재연소를 이용한 NOx 저감의 실험적 연구 및 ... - KOASAS

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재연소를 이용한 NOx 저감의 실험적 연구 및 FLUENT를 이용한 수치적 연구

김재관^†

․

김학영^*

․

백승욱^**

Experimental Study for NOx Reduction Using Reburning and Numerical Study with FLUENT

Jae Kwan Kim, Hak Young Kim and Seung Wook Baek

Key Words: Reburning(재연소), NOx(질소산화물), CO(일산화탄소), FLUENT(플루언트)

Abstract

Reburning is an efficient combustion technology to reduce nitrogen oxide by injecting hydro-carbon fuel to the downstream of the main combustion. In this paper LPG has been used not only as main fuel but also as reburn fuel and air was used as an oxidizer with 15kW swirl burner. Experimental studies have been done to evaluate effect of reburning for NOx reduction. Also to examine the effect of the amount of burnout air for complete combustion by reburn fuel on NOx reduction, test was conducted by reducing the amount of burnout air. Computational fluid dynamic (CFD) simulation was performed using the commercial CFD code FLUENT 6.3 to simulate experimental results and investigate the thermo-chemical characteristics. An evaluation of reaction models for swirl burner has been carried out for propane-air with two step finite-rate eddy-dissipation model in FLUENT.

†

한국과학기술원 대학원 항공우주공학전공 E-mail : [email protected]

TEL : (042)350-5754 FAX : (042)350-3710

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한국과학기술원 대학원 항공우주공학전공

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한국과학기술원 항공우주공학전공 기호설명 φ : 당량비(Equivalence Ratio) d : 선회기 내부 직경

d^h : 선회기 허부의 직경 S : 선회수(Swirl Number) θ : 선회기 Vane의 각도 ρ : 밀도

V : 속도 벡터(m/s) P : 정압

μ : 점성(kg/m/s)

V' : 변동 속도 벡터(m/s) g : 중력 가속도(^) Cp : 비열(kJ/kg/K) T : 온도(K)

k : 난류 운동에너지^^ ε : 운동에너지 소산율^^ h^j : 엔탈피(kJ/kg)

Jⁱ : 확산 유동량^  Yⁱ : 질량 비율

Ri : 생성율^

1.

서 론

현재 인류가 사용하는 대부분의 에너지원은 탄 화수소계인 화석연료이다. 화석연료의 사용으로 인류는 문명의 발전을 이룩할 수 있었지만 이로 인하여 발생된 오염물질의 배출 때문에 환경오염

(2)

특히 대기오염이라는 심각한 문제에 직면하게 되 었다. 주된 오염원으로는 질소산화물(NO^X), 이산 화탄소(CO²), 일산화탄소(CO) 그리고 미세먼지

(PM) 등이 있다. 질소산화물은 인체에 호흡기 질

환을 유발하고 광화학스모그, 산성비 등의 원인 이 되므로 배출에 대한 규제가 전 세계적으로 강 화되고 있는 추세이다. 이를 해결하기 위해 오랫 동안 많은 연구자들에 의해서 NOX 배출을 감소 시키는 다양한 방법들이 연구되고 있다. NO^X 배 출을 감소시키는 방법은 화염의 온도를 낮추어 초기 NO^X 생성을 억제하는 연소개선 방법이 있 고 초기 연소에서 발생된 NO^X를 제거하는 후처 리 방법이 있다. 최근 선진국에서는 연소후류 지 역에서 NO^X를 제거하는 후처리 방법의 하나인 재연소 기법이 시도되고 있으며 NO^X 저감율이나 경제성, 효율성이 높은 것으로 알려져 많은 연구 가 진행되고 있다.

재연소(Reburning) 기법은 3개의 반응 영역으로 구분된다. 연료 노즐 선단으로부터 일차연소 영 역(Primary Combustion Zone), 재연소 영역(Reburn Zone), 연소완료 영역(Burnout Zone)을 이룬다.

일차연소 영역에는 약간 과잉공기를 공급한다. 연료 과농의 재연소 영역에서는 총 연료의 10~30% 정도를 주입하게 된다. 일차연소 영역에 서 발생한 NO는 재연소 연료와 반응하여 HCN을 생성하게 되고 이는 다시 N2로 환원되어 NO를 저감하게 된다. 연소완료 영역에는 일정비율의 공기를 추가적으로 공급하여 재연소 영역에서 발 생한 미연탄화수소나 일산화탄소를 산화시켜 완 전 연소되도록 한다. 이와 같은 3단계의 반응을 거쳐 연소과정에서 생성된 NO^X를 저감하게 된다.

연소완료 공기의 공급은 재연소 영역에서 NO^X 저감 반응이 일어나기 위한 온도범위를 감소시키 기 때문에 연소완료 공기의 공급위치와 공급양에 대한 고찰이 필요하다.

이번 연구에서는 연소완료 공기의 공급양에 따 른 NO^X 저감효율 및 CO 발생을 고찰하고 최대 NO^X 저감 효율을 얻기 위한 실험적 조건을 파악 함과 동시에 상용 유체해석 프로그램인 플루언트

(FLUENT)를 이용하여 NO^X 발생과 열화학 특성 을 분석하고자 하였다.

2.

