1. 서 론
스마트팜은 최신 전자제어 기술(사물 인터넷, 빅데이터, 인공지능 등)과 기계기술을 농업에 접목하여 농작물의 생산성이나 편의성을 향상시키는 지능화된 농업시스템이다[1]. 스마트팜 기술을 접목한 온실의 경우 식물을 시설 안에서 빛, 이산화탄소(CO2), 온도, 습도 등의 재배환경을 인위적으로 조절하여 야채와 과일 등의 작물을 계절에 관계 없이 연속 생산할 수 있는 특징이 있다. 이와 같은 스마트팜은 새로운 미래농업의 대안이라고 할 수 있다[2].
식물이 생장하는데 필요한 조건 중 CO2는 식물의 영양분으로 작용하므로 매우 중요한 인자이다. 이 CO2를 공급하는 방법에는 크게 두 분류로 나눌 수 있다. 첫 번째가 공업적으로 생산한 CO2를 액상 혹은 고상 형태로 공급하는 방식이다[3]. 이 방식은 초기 시설비와 공급 가격이 비싸다. 두 번째가 탄화수소(HC, hydrocarbon)계 연료를 연소시켜 CO2를 발생시켜 배출가스를 직접 공급하는 방식이다. 화염연소로 직접 배출가스를 공급하는 형태는 식물에 해를 끼칠 수 있는 유해성분인 일산화탄소(CO), 질소산화물질(NOx) 등을 배출하는 문제점이 있다[4]. 이러한 연소형 CO2 발생기의 단점을 극복하기 위하여 저자들은 촉매연소형 CO2 발생기를 개발하였다[5,6,7,8,9]. 이 촉매연소형 탄산가스 발생기의 특징은, 공기비 3 근처의 희박 영역(촉매온도 990°C 이하)에서 작동하므로 배출가스 중 NOx 발생이 거의 없으며, 정상 연소 후 HC, CO의 배출가스는 거의 제로 수준을 유지하였다[5,6,7]. 그러나 촉매연소기의 문제점 중 하나는 고온(1000°C 부근)에 장시간 노출되는 촉매의 내구성이다. 저자들은 이 문제해결을 위하여 기존 Pt(백금) 촉매에 다양한 조촉매를 첨가하여 극복하였다[8,9]. 또한 촉매연소기의 문제점은 연소의 불안정성이다. 촉매연소기의 불안정성의 주요 요인으로는 공기와 기체연료의 흐름이나 혼합기의 불균일성, 주변 환경의 습도, 촉매의 내구성, 긴 착화시간 등을 들 수 있다.
이 연구의 목적은 촉매연소기의 연소불안정성 중 하나 인 주변 환경 습도와 온도의 영향에 따라 변화하는 착화기간의 단축 방안을 제안하는 것이다.
2. 실험장치 및 방법
실험은 밀폐 방(약 430 m3) 내부에 촉매연소기를 두고 진행하였다. 방 내부의 온도는 15°C, 25°C로 유지하고, 습도는 45~90%(상대습도)를 유지하였다. 촉매연소기의 형태는 Fig. 1에 개략도를 나타낸다[6,7]. 실내 습도 조절은 대형 초음파가습기를 이용하여 가습 후 실내 습도기가 소정의 습도로 안정화한 후 실험을 진행하였다. 실험에 사용한 상세 실험 인자를 Table 1에 나타낸다. 연소기에 공기는 시로코팬형 공기팬을 사용하여 공급하며, 유량은 공급 유로의 면적 제어에 의해 제어된다. 공기는 연소기 출구 쪽의 외벽통으로 공급하여 예열된 후 연소기 입구쪽으로 공급하게 되어 있다. 주연료 LPG(liquified petroleum gas)는 가스 레귤레이터를 통하여 일정 압력으로 MFC(Mass flow controller)에 공급되어 유량 조절을 하여 노즐을 통하여 연소기 입구로 공급된다. 점화기는 Fig. 2와 같이 700 W 전기히터 3개로 구성되어 있으며, 착화에 필요한 이론적 열량 약 1.94 kW(공기유량(6.37 L/s) x 공기밀도(0.58 kg/m3) x 공기비열(1.05 kJ/kg.K) x 온도차(380K) = 1.47 kW, LPG 기화열 0.47 kW)보다 높은 용량이다. 이 점화기는 공기를 예열하여 촉매온도를 상승시킨다. 사용한 촉매의 담체는 직경 93 mm, 길이 50 mm의 코디에라이트(400 cpsi) 한 개이며, 여기 주촉매는 백금(Pt)을 약 3.6 g/L 코팅하였으며, 조촉매로는 La, Ni, Ce를 주촉매의 1/2 이하의 양으로 코팅하였다[9]. 온도측정을 위한 열전대는 직경 0.5, 1.6 mm K 타입을 사용하였다. 직경 1.6 mm 열전대는 촉매의 반경 방향 온도 변화를 관찰하고자 촉매 중심(center)과 반경 1/2 지점(r/2)에 설치하였으며, 0.5 mm 타입 열전대는 촉매 중심부에서 축방향으로 25, 50 mm 위치에 설치하였다.
