[논문]<tex>$O_2/CO_2$</tex> 혼합조건에 따른 LNG 연소특성해석

김혜숙; 신미수; 장동순; 이대근

$O_2/CO_2$ 혼합조건에 따른 LNG 연소특성해석
Characteristic Study of LNG Combustion in the mixture of $O_2/CO_2$ 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.29 no.6, 2007년, pp.647 - 653

김혜숙 (충남대학교 환경공학과) , 신미수 (충남대학교 환경공학과) , 장동순 (충남대학교 환경공학과) , 이대근 (한국에너지기술연구원)

초록
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본 연구의 목적은 기존의 산업용 보일러에서 이산화탄소 배출저감을 위하여 연소가스 재순환에 의한 고온 순산소 연소기술을 개발하는데 있다. 이를 위해 실험실 규모의 LNG 연소기에서 연소 화염특성을 평가하기 위한 조직적인 수치해석 연구가 일차적으로 수행되었다. 특히 본 연구에서 고려한 중요한 변수는 산소부화환경에서 계산된 연소가스의 재순환 정도이다. 배기가스 재순환이 없는 100% 순산소 연소환경에서 화염은 고온의 길고 가는 층류형상의 화염을 보였다. 이는 산화제 중에서 질소성분이 감소함으로써 약화된 난류혼합효과와 $N_2$ 가스에 의한 현열손실의 감소에 기인하는 것으로 판단하였으며 문헌에 발표된 실험과 일치된 결과를 보였다. $O_2/CO_2$ 혼합가스에서 $CO_2$ 가스의 재순환율이 증가될수록 산화제의 유량 증가에 따른 강화된 난류혼합으로 인해 최고 화염온도가 버너 근처로 이동한 반면 전반적인 연소가스 온도는 $N_2$에 비해 $CO_2$의 높은 비열로 인해 낮아지는 현상을 보였다. 결국 80% 이상 $CO_2$ 가스를 재순환한 경우 연소가스의 온도가 급격하게 떨어지는 화염소멸 현상을 보여주었다. 그러나 30% $O_2/70%$ $CO_2$의 혼합 연소조건에서는 기존의 공기연소와 유사한 가스온도를 나타내었다. 이외에도 공기연소와 동일한 유량조건에서 난류강도와 열수지 측면에서 화염특성 변화를 평가하기 위한 면밀한 연구가 수행되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The ultimate objective of this study is to develop a reliable oxygen-enriched combustion techniques especially for the case of the flue gas recycling in order to reduce the $CO_2$ emissions from practical industrial boilers. To this end a systematic numerical investigation has been performed, as a first step, for the resolution of the combusting flame characteristics of lab-scale LNG combustor. One of the important parameters considered in this study is the level of flue gas recycling calculated in oxygen enriched environment. As a summary of flame characteristics, for the condition of 100% pure $O_2$ as oxidizer without any flue gas recycling, the flame appears as long and thin laminar-like shape with relatively high flame temperature. The feature of high peak of flame temperature is explained by the absence of dilution and heat loss effects due to the presence of $N_2$ inert gas. The same reasoning is also applicable to the laminarized thin flame one, which is attributed to the decrease of the turbulent mixing. These results are physically acceptable and consistent and further generally in good agreement with experimental results appeared in open literature. As the level of $CO_2$ recycling increases in the mixture of $O_2/CO_2$, the peak flame temperature moves near the burner region due to the enhanced turbulent mixing by the increased amount of flow rate of oxidizer stream. However, as might be expected, the flue gas temperature decreases due to presence of $CO_2$ gas together with the inherent feature of large specific heat of this gas. If the recycling ratio more than 80%, gas temperatures drop so significantly that a steady combustion flame can no longer sustain within the furnace. However, combustion in the condition of 30% $O_2/70% $ $CO_2$ can produce similar gas temperature profiles to those of conventional combustion in air oxidizer. An indepth analyses have been made for the change of flame characteristics in the aspect of turbulent intensity and heat balance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Jay Gore는 층류 화염 계산에서 C₆와 H₂O 가스가 복사에 관여했을 때 최고화염온도가 대략 50 K까지 감소한다고 보고하고 있다.5-8) 그러므로 본 연구에서는 화염온도와 Plank 흡수계수 그리고 화학종 사이의 내부적인 상관관계를 복사에 대한 고도 근사를 위해 고려하였다.
그러므로 본 연구에서는 일차적으로 산업현장에서 많이 이용되고 있는 5,000 kcal/hr LNG 연소기를 대상으로 하여 연소용 산화제를 O₂/CO₂ 혼합가스로 대체할 경우 나타나는 연소특성 변화를 규명하고자 하였다. 특히 CO₂ 재순환율에 따른 화염안전성과 연소실 내부온도변화 그리고 배기가스의 조성변화를 수치해석적인 연구를 통해 조직적으로 검토하였다.
본 연구는 대표적 온실가스인 이산화탄소를 효과적으로 저감시킬 수 있는 고온 순산소 연소기술을 개발하는 일차적인연구로 실험실 규모의 LNG 연소기에서 산화제를 공기에서 O₂/CO₂ 혼합가스로 대체할 경우 일어날 수 있는 화염특성 및배기가스 특성변화를 기존의 실험자료를 바탕으로 수치해석하였다. 주요 연구결과를 요약하여 나타내면 다음과 같다.

