연소기술/ 고속화염 가스버너 및 가스/오일 겸용버너
오늘은 입니다.
등록번호: 문화 라-08507 / ISSN 1599-4643(국제표준연속간행물번호)
본 자료는 메탈넷코리아에서 취재.조사.편집 및 기술자료로 무단전제.복사하는 것은 불법입니다.
제휴.제안.질의 & 광고게재.신제품소개 및 자료문의: 월간 메탈넷코리아 편집부
서울국제야금&주.단조&열처리산업전
고속화염 가스버너 및 가스/오일 겸용버너
본 자료제공은 (주)성우에너지입니다. 기술적인 문의는 문의전화:(02)2617-3838
1. 서 론
1992년 한해동안 국내에서 소비된 1차연료, 즉, 석탄, 석류, 천연가스, 원자력에너지의 총량은 석유로 환산하여 1억 1400만톤이며 이중 석유와 천연가스가 차지하는 양은 각각 7000만톤과 400만톤으로서 전체의 약 65%를 차지하고 있다.
이 가운데 교통관련 산업이 1800만톤을 사용하였으며 민생산업부문이 2600만톤을 그리고 전력생산에 1000만톤이 사용되었으며 나머지 가운데 4400만톤이 산업계에서 에너지원으로 사용되었다.
이러한 많은 양의 연료에서 발생되는 CO₂양은 탄소환산톤수로 약 9300만톤이나 되며 지구온난화의 주요요인이 되어 세계적으로 총량 규제를 계획하고 있는 실정이다.
에너지 사용이 39%를 점하는 산업현장의 연료는 열로 변환되는데 그중 대부분이 산업용버너에 의해 이루어진다. 산업용 버너는
1)사용연료
2)열용량
3)연료 및 산화제의 분무압력
4)분위기 형성온도
5)화염의 형상
6)공해발생 특성
7)기타
등과 같이 수없이 많은 종류로 분류되는데 이는 산업현장에서 용도에 맞게 연소기가 개발되어 왔기 때문이다.
위의 분류법에 따라 본 연구에서 개발하고자 하는 고속화염 가스 및 가스/오일 겸용버너는
1)사용연료: 기상 및 액상연료(분말 형태의 고체연료도 가능함)
2)열용량: 중소형
3)분무압력: 저압형
4)분위기 형성 최고온도: 1500℃~1600℃
5)화염의 형상: 단염
6)공해발생: 저 NOx 완전연소
로 분류된다.
고속화염버너는 로내 교반효과가 큰 버너로서 연속소둔로, 용해로, 가열로, 열처리로 등에 적용가능하다.
이 버너는 고온의 열풍에 의한 대류효과가 필요한 간접가열로에 보다 유용하며 화염의 길이 및 폭 등을 비교적 자유로이 조절할 수 있어 기존의 열처리로에 대체되고 있다.
연소효율, 열효율 그리고 제어면에서 우수한 성능을 보유한 고속화염버너는 사용영역이 급속히 확대되고 있어서 국산화 개발에 따른 상품 성공화 가능성이 매우 높다.

(1) 연구의 배경

산업용 버너는 열기기 사용 현장의 용도에 맞추어 개발되어 왔다. 복사열을 필요로 하는 경우 장염형태의 적염 또는 휘염을 형성시켜 복사에 의한 열효율을 증대시켰으며 반대로 화염에 의한 로 또는 열처리물의 손상이 예상되는 경우 단염을 만들어 고온의 gas를 열원으로 사용하였다.
또한 가스 접촉없이 중온(400~1000℃)의 복사열이 필요한 경우 관내에서 연소 및 Tube를 가열하여 간접열원을 사용하였다.
이외에도 고온의 연소장 형성을 위해 공기대신 산소를 사용하기도 한다. 이와같이 산업용 버너는 열이용이 효율성을 높이기 위해 다양하게 발전되어 왔으며 고속화염버너 또한 그 중의 하나이다.
고속화염버너는 100m/sec전후로 분사되는 연료아 산화제에 의해 버너타일 출구에서 200m/sec로 분출되는 고속의 화염이 형성된다.
일반용도의 산업용 버너에서는 최고 20~30m/sec의 연료 및 산화제 분출속도와 80m/sec이내의 화염속도르 갖는다.
중저속분사화염의 경우 혼합속도 및 연소속도가 느려 화염의 길이가 상대적으로 길어지게 된다.

그러나 장염이 사용에 문제가 되는 경우 고속분사방식을 채택하여 혼합 및 연소속도를 빠르게 하고 화염의 길이가 짧은 버너의 사용이 필요하게 된다.
고속화염버너에서 버너타일의 기능은 다른 형태의 버너보다 중요시된다. 즉, 가스 및 화염을 가속하는 기능과 가속된 화염 또는 반응장을 앉어화시키는 역할을 버너타일이 담당하게 된다.
이렇게 함으로써 짧은 화염이 형성되고 고속의 고온 연소가스를 열원으로 이용하여 로내온도 균일화 및 교반효과를 충분히 활용가능하게 된다.
고속화염버너의 특징으로는
1)고부하 연소의 실현
2)연료선택의 다양성
3)고속에 의한 빠른 열전달 특성
4)넓은 운전비 및 공연비 유지가능
등이 알려져 있으며 본 연구의 수행을 통해
5)저과잉 공기조건에서의 완전연소
6)안정된 화염형성
7)저공해 연소실현
8)다양한 용도이용
등 고속화염버너는 에너지 및 환경분야에서 탁월한 기능을 갖고 있는 것을 확인할 수 있었다. 에너지, 환경, 열처리 기능의 우수성으로 인하여 고속화염버너의 수요는 빠른 속도로 증가하고 있으며 다른 버너가 차지하고 있던 영역까지 잠식하게 될 것이다.

(2) 연구의 목적 및 내용

본 연구는 현재 미국, 일본, 이탈리아, 영국 등지에서 전량 수입되어 국내 수요에 충당되고 있는 고속화염버너의 국산화 개발을 목표로 하고 있다.
앞절에서도 언급한 바와 같이 고속화염버너는 다양한 사용상 이점으로 인하여 빠른 속도로 사용영역이 확대되고 있다. 이러한 유용한 버너의 국산화개발은
-낙후된 산업용 버너기술 개발의 가속화
-저과잉 공기 및 효과적인 열 이용에 의한 에너지 절약
-저공해 연소실현
등과 같은 환경적 측면, 에너지 절약효과는 물론 관련분야의 경제적 발전에 기여할 수 있는 중요한 연구이다.
본 연구의 구체적인 개발목표는
15만 kcal/hr급 고속화염 가스버너 국산화 개발(1차년도)
40만 kcal/hr급 고속화염 가스/오일 겸용버너 국산화 개발(2차년도) 이다.
전자는 약 100만 kcal/hr 용량의 열처리로를 대상으로 한 것으로서 로 한기당 6~10개의 버너가 부착된다. 종래에는 주로 오일버너를 많이 사용하였으나 현재 국내에 조성되는 공단에는 도시가스의 공급이 일반화되어 있으며 일부 공단에서는 주변 공장의 부생 가스인 부탄가스의 이용이 가능하다.
또한 환경오염의 방지를 위해 gas의 사용이 권장되고 있어 본 연구에서도 gas버너의 개발에 우선 목표를 두었다. 후자는 알루미늄 용해로, 소둔로 및 기타 가열로용 중형버너 대체를 주 대상으로 하고 있으며 열처리로에서 대상물의 종류에 따른 연료의 선택이 가능하도록 되어있다. 또한 제철소에서 방출되는 각종 부생 가스 및 발생물질의 열원이용을 가능하게 하고자 하는 목적을 갖고 있다.
이 버너의 국산화를 위해 요구되는 기술로는
1)고속유동장애에서의 화염안정화 기술
2)노즐 및 타일에서의 탄소침적 방지 기술

