Experimental Study on the Radiation Efficiency and Combustion Characteristics with Respective to the Mat Thickness and the Fuel Kinds in Metal-Fiber Burner

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

김재현¹⋅이기만^2,†

1순천대학교 대학원 우주항공공학전공, ²순천대학교 기계우주항공공학부

Experimental Study on the Radiation Efficiency and Combustion

Characteristics with Respective to the Mat Thickness and the Fuel Kinds in Metal-Fiber Burner

JAE HYEON KIM

, KEE MAN LEE

1Department of Aerospace Engineering, Sunchon National University, 255 Jungang-ro, Suncheon 57922, Korea

2School of Mechanical and Aerospace Engineering, Sunchon National University, 255 Jungang-ro, Suncheon 57938, Korea

†Corresponding author : [email protected] Received 26 July, 2018 Revised 3 September, 2018 Accepted 30 October, 2018

Abstract >> This study was conducted to investigate on the combustion charac- teristic 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 (

) 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.

Key words : Surface combustion(표면 연소), Metal-fiber(메탈화이버), Synthetic natu- ral gas(합성 천연가스), Porous media burner(다공성 매체 버너), Radiation efficiency(복사 효율), Characteristic of emission(배가스 특성)

1. 서 론

세계적으로 매년 환경 규제가 강화되면서 고효율 저공해 연소 시스템들에 관한 연구가 활발히 진행되 고 있다. 그중 다공성 매체 버너(porous media burner) 는 이와 같은 요구 조건을 충족시킬 수 있는 높은 효

율과 가연한계 확장 , 낮은 오염물질 배출 등의 장점 을 가지고 있어 종이와 섬유 건조 , 산업용 보일러, 폴 리머(polymer) 열처리, 베이킹(baking) 등 다양한 분 야에서 사용되고 있다

.

산업용 보일러에는 대부분이 비예혼합화염 (non-

premixed flame) 방식의 제트 버너(jet burner)를 사용

하고 있는데 이러한 버너들은 일반적으로 화염의 길 이가 길고 양론 당량비(stoichiometric ratio) 근처에 서 운전이 되어 고온의 화염 형성으로 인하여 다량 의 질소산화물(NOx)과 같은 공해물질의 배출량이 많으며 효율을 향상시키는데 한계가 존재하는 것으 로 알려져 있다. 반면에, 다공성 매체 버너의 경우 비 예혼합 제트 버너와는 달리 연료와 산화제를 미리 혼합하여 연소시키는 예혼합 (premixed) 방식을 취하 게 된다. 이러한 다공성 매체 버너의 경우 다공체 재 질을 사용하여 매체에 존재하는 수많은 홀에서 연소 되는 표면 연소 방식으로 화염이 다수의 세포 (cell) 형태로 형성되는 버너를 말한다. 이 때 매체를 가열 하여 나오는 복사와 대류에너지로 다공성 매체를 가 열하거나, 매체가 가열되면서 표면에서 버너 내부로 연소열이 재순환되게 되는데 이로 인하여 미연혼합 기(unburned mixture) 예열 효과(preheating effect)가 나타나게 된다. 이러한 효과로 단열화염온도(adia- batic flame temperature)보다 높은 초과엔탈피 연소 가 가능하며 그로 인한 효율 상승과 가연한계의 확 장, CO, unburned hydrocarbon (UHC) 등의 미연소 물질들의 효과적인 저감 등을 기대할 수 있다

. 또 한 다공체인 버너 매트 자체의 가열로 화염의 온도 가 비예혼합 화염에 비하여 비교적 낮기 때문에 화 염 온도에 지수적으로 비례하는 열적 NOx (thermal NOx)의 생성을 억제하는 효과를 갖게 된다.

