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이중 연료 분사구조를 갖는 희박-예혼합 버너의 연소특성 연구
Study on Lean-Premixed Combustion Characteristics of Dual-Stage Burner 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.37 no.1 = no.328, 2013년, pp.51 - 57  

장재환 (과학기술연합대학원대학교) ,  조주형 (한국기계연구원) ,  김한석 (한국기계연구원) ,  이상민 (한국기계연구원) ,  김민국 (한국기계연구원) ,  안국영 (한국기계연구원)

초록
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본 연구에서는 가스터빈 연소기에 적용하기 위한 예혼합 스월버너의 배기가스 및 화염안정성 최적화를 위하여 버너의 구조변경에 따른 연소특성을 실험적으로 분석하였다. 버너의 연료분사구조에 따른 배기가스 배출 특성을 파악하고자 단일연료분사구조와 이중연료분사구조를 갖는 예혼합 버너의 연소특성을 비교 분석하였으며 이중연료분사구조 적용 시 연료/공기 혼합특성이 향상되어 CO와 NOx의 배출농도가 감소하는 경향을 나타내었다. 또한, 노즐출구와 라이너의 지름 비(confined ratio)에 따른 연소부하 및 배기가스 특성을 분석한 결과 confined ratio 감소 시 연소부하 감소로 인해 NOx 배출농도가 감소되었으며, 체류시간의 증가로 인해 CO의 산화 반응이 증가하여 CO 배출농도가 감소하였다. 노즐분출속도는 30 m/s에서 배기가스특성이 우수하며, 속도 증가(40 m/s) 시 배가스특성이 저하되고 속도 감소(20 m/s) 시 화염안정성이 저하되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study aims to experimentally investigate the combustion characteristics of a lean premixed swirl-stabilized burner with dual-stage fuel injection arrays. The results show that a variation in the fuel distribution to fuel stages 1 (upstream) and 2 (downstream) produces a noticeable change in the...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 200 kW급 역류형 가스터빈 연소기 적용에 적합한 저배기형 연소기의 설계인자를 도출하기 위해 예혼합 버너의 주 연소영역에서의 연소특성을 파악하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
  • 본 연구에서는 실제 역류형 가스터빈 연소기에 장착 가능한 저 배기형(low-emissions) 연소기 개발을 위해 lab-scale의 예혼합 버너를 설계/제작하여 연소특성을 파악하고자 한다. 특히 예혼합 영 역에서의 이중 연료분사구조에 따른 연료분배와 연소용공기와의 혼합도, 노즐출구의 직경과 라이너의 직경에 대한 비, 노즐출구의 분사속도에 따른 화염안정성 및 역화를 고려하여 성능실험을 수행하였다.
  • 본 절에서는 3.1절에서 선정된 case 2 예혼합 버너를 이용하여 라이너의 직경에 따른 배가스 특성을 확인하고자 한다. 본 연구의 예혼합 버너가 장착될 환형 연소기는 크기(직경)에 대한 제약조건이 있으므로 이를 고려하여 가능한 라이너의 최대 직경을 예상한 결과 약 75 mm임을 확인하였고 이 보다 작은 직경 55mm를 포함하여 두 가지 라이너 직경에 대한 연소실험을 수행하였다.
  • 연소에서의 OH 자발광(chemiluminescence)은 화염의 구조 및 연소반응영역의 전체적인 열발생율을 나타낼 수 있는 지표로 사용하고 있으며, 특정 파장의 빛만 투과하는 OH 필터 ( 307nm )를 ICCD 카메라에 장착하여 화염단면에서의 OH radical에 대한 분포를 알아보고자 한다. 예혼합버너 case 2를 이용하여 설계 당량비조건에서 노즐 출구 분사속도에 대한 화염의 OH 이미지를 측정 하고 중심축을 기준으로 한 좌우 이미지에 대하여 아벨변환(Abel transformation)한 화염단면이미지를 분석하여 Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
대기오염물질을 저감하는 방법으로는 어떤 것이 있는가? 국내의 경우 대기 오염물질을 해결하기 위한 동력원으로 저공해 가스터빈 엔진을 이용한 열병합 발전 시스템개발에 초점을 맞추고 있다. (1) 대기오염물질을 저감하는 방법으로는 연료와 과잉의 공기를 가연 한계 이상으로 예혼합하여 공급함으로서 화염온도를 감소시켜 Themal NOx를 저감시키는 희박 예혼합연소 (lean-premixed combustion), 연소에 필요한 공기량보다 적은 공기량을 주연소영역으로 공급하여 연료과농상태로 연소를 시켜 화염온도를 저하시키고 후류 쪽에 공기를 과잉공급하여 잔존하는 미연가스 및 CO를 연소시키고 화염의 고온영역이 되는 부분을 최소화함으로서 NOx를 저감하는 과농-희박 연소 (Rich-Quick quench- Lean burn combustion), 촉매를 사용하여 보다 낮은 온도영역에서 연소를 가능하게 하여 NOx를 저감시키는 촉매연소(catalytic combustion), 그 외에 배가스 재순환(flue gas recirculation), 물분사법 등 다양한 방법이 알려져 있다. (2~6) 이러한 여러 가지 저 NOx형 연소기 설계 방법 가운데 예혼합 희박연소기술은 현재까지 가장 적합한 기술로 평가되고 있다.
저 NOx형 연소기 설계 방법 중 현재까지 가장 적합한 기술로 평가되고 있는 것은? (1) 대기오염물질을 저감하는 방법으로는 연료와 과잉의 공기를 가연 한계 이상으로 예혼합하여 공급함으로서 화염온도를 감소시켜 Themal NOx를 저감시키는 희박 예혼합연소 (lean-premixed combustion), 연소에 필요한 공기량보다 적은 공기량을 주연소영역으로 공급하여 연료과농상태로 연소를 시켜 화염온도를 저하시키고 후류 쪽에 공기를 과잉공급하여 잔존하는 미연가스 및 CO를 연소시키고 화염의 고온영역이 되는 부분을 최소화함으로서 NOx를 저감하는 과농-희박 연소 (Rich-Quick quench- Lean burn combustion), 촉매를 사용하여 보다 낮은 온도영역에서 연소를 가능하게 하여 NOx를 저감시키는 촉매연소(catalytic combustion), 그 외에 배가스 재순환(flue gas recirculation), 물분사법 등 다양한 방법이 알려져 있다. (2~6) 이러한 여러 가지 저 NOx형 연소기 설계 방법 가운데 예혼합 희박연소기술은 현재까지 가장 적합한 기술로 평가되고 있다. 하지만 희박 연소에 따른 화염의 불안정성, 역화(flashback), 부하에 따른 제어 등의 문제점 (6,7) 이 발생할 수 있으므로 이를 해결하기 위한 연구개발이 지속적으로 수행되고 있다.
예혼합 희박연소기술에서 발생할 수 있는 문제점은? (2~6) 이러한 여러 가지 저 NOx형 연소기 설계 방법 가운데 예혼합 희박연소기술은 현재까지 가장 적합한 기술로 평가되고 있다. 하지만 희박 연소에 따른 화염의 불안정성, 역화(flashback), 부하에 따른 제어 등의 문제점 (6,7) 이 발생할 수 있으므로 이를 해결하기 위한 연구개발이 지속적으로 수행되고 있다.
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참고문헌 (13)

