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밀폐식 보일러(FF)는 방, 거실 그 밖에 사람이 거주하는 곳과 목욕탕, 샤워장 그 밖에 환기가 잘 되지 않아 배출가스가 누출될 경우 사람이 질식할 우려가 있는 곳에는 설치하지 않아야 한다. (2006년 8월 시행)
보일러 종류
관류보일러(스팀,온수,진공보일러),
노통연관식보일러,
수관식보일러가 있습니다
관류보일러 부속품 및 안전장치(주)ktsn☎1588-7363
● 압력스위치 : 증기의 압력세팅
● 급수펌프 : 보일러 급수
● 수면계 : 관체 수위 확인
● 전극봉 : 관체 수위 유지(저수위 방지)
● 관체 과열 방지 장치 : 관체의 압력을 온도로 체크하여 이상압력시 차단.
● 배기가스 상한 스위치 :... http://blog.daum.net/ktsn-jys
횡형으로 된 원통 내부에 노통이 1개 장착되어 있는 코르니시(Cornish)보일러와, 노통이 2개 장착되어 있는 랭카셔(Lancashire)보일러가 있다. 최고 사용 압력은 약 10kg/㎠의 정도이며 보일러 효율 50%정도로써 설치 대수가 매년 감소 추세이다. 전열면적은 100㎡정도, 시간당 증기의 발생량은 3,000kg 정도이다.
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① 노통 보일러의 부대장치
㉮ | 경판 (마구리판 : end plate) 동체의 양옆을 막아주는 판이며 경판의 강도상 반구형 경판, 반타원형 경판, 접시형 경판,평경판 등의 순서로 강도가 약해지며 특히 평경판은 강도가 극히 약하기 때문에 보강대인 가셋트 스테이가 꼭 설치되어야 한다. |
㉯ | 가셋트 스테이(gusset stay) 평경판은 반구형판 등과 같이 강도가 큰 경판에 비하면 매우 약하기 때문에 동판의 상부와 경판을 연결하여 평결판의 강도 보강에 필요한 버팀이다. 이 버팀의 설치시에는 호흡거리(브리징 스테이스)를 주어야 한다. |
㉰ | 브리징 스페이스(호흡거리) 연소실의 고열에 의해 노통의 신축과 팽창에 의해 노통과 가셋트 버팀이 사이에 경판의 노후를 막기 위하여 노통상부와 가셋트 스테이와의 신축의 호흡거리를 225mm이상 떨어져서 설치해야 하는 유지거리이다. |
㉱ | 노통(flue tube) 노통 보일러의 연소실이며, 평형노통과 개량된 파형 노통이 있다. ㆍ평형 노통 : 내부 청소나 통풍이 양호하며 제작이 까다롭지 않다. 그러나 고열에 의해 신축이 용이 하지 못하며 외압에 이해 강도가 약하여 길이 1m간격마다 아담슨 조인트를 보강한다. 또한 노통의 단점을 보완하기 위하여 노통의 보강 전열면 적증가, 보일러순환의 양호 등을 위해 겔로이관을 30˚ 정도 경사지게 서너개 설치하여 사용하는 경우도 있다. ㆍ파형 노통 : 고열에 의한 신축조절이 용이하고 전열면의 증가 외압에 의한 강도 보강 등의 장점을 보완하기 위하여 노통을 물결치는 모양의 파상형의 형태로 만든 노통이다. 그러나 제작시 설비비가 비싸게 먹히며 통풍의 저항이 다소 있고 내부의 청소 및 검사가 불편한 점도 따른다. ㆍ아담슨 조인트(Adamsom joint): 평형 노통을 일체형으로 제작하면 강도가 약해지는 결점이 있다. 이러한 결점을 보완하기 위하여 플랜지형으로 몇개의 노통으로 분할 제작하며 이때의 이음부를 아담슨 조인트라 한다. |
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연소부 고효율화 기술 | |||||||||||||||
가. 유동층 연소기술
유동층 연소기술은 유동층 또는 유동상(流動床, fluidized bed)에 기초하는 기술로서 미세입자의 유동매체를 연소로에 넣고, 그 밑부분의 다공판과 같은 정류장치를 거쳐서 유동화 공기 또는 가스를 불어 넣으면, 유속이 작을 때에는 입자가 정지된, 이른바 고정층(fixed bed) 그대로이지만, 유속이 어느 정도 이상이 되면, 입자에 가해지는 유동저항과 중력이 같아져서, 분리체가 마치 끓는 액체처럼 손쉽게 유동할 수 있는 상태가 되는 바, 이 현상을 유동화(fluidization)라고 하며, 이 상태의 유동층을 연소에 응용하는 기술이다.
상압식 유동층 방식 중에는 유동층 연소 기술이 최근에는 가장 광범위하게 적용되고 있는 기술이다. 가압유동층 연소기술은 가압에 따른 연소 효율 증가, 공해물질 발생저감, 용량증대라는 장점 외에도 고온고압의 연소배기가스로 가스터빈을 구동하여 복합발전이 가능하다는 장점을 갖는다.
2)순환유동층 연소기술
①높은 연료적응성 : 회분함량, 함황량 혹은 수분 및 발열량이 서로 다른 넓은 범위의 연료를 수용하며, 전통적인 석탄 보일러에서 사용할 수 없는 저열량 연료를 높은 효율로 연소 며 공기분급(分級) 방식으로 연료중 질소의 산화를 억제하여 전체 질소산화물 형성량은 아주 적다 (<200ppm). 층 석탄보일러 보다 높다. 로 활용 재래식 석탄보일러에 비해 15~20% 낮다.
1)건타입 버너
2)압력분무식 버너
공기측의 혼합촉진기구와 마찬가지로 유류연료의 무화 메커니즘도 양호한 연소를 얻기 위한 중요한 요인이 된다. 벤추리를 나온 혼합기체는 선회하면서 전체를 균일하게 혼합 기화된 후에 선단에 위치한 노즐 캡(nozzle cap)의 분출구로부터 고속으로 분출하게 된다.
3)회전식 버너
팩키지형 회전식 오일버는 강제통풍을 채택하여 보일러와 노의 전용기기로 사용할 목적으로 설계 제작하는 버너이다. 이 버너는 윈드-박스와 덕트가 별도로 필요치 않고 단일축상에 버너와 송풍기의 임펠러(impeller)를 전동기의 가동으로 간편하게 사용할 수 있다.
①부속설비가 거의 없으며 화염을 짧으나, 안정한 연소를 시킬 수 있다.
4)기류식 버너
①비연동형 버너 : 연소에 필요한 이론공기량의 20~30%를 무화용으로 버너에 공급하고, 나머지 공기량은 자연통풍 또는 압입통풍으로 공급하는 방식 방식 내부혼합형, 외부혼합형, 중간혼합형 등이 있다.
가) 중간혼합식 버너
노즐내부에서 Y자 방향으로 기액이 충돌하여서 일부는 미립화하고, 나머지 연료는 내벽에 부착하여 흘러서 노즐선단에서 막상으로 분출되어 미립화된다.
나) 외부혼합식 버너
다) 내부혼합식 버너
5)저 NOx 버너
또한 중질유연소 산업용보일러의 저 NOx 연소법으로는 고온환원연소를 통한 선회류 2단연소법을 사용한다. 통상의 2단 연소에서는 1단계와 2단계의 유동과 연소를 분리하는 것이 어렵기 때문에 효과적으로 NOx 저감을 달성한다는 것은 한계가 있었다. 선회류 2단 연소법은 우선 내화벽 구조에서 단면형상이 원형인 1차 연소실, 수냉벽 구조의 2차 연소실을 갖는 구조에서 적용되는 바, 1차 연소실에서는 2유체 분무버너에 의해서 연료와 1차 공기를 불어 넣고 버너 근처의 로벽에서는 2차 공기를 강선회시켜서 불어 넣는다.
