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관류 증기 보일러의 역사관류증기보일러의 발달 변천사
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2019.07.05 13:43
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높은 효율성, 에너지 절감 효과, 용이한 작업성 등의 장점으로 여러 분야에 적용되어 온 관류보일러. 아무리 좋은 성능과 장점을 지녔더라도 시대의 흐름에 부응하지 못하면 도태되는법. 하지만 관류보일러는 효율성 향상은 물론 에너지 절감과 환경 보호라는 세계적, 시대적 요구를 받아들이면서 발전을 거듭하게 된다. 그렇다면 관류증기보일러는 어떤 방향으로 발전해 왔을까?

1950년대 일본에서 독자적으로 개발된 다관식 관류 증기 보일러는 2012년 발전사업용, 가정용을 제외하고 업무용, 산업용의 일본 증기 보일러의 동적 대수 점유율이 95% 이상을 차지하게 되었다. 이렇게 관류 증기 보일러의 시장 점유율이 증가한것은 높은 운전 효율, 에너지 절감 효과, 작은 보유 수량, 높은 안정성, 빠른 증기 발생, 용이한 작업성 등의 장점 때문이었다.

다가 최근 관류 증기 보일러는 50년 전 제품과 비교했을때 증기 능력은 약 8배, 열 효율은 30% 정도 향상됐다. 관류 보일러의 과제였던 물 관리나 부하추종성 문제도 해결되어 유지보수 기술도 개선되었다. 환경 보호 측면에서도 탄소 가스의 저감, NOx의 저감 등의 문제 등을 해결하면서 에너지 절감 기술도 함께 발전하고 있다. 이에 그 변천사를 테마별로 소개한다.

 

왜 관류증기보일러인가?

증기보일러의 종류는 구조에 따라 크게 세 가지로 나눌 수있다. 관류보일러, 수관보일러, 노통연관보일러가 그것이다. [그림 1]과 [그림 2]는 관류보일러와 노통연관보일러의 모식도를 나타낸다. 관류보일러는 보유 수량이 약 200L로 적고 최신 제품의 경우 증기량이 약 3,000kg/h 정도다. 같은 증기량의 노통연관보일러는 보유 수량이 약 6,000L이다. 그만큼 크기가 작아가동 중이나 정지 시 방열이 작아 에너지 절감에 기여한다.

이처럼 보유 수량이 적다는 것은 가동 중 보일러가 필요로 하는 열 에너지도 적다는 뜻이다. 그만큼 안정성이 높고, 연소량이 같은 경우 물 온도의 상승속도가 15배 빠르기 때문에 효율이 높다. 실제로 노통연관보일러는 연소 개시 후 증기가 나올 때까지 1시간 가까이 걸리지만 관류증기보일러는 약 3분만에 증기가 나온다. 또한 저 부하에서 저 효율인 노통연관보일러에 비해 필요한 만큼 가동시켜 에너지 절감에 효과적이다.

관류보일러의 경우 관련 요건만 만족하면 소형보일러로 취급될 수도 있다. 이 경우 보일러 기술사 면허가 없어도 특별 교육 수강자라면 운전이 가능하다. 또한 검사도 불필요(연차의 법정 성능 검사가 불필요해 자주 점검만 하면 됨)하다. 이러한 규정은 1959년 일본에서 제정되어 산업용 분야에서 관류보일러의 도입이 크게 진전된 주 요인으로 작용했다. 이에 에너지 절감성, 안전성, 쉬운 조작성을 갖춘 관류증기보일러의 보급과 발전이 촉진되었다. 특히 제한된 전열 면적 조건에서 효율 향상과 증발 능력의 향상이 이루어진 것은 연소 공간의 새로운 형상이나 고성능의 이코노마이저(절탄기) 등의 개발이 진행되었기 때문이다. 즉 가혹한 가동조건에서 열
응력이나 부식에 대한 내구성을 가지기 위해 기술진보가 진행되었다.

 

대수제어시스템의 발달

관류보일러는 소형관류보일러의 우위성을 높이는 형태로 발달해 왔다. 1970년대에는 산업 분야에서 증기 용량이 큰 설비를 복수의 소형관류보일러로 운영하는 ‘대수 설치 시스템’이 등장했다. 그 후 관류보일러의 과제 중 하나였던 부하추종성 문제를 해결할수 있었다. 게다가 복수의 보일러를 일괄 제어하는 대수 제어 시스템으로 종합 운전의 효율을 높였다.

부하추종성을 개선하는 기술은 가정용 급탕기의 종화에 해당하는 기능(연속 파일럿 기능)을 추가하여 연소 재개까지 시간을 단축하거나 송풍기, 모터를 개량하는 것이다. 이로써 연소 전환 속도나 수위 제어 개량을 포함한 대수 제어 기술을 향상시키는 등 대부분의 증가 부하 패턴에서 이상 압력변동 없이 대응할 수 있게 되었다. 또한 관류보일러 자체의 에너지 절감 성능을 높여 열 효율 향상을 실현했다([그림 3] 참고). 또한 소형관류보일러의 복수 대수 설치는 같은 증기량의 단일보일러의 설치 대비 설치공간을 절약한다.

 

환경 성능의 발달

증기보일러는 화석 연료를 태우기 때문에 열과 동시에 배기가스가 생성된다. 이에 일본의 경제 성장기에 광화학 스모그의 원인이 되는 질소산화물, 천식이나 산성비의 원인이 되는 유황산화물이나 지구온난화에 심각한 영향을 미치는 이산화질소 등의 배출이 심각한 문제가 되었다. 이에 관류보일러는 발전의 역사를 거듭하면서 기술의 진보와 함께 환경보호에 대한 요구를 받아들이며 진화해왔다.

