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스월 예혼합 버너의 연소 특성 및 NO 배출에 관한 수치적 연구
Numerical Study of Combustion Characteristics and NO Emission in Swirl Premixed Burner 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.37 no.10 = no.337, 2013년, pp.911 - 918  

백광민 (세종대학교 기계공학과) ,  조천현 (세종대학교 기계공학과) ,  조주형 (한국기계연구원) ,  김한석 (한국기계연구원) ,  손채훈 (세종대학교 기계공학과)

초록
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Double cone 버너를 장착한 가스터빈용 EV (Environmental Vortex)버너의 연소 특성과 NO 배출 특성을 수치적으로 조사하였다. NO 배출 저감을 위해 연료와 공기의 혼합 특성을 예측하였다. 혼합도와 NO 배출과의 상관관계를 예측하기 위해 메탄 1단계 화학반응식과 2단계 반응식에 적용하여 연소 해석을 수행하였다. 1단계 반응식을 적용한 결과, 혼합도가 저하된 모델에서 NO 배출량이 약 2% 증가하였으며, 혼합도가 향상된 모델의 경우 cone 상부에서 과다한 고온의 화염 영역이 형성되어 NO가 약 169%나 증가하였다. 2단계 반응식의 경우 첫 번째 모델에서 약 3% NO 배출량이 증가하였으며, 두 번째 모델에서 cone 내부의 고온 영역이 형성되지 않고 NO가 약 5% 감소하였다. 이 결과는, 혼합 특성이 저감된 모델에서 NO가 약 63% 증가하였고, 혼합 특성이 향상된 모델에서 NO가 약 11% 감소한 실험결과와 잘 부합하였다. 정량적인 오차가 있음에도, NO 배출의 정성적 경향성이 유사하므로 2단계 반응식을 적용한 수치해석을 통해 설계 변경 방안을 제시하는 것은 타당할 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The combustion characteristics of an EV (Environmental Vortex) burner (double-cone burner) adopted in a gas turbines are numerically investigated. The mixing of fuel and air is analyzed for reduction of NO emission. To predict the correlation between NO emission and fuel-air mixedness, 1-step and 2-...

주제어

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 와 비교하였다. 정량적인 배출량 비교보다 case 변경에 따른 배출량 증감의 상대적 경향을 정량적으로 파악하는데 초점을 두었다.

가설 설정

  • LNG가스의 주성분인 메탄(CH4 )을 연료로 가정하였으며, 메탄 1단계 총체 화학 반응을 식(6)에 나타내었으며 화학 반응률은 식(7)에 의해 계산된다.
  • NO의 생성량은 NO 발생으로 인한 열 발생을 무시 할 수 있고 유동 결과에 영향이 없다는 가정하에 ANSYS–Fluent(7) code 내부 후처리를 통하여 계산하였다.
  • 외부로의 열 손실은 복사 열손실과 대류 열손실을 고려하였으며, 이때 방사율은 표면 온도와 거칠기를 고려하여 결정하였다. 대류 열전달 계수는 h=40W/K-m2 로 가정하였다.(12,13)
  • 복사모델로는 구분종좌법 (discrete ordinate method)을 사용하였으며, 연소 배기가스는 비회색체 매질로 가정하였다. 배기가스의 방사율과 흡수율은 각각 0.85, 0.2로 설정하였고 입구와 출구부분의 경계 조건은 흑체(black body)로 가정하였다. 외부로의 열 손실은 복사 열손실과 대류 열손실을 고려하였으며, 이때 방사율은 표면 온도와 거칠기를 고려하여 결정하였다.
  • 연소실 벽면 경계 조건을 외부로의 열손실을 고려하지 않은 단열 조건으로 가정할 경우 연소실 내부 온도가 과도하게 증가하여 NO 발생량 예측에 큰 오차가 포함될 것으로 판단되어 복사 열전달과 외부로의 열 손실을 고려하여 연소 해석을 수행핬다. 복사모델로는 구분종좌법 (discrete ordinate method)을 사용하였으며, 연소 배기가스는 비회색체 매질로 가정하였다. 배기가스의 방사율과 흡수율은 각각 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
천연가스란? 천연가스는 점차 강화되는 환경 규제를 만족시킬 수 있는 고효율 에너지원의 하나로서 주목받고 있는 연료이다. 천연가스로 작동하는 실용 연소기는 배기가스 발생량이 적으며 출력당 가장 적은 이산화탄소를 배출한다.
천연가스로 작동하는 실용 연소기의 단점은? 천연가스로 작동하는 실용 연소기는 배기가스 발생량이 적으며 출력당 가장 적은 이산화탄소를 배출한다. 그러나, 천연가스는 상대적으로 낮은 화염온도에도 불구하고 이론혼합비 근처에서는 높은 온도 영역이 형성됨으로 인해 다량의 질소 산화물 (NOX )이 발생할 수 있으며, 이는 광화학 스모그, 산성비의 원인이 되는 것으로 알려져 있다.
천연가스로 작동하는 실용 연소기의 장점은? 천연가스는 점차 강화되는 환경 규제를 만족시킬 수 있는 고효율 에너지원의 하나로서 주목받고 있는 연료이다. 천연가스로 작동하는 실용 연소기는 배기가스 발생량이 적으며 출력당 가장 적은 이산화탄소를 배출한다. 그러나, 천연가스는 상대적으로 낮은 화염온도에도 불구하고 이론혼합비 근처에서는 높은 온도 영역이 형성됨으로 인해 다량의 질소 산화물 (NOX )이 발생할 수 있으며, 이는 광화학 스모그, 산성비의 원인이 되는 것으로 알려져 있다.
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참고문헌 (14)

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

  2. Yu, J. H., Kim, B. G., 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. 

  3. Capehart, S, A, John, C. Y, "Effect of Fuel Combustion on $NO_X$ Formation in Lean Premixed Prevaporized Combustion" ASME, 97-GT-336, 1997. 

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

  5. Paschereit, C. O., Flohr, F., Knopfel, H., Geng, W., Steinbach, C., Stuber, P., Bemgtsson, K., Gutmark, E., 2002, "Combustion Control by Extended EV Burner Fuel Lance," ASME Turbo Expo, GT-30462. 

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

  7. ANSYS FLUENT Theory Guide V13.0, 2010, ANSYS Inc. 

  8. Polike, W., Dobbeling, W., Sattelmayer, T., Nicol, D, G., 1996, "A $NO_X$ Prediction Scheme for Lean-Premixed Gas Turbine Based on Detailed Chemical Kinetics," ASME, Vol. 118, pp. 775-776. 

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

  10. Melte, P. C., Pratt, D. T., 1975 "Measurement of Atomic Oxygen and Nitrogen Oxides In Jet Stirred Combustion," Symposium on Combustion, Vol. 15, pp. 1061-1070. 

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

  12. Yu, M. J., 1999, "Investigation of Combustion and Nox Emission Characteristics for Pulverized Coal with Radiation Effects," PhD Dissertation, KAIST, pp. 63-65. 

  13. Lim, I. G., Chung, S. H., 1995, "Numerical Study of Interacting Premixed Flames Including Gas Phase Radiation." Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 19, pp 858-867. 

  14. Cho, J. H., Kim, H. S., 2012, Development of Technologies for Analysis of Thermo-fluid/ Combustion and Operations of Combustion System with Applications to a 100 MW-class Gas Turbine, Korea Institute of Machinery and Materials, Annual Report, Vol 3. 

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