원추형 연소로에서 공기 유속에 따른 MILD 연소특성
김태권†․하지수1․조아론2
(원고접수일：2012년 7월 25일, 원고수정일：2012년 8월 9일, 심사완료일：2012년 8월 23일)
MILD Combustion Characteristics with Inlet Air Velocity in a Conical Combustor
Tae Kwon Kim†․Ji Soo Ha1․A Ron Jo2
요 약 : MILD(Moderate and Intense Low Oxygen Dilution) 연소는 연소 가스의 재순환을 이용하여 고온 형성을 최대한 억제하고 질소산화물의 발생을 저감하는 동시에 연소로의 내부 온도 균일화를 통한 열 이 용 효율을 향상시킬 수 있는 연소기술이다. 본 연구에서는 원추형 연소로에서 연료 유량은 고정하고 공 기 유량으로 당량비(Φ)를 조절하고 배기가스를 측정하여 MILD 연소특성을 도출하였다.
주제어 : MILD 연소, 배기가스 재순환, 질소산화물, 일산화탄소, 당량비
Abstract: MILD (Moderate and Intense Low Oxygen Dilution) combustion is a technology that uses the recirculation of combustion gas to increase thermal efficiency not only by keeping down the concentration of Nitric Oxides and temperature but also by uniformizing the internal temperature of the combustion furnace. This study is a trial to obtain MILD combustion characteristics by adjusting the equivalence ratio with the air flow rate in the conical combustor while keeping the fuel flow rate and measuring the exhaust gas of the combustion furnace.
Key w ords: MILD combustion, Exhaust gas recirculation, NOx(Nitric Oxides), CO(Carbon Monoxide), Equivalence ratio
†교신저자(계명대학교 기계자동차공학과, E-mail: [email protected], Tel: 053-580-5551) 1 계명대학교 환경과학과, E-mail: [email protected], Tel: 053-580-5919)
2 계명대학교 기계공학과, E-mail: [email protected], Tel: 053-580-6483)
1. 서 론
화석연료를 사용하는 연소기에서 발생하는 오염 물질 중 질소산화물(NOx)은 도심지역의 오존문제 와 산성강하물질 증가의 원인 등의 문제점들을 야 기하므로 연소 효율증가와 더불어 반드시 저감 대 책이 마련되어야 한다. 일반적인 연소기술들은 연 소 효율 향상과 환경오염물질 발생 저감을 동시에 만족하는데 어려움이 있다. 연소 효율 증대를 위한 축열식 연소방법은 배기가스의 열교환을 통한 연 소공기의 온도를 1500℃ 이상 가열하여 공급하였 다. 그러나 온도에 의존하는 질소산화물 생성 특성 과 맞물려서 다량의 질소산화물이 발생하는 문제
점을 가지고 있다. 화염의 온도를 낮추어 질소산화 물의 발생을 줄인 화염냉각 연소방법은 불완전연 소를 유발하여 일산화탄소가 증가하고, 희박예혼합 연소 또한 화염불안정 및 화염이 역류하는 문제점 을 가지고 있다. 최근에 가장 많이 사용되는 배기 가스 재순환을 이용한 연소방법은 산소가 결핍되 어 있는 배기가스의 일부분을 연소실로 재순환시 킴으로써 연소온도를 낮추어 질소산화물 생성을 억제하는 방법이다. 그러나 이 방법 역시 연소 효 율측면과 연료자체의 질소 함유량에 따라 발생하 는 질소산화물의 제어에 어려움이 있다. 이러한 수 많은 국내외의 연구결과 중 MILD(moderate and
intense low oxygen dilution)연소가 에너지 효율 향 상과 더불어 질소산화물을 저감하는 연소기술로 인식되고 있다[1-3]. MILD 연소는 연소 후의 배기 가스와 열을 동시에 재순환하여 연소에 이용하는 방식으로 사용되어지고 있다. 또한 Wünning[4] 외 는 실험을 통해 800℃ 이상의 연소실 온도가 요구 되고, Plessing[5] 외의 연구에서는 강한 배기가스 재순환 영역이 요구됨을 밝혔다.
본 연구는 실험실 규모의 원추형 연소로를 제작 하여 연료 유량을 고정시킨 상태에서 공기 유량의 변화에 따른 MILD 연소특성을 실험을 통하여 확 인하고, 같은 당량비 조건에서 수치해석 결과와 비 교 분석하여 연소로 내부로 유입되는 연료 및 공 기의 유동을 정성적으로 가시화 하고, 이러한 유동 특성과 질소산화물 배출특성의 관계를 확인하였다.