위와 같은 이유로 기존의 비예혼합 방식을 대체할 수 있는 방안으로 다공성 매체를 이용한 다공체 버 너에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 다공성 매 체 버너는 화염이 매체 표면에 존재하여 매체를 가 열시키는 표면 연소(surface combustion) 방식과 화 염이 매체 내부에 잠겨진 생태로 존재하여 매체의 가열량을 높이는 다공체 내 연소(submerged com- bustion) 방식으로 구분된다. 다공체 내 연소의 경우 다공체 자체의 큰 광학두께 (optic thickness)로 인하 여 높은 복사 효율을 나타내지만 형상 가공과 관리 및 취급의 어려움이 있는 반면에 메탈화이버를 이용 한 표면 연소의 경우 주로 매트를 이용하여 형상 가 공의 편의성이 있다 . Mujeebu 등

은 알루미나 폼

(alumina foam)을 적용하여 표면 연소 버너와 다공체 내 연소 버너를 기존 가스레인지 버너와의 비교에서 반경 방향의 단열 열손실과 복사 열손실, 사용 가능 한 열량을 정의하여 비교하였으며, 다공체 내 연소 버너에서 예혼합과 비예혼합의 성능을 비교하였다 . Vogel과 Ellzey

은 다공체 내 연소에서 다공성 매체 의 위치에 따라 shielded 타입과 end-mounted 타입으 로 구분하였고 타입에 따라 안정화 선도가 달라지게 되며 end-mounted 타입의 내부 화염에서 진동이 발 생한다고 보고하였다. Bubnovich 등

은 유량과 당 량비 변수에서 온도 측정을 통하여 유량에 따른 화 염의 위치 변화를 확인하였으며 그에 따른 안정화 선도를 나타내었다. 또한 배가스 분석을 통하여 안 정화 영역에서 최적화된 운전 조건을 확인하였다.

Yu 등

은 다공체 표면 연소 버너에서 3종류의 매체

재질(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 보고하

였다. Abdelaal 등

은 다공성 복사 버너에서 산화제

인 공기내 산소 (O

)가 과농되었을 때 현상과 NOx 발

생량 보고에서 산소 농도가 증가함에 따라 복사 효율

이 증가하고 배가스 온도가 감소하며 NOx 발생량 또

한 감소함을 보고하였다. Kornilov 등

과 Colorado와

McDonell

은 여러 가지 표면 연소 버너에서 유동

속도와 층류 연소속도의 비를 K로 정의한 후 이렇게

정의한 속도비(K)에 따른 화염의 안정화 특성에 대

하여 보고하였다 . 먼저, Kornilov 등

은 세라믹 재질을

사용하여 U-arches 타입과 half-U arch 타입으로 버너

를 제작하였으며 초기 온도와 압력 22-740℃, 1-3 bar

에서 열용량과 당량비를 변화시켜 K값이 10-12일 때

화염이 표면으로부터 이탈하게 되고 K가 2-3일 때 복사 모

드가 발생한다고 보고하였다 . Colorado와 McDonell

은 천연가스 연료에 이산화탄소(CO

)와 수소(H

)를

각각 혼합하여 안정화 특성과 배가스 성능을 확인

하였다. 이들은 연료 조성과 무관하게 K값이 1.4 이

상에서는 화염이 부상되고 0.4 이하에서는 역화가 발

생한다고 보고하였다 . Hashemi 등

, Leonardi 등

과

Fig. 1. The experimental set-up

Fig. 2. The schematic diagram of metal-fiber burner

Nakamura 등

은 표면 연소 방식으로 메탈화이버와 다공성 세라믹을 버너 매트로 사용하여 매트의 두께 에 관한 연구를 진행하였다 . Hashemi 등

은 메탈화 이버 버너에서 열용량과 당량비를 변화시키며 매트 를 한 장에서 일곱 장까지 중첩시켜 두께 변화에 따 른 복사 효율을 비교하였는데 세 장의 매트를 중첩 시켰을 때 복사 효율이 가장 높게 나타난 것으로 보 고하였다. Leonardi 등

역시 메탈화이버 버너에서 단일 매트와 이중 매트를 복사 강도와 대류 강도를 측정하여 비교하였는데 마찬가지로 이중 매트에서 뛰어난 열효율을 보고하였다 . 그리고 Nakamura 등

은 매트의 두께와 열용량 , 당량비를 변화시켜 온도 분포도와 중간 생성물을 측정하였고 모델링을 통하 여 계산값과 실험 결과를 비교하였다.

