KR100362846B1

KR100362846B1 - 가열로 축열식 연소 시스템용 축열체_

Info

Publication number: KR100362846B1
Application number: KR10-1998-0054920A
Authority: KR
Inventors: 한동빈; 김영우; 배원수; 박병학
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 1998-12-14
Filing date: 1998-12-14
Publication date: 2003-02-19
Also published as: KR20000039556A

Abstract

가열로에 사용되는 버너 시스템에 있어서 축열성을 증대시키기 위한 축열식 연소 시스템용 축열성 세라믹 튜브에 관한 것으로, 터널형 구조로 압력 손실 문제를 배제하고 일정 크기의 튜브 두께를 유지하여 축열용량을 높이고, 표면적을 극대화시키면서 축열을 많이 하기 위하여 표면적과 체적의 비를 5.0 이상[표면적/체적]으로 하며, 세라믹 튜브의 D_out/in[외경/내경]은 15/13mm에서 3/2mm 사이로 하고, 알루미나 등의 고온용 소재를 사용하는 것을 특징으로 하는 가열로 축열식 연소 시스템용 축열성 세라믹 튜브에 관한 것이다.

Description

가열로 축열식 연소 시스템용 축열체

본 발명은 가열로용 축열식 연소 시스템의 축열체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가열로에 사용되는 버너 시스템에 있어서 축열성을 증대시키기 위한 축열식 연소 시스템용 축열성 세라믹 튜브에 관한 것이다.

일반적으로 가열로에 사용하는 버너 시스템이 최근에는 소형화, 경량화, 유해가스 저감, 폐열 회수율 증대의 목적으로 축열식 연소 시스템이라는 신연소 설비를 채택하고 있다. 이를 위해, 레큐퍼레이터(recuperator) 등의 열교환 장치를 이용하여 폐열을 회수하여 다시 연소 공기를 예열하였으나, 열교환 장치는 폐열 회수율이 낮고 대형 가열로를 1개 버너로 열처리함에 따라 국부적으로 온도 편차가 심하며, 또한 버너 자체의 중량이 많이 나간다. 그리고, 열효율이 낮음으로 유해 가스의 불완전 연소가 발생하고 연소 공기의 예열에 많은 에너지가 필요한 것도 기존 버너 시스템의 문제점이다.

한편, 축열체가 사용되는 온도가 1000℃를 넘는 고온에서 조업이 이루어지고 유해 가스 및 장시간 고온에서 노출되는 관계로 금속, 유기질, 무기질 등의 소재 중에 세라믹스만이 이런 요구 조건을 만족시킬 수 있다. 이러한 세라믹을 이용한 축열체가 일부 선진국에서 연소 시스템에 개발되었고 일부 상용화도 되고 있으나, 축열체에 대한 연구는 체계화되어 있지 않아 아직 일반적인 세라믹으로 볼(ball), 허니컴(honeycomb) 등의 상용품을 그대로 이용하고 있다.

도 1은 종래의 축열체를 이용하여 2개의 노즐을 사용한 축열 연소 시스템의 현장 설비도로서, 1개의 버너를 사용함으로써 발생하는 국부적인 온도 편차가 발생하는 것을 방지하기 위한 축열 연소 시스템의 일 예이다. 즉, 2개의 버너를 교대로 작동하여 한쪽 버너에서 연소된 배기 가스에 의해 축열된 축열체를 통하여 다른 쪽 버너의 연소시에 예열된 가스를 사용함으로써 1개의 버너를 사용할 때 보다 우수한 효과를 기대할 수 있다.

그리고, 도 2는 도 1에 도시된 축열 버너(A)의 상세도로서, 축열 버너는 버너 노즐(21), 점화기(igniter)(22), 축열/방열성 세라믹스로 된 축열체(23) 및 내열강 튜브(radiant tube)(24)로 구성되어 있다.

