[논문]기존 가정용 보일러 및 신형 물분사 폐열회수 보일러에 대한 수소 연료의 평가

이창언; 김대훈; 박태준; 문석수

doi:10.7316/khnes.2020.31.2.210

[국내논문] 기존 가정용 보일러 및 신형 물분사 폐열회수 보일러에 대한 수소 연료의 평가
Analysis of Hydrogen Fuel for Existing Domestic Boilers and New Heat Recovery Boilers with Water Spray 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.2, 2020년, pp.210 - 222

이창언 (인하대학교 기계공학부) , 김대훈 (인하대학교 대학원 기계공학부) , 박태준 (인하대학교 대학원 기계공학부) , 문석수 (인하대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Hydrogen is evaluated as one of new energy sources that can overcome the limitations and pollution problems of conventional fossil fuels. Although hydrogen is free from CO2, attention is required in NOx emission and flame stability in order to use hydrogen in existing gas fuel system. This study investigates the differences in operating characteristics and its problems to be modified when the hydrogen is used as fuel for existing domestic boilers and new heat recover boilers with water spray. When the hydrogen is used in domestic boilers, the efficiency is about 6-7% lower than methane due to higher partial vapor pressure in the exhaust gas at usual operating conditions above 60℃ in combustion chamber outlet temperature. On the other hand, the heat recovery boiler with water spray (HR-B/WS-X) is expected to achieve up to 95% efficiency, which is 12% more efficient than conventional boilers. It can also significantly reduce NOx emission by lowering the flame temperature.

Keyword

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Proposed HR-B/WS-X system and its chain block struc-ture for thermodynamic analysis
그림 Fig. 2. Flow chart of the chain block analysis method
표 Table 1. Stoichiometric coefficients for the global reaction Eqs. (1) (α=1.1, γ_AXi=50%)
표 Table 2. HR-B/WS-X Operating condition
그림 Fig. 3. Adidbatic flame temperature with respect to combustion chamber outlet temperature (T_Co)
그림 Fig. 4. Thermal efficiency with respect to T_Co
그림 Fig. 5. Mass and energy flow diagrams for heat recovery boiler (HR-B) at T_Co= 60℃ condition
그림 Fig. 6. Mass and energy flow diagrams for HR-B and HR-B/WS-X (methane fuel, T_Co=70℃)
그림 Fig. 7. Mass and energy diagrams for HR-B/WS-X at optimal conditions of CH₄ (T_Co= 60℃) and H₂ (T_Co= 70℃)
표 Table 3. Main HR-B/WS-X componet specifications at optimal conditions of CH₄ (T_Co= 60℃) and H₂ (T_Co= 70℃)

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 수소를 기존의 가정‧업무용 보일러에 사용한다는 가정 하에 도시가스(CH₄로 가정)를 수소로 대체한 경우의 작동 특성을 비교하여 수소 보일러의 장단점을 검토하고자 한다. 특히 본연구팀은 최근 폐열회수 과정에서 발생하는 고온 응축수를 유입 공기에 재분사하는 소위 “물분사 폐열 회수 보일러”를 제안하여 효율, NOx를 동시에 현저히 개선함을 제시한바 있다 ¹⁹⁾ .
특히 본연구팀은 최근 폐열회수 과정에서 발생하는 고온 응축수를 유입 공기에 재분사하는 소위 “물분사 폐열 회수 보일러”를 제안하여 효율, NOx를 동시에 현저히 개선함을 제시한바 있다 ¹⁹⁾ . 본 논문에서는 이 물분사 폐열회수 보일러가 수소의 경우에는 어떠한 효과를 갖는지에 대해 우선 열역학적으로 검토하고자 한다.