한편, 에너지 고갈 문제에 대하여 석탄의 가스화 또는 원자력, 신재생에너지 등 대체 에너지 자원에 대한 관심이 많아지고 있는 가운데 연소 시스템에서 도 대체 연료에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

Arrieta와 Amell

은 합성가스(syngas)와 메탄(CH

) 을 사용하여 세라믹 표면 연소 버너에서 화염 안정 화 , 복사 효율, 배가스 배출량 비교를 통하여 연료 특 성을 파악하였으며 메탄에 합성가스를 혼합하였을 경우 복사 효율 증가와 NOx 배출이 감소하였으나 CO가 증가하는 경향을 보고하였다. Cho 등

은 메 탈화이버 버너를 사용하여 기존 LPG 연료와 공정 부생가스인 coke oven gas (COG)와의 연소 특성 비 교에서 COG를 사용하였을 때 운전 가능한 영역의 확장을 확인하였으며 저용량에서는 LPG의 표면 온 도가 높게 나타났지만 80 kcal/cm

h 이상의 용량에서 는 COG의 표면 온도가 더 높게 나타나는 것을 보고 하였다.

그런데 이러한 다양한 대체 연료들 중에서 최근 천연가스를 대체할 수 있는 연료로 인공의 천연가스 라고 불리는 합성 천연가스인 synthetic natural gas (SNG) 연료의 표면 연소에 관한 연구는 아직까지 보 고된 바가 없다. 이에 본 연구에서는 대표적인 표면 연소기인 메탈화이버 버너에 기존 산업용 버너의 주 연료인 액화천연가스 (LNG)와 액화석유가스(LPG)

그리고 석탄 가스화를 통하여 인공적으로 얻을 수 있는 합성 천연가스 (SNG)를 대상으로 기존의 LNG 와 동일한 발열량을 갖도록 하여 이들 연료에 대한 표면 연소 특성에 대해서 파악하고자 한다 .

2. 실 험

2.1 실험 및 계측 장치

본 연구에서 사용된 실험 장치도를 Fig. 1에 나타

내었고 Fig. 2에는 메탈화이버 버너의 개략도를 나타

내었다 . 사용된 연료와 산화제인 공기로 구성된 혼합

기는 버너에 유입되기 전 믹싱 챔버(mixing chamber)

를 통하여 예혼합되고 허니컴과 매트 바로 아래에

메쉬(mesh)를 설치하여 균일한 유동장을 형성하였

Table 1. Conditions of experiment.

Conditions Value

Fuel CH4, C3H8, SNG-C3

Oxdizer Air

Thermal power (kW/m²) 300

Equivalence ratio (Φ) 1.0 - 0.5 (interval: 0.05)

Diameter of mat (mm) 50

Thickness of mat (mm) 2T, 3T, 3Th

Fig. 3. The shapes of mat

다. 유량조절은 질량유량계(mass flow controller, MFC)를 버블메타(bublle meter)로 최초 교정하여 사 용하였다. 연소실을 모사하고 화염을 가시화하기 위 해서 직경 55 mm의 석영유리관(quartz)을 사용하였 으며 화염 이미지 촬영을 위하여 가로 세로 길이 100×100 mm의 정밀 광학 거울(optical mirror)과 DSLR 카메라(Nikon Co., D70s)를 사용하였다. 또한 적외선 온도계 (Optris Co., Ctlaser 3M)를 매트 가운 데 수직하게 설치하여 매트의 표면 온도를 측정하였 으며, K타입의 열전대(thermo-couple)로 혼합기의 온 도와 배가스의 온도를 측정하기 위하여 화염의 상류 와 하류에 각각 설치하였다. 모바일 가스 분석기 (MRU Co., Optima 7)를 사용하여 배가스를 분석하 였는데, 배가스 온도 측정을 위한 K타입 열전대와 가스 분석기의 프로브는 노즐로부터 약 200 mm 떨 어진 하류에 위치하였다. 또한 일정 유량에서 매트의 형상 및 두께에 따른 속도비를 구하고자 핫와이어 (Hot wire, Testo Co., testo 445)를 사용하여 유속을 측정하였다 .

