EV double cone 버너를 장착한 스월 예혼합 연소기를 대상으로 LES 수치기법을 적용하여 연소기내의 유동 현상과 연료/공기 혼합, 화염 거동에 대해 조사하였고, 공연비와 압력 변화에 따른 NOx, CO 농도 변화를 예측하였다. 버너에서 발생한 강한 스월로 인해 재순환 영역이 발생하였으며, 희박 예혼합 화염은 버너 출구부터 형성되어 0.2 m 이내에 존재하는 것으로 나타났다. 상압, 공연비 38.7인 해석 조건에서 NOx 발생량은 연소기 출구에서 0.59 ppm으로 예측되었고, CO는 화염면에서 다량 생성되나 출구로 갈수록 급격히 산화되어 출구에서 5.25 ppm으로 낮게 예측되었다. 또한, NOx 배출량은 공연비가 높아질수록, 압력이 감소할수록 줄어드는 것으로 나타났다. 설계 변경을 통해 다양한 연료 공급 형태에서의 NOx 배출 특성을 조사하였으며, 5 lance-hole 분사의 경우 가장 적은 NOx 배출 특성을 보였다.
EV double cone 버너를 장착한 스월 예혼합 연소기를 대상으로 LES 수치기법을 적용하여 연소기내의 유동 현상과 연료/공기 혼합, 화염 거동에 대해 조사하였고, 공연비와 압력 변화에 따른 NOx, CO 농도 변화를 예측하였다. 버너에서 발생한 강한 스월로 인해 재순환 영역이 발생하였으며, 희박 예혼합 화염은 버너 출구부터 형성되어 0.2 m 이내에 존재하는 것으로 나타났다. 상압, 공연비 38.7인 해석 조건에서 NOx 발생량은 연소기 출구에서 0.59 ppm으로 예측되었고, CO는 화염면에서 다량 생성되나 출구로 갈수록 급격히 산화되어 출구에서 5.25 ppm으로 낮게 예측되었다. 또한, NOx 배출량은 공연비가 높아질수록, 압력이 감소할수록 줄어드는 것으로 나타났다. 설계 변경을 통해 다양한 연료 공급 형태에서의 NOx 배출 특성을 조사하였으며, 5 lance-hole 분사의 경우 가장 적은 NOx 배출 특성을 보였다.
The flow field, fuel-air mixing, and behaviors of turbulent flames have been investigated using the large eddy simulation (LES) numerical technique in a premixed swirl combustor equipped with EV double cone burners. Recirculation zones are generated by the swirl burner, and lean premixed flames are ...
The flow field, fuel-air mixing, and behaviors of turbulent flames have been investigated using the large eddy simulation (LES) numerical technique in a premixed swirl combustor equipped with EV double cone burners. Recirculation zones are generated by the swirl burner, and lean premixed flames are formed within a distance of 0.2 m from the tip of the burner. NOx emission of 0.46 ppm is predicted at 1 atm and an air/fuel ratio of 38.7. However, most of the CO generated in a flame front continues to be oxidized as it moves toward the exit, and CO emission of 5.45 ppm is predicted at the exit. The NOx emission can be reduced by decreasing the pressure and air/fuel ratio. The characteristics of NOx emission have been investigated through RANS simulations for various fuel injection types, and it is found thereby that five-lance-hole injection produces the lowest NOx emission rate.
The flow field, fuel-air mixing, and behaviors of turbulent flames have been investigated using the large eddy simulation (LES) numerical technique in a premixed swirl combustor equipped with EV double cone burners. Recirculation zones are generated by the swirl burner, and lean premixed flames are formed within a distance of 0.2 m from the tip of the burner. NOx emission of 0.46 ppm is predicted at 1 atm and an air/fuel ratio of 38.7. However, most of the CO generated in a flame front continues to be oxidized as it moves toward the exit, and CO emission of 5.45 ppm is predicted at the exit. The NOx emission can be reduced by decreasing the pressure and air/fuel ratio. The characteristics of NOx emission have been investigated through RANS simulations for various fuel injection types, and it is found thereby that five-lance-hole injection produces the lowest NOx emission rate.
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문제 정의
본 결과를 바탕으로 향후에는 NOx를 저감할 수 있는 상세한 설계 변경안을 도출하여 수치해석 및 실험을 통해 검증하고자 한다. 또한, 검증된 설계안을 실제 산업 현장에 적용하고자 한다.