제안 방법

본 해석법에서는 앞에서 언급한 각각의 체인-블록에 해당하는 질량/에너지 보존식을 이용하여 부품들의 설계사양, 운전 상태 및 시스템 성능을 구한다. 단, 외부로의 열손실(1-2%), 작동 유체의 속도 및 위치 에너지는 무시하였다.
) 1 kmol/h을연소하는 시스템(표준 시스템)을 대상으로 작성되어 있다. 입열량(Q_in) 50,000 kcal/h인 가정‧업무용 보일 러를 상정하고, 도시가스(CH₄ 로 단순화)에서 H₂로교체한 경우를 비교하여 수소 보일러의 장단점을 검토한 것이다. 총괄 반응식을 Fig.
본 논문에서는 동일 용량의 기존 보일러(Ba-B) 및 물분사 폐열회수 보일러(HR-B/WS-X)를 대상으로 연료를 도시가스에서 H2로 변화시킨 경우의 장단점 및 개선점을 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 연구에서는 다음의 3종류 보일러를 대상으로 성능을 해석하였다. Ba-B는 Fig.
본 해석 프로그램은 임의 연료(C_xH_y) 1 kmol/h을연소하는 시스템(표준 시스템)을 대상으로 작성되어 있다. 입열량(Q_in) 50,000 kcal/h인 가정‧업무용 보일 러를 상정하고, 도시가스(CH₄ 로 단순화)에서 H₂로교체한 경우를 비교하여 수소 보일러의 장단점을 검토한 것이다.

성능/효과

위에 검토한 연구 결과들을 종합해 보면, 수소 연소는 근본적으로 CO₂를 생성하지 않으며, EGR 및물분사 등의 기술을 잘 조합하면 NOx 저감 효과까지 얻어낼 수 있음을 알 수 있다. 더불어, 최근 잉여 전력을 이용한 수소 생산 및 저장 기법 개발 등, 수소의 생산 증대 및 보급 확대를 위한 여러 기술적/정책적 노력들이 이루어지고 있다.
단, HR-B/WS-X의 경우에는 AX의 공기유로에 물을 분사하는 노즐이 설치되어 있다. AX 로 분사된 물은 증발하면서 폐열 회수량을 증가시키고, 또 화염온도를 저감하여 NO_X 발생을 억제하는 역할을 한다. 오른쪽 아래에는 응축수 저장조 (reservior, R)가 있으며, C, X에서 발생한 응축수를 저장하고 이를 AX로 재순환시킨다.
반면, HR-B/WS-X는 연 료 종류에 관계없이 T_Co를 적절히 제어하면 그 효율은 Ba-B, HR-B보다도 훨씬 높아짐을 알 수 있다. Ba-B에 비해, 메탄은 60°C 근방에서 8%, 수소는 70℃ 근방에서 12% 정도 효율이 상승한다. 이와 같은 HR-B/WS-X의 효율 개선 특성에 대해서는 기존 논 문20)에서 자세히 언급하였다.
Figs. 3, 4의 결과를 종합하면 기존 보일러(Ba-B) 에서는 메탄을 수소로 교체하면 통상 운전조건인 T_Co 70℃ 근방에서 효율은 7% 정도 낮아지기 때문에 막대한 손실이 발생함을 알 수 있다. 한편, 수소 HR-B/WS-X는 최적의 운전 조건에서 기존 보일러에 비해 효율은 약 12% 상승하여 95%가 되며, 화염 온도는 250 K 낮아진 2,100 K 정도가 된다.
5%만큼 증 가하나 X로 유입하는 Q_GXi에도 그만큼 증가하기 때 문에 물분사에 의한 효율 증가 효과가 없어진다. 이 결과를 종합하면, HR-B/WS-X에서는 T_Co가 해 당 보일러의 이슬점보다 높아지면 폐열 회수에 사용된 수증기는 전부 다시 X로 유입되기 때문에 물분사 효과가 없어진다. 즉, T_Co = T_dp인 조건은 HR-B/WS-X 의 임계 운전 조건임을 알 수 있다.
5[a])와 비교하면 다음을 알 수 있다. HR-B/WS-X에서는 물분사(n_SW-X = 0.38)를 통해 폐열 회수량이 급격히 증가하며(1.85→10.58%), X로 유입하는 폐열량도 다소 증가하지만(12.61→14.34%) 결과적으로 효율은 6% (89.2→95.5%) 증가한다. 또 단열 화염온도도 250 K (2,200→1,955 K) 정도 낮아 NOx 발생도 감소할 것으로 예상된다.
7)에 제한을 받아 동일하다. 따라서 효율은 거의 회수량 증가에 비례하여 약 10% (84→94%) 증가함을 알 수 있었다. 또 단열 화염온도도 약 400 K (2,409→2,017 K)정도 낮아져 NOx 발생을 현저히 저감할 것으로 예상된다.
또 단열 화염온도도 약 400 K (2,409→2,017 K)정도 낮아져 NOx 발생을 현저히 저감할 것으로 예상된다. 결과적으로, 수소 HR-B/WS-X를 채택하면 효율은 기존 보일러에 비해 약 10% 상승하며, 화염온도도 약 400 K까지도 저감할 수 있음을 알 수 있다.
1) 기존 보일러(Ba-B)에 수소를 사용하면 그 효율 은 연소실 출구온도(T_Co)가 낮은 경우(α=1.1에서 63°C 이하)에는 다소 좋아지나, 온도가 높아지면 나빠지며, T_Co 70℃ 이상에서는 메탄보다 7% 낮아진다.
2) HR-B/WS-X의 효율은 Ba-B보다 메탄 연료는 약 8% (T_Co = 60℃, Ba-B = 88%), 수소연료는 약 12% (T_Co = 70℃, Ba-B = 83%) 상승한다.
3) 위 조건에서 메탄, 수소의 화염온도는 각각 1,950 K, 2,050 K이며, Ba-B에 비해 각각 200 K, 300 K 정도 낮다.
4) HR-B/WS-X에서 T_Co가 이슬점보다 높아지면 폐열 회수에 사용된 수증기는 전부 다시 배출되어 효율 개선 효과는 없어진다. 즉, 이슬점 온도는 T_Co의 임계 운전 조건이다.

