석탄에너지

석탄에너지

석탄에너지는 석탄이라는 화석연료가 갖는 에너지를 말한다. 석탄은 화력발전을 통해 열에너지를 기계적 에너지로 변환 후 다시 전기에너지로 변화한다.

석탄 화력발전

석탄화력발전(미분탄보일러)

석탄화력발전(유동층보일러)

미분탄보일러

발전원리

석탄화력의 발전원리를 간단하게 살펴보면, 보일러에 화석원료를 연소시켜 얻은 에너지로 물을 끓여 증기로 만들고, 그 증기로 터빈을 회전시켜 회전력을 얻은 후 터빈 축에 연결된 발전기로 전기를 얻는 것이다.

① 석탄화력 발전소는 보일러를 기동할 때에는 유류를 사용하고, 정상 운전 중에는 유연탄을 사용하도록 되어 있다.

② 연료인 유연탄은 외국에서 배로 싣고 와서 저탄장에 야적해 두었다가 상탄기에 의해 저탄조로 운반하여 석탄 이송기에 의해 석탄분쇄기에 들어가서 석탄이 분쇄되면, 분쇄된 석탄은 일차통풍기의 공기에 의해 보일러에 들어가게 된다.

③ 연소에 필요한 공기는 압입통풍기(FD Fan)로 가압하여 공기예열기(A/H)에서 배기가스의 열로 예열시킨 후 보일러에 공급한다. 보일러에서 나오는 연소가스는 공기예열기에서 연소용 공기에 열을 전달하고, 전기집진기에서 재가 완전히 제거된 후 탈황설비를 통해 SOx가 제거된 후 유입통풍기에 의해 굴뚝으로 배출된다.

④ 보일러에 공급된 물은 보일러 벽을 형성하고 있는 수관을 지나면서 연료의 연소 열에 의해 가열되어 물의 전부가 증발되면서 1차, 2차 과열기를 통하면 과열증기로 변환 후 고압 터빈으로 들어간다.

⑤ 그 주증기는 고압터빈을 돌리고 난 후 보일러 재열기에서 다시 가열되어, 중압터빈 및 저압터빈을 돌린 후 복수기로 들어와서 해수에 의해 냉각되어 보일러 용수로 재 사용된다.

⑥ 복수기에 들어온 증기를 냉각시키기 위한 해수는 순환수펌프에 의해 복수기에 공급되며, 복수기를 거친 해수는 방수로를 통해 흘러 나간다.

⑦ 전기는 터빈축에 연결되어 운전되는 발전기에서 22,000[V]로 생산하여 주변압기에서 345,000[V]로 전압을 높여 송전선을 통해 송전된다.

시스템 구성

• 물처리 : 공업용수를 순수한 물로 만드는 설비

• 원수탱크( Raw Water Tank) : 취수댐으로부터 공업용수를 받아 저장하는 탱크.
• 물처리실( Water Treatment Room) : 공업용수중의 불순물을 제거하여 양질의 순수한 물을 생산하는 설비
• 순수탱크(Demineralized Water Tank) : 물처리실에서 생산된 순수한 물을 저장하는 탱크

• 순환수계통 : 터빈을 돌리고 나온 증기를 복수기에서 냉각시키기 위해 해수를 공급하는 계통

• 순환수펌프(CWP : Circulating Water Pump) : 터빈을 돌리고 나온 증기를 냉각시켜 물로 만들기 위해 복수기에 해수를 공급하는 펌프.
• 취수구(Intake) : 복수기에 필요한 냉각용 해수를 바다로부터 끌어들이는 곳
• 방수구(Discharge) : 복수기를 거친 해수를 바다로 보내는 곳

