[논문]건타입 버너의 수소 연소에 관한 연구

이영림; 이금배; 심규성; 전용두; 유재은

doi:10.3795/ksme-b.2003.27.11.1579

문제 정의

본 논문에서는 저 NOx 수소 연소기 개발의 첫 단계로 LPG 버너를 이용한 버너 성능 실험 및 수치해석을 통해 다음과 같은 결론을 유도하였다.
필요하다. 본 실험에서는 LPG 용 건 타입 상용 버너를 이용하여 수소연소 시스템을 구현하고자 한다. 버너의 용량은 약 10000 kcal/hr까지 낼 수 있도록 가스를 공급할 수 있고 가스 공급 압력은 280 ± 50 mmH₂₀ 이며, 점화는 화염봉(flame rod) 방식이다.
본 연구에서 고려된 버너의 형상 및 배플 플레이트가 전체 유동이나 재순환 영역에 미치는 영향을 알아보고 노즐에서 분사되는 수소연료와 공기가 혼합되는 과정을 고찰하기 위하여 연소를 고려하지 않은 유동(cold flow) 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 저 NOx용 수소 버너 개발의 첫 단계로써 기존의 LPG 상용 버너를 수소연소에 적용할 때 발생 가능한 문제점을 살펴보고 수소 화염의 특성을 알아보고자 한다. 이를 위하여, 수치해석을 이용하여 공기와 수소 연료의 혼합 특성을 알아보고 온도분포를 예측하였다.

가설 설정

수소 버너의 연소 해석은 가장 기본적인 해석 모델로서 4개의 화학종 H₂, O₂, H₂O, N₂를 고려한 하나의 전체 반응식으로 가정하였다.
모델과 함께 채택하였다. 점성계수 및 열전도 계수와 같은 물성치는 난류가 잘 발달되었다는 가정하에 상수 값을 사용하였고 비열은 온도의 함수로 가정하였다.

제안 방법

(1) Rotating reference frame-2] 팬 모델 및 연소모델로서 PDF 모델을 채택하여 건타입 버너의 유동 및 연소 해석을 성공적으로 수행하였다. 에디소산 모델은 PDF 모델에 비해 거의 동일한 속도나 온도장을 예측하였으나 N* O 량 예측시에는 PDF 모델에 비해 우수성이 떨어졌다.
과잉공기비에 따른 화염의 온도분포를 예측하기 위하여 과잉공기비를 1.0에서 1.5까지 변화시켜 가면서 연소 해석을 수행하였다. Fig.
있었다. 또한, 이후 실험에서 수소유량 조절을 용이하게 하기 위하여 상용 버너에 내장된 압력조절기(pressure governor) 역시 제거함으로써 수소압력용기의 압력조절기에서 나오는 출구압력이 버너에 직접 공급되도록 하였다. 연소 실험은 외기가 차단된 외벽 내에서 이루어졌다.
수소 연소 시 화염의 온도분포를 알아보기 위하여 Fig. 9에서와 같이 버너 림 끝의 중앙에서 중심선을 따라 화염 분사 방향으로 온도를 측정하였고, 또한 수치해석을 이용하여 온도분포를 예측하였다. 화염온도는 실험값인 경우 가장 높은 계측 온도인 약 1325 C로 무차원화하였고 수치해석 값인 경우는 A=L3일 때의 최고온도인 2105 t 로 무차원화하였다.
수소와 LPG 간의 화염을 좀 더 정량적으로 비교하기 위하여 5000 kcal/hr (2 NmMir의 수소) 의 운전 조건에서 수소 화염과 LPG 화염의 온도 분포를 R 타입 열전대와 3차원 이송장치를 이용하여 Fig. 11과 같이 화염 온도 분포를 측정하였다. 이전에 설명하였던 바와 같이 본 연구에서 사용된 R타입 열전대로서는 매우 정밀한 온도측정은 불가능하며 단지 온도분포의 상대적 비교에는 타당할 것으로 사료된다.
특성을 알아보고자 한다. 이를 위하여, 수치해석을 이용하여 공기와 수소 연료의 혼합 특성을 알아보고 온도분포를 예측하였다. 다음으로 건타입 버너에 직접 수소를 연소하면서 화염모양, 온도분포, N* O 농도 등을 측정하여 향후 저 NOx 건타입 버너 설계에 활용하고자 한다.
이용하였다. 측정용 프로브(sampling probe)는 수냉식으로 스테인레스로 스틸로 제작하였고 프로브로 연소가스를 흡입하였을 때 더 이상 반응이 일어나지 않는 동시에 연소가스 중의 수분이 응축되는 것을 방지하기 위해서 항온 조로부터 순환되는 냉각수를 사용하였는데 흡입된 가스가 약 80℃로 유지되도록 하였다.
한편, 수소연료를 공기와 연소시킬 때 발생하는 유일한 공해 물질인 N* O (=NO + NO, 를 측정하기 위하여, Eurotron 가스 분석기를 이용하였다. 측정용 프로브(sampling probe)는 수냉식으로 스테인레스로 스틸로 제작하였고 프로브로 연소가스를 흡입하였을 때 더 이상 반응이 일어나지 않는 동시에 연소가스 중의 수분이 응축되는 것을 방지하기 위해서 항온 조로부터 순환되는 냉각수를 사용하였는데 흡입된 가스가 약 80℃로 유지되도록 하였다.

