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일본산업기계공업회 회장상 수상 연구제트필름연소식 고효율 미니멈 에미션 보일러’ (하)
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2019.01.28 22:14
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1. 개발 경과

산업계에서 활약 중인 소규모 보일러는 기기 자체의 규모는 작으나 일본에서 연간 1만 대 정도가 출하될 정도로 시장 규모는 작지 않다. 이렇게 많이 쓰이는 만큼 환경에 미치는 영향은 결코 작지 않다.

이에 저 NOx화에 의한 환경 부하의 저감과 에너지 절감을 통한 CO2 삭감은 보일러 제조사의 의무라고 할 수 있다. 그렇다면 일본 소규모 보일러 제조 분야에서 환경 보호와 에너지 절감에 대한 요구에 어떤 기술적 대응을 하고 있는가? 그 해답을 제트필름연소식 고효율 미니멈 에미션 보일러에서 찾아보았다.

2. 제트필름연소식 고효율 미니멈 에미션 보일러의 성능

(1) 배기가스

[그림 1]은 당사의 기존 기종과 제트필름연소식 고효율 미니멈 에미션 보일러 EQi-2000/25000의 연소 성능을 비교한 것이다. 가로축은 배기가스 O2 농도와 공기비, 세로축은 NOx 배출값(O2=0% 환산값)을 나타낸다. 작은 연소실과 박막 화염 버너의 조합에 의해 정격 연소 시에서는 공기비 λ(람다)=1.17(배기가스 02=3.0%)로 하여 NOx 배출값 25ppm 이하, CO 배출값 30ppm이하의 초 저 에미션 연소를 달성했다.

또한 부분 부하 연소에서도 NOx 배출값은 변하지 않고 CO 배출값을 더욱 낮게 억제했다. 이에 기존 기종 대비 CO는 50%, NOx는 약 75%의 저감을 실현했다. 기존 기종의 설정 값인 공기비(λ)를 1.3(배기가스 02=4.9%)으로 한 경우에는 NOx, CO 배출값이 모두 10ppm이 되어, CO는 약 50%, NOx는 약 60% 저감을 실현할 수 있었다.

기존 기종에서 미연분인 CO가 다량으로 배출되었다면 이는 충분히 연소되지 않음을 나타낸다. 특히 저 공기비에서는 미연 연료에 대한 공기의 비율이 낮아 체류시간을 가질 수 없는 작은 미연실에서는 CO의 배출이 많아지게 된다. 반면 EQi-2000/25000에서 이러한 성과를 실현할 수 있었던 것은 박막 화염 버너에서 고속 분사를 적용하여 활류도를 높여 연소가스의 혼합이 원활해지고 CO에서 CO2의 산화를 촉진시킬 수 있었기 때문이다.

연소실 안에서 발생하는 강한 재 순환류에서도 연소가스 중 CO의 산화가 지속되기 때문에 낮은 공기비에서 연소시켜도 CO의 잔류를 대폭으로 억제할 수 있다는 장점이 있다. 또한 이 재순환류가 연소 입구에서 합류함으로써 연소 초기 단계에서브부터 연소를 완만하게 시작하여 화염의 온도가 억제된다.

(2) 효과

[그림 2]는 같은 보일러 수관 구조를 가진 당사 기존 기종(적파선)과 EQ0-2000/2500(청색 실선)의 부하율에대한 보일러 효율을 나타낸다. 일반적으로 보일러 효율을 향상시키기 위해서는 이코노마이저의 대형화 등으로 대응하는 방법이 있다. 그러나 이 그림에서는 같은 구조과 면적의 이코노마이저를 적용한 보일러에서 효율을 비교해보았다.

이러한 온도 억제 기능은 온도에 의해 발생하는 서멀 NOx를 대폭으로 줄이는 효과를 가져온다. 제트 엔진 필름 연소는 확산 연소로써 연소 방식으로서의 완전성이 우수하다. 이러한 연소방식은 완전 예혼합 버너에 비해 에미션이 낮은 것도 장점이다.

