[논문]액체 연료용 버너에서 NOx 저감을 위한 연료2단 분사 Y-jet 노즐에 관한 기초연구

송시홍; 이기풍; 김혁제; 박석호

doi:10.22634/ksme-b.2001.25.11.1616

액체 연료용 버너에서 NOx 저감을 위한 연료2단 분사 Y-jet 노즐에 관한 기초연구
A Basic Study of Fuel 2-staging Y-jet Atomizer to Reduce NOx in Liquid Fuel Burner 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.25 no.11 = no.194, 2001년, pp.1616 - 1623

송시홍 (두산중공업 생산기술연구원) , 이기풍 (두산중공업 생산기술연구원) , 김혁제 (두산중공업 생산기술연구원) , 박석호

Abstract ▼ AI-Helper

A basic experimental study has been carried out to find out the design parameters of fuel 2-staging atomizers in order to reduce nitrogen oxides(NOx) rate emitted from the steam boilers used the liquid fuel. The heavy fuel oil(B-Coil) and fuel 2-staging Y-jet twin-fluid atomizers were adopted in this study. The results of this paper were obtained from the real as well as the model scale atomizers. In the case of model atomizers test, NOx reduction rate was strongly dependent on the staged fuel rate, but it was weakly dependent on the injection hole arrangement and air swirl conditions. The real scale atomizers was designed and manufactured on the base of these test results, and those was mounted and operated in the real boiler generates 185 ton steam per an hour. The reduction rate of the model and real plant was reached 10∼30% of base NOx by atomizers. but dust was sharply increased in the low O$_2$combustion region of the real plant.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Y-jet 노즐에서 분사구 배치형태와 연소용 공기의 선회도가 NOx 배출량에 미치는 영향을 조사하였다. 그리고 실기 적 용시험은 모델 실험을 통하여 얻은 분사노즐을 실기 에 적용하기에 앞서 개선되어야 할 사항을 확인하기 위하여 실제 보일러 화로에서 진행 되었다.
본 연구는 버너 자체에서의 연료 2 단 연소 기 술개발과 관련된 기초연구로서, 연구의 목적은 기 존에 사용되고 있던 Y-jet 노즐(atomizer)의 형상을 연료 2 단 연소(분사)에 적합하도록 개선하여 NOx 저감 가능성을 확인하고 아울러 저감기구에 대한 이해 및 각 분무형식(압력분무, 2 유체 분무식) 별 액체 연료 분사용 노즐 개발하기 위한 기초자료를 획득하는 것이다.

가설 설정

(1) 2 단 연료 분사에 의한 NOx 저감은 각 단에서 분사되는 연료량에 의해 영향을 받는다.

