연료성상이 가정용 기름보일러 연소특성에 미치는 영향

강익중, 신성철

경원대학교 화학공학과

Effects of Fuel Properties on Combustion Characteristics

of Home Oil Boilers

Ik Joong Kang,  Seong Cheol Shin

Department of Chemical Engineering, Kyungwon University

서론

가정용보일러를 비롯한 연소기기는 사용되는 연료에 따라 최적의 연소특성을 발휘하도록 설계되고 연소조건이 설정되어 있다. 최근(98년 8월)에 새로이 출시된 보일러등유(Heating Oil)는 이전까지 가정용 보일러연료로서 사용되어 왔던 실내등유(Kerosine)와 경유(Diesel)와는 성상이 아주 다른 형태의 油種으로서 기존의 난방용 연료에 비하여 증류성상범위가 매우 넓은 연료의 특성으로, 기존 보급되어 있는 보일러와 신규 판매 보일러의 연소특성에 다양한 영향을 미치는 것으로 나타나고 있다.

따라서 본 연구에서는 연료부문 개선에 의한 보일러 성능향상을 조사하기 위해 연료의 주요성상(비중, 정파라핀 함량 및 황분) 변화가 가정용 보일러의 연소특성에 미치는 영향에 관해 실험하였다.

실험

보일러등유 성상변화에 따른 가정용보일러의 성능평가는 표1과 같이 연료성상이 작년 동절기 유통되었던 제품과 유사하도록 비중을 조절하여 실내등유보다 약간 중질제품에서 경유와 거의 성상이 비슷한 제품까지 분포되도록 하였고,  동시에  보일러의 성능에 크게  영향을  미치는  것으로  예상되는  정파라핀함량

(n-Dodecane∼Pentacosane)과 황분을 변화시켜 총8종의 供試연료를 조제하였다.

보일러성능시험은 연소조건(공기량조절 등)을 보일러등유의 연소조건에 맞춘 표2의 供試보일러에 대하여 -10℃, -15℃에서의 저온착화성, 연소성 및 연료소비량에 대하여 실시하였다.

저온착화성시험은 10회 착화를 시도하여 10회가 점화되는 지의 여부를 평가하였고 연소성은 연료의 연소시 배출되는 배기가스의 CO2(%), O2(%), CO(ppm), NOx(ppm) 및 매연농도(바카라치 번호)를 측정하였으며 연료소비량은 시간당 소비되는 연료의 용량 (□)을 시험하였다.

표1  供試연료 성상

시료번호	비중 (15/4℃)	90%유출온도 (℃)	정파라핀함량 (nC12P∼nC25P, 부피%)	황분 (ppm)
DS00	0.808	302	13.43	813
SG15	0.816	308	16.48	827
SG25	0.826	327	23.93	731
SG35-1	0.834	336	16.34	404
DS40-1	0.835	329	18.24	600
DS40-2	0.835	331	19.00	600
SG35-2	0.837	331	17.85	700
SG45	0.846	333	19.81	742

표2  供試보일러 사양

보일러 사양	K-1	K-2	J-1	J-2
보일러 용량 (□/h)	17,000		17,500
외형치수 (W×L×H, □)	362×632×855		298×52×770
중량 (□)	80		36
연식	□99	□95	□99	□96

결과 및 고찰

供試보일러에 따라 시험결과에 약간의 편차는  보여주고  있지만,  연료성상에 따른 보일러 성능변화경향은 파악할 수 있었다. 저온착화성은 供試연료 8종 모두 양호한 결과를 보여주었고,  연료소비량항목은 1주일 이상의 장기시험이 아닌 단기시험시간 조건관계로 일관된 결과를 획득하기 어렵다.

연소성능 중 보일러의 불완전연소와 관계가 깊은 CO의 경우 그림1과 같이 저온에서 왁스로 석출될 수 있는 정파라핀 함량이 많을수록 증가하였고,  그을음과 냄새의 원인인 매연 (바카라치 번호)의 경우는 그림2, 3과 같이 비중이 높을수록, 즉 연료구성성분 중 고비점 성분이 다량일수록 증가경향을 보여주었다.  황분의 경우는 그림4와 같이 보일러의 연소기기가 자동차엔진만큼 매우 정밀하지 않기 때문에 자동차와는 달리 황분함량에 따른 연소성능의 격차는 나타나지 않았다. 따라서 보일러등유 개선에 의한 연소성능향상은 비중과 정파라핀 함량이 중요한 인자인 것으로 평가되었다.

최근의 보일러등유는 세계 어느 나라에도 없는 매우 독특한 성상과 성분구조를 갖는 油種으로서 이에 대한 연구도 전무한 실정이다.  따라서 연료개선에 의한 보일러 성능향상과 배출가스 저감을 위하여 향후 본 연구와 같은 실증연구가 활성화되어야 할 것으로 사료되며,  앞으로 연소개선첨가제 혼합 및 저온유동성 변화에 따른 연구를 수행하고자 한다.

참고문헌

1. Eugene L. Keating, Applied Combustion, 1993

2. □正一, 燃燒機器工學, 1971

3. 崔鎭玟, 天職Ⅲ 기름보일러의 모든 것(소형보일러편), 1993

4. 架谷昌信外, 燃燒□基礎□應用, 1986

5. KS B 8020-1998 석유 연소기기의 구조통칙

6. KS B 8021-1997 석유 연소기기의 시험방법

7. □□□-□空燃比制御, 燃料協會誌, Vol.60, No.655

8. 燃燒理論, Petrotech, Vol.12, No.10

9. □□□-□□□□燃燒, Petrotech, Vol.12, No.10

10.오일과 가스화염의 연소특성에 관한 연구, 에너지 R&D, Vol.13, No.1