강제 대류-확산식 촉매연소기의 섬유건조로의 실증시험연구

조원일, 오영삼, 박달령, 백영순, 방효선

한국가스공사 연구개발원 이용기기연구실

The Field Test of Forced Convection-Diffusive Low Temperature Catalytic Combustor as a Textile Padding Dryer

Wonihl Cho, Youngsam Oh, Dalryung Park, Youngsoon Baek, Hyosun Pang

Division of Gas Utilization, Korea Gas Corporation R&D Center

1. 서  론

석유, 석탄, 천연가스 등의 화석연료를 이용한 에너지 시스템은 경제발전 및 고도의 문명사회를 실현하였으나, 이로 인해 발생되는 배기가스는 오존층 파괴, 산성비, 스모그 현상 및 지구온난화 현상을 야기하여 심각한 환경문제를 동반하고 넓게는 사회문제화 되고 있다. 이에 따라 지난 리우회의 이후 지구 전체가 환경보존의 문제를 크게 이슈화하여 자연환경파괴에 관한 국가간 규제 및 제재조치를 취하는 새 국제법을 제정하였다. 그러나 이러한 국제법 제정에도 불구하고 개발도상국이나 후진국에서는 자국의 첨단 환경기술을 보호하려는 선진국의 기술수준에 크게 못미쳐 또 다른 기술 종속 관계가 불가피하게 되었다.

더욱이 세계 제일의 에너지 소비 증가율을 기록는 국내 여건상에서, 배출가스 제어기술 및 연소기술등이 선진국의 기술종속이 되고 있는 실정이다. 1990년이후  정부는 물론 기업차원에서 에너지 절약사업과 환경기술 개발사업에 투자를 서두르고 있는 것이 국내의 현실이다.

지금까지의 연소기술은 화염연소(flame combustion)로 가스의 누출시 폭발 위험에 노출 되어 있으며, 고온화염(>1,200℃) 범위에서는 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO)등 심각한 대기요염원을 방출하기 때문에 안정성이 뛰어난 새로운 연소기법의 개발이 필수적이라 하겠다. 이러한 필요조건을 충족시키기 위한 새로운 관점의 연소기법 방안으로 연소반응시스템에 촉매를 적용하여 표면반응을 수행하는 촉매연소 기술에 대한 기대가 높아지고 있다.

촉매연소란 고체 촉매를 이용해서 비교적 저온 또는 저농도에서 연료를 산화시키는 것을 말하는데, 이것은 근본적으로 화염이 없는 무화염(flameless combustion)이며, 연소시 발생하는 질소산화물의 생성을 크게 줄이면서 저온영역에서 화염연소시 갖는 에너지를 이용하는 새로운 연소 기술이다.

촉매연소는 편의상 그 작동온도 즉, 최종적으로 발생하는 열에너지 유체의 온도에 따라서 저온연소(약 300℃이하), 중온연소(약 300∼1,000℃), 고온연소(약 1,000∼1,500℃)로 분류하며, 저.중온연소는 주로 미연소 성분 및 악취(유해)성분을 제거하는 탈취 촉매, 자동차 배기가스 정화 및 원적외선 방사 히-타에 응용되는 것이 효과적이며, 고온연소는 희박연료의 효율적인 연소와 질소산화물 발생의 억제에 효과적인 가스터빈, 보일러 및 제트엔진등에 적용된다. 또한 연소방식에 따라서 확산연소, 희박예혼합촉매연소, 초희박연소등으로도 분류할 수 있다.

본 연구는 확산식 저온용 촉매연소기를 섬유공단에 맞게 설계한 강제 대류-확산식 촉매연소기를 섬유건조 예비로로써 설치하여 현장적용한 실험으로 촉매연소특성과 온도분포 및 생산성 향상등에 관한 연구를 수행하였다. 또한 시장보급확대를 위한 시장성 및 경제성분석을 하였다.

2. 실  험

본 실험에 사용한 촉매의 담체는 영국 ICI사 제품인 □-A2O3(A2O3>95%, SiO2<5%)파이버로써 표면적이 150m2/g이며, 용융점이 2,000℃이상이다. □-A2O3 파이버 매트에 0.88wt%의 로듐(Rh)을 침전 후 탈수시켜 150℃에서 2시간동안 건조한다. 유기물등을 제거하기 위하여 공기로 산화시킨다. 이를 다시 촉매의 활성을 갖도록 450℃에서 4시간동안 10%의 수소분위기에서 환원과정을 거쳐 촉매를 제조하였다. 이렇게 제조한 로듐촉매를 실험용 반응기에서 메탄의 산화반응으로 연소특성을 고찰하였다.

현장적용용 촉매연소기 경우, 촉매의 제조는 상기에서 언급한 방법으로 제조하였으며, 촉매연소기의 케이싱은 1,800×330×100(L×H×W)의 규격으로 한 스테인레스로 구성되는데, 촉매연소 실험설비와 이를 Fig. 1에서 보여주고 있다.

Fig. 1. Schematic diagram of experimental equipment for catalytic combustor

촉매연소기는 연소기의 가장 앞쪽에 두께 10mm로 설치되어 있으며, 촉매매트 뒤에는 보온재 매트를 적층하였고, 이 보온재 내부에 촉매연소기 점화시 필요한 열에너지원을 제공하기 위하여 점화온도를 200℃로 설정한 전열히타가 설치되어 있다. 보온재 아래에는 축기실로 연료가스를 버너면에 균일하게 분산시키기 위한 가스 노즐이 설치되어 있다.

