공기연소 대비 초미세먼지 유발물질 배출도 80% 이상 저감 가능

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 개발됐다.

한국에너지기술연구원(원장 김종남) 이재구 단장 연구진은 최근 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. 이 가운데 순환유동층 연소 공정은 950도(oC) 이하에서 운전돼 높은 온도를 필요로 하는 다른 화력발전 기술에 비해 열적 질소산화물이 발생하지 않는다. 또한 연소로 내 환원제(요소수 혹은 암모니아수)의 공급을 통해 탈질이 가능하며, 석회석 입자를 투입하면 탈황까지 가능해 환경 설비 부담이 적다.

이와 함께 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. 아울러 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 저감할 수 있다.

연구진이 개발한 기술은 국내 최초로 배기가스 재순환 설비를 적용한 100㎾th급 순산소 순환유동층 연소 기술로 연소시 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㎾th급 순산소 순환유동층 연소 시스템에서 산소 농도 60% 이상으로 운전할 경우 200㎾th급의 출력이 발생하는 것을 확인했다. 즉 같은 설비 용량 대비 2배의 출력을 낼 수 있어 전체 설비를 줄여도 동일한 효율을 나타낼 수 있게 된 것이다.

이밖에도 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.

한편 국가과학기술연구회가 지원하는 FEP 융합연구사업의 일환으로 진행된 이번 기술개발은 굴뚝으로 배출되는 이산화탄소와 미세먼지가 없는 친환경 발전소 개발을 목표로 하고 있다.