연소단계 질소산화물 저감

왜 배우는가: 연소제어는 질소산화물을 생성 단계에서 줄이는 기본적인 저감 방법이므로 보일러, 가스터빈 등 고정오염원 설계와 운전의 출발점이 된다. 시험에서는 NOx 생성 원리와 저감 방식을 함께 묻는 경우가 많으므로, 원리를 정확히 익혀야 저NOx 버너나 단계적 연소 같은 세부 방식을 논리 있게 설명할 수 있다.

출제 이력: 제113회 3교시 2번, 제102회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

연소단계 질소산화물(NOx) 저감은 연소 조건을 조절해 생성량을 원천에서 줄이는 기술이다. 답안 첫 줄에는 이 정의를 쓰고, 이어서 NOx가 어떤 조건에서 생기는지와 그 조건을 어떻게 바꾸는지를 설명하는 것이 기본 구조이다. 여기서 연소 조건은 연소 온도, 국부 산소 농도, 연료와 공기의 혼합 방식을 가리킨다.

이 절의 핵심 키워드는 열적 NOx, 연료 NOx, 공기비, 단계적 연소, 배기가스 재순환(FGR), 저NOx 버너, 재연소, 화염 최고온도이다. 앞의 세 가지는 NOx가 생기는 원리를, 나머지는 저감 수단과 저감 정도를 가늠하는 지표를 나타낸다.

2. 개념 풀이

연소단계 저감은 굴뚝으로 배출된 가스를 처리하는 후처리와 달리, 연소실 안에서 NOx가 만들어지는 조건 자체를 바꾸는 방법이다. 연소 설비의 운전 조건과 버너 구조를 바꾸는 것만으로 적용되는 경우가 많아 연소제어라고도 부른다. 이 방법이 효과를 내는 이유는 NOx 생성이 연소 온도와 산소 농도에 크게 좌우되기 때문이다.

NOx는 생성 경로에 따라 열적 NOx, 연료 NOx, 즉발 NOx로 나뉘며, 연소제어의 주된 대상은 앞의 두 가지이다. 열적 NOx는 연소용 공기 속 질소(N2)가 고온에서 산소와 반응하여 생기는 NOx이다. 확장된 Zeldovich 기구는 세 개의 반응으로 이루어진다. 이 가운데 N2 + O → NO + N 반응이 생성 속도를 지배한다. 열적 NOx 생성은 온도에 민감하여 1600℃ 이상의 고온 영역에서 특히 활발해진다.

그러므로 화염의 최고온도를 낮추거나 고온 영역에 머무는 시간을 줄이면 열적 NOx가 줄어든다. 이 원리는 단계적 연소, 배기가스 재순환, 저NOx 버너 등 여러 저감 수단의 바탕이 된다.

연료 NOx는 석탄이나 중질유 같은 연료에 포함된 질소 화합물이 연소 중에 산화되어 생기는 NOx이다. 이 경로는 온도보다 연료와 공기의 비율, 즉 공기비의 영향을 크게 받는다. 연소 초기에 산소 공급을 제한해 산소가 부족한 환원 분위기를 만들면 연료 질소가 NOx 대신 N2로 전환되는 비율이 높아진다. 따라서 연료 NOx 저감은 공기를 얼마나, 어느 위치에서 공급하느냐의 문제로 귀결된다.

NOx 저감의 핵심은 화염 최고온도와 1차 연소구역의 산소 농도를 동시에 낮추는 것이다. 이 두 조건을 어떻게 낮추느냐에 따라 연소제어 기술이 나뉜다.

단계적 연소는 연소용 공기나 연료를 한꺼번에 넣지 않고 여러 단계로 나누어 공급하는 방식이다. 1단계 구역을 공기가 부족한 조건으로 만들어 NOx 생성을 억제하고, 나머지 공기를 후단에서 넣어 연소를 완결한다. 공기를 나누면 공기 단계 연소, 연료를 나누면 연료 단계 연소라고 부른다.

공기비를 낮추면 산소 농도가 줄어 NOx가 감소하지만, 연소가 불완전해져 일산화탄소(CO)와 미연소분이 늘어난다. 따라서 공기비는 NOx와 CO가 함께 허용 범위 안에 들도록 정해야 하며, 이 상충 관계가 저과잉공기 운전의 한계를 결정한다.

배기가스 재순환(FGR)은 배기가스 일부를 연소용 공기나 화염 주변으로 되돌려 산소 농도와 화염 온도를 함께 낮추는 방식이다. 되돌아간 배기가스는 산소 농도가 낮고 온도도 상대적으로 낮아서 화염을 희석하는 역할을 한다. 이 때문에 화염 최고온도가 낮아지고 열적 NOx 생성이 억제된다.

저NOx 버너는 버너 구조 안에서 내부 재순환, 단계적 연소, 국부 산소 농도 저감을 결합하여 화염의 최고온도를 낮추는 장치이다. 화염 안정성을 유지하면서 온도를 낮추도록 설계되며, 세 원리는 독립적으로도 쓰이지만 대개 함께 적용된다.

재연소는 주연소구역 하류에 추가 연료를 주입해 국부적으로 연료 과잉 구역을 만들고, 그곳에서 생긴 NO를 탄화수소 계열 라디칼과 반응시켜 N2로 환원하는 방식이다. 이후 연소 완결 구역에서 공기를 추가로 주입하여 연소를 마친다.

화염 최고온도는 화염 중심부에서 도달하는 가장 높은 온도를 말하며, 열적 NOx를 줄이는 가장 직접적인 지표이다. 연소제어 기술은 대부분 이 최고온도를 낮추거나 최고온도 영역의 산소 농도를 낮추는 것을 목표로 한다.

3. 등장 배경과 필요성

질소산화물은 광화학 스모그와 오존 생성의 전구물질이며, 산성비와 미세먼지의 2차 생성에도 관여하여 대기 오염의 주요 원인으로 꼽힌다. 보일러, 가스터빈, 공업로와 같은 고정오염원은 연소량이 커서 배출 비중이 높고, 그만큼 배출 규제의 중심 대상이 된다. 배출 기준이 강화될수록 설비의 연소 조건을 먼저 조정하는 방법의 필요성이 커진다.

질소산화물을 줄이는 방법은 생성을 억제하는 방식과 생성된 NOx를 배출 후에 제거하는 방식으로 나뉜다. 전자가 연소제어이고, 후자가 선택적촉매환원법(SCR)이나 선택적비촉매환원법(SNCR) 같은 연소 후 처리이다. 연소제어는 설비의 운전 조건과 버너 구조를 바꾸는 것이므로 추가 장치가 적고 비용이 상대적으로 낮아 우선 검토되는 것이 일반적이다.