보일러 등 열사용기자재의 에너지절약 기법 및 사례 에너지관리공단 인천지사

제 1 장 보일러의 열효율 보일러란 ? 보일러 열효율이란 ? 보일러 열효율 계산법 제 1 장 보일러의 열효율 보일러란 ? 연료를 연소시켜 발생하는 열을 이용하여 증기나 온수를 만드는 장치 보일러 열효율이란 ? 보일러에 들어간 열이 필요로 하는 온수나 증기를 만드는데 이용된 양 과의 비율 보일러 열효율 계산법 ① 입출열법(직접법) : 열효율 = (유효출열량) / (총입열량) ⅹ100 ② 손실열법(간접법) : 열효율 = [1-(총손실열량) / (총입열량)] ⅹ100

보일러의 입열,출열,손실열 출열 입열 손실열 출열 입열 - 손실열 입열 보일러 연료 급수 공기 배기가스손실 미연소손실 방열손실 온수 또는 증기 ※ 열효율(%) = 입열 출열 ⅹ100 , 입열 - 손실열 ⅹ100

1. 입열량 ㅇ 관계 : 입열량 = (유효출열량) + (손실열량) ㅇ 종류 ㅇ 정의 : 보일러에 들어가는 열량 ㅇ 관계 : 입열량 = (유효출열량) + (손실열량) ㅇ 종류 1) 연료(연료가 갖고 들어가는 열량) : 연료의 발열(+현열)량 2) 공기(공기가 --------------) : 공기(급기)의 현열 3) 물 (물이 ---------------) : 물(급수)의 현열 ㅇ 소형보일러에서 입열량중 공기, 물의 현열은 대부분 무시 ※ 공기의 현열 : 공기예열기가 있는 중.대형보일러에서만 고려 (급기온도가 상온(15°C) 이상) ※ 급수의 현열 : 응축수를 회수하는 중.대형보일러에서만 고려 (급수온도가 상온(15°C) 이상)

가. 연료의 발열량 나. 연료의 현열량 ㅇ 고위발열량 : 수분이 포함 ㅇ 저위발열량 → 보일러 효율 산출에서 적용 (수분 불포함) ※ 연료의 종류에 따른 저위발열량 등유: 10,400 ㎉/㎏ 경유: 10,300 ㎉/㎏ B-A: 10,200 ㎉/㎏ B-B: 9,900 ㎉/㎏ B-C: 9,750 ㎉/㎏ LNG: 9,540 ㎉/N㎥ LPG: 9,680 ㎉/ N㎥ 석탄: 4,000 ㎉/㎏ 나. 연료의 현열량 ㅇ 연료 온도가 기준(대기)온도 보다 높은 경우에 계산 ㅇ 공식 : Q = G ⅹC ⅹ Δt (연료소모량 ⅹ연료비열 ⅹ연료와 대기의 온도차) ※ 연료의 종류에 따른 평균비열 등유,경유 : 0.48~0.50 ㎉/㎏.C 중유(B-A,B,C) : 0.45 ㎉/㎏.C 도시가스 : 0.34 LNG : 0.38~0.42 LPG : 0.7~1.0 ㎉/N㎥.C 석탄 : 0.25 ㎉/㎏.C

‘가’(발열량) + ‘나’(연료의 현열) + ‘다’(공기의 현열) + ‘라’(급수의 현열) 다. 공기의 현열량 ㅇ 공기(급기)온도가 기준(대기)온도 보다 높은 경우에 계산 ㅇ 공식 : Q = G ⅹC ⅹ Δt (공기량 ⅹ공기비열 ⅹ급기와 대기의 온도차) ※ 공기의 비열 : 0.31 ㎉/N㎥.C 라. 물(급수)의 현열량 ㅇ 물(급수)온도가 기준(가열되기 전)온도 보다 높은 경우에 계산 ㅇ 공식 : Q = G ⅹC ⅹ Δt (급수량 ⅹ급수비열 ⅹ급수와 기준수의 온도차) ※ 물(급수)의 비열 : 1.0 ㎉/N㎥.C ㅇ 총 입열량 = ‘가’(발열량) + ‘나’(연료의 현열) + ‘다’(공기의 현열) + ‘라’(급수의 현열)