Table 1.
Experimental parameters
| Parameter | Condition |
| Room temp.(°C) | 15, 25 |
| Humidity (%) | 45, 65, 80 |
| Ethanol supply (L/s) | 0, 0.8, 1.0 or more |
촉매 시험 시 측정하는 온도와 습도, 배출가스 농도 데이터는 NI 9213(NI Instrunment사)를 이용하여 데이터를 취득하였다. 배출가스(O2, NOx, HC, CO, CO2)는 배출가스 분석기(VARIO plus, MRU Instruments)를 이용하였다. 가스 성분의 측정범위와 정도는 Table 2에 나타낸다. 실험에서 온도, 배출가스 농도의 측정값은 3회 정도 측정하여 그 값이 유사함을 확인한 후 그 중 한 데이터를 사용하였다.
Table 2.
Specifications of gas analyzer
| Component | Method | Measuring range | Accuracy |
| HC | NDIR* | 0~5000 ppm | ±30 ppm |
| CO | 0~10% | ±0.03% | |
| CO2 | 0~30% | ±0.5% | |
| NO |
Elecro- chemical sensor | 0~1000 ppm | ±5 ppm |
| O2 | 0~21vol% | ±0.2vol% |
Fig. 2는 점화 시간의 단축을 위해 LPG 주입 전 에탄올(83%, Firson)을 주입하기 위한 에탄올 주입 노즐과 연소기 점화와 촉매 예열을 위해 사용하는 전기히터(EH, 3개)를 나타내고 있다. 연소기의 공기비는 약 3을 유지하기 위하여, 주 연료인 LPG는 약 0.136 L/s로 유지하고, 공급 공기 유량을 변화시키면서 제어하였다. 주연료의 기화열은 약 0.47 kW 정도이다. 한편 공급 공기(25°C 기준)를 예열온도까지 상승에 필요한 에너지는 약 1.47 kW 정도이다.
착화의 안정성을 높일 방법으로 촉매를 미리 착화온도까지 예열한 뒤 LPG를 투입하면, 공연비의 단열화염온도에 가까운 정상온도까지 올라가는데 약 30 분이 걸렸다[6,7]. 이 시간을 단축하기 위하여 촉매에서의 착화온도가 LPG보다 낮은 알콜연료를 선정하였다. 알콜 중 사용상 안전성이 높고, 끓는점과 자연발화온도간의 차이가 크며, 유해가스의 발생량이 적은 에탄올을 선정하였다. 에탄올은 촉매에서 15 mm 떨어진 촉매 중앙부에서 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 내경 1 mm의 SUS pipe를 연료 nozzle로 분사하였다. 착화를 위해 사용한 에탄올의 총량은 20~50 cc이며, 투입 시기는 촉매의 온도가 200~220°C일 때로 정하였다. 에탄올의 자착화 온도 약 363°C와 비등점 78°C의 평균값 근처를 에탄올의 촉매에서의 안정 착화온도로 추측하였다. 촉매의 온도가 약 200°C에 도달한 후 에탄올을 주입하면, 엔탄올이 촉매표면에서 착화하여 그 반응온도는 급격히 상승한다. 이 때 주연료인 LPG를 공급하여 촉매연소기를 가동하였다.
