증기 보일러 기초: 구조, 작동 원리, 효율 및 분류 총정리

증기 보일러(Steam Boiler) 기초

증기 보일러는 물을 제어 조건 하 가열해 증기로 변환하는 밀폐 용기입니다. 보일러는 본질적으로 열교환기로 물에 열전달. 증기 발생기(steam generator)라고도 함. 열에너지 공급원: 연료(가스/액체/고체) 또는 산업 공정 폐열. 태양광 에너지도 증기 생산용으로 사용. 보일러 생산 증기: 저압/중압/고압. 산업 현장서 공정용 증기 또는 터빈 구동 발전용. 모든 보일러는 내수 물에 최대 열에너지 전달 설계. 열전달: 전도, 대류, 복사. 비율은 보일러 유형, 설계 열전달 면적, 연료 연소 특성 따라 상이.

보일러 2대 주요 유형

연관 보일러(Fire Tube Boiler)

다수 관로로 고온 가스 통과. 고온 가스관 물속 침지, 밀폐 용기 내. 1개 밀폐 용기/쉘 내수, 관통 가스관 가열→수 증기화→증기 동일 용기 잔류. 연관 보일러: 상대적 소용량, 저~중압 증기용. 컴팩트, 패키지형, 저렴.

수관 보일러(Water Tube Boiler)

관내 수 가열, 고온 가스 외부 감싸는 구조. 연관 보일러 정반대. 보일러 급수 관로 유입→보일러 드럼 유입. 순환수 연소 가스 가열→드럼 증기 공간서 증기화. 증기 수요·압력 요구 고시(산업 공정 증기+발전용) 채택. 특징: ①강제/유도/균형 송풍으로 연소 효율 향상 ②수질 허용도 낮아 수처리 설비 필수 ③열효율 높음.

보일러 시스템 주요 구성품

주 구성품: 수처리장, 보일러 급수 히터, 탈기기, 급수 펌프, 이코노마이저, 과열기, 감온기, 증기 시스템, 응축기, 응축수 펌프. 추가: 수/증기 유량, 연료 유량, 공기 유량, 화학 주입 모니터링 제어계. 보일러 플랜트 흐름도 그림 1 참조.

보일러 시스템 대별: 급수 시스템, 증기 시스템, 연료 시스템.

• 급수 시스템: 처리수 공급·자동 제어로 증기 수요 대응
• 증기 시스템: 보일러 생산 증기 수집·제어, 배관 통해 사용점 공급
• 연료 시스템: 필요 열량 위한 연료 공급 장비 일체. 연료 종류 따라 장비 상이

급수 시스템(Feed Water System)

급수=보일러 공급→증기화 물. 2원천: 공정 회수 응축수(응축 증기), 보충수(수처리장 처리수). 주요 구성:

• 급수 히터: 배기 증기 폐열 회수→급수 예열로 보일러 효율 향상. 쉘-튜브형 열교환기(관측 급수, 쉘측 증기). 응축수→응축수 저장 탱크/핫웰 회수
• 탈기기(Deaerator): 급수 용존 산소(공기 유입/펌프 실/응축수 유래) 문제 수준 제거. 원리: 온도 상승→산소 용해도 감소. 증기 통과로 급수 가열 실행
• 이코노마이저(Economizer): 급수 시스템 최종 단. 배가스 열 회수→증기 가열→보일러 효율 향상. 단순 핀 튜브 열교환기. 급수 이코노마이저=배가스 열→유입수 전달로 연료 소요량 저감

증기 시스템(Steam System)

구성: 증기/드럼, 보일러 튜브, 과열기, 감온기, 응축수 시스템.

• 증기 드럼/머드 드럼: 증기 드럼=수관 보일러 상부 드럼, 수증기 분리처. 내부: 급수 입구, 약품 주입, 블로다운 배출, 레벨 제어, 수증기 분리. 급수 이코노마이저→증기 드럼 유입. 증기 드럼 상부→증기 분리기→증기 배출. 증기 배출구 통상 이 드럼→하부 드럼(라이저/다운컴 튜브 세트 경유). 하부 드럼=머드 드럼=보일러 바닥 탱크, 발열관 수 분배 균등화, 경도/실리카 염류 등 고형물 수집
• 보일러 튜브: 고강도 탄소강 제작. 용접 연속 튜브 벽 형성. 보통 다단 뱅크 구성. 유동 문제/부식 퇴적 문제로 최고 취약 부품
• 과열기(Superheater): 보일러 출구 증기=포화 증기(보일러 압력·온도서 물과 평형). 과열기 목적=증기 온도 포화점 이상 상승→수분 완전 제거. 과열기=보일러 출구 증기에 에너지 추가→온도·열함량 포화점 초과. 과열 증기 비체적 큼
• 감온기(Attemperator): 과열도 제어. 감온=과열 증기 흐름 중 제어 수분사→일부 탈과열. 통상 보일러 급수 사용
• 응축수 시스템: 각종 열교환기 응축수→급수 일부 회수. 단, pH/산소 유입 엄밀 모니터링→적정 응축수 처리 필수

