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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.
  • Open Access, Monthly
Open Access Monthly
  • ISSN : 1229-6422 (Print)
  • ISSN : 2465-7611 (Online)

  1. Department of Mechanical Engineering, Incheon National University, Incheon, 22012, Korea

    (인천대학교 기계공학과)




Water curtain, Moderate and Intense Low-oxygen Dilution, combustion, Oxy-fuel combustion, Recirculation ratio, Dilution effect, Entrainment effect
MILD, 희석연소, 산소연소, 재순환율, 희석효과, 유입효과

기호설명

Φ:당량비
Kv:재순환율
Ψ:산소제트분석선
θ:산소노즐각도 [°]
D:노즐직경 [mm]
Q:유량 [Nm³/hr]
V:유속 [m/s]

하첨자

fuel:연료
oxygen:산소

1. 서론

최근 공해물질을 배출하지 않는 청정에너지에 대한 많은 연구와 도입이 시도되고 있지만 현재까지도 화석연료는 대부분의 산업현장에서 주 에너지원으로 사용되고 있다. 국내의 경우 철강 산업분야에서 국가 전체 에너지소비의 약 20%를 차지하고 있으며,(1) 대부분의 생산과정에서 가열로의 연소를 통해 소재의 가열 또는 용융을 하고 있어 이산화탄소의 배출량이 상대적으로 매우 높은 실정이다.(2) 근래에 들어 가열로에 적용되는 연소시스템의 효율을 향상시키기 위하여 연소 후 배출되는 고온의 배기가스와 저온의 공급되는 산화제의 열교환을 통하여 에너지 효율을 높이는 축열식 연소시스템이 적용되어지고 있다.(3) 하지만 축열식 연소시스템의 경우 축열설비의 가격, 내구성 및 설비의 대형화로 인한 문제점이 존재하고 유지보수에 어려움이 있어 높은 에너지 절감효과에도 불구하고 현장에서의 폭넓은 사용이 제한되고 있다. 또한 축열식 연소시스템은 에너지효율은 높일 수 있으나 실질적으로 배출되는 대기오염물질을 저감시키는 데 많은 어려움이 있다. 또한 현재 대부분의 철강 산업에서는 소재의 가열을 위한 연소반응 시 공기를 사용한 일반연소기의 경우 공기 중 약 80%를 차지하는 질소를 동시에 가열해야 한다는 점에서 공급열량대비 많은 열손실이 발생된다. 이에 따라 산화제로 산소를 이용함으로 질소로 인해 발생되는 열손실을 제거하여 Fig. 1과 같이 기존의 공기연소기에 대비하여 약 30% 이상의 높은 열효율을 갖는 순 산소연소기를 적용하려는 많은 시도를 하고 있다. 현재 대부분의 제철회사의 경우 산소발생장치를 보유하고 있어 낮은 공급단가로 산소를 공급할 수 있어 산소를 사용하는 경제적인 부분이 크게 문제가 되지 않고 있는 실정이다. 하지만 사용되는 에너지의 절감효과로 발생되는 이산화탄소의 20%, 전체 배기가스의 약 80%를 감소시키는 장점에도 불구하고 산소연소의 높은 화염온도로 인하여 대기 중에 노출되어 있는 가열로의 특성상Air leak에 의한 Thermal NOx의 발생량이 증가되는 문제점을 가지고 있다.(4) 이러한 철강분야 가열로에 적용되는 연소시스템의 한계점들을 극복하기 위하여 연소로 내부 전체를 Thermal NOx 생성 온도보다 낮게 유지하는 MILD(Moderate and Intense Low-oxygen Dilution)연소기술에 대한 관심이 많이 집중되고 있다. Flameless combustion 또는 CDC(Colorless Distributed Combustion)라고도 불리는 MILD 연소는 연소로 내부에서 기연가스의 강한 재순환을 통하여 산화제 및 연료가 희석되고 기존의 화염면형태가 확장되어 화염의 경계면이 사라지는 볼륨연소를 형성함으로서 Thermal NOx가 급격히 생성되는 1,400℃ 이하의 온도분포를 갖으며 Thermal NOx의 배출을 근본적으로 저감시키는 연소기술이다.(5) 1997년도 산화제로 공기를 사용한 MILD 연소기술에 대하여 연구한 Wṻnning(6)은 FLOX(Flameless Oxidation)이라 명명하였고 재순환하는 배기가스의 질량유량을 공급되는 연료와 산화제의 질량유량으로 나눈 값으로 재순환율(Kv)를 정의 하였고 재순환율과 연소로 내부 온도로 나타내어지는 FLOX 형성영역을 제시한바있다. 또한 Szegö et al.(7)은 평행분사류를 이용한 MILD 연소의 특성에 대하여 실험적으로 연구하여 공기의 예열 없이도 균일한 온도분포와 질소산화물배출의 저감을 도울 수 있음을 밝혔다. 위의 연구들과 같이 공기를 사용한 MILD 연소에 대한 연구는 다양하게 진행된바 있지만 산소를 적용한 MILD 연소에 대한 연구는 미비한 실정이다.

