[논문]메탈화이버 버너에서 매트 두께와 연료 종류에 따른 복사 효율 및 연소 특성에 관한 실험적 연구

김재현; 이기만

doi:10.7316/khnes.2018.29.5.512

메탈화이버 버너에서 매트 두께와 연료 종류에 따른 복사 효율 및 연소 특성에 관한 실험적 연구
Experimental Study on the Radiation Efficiency and Combustion Characteristics with Respective to the Mat Thickness and the Fuel Kinds in Metal-Fiber Burner 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.29 no.5, 2018년, pp.512 - 522

김재현 (순천대학교 대학원 우주항공공학전공) , 이기만 (순천대학교 기계우주항공공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to investigate on the combustion characteristic with the effects of mat thickness and fuel kinds in a metal-fiber burner. The mode transition point is confirmed by the K value, which was defined as the rate of flow velocity and laminar burning velocity. The ($T^4_{sur}-T^4_{\infty}$) is highest at methane flame with 3 T thickness. Through the measurement of the unburned mixture temperature, the possibility of submerged flame in surface combustion burner was confirmed. The rapid emission of CO occurs nearby limit blow out (LBO) because of the increase of flow velocity. In case of NOx, the trend is similar with surface temperature. However, it also considered that the NOx emission is affected by residence time with flame position.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. The experimental set-up
그림 Fig. 2. The schematic diagram of metal-fiber burner
그림 Fig. 3. The shapes of mat
표 Table 1. Conditions of experiment.
그림 Fig. 4. The flame images with flame mode
그림 Fig. 5. The flame stability map with equivalence ratio, fuels and thickness of mat though direct images
그림 Fig. 6. The K values with flame mode exchange and S_l, S_f for 2 T
그림 Fig. 7. The factor of radiant efficiency with equivalence ratio for CH₄
그림 Fig. 8. The unburned mixture temperature with equivalence ratio for CH₄
그림 Fig. 9. The exhaust gas temperature with time for CH₄
그림 Fig. 10. The CO emission with equivalence ratio for CH₄
그림 Fig. 11. The NOx emission with equivalence ratio for CH₄
그림 Fig. 12. The factor of radiant efficiency with equivalence ratio for 2T
그림 Fig. 13. The unburned mixture temperature with equivalence ratio for 2T
그림 Fig. 14. The exhaust gas temperature with time for 2T
그림 Fig. 15. The CO emission with equivalence ratio for 2T
그림 Fig. 16. The NOx emission with equivalence ratio for 2T

AI 본문요약
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문제 정의

Figs. 14-16을 통하여 역시 동일한 매트 두께인 2 T 단일 매트에서 연료에 따른 배가스 성능을 확인하고자 하였다. 여기서는 안정화 영역이 좁고 매트 복사 효율이 가장 낮은 프로판의 경우는 제외하고 천연가스 연료군에 해당되는 메탄과 SNG-C3 연료에 대하여 비교하였다.
본 절에서는 동일한 버너 매트 두께 2 T에서 연료 종류에 따른 연소 특성을 파악하고자한다. Fig.
그런데 이러한 다양한 대체 연료들 중에서 최근 천연가스를 대체할 수 있는 연료로 인공의 천연가스라고 불리는 합성 천연가스인 synthetic natural gas(SNG) 연료의 표면 연소에 관한 연구는 아직까지 보고된 바가 없다. 이에 본 연구에서는 대표적인 표면 연소기인 메탈화이버 버너에 기존 산업용 버너의 주연료인 액화천연가스(LNG)와 액화석유가스(LPG) 그리고 석탄 가스화를 통하여 인공적으로 얻을 수 있는 합성 천연가스(SNG)를 대상으로 기존의 LNG와 동일한 발열량을 갖도록 하여 이들 연료에 대한 표면 연소 특성에 대해서 파악하고자 한다.

가설 설정

앞서 언급하였듯이 #은 원형의 버너 매트로 유입된 연료의 열유속량은 300 kW/m²로 고정하였다. 본 연구에서는 복사 열전달 성능에 초점을 맞추었으며 대기온도를 20℃로 가정한다면 식 (2)의 복사 열유속값은 매트의 표면 온도를 제외하고는 물성치 혹은 상수값이 되어 전적으로 표면 온도에 의존하게 된다. 복사 효율은 식 (4)와 같이 정의되며 동일한 열용량에서 복사 효율은 Tsur4-T∞4 값을 통하여 파악될 수 있다.

