- 국내 최초로 다른 연료와의 혼합 없이 순수 암모니아를 이용한 연소 기술 개발

- 무탄소 연료 암모니아의 직접 이용 기술 개발 통해 탄소 중립 기여

- 탄소중립 향한 도전, ‘암모니아’ 연소기술 개발 나선다

■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 신연소발전연구실 이민정 박사 연구진이 국내 최초로 100% 무수 암모니아*를 이용한 연소 기술 개발에 나섰다.

* 무수 암모니아(anhydrous ammonia): 질소와 수소로 구성된 액체 및 기체 상태의 순수 암모니아를 의미하며, 수용액 상태의 암모니아수와 구별하기 위해 무수(無水) 암모니아라 명명

■ 연구진은 연구원 기본사업인 ‘CO2-free 암모니아 직접 이용을 위한 저NOx 가스터빈 연소기술 개발’을 통해 암모니아 연소기 핵심 설계 기술을 확보할 예정이다. 특히 기존 연료와의 혼합 없이 100% 암모니아만을 이용한 연소기술 개발은 국내 최초의 시도다.

■ ‘수소경제 활성화 로드맵’, ‘2050 탄소중립 추진전략’에 따라 수소는 다양한 산업 부문으로 확대돼 수요가 크게 증가할 것으로 예상된다. 이러한 가운데 무탄소 연료인 암모니아의 사용은 수소 캐리어로써 수소경제를 견인할 수 있고, 연료 암모니아 연소를 통해 직접 활용이 가능하기 때문에 주목받고 있다. 또한 수소와 비교했을 때, 폭발 위험성이 적고 안정성은 높으며 세계적으로 비료 용도 등으로 이용이 활발해 기반 인프라가 갖춰져 있어 경제성에 확보에도 장점이 있다.

□ 암모니아 연소기술에 대한 세계적 관심도 증대되고 있다. 올해 3월에는 MHI(Mitsubishi Heavy Industries, 일본)사가 2025년 세계최초 상용화를 목표로 40MW 암모니아 가스터빈 개발에 착수했으며, 6월에는 GE(General Electric, 미국)사와 IHI(Ishikawajima-harima Heavy Industries, 일본)사가 MOU체결을 통해 아시아 가스터빈 시장 진입을 위한 로드맵 수립을 시작했다.

■ 암모니아는 기존 LNG연료 대비 50% 수준의 낮은 발열량과 20% 수준의 연소속도를 가져 연소 안정성을 확보하기 어려우며, 연료에 포함된 질소 원자로 인해 고온의 연소 환경에서 NOx 배출이 증가할 수 있는 문제가 있다.

■ 이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 높은 TDR*을 갖는 연료 노즐 설계, 폐열을 이용한 암모니아 수소 분해 기술 및 연료 다단연소기술을 통해 연소 안정성 확보 및 NOx 생성을 억제하고자 한다.

* TDR(Turn Down Ratio): 연소기의 운전범위을 수치적으로 나타낸 최소값 대비 최대값(유속 또는 열부하)의 비율

□ 암모니아는 LNG연료 대비 가연한계가 좁고, 연소속도가 낮기 때문에 화염 안정성을 확보하기 위해 높은 TDR의 연료 노즐 설계가 필요하다. 이를 위해 연구진은 CFD 해석과 실험을 통해 연료 노즐 주위의 유동 특성과 반응이 시작되는 화염 선단의 연소 특성을 고려해 화염 날림 또는 화염 꺼짐 현상을 적절히 제어할 수 있는 연료 노즐 설계 기술을 확보한다.

□ 또한, 연구진은 버려지는 고온의 폐열을 이용해 기존의 연소 공기 예열 기술뿐만 아니라 연료 예열을 통한 암모니아 부분분해 기술을 적용한다. 연료 예열을 통해 연소 시스템의 열효율을 향상시킬 수 있으며, 암모니아의 일부를 반응성이 좋은 수소로 전환시켜 암모니아수소 혼합연료로 연소속도 향상과 높은 TDR을 확보할 수 있다.

□ 이와 함께 암모니아를 연료로 직접 활용하기 위해 극복해야 할 중요한 과제는 질소산화물 억제다. 일본, 영국 등의 암모니아 연소기술은 대부분 공기 다단연소*방식을 채택하는데 반해, 연구진은 연료 다단연소 기술을 적용해 연소기에 투입되는 연료를 1차와 2차로 공급한다. 2차 연소에서 암모니아의 유량을 효과적으로 제어해 SNCR** 프로세스를 극대화하는 전략으로 기술적 차별성을 확보할 예정이며, 이에 따라 관련 특허 출원을 진행 중에 있다.

* 공기다단연소: 산화제인 공기를 여러 단계로 나누어 분사하는 방법. 연료와 산화제의 혼합 정도를 조절해 연소반응을 억제함으로써 화염의 고온부 온도를 낮추거나 높은 산소 농도영역과 고온의 영역 내의 체류시간을 줄임으로써 NOx의 효율적인 저감을 달성하는 기술

** SNCR(Selective Non Catalytic Redution, 무촉매환원법): 소각로, 보일러 등 폐기물이나 연료의 연소과정 중에 발생되는 질소 산화물을 무해한 질소와 물로 환원시켜 제거하는 기술

■ 정학근 에너지효율연구본부장은 “무탄소 연료 암모니아 연소기술 개발을 통해 발전산업부문의 에너지 다소비 기기 탄소 감축에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.“고 말했다.

□ 이 기술은 국내 온실가스 배출의 87%를 차지하는 에너지 부문 연료 연소 시스템의 무탄소 연료 전환 분야에 적용 가능하다. 특히 가스터빈, 화력발전, 철강 가열공정, 석유화학 및 정유 공정, 산업용 보일러 부문의 탄소 배출량 저감에 기여할 것으로 기대되며, 이를 위해 신연소발전연구실은 다가올 무탄소 연료 전환에 필요한 연소기술 개발을 수행하고 있다.