1. 서 론

현재 LNG(liquefied natural gas), 중유 등 화석연료 기반 연소기술은 연소 시 이산화탄소를 배출하게 되며, 2050 탄소 중립 달성에 필요한 탈탄소 연소기술이 필요하다. 국내외에서 화석연료에 대한 탈탄소 기술로는 태양광, 풍력 등 재생에너지 이용과 수소(H₂)와 암모니아(NH₃)등 탄소를 포함하고 있지 않는 연료에 대한 연소기술을 제시하고 있다.

무탄소 연료에 대해서는 여러 연구가 진행되었으며 이러한 연구 동향을 보면 다음과 같다. Goldmeer⁽¹⁾은 LNG의 약 90%를 구성하고 있는 메탄(CH₄)과 수소의 분자량 및 발열량을 비교하였다. 수소는 분자량이 2로 분자 중 분자량이 가장 낮으며, 이러한 낮은 분자량으로 인해 밀도가 낮아 단위 질량당 발열량은 높지만(120 MJ/kg, CH₄ 보다 약 2.4배 큼) 단위 부피당 발열량은 수소의 1/3 정도(10.8 MJ/Nm³)이다. 이들은 메탄과 수소를 혼소하였을 때 CO₂ 저감율을 계산하였으며, 수소를 약 50% 혼소하였을 때 CO₂ 저감율은 약 21% 정도이다. Frazer-Nash Consultancy⁽²⁾는 대기중에 가스레인지 연소기와 메탈파이버를 사용하여 수소 연소 시험을 수행하였다. 수소의 높은 화염 속도로 인해 역화가 발생하는 것을 방지하기 위해 예혼합 연소기술이 아닌 확산화염 연소로 수소 연소시험을 수행하였다. 화염 형태를 보면 기존 LNG 화염의 푸른색이 아닌 붉은색 화염을 나타내고 있다. Gersen et al.⁽³⁾은 천연가스에 수소를 혼입하여 475 kW급 산업용 보일러에 장착된 LNG-수소 혼소 버너의 연소 성능을 확인하였다. 이들은 수소를 30%부터 100%까지 연소시험을 수행하였으며, 수소를 첨가할 때 화염 안정성에는 큰 변화가 없다고 하였다. 기존 버너 시스템을 사용하였을 때 70% 미만의 혼소에서 배기가스 중 산소 함량이 증가하였고, 이러한 배기가스중 산소농도 증가는 보일러 열효율의 감소를 유발할 수 있다. 또한 수소 혼소율이 증가할수록 배기가스 중 질소산화물 농도가 증가하는 것을 확인하였다. NOx를 저감하기 위해서는 연소 공기비 조절, 수소 연료내 CO₂ 등 불활성 가스 혼입(약 8%), EGR(배기가스 재순환 기술)을 적용하면 줄어들 것이라고 하였다. 또한 기존 LNG 연료에 수소를 혼소시켜 에너지 전환기 및 수소 사회에서 천연가스에 수소를 유연하게 도입할 수 있다고 하였다. 이들은 LNG 전소일 때에는 화염이 푸른색이었다가, 수소 100% 연소일 때 화염이 붉은색을 변하는 것을 수소-LNG 혼소 시험에서 혼소율 30 ~ 100%까지 시험하면서 확인해 주었다. Boulahlib et al.⁽⁴⁾은 가정용 보일러(15 kW급)에서 메탄과 수소 혼소에 대한 시험적 연구를 수행하였다. 이들은 메탄-수소 예혼합 연소와 확산화염 연소를 순차적으로 배열하여 수소 연소 중 증가하는 질소산화물 농도를 줄이려고 하였다. 이들은 약 20% 혼소 조건에서 배기가스 온도가 높았으며, 혼소율이 높아질수록 배기가스 온도가 떨어진다고 하였다. 또한 CO 배출은 수소 혼소율이 증가함에 따라 계속 증가하는 결과를 제시하였다.

