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논문 상세정보

관류보일러 연소실에서 비예혼합 VIStA 버너의 연소 특성

Combustion Characteristics of Non-premixed VIStA Burner in Once-Through-Type Boiler

초록

본 연구에서는 VIStA(Vortex Inertial Staged Air) 버너를 개조하여 관류보일러에 적용하였다. 개조는 크게 2가지 부분에서 이루어 졌는데, 먼저 원형에서 채택한 예혼합 연소 방식을 사용상 편의와 안전을 위해 비예혼합방식으로 변경하였다. 연소 방식의 변경에 따라 공기 1차, 2차에 별도의 송풍기를 사용하던 공급 방식도 변경하여 본 연구에서는 하나의 송풍기로부터 공기를 공급받아 댐퍼를 통하여 1, 2차 연소실에 분할하여 공기를 공급하도록 하였다. 본 연구에서는 질소 산화물(NOx)의 생성을 억제하는 최적의 운전 조건을 찾기 위하여 전체 공기비 및 1, 2차 연소실로의 공기 분배 비율에 따른 NOx 생성 특성을 관찰하였다. 본 연구에서 산업용 보일러에 적용하기 위해 개조한 비예혼합 방식의 VIStA 버너를 설치한 결과, 기존의 일반 버너에 비해 균일한 화염을 얻었고 질소 산화물을 최대 20%까지 줄일 수 있는 것을 확인하였다.

Abstract

A modified VIStA (vortex inertial staged air) burner was developed and used in a once-through-type boiler. For safety, the combustion in this burner is of the non-premixed type. An air damper is installed to control the distribution of air to each combustion chamber. The effects of the air-fuel ratio and air distribution on NOx formation were investigated. The newly modified VIStA burner gives NOx reduction effect by maximum 20% in the combustion chamber of a boiler, while it yields more uniform flame than the conventional burner.

질의응답 

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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
연소 과정에서 발생하는 NOx를 억제하는 방법
연소 과정에서 발생하는 NOx를 억제하는 방법인 다단연소, 배가스 재순환 등의 방법의 문제점은 무엇인가?
배가스를 후처리하여 NOx를 제거하는 방식에 비하여 추가 비용은 적지만 NOx 발생량의 20~50%정도만 저감할 수 있고 경우에 따라서는 시스템의 열효율을 저해하는 문제점을 안고 있다

연소 과정에서 발생하는 NOx를 억제하는 방법으로는 다단(Staged) 연소, 배가스 재순환(EGR: exhaust gas recirculation) 등의 방법이 개발되어 왔다.(1,2) 이러한 기술들은 배가스를 후처리하여 NOx를 제거하는 방식에 비하여 추가 비용은 적지만 NOx 발생량의 20~50%정도만 저감할 수 있고 경우에 따라서는 시스템의 열효율을 저해하는 문제점을 안고 있다.(3)

VIStA 버너의 주요 적용처
미국 DOE의 보고서에서 VIStA 버너의 주요 적용처로 제시된 곳은 어디인가?
산업용 보일러 및 공업로

미국 DOE의 보고서에서는 VIStA 버너의 주요 적용처로 산업용 보일러 및 공업로를 제시하고 있으며(3) 본 연구에서는 이를 산업용 보일러에 적용하였다. 이를 위해 본 연구에서는 먼저 안전및 특허 문제를 해결하고, 실제 운전에 있어서 제어의 편의성을 높이기 위하여 VIStA 버너를 개조, 설계를 수행하였다.

비예혼합 방식을 채택한 VIStA 버너를 관류보 일러에 적용, 연소 특성을 관찰
본 연구에서 비예혼합 방식을 채택한 VIStA 버너를 관류보 일러에 적용, 연소 특성을 관찰하여 얻은 결론은 무엇인가?
(1) VIStA 버너의 1단 연소실에 일정 수준 이상의 과농 조건을 형성함으로써 10 ppm 수준의 CO가 발생하지만 NOx 생성을 억제할 수 있다.(2) 관류보일러 연소실에 해당하는 VIStA 버너의 2단 연소실에 선회기를 통해 2차공기를 공급 함으로써 화염을 안정화시켜 CO의 생성은 억제할 수 있었으나 NOx 저감효과가 감소하는 결과를 얻었다.(3) 실용적인 목적으로 비예혼합 화염을 채택하 였으나 NOx 저감효과가 발표된 수준에 미치지 못하여 안전과 사용자 편의를 위한 대책이 마련된 예혼합 방식의 연소기를 현재 개발 중이다.

