“석탄 화력을 친환경 발전으로 바꾸는 현실적 기술 개발에 매진” – 이재구 / FEP(미래에너지플랜트)융합연구단장

지구 온난화와 최근 국내에서 특히 문제가 되고 있는 미세먼지를 해결하기 위해서는 신재생 에너지 개발도 중요하지만 현재 가장 많은 비중을 차지하고 있는 석탄 화력발전을 친환경 발전으로 전환하는 기술 개발이 현실적으로 중요하다. 이를 위한 연구단이 FEP((Future Energy Plant)융합연구단이다. 동 연구단은 초미세먼지 저감 기술, 순산소 순환유동층 연소기술 등 석탄 화력의 발전효율을 높이고 대기오염 물질 배출을 줄이는 기술 개발에 매진하고 있다. 이재구 단장을 찾아 그동안의 연구 성과 등에 대해 들어봤다.<편집자주>

– FEP((Future Energy Plant)융합연구단에 대한 소개를 부탁한다.

과학기술정보통신부 산하 국가과학기술연구회 ‘미래선도형 융합연구단 조성사업’의 일환으로 지난 2015년 12월 1일 출범한 FEP융합연구단은, 주관기관인 한국에너지기술연구원(KIER)을 중심으로 협동연구기관인 한국생산기술연구원(KITECH), 한국표준과학연구원(KRISS) 및 한국기계연구원(KIMM)의 4개 기관이 주관기관에 함께 모여 ‘초청정 고효율 연료다변화형 미래에너지 생산기술 개발’에 매진하고 있다.

‘융합연구단’사업이란, 국가/사회적으로 시급한 현안 해결을 위하여 정부출연연구원을 중심으로 학계와 산업계가 긴밀하게 상호 협력하는 ‘on-site’ 일몰형 연구조직으로 운영되며, 특별히 본 연구단은 전(全) 지구적 현안인 ‘지구온난화’ 해결을 위한 ‘온실가스 감축’을 목표로, 석탄화력발전에서 CO2 원천분리와 미세먼지 저감, 발전효율 극대화, 환경오염 억제 및 물 부족 해소 연구를 수행 중이다.

2019년 현재 주관기관 및 협동연구기관의 전문 연구원 50여 명이 서강대학교 등 5개 위탁기관(군산대학교, 경성대학교, 성균관대학교, 전북대학교, 서강대학교) 및 현대중공업파워시스템 등의 7개 참여기업(그린컨기술, 현대중공업 파워시스템, 휴비콘, KLES, 마이크로원, 삼천리ES, 아진ESR)과 함께 공동연구 중이며, 스웨덴 찰머스공대, 베트남 하노이공대, 스페인 CIUDEN 그룹 등 해외 유관기관과의 국제 협업도 진행 중이다.

– 연구단이 출범한 지 4년차인 것으로 안다. 그동안의 주요 연구 성과는.

연구단이 추구하는 핵심가치는 크게 1) 온실가스 감축, 2) 초미세먼지 저감 및 3) 발전용수 절감으로 나누어지며, 이들은 ‘초청정/고효율 미래에너지 생산기술 개발’이라는 융합연구단의 최종 목표 도달을 위하여 반드시 함께 달성되어야 할 필수 개념들이다.

가치 구현을 위한 구체적 목표는 1) 평균 발열량 5,000 kcal/kg 이하의 저급 연료를 사용하는 순산소 순환유동층 연소기술 개발, 효율 45% 이상의 초초임계(USC; Ultra Supercritical) 유체회로기술 확보와 온실가스(CO2) 90% 이상 원천분리, 2) 배기가스 부피가 1/5 수준으로 감소하는 순산소연소 조건에서 오염물질 배출농도를 SO2 7ppm, SO3 1.4ppm, NOx 20ppm 및 초미세먼지 1mg/m3 이하 실현, 3) 배기가스에 포함된 수분 50% 이상 회수를 통한 발전용수 소비량 50% 이상 절감 등이며, 특별히 NOx 배출농도에 있어서는, 국가 정책 및 국민적 요구가 경제급전에서 환경급전으로 전환되어감에 따라, 초기 40ppm 이하였던 목표를 2차년도인 2017년을 기점으로 30ppm 이하로 강화(moving target)하였고, 4차년도인 2019년에 20ppm 이하로 다시 재강화하였다.

2019년 현재, 전체 연구 사업이 4년차(2단계 1년차)에 접어들면서 각 요소기술별로 다양한 연구 성과가 도출되었으며, 사업이 종료되는 2021년 즈음에는 이러한 요소기술들이 하나로 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, NOx 배출농도 27.5ppm 이하 달성 등으로, 모든 항목에 대하여 선도국 대비 동등 이상에 해당되는 우수한 결과들이다.

