금속섬유매트를 이용한 가스의 표면연소특성

한건우, 조길원, 이용국

포항산업과학연구원

Surface Combustion Characteristics of Gases on a Metallic Fiber Mat

Kunwoo Han, Kil Won Cho, Yong Kuk Lee

Research Institute of Industrial Science and Technology

서론

표면연소기술은 다공성 매질 내에서 예혼합가스를 연소시킴으로써 강력한 고체복사에너지를 얻는 연소기술이다.  표면연소를 이용하면 피열물의 신속하고 균일한 가열, 저과잉공기비 운전으로 인한 배가스 열손실량 감소, 질소산화물의 배출저감을 통한 저공해 연소 등의 잇점이 있어 향후 많은 활용이 기대된다.

본 연구에서는 내열금속섬유(metallic fiber mat)를 가공하여 얻는 다공성 매트를 매질로 사용하여 상용가스인 액화석유가스(LPG, Liquefied Petroleum Gas) 및 제철부생가스의 하나인 코크스로가스(COG, Coke Oven Gas)를 연소시켜 그 표면연소특성을 파악하여 표면연소기술의 새로운 응용가능성을 모색하고자 한다.

이론 및 실험

본 연구에 사용된 내열금속섬유매트는 벨기에의 Acotech사 제품으로 그 일정 분율 이상의 이트륨(Y)이 함유되어 있으며, 80∼85%의 공극율을 갖는 2mm 두께의 매트이다. 표면연소기의 모재는 크게 세라믹과 내열금속으로 나눌 수 있으며, 본 연구에 사용한 금속섬유매트는 가는 금속섬유(fine metallic fiber)를 소결 혹은 직조공정을 거쳐 다공성판넬 혹은 니트형재료(knitted material)의 형태로 제조한 것이다.  사용한 매트의 종류로는 판넬에 원형 천공이 된 원형천공판(AC200P1), 장방형 천공이 된 장방형천공판(AC200P2), 그리고 니트형매트(NIT100S, NIT200S)가 있다.

실험에 사용된 버너는 윗면이 개방된 육면체의 형태이고, 매트의 유효가열면적은 400cm2이다.  표면연소버너의 구조를 Figure 1에 나타내었다.  연료로는 LPG와 COG를 사용하였으며, 주요 물성은 Table 1에 나타나있다.

단위면적당 연소부하는 20∼170kcal/cm2hr 범위에서 10kcal/cm2hr 씩 변화시키면서, 공기비는 0.7∼1.5 범위에서 주로 1.0∼1.5 사이에서 실험을 실시하였다.  연소안정성 및 연소모드를 육안관찰을 통하여 파악하였다.  또한, 매트 표면의 온도분포를 파악하고, 국부가열여부를 알아보기 위하여 pyrometer(MINOLTA TR-630A)를 이용하여 매트의 9개 지점의 온도를 측정하였다.  배가스분석은 연소배가스분석기(Flue Gas Analyzer, Madur GA 60)를 이용하여 질소산화물의 배출 정도를 측정하였으며, 향후 버너설계를 위한 기초자료를 도출하기 위하여 버너 전후단의 압력차를 디지털마노미터(YOKOGAWA 2661 Precision Digital Manometer)를 이용하여 측정하였다.

Figure 1. Structure and dimension of the experimental metallic fiber burner.

Table 1. Properties of gaseous fuel.

Properties	LPG	COG
Composition [vol.%]	C3H8 97.8, C4H10 1.4, CmHn 0.8	CH4 26.6, C2H4 2.9, N2 2.3, O2 0.3, H2 56.4, CO2 3.1
Heating value H/L [kcal/Nm3]	24404 / 22387	4941 / 4389
Theoretical air [Nm3/Nm3]	23.38	4.476
Specific gravity to air	1.524	0.369
Wobbe Index [kcal/Nm3]	19768	8133
Flame speed factor	16	44
Impurities		Tar 10∼40mg/Nm3 Naphthalene 0.18∼0.26g/Nm3 H2S 0.5∼0.8g/Nm3 Ammonia 0.05∼0.12g/Nm3 HCN ∼1g/Nm3 Water : saturated

결과 및 토론

1.연소모드

LPG 및 COG의 연소부하와 공기비의 변화에 따른 연소모드의 성향을 Figure 2,3에 각각 나타내었다.  연소부하의 증가에 따라 LPG 연소의 경우 급격히 적열 및 전이영역이 줄어들고 있으나, COG 연소의 경우에는 고부하에서도 넓은 적열영역을 확보하고 있으며, 그 이유는 다음과 같이 설명할 수 있다.  본 연구의 실험대상 가스인 LPG 및 COG의 혼합가스 총유량은 비슷하므로 연소모드의 변화 및 화염의 안정기구에는 연소속도가 많은 영향을 미치는 것으로 생각할 수 있다.  연소가스의 엔탈피는 연소반응에 의해 반응열의 형태로 변하게 되며 이 에너지는 매트를 가열하게 된다.  이에 따라 매트내에서 예혼합가스가 갖는 연소속도는 보통 연소에서 보다 빠르게 되어 더 넓은 범위의 연료 분사속도 변화에 대하여 적열모드를 취하면서 안정화되는 것이다.  그러므로 연소부하를 증가시켜도 일정범위까지는 안정한 화염형태를 얻을 수 있으며, 상대적으로 화염속도계수가 큰COG(44)를 연소시킬 때는 LPG(화염속도계수 16) 연소시보다 더욱 큰 부하변동 범위에서 안정화될 수 있다.  아직까지 정성적으로 표면연소버너의 안정한 연소모드를 얻을 수 있는 연소부하의 한계에 대한 이론적인 검토는 이루어지지 않고 있어 이에 대한 연구가 시급하다.

