제철부생가스와 도시가스의 혼합사용을 위한 연료호환성 연구

한건우, 조길원, 박흥수, 이용국

포항산업과학연구원

Interchangeability of gaseous fuels at steel industry

- Mixing of by-product gases and city gas

Kunwoo Han, Kil Won Cho, Heung Soo Park, Yong-Kuk Lee

Research Institute of Industrial Science and Technology

서론

일관제철소는 부생가스로 코크스로가스(COG), 고로가스(BFG), 전로가스(LDG) 등이 발생하고 있으며, 최근 설비의 신·증설 등 추가적인 연료 소요가 있어 향후 COG 수요량의 부족이 예상되어 상용가스인 도시가스(CG, City Gas)의 도입이 추진되고 있다.  본 연구에서는 연료 호환성에 대한 이론적 검토 및 실기 연소실험을 통하여 도시가스 도입시 최적 사용방안을 제시하고자 한다.

이론

국제가스조합(IGU, International Gas Union)에서 논의된 바에 따르면, 연소기에서 동일한 열량을 내면서 연소기의 대체나 가스압력의 변화없이 발열량, 화염안정성 및 연소의 질이 만족된다면 일반적으로 가스연료의 호환성이 있는 것으로 판정한다.

여러 가지 연료 호환성 판정법 중 본 연구에서는 Gilbert-Prigg 방법과 Weaver 방법을 이용하였다.  Gilbert-Prigg은 Wobbe 지수(WI=H/d1/2, 여기서 H는 고위발열량[kcal/Nm3], d는 비중)와 화염속도계수(SF, Flame speed factor)를 이용하여 열량주입, 화염역화, 비화, CO 생성 및 검댕 생성의 5가지 항목을 고려하여 호환성 판정법을 제시하였고, Weaver는 열량주입(JH), 공기인자(JA), 화염역화(JF), 비화(JL), CO 생성(JI), 노란 불꽃(JY)의 6가지 항목 인자들의 값으로서 연료호환성을 판정하는 기준을 제시하였다.

실험

실기 실험을 위하여 파일럿 버너 실험장치, R/T(Radiant Tube) 버너 실험장치, 연료공급장치를 제작하였다.  R/T 버너(유효제원 : 600mm(W)×1,500mm(H)×2,300mm(L))는 2단연소식 저NOx 버너로 흡인송풍식이며 7인치 규격의 내열주강재 방열관을 내장하였다.  열연가열로용 직화식 버너는 900mm(W)×1,000mm(H)×3,000mm(L)의 제원을 가지며 측면에 화염감시창이 설치되어 있다.  파일럿 버너의 경우 연소안정성 파악, 냉연부문에 쓰이는 R/T 버너의 경우 연소안정성 및 연소성능 평가, 그리고 직화식 버너의 경우 연료조성에 따른 연소성 평가를 목적으로 화염안정성, 화염길이, 배가스 조성 등을 파악하였다.

결과

1. 이론적 연료호환성 계산

본 연구에서는 냉연부문에 사용중인 COG를 도시가스(CG)와 BFG의 혼합가스로의 대체 가능성, 열연부문의 혼합가스인 MXG(Mixed Gas : COG+BFG+LDG)를 COG+BFG+CG로 전환시 대체가능성, COG+BFG+LDG→COG+BFG+LDG(50%)+CG의 연료전환, MXG→COG+BFG+LDG(50%)+CG의 연료전환 가능성을 계산하였다.  후술하는 연소실험 결과 부분에서 설명하겠지만 기존의 호환성 판정법에 의해 호환이 가능할 것으로 평가된 조건에서도 실제 연소에서는 연소가 불량하여 호환성이 없은 것으로 나타났으며, 따라서 호환가능성 및 범위는 실제 실험에 의해 결정하는 것이 타당하다.  다만 호환성 계산에서 P-G 방법과 Weaver 방법을 동시에 만족한다면 안정 연소가 이루어질 가능성이 높으며, 호환성 판정법을 이용하면 시행착오적인 실험의 횟수를 줄일 수 있는 효과는 기대된다.

2. 연소 실험

파일럿 버너 실험에서는 버너 노즐에서 화염의 부상이 심각하여 안정연소가 불가능하였다.  Table 1에 냉연부문의 R/T 버너의 실험결과를 요약하였다.  대부분의 실험범위에서 매연이 발생하였고, 이는 연료호환성 계산의 결과에서 보여지는 것처럼 COG→BFG+CG의 전환은 두 방법 모두 만족하는 경우가 없는 예측 결과와 거의 일치하고 있다.  전기강판용 R/T 버너와 3연주용 R/T 버너의 실험결과도 불완전연소 등의 문제로 버너의 개조 내지는 변경없이는 도시가스 사용이 불가능할 것으로 판단된다.

열연가열로용 직화식 버너를 이용한 실험은 COG, MXG, COG+N2, MXG+N2+CG 의 연료를 이용하여 연소의 안정성 및 배가스 조성을 파악하는 실험을 하였다.  본 실험에서는 도시가스를 포함하는 혼합연료의 도시가스 혼합비 변경시의 화염안정성과 화염형상을 중점적으로 파악하였고, COG전소 및 COG+N2 연소의 경우를 제외하고는 발열량을 2,800kcal/Nm3로 조절하여 버너에서의 연료분사속도가 동일하도록 하였다.

