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문제 정의
- 본 연구에서는 연소 및 배기특성을 조절할 수 있는 예혼합 연소방식을 기본적으로 채택하고 보다 폭넓은 연소속도를 가진 혼합가스연료의 당량비 변화에 따른 가동영역을 확장할 수 있는 가능성을 예혼합 스윌을 적용한 개질기용 버너를 통하여 알아보았다. 개질기용 버너의 연구를 진행하기 위하여 예혼합 스월과 연소스월이 2단으로 적용된 선회류 예혼합 스윌버너를 구성하였다.
제안 방법
- Case 1, Case 2, Case 3의 연료조성 및 당량비 변화에 따른 배기가스 배출량을 측정하였고 측정된 NOx 및 CO의 배출량 그래프를 각각 Fig. 11과 12에 비교하였다. NOx배출량을 나타낸 Fig.
- 15와 같이 가동영역을 구분하였다. Fig. 15를 살펴보면 크게 CO배출 100 ppm 영역과 CO배출 50 ppm영역으로 가동영역을 구분할 수 있는데 NOx의 경우 모든 실험조건에서 20 ppm 이하의 배출량을 보였으므로 CO를 기준으로 가동영역을 구분하였다. 본 연구에서 개발된 선회류 예혼합 스월버너의 경우 당량비 0.
- NG를 적용한 선회류 예혼합 스월버너의 실험에 이어서 AOG를 사용한 Case 2조건에서 실험을 진행하였다. 실험을 진행한 당량비는 Case 1의 실험과 동일하게 0.
- 본 연구에서는 연소 및 배기특성을 조절할 수 있는 예혼합 연소방식을 기본적으로 채택하고 보다 폭넓은 연소속도를 가진 혼합가스연료의 당량비 변화에 따른 가동영역을 확장할 수 있는 가능성을 예혼합 스윌을 적용한 개질기용 버너를 통하여 알아보았다. 개질기용 버너의 연구를 진행하기 위하여 예혼합 스월과 연소스월이 2단으로 적용된 선회류 예혼합 스윌버너를 구성하였다. 구성된 개질기용 선회류 예혼합 스윌버너의 실험을 통하여 당량비, 열용량, 연료 조성비변화에 따른 연소화염의 형상, 연소안정성 및 배기가스 배출특성을 비교분석하였다.
- 실험에 사용된 질량유량계는 정밀조정을 위하여 질량유량계 조정기(GMC-1000)를 사용하여 각 Case에 해당하는 발열량 및 당량비로 변경하였다. 공급되는 NG유량의 정밀도를 확보하기 위하여 습식가스유량계(Sinagawa)를 사용하여 아날로그방식으로도 유량을 측정하였다. 선회류 예혼합 스월버너의 배기가스 분석을 위하여 배기가스 분석기(Testo-330)와 배기가스 분석 프로그램(Easyheat Software)을 사용하여 배출되는 CO, CO2, NOx, O2 등의 배기가스 Data를 실시간으로 수집하여 분석하였다.
- 개질기용 버너의 연구를 진행하기 위하여 예혼합 스월과 연소스월이 2단으로 적용된 선회류 예혼합 스윌버너를 구성하였다. 구성된 개질기용 선회류 예혼합 스윌버너의 실험을 통하여 당량비, 열용량, 연료 조성비변화에 따른 연소화염의 형상, 연소안정성 및 배기가스 배출특성을 비교분석하였다.
- 본 수치해석을 바탕으로 스월각도 60°와 45°의 혼합률이 크게 차이가 나지 않는다고 판단하였고 비교적 제작 및 적용이 용이한 45°스월을 예혼합스월로 결정하여 실험을 진행하였다.
- 일반적으로 예혼합버너의 연소에 있어 연료와 공기의 혼합률은 연소효율과 배기가스 배출에 직접적으로 영향을 미치는 중요한 인자로 알려져 있다[10]. 본 연구에서는 연료와 공기의 안정적인 예혼합을 위하여 혼합부에 예혼합스윌을 적용하여 연료/공기 예혼합장치를 설계하였다.
