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초고효율 가스보일러 가습 연소기술 개발

산업부, 24kW급 가습연소·폐열회수 기술개발


가스보일러에서 열효율을 높이고 유해 배출물을 동시에 낮출 수 있는 가정용 보일러의 가습연소 및 폐열회수 기술개발과 이 기술을 적용한 보일러 시스템 설계기술이 개발된다. 

산업통상자원부는 최근 ‘2020년도 기계산업핵심기술개발사업 신규지원 대상과제’ 중 첨단기계분야에 ‘24kW급 초고효율 친환경 가스보일러 가습 연소기술’을 고시했다. 

이번 ‘24kW급 초고효율 친환경 가스보일러 가습 연소기술’은 △화염안정성과 CO, NOx 생성 억재를 위한 가습연소 시스템 △증발잠열을 이용하는 컴팩트 열교환기 및 가습연소 물분사 시스템 △보일러의 내구성과 가격경쟁력을 높이기 위한 구조설계 및 신뢰성 검증 △스마트 네트워크(EMS: Energy Management System)를 통한 효율 및 안정성 관리 가능시스템 등을 개발하는 과제다. 

개발기간은 1차년도 45개월 이내(1차년도: 9개월, 2차년도: 12개월, 3차년도: 12개월, 4차년도: 12개월)이며 정부출연금은 2020년 5억5,000만억원 이내(총 정부출연금 30억원 이내)이다. 

국내외 기술개발 동향

국내에서는 대기관리권역법 시행(2020년)을 대비해 효율 88~90%정도, NOx 배출 18~20ppm 수준인 콘덴싱(응축형) 보일러가 생산되고 있다. 보일러의 효율 및 NOx 최적화는 예혼합 메탈버너의 공연비 제어방식에 의존하고 있다. 

또한 최근 미세먼지 원천물질들의 배출을 혁신적으로 개선하기 위한 가습 연소-폐열회수기술에 대한 이론적 연구가 이뤄지고 있으며 초보적인 기초실험이 진행 중인 것으로 알려지고 있다.  

Canada에서는 산업용 가스보일러의 배출가스 냉각법(45°C)에 의해 효율상승 및 미세먼지(FPM, CPM) 70%, SOx 90%, NOx 20%를 저감하는 기술이 개발이 활발하다. 

또한 유럽에서는 열효율 향성, NOx 저감을 위한 물분사 폐열회수보일러에 대한 연구가 많이 진행되고 있으며 중국(Beijing United Gas Engineering and Technology)에서는 미세먼지 저감형 보일러에 적용하고 있다.
 
GTI(미국)는 TM(transport membrane)를 이용해 폐열을 고온수로 회수하고 이 온수를 이용해 공기를 예열 가습하는 일명 Super Boiler를 개발해 효율은 94%, NOx는 5ppm 정도를 달성했으나 고가의 TM으로 인해  상용화에는 이르지 못했다. 

기대효과는

이번 ‘24kW급 초고효율 친환경 가스보일러 가습 연소기술’은 정책적으로 정부의 미세먼지, 특히 겨울철 미세먼지 저감 정책에 부응할 수 있으며 국내 보일러 중소·중견기업이 개발 성공 시 보일러산업 활성화 및 수출경쟁력 확보가 가능할 것으로 기대된다. 세계적으로 NOx 규제는 현재도 20ppm(북경: 13ppm, 2017년 한국: 20ppm, 2020년) 이하 수준으로 시행되고 있으며 수년 내 10ppm 이하 수준으로 시행될 예정이다. 

또한 효율증가 및 공해 저감을 동시에 개선 가능한 기술로 기존 제품의 기술적 한계 극복을 위해 가습연소-폐열회수의 원천기술에 대한 산·학·연 협동연구가 필요한 상황이다. 
 
국내 가스 사용량의 2/3 정도를 소모하는 가정용보일러 제품을 대상으로 하고 있어 개발기술의 파급효과가 높아 에너지절감 및 미세먼지 저감이 국민의 건강 및 삶의 질에 미치는 영향은 클 것으로 기대된다. 

이를 통해 연간 국내 가정용 가스보일러(용량 1만8,000~4만3,000kcal/h) 판매대수 160만대, 연간 업무용 병렬 보일러 등 업무용 판매대수 5,200여대를 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 △북미 32만대 △러시아 12만대 △CIS국가 5만대 △중국 5만대 △영국 5,000대 △기타 2만대 등 해외 수출용 보일러 약 55만대에 대한 수출대체도 가능할 것으로 보인다.