3)버너타일 형상설계 기술
4)다단 연소에 의한 공해 발생억제 기술 5)연료와 산화제의 혼합촉진 기술
6)오일 미립화 기술
7)버너타일 과열방지 기술
등 연소와 관련된 많은 핵심기술을 필요로 한다.
고속화염버너에서의 최대 문제는 타일 내 및 출구에서의 화염안정화이다. 최고 200m/sec에 이르는 화염의 안정화는 매우 어려운 문제이다.
일반적으로 연료의 연소속도가 1m/sec전후임을 감안할 때 고속화염버너에서의 화염안정화는 유동장 제어를 통해서만 가능하다. 화염안정화에는 재순환 유동장의 형성이 유용하다.
그러나 이 경우 재순환유동장에는 미연분이 많아 Soot침착이 나타나기 쉽다. 특히 노즐 주위의 Soot침착은 노즐손상의 가능성이 있음에 유의해야 한다.
고속화염버너는 다른 저압버너에 비해 100~200℃정도 높은 분위기의 형성이 가능하다. 따라서 질소산화물 배출이 다소 증가할 가능성이 있다. 따라서 본 연구에서는 다단 연소법을 채택하여 공해발생억제를 시도하였다.
이외에도 연료와 산화제의 혼합촉진, 과열에 의한 버너타일 손상방지에 대한 기술적 접근이 이루어졌으며 이에 대해서는 본문에서 다루어진다.

2. 고속화여 가스버너 설계

고속화염 가스버너는 연료를 유도 공급하는 버너 gun, 연소용 공기를 공급하는 버너 cap 그리고 화염과 유동장의 안정화를 담당하는 버너타일로 구성되어 있다.
이러한 구성은 설계방식에 따라서 달리 선택될 수도 있으며 연료 또는 열용량에 따라서도 구성이 달라진다.
-버너 gun
-버너 cap
-버너 tile

(1) 가스버너 기본설계

현재 국내에서 많이 사용되는 고속화염버너는 100,000~200,000kcal/hr 급경유 전용버너이다. 1기의 열처리로에는 6~10개의 버너가 부착되어 100만 kcal/hr내지 150만kcal/hr을 열용량을 갖지만 필요에 따라서는 50~100개의 버너가 동시에 부착되어 대형로에 사용되기도 한다.
본 연구의 1차년도 연구로서 150,000kcal/hr급 가스버너의 개발을 시도하였다. 이와같은 열용량의 선택은 기존 수입 고속화염 오일버너를 대체하고 현재 산업체에서 사용하는 소형 산업용버너의 용량이 대략 100,000~200,000kcal/hr정도이기 때문이다.
또한 gas연료의 선택은 각종 열처리로가 국내 여러 공단지역에 위치하고 있으며 대부분의 지역에는 도시가스의 공급이 이루어지고 있기 때문이다. 특히 경인지역의 시화공단과 반월공단 그리고 경남 지역의 공단에는 주변공장의 부생 가스가 공급, 활용되고 있다.
본 연구에서는 연료공급의 용이성을 고려하여 LPG를 사용연료로 선택하였다.
연료로 사용하는 LPG의 물성치는 공급회사나 계절에 따라서 많은 변화가 있다. LPG는 액화석유가스(Liquified Petroleum Gas)의 약자로서 주성분은 프로판, 프로필렌, n-부탄, I-부탄, 부틸렌 등이다.
이 가운데 프로판 계열은 가정용으로 그리고 부탄계열은 자동차 연료로 많이 사용된다. 가정이나 산업용으로 사용되는 프로판가스는 프로판(C3H8)과 프로필렌(C3H6)의 함유량이 80%이상인 것을 원칙으로 한다.
설계를 위한 LPG의 물성치는 다음과 같다.
대표성분 : 프로판
밀도 : 2.02kg/Nm³
저위발열량 : 22,380kcal/Nm³(11,079kcal/kg)
단열화염온도 : 2,130℃
따라서 150,000kcal/hr의 발열량 위해서는 6.7Nm³/hr(13.54kg/hr)의 연료가 필요하다.
프로판의 이론공연비 = 23.8
설계공기량 = 23.8 x 연료량
= 159.46Nm³/hr (for 150,000kcal/hr)
연소가스량=25.8 x 연소량
=172.86Nm³/hr(for 150,000kcal/hr)
위의 설계공기량 및 연소가스량은 고속화염 가스버너가 150,000kcal/hr의 정격출력을 가질 경우이며 연소조건은 이론당량비(stoichiometric condition)로 정한다.
실제 가스연스의 최적 공기비는 1.1~1.2정도로서 10~20%의 과잉공기(excess air)상태에서 연소상태가 제일 우수한 것으로 알려져 있으며 오일연소의 경우는 공기비 1.15~1.25정도를 설계값으로 택한다.
물론 모든 연소기가 이 값에서 최적조건을 갖는 것은 아니며 제작운전 상태에 따라 많은 차이가 있다.
본 연구에서 개발하고자 하는 가스버너는 10 : 1이상의 Turndown Ratio(운전비)와 최소 50,000kcal/hr에서부터 최대 250,000kcal/hr의 상용운전 영역에서 안정운전이 가능하도록 하고자 한다.
실용운전범위 : 50,000kcal/hr ~ 250,000kcal/hr
Turndown Ratio : 10 : 1
고속화염 가스버너의 설계는 앞에서도 언급한 바와 같이 버너 gun, 버너 cap 그리고 버너 tile의 세 부분에 대해 진행된다. 이들 요소부품의 설계를 위해 우선 검토되어야 할 것은 화염형성을 위한 반응물의 공급조건과 주어진 조건에서의 혼합 및 화 염안정성에 대한 적합성 여부이다.
고속유동장의 형성을 위해서는 연료와 산화제의 공급압이 상대적으로 높아야 한다. 그러나 분사압이 높고 분사속도가 빠른 경우가 가스안전상의 문제, 공급설비의 단가상승, 내구성 약화 등의 문제가 수반된다.
또한 속도가 빨라짐에 따라 화염의 불안정성은 상대적으로 커지게 된다. 따라서 본 연구에서는 경제성 및 안전성을 고려한 저압공급을 원칙으로 설계하였다.
공기공급압: 700mmAq
연료사용압: 최대 2000mmAq
고속화염 가스버너의 연소과정은 다음과 같이 유도한다.
1)연료는 50m/sec, 공기는 100m/sec의 분사속도를 갖으며 버너타일 내의 상류(분사노즐 부근)에서 빠른 혼합을 갖도록 한다. 연료 분사속도의 설계값을 공기분사속도보다 작게한 것은 유동장에서 재순환 영역을 안정화시키기 위해서이다.
2)타일 내에 형성되는 화염은 반응물(연료 및 산화제) 공급속도의 증가시에도 안정화 되도록 한다.
3)버너타일 내에서 단면의 급격한 변화에 의한 가스 급가속이 일어나지 않도록 한다. 단면의 급격한 변화는 dead zone을 형성시켜 실제 사용가능 열용량 영역의 축소는 물론 화염의 불안정성을 야기시킨다.
4)버너타일 출구에서 가스의 유속은 200m/sec전후가 되도록 하며 버너타일을 나와서 형성되는 2차 연소장이 타일에서 뜨임이 일어나지 않도록 한다.
이상과 같이 고속화염 버너에서 안정된 연소장이 형성될 수 있도록 설계를 진행한다. 위에서 설명한 바와 같이 고속화염버너는 다단 연소방식에의해 저공해, 화염대의 안정화에 의한 연소효율 상승 그리고 혼합 및 연소 영역의 축소에 의한 고부하 연소의 특징을 갖는다.

