에기연, 국내 최초 순수 암모니아 이용 연소기술 개발
'무탄소 연료' 암모니아 직접 이용 통해 탄소중립 기여
[에너지신문] 한국에너지기술연구원 신연소발전연구실 이민정 박사 연구진이 국내 최초로 100% 무수 암모니아를 이용한 연소 기술 개발에 나섰다.
무수 암모니아(anhydrous ammonia)는 질소와 수소로 구성된 액체 및 기체 상태의 순수 암모니아를 의미하며, 수용액 상태의 암모니아수와 구별하기 위해 무수(無水) 암모니아라 명명하고 있다.
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 개발은 국내 최초의 시도다.
수소경제 활성화 로드맵, 2050 탄소중립 추진전략에 따라 수소는 다양한 산업 부문으로 확대돼 수요가 크게 증가할 것으로 예상된다. 이러한 가운데 무탄소 연료인 암모니아의 사용은 수소 캐리어로써 수소경제를 견인할 수 있고 연료 암모니아 연소를 통해 직접 활용이 가능하기 때문에 주목받고 있다.
또한 수소와 비교했을 때, 폭발 위험성이 적고 안정성은 높으며 세계적으로 비료 용도 등으로 이용이 활발해 기반 인프라가 갖춰져 있어 경제성에 확보에도 장점이 있다.
암모니아 연소기술에 대한 세계적 관심도 증대되고 있다. 지난 3월에는 MHI가 2025년 세계최초 상용화를 목표로 40MW 암모니아 가스터빈 개발에 착수했으며, 6월에는 GE와 IHI가 MOU체결을 통해 아시아 가스터빈 시장 진입을 위한 로드맵 수립을 시작했다.
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 TDR(Turn Down Ratio)을 갖는 연료 노즐 설계, 폐열을 이용한 암모니아 수소 분해 기술 및 연료 다단연소기술을 통해 연소 안정성 확보 및 NOx 생성을 억제한다는 계획이다.
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 확보할 방침이다.
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 암모니아-수소 혼합연료로 연소속도 향상과 높은 TDR을 확보할 수 있다.
암모니아를 연료로 직접 활용하기 위해 극복해야 할 중요한 과제는 질소산화물 억제다. 일본, 영국 등의 암모니아 연소기술은 대부분 공기 다단연소방식(산화제인 공기를 여러 단계로 나누어 분사)을 채택하는데 반해, 연구진은 연료 다단연소 기술을 적용해 연소기에 투입되는 연료를 1차와 2차로 공급한다. 2차 연소에서 암모니아의 유량을 효과적으로 제어해 SNCR(무촉매환원법) 프로세스를 극대화하는 전략으로 기술적 차별성을 확보할 예정이며, 이에 따라 관련 특허 출원을 진행 중에 있다.
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 기대된다.