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【신기술 2】 암모니아 발전소의 청정 발전 연구
2022년 8월 17일 (수) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2022년 8월호 - 전체 보기 )

암모니아 발전소의 청정 발전 연구
혼소·금속착화물로 CO₂·질소산화물 배출 감소
화석연료 연소 기반 발전에서 이산화탄소(CO2) 감축은 ‘2030년 NDC’ 달성을 위한 필수 조건이 됐다. 이를 위해서는 탄소계 연료 사용량을 줄이는 것이 필요하다. 또한 질소산화물은 발전·산업계와 같은 고정 배출원이나 이동 수단에서 배출되는 배기가스에 다량 포함돼있다. 대기 중으로 배출된 질소산화물은 분진 등과 반응해 인류의 생존을 위협하는 미세먼지의 주요 원인이 된다. 암모니아 발전소에서는 이러한 이산화탄소와 질소산화물이 지속해서 배출되고 있다. 이에 국내 연구진이 CO2및 질소산화물 동시 감축이 가능한 순환유동층 암모니아 혼소 운전 기술을 개발했다. 이에 따라 무탄소 연료인 암모니아를 이용한 혼소로 이산화탄소 배출을 크게 줄여 기존 발전소에서 청정 발전에 대한 희망이 생길 것으로 보인다. 또한 일산화질소 흡수 성능을 결정하는 금속착화합물의 핵심 요소를 규명한 연구를 함께 소개하고자 한다. 본 연구를 통해 제철산업, LNG 연소시설, 전자산업 등 저온 질소산화물 발생 사업장에 적용이 가능할 것으로 보인다.

최종숙 기자 
자료 한국에너지기술연구원(KIER)
발전소 패러다임 바꿀 혼소
한국에너지기술연구원(KIER) 청정연료연구실 문태영 박사 연구진은 순환유동층 연소 시스템에서 이산화탄소 발생을 감축시키는 암모니아 혼소 운전 기술을 개발했다고 밝혔다. 전력 수급의 안정성을 확보하면서 석탄발전을 청정 발전으로 전환할 암모니아 혼소기술이 국내 최초로 개발된 것이다.

순환유동층 연소(CFBC: Circulating Fluidized Bed Combustion)는 뜨거운 열매체제인 유동사(모래)가 순환하면서 석탄, 바이오매스, 코크스, 고형폐기물 등 고체연료가 연소돼 850-950 ℃에서 운전되며, 로 내 탈황, 탈질이 가능한 친환경 화력발전 방식이다. 이 중에는 전력·스팀을 공급하는 열병합 발전도 포함된다. 또한 혼소(Co-firing)는 2종 이상의 연료를 혼합해 연소하는 기술로 대표적으로 석탄-바이오매스 혼소, 석탄-암모니아 혼소, 바이오매스-암모니아 혼소, 석탄-바이오매스-암모니아 혼소 등이 있다. 이 중 석탄 화력과 열병합 발전소에서 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. 그러나 세계적으로 순환유동층 암모니아 혼소 분야에 대한 기술이 전무해 발전 분야에서 암모니아를 연료로 이용하기 위한 국산 기술 확보가 중요하다.

연구진이 개발한 기술은 상업용 순환유동층 보일러를 모사한 100 ㎾th급 순환유동층 연소 시스템에서 암모니아를 연료로 활용하는 기술이다. 연구진은 기존 설비 변경을 최소화하면서 이산화탄소와 질소산화물을 동시에 저감하는 암모니아 혼소 운전 기술로 특허도 확보했다.
암모니아는 무탄소지만 1 ㎏ 중 0.8235 ㎏의 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 의해 암모니아가 연료 혹은 환원제로서 역할을 하지 못하고 대기로 배출되는 암모니아 슬립(NH3 slip)이 발생할 수 있어 이들을 동시에 감축하는 기술 개발이 필요하다. 상용 발전소에 암모니아 혼소를 적용하기 위해서는 설비 변경은 최소화하면서 고온 영역에서 암모니아 공급을 극대화하는 것이 중요하다. 이를 위해 연구진은 액상 암모니아를 40 ℃에서 기화시켜 850 ℃ 이상의 열매 체제인 유동사가 존재하는 연소로 하부(Dense zone)와 750 ℃ 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. 이렇게 암모니아 혼소율 증가에 따른 이산화탄소의 감축이 가능한 화력발전 연료전환 retrofit 기술로 설비 변경 최소화가 가능하다.

