버너 기술의 발전
미국 Zeeco, Inc.,의 Eric Pratchard와 Todd Grubb, 그리고 ExxonMobil의 Hector Ayala, Aloke Sarkar, HS Lee는 초저NOX 버너 기술의 발전이 수소 연소 및 NOX 배출에 미칠 수 있는 영향에 대해 논의합니다.
ZEECO FREE JET 3세대 버너의 100% 수소 연소 시험
전 세계적인 탄소중립(Net Zero) 목표를 달성하기 위해서는 석유 가스 산업과 기타 중공업 분야의 대규모 탈탄소화가 필수적입니다. 이러한 탈탄소화를 실현하는 한 가지 방법은 탄화수소 기반 연료 대신 거의 100%에 가까운 농도의 수소를 프로세스 버너의 연료로 사용하는 것입니다. 그러나 현재의 초저녹스(ultra-low NOX) 버너(ULNBs)와 신규 버너 설계는 높은 수소 농도 환경에서 플래시백의 위험이 증가하고, 수소의 더 높은 화염 온도로 인해 단열 NOX 생성이 늘어나면서 NOX 배출 관리 비용이 상승하는 등의 문제로 어려움을 겪고 있습니다. 저탄소와 저NOX 배출을 동시에 달성할 수 있는 더 나은 솔루션에 대한 수요가 증가함에 따라, 업계는 100% 수소 연소가 가능하면서도 훨씬 낮은 NOX 배출을 유지할 수 있는 초저녹스 버너를 필요로 하고 있습니다. 또한 이러한 버너는 기존의 가열로에 손쉽게 개조할 수 있어, 주요 정유 공정의 탈탄소화를 위해 필요한 자본 지출을 최소화할 수 있어야 합니다.
이러한 수요를 충족하기 위해 Zeeco 엑슨모빌은 협력하여 다양한 연료 가스 조성 외에 100% 수소를 연소할 수 있으면서도 복잡하거나 값비싼 추가 제어 시스템이나 배기 솔루션 없이도 NOX를 크게 낮추는 새로운 차세대 ULNB 설계를 설계, 개발, 테스트, 구현했습니다. 이 새로운 버너는 외부 연도 가스 재순환이나 린 프리믹스 기술을 사용하지 않으며, 주변 또는 예열된 연소 공기를 사용하는 자연 통풍 및 강제 통풍 시스템 모두에서 목표를 충족합니다.
양사는 광범위한 프로세스 조건에서 단일 및 다중 버너 구성에 대한 버너 테스트를 공동으로 수행했습니다. 테스트 결과 화염 안정성, 성능 및 배출량 감소가 우수했으며 화염 치수는 현재 설계된 ULNB와 유사한 것으로 나타났습니다. 엑슨모빌은 미국 텍사스 베이타운에 있는 자사 시설의 프로세스 히터에 새로운 버너인 FREE JET® Gen 3TM 설치했습니다. 초기 운영 결과는 버너 성능 테스트와 일치했으며, 버너는 예상대로 배출량 감소와 운영 유연성을 제공하고 있습니다.
현재 개발중이거나 적용 가능한 신기술 및 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템은 이번 새로운 버너 설계의 대체 방안으로 검토될 수 있지만, 이러한 기술들은 구조가 복잡하고 비용이 많이 들며 추가적인 보호 장치나 운전조건이 요구된다는 단점이 있습니다.
수소를 80%까지 함유한 탄화수소 기반 연료를 연소하면 CO2가 절반으로 줄어듭니다. 탄소 배출량을 더 많이 줄이려면 순배출량 제로 목표를 달성하기 위해 95%에 가까운 더 높은 농도의 수소가 필요합니다. 따라서 탈탄소화에 대한 업계의 목표를 달성하려면 100%에 가까운 수소를 안전하고 비용 효율적으로 연소할 수 있는 프로세스 버너 설계가 상용화되어야 합니다.
