Current Issue

1차 시제품을 대상으로 공기댐퍼 조절에 따른 점화특성과 연소특성 변화에 대한 시험분석결과, 1차 공기댐퍼를 조건 별(closed 100%, open 50%, open 100%)로 변화시켰고 2차공기는 100% open상태를 유지하며, 화염형상을 관찰하고, 연소배가스 O₂ 농도와 CO 농도변화를 분석하였다. 1차 공기댐퍼 조절 비율에 따라 화염의 형상과 연소 특성이 다소 차이를 보이는 것으로 나타났다. Fig. 2에 나타낸 화염형상 모습과 같이 1차 공기량이 많은 조건에서는 리프팅 현상으로 인해 화염형성이 불규칙하며 최적의 연소조건이 확립되지 않는 것을 확인하였으며, 1, 2차 공기댐퍼를 모두 열었을 경우(Fig. 3 (c)), O₂ 농도 4% 이하, CO 농도 1,000 ppm 이상으로 효율적인 연소가 이루어지지 않는 것으로 나타났다.

Fig. 3 
Picture of flame by controlling air damper (a) 1^st air damper close, (b) 1^st air damper 50% open (c) 1^st air damper 100% open

특히 연료 점화시는 1차 공기댐퍼에서의 50% 이상의 연소공기가 충분히 확보되어야 비교적 쉽게 점화되는 것을 확인하였고 1차 공기댐퍼 50% 조건에서 화염이 안정적이며 O₂농도 분포가 약 5∼7%, CO농도 100∼500 ppm로 연소시 안정적인 열분해 조건을 위해서는 2차 공기(후 연소공기)의 역할이 중요한 것으로 나타났다. 다만 지속적으로 2차 공기 비율이 높아지면 O₂ 농도가 12% 이상 상승하며 CO농도가 동시에 증가하는 것을 확인하여 1차 및 2차 공기비의 최적화 조절을 통해 댐퍼홀 크기를 결정하는 것이 필요할 것으로 판단하였다.

1차 시제품을 대상으로 연료 등급 2종류(쪼갬목 500mm, 300mm)에 따라 각 연료별 총 8시간 동안 연소 특성시험을 수행한 결과를 Table 3과 Fig. 4에 나타내었다. 모든 결과값은 2시간 이상 평균값으로 계산된 수치이며, CO발생농도가 다소 높은 3, 5, 10차 시험은 화목을 적재하면서 발생 된 일부 차이 등에 의해 순간 투입공기량 변화가 발생하여 O₂ 농도가 4% 이하가 되면서 CO 평균농도가 상승한 결과를 나타낸 것이다. 연료 등급에 따른 연소특성을 분석한 결과, 품질이 가장 좋은 연료(A1 등급)을 연소하였을 때, 연소효율이 좋은 것으로 나타났다. 이는 투입되는 화목연료의 양이 일정하고 그 크기가 커서 가스량 발생이 안정적임에 따라 연소특성이 가장 우수한 결과로 판단된다.

Fig. 4 
Result of (a) heating output (b) concentration of major air pollutants by wood fuel grade

그러나 이러한 연료별 연소 특성 차이에도 불구하고, 일부 시험과정에서 발생한 CO 농도의 급격한 상승 구간을 제외하면 연료별 연소에 따른 차이는 크지 않았으며, 특히 국내 단체표준기준과 비교 시 매우 월등한 연소 특성이 나타났으며, 유럽의 EN303-5(Class 5급)의 CO농도 기준(700 mg/m³)과도 큰 차이를 보이지 않는 것으로 평가되었다. 이에 연료의 품질등급에 따른 보일러 성능의 차이는 크지 않은 것을 확인하였다. 연소 종료 후, 최종 발생되는 회분(Ash)함량은 전체 투입 연료 대비 0.63∼1.25% 수준으로 나타났으며, 이는 연료가 함유하고 있는 고유의 회분함량(1.3 wt%) 대비 적은 비율로 보일러 내부에서 완전한 연소와 열분해가 되었음을 의미한다.