가설 설정

a, b, c는 경험적으로 결정된 상수들이다. 1, 150 K 이상의 온도에서 CO종의 산화는 상대적으로 빠르므로 화학적 평형상태로 접근한다고 가정할 수 있다. 그러나 975~ 1, 150 K의 온도범위에서 CO 산화는 느려지고 975K 이하의 온도에서는 산소가 존재함에도 불구하고 CO 산화는 일어나지 않게 된다.
LNG 연소반응은 연료의 화학반응시간이 매우 빠르기 때문에 연료와 산화제가 혼합되면서 이와 동시에 연소가 이루어지므로 전체 반응속도는 일차적으로 난류혼합속도에 의해 영향을 받는다고 가정하였다. 이때 연료와 산화제의 혼합시간은 난류에디의 붕괴속도인 k/ε에 비례하며 Magrmssen과 Hjer- tager가 제안한 난류연소모델을 사용하여 화학반응속도와 혼합속도를 고려하였다.
그러므로 본 연구에서는 로내 전체화염을 열방출과 복사의 균일한 공급원이고 화염이 시각적으로 얇다고 가정하여 화염으로부터 복사에너지 손실속도를 식 (7)과 같이 근사하였다. 특히본 연구에서 고려한 LNG 연소로의 경우 소형장치이므로 화염복사에 의한 열손실은 미비할 것으로 예측되었다.