제안 방법

2) 유동 속도와 층류 연소 속도의 속도비로 K값을 정의하여 각 연료와 매트에서 화염의 모드 전환이 일어나는 K값을 파악하였다. 2 T와 3 T에서는 연료에 따라 유사한 K값에서 모드 전환이 이루어지지만 유동장의 형태가 달라진 3 Th의 경우 K값이 높게 형성되는 것을 확인하였다.
매트가 얇은 2 T에서 가장 높게 나타났으며 쿨링 효과로 인하여 프로판의 경우가 가장 낮게 나타났다. 또한 미연혼합기의 온도를 통하여 3 Th에서의 다공체 내 연소 가능성을 확인하였다.
Bubnovich 등⁹⁾은 유량과 당량비 변수에서 온도 측정을 통하여 유량에 따른 화염의 위치 변화를 확인하였으며 그에 따른 안정화선도를 나타내었다. 또한 배가스 분석을 통하여 안정화 영역에서 최적화된 운전 조건을 확인하였다. Yu 등¹⁰⁾은 다공체 표면 연소 버너에서 3종류의 매체재질(metalfiber, ceramic, stainless)에 따라 열효율과 배가스 성능을 비교하였으며 메탈화이버 버너에서 열효율이 가장 높은 것으로 나타났지만 높은 온도로 인하여 NOx 배출량 또한 가장 높은 것으로 보고하였다.
본 연구에서는 대표적 표면 연소 방식인 메탈화이버 버너에서 먼저 화염의 모드를 정의하고 SNG 연료와 공기층을 형성한 매트를 사용하여 연료와 매트의 두께 및 형상에 따른 화염의 안정화 영역을 확인하였다. 또한 복사 효율, 예열 효과 등 연소 특성을 파악하고자 매트의 표면과 미연혼합기, 배가스 온도 및 배가스 분석을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
, Optima 7)를 사용하여 배가스를 분석하였는데, 배가스 온도 측정을 위한 K타입 열전대와 가스 분석기의 프로브는 노즐로부터 약 200 mm 떨어진 하류에 위치하였다. 또한 일정 유량에서 매트의 형상 및 두께에 따른 속도비를 구하고자 핫와이어(Hot wire, Testo Co., testo 445)를 사용하여 유속을 측정하였다.
, D70s)를 사용하였다. 또한 적외선 온도계(Optris Co., Ctlaser 3M)를 매트 가운데 수직하게 설치하여 매트의 표면 온도를 측정하였으며, K타입의 열전대(thermo-couple)로 혼합기의 온도와 배가스의 온도를 측정하기 위하여 화염의 상류와 하류에 각각 설치하였다. 모바일 가스 분석기(MRU Co.
본 연구에서는 대표적 표면 연소 방식인 메탈화이버 버너에서 먼저 화염의 모드를 정의하고 SNG 연료와 공기층을 형성한 매트를 사용하여 연료와 매트의 두께 및 형상에 따른 화염의 안정화 영역을 확인하였다. 또한 복사 효율, 예열 효과 등 연소 특성을 파악하고자 매트의 표면과 미연혼합기, 배가스 온도 및 배가스 분석을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
14-16을 통하여 역시 동일한 매트 두께인 2 T 단일 매트에서 연료에 따른 배가스 성능을 확인하고자 하였다. 여기서는 안정화 영역이 좁고 매트 복사 효율이 가장 낮은 프로판의 경우는 제외하고 천연가스 연료군에 해당되는 메탄과 SNG-C3 연료에 대하여 비교하였다. 먼저 Fig.
또한 층류 연소속도는 ANSYS Chemkin에서 UCSD 메커니즘(UC SanDiego mechanism)을 사용하여 구하였다¹⁸⁾. 온도 측정은 충분한 가열시간을 확보하기 위하여 당량비 1.0에서 15분간 유지한 뒤 이후 당량비를 0.05 간격으로 낮추어 가면서 각 조건에서 5분간 측정하였으며 조건 변경 전 30초 동안의 정상상태 데이터값을 평균하였다.
사용된 연료와 산화제인 공기로 구성된 혼합기는 버너에 유입되기 전 믹싱 챔버(mixing chamber)를 통하여 예혼합되고 허니컴과 매트 바로 아래에 메쉬(mesh)를 설치하여 균일한 유동장을 형성하였다. 유량조절은 질량유량계(mass flow controller, MFC)를 버블메타(bublle meter)로 최초 교정하여 사용하였다. 연소실을 모사하고 화염을 가시화하기 위해서 직경 55 mm의 석영유리관(quartz)을 사용하였으며 화염 이미지 촬영을 위하여 가로 세로 길이 100×100 mm의 정밀 광학 거울(optical mirror)과 DSLR 카메라(Nikon Co.
여기서 Sf는 버너 단면적 기준의 유동 속도, Sl은 해당 연료의 층류 연소속도이다. 이 경우 메탈화이버 버너의 유동 속도는 매트의 두께와 형상에 따라 기공률, 압력강하 등으로 동일 유량에서 매트 표면 위의 유동 속도가 다를 것으로 판단되어 핫와이어를 사용하여 Sf를 측정하였다. 또한 층류 연소속도는 ANSYS Chemkin에서 UCSD 메커니즘(UC SanDiego mechanism)을 사용하여 구하였다¹⁸⁾.