(2) 버너 gun설계

버너에서 gun이라 함은 버너타일 내부 또는 연소실에 화염을 형성시키기 위한 연료분사 공급장치를 말한다. 본 연구에서와 같이 가스를 연료로 사용하는 경우에는 버너 gun이 내부에는 연료만 흐르게 된다.
그러나 오일을 연료로 사용하는 경우에는 연료와 분무용 공기 그리고 필요에 따라서는 증기까지 gun을 통해 공급된다.
버너 gun의 설계에서는
-가스공급관 선정
-가스분사 노즐
-분사위치 결정
에 관한 기술적 검토가 이루어져야 한다. 150,000kcal/hr를 위한 가스유량은 6.7Nm³/hr이며 가스의 공급은 가스저장고에서 1차 압력조정기를 거치며 버너성능시험로 부근에서 2차 압력조정을 하여 버너에 공급하도록 하였다.
주배관에서 관내의 유속이 10m/sec정도가 되도록 한다. 따라서 배관의 직경은 6.7㎥/hr = π/4 x a²x 10m/sec x 360sec/hr
d=15.4mm
가 되며 용량 확대 운전실험을 위해 배관은 20A 제품을 선정하였다.
d=20A
유로계를 거쳐 버너 gun에 공급된 연료는 노즐에서 버너타일 내로 분사된다. 가스버너 gun은 일반 오일버너 gun과 마찬가지로 인입부에 filter를 설치하여 이물질을 제거할 수 있게 하였다.
일반적으로 가스분사 노즐의 형상은 직관형이 많으며 혼합의 촉진이 필요한 경우 연소용 공기에 선회를 준다. 특히 가열로용 버너가 그러한 경우인데 원주모양의 다공형상에 의한 분사를 시도하는 경우도 있다.
연소용 공기에 선회를 주는 것은 노즐 가까운 곳에 재순환 유동장을 형성시켜 화염의 안정화를 꾀하고 연료와 산화제의 빠른 혼합을 유도하게 하기 위함이다.
분출구의 면적은 50n/sec의 출구속도로 기준할 때


가 된다.
연료는 분사노즐에서 링의 형태로 분사되어 축대칭 형태의 연소장을 형성하고 부분과열이나 소염(quenching)이 일어나지 않도록 하였다.
또한 연료분사 노즐의 주위에서 유입되는 산화제와의 신속한 혼합을 위해 공기와 60°의 각도로 만나도록 분사하였다.
이렇게 함으로써 버너타일내에 형성시킬 재순환 유동장에서 고속의 상태에서도 충분히 화염이 안정될 수 있도록 하였다.
연료분사 노즐의 간극은


가 되며 노즐의 diameter를 32mm로 할 때
h= 0.37mm ≒ 0.4mm (60°경사) 가 된다.
그림1은 gun의 형상도면이다. gun은 버너 cap과 연결되며 가운데에서 slit nozzle 설치를 위한 중심축이 위치한다.
slit의 간격은 nozzle head에서 조절가능하도록 하였으며 head의 형상은 재순환 유동장치의 형성에 방해가 되지 않으면서 착화에 도움이 되는 bluff-body의 형상을 취하였다.
버너타일 내의 고온 연소강과 접하게 되는 분사노즐 head는 내열강을 사용하였다.

(3) 버너 cap 형상설계

버너 gun은 주로 연료의 미립화 및 분사를 통한 화염을 제어하는 반면 버너 cap은 연소용 공기의 공급을 통해 연소장을 제어하게 된다. Blower에서 공급된 공기는 유랑계 및 조절변을 거쳐 버너로 보내진다.
연료유량에 맞추어 control valve에서 조절된 공기는 버너 cap내로 들어와 유로를 거쳐 버너타일에서 연료와 함께 화염을 형성한다.
이때 연소용 공기는 버너의 control부분의 냉각과 버너타일이 과열되지 않도록 한다. 버너 cap의 역할은
1)연소용 공기의 공급
2)화염 안정화
3)버너 control part 과열방지 기능
4)버너타일 냉각
이다.
연소용 공기는 풍압이 700mmAq이며 최대용량이 300Nm³/hr인 Turbo Blower를 사용하여 공급하였으며 이 용량은 280,000kcal/hr까지 가동가능하다.
설계기준인 150,000kcal/hr를 위해서는 이론당량비 조건에서는 160Nm³/hr, 10%과잉 조건에서는 176Nm³/hr의 공기가 필요하다. 본 연구에서는 10%과잉 상태를 주 운전조건으로 가정하였다.
필요 공기량 = 176Nm³/hr
버너 cap에 들어온 공기는 gun의 주위를 따라 버너타일 내로 유입된다. 이때 연소용 공기가 한쪽으로 몰리지 않고 균일 분포되도록 해야 한다.
버너 cap설계의 핵심은 공기분사 노즐설계이다. gun의 외곽 원주에 위치하는 연소용 공기분사 노즐은 고속화염버너 성능에 지배적인 영향을 미친다.
연소용 공기의 분사속도는 앞에서 언급한 바와 같이 100m/sec로 하였다. 공기분사 속도 및 위치 그리고 연료분사 속도 및 위치는 매우 중요하여 본 연구에서는 simulation에 의한 유동장 안정화를 점검하였다.
그 결과를 사용하여 최소 공기분사 속도 및 공급위치를 결정하였다. 유도장 simulation결과는 뒤에서 소개한다.
공기분사 속도 = 100m/sec
공기분사 위치 = ø85 원주
100m/sec의 유속을 위해서는 버너 cap내부의 압력이 최소 600mmAq이상이 되어야한다. 공기분사 노즐의 단면적은

가 된다.
연소용 공기의 공급방법에는
1)gun의 주위에서 축대칭 형으로 분사
2)6~8개의 hole을 이용한 동축분사
3)4~6개의 hole을 이용한 선회분사
4)타일 외벽에서 1~2개의 hole을 통해 선회형으로 주입하는 방법
등이 있으나 본 연구에서는 gun주위의 동심원에서 띠모양으로 축대칭분사가 이루어지도록 하였다.

따라서 연소용공기는 gun외면과 ψ85인 cap을 따라 공급되며 이 사이의 간극은


2mm로 정하였다.
버너 cap의 개략적인 형상을 보여주고 있다. 공기의 분사는 간격 2mm의 원형 slit에서 이루어지도록 하였다. 연소용 공기가 분사노즐에서 균일하게 분사될 수 있도록 분배관(distributor)부착과 연소용 공기에 선회를 줄 수 있도록 내부를 설계하였다.
이러한 구조의 설계는 최종 이용자가 용도에 맞게 화염을 자유로이 조정이 가능하도록 하기 위함이며 또한 연료나 연소상태의 변화에 대응할 수 있도록 하기 위해서이다.