후속연구

한편, 수소 HR-B/WS-X는 최적의 운전 조건에서 기존 보일러에 비해 효율은 약 12% 상승하여 95%가 되며, 화염 온도는 250 K 낮아진 2,100 K 정도가 된다. 이 결과로 부터 수소를 보일러 연료로 사용한다면 HR-B/WS-X 의 도입을 적극적으로 검토해야 함을 알 수 있다.
5) 위 결과를 종합하면 수소를 연료로 사용하는 경우에는 효율 및 NOx 측면에서 HR-B/WS-X를 적극적으로 도입할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소의 장점은 무엇인가?	현재 인류가 당면하고 있는 가장 큰 문제 중 하나는 기존 화석 연료의 유한성과 환경오염 문제이며, 최근 이를 극복하기 위해 새로운 에너지원의 개발에 많은 노력이 집중되고 있다. 수소는 시스템의 큰 변경 없이 기존 화석 연료를 대체할 수 있으며, CO 2를생성하지 않는 장점을 가지고 있어 궁극적으로 기존 화석연료의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 에너지 원으로 평가받고 있다 1,2) . 그러나 수소는 화염(flame) 연소를 통해 에너지를 얻는 경우에는 기존 가스 연료에 비해 화염온도가 높아 thermal NOx 발생량이 많고, 또 연소 속도가 매우 빨라 화염 안정성 등의 문제점이 발생할 가능성이 있다 3) .
	물분사 폐열 회수 보일러의 특징은 무엇인가?	따라서 본 논문에서는 수소를 기존의 가정‧업무용 보일러에 사용한다는 가정 하에 도시가스(CH4로 가정)를 수소로 대체한 경우의 작동 특성을 비교하여 수소 보일러의 장단점을 검토하고자 한다. 특히 본연구팀은 최근 폐열회수 과정에서 발생하는 고온 응축수를 유입 공기에 재분사하는 소위 “물분사 폐열 회수 보일러”를 제안하여 효율, NOx를 동시에 현저히 개선함을 제시한바 있다 19) . 본 논문에서는 이 물분사 폐열회수 보일러가 수소의 경우에는 어떠한 효과를 갖는지에 대해 우선 열역학적으로 검토하고자 한다.
	EGR 공정을 추가한 발전 사이클의 성능은 어떠한가?	Ditaranto 등은 IGCC 혹은 예연소 CO 2 포집(pre-combustion CO 2 capture) 기술에서 얻어지는 수소 고농도(85%) 개질 가스를 대상으로 NOx 배출 문제를 해결하기 위해 EGR 공정을 추가한 새로운 발전 사이클을 대상으로 연소 및 공해 성능 13) , 시스템 성능 14) 에 대해 검토하였다. 이들 연구에서 수소는 통상의 천연가스보다 EGR율을 60% 정도로 높게 적용할 수 있으며, 이 경우 효율은 다소 감소하나 출력은 거의 동일하게 유지하면서 NOx는 현저히 감소시킬 수 있음을 제시하였다.

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