(1) VIStA 버너의 1단 연소실에 일정 수준 이상의 과농 조건을 형성함으로써 10 ppm 수준의 CO가 발생하지만 NOx 생성을 억제할 수 있다. (2) 관류보일러 연소실에 해당하는 VIStA 버너의 2단 연소실에 선회기를 통해 2차공기를 공급 함으로써 화염을 안정화시켜 CO의 생성은 억제할 수 있었으나 NOx 저감효과가 감소하는 결과를 얻었다. (3) 실용적인 목적으로 비예혼합 화염을 채택하 였으나 NOx 저감효과가 발표된 수준에 미치지 못하여 안전과 사용자 편의를 위한 대책이 마련된 예혼합 방식의 연소기를 현재 개발 중이다.

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참고문헌 (7)

  1. 1. 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. 

    인용 구절

    연소 과정에서 발생하는 NOx를 억제하는 방법으로는 다단(Staged) 연소, 배가스 재순환(EGR: exhaust gas recirculation) 등의 방법이 개발되어 왔다.(1,2)

    하나의 유동방향 단면에서 과농 영역과 희박 영역을 형성하게 하는 일반적인 다단 연소(1,2)와 달리 VIStA 버너는 2개의 연소실을 직렬로 연결하여 각각 과농 및 희박 연소가 이루어지도록(3,4) 고안되었다(Fig. 1(a)). 과농 조건이 형성된 상류 측에 위치한 1단 연소실에서는 접선방향 으로 설치된 포트를 통해 예혼합 가스를 공급하여 선회류를 발생시킴으로써 혼합을 촉진함(3,4)과 동시에 반경방향으로 발생하는 압력구배를 이용하여 추가적인 동력장치 없이 연소가스 재순환이 이루어지도록 하고 있다.(3)

  2. 2. Chung, J. D., Han, J. W. and Ahn, K. Y., 2004, "An Experimental Study on the NOx Formation of LNG Flame in Fuel Staged Combustor," Trans. of the KSME (B), Vol. 28 No. 4, pp.389-394. 

    인용 구절

    연소 과정에서 발생하는 NOx를 억제하는 방법으로는 다단(Staged) 연소, 배가스 재순환(EGR: exhaust gas recirculation) 등의 방법이 개발되어 왔다.(1,2)

    하나의 유동방향 단면에서 과농 영역과 희박 영역을 형성하게 하는 일반적인 다단 연소(1,2)와 달리 VIStA 버너는 2개의 연소실을 직렬로 연결하여 각각 과농 및 희박 연소가 이루어지도록(3,4) 고안되었다(Fig. 1(a)). 과농 조건이 형성된 상류 측에 위치한 1단 연소실에서는 접선방향 으로 설치된 포트를 통해 예혼합 가스를 공급하여 선회류를 발생시킴으로써 혼합을 촉진함(3,4)과 동시에 반경방향으로 발생하는 압력구배를 이용하여 추가적인 동력장치 없이 연소가스 재순환이 이루어지도록 하고 있다.(3)

  3. 3. McClaine A. W., 2000, "Low NOx Burner Development Program," U.S. DOE Report, DOE/ID/13470-16. 

    인용 구절

    이러한 기술들은 배가스를 후처리하여 NOx를 제거하는 방식에 비하여 추가 비용은 적지만 NOx 발생량의 20~50%정도만 저감할 수 있고 경우에 따라서는 시스템의 열효율을 저해하는 문제점을 안고 있다.(3)

    1996년에서 2000년까지 4년에 걸쳐 미국 DOE (Department of Energy)의 지원으로 진행된 저 NOx 개발 프로그램의 보고서에는 두 방식을 조합하여 구성한 VIStA (Vortex Inertial Staged Air) 버너를 결과물로서 제안하고 있다.(3)

    하나의 유동방향 단면에서 과농 영역과 희박 영역을 형성하게 하는 일반적인 다단 연소(1,2)와 달리 VIStA 버너는 2개의 연소실을 직렬로 연결하여 각각 과농 및 희박 연소가 이루어지도록(3,4) 고안되었다(Fig. 1(a)). 과농 조건이 형성된 상류 측에 위치한 1단 연소실에서는 접선방향 으로 설치된 포트를 통해 예혼합 가스를 공급하여 선회류를 발생시킴으로써 혼합을 촉진함(3,4)과 동시에 반경방향으로 발생하는 압력구배를 이용하여 추가적인 동력장치 없이 연소가스 재순환이 이루어지도록 하고 있다.(3)

