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문제 정의
- 이에, 본 연구에서는 고체연료인 목재펠릿의 연소 조건의 안정성 및 균일성을 도모하고자, 낙엽송(larch)으로 구성된 1등급 목재펠릿을 이용한 연료공급 장치 (fuel feeder)의 형상에 따른 버너의 온도 및 배기가스(O2, CO, CO2, NOX)의 농도(concentration) 변화 등을 비교·분석하고자 한다.
제안 방법
- 목재펠릿의 연소 시 발생되는 배기가스의 성분(O2, COx, NOx)을 측정·분석하기 위해 배기가스 분석기(350XL, TESTO, Germany)가 설치되었으며, 배풍되는 배기가스의 유속을 측정하기 위한 풍속계(06359540, TESTO, Germany), 산소 농도의 측정 및 연소의 자동 제어를 위한 람다센서(LSM11, BOSCH, Germany), 배기 폐쇄 시 보일러 정지를 위한 풍압스위치(SAPS70F8-3, SHINEUI ENTEC Co., LTD., South Korea), 투입되는 1차 및 2차 공기량의 제어를 위한 인버터(IE5, LS 산전, South Korea), 투입되는 목재펠릿의 양의 측정을 위한 로드 셀(BONGSHIN, OBBA-300, South Korea), 난방 부하의 설정을 위한 열교환기(100,000 kcal)를 포함하는 난방출력시험장치, 보일러의 초기점화·운전·소화의 제어를 위한 PLC (Programmable Logic Controller) (XGB XBC-DR64H, LS산전, South Korea) 기반 제어시스템, 그리고 출력되는 각각의 데이터를 수집·저장·모니터링 할 수 있는 데이터 수집 장치(data acquisition system) (DaqBook/2000, Measurement Computing (MC) Corp., USA) 등이 구성·설치되었다(Fig. 4).
- 본 연구에서는 가정용 목재펠릿보일러를 대상으로, 낙엽송으로 구성된 1급 목재펠릿을 이용하여, 연료공급 장치의 유형(spring and screw) 및 형태(pitch)에 따른 버너의 온도 및 배기가스(O2, CO, CO2, NOX)의 농도 등이 비교·분석되었다.
- 연료로 사용된 낙엽송으로 구성된 1급 목재펠릿은 시간당 약 5.2 ㎏이 공급, 발화 후 연소의 안정시점(O210% 미만, CO 300 ppm 미만, NOx 150 ppm 미만) 으로부터 각 데이터의 계측 및 측정이 수행되었다. 목재펠릿보일러의 난방부하에 의한 출수 및 환수의 온도차는 약 20℃(에너지관리공단, 2011)로 설정·유지되었고, 난방출력 시험은 대기개방식 난방성능 시험법(KS B 8101)에 의거하여 수행되었으며, 난방부하의 설정을 위한 120,000 kcal/h 급 판형 열교환기, 유량계, 열전대, 유량조절밸브를 포함하는 난방출력시험장치는 Fig.
대상 데이터
- 본 연구에 적용된 목재펠릿은 낙엽송의 목부 및 수피로 구성된 1급 목재펠릿으로, 발열량, 함수율, 겉보기밀도, 내구성, 원소조성을 포함하는 물리적 성질은 Table 1을 통해 나타내었다.
- 연소장치로 적용된 가정용 목재펠릿보일러는 약 20,000 kcal/h의 출력을 나타내는 3PASS 형식의 입형(立形) 연관 구조로, 연소실 내부에 설치된 버너에서 투입된 목재펠릿 및 산화제(공기)의 연소가 이루어진 후 생성된 연소가스(combustion gas)는 baffle이 설치된 2nd PASS 및 3rd PASS를 통과하면서, 전열면 외부의 열매체에 의해 열손실이 발생된 후, 3rd PASS 상단 후면에 설치된 배풍기(veltilator)에 의해 배출되는 구조를 가지고 있으며, 시스템의 개략도는 Fig. 1을 통해 나타내었다.
데이터처리
- 각 조건별 편차가 상이한 각각의 결과에 대한 정확한 비교를 위해 변동계수(coefficient of variation)를 이용하였으며, SPF의 경우, 버너의 온도, 배기가스 배출량에 대한 모든 변동계수가 SCF에 비해 낮게 나타났으며, 이를 통해, 시간에 따라 변화하는 온도 및 농도의 편차가 작게 나타난 것을 알 수 있다(Table 2). 상기 기술된 연료공급 장치의 유형 및 형태에 따른 버너의 온도 및 배기가스(O2, CO, CO2, NOX) 배출 농도 등이 실험 기간 내의 평균·최소·최대·표준편차·변동계수의 값으로 산출, 분석되었으며, 각 조건에 해당되는 결과는 Table 2를 통해 나타내었다.