배기가스 중 질소산화물의 경우 연료 중 질소의 저감이나 연소 온도 저하, 농담 연소 등의 저감 기술의 진보가 이루어졌다. 서멀 녹스 저감(고온에 의해 공기 중의 질소가 산화된 질소산화물)에 의해 공해의 요인이 문제가 된 시대에는 배기가스 중 질소산화물의 농도가 100ppm를 넘는 수준에서 현재에는 기름 연소 보일러에서 65ppm(O2=0%환산) 25ppm(O2=0% 환산)까지 성능이 향상됐다.

유황산화물은 기름보일러에서 기름 중 유황분을 저감시키고 또한 가스에서도 유황성분이 거의 없도록 대폭 절감했다. 이산화탄소는 보일러 효율을 상승시킴으로써 연료 소비량 자체가 감소하여 앞서 언급한 열 효율의 향상과 함께 10~30% 가까운 삭감을 실현했다. 게다가 최근 점유율이 증가하고 있는 가스보일러에서는 연료의 가스 성분인 메탄 등의 조성은 수소 비율이 높으면서 같은 열량을 얻을 수 있기 때문에 발생하는 이산화탄소의 양이 20% 가까이 적어진다.

 

수처리 기술의 발달

관류보일러의 부식 방지나 제한된 전열면적에서 효율 향상, 증발 능력의 향상 등의 과제는 고도의 수처리기술로 극복하게 되었다. 연수 처리에 대해서는 연수를 안정적으로 공급하여 더욱 높은 순도에서 재생염이 적은 자동 연수 시스템이 보급되어 사람이 경도지시약을 사용해 작업했던 연수 확인을 자동으로 정확히 측정 가능한 경도모니터의 개발로 대체되었다. 이에 관류보일러 보급 초기에는 10% 정도였던 경도누수율(점검 채수에서 경도 성분이 1mg-CaCO3/L 이상 검출되는 비율)이 현재는 1% 미만, 거의 제로에 가까운 안정된 관리가 가능하게 되었다.

부식 방지 문제에서는 보일러 급수에 약품처리 하는 것이 기존의 주된 처리 방법이었다. 그러나 2000년 이후에는 대표적인 탈산소제인 공업용 하이드라진은 가스 발생이 의심되어 사용이 감소했다. 이에 COD·BOD(화학적 산화요구량, 생물화학적 산소요구량)이 높은 유기물이나 환경오염의 위험성이 있는 린 등을 사용하지 않고 안전성이 높은 식품첨가물 배합약품의 발전이 진행되었다. 게다가 최대한 약품을 사용하지 않는 수처리 작업을 실현시키기 위해 탈산소장치가 개발, 보급되기 시작했다.

 

유지보수 기술의 발달

기존의 유지보수 방법은 가동 중 파손된 요체나 부품을 복구하는 보상 서비스나 일정 보증 요금을 지불하는 서비스 제공으로 진행되었다. 즉 사용자 입장에서는 안전하게 장비를 사용하고 제조사 입장에서는 부품 교환이나 복구 서비스를 제공한다는 기본적인 유지보수 방법이 적용되었다. 이러한 기존 유지보수 방법과는 다른 새로운 유지보수 서비스가 일본 전역에 확산되었다. 1989년부터 통신기술 기반의 유지보수 서비스가 진행된 것이다.

이는 보일러에서 발생하는 고장 알람 외에 마이콘 제어, 스케일 검지, 예치 기능 등 관리를 위한 정보를 제조사 통신센터에 실시간으로 전달하는 방식이다. 이로써 문제에 신속히 대응할 수 있게 되었다. 즉 부서진 부품을 미리 교환하거나 특히 고장 초기단계에 결함을 발견하여 문제를 예방하게 된 것이다.

이로써 보일러 효율의 저하를 방지하고, 장비 운영 측면에서도 유지보수 작업을 줄여 전체적인 장비 관리의 합리성을 실현하게 되었다. 또한 보일러의 상태를 실시간으로 모니터링하기
때문에 근소하게 착화가 늦어지는 것까지 감지하여 작업 시간 증가에 따른 예방 대책을 진행할 수 있다. 고장이 아닌 사용자의 조작상 문제로 인한 불필요한 작업을 줄이는 등 작업의 합리화와 품질 개선을 실현할 수 있었다. 이처럼 유지보수 기술의 향상은 보일러 설비의 안전과 합리성, 에너지 절감에 기여하게 되었다.

이 외에도 관류보일러는 다양한 형태로 진화하고 있다. 보일러 시스템에서 에너지 절감을 실현하는 기술로 증기의 팽창에너지를 이용해 스팀모터로 구동하는 증기 구동 공기압축기가 개발되기도 했다. 이로써 연비와 탄소가스 발생을 줄여 에너지 절감과 환경 보호를 실현하는 방향으로 도입이 진전되고 있다.

또한 지금까지 콤프레셔 설비에서는 버려졌던 압축열을 급수 가온에 이용하여 보일러의 에너지 절감에 기여하는 기술도 등장했다. 보일러에서 증기의 열을 전달하는 온수, 특히 저온 온수의 열도 대부분 배수되었으나 최근에는 히트펌프를 이용해 보일러 급수 가온에 유효한 온도까지 상승시켜 재 이용하는 급수가온 유닛도 개발되었다. 이처럼 미 이용 열에너지를 활용하는 등 앞으로도 효율과 환경을 모두 만족하는 보일러 시스템의 진화가 기대된다.

한국에너지정보센터  kecenter@hanmail.net

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