[논문]매트 형태 연소촉매를 사용하는 촉매버너의 구조와 연소특성

송광섭; 정남조; 김희연

문제 정의

이를 극복하고 다양한 분야에서 촉매연소 버너가 활용될 수 있도록 하기 위해 본 연구에서는 매트 형태의 연소촉매를 사용하는 촉매버너에 연료를 공기와 미리 혼합하여 공급하는 예혼합 방식으로 촉매연소 실험을 수행하여 예혼합 연소특성을 분석하고 확산 방식의 촉매연소 결과와 비교하였다. 예혼합 조건 변화와 단열재 두께에 따른 연소특성 변화를 고찰하여 매트 촉매 연소 버너의 설계기초 자료를 확보하고자 하였다.

가설 설정

h로 증가됨이에 따라 촉매 층 입구온도는 160℃ 정도 증가되는데 비아보해 촉매 층 외부 온도는 60℃ 정도 증가된다. 만일 배하기가스의 온도가 촉매 층 외부표면 온도와 같은 온도로 배출된다고 가정하고 연소가스가 갖고 나가는 현열을 계산하여 보면 전체 발생열량 중에 연소가스가 갖고 나가는 열량이 매우 적다. Fig.

제안 방법

매트 촉매연소 버너의 연소실험은 두 가지 방식, 즉 확산 방식의 촉매연소 실험과 예혼합 방식의 촉매 연소실험으로 구분되어 수행되었다. 확산방식의 촉매연소 실험은 먼저 전기히터를 이용하여 촉깨 층의 온도가 250℃ 이상 되도록 촉매 층을 충분히 예열한 다음, 촉매 연소 버너에 LPG를 공급하여 연소반응이 진행되도록 하였다.
따라서 실제 공정에서 매트 촉매 연소 버너를 아래 방향으로 설치하고 확산방식으로 연소시킬 필요가 있을 때에는 약간 기울여서 사용하는 것이 효과적이라 생각된다. 매트 촉매연소 버너의 주변에 있는 공기의 온도가 산소의 확산에 미치는 영향분석과 연소를 통해 발생된 이산화탄소와 수증기가 산소의 확산에 미치는 영향을 파악하기 위해 3일 동안 같은 조건을 유지하면서 경사진 촉매연소 버너의 아래 부분, 중심부분, 위부분에서 연소가스를 채취하고 분석하여 Table 1에 나타내었다. 연소 배기가스 중에 존재하는 프로판의 농도는 표에서 보인바와 같이 시료채취 위치에 따라 차이를 보이고 있다.
이를 극복하기 위해 별도로 연소 공기를 공급하여 산소가 쉽게 확산 되도록 해주는 시스템이 사용되기도 하지만 장치의 구현에 어려움이 많다. 예혼합 촉매연소 방식은 주로 가스터빈과 같이 고온 촉매연소에서 많이 사용되는 기술이지만, 밀폐공간에서 매트 촉매연소 버너의 연소 효율성을 높이기 위해 도입하였다. 촉매버너에서 촉매 층의 온도는 실시간으로 연소상태를 알아볼 수 있는 손쉬운 지표이다.
있다. 이를 극복하고 다양한 분야에서 촉매연소 버너가 활용될 수 있도록 하기 위해 본 연구에서는 매트 형태의 연소촉매를 사용하는 촉매버너에 연료를 공기와 미리 혼합하여 공급하는 예혼합 방식으로 촉매연소 실험을 수행하여 예혼합 연소특성을 분석하고 확산 방식의 촉매연소 결과와 비교하였다. 예혼합 조건 변화와 단열재 두께에 따른 연소특성 변화를 고찰하여 매트 촉매 연소 버너의 설계기초 자료를 확보하고자 하였다.
촉매연소 기술의 활용성을 높이기 위해, 낮은 온도의 열 공급에 효율적인 매트 촉매연소 버너를 제작하고 버너의 구조와 연소조건에 다른 연소특성 변화를 고찰하였다. 매트 촉매연소 버너를 이용하여 확산방식으로 연소시킬 때 버너의 설치 방향이 연소반응에 영향을 주는 것을 확인하였다.
촉매연소 버너의 내부 온도는 Hybrid recorder를 이용하여 기록하였다. 촉매연소 버너의 내부온도가 일정해지면(대략 1.5시간) 매트촉매에 근접되어 설치된 시료채취 관으로 연소 배기가스를 포집 亏P여 THC(Total hydrocarbon analyzer) 또는 GC를 °1 용하여 연소가스 중에 존재하는 이산화탄소와 프로판 등을 분석하였다.
따라서 예혼합 방식으로 연료가스를 공급하는 매트 촉매연소 버너에서는 단열재는 두껍게 설치한다. 최적의 단열재 두께를 결정하기 위해 단열재가 각각 40, 60, 80 mm 두께로 설치된 매트 촉매연소버너 만들고, 연료가스의 유량과 연소부하를 변경시키면서 전열 속도를 측정하였다. Fig.
구분되어 수행되었다. 확산방식의 촉매연소 실험은 먼저 전기히터를 이용하여 촉깨 층의 온도가 250℃ 이상 되도록 촉매 층을 충분히 예열한 다음, 촉매 연소 버너에 LPG를 공급하여 연소반응이 진행되도록 하였다. 이 때 연료는 버너 내부에 설치된 노즐을 통하여 공급되지만, 촉매연소 반응에 필요한 산소는 촉매버너 외부 공기로부터 확산에 의해 촉매 층으로 들어오도록 되어있다.

