A Study on the Effect of Group Heating in Rural Villages Using Poplar Wood Chips on Fuel Quality, Cost, and Atmospheric Environment

포플러 목재칩을 이용한 농산촌 마을 집단난방시 연료품질, 비용, 대기환경에 미치는 영향에 관한 연구

Abstract

This study analyzes the fuel conditions and environmental effects of converting heating in rural villages that rely on fossil fuels into wood fuel. In particular, we tried to derive the most important considerations when using wooden chips as fuel in aging agricultural villages where various variables such as weather, facility characteristics, fuel quality, and maintenance capabilities work. Above all, an experiment was conducted by comparing it with oak trees to determine whether Italian poplar, a representative attribute water created to supply fuel wood in Korea, is suitable for heating fuel. Through experiments, 1) Even though the supply of poplar wood chips during 10 hours of operation was 60.74 kg less than that of hardwood chips, the production of hot water was 140 kWh higher. 2) The higher the exhaust gas temperature, the proportional (increase) oxygen concentration and inversely (decrease) PM and CO emissions. 3) Poplar has twice as much ash content as hardwood and three times more fine dust has been detected, but it meets all the standards for wood quality at the Korea Forest Science Institute. 4) Under the condition that there is a difference in water content (7.7%), hardwood cost 1.13 times more wood chips per 1 MWh than poplar, and even if the water content is corrected equally, hardwood cost 1.05 times more per 1 MWh than poplar. 5) In conclusion, it was proved that the fuel possibility, economic possibility, and environmental possibility of poplar wood chips are sufficient.

Ⅰ. 서론

1. 연구의 배경 및 목적

산림바이오매스는 산림에서 나오는 나무의 줄기, 뿌리, 잎 등을 말하며, 원료는 벌채부산물, 가지치기 산물, 단벌기 목재 생산물, 톱밥 부산물, 도시 수목 부산물, 자연 재난에 의해 손상된 나무, 임분 개량 등과 같이 매우 다양한 곳에서 얻을 수 있다 (Oh et al., 2014). 이와같이 대부분 자연에서 획득되는 바이오매스는 그 특성에 맞게 활용되어야 하는데 부존자원의 양, 이화학적 특성, 시공간적 발생 분포, 그리고 바이오에너지 활용여건 등 바이오매스 부존특성을 고려해야 한다 (Hong, 2009). 이러한 연구결과에 따라 산림청은 활용도가 낮았던 산림바이오매스를 난방에너지로 사용하기 위해 2011년부터 경북 봉화군과 강원도 화천군에 산림탄소순환마을 조성사업을 추진했다. 동시에 연료용 목재 수요를 대비하며 2012년부터 전북 김제시 만경읍 화포리 일대에 157.6 ha 규모의 목재에너지림 조성을 추진하였다 (Kang, 2017). 1000 ha를 목표로 조성되고 있는 목재에너지림은 산림청, 새만금개발청, 새만금개발공사 등의 기관이 협력하여 목재원료 공급이라는 원래의 기능 외에 새만금 배후도시 (김제시 진봉면 일원)의 탄소흡수원 확충이라는 그린인프라 구축사업으로도 관리되고 있다. 현재 이곳에는 속성수인 포플러 (poplar)가 자라고 있으며, 에너지용 또는 산업용 연료로 사용할 수 있을 만큼 생장하였다. 포플러가 식재된 이유는 포플러 류는 기후변화 대응 및 환경정화 수종으로 이용되어 왔지만 대체에너지의 중요성이 높아지면서 간척지, 수변지 및 유휴지 등을 활용한 단벌기 바이오순환림 조성의 주요 대상 수종으로 새롭게 주목받았기 때문이다 (Song, 2016).