Fig. 1. Comparison thermal efficiency of oxygen and air combustion.
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본 연구에서는 실제 가열로에 적용되는 연소기를 모사하기 위하여 20만 Kcal/hr 급 산소 MILD 연소기를 설계/제작하여 연소특성을 파악하고자 한다. 특히 순수산소를 사용함에 따른 산소제트의 농도의 희석을 극대화할 강한 배기가스 재순환유동을 형성하기 위하여 산소공급 속도와 공급되는 산소 노즐의 각도를 변경하여 생성되는 충돌제트의 효과를 살펴보았다. 그리고 충돌제트에 의한 재순환유동의 변화와 산소 유속변경에 의한 연소특성변화를 상용전산해석프로그램인 Ansys fluent R16.0을 통하여 3차원 수치해석 하였으며 도출된 조건들을 실제 pilot급 연소실에서의 연소실험을 통해 산소 MILD 연소의 특성을 분석하였다.

2. 수치해석 모델 및 조건

2.1 연소로 모델링

수치해석을 진행하기 위하여 Fig. 2와 같은 직경 1.5 m, 길이 3.112 m의 원통형구조의 Pilot scale test furnace를 모델링 하였다. 배기가스 배출을 위하여 직경 0.4 m, 길이 1 m의 배기덕트를 모델링하였으며 내부 재순환을 극대화하기 위하여 충돌제트의 영향을 알라보기 위하여 산소제트의 분사 각도를 0°, 10°, 15°로 변경하여 각각 모델링 하였다. 또한 수치해석의 시간적 비용을 단축하기 위하여 대칭경계조건을 적용하였고 전체형상의 1/2만을 모델링하여 수치해석을 진행하였다. Fig. 3는 수치해석에 적용된 연소로의 격자구조를 나타내었다. 유동해석에 해석에 적합한 사각격자를 사용하였으며 격자의 개수는 약 50만 개로 구성하였다.

Fig. 2. Computation domain and boundary conditions.
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Fig. 3. 3D-Grid structure of pilot scale furnace.
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2.2 수치해석 모델

산소 MILD 연소시스템의 수치해석은 3차원 정상상태로 가정하여 진행하였고 질량, 운동량, 에너지, 화학종보존 방정식 및 열전달 방정식을 적용하여 수치해석을 진행하였다. 난류모델로는 Realizable k-ε 모델을 사용하였고 복사열전달모델은 P1 모델을 적용하였다. 난류와 화학반응과의 상호작용을 고려하기 위하여 MILD 연소에 적합하다고 알려진 EDC 모델(Eddy Dissipation Concept)을 사용하였다. 강한 내부 재순환에 의해 연료와 산화제가 기연가스에 의해 희석되어 반응시간이 상대적으로 길어지며 화염의 경계면이 넓어지는 MILD 연소를 해석하는데 EDC 모델이 적합하다는 연구가 이루어진 바 있다.(8) 연료와 산소의 화학반응을 해석하기 위하여 19개의 화학종과 84개의 화학반응단계로 구성된 GRI-1.2 reduced mechanism을 사용하여 Detailed chemistry를 충분히 모사하였다.(9)

