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- 순산소 연료는 아민 스크러빙 등에 의한 기존의 CO2 분리보다 비용 적게 들어
- 시멘트 생산; 순산소 연소, 공정 사슬 끝 연소가스와 시멘트 클링커가 연소될 때 사용
- 시멘트 산업 탄소 포집의 또 다른 변형은 칼슘 루핑. 산소 연료 연소와 CO2 분리의 조합

순산소 및 칼슘 루핑, 산소와 석회를 이용한 탄소 포집

몇 년 동안 탄소 포집을 위해 연구되어 온 또 다른 기술은 순산소 공정이다. 이는 다른 포집 방법과 달리 산업 플랜트나 발전소의 배기 가스 흐름에서 CO2를 제거하는 것을 목표로 하지 않는다. 대신, 질소 산화물 및 이산화황과 같은 다른 가스가 가능한 한 적게 생성되고 거의 순수한 CO2가 생성되는 방식으로 배기 가스를 처음부터 수정해야 한다. 

▲ Brandenburg에 있는 Schwarze Pump 발전소. 산소 연료를 사용하여 CO2 포집을 위한 파일럿 플랜트. © SPBER / CC-by-sa 3.0

연소 보조제로서의 순수한 산소

다운스트림 공정인 순산소 공정의 경우 발전소 또는 공장의 연도 가스flue gas, 煙道)가 가마로 공급되고 순수한 산소를 추가하여 다시 연소된다. 그 결과 90%의 CO2와 수증기, 소량의 잔류 가스로 구성된 배기 가스가 생성된다. 수증기는 응축되어 결국 거의 순수한 CO2가 남게 되며, 이론이 진행되는 한 더 처리하거나 저장할 수 있다.

실제로 산소 연료를 사용해 CO2를 분리하는 것도 많은 노력과 비용과 관련이 있다. 특히, 연도 가스 연소를 위한 순수 산소의 생산 및 공급은 비용을 증가시키고 잔류 가스를 제거하기 위한 추가 세척 단계가 필요하다.

독일 브란덴부르그(Brandenburg)의 Schwarze Pumpe 석탄 화력 발전소에서 2008년부터 2014년까지 운영된 산소 연료 파일럿 플랜트는 이 과정이 석탄 화력 발전소에서 8-14%의 효율 손실을 초래한다는 것을 보여주었다. 따라서 순산소 연료는 아민 스크러빙 등에 의한 기존의 CO2 분리보다 비용이 적게 들고 어렵지 않다.

시멘트 산업을 위한 옵션?

순산소 기술을 사용한 CO2 포집은 세계 CO2 배출량의 8%를 차지하는 시멘트 산업에서 훨씬 더 수익성이 높은 것으로 판명될 수 있다.

시멘트 생산에서 순산소 연소는 공정 사슬의 끝에서 연소 가스에 사용될 뿐만 아니라 시멘트 클링커가 연소될 때 사용된다. 이를 위해 분쇄된 산화칼슘은 규산염 및 산화철과 함께 회전식 가마에서 1,450도까지 가열된다.

순산소 공정의 경우 뜨거운 주변 공기 대신 순수한 산소가 클링커 가마에 공급된다. 이것은 배기 가스로 거의 순수한 CO2를 생성한다. 이 공정을 위한 첫 번째 시범 공장이 곧 독일 바덴-뷔르템베르그(Baden-Württemberg)주의 메르겔스테텐(Mergelstetten)에 건설될 예정이다.

여기에서 4개의 유럽 시멘트 제조업체 협회는 산소 연료를 사용하여 클링커를 태울 때 CO2 포집의 타당성과 비용 효율성을 테스트하려고 한다. 이 공장에서 얻은 CO2는 다음 단계에서 합성 연료로 전환된다.

칼슘 루핑과 산소 연료를 함께 사용

시멘트 산업에서 탄소 포집의 또 다른 변형은 칼슘 루핑으로 알려진 것을 사용하여 산소 연료 연소와 CO2 분리의 조합이다. 연구원들은 현재 EU 프로젝트 CLEANKER에서 이 방법을 테스트하고 있다. 칼슘루핑에서는 원료시멘트에 함유된 생석회(산화칼슘, CaO)의 일부를 CO2흡수제로 사용한다. 이를 위해 연도 가스는 CO2가 산화칼슘과 반응하여 탄산칼슘(CaCO3)을 형성하고 결합되는 소위 탄산화기로 공급된다. 

▲ 시멘트 산업은 탄소 포집을 위해 순산소와 칼슘의 조합을 실험하고 있다. © AscentXmedia

생성된 탄산칼슘은 생석회에 불과하며 일반 석회석 분말과 함께 소성로로 다시 운반돼 산소 연료 공정이 사용된다. 일반 공기 대신 순수한 산소를 사용하여 탄산칼슘(CaCO3)이 칼슘으로 변환되는 것을 방지한다. 이 과정에서 거의 순수한 CO2가 방출되어 이제 전환되어 처리되거나 저장될 수 있다.

"낮은 에너지 소비로 높은 CO2 분리“

이 조합 방법의 첫 번째 대규모 테스트는 2020년 10월 Vernasca에 있는 이탈리아 시멘트 공장 Buzzi Unicem에서 시작되었다. 목표는 이 데모 시스템을 사용하여 시간당 약 4천 입방미터의 배기 가스를 청소하는 것이다. Piacenza 에너지 및 환경 연구소(LEAP)의 프로젝트 코디네이터 Martina Fantini는 "현대적이지는 않지만 CLEANKER는 에너지 소비가 적고 경제적 영향이 거의 없이 높은 수준의 CO2 분리를 달성할 수 있는 잠재력을 가지고 있다"며 "이것은 CO2 흡착제로 기존의 생분말을 사용하고 연료 소비를 크게 줄이는 강력한 열 통합 덕분이다”고 설명했다.

연구원에 따르면 이 기술은 특히 기존 시멘트 공장을 개조하는 데 적합하다.
“우리 기술은 기존 시멘트 공장에 몇 가지 이점을 제공한다. 첫째, 개조를 위해 시멘트 공장에서 가장 중요한 구성요소인 공장의 회전식 가마를 변경할 필요가 없다”고 Fantini는 말했다. “반면 CO2 포집 공정이 끝날 때 생산되는 흡착제는 클링커 생산에 사용되는 것과 동일한 원료다.” 이 탄소 포집 방법이 실제로 얼마나 경제적인지는 대규모 테스트를 거쳐야 증명될 것이다. (끝)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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