대상 데이터

하학적 모델링 오류를 최소화하였다. 버너 내부의 유동해석을 위해 약 30만 개의 격자를 이용하였으며 버너 림(rim)과 배플 플레이트(baffle plate) 에서 분사되는 수소노즐에는 약 10만개의 격자를 이용하여 가급적 세밀한 격자로 오차를 줄였다.
본 실험에서 온도 센서는 R 타입(type) 열전대를 이용하였는데 화염으로부터 열전대를 보호하기 위하여 두 개의 접점만 밖으로 노출되어 있는 세라믹 쉬스(ceramic sheath)를 사용하였다. 처음에는 접점을 세라믹 쉬스안으로 들어간 것을 사용하였으나 최고온도가 1000 ℃내외이고 응답성이 너무 늦어 사용을 포기하였다.
처음에는 접점을 세라믹 쉬스안으로 들어간 것을 사용하였으나 최고온도가 1000 ℃내외이고 응답성이 너무 늦어 사용을 포기하였다. 열전대의 접점이 밖에 나와있는 관계로 열전대가 자주 끊어지는 것을 방지하기 위하여 열전대의 두께가 약 1 mm인 것을 사용하였다. 하지만, 이로 인해 접점이 커져 복사효과, 열용량의 증대 및 온도 민감성의 감소를 유발하여 본 연구에서 계측된 최고온도는 약 1325 ℃ 정도로 제한되었고 한 곳에서 온도를 재는 시간도 증가되었다.

이론/모형

건 타입 버너의 3차원 모델링에는 Catia('이를 사용하였고 유동 및 연소해석을 위해서는 Fluent031 를 이용하였다.
반응율은 에디 소산 모델(eddy-dissipation model) 및 PDF(probability density function) 모델을 평형화학 모델과 함께 채택하였다. 점성계수 및 열전도 계수와 같은 물성치는 난류가 잘 발달되었다는 가정하에 상수 값을 사용하였고 비열은 온도의 함수로 가정하였다.
수소 화염의 N* O를 예측하기 위하여 PDF 모델 및 Fluent에서 제공하는 NOX 계산 알고리듬(顷을 사용하였다. Fig.

