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문제 정의
- 본 과제는 2년에 걸쳐 VIStA 버너를 보일러 연소실에 적용하여 전체적인 시스템의 열효율을 확보하면서 보일러 연소실의 연소 조건에서 NOx 및 CO의 배출을 최소화하는 것을 목표로 하였고 제작 및 사용 편의성도 함께 고려하여 연구를 진행하였다. 버너 단독 실험을 수행한 선행 연구를 통해 2차공기를 노즐을 통해 공급할 경우 연소 안정성을 확보하기 어려운 문제점이 제시되었고 이를 선회기를 통해 공급하여 해결한 바 있다.
제안 방법
- (5) 보일러에 적용할 때는 이러한 선행 연구결과를 반영하고 안전성 및 사용편의성을 위해 비예혼합 연소를 도입하여 첫 번째 시제품을 제작하였다.
- 기존 관류 보일러에는 외산(日, 코로나社) 버너가 장착되어 공급되었고(Conventional), 먼저 사용 편의와 안전을 위해 비예혼합 연소를 적용한 VIStA 버너 (Diffusion)가 시도되었다.(6) 비예 혼합 방식의 NOx 저감량이 기대에 미치지 못하여 예혼합 연소방식(Premixed)으로 복원하여 NOx 배출을 줄였고,(7) 마지막으로 본 연구에서는 화염 분할(Controlled)을 통해 추가적인 NOx 저감을 이루었다.
- 기존의 VIStA 버너(Fig. 1(a))에 대하여 모형 버너에 대한 예비 실험 결과와 사용 편의성을 고려하여 2차 공기 공급 부분을 주로 수정하였다. 즉, Fig.
- 급수량, 보일러 출구 및 절탄기 출구 온도를 측정하여 보일러의 효율을 구할 수 있도록 하였다. 1단 연소실과 2단 연소실에서 연소 가스를 실시간으로 성분을 분석하면서 운전 조건을 조절할 수 있도록 실험장치를 구성하였다.
- 원주 방향 가이드 베인은 세 가지 형상을 시도하였다. 가이드 베인의 그림자가 2차 공기 공급부를 모두 덮는 경우(Control 1), Control 1의 1/2 길이인 경우(Control 2) 그리고 가이드 베인 및 선회기를 제거한 경우(Control 3)에 대하여 연소 특성을 파악하였다.
- 관류 보일러는 증발관이 수직으로 설치되고 버너가 보일러 상단에 장착되므로 반대편에 석영 소재의 관측창을 설치하고 바닥에서 높여 설치하여 화염형상을 촬영할 수 있도록 하였다. 급수량, 보일러 출구 및 절탄기 출구 온도를 측정하여 보일러의 효율을 구할 수 있도록 하였다.
- 관류 보일러는 증발관이 수직으로 설치되고 버너가 보일러 상단에 장착되므로 반대편에 석영 소재의 관측창을 설치하고 바닥에서 높여 설치하여 화염형상을 촬영할 수 있도록 하였다. 급수량, 보일러 출구 및 절탄기 출구 온도를 측정하여 보일러의 효율을 구할 수 있도록 하였다. 1단 연소실과 2단 연소실에서 연소 가스를 실시간으로 성분을 분석하면서 운전 조건을 조절할 수 있도록 실험장치를 구성하였다.
- 1(b) 우측 상단에 위치한 공기 댐퍼를 통해 1단 연소실과 2단 연소실로 공급된다. 댐퍼 개도가 0%인 경우 전량 1단 연소실로 100%인 경우 약 1:1의 비율로 1단과 2단 연소실로 나누어 공급되도록 설계하였다. 1단 연소실로 공급되는 공기는 1단 연소실 바깥쪽 셸에서 예열되어 포트를 통해 버너로 공급된다.
- 본 연구에서는 VIStA 버너의 설계 인자에 따른 연소 특성 결과를 바탕으로 설계한(4,5) 버너를 기반으로 실험장치를 구성하였다. 기존의 VIStA 버너(Fig.
- 연소 제어를 위하여 2차 공기 공급 출구에 부분 차폐판을 설치하였다. 부분 차폐판은 Fig. 2와 같이 3가지 형상을 시도하였고 각각의 차폐판에 대하여 연소 특성을 파악하였다.
- 선회기를 통해 2차 공기를 공급한 VIStA 버너에 추가적인 NOx 저감을 위해 부분 차폐판을 도입하고 관류보일러에 적용, 연소 특성을 관찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 연구에서는 예혼합 방식을 도입하여 CO 발생을 억제한 점을 최대한 활용하여 화염 분할을 기본 개념으로 한 연소 제어를 통해 추가적인 NOx 저감을 시도하였다. 연소 제어를 위하여 2차 공기 공급 출구에 부분 차폐판을 설치하였다.
