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.
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.
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-...
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-step chemistry models are adopted. The results calculated by 1-step chemistry showed that NO emissions increased by 2% in the case of degraded mixedness and by 169% in the case of improved mixedness, where the temperature in the flame zone was overestimated upstream of the cone. However, the corresponding results calculated by 2-step chemistry showed that NO emission increased by 3% and decreased by 5%, where the flame zone was not formed inside the cone. The latter results agree well with the experimental ones indicating an increase of 63% and decrease of 11% in the respective cases. Despite quantitative errors, NO emissions can be predicted reasonably by the application of the 2-step chemistry model adopted here and design modification of burner for NO reduction can be proposed based on the numerical data.
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-step chemistry models are adopted. The results calculated by 1-step chemistry showed that NO emissions increased by 2% in the case of degraded mixedness and by 169% in the case of improved mixedness, where the temperature in the flame zone was overestimated upstream of the cone. However, the corresponding results calculated by 2-step chemistry showed that NO emission increased by 3% and decreased by 5%, where the flame zone was not formed inside the cone. The latter results agree well with the experimental ones indicating an increase of 63% and decrease of 11% in the respective cases. Despite quantitative errors, NO emissions can be predicted reasonably by the application of the 2-step chemistry model adopted here and design modification of burner for NO reduction can be proposed based on the numerical data.
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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.
제안 방법
기존의 연구에서는 비혼합도(unmixedness) 계산시에 혼합 분율의 섭동값을 변수로 사용하였다.(11) 그러나, 본 연구에서처럼 정상 상태(steady state) 유동장 결과로부터 혼합특성을 파악하기 위해서는 혼합도를 이용할 수 없으며(섭동값을 평가할 수 없으므로) 이에따라 아래의 비혼합도식을 제안하였다.
연료 과농 영역의 형성은 고온의 연소 영역의 증가로 thermal NOX의 증가를 초래한다. Cold flow(비반응 유동) 계산을 통해 기본 모델과 다른 2가지 시험 모델에 대한 NOX 배출 경향성을 예측하였다. Figure 3에 나타낸 것과 같이 cone 상류 Z=-200 mm 위치부터 liner 내부 Z=200 mm영역에 대하여 50 mm 간격으로 혼합 특성을 조사하며, 혼합 특성 향상의 정도를 판정하기 위해 ‘수정된 비혼합도(modified unmixedness)’를 도입하고자한다.
EV double cone 버너의 설계 변경 모델에 대한 비반응 유동 해석을 통하여 혼합 특성을 분석하였다. 기본 모델 대비 설계 변경된 두 가지 시험 모델에서의 혼합 특성 향상과 NO 배출 특성을 예측하였다.
Figure 3에 나타낸 것과 같이 cone 상류 Z=-200 mm 위치부터 liner 내부 Z=200 mm영역에 대하여 50 mm 간격으로 혼합 특성을 조사하며, 혼합 특성 향상의 정도를 판정하기 위해 ‘수정된 비혼합도(modified unmixedness)’를 도입하고자한다.
EV double cone 버너의 설계 변경 모델에 대한 비반응 유동 해석을 통하여 혼합 특성을 분석하였다. 기본 모델 대비 설계 변경된 두 가지 시험 모델에서의 혼합 특성 향상과 NO 배출 특성을 예측하였다. 이를 위해 메탄 1단계 반응식과 2단계 반응식을 적용하여 NO 발생량을 예측하고 가용한 실험 결과와 비교하였다.
다음으로 시험 모델에 대한 연소 해석을 수행하였다. 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.
동일한 조건하에서 메탄 2단계 반응식에 대한 수치해석을 수행하였으며 축 방향 속도, 연소실내 온도 및 NO 분포를 Figs. 8~10에 나타내었다.
NO의 발생은 위에서 말한바와 같이 유동과 온도에 영향을 미치지 않으므로 연소해석 결과로부터 후처리 식을 통해 NO를 계산 하여도 해석에 대한 정량적인 경향성과 실험과의 정성적인 경향성을 파악할 수 있다. 따라서 설계 변경에 대한 NO의 증감을 파악할 수 있으며 NO 저감을 위한 설계변경을 제안할 수 있다. thermal NO의 생성률은 식 (13)을 통해 계산하였으며, 식 내부의 [O] 화학종과 [OH] 화학종은 code 내부 후처리 식을 통해 계산된다.
