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[기획] 저녹스버너 교체 지원사업, 어떤 성과 있었나
2008~2017년 NOx 15% 줄어 대기질 개선 효과 커
13년 간 4250개 이상의 시설 검사
환경공단의 철저한 관리 통해 진행
향후 강화되는 환경기준 대비해야
양인범 기자  |  ibyang@gasnews.com
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[1436호] 승인 2020.05.14  23:20:00
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질소산화물과 저녹스버너란 무엇인가
[가스신문=양인범 기자]  질소산화물(NOx)은 질소와 산소의 결합물질로 대기오염분야에서는 보통 NO와 NO2를 의미한다. NOx는 자연적으로도 생성되지만, 인간의 산업 활동이 발전함에 따라 급격하게 증가했으며, 대기 중에서 휘발성 유기화합물(VOCs)과 반응해 오존과 미세먼지를 생성하기도 한다. 또한 산성비를 유발해 오염 물질 발생 지역이 아닌 다른 지역에 피해를 주기도 한다. 주로 화석연료에 따라 연소시 발생하며, 생성 경로에 따라 크게 고온의 연소열에 의한 Thermal NOx, 연료에 의한 NOx(Fuel NOx) 및 Prompt NOx로 구분할 수 있다. 연료의 종류에 따라 다르지만, 연소공기 중에 포함된 질소(N2)가 1300℃ 이상의 고온에서 산화해 발생하는 Thermal NOx가 대부분을 차지하는 것으로 알려진다.

보일러를 포함한 모든 연소기기에는 버너가 필수적인 부품이다. 연료와 공기가 혼합되어 화염이 형성되는 부분을 개조한 것이 저녹스버너이며, 대부분의 연료와 공기의 혼합특성을 조절해 연소강도를 낮추고 연소초기 영역의 산소농도와 화염온도를 낮춰 고온 NOx를 억제시키는 법으로 개발되고 있다.

저녹스버너 기술은 혼합촉진형, 분할 화염형, 연소가스 자기 재순환형, 배기가스 재순환형, 단계적 연소형 등 여러 가지 방식이 적용되고 있다.

 

국내 저녹스버너 설치 지원사업의 역사
질소산화물은 국민적 관심이 되고 있는 미세먼지 발생 증가의 원인 물질이며, 자동차, 보일러 등 연소시설에서 대부분 배출된다. 환경부에서는 그간 무․저공해차 자동차 보급사업, 대형 연소시설의 배출 총량제 제도를 도입하였으나, 중소규모 연소설비의 경우는 NOx 제거에 대한 비용 효과를 고려한 보다 효과적인 저감기술 도입이 필요했다.

이에 따라 중소규모 및 영세기업에서 운영하고 있는 산업용 보일러의 일반버너를 저녹스버너로 교체 시 설치비의 일부를 지원해주는 “저녹스버너 설치지원사업”을 2006년부터 추진해 오고 있다. 지원 대상은 중소기업기본 시행령에 따른 중소기업, 비영리 법인․단체, 업무․상업용 건축물, 공동주택에서 사용중인 연소시설이며, 보일러, 흡수식 냉․온수기 및 건조시설 등이 해당된다.

 

저녹스버너 설치와 관리현황
2006년 사업 시행 후 2018년 말까지 총 1만6810대의 저녹스버너가 설치되었고, 사업초기에는 설치한 수량이 적지만 2009년도를 기점으로 수도권을 중심으로 매년 1천대 이상 버너 교체가 이루어지고 있다.

지역별로 살펴보면 서울시에서 2018년까지 총 4824대가 교체되어 전체의 약 28.6% 비중을 차지했다. 그 다음으로는 경기도와 대구, 부산, 인천이 뒤를 이었다. 가장 적은 교체가 이뤄진 곳은 충남으로 총 35대가 교체되었다.

용량별로 살펴보면 소규모 사업장에서 사용하는 중소용량(2톤 이하)보일러를 중심으로 사업 수행 성과를 거둔 것으로 나왔다. 전체 교체 수량 중 8125대가 1톤 미만의 용량이었고, 1~2톤 용량이 4630대, 2~3톤 용량이 1474대 였으며, 그 이상의 용량 보일러는 2581대로 전체의 약 15% 비중이었다. 또한 제작(공급)업체별 설치 현황에서는 ㈜수국이 7257대로 가장 많았으며, 그 뒤를 ㈜부-스타 4063대, ㈜청우지엔티 1963대, ㈜발트코리아 1267대 등으로 뒤를 따랐으며, 국내 11개 업체가 저녹스버너를 제작·공급하고 있다.