오늘날 대부분의 가열로와 공정용 노는 천연가스 또는 정유 공정에서 발생하는 연료가스를 연소하도록 설계되어 있습니다. 이러한 연료가스는 다량의 탄화수소를 포함하고 있으며, 여기에는 수소, 불활성가스, 미량의 기타 화합물이 혼합되어 있습니다. 일반적인 정유 공정 연료 가스의 수소 함량은 20~40% 수준이지만, 버너를 고농도 수소를 연소용으로 전환할 경우 90~100%의 농도가 필요합니다. 이렇게 되면 버너의 작동 매개변수가 달라지게 되며, 버너와 가열로의 최적의 운전 성능을 유지하기 위해 설계 수정 및 보완이 필수적입니다.
수소의 화염 속도는 일반적인 탄화수소계 연료보다 훨씬 빠르기 때문에 연소 속도가 더욱 빠르고 단위 부피당 열 방출량이 증가합니다. 수소 연소의 화염 속도는 약 1.7m/s(5.6ft/s)인 반면 천연가스의 화염 속도는 0.4m/s(1.3ft/s)로 훨씬 느립니다. 또한 수소의 화학량론적 단열 화염 온도는 2182°C(3960°F)로, 천연가스의 1937°C(3520°F) 보다 높습니다. 수소의 높은 화염 속도로 인해, 수소 연소는 천연가스보다 훨씬 더 빠르게 진행되며, 이 과정에서 연소 에너지가 더 작은 부피 내에서 방출됩니다. 그 결과, 화염 인근의 국부적인 온도가 상승하게 되고, 이는 본래 높은 단열 피크 화염 온도와 맞물려 NOX 배출량 증가로 이어집니다. 일반적으로 760°C(1370°F) 이상에서는 소량의 NOX가 생성되기 시작하며 1100°C(2000°F)를 초과하면 NOX 생성량이 지수적으로 증가하게 됩니다.
현재 ULNB는 저수소에서 고수소로 연료를 전환할 때 종종 NOX 배출량이 50% 더 증가합니다. NOX 배출 제한에 대한 현지 규제 요건은 수소 점화 관계없이 계속 증가할 것으로 예상됩니다. 따라서 100% 수소 점화 적합한 차세대 ULNB 설계는 현재 세대의 ULNB보다 NOX 배출을 더욱 줄여야 합니다.
현재 ULNB 기술
프로세스 버너 설계는 수십 년에 걸쳐 개선되어 왔으며, 피크 화염 온도를 낮추고 NOX 형성을 줄이기 위해 공기/연료 혼합물의 국소 영역을 조작하여 연료가 풍부하거나 연료가 적은 연소 구역을 만드는 데 중점을 둔 다양한 기술이 NOX 배출을 낮추기 위해 배포되었습니다. 공기 스테이징, 연료 스테이징, 내부 연도 가스 재순환(IFGR), 희박 사전 혼합은 현재 사용 가능한 ULNB에서 NOX 를 줄이기 위한 주요 기술입니다. 그러나 이러한 기술로는 NOX 배출을 제한 범위 내에서 유지하면서 높은 수소 점화 요구 사항을 충족할 수 없습니다.
신기술들에 이러한 방법을 결합하여 사용하려는 시도가 이어져왔으며, '무화염 연소'와 같은 개념도 일정 부분 가능성을 보여주고 있습니다. 그러나 이러한 버너 설계는 기존 설비에 복잡한 하드웨어, 정교한 제어 시스템 그리고 보호 장치를 추가로 설치해야 한다는 한계를 지닙니다. 또한, 대부분 이러한 버너는 강제 통풍식 설치에만 적용이 가능하기 때문에, 자연 통풍식 구조가 일반적인 현존 가열로에 막대한 투자 없이는 개조하기 적합하지 않습니다. 일부 설계는 희박 예혼합(lean-premix) 기술을 사용하는데, 이는 특히 버너 열 방출량이 낮은 구간(즉, 버너 턴다운이 높을 때)에 수소 연료 연소 시 잠재적인 플래시백이 발생할 가능성이 있어 적용에 한계가 있습니다.