제안 방법

비교적 소용량의 모델 실험에서는 연료의 단별 분배량. Y-jet 노즐에서 분사구 배치형태와 연소용 공기의 선회도가 NOx 배출량에 미치는 영향을 조사하였다. 그리고 실기 적 용시험은 모델 실험을 통하여 얻은 분사노즐을 실기 에 적용하기에 앞서 개선되어야 할 사항을 확인하기 위하여 실제 보일러 화로에서 진행 되었다.
2 단 노즐의 경우 #2 노즐에서 #5 노즐로 갈수록 조연연료의 유량이 상대적으로 큰 노즐이다. 그리고, #5 노즐의 경우는 노즐 전면에서 볼 때 주분사구와 보조 분사구의 사이 각(P )이 각각 0” 와 36° 인 2개의 노즐을 준비하여 분사구 배치에 대한 영향, 즉 연료 분사 후 주연료와 보조연료의 중첩에 의한 영향을 살펴 보고자 하였다. 이들 노즐의 명칭은 편의상 #5-P(0")와 #5(36°)로 구분하기로 한다.
연료 2 단 분사 노즐의 모델실험에서는 화로출 구에서의 가스농도(Q, CO, CQ, NOx)를 측정하여 노즐별로 NOx 저감특성을 살펴 보았다. 그리고, 연료 2 단 분사에 의한 연소시 화염내의 NOx 생성 /저감 기구를 이해하기 위한 실험에서는 화염내부의 가스농도와 온도를 측정하였다. 여기서 온도는 외부 노출형 R 열전대를 사용하여 측정하였으며, 측정된 온도는 화염들간의 차이점을 비교하기 위한 것으로 열전대에 대한 별도의 교정은 하지 않았다.
본 실험에서 사용한 노즐은 주연료와 조연연료가 동일한 관을 통하여 액체 공급관(1)입구까지 공급되는 구조로 개별유량 측정이 불가능하게 되어 있다. 따라서, 각 단별로 분배되는 연료량에 대한 NOx 배출특성을 조사한 실험연구에서는 각 분사구에서 배출되는 유량을 변화시키는 방법으로 각 노즐들의 공급관 재원을 서로 다르게 하였다.
상기 결과로부터 2 단 Y-jet 노즐에 대한 모델실험 및 실기적용시험을 통하여 NOx 저감과 관련된 기본 변수 조사 및 실기적용 가능성에 대한 기초연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
그리고, 연료 2 단 분사에 의한 연소시 화염내의 NOx 생성 /저감 기구를 이해하기 위한 실험에서는 화염내부의 가스농도와 온도를 측정하였다. 여기서 온도는 외부 노출형 R 열전대를 사용하여 측정하였으며, 측정된 온도는 화염들간의 차이점을 비교하기 위한 것으로 열전대에 대한 별도의 교정은 하지 않았다.
연료 2 단 분사 노즐의 모델실험에서는 화로출 구에서의 가스농도(Q, CO, CQ, NOx)를 측정하여 노즐별로 NOx 저감특성을 살펴 보았다. 그리고, 연료 2 단 분사에 의한 연소시 화염내의 NOx 생성 /저감 기구를 이해하기 위한 실험에서는 화염내부의 가스농도와 온도를 측정하였다.
이와 같은 목적을 달성하기 위해 진행된 연료 2 단 분사 Y-jet 노즐에 대한 성능실험은 시험 연 소로에서의 모델 실험과 실제 보일러 화로에서의 적용실험을 통하여 이루어졌다. 비교적 소용량의 모델 실험에서는 연료의 단별 분배량.

대상 데이터

본 실험에 사용한 시험연소로는 화염공간의 재 원이 직경 2m, 길이가 6m 인 원통형상을 갖고 있으며, 화염공간의 온도 및 가스 농도 등의 정보를 획득하기 위하여 노의 측벽을 따라 o.5m 간격으로 측정구가 설치되어 있다.
본 실험연구는 NOx 저감 가능성에 대한 기조 연구이므로 이들 변수 중 유량비, 는-사〒의 배치 형태 및 연소용 공기 선회에 한정하이 진행하였다.
본 연구에 사용한 연료 2 단 분사 Y-jet 노즐은 Fig. 3 에서 보는 것과 같이 노즐 중심으로부터 가까운 원주상에 조연연료(reburn fuel)가 분사되는 5 개의 보조 분사구(assist injector), 그 바깥쪽 원주상에 주연료(primary fuel)가 분사되는 5개의 주분사구(rhain injector)7} 배치되어 있는 구조로 되어 있다. 이 2 단 노즐에서 연료는 동일한 배관으로 액체 공급관 입구까지 이송되어 오기 때문에 각 분사구로 배출되는 연료량은 개별 분사구의 재원에 의해 결정된다.

