희박혼합기의 촉매연소특성

김종진, 서용석, 강성규, 유은상*, 한윤봉*

한국에너지기술연구소, 전북대학교*

Characteristics of Catalytic Combustion of Lean Mixture

Jong-Jin Kim, Yong-Seog Seo, Sung-Kyu Kang, Eun-Sang Yu*, Yoon-Bong Hahn*

Korea Institute of Energy Research, Chonbuk University*

1. 서론

희박예혼합 촉매연소법은 하니컴(Honeycomb)형상의 연소촉매를 이용하여 제작된 촉매연소기에 가연혼합기 이하의 희박예혼기를 통과시켜서 연소시키는 방법이다. 희박예혼합 촉매연소 시스템의 NOx생성에 대한 특성을 검토하기 위하여, 외국에서 희박예혼합 촉매연소법을 채택하여 활발한 연구가 진행되고 있다[1]-[5]. 일반적으로 화염연소의 경우에는 연소실의 국부온도가 Thermal NOx의 급격한 생성온도인 1,500℃보다도 높게 상승하기 때문에 NOx의 생성량이 많게 된다. 이것을 해결하기 위하여 개발한 희박예혼합 촉매연소법을 이용하는 경우에는 연료의 혼합비를 화염연소의 가연혼합비 이하로 낮출 수 있기 때문에, 연소실온도를 Thermal NOx 생성온도 이하로 낮춤으로서 Thermal NOx의 생성을 억제한다. 또 촉매연소는 연소실에서의 국지온도를 비교적 균일하게 유지할 수 있기 때문에 국지온도가 Thermal NOx 생성온도 이상으로 상승하는 것도 방지할 수 있다. 그러므로 희박예혼합 촉매연소법을 채택하는 경우 Thermal NOx의 생성을 효과적으로 억제하는 것이 가능하다.

이 연소법의 경우에는 일반적으로 Thermal NOx의 생성이 억제될 수 있는 1,300℃이하의 분위기온도가 되도록 높은 과잉공기로 혼합된 예혼합연료를 촉매버너에 공급하여 촉매연소를 시킨다. 예혼합기가 연소기 입구의 촉매표면에서 접촉반응에 의하여 연소가 시작되고, 이곳에서 발생된 열이 하류측으로 전달되어 하류에서는 고온하에서의 접촉반응과 기상반응에 의해서 연소가 완결된다. 시스템의 효율을 제고하기 위해 분위기온도가 1,300℃이상으로 될 필요가 있는 경우에도 배기가스중의 NOx농도를 대폭적으로 저감할 수 있다[3].

2.실험장치 및 실험방법

[그림 1]에 본 연구를 위해 설계제작한 희박혼합기 연소실험장치의 개략도를 도시한다.

연소용공기는 링브로워(Ring Blower)에서 토출되어 오리피스형의 유량계에서 계량된 후 열풍기로 유입되고, 이 열풍기내에서 공기는 전기heater에 의해 가열된다. 가열된 공기는 벤츄리믹서로 공급되고, 이곳에서 연료와 혼합되어 희박혼합기가 되어 연소기로 공급된다. 연료(LNG)는 Mass Flow Controller에서 제어된 후, 벤츄리믹서로 공급되어 열풍기에서 가열된 공기와 혼합된다.

연소기의 각 부분은 내열성이 우수한 Stainless Steel을 사용하여 원통형으로 제작하였고, 외경이 100mm인 촉매층을 1단, 2단으로 촉매층을 쌓아서 연소할 수 있는 구조로 하였다. 실험용연소기의 상류부에는 외경 100mm × 두께 30mm의 Honeycomb를 설치하여 흐름이 정류되도록 하였다. 또 외부로 방열되는 열량을 줄이기 위하여 세라믹울(Ceramic Wool)로 연소기외부를 단열하였다.

[그림 1] 실험장치의 구성도

연소촉매는 한국에너지기술연구소에서 개발한 팔라듐촉매(Pd/NiO-Al2O3 ; 400 mesh의 Cordierite Honeycomb에 촉매를 담지함)[6]를 사용하였다. 촉매체의 직경은 100mm로 일정하게 하였지만, 촉매체두께는 15mm, 22mm, 30mm 등으로 변화시켜 실험하였다.

연소기의 각부의 온도를 측정하기 위하여 연소기 벽면에는 여러개의 측정공을 설치하고, 이곳에 여러개의 k-type열전대(외경 1.6mm)를 설치하였다.촉매층에 유입되는 혼합기의 온도를 측정하기 위하여 촉매층의 상류에도 열전대를 설치하였다.

CO2와 CO를 분석하기 위하여 NDIR(Non-Dispersive Infrared)법의 가스분석계를 사용하였고, O2분석은 전기화학식 산소분석기를 사용하였다. NOx분석은 화학발광법(Chemilumine -scence)을 이용한 Thermo Enviromental Instruments사의 모델 42H를 사용하였다. 또한 탄화수소(H-C)의 분석을 위해서는 가스크로마토그래프의 TCD를 사용하였다.