Lance-hole 분사를 이용할 경우 NOx 배출량이 저감된 점은 주목할 만하다. 본 결과를 바탕으로 향후에는 NOx를 저감할 수 있는 상세한 설계 변경안을 도출하여 수치해석 및 실험을 통해 검증하고자 한다. 또한, 검증된 설계안을 실제 산업 현장에 적용하고자 한다.
본 연구에서는 EV 버너로 발생하는 NOx를 저감시키기 위한 1단계 연구로서, LES(Large Eddy Simulation) 수치기법을 적용하여 EV 버너 내부의 평균 및 비정상 유동 현상, 난류화염 거동과 연소특성에 대해 조사하였다. 또한, 당량비 및 작동 압력에 따른 NOx 발생 특성을 예측하였고, NOx를 저감할 수 있는 방안을 모색하고자 버너의 연료 공급 패턴에 따른 NOx 발생 특성을 RANS(ReynoldsAveraged Navier-Stokes) 계산을 통하여 예측하였다.
가설 설정
예혼합 화염에서 화염의 위치는 반응 진행 상수의 등위면(iso-surface)으로 표현한다. 본 연구에서는 반응 진행상수(progress variable) 값으로 0.5인 순간위치를 화염면으로 가정하였고, 개략적인 화염면의 거동을 확인한 결과, 화염면은 Z=0~0.2 m 구간에서 존재하는 것으로 판단된다.
7인 경우는 1600 K으로 계산되었다. 순간 화염 위치는 반응진행상수 0.5인 위치로 가정하였으며, 세 경우 모두 버너의 바깥쪽에 화염이 형성되었다. Fig.
연료, 공기의 유량과 온도 및 압력에 대한 작동 및 경계 조건을 Table 1에 정리하였다. 연소실 벽면에서의 경계조건으로, 외부로의 열 손실을 고려하지 않은 단열조건을 가정하였다.
예혼합 화염 해석을 위해 반응진행상수(reaction progress variable)를 정의하였으며 공간적인 혼합기의 불균일을 고려하기 위하여 혼합분율(mixture fraction)에 대한 방정식을 추가로 고려하였다. 화학 반응에 대한 난류 효과 모델로 2차원 PDF(Probability Density Function)를 이용하였으며, tri-delta 및 top-hat 형상의 PDF를 반응진행상수와 혼합분율에 대해 가정하여 각각의 분산(variance)에 대한 이송 방정식을 계산하였다.(7)
제안 방법
1기압, 공연비 47.5 조건의 LES 결과로 버너와 연소기 내부의 유동 특성을 조사하였다.
EV double cone 버너에 대한 LES 연소 해석을 수행하여 유동 특성, 온도분포, NOx 및 CO 배출량 특성에 대해 분석하였고, 당량비와 압력 변화의 효과를 비교 분석하였다. 또한 화염 형상의 시간에 따른 변화를 예측하였으며, 평균 화염이 존재하는 위치를 예측하였다.
LNG의 주성분인 CH4를 연료로 선택하였으며, 연료와 산화제의 연소 반응으로 1단계 화학반응(1-step global reaction)을 채택하였다. 이때 화학반응률은 아래의 식 (6)에 의해 계산된다.
공연비 효과를 분석하기 위해 1기압에서 두 가지 공연비 38.7과 47.5 조건에 대해 계산을 수행하였다. 또한, 압력효과를 보기 위해서 공연비 38.
다양한 연료 공급 형태에서 NOx 배출 특성을 조사하였다. 64개(양쪽에 32개씩)의 연료 홀에서 균일하게 연료를 공급하고 5 lance-hole 분사의 경우 가장 작은 NOx 배출 특성을 보였으며, 1~8번 홀을 막은 경우 가장 많은 NOx 발생 특성을 보였다.
이를 위하여 기존의 연료 공급 홀(64개)을 국부적으로 개폐 시는 설계 변경을 통하여 연료의 혼합 특성 및 NOx 발생 특성을 조사하였다. 또한 버너의 중심부에서 일부의 연료를 분사(lance injection)시킨 경우에 대하여 혼합 특성 및 NOx 발생 특성을 P 살펴보았다. 각 설계 변경의 경우를 Table 2에 나타내었다.
EV double cone 버너에 대한 LES 연소 해석을 수행하여 유동 특성, 온도분포, NOx 및 CO 배출량 특성에 대해 분석하였고, 당량비와 압력 변화의 효과를 비교 분석하였다. 또한 화염 형상의 시간에 따른 변화를 예측하였으며, 평균 화염이 존재하는 위치를 예측하였다. 버너의 설계 변경을 통하여 연료 공급 패턴에 따른 NOx 발생 특성을 RANS 연소 해석을 통해 예측하였다.