2. 실험적 연구
2.1 MILD 연소로의 구성
본 연구에서는 Figure 1과 같이 원추형의 연소로 를 구성하여 MILD 연소기술을 적용하였다. 실험실 규모의 연소장치는 내부의 MILD 연소로와 상부의 예열버너, 하부의 연료 및 산화제 공급 장치, 배기 장치 및 화염 제어장치 등으로 이루어져 있다. 외 부에서 도시가스 배관을 통해 연료가 공급되고 컴 프레셔를 통해 공기가 공급된다. 전면에는 화염을
Figure 1: Schematic diagram of MILD combustor system.
관측할 수 있는 창을 설치하고 후면에는 온도측정 공이 배치되어 있다. 각각의 온도측정공에는 고온 에도 견딜 수 있는 보호 캡을 장착한 K-type의 열 전대를 부착하여 DAQ board 로 신호를 수집하고, 수집된 정보는 LabView 프로그램을 사용하여 분석 및 저장하였다. 배기가스의 측정은 배기가스가 연 소로에서 배출된 직후 측정이 이루어지도록 설치 하였다.
연소 공간의 크기는 하부 반지름 225 mm, 상부 반지름 135 mm, 높이 410 mm의 원추형이다. 바닥 면의 구조는 Figure 2와 같이 중앙에 지름 2 mm의 연료노즐이 있고, 그 중심에서 200 mm의 거리에 지름 5 mm 의 공기노즐이 연료노즐을 중심으로 8 개가 일정한 간격으로 배치되어 있다. 연소로 내벽 의 형태는 연소로의 상부로 갈수록 점점 단면적이 줄어드는 원추형으로 제작되어 공기노즐을 통해 수직으로 분사된 공기가 연소로의 내벽을 타고 흐 를 수 있도록 배치하였다.
Figure 2: Bottom arrangement of MILD combustor.
2.2 실험조건 및 방법
본 연구에서는 연소로 내부를 자발화 이상의 온 도로 예열한 후 연료 유량을 분당 18 로 고정하 고 공기 유량을 분당 200에서 240 까지 변경한 Table 1의 조건에 의하여 당량비 변화에 따른 MILD 연소특성을 도출하였다. Table 1에 실험에 사용된 당량비와 동일한 조건에서 수치해석을 보 는 바와 같이 수행하였다.
Table 1: Conditions of experiment and numerical calculation.
Experimental
condition(Φ) Case
Numerical calculation condition(Φ)
0.720 (a) 0.719
0.751 (b) 0.751
0.785 (c) 0.785
0.823 (d) 0.822
0.865 (e) 0.863
2.3 실험결과
Table 1의 조건에 의한 실험에서 배기가스 측정 결과를 Figure 3에 도시하였다.
Figure 3: NOx and CO emission in conical MILD combustor.
Figure 4: NOx and CO emission in cylindrical MILD combustor at Φ = 0.64 - 0.74.
배기가스 측정결과 당량비가 증가할수록 질소산
화물의 발생량은 감소하고 산화제 부족으로 인한 일산화탄소의 발생량은 증가하는 전형적인 MILD 연소 특성이 관찰되었다. 이는 Figure 4와 같이 유 상열[6]의 원통형 연소로를 이용한 실험적 연구 결 과와 정성적으로 유사한 결과를 나타내는 것으로 확인되었다. 그러나 연소로의 형상과 연료 및 공기 의 유량의 차이로 인하여 Figure 3과 Figure 4의 질 소산화물과 일산화탄소의 발생량은 차이가 있음을 확인할 수 있다.
3. 수치적 연구
3.1 수치해석 방법
수치해석은 전산해석 상용코드인 FLUENT 소프 트웨어를 사용하여 수행하였다. 유동장을 계산 가 능한 적절한 크기의 제어체적으로 분할하여 지배 방정식을 각 제어체적에 적용하여 적분하는 유한 체적법을 사용하며, 해석은 Patanker에 의해 제안된 SIMPLE 알고리즘을 사용한다. 실제 연소로 치수 를 정확하게 측정하고 모델링 하여 계산한 결과를 통하여 연소로 내부에서 일어나는 유동 특성을 가 시화 하고 실험적 연구와 비교하여 분석하였다. 격 자의 개수는 804,105 개이며 Tet/Hybrid 격자로 제 어체적을 분할하였다. Table 1의 조건에 의하여 연 료 및 공기의 유속을 결정하고 계산 시간의 효율 성 향상을 위하여 연료 노즐을 중심으로 축대칭의 1/8 부분만 계산하였다.
