산소부화연소용 저질소산화물 버너 개발

조 길 원, 한 건 우, 이 용 국

포항산업과학연구원 에너지·화성연구팀

Develpoment of low NOx burner for oxygen enriched combustion

Kil Won Cho, Kunwoo Han and Yong Kuk Lee

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

서론

최근 기후변화협약과 관련된 온실가스로서 가장 큰 관심사가 되고 있는 이산화탄소는 공업용 연료의 연소시에 필연적으로 발생되는 연소생성물로서 이의 배출량 저감을 위해서는 고효율 연소기술의 개발이 최우선 과제로 인식되고 있다.

산소부화연소는 연소용공기에 산소를 혼합하여 공기중의 산소농도를 높여 연소용 공기중의 질소분율을 감소시킴으로서 연소온도의 상승, 전열효율의 증대 및 연소 배가스의 현열손실 저감등을 목표로 하는 연소기술이다.  산소부화 연소기술은 산소부화율, 폐열회수율, 연소로 출구 연소가스 온도 등에 따라 열효율 향상 효과가 변화되지만 공업용 가열로의 경우 산소부화율 1%당 1∼3%의 연료절감이 가능하여 산소부화율을 높일 경우 대폭적인 열효율 향상이 가능한 기술이다.  산소부화연소는 열효율 향상에 유효한 것으로 인정되어 일부 공정에는 상용적으로 이용되고 있으나 연소성의 향상에 따른 연소로내 온도분포 불균일화와 고온연소에 따른 NOx의 과다발생등의 이유로 사용에 제약이 되고 있는 실정이다[1].

본 연구는 산소부화연소시 노내 온도분포의 균일화와 저NOx화가 가능한 연소기술을 개발하기 위하여 수행한 것으로서 산소부화 연소시의 기본 연소특성과 저산소부화 연소시의 NOx 저감과 관련된 연구결과는 기보고한 바 있으므로[2] 본 논문에서는 중형규모 가열로용 버너의 산소부화연소시 NOx 저감 방안을 도출하기 위해 수행한 연구결과중 고산소부화와 관련된 내용을 중심으로 보고하고자 한다.

실험

실험을 위하여 연소실험로, 연료, 공기 및 산소 공급장치를 설계제작하였다. 실험로의 유효제원은 1.2m(H)×1.2m(W)×2.5m(L)이며 길이방향의 한쪽 면에 버너가 부착되고 반대 면의 연도를 통하여 연소가스가 배출된다. 실험로의 한쪽 벽면에는 화염관찰창을 구비하고 반대쪽 벽면에는 길이방향으로 10개의 온도측정구를 설치하였다. 공기와 산소의 혼합은 벤튜리형 혼합기를 이용하였고 혼합기 출구에 산소센서를 설치하여 산소농도를 모니터링 하면서 공기와 산소의 유량을 조절하였다. 온도측정에는 sheathed R-type 열전대를 사용하였고, 연소가스의 농도는 연도의 시료채취구에 배가스분석기(Madur)의 probe를 삽입하여 측정하였다. 연료로는 상용 LPG를 사용하였으며 연소용량은 10만 kcal/hr로 고정하였다. 연소공기중 산소농도는 30%에서 50%까지를 실험범위로 하였고 정해진 부화율에서 공기비는 1.1에서 1.4까지 변화시켰다.  산소부화율과 공기비별로 미리 계산된 유량설정표를 이용하여 각 실험조건별 공기량과 산소량을 조절하여 버너에 공급하였고 파일럿 버너를 이용하여 점화시켰다. 노온이 1,000℃에 도달하면 실험로 길이방향 중심부의 온도분포와 연소가스 분석을 개시하여 노온이 1,300℃에 도달할 때까지 연속적으로 측정하였다.

저NOx 버너의 개발을 위하여 공기분사속도와 버너노즐 구조가 다른 2단연소식 버너 9종을 설계제작하였다.  자체제작한 2단연소식 버너는 버너타일의 중심부에 화염점검구가 위치하고 그 외주의 환상공간을 통하여 연료가 공급된다. 1차공기는 연료노즐 외주의 환상공간을 통하여 공급된다. 2차공기는 기본형 버너의 경우 연료노즐과 동심원상의 1차공기 노즐 외주의 타일에서 다수개의 원형 노즐을 통하여 분사되며, 슬릿형 노즐의 경우는 2차공기가 다수개의 직사각형 노즐을 통하여 분사된다. 2차공기 분할분사형 버너는 2차공기가 소공노즐과 대공노즐을 통하여 분사되는 구조이다(Fig. 1 참조).