성능/효과

(2) LPG 용 건 타입 버너를 이용하여 수소를 연료로 사용하는 경우에 안전장치인 화염 감지기 및 압력 조절기를 해제하면 수소의 정상연소가 가능하였다. 본 연구에서 고려한 모든 운전조건에서 안정된 화염이 관찰되었고 초기 점화시의 소음도 그다지 크지 않음을 알 수 있었다.
(3) 수소연료 사용 시 화염온도 분포는 LPG와 비교하여 조금 높게 측정되었을 뿐 화염형상은 유사하다. 또한 한 시간 이상의 장시간 운전에도 별다른 문제점이 발견되지 않았다.
(4) 수소 연소시 N* O 는 화염 근처에서 4% 6 환산농도 기준 시 약 75 ppm 수준이었다. 향후 수소 연소시 제40x건 타입 버너의 설계를 위해 연소장치나 방법의 개선에 대한 연구가 필요하다.
실험 결과에 의하면 화염온도는 림으로부터 멀어질수록 전형적인 오차함수처럼 감소하고 있으며 20 cm 정도 떨어진 곳에서약 500 ℃정도의 온도가 측정되었다. A가 1.3인 경우에서와 같이 공기량이 많아지면 제트의 난류정도가 심해져서 림의 출구로부터 멀어질수록 온도 측정이 불규칙하게 됨을 알 수 있었다. 한편, 수치해석을 통해 최고온도 지점이나 절대값은 정확히 예측하지 못하였으나 정성적인 온도 변화는 예측 가능하였고 향후 좀 더 자세한 반응 메커니즘이나 비교검증을 통해 수치해석의 정확도를 더욱 향상시킬 수 있을 것이다.
따라서 화염 감지 장치를 해제하고 점화를 시도한 결과, 점화에 성공하였고 안정된 화염을 얻을 수 있었다. 또한, 이후 실험에서 수소유량 조절을 용이하게 하기 위하여 상용 버너에 내장된 압력조절기(pressure governor) 역시 제거함으로써 수소압력용기의 압력조절기에서 나오는 출구압력이 버너에 직접 공급되도록 하였다.
본 연구에서 고려된 유체유동은 3차원, 비압축성, 정상상태 난류 유동으로 난류 모델로는 표준 k- £ 모델을 사용하였고 수치해석 시 영향을 줄 수있 는 기 하학적 특징은 가급적 자세히 모델링하여 기 하학적 모델링 오류를 최소화하였다. 버너 내부의 유동해석을 위해 약 30만 개의 격자를 이용하였으며 버너 림(rim)과 배플 플레이트(baffle plate) 에서 분사되는 수소노즐에는 약 10만개의 격자를 이용하여 가급적 세밀한 격자로 오차를 줄였다.
본 연구에서 고려한 모든 운전조건에서 안정된 화염이 관찰되었고 초기 점화시의 소음도 그다지 크지 않음을 알 수 있었다. 단, 초기 점화시 점화가 너무 지연되면 수소 연료가 폭발할 가능성이 있으므로 주의가 필요하다.
화염온도는 실험값인 경우 가장 높은 계측 온도인 약 1325 C로 무차원화하였고 수치해석 값인 경우는 A=L3일 때의 최고온도인 2105 t 로 무차원화하였다. 실험 결과에 의하면 화염온도는 림으로부터 멀어질수록 전형적인 오차함수처럼 감소하고 있으며 20 cm 정도 떨어진 곳에서약 500 ℃정도의 온도가 측정되었다. A가 1.
또한, 화염길이는 버너 림에서 비교적 짧게 형성되고 있음을 온도 분포로부터 유추할 수 있는데 이는 공기유량에 비해 상대적으로 버너 림이 크다는 것을 암시하고 있다. 최고 화염 온도는 과잉공기비가 1.0, 1.1, 1.3일 때 각각 2041 ℃, 2054 ℃, 2105 'C로 예측되어 과잉공기비가 증가할수록 최고온도는 증가하는 것으로 예측되었다.
이전에 설명하였던 바와 같이 본 연구에서 사용된 R타입 열전대로서는 매우 정밀한 온도측정은 불가능하며 단지 온도분포의 상대적 비교에는 타당할 것으로 사료된다. 측정결과 수소나 LPG 화염 모두 수평 방향으로 진행하면서 자연대류 영향으로 약간 위쪽으로 향하고 있으며 최고 온도는 수소화염이 1325 ℃로써 LPG 화염보다 약 200 ℃ 정도 높게 측정되었다. 이러한 현상은 LPG와 같이 분자구조가 복잡한 탄화수소와 달리수소 분자의 경우 구조가 매우 단순하므로 매우 빠른 화학반응율을 가지고 있는 것에 기인하는 것으로 설명될 수 있다.
열전대의 접점이 밖에 나와있는 관계로 열전대가 자주 끊어지는 것을 방지하기 위하여 열전대의 두께가 약 1 mm인 것을 사용하였다. 하지만, 이로 인해 접점이 커져 복사효과, 열용량의 증대 및 온도 민감성의 감소를 유발하여 본 연구에서 계측된 최고온도는 약 1325 ℃ 정도로 제한되었고 한 곳에서 온도를 재는 시간도 증가되었다. 향후 레이저 측정장비나 매우 가는 열전대를 이용한다면 더욱 정확한 온도분포의 측정이 이루어지리라 사료된다.

