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문제 정의
- 이에 대한 큰 원인 중 하나가 가스터빈 복합발전부에서의 사고이며, 이를 개선하기 위한 많은 노력이 있어왔으나 여전히 합성 가스 터빈부에서 문제로 인한 가동정지 사고사례는 지속적으로 보고되고 있는 실정이다. 본 연구의 목적은 태안 IGCC플랜트를 대상으로 가동정지율을 낮추고, 운영 신뢰도를 높이기 위한 방안으로 합성가스의 연소특성을 미리 파악하여, 문제가 될 소지를 예측 및 해결하는 데 기여하고자 하는데 있다.
- 본 연구팀에서 합성가스의 화염안정성에 관해 다룬 연구(Part I)와 함께 본 논문에서는 NOx/CO의 배출특성, 온도특성, 화염구조를 다루고자 한다. 합성가스의 가스터빈 연소환경에서 연소특성에 관한 연구는 1990년대부터 미국을 중심으로 일본, 유럽 등에서 이루어져 왔으며 최근에는 국내에서 태안 IGCC의 안정적 운영을 위하여, 활발히 연구활동이 이루어지고 있다.
- 일본 CRIEPI의 하세가와 등은 터빈입구온도 1500℃급 가스터빈 연소기를 개발하고, 합성가스 연소시 우수한 NOx 발생특성 및 화염안정성에 대해 보고하였으며[4], 국내 한전 전력연구원의 Lee등은 합성가스의 기본적인 특성파악을 위해 GE7EA 연소기를 대상으로 H2/CO비 및 질소, 이산화탄소, 스팀 희석에 따른 NOx 및 CO배출특성, 연소안정성, 연소실 온도특성, 화염구조 등을 파악하였다[5, 6]. 앞선 선행연구를 배경으로 본 연구에서는 보다 실증플랜트의 성격에 맞게 네덜란드 부게넘(Buggenum) IGCC 플랜트의 합성가스의 조성과 태안 IGCC 플랜트 합성가스 조성을 대상으로 연소성능시험을 수행하고 비교한 결과를 보고하고자 한다.
- 실제 IGCC플랜트는 고제연료인 석탄을 사용하지만, 가스화된 합성가스를 가스터빈에서 연소시키기 때문에 고체연료의 기준을 따르지 않고, 신규 법규가 현재 제정 중에 있고, 정부(안)에 따르면 15% 산소보정시 약 50ppm 내외의 수준으로 고시될 예정이다. 이에 본 연구에서는 이러한 NOx배출규제를 합성가스가 만족할 수 있을지 가능성을 판단하고, 특히 IGCC 플랜트 내의 산소분리공정(Air Separation Unit)으로부터 생산되는 잉여의 질소를 이용하여 NOx를 저감시 이 희석용 질소가 가스터빈 연소성능에 미치는 영향을 분석하고자 한다.
- 연소기 전후단의 온도계측 위해서는 5개의 k형 열전대를 이용하였으며, T1 및 T3~T5의 온도 측정은 내부 유동의 온도를 측정하기 위해 연소실 내측벽면 혹은 공기공급관의 내측벽면으로부터 10 mm 안쪽으로 떨어진 곳에서 계측되었다. 특히 T3~T5의 온도는 연소실 내부의 온도를 라이너를 따라 길이방향으로 등간격의 위치에서 측정하였으며, 화염의 거동에 따른 온도변화 및 내부 라이너의 온도추이를 확인하기 위한 목적으로 설치되었다. 온도 계측과 더불어 단열화염온도를 GRI 3.
제안 방법
- 국내 최초 IGCC플랜트인 태안 IGCC의 운영율 개선을 위해 부분 예혼합 연소형태를 채용하고 있는 GE7EA 모델 연소기를 대상으로 부게넘 및 태안 IGCC플랜트의 합성가스의 NOx 및 CO배출 특성, 온도특성 그리고 화염의 구조를 살펴보았고, 그 결과로부터 아래의 결론을 얻을 수 있다.
