산화제의 고온예열에 따른 산소부화 연소특성

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

조길원, 조한창, 이용국

포항산업과학연구원

Characteristics of Oxygen-Enriched Combustion with Highly Preheated Oxidant

Kil Won Cho, Han Chang Cho and Yong Kuk Lee

Energy and Chemical Process Research Team, RIST, Pohang, 790-330, Korea

서론

산소부화연소는 연소용공기에 산소를 혼입하여 공기중 산소의 분율을 높임으로서 화염온도의 상승에 따른 전열량의 증대와 배가스량의 감소에 따른 현열손실의 저감을 목적으로 하는 에너지절약형 연소기술이다.  산소부화연소는 순산소연소와 공기 단독연소의 중간에 위치하는 기술로서 공업로에의 적용시 범용성이 높은 기술이나 산소 사용시의 경제성 등의 문제로 특별히 고온이 요구되는 유리용해로나 전기로 등에만 한정적으로 사용되어 왔다. 최근 이산화탄소 문제와 관련하여 산소부화연소에 새로운 관심이 집중되고 있으며 기술의 실용화를 지향하여 고온연소에 따른 NOx 문제의 해결, 급속연소에 의한 노온 불균일화 문제 해결, 그리고 산소부화 연소의 열효율 향상을 위한 연구가 미국과 일본을 중심으로 본격적으로 수행되고 있는 상황이다[1].

본 연구자들은 선행연구에서 산소부화연소의 NOx 발생량 저감과 노온 균일화를 위한 연구를 수행한 바 있으며 공기의 고속분사를 기본으로 적절한 버너의 설계에 의하여 NOx 저감과 노온 균일화가 가능함을 보고한 바 있다[2]. 본 연구는 이전연구의 후속연구로서 산소부화연소시의 열효율을 보다 증대시킬 수 있는 방안을 도출하는 데 목적이 있다. 즉 연소배가스의 현열을 회수하여 산소부화 공기를 고온으로 예열함으로서 연료사용량의 추가적인 저감이 가능한 고온공기 산소부화 연소기술의 개발을 위한 기초연구로서 산화제의 예열에 따른 산소부화연소의 기본연소특성을 파악하고자 하였다.  이를 위하여 10만 kcal/h급 연소실험장치를 대상으로 산화제의 예열특성, 실험로내 온도분포특성, NOx 발생특성, 화염형상 등을 평가하였다.

실험

실험을 위하여 Fig. 1과 같은 실험장치를 이용하였다. 연소로의 유효제원은 1.2m(W)×1.2m(H)×3.2m(L)으로 되어 있으며, 세 개의 화염관찰구와 연소로 전후단면의 중앙에 버너 A(좌측)와 B(우측)가 쌍으로 부착되어 있다. 연소로 벽면은 세라믹 모듈로 단열시켰다. 축열기는 버너의 하단에 위치하며 직경 13mm의 세라믹 볼이 25kg 충전되어 있다. 축열기 전후단에 K형 열전대와 압력계가 부착되어 있어 온도와 압력 변동을 측정할 수 있도록 하였으며, 두 버너 축상의 길이방향, 즉 연소로 중앙에는 총 10개의 R형 열전대를 설치하여 로내 온도분포를 측정할 수 있도록 하였다.  좌측 버너가 연소시 연소배가스는 우측 버너의 공기노즐을 통하여 축열기를 통과하면서 축열기에 열을 전달하고 저온으로 배기된다. 일정시간이 지나면 연소가 절환되어 우측버너가 연소모드가 되어 연소용공기는 축열기에서 고온으로 예열되어 버너로 공급되며 좌측버너는 축열모드가 된다.  실험용 버너는 총 5 종류를 사용하였으며 설계용량은 연료기준으로 10만 kcal/h이다.  Fig. 2에 실험용 버너의 한 종류를 단면도로서 도시하였다. 버너의 중심부에 화염관찰관이 구비되고 그 외주의 환상공간으로 연료가 공급된다. 연료의 외주에는 연료노즐의 보호를 위하여 냉각공기가 공급된다.  연소용 공기는 2단으로 공급되며 1차공기는 냉각공기 외주로 전체 연소용공기의 20%가 공급된다. 2차공기는 연료노즐의 외주 동심원상에서 다수개의 원형 노즐을 통하여 분사된다.  산소부화공기의 분사속도는 선행연구에서 온도 균일화 및 저NOx화의 기본 조건으로 도출된 상온 기준 30m/s의 고속분사를 채택하였다.  연료는 상용 LPG를 사용하였고 공기비는 1.1∼1.3, 공기중 산소농도는 30∼50%로 변화시켰다. 점화후 노온이 1,000℃ 이상 확보되면 산화제와 노내 온도, 배기가스 조성 등을 측정하였다.

