100 kW급 산업용 목재펠릿 보일러에서 공기비 제어에 따른 배기가스 특성 연구 = Study of the Emission Characteristics of a 100 kW Industrial Wood Pellet Boiler with an Air-fuel Control System

국문 초록 (Abstract)

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.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In Korea, renewable energy development and distribution have focused on solar, wind, and geothermal energy. Globally, the use of wood fuel is expanding to increase the proportion of renewable energy. Biomass energy, which utilizes wood fuel (wood chips or wood pellets), is a representative renewable energy source recognized by the International Energy Agency (IEA), along with solar, wind, and geothermal energy. In Korea, 20 kW class residential wood pellet boilers are widely used, and 100 kW to 10 MW wood pellet boilers are used for industrial purposes. Usually, industrial wood pellet boilers supply a constant amount of fuel, and the blower delivers the appropriate amount of air according to the amount of fuel. Thus, it is difficult to achieve optimal combustion with changes in the calorific value or amount of fuel. We conducted an experimental study of emission characteristics with and without air-fuel control for a 100 kW industrial wood pellet boiler. To control the air-fuel ratio of the boiler, we used a lambda sensor, a PID controller, and an inverter to control blower. Without an air-fuel control system, O2 concentrations tended to increase slightly over time due to inadequate combustion air supply. In particular, CO emissions reduced to 24% compared to the system without air-fuel control.