본 연구에서는 EV 버너로 발생하는 NOx를 저감시키기 위한 1단계 연구로서, LES(Large Eddy Simulation) 수치기법을 적용하여 EV 버너 내부의 평균 및 비정상 유동 현상, 난류화염 거동과 연소특성에 대해 조사하였다. 또한, 당량비 및 작동 압력에 따른 NOx 발생 특성을 예측하였고, NOx를 저감할 수 있는 방안을 모색하고자 버너의 연료 공급 패턴에 따른 NOx 발생 특성을 RANS(ReynoldsAveraged Navier-Stokes) 계산을 통하여 예측하였다.
5 조건에 대해 계산을 수행하였다. 또한, 압력효과를 보기 위해서 공연비 38.7에 대해 두 가지 압력, 1기압과 12.4기압 조건에 대한 계산을 수행하였다.
반응에 따른 중간 생성물을 고려하기 위하여 H, O, OH, H2, CO에 대한 부분평형 가정을 동시에 고려하였고, 계산된 평형 값으로부터 CO의 농도를 계산하였다. 또한, 확장 Zeldovich mechanism를 고려한 thermal NOx와 Prompt NOx를 계산하였다.(8)
이때 화학반응률은 아래의 식 (6)에 의해 계산된다. 반응에 따른 중간 생성물을 고려하기 위하여 H, O, OH, H2, CO에 대한 부분평형 가정을 동시에 고려하였고, 계산된 평형 값으로부터 CO의 농도를 계산하였다. 또한, 확장 Zeldovich mechanism를 고려한 thermal NOx와 Prompt NOx를 계산하였다.
또한 화염 형상의 시간에 따른 변화를 예측하였으며, 평균 화염이 존재하는 위치를 예측하였다. 버너의 설계 변경을 통하여 연료 공급 패턴에 따른 NOx 발생 특성을 RANS 연소 해석을 통해 예측하였다.
본 연구에서는 연속방적식, 운동량 방정식, 에너지 방정식과 화학종 방성식의 풀이를 통해 반응 유동장을 모사하였다.(6) NOx 저감 방안을 모색하기 위한 계산과 과도상태 계산의 초기값으로 사용하기 위한 정상상태 계산에서는 난류 모델로 RANS k-ε모델을 사용하였고, LES 모델의 아격자 모델(sub-grid scale model)로는 localized dynamic model을 사용하였다.
예혼합 화염 해석을 위해 반응진행상수(reaction progress variable)를 정의하였으며 공간적인 혼합기의 불균일을 고려하기 위하여 혼합분율(mixture fraction)에 대한 방정식을 추가로 고려하였다. 화학 반응에 대한 난류 효과 모델로 2차원 PDF(Probability Density Function)를 이용하였으며, tri-delta 및 top-hat 형상의 PDF를 반응진행상수와 혼합분율에 대해 가정하여 각각의 분산(variance)에 대한 이송 방정식을 계산하였다.
NOx의 저감을 위해서는, 국부적으로 당량비가 높은 영역에서 연소가 발생하여 화염온도가 높아지는 열점(hot spot)을 줄여야 하기 때문에, 연료와 공기의 혼합 성능을 높여야 한다. 이를 위하여 기존의 연료 공급 홀(64개)을 국부적으로 개폐 시는 설계 변경을 통하여 연료의 혼합 특성 및 NOx 발생 특성을 조사하였다. 또한 버너의 중심부에서 일부의 연료를 분사(lance injection)시킨 경우에 대하여 혼합 특성 및 NOx 발생 특성을 P 살펴보았다.
LES 계산에서 NOx와 CO의 평균 발생량을 예측하기 위해서는 유동이 2~3회 연소기 출구를 빠져나가는 충분히 긴 시간동안 배기가스 발생량을 평균해야 한다. 하지만 이러한 평균을 계산하기 위해서는 상당히 많은 시간이 소요되므로, 이를 대신하여 본 연구에서는 연소기 내부 유동 진행 방향으로 3개의 위치를 선정하여 해당 위치에서의 배기가스 농도를 계산하였다. 버너 출구로부터 0.
해석은 공연비(air/fuel ratio) 47.5와 38.7인 두 가지 경우에 대하여 수행하였고, 압력에 따른 NOx 배출량을 조사하기 위해 공연비 38.7인 작동 조건에 대하여 연소실 압력 1 atm, 12.4 atm의 경우를 LES로 해석하였다.