- 0 조건에서 안정적인 청염의 연소화염이 형성되었다. 선회류 예혼합 스월버너의 가동영역을 분석하기 위하여 당량비 및 배기가스 배출량을 기준으로 Fig. 15와 같이 가동영역을 구분하였다. Fig.
- 공급되는 NG유량의 정밀도를 확보하기 위하여 습식가스유량계(Sinagawa)를 사용하여 아날로그방식으로도 유량을 측정하였다. 선회류 예혼합 스월버너의 배기가스 분석을 위하여 배기가스 분석기(Testo-330)와 배기가스 분석 프로그램(Easyheat Software)을 사용하여 배출되는 CO, CO2, NOx, O2 등의 배기가스 Data를 실시간으로 수집하여 분석하였다. 실험에 사용된 연료종류, 당량비 및 열용량 변화가 선회류 예혼합 스월버너의 연소화염에 미치는 영향을 분석하기 위하여 디지털카메라(D-90)를 사용하였으며 조리개 F10, 2초의 노출시간과 초점거리는 85 mm로 하여 연소화염의 형상을 비교 분석하였다.
- 선회류 예혼합 스월버너의 세 가지 가동조건인 Case 1, Case 2, Case 3 각각의 다른 열용량을 고려한 배기가스를 비교분석하기 위하여 열용량이 고려된 배출지수(Emission Index)변환하여 Fig. 13과 14에 나타내었다. 사용된 배출지수는 아래의 식 (2)를 통해 계산되었다.
- 스월각도 변화에 따른 예비실험결과 스월각도 45°조건에서 당량비변화 및 열용량변화에 따른 가장 안정적인 연소화염을 형성할 수 있어 본 연구에서는 연료/공기 예혼합스월과 연소스월의 각도를 45°로 결정하여 실험에 적용하였다.
- 선회류 예혼합 스월버너의 배기가스 분석을 위하여 배기가스 분석기(Testo-330)와 배기가스 분석 프로그램(Easyheat Software)을 사용하여 배출되는 CO, CO2, NOx, O2 등의 배기가스 Data를 실시간으로 수집하여 분석하였다. 실험에 사용된 연료종류, 당량비 및 열용량 변화가 선회류 예혼합 스월버너의 연소화염에 미치는 영향을 분석하기 위하여 디지털카메라(D-90)를 사용하였으며 조리개 F10, 2초의 노출시간과 초점거리는 85 mm로 하여 연소화염의 형상을 비교 분석하였다.
- 산화제로는 공기, 연료로는 NG와 AOG를 사용하였고 각각의 가스는 압력조절기를 통하여 실험에 적합한 압력으로 감압하여 질량유량계(Mass Flow Controller, MKS)를 통해 공급하였다. 실험에 사용된 질량유량계는 정밀조정을 위하여 질량유량계 조정기(GMC-1000)를 사용하여 각 Case에 해당하는 발열량 및 당량비로 변경하였다. 공급되는 NG유량의 정밀도를 확보하기 위하여 습식가스유량계(Sinagawa)를 사용하여 아날로그방식으로도 유량을 측정하였다.
- 연료/공기 예혼합스월과 연소스월로 구성된 개질 기용 선회류 예혼합 스월버너의 제작 및 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 1절에서 설명한 수치해석 및 예비실험을 바탕으로 각도 45°의 스월을 적용하였다. 연소실의 직경은 3D, 5D 두 가지 종류로 설계하였고 각각의 길이는 8.2D로 일정하게 고정하였으며 이때의 D의 길이는 1 cm이다. 연소실의 직경을 3D와 5D로 설계하여 실험에 적용한 이유는 본 선회류 예혼합 스월버너가 적용되는 개질시스템의 연소실의 직경이 3D와 5D로 구성되어 있기 때문이다.
