고효율 연소가 주축을 이루던 연소기술이 21세기에 들어서면서는 저공해 연소, 즉 Low NOx버너로 트렌드가 바뀌고 있다.

보일러의 경우 열효율을 좌우하는 것들로 그 영향이 큰 순서로 나열하면 상온의 연소용 공기가 통상적인 배기가스 온도 200~250℃로 대기 중에 방출되는 배기손실과 뜨거운 보일러 표면으로부터 주면공기로 방열되는 방열손실 등으로 구분할 수 있다. 이에 따라 보일러용 고효율 연소란 배기손실을 최소화하는 기술을 말한다.

이론공기량만으로는 완전 연소가 불가능하기 때문에 이론공기량보다 과잉으로 공급해 연소를 할 수밖에 없고 이 과잉공기비가 높을수록 배기가스로 손실되는 손실이 많아진다. 이로 인해 열효율이 낮아지기 때문에 이론공기량에 가까운 연소용 공기만으로 불완전 연소없이 화염온도를 최대한 높일 것인가가 고효율 연소의 핵심이었다.

이러한 고효율 연소는 화염온도를 높이는 기술은 공해발생량이 많다. 연소용 공기 중 산소와 질소가 화염과 같은 높은 온도에서 반응해 NOx를 만들기 때문이다.

NOx는 화석연료를 연소시킬 때 필연적으로 발생되는 대기공해물질로 자동차와 보일러 배기가스에서 발생되며 이것들이 스모그를 일으키는 주범이다. 21세기에 들어서자 인류는 고효율 못지않게 저공해에 관심을 갖기 시작하면서부터 NOx를 적게 배출하는 연소 즉, 저NOx연소가 어느 때보다 중요한 화두로 등장하게 됐다.

2015년 현재까지 한국, 일본, 유럽 그리고 SCAQMD 적용지역을 제외한 기타 미국 등 전세계 NOx배출 농도규제는 40ppm 이하가 대세다. 중국 북경이 2017년까지 40ppm 이하이지만 2017년 1월1일부터 신설되는 보일러의 경우 15ppm 이하로 강화되고 있는 등 전세계는 점점 더 NOx배출 농도를 강화하는 분위기를 만들어 가고 있다.

이에 따라 2012년까지 우리나라를 포함해서 모든 선진국 버너라 하더라도 에너지낭비가 심하지 않은 배기가스 산소농도 3% 내외 수준에서는 대부분 NOx배출 농도 보증치 30~40ppm 이하가 세계 최고의 기술이었다.

그러나 한국의 연소기 메이커의 최강자인 (주)수국(대표 박재언)은 2012년 저NOx연소기술을 2가지 이상 복합 적용하는 기술로 기존의 40ppm 이하 저NOx 수준(배기가스 산소농도 3% 대)을 배기가스 산소농도 1~2% 대를 유지하면서도 NOx 20ppm 이하 수준을 마침내 달성했다. 이는 실용적인 수준의 수관식 보일러용 세계 최고의 저NOx 연소기술이며 2015년 현재까지 깨지지 않고 있다.

대체로 가스연료의 발열량에 따라 동일한 기술이라도 NOx발생 농도가 달라지는데 이는 발열량이 높은 가스연료가 화염온도가 더 높아지기 때문이다. 가령 미국에서 8,700kcal/Nm³인 천연가스로 NOx보증농도 30ppm이면 우리나라 또는 일본의 1만,400~1만1,000kcal/Nm³인 천연가스로는 40ppm을 보증할 수밖에 없다.

유럽의 EN676 규정에도 8,700kcal/Nm³인 천연가스로는 최고 성능 저NOx 등급 class 3 기준이 40ppm 수준인데 발열량이 2만2,400~2만4,000kcal/Nm³인 LPG는 class 3등급이 NOx 70ppm 수준인 것도 동일한 기술의 버너가 발열량이 높아지면 NOx 발생 농도가 높아진다는 것을 반영하는 것이다. 우리나라는 천연가스 40ppm인데 비해 LPG 50ppm 이하가 저NOx 인정기준으로 연료의 발열량이 높아지는 것에 대한 반영기준이 좀 다르다.