대상 데이터
1의 (a)와 같다. 전체 연소실 길이는 2.3 m이며 내부 직경은 0.34 m로 설계되었다. 예열되어 공급되는 공기는 75 mm 직경의 12개 홀을 가지는 격벽을 통과한 후 버너의 좌우측 slit을 통해서 균일하게 공급된다.
해석 대상인 EV 버너는 double cone 형태로 설계되어 있으며 좌우 slit을 통해 공기가 스월을 형성하며 버너 내부로 유입된다. 버너의 좌우 slit 근처에 직경 1.
LES 계산은 RANS 계산 결과를 초기 조건으로 계산을 진행하더라도 과도 현상이 나타나기 시작하여 출구까지 유동이 한 번 빠져 나가기까지 상당한 계산 시간이 소요된다. 해석에 사용된 격자는 비정렬격자(unstructured grid)이며, 약 2,300,000개의 격자를 사용하였다. 격자 생성을 위하여 CFD-GEOM 프로그램(9)을 사용하였으며, 연소 해석을 위해 FVM(Finite Volume Method) 기반의 다중물리 현상 해석 프로그램인 CFD-ACE(10)를 solver로 사용하였다.
데이터처리
해석에 사용된 격자는 비정렬격자(unstructured grid)이며, 약 2,300,000개의 격자를 사용하였다. 격자 생성을 위하여 CFD-GEOM 프로그램(9)을 사용하였으며, 연소 해석을 위해 FVM(Finite Volume Method) 기반의 다중물리 현상 해석 프로그램인 CFD-ACE(10)를 solver로 사용하였다.
이론/모형
(6) NOx 저감 방안을 모색하기 위한 계산과 과도상태 계산의 초기값으로 사용하기 위한 정상상태 계산에서는 난류 모델로 RANS k-ε모델을 사용하였고, LES 모델의 아격자 모델(sub-grid scale model)로는 localized dynamic model을 사용하였다.
성능/효과
다양한 연료 공급 형태에서 NOx 배출 특성을 조사하였다. 64개(양쪽에 32개씩)의 연료 홀에서 균일하게 연료를 공급하고 5 lance-hole 분사의 경우 가장 작은 NOx 배출 특성을 보였으며, 1~8번 홀을 막은 경우 가장 많은 NOx 발생 특성을 보였다. Lance-hole 분사를 이용할 경우 NOx 배출량이 저감된 점은 주목할 만하다.
이 시점에, NOx 량은 연소기 출구로 진행하는 동안 농도 변화가 거의 없었다. NOx와 달리 CO는 화염면 근처에서 다량 발생하나 출구로 진행하는 동안 대부분 산화되어 농도가 급격히낮아지는 특성을 보였으며, 출구에서 약 2.45 ppm 정도로 나타났다.
그러나 예혼합 화염에서의 질소산화물 생성은 혼합기 조성 및 난류 강도에 의해 결정되는 난류 연소 속도에 의해 지배되기 때문에 확산 혼합과정에 의해 지배되는 비예혼합 화염과는 달리 연소실 내의 유동 변화에 매우 민감하게 응답한다. 그 결과 화염은 매우 불규칙한 거동을 보이며, 부적절한 운전으로 인하여 연소기 내부의 소음, 과도한 압력파 및 열전달을 발생시켜 성능 저하 및 연소기의 파손을 일으키는 연소 불안정성을 초래할 수 있다.
초기 화염면에서 2000 ppm 이상의 CO가 발생하나 연소기 내 체류 시간동안 대부분 산화되어 연소기 출구에서 세 가지 해석조건 모두 6 ppm 이하의 낮은 CO 농도가 예측되었다. 동일 압력에서 공연비가 높을수록 CO 발생이 낮게 예측되었으며, 압력이 높을 경우 CO량이 감소하였다. 이는 기존에 알려진 이론적 사실과 잘 부합한다.
공연비가 높을수록 당량비가 낮아지므로 화염이 두꺼워지는 것으로 판단된다. 동일한 공연비 38.7에 대해 압력 조건을 달리하여 계산한 결과, 압력의 변화는 화염 온도에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
6 m 가량으로 확인되었다. 또한, 버너 출구 부분과 연소기의 내벽 사이 영역에서 2차 재순환 영역이 형성되는 것으로 나타났다. 선회도(swirl number)는 각운동량을 버너 출구의 직경과 축방향 추력으로 나눈 값으로 다음의 식과 같이 정의된다.
