1. 서 론
2. 시뮬레이션 조건 및 방법
2.1 제철 부생 가스의 가스 조성 분석
2.2 1-D 시뮬레이션 조건 및 방법
3. 결과 및 고찰
3.1 제철 부생 가스 및 암모니아 가스의 특성 분석
3.2 시뮬레이션 모델 검증
3.3 NH3 혼합 연소 비율이 연소 특성에 미치는 영향
4. 결 론
1. 서 론
철강 산업은 전 세계 인프라 구축과 경제 및 사회 발전에 중추적인 역할을 담당하고 있다. 향후 수십 년간 인도, 아세안(ASEAN), 아프리카 등 신흥국의 인구 증가와 산업화에 따라 철강 수요는 지속적으로 증가할 것으로 전망된다[1]. 철강 산업은 발전 산업에 이어 전 세계에서 두 번째로 많은 석탄을 소비하며, CO2 배출량 또한 두 번째로 많은 산업이다. 연간 약 26억 톤에 달하는 철강 산업의 CO2 배출량은 전체 배출량의 7-9%, 전 세계 에너지 관련 배출량의 약 7%를 차지하며, 이는 중공업 분야 중 가장 높은 수준이다[2]. 이러한 철강 제조업은 국내 주력 산업임과 동시에, 정부의 2050 탄소중립 목표 달성을 위해 환경적 부하 저감이 시급한 분야이기도 하다. 대한민국 정부는 2030년까지 2018년 대비 온실가스 40% 감축을 목표로 하고 있으며, 이에 따라 철강 분야에서도 공정의 탈탄소화가 강력히 요구되고 있다.
기존의 철강 생산 부문 온실가스 감축 노력은 주로 에너지 효율 개선과 공정 최적화에 집중되어 왔다[3,4,5]. 그러나 현행 제철 공정은 이미 열역학적 효율 한계에 근접하여 추가적인 효율 향상은 제한적이다. 따라서 획기적인 배출량 감축을 위해서는 공정의 구조적 전환이 필수적이다. 현재 제철 분야의 주요 탈탄소화 전략은 직접 감축과 간접 감축으로 대별된다. 직접 감축은 수소 환원 제철(HyREX)이나 바이오매스 기반 기술 등 대체 공정을 도입하는 방식으로, CO2 감축 잠재력은 크지만 기존 인프라의 대규모 수정과 높은 비용이 수반된다는 한계가 있다. 반면, 간접 감축은 공정 내 발생하는 부생가스를 활용하는 방식에 중점을 둔다. 최근 연구들은 고로가스(BFG)와 코크스로가스(COG)를 원료 물질이나 대체 연료로 재활용하는 방안을 활발히 모색하고 있다[6,7,8].
이러한 배경에서 국내 A 제철사는 기존 제철 부생가스 연소 보일러에 암모니아(NH3)을 혼합 연소하여 전력과 열을 공급하는 방안을 검토 중이다. NH3 혼소는 직·간접적인 CO2 배출 감축에 기여할 수 있는 실용적이고 신속한 접근법으로 평가받으며, 미국, 일본, 중국, 영국 등에서 활발한 연구가 진행되고 있다[9,10,11]. 그러나 실제 공정 도입에 앞서 NH3 혼소 특성에 대한 충분한 검토가 선행되어야 한다. 이에 본 연구에서는 NH3과 탄소 기반 제철 부생가스인 COG 및 BFG의 혼합 연소 특성을 규명하기 위해, 연료 조성과 NH3 혼합 비율이 층류 연소 거동에 미치는 영향을 수치해석적으로 고찰하였다. 구체적으로는 층류 화염 속도와 단열 화염 온도를 통해 화염의 기본 특성을 분석하였다.
