보일러와 에너지 절약

에너지 절약과 보일러 운전

연소개선에 의한 에너지 절약으로 대표적인 것은 적은 과잉공기로 연료를 완전히 연소시키는 것이다. 이것을 위해서 보조장치로서 O2-trimming장치가 이용되고 있다. 또 연소상태를 양호하게 유지하기 위하여 연소관련장치의 손상이나 이상을 방지하기 위한 유지 관리가 필요하다.
열설비에서 에너지절약을 위한 전열문제는 2가지가 있다. 한가지는 단열이나 보온을 통하여 열의 전달을 억제하는 것이고, 또 하나는 보일러 전열관의 전열을 높이는 것이다. 전자의 문제는 적정한 보온재의 선정과 적정한 보온두께를 선택하는 것이 중요하다. 후자의 문제는 전열관의 가스측에는 soot나 연료중의 회분이 부착하면 전열관에서의 전열저항이 증대되어 배기가스온도가 높아지게 되고, 전열관의 물 또는 증기측에도 scale이 부착되면 역시 전열저항이 증대되어 배기가스온도가 높아지게 된다. 따라서 전열면이 오염되면 보일러의 효율이 저하되기 때문에 전열면에 부착하는 soot나 회분의 적절한 제거가 필요하며, scale 발생의 억제를 위하여 적절한 수처리가 필요하다.
보일러 시스템에서 폐열회수는 배기가스의 열을 회수하는 시스템과 브로우다운 수에서 열을 회수하는 방법이 있다. 또 가열을 위한 매체로 증기를 사용하는 경우 일반적으로 응축잠열을 주로 이용되기 때문에 고온의 응축수가 가열장치에서 배출된다. 이 응축수를 회수하여 급수의 예열 등에 이용된다면 에너지절약을 할 수 있을 뿐만 아니라 급수로 재활용할 수 있는 경우에는 보급수가 절약된다.
산업자원부고시 제2000-103호 "고효율 에너지기자재 보급촉진에 관한 규정"(제1999-84호를 개정한 것 임)에는 '건물용 고효율 가스보일러'을 명시하고 있며, 이것은 보일러 효율이 총발열량 기준 83% 이상인 보일러(온수가열 구조가 아닌 것은 87% 이상)를 고효율 에너지기자재로 인증하도록 명시되어 있다. 보일러효율 83%이상을 달성하기 위해서는 배기가스가 가지고 있는 폐열을 회수하여 배기가스온도가 100℃ 이하로 되어야만 하기 때문에 배기가스에 포함된 수분의 일부가 응축되는 응축형 보일러(또는 콘덴싱 보일러)로 개발되고 있다. 이 응축형 보일러는 폐열회수를 위하여 공기예열기와 에코노마이져를 장착하고 있으며, 고효율 에너지기자재로 인증된 대부분의 응축형 가스보일러는 진발열량 기준 효율이 100% 이상인 경우도 많이 있다.
전력소모를 줄이는 방법은 송풍기나 펌프류를 적정용량을 선택하거나 고효율 기기를 선택하는 방법이 있고 이러한 기기들의 적정한 운전법을 통해서도 전력을 절약할 수 있다. 정부에서는 산업자원부고시 제1999-84호 "고효율 에너지기자재 보급촉진에 관한 규정"을 통하여 '보일러용 고효율 펌프'를 지정하였다. 또 송풍기의 전력을 줄이는 방법으로 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)를 채용하는 경우도 종종 있다.


2-1. 보일러의 중점 관리사항

① 공기비관리 : 보일러 성능관리 중 가장 1차적인 관리대상으로서 부하 변동이 심한 경우에도 항상 적정공기비 유지가 가능하도록 관리되어야 한다. 일반적으로 액체연료의 공기비는 1.1∼1.2 정도, 기체연료의 경우 1.05∼1.15수준으로 관리하면 적정한 것으로 볼 수 있다.
② 배가스온도 : 보일러 및 공기예열기의 전열면 오염을 방지하여 외부로 배출되는 최종 배가스 온도를 최대한 낮게 유지하도록 한다. 보일러의 배가스 온도의 변화추이를 주기적으로 체크하면 보일러의 성능저하여부를 용이하게 판단할 수 있으며 배가스온도 상승시에는 연소실에 그을음이 부착하거나 관내에 스케일이 형성된 것으로 볼 수 있다. 일반적으로 배가스온도를 20∼25℃ 낮추면 연료가 1%절감되는 것으로 판단해도 큰 무리가 없다.