한국환경공단은 사업 초창기부터 저녹스버너 설치지원 사업의 관리를 위해 각종 검사 제도를 운영해 오고 있다. 저녹스버너 인정검사는 제품 판매 전 NOx 배출기준에 적합한 지를 확인하기 위한 것으로 현재 총 351개의 제품이 저녹스버너로 인정받아 설치되고 있다.

또한 지난 13년간 총 4250개 시설에 대해 성능확인 및 사후관리검사를 광범위하게 실시함으로써 인정받은 제품이 설치되었는지, 설치 후에도 지속적으로 성능이 유지되고 있는지를 관리해 오고 있다.

   
 

한국환경공단 대기환경처 정주영 과장은 “이러한 검사제도의 운영이 저녹스버너의 기술력 향상과 함께 설치지원 사업이 성공적으로 운영되는데 기여했다”고 말했다.

저녹스버너의 인정기준은 LNG, LPG연료 사용 시 NOx 40ppm, CO 120ppm미만이다.

 

저녹스버너로 대기오염 절감효과
13년에 걸쳐 이뤄진 저녹스버너 교체에서 중유 버너를 LNG 버너로 교체한 것이 저녹스버너 1대당 저감 효과가 가장 큰 것으로 조사됐다.

전국에 설치된 저녹스버너는 NOx가 연평균 6336톤, CO2는 54만3291톤 저감하는 것으로 분석되었고, 질소산화물 저감량은 연간 승용차 약 317만대의 운행중지 효과와 맞먹는 것으로 평가됐다.

또한 연료량 절감효과는 연간 1억1700만㎥으로 평가됐다. 대기 중의 NOx 농도에도 변화가 생겼는데, 서울시의 NOx가 2008년 38ppbv에서 2017년에는 30ppbv로 21% 이상 NOx의 농도가 감소했다. 더불어 전국적으로는 2008년 26ppbv에서 2017년 22ppbv로 15% 이상의 감소를 보여 대기질 개선이 이뤄지고 있음을 확인할 수 있었다.

 

해외의 저녹스버너 동향
일본은 94년부터 연소설비에 대해 석탄, 석유등의 연료를 천연가스로 전환하는 사업자에게 정부에서 보조금을 지원했다. 또한 2009년에 저녹스, 저CO2 소규모 연소기기 인정제도를 개정해 에너지효율 기준의 도입으로 기술혁신을 도모했다. 이때 보조금은 전국적으로 지원되나 동경, 오사카, 나라 등 총 5개 지역에서는 의무화됐다.

미국은 1980년대 Clean Air Act에 의해 산업용버너의 NOx규제를 강화하기 시작했다. 미국 남부 캘리포니아에서는 상업용 대용량 온수장치와 산업용 소형보일러 및 가열시설에서 배출되는 질소산화물을 저감하기 위해 SCAQMD(South Coast Air Quality Management District)법이 적용된다.

또한 2000년 이후 제작한 40만BTU~200만BTU의 시설에 대한 오염물질 배출허용농도는 건조가스 및 산소농도 3%기준으로 NOx 30ppm 및 CO 400ppm 이하를 인정받지 못할 경우 사용할 수 없으며, 2001년 이후 제작한 시간당 7만5000BTU~40만BTU 미만 시설은 산소농도 3%기준으로 NOx 55ppm 및 CO 400ppm 이하를 인정받지 못하면 판매할 수 없다.

유럽연합은 버너의 성능 및 기능을 표준 규격으로 정해 회원 국가에서 준수하도록 정하고 있다. 또한 기업 등 오염의 직접적인 배출자가 환경비용을 포괄적으로 부담하도록 하고 있다.

다만 국가마다 저녹스버너 지원 정책은 조금씩 다르다. 독일은 1980년대부터 저녹스버너 개발 등을 위한 연구비를 지원했다. 독일에서는 시설 설치 시 재정 지원보다는 제품에 대한 인증(환경마크인 블루엔젤)을 실시했다.

이탈리아는 원칙적으로 공장지역의 산업용 시설에는 국가의 재정 지원이 없다. 대신 북부 이탈리아 몇 개주(Piemon te주, torino시 등)에서는 주거 환경개선을 위한 보일러 시설 등에 2~30%를 지원한다.

중국은 심각한 대기오염 물질 배출 저감을 위해 2017년부터 북경에 신설하는 산업용보일러의 NOx배출량을 15ppm으로 제한했다. 이는 전 세계에서 가장 엄격한 수치에 달한다.

 

저녹스버너 기술의 향후 과제
전 지구적으로 환경오염문제와 지구온난화 문제가 심각해지고 있는 가운데, 유럽과 북미 이외에도 모든 나라들이 오염물질 저감에 노력을 하고 있다. 이에 따라 NOx배출은 앞으로도 더욱더 저감하려고 할 것이며, 그에 따라 기술도 발전할 것이다.

