한국에너지기술연구원 윤여일 박사팀이 화력발전소, 제철소, 석유화학 공장 등 CO2를 대량으로 배출하는 곳에 적용할 수 있는 세계 최고 수준의 CO2포집 기술을 개발했다. 윤 박사팀은 교육과학기술부 21세기 프론티어 연구 개발 사업의 하나인 'CO2 저감 및 처리 기술 개발 사업단'의 지원으로 6년간 연구 끝에 탄산칼륨을 주성분으로 한 CO2 포집용액상흡수제(브랜드명KIERSOL)와 공정기술개발에 성공했다. CO2 흡수제를 재생하는데 필요한 에너지를세계 최고 기술 대비 약 20% 이상 낮추며, 연소 배가스(Exhaust Gas) 특성이 다양한 대량 배출원에 적용할 수 있다는 점에서 혁신적인CCS(Carbon Capture and Sequestration : 이산화탄소 포집 및 처리 기술) 기술이다.
한국에너지기술연구원 윤여일 박사팀이 개발한 KIERSOL 및 공정 기술은 CO2 농도가 10% 안팎인 화력발전소뿐만 아니라 25% 안팎인 제철소, 시멘트, 석유화학 공장 등 다양한 산업 분야에 폭넓게 적용할 수 있다. 특히, 연소 배가스에 미량 포함된 황산화물이나 할로겐 화합물의 영향이 적어 공정 운전 시 흡수제를 지속적으로 보충해야 하는 기존 흡수제의 단점을 완벽하게 보완했다. 공정 설계에 필요한 흡수제의 기액 평형 특성, 흡수 속도, 물리 화학적 물성치 등 각종 데이터를 확보해 기본 설계 자료를 구축했으며, 흡수제와 관련해 국내 특허 등록과 미국, 중국, 캐나다 등 6개국에 특허를 출원했다.
에기연은 KIERSOL 기술을 천연가스 연소 배가스 내 CO2 포집을 위한 'KIERSOL-N'기술로 최적화해 9월 11일 현대 · 기아차에 관련 기술을 이전하고 조기 상용화를 위해 협력하기로 했다. 현대 · 기아차는 CO2 포집과 자원화 기술을 검증하기 위한 실증 플랜트를 올해 말까지 남양연구소에 구축하고, 2015년 세계 최초로 자동차 제조 플랜트의 친환경 운영에 적용할 계획이다.
이근재 교과부 기초연구정책관은 "현재 전 세계적으로 CO2 포집 기술 개발 경쟁이 치열한 가운데, 세계적 수준의 CO2 포집 기술을 개발해 상용화를 추진한다는 것은 의미가 크다"면서, "향후 정부의 온실가스 감축 목표를 달성하는 데도 크게 이바지할 것으로 기대한다"고 밝혔다.
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CCS 기술과 KIERSOL 포집 공정도
CCS 기술은 화력발전소, 제철소, 시멘트 · 석유 화학 공장 등 화석연료를 사용하는 곳에서 배출하는 CO2를 흡수제와 분리막 등으로 포집하고, 이를 압축해 수송한 후 육상 지중 또는 해양 지중에 안전하게 저장하거나, 유용한 물질로 전환하는 일련의 기술이다.
CO2 포집 공정은 흡수 탑과 재생 탑으로 이뤄진다. 흡수 탑에서 연소 배가스(N2, CO2, O2 등)가 흡수제와 반대 방향으로 흐르며 기체와 액체 간 반응이 일어나 CO2만 선택적으로 액체에 녹아 모이고(포집), 흡수 탑 상단부로 CO2가 없는 가스만 빠져나간다. 재생 탑에서 CO2 포화 흡수제가 발전에 필요한 스팀을 일부 이용해 열로 재생한 후 99%이상 고농도 CO2로 분리한다. 이 고농도 CO2를 압축한 후 이송해 저장하거나 생물학적 전환 공정(바이오 디젤, 유기산 등) 및 화학적 전환 공정(고분자, 무기화합물, 일산화탄소 생산, DME 생산 등)에 활용한다.
KIERSOL 포집 공정도를 통해 기체와 액체의 흐름을 추적하면 공정 운전을 이해하기 쉽다. 이 공정의 전체 운전 에너지 중 70% 이상이 재가열기의 스팀 공급에서 발생한다. 유사한 공정을 사용할 경우, 이 부분에 공급하는 재생에너지 양이 적을수록 우수한 CO2 포집 공정이다.
