[논문]다단 연소 버너의 보일러 연소실에서의 연소 특성

안준; 김종진; 강새별

doi:10.3795/ksme-b.2009.33.10.767

다단 연소 버너의 보일러 연소실에서의 연소 특성
Combustion Characteristics of a Staged Burner for a Boiler 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.33 no.10 = no.289, 2009년, pp.767 - 772

안준 (한국에너지기술연구원) , 김종진 (한국에너지기술연구원) , 강새별 (한국에너지기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

The demand for a boiler with low NOx burner is increasing with the recent strict NOx regulation. Staged burner is a common low NOx burner to suppress the formation of thermal NOx by yielding local fuel rich and lean condition. The staged burner gives fire with bigger frontal area and length compared with a conventional burner, which changes heat transfer characteristics in the combustion chamber. The heat transfer and exhaust gas characteristics have been studied in the present study for a 0.5 t/h class furnace type boiler adopting the staged burner. A numerical simulation has been conducted to clarify the detailed physics inside the combustion chamber.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 일반버너를 기준으로 수립된 표면복사를 이용한 연소실 열설계의 타당성에 대한 검증이 필요하다. 이에 본 연구에서는 수치해석을 수행하여 연소실 내부의 자세한 유동 및 열전달 특성을 파악하고 열설계 자료와 실험을 비교하여 타당성을 검증하였다.

제안 방법

본 연구에서는 저 NOx 버너를 설치한 보일러 연소실에 대한 수치해석을 수행하고 실험결과 및 열설계 결과와 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1과 같이 다단연소 방식의 버너를 채택, 보일러에 적용하였다. 연료를 중심축의 노즐 및 반경방향으로 설치된 9개의 분지관을 통해서 공급하고 공기는 다공판의 구멍 및 바깥 쪽의 환상 공간으로 공급하여 다단연소를 형성하도록 하였다.
연소과정에서 발생하는 열적 NOx를 억제하는 방법으로는 다단연소, 연소가스 재순환, 물 분사 등이 있는데 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 다단연소 방식의 버너를 채택, 보일러에 적용하였다. 연료를 중심축의 노즐 및 반경방향으로 설치된 9개의 분지관을 통해서 공급하고 공기는 다공판의 구멍 및 바깥 쪽의 환상 공간으로 공급하여 다단연소를 형성하도록 하였다.

대상 데이터

2(b)와 같이 전체 연소실의 1/9로 설정하였다. 수치해석은 상용 프로그램인 FLUENT를 사용하였고 격자는 복잡한 버너 형상을 해석하기 위해 사면체와 육면체를 혼합하여 약 12만개를 사용하였다.
실험에는 천연가스를 사용하였으나 수치해석에서는 천연가스의 주성분(몰분율 약 0.885)을 이루는 메탄(CH₄)을 연료로 설정하였다. 화학종은 메탄-공기 2단계 반응을 해석하였고 난류-화학종간의 상호작용은 에디 소산법으로 고려하였다.

이론/모형

난류모형으로는 표준 k-ε모형을 채택하였다.
2가 되도록 입구에서 연료와 산화제 유량을 경계조건으로 부과하였다. 복사열전달은 DO(Discrete Ordinate) 복사 모형으로 해석하였다. 벽면의 온도 경계조건은 버너부분은 단열, 연소실 벽면은 보일러의 작동압력에서의 포화온도보다 약 20℃ 높은 450 K를 부여하였다.
885)을 이루는 메탄(CH₄)을 연료로 설정하였다. 화학종은 메탄-공기 2단계 반응을 해석하였고 난류-화학종간의 상호작용은 에디 소산법으로 고려하였다. 난류모형으로는 표준 k-ε모형을 채택하였다.

성능/효과

(2) 본 연구를 통해 수행한 수치해석 결과를 관계식을 통한 설계값 및 실험결과와 비교하였을 때 연소실 출구온도는 높게 화염충만도는 작게 예측되었다.
4(b), (c)), 재순환 영역에는 산소가 거의 없고 전단층 위쪽으로 분포되는 것을 보아 Fig. 1(a)와 같이 화염의 중심에서는 과농, 주변에서는 희박 연소 조건으로 연소가 이루어지고 있는 것을 확인할 수 있다. CO의 경우에도 과농연소가 이루어지는 전단층 아래쪽을 중심으로 집중적으로 분포 한다.
부하율이 감소할수록 전단층이 짧아지면서 화염이 작아지는 것을 볼 수 있다. 수치해석 결과로는 연소실의 직경이 충분하여 저NOx 버너를 채택하면서 공기연소에 비해 화염의 직경이 증가했음에도 불구하고 연소실 벽면이 국소적으로 과열되는 영역은 발견되지 않았다.