성능/효과

(3) 연료 2 단 분사 노즐의 경우 NOx 배출량은 버너 선회도와 무관하게 거의 일정한 값을 갖는다.
(4) 실기 적용 시험을 통하여 NOx 배출 측면에서 약 10%정도의 저감 효과를 얻었으나, 저 02 연소조건에서 분진 배출량이 상대적으로 급격하게 증가하는 경향을 보였다.
아울러, 실험조건에서 상대적으로 강선히(OV 20)인 경우(Fig. 4(a)) 화염 후류까지 반깅방향으로 확장된 화염 형상을 보이는 것으로부터 버너 줄구의 화염 공간에 강한 내부순환영역(IRZ)이 형성되고 있음을 확인할 수 있다. 반면, 상대적으로 약선회(OV 50)인 경 우(Fig.
출구 가스 성분 중 Q 량을 변화시키면서 NOx 및 분진을 측정한 결과 전 운전영역에서 2 단 노즐의 NOx 배출량은 기존 노즐의 비해 약 10% 정도 적게 배출되었다. 반면, 2 단 노즐의 분진 배출량은 저 02 영역에서 기존노즐에 비해 급격하게 증가하는 경향을 보였다. 따라서 2 단 노즐을 실기에 적용하기 위해서는 보일러 배가스 중에 분진량이 증가한다는 것을 염두에 두어야 할 것이다.
본연구 결과연료 2 단 분사용 Y-jet 노즐에 대한 시험 연소로 및 실제 보일러 연소로에서의 연 소시험 을 통하여 10 ~ 30% 정도의 NOx 저 감이 가 능함을 확인하였다.
이 2 단 노즐에서 연료는 동일한 배관으로 액체 공급관 입구까지 이송되어 오기 때문에 각 분사구로 배출되는 연료량은 개별 분사구의 재원에 의해 결정된다. 즉, 분사구 공급관 및 혼합관의 직경이 클수록 동일한 분사압력 조건에서 연료 및 증기유량이 큼을 의미한다. 본 실험에서 사용한 노즐은 주연료와 조연연료가 동일한 관을 통하여 액체 공급관(1)입구까지 공급되는 구조로 개별유량 측정이 불가능하게 되어 있다.
9 에 나타내었다. 출구 가스 성분 중 Q 량을 변화시키면서 NOx 및 분진을 측정한 결과 전 운전영역에서 2 단 노즐의 NOx 배출량은 기존 노즐의 비해 약 10% 정도 적게 배출되었다. 반면, 2 단 노즐의 분진 배출량은 저 02 영역에서 기존노즐에 비해 급격하게 증가하는 경향을 보였다.

후속연구

따라서 2 단 노즐을 실기에 적용하기 위해서는 보일러 배가스 중에 분진량이 증가한다는 것을 염두에 두어야 할 것이다. 아울러 노즐구조의 개선 및 운전 조건의 변경 등을 통하여 기존 노즐과 동일 수준의 분진 발생량을 낼 수 있도록 개선해야 할 것이다.
이상의 결론으로부터 실제 보일러 화로에 NOx 저감 방법으로 연료 2 단 분사용 Yjet 노즐을 적용할 수 있음을 확인하였으나, 이를 위해서는 저 Q 연소영역에서 분진 배출량을 최소화하기 위한 연구가 진행되어야 함을 알 수 있었다.

참고문헌 (9)

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吉田邦夫監修, 1992, '유연소의 이론과 실제,' 省에너지센타
송시홍, 이상용, 1996, '액체 점도에 따른 Y-jet 노즐 내부유동 및 분무특성의 변화,' 대한기계학회논문집 B, 제 20 권, 제 12 호, pp. 4053-4061

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채재우, 전영남, 이운영, 1993, '단계적 연소의 NOx 저감에 대한 연구,' 대한기계학회논문집, 제17권, 제6호, pp. 1556-1571

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Ahn, K. Y., Kim, H. S., Cho, E. S., Ahn J. H. and Kim, Y. M., 1999, 'An Experimental Study on Combustion Processes and NOx Emission Characteristics of the Air-Staged Burner,' KSME International J.. Vol. 13, No.6, pp. 477- 486
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Costa, M. M. G., 1992, 'On Combustion of Heavy Fuel oil and pulverized Coal in a Large-Scale Laboratory Furnace,' PhD Thesis, University of London
Barreiros, A., Carvalho, M. G., Costa, M. and Lockwood, F. C; 1993, 'Predictions of the Near Burner Region and Measurements of NOx and particulate Emissions in Heavy Fuel Oil Spray Flames,' Combustion and Flame, Vol. 92, pp. 231-240

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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