도 2의 축열 버너는 종래의 볼(ball)형 축열체(23)를 이용하였으나, 볼(ball)형 축열체는 직경이 약 30mm 이상으로 세라믹 중에서도 무겁고 크기가 커서 축열 연소 시스템의 교환 작동 주기인 약 30초 전후에 볼(ball)의 가열이나 축열이 이루어지지 않으며 축열 이전에 대기 온도의 유입 연소 공기에 의하여 재차 냉각되어 시스템의 효율이 높지 않은 것이 문제점으로 지적되었으며 버너에서 나오는 가열된 공기가 축열체를 통과하는 데 공기의 흐름이 원활하지 않아 압력 손실이 생기는 문제도 있다.

반면, 벌집 구조의 허니컴은 공기 흐름이 원활하여 압력 손실 문제는 없으나, 축열체의 자체 체적이 크지 않아 축열량이 적고 기존 설비에 따라 공급되는 크기가 맞지 않고 형상이 제한되어 외형의 제작 한계로 인하여 사용이 극히 제한되고 제작 단가가 높은 단점이 있어 다양한 축열 연소 시스템의 상용화에 제한이 된다. 또한, 기계적 강도와 파괴 인성이 낮아 장기간 고온에서 사용할 수 없어 경제적이지 못하다.

이와 같은 종래의 축열체는 시스템의 효율이 높지 않고, 축열체를 통과하는 데 압력 손실이 발생하며, 축열체 자체의 체적이 크지 않아 축열량이 적은 것 등의 단점이 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 그 목적은 버너 시스템의 효율을 높이고, 축열체 통과시 공기 흐름을 원활히 하여 압력 손실을 적게 하며, 접촉면을 크게 하여 열교환이 원활하게 이루어지게 하는 축열체를 제공한다.

도 1은 종래의 축열체를 이용하여 2개의 노즐을 사용한 축열 연소 시스템의 현장 설비도.

도 2는 종래의 볼형 축열체를 이용한 축열 버너의 상세도.

도 3a는 본 발명에 따른 세라믹 축열체를 조립한 사시도이고, 도 3b는 본 발명에 따른 세라믹 축열체 튜브의 사시도.

도 4는 축열 성능 평가를 위한 실험 장치를 나타낸 사시도.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 세라믹 소재를 이용하여 튜브형 구조로 된 축열체를 사용하였다. 이때, 표면적과 체적의 비를 5.0 이상으로 하고, 세라믹 튜브의 D_out/in[외경/내경]은 15/13mm에서 3/2mm 사이로 하며, 세라믹 튜브의 소재로는 고온용 소재로 알루미나 이외에 실리콘 카바이드, 실리콘 나이트라이드, 지르코니아, 사이알론 등이 가능하고, 튜브의 단면 형상은 원형이외에 삼각형에서 10각형까지 가능하다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 3a는 본 발명의 실시 형태로 축열체를 조립한 것으로, 세라믹 튜브 다발(31), 점화기 튜브(igniter tube)(32) 및 버너 노즐 커버(33)로 구성되어 있으며, 도 3b는 세라믹 튜브 다발(31)의 상세도로서 본 발명에 따라 튜브형 구조로 제조된 세라믹 축열체의 형태를 나타낸 것이다.

상기 세라믹 튜브는 터널형 구조로서, 압력 손실 문제를 배제하고 일정 크기의 튜브 두께를 유지하여 축열용량을 높이고, 축열체 표면적을 최대로 하면서 체적도 보완하여 축열성을 증대시킨 것이다.

한편, 상기 세라믹 튜브형 축열체 구조는 내부에 흐르는 공기와의 접촉을 최대로 하기 위하여 표면적을 극대화시키면서, 축열을 많이 하기 위하여 체적 또한 극대화 시켜야 한다. 이 두 가지 조건을 모두 만족시키기 위해서는 표면적과 체적의 비가 5.0 이상[표면적/체적]이어야 한다. 일반적으로 튜브형일 경우 10 이상의 비를 나타내며 직경이 작을수록 이 비율은 증대되며, 이 비율이 클수록 공기 흐름이 원활하여 압력 손실이 적고 접촉면이 커져 열교환이 원활하게 이루어진다.

