저녹스(NOx)버너 개요/원리

H&K ENVIRONMENT

 

안녕하세요 K입니다.

대기관리권역법이 시행된지 벌써 2년이 지났습니다. (환경인들 고생했습니다. 짝짝짝~)

 

*대기관리권역법 : 사업장별로 오염물질(먼지/NOx/SOx)의 배출량을 할당하여 그 범위 내에서 오염물질을 배출하도록 함

(최초 5개년(2020~2024년) 할당 및 이후 재할당)

→ 미세먼지 배출을 저감하고 효율적으로 관리함으로써 국민건강에 위해를 예방하고, 쾌적한 생활환경을 조성차 대기관리권역의 대기환경개선에 관한 특별법안을 제정함. 기존 수도권지역에 시행 중인 대기관리권역 지정제도를 대기환경기준을 초과하거나 초과할 우려가 있는 지역에까지 확대하는 등(전국확대) 체계적이고 광역적인 대기환경개선 대책을 추진함

https://hk-environment.tistory.com/3

 

산업계에서 1차년도(2020~2024년)를 대응하기 위해 매우 난항을 겪었고,

2차년도가 시행되기 그 이전에 추가 대응을 하기 위한 사업구상을 할 것으로 판단됩니다. (2025~2029년)

특히 그동안 관리대상 물질인 먼지/NOx/SOx 중 NOx 저감이 매우 이슈가 되었습니다.

(과징금 : 먼지 3,850원/kg, 질소산화물(NOx) : 10,650원/kg, 황산화물(SOx) : 2,500원/kg)

 

이 중에서 가장 NOx를 원초적으로 저감할 수 있는 기술인 저NOx버너(Low NOx Burner, LNB)에 대해서 찾아보았습니다.

 

질소산화물(NOx)의 발생 메카니즘

1) 질소산화물 : 대기중의 질소(N)가 고온에서 산소(O2)와 결합한 형태

2) 자연적요인 : 고온상태에서 생성되기 때문에 자연적으로는 산불, 낙뢰 등이 발생되면 생성

3) 인위적요인 : 연소과정에서 발생. 연소과정에서 발생되는 질소산화물(NOx)의 대부분은 일산화질소(NO)형태로 발생되며, 연소시 발생하는 질소산화물(NOx)은 Fuel NOx, Thermal NOx 및 Prompt NOx로 구분할 수 있고, 일반적으로 발생하는 질소산화물의 대부분은 Thermal NOx에 기인됨

 

Fuel, Thermal, Prompt NOx 등 상세내용 아래 블로그 포스팅 참조

https://hk-environment.tistory.com/58

 

저녹스버너(LNB, Low NOx Burner) 개요

1) 연료 및 공기의 혼합 특성을 조절하거나 연소영역의 산소농도와 화염온도를 조절하는 등의 여러 가지 방법으로, 연소과정에서 발생하는 질소산화물의 생성을 억제함

2) 단계적인 연료와 공기의 혼합기술을 응용하여, 연소 초기에 산소(O2)이용률을 낮추어 질소산화물의 생성을 억제함

* 일반적으로 대형설비에서 사용되고 있는 선택적 무촉매환원공정(Selective Noncatalytic Reduction ; SNCR)과 선택적촉매환원공정(Selective Caltalytic Reduction ; SCR)과 비교해 볼 때 설치비가 저렴하고, 운전비를 추가로 사용하지 않아도 되고, 연소효율도 증가해 연료비가 절감되는 것으로 평가받고 있음

3) 비교적 간편하며 운전비용이 적음

4) 질소산화물 30~50% 저감

5) 버너만 교체하므로 OFA(Over Fire Air)/FGR(Fuel Gas Recirculation) 등 타 질소산화물 저감기술들과 병행/적용할 수 있어 저감효과를 추가적으로 높일 수 있음

6) 저녹스버너는 이미 설치된 연소시설(보일러/소각시설 등등)에 비교적 용이하게 적용될 수 있음

7) 초기 투자비가 중간 정도로 높음

 

저녹스버너 원리

1) 연료와 공기의 혼합을 조절하여 연소강도를 낮추거나, 연소영역에서 산소농도와 화염의 온도를 낮추어서 Thermal NOx, Fuel NOx의 발생을 저감