우선 1차 연소실에서는 이론공기량 이하의 공기부족 상태에서 연소가 진행되고, 1차공기로는 주로 착화, 보염역할을 담당하게 하고, 2차 공기에 의해서 1차 연소실 내에 강선회류를 형성한다. 그렇게 하므로써 1차 연소실 내에서는 1600℃전후의 고온환원성 분위기가 형성되고 2차 공기의 선회류에 의해 1차 연소실 내에서 연소가스 체류거리가 길어져서 연료의 가스화, 연소가스 교반, 혼합이 촉진된다.
1)분젠버너
분젠버너는 화염의 안정성이 우수하고 역화가 발생할 위험성이 적다는 장점 때문에 현재까지도 대부분의 가정용 보일러에 가스 출구부분이 슬릿형상인 버너로서 채용되고 있다. 그러나 분젠버너는 구조적으로 버너의 화염이 길고 화염온도가 높을 뿐만 아니라, 연소에 필요한 공기량이 이론 공기량보다 훨씬 더 많은 양의 과잉공기 상태를 요구하는 예혼합 화염(Premixed Flame)을 형성하기 때문에 고온의 배기가스 배출로 인한 열손실량과 공해물질(NOx 및 CO 등)의 배출량이 많아서 가스연소기기의 효율 극대화와 공해물질을 저감화 등을 기하는 데에는 한계를 갖고 있다. 따라서 최근에는 NOx 발생이 적은 희박 예혼합 화염을 형성하는 버너와 혼용하여 사용함으로써 질소산화물의 발생을 현저히 줄이는 기술이 개발되어 있다.
2)고속화염버너
산업용 버너는 열기기 사용현장의 용도에 맞추어 개발되어 왔다. 복사열을 필요로 하는 경우 장염형태의 적염 또는 휘염을 형성시켜 복사에 의한 열효율을 증대시켰으며 반대로 화염에 의한 노 또는 열처리물의 손상이 예상되는 경우 단염을 만들어 고온의 가스를 열원으로 사용하였다. 또한 가스 접촉 없이 중온(400~1000℃)의 복사열이 필요한 경우 관내에서 연소 및 튜브를 가열하여 간접열원을 사용하였다.
고속화염버너의 특징은 다음과 같다. ①고부하 연소의 실현
고속화염버너는 에너지 및 환경분야에서 탁월한 기능을 갖고 있다. 에너지, 환경, 열처리 기능의 우수성으로 인하여 고속화염버너의 수요는 빠른 속도로 증가하고 있으며 다른 버너가 차지하고 있던 영역까지 잠식하게 될 것이다. 산업용 버너로서 많이 쓰이는 열용량은 100,000~200,000kcal/hr급 소형버너, 400,000~500,000kcal/hr급 중형버너 및 1,000,000~2,000 ,000kcal/hr급 대형버너로 크게 구분되며 이외에도 5,000,000kcal/hr급 이상의 초대형 버너도 있다.
3)노즐혼합버너
직화 가열식 버너에서는 소재의 산화를 방지하기 위하여 이론 공기량보다 적은 양의 공기로 기체연료를 연소시킴으로써 연료가스 중에 잔존가스가 존재할 수 없도록 함과 동시에 미연가스인 CO와 H2의 농도를 높여주는 연소방식, 즉 부족공기 연소를 행하고 있다.
①기체연료와 공기의 혼합 ②기체연료-공기혼합기의 화학반응의 2단계로 이루어지는데, 연소속도는 상기①의 단계에서는 버너의 유동특성에 따른 난류강도에 의하여 지배되며, ②의 단계에서는 연소반응 속도에 의하여 지배된다.
제 1 장 보일러의 관리
◈먼저 보일러의 분류를 살펴보도록 하겠습니다.
보일러의 종류가 참 많죠~?
![]() <노통보일러와 연관보일러> -사진속 왼편에 보이는 것이 노통보일러 입니다. 동체라는 것은 보일러의 드럼부분 즉, 열매인 물을 담는 곳으로 생각을 하시면 됩니다. 그 동체안에 노통이라는 것이 설치가 되게 됩니다. 노통은 보일러 구성 부분의 하나로서 그 내벽을 연소실(내분식)로 사용하고, 연소 가스의 통로 및 전열 면을 형성하는 원통을 말합니다. 노통을 1개를 사용하느냐 2개를 사용하느냐에 따라서도 분류를 할 수가 있습니다.
-오른편에 보이는 것이 연관보일러 입니다. 노통보일러와 다른점은 연소실이 동체 밖에 설치(외분식)가 되고, 연소시 보일러 연소시 발생되는 연기를 동체안의 많은 연관을 통과시켜 효율을 좀더 높인 방법이 되겠습니다. 연관이라는 뜻도 연소가스가 왔다갔다 하는 관을 의미하는 것입니다^^
두개의 보일러를 비교 해보면, 연관식보일러가 노통보일러보다 전열면적이 넓기때문에 열효율이 좋습니다. ▷동체내에 관의 표면적을 생각해보면 쉽게 알수 있겠죠. 그리고 연관식보일러가 노통보일러보다 보유수량이 적어 빠르게 수증기를 생성할수가 있어서 부하대응에 더 적합합니다.▷동체내에 관들이 많이 있다는 것은 그만큼 부피를 차지 한다는 뜻이겠죠. 그러니 관이 차지하는 부피만큼 열매인 물의양이 줄어들게 됩니다. 반대로 생각하면 노통 보일러가 시간은 좀더 걸리겠지만 많은 부하를 대응하는데 있어서는 더 좋겠다고 생각해 볼수 있겠네요. <표 1> 노통연관식보일러의 장단점 ![]() <노통연관식 보일러> 동체안에 노통과 연관이 모두 있는 방식을 노통연관식보일러라고 합니다.^^ 대개 10~15톤/h 내외의 중,소형 보일러에서 가장 널리 사용되고 있습니다. 노통연관식 보일러는 내부의 보유하고 있는 수량이 많아 급격한 부하 변동에도 공급압력이나 수위의 변화가 적어 안정적인 보일러 운전이 가능합니다. 형태가 원통형 본체에 물이 차있는 구조여서 대용량이나 고압 운전용으로 제작하는데 어려움이 있어서 중소으로 쓰입니다. 보통 1.5MPA~2.OMPA이상의 고압용 대용량에서는 구조가 안정적인 수관식보일러가 쓰입니다.(수관식은 다음시간에~~^^)
자, 장점을 말하자면 1. 구조가 간단하여 가격이 저렴한 편이다. 2.변동에 따른 압력이나 수위의 변화가 적다. 3. 유지보수 및 운전이 용이하다. 4. 장비의 수명이 길다.
