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스월 예혼합 버너의 유동 및 연소특성에 관한 수치적 연구
Numerical Study on the Flow and Combustion Characteristics in Swirl-Premix Burners 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.36 no.1 = no.316, 2012년, pp.103 - 110  

임준석 (세종대학교 기계공학과) ,  이종혁 (경원 ENC) ,  백광민 (세종대학교 기계공학과) ,  조주형 (한국기계연구원) ,  김한석 (한국기계연구원) ,  손채훈 (세종대학교 기계공학과)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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 ...

주제어

AI 본문요약
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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)
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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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참고문헌 (11)

  1. Peter, F., Martin, Z., Rudolf L., Stefano, B. and Christian, M., 2007, "Development and Design of Alstom's Staged Fuel Gas Injection EV Burner for NOx Reduction," ASME Turbo Expo, GT2007-27730. 

  2. Fernando, B. and Felic, G., 2007, "Effect of Pressure and Fuel-Air Unmixedness on NOx Emissions from Industrial Gas Turbine Burners," Combustion and Flame, Vol. 151, pp. 274-288. 

  3. Yu, J. H., Kim, B. G. and Chang, Y. J., 2008, "LES Modeling Study on the Characteristics of NOx Emissions in a Lean Premixed Combustor implementing LES Model," KSME spring conference, pp. 381-386 

  4. Son, M. G,. 2001, "The Low NOx characteristics of a Lean Premixed Gas Turbine Combustor," KSME spring conference, pp. 66-70. 

  5. Paschereit, C. O., Schuermans, B. and Buche, D., 2003, "Combustion Process Optimization Using Eveolutionary Algorithm," ASME Turbo Expo, GT-38393 

  6. Linan, A. and Williams, F. A., 1993, "Fundamental Aspects of Combustion," Oxford University Press, pp. 9-13. 

  7. Bengtsson, K. U. M., Benz, P., Scharen, R. and Frouzakis, C. E., 1998, "NyOx formation in lean premixed combustion of methane in a high-pressure jet-stirred reactor," Symposium (International) on Combustion, Volume 27, pp 133-139. 

  8. Turns, S. R., 2000, "An Introduction to Combustion," Mc-Graw Hill, pp. 472-507. 

  9. CFD-GEOM User's manual V2009, 2009, ESI Group. 

  10. CFD-ACE User's manual V2009, 2009, ESI Group. 

  11. Lefebrvre, A. H, 1999, Gas Turbine Combustion, Taylor & Francis, pp 127-128. 

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