석탄 화력발전은 이산화탄소의 가장 큰 점배출원이다. 2015년 유엔 기후변화 회의에서 파리협정이 체결되면서 이산화탄소 저감 기술의 중요성은 더욱 커졌다.
이에 따라, 이산화탄소의 가장 큰 점배출원인 석탄 화력발전소에서의 이산화탄소배출 감축을 위한 다양한 기술들이 개발되고 있다. 특히, 이산화탄소 포집 및 저장 기술(CCS: Carbon capture and storage)은 석탄화력 발전에서의 이산화탄소 무배출을 구현하는 핵심적인 기술로 주목받고 있다. 이산화탄소 포집 및 저장 기술(CCS)을 적용할 수 있는 방법은 연소전 포집법(Pre-combustion capture), 연소후 포집법(Post-combustion capture), 순산소 연소 포집법(Oxy-fuel combustion capture) 이있다.
연소 전 포집법은 연료를 가스화를 거쳐 수소와 일산화탄소를 생산한 다음 수성가스변위반응을 거쳐 이산화탄소를 포집하는 기술이다. 연소 후 포집법은 연소 공정을 거친 후 발생한 배가스 내 포함되어 있는 이산화탄소를 분리하는 기술이다.
연소 후 포집은 대기압에서 운전이 가능하지만 포집 전 불순물인 먼지, SOx, NOx 등을 제거해야 하는 단점이 있다.
이 중 순산소 연소는 기존 화력발전에서 연소에 사용되는 공기가 아닌 산소를 산화제로 사용하는 이산화탄소 포집 방법이다. 기존 산화제인 공기의 약80%를 차지하고 있는 질소를 미리 분리해내기 때문에, 연소실 내 온도가 지나치게 높아지는것을 방지하기 위해 연소 배가스를 재순환시켜 산화제인 순산소와 혼합하여 연소로로 다시 공급한다. 연소 배가스를 구성하는 이산화탄소와 수증기는 질소보다 높은 열용량을 갖는다. 따라서 순산소 연소시 방사율(emissivity)가 높은 이산화탄소와 수증기가 연소 배가스의 대부분을 차지하기 때문에 보일러 복사부에서 열전달량이 증가하게 되어 보일러 효율이 증가하는 결과를 가져올 수 있다.
또한, 배가스 중 이산화탄소의 농도는 90%이상으로 연소 후 배가스를 통한 에너지 손실은 크게 감소하여 에너지 이용효율 증가가 기대되는 것도 장점 중 하나이다. 순산소 연소시 공기연소와 유사한 단열 화염 온도 (AFT)를 달성하기 위해 버너를 통과하는 가스의 O2 비율은 공기 (21 %)보다 일반적으로 30 % 높으며 연도가스의 약 60 %가 재활용된다. 연도가스를 재활용하기 때문에 보일러를 통과하는 가스의 총 부피가 감소되고 배가스의 재순환 비율에 따라 달라지지만 발전소에서 배출되는 배가스의 양은 약 80 % 감소하게 된다. 일반적으로 공기를 연소시키는 석탄에서는 20 % 초과 공기가 사용되는데 순산소연소는 과잉산소 비율 3-5 %의 범
위에서 공기 연소와 같은 굴뚝 가스에서 유사한 O2 분율 달성이 가능한 이점도 있다.
순산소 연소를 이산화탄소 회수저장 기술 (CCS: Carbon capture and storage) 측면에서 바라본다면 이산화탄소 회수저장 기술을 적용 할 수 있는 기술 중 하나이다. 기존 설비에서도 이산화탄소 회수저장 기술을 이용하여 후단가스의 이산화탄소를 포집후 저장 할 수 있지만 순산소연소를 이용하게 되면 후단에서 배가스 내 수증기만 응축시키면 고농도의 이산화탄소가 분리가능하기 때문에 이산화탄소 회수처리가 용이하다. 때문에 대용량 이산화탄소 감축과 이산화탄소 회수처리 시 비용절감을 위해서는 순산소연소를 이용한 CCS를 개발하고 적용하는 것이 가장 효과적이라고 할 수 있다.
순도 높은 이산화탄소 포집 원리는 다음과 같다. 순산소연소를 진행하게 되면 화염온도가 상승하게 되는데 후단의 이산화탄소를 재순환시키면서 연소 전에 분리된 질소를 대체하고 화염 온도를 제어할 수 있도록 하고 이용된 이산화탄소는 포집후 회수된다.
하지만 CCS 적용 가능한 기술인 순산소연소법을 포함한 연소 전 포집기술, 연소 후 포집기술 3가지 중 어느 기술을 적용하여도 최소 10%의 발전효율 감소가 예상된다. 따라서 순산소 연소에서의 발전효율 감소를 최소화시키기 위하여 가압 순산소연소 기술이 제시되었다. 가압 순산소연소 기술은 순산소연소 기술보다 한 단계 진보한 기술로써 순산소연소 시스템의 성능을 더욱 향상시키기 위하여 가압 시스템이 제안 되었다.