에기硏, 국내 최초로 순수 암모니아 이용한 연소기술 개발 착수
무탄소연료 암모니아의 직접이용기술 개발 통해 탄소중립 기여
[이투뉴스] 우리 연구진이 탄소가 전혀 없는 순수 암모니아를 이용해 가스터빈을 비롯한 화력발전, 철강 가열공정, 석유화학 및 정유 공정, 산업용 보일러 등에 활용할 수 있는 새로운 연소기술 개발에 나섰다.
한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 신연소발전연구실 이민정 박사팀 주도로 100% 무수 암모니아를 이용한 연소기술 개발에 착수한다고 29일 밝혔다. 무수 암모니아는 질소와 수소로 구성된 순수 암모니아를 의미하며, 수용액 상태의 암모니아수와 구별하기 위해 앞에 무수(無水)를 붙인 것이다.
연구진은 에기연이 진행하고 있는 ‘CO2-free 암모니아 직접 이용을 위한 저녹스 가스터빈 연소기술 개발’을 통해 암모니아 연소기 핵심 설계기술을 확보할 예정이다. 기존 연료와의 혼합 없이 100% 암모니아만을 이용한 연소기술 개발은 국내 최초의 시도다.
‘수소경제 활성화 로드맵’과 ‘2050 탄소중립 추진전략’에 따라 수소는 다양한 산업부문으로 확대돼 수요가 크게 증가할 것으로 예상된다. 이러한 가운데 무탄소 연료인 암모니아 사용은 수소 캐리어로써 수소경제를 견인할 수 있고, 연소를 통해 직접 활용이 가능하기 때문에 주목받고 있다. 특히 수소와 비교했을 때 폭발 위험이 적고 안정성은 높으며, 비료용도 등 인프라가 갖춰져 있어 경제성 확보에도 장점이 있다는 평가다.
세계적으로 암모니아 연소기술에 대한 관심도 증대되고 있다. 올해 3월 일본 MHI가 2025년 상용화를 목표로 40MW 암모니아 가스터빈 개발에 착수했으며, 6월에는 미 GE와 일 IHI가 MOU를 통해 아시아 가스터빈 시장 진입을 위한 로드맵 수립에 나섰다.
암모니아는 기존 LNG 대비 50% 수준의 낮은 발열량과 연소속도 역시 20%에 불과해 연소 안정성을 확보하기 어렵다. 또 연료에 포함된 질소 원자로 인해 고온의 연소 환경에서 NOx 배출이 증가할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 높은 TDR(연소기 운전범위를 나타내는 최대-최소 비율)을 갖는 연료노즐 설계, 폐열을 이용한 암모니아 수소분해 기술, 다단연소기술을 통해 안정성 확보 및 질소산화물 생성을 억제한다는 계획이다.
구체적으로 높은 TDR의 연료노즐 설계를 위해 연구진은 노즐 주위의 유동 특성과 반응이 시작되는 화염 선단의 연소특성을 고려해 화염 날림 또는 화염 꺼짐 현상을 적절히 제어할 수 있는 설계기술을 확보할 방침이다.
더불어 버려지는 고온의 폐열을 이용해 기존의 공기예열 기술뿐만 아니라 연료 예열을 통한 암모니아 부분분해 기술도 적용한다. 연료 예열을 통해 연소시스템 효율을 향상시킬 수 있으며, 암모니아의 일부를 수소로 전환시켜 암모니아·수소 혼합연료로 연소속도 향상과 높은 TDR을 확보하기 위해서다.
중요한 과제인 질소산화물 억제는 일본, 영국 등이 사용하는 공기 다단연소 방식이 아닌 연료 다단연소 기술을 적용해 연소기에 투입되는 연료를 1차와 2차로 나눠 공급한다. 2차 연소에서 암모니아 유량을 효과적으로 제어해 SNCR(무촉매환원법) 프로세스를 극대화하는 전략으로 기술적 차별성을 확보할 예정이다.
이 기술은 국내 온실가스 배출의 87%를 차지하는 에너지 연소시스템의 무탄소 연료전환 분야에 적용이 가능하다. 특히 가스터빈, 화력발전, 철강 가열공정, 석유화학 및 정유 공정, 산업용 보일러 부문의 탄소 배출량 저감에 기여할 것으로 기대된다.
정학근 에기연 에너지효율연구본부장은 “무탄소 연료인 암모니아 연소기술 개발을 통해 발전·산업부문의 에너지 다소비 기기에서 배출되는 온실가스 감축에 크게 기여할 수 있는 만큼 연구에 최선을 다할 것”이라고 말했다.
채덕종 기자 yesman@e2news.com