지능형 고온 순산소 연소 시스템 기술 개발 - 이산화탄소저감및처리 ...

한국기계연구원 환경기계기술연구부
한국과학기술원 환경공정연구부
한양대학교 기계공학부
Development of Intelligent High Temperature Pure Oxygen Combustion System
Kook-Young Ahn † , Sung Hoon Shim, Han-Seok Kim, Min Suk Cha, Jae Ok Lee, Sang Min Lee, Jong
Soo Kim, Yong Mo, Kim, Sung Mo Kang, Kun Hong Kim, Ji Ho Cho, and Ho Keun Kim
Eco-machinery Engineering Department, Korea Institute of Machinery & Materials(KIMM),
171 Jang dong, Yuseong gu, Daejeon 305-343, Korea
지구온난화의 주된 요인으로 지목되고 있는 이산화탄소(CO 2)는 각종 기상(LNG, LPG 등), 액상(휘발유, 경유
등) 및 고상(석탄 등)의 화석연료를 연소시킬 때 주로 발생하게 된다. 현재 인류가 사용하는 열 및 동력원의
90% 정도를 이와 같은 화석연료의 연소로부터 얻고 있음을 감안할 때 이산화탄소 발생에 미치는 화석연료 연
소의 영향은 매우 크다고 할 수 있다.
고온 순산소 연소기술은 이산화탄소를 가장 효과적으로 저감시키는 방법 중의 하나로 주목받고 있는 기술로
서 앞서 언급한 대로 대부분의 이산화탄소가 연소현상에서 비롯되고 있으므로, 그 발생원을 근본적으로 제어할
수 있는 연소기술을 이용하여 CO 2를 직접적으로 저감하는 것이 매우 바람직할 것으로 판단된다. 고온 순산소
연소기술은 일반적인 연소에 사용되는 산화제인 공기대신에 산소를 산화제로 사용함으로써 약 30% 정도의 에
너지를 절감할 수 있는 매우 유망한 기술이다. 산화제로 순수 산소를 이용하기 때문에 연소현상에 직접적으로
관여하지 않으면서도 공기성분의 80% 정도를 차지하는 질소에 의한 현열 손실을 현저하게 줄일 수 있으며, 배
기가스의 현열을 연소 이전에 산소를 고온으로 예열하는 방법으로 회수하여 에너지를 추가적으로 절감할 수 있
다. 또한 원리상으로는 이산화탄소와 물만이 배기가스 중에 포함되어 있으므로 CO 2 회수 비용을 줄일 수 있으
며, 이외에도 부수적으로, 산소연소에 의하여 연소시스템을 소형화할 수 있고, 열전달 효율을 극대화할 수 있으
며, 근본적으로 질소가 공급되지 않기 때문에 질소산화물(NOx)의 배출을 현저하게 저감시키는 등의 많은 장점
을 가지고 있다.
이에 따라 본 연구에서는 산소를 산화제로 사용하는 신연소 기술인 산소연소의 특성을 파악하고, 이를 기반으
로 하여 연소해석, 연소제어, 연소 최적화 및 적용처 응용기술 등을 개발 융합하여 가열로 적용을 위한 지능형
고온 순산소 연소시스템 설계 및 제작 기술을 확보하고자 한다.
고온 순산소 연소기술을 통하여 이산화탄소를 저감하고, 최종적으로 분리 회수하는 방안에 대한 개념도를 [그림 1]
에 나타내었다. 순산소를 산화제로 사용하기 때문에 화염의 온도가 통상적인 공기를 사용한 경우보다 매우 높게 나타

나게 되며, 필요한 경우에 화염온도의 제어를 위하여 배기가스의 일부를 재순환 시키게 된다(FGR, Flue Gas
Recirculation). 이때 공급되는 산소를 배기가스와의 열교환을 통하여 고온으로 예열한 후 연소기에 투입하게 되면 배
기가스중의 현열 회수에 의하여 투입되는 연료의 양을 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있게 된다. 이와 같은 연료 절
감의 효과로 인하여 전체적으로 배출되는 이산화탄소의 양을 저감 시킬 수 있으며, 배기가스의 성분은 주로 이산화탄
소와 물이 차지하게 되므로, 물을 응축시켜 분리한 후 고농도의 이산화탄소를 분리ㆍ회수하는 후처리 공정도 비교적
쉽게 이루어지리라 판단된다. 그러나 산소 연소의 경우 공기중의 산소를 분리하여 연소기로 공급해주는 산소 공급장
치가 필요한데, 아직은 산소제조 원가 등의 문제로 말미암아 적용이 제한적이지만 현재 저가 산소 제조장치에 대한
연구가 활발히 진행되고 있으므로 조만간 경제성 문제가 해결될 것으로 예상되어 산소 연소기술 개발에 큰 기대를 모
으고 있다.