대상 데이터

노즐은 압력손실은 고려하지 않고 확산식 촉매연소와 예혼합 방식의 촉매연소 실험을 모두 수행할 수 있도록 만들었다. 단열재는 국내에서 보온재로 널리 사용되고 있는 세라크울을 사용하였고, 두께는 최적화 연구를 위해 40~80 mm로 하였다. 초기 매트 촉매를 연소반응 개시온도 이상으로 가열하기 위해 2 kW 용량의 전기 히터가 사용되었다.
실험에 사용한 매트 촉매연소 버너는 Fig. 1에 나타낸 구조로 만들었다. 버너의 구성은 Fig.

이론/모형

촉매연소 버너에 사용된 연소촉매는 알루미나 매트 (Saffil CG MAT)에 백금을 함침법으로 담지 하여 만들었다. 증류수에 규정된 용량의 염화백금산(HePtCkeHQ) 을 넣어 염화백금산 수용액을 만들고 알루미나 매트를 담가 염화백금산이 함침 되도록 한 다음, 열풍 건조기에 넣고 110℃에서 24시간 건조시켰다.

성능/효과

이와 같이 매트 촉매연소 버너에서 매트 촉매와 단열재 층 사이의 온도가 700-C로 제한되므로 단열재의 두께를 무한정으로 증가시켜도 단열재 층에서 연료가스의 예열에 이용되는 열은 한정된 값으로 수렴되고 더 이상 증가되지 않는다. 따라서 매트 촉매 연소 버너에서 단열재 두께를 60 mm 정도로 만드는 것이 제작비용과 전열특성을 고려할 때 최적임을 알 수 있었다.
매트 촉매연소 버너를 이용하여 확산방식으로 연소시킬 때 버너의 설치 방향이 연소반응에 영향을 주는 것을 확인하였다. 또한, 연소에 의해 생성된 열이 촉매 주위의 온도를 높이고, 이것이 주변 공기에서 산소의 확산을 빠르게 하여 촉매 층에서 연소반응이 잘 일어나도록 한다는 것을 알았다. 백금이 담지된 매트촉매 상에서 프로판 연소반응은 산소 농도에 영향을 받지 않기 때문에 예혼합 연소조건으로 매트 촉매연소 버너를 사용할 때에는 이론공기량 보다 조금 많게 연소 공기를 공급하는 것이 좋다는 것을 알았다.
매트 촉매연소 버너를 이용하여 확산방식으로 연소시킬 때 버너의 설치 방향이 연소반응에 영향을 주는 것을 확인하였다. 또한, 연소에 의해 생성된 열이 촉매 주위의 온도를 높이고, 이것이 주변 공기에서 산소의 확산을 빠르게 하여 촉매 층에서 연소반응이 잘 일어나도록 한다는 것을 알았다.
백금이 담지된 매트촉매 상에서 프로판 연소반응은 산소 농도에 영향을 받지 않기 때문에 예혼합 연소조건으로 매트 촉매연소 버너를 사용할 때에는 이론공기량 보다 조금 많게 연소 공기를 공급하는 것이 좋다는 것을 알았다. 매트 촉매연소 버너에 사용된 단열재의 열전달 특성 분석으로부터 내부 단열재의 두께는 60 mm 정도로 하는 것이 최적임을 알았다. 확산연소의 경우와 비슷하게 예혼합 형태로 연소가 될 때에도 매트 촉매연소 버너에서 생성된 70% 이상 연소열이 복사방식으로 전달됨을 알았다.
