- 보일러, 소각로, 가열로와 같은 연소설비에서는 연료를 태우는 과정에서 질소산화물(NOx)이 발생합니다. 연소가스 중 NOx는 대부분 NO(일산화질소) 형태로 생성되고 일부가 NO₂(이산화질소) 형태로 존재하며, 일반적으로 이들을 합하여 NOx라고 표현합니다.
- NOx를 줄이는 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. 첫 번째는 NOx가 처음부터 적게 만들어지도록 연소과정을 제어하는 방법이고, 두 번째는 이미 만들어진 NOx를 SNCR이나 SCR과 같은 후처리설비에서 제거하는 방법입니다. 이번 글에서는 그중 첫 번째인 연소제어에 의한 NOx 저감 원리를 살펴보겠습니다.
1. NOx는 왜 발생할까?
연소과정에서 발생하는 NOx는 생성 원인에 따라 크게 세 종류로 구분할 수 있습니다.
구분 발생 원인 주요 영향인자
Thermal NOx 공기 중 N₂가 고온에서 산화 온도, O₂ 농도, 고온 체류시간
Fuel NOx 연료에 포함된 질소성분이 산화 연료 중 N 성분, 산소농도, 연소조건
Prompt NOx 연료 라디칼과 공기 중 N₂가 반응 화염특성, 당량비 등
실제 보일러나 산업용 연소설비에서 중요하게 다루는 것은 주로 Thermal NOx와 Fuel NOx입니다. Prompt NOx도 화염조건에 따라 발생하지만 일반적인 산업용 연소설비에서는 Thermal NOx와 Fuel NOx에 비해 상대적으로 비중이 작은 경우가 많습니다. 연소제어에 의한 NOx 저감을 이해하기 위한 3가지 핵심은 온도, 산소농도, 화염 영역에서 체류시간(Residence Time)입니다. 특히 Thermal NOx는 단순히 온도가 높은 것 만으로 결정되는 것이 아니라, 높은 온도에서 산소가 충분한 상태가 얼마나 오래 지속되는가가 중요합니다.
- Thermal NOx
Thermal NOx는 말 그대로 높은 연소온도에 의해 발생하는 NOx입니다. 연소에 사용하는 공기는 대략 질소 79%, 산소 21%로 구성되어 있습니다. 평상시 질소분자(N₂)는 매우 안정하지만 화염온도가 높아지면 공기 중 질소가 산소와 반응하여 NO가 생성됩니다. 대표적인 반응을 단순화한 Zeldovich mechanism은 다음과 같습니다.
N₂ + O → NO + N
N + O₂ → NO + O
Thermal NOx 생성은 특히 화염온도에 매우 민감하며 일반적으로 약 1,300°C 이상의 고온 영역으로 갈수록 생성이 점차 중요해지고, 1,400°C 이상의 고온 화염에서는 그 영향이 더욱 큽니다. 다만 1,300°C가 NOx 생성 여부를 나누는 절대적인 경계온도는 아닙니다. 실제 생성량은 산소농도와 체류시간, 연료 종류, 화염구조 등에 따라 달라집니다. 따라서 Thermal NOx를 줄이는 기본 원리는 1) 최고 화염온도를 낮추고, 2)고온영역의 산소농도를 낮추며, 고온·고산소 조건이 동시에 유지되는 시간을 줄이는 것이며 이 세 가지 원리가 이후 설명하는 다단연소, OFA, Low NOx Burner, FGR 등의 기본 원리가 됩니다.
- Fuel NOx — 연료 속 질소가 NOx로 변한다
Thermal NOx가 공기 중 질소에서 시작된다면 Fuel NOx는 연료 자체에 포함된 질소성분에서 발생합니다. 특히 석탄, 중유, 바이오매스, 폐기물 등에는 연료 자체에 질소성분이 포함되어 있습니다. 연료가 가열·분해·연소되는 과정에서 이러한 질소성분은 여러 질소계 중간물질로 전환되고, 주변에 산소가 충분하면 그 일부가 NO로 산화됩니다. 반대로 초기 연소영역을 Fuel Rich, 즉 연료과잉·산소부족의 환원성 분위기로 만들면 연료질소가 NO로 전환되는 비율을 낮추고 최종적으로 N₂로 전환되는 반응을 유도할 수 있습니다. 따라서 Fuel NOx 저감에서 중요한 것은 단순히 화염온도를 낮추는 것보다는 연료가 처음 분해되고 연소되는 영역의 산소조건을 어떻게 제어하느냐입니다. 이 원리를 적극적으로 이용하는 것이 다단연소(Staged Combustion)입니다.
2. 산소농도와 과잉공기의 영향
연소에는 반드시 산소가 필요합니다. 그러나 공기를 많이 공급한다고 항상 좋은 것은 아닙니다. 실제 연소설비에서는 완전연소를 위해 이론적으로 필요한 공기보다 조금 많은 공기를 공급합니다. 이를 과잉공기(Excess Air)라고 합니다. 과잉공기가 너무 적으면 산소 부족으로 인해 CO 증가 → 미연탄소 증가 → 연소효율 저하 → 화염 불안정 등의 문제가 발생할 수 있습니다. 반대로 과잉공기가 지나치게 많으면 배기가스량이 증가하여 열손실이 커지고, 고온 화염영역에서 산소가 충분히 존재하면서 NOx 생성에 유리한 조건이 만들어질 수 있습니다. 따라서 실제 보일러 운전에서는 단순히 산소농도를 낮추는 것이 아니라 NOx 발생을 최소화하면서 안정적인 연소가 가능한 적절한 운전점을 찾는 것이 중요합니다.
