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문제 정의
- 저열량 가스 연소시 특히 어려운 점은 사용하는 혼합연료들의 유량이나 품질이 변화됨으로 인하여 전체적인 공연비 및 연소성능을 제어하는 것이라고 할 수 있다. 본 연구에서는 유류를 사용하는 보일러, 공업로에서 가스화기로부터 실제 생산되는 합성가스를 혼합 이용하는 방식으로 유류사용을 절감하고자 수행되었다. 합성가스와 오일을 가변적으로 변화하더라도 안정적인 화염특성을 유지할 수 있는 혼소용 연소기를 설계하고 연소조건에 따른 배출가스 생성특성을 파악하고자 하였다.
- 본 연구에서는 유류를 사용하는 보일러, 공업로에서 가스화기로부터 실제 생산되는 합성가스를 혼합 이용하는 방식으로 유류사용을 절감하고자 수행되었다. 합성가스와 오일을 가변적으로 변화하더라도 안정적인 화염특성을 유지할 수 있는 혼소용 연소기를 설계하고 연소조건에 따른 배출가스 생성특성을 파악하고자 하였다.
제안 방법
- Ver.3 혼소버너에서 오일버너를 각각 10만 kcal/h(저연소), 25만 kcal/h(고연소)로 단독 사용할 때와 혼소 및 가스 단독으로 연소하는 경우에 대하여 연소 배기가스 농도 및 온도를 측정하였다. 측정 시 혼소버너 및 공기 투입상태는 Table 2에 나타내었다.
- 2(b)와 같이 중심부에 오일버너를 부착하고, 가스연료는 캐스터블로 시공된 통로로 주입되어 8개로 분산된 노즐을 통하여 공급하도록 되어 있다. 가스 투입부는 가스화염의 역화방지를 위하여 공급관이 축소된 reducer 형태로 하였고, 화염 진행방향으로 경사각을 두어 공급되도록 하였다. 가스연소용 공기는 오일버너와 가스 투입부 사이로 차압에 의해 fan 시설 없이 공급되도록 하였다.
- 가스화기 연소층 온도 기준으로 800 ℃ 이상을 유지하여 합성가스를 생산하였는데, 실험용 가스조성을 유지하기 위하여 공기량 및 온도를 조절하였다. 가스화기로부터 생성된 합성가스는 ID fan을 사용하여 배출하며, 이때 가스화기 및 정제 시스템은 대기압 조건보다 낮은 상태를 유지하므로 외부 공기가 유입되지 않도록 하였다.
- 가스화기 연소층 온도 기준으로 800 ℃ 이상을 유지하여 합성가스를 생산하였는데, 실험용 가스조성을 유지하기 위하여 공기량 및 온도를 조절하였다. 가스화기로부터 생성된 합성가스는 ID fan을 사용하여 배출하며, 이때 가스화기 및 정제 시스템은 대기압 조건보다 낮은 상태를 유지하므로 외부 공기가 유입되지 않도록 하였다. 우드칩의 공급량은 62 kg/h이었으며, 이때의 공기량은 80 Nm3/h조건으로 유지하였다.
- 1, 2, 3)를 설계, 제작하였다. 기본적으로 오일버너(수국 GPM32, 올림피아 PO2B-T)를 중심축에 위치하도록하고, 부생가스를원주방향으로 분사하는 방식을 사용하였다. 오일 버너는 고압노즐 분사식 버너로 노즐 교체에 의해 열량 7만~25만 kcal/h에서 조절하여 사용하였다.
- 2(a)와 같이 1차 연소영역에서는 캐스터블로 시공하고, 2차 공기 유입이후, 경유를 사용할 수 있도록 추가적인 섹션을 포함하였다. 연소제어를 위하여 부생가스 공급온도 감지 및 점화장치를 설치하고 연소용 공기는 공급용 fan과 유량조절장치에 의해 공급되고 가스연료와 균일한 혼합을 위하여 다공성 분사판을 경유하여 공급되도록 하였다. Ver.
- 혼소실험을 위하여 세종류의 버너(ver.1, 2, 3)를 설계, 제작하였다. 기본적으로 오일버너(수국 GPM32, 올림피아 PO2B-T)를 중심축에 위치하도록하고, 부생가스를원주방향으로 분사하는 방식을 사용하였다.
- 우드칩 상태나 가스화기 내부 층높이에 따라 온도가 변화하였는데, 반응부 온도는 700~800 ℃, 정제공정으로 공급되는 가스온도는 300~400 ℃ 수준이었다. 혼합연소 실험용으로 가스화기로부터 얻어진 합성가스는 IR 분석기(Harmann and Braun, Advance Optima)로 실시간 분석하였으며, 이때의 조성변화는 Fig. 3과 같다. 이때, 합성가스의 유량 및 발열량 변화 경향을 Fig.