전열촉진
고온재료
광계측
진단 및 제어
산소연소기
CO 2
+O 2
+C n
H m
연료
(LNG, B-C유, 경유 등)
고성능
열교환기
기술
고 CO 2 농도
배가스
CO 2
분리공정
질소
공기
산소
제조
공정
순산소
고온산화제(순산소)
CO 2
CO 2 회수
온실가스저감과 관련된 R&D 프로그램으로는 IEA의 GHP(Greenhouse Gas Program)가 대표적이라 할 수
있다. 이 프로그램에는 16개 나라가 참여하고 있으며, 24개 과제가 공동으로 수행되고 있다. 초기에는 발전설비
의 CO 2 저감에 초점을 두었으나, 최근에는 가열로 등의 다른 설비에서의 CO 2저감 및 CO 2 이외의 다른 온실가
스 저감에 대하여도 연구범위를 확대하고 있다. 이 프로그램 중 본 과제와 유사한 과제는 캐나다의
CETC(CANMET Energy Technology Center)에서 수행하고 있는 "O 2/CO 2 Recycle Combustion"과제가 있다.
이 과제는 석탄을 대상연료로 채택하여 보일러에 적용하는 것을 목표로 하고 있으며, 0.3 MW급 파일로트 플랜
트개발 사례가 보고 된 바 있다. 일본 NEDO에서는 1993년부터 2000년까지 통산성의 지원을 받아 "고성능공업
로 개발(High Performance Industrial Furnace and Boiler Development)"과제를 수행한 바 있으며, 1999년부
터 산소연소를 이용한 고효율 가스터빈 연구가 시작되었다. 이외에도 미국의 DOE, 유럽의 에너지 총국 등에서
CO 2저감을 목표로 한 연구가 활발히 진행되고 있다.
또한 순산소 연소기는 강재 가열로의 연소기로서 최근 주목받고 있다. 이는 강재의 재가열 과정이 강재 생산
공정에서 병목점(bottleneck)으로 작용하고 있는데, 순산소 연소를 통해 가열시간을 줄여서 생산성을 높일 수
있기 때문이다. 순산소 연소기를 장착한 강재 가열로는 스웨덴, 독일 회사인 Linde, AGA gas, 프랑스의
AIR/Liquide, 미국의 Bethlehem 등에서 제작, 사용하고 있다.
국내에서는 한국에너지기술연구원, 포항산업과학연구원 등에서 가열로에 적용하는 것을 목표로 한 산소부화
연소기술이 연구된 바 있고, 생산기술연구원에서 유리용해로용 순산소 버너 개발연구를 수행한 바 있다. 한편,
1999년에 한국과학기술원을 중심으로 CERC(연소기술연구센터)사업이 시작되어 산소부화 연소기술을 이용한 연
소시스템의 고효율화 및 신연소기술 개발을 통한 미래형 연소기반 기술을 구축하고 있다.

주 요 기 술
순산소 연소기 설계기술
ㆍ연소기 기본설계기술
ㆍ저공해 연소기술
ㆍ성능실험 기법
ㆍ유동해석 기술
연소해석 및 난류연소 모델링
ㆍ화염특성 해석
ㆍ난류연소 모델링
ㆍ연소해석 CFD
연소제어기술
ㆍ난류화염제어기술
ㆍ화염 안정화 기술
선진국대비
국내 기술수준
[%]
기술격차
[년]
70 4
85 2
75 3
연소 최적화 및 응용기술 60 7
분 석 내 용
ㆍ일반 연소기에 대한 기술력 확보하고 있음
ㆍ순산소 연소기에 대하여는 기술이 취약함
ㆍ산소연소에 대한 저공해 연소기술은 취약함
ㆍ성능실험 기법 및 유동해석 기술은 상당 수준임
ㆍ선진국 수준에 매우 근접하게 추격하고 있음
ㆍ연소해석의 경우는 최고 수준급 임
ㆍ기본기술력은 갖추고 있으나, 응용기술은 취약함
ㆍ산소연소의 경우 매우 중요한 기술임
ㆍ기본설계기술 취약으로 응용기술은 매우 취약함
ㆍ최적화 및 스케일업 기술은 상용화에 매우 중요함
본 연구의 최종목표는 실시간 화염진단 능력을 갖춘 고성능 지능화 가열로(연속식 100톤/일, 배치식 5톤
/charge)의 고온 순산소 연소시스템을 개발하는 것으로 가열로의 고성능 지능화 기술 개발이 주요 연구목표이
다. 1단계(2002-2004)서는 최종목표를 달성하기 위한 요소기술을 확보하게 되며, 2단계(2005-2007)에서는 소
용량 연소시스템을 실증하게 된다. 또한 연소시스템의 최적 설계기술을 확보하기 위해서 예측정확도 및 수치해
석 효율이 획기적으로 향상된 병열 비정열 격자 시스템을 채택하는 연소해석프로그램을 개발하는 것도 연구에
포함되어 있다. 단계별 연구개발 목표는 [표 2]와 같다.