    과농 조건이 형성된 상류 측에 위치한 1단 연소실에서는 접선방향 으로 설치된 포트를 통해 예혼합 가스를 공급하여 선회류를 발생시킴으로써 혼합을 촉진함(3,4)과 동시에 반경방향으로 발생하는 압력구배를 이용하여 추가적인 동력장치 없이 연소가스 재순환이 이루어지도록 하고 있다.(3)

    1 VIStA (Vortex Inertial Staged Air) Burner; (a) original schematic(3) ; (b) streamwise crosssection of the present burner; (c) air-fuel supply port

    미국 DOE의 보고서에서는 VIStA 버너의 주요 적용처로 산업용 보일러 및 공업로를 제시하고 있으며(3) 본 연구에서는 이를 산업용 보일러에 적용하였다.

    특히 1단 연소실에서 선회류를 이용하는 VIStA 버너의 경우 1, 2단의 공기 분배에 따라 각각의 연소실에서의 당량비, 재순 환율, 체류시간 등 연소 특성을 지배하는 변수들이 영향을 받게 된다.(3,6)

    한편 NOx의 경우 비예혼합 방식을 채택하면서 DOE의 보고서(3)에 나타난 30 ppm보다는 높은 60~80 ppm 수준의 NOx가 발생하는 결과를 얻었다.

  4. 4. Jung, W. S., Hwang, C. H., Lee, G. Y and Lee, C. E., 2004, "The Combustion Characteristics of a New Cyclone Jet Hybrid Combustor for Low Pollutant Emission and High Flame Stability," Trans. of KSME (B), Vol. 28, No. 2, pp. 146-153. 

    인용 구절

    하나의 유동방향 단면에서 과농 영역과 희박 영역을 형성하게 하는 일반적인 다단 연소(1,2)와 달리 VIStA 버너는 2개의 연소실을 직렬로 연결하여 각각 과농 및 희박 연소가 이루어지도록(3,4) 고안되었다(Fig. 1(a)). 과농 조건이 형성된 상류 측에 위치한 1단 연소실에서는 접선방향 으로 설치된 포트를 통해 예혼합 가스를 공급하여 선회류를 발생시킴으로써 혼합을 촉진함(3,4)과 동시에 반경방향으로 발생하는 압력구배를 이용하여 추가적인 동력장치 없이 연소가스 재순환이 이루어지도록 하고 있다.(3)

    과농 조건이 형성된 상류 측에 위치한 1단 연소실에서는 접선방향 으로 설치된 포트를 통해 예혼합 가스를 공급하여 선회류를 발생시킴으로써 혼합을 촉진함(3,4)과 동시에 반경방향으로 발생하는 압력구배를 이용하여 추가적인 동력장치 없이 연소가스 재순환이 이루어지도록 하고 있다.(3)

  5. 5. Ahn, J., Kim, J. J. and Kang, S. B., 2009, "Combustion Characteristics of a Staged Burner for a Boiler," Trans. of KSME (B), Vol. 33, No. 10, to appear. 

    인용 구절

    다단 연소를 도입한 새로운 버너를 기존의 보일러에 도입할 경우 연소실 벽면과의 상호 작용으로 화염이 불안정해지거나 연소실 벽면이 국소 적으로 가열되면서 열전달 및 배기 성능에 이상이 발생할 수 있다.(5)

  6. 6. Park, S. W., Jeon, B. I., Yu, T. U. and Hwang, J. H., 2006, "Effect of Swirling Flow by Normal Injection of Secondary Air on the Gas Residence Time and Mixing Characteristics in a Combustor," Trans. of KSME (B), Vol. 30, No. 1, pp. 48-56. 

    인용 구절

    특히 1단 연소실에서 선회류를 이용하는 VIStA 버너의 경우 1, 2단의 공기 분배에 따라 각각의 연소실에서의 당량비, 재순 환율, 체류시간 등 연소 특성을 지배하는 변수들이 영향을 받게 된다.(3,6)

  7. 7. Kim, J. H., Lee, H. Y., Hwang, C. H. and Lee, C. E., 2008, "NOx and CO Emission Characteristics of Premized Oxidizer-staging Combustor Using a Cyclone Flow," Trans. of KOSCO, Vol. 13, No.2, pp. 7-13. 

    인용 구절

    두 번째로 2단 연소실에 공급하는 공기 공급 방식을 본 연구와 함께 수행한 버너에 관한 기초 연구 결과(7)를 바탕으로 변경하였다.

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