중발열량 석탄 합성가스의 연소 및 NOx 발생 특성에 대한 이론적 해석을 수행하였다. 석탄 합성가스는 CO, $H_2,\;CO_2,\;N_2$가 주성분이고, 미량의 $CH_4$ 및 $NH_3$를 함유하는 것으로 가정하였다. 열화학적 해석을 통해 합성가스 연소 시의 화염 온도, 배기가스의 주요 및 부차적 화학종들의 조성, 열 및 연료 NOx 발생량을 계산하였다. 또한 합성가스 중의 $CH_4$ 및 $NH_3$ 성분이 연소 및 NOx 발생에 미치는 영향을 검토하였다. 본 석탄 합성가스들의 계산결과들을 토대로 가스터빈 연소기의 NOx 저감 설계에 필요한 기본 방향과 기준을 제시하였다.
중발열량 석탄 합성가스의 연소 및 NOx 발생 특성에 대한 이론적 해석을 수행하였다. 석탄 합성가스는 CO, $H_2,\;CO_2,\;N_2$가 주성분이고, 미량의 $CH_4$ 및 $NH_3$를 함유하는 것으로 가정하였다. 열화학적 해석을 통해 합성가스 연소 시의 화염 온도, 배기가스의 주요 및 부차적 화학종들의 조성, 열 및 연료 NOx 발생량을 계산하였다. 또한 합성가스 중의 $CH_4$ 및 $NH_3$ 성분이 연소 및 NOx 발생에 미치는 영향을 검토하였다. 본 석탄 합성가스들의 계산결과들을 토대로 가스터빈 연소기의 NOx 저감 설계에 필요한 기본 방향과 기준을 제시하였다.
Theoretical analysis was conducted on the combustion and the NOx formation characteristics of the coal-derived synthetic gases with medium-BTU heating value. The synthetic gas was assumed to contain the major species of CO, $H_2,\;CO_2$, and $N_2$ and the minor species of ...
Theoretical analysis was conducted on the combustion and the NOx formation characteristics of the coal-derived synthetic gases with medium-BTU heating value. The synthetic gas was assumed to contain the major species of CO, $H_2,\;CO_2$, and $N_2$ and the minor species of $CH_4$ and $NH_3$. Through thermochemical analysis on the combustion of the synthetic gas, the flame temperature, major and minor species of exhaust gas, and thermal and fuel NOx emissions were computed. In addition, the effects of the $CH_4$ and the $NH_3$ components in syngas fuel on combustion and NOx emission were investigated. Based on the computed results on the synthetic gases, basic direction and guidelines were provided fur the low NOx design of gas turbine combustor.
Theoretical analysis was conducted on the combustion and the NOx formation characteristics of the coal-derived synthetic gases with medium-BTU heating value. The synthetic gas was assumed to contain the major species of CO, $H_2,\;CO_2$, and $N_2$ and the minor species of $CH_4$ and $NH_3$. Through thermochemical analysis on the combustion of the synthetic gas, the flame temperature, major and minor species of exhaust gas, and thermal and fuel NOx emissions were computed. In addition, the effects of the $CH_4$ and the $NH_3$ components in syngas fuel on combustion and NOx emission were investigated. Based on the computed results on the synthetic gases, basic direction and guidelines were provided fur the low NOx design of gas turbine combustor.
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문제 정의
그러므로 본 연구에서는 석탄 합성가스의 연소 및 NOx 발생특성을 열화학적 해석방법을 이용하여 규명하였다. 서로 다른 조성을 가지는 합성가스들에 대해 공기/연료비 조건에 따른 연소, 열적 및 연료 NOx 발생 특성을 규명하였고, 합성가스 중 CH4 및 NH3 성분이 NOx 발생에 미치는 상호적인 영향도 검토하였다.
그러므로 본 연구에서는 석탄 합성가스의 연소 및 NOx 발생특성을 열화학적 해석방법을 이용하여 규명하였다. 서로 다른 조성을 가지는 합성가스들에 대해 공기/연료비 조건에 따른 연소, 열적 및 연료 NOx 발생 특성을 규명하였고, 합성가스 중 CH4 및 NH3 성분이 NOx 발생에 미치는 상호적인 영향도 검토하였다.
본 연구를 통해 얻어진 해석결과들은 IGCC용 가스터빈 연소기의 저 NOx설계를 위한 기초적인 자료로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.감 人F본 연구는 에너지관리공단과 한국전력이 지원하는 “가스화기 운전조건별 연료/슬래그의 특성평가 및 합성가스의 연소특성 해석” 과제의 일환으로 이루어졌으며, 이에 관계자들께 감사드립니다.
석탄합성가스의 CH4 및 NH3 성분이 NOx 발생 특성에 미치는 영향을 이론적으로 규명하였다. 석탄합성가스 중 NH3 성분은 과잉공기비가 0.