대상 데이터
- 실험용 가스는 바이오매스 가스화 공정에서 생산된 합성가스를 사용하였다. 사용된 바이오매스 연료로는 우드칩을 사용하였으며, 연료분석 결과를 Table 1에 나타내었다.
- 실험용 가스는 바이오매스 가스화 공정에서 생산된 합성가스를 사용하였다. 사용된 바이오매스 연료로는 우드칩을 사용하였으며, 연료분석 결과를 Table 1에 나타내었다.
- 가스화 장치와 연계된 저열량 가스 연소이용 시스템은 합성가스 발생장치, 사이클론, 개질기, 습식정제장치를 거쳐 부생가스 연소기 및 연소로의 순서로 구성되었다. 연소로는 증발량이 1.5 ton/h 규모의 연관식보일러(HSM-150)를 사용하였다.
성능/효과
- (1) 세 종류 혼소버너의 기본구조는 오일버너를 중심부로 하고 저열량 가스 연료를 그 주위로 공급하는 형태로 제작되었으며, 연료성상에 따라 가스와 공기의 혼합, 주입 위치 및 가스 분배방법, 화염안정성 유지방법 등이 중요한 것으로 나타났다.
- (2) 연소공기량 증가에 따라 CO 발생량이 감소하였으며, 가스와 오일 사용량 비율에 따라 화염의 모양과 색상이 달라짐을 보였다. 혼소조건에서 화염으로부터 잔염이 발생하는 원인은 팩키지화된 버너로부터 미립화 불량이 원인인 것으로 보이며, 화염이 길어지고 농후해지는 현상은 합성가스성분이 오일보다 연소속도가 빠르게 이루어져 오일버너 미립화를 촉진시켜주는 것으로 파악되었다.
- (4) 본 실험을 통하여 혼소조건이 오일 단독 연소보다 연소 공기량을 감소시킬 수 있었으며, CO 및 NOx 배출 농도도 낮게 유지할 수 있음을 알 수 있었다.
- 오일버너 부하량은 15만 kcal/h로 하였을 때에도 혼소에 의해 미반응 유적의 날림현상이 감소하는 특성을 보였으며, Fig. 6(b)와같이 가스량을 150 Nm3/h로 유지하였을 경우에는 중심부 화염이 백색, 주위에는 황색 화염이 형성됨을 보였다. 저열량 가스만을 연료로 하는 경우, 가스 공급량 증가에 따라 화염 길이가 증가하였고 청백색 화염이 점차 황색 화염형태로 길어짐을 알 수 있었다.
- Ver.1 버너와 ver.2 버너의 경우 가스분산과 화염 형성은 원활하게 유지되지만 혼소버너 자체에서 연소화염의 혼합구간이 길어져서 연관식 스팀 보일러의 경우에는 화염에 의한 복사열전달 효과가 부족한 것으로 분석되었다. 따라서, 혼소버너에서 화염의 분사를 최대로 확보하는 구조로 설계하여, 보일러 외부에서 화염 특성을 실험한 결과를 Fig.
- 가스 중에는 상당량의 수분이 함유되어 있으므로 혼소버너 팁 부분이 800 ℃ 정도를 유지할 수 있도록 전기히터를 설치하였는데, 화염의 안정적인 유지에는 상당히 효과적인 역할을 하는 것으로 파악되었다. Fig.
- 측정 시 혼소버너 및 공기 투입상태는 Table 2에 나타내었다. 대체로 고연소 조건보다는 저연소에서 많은 공기량이 소요되었고, CO 검출 농도도 높게 나타났다. 이는 본 실험에서 적용된 오일버너가 압력분사식으로, 저부하 조건에서 미립화가 잘 이루어지지 않아서 연소성이 고연소시보다 저하되는 것으로 보여진다.
- 다른 단점 중 하나로는 가스투입부위가 오일버너와 수직방향으로 만나게 되어 가스의 역화 현상이 발생하게 되 었고, 그 결과 가스 연결부위가 지나치게 가열되었으며, 혼소버너에서도 팁 부분이 고온화염의 영향으로 국부가열 현상이 나타나게 되 었다. 따라서, 전체적인 연소특성은 우수하게 나타났지만, 장기적인 혼소버너의 운전은 곤란한 것으로 분석되었다.