유럽의 연소기 개발 회사인 Gersen et al.⁽⁵⁾에서는 자체 개발한 수소 전소 보일러에 대한 연소시험을 수행하였다. 수소의 빠른 연소 속도에 따른 역화(flame flashback) 현상을 확인하였고, 연소온도가 높아지면서 NOx 발생량이 증가하는 현상을 확인하였다. Schiro et al.⁽⁶⁾은 수소 연소에 대한 연소공기 조건 등 해석적 연구를 수행하였다. 이들은 수소 연소 시 메탄 연소에 비해 연료흐름이 최대 3.3배 증가하기 때문에 새로운 연소기 설계가 필요하다고 하였으며, 또한 수소 전소 시 기존 메탄 연소 때보다 응축수가 약 70% 증가하기 때문에 효율에 대한 영향을 분석하기 위한 추가 연구가 필요하다고 하였다. 수소 혼소율이 증가함에 따라 혼합 연료의 밀도는 계속 낮아지고 있으며, 저위 발열량 또한 1/3 이하로 낮아지는 것을 알 수 있고 공연비(Stoich. AFR)는 9.52에서 2.38로 낮아지는 것을 알 수 있다. 이들은 수소 혼소율이 높을수록 배기가스 중 응축될 수 있는 수증기량이 증가하는 것을 확인하였으며, 이러한 응축수 열량을 효과적으로 회수해야지 수소 연소 보일러의 효율을 높일 수 있을 것이다. 또한 Schiro et al.⁽⁶⁾은 연구 논문에서 수소 혼소율이 약 20%까지는 보일러의 많은 재설계 없이 수소-메탄 혼소를 할 수 있을 것이라고 하였으며, 20% 보다 높아질수록 보일러 재설계가 필요하다고 하였다. Wang et al.⁽⁷⁾은 108 t/h급 발전용 보일러에서 수소가 포함된 LNG 연소에 대한 효율 및 배기가스 특성을 분석하였다. 연구진이 고려한 보일러는 발전용 보일러이며, 열용량으로 약 76 MW, 주증기 압력은 약 38 bar이다. 이들은 수소를 혼입하였을 때 1. 연소기, 제어기 등 아무런 변화를 주지 않았을 때, 2. 제어 로직의 변화가 없도록 하였을 때, 3. 배기가스 과잉공기비를 일정하게 유지하였을 때 등 3가지로 구분하여 보일러 효율 등의 변화를 수치적으로 확인하였다. 연구진 연구의 1과 2 경우에는 수소 혼입으로 인해 과잉공기비가 증가하여 결과적으로 보일러 효율이 낮아지는 것을 확인하였고, 이로 인해 NOx 발생량도 다소 감소하였다. 3의 경우 보일러 효율은 증가하였지만 NOx 발생량이 상당히 증가하는 것으로 계산되었다. Choudhury et al.⁽⁸⁾은 가정용 온수기(히터)에 LNG에 수소를 혼입하여 연소시험을 수행하였다. 수소를 30%까지 혼입하였을 때까지는 배기성능에 큰 영향을 주지 않았다고 하였다.

위 연구자들은 수소를 기존 LNG에 수소를 혼소하거나 수소 전소 실험을 진행하였다. 화염의 형상이나 연소 조건에 따른 NOx 농도 변화를 확인할 하였으며, NOx를 줄일 수 있는 방법 등에 대해 기술하였다. 본 연구에서는 수소가 연소될 때 LNG와 비교하여 어떠한 변화의 특성이 있는지 등을 확인하기 위해 실험을 진행하였으며, 특히 질소산화물 농도의 변화와 보일러 열효율 변화에 대해 성능시험을 수행하였다.

