[논문]가스보일러 일산화탄소 제어에 관한 연구

조영도; 최경석; 김지윤; 깅창연

[국내논문] 가스보일러 일산화탄소 제어에 관한 연구
A Study on the Control of the Exhaust CO from Gas Boiler 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.5 no.1, 2001년, pp.7 - 14

조영도 (한국가스안전공사 연구개발실) , 최경석 (한국가스안전공사 연구개발실) , 김지윤 (한국가스안전공사 연구개발실) , 깅창연 ((주)롯데기공 기술연구소)

초록
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가정집 가스보일러 배기가스 조성에 대하여 열역학적 관점에서 해석하였고 일산화탄소 센서의 특성에 대하여 고찰하였다. 배기가스의 조성 측정으로부터 보일러 연소조건을 예측할 수 있음을 본 연구에서 제시하였다. 즉 배기가스중의 산소농도로부터 과잉 공기량을 예측할 수 있고, 배기가스중의 일산화탄소와 수소의 비율로부터 보일러 연소실 온도를 알 수 있다. 가정집에 설치되어 있는 보일러의 배기가스 조성 해석으로부터 과잉 공기량이 약 $55\~110\%$임을 알 수 있었다. 따라서 가정집 가스보일러에서 발생하는 일산화탄소는 연소가스의 유속구배에 의한 난류에 의한 국부냉각 또는 벽에 의한 국부냉각으로 등에 의하여 발생하는 것으로 사료된다. CO센서의 출력전압은 수소와 일산화탄소의 농도에 선형적으로 비례하며, 보일러에서 일산화탄소 발생을 CO센서와 연동제어로 감소시킬 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, the chemical composition of the exhaust gas from domestic gas boiler has been analysed in the point of thermodynamics and CO sensor has been characterized. We proposed that the combustion condition can be estimated by the exhaust gas composition, i.e., the excess air ratio and combustion temperature can be calculated simply by the measurement of the $O_{2}$ fraction and $H_{2}/CO$ in the exhaust gas. By analyse the on site situation domestic boiler, the excess air ratio is about $55\~110\%$. Therefore, the CO may be produced in domestic gas boiler by luminous(yellow) flames rapidly lose heat by radiation, turbulent flames may be partially quenched by the action of steep velocity gradients, and flames burning very close to a cold wall may be partial1y quenched by heat conductivity to the wall. The output voltage of CO sensor is lineally depend on the CO and $H_{2}$concentration. And the exhaust CO from boiler can be reduced by closed loop control with CO sensor

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

고은에서 연소가스의 여러 가지 평형 반응에 대한 연립방정식을 푸는 것은 매우 복잡하고컴퓨터롤 이용해 해률 얻기 위하여 일반적인 프로그램이 작성될 정도로 표준화되어 있지도않으므로 여기서는 평형상태에서 전 Gibbs 자유에너지가 쾨저 값을 갖는다는 사실을 이용하여 배기가스의 조성을 구하고자 한다.
본 연구에서는 보일러에서 천연가스의 연소생성물에 대한 해석으로 연소조건 예측과 일산화탄소의 발생 원인과 CO센서특성에 대한고찰을 통하여 배기가스중의 CO농도를 제어하고자 한다. 즉 화학평형을 고려하여 연소조건에 따라 일산화탄소 생성량에 대한 변화롤고찰하여 최적의 연소조건을 설정하기 위한 기초개념을 정립하고, 실제 보일러의 배기가스 조성을 측정하여 보일러에서 일산화탄소의 발생 원인의 주요인자롤 규명하고, 일산화탄소 센서의 특성을 살펴보고자 한다.
한다. 즉 화학평형을 고려하여 연소조건에 따라 일산화탄소 생성량에 대한 변화롤고찰하여 최적의 연소조건을 설정하기 위한 기초개념을 정립하고, 실제 보일러의 배기가스 조성을 측정하여 보일러에서 일산화탄소의 발생 원인의 주요인자롤 규명하고, 일산화탄소 센서의 특성을 살펴보고자 한다.

