1. 바이오매스 연소기술 핵심내용
1) 핵심 요소기술 주요내용 및 특징
- 특화된 바이오매스 연소 및 보일러 기술은 목재 및 왕겨, 축분 펠릿 등의 바이오매스 연료를 사용하는 산업용 보일러의 연소실(연소로)에 적용되는 것으로, 본 기술이 적용된 산업용 보일러는 연소로, 스팀보일러, 덕트, 에코노마이저, 집진시설 등으로 구성된다.
- 본 기술의 핵심 기술인 연소실(연소로)은 ①하부연소실 ②상부연소실 ③로스톨부 ④공기분사부 ⑤산소분사부로 구성된다. 하부연소실에서 1차연소(직접연소), 2차연소(CHAR연소, 증발연소), 상부연소실에서 3차연소(연소가스연소)가 이루어져 바이오매스를 연료로 사용하는 산업용 보일러의 완전연소를 유도하는 것이 핵심 기술 및 특징이다.
[보일러 연소실의 측면 투시도]
| 순번 | 명칭 | 기능 |
| 하부연소실 | 고형의 바이오매스가 투입되어 연소가 이루어지는 공간 | |
| ② | 상부연소실 | 하부연소실에서 연소된 고형의 바이오매스 연료에서 발생된 연소가스가 연소되는 공간 |
| ③ | 로스톨부 | 하부연소실에 설치되며, 컨베이어벨트의 작동에 의해 고형의 바이오매스 연료를 원주방향으로 회전시키는 장치 |
| ④ | 플라즈마+공기분사부 | 하부연소실에서 연소되는 고형의 바이오매스 연료에 공기 + 플라즈마를 분사해주는 장치 |
| ⑤ | 산소분사부 | 상부연소실에서 연소되는 연소가스에 산소를 분사해주는 장치 |
- 본 기술이 적용된 산업용 보일러의 3차 연소에 의한 완전연소 유도 PROCESS는 다음과 같다.
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바이오매스 펠릿의 연소반응(건조 탈휘발 및 숯 연소) 단계는 상기 그림과 같이 나타낼 수 있다. 바이오매스의 탄화 속도는 열분해와 열 발생의 상호작용에 영향을 받으며 이는 바이오매스의 종류, 밀도, 함수율, 열 침투성, 열적특성과 같은 많은 변수들의 함수이다 고체연료는 대부분 연소를 통해 소각하여 열을 이용하고 있는데 바이오매스는 석탄과 비교하면 상대적으로 수분이 많다. 따라서 초기 펠릿이 온도가 증가되면 증발이 일어나 건조수분이 발생되고 이후 분해연소를 통하여 휘발성분이 발생되며 남은 펠릿은 숯(Char)으로 변한다 다음, 최종단계로 표면연소를 통하여 숯(CHAR)은 재(Ash)로 변하고 휘발분은 연소가스로 변한다 여기서 표면연소는 다시 완전연소 및 기상연소(Vapor Combustion)로 나누어 일어나게 된다. 은 이러한 전체 연소과정에서 바이오매스펠릿이 완전연소되어 연기가 발생하지 않는 시스템이다.
이때 연소가스의 연소에 의하여 일반적인 고형화 연료 연소와 매우 다르게, 가스연소의 형태가 이루어져 매우 높은 고온 연소(1,200도 이상)가 이루어지게 된다.
2) 특화된 연소 PROCESS
| 바이오매스 연료 투입 | |
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| 연료 혼합 | 2차 연소 |
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| 연소가스 발생 | 3차 연소 |
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2. 기존 기술과의 차별성
- 국내에서는 보일러에 적용되는 바이오매스 연료로는 주로 목재 펠릿이 사용되고 있다. 목재 펠릿은 임업 부산물이나 목재를 파쇄·가공하여 작은 펠릿이나 칩 형태로 만든 고형 연료를 말한다. 화력발전소에서 석탄과 혼소하거나, 가정용 보일러에 난방·온수를 위한 연료의 용도로 주로 사용된다.
- 목재 펠릿은 국내에서 생산되는 바이오에너지 중 가장 많은 비율을 차지하며, 그 다음으로는 Bio-SRF와 바이오중유가 주요 발전원으로 사용된다. 여기서 Bio-SRF(Biomass-Solid Recovered Fuel)은 왕겨·견과류 껍질, 커피박, 옥수수대, 축분 등 농업, 임업, 축산업부산물을 재료로 하여 제조되는 바이오매스 원료를 말한다. Bio-SRF는 목재 펠릿보다 가격이 저렴하다는 장점이 있으며, 열병합 발전소에 혼소 원료로 일부 사용하려하고 있다.