2.2 실험 방법

본 연구의 실험 조건을 Table 1에 정리하여 나타 내었다. 사용된 연료는 메탄(CH4), 프로판(C3H8) 그 리고 기존의 LNG와 동일한 발열량을 갖도록 메탄 기반에 소량의 수소와 프로판의 조성비를 갖는 SNG-C3 (CH4 91%, C3H8 6%, H2 3%)이며 산화제 로는 압축공기를 사용하였고 메탈화이버 버너의 열 용량은 300 kW/m

로 고정시켰다. 일반적으로 표면 연소에서는 연료가 과농한 조건이 되면 풀화염 (pool flame)이 형성되어 효율이 떨어지게 된다. 이러한 특 성으로 인해 대부분의 표면 연소에서는 당량비가 1.0 이하인 상태로 운전되는 관계로 본 연구에서의 당량 비는 1.0에서 0.05 간격으로 화염이 소멸할 때까지 희 박한 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 T

와 3 T는 원형 형상을 유지하였으며 3 T는 2 mm의 매트와 1 mm의 매트를 이중으로 중첩하였다. 3 Th 의 경우도 2 mm 매트 위에 1 mm 두께의 매트를 중첩 시킨 경우로 다공체인 메탈화이버 매트 안에 화염이 잠겨진 형태의 화염을 만들기 위하여 Fig. 3에서 보는 바와 같이 1 mm 매트 양 옆을 오려내어 화염이 다공 체 내로 전파되어 다공체 내 연소 (submerged combus- tion)가 가능하도록 약간의 공기층을 만들어 주었다.

  

 

(1)

식 (1)은 Kornilov 등

과 Colorado와 McDonell

은 이전 연구에서 정의한 버너의 유동 속도와 화염

의 층류 연소 속도 비로 본 연구에서도 K로 표시하

였다 . 여기서 Sf는 버너 단면적 기준의 유동 속도, Sl

은 해당 연료의 층류 연소속도이다 . 이 경우 메탈화

이버 버너의 유동 속도는 매트의 두께와 형상에 따

라 기공률, 압력강하 등으로 동일 유량에서 매트 표

면 위의 유동 속도가 다를 것으로 판단되어 핫와이

어를 사용하여 Sf를 측정하였다. 또한 층류 연소속

도는 ANSYS Chemkin에서 UCSD 메커니즘(UC San

Fig. 4. The flame images with flame mode

Fig. 5. The flame stability map with equivalence ratio, fuels and thickness of mat though direct images

Diego mechanism)을 사용하여 구하였다

. 온도 측 정은 충분한 가열시간을 확보하기 위하여 당량비 1.0 에서 15분간 유지한 뒤 이후 당량비를 0.05 간격으로 낮추어 가면서 각 조건에서 5분간 측정하였으며 조 건 변경 전 30초 동안의 정상상태 데이터값을 평균 하였다.

메탈화이버 버너에서 화염으로부터의 열전달은 복사열과 대류열로 대부분 전달된다 . 복사 열전달량 (

)과 대류 열전달량(

)을 각각 식 (2)와 (3) 에 나타내었다.

 

  

^ 

^ (2)



   

 

 (3)



  

  

(4)

여기서 ϵ는 매트의 방사율, σ는 스테판-볼츠만 상 수(Stefan-Boltzmann’s constant), h는 대류열전달계 수, Tsur와 T∞는 각각 버너 매트의 표면 온도와 대기 온도이다. 앞서 언급하였듯이 

^ 은 원형의 버너 매 트로 유입된 연료의 열유속량은 300 kW/m

로 고정 하였다. 본 연구에서는 복사 열전달 성능에 초점을 맞추었으며 대기온도를 20℃로 가정한다면 식 (2)의 복사 열유속값은 매트의 표면 온도를 제외하고는 물 성치 혹은 상수값이 되어 전적으로 표면 온도에 의 존하게 된다. 복사 효율은 식 (4)와 같이 정의되며 동 일한 열용량에서 복사 효율은 Tsur4-T∞4 값을 통하 여 파악될 수 있다 .

3. 결과 및 고찰

3.1 안정화 선도

3.1.1 화염 형상에 따른 연소 모드

Fig. 4는 본 연구의 메탈화이버 버너에서 화염 형 상에 따른 연소 모드를 복사 모드(radiation mode)와 천이 모드(transition mode), 청염 모드(blue flame