제안 방법

경로는 49개 화학종 들이 279개의 가역반옹에 의하여 상호 영향을 주고있다. 그러나 본 연구에서는 단순화하기 위하여 보일러 배기가스의 주성분인 질소, 물, 산소, 이산화탄소, 수소, 그리고 일산화탄소을 고려하고 나머지 극소尋 존재하는 43개 성분에대하여 무시하였다. 메탄 1몰과 공기중의 산소 2(l+a)몰을 기준으로 각 연소 생성물에 대하여식 (7)을 적용하여 전개한 다음, Lagrange의승수 人k롤 소거하고 평형상태에서 각 물질의몰수를 나타내면 다음과 같다.
실재 설치되어 있는 보일러들의 배기가스를 측정한 결과 대부분 연료에 대하여 과잉공기를 55-110% 사용하지만 연료와 공기의 불균일 흔합과 주변에 의한 화염의 냉각으로 일산화탄소가 과량 발생할 수 있음을 알 수 있었다. 그리고 일산화탄소 센서의 출력 치는 수소와 일산화탄소의 농도에 선형 적으로 비례함을 알 수 있었고, 이러한 특성을 이용하여 보일러 배기가스중의 일산화탄소 농도제어롤 제시하였다.
연료와 공기의 비에 따라 배기가스의 조성에 대하여 열역학적 해석과 일산화탄소 센서 특성을 살펴보았다. 배기가스 중의 산소농도 측정함으로서 연료가스와 공기의 혼합비를 예측할 수 있고, 일산화탄소와 수소농도의 비를 측정함으로서 연소실의 대표적인 온도롤 예측할 수 있음을 제시하였다.
항온항습조에서 일정한 온도와 습도를 유지시키고, 일정량의 수소와 일산화탄소를 가스주입기를 통하여 20리터 가스챔버에주입하여 센서의 출력치를 측정하였다. 챔버내에는 가스센서를 20개 동시에 설치하여 센서의 오차를 예측할 수 있도록 하였고, 챔버내에서가스농도의 균일화롤 위하여 2분간 교반 후 센스의 출력특성을 측정하였다. 일본 네모또사의 CO센스출력은 표 2와 같이 나타났다.
수행하였다. 항온항습조에서 일정한 온도와 습도를 유지시키고, 일정량의 수소와 일산화탄소를 가스주입기를 통하여 20리터 가스챔버에주입하여 센서의 출력치를 측정하였다. 챔버내에는 가스센서를 20개 동시에 설치하여 센서의 오차를 예측할 수 있도록 하였고, 챔버내에서가스농도의 균일화롤 위하여 2분간 교반 후 센스의 출력특성을 측정하였다.

대상 데이터

경인지역에 96년도 설치된 강제 배기식 보일러를 업체별로 5대 선정하여 측정한 배기가스조성 평균값을 표 1에 나타내었다.

성능/효과

그러나 공급되는 공기가 연료의 당량 비보다 크게 되면 배가스 중의 일산화탄소 농도는 급격히 감소하고 연소실 온도에 크게 의존한다. 과잉 공기량이 20% 이상이 면 화학 평 형 상태에서 일산화탄소의 농도는 700ppm 이하임을 알 수 있었다. 실재 설치되어 있는 보일러들의 배기가스를 측정한 결과 대부분 연료에 대하여 과잉공기를 55-110% 사용하지만 연료와 공기의 불균일 흔합과 주변에 의한 화염의 냉각으로 일산화탄소가 과량 발생할 수 있음을 알 수 있었다.
표 2에서 볼 수 있듯이 가연성 가스가 없을 때 온도에 따라 센서의 출력치의 평균은 일정하지만, 온도가 중가할수록 편차가 다소 큰 것으로 나타났다. 그리고 일산화탄소 lOOOppm과 수소 500ppm하에서 센서의 출력치는 온도의 중가에 따라 다소 감소하는 경향이 나타나고, 편차는 증가하는 것으로 나타났다. 일산화탄소와 수소의 농도가 각각 1500ppm까지는 센서의 출력 특성이 거의 선형으로 나타났으며, 일산화탄소와 수소의 농도비율에 따른 출력특성을 표 3에 나타내었다.
7이며, 공기의 양이 중가하여도 거의 일정하다. 따라서 일산화탄소와 수소의 비는 과잉공기 조건에서 온도만의 함수이지만, 공기가 부족할 때 온도와 공기량에 의존하는 함수임을 알 수 있다. 이는 이산화탄소와 수소가 반응하여 물과 일산화탄소를 생성하는 반응 평형에서 과잉공기의 경우 물과 이산화탄소의 비율이 거의 2로 일정하기 때문에 수소와 산소의 비율은 온도에만 의존하는 것으로 사료된다.
살펴보았다. 배기가스 중의 산소농도 측정함으로서 연료가스와 공기의 혼합비를 예측할 수 있고, 일산화탄소와 수소농도의 비를 측정함으로서 연소실의 대표적인 온도롤 예측할 수 있음을 제시하였다. 연료에 비하여 공기가 부족할 때 배기가스중의 일산화탄소 농도는 급격히 중가하며 연소실 온도에 큰 영향을 받지 않는다.
과잉 공기량이 20% 이상이 면 화학 평 형 상태에서 일산화탄소의 농도는 700ppm 이하임을 알 수 있었다. 실재 설치되어 있는 보일러들의 배기가스를 측정한 결과 대부분 연료에 대하여 과잉공기를 55-110% 사용하지만 연료와 공기의 불균일 흔합과 주변에 의한 화염의 냉각으로 일산화탄소가 과량 발생할 수 있음을 알 수 있었다. 그리고 일산화탄소 센서의 출력 치는 수소와 일산화탄소의 농도에 선형 적으로 비례함을 알 수 있었고, 이러한 특성을 이용하여 보일러 배기가스중의 일산화탄소 농도제어롤 제시하였다.
일본 네모또사의 CO센스출력은 표 2와 같이 나타났다. 표 2에서 볼 수 있듯이 가연성 가스가 없을 때 온도에 따라 센서의 출력치의 평균은 일정하지만, 온도가 중가할수록 편차가 다소 큰 것으로 나타났다. 그리고 일산화탄소 lOOOppm과 수소 500ppm하에서 센서의 출력치는 온도의 중가에 따라 다소 감소하는 경향이 나타나고, 편차는 증가하는 것으로 나타났다.

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