[신재생에너지 보급통계 중 발췌]
| 구분 | 2018년 | 2019년 | 2020년 | 2021년 | 2022년 |
| 바이오에너지 총발전량(MWh) | 9,363,229 | 10,415,632 | 9,938,354 | 11,788,068 | 11,927,592 |
| 목재 펠릿 총발전량(MWh) | 4,837,318 | 4,959,229 | 4,926,845 | 6,794,232 | 7,393,419 |
| Bio-SRF 총발전량(MWh) | 1,782,965 | 2,068,895 | 1,983,916 | 1,892,499 | 1,892,487 |
| 목재 펠릿 발전비중 | 51.66% | 47.61% | 49.57% | 57.64% | 61.99% |
| Bio-SRF 발전비중 | 19.04% | 19.86% | 19.96% | 16.05% | 15.87% |
- 목재 펠릿과 Bio-SRF 등 바이오에너지 총발전량의 77% 이상을 차지하고 있으나, 화력발전소/열병합 발전소의 혼소 용도 외에는 그 사용이 확대되고 있지 않은 상황이다. 가정용 보일러, 스토브, 농업용 보일러 등에 사용되고 있긴 하나, 발전소에 사용되는 것에 비하면 그 비중은 매우 미미한 편이다. 거의 사용 하지 않고 있다고 보아도 무방할 정도이다. 이유는 크게 다음의 세 가지로 분류할 수 있다.
① 바이오매스 연료의 낮은 발열량 → 연소 효율 감소 및 에너지 생산 단가 상승
② 높은 함수율로 인한 불완전 연소 → 매연, 분진, 소음 및 진동 발생
③ 연소 잔재물의 다량 발생 → 잦은 연소로와 보일러의 고장과 파손으로 사용자의 조업에 막대한 영향 발생
④ 환경오염 발생 → 국내 환경 기준에 부합하는 바이오매스 보일러(연소) 시설이 거의 없음
- 이 중 소형 에너지 생산 설비에 바이오매스를 사용할 수 없게 하는 가장 큰 원인은 불완전 연소로 인한 매연, 분진, 소음, 진동 발생 및 연소 잔재물의 다량 발생이다. 화력발전소·열병합발전소와 같은 대형 시설은 다양한 연소 제어설비가 구성되어 있어 바이오매스 연료를 사용하여도 연소를 안정적으로 제어할 수 있으나, 소형 설비는 별도의 연소 제어 설비가 없기 때문이다.
- 바이오매스 연료는 나무가 생장하면서 흡수한 탄소를 다시 자연계로 배출하는 것이기에 탄소중립을 실현시킬 수 있는 원료로 각광받고 있다. 탄소중립에 대한 사회적 관심이 증대되고 있음에 따라, 바이오매스 연료 사용을 확대시킬 수 있는 차별성 있는 기술이 필요한 상황이다.
- 본 기술은 최저급 바이오매스 연료 완전연소와 사용처의 에너지 저감, 기존 화석연료 보일러보다 월등한 성능, 환경 오염 기준 충족 등 실제 가동 현장을 토대로 현장 도입 되어 실사용 현장에서 가동되고 있는 유일한 기술이다.