연료 시스템(Fuel System)

연료 공급 시스템은 보일러 성능에 결정적. 주기능: 연료 보일러 이송·보일러 내 분포로 균일·완전 연소 촉진. 연료 종류가 운영 특성 결정. 연료 시스템=보일러 시스템 최대 비중 구성품. 연료 연소 준비·보일러 이송. 연소 시스템: 광범위 유량 범위 화염 안정성 확보→연료 착화 유리 조건 조성, 1차 연소 공기-연료 양호 혼합 공력 조건 확립. 버너=효율적 연소 시스템 핵심 요소.

증기 보일러 효율(Steam Boiler Efficiency)

증기 보일러서 에너지 손실 발생: 불완전 연소, 보일러 주변 벽 복사 손실, 배가스 현열 손실 등. 보일러 효율=이들 손실 지표. 증기 보일러 효율 = (출구 증기 총 방출 열량 / 연료 총 공급 열량) × 100%.

보일러 효율에는 열효율, 연소 효율, 연료-증기 효율 포함. 효율 영향 요인: 보일러 크기, 유형, 설계 등 다수.

증기 보일러 분류(설계·구조 기준)

분말 연료 보일러(Pulverized Fuel Boiler)

대부분 석탄 화력/산업용 수관 보일러 채택. 기술 성숙, 석탄 화력 90% 이상 점유. 석탄 미분말화: +300µm 2% 미만, 75µm 미만 70~75%(역청탄). 미분탄 연소 공기 일부와 버너 노즐로 보일러 투입. 2/3차 공기 추가. 연소 온도 1,300~1,700°C(석탄 등급 의존). 보일러 내 입자 체류 2~5초, 완전 연소 위해 입자 충분히 미세해야. 장점: 다양한 석탄 품질 대응, 부하 변동 신속 응답, 고예열 공기 온도 사용 등.

유동층 연소 보일러(Fluidized Bed Combustion Boiler, FBC)

유동층 연소 기반 연소 시스템. 종래 연소 시스템 대비 다중 이점: 콤팩트 설계, 연료 유연성, 고연소 효율, SOx/NOx 등 유해 오염물 저감. 연료: 석탄, 선탄 폐기물, 쌀겨, 바가스, 농업 폐기물 등.

FBC 보일러 연소 온도 ~840~950°C. 회재 융점 이하→회재 용융·연관 문제 회피. 저온 연소=유동층 급속 혼합 고열전달 계수+층내 열전달관/층벽 효과적 열추출 덕분. 가스 속도=최소 유동화 속도~입자 비산 속도 사이 유지→층 안정 운영+가스 흐름 입자 비산 방지. 유동층 보일러 3종:

1. 상압 유동층 연소 보일러(AFBC)
2. 상압 순환 유동층 연소 보일러(CFBC)
3. 가압 유동층 연소 보일러(PFBC)

상압 유동층 연소 보일러(AFBC)

석탄 1~10mm 파쇄(석탄 랭크/연료 종류 의존)→연소실 투입. 대기 공기=유동화+연소 공기 겸용, 배가스 예열 후 압력 공급. 층내 수관=증발기 역할. 연소 생성 가스→과열기→이코노마이저→집진기→공기 예열기→대기 배출.

상압 순환 유동층 연소 보일러(CFBC)

순환 시스템서 층 파라미터 유지→층서 고체 비산(elutriation) 촉진. 비산=유동층 통과 유속으로 미세 입자 층외 이송. 고체 희박상서 라이저 상승, 다운컴+사이클론으로 고체 순환 경로 형성. 층내 증기 발생관 없음. 증기 발생·과열=대류부, 수벽, 라이저 출구서 수행. CFBC: 산업용 75~100톤/시 이상 증기 소요 시 AFBC 대비 경제적 일반적.

가압 유동층 연소 보일러(PFBC)

압축기 강제 송풍, 연소실=압력 용기. 층 열방출률∝층 압력→심층 사용→대량 열추출. 연소 효율·층내 SO₂ 흡수 향상. 증기 2열관 다발(층내 1, 층상 1)서 발생. 고온 배가스→가스터빈 구동 발전. PFBC=열병합(증기+전기) 또는 복합 사이클 발전(가스터빈+증기터빈) 가능. 복합 사이클(가스터빈+증기터빈)로 전체 변환 효율 5~8% 향상.

폐열 보일러(Waste Heat Boiler)

중/고온 폐열 발생처에 설치→경제적 증기 생산. 증기 증기터빈-발전기 세트 투입→전력 생산. 배가스 열회수용 널리 사용.