치하여 현재 운전하고 있다. 상용규모 의 공정 실증에 앞서 10∼50 MW 규모의 공정 개발 을 계획하고 있다. Alstom사는 유럽연합 프로그램과 는 별도로 미국에서 DOE/NETL의 지원으로 CaSO

4

를 산소공여입자로 이용하는 석탄 매체순환연소기술

그림 6. 네덜란드 ECN에서 개발 중인 SEWGS용 CO

2

흡착

제 및 PSA 장치.

그림 7. 한국, 미국, 유럽연합에서 개발된 매체순환연소 시험 설비[3].

을 개발하고 있다. 65 kW

th

급 CLC 공정 개발을 완료 하고 현재 3 MW

th

급 설비를 Windsor에 설치하여 운 전중이며 외부열원의 추가 공급 없이 연료로 석탄만 을 공급한 상태로 12시간 운전에 성공하였으며 CO

2

포집율 96%를 달성하였다. 현재 가압반응, 환원반응 시스템 등 공정을 업그레이드할 수 있는 다양한 시스 템 구성에 대한 연구를 수행하고 있다.

결론

이상에서 살펴본 바와 같이 건식 CO

2

포집기술은 연소후, 연소전, 연소중 모든 포집기술 분야에서 CO

2

포집비용을 대폭 낮추기 위한 신기술로 개발되고 있 다. 건식 CO

2

포집기술은 고체 흡수제의 높은 CO

2

흡 수능, 우수한 내열성 및 유동층 공정을 이용한 반응가 스와의 접촉증대, 폐수발생 감소, 단순한 흡수탑 및 재 생탑 구조, 설비 부식 저감, 공정의 소형화 및 단순화, 낮은 투자비, 고온운전가능 등 포집비용을 줄일 수 있 는 여러 가지 유리한 기술적 특징을 지니고 있다. 이 에 따라 미국 DOE/NETL에서는 고체흡수제 및 매 체순환연소기술을 비용저감효과가 큰 2025년 이후의 차세대 포집기술로 분류하고 기술개발을 지원하고 있 다[그림 8]. 국내 연소후 건식 CO

2

포집기술은 우수 한 고체흡수제 개발과 풍부한 유동층 기술개발 경험 을 바탕으로 미국보다 훨씬 빠르게 2020년 이전 발전

소 규모 실증을 목표로 하는 1세대 포집기술로 기술 개발을 진행하고 있다.

하지만 건식 CO

2

포집기술은 습식 기술에 비해 기 술개발 경험이 부족하여 일정규모 이상의 설비에서 충분한 운전을 통한 기술의 경제성, 신뢰성 및 장기적 인 안정성을 확보하여야 하고, 기술 실현에 필요한 소 재, 장치 및 부품 등의 개발이 뒤따라야 한다. 이러한 극복과제를 해결한다면 건식 CO

2

포집기술은 1세대 연소후 건식 CO

2

포집기술을 시작으로 CO

2

포집비용 을 혁신적으로 낮춘 연소전 및 매체순환연소기술 등 의 차세대 저비용 기술의 보급을 통해 이산화탄소 배 출 감축목표 달성과 함께 지구온난화 문제 해결에 크 게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌

1. A.B.D. Nandiyanto and K. Okuyama, Advanced Powder Technology, 2222, 1 (2011).

2. ECN, CAESAR, European conference on CCS Research, Development and Demonstration, 19-22 April 2010, Rotterdam. Netherlands.

3. I. Abdulally, C. Beal, H.E. Andrus, B. Epple, A.

Lyngfelt, and B. Lani, 11th Annual Carbon Capture, Utilization and Sequestration Conference, 30 April-3 May 2012, Pittsburgh PA, USA.

4. DOE/NETL Carbon Dioxide Capture and Storage RD&D Roadmap, December 2010.

그림 8. DOE/NETL의 CO

2

포집 신기술별 상용화 시기 및 포집비용저감효과 예측 [4].