단계 단계별 목표 연차 연차별 세부 목표
1차년도 (2002)
순산소 이용 연소기술 기반조성
1단계
(2002-2004)
순산소 이용 연소
핵심기반기술 확보
2차년도 (2003)
순산소 이용 연소 요소기술 개발
(연소기 설계 및 모델 연소시스템 구성)
3차년도 (2004)
순산소 연소시스템 실증 (0.3 MW)
2단계
(2005-2007)
핵심요소기술
시스템화 기술 확보
1차년도 (2005)
2차년도 (2006)
3차년도 (2007)
연소시스템 scale-up 기술개발
연소시스템 최적화 및 지능화 기술 개발
지능형 순산소 연소시스템 실증 (2 MW)
본과제의 1단계 연차별 연구 개발 목표 및 내용은 다음과 같다.

구분 연구개발 목표 연구개발내용 및 범위
1차년도
(2002)
2차년도
(2003)
3차년도
(2004)
순산소 이용 연소기술
기반조성
순산소 이용 연소
요소기술 개발
순산소 연소시스템
구성기술 개발
- 연소기 기본 설계
- 연소 성능 실험장치 설계 및 제작
- 난류화염의 부분소화모델인 Flame Hole Dynamics Model
개발
- 연소해석용 3차원 프로그램 개발
- 모델연소성능실험: 화염안정성 등
- 연소기 설계 및 성능평가
- 모델 연소시스템 구성
- 부분소화화염의 화염소인 Edge Flame의 Flamelet Library
구축
- 순산소 연소기 연소특성 해석
- 연소성능실험: 분사기술 등
- 산화제 조성별 연소특성 DB 구축
- 0.3 MW급 연소시스템 실증
- 난류 화염 부분소화모델을 연소해석프로그램과 통합
- 순산소 연소기의 설계해석 기술 개발
- 연소해석 자료의 정량화
본 과제에서 이루고자 하는 목표와 이를 달성하기 위한 추진체계 및 전략들은 [표 4]에 도식적으로 잘 나타내었다.
단 계 별
목 표
순산소 이용 연소
요소기술 개발
1단계 : 순산소 이용 연소
핵심기반기술 확보
소용량 연소
/가열시스템 실증
2단계 : 핵심요소기술
시스템화 기술 확보
지능형 연소/가열시스템 개발
및 상용화
3단계 : 순산소 연소 가열시스템
최적 설계 및 응용기술 확보
순산소 연소해석 모델 개발
설계해석 프로그램 개발
연소시스템 해석 및 설계 기술
로온 균일화/역열전달 응용기술
화염진단기술
연소시스템 고성능 지능화 기술
저가 산소제조 기반기술 확보
고온 내식/내열충격성 재료개발
설계용
프로그램
순산소
연소기
지능형 순산소
연소시스템 실증
(0.3MW)
기업참여
국제공동
연속식 순산소 가열시스템(20톤/일)
배치식 가열시스템 (1톤/charge)
PDU 실증
저가 산소제조장치 개발
(3톤/일)
고온재료 성형기술 개발
저 NOx
연소기
보일러
지능형 산화제 제어
순산소 연소시스템
(2MW, 2단계 종료)
지능형 연속식 순산소 가열시스템
(100톤/일)
CO2 회수형 배치식 가열시스템
(5톤/charge)
상용화
scale-up
기술개발
(30톤/일)
가스터빈
연소기
발전시스템
본 과제의 2차년도 주요 목표는 다양한 연소기 성능시험을 통하여 연소기를 설계하고 모델 연소시스템에서의 FGR
을 실증하여 이를 토대로 0.3 MW급 연소기의 설계자료를 도출하는 데 있다. 이와 더불어 연소기의 시뮬레이션을 위
해서 난류 화염 모델을 만들고 이로부터 난류 연소 해석 프로그램을 개발하는 것이 목표이다.

연소기 설계와 관련하여 출구 유속, 퀄의 기하학적 형상(quarl geometry) 등의 조건을 변화시켜 가면서 화염 형상,
배기 온도, 복사열전달 등을 계측하는 성능실험을 수행하였다. 또한 산소 제조과정에서 포함되는 소량의 질소(약 3%)
를 첨가하고 배출되는 NOx 양을 계측함으로써 에너지 효율을 높임과 동시에 NOx 생성을 저감시킬 수 있는 순산소
연소기의 설계조건을 도출할 수 있었다. [그림 2]는 0.3 MW급 연소 시스템의 구성 현황과 KIMM에서 자체 제작한
순산소 연소기를 보여주고 있다.
