압연가열로용 저 NOx 축열연소 버너개발

김기홍, 조길원, 강덕홍, 이용국

포항산업과학연구원 에너지화성연구팀

Development of Low NOx Regenerative Burner for Reheating Furnace

Ki-Hong Kim, Kil-Won Cho, Deok-Hong Kang, Yong-Kuk Lee

Energy&Chemical Research Team, Research Industrial Science & Technology

서론

800∼1200℃ 정도의 고온공기 연소를 특징으로 하는 축열식 연소시스템은 대폭적인 연료의 절감이 가능하여 세계 각국에서 개발경쟁이 치열한 연소기술이다. 종래의 연구개발에서는 축열체의 선정, 축열기 구조의 최적화, 버너의 제어 등 주로 축열식 연소시스템의 열효율 향상을 위한 연구가 주류를 이루어 왔다. 축열식 연소시스템은 괄목할만한 열효율에도 불구하고 실제공정에의 적용은 매우 제한되어 왔는데, 이는 주로 고온공기 연소에 의한 화염온도의 고온화에 따른 질소산화물(NOx)의 다량배출 문제 때문이다.

고성능 공업로의 요체인 축열연소시스템의 보급확대를 위해서는 고온공기 연소시에도 NOx 과다배출의 문제를 해결할 수 있는 저 NOx 축열식 버너의 개발이 선행되어져야 한다. 따라서 본 연구에서는 저 NOx 축열식버너의 개발을 위한 일련의 연구를 수행하여, 고온공기 연소시에도 환경규제를 만족할 수 있는 저 NOx 연소기술을 정립하고자 하였다.

실험

본 연구에서의 실험로는 유효제원이 1.5M(W)×1.5M(H)×1.5M(L) 인 정육면체형 내화물 구조로서 좌, 우측에 대향으로 버너를 설치할 수 있게 되어 있다.  Fig.1은 축열식 버너 개발 연구에서 사용된 실험장치의 구성도를 나타낸 것이다. 본 실험에서 사용된 축열식버너의 설계 연소용량은 12만5천 kcal/hr 이고, 가열방식은 좌/우측 버너의 절환연소(60초/180초)에 의하여 이루어지며, 연료는 LPG 를 사용하였다. 축열기는 외장형 타입으로 그 내부의 축열체는 직경이 13mm 인 알루미나볼(Al2O3 93%)을 사용하였다. 그리고 좌/우측 축열기내의 축열체의 질량은 30Kg 이다.

저 NOx 형 축열식버너의 개발을 위한 실설계 데이터를 확보하기 위하여 본 실험에서는 NOx 발생특성 파악을 중심으로 실험을 수행하였다. 주요 실험변수로는 버너 타입에 따라 연소용량, 공기비, 연소용 공기 및 연료분사속도, 그리고 1, 2차 연료노즐 분사위치 간격, 1, 2차 연료비였다.

그실험범위는 Table. 1에 나타내었다.각각의 실험변수에 따른 측정항목은 노온, 축열기 입출구 연소용공기 온도 및 배가스온도 이력, 노압, NOx 발생량, 축열기 높이에 따른 축열체 온도이다. 노압의 hunting 을 방지하기 위하여 IDF 전단에 위치한 댐퍼의 개도를 조정하여 배기되는 연소배가스의 양을 조절하였으며, 데이터 측정은 연소용 공기 예열온도가 약 600℃ 에 도달 또는 노온이 약 1000℃ 이상에서부터 실시 하였다.

Fig. 1 축열연소 실험장치 개략도

Table 1 주요실험변수

실험변수		범위
연소용량 [NM3/Hr]		3.0 - 5.5
공기비		1.0 - 1.2
분사속도 [M/S] (30℃ 기준)	연소용공기	8 - 20
	연료	13 - 20
1, 2차 연료노즐분사위치 간격 [Cm]		0 - 38
1, 2차 연료비		4:6 3:7 2:8

본 실험에서 사용한 개발 실험용 축열식 버너는 크게 연료이단 연소버너와 공기이단 연소버너 타입의 두가지로 나눌 수 있으며, 공기이단 연소버너는 연료 및 연소용공기의 분사속도에 따라 두가지 타입으로 구분된다. 본 실험에서 사용된 테스트용 버너는 모두 자체 설계한 버너이며, 그 각각의 모양은 Fig. 2(a),2(b),2(c)에 나타내었다.

