상단여백
HOME 해외사례 연재
일본산업기계공업회 회장상 수상 연구제트필름연소식 고효율 미니멈 에미션 보일러’ (상)
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2018.12.31 12:58
  • 댓글 0

1. 개발 경과

1.1 개발 경과

산업계에서 활약 중인 소규모 보일러는 기기 자체의 규모는 작지만 일본에서 연간 1만 대 정도가 출하되고 있다. 방대한 양 만큼 환경에 미치는 영향은 결코 작지 않기 때문에 저 NOx화에 의한 환경 부하의 저감과 에너지 절감을 통한 CO2 삭감은 보일러 제조사의 의무라고 할 수 있다. 그렇다면 소규모 보일러에서 환경 보호와 에너지 절감에 대한 요구를 어떻게 실현할 수 있을까?

먼저 소규모 보일러의 구조에 대해 알아보자. [그림1-1]은 소규모 보일러의 모식도를 나타낸다. 그림과 같이 보일러의 구조는 수관으로 구성된 연소실을 가지고 있는 요체와 버너 및 기수분리기, 또한 배기가스에 의해 급수를 예열하는 이코노마이저로 크게 나눌수 있다. 이러한 구조의 소규모 보일러에서 일반적으로 적용되는 저 NOx화 방법을 [표 1-1]에, 에너지 절감 방법을 [표 1-2]에 각각 나타내 보았다.

소규모 보일러는 법적으로 제한된 전열면적에서 최대한 많은 증기를 얻으려고 하기 때문에 연소실 부하가 커지게 된다. 투입한 연료를 완전히 연소시키기 위해서는 일반적으로 공기비를 λ=1.3 정도(연료를 연소시키기 위해 필요한 공기량을 30% 증가시켜 투입)로 하고 있다. 이 공기비를 저감하면 배기가스가 지출하는 열량을 줄일 수 있기 때문에 열 효율 향상에 효과적이다.

그러나 저 공기비 연소 시에는 버너 근방에서 국소적인 고온부를 만들어내기 위한 서멀 NOx가 증가한다. 또한 앞서 이야기한 것처럼 불완전 연소에 의한 일산화탄소(CO)의 상승을 불러일으키는 문제가 있어 에너지 절감과 저 NOx를 양립시키기는 어렵다. 이 과제를 극복하려면 저 공기비 연소 시에 연소실 내의 국소적인 고온부의 생성을 억제하고, 화염 냉각을 촉진하여 서말 NOx를 대폭 줄여야 한다.

이에 연소실 내의 고속분사에 의한 자기 각반 효과를 높임으로써 CO의 억제를 진행하고, 세로로 긴 형태의 박막 화염을 형성하는 제트필름버너와 이에 대응한 연소실 구조의 연소장치를 개발했다. 이 새로운 연소장치를 전열면적 10m2 미만의 소형관류보일러 EQi-2000과 30m2 미만의 소규모 보일러 EQi-6000의 두 기종에 탑재하여 기존 기술에서는 어려웠던 공기비 λ=1.17(배기가스 O2=3%)로 NOx=25ppm(O2=0% 환산) CO=30ppm을 달성했다.

또한 같은 보일러에서 기존의 공기비 λ=1.3(배기가스 O2=4.9%)에서 운전하면 NOx와 CO가 함께 10ppm 이하로 극히 낮아지는 것을 달성했다. 이로써 NOx는 기존의 업계 상위 수준 대비 약 60% 저감을 실현했다. 또한 저공기비로 연소함으로써 보일러 효율을 1.5% 향상시켜 송풍기의 소비 전력을 22~45% 삭감했다. 이 새로운 연소장치를 적용한 보일러는 NOx와 CO의 환경 부하를 최소화하면서 저 공기비에 의한 보일러의 효율 향상(연료의 절감)과 소비 전력의 절감을 실현할 수 있다.

이에 현재 가동하고 있는 보일러로 연간 2,000톤 이상의 CO2 삭감(부하율 50%)을 달성하는데 기여하고 있다. 이러한 기여를 인정 받아 EQi-2000/2500은 2010년에 일반사단법인 일본공작기계공업연합회에서 독창적인 연소장치에 의한 에너지 절감 기술로서 ‘우수에너지절감기기표창, 일본기계공업연합회회장상’을 수상했다. 2011년에는 일반 사단법인 일본연소학회에서 ‘기술상’을 수상하기도 했다.