3. 연소로에서 NOx 제어 방법
- 다단연소(Staged Combustion)
일반적인 연소를 아주 단순하게 표현하면 Fuel + Air → Combustion입니다. 하지만 저NOx 연소에서는 연료나 공기를 한꺼번에 공급하지 않고 나누어 공급하기도 하고 추가적인 연료를 투입(Reburning)하여 환원성 분위기로 생성된 NOx 일부를 질소로 환원합니다.
- Air Staged Combustion
1차 연소영역: Fuel Rich / Low O₂ 환경 조성에 의한 Fuel NOx 생성을 억제하면서 다는 영역에서 추가 공기를 넣습니다.
2차 연소영역: 1차 연소영역의 미연소가스 + Secondary Air에 의한 완전연소
이렇게 하면 초기 화염에서 산소농도를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 열발생도 공간적으로 분산되면서 국부적인 최고 화염온도(Peak Flame Temperature)를 낮출 수 있습니다.
결국 하나의 방법으로 산소농도 저하, 최고 화염온도 저하, Fuel NOx 억제, Thermal NOx 억제
효과를 동시에 얻는 것입니다.
- Reburning
연소 영역을 3 영역으로 구분됩니다. 첫번째 주연소 영역으로 전체 투입된 연료의 대부분이 연소되면서 Thermal NOx와 Fuel NOx가 발생됩니다. 두번째 환원영역으로 천연가스와 같은 연료를 투입하여 Fuel rich 조건이 형성되면서 탄화수소 라디칼인 환원성 중간물질이 생성되면서 NOx와 반응하여 질소로 전환되는 영역으로 Reburning의 핵심입니다. 세번재 원전연소 영역으로 추가 공기 공급으로 CO 및 미연 탄화수소를 완전연소시켜 최종 배기가스가 됩니다.
- Low NOx Burner(LNB)
저NOx 버너(Low NOx Burner)는 특별한 재질로 만든 버너가 아니라 연료와 공기의 혼합 및 화염구조를 조절하여 NOx 생성을 억제하도록 설계한 버너입니다. 일반 버너에서 연료와 공기가 매우 빠르게 혼합되면 좁은 공간에서 강한 연소가 발생하면서 국부적으로 고온·고산소 영역이 만들어질 수 있습니다. 이러한 조건은 Thermal NOx 생성에 유리합니다. 저NOx 버너는 연료와 공기의 혼합속도와 위치를 의도적으로 조절하여 화염 내부에 단계적인 연소영역을 만듭니다. 즉, 연료 + 공기의 급격한 혼합 대신 연료 → 제한된 공기와 초기연소 → 단계적 혼합 → 최종 완전연소가 이루어지도록 하는 것입니다. 이를 통해 Peak Flame Temperature 저하, 초기 화염영역 O₂ 농도 저하, 고온·고산소 조건의 지속시간 감소 효과를 얻을 수 있습니다. 따라서 LNB 역시 결국 온도·산소농도·체류시간이라는 세 가지 NOx 생성조건을 화염구조 자체를 통해 제어하는 기술이라고 볼 수 있습니다. 실제 NOx 저감률은 버너 종류와 연료, 기존 설비, 운전조건 등에 따라 크게 달라지므로 특정 수치를 일반화하기보다는 설비별 성능을 확인하는 것이 중요합니다.
- Flue Gas Recirculation(FGR)
또 하나의 대표적인 방법이 Flue Gas Recirculation, FGR입니다. 연소가 끝난 배기가스 일부를 다시 버너 또는 연소공기 계통으로 되돌려 보내는 방법입니다. 자동차 엔진에서 사용하는 EGR(Exhaust Gas Recirculation)과 기본적인 개념이 유사합니다. 배기가스에는 신선한 공기에 비해 산소가 적고 CO₂, H₂O, N₂ 등이 많이 포함되어 있습니다. 따라서 배기가스를 연소영역에 다시 투입하면 일종의 희석가스(Diluent) 역할을 합니다. 그 결과 화염온도 저하와 화염영역 산소분압 저하되어 Thermal NOx 감소 효과가 나타납니다. 특히 FGR은 천연가스나 오일 연소처럼 Thermal NOx의 영향이 큰 설비에서 효과적인 방법입니다. 반면 연료 자체의 질소성분으로 인한 Fuel NOx 비중이 큰 석탄이나 일부 폐기물 연소에서는 FGR만으로 얻을 수 있는 효과가 상대적으로 제한적일 수 있습니다. 또한 FGR 비율을 지나치게 높이면 화염안정성과 연소효율에 영향을 줄 수 있기 때문에 적절한 순환량을 선정해야 합니다.
4. 연소제어만으로 배출기준을 만족하지 못한다면?
연소제어 기술은 이미 발생한 NOx를 제거하는 기술이 아니라 처음부터 NOx가 적게 생성되도록 하는 기술입니다.이를 일반적으로 Primary Measure, 1차 저감기술이라고 합니다. 하지만 NOx 배출기준이 강화되면 연소제어만으로 목표농도를 만족하기 어려울 수 있습니다. 이 경우 후단에 SNCR(선택적 비촉매 환원) 또는SCR(선택적 촉매 환원)을 설치하여 이미 생성된 NOx를 추가로 제거합니다. 실제 연소설비의 전체 NOx 관리체계는 ‘NOx가는 만들어진 뒤 제거할 수도 있지만, 가장 먼저 해야 할 일은 연소단계에서 적게 만들어지도록 하는 것이다’ 이것이 연소제어에 의한 NOx 저감의 기본 개념입니다.