한편 정부의 탄소중립 및 에너지전환 정책에 따라 2017년부터 미이용 산림바이오매스의 중요성이 급부상하였다. 이에 2018년 7월부로 미이용 산림바이오매스의 REC 가중치를 2.0으로 적용하는 방침이 새로이 추가되었으며 (산업통상자원부고시 제2018-130호), 산림청은 국내 처음으로 목재칩 열병합 발전을 적용한 산림에너지자립마을 조성사업을 시작하였다. 2020년 전북 완주군과 강원도 횡성군이 선정되었고, 2021년에는 경기도 양평군과 충북 괴산군이 선정되었다. 이와같이 최근에 와서야 목재칩이 농산촌의 집단난방 연료로 다시금 주목받고 있으며, 관련 연구와 학위논문도 증가하고 있다. 이창영 등은 산림바이오매스 부산물의 연료효율을 향상시키기 위한 방안을 제시하였고 (Journal of Korea TAPPI, 2021), 유선화 등은 산림바이오매스 이용 마을단위 지역난방에 관한 주민인식 분석을 통해 그 가능성을 제시하였으며 (Journal of environmental science international, 2020), 안병일 등은 목재칩을 이용한 농촌지역 난방에너지 공급방법에 대한 연구를 진행하였다 (Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, 2021). 학위 논문으로는 최윤성의 미이용 산림바이오 매스의 수집방법별 목재칩 연료 특성에 관한 연구 (Kangwon University, 2019), 강찬영의 미이용 산림바이오매스를 이용한 나무연탄 개발 연구 (Chungnam University, 2020), 윤경덕의 그린뉴딜 확대를 위한 산촌형 에너지자립마을 최적화 연구(Sejong University, 2021)가 대표적이다.

한편 국내 농산촌에서 사용하고 있는 목재 난방기기는 독립주택용 화목보일러와 화목난로이며, 대부분 장작과 목재펠릿을 연료로 사용하고 있다. 장작은 저렴하지만 품질이 불균일하여 열효율이 떨어지며 사용상에도 불편함이 많다. 목재펠릿은 균일한 품질이 가능하여 효율적 사용이 가능하지만 대형플랜트 설비가 필요하여 농산촌 지역에 적용하기에는 비용부담의 문제가 있다 (Lee et al., 2009). 이러한 현실을 반영하듯 관련 연구도 주로 목재펠릿에 초점이 맞추어져 있었으며, 목재칩 활용에 대한 농촌현장 적용연구는 찾아보기 힘들다. 그도 그럴것이 목재칩 보일러가 보급된 사례는 국립생태원, 강원 화천군 느릅마을, 전북 완주군 고산휴양림, 제주도 산방산 탄산온천과 메디클린 세탁공장, 경남 진영읍 미성사 세탁공장 등 손에 꼽을 정도이기 때문이다.

따라서 본 연구는 농산촌에 목재칩 보급이 활성화되는 시점에 국가적으로 관리되고 있는 포플러 목재칩의 연료적 특성과 가능성을 다루고 있다. 특히 날씨, 설비특성, 연료품질, 유지관리역량 등 다양한 변수가 작용할 수 밖에 없는 고령화 된 농산촌 현장에서 목재칩이 사용된다는 현실을 연구조건에 반영하고자 했다. 이에 상용 운전중인 목재칩 보일러를 어렵게 확보하였으며, 실험재료로 쓰인 목재칩도 현장에서 사용하는 설비와 방식대로 생산하였다. 목재칩 보일러는 자동제어가 가능하여 실험조건에 맞게 보일러 운전특성을 통제하며 실험을 진행하였다. 동일한 조건하에서 발열량, 온수생산량, 대기오염물질 발생량 등 연료품질을 비교 분석하였다.

2. 연구의 내용 및 방법

포플러 목재칩과 참나무 목재칩을 동일한 설비 조건 하에 연료로 사용하였다. 분석항목은 연료품질, 보일러 연소상태, 배출가스, 발열량, 연소재 성분분석이며, 세부 내용은 Table 1과 같다.

Table 1 Comparative analysis items of poplar wood chips and oak wood chips

실험에 사용된 재료는 완주군이 제공한 참나무 목재칩과 정읍국유림관리소가 제공한 포플러 목재칩이다. 참나무 목재칩은 완주군 고산자연휴양림에서 실제 난방에 사용하고 있는 목재칩이며, 포플러 목재칩은 새만금 목재에너지림에서 원목 5 ton을 파쇄하여 약 3.5 ton의 목재칩을 생산하여 실험에 사용하였다. 동일한 설비 조건을 갖추기 위해 실험할 때마다 보일러 온도를 식히고 내부의 남은 연료와 재를 완전히 제거하였으며, 세부 실험방법 및 절차는 Table 2와 같다.