mode)로 구분한 직접 사진 이미지이다. 먼저, 복사

모드의 경우 양론 당량비 근처에서 발생하게 되는데

화염이 매트 표면에 존재하여 매트를 직접 가열하여

적염의 형태로 존재하며 높은 표면 온도와 복사 효

율을 나타낸다 . 하지만 높은 화염 온도로 인하여 열적

NOx 발생량이 많아지게 된다. 천이 모드는 화염이 복

사 모드에서 청염 모드로 전환하는 과정에서 적염과

청염이 공존하는 모드를 의미한다 . 청염 모드는 당량

비가 양론비보다 낮은 연료가 희박한 조건에서 발생

하며 증가된 산화제 양에 따른 유동 속도의 증가로 화

염이 매트 표면에 부착되지 못하고 매트의 수많은 홀

위에 셀 (cell) 형태의 화염이 각각 존재하게 되어 매트

표면의 온도가 감소하며 낮은 복사 효율을 나타낸다 .

3.1.2 연료 및 매트에 따른 화염 거동 및 안정화 선도

화염의 직접 이미지를 이용하여 당량비와 연료 ,

매트의 형상 및 두께에 따른 화염의 안정화 선도를

Fig. 5에 나타내었다. 안정화 선도에서 전체적인 영

(a) The K values for CH4

(b) The K values for C3H8

(c) The K values for SNG-C3

Fig. 6. The K values with flame mode exchange and Sl, Sf for 2 T

역은 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 매 트를 가열하는데 더 많은 연소열을 소비하여 화염 의 열손실이 2 T에 비하여 상대적으로 많아 안정화 영역이 좁아지는 것으로 판단된다. 그런데 3 Th에 서는 다공체 내 연소를 위하여 제작한 공기층으로 인하여 화염이 매트 내부에 형성되어 복사 모드의 영역이 넓어지게 되는데, 3 Th에서 화염이 매트 안 쪽에 위치하는 현상은 3.2절에서 온도 데이터를 통 하여 입증된다.

Fig. 5의 안정화 선도에서 희박 가연한계가 상대 적으로 좁은 프로판 화염에서 먼저 소염(blow out)되 는 것을 확인할 수 있으며 청염 모드가 아주 좁은 것 을 볼 수 있다. 이는 다른 연료에 비하여 당량비 변화 에 따라 산화제 체적 유량의 증가량이 크고 확산 속 도(diffusivity)가 늦어 열손실이 큰 청염 모드에서의 안정화 영역이 더욱 좁아지는 것으로 판단된다 . 프로 판과 수소가 각각 6%, 3% 함유된 SNG-C3 화염의 경우 복사 모드에서는 함유량이 높은 프로판의 경향 을 따르는 것으로 보인다. 하지만 청염 모드만을 메 탄 화염과 비교하였을 때 더 넓은 청염 모드 영역을 나타내며 이는 확산 속도가 빠른 수소의 영향으로 판단된다. 따라서 SNG-C3의 경우 복사 모드에서는 함유량이 높은 프로판의 경향을 따르지만 유동 속도 가 빠른 희박 조건에서 화염의 소화거동에서는 확산 속도가 빠른 수소가 유동 속도가 증가함에도 불구하 고 소염을 지연시켜주는 것으로 판단된다 .

3.1.3 화염의 모드 전환

앞서 속도비로 정의한 연료별로 K값과 화염의 모 드가 전환되는 K값을 연료와 매트의 형상과 두께에 따라 Fig. 6에 나타내었다. 2 T와 3 T의 경우 유사한 K값의 범위에서 화염의 모드가 전환되지만 3 Th의 경우 다른 매트와 비교하였을 때 높은 K값에서 화염 의 모드가 전환되었다. 이는 다공체 내 연소를 위하 여 형성한 공기층의 영향으로 유동장의 경향이 달라 진 결과인 것으로 판단된다.

먼저, 메탄 화염의 경우 2 T와 3 T의 매트에서 K

값이 약 1.0일 때 복사 모드에서 천이 모드로 화염의

모드가 전환되었으며 약 1.5일 때 천이모드에서 청염

Fig. 7. The factor of radiant efficiency with equivalence ratio for CH4

Fig. 8. The unburned mixture temperature with equivalence ratio for CH4

모드로 전환되었다 . 3 Th의 경우 K의 값이 각각 1.5, 2.6에서 모드가 전환되었다. 프로판 화염의 경우 2 T 와 3 T에서 K의 값이 0.47일 때 복사 모드에서 천이 모드로 전환되었으며 약 0.7일 때 천이 모드에서 청 염모드로 화염의 모드가 전환되었다 . 3 Th의 매트에 서는 각각 0.66과 0.93에서 모드 전환이 발생하였다.