(4) 버너타일 형상설계

고속화염버너는 연료와 산화제의 빠른 혼합 및 고속연소속도에 의해 화염의 길이가 일반 산업용 버너에 비해 아주 짧으며 고속분사에 의한 주위분위기와 대류 혼합특성이 월등히 향상되는 특징을 갖고 있다.
빠른 혼합 및 연소 그리고 고속유동조건에서 연소장이 안정되기 위해서는 버너타일의 효과적 기능이 요구된다.
고속화염버너의 타일에서 요구되는 기능은 크게 화염안정화 기능과 연소촉진으로 나눌 수 있으며 이를 좀더 세분화하면 다음과 같은 것들이 있다.
1)연료분사노즐 주위류의 혼합촉진
2)타일 내의 반응대 안정화 기능
3)고온 분위기 조성에 의한 연소 촉진
4)타일 출구에서의 최적 유동장 형성
고속화염 버너의 타일부에는 유입연료와 산화제에 의해 반응대가 형성되는데 고속의 유체유입 및 고온분위기에 의한 열팽창에 의해 유동속도가 수십 m/s에서 수백 m/s에 이른다.
이러한 유동장에서 화염의 안정화를 위한 재순환 영역이 충분히 발단되지 못한다면 반응대는 타일 내에서 유지될 수가 없으며 타일밖에서도 고속에 의해 소염(blow-off)현상이 일어나기 쉽다.
가시화염(visible flame)이 앞에서 설명한 속도로 흘러간다면 화염대는 정지해 있는 것으로 보인다. 버너타일 내의 연소장은 버너타일 밖으로 퍼져 나가는 연소장의 착화원 및 버너타일 고속 분위기 유지역할을 한다.
따라서 고속화염 버너의 타일부 형상설계시에는 다음의 사항에 유의해야 한다.
1)연소용 공기유입 적정위치 및 유입속도 선정에 의한 타일내화염안정화
2)유동 최적화를 위한 곡면설계
앞에서 언급한 바와 같이 버너타일은 주연소장에 대한 화염안정화 및 착화원의 기능을 갖고 있으며 설계하고자 하는 고속화염버너의 열부하 모두를 버너타일이 감당하는 것은 아니다.
유입연료의 일부가 버너타일의 내에서 연소되어 버너타일의 가열 및 주화염대의 착화원 역할을 하게 된다. 버너타일에서 얼마나 많은 발열이 이루어지느냐를 결정하는 것은 매우 어려운 문제이다.
이것은 연료의 종류, 연소과정, 타일형상 등의 요인에 의해 정해진다.
본 연구에서 설계하는 150,000kcal/hr 고속화염버너의 버너타일에서는 총열량의 50%에 해당하는 열부하를 버너타일이 받는 것으로 가정한다. 위의 가정은 버너운전 실험에 의한 열용량 검증에 의해 보충설명될 것이다. 따라서 버너타일에서의 열부하는 75,000kcal/hr가 된다.
일반적으로 연소장의 크기 결정은 화염대를 둘러싸고 있는 로의 재질과 열전달 특성에 의해 결정된다. 표1은 각종 보일러 및 연소기에서의 열부하값을 나타낸 것으로서 산업계에서 적용하고 있는 값들이다.
이 결과를 보면 석탄류의 보일러는 0.3~0.4Gcal/㎡.hr의 열부하를 설계에 적용하고 있으며 일반 가스 및 오일보일러는 4Gcal/㎡.hr를 그리고 고부하 연소기인 펄스연소기 및 산업용 가스터빈에서는 40Gcal/㎡.hr이상의 열부하를 적용하고 있다.
또한 제트류에서는 수백에서 8,000Gcal/㎡.hr의 연소열부하가 사용되고 있는 등 용도 및 목적에 따라 열부하 성능상의 큰 차이를 보이고 있다.
고속화염 버너타일은 재질상 분무조건의 한계로인하여 산업용 가스터빈이나 촉매연소기의 연소부하에는 미치지 못하여 일반 급탕기나 보일러에 비해서는 월등히 높은 연소열부하를 받는 것으로 사료된다.
고속화염 버너타일의 연소부하(qh)는 펄스 연소기와 동일한
qh = 40Gcal/㎡.hr
로 가정할 때 버너타일의 체적 Vb는

가 된다.
기존의 수입 고속화염버너가 가지는 문제점 중의 하나는 연료유량 또는 발열량의 증가시 화염 불안정성을 들 수 있다.
이러한 현상은 화염의 심한 떨림이나 순간적인 소화 그리고 견디기 힘든 소음의 형태로 나타나며 버너타일의 출구에서 관찰된다.
이에 대한 기술검토 결과 화염의 불안정성이 부분적으로 설계 point를 초과하는 속도장의 형성에 기인되는 것을 확인할 수 있었다.
따라서 본 연구에서는 버너타일이 입구의 100mm직경에서 4:1축소노즐에 의해 50mm의 출구직경을 갖도록 하였다.
4:1 축소노즐형(contraction nozzle type) 버너타일의 설계법은 다음과 같다. 입구의 반경을 R₁, 출구의 반경을 R₂로 하는 contraction nozzle의 반경은 다음의 식에 의해 나타낼 수 있다.


현재 설계하고자 하는 버너타일 내부의 출구에서 100mm 떨어진 축방향 위치의 x값을 0이라하고 출구의 축위치를 100이라 가정하면 버너타일의 직경은 다음과 같이 표시될 수 있다.
R = 25 + 25[1-4(χ/100)³]mm χ≤50mm
= 50 - χ³/100²[(1-(χ/100)³]mm χ>50mm
이러한 직관형과 축소노즐의 조합형태는 앞에서 언급한 바와 같이 버너타일 내부에 dead zone을 없애고 버너타일 출구에서의 화염을 보다 안정화시키기 위한 것이다.
버너타일의 형상을 보여주고 있다. 연료 및 공기분사에서부터 버너타일의 출구에 이르는 축거리는 270mm이며 타일의 대표직경은 100mm이다. 공기분사노즐에서 출구방향으로의 170mm는 단면의 축소없이 실린더 형태가 이어지는데 타일내부 상류에 해당되는 이 공간에서는 재순환 영역이 형성되어 화염이 형성된다.
170mm 단면에서부터 270mm(버터타일출구)구간에서는 화염 및 가스의 가속이 이루어진다.
버너타일을 나온 미연 gas는 타일 내부의 안정된 착화원에 의해 지속적인 반응을 일으켜 완전연소에 도달케 한다. 버너타일의 외경은 198mm로서 200mm 단면의 취구부에 장착이 가능하도록 하였다.
버너타일 내부에서 공기의 분사가 wall 가까운 곳에서 이루어지는 가장 큰 이유는 재순환 유동장 형성에 의한 화염의 안정화이다.
그러나 이에 못지 않게 중요한 것은 차가운 연소용 공기의 의해 고온의 화염으로부터 버너타일을 보호할 수 있으며 또한 미연탄소분의 타일내 흡수에 의한 수명단축을 방지할 수 있다라는 것이다.
그림 1는 앞에서 소개한 방법에 따라 설계된 150,000kcal/hr급 고속화염 가스버너의 제작된 실물사진이다.