제안 방법

그러나 975~ 1, 150 K의 온도범위에서 CO 산화는 느려지고 975K 이하의 온도에서는 산소가 존재함에도 불구하고 CO 산화는 일어나지 않게 된다.'' 그러므로 본 연구에서는 Dryer와 Glassmann 이 제안한 화학평형모델을 개선하여 온도에 의한 CO 산화 속도를 고려하여 계산하였다.
이외에도 화염열복사에 관여하는 주요 가스인 H₂O, CO₂, CO 의 평균 플랭크 흡수계수 역시 CO₂ 가스가 가장 크다. 결국 CO₂ 가스가 n2 가스를 대신하여 재순환될 경우 비열과 화염열복사로 인해 로내 화염특성에 큰 영향을 줄 것으로 판단되므로 Table 1에서와 같이 C₆ 재순환율에 따른 로내 연소특성에 대하여 수치해석을 수행하였다.
공기 연소시 산화제 유량과 동일한 절대유량에서 CO₂ 재순환에 따른 산화제 조성변화가 미치는 화염특성 변화에 대하여 수치해석하였다. co2 재순환율에 따른 산화제 유량의변화는 로내 난류강도에 영향을 미치며 이는 직접적으로 연소반응에 영향을 준다.
co2 재순환율에 따른 산화제 유량의변화는 로내 난류강도에 영향을 미치며 이는 직접적으로 연소반응에 영향을 준다. 그러므로 표준 공기조건과 동일한 유량조건에서 O₂/CO₂/N₂ 혼합비에 따른 화염특성을 평가하였다. 특히 이 경우 CO₂ 비열차이로 인한 에너지소모를 고려하여 입구 산소공급농도를 증가시켜 수치해석을 수행한 결과 。2 농도가 30%인 조건에서 공기연소와 유사한 로내 화염온도를 나타내었다.
6) 연소실 길이는 800 mm이고 직경은 100 mm의 3차원 축대칭 형상을 가지며 계산영역에 대한 민감도 분석 결과 25x80 격자를 생성하여 사용하였다. 사용된연료는 일반 상용화 LNG로 시간당 5,000 kcal 용량을 가지며 산화제 조성은 기준 연료량에 있어 이론 공기량의 1.3배인 경우 포함된 순산소량을 기준으로 CO₂ 재순환율에 대한수치해석을 수행하였다.
일반적으로 본 연구에서 수행한 실험조건에 대한 수치해석결과는 물리적으로 일관성 있는 결과를 제시하였다. 이와 같은 수치해석 기술은 에너지 이용효율 향상과 고온 순산소 연소기술 개발시 나타날 수 있는 화석연료의 연소특성 해석에유용한 정보를 제공할 것으로 판단되며 추후 필요한 실험변수 설정과 상용화에 따른 scale-up 연구에 효율적으로 이용될 수 있을 것으로 사료된다.
변화를 규명하고자 하였다. 특히 CO₂ 재순환율에 따른 화염안전성과 연소실 내부온도변화 그리고 배기가스의 조성변화를 수치해석적인 연구를 통해 조직적으로 검토하였다.

대상 데이터

본 연구에서 고려한 연소기는 일반 산업용으로 많이 사용되는 연소기로 Fig. 1에서와 같이 중심부에서 연료가 분사되고 연료 외부 원주를 통해 산화제가 공급되며 산화제 출구부에는 화염안정성을 도모하기 위해 선회수 0.77을 갖는 선회기가 설치되어 있다.6) 연소실 길이는 800 mm이고 직경은 100 mm의 3차원 축대칭 형상을 가지며 계산영역에 대한 민감도 분석 결과 25x80 격자를 생성하여 사용하였다.

이론/모형

각 검사체적에 대한 이산화방정식은 형식은 선형이나 내재된 비선형특성으로 인해 Line-by-line TDMA(TriDiagonal Matrix Algorithm)에 의해 반복계산하여 해를 구하였으며 운동량 방정식에 나타나는 압력과 속도의 연계는 SIMPLEC (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations Con- sistent) 알고리즘을 사용하였다.10) 본 연구에서는 난류유동 및 연소반응에 대한 해석적인 해를 얻기 위해 in-house 컴퓨터 프로그램을 사용하였다.11)
소멸항을 나타낸다. 각 검사체적에 대한 이산화방정식은 형식은 선형이나 내재된 비선형특성으로 인해 Line-by-line TDMA(TriDiagonal Matrix Algorithm)에 의해 반복계산하여 해를 구하였으며 운동량 방정식에 나타나는 압력과 속도의 연계는 SIMPLEC (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations Con- sistent) 알고리즘을 사용하였다.10) 본 연구에서는 난류유동 및 연소반응에 대한 해석적인 해를 얻기 위해 in-house 컴퓨터 프로그램을 사용하였다.
받는다고 가정하였다. 이때 연료와 산화제의 혼합시간은 난류에디의 붕괴속도인 k/ε에 비례하며 Magrmssen과 Hjer- tager가 제안한 난류연소모델을 사용하여 화학반응속도와 혼합속도를 고려하였다.'2)