30 kW급 화목보일러에 대한 난방출력과 효율에 대한 성능시험을 수행하였다. 먼저 난방출력량 분석결과, 2시간 동안 연소했을 때, 순환수량의 측정값(3,920 L)에 물의 비중량(약 977.7 kg/m³)을 환산하여 최종 순환수량은 0.532 kg/s였으며, 난방출수구의 평균온도 측정값(72.1℃), 난방 환수구 평균온도 측정값(57.5℃)을 활용해 물의 비열을 환산한 결과 약 4,174 J/kg℃로 평가되었다. 위 결과값을 바탕으로 난방출력(W)을 계산한 결과, 32.3 kW의 난방출력성능을 보이는 것으로 평가되었다. 또한 난방효율(%)에 대한 분석결과, 2시간 동안 사용된 연료량(19.9 kg), 시간당 연료소모량(0.0028 kg/s), 목재연료 발열량 수치로 계산된 연료 진발열량(NCV : 13,280 kJ/kg)으로 열입력량(Q_B)을 계산한 결과 36,8 kW로 나타났다. 최종 난방출력량에 대한 백분율로 계산한 결과, 30 kW급 화목보일러의 난방효율 87.9%로 평가되었다.

종합 환경성평가는 2차 시제품을 대상으로 A2등급의 쪼갬목을 연료로 사용하였으며, 열교환장치 사용 및 난방수가 배출되는 것을 기본 조건으로 설정하였다. 또한 공기댐퍼 조건은 1차 공기댐퍼 50%, 2차공기댐퍼 100%, 최종 후단 댐퍼 50% 열림 조건에서 시험을 진행하였다. 입자상 오염물질(PM₁₀, PM_2.5)농도분석은 중량법 측정, 광산란방식 미세먼지 측정기(Grimm 11-D, Germany)를 사용해 미세먼지 입자분포 분석을 동시에 수행하였다. 가스상 오염물질은 총 2회 연소배가스 측정장비(MK 9000)로 배가스 출구 500 mm 지점에서 연속적으로 실시간 측정하였으며, Table 4에 측정장치의 사양을 나타내었으며, 평균농도 분포 결과는 Table 5에 나타내었다.

대기오염물질 환경성 평가결과, 가스상 오염물질은 국내표준규격^[3] 기준에 비해서는 월등히 낮은 결과를 보였으며, 1차 시제품의 연소시험 결과와 비교 시 CO농도는 크게 낮아졌으며, NOx농도는 유사한 수준으로 배출되는 것을 확인하였다. 각 오염물질 별 농도분포를 살펴보면, 먼저 CO 평균농도는 418.0∼459.6 ppm(359.0∼359.9 ppm, 12% O₂기준)으로, 1차시제품 시험결과(249.4∼2671.4 ppm)에 비해 안정적인 연소결과를 보이는 것으로 나타났다. 이는 공기비 댐퍼 조절 및 고온연소공기의 2차 공급을 위해 연소실 내부 벽면에 전열 덕트를 설계하여 연소실 측면에 배치⋅설치함으로써 연소공기가 덕트 1개당 직경 10 mm의 hole을 통해 연소실 내부로 공급되는 구조개선에 의한 결과로 판단된다. 또한 공기 유동을 방해하지 않으면서 적정한 공기비 범위(배가스 O₂ 농도 7∼12%)에서의 공기 공급량을 조절하여 최적의 연소조건을 통해 불완전 연소를 최소화한 결과로 사료된다.

1차와 2차 분석 결과를 평균한 NO농도는 101.1∼110.6 ppm(86.6∼86.9 ppm, 12% O₂기준), NO₂농도는 1.0∼1.1 ppm(0.9 ppm, 12% O₂기준), NOx농도는 102.2∼111.7 ppm(87.5∼87.8 ppm, 12% O₂기준), O₂농도는 9.51∼10.52%로 분석되었다. 미세먼지 중 PM₁₀은 33.8 mg/Sm³, PM_2.5는 32.9 mg/Sm³로 수준으로 배출되는 것으로 평가되었다.

