최근 정부의 2050 탄소중립 선언으로 탄소중립에 대한 관심이 커지고 있고, 연소에 의한 탄소 중립 실천 기술 개발이 필요한 상황이다. 탄소중립을 위한 대표적인 연소기술은 에너지 절약을 통해 CO₂배출을 줄이는 효율향상기술, 바이오 연료 활용기술, 수소(H₂)·암모니아(NH₃) 등 무탄소 연료 활용 기술 등 3가지 기술로 분류된다.

CO₂ 등 온실가스 발생 저감을 위해서는 석유, 천연가스등 화석연료 소비를 줄이는 것이 필수적이며, 이러한 화석연료 사용량 감축은 국내 산업에 매우 큰 영향을 미친다. 온실가스 발생 저감 방법은 바이오 연료 등 탄소 중립 연료를 사용하는 기술과 탄소배출이 없는 무탄소 연료를 사용하는 방법이 있다. 즉 수소, NH₃ 등 탄소(C) 성분이 없는 무탄소 연료를 사용하여 CO₂ 발생을 없애는 방법이다.

수소는 화석연료를 사용해 생산하는 그레이(gray) 수소, 이산화탄소를 포집·저장해 만드는 블루(blue)수소, 태양광·풍력 등 재생에너지 발생 전기로 물을 분해해 만드는 그린(green)수소가 대표적이다.

수소는 에너지 밀도가 낮고, 폭발하기 쉬우며 저장과 수송이 어려운 물질이다. NH₃는 수소를 변환하여 수송, 저장이 용이한 상태로 변환시키는 물질로 주목받고 있으며, 사용단계에서 다시 수소로 변환시키거나 발열량이 높아 직접 연소도 가능하다. 또한, NH₃는 가연성 가스이지만 유독성 물질이어서 연료로 사용하기 위해서는 엄밀한 안전설비가 구비되어야 하고 및 매우 세심한 취급이 요구된다.

수소와 암모니아를 연료로 사용할 때는 미세먼지 전구물질인 질소산화물(NOx)의 배출을 저감하는 저녹스 연소기술 개발이 필수적이다. 무탄소 연료를 사용해 온실가스 발생은 줄이거나 없앨 수 있지만 다량의 질소산화물 배출을 유발하여 온실가스 감축 효과가 상쇄되는 상황이 발생할 가능성이 높다.

따라서, 탄소 중립 실현을 위해서는 무탄소 연료와 천연가스를 혼합하여 연소하는 혼소 기술과 무탄소 연료만 연소시키는 전소기술 개발과 동시에 앞에서 언급한 바와 같이 NOx 발생을 저감하는 저녹스 연소 기술 개발이 필수적이다.

연소시 발생하는 NOx는 광범위한 당량비에 걸쳐서 고온 연소영역에서 발생하는 열적 질소산화물(Thermal NOx)과 화염면에서 질소함유 라디칼과 산소가 반응하여 발생하는 급속 생성 질소산화물(Prompt NOx) 및 연료 중에 포함된 질소 분자 성분이 산소와 반응하여 생성되는 연료 질소산화물(Fuel NOx)로 구분할 수 있다. 수소의 경우 열적 질소산화물이 주로 발생하고 암모니아의 경우 암모니아의 질소 성문에 의해 연료 질소산화물이 주로 발생한다. 일반적으로 수소 전소 연소시 천연가스에 비해 녹스가 2~3배 많이 발생한다고 알려져 있다.

대표적으로 적용되는 저녹스 연소 기술로는 연료 다단, 공기 다단, 물 분사, 스팀 분사, 외부 배기 재순환(Flue Gas Recirculation, FGR) 기술 등이 있으며, 가장 최신 저녹스 기술로는 내부 재순환 기술(Flue Gas Internal Recirculation, FIR)이 있다. 내부 재순환 기술은 연소실 내부의 연소 가스를 연료나 공기의 운동 에너지를 이용하여 버너 입구로 재순환시키는 기술로서 외부 배기 재순환 기술에 비해 훨씬 더 효율적이고 경제적인 저녹스 기술이다.

결론적으로, 무탄소 연료의 탄소 중립 기술은 보일러나 공업로 등 연소 시스템별 수소나 암모니아의 혼소 및 전소 기술과 수소 및 암모니아 각각의 연소 특성을 고려한 연료별로 특화된 저녹스 연소 기술 개발이 동시에 진행되어야 하며 정부의 기술개발 지원이 시급한 실정이다.