단점을 하자면 1.구조상 고압용으로 제작은 곤란하다. 2.동체의 크기에 따라 전열면적이 제한된다. 3.다른 보일러에 비해 시동시 증기 발생까지의 소요시간이 비교적 길다. 4.보유수량이 많음으로 사고시 위험이 있다. 기존의 노통연관식보일러의 경우에는 동체 내부에 수부와 증기부를 배치하지만, 슈퍼미니보일러(또는 H사의 초미니보일러)는 보일러의 증기부를 동체에서 분리하여 별도의 증기드럼을 보일러동체 위에 설치하고, 보일러동체와 증기드럼사이는 큰 관에 의해 연결되어 있다. 이와 같은 보일러는 보일러의 동체에 증기부가 없기 때문에 노통의 주위에 연관을 비교적 촘촘이 설치한다. T사의 슈퍼미니보일러는 후연실을 반원형으로 제작함으로서 익실의 가공원가를 절감할 수 있는 T사만의 고유모델의 보일러를 개발하였다. 1990년대 후반에는 노통연관식 구조를 갖는 무압보일러와 진공식보일러가 개발되어 시판되고 있으며, 응축형보일러의 대부분도 노통연관식 구조로 되어 있다. 1-1-2 수관식보일러 수관식보일러는 전열면을 형성하는 수관군과 기수분리 및 수관군의 지지를 위해 설치된 드럼(Drum)으로 구성되어 있으며, 관의 내부는 보일러수로 채워지고 관의 외부를 연소가스로 가열하여 증기를 얻는 구조로 되어 있다. 수관식 보일러는 상부 드럼(기수드럼)과 하부 드럼(수드럼) 사이에 적은 구경의 많은 수관을 설치한 구조로, 관 내부에 물이 흐르고 관 외부를 연소가스로 가열해 증기를 발생시키는 구조로 제작됩니다.
가열부의 수관의 물이 증기로 변하면서 물보다 밀도가 낮은 증기가 기수드럼쪽으로 나가게 되고 그러면 밀도가 높은 물이 다시 수관에 채워지면서 이러한 일을 반복하는 것이 수관식 보일러의 기본적인 구조라고 생각하시면 됩니다.
물이 수관 내에만 채워지는 구조여서 높은 운전압력으로의 보일러 제작이 가능하고, 수관의 길이나 수량에 의해 용량의 증대가 용이하여 중,대용량 및 고압용의 보일러로 주로 사용을 하고 있습니다.
◈수관식보일러의 특징◈ 수관식 보일러는 작은 직경의 무수히 많은 수관으로 구성되어 있어 보유수량에 비해 전열면적이 큽니다. 이로 인해 비교적 신속하게 대용량의 증기 발생이 가능하고, 동일한 조건에서 효율이 노통연관식보다 다소 높은편이라고 합니다. 또한 연소실의 형상 및 크기를 사용자의 요구사양에 따라 비교적 자유롭게 조절하여 제작을 할 수 있습니다~^^
그러나 노통연관식에 비해 보유 수량이 적기 때문에 부하변경 시 압력의 변동 폭이 크고 수위의 변화 폭도 커지게 되므로 운전상의 주의가 요구됩니다.
수관식보일러는 내부의 구조가 복잡하고 스케일로 인하여 과열되기 쉬우므로 급수의 철저한 수질관리가 이루어져야 하는데요. 연소실 내부의 수관 외부 표면은 청소가 곤란하기에 사용 연수에 따라 효율이 달라 질 수 있습니다.
대부분 중,대용량인 경우가 많아 공장 제작 후 통째로 운반해 설치하는 것이 어렵기 때문에 대부분 현장에서 조립하여 설치를 합니다. 따라서 제작기간이 필요하고 장비비도 비싼 편에 속합니다. [그림 3] 수관식 보일러의 구조 ![]() [그림 4] 수관식 보일러의 구조도 산업용 수관식보일러는 버너를 일반적으로 수평으로 부착하여 수평화염이 형성되는 구조를 택하고, 2∼3pass 방식이 주로 이용되고 있다. 연소량제어 방식으로서는 비례제어방식이 주로 채택되고 있다. 일반적으로 증발량 30 ton/h 이하의 보일러는 팩키지형으로 제작되고 있으며, 증발량 30 ton/h를 초과하는 보일러는 일반적으로 현장조립으로 제작되고 있다. 이 수관식보일러는 보일러수로와 증기로 채워지는 부분들이 노통연관식 보일러의 동체에 비해서 작은 수관이나 드럼으로 구성되기 때문에 강도면에서 제작할 수 있는 최고압력의 제한이 거의 없다. 일반적으로 10 ton/h 이하의 보일러는 노통연관식보일러나 관류보일러에 비해 고가이기 때문에 특수용도 특히 고압의 증기가 필요한 경우에 주로 사용이 되나 증발량 15 ton/h 이상 용량에서는 수관식보일러가 널리 사용되고 있다. 수관보일러는 사용증기압이 고압인 경우 또는 대용량이 필요한 경우에 많이 이용되기 때문에 대부분의 경우에 주문사양에 따라 매번 설계하여야 하며, 항상 주문생산을 할 수밖에 없다. <표 2> 수관식보일러의 장단점
1-1-3 다관식 관류보일러 관류보일러는 강제순환식 보일러로서 급수가 수관으로 공급되어 수관을 통과하면서 그 관내에서 예열된 후에 증발되는 보일러로서 대형고압보일러로 많이 사용되어 왔다. 이 고압의 대형관류보일러를 산업용으로 개발된 것이 다관식 관류보일러이다. 다관식 관류보일러는 다수의 수관이 병열로 연결되어 헤더(header)에서 분류 또는 합류되는 구조로 이루어지는 구조로 되어 있으며, 관수는 펌프에 의해 강제순환하며, 증발용량은 0.1∼3 ton/h이고 사용압력은 7∼10 kg/cm2정도이다. [그림 5] 다관식 관류보일러의 구조 관류보일러는 용량이 3 ton/h 이하로 비교적 작고, 사용압력도 거의 일정하기 때문에 계획·생산하여 대리점을 통하여 판매를 하고 있다. 0.1 ton/h 이하 용량의 보일러는 2위치제어(on-off)가 주로 사용되고, 0.1∼1.5 ton/h 의 보일러는 3위치제어 (high-low-off)가 주로 사용되며, 1.5 ton/h 초과 보일러는 4위치제어(high-middle-low-off)가 많이 이용된다. 참고로 다관식 관류보일러의 정의는 다음과 같다. ① 관군으로만 구성되고 급수펌프에 의해 일단으로부터 압입된 물 또는 열매가 예열, 증발 (또는 과열)되어 타단으로부터 증기 및 열수 등을 뽑아내는 수관식 보일러를 말한다. 다만, 급수펌프 이후에 급수예열기 (절탄기)를 가진 것은 급수예열기의 수순환방식이 관류식에 한한다. ② 둘 이상의 가열관 및 헤더에 의해 구성되는 다관식의 증기 보일러의 경우에서는 가열관 전부가 상승관인 것에 한한다. 또한 이들 상승관은 상호 연락함이 없이 개별 단관식의 구조이어야 한다. <표 3> 관류보일러의 장단점 일반적으로 보일러의 효율은 부분부하에서 낮아지기 때문에 여러 대의 소형 관류보일러를 설치하고 부하에 적합한 수만큼 보일러를 100%부하로 운전하는 대수제어시스템이 적용되고 있다. 각 사업장에 설치운전되고 있는 보일러의 상태를 원격으로 점검하고 진단하는 기능을 갖는 원격 점검시스템이 일부 도입되었다. 