
일본산소, 수소‧암모니아 적용 … NOx 없어 화염온도 유지
순산소로 연료를 연소시키는 산소 연소기술이 탄소중립에 기여할 것으로 기대된다.
공기는 78%가 질소, 21%는 산소이고 나머지는 아르곤(Argon), 이산화탄소(CO2) 등으로 구성돼 있으며 연소 시 산소 농도가 화염 온도와 연소 속도 등을 좌우하는 것으로 알려졌다.
하지만, 공기 연소 시 실제 연소에 기여하는 산소는 질소보다 적으며 질소는 연소 반응에 기여하지 않으나 흡열 반응 때문에 질소산화물(NOx)로 산화돼 배출 시 화염 온도를 낮추는 문제가 있다.
반면, 순산소로 연소하면 산소가 100% 연소에 기여해 이론상 화염 온도를 섭씨 약 2800도로 높일 수 있고 연소 속도가 빨라지는 효과가 있다.
효율적인 연소는 연료 감축, 에너지 절감, 환경부하 저감 등에 기여하고 순산소에는 질소가 없기 때문에 질소산화물이 배출되지 않는 장점이 있다.
이에 따라 산소 연소기술은 오래 전부터 사용되고 있으며 철, 비철금속, 유리 등 고온 프로세스를 사용하는 산업은 원래 우수한 가격경쟁력을 활용하기 위해 산소 연소를 사용했으나 최근 들어 환경부하를 낮추기 위해서도 채용하고 있는 것으로 알려졌다.
일본 산업용 가스 생산기업 일본산소(Nippon Sanso)는 현재 세계 각국에서 순산소 활용 산소 연소기술 실증실험을 진행하고 있으며, 특히 차세대 에너지로 부상하고 있는 수소 및 암모니아(Ammonia) 연소에 필수적인 기술로 보급하는 것을 목표로 하고 있다.
유럽에서는 알루미늄산업에서 산소 연소를 주로 사용하기 때문에 기존 공기 연소에서 산소 연소로 전환하는 수요를 확보할 예정이다. 알루미늄은 자동차 경량화 부품으로 수요가 급증하고 있고 리사이클이 쉬워 빠르게 성장하고 있다.
반면, 화학 프로세스는 고온 프로세스가 많지 않으며 플랜트 설계상 내고온성이 우수하지 않기 때문에 순산소 이용은 어려운 것으로 알려졌다.
현재까지 NCC(Naphtha Cracking Center) 일부에 채용됐으나 순산소가 아니고 산소 농도를 높임으로써 효율화를 도모하는데 그치고 있다.
하지만, 이산화탄소 프리 실현을 위한 수소 및 암모니아 연소에서는 산소 연소기술이 큰 효과를 발휘할 것으로 기대되고 있다.
만약, 수소 연소 방식을 공기 연소에서 순산소 연소로 전환하면 수소 사용량이 거의 절반 가량 감소하고 순산소 코스트를 추가해도 전체 코스트를 대폭 줄일 수 있는 것으로 알려졌다.
또 암모니아는 수소보다 열량이 높으나 질소산화물을 배출해 화염 온도가 높아지기 어려운 문제가 있지만 순산소를 사용하면 연소효율이 높아지고 100% 산소 구성인 만큼 연소 제어가 간단해지는 장점이 있다.
일본산소는 수소 연소를 순산소로 전환하기 위해 2022년 일본전기초자(Nippon Electric Glass)와 수소 100% 연소를 통한 유리 용융 실증실험을 세계 최초로 성공했으며 스페인에서 철강용 실증에 도전하고 있다.
암모니아-순산소 분야에서는 구상 실리카(Silica) 제조에서 Admatechs와 협업하고 있으며 일본 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO) 위탁 사업으로는 AGC와 건축용 유리 제조시험을 진행하고 있다.
수소‧암모니아 연소는 2050년 탄소중립에 반드시 필요한 기술로 주목된다.
일본 정부가 2030년 목표로 정해둔 이산화탄소 감축량을 실현하기 위해서는 탄소 연료와 산소 연소 조합이 현실적인 것으로 판단되고 있다.
공기 연소를 산소 연소로 전환하면 이산화탄소를 30-40% 감축할 수 있으며 순산소가 아니어도 산소 농도를 높이는 것만으로도 효과적인 것으로 알려졌다. (K)