가설 설정
또한 본 연구에서는 합성가스 및 공기의 연소 전 반응물 조건을 일반적인 대형 가스터빈 연소기 조건과 유사하게 15 atm, 300°C 로 가정하였고, 연소는 정압상태에서 이루어지는 것으로 가정하였다.
또한 본 연구에서는 합성가스 및 공기의 연소 전 반응물 조건을 일반적인 대형 가스터빈 연소기 조건과 유사하게 15 atm, 300℃ 로 가정하였고, 연소는 정압상태에서 이루어지는 것으로 가정하였다.
제안 방법
그러므로 본 연구는 Table 1 과 같은 조성을 가지는 4가지 석탄 합성가스들에 대해 열화학적 평형계산을 통해 연소 시 화염온도, 배기가스 조성 및 NOx 배출특성을 비교, 검토하였다.
그러므로 본 연구는 Table 1 과 같은 조성을 가지는 4가지 석탄 합성가스들에 대해 열화학적 평형계산을 통해 연소 시 화염온도, 배기가스 조성 및 NOx 배출특성을 비교, 검토하였다.
서로 다른 조성을 가지는 합성가스들에 대해 공기/연료비 조건에 따른 연소, 열적 및 연료 NOx 발생 특성을 규명하였고, 합성가스 중 CH4 및 NH3 성분이 NOx 발생에 미치는 상호적인 영향도 검토하였다. 그리고 예측된 결과들을 토대로, 가스터빈 연소기의 저 NOx 설계를 위한 방향 및 기준을 제시하였다.
의 화학 반응에 대한 모델은 Westbrook와 Dryer[9], Hautman[10], Stephen[11] 등의 관계식을 사용하였다. 또한 본 연구에서는 예혼합 연소 시 발생되는 NOx 해석을 위해 열적 및 연료 NOx 발생에 대한 다음과 같은 화학반응식들을 고려하였고[11,12], 단 화염대 전면에서 빠르게 생성되는 급속 NOx (prompt NOx)는 연료의 확산 및 화염 거동에 대한 열유동 계산이 필요하므로[3,11] 화학평형을 통한 예혼합 연소현상을 대상으로 삼은 본 연구에서는 고려하지 않았다.
의 화학 반응에 대한 모델은 Westbrook와 Dryer[9], Hautman[10], Stephen[11] 등의 관계식을 사용하였다. 또한 본 연구에서는 예혼합 연소 시 발생되는 NOx 해석을 위해 열적 및 연료 NOx 발생에 대한 다음과 같은 화학반응식들을 고려하였고[11,12], 단 화염대 전면에서 빠르게 생성되는 급속 NOx (prompt NOx)는 연료의 확산 및 화염 거동에 대한 열유동 계산이 필요하므로[3,11] 화학평형을 통한 예혼합 연소현상을 대상으로 삼은 본 연구에서는 고려하지 않았다.
그러므로 본 연구에서는 석탄 합성가스의 연소 및 NOx 발생특성을 열화학적 해석방법을 이용하여 규명하였다. 서로 다른 조성을 가지는 합성가스들에 대해 공기/연료비 조건에 따른 연소, 열적 및 연료 NOx 발생 특성을 규명하였고, 합성가스 중 CH4 및 NH3 성분이 NOx 발생에 미치는 상호적인 영향도 검토하였다. 그리고 예측된 결과들을 토대로, 가스터빈 연소기의 저 NOx 설계를 위한 방향 및 기준을 제시하였다.
이론/모형
열화학적 평형계산은 STANJAN 프로그램[8]을 이용하였고, 본 해석을 위해 연소계산은 가연성 성분인 CO, H2 , CH4에 대해 수행하였고, 이때 CH4, CO 및 H2의 화학 반응에 대한 모델은 Westbrook와 Dryer[9], Hautman[10], Stephen[11] 등의 관계식을 사용하였다. 또한 본 연구에서는 예혼합 연소 시 발생되는 NOx 해석을 위해 열적 및 연료 NOx 발생에 대한 다음과 같은 화학반응식들을 고려하였고[11,12], 단 화염대 전면에서 빠르게 생성되는 급속 NOx (prompt NOx)는 연료의 확산 및 화염 거동에 대한 열유동 계산이 필요하므로[3,11] 화학평형을 통한 예혼합 연소현상을 대상으로 삼은 본 연구에서는 고려하지 않았다.
열화학적 평형계산은 STANJAN 프로그램[8]을 이용하였고, 본 해석을 위해 연소계산은 가연성 성분인 CO, H2 , CH4에 대해 수행하였고, 이때 CH4, CO 및 H2의 화학 반응에 대한 모델은 Westbrook와 Dryer[9], Hautman[10], Stephen[ll] 등의 관계식을 사용하였다.