후속연구

이를 위하여, 수치해석을 이용하여 공기와 수소 연료의 혼합 특성을 알아보고 온도분포를 예측하였다. 다음으로 건타입 버너에 직접 수소를 연소하면서 화염모양, 온도분포, N* O 농도 등을 측정하여 향후 저 NOx 건타입 버너 설계에 활용하고자 한다.
11과 같이 화염 온도 분포를 측정하였다. 이전에 설명하였던 바와 같이 본 연구에서 사용된 R타입 열전대로서는 매우 정밀한 온도측정은 불가능하며 단지 온도분포의 상대적 비교에는 타당할 것으로 사료된다. 측정결과 수소나 LPG 화염 모두 수평 방향으로 진행하면서 자연대류 영향으로 약간 위쪽으로 향하고 있으며 최고 온도는 수소화염이 1325 ℃로써 LPG 화염보다 약 200 ℃ 정도 높게 측정되었다.
수소는 아직 경제성이 확보되지 않아 본 연구는 선행연구의 성격을 띠고 있다. 하지만 현재 지하가스 중에 수소를 다량 함유하고 있는 경우도 있어 그러한 가스를 사용하고자 할 때는 본 연구의 결과가 곧바로 활용 가능할 것이다.
3인 경우에서와 같이 공기량이 많아지면 제트의 난류정도가 심해져서 림의 출구로부터 멀어질수록 온도 측정이 불규칙하게 됨을 알 수 있었다. 한편, 수치해석을 통해 최고온도 지점이나 절대값은 정확히 예측하지 못하였으나 정성적인 온도 변화는 예측 가능하였고 향후 좀 더 자세한 반응 메커니즘이나 비교검증을 통해 수치해석의 정확도를 더욱 향상시킬 수 있을 것이다.
하지만, 이로 인해 접점이 커져 복사효과, 열용량의 증대 및 온도 민감성의 감소를 유발하여 본 연구에서 계측된 최고온도는 약 1325 ℃ 정도로 제한되었고 한 곳에서 온도를 재는 시간도 증가되었다. 향후 레이저 측정장비나 매우 가는 열전대를 이용한다면 더욱 정확한 온도분포의 측정이 이루어지리라 사료된다. 따라서 Fig.
5는 과잉공기비가 1일 때 베플 플레이트 주위의 속도벡터를 보여주고 있는데 후류 쪽에 재순환 영역이 잘 발달되어 화염의 안정화 및 화염의 길이를 짧게 하는데 기여할 것으로 사료된다. 향후 배플 플레이트의 기공율(porosity) 이나 기공의 형상 및 위치를 변화시켜가면서 재순환 영역이 연소효율이나 화염에 미치는 영향에 대한연구가 필요하다.
기준 시 약 75 ppm 수준이었다. 향후 수소 연소시 제40x건 타입 버너의 설계를 위해 연소장치나 방법의 개선에 대한 연구가 필요하다. 또한 좀더 자세한 반응 메커니즘의 도입을 통한 수치해석의 정확도 향상도 필요하다.
한편, 수치해실험 결과는 실험결과는 정성적으로 일치하고 있지만 정량적으로는 일치하지 않아 수치해석의 한계를 보여준다. 향후 좀더 개선된 연소 모델 및 실험 결과와의 비교 검증이 필요하다.

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