- 두 가지 시험대상 연료에 대해 H2/CO의 비율은 Table 2와 같이 유지하면서, 입열량을 30 kW에서 60 kW까지 5 kW간격으로 증가시킬 때 질소희석량에 따른 NOx 배출특성을 관찰하였다. Fig.
- 본 실험을 위해서는 수소, 일산화탄소, 질소의 원료가스를 각각 질량 유량계를 통해 유량제어한 후 In-line static mixer를 통해 혼합하여 가스터빈 연소기로 공급하였다. 발전용 가스터빈 유사환경을 모사하기 위해 연소용 공기를 약 200℃로 예열하여 20g/s 의 유량으로 공급하였으며, 화염가시화를 위한 석영관 냉각용 공기도 연소용 공기와 동등한 수준의 유량으로 공급하였다. 여기서 연소실 입구 온도가 실제 가스터빈 압축기 출구온도(356 ℃) 보다는 156 ℃ 낮은 온도에서 시험이 수행되었는데, 이는 연소실 석영관의 파손을 예방하고, 시험의 안전을 위해 수소 사용시 자발화 온도까지 공기히터에서 가열하는 것을 막기 위해 200 ℃로 연소실 입구온도 결정하여 시험을 수행하였다.
- Figure 2는 본 연소시험을 위하여 구성된 모델 가스터빈 연소시험설비이다. 본 실험을 위해서는 수소, 일산화탄소, 질소의 원료가스를 각각 질량 유량계를 통해 유량제어한 후 In-line static mixer를 통해 혼합하여 가스터빈 연소기로 공급하였다. 발전용 가스터빈 유사환경을 모사하기 위해 연소용 공기를 약 200℃로 예열하여 20g/s 의 유량으로 공급하였으며, 화염가시화를 위한 석영관 냉각용 공기도 연소용 공기와 동등한 수준의 유량으로 공급하였다.
- 본 연구를 위해서 Fig. 2와 같이 연소가 완전히 이루어진 연소실 출구에서 heated probe를 이용하여 배기가스를 포집한 후 TESTO 360 가스분석기를 이용하여 NO, NO2, CO, O2, CO2 등의 배기가스 농도를 측정하였으며, 이때 측정오 차는 각각의 측정셀에 대해 전체 측정범위의 3%, 1%, 1.2%, 2%, 2%이였고, 시험전 본 시험과 유사한 표준가스 분위기에서 보정절차를 거쳤기에 NOx 측정의 정확도는 1 ppm 내외라 할 수 있다. 연소기 전후단의 온도계측 위해서는 5개의 k형 열전대를 이용하였으며, T1 및 T3~T5의 온도 측정은 내부 유동의 온도를 측정하기 위해 연소실 내측벽면 혹은 공기공급관의 내측벽면으로부터 10 mm 안쪽으로 떨어진 곳에서 계측되었다.
- 상기와 같이 부하에 따른 태안 및 부게넘 합성가스의 NOx발생특성을 살펴보았고, 영향 및 원인을 분석하였다. 실제 부게넘 IGCC플랜트뿐만 아니라 미국의 탐파(Tampa), 와바시(Wabashi), 스페인의 푸에르또자노(Puertollano) 플랜트에서도 산소분리장치(Air Separation Unit)으로부터 분리된 질소를 가스터빈 연소기에서 NOx제어용으로 사용되고 있는데, 이러한 NOx 저감효과를 본 실험을 통해 확인할 수 있었으며, 이러한 데이터는 향후 국내에 건설될 태안 IGCC플랜트에서 질소의 희석 비율 조정시 활용할 수 있다.