수국의 관계자는 “우리나라 고객들은 요구조건이 까다롭기로 세계적 수준이지만 자생적으로 저NOx 연소기술을 개발해 노통연관식 보일러에서도 놀랄만한 성과를 내놓았다”라며 “최근 국내에서 유행하고 있는 콘덴싱 산업용 보일러에 10톤용과 20톤용으로 개발해 공급한 저NOx버너가 배기가스 중 산소농도 1% 이하 운전으로 NOx 32~35ppm을 달성하는 쾌거를 이뤘다”고 강조했다.

대부분의 선진국 저NOx버너조차 이 정도의 NOx 농도를 유지하려면 산소농도 3% 내외인 것에 비하면 거의 저NOx와 고효율을 동시에 달성함으로써 두 마리 토끼를 잡은 기술인 것이다. 특히 연소실 직경이 통상의 노통 연관식 보일러보다 훨씬 작은 콘덴싱 보일러에서 달성한 성과이기에 명실공히 실용적 수준에서는 우리나라가 세계 최고의 저NOx 연소기술 보유국이 되는 성과를 수국이 낸 것이다.

수국은 이에 만족하지 않고 보다 과감한 도전을 시작했다. 열효율도 높이고 NOx배출 농도도 싱글단위 수준으로 낮추는 목표를 제시한 것이다. 즉 산소농도 2% 이하 운전에 NOx농도 9ppm 이하를 달성하는 것으로 아직까지 전세계에서 아무도 달성하지 못한 도전적인 목표다. 수국은 수관식보일러, 노통연관식 보일러, 관류보일러 등 모든 종류의 보일러에 적용할 수 있는 정부지원과제인 ‘산업용보일러 극초저공해(NZE: Near Zero Emission) 연소기술 개발’를 지난해부터 4년간 수행하고 있다. 이번 과제에는 생산기술연구원, 에너지기술연구원, 부경대, 순천대, 경상대, 동광보일러 등이 참여한다.

수국의 관계자는 “미국의 경우 싱글디지트(9ppm 이하) NOx 배출을 위해서는 열효율이 매우 낮은 산소농도 5~6%(배기가스 외부 재순환 방식) 또는 9~11%(완전 예혼합 방식)인 것에 비하면 무모하리 만큼 도전적인 목표”라며 “만약 이과제가 성공적으로 달성된다면 그동안 추종하는 연소기술 위치에서 선도하는 연소기술 위치를 2012년 이후 계속 유지하게 되는 매우 의미 있는 일이 될 것”이라고 강조했다.

수국의 자체 내부 보고서에 의하면 이미 1차년도에 노통연관식 보일러용 저NOx버너의 성능이 산소농도 0.9%에서 NOx농도 9ppm 이하를 달성했다.

관류보일러의 경우 아직 아무도 상용화하지 못한 초과엔탈피 연소기술을 이용한 NOx, CO 동시 저감 관류형 저NOx버너 연소기술이 이미 실험실 규모에서는 과제 목표를 달성한 바 있다. 관류보일러 저NOx 연소기술은 일본이 매우 앞서 있으며 일본의 경우 배기가스 외부 재순환 방식을 추가하고 산소 농도도 3~5% 수준이다. CO도 90~300ppm수준인 것으로 알려져있다.

수관식용 싱글디지트 NOx성능연구는 기존의 40ppm NOx성능의 연료다단(Gas Staging)기술에 배기가스 내부재순환(Internal FGR) 기술을 복합 적용해 20ppm NOx성능을 달성한 바 있다. 하지만 현재의 기술을 더욱 발전시켜 Advaced Internal FGR이 되도록하기 위해 날개없는 선풍기에 사용된 기술인 코안다효과를 적용하고 추가적으로 연료에 배기가스를 혼합하는 기술 등이 복합적으로 적용해 목표를 달성할 계획이다.

지난 수년전 우리나라에서 열린 G20 정상회담에서 각국의 정상들이 환경상품에 대해서 각국의 무역 관세를 즉시 5%로 정하자는 합의한 이후 그 연장선상에서 최근 환경상품의 무역관세를 철폐하자는 실무논의가 활발히 진행되고 있다.

수국의 관계자는 “이제 에너지절약을 넘어 환경까지 고려한 제품을 만들지 못하면 선진국에 우리나라 시장을 다 내어줄 수밖에 없는 상황”이라며 “오히려 세계 최고의 기술로 과감하게 세계 시장에 뛰어들어 위기를 기회로 만들기 위해 노력하고 있다”고 밝혔다.