[가스신문 = 양인범 기자] 화석연료의 연소에 의해서 생성되는 질소산화물(NOx)은 생성원인 물질로부터 전환되는 형태에 따라 연료에 의한 Fuel NOx, 고온의 연소열에 의한 Thermal NOx 및 Prompt NOx로 구분할 수 있다.
연소열에 의해 발생되는 NOx는 연소용 공기 중에 함유되어 있는 질소(N₂)가 고온에서 산화되어 발생하는데 생성속도는 온도에 매우 민감해 일반 연소로에서 1,300℃이상의 고온영역이 넓고, 체류시간이 길수록, 공기비가 높을수록 많이 발생한다.
주로 발생하는 NO(일산화질소)는 대기 중에서 산화되어 NO₂(이산화질소)가 된다. NO₂는 인체에 유해하며 고농도 아래에서 폐기종·기관지염 등 호흡기 질환의 원인이 된다. 이 때문에 대부분의 국가는 NOx 배출을 저감하는 저녹스버너 보급에 열을 올리고 있다.
본지는 지난해까지 국내에 설치·보급된 저녹스버너 실적과 이를 통한 환경효과, 해외 저녹스버너 규제 동향 등에 알아봤다.
2021년 저녹스버너 보급으로 연간 연료 400만㎥ 절감
연료와 공기가 혼합되어 화염이 형성되는 부분을 개조한 것이 저녹스버너이며, 대부분의 연료와 공기의 혼합 특성을 조절해 연소강도를 낮추고 연소초기 영역의 산소농도와 화염온도를 낮추어 고온 NOx를 억제시키는 법으로 개발되고 있다.
저녹스버너는 혼합 촉진형, 분할 화염형, 연소가스 자기 재순환형, 배기가스 재순환형(FGR), 단계적 연소형 등이 있다. 혼합촉진형은 연료와 공기의 혼합을 빨리 이뤄 고온에서 연소가스의 체류시간을 단축시켜 NOx를 저감시킨다. 혼합촉진형은 대략 25~40%의 저감률을 갖는다.
분할화염형은 노즐 출구의 모양을 변형시켜 화염을 독립된 작은 화염으로 분할함으로서 화염온도를 저하시킴과 동시에 화염 층을 얇게 형성시켜 NOx의 생성을 억제한다. 분할화염형의 저감률은 약 18~40% 정도이다. 연소가스 자기 재순환형은 공기 또는 연소가스의 고속분사에 의해 형성되는 반류를 이용해 연료의 기화를 촉진시킨다. 약 25~45%의 저감효과를 가진다.
FGR 방식은 연소실내의 연소영역에 약 200℃ 정도의 배기가스를 재순환시켜 산소농도를 희석시켜 NOx를 억제하며, Thermal NOx의 발생을 억제하며, Fuel NOx 저감도 기대한다. 가스연료 및 경질유 연료 등의 NOx 배출을 억제하는 방법으로 효과적이다.
단계적 연소형은 연소 초기영역을 연료과잉상태로 만들어 산소농도를 줄이고 후류영역에 공기를 충분히 공급해 완전연소를 이뤄지게 하는데, 연료와 공기의 혼합을 지연시킴으로서 연료 NOx의 제어도 가능하다. 단계적 연소형은 현재까지 가장 이상적인 저녹스버너의 형태로 인식되고 있다.
환경부의 저녹스버너 설치 지원사업은 2006년 정부의 중소기업 대기환경개선 사업의 일환으로 시작됐다. 중소기업기본법 시행령 제3조에 따른 중·소기업에 설치된 일반버너를 일정 수준이상의 NOx 저감 효율을 갖는 저녹스버너(중·소형보일러, 냉온수기 및 건조기기(간접가열시설에 한함))로 교체하는 경우 설치비의 일부를 지원하는 사업이다.
저녹스버너 인정기준은 액체연료 NOx 60~70ppm, CO 120ppm 미만, 기체연료는 NOx 40~60ppm, CO 120ppm 미만을 기준으로 한다. 저녹스버너 설치지원사업 인정모델은 2022년 12월 21일을 기준으로 총 인정 유효내역이 535건, 인정취소내역이 167건이다.