Paschereit 등(4)은 EV 버너의 NOX 저감과 화염안정화를 위해 버너 내부로 분사되는 연료 유량을 조절해 NOX 배출량 또는 압력 섭동량을 20~30% 감소할 수 있음을 밝혔다. 또한 EV 버너 내부에 lance hole을 삽입하여 화염 형성 영역에 연료를 분사하여 화염을 안정화시킴으로써 연소 소음 및 NOX 배출량을 감소시켰다.(5)
또한, 연료가 희박하고(Φ<0.8)이며 저온인 조건에서 중요한 N2O 중간 생성물 메커니즘을 고려하였다.
본 연구에서는 연속 방정식, 운동량 방정식, 에너지 방정식과 화학종 방정식, 상태방정식의 풀이를 통해 모형 연소기내 화학반응 유동장을 모사하였다.(6)
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. 대류 열전달 계수는 h=40W/K-m2 로 가정하였다.
기본 모델 대비 설계 변경된 두 가지 시험 모델에서의 혼합 특성 향상과 NO 배출 특성을 예측하였다. 이를 위해 메탄 1단계 반응식과 2단계 반응식을 적용하여 NO 발생량을 예측하고 가용한 실험 결과와 비교하였다.
정상 상태 해석을 수행하였으며, realizable k -ε 난류 모델을 사용하였고, 공기의 공급 온도는 647K, 연료의 공급 온도는 300K이며 공기와 연료의 유량은 각각 0.5kg/s, 0.014kg/s로서 공기 연료비(A/F ratio)는 35.7(당량비 0.48에 해당)로 설정하였다.
저감을 위한 설계 변경안을 마련하기 위해 일차적인 방법으로써 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 수치기 법을 적용하였다. 화학반응 모델의 영향을 살펴보기 위해 두 가지 메탄 화학반응식을 적용하여 이에 따른 EV 버너 내부의 연료-공기 혼합 특성, 화염 형성, 연소특성 및 NO 배출 특성을 예측하고 설계변경 방안을 제안하였다.
대상 데이터
일반적으로 화염 안정성을 개선하기 위해 적용되는 선회유동은 화염 기부에 재순환 영역을 형성하여 축 방향 유속을 낮추기 때문에 화염부상을 억제하며 재순환 영역의 고온 생성물이 미연 혼합기를 예열하여 화학 반응을 촉진시키는 특징을 가지고 있다. 본 연구의 대상인 EV(Environmental Vortex) 버너는 화염 안정성을 개선하기 위해 double cone 스월 인젝터를 사용한다. Paschereit 등(4)은 EV 버너의 NOX 저감과 화염안정화를 위해 버너 내부로 분사되는 연료 유량을 조절해 NOX 배출량 또는 압력 섭동량을 20~30% 감소할 수 있음을 밝혔다.
해석에 사용된 격자는 다면체 격자(polyhedral grid)이며 연소 해석을 위해 ANSYS–Fluent(7) 를 solver로 사용하였다.
데이터처리
기본 EV 버너 및 시험 모델에 대한 메탄 1단계 반응식과 2단계 반응식을 적용한 NO 배출계산 결과를 가용한 실험 결과(14) 와 비교하였다. 정량적인 배출량 비교보다 case 변경에 따른 배출량 증감의 상대적 경향을 정량적으로 파악하는데 초점을 두었다.
이론/모형
Thermal NO는 공기 중의 질소 성분이 연소 중산화하여 발생되는 것으로 다음과 같은 Zeldovich 메커니즘을 통하여 생성된다.(9)
본 연구에서는 EV 버너의 NOX 저감을 위한 설계 변경안을 마련하기 위해 일차적인 방법으로써 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 수치기 법을 적용하였다. 화학반응 모델의 영향을 살펴보기 위해 두 가지 메탄 화학반응식을 적용하여 이에 따른 EV 버너 내부의 연료-공기 혼합 특성, 화염 형성, 연소특성 및 NO 배출 특성을 예측하고 설계변경 방안을 제안하였다.