3. 실험결과 및 고찰
3.1 온도 및 습도의 영향
종래의 촉매연소기[6,7]에서 45% 습도 환경 하, 대기 온도를 15, 25°C로 변경한 경우 촉매층의 각부 온도분포를 Fig. 3에 나타낸다. Fig. 3(a) 는, 대기온도가 25°C인 경우로 촉매의 내부 온도는 촉매 입구에서 50 mm 위치에서 최고온도까지 올라가는 시간을 비교한다. Fig. 3(a)는 600 초, Fig. 3(b)는 1100 초를 나타내고 있다. Fig. 3(a)의 대기온도(25°C)가 높은 경우, 400 초에 촉매온도가 약 400°C에 도달하며, 그 후 공급한 주연료가 착화하여 빠른 시간에 연소하여 600 초에 높은 열용량을 가진 세라믹 담체에 열이 축적되어 고온을 유지하고 있다. 이 때 전기히터로 가열된 공기의 열량과 착화 초기에 미연소 성분이 촉매 표면에 흡착한 연료와 주연료의 반응열이 동시에 촉매층에 축적되어 안정화 온도보다 약간 높게 나타난다. 그리고 착화 후 시간이 경과하면서 초기에 축적된 열량이 서서히 손실되면서 촉매층의 온도는 약간씩 하락하여 안정화하는 경향을 나타낸다. 반면, Fig. 3(b)는 대기온도(15°C)가 낮은 경우로 400°C 착화온도까지 올라가는데 거의 900 초가 걸렸으며, 촉매층의 온도 균일도가 Fig. 3(a)보다 높다. 공급한주연료는 착화하여 급격히 연소하여 1100 초에 최고온도까지 상승하여 안정적인 온도를 유지하고 있다. 대기 온도 15°C의 경우(Fig. 3(b)), 온도분포는 25°C의 온도분포와 유사한 양상을 보이고 있지만, 촉매온도 400°C에 도달하는데 걸리는 시간은 주변 공기온도 25°C일 때보다 약 2 배 길어지는 것을 알 수 있다. 따라서 착화 후 최고온도 950°C 근처에서 연소가 안정될 때까지 걸리는 시간은 약 1100 초로, 25°C의 약 600 초보다 긴 것을 알 수 있다.
Fig. 4는 대기온도가 25°C이고, 습도가 65%, 80%의 경우를 촉매연소기의 촉매층 온도분포를 나타내고 있다. 낮은 습도의 온도분포는 Fig. 3을 참조하길 바란다. Fig. 4(a) 65%의 습도에서는 약 20분에 점화하여 연소온도가 970°C 근처에서 안정되고 있다. 이는 Fig. 3(a)의 습도 45%의 낮은 습도 조건의 착화에 걸리는 시간 10분보다 2배로 길어지는 것을 확인할 수 있다. 촉매층 중 r/2 위치에서의 온도를 관찰하면, 온도가 약간의 변동이 나타나고 있다. 이는 촉매 중심부에서는 연료가 안정적으로 연소하여 온도가 일정하지만, 반경반향 외부로 나갈수록 열손실로 인해 온도가 낮아져서 반응의 불안정성으로 인해 온도에 변동이 생기고 있다. Fig. 4(b)의80%의 고습도 조건에서는 점화에 실패한 경우의 온도분포를 나타내고 있다. 이 경우 온도 하강 후 히터를 다시 작동하여 재가열하여 점화를 시도해도 착화는 되지 않았다. 습도가 80% 이상의 환경은 촉매연소에 안정성에 심각한 문제를 일으킨다는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같이 습도가 높아질수록 촉매층 반경방향 외부의 낮은 온도는 반응의 불안정성을 크게 유도한다.