1990년대 말부터는 다관식 관류보일러와 구조가 유사한 진공식보일러와 무압보일러가 개발되어 시판되고 있다. 1-2. 1990년대의 새로운 보일러 1-2-1. 미니 보일러 노통연관식 보일러를 작은 공간에 설치할 수 있도록 소형화하고, 가격도 저렴하게 설계한 미니보일러(일명 초미니보일러 또는 슈퍼미니보일러)가 1990년대에 출현하였다. 다관식 관류보일러가 수관식보일러의 장점을 살린 소형 보일러인 것과 같이, 이 미니보일러는 노통연관식 보일러의 장점을 살린 소형의 노통연관식 보일러이다. 1990년대에는 노통연관식의 장점을 살린 미니보일러가 다관식 소형관류보일러와 치열한 판매전을 벌였다. [그림 6]에 미니보일러의 구조도를 도시하고, [그림 7]에 시판되고 있는 미니보일러의 예를 나타낸다. 이것은 종래의 노통연관식 보일러의 경우에는 동체내부에 증기부를 두고 있으나 미니보일러는 동체 위에 증기드럼을 설치하고 동체와 증기드럼 사이의 연결부에 수면이 위치하도록 수위제어를 하는 구조이다. 또한 종래의 노통연관식 보일러는 동체 상부에 증기부를 배치하기 위하여 연소실과 동체를 편심으로 설치하고 연소실의 좌우(또는 좌우측 중 한쪽에만)에 연관을 설치하는 구조이지만, 미니보일러의 경우에도 연소실과 동체를 편심으로 설치하되 그 사이에 연관을 배치하는 구조로 되어 있다. 물론 미니보일러의 동체 내부에는 증기부를 전혀 두지 않고 동체 상부에도 연관만을 배치하며 수면은 증기드럼과 동체를 연결하는 연결관에 위치하도록 설계·운전되고 있다. 미니보일러의 동체는 물로 가득 채워지고, 그 동체와 노통 사이의 공간에 연관을 설치한 구조로 되어 있다. 따라서 미니보일러의 동체크기는, 연소가스의 열을 회수하기 위하여 필요한 수만큼의 연관을 설치할 수 있는 공간을 확보할 수 있는 크기로 결정된다. 노통과 연관에서 동체 내부의 물로 전달된 열로 가열된 물은 동체 상부에 설치되는 증기드럼으로 이동하여 기수가 분리된다. 이 미니보일러는 일반적으로 0.5∼5.0 ton/h 용 보일러가 시판되고 있다. 사용자 입장에서 보면 이 미니보일러는 노통연관식 보일러에 비하여 저렴하고, 설치면적이 작으며, 단시일 내에 구입할 수 있는 장점이 있다. 제작자 입장에서 보면 이 미니보일러는 수요가 많기 때문에 기존의 노통연관식 보일러와 같이 주문생산에 의존하지 않고, 모델별로 미리 제작하여 보관하였다가 수요자에게 공급할 수가 있다. 따라서 보일러 생산라인이 비교적 한가한 동절기에 미리 이 미니 보일러를 생산할 수 있는 장점이 있다. 이 미니 보일러는 기존의 노통연관식 보일러의 크기를 약 1/2까지도 줄일 수 있기 때문에 설치면적도 적고, 제작원가도 줄일 수 있다. 또한 이 미니보일러는 보유수량이 작기 때문에 보일러의 기동 후 증기발생시간이 5∼7분으로 매우 짧다. (기존의 노통연관식 보일러의 경우에는 증기발생 시간이 약 15∼20분임) [그림 6] 미니보일러의 구조도 [그림 7] 미니보일러의 사진 1-2-2. 진공식 보일러 비교적 규모가 큰 산업체나 건물에서는 면허소지자를 운전관리자로 채용하고 있지만, 규모가 작은 건물의 경우나 목욕탕과 같은 온수사용 사업장에서는 보일러 운전관리자를 채용하는 것이 무리인 경우가 많이 있다. 그래서 면허소지자 채용이 없이도 안전하게 운전이 가능한 구조의 보일러에 대한 필요성이 대두되었다. 이러한 욕구를 충족하기 위하여 개발된 보일러가 진공식 보일러와 무압보일러이다. 이 진공식 보일러와 무압보일러는 온수보일러로서 동체 내부의 압력이 진공압인 경우 진공식 보일러라 하며, 대기압 수준의 압력이 동체에 작용하는 보일러를 무압보일러라고 한다. 여기에서는 진공식 보일러의 특징을 검토하고, 다음 절에서는 무압보일러의 특징을 검토하고자 한다. 진공식 보일러의 구조도를 [그림 8]에 도시하고, [그림 9]에 시판되고 있는 진공식보일러의 예를 나타낸다. 진공식 보일러에는 안전장치로서 안전밸브와 진공스위치가 장착된다. 안전밸브는 100℃ 이하에서 증기를 방출하고, 진공밸브는 대기압 이하에서 열매의 증기를 방출하는 구조로 되어 있기 때문에 보일러 내부의 압력을 대기압 이하 즉 진공압으로 유지하는 보일러이다. 따라서 진공식 보일러는 일반보일러와 같이 내압을 받는 구조가 아니라 외압을 받는 구조로 되어있다. 그래서 보일러 내부의 증기가 외부로 폭발할 위험이 거의 없기 때문에 면허소지자를 보일러의 운전관리자로 선임하지 않아도 되고, 「보일러 및 압력용기 안전규칙」에 의한 검사도 불필요하다. 진공식 보일러는 그 하부에 설치된 연소실의 노통과 대류전열면은 열매(일반적으로 물을 사용함)와 접촉을 하고, 이 곳에서 연소열이 열매로 전달되어 증기를 발생한다. 발생된 증기는 자연대류에 의해 보일러 내부의 상부로 이동하고, 이 증기는 상부에 설치된 온수발생을 위한 열교환기에서 열을 잃고 다시 액체로 되어 하부로 낙하한다. 이 때 상부에 설치된 열교환기에서는 열매증기의 응축열을 흡수하여 난방용 또는 급탕용으로 사용되는 온수를 발생한다. 그러므로 이 난방이나 급탕용 온수는 버너의 연소열로 직접 가열되지 않고 내부에 봉입된 열매증기에 의해 가열된다. 보일러 내부가 진공이 유지되기 위해서 밀폐되어 있기 때문에 보일러 내부에 봉입되는 열매는 손실될 수가 없다. 따라서 열매의 보충은 필요가 없게 된다. 새로운 보충수가 거의 필요 없기 때문에 스케일이나 부식이 거의 발생하지 않게 할 수 있고, 외부의 공기와도 완전 차단되어 있기 때문에 녹의 발생이 원천적으로 차단되어서 그 수명이 매우 길다. 보일러 상부에 설치되는 열교환기를 용도에 따라 설치할 수 있기 때문에 난방과 급탕을 겸할 수가 있다. 난방전용일 경우에는 열교환기를 1개만 설치(1회로 방식)하고, 난방과 급탕을 겸하는 경우에는 열교환기를 2대 설치(2회로 방식)하여 사용한다. 진공식 보일러의 운전 전에는 그 내부에 거의 -760mmHg의 진공압이 작용한다. 운전이 시작되어 열매가 증발하게 되면 그 내부의 압력이 점차 상승한다. 그 내부의 온도가 93℃ 정도에 다다르면 내부 압력이 -150mmHg의 진공압력이 걸리게 된다. 보일러 내부의 온도가 이 온도에 도달되면 장착된 감지장치(진공스위치)가 작동하여 버너의 연소를 중단하게 된다. 