또한, 상기 세라믹 튜브의 D_out/in[외경/내경]은 15/13mm에서 3/2mm 사이어야 한다. 왜냐하면, D_out/in[외경/내경]이 15/13mm 이상이면 축열체에 내경이 너무 커서 더운 공기나 차가운 공기가 튜브를 그대로 통과하여 축열체에 의한 축열성이나 방열성이 없으며, D_out/in[외경/내경]이 3/2mm 이하인 경우는 제작이 어렵기 때문이다.

그리고, 본 발명에 사용되는 소재는 1000℃ 이상의 사용 온도인 조업 조건을 만족시킬 수 있는 순도 85% 이상인 알루미나(Al₂O₃)를 사용한다. 이는 85% 이상의 순도로 제작된 알루미나 소재로도 축열체로서 충분한 물성을 지니기 때문이다.

한편, 알루미나는 고온용 세라믹스 중에서 특성이 비교적 낮은 소재이다. 따라서, 알루미나 이외의 다른 고온용 세라믹스 소재를 튜브로 제작 후 축열체로의 사용이 가능하다.

하기 표 1은 고온용 소재로 사용되고 있는 세라믹스의 특성을 정리하였고 실험을 거치지 않더라도 표 1에 제시된 특성만으로도 알루미나계 튜브형 축열체에 준하여 효율을 충분히 예측할 수 있다.

	Al₂O₃	SiC	Si₃N₄	ZrO₂	Sialon
강도[MPs]	300	500	600	>700	500
열전도도[cal/s,cm℃]	0.3~0.5	0.1	0.05	0.008	0.05
열팽창계수[×10^-6/℃]	8.0	4.4	2.5~3.5	8~10	4.0
파괴인성[MPa m^1/2]	2.5	3~5	4~6	7~14	5
밀도[g/cm³]	3.8	3.2	3.2	6.0	3.0

즉, 상기 표 1에서 보는 바와 같이 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘 나이트라이드(Si₃N₄), 지르코니아(ZrO₂), 사이알론(Sialon)등 고온용 구조 세라믹스의 특성값을 알루미나의 특성값과 비교하여 살펴보면, 상기 알루미나를 제외한 고온용 구조 세라믹스는 알루미나 보다 강도 및 인성에서 약 2배 정도의 기계적 특성을 가지고 있으며, 열팽창 계수를 볼 때 알루미나 보다 적은 값으로 고온에서 열적/구조적 안정성을 지니고 있다. 비록, 열전도도가 낮은 면은 있으나 고온에서 사용함으로 일단 조업 분위기에서 안정적인 열적 균형 상태를 유지하고 비표면적이 큰 축열체 형상을 고려할 때 열의 이동에 크게 영향을 받지 않음으로 알루미나를 포함하여 상기 고온용 구조 세라믹스는 축열체 튜브에 사용이 가능하다.

상기 소재의 선택시 경제성 및 내구성 등을 고려해야 한다. 따라서, 상기 알루미나를 제외한 고온용 구조 세라믹스가 알루미나에 비하여 고가이나 고온 특성이 우수하여 알루미나 보다 장기간 사용이 가능한 특성을 고려하여야 한다.

한편, 상기 튜브의 단면 형상은 원형이외에도 특별한 제작 기술 없이 삼각형에서 10각형까지 가능하다. 이때, 직경이 작은 경우에는 삼각형, 사각형 정도가 가능하고, 직경이 큰 경우에는 10각형까지 모양이 가능하나 직경이 15mm 정도의 튜브에 10각형 이상은 원형에 가까워 각형의 의미가 없다.

이하, 본 발명에 의해 제조된 세라믹 튜브형 축열체의 효율을 종래 발명과 비교하기 위해 모사실험로를 이용하여 효율을 실험하였다.