대상 데이터

, Ctlaser 3M)를 매트 가운데 수직하게 설치하여 매트의 표면 온도를 측정하였으며, K타입의 열전대(thermo-couple)로 혼합기의 온도와 배가스의 온도를 측정하기 위하여 화염의 상류와 하류에 각각 설치하였다. 모바일 가스 분석기(MRU Co., Optima 7)를 사용하여 배가스를 분석하였는데, 배가스 온도 측정을 위한 K타입 열전대와 가스 분석기의 프로브는 노즐로부터 약 200 mm 떨어진 하류에 위치하였다. 또한 일정 유량에서 매트의 형상 및 두께에 따른 속도비를 구하고자 핫와이어(Hot wire, Testo Co.
05 간격으로 화염이 소멸할 때까지 희박한 조건까지 공기량을 조절하였다. 사용된 매트의 형상은 직경은 50 mm의 원형으로 두께는 2 T (2 mm), 3 T (3 mm), 3 Th (3 mm, Hole)를 사용하였으며 Fig. 3에 본 연구에서 사용된 매트의 형상을 나타내었다. 2 T와 3 T는 원형 형상을 유지하였으며 3 T는 2 mm의 매트와 1 mm의 매트를 이중으로 중첩하였다.
본 연구의 실험 조건을 Table 1에 정리하여 나타내었다. 사용된 연료는 메탄(CH4), 프로판(C3H8) 그리고 기존의 LNG와 동일한 발열량을 갖도록 메탄 기반에 소량의 수소와 프로판의 조성비를 갖는 SNG-C3 (CH4 91%, C3H8 6%, H2 3%)이며 산화제로는 압축공기를 사용하였고 메탈화이버 버너의 열용량은 300 kW/m²로 고정시켰다. 일반적으로 표면연소에서는 연료가 과농한 조건이 되면 풀화염(pool flame)이 형성되어 효율이 떨어지게 된다.
연소실을 모사하고 화염을 가시화하기 위해서 직경 55 mm의 석영유리관(quartz)을 사용하였으며 화염 이미지 촬영을 위하여 가로 세로 길이 100×100 mm의 정밀 광학 거울(optical mirror)과 DSLR 카메라(Nikon Co., D70s)를 사용하였다.

이론/모형

이 경우 메탈화이버 버너의 유동 속도는 매트의 두께와 형상에 따라 기공률, 압력강하 등으로 동일 유량에서 매트 표면 위의 유동 속도가 다를 것으로 판단되어 핫와이어를 사용하여 Sf를 측정하였다. 또한 층류 연소속도는 ANSYS Chemkin에서 UCSD 메커니즘(UC SanDiego mechanism)을 사용하여 구하였다¹⁸⁾. 온도 측정은 충분한 가열시간을 확보하기 위하여 당량비 1.

