1. 서 론

바이오매스는 일반적으로 에너지로 이용할 수 있는 식물이나 생물을 의미하며, 신재생에너지의 한 분야인 바이오에너지의 자원이라 할 수 있다. 바이오매스에는 에너지전용 작물과 나무, 농산품과 사료작물, 농작 폐기물과 찌꺼기, 임산 폐기물과 부스러기, 수초, 축산 폐기물 등이 있다. 바이오매스 에너지의 장점은 재생이 가능하고 물과 온도 조건만 맞으면 지구상 어느 곳에서나 얻을 수 있다는 것이다. 목질계 바이오매스란 농작물, 목재, 폐목재, 또는 부산물, 잔디, 축산분뇨, 도시쓰레기 등의 재생에너지로 쓰일 수 있는 모든 유기물 중 셀룰로오스 및 리그닌으로 구성된 목질계 자원으로 주로 목본식물과 초본식물을 의미하며, 이들에서 파생된 제품이나 그것의 폐기물 즉 목재, 폐목재, 종이 등을 포함한다. 목질계 바이오매스는 고체, 액체, 기체의 세 가지 형태의 연료로 활용할 수 있다. 고체 연료로써 우드 칩, 목재 펠릿, 목재 브래킷, 목탄이 있고, 액체 연료로써 바이오 오일 또는 바이오 에탄올이 있으며, 기체 연료로써는 합성가스가 있다. 목질계 바이오매스를 에너지 원료로 사용하기 위해서는 직접 연소하거나 열화학적 변환(고형연료화, 액화, 가스화), 생물학적 변환(바이오정제) 과정을 거쳐야 하며, 목재칩 펠릿, 바이오에탄올의 형태로 열, 전력, 수송연료 등의 용도로 이용된다. 목재 펠릿을 연료로 가공하는 방법은 여러 가지가 있으나, 가장 단순한 방법은 목재 칩으로 분쇄하는 것이다. 그러나 연료용 칩은 가공이 단순한 반면에 함수율이 높고 불균일하며 분량이 많은 단점이 있다. 그러한 단점을 해결하는 수단으로 펠릿이 주목받고 있다. 목재 펠릿은 톱밥이나 목피 및 폐목재를 균일하게 파쇄하고 압축하여 펠릿으로 성형하는 과정을 통해 제조된다. 펠릿은 모양과 수분함유율이 일정하여 자동운전기기에 적합하고 압축으로 밀도가 높기 때문에 수송에도 적합하며 건조된 것은 장기간 저장할 수도 있다. 단점으로는 습기에 약하고 성형과정에 에너지가 소비되며, 또한 연소 후에 재가 남기 때문에 그 처리가 필요하다는 점이다. 유럽 등 여러 나라에서 펠릿을 사용하는 난로 판매가 증가하였으며 펠릿 사용의 보일러에 의한 온수 공급의 지역난방도 활발해져 왔다. 지역난방이 가능하지 않은 독립주택 등에서는 지하실에 소형 펠릿 보일러를 설치하여 온수난방을 하고 있다. 목재 펠릿을 보급하기 위해서는 수급상의 균형을 확보해야 하고 품질표준화가 필요하며 석유와 동등한 수준의 안정적, 저비용 판매체제가 구축되어야 한다. 대용량의 자동화된 난방시스템에서는 우드 칩이 주로 사용된다. 우드 칩은 수집된 임산 부산물을 분쇄하여 제조한다. 목재칩은 최적 균일 크기로 유지하는 것과 수분 함량을 낮게 유지하는 것이 중요하다. 수분 함량에 따라 발열량이 달라지므로 보관 역시 중요하다. 우리나라는 에너지 수요의 많은 부분을 수입에 의존하는 에너지 소비국가이며, 장래 화석에너지 고갈 및 지구온난화에 대비한 대체 에너지의 개발 및 보급의 필요성이 부각되고 있다. 바이오매스 연료는 광합성에 의한 이산화탄소 흡수효과로 인하여 탄소 중립적 에너지로 국제사회에서 인정받고 있으며, 목질계 바이오매스 펠릿은 연소 시 석유 연소에 비해 NOx와 SO₂, CO₂ 배출량에 저감효과를 가지는 것으로 분석되고 있어서 기후변화 대응 및 온실가스 감축의 유용한 수단으로 주목받고 있는 실정이다.⁽¹⁾ 이렇게 목재 연료는 현재 우리 사회에서 주요한 에너지로 활용되고 있으며, 그에 따라 보일러 등에서 연소에 사용되는 경우 불완전연소가 생기지 않게 하는 것이 중요하다. 이 논문에서는 목재 연료에 대한 연소 특성을 확인함과 동시에 연료의 불완전연소가 생기지 않도록 공기량을 제어하는 방법을 통해 연소 제어 시스템을 구축해 보고자 하였다. 연소 제어 시스템에 있어서 필수적인 요소는 람다(Lambda) 센서이다. 이 센서는 기체나 액체 속의 산소의 분압을 측정하는 전자 소자이며 람다 센서의 외형은 Fig. 1과 같다. 람다 센서는 배출가스 O₂에 따라 센서의 출력 신호가 변화하는 특성을 가지고 있다. 따라서 자동차나 연소기기의 모니터링 혹은 제어용으로 사용된다. Fig. 2에서 판매사에서 제공하는 람다 센서 출력값의 변화를 확인할 수 있으며, 목재 보일러에서 연료가 안정적으로 연소할 수 있는 구간을 판단하여 측정되는 O₂값이 해당 영역을 벗어나지 않도록 제어하고자 하였다.

