고효율 화력 발전 설비의 기술 동향

지난해 3월 11일 발생한 일본 동북부 대지진이후, 일본은 기저 부하를 담당해 온 원자력 발전의 가동을 전면 중단했으며, 원전 재개 여부도 현재 불확실한 상태다. 줄어든 발전 비율 부분을 태양광이나 풍력 등 재생에너지 확대로 검토하고 있으나 모두를 충당하기란 불가능하기에, 지금까지 해 온 이상으로 화력 발전이 중요한 역할을 차지할 것으로 보인다.
한편, 최근 환경 문제에서 상석을 차지하는 지구온난화는 주요 원인이 온실가스의 농도 상승에 있다. 온실가스 중에서도 배출량이 가장 많은 것이 CO₂며, 이 CO₂를 방대히 배출하는 화력발전소에서 고효율화는 지구 온난화 대책에서 상당히 중요하다.
일본은 석탄, 석유, 천연가스 등 화석연료의 생산이 거의 없고 대부분 수입에 의존하기에 화력 발전의 고효율화는 경제적 측면에서도 크게 공헌한다.
석탄 가스화 복합 발전(IGCC : Integrated coal Gasification Combined Cycle)은 석탄에서 합성가스를 얻어 그동안 어려웠던 가스 터빈 복합 사이클 발전에 석탄을 사용함으로써, 기존 화력보다 고효율인 발전 시스템이다. 게다가 CO₂배출량 저감 대책의 핵심인, 발전 시 발생하는 CO₂를 회수 저장하는 기술과도 잘 맞아떨어져 향후 석탄 이용 화력 발전 기술로 각광받는다.

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석탄 화력의 발전 효율 향상
기존 석탄 발전 플랜트는 <그림 1>과 같이, 석탄을 때는 보일러에서 발생한 고온 열 가스를 보일러 후류後流의 열 교환기에서 고온·고압의 증기로 만들고, 이 증기로 터빈을 돌려 전기를 생산한다. 지금까지 단일 기계의 용량 증대와 열 에너지 효율 향상을 위해 높은 증기 조건화(증기의 고온·고압화)를 추진해 왔다. 초초임계압(USC : Ultra Super Critical) 조건에서 석탄 화력 효율은 44%(발전단, LHV 기준)를 넘어 기존과 비교해 CO₂배출 원原단위가 3~4% 정도 낮아졌다. 도쿄전력㈜ 히로노[廣野]발전소 5호기(2004년 7월 영업 개시)는 주 증기 압력 24.5MPa, 주 증기 온도 600℃/재열 증기온도 600℃로 높은 수준의 고효율 발전을 달성했다. 높은 증기 조건을 맞추기 위해 증기 터빈에 고온 재료와 냉각 기술, 거기다 600㎿급 첫 2차실 터빈과 48인치 ISB(Integral Shroud Blade)를 채용했다. 보일러에도 고온 재료, 라이플 관을 사용한 수직관형 화로 외에 A-PM(Advanced Pollution Minimum) 버너, MRS(Mitsubishi Rotary Separator) 밀을 사용한 저NOx, 저미연분 연소 기술 등 최신 기술을 채용했다.
석탄 화력의 고효율화는 증기 조건의 향상이다. 유럽, 미국과 마찬가지로 일본에서도 차세대 초초임계압 플랜트인 A-USC(Advanced Ultra Super Critical, 증기 온도 약 700℃급)를 기술 개발 중이나, Ni계의 새로운 재료 개발이 필요해 실용화까지 약 10년 이상 걸릴 전망이다.

