[투데이에너지 홍시현 기자] FEP융합연구단(단장 이재구)오는 9월18일부터 20일까지 부산 BEXCO에서 열리는 ‘2019 국제환경에너지산업전(Environment & Energy Tech 2019)을 통해 미래에너지 생산기술 개발 성과를 소개한다.
2015년 12월1일 출범한 FEP융합연구단은 주관기관인 한국에너지기술연구원(KIER)을 중심으로 협동연구기관인 한국생산기술연구원(KITECH), 한국표준과학연구원(KRISS) 및 한국기계연구원(KIMM)의 4개 기관이 주관기관에 함께 ‘초청정 고효율 연료다변화형 미래에너지 생산기술 개발’에 매진하고 있다.
연구단은 지구적 현안으로 주목받고 있는 지구온난화 해결을 위한 ‘온실가스 감축’을 주된 목표로 석탄화력발전에서 CO₂ 원천분리와 미세먼지 저감, 발전효율 극대화, 환경오염 억제 및 물 부족 해소 주제로 연구 개발을 수행 중이다.
연구단의 최종 목표는 ‘대기오염의 획기적 개선과 물의 재이용이 가능한 초청정 에너지생산기술 개발’이다. 석탄화력발전에서의 ‘온실가스 저감’과 ‘발전효율 향상’을 위해 ‘초임계-순산소-순환유동층 발전 기술개발’에 집중하고 있다.
세부적으로는 △순산소 순환유동층(Oxy-CFB) 연소 전산모사 및 통합공정 모사패키지 개발 △고효율 순산소 순환유동층 보일러 발전 기술개발 △초임계 이상급 발전시스템 적용 효율향상 소재 기술개발 △순산소 유동층시스템 고효율 대기오염 저감 기술개발 △순산소 유동층시스템 초미세먼지 저감 기술개발 △발전소 물 사용량 저감을 위한 배가스 및 냉각탑 물 회수 기술개발 △물 재사용을 위한 고성능 복합분리막 개발 등이다.
구체적으로는 △평균 발열량 5,000 kcal/kg 이하의 저급 연료를 사용하는 순산소 순환유동층 연소 기술개발, 효율 45% 이상의 초초임계(USC; Ultra Supercritical) 유체회로기술 확보와 온실가스(CO₂) 90% 이상 원천분리 △배기가스 부피가 1/5 수준으로 감소하는 순산소연소 조건에서 오염물질 배출농도를 SO₂ 7ppm, SO₃ 1.4ppm, NOx 20ppm 및 초미세먼지 1 mg/m³ 이하 실현 △배기가스에 포함된 수분 50% 이상 회수를 통한 발전용수 소비량 50% 이상 절감 등이다.
이와 관련해 연구단에서는 국내 최초로 순환유동층 보일러에 순산소 연소기술을 적용시키는데 성공했다. 순산소 연소기술은 단순 배기가스 재순환 설비만으로 전처리나 후처리 공정 없이 오직 연소만으로 고농도의 이산화탄소를 포집할 수 있는 기술로서 연소배가스를 연소로(보일러)로 재순환하는 동시에 연소를 위한 산화제를 공기 대신 순수 산소로 이용하는 방식이다. 이러한 기술은 고온의 유동사(流動沙)가 순환하면서 완전 연소를 도와줘 바이오매스, 폐기물 등과 같은 다양한 성상의 연료 사용이 가능하며 공기 대신 산소(O₂)를 사용함으로써 배기가스 내에 물(H₂O)과 이산화탄소(CO₂)만이 생성돼 이산화탄소 포집 및 저장(CCS, CO₂ Capture & Storege) 공정 연계 시 온실가스 저감에도 크게 기여할 수 있다. 이와 더불어 임계점 이상의 고온/고압에서 유동하는 초임계 발전기술을 기반으로 발전효율을 획기적으로 향상시켰으며 연소과정에서 발생되는 미량의 질소산화물(NOx) 및 황산화물(SOx)과 초미세먼지(PM2.5)는 연구단 고유의 고효율 대기오염 저감기술과 고성능 저비용 조합형 집진기술로 99% 이상 제거 가능하게 됐다.
여기에 복합나노분리막과 외기응축 열교환기술이 융합된 발전용수 저감형 냉각탑을 통해 발전과정에서 사용되는 냉각수 및 비산수뿐만 아니라 배기가스 내 수분까지도 높은 효율로 회수해 재사용할 수 있도록 설계돼 물이 부족한 지역이나 국가에서도 활용이 용이하다.
2019년 전체 연구사업이 4년차(2단계 1년차)에 접어들면서 각 요소기술별로 다양한 연구 성과가 도출됐다. 사업이 종료되는 2021년에는 이러한 요소기술들이 모두 융합된 ‘통합 청정 화력발전플랜트 기술’이 완성될 전망이다.
현재까지의 대표적인 성과로는 발전효율 41% 이상, CO₂ 원천분리 90% 이상, 연료 다변화형 혼소율 20% 이상, 공업용수 절감 26% 이상, 초미세먼지 배출농도 1mg/Nm³ 이하, SO₂ 및 SO₃ 배출농도 각각 10 및 1ppm 이하, NO₂ 배출농도 27.5ppm 이하 달성 등으로 모든 항목에서 선도국대비 동등 이상의 우수한 결과들이다.
연구사업이 성공적으로 종료되면 세계 최초로 ‘초임계 순산소 순환유동층 보일러(Oxy-CFB-USC)’ 발전기술의 국산화 및 상용화가 가능하며 CO₂ 원천분리와 발전효율 극대화 동시 달성을 통해 ‘굴뚝 없는 발전소’ 구현이 실현될 수 있다.
이를 통해 온실가스 감축 정책을 수행하는 정부 및 발전사의 부담이 크게 경감될 것이며 나아가 파리협약으로 촉발된 신(新)기후체계에서의 국가 경쟁력 확보 및 위상 제고, 새로운 기후변화 대응기술 선점에도 크게 기여할 것으로 기대된다.