모든 계산 결과에서 버너 중심에 강한 재순환 영역이 발생한 것으로 나타났으며, 그 길이는 버너 출구로부터 0.5 m 내외이나, Fig. 7에서 보듯 조건에 따라 다소 차이가 있다. 버너 이후의 연소실 내부 유동은 화염 위치 및 열 방출률(heat release rate)의 영향으로 조건에 따라 다른 특성을 보이나, 버너 내부의 특성은 조건에 따라 크게 달라지지 않았다.
12에 나타내었다. 수치 해석과 실험 결과사이의 NOx 발생량은 약 4배 정도 차이를 보이지만 정성적인 경향성은 유사하게 나타났다. 따라서, 의도했던 대로 수치해석을 통해 설계 변경의 방향성을 잡을 수 있다고 판단된다.
즉, 버너 출구 부분의 유동은 약 0.78 정도의 선회도를 갖는 스월을 형성하여 일부는 연소실 내벽에 고속으로 충돌하는 경향을 보이며, 다른 일부는 나선형으로 회전하며 출구로 진행하는 양상을 보였다.
31 ppm 정도의 NOx 발생량을 보였다. 즉, 일정한 공연비에서, 고압일 때 상압에 비하여 NOx 발생량이 증가하였다. 일반적으로 일정한 당량비에서, 압력이 증가할수록 NOx 발생이 증가하는 것으로 알려져 있으며, 이는 화염 온도가 높은 경우에 적용된다.
후속연구
59 ppm 이하의 낮은 NOx 농도를 보였다. 고압의 경우 상압에 비해 NOx 발생이 증가하는 특성을 보였으며, 이에 대한 실험적 검증이 추가적으로 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
예혼합 화염에서의 질소산화물 생성은 어떤 조건에 지배받는가?
(1~3) 일반적으로 희박 예혼합 화염은, 연료와 공기를 균질하게 예혼합시켜 국부적인 이론 당량비 근처 조건의 연소를 피함으로써 희박한 연료 조건에서 낮은 화염 온도를 나타내므로 thermal NOx 생성을 억제하는 장점을 가지고 있다. 그러나 예혼합 화염에서의 질소산화물 생성은 혼합기 조성 및 난류 강도에 의해 결정되는 난류 연소 속도에 의해 지배되기 때문에 확산 혼합과정에 의해 지배되는 비예혼합 화염과는 달리 연소실 내의 유동 변화에 매우 민감하게 응답한다. 그 결과 화염은 매우 불규칙한 거동을 보이며, 부적절한 운전으로 인하여 연소기 내부의 소음, 과도한 압력파 및 열전달을 발생시켜 성능 저하 및 연소기의 파손을 일으키는 연소 불안정성을 초래할 수 있다.
희박 예혼합 화염의 장점은 무엇인가?
최근 환경 규제가 강화됨에 따라 가스터빈 및 버너 등 대부분의 실용 연소기에 희박 예혼합 연소 방식의 적용이 활발히 시도되고 있다.(1~3) 일반적으로 희박 예혼합 화염은, 연료와 공기를 균질하게 예혼합시켜 국부적인 이론 당량비 근처 조건의 연소를 피함으로써 희박한 연료 조건에서 낮은 화염 온도를 나타내므로 thermal NOx 생성을 억제하는 장점을 가지고 있다. 그러나 예혼합 화염에서의 질소산화물 생성은 혼합기 조성 및 난류 강도에 의해 결정되는 난류 연소 속도에 의해 지배되기 때문에 확산 혼합과정에 의해 지배되는 비예혼합 화염과는 달리 연소실 내의 유동 변화에 매우 민감하게 응답한다.
예혼합 화염의 화염특성은 어떠한가?
그러나 예혼합 화염에서의 질소산화물 생성은 혼합기 조성 및 난류 강도에 의해 결정되는 난류 연소 속도에 의해 지배되기 때문에 확산 혼합과정에 의해 지배되는 비예혼합 화염과는 달리 연소실 내의 유동 변화에 매우 민감하게 응답한다. 그 결과 화염은 매우 불규칙한 거동을 보이며, 부적절한 운전으로 인하여 연소기 내부의 소음, 과도한 압력파 및 열전달을 발생시켜 성능 저하 및 연소기의 파손을 일으키는 연소 불안정성을 초래할 수 있다.
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Son, M. G,. 2001, "The Low NOx characteristics of a Lean Premixed Gas Turbine Combustor," KSME spring conference, pp. 66-70.
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