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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 플라즈마를 이용한 연소 제어 기술의 가능성과 특성을 평가하기 위해 기존의 저 NOx 가스버너에 회전아크(rotating arc)를 발생시키는 플라즈마 버너를 결합하여 다양한 당량비(stoichiometric ratio) 조건 즉, 희박 및 연료과농 조건에서 화염이 안정화될 수 있으며, NOx 저감 가능성에 기여할 수 있는지에 대해 알아보았다. 이를 위해 플라즈마 버너를 적용한 저 NOx 버너를 설계/제작하였으며, 1) 다단 연소로 인한 NOx 저감 가능성과 다단연소의 안정적 연소 한계, 2) 화염 안정화에 기여하는 플라즈마의 기능, 3) 플라즈마에 의한 화염 안정화 및 NOx 저감 가능성에 대한 기초연구를 수행하였다.
- 본 실험에서는 기존의 가스버너(LNB)에 아크 반응기(PB)를 적용한 경우, 아크 반응기가 전체 연소 과정에 미치는 특성을 알아보고, 다단연소에 의한 NOx 저감효과가 잘 나타나는지에 대해 초점을 맞추어 수행하였다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 플라즈마를 이용한 연소 제어 기술의 가능성과 특성을 평가하기 위해 기존의 저 NOx 가스버너에 회전아크(rotating arc)를 발생시키는 플라즈마 버너를 결합하여 다양한 당량비(stoichiometric ratio) 조건 즉, 희박 및 연료과농 조건에서 화염이 안정화될 수 있으며, NOx 저감 가능성에 기여할 수 있는지에 대해 알아보았다. 이를 위해 플라즈마 버너를 적용한 저 NOx 버너를 설계/제작하였으며, 1) 다단 연소로 인한 NOx 저감 가능성과 다단연소의 안정적 연소 한계, 2) 화염 안정화에 기여하는 플라즈마의 기능, 3) 플라즈마에 의한 화염 안정화 및 NOx 저감 가능성에 대한 기초연구를 수행하였다.
- O2/C3H8 비에 따라 달라지는 공기량의 차이는 LNB에 대한 연소용 공기량 조절시, 인버터를 통해 각각의 조건에서 PLNB의 전체 과잉공기비(λ)가 항상 일정한 값이 되도록 보정하였다.
- 플라즈마 버너부에 대한 연료 및 공기, 그리고 기존 버너부의 연료는 Brooks사의 질량 유량계(Mass Flow Controller, MFC)를 이용하여 유량을 조절하였다. 기존 버너부에 대한 연소용 공기는 자체 장착된 블로워를 통해 공급되었으며, 과잉공기비를 조절하기 위하여 인버터를 사용하여 연소용 공기의 유량을 조절하였다.
- 그리고 연소가스에 대한 농도계측은 성능시험로 스택에 설치된 시료채취구로부터 시료를 채취하여 응축기(chiller)를 통과시켜 수분을 제거한다. 그 후 연소가스 전용분석기(VarioPlus사, MRU AIR)와 GC(Agilent, HP 6890)를 통해 여러 가스의 성분분석을 수행하였다.
- 여기서 PB(plasma burner)는 아크 반응기 또는 플라즈마 버너, LNB(low NOx burner)는 기존저 NOx 버너를 의미하며, G는 Gas, A는 Air를 표시하였다. 따라서 Table 1에 나타낸 바와 같이 연소 기준부하 100,000kcal/h에서 PB의 열부하율을 10% (Q*0.1로 표기)로 할 경우, LNB의 열부하율은 90% (Q*0.9), 그리고 PB의 열부하율을 20%(Q*0.2로 표기)로 할 경우, LNB의 열부하율은 80%(Q*0.8) 조건에서 가스유량을 조절하는 방식으로 실험을 수행하였다. 이때 아크 반응기는 완전 연소조건(O2/C3H8=5)과 이론 부분산화조건 (O2/C3H8= 1.
- 실험은 Table 1에 나타낸 바와 같이 QPB 부하율=10%, 20%, 25% 3조건에서 O2/C3H8 비를 변화시키면서 플라즈마 버너를 작동한 경우와 작동하지 않은 경우(가스점화 후 plasma power off 상태)에 대하여 비교하였다. 이때 전체 버너(PLNB)의 과잉공기비(λ)는 1.
