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[기고] 주요국가의 저녹스버너 연소기술박재언 대표 (수국)
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[1364호] 승인 2018.10.16  23:07:00
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중국, 차세대 저녹스버너 연소기술의 성지로 거듭나

중국 강력한 정책으로 NOx 배출규제 강화
지난해 4월부터 배출기준 신규설치 15ppm으로 개정
한국, 유럽, 미국 등 버너업계 진출 가속화

 

   
 

중국은 천연가스 소비량이 매년 2,000억m³이 넘고 가스보일러 설치 수량도 50만대를 초과하는 세계적으로도 대규모의 가스시장이다. 

학계에서 지난해 발표된 질소산화물(NOx)과 미세먼지의 상관관계에 관한 연구결과에 따르면 질소산화물 농도가 PM2.5의 미세먼지가 형성되는 데 약 50%의 영향력을 행사하는 것으로 알려졌다.

또한, 질소산화물 1톤 감소가 미세먼지 0.13% 감축으로 이어지는 효과가 있다는 미국 캘리포니아대학의 모의계산 결과를 통해 중국 정부는 질소산화물 감축이 대기질 개선에 중요한 인자임을 인지했다. 

이에 중국 정부는 보일러 배기가스에 포함된 질소산화물의 사업장 농도 배출기준을 전면 강화하고 나서는 등 저녹스 환경규제를 통한 대기질 개선에 적극 나서고 있다. 

지난 2015년 7월 북경시 ‘보일러 대기오염물질배출표준’ 시행이 대표적 사례라 할 수 있다.

지난 2015년 7월 1일 발효된 북경시 ‘보일러 대기오염물배출표준(DB 11/139-2015)’을 살펴보면, △2017년 3월 31일까지 설치되는 보일러- NOx 80mg/m³(40ppm) 이하 △2017년 4월 1일부터 설치되는 보일러- NOx 30mg/m³(15ppm) 이하로 각각 제한하고 있다. 

기존에 이미 설치된 보일러의 경우 2017년 3월 31일까지 NOx 150mg/m³(75ppm) 이하, 2017년 4월 1일부터는 NOx 80mg/m³(40ppm) 이하로 교체해야 한다. 

현재 북경시에 설치된 기존 가스보일러의 50% 이상은 NOx 배출농도가 150mg/m³을 초과하고 평균 NOx 배출농도는 138mg/m³(67ppm)인 것으로 확인됐으며, 이들 중 전량에 가까운 보일러가 개조 대상인 셈이다.

중국 정부가 전 세계적으로도 미국 캘리포니아의 보일러 NOx 배출기준(9ppm 이하) 다음으로 엄격한 15ppm(30mg/m³)의 기준을 새롭게 도입하면서, 그에 부합한 저녹스 연소기술 확보도 관건으로 떠올랐다. 

대표적으로 미국에서는 표면연소가 특징인 NOx 배출 15ppm 이하의 ‘프리믹스(Premix)타입 버너’가 있다. 이는 미국 남가주대기정화국(SCAQMD) 규정이 적용되는 지역에서 보급이 활성화되고 있다. 

   
▲ 가스 다단화 기술이 적용된 NOx 배출 30ppm 이하의 미국 Oilon 저녹스버너

그러나 이 버너의 경우 과잉공기율이 높아 에너지효율이 기존 버너에 비해 현격하게 떨어진다는 단점이 있다. 또한, 표면연소 버너의 내부에 큰 부피를 차지하고 있는 가스와 공기가 예혼합된 폭발성 기체가 존재해 안전성이 떨어진다는 기술적 보완점이 드러나면서 미국에서도 SCAQMD 규정 적용 지역 외에는 거의 보급되지 않고 있다.

프리믹스 타입의 또 다른 문제점은 표면연소 방식의 경우 메탈화이버 버너와 같이 미크론 단위의 구멍을 가진 금속망 표면에서 연소가 이뤄지는데 그 과정에서 송풍기에 빨려들어 오는 공기에 섞인 먼지가 두 달도 안가 그 구멍을 막아버리는 현상 때문에 연소용량이 감소하는 현상이 생긴다. 또 이를 방지하기 위해 송풍기 흡입구에 미세먼지 필터를 장착하면 자주 청소를 해줘야 하기 때문에 관리도 매우 까다롭다.

현재까지 버너기술로는 ‘공기 다단화’ 1세대 기술, ‘가스 다단화’ 2세대 기술, ‘가스 내부재순환’ 3세대 기술,  ‘예혼합’ 4세대 기술 등을 들 수 있다.

최근 국내외에서 주로 적용되고 있는 버너 단일기술로는 2세대, 3세대 기술인 것으로 알려지고 있다. 실제로 수관식보일러에 적용되는 가스 다단화 기술은 NOx 배출 30ppm 이하를 보증할 수 있는 최고 수준의 기술이며, 미국 Oilon社의 버너가 그 예다.

