대기오염을 줄이는 FGR 시스템의 질소산화물 저감 기술

 

대기오염을 줄이는 FGR 시스템의 질소산화물 저감 기술

대학생신재생에너지기자단 24기 김하은, 24기 박선혜

[우리나라의 대기오염 물질과 관리]

우리나라는 대기 정보 자료를 수집·관리하는 국가대기환경정보관리시스템(NAMIS)을 구축하여 국가와 지방자치단체 등 행정기관에서 대기환경 정책 자료로 활용할 수 있도록 정보를 제공하고 있다. 이를 담당하는 사이트인 에어코리아에 의해 농도가 공개되고 있는 대기오염 물질은 초미세먼지(PM2.5), 미세먼지(PM10), 오존(O3), 이산화질소(NO2), 일산화탄소(CO), 아황산가스(SO2), 황사 등이다. 이들은 각각 생명체에 영향을 끼치지 않는 범위 내의 농도에서 관리되기 위해 전국의 측정망에서 측정되고 있다.

[자료1. 에어코리아 자료]

출처 : 에어코리아

특히 이산화질소를 포함하는 질소산화물(NOx)은 대표적인 환경오염 물질로 석유, 석탄, 가스 등 모든 연료의 연소 과정에서 발생한다. 국내의 여러 부문에서 질소산화물 배출량을 줄이기위해 무공해차 이용, 차량 2부제, 저공해화 설비 등의 노력을 하고 있다. 하지만 우리나라에서 당장 없애거나 줄일 수 없는 자동차, 보일러, 소각장 등에서 질소산화물이 발생하기에 우리나라 사회에서 농도 관리가 가장 어렵다고 여겨진다.

 

[질소산화물의 발생을 줄이는 FGR시스템]

고온 FGR 연소방식 기술은 연소실 내부에 900℃ 이상의 고온 연소가스를 재순환(고온 FGR, Flue Gas Recirculation)시켜 상온의 연소용 공기와 혼합함으로써 공기 중의 산소를 희석해 분산시키고 공기를 순간적으로 예열해 연소반응을 일으키는 방식이다. 이런 방식을 통해 질소산화물의 배출을 최대로 절감시킬 수 있어 저녹스 보일러와 같은 친환경 시스템에서 사용되고 있다.

[자료2. 고온 FGR 연소방식 흐름도]

출처: 공학저널

FGR 시스템은 황산화염의 산소 과농도 영역에서 형성되는 화염대의 고온 발생을 억제해 화염의 온도를 낮추고 균일화한다. 동시에 산소 농도가 낮은 상태에서도 연소 반응성을 유지시켜 안정된 화염을 형성하고, 그 결과 연소에서의 질소산화물의 발생을 저감 시킬 수 있다는 친환경적인 장점을 갖고 있다. 또한 기존 설비에서는 이러한 질소산화물의 배출 농도를 낮추기 위한 약품을 쓰고 있기 때문에 FGR 시스템을 사용하면 약품 사용량도 낮출 수 있어 경제력도 갖추고 있다.

[보일러에 사용되는 FGR 시스템의 실험 구조와 결과]

보일러의 연소장치에 이용되고 있는 FGR시스템은 크게 집진기, Air Chamber로 나누어져 있다. 집진기를 통해 배출되는 배기가스의 일부는 밸브를 조절하면 FGR율을 조절할 수 있다. 또한 유입된 공기와 혼합공기가 잘 섞일 수 있도록 Air Chamber를 거쳐 보일러로 공기가 공급될 수 있는 구조를 지니고 있다. 집진기에서 배출된 배기가스가 밸브를 통해 FGR 시스템을 거쳐 보일러와 절탄기를 통해 다시 집진기를 돌아오는 순환 시스템인 것을 확인할 수 있다.

[자료3. FGR시스템]

출처: FGR 시스템 동력 플랜트 보일러 

그렇다면 위와 같은 시스템으로 NOx, CO의 배출량을 얼마나 줄일 수 있을까? 정확한 수치를 비교하기 위해 EGR율은 25%로 고정하고 보일러 부하의 비율을 달리하였다. 이때 FGR률은 FGR 시스템을 첨가하지 않았을 경우의 흡입된 연소용 공기량과 FGR 시스템간 흡입된 새로운 연소용 공기량의 차이를 FGR 시스템을 첨가하지 않았을 경우의 흡입된 연소용 공기양으로 나눈 비율이다.

출처: FGR 시스템 동력 플랜트 보일러

산소 농도는 약 7.5% ~ 8.0%로 조절하고, 각 부하별로 모든 조건은 같게 유지, 증기압은 일정한 온도를 유지하기 위해 5kg/cm2의 압력을 유지하였다. FGR 시스템을 적용하지 않은 경우에 CO의 배출량은 전체적으로 50 ppm 내외로 좋은 상태를 유지하였다. 하지만 NOx 배출량은 100ppm 부근으로 측정되었으며 이는 CO 배출량에 비해 꽤 높은 수치이다. 반면 FGR 시스템을 적용하고 FGR률을 모든 부하에서 약 30%로 고정했을 때 80% 부하에서 NOx가 약 7.6%로 크게 감소함을 확인할 수 있었다. 결과적으로 FGR 시스템의 적용 여부에 따라 CO 발생량, NOx의 배출량이 감소함을 확인할 수 있다.

