발전소 패러다임 바꾼다. 암모니아 혼소 기술 개발

전력수급의 안정성을 확보하면서 석탄발전을 청정 발전으로 전환시킬 ‘암모니아 혼소 ’기술이 국내 최초로 개발됐다.

혼소(Co-firing): 2종 이상의 연료를 혼합해 연소하는 기술 (예, 석탄-바이오매스 혼소, 석탄-암모니아 혼소, 바이오매스-암모니아 혼소, 석탄-바이오매스-암모니아 혼소 등)

한국에너지기술연구원(원장 김종남) 청정연료연구실 문태영 박사 연구진은 국내 최초로 순환유동층 연소 시스템에서 이산화탄소 발생을 감축시키는 암모니아 혼소 운전 기술을 개발했다.

순환유동층 연소(CFBC: Circulating Fluidized Bed Combustion): 뜨거운 열매체제인 유동사(모래)가 순환하면서 석탄, 바이오매스, 코크스, 고형폐기물 등 고체연료가 연소되어 850-950oC에서 운전되며, 로 내 탈황, 탈질이 가능한 친환경 화력발전방식(전력/스팀을 공급하는 열병합 발전도 포함)

석탄화력과 열병합발전소에서 ‘암모니아 혼소’ 기술은 기존 발전 플랜트 및 송·배전선로 등 전력 인프라를 그대로 활용(좌초자산 방지)할 수 있다는 장점이 있다. 또한 재생에너지 간헐성에 따른 수급 불균형 해소는 물론 더 나아가 탄소중립 산단 구축, RE100 구현 및 탄소국경조정제도에 대한 대응이 가능하다.

연구진들이 100 kWth급 순환유동층 연소시스템에서 암모니아 혼소 운전을 위해 설비 점검을 하고 있다.

그러나 세계적으로 순환유동층 암모니아 혼소 분야에 대한 기술이 전무한 상태로, 발전분야에서 암모니아를 연료로 이용하기 위한 국산 기술 확보가 시급하다.

연구진이 개발한 기술은 상업용 순환유동층 보일러를 모사한 100 kWth급 순환유동층 연소시스템에서 암모니아를 연료로 활용하는 기술이다. 순환유동층 암모니아 혼소 기술은 현재까지 국내외에서 시도되거나 보고된 바 없으며, 기존 설비 변경을 최소화하면서 이산화탄소와 질소산화물을 동시에 저감하는 암모니아 혼소 운전 기술로 특허도 확보했다.

암모니아는 무탄소지만 1kg 중 0.8235kg의 질소를 함유한다. 따라서 탄소계 고체연료(석탄, 바이오매스, 코크스 등)를 암모니아로 일부 대체해 연소할 시, 암모니아 혼소율 증가에 비례해 이산화탄소 감축이 가능하다. 하지만, 질소산화물 증가와 암모니아 미연소에 의한 암모니아 슬립이 발생될 수 있어 이들을 동시에 감축하는 기술 개발이 필요하다.

암모니아 슬립(NH3 slip): 암모니아가 연료 혹은 환원제로서 역할을 하지 못하고 대기로 배출되는 것

상용 발전소에 암모니아 혼소를 적용하기 위해서는 설비변경은 최소화하면서 고온영역에서 암모니아 공급을 극대화하는 것이 중요하다. 이를 위해 연구진은 액상 암모니아를 40 oC에서 기화시켜 850 oC 이상의 열매체제인 유동사가 존재하는 연소로 하부(Dense zone)와 750 oC 이상의 유동사가 연소로로 순환되는 배관(Downcomer) 두 곳에 공급해 혼소 운전을 수행 및 비교했다.

이중 연소로 하부에서 암모니아 혼소율 10.2%로 운전할 경우 안정적으로 연소로 온도가 유지되면서 배기가스 내 이산화탄소는 10%가 감축되는 것을 확인했다.

순환유동층 연소에서 암모니아 혼소 운전기술을 국내 최초로 확보한 KIER 연구진(왼쪽부터 조성호 박사, 박성진 기술원, 문태영 박사, 김성주 박사)

또한 암모니아는 연료 역할뿐 아니라 연소로 내에서 환원제 역할을 수행해 SNCR* 반응을 유도한다. 즉 미세먼지 전구체인 질소산화물을 질소로 환원함으로써 고체연료 연소에서 배출되는 질소산화물 120.5 ppm 대비, 암모니아 혼소율 10.2%와 17.5% 운전에서 질소산화물인 NO를 각각 44.7%(△53.6ppm), 78.6%(△94.7ppm) 감소시킴을 확인했다.

SNCR(Selective non-catalytic reduction): 선택적 비촉매 환원법, 질소산화물을 저감할 수 있는 촉매 없이 연소로 고온영역(주로 800 oC 이상)에서 질소산화물을 N2로 환원하는 기술

이는 상용 순환유동층 보일러에 암모니아 혼소를 적용 시 온실가스 감축을 위한 연료전환 기술뿐 아니라 배기가스 중 질소산화물 감축에 소요되는 운영비 절감으로 이어질 수 있다.

연구책임자 문태영 박사는 “발전 공기업의 순환유동층 보일러 뿐 아니라 순환유동층 열병합 (민간)발전소들에서도 온실가스 감축을 위한 연료전환 기술이 필요하고 암모니아 혼소가 대안이 될 수 있다”며 “순환유동층 암모니아 혼소 기술에 대한 기본설계 및 운영기술들을 순수 국산 기술로 확보함으로써 온실가스, 질소산화물을 동시 감축이 가능한 무탄소 암모니아 발전의 원천기술을 확보하는데 기여할 계획”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업의 일환으로 수행되고 있으며, 2023년 12월까지 현 세계 최고 수준(일본 IHI사 미분탄 연소방식)인 암모니아 혼소율 20%를 뛰어넘는 기술개발과 암모니아 혼소율 증가에 따른 슬립 암모니아를 SCR에서 환원제로 활용할 수 있는 운전 기술도 확보할 계획이다.

SCR(Selective catalytic reduction): 선택적 촉매 환원법, 180-450 oC 부근에서 촉매와 환원제(암모니아, 암모니아수, 요소수 등)에 의해 질소산화물을 N2로 환원하는 기술

: 남형권기자는...

한양대 신문방송과에서 언론학을 전공하고 에너지경제신문, 한국에너지신문, 전기신문, 산경에너지 등에서 25년의 기자생활을 했다.
2017년 6월부터 에너지타임뉴스 발행인 겸 편집국장을 맡고있다.

남형권 기자 cabinnam@enertopianews.co.kr

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