- 플라즈마 버너에 대한 연소특성실험은 버너 출구부분에 연소가스에 대한 시료채취를 위하여 길이약 500mm 정도의 튜브를 장착하여 버너출구 약 400mm 지점에서 시료를 채취하였으며, 튜브 안을 통해 나타나는 화염형상을 가시화하였다. Fig.
- O2/C3H8 비 변화에 따른 NOx 배출특성은 QPB=10% 및 20%의 경우에도 유사한 특성을 보였는데, Fig. 7과 Fig. 8에 플라즈마 작동유무에 대한 결과를 각각 비교하였다.
- 플라즈마를 이용한 연소 제어 기술의 가능성과 특성을 평가하기 위해 기존의 저 NOx 가스버너에 회전아크를 발생시키는 플라즈마 버너를 결합한 형태의 다단연소방식 가스버너를 설계/제작하였으며, ⅰ) 아크 반응기 즉, 플라즈마 버너(PB)의 연소특성, ⅱ) 플라즈마 버너가 장착된 저 NOx 버너(PLNB)의 연소특성, ⅲ) 기존 저 NOx 가스버너 (LNB) 연소특성에 대해 다양한 당량비 조건에서 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 실험 장치는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 플라즈마 버너가 장착된 연소성능시험로를 중심으로 연료 및 연소용 공기 공급장치, 전력공급장치 및 가스분석 장치로 구성되어 있다. 성능시험로는 350,000kcal/h 급 가스버너에 대한 연소특성을 알아보기 위해 설계/제작한 습식형태로서, 크게 연소부를 중심으로 고온의 연소가스를 물과 간접방식으로 열 교환시켜 200℃ 이하로 냉각시키는 열교환부, 배출가스의 농도계측을 위한 시료채취부와 화염 관측창 등으로 구성되어 있다.
- 플라즈마 버너 적용 저 NOx 버너(plasma assisted Low NOx Burner, 이후 PLNB)에 대한 연소특성 실험은 버너 전체 열부하 100,000kcal/h 수준에서 수행되었으며, 연료는 프로판(C3H8)이 주성분인 LPG를 사용하였다.
이론/모형
- 또한 플라즈마 버너의 회전 아크 발생을 위한 전원공급장치는 AC 6kW(최대전압 8kV, 최대전류 4A, 20kHz)의 고전압-저전류 방식을 사용하였다. 이때 버너에 공급된 전력은 오실로스코프(Tektronix TDS 5054B)를 이용하여 계측하였다.
성능/효과
- 예를 들어 다단연소의 1단계에서 연료농후화염을 만들고, 2단계에서 연소 공기를 공급할 경우, 연료농후화염의 불안정성으로 인해 1단계에서 연료농후 조건을 충분히 만들기가 어려우며, 이는 곧바로 NOx 저감의 한계로 이어지게 된다. 또한 FGR 기술을 활용할 경우 NOx 배출을 10ppm 이하로 줄일 수 있으나, 이 경우에도 1) FGR율의 증가에 따라 CO 및 미연탄화수소 배출의 증가 및 이로 인한 연소효율의 저하, 2) 높은 FGR 율로 인한 송풍기 운전비용의 증가라는 문제가 발생된다.
- 2에서 점선 부분, 즉 플라즈마 버너부분만을 운전한 경우에 대한 화염형상으로, QPB=20%(20,000 kcal/h) 조건에서 플라즈마를 작동한 경우(방전전력=150W)와 작동하지 않은 경우에 대하여 O2/C3H8비를 변화시키면서 관찰하였다. 실험결과 O2/C3H8=3 조건에서 두 경우 모두 화염이 1차 연소실인 플라즈마 연소기 연소실 내부로 삼켜지는(swallowing) 특성을 확인하였다. O2/C3H8 비가 증가할수록 발생 화염은 점차 청염으로 변하면서 화염길이는 짧아지는 것으로 나타났다.
- O2/C3H8 비가 증가할수록 발생 화염은 점차 청염으로 변하면서 화염길이는 짧아지는 것으로 나타났다. 특히 O2/C3H8=3 이하의 조건에서 플라즈마가 작동할 경우, 작동하지 않은 경우에 비해 상대적으로 화염길이가 짧아지는 것으로 나타났다. 이는 플라즈마에 의한 보염특성의 증가에 기인하는 것으로 판단되며, O2/C3H8= 2의 조건에서는 플라즈마를 작동하지 않을 경우 화염은 형성되지 않았다.