2. 본 론

2.1 연소 설비 시스템 구축

LNG-수소 혼소 및 전소 실험을 진행하기 위해서 20 kW급 가정용 LNG 보일러를 개조하였다(K보일러, 정격출력 출력 22,000 kcal/h, 부분부하 효율 : 96.4%, 전부하 효율 86.4%). 연소시험에 공급되는 수소 유량을 계측하기 위해 MFC(mass flow controller, 질량 유량계, M3200 V)를 사용하였다. 혼소 실험 시 LNG의 입열량을 확인하기 위해 가스유량, 가스 온도 및 압력을 측정하여 표준 유량으로 환산하였다. 실험 시 보일러의 효율을 측정하기 위해 보일러 온수 입출구 온도와 유량을 측정하였다. 또한 정확한 효율 측정을 위해 배기가스 열교환기에서 발생하는 응축수량을 계측하여 효율을 예측하였다. 연소 실험의 배가스 성분 측정을 위해 TESTO 350 K 장비를 이용하여 배가스 중 농도를 측정하였다. 수소 혼소 및 전소 실험을 위한 설비 개략도는 Fig. 1과 같다. 실험 설비를 구축한 사진을 Fig. 2에 나타내었으며 이 시험 설비에서 LNG전소, LNG-수소 혼소, 수소 전소 실험을 진행하여 보일러 효율 및 CO, NOx 배출 등에 대한 비교 분석을 진행하였다.

Fig. 1 Schematic diagram of H₂-LNG co-firing and combustion test equipment.

Fig. 2 Pictures of H₂-LNG co-firing boiler and combustion test equipment.

2.2 LNG 전소 시험

설치된 연소기에 대해 LNG 전소일 때 보일러 효율을 측정해 보았다. 공기량 및 연료량을 조절하여 LNG 전소 실험을 진행하였을 때 각 보일러 효율을 비교하여 Fig. 3에 나타내었다. 배기가스 중 O₂ 농도가 낮을 경우 상대적으로 보일러 효율이 높아지고, 반대로 O₂ 농도가 높을 경우 보일러 효율이 낮아지는 특성을 확인하였다. 이는 보일러가 부분 부하로 운전되면서 배기가스 온도가 낮아지고 상대적으로 응축 열회수가 높아지는 특성으로 확인할 수 있는 부분이다. 이러한 보일러 운전특성으로 인해 보일러 부하가 낮아질수록 보일러 효율이 높아지는 것을 확인하였다.

또한 각 실험에 대한 NOx 값을 측정하여 Fig. 4에 나타내었다. 그림에서 볼 수 있듯이 O₂ 농도가 높을 경우 NOx 값이 낮아지고 O₂ 농도가 낮을 경우 NOx 값이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 배기가스 중 산소농도가 2% 내외인 경우 즉 공기비가 1.1 정도 일 경우에 NOx 값이 100 ppm 내외까지 다소 높아지는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 3 Boiler thermal efficiency according to O₂ concentration and thermal output(LNG 100% combustion).

Fig. 4 NOx value in boiler according to O₂ concentration(LNG).

2.3 LNG - 수소 혼소 실험

LNG 전소 실험에 이어서 수소 혼소 테스트를 진행하였다. 연소는 LNG로 점화하여 연소하는 도중 수소를 추가 공급하는 형태로 진행하였다. Table 1처럼 LNG를 1.2 m³/h, 1.7 m³/h, 2.2 m³/h 세 단계로 조절을 하였으며, 그에 따라서 수소 입열량을 조절하여 실험을 진행하였다. 이 때 수소 공급량은 기존 보일러의 최대 출열량인 약 26,000 kcal/h가 넘지 않는 조건으로 조절하였다. 연료 부피 기준으로 수소 혼소율(전체 공급 유량 대비 수소 공급 유량비)을 최소 21.3%에서 최대 71.4%까지 연소 테스트를 진행하였다. LNG-수소 혼소율 50%일 때를 기준으로 기존 LNG 전소 실험과의 효율 및 NOx를 측정 비교 진행하였다.