Table 2 Experimental methods and procedures

목재칩의 연료품질과 연소재 성분은 KOLAS 인증 시험분석기관인 대덕분석기술연구소를 통해 공인된 방법으로 분석하였다. 보일러 연소실의 온도, 연료공급비, 온수생산량 데이터는 보일러 제어시스템을 통해 [보일러 초기화] → [실험 전 로그데이터 추출] → [보일러 온도측정] → [연료상태 및 연료공급량 측정] → [실험 후 로그데이터 추출] 순서로 확보하였다. 배출가스 측정은 미세먼지와 연소가스를 동시에 측정할 수 있는 Testo 제품(testo 380 mit testo 330-2LL, 2015.02, Testo SE & Co. KGaA, Germany)을 사용하였다. 측정값과 그래프는 Testo 전용 소프트웨어(testo EasyHeat v2.24, Testo SE & Co. KGaA, Germany)를 이용하여 추출하였다.

3. 실험장비

가. 목재칩 보일러

실험에 사용된 장비는 2016년 12월 고산자연휴양림에 설치된 400 kW급 독일산 목재칩 보일러 (HDG Compact M400, 2016.07, Germany)이다. 344,000 kcal의 출력이므로 시간당 약 120 kg 목재칩을 소비(휴양림 사용 기준)하며, 85℃의 온수를 생산한다. 주요 성능은 Table 3과 같다.

Table 3 HDG M400 Wood Chip Boiler Pictures and Main Performance

나. 측정기

배출가스 측정은 PM, CO 농도를 측정할 수 있는 testo 380을 사용하였으며, 연소가스 분석기 testo 330-2LL이 함께 장착되어 있다. 온수발생량은 미국 Sensus사의 적산열량계 및 ModBus RTU-DDC (Remote Terminal Unit-Direct Digital Control) 프로토콜로 제어되는 보일러 제어시스템(EMD-C 215 Exclusiv, HDG Bavaria GmbH, Germany)에서 실시간 Log Data를 추출하였다. 목재칩의 건조상태 및 보일러 투입 직전의 함수율 상태를 참고하고자 오스트리아 함수율 측정기를 사용하였다. 측정장비의 종류와 성능은 Table 4와 같다.

Table 4 Types of measuring equipment and main performance

Ⅱ. 본론

1. 목재칩 품질검사

포플러 목재칩의 품질검사는 대덕분석기술연구소 시료채취팀이 완주군 휴양림 목재칩 건조저장고를 방문하여 공인된 방법으로 시료를 채취하였다. 산림과학원 목재제품의 규격과 품질기준(국립산림과학원고시 제2018-8호)에 의거한 방법론으로 분석되었으며 품질검사 결과는 Table 5, Table 6과 같다. 그 결과 포플러 목재칩의 회분 함량은 1.6%, 함수율은 18.4%, 저위발열량은 14.7MJ (3,510 kcal/kg)으로 나타나 산림과학원 품질기준을 충족했다. 간척지 나무라는 특성을 고려해 염소함량을 분석했는데 기준치 이하인 습량 기준 0.01%로 분석되었다.

Table 5 Poplar wood chip quality analysis result

Table 6 Hardwood chip quality analysis result

참나무 목재칩은 연료를 제공한 완주군의 요청에 따라 ISO 품질기준 시험방법을 적용하였지만 산림과학원 시험방법과 동일하여 실험결과에 반영하였다. Table 6과 같이 7개 항목에 대한 분석결과를 보면 함수율은 26.1%로 포플러 목재칩보다 7.7% 높았지만 회분은 0.8%로 포플러 목재칩보다 두배나 적게 나왔다. 저위발열량은 13.0 MJ (3,100 kcal/kg)으로 포플러 목재칩보다 410 kcal/kg 정도 발열량이 낮았다.