2. 유효 출열량 (난방 ·가열 등에 유용하게 쓰일 수 있는 열량) ㅇ 정의 : 보일러에서 온수나 증기가 얻는 열량 (난방 ·가열 등에 유용하게 쓰일 수 있는 열량) 가. 온수보일러의 유효출열량 : 온수량 ⅹ (온수온도 - 급수온도) 예) 20°C의 급수로, 시간당 50°C 온수 1ton이 발생되는 보일러의 유효출열량? ☞ Q = 1,000kg ⅹ(50-20) = 30,000 ㎉/h 나. 증기보일러의 유효출열량 : 증발량ⅹ (증기열량 - 급수열량) ※ 증기보일러의 경우 증기의 열량은 ‘증기표’에서 찾아야 함 예) 20°C의 급수로, 500 ㎉/h 열량을 갖는 증기 1ton/h이 발생되는 보일러의 유효출열량은 ? ☞ Q = 1,000kg ⅹ(500-20) = 300,000 ㎉/h

3. 손실열량 (배기가스, 미연소, 방열 등으로 손실된 열량) 가. 배기가스의 손실열량 ㅇ 정의 : 보일러에 유용하게 쓰이지 않고 버려지는 열량 (배기가스, 미연소, 방열 등으로 손실된 열량) 가. 배기가스의 손실열량 ㅇ 연료를 연소시켜 대부분 온수나 증기를 발생시키고 난 뒤 빠져나오는 배기가스에 의한 손실열량 ☞ Q = 배기가스량 ⅹ 비열 ⅹ (배기가스온도 - 대기온도) ㅇ 배기가스가 100°C 이상의 고온으로 배출되므로 손실열이 가장 많아 미연소손실 및 방열손실 등을 무시하고 약식으로 열효율 산출 예) 배기가스 온도 220°C, 배기가스량 100N㎥/h, 대기온도 20°C 일때 배기가스 손실열량은 ? Q = 100 ⅹ0.33 ⅹ(220-20) = 6,600 ㎉/h

나. 미연소 손실열량 ㅇ 어떠한 연료도 완전히 연소되는 이상적인 보일러는 없음 ㅇ 소량의 일산화탄소(CO)나 검댕(soot)이 발생되어 배기가스를 통해 빠져나오는 손실열량 ㅇ 산출시 CO 농도로 미연소 손실량 측정 ☞ 손실량 : 20~40 ㎉, 손실율 : 0.5% 이하 CO 공기비 50 ppm 100 ppm 150 ppm 200 ppm 단위 m = 1.0 1.78 3.56 5.34 7.12 ㎉/N㎥ (LNG) m = 1.1 1.94 3.88 5.82 7.76 m = 1.2 2.10 4.21 6.31 8.41 m = 1.3 2.26 4.53 6.79 9.06 m = 1.4 2.43 4.85 7.28 9.70

배기가스중의 CO농도(ppm) 또는 soot(mg/N㎥) 미 연 소 손 실 열 량 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 10 20 30 40 60 70 미 연 소 손 실 (㎉/ Kg) 배기가스중의 CO농도(ppm) 또는 soot(mg/N㎥) Soot에 의한 미연손실 CO에 의한 미연손실 m = 1.5 m = 1.3 m = 1.1

다. 방열 손실열량 ㅇ 보일러 표면온도는 주위보다 온도가 높아 항상 주위로 방열 ㅇ 방열손실 변화 요인 : 보일러 종류, 구조, 용량, 부하율 등으로 추정 ㅇ 동일조건의 온수 또는 증기보일러 : 손실열량은 일정 보일러 용량별 최대부하시의 방열손실율 보일러용량 (T/h) 5 10 50 100 방열손실율 (%) 2.0 1.4 0.8 0.5 ※ 부하변동에 비례하여 방열손실율이 증감 (부하율이 낮을수록 증가) ㅇ 총 손실열량 = ‘가’(배기가스손실량) + ‘나’(미연소손실열량) + ‘다’(방열손실열량)

4. 보일러의 열효율 계산 (예시) 가. 온수보일러의 열효율 온수 보일러 유효출열량 발열량 : 10,000 ㎉/kg, 연료사용량 : 10 kg/h, 연료와 급수온도 : 10 °C 온수온도 : 85 °C, 온수발생량 : 1,000 kg/h 온수 보일러 ㅇ 총입열량 = 연료사용량 ⅹ 발열량 = 10 ⅹ10,000 = 100,000 ㎉/h ㅇ 유효출열량 = 온수량 ⅹ (온수온도 – 급수온도) = 1,000ⅹ(85-10) = 75,000 ㎉/h 유효출열량 ㅇ 열효율 = ⅹ100 = 75,000/100,000ⅹ100 = 75(%) 총입열량