IGCC의 개발 상황
공기 주입 IGCC 시스템 개요
기존 석탄 발전 플랜트의 효율 향상이 거의 한계점에 이른 상황에서 IGCC는 가스 터빈과 증기터빈을 조합한 복합 발전 사이클을 택함으로써 USC와 비교해 현격한 발전 효율 향상을 기대할 수 있다.
<그림 2>는 IGCC의 개략 계통이다. IGCC는 먼저 석탄을 미분탄기에서 분쇄·건조시켜 질소로 가압해 가스화 노걙에 투입한다. 가스화 노에서 가스화제인 공기로 석탄을 부분 연소시켜 CO, H₂를 주성분으로 하는 고온 연소가스를 생성한다.
가스화 노에서 생성한 석탄가스는 환경을 생각해 가스 터빈에서 연소하기 전 유황화합물, 미량 성분 등을 제거해야 한다. 따라서 석탄가스를 우선 열 교환기에서 적절한 온도까지 냉각한 후 가스 정제 설비에서 각종 불순물을 제거·정제한다.
정제한 석탄가스는 가스 터빈에서 전기를 생산한다. IGCC의 컴바인드 사이클 발전 설비는 천연가스를 때는 것과 마찬가지로 가스 터빈, 배열 회수보 일 러 (HRSG : Heat Recovery Steam Generator), 증기 터빈으로 구성된다.
석탄가스는 가스 터빈 연소기에서 고온 연소가스가 돼 터빈을 돌려 전기를 생산하고, HRSG에서는 가스 터빈에서 일을 마친 배기가스의 열을 회수해 증기를 발생시켜 증기 터빈 발전에 이용한다. 일을 마친 증기는 복수기에서 응축해 HRSG로 급수된다. 급수의 일부는 HRSG에서 예열한 후 가스화 노의 열 교환기로 보내진다. 거기서 고온 생성가스를 냉각하고 열을 회수해 증기가 되면 HRSG로 돌아가 증기 터빈 발전에 사용된다.

IGCC는 연료 공급과 가스화제에 따라 몇 가지 종류가 있다. 연료 공급 방법에 따라 질소 등을 사용한 '건식'과 물 슬러리(Water Slurry)에 의한 '습식'이 있으며, 습식의 경우 수분의 숨은열 손실이 발생하기에 건식이 발전 효율이 더 높다.
가스화제에 따라 '산소 주입'과 '공기 주입'이 있다. 산소 주입 가스화 노는 석탄에서 화학 제품을 합성하기 위해 개발한 경위가 있으며, 생성 가스 안에 질소를 포함하지 않아 화학 플랜트를 중심으로 폭 넓게 사용 중이다. 그러나 산소 제조에 필요한 공기분리 장치(ASU : Air Separation Unit)의 동력이 커 발전 효율은 공기 주입 쪽이 높다.