2.3 수치해석 조건

본 수치해석은 일반적인 산업용 가열로의 평균부하강도인 0.04 를 기준한 20만 Kcal/hr급 산소 MILD 연소시스템을 계산하였으며 각각의 계산조건을 table 1에 정리하였다. 벽면의 경계조건은 실험을 통해 측정되어진 900 K 조건으로 고정하였다. 연료는 LNG의 주성분인 메탄으로 설정하였으며 이때의 연료유량은 23.25 Nm³/hr 이다. 당량비는 일반적으로 가열로에 적용되는 0.85로 고정하였으며 산소유량은 54.65 Nm³/hr의 상온(300 K)으로 공급되어진다. 연료의 노즐 직경 은 20.3 mm로 고정되어 유속 20 m/s로 공급되어지며 산소노즐의 직경 는 9.85, 6.95, 4.9 mm로 각각 100, 200, 400 m/s의 유속으로 공급되어 유속변화에 의한 MILD 연소 현상을 비교하였다. 또한 산소노즐의 각도를 0, 10, 15°로 변경하여 충돌제트를 이용한 내부재순환의 변화가 산소 MILD 연소에 미치는 영향을 비교분석하였다.

Table 1. Operation conditions for each case

Case No. 1 2
Heating capacity(Kcal/hr) 200,000 200,000
Equicalence ratio(Φ) 0.85 0.85

Nozzle Angle θ(°)

0 10
10
15
Dfuel(mm) 20.3 20.3
Doxygen 9.85 9.85
6.95
4.9
Qfuel(Nm³/hr) 23.25 23.25
Qoxygen(Nm³/hr) 54.65 54.65
Vfuel(m/s) 20 20
Voxygen(m/s) 200 100
200
400

3. 실험장치 및 실험방법

3.1 산소 MILD 버너 설계

MILD 연소를 형성하려면 기연가스의 강한 내부 재순환이 필요하다. 특히 산소 MILD 연소의 경우 질소가 제외되어 있기 때문에 공기에 비해 재순환을 위한 분사제트의 운동량이 부족하다는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 보다 빠른 유속의 산소제트가 필요하고 다양한 유속의 영향을 알아보기 위하여 Fig. 4의 오른쪽 사진과 같이 산소 MILD 버너를 설계 및 제작하였다. 제작된 버너는 공급되는 산소노즐의 각도를 0, 10, 15°로 변경할 수 있게 설계되어 충돌제트를 이용한 유동의 변화가 산소 MILD 연소에 미치는 영향 또한 분석할 수 있다. 버너의 내부에는 수관이 설계되어 있어 수냉식 열 교환을 통하여 연소로에서부터 전달되는 열이 버너 및 노즐에 축적되지 않게 하고 일정한 공급 조건과 안전한 실험환경을 유지하였다.

Fig. 4. Photo of pilot scale furnace and burner.
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3.2 수치해석 모델

Fig. 4의 왼쪽 사진은 산소 MILD 버너가 적용될 20만 Kcal/hr급 연소로이며 내부에는 0.5 m 두께의 내화물과 Steel 케이스로 구성되어있다. Fig. 5는 실험장치의 개략도를 나타내었는데 연소로의 오른쪽으로는 8개의 R-type 열전대를 등간격으로 설치하여 연소로 내부의 온도를 측정하였고 연소로의 왼편 및 전후방에는 가시화창이 설치되어 있어 발생되는 화염의 이미지측정이 가능하도록 하였다. 화염의 이미지 측정은 Nikon D90 디지털 카메라를 사용하여 측정하였고 배출되는 배기가스는 Testo 330 K 가스분석기를 이용하여 실시간 측정하였다. 연료는 도시가스라인으로부터 공급되는 Natural gas를 사용하였으며 산소는 내용적 4,772리터의 액화산소탱크로 공급하였다. 연료 및 산소는 Coriolis 유량계를 통하여 공급하였으며 연료와 산소의 유량제어 및 출력되는 온도데이터는 Siemens사의 PLC로 정밀 제어하였다.

Fig. 5. Experimental apparatus with oxy-MILD combustor.
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3.3 실험방법

실험조건은 table 1의 수치해석조건을 기준으로 소염이 발생하지 않는 범위에서 실험을 수행하였다. 연소실의 초기점화는 공기를 사용한 Pilot 버너를 통하여 점화하였으며 연소로의 가열 후 화염이 안정화되면 종료하여 공급되는 공기를 차단하였다. 화염이 안정화될 때까지 연소로를 가열하는데 걸리는 시간은 약 40분 정도이며 일정온도에 도달하였을 때 실험조건을 변경하며 실험을 수행하였다.