성능/효과

Fig. 6(a) 로부터 CO₂ 재순환율이 증가될수록 절대유량 증가에 따른 혼합효과로 인해 화염이 버너 선단으로 가까워지나 로내 연소 가스 온도는 떨어지는 경향을 나타내었다. 이는 앞에서 제시한 CO₂ 가스의 비열과 화염의 복사 열손실에 기인한다.
77을 갖는 선회기가 설치되어 있다.6) 연소실 길이는 800 mm이고 직경은 100 mm의 3차원 축대칭 형상을 가지며 계산영역에 대한 민감도 분석 결과 25x80 격자를 생성하여 사용하였다. 사용된연료는 일반 상용화 LNG로 시간당 5,000 kcal 용량을 가지며 산화제 조성은 기준 연료량에 있어 이론 공기량의 1.
CO₂ 재순환율이 증가될수록 로내온도는 낮아지나 절대유량 증가에 의한 혼합증가로 버너 근처의 화염온도가 높아지는 것을 볼 수 있다.8)그러나 CO₂ 재순환율이 90%에서는 로내온도가 급격하게 감소하고 있으며 로내에 화염이 지속적으로 형성되고 있지 않은 것을 볼 수 있다. 이는 CO₂ 비열이 N₂에 비하여 크고 복사효과가 크기 때문에 co2 재순환율이 증가할수록 연소영역의 온도가 감소된 것으로 판단된다.
CO₂ 재순환율에 따른 산화제 유량의 변화는 로내 난류강도에 영향을 미치며 이는 직접적으로 연소반응에 영향을 준다. 그러므로 공기연소와 동일한 유량조건에서 O₂/CO₂/N₂ 비에 따른 화염특성을 평가한 결과 02 농도를 30% 이상 증가시킨 경우 공기연소와 유사한 화염온도를 나타내었으나 NOx 발생량은 공기연소에 비해 다소 높게 계산되었다.
3. 화염 열복사 모델
모든 화염을 강력하게 복사에 참여하는 화염으로 설명하는것은 적절하지 않으나 화염으로부터 열복사가 NO 생성속도에 영향을 줄 정도로 충분히 국부온도를 낮출 수 있다. 그러므로 본 연구에서는 로내 전체화염을 열방출과 복사의 균일한 공급원이고 화염이 시각적으로 얇다고 가정하여 화염으로부터 복사에너지 손실속도를 식 (7)과 같이 근사하였다.
그러므로 본 연구에서는 로내 전체화염을 열방출과 복사의 균일한 공급원이고 화염이 시각적으로 얇다고 가정하여 화염으로부터 복사에너지 손실속도를 식 (7)과 같이 근사하였다. 특히본 연구에서 고려한 LNG 연소로의 경우 소형장치이므로 화염복사에 의한 열손실은 미비할 것으로 예측되었다.

후속연구

그러므로 기술적으로 고농도의 CO₂ 가스를 얻기 위해서는 첫째, 산화제에서 질소기체를 배제하고 산소의 농도를 증가시킨 산소부화연소에서 둘째, 실질적인 연소가스의 재순환이 전제되어야한다.2)그러나 O₂/CO₂ 혼합가스로 이루어진 화석연료의 산소부화 연소는 질소기체가 이산화탄소 기체로 대체됨으로써 발생하는 분자량, 유량, 비열, 난류혼합강도 등의 차이에 의하여 화염특성, 연소성능, 열전달 현상, 그리고 연소생성 오염물질 등 기존의 공기연소에서 나타나는 연소특성과 현격한차이가 예상되므로 이에 대한 조직적인 선행 연구가 필수적이다.
물리적으로 일관성 있는 결과를 제시하였다. 이와 같은 수치해석 기술은 에너지 이용효율 향상과 고온 순산소 연소기술 개발시 나타날 수 있는 화석연료의 연소특성 해석에유용한 정보를 제공할 것으로 판단되며 추후 필요한 실험변수 설정과 상용화에 따른 scale-up 연구에 효율적으로 이용될 수 있을 것으로 사료된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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