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Nikkei X-TECH_2021.4.26

도호쿠(東北)대학, 액체 암모니아의 안정적 연소 기술 개발
수소캐리어에서 직접 연료로 이용

‘온난화가스를 배출하지 않는 암모니아를 가스터빈의 연료로써 이용한다’. 도호쿠대학은 액체 암모니아를 연료로써 직접 연소시켜 화염을 안정화시키는 기술을 개발. IHI, 산업기술종합연구소와 공동으로 화석연료를 사용하는 가스터빈으로의 액체 암모니아 적용을 목표로 개발을 추진하고 있다. 현재 암모니아(NH₃)는 수소의 수송·저장 등을 담당하는 수소 캐리어로써 주목 받고 있지만, 이산화탄소를 배출하지 않는 녹색 연료로도 이용될 수 있을 전망이다.

그렇다면 왜 기체 암모니아가 아닌 액체 암모니아일까? “액체의 경우 낮은 도입 코스트로 암모니아를 이용할 수 있다. 저비용 및 에너지 효율화로 탄소중립을 추진할 수 있는 수단이 될 수 있을 것이다”(도호쿠대학 유체과학연구소의 고바야시(小林) 씨). 물론 기체 암모니아를 연료로 이용하는 방법도 있다. 하지만 암모니아는 액체로 운반∙수송되기 때문에 암모니아를 기체로 이용하기 위해서는 증발기와 기체 연료에 압력을 가하는 압축기 등의 설비가 필요하다. 기체 암모니아의 설비는 도입 코스트 상승과 함께 설비 설치 공간이 확대된다는 단점이 있다.

한편, 액체 암모니아의 이점은 연소 설비를 쉽게 마련할 수 있다는 것으로, 무엇보다 기화하기 위한 설비가 불필요하다. 또한 액체의 경우 출력 조정이 용이하고 가압에 필요한 에너지가 적기 때문에 소형 설비로 압력을 가해 가스터빈 등에 투입할 수 있다. 대형 주변 설비를 도입하지 않고도 암모니아를 이용할 수 있을 가능성이 있다.

-- 암모니아 연소 과제 해결 --
도호쿠대학 연구팀은 액체 암모니아 연소를 위해 기류(Swirl flow)를 제어해 화염의 안정화를 도모했다. 액체·기체에 관계 없이 암모니아 연소에는 과제가 많다. 그 중 하나가 화염이 안정적이지 않다는 것이다. 암모니아는 연소 속도가 느려 새로 투입된 암모니아로 불이 옮겨 붙기 어렵기 때문이다. 또한 “액체 암모니아는 기화할 때 주위로부터 많은 열을 빼앗기 때문에 불이 잘 옮겨 붙지 못해 화염의 안정화가 어렵다”(고바야시 씨).

이를 해결하기 위해 연구팀은 불길이 소용돌이치는 공기의 흐름을 만들어 암모니아의 연소 시간을 늘림으로써 새로 투입한 암모니아에 불이 쉽게 옮겨 붙을 수 있도록 했다. 액체 암모니아의 경우 공기를 500~600K까지 가열해 기화 시 소실되는 열량을 보충하고 연소 속도를 빠르게 했다.

또한 연구팀은 연소 시에 발생하는 질소산화물(NOx)을 억제하기 위해 암모니아 연료와 공기의 투입 비율을 조정, 질소산화물 배출을 최소화할 수 있는 비율을 모색했다. 그 결과 “암모니아가 공기 대비 큰 비율일 때 질소산화물의 발생이 억제되었다”(고바야시 씨)라고 한다.

2단 연소라고 하는 방법도 도입했다. 1단에서 암모니아 연료와 공기를 태우고 2단에서 1단의 생성물을 재연소하는 방법이다. 사실 암모니아 비율을 공기보다 크게 해서 태울 경우, 질소산화물 외에도 수소와 연소되지 못한 미세한 암모니아가 배출된다. 1단에서 발생하는 이러한 배출가스를 이용해 2단에서 재연소함으로써 질소산화물 생성을 낮췄다. 기체 암모니아를 이용한 연구실 실험에서는 2단 연소로 질소산화물을 50ppm 정도까지 낮출 수 있었다. 실제로 이용하는 설비에서도 200ppm 정도까지 낮출 수 있게 된다면, 촉매 등의 적용을 통해 액체 암모니아 이용이 충분히 현실화될 수 있을 것이다”(고바야시 씨)

암모니아는 연소되면 최종 생성물인 질소와 물이 발생하는 반응 경로 중 암모니아의 질소 원자로부터 질소산화물이 생성된다. 한편 천연가스의 주성분인 메탄은 질소를 포함하지 않기 때문에 연소로 인해 공기의 온도가 올라가 공기 중의 질소 원자가 산화되어 질소산화물이 생성된다. 즉, 암모니아는 메탄 등과 다른 경로로 질소산화물이 증가하는 것이다. 이점에 착안해 도호쿠대학은 암모니아 연료를 위한 방법을 연구했다.

-- IHI가 상용화 노려 --
액체 암모니아만으로 움직이는 가스터빈 개발도 추진되고 있다. IHI는 3월 26일, 세계 최초로 열량 비율 70%까지 액체 암모니아의 이용량을 높여 천연가스와 혼소(混燒)할 수 있는 2,000kW급 가스터빈의 안정된 연소에 성공했다고 발표했다. 천연가스 이용량을 기존 대비 30%로 낮출 수 있기 때문에 이산화탄소 배출량도 30% 줄일 수 있다고 한다. 또한 액체 암모니아의 이용으로 기체 암모니아보다 공간 절약이 가능해져 “요코하마 시에 설치한 설비의 경우, 면적을 40% 줄일 수 있었다”(IHI).

IHI는 액체 암모니아 100%로 가스터빈을 안정적으로 운전할 수 있었다고도 발표했다. 하지만 “배출가스 내 유해물질 농도가 아직 높아 지속적으로 연구개발을 추진해나갈 필요가 있다. 아직 한정적인 운전이다”(IHI)라고 한다. 질소산화물 억제를 한층 더 추진해 “2025년을 목표로 액체 암모니아를 100% 이용한 가스터빈의 상용화를 목표로 한다”(IHI)라고 한다. 또한 IHI는 석탄화력발전을 대상으로 석탄과 암모니아의 혼소 기술 개발도 실시하고 있다고 한다.

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