EV 버너의 경우 예혼합 화염의 형태를 보이나, 연료와 공기가 완전히 예혼합되지 않은 상태에서 개별적으로 분사된 후, 연료와 공기가 혼합되므로 공간적으로 불균일한 혼합도를 보이게 된다. 본 연구에서는 단순화된 난류 연소 모델로 유한화학 반응과 에디 소산 모델(eddy dissipation model)이 결합된 finite-rate/eddy-dissipation 모델을 사용하였다.(6,7) 위 모델은 각각 Arrhenius 형태의 식과 난류에 의한 연료와 공기가 혼합되는 정도에 따라 결정되는 반응률 식이며, 둘 중에 느리게 일어나는 반응률 모델을 선택한다.
성능/효과
2단계 반응식을 적용한 결과, case 0와 case 1의 경우 1단계 반응식을 적용한 경우와 유사한 유동 및 연소 특성을 나타내었다. case 2의 경우 cone 내부에서 고온 영역이 형성되지 않았으며 case 0에 비해 혼합 특성이 향상되어 NO가 감소한 것으로 판단된다.
그러나, case 2의 경우 cone 내부에서 1차 화염이 발생하지 않았으며 case 0와 유사한 특성을 나타내었다. NO 농도의 경우 혼합 특성이 향상된 case 2에서 case 0에 비해 버너 출구에서 5.2% 감소한 NO 배출 특성을 나타났으며, case 1의 경우 2.5% 증가한 NO 배출 결과를 보였다.
Case 0에서의 실험값과 1단계 반응식의 수치해석 결과로 실험 값과 계산 값을 무차 원화하여 나타내었다. 실험 결과로부터 혼합 특성이 향상되었던 case 2의 경우 NO가 저감되었으며 혼합 특성이 저감되었던 case 1의 경우 NO 배출량이 증가하였다. 이는 2단계 반응식을 사용한 해석결과와 유사한 경향을 보이는 결과이다.
혼합 특성이 저감된 case 1의 경우 버너 출구에서 NO 배출량이 약 2% 증가하였다. 혼합 특성이 향상되어 NO가 저감될 것으로 예측된 case 2의 경우 오히려 버너 출구에서 NO 배출량이 162%나 증가하여 세 가지 모델 중 가장 많은 NO 배출 특성을 보였다.
후속연구
향후, 수치해석적 접근을 통해 혼합도가 향상되고 NO 배출량을 저감할 수 있는 다양한 설계 변경 시험 모델을 도출하여 제안하고자 한다. 이는 후속 연구에서 다루어질 예정이다.
2단계 반응식을 적용한 경우와 실험 결과는 서로 유사한 경향성을 보여 주었다.이로 부터 2단계 반응식을 적용하여 연료/공기 혼합 및 연소 특성을 타당하게 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 향후, 수치해석적 접근을 통해 혼합도가 향상되고 NO 배출량을 저감할 수 있는 다양한 설계 변경 시험 모델을 도출하여 제안하고자 한다.
이로 부터 2단계 반응식을 적용하여 연료/공기 혼합 및 연소 특성을 타당하게 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 향후, 수치해석적 접근을 통해 혼합도가 향상되고 NO 배출량을 저감할 수 있는 다양한 설계 변경 시험 모델을 도출하여 제안하고자 한다. 이는 후속 연구에서 다루어질 예정이다.
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.
참고문헌 (14)
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.
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.
Capehart, S, A, John, C. Y, "Effect of Fuel Combustion on $NO_X$ Formation in Lean Premixed Prevaporized Combustion" ASME, 97-GT-336, 1997.
Paschereit, C. O., Schuermans, B., Buche, D., 2003, "Combustion Process Optimization Using Eveolutionary Algorithm," ASME Turbo Expo, GT-38393.
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.
Linan, A., Williams, F. A., 1993, "Fundamental Aspects of Combustion," Oxford University Press, pp. 9-13.
ANSYS FLUENT Theory Guide V13.0, 2010, ANSYS Inc.
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.
Turns, S. R., 2000, "An Introduction to Combustion," Mc-Graw Hill, pp. 472-507.
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.
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.
Yu, M. J., 1999, "Investigation of Combustion and Nox Emission Characteristics for Pulverized Coal with Radiation Effects," PhD Dissertation, KAIST, pp. 63-65.
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.
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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