Fig. 5에 배기가스 O₂ 7%에서 LNG 전소했을 때와 H₂-LNG 50% 혼소 시험했을 때 보일러 열효율을 비교하였다. 그림에서 회색 점은 LNG만 연소하였을 때, 검은 점은 수소를 50% 혼소하였을 때 보일러 효율 결과를 나타내었다. 그림에서 확인할 수 있듯이 수소 혼소를 할 경우 LNG만을 연소했을 때보다 보일러 효율이 약 1 ~ 2% 정도 더 낮게 측정되었다. 이는 수소가 연소하면서 LNG보다 많은 양을 수증기를 발생시키고 이러한 고온의 수증기가 기존 응축열교환기를 통해 효과적으로 회수되지 않고 배기가스에 포함되어 배출되기 때문에 수소를 혼소하였을 때 보일러 열효율이 낮아지는 것으로 판단된다. 이에 반해 Fig. 6에서 확인할 수 있듯이 LNG- 수소 50% 혼소일 때 배기가스 중 NOx 농도는 약 15 ~ 49 ppm으로 기존 LNG 전소일 때 7 ppm 내외일 때보다 많이 높아지는 것을 알 수 있다. 이는 수소 연소 시 화염온도가 기존 LNG 연소일 때보다 약 100℃ 정도 상승하여 연소 중 thermal NOx가 증가하기 때문이라고 판단된다.

Table 1 H₂-LNG co-firing ratio performed in this study

LNG(Nm3/h)	H2(Nm3/h / co-firing ratio%)
1.2	0.6	1.2	1.8	2.4	3.0
	33.3%	50.0%	60.0%	66.7%	71.4%
1.7	0.6	1.2	1.8
	25.6%	40.8%	50.8%
2.2	0.6
	21.3%

Fig. 5 Comparison of boiler thermal efficiency when LNG full-fired and hydrogen co-fired at 50%.

Fig. 6 Comparison of NOx when LNG combustion and hydrogen co-firing is 50%.

2.4 수소 전소 실험

LNG-수소 혼소시험을 마친 후 수소 전소시험을 수행하였다. 수소의 경우 기존 LNG에 비해 약 8배 이상의 높은 연소 속도로 인해 연소기 출구속도가 낮을 경우 화염이 연소기 내부로 들어오는 역화(flash back)가 발생하여 연소가 정지되거나 심하면 폭발의 위험이 있다. LNG-수소 혼소시험에서는 연소기를 메탈파이버 방식으로 시험하였으나 수소 전소시험에서는 수소의 높은 연소속도로 인해 기존 메탈파이버 방식으로는 연소가 불가할 것으로 판단되어 연소기 출구에 연소 구멍을 일정 간격으로 가공하여 부착한 타공 방식으로 제작하였다(Fig. 7). 우선 시험의 안전을 위해 연소공기를 많이 공급하여 안전적으로 연소가 일어나는지 확인하는 시험을 수행하였다. 높은 공기비에서 안정적으로 연소를 유지하면 점차 공급 공기량을 줄여 공기비를 낮출 수 있었다.

Fig. 7 Picture of burner for H₂ 100% combustion.

수소를 50, 60, 70, 80 lpm 공급하여 연소가 원활히 일어나는지 확인하고 연소시험 초기 공기량이 많을 때(배기가스 중 산소농도 18% 내외, 공기비 약 7 내외) 배기가스 중 NOx 농도는 0.6 ~ 2.1 ppm(약 12 ppm @ O₂ 4%) 정도로 낮게 발생하는 것을 확인하였다. 이는 연소공기가 과잉 공급되어 연소 온도를 급격히 낮추고 이에 따라 NOx 생성량이 크게 줄어든 것으로 판단된다. 송풍량 조절을 통해 공기비를 계속 낮추었으며, O₂가 11.5%에서 7.3%로 변화함에 따라 NOx 배출량이 증가하는 것을 확인하였다. 이는 배출가스 중 NOx를 직접 계측한 값이며, 이를 산소농도 4%로 환산하면 각 NOx 측정값은 44, 47 ppm(O₂ 4% 환산)으로 공기비가 낮을 때 약 10% 증가함을 알 수 있다(Table 2, Fig. 8). 이와 비교하여 LNG 전소 실험 시 O₂ 4%대에서는 NOx가 약 10 ppm 측정되었는데, 수소 전소 시 높은 연소 온도로 인해 NOx가 많이 생성된 것으로 판단된다.

