이산화탄소 배출 0%, 순산소 연소기

한국기계연구원이 순산소 연소 기술을 이용한 발전시스템 및 핵심 기술인 순산소 연소기 개발에 성공했습니다.

이번 기술은 공장 등의 폐열 또는 폐스팀을 이용하여 이산화탄소 포집에 따른 효율저하를 최소화한 순산소 연소 발전시스템입니다.

한국기계연구원은 핵심 구성품인 순산소 연소기 개발을 완료하고, 원내에 50kW급 파일럿 플랜트를 설치해 운전하여 기술검증에도 성공했습니다.

이번 파일럿플랜트 운전을 통해 순산소 연소기 등의 핵심기술뿐만 아니라 시스템 설계, 통합, 운용기술 등도 국내 독자로 개발 완료되어 향후 대형 플랜트의 실증운전과 상용화의 기반을 구축했습니다.

이 기술은 산소만을 이용해 연료가스를 연소시키므로, 발생된 이산화탄소를 별도의 전처리나 후처리 공정없이 고농도 이산화탄소를 포집할 수 있는 대표적 CCS기술로서, 다른 포집기술에 비해 처리비용이 낮고 용이하게 이산화탄소를 포집할 수 있는 유망한 기술로 평가받고 있습니다.

연구팀은 현재 사용하지 못하고 버려지고 있는 폐열자원(산업단지, 자원회수시설, 연료전지 등)을 발굴하여 개발기술의 적용을 검토하고 있으며, 올 연말에는 국내 시범적용사업을 시작할 수 있을 것으로 전망하고 있습니다.
 
 또한 파일럿 플랜트 장기운전을 통해 시스템 안정성을 평가하고 최적의 가동 조건을 검증하여, 국내 적용과 함께 기술 수출을 추진할 계획입니다.

 이번 연구에는 성일에스아이엠, 현대엔지니어링, 한국남부발전 연구진들이 공동 참여했습니다.

 용  어  설  명

CCS :
Carbon Capture & Sequestration, 이산화탄소포집및처리기술 

순산소 연소(Oxyfuel Combustion) :
연소를 위한 산화제(oxidizer)로 순수산소(pure oxygen)를 이용하는 연소방식.
연소배가스에 CO2와 H2O만 존재하므로 H2O를 응축시키므로써 손쉽게 고농도의 CO2를 얻을 수 있음. 과거에는 제철소, 유리용해로 등에서 생산성 증대를 위해 이용되던 기술이나 최근 CO2 회수형 발전플랜트에 적용하는 연구가 활발하게 진행되고 있음. 
일반적인 연소방식에서는 연료를 산화시키기 위한 산화제로 공기(공기중의 산소)를 이용함.

공기연소 방식(좌) / 순산소 연소 방식(우)

가스터빈 (Gas Turbine) :
압축기에서 압축된 고압의 공기와 연료의 연소열을 이용하여 고온/고압의 가스를 생성시킨 뒤, 이를 이용하여 터빈과 발전기를 구동시켜 전력을 생산하는 발전방식.
연료의 화학에너지를 터빈의 운동에너지의 형태로 변환시키고, 운동에너지를 발전기에서 전기에너지로 변환시키는 장치

공기분리장치 (ASU, Air Separation Unit) :
공기중의 산소와 질소를 분리하여 순수산소와 순수질소를 생산하는 장치.
대용량 설비로는 산소와 질소의 끓는점 차이를 이용하는 심랭법(Cryogenic Method)이 적용되고 있으나, 산소만을 선택적으로 투과시키는 막이나 흡수제를 이용하는 신기술도 개발되고 있음.

폐열(Waste Heat) :
일반적으로 200℃ 이하의 온도를 가지는 열원으로 회수가 어렵거나, 회수하여도 경제성면에서 불리하기 때문에 회수하지 않는 열원을 가리킨다. 공장, 발전소, 제철소 등의 산업설비에 많이 존재함.

연소기 작동압력 5bar, 터빈입구온도 350-500℃, 터빈발전량 50-100 kW급

<연 구 개 요> 폐열으로부터 제조된 스팀을 고압 순산소 연소를 통해 고온으로 재열한 뒤 터빈을 이용하여 전력을 생산하는 기술   ○ 순산소 연소 기술은 전처리나 후처리 공정 없이 연소만으로 고농도의 이산화탄소를 포집할 수 있는 기술로서, 산소제조에 전력이 소비되어 효율이 감소하는 단점이 있으나, 다른 기술에 비교하여 포집단가가 낮고 용이하게 이산화탄소를 포집할 수 있는 유망한 기술임   ○ 현재 사용하지 못하고 버려지고 있는 폐열자원(산업단지, 자원회수시설, 연료전지 등)으로 스팀을 생산하여 순산소 연소기술과 연계함으로써 효율저하를 최소화한 시스템으로 적용처에 따라 효율 저하가 없거나 또는 수 %이하의 효율저하를 기대      ※ 연구기간 : 2003. 4 ～ 현재      ※ 사업비 : 총 61억원(정부 36억, 민간 25억)      ※ 연구기관 : 한국기계연구원(주관, 안국영)      ※ 참여기업 : 현대엔지니어링, 성일에스아이엠, 한국남부발전 ○ 순산소 연소에 대한 기초연구와 가열로에 적용가능한 상압형 순산소 연소기 연구(한국기계연구원)를 3년간 수행한 후, 발전용 가스터빈에 적용하기 위한 고압형 순산소 연소기 개발을 통해 순산소 연소기 설계기술을 고도화 함. 이후 발전플랜트 실증을 위해 엔니어링업체(현대엔지니어링), 플랜트 부품 전문업체(성일에스아이엠), 발전자회사(한국남부발전), 학계(경상대, 부산대, 한양대, 인하대)와 함께 컨소시엄을 구성하여 발전플랜트 실증을 추진함. ○ 이 기술은 현재 파일럿 규모의 시스템 실증 단계에 있으며, 순산소 연소기 등의 구성품이 독자기술로 개발되었을 뿐 아니라 시스템 설계/통합/운용 등도 국내기술로 진행된 만큼 대형 플랜트의 실증운전과 상용화 플랜트 개발도 가능한 상태이며, 기술개발을 위해 출연연구소(한국기계연구원), 산업계(참여기업 3기관), 학계의 협력연구와 정부(사업단)의 체계적인 지원이 일궈낸 산·학·연·관 협력의 모범사례라 할 수 있음 □ 주 요 성 과 발전용 순산소 연소기 및 이를 이용한 발전시스템 개발     - 특허출원?등록(국내 12건, 국외 3건)     - 국내외 유명논문(SCI) 14편 등