Fig. 1 Picture of lambda sensor used in the research.

Fig. 2 Voltage output of lambda sensor according to O2concentration.

국내에서는 목재 펠릿 등에 대하여 다양한 연구가 이루어지고 있다. Lee et al.⁽²⁾은 람다 센서의 외부 오염에 따른 데이터 출력 변경 여부에 대하여 실험을 진행하였다. Shim et al.⁽³⁾은 목재펠릿을 연소하여 그 특성을 조사하였다. 이들은 목재 펠릿 연소에 있어서 가스화, 화염 연소, 숯 연소가 있음을 확인하여 각 연소 지속 시간을 확인하였다. Kim et al.⁽⁴⁾은 성형 조건이 까다로운 신갈나무, 소나무에 대해 연료적 특성을 분석하고 펠릿 제조 및 품질 분석을 통해 최적 제조 조건을 제시하였다. Oh et al.⁽⁵⁾은 초본계 펠릿에 대해 열중량 분석기(TGA)를 이용한 열분해 특성 실험을 통한 결과를 확인하였다. 원소분석, 열중량 분석 이외에도 연소성 지수, 온도 증가에 따른 질량 감소율, 활성화 에너지 선도 기울기를 구하였고 이를 목재 펠릿과 비교 분석하였다. 목재 펠릿 등 연료 자체에 대한 연구뿐만 아니라 보일러 및 그 배출가스에 대한 연구도 이루어지고 있다. Kang et al.⁽⁶⁾은 산업용 목재 펠릿 보일러 등의 CO, NOx 배출량 분석을 통해 배출 계수를 확인하였다. Shim et al.⁽⁷⁾은 목재 펠릿 연소기 구동 방법에 따라서 보일러의 성능의 변화를 확인하였다. 이동 화격자의 공간 및 각도에 따라 챔부 내부의 온도가 변화함을 확인하였다. Oh and Lee⁽⁸⁾는 목재 펠릿 보일러의 연료공급 제어를 위한 기초연구로써 가정용 목재 펠릿 보일러의 효율향상을 위한 방법으로 최적연소에 필요한 보일러 연료공급 장치의 특성 및 적정과잉공기비를 연소이론으로부터 검토하여 제어기술에 적용하고자 하였다. Lee et al.⁽⁹⁾은 우드펠릿을 사용하는 난방 보일러 제어시스템 구현을 제시하였다. 이 시스템은 온도조절, 연료공급, 점화, 화력조절, 그을음제거 등을 수행하는 주제어부와 RS-485 통신링크를 통한 각 방의 개별온도를 제어할 수 있는 온도조절기 모듈 및 원격제어, 모니터링이 가능한 전화망과 통신망이 포함되어 구성되어 기본 동작 시험과 원격 제어시험을 진행하였다. Oh et al.⁽¹⁰⁾은 보일러 제어를 위해 PLC(Programmable logic controller)를 이용하여 50,000 kcal/h 이하급 목재 펠릿 보일러를 제어해 보고자 하였다. 제어논리 및 제어장치를 개발하기 위해 가정용 보일러의 기본적인 제어 입출력과 안전을 위한 인터락 제어를 PLC를 기반으로 구성하였다. 보일러 제어에 있어서 PID(Proportional, integral, derivative) 제어기의 역할이 중요할 수 있다. Jo⁽¹¹⁾는 PLC에서 PID 제어기를 이용하여 피드백 제어 시스템을 구성하는 일련의 과정을 제시한다. PID 모듈에서 IBM PC에 온라인 연결하여 IEC 1131-3을 통한 심볼릭 어드레싱 방식으로 프로그래밍하였다. Han et al.⁽¹²⁾은 발전소 가스터빈의 자기동조 퍼지 PID 제어기를 개발하고자 하였으며, PID 제어기를 교체하는 대신에 자체 튜닝 기능을 추가하여 가스터빈 제어기의 효율을 향상시키는 것을 확인하였다. Lee et al.⁽¹³⁾은 비선형 PID 제어기를 최적 설계 및 실제 적용해 보고자 하였다. 모든 비선형 PID 컨트롤러는 분산 제어 시스템에서 구현되었으며, 구현된 컨트롤러는 높은 성능과 서비스 팩터를 보여주어 제안하는 방법론이 유사한 공정에 바로 적용될 수 있음을 확인하였다. Kim et al.⁽¹⁴⁾은 시간 응답과 특성 다항식 계수 사이의 관계라는 결과를 활용하여 선형 시불변 플랜트에 대해 PI, PD 및 PID 컨트롤러를 적용하고자 하였다.

