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에너지·자원기술개발사업 최종보고서 초록
요약문
SUMMARY
CONTENTS
목차
제1장 서론 14
제1절 연구배경 14
제2절 연구목적 22
제3절 연구내용 및 범위 22
제2장 맥동연소기술의 연구현황 23
제1절 국내 연구현황 23
제2절 국외 연구현황 23
제3장 맥동제어밸브 개발 31
제1절 맥동류(pulasting or oscillating flow) 31
제2절 회전식 맥동제어밸브 개발 32
제3절 미끄럼식 맥동제어밸브 개발 35
제4절 솔레노이드형 맥동제어밸브 개발 36
제5절 고찰 40
제4장 열처리용 맥동연소 버너시스템 개발 45
제1절 소형 열처리용 맥동연소 버너시스템에서의 성능평가 45
제2절 실규모 맥동연소 버너시스템에서의 성능평가 59
제3절 상용 복사관 버너를 이용하였을 때의 맥동연소 성능평가 68
제4절 고찰 81
제5절 설치, 운전관리비용 및 기대효과 분석 81
제5장 맥동연소기술에 대한 수치해석 84
제1절 수치해석 방법 84
제2절 해석 결과 87
제6장 결론 103
제7장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도 105
제8장 연구개발결과의 활용계획 107
제9장 참고문헌 108
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I. 제목 : 열처리용 맥동연소 버너시스템 개발
II. 연구개발의 목적 및 중요성
맥동연소기술은 저 NOx 연소기술의 하나로 인식되어져 왔지만, 실제 개발, 응용은 최근에야 이루지고 있다. 맥동연소는 연료와 산화제의 혼합성을 떨어뜨려 연소 반응률을 제어함으로써 고온 영역을 감소시켜 열적(thermal) NOx를 저감시키는 원리를 갖고 있다. 연소기 형상에 의해 자발적으로 발생하는 맥동을 이용하는 경우에는 높은 소음이 발생하고 CO 등의 불완전 연소물질이 다량 배출되는 문제점이 있었다. 더욱이 맥동주파수가 큰 경우에는 NOx 저감 효과가 거의 없음이 알려지면서 맥동연소가 저 NOx 연소기술로서는 한계를 갖고 있다는 인식이 있어왔다. 그러나 타율적으로 맥동류 형태로 연료를 공급하는 경우에는 저 주파수영역에서 통상연소대비 30-50%의 NOx 저감이 가능하며 3-5%의 열전달이 증가한다는 2004년도 미 GTI의 연구결과로부터 맥동연소기술에 대한 기술 국산화가 필요하다고 판단되었다. 특히 소형 연소 시험에서 실규모 연소설비에서의 시험에서도 동일한 경향을 보였다는 결과로부터 국내 연소로에도 충분히 적용해볼만한 연소기술로 사료되었다.
타율적 맥동연소기술의 첫 번째 실용화 목적설비로 열처리로를 선정하였다. 열처리로는 통상적으로 5~20만kcal/h급 복사관 버너가 장착된 내경 100~200mm의 복사관을 고온으로 가열하고 그 복사열전달을 통해 피가열물이 가열되는 간접가열 방식의 연소로이다. 좁은 영역에서 고부하 연소가 이루어지는 복사관 버너시스템의 특성상 통상적인 저 NOx 저감기술을 적용하기 어렵고 적용하더라도 그 효과가 적어 NOx 저감이 쉽지 않다. 이에 따라 향후 NOx 배출 규제시 타 열설비대비 직접적 영향을 받는 설비가 될 가능성이 높은 시급성이 있기 때문에 첫 번째 실용화 목적설비로 선정하였다. 더구나 열처리로에 접목되는 복사관 버너시스템은 버너용량이 작아 실적용이 쉽고 국내 보급대수도 약 7000대로 많으며, 소형 설비에서의 실적용 결과를 바탕으로 차후 대용량 버너시스템에도 실용화가 가능할 것으로 사료되어 첫 실용화 설비로서의 중요성이 있다.
본 과제에서는 열처리용 맥동연소시스템의 실용화기술개발을 목표로 하고 있으며, 기술적 달성목표는 NOx 50%저감, 에너지 5% 절감이다.
III. 연구개발의 내용 및 범위
열처리용 맥동연소 버너시스템의 실용화 기술을 개발하기 위하여 총 2년의 연구기간을 계획하였다. 일차년도에는 소형 열처리로용 맥동연소 버너시스템을 개발, 구현하는 것을 목표로 하고 있으며, 이차년도에는 이를 10만kcal/h급 실규모 맥동연소 버너시스템으로 scale-up하여 기술 실증을 목표로 하고 있다. 위의 연구목표를 실현하기 위하여 다음의 연구내용과 범위를 설정하였다.
일차년도에는 (1)맥동제어밸브를 개발하고, (2)1-2만kcal/hr급 열처리용 맥동연소 시험설비를 구축하고, 이곳에서 (3)맥동제어밸브 및 버너성능을 평가하고자 한다. 소형 맥동연소 시험설비는 U형 복사관을 내장한 시험로, 맥동제어밸브를 장착한 유로계, 그리고 운전제어설비 등이 일체환된 설비로서 일반적인 복사관 버너시스템에 맥동제어밸브를 부착하였을 때의 NOx 저감성능과 에너지절감효율 등을 분석해 보고자 한다. 특히 맥동제어밸브는 여러 가지 형태로 제작방안을 도출하고 그 성능을 평가해 보고자 한다.
