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세계 최고수준 CO₂ 원천분리연소 핵심소재 - 개발 케미컬 루핑 연소 이용, 온실가스 감축압박에 효과적 대응 기대
2016-10-01

세계 최고수준 CO2 원천분리연소 핵심소재 개발
케미컬 루핑 연소 이용, 온실가스 감축압박에 효과적 대응 기대
한전 전력연구원(원장 김동섭)은 창의미래연구소 백점인 책임연구원이 차세대 친환경 신 발전기술인 케미컬 루핑 연소(CLC: Chemical Looping Combustion)를 이용한 CO2 원천분리연소의 핵심 물질인 ‘Ni계 산소전달입자’ 개발에 성공했다고 밝혔다. 케미컬 루핑 연소(CLC: Chemical Looping Combustion, 매체순환연소)기술은 화석연료가 공기, 또는 산소와 직접 접촉하는 기존 연소방식과 달리 두 개의 반응기 내에서 산소전달입자가 순환하면서 연소과정 없이 연료를 연소시키는 신 발전기술로 공정 내에서 별도의 포집설비 없이 CO2를 원천적으로 분리할 수 있다. 질소산화물(NOx) 발생이 없고, 발전 효율이 높아 차세대 저공해·고효율 발전기술로 각광받고 있다.

산소 전달량과 속도, 세계 최고 수준
강도 우수, 입자의 내마모도 문제 해결
전력연구원에 따르면, 이번에 전력연구원에서 개발한 Ni계 산소전달입자는 산소 전달량과 산소 전달속도에서 모두 세계 최고성능을 보유하고 있다. 또한, 강도가 우수하여 그 동안 이 기술의 가장 큰 애로사항 중 하나로 지적되던 입자의 내마모도 문제해결에도 성공했다. 전력연구원의 Ni계 산소전달입자의 산소 전달량은 약 12wt%로, 기존 유럽연합에서 개발한 세계 최고성능의 입자인 8wt%에 비해 40% 이상 높고, 마모 손실률 또한 기존 20% 정도에서 10% 이하로 낮춰 충분한 강도를 확보하고 있다. 전력연구원은 지난 2011년 한국에너지기술연구원과 공동으로 200kWth 상압 파일럿 시스템에서 NiO계 산소전달입자를 이용하여 가스를 연료로 하는 CO2 원천분리연소 기술을 입증하고 확보한 바 있다.
이번에 전력연구원이 개발한 NiO계 산소전달입자는 2011년 개발한 입자의 성능을 더욱 향상시킨 것으로 물성 및 반응성 양 쪽 모두에서 세계 최고성능을 보유하고 있으며, 주요 특징은 △산소 전달량 20% 이상
증가 △향상된 강도 △강도를 얻기 위한 소성온도 100℃ 이상 저하 등이다. 유럽연합에서 개발한 국외 최고 성능의 Ni계 입자 대비 산소 전달량이 40% 이상 높고, 강도도 향상되어 공정에 투입되는 입자량 및 입
자 보충량 감소로 국내 CLC 기술의 경쟁력 향상이 기대된다.
전력연구원은 2017년까지 공동연구기관인 한국에너지기술연구원과 함께 0.5MWth 가압 파일럿 CO2 원천분리 연소설비를 구축하고, 개발한 산소전달입자의 연료 연소성능과 장기 내구성 시험을 마칠 예정이다. 전력연구원 연구 관계자는 “이번 CO2 원천분리 기술은 이산화탄소 포집 비용 절감효과가 가장 높을 것으로 예상되는 혁신기술로 CCS기술의 비용 및 에너지손실문제를 해결할 수 있을 것”이라고 설명하며, “이번 기술개발로 국제적인 온실가스 감축 압박에 대응할 수 있는 국내 고유의 저비용 친환경 CO2 포집 기술을 확보할 수 있을 것”이라고 밝혔다.


[그림 1] 케미컬 루핑 연소기술을 이용한 CO2 원천분리 및 발전시스템 개략도

CO2 포집 설비·질소산화물 저감설비 해결
저비용친환경 CO2 포집기술 확보
전력연구원 백점인 책임연구원의 설명에 따르면, 현재 발전소 대상으로 운전 또는 추진 중인 대규모 CCS 프로젝트의 포집기술 비용이 너무 높아 정책적 배려 없이 보급이 어려운 현실이다. 이런 이유로 포집기술 적용 시의 발전원가를 2025년까지 20%, 2030년까지 30%로 낮추기 위해 2세대, 3세대 기술 개발과 연구가 활발하다. 이 중 케미컬 루핑 연소(CLC: Chemical Looping Combustion)를 이용한 CO2 원천분리 기술은 포집비용 절감 효과가 가장 높을 것으로 예상되는 혁신 기술로 국내에서도 연구개발이 활발히 진행되고 있다. ([그림 1] 참조).
현재 발전소에서 사용 중인 보일러에서는 연료와 공기가 직접 접촉하여 연소되므로 온실가스인 CO2, 대기오염가스인 NOx 등이 질소와 혼합되어 배출된다. 따라서 질소가 대부분인 연소배가스로부터 CO2와 NOx 배출을 줄이기 위한 설비를 설치·운영하기 위해서는 높은 비용투입이 불가피하다. CLC 기술은 산소전달입자라는 고체입자에서 나오는 순산소로 연료를 연소시키므로 배출되는 가스는 CO2와 수증기로만 구성된다. 따라서 수증기를 응축 제거하면 CO2만 남게 되므로 연료연소 중에 CO2 원천분리가 가능하다. 
또한, 연료연소 시 보일러 내에 NOx 발생의 원인이 되는 질소가 없기 때문에 NOx가 발생하지 않는다. 즉, 별도의 CO2 포집설비나 산소 분리기, NOx 저감설비가 필요 없는 저비용친환경 연소가 가능한 기술이다.
연료에 산소를 제공한 산소전달입자는 사이클론에서 회수된 후 공기로부터 산소를 얻어 재생된 다음 재사용되는 과정을 반복한다. 연료의 연소가 일어나는 반응기와 산소전달입자가 재생되는 반응기의 온도는 약 800∼1200℃이다. 두 반응기에서 배출되는 가스의 압력 및 열을 이용하여 발전을 한다. CLC 기술은 전기와 열, CO2를 동시에 생산하며, 천연가스·셰일가스·석탄합성가스·바이오 가스 등 가스연료와 디젤, 석탄 등 액체와 고체 연료 모두에 적용 가능하다. 특히 소규모 스팀생산설비나 열병합설비로부터 대규모 발전까지 사용가능한 기술이다.