미세먼지의 실시간 측정결과를 분석한 결과(Fig. 5), 연소시간 초반 높은 농도의 미세먼지 배출되는 것이 확인되었고 대부분의 입자크기 분포는 0.5 µm 이하 크기의 미세먼지 배출량 비율이 월등히 높은 것으로 나타났다. 0.5 µm 이하 미세먼지 입도 기여율은 0.265∼0.375 µm 크기입자가 전체 입자크기 대비 기여율이 가장 높았고, 0.265 µm 이하 > 0.376∼0.435 µm > 0.475 µm 순으로 분석되었다. 또한 입자 크기가 클수록 미세먼지 기여율은 매우 낮았으며, 세부적으로 분석해보면 입자크기 별 기여율은 1.2 µm 이하 > 3.75 µm 이하 > 10 µm 이하 순으로 평가되었다.

Fig. 5 
Result of particle counter during measurement time

종합적으로 미세먼지의 입자크기 분포를 분석한 결과, 화목보일러의 연소 시 발생되는 미세먼지 입도는 매우 작은 초미세먼지(PM₁)가 대부분이며, 입자 크기 2.5 µm 이상 미세먼지는 매우 낮은 함량을 보이는 것으로 평가되었다. 이러한 배출 특성을 보았을 때, 고령층이 거주하는 농촌 지역 등에서 대부분 사용되고 있는 화목보일러 특성상 연소 시 발생되는 미세먼지 배출에 의한 인체 흡입 등으로 인해 건강 위해성은 더 클 것으로 판단되며, 화목보일러의 무분별한 판매와 사용을 규정하거나, 대기환경 배출기준 등에 관한 기준 마련이 반드시 이루어져야 할 것으로 판단된다.

국내 단체표준은 “화목(장작), 브리켓” 등의 목재연료를 사용하는 표시 난방 출력이 70 kW 이하 옥외에 설치하는 일반 가정용으로 난방수 온도 90℃ 이하, 온수 온도 65℃ 이하를 공급하는 화목보일러에 대하여 규정한 표준이다^[16]. 주요 성능 기준으로는 난방/온수 출력, 배출가스 온도, 가스상 대기오염물질(CO, NOx, OGC, 10% O₂기준), 입자상 대기오염물질(분진, 10% O₂기준), 안전장치 시험, 구조시험, 전기 안전성시험 등으로 구성되어 있다.

시험에 사용된 연료는 화목(장작), 브리켓을 각각 수분 25%, 12% 이하, 재 1%, 0.5% 이하, 총발열량 10 MJ/kg 이상으로 규정하고 있으나, 그 범위가 너무 모호하고 광범위하여 표준기준으로 큰 의미가 없다. 이에 화목연료에 대한 정의가 필요하며 최근(2022년 5월)에 ISO 17225-5 바이오고형연료의 국제표준문서^[19]를 부합화한 국내 표준규격인 KS M ISO 17225-5 고형 바이오연료(장작)에 대한 표준규격^[20]이 제정되었으며, 장작 연료의 범위는 난로, 벽난로, 중앙난방 시스템과 같은 가정용 목재연소 장치에 사용하는 연료로 규정하고 있다^[20]. 특히 목재 난방장치는 연소 시 연료 품질기준에 따라 환경오염 수준과 연소효율에 큰 차이를 보일 수 있다는 점을 감안하면 장작에 대한 연료 표준규격이 제정됨으로서 무분별한 연료 사용에 대한 최소한의 기준이 만들어진 것으로 판단하고 있다.