대상 데이터
- 연료는 LNG를 사용하였고 공기는 Fig. 1(b) 우측 상단에 위치한 공기 댐퍼를 통해 1단 연소실과 2단 연소실로 공급된다. 댐퍼 개도가 0%인 경우 전량 1단 연소실로 100%인 경우 약 1:1의 비율로 1단과 2단 연소실로 나누어 공급되도록 설계하였다.
- 1단 연소실로 공급되는 공기는 1단 연소실 바깥쪽 셸에서 예열되어 포트를 통해 버너로 공급된다. 연소용량은 LNG 20 Nm3/h로 설계되었으며 2단 연소실이 이어지는 보일러는 연소용량에 적합한 관류방식의 보일러를 선택하였다(Fig. 3).
성능/효과
- (1) VIStA 버너에 2차공기를 선회기가 설치된 슬롯(slot)을 통해 공급할 때 부분 차폐판을 설치하여 NOx 발생량을 25%까지 저감할 수 있다.
- (2) VIStA 버너의 2차공기 출구에 부분 차폐판을 설치할 경우 CO 발생량은 크게 증가하지 않았고 공기비가 낮은 경우를 중심으로 감소하는 결과를 얻었다.
- (2) 하나의 유동 방향 단면에서 과농 영역과 희박 영역을 형성하게 하는 기존의 다단 연소(1,2)와 달리 VIStA 버너는 2개의 연소실을 직렬로 연결하여 각각 과농 및 희박 연소가 이루어지도록 고안되었다(Fig. 1(a)).
- (3) VIStA 버너에 설치한 부분 차폐판의 기하형상에 따라 NOx 저감 성능은 약 10% 정도의 차이를 보여 형상 최적화의 가능성을 보여 주었다.
- (4) 부분 차폐판을 설치한 VIStA 버너의 경우 부분 부하에서도 설계 조건 이상의 NOx 저감 효과를 나타내었다.
- (5) 보일러에 적용할 때는 이러한 선행 연구결과를 반영하고 안전성 및 사용편의성을 위해 비예혼합 연소를 도입하여 첫 번째 시제품을 제작하였다.(6)성능 평가 결과 NOx 저감량이 기대에 미치지 못하였고 예혼합 방식으로 환원하여 추가적인 NOx 저감을 달성한 바 있다.(7)
- 버너의 개선 과정을 통한 NOx 저감 성능을 보면(Fig. 7(a)), VIStA 버너에 비예혼합 방식을 적용할 경우 NOx 저감 효과는 20% 수준에 머물지만 예혼합 연소를 적용하고 부분 차폐판을 도입함에 따라 NOx 발생량을 60% 가까이 저감하는 결과를 얻었다. CO의 경우(Fig.
- CO의 경우(Fig. 7(b)), 2차 공기를 선회기를 통해 공급하면서 크게 증가하는 것은 막을 수 있었고 예혼합 방식의 경우 특히 부분 차폐판을 도입한 경우에 기존 버너에 비해 CO의 양이 크게 줄어드는 성능을 보인다.
- 부분 차폐판을 이용하여 화염을 분할할 경우 연소가 불안정해지면서 CO가 증가할 우려가 있었으나 전체적으로 공기비가 낮은 경우를 중심으로 차폐판이 없는 경우에 비해 CO도 저감한 결과를 얻었다. 선회기가 있는 경우에는(Control 1, 2) CO를 크게 절감하였고 선회기가 없는 경우에도(Control 3) CO는 절감되었다. 이는 차폐판이 화염을 잡아주는 역할을 하여 화염의 안정성이 향상된 결과로 보인다.
- 배가스에 포함된 NOx의 농도를 보면(Fig. 5(a)), 부분 차폐판을 설치한 경우 전체적으로 NOx의 없는 경우에 비해 공기비에 따라 최대 25%까지 NOx 발생량을 저감하였고 세 가지 차폐판 형상 중에서 짧은 가이드 베인을 채택한 Control 2의 경우 NOx 저감 효과가 가장 크게 나타났다.
- 8(a)), 전체적인 형상은 유사하지만 부하율이 증가함에 따라 휘도가 증가하는 특성을 보인다. NOx 농도를 보면 부분부하 조건에서도 설계 조건 이상의 NOx 저감 성능을 보이는 것을 관찰할 수 있다(Fig. 8(b)).
- 부분 차폐판을 이용하여 화염을 분할할 경우 연소가 불안정해지면서 CO가 증가할 우려가 있었으나 전체적으로 공기비가 낮은 경우를 중심으로 차폐판이 없는 경우에 비해 CO도 저감한 결과를 얻었다. 선회기가 있는 경우에는(Control 1, 2) CO를 크게 절감하였고 선회기가 없는 경우에도(Control 3) CO는 절감되었다.
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