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연구성과 사례
占쏙옙占쏙옙占쏙옙 실생활에서 전기 만들어내는 정전기 에너지 하베스팅 기술 |
占쏙옙占쏙옙占� 미세먼지 절감과 운전장애 대응 두 마리 토끼 모두 잡는다 |
占쏙옙占쏙옙占쏙옙 극초단 레이저 펄스 이용해 금속에 원하는 기능의 미세패턴 새긴다 |
연구책임자 ∣ 청정생산시스템연구소 고온에너지시스템그룹 양원 그룹장
재생에너지에 대한 관심이 높아지면서 바이오매스, 하수 슬러지, 가축 분뇨 기반의 연료까지 사용이 늘어나는 추세다. 최근 정부에서는 해외에서 수입되는 대용량 석탄화력 발전 혼합연소(혼소)용 우드펠릿보다는 국내산 바이오매스 활용을 유도하고 있다. 그런데 새로운 에너지 연료는 산업용 보일러에 ‘운전장애’를 일으킨다. 이 문제를 극복하고 보일러를 효율적으로 가동하려면 운전장애 예측과 연료 컨트롤이 중요하다.
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바이오매스 혼소의 단점
고온에너지시스템그룹 양원 그룹장 팀은 석탄화력 발전에 바이오매스 연료 사용 비중이 늘어나면서 ‘에너지 플랜트 운전장애 대응기술’ 연구를 시작했다. 양 그룹장은 “다양한 에너지원을 혼합해 사용하다 보면 보일러에 운전장애가 발생할 가능성이 높아지기 때문에, 이 문제에 대응하고자 기술 개발을 진행하게 됐다”고 말한다.
연료 다변화에 따른 에너지 플랜트 운전장애의 가장 큰 원인은 재(Ash) 성분이다. 연료에 따라 다른 모습을 띠는 재 성분은 보일러 안에서 여러 가지 문제를 일으킨다. 재 성분으로 인한 대표적 운전장애로는 슬래깅과 파울링이 있다.
슬래깅(Slagging)은 끓는 물이 지나가는 보일러 전열관 바깥쪽에 재 성분이 달라붙어 발생한 열에너지를 빼앗아가는 현상이다. 파울링(Fouling)은 재 성분 중 일부가 고온 조건에서 증발된 후, 저온 영역에서 전열관 표면에 달라붙는 현상이다. 활용 가능성이 높아지고 있는 풀짚, 볏짚 같은 초본계 바이오매스는 슬래깅과 파울링 현상이 발생하기 쉬운 에너지원이다.
▲ 슬래깅과 파울링 현상으로 전열관에 달라붙은 재 성분 ⓒ한국생산기술연구원
‘예측’과 ‘컨트롤’ 기술로 문제 해결
양 그룹장 팀은 슬래깅과 파울링 현상을 효과적으로 줄이기 위해 운전장애 예측시스템을 개발했다. 운전장애 예측시스템은 다양한 연료가 혼용된 고형연료를 사용할 경우, 에너지 혼용률과 사용률을 분석해 어떤 운전장애가 발생할지 예측하는 기술이다. 보일러 성능 해석 모듈을 활용해 보일러 종합성능을 예측·평가하고 슬래깅과 파울링의 양도 예상할 수 있다.
“먼저 연료의 종류와 양에 따라 어떤 문제가 발생하는지 예측해, 문제를 방지할 수 있도록 연료 배합비를 제어해야 합니다. 이를 통해 해당 연료의 특성을 분석할 수 있고, 연료 투입량도 조절할 수 있죠. 이를 판단하는 가장 중요한 기준은 경제성과 운전 안전성, 효율성 등이 될 것입니다. 이러한 사항들을 모두 감안하여 최적의 연료 배합 방안을 도출하는 것이죠.”
연료 컨트롤이 가능한 단계가 되면 수트 블로잉(Soot Blowing) 기술을 효과적으로 활용할 수 있다. 수트 블로잉은 오염된 전열관에 고속 스팀을 분사해 보일러 전열관에 쌓인 오염물질을 떼어내는 장치인데, 지금까지는 오염지점을 정확히 예측할 수 없어 전열관에 일괄적으로 고속 스팀을 분사해야 했다. 운전장애 예측시스템은 오염지점을 예측해 필요한 곳에만 수트 블로일 기술을 적용할 수 있게 도와준다. 또한 전열면 오염을 해결하기 위해 첨가제를 사용하는데, 연료 특성에 맞는 최적의 첨가제를 선정하는 데 중요한 참고자료가 된다.
이 기술을 활용할 경우 바이오매스 혼소율을 30% 이상으로 높일 경우에도 질소산화물(NOx) 배출 저감율이 50%에 달했고, 황산화물(SOx) 및 미세먼지 배출량 또한 줄어드는 것이 확인됐다. 재 성분의 발생 비율도 약 60% 감소했다.
신재생에너지 시대로 넘어가기 위해
▲ 운전장애 예측시스템을 확인하고 있는 양원 그룹장 ⓒ한국생산기술연구원
태양광, 풍력 등 신에너지 설비가 급증하고 있는 지금, 우리 앞에 놓인 에너지 환경은 매우 유동적이다. 신재생에너지 의무할당제와 CO2 배출 규제 확대, 천연가스 사용량 증가, 유가 변동 등 변화하는 환경 속에서 안정적으로 에너지를 공급하는 것이 절실하다.
“화석에너지와 재생에너지 사용을 거쳐 신에너지 시대로 이동하고 있습니다. 이때 화석에너지를 어떻게 줄일 것인지, 재생에너지를 얼마나 활용할 것인지, 이들 전통적 에너지원이 시기에 따라 변동성이 심한 신에너지원을 어떻게 보완할 수 있는지를 고민해야 합니다. 환경 변화에 대응할 수 있도록 다양한 에너지원을 효율적으로 함께 활용할 수 있는 체계화된 시스템을 만들 필요가 있습니다. 시스템 구축이 미래 에너지 산업으로 가는 지름길이 될 겁니다.”
양 그룹장은 전통적 에너지원을 ‘과거의 에너지’가 아닌 ‘현재의 에너지’로 인식해야 한다고 덧붙였다. 전통적 에너지를 신재생에너지의 조력자 역할로 이해할 필요가 있다는 뜻이다. 그런 의미에서 ‘연료 다변화에 따른 에너지 플랜트 운전장애 대응기술’은 신재생에너지 시대로 건너가기 위한 징검다리라 할 수 있다.