층류 화염 속도는 연소 거동을 특성화하는 핵심 인자로서[12,13,14,15], 특정 열역학적 조건 하에서 가연 혼합기의 분자 확산, 열 방출, 화학 반응성의 복합적 효과를 내포한다. 또한 이는 난류 화염 전파, 화염 면 불안정성, 화염 안정화 등 복잡한 연소 현상을 해석하는 기초 지표로 활용된다. 본 연구에서는 이러한 층류 화염 특성 분석을 바탕으로 NH3와 제철 부생가스(COG, BFG) 혼소 시 나타나는 화염 물성의 변화를 정량적으로 분석하고자 한다.
2. 시뮬레이션 조건 및 방법
2.1 제철 부생 가스의 가스 조성 분석
제철 부생가스의 층류 화염 속도를 예측하고, NH3 혼합비에 따른 화염 특성을 분석하기 위해 실제 상용 제철소에서 배출되는 부생가스 조성을 기반으로 BFG와 COG의 성분비를 선정하였다. 본 연구에서는 이들 BFG, COG와 무탄소 연료인 NH3를 혼소 해석의 주요 대상으로 설정하였다. BFG와 COG의 상세 조성은 현재 가동 중인 제철 가스 화력발전소의 실제 공급 가스 데이터를 기반으로 결정하였다.
또한, 수치해석 결과의 신뢰성을 확보하기 위해 COG와 BFG의 주요 가연성 성분(CH4, CO, H2)이 고농도로 포함된 바이오 합성가스(bio-syngas)에 대한 선행 연구의 실험 데이터[16]와 이를 검증한 반응 메커니즘[17]을 비교 기준으로 활용하여 층류 화염 속도 예측 성능을 검증하였다. 최종적으로 혼합 연소를 위한 무탄소 연료로는 NH3를 선정하여 연구를 수행하였다.
2.2 1-D 시뮬레이션 조건 및 방법
BFG, COG 및 NH3 혼소 시의 층류 화염 속도를 도출하기 위해 CHEMKIN PRO 패키지[18]의 PREMIX 코드[19]를 이용하여 1차원 수치해석을 수행하였다. 해석에 적용된 화학 반응 메커니즘은 NH3, CH4 혼소 화염에 대해 실험 및 해석적 검증이 완료된 Okafor 메커니즘[20]을 주 모델로 채택하였다. Okafor 메커니즘은 59개의 화학종과 365개의 가역 반응으로 구성되어 있어 질소 화학종을 포함한 상세 해석에 적합하다.
추가적으로, 제철 부생가스 내 주요 가연성 성분(CO, CH4, H2)에 대한 연소 특성 모사를 검증하기 위해 Li[17]의 메커니즘을 보조적으로 활용하였다. Li 메커니즘은 21개 화학종과 84개 가역 반응으로 구성되어 있으나, NH3 반응 경로를 포함하지 않으므로 BFG와 COG 단독 연료의 검증 목적으로만 제한적으로 사용하였다.
수치해석의 격자 독립성을 확보하기 위해 적응형 격자 제어 변수인 GRAD와 CURV 값은 각각 0.02로 설정하였으며, 해의 완전한 수렴을 위해 최종 격자 수는 900개 이상이 되도록 하였다. 수렴 기준은 반복 계산의 상대 오차와 절대 오차 모두 10⁻⁶이하로 설정하여 해석의 정밀도를 확보하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 제철 부생 가스 및 암모니아 가스의 특성 분석
본 연구에서는 제철 부생가스(BFG 및 COG)의 층류 화염 속도를 당량비 및 NH3 혼합비에 따라 분석하였다. 본 절에서는 연구에 사용된 BFG, COG, 바이오 합성가스(bio-syngas), CH4 및 NH3의 조성과 발열량을 고찰하였으며, 각 가스의 상세 조성비는 Table 1에 요약하였다. 제철 부생가스 중 BFG는 이산화탄소(CO2)와 질소(N2) 등 불활성 성분이 전체 조성의 70% 이상을 차지하며, 주요 가연성 성분은 일산화탄소(CO)와 소량의 수소(H2)로 구성된다. 반면, COG는 CO₂와 N₂를 포함하고 있으나 CH₄, H₂, CO 등 가연성 성분의 비율이 약 70%에 달하여 BFG와 대조적인 조성 특성을 보인다.
