산업용버너 제조사들, 수소버너 개발 나섰다
가스버너 대비 3배 높은
NOx 배출량 저감이 관건
일본, 독일에서는 이미
상용 기술 사용하고 있어
[가스신문 = 양인범 기자] 국내 산업용 버너 제조사들이 산업용 수소 버너 개발에 뛰어들기 시작했다.
수소는 무색, 무취의 기체이며, 기존 메탄(CH₄)이 주 성분인 천연가스에 비해 8배 가볍다. 또한, 수소의 열량은 상업적인 천연가스의 3배에서 3.5배 이상 낮다.
수소의 연소 반응식은 아주 간단하다. 2개의 수소 분자가 1개의 산소분자와 결합해 물을 발생시킨다. 이 때문에, 수소는 연소시 물만 배출하는 친환경 연료로 평가받는다.
하지만, 공장과 발전소 등 산업에서 수소를 사용하면 상황이 달라진다. 산업용 보일러·버너에서 수소를 연소시키면, 적어도 1,000℃ 이상의 고온에서 연소가 이뤄진다. 이때, 가벼운 기체인 수소는 높은 불꽃 속도를 만들고, 국소적으로 화염 온도를 증가시켜 대기 중의 질소(N₂)와 반응해 높은 수준의 NOx를 발생시킬 수 있다.
수소 연소 분야를 연구하는 한 전문가는 “산업에서 수소를 연소시킬 때는 2,000K 이상의 고온에서 이뤄지는데, 이 때 NOx는 기존 천연가스 연소에 비해 3~4배 이상 발생할 수 있다”고 말했다.
순수한 수소 자체에는 질소가 없지만, 대기 속에 포함된 78%의 질소가 Thermal NOx로 반응해 만들어진다는 뜻이다. 이 때문에 버너 제조사들은 NOx 생성을 최소화할 수 있도록 버너를 설계해야만 한다.
해외의 사례를 살펴보면, 일본 도요타는 주가이로공업과 협업을 통해 지난 2018년 NOx 배출량을 대폭 낮춘 공업용 수소버너를 개발했다. 도요타가 개발한 수소버너는 수소와 산소의 혼합을 막는 장치와 산소농도를 낮추는 장치를 통해 수소를 수소를 천천히 연소시켜, 동일 규모의 도시가스 버너 수준 이하로 낮추는데 성공했다.
또한, 독일의 엔지니어링 회사인 SAACKE는 이미 40년 전부터 저녹스 수소버너 연구를 진행해 왔다. SAACKE는 자사의 수소버너를 유럽과 중국 등에 오래전부터 설치·보급하고 있다.
국내에서 수소버너를 개발해 운영한 제조사는 ㈜수국이 대표적이다. 수국은 2011년 경 중국에서 수소버너를 개발·설치해 운영한 바 있다. 당시에는 중국 내 대규모 화학산업단지에서 발생하는 부생수소를 연료로 쓰기 위한 것이었다.
수국 이외에도 여러 국내 산업용 보일러·버너 제조사들이 수소·암모니아 연소 기기 개발을 시작하고 있지만, NOx 배출량 저감이 쉽지 않기에 고민이 큰 상황이다. 국내 제조사들은 우선 관련 대학·연구기관에 의뢰해 기술 자문을 구하고 있다.
수국의 관계자는 “과거에 수소버너를 개발했었지만, 대기오염물질 배출기준이 엄격해진 상황에서 저녹스 수소버너 연구는 쉽지 않다”며 “산학연과의 협력을 통해 기술 개발을 할 수 있는 시스템을 만들어야 세계 시장에서 뒤처지지 않을 것이다”고 말했다.
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