이차년도에는 일차년도의 소형 시험설비를 scale-up하여 실규모 열처리로용 맥동연소 시험설비로 개조하고 이를 통해 맥동연소의 실증기술을 개발하고 그 응용성을 확인하고자 한다. U형 복사관은 배가스의 현열을 회수하여 공기를 예열하는 통상적인 recuperator가 장착된 버너가 부착된 W형 복사관으로 교체하였다. 맥동연소를 위한 시험용 버너와 현재 국내 철강사에서 운용중인 버너를 구매하여 맥동연소기술의 성능평가를 수행하고자 한다. 이들 결과로부터 맥동연소기술에 유리한 복사관 버너를 개발해 보고자 한다. 또한 맥동연소를 위한 연소제어기술을 저립하여 맥동연소기술의 완전한 실용화를 진행하고자 한다.
IV. 연구개발결과 및 활용에 대한 건의
실규모 열처리로용 맥동연소 버너시스템을 개발하였다. 버너시스템 자체의 자발적 맥동이 아니고 외부에서 맥동주파수와 듀티 비(duty ratio)를 제어하는 타율적 맥동의 연료분사 체계를 갖는 맥동연소기술은 고소음과 다량의 불완전연소 물질 배출이라는 문제를 해결할 수 있는 연소방안으로 알려져 왔다. 본 연구에서는 열처리로용 연소시스템에 이를 실현하여 NOx 배출량 감소, 열효율 향상, 복사관 표면온도 균일화 등이라는 유효성을 확인하였다.
열처리로용 맥동연소 시험설비를 제작하고 여기에서 소형과 실규모 맥동연소시험을 수행하였다. 연료유량에 타율적 맥동을 주기 위하여 세 종류의 맥동제어밸브를 설계하고 이를 제작하였다. 즉 회전식, 미끄럼 방식과 솔레노이드형 맥동제어밸브가 그것이다.
소형 맥동연소시험으로부터 NOx는 맥동주파수 2Hz에서 최대 38%까지 저감됨을 알 수 있었다. 1.0-2.6Hz까지는 NOx 저감효과가 있으나 3.3Hz이상에서는 맥동효과가 거의 없었다. 많은 연료가 공급될 때 화염이 크게 분출되고 다시 적게 공급될 때 파이롯 화염 형태가 되는데, 맥동주기가 짧아지면 분출된 화염의 끝부분과 다음 분출화염의 선단부가 합체되면서 맥동에 의한 NOx 저감효과가 줄어드는 것으로 추정되었다. 맥동연소에 의해 전열이 11.5% 빨라지는 것을 볼 수 있었으며, 이로부터 에너지절감이 가능함을 알 수 있었다. 또한 복사관 표면의 온도분포로부터 맥동연소시 표면온도가 균일해지며 최고온도가 낮아지는데, 이로부터 복사관의 수명연장이 가능할 것임을 알 수 있었다.
실규모 맥동연소 버너시스템을 제작하고 시험용 버너 1개, 상용 버너 2개를 이용하여 맥동연소특성을 분석하였다. 소형 맥동연소시험과 마찬가지로 최대 50%이상의 NOx 저감이 가능하였으며, 4%의 열전달 향상, 그리고 최고온도 20℃하락 등으로 표면온도가 좀 더 균일화되는 것을 확인하였다.
시험용 버너와 상용버너를 이용한 실규모 맥동연소시험으로부터 NOx가 최대 50%이상 저감이 가능하지만, CO 등 불완전연소 물질 배출 증가를 감안하면 맥동주파수 2.5Hz, 듀티비 20~30%에서 운용이 적절하다고 판단되며 이때 NOx는 28~30%의 저감이 가능할 것으로 사료되었다. 또한 좁은 영역에서 연소되는 복사관 버너시스템에서는 예혼합성 구조의 버너에서 맥동연소기술의 접목이 보다 유용함을 확인하였다.
수치적 방법으로 맥동연소기술의 연소특성 파악, NOx 저감원리, 그리고 맥동연소에서 최적의 버너구조를 도출하였다.
V. 연구개발결과의 활용계획
본 과제를 통해 개발된 열처리로용 맥동연소 버너시스템은 1개의 실규모 복사관이 들어있는 연소로에서의 기술 실증이었다. 연구과정에서 개발된 맥동제어밸브와 맥동연소 제어기술을 바탕으로 국내 열처리로 현장에 충분히 적용가능하지만, 실험실적인 기술 실증보다 현장에서의 실증 데이터가 중요하다.
철강산업은 조강생산량 증대를 위하여 급팽창하고 있으며, 또한 기존 생산라인의 생산성 향상을 위해 국내외적으로 대단위 투자가 진행되고 있다. 특히 국내에서는 중국 등과의 차별화를 위해 고급강 생산을 위해 냉연/도금공정에 많은 투자가 진행되고 있다. 냉연/도금공정의 중요 설비인 열처리로에서 NOx 저감과 생산성 향상을 위한 기술이 거의 없는 상황에서 국내 열처리로 현장에 빠른 시간내 맥동연소기술을 시범 적용하여 그 유효성이 검증되면 수십에서 수백 개의 복사관이 부착되는 대형 열처리로에 적용이 원활할 것으로 추정된다. 그 경우 참여기업인 (주)경원테크와 외부 연소로 제작업체와 합작, 사업화하여 국내외에 보급할 계획이다.
개발된 맥동제어밸브는 개별적으로 직접가열 방식의 연소로용으로 응용이 가능할 것으로 사료된다.
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