또한 이번 연구는 암모니아 혼소율 증가에 따른 질소산화물 감축 기술 개발에도 의미가 있다. 암모니아는 연료 역할뿐 아니라 연소로 내에서 질소산화물을 환원시키는 환원제 역할을 수행해 SNCR1) 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 %(△53.6 ppm), 78.6 %(△94.7 ppm) 감소시킴을 확인했다. 이는 상용 순환유동층 보일러에 암모니아 혼소를 적용 시 온실가스 감축을 위한 연료전환 기술뿐 아니라 배기가스 중 질소산화물 감축에 드는 운영비 절감으로 이어질 수 있다.

이번 연구는 암모니아 혼소 발전 관련 요소 기술들에 대한 시험평가 연소 설비로 활용이 가능하다는 것 또한 특징이다. 연료 다변화(석탄-바이오매스-암모니아 혼소, 바이오매스-암모니아 혼소와 재료(층 물질, 부식 및 회분침적 방지) 성능 평가 및 탈황(Scrubber, limestone) 및 탈질(SNCR, SCR) 성능 평가가 가능할 것으로 보인다.

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 SCR2)에서 환원제로 활용할 수 있는 운전 기술도 확보할 계획이다.

연구진은 해당 연구를 통해 이산화탄소 감축 및 2030년 국가 온실가스 감축 목표(NDC) 달성과 탄소국경조정제도 및 RE100 실현에 기여할 것으로 기대감을 표했다. 또한 폐지 혹은 폐지 예정 석탄 화력발전소들의 좌초자산 방지 및 일자리 문제 해소를 통해 공정한 탄소중립 사회 달성과 순환유동층 암모니아 혼소 국산화기술 확보를 통해 해외 신시장 진출 가능성이 높아질 것이라고 말했다.
금속착화합물로 질소산화물 제거
한국에너지기술연구원에서는 청정연료연구실 윤형철 박사 연구진과 계산과학연구실 이찬우 박사가 질소산화물을 대용량, 고효율로 제거할 수 있는 대표적인 금속착화합물(Metal Chelate)을 대상으로 흡수 성능 차이를 나타내는 핵심인 금속착화합물의 결합 형성 메커니즘 규명에 성공했다고 밝혔다.3) 금속착화합물은 금속이온을 중심으로 2개 이상의 리간드 즉, 중심 금속 원자에 결합해 금속착화합물을 형성하는 이온 또는 분자와 배위결합하고 있는 화합물을 말한다. 본 연구를 통해 질소산화물의 흡수 성능을 결정하는 금속착화합물의 핵심요소를 규명함에 따라, 연구진은 ‘저온(100 ℃ 미만) 질소산화물, 황산화물 제거 흡수액4)’에 일산화질소를 고효율로 제거할 수 있는 최적의 흡수액을 설계하는데 활용될 계획이다.

배출되는 질소산화물은 대부분 일산화질소(연소공정의 경우 90 % 이상)로 구성되며, 물에 잘 녹지 않는 일산화질소를 제거하는 것이 기술의 핵심이다. 제거 기술 중 금속착화합물 흡수액은 일산화질소를 산화 과정 없이 금속이온에 직접 결합시켜 제거해 질산 폐수 발생을 최소화하는 기술이다. 연구진은 현재 흡수액 개발과 함께 흡수액의 장시간 사용을 위한 재생 기술을 집중적으로 개발하고 있어 경제성·환경성을 갖춘 기술의 상용화를 앞당기고 있다.

연구진은 최적의 흡수액 설계를 위해 금속착화합물을 구성하는 금속이온과 리간드의 조합에 따른 다양한 금속착화합물들의 일산화질소 흡수 성능 평가를 수행했으며, 실험과 계산과학을 기반으로 금속착화합물의 흡수 성능을 결정하는 핵심 요소가 금속착화합물과 일산화질소의 결합 메커니즘에 의존함을 밝혀냈다. 또한 금속착화합물과 일산화질소의 기초 반응 분석을 통한 실험조건에서 2가 철 이온(Fe2+)이 다른 금속이온에 비해 반응속도가 빨랐으며, 150배 이상 일산화질소를 흡수할 수 있는 성능을 보였다. 연구진은 전자구조 계산을 통해 철 이온이 최적의 d 궤도 전자수를 가지고 있어 높은 일산화질소 흡수 물성을 가능케 함을 증명했다.

연구진은 일반적인 금속착화합물은 한 개의 일산화질소와 결합하지만, 싸이올기(-SH)를 갖는 리간드로 구성된 금속착화합물은 한 개의 질소산화물뿐만 아니라 두 개의 질소산화물과도 결합을 형성할 수 있음을 예측했으며, 1.5~2배 이상 질소산화물을 흡수할 수 있는 성능을 발견했다. 연구진은 계산과학을 통해 싸이올기를 갖는 금속착화합물의 판상 분자구조가 전자 구조를 변화시켜 추가적인 일산화질소 결합 자리를 만들어 흡수액 내 두 개의 구조가 모두 안정적으로 유지되는 것을 확인했다.

