온실가스 감축을 위한 바이오매스를 사용하는 감축기술
바이오매스 보일러와 같은 연소장치에 바이오매스 연료를 사용 하기 위해서는 연료의 자동 공급하는 것이 필요합니다. 연료의 자동공급을 위해서는 바이오매스 연료를 균일화시킬 필요가 발생하게 되는데, 이러한 연료 자동공급을 위하여 도입되는 대표적인 방법으로 펠릿이나 칩으로 가공하는 방법이 있습니다. 그러나 목재를 예로 우드칩은 체적이 원목보다 2배 정도로 커지는 문제점이 발생할 뿐만 아니라 목재칩의 균일성이나 품질도 목재펠릿에 비하여 상당히 낮아지는 문제점이 발생하기 때문에 온실가스 저감을 목적으로 목재를 바이오매스 연료를 사용하기 위해서는 목재펠릿이 가장 우수하다고 할 수 있습니다.
1. 온실가스 감축기술 특징(목재펠릿 예)
목재펠릿의 원리
“목재펠릿”이란 이물질이 없는 목재(木材)를 압축 성형하여 생산하는 작은 원통 모양의 표준화된 펠릿 형태로 만든 목질계 고체 바이오 연료를 말합니다.
목재펠릿을 제조하는 과정에서 압축성형을 하기 위하여 목재를 톱밥으로 분쇄하여 건조한 후 고압으로 성형기(다이스)을 통과시킴으로써 펠릿의 형태로 일정한 직경을 갖는 목재펠릿으로 제조됩니다. 이때 압축성형 다이스에 따라서 목재펠릿의 직경이 결정됩니다. 국내에서는 직경이 6∼8 mm인 것을 대부분 사용하고 있으며 목재펠릿 품질을 1급∼4급으로 구분하고 있습니다.
국내 목재펠릿 품질을 1급∼4급으로 구분하고, 1급은 난방용, 2급 목재펠릿은 난방용 및 산업용 연료로 권장하고 있고, 3급과 4급은 발전용 및 산업용으로 용도를 구분하고 있습니다. 특히 산림청에서 보급사업의 일환으로 보급하고 있는 주택용 목재펠릿 보일러(20,000 kcal/h)의 경우에는 1급 펠릿만을 사용하도록(보일러의 명판에 명시) 하고 있습니다.
목재펠릿의 특징
유류(경유, 등유, BC유 등)나 가스연료(LNG, LPG, CNG 등)에는 수분이 거의 포함되어 있지 않지만, 목재펠릿에는 중량비로 8% 정도의 수분을 포함하고 있습니다. 이 목재펠릿이 가지고 있는 수분량을 함수율로 표기합니다.
유류나 가스연료에는 회분(Ash)이 거의 포함되어 있지 않지만, 목재펠릿은 0.5∼6.0%의 회분(Ash)을 포함하고 있습니다. “회분”이란 특정한 조건하에서 목재펠릿 연소 후에 남는 잔류 무기물의 양으로 백분율로 표기하는것입니다.
연료에서 중요한 부분인 발열량은 통상적으로 4,200∼4,500 kcal/kg 정도됩니다.
목재펠릿 보일러 특징
목재펠릿 보일러는 고체연료를 완전 자동으로 운전하는 보일러로 기름보일러나 가스보일러와는 다른 구조의 연소장치를 필요로 합니다. 또한 이 연소장치에 연료 중의 회분에 의한 클링커가 발생하지 말아야 하며(적게 발생해야 합니다), 크링커가 발생하는 경우 이를 처리할 수 있는 방안이 있어야 합니다. 또한, 이 회분이나 재가 전열면을 오염시키면 열성능이 저하되기 때문에 그 대책이 필요하고 연소실의 화염이 목재펠릿 공급장치로 역화 되는 것을 방지하기 위한 대책도 필요합니다.
아래는 바이오매스 보일러가 가져야 하는 일반적인 특징입니다.
(1) 역화방지장치
역화현상을 방지하기 위한 수단으로 다음과 같은 역화방지장치가 있습니다.
로터리밸브 방식, 드롭슈트 방식, 비상배출 방식, 차단댐퍼 방식
화격자로부터 역화를 방지하기 위하여 최소 2개 이상의 역화방지장치를 갖추고 있어야 하며, 역화방지장치 작동 시에는 연료공급이 차단되어야 합니다.
