유리산업의 온실가스 저감을 위한 산소 연소 시스템

[사무국]

재료·소재 분과  김 용 환
  
1. 서론
  유리산업은 고온 공정을 수반하며, 전체 에너지 소비의 약 70%가 용해 공정에서 발생한다. 산소 연소(Oxy-fuel combustion) 기술은 기존 공기 연소 대신 순 산소를 산화제로 사용하여 열효율을 높이고 CO2 배출을 대폭 줄일 수 있는 대안으로 주목받고 있다. 이 기술은 유리 용해로에서 특히 효과가 크며, NOx 등의 유해가스 발생도 감소시켜 상용화가 증가 추세이다.

2. 산소 연소 시스템 개요 및 장단점
  산소 연소는 공기 대신 순 산소를 산화제로 사용하기 때문에 배기가스는 CO2 + H2O 중심으로 발생한다. 또한 공기와 달리 질소가 필요하지 않다. 이에 따라 불필요한 열 손실이 없고, 고온 화염과 높은 복사열 효과가 실현된다.
- 장점
  NOx, 미립자, CO2 배출이 감소하고 연소효율이 2배 상승한다. 또한 유리 품질 향상, 유리 용출량 증가, 축열실 제거로 공간 절약 및 폐기 비용이 절감된다.
- 단점
  화염온도 상승으로 버너 및 내화물 손상 위험
  산소 제조 비용 부담
  초기 설비 투자 비용이 증가한다.

<그림 1> 산소 연소 시스템의 발전

3. 시스템 구성 및 적용 현황
  산소 연소 기술은 다양한 형태로 유리 용해로에 적용된다. 그 방법에는 연소 공기에 산소를 일부 혼합(Oxygen Enrichment), 특정 지점에 순 산소를 직접 주입(Oxygen Lancing), 용해로 특정 부위의 열전달 극대화(Hot Spot Boosting) 및 완전 산소 기반 연소 시스템(All Oxygen-Fuel, AOF) 등이 있다.
국내외 현황을 보면 아시아 지역에서 약 300개 이상의 유리 용해로가 산소 연소 시스템을 도입한 것으로 파악된다, 특히 디스플레이, 섬유유리 분야에서 많이 채택하고 있다. 국내는 일부 병유리 용해로에 산소 연소를 도입 중이며 확대되는 추세이다.

4. 실증 사례 및 기술 발전 방향
  일본 TNSC에서 중유연료 기반 ‘Super OFB-LR’ 산소 버너를 개발하여 연료 40% 절감 및 NOx 60% 감축 달성했다. 국내는 Clean-fire HR 버너 도입 후 용출량 11%, 열효율 17% 향상, NOx는 90% 감축되었다. 중국에서는 산소 연소 기반 유리섬유 용해로 시스템을 통해 에너지 효율 74.76%, CO2 배출 55.3%가 감소하였다.
향후 기술적으로 고려할 기술적 문제는 화염 조절을 위한 버너 설계이다. 또한 내화물 침식 최소화를 위한 Tall Crown 구조 개발 및 CFD 기반 열 유동 해석 등 소프트웨어를 활용한 설계 최적화가 필요하다.

5. 전망 및 결론
  산소 연소는 유리산업의 에너지 절약과 환경규제 대응을 위한 핵심 기술로 정착되고 있다. 전기 용융 및 하이브리드 시스템과 병행을 통해 지속적으로 진화할 것으로 보인다. 
  국내에서는 아직 연구 및 상용화 실적이 부족한 상황이나, 산학연 협력을 통한 기술 개발과 정부 주도의 정책 지원이 이루어지고 있다. 유리산업의 미래 경쟁력을 확보하기 위해 산소 연소 기술은 중요한 전환점이 될 수 있다.