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최신 규제 동향에 대응하는 연소·계측기술산업용 소형 관류 보일러의 규제 동향과 연소기술
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2019.05.07 14:48
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소형 관류 보일러는 취급이 간편한데다 기술 개발을 거듭하면서 성능이 향상되어 왔다. 이에 산업용 열원으로써 보급이 확대되었으나 최근 세계적으로 에너지와 환경 문제가 화두가 되
면서 고효율화와 환경 부하 저감에 대한 요구가 높아지고 있다. 그렇다면 소형 관류 보일러에서는 이러한 규제와 환경 변화에 어떻게 대응하고 있는지 일본 사례를 중심으로 소개하도
록 한다.

일본은 자국이 가지고 있는 자원이 적은데다 자원에 대한 해외의존도가 높다. 이 경우 세계 정치, 경제 정세에 따라 자원 수급이 크게 영향을 받기 때문에 에너지원의 공급이 불안정하다.
이러한 상황에서 지속 가능한 경제 발전을 위해서는 에너지의 안정적인 확보와 절감 전략이 필요하다. 이에 화석 연료를 사용하는 관류 보일러 분야에서도 에너지 효율과 절감에 대한 강한 요구를 받고 있는 상황이다.

일본의 에너지 절감 정책은 석유 위기 이후 1979년, ‘에너지사용 합리화에 관한 법률’이 제정됨으로써 시작되었다. 이는 연료 자원을 유효하게 이용하기 위해 공장, 사업장 등에서 에너
지 사용의 합리화를 목적으로 정해진 법률이다. 그 후 법이 개정되어 2010년에는 소형 관류 보일러(중유 환산으로 버너의 연소의 연소 능력이 1시간당 50리터 이상인 것)에도 적용되기 시
작했다. 이에 보일러의 공기비, 폐 가스 온도에 판단 기준치 및 목표치가 제시되었다. 그러나 법 개정 이전보다 목표치를 만족하는 보일러가 개발되어 기준을 뛰어넘게 되었다. 이에 일본 에너지 절감법 제 78조에 규정되어 있는 에너지 사용의 합리화가 특별히 요구되는 기기에 대해서는 톱 러너제도를 적용하게 되었다. 이는 시장에 존재하는 제품 중 가장 에너지 소비 효율이 우수한 제품의 성능을 기준으로 정하는 제도다.

 

심각해지는 환경 문제와 엄격해지는 규제

보일러의 연료가 거의 A, B중유였던 1960년대에는 배기가스 중 유황산화물(SOx)에 의한 대기오염이 사회문제로 대두되던 시기였다. 질소산화물(이하 NOx)의 고정발생원에 대한 일본 전국적인 배출 규제에 대해서는 1973년에 제1차 규제 이후 5차에 걸쳐 기준이 강화되었다. 또한 질소산화물의 배출량이 많은 산업 시설을 추가 규제 대상으로 선정하는 등법규의 재검토가 이루어졌다.

이후 소형 관류 보일러에 대해서도 연소 배기가스에 대한 규제가 엄격해졌다. 특히 유황분이나 질소분에서 대기오염에 큰 영향을 미치는 B, C중유는 사용이 금지되었다. 현재는 액체연료로 A중유와 정유,기체연료에서는 천연가스(메탄)을 주성분으로 하는 도시가스, LPG가 주로 사용되고 있다. 이러한 규제의 강화는 시장의 형태도 바꾸어 놓게 된다.

[그림 1]은 최근 연소별 소형 관류 보일러 출하 대수 비율의 변천 사례(근년 출하 대수의 증가가 현저한 상당 증발량 2000kg/h 이상)를 나타낸 것이다. 1998년 기름 연소 보일러와 가스 연소 보일러의 출하 대수 비율은 6:4였다. 2012년에는 3:7로 비율이 역전되는 상황이다. 이러한 변화의 배경으로는 이산화탄소 삭감 대응책으로써 천연가스화나 에너지자유화와 동반하여 가스공급업자의 확대, 천연가스 공급시설의 보급 등을 들 수 있다.

한편 최근 들어 규제가 강화되고 있는 에미션은 광화학스모그 원인 물질인 NOx다. NOx는 1970년 도쿄에서 광화학스모그가 발생하여 문제시되었던 것을 계기로 1989년 도쿄도(都)의 저 NOx 기기 인증 제도가 개시되었다. 1996년에는 일본 환경성에서 ‘소규모 연소기기의 질소산화물 배출 가이드라인’을 마련하기도 했다.

이들의 인증 기준과 가이드라인은 해마다 강화되어 도쿄도의 저 NOx 기기 인증 제도는 2009년에 저 CO2(고효율)의 기준이 추가되었다. 2015년 4월에는 인증 기준이 2단계로 변경되어 초 저 NOx, 초고효율 등급 AA에서 가스연료의 NOx는 60ppm(배기가스 O2 농도 0%)에서 40ppm으로, 보일러 효율은 95%에서 97%로 변경되었다.