Exhaust
Burner
Furnace
FGR
Cooling Air Blower
Oxy-fuel Burners
순산소 연소기의 연소특성 해석 분야에서는 난류연소해석용 병렬 비정렬 격자 프로그램을 개발하였고, 복사 열전달
을 고려한 비단열 Flamelet 모델을 개발하였다. 이를 토대로 FGR을 포함한 다종 혼합기 난류 연소 모델 해석을 수행
하고 있다. [그림 3]은 다종 혼합기 모델을 이용하여 산소대비 200% FGR 한 경우의 화염해석결과를 나타내고 있다.
O2/CO2
O2
CH4
T
2207
2165
2156
2141
2001
1300
500
난류 화염 모델과 관련하여 난류혼합층에 대한 3차원 Flame Hole Dynamics로부터 메탄화염의 Flame Edge에 대
한 수치모사를 수행하고 Flamelet Library를 구축하였다. [그림 4]는 순산소 연소기에서 Flame Hole Dynamics를
이용하여 화염 부상 및 안정성을 수치적으로 모사한 결과이다.

앞으로 남은 기간동안에는 성능실험으로부터 설계된 연소기를 이용하여 앞서 언급한 0.03 MW급 모델 연소기 시스
템에서 FGR 실증을 마무리 짓고, 이를 바탕으로 0.3 MW급 재순환 실험장치를 구성할 예정이다. 이를 통하여 순산소
연소에 적합한 연소기, 연소조건, FGR 량 등의 운전조건을 선택할 수 있을 것이다. 이들 자료를 응용하여 3차년도에
서는 0.3 MW급 연소기를 실증할 예정이다. 한편으로는 난류 유동장에서의 FHD(Flame Hole Dynamics) 모사를 위
한 자료 취득 및 에지화염(edge flame) 수치 모사 프로그램을 개발 하고, 개선된 난류 및 연소 모델을 적용한 연소
해석 프로그램을 개발하여 연소시스템의 시뮬레이션을 수행할 예정이다.
개발된 일부 연구결과는 기술이전을 통하여 조기에 기업화 또는 추가연구를 통하여 상용화를 시도할 예정이
며, 이러한 기술로는 산소 연소기 상용화, 보일러 소각로 등에 활용 및 개발 프로그램의 상용화 등을 들 수 있
다.
본 연구개발을 통하여 앞서 언급한 세부기술들의 상용화는 물론이고, 최종 목표인 가열시스템에 활용할 예정
이다. 본 연구개발을 통하여 고온 순산소 연소기술이 확보되면 기후변화협약 의무 및 이행을 위한 기술 정책적
우위를 확보함은 물론 환경규제 및 예상되는 탄소세 등에 대비할 수 있다. 특히, 이 분야는 세계적으로도 시작
되는 기술로서 새로운 시장이 형성될 전망이며, 개발이 성공하여 국제 경쟁력을 갖추게 되면 세계시장을 점유할
가능성도 있다. 특히 순산소 연소기는 용량 및 적용범위에 따라서 표준화된 연소기로 개발되거나, 첨단 최적설
계기술이 적용될 경우, 다양한 시장의 요구에 신속히 부응할 수 있으며, 이를 통해서 보다 효율적인 상업화와
해외 마켓팅을 실현할 수 있을 것으로 판단된다.
고온 순산소 연소기술 확립을 통하여 예상되는 이산화탄소 저감 효과는 다음 [표 5]와 같다.
대상 플랜트
연료
CO 2 저감량
[TC/일]
예상
대수
총CO 2 저감량
[TC/년]
비고
5 톤/charge 배치식 가열로
(6,000,000 kcal/charge 적용)
천연가스 0.306 50 5,580
ㆍCO2 저감율 40% 적용 (2charge/일)
ㆍ(12,000,000/107*0.637)*30% TC/일
100 톤/일 연속식 가열로
(3,300,000 kcal/h 적용)
천연가스 2.018 70 51,560 ㆍCO2 저감율 40% 적용
50 톤/charge 배치식 가열로 천연가스 3.058 80 89,282 ㆍCO2 저감율 40% 적용
400톤/charge 배치식 가열로 천연가스 24.461 80 714,255 ㆍCO2 저감율 40% 적용
1200 톤/일 연속식 가열로 천연가스 24.216 150 1,325,837 ㆍCO2 저감율 40% 적용
총 계 430 2,186,514
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3. 김준홍, 정석호, 김종수, "혼합층에서의 확산화염에 대한 Flame Hole Dynamics 모델", KOSCO Symposium
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