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탈황석고를 활용한 광물 탄산화 기술
- 작성자홍보실
- 작성일시2023/01/13 15:16
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탈황석고를 활용한 광물 탄산화 기술
2050 탄소중립을 목표로 전 세계 121개국은 기후동맹에 가입하였으며, 지난 2020년 12월에 우리나라도 국제사회의 노력에 발맞춰 2050년 탄소중립을 선언하였다.
탄소중립을 실현하기 위해서는 배출된 이산화탄소(CO₂)를 흡수하여 처리해야 하며, 이를 위한 수단으로 CCUS (이산화탄소 포집·활용·저장) 기술 도입 필요성이 대두되고 있다.
글 조환주 책임연구원, 강찬웅 선임연구원 (CO₂활용연구센터)
탄소중립 실현과 이산화탄소 포집·활용
CCUS 기술은 온실가스를 감축하여 인류사회가 직면하고 있는 기후변화 문제를 해결하고자 하는 기술이며, 대규모 온실가스 감축 기술로써 가장 중요하고 주목받고 있는 기술이다. 국제에너지기구(IEA)는 2070 글로벌 탄소중립 시나리오에서 이산화탄소 총배출량의 15%를 CCUS로 감축해야 한다고 했다. 우리나라는 2030 온실가스 감축 기본계획 및 기본로드맵 수정안(2018)에 따라, CCUS 기술을 청정에너지 기술 중점 투자 분야로 선정했다. 더불어 정부 주도로 기술개발 및 실증을 추진하여 2030년 기준 연간 1,030만 톤의 CO₂를 감축하는 계획을 수립하였다. 현재 CCUS 기술은 포집, 화학 전환, 생물 전환, 광물 탄산화, 기타 탄소 활용 분야로 나누어 기술 상용화를 위해 연구가 확대되고 있다.
그림 1. 광물 탄산화 기술
그림 2-1. 온실가스 감축 방법론_Baseline Scenario
그림 2-2. 온실가스 감축 방법론_Project Scenario
광물 탄산화 기술의 산업부산물 활용
광물 탄산화는 1990년에 Seifritz가 CO₂ 바인딩 개념으로 최초로 언급하였으며, 광물 내에 포함된 칼슘(Ca)과 마그네슘(Mg) 등 주로 알칼리토금속 성분을 CO₂와 반응시켜 열역학적으로 안정한 탄산염광물을 생성함으로써 고정하는 방법이다. 초기 광물 탄산화 연구는 주로 현무암과 같은 감람석, 사문석 및 규회석 등 천연 규산염 광물을 이용하여 진행되었다. 수만 년 또는 수십만 년 동안 안전성이 보장되는 가장 바람직한 처분법이지만, 현장에 적용하기 위해 고온·고압의 조건조성 등 비교적 높은 처리비용으로 인해 실용화의 저해 요인으로 작용한다. 최근에는 알칼리계 산업폐기물이 비교적 온화한 조건에서 탄산염광물을 생성할 수 있는 특성에 착안하여, 석탄회, 금속슬래그, 폐콘크리트, 광물 찌꺼기, 폐석고 등 산업부산물을 활용하는 기술이 연구되고 있다. 산업부산물을 이용한 광물 탄산화 공정은 CO₂의 재이용과 동시에 산업폐기물을 처리하므로 기후변화 대응과 지속 가능한 환경 구축이 가능하다. 특히, 탈황석고를 이용한 탄산화 반응은 자발적으로 상온상압하에서 진행되며 Ca 함량이 높기 때문에, 폐석고 400만 톤을 광물 탄산화법으로 처리하면 매년 약 100만 톤의 CO₂를 저감할 수 있다.
그림 3. 탈황석고를 활용한 광물탄산화 공정
그림 4. 연 1,000톤 규모의 파일럿 시설
탈황석고 광물 탄산화
석고 광물 탄산화 기술은 탈황 공정의 부산물인 탈황석고를 이용하여 발전소에서 배출되는 배기가스 중의 온실가스를 직접 포집하여 활용하는 자원화 기술로, 이산화탄소 포집·활용(CCU) 기술혁신 로드맵에 명시되어 있는 기술이다.
국내 대부분의 석탄화력발전소에서는 석탄에 함유된 황(S) 성분에 의해 발생하는 황산화물(SOx)를 제거하기 위하여 배연탈황 공정을 운용하고 있으며, 비용 및 효율성 측면에서 습식 석회석법이 주로 이용되고 있다. 습식 석회석법은 석회석(CaCO₃)와 SOx를 반응시켜 탈황석고(CaSO₄·2H₂O)를 배출하며 이 과정에서 석회석으로부터 기인한 CO₂가 추가 배출되는 문제점이 있다.
석고 광물 탄산화 기술은 배연탈황 공정의 부산물인 탈황석고 (CaSO₄·2H₂O)를 CO₂가 포함된 배기가스와 직접 반응시켜 탄산칼슘으로 광물화한다. 이때 생성된 탄산칼슘은 고품질, 미분말, 중성 pH 특성으로 인해 탈황 공정 원료로 재사용할 수 있으므로 석회석-석고 자원순환을 통해 국내 자연산 석회석 시장을 부분적으로 대체할 수 있다. 탄산칼슘 외에 99%의 고순도 황산암모늄(황안)이 부산물로 생성되며 비료로 활용할 수 있다. 이처럼, 탈황석고 광물 탄산화 기술은 석탄화력발전소로부터 발생하는 배기가스(Flue gas)를 직접 반응에 사용함으로써, 별도의 포집 과정이 필요 없어 이에 따른 추가누출량이 없다는 장점이 있으며, 광물 탄산화 반응의 결과물로 생성되는 탄산칼슘과 황산암모늄은 각각 탈황 원료와 비료로 활용할 수 있어 공정 폐기물이 발생하지 않는 장점 또한 갖고 있다.
본 기술은 탈황석고 기준 연 1,000톤 규모의 파일럿 시설을 2,000시간 동안 운영하여 광물 탄산화 효율 97%를 달성한 바 있다. 향후, 발전소 실제 배가스를 이용한 연 2,000톤 규모의 광물 탄산화 기술 현장 실증 연구를 통해 CCU 기술의 상용화 기반을 마련하고, 탈황석고 광물 탄산화 기술의 제도 내 인증할 수 있는 온실가스 감축량을 산정하기 위한 온실가스 감축 방법론을 개발하고자 한다.