 

그렇다면 해외의 NOx 규제는 어떠한가?
세계적으로 가장 규제가 심한 곳은 북미의 캘리포니아주다. 지형, 기후 등의 조건 때문에 광화학스모그가 발생하기 쉬운 지역이기 때문이다. 이에 1940년대 세계에서 처음으로 광화학스모그가 발생한 곳이기도 하다. 이러한 환경적 요인으로 오래 전부터 환경오염물질에 대한 규제가 강화되어 왔다(규제 기준치는 행정구역마다 다르다).

가장 엄격한 구역에서는 9ppm(배기가스 O2 농도 3% 환산 값, 20mmBTU/hr 이하, 기체 연료 보일러)와 1대의 규제값으로 되어 있다. 또한 배출 규제값에 대해서는 BACT(Best Available Control Technology)를 적용하고 있다. 비용 대비 효과가 우수한 저 NOx 기술이 개발되면 그에 맞는 규제값의 재검토가 진행됨에 따라 앞으로도 규제가 더욱 엄격해질 것으로 예상된다.
최근 경제 성장이 둔화되고 있는 중국에서는 특히 도시의 대기오염이 문제가 되고 있어 보일러의 NOx 배출 규제가 강화되는 상황이다. 북경시에서는 가스연료, 기름연료 모두 73.0ppm(배기가스 O2 농도 3.5% 환산값)이었던 것이 2015년 7월에 39.0ppm으로, 2017년 4월에는 반으로 줄어든 14.6ppm까지 강화되었다. 이처럼 세계적으로 보일러가 배출하는 NOx의 규제값을 해마다 강화하고있다. 이에 NOx 저감, 제로 에미션화를 위한 연소기술의 연구 개발이 더욱 중요해지고 있다.

 

에너지, 환경문제에 대응하는 연소기술

보일러의 증기 압력이 떨어져 증기 압력 대기 상태인 보일러를 다시 운전시키려면 화로 내 환기를 진행해야 하는 경우가 생긴다. 그런데 이 때 보일러의 열이 기계 밖으로 배출되거나 열 손실이 발생하게 된다. 이 문제를 해결하기 위해 턴다운비(정격 연소량과 최소 연소량의 비)를 확대한 3위치 제어방식이나 다위치 제어방식, 비례 제어방식이 개발되었다.

또한 연속파일럿 방식도 있다. 이 경우 배출에 의한 열 손실은 거의 없어지고 부하 추종성도 향상된다. 실제로 기존에 운전 시 공기비가 1.4였던 것이 버너의 성능 향상으로 에너지 절감법의 목표치 수준까지 떨어졌다. 보일러 자체의 열 효율 향상은 물론 배기가스에 의한 열 손실 저감을 실현한 것이다. 이외에도 송풍기 모터의 인버터 제어화로 전력 절감화를 달성하기도 했다.

NOx의 생성 문제 측면에서는 연료 중 질소에 기인하는 Fuel NOx, 공기 중 N2에 기인하는
Thermal NOx와 Prompt NOx가 있다. Fuel NOx저감에 대해서는 연료 중 질소분의 저감(연료 전환), 초기 연소역의 산화 농도 저감을 들 수 있다. Thermal NOx 저감에 대해서는 연소 화염 온도 저하, 산화 농도의 저감, 고온 체류 시간의 단축이라는 세 가지를 들 수 있다. 관류보일러에서 사용되는저 NOx 버너는 다음의 방법을 조합하여 Thermal NOx 저감을 실현할 수 있다.

① 물 또는 증기 분무 화염의 온도 상승과 함께 질소산화물의 생성이 증가한다. 따라서 화염에
물 또는 증기를 직접 분무하여 화염 온도를 떨어뜨려 NOx의 발생을 제어한다.

② 연소가스의 강제 재순환 연소 배기가스의 일부를 연소용 공기에 혼합시켜 연소용 공기의
산화농도를 낮춤으로써 연소 반응을 지연시킬수 있다. 그 결과 화염의 온도 상승이 억제되어
NOx의 생성량도 감소한다.

③ 연소가스의 자기 재순환 연소실에서 연소가스를 배너 보염부에 재순환시켜 ②번과 같은 원
리로 연소 반응을 늦춰 화염 온도의 상승을 억제하는 방법이다.

배기가스 재순환에서는 송풍기의 유입구에 배기가스를 유입시켜 송풍기 동력의 증가를 유발할 수 있으나 이 방식에서는 걱정하지 않아도 된다.

① 분할화염 화염을 분할시켜 화염온도 상승을 억제하여 NOx의 생성을 억제한다.

② 박막연소 박막화염을 형성시켜 화염의 온도 상승을 억제하여 NOx의 생성을 억제한다.