– 특히 최근에는 친환경 발전에서 가장 중요한 미세먼지 저감 기술, 순산소 순환유동층 연소기술 등을 개발했다고 들었다.

본 연구단에서는 입자상(1차 초미세먼지)과 가스상(2차 초미세먼지) 물질 제거를 통하여 초미세먼지를 기존 배출량 대비 90%이상 줄일 수 있는 기술을 개발했다. 자체 개발한 이중벽 구조의 저압손 싸이클론과 새로운 방식의 필터 재생시스템을 결합한 신개념 집진시스템을 구축했는데, 이는 1차 집진부인 저압손 사이클론에서 유입되는 먼지를 70% 이상 제거한 후 2차 집진부인 백필터 집진기로 유입시켜 여과필터 먼지 부하량을 크게 감소시킬 수 있는 기술이다.

이와 더불어, 고온의 연소가스와 스팀을 이용해 환원제를 저분자형태의 기체 상태로 분무하는 방식(Hi-HGR)을 개발함으로써 가스상 초미세먼지 유발 물질인 질소산화물과 황산화물의 제거 효율을 기존 대비 50% 이상 향상시켰다.

개발된 기술은 국내 약 500기에 이르는 폐기물에너지 자원화 설비에 우선 보급될 계획이며, 중점 배출원으로 지목되는 화력발전설비 적용을 위해서도 해당 발전사들과 활발히 논의 중이다. 국내뿐만 아니라, 초미세먼지 발생의 결정적 원인을 제공하고 있는 중국 석탄연소설비 성능 개선을 위해 국내 환경전문기업 및 중국 현지기업과도 공동 협의를 진행하고 있다.

또한 국내 최초로 순환유동층 보일러에 순산소(Oxy) 연소 기술을 적용시키는 데 성공했다.

순환유동층(CFB, Circulating Fluidized-bed) 보일러는 연료가 완전히 연소될 때까지 불활성 유동 매체(유동사)를 지속적으로 연소로 내에 순환시키는 방식으로, 낮은 연소 온도를 유지함으로써 질소산화물 배출량이 적은데다, 저급탄이나 바이오매스 등 저렴한 연료를 사용할 수 있으며, 석회석을 통한 로 내 탈황도 가능해 비용과 환경 부담을 동시에 덜어낼 수 있다는 장점이 있다.

본 연구진은 이러한 순환유동층 보일러에 순산소(Oxy) 연소 기술을 적용했다. 순산소 연소 기술은 연소배가스를 연소로로 재순환하는 동시에, 산화제로서 공기 대신 순수 산소를 이용하는 방식으로, 배기가스에 이산화탄소와 수분만 존재하게 되므로 수분 응축을 통하여 고농도의 이산화탄소를 얻을 수 있게 되며, 이산화탄소 제거 공정 추가에 따른 전체 효율 저하는 임계점(증기압력 225.65kgf/cm2, 증기온도 374oC) 상태에서 보일러를 가동하는 초임계 발전기술로 극복했다.

본 연구단은 2MWe급 초임계 순산소 순환 유동층 보일러 기술 개발을 기반으로 상용규모 발전 플랜트 기본설계 데이터(BEDD)를 확보함으로써 플랜트 건설 국산화를 이뤄낼 계획이다. 또한 중공업사와의 기술 제휴를 통해 300MWe급 국산 초임계 순산소 순환 유동층 보일러 제작이 가능할 것으로 보고, 현재 보다 발전된 추가 기술개발을 활발히 수행 중이다.

– 연구단의 연구개발 목표가 달성되면, 기대할 수 있는 사회적, 경제적 효과는.

세계최초로 FEP융합연구단의 ‘초임계 순산소 순환유동층 보일러(Oxy-CFB-USC)’ 발전기술이 상용화되면 CO2 원천분리와 발전효율 극대화가 동시에 가능하므로, ‘굴뚝 없는 발전소’ 구현이 가능하다.

더불어, 남-북한 관계 개선 및 통일 이후 무연탄과 같은 북한의 석탄자원을 효율적으로 사용할 수 있는 기술적 수단을 제공하며, 광범위한 연계산업에서 해외 플랜트시장 진출을 위한 시험설비(test-bed)로 활용함으로써 플랜트 수출에 기여할 뿐만 아니라 이에 따른 신규 고용창출 효과를 기대할 수 있다.

