<온실가스 감축 필수 9>버너산업 부부공정 개선이 핵심

버너는 공급되는 연료를 열에너지로 전환하는 과정에서 이산화탄소를 배출하고 있다.

전문가들에 따르면 버너분야의 온실가스를 저감하기 위해서는 열에너지로 전환하는 과정에서 높은 효율을 얻어야 하며 사용하는 연료 또한 탄소를 적게 함유하는 것도  한 방법이 되고 있다. 일반적으로는 가스버너를 이용하는 것이 유류버너를 사용하는 것보다 이산화탄소 배출량이 적다. 

부득이 공정의 특성상 유류버너를 사용하는 경우가 발생하기 때문에 각 버너에 맞는 이산화탄소 저감기술도 적용돼야 한다는 게 전문가들의 조언이다.

버너는 화석연료를 연소시켜 발생하는 열을 이용하기 위한 연소장치로 유류, 가스, 미분탄이 연료로 사용되고 있다.

업계에 따르면 기존 버너의 연소효율은 이미 99.8%이상에 도달해 있다. 전통적인 기술로 인식됐지만 에너지원의 변화와 에너지 효율 증가를 위한 핵심기술의 개발은 지속적으로 진행되고 있다.

용도에 따라 가정용 보일러나 소형기기에 사용되는 소형버너, 중형의 산업용 열발생 장치에 사용되는 중형, 대형의 발전설비에 사용되는 대형버너 등으로 구분된다.

에너지기술 DB에 따르면 1991년에서 2000년 사이 우리나라에서 제작된 버너 대수는 약 1만1800여대다. 이중 가스버너는 29.2%, 유류버너는 71.8%였다.

그러나 가스버너가 온실가스 감축에 효과적이라는 인식이 높아짐에 따라 1991년 2192대였던 것이 2002년에는 7819대로 1990년대 후반이후 급속히 증가하고 있다.

가정용 보일러에 사용되는 버너의 경우 도시가스 보급률 증가와 함께 유류버너 보다는 가스버너의 공급량이 크게 증가하고 있다.

특히 가스버너의 수요에 영향을 미치는 천연액화가스(LNG) 부문의 증가율은 1999년까지 연평균 증가율이 19.4%에 달하고 있다. 따라서 가정용 보일러에 필요한 소용량 버너의 경우 가스버너의 경우 가스버너의 비율이 지속적으로 증가할 것으로 예상된다.

엑서지엔지니어링과 서울대학교 공학연구소에 따르면 선진국의 경우 연소시 발생하는 질산화합물(NOx)과 일산화탄소(CO) 배출량을 크게 저감할 수 있는 기술들이 선보이고 있다.

또한 이산화탄소 저감을 위한 에너지 절약연소 기술 개발을 위해 컴팩트 버너, 연소 시스템 개발, 연소 특성 최적화, 컴팩트한 전열면의 설계, 고효율 연소제어시스템 등에 대한 연구도 병행되고 있다.  

◆ 온실가스 감축수단 도출

버너는 공급되는 연료를 열에너지로 전환해 공급된 물을 스팀으로 전환한다. 사용되는 연료에 따라 가스버너와 유류버너로 구분되며, 1990년 이후 보급대수가 크게 증가하고 있는 유압분무식 버너가 유류버너의 대표공정이 되고 있다.

유압분무식 버너는 연료유의 압력을 이용해 미립화를 시키는 버너로서 중소형 버너로 널리 이용되고 있다. 연소용 공기를 공급하는 송풍기, 연료펌프 등을 일체형으로 만든 유압분무식 버너를 건 타임 버너라고 한다.

유압분무식버너는 노즐에서 연료의 일부를 복귀시키는 리턴형노즐과 비리턴형 노즐이 있으며 소형 연소기에서는 대부분 비리턴형이 중대형 연소장치에는 리턴형 노즐이 이용된다.