4. 결과 및 고찰

4.1.1 노즐각도변화에 의한 유동특성

산소 MILD 연소의 경우 산화제로 산소를 사용하기 때문에 동일한 버너 사용 시 공기보다 운동량이 작기 때문에 보다 강한 내부 재순환유동을 구조적으로 형성할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 노즐각도가 없는 일반적인 평행노즐버너조건이 아닌 산소노즐의 각도를 변경하여 중앙에 충돌제트를 형성함으로 재순환유동을 증가시키고자 하였다. 각각의 노즐각도변화에 따른 유동특성을 Fig. 6에 비교하여 나타내었고 적색라인으로 표시된 영역은 재순환되어 돌아오는 유동이 분포하는 영역을 나타내었다. 산소노즐의 각도가 0°에서 15°로 증가하는 경우 산소와 연료가 공급되어지는 부분에서 재순환된 기연가스가 유입되는 영역이 증가하는 경향을 보였다. 또한 유동의 흐름을 나타내는 유선의 경우 산소노즐의 각도가 커질수록 재순환되는 코어가 버너 쪽에 가깝게 형성되는 것을 볼 수 있다. 이를 정량적으로 분석하기 위하여 재순환율(Kv)을 다음의 식(1)로 계산하여 Fig. 6에 나타내었다.

Fig. 6. Stream line of flow fields on central section.
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(1)
K V ( Z ) = M E ( Z ) ˙ M F ˙ + M A ˙

여기서 M F ˙ 는 노즐 출구에서 분사되는 연료의 질량유량이며 M A ˙ 는 분사되는 산화제의 질량유량을 나타낸다. M E ˙ (Z)는 재순환되어지는 배기가스의 질량유량을 나타내며 이는 Z축의 각 횡단면에서 계산되어 진다. 재순환율을 비교하여 나타낸 Fig. 7을 살펴보면 노즐각도 0°인 경우에 가장 높은 25 이상의 재순환율을 갖으나 연소로의 끝부분에 해당하며 주 반응구간의 재순환율은 상대적으로 낮게 나타났다. 반대로 노즐각도가 15°인 경우 주 반응구간의 재순환율이 가장 높게 나타났고 이는 공급되는 산소 및 연료를 희석시켜 MILD 연소를 형성하는데 유리한 조건을 형성한다. 따라서 산소노즐에 각도를 주어 충돌제트를 형성하는 것이 산소 MILD연소를 형성하는데 중요한 역할을 할 것으로 판단된다.

Fig. 7. Recirculation ratio for different nozzle angle.
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4.1.2 산소공급유속변화에 의한 연소특성

공기에 비하여 질소가 제외된 순 산소연소는 동일 당량비의 경우 공급되는 산화제의 운동량이 작다. 따라서 운동량을 증가시키기 위해 산소노즐의 직경을 변경하여 유속변화에 의한 산소 MILD 연소형성에 대하여 분석하였다. 산소의 공급유속이 200 m/s과 400 m/s일 때의 온도와 OH radical 분포를 Fig. 8에 비교하여 나타내었다. OH radical은 연소반응 시 생성되는 중간생성물로써 화염의 구조 및 연소반응영역의 전반적인 열 발생률을 나타낼 수 있는 지표로 사용되고 있다. 오른쪽의 OH radical 분포를 살펴보면 400 m/s의 산소유속이 빨라진 경우에 OH radical의 생성량이 상대적으로 적으며 산소유속 200 m/s의 경우보다 작은 영역에 분포하고 있는 것을 볼 수 있다. 왼쪽의 온도분포와 비교해보면 OH radical이 분포하는 구역에 온도가 높은 고온영역이 존재하는 것을 알 수 있다. 산소유속이 200 m/s인 경우 고온영역의 온도가 1,800~2,000 K를 형성하며 연소로의 중앙부분에 길게 분포하고 있고, 산소유속이 400 m/s로 증가한 경우에는 고온영역의 온도가 1,600 K이며 주변의 온도 또한 1,400 K정도로 균일하게 분포하고 있는 것을 볼 수 있다.

Fig. 8. Temperature and OH radical contour of different oxygen velocity.
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유속에 의해 증가되는 배기가스 재순환의 효과를 비교하기 위하여 Fig. 9에 나타낸 개념도와 같이 공급되는 산소의 제트라인을 따라 변화되는 산소농도와 이산화탄소농도, 온도변화 등을 비교분석하였다.

