탄소포집기술(CCU, CCS, CCUS)
- 감축기술 개요
- CCS 기술에는 기본적으로 화력발전소의 배연가스 (Flue gas)와 같이 화석연료가 연소 후, 발생시키는 가스 혼합물로부터 CO₂를 포집하는 연소 후 기술(Post-combustion), 연료를 연소하기 전 미리 연료를 반응 처리하여 CO₂와 수소로 전환한 후, CO₂/H₂혼합 가스를 분리 또는 연소하여 배기가스 중, CO₂만을 용이하게 포집할 수 있는 연소 전 기술(Pre- combustion) 및 연료를 공기 대신 산소만으로 연소시키는 순산소 연소 기술 (Oxyfuel) 등 3가지 기술로 나눌 수 있음.
- 감축기술 특징
- CCS 기술 중 연소 후 기술
■ 연료를 연소 시킨 후 발 생하는 혼합 배기가스 중 CO₂만을 포집하는 기술로써 배기가스 중 CO₂농도가 비교적 저농도인 (3∼15 volume%) 경우에 효율적으로 사용될 수 있는 기술임.
■ 연소 후 기술은 기존의 공장을 변형하지 않으 면서 공정을 개선할 수 있는 큰 장점이 있으나 고비용, 고에너지 소비 공정으로 대규모 장치가 필요한 단점도 가지고 있음. 하지만 현재 CO₂포집 기술로는 가장 광범위하게 쓰이고 있는 기술임.
1) Amine계 흡수제를 이용한 화학 흡수법
▶ 화학반응이 가능한 흡수제 (주로 Alkanoamine 계통; MEA (Monoethanolamine))를 이용하여 CO₂를 화 학 흡수 시킨 후, 탈기 (Stripping) 과정을 통해 CO₂를 회수 하는 공정임.
▶ 국내 화력발전소에서 알카놀 아민류를 사용한 pilot plant가 가동 중이나 알카놀 아민류가 고가인 점과 본 기술 적용 시, 에너지 소비가 과다하다는 문제점 등이 제기 되고 있음.
▶ 사용되는 화학 흡수제로는 주로 알카놀 아민류인 MEA (Monoethanolamine, H₂NCH₂CH₂OH), DEA (Diethanolamine, HN(CH₂CH₂OH)₂)가 15∼30% 농도로 물 등에 희석 되여 사용되며 MEA와 CO₂의 화학 흡수 반응은 식은 다음과 같음
▶ 현재 상업적으로 가동되는 화학 흡수제로는 Fluor Daniel Econamine FG(부식 방지제가 첨가된 30% MEA solution: 0.2∼15 tCO₂/h 용량으로 20개 이상 가동 중), ABB-Lummus (15∼20% MEA solution: 6∼32 tCO₂/h의 용량으로 4기 가동 중)와 KS-1 (Sterical hidered amine; Mitsubishi heavy industries에서 9 tCO₂/h의 용량으 로 1기 가동 중) 등이 있음.
2) 건식 흡수법
▶ 기본적으로 흡수 반응은 용질인 기체와 용매인 액체간의 반응임. 그러나 이러한 액체 용매를 이용한 흡수법은 흡수된 용매제에서 CO₂를 탈기하는데 많은 비용이 소모됨. 이와 더불어 가장 보편적으로 쓰이는 MEA 공정의 단점, 즉 고 재생열, 부식성, 불안정성 및 저 흡수능을 극복하기 위해 KHCO₃을 기본 물질로 하여 세라믹 재료를 결합시킨 건식 흡수제가 2005년 한국전력공사 전력 연구원 (KEPRI)에 의해 개발, 소개되었음. 이러한 건식 흡수제가 사용 가능하다면 기본적으로 액상에서 CO₂를 탈기하는데 필요한 많은 비용을 절감할 수 있음. 현재 본 기술은 국내 화력발전소에 시험 운용되고 있음.
3) 흡착법 (Adsorption)
▶ 고체 흡착제인 탄소계 물질(활성탄; Activated carbons (MAXSORBTM ; MSC- 30, G08H 등, Kansai사 제품))이나 제올라이트 (Zeolite; ASRT 5A zeolite 등, Allied-Signal사 제품), 금속 산화물 (Metal oxide)상에서 CO₂혼합가스를 가압하여 선택적으로 CO₂를 흡착제에 흡착 (PSA; Pressure swing adsorption) 시킨 뒤 흡착층을 감압하거나 (PSA 또는 VSA; Vacumm swing adsorption), 가열 (TSA; Temperature swing adsorption) 또는 전기에너지를 이용, 가열 하여 (ESA; Electric swing adsorption) 흡착제를 재생하며 CO₂를 탈착시켜 회수하는 공정을 말함.