촉매연소기의 점화는 전열히타에서 열선으로 전원을 공급하여 점화온도에 이르면 자동으로 연료의 솔레노이드 밸브가 열리게 되며 이때 전원공급이 중단된다. 연료공급이 진행되면서 촉매반응에 의하여 연소반응이 시작되는데, 약 20분후면 완전 산화반응이 완료되며 촉매연소반응이 균일하게 시작되는 것이다.

촉매층의 온도를 측정하기위하여 K형 열전대를 이용하였으며, 온도는 축상과 깊이 따라서 측정하고 또한 표면온도를 측정하였다. Fig 1과 같이 가스분석기에 연소가스 포집을 위한 측정 Probe를 사용하여 측정하고자 하는 위치에 삽입후 분석기내의 펌프에 의하여 가스를 포집 분석하였다.

본 실험에서의 연료는 메탄의 산화반응의 경우 순도 99.99%의 Methason사의 순수메탄을 사용하였으며, 실증용 촉매연소기는 천연가스(LNG)를 사용하였다. 실증용 촉매연소기는 섬유업체인 (주)대농과 (주)방림방적에 각각 10기씩 설치하여 현장적용 시험운전 하였다.

메탄의 완전산화반응은 아래와같이 쓸 수 있다.

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O                              (1)

(1)식에서 물을 응축시켜 포집후 배기가스를 분석하여 메탄의 전환율을 다음의 식으로 구하였다.

[eqn: Methane~~ Conversion (%) = ( 1- { C_CH_4,after } over {C_CH_4,before} ) × 100]        (2)

촉매반응에 의하여 생성되는 배기가스는 CO2, H2O, CO, H2, N2, O2 이므로 연소반응의 효율은 연료성분을 기준으로 하여 다음과 같이 구하였다.

[eqn: Efficiency~~ eta (%) = { CO_2} over { LEFT [ HC Right ] + LEFT [ CO RIGHT ] + LEFT [ CO_2 RIGHT ] }]            (3)

3. 결과 및 토의

3.1 촉매연소 특성

촉매연소기의 열부하량에 따른 연소특성을 고찰하기 위하여 공연비에 따른 반응성 실험 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 공연비를 1.0에서 2.0까지 변화시켜가면서 연소특성을 고찰한 결과 점화온도는 250℃에서 시작하여 500℃에서 메탄이 100% 전환됨을 보여 주고 있다. 최적조건의 공연비는 1.25∼1.5로 나타났다.

반응속도상수 k값을 구하기 위하여, (1)식에 의해 메탄을 1차 완전산화반응이라고 가정하고 Arrhenius식에 의해서 구한다.

[eqn: lnk~=~lnA~-~ E over RT]                          (4)

여기서 A는 빈도상수(min-1)이고 E는 활성화에너지(kcal/mol)이고 R은 기체상수(1.987cal/mol·K)이다. Fig. 3은 공연비에 따른 반응속도상수를 (4)에 의하여 구한 Arrhenius plot이다.

3.2 촉매연소기 실증시험

촉매연소기의 연소특성을 분석하고자 연소기 전면의 축상(axial)과 촉매층 깊이(depth)에 따른 온도분포를 분석하였다. Fig. 4는 열부하 1.0kcal/hr·cm2에서의 깊이에 따른 온도분포를 나타낸 것으로 표면에서부터 촉매매트의 내부로 들어갈수록 온도가 증가함을 알 수 있으며, 촉매연소기 후면에서 높이가 증가할수록 온도가 증가함을 확인하였다. 이는 연료가 공급되는 시작점부터 연소가 활발히 진행하여 연료와 가장 가까운 촉매 후면에서 온도가 높다고 사료되며, 따라서 이를 바탕으로 최적의 촉매층의 두께를 결정할 수 있다. 즉 촉매층의 두께를 5∼6mm로 조절하면, 균일한 온도분포를 기대할 수 있는 것으로 사료된다.

Fig. 5는 촉매연소기의 표면온도 분포와 효율을 나타낸 것으로 260∼350℃로 균일한 온도분포를 갖고 있으며, 83.33∼100%의 효율을 나타내고 있음 알 수 있다. 지금까지의 보고에 의하면, 촉매연소는 90%이상의 효율을 나타내고 있는데, Fig. 5와 같은 결과는 연료공급의 가스 노즐에 의한 분산이 균일하게 이뤄지지 않기 때문이며, 따라서 가스 노즐을 개량화하는 것이 중요하리라 사료된다.

4. 참 고 문 헌

1) Hiroki Sadamori and Akio Chikazawa, 燃料協會誌, Vol.67, No.10, 834 (1988)

2) 弘通 正人, 日本 觸媒誌, Vol.33, No.5, 328 (1991)

3) Pfefferle, L.D. and Pfefferle W.C., Catal. Rev. Sci. Eng., Vol.29, No.2&3, 219

(1987)

4) 백영순, 박성욱, 김형진, Energy Engg. J, Vol.4, No.2, 239 (1995)

5) 조원일, 오영삼, 박달령, 백영순, 방효선, 목영일, Energy Engg. J., Vol.6, No.1,

34 (1997)