일반적으로 참나무 목재칩의 발열량이 높지만 이번 실험에서 포플러 목재칩보다 낮게 나온 이유는 높은 함수율이 직접적인 영향을 주었기 때문이다. 하지만 Table 7과 같이 국립산림과학원 고시에서 제시하는 상위기준을 모두 충족하여 두가지 목재칩의 연료 적합도는 높게 나타났다.

Table 7 Quality Comparison between Poplar Wood Chips and Hardwood Chips

2. 연소실험

가. 포플러 목재칩 연소실험 분석

포플러 목재칩 연소실험은 3차례에 걸쳐 진행했다. 검은색 그래프는 보일러에 투입된 연료의 양을 나타내며, 붉은색은 보일러 화실의 온도를 나타낸다. 1차 실험에서 포플러 목재칩을 투입하고 2시간이 경과하여도 Fig. 1의 좌측과 같이 화실의 온도가 700℃에 도달하지 못하는 현상이 발생했다. 이는 보일러 출력 대비 스크류 피더 (screw feeder)의 회전속도비가 50%로 설정되어 연료공급량이 부족한 것으로 파악되었다. 2차 실험에서도 연료공급비를 60%로 조정해도 Fig. 1의 우측과 같이 정상적인 보일러 온도에 도달하지 못하는 것으로 나타났다.

Fig. 1 Boiler temperature (red) and fuel supply (black) in the first and 2nd combustion experiments using poplar wood chips

3차 실험에서 연료공급비를 80%로 조절하여 Fig. 2와 같이 연소실험 시작 40분만에 화실온도가 정상온도에 도달했다.

Fig. 2 Boiler temperature (red) and fuel supply (black) in the 3rd combustion experiment using poplar wood chips

포플러 목재칩의 1차 연소실험은 6시간, 2차 연소실험은 4시간, 3차 연소실험은 10시간 동안 진행되었다. 실험조건에 부합하는 3차 연소실험의 측정값을 연구에 반영하였다. 시스템에 부착되어 있는 Sensus PolluStat 적산열량계의 로그데이터를 확인한 결과 총 2.94 MWh의 온수를 생산한 것으로 파악되었다. 여기에 제조사가 발표한 보일러 효율 93%를 적용하여 포플러 목재칩 공급량은 774.5 kg으로 산출되었다.

⋅ 온수생산량 = 2,940 kWh × 860 kcal = 2,528,400 kcal

⋅ 연료공급량 = (온수생산량 kcal / 연료발열량 kcal/kg) ÷ 보일러 효율 

= (2,528,400 kcal / 3,510 kcal/kg) ÷ 93% = 774.5 kg

나. 참나무 목재칩 연소실험 분석

앞서의 포플러 목재칩의 연소실험 결과를 기존에 사용 중인 참나무 목재칩과 비교 분석하기 위해 동일한 환경과 조건으로 연소실험을 진행하였다. 참나무 목재칩의 screw feeder 연료공급비를 33%로 설정하여 연소실험을 시작했으나 Fig. 3의 좌측에서 보는 것과 같이 2시간이 경과해도 화실의 온도가 500℃를 넘지 않았다. 원인은 휴양림에 예정에 없던 단체 관람객이 들어와 난방수를 많이 사용하였기 때문이다. 4시간이 경과하면서 관람객이 떠났고, 이때부터 1차와 같은 연료공급비로 2차 연소실험을 시작하였다. 그러나 Fig. 3 우측과 같이 1차 연소실험과 동일하게 정상적 화실 온도에 도달하지 못하였다.

Fig. 3 Boiler temperature (red) and heat storage tank temperature (black) in the 1st and 2nd combustion experiment using Hardwood chips

3차 연소실험은 연료공급비를 40%로 수정하여 실험을 진행하였다. 이후 보일러 온도가 700℃에 도달하여 연료공급비를 40%로 고정시켜 데이터를 축적했다. 참나무 목재칩의 1차 연소실험은 4시간 30분, 2차 연소실험은 5시간 30분이었으며, 3차 연소실험은 10시간 동안 진행되었다. 실험조건에 부합하는 3차 연소실험의 측정값을 연구에 반영하였다. 그 결과 연료사용량과 온수생산량에서 포플러 목재칩보다 좋지 않은 결과를 보였다. 이는 참나무 목재칩의 함수율이 포플러 목재칩보다 상대적으로 높기 때문이다.

