▲ 한국에너지기술연구원 동상근 박사

약력
1959년
경남 창원시
1982년
고려대학교 기계공학 졸업
1985년
KAIST 기계공학 석사 졸업
1992년
KAIST 기계공학 박사 졸업
1985년~현재 
한국에너지기술연구원 책임연구원
2010년~현재
연합대학원(UST) 교수

셰일가스·PNG 등 가스이용, 장점 많아

축열버너 전용제어기는 국내 최초 개발

 

국가적 전기수요 상당부분을 점유하고 있는 산업용 전기로를 대체 할 수 있는 복사관 간접가열 방식의 고효율 축열버너 상용화 기술이 한국에너지기술연구원(연구책임자 : 동상근)에서 개발되었다.

축열버너의 원천기술 개발은 국내에서 많이 시도 되어왔으나 시범 적용사업 부재로 인해 국내 기술의 상용화 실적이 매우 미흡한 실정이었다.

이번에 개발된 고효율 간접 가열식 축열버너는 SK E&S 와 한국에너지기술연구원이 공동으로 전기로를 대체할 수 있게 시범적용 사업을 시작하기로 합의 함에 따라 실용화 단계가 빨라질 것으로 보인다. 최근 들어 전기 공급이 불안한 시점에서 보다 안정적이고 국제적으로 유리한 에너지원으로 대두되고 있는 가스는 신재생에너지 이전에 에너지 문제의 대안으로 여겨지고 있다.

특히 미국, 캐나다의 셰일가스, 러시아의 PNG가 국내에 도입되는 시기가 가까워져서 보다 저렴한 가스가격이 기대되고 가격인상이 우려되는 전기에 비해 가스는 미래에 갈수록 장점을 가질 것으로 보인다.

뿌리산업인 연소부분에서의 에너지효율 방안은 현실적으로 매우 중요하다. 고유가 시대에 접어드는 현 상황에서 에너지연소 분야에서의 에너지절약기술의 연료절감효과는 어떠한 다른 에너지기술 보다 뛰어나다 볼 수 있다.

산업체에서 많이 사용하고 있는 간접 가열방식의 침탄로, 소둔로에서는 공업로 내 분위기 온도가 900-950°C에 달한다. 이러한 곳에 개발된 가스 연소식 간접가열 고효율 축열버너를 적용하여 실증한 결과 시스템 효율이 최고 75%에 이르고 온도효율도 최고 80%에 이르러 에너지 절약률은 기존의 일반적 버너에 비해 30%이상을 나타내었다. 턴다운비도 1:43. NOx(11% O2기준)는 100ppm 이내로 배출되고 있어 종합적으로 매우 양호한 성능을 보이고 있다. 전열관 형태도 전기히터식 전열관과 유사하게 만들 수 있어 가스버너 방식이 지닌 단점을 보완하였다.

따라서 에너지 가격이 전기에 비해 유리한 장점을 현실적으로 산업체에 이용할 수 있는 계기가 만들어지는 것이다. 버너 본체는 1200℃ 까지 견딜 수 있음을 확인하였다. 또한 버너 전용제어기도 안정된 동작을 보였다. 이러한 고효율 연소기술은 2012년 미국특허(US8226405B2)에 등록되어 세계적인 신기술로 인정 받았다.

본 기술을 자세히 기술한다면 연소 배기가스는 일차적으로 핀 타입 컴팩트(fin-type compact) 열교환기에서 1/2 정도 에너지가 회수되고 나머지는 버너 유입구 부분에 설치된 컴팩트구조의 축열체(축열볼 및 축열 허니콤 모두 사용가능 구조)를 통해 나머지 1/2 정도 에너지를 회수하여 결국 배기가스 온도는 200°C 이하가 가능하여 보일러 수준으로 낮은 배가스 온도가 배출된다.

즉 1000°C 정도의 배기 가스로부터 연소로 내로 에너지를 회수하여 결국 200도 이하로 배기가스가 배출함으로써 매우 효율이 좋고 전기로를 대체할 수 있는 구조적 특징을 보유하게 된 것이다. <그림1, 2>는 개발된 연소기의 구조를 보여준다. 단일 복사관 형태로 간접 가열이 가능한 자기 축열식은 신기술에 해당하여 전기로에 대체할 수 있는 특징을 가진 것이다. 기존의 축열식 버너는 U 형태나 W 형태로 복사관에만 적용할 수 있어 전기히터에 비해 구조적으로 크고 복잡하여 적용하기가 어려웠다.

 

▲ <그림1>개발된 연소기 구조

 

 

▲ <그림2>개발된 연소기의 실증 장면


하지만 본 연소기는 단일관(single tube) 방식에도 가능한 구조이어서 매우 편리한 구조이다.

본 개발 기술은 2개의 축열체를 한 쌍으로 만들어 연소용 공기가 밸브를 지나 축열체 쳄버로 유입되어 상온에 공기가 축열체의 축열된 열과 열교환이 이루어져 고온의 공기로 후단의 밸브를 통하여 튜브 안으로 고온의 연소용 공기로 유입되어진다. 튜브안에서 연소가 이루어져 발생된 고온의 배기가스가 밸브를 통하여 축열체 쳄버로 유입되어 축열체와 열교환이 이루어져서 저온의 배기가스로 후단의 밸브를 통하여 대기 중으로 방출되어지는 특징을 가지고 있어 매우 우수한 효율을 보인다.

개발된 버너 전용 제어기의 구성은 디스플레이 파트, 컨트롤 파트, 터미널 파트로 나누어지며 제어기의 운전자 조작 화면으로 버너의 효율적인 운전이 디스플레이 파트의 터치조작으로 제어가 가능하게 설계되었다. 컨트롤 파트에서는 프로세스의 제어 알고리즘을 구현 가능하게 하며 특히 축열 연소 제어를 위해 절환밸브 제어기능을 담당하게 하며, 로(爐)내 압력도 수행하면 온도제어 등은 중앙 시스템과 연계 될 수 있도록 하였다.

또한 점화 제어기와 연동하여 자동점화 및 안전장치 기능도 포함하였다. 이러한 축열버너 전용제어기는 국내최초로 개발된 것이다. <그림3>

 

 

▲ <그림3>버너 전용 제어기

 


결론적으로 볼 때 리큐퍼레이터(Recuperator) 및 리제너레이터(Regenerator) 혼합형 복사관 가열방식의 축열버너를 개발하여 최고 1200℃까지 견디는 버너몸체 및 버너 전용기를 개발하였고 실증시험에 의하면 시스템 효율이 최고 75%를 넘고 에너지 절약률은 30%이상을 나타내어 전기로를 대체할 수 있는 연소기술의 상용화를 추진하면 산업체 에너지 수급문제가 개선될 것으로 기대된다.

 


<그림1>개발된 연소기 구조

 


<그림2>개발된 연소기의 실증 장면


<그림3>버너 전용 제어기

 

 

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