난방이나 급탕 등의 열사용처에서 열을 사용하게 되면, 열교환기에 냉각된 물이 공급됨으로서 열교환기에서 응축전달이 이루어지고 열매증기는 응축수가 된다. 이 열매응축수가 하부의 열매조로 공급되면 감지장치에 의해 감지가 되어 버너가 다시 작동한다. 따라서 진공식 보일러는 그 내부압력이 -150mmHg ∼ -760mmHg이기 때문에 항상 외압을 받는다. 온수의 온도는 약 85℃까지 가열되어 공급될 수 있다. 진공식 온수보일러는 100,000kcal/h ∼ 2,500,000kcal/h 용량의 것이 생산되고 있다. 또한 연소실 구조는 다관식 관류보일러에 사용되는 수관과 유사한 구조의 수관으로 구성된 것도 있고, 노통구조로 제작되는 경우도 있다. 특히 연소실이 노통구조로 구성이 되고, 그 후부의 대류전열부가 수관으로 구성되는 경우을 노통수관형 보일러라고도 한다. [그림 8] 진공식 온수보일러 [그림 9] 진공식 온수보일러의 예 1-2-3. 무압식 보일러 (대기개방형 보일러) 면허소지자 채용이 없이도 안전하게 운전이 가능한 구조의 보일러에 대한 필요성이 대두됨에 따라 이러한 욕구를 충족하기 위하여 개발된 또 하나의 보일러가 무압보일러이다. 이 무압보일러는 대기압 정도의 압력이 동체에 작용하는 보일러를 의미한다. [그림 10]에 무압보일러의 구조도를 도시하고, [그림 11]에 그 사진을 나타낸다. 무압보일러는 그 보일러 내부에 채워지는 열매로서 물을 사용하며, 그 열매로 보일러 내부를 완전히 채우는 구조이다. 진공식 보일러의 경우에는 열매증기가 열교환기에서 응축전열이 이루어지지만, 이 무압보일러에서는 열교환기에 공급되는 열매도 온수이기 때문에 자연대류만으로는 전열이 잘 이루어지지 않을 뿐 아니라 순환도 신속하게 이루어지지가 않는다. 그래서 무압보일러의 경우에는 순환펌프를 설치하여 열매를 강제순환시킨다. 열교환기의 외부에 설치된 순환펌프에서 물을 흡입하여 보일러 하부로 보내주면 열교환기의 안쪽 끝에서는 가열된 온수가 흡입되어 열교환기에서 강제대류 열전달이 이루어진다. 진공식 보일러는 보일러가 완전 밀폐형이지만, 이 무압보일러는 보일러 상부에 팽창탱크를 설치하고, 이 팽창탱크에서 overflow를 방출하기도 하고 보충수를 이곳으로 공급하기도 한다. 또한 이 팽창탱크에는 저수위경보기 및 차단기를 설치하여 보일러의 열교환기가 확실하게 열매에 잠기도록 하고 있다. 진공식 온수보일러는 50,000kcal/h ∼ 3,500,000kcal/h 용량의 것이 생산되고 있다. 또한 연소실 구조는 다관식 관류보일러와 유사한 구조의 수관으로 구성된 것도 있고, 노통구조로 제작되는 경우도 있다. 특히 연소실은 노통구조로 구성이 되고, 그 후부의 대류전열부가 수관으로 구성되는 경우를 노통수관 보일러라고도 한다. [그림 10] 무압보일러의 구조도 진공식 보일러와는 달리 무압보일러는 열매의 보충이 필요하다. 그러나 새로운 보충수가 소량이고 연수처리 되기 때문에 일반 보일러보다 스케일이나 부식이 적게 발생하여서 그 수명이 길다. 무압보일러도 상부에 설치되는 열교환기를 용도에 따라 설치할 수 있기 때문에 난방과 급탕을 겸할 수가 있다. 난방전용일 경우에는 열교환기를 1개만 설치(1회로 방식)하고, 난방과 급탕을 겸하는 경우에는 열교환기를 2대 설치(2회로 방식)하여 사용한다. [그림 11] 무압보일러의 사진 1-2-4. 응축형 보일러 가스를 연료로 사용하는 보일러의 경우에는 배기가스중의 수분농도가 약 17∼18 vol% (11∼12 wt%) 정도이기 때문에 천연가스 1 Nm3를 연소하는 경우에는 약 1.7 kg의 수분이 발생된다. 배기가스의 열을 회수하여 배기가스온도를 낮추게 되면 배기가스중의 수분이 응축되고 그 때에 응축잠열을 이용할 수도 있다. 배기가스 중에 포함된 1.7 kg/Nm3의 수분중의 약 1 kg의 증기잠열을 회수할 수 있다면 연료 1 Nm3당 약 600 kcal의 잠열을 회수할 수 있다. 따라서 응축잠열을 회수함으로서 약 6%의 효율증대를 도모할 수 있다. 가스보일러의 경우에는 연료 중에 유황 성분을 포함하고 있지 않기 때문에 저온부식이 비교적 적다. 따라서 가스보일러의 경우에 보일러 내에서 열을 충분히 흡수하여 배기가스의 온도를 낮게 하면 보일러 후단에서 수분의 응축이 발생하게 된다. 이 응축열을 회수하기 위하여 보일러 후단에서 연소가스중의 수분이 응축되도록 설계된 보일러를 응축형 보일러 또는 콘덴싱(Condensing) 보일러라고 한다. 이 응축형 보일러는 보일러의 효율을 극대화하기 위하여 도입된 보일러로서 저위발열량을 기준으로 한 보일러 효율이 100%가 넘는 경우도 있다. 그러나 일반적으로 응축형 보일러의 가장 후단에 설치되는 절탄기는 배기가스와 급수의 온도차가 작기 때문에 전열면적이 커야하고, 응축수로 인한 부식을 방지하기 위하여 고가의 내식성재료로 사용해야 하기 때문에 초기투자비가 많아지는 단점이 있다. 정부에서는 산업자원부고시 제1999-84호 "고효율 에너지기자재 보급촉진에 관한 규정"을 통하여 고효율 가스보일러의 자격요건으로서 급수를 가열하는 열교환장치를 부착한 보일러의 경우에는 효율이 95% 이상이어야 한다고 명시하고 있다(급수를 가열하지 않는 구조의 보일러는 91%이상이어야 함). 2001년도부터는 보일러고효율기자재용 가스보일러의 경우는 보일러의 효율을 고위발열량(총발열량) 기준으로 효율을 표시하도록 하고 있다. 응축형 보일러에서 발생되는 배기가스중의 수분이 응축된 응축수는 pH가 4∼6인 것으로 보고되고 있다. 이 산성의 응축수를 그대로 방류하는 경우에는 수질을 오염시킬 수 있기 때문에 응축형 보일러는 응축수 중화처리 설비를 구비하여야만 한다. 중화처리설비의 후단에서 응축수의 pH는 5.8∼8.6의 범위에 들어야 한다고 명시하고 있다. [그림 12] 응축형 보일러 응축형 보일러가 설계효율을 내기 위해서는 적용할 시스템에 대한 평가를 통하여 보일러의 설계조건을 충족할 수 있는가를 확인할 필요가 있다. 리턴수를 사용하는 보일러의 경우 그 온도가 높은 경우에는 설계효율을 얻을 수 없기 때문에 경제성을 재평가해야만 한다. 또한 부하변동이 있어야만 하는 보일러의 경우에는 응축수가 발생하는 위치가 부하에 따라 달라질 수 있기 때문에 보일러와 열교환기의 수명을 위하여 응축수가 발생하는 부분의 내식성재료의 사용여부를 검토하여야 할 것으로 사료된다. [그림 12]에 응축형 보일러의 일례를 도시한다. 