- 실제 IGCC 플랜트에서는 수소의 빠른 연소속도로 인한 역화의 우려로 인해, 예혼합(premixed) 화염의 연소방식을 채택하지 않고, 부분예혼합 또는 확산화염의 연소방식을 채택하고 있기에 본 연구에서도 이와 유사하게 부분예혼합 연소방식인 GE7EA 연소기를 시험대상으로 채택하였다. 실제 GE7EA 가스터빈 연소기는 10개의 동일한 can으로 구성된 can-annular 형의 연소시스템을 채용하고 있고, 본 실험에서는 그 중 1 can에 대해 길이비 기준 1/3스케일로 축소하여 모델 가스터빈 연소기를 제작한 후 사용하였으며, 연소실 후단부를 막힘 면적의 비가 90%인 plug nozzle로 막아서 음향경계조건이 형성되도록 하였다. 이렇게 후단 부가 막히면서 연소실내 압력은 상압 혹은 상압보다 0.
- 발전용 가스터빈 유사환경을 모사하기 위해 연소용 공기를 약 200℃로 예열하여 20g/s 의 유량으로 공급하였으며, 화염가시화를 위한 석영관 냉각용 공기도 연소용 공기와 동등한 수준의 유량으로 공급하였다. 여기서 연소실 입구 온도가 실제 가스터빈 압축기 출구온도(356 ℃) 보다는 156 ℃ 낮은 온도에서 시험이 수행되었는데, 이는 연소실 석영관의 파손을 예방하고, 시험의 안전을 위해 수소 사용시 자발화 온도까지 공기히터에서 가열하는 것을 막기 위해 200 ℃로 연소실 입구온도 결정하여 시험을 수행하였다. 입구온도의 저감으로 인해 연소성능이 다소 달라질 수 있으나, 부하에 따른 그 성능결과의 경향 및 질소희석의 영향을 확인하는 등 정성적 측면에서는 충분히 의미있는 결과가 도출될 수 있기에 시험설비가 허용하는 최고의 온도에서 시험을 수행하였다.
- 2%, 2%, 2%이였고, 시험전 본 시험과 유사한 표준가스 분위기에서 보정절차를 거쳤기에 NOx 측정의 정확도는 1 ppm 내외라 할 수 있다. 연소기 전후단의 온도계측 위해서는 5개의 k형 열전대를 이용하였으며, T1 및 T3~T5의 온도 측정은 내부 유동의 온도를 측정하기 위해 연소실 내측벽면 혹은 공기공급관의 내측벽면으로부터 10 mm 안쪽으로 떨어진 곳에서 계측되었다. 특히 T3~T5의 온도는 연소실 내부의 온도를 라이너를 따라 길이방향으로 등간격의 위치에서 측정하였으며, 화염의 거동에 따른 온도변화 및 내부 라이너의 온도추이를 확인하기 위한 목적으로 설치되었다.
- 특히 T3~T5의 온도는 연소실 내부의 온도를 라이너를 따라 길이방향으로 등간격의 위치에서 측정하였으며, 화염의 거동에 따른 온도변화 및 내부 라이너의 온도추이를 확인하기 위한 목적으로 설치되었다. 온도 계측과 더불어 단열화염온도를 GRI 3.0 메카니즘을 이용하여 CANTERA 코드를 통해 화염온도를 계산하여 비교 도시하였다. 한편 화염구조의 파악을 위하여 PI-MAX Gen II ICCD카메라에 UV-Nikkor 105 mm 렌즈와 두개의 광학필터(UG11, WG305)를 장착하여 OH라디칼의 분포를 촬영하였다.
- 주요한 특징은 태안의 경우 30 kW 및 35 kW의 저부하때 질소희석율이 50%일 경우 CO의 발생이 급격히 늘어나기 시작하여 수천 ppm의 범위로 심하게 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 CO의 발생원인은 NOx발생과 유사하게 단열 화염온도로 설명되어 질 수 있으며, 이를 위해 Fig. 9와 같이 모든 실험조건에서 단열화염온도에 대한 CO발생량을 도시하였다. 단열화염온도가 1250 ℃이하에서 CO의 발생량이 현저히 높게 나타남을 1300 ℃이상에서는 완전연소에 가까운 거의 0ppm의 CO가 발생함을 확인할 수 있다.