<표 4> 국내산업체 보일러 용량-형식법 공기비 현황


③ 급수온도 : 보일러 급수온도를 7∼8℃ 높이면 연료 1%절감이 가능하다. 따라서 증기응축수, 보일러배가스열, 공정폐열 등을 최대한 회수하여 급수를 가열한다면 에너지를 절약할 수 있다.
<표 5> 국내 산업체 업종 용량별 평균 급수 온도



2-2. 저공기비 운전

연소장치에서 가능한한 적은 과잉공기로 연소시키는 방법을, 일반적으로 저공기비 연소(또는 저과잉공기 연소, 저산소연소, 저O2연소)라 한다. 저공기비 연소를 행할 경우 에너지절약과 공해방지에 도움이 되기 때문에 연소설비에서는 가능한한 저공기비 연소를 행하고 있다. 여기에서는 저공기비의 여러 가지 효과를 검토한다.

(1) 공기비의 정의
가스연료 1Nm3를(액체연료나 고체연료는 1kg을 기준함) 완전연소 시키기 위하여 필요한 최소한의 산소량을 이론산소량이라 하고, 이론산소량 만큼의 산소을 포함하는 공기의 량을 이론공기량이라고 한다. 이 이론산소량과 이론공기량은 연료의 성분분석치을 알고 있는 경우 연소계산에 의하여 쉽게 계산할 수 있다. 그러나 실제 연소장치에서는 이론공기량 만큼의 공기만을 공급해서는 완전연소를 시킬 수가 없기 때문에 이론공기량보다 많은 공기량을 공급하여야 한다. 따라서 실제 연소장치에서 연소실로 실제 공급되는 공기량을 실제공기량이라고 한다. 또한 이론공기량에 대한 실제공기량의 비를 공기비 또는 공기과잉율이라고 하며, 실제 연소기에서 이 공기비는 항상 1.0보다 커야한다.


여기서, : 이론공기량
A : 실제공기량

공기비 또는 공기과잉율은 이론공기량에 대한 실제공기량의 비를 의미하며, 실제 연소기에서 이 공기비는 항상 1.0보다 커야한다. 즉 공기비가 1.1 또는 1.2이라 하는 것은 과잉공기가 각각 10%, 20%이라는 것을 의미한다. 따라서 공기비가 지나치게 크게 되면 과잉공기가 굴뚝으로 가지고 나가는 열량이 많아져서 효율이 나빠진다는 것을 뜻한다.

(2) 공기비 측정
보일러나 공업로와 같은 열설비의 효율적인 열관리를 위하여 운전관리자가 할 수 있는 가장 손쉬운 방법은 적정공기비를 유지하는 것이다. 그러나 운전관리하고 있는 설비의 공기비를 알기 위해서는 배기가스를 분석하여야만 한다. 이 공기비를 측정하는 방법에는 배기가스 중의 산소농도(O2)를 측정하는 방법과 이산화탄소 농도(CO2)를 측정하는 방법이 있다. 동일한 운전조건에서 2가지 방법으로 공기비를 측정한다면, 당연히 2개의 값이 일치하여야 한다.
일반적으로 연소장치의 공기비를 너무 작게 하면 완전연소가 이루어지지 않아서 미연분이 많이 발생하게 된다. 유류연료의 경우에는 분진이 많이 발생하기 때문에 바카라치 스모크No.를 기준하여 공기비를 측정한다. 즉 중유를 사용하는 설비에서는 바카라카 스모크 No. 4번일 때의 배기가스중의 O2농도나 CO2농도로 공기비를 측정 하고, 경유의 경우에는 스모크 No. 3번을 기준으로 하고 있다. 그러나 가스연료를 사용하는 설비에서는 공기비가 적절하지 못 한 경우에 분진이 발생하기 전에 CO가 먼저 발생하기 때문에 CO의 농도를 기준으로 한다. 가스연료의 경우 공기비에 따른 배기가스 중의 CO농도를 [그림 15]에 도시한다. 배기가스 중의 CO농도는 100ppm부근에서부터 공기비의 감소에 따라 급격히 증가하기 때문에 100∼200ppm일 때의 배기가스중의 O2농도나 CO2농도를 기준으로 하여 공기비를 측정한다.

[그림 15] 공기비와 CO 발생량

1) 배기가스 중의 산소농도(O2)의 측정에 의한 공기비 계산
배기가스의 분석치를 이용하여, 공기비를 계산하는 경우에는 다음 근사식을 사용할 수 있다.