우리는 100 kW급 산업용 목재보일러에서 목재 펠릿 연소에 대한 공기비 제어 유무에 따른 연소특성을 확인하였다. 상기 연구자들은 여러 종류의 보일러 등에서 PID 관련 제어를 통한 실험을 진행하였지만, 람다 센서를 통해 O₂값을 피드백 받아 공기비를 제어하는 내용에 대해서는 서술하고 있지 않다. 또한 제어를 통한 환경오염 인자의 변화에 대한 내용을 다루고 있지 않다. 고체연료는 일반적으로 가스나 액체 연료에 비해 연료 공급이 일정하지 않기 때문에 연소상태가 다소 불안할 수 있다. 연료가 불균일하게 공급되면 공기비(이론 공기량 대비 실제 공기량)가 변하게 되어 배기가스 중 불완전 연소로 인한 일산화탄소 및 dust(분진, 더스트) 배출이 증가할 수 있다. 따라서 이 논문에서는 이러한 점을 보안하기 위해 보일러 배기가스 산소농도를 연속적으로 계측하여 공기비가 일정하도록 송풍기를 PID 제어하여 보일러 최적 연소를 통해 환경오염인자인 일산화탄소 등의 배출을 줄여보고자 하였다.

2. 연구방법

100 kW급 목재펠릿을 연소할 수 있는 산업용 목재 보일러 및 방열 시스템 구축하여 연소공기를 제어하지 않았을 때와 연소공기를 제어하였을 때 배기가스 배출량을 비교하였다. Table 1에 본 연구에 사용한 100 kW급 온수 목재보일러 사진을 나타내었다. 보일러 연소 방식은 표에서 보는 것과 같이 1 MW급 내외 고체 연소 보일러에 많이 사용하고 있는 스토커 방식을 사용하고 있다. 연소실 벽면은 고온 케스터블로 구성하여 목재 연료가 연소하였을 때 고온을 유지할 수 있도록 하고 있다. 100 kW 온수를 생성하기 위해 본 시험에서 사용한 목재펠릿은 시간당 약 25 kg이 연소되었으며, 보일러는 연관 방식으로 고온의 연소가스가 보일러 내부 연관을 통과하면서 온수를 생성해 준다. 공기비 제어를 하지 않는 목재 보일러의 경우 연료량에 따라 공기비를 다단 제어하는 경우가 일반적이다. 즉, 각 보일러 부하에 따라 송풍기 출력을 미리 정하여 보일러 운전에 따라 송풍기 출력을 일정하게 조절하는 방법이다. 이런 제어 방식은 간단하며 비용이 적게 든다는 장점이 있지만 보일러 운전 환경에 따라 연료-공기비가 변하게 되어 연소가 불안정하게 될 수도 있다. 예를 들어 가스나 액체 연료의 경우 발열량이 균일하여 연료 투입량 변화가 거의 없다. 하지만 고체 연료의 경우 연료 크기 등에 따라 일정하게 연료를 공급하는 방식에서도 연료량 변화가 생길 수 있고, 고체연료에 포함된 수분 함량 등에 의해 연료 자체의 발열량이 일정하지 않아 연료를 일정하게 공급하더라도 연료-공기비가 변하게 될 수 있다.

배기가스의 산소농도를 측정하기 배기가스 연통에 산소센서(FKK사 람다센서)를 설치하였다. 위에서 설명한 것과 같이 람다 센서는 산소 농도에 따라 전압 등의 형태로 변환하여 보일러 배기가스 등에서 산소농도를 계측할 수 있다. 이러한 람다 센서를 이용하면 실시간으로 배기가스의 산소 농도를 알 수 있게 되고, 이러한 람다 센서 출력을 기반으로 PID 제어를 이용하여 연소 공기를 공급하는 송풍기를 제어하면 배기가스 중 산소농도가 균일하게 조절해 줄 수 있다. 람다 센서를 통한 송풍기에 PID 제어 플로우차트를 Table 1에 나타내었다.

