[한국기술뉴스] 한국에너지기술연구원 신연소발전연구실 이민정 박사 연구진이 국내 최초로 100% 무수 암모니아를 이용한 연소 기술 개발에 나섰다.

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 개발을 시도한다.

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 TDR을 갖는 연료 노즐 설계, 폐열을 이용한 암모니아 수소 분해 기술 및 연료 다단연소기술을 통해 연소 안정성 확보 및 NOx 생성을 억제하고자 한다.

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 암모니아수소 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 다단연소방식을 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.

정학근 에너지효율연구본부장은 “무탄소 연료 암모니아 연소기술 개발을 통해 발전산업부문의 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.