참나무 목재칩의 발열량과 연료공급량은 시스템에 부착되어 있는 Sensus PolluStat 적산열량계의 로그데이터를 확인한 결과 총 2.80 MWh의 온수를 생산한 것으로 파악되었다. 연료공급량은 보일러 효율 93%를 적용하여 835.24 kg으로 산출되었다.

⋅ 온수 생산량 = 2,800 kWh × 860 kcal = 2,408,000 kcal

⋅ 연료 공급량 = (온수생산량 kcal / 연료발열량 kcal/kg) ÷ 보일러 효율

= (2,408,000 kcal / 3,100 kcal/kg) ÷ 93% = 835.24 kg

다. 연소실험 비교분석

목재칩은 온도범위 100℃부터 수분증발에 의한 감소가 나타나고, 200∼400℃ 사이에서는 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스, 리그닌의 분해에 의한 중량감소가 매우 급격하게 이뤄진다 (Kang et al., 2014). 또다른 연구에서는 목재칩은 280∼420℃ 구간에서 가장 활발한 연소반응을 보인다 (Ryu, 2011). 그러나 본 연구에서는 휴양림에서 적용하고 있는 700℃로 반영하여 보일러 적정온도를 설정하였다. 안정적인 실험조건을 보인 3차 연소실험의 측정값을 적용하였으며, 보일러 가동시간은 각각 10시간이다. 실험절차와 측정결과 비교값은 Table 8과 같다. 연료공급비를 80%로 설정된 포플러 목재칩의 연료 공급량은 774.5 kg이었고 2,940 kcal의 온수를 생산하였다. 연료공급비를 40%로 설정된 참나무 목재칩은 835.24 kg으로 2,800 kcal의 온수를 생산했다. 포플러 목재칩이 부피면에서 참나무 목재칩보다 많이 공급되었음에도 중량에서는 오히려 적은 것은 포플러와 참나무의 목재 비중의 차이에서 찾을 수 있다. 포플러의 기건비중은 0.35이고, 참나무 (굴참나무 기준)는 0.88 이므로 2.5배의 차이가 있다 (Korea Forest Service, 2000). 포플러 목재칩의 연료공급비를 참나무의 두배인 80%로 설정해야 정상온도에 도달했다는 점은 기건비중의 차이에서 원인을 찾을 수 있다.

Table 8 Combustion test procedure and measurement result comparison

포플러와 참나무 목재칩의 연소실험 결과값의 차이는 무엇보다 함수율의 차이에서 비롯된다. 이는 포플러든 참나무든 목재칩의 함수율이 높아지면 발열량이 급격히 줄어든다는 것을 의미하므로 무엇보다 건조품질을 높이는 것이 중요함을 시사한다. 여러 선행연구에서도 함수율은 가장 중요한 연료조건 중의 하나임을 제시하고 있다. 저위발열량을 기준으로 볼 때 함수비가 높은 연료는 단위중량당 열량이 낮으므로 불리하며, 연료 중의 회분함량 또한 가스화에 영향을 미치는 요인이다 (Hong, 2006). 또 다른 연구에서는 함수율과 회분함량에 따른 발열량 변화로 목재칩을 연료로 이용하는 보일러나 열병합 발전시스템 효율에 저하 등의 문제가 발생할 수 있음을 밝히고 있다 (Choi, 2021).

Fig. 4 Boiler temperature (red) and heat storage tank temperature (black) during the 3rd combustion experiment using Hardwood chips

실험결과를 좀 더 살펴보면 Table 9 및 Fig. 5와 같이 함수율 18.4% 포플러 목재칩 1kg의 온수생산량은 3,264 kcal, 반면 참나무 목재칩은 함수율이 26.1%로 높은 관계로 1 kg당 2,883 kcal의 온수생산량을 보이고 있다. 산술적으로 7.7%의 함수율 차이로 참나무 목재칩은 10시간 동안 60.74 kg의 연료를 더 사용하고도 120,400 kcal (140 kWh)의 손실이 발생한 것이다. 이는 같은 연료조건에서 100시간으로 가정하면 포플러 목재칩이 참나무보다 6,074 kg이 적게 들어가고도 14,000 kWh의 온수를 더 생산할 수 있으므로 경제성이 있음을 알 수 있다.