무엇보다, 최근 사회적 문제로 이슈화되고 있는 미세먼지 배출 최소화로 사회적 비용을 크게 감소시키며, 파리협약으로 촉발된 신(新) 기후체계에서 국가 경쟁력 확보 및 위상 제고, 새로운 기후변화 대응기술 선점에도 크게 기여할 것으로 기대된다.

본 연구단이 개발한 기술들을 적용하는 경우, 폐기물 연료를 기반으로 하는 열병합 발전 시장에서의 기술 국산화를 통한 기술수입 대체 효과는 약 550억 원 이상으로 기대되며, 표준화력(500MWe PC보일러)을 기준으로 산술된 초미세먼지 배출저감 효과는 NOx 관점에서 연간 약 230톤/기, SOx 관점에서 연간 약 300톤/기에 대응된다. 여기에 고성능 저비용 집진기술까지 적용되면 연간 약 290톤/기의 배출저감 효과를 기대할 수 있고, 냉각탑 및 분리막을 이용한 발전용수 저감 분야에 있어서도 표준화력발전 1기에서 필요로 하는 물(3,750톤/일, 냉각수 제외)의 34%에 이르는 많은 양의 물을 절감할 수 있다.

– 일각에선 석탄 화력발전을 기술적으로 친환경으로 전환하는 것이 실효성이 있는가 하는 의견도 있는데…

충분히 가능하다고 강조하고 싶다.

FEP융합연구단의 궁극적 목표는 ‘고효율 초청정 연료다변화형 미래에너지 생산기술 개발’기술로서, 이러한 환경오염저감기술과 지구온난화 방지기술이 결합된 차세대 친환경 발전기술이라고 보면 된다.

초초임계 순산소 순환유동층연소(Oxy-CFB-USC) 플랜트 개발, 초초임계(USC) 회로 및 소재평가 기술개발을 통해 화력발전의 고효율화(高效率化)를 달성하게 되면, 동일한 발전효율에서도 연료 사용량이 감소하게 되어 온실가스(CO2)뿐만 아니라 1차 미세먼지(입자상물질) 및 2차 초미세먼지 유발물질인 SOx와 NOx 배출을 크게 줄일 수 있는 것이다.

특히, 순산소 순환유동층연소기술(Oxy-CFB)은 연소 중 CO2를 원천 분리할 수 있을 뿐 아니라, 배출되는 배기가스를 재사용하기 때문에 실제 배출되는 배기가스량이 80% 이상 감소하게 되며, 이에 따라 대표적인 대기오염물질인 SO2, NO 및 CO 등도 각각 80%, 85%, 76% 이하 수준으로 감소하는 매우 친환경적 기술이다. 일부 배출되는 다른 대기오염물질들도 FEP융합연구단에서 개발 중인 탈황/탈질 동시처리기술과 고성능 저비용 미세먼지 집진기술/조합형 집진기술을 통해 Near Zero Emission의 친환경 화력발전으로의 전환이 가능하게 된다.

앞으로 연구단의 계획과 플랜트 산학연에 하고 싶은 의견이 있다면.

– ‘굴뚝 없는 발전소’의 구현은 단계적인 기술개발과 장기적인 투자가 모두 필요하다. 단기적으로 연구단은 연구사업과정에서 도출된 폐기물 및 바이오매스 에너지화, 미세먼지 및 초미세먼지 제거, 물 회수, 백연제거 기술 등을 통합시스템 적용에 앞서 산업체 공정 플랜트와 발전소에 앞서 적용할 계획이다.

본 연구단이 최우선적으로 해야 할 일은 개발된 기술이 가급적 다수의 기업에 도움이 될 수 있도록 노력하는 것이라고 믿기 때문이다. 그 다음으로는 온실가스의 원천적 회수, 대기오염 방지, 물의 회수/재이용 기술이 복합 적용된 ‘환경-에너지-물 넥서스 추구형 작은 발전소’를 보여주고자 한다.

더불어, 에너지 플랜트 기술개발에 오랜 시간 종사해온 연구자로써 본 사업 범위 외에도 우리나라에 적용 가능한 CO2 처리, 순환, 이용에 대한 방법론을 좀 더 넓은 안목에서 고민하겠다. 출범 초기의 로드맵 마련 당시부터 국가적 ‘현안’ 해결이 무엇보다 강조되었던 FEP융합연구단의 당위성 및 중요성을 다시 한 번 새기면서, 굳은 사명감을 갖고 국가 R&D 투자 효율성을 극대화시킬 수 있도록 본 사업을 추진하는 것이 국가와 국민의 지원에 보답하는 길이라고 생각하고 있다.