Fig. 9. Schematic of jet analysis line at nozzle angle 10°.
../../Resources/sarek/KJACR.2016.28.7.275/fig9.png

산소농도변화를 비교한 Fig. 10(a)를 보면 산소공급유속이 증가함에 따라 산소제트의 산소농도가 낮아지는 것을 볼 수 있다. 이것은 재순환율이 증가되며 이미 반응하여 생성된 기연가스가 재순환되어 공급되는 미연가스에 혼합되기 때문이며 Fig. 10(b)의 산소제트 속 이산화탄소의 농도 증가를 보면 이를 정확히 알 수 있다. Fig. 10(a)Fig. 10(b)의 0.05 m지점을 살펴보면 산소유속이 100 m/s인 경우 산소농도가 약 0.7이고 유속이 400 m/s로 증가하면 산소농도가 약 0.4까지 낮아지는 것을 볼 수 있다. 이때의 이산화탄소농도는 산소유속이 100 m/s일 때 0.1에서 400 m/s인 경우 0.18까지 증가하여 순 산소연소의 생성물인 이산화탄소가 재순환됨으로 연료와 반응전의 산소제트를 희석시키는 것을 파악하였다. 산소유속변화에 따른 산소제트의 온도변화를 나타낸 Fig. 10(c)를 보면 산소 유속증가에 의한 기연가스의 재순환증가로 0.05 m 이전 지점의 온도가 더욱 상승되는 것을 볼 수 있다. 하지만 산소제트의 0.2 m 지점 이후엔 산소유속증가에 따라 온도의 상승이 역전되는 현상을 보이는데, 이것은 앞서 설명한 것과 같이 유속이 증가함에 따라 이산화탄소 및 수증기와 같은 기연가스의 재순환이 증가하여 산소농도를 낮추며 연소로 발생되는 온도를 낮게 만들기 때문이다. 일반적인 순 산소연소의 단열화염온도는 3,000 K 정도로 알려져 있으나 산소농도가 낮아짐에 따라 발생되는 온도가 2,000 K 이하로 낮아지는 결과를 볼 수 있었다. 따라서 산소의 공급유속을 증가시켜 내부재순환을 증가시키는 것이 산소 MILD 연소를 형성하는데 중요한 인자인 것을 확인하였고, 특히 산소유속을 400 m/s로 빠르게 분사시킨 경우에 발생되는 최고온도가 낮아지며 연소로의 온도분포가 균일해지는 MILD 연소의 특징을 나타내었다.

Fig. 10. Recirculation and dilution effect on oxygen jet analysis line
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4.2 실험결과분석

노즐각도 및 산소유속변화에 따른 산소 MILD 연소의 형성을 알아보기 위하여 수치해석의 결과를 토대로 Case 1과 Case 2에 대하여 20만 Kcal/hr급 Pilot scale 연소로에서 실험적 연구를 수행하였다. Fig. 11은 각 조건에서의 화염사진을 버너의 측면 가시화창과 정면에 설치된 가시화창에서 촬영한 결과이다. 노즐각도 10°일 때의 산소유속 200 m/s과 400 m/s의 화염사진을 비교하여 보면 산소공급유속 200 m/s의 경우 노즐개수가 두 개인 충돌제트의 영향으로 세로로 퍼지며 넓은 화염이 뚜렷하게 형성되는 것이 보인다. 하지만 산소를 400 m/s로 빠르게 공급하면 Fig. 11의 두 번째 라인에서 보는 것과 같이 화염면의 구분이 불분명해지며 눈에 보이지 않는 MILD 연소를 형성하는 것을 볼 수 있다. 노즐각도 15°인 경우에도 10°인 경우와 같이 400 m/s 조건에서 MILD 연소화염을 보이며 400 m/s조건의 화염사진을 Fig. 11의 세 번째 라인에 나타내었다. 노즐각도 10°와 15° 조건의 화염사진을 비교해보면 15°인 경우 측면가시화창에 옅은 화염이 길게 형성되고 있는 것을 볼 수 있지만 이것 또한 화염의 경계면이 희미하며 200 m/s의 화염과 확연히 달라짐으로 MILD 연소로 판단하였다.