Table 2 NOx measurement results according to combustion air ratio at H₂ 100% combustion

combustion air ratio	2.2 (O2 11.5%)	1.5 (O2 7.3%)
NOx(ppm) (O2 4%)	44	47

Fig. 8 NOx measurement results according to combustion air ratio at H₂ 100% combustion.

아래 Table 3에 혼소 및 전소 실험에 대해서 각 부하에 따른 연소 사진을 나타내었다. O₂ 4% 내외로 하여 실험을 진행하였을 때 수소를 0%에서 100%까지 혼소하여 비교하였다. LNG 전소일 때에는 화염에서 푸른색 형상이 나타났으며 수소 전소 쪽으로 진행될수록 푸른색 화염 형상이 없어지며 붉은색 형상을 나타내었다.

Table 3 Photos of flame shape according to hydrogen co-combustion rate

3. 결 론

이 논문에서는 향후 열원 분야 탄소 중립에 기여할 수 있는 무탄소 연료인 수소에 대해 20 kW급 수소 연소기에서 기초 연소 시험을 수행하였다. 보일러는 일반 가정용 LNG 보일러를 개조하여 사용하였으며, LNG-수소 혼소연소에는 기존 상용 연소기를 개조 없이 사용하였으며, 수소 전소에는 기존 메탈파이버 연소기를 타공형 연소기로 개조하여 시험을 수행하였다. 연구 내용 및 결과를 간단하게 요약하면 아래와 같다.

(1) LNG-수소 혼소시험을 수소 혼소율 21 ~ 71%까지 수행하였다. 수소 혼소를 하였을 때 LNG 전소에 비해 화염이 어두워지는 것을 확인하였다. 수소 혼소 시 보일러 효율이 약 1 ~ 2% 정도 낮아지는 특성을 보였으며, 이는 수소 연소 시 다량 발생하는 수증기(H₂O)에 포함된 응축열을 충분히 회수하지 못해 효율이 저하되는 것으로 판단된다.

(2) LNG-수소 혼소 시험 후 수소 전소시험을 수행하였다. 수소 혼소 시 기존 메탈파이버 연소형태의 연소기를 사용하였으며, 수소 전소시험에서는 연소기 출구 화염속도를 높이기 위해 타공방식의 연소기로 변경하여 실험을 진행하였다. 기존 메탈파이버 형태의 연소기에 수소 전소시험을 하였을 때 수소의 높은 연소 속도로 인해 연소가 메탈파이버 내부로 이동하여 연소기가 파손되는 현상을 확인하였다.

(3) 수소 전소 시 높은 공기비에서의 연소시험을 먼저 수행하였다. 높은 공기비에서는 배기가스 중 NOx가 5 ppm 미만으로 낮게 발생하였다. 이는 높은 공기비로 인해 화염 온도가 낮아져 thermal NOx가 낮아졌기 때문으로 판단된다. 향후 저NOx 연소기 설계 시 높은 연소 공기비와 낮은 연소공기비를 혼합하면 최종 NOx가 낮아질 수 있는 연소기를 개발할 수 있을 것이다.

(4) 낮은 공기비(공기비 1.5, 2.2) 수소 전소 시 NOx는 약 44 ~ 47 ppm이 발생하였다. 이는 LNG 연소 시 보다 약 4 ~ 5배 높은 NOx 배출량이다. 수소 전소 시 높은 연소온도로 인해 NOx가 많이 생성된 것으로 판단되며, 향후 이러한 NOx를 줄이기 위해 저 NOx 연소기술이 필요할 것이다.