이 보일러는 공기예열기에 히트파이프를 사용하였으며, 그 후단에 응축형 절탄기를 직렬로 설치하였다. [그림 13]에 [그림 12]와 같은 응축형 보일러에서 실시된 열정산 결과의 일례를 도시한다. 이 경우에 응축형 보일러의 열정산 결과는 저위발열량 기준으로 열효율이 100%(고위발열량 기준효율 약 90%)로 나타났다. [그림 13] 응축형 보일러의 열정산 예 2. 보일러의 에너지 절약기술 보일러는 연료와 공기가 공급되어 연소되어 열을 발생하고, 공급되는 급수를 가열하여 증기나 온수로 출력이 되며, 배기가스는 폐열을 가지고 굴뚝으로 배출된다. 또한 보일러에서는 공기와 연료 및 급수를 공급하기 위해서 송풍기나 펌프의 구동이 필요하기 때문에 전기에너지가 소모된다. 보일러 설비의 에너지 절약은 연소개선에 의한 방법, 전열의 개선에 의한 방법, 배기가스나 브로우의 폐열회수에 의한 방법, 전력소모를 줄이는 방법, 운전관리에 의한 방법 등이 있다. [그림 14]에 보일러 에너지 절약을 위한 대상 범위를 도시한다. [그림 14] 에너지 절약을 위한 보일러의 범위 연소개선에 의한 에너지 절약으로 대표적인 것은 적은 과잉공기로 연료를 완전히 연소시키는 것이다. 이것을 위해서 보조장치로서 O2-trimming장치가 이용되고 있다. 또 연소상태를 양호하게 유지하기 위하여 연소관련장치의 손상이나 이상을 방지하기 위한 유지 관리가 필요하다. 열설비에서 에너지절약을 위한 전열문제는 2가지가 있다. 한가지는 단열이나 보온을 통하여 열의 전달을 억제하는 것이고, 또 하나는 보일러 전열관의 전열을 높이는 것이다. 전자의 문제는 적정한 보온재의 선정과 적정한 보온두께를 선택하는 것이 중요하다. 후자의 문제는 전열관의 가스측에는 soot나 연료중의 회분이 부착하면 전열관에서의 전열저항이 증대되어 배기가스온도가 높아지게 되고, 전열관의 물 또는 증기측에도 scale이 부착되면 역시 전열저항이 증대되어 배기가스온도가 높아지게 된다. 따라서 전열면이 오염되면 보일러의 효율이 저하되기 때문에 전열면에 부착하는 soot나 회분의 적절한 제거가 필요하며, scale 발생의 억제를 위하여 적절한 수처리가 필요하다. 보일러 시스템에서 폐열회수는 배기가스의 열을 회수하는 시스템과 브로우다운 수에서 열을 회수하는 방법이 있다. 또 가열을 위한 매체로 증기를 사용하는 경우 일반적으로 응축잠열을 주로 이용되기 때문에 고온의 응축수가 가열장치에서 배출된다. 이 응축수를 회수하여 급수의 예열 등에 이용된다면 에너지절약을 할 수 있을 뿐만 아니라 급수로 재활용할 수 있는 경우에는 보급수가 절약된다. 산업자원부고시 제2000-103호 "고효율 에너지기자재 보급촉진에 관한 규정"(제1999-84호를 개정한 것 임)에는 '건물용 고효율 가스보일러'을 명시하고 있며, 이것은 보일러 효율이 총발열량 기준 83% 이상인 보일러(온수가열 구조가 아닌 것은 87% 이상)를 고효율 에너지기자재로 인증하도록 명시되어 있다. 보일러효율 83%이상을 달성하기 위해서는 배기가스가 가지고 있는 폐열을 회수하여 배기가스온도가 100℃ 이하로 되어야만 하기 때문에 배기가스에 포함된 수분의 일부가 응축되는 응축형 보일러(또는 콘덴싱 보일러)로 개발되고 있다. 이 응축형 보일러는 폐열회수를 위하여 공기예열기와 에코노마이져를 장착하고 있으며, 고효율 에너지기자재로 인증된 대부분의 응축형 가스보일러는 진발열량 기준 효율이 100% 이상인 경우도 많이 있다. 전력소모를 줄이는 방법은 송풍기나 펌프류를 적정용량을 선택하거나 고효율 기기를 선택하는 방법이 있고 이러한 기기들의 적정한 운전법을 통해서도 전력을 절약할 수 있다. 정부에서는 산업자원부고시 제1999-84호 "고효율 에너지기자재 보급촉진에 관한 규정"을 통하여 '보일러용 고효율 펌프'를 지정하였다. 또 송풍기의 전력을 줄이는 방법으로 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)를 채용하는 경우도 종종 있다. 2-1. 보일러의 중점 관리사항 ① 공기비관리 : 보일러 성능관리 중 가장 1차적인 관리대상으로서 부하 변동이 심한 경우에도 항상 적정공기비 유지가 가능하도록 관리되어야 한다. 일반적으로 액체연료의 공기비는 1.1∼1.2 정도, 기체연료의 경우 1.05∼1.15수준으로 관리하면 적정한 것으로 볼 수 있다. ② 배가스온도 : 보일러 및 공기예열기의 전열면 오염을 방지하여 외부로 배출되는 최종 배가스 온도를 최대한 낮게 유지하도록 한다. 보일러의 배가스 온도의 변화추이를 주기적으로 체크하면 보일러의 성능저하여부를 용이하게 판단할 수 있으며 배가스온도 상승시에는 연소실에 그을음이 부착하거나 관내에 스케일이 형성된 것으로 볼 수 있다. 일반적으로 배가스온도를 20∼25℃ 낮추면 연료가 1%절감되는 것으로 판단해도 큰 무리가 없다. <표 4> 국내산업체 보일러 용량-형식법 공기비 현황 ③ 급수온도 : 보일러 급수온도를 7∼8℃ 높이면 연료 1%절감이 가능하다. 따라서 증기응축수, 보일러배가스열, 공정폐열 등을 최대한 회수하여 급수를 가열한다면 에너지를 절약할 수 있다. <표 5> 국내 산업체 업종 용량별 평균 급수 온도 2-2. 저공기비 운전 연소장치에서 가능한한 적은 과잉공기로 연소시키는 방법을, 일반적으로 저공기비 연소(또는 저과잉공기 연소, 저산소연소, 저O2연소)라 한다. 저공기비 연소를 행할 경우 에너지절약과 공해방지에 도움이 되기 때문에 연소설비에서는 가능한한 저공기비 연소를 행하고 있다. 여기에서는 저공기비의 여러 가지 효과를 검토한다. (1) 공기비의 정의 가스연료 1Nm3를(액체연료나 고체연료는 1kg을 기준함) 완전연소 시키기 위하여 필요한 최소한의 산소량을 이론산소량이라 하고, 이론산소량 만큼의 산소을 포함하는 공기의 량을 이론공기량이라고 한다. 이 이론산소량과 이론공기량은 연료의 성분분석치을 알고 있는 경우 연소계산에 의하여 쉽게 계산할 수 있다. 그러나 실제 연소장치에서는 이론공기량 만큼의 공기만을 공급해서는 완전연소를 시킬 수가 없기 때문에 이론공기량보다 많은 공기량을 공급하여야 한다. 따라서 실제 연소장치에서 연소실로 실제 공급되는 공기량을 실제공기량이라고 한다. 