수소 연소 시 발생하는 높은 NOX 배출을 해결하기 위한 또 다른 방법으로 SCR(선택적 촉매 환원) 장치를 설치하는 방안이 있습니다. SCR은 대류 섹션 하류의 연도 가스 덕트에 설치되는 연소 후 처리 시스템으로, NOX 배출을 최대 95%까지 저감할 수 있습니다. 그러나 SCR 설치는 막대한 초기 지출과 장기적인 운영상 어려움이 수반됩니다. 또한 SCR은 추가적인 설치 공간이 필요하기 때문에, 특히 기존 장비를 개조할 때 까다로울 수 있습니다. 마지막으로 SCR은 배기가스 온도와 암모니아/요소 주입률을 정해진 범위 내에서 유지해야 하며, 그렇지 않을 경우 촉매층의 성능 저하나 암모니아 슬립(slip) 발생해 대기 중으로 암모니아가 방출될 위험이 있습니다.
고급 ULNB 기술
이러한 산업 과제를 해결하기 위해서는 복잡한 제어 장치나 추가 시스템, 특수한 공간 또는 형상 요구 사항 없이도 100% 수소가 가능한 프로세스 버너가 필요합니다. ExxonMobil과 Zeeco는 위의 요구 사항을 충족하고 다양한 연료 혼합에서 100% 수소로 또는 그 반대로 전환할 수 있는 새로운 버너 설계를 위해 협력했습니다. 그 결과 탄생한 버너는 새로운 정사각형 버너 타일 구성과 검증된 ULNB 기술을 적용하여 NOX 배출을 크게 줄인 특허 출원 중인 디자인입니다. 두 회사는 설계, 성능 테스트, 현장 테스트를 함께 진행하여 안전하고 비용 효율적으로 성능 및 배출 목표를 달성할 수 있는지 검증했습니다.
이전 세대의 free-jet 이론 기반의 프로세스 버너들은 단일 연료 포트를 가진 개별 단계 연료 팁 구조를 사용했습니다. 이 설계는 내부 배기가스 재순환(IFGR)을 최적화하여 연료 혼합비를 희박하게 만들었으며, 원형 타일 형상과 결합될 때 버너 화염면(firing ledge) 전반에 거의 균일한 희박 혼합 연료 조성을 형성했습니다. 버너 목 안쪽 내경에 배치된 1차 연소 팁은 화염의 안정성을 확보해주었고, 이러한 연료 혼합에 따른 균일한 화염 온도는 지난 20여 년 동안 우수한 NOX 저감 성능을 지속적으로 제공해왔습니다.
새로운 사각형 타일 버너 설계는 이미 검증된 free-jet 개념을 기반으로 하면서도 연료와 공기를 단계적으로 분사하여 열적 NOX 생성을 한층 더 줄이는 새로운 방식을 도입했습니다. 이 버너는 단계 연료 팁의 수를 줄이는 대신, 각 팁에 여러 개의 포트를 추가하여 버너 타일 표면을 따라 연료 혼합물을 분사하도록 디자인되었습니다. 이처럼 연료 분사 지점을 줄이고 새로운 사각형 타일 형상을 적용함으로써, 연료가 풍부한 영영과 희박한 영역이 불균일하게 형성됩니다. 이러한 불균일한 연료 분포는 화염을 생성하는 주요 팁에서 발생하는...
더 높은 수준의 열적 NOX 은 희박 연료 영역(lean fuel region)에 위차하도록 하여, 1차 연료와 단계적 연료가 함께 생성하는 전체 화염 온도를 낮추는 효과를 얻을 수 있습니다. 또한, 1차 버너 팁 사이에 위치한 영역은 상대적으로 연료가 풍부한 혼합물을 형성하며, 이 영역은 1차 팁의 보조 없이도 안정적인 연소 상태를 유지합니다.