공기 주입 IGCC의 특징
고효율 | IGCC는 가스 터빈을 이용한 복합 발전으로, 복합 발전의 효율은 가스 터빈의 연소 온도가 올라가면 향상된다. 천연가스를 연료로 한 가스 터빈 복합 발전 플랜트에서 연소 온도 1600℃급 최신예가스 터빈을 사용해 60%(발전단, LHV 기준)가 넘는 고효율을 실현했다.
IGCC에서도 가스 터빈의 연소 온도를 높여 발전효율을 상승시킨다(<그림 3> 참조). 현재 1500℃급 가스 터빈을 실용화했으며, 연소 온도 1700℃급 가스 터빈도 개발 중이다. 이처럼 천연가스용 가스 터빈의 기술 개발이 진전될수록 IGCC의 효율 향상도 함께 기대를 모은다.
또한, 앞으로 건식 탈류脫硫(가스 정제) 방식이나, 고체 산화물형 연료전지(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell)와 조합한 석탄 가스화 연료전지 복합 발전(IGFC : Integrated Coal Gasification Fuel Cell combined cycle)으로 더 큰 효율 향상도 기대한다.
적용 석탄의 확대 | 기존 석탄 발전 플랜트는 화로벽면에 용융한 석탄재가 부착하는 슬래깅Slagging 때문에 석탄재의 녹는점이 낮은 석탄은 사용하지 않는다. 반대로 IGCC는 가스화 노에서 고온으로 회분灰分을 용융해 배출하기에 석탄재의 녹는점이 낮은 석탄이 유리하다. 따라서 지금까지 발전에 사용하지 않던 석탄도 사용이 가능하다.
또한, 질소 등 비활성 가스를 반송 모체로 한 이단분류층(Two-Stage Entrained Flow)/건식 급탄 방식을 채용했으며, 역청탄뿐만 아니라 습식 급탄 방식에서 사용하기 힘들던 고수분의 갈탄, 아역청탄 등 저렴한 저품위탄을 비롯해 광범위한 석탄을 사용할 수 있다.
석탄재 처리장 면적 감소 | 기존 석탄 발전 플랜트에서 석탄재를 비산재(Fly Ash)로 처리하는 반면, IGCC에서는 유리질 슬래그Slag 형태로 처리한다.
이로써 석탄재 부피가 절반 이하가 되며, 비용출성非溶出性이 돼 유효 이용이 크게 촉진되는 동시에 석탄재 처리장 면적도 줄일 수 있다.
CCS 적용 | CCS(Carbon Capture and Storage)란 특정 흡수액 등을 이용해 가스 안에 있는 CO₂를 분리·회수하고 저장하는 기술로, 화학 플랜트 등에서 이미 실용화됐다.
CCS를 기존 석탄 발전 플랜트에 적용할 경우, 보일러 등에서 연소 후 나오는 배기가스에서 회수해야 하기에 저농도·대용적 가스에서 CO₂를 회수해야 한다. 반면, IGCC에 적용하면 가스 터빈 연소 전의 고압·고농도·저용적 가스에서 회수하기에 회수 동력 등에서 크게 유리하다.

IGCC 실증기 상황
미쓰비시중공업㈜는 높은 효율과 신뢰성을 가진 공기 주입 IGCC 기술을 실현코자 정부·전력회사·(재)전력중앙연구소와 공동으로 개발·실용화에 몰두해 왔다. 석탄 처리량이 2톤/일인 소규모 시험로에서 200톤/일인 파일럿 플랜트를 거쳐, 상용화로 가는 최종 단계로 1700톤/일, 발전단 출력 250㎿, 송전단 효율42%(LHV 기준, 계획값)인IGCC 실증기를 건설하고 2007년 9월부터 실증시험을 시작했다.
<그림 4>는 플랜트 전경 사진이다. 시험은 순조롭게 계속돼 2008년 9월 2000시간을 넘긴 장시간 연속 운전에 성공했다. 유럽과 미국의 실증 플랜트는 운전 개시부터 수~10년 이상이 지나도 장기 연속 운전을 달성하지 못한 것이 많은데, 이 IGCC 실증기가 운전 개시 1년 만에 장기 연속 운전을 달성했다는 것은 당사 공기 주입 IGCC의 높은 신뢰성을 입증하는 것이라 하겠다. 그 후 운전 최적화 시험, 적용 석탄 확대 시험에도 성공하고 2010년 6월 5000시간의 장기 내구 시험을 완료했다.
<표>는 플랜트 성능 실측 결과를 나타낸 것이다. 발전단 출력 250㎿, 송전단 효율 42.9%(LHV)를 얻었으며, 출력과 효율 모두 계획 값을 만족하는 것을 확인했다. 환경 값은 계획 값을 웃도는 꽤 양호한 결과를 얻어 기존 미분탄 화력보다 높은 환경 성능을 실증했다. 적용 석탄 확대 시험에서는 설계 석탄이었던 중국탄은 물론, 북미와 인도네시아에서 산출한 아역청탄도 안정된 전소專燒운전이 가능하다는 것을 확인했다.

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이러한 성공을 인정받아 실증 기간을 2011년도부터 2년간 연장해 상용기 실현을 위해 연구에 더욱 박차를 가하고 있다.