저녹스버너는 2006년 사업 시행 이후 2022년까지 총 20,691대가 설치되었고, 전국적으로 연평균 약 1천대 이상의 버너 교체가 이뤄지고 있다. 가장 많은 교체는 서울에서 이뤄졌으며 경기도와 부산시가 뒤를 잇는다. 교체건수가 가장 적은 지역은 제주도로 지난해까지 총 52대가 설치되었다.
용량별 설치 현황을 살펴보면 사업 시행 후 소규모 사업장에서 사용하는 중소용량(2톤 이하)보일러를 중심으로 사업 수행 성과를 거둔 것으로 판단되고 있다. 제작(공급)업체별 설치 현황을 살펴보면 지난해까지 가장 많은 저녹스버너를 공급한 업체는 ㈜수국으로 총 8,777대를 설치했다. ㈜부스타 4,923대, ㈜청우지엔티가 2,205대로 그 뒤를 이었다.
2021년의 저녹스버너 설치지원사업에 따라 전국에 설치된 저녹스버너는 총 599대이며, 이에 대한 NOx 배출저감량은 연간 약 264톤으로 분석되었다. 이 가운데 청정연료인 기체연료 사용 저녹스버너 교체가 584대로, 전체 교체 현황 중 97.5%의 높은 비중을 차지했다. 2021년 저녹스버너 보급에 따른 연료 절감량은 연간 400만㎥로 평가된다.
EU, 오염자부담원칙에 따라 환경비용 부담
사업장에 대한 저녹스버너 보급은 선진국에서 먼저 이뤄지고 있다. 일본은 1994년 환경성의 계획에 의해 환경부하를 저감하기 위해 연소설비에 대해 석탄, 석유 등의 연료를 천연가스로 전환하는 사업자에게 정부가 보조금을 지원하고 있다. 일본은 2000년 ‘환경확보조례’ 소규모 연소기기 인정제도를 도입했고, 2002년 ‘에너지 다소비형 설비 천연가스화 추진보조금 요강’의 제22조에 의해 사단법인 일본가스협회가 보조금 사업의 교부 및 절차를 정해 시행하고 있다.
또한, 2009년에는 ‘저녹스, 저CO₂ 소규모 연소기기 인정제도’를 개정해 전국 보조금을 지원하나 동경, 오사카, 나라 등 총 5개 지역에서만 의무화를 시킨다. 일본의 저녹스버너 인정기준은 가스연료 소형보일러 및 온수기는 NOx 40~60ppm이고 액체연료는 60~70ppm이다. 가스히터는 80~100ppm을 기준으로 하고 CO에 대한 기준은 없다.
미국은 1980~90년대 ‘클린 에어 액트’에 의해 산업용버너의 NOx 배출 규제를 강화했다. 2018년 5월 1일부터 SCAQMD Rule 1111에 따라 천연가스를 사용하는 175,000BTU 이하 보일러의 배출농도 규제를 단계적으로 시행하고 있다. 배출가스 규제농도 14ng/J 초과 시에 배출부과금을 부과해 저녹스버너 설치를 유도하고 있다.
유럽연합은 오염자부담원칙에 따라 기업 등 오염의 직접적인 배출부문이 환경비용을 포괄적으로 부담한다. 독일은 저녹스버너 개발 등을 위해 연구목적으로 연구소 등에 연구비를 지원했다. 또, 시설 설치 시 재정적 지원보다는 제품에 대한 인증(환경마크인 블루엔젤)을 실시한다.
이탈리아는 원칙적으로 공장지역의 산업용 시설에 국가에서 재정적 지원을 하지 않는다. 다만, 북부 이탈리아 일부 주(Piemonte, Torino시 등)에서는 주거환경개선을 위한 보일러 시설 등에 2~30%를 지원한다.
여기에 유럽 연합은 버너의 성능 및 기능을 표준 규격으로 정해 회원 국가에서 준수하도록 정하고 있다.
저녹스버너 제조사의 한 관계자는 “저녹스버너 교체 지원이 꾸준히 이뤄지고 있으나 아직도 지방의 영세 공장 등에서는 오래된 벙커씨유 보일러를 쓰는 경우도 많다”며 “각 지방 산업단지에 위치한 기업들의 연소기 사용 현황 등에 대해 정부가 지속적인 계도와 교체를 유도해야 한다”고 말했다.