연료의 세부 등급은 3등급(A1, A2, B)로 각각 나누었고 A1, A2연료는 난로와 벽난로용으로 사용하는 것으로 규정하였으며, 특히 A1은 통나무 및 화학적으로 처리하지 않은 목재 가공 산업의 부산물 및 잔류물로, A2는 뿌리를 제외한 전목, 통나무, 벌목 잔류물로 구분하였다. B연료는 화목보일러에 적합한 연료로 구분하였으며, 이 밖에도 연료 치수(지름, 길이, 함수율(10∼20%, 10∼25%, 10∼35%), 에너지밀도(MJ/m³ 또는 kWh/m³), 순발열량(MJ/kg 또는 kWh/kg) 등을 표준에서 규정하고 있다^[23]. 다만 기존 ISO 국제표준을 부합화한 문서로 국내 장작을 대상으로 한 분석데이터의 한계로 인해 국내 실정에 맞는 표준화가 되었다고는 판단하기 어렵기 때문에 추후 많은 연구결과가 반영된 재개정이 필요할 것으로 사료된다.

한편, 바이오연료 등을 사용하는 난방기의 국제규격인 EN303-5는 난방출력 500 kW 이하급 수동 및 자동으로 연료를 공급하는 고체연료용 난방보일러를 규정하는 표준문서로 2012년에 제정되었다^[8]. 보일러의 구조(설계 포함), 안전(연료 과공급, 온도상승, 연소가스 누출, 온도제어 등), 성능(보일러 효율, 배가스온도, 연소시간, 난방출력, 배출가스 기준), 시험방법(시험조건, 측정방법, 출력시험, 환경시험)에 대한 모든 것이 표준화되어 있으며, 유럽의 모든 국가에서는 위 표준문서를 기본으로 따르고 있다.

EN303-5 표준에 따르면 바이오연료를 사용하는 기기의 연소 배기가스 배출기준은 수동 50kW 이하 용량에서 최고 품질 등급(Class 5)의 경우 CO 700 mg/m³, OGC(Organic Gaseous Carbon) 30 mg/m³, 먼지(TPM, Total Particulate Matter) 60 mg/m³ 이하이며, 유럽 TOP 25% 제품의 35∼40 kW급 화목보일러 성능기준은 난방효율 83%, 먼지 152 mg/m³, CO 543 mg/kg_fuel, NOx 115 mg/m³ 이며, 화목난로의 경우 난방효율 73%, 먼지 1069 mg/m³, CO 408 mg/kg_fuel, NOx 126 mg/m³ 수준이다. 특히 성능기준에 맞춰 연구개발을 꾸준히 이루어낸 오스트리아는 1980년 이후 목재난방기기의 효율이 55%에서 90%까지 증가하였고, CO 배출량은 20,000 mg/m³에서 50 mg/m³ 수준으로 감소하였다. 또한 유럽은 바이오연료를 사용하는 다양한 형태의 보일러(펠릿, 브리켓, 고형연료, 목재장작 등)에 대한 규격화된 표준화 뿐만아니라 품질이 더 우수한 제품에 대한 별도의 인증규격도 확립되어 있다. 종합적으로 유럽 각 국가(독일, 북유럽 5개국, 덴마크, 오스트리아, EU 등)들은 목재를 연료로 사용하는 다양한 보일러의 모든 제품 품질규격을 확보하고 있으며, 이를 통해 화목보일러에 대한 성능향상을 이룬 것으로 조사되었다^[11-15].

앞서 분석한 가스상 오염물질과 입자상오염물질 연소시험의 평균농도를 표준산소농도로 변환하여, 유럽 각국의 인증기준 농도와 비교분석 한 결과를 Fig. 6에 정리하여 나타내었다. Nordic swan과 EN303-5에는 NOx 기준이 없고 국가별 표준산소농도 기준이 다르기 때문에, 직접적인 비교는 일부 제한적이다. 먼저 CO와 NOx는 주요 유럽 국가의 모든 기준을 충족하는 농도를 보였고, 먼지는 독일 Blue Angel 환경규격 기준인 15 mg/m³(O₂ 13%)에는 미치지 못하였으나 다른 국가의 인증기준 50∼60 mg/m³(O₂ 10∼13%)에는 만족하는 것으로 평가되었다. 이러한 비교결과를 종합적으로 고려하여, 국내 화목보일러의 환경인증기준을 설계⋅검토하고자 한다.