가스버너는 확산형버너와 예혼합버너가 있다. 예혼합버너는 연료가 노즐에서 분사되기 전에 연료와 공기가 혼합돼 혼합기가 분사되는 버너고, 확산형버너는 공기와 연료가 노즐에서 각각 분사된 후에 혼합하면서 연소하는 버너다.

가정용기기와 같은 소형 연소기기에서는 예혼합 가스버너가 많이 이용되지만 산업용으로는 거의 사용되지 않고 있다.

산업용 가스버너는 거의 대부분이 확산형가스버너가 사용되고 있다. 가스버너는 가스압력을 일정하게 유지하는 가스거버너 및 안전차단을 위한 안전차단밸브 등을 포함하는 가스 트레인과 연결해 사용된다.

엑서지와 서울대는 이산화탄소 배출량을 저감하기 위해 각 버너 타입에 적용해 에너지 효율 향상을 기대할 수 있는 기술을 조사했다.

구체적으로 국내 기술 개발 기술수준은 연구개발 단계에 있지만 도입될 경우 버너의 에너지 효율 향상을 위해 사용가능할 것으로 판단되는 8가지의 기술을 선정했다. 유압분무식버너에 적용 가능한 기술이 세가지, 가스버너에 적용 가능한 기술이 다섯가지를 적용했다.

엑서지와 서울대는 각 기술을 현재 국내에서는 연구개발 단계에 있는 기술들로 오는 2010년 이후에는 시장에 진입할 수 있을 것으로 예상했다.

◆ 도출기술 유형

엑서지와 서울대에 따르면 버너는 기존 기술에 적용해 부분공정을 개선함으로써 전체적인 에너지 효율 향상을 유도하는 기술들의 연구가 세계적인 추세다.

유류버너에 적용 가능해 유압분무식버너에 대응기술로 선정된 것은 산소 부화 연소 시스템과 고온 공기 연소 버너, 액체 연료 기포분산 예혼합 연소 버너다.

버너에 원료에 함께 공급되는 공기의 산소 농도를 높여서 상승과 배기 가스량의 감소를 유도하거나 공기를 1000C이상으로 예열해 공급함으로써 화염의 온도 분배를 조정 가능하도록 하고 복사 열전달을 향상시키는 기술이다.

액체연료 기포분산 예혼합 연소 버너의 경우 유압분무식버너에서 사용하는 유압을 이용한 연료유의 미립화 대신 다공성 금속판을 이용해 연료와 공기를 미립화시키고 분산시키는 기술이다.

가스버너에는 배기가스 재순환을 통한 버너의 밀집화를 유도할 수 있는 컴팩트 예혼합 가스버너와 공기와 가스가 효과적으로 혼합할 수 있는 구조를 채용한 고효율 가스버너, 축열제를 버너에 삽입해 공급되는 가스량을 저감하고 질산화합물(NOx)배출의 저감이 가능한 연료 직접 분사식 축열버너가 있다.

또한 화염없이 연료와 촉매의 반응열을 이용하는 촉매연소 버너와 메탈파이버 매트를 이용해 표면 연소를 유도하는 메탈 파이버 버너 또한 가스버너의 대체기술이 되고 있다.

최근 개발이 활발히 진행중인 기술 중 하나는 고속화염 가스버너 또는 가스ㆍ유류 겸용 버너로 짧은 화염이 형성되고 고속의 고온 연소가스를 열원으로 이용해 균일한 온도 분배 및 교반효과를 얻을 수 있다.

이런 기술을 통해 에너지 효율의 증가가 얻어지고 결과적으로 이산화탄소 배출량의 감소로 이어진다는 설명이다. 

박명오 엑서지 엔지니어링 대표는 "대부분 국내 버너 제조업체들이 중소규모라 기술 개발에 많은 어려움을 겪고 있다"며 "이산화탄소 저감과 에너지 효율 증대에 적합한 기술을 선정해 도입을 장려하는 것이 필요하다"고 강조했다.

<10월 23일에는 10회 요ㆍ로 산업편, 10월 30일에는 11회 비금속산업편, 11월 6일에는 12회 향후과제 편이 이어집니다.>