Fig. 11. Direct photos of flame structure at different conditions.
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Fig. 12에는 각 조건에서 측정된 측면 온도를 수치해석결과와 비교하여 나타내었다. 측정된 온도의 위치는 벽면에서 30 cm 떨어진 내부의 온도이다. Fig. 12를 살펴보면 노즐각도 10°, 산소유속 400 m/s인 조건에서 1,400 K 이하의 가장 낮은 온도를 보이며 200 m/s인 조건에서 1,500 K 이상의 가장 높은 온도를 보인다. 실험에서 측정된 온도분포는 모든 조건에서 연소로의 전 구역이 크게 차이가 나지 않고 비교적 균일하게 나타났다. 노즐각도 15°인 경우에 10°일 때 보다 높은 온도분포를 갖는 것을 알 수 있었고 그 이유는 Fig. 11에서 볼 수 있듯이 노즐각도 15°에서 MILD에 가깝지만 가시적인 화염이 존재하며 온도가 높게 나타난 것으로 생각된다. 실선으로 표시된 수치해석결과의 온도분포가 0 m부분과 3 m부분에서 낮게 나타나는 것을 볼 수 있는데 이는 공급되는 연료 및 산소의 공급온도가 낮고 재순환되는 고온의 기연가스와의 혼합으로 인하여 입구영역에서 온도가 낮은 상태에서 상승하는 것을 보인다. 또한 벽면의 온도가 900 K로 고정된 경계조건임으로 벽면에서의 열전달에 의하여 끝부분에서 온도가 감소하는 경향을 나타낸 것으로 판단된다. 노즐각도 10°, 산소유속 200 m/s인 조건에서 수치해석결과가 실험결과보다 과잉 예측하는 경향을 보이나 다른 두 조건은 실험결과와 유사하게 예측하는 것을 확인함으로 앞서 수행한 수치해석모델의 검증 또한 확인할 수 있었다.

Fig. 12. Comparison of temperature between simulation and experimental results.
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4.3 배기가스 배출특성

배기가스 분석결과를 나타낸 Table 2를 보면 먼저 질소가 공급되지 않는 순 산소연소임에도 질소산화물(NOx)가 배출되는 것을 볼 수 있는데 이것은 실제 가열로시스템에서도 존재하는 Air leak의 영향으로 Pilot scale 실험에서 마찬가지로 leak에 의해 공기 중 질소성분이 유입되었기 때문이다. 이러한 질소유입은 산소연소의 높은 화염온도에 의해 매우 높은 NOx의 배출을 수반하게 되며 이러한 높은 NOx 배출을 방지하기 위하여 낮은 화염온도를 유지하는 Mild 연소가 매우 필요하게 된다. 질소산화물의 배출특성을 살펴보면 산소 MILD 연소가 형성되는 산소유속 400 m/s 조건의 경우 일반화염을 형성하는 200 m/s 조건보다 50 ppm정도 낮게 나타났다. 따라서 산소공급유속을 증가시켜 재순환율을 극대화하여 MILD 연소를 형성하였을 경우 연소기내부의 연소반응온도를 낮춤으로 발생되는 Thermal NOx 저감효과를 가지는 산소 MILD 연소의 특성을 확인할 수 있다. 본 실험을 통해 적절한 연소조건하에서 2015년도 이후 설치된 가열로에 적용되는 질소산화물 배출허용기준인 80 ppm(@11%O2)보다 낮은 θ = 10°, 200 m/s에서 72 ppm, θ = 10°, 400 m/s 조건에서 24 ppm, θ = 15°, 400 m/s에서 23 ppm의 결과를 나타내었다. 일산화탄소 배출특성을 비교해보면 노즐각도가 커지거나 산소공급유속이 증가한 경우 39 ppm에서 62 ppm으로 일산화탄소의 배출량이 증가하는 것을 볼 수 있다. 산소 MILD 연소가 형성됨에도 일산화탄소가 증가하는 이유는 빠른 산소공급으로 인한 연소로 내부의 체류시간이 짧아져 이산화탄소로의 반응시간이 부족하기 때문이라 판단된다.