Table 1.
Composition of steel off-gases
| Fuel | CH4(%) | O2(%) | CO2(%) | CO(%) | N2(%) | H2(%) | NH3(%) |
| BFG | - | - | 32 | 23 | 44 | 1 | - |
| COG | 37 | 1 | 12 | 17 | 20 | 13 | - |
| Bio syngas [16] | 20 | - | - | 40 | - | 40 | - |
| CH4 | 100 | - | - | - | - | - | - |
| NH3 | - | - | - | - | - | - | 100 |
이러한 조성의 차이는 연소 특성에 지대한 영향을 미친다. BFG는 3.0 ~ 3.9 MJ/Nm³ 수준의 낮은 발열량을 가지며, COG 대비 부족한 수소 함량으로 인해 반응성이 낮다. 이로 인해 BFG는 점화 성능이 저조하며, 특정 조건에서는 화염 거동의 불안정성이 증대되는 특성을 보인다. 이와 달리, COG는 40% 이상의 높은 CH4 비율과 풍부한 수소 함량에 기인하여 상대적으로 높은 발열량을 나타내며, 우수한 점화 성능과 높은 화학적 반응성을 갖는다[21,22,23,24].
한편, 수치해석 모델의 신뢰성 검증을 위해 도입된 바이오 합성가스의 조성은 층류 화염 속도 실험 데이터를 제시한 Zhou 등[16]의 연구 조건을 따랐다. 바이오 합성가스는 주로 CH4, H2, CO로 구성되어 제철 부생가스와 유사한 성분 특성을 공유한다. H2/CO/CH4 혼합물 내 H2의 부피 분율은 통상 20%에서 80%로 다양하나, Zhou 등은 비교의 용이성을 위해 40% H2, 40% CO, 20% CH4의 대표 조성을 채택하였다. 본 연구에서도 Okafor 메커니즘의 검증을 위해 해당 조성 조건을 동일하게 적용하여 수치해석을 수행하였다.
3.2 시뮬레이션 모델 검증
제철 부생가스(COG 및 BFG)와 NH3 혼소 해석에 Okafor 메커니즘을 적용하기에 앞서, Zhou 등의 실험 및 수치해석 결과를 바탕으로 모델의 타당성을 검증하였다. 검증 대상 연료는 바이오 합성가스(bio-syngas), CH4, H2이며, 당량비 0.6 ~ 1.4 범위에서 비교 분석을 수행하였다.
Fig. 1은 그 비교 결과를 나타낸다. 우선 바이오 합성가스의 경우, 본 연구에서 수행한 Li 메커니즘 기반 해석 결과는 Zhou 등의 선행 연구 데이터와 높은 일치도를 보였다. Okafor 메커니즘 역시 미세한 차이는 존재하나, H2/CO/CH4 혼합물인 바이오 합성가스의 층류 화염 속도 실험값을 상당히 정확하게 예측하였다. 또한, 주요 구성 성분인 H2와 CH4 단일 연료에 대한 시뮬레이션 결과에서도 Li 모델과 Okafor 모델은 매우 유사한 거동을 나타냈다. 이러한 결과는 두 메커니즘 모두 바이오 합성가스는 물론, 유사한 조성을 갖는제철 부생가스(BFG, COG)의 층류 화염 속도 예측에 적합함을 시사한다.
이에 본 연구에서 NH3 반응을 포함하는 Okafor 메커니즘이 제철 부생가스와 암모니아 혼소 해석에도 유효할 것으로 판단하였다.