SNG-C3 화염의 경우 2 T와 3 T에서 각각 0.68, 1.1 에서 화염의 모드가 전환되었고 3 Th의 경우 1.09, 1.41에서 모드가 전환되었다. 이처럼 연료에 따라 모드 전환이 일어나는 K값이 달라지는 이유는 앞 서 안정화 선도에서 설명한 연료에 따라 달라진 확 산 속도 (diffusivity) 등과 같은 연료의 특성값과 연 관이 있는 것으로 판단된다. 연료의 다양한 물성치 값을 이용하여 이와 같은 현상과 연관된 인자를 도 출하고자 하였으나 이와 같은 결과에 대한 지속적 인 연구가 필요하다.

3.2 매트의 두께와 형상 특성

3.2.1 온도 측정

앞서 설명한 복사 효율의 정량적인 지표인 Tsur4-T

∞4 값을 버너 매트의 두께와 형상 그리고 당량비에 따른 특성을 파악하고자 대표적으로 메탄 화염의 경 우를 Fig. 7에 나타내었다. 본 원고에서는 핫와이어 로 측정한 결과를 보여주지 않지만 두께에 따른 매 트 표면의 유동 속도는 두께에 따른 압력강하 차이 로 2 T>3 T>3 Th 순으로 나타났다. 그런데 동일한 연료와 열용량에서 당량비가 일치하다는 것은 유량 이 동일하다는 것을 의미한다. 그 결과 Fig. 7에서 보 는 바와 같이 동일한 유량에서 매트가 한 장인 2 T에 비하여 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 인하 여 화염이 매트 안쪽으로 전파되어 들어가 매트의 표면을 가열시키는데 연소열이 소요되어 온도가 상 대적으로 낮게 측정되었다 .

한편 , 다공체 연소의 특징 중 하나인 다공 매체 내

열 재순환에 의한 예열 효과를 확인하기 위하여 버

너 매트로 유입되는 미연 혼합기의 온도를 Fig. 8에

나타내었다 . 2 T의 경우 3 T, 3 Th와 비교하였을 때

예열 효과가 큰 것으로 나타났는데 이는 2 T의 경우

얇은 매트의 두께로 인하여 매트를 가열하는데 소비

되는 열량이 적은 것으로 판단된다. 흥미롭게도 3 Th

가 3 T 경우보다 혼합기의 예열 효과가 약간 크게 나

타났는데 이는 앞서 기술한 바와 같이 화염이 매트

안쪽으로 전파되어 버너 매트 내에 잠겨있는 상태로

인하여 예열 효과가 3 T보다 큰 것으로 판단되며 이

를 통하여 메탈화이버 버너에서 공기층 형성을 통한

표면 연소 버너에서도 다공성 내 연소의 가능성을

확인할 수 있다.

Fig. 9. The exhaust gas temperature with time for CH4

Fig. 10. The CO emission with equivalence ratio for CH4

Fig. 11. The NOx emission with equivalence ratio for CH4

3.2.2 배가스 성능

매트의 두께와 형상에 따른 연소 배가스의 성능을 파악하고자 대표적으로 메탄 화염에서 배가스 온도

와 CO, NOx 배출량을 측정하여 Figs. 9-11에 나타내 었다 . 먼저 Fig. 9은 시간에 따른 배가스 온도를 보여 주고 있는데 측정은 앞 절에서 기술한 바와 같이 당 량비 1.0에서 15분간 매트를 가열한 후 당량비를 0.05 간격으로 조절하며 5분간 측정하였다. 그래프를 통해 배가스의 온도가 2 T>3 T>3 Th 순으로 나타나 는 것을 확인할 수 있다 . 이는 버너 매트 가열에 의한 연소열 소비가 상대적으로 많은 3 T와 3 Th에서 배 가스 온도가 낮은 것으로 판단되며 3 Th의 경우보다 표면 온도가 높은 3 T에서는 대류 열전달 증가로 인 해 3 T가 3 Th보다 높은 배가스 온도를 나타냈다. 또 한 모든 실험 조건에서 시간의 경과에 따라 배가스 온도가 증가하는 것은 당량비가 희박한 조건으로 변 화하면서 매트를 가열하는데 소비되는 열손실이 감 소하고 유량이 증가하게 되어 배가스로의 대류 열전 달량이 증가하여 배가스 온도가 증가하는 것으로 판 단된다.