- 실험결과 O2/C3H8=3을 기점으로 O2/C3H8=3 이하의 영역에서는 비교적 NOx 발생농도가 높게 나타났으며,O2/C3H8= 3 이상의 영역에서는 상대적으로 낮은 발생농도를 보였다. 이 중 O2/C3H8= 2.
- = 3 이상의 영역에서는 상대적으로 낮은 발생농도를 보였다. 이 중 O2/C3H8= 2.75 조건에서는 플라즈마가 작동하지 않은 경우, 높은 NOx 발생농도를 보이다가 플라즈마를 작동하게 되면 급격히 감소하는 것으로 나타났다. 이 후 O2/C3H8= 3이상의 영역에서는 낮은 NOx 발생농도를 보였으며, 플라즈마가 작동하는 경우, 상대적으로 다소 높게 나타났는데 이러한 특성은 플라즈마 버너의 Fig.
- =3 이하의 영역에서는 비교적 NOx 발생농도가 높다. O2/C3H8=3 이상의 영역에서 상대적으로 낮게 나타나는 특성은 QPB=10% 및 20%에서도 동일하였으며, 전체적으로 QPB 값이 증가할수록 NOx 발생농도는 높게 나타났다. 그러나 O2/C3H8=3 조건에서는 QPB 값과 무관하게 큰 차이를 보이지 않았다.
- 그러나 O2/C3H8=3 조건에서는 QPB 값과 무관하게 큰 차이를 보이지 않았다. 특히 플라즈마 작동 시에는 O2/C3H8=2.75 조건에서도 QPB 값에 따른 NOx 발생농도는 크지 않아 이러한 영역이 플라즈마 작동에 따라 확대될 수 있음을 확인하였다.
- 대체적으로 플라즈마 버너를 적용한 저 NOx 버너의 연소특성 실험결과, 완전 연소조건(O2/C3H8=5)과 이론 부분산화조건(O2/C3H8= 1.5) 사이의 중간 영역에서 저 NOx 배출특성을 보이는 것으로 나타났다. 따라서 플라즈마 버너(PB)의 연소실에 적합한 적정 연소부하율 및 최적의 운전조건을 통해 저 NOx 연소기술 확보가 가능할 것으로 판단된다.
- PLNB와 동일하게 100,000kcal/h 연소부하에서 과잉공기비(λ=1.1～1.7) 별 연소특성 실험결과, NOx 발생농도가 약 58～76ppm 수준으로, 이는 PLNB(O2/C3H8=3 조건)의 약 2배 수준에 해당하는 것으로 나타났다.
- 플라즈마 작동여부에 관계없이 O2/C3H8= 3 조건에서 화염이 1단 연소기인 플라즈마 연소실 내부로 삼켜지는 특성을 확인하였으며, O2/C3H8비가 증가할수록 발생화염은 점차 청염으로 변하면서 화염길이는 짧아지는 것으로 나타났다.
- ▪특히 O2/C3H8=2.75 조건에서는 플라즈마가 작동하지 않는 경우, 높은 NOx 발생농도를 보이다가 플라즈마를 작동하게 되면 급격히 감소 하여, 플라즈마 작동에 따라 이러한 영역이 확대될 수 있음을 확인하였다.
- ▪이상의 특성은 QPB=10% 및 20%에서도 동일하였으며, 전체적으로 QPB 값이 증가할수록 NOx 발생농도는 높게 나타났는데, O2/C3H8=3 조건에서는 QPB 값과 무관하게 큰 차이를 보이지 않았다.
- O2/C3H8 비가 증가하여 연소분위기로 갈수록 플라즈마 작동 시에 상대적으로 높은 NOx 발생농도를 보였다.
후속연구
- 5) 사이의 중간 영역에서 저 NOx 배출특성을 보이는 것으로 나타났다. 따라서 플라즈마 버너(PB)의 연소실에 적합한 적정 연소부하율 및 최적의 운전조건을 통해 저 NOx 연소기술 확보가 가능할 것으로 판단된다.
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