현재 미국 등에서 가장 많이 쓰이는 배기가스 재순환 기술은 NOx배출을 5ppm 수준까지 낮출 수 있지만, 그로 인해 산성 응축수가 발생해 기계를 부식시키고, 버너의 전체적인 크기가 커짐에 따라 중국이나 아시아 지역에서는 별로 선호하지 않고 있다. 이에 국내 업체들은 외부재순환인 아닌 내부재순환과 단계적인 연소 기술을 융합해 응축수 문제와 크기 문제에서 벗어나고자 노력하고 있다.

앞으로의 산업은 단순히 효율과 경제성 추구에서만 끝나는 것이 아닌 누가 더 친환경 기술을 개발하고 사용하는 것이 중요한 패러다임으로 작용할 것이기에 정부와 산업계가 기술 연구에 함께 고민해야 할 것이다.

 

 

㈜수국
FIR기술로 세계최고 수준 도달

   
▲ 수국의 HSULX 버너

독자적인 FIR기술 개발해
컴팩트한 설비·고효율 달성

1982년 연소기기 전문기업으로 설립된 ㈜수국(대표 박재언)은 가스버너 국내시장 점유율 1위, 환경부 저녹스버너 지원사업 점유 1위 등 연소기기업계에서 위상을 높이고 있다. 지난해 기준 연매출 272억원을 올렸으며, 기술개발에 지속적으로 투자하여 세계적인 기술력을 확보했다.
현재 국내외 버너시장이 모두 저NOx 제품으로 대체되고 있는 만큼, 주력제품인 저NOx 가스버너의 지속적인 품질향상을 이어온 결과 정부가 지원하는 저NOx 버너의 총 설치수량 43% 이상을 점유할 정도로 버너시장 내에서 입지를 다지고 있다.
수국이 가장 최근에 완성한 ‘HSULX (Hyper Super Ultra Low NOx, 초저녹스)가스버너’는 NOx배출량을 최대 8.77ppm(산소농도 4%조건)까지 줄일 수 있는 버너다.
수국은 FIR(Forced Induced Recircula tion)기술을 적용해 NOx 배출을 10ppm미만까지 이뤘다. 또 수국의 기술은 유럽의 버너들과 비교해도 더 뛰어난 기술력을 인정받아 중국에서도 많은 수출을 이뤄내고 있다. 또한 여기에 만족하지 않고 연료 다단계 기술과 Dual FIR기술을 융합해 NZE(Near Zero Emission)모델을 개발 중에 있다.
NZE는 NOx 배출을 9ppm 미만으로 이루는 기술이다. 거기에 더해 2022년에는 ZX(Zero NOx)모델, 즉 5ppm 미만의 배출까지 달성하려 한다.
수국 관계자는 “NZE와 ZX를 통해 앞으로도 다른 업체들보다 몇 발짝 앞서는 기술을 달성할 계획”이라고 강조했다.

 

 

한국미우라공업(주)
41개의 저녹스버너 인증 모델 갖춰

   
▲ 한국미우라의 SQ(3톤) 다관설치 보일러

산업용 관류보일러 전문기업
대형 예혼합버너 탑재기술

1982년 설립돼 산업용 관류보일러를 전문으로 제조하는 한국미우라공업(주)(대표 김광수)은 천안에 공장을 운용하고 있고, 중국 칭다오와 인도네시아에 해외사무소를 두고 있다.
한국미우라는 1985년에 국내 최초로 유류용 관류형 온수보일러를 개발했으며, 2015년에는 제37회 한국에너지효율대상 대통령표창을 수상하기도 했다.
저녹스버너 교체 지원사업에 따라 한국미우라는 41개의 저녹스버너 모델을 인증받았으며, 대표적인 저녹스버너 인증 제품은 SQ-ZEG(고효율)와 SQ-Z시리즈다. 이 시리즈는 연소실이 없는 Non-Furnace관체와 대형예혼합버너에 의해 새로운 연소전열 시스템을 만들었다.
대형예혼합버너를 탑재한 것은 국내 최초이고, 분할화염 형성으로 뛰어난 보염력과 연소성능을 가진 평면 콜게이트 버너를 적용했다. 더불어 한국미우라사 중형 대형보일러의 설치면적에 비해 60% 정도의 공간을 절약할 수 있다. 또한 원격에서 보일러 상태를 확인할 수 있는 상태표시 디스플레이를 부착했고, 연속 파이롯트 제어로 부하 추종성을 향상시켰다.
SQ-ZEG와 SQ-Z시리즈는 모두 PSM (공정안전보고서)대응이 가능하고, 1.5톤, 1.7톤, 2톤, 2.5톤, 3톤, 5톤, 6톤의 용량의 모델을 만들고 있다. 이외에도 자동공연비제어 밸브를 채용해 안전성을 높인 제품을 생산하고 있다.
한국미우라는 2016년 약 700억, 2017년 약 716억, 2018년 약 770억원의 매출을 올리는 등 지속적인 성장을 이루고 있다.