새로운 사각형 버너 타일 설계는 일반적인 정유 공정의 연료를 사용할 때 한 자릿수 수준의 NOX 배출을 달성하며, 100% 수소 연소 시에도 안정적인 성능을 유지합니다. 이 버너는 다양한 연료에서 안정적이고 신뢰성이 높으며, 실용적인 성능을 제공하여 작업자가 100% 수소, 다양한 정유/석유화학 공정 연료 가스 조성, 100% 천연 가스, 그리고 대량의 저BTU 가스(LBG)까지 폭넓게 사용할 수 있으며, 연료 간 전환 또한 손쉽게 수행할 수 있습니다. 버너는 5:1의 턴다운 비율로 열 방출 제어가 가능합니다. 버너 타일 크기는 비슷한 열 방출 용량을 가진 기존 버너와 비슷하며, 버너에 단일 주 연료가스 라인만을 사용하므로, 연료 가스 배관 변경을 최소화할 수 있습니다. 해당 설계는 추가적인 연료, 공기 제어 시스템 또는 보호 장치가 필요하지 않습니다. 그림 1은 가동 중인 실제 설비에 설치되어 약 1년 동안 작동중인 새로운 버너 설계를 보여줍니다.
그림 1: 가동 중인 설비에 설치된 신규 버너
이 설계는 기존의 희박 예혼합(lean-premix) 방식을 사용하지 않으므로, 버너 플래시백 우려가 없습니다. 또한, 외부 배기가스 재순환 시스템이 필요하지 않습니다. 더불어, 이 버너는 강제 통풍식 또는 자연 통풍식 두 조건 모두에서 운전이 가능하며, 상온 공기 및 예열 공기 조건에서도 작동할 수 있습니다.
그림 2는 최신 ULNBs와 비교한 NOX 배출 성능을 보여줍니다. 이번 새로운 버너 설계는 화염 안정성을 유지하면서 최대 100%의 수소 연소가 가능하며, NOX 배출을 약 50%까지 감소시킵니다.
그림 2: 다양한 수소 연료 혼합비에서 측정된 FREE JET 3세대 버너의 NOX 성능 시험 결과와, 현세대 UNLB 버너의 측정 NOX 수치 비교
성능 테스트 결과
새로운 버너 설계는 다양한 운전 조건에서 성능을 검증하고 설계를 개선하기 위해 철저한 테스트를 거쳤습니다. 양사의 광범위한 개발 프로그램에는 단일 버너 및 다중 버너 테스트, 상온 및 예열 공기 조건, 강제 통풍(Forced Draft)과 자연 통풍(Natural Draft) 적용, 그리고 천연가스, 정유/석유화학 플랜트의 일반적인 연료 가스 혼합물, 100% 수소, LBG 폐가스 점화 등의 연소 테스트기 포함되었습니다. 최종 설계의 테스트 결과, 다양한 연료가스 조성에도 우수한 성능과 화염 안정성을 보여주었습니다. 표 1 - 4는 이러한 여러 조건에서 수행된 버너 테스트 결과가 요약되어 있습니다.
그림 3은 연료 혼합물의 수소 농도 범위에 따른 단일 버너 테스트를 보여줍니다. 그림에서 볼 수 있듯이 테스트한 버너에는 LBG 연료 연소용 노즐(버너 중앙의 큰 원형 노즐)이 포함되어 있지만, 사진이 촬영될 당시 LBG는 사용 중이 아니었습니다.
그림 3: 천연가스 내 수소 농도별 단일 버너 테스트
테스트 결과, 버너는 100% 수소 연소를 완전히 수행할 수 있으며, NOX 배출량을 약 50% 감소시키며 천연가스 연소 시 한 자릿수 수준의 NOX 배출 성능을 보여줍니다. 100% 수소 연소 시에도 자연 통풍 시 약 10ppm(v), 강제 통풍 시 9ppm(v)의 NOX 배출량이 관찰되었으며, 이는 3% 산소건조 조건으로 보정된 값입니다. 그림 3의 연료 C 데이터에서 볼 수 있듯이 연료 가스의 수소 함량이 증가함에 따라 NOX 배출량이 증가하지만 약 80% 수소에서 정점을 찍은 후 100% 수소 연소까지는 감소하는 것으로 관찰되었습니다. CO 측정과 O2 프로파일링을 통해 화염의 길이와 너비가 현세대의 ULNB와 유사함을 확인했습니다. CO 테스트를 통해 연료 구성에 관계없이 버너의 안정성이 검증되었습니다.
