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.

Fig. 3. 3D-Grid structure of pilot scale furnace.

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.

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.

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.

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.

4.2 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.

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.

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.