Table 1 Pictures of 100 kW wood boiler, air control system and combustion chamber

연소 시험에 사용된 목재펠릿은 공인분석기관을 통해 함수율, 원소분석 및 발열량 분석을 진행하였다(Table 2). 연소 시 발생하는 배기가스에 대해 Testo사 측정 장비(Testo 350K)를 이용하였으며 O₂, CO, NOx 데이터 값을 측정하였다. 본 연구에서 사용된 가스분석계의 오차 범위 등은 가스분석계 제작사인 Testo사에서 제공하는 정밀도와 분해능 및 KOLAS 기관에서 검교정한 결과를 Table 3에 나타내었다. K형 열전대를 이용하여 보일러 연소실 내부 및 배기가스 온도 데이터를 측정하였다. 연소 공기비를 제어하기 위해 100 kW급 산업용 목재 보일러에 산소 센서(람다 센서)를 사용하였으며, 목재 펠릿 보일러에서 연료가 최적으로 연소될 수 있는 실시간 배기가스 산소 농도 계측 기반 연소공기 제어 시스템을 구축하였다. Fig. 3과 같이 배기가스 O₂값에 따른 람다 센서의 출력 데이터를 기반으로 배풍 팬의 동력을 PID 컨트롤러를 통해 제어를 진행하였다. 목재 펠릿을 연소실에서 연소시키면 연도를 통해 배기가스가 배출된다. 이 배기가스에는 원활한 연소를 위해 공기가 이론공기량보다 많이 공급되는데, 이러한 과잉공기량이 너무 작으면 연소가 불안정해져 일산화탄소 농도가 높아지고, 과잉공기량이 너무 많으면 보일러 효율이 낮아지게 된다. 일반적으로 LNG 보일러의 경우 적정 배기가스 중 산소농도가 약 2 ~ 6% 정도이며, 목재 펠릿 산업용 보일러의 경우 배기가스 중 산소농도가 약 6 ~ 12% 정도이다. 목재 펠릿 보일러의 경우 연료공급이 간헐적으로 이루어지는 경우가 많기 때문에 이러한 공기비가 연료 공급주기에 따라 유동적으로 변하게 된다. 이렇게 공기비가 변하게 되면 연소가 다소 불안하게 되어 일산화탄소가 많이 생성된다든지 dust가 많이 배출될 수 있다. 만일 배기가스 산소 농도를 계측하여 배기가스 산소농도가 변할 때 연소실에 공급되는 송풍기를 제어하여 공기비가 일정하게 공급하게 된다면 이러한 단점을 보완할 수 있을 것이다. 이러한 공기비를 제어하여 연소하였을 때와 공기를 제어하지 않았을 때 배기가스 및 미세먼지 측정값을 비교하였다.

Fig. 3 Schematic of air/fuel control system using lambda sensor.

3. 결 과

3.1 공기비 제어 유무에 따른 배기가스 변화

100 kW급 목재 보일러에서 보일러의 공기비 제어 전과 후를 비교 진행하였다. 우선 공기비 제어를 하지 않았을 때 자체 배기가스 측정결과 평균값은 O₂ 13.1%, CO 578 ppm, NOx 67 ppm이었다(Table 4). 공기비 제어를 하지 않았을 때에는 배기가스 측정 데이터가 일정한 패턴을 그리고 있다. 이는 소형, 중형 고체 연료 보일러 특성상 일정하게 연료를 공급하지 않고 연료가 간헐적으로 공급되기 때문으로 판단된다. 즉 일정기간 연료를 공급한 뒤 연소가 어느 정도 진행되면 다시 연료를 공급하는 방식을 사용하기 때문에 주기적으로 연소가 변화하게 된다. 특히 CO의 경우 연료의 불규칙적인 공급에 의해 변화가 더 큰 것을 알 수 있다. 이는 고체 연료의 급작스러운 공급으로 인해 화염 주위 온도가 낮아져 CO 발생이 높아진 것으로 판단된다. 공기비 제어를 하지 않았을 때에는 산소농도가 시간에 따라 점점 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 초기에 송풍량과 연료 공급이 일치하지 않아 배기가스 중 산소농도가 증가한 것이다.