- 공기다단연소버너(Air Staging, 제1세대 : 1970년대) : NOx 40% 저감

- 연료다단연소버너(Fuel Staging, 제2세대 : 1970년대) : NOx 60% 저감

- 초저녹스버너(ULNB, 3세대 : 1980년대) : NOx 80% 저감 *배기가스 재순환(Flue Gas Recirculation)의 원리를 이용

 

저녹스버너(LNB)의 발전 단계별 질소산화물(NOx) 발생농도(초저녹스버너 및 가열로의 환경부하저감, PETROTEC)

 

2) 버너에서 질소산화물의 발생을 저감하는 기술 (화염이 온도를 조절하는 기술)

① 다단 연소(Staged Combustion, Stratified Combustion)

② 배기가스 재순환(Flue Gas Recirculation)

③ 희박 예비혼합 연소(Lean Premixed Combustion)

④ 화염의 분할(Divided Flame)

⑤ 급속혼합연소(Rapid Mixing)

 

① 단계적 연소형(Staged Combustion)

연료 및 공기를 단계적으로 공급하여 화염온도를 낮춤 (연소 개선방법인 단계적 연소법(stagedcombustion)의 개념을 버너에 도입)

 

1) 공기다단연소

- 연료과잉 상태에서 산소(O2) 농도 감소에 의한 질소산화물(NOx)의 발생 저감을 유도 → 충분한 공기를 공급하여 완전연소를 유도 → 연소효율의 저하 없이 발생되는 질소산화물(NOx)의 농도를 낮게 유지

- 공기다단 연소는 연소용 공기 중 약 50~70%를 1차 연소지역에 공급하여 연료 농후영역을 형성 (산소결핍으로 NOx 저감)

- 나머지의 공기는 화염 후류로 공급하여 미연 탄화수소의 완전연소를 유도하면서 연료희박 영역을 형성

- 1차 연소지역으로부터 Inert gas의 유입으로 화염 온도가 낮아져, 화염에서 발생하는 질소산화물(NOx) 농도가 저감

* Inert gas : 불활성가스

 

2) 연료다단연소

- 연료다단 연소는 공기 다단연소와 반대되는 개념

- 일반적으로 약 30~50%정도의 연료를 1차 연소지역으로 공급하여 연료희박 영역을 형성 → 이 영역에서 희박 연소 조건으로 인한 화염온도 감소로 인해 질소산화물(NOx) 저감 → 나머지 연료가 화염 후류로 공급되어 미연 연료의 산화가 일어나는 2차 화염영역이 형성되고 → 이 영역에서 1차 연소지역으로부터 inert gas의 유입과 국부적인 산소농도 결핍으로 인해 질소산화물 저감

 

 

공기 다단 연소의 개념도 (공기/연료 다단, FGR/FIR 및 부분예혼합 연소기술을 복합 적용한 액체 개발, 한국생산기술연구원 및 기체연료용 초저NOx 연소기)

 

연소기술을 복합 적용한 액체 및 기체연료용 초저NOx 연소기

 

② 배기가스 재순환(Flue Gas Recirculation)

- 연소실의 연소영역에 배기가스를 일부 공급하여, 연소로내의 가스유량을 증가시켜 열용량 증가에 의한 로내 온도 감소와 연소영역의 산소농도를 낮추어 질소산화물(NOx)의 생성을 억제

- 산소농도의 희석 효과 보다는 화염온도 저하 효과가 더 크기 때문에 Thermal NOx의 저감에 유리

* 초저녹스버너(ULNB)는 기본적으로 연료의 단계적 연소법을 도입하고, 배기가스 재순환법을 응용하여 만들어짐

 

③ 희박 예비혼합 연소(Lean premixed combustion)

- 연료의 일부와 투입하는 공기의 전량을 예비혼합기에서 1차 화염을 만들고, 남은 연료를 후류에 공급하여 2차 화염을 만듬

- 기존의 다단연소, 분할화염형, 배기가스 재순환기술은 확산연소에 해당하고 이러한 확산연소 기술들을 더욱 발전시킨 연소방법

희박 예비혼합연소의 원리 (초저녹스버너 및 가열로의 환경부하저감, PETROTEC)

