순환유동층 석탄발전용 암모니아 혼소 기술 확보
순환유동층 석탄발전용 암모니아 혼소 기술 확보
  • 신미혜 기자
  • ssr7@energytimes.kr
  • 승인 2022.07.14 09:33
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상업용 순환유동층 보일러 모사 100kWth 시스템에 암모니아 활용
설비변경 최소화 등을 통해 상용화 가능성 높일 수 있도록 개발돼
암모니아 연료뿐만 아니라 환원제 역할 하며 질소산화물 줄이기도
기본설계·운영기술 확보 등 온실가스·질소산화물 줄이는 기술 확보
에너지기술연구원이 순환유동층 석탄발전소의 암모니아 혼소 기술을 개발하기 위해 상업용 순환유동층 보일러를 모사한 100kWth급 순환유동층 연소 시스템.
에너지기술연구원이 순환유동층 석탄발전소의 암모니아 혼소 기술을 개발하기 위해 상업용 순환유동층 보일러를 모사한 100kWth급 순환유동층 연소 시스템.

【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.


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