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제1장 : 스팀의 발생 /6. 보일러 배기 가스 폐열 회수6. 보일러 배기 가스 폐열 회수

6. 보일러 배기 가스 폐열 회수

 

6.1 보일러 공연비 제어

기후협약의 주요내용은 온실가스인 CO₂ 발생량을 줄이는 것으로 요약할 수 있다. 가스, 석유, 석탄 등으로 대표되는 화석연료는 주로 탄소와 수소로 구성되어 있기 때문에 이들 연료를 사용하는 설비에서는 CO₂의 발생은 불가피하다. 따라서 CO₂ 발생량을 가장 확실하게 줄일 수 있는 방법은 화석연료를 대체할 수 있는 신에너지(태양열, 풍력에너지, 연료전지 등) 개발이라 할 수 있지만, 현재의 기술로서는 대체에너지에만 의존하는 것은 불가능하다. 그래서 차선책으로서 화석연료를 사용하되 에너지 기기의 효율을 향상시켜 적은 양의 연료를 사용하고도 필요한 에너지를 공급함으로서 CO₂ 발생량을 줄이는 효율향상에 관한 검토가 많이 진행되고 있다.

보일러에서 소모하는 연료량은 국가 전체에서 사용하는 연료의 약 20%정도이기 때문에 보일러는 기후협약을 위해 검토할 주요 대상기기중 하나이다. 산업현장에서 사용되고 있는 산업용보일러(난방용 보일러 포함)의 운전 실태를 조사하여 보면 에너지를 절약할 수 있는 요소가 다분히 존재한다.

실제 운전 중인 보일러의 공연비를 조사한 결과에 의하면 공연비가 평균 1.6 정도로 확인되고 있다. 공연비(공연비 = 실제공기량 / 이론공기량)는 연료를 연소시키기 위하여 공급되는 공기의 양을 표현하는 용어이다. 공연비가 1.0인 경우는 연료를 완전 연소시키기 위한 이론적인 최소공기량만이 공급되는 것을 의미한다.

공연비가 1.6인 경우에는 이론공기량의 60%가 과잉공기로서 더 공급되고 있는 것을 뜻하며, 이 60%의 과잉공기는 실온으로 연소기기에 들어와서 가열된 후에 배기가스온도만큼의 열을 가지고 배출된다. 즉 과잉공기는 연소기기 내부에서 연소반응에는 전혀 참여하지 않고 단지 가열되어 배출되기 때문에 열손실의 주요 원인중 하나이다. 실제 보일러에서 공연비 1.0으로는 완전연소를 시킬 수가 없기 때문에 공연비 1.1∼1.2 정도를 권장하고 있다.

공기비 1.6인 보일러의 공연비를 1.1∼1.2로 관리할 수 있다면 약 4∼5% 에너지 절약을 기대할 수 있다.

 

6.2 보일러 공연비 제어로 에너지 절감

그림 1 전자식 자동 연소 제어 시스템

현재 공연비를 측정 한 결과 공연비가 1.6으로 과잉 공기가 유입되고 있는 보일러를 자동 공연비 제어 시스템을 구성 할 경우 절감되는 에너지 량을 계산하면

 

6.3 보일러 배기가스 폐열 회수 시스템

 

보일러 배기가스는 보일러에서 연료의 연소에 의해 생긴 연소 가스로서, 연료가 완전연소한 경우에는 탄산가스, 수증기, 아황산가스 등 그 외에 연소용 공기로부터 나온 질소가 있으며, 가연 성분은 포함되어 있지 않다.

불완전 연소의 경우는 이상의 성분 외에 일산화탄소, 수소, 유황, 그을음 등의 가연성분과 산소가 포함 되어 있다. 보일러 배기가스 온도는 두가지 제한에 의해 최저 온도가 결정된다. 하나는 재료의 부식 문제이며 다른 하나는 회수 열원의 제한으로 인한 전열 낙차의 감소로 인한 경제성 문제이다. 유류나 석탄을 연소시키는 열 발생 설비에서 배기 가스 중에 함유되어 있는 황산 성분이 설비를 부식(저온 부식)시키는 요인이 되므로 배기가스 온도를 황산 성분의 노점 온도를 고려하여 150℃이상으로 유지시키고 있으며, 통상적으로 180-230℃로 보일러를 가동시키고 있다. 따라서 배기가스 열에 의한 보일러 열손실 율은 에너지 투입 열량을 기준으로 할 때 약 8% 이상이 되고 있어 이를 미회수 시 막대한 양의 에너지를 낭비하는 결과가 되며, 아울러 공해의 요인이 되기도 한다.

배기가스에 의한 저온 부식은 주로 전열면의 온도가 낮을 경우 결로현상이 생기게 되며 이때 연소가스 성분 중 황(S)이 결로 되어 있는 수분(H2O)과 결합하여 황산(H2SO4)으로 되어 급격한 부식이 진행하게 됩니다. 따라서 폐가스 성분 중에 황(S)이 얼마나 포함되어 있느냐에 따라 저온부식이 발생되는 온도가 많은 차이가 있습니다. 즉, 황(S)성분이 적을수록 저온부식이 발생되는 온도가 낮아 저온부식이 발생 될 가능성은 낮아지게 됩니다.

참고로 황(S)성분이 배기가스 중에 0.5%정도 함유되어있을 때 20℃의 공기가 흐르는 공기예열기의 경우 저온부식이 발생되는 전열면의 온도는 약 90℃ 정도입니다. 통상적으로 결로가 발생되는 전열면의 온도는 약 60℃ 이하에서 발생이 됩니다.

기체 연료는 자연에 존재하는 메탄을 주성분으로 하는 천연가스, 도시 가스 나 LPG와 같은 가공 가스로 나누는 경우도 있다. 기체 연료는 그 특성상 액체 연료에 비해 연소 방법이나 조절이 매우 용이하며, 회분이나 유황분의 함유량이 거의 없기 때문에 저온부식이 발생 될 가능성이 매우 낮아지게 되고, 이 점을 이용하여 기체연료를 보일러 연료로 사용 할 경우 배기가스에서의 폐열 회수가 가능하다.

통상적으로 결로가 발생되는 전열면의 온도는 약 60℃이하 이므로 폐열 회수 온도도 60℃이하로 떨어지지 않도록 한다.

 

6.4 보일러 배기가스 폐열 회수로 에너지 절감

현재 운전 중인 보일러의 연료가 액체 연료에서 가스 연료로 연료가 교체 되었으나 보일러 배기가스의 온도가 210℃로 매우 높은 상태이다. 배기가스가 대기 중으로 배출 되는 열량만큼 에너지 손실이 발생되고, 보일러 효율도 떨어진다. 보일러에 절탄기를 설치하여 보일러 배기가스 폐열을 회수하여 보일러 급수 온도 상승에 사용한다.

그림 2 보일러 배기가스 폐열 회수 시스템

정리 합니다

보일러의 연소는 완전 연소가 되어야 에너지 효율뿐만 아니라 환경적 측면에서도 매우 중요하다. 가능한 자동 공연비 제어를 통해 완전 연소로 불필요한 에너지 손실을 줄이고, 최근 국가적 환경 보호 측면에서 저온 부식에 보다 자유로운 기체 연료의 사용이 증가 추세이므로 배기가스 폐열 회수에 기존의 공기 가열기는 물론이고 절탄기 병행 설치로 에너지 절감은 물론 보일러 효율 상승에 적극 참여해야 한다.

 

(사)한국에너지기술인협회 이대철 교수

dcl5756@naver.com

이대철 교수  dcl5756@naver.com

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