석탄가스화 복합발전

왜 배우는가: 석탄가스화복합발전(IGCC)은 석탄을 깨끗하게 이용하는 대표적인 고효율 발전 기술이므로 환경 규제가 강화된 현장에서 실무적으로 중요하다. 연소 전에 오염물질을 제거하는 구조라서 대기환경 분야 시험에서 반복해 출제되는 주제이다.

출제 이력: 제108회 4교시 5번, 제95회 2교시 5번, 제92회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

석탄가스화복합발전은 석탄을 고온·고압의 가스화기에서 합성가스로 바꾼 뒤, 그 가스로 가스터빈과 증기터빈을 돌려 전기를 생산하는 발전 방식이다. 석탄가스화복합발전은 IGCC라고도 부르며, 석탄가스화 기술과 복합사이클 발전을 결합한 기술이다. 석탄을 직접 태우지 않고 가스로 바꾸어 정제하므로, 연소 전에 황산화물과 먼지 같은 오염물질을 제거할 수 있다는 점이 가장 큰 특징이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 가스화기: 석탄을 산소와 수증기와 함께 고온에서 반응시켜 합성가스를 만드는 반응기이다.
• 합성가스: 일산화탄소와 수소를 주성분으로 하는 가스이다.
• 정제공정: 합성가스에서 입자와 황화합물을 제거하여 청정한 가스를 만드는 설비이다.
• 복합발전: 가스터빈과 증기터빈을 함께 사용하는 발전 방식이다.
• 클라우스 공정: 합성가스에서 분리한 황을 회수하여 재사용 가능한 황으로 만드는 공정이다.
• 산소 플랜트: 가스화에 필요한 산소를 공급하는 대형 설비이다.

2. 개념 풀이

석탄가스화복합발전은 석탄을 가스화기에서 부분 산화시켜 얻은 합성가스를 연료로 쓰는 복합발전이다. 전체 공정은 가스화 단계, 정제 단계, 복합발전 단계의 세 부분으로 나뉜다. 가스화 단계에서 석탄은 산소와 수증기를 만나 합성가스가 되고, 정제 단계에서 입자와 황 화합물이 제거된다. 복합발전 단계에서는 정제된 합성가스를 가스터빈에서 연소시켜 1차로 전기를 만들고, 가스터빈 배기가스의 열을 회수하여 증기터빈을 돌려 2차로 전기를 만든다. 이처럼 두 번 발전하는 구조이므로 복합사이클이라고 부른다.

원리는 석탄의 탄소와 수소 성분을 산소가 부족한 조건에서 반응시켜 일산화탄소와 수소로 바꾸는 데 있다. 이 과정에서 부분 산화가 일어나며, 산소를 이론량보다 적게 공급하므로 연료는 완전 연소하지 않고 합성가스로 전환된다. 수증기가 함께 들어가면 수성가스 전환 반응으로 일산화탄소의 일부가 이산화탄소와 수소로 바뀐다. 이 반응을 미리 거치면 이산화탄소를 포집하기가 쉬워지므로 이 기술은 탄소 포집과 연계되어 발전한다.

부분 산화는 산소를 부족하게 공급하여 연료를 일산화탄소와 수소로 바꾸는 반응이다. 수성가스 전환 반응은 일산화탄소와 수증기가 반응하여 이산화탄소와 수소를 만드는 반응이며, 이산화탄소 포집 전 단계에서 쓰인다. 발전 효율 측면에서는 IGCC의 발전 효율이 높은 수준이다. 이는 연소 후 증기만으로 발전하는 기존 미분탄 석탄화력보다 높은 값이다.

3. 등장 배경과 필요성

기존 석탄화력발전은 석탄을 미분탄으로 연소시켜 증기를 만들고, 그 증기로 증기터빈을 돌리는 방식이다. 이 방식은 연소 후 배기가스에 황산화물, 질소산화물, 먼지가 많이 남으므로 배출가스 처리 설비에 의존한다. 대기환경 규제가 강화되면서 오염물질을 연소 전에 줄이는 기술이 필요해졌고, 그 대안으로 석탄을 가스로 바꾸어 정제하는 방식이 주목받았다.

또한 기존 석탄화력은 열효율에 한계가 있다. 가스터빈과 증기터빈을 결합하면 연료의 열을 두 번 활용할 수 있으므로 같은 석탄으로 더 많은 전기를 얻을 수 있다. 이 점이 고효율 발전을 원하는 발전 사업자에게 IGCC가 검토된 이유이다.

이산화탄소 배출 문제도 배경이다. 연소 후 배기가스의 이산화탄소는 질소와 함께 희석되어 있어 포집 비용이 크다. 반면 합성가스 상태에서는 압력이 높고 이산화탄소 농도가 상대적으로 높아 포집이 유리하다. 따라서 석탄가스화는 이산화탄소 포집 기술과 결합하기에 적합한 방식으로 평가된다. 2010년 이후 미국은 정부 지원을 받아 IGCC 상용화 개발을 주도하였다.