- 예혼합스월을 적용한 연료/공기 예혼합기의 혼합정도를 분석하기 위하여 스월각도 45° 및 60° 조건에서 Ansys Fluent를 적용하여 3차원 수치해석을 진행하였고 연소스월 바로 아래인 혼합부에서의 연료/공기 예혼합기 분포를 Fig. 2에 나타내었다.
- 혼합부 및 연소부에 적용된 스월은 2.1절에서 설명한 수치해석 및 예비실험을 바탕으로 각도 45°의 스월을 적용하였다.
대상 데이터
- 5와 같이 실험장치를 구성하였다. 산화제로는 공기, 연료로는 NG와 AOG를 사용하였고 각각의 가스는 압력조절기를 통하여 실험에 적합한 압력으로 감압하여 질량유량계(Mass Flow Controller, MKS)를 통해 공급하였다. 실험에 사용된 질량유량계는 정밀조정을 위하여 질량유량계 조정기(GMC-1000)를 사용하여 각 Case에 해당하는 발열량 및 당량비로 변경하였다.
- 선회류 예혼합 스월버너는 Fig. 4와 같이 연료/공기 공급부, 연료/공기 예혼합부, 연소부로 구성하였다. 혼합부 및 연소부에 적용된 스월은 2.
- 선회류 예혼합 스월버너의 실험을 진행하기 위하여 Fig. 5와 같이 실험장치를 구성하였다. 산화제로는 공기, 연료로는 NG와 AOG를 사용하였고 각각의 가스는 압력조절기를 통하여 실험에 적합한 압력으로 감압하여 질량유량계(Mass Flow Controller, MKS)를 통해 공급하였다.
데이터처리
- 5 kW조건으로 열용량이 감소하며 연료/공기혼합가스의 체적유량이 Case 1과 Case 2에 비하여 매우 작아 연소스월을 통과하는 유속이 감소하여 연소스월 바로 윗부분에서 연소화염이 작게 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 연소화염이 발생되는 원인을 분석하기 위하여 1차원 수치해석 프로그램인 Chemkin Pro를 사용하여 Case 1, Case 2 및 Case 3조건에서 당량비 변화에 따른 연소속도를 계산하였고 계산결과를 Fig. 10에 비교하였다. Fig.
성능/효과
- 1) 연료변화에 따른 개질기용 선회류 예혼합 스 월버너의 실험을 통하여 각각의 연료조성과 당량비 변화에도 안정된 연소화염이 형성됨을 확인하였다.
- 2) 연소부의 직경변화에 따른 연소실험 결과 연소부의 직경이 5D 조건에서 3D에 비하여 연소실벽에서의 화염집중도가 낮게 발생하여 촉매부에 보다 효율적이며 안정된 열전달이 가능하다고 판단하였다.
- 3) 실험에 적용한 Case 1 및 Case 2조건에서는 열용량의 감소에도 연료/공기 예혼합가스의 체적유량이 비슷하여 당량비가 증가함에 따라 연소화염의 형태가 뚜렷해지고 연소실벽을 감싸는 형태의 화염을 형성하였다. 하지만 Case 3의 경우 열용량 감소에 따른 체적유량의 감소와 AOG에 포함된 수소의 영향으로 연소속도가 빨라져 연소스월 바로 윗부분에서 연소화염이 독립되어 존재하는 화염이 형성되는 것을 확인하였다.
- 4) 배기가스 측정 결과 실험에 적용된 모든 연료조건 및 당량비 조건에서 20 ppm 이하의 NOx가 배출됨을 확인하였다. CO의 경우 Case 1조건의 당량비 0.
- 5) 배기가스 배출량을 기준으로 가동영역을 구분하면 당량비 0.7에서 0.85영역에서는 CO 50 ppm, 당량비 0.85에서 0.9영역에서는 CO 100 ppm 이하의 배출이 가능하다. 따라서 다공매체를 적용한 예혼합버너에 비하여 매우 넓은 가동영역에서 작동이 가능한 개질기용 연소시스템으로서의 가능성을 확인하였다.