3.2 에탄올 주입에 따른 착화 특성
에탄올 주입량과 주입 속도의 최적값을 구하기 위하여 예비실험한 결과, 최적 주입속도는 약 20 초에 걸쳐 20 cc를 공급(0.8~1.2 cc/s)하는 것이었다. 주입속도가 1.2 cc/s보다 높을 경우, 공급한 에탄올과 수분의 일부는 반응하지 않고 촉매에 흡착된 상태로 있을 때 주연료를 공급하면, 촉매온도가 1000°C 이상으로 급격히 올라가는 경향을 나타내었다. 그러나 주입속도 가 0.8 cc/s 보다 적을 경우는 연소 반응이 제대로 유지되지 않았다. Fig. 5는 에탄올 공급량을 1.0 cc/s로 공급한 경우, 에탄올과 주연료가 동시에 반응한 결과이다. 이 때 촉매온도가 400 초에 1100°C까지 상승하여 연료 공급을 중단하였다. 촉매온도를 1000°C 이상 장시간 유지하면 촉매는 급격하게 열적 신터링이 발생하여 촉매수명이 단축된다. 이와 같이 에탄올 주입속도를 과하게 공급하면 촉매온도가 열적 열화가 일어나는 온도 근처까지 상승하여 좋지 않다.
Fig. 6은 에탄올 주입속도에 따른 촉매층의 온도분포를 나타내고 있다. 연소기 가동 시간 1800초 까지는 연료 주입속도가 약 1.2 cc/s로 에탄올 공급량이 많은 경우이다. 이때는 착화가 되어도 촉매의 온도가 지속적으로 상승하지 못하고 바로 온도가 떨어져 버린다. 에탄올과 수분의 지속적인 기화에 필요한 에너지의 공급이 부족하기 때문이다. 1800초 이후에는 에탄올의 주입속도가 0.8 cc/s 정도일 경우로 LPG가스와 함께 착화되어 온도가 지속적으로 상승하여 촉매층의 온도가 1050°C를 돌파하여 정지한 경우이다. 이는 이전 실험에서 착화하지 않은 촉매층의 에탄올이 함께 급격히 반응하면서 일어난 현상 때문이다.따라서 시동 기간 단축을 위한 에탄올의 안정적인 주입속도는 약 0.8~1.0 cc/s 범위임을 알 수 있다. 주연료가 착화한 후 에탄올 공급은 중지하고 주연료의 촉매연소가 유지되도록 해야 한다. 단, 에탄올 주입 총량은 동일하지만 너무 빠르게 주입할 경우 기화가 제대로 일어나지 않아 촉매의 연소 반응이 불안정해지 경향이 있다. 그리고 너무 느리게 주입할 경우 착화가 되지 않거나, 촉매층에 축적된 에탄올이 촉매온도의 상승과 함께 한 번에 폭발적으로 연소함과 동시에 주연료가 주입되면 온도가 1000°C 이상까지 급격히 올라가므로 주의해야 한다.
Fig. 7은 Fig. 3(b)와 같은 실험 조건(15°C 저온 환경)에서 에탄올 주입속도를 0.8 cc/s, 총량 20 cc를 공급한 결과이다. 에탄올을 구입하면 착화에 걸리는 시간은 약 400초임을 알 수 있다. 기존의 방식에서 착화에 걸리는 시간이 거의 1100초였다. 따라서 시동시 에탄올의 공급으로 착화시간이 종래의 연소기에 비교하여 약 55% 단축되는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 8은 에탄올 주입속도를 0.8 cc/s(총량 20 cc), 대기온도 25°C, 습도 80%일 경우의 촉매층 온도분포이다. 에탄올을 공급하지 않은 경우, 고습도 환경에서는 충분한 촉매 가열에도 불구하고 착화가 일어나지 않았는데, 에탄올을 주입한 결과 80%의 고습도 조건일지라도 600초에 정상적인 착화가 일어나 안정적인 연소가 가능함을 보여주고 있다. 이와 같이 시동 초기 에탄올을 이용하여 촉매층에 착화가 일어난 후 LPG를 공급하면, 주위의 환경이 촉매연소에 악조건일지라도 안정적으로 연소가 가능하다는 것을 알 수 있다.