IGCC의 향후 대처
CCS 기술 | 선진국에서는 석탄 화력 발전의 비율이 높은 국가가 많고, 이 때문에 CO₂배출량이 많다. 따라서 CCS에 관심이 많으며, IGCC에서도 CCS를 포함한 프로젝트가 다수 있다.
한편, CO₂를 회수할 때, CO₂회수 설비나 CO₂압축기 등 보조 기계의 동력 증가가 원인이 돼 CO₂회수율이 높아질수록 플랜트 효율이 떨어질 수 있다. 따라서 CO₂회수형 IGCC는 필요한 CO₂회수율과 회수 CO₂순도에 맞춰 시스템 전체를 최적화하는 것이 중요하다.
CO₂회수 설비를 조합한 공기 주입 IGCC 시스템의 개략 계통은 <그림 5>와 같다. 탈류·CO₂회수설비는 물리 흡수법을 이용했다.
석탄 가스 중 일산화탄소(CO)는 CO 시프트 반응기에서 물(H₂O)과 화학 반응에 의해 CO₂와 수소(H₂)로 전환되며, CO₂는 탈류·CO₂회수 설비(AGR : Acid Gas Removal)에서 분리·회수된다.
CO₂를 회수한 H₂의 고농도 가스는 가스 터빈 연료로 사용한다. 그리고 회수한 CO₂는 압축기에서 승압 후 저장 장소로 옮긴다.
CO₂회수가 없을 때와 CO₂회수율 90% 조건에서 공기 주입/산소 주입 IGCC의 플랜트 효율 저하상황은 <그림 6>과 같다. CO₂회수로 말미암아 공기 주입/산소 주입 모두 플랜트 효율이 떨어지긴 하나, CO₂회수가 없을 때나 CO₂회수율 90% 조건에서나 공기 주입 IGCC가 플랜트 송전단 효율에서 우위를 차지한다.

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저품위탄의 유효 이용 | 세계 석탄 자원 분포는 <그림 7>과 같다. 석탄은 고품위탄(무연탄, 역청탄 등)과 저품위탄(아역청탄, 갈탄 등)으로 나뉜다. 갈탄과 아역청탄은 호주, 인도네시아, 미국, 유럽, 중국 등에 많이 존재하고 총 자원의 50%를 차지하기에, 앞으로 이 저품위탄 사용이 주목을 끈다.
저품위탄은 수분 함유가 높은데, 특히 갈탄은 50% 이상이 수분이어서 연료로 사용했을 때 역청탄에 비해 석탄 발전 플랜트의 효율이 약 10%나 떨어진다. 이러한 효율 저하를 최소로 하려면 저품위탄을 효율적으로 건조해야 한다. 미쓰비시중공업㈜는 2010년부터 일본 경제산업성의 보조 사업으로 '갈탄 고효율 건조 기술 개발'을 실시 중이며, 현재 석탄 처리 이용이 10톤/일 규모인 PDU(Process Development Unit)를 사내에 건설하고 프로세스 검증 시험을 시작했다.
고수분의 저품위탄은 동시에 석탄재의 녹는점이 낮은 경우가 많아 수분 건조 시 열 손실 문제만 해결하면 IGCC에 걸맞은 석탄이라 할 수 있다.

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다양한 종류의 석탄 자원을 유효하게 이용하려는 움직임 속에 IGCC는 차세대 석탄 화력 발전의 주력 발전 기술로 큰 기대를 한 몸에 받고 있다. IGCC실증기는 실증 시험을 통해 우수한 성능, 환경 특성과 함께 발전 설비로써 높은 신뢰성을 기대할 수 있음을 증명했다. 실증을 거듭해 앞으로 보다 높은 성능과 신뢰성, 우수한 경제성을 구비한 공기 주입IGCC 상용기를 실현할 예정이다. 이와 함께 지구온난화 대책에서 중요 선택지 중 하나로 부상한 CCS에 대응한 CO₂회수형 IGCC 상용기 실현에도 적극 임할 것이다.

정리 전화영 기자