후속연구

(3) 수치해석 결과는 낮은 부하율을 중심으로 실험값과 차이를 보였고 이는 화학반응 및 복사 열전달의 모형화 과정에서 발생한 것으로 판단되며 천연가스에 대한 PDF 모형을 도입한 해석 및 DO 이외의 기체 복사 모형을 도입한 해석을 추후 진행할 예정이다.
6(b)), 실험결과에 비해 수치해석 결과는 부하율 100%일 때 약 30%, 부하율 25%일때는 약 50% 화염의 충만도가 작게 예측되는 것을 볼 수 있다. 천연가스에 비해 순수한 메탄의 경우 배가스의 질량유량이 약 20% 감소하고 단열화염온도가 약 350℃정도 높게 형성 되는 것에 근본적인 이유가 있겠지만 정확한 분석을 위해서는 벽면의 열경계조건 및 복사모형의 영향에 대한 연구가 필요할 것으로 생각된다. 식 (3)으로 예측한 결과의 경우, 화염의 충만도가 단위체적당 흡수열량의 로그값에 비례하므로 부하율이 낮을수록 실험에 가까운 값을 나타낸다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	질소산화물이 주목을 받고 있는 이유는?	최근 대기 환경에 대한 인식이 높아지면서 연소과정에서 발생하는 오염물질에 대한 규제가 강화되고 있다. 규제 대상인 물질 중 질소산화물(NOx)은 산성비의 원인이 될 뿐 아니라 인체에 대한 유해성이 알려지면서 최근 많은 주목을 받고 있다. 연소 과정에서 질소 산화물은 크게 열적 NOx, 연료 NOx, Prompt NOx의 세 가지 메커니즘에 의해 생성되는데 대부분은 고온영역에서 질소가 산화되면서 생성되는 열적 NOx에 해당한다.
	연소 과정에서 질소 산화물은 무엇에 의해 생성되는가?	규제 대상인 물질 중 질소산화물(NOx)은 산성비의 원인이 될 뿐 아니라 인체에 대한 유해성이 알려지면서 최근 많은 주목을 받고 있다. 연소 과정에서 질소 산화물은 크게 열적 NOx, 연료 NOx, Prompt NOx의 세 가지 메커니즘에 의해 생성되는데 대부분은 고온영역에서 질소가 산화되면서 생성되는 열적 NOx에 해당한다.(1~4)

참고문헌 (7)

Cho, E. S., Sung, Y. J. and Chung, S. H., 2003, 'An Experiment on Low NOx Combustion Characteristics in a Multi-Staged Burner,' Trans. of the KSME (B), Vol. 27, No. 1, pp. 32-38

원문보기 상세보기
Kim, H. S., Ahn, K. Y., Baek, S. W. and Yu, M. J., 2001, 'Investigation of NO Formation Characteristics in Multi Staged Air Combustor,' Trans. of the KSME (B), Vol. 25, No. 11, pp. 1594-1605
Chung, J. D., Han, J. W. and Ahn, K. Y., 2001, 'An Experimental study on the NOx Formation of LNG Flame in Fuel Staged Combustor,' Trans. of the KSME (B), pp.161-166

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Nishi, K., Mizuno, H., 1990, 'LGX -Low NOx Burner for a Boiler,' Industrial Heating, pp. 12-18
Ahn, J., Kim, J. J. and Kang, S. B., 2007, 'Heat Transfer Characteristics of 0.5 t/h Class Non-Furnace Boiler,' Proc. of KSME 2007 Fall Annual Meeting, pp. 130-135
Kim, J. J., Ki, H. C. and Kang, S. B., 2007, 'Experimental Study on Thermal Characteristics of Heat Exchanger Modules for Multi Burner Boiler - 100% load,' Proc. of KSME 2007 Fall Annual Meeting, pp. 6-11
Korea Institute of Energy Research, Boiler Thermal Design Manual (1984)

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