노통연관식 보일러에 적용되는 단일 버너기술로 최고 수준인 가스 내부재순환 기술은 대부분 유럽 버너제조사에서 채택하고 있는 기술인데 독일 Weishaupt社의 가스버너가 대표적이다. 

Weishaupt는 최근 중국 정부의 강력한 저녹스 규제에 관심을 갖고 중국 에너지전시회에 참가, 복합 기술을 적용한 저녹스버너 제품을 출품하는 등 현지 시장 진출에 발빠른 행보를 보이고 있다.

이에 반해 이탈리아 Riello, Baltur, Unigas, 독일의 Elco 등도 유럽에서는 굴지의 버너제조사들이지만 현재까지 NOx 배출농도 15ppm 이하의 성능을 갖춘 모델을 개발하진 못했다.

독일의 3세대 저녹스버너 복합 기술은 바로 보일러 배기가스 연도에 별도의 관을 버너 송풍기 흡입구에 연결, 배기가스 외부 재순환기술을 기존의 30ppm 저녹스버너에 적용한 것이다.

이는 배기가스 외부 재순환비율(연소용 공기에 대한 재순환되는 배기가스의 비율, FGR)을 높이면 NOx 발생량이 감소하는데, 대략 FGR 10~15% 정도면 NOx 발생량의 50%를 줄일 수 있으므로 기존 30ppm 버너에 외부 FGR 기술을 접목하면 15ppm의 스펙을 달성하게 되는 원리에 근거한다.

그러나 이 기술은 프리믹스 타입과 같은 표면연소 버너와 함께 미국의 SCAQMD 지역에서만 사용되는 또 하나의 기술인데 유럽, 아시아 등지에서는 적용이 어려운 기술이다. 

그 원인은 겨울철 대기 온도가 비교적 높은 미국 캘리포니아 지방에서는 이 기술을 적용하더라도 응축수 발생이 없다. 하지만 중국 북경처럼 겨울철 기온이 낮은 지역에서 보일러 부하가 낮은 상태로 운전되면 외부 재순환되는 배기가스가 응축돼 송풍기 흡입구에 그대로 빨려 들어가 고장의 원인이 되기 때문이다.

또한, 외부 재순환으로 추가되는 배기가스만큼 연소실로 유입되는 연소가스 총량이 증가하기 때문에 기존 보일러 연소실에 정격 연소량을 모두 투입할 수 없다는 단점이 있다. 그래서 이러한 방식의 버너는 응축수 문제를 해결하기 위해 보일러 부하율을 항상 80% 이상 유지해야 하는 기술 전제가 붙는다. 

다시 말해 미국 캘리포니아 지방과 기온이 유사한 중국의 상해 등 일부 지역에서만 사용할 수 있다는 것이다. 해당 저녹스 기술은 현재까지 드러난 개선점이 보완되고 있으며, 독일 자국을 비롯해 중국에서도 상용화를 앞두고 있다.

현재 에너지 낭비 없이 저녹스 연소를 구현한 기술로 종래 버너와 동급의 열효율을 발휘하면서 NOx 배출농도 15ppm 이하를 달성한 디퓨전 방식의 국산 SULX 저녹스버너(사진2 참조)가 유일하다. 

SULX 저녹스버너는 NOx가 즉각 발생하지 않도록 쾌속혼합 기술과 보온성 NOx의 발생을 감소시키는 자가 재순환 기술을 극대화한 복합 기술을 접목했다. SULX 저녹스버너의 가스 다단화 기술과 고도화된 자가 재순환 기술의 복합화로 수관식 보일러와 노통연관식 보일러에 모두 적용 가능한 유일한 버너다.

SULX 버너에만 적용된 ‘자가 재순환 고도화’ 기술은 윈드박스(wind box) 내 공기 유동구조를 벤추리 형태로 구현해 연소용 공기의 분출속도를 높이면 그로 인해 낮은 압력이 조성되는데, 이것이 연소가스를 유인하게 되고 연소용 공기와 혼합돼 NOx 발생량을 50% 줄이는 원리다.

해외 선진국들을 포함해 여러 개발도상국에서도 최근 미세먼지 저감과 저녹스 기술의 중요성을 인지하고 있는 만큼, 향후 저녹스 연소기술은 미래 에너지시장의 핵심 아이템으로 부상할 전망이다. 

최근 그 중심에는 강력한 환경정책을 전개하고 있는 중국이 있으며, 지금이 국산 연소기술이 해외에서 명성을 떨칠 수 있는 절호의 기회이기도 하다.

   
▲ 가스 내부재순환 기술이 적용된 독일 Weishaupt社의 저녹스버너
▲ NOx 배출농도 15ppm 이하를 달성한 디퓨전 방식의 국산 SULX 저녹스버너
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