석탄가스화 복합발전

왜 배우는가: 석탄가스화 복합발전(IGCC)은 저급 연료를 고효율로 이용하면서 황·먼지·수은 등 오염물질을 발전 전에 제거할 수 있어, 석탄 발전의 환경 대응과 에너지 수급 다변화를 함께 다루는 핵심 기술이다. 기존 석탄화력과 구별되는 원리와 경제성 쟁점이 1·2·4교시 문제에 반복해서 나온다.

출제 이력: 제131회 1교시 6번, 제122회 4교시 1번, 제92회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

석탄가스화 복합발전(IGCC)은 석탄을 고압 가스화기에서 합성가스로 바꾼 뒤 정제하여 가스터빈과 증기터빈으로 발전하는 기술이다.

• 석탄가스화(coal gasification)
• 합성가스(syngas)
• 가스화기(gasifier)
• 가스터빈(gas turbine)
• 배열회수보일러(HRSG)
• 복합발전(combined cycle)
• 황회수(sulfur recovery)
• 탄소포집(CCS)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 석탄을 바로 태우지 않고, 먼저 가스로 만든 다음 깨끗하게 걸러서 연료로 쓰는 발전 방식이다. 석탄을 고온·고압 가스화기에서 수증기와 제한된 산소로 불완전 연소시키면 일산화탄소(CO)와 수소(H₂)가 주성분인 합성가스가 생긴다. 이 합성가스를 정제하면 황화합물과 먼지가 줄어든 상태로 가스터빈을 돌릴 수 있다.

정식 정의는 다음과 같다. 석탄가스화 복합발전은 고체 연료를 가스화기에서 가압 합성가스로 전환하고, 정제 공정을 거쳐 가스터빈 사이클과 증기터빈 사이클을 결합하여 전기를 생산하는 발전 시스템이다. 영문 명칭은 Integrated Gasification Combined Cycle이며 약칭은 IGCC다.

핵심 용어는 다음과 같다. 가스화기는 석탄을 고온·고압에서 합성가스로 바꾸는 반응기다. 합성가스는 CO와 H₂가 주성분인 연료 가스다. 정제부는 합성가스에서 황·먼지·수은을 제거하는 설비다. 복합발전은 가스터빈의 배기열로 증기터빈을 추가 구동하는 방식이다.

구성은 가스화부, 정제부, 발전부 3개 블록이 기본이다. 가스화부는 석탄·잔사유·바이오매스를 가스화하고 고체 폐기물(슬래그)을 배출한다. 정제부는 합성가스를 정제하여 황을 회수하고 CO₂를 분리한다. 발전부는 연소기, 가스터빈, 배열회수보일러(HRSG), 증기터빈으로 전력을 만든다. 여기에 수성가스 전환(water-gas shift) 반응으로 H₂를 만드는 수소 생산부나 연료전지를 더하면 활용 범위가 넓어진다.

효율 개념도 이해해야 한다. 가스터빈 사이클은 고온 연소가스로 먼저 발전하고, 배기열로 증기를 만들어 증기터빈을 돌린다. 이 결합 구조 때문에 석탄을 직접 연소하는 미분탄 화력보다 열효율이 높다. 다만 열효율의 구체 수치는 설계 조건과 운전 방식에 따라 달라지므로 답안에서는 방향성을 중심으로 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

석탄은 매장량이 넓고 가격이 안정적이어서 에너지 수급 측면에서 중요한 연료다. 그러나 기존 석탄화력은 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 먼지, 수은과 함께 이산화탄소를 많이 배출한다. 여기에 효율 개선 한계가 겹쳐 석탄을 깨끗하게 쓰는 기술이 필요해졌다.

IGCC는 이 문제를 발전 이전 단계에서 해결하려는 방식이다. 연소 전에 합성가스를 정제하므로 오염물질을 적은 양의 가스 흐름에서 한꺼번에 제거할 수 있다. 석탄 연소 후 배기가스를 처리하는 방식보다 설비가 작고 회수 효율이 높다는 것이 기본 논리다. 황은 클라우스(Claus) 공정을 거쳐 재사용 가능한 황으로 회수할 수 있다.

또 하나의 배경은 탄소 저감 요구다. 합성가스의 CO를 수성가스 전환 반응으로 CO₂와 H₂로 바꾸면, CO₂를 분리해 저장(CCS)하기가 상대적으로 쉽다. 이 점은 석탄 발전의 온실가스 대응 수단으로 주목받는 이유다.