결과 및 고찰

1. 기본형 버너의 연소실험 결과

기본형 버너의 연소실험에서는 이전의 저산소부화 연소에 대한 연구[2]에서 주된 NOx 영향인자로 밝혀진 공기의 분사속도와  2차공기 노즐의 배치가 NOx 발생과 노내 온도분포에 미치는 영향을 파악하는 것을 주된 목적으로 하였다. 산소와 혼합된 공기의 분사속도는 공기중 산소농도 50% 기준으로 40, 60, 80 m/s로 변화시키고 서로 마주보는 2차공기 분사공 사이의 거리(pcd)를 0.15와 0.2 m로 변화시켰다.  Fig. 2는 공기중 산소농도 50%, 공기비 1.1의 조건에서 노출구부의 온도를 1,200℃로 유지할 때의 실험로내 온도분포를 나타내는 것이다.  전체적으로 온도분포는 고속분사연소에서의 전형적인 형태를 보이며 균일화됨을 알 수 있다. 종래의 1단연소식 버너나 저속 2단연소식 버너에서는 버너 토출구 부근의 급속연소로 인해 버너 토출구 부근에서 고온 픽(peak)을 보였으나 본 실험의 버너들은 상대적인 고속분사로 인해 온도가 균일화되는 것으로 판단된다. 즉 고속분사에 의해 노내의 기연가스가 공기 분류중으로 다량 흡인되며 이에 따라 버너 토출구 부근의 급속연소가 방지되고 연소지연에 의해 버너 토출구 부위의 온도가 낮아짐을 확인할 수 있다[3]. 공기의 분사속도가 빠를수록 또한 동일 분사속도에서는 2차공기 노즐의 pcd가 클수록 노내의 온도분포가 균일화되는 경향을 보인다. 이는 연소용 공기의 분출유속이 클수록 그리고 연료노즐로부터 2차공기 노즐까지의 거리가 멀수록 노내가스의 흡인율이 증대되는 것을 의미한다.  Fig. 3은 Fig. 2와 동일한 조건에서의 NOx 발생량을 나타낸다. 종래의 2단연소식 버너는 공기중 산소농도 50%시 250∼500 ppm의 NOx가 발생하였으나 본 실험의 버너들은 100 ppm 이하의 NOx 발생량을 보인다. 공기의 분사유속과 2차공기 pcd의 영향은 연소가스중 산소농도의 차이에 희석되어 명확히는 나타나지 않으나 절대농도의 측면에서는 일정유속 이상에서는 NOx 발생량이 억제됨을 알 수 있겠다. 이같은 현상도 앞에서 설명한 고속분사의 효과에 기인하는 것으로 해석된다.

2. 개량형 버너의 연소실험 결과

산소부화연소시 급속연소에 의한 노온불균일과 NOx의 다량발생 문제는 공기의 고속분사에 의해 해소할 수 있다는 것이 입증되었으므로 공기분류중으로의 노내가스 흡인율 증대와 2차공기 노즐 pcd의 증대에 따른 완전연소성의 개선을 위하여 슬릿형 2차공기 노즐 버너와 2차공기 분할분사형 버너를 설계제작하여 실험을 실시하였다.  슬릿형 2차공기 노즐버너와 2차공기 분할분사 버너 공히 노내 온도분포가 원형노즐(기본형)의 경우보다 개선됨을 확인하였다.  이는 공기 분류와 노내가스간의 접촉면적 증대에 의해 노내가스의 흡인율을 증대할 수 있다는 것을 의미한다고 하겠다. NOx 발생량은 공기중 산소농도 50%의 경우는 기본형 버너와 유사하게 나타났으나 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 산소농도 30%의 경우는 개량형 버너의 NOx 발생량이 현저히 저하되는 것으로 나타났다. 특히 저산소부화에서는 슬릿형 2차공기 노즐버너의 저NOx성이 우수하였다. 또한 산소부화 연소시는 과잉공기량의 증가에 따라 NOx 발생량이 급격히 증가하는 것으로 나타난 바 연소가스중 산소농도의 적정제어가 필요함을 알 수 있었다.

결론

산소부화 연소시의 노내 온도분포 불균일화와 NOx의 다량발생 문제는 고속공기 분사에 의한 노내가스의 흡인율 증대로 해소가 가능함을 알 수 있었으며 공기중 산소농도 50%까지의 고산소부화 연소시에도 가열로의 통상 조업온도 범위에서 100 ppm 이하의 저NOx 연소가 가능하였다. 또한 새로운 형태의 저NOx 버너의 모델을 제시하였다.

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, 한국에너지공학회 춘계학술발표회 논문집, p. 303(2000)

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

Fig. 1. Front views of the experimental burners

Fig. 2. Temperature distribution for circular nozzle burners(O2 in air 50%)

Fig. 3. NOx emission for various circular nozzle burners(O2 in air 50%)

Fig. 4. Comparison of NOx emission between burners(O2 in air 30%)