 

 

㈜대열보일러
롯데타워에 납품한 콘덴싱보일러 기술

   
▲ 대열보일러의 DMXN 시리즈

대열의 특허와 리엘로의 버너,
지멘스의 연소제어기술 결합

노통연관보일러 전문기업 ㈜대열보일러(사장 김재혁, 이하 대열)는 1970년 설립돼 올해로 50주년을 맞이하는 국내 산업용보일러업계의 터줏대감이다.
시대의 흐름에 따라 대열도 NOx와 CO배출을 저감하는 기술을 끊임없이 발전시켜왔다.
저녹스버너 기술이 모든 보일러에 적용이 되고 있는 만큼, 대열은 이탈리아 리엘로사의 저녹스버너를 부착해 쓰고 있다. 또 리엘로뿐만 아니라 독일 지멘스의 투 댐퍼 전자식 연비조절장치(LMV5) 및 Climatix 보일러 컨트롤러를 적용한 기술을 쓰고 있다.
대열의 대표적인 저녹스보일러는 DMXN시리즈(에코그린 콘덴싱보일러)다. DMXN은 노통연관식 보일러면서 가스용 스팀 및 중온수 보일러로 보유 수량이 매우 크고 7:1의 고효율 턴 다운 에코그린 운전이 가능한 제품이다.
이 제품은 한번 가동되면 부하변동에 맞게 가스와 공기를 가감해 연속 운전하므로 퍼지손실과 Stand-by Loss를 줄여준다.
대열은 DMXN과 같은 4세대 콘덴싱보일러 11대를 잠실 롯데타워에 납품·설치하는 성과도 거뒀다. 롯데타워에 설치된 대열보일러는 15톤 용량 4대, 10톤 용량 1대, 8톤 용량 1대, 5톤 용량 5대다.
대열의 저녹스버너 기술 담당자는 “대열은 지금의 기술에 만족하지 않고 배기가스 재순환 시스템을 통해 2020년까지 NOx배출량을 12ppm 미만까지 달성하려 한다”고 밝혔다.

 

 

㈜부-스타
초저NOx버너 부착한 관류보일러 제조

   
▲ 부스타의 BSS-RX 시리즈

확산화염 가스버너가 특징
고부하용 연소기로 우수성 입증

산업용보일러 전문기업인 ㈜부-스타(대표 유승협)는 1973년 창업 이래 중국, 러시아, 미국에도 진출한 국내의 대표적인 관류보일러 제조사다.
부스타는 전체 매출에서 관류보일러가 30%가 넘는 전문기업으로 관류보일러는 예열부하 없이 3~4분 이내에 증기가 발생하고 노통연관식보다 작은 크기로 설치가 용이한 장점이 있다. 또한 무면허·무검사로 누구나 운전이 가능한 점도 있다.
부스타의 저NOx 연소기술은 확산화염 방식의 가스버너를 특징으로 한다. 이 방식은 화염분할을 촉진하고 배기가스 내부 재순환을 통해 NOx와 CO를 저감한다. 예혼합을 제외하고 부스타의 확산화염 연소기술은 국내에서 NOx와 CO를 최저 수준으로 발생시킨다.
또한 가스 분출공의 방향선이 보염판의 중심과 일정한 각을 이루면서 화염분할 및 화염안정화를 가능하게 하고, 보염판에서 요부와 철부의 각 변 크기 비율을 최적화해 분할화염이론을 극대화시켜준다.
거기에 더해 간격유지 가이드(3mm×1mm)를 통한 안정적인 연소용 공기를 공급하고, Wind-Box에서 연소용 공기의 선회 인정으로 송풍기 압력손실 최소화, 송풍기 모터 용량 저감, 전력손실 방지를 꾀한다.
부스타는 이 기술로 연소실 체적당 정격열부하량(kcal/㎥)이 높고, 열악한 고부하 연소조건의 관류보일러에 적용해 고부하용 연소기로서 우수성을 입증했다.
부스타는 저녹스버너 기술을 인정받아 고효율 저녹스 진공온수보일러, 비례제어 관류보일러가 지난 2018년 조달 우수제품에 지정되는 성과를 거뒀다.

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