Fig. 2는 다양한 당량비 조건에서 Li 및 Okafor 메커니즘으로 예측한 바이오 합성가스, CH4, H2의 단열 화염 온도를 보여준다. 모든 연료 조건에서 단열 화염 온도는 당량비 1.0 부근에서 최대값을 나타냈으며, 두 메커니즘 간의 예측 경향은 매우 유사하게 나타났다.
3.3 NH3 혼합 연소 비율이 연소 특성에 미치는 영향
본 연구에서는 제철 부생가스(COG, BFG)에 NH3를 혼합하였을 때 나타나는 층류 화염 속도와 단열 화염 온도의 변화를 수치해석적으로 고찰하였다. 암모니아 가스의 초기 낮은 반응성으로 인하여 해석 비교의 용의함을 위해 층류화염 해석의 시작 온도는 CH4과 H2 해석 조건 보다 높은 500K로 설정하였다. 해석은 먼저 각 단일 연료(COG, BFG, NH3)에 대해 선행되었으며, 이후 NH3 혼소율을 10%에서 40%까지 변화시키며 비교 분석을 수행하였다. Fig. 3은 NH3 혼소율 및 당량비 변화에 따른 COG와 NH3 혼소 화염의 층류 화염 속도를 나타낸다.
COG와 NH3 전소시 화염 모두 당량비 1.1 부근에서 최대 화염 속도를 보였으나, 그 값은 각각 약 100 cm/s와 23 cm/s로 약 4배의 현격한 차이를 나타냈다. COG는 일반적인 탄화수소계 연료와 유사하거나 더 높은 연소성을 보이는 반면, NH3는 상대적으로 매우 낮은 연소성을 가짐을 확인하였다. 이에 따라 COG에 NH3를 혼합할수록 화염 속도는 점진적으로 감소하였으나, NH3 40% 혼소 조건에서도 NH3 전소 대비 여전히 높은 연소성을 유지하였다.
Fig. 4는 동일 조건에서의 단열 화염 온도를 비교한 결과이다. 화염 속도에서의 큰 차이와 달리, 단열 화염 온도는 혼소율에 따른 격차가 크지 않았다.
순수 COG와 NH3 간의 단열 화염 온도 차이는 약 150 K 수준이었으나, 10%와 40% 혼소 조건 간의 온도 차이는 약 20 K에 불과하였다. 이는 낮은 NH3 혼소율 조건에서 COG 연소로부터 생성된 활성 라디칼(OH, H, O)이 NH3의 초기 산화 반응을 촉진하기 때문이다.
그러나 혼소율이 증가함에 따라 이러한 라디칼들이 NH3 자체 연소 반응에 다량 소모되면서 전체적인 화염 반응성은 감소하는 경향을 보였다.
Fig. 5는 BFG과 NH3 혼소 시 혼소율 및 당량비 변화에 따른 층류 화염 속도 변화를 보여준다. COG와 달리 BFG는 NH3 보다 더 낮은 화염 속도를 나타냈다. 또한, 혼소율 증가에 따라 화염 속도가 단조 감소했던 COG 케이스와 달리, BFG 혼소 화염은 비선형적인 거동을 보였다. NH3 10% 혼소 시에는 화염 속도가 소폭 증가하였으나, 20~30% 구간에서는 BFG 단일 연소보다 오히려 낮은 연소성을 나타냈고, 40% 이상에서는 다시 개선되는 경향을 보였다. 이러한 현상은 BFG와 NH3 모두 본질적으로 낮은 반응성을 가지는 데 기인한다.