결과 및 고찰

Fig. 3은 대표적으로 RIST-1 버너를 이용하여 입구 산소농도 30%, 공기비 1.1, 절환시간 60초인 조건에서 얻은 로내 온도이력과 축열기 온도이력을 도시한 것이다. 버너에 점화후 한시간 이상이 지난 다음 노온이 안정된 상태에서 버너전단에 위치하는 열전대(x=25cm, 295cm)와 버너 후단, 즉 축열기 전단에 위치하는 축열기의 고온부에 있는 열전대로부터 측정된 시간에 따른 온도 결과이다. 버너 A가 연소모드일 때 버너 A로 공급되는 산화제의 온도가 점차 하강하고 축열기 B에 흡입되는 배가스 온도가 계속 상승된다. 로내에서는 버너 A 전단의 온도는 하강하지만 버너 B 전단에서는 온도가 점차 상승함을 알 수 있다. 이는 산화제의 온도하강에 따라 연소모드의 버너 출구 부근 온도가 점차 하강하기 때문이다. 반대로 축열모드의 버너 부근에서는 고온 배가스가 버너를 통해 배기되기 위해 흡입되면서 온도가 상승된다. Fig. 3에서 예열공기는 대략 900±50℃의 온도로 공급되고, 버너출구에서의 연소가스 온도는 1,250oC 부근에서 안정되는 것을 알 수 있다. 연소용 공기를 900℃ 정도로 예열하면 공기중 산소농도 30%의 경우 산화제 미예열의 경우보다 10% 정도의 추가적인 연료절약이 가능한 것으로 산정되었다.

Fig. 4는 Fig. 3과 동일한 버너를 이용하여 연소시 노온이 안정된 후의 노내 온도분포를 도시한 것으로서 버너 A와 B가 각각 연소 모드에 있을 때 절환이 이루어지는 순간의 로내 온도 측정치를 나타낸 것이다. 모든 버너에서 연소모드의 버너 출구 부근은 전체 온도평균보다 낮은 값을 갖지만 점차 온도가 증가하여 평준화되는 현상을 나타낸다.  노내의 최고온도와 최저온도의 차이는 60℃ 정도로서 통상적인 산소부화 연소시보다 온도분포의 균일성이 매우 향상되는 것으로 나타났다. 이는 고속공기 분사와 절환연소에 따른 결과인 것으로 해석된다.  즉 연소용 공기의 온도가 증가하면 버너 토출구에서의 공기유속이 증가하여 대류증대에 따라 노내가스와 공기의 혼합도가 향상되어 온도분포가 평준화되는 것으로 판단된다.  화염의 육안관찰에서도 점화초기에는 가시화염이 형성되나 연소용 공기의 온도가 800℃ 이상으로 증가하면 화염의 형상을 육안으로는 거의 관찰할 수 없는 소위 무염연소가 일어남을 확인할 수 있었다.  이는 노내가스와 공기의 혼합에 의한 산화제내 산소농도의 감소와 노내가스와 연료의 혼합에 따른 연료 발열량의 저하효과에 기인하는 것으로 해석할 수 있겠다[3, 4].