나. 증기보일러의 열효율 증기 보일러 유효출열량 ㅇ 열효율 = ⅹ100 = 640,000/800,000ⅹ100 = 80 (%) 발열량 : 10,000 ㎉/kg, 연료사용량 : 80 kg/h, 연료와 급수온도 : 15 °C 증기열량 : 655 ㎉/kg, 증기발생량 : 1,000 kg/h 증기 보일러 ㅇ 총입열량 = 연료사용량 ⅹ 발열량 = 80 ⅹ10,000 = 800,000 ㎉/h ㅇ 유효출열량 = 증발량ⅹ(증기열량 – 급수온도) = 1,000ⅹ(655-15) = 640,000 ㎉/h 유효출열량 ㅇ 열효율 = ⅹ100 = 640,000/800,000ⅹ100 = 80 (%) 총입열량

5. 보일러효율과 연소효율 가. 보일러효율 = 보일러의 열효율 (前述한 바와 같음) 나. 연소효율 : 연료가 보유한 화학에너지의 열로 변환한 비율 연소에 의한 발생열량 연료의 고위발열량 ⅹ100 (%) 1) 미연소 손실열량 연료의 고위발열량 ⅹ100 (%) 1 - 2) 3) [ 100 – (미연소 손실율) ] ※ 미연소손실율 : CO 등에 의한 손실열(불완전연소)로서 0.5% 이하 임 - 가스보일러 연소효율 : 99.8% 이상 (거의 완전연소) - 기름보일러 연소효율 : 99.5% 이상

제 2 장 보일러의 에너지절약 보일러의 에너지절약 방법 1. 연소개선에 의한 방법 2. 전열의 개선에 의한방법 제 2 장 보일러의 에너지절약 보일러의 에너지절약 방법 1. 연소개선에 의한 방법 2. 전열의 개선에 의한방법 3. 배기가스나 분출수(블로우다운 등)의 폐열회수에 의한방법 4. 투입되는 전력소모를 줄이는 방법 5. 적정 용량의 설비 선택 및 설치 6. 기타 운전관리 합리화

[ 보일러 및 관련설비 개요도를 통한 에너지절약 방안 도출 ] 본체, 보조기기 수처리, 가스처리설비 연료 전력 급수 증기사용설비 (생산,난방,취사) 증기 드레인 연돌 연소가스 [ 보일러 및 관련설비 개요도를 통한 에너지절약 방안 도출 ]

3. 배기가스나 분출수(블로우다운 등)의 폐열회수에 의한방법 1. 연소개선에 의한 방법 가. 적정 공기비 유지 : 적은 과잉공기로 연료를 완전연소 나. 양호한 연소상태 유지 (연소계통의 철저한 유지관리) 2. 전열의 개선에 의한방법 가. 단열, 보온 등으로 방열.기타 손실 억제 나. 보일러 전열관의 전열 향상 : soot 및 scale 제거 → 배기가스손실열 감소 3. 배기가스나 분출수(블로우다운 등)의 폐열회수에 의한방법 가. 배기가스 열 회수 : 공기예열기 또는 절탄기(에코노마이저) 설치 예) 콘덴싱(응축형)보일러 나. 분출수(응축수) 회수 : 급수예열 또는 급수로 이용

4. 투입되는 전력소모를 줄이는 방법 5. 적정 용량의 설비 선택 및 설치 6. 기타 운전관리 합리화 가. 송풍기 및 펌프류(급수 또는 순환수)의 적절한 선택 나. 송풍기 및 펌프류의 고효율화 (고효율 전동기 및 펌프 채택) 5. 적정 용량의 설비 선택 및 설치 가. 생산, 난방, 취사 등에 맞는 적정 용량의 설비 설치 나. 목적에 맞지 않는 설비 선택 지양 6. 기타 운전관리 합리화 가. 보일러 무리가 가지 않는 가능한 낮은 압력에서 사용 나. 보일러 수질개선을 위한 블로우다운 철저 다. 연료 및 수질 관리 등

제 3 장 배기가스 관리 보일러의 배기가스 관리 방법 1. 공기비 관리에 의한 방법 2. 배기가스 온도관리에 의한방법 제 3 장 배기가스 관리 보일러의 배기가스 관리 방법 1. 공기비 관리에 의한 방법 2. 배기가스 온도관리에 의한방법 <배기가스 손실열량> Q = 배기가스량 ⅹ 비열 ⅹ (배기가스온도 - 대기온도) [불변] [불변]

1. 공기비 관리에 의한 방법 가. 공기비와 효율 나. 공기비 측정 : 바카라카 또는 연소효율측정기(TESTO) 등 사용 ㅇ m(공기비) = A / Ao = 실제공기량 / 이론공기량 [ m > 1.0 ] 예) m = 1.1 (과잉공기 10%), 1.2 (과잉공기 20%) ㅇ 공기비가 높을수록 → 배기가스량 증가 (손실열량 증가) ㅇ 공기비가 너무 낮으면 → 불완전연소 (CO농도 증가, 환경오염) 나. 공기비 측정 : 바카라카 또는 연소효율측정기(TESTO) 등 사용 ㅇ 배기가스중의 산소 (O2) 농도 측정에 의한 계산 m = 21 21 – (O2) ㅇ --------- 이산화탄소(CO2) 농도 측정에 의한 계산 m = (CO2 )max (CO2)

