우리나라 전력가의 80%는 연료 가격이 차지하고 있는 가운데, 석탄 연료는 상대적으로 경제성을 가진 연료로 발전용 보일러에 사용되어 오고 있다. 발전용 보일러의 역할은 전력 생산을 위해 터빈이 요구하는 증기 유량, 온도, 압력을 갖도록 증기를 생산하는 열설비이다.

국내 발전 초창기에 초임계압(supercritical) 슐처(Sulzer) 관류형(once-through) 1 pass 접선연소(tangential-firing) 보일러로 주증기 압력 246kg/c㎡, 온도 538℃, 재열증기 온도 538℃ 및 출력 500MW를 내는 설비가 설계 표준이 되어 동형 보일러가 20기 건설되었다. 이렇게 1990년대 준공되기 시작한 약 40% 수준의 발전효율을 가진 500MW 표준화력 발전소들은 약 30년간 한국의 원자력 발전과 함께 기저발전 역할을 했고, 그 결과 한국의 경제 발전에 기여했다.

2010년대에는 약 44%의 발전효율을 가진 1,000MW 초초임계(USC, ultra-supercritical) 발전소의 국내 독자 모델 (관류형 2pass 대향연소(wall-firing), 주증기 압력 265 kg/c㎡, 온도 610℃, 재열증기 온도 620℃)이 개발되어 현재 가동 중에 있고, 암모니아 혼소를 위한 실증 발전소로 지정되었다.

암모니아 혼소 발전은 석탄 화력에 가연성 무탄소 연료인 암모니아를 석탄과 혼합 연소하여 화석연료 사용량을 감축하고 CO₂ 배출량을 혁신적으로 줄이면서 미세먼지(NOx) 배출량을 기존과 유사 수준으로 유지하는 기술이다. 또한, 기존 석탄 화력발전소를 암모니아 혼소 시스템으로 전환하기 위해서는 암모니아 저장·공급 시스템, 암모니아 혼소용 버너(연소기), 암모니아 공급 방식 최적화, 그에 따른 혼소 보일러 제어 및 운영기술, 환경오염물질 제거설비 등에 대한 설계기술 개발이 필요하다.

석탄 화력발전의 연소방식은 미분탄 화력발전과 순환유동층 화력발전 방식 두 가지로 나뉜다. 국내 석탄 발전소의 총 용량은 약 40 GWe이며 미분탄 화력발전은 36.9 GWe, 순환유동층 화력발전은 3.1 GWe을 차지한다. 산업부 한국에너지기술평가원에서는 2023년 4월~2027년 12월, 총 57개월 동안 ‘USC급 보일러 암모니아 혼소발전 기술개발 및 실증’ 사업을 지원하여 1,000MW USC 미분탄 화력발전소(신보령화력 2호기, 당진화력 9호기)와 순환유동층 화력발전소(1000 MW USC 삼척화력 1호기, 여수화력 1,2호기)에서 암모니아 혼소율 20%(입열량 기준) 이상으로 석탄-암모니아 혼소 기술 개발 및 실증을 완료할 계획을 갖고 있다.

1,000MW USC 발전소는 가장 최근에 준공된 발전소로써 수명이 가장 오랜 시간 남아 있는 발전소이기 때문에 해당 타입의 발전소가 실증 사이트로 지정된 이유이다.

에너지기술연구원, 암모니아 전소부터 단계적 혼소 기술개발

한국에너지기술연구원은 2021년부터 암모니아 100% 전소 기술을 먼저 개발하였고, 역으로 미분탄 등과 혼소기술을 개발해 오고 있다.

미분탄은 약 1,100℃ 이상 고온의 보일러 연소실 내부에서 약 3초 이내 체류 시간 내에 연소되어 최종적으로는 회(ash) 물질이 남게 된다. 석탄은 탄소(C) 성분 외에 수소(H), 산소(O), 질소(N), 황(S) 등의 물질들로 구성되어 있고, 이들의 조성은 각 지역별로 다르며 같은 지역에서도 약간의 차이가 있다. 미분탄 100% 연소 시와 동일한 열량을 얻기 위해, 미분탄 사용량은 줄이고 그에 상응하는 열량을 암모니아를 활용하여 제공한다는 것이 미분탄-암모니아 혼소의 기본적인 정의이다.

암모니아 혼소율 역시 미분탄 100% 연소 시와 동일한 열량을 기준으로 암모니아의 열량이 차지하는 비율로 정의된다. 혼소율 증가는 사용되는 미분탄의 양이 줄어드는 것을 뜻하므로 결국 배출되는 온실가스량은 감축된다. 1,000MW USC 발전소 1기에서 20% 암모니아를 혼소한다면 연간 약 100만 톤의 CO₂ 감축(가동률 50% 기준)이 계산된다. 암모니아를 활용하는데 있어, 낮은 연소성(기존 메탄 대비 연소속도 1/5 감소)에 의한 화염 불안정성 증가와 질소산화물(NH₃ 중 N 성분으로 인한 Fuel-NOx)과다 발생이 염려되지만, 이들은 버너 설계 변경, 단계적 연료 분사 등 연소제어 기술개발을 통해 극복할 수 있다.

혼소율의 경우 20%는 저 혼소율, 50% 이상은 고 혼소율로 불리고 있지만 실제로 공식적인 정의는 없다. 암모니아 20% 혼소의 경우에는 약간의 버너 하드웨어 변경이 필요하지만 더 높은 혼소율의 경우 암모니아의 낮은 연소성을 보완할 수 있도록 노즐의 구조 변경은 필수적임을 지속적인 연구개발을 통해 얻을 수 있었다.

