- 산소 농도 60%에서 이산화탄소 90% 이상 포집 가능한 순산소 연소 운전 기술 확보 

- 공기 연소 대비 초미세먼지 유발 물질 배출 80% 이상 저감 

■ 국내 석탄 화력발전이 이산화탄소와 초미세먼지 유발 물질(질소산화물, 황산화물, 일산화탄소)의 주요 배출원으로 지목되고 있는 가운데, 대기오염 물질 배출이 없는 친환경 석탄 화력발전 원천 기술이 국내 연구진에 의해 개발되고 있다.

■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 이재구 단장 연구진은 기존 공기 연소 대비 초미세먼지 유발 물질 배출을 80% 이상 낮추고 연소 중 이산화탄소를 90% 이상 포집할 수 있는‘순산소 순환유동층 연소 기술’개발에 성공했다.

□ 순산소 순환유동층 연소 기술은 순산소 연소와 순환유동층 연소 기술이 합쳐져 이산화탄소 저감, 저급 연료의 이용, 탈황, 탈질까지 가능한 미래 발전 기술이다.

○ 순환유동층 연소 공정은 950도(oC) 이하에서 운전돼 높은 온도를 필요로 하는 다른 화력발전 기술에 비해 열적 질소산화물이 발생하지 않는다. 또 연소로 내 환원제(요소수 혹은 암모니아수)의 공급을 통해 탈질이 가능하며, 석회석 입자를 투입하면 탈황까지 가능해 환경 설비 부담이 적다.

○ 공기 대신 순수한 산소를 이용해 연소하는 순산소 연소 공정은 기존 화력발전소에 산소 공급과 배기가스 재순환 설비만 추가하면 고농도의 이산화탄소를 포집할 수 있어, 다른 이산화탄소 포집 기술에 비해 설비 구성이 쉽다. 또, 연소 중 발생되는 배기가스 대부분은 연소로에 공급돼 재사용함으로써 기존 공기연소 대비 굴뚝으로 배출되는 배기가스의 양이 80% 감소하기 때문에 결과적으로 초미세먼지 유발 물질인 대기 오염물질의 배출량을 저감*할 수 있다.

* 공기연소 대비 이산화황 80%, 산화질소 85%, 일산화탄소 76% 저감

□ 연구진이 개발한 기술은 국내 최초로 배기가스 재순환 설비를 적용한 100 kWth급 순산소 순환유동층 연소 기술로, 연소 시 사용되는 산소 농도를 60% 이상으로 높여 사용할 수 있는 세계 최고 수준의 기술이다.

○ 순산소 순환유동층 연소에 사용되는 산소 농도는 효율 향상에 중요한 역할을 담당한다. 현재까지 개발된 순산소 순환유동층 연소 기술은 40% 농도 수준의 산소를 사용하고 있으나, 60% 이상 고농도 산소를 이용하게 되면 연소로와 후단 설비의 크기를 줄일 수 있고 이는 건설비와 운영비의 절감으로 이어진다. 

○ 연구진은 100 kWth급 순산소 순환유동층 연소 시스템에서 산소 농도 60% 이상으로 운전할 경우 200 kWth급의 출력이 발생하는 것을 확인했다. 즉, 같은 설비 용량 대비 2배의 출력을 낼 수 있어 전체 설비를 줄여도 동일한 효율을 나타낼 수 있게 된 것이다.

○ 이외에도, 연구진이 개발한 기술을 이용하면 공기 연소와 순산소 연소의 안정적인 전환이 가능해 순산소 연소 중 발생하는 이산화탄소를 세계 최고 수준인 1시간 이내, 90% 이상으로 포집할 수 있으며 공기 연소 시 발생하는 오염 물질 배출도 최소화할 수 있다.

■ 과제 참여자인 FEP융합연구단 문태영 박사는 “온실가스 감축과 초미세먼지 저감을 위해서는 획기적인 기술 개발이 시급하다”며, “순산소 순환유동층 연소 기술에 대한 기본설계, 엔지니어링 및 운영기술들을 순수 국산 기술로 확보함으로써 온실가스 원천 분리가 가능한 신발전 기술을 실증화하는데 기여할 계획”이라고 밝혔다.

□ 이번 기술 개발은 국가과학기술연구회가 지원하는 FEP 융합연구사업의 일환으로 진행됐으며, 굴뚝으로 배출되는 이산화탄소와 미세먼지가 없는 친환경 발전소 개발을 목표로 하고 있다.