비교 장치는 저 공기비 운전을 이행함으로써 전 부하 영역에 걸쳐 효율을 향상시킬 수 있다. 특히 부하율이 높은 경우에는 1.5%가 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 최신형의 EQi-2000/2500과 6000에서는 보일러 효율을 98% 달성 가능하다.

2. 2 경제성 평가

(1) 소비전력
 

EQi-2000은 저 공기비 연소로 연소용 공기량을 8~14% 저감할 수 있기 때문에 송풍기 동력의 절감에 크게 기여한다. 또한 50% 부하 운전 시 45%, 100% 부하 운전 시 22%의 소비 전력 저감을 달성했다. 비교 장치의 판매가격이 기존 장비와 큰 차이가 없다는 점을 고려해 볼 때, 같은 도입 가격을 투자하더라도 비교 장치에서 1대당 연간 35만 엔의 런닝코스트를 절감할 수 있다.

 

(2) 장래성

제트필름연소에 의한 저 공기비, 저 NOx, 저 CO 연소기술은 증기량이 2000kg/h과 2500kg/h의 소형 관류 보일러로서의 실적을 기준으로 6000kg/h의 소규모보일러까지 스케일업에 성공했다. 이를 기반으로 가스 연소 보일러에서 대용량화 혹은 소용량화로의 발전이 기대된다. 또한 연소장치는 균일하게 가열하는 형태의 건조 장치등에도 적용 가능하여 보일러 이외의 분야로의 전개도 기대할 수 있다.

2. 3 기술의 독창성 검증
 

제트 필름 연소에 관련된 기술은 다음과 같은 3가지 항목에서 특히 독창성이 높다고 할 수 있다.

(1) 초 저 에미션 연소

소규모 보일러 업계에서는 최초라고 할 수 있는 저 공기비 연소(공기비 λ =1.17)에 의해 저 NOx, 저 CO를 실현했다. 특히 NOx 값은 기존과 같은 공기비 λ =1.13으로 비교할 경우 60%의 저감이 가능하다.

(2) 고효율화의 수단

일반적으로 소규모 보일러에서 효율을 향상시키는 경우 이노코마이저를 대형화하는 것이 주류였으나 당사에서는 연소기술에 의한 효율 향상을 달성했다.

(3) 버너 구조
세로로 긴 형태의 박막 화염을 형성하기 위해 버너의 세로 방향과 분사구에 대한 높은 제작 정밀도가 요구된다. 따라서 정밀 주조(로스트워크스 제조법)에 의한 블록 구조를 버너 내부 장치에 적용했다.

2. 4 향후 규제에 대한 대응과 적용 분야

(1) 대응 과제
 

소규모 보일러에서 대기 오염 방지법과 관련하여 도쿄의 ‘저 NOx, 저 CO2 소규모 연소기기 인정 제도’가 있다. O2=0% 환산 NOx 값으로 60ppm 이하, 효율 95% 이상이 초 고효율 연소기기로서 인정되고 있다. 또한 2010년 5월에는 가와사키시 고시 제 281호에 소규모 보일러에 대해 일본 내 가장 엄격한 O2=0% 환산 NOx 값 30ppm 이하가 지침으로 정해졌으나, 비교 장치는 이미 25ppm을 달성했기 때문에 새로운 대책은 불필요하다.

(2) 적용 분야
 

이 기술은 저 NOx, 저 CO 연소장치, 저 에미션의 연소기술로서 각종 가열로나 공업로에 대한 적용이 기대된다. 당사에서는 이미 이류체 분무식 유(油)연소버너로의 적용을 추진하고 있어 여러 사례가 있다. 그 예 중 하나인 [그림 4-1]와 [그림 4-2]는 도시의 쓰레기 처리시설(가스화 용융로)의 스톡 출탕구를 가열하는 버너에 적용한 예다. 기존 버너는 공간 전체를 가열하는 형태였으나 이 버너는 출탕구의 근접까지 국소로 가열함으로써 시간 당30%의 연료 사용량 절감을 달성할 수 있었다.

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