- 또한 전체 연료의 열량을 비교하면 CO의 함량이 높은 태안이 저위발열량(Lower Heating Value, LHV)기준으로 약 20% 정도 높다. 이러한 연료구성을 대상으로 동일한 구성비율을 유지하면서 본 연소시험 리그에 맞게 30~60 kW의 연료열량을 가지도록 수소 및 일산화탄소를 공급하였으며, 가연성 가스가 아닌 질소, 이산화탄소, 스팀은 각각 동일한 열용량을 가지도록 계산하여 질소의 값으로 치환하여 실험시 합성가스를 제조 공급하였다.
- 여기서 연소실 입구 온도가 실제 가스터빈 압축기 출구온도(356 ℃) 보다는 156 ℃ 낮은 온도에서 시험이 수행되었는데, 이는 연소실 석영관의 파손을 예방하고, 시험의 안전을 위해 수소 사용시 자발화 온도까지 공기히터에서 가열하는 것을 막기 위해 200 ℃로 연소실 입구온도 결정하여 시험을 수행하였다. 입구온도의 저감으로 인해 연소성능이 다소 달라질 수 있으나, 부하에 따른 그 성능결과의 경향 및 질소희석의 영향을 확인하는 등 정성적 측면에서는 충분히 의미있는 결과가 도출될 수 있기에 시험설비가 허용하는 최고의 온도에서 시험을 수행하였다. 시험용 연소기로는 국내 평택 복합화력 발전소에서 사용 중인 87MWe급 GE7EA 가스터빈 연소기를 축소한 모델 가스터빈 연소기를 제작한 후 사용하였다.
- 태안과 부게넘 합성가스를 대상으로 H2/CO의 비율은 Table 2와 같이 유지하면서, 입열량을 30kW에서 60 kW까지 증가시킬 때 질소희석량에 따른 CO의 배출특성을 관찰하였다.
- 0 메카니즘을 이용하여 CANTERA 코드를 통해 화염온도를 계산하여 비교 도시하였다. 한편 화염구조의 파악을 위하여 PI-MAX Gen II ICCD카메라에 UV-Nikkor 105 mm 렌즈와 두개의 광학필터(UG11, WG305)를 장착하여 OH라디칼의 분포를 촬영하였다.
- 4bar 까지 상승된 값을 보였다. 한편, 실제 대상 가스터빈 엔진의 공기공급 유량은 290.98kg/s인데, 압력비(13.7:1)와 부피상사비(27:1) 및 연소용 공기비율(30%)을 고려하여 앞서 기술한 바와 같이 연소용 공기공급 유량을 20g/s로 결정하였다. 이를 식으로 표현하면 아래와 같다.
대상 데이터
- 입구온도의 저감으로 인해 연소성능이 다소 달라질 수 있으나, 부하에 따른 그 성능결과의 경향 및 질소희석의 영향을 확인하는 등 정성적 측면에서는 충분히 의미있는 결과가 도출될 수 있기에 시험설비가 허용하는 최고의 온도에서 시험을 수행하였다. 시험용 연소기로는 국내 평택 복합화력 발전소에서 사용 중인 87MWe급 GE7EA 가스터빈 연소기를 축소한 모델 가스터빈 연소기를 제작한 후 사용하였다. 실제 IGCC 플랜트에서는 수소의 빠른 연소속도로 인한 역화의 우려로 인해, 예혼합(premixed) 화염의 연소방식을 채택하지 않고, 부분예혼합 또는 확산화염의 연소방식을 채택하고 있기에 본 연구에서도 이와 유사하게 부분예혼합 연소방식인 GE7EA 연소기를 시험대상으로 채택하였다.