- 본 버너는 충분한 혼합을 염두해 두고 가스 연소실을 길게 설계하였으나, 실제로 스팀 연관식 보일러에서는 화염이 열교환 튜브까지 영향을 미치는 것이 복사열교환 및 전열에 부정적인 영향으로 작용 하는 것으로 나타났다. 다른 단점 중 하나로는 가스투입부위가 오일버너와 수직방향으로 만나게 되어 가스의 역화 현상이 발생하게 되 었고, 그 결과 가스 연결부위가 지나치게 가열되었으며, 혼소버너에서도 팁 부분이 고온화염의 영향으로 국부가열 현상이 나타나게 되 었다.
- 고연소의 경우 혼소조건에서 조건8과 조건7을 비교해보면 조건7에서 적은 공기량으로 CO 농도가 더욱 낮아지는 결과를 보였는데, 이는 2차공기가 연료연소과정에 균일하게 투입되지 못하여 연소에 관여하지 못하고 배기가스로 배출된 것으로 보여진다. 본 실험을 통하여 혼소조건이 오일 단독 연소보다 배기가스 중 산소농도를 감소시킬 수 있으며, CO 농도도 적게 유지할 수 있음을 알 수 있었다. NOx 발생량도 오일과 가스를 혼소하는 경우가 오일 단독 연소의 경우보다 적게 생성되는 결과를 보였는데, 특히 7, 8과 같은 고연소 조건은 다단연소와 같은 특성을 보여 저감효과가 더 큰 것으로 분석되었다[12].
- 저열량 가스만을 연료로 하는 경우, 가스 공급량 증가에 따라 화염 길이가 증가하였고 청백색 화염이 점차 황색 화염형태로 길어짐을 알 수 있었다. 오일 단독으로 연소하는 경우 보다저열량 가스와 혼합하는 경우 훨씬 화염의 농도가 진해지는 것을 알 수 있으며, ver.2와 같은 버너에서는 캐스터블로 부터 축열기능이 유지되어 저열량 가스 단독으로 연소 유지도 충분히 가능함을 알 수 있었다.
- 7에 보였다. 오일버너의 연소용량 10만 kcal/h (2gph)를 사용한 저연소 보다는 25만 kcal/h (5gph)를 사용한 고연소에서 더욱 화염색이 농후해지고, 혼소에 의해 화염형성은 더욱 길어지는 것으로 나타났다. 이러한 화염이 길어지는 현상은 보일러 외부에서 연소 시에는 공기와의 충분한 혼합이 이루어지지 못하여 나타난 것으로 파악된다.
- 6(b)와같이 가스량을 150 Nm3/h로 유지하였을 경우에는 중심부 화염이 백색, 주위에는 황색 화염이 형성됨을 보였다. 저열량 가스만을 연료로 하는 경우, 가스 공급량 증가에 따라 화염 길이가 증가하였고 청백색 화염이 점차 황색 화염형태로 길어짐을 알 수 있었다. 오일 단독으로 연소하는 경우 보다저열량 가스와 혼합하는 경우 훨씬 화염의 농도가 진해지는 것을 알 수 있으며, ver.
- 8에서와 같이 보일러 내부에서 연소 시 공기조절기를 통하여 2차공기가 투입되는 경우에는 화염이 전체적으로 선회를 일으키면서 균일하게 분산되는 현상을 보이고 있는데, 이는 Cornforth 등이 제시한 선회화염의 경우 화염길이가 짧아지고, 안정 연소범위가 확대되어 고부하연소가 가능하다는 결과와 같은 경향을 보이고 있다[9,10]. 저열량 합성가스만을 공급하여 연소실험을 수행한 경우, 공기가 부족한 경우에는 황색화염이 약하게 확산되는 현상을 보이지만, 2차공기를 조절기를 통하여 공급하는 경우에는 청색화염이 강하게 형성됨을 알 수 있었다.
- 오일버너 15만 kcal/h 수준에서 저열량 가스량을 증가함에 따라 화염이 길게 형성되면서 유적에 의한 잠염 현상은 나타나지 않았다. 즉, 연소성이 좋은 가스연료는 짧은 화염을 형성하면서, 오일의 혼합 및 연소상태에 긍정적인 영향을 주는 것으로 파악되었다.
- (2) 연소공기량 증가에 따라 CO 발생량이 감소하였으며, 가스와 오일 사용량 비율에 따라 화염의 모양과 색상이 달라짐을 보였다. 혼소조건에서 화염으로부터 잔염이 발생하는 원인은 팩키지화된 버너로부터 미립화 불량이 원인인 것으로 보이며, 화염이 길어지고 농후해지는 현상은 합성가스성분이 오일보다 연소속도가 빠르게 이루어져 오일버너 미립화를 촉진시켜주는 것으로 파악되었다.
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