저녹스 저감연소기술 5가지 적용

연료·공기 다단 연소기술이 대표적

최근 국내외적으로 미세먼지 발생 저감에 대한 관심이 고조되고 있으며, 보일러등 연소 시스템에서 발생하는 미세먼지의 전구 물질(Precursor)인 질소산화물(NOx)의 배출에 대한 규제가 강화되고 있다.

특히 공장과 산업현장에서 필수적으로 사용되는 산업용 버너는 환경오염을 줄이려는 세계 각국의 노력에 따라 저녹스 기준을 충족해야만 한다.

이 때문에 질소산화물 발생 저감과 동시에 이러한 연소 시스템에서의 연소효율을 향상시키는 기술에 대한 관심도 온실가스 감축과 관련하여 매우 높아지고 있는 실정이다. 따라서 에너지 절약과 NOx 저감을 동시에 달성하는 고효율, 저녹스 연소 기술 개발이 시급한 실정이다.

저녹스 버너의 NOx 배출량에 대한 정확한 기준은 없으나, 환경부 저녹스 버너 인정 기준을 참고로 통상적으로는 녹스 발생량이 40ppm 이하인 경우 저녹스(Low NOx) 버너, 20ppm 이하일 경우 초저녹스(Ultra-Low NOx) 버너로 구분하며, 또한 필자는 녹스 발생량이 5ppm 이하로 무시할 수 있는 수준의 극단적으로 낮은 수준인 경우는 무오염(Pollution Free) 버너로 명명하였다.

연소시 발생하는 NOx는 다음과 같은 원리로 생성된다. 천연가스와 같은 탄화수소 연료의 연소 과정에 있어서 NOx의 생성은 광범위한 당량비에 걸쳐서 고온 연소영역에서 발생하는 열적 질소산화물(Thermal NOx)과 화염 면에서 질소함유 라디칼과 산소가 반응하여 발생하는 급속 생성 질소산화물(Prompt NOx) 및 연료 중에 포함된 질소 분자 성분이 산소와 반응해 생성되는 연료 질소산화물(Fuel NOx)로 구분할 수 있다. 청정 연료인 천연가스를 연료로 사용할 경우 연료 중 질소 성분이 없기 때문에 연료 질소산화물은 발생하지 않으며 열적 질소산화물과 급속 생성 질소산화물이 발생한다.

버너에서 연소 시 질소산화물의 생성을 억제하기 위해서는 연소과정에서 화염장(filed)내 국부적인 산소 농도의 제어, 연소실 내 체류 시간 단축과 고온 화염대 온도 강하 등 연소 조건을 조절하는 방법이 있다.

또한 10ppm 이하 단위 NOx 발생을 위해서는 열적 NOx 뿐만 아니라 급속생성 NOx의 생성을 억제하기 위한 화염에서의 국부적인 연료 농후 영역의 생성을 억제하는 기술도 매우 중요하다. 이를 위해 화염이 형성되는 입구에 연료와 공기를 매우 짧은 시간 내에 급속히 혼합하는 기술을 적용하는 방법이 있다.

연소시 발생하는 녹스의 발생 저감을 위한 저녹스 연소 기술은 연료다단(Fuel Staging), 공기 다단(Air Staging), 물 분사(Water Injection), 스팀 분사(Steam Injection), 배기 재순환(Flue Gas Recirculation, FGR) 기술 등이 적용되고 있다.

이러한 기술들 중 연료·공기 다단 연소기술은 대표적인 저녹스 기술로, 연료나 공기의 유동을 분할하여 화염장을 연료 농후 영역과 연료 희박 영역으로 형성하여 NOx발생을 저감하는 기술이다.

또 다른 대표적인 저녹스 기술로는 외부 배기 재순환 기술이 있으며 이 기술은 굴뚝으로 배출되는 배기가스의 일부를 다시 버너의 공기 흡입부로 재순환 시키는 기술로써 재순환 가스중의 이산화탄소(CO2), 질소 등 불활성 가스 성분이 화염의 온도를 낮추어 NOx를 저감하는 기술이다.

증기/물 분사 기술은 화염에 물이나 증기를 직접 분사하여 화염의 온도를 떨어트려 녹스를 저감하는 기술이다. 상기 저녹스 버너 기술들은 확산 연소인 경우에 해당하는 기술이며, 예혼합 연소 시에도 저녹스 연소가 가능하다. 연료와 공기를 미리 혼합하여 연소실에 주입하는 예혼합연소는 대표적으로 금속섬유버너(Metal Fiber Burner)가 있으며, 과잉공기비를 높일시 상대적으로 수월하게 저녹스를 구현할 수 있는 장점이 있으나 확산연소 버너와 비교해 상대적으로 낮은 안전성, 낮은 연소 효율 및 높은 일산화탄소(CO) 농도 등 극복해야 할 기술적인 문제들이 남아있다.