성능/효과

1) 안정화 선도를 통하여 안정화 영역이 메탄>SNG-C3>프로판 순으로 이루어짐을 확인하였으며 SNG-C3는 복사 모드에서 함유량이 높은 프로판의 경향을 따르지만 청염 모드에서는 확산 속도가 빠른 수소의 영향을 받는 것으로 판단된다.
3) 복사 열전달을 지배하는 Tsur4-T∞4를 복사 효율의 정량적인 지표로 정의하였으며 그 결과, 표면 온도가 3 T에서 가장 높게 측정되었으며 연료는 메탄화염에서 가장 높게 측정되었다.
4) 예열 효과의 경우 표면 연소의 화염 위치와 매트를 가열하는데 소모되는 연소열에 의존하는 경향을 보였다. 매트가 얇은 2 T에서 가장 높게 나타났으며 쿨링 효과로 인하여 프로판의 경우가 가장 낮게 나타났다.
5) 연소배출물 특성에서 CO의 배출 거동은 희박소염한계(LBO) 근처에서 유속 증가로 인한 불완전 연소로 소염되기 직전의 희박한 조건에서 급격히 증가하였다. NOx의 경우 메탄 화염에서 배출량이 높았는데 일반적으로 화염 온도에 지수적으로 비례하는 것과는 달리 NOx 배출 특성이 선형적으로 비례하는 것으로 나타나 이에 대한 추가적인 연구가 필요함을 알았다.
그런데 동일한 연료와 열용량에서 당량비가 일치하다는 것은 유량이 동일하다는 것을 의미한다. 그 결과 Fig. 7에서 보는 바와 같이 동일한 유량에서 매트가 한 장인 2 T에비하여 속도가 느린 3 T의 경우 2 T에 비하여 매트 표면 가까이 화염이 위치하여 2 T와 비교하였을 때 표면의 온도가 더 높게 측정되었으나 3 Th의 경우 다공체 내 연소를 위하여 형성시킨 공기층으로 인하여 화염이 매트 안쪽으로 전파되어 들어가 매트의 표면을 가열시키는데 연소열이 소요되어 온도가 상대적으로 낮게 측정되었다.
14에 시간에 따른 배가스의 온도를 나타내었다. 그래프 온도에서는 큰 차이를 보이지 않는 것으로 보이나 측정시간 내내 메탄의 배가스 온도가 SNG-C3의 경우보다 항상 높게 측정되었다. 이는 표면의 온도가 더 높은 메탄 화염의 경우에서 대류 열전달이 더욱 활발하게 일어나는 것으로 이해된다.
16에서 나타난 NOx 배출 특성으로는 메탄의 화염이 SNG-C3 화염보다 좀 더 높은 것으로 판단된다. 그런데 흥미로운 사실은 일반적으로 열적 NOx 특성은 화염의 온도와 직결되는 당량비에 따라 지수적인(exponential) 그래프 경향을 보이게 되는데 본 연구에서는 Fig. 16에서 볼 수 있는 바와 같이 화염 온도에 거의 선형적으로 변하는 것으로 나타났다. 따라서 이는 표면연소의 NOx 배출 특성에서 화염의 온도 외에 다른 물리적 변수가 존재한다고 판단되며 이에 관한 추가적인 연구 필요성을 의미하였다.
이는 버너 매트 가열에 의한 연소열 소비가 상대적으로 많은 3 T와 3 Th에서 배가스 온도가 낮은 것으로 판단되며 3 Th의 경우보다 표면 온도가 높은 3 T에서는 대류 열전달 증가로 인해 3 T가 3 Th보다 높은 배가스 온도를 나타냈다. 또한 모든 실험 조건에서 시간의 경과에 따라 배가스 온도가 증가하는 것은 당량비가 희박한 조건으로 변화하면서 매트를 가열하는데 소비되는 열손실이 감소하고 유량이 증가하게 되어 배가스로의 대류 열전달량이 증가하여 배가스 온도가 증가하는 것으로 판단된다.
1) 안정화 선도를 통하여 안정화 영역이 메탄>SNG-C3>프로판 순으로 이루어짐을 확인하였으며 SNG-C3는 복사 모드에서 함유량이 높은 프로판의 경향을 따르지만 청염 모드에서는 확산 속도가 빠른 수소의 영향을 받는 것으로 판단된다. 매트를 가열하는데 열손실이 비교적 적은 2 T에서 안정화 영역이 가장 넓게 나타났으며 화염이 매트 내부에 위치하는 3 Th의 경우 복사 모드의 영역이 가장 넓게 나타났다.
5에 나타내었다. 안정화 선도에서 전체적인 영역은 2 T에서 가장 넓지만 매트의 형상이 3 Th일 때 복사 모드의 영역이 가장 넓어지는 것을 확인할 수 있다. 이는 3 T와 3 Th에서는 매트가 두꺼워져 매트를 가열하는데 더 많은 연소열을 소비하여 화염의 열손실이 2 T에 비하여 상대적으로 많아 안정화 영역이 좁아지는 것으로 판단된다.
일반적으로 표면연소에서는 연료가 과농한 조건이 되면 풀화염(pool flame)이 형성되어 효율이 떨어지게 된다. 이러한 특성으로 인해 대부분의 표면 연소에서는 당량비가 1.0이하인 상태로 운전되는 관계로 본 연구에서의 당량비는 1.0에서 0.05 간격으로 화염이 소멸할 때까지 희박한 조건까지 공기량을 조절하였다. 사용된 매트의 형상은 직경은 50 mm의 원형으로 두께는 2 T (2 mm), 3 T (3 mm), 3 Th (3 mm, Hole)를 사용하였으며 Fig.
2 T의 경우 3 T, 3 Th와 비교하였을 때 예열 효과가 큰 것으로 나타났는데 이는 2 T의 경우 얇은 매트의 두께로 인하여 매트를 가열하는데 소비되는 열량이 적은 것으로 판단된다. 흥미롭게도 3 Th가 3 T 경우보다 혼합기의 예열 효과가 약간 크게 나타났는데 이는 앞서 기술한 바와 같이 화염이 매트 안쪽으로 전파되어 버너 매트 내에 잠겨있는 상태로 인하여 예열 효과가 3 T보다 큰 것으로 판단되며 이를 통하여 메탈화이버 버너에서 공기층 형성을 통한 표면 연소 버너에서도 다공성 내 연소의 가능성을 확인할 수 있다.