3. 고속화염 가스/오일 겸용버너 설계

현재 산업용 버너에서는 연료로서 주로 경유를 많이 사용하고 있으며 과거에 사용하던 벙커 C oil용 버너도 아직 많이 남아 있다.
그러나 환경오염문제, 이용상의 편리성, 주변공단의 에너지 공급실태 그리고 열이용 방법 등의 주변여건 변화로 인하여 고급에너지의 이용이 늘고 있는 실정이다.
가스버너에 이은 2단계 연구에서는
1)열처리 고급화 정도의 선택적 이용
2)연료사용의 급격한 변화실태에 대처
3)주변설비로부터 방출되는 에너지 보유 각종 부산물의 자원화
4)열기기 설비의 고부가적 기능 확보
등의 목적을 위해 고속화염 가스/오일 겸용버너 개발을 시도하였다.. 고속화염 가스/오일 겸용버너는 가스 gun 및 오일 gun, 연소용 공기를 공급하는 버너 cap그리고 화염과 유동자의 안정화를 담당하는 버너타일로 구성되어 있어서 앞장에서 나온 고속화염 가스버너와 기본 구성은 동일하다.
그러나 겸용버너의 설계에서는 분무, 혼합 연소특성이 확연히 다른 액상 및 기상 연료의 물성 및 유동에 대해 신중히 고려하지 않으면 안 된다.
따라서 겸용버너 개발에서는 부품의 교체없이 1개의 노즐로 2종류의 연료를 안정적으로 연소시킬 수 있는 겸용노즐이 필수적으로 요구된다.
본 연구에서는 고소화염 가스/오일 겸용버너를
-버너 gun 및 겸용노즐
-버너 cap
-버너 tile
로 구성하여 설계를 하였으며 특히 겸용버너노즐의 설계개발에 많은 노력을 기울였다.

(1) 겸용버너 기본 설계

산업용버너로서 많이 쓰이는 열용량은100,000~200,000kcal/hr급 소형버너,400,000~500,000kcal/hr 급 중형버너 그리고 1,000,000~2,000,000kcal/hr급 대형버너로 크게 구분되며 이외에도 5,000,000kcal/hr급 이상의 초대형버너도 있으나 이 정도의 용량은 특수용도 목적에 맞추어 개발된 것이며 그 수량 또한 국내에서는 많지 않은 실정이다.
본 연구의 1차년도 연구에서는 150,000kcal/hr의 소용량을 개발대상으로 하였으며 2차년도에는 400,000kcal/hr급 중형버너를 개발하였다.
oil의 경우 최고 400,000kcal/hr의 정격운전이 가능하며 가스의 경우에는 200,000kcal/hr의 열용량 운전이 가능하다.
겸용버너는 두 연료의 연속적 운전, 즉, 가동 중단없이 연료의 전환이 가능한 기능을 갖는다. 실제 개발에서는 개발버너의 기능 확대를 위해 주어진 조건하에서 혼소가 가능하도록 진행하였다.
혼소의 선택은 저급연료의 고급연료화 및 화염안정화 그리고 제어 효과를 극대화하기 위한 것이다. 개발 대상 : 고속화염 가스/오일 겸용버너
열 용 량 : 400,000kcal/hr
사용연료는 LPG와 경유로 하며 이들 연료의 물성치는 다음과 같다.
[LPG]
밀도 : 2.01kg/Nm³
저위발열량 : 22,380kcal/Nm³ (11,079kg/hr)
이론 공기량: 23.8Nm³/Nm³-fuel
[Light Oil]
밀도 : 0.81~0.83kg/ℓ
저위발열량 : 10,280kcal/kg
이론 공기량 : 11.2Nm³/kg-oil
이때 필요한 공기량은
공기량(LPG 사용)
연료량 x 공연비 = 8.94Nm³/hr x 23.8Nm³-oil
=213Nm³/hr
공기량(경유사용)
연료량 x 공연비 = 38.9kg/hr x 11.2Nm³/kg
=436Nm³/hr
위의 설계공기량은 과잉공기가 없이 완전연소가 이루어질 경우에 해당되며 Oil의 경우 약 20%의 과잉공기 투입이 일반적으로 이루어지고 있다. 이러한 경향을 고려할 때 400,000kcal/hr의 버너 운전을 위해서는 약 523Nm³/hr의 공기공급이 요구된다.
용량이 서로 다른 가스버너와 오일버너를 겸용 가능하도록 설계하는 것은 매우 어려운 일이다.
이것은 가스와 오일의 분사특성과 연소특성 아주 다르기 때문에 이러한 두 가지 연료의 겸용버너 또는 혼소용 버너를 설계하기 위해서는 설계전 여러 가지 고려해야 할 사항들이 있다.
1)가스버너와 오일버너는 개별 운전이 가능하도록 하며 각각의 정격용량은 200,000kcal/hr와 400,000kcal/hr로 한다.
2)가스와 오일은 겸용버너의 연료로 사용하며 필요시 동시공급에 의한 혼소가 가능하도록 한다.
3)가스버너의 운전 시 타일내 연소장에 의한 오일노즐의 손상이 없도록하며 반대로 오일 버너운전 시 발생되는 Soot성분에 의해 가스노즐이 막히거나 손상을 입는 일이 없어야 한다.
4)가스버너와 오일버너 교체 운전 시 버너의 가동정지 없이 연속적으로 운전이 가능해야 하며 소음이나 폭발음 기타 불안정한 화염에 기인된 현상이 나타나지 않아야 한다.

(2) 연료 분사 노즐 설계

고속화염 가스/오일 겸용버너를 위한 노즐의 설계에서
-Oil의 미립화 촉진
-노즐의 Soot부착방지
-가스의 혼합촉진
의 세가지에 대해 중점검토가 이루어졌다.
미립화(atomization)란 액체연료를 미세한 액적(droplet)으로 쪼개서 단위질량당 표면적을 증가시키는 동시에 액적의 분산, 공기와의 혼합을 시키는 것으로서, 분무연소(spray combustion)의 핵심기술이 된다.
액체의 미립화는 분무구에서 배출되어 오일이 평면화, 주위유동의 불안정화에 기인된 이탈 그리고 액적으로의 천이과정으로 구분된다.
이러한 미립화 과정은 유체의 관성력과 표면장력 사이의 상관관계에 의해 지배되며 일반적으로 다음의 Weber수에 의해 과정이나 상태가 정해지는 것으로 알려져 있다.