적어도 1개 이상의 역화방지장치는 전원공급 상태에 관계없이 작동해야 합니다. 만약 역화방지장치 중 1개가 비상 연료배출장치의 형태로 설계된 경우, 연소장치는 비상전원 공급장치에 의해 정전 시에도 연료를 연소실로 배출할 수 있는 구조이어야 합니다.
상향식 연료공급장치에는 역화방지장치로서 1개 이상의 비상연료 배출장치가 설치되어야 합니다.
연료공급장치에 드롭슈트가 있는 경우 드롭슈트 의 길이는 화염면에서 최소 250mm 이상으로 합니다. 단, 열출력이 15kW 이하인 경우는 150mm 이상이어야 하며 또한 드롭슈트의 재질은 내화성 재질이어야만 합니다(역화 시에 소손되는 재질 (플라스틱이나 투명호스 등)은 불가)
일체형 연료저장장치의 경우, 정상적인 환경에 서 연료저장장치 뚜껑을 개방하거나 뚜껑을 개방한 상태로 운전될 때 연기가 역류하거나 역화가 발생하여서는 안됩니다.
정상적인 상태에서 연료공급장치의 온도는 95℃ 를 넘어서는 안되며, 역화방지 장치용 온도센서의 온도가 95℃ 이전에 역화방지장치가 작동해야 합니다.
(2) 화격자 청소장치
보일러 정지 시에 화격자를 자동으로 청소하는 장치 또는 정상운전 중에 화격자를 자동으로 청소하는 장치를 갖추고 있어야 하며, 단, 이동식 화격자(궤도형, 무빙게이트 등)의 경우에는 화격자 자동청소장치가 있는 것으로 간주합니다.
화격자 자동청소장치를 갖추고 있는 보일러의 경우 정지 후에 화격자상의 클링커 및 잔존연료가 존재하지 않아야 합니다.
화격자 자동청소장치는 연소실 고온 분위기에서 정상적으로 작동하여야 합니다.
화격자 자동청소장치의 종류 : 보일러 정지 시에 화격자를 자동으로 청소하는 장치 또는 정상운 전 중에 화격자를 자동으로 청소하는 장치로 다음과 같은 종류가 있습니다.
힌지(Hinge)식 화격자 자동청소장치 -슬라이딩(Sliding)식 화격자 자동청소장치, 왕복 스크레이퍼(Scraper)식 화격자 자동청소장치, 회전 스크레이퍼(Scraper)식 화격자 자동청소장치
2. 바이오매스 연료의 생산 기술(건조)
바이오매스의 종류는 농림축산업부산물로 작물을 수확 후 남은 부산물, 작물 주변 목질계 및 초본계 부산물, 가축을 기르며 나오는 다양한 폐기물로 축분, 우분, 계분, 폐사료, 농산물과 임산물을 가공하고 버려지는 산물 등을 활용할 수 있습니다.
바이오매스 펠릿은 수분을 최대한 제거하여 열량을 높임으로 연료로서의 기능을 극대화하는 것이 가장 우선 선행되어야 합니다. 이를 위해서 건조가 매우 중요한 부분입니다.
최초 자연건조를 기본적으로 수행하고, 냄새와 수분을 동시에 제거하기 위하여 발효 건조를 도입하여 처리할 수 있습니다. 다소 많은 시간이 소요되는 과정으로 어느정도 냄새가 제거된 후에 로터리 킬른을 통해 2차 건조를 수행하는것이 가장 빠른 건조 방법이 될 수 있습니다.
이 건조 과정이 가장 비용이 많이 발생한는 부분이기도 합니다. 이 비용을 최소화 하기 위햐서 건조에 필요한 열원 역시 바비오매스를 사용한 버너를 활용할 수 있어야 가장 저렴한 바이오매스 펠릿 연료 생산이 가능합니다.
바이오매스 펠릿을 만들기 이전에 부산물의 건조 상태는 20% 이내의 함수율을 가질 수 있도록 건조가 되어야 합니다.
건조된 바이오매스 메쉬 사이즈는 6mm 이하가 펠릿을 만들기 적당한 크기입니다..
3. 도입효과
(1) 에너지 절감으로 비용 감소
(2) CO₂배출 저감(온실가스 감축)
(3) 환경 개선
(4) 새로운 산업의 형성으로 고용 창출 효과 발생
(5) 자원의 순환 경제 형성 가능