- 시험용 연소기로는 국내 평택 복합화력 발전소에서 사용 중인 87MWe급 GE7EA 가스터빈 연소기를 축소한 모델 가스터빈 연소기를 제작한 후 사용하였다. 실제 IGCC 플랜트에서는 수소의 빠른 연소속도로 인한 역화의 우려로 인해, 예혼합(premixed) 화염의 연소방식을 채택하지 않고, 부분예혼합 또는 확산화염의 연소방식을 채택하고 있기에 본 연구에서도 이와 유사하게 부분예혼합 연소방식인 GE7EA 연소기를 시험대상으로 채택하였다. 실제 GE7EA 가스터빈 연소기는 10개의 동일한 can으로 구성된 can-annular 형의 연소시스템을 채용하고 있고, 본 실험에서는 그 중 1 can에 대해 길이비 기준 1/3스케일로 축소하여 모델 가스터빈 연소기를 제작한 후 사용하였으며, 연소실 후단부를 막힘 면적의 비가 90%인 plug nozzle로 막아서 음향경계조건이 형성되도록 하였다.
- 연소실은 Fig. 3과 같이 연소실 전체의 길이는 1110 mm, 내경은 130 mm으로 설계하였고, 화염 구조 파악을 위해 상류측에는 210 mm 길이의 석영관 부를 두었으며, 음향경계를 형성하기 위해 연소실 후단에는 수냉각 Plug nozzle을 설치하였다. 연소기는 동축 스월 단일 노즐로 구성되어 있고, 연소용 공기는 축방향에 대하여 45도의 스월각도를 가지는 스월러를 통해 유입되고, 연소실로부터 약 2.
이론/모형
- 질소의 희석량을 늘릴수록 NOx배출량은 급격히 줄어들어 1 ppm 수준까지 낮아졌고, 50%이상의 질소희석률 조건에서는 NOx저감에 있어 큰 차이가 없음을 확인할 수 있었다. 또한 이 NOx 발생현상은 Zeldovich 메커니즘을 통해 설명 가능했고, 그 과정에서 희석제 열용량 및 단열화염온도를 사용했다. 두 플랜트의 연료 중 H2/CO비가 낮고 단열화염온도가 약간 더 높은 태안 합성가스의 경우 NOx가 다소 더 높게 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
성능/효과
- (1) IGCC 실증플랜트에서 사용되고 있는 연료상 질소의 희석방법은 배기가스 중 질소산화물 저감에 매우 유용함을 실험을 통해 확인하였다. 질소의 희석량을 늘릴수록 NOx배출량은 급격히 줄어들어 1 ppm 수준까지 낮아졌고, 50%이상의 질소희석률 조건에서는 NOx저감에 있어 큰 차이가 없음을 확인할 수 있었다.
- (2) 저부하 고희석 조건을 제외하고는 CO의 발생은 거의 되지 않았고, 완전연소 되었다. CO의 발생은 질소의 희석으로 인한 화염온도 저감이 주원인이었고, 단열화염온도가 1250 ℃ 이하에서 급격히 증가하였다.
- (3) 질소의 희석은 단열화염온도 저감 및 연소기 라이너 온도의 저감을 야기시켰고, 일부 화염 구조의 변화 및 부상으로 인해 특이점이 발생하기도 했다. 또한 화염의 구조는 질소희석으로 인해 화염의 강도가 약해지고, 넓이는 줄어들고, 길이는 길어지는 경향을 보였고, 덤프면과 화염이 이루는 각도가 커지는 특징을 관찰할 수 있었다.
- 여기서는 모든 실험데이터에 대해 exponentially growing curve fitting을 한 적색 곡선을 기준으로 할 때, 단열화염온도가 1500℃이상 일 때부터 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 30 kW, 35 kW 등 일부 저부하에서 단열화염온도가 낮음에도 불구하고, NOx가 상당수준 발생하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 본 실험에 사용된 연소기가 부분예혼합(partially premixed) 화염구조를 이루기 때문에 국부적인 고온부 형성으로 인한 열적 NOx가 발생한다고 할 수 있다. 즉, 저부하에서는 혼합기 유속저하로 인해 연료/공기의 혼합도가 고부하의 경우보다는 낮아지고, 이로 인해 불균일한 당량비 분포로 인한 고온부 형성이 저부하에서 curve fitting한 NOx 발생의 점근선보다 NOx가 높게 나타나는 원인이라 할 수 있다.