도 4는 축열 성능을 평가하기 위한 실험 장치를 나타낸 것으로, 볼(ball)형과 본 발명에 따른 튜브형 축열체 세라믹스를 B에 설치하여 실험을 실시하였다. 모사실험로에 본 발명에 따른 여러 가지 D_out/in[외경/내경]를 변화시켜 종래의 볼(ball)형과 비교하여 효율 실험 결과를 표 2에 정리하였다.

	기존예볼[ball]형	발명예[튜브,Tube]
축열체 크기	φ35mm	D_out/in[외경/내경]= 10/7mm	D_out/in[외경/내경]= 5/3mm	D_out/in[외경/내경]= 3/2mm
시스템효율	86.3%	92.5%	91.4%	89.9%
배가스효율	72.8%	79.4%	78.9%	80.9%
연소효율	93.1%	95.0%	94.9%	94.4%

상기 표 2에 제시된 효율 계산은 측정 온도와 유입 공기의 투입량 및 열량을 이용하여 계산된 효율이고, 동일 실험 장치에 동일 연소 조건으로 실험 후 계산된 값을 정리한 것이다. 표 2에 나타난 바와 같이 기존 사용중인 볼(ball)형 축열체에 비하여 세라믹 튜브 축열체의 효율이 우수한 것으로 측정되었다. 이는 열전달 기능이 축열체 자체의 열전도 및 축열체와 축열체 사이를 통과하는 대류에 의한 것으로 튜브가 기존 볼(ball)형에 비하여 이런 열전달 기구(heat transfer mechanism)를 더 만족시키는 구조를 갖는 것을 나타내는 것이다.

참고로 상기 효율을 계산하는 공식을 아래 기술하였으며 이는 열기술에서 효율 계산에 널리 이용되는 방식이다. 연소 효율[η, 열효율], 시스템 효율 [η_s] 및 배가스 효율 [PB]은 H_e: 연료의 저위 발열량 [Kcal/Nm³], P: 예열 공기 현열{Kcal/Nm³, P=A_o*m*C_pa*[T_a-T_o]}, G: 배가스로 빠져나가는 열량{Kcal/Nm³, G=(G_o+A_o* [m-1])*C_pg*[T_g-T_o]}, Q_f: 출구 가스 현열{Kcal/Nm³, Q_f=(G_o+A_o*[m-1])*C_pa*[T_f-T_o]}으로 표현되어 각각 다음과 같다.

, ,

여기서, A_o: 이론공기량[Nm³/Nm³], m: 공기비, C_pa: 공기의 평균 정압 비열[Kcal/Nm³℃], C_pg: 배가스의 평균 정압 비열[Kcal/Nm³℃], T_a: 버너의 예열 공기 온도, T_o: 기준온도, 상온, T_g: 배가스 출구 온도, T_f: 출구 온도이며 단위는 [℃]이다

이와 같이 본 발명은 축열식 연소 시스템의 버너 장치 내에 세라믹 튜브형 축열체를 사용하여 압력 손실을 방지하고, 축열 용량을 증대 시키며, 축열체에 의한 축열성/방열성을 향상시켜, 효율이 우수한 연소 시스템을 얻을 수 있다.

Claims

가열로용 축열식 연소 시스템의 축열체에 있어서,

상기 축열체는 고온 구조용 세라믹스를 사용하여 튜브형으로 제작되고, 상기 세라믹 튜브의 표면적과 체적의 비는 5.0 이상으로 하고, 상기 세라믹 튜브의 D_out/in[외경/내경]은 15/13mm에서 3/2mm 사이로 하는 것을 특징으로 하는 가열로 축열식 연소 시스템용 축열체.
제 1 항에 있어서, 상기 고온 구조용 세라믹스는 순도 85% 이상의 알루미나 이외에 실리콘 카바이드, 실리콘 나이트라이드, 지르코니아, 사이알론 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 가열로 축열식 연소 시스템용 축열체.