Table 2. Experimental emission characteristics of oxy-MILD combustor (@11%O2)

Cases CO(ppm) NOx(ppm)
Cθ = 10°, Voxy = 200 m/s 39 72
θ = 10°, Voxy = 400 m/s 62 24
θ = 15°, Voxy = 400 m/s 44 23

5. 결 론

본 연구에서는 20만 Kcal/hr 급 산소 MILD 연소형성인자를 알아보고자 Pilot scale 연소로에서의 연소 실험과 3차원 수치해석을 통하여 유동 및 연소특성을 파악하였으며 그 결과를 다음과 같이 요약하였다.

(1) 산소노즐의 각도를 변경하여 충돌제트를 형성함으로 재순환유동을 증가시키고자 하였고 노즐각도가 10°, 15°인 경우 주 반응구간의 재순환율이 높아지며 MILD 연소를 형성하는데 유리한 조건을 형성하는 것을 확인하였다.

(2) 산소공급유속변화에 의한 MILD 연소형성에 대하여 비교분석한 결과 산소공급유속이 증가하면 산소제트로 유입되는 재순환된 기연가스의 양이 증가함으로 이산화탄소의 농도가 높아지고 산소농도가 40%까지 낮아짐을 확인하였고 연소로 내부의 온도가 약 1,400 K정도의 균일한 온도분포를 갖는 MILD 연소를 형성하였다.

(3) Pilot scale 연소로에서의 실험적 연구를 통하여 화염구조 및 온도분포를 비교하였으며 산소공급유속 200 m/s 조건에서는 세로로 넓게 퍼지는 화염이 뚜렷하게 형성되고 400 m/s 조건으로 증가되면 화염의 경계면이 불분명하며 눈에 보이지 않는 MILD 연소화염을 형성하는 것을 확인하였다. 이때의 온도분포는 1,400 K 이하의 온도를 보이며 수치해석의 온도결과와 비교해본 결과 수치해석모델이 비교적 잘 예측하고 있음을 알 수 있었다.

(4) 배기가스 배출특성을 분석한 결과 MILD 연소화염을 형성하였을 때에 CO의 배출량은 빠른 유속의 영향으로 20 ppm정도 증가하는 경향을 보였으나 NOx 배출량의 경우 일반화염의 경우보다 50 ppm정도 낮은 23 ppm을 배출하여 2015년도 이후 설치시설의 NOx 배출허용기준을 만족하였다.

후 기

본 연구는 2015년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구과제입니다(No. 2014-2010-102710).

References

1 
Lee C. S., Jeon J. Y., 2012, Activities on IEA/ ECERC Delegation of Korea, Journal of Korean Society of Combustion, Vol. 17, No. 4, pp. 1-4Google Search
2 
Li J., Yang W., Blasiak W., Ponzio A., 2012, Volumetric combustion of biomass for CO2 and NOx reduction in coal-fired boilers, Fuel, Vol. 102, pp. 624-633DOI
3 
Yang B. O., Lim I. G., 1999, Experimental Study on High Temperature Air Regenerative Combustion System, 19th KOSCO Symposium, pp. 189-200DOI
4 
von Schéele J., 2009, Use of direct flame impingement oxyfuel, Ironmaking and Steel-making, Vol. 36, No. 7, pp. 487-490DOI
5 
von Schéele J., Gartz M., Paul R., Lantz M. T., Riegert J. P., Söderlund S., 2008, Flameless oxyfuel combustion for increased production and reduced CO₂ and NOx emission, Stahl und Eisen, Vol. 128, No. 7, pp. 35-40Google Search
6 
Wünning J. A., Wünning J. G., 1997, Flameless oxidation to reduce thermal NO-Formation, Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 23, No. 1, pp. 81-94DOI
7 
Szegö G. G., Dally B. B., Nathan G. J., 2009, Operational characteristics of a parallel jet MILD combustion burner system, Combustion and Flame, Vol. 156, No. 2, pp. 429-438DOI
8 
Parente A., Malik M. R., Contino F., Cuoci A., Dally B. B., 2016, Extension of the Eddy Dissipation Concept for turbulence/chemistry interactions to MILD combustion, Fuel, Vol. 163, pp. 98-111DOI
9 
Frenklach M., Wang H., Goldenberg M., Smith G. P., Golden D. M., Bowman C. T., Hanson R. K., Gardiner W. C., Lissianski V., 1995, GRI-Mech-An Optimized Detailed Chemical Reaction Mechanism for Methane Combustion, Gas Research Institute Topical Report, No. GRI-95/0058, Transfer, Vol. 106, pp. 774-781Google Search