 

④ 분할화염형(Divided Flame)

- 분할화염형 저녹스버너는 노즐 출구의 모양을 변화시켜 화염을 여러 개의 독립된 작은 화염으로 분할해 화염의 방열성을 증가

- 분할화염형 버너에서는 방열성으로 화염의 온도가 낮아지고, 체류시간이 감소해 질소산화물 생성억제

- 연료 노즐 끝에 화염분할기를 부착한 방법과 연료노즐의 위치를 변경시켜 화염형성 영역을 분리시킨 방법, 화염층을 넓게 확산시키는 방법 등이 있음

* 방열성 : 열을 내뿜는 성질

- 화염 분할형 저녹스버너는 화염길이가 짧고 미연분의 발생양도 적지만 Fuel NOx의 억제에는 큰 효과를 나타낼 수 없음

분할화염형버너 (중유보일러용 기류분무식 저NOx 연소시스템 기술개발에 관한 연구, 산업자)

 

 

방법	세부방법	특징
다단연소	공기 다단 (Air staging) 연료 다단 (Fuel staging) 예비혼합 연료농도 층화화염 적용	CO 증가 억제 대책 필요 연료농후 지역에서 Prompt NOx 생성 제어 필요
배기가스 재순환	Wind box FGR FIR (Fuel Injection Recirculation) 다단연소 + FGR/FIR	30%가 넘으면 화염안정성이 문제 Thermal NOx 제어에 효과적임
부분 예비혼합 연소	과연료/저연료 예혼합 화염적용 과연료/Stoichiometric/저연료 혼합 화염적용 Vortex combustion	Prompt NOx 생성을 피할 수 있음 Flashback 문제 대처 필요
급속 혼합연소	선회기 형태, 버너 내부 형태, 가스 분사기 설계, quarl expansion 등에 따라 다양한 조합이 나올 수 있음.	점화지점에서 연료와 공기를 일정하게 혼합 Flashback 문제 해결

저녹스버너(LNB) 기술의 원리 및 특징 (연소 배가스 중 질소산화물 제어 기술, 동화기술)

 

3) 적용 CASE 1 연료 중 질소 함량이 낮은 가스 or 액체연료

분할화염형과 급속 혼합연소형은 화염을 급냉하거나 방열을 촉진하기 위하여 화염의 표면적을 증가시켜 질소산화물의 생성을 억제

 

4) 적용 CASE 2 연료 중 질소 함량이 높은 가스 or 액체연료(중질유) or 고체연료(석탄)

자기 재순환형 또는 단계적 연소형과 같이 혼합 특성을 변화시키는 버너가 유리

 

타기술 비교 (연소배가스 중 질소산화물 제어기술, ‘동화기술’)

항목	기술명	NOx 제거효율 (%)	초기 투자비용 ($/kW)
연소제어	저NOx버너	30~50	20~30
	2단 연소(Overfire Air)	10~30	7~10
	Burner out of service	10~30	1~1.5
	배기가스 재순환(FGR)	10~25	5~10
	가스 재연소	30~60	15~40
	저과잉 공기연소	10~25
연소 후 제어	SNCR Process	40~80	7~15
	SCR Process	70~90	coal	신규	30~60
				개조	40~80
			oil	신규	27~30
				개조	40~60
			gas	신규	20~35
				개조	25~30

 

향후 기술개발 방향

산소농도 저하와 연소온도의 저하가 질소산화물 저감에는 효과적이지만 연소효율의 저하와 특히, 석탄 연소시스템에서의 미연소탄소분의 증가 및 slagging 문제를 유발할 수 있으므로 이러한 문제 해결과 질소산화물 저감효율 향상 등이 고성능 저녹스버너(LNB) 개발을 위한 과제로 판단됨

*Slagging : 석탄 미분입자가 융해된 상태로 가스배출되다가 보일러 수관 표면에 부딪힐 때 용융된 회가 급랭하면서 응집되어 수관 벽에 부딪힌 것

 

[출처]

GOV_2014_PRISM_012383.pdf

2.84MB