[자료4. FGR 시스템 적용 여부에 따른 NOx 수치]

출처: FGR 시스템 동력 플랜트 보일러

[FGR 시스템이 첨가된 발전소 보일러의 운전장치]

그렇다면 FGR 시스템이 첨가된 발전소 보일러는 어떤 운전장치를 가지고 있을까? 우선 공기상자 상부에 설치된 흡입댐퍼를 0도에서 90도 사이에서 조작하여 열면 버너로 공급되는 연소용 공급되는 연소용 공기는 줄어들고, 연소를 활성화하기 위한 2단 연소용 공기가 공급되게 된다. 보일러에서 연소반응이 일어난 후, 배기가스는 과열기와 절탄기를 거치고 보일러 배기 출구에서 FGR 팬 흡입댐퍼를 통해 일정량의 배기가스가 재순환되어 연소용 공기와 혼합한다. 공기 예열기에서 열교환을 한 배기가스 배출물은 전기 집진기에서 매연이 포집되어 제거된다. 반면 FGD(flue gas desulfuration) 시스템에서 황산화물이 제거되고 FGD 시스템을 거친 배기가스는 부스터 업 팬에 의해 승압되어 굴뚝을 통해 대기로 방출된다.

[자료5. FGR 환경 설비 시스템 운전장치 구성도]

출처: FGR 시스템 동력 플랜트 시스템

위의 그림은 보일러 FGR 시스템 운전에 의한 배기가스 배출물 계측 및 분석을 수행하기 위한 일본 중공업에서 설계한 옥외형 수관 보일러인 열병합 발전소의 운전장치 구성도이다. 발전소는 충동식 배압터빈에 의해 동력을 발생시켜서 1차적으로 발전소 내에서 소비를 하고 여분의 동력을 전력거래소에 판매한다. 또한 폐증기는 공업단지 내 다른 회사에 열에너지로서 공급한다.

 

[FGR 시스템의 한계점]

FGR 시스템은 송풍기 흡입 측에 배기가스 연도와 연결하는 별도의 배관을 설치하는 방식이다. 그렇지만 이 기술은 별도의 외부 배관이나 송풍기를 추가로 설치해야 한다는 사항 때문에 비용과 시간 면에서 비효율적이라는 한계점을 갖고 있다. 이에 한 기업에서는 추가적인 송풍기나 배관의 설치 없이 버너 내부에 연소 가스가 연소용 공기에 혼합되는 FIR기술을 개발하였다. 질소산화물의 발생을 최소화하는 것이 관건이지만 화석연료를 계속해서 태워야 하는 상황이기에 이는 쉽지 않다. 그렇기에 경제성과 효율성을 겸비한 설비를 계속해서 연구해 나가야 한다. 또한 질소산화물의 배출을 줄이는 설비를 신재생에너지를 통해 발전시켜 나가야 한다.

---

 

연료에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "석유의 종말? 바이오 리파이너리의 등장!", 22기 유현서, https://renewableenergyfollowers.org/4285

석유의 종말? ‘바이오 리파이너리’의 등장!

2. "화석연료의 종말, 내연기관의 마지막 희망은?", 23기 김서정, https://renewableenergyfollowers.org/4265

화석연료의 종말, 내연기관의 마지막 희망은?

---

참고문헌

[질소산화물의 발생을 줄이는 FGR시스템]

1) 이진, "안성시, 초미세먼지 줄이기 행정력 집중", 아투시티뉴스, 2024.03.11, https://www.asiatoday.co.kr/view.php?key=20240311010005262 

2) 전수진, "고온 FGR 연소방식으로, 질소산화물· 운영비용 ↓", 공학저널, 2023.10.04, http://www.engjournal.co.kr/news/articleView.html?idxno=2573

[보일러에 사용되는 FGR 시스템의 실험 구조와 결과]

1) 심봉석, 김종진, 최규성, 강새별, 장준환, FGR 시스템 동력 플랜트 보일러의 성능 및 배기 배설물에 미치는 재순환 배기의 영향 , 대한기계학회 2004년도 추계학술대회 논문집, https://www.dbpia.co.kr/journal/articleDetail?nodeId=NODE06646453

[FGR 시스템이 첨가된 발전소 보일러의 운전장치]

1) 배명환, 정광호, 박성범, FGR 시스템 동력 플랜트 보일러의 성능 및 배기 배출물에 미치는 재순환 배기의 영향에 관한 연구

[FGR 시스템의 한계점]

1) 김하늬,  “FIR 저녹스버너 기술로 친환경과 고효율 두 마리 토끼 잡는다”, 공학저널, 2024.02.26, http://www.engjournal.co.kr/news/articleView.html?idxno=2725