가장 최신 저녹스 기술인 내부 재순환 기술(Flue Gas Internal Recirculation, FIR)은 굴뚝으로 배출되는 배기가스를 송풍기 동력을 이용해 흡기에 공급하는 배기 재순환 기술과는 다르게, 연소실 내부의 연소 가스를 연료나 공기의 운동 에너지를 이용하여 버너 입구로 재순환시키는 기술이다. 내부 재순환 기술은 추가적인 송풍기 동력이나 배관 설비등이 필요없기 때문에 배기 재순환 기술에 비해 훨씬 더 효율적이고 경제적인 저녹스 기술이다.

내부 재순환 기술은 흡입 공기를 벤츄리 효과를 이용해 고속·저압으로 형성하여 연소실 내 연소가스가 흡입 공기에 빨려 들어오게 하는 공기 내부 재순환 기술(Air FIR)과 연료의 운동 에너지를 이용해 연소 가스가 연료 노즐 안으로 재순환 되어 유입되게 하는 연료 내부 재순환 기술(Fuel FIR)이 있다. 또한 이러한 두가지 내부 재순환 기술을 동시에 적용한 복합 내부 재순환 기술이 있다.

한국생산기술연구원은 지난 20여년 이상 정부지원 기술개발사업을 통해 산업용 보일러에 적용되는 저녹스 버너 개발에 주력하였다. 다단 연소 기술을 적용한 저녹스 버너를 2000년경에 개발하여 NOx 28ppm (모든 NOx 수치는 100% 부하시 공인 시험 성적서 기준)을 달성하였고, 내부 재순환 기술을 적용한 버너를 2016년경 개발에 성공하여 NOx 8ppm을 달성하였다.

최근에는 이러한 복합 내부 재순환 기술과 외부 재순환 기술을 적용한 기술을 개발하여 5ppm 이하 대 녹스 배출 농도의 무오염 버너 개발에 성공하였다. 즉, 무오염 버너는 기존의 연료 및 공기 다단 연소 기술을 바탕으로한 초저녹스 버너 기술에 공기 내부 재순환 기술과 연료 내부 재순환 기술을 적용하였고 소량의 배기 가스를 흡입 공기에 혼합하는 배기 재순환 기술을 적용하여 무오염 연소기 개발에 성공하였다. 또한, 이러한 NOx 발생 수치를 연소 효율이 높은 배기 산소농도 1%대의 매우 낮은 저과잉 공기비 조건에서 달성하여 고효율과 저공해를 동시에 달성하였다. 이러한 세계 최고 수준의 버너 개발에 성공하여 국내 버너 전문기업에 기술 이전되어 국내 뿐만 아니라 중국등 해외 시장에도 진출한 상황이다.

상기한 바와 같이 화석 연료를 사용하는 보일러나 공업로 등 에너지 시스템에서 미세먼지 전구물질인 녹스의 발생을 저감하는 저녹스 연소 기술 개발이 매우 중요하다.

저녹스 연소기술은 실용화되지 못한 게 많았다. 현실적 운전·설치조건 등을 반영하지 못했기 때문이다. 예를 들어 매우 높은 송풍기 풍압이 요구되는 높은 ‘버너 차압’의 기술은 아무리 NOx 배출량이 낮아도 대응하는 송풍기 용량이 비현실적으로 커져야 하므로, 고비용이 들고 매우 많은 동력을 소모하기에 실제 제품화가 불가능하다.

더불어 탄소중립과 수소 및 신재생에너지로의 전환이 가속화되는 상황이지만, 산업용보일러, 공업로 등 가스를 연료로 하는 대형 연소기기는 아직 필수적인 상황이다. 즉 연소기기의 연구와 개발은 지속적으로 필요하다는 뜻이다.

본 연구진은 NOx 저감에서 한걸음 더 나아가 극단적으로 NOx 발생을 억제하는 연소 기술, 즉 NOx 발생이 거의 제로에 가까운 무오염 연소 기술 개발에 주력하고 있으며 국가적으로 집중 지원하여 보일러 및 다양한 가스 기기별 무오염 연소기술이 조속히 개발될 수 있도록 연구 개발 사업이 추진되기를 희망한다.