[기존 기술과의 비교표]
| 구분 | A사 바이오매스 연소 기술 | 기존기술 | |
| 기술명 | 바이오매스 연료를 사용하고 완전연소를 유도하는 산업용 보일러의 설계/제조 기술 | 목재 펠릿 보일러 | 산업용 증기 보일러 |
| 적용기술 | 특허 | 적용기술 없음 | 적용기술 없음 |
| 용도 | 목재 펠릿 등 바이오매스 연료를 사용하여 산업용으로 사용되는 고온·고압의 증기를 생성하는 용도 | 목재 펠릿 연료를 사용하여 산업용으로 사용되는 고온·고압의 증기를 생성하는 용도 | LNG, LPG를 연료를 사용하여 산업용으로 사용되는 고온·고압의 증기를 생성하는 용도 |
| 사용연료 | 4등급이하 목재 펠릿, 왕겨펠릿, 축분펠릿, 커피박펠릿, 기타 Bio-SRF 등 | 1등급의 목재 펠릿만 사용 가능 | LNG, LPG만 사용 가능 |
| 특징 | 1. 완전연소를 유도하여 열효율 향상 2. 대기오염배출물질 저감 3. 목재 펠릿 외에도 다양한 종류의 바이오매스 연료를 사용할 수 있어 환경기여 효과 발휘 4. 바이오매스 연료 사용으로 탄소순환 Cycle에 포함되여 탄소 배출량 감소 |
1. 목재 펠릿만 사용 가능하여 연료 수급 상황에 영향을 받음 2. 연료 상태에 따라 대기오염물질(먼지) 발생량이 급증할 수 있음 3. 클링커 발생이 많아 주기적인 청소가 필요함 4. 바이오매스 연료 사용으로 탄소순환 Cycle에 포함되여 탄소 배출량 감소 |
1. 산업계에서 가장 많이 사용하고 있는 증기 보일러 형태 2. 효율이 높고 유지관리가 용이함 3. 화석연료(LNG, LPG)를 사용하기에 탄소 순환 Cycle에 포함되는 연료가 아님 4. 연료의 채취, 사용 등 전과정에서 탄소가 배출됨 |
3. 관련산업 파급효과
1) 환경적 파급효과
- 본 기술은 바이오매스 산업용 보일러의 열효율을 향상시켜 동일한 양의 연료를 투입했을 때, 기존 기술보다 더 많은 에너지를 발생시킬 수 있다. 이를 통해 연료 사용량 절감이 가능하여 에너지자원 절감을 통한 긍정적인 환경 파급효과를 발휘한다.
- 바이오매스 산업용 보일러의 완전연소를 구현하여 대기오염물질 배출 저감이 가능하며, 이를 통해 긍정적인 환경 파급 효과를 발휘한다.
- 바이오매스 산업용 보일러에 고품질의 목재 펠릿 외에도 농업/임업 부산물을 주원료로 한 연료를 사용할 수 있어 폐기물 재활용을 통한 자원순환성 향상 효과를 발휘할 수 있다.
2) 경제적 파급효과
- 신청 기술이 적용된 바이오매스 보일러는 연료 사용량이 절감되어, 보일러 사용처에서 발생하는 연료 구입 비용을 절약할 수 있다.
- 고품질의 목재 펠릿보다 저렴한 농업/임업 부산물을 원료로 만든 연료를 사용할 수 있어 연료 구입 비용을 절약할 수 있다.
3) 산업 파급효과
- 이를 토대로 그동안 미이용되었던 바이오매스를 활용하는 국내 사용 가능한 산업용 바이오매스 에너지의 시장 규모는 2027년 기준 약 3조원 이상일 것으로 예상되고 있다. 산업용 스팀은 가열, 건조 및 가습 공정이 필요한 산업계에서 널리 이용되고 있으며, 특히 식품, 제지 등의 업계에서 활발히 사용되고 있다. 수많은 제조 기업들의 가장 큰 비용 문제중 하나가 에너지이며, 이를 절감할 수 있는 근본적인 해결방안으로 바이오매스가 적극 이용될 것이다.
- 바이오매스 연료를 사용하는 산업용 보일러는 탄소중립을 통한 친환경성이라는 장점을 갖고 있어, 이를 수요처에 활용하려는 시도는 계속해서 이루어지고 있었었다. 그러나 유해가스·먼지 발생, Clinker로 인한 제품 고장, 낮은 열효율 등으로 인해 보급이 상당히 제한적인 상황이었다.
- 특화된 연소와 친환경 기술이 적용된 바이오매스 보일러는 이러한 기존 기술의 단점을 극복한 것으로 친환경성, 경제성 등의 긍정적인 효과를 통해 상용화 및 제품 보급 확대가 빠르게 이루어질 것이다. 다양한 사용처에서의 녹색기술에 대한 수요 증가로 5년간 약 4,000명 이상의 고용창출 효과를 기대할 수 있으며, 당사에는 매출액 확대라는 성과를 가져다 줄 것으로 예상된다.
- 또한 친환경성에 대한 사회적 관심 증대, 당사의 산업용 보일러 시장 점유율 확대 성과 등을 바탕으로 관련 업계에서의 녹색기술 개발에 대한 의지가 촉진될 것으로 예상된다. 이러한 수요 확대, 기술개발 의지 촉진 등이 산업용 보일러 분야 뿐 아니라, 에너지 생산 설비 업계로 확대되는 긍정적인 산업 파급효과를 예상할 수 있다.