후속연구

5) 연소배출물 특성에서 CO의 배출 거동은 희박소염한계(LBO) 근처에서 유속 증가로 인한 불완전 연소로 소염되기 직전의 희박한 조건에서 급격히 증가하였다. NOx의 경우 메탄 화염에서 배출량이 높았는데 일반적으로 화염 온도에 지수적으로 비례하는 것과는 달리 NOx 배출 특성이 선형적으로 비례하는 것으로 나타나 이에 대한 추가적인 연구가 필요함을 알았다.
16에서 볼 수 있는 바와 같이 화염 온도에 거의 선형적으로 변하는 것으로 나타났다. 따라서 이는 표면연소의 NOx 배출 특성에서 화염의 온도 외에 다른 물리적 변수가 존재한다고 판단되며 이에 관한 추가적인 연구 필요성을 의미하였다.
이처럼 연료에 따라 모드 전환이 일어나는 K값이 달라지는 이유는 앞서 안정화 선도에서 설명한 연료에 따라 달라진 확산 속도(diffusivity) 등과 같은 연료의 특성값과 연관이 있는 것으로 판단된다. 연료의 다양한 물성치값을 이용하여 이와 같은 현상과 연관된 인자를 도출하고자 하였으나 이와 같은 결과에 대한 지속적인 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다공성 매체 버너의 장점은 무엇인가?	세계적으로 매년 환경 규제가 강화되면서 고효율 저공해 연소 시스템들에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그중 다공성 매체 버너(porous media burner)는 이와 같은 요구 조건을 충족시킬 수 있는 높은 효율과 가연한계 확장, 낮은 오염물질 배출 등의 장점을 가지고 있어 종이와 섬유 건조, 산업용 보일러, 폴리머(polymer) 열처리, 베이킹(baking) 등 다양한 분야에서 사용되고 있다1-4).
	미연혼합기(unburned mixture) 예열 효과로 인해 무엇을 기대할 수 있는가?	이 때 매체를 가열하여 나오는 복사와 대류에너지로 다공성 매체를 가열하거나, 매체가 가열되면서 표면에서 버너 내부로 연소열이 재순환되게 되는데 이로 인하여 미연혼합기(unburned mixture) 예열 효과(preheating effect)가 나타나게 된다. 이러한 효과로 단열화염온도(adiabatic flame temperature)보다 높은 초과엔탈피 연소가 가능하며 그로 인한 효율 상승과 가연한계의 확장, CO, unburned hydrocarbon (UHC) 등의 미연소물질들의 효과적인 저감 등을 기대할 수 있다5,6). 또한 다공체인 버너 매트 자체의 가열로 화염의 온도가 비예혼합 화염에 비하여 비교적 낮기 때문에 화염 온도에 지수적으로 비례하는 열적 NOx (thermal NOx)의 생성을 억제하는 효과를 갖게 된다.
	제트 버너의 특징은 무엇인가?	산업용 보일러에는 대부분이 비예혼합화염(nonpremixed flame) 방식의 제트 버너(jet burner)를 사용하고 있는데 이러한 버너들은 일반적으로 화염의 길이가 길고 양론 당량비(stoichiometric ratio) 근처에서 운전이 되어 고온의 화염 형성으로 인하여 다량의 질소산화물(NOx)과 같은 공해물질의 배출량이 많으며 효율을 향상시키는데 한계가 존재하는 것으로 알려져 있다. 반면에, 다공성 매체 버너의 경우 비예혼합 제트 버너와는 달리 연료와 산화제를 미리 혼합하여 연소시키는 예혼합(premixed) 방식을 취하게 된다.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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