실 험

2.1 실험장치

실험에 사용된 장치를 Fig. 1에 표시하였다. 15kW급 연소로에서 연소기는 연소로 하단에 고 정되어 화염이 연소로 상부 방향으로 형성된다. 연료인 LPG와 산화제인 공기는 질량유랑계를 통 하여 연소로에 정량이 공급된다.

2.1.1 연소로

연소로는 높이 1.2m, 외경이 0.5m의 원통형상 이다. 연소로 내부의 온도를 측정할 수 있는 측 정구가 연소로 하단 10cm 지점부터 매 10cm 간 격으로 연소로 1.1m 지점까지 설치되어 있다. 또 한 재연소 연료와 연소완료 공기를 공급할 수 있 도록 연소로 옆면 30cm 지점부터 90cm 지점까지

10cm 간격의 원주방향으로 6개의 공급구가 설치

되어 있다. 연소로 외부로의 열전달을 최소화하 기 위한 단열재 세라크울(Cerakwool)이 연소로 내 부에 입혀져 있다. Fig. 2에 연소로의 모양을 나 타내었다.

2.1.2 연소기

연소기는 Fig. 3에 나타내었다. 연소기는 선회 각이 45°인 Radial Flow Guide Vane Swirler가 장 착되어 화염의 안정화에 기여한다. 선회각에 대 한 선회수(Swirl Number, S)의 계산은 다음과 같 으며 본 연구에서는 선회수가 0.76인 선회기를 사용하였다.

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d는 선회기의 내부 직경, d^h는 선회기 허브의 직경, θ는 선회기 Vane의 각도이다. 선회기 모양 을 Fig. 4에 나타내었다.

2.2 측정장비 2.2.1 가스분석기

가스분석기는 Eurotron 사의 Greenline MK2를 사용하였으며 NO, NO2, CO, SO²의 공해물질 및 산소 농도를 측정할 수 있다. 측정의 정밀도는

±5%이다. 2.2.2 열전대

연소로 내부의 온도를 측정하기 위한 열전대는 R-Type을 사용하였다. 온도측정은 각기 다른 크 기의 정점(Bead)을 가진 몇 가지의 R-Type열전대

1968

(3)

를 사용하여 측정하고자 하는 한 지점의 온도를 측정한 후 정점의 크기가 0일 때의 온도를 외삽 하여 그 지점의 온도로 정의하였다.

2.3 실험조건

본 연구에서는 2가지 실험 조건을 고려하였다. 첫 번째는 재연소 연료량에 따른 NO^X 저감율을 측정하는 실험이며 두 번째는 연소완료 공기양에 따른 NO^X 저감율이다. 두 가지 실험조건 모두 재 연소 연료는 연소로 하부 팁으로부터 40cm 떨어 진 지점에서, 연소완료 공기는 70cm 떨어진 지점

에서 각각 분사되도록 하였다.

Case1은 전체 연료양에 대한 재연소 연료의 질

량 비율로 정의되는 재연소 연료비(Reburn Fuel Fraction)를 변화시키면서 NO^X 저감율을 측정하기 위한 실험조건이다.

Case2는 재연소 연료비가 20%일 때, 연소완료 공기의 양을 줄임으로써 NO^X 저감율에 어떠한 영향을 미치는가를 알아보기 위한 실험이다. 연 소완료 공기를 줄이게 되면 출구의 산소농도(O² Concentration)가 감소하게 되므로 출구산소 농도 에 대한 NO^X 저감율을 측정하였다.

아래 Table 1에 전체 실험조건을 나타내었다.

Case 1 2

Thermal Input (kW)

Primary

Fuel 15.00 15.00

Reburn

Fuel 0~3.75 3.75

Reburn Fuel Fraction 0~0.2 0.2

Equivalence Ratio

Primary

Zone 0.91 0.91

Reburn

Zone 0.91~1.18 1.18 Burnout

Zone 0.91 0.91

Variation Reburn Fuel Fraction

Exit O Concentration Table 1 Experimental Conditions

3.

수 치 해 석

155,267

. 3.1 지배방정식

사용한 지배방정식은 다음과 같다.

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∇․  ∇

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(4)

1970 - -2 (Propane-Air-2Step) (Propane-Air-2Step) (Propane-Air-2Step) (Propane-Air-2Step) (Propane-Air-2Step) (Propane-Air-2Step)

(Species Transport) (Species Transport) (Species Transport)

Finite-rate, Eddy-Dissipation Finite-rate, Eddy-Dissipation Finite-rate, Eddy-Dissipation Finite-rate, Eddy-Dissipation -

. k-k-ε ε Discrete-Ordinate Discrete-Ordinate Discrete-Ordinate Discrete-Ordinate Discrete-Ordinate Discrete-Ordinate .

3.2 NO^X 모델링

본 연구에서 사용하는 LPG 연료는 연료 성분 중에 질소 성분을 포함하고 있지 않기 때문에 Fuel NO^X 생성은 무시하고 Thermal NO^X와 Prompt NO^X 생성만을 고려하였다.

3.2.1 Thermal NO^X 생성

고온에서 공기 중의 질소분자와 산소분자가 해 리되어 결함함으로써 생성되는 Thermal NO^X는 Extended Zel'dovichi(1946) 반응 메커니즘에 의해 표현된다.

. 3.2 NO^X 모델링

Thermal NOX 생성율은 다음과 같이 표현된다.

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