▶ 기존의 PSA 및 TSA 공정은 가압, 흡착, 감압 및 탈착의 기본 4단계로 구성 되는데 흡착성분의 회수를 위한 탈착방법으로 진공 혹은 고온의 탈착가스를 이용함. 탈착가스의 온도가 높고 진공압력비가 클수록 가스의 회수율과 순도가 증가하지만 에너지 소비가 증가하는 문제점이 있음.
4) 막분리 (Membrane)
▶ 막분리법은 CO₂가 포함된 연소 배기가스를 유기막(고분자 막;Polyphenylene oxide (PPO), Polyenthylene oxide (PEO), Polyamide, Polysulfones)이나 무기막 (금속 또는 세라믹 막), 또는 액막으로 통과시켜 고순도 CO₂만을 선택적으로 분리하는 방법임. CO₂포집을 위한 막분리법은 막소재의 개발, 모듈개발, 시스템 개발 등의 3가지 로 나누어지는데 핵심기술은 막소재 개발임. 막분리법은 기존의 흡수법이나 흡착법보다 설치비용 및 운전비용이 저렴한 공정임. 즉 CO₂ 분리 시 상변화를 동반하지 않아 기본적으로 에너지 효율이 높고 유해물질 배출이나 폐수처리 등의 문제가 없는 환경친화형 청정 공정임. 또한 막의 투과 속도 향상과 모듈화에 의해 설비의 규모를 줄일 수 있고 설비 조작성도 우수하다고 이론적으로는 알려져 있으나 흡수법이나 흡착법에 비해 연구 역사가 짧고 1970년대부터 실질적인 연구가 시작되어 아직까지 CO₂/N₂ 분리용으로 상용화된 분리막 모듈은 없음. 하지만 막분리법은 고압 공정의 H₂/CO₂혼합가스에서 CO₂분리에 가능한 상당한 잠재력이 있다고 알려져 있음.
5) 심냉법 (Cryogenics)
▶ 90% 이상의 고농도 CO₂함유 가스를 가압 냉각하여 CO₂를 액화, 분리 하는 기술로 부분적으로 상업화 되어 이용되고 있음. 이러한 가압 냉각을 위해 대단히 많은 에너지가 필요한 치명적인 단점을 가지고 있어, 대규모 공정이나 저 농도의 배기가스에서의 CO₂분리를 위한 공정으로는 불가하다고 알려져 있음. 하지만 CO₂저장 운송을 위해선 심냉법 기술이 필요 하며 특히 PSA나 흡수법 등과 연계한 공정 개발이 연구 되고 있음.
- CCS 기술 중 연소 전 기술
■ 본 기술은 연료 (주로 석탄, 천연 가스, 가스 오일 등)를 직접 연소 하기 전, 연료 중에 탄소성분을 수증기개질(SR; Steam reforming), 부분산화(PO;Partial oxidation), 또는 자열 개질반응 (ATR; Autothermal reforming) 등을 통해 가스화(Gasification) 시킨 후 최종 수성가스 전환반응 (WSR; Water-gas shift reaction)을 통해 고온, 고압의 CO₂/H₂ 혼합 가스를 생산하여 CO₂와 H₂를 분리시키든가 또는 연료로써 연소시켜 물과 CO₂로 전환하여 이 중 CO₂를 용이하게 분리시키는 공정임.
- 순산소 연소 기술 (Oxyfuel-combustion)
■ 순산소 연소는 연료를 공기로 연소하기 전에 공기분리장치 (ASU; Air separation unit) 등을 통해 공기 중, 산소만을 분리 생산하여 순산소 (95% 이상)로 연료를 연소시킴으로써 배출되는 CO₂의 농도를 극대화 하여 CO₂ 포집 효율을 높이는 기술임.
■ 순산소 연소는 많은 장점에도 불구하고 본 기술의 현실화를 위해서는 고효율의 ASU장치와 O2/CO2 로 가동되는 GT 개발이 필연적이며 무엇보다도 순산소 기술에 쓰이는 산소를 값싸게 생산할 수 있는 기술 개발이 선행되어야 함. 현재 산소 생산을 위해 가장 보편적으로 쓰이는 심냉법 이나 물리흡착을 통한 산소 생산 비용은 보통 0.28∼0.34kWh/Nm₃-O₂로써 이 값은 보통 순산소 공정 총 비용의 약 15% 정도 에 해당되는 높은 값임. 따라서 최근엔 PVSA (Pressure vacuum swing adsorption) 기술과 파라듐(Pd)을 재료로 하는 이온교환 막(ITM; Ion transport membrane)기술이 산소 생산용 기술로 많은 주목을 받고 있음.
- 도입효과
- 에너지 절감으로 비용 감소
- CO₂배출 저감
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