여기서, : 건배기 가스중의 산소(체적)농도 (vol%)

2) 이산화탄소 농도(CO2)의 측정에 의한 공기비 계산
배기가스중의 이산화탄소 농도를 계측하여 공기비를 계산하는 경우에는 다음 식을 사용한다.

m : 공기비
: 이론공기량으로 완전연소시키는 경우의 배기가스중의 농도 ( ％ )
: 건배기가스중의 농도 ( ％ )

이 경우에 max값은 유류연료의 경우에도 중유 (max = 15.7) 와 경유 (max = 15.0) 등 연료의 종류에 따라 값을 사용하였다. 가스연료의 경우에도 이 max 값은 사용연료에 다른 값을 적용하여야 한다. 국내에서 사용하는 천연가스의 경우에도 max = 12.0로 하여 공기비를 계산한다.

(3) 적정공기비
버너의 연소성능은 버너본체와 에어레지스터에 의해서 결정되지만, 이 성능을 유지하여 운전하기 위해서는 공연비 조절장치가 뒷받침되어야 한다. 공연비 조절장치가 적합치 못한 경우에는 연소기기의 운전성능이 저하되게 된다.
버너의 성능을 표시하는 한 방법으로 적정공기비를 사용한다. 이 적정공기비는 [그림 16]과 같이 과잉공기에 의한 배기손실과 불완전연소 손실의 합이 최소로 되는 공기비를 의미한다. 운전공기비가 적정공기비보다 작으면 불완전연소에 의한 미연손실이 급격히 증대하고, 적정공기비 보다 운전공기비가 크게 되면 과잉공기에 의한 배기손실이 증가하게 된다.
이 적정공기비는 화염안정, 공기혼합 및 연소실조건 등에 따라 각 버너마다 다른 값을 갖는다. 동일한 버너의 경우에도 연소량의 변화에 따라서도 적정공기비의 값이 [그림 17]과 같이 달라질 뿐 아니라 공기 온도 등의 운전조건에 따라서도 달라진다.
보일러의 부하에 따라 연소량이 변화하게 되면, [그림 17]의 적정공기비로 보일러가 운전될 수 있을 대 보일러의 운전효율이 증대될 수 있다. 그러나 가스유량 조절밸브와 공기조절댐퍼의 유량특성이 서로 다르기 때문에 부하의 변동에 따라 적정공기비가 되도록 공기와 연료를 조절하는 장치가 필요하게 된다.

[그림 16] 적정 공기비

[그림 17] 부하별 적정공기비의 예


(4) 에너지 절감효과
연소개선에 의해 공기비를 낯추게 되면, 일반적으로 [그림 18]과 같이 보일러의 효율이 증대되고, 보일러의 배기가스온도는 저하한다. 따라서 저공기비 연소에 의한 에너지절약 효과는, 과잉공기량의 변화에 따른 배기가스의 현열손실과 배기가스온도에 따른 현열손실의 변화 및 배기가스중의 CO와 Soot 등의 미연손실을 고려하여 계산될 수 있다.
[그림 19]는 CO와 Soot의 농도에 따른 연료 1㎏당 의 미연손실 열량을 나타낸다.
액체연료를 연소시키는 연소설비기구의 경우 환경법의 배출허용치는 CO 350 ppm/N㎥(4% O2)이고, 분진량은 100 mg/N㎥(배출가스량 6,000 N㎥/h∼30,000 N㎥/h ) 150 mg/N㎥ (배출가스량 6,000 N㎥/h 미만)이다. 배기가스중의 분진은 50∼60%정도 Soot를 포함하고 있다. 따라서 배출허용기준 이하로 운전되는 연소설비의 경우 미연손실은 연료 1㎏당 30 kcal (미연손실율은 약 0.3%)이하 임을 [그림 4]에서 알 수 있다. 이 미연손실은 작아서 무시할 수 있기 때문에 공기비 개선 전후의 과잉공기량 변화와 배기가스온도 변화에 따라 보일러의 배기가스 손실율을 쉽게 계산할 수 있다.


[그림 18] 공기비에 따른 보일러의 효율과 배기가스온도



[그림 19] 미연소 손실열량

LNG를 연료로 사용하고 있는 4t/h 용량의 증기보일러에서 연소량이 240 Nm3/h인 경우 공기비를 조절하며 실측한 배기가스의 측정결과를 <표 7>에 나타낸다. 즉, 이 결과는 배기가스 중의 산소농도가 5.0%로 운전되는 보일러의 공기비를 적정공기비로 조절한 경우에 배기가스 중의 산소농도가 1.0%로 되었다.
실측한 배기가스의 측정결과를 이용하여 배기가스 열손실율을 계산한 결과를 <표 7>에 나타낸다. 이 표에서 알 수 있듯이 배기가스 중의 산소농도 5%로 운전되던 이 보일러의 경우 적정공기비로 조절하면 약 2.2%의 에너지가 절약할 수 있다.