• 통풍기 : 통풍계통은 연료의 연소와 건조 및 이송에 필요한 공기를 공급하는 시스템

• 통풍은 연소용 공기와 연소가스의 연속적인 흐름을 말하며, 통풍장치는 공기 또는 연소가스를 유동시킬 수 있는 통풍력을 갖게 하는 장치

• 보일러 : 연료를 연소시켜 발생된 열로 물을 가열하여 터빈을 돌리기 위한 증기를 발생하는 장치

• 절탄기(Economizer) : 보일러에서 나오는 연소가스가 가진 열로 보일러 수냉벽에 공급되는 물을 가열하는 설비
• 수냉벽 (Evaporator) : 절탄기에서 공급된 보일러수는 수냉벽으로 들어와 연소된 열에 의해 증기로 변환시키는 곳
• 과열기(Superheater) : 보일러의 수냉벽에서 증발된 증기를 가열하여 증기온도를 높여 과열증기를 만드는 설비
• 보일러에 공급된 물은 보일러 벽을 형성하고 있는 수관을 지나면서 연료의 연소 열에 의해 가열되어 물의 전부가 증발되면서 1차, 2차 과열기를 통하면 과열증기로 변환 후 고압 터빈으로 들어간다.
• 재열기(Reheater) : 고압터빈을 돌리고 난 후 온도가 떨어진 증기를 재 가열하여 온도를 높여 중압터빈으로 보내는 설비

• 연료계통 : 보일러 저탄조의 석탄을 분쇄하여 보일러 노내로 보내어 연소시키는 설비

• 미분기(Mill, Pulverizer) : 석탄이 보일러에서 연소가 잘 될 수 있도록 미세한 가루로 분쇄하는 장치
• 일차송풍기( PA Fan : Primary Air Fan) : 미분기에서 미세한 가루로 분쇄된 미분탄을 연소실로 불어넣기 위해, 공기를 미분기에 공급하는 통풍기
• 저탄조(Coal Bunker) : 보일러에서 연소할 석탄을 저장하는 저장조

• 복수기 : 복수기는 저압터빈에서 사용된 증기를 응축시켜 물로 회수하는 장치

• 터빈에서 증기가 보유한 열낙차를 크게하여 터빈효율을 향상 시킴
• 응축된 복수를 재사용함으로써, 급수량과 급수처리 비용을 절감

• 터빈 : 보일러에서 만들어진 증기에 의해 고속 회전하여 발전기를 돌려주는 기계이며 고압터빈, 중압터빈, 저압터빈으로 구성

• 고압터빈(HP TBN : High Pressure Turbine) : 보일러의 과열기에서 나온 고압증기에 의해 운전되는 터빈.
• 중압터빈(IP TBN : Intermediate Pressure Turbine) : 고압터빈 다음에 설치되며, 보일러 재열기에서 재 가열된 증기에 의해 운전되는 터빈
• 저압터빈(LP TBN : Low Pressure Turbine) : 중압터빈 다음에 설치되어 있으며, 중압터빈을 돌리고 나온 증기에 의해 운전되는 터빈

• 발전기 : 발전기는 기계적 회전에너지를 전기적 에너지로 변화하는 기계장치

• 발전기는 원통형으로 먼지나 습기의 침입방지와 수소가스의 누설을 방지하기 위한 완전 밀폐 구조
• 발전기는 크게 고정자와 회전자로 구분되며, 고정자는 전류를 발생시키는 역할을 하고 회전자는 여자기에서 공급되는 직류 전류로 전자석이 되어 자속을 발생시킴

• 복급수계통 : 복수기에서 응축된 물을 보일러에 공급하는 계통

• 복수펌프(COP: Condensate Pump) : 복수기에서 응축된 물을 양수하여 탈기기까지 보내는데 사용하는 펌프
• 급수펌프(BFP: Boiler Feed Water Pump) : 물의 압력을 높여 보일러에 물을 공급하는 펌프

유동층보일러

발전원리

유동층화력에서의 연소는 석회석, 석탄회, 모래 등 불활성 입자군으로 이루어진 층의 하부에서 공기를 불어 넣으면 입자군이 상하로 유동화된 유동층이 만들어지는데, 이러한 유동층내에서 석탄 등 가연성 물질을 연소시키는 연소기술을 말한다.

유동층 연소보일러는 연소되는 연료가 불활성매체에 둘러 쌓여 있으므로 연료의 종류, 화분, 수분함량 등이 변하여도 연소에 영향이 적어 미분탄 연소 등 기존 연소로에 적합하지 않는 저질 연료도 사용이 가능하다. 유동층 연소는 연소실내온도를 750~950 정도로 기존 연소로에 비해 낮게 유지되므로 질소산화물 발생이 억제되며, 고체입자의 유동화로 인하여 회용융에 의한 장해가 거의 없이 깨끗한 전열면의 유지가 가능하고 국부적인 열응력이 발생하지 않는다. 또한 고유황분의 연료를 사용할 경우에는 석회석을 주입하여 연소와 동시에 황산화물을 90% 제거할 수 있다.