BFG의 연소는 주로 CO 산화 반응(R13: O + CO ⇌ CO2, R102: OH + CO ⇌ H + CO2)에 의존하며, 여기에는 O와 OH 라디칼이 핵심적인 역할을 한다. 혼소 시 NH3 농도가 증가하면 초기 NH3 산화 과정에서 O, OH 라디칼이 급격히 소모되며, CO와의 라디칼 경쟁 반응으로 인해 전체 연소성이 저하되어 화염 불안정성이 증대된다. 그러나 NH3 혼소율 증가하여 40%에서는 NH3 열분해 과정에서 방출되는 자체 라디칼 풀(pool)이 충분히 형성되어 연소성이 다시 회복되는 것으로 분석된다. 한편, Fig. 6에 나타난 단열 화염 온도는 COG 경우와 달리 NH3 혼소율이 증가함에 따라 지속적으로 상승하는 경향을 보였다.
3.4 NOx emission 분석
본 절에서는 암모니아와 제철 부생가스 혼소 시의 NOx 배출 특성을 수치해석적으로 고찰하였다. 단, 본 해석은 1차원 층류 화염 모델을 기반으로 수행되었으므로 실제 연소 시스템 내의 복잡한 유동 특성이나 배연 탈질 설비(DeNOx) 등의 효과는 배제되었으며, 화염 면(flame front)에서의 화학적 생성 반응과 근원적인 NOx 배출 경향성을 파악하는 데 주안점을 두었다.
Fig. 7은 COG와 NH3 혼소 화염에서의 NOx 배출량 변화를 나타낸다. 순수 COG 연소의 경우 연료 내 질소 성분이 부재하므로 Thermal NOx 기구에만 의존하며, 이에 따라 약 53 ppm의 낮은 배출량을 보였다. 반면, NH3 혼소율이 증가함에 따라 NOx 배출량은 급격히 상승하여 혼소율 40% 조건에서 최대 10,827 ppm을 기록하였다.
이는 앞서 확인한 바와 같이 혼소 화염의 온도가COG 전소 시보다 낮음에도 불구하고 NOx가 급증한 것은, 대부분의 NOx가 NH3에서 유래한 Fuel-N 기구에 의해 생성되었음을 시사한다.
특기할 만한 점은 혼소 시의 NOx 농도가 NH3 전소 시의 배출 농도(6,678 ppm)를 상회한다는 것이다. 이는 혼소 과정에서 COG 유래 활성 라디칼(O, H, OH)과 NH3가 시너지 효과를 일으켜 반응성을 증대시켰기 때문이다. 구체적으로, NH3 첨가 시 초기 분해 반응인 NH3 + O → NH2 + OH(R279)가 촉진되어 OH 라디칼 풀(pool)이 증가하게 된다. 동시에 진행되는 CH4와 CO의 산화 반응은 NH3 연소와 상호작용하며 라디칼 소모 경쟁을 유발한다. 이러한 경쟁 반응은 NH3 농도가 높을수록 심화되며, 이는 앞서 관찰된 화염 속도 감소와 더불어 NH3의 혼소율이 증가함에 따라 NOx 배출량의 점진적 증가를 설명하는 주요 원인이다. 결론적으로 적절한 NH3 혼합은 COG 단일 연소에 비해 연소성의 큰 저하로 연소 장애를 일으키지는 않으나 라디칼 포화 및 NO 생성 경로의 변화를 유도하여 NH3 전소 시보다 높은 NOx 배출을 초래함을 확인하였다.
Fig. 8는 BFG와 NH3 혼소 시의 NOx 배출 거동을 보여준다. BFG 전소는 연료내의 질소 성분(Fuel-N)의 부재와 낮은 화염 온도로 인해 5 ppm 미만의 미미한 NOx 배출량을 나타냈다. 하지만 NH3 10% 혼소 시 배출량은 5,818 ppm으로 급증하였으며, COG 케이스와 달리 혼소율 증가에 따른 선형적 증가 경향은 관찰되지 않았다. 오히려 혼소율 20% 구간에서 배출량이 일시적으로 감소하였다가 40%에 이르러 다시 증가하는 비선형적 거동을 보였다.
