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목질 바이오매스 보일러의 도입과 운용을 위한 실무 정보
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2018.12.03 23:13
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목질의 바이오매스를 에너지로 이용하기 위해서는 장비 선정이 중요하다. 최적의 장비 선정을 위해서는 용량, 대응할 수 있는 연료의 종류, 얻을 수 있는 열의 종류, 금액(초기투자비용, 운영 경비) 등 여러 가지를 고려해야 한다. 또한 장치에서 발생하는 에너지를 어떻게 이용할 것인가에 대한 시스템 설계가 전제되어야 한다. 따라서 효율적인 에너지 이용을 위해서는 연소 기술에 대한 이해를 바탕으로 연료 품질에 맞는 보일러의 선택, 연료의 품질관리, 유지보수 등에 대한 정보를 알고 있어야 한다.

1. 목질의 바이오매스 연소 시 고려해야 할 것들

(1) 연소의 과정

단순히 바이오매스를 태우는 것만으로는 에너지를 효율적으로 추출하기 어렵다. 그렇다면 어떠한 조건에서 연소하는 것이 좋을까? 목질 바이오매스의 연소는 공기 중의 산소와 바로 반응하여 일어나지 않는다. 실제로는 온도상승에 따라 몇 단계로 나뉘어 진행된다. 따라서 물질을 태우기 위해서는 반드시 ‘연료’와 ‘공기(산소)’, 열원이 필요하다.

연소의 제1단계는 바이오매스가 외부에서 열을 받아 수분의 증발이 시작되는 것이다. 이 때 수분이 많으면 많을수록 건조하는 데 많은 에너지가 든다. 100℃에 이르면 건조 상태가 되고 200~300℃가 될 경우 완만하게 열분해를 시작하여 수증기나 이산화탄소와 같이 불연성가스와 일산화탄소, 메탄, 에탄, 수소와 같이 가연성 가스가 발생한다.

결국 바이오매스의 색깔은 검게 변하고 형태는 재와 같이 된다. 이 상태가 되려면 외부에서 열을 계속 받아야 한다. 바이오매스의 종류에 따라 다르지만 250℃를 넘으면 열 분해가 급속하게 진행되며 가연성가스의 생성도 한번에 증가한다. 이렇게 바이오매스는 인화 과정을 거치게 되며 일반적인 인화 온도는 300~350℃ 정도다. 350~400℃가 넘어가면 가스 상태에서 휘발성 성분(일산화탄소, 수소, 기타 탄화수소류)의 방출량이 최대화된다.

휘발성 성분은 바이오매스에 포함되어 있는 가연 성분의 75%에 달하기 때문에 바이오매스의 연소는 주로 가스의 연소라고 할 수 있다. 400℃가 되면 열 분해 가스의 생성이 종료하여 450℃의 온도에서는 타르분이 생성, 가스화된다. 이 단계에 이를 경우 연소에 의해 열 에너지(일부는 빛으로)가 생성되어 연쇄 반응에 필요한 에너지도 자기 완결된다.

800~900℃에서는 가연성 가스가 거의 존재하지 않고 고체인 탄소(숯)만 남는다. 고온 가열한 숯은 강력한 환원력을 가지고 있어 산소와 급격히 반응하여 수소나 일산화탄소를 발생시킨다. 이 가스가 타는 것이 숯의 연소다. 이렇게 바이오매스의 에너지를 최대한 끌어내는 것이 가능하다. 바이오매스의 연소란 가연성 가스와 숯의 연소이며, 일련의 반응이 연속적으로 일어나는 것이다.

2. 효율적인 연소를 위한 공기 조건

좋은 연소란 물질을 태움으로써 방출되는 에너지를 최대한으로 끌어내는 것이다. 이를 달성하기 위해 가장 중요한 조건을 3T라 부른다. 이는 연소 시간(Time), 연소 온도(Temperature), 활류(Turbulence)라고 하는 요소다. 여기에서 활류는 공기와 가연성 가스가 적절히 섞인 것이라고 생각하면 된다.

(1) 공연비(空燃比) 시간, 온도, 활류라는 각 요소를 최적화하기 위해서는 공기 제어가 빠질 수 없다. 공기와 연료의 질량비를 공연비라고 부르는데, 완전 연소에 필요한 만큼의 산소를 포함한 공기의 양을 이론 공기량이라고 한다. 바이오매스의 공연비는 6.3(바이오매스 1g에 대한 공기 6.3g)이다. 참고로 가솔린의 공연비는 14.7, 석탄은 11.4, 에탄올은 9.0이다.

(2) 공기비 이론 공기량에서 실제 공기량을 뺀 값을 공기비(공기과잉계수)라고 부르고 ‘λ(람다)’ 기호로 표기한다. 계산 상으로는 공기비 1이 최적의 연료 상태라고 할 수 있다. 바이오매스의 경우 최적인 공기비는 1.25~1.40이다.

