보일러 공기비 조정을 통한 연료절감

o 연료를 연소하여 연소열을 발생하기 위해서는 산소를 필요하게 되며 공기 중의 21%의 산소를 이용하게 됩니다. 공기비란 연료를 완전 연소하는데 필요로 하는 이론연소공기량에 대한 실제 투입공기량의 투입 비율을 말합니다.

o 적정공기비 조정상태라도 계절별 외기온도에 따라 공기의 체적변화로 인해 공기량의 변동이 발생하여 공기비가 변화되므로 계절별로 주기적인 공기비 조정이 요구되며, 따라서 주기별로 점검 계획을 세워 배기가스를 분석한다면 더욱 효과가 클 것으로 보입니다.

o 이 적정공기비를 다른 측면에서 보면 불완전연소가 되지 않는 범위 내에서, 연소용공기량이 최소가 되는 공기비를 말하며, 연료의 종류, 버너의 형식, 연소실의 구조 등에 따라 다르기 때문에 각각의 보일러에 대해 최적 공기비를 찾아 관리를 해야 합니다.

o 공기비란 연료를 연소하는데 필요로 하는 이론연소공기량에 대한 실제 투입공기량의 비율을 말하며 다음식으로 구합니다.

  - 공기비(m) = A(실제투입공기량) / A0(이론연소공기량) = 21 / {21 - O2(%)}

o 기체연료인 LNG 1(Nm³)을 연소하기 위하여 필요한 이론공기량은 10.550 Nm³이나 실제 연소에서는 연료의 특성, 연소기기의 성능 등 조건을 감안하여 불완전연소가 발생하지 않은 범위 내에서 최소의 공기비로 연소하는 것이 연료절약을 위한 연소기법입니다. LNG 와 같은 기체연료를 연소하는 경우에는 이론공기량보다 약 10(%) 정도의 과잉공기량으로 최적연소가 가능하며, 이때의 공기비 1.1을 목표공기비 또는 적정공기비라 합니다.

o 적정공기비로 연소하지 않을 경우 발생할 수 있는 요인은 아래와 같으며 공기비가 높으면 배기가스량이 증가하여 배기가스손실이 커지고, 공기비가 낮으면 불완전연소가 발생 하여 미연소가스에 의한 열손실이 커져 열효율을 감소시키는 요인으로 작용합니다.

 

 

 

[그림 1]을 보면 공기비를 1.0에서 증가시킴에 따라 손실은 공기비와 함께 감소하지만, 어떤 특정 공기비에서 손실 합계는 최소가 되며, 그 후 증가하는 것을 알 수 있습니다. 가장 효율 좋은 연소 상태는 이들 손실의 합계가 최저일 때이므로 이 공기비에서 운전하면 최고의 효율로 운전할 수 있게 됩니다.

 

가. 공기비가 높을 때 ­

연소에 불필요한 여분의 공기로 인하여 배기가스의 양이 증가하므로 배기가스에 의한 열손실이 증가하여 전체적인 열효율이 저하됩니다. 배기가스의 양이 증가함에 따라서 배기가스에 의한 열손실이 증가하므로 연소실 내의 온도가 저하된다. 배기가스 중 산소 함유량이 증가하므로 질소산화물(NOx)의 발생량이 증가하여 대기환경을 오염시키며, 아황산가스(SO3)가 무수황산(H2SO4)으로 되어 부식을 유발합니다. 

 

나. 공기비가 낮을 때 ­

불완전연소로 미연소가스와 그을음이 발생하며, 발생한 미연소가스가 연도로 배출되고, 그을음은 전열 면에 부착하여 전열을 방해하는 요소로 작용함으로써 열손실이 증대하 여 효율을 저하시킵니다. 미연소 성분인 일산화탄소(CO), 탄화수소(CH) 등의 배출로 대기환경을 오염시키고, 미연소 가연성 가스가 연도에 정체되어 폭발우려가 있습니다.

 

다. 산소제어(O₂ Trimming)시스템

적정 연소공기량(공연비)을 노내에 공급하기 위해서는 연소배가스의 성분을 분석하고 산 소의 함량을 계산하여 과잉공기비를 알아내며 그 결과에 따라 연소공기량을 조절합니다. 이러한 방법에는 수동과 자동으로 할 수 있으며 수동식은 우리가 흔히 알고 있는 배가스 분석기를 이용하여 공기비를 계산하여 수동으로 조절하는 방식이며 자동식은 산소 트리밍 장치 등으로 배가스가 배출되는 연도에 산소의 농도를 측정 센서를 부착하여 그 분석 결과 값에 따라 자동적으로 연소용 공기량을 조절하는 방식이 있습니다.­ 공기비란 이론공기량에 대한 실제공기량의 비를 의미하며, 공기비 조정은 배기가스 중 에 포함된 산소농도나 이산화탄소의 농도를 분석하고 공기비를 측정하여 적정공기비에서 운전되도록 조정하는 것입니다.

 

 

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개선 전

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o 진단 시 연소가스 측정결과는 아래와 같습니다.

 

 

o 가스 분석치에서 공기비(m)를 계산할 때는 다음 식을 적용 합니다.

 

 

o 측정한 7t/h 보일러는 적정공기비를 유지하고 있으나 10t/h 보일러와 열매체 보일러는 배가스 중 O₂성분이 적정공기비 1.2보다 높아 과잉공기로 인하여 열손실이 발생하고 있습니다.

o 현재 열매체보일러의 건타입 버너는 3단 연소방식이나 주로 3단과 2단에서 가동되고 있 으나 측정치는 3단 연소일 경우이며 2단 연소시는 더욱 높아져 댐퍼의 개도 조정이 잘 못되어 있는 상태입니다.

o 10t/h 보일러는 로터리 버너로 노후 되어 있으며 현재의 시스템으로는 부하별로 완벽한 공기비 조정이 어려우며 열매체 보일러는 건타입 버너이고 고온의 공기를 공급할 수 있 는 타입이 아니어서 공기예열기와 같은 폐열회수 시설을 설치할 수 없습니다.

 

 

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개선 후

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o O₂ 측정에 의한 공기비가 1.2맞추어 댐퍼조정이 되도록 모트롤 모타와 댐퍼개도를 재설 정하여야 하나 O₂ 변동 시 수시로 댐퍼를 교정하는 것이 번거로우므로 보일러와 열매체 보일러는 현재 연료사용비용으로 볼 때 고효율버너로 교체하고 O₂ trimming 시스템을 설치하여 자동으로 공기비를 조정할 수 있도록 하는 것이 바람직합니다.

 

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