순산소 순환유동층 기술을 활용한
뚝없는 발전소 개발
2015년 12월 개최된 제21차 기후변화협약 당사국 총회(COP21)에서는 지구의 평균온도 상승폭을 산업 화 이전과 비교하여 2℃보다 훨씬 적게 제한하는 내용 과, 1.5℃까지 제한하기 위해 노력하는 것을 포함하는 파리협정을 채택했다. 우리나라도 2030년까지 온실가 스 배출량을 배출전망치(BAU) 기준 37%를 감축하겠 다는 자발적 감축 목표를 제출했고, 2018년에 2030 온 실가스 감축 로드맵을 수정한 바 있다.
한편, 최근 미세먼지로 인한 삶의 질 악화가 이슈로 대두되면서 그 주요 원인 중 하나로 석탄 화력발전소가 지목되었고, 정부는 석탄 화력발전에 대한 정책 기조를 미세먼지 배출량을 줄이는 방향으로 추진하고 있다. 그동안 미 세먼지 관련 국가 정책으로 미세먼지 관리 특별대책 (2016.6.), 미세먼지 관리 종합대책발표(2017.9.), 미세먼지기술개발 로드맵 마련(2018.9.), 미세먼지 배출허용기준 강화(2019.1.), NOx 배출부과금제 시행 (2020.1.) 등을 통하여 미세먼지 저감 정책 방안이 마련되었다. 이중 화력발전 분야에서는 30년 이상 된 노후 발전소 10기 폐쇄와 운전 중인 발전소의 성능개선 및 환경 설비 투자를 추진해 나가고 있다. 2017년 6월 부터는 미세먼지 감축을 위해 노후 석탄 화력발전소 8 기에 대하여 가동 제한을 시행하고 있다.
또한 정부는 2017년 3월 급전 순위에서 경제성뿐만 아니라 온실가스, 미세먼지 및 안전등에 미치는 영향 을 종합적으로 고려하도록 하는 전기사업법 개정안을 마련하였다. 온실가스와 미세먼지 문제로 인하여 석탄 화력발전의 지속적 유지는 국가 주요 정책에서 제한받고 있으며, 기존 발전설비에 대해서는 획기적인 개선 및 관리가 요구되고 있다. 환경적인 측면에서 석탄 화 력발전 비중은 지속적으로 축소될 것이지만, 단기간 내 상당량의 에너지 보급을 신재생에너지로 대체 가능 여부와 천연가스 발전 확대에 따른 전기요금 수용성 정도에 따라 당분간 일정 비중은 유지되어야 할 것으로 보인다. 따라서 에너지 수급 안정성, 환경성, 경제성을 종합적으로 고려할 때 석탄 화력발전은 미세먼지 와 온실가스 배출을 최소화하면서도 발전효율을 극대화할 수 있는 초청정·고효율(HELE: High Efficiency Low Emission) 발전기술 개발이 필요한 실정이다.
그림 1. 청정 석탄 이용 기술체계도
완벽한 환경성을 유지하는 석탄 화력발전을 운영하 기 위해서는 그림 1과 같이 고효율 발전기술, 대기오염 물질저감 기술, CO2 포집 및 활용저장(CCUS) 기술이 동시에 요구되고 있다. CCUS 기술 중 연소 후 포집 기 술은 N2, CO2, 수증기를 주성분으로 하는 배기가스에 서 CO2만을 선택적으로 포집하고 나머지를 굴뚝으로 배출하는 방식이다. 반면, 순산소 연소는 공기 대신 산소만을 사용하므로, 배기가스 내 N2 가스 없이 CO2만 배출되기 때문에 원천적으로 CO2를 분리할 수 있으며, 배기가스량과 대기오염물질 배출량을 현저히 감소시킬 수 있는 기술이다. 실제 스팀을 생산하는 과정에서 는 연소로 내부의 적절한 온도 유지를 위해 배출되는 CO2 일부를 순환하여 공급되는 산소와 혼합하여 사용 한다.
CCUS를 목적으로 하는 순산소 연소(Oxy com- bustion) 기술개발은 2000년대 초반 핵심연구가 시 작되어 2010년경부터 독일 Vattenfall, 호주 Calide, 스페인 CUIDEN(Ciudad de la Energia), 캐나다 CANMET, 중국(IET-CAS, Southeast University), 미국(University of Utah, B&W) 등에서 각종 시험 설 비 구축과 운전시험이 추진되었다. 국내에서는 순산소 미분탄연소(Oxy-PC) 기술 개발을 위주로 2006년부터 에너지기술연구원에서 기초연구가 시작되었고, 전력연구원에서 100MWe 실증을 위한 0.7MWth 규모 파일럿 개발, 생산기술연구원에서 가압 순산소연소 기 초연구가 추진된 바 있다.