성능/효과
96인 점을 감안하면, NH3로부터 생성되는 NO는 매우 적고 반면에 대부분의 NH3는 중간 생성물인 NH2, NH, HNO나, 이로 인한 H, O 및 OH 같은 역반응 생성물로 변환되어 배출됨을 알 수 있다. 결과적으로 모든 과잉공기비 조건에 대해 NH3에 의한 연료 NOx가 전체 NOx 발생량 중에서 차지하는 비중이 크지 않음을 알 수 있고, 이는 합성가스의 연소 시 발생하는 NOx는 주로 열적 NOx에 의한 것임을 암시한다. 본 연구의 경우는 이론적인 단열 화염온도를 계산하였지만, 실제 연소기의 경우 열손실 및 냉각을 고려하면 이 보다 낮은 화염온도를 유지할 것으로 기대되므로, 이렇게 상대적으로 낮은 화염온도에서 작동되는 실제 연소기의 경우는 열적 NOx가 줄어들어 온도에 덜 민감한 연료 NOx의 기여도가 더 커질 개연성이 존재한다.
96인 점을 감안하면, NH3로부터 생성되는 NO는 매우 적고 반면에 대부분의 NH3는 중간 생성물인 NH2, NH, HNO나, 이로 인한 H, O 및 OH 같은 역반응 생성물로 변환되어 배출됨을 알 수 있다. 결과적으로 모든 과잉공기비 조건에 대해 NH3에 의한 연료 NOx가 전체 NOx 발생량 중에서 차지하는 비중이 크지 않음을 알 수 있고, 이는 합성가스의 연소 시 발생하는 NOx는 주로 열적 NOx에 의한 것임을 암시한다. 본 연구의 경우는 이론적인 단열 화염온도를 계산하였지만, 실제 연소기의 경우 열손실 및 냉각을 고려하면 이 보다 낮은 화염온도를 유지할 것으로 기대되므로, 이렇게 상대적으로 낮은 화염온도에서 작동되는 실제 연소기의 경우는 열적 NOx가 줄어들어 온도에 덜 민감한 연료 NOx의 기여도가 더 커질 개연성이 존재한다.
그림에서 볼 수 있듯이, 합성가스 중의 CO 및 h2 성분이 1보다 적은 과잉공기비 조건에서 미연상태로 배출됨을 알 수 있으며, 공기의 양을 증가시켜도 co 성분은 h2 성분에 비해 상대적으로 연소가 잘 안 되어 과잉공기비 1-4 범위까지 미연성분이 배출됨을 알 수 있다.
Figure 4와 Figure 5는 합성가스 #1, #2의 연소 시 배기가스 중 주요 화학종 성분들의 조성을 보여주고 있다. 그림에서 볼수 있듯이, 합성가스 중의 CO 및 H2 성분이 1보다 적은 과잉공기비 조건에서 미연상태로 배출됨을 알 수 있으며, 공기의 양을 증가시켜도 CO 성분은 H2 성분에 비해 상대적으로 연소가 잘 안되어 과잉공기비 1.4 범위까지 미연성분이 배출됨을 알 수 있다. Figure 6과 Figure 7은 CH4 가 포함된 합성가스 #3, #4의 경우를 보여주고 있으며, 주요 화학종 성분들의 배출특성이 Figure 4와 Figure 5의 결과와 유사한 결과를 보여주고 있으나, 합성가스 중의 CH4 성분은 과잉공기비 조건에 상관없이 모두 연소됨을 알 수 있다.
이러한 결과들로부터, CH4를 포함하는 합성가스는 과잉 공기비가 0.9보다 적은 연소조건에서는 CH4를 포함하지 않은 합성가스에 비해 동일한 공기/연료비 조건하에서 낮은 화염온도의 연소 특성을 보임을 알 수 있다.
이러한 NH3 전환율의 결과는 앞서 살펴본 Figure 9~11의 해석 결과 및 실험적 관찰[13] 과도 매우 잘 일치하고 있다. 이러한 결과들로부터, NH3에 의한 연료 NOx 의 발생은 공기/연료비에 따른 온도 변화보다는 OH, O 등의 농도에 의해 더 크게 좌우됨을 알 수 있다. 식 (1)~(3)에서 볼 수 있듯이, 열적 NOx의 경우 O, OH에 의해 NO 생성을 위한 연쇄 반응이 일어난다.
이러한 NH3 전환율의 결과는 앞서 살펴본 Figure 9~11의 해석 결과 및 실험적 관찰[13] 과도 매우 잘 일치하고 있다. 이러한 결과들로부터, NH3에 의한 연료 NOx 의 발생은 공기/연료비에 따른 온도 변화보다는 OH, O 등의 농도에 의해 더 크게 좌우됨을 알 수 있다. 식 (1)~(3)에서 볼 수 있듯이, 열적 NOx의 경우 O, OH에 의해 NO 생성을 위한 연쇄 반응이 일어난다.
