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화력발전에 암모니아 섞어 온실가스·미세먼지 줄였다

에너지기술연구원 연구진, 국내 최초 암모니아 혼소 기술 개발
기존 화력발전소 설비 변경 최소화해 온실가스 배출 감소 효과
100㎾th급 파일럿 시설서 이산화탄소 10%·미세먼지 78% 감축
화력발전소. 게티이미지 제공
화력발전소. 게티이미지 제공


[파이낸셜뉴스] 한국에너지기술연구원 청정연료연구실 문태영 박사팀이 국내 최초로 석탄화력발전의 이산화탄소와 질소산화물 발생을 대폭 줄이는 암모니아 혼합 운전 기술을 개발했다.

100㎾th급 파일럿 규모 시설에서 암모니아를 10% 섞어 운전한 결과, 이산화탄소 배출을 10% 이상 감축했다. 또한 암모니아를 17.5% 섞어 운전했을 경우 미세먼지 생성의 주원인인 질소산화물이 78.6%까지 줄었다.

문태영 박사는 13일 "순환유동층 암모니아 혼소 기술은 현재까지 국내외에서 시도되거나 보고된 바 없다"고 설명했다. 또한 "기존 설비 변경을 최소화하면서 이산화탄소와 미세먼지를 동시에 낮추는 기술로 특허도 확보했다"고 말했다.

이는 상용 순환유동층 보일러에 암모니아 혼소를 적용 시 온실가스 감축을 위한 연료전환 기술뿐 아니라 배기가스 중 질소산화물 감축에 소요되는 운영비 절감으로 이어질 수 있다.

이와관련해 문 박사는 "이 기술은 기존 발전 플랜트와 송배전선로 등 전력 인프라를 그대로 활용할 수 있다"고 설명했다. 뿐만아니라 "재생에너지의 전력 수급 불균형 해소는 물론 더 나아가 탄소중립 산업단지 구축과 RE100(100% 재생에너지 사용) 구현 및 탄소국경조정제도에 대한 대응까지 가능할 것"이라고 덧붙였다.

순환유동층 연소는 뜨거운 열 전달물질인 모래가 순환하면서 석탄이나 바이오매스, 코크스, 고형폐기물 등 고체연료가 타면서 850~950도에서 운전하면서 연소로 안의 탈황, 탈질이 가능한 친환경 화력발전방식이다.

에너지기술연구원 연구진이 100㎾th급 순환유동층 연소시스템에서 암모니아 혼소 운전을 위해 설비 점검을 하고 있다. 에너지기술연구원 제공
에너지기술연구원 연구진이 100㎾th급 순환유동층 연소시스템에서 암모니아 혼소 운전을 위해 설비 점검을 하고 있다. 에너지기술연구원 제공
연구진은 상업용 순환유동층 보일러를 본 떠 만든 100㎾th급 순환유동층 연소시스템에서 암모니아를 연료로 활용했다. 암모니아는 무탄소지만 1㎏ 중 0.8235㎏가 질소다. 따라서 석탄이나 바이오메스, 코크스 등을 암모니아로 일부 대체해 연소할 경우 암모니아 혼합율 증가에 비례해 이산화탄소 배출을 줄일 수 있다.

연구진은 "그럼에도 질소산화물 증가와 암모니아가 다 타지 못하고 대기중으로 배출될 수 있어 이들을 동시에 감축하는 기술 개발이 필요하다"고 설명했다. 현재 사용하고 있는 발전소에 암모니아 혼합공정을 적용하기 위해서는 설비변경은 최소화하면서 고온영역에서 암모니아 공급을 극대화하는 것이 중요하다.

연구진은 이를 감안해 850도 이상의 열을 전달하는 유동사(모래)가 존재하는 연소화로 아랫부분과 750도 이상의 유동사가 연소화로로 순환되는 배관 두 곳에 액상 암모니아를 40도에서 기체로 바꿔 공급해 연소시스템을 운전했다.

그결과, 연소화로 하부에서 암모니아를 10.2% 섞어 운전할 경우 안정적으로 연소로 온도가 유지되면서 배기가스 내 이산화탄소는 10%가 감축됐다.

또한 암모니아는 연료 역할뿐 아니라 연소로 내에서 환원제 역할까지 한 것이다. 즉 별다른 촉매 없이도 암모니아가 연로고 고온영역에서 질소산화물을 질소로 바꿨다.

기존 발전소의 고체연료 연소에서 배출되는 질소산화물 120.5ppm 대비, 암모니아를 10.2%와 17.5% 섞어 운전했을 때 질소산화물 'NO'를 각각 44.7%(-53.6ppm), 78.6%(-94.7ppm) 감소했다.

문태영 박사는 "발전 공기업의 순환유동층 보일러 뿐만아니라 순환유동층 열병합 발전소들에서도 온실가스 감축을 위한 암모니아 혼합 연소가 대안이 될 수 있다"고 말했다. 또한 "순환유동층 암모니아 혼소 기술에 대한 기본설계 및 운영기술들을 순수 국산 기술로 확보함으로써 온실가스, 질소산화물을 동시 감축이 가능한 무탄소 암모니아 발전의 원천기술을 확보하는데 기여할 계획"이라고 밝혔다.

monarch@fnnews.com 김만기 기자