[월간수소경제 성재경 기자] 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 신연소발전연구실 이민정 박사 연구진이 국내 최초로 100% 무수암모니아를 이용한 연소기술 개발에 나섰다.

무수암모니아는 질소와 수소로 구성된 액체 및 기체 상태의 순수 암모니아로, 수용액 상태의 암모니아수와 구분하기 위해 무수(無水)란 말이 붙었다.

연구진은 연구원 기본사업인 ‘CO2-free 암모니아 직접 이용을 위한 저NOx 가스터빈 연소기술 개발’을 통해 암모니아 연소기 핵심 설계기술을 확보할 예정이다. 

특히 기존 연료와의 혼합 없이 100% 암모니아만을 이용한 연소기술 개발은 국내 최초의 시도다.

무탄소 연료인 암모니아는 수소와 비교했을 때 폭발 위험성이 적고 안정성이 높다. 세계적으로 비료 용도 등으로 이용이 활발해 기반 인프라를 잘 갖추고 있다.

다만 암모니아는 기존 LNG연료 대비 50% 수준의 낮은 발열량과 20% 수준의 연소속도로 연소 안정성을 확보하기 어려우며, 연료에 포함된 질소 원자로 인해 고온의 연소 환경에서 질소산화물(NOx)이 배출된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 높은 TDR(Turn Down Ratio: 연소기의 운전범위를 수치적으로 나타낸 최소값 대비 최대값의 비율)을 갖는 연료노즐 설계, 폐열을 이용한 암모니아 수소분해 기술 및 연료 다단연소기술의 개발에 나선다.

암모니아는 LNG연료 대비 가연한계가 좁고, 연소속도가 낮아 화염 안정성 확보를 위해 높은 TDR의 연료노즐 설계가 필요하다. 

연구진은 CFD 해석과 실험을 통해 연료노즐 주위의 유동 특성과 반응이 시작되는 화염 선단의 연소 특성을 고려해 화염 날림이나 화염 꺼짐 현상을 적절히 제어할 수 있는 연료노즐 설계 기술을 확보하게 된다.

또 버려지는 고온의 폐열을 이용해 기존의 연소 공기 예열 기술뿐만 아니라 연료 예열을 통한 암모니아 부분분해 기술을 적용한다. 연료 예열을 통해 연소시스템의 열효율을 향상시킬 수 있고, 암모니아 중 일부를 반응성이 좋은 수소로 전환시켜 암모니아‧수소 혼합연료로 연소속도 향상과 높은 TDR을 확보할 수 있다.

여기에 질소산화물 억제를 위해 흔히 쓰는 공기 다단연소 방식이 아닌, 암모니아 연료를 1, 2차로 나누어 공급하는 방식으로 유량을 효과적으로 제어해 무촉매환원(SNCR)을 극대화하는 전략으로 기술의 차별성을 확보할 계획이다.  

정학근 에너지효율연구본부장은 “무탄소 연료인 암모니아 연소기술 개발을 통해 발전‧산업부문의 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 적용할 수 있다. 

특히 가스터빈, 화력발전, 철강 가열공정, 석유화학 및 정유 공정, 산업용 보일러 부문의 탄소 배출량 저감에 기여할 수 있다.