[ 각종 연료의 일반적인 값 ] 단위 kcal/kg.L.Nm3 Nm3/kg.L.Nm3 좌동 % kg/l 등유 10,400 연료명 Hl (저위발열량) Go (이론배기가스량) Ao (이론공기량) (CO2) max 비중 단위 kcal/kg.L.Nm3 Nm3/kg.L.Nm3 좌동 % kg/l 등유 10,400 12.47 11.51 15.13 0.8 경유 10,300 12.31 11.39 15.0 0.83 B-A유 10,200 12.15 11.26 15.6 0.92 B-C유(저) 9,870 11.63 10.86 15.7 0.95 B-C유(고) 9,750 11.44 10.71 0.97 LNG 9,540 11.11 10.45 12.0 1.05 LPG 9,680 11.33 10.62 14.5

< 스케일 두께에 따른 연료소비량 > < 카본(그을음) 두께에 따른 연료소비량 > 2. 배기가스 온도 관리에 의한 방법 ㅇ 보일러 열효율에 가장 큰 영향을 끼치며, 배기가스 온도에 따라 열손실율 변화 ㅇ 전열면 오염(스케일 및 카본) 제거 등으로 배기가스 온도 20~25℃ 낮추면 열효율 1% 상승 < 스케일 두께에 따른 연료소비량 > 스케일 두께(㎜) 0.5 1 2 3 4 5 6 열손실(%) 1.1 2.2 4.0 4.7 6.3 6.8 8.2 < 카본(그을음) 두께에 따른 연료소비량 > ㅇ 스케일 두께에 따른 연료소비량 보다 훨씬 큼 (약 1.5배)

[ 공기비와 배기가스 열손실율과의 관계 ] 배기가스온도 500℃ 배 기 400℃ 가 스 열 손 실 율 300℃ (%) 250℃ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 5 10 15 20 25 30 35 40 공 기 비 (m) 배 기 가 스 열 손 실 율 (%) 배기가스온도 500℃ 400℃ 300℃ 250℃ 200℃ 150℃ 100℃ [ 공기비와 배기가스 열손실율과의 관계 ]

제 4 장 응축수 회수 응축수란 ? 응축수 회수의 효과 증기보일러에서 발생한 증기가 각종 사용처(생산,난방,취사)에 쓰인 제 4 장 응축수 회수 응축수란 ? 증기보일러에서 발생한 증기가 각종 사용처(생산,난방,취사)에 쓰인 후 응축(냉각)하여 생긴 물 예) 100℃ 응축수가 가진 열량 → 100 kcal/kg (보일러 발생증기 열량의 15~20%) 응축수 회수의 효과 ㅇ 응축수 회수로 에너지절감 → 보일러효율 다소 증가 ㅇ 급수온도 6~7℃ 상승 → 에너지절감 1% ㅇ 열설비 시스템 개선 : 응축수 폐열로 급수 가열

※ 증기압력 : 0.7 Mpa (예) → 응축수 회수에 의한 급수가열 효과 p2 – p1 연료절감율 = ⅹ100 p2 20 20 40 60 80 100 120 140 2 4 6 8 10 12 14 16 18 연 료 절 감 율 (%) 급수가열온도(℃) 연료절감율 = p2 – p1 p2 ⅹ100 p2 : 급수온도 20℃인 경우 연료절감율 P1 : 급수온도 20℃인 경우 연료절감율 ※ 증기압력 : 0.7 Mpa (예) → 응축수 회수에 의한 급수가열 효과

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※ 열정산서(예시) ㅇ 측정값 : 외기온도, 실내온도, 연료사용량, 버너전온도, 급수량, 급수온도, 증기압력, 배기가스온도, 배기가스 성분(CO2, O2, CO) 번호 항 목 기호 입 열 출 열 kcal/kg % 1 연료의 발열량 Hℓ 9,750 99.3 2 연료의 현열 Q1 39 0.4 3 공기의 현열 Q2 34 0.3 4 급수의현열 Q3 5 노내분입증기의 보유열 Q4 6 발생증기의 흡수열 Qs 8,414 85.7 7 배기가스에 의한 손실열 L1 1,027 10.5 8 불완전연소에 의한 손실열 L2 9 노내분입증기에 의한 손실열 L3 10 방열.전열.기타 손실 L4 326 3.2 합 계 9,823 100