전 세계의 저녹스 연소 기술을 그 수준에 따라 나라별로 크게 나누면 미국, 유럽, 일본, 한국 등으로 구분 지을 수 있겠다. 엄청난 투자를 한 결과 최고의 기술을 보유하고 있는 미국과 그 다음 수준으로 유럽을 들 수 있고 일본은 어떤 부분에 있어서는 유럽보다 그 수준이 떨어진다고 볼 수 있다.
우리나라는 유럽 및 일본보다 상용화 기술개발을 수년 또는 십년 이상 뒤늦게 시작했지만 2006년부터 시행된 정부의 저녹스 지원 사업 덕택으로 짧은 시간에 엄청나게 빠른 기술 진보를 이룬 결과 우리나라의 현재 기술 수준은 일본보다는 앞서있고 유럽과 거의 동등 수준에 와있다고 할 수 있다.
미국의 저녹스 버너 연소기술
미국이 추구하는 저녹스 연소기술 방향과 다른 나라의 기술 방향에는 차이가 있어서 미국이 주로 대용량의 산업용 보일러용 저녹스 연소기술에 많은 진보를 이룬 반면 유럽은 주로 상업용 보일러용 저녹스 연소 기술에 앞선 진보를 이루고 있다. 한편 일본의 경우에는 관류보일러가 산업용 보일러 시장의 94% 이상을 차지하고 있는 특수성 때문에 미국 및 유럽에서 기존 보일러에 버너만 저녹스 버너를 교체하여 녹스 배출 저감 효과를 얻고 있는데 비하여 보일러와 버너를 동시에 저녹스 설계 구조의 새로운 형식으로 기술개발이 진행되었다.
우리나라의 경우는 미국식, 유럽식, 일본식 특성을 골고루 갖춘 보일러 시장의 성격을 가지고 있는 등 다양한 형식의 저녹스 연소기술 발달을 유도하는 텃밭을 보유하고 있어서 상대적으로 저녹스 기술 발달의 다양화와 가속화를 가져왔다. 저녹스 기술 발달 단계를 구분하기 위하여 세계 최고 수준인 미국의 기술 발달 단계를 예를 들어 설명하면 다음 그림과 같이 나타낼 수 있다.
현재 우리나라의 기술 수준을 미국의 기준에서 비교하면 2세대 수준이라고 할 수 있다. 그렇다고 이를 우리나라의 저녹스 연소 기술이 그만큼 낙후되었다는 의미로 받아들여서는 안 된다. 미국 저녹스 연소 기술의 경우 외부 FGR 비율을 가능하면 높여서 녹스 발생을 줄이려는 방향으로 진행되고 있는데 비하여, 우리나라에서는 외부 FGR을 사용하지 않고 있어서 차이가 발생하는 것에 불과하다. 동일한 성능의 저녹스 버너를 연소용 공기에 혼입하는 배기가스 재순환량 (FGR%)을 증가시키면 NOx발생량이 줄어드는 것을 실험에서도 알 수 있다.
기존의 초대형 보일러에 버너만 저녹스 버너로 교체하여 사용할 수 있는 버너로는 Staged Fuel type 저녹스 버너가 있는데, 이는 외부 FGR을 사용하지 않는 조건, 기존 송풍기를 그대로 사용할 수 있도록 기존 버너와 동일한 풍압 손실을 가져야 하는 조건, 그리고 기존 버너 연소헤드와 외경이 동일해서 별도의 보일러 전면부 수리 및 개조 작업이 필요 없는 등의 조건을 모두 만족하는 저녹스 버너 종류로 국한했을 때, 세계 최고의 기술력을 보유한 미국에서도 상품화된 아래의 저녹스 버너가 현재까지 유일한 버너가 아닐까 생각된다.
우리나라의 저녹스 버너 기술과 인정기준의 문제점
우리나라에서는 외부 FGR 방식의 저녹스 연소 기법을 채용한 버너는 저녹스 버너로 인정해주지 않고 있다. 여기에 문제가 있어 보인다.
외부 FGR을 사용하게 되면 최종 보일러 연도에서 추출한 배기가스의 온도가 200~300℃로 화염 온도에 비해서 매우 낮고, 산소농도도 2~4% 범위로 연소용 공기 중에 포함된 산소 농도 20.9%보다 매우 낮아서, 이러한 배기가스 중의 일부가 버너의 연소용 공기에 합류하여 연소하게 되면 화염의 온도가 낮아지고 결과적으로 NOx 발생도 감소된다. 이는, 화염 중에 1370℃이상 되는 고온 영역에서는 Thermal NOx가 만들어지는데, 높은 온도에 의하여 공기 중에 있는 산소분자와 질소 분자가 서로 반응하여 발생되는 것이므로 화염 온도를 낮추면 Thermal NOx의 발생량이 감소하는 장점이 있는데도 말이다.
특히, 외부 FGR 방식에서는 화염 온도를 저하시키려고 공기의 양을 늘리면 공기 중에 포함된 산소 분자의 양이 많아져서 공기 중의 질소 분자와 반응하여 NOx를 생성할 수 있는 NOx 발생 증가 요인이 공기량 증대 효과로 얻은 화염의 온도 저하에 의한 NOx 발생 감소 효과보다 크다. 결과적으로는 최종 NOx발생이 증가하는 것에 비하여 배기가스 중에는 산소 농도가 희박하므로 (2~4%) 질소와 반응하여 NOx를 만들어내는 산소 분자의 양에는 큰 증가 없이 화염 온도만 낮아져서 효과적으로 Thermal NOx 발생을 감소시킬 수 있는 장점도 가지고 있다. 연소용 공기에 혼합하는 배기가스 양을 증가시키면 증가시킬수록 NOx 저감효과는 높아지지만 반대급부로 연소의 불안정성이 증가한다. 따라서 연소의 불안정성을 극복하면서 가능한 한 외부 FGR량을 늘리는 버너 설계가 저녹스 연소 기술이 지향하는 방향이다.
