Fig. 5는 H₂ 혼소율(λ), 공기비(α) 변화에 따른 단열 화염 온도(T_af)를 나타낸 것이다. 일반적으로 NG 보일러(NG-B)는 α=1.2-1.3 (초록선) 근방에서 운전되고 있으며, T_af는 약 2,000 K 정도임을 알 수 있다.

Fig. 5. 
Adiabatic flame temperature with respect to air ratio for the NG-H₂ boilers

Fig. 4(b)의 CO 농도에서 안정적인 화염은 α=1.5까지 얻어지며, T_af는 1,800 K 정도임을 알 수 있다. 본 논문에서는 이 온도를 화염 안정성을 고려한 한계 온도(T_lt)로 정의하였다. 먼저, H₂ (20%)의 T_af는 NG와 거의 유사하며, 기존 NG 시스템에 바로 호환 가능할 것으로 예상된다. 그리고 H₂ (50%) 이상에서는 T_af가 급격하게 증가하며, H₂일 경우에는 동일 공기비 조건에서 NG에 비해 약 250 K 더 높게 나타난다. 따라서 H₂ 보일러(H₂-B)를 NG와 유사하게 운전하면 T_af가 높아져서 내구성, NO_x 배출농도에 주의해야 함을 알 수 있다. 한편, 위에서 화염 안정성을 고려하여 정의한 T_af 측면에서 H₂-B는 α=1.7 정도까지는 안정하게 운전할 수 있을 것으로 예상된다. 이 결과를 근거로 H₂-B의 효율, 공해 성능은 α=1.7 범위까지 확대하여 논의하고자 한다.

Fig. 6은 1차원 해석모델을 이용하여 NO_x, CO 배출농도를 예측한 것이다. Fig. 6(a)에서 NO_x는 공기비(α) 증가에 따라 급속히 감소하며, 동일 공기비에서는 H₂ 분율이 증가함에 따라 기하급수적으로 증가함을 알 수 있다. NG-B는 적정 공기비로 채용되는 α=1.3 근방에서 1등급 기준인 20 ppm을 만족함을 알 수 있다. 이에 비해 H₂-B는 α=1.2-1.3에서 50-110 ppm으로 매우 높으며, 1등급 기준을 만족시키기 위해서는 α=1.5-1.6으로 낮추어야 함을 알 수 있다. 그러나 α가 증가할수록 효율은 감소하기 때문에 효율과 공해 성능을 동시에 NG-B 수준으로 유지하기 위해서는 특수한 방안이 필요함을 알 수 있다. 한편, Fig. 6(b)의 CO 농도도 공기비 증가에 따라 급격히 감소하며, H₂ 혼소율 증가에 따라 급격히 낮아진다. NG-B의 경우 CO 배출농도는 α=1.3 근방에서 100 ppm 정도로 가정용 보일러 1등급 기준(환경부)을 만족시킴을 알 수 있다. 이 결과로부터 H₂ 혼소율이 증가할수록 CO 발생량은 기존 NG보다는 감소하기 때문에 NG-H₂ 보일러의 혼소율에 따른 CO 배출 성능에 대한 논의는 생략한다.

Fig. 6. 
NO_x (a) and CO (b) emission concentration obtained by one-D model analysis for the NG-H₂ boilers

Fig. 7은 전부하(full load)조건에서 출구 온도(T_o)에 따른 효율을 도시한 것이다. 동일 공기비(α=1.2) 조건의 3종 연료를 비교하였으며, 공기비 영향을 보기 위해 NG 및 H₂에 대해서는 α=1.6인 경우도 제시하였다. NG-B 결과를 보면 T_o= 65℃ 근방(환수온도, T_rw=60℃)에서는 효율이 87% 정도이며, T_o=45℃ 근방(T_rw=30℃)에서는 효율이 93%로 나타난다. 참고로, 그림에서 T_o를 기준으로 한 부하 영역은 NG-B에 대한 실험 연구²⁰⁾를 근거로 제시한 것이다. 이 연구에서 실측 효율은 해석 결과보다 전부하 조건은 2%, 부분 부하 조건은 3% 높게 나옴을 참고하기 바란다. 그리고 전부하 조건의 해석 효율이 87% 정도면 부분 부하까지 고려하여 1등급 효율 기준(η=92%)을 충분히 만족함을 보고한 바 있다.

Fig. 7. 
Thermal efficiency with respect to boiler outlet temperature for the NG-H₂ boilers

위 NG-B를 기준으로 혼소율에 따른 효율 변화 특성은 아래와 같다. 우선, H₂ (20%)는 NG와 거의 동일한 효율이 얻어지고 있다. 또한, H₂-B도 T_dp가 NG에 비해 55℃에서 69℃로 높아지는 것을 감안하면 α, T_o에 따른 효율 경향은 유사함을 알 수 있다. 정량적으로 T_o가 NG의 이슬점(T_dp=55℃)보다 낮으면 H₂-B의 효율은 NG-B보다 1-2% 높으나, 반대로 T_o가 T_dp보다 높아지면 그 효율은 낮아지며 T_o=60℃ 이상의 영역에서는 NG-B보다 5% 낮아진다. 이들 차이점은 매우 중요한 사항이라 다음 그림을 이용하여 그 이유를 명확히 설명한다.