암모니아는 연소(산화)를 통해 에너지를 발생시키는 연료로써 역할도 하지만 연소실 내에서 발생된 질소산화물을 환원(NOx → N₂)시키는 역할도 동시에 하기 때문에 정밀한 연소제어 기술개발을 통해 NOx 발생량 저감을 이룰 수 있다. 화염 안정성 면에서는 버너 설계의 자체적인 기술개발이 중요하지만, 환경오염물질 배출은 (버너+OFA 등) 미분탄 보일러의 운전 방법에 의해 종합적으로 결정되는 것이기 때문에 이러한 보일러 운전기술의 개발도 함께 진행 중이다. 이를 통해 최적의 버너 설계기술을 토대로 2027년 신보령 화력 등에서 암모니아 20% 혼소 기술 실증을 완료할 계획이다.

순환유동층 암모니아 공급 최적 위치 선정 및 N₂O 감축 기술 필요

순환유동층 화력발전은 뜨거운 열매체제인 유동사가 순환하면서 석탄, 바이오매스, 폐기물 등 다양한 연료들을 연소하여 생성되는 열로 스팀을 만들고 스팀터빈을 가동하여 발전하는 기술이다. 순환유동층 연소 기술은 이처럼 연료다변화가 가능하고 석회석을 이용한 로(furnace) 내 탈황(De-SOx)과 암모니아수 또는 요소수 등 환원제를 이용한 선택적 비촉매 환원법(Selective non-catalytic reduction; SNCR) 및 다단연소(Staging combustion)기법을 이용하여 로 내 탈질(De-NOx)이 가능하다.

에너지기술연구원은 2016년부터 연소 중 CO₂를 포집할 수 있는 순산소 연소 기술을 개발했으며, 연구원 내부 사업으로 지난 2년 동안, 온실가스 감축을 위한 순환유동층 석탄-암모니아 혼소 기술을 개발하고 있다. 현재, 100kWth급 순환유동층 연소시스템을 활용해 암모니아 최적 공급 위치를 선정하기 위해서 암모니아 혼소율 20% 이상 운전에서 다양한 암모니아 공급 위치에 따른 미반응 암모니아(NH₃ slip)와 대기환경오염물질들(CO, NO, N₂O, SO₂ 등)의 변화를 분석했다.

그 결과, 연소로 하부인 윈드박스(Wind-box; WB) 내에서 1차 공기와 기화된 암모니아를 미리 혼합하여 분산판 노즐을 통해 암모니아를 공급하여 혼소하는 방식이 다른 어떤 암모니아 공급 방식보다 NH₃ slip, N₂O, CO 농도가 낮게 배출되어 석탄 전소 대비 암모니아와 석탄 연소에 방해 없이 운전됨이 확인되었다. 또한, 암모니아 혼소율을 25.4% 운전 시, 석탄 전소 대비 NO 농도는 40.1% 감소하였으며 총 온실가스 배출량(CO₂+N₂O) 역시 24.7%로 감소함을 확인할 수 있었다.

하지만, WB는 순환유동층 보일러 내에서 압력이 가장 높은 영역(5-10 kPa)으로 WB 내부에 leakage가 있을 시, 암모니아가 인근으로 누출될 수 있어 잠재 암모니아 누출을 해결할 수 있는 설계기술이 필요하다. 더불어, 석탄-암모니아 혼소 운전 시, 석탄 전소 대비 CO₂ 보다 274배 global warming potential(GWP)이 높은 N₂O가 소폭 증가되기 때문에 순환유동층 암모니아 혼소 기술 개발과 함께 N₂O 감축 가능한 기술 개발 역시 병행되어야 할 것이다.

에너지기술연구원은 2027년까지 상용 순환유동층 보일러인 여수화력(1,2호기)과 삼척화력(1호기)에 암모니아 혼소 20% 실증을 위해, 2024년부터 100kW급 순환유동층 암모니아 혼소 시스템에서 두산에너빌리티와 현대중공업파워시스템등 보일러 제작사에서 제안하는 암모니아 공급 방식들에 대한 암모니아 혼소 특성과 환경성을 평가하게 된다. 이를 통해 최적의 암모니아 공급 방식을 토대로 2027년 여수화력 1, 2호기와 삼척화력 1호기에서 암모니아 20% 혼소 기술 실증을 완료할 계획이다.

또한, 연구원은 연소로 내·외에서 N₂O 농도를 감축할 수 있는 기술개발을 진행하고자 한다. N₂O는 일반적으로 낮은 연소 운전 환경에서 발생되며, 미반응 암모니아가 질소산화물과 반응하여 N₂로 환원되는 과정에서 N₂O로 전환되기도 한다. 로 내 N₂O 감축 방안으로는 라임스톤(석회암)을 이용하여 탈황하는 방식 또는 바이오매스 연소 시 칼륨을 ash 안으로 흡착하고자 카오린(Kaolin) 등의 첨가제를 투입하는 방식과 같이, N₂O를 저감할 수 있는 층 물질(bed material)을 개발하여 평가할 계획이다. 또 N₂O 감축용 촉매를 개발해 암모니아 혼소 운전 중 감축 성능 평가를 수행하고자 한다.

이러한 순환유동층 암모니아 혼소 발전 기술은 산업단지에 민간 기업들에서 운영하고 있는 석탄, 바이오매스, 석탄-바이오매스를 주 연료로 하는 200 MW급 이하 중소형 순환유동층 보일러들에서도 적용이 가능하여 ‘산업’ 부문 온실가스 배출 감축에 기여할 수 있다.