- 연료공급 장치의 종류에 따라 변화하는 목재펠릿의 평균 공급량 대비 표준편차의 비율에 관한 변동계수(coefficient of variation)는 35 ㎜-pitch의 screw feeder (small pitch screw feeder, SP-SCF), 55 ㎜-pitch의 screw feeder (large pitch screw feeder, LP-SCF), 40㎜-pitch의 spring feeder (spring feeder, SPF)를 포함 하는 3종의 연료공급 장치에 대해 산출, 비교, 분석되었다.
이론/모형
- 목재펠릿보일러의 난방부하에 의한 출수 및 환수의 온도차는 약 20℃(에너지관리공단, 2011)로 설정·유지되었고, 난방출력 시험은 대기개방식 난방성능 시험법(KS B 8101)에 의거하여 수행되었으며, 난방부하의 설정을 위한 120,000 kcal/h 급 판형 열교환기, 유량계, 열전대, 유량조절밸브를 포함하는 난방출력시험장치는 Fig. 5를 통해 나타내었다.
성능/효과
- 40%로 가장 안정적 배출 양상을 나타내었다. SCF의 크기가 small에서 large로 증가 시 산소 배출량이 약 1.09%p 감소되는 것으로 나타났으며, 이는 screw 깃의 표면적 증가에 따른 연료의 이송 시 깃의 최외각으로 소실되는 양의 감소 등에 따른 안정적 연료공급에 기인하는 것으로 판단된다.
- 현재, CO의 배기가스 허용기준치는 앞서 언급한 바와 같이, 300 ppm 이하로, 각 형태의 feeder를 변수로 하는 CO 배출 평균값은 허용기준을 만족하는 것으로 나타났다. SPF의 peak는 약 158.15 ppm으로 나타난 반면, SP-SCF 및 LP-SCF에 대한 peak는 각각 1871.99 ppm 및 1890.59 ppm으로, 허용기준치를 최대 1590.59 ppm을 초과하는 것으로 나타났다(Fig. 9).
- 67℃로 가장 높게 나타났다. 각 데이터의 산포도(散布度)를 나타내는 표준편차(standard deviation)는 SPF의 경우, 약 8.06℃로 가장 낮게 나타나 변동(fluctuation) 폭이 가장 작은 것을 알 수 있으며, 반면, SP-SCF는 약 37.45℃으로 변동폭이 가장 크게 나타난 것을 알 수 있다(Fig. 7).
- 공급시간이 1초에서 6.9초까지 증가함에 따라 변동 계수는 감소하는 경향을 살펴보면, 6초까지는 SPF의 변동계수 값이 최소로 가장 안정된 값으로 나타났으나, 6.9초에서는 SP-SCF 및 LP-SCF의 변동계수 값이 SPF 대비 안정되는 것으로 나타났다. 즉, 분석범위 내에서 screw feeder의 경우는 6.
- 버너온도의 측정 및 분석에서는, spring feeder(SPF)가 screw feeder(SCF)에 비해 표준편차가 작게 산출되었으며, 이는 feeder에 의한 목재펠릿의 상부 이송 시 주변 간극으로의 연료 소실의 최소화 및 일정량 연료의 안정적 공급에 따른 연소조건이 안정화됨에 기인하는 것으로 판단된다. 더불어, 배기가스 내 질소산화물(NOX)의 농도는 버너온도의 변화에 상응하여, 생성, 배출되었으며, 모든 조건에서의 평균 배출량은 배기가스 허용기준치 이하의 값을 만족하는 것으로 나타났다.
- 목재펠릿보일러의 연료공급 장치의 형태에 따른 연소실험 기간 중 3600초간의 데이터가 인버터의 주파수 범위(54 Hz, 55 Hz, 56 Hz)에 대해 수집, 평균값으로 적용되었으며, 연료공급 장치의 형태(spring, screw) 및 피치(35 ㎜, 40 ㎜, 55 ㎜)의 변화에 따른 버너온도(℃) 및 배기가스(O2, COx, NOx)의 농도(%)가 측정·비교·분석되었다.
- 배기가스 내 산소(O2) 농도의 측정 및 분석에서는, SPF 조건인 경우, 일정한 양의 연료가 안정적으로 공급, 완전연소에 적합한 공기비가 조성되어 산소배출농도는 평균 8.88%, 표준편차는 약 0.40%로 가장 안정적 배출 양상을 나타내었다. SCF의 크기가 small에서 large로 증가 시 산소 배출량이 약 1.