Fig. 2(a) 연료이단 연소 burner       Fig. 2(b) 공기이단 연소 burner(Type 1)

연료이단 연소버너는 기본적으로 1차연소역에서의 과잉공기연소로 화염온도의 저하와 1차 연소역에서 생긴 질소산화물을 2차연소역에서 환원시키는 작용을 통해 NOx 발생량을 줄이는 특성을 지니고 있다. 따라서 본 실험에서는 1, 2차 연료비 및 1, 2차 연료노즐 분사위치(2차 연료노즐위치 가변)에 따른 NOx 발생특성을 파악코자 하였다.  Fig. 2(c)에 나타낸 공기이단 연소버너는 버너 중심으로 2차 연소용공기가 공급되고, 1차 연소용공기는 버너타일 중심에 대하여 외측 원주방향으로 8개의 분사 hole 을 통하여 분사된다. 그리고 main 배관을 통하여 주입되는 연료는 버너에서 4개의 분배관으로 나누어 지며, 이 분배관은 8개의 1차 연소용 공기공급 라인중 4개의 hole 중심에 위치한다.

이와같이 1, 2차 연소용공기의 분배공급을 함으로서 1차 연소역에서의 연소용 공기부족으로 인한 화염온도의 저하, 8개의 1차 연소용 공기 공급 hole 중 4개의 hole 에 대해서만 연료를 공급하기 때문에 농담연소 및 화염의 분할로 화염온도의 저하를 통하여 NOx 발생량을 줄일 수 있도록 설계하였다. 또한 연소용 공기 및 연료의 분사단면적을 조절하여 연료 및 연소용공기의 분사속도변화에 따른 NOx 발생특성 파악 실험을 수행하였다.

Fig. 2(c) 공기이단 연소 burner(Type 2)

Fig. 2(c) 나타낸 공기이단 연소버너(type 2)는 앞의 공기이단 연소버너(type 1)에 비해 연료 및 연소용 공기를 고속으로 분사할 수 있도록 설계하였다. 또한 고온분위기에서 연료노즐을 보호하기 위한 cooling air 공급라인, 1차 연소용 공기와 연료공급시 편심분사 및 2차 연소용공기 공급구의 직경을 다르게 함으로서 농담연소효과를 얻을 수 있게 하였고, 버너타일의 형상을 원추형형태로 함으로서 1차 연소화염의 안정성을 기하게 설계하였다. 이러한 타입의 버너를 가지고 연소용량 및 공기비에 따라 NOx 발생량 측정실험을 수행하였다.

결과 및 토론

Table 2(b) NOx 발생특성(공기이단1)

분출속도(m/s)	예열공기온도	O2농도	NOx
연료:13.6 공기:8.3	750	4.2	210
	800	4.1	250
연료18.1 공기:10.8	750	3.1	135
	800	3.0	154
연료:13.6 공기:15.5	750	3.2	80
	800	2.9	82

Table 2(a),(2(b),2(c)는 Fig. 2(a).2(b),2(c)버너에 대한 NOx발생특성을 나타낸 것이다.

Table 2(a) NOx 발생특성(연료이단버너)

1,2차 연료비	예열공기 온도(oC)	O2농도 (%)	NOx,ppm (11% O2)
2:8	750	2.2	65
	800	2.2	90
3:7	750	2.5	105
	800	2.4	130
4:6	750	2.4	130
	800	2.0	160

Table 2(c) NOx 발생특성(공기이단2)

분출속도 (m/s)	예열공기 온도(oC)	O2농도 (%)	NOx,ppm (11% O2)
연료:20 공기:20	650	1.6	27
	750	2.2	28
	800	2.3	30
	800	3.3	65

각각의 버너에 대한 NOx 발생특성을 비교해본 결과 공기이단 type 2버너의 경우 고속분사에 따른 로내 가스의 재순환 효과 및  연료 노즐의 편심구성과 2차공기 분사시 노즐크기 변화에 의한 농담연소효과가 결합되어 NOx 발생량을 70ppm이하로 줄일 수 있는 환경친화적인 저 NOx 축열식 연소버너를 개발하였다.