유럽연합, 미국 등 연구개발 활발
이러한 장점과 잠재성 때문에 유럽과 미국을 중심으로 기술 확보를 위한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 유럽연합은 스웨덴, 스페인, 프랑스, 벨기에, 노르웨이 등 여러국가가 협력하여 기술개발을 진행하고 있다. GRACE Project 및 CLC Gaspower 프로그램을 통해 천연가스 CLC에 필요한 산소전달입자 및 공정 기술개발을 추진하여 스웨덴의 Chalmers대학이 NiO계 산소공여입자 조성을 개발하고, 벨기에 VITO(Flemish Institute for Technological Research)에서 입자를 분무건조기술로 대량생산했다. 또한, 이 입자를 이용하여 오스트리아 Vienna Universityof Technology에 설치한 120kWth급 공정에서 1,500시간
이상의 케미컬 루핑 연소 시험을 성공적으로 마쳤다. 후속 프로그램인 INNOCUOUS 및 SUCCESS에서 Ni계 입자를 대신할 저가 산소전달입자를 개발하고 이 입자를 이용한 1MWth 기술 개발을 진행 중이다. 미국 Ohio State Univ.와 B&W사는 DOE 지원으로 가압석탄합성가스 케미컬 루핑 수소생산 기술 개발을 위해 알라바마주 Wilsonville에 소재한 미국남부발전의 National Carbon Capture Center에 250kWth 설비를 구축·운영 중이다.
한편, 유럽연합은 ENCAP, ECLAIR, ACCLAIM 프로젝트를 통해 저가인 철계 천연광물인 ilmenite를 산소공여입자로 사용하여 석탄을 직접 연소하는 기술을 개발중이다. ALSTOM사에서 1MWth 공정을 독일 Tech.Univ. of Darmstadt에 설치하여 추가 열원 공급 없는 운전에 성공했으나, CO2 포집율 50%, 포집 CO2 순도 68%로 성능이 아직 불충분한 상태이다. ALSTOM사는 유럽연합 프로그램과는 별도로 미국에서 DOE 지원으로CaSO4를 산소 전달입자로 이용하는 기술을 개발 중이며, 65kWth급 공정개발을 완료하고 현재 3MWth급 설비를 Windsor에 설치·운전 중이다. 이 기술의 핵심은 공기로부터 산소를 얻어 연료로 전달하는 산소전달입자이다. 산소전달입자는 연료로 산소를 전달하는 연료반응기와 공기로부터 산소를 얻어 재생되는 공기반응기를 순환하며, 두 반응기는 유동층 반응기로 서로 연결되어 있다. 따라서 산소전달입자는 순환유동층 공정에 적용 가능한 물성, 즉 충분한 강도, 구형의 형상, 유동화에 적합한 입자크기 및 밀도 등의 특성을 가져야 한다.
특히 연료 및 공기 중의 산소와 빠르게 반응할 수 있어야 하고, 산소를 주고 받는 양이 충분해야 한다. 또한, 장기간 사용에 충분한 내구성과 입자끼리 서로 붙어 덩어리지는 응집현상도 없어야 한다. 전력연구원은 개발입자에 대한 특허출원과 함께 입자의 성능을 더욱 향상시키기 위한 연구를 진행 중이며 고가인 니켈을 대체할 저가금속을 이용한 산소전달입자도 개발 중이다. 개발된 입자는 2017년 설치될 0.5MWth 가압파일럿 CLC 설비에서 연료 연소성능 및 장기내구성 시험을 진행할 계획이다. 전력연구원에서는 이 기술을 성공적으로 개발하여 국제적인 온실가스 감축압박에 대응할 국내 고유 저비용친환경 CO2 포집기술을 확보하고, 차세대 포집기술 시장선점을 통한 국가 신성장 동력 창출, 안정적인 화력발전 지속 사용 환경 조성으로 국가 에너지 안보 확보 및 산업 경쟁력 강화에 기여한다는 방침이다.



[그림 2] 산소전달입자

[그림 3] 200kWth 상압 매체순환연소 시험 설비

용어 설명

1. 케미컬 루핑 연소(CLC : Chemical Looping Combustion, 매체순환연소)기술의 원리
산소전달입자의 산화-환원 반응이 두 개의 반응기에서 일어나는 연소 공정으로, ▲공기반응기(산화반응기)에서 산소전달입자에 포함된 금속성분(M)이 공기 중의 산소와 반응하여 금속산화물(MO)로 된 후 연료반응기(환원반응기)로 이송되며, ▲연료반응기(환원반응기)에서는 금속산화물과 연료가 반응하여 CO2와 H2O를 생성하는 동시에 금속산화물은 금속(M)으로 환원되어 다시 공기반응기(산화반응기)로 재순환
2. 산소전달량
산소전달입자 단위 질량당 주고받을 수 있는 산소의 질량 백분율(mass oaf ntrsferable oxygen/mass of oxygen carrier × 100%

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