<표 6> 배기가스의 실측치



2-3. 대수제어 시스템

대수제어 시스템은 사업장에서 필요한 전체 열량을 얻기 위하여 여러 대의 소형 보일러를 병열로 설치하고 그것들을 부하에 따라서 적절히 운전하는 것을 대수제어라 한다. 예를 들면, [그림 20]과 같이 100% 부하를 각각 25% 부하에 해당하는 소형 보일러 4대를 설치하고, 사업장에서 필요한 열량이 50%부하일 경우에는 2대만을 운전하고, 75% 부하가 필요한 경우에는 3대를 운대하는 방식의 제어방식이다. 100% 부하로 운전할 수 있는 보일러를 1대만 설치하여 50%부하 또는 75% 부하로 운전하는 경우에는 부분부하 운전이 되기 때문에 운전효율이 저하한다. 그러나 대수제어를 하는 경우에는 각각의 보일러가 100% 부하에 근접한 운전을 할 수 있기 때문에 운전효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다. 특히 부하변동이 심한 경우에는 대수제어가 더욱 효과적이라고 할 수 있다. 실제 증기사용량이 1.5 ∼ 4.0t/h의 범위에서 변하는 공장에서 1.0t/h의 보일러를 4기 설치하여 대수제어 하는 경우의 부하배분 예를 [그림 21]에 나타낸다.
여러 대의 보일러를 분산설치하는 경우에는 중앙제어실에서 멀리 떨어져 설치되어 있는 모든 보일러의 기동을 제어하고 부하에 적합한 운전을 실시며 운전상태를 모니터링하는 원격제어장치 시스템이 도입되고 있다. 이 경우에 모든 보일러는 통신용케이블로 중앙제어실의 컴퓨터에 연결이 되고, 원격제어용 프로그램이 설치된 컴퓨터가 모든 운전을 제어하고 모니터링하는 기능을 담당한다. 이렇게 함으로서 보일러를 효율적으로 운전할 수 있으며, 무인 자동운전이 가능할 수도 있다.

[그림 20] 대수제어 시스템의 예

[그림 21] 대수제어 시스템의 부하배분


2-4. 연소효율과 열효율

열설비를 평가할 경우에 효율이라는 말을 많이 사용한다. 보일러의 경우에도 보일러효율과 연소효율이라는 말을 많이 사용한다. 연소효율이란 연료가 가지고 있는 화학에너지 즉 발열량을 연소과정에서 얼마만큼 열로 변환하였는가를 의미한다. 따라서 연소효율은 다음과 같이 표시할 수 있다.


가스연료를 사용하는 보일러에서 미연소 손실열량은 대부분 CO에 의한 손실이다. < 표 7 >에 배기가스 중의 CO농도에 따른 미연소 손실열량을 나타낸다. 이 표에서 알 수 있듯이 CO에 의한 손실열량은 고발열량의 0.1%이하이다. 따라서 환경기준치 이하의 CO농도로 운전되는 가스연소설비의 연소효율은 99.8%이상이 된다 (액체연료를 사용하는 연소설비의 연소효율도 99.5%이상임).

<표 7> 배기가스중의 CO농도에 따른 열손실 (kcal/Nm3-LNG)


보일러효율 산정방식은 보일러로 들어온 총입열량에 대한 유효출열의 비로써 다음 중 하나에 따른다.
a) 입출열법(직접법) :
b) 열손실법(간접법) :

일반적으로 가스보일러의 효율은 80% 이상이지만, 산자부 고시 99-84호에서 고효율기자재 가스보일러는 95% 이상이어야 한다(온수가열 구조가 없는 것은 91% 이상이어야 함)고 기술하고 있다. 이 고시와 같이 보일러 효율이 95% 이상인 보일러의 배기가스온도는 100℃ 전후이기 때문에 전열면에서 배기가스 중의 수증기가 응축된다. 이와 같이 배기가스중의 수증기가 물로 응축하는 보일러를 응축형보일러라고 한다.
보일러효율의 효율계산에 필요한 손실열 중의 하나가 미연소손실이다. 환경기준치에 적합하게 운전되고 있는 가스연소보일러의 미연소 손실율은 0.2% 이하라고 할 수 있기 때문에 비교적 작은 값이다. 특히 근래에 연료배관 중에 영구자석이나 전자석 또는 세라믹 등등을 설치하면 연소효율이 향상되어 보일러효율이 5∼20% 향상된다고 주장하는 것은 상당히 과장된 표현이라고 할 수 있다. 연소보조장치를 장착하여 가스버너의 연소효율을 향상시킬 수 있는 최대량은 0.2% 이하(유류버너의 경우는 0.5% 이하)라고 말 할 수 있다.