기체 흐름 : 연소가스(CO2/N2) → 흡수 탑 → 미스트 제거기 → 무탄소 청정가스(N2)
액체(KIERSOL)의 흐름 : 흡수 탑 상단 → 기체와 접촉해 CO2 흡수 → 수위 제거기 → 염 필터 → 펌프 → 열 교환기 → 재생 탑 상단 → 재가열기(흡수제 재생) → 펌프 → 열 교환기→ 펌프 → 열 교환기 → 흡수 탑 상단 → 무한 반복 작동
탄산 칼륨계(K2CO3) 흡수제는 'KIERSOL 포집 공정도'처럼 알카놀아민과 공정 구성이 같다. 낮은 흡수제 재생에너지, 증발 및 열 변성 손실이 거의 없으며, 배가스 내에 존재하는 미량의 O2와 SO2의 영향을 거의 받지 않는다. 또한, 간단한 조업 방식으로 기존 공정을 그대로 유지한 채 흡수제만 교환해 사용하기에 산업 전반에서 고농도 CO2를 포집하는 데 매우 적합하다. 한편, 아민류 수용액은 물에 대한 용해도, 낮은 휘발도, 천연가스와 같은 탄화수소 세정 공정에서 CO2를 선택적으로 제거하기에 1970년 대부터 석유화학시장에서 CO2 흡수제로 사용해 왔다. 현재 널리 사용하는 흡수제는 미국FluorDaniel사의 모노에탄올아민Monoethanolamine과 일본 MHI사에서 사용하는 아미노메틸프로판올(2-amino-2-methyl-1-propanol)이다.
 기술 개요 및 주요 연구 성과
에기연 윤여일 박사팀이 개발한 기술은 화석연료의 연소 배가스, 산업 공정 배가스 중 CO2를 선택적으로 포집하기 위해 탄산칼륨을 주물질로 하는 액상 흡수제(KIERSOL) 및 이를 이용한 포집 공정과 관련한 것이다.
기존 아민계 흡수 공정은 흡수제 재생 시 많은 에너지가 필요하기에 포집비용을 줄이기 위한 신흡수제와 공정기술 개발이 필요하다. 반면, KIERSOL 흡수제의 재생에너지는 약 2.5GJ/t CO2로 현재 세계 최고 기술인 MHI(일본)의 KS-1 공정(재생에너지 3.2GJ/t CO2)과 비교할 때 20% 이상 낮고, 연소 배가스 중 미량의 황산화물이나 할로겐 화합물의 영향이 적으며, 공정 운전 시 흡수제를 지속적으로 보충해야 하는 기존 흡수제의 단점을 보완함으로써 운전비를 줄일 수 있다. 흡수제의 기액 평형 특성, 물리 화학 물성치 등 데이터에 기반을 둔 기본 설계 자료를 이용해 포집 공정을 구축했으며, CO2 농도가 10% 안팎인 석탄화력발전소뿐만 아니라 25% 안팎인 제철소, 시멘트 및 석유화학 공장 등 다양한 산업 분야에 폭넓게 적용 할 수 있다.
에기연은 이 기술을 천연가스 연소 배가스 내 CO2 포집을 위해 현대 · 기아차에 이전했다. 석탄화력발전소에 적용하고자 개발한 기술을 스핀 오프Spin-Off 개념으로 천연가스 연소 배가스 내 CO2포집에 적용한 것이다. 우리나라 연구진이 독자적으로 흡수제를 개발해 관련 지적재산권을 확보하고, 이를 기반으로 공정 완성을 위한 기본 설계 자료를 구축한 우수한 연구 사례다.
에기연은 현재 제철소 BFG(Blast Furnace Gas)내 CO2 포집을 적용 대상으로 현대제철, 현대엔지니어링, 현대 엠코와 기술 이전 관련 협의를 진행 중이며, 향후 석유화학 산업 부문은 에틸렌/CO2 혼합가스 내 CO2 포집을 위해 삼성 BP, 석탄화력 부문은 두산중공업, 현대중공업 등 포집 플랜트 관련 기술 공급 업체를 대상으로 기술이전을 추진할 계획이다.
<Energy News>
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