3. 실험결과 및 고찰

실험장치에 연료와 공기를 공급하여 혼합비 4.5%이하인 희박혼합기 상태로 촉매층에 공급하고, 전기가열기를 이용하여 시스템의 온도를 서서히 증가시키면 촉매층에 유입되는 혼합기의 온도가 360∼390℃일 때 촉매반응에 의해 점화되어 촉매층이 적열됨을 관찰 할 수 있었다. 이 경우 공기예열용 전기가열기외에 별도로 점화장치를 사용하지 않고, 연료(LNG)의 주성분인 메탄의 연소온도가 615℃이기 때문에 이와 같이 적열되는 것은 순전한 촉매반응으로 판단된다.

공기량이 3.0 Nm3/h이하인 경우 즉 공간속도가 약27,000 h-1이하인 경우에는 촉매층에 유입되는 혼합기의 온도가 360∼400℃일 때에 촉매연소반응이 시작되어 [그림 2]와 같이 급격한 온도상승을 보여주었다. 이 그림에서 촉매출구 표면온도를 조사하여 보면, 촉매층에 유입되는 혼합기의 온도가 375℃부근에서 촉매층 출구표면온도가 급격히 상승하기 시작한 것을 알 수 있다. 이 375℃부근이 촉매반응에 의해 연소반응이 시작되는 점이라 판단된다. 촉매연소반응이 시작되어 촉매출구 표면온도가 50∼60℃상승하면, 촉매층에서 복사열을 받아 촉매층입구에 설치한 열전대의 온도가 급격히 상승하는 것을 그림에서 알 수 있다. 촉매연소반응이 시작된 후 약 10∼12분이 경과되면, 촉매출구 표면온도가 최고치에 도달하는 것을 알 수 있다. 이 촉매출구 표면온도가 최고치에 도달되는 이 시간이 촉매층이 완전한 활성을 발휘하기 위하여 소요되는 시간이라 사료된다.

[그림 2] 시간경과에 따른 촉매층 입출구온도의 변화

[그림 3] 촉매의 연소특성

공기유량이 3.0 Nm3/h인 경우(공간속도 약17,400 h-1) 촉매의 연소특성을 [그림 3]에 도시한다. 이 그림에서 혼합비가 증가할수록 촉매층출구 표면온도가 상승하고, CO2의 농도도 증가하지만, O2농도는 감소하는 것으로 나타났다. 이 실험시에 촉매층출구에서 CO2농도가 완전연소한 경우의 값에 가깝게 측정되었다. 따라서 혼합비가 증가할수록 촉매층내에서 연소되는 연료량이 많기 때문에 CO2농도는 증가하고, O2농도는 감소하며, 출구온도는 증가하는 것으로 판단된다. 특히 CH4의 농도는 혼합비가 증가할수록 감소하였고, CO농도는 혼합비가 클수록 증가하였다. 이것은 혼합비가 클수록 촉매층온도가 상승하기 때문에 LNG의 주성분인 CH4이 분해되어 연소되기 때문인 것으로 판단된다. 또 그림에서 촉매층의 입구온도가 500∼700℃로 나타난 것은 촉매층의 복사열에 의한 것으로 판단된다. 이 입구온도도 촉매층의 온도가 상승할수록 상승하는 것으로 나타났다.

[그림 4]에 공기량 2.0∼4.0 Nm3/h, 공간속도 17,000∼35,000 h-1에 걸쳐 실험한 결과를 도시한다. 실험범위내에서 혼합비가 증가할수록 CO2농도가 증가하고, O2농도가 감소하는 경향을 나타내었다. 특히 혼합비가 높을수록 이 측정값들은 완전연소값에 근접하였고, CO농도는 30 ppm이하로 측정되었다. 특히 NOx농도는 1 ppm 이하로 나타났다.

[그림 4] 촉매연소기의 배기가스분석 결과

참고문헌

1. H.Arai, M.Machida, "Recent Progress in High-Temperature Cataytic Combustion", Catalysis Today, Vol.10, p.81∼95, 1991

2. 福澤久, □觸媒燃燒□□□□-□燃燒器□□適用性□檢討□, 橫□賀硏究所, 1991

3. 庄司亨, Ralph A. Dalla Betta, "低NOx化□□□□觸媒燃燒技術□, 第19回 觸媒燃燒□關□□□□□□□□, p.13∼24, 1995

4. 古屋富明,□高溫觸媒燃燒□, 燃料協會誌, Vol.69, No.3, 1990

5. 荒井弘通, □燃燒□□觸媒□□用□, 日本機械學會誌, Vol.97, No.904,1994

6. 강성규 외, □중고온 촉매연소용 촉매 및 연속기개발연구□, 한국에너지기술연구소 연구보고서, KIER-953228, 1996