람다 센서를 통한 PID 제어를 적용하였을 때에는 비제어시 나타나는 패턴이 점차 줄어드는 것을 확인하였으며, 목적하는 O₂값에 따라서 팬의 제어를 통해 O₂, CO, NOx값이 일정해지면서 측정되는 것을 확인하였다. 특히 일산화탄소의 경우 공기비를 제어하였을 때 약 140 ppm으로 공기비를 제어하지 않았을 때보다 약 24% 수준으로 낮아진 것을 알 수 있다. 배기가스 산소농도를 일정하게 유지하기 위해 송풍량을 제어하기 때문에 연소공기가 과잉 또는 부족한 상태가 줄어들게 되고, 이를 통해 연소가 균일하게 되어 CO 발생량이 줄어든 것으로 판단된다.

공기비 제어 유무에 따른 배기가스 중 O₂ 변화를 보면 공기비 제어를 하지 않았을 때에 O₂ 평균값이 높은 것을 알 수 있다. 이는 공기비 제어를 하지 않았을 때 연소 공기량이 높다는 것을 의미하고 이는 보일러 내부의 배기가스 평균 속도가 높다고 할 수 있다. 배기가스의 속도가 높을수록 연소실에서 발생한 재가 비산되어 연소 배기가스와 함께 배출되면서 dust 발생량이 높아진 것으로 판단된다. 또한 연소 공기량이 많을수록 연소실 연소온도가 낮아져 일산화탄소 농도가 높아진 것을 알 수 있다.

상기 실험의 결과를 토대로 공기비 제어 시스템이 보일러 연소에 있어서 유의미하다는 것을 확인하였기 때문에 공인시험기관을 통해 배기가스 조성 및 미세먼지 측정을 진행하였으며 그 결과를 Table 5에 나타내었다. 측정 결과 CO의 경우 공기비 비제어시 923 ppm, 제어 시 267 ppm, NOx는 각각 약 112, 109 ppm이 측정되었다. dust 값에 대해서도 측정을 진행하였으며, 비 제어 시에는 62 mg/Sm³이 측정되었으나, 보일러의 제어를 통해 최적 연소를 진행하는 경우 더 낮은 값인 38 mg/Sm³으로 낮아지는 것을 확인하였다. 이는 공기비 제어를 통해 송풍량을 최적 제어하기 때문에 보일러 연소실에 적정 연소공기가 공급되며 이를 통해 연소가 원활히 이루어져 dust가 많이 발생되지 않은 것으로 판단된다.

Table 4 Comparison of controlled and uncontrolled combustion

Table 5 Dust, CO, and NOx emissions with respect to with lambda sensor and without lambda sensor combustion air control (Certified report, conversion O26%)

Category	Unit	Without control	With control
Dust	mg/Sm3	62	38
NOx	ppm	112	109
CO	ppm	923	267

4. 결 론

본 연구에서는 국내 100 kW급 산업용 목재 보일러에서 배기가스 공기비를 제어하지 않았을 때와 제어하였을 때 배출가스 농도 변화를 비교하였다. 배기가스 공기비를 제어하기 위해 기존 목재 보일러 연도에 람다센서를 설치하였고, 람다센서 출력을 PID 제어를 통해 연소공기를 공급하는 송풍기를 제어하였다. 보일러 배기가스 공기비 제어 유무에 따른 시험을 수행하였고 그 결과는 아래와 같다.

(1) 목재 보일러 배기가스 공기비 제어를 위해 1) 산소농도를 측정하는 람다센서, 2) 람다센서 결과를 제어하기 위한 PID 제어기, 3) PID 제어기에서 출력되는 제어신호(전류 또는 전압)로 송풍기 출력을 조절하는 인버터 등이 필요하다.

(2) 공기비 제어 유무에 따른 시험을 수행하였으며, 각각 배기가스 산소농도를 12.5% 내외로 조절하였으며 이 때 CO 등 배기가스 농도가 낮게 유지되었다.

(3) 공기비 제어를 하지 않았을 때에는 배기가스 중 산소농도, CO 농도 변화가 큰 것을 확인하였다. 이는 고체 연료 공급 특성상 일정 기간 연료를 공급하고 일정기간 연료 공급을 멈추는 방식 때문으로 판단된다. 이러한 주기적인 연료공급으로 인해 화염이 불안정하여 CO 농도가 높았다. 공기비 제어를 하였을 때에는 CO 농도가 공기비 제어를 하지 않았을 때에 비해 약 24% 수준으로 낮아졌고, 농도 변화도 낮아진 것을 확인하였다. 이는 연소에 필요한 연소공기를 적정량 제어하며 공급하기 때문이라고 판단된다.