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초임계 미분탄(SPC; Supercritical Pulverized Coal) 보일러 발전공정을 대체하는 미래 신발전 공정의 하나로 가스화 복합발전공정(IGCC;Integrated Gasification and Combined Cycle)이 주목 받고 있다. IGCC 공정은 SPC 보일러 발전공정과 비교하여 높은 초기 투자비가 문제가 되지만 발전분야에서 문제로 지목되고 있는 지구온난화 가스인 이산화탄소 포집을 하는 경우 유리한 발전 방식으로 알려져 있다. MIT에서 발표된 자료에 따르면 SPC 발전방식과 IGCC 발전 방식에서 이산화탄소를 포집하는 경우의 발전효율 저감은 각각 9.2% P와 7.2% P로 이산화탄소 포집공정을 연계하는 경우 IGCC 공정이 미래 발전시장에서 우위를 점할 수 있을 것으로 예상하고 있다. IGCC 공정에서 이산화탄소의 포집은 가스화 기에서 만들어진 합성가스 중 일산화탄소(CO)를 수성가스전환(WGS;Water Gas Shift) 반응을 거쳐 이산화탄소(CO₂)로 전환하고 이를 연소기에 공급하기 전에 발전공정에서 제거하게 되며, 이런 이유로 이 공정을 연소 전 CO₂ 포집공정이라고도 부른다. 연소 전 이산화탄소 포집공정은 처리대상가스 중 이산화탄소의 분압이 높고 전체 공정이 고압에서 운전되기 때문에 화학흡수제보다 Henry의 법칙이 적용되는 물리흡수제를 이용하는 공정이 권장되고 있다. 현재까지 화학공정에서 이산화탄소를 분리하기 위한 몇 가지 이산화탄소 분리공정이 개발되어 적용되고 있으나 IGCC 공정에 최적화된 상용 규모의 공정은 제안되어 있지 않다. 본 한국전력공사 전력연구원에서는 2012년부터 위와 같은 기술적 요구와 필요에 대응하기 위해 IGCC 공정에 적용 가능 한 연소 전 습식 이산화탄소 포집기술 확보를 위한 연구개발에 착수하였으며 현재 IGCC에 적용가능한 흡수제의 개발과 이산화탄소 포집 최적공정에 대한 검토를 진행 중이다. 본 논문에서는 최적공정에 대한 검토를 위해 100 MWe 규모의 전력을 생산하는 IGCC 공정에 적용 가능한 이산화탄소 흡수 공정 5개를 AspenPlus를 이용하여 모델링하여 공정의 최적화를 수행하고 이를 통해 얻어진 결과로부터 각 공정의 주요 공정인자들과 주요설비인 흡수탑의 크기와 공정별 에너지 사용량을 비교 하였다. 검토된 공정은 물리흡수공정으로 Selexol, Rectisol, 및 Purisol 공정이 선정되었으며 화학흡수공정과의 비교를 위하여 연소 후 공정에서 널리 쓰이는 대표적 amine 공정인 aMDEA 공정과 물리 및 화학흡수제가 혼합사용되는 Sulfinol 공정이 함께 검토되었다. 각 공정의 주요 공정인자로는 Rectisol 공정의 흡수제 순환량이 Selexol 공정 등 다른 공정에 비해 1.2 이하로 작게 나타났으나 흡수제 손실량은 약 10배 이상 큰 것으로 평가되었다. 또한 흡수탑의 크기 면에서는 aMDEA 공정이 가장 유리한 것으로 평가되었으나 에너지 사용량의 측면에서 화학 흡수공정이 2 ~ 5 배정도 큰 것으로 나타나 운영비가 상대적으로 높게 될 것으로 평가 되었다. 본 연구를 통해 연소 전 CO₂ 포집공정 들의 설계 및 운영 기초자료를 확보하였으며 계속해서 공정의 경제성 및 신뢰성 등의 평가를 통해 최적공정을 선정해 갈 예정이다.
