수소는 지구 온난화와 같은 기후 위기 문제를 해결할 수 있는 무탄소 연료로써 전 세계적으로 각광을 받고 있지만 수소 연소 기술은 아직 개발 초기 단계에 있으며, 복합적인 도전 과제를 극복해야 한다.

수소 연소 기술의 발전을 위해서는 다음과 같은 노력이 필요하다.

△수소화염의 높은 온도로인한 매우 높은 녹스 발생을 줄이기 위한 연소기술 개발 △수소화염의 복사전열량과 대류전열량 감소를 극복할 수 있는 보일러 열설계 기술 개발이다.

인류는 에너지를 사용해오면서 처음에는 에너지 비용 절감을 위한 고효율 연소를 추구했다. 그러나 고효율 연소만 추구하다보니 미세먼지의 원인이되는 환경오염물질의 발생량을 증가시킨다는 것을 알게되었고 그때부터 저녹스 연소 기술을 개발하게 되었지만 고효율 연소를 포기할 수 없었기에 고효율과 저녹스 연소라는 두 가지 기술을 양립시켜야 하는 어려운 도전 과제를 겨우 극복해오고 있었다.

최근에는 심각해진 지구 온난화 문제를 해결하기 위한 무탄소 연소 기술이 새로운 도전과제로 등장하고 있다. 수소 연료로 고효율 저녹스 연소 기술의 양립이라는 매우 어려운 고도의 도전 기술이 요구되고 있다. 인류가 에너지를 사용하는데 필요한 기술은 점점 더 고도화 되고 있다고 말할 수 있겠다.

수소는 지금까지 대표 연료로 사용해온 화석연료인 천연가스에 비하여 화염 온도가 높아서 아무런 조치 없이 수소를 연소하게 되면 3배 이상의 녹스를 만들기 때문에 현재 질소산화물 배출 기준을 만족할수 없다.

수소연료가 무탄소 연료로 최근 각광을 받기 이전부터 수소화염의 복사 열전달을 증가시키기 위한 여러 연구자들의 연구가 있었는데 Choudhuri와 Gollahalli 연구자들이 실험적 연구를 통해서 알아내 사실은 수소에 천연가스와 프로판과 같은 탄화수소 계열 연료 혼합 비율을 증가할수록 가시화염의 길이가 증가하고 화염 길이가 증가된 만큼 화염의 표면적이 증가하여 화염으로부터의 복사 열전달이 증가된다는 것이다. 이를 통하여 우리는 100% 수소화염은 천연가스 화염에 비해서 복사 열전달이 줄어들거라는 것을 쉽게 예상할 수 있다.

수소는 화석연료에 비해서 이론공기량이 적고 연소 범위가 넓은 데다가 연소 속도마저 매우 빨라서 훨씬 적은 과잉 공기로도 완전 연소가 된다. 이로 인해 최종 연소 생성물의 양이 감소하고, 화염길이도 줄어들어 대류 전열량과 복사 전열량이 감소한다. 따라서 천연가스연소용으로 설계된 보일러를 아무런 조치없이 수소보일러로 사용하게되면 동일한 전열 면적으로는 보일러 용량이 감소하게 된다. 이러한 전열량 감소로 인한 보일러 용량 감소 문제를 해결하기 위한 보일러 전열 설계를 다시 해야 하는 등 버너뿐만 아니라 보일러까지 복합적인 개발을 해야하는 도전 과제는 피할 수 없음을 알고 대처해야 할 것이다.

이러한 도전 과제를 해결하기 위해서는 수소에 특화된 보일러 설계가 필요하다. 이러한 수소의 연소 특성을 고려한 최적의 전열 설계 노력 없이 버너 연소 기술만의 노력만으로는 수소 보일러의 효율을 높이고 저녹스 성능을 확보할 수 없을 것이다. 수국은 과거 2002년부터 100% 수소연소 산업용보일러 수소전용버너를 중국 시장에 수출한 경험이 있다. 수소특화 보일러 기술 개발을 위해 부생수소·그린수소를 포함해 수소의 혼소 도시가스를 공급하는 실증과 함께 경험이 있는 기업들과 정부가 협업할 필요가 있다.