CO의 경우 완전 연소가 일어나는 양론 당량비 부

근과 연료가 희박한 조건에서는 거의 생성되지 않지

만 연료가 과잉된 조건 혹은 화염이 소염되기 전 희

박 가연한계 근처에서 불완전연소로 인하여 생성되

며 생성되기 시작하면 급격하게 증가하는 특성을 보

인다. Fig. 10에 CO emission을 나타내었으며 당량비

0.6의 3 T에서 급격한 CO의 생성을 보여주었다. 이

는 Fig. 5에서 화염의 안정화 선도를 통하여 확인할

수 있듯 소염되기 전 유속의 증가로 인하여 연료가

미처 반응하지 못하여 발생하게 되는 불완전 연소로

판단된다. Fig. 11에는 당량비에 따른 NOx emission

의 측정값을 나타내었으며 NOx 배출량은 2 T>3

Th>3 T 순으로 높게 나타났다. 질소산화물인 NOx는

주로 열적 NOx (thermal NOx)로 형성되며 열적

NOx는 일반적으로 화염의 온도와 체류시간에 의존

한다. 하지만 본 연구에서 매트 표면 혹은 내부에 존

재하는 화염의 직접적인 온도를 측정하는 것은 무리

가 있으며 앞서 배가스 온도에 대하여 설명하였듯 3

Th와 3 T의 경우 매트 가열에 상대적으로 많은 열량

을 소비하여 화염의 온도가 낮게 나타나는 것으로

판단된다. 또한 3 Th의 경우 매트의 양 옆에 공기층

Fig. 12. The factor of radiant efficiency with equivalence ratio for 2T

Fig. 13. The unburned mixture temperature with equivalence ratio for 2T

을 형성하여 공기층 부분에서는 유속이 빠르지만 중 앙부에서는 유속이 아주 낮게 나타났다. 그에 따라 체류시간이 증가하면서 3 T의 화염보다 NOx 발생량 이 많은 것으로 판단된다.

3.3 연료 특성

3.3.1 온도 측정

본 절에서는 동일한 버너 매트 두께 2 T에서 연료 종류에 따른 연소 특성을 파악하고자한다. Fig. 12에 당량비에 따른 연료별 T

-T

값을 보여주고 있는 데, 보는 바와 같이 동일한 열량의 화염들에서 메탄 화염의 매트 표면 온도가 가장 높게 측정되었다. 이 는 이전 Fig. 5의 안정화 선도를 통하여 예측할 수 있

듯이 동일한 버너 열손실 상황에서 루이스 수(Le)가 1.0보다 작게 되는 프로판 공기 혼합기의 희박 상태 에서는 확산 속도가 낮아 반응대로의 연료 확산이 상대 적으로 다른 연료 화염들에 비하여 낮은 결과로 판단된다 . 이러한 결과는 Fig. 13에서 예열 효과 또한 프로판이 가장 낮게 나타나는 것으로도 확인할 수 있다 . 또한 프로판의 경우 몰 분율 기반인 체적 유량에서 산화제인 연소용 공기 가 다른 연료에 비하여 많이 필요하기 때문에 동일한 당량 비에서 유동 속도가 가장 빠르게 된다 . 따라서 이로 인한 쿨링 효과 (cooling effect)로 미연 혼합기의 예열 효과를 감소시키는 요인으로 작용하고 있는 것으로 판단된다 . 3.3.2 배가스 성능

Figs. 14-16을 통하여 역시 동일한 매트 두께인 2 T 단일 매트에서 연료에 따른 배가스 성능을 확인하 고자 하였다 . 여기서는 안정화 영역이 좁고 매트 복 사 효율이 가장 낮은 프로판의 경우는 제외하고 천 연가스 연료군에 해당되는 메탄과 SNG-C3 연료에 대하여 비교하였다. 먼저 Fig. 14에 시간에 따른 배 가스의 온도를 나타내었다 . 그래프 온도에서는 큰 차 이를 보이지 않는 것으로 보이나 측정시간 내내 메 탄의 배가스 온도가 SNG-C3의 경우보다 항상 높게 측정되었다 . 이는 표면의 온도가 더 높은 메탄 화염 의 경우에서 대류 열전달이 더욱 활발하게 일어나는 것으로 이해된다.