Fig. 8은 동일 용량(24 kW)의 NG, H₂ 보일러를 대상으로 T_o=50℃, 80℃ 조건의 폐열을 비교 분석한 것이다. 그림에서 Q_i는 입열량을 기준으로 한 상대 열량, n_i는 절대 몰수를 나타내며, 첨자 DG, VG, CW는 각각 건가스, 수증기, 응축수를 나타낸다. 우선, 그림에서 배기 총량(n_tot)은 H₂-B가 NG-B보다 약 17% 작아진다. 우선, T_o=50℃인 경우 NG, H₂ 모두 T_o는 포화상태로, 증기 분율(12.35%)은 동일하나 절대량이 감소하여 수증기(Q_VG) 및 건공기(Q_DG)의 폐열이 작아진다. 이로 인해 총 폐열량(Q_o)은 약 2% 감소함을 알 수 있다. T_o=80℃ 영역에서 H₂-B는 배기 절대량이 감소하여 Q_DG는 감소하지만 수증기 몰수 및 분압이 높아져 Q_VG는 6% 정도 높아진다. 이와 같이 H₂-B는 T_o가 NG-B의 T_dp보다 높아지면 앞에 제시한 바와 NG-B 비해 효율이 많이 감소함에 주의해야 한다.

Fig. 8. 
Heat and mass analysis of the wasted heats at boiler outlet temperature of 50℃, 80℃

본 절에서는 가습 보일러(Hu-B)를 대상으로 효율, 공해 성능 변화를 비교 검토하고자 한다. Fig. 9는 NG, H₂ 보일러의 가습률(Ω) 증가에 따른 T_af 변화를 공기비의 함수로 도시한 것이며, 그림의 화염 한계 온도(T_lt=1,800 K)는 Figs. 4, 5에서 언급한 화염 안정성을 고려하여 선정한 것이다. 두 연료 모두 공기비, 가습률 증가에 따른 T_af 감소 경향은 동일하며, H₂ 화염 온도는 동일 조건 NG보다 200 K 정도 높다. 위의 T_lt를 근거로 NG는 α=1.3 이내에서 Ω=20%까지 가습 가능할 것으로 여겨진다. 또 H₂는 α=1.5 이내에서 Ω=20%까지 가습 가능할 것으로 여겨진다. 따라서 두 보일러의 가습률에 따른 효율, 공해 성능 변화를 위 범위에서 검토하고자 한다.

Fig. 9. 
Adiabatic flame temperature with respect to vapor humidified ratios for the NG, H₂ boilers

Fig. 10은 앞에 언급한 1차원 해석모델을 이용하여 가습률(Ω) 변화에 따른 NO_x 배출농도를 나타낸 것으로, 동일 결과를 공기비(α, Fig. 10[a]) 및 화염 온도(T_af, Fig. 10[b])의 함수로 도시하였다. Fig. 10(a)를 보면 두 연료 모두 α, Ω이 증가함에 따라 NO_x 농도는 감소하며, 그 감소 경향도 유사하다. 동일 공기비 조건에서 H₂가 NG보다 NO_x 배출농도는 높으나, 그 차이는 Ω이 증가하면서 적어지고 있다. Fig. 10(b)는 T_af의 함수로 나타낸 것으로, NO_x 1등급 기준(1st grade NO_x), 한계 온도(T_lt)도 제시되어 있다. 그림에서 NO_x는 동일 T_af 조건에서 H₂가 NG보다 낮으며, Ω에 따른 그 감소율은 두 연료에서 유사함을 알 수 있다. 이와 같이 동일 T_af 조건에서 H₂가 NG보다 NO_x가 적게 발생하는 원인으로는 온도 저하에 의한 감소(열적 효과) 이외에도 반응 경로에 의한 감소(화학적 효과)도 존재함을 암시한다. 이와 같은 가습에 의한 NO_x 감소 현상에 대해서는 추가적으로 연구를 수행할 예정이다.

Fig. 10. 
NO_x emission concentration of the one-D model combustor with respect to vapor humidified ratio for the NG, H₂ boilers

위 결과로부터, H₂-B에서는 Ω=20%로 운전할 경우, α는 1에 가깝게(Fig. 10[a]), T_af는 2,300 K (Fig. 10[b])까지도 NO_x 1등급 기준을 만족하여 효율 및 화염 안전성 측면에서 유리함을 알 수 있다. 또 최대로 NO_x 배출농도를 억제하기 위해 T_lt=1,800K 근방에서 운전하면 5 ppm 이하로도 가능함을 알 수 있다.

Fig. 11은 Hu-B의 α=1.2, Ω=15% 조건에서 NG, H₂의 효율을 도시한 것으로, 동일 조건의 Ba-B (Fig. 7)와 비교하면 가습 효과를 정량적으로 분석할 수 있다. 그림에서 ☆, ★은 각각 Ba-B, Hu-B의 T_dp를 나타내며, 정량적으로 NG는 55℃에서 65℃, 또 H₂는 70℃에서 75℃로 높아짐을 알 수 있다. 본 그림을 Fig. 7과 비교하면, T_o가 Ba-B의 T_dp (☆)보다 낮은 경우에는 가습에 관계없이 수증기량이 동일하기 때문에 Ba-B, Hu-B의 효율은 동일함을 알 수 있다. 그러나 T_o가 그보다 높아지면 가습한 수증기가 오히려 배기에 포함되어 배출되므로, Hu-B의 효율은 Ba-B보다도 더 낮아진다. 즉, 배기 온도가 높아지면 가습에 의해 NG-B는 8% 정도, H₂-B는 6% 더 낮아짐에 주의해야 한다.

Fig. 11. 
Thermal efficiency with respect to boiler outlet temperature for the NG-H2 boilers (operating condition α=1.2, Ω=15%)

위 결과로부터 가습 H₂-B는 Ω=15%로 운전하면서 T_o를 60℃ 근방까지 낮춘다면 NO_x 배출농도를 10 ppm 이하로 억제하면서(Fig. 10), 효율도 1등급에 해당하는 정격 부하 87%를 달성할 수 있음을 알 수 있다. 그리고 이 정도의 T_o는 환수온도의 조정에 의해 충분히 달성 가능함을 이전 논문에서 확인하였다²⁰⁾.