Table 9 Summary of the combustion experiment measurement results​​​​​​​

Fig. 5 Heat output comparison according to moisture content and fuel supply​​​​​​​

그러나 연료품질을 결정하는 함수율이 동일하지 않으므로 목재칩 연료의 경제성을 정확히 예측할 수 없는 문제가 있다. 보일러 사용 현장에서는 함수율을 동일하게 맞추기는 사실상 불가능하므로 선행 연구를 참고하여 동일한 함수율로 보정한 후 연료 경제성을 비교분석하였다. 황진성 등은 국내 자생 참나무류 중 가장 많은 비율을 차지하고 있는 신갈나무 (Quercus mongolica)의 함수율별 발열량 특성을 분석하였다. 특히 Fig. 6과 같이 함수율별 발열량을 예측하였는데 함수율 20%일 때의 발열량은 3814.4 kcal/kg, 함수율 40%일 때의 발열량은 3333.8 kcal/kg로 분석되었다. 이 연구결과를 분석하면 참나무 함수율 1% 증감시 25∼30 kcal/kg의 발열량 증감이 있음을 알 수 있다. 함수율이 낮은 구간에서는 함수율 1%당 약 30 kcal/kg의 발열량이 증감하고, 함수율이 높은 구간에서는 함수율 1%당 약 25 kcal/kg의 발열량 증감을 보이고 있다.

Fig. 6 Estimation heating value of Quercus mongolica by MC (Hwang et al., 2011)​​​​​​​

본 연구에서는 함수율 1%당 평균값인 28 kcal/kg 적용하였다. 함수율 26.10%인 참나무 목재칩의 함수율을 포플러와 동일한 18.40%로 적용하면 215.6 kcal/kg (0.25 kWh)의 발열량이 증가한다. 따라서 Table 10과 같이 참나무 목재칩의 발열량 보정값은 3,096 kcal/kg (3.60 kWh)이다. 그러나 이 경우에도 포플러 목재칩이 참나무보다 163 kcal/kg의 발열량이 높다는 점을 발견할 수 있다.

Table 10 Comparison of correction values when the water content of oak and poplar is applied equally​​​​​​​

이를 농산촌 현장에서 이해하기 쉽게 온수생산량 (MWh)을 기준으로 목재칩의 경제성을 정리하면 Table 11과 같다. (a)는 함수율 차이를 인정한 조건에서의 값이며, 참나무가 포플러보다 1 MWh당 1.13배 많은 목재칩 비용이 소요된다. 연간 500 MWh의 온수가 필요한 농산촌 마을의 경우 포플러는 15,806,000원, 참나무는 17,898,000원의 비용이 소요되므로, 포플러 목재칩을 사용하면 2,092,000원의 비용을 절감할 수 있다는 것을 보여주고 있다.

Table 11 Analysis of the cost of wood chips before and after moisture content correction (120,000￦ per tone of wood chips)

반면 (b)는 함수율을 동일하게 보정한 조건에서의 값이며 참나무가 포플러보다 1 MWh당 1.05배 비용이 소요된다. 연간 500 MWh의 온수가 필요하다면 포플러는 15,806,000원, 참나무는 16,648,500원의 비용이 소요되므로, 포플러 목재칩을 사용하면 842,500원의 비용을 절감할 수 있음을 보여주고 있다.

이와 같은 결과는 새만금 포플러 목재칩의 연료적 가능성과 경제적 가능성이 충분하다는 것을 입증하고 있다. 함수율을 낮추기 위한 건조과정에서도 기건비중이 낮은 포플러 목재칩이 건조에 투입되는 시간과 에너지가 적게 들어가므로 경제성이 추가로 향상될 수 있다.

