2.1 분석에 사용된 보일러

소형 가정용 목재펠릿 보일러(A 보일러), 목재펠릿 스토브(B, C, D 스토브) 및 산업용 목재 보일러(F, G 보일러)를 연구실에 설치하여 실제 보일러 운전조건(100% 보일러 부하 조건)에 대해 배출가스를 측정하였다. 또한 산업용 목재펠릿 보일러의 경우 산업 현장에 설치되어 운전 중인 보일러에 대해 배출가스 측정 전문기관에서 배출가스를 측정하였다. 분석에 사용된 목재펠릿 보일러에 대해 Table 1에 나타내었다. 가정용 목재펠릿 보일러는 용량이 23.6 kW이며, 가정용 목재펠릿 스토브 용량은 8~11 kW이다. 연구실에 설치된 산업용 보일러(F, G 보일러)는 모두 온수를 생산하는 보일러이며 용량은 각각 100, 200 kW이다. 실제 산업 현장에서 운전되고 있는 보일러의 경우 대부분 증기를 사용하며 보일러 용량을 각각 2,800, 3,500, 7,000 kW이다. 또한 산업현장에 설치된 보일러의 경우 배기규제 등으로 인해 사이클론 이외에 전기 집진기 등 추가 집질 설비를 구축하여 운영 중에 있다.

목재 펠릿 보일러의 경우 가정용은 약 15~30 kWth의 용량을 가지고 있고, 산업용의 경우 100 kWth~10 MWth의 용량을 가지고 있다. 가정용 목재펠릿 보일러의 경우 연소 안정성 등을 위해 연소공기를 다소 많이 공급하고 있으며(공기비 약 2.5 내외, 배기가스 산소농도 12 % 내외) 향후 연소공기를 최적화하여 보일러 효율 및 일산화탄소 농도를 줄일 수 있을 것이다. 산업용 목재 펠릿 보일러의 경우보다 높은 연소실 온도 조건을 유지할 수 있어 적절한 연소공기를 공급하고 있으며(공기비 약 1.4 내외, 배기가스 산소농도 6 % 내외) 가정용 목재 보일러에 비해 배기성능이 우수하다. 발전용 목재 펠릿 보일러는 20~200 MWe의 용량을 가지고 있으며 국내에서는 영동화력 2호기가 200 MWe 바이오매스 전소 발전소이다. 목재 연료의 연소 방식으로는 가정용 등 소형에서는 Fig. 4에서 보는 것과 같은 고정형 화격자 형태의 연소기를 또는 연소실에 쌓이는 재를 없애주기 위해 화격자를 연소 시작과 종료시점에 움직이는 방식의 이동형 화격자를 사용한다. 산업용 목재 보일러의 경우 가정용과 유사한 고정형 화격자 방식도 있지만 연소실 내부에 발생하는 재와 클링커 생성으로 인해 대부분 grate 방식(이동형 계단 형태, Fig. 7)의 화격자를 사용한다.

2.2 연소 조건 및 배출가스 측정 방법

목재펠릿 보일러 및 스토브에 대해 배출가스 측정은 2가지로 형태(연구실 및 산업현장)로 수행되었다. 연구실에 설치된 보일러와 산업현장에 설치된 보일러 모두에 대해 배출가스 측정 전문 시험기관의 측정을 통해 연소 시 발생하는 배출물질에 대한 배출특성을 확인하였다. 이러한 보일러는 최대 부하상태에서 안정화된 후 시험을 수행하였다. 또한, 논문에 사용된 모든 목재펠릿 보일러 및 스토브에 대해 배출가스 측정 전문 시험기관을 통해 배기가스를 측정하였다. 모든 시험에서 목재 연료를 사용하여 보일러를 운전하였을 때 배기가스 중 O₂, CO, NOx, Dust를 측정하고자 하였으며, 현장 여건상 일부 산업용 보일러에 대해서는 CO 측정을 하지 못하였다.

시험에 사용된 측정장비는 1) O₂, CO, NOx를 측정할 수 있는 배기가스 분석계(Testo-350k)와 2) 배기가스 연도에서 일정 시간 동안 포집된 먼지의 무게를 측정하는 정밀 저울(CAS CAUW-320)이다. 가 기기에 대한 측정 범위 및 오차를 Table 2에 나타내었다. 배기가스의 경우 현장에서 보일러가 정상 운전된 후 배기가스 분석계를 사용하여 측정하였으며, dust의 경우 무게 측정법을 사용하여 시험 전 여과지 무게와 시험 후 여과지 무게 차이를 사용하여 배기가스에서 발생하는 dust량을 측정하였다.