Pw = 관성력/ 표면장력

미립화의 장치는 종류로는
1)Pressure Jet Atomizer
2)Twin Fluid Atomizer
3)Assisted Pressure Jet Atomizer(Air Assisted Atomizer)
4)Rotary Atomizer
5)Impinging Jet Atomizer
6)Ultrasonic Atomizer
7)Vibraiting Oriffice Aerosol Generator
등이 있으며 본 연구에서는 3)의 Air Assited Atomizer방식을 사용하였다.
버너에 있어서 2유체 미립화를 사용하는 이유는
1)turndown ratio의 향상
2)미립화의 향상
3)산화제와의 혼합효과상승
등이 있으며 본 연구에서 적용하고 있는 2유체방식의 이론적 분무입경(a)은 다음의 식으로 나타내어진다.


mL= 오일의 질량 유량
mA= 분무공기의 질량유량
μL= 오일의 점섬계수
상기 식은 1984년 Rizt와 Lefebvre에 의해 검증된 실험결과 식이다.
그림3-1은 겸용버너의 oil 및 gas분사노즐을 나타낸 도면이다.
오일은 gun의 중앙에 위치한 ø9mm Core에서 저압공기에 의해 분무된다. ø8mm hole 6개에서 축과 45도 방향으로 oil을 분사하면 주위류에서 공기가 분사되어 미립화 시킨다.
이와 같은 노즐의 선정은 다음과 같은 계산에 의해 이루어졌다. 400,000kcal/hr를 위한 light oil의 양은 47.45ℓ/hr이다.
설계 oil 유량 = 47.45ℓ/hr
oil의 분사유속은 일반적으로 5~10m/sec한다. 본 연구에서는 이값을 6m/sec로 한다. 따라서 노즐의 단면적(A)은


Oil노즐의 직경은
식.................
n : oil nozzle의 hole수
분무용 공기의 양은 연소공기의 3%내외로 하고 분무공기 속도를 150m/sec로 할 때 분무공기 노즐의 단면적은
q= 0.03 x 523Nm³/hr
=15.69 Nm³/hr

가 된다.
분무공기 노즐의 형상을 두께 1mm의 환형으로 한다면 Ring의 직경(a)은


가 된다.
본 연구대상인 고속화염 가스/오일 겸용버너는 기존의 다른 버너와는 달리 하나의 gun에서 가스와 오일 모두를 연료로 사용할 수 있도록 설계하였으며 필요에 따라서는 혼소가 가능하도록 하였다.
gas연료의 공급은 oil분무 노즐과 연소용 공기공급 slit사이에서 가능한 균일하게 분사되도록 하였다.
분사될 연료가스의 양은 19.26Nm³/hr이며 가스의 분사속도는 연소용공기와의 빠른 혼합을 위해 100m/sec로 정하였다.
따라서 가스분사 노즐의 단면적은

가 된다.
가스전용 고속화염버너에서는 slit에 의한 유사 2차원 분사를 시도하며 안정된 1차 화염이 타일내에 형성되도록 하였으나 가스/오일 겸용버너에서는 다양한 분사 유체의 주입으로 인하여 앞에서와 같은 gun구조 형성이 불가능하였다.
따라서 적은 hole을 일정한 반경위치에 균일하게 뚫어 연료를 분사시킴으로서 slit에 의한 분사와 유사한 결과가 나오도록 유도하였다.
연료분사 hole은 일정 원주상에 20°간격으로 균일 배치하였으며 총 분사면적은 앞의 계산과 동일하도록 하였다.

오일버너 단독운전 및 가스버너 단독운전이 가능하다고 하여도 혼소 운전은 분무형태, 연소장 형상, 유동상 변형 등의 많은 요인으로 불안정하게 될 수 있다.
본 연구의 목표는 가스/오일 겸용버너의 개발이지만 개발품에 대한 활용도를 높이기 위해 혼소까지 목표를 확대하였다.
이를 위해 많은 반복실험을 수행하였으며 이 결과를 토대로 가스분사위치를 정하였다.

(3) 버너 cap 및 공기분사 노즐 설계

버너 cap의 역할 및 기본설계 방식에 대해서는 1차년도에 수행된 고속화염 가스버너의 설계에서 이미 다루었기에 본 절에서는 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
다만 겸용버너의 특성상 공기분사 방법의 있어서 다양한 기술 적용이 필요하기에 본 절에서는 이에 대해 설명한다.
고속화염 버너에서는 타일에 화염의 안정화와 타일을 과열로부터 보호하기 이하여 gun의 외곽에서 분사 벽면을 따라 공기를 분사시킨다.
이 경우 재순환 영역의 내부에는 연료 과잉의 불완전 연소장에서는 soot의 생성이 쉽고 벽면에 부착하여 성장하게 된다.
가스버너나 오일버너 단독의 고속화염버너에서는 노즐의 설치위치 조절만으로도 soot가 타일벽면이나 노즐에 붙지 않고 완전연소 시키는 것이 비교적 용이하다.
그러나 타일의 상류단면 전체를 노즐로 구성해야 하는 가스/오일 겸용버너에서는 soot의 성장을 막는 것은 매우 어려운 문제이다.
일단 탄소 덩어리가 부착하여 성장하게 되면 가스노즐은 물론 오일노즐의 hole이 막히게 되고 경우에 따라서는 연소용 공기분사 slit에 까지 축적되는 현상이 나타난다.
많은 soot가 쌓이지 않더라도 soot가 부착되면 복사열에 의한 부분과열의 현상도 발생될 수 있다. 따라서 oil 및 gas연료가 분사되는 노즐에서 soot의 침착을 막고 연소될 수 있도록 하여야 한다.
실제 겸용버너 실험에서는 오일 분사 방법, 분무용 공기 조절, 가스분사 방법, 연소용 공기분사방법 등의 인자에 대한 많은 설계변형 실험을 실시하였다. 성능 및 작동실험에서 주도니 관찰 사항은 화염의 안정화와 버너 soot의 침착 특성이었다.
<설계변화인자>
1)오일 분사 속도 및 방향
2)오일의 분사 위치
3)가스 분사 속도 및 위치
4)분무공기 분사속도 및 분사량
5)연소용 공기 분사속도 및 분사방향
위의 많은 설계 변화실험에서 화염의 안정화는 여러 조건에서 관찰되었다. 이는 고속화염버너의 설계에서 타일내 강한 재순환 유동장 형성을 우선적으로 고려하였기 때문이다.

수 차례의 타일내 강한 재순환 유동장 형성을 우선적으로 고려하였기 때문이다. 수 차례의 설계 수정 및 성능실험에서 soot의 생성영역 제어는 오일의 분사위치와 연소용공기분사 방법인 것으로 확인되었다.
오일의 분사노즐을 가스노즐에 비해 20~30mm정도 전진 설치함으로써 재순환 영역을 이동시키고 가스나 오일과 평행으로 공급되던 연소용 공기를 일부 노즐방향으로 수직 분사시킴으로써 노즐 부위에서의 soot침착을 방지하였다.
그림3-2는 400,000kcal/hr 용량 버너 cap형상도면이다. 연소용 공기는 재순환 영역의 중심영역으로 분사되는 공기와 버너타일 축과 동일한 방향으로 분사되는 공기로 나뉘어져 있다.
축과 수직으로 분사되는 공기는 직경 5mm인 hole12개에 의해 공급되며 동축 분류공기는 3mm slit에서 분사된다. 두 방향으로 공급되는 공기량의 비는 대략 1: 4정도 된다. 이러한 형상은 설계 및 제작을 통한 수 차례의 시행착오를 거쳐 정한 것이다.