  1. 2011, Commercialization of Cogeneration Plants Using 200kW Micro-Turbine, Planning Report, Ministry of Knowledge Economy. 

  2. Lefebvre, A. H., 1983, Gas Turbine Combustion, McGraw-Hill. 

  3. Fietelberg, A. S. and Lacey, M. A., 1997, "The GE Rich-Quench-Lean Gas Turbine Combustor," ASME, 97-GT-127. 

  4. Griebel, P., Fischer M., Hassa Ch., Magens E., Nannen, H., Winandy, A., Chrystostomou, A., Meier, U. and Stricker, W., 1997, "Experimental Investigation of an Atmospheric Rectangular Rich Quench Lean Combustor Sector for Aeroengines," ASME, 97-GT-146. 

  5. Kim, H. S., Lim, A. H., Ahn, K. Y. and Lee, S. M., 2004, "Study on the Combustion Characteristics of a Lean-Premixed Combustor," Journal of Korean Society Combust, Vol. 9, No. 1, pp. 25-31. 

  6. Cohen, H., Rogers, G. F. C. and Saravanamutto, H. I. H., 1987, Gas Turbine Theory, 3rd edition, Longman Scientific & Technical, England, pp. 414. 

  7. Williams, F. A., 1985, Combustion Theory, 2nd edition, Benjamin & Cuminy Publishing Inc. Menlo Park, Califonia. 

  8. Oh, K. S. and Ahn, K. Y., 1997, "A Study on Design Technology of Turbomachinery," Korea Institute of Machinery & Materials Research, UCN 304-521.M. 

  9. Oh, K. S. and Ahn, K. Y., 1997, "Development of Aerodynamic Design and Analysis Technology for TurboGenerator and Relevant Fluid Machines (?)," Korea Institute of Machinery & Materials Research. 

  10. Ahn, K. Y., Kim, H. S., Bae, J. H. and Cho, E. S., 1998, "An Experimental Study for Preliminary Design of Gas Turbine Combustor," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 22, No. 6, pp. 840-848. 

  11. Kim, H. S., Arghode, W. K. and Gupta, A. K., 2009, "Combustion Characteristics of a Lean Premixed LPG-Air Combustor," International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 34, Issue 2, pp. 1045-1053. 

  12. Kim, H. S., Arghode, V. K. and Gupta, A. K., 2009, "Flame Characteristics of Hydrogen- Enriched Methane-Air Premixed Swirling Flames," International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 34, Issue 2, pp. 1063-1073. 

  13. Turns, S. R., 2000, An Introduction to Combustion: Concepts and Applications, 2nd edition, McGraw- Hill, p. 752. 

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