Figure 2. Combustion modes for LPG  Figure 3. Combustion modes for COG        firings; variations in mat types and air     firings; variations in mat types and

air ratios.	and air ratios.

본 연구의 실험에서도 확인한 사실로 익히 알려진 바와 같이 표면연소버너는 낮은 연소부하에서도 역화의 위험성이 매우 적다.  이는 예혼합가스가 갖는 엔탈피가 매트를 가열하는데 쓰임으로 인해서 가스는 착화온도보다 낮은 온도를 유지하여 역화의 위험성을 거의 배제시킨다고 볼 수 있다.

2.표면온도분포

원형천공판을 이용하여 가스를 연소시킬 때의 매트표면온도 분포를 나타낸 그림이 Figure 4이다.  LPG 연소의 경우에는 매트의 최고온도가 공기비 증가에 따라 높은 연소부하에서 나타남을 보이고 있으나, COG 연소의 경우에는 공기비의 영향없이 80∼100kcal/cm2hr 의 연소부하에서 최고온도를 보이고 있다.  이는 앞서의 연소모드 실험결과와 연관시켜 볼 때 COG 연소의 경우 고부하연소시에도 비교적 넓은 범위의 적열영역을 얻을 수 있어 공기비가 증가하여도 최고온도를 보이는 연소부하가 일정한 것으로 생각된다.  반면, LPG 연소의 경우에는 낮은

화염속도계수로 인하여 실험범위에서 적열 Figure 4. Mat surface tempertuare       모드가 급격히 감소하면서 최고온도를 보이  distributions; circular patterned mat.는 연소부하도 감소하는 것으로 판단된다.

3.배가스분석

가스 연소시 각 매트별로 NOx의 발생량을 측정하였다. 100kcal/cm2hr 이하의 연소부하에서는 100ppm 이하의 NOx 농도를 보여 저공해연소가 가능함을 알 수 있었다.  실험 결과 연소부하가 증가함에 따라 NOx 발생량도 증가하는 경향을 보인다.  또한, CO 발생농도는 전 실험범위에서 300ppm 이하로 불완전연소의 문제는 없는 것으로 판단되었다.

4.압력손실

표면연소버너의 실제 적용을 위한 기초자료를 도출하기 위하여 버너 전후단의 압력손실을 측정하였다.   원형천공판을 이용한 가스연소시 표면연소버너의 압력손실량을 Figure 5에 나타내었다.  연소용량의 증가에 따라 압력손실량은 단조증가하였다.  또한, 가스종류의 영향이 거의 없이 압력손실량은 비슷한 값을 보였다.  이 현상은 LPG 및 COG의 총유량이 비슷한 데서 기인한다.  즉, 버너의 압력손실이 가스의 총유량에만 의존한다고 볼 수 있는데, LPG의 발열량은 COG의 약 5배이고, 반면 이론공기량 역시 5배 정도의 값을 지녀 총유량에서는 큰 차이가 없다는 사실에서 유추할 수 있다.

Figure 5. Pressure drop for COG and LPG

firing; circular patterned mat.

실험시 최대연소용량인 170kcal/cm2hr 에서도 300mmAq 이하의 압력손실량을 보였으며, 적열모드를 이용하는 운전에서의 한계 연소부하인 50kcal/cm2hr에서는 압력손실량이 50mmAq 이하로써 실용적으로 충분히 낮아 표면연소버너의 응용이 가능할 것으로 판단된다.

5.요약 및 결론

연구의 결과를 종합하면, 물리적 성질이 상이한 가스의 표면연소 적용이 가능하며, 연소모드를 결정짓는 중요한 인자는 화염속도계수이다.  화염속도계수가 일정값 이상을 유지하면 버너의 개조 등이 없이 발열량, 성분 등 물성이 상이한 가스도 같은 표면연소기를 이용하여 연소를 할 수 있다는 결론을 얻었다.

참고문헌

1. 노동순 외, □저공해 표면연소 시스템의 화이버글라스 불소수지 코팅공정에의 시범적용□, 한국에너지기술연구소, 1997

2. 조길원 외, □부생가스를 이용한 고효율 표면연소 응용기술 개발□, 포항산업과학연구원 보고서, 1997

3. 한건우 외, □액화석유가스와 코크스로가스의 표면연소 특성□, 한국에너지공학회 추계학술대회, 1997

4. D. C. Strachan, 1991, "Metal fibre burners - A low-NOx radiant heater technology", GASWARME International, Vol. 40, 1991

5. 桑原 茂, 小澤 秀成, "메탈화이바버너의 개발과 연소특성", 工業加熱, Vol.28, 1991, 23-31