- 배기가스 내 산소(O2)의 농도를 살펴보면, Fig. 8에 나타난 바와 같이, 평균 산소 배출 농도는 SPF는 약 8.88%, SP-SCF는 약 9.92%로 가장 높게, LP-SCF는 약 8.83%로 가장 낮게 나타났으며, 모든 조건에서, 배기가스 허용기준치인 ‘10% 이하’를 만족하는 것을 확인할 수 있다.
- 배기가스 내 이산화탄소(CO2)의 농도를 살펴보면, SPF는 평균 12.15%, SP-SCF는 평균 11.16%로 가장 낮게, LP-SCF는 평균 13.00%로 가장 높게 나타났으며(Fig. 10), 이러한 CO2 농도의 증가는 완전연소 비율의 상승을 의미하며, 앞선 Fig. 8의 O2 농도와는 반비례함을 알 수 있다.
- 배기가스 내 일산화탄소(CO)의 농도를 살펴보면, SPF는 평균 93.35ppm으로 가장 낮게, SP-SCF는 평균 200.79ppm으로 가장 높게, LP-SCF는 평균 175.27ppm 으로 나타났다. 현재, CO의 배기가스 허용기준치는 앞서 언급한 바와 같이, 300 ppm 이하로, 각 형태의 feeder를 변수로 하는 CO 배출 평균값은 허용기준을 만족하는 것으로 나타났다.
- 배기가스 내 질소산화물(NOX)의 농도를 살펴보면, SPF는 139.83ppm으로 가장 높게, SP-SCF는 126.69ppm, LP-SCF는 122.44ppm으로 가장 낮게 나타났으며, 세가지 조건에 대해 배출되는 질소산화물의 평균 농도는 허용기준치인 150 ppm 이하를 모두 만족하는 것으로 나타났다(Fig. 11).
- 버너온도의 측정 및 분석에서는, spring feeder(SPF)가 screw feeder(SCF)에 비해 표준편차가 작게 산출되었으며, 이는 feeder에 의한 목재펠릿의 상부 이송 시 주변 간극으로의 연료 소실의 최소화 및 일정량 연료의 안정적 공급에 따른 연소조건이 안정화됨에 기인하는 것으로 판단된다. 더불어, 배기가스 내 질소산화물(NOX)의 농도는 버너온도의 변화에 상응하여, 생성, 배출되었으며, 모든 조건에서의 평균 배출량은 배기가스 허용기준치 이하의 값을 만족하는 것으로 나타났다.
- 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)의 배출농도는 상호 반비례 관계로, 완전연소가 활발한 경우에는 이산화탄소의 발생량이 증가되는 반면, 불완전연소가 활발히 이루어지는 경우에는 일산화탄소의 발생량이 증가하게 되며, 산소(O2)의 배출 농도가 가장 안정적으로 나타난 SPF 조건에서의 일산화탄소 발생량은 가장 낮게 측정되었으며, 또한, SCF 조건 모두에서, 일산화탄소 배출량에 대한 변동(fluctuation) 구간이 크게 발생되는 것은 연료의 간헐적 공급에 따른 공급중단시간 내에 상대적으로 목재펠릿 대비 공기의 양(과잉공기비)이 비대칭 공급에 의해 1800ppm 이상의 과도 peak 구간이 발생되는 것으로 판단된다.
- 9초에서는 SP-SCF 및 LP-SCF의 변동계수 값이 SPF 대비 안정되는 것으로 나타났다. 즉, 분석범위 내에서 screw feeder의 경우는 6.9초로 설정, spring feeder의 경우는 6초로 설정하는 것이 간헐적 연료공급에서의 공급안정성을 도모할 수 있는 연료공급시간임이 입증되었으며, 결과는 Fig. 6을 통해 나타내었다.
- 83%로 가장 낮게 나타났으며, 모든 조건에서, 배기가스 허용기준치인 ‘10% 이하’를 만족하는 것을 확인할 수 있다. 표준편차는 SPF의 경우, 약 0.40%로 가장 낮게, SP-SCF는 약 1.02%로, 변동 폭이 가장 크게 발생하는 것으로 나타났으며, peak 영역에서는 허용기준을 초과하는 것을 확인할 수 있다.
- 27ppm 으로 나타났다. 현재, CO의 배기가스 허용기준치는 앞서 언급한 바와 같이, 300 ppm 이하로, 각 형태의 feeder를 변수로 하는 CO 배출 평균값은 허용기준을 만족하는 것으로 나타났다. SPF의 peak는 약 158.
후속연구
- 향후, 목재펠릿의 완전연소를 위한 조건에 근접, 조성을 위해서는 연료의 투입량 조절과 더불어 투입되는 공기의 양을 제어하는 연구가 요구된다.
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