버너별 산화제 예열에 따른 NOx 배출특성을 Fig. 5에 도시하였다. 산소농도 30%, 공기비 1.1에서 버너에 따른 NOx 배출량을 도시한 (a)에서는 연료가 버너중심부에서 공급되고 산화제가 그 외부에서 공급되는 RIST-1 버너가 가장 낮은 60ppm이하의 NOx 배출량을 보였으며, 산화제가 버너 중심부에서 공급되고 주위에 연료가 분사되는 RIST-5 버너에서 가장 높은 NOx 배출량을 보였다. 예측되는 바와 마찬가지로 로내 온도의 상승에 따라 NOx 배출량은 증대되는 것을 알 수 있다. 이전의 연구에서 산화제를 상온으로 공급시 산소농도 30%에서는 대부분의 고속분사버너에서 80 ppm 이하의 저NOx 연소가 가능하였으나 산화제의 예열에 따라 NOx 발생량이 약간 증가하는 것을 알 수 있다. 산소농도 50%, 공기비 1.3에서의 결과를 도시한 (b)에서도 (a)와 마찬가지로 RIST 2001-1의 버너에서 가장 적은 100ppm 이하의 NOx 가 배출되었으며, 그 이외의 버너에서는 산소농도 30%의 경우에 비하여 상대적으로 많은 양의 NOx가 발생하였다. 공기중 산소농도 50%인 경우 산화제를 예열하지 않고 고속분사를 적용하는 경우 대부분 100 ppm 이하의 저NOx 연소가 가능하였으나 산화제의 예열에 따라 NOx 발생량은 증가하는 것으로 이해할 수 있겠다.  그림에 도시한 NOx 발생량은 연소가스중 산소농도에 따라 보정하지 않은 값으로서 통상 가열로에서의 규제치를 고려시는 만족할 만한 저NOx 성능을 보인다고 할 수 있다. 이와같은 결과는 앞의 온도분포에서 언급한 것처럼 무염연소에 가까운 노내 산소 희박연소에 의한 것이라고 할 수 있으며, NOx 발생량과 노내 온도분포와의 상관성을 보여주는 것이라 할 수 있겠다[5].  또한 산화제 예열 연소시는 저산소부화 연소시의 효과가 상대적으로 클 것으로 사료된다.

위와 같은 연구를 통하여 고온 산화제를 이용한 산소부화연소는 종래의 산화제 미예열 산소부화 연소 대비 열효율 향상과 노온분포 균일화에 유리하게 작용함을 알 수 있었다. NOx 발생량은 종래 대비 약간 증가하나 산소부화 공기의 고속분사를 기본으로 하면 저NOx 연소가 가능할 것으로 사료된다.

결론

중형규모의 축열 공기예열식 산소부화 연소시스템을 구현하였으며 산소부화 고온공기연소의 기초 연소특성을 평가하였다. 산화제 예열 산소부화연소는 산화제 미예열 연소 대비 노온분포는 균일화되나 NOx 발생량은 약간 증가함을 알 수 있었다. 고속분사를 기본으로 하여 적절한 버너의 설계에 의해 고온 산화제 사용시에도 안정적인 저NOx 연소가 가능함을 확인하였다.

참고문헌

1)Kobayashi, H. and Prasad, R.,"A Review of Oxygen Combustion and Oxygen          Production Systems", Proc. of Forum on High Performance Industrial Furnace and     Boiler-sponsored by NEDO, March 8-9, Tokyo, Japan, pp.74-1∼74-8(1999)

2) 조길원, 한건우, 이용국, 한국화학공학회 2001 봄 학술대회 논문집, p.1817(2001)

3) Kobayashi, H., US Patent 5,076,779(1991)

4) Tomeczek, J., Goral ,J. and Gradon, B., Combust. Sci. Tech., vol. 105, p. 55(1995)

5) Milani, A. and Saponaro, A., IFRF Combustion J., Article No. 200101(2001)

(a) 30% oxygen in air

(b) 50% oxygen in air

Fig. 2. Typical shape of the test burner(RIST-1)