3.1 가정용 목재펠릿 보일러 및 스토브의 배출특성

국내에서 판매 중인 소형 가정용 목재펠릿 보일러 1대와 목재펠릿 스토브 3대에서 연소 시 발생하는 CO, NOx, Dust를 배출가스 측정 전문 시험기관에 의뢰하여 측정하였다. Fig. 4에 실험에 사용한 가정용 목재펠릿 스토브에 사용된 연소실 사진을 나타내었다. 스토브의 용량은 약 10 kW 내외이며 그림에서 확인할 수 있듯이 모두 고정화격자를 사용하고 있음을 알 수 있다(시험에 사용하지 않은 일부 스토브는 무빙 화격자를 사용하는 제품도 있음). 배출가스 측정은 각 보일러 또는 스토브의 최대 부하 조건에서 연소가 안정화된 후 시행하였다. 배기가스 측정 결과는 배기가스 O₂농도 13%로 환산하여 나타내었다. 이에 따른 가정용 목재펠릿 보일러 1대에 대해 2회 및 가정용 목재펠릿 스토브 3대에 대한 배출가스 측정시험 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 현재 국내 가정용 목재펠릿 보일러에 대한 기준(KS B 8901:2020⁽⁸⁾)에 규정된 CO 및 NOx 배출 기준은 각각 400 및 150 ppm 미만으로 그림에 점선으로 나타내었다.

우선 가정용 목재펠릿 보일러의 경우 CO 배출은 약 28~32 ppm 정도로 나타났다. CO의 경우 보일러 연소 상태에 따라 가변성이 높은데, 통상 연소실 온도가 높거나 연료가 연소실에 비해 과잉 또는 과소 공급되는 경우 큰 폭으로 증가하는 경향이 있다. 가정용 목재 스토브의 경우 CO 배출은 약 21~341 ppm 정도로 다소 높게 배출되는 것으로 도출되었다. 이는 가정용 목재펠릿 보일러에 비해 연소 공기량이 다소 높아 상대적으로 낮은 연소실 온도 또는 높은 연소 속도 등으로 인해 CO 생성이 높아진 것으로 판단된다. NOx의 경우 목재펠릿 보일러 및 목재펠릿 스토브 모두 유사한 약 57~70 ppm 수준인 것을 알 수 있다. 이는 목재펠릿 연소시 NOx는 목재 연료에 포함된 질소함량에 따라 생성되는 fuel NOx가 주 생성 원인이기 때문으로 판단된다. 만일 thermal NOx가 많이 생성된다고 가정하면 오히려 공기비가 낮은 목재펠릿 보일러(공기비 약 1.9)에서 NOx 생성량이 높을 것이지만, 측정결과에 따르면, 공기비가 높아 연소실 온도가 낮은 목재펠릿 스토브(공기비 약 2.6)와 NOx 배출량의 차이가 거의 없다.

Fig. 4 Pictures of the domestic wood pellet heater and its combustion chamber.

Fig. 5 CO and NOx from domestic wood pellet boilers and stoves.

Fig. 6에 가정용 목재펠릿 보일러와 스토브에서 배출되는 Dust 측정결과를 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 가정용 목재펠릿 보일러의 경우 2~3 mg/Sm³ 정도로 낮은 배출특성을 나타내고 있다. 이는 시험에 사용한 목재펠릿 보일러 내부에서 배기가스가 보일러 상부에서 하부로 내려가는 구조를 적용함으로써, 무거운 Dust를 떨어뜨리는 구조 등을 활용하여 Dust 배출을 최소화하였기 때문이라 판단된다. 다만, 가정용 목재펠릿 스토브의 경우 5~21 mg/Sm³ 정도의 Dust를 배출하는 것으로 측정되는데, 이는 높은 공기비에 따른 연소된 배기가스의 속도가 높아 굴뚝을 통해 배출되는 Dust량이 증가했기 때문으로 보인다. D 스토브의 경우 B, C 스토브와 유사한 크기(외형 및 연소실 등)를 가지고 있으나 용량이 20% 정도 적어 상대적으로 낮은 배기가스 속도로 인해 다른 스토브에 비해 낮은 CO와 먼지 배출량을 나타낸 것으로 판단된다.

Fig. 6 Dust concentration from domestic wood pellet boilers and stoves.