- 본 그래프를 통해 T1은 모든 실험조건에 대해 200℃로 고정되어 있어 전체 실험조건에 대해 일정한 입구 온도로 잘 제어되어 공급되고 있음을 확인할 수 있다. 단열화염온도의 경우 질소의 희석비율을 줄일수록, 입열량을 증가시킬수록 거의 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있고, 질소희석을 하지 않을 때는 태안과 부게넘의 화염온도가 동등수준이었으나, 희석비율을 높일수록 질소의 함량이 많은 부게넘의 경우가 단열화염온도가 더 낮게 나타났다. 한편 2.
- 또한 이 NOx 발생현상은 Zeldovich 메커니즘을 통해 설명 가능했고, 그 과정에서 희석제 열용량 및 단열화염온도를 사용했다. 두 플랜트의 연료 중 H2/CO비가 낮고 단열화염온도가 약간 더 높은 태안 합성가스의 경우 NOx가 다소 더 높게 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
- CO의 발생은 질소의 희석으로 인한 화염온도 저감이 주원인이었고, 단열화염온도가 1250 ℃ 이하에서 급격히 증가하였다. 두 플랜트의 연료 중 H2/CO비가 다소 높지만, 질소 및 스팀의 희석제 비율이 높은 부게넘 합성가스의 경우 CO가 과다 발생할 가능성이 높은 것으로 확인되었다.
- 38배 증가하게 되고, 이에 의해 연소실 길이 방향의 모멘텀이 늘어나 화염의 폭이 좁아지고, 덤프면과 화염이 이루는 각도가 커지는 현상이 나타나며, 혼합기의 유속증가와 더불어 질소희석으로 인한 화염온도 및 연소속도의 감소로 화염의 길이가 길어지는 현상이 나타난다고 할 수 있다. 또한 50% 이상의 질소희석율 조건에서는 화염의 강도가 현저히 약해지고, 구조 또한 V형의 구조가 아닌 cone형의 구조로 변화한 것을 확인할 수 있는데 이는 T3 온도계측 결과 중 50%이상의 희석율 조건에서 불규칙한 경계가 일어나는 원인이 된다.
- 7% 낮지만, 수분함량이 15%정도 높다는 것이 특징적이다. 또한 전체 연료의 열량을 비교하면 CO의 함량이 높은 태안이 저위발열량(Lower Heating Value, LHV)기준으로 약 20% 정도 높다. 이러한 연료구성을 대상으로 동일한 구성비율을 유지하면서 본 연소시험 리그에 맞게 30~60 kW의 연료열량을 가지도록 수소 및 일산화탄소를 공급하였으며, 가연성 가스가 아닌 질소, 이산화탄소, 스팀은 각각 동일한 열용량을 가지도록 계산하여 질소의 값으로 치환하여 실험시 합성가스를 제조 공급하였다.
- 즉 60 kW 조건에서 질소로 희석하지 않을 때 단열화염온도는 앞서 언급한 바와 같이 2066 ℃이고, 150% 질소희석률 조건에서는 1626 ℃로 현저히 감소하는 것이 NOx저감의 주 원인이라 할 수 있다. 또한 질소희석율이 50%이상일 경우 모든 입열량 조건에 대해 NOx발생량이 3 ppm미만으로 저감되는 것을 확인할 수 있있으며, 이러한 값으로 추정컨대, 태안과 부게넘 모두 NOx저감을 위해 충분한 잉여 질소를 공급하고 있다고 할 수 있다. 이 모든 경향은 Fig.
- (3) 질소의 희석은 단열화염온도 저감 및 연소기 라이너 온도의 저감을 야기시켰고, 일부 화염 구조의 변화 및 부상으로 인해 특이점이 발생하기도 했다. 또한 화염의 구조는 질소희석으로 인해 화염의 강도가 약해지고, 넓이는 줄어들고, 길이는 길어지는 경향을 보였고, 덤프면과 화염이 이루는 각도가 커지는 특징을 관찰할 수 있었다.