(4) 버너타일 형상설계

고속화염버너 버너타일의 기능에 대해서는 이미 앞에서 상세히 설명하였다. 연료분사 노즐 주위류의 혼합촉진, 반응대 안정화, 고온 분위기 조성에 의한 연소촉진 그리고 타일 출구에서의 2차화염 형성을 위한 최적 유동장 형성 등 복합적 기능을 고속화염 버너에서의 타일 설계는 더 없이 중요하다.
버너타일 설계에서 고려되어야 할 사항은
-재순환 유동장 형성
-유동장의 급가속 방지
-2차 연소장의 착화원
등이 있다. 앞의 150,000kcal/hr용량 고속화염 가스버너 설계에서는 총 열량의 50%에 해당되는 75,000kcal/hr가 버너 타일내에서 발열하는 것으로 가정하였다.
이러한 설계 lac 기초실험 결과 실제로 1, 2차 화염대의 크기로 비교한 결과 35~40% 정도의 열이 버너타일내에서 방열되는 것으로 사료된다.
가스/오일 겸용버너에서는 오일의 기화특성으로 인하여 가스버너보다는 훨씬 낮은 방열이 버너타일내에서 이루어질 것으로 사료된다. 따라서 겸용버너의 버너 타일의 설계 열용량은 150,000kcal/hr로 정하였다.
버너 타일 열용량 = 150,000kcal/hr
또한 버너타일의 연소부하(qh)는 가스버너의 경유와 동일한
qh = 40Gcal/㎥/hr
로 한다. 따라서 400,000kcal/hr 고속화염 가스/오일 겸용버너의 버너타일 체적 Vb는
Vb = H/q = 3.75 x 10-3㎥
가 된다.
기존의 수입 고속화염버너가 가지는 문제점 중의 하나로서 연료유량 또는 발열량의 증가시의 화염 불안정성을 들 수 있다. 이러한 현상은 타일내 가속시 dead zone의 형성에 기인된다.
본 연구에서는 버너 타일의 입구의 130mm 직경에서 4:1 축소노즐에 의해 65mm출구직경을 갖도록 하였다.
현재 설계하고자 버너타일 내부의 출구에서 100mm 떨어지 축방향 위치의 x값을 0 이라하고 출구의 축위치를 100이라 가정하면 버너타일의 직경은 다음과 같이 표시될 수 있다.


이러한 직관형과 축소노즐 형대의 조합을 버너타일 내부의 dead zone을 줄이고 출구에서의 화염을 보다 안정화시키기 위한 것이다. 그림3-3은 400,000kcal/hr 열용량을 위한 버너타일 형상을 도시한 것이다.
그림3-4는 400,000kcal/hr 용량의 고속화염 가스/오일 겸용버너의 조립도이며, 그림 3-5는 제작된 버너 사진이다.
BR>
4. 버너타일 내의 유동 해석


일반적으로 고부하 연소기 내에서의 적절한 재순환 유동장의 생성은 화염의 안정화에 긍정적으로 기여하는 것으로 보고되고 있으며 선회도 한가지 방법론이 된다.
고속화염버너의 경우 연소공기의 주입위치 및 분사속도에 따라 재순환 유동장의 생성특성이 달라지며 이는 고속화염버너의 설계에 중요한 변수가 된다.
종래의 연구에서 연소용 공기 주입 위치 변화에 따른 고속화염버너 타일내의 유동장의 특성변화를 고찰하였으며 본 연구에서는 공기의 분사속도에 따른 유동장 계산을 수행하였다.
고속화염버너 타일내의 유동은 고속의 난류유동(turbulent flow)으로 이를 해석하기 위해서는 난류유동장에 대한 모형이 요구된다. 레이놀즈응력모형(Reynols stress model), 대수응력모형(Algebric stress model)등의 고차의 난류모형을 사용하는 것이 정확한 유동장을 얻을 수 있다고 알려져 있으나 이는 엄청난 전산용량 및 전산 시간을 요구하므로 현실적으로 무리가 따른다.
본 연구에서는 차후에 연소모형(reaction model) 및 기타 모형의 적용이 용이하고 일반적으로 실제 공학적 문제에 많이 사용되어지는 Boussinesq의 와점성(eddy viscosity)가정을 이용한 2방정식 난류모형(2-equation model)을 사용하였고 이에 따른 지배방정식을 정리하면 다음과 같다.