3.2 수치해석 결과 3.2.1 온도 분포
각 조건에 따른 온도분포를 Figure 5에 도시하였 다. 계산결과 최고 온도는 당량비가 0.75에서 0.82 의 구간에서 1600℃ 전후로 나타났으며, 주 반응영 역대주요 화염대의 최고 온도를 제외한 연소로 내 부의 전체적인 온도는 당량비가 0.72 의 경우를 제 외한 모든 조건에서 1000℃ 이상을 유지하고 있음 을 알 수 있다. 공기 유속 변경을 통해 당량비를 조절하는 방법을 사용함에 따라 고온 화염의 상부 는 당량비가 증가할수록, 즉 공기 유속이 늦어질수 록 공기노즐 방향으로 편중되는 결과로 나타났다.
이는 Figure 6과 같이 반응 영역의 분포와 동일한 경향을 보이는 것으로 예측되었다.
Figure 5: Temperature in MILD Combustor.
Figure 6: Rate of heat reaction in MILD combustor.
Figure 7에 연료노즐과 공기노즐의 중심을 통과 하는 지점의 최고온도를 연소로의 높이에 따라 도 시하였다. 당량비가 0.75에서 0.82의 구간에서는 반 응영역의 최고온도와 최저온도의 차이가 300℃ 이 내로 나타났으며, 이는 반응영역 중심부에 고온의 영역이 있음을 고려하였을 때 연소로 전체의 온도 분포는 비교적 일정한 것을 확인 할 수 있다. 또한
중·하부에서는 고온의 화염대가 공기 유속의 영향 을 받고 있다는 것을 잘 나타내고 있다. 당량비가 0.72 인 조건에서는 연료 노즐을 중심으로 4000℃
이상의 화염대가 형성되는 것으로 예측되었으며, 이는 공기 유속이 상대적으로 빨라져서 배기가스 재순환이 자연스럽게 이루어지지 못하고 연료노즐 방향으로 집중되어 나타난 결과로 생각할 수 있다.
(a) Z = 102.5 mm
(b) Z = 205.0 mm
(c) Z = 307.5 mm
Figure 7: Cross sectional temperature distribution with x position in MILD combustor.
3.2.2 속도 분포 및 유적선(Pathline)
Figure 8과 Figure 9는 각각 연소로 내부의 연료 및 공기의 속도분포와 속도의 방향에 대한 접선을 연결한 유선 의 해석 결과를 나타내고 있다. 특징 적인 부분은 당량비가 0.72 인 조건에서 배기가스
Figure 8: Velocity vector in MILD combustor.
Figure 9: Pathlines of air and fuel flow in MILD combustor.
재순환영역이 매우 좁게 형성이 되고 연료노즐에 서 분사된 가스의 형태도 연소로 전체적으로 퍼지 지 못하고 상대적으로 강한 공기 유속의 영향으로 대부분의 유동이 연료노즐 부근의 반응영역으로 집중되는 것으로 확인되었다. 온도 분포의 해석 결 과와 비교하였을 때 고온의 영역 중심의 반응영역 을 통과한 대부분의 유동이 다시 반응영역 중심으 로 재순환되어 들어감으로 인하여 연소로 내부의 온도가 급격하게 상승한 것으로 예측되었다.
3.2.3 질소산화물 분포
3.1절에서 온도를 측정한 위치와 동일한 지점에 서 당량비에 따른 질소산화물의 발생량을 도출하 였다. Figure 10의 계산 결과에 의하면 당량비가 작아질수록 화염의 최고온도는 점점 증가하다가 당량비가 0.72인 조건에서 큰 폭으로 증가하는 특 성을 보이고 있으며, 정성적인 질소산화물의 발생 량은 당량비가 0.75인 조건에서 증가하기 시작하여 당량비의 감소폭에 따라 매우 큰 폭으로 증가하는 것으로 예측되었다. 수치해석 결과를 바탕으로 주 반응영역 중심의 최고화염 온도의 제어가 질소산 화물 등의 배출가스 저감에 얼마나 큰 영향을 줄 수 있는지 확인할 수 있다.