다만 IGCC는 기존 석탄화력보다 건설비가 높다는 한계가 있다. 설비가 복잡하고 가스화 기술의 운전 경험이 제한적이기 때문이다. 그래서 필요성은 환경 성능과 자원 다변화에 있고, 경제성은 별도로 따져야 한다는 관점이 필요하다.

그 밖에 IGCC는 회융점이 낮아 기존 미분탄 보일러에서 회 부착 문제가 생기는 석탄도 가스화 방식으로 사용할 수 있다는 장점이 있다. 이것은 저급탄 활용 폭을 넓히는 실질적 의미를 가진다.

4. 구성요소·원리·절차

IGCC는 석탄을 가스화해 합성가스를 만들고, 이를 정제한 뒤 가스터빈과 증기터빈으로 발전하는 방식이다. 가스터빈 배가스의 열을 배열회수보일러(HRSG)로 회수해 증기터빈을 돌리므로 복합사이클의 원리를 그대로 따른다. 석탄을 직접 연소하는 기존 미분탄 화력과 달리, 연소 전에 연료를 가스로 바꿔 불순물을 제거하는 것이 핵심 차이다.

구성요소는 크게 가스화부, 가스정제부, 발전부로 나뉜다. 여기에 수소·액화연료 생산부를 더하면 에너지 다변화가 가능하다.

가스화부는 석탄, 잔사유, 코크스, 바이오매스 등을 고온·고압에서 수증기와 제한된 산소로 불완전 연소시킨다. 그 결과 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성가스가 생성된다. 가스정제부는 합성가스에서 황화합물과 미립자를 제거한다. 이 과정에서 황은 황 부산물로 회수된다.

발전부의 열효율 향상 원리는 두 단계로 설명한다. 첫째, 가스터빈이 합성가스 연소열로 1차 발전한다. 둘째, 배기가스 열을 HRSG에서 증기로 바꿔 증기터빈이 2차 발전한다. 두 열원을 함께 쓰므로 단일 증기 사이클보다 열효율이 높아진다. 일산화탄소는 수성가스변위반응(CO + H2O → CO2 + H2)으로 이산화탄소로 바꿔 포집할 수 있다.

가스화 후 정제해 연소하므로 황·입자·수은 배출을 줄인다.

수소와 액화연료를 얻는 과정은 다음과 같다.

• 석탄을 가스화기에서 합성가스로 전환한다.
• 수성가스변위반응으로 일산화탄소를 이산화탄소와 수소로 바꾼다.
• 수소를 분리해 연료로 쓰거나, 합성가스를 촉매 반응으로 액체연료로 바꾼다.

석탄액화에는 용매를 쓰는 직접액화와 가스화 후 촉매상에서 전환하는 간접액화가 있다.

IGCC의 가스터빈 연소 조건은 합성가스 발열량에 따라 달라진다. 설계 시에는 가스터빈 입구 온도와 합성가스 조성을 함께 검토해야 한다.

구성도는 다음과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

IGCC는 발전 설비 자체를 규율하는 전용 법령이 따로 있지 않다. 일반 화력발전 설비와 같이 「전기사업법」에 따른 발전사업 허가와 「전기설비기술기준」·한국전기설비규정(KEC)의 적용을 받는다. 가스화 설비는 「산업안전보건법」과 고압가스·위험물 관련 안전 규정도 함께 검토해야 한다. 환경 측면에서는 「대기환경보전법」에 따른 배출허용기준을 적용한다.

핵심 성능 기준은 다음과 같다. 기존 석탄 화력과 비교한 목표 효율 수치는 출처마다 차이가 있으므로 목표 값은 시기별 연구 목표로 구분해 쓴다.

발전 효율 목표는 연구 단계 수치이므로 실증 결과와 다를 수 있다. 상용 설비의 실제 효율은 설계 조건과 운전 조건에 따라 달라진다.

연혁은 다음과 같다. 2006년 국가 간 석탄 가스화 개발 프로그램에 참여했고, 2011년 국내 첫 석탄 가스화 실증 플랜트가 수주됐다. 2020년 정부의 탈석탄 정책 이후 국내 IGCC 추진은 중단됐다. 이 흐름은 제도 변화가 기술 도입을 좌우함을 보여준다.

수명이 다한 화력 대체 계획 같은 정책 목표는 시기별로 바뀌므로 최신 전력수급계획과 함께 검토한다.

6. 유형과 비교

석탄 이용 발전은 가스화 방식과 발전 방식의 조합으로 나뉜다. 가스화기는 고정층·유동층·분류층으로 구분하고, 발전 방식은 가스터빈과 증기터빈을 결합한 IGCC, 연료전지를 결합한 IGFC로 나눈다. 아래 표는 석탄 가스화 방식의 특징을 정리한 것이다.