매체순환연소기술 : 신개념 이산화탄소 원천분리 발전기술
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매체순환연소(CLC, Chemical-Looping Combustion)기술은 별도의 분리설비 없이 CO2를 원천적으로 공정 내에서 분리할 수 있으며 thermal NOx의 발생이 적고 발전효율이 높은 차세대 저공해-고효율 발전기술이다. 식(1)에 표시된 바와 같이 기체연료(메탄, LNG, 합성가스 등)와 공기 또는 산소가 직접 접촉하여 연소하는 기존 연소방식과는 달리 연소반응을 산소공여입자의 산화-환원반응을 이용하여 두 개의 반응기로 분리하여 일어나게 하는 기술이다. 매체순환식 가스연소기는 다음의 [그림 1]과 같이 두 개의 반응기(산화반응기, 환원반응기)로 구성되며 산화반응기에서는 식(2)와 같이 산소공여입자에 포함된 금속성분이 공기 중의 산소와 반응하여 금속산화물로 산화되고 환원반응기로 이송되며, 환원반응기에서는 식(3)과 같이 산소공여입자에 포함된 금속산화물과 기체연료(예, CH4)가 반응하여 CO2와 H2O를 생성하고 금속산화물은 금속으로 환원되어 다시 산화반응기로 재순환 된다.
이와 같은 별개의 산화-환원반응에 의하면 직접적인 연소반응에 비해 여러 가지 장점을 얻을 수 있다. 식(2)의 산화반응은 기체-고체 반응이며 화염(flame)이 없는 상태에서 일어나기 때문에 thermal NOx의 발생을 원천적으로 감소시킬 수 있다. 또한 식(3)의 환원반응에 의한 기체생성물은 CO2와 수증기뿐이므로 수증기를 응축하여 제거하면 고농도의 CO2를 공정 내에서 원천적으로 분리할 수 있다. 식(2)와 식(3)을 더하면 식(4)와 같게 되며, 전체 공정의 열출입은 직접연소와 같아지므로(식(1)과 식(4) 비교) 열손실을 제외하면 전체적인 반응열은 같게 된다.
Direct combustion : CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O (1)
Oxidation : 4M + 2O2 → 4MO (2)
Reduction : CH4 + 4MO → CO2 + 2H2O + 4M (3)
Overall reaction (Oxidation + Reduction) CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O (4)
매체순환 가스복합발전의 경우 다른 발전방식에 비해 CO2 발생량이 NGCC 수준으로 적으며 NOx 발생량은 현저하게 낮은 수준으로 예측되고 있다([그림 2], [그림 3] 참조). 매체순환 가스연소기는 산화반응기에서 배출되는 고온-고압의 배출가스를 이용하여 가스터빈을 구동하고, 환원반응기에서는 스팀터빈을 구동하여 발전효율 극대화와 함께 전력 및 스팀을 동시에 생산한다.
O2/CO2 recycle : 산소부화 배가스 재순환 연소
PF+FGD : 연소배가스 탈황장치가 부착된 미분탄 연소
IGCC : 석탄가스화복합발전, NGCC : 천연가스복합발전,
CLC : 매체순환 가스연소
매체순환 가스복합발전의 발전효율은 NGCC의 경우와 유사한 수준(53%)으로 예측되고 있으며, CO2 분리회수 비용을 함께 고려한다면 경제성 면에서도 다른 발전방식에 비해 유리한 발전방식이다(<표 1> 참조).
결과적으로 매체순환 가스연소기술은 NOx 발생을 원천적으로 차단하고 CO2를 고농도로 분리함과 동시에 고효율의 에너지회수가 가능한 첨단 기술로서 에너지절감과 대기오염 방지 및 CO2 저감을 동시에 달성할 수 있는 연소기술이다.
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발전방식 |
O2/CO2 recycle |
PF+FGD |
IGCC |
NGCC |
CLC |
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발전효율 [%] |
33 |
41 |
42 |
52 |
53 |
<표 1> 발전방식에 따른 발전효율 비교
매체순환 연소기술에 대한 본격적인 연구는 2000년부터 시작되었다. 초기에는 feasibility study, 산소공여입자 개발, 소형반응기에서의 반응실험 등에 대한 연구가 주로 이루어 졌으며 2003년 이후 10~50kWth 규모의 연속반응 실증연구가 이루어졌고 최근에는 scale-up 및 다양한 연료 적용 연구가 진행되고 있다.
매체순환 연소기의 연료로 초기에는 천연가스 및 합성가스가 주로 고려되었으나, 2008년 이후부터는 석탄, 바이오매스 등의 고체연료와 함께 액체연료도 고려되고 있다.
[그림 4]에는 기체연료와 고체연료 모두에 대해 현재까지 연속운전이 실증된 매체순환연소 플랜트 및 향후 scale-up 목표를 비교하여 나타내었다. 그림에 나타난 바와 같이 매체순환 가스연소의 경우 현재 200kWth까지 연속운전이 실증되었다. 한편 석탄연소의 경우 65kW까지 실증이 완료되었으며, 100kW 실증과 1, 3MW 실증이 함께 진행될 예정이다. 그림에 나타난 바와 같이, 기체연료 및 고체연료 모두 10kW, 50~65kW, 100~200kW의 scale-up 과정을 거친 후 MW 규모로 진입할 것으로 전망된다.
참고문헌
[1] Wolf, J. et al., Fuel, 2005.
[2] Lyngfelt, A., 1st International Conference on Chemical Looping, 2010.
[3] Fan, L. S., 1st International Conference on Chemical Looping, 2010.
[3] Song, Q. et al., 1st International Conference on Chemical Looping, 2010.
[4] 지식경제부, 그린에너지 전략로드맵(CCS), 2011.