3. 배출가스 분석

가. 포플러 목재칩의 배출가스 분석

포플러 목재칩 연소실험 과정에서 testo 380을 이용해 배출가스 중 PM 및 CO 농도를 분석하였다. 배출가스 측정은 총 4회에 걸쳐 진행하였으나 1차 연소실험 및 2차 연소실험에서 정상온도에 도달하지 못한 관계로 배출가스 검출 지점의 온도도 영향을 받아 측정값이 불안하였으며, 측정값을 배제하였다. 이에 정상적 실험조건을 보인 3차 연소실험에서 배출가스를 검출하였으며, 2회의 정상적인 로그데이터를 추출하여 연구에 반영하였다.

1차 배출가스 측정에서 Fig. 7과 같이 산소농도 13% 조건에서 PM 배출량은 평균 0.3057 g/m³로 측정되었으며, CO는 0.002 g/m³으로 측정되었다. 2차 배출가스 측정에서는 Fig. 8과 같이 PM 배출량이 산소농도 13% 조건에서 평균 0.1653 g/m³ 이었으며, CO는 검출되지 않았다.

Fig. 7 1st emission gas measurement result of poplar wood chips

Fig. 8 2nd emission gas measurement result of poplar wood chips

나. 참나무 목재칩 배출가스 분석

1차 측정결과 Fig. 9와 같이 PM 배출량은 산소농도 13% 조건에서 평균 0.0683 g/m³, CO 배출량은 0.001 g/m³ 으로 측정되었다. 2차 측정결과는 Fig. 10과 같이 배출가스 측정중 10분을 경과하는 시점에 보일러 가동이 중지되어 측정값이 불안정하여 연구에 반영하기 어려웠다. testo 380은 15분간 5초의 런타임으로 180회의 배출가스 검출하여 농도를 분석한다. 이에 1회 검출시점 (Run time 3:48:29)부터 119회 검출시점 (Run time 3:57:79)까지의 측정치를 2차 실험결과로 반영하였다. PM 배출량은 산소농도 13% 조건에서 평균 0.0754 g/m³, CO는 0.01 g/m³ 으로 다소 높게 측정되었다.

Fig. 9 1st emission gas measurement result of Hardwood chips

Fig. 10 2nd emission gas measurement result of Hardwood chips

다. 배출가스 비교분석

목재칩 연소시 배출가스에 영향을 주는 요인은 연료품질과 연소온도, 연소실 운전상태의 상호작용이다. 연료투입에서 배출까지 일체형 구조를 갖는 보일러의 구조상 배출가스 온도는 연소실의 온도와 직결되며, 앞의 연소실험에서 나타나듯 연소실의 온도는 연료품질에 의해 영향을 받는다. Table 12의 비교측정값을 보면 배출가스 온도가 높을수록 배출가스 중 산소농도가 증가하며, 반대로 PM과 CO 발생량은 감소하는 특성을 발견할 수 있다. 포플러 목재칩의 경우 배출가스 온도가 1℃ 상승할 때마다 PM의 배출량이 0.0203 g/m³ 씩 감소하고, 참나무 목재칩의 PM 배출량도 1℃ 마다 0.0093 g/m³이 감소하는 결과를 얻었다. CO의 경우도 마찬가지 결과를 나타내고 있다. 배출가스 실험결과는 결론적으로 1) 보일러의 연소실 온도가 배출가스에 가장 큰 영향을 끼치며, 2) 연소실 온도를 결정하는 것은 목재칩의 함수율이 가장 큰 영향을 미치므로, 3) 농산촌 현장에 보급시 경제성과 환경성을 위해서라도 함수율 20% 이하의 목재칩 사용 및 연소성능이 뛰어난 보일러 사용의 중요성을 시사하고 있다.