Table 2는 COG+N2+CG 연소의 경우 실험결과를 보여주는 표이다.  COG 분율이 45% 이상인 화염속도계수 19.65 이상에서 안정연소가 가능함을 보여주고 있다.  MXG+N2+CG 연소의 경우 연소용량 8만, 10만, 12만 kcal/hr의 경우에 MXG 80% 이상이고, 화염속도계수 21.62 이상에서 안정연소가 가능하였다.  또 다른 MXG를 사용한 경우의 실험에서는 COG 분율이 50% 이상인 경우 안정연소가 가능함을 확인하였고, 이때의 화염속도계수는 13.6 정도였다.

위 실험의 결과를 종합해 볼 때, MXG+도시가스+질소의 혼합연소시 화염속도계수를 22 이상으로 유지하면 화염의 안정성을 확보할 수 있을 것으로 생각된다.  즉, 최저 화염속도계수를 확보하기 위한 일정분율 이상의 COG만 공급하면 BFG+COG+LCG+도시가스의 4종 혼합가스로서 가열로용 버너의 개조없이 기존의 2종 혹은 3종 혼합가스를 양호하게 대체할 수 있을 것으로 판단된다.  Table 3에 화염속도계수 22 이상을 유지하기 위한 최소 COG 분율을 나타내었다.

결론

COG 대체연료로서 고려중인 도시가스를 제철소에 도입시 그 적정 사용방안을 도출하기 위한 이론적 및 실험적 연구를 수행한 결과 다음의 결론을 얻었다.

1. COG용으로 설계되어 사용중인 냉연부문 버너인 파일럿 버너의 경우 도시가스와 BFG 혼합가스 연소시 부상화염과 미착화에 의한 연소 불안정 현상이 심각하였으며, R/T 버너의 경우는 불완전 연소의 문제가 크게 대두되어 COG 대신 도시가스와 BFG의 혼합가스 사용은 불가능하였다.  이는 COG와 혼합연료간의 연소속도 차이에 기인한 것으로 생각된다.

2. MXG용으로 설계된 가열로용 직화식 버너의 연구 결과 도시가스와 부생가스가 혼합된 혼합연료의 경우에도 COG를 일정분율 이상 혼합하여 화염속도계수를 22 이상으로 유지하면 안정 연소가 가능하였다.  또한, 기존의 MXG 연소시와 대비할 때 도시가스 혼합연료의 경우 약 10%의 화염신장이 관찰되었고, 완전연소성과 복사 열전달율도 동일수준인 것으로 평가되어, 도시가스 도입시 부생가스와 도시가스를 혼합한 혼합연료를 공급하면 버너의 개조 없이도 연소성능을 유지할 수 있을 것으로 생각된다.

참고문헌

1. 윤형기, 엄태인, 이상남, 박태준, : 열량 변동에 따른 천연가스 호환성 연구,

Energy R&D, 11(4) , 80-94(1989)

2. Reed, Richard J. : North American Combustion Handbook, Vol.1, 3rd

3. Gas combustion characteristics, Chemical Engineering Design Data, Humphreys &

Glasgow Ltd., Firtst Issue(1961)

4. Weber, E. J. : Utilization of Gas - Chapter 14. Interchangeability of Fuel Gases

5. Weaver, Elmer R. : Foundation and Graphs for Representing the Interchangeability

of Fuel Gases, J. Research of the National Bureau of Standards, 46(3), 1951

6. 'Report of the committee for the study of the interchangeability of gases', 8th

International Gas Conference, Stockholm(1961)

7. Boyer, E. G. : Interchangeability of Various Fuel Gases with Manufactured Gases,

Summary Bulletin of Project TL-1, Gas Production Research Committee, American

Gas Association Laboratories

8. Knoy, M. Frank : Graphical Approach to the Problem of Interchangeability, A.G.A.

Proceedings(1953)

9. POSCO 환경에너지부 : PCI 증가에 따른 COG 부족대책 (1994.10, 1995.8)

Table 1. Gaseous fuel conversion of COG to BFG+CG

; #2 CAL R/T burner at POSCO, Pohang works, 120,000kcal/hr

Mixing ratio[%] CG:BFG	P-G method				Weaver's method					Air ratio			SF
	ICL	FL	HSL		JL	JF	JY	JI		1.1	1.2
100: 0	×	○	×		×	○	×	×		×	×		15.70
70:30	×	○	×		×	○	×	×		×	×		14.29
58:42	○	○	○		×	○	×	×		×	×		13.51
40:60	○	○	×		×	○	○	○		×	×		11.95

○ : stable, ×: unstable

Table 2. Gaseous fuel conversion of COG(56)+BFG(44) to COG+BFG+CG

; reheating furnace burner at POSCO, Pohang works,

H=2,800kcal/Nm3

Mixing ratio[%] COG:BFG:CG	P-G method				Weaver's method					Capacity [Mcal/hr]			SF
	ICL	FL	HSL		JL	JF	JY	JI		50	120
35:56.0:9.04	○	○	×		×	○	○	×		×	×		16.14
40:52.5:7.46	○	○	○		○	○	○	×		○	○		17.86
45:49.1:5.88	○	○	○		○	○	○	×		○	○		19.65
50:45.7:4.30	○	○	○		○	○	○	×		○	○		21.53

Table 3. Fuel fractions to meet SF, 22

Fraction				SF	WI[kcal/Nm3]
LDG	COG	BFG	CG
0 0.2 0.4 0.55	0.44 0.41 0.38 0.36	0.526 0.367 0.208 0.0863	0.0337 0.023 0.0124 0.0037	22.12 22.15 22.18 22.29	3869 3556 3430 3154