Figure 6과 Figure 7은 CH4 가 포함된 합성가스 #3, #4의 경우를 보여주고 있으며, 주요 화학종 성분들의 배출특성이 Figure 4와 Figure 5의 결과와 유사한 결과를 보여주고 있으나, 합성가스 중의 CH4 성분은 과잉공기비 조건에 상관없이 모두 연소됨을 알 수 있다. 이러한 결과들로부터, 연료에 비해 상대적으로 공기가 부족한 경우에는 합성가스 중의 CO 와 CH4 성분이 산화되기 위해서 산소를 차지하기 위한 경쟁을 벌이며, CH4가 CO에 비해 산화반응이 쉽게 일어나므로 일부의 CO는 공기가 충분히 공급될 때 까지 미연 상태로 배출되는 것으로 판단된다.
Figure 6과 Figure 7은 CH4 가 포함된 합성가스 #3, #4의 경우를 보여주고 있으며, 주요 화학종 성분들의 배출특성이 Figure 4와 Figure 5의 결과와 유사한 결과를 보여주고 있으나, 합성가스 중의 CH4 성분은 과잉공기비 조건에 상관없이 모두 연소됨을 알 수 있다. 이러한 결과들로부터, 연료에 비해 상대적으로 공기가 부족한 경우에는 합성가스 중의 CO 와 CH4 성분이 산화되기 위해서 산소를 차지하기 위한 경쟁을 벌이며, CH4가 CO에 비해 산화반응이 쉽게 일어나므로 일부의 CO는 공기가 충분히 공급될 때 까지 미연 상태로 배출되는 것으로 판단된다.
후속연구
또한 낮은 과잉공기비 조건에서 CH4 성분의 증가는 NHy의 산화 및 NOx로의 전환을 억제하고, 더 나아가 NOx 발생량의 감소를 야기한다. 본 연구를 통해 얻어진 해석결과들은 IGCC용 가스터빈 연소기의 저 NOx설계를 위한 기초적인 자료로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.감 人F본 연구는 에너지관리공단과 한국전력이 지원하는 “가스화기 운전조건별 연료/슬래그의 특성평가 및 합성가스의 연소특성 해석” 과제의 일환으로 이루어졌으며, 이에 관계자들께 감사드립니다.
또한 낮은 과잉공기비 조건에서 CH4 성분의 증가는 NHy의 산화 및 NOx로의 전환을 억제하고, 더 나아가 NOx 발생량의 감소를 야기한다. 본 연구를 통해 얻어진 해석결과들은 IGCC용 가스터빈 연소기의 저 NOx설계를 위한 기초적인 자료로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.감 人F본 연구는 에너지관리공단과 한국전력이 지원하는 “가스화기 운전조건별 연료/슬래그의 특성평가 및 합성가스의 연소특성 해석” 과제의 일환으로 이루어졌으며, 이에 관계자들께 감사드립니다.
또한, Figure 1 과 식 (4)~(15)에서 볼 수 있듯이, 연료 NOx의 경우도 NH3가 분해되어 NH2, NH, HNO같은 중간화합물로 진행되고 최종적으로 NO가 되는 반응들에 있어서도 OH, O의 존재가 필수 불가결하므로, 이러한 이유로 충분한 OH, O를 제공해 줄 수 있는 공기과잉 조건에서는, 화염온도가 저하됨에도 불구하고, NH3 전환율은 여전히 100 %를 유지함을 알 수 있다. 앞서의 결과들로부터, NH3를 포함하는 합성가스를 사용하는 가스터빈연소기의 경우 버너 설계 시 공기희박 조건으로 설계하는 것이 연료 NOx를 줄이는 데 바림직한 것으로 판단되며, 이때 그 조건에서 화염안정성에 대한 고려가 수반될 필요가 있다[13].
또한, Figure 1 과 식 (4)~(15)에서 볼 수 있듯이, 연료 NOx의 경우도 NH3가 분해되어 NH2, NH, HNO같은 중간화합물로 진행되고 최종적으로 NO가 되는 반응들에 있어서도 OH, O의 존재가 필수 불가결하므로, 이러한 이유로 충분한 OH, O를 제공해 줄 수 있는 공기과잉 조건에서는, 화염온도가 저하됨에도 불구하고, NH3 전환율은 여전히 100 %를 유지함을 알 수 있다. 앞서의 결과들로부터, NH3를 포함하는 합성가스를 사용하는 가스터빈연소기의 경우 버너 설계 시 공기희박 조건으로 설계하는 것이 연료 NOx를 줄이는 데 바림직한 것으로 판단되며, 이때 그 조건에서 화염안정성에 대한 고려가 수반될 필요가 있다[13].
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