Figure 10: Temperature and NOx mass fraction with equivalence ratio.
4. 결 론
원추형 MILD 연소로에 대한 연소특성을 도출하 기 위원추형 MILD 연소로에 대한 연소 특성을 도 출하기 위하여 실험실 규모의 연소로를 제작하여 실험하였으며 가스분석기, 열전대, 직접사진법 등
을 동원하여 연소기 내의 현상들을 실험적으로 밝 혔다. 실험적 연구화 같은 조건에 따라 FLUENT를 이용한 수치해석을 진행하였다. 당량비에 따라 실 험 및 수치해석을 진행함으로써 화염의 특성 및 배출가스 특성을 확인하였다. 본 연구에서 도출한 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
1) 연료 노즐의 유속은 일정하게 유지시키고 공 기 노즐의 유속을 변경하는 방법으로 당량비를 조 절하였다. 이후 거시적인 MILD 연소 조건을 확립 하고, MILD 연소 조건의 범위 안에서 Φ = 0.72 ~ 0.86 사이의 구간에서 연소 실험을 실시하였다.
2) MILD 연소 영역 내에서 당량비가 커질수록 일산화탄소의 양은 증가하고 질소산화물의 양은 감소하는 전형적인 MILD 연소의 배출가스 특성을 확인하였다. Φ = 0.72 이하의 구간에서는 확산화염 에서 나타나는 가시화염대가 형성 되었으며, 질소 산화물의 발생량이 당량비가 작아질수록 급격하게 증가하였다. 그러나 Φ = 0.72 ~ 0.86 사이의 구간 에서는 질소산화물은 11 ppm 이하로 발생하였다.
3) 실험과 같은 조건에서 전산해석 프로그램인 FLUENT를 이용하여 수치해석을 수행하였다. 해석 결과를 바탕으로 연소로 내부에서 일어나는 유동 및 화학반응 특성과 위치에 따른 정확한 온도분포, NOx 발생특성 등을 가시화 하였다.
4) 화염의 반응률과 온도분포 등을 통하여 연소 로 내부의 고온의 영역은 연료와 공기의 재순환 영역의 경계면을 중심으로 형성되고, 당량비의 변 화에 따라 그 형상 또는 범위가 조금씩 다른 특성 을 보이는 것으로 예측되었다. Φ = 0.72 인 영역, 즉 산화제의 유량이 상대적으로 큰 조건에서 배기 가스 재순환 영역이 연료노즐 부근으로 편중되고 화염 온도 또한 급격하게 상승하는 것을 확인하였 다. 이는 실험적 결과에서 예상하였던 결과와 유사 한 특성을 보이며 고온의 화염대로 인한 질소산화 물 발생이 증가하게 되는 화염특성과 일치한다.
후 기
본 연구는 지식경제부-한국산업기술진흥원 지정 계명대학교 전자화자동차부품지역혁신센터의 지원 에 의한 결과입니다.
참고문헌
[1] J. A. Miller and C. T. Bowman, "Mechanism and modeling of nitrogen chemistry in combustion," Progress in energy and combustion science, vol. 15, pp. 287-338, 1989.
[2] C. T. Bowman, "Control of combustion generated nitrogen oxide emissions : Technology driven by regulation,"
Twenty-fourth Symposium (International) on combustion, vol. 24, pp. 859-878, 1992.
[3] K. Y. Ahn, H. S. Kim, E. S. Cho et al., "An experimental study on combustion processes and NOx emission characteristics of the Air-Staged burner," KSME international journal, vol. 13, no. 6, pp. 477-486, 1999.
[4] J. A. Wünning, and J. G. Wünning, "Flameless oxidation to reduce thermal NO-formation,"
Progress in energy and combustion science, vol.
23, pp. 81-97, 1997.
[5] T. Plessing, N. Peters and J. G. Wüning, "Laser optical investigation of highly preheated combustion with strong exhaust gas recirculation," Twenty-seventh Symposium (International) on combustion, vol. 27, pp.
3197~3204, 1998.
[6] S. Y. Yu, The Characteristics of Combustion in a MILD Combustion Furnace with the Variation of Equivalence Ratio, Master of Science Thesis, Department of Mechanical Engineering Graduate School, Keimyung University, pp. 33-38, 2010.