석탄화력발전 퇴출 전망

석탄화력발전소는 발전소 중 가장 많은 온실가스를 배출한다. 이 때문에 세계 각국은 석탄화력발전을 차츰 줄이고 있다.

미국에너지관리청 통계를 보면 미국내 석탄화력발전량은 2007년을 정점으로 급전직하, 2015년에는 LNG 발전량에 추월당했다. 미국은 2014년을 마지막으로 더이상 석탄화력발전소를 짓지 않는다.

2013년부터 2018년까지 전 세계에서 진행된 해외 석탄화력발전 투자의 절반을 이끌었던 중국도 투자를 중단할 예정이며 중국 시진핑 국가주석이 2021년 9월 UN 총회에서 "중국은 더 이상 해외에 신규 석탄화력발전소를 짓지 않겠다"고 밝혔다. 이후 해외 석탄화력발전 투자는 종말을 고할 것이라는 등 여러 가지 전망이 나오고 있다.

한국의 경우 2019년 기준 석탄화력발전이 전체의 40.4%에 달할 정도로 여전히 건재하다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면 지난 2017년 한국의 화석연료 온실가스 전체 배출량은 6억 톤으로 세계 7위다. 이 중 석탄화력발전소가 뿜어내는 온실가스는 3억1200만 톤으로 52%를 차지한다. 국가기후환경회의는 석탄발전 이용률이 30년 뒤면 10%대로 떨어질 것이라고 전망했다. 석탄발전 이용률은 2030년 50.6%로 낮아지고, 2040년에는 22.8%, 2050년에는 14.0%로 더 떨어질 전망이다.

영국은 주요 7개국(G7) 회원국들에 2030년까지 석탄화력발전소 전면 폐기를 제안한 것으로 알려졌다. 영국은 특히 주요 온실가스인 이산화탄소(CO2) 배출량이 많은 석탄화력발전의 경우 2030년까지 기존 설비를 포함해 모두 폐기할 것을 제안했다. 프랑스는 2022년, 영국은 2024년, 이탈리아는 2025년, 캐나다는 2030년, 독일은 2038년까지의 폐지 목표를 세워 놓고 있다. 현재 G7 회원국 가운데 석탄화력발전 폐지 목표를 제시하지 않은 나라는 미국과 일본 뿐이다. 일본 정부는 2050년까지 온실가스 실질배출 제로화를 달성하겠다고 선언하고 2030년까지 온실가스 감축 목표를 2013년 대비 애초의 26%에서 46%로 올려 잡았다.일본 정부는 올여름 새롭게 내놓을 에너지기본계획에도 2030년의 전력원 가운데 이산화탄소 배출량이 상대적으로 적은 신형 설비를 이용한 석탄화력발전 비중 목표를 19% 정도로 잡는 방안을 검토 중이다. 이는 2019년 실적치(32%)와 비교하면 석탄화력발전 비중이 대폭 낮아진 것이긴 하지만 전폐와는 거리가 먼 목표라 할 수 있다. 그러나 일정 수준의 석탄화력발전을 유지한다는 정책을 고수하고 있다.

참고자료

• 한국남동발전 공식 홈페이지 - https://www.koenergy.kr/kosep/hw/fr/pr/prhw01/main.do?menuCd=FN040601
• 신동윤 기자, 〈프로젝트 1.5°C : 석탄화력발전소는 비싸다〉, 《사이트명》, 2020-10-05
• 〈중국은 전 세계 석탄 산업을 어떻게 주무르는가〉, 《BBC뉴스 코리아》, 2021-11-06
• 연선옥 기자, 〈[단독 "30년 후엔 석탄발전 이용률 10%대로 급감할 것" 대통령 직속 국가기후환경회의 전망]〉, 《조선비즈》, 2020-10-23
• 박세진 기자, 〈영국, G7에 '2030년까지 석탄화력 전폐' 제안…일본 '난색'〉, 《연합뉴스》, 2021-05-17

같이 보기

• 석탄
• 화력발전

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