CO 생성량의 경우 3.2.2절의 경우와 같이 양론비 부근에서는 완전 연소로 인하여 거의 생성되지 않다 가 화염이 희박소염한계 (lean blow-out, LBO) 근처로 소염되기 전인 당량비 0.55 이하에서는 빠른 유동 속 도로 인한 불완전 연소로 급격히 증가하는 것을 볼 수 있다 . NOx 생성량은 배가스 온도 그래프(Fig. 14) 의 경향을 따르는 것으로 확인된다. 사용 연료를 제 외하면 당량비와 매트 두께(2 T)를 비롯하여 모든 조 건이 동일한 상태이므로 동일 버너에서 연소열의 열 손실도 같다고 가정한다면 배가스의 온도가 화염의 온도에 비례하는 것으로 볼 수가 있다 . 따라서 Fig.

16에서 나타난 NOx 배출 특성으로는 메탄의 화염이

SNG-C3 화염보다 좀 더 높은 것으로 판단된다. 그런

Fig. 14. The exhaust gas temperature with time for 2T

Fig. 15. The CO emission with equivalence ratio for 2T

Fig. 16. The NOx emission with equivalence ratio for 2T

데 흥미로운 사실은 일반적으로 열적 NOx 특성은 화염의 온도와 직결되는 당량비에 따라 지수적인 (exponential) 그래프 경향을 보이게 되는데 본 연구 에서는 Fig. 16에서 볼 수 있는 바와 같이 화염 온도

에 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 .

4. 결 론

본 연구에서는 대표적 표면 연소 방식인 메탈화이 버 버너에서 먼저 화염의 모드를 정의하고 SNG 연 료와 공기층을 형성한 매트를 사용하여 연료와 매트 의 두께 및 형상에 따른 화염의 안정화 영역을 확인 하였다 . 또한 복사 효율, 예열 효과 등 연소 특성을 파악하고자 매트의 표면과 미연혼합기, 배가스 온도 및 배가스 분석을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다 .

1) 안정화 선도를 통하여 안정화 영역이 메 탄>SNG-C3>프로판 순으로 이루어짐을 확인하였으 며 SNG-C3는 복사 모드에서 함유량이 높은 프로판 의 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 넓 게 나타났다.

2) 유동 속도와 층류 연소 속도의 속도비로 K값을 정의하여 각 연료와 매트에서 화염의 모드 전환이 일어나는 K값을 파악하였다. 2 T와 3 T에서는 연료 에 따라 유사한 K값에서 모드 전환이 이루어지지만 유동장의 형태가 달라진 3 Th의 경우 K값이 높게 형 성되는 것을 확인하였다 .

3) 복사 열전달을 지배하는 T

-T

를 복사 효율 의 정량적인 지표로 정의하였으며 그 결과, 표면 온 도가 3 T에서 가장 높게 측정되었으며 연료는 메탄 화염에서 가장 높게 측정되었다 .

4) 예열 효과의 경우 표면 연소의 화염 위치와 매

트를 가열하는데 소모되는 연소열에 의존하는 경향

을 보였다. 매트가 얇은 2 T에서 가장 높게 나타났으

며 쿨링 효과로 인하여 프로판의 경우가 가장 낮게

나타났다. 또한 미연혼합기의 온도를 통하여 3 Th에

서의 다공체 내 연소 가능성을 확인하였다.

5) 연소배출물 특성에서 CO의 배출 거동은 희박 소염한계(LBO) 근처에서 유속 증가로 인한 불완전 연소로 소염되기 직전의 희박한 조건에서 급격히 증 가하였다. NOx의 경우 메탄 화염에서 배출량이 높았 는데 일반적으로 화염 온도에 지수적으로 비례하는 것과는 달리 NOx 배출 특성이 선형적으로 비례하는 것으로 나타나 이에 대한 추가적인 연구가 필요함을 알았다.

후 기

본 연구는 중소벤처기업부에서 시행한 지역특화 산업육성사업으로 수행된 연구 결과이다(과제번호:

R0005948).

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