최근 중국을 중심으로 높은 산소함량을 이용하여 보일러를 컴팩트화 할 수 있는 2 세대 순산소 순환유동층연소(Oxy-CFBC) 연구가 진 행되고 있으며, 전력연에서는 미국 GTI와 공동으로 가 압 Oxy-CFBC 발전기술의 상용화를 위한 핵심기술 검증계획이 발표된 바 있다.
FEP융합연구단은 화력발전에서 현안해결을 위해 국가과학기술연구회 지원으로 주관연구기관인 한국 에너지기술연구원, 협동 연구기관인 한국생산기술 연구원, 한국기계연구원, 한국표준과학연구원이 공 동으로 2015년 12월 출범하였다. 그동안 연료다변 화에 적합한 순환유동층(CFBC) 발전소에 순산소 연 소와 초임계(SC: Super Critical) 스팀생산을 접목하 는 Oxy-SC-CFBC 발전기술(HOPE GEN™: High efficiency Oxy-CFB based clean Power and Energy GENeration)을 개발하였다. 본 기술을 완성하기 위하 여 그림 2와 같은 연료다변화 연소, SC 이상급 유체회 로 운전, USC 소재 평가, 대기오염물질 제거, 물 회수 등 복합적인 기술이 활용되었다. 왜냐하면 ‘굴뚝 없는 발전소’를 구현하기 위해서는 연소과정에서 생성되는 미세먼지, NOx, SOx는 물론 물까지도 완전히 제거되 고, 최종적으로 CO2 순도가 극대화되어야 CO2 저장 또 는 활용 분야에 적용이 용이해지기 때문이다.
그림 2. 굴뚝 없는 발전소 구현을 위한 요소기술
본 연구에서는 CFBC 발전시스템에 순산소 연소기 술을 적용하여 CO2를 원천 분리하는 핵심기술을 완성 하였다. 그림 3과 같이 100kWth급 Test-rig에서 달성 한 기술 수준은 배기가스량을 기존 공기연소 대비 20% 이하로 배출하면서 CO2 순도를 96% 이상으로 원천 분 리하는 기술과 보일러 설비 컴팩트화를 위해 O2또는 CO2 상태로 공급하는 산소농도를 세계 최고 수준인 60% 이상으로 운영할 수 있는 기술을 개발하였다.
그림 3. HOPE GEN™ 공정도 및 주요 운전결과
배기가스 중 미세먼지는 99.99% 수준으로 제거하면서도 기존 대비 절반의 비용으로 최대 9배의 설비수명 연장 이 가능한 조합형 집진기를 개발하였다. 가스상 오염 물질인 NOx 및 SOx 제거는 CFBC 내부 및 후단에서 제거하는 Hybride 방식에 의해 Near Zero 수준으로 제거하였고, 배기가스 중 수분을 효율적으로 제거하는 수분 선택분리형 나노복합막을 개발하였다. 핵심기술 개발 결과를 바탕으로 2MWe 규모의 Oxy-SC-CFBC 실증 시스템 설계 및 설치를 완료하여 시운전 중에 있 다. 기술개발을 통해 3건을 기술이전했으며, ‘2019년 국가연구R&D 우수성과 100선’에 선정 및 ‘2019 대한 민국환경에너지 기술부문 대상’을 수상했다.
현재 개발된 요소기술들에 대한 기술사업화를 추진 중이며, 발전사와 CO2 감축을 위한 순산소 연소 발전 플랜트 실증화 방안을 검토 중이다. 또한 보유기술의 해외 진출을 위하여 베트남 하노이 공대와 타당성 조사 연구를 수행하고 있으며, 베트남 중공업 및 발전사 인 APOLYTECH, VINACOMIN과 기술이전을 구체 화하고 있다.
그림 4. 2MWe 순산소순환유동층 발전설비(좌), 베트남 기업과 MOU체결(우)
HOPE-GEN™ 기술을 활용하면 석탄 및 바이오매스를 이용하는 발전설비나 폐기물 에너지 화 설비에서 무배출시스템(Zero Emission) 구현이 가 능하여, 대표적인 미래 환경기술로 자리매김할 수 있 을 것이다. 개발기술은 최근 환경 및 사회적 문제로 대 두되고 있는 석탄화력발전소와 쓰레기 처리 분야에 서 뚜렷한 대안 제시가 가능할 것으로 기대하고 있다.
글/ 이재구 단장
한국에너지기술연구원 FEP융합연구단