공기비가 1보다도 작아지면 연소에 필요한 산소를 공급할 수 없게 된다. 따라서 불완전 연소가 되어 일산화탄소나 탄화수소가 발생고, 연돌에서 자연과 흑연이 나온다.

반대로 공기의 양이 너무 많아도 연소에 불필요한 공기가 증가하기 때문에 배기가스의 양이 늘어나 열 손실로 이어진다(에너지 변환 효율이 나빠진다). 유럽에서 만든 바이오매스 보일러에는 연도에 람다센서(O2센서)가 장착되어 있다. 연소의 상태는 산소 농도로 알 수 있기 때문에 이 장치로 배기가스 중의 산소 농도를 측정하여 연소를 최적화하는 것이다.

(3) 효율화를 위한 노력 공기의 공급은 그 절대량도 중요하지만 어느 단계에 공급할 것이냐 하는 문제도 효율적인 연소를 위해 필수적인 요소다. 따라서 바이오매스의 연소 장치에서는 최적의 구조로 화로를 설계하여 연료의 투입 방법이나 공기의 공급 방법(1차 공기, 2차 공기, 3차 공기)을 연구하여 연소를 관리해야 한다(그림 4 )실제로공급하는 공기를 예열하는 장치(공기예열기)로 열 손실을 최소화하는 등 선진적인 연소기기에서는 여러 가지 연구가 이루어지고 있다.

3. 효율적인 연소와 연료의 질

효율적인 연소를 위해서는 보일러뿐 아니라 연료의 품질도 매우 중요하다. 바이오매스가 석유나 가스 등의 화석연료와 크게 다른 점은 다량의 수분이 함유되어 있다는 것이다. 당연한 것이지만 물은 타지 않는다. 게다가 연소를 위해서는 연료 중의 수분을 증발시키는 작업이 필요하다. 따라서 수분이 적은 연료가 이상적이라고 할 수 있다.

(1) 재의 양 재는 연료에 포함되어 있는 미네랄이나 중금속 등의 불연물이며 그 비율은 회분이라 칭한다. 재는 타지 않기 때문에 회분의 많고 적음은 발열량에 영향을 미칠 뿐 아니라 연소기기에 악영향을 미치기 때문에 유지보수에 대한 공수가 증가한다. 따라서 회분이 적은 연료가 이상적이다. 재는 발생하는 장소에 따라 두 종류로 나뉜다.

연소실의 하단부에서 배출되는 것이 주회(bottom ash)로, 실제로는 탄상의 연소가스나 규소가 고온에서 글라스화 한 고형물을 포함한다. 또 하나는 연도의 사이클론에서 배출된 비회(fly ash) 로 중량의 가벼운 재로 구성되어 있다. 중량비로 보면 주회가 압도적으로 많이 배출된다. 회분은 양만이 아니라 그 조성이나 융점도 러닝코스트와 관련이 있다.

(2) 에미션 연소에 의해 연돌에서 배출된 대기 오염 물질(가스)의 총칭을 에미션이라 한다. 이산화탄소 이외에 그을음 등의 입상물질(PM)이나 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물, 유황산화물, 염화수소, 아이옥신 등이 있다. 에미션을 줄이기 위해서는 보일러의 최적의 구조, 공기량 등의 관리, 연료의 품질에 대한 주의가 필요하다.

(3) 보일러의 내구성 연료의 물질은 보일러의 내구성에 영향을 미친다. 부식을 가져오는 요인은 연료 중에 포함되어 있는 염소분과 유황분 때문이다. 염소 성분은 수목의 잎에도 약간 포함되어 있으나 주의가 필요한 종류로는 해수에서 나온 소금이나 염화비닐 등의 폐기물이다. 염소가스는 부식성이 매우 높기 때문에 관체나 연도를 강력하게 산화시킨다. 한편 유황성분은 저온부에서 유산으로 변화하여 관체를 부식시키지만 목질 바이오매스의 유황분은 미량이기 때문에 크게 신경 쓰지 않아도 된다.

지금까지 알아본 것처럼 목질의 바이오매스를 에너지로 이용하려면 최적의 장비 선정이 중요하다. 즉 용량, 대응 가능한 연료의 종류, 얻을 수 있는 열의 종류, 초기투자비용과 운영 경비 등 여러 조건을 고려해야 한다. 따라서 목질 바이오매스 보일러의 도입과 효율적인 운용을 위해서는 단순히 브랜드나 가격뿐 아니라 연소 기술에 대한 이해를 바탕으로 연료 품질에 맞는 보일러의 선택, 연료의 품질 관리, 유지보수 등의 요소를 고려한 최적의 시스템 설계가 필수적이다.

 

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