2. 장치 설명

2.1 구조와 원리

(1) 가스버너
가스버너는 ㈜타쿠마의 특허 고속분사노즐기술을 적용했다. [그림 2-1]은 고속분사노즐의 구조를, [그림 2-2]는 고속 카메라로 촬영한 분사 장면을 나타낸다. 이 노즐은 쓰레기 소각로 등에 사용되는 백필터의 먼지를 넓게 떨어뜨리는 용으로 개발되었다. 압력 손실이 적은 초음속 노즐인 라발노즐의 끝단을 약간 확대한 구조다.

정류공(정류 구멍)은 외부의 기체를 빨아들임으로써 분사 흐름의 확대를 억제하며 노즐에서 분출하는 공기량을 늘린다. 이로써 백필터 내부에 넓게 떨어지는 형태로 공기를 공급한다.

이 노즐의 원리를 기반으로 개발한 가스버너가 [그림 2-3]의 제트필름버너다. 이 버너는 세로로 긴 형태의 박막화염을 형성하는 구조로 되어 있다. 버너 내부에서 연료가스와 1차 공기를 급속으로 혼합하면서 노즐의 가장 좁은 부분으로 모이게 한다. 좌우에서 2차 공기를 유입하여 고속분사노즐처럼 분사가스가 넓어지는 것을 막아 분사하는 구조로 되어 있다.

 

이 버너의 특징은 다음과 같다.

- 박막화염을 형성함으로써 화염의 냉각을 촉진한다.
- 세로로 긴 형태로 화염을 분산시켜 국소 온도부를 억제한다.
- 고속의 흐름으로 보일러 내부의 연소가스 혼합을 촉진한다.

(2) 보일러

[그림 2-4]는 보일러의 수관구조를 나타낸다. 소규모 보일러는 복수대와 인접하여 설치하는 경우가 많다. 이에 설치 공간을 최소화하기 위해 각진 형태로 수관을 배치했다. 전열면적은 10m2 미만이며 증기량(환산 증기량)이 2,000 및 2,500kg/h인 기종과 전열면적 30m2 미만이며 증기량은 6,000kg/h의 2기종이 있다.

이 중 6,000kg/h인 경우에는 연소실을 2분할하여 버너를 2개 설치했다.

[그림 2-5]는 이 보일러에 제트 필름 버너를 설치한 것을 나타낸다. 버너는 연소실 내에 순환류가 형성되도록, 화염이 벽에 치우치도록 중심에서 엇나가게 설치한다. 버너는 세로로 긴 형태의 박막 화염이며, 화염의 국소온도부를 생성시키지 않고 벽에 치우쳐 고속으로 분사됨으로써 전열관에 의한 화염 냉각을 촉진시킨다.

[그림 2-5]에서 왼쪽에 있는 사진은 버너분사구 정면과 대기 개방 상태에서의 연소를 나타낸다. 세로로 좁고 긴 형태의 슬리트에서 분사된 연료가스가 화염의 앞부분이 투명하게 보일 정도로 얇다. 이 사진은 연소실 상부에서 촬영한 화염으로, 벽을 향해 치우쳐 고속으로 분사되고 있는 상황을 촬영한 것이다 .

이 고속의 흐름으로 연소실 내에 큰 순환류가 형성된다. 이 순환류는 좁은 연소실에서의 연소가스가 각반 및 체류 시간을 확보할 수 있게 함으로써 완전 연소를 진행하는 효과와 배기가스의 자기 재순환에 의한 저 NOx 효과를 함께 얻을 수 있다.

* 다음 연재 제트필름연소식 고효율 미니멈 에미션 보일러’(하)편에서는 제트필름 연소식 고효율 미니멈 에미션보일러의 성능과 도입 효과에 대해 다룰 예정이다.

한국에너지정보센터  kecenter@hanmail.net

<저작권자 © 에너지설비관리, 무단 전재 및 재배포 금지>

한국에너지정보센터의 다른기사 보기
icon인기기사
기사 댓글 0
전체보기
첫번째 댓글을 남겨주세요.
여백
오늘의 주요뉴스
의정부 깊이 톺아보기
[여행]
의정부 깊이 톺아보기
플라스틱 코리아 - 끝나지 않은 플라스틱과의 전쟁 -
[신재생에너지기자단]
플라스틱 코리아 - 끝나지 않은 플라스틱과의 전쟁 -
탈원전, 한국정책의 방향은?
[신재생에너지기자단]
탈원전, 한국정책의 방향은?
재생에너지 3020실현의 발판
[신재생에너지기자단]
재생에너지 3020실현의 발판
여백
여백
여백
Back to Top