또한 이론공기량에 대한 실제공기량의 비를 공기비 또는 공기과잉율이라고 하며, 실제 연소기에서 이 공기비는 항상 1.0보다 커야한다. 여기서, : 이론공기량 A : 실제공기량 공기비 또는 공기과잉율은 이론공기량에 대한 실제공기량의 비를 의미하며, 실제 연소기에서 이 공기비는 항상 1.0보다 커야한다. 즉 공기비가 1.1 또는 1.2이라 하는 것은 과잉공기가 각각 10%, 20%이라는 것을 의미한다. 따라서 공기비가 지나치게 크게 되면 과잉공기가 굴뚝으로 가지고 나가는 열량이 많아져서 효율이 나빠진다는 것을 뜻한다. (2) 공기비 측정 보일러나 공업로와 같은 열설비의 효율적인 열관리를 위하여 운전관리자가 할 수 있는 가장 손쉬운 방법은 적정공기비를 유지하는 것이다. 그러나 운전관리하고 있는 설비의 공기비를 알기 위해서는 배기가스를 분석하여야만 한다. 이 공기비를 측정하는 방법에는 배기가스 중의 산소농도(O2)를 측정하는 방법과 이산화탄소 농도(CO2)를 측정하는 방법이 있다. 동일한 운전조건에서 2가지 방법으로 공기비를 측정한다면, 당연히 2개의 값이 일치하여야 한다. 일반적으로 연소장치의 공기비를 너무 작게 하면 완전연소가 이루어지지 않아서 미연분이 많이 발생하게 된다. 유류연료의 경우에는 분진이 많이 발생하기 때문에 바카라치 스모크No.를 기준하여 공기비를 측정한다. 즉 중유를 사용하는 설비에서는 바카라카 스모크 No. 4번일 때의 배기가스중의 O2농도나 CO2농도로 공기비를 측정 하고, 경유의 경우에는 스모크 No. 3번을 기준으로 하고 있다. 그러나 가스연료를 사용하는 설비에서는 공기비가 적절하지 못 한 경우에 분진이 발생하기 전에 CO가 먼저 발생하기 때문에 CO의 농도를 기준으로 한다. 가스연료의 경우 공기비에 따른 배기가스 중의 CO농도를 [그림 15]에 도시한다. 배기가스 중의 CO농도는 100ppm부근에서부터 공기비의 감소에 따라 급격히 증가하기 때문에 100∼200ppm일 때의 배기가스중의 O2농도나 CO2농도를 기준으로 하여 공기비를 측정한다. [그림 15] 공기비와 CO 발생량 1) 배기가스 중의 산소농도(O2)의 측정에 의한 공기비 계산 배기가스의 분석치를 이용하여, 공기비를 계산하는 경우에는 다음 근사식을 사용할 수 있다. 여기서, : 건배기 가스중의 산소(체적)농도 (vol%) 2) 이산화탄소 농도(CO2)의 측정에 의한 공기비 계산 배기가스중의 이산화탄소 농도를 계측하여 공기비를 계산하는 경우에는 다음 식을 사용한다. m : 공기비 : 이론공기량으로 완전연소시키는 경우의 배기가스중의 농도 ( % ) : 건배기가스중의 농도 ( % ) 이 경우에 max값은 유류연료의 경우에도 중유 (max = 15.7) 와 경유 (max = 15.0) 등 연료의 종류에 따라 값을 사용하였다. 가스연료의 경우에도 이 max 값은 사용연료에 다른 값을 적용하여야 한다. 국내에서 사용하는 천연가스의 경우에도 max = 12.0로 하여 공기비를 계산한다. (3) 적정공기비 버너의 연소성능은 버너본체와 에어레지스터에 의해서 결정되지만, 이 성능을 유지하여 운전하기 위해서는 공연비 조절장치가 뒷받침되어야 한다. 공연비 조절장치가 적합치 못한 경우에는 연소기기의 운전성능이 저하되게 된다. 버너의 성능을 표시하는 한 방법으로 적정공기비를 사용한다. 이 적정공기비는 [그림 16]과 같이 과잉공기에 의한 배기손실과 불완전연소 손실의 합이 최소로 되는 공기비를 의미한다. 운전공기비가 적정공기비보다 작으면 불완전연소에 의한 미연손실이 급격히 증대하고, 적정공기비 보다 운전공기비가 크게 되면 과잉공기에 의한 배기손실이 증가하게 된다. 이 적정공기비는 화염안정, 공기혼합 및 연소실조건 등에 따라 각 버너마다 다른 값을 갖는다. 동일한 버너의 경우에도 연소량의 변화에 따라서도 적정공기비의 값이 [그림 17]과 같이 달라질 뿐 아니라 공기 온도 등의 운전조건에 따라서도 달라진다. 보일러의 부하에 따라 연소량이 변화하게 되면, [그림 17]의 적정공기비로 보일러가 운전될 수 있을 대 보일러의 운전효율이 증대될 수 있다. 그러나 가스유량 조절밸브와 공기조절댐퍼의 유량특성이 서로 다르기 때문에 부하의 변동에 따라 적정공기비가 되도록 공기와 연료를 조절하는 장치가 필요하게 된다. [그림 16] 적정 공기비 [그림 17] 부하별 적정공기비의 예 (4) 에너지 절감효과 연소개선에 의해 공기비를 낯추게 되면, 일반적으로 [그림 18]과 같이 보일러의 효율이 증대되고, 보일러의 배기가스온도는 저하한다. 따라서 저공기비 연소에 의한 에너지절약 효과는, 과잉공기량의 변화에 따른 배기가스의 현열손실과 배기가스온도에 따른 현열손실의 변화 및 배기가스중의 CO와 Soot 등의 미연손실을 고려하여 계산될 수 있다. [그림 19]는 CO와 Soot의 농도에 따른 연료 1㎏당 의 미연손실 열량을 나타낸다. 액체연료를 연소시키는 연소설비기구의 경우 환경법의 배출허용치는 CO 350 ppm/N㎥(4% O2)이고, 분진량은 100 mg/N㎥(배출가스량 6,000 N㎥/h∼30,000 N㎥/h ) 150 mg/N㎥ (배출가스량 6,000 N㎥/h 미만)이다. 배기가스중의 분진은 50∼60%정도 Soot를 포함하고 있다. 따라서 배출허용기준 이하로 운전되는 연소설비의 경우 미연손실은 연료 1㎏당 30 kcal (미연손실율은 약 0.3%)이하 임을 [그림 4]에서 알 수 있다. 이 미연손실은 작아서 무시할 수 있기 때문에 공기비 개선 전후의 과잉공기량 변화와 배기가스온도 변화에 따라 보일러의 배기가스 손실율을 쉽게 계산할 수 있다. [그림 18] 공기비에 따른 보일러의 효율과 배기가스온도 [그림 19] 미연소 손실열량 LNG를 연료로 사용하고 있는 4t/h 용량의 증기보일러에서 연소량이 240 Nm3/h인 경우 공기비를 조절하며 실측한 배기가스의 측정결과를 <표 7>에 나타낸다. 즉, 이 결과는 배기가스 중의 산소농도가 5.0%로 운전되는 보일러의 공기비를 적정공기비로 조절한 경우에 배기가스 중의 산소농도가 1.0%로 되었다. 실측한 배기가스의 측정결과를 이용하여 배기가스 열손실율을 계산한 결과를 <표 7>에 나타낸다. 이 표에서 알 수 있듯이 배기가스 중의 산소농도 5%로 운전되던 이 보일러의 경우 적정공기비로 조절하면 약 2.2%의 에너지가 절약할 수 있다. <표 6> 배기가스의 실측치 2-3. 