- 이는 질소의 희석량을 늘릴수록 연료의 총질량 유량은 늘어나는 반면, 화학반응을 일으키기 위한 가연성 연료의 몰분율이 줄어들어 화염의 강도가 약해진다고 할 수 있다. 또한 화염이 얇아지고, 길어지는 현상은 연료의 총질량 유량이 늘어나서 연료의 분출속도가 질소희석을 하지 않을 경우보다 150%희석을 할 경우 1.38배 증가하게 되고, 이에 의해 연소실 길이 방향의 모멘텀이 늘어나 화염의 폭이 좁아지고, 덤프면과 화염이 이루는 각도가 커지는 현상이 나타나며, 혼합기의 유속증가와 더불어 질소희석으로 인한 화염온도 및 연소속도의 감소로 화염의 길이가 길어지는 현상이 나타난다고 할 수 있다. 또한 50% 이상의 질소희석율 조건에서는 화염의 강도가 현저히 약해지고, 구조 또한 V형의 구조가 아닌 cone형의 구조로 변화한 것을 확인할 수 있는데 이는 T3 온도계측 결과 중 50%이상의 희석율 조건에서 불규칙한 경계가 일어나는 원인이 된다.
- )의 배출특성을 관찰하였다. 본 그래프를 통해 T1은 모든 실험조건에 대해 200℃로 고정되어 있어 전체 실험조건에 대해 일정한 입구 온도로 잘 제어되어 공급되고 있음을 확인할 수 있다. 단열화염온도의 경우 질소의 희석비율을 줄일수록, 입열량을 증가시킬수록 거의 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있고, 질소희석을 하지 않을 때는 태안과 부게넘의 화염온도가 동등수준이었으나, 희석비율을 높일수록 질소의 함량이 많은 부게넘의 경우가 단열화염온도가 더 낮게 나타났다.
- Figure 8에서는 태안 및 부게넘 합성가스 연소 시 단열화염온도에 따른 NOx 발생량을 함께 도시하였다. 여기서는 모든 실험데이터에 대해 exponentially growing curve fitting을 한 적색 곡선을 기준으로 할 때, 단열화염온도가 1500℃이상 일 때부터 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 30 kW, 35 kW 등 일부 저부하에서 단열화염온도가 낮음에도 불구하고, NOx가 상당수준 발생하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 본 실험에 사용된 연소기가 부분예혼합(partially premixed) 화염구조를 이루기 때문에 국부적인 고온부 형성으로 인한 열적 NOx가 발생한다고 할 수 있다.
- NOx 저감량은 희석제인 질소를 연료 상에 첨가했을 때와 첨가하지 않았을 때 NOx발생량의 차로 정의하였다. 입열량이 증가할수록 질소 희석열용량은 선형적으로 증가하였고, NOx 감소의 효과는 지수승으로 증가하는 경향을 보였다. 질소희석으로 인한 NOx 감소효과는 5 J/K-s이하에서 크게 나타남을 그 이후에는 거의 질소의 양을 늘려도 효과가 미미함을 확인할 수 있다.
- 이는 입열량의 증가에 따른 화염온도 상승이 열적 NOx의 과다 발생을 유발시켰기 때문이라 할 수 있다. 즉 각각의 실험조건에 대해 단열화염온도(adiabatic flame temperature)를 계산해 보면 Fig. 10과 같고, 입열량이 30kW에서 60 kW로 증가할 때 단열화염온도는 1311℃에서 2066℃로 대폭 상승하였고, 연소기 라이너(combustor liner)온도(T3) 또한 638℃에서 838℃로 크게 증가한 것이 NOx상승의 원인이라 할 수 있다. 한편 합성가스 내 질소의 비율을 높일 경우 NOx의 발생량이 급격히 줄어드는 것을 확인할 수 있고, 이는 질소가 연료내 가연성 가스를 희석시켜, 화염의 온도를 떨어뜨리기 때문이라고 할 수 있다.