또한, 연소에 의해 생성된 열이 촉매 주위의 온도를 높이고, 이것이 주변 공기에서 산소의 확산을 빠르게 하여 촉매 층에서 연소반응이 잘 일어나도록 한다는 것을 알았다. 백금이 담지된 매트촉매 상에서 프로판 연소반응은 산소 농도에 영향을 받지 않기 때문에 예혼합 연소조건으로 매트 촉매연소 버너를 사용할 때에는 이론공기량 보다 조금 많게 연소 공기를 공급하는 것이 좋다는 것을 알았다. 매트 촉매연소 버너에 사용된 단열재의 열전달 특성 분석으로부터 내부 단열재의 두께는 60 mm 정도로 하는 것이 최적임을 알았다.
이로 인해 촉매 버너의 아래 부분은 차가운 공기가 계속 유입되어 촉매 표면 주위의 온도가 비교적 낮고 연소가스 층이 얇게 형성되는 반면, 뜨거워진 연소가스가 계속 위로 이동하기 때문에 윗부분에서는 촉매 주변 온도가 높고 연소 배기가스 층이 두껍게 형성될 것이라 생각된다. 실험 결과에서 연소가스 중에 존재하는 프로판의 농도는 윗부분에서 채취할 때보다 아랫부분에서 채취할 때 높게 나타나고 있다. 이로부터 매트 촉매연소 버너 주변에서 연소에 의해 발생된 이산화탄소나 수증기가 산소 확산을 억제하는 효과는 크지 않고, 연소에 의해 생성된 열이 촉매 주변의 온도를 상승시켜 산소의 확산속도를 높이는 데 많은 영향을 준다고 생각할 수 있다.
11은 연료가스의 유량이 15-100 //min 범위에서 단열재의 두께에 따른 전열속도를 계산하여 도시한 것이다. 연료가스의 유량변화에 따라 촉매와 단열재의 접촉면 온도가 달라지는데 촉매와 단열재 접촉면에서 전열속도를 계산하여 보면 전열속도는 연료가스의 유량는 영향이 없고 촉매와 단열재 접촉면의 온도에 의존한다는 것을 알 수 있었다. 일반적으로 파이버 매트 촉매의 내열온도는 700-C 정도이므로, 매트 촉매 버너가 산업적으로 이용될 때에는 연료의 공급량을 조절하여 매트촉매와 단열재 층의 온도가 700℃ 이상 되지 않도록 한다.
5% 이상 이며 미연 LPG 농도가 25 ppm 이하였으나, 버너가 아래 방향으로 설치되었을 때에는 연소성능이 떨어지고 미연 LPG의 농도가 상당히 높아졌다. 하지만 촉매연소 버너를 약간 기울이면 대류에 의한 공기 공급이 원활해져 연소효율이 다소 증가됨을 알 수 있었다. 따라서 실제 공정에서 매트 촉매 연소 버너를 아래 방향으로 설치하고 확산방식으로 연소시킬 필요가 있을 때에는 약간 기울여서 사용하는 것이 효과적이라 생각된다.
매트 촉매연소 버너에 사용된 단열재의 열전달 특성 분석으로부터 내부 단열재의 두께는 60 mm 정도로 하는 것이 최적임을 알았다. 확산연소의 경우와 비슷하게 예혼합 형태로 연소가 될 때에도 매트 촉매연소 버너에서 생성된 70% 이상 연소열이 복사방식으로 전달됨을 알았다.

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