대수제어 시스템 대수제어 시스템은 사업장에서 필요한 전체 열량을 얻기 위하여 여러 대의 소형 보일러를 병열로 설치하고 그것들을 부하에 따라서 적절히 운전하는 것을 대수제어라 한다. 예를 들면, [그림 20]과 같이 100% 부하를 각각 25% 부하에 해당하는 소형 보일러 4대를 설치하고, 사업장에서 필요한 열량이 50%부하일 경우에는 2대만을 운전하고, 75% 부하가 필요한 경우에는 3대를 운대하는 방식의 제어방식이다. 100% 부하로 운전할 수 있는 보일러를 1대만 설치하여 50%부하 또는 75% 부하로 운전하는 경우에는 부분부하 운전이 되기 때문에 운전효율이 저하한다. 그러나 대수제어를 하는 경우에는 각각의 보일러가 100% 부하에 근접한 운전을 할 수 있기 때문에 운전효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다. 특히 부하변동이 심한 경우에는 대수제어가 더욱 효과적이라고 할 수 있다. 실제 증기사용량이 1.5 ∼ 4.0t/h의 범위에서 변하는 공장에서 1.0t/h의 보일러를 4기 설치하여 대수제어 하는 경우의 부하배분 예를 [그림 21]에 나타낸다. 여러 대의 보일러를 분산설치하는 경우에는 중앙제어실에서 멀리 떨어져 설치되어 있는 모든 보일러의 기동을 제어하고 부하에 적합한 운전을 실시며 운전상태를 모니터링하는 원격제어장치 시스템이 도입되고 있다. 이 경우에 모든 보일러는 통신용케이블로 중앙제어실의 컴퓨터에 연결이 되고, 원격제어용 프로그램이 설치된 컴퓨터가 모든 운전을 제어하고 모니터링하는 기능을 담당한다. 이렇게 함으로서 보일러를 효율적으로 운전할 수 있으며, 무인 자동운전이 가능할 수도 있다. [그림 20] 대수제어 시스템의 예 [그림 21] 대수제어 시스템의 부하배분 2-4. 연소효율과 열효율 열설비를 평가할 경우에 효율이라는 말을 많이 사용한다. 보일러의 경우에도 보일러효율과 연소효율이라는 말을 많이 사용한다. 연소효율이란 연료가 가지고 있는 화학에너지 즉 발열량을 연소과정에서 얼마만큼 열로 변환하였는가를 의미한다. 따라서 연소효율은 다음과 같이 표시할 수 있다. 가스연료를 사용하는 보일러에서 미연소 손실열량은 대부분 CO에 의한 손실이다. < 표 7 >에 배기가스 중의 CO농도에 따른 미연소 손실열량을 나타낸다. 이 표에서 알 수 있듯이 CO에 의한 손실열량은 고발열량의 0.1%이하이다. 따라서 환경기준치 이하의 CO농도로 운전되는 가스연소설비의 연소효율은 99.8%이상이 된다 (액체연료를 사용하는 연소설비의 연소효율도 99.5%이상임). <표 7> 배기가스중의 CO농도에 따른 열손실 (kcal/Nm3-LNG) 보일러효율 산정방식은 보일러로 들어온 총입열량에 대한 유효출열의 비로써 다음 중 하나에 따른다. a) 입출열법(직접법) : b) 열손실법(간접법) : 일반적으로 가스보일러의 효율은 80% 이상이지만, 산자부 고시 99-84호에서 고효율기자재 가스보일러는 95% 이상이어야 한다(온수가열 구조가 없는 것은 91% 이상이어야 함)고 기술하고 있다. 이 고시와 같이 보일러 효율이 95% 이상인 보일러의 배기가스온도는 100℃ 전후이기 때문에 전열면에서 배기가스 중의 수증기가 응축된다. 이와 같이 배기가스중의 수증기가 물로 응축하는 보일러를 응축형보일러라고 한다. 보일러효율의 효율계산에 필요한 손실열 중의 하나가 미연소손실이다. 환경기준치에 적합하게 운전되고 있는 가스연소보일러의 미연소 손실율은 0.2% 이하라고 할 수 있기 때문에 비교적 작은 값이다. 특히 근래에 연료배관 중에 영구자석이나 전자석 또는 세라믹 등등을 설치하면 연소효율이 향상되어 보일러효율이 5∼20% 향상된다고 주장하는 것은 상당히 과장된 표현이라고 할 수 있다. 연소보조장치를 장착하여 가스버너의 연소효율을 향상시킬 수 있는 최대량은 0.2% 이하(유류버너의 경우는 0.5% 이하)라고 말 할 수 있다. |
보일러용 외부혼합식 가스버너의 종류
1) 통형(Center - Fire형 : 센터-파이어형) 가스버너 : 일명 건(gun)형 가스버너라고도 하며 가스는 버너중심에 설치한 노즐(nozzle)에서 분출한다. 이 버너는 노즐의 중심부에 유류버너를 내장할 수 있도록 2중관 구조로 하여 기름버너에서 분사되는 유류 연료분무 외측에 가스가 분출되기 때문에 기름의 분무가 가스분류에 영향을 받는다. 고로 액체연료와 가스연료를 교체하여 사용하는 혼소연소버너에 적합한 버너이다.
① 버너의 구조가 간단하다.
② 가스의 종류에 관계없이 가스를 다양하게 사용한다.
③ 노즐의 면적이 적어서 가스의 공급압력이 높아야 한다.
2) 저압 센터 - 파이어형 가스버너
① 가스의 공급압력이 낮은 경우에 사용된다.
② 노즐의 면적을 크게하여 낮은 압력에서도 사용이 가능하게 제작된다.
③ 가스와 공기의 혼합촉진을 위하여 노즐부를 수개의 소실로 분할 분출하고 공기와 가스를 이
곳을 통해 교대로 분출시키는 구조로 되어 있다.
④ 센터-파이어형과 유사하게 이중관 구조로 하여 중심부에 유류버너를 설치할 수 있다.
3) 링형(Ring형) 가스버너 : 버너타일(tile)과 비슷한 직경의 링(ring)에 다수의 노즐을 설치한 것으로 노즐수가 많기 때문에 보염효과가 크고 버너타일 전부에 걸쳐 연료가 균일하게 분사되기 때문에 매우 안정된 화염을 형성한다. 그러나 노즐부분에 수열면적이 커서 LPG와 같은 고탄화수소 가스에는 좋지 않다.
❉ 버너 중심부에 유류버너를 설치할 수 있는 공간이 충분하여서 유류나 가스연료가 서로 상호
간섭 없이 잘 혼합될 수 있기 때문에 동시 훈소에 가장 이상적인 버너이다.
4) 다분기관형(Multi-Spot형 : 멀티-서포트) 가스버너 : 링형 가스버너와 유사하나 노즐부의 수열면적을 작게하여서 열분해로 인한 연료의 탄화를 방지하고 동시에 노즐에 불순물등의 청소가 용이하여 LPG용 가스버너로 적당한 버너이다.
5) 스크롤형(Scroll형) 가스버너 : 일명 소용돌이형 가스버너라 하며 노즐의 면적을 아주 크게 할 수 있기 때문에 가스의 공급압력이 낮은 경우나 열량이 적은 저칼로리의 대용량 가스버너에 적당한 가스버너다.
6) 저 질소산화물(NOX) 버너
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