- (1) IGCC 실증플랜트에서 사용되고 있는 연료상 질소의 희석방법은 배기가스 중 질소산화물 저감에 매우 유용함을 실험을 통해 확인하였다. 질소의 희석량을 늘릴수록 NOx배출량은 급격히 줄어들어 1 ppm 수준까지 낮아졌고, 50%이상의 질소희석률 조건에서는 NOx저감에 있어 큰 차이가 없음을 확인할 수 있었다. 또한 이 NOx 발생현상은 Zeldovich 메커니즘을 통해 설명 가능했고, 그 과정에서 희석제 열용량 및 단열화염온도를 사용했다.
- 단열화염온도의 경우 질소의 희석비율을 줄일수록, 입열량을 증가시킬수록 거의 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있고, 질소희석을 하지 않을 때는 태안과 부게넘의 화염온도가 동등수준이었으나, 희석비율을 높일수록 질소의 함량이 많은 부게넘의 경우가 단열화염온도가 더 낮게 나타났다. 한편 2.1.2장에서 서술한 바와 같이 연소실 라이너 내벽에서 10 mm 안쪽에서 측정된 연소기 라이너 온도의 경우 단열화염온도와 유사하게 부하에 따라 증가하고, 질소희석을 늘림에 따라 감소하는 경향을 보였으나, 50%이상의 희석인 경우 불규칙한 구간이 발생함을 특이사항으로 발견하였다. 이는 화염의 구조 및 본 연구의 Part I [8]에 해당하는 화염의 안정성과 연관지어 원인을 파악할 수 있다.
- 10에서와 같이 두 연료에 대해 질소희석이 없을 경우 화염온도가 거의 동일하고, 화염면적은 태안의 경우가 약간 더 넓게 형성되기에 NOx발생량 차이를 열적 NOx의 생성 메커니즘과 상응한다고 할 수 있다. 한편 부게넘의경우 합성가스 중 질소의 열용량이 태안보다 다소 높은 것을 확인할 수 있고, 질소의 열용량이 5 J/K-s 이상에서 모든 실험조건에 대해 3 ppm미만의 NOx가 발생하고, 10 J/K-s 이상에서는 1ppm 미만이 되는 것을 확인할 수 있다.
- 한편 질소의 희석이 증가할수록 화염의 강도가 약해지고, 화염의 폭이 좁아지며, 길이는 길어지고, 덤프면과 화염이 이루는 각도가 커지는 특징을 관찰할 수 있다. 이는 질소의 희석량을 늘릴수록 연료의 총질량 유량은 늘어나는 반면, 화학반응을 일으키기 위한 가연성 연료의 몰분율이 줄어들어 화염의 강도가 약해진다고 할 수 있다.
후속연구
- (4) 본 연구를 통해 얻어진 결과 데이터는 향후 태안 IGCC 플랜트의 운전시 화염안정성, NOx 저감, 연소효율 상승, 연소기 온도 등과 관련하여 최적 조건 선정을 위한 기초자료로 활용 될 예정이다.
- 상기와 같이 부하에 따른 태안 및 부게넘 합성가스의 NOx발생특성을 살펴보았고, 영향 및 원인을 분석하였다. 실제 부게넘 IGCC플랜트뿐만 아니라 미국의 탐파(Tampa), 와바시(Wabashi), 스페인의 푸에르또자노(Puertollano) 플랜트에서도 산소분리장치(Air Separation Unit)으로부터 분리된 질소를 가스터빈 연소기에서 NOx제어용으로 사용되고 있는데, 이러한 NOx 저감효과를 본 실험을 통해 확인할 수 있었으며, 이러한 데이터는 향후 국내에 건설될 태안 IGCC플랜트에서 질소의 희석 비율 조정시 활용할 수 있다.
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