Fig. 6 
Result of comparison of national standards and measurement data in this study(PM in this research is under 10 μm)

국내외 규격에 대한 조사결과 및 30 kW급 화목보일러 시험 결과, 그리고 국내 화목보일러 시장 상황을 종합적으로 판단하여 환경인증기준을 설정하였으며, 그 결과를 국내외 기준과 비교하여 Table 6에 나타내었다. 기준값은 국내 단체표준^[16,17] 기준이 매우 광범위하고 낮게 설정되어 있어 그보다는 강화된 기준을 요구하도록 설정하였고 EN303-5에서 요구하는 기준항목과 일부 유사하도록 제시하였다. 특히 보일러 연소효율에 있어 가장 중요한 환경인자인 CO 농도는 600 mg/m³ 이하로 EN303-5의 Class 5와 비교 시 더 높게 설정하였고, 더 엄격한 기준을 요구하고 있는 독일의 Blue Angel, EU, 북유럽 5개국 Nordic swan 기준보다는 다소 낮게 설정하였다.

또한 NOx는 연료 자체가 함유하고 있는 성상(N) 비율에 따라 그 배출특성아 차이를 보이기 때문에 기준을 잡는 것이 매우 어렵다. 다만, 본 연구에서는 앞선 분석결과를 참고하여 전 유럽 국가에서 요구하는 수준과 유사한 150 mg/m³ 수준으로 설정하였으며, 먼지의 경우, EN303-5와 같은 60 mg/m³로 설정하였다. 난방효율 성능기준은 기존 연구^[21] 결과와 국내 화목보일러의 기술개발 단계를 고려하여 최소 75%에서 최대 85% 수준으로 설정하였고 이는 유럽 기준^[22,23]과 비교 시, 유사 또는 다소 낮은 기준이다. 단, 나라별 표준산소농도에 대한 보정치에 대한 근거 규정이 명확하지 않고 화목보일러를 사용하는 특징(보일러 용량, 수동 및 자동, 연료 종류, 사용방법 등)이 차이가 있는 관계로 직접적인 농도의 비교평가는 어렵다는 점은 고려되어야 한다.

최종적으로 시험분석자료를 바탕으로 국내외 화목보일러의 유사 인증제도 및 기준값 비교를 통해 국내 실정에 맞는 화목보일러 환경인증기준을 설정하였다. 특히 향후 2023년 4월부터 환경부에서 시행 예정인 ｢대기관리권역법 대기환경개선에 관한 특별법 및 시행령 제34조(소규모 배출원 규제)｣의 목재를 연료로 하는 난방기기의 인증 신청 및 절차⋅방법 등에 관한 고시 등의 제정에 필요한 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 다만 본 연구에서 도출된 결과는 환경부 고시에서 규정할 예정인 특별법 기준에 비해서 환경성이 더 우수한 친환경 화목보일러 제품에 적용하는 것이 타당하다. 또한 이번 연구에서 도출된 기준이 국내에서 생산⋅판매되고 있는 모든 화목보일러의 성능을 대표하는 것은 아니며, 본 연구진에서 개발한 화목보일러를 대상으로 한 평가결과 및 선진국에서 판매되고 있는 친환경 화목보일러 수준의 기술력이 확보된 제품 수준을 충족하는 보일러에 적용할 수 있다는 것이다.

따라서 향후 다양한 화목연료에 대한 품질시험 데이터 확보와 국내 시장에서 판매되고 있는 다른 유사 보일러 제품을 대상으로 한 비교시험이 필요하며, 이를 통해 시험결과의 재현성을 확보하고 이후 인증기준에 대한 면밀한 검토가 이루어져야 할 것으로 판단된다.