3.3 배출가스 배출 특성
착화 시간 단축을 위하여 시동시 20 cc의 에탄올 주입한 경우 배출가스 배출특성을, 연소기 가동 직후 1250초 동안의 분석하였다. 이전의 연구에서 기존 촉매연소기는 가동 후 10분간 배기가스가 집중되어 배출되었는데, CO의 경우 5분간 평균 1000 ppm 이상, NOx의 경우 평균 4 ppm이 지속적으로 배출되었다[6,7].
Fig. 9에 시동 초기에 에탄올을 공급한 경우 배출가스 배출특성을 나타내고 있다. NOx의 경우, 초기에 14 ppm 정도 배출되다가, 500초 이후 약 4 ppm 정도 배출되고 있다. 초기에 약간 높은 NOx가 배출되는 것은 에탄올의 연소로 촉매표면에 불균일층이 형성되어 평균 온도보다 높은 고온이 형성되었기 때문일 것으로 추측할 수 있다. CO의 경우, 시동 초기에 평균 1100 ppm이 배출되었지만, 250초 이후에는 거의 검출되지 않았다. 초기의 고농도는 에탄올의 기화로 인하여 촉매온도가 상승하기 전에 불완전연소가 일어나서 발생한 것이다. 250초 이후에는 주연료가 착화되어 촉매층의 온도가 올라가므로 촉매연소에서는 불완전연소가 발생하지 않아 CO가 배출되지 않는다. NOx와 CO는 종래의 에탄올을 사용하지 않을 때보다 더 짧은 시간에 낮은 농도로 떨어졌다. HC의 경우 350초에 최고 6500 ppm까지 배출되고, 그 후 서서히 감소하고 있다. HC가 상승하는 시기에 CO도 같이 많이 배출되는데, 이는 착화하기 전 이 시기에 촉매층의 반경방향의 온도 불균일성으로 인해 저온영역에서 증발한 에탄올의 불완전반응 때문에 HC의 농도는 증가하고, 착화한 영역에서 불완전연소도 일어나 CO도 증가한 현상이다. 실제로 에탄올은 초기 약 20초 동안 공급한 것을 감안하면서 착화 후 촉매층의 온도를 보면, Fig. 3(a)의 경우(주위 공기온도 25°C, 습도 45%) 반경방향 r/2 위치에서의 온도가 정상상태에서 660°C까지 올라갔다. 한편, 동일 위치에서 온도가 Fig. 7에서 보면 약 500°C로 낮은 것(주위 온도가 15°C로 조건이 약간 다름)으로 부터 판단하건데 촉매층의 온도가 균일하게 올라가지 못하여 부분적으로 저온 영역에서 LPG 연료의 불완전연소가 일어나기 때문으로 추측할 수 있다. HC은 1600 초 이후에 거의 사라지고 있다. 시동초기의 고농도의 HC 배출은 저온 흡착이 가능한 워시코트 물질을 코팅하는 등의 대책이 필요하다.
4. 결 론
촉매연소기의 연소불안정 특성 중, 주변 환경 습도의 영향 정도를 파악하고 해결을 위한 대책과 긴 착화시간의 단축 방안의 연구한 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) 촉매연소기의 운전조건은, 희박 연소조건(λ=3)에서 실험을 진행하였으며, 고습도(상대 습도 80%) 환경에서 점화가 이루어지지 않으며, 특히, 저온 환경(15°C 이하)에서는 더욱 긴 예열 시간이 필요하다는 것을 확인할 수 있었다.
2) 시동 초기 에탄올을 공급한 결과, 80%의 고습도, 15°C의 저온 환경에서도 촉매연소기의 안정적인 점화가 가능했으며, 착화까지 걸리는 시간도 종래의 촉매연소기에 비교하여 약 55% 단축할 수 있었다.
3) 촉매연소기의 착화시간 단축을 위하여 공급하는 에탄올의 최적 주입속도는 약 0.8 cc/s이며, 공급조건은 촉매온도가 200~220°C인 시기임을 알았다.
4) 촉매연소기에 에탄올을 공급한 경우 배출가스는, 착화 전 촉매층의 반경방향의 온도 불균일성에 의해 저온영역에서 증발한 에탄올로 인해 HC이 증가하였으나, NOx나 CO는 700 초에 종래의 연소기 수준 이하로 저감되었다.