③ 이단연소 연소를 이론 공기량 혹은 그에 가까운 공기량으로 약간 불완전하게 연소시킨 후 2차공기를 주입하여 완전 연소시키는 방법이다.이는 연료 중 N2에 기인하는 NOx 생성을 억
제하는 효과가 있다. 2차 연소할 때 연소 온도를 일정 수준 낮추면 공기 중의 N2가 산화하
여 NOx의 발생량도 억제할 수 있다. 다만 액체연료의 연소에서는 그을음이 많이 발생할 우
려가 있다.

④ 희박연소 공기과잉률을 증가시켜 화염온도를 낮춰 NOx 생성량을 억제한다. 다만 배기가스
열손실은 증가한다.

 

액체연료와 기체연료의 저 NOx 기술
등유, A중유 등 액체연료의 경우 연소실 공간이 있고 버너는 연소실 상부에 위치하는 것이 일반적이다. 반면 저 NOx 버너는 송풍기에서 나온 연소용 공기가 윈도우박스에 정류되어 동심원상에 배치된 복수의 에어노즐에 의해 연소실 내로 분출된다. 이때 연료는 호일펌프에 의해 압송되어 중앙에 배치된 압력 분무 노즐에 의해 미립화되어 분사된다.

버너 선단에는 원통 형상의 차폐통을 설치하여 상부의 극간에서 완전 연소한 화로 내에 배기가스를 흡인하여 보염부 상류에 고온가스를 재순환시킴으로써 연소가 시작되는 곳의 화염 온도 상승을 억제한다. 농담, 분할 화염화를 진행함으로써 국소적인 고염부에서 형성된 것을 억제하여 저 NOx화를 실현할 수 있다.

한편 도시가스, LPG라고 하는 기체연료의 경우 액체연료처럼 연소 공간을 가진 보일러와 연소 공간이 거의 없는 보일러가 있다. 전자의 경우의 저 NOx버너는 액체연료와 같이 연료와 공기의 예혼합가스(혹은 공기)를 연소실에 고속으로 분출하여 연소실내에서 자기 재순환가스를 형성함으로써 연소반응을 늦춰 저 NOx화를 실현시킨다.

후자인 경우 버너뿐만 아니라 요체(열교환기)를 포함한 복합기술에 의해 저 NOx화를 실현한다. 얇은 스테인레스제의 파판과 평판을 적층한 콜게이트 버너에서 예혼합가스를 분출시켜 연소시킨다. 버너면과 최 근접 전열관은 수십 mm 정도의 간격으로 대면하고 있어 연소실 공간이 거의 없는 구조로 되어 있다.

버너부에서 안정적으로 보염된 연소화염은 연소 반응을 진행하면서 수관군을 통과한다. 이에 대류전열에 의한 화염 냉각으로 연소반응을 억제하여 화염온도를 300~400℃ 정도 떨어뜨린다.  또한 고온부에서의 체류 시간을 단축하여 저 NOx 화가 실현된다. 이를 통해 조기에 화염온도를 저하시키는 것이 NOx화에 유효하다는 것을 알 수 있다.

이 방식으로 저 NOx화를 실현할 때 고출력화, 화염의 안정화, 저소음화 등이 중요한 요소다. 고출력화, 화염의 안정화, 저소음화에 대해서는 버너 출구면을 분할함으로써 하류에 소용돌이를 유발하여 연소 반응면을 확대하여 단염화를 실현시킨다. 이에 고 출력, 고 면부하에서도 안정된 화염을 형성할수 있다.

또한 평판과 파판에서 구성된 염공(炎孔)을 그룹화하거나 약간의 간격을 두고 설치하여 각 그룹의 연부에 화염을 안정적으로 보염시키는 구조를 만든다. 이로써 화염의 공진주파수를 분산하여 진동 연소를 효과적으로 방지한다. 또한 박판에서 버너 부재를 구성하기 때문에 예혼합가스를 흘려 보내 냉각시켜 역화를 방지한다.

지금까지 소형 관류 보일러의 규제 동향과 이에 대응하는 연소 기술에 대해 알아보았다. 산업분야에서 에너지를 크게 소비하고 연소 배기가스를 발생시키는 관류 보일러에 대해 에너지 절감, 환경 부하 저감이 강하게 요구되고 있다. 에너지 절감에 대해서는 보일러 자체의 효율은 100%에 가까워지고 있다.

이 이상의 성능 향상을 기대할 수는 없지만 증기시스템 전체에서 보면 에너지 절감, 비용 절감을 도모할 여지는 충분히 있다. 증기 시스템만이 아니라 공장 전체의 미 이용 에너지를 유효하게 활용하기 위한 새로운 기술, 시스템 구축도 기대되는 분야 중하나다. 환경 부하 저감 측면에서 경제성을 고려한 저 에미션 연소기술 또한 관류 보일러 시장의 성장에 큰 역할을 하게 될 것으로 기대된다.

한국에너지정보센터  kecenter@hanmail.net

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