이러한 금속착화합물은 일산화질소의 모든 농도 범위에서 두 가지 형태의 결합구조로 존재하는데, 농도가 높을수록 두 개의 일산화질소와 결합하는 비율이 증가한다. 이는 1994년 네이처에 보고된 일정 농도(500 ppm) 이상에서만 두 개의 일산화질소 결합구조를 갖는다는 주장과 다른 결과로, 실험과 계산과학을 통해 연구진이 제시한 메커니즘과 일치함을 확인했다. 즉 연구진은 모든 농도에서 두 가지 형태의 결합이 존재하며 그 비율만 농도에 따라 달라짐을 규명한 것이다. 기존 주장의 경우 경계 농도에서 두 가지 형태의 농도가 비연속성을 가짐에 따라 물리적 의미가 약하지만, 이번 메커니즘을 따를 경우 넓은 범위의 농도에서 두 가지 형태의 비율을 정확하게 계산해 더 정확한 일산화질소 흡수 성능 예측이 가능하다.

기존 기술에서는 선택적환원촉매(SCR) 공정과 관련해 고가의 촉매가 사용되고 환원제로서 암모니아 또는 우레아의 지속적인 사용 및 300 ℃ 이상의 반응 온도 조건에 따른 높은 운전 비용이 발생했다. 더불어 산화 기반 흡수 공정에서는 산화제, 오존 등을 사용해 일산화질소를 이산화질소로 산화시킨 후 흡수하는 방식으로서 고가의 산화제 사용 및 고농도의 질산 폐수가 발생했다. 본 연구를 통해 100 ℃ 미만의 저온에서 질소산화물, 황산화물, 수용성 악취 가스의 동시 처리가 가능해지고, 일산화질소를 산화 없이 제거함으로써 질산 생성을 억제해 질산 폐수 처리 비용을 절감할 수 있을 것이다. 또한 모든 일산화질소 농도 범위에서 한 개, 두 개의 일산화질소와 결합하는 형태가 모두 존재하며 그 비율만 농도에 의존한다는 것을 규명해냈다.

이와 관련해 연구책임자인 윤형철 박사는 “연구 결과를 기반으로 저렴하고 성능이 뛰어난 최적의 흡수액을 개발하고 있으며, 흡수액 재생 기술 확보를 통해 전자산업(반도체, 디스플레이), 암모니아 혼소 발전을 포함한 질소산화물을 배출하는 다양한 사업장에 적용할 수 있을 것으로 기대한다.”고 말했다.

일산화질소 흡수 성능을 결정하는 금속착화합물의 핵심 요소를 규명한 이번 연구는 앞으로 대용량 고효율로 일산화질소를 제거할 수 있는 최적의 흡수액을 설계하는 데 활용될 계획이다. 연구진은 제철산업, LNG 연소시설, 전자산업 등 저온 질소산화물 발생 사업장에 상용화를 통해 국내 질소산화물 감소에 기여할 수 있을 것이라 기대했다.

1) SNCR(Selective non-catalytic reduction): 선택적 비촉매 환원법, 질소산화물을 저감할 수 있는 촉매 없이 연소로 고온영역(주로 800 ℃ 이상)에서 질소산화물을 N2로 환원하는 기술
2) SCR(Selective catalytic reduction): 선택적 촉매 환원법, 180-450 ℃ 부근에서 촉매와 환원제(암모니아, 암모니아수, 요소수 등)에 의해 질소산화물을 N2로 환원하는 기술
3) 연구결과는 환경공학 분야 저명 국제학술지인 <Chemical Engineering Journal>에 지난 3월 1일 자로 게재됐다. 논문 제목은 “Experimental and DFT studies on the equilibrium properties, kinetics, and mechanism of nitric oxide removal using metal-EDTA and ferrous thi℃helates”이다. 한편 이번 연구는 산업통상자원부 제조분야 온실가스 미세먼지 동시저감 기술개발사업과 환경부 미세먼지 사각지대 해소 저감 실증화 사업의 일환으로 수행됐다.
4) 연구진은 2018년부터 질소산화물, 황산화물 및 수용성 악취가스를 동시에 고효율로 제거 가능한 경제성, 환경성을 갖춘 흡수액을 개발한 바 있으며, 이 기술은 녹색기술인증 획득을 완료했다. (보도자료명 : 녹색기술로 질소산화물과 황산화물 쏙쏙 제거한다. 2020.11.26. [이동]) 

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