Table 12 Summary of Comparative Analysis of Emission Gas Measurement Results​​​​​​​

Ⅲ. 결론 및 시사점

본 연구는 화석연료에 의존하고 있는 농산촌 마을의 난방수요를 목질계 연료로 전환할 경우 연료품질 조건 및 환경적 영향을 분석한 것이다. 특히 날씨, 설비특성, 연료품질, 유지 관리역량 등 다양한 변수가 작용할 수 밖에 없는 고령화된 농산촌 현장에서 목재칩을 연료로 사용할 경우 가장 중요하게 고려해야 할 사항을 도출하고자 했다. 무엇보다 연료용 목재를 국내에서 수급하기 위해 조성된 대표적 속성수인 이태리 포플러가 난방연료로 적합한지를 밝히고자 참나무와 비교하여 실험을 하였다. 농촌마을 현실과 부합하는 실험조건을 갖추기 위해 실제 사용중인 연료와 설비를 이용하였으며, 이로인해 보일러의 운전특성에 맞춰 실험을 진행해야 하는 어려움이 있었다. 실험을 통해 얻은 Table 13의 결과를 종합하면 다음과 같다.

Table 13 Summary of analysis results​​​​​​​

1) 목재 기건비중의 차이에 의해 포플러가 참나무보다 연료공급비가 2배 정도 증가하지만 중량 단위로는 포플러 목재칩이 오히려 적다.

2) 가동시간 10시간의 포플러 목재칩 공급량이 참나무 목재칩보다 60.74 kg 적었음에도 온수생산량은 140 kWh가 많았다.

3) 함수율 차이를 인정한 조건에서 참나무가 포플러보다 1 MWh당 1.13배 많은 목재칩 비용이 소요되며, 함수율을 동일하게 보정하더라도 참나무가 포플러보다 1MWh당 1.05배 비용이 소요된다.

4) 배출가스 온도가 높을수록 산소농도는 비례(증가)하며, PM과 CO 발생량은 반비례(감소) 한다.

5) 포플러가 참나무 대비 회분 함량이 2배 정도 높고, 미세먼지도 3배 더 검출되었지만 산림과학원 목재품질기준을 모두 충족하고 있다.

결론적으로 포플러 목재칩의 연료적 가능성, 경제적 가능성, 환경적 가능성이 충분하다는 점을 입증하고 있다. 또한 함수율을 낮추기 위한 건조과정에서도 건조에 투입되는 시간과 에너지가 포플러가 적게 들어가므로 경제성이 추가로 향상된다는 점을 도출할 수 있었다.

농촌마을의 재생에너지 확산과 탄소중립을 위해 산림자원 활용방안이 대두되었고, 소규모 열병합발전이 점차 보급되고 있다. 농촌마을 주민들의 수용성을 높이기 위해서는 무엇보다 연료비 부담을 줄이는 것이 중요하다. 이는 농산촌 주민들의 직접적인 설문조사 결과에서도 확인할 수 있다. 전라북도 완주군 화산면 22개 가구(2021년 4월 11∼15일), 경기도 양평군 단월면 수미마을 23개 가구(2021년 5월 28∼30일), 충청북도 괴산군 장암.신대마을 51개 가구(2021년 12월 9∼17일), 충청남도 예산군 신암면 43가구(2021년 12월 13∼17일)를 대상으로 목재칩을 이용한 중앙난방에 대한 주민인식조사가 진행되었다. 산림과학원, 단국대학교, ㈜나무와에너지 등이 협력하여 진행된 설문조사에 본 연구자도 참여하였으며, 공식 발표를 하지는 않았지만 139가구 중 중앙난방 및 목재칩 보일러 사용을 거부하는 주민은 극소수에 불과하였다. 설문에 응한 대다수 주민들이 화석연료를 대체하는 목재칩 산림바이오매스 열병합 시설에 대한 욕구가 높다는 점은 정책적으로 시사하는 바가 크다.

그런 면에서 본 연구 결과는 목재칩의 건조품질과 보일러의 성능이 연료비 절감, 발열량 향상, 배출가스 저감 효과가 농산촌 주민들에게 직접적이며 긍정적인 영향을 준다는 것을 제시하고 있다. 따라서 관련 부처에서는 보급되는 설비의 성능기준을 엄격하게 유지할 필요가 있으며, 포플러 목재칩 보급 활성화 및 수급 안정화를 위해 보다 적극적인 지원정책과 기반시설 조성이 요청되고 있다.