순환유동층 석탄발전용 암모니아 혼소 기술 확보

【에너지타임즈】 기후변화 시대에도 석탄발전소 생존 대안으로 손꼽히는 암모니아 혼소 기술을 에너지기술연구원 연구진이 확보했다. 이 기술은 온실가스를 만드는 탄소를 포함하지 않는 암모니아를 연료로 사용하기 때문에 석탄발전소 아킬레스건인 온실가스를 줄이는 큰 역할을 할 것으로 기대되고 있다.

14일 한국에너지기술연구원에 따르면 에너지기술연구원 문태영 박사 연구팀은 순환유동층 연소 시스템에서 이산화탄소 발생을 감축시킬 수 있는 암모니아 혼소 운전 기술 개발에 성공했다.

순환유동층 석탄발전소는 열매체인 모래를 순환시켜 저열량 석탄뿐만 아니라 바이오매스와 코크스, 고형폐기물 등 고체연료를 연소시켜 높은 열을 내는 발전소로 현재 남부발전에서 운영하는 삼척화력이 대표적이다.

석탄발전소 암모니아 혼소 기술은 기존의 발전설비와 송전망 등의 전력 인프라를 그대로 활용할 수 있다는 장점을 갖고 있어 탄소중립 시대로 가는 과정에서 석탄발전소 가동을 가능하게 하는 기술로 손꼽히고 있다.

암모니아는 무탄소이지만 kg당 0.8235kg의 질소를 함유하고 있어 탄소계 고체연료를 암모니아로 일부 대체해 연소할 때 암모니아 혼소율 증가에 비례해 이산화탄소 감축이 가능하게 된다.

현재 이 기술은 세계적으로도 수요가 높을 것으로 전망되지만 해당 기술이 진보하지 않아 이번에 개발한 이 기술은 상당한 경쟁력을 가질 것으로 전망되고 있다.

문태영 연구진이 이번에 개발한 이 기술은 상업용 순환유동층 보일러를 모사한 100kWth급 순환유동층 연소 시스템에서 암모니아를 연료로 활용하고 설비변경 최소화를 비롯해 이산화탄소와 질소산화물을 동시에 줄일 수 있도록 개발됐다.

특히 질소산화물 증가와 암모니아가 연료나 환원제로 역할을 하지 못하고 대기로 배출되는 암모니아 슬립이 발생할 수 있어 이를 동시에 줄이는 기술 개발이 필요한 것으로 관측되고 있다.

문태영 연구진이 액상 암모니아를 40℃에서 기화시켜 850℃ 이상의 열매체인 모래가 존재하는 연소로 하부와 750℃ 이상의 모래가 연소로로 순환되는 배관 2곳에 공급해 혼소 운전을 수행하고 비교한 결과 연소로 하부에서 암모니아 혼소율 10.2%로 운전할 때 안정적으로 연소로 온도가 유지되면서 배기가스 내 이산화탄소가 10% 줄었다.

또 암모니아는 연료 역할뿐만 아니라 연소로 내에서 환원제 역할을 하면서 반응을 유도 미세먼지 전구체인 질소산화물을 질소로 환원시켜 질소산화물을 크게 줄이는 역할을 한 것으로 이번 연구에서 확인됐다.

이 기술은 온실가스 감축을 위한 연료전환 기술뿐만 아니라 배기가스 중 질소산화물 감소에 필요한 운영비를 줄일 수 있을 것으로 기대되고 있다.

문태영 에너지기술연구원 박사는 “발전공기업 순환유동층 보일러뿐만 아니라 민간 순환유동층 열병합발전도 온실가스 감축을 위한 연료전환 기술이 필요하고 암모니아 혼소가 대안이 될 수 있을 것”으로 내다보면서 “앞으로도 에너지기술연구원은 순환유동층 암모니아 혼소 기술에 대한 기본설계와 운영기술을 순수 국산 기술로 확보해 온실가스와 질소산화물을 동시에 줄일 수 있는 기술을 확보할 것”이라고 말했다.

한편 정부는 2021년 10월 발표한 2030년 국가 온실가스 감축 목표(NDC) 상향(안)에 암모니아를 포함한 무탄소 발전 규모를 전체 전원 비중에서 3.6% 수준으로 반영했고 2050년 탄소중립 시나리오에 무탄소 가스터빈이 2050년 총발전량의 13.8~21.5% 포함해 무탄소 발전의 전원구성 비중을 점차 늘릴 예정이다.

일본은 석탄발전과 가스복합발전, 연료전지를 대상으로 암모니아 발전기술에 대한 기초연구를 완료했고, 2024년까지 1GW급 발전소를 대상으로 실증을 할 계획이다.