RMB(Rapid Mix Burner)버너와의 비교
통상적으로 FGR 량은 연소용 공기량에 비하여 25%정도 수준에 머물지만 미국의 저녹스 버너 바이블처럼 등장하는 RMB(Rapid Mix Burner) 저녹스 버너 모델은 연소 안정성을 유지하면서도 FGR 비율을 약 60%까지 끌어올렸다. 이 결과 FGR이 전혀 없을 때 RMB의 녹스 발생 성능이 상온 연소용 공기일 때 80ppm, 150℃ 연소용 공기 일 때 140ppm, 260℃ 연소용 공기일 때 200ppm 정도의 성능에 불과한 버너가 FGR비율을 최대한 증가시켜서 5~9ppm의 수준까지 달성되었다.
비전문가들 뿐 아니라 전문가들까지도 RMB 모델이 한 자리 수에 불과한 NOx 발생량(5~9ppm)의 높은 기술 수준의 저녹스 버너로 알고 있지만, 사실 우리나라 기준으로 보면 이 RMB 모델은 미국의 제1세대 저녹스 버너 수준에도 못 미치고 우리나라 저녹스 인정 기준 50ppm에도 못 미치는 낮은 기술 수준의 저녹스 버너로 전락할 수밖에 없는 것이다.
한국형 저녹스 버너의 장점
외부 FGR 비율을 가능한 한 증가시켜도 화염 안전성을 유지하는 연소 기술을 저녹스 연소기술로 인정 해주는 미국 시장의 특성상 저녹스 버너로 교체하는 것만으로 한 자릿수 ppm 단위까지 NOx 발생을 저하시킨 버너들이 미국의 버너들이다. 이러한 이유로 미국 시장에서는 NOx 저감을 위한 후처리 시설인 SCR의 보급이 매우 미미하고, 반대로 우리나라에서는 초기 투자비도 많이 소요될 뿐 아니라 유지비도 높은 SCR의 설치가 활발하게 된 것이다.
외부 FGR을 사용하려면 저녹스 버너 이외에도 보일러 배기가스 최종 연도에서 버너까지 배기가스 공급을 위한 덕트배관 및 배기가스 공급용 송풍기 등 시설 공사와 유량 제어 등 복잡한 장치들이 포함되어야 하는데, 이 때문에 최근 미국에서도 외부 FGR 없이 녹스 배출 농도 15ppm까지 달성되는 저녹스 버너가 신규 설치 보일러 시장용으로 속속 상용화 제품들로 나오고 있다. 그러나 이것도 내용을 깊이 들여다보면 실용성에 한계가 있음을 알 수 있는데, 이러한 버너들의 풍압 손실이 통상의 버너보다 높거나 Prompt NOx 발생 억제를 위해 부분 예혼합을 하는 구조이기 때문이고, 버너 운전시 각 부하별로 열음향 진동을 피하기 위하여 공기비 FGR 비율 등을 각각 다르게 세팅된 값으로 운전되어야 하는 등 별도의 전용제어기를 필요로 하는 등 실용적인 보급에는 장애요인이 많은 것이 사실이다.
초대형 보일러의 경우 저녹스 연소 성능을 위해 버너에 의한 풍압 손실이 커지면 송풍기를 바꾸어야 하는데 소요 동력이 몇 백 마력 이상 되는 큰 송풍기를 교체한다는 것이 현실적으로 쉽지 않은 일이기 때문에 우리나라의 저녹스 버너가 갖추어야 할 요구조건은 버너 풍압 손실이 종전의 버너와 동등한 수준이어야 한다는 것이다. 이러한 우리나라의 제한 조건을 모두 만족하는 기준으로 사용 가능한 현재 세계 최고 수준의 저녹스 버너 성능은 버너 한 대의 용량이 스팀증발량 시간당 20톤에서 50톤으로 되는 초대형 산업용 보일러용 저녹스 버너의 경우 30ppm (미국, 유럽 등 발열량 8650kcal/Nm3의 천연가스 기준)이다.
이를 한국의 10400kcal/Nm3발열량의 천연가스 기준으로 환산하면 40ppm이 된다. 동일한 저녹스 버너로 발열량이 높은 가스(화석연료에 국한되지만)를 연소하면 화염 온도가 상승하고, 화염온도가 상승한 만큼 NOx 발생량도 증가한다. 현재 우리나라 저녹스 인정 기준은 50ppm(O2 4% 기준)이지만 지역 난방공사 등에서 사용하는 초대형 보일러용 버너의 경우 세계 최고 수준 (버너 풍압 손실이 종전형 버너와 동일하고 외부 FGR을 사용하지 않는다는 조건 하에서)인 40ppm이므로 이미 우리나라의 저녹스 연소 기술은 일면 세계 최고에 도달해 있다고 볼 수 있겠다.
자료제공 (주)수국 이천공장 박재언 대표이사
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