또한, BFG 혼소 화염의 NOx 배출량은 모든 조건에서 NH3 전소 시(6,678 ppm)보다 낮게 나타났다. 이는 BFG의 주요 가연 성분인 CO와 H2가 산화 과정(OH + CO ⇌ CO2 + H [R102], OH + H2 ⇌ H + H2O[R85])에서 O, OH 라디칼을 두고 NH3와 경쟁적으로 반응하기 때문이다. 이로 인해 NO 생성 반응에 필요한 라디칼의 가용량이 제한됨으로써, 미반응 NH3 혹은 중간 생성물(NHi)이 NO 생성보다는 환원 반응(DeNOx)에 주로 관여하여 전체적인 NOx 배출 저감 효과가 나타난 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 제철 부생가스(COG 및 BFG)와 NH3의 혼소시 화염 연소 특성을 규명하기 위해, 다양한 당량비 및 NH3 혼소율 조건에서 층류 화염 속도와 단열 화염 온도를 수치해석적으로 고찰하였다. 해석에는 상세 화학 반응 메커니즘인 Okafor[20] 모델을 적용하였으며, 선행 연구인 Zhou 등[16]의 실험 데이터 및 Li[17] 메커니즘과의 비교 검증을 통해 모델의 신뢰성을 확보하였다. 본 연구를 통해 도출된 주요 결론은 다음과 같다.
1)반응 메커니즘의 적합성 검증 : Okafor 메커니즘은 CH4/H2/CO 혼합 연료인 바이오 합성가스의 층류 화염 속도 예측에 있어 선행 실험 결과 및 Li 메커니즘 해석 결과와 양호한 일치를 보였다. 이를 통해 해당 메커니즘이 제철 부생가스 및 NH3 혼소 화염의 화학 반응 경로와 라디칼 거동을 해석하는 데 적합함을 확인하였다.
2)화염 연소 특성 및 안정성 : COG와 NH3 혼소를 통해 초기 NH3 첨가는 활성 라디칼(OH 등)의 생성을 촉진하여 NH3의 산화 반응을 개선하는 효과를 보였다. 그러나 NH3 혼소율이 증가함에 따라 NH3, CH4, CO 간의 라디칼 소모 경쟁이 심화되어, 전체적인 층류 화염 속도는 감소하고 반응성은 저하되는 경향을 나타냈다. BFG와 NH3 혼소를 통해서는 BFG의 낮은 자체 반응성으로 인해 NH3 혼소율 20~30% 구간에서는 라디칼 고갈에 따른 층류화염 속도가 단일연소보다 감소되어 연소성이 낮아질수 있다. 그러나 40% 이상의 고농도 혼소 조건에서는 NH3가 주요 반응 경로로 작용하며 화염 안정성이 다시 회복되는 거동을 확인하였다.
3)NOx 배출 특성 : COG 혼소의 경우 화염 안정성은 우수하나, 높은 화염 온도와 라디칼 시너지 효과로 인해 NOx 배출량이 NH3 전소 시보다 증가하는 경향을 보였다. 반면, BFG 혼소는 특정 구간(20~30%)에서 연소 속도가 BFG 단일 가스보다 낮아 연소성이 감소될 수 있으나, 낮은 화염 온도와 환원 분위기 조성으로 인해 NOx 배출 저감 측면에서는 NH3 전소보다도 낮은 값을 나타냈다.
종합적으로, COG와의 혼소는 NH3의 낮은 연소성을 극복하는 데 유리하며, BFG와의 혼소는 NH3 단일 연소보다 NOx 저감 및 저발열량 가스 활용 측면에서 이점을 갖는다. 따라서 혼소시 암모니아의 주입 위치를 통한 최적화된 혼소 전략을 통해 연소 안정성을 확보하면서도 환경 부하를 최소화하는 운전이 가능할 것으로 판단된다. 본 연구의 결과는 향후 제철 공정 내 무탄소 연료 도입 및 최적 혼소 시스템 설계를 위한 기초 데이터로서 중요한 공학적 의의를 갖는다.