3.2 산업용 목재펠릿 보일러에서의 배출특성

산업용 목재펠릿 보일러는 고온의 온수 및 증기가 필요한 산업 현장에 설치되어 운전 중이다. 산업 부문에서 사용되는 목재펠릿은 국내에서는 LNG에 비해서는 운영비용이 높지만, LPG 또는 B-C유에 비해서는 경제성이 있는 것으로 알려져 있다(지속적으로 변동하는 에너지 가격 및 보일러 효율 등에 따라 달라질 수 있음).⁽⁹⁾ 이러한 산업용 목재펠릿 보일러에 대해 연구실에 설치되어 있는 보일러와 실제 공장에 설치되어 운영 중인 보일러(Fig. 7)에 대해 배기가스 배출 특성을 확인하였다. 이러한 산업용 목재펠릿 보일러에 대해서도 DARI 등 배출가스 측정 전문기관에 의뢰하여 그 결과를 사용하였다. 본 연구에서 사용한 산업용 목재펠릿 보일러 용량은 약 200~7,000 kW(Fig. 8) 정도이다. 일반적으로 산업 공정에는 60~80℃ 내외의 온수 또는 150~200 ℃ 내외의 증기를 이용하기 위해 산업용 보일러를 사용한다. 본 연구에 사용한 산업용 목재펠릿 보일러 중 200 kW는 온수보일러이며 연구실에 설치하여 성능을 확인하였는바, 2,800 kW 이상은 증기보일러로 실제 산업현장에 설치되어 운전 중에 있는 보일러이다.

Fig. 9에 산업용 보일러에 대한 CO, NOx 배출 측정결과를 나타내었다. F와 G 보일러는 100, 200 kW급 산업용 온수보일러이며, F 보일러의 경우 배기가스 O₂농도를 일정하게 유지하기 위한 배기가스 배풍기 자동제어 유무에 따른 결과를 나타내었다. 기존 화석연료와는 다르게 목재펠릿은 고체연료이기 때문에 연료 형상변화에 따라 연료 투입량이 일정하지 않고, 연소실 내부에서 “가스화 → 화염 연소→숯 연소” 등을 거치며 기존 LNG 또는 유류 연소에 비해 연소시간이 길어지게 된다. 이러한 이유로 연소 공기가 일정하게 공급되더라도 공기비가 불규칙하게 변동하게 된다. 이렇게 공기비가 변동하게 되면, 연소실 온도 등이 변하게 되어 배기가스, 특히 CO 생성에 영향을 준다. 이러한 변동을 최소화하기 위해 배기가스 중 O₂농도를 실시간 계측하여 O₂농도가 일정하도록 송풍기 풍량을 제어하게 되면 연소실 내 공기비가 균일하게 되어 보다 우수한 연소특성을 보일 것이다.

Fig. 7 Pictures of industrial wood pellet boiler installed at laboratory (left, center), factory (right).

Fig. 8 Industrial wood pellet boiler capacity for emissions measurement.

Fig. 9 CO and NOx from industrial wood pellet boilers.

Fig. 10 Dust concentration from industrial wood pellet boilers.

실험실에 설치된 F 산업용 온수 보일러의 경우 공기비를 제어하지 않았을 때에는 CO 배출이 492 ppm으로 다소 높은 값을 가지지만 공기비 제어를 통해 CO가 약 140 ppm으로 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 공장에 설치되어 운전되고 있는 H, I, J 보일러의 경우 CO 측정을 하지 않았다. 다른 산업용 온수보일러와 증기 보일러의 경우 CO 배출 수준이 약 18~56 ppm으로 낮은 값을 유지하는 것을 알 수 있다. NOx 배출량의 경우 공기비 제어 유무와 상관없이 59 ppm 내외로 거의 일정한 것을 알 수 있다. 이는 앞에서 설명한 것처럼 목재펠릿을 연소하였을 때 NOx 생성은 주로 연료내에 포함되어 있는 질소함량에 따라 발생하는 fuel NOx가 주로 생성되기 때문인 것으로 판단된다. 나머지 산업용 온수 및 증기보일러에서도 NOx는 약 27 ~ 88 ppm 수준인 것을 알 수 있다.

Fig. 10에 산업용 목재펠릿 보일러에서 배출되는 Dust 측정 결과를 나타내었다. 실험실에 설치된 F, G온수 보일러의 경우 집진설비로 사이클론이 설치되어 있고, 산업현장에 설치되어 운전 중인 H, I, J, K 증기 보일러의 경우보다 낮은 Dust 배출을 유지하기 위해 사이클론 집진기 후단에 백 필터등 추가 집진설비가 부착되어 있다. 우선 실험실에 설치된 산업용 목재펠릿 온수 보일러의 경우 사이클론 집진기만으로 20 ~ 58 mg/Sm³ 정도의 Dust를 배출하고 있는 것으로 분석되었다. 특히 F 보일러의 경우 공기비 제어만을 통해 Dust를 33 mg/Sm³에서 약 40% 정도 저하시킨 20 mg/Sm³ 정도로 낮추었음을 확인할 수 있다. 실제 공장에 설치되어 운영 중에 있는 산업용 보일러의 경우 낮은 Dust 배출 수준을 요구받기 때문에 추가 집진설비를 부착한 것으로 판단되며, 측정 결과 Dust 배출은 약 1 ~ 3 mg/Sm³ 수준으로 상당히 낮은 배출값을 나타내었다.