화염 간 상호작용이 NOX 배출에 미치는 잠재적인 악영향을 조사하기 위해 다중 버너 테스트를 수행했으며, 그 영향은 무시할 수 있는 수준으로 확인되었습니다. 기존의 많은 구형 연소 히터에는 API 560 권장 사항보다 버너 간격이 더 좁은 버너가 있기 때문에 API 560 권장 사항보다 더 좁은 버너 간격에서 추가 버너 테스트를 수행했습니다. 연료 연소 조건이 100% 수소를 포함한 광범위한 범위에 대해 버너 간격을 API 560 권장 간격의 75%로 줄였을 때 NOX 배출량 증가율은 20% 미만이었습니다.
현장 테스트 결과
엑슨모빌은 2024년 초 현장 적용을 위해 베이타운 시설의 수직 원통형 히터 중 하나에 Zeeco FREE JET 3세대 버너 12대를 설치했습니다. 이 버너들은 강제 통풍식으로 사전 예열된 공기를 사용하며 자연 통풍식 주변 공기 운영에도 적합하며 각 버너의 설계 열 방출량은 각각 9.8백만 Btu/hr(LHV 기준)입니다. 시운전 기간 중에도 추가적인 배출 저감 조치를 취하지 않고도 CO 배출량 기준을 준수했습니다.
CO 배출량은 시동 운전 중에도 시간당 이동 평균 50ppm 이하를 유지했습니다. 현장 보고서에 따르면 낮은 연소율과 최대 10 vol%(습식)의 과잉 산소 조건에서도 안정적인 상태를 유지한 것으로 확인되었습니다. 초기 배출 테스트는 연소기가 설계된 열 방출량의 60~75% 사이에서 연소되며, 연료 가스 내 수소 농도가 45~60% 범위, 연소 공기 온도가 135~230°F 범위에서 수행되었습니다. 3% 산소(건식) 및 1600°F 브리지월 온도로 보정했을 때 측정된 NOX 배출량은 12ppm 이하로 유지되었습니다. 이는 성능 테스트 결과와 일치했습니다.
결론
향후 몇 년 내에 100% 수소 연소에 적합하면서도 NOX 배출량이 훨씬 낮은 차세대 ULNB에 대한 수요가 증가할 것입니다. 이러한 버너는 기존 연소 히터를 쉽게 개조할 수 있어야 하고, 신규 연소 히터에도 설치하기 쉬워야 하며, 하드웨어/제어 요구사항을 충족해야 합니다.
새로 개발된 이 차세대 ULNB는 업계의 요구를 충족하며 다가오는 연료 전환에 대비하여 시설을 수소화할 수 있습니다. 이 버너는 자연 통풍 및 강제 통풍 애플리케이션, 주변 공기 및 예열된 공기 모두에 적합하며 100% 수소를 포함한 광범위한 연료 가스 구성을 처리할 수 있으며 현장 설치에서 성능이 입증되었습니다. 이 버너는 현 세대 ULNB의 성능과 화염 치수를 유지하면서 NOX 배출을 크게 줄였습니다.
참고
모든 수소 함량(%)은 부피(%) 기준으로 표시됩니다.
ExxonMobil Technology and Engineering Company는 수많은 계열사를 보유하고 있으며, 이들 중 다수는 ExxonMobil, Exxon, Mobil, Esso, XTO 등이 포함된 명칭을 사용합니다. 편의성과 간단함을 위해 이러한 용어들과 "법인", "회사", "당사의", "당사", "해당 회사의" 등의 용어들이 때때로 하나 이상의 특정 계열사 또는 계열사 그룹을 지칭하는 축약된 표현으로 사용됩니다. 편의성과 간단함을 위해 글로벌 또는 지역별 운영 조직, 그리고 글로벌 또는 지역별 사업 부문을 설명하는 축약된 표현들도 때때로 사용됩니다. 본 문서에 포함된 어떠한 내용도 계열사들이 각각 별개의 법인임을 무효화하려는 의도는 없습니다.
참조
- '기술 게시판: 질소산화물(NOx), 왜 그리고 어떻게 관리되는가', 미국 환경 보호국, (1999년 11월), https://www3.epa.gov/ttn/catc/dir1/fnoxdoc.pdf