여기서 P는 난류운동에너지 생성율을 나타내고 표준 k-ε 모형의 경우 모형상수들은 다음과 같다.
수치해석은 상용 유체유동 해석 Code 인 PHOENICS Code를 이용하여 수행하였고 각 경우에 대한 격자는 전체 격자의 수를 줄이기 위하여 고속화염버너의 타일내 기하학적 형상의 주기성을 고려하여 원주각 45도 대하여 원통형 경계밀착격자(body fitted coordinate)를 생성하였으며 이때의 격자의 수(원주방향 x 반경방향 x 축방향 : NX x NY x NZ)는 15 x 37 x 32, 15 x 44 x 32, 15 x 5 1x 32이다.
PHOENICS Code는 전처리부분인 satlit와 Solver인 earth, 후처리 부분인 photon으로 구성되어 있으며 유동조건 및 격자의 생성을 Q1파일을 통하여 보조공기의 위치에 따른 세 가지의 경우에 대한 입력을 자동적으로 생성하도록 작성하였다.
본 연구에서는 많은 전산용량 및 전산시간을 요구하는 고속화염버너 타일 내에서의 반응현상은 연소공기 입구의 위치변화에 따른 유동장 정성적 특성의 변화에 미치는 영향이 적을 것으로 판단하여 고려하지 않았으며 유동장내이 밀도 및 점성계수를 일정한 값으로 가정한 정상상태의 비반응모형 유동장에 대하여 계산하였다.
또한 상류도식(upwind scheme)과 SIMPLE해법을 사용하여 엇갈림 격자계(staggered grid system)에 대해 각각의 지배방정식들을 차분화한 후 false time step방법을 이용하여 SUN 4/330으로 계산을 수행하였다.
경계조건으로는 연료, 공기 및 보조공기 입구에서 속도성분은 선회류가 없는 일정한 주유동방향의 속도분포와 난류운동에너지와 난류운동에너지소산율을 일정한 분포(Kin = 0.002Win², εin = Kin1.5/(0.3 x D), 여기서 D는 수력직경)를 갖는 plug유동으로 가정하였고 출구는 Neummann조건을 타일벽면에서는 미세 격자 (fine grid)의 생성을 요구하지 않는Wall Function을 사용하였다.
또한 대칭축에 대해서 대칭조건, 원주방향의 두 측면의 경계에 대해서는 Cyclic조건을 적용하였다. 계산에서 설계인자로 사용한 변화값은
1)연소용 공기의 분사위치
2)공기 분사속도
의 두 가지를 선택하였다. 연소용 공기의 분사위치는 분사속도를 본 연구의 설계기준인 100m/sec로 고정하고 위치를 타일의 중심축 부근에서부터 벽면으로 나가면서 3곳을 임의로 정하였다.
이 3조건에 대해 공기공급 총량이 동일하도록 하기위해 공기분사 노즐의 단면적이 일정하도록 하였다.
또한 공기분사 속도를 변화시킨 계산은 공기속도를 50m/sec, 100m/sec 그리고 150m/sec의 세가지에 대해 수행하였으며 이때도 공기총유량은 동일하도록 분사노즐 단면적을 정하였다.
이러한 유동장 계산을 통해서
-최적공기 분사속도 선정
-분사속도의 변화 효과분석
-화염안정 산화제 공급위치 결정에 대한 정보를 얻고자 하였다.
그림4-1은 고속화염 오일버너에서의 버너 타일내 유동을 해석한 결과로서 본 연구의 타일형상 결정에 필요하여 인용하였다.
이 결과를 보면 연소용 공기의 주입위치에 따라 연소실 내의 유동장 형상이 현격하게 달라지는 것을 알 수 있다.
이 계산에 사용된 연소용 공기와 연료의 분사속도는 실제와 거의 동일한 값을 사용하고 있다. 연소용 공기의 주입위치는 버너 gun의 주위에서 타일벽으로 이동하면서 3반경을 선정하였다.
연소용 공기의 주입위치가 버너 gun에 근접(그림4-1(a)참조), 타일의 중심축에서는 연료와 공기의 고속근접분사에 의해 재순환영역 형성이 관찰되지 않는다. 반면에 타일벽에서 공기에 의한 재순환영역 형성이 관찰되지 않는다.
반면에 타일벽에서 공기에 의한 재순환이 나타난다. 화염은 연료와 공기의 혼합경계층에 나타난다. 따라서 타일벽의 재순환영역에는 화염이 형성되지 못하여 연소속도보다 빠른 연료 및 공기의 유동속도를 따라 버너타일 밖으로 배출된다.
이러한 유동장의 형성 또는 공기 주입구의 위치 선정은 가장 바람직스럽지 못한 결과이며 고속화염버너의 안정화에 우려되는 결과이다. 이런 결과는 고속화염버너의 타일설계에서 중요한 실수를 막아준다.
연료와 산화제가 중심에서 분사되는 경우 하류에서 wall을 타고 역류하는 재순환 유동장의 형성이 기대된다. 실제 계산에서도 이러한 유동장의 형성 기미는 있으나 전체 유동장의 세기에 비해 매우 약한 유동이 보일 뿐 연료와 산화제의 강한 재순환은 기대되지 않는다.
또한 재순환유동은 타일 상류 1/4이하의 아주 작은 영역에서만 관찰될 뿐 나머지 공간에서는 30m/sec부근의 정방향 유동이 관찰된다. 가스연료의 연소속도가 1m/sec 전후임을 감안할 때 이러한 연료, 공기 분사 방법은 안정된 화염을 형성하기 어려움을 알 수 있다.
이상의 결과 및 앞으로의 결과는 반응 및 온도효과를 고려하지 않는 결과로서 실제와는 다소의 차이가 있음을 우선 밝히며 계산결과는 정상적인 변화모습의 확인에 목적이 있다.
연소용 공기가 버너타일의 중심과 벽면사이에서 주입되는 경우(그림4-1(b)참조), 연료와 산화제의 사이에 재순환 영역이 형성되어 앞에서 소개한 중심근방의 공기분사 보다 다소 안정된 화염대의 형성을 기대할 수 있다.
또한 타일벽면에서의 연소용 공기공급 결과(그림4-1(c))는 보다 안정된 즉, 고속의 연료 및 산화제 분사 조건에서도 혼합영역이 존재하고 화염대가 안정될 수 있는 형상을 보여준다. 연료는 중심부근에서 분사되자마자 공기에 의한 재순환 영역에 들어가게 되며 이 영역은 연소실의 중간 이후까지 성장한 모습을 볼 수 있다.
또한 연소실 벽 조립부는 연소용 공기의 빠른 유동이 상류에서부터 하루까지 지속적으로 유지된다. 이러한 결과는 고온버너 타일의 연소용 공기에 냉각효과를 기대할 수 있음을 의미한다.
위의 세 결과에서 연소용 공기의 주입 위치가 버너타일의 내의 화염안정화에 직접적인 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다.
그림4-2는 연소용 공기의 분사속도 유동장에 주는 영향을 조사하기 위해 위와 동일한 방법으로 계산한 결과이다. 분사구의 위치는 앞의 결과에서 유동장이 가장 안정된 것으로 보여준 타일벽 근접부근을 선택하였다.
다음에 소개된 세 결과는 열량 200,000kcal/hr에 해당하는 연료량과 공기공급량 계산을 위한 입력조건으로 선택하였으며 공기분사속도를 변화시킨 결과에서도 총유량을 일정하도록 하였다.
그림4-2(a)는 현재 적정 유속으로 고려하고 있는 100m/sec의 반인 50m/sec로 분사되는 경우이며, 그림 4-2(b)는 100m/sec로 공기가 분사될 때, 그리고 그림4-2(c)는 150m/sec인 경우의 타일내 유동장 형상이다.
이때의 추이를 관찰하면 공기의 분사위치가 타일벽에 근접하면 일단 재순환유동장이 형성되어 역류(back flow)가 존재하며 공기의 분사속도가 클수록 역류의 속도크기도 커지는 것을 알 수 있다.
공기분사속도가 50m/sec인 그림4-1(a)에서는 연소실 전영역의 약 1/3에 해당하는 타일 상류에서 재순환영역이 형성된다.
특히 이 결과에서는 연료류가 버너타일 출구까지 정방향의 속도를 유지한다. 이러한 결과는 연료와 산화제가 버너타일을 나올 때가 충분히 혼합되지 못할 수도 있음을 의미한다.


물론 실제에서와 같이 반응이 수반되는 경우 또는 고온의 조건에서는 혼합 및 유동특성이 simulation과 많이 다를 수도 있다.
고속화염버너의 연소는
1)타일 내부에 형성되는 1차 연소장
2)1차 연소장에 의해 착화 및 화염안정성이 유지되는 타일 밖 2차 연소장
의 2단계 연소장에서 완료된다. 따라서 타일 내의 연소장을 충분히 안정되어야할 것으로 생각된다.
공기분사속도가 100m/sec인 그림 4-2(b)를 보면 50m/sec로 분사될 때ㅂ다 재순환영역이 다소 커졌으며 연소실의 중앙까지 역류의 양상이 나타난다.


그러나 공기분사 속도가 150m/sec충분히 빠른 유동장 계산 결과인 그림 4-2(c)를 보면 중심의 연료 존재영역이 출구직후 사라지고 타일내 전 영역이 큰 형태의 재순환 영역을 형성하였다.
이 결과는 앞에서와 같은 미혼합 상태의 연료가 타일 밖으로 나갈 가능성이 고속공기 공급상태에서는 없으며 버너타일 밖으로는 연소가스와 미연혼합 가스가 혼합된 잘 발달된 가스가 분출됨을 말해준다.
따라서 공기분사속도는 최소 100m/sec이상이 되는 것이 고속화염의 안정화에 유용한 것으로 사료된다. 이러한 결과는 공기분사 속도의 증가가 유동장 또는 연소장의 안정화에 도움이 되는 것을 보여준다. 그러나 분사속도의 증가는 공기공급장비의 단가상승과 연관되기 때문에 이에 대한 정확한 판단이 요구된다.
이상의 결과는 버너타일 내부가 비반응 유동장으로 가정하여 계산된 결과이다.
유동장의 계산에 반응의 첨가되는 경우에는 위에서 보여준 결과와는 차이를 보여줄 수 있다. 또한 본 계산에서 도입한 모델이 갖는 실제와의 차이로 인하여 위에서 보여준 결과는 많은 문제점을갖고 있음에 틀림없다.
그럼에도 이러한 결과는 공기분사의 위치나 속도의 변화가 버너의 성능과 화염안정성에 미치는 영향의 경향을 확인하기에 충분한 것으로 판단되어 본 연구에 적용한다.
상 호: 메탈넷코리아 매체사업부문(Metal Network Korea Company)
주 소: 서울특별시 구로구 구로 3동 212-26번지 E-Space 310호 (우편번호)152-053
문의전화번호: 02-3281-5037(代表)         팩스번호: 02-3281-0280
중국상해문의처: TEL:(021)6402-6190(代表)         FAX:(021)6402-8912
Copyright ⓒ 1992-2007[창립15년] Metal Network Korea Company All rights reserved.