- 6에 비교하였다. Fig. 6을 살펴보면 연소실직경 3D와 5D조건에서 모두 안정적인 연소화염이 형성됨을 확인하였으며 연소스월을 통해 형성된 연소화염의 영향으로 인하여 연소실벽부근의 온도가 집중되는 것을 확인하였다.
- 11과 12에 비교하였다. NOx배출량을 나타낸 Fig. 11을 살펴보면 AOG와 NG가 혼합된 Case 2 및 Case 3 경우 모든 당량비 조건에서 약 4 ppm 이하의 NOx가 배출됨을 확인하였다. 하지만 Case 1의 경우 당량비가 증가함에 따라 배출되는 배기가스의 배출량이 약 3.
- 9영역에서는 CO 100 ppm 이하의 배출이 가능하다. 따라서 다공매체를 적용한 예혼합버너에 비하여 매우 넓은 가동영역에서 작동이 가능한 개질기용 연소시스템으로서의 가능성을 확인하였다.
- 또한 화염의 형태를 살펴보면 본 논문에서 적용한 스월과 연소실의 크기가 작기 때문에 내부재순환영역이라든지 코너재순환영역이 확연히 나타나지가 않고 마치 스월 블레이드사이를 통해 분출되는 경사된 제트형태로 화염이 형성되는 것을 보여주고 있다. Fig.
- 15를 살펴보면 크게 CO배출 100 ppm 영역과 CO배출 50 ppm영역으로 가동영역을 구분할 수 있는데 NOx의 경우 모든 실험조건에서 20 ppm 이하의 배출량을 보였으므로 CO를 기준으로 가동영역을 구분하였다. 본 연구에서 개발된 선회류 예혼합 스월버너의 경우 당량비 0.7에서 0.85조건에서는 50 ppm 이하의 CO배출이 가능하고 당량비 0.85에서 0.90조건에서는 CO배출이 100 ppm 이하로 배출된다. 일반적인 가정용 보일러의 배기가스 규정을 적용하여 운전영역을 규정한다면 당량비 0.
- 수치해석결과를 비교한 결과 스월강도가 큰 스월 각도 60°조건에서 45°조건보다 균일하게 혼합된 예 혼합기의 분포를 보이며 스월각도 45° 조건에서는 예혼합스월의 선회류의 영향으로 벽면에 연료가 다소 집중되어 있는 분포를 보이나 몰분율의 편차가 매우 작으므로 예혼합스월을 통한 연료/공기의 혼합이 잘 이루어지고 있음을 짐작해볼 수 있다.
- 스윌유동의 경우 강한 선회류에 의하여 내부재순환영역과 코너재순환영역이 발생하며 Vortex-Breakdown에 의해 높은 전단응력과 강한 난기류를 생성하게 되어 혼합률이 증가되므로 연료/공기 예혼합장치로의 가능성을 확인할 수 있었다. 스월에 의한 선회류의 강도는 스월넘버(SN)를 통하여 나타낼 수 있고 스월넘버는 다음의 식을 통하여 계산할 수 있다[11].
- 9에는 AOG와 NG를 혼합하여 사용하는 Case 3 연료조건에서의 연소실험결과를 비교하였다. 실험결과를 살펴보면 전체 당량비영역에서 연소화염의 형태가 0.5 kW조건으로 열용량이 감소하며 연료/공기혼합가스의 체적유량이 Case 1과 Case 2에 비하여 매우 작아 연소스월을 통과하는 유속이 감소하여 연소스월 바로 윗부분에서 연소화염이 작게 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 연소화염이 발생되는 원인을 분석하기 위하여 1차원 수치해석 프로그램인 Chemkin Pro를 사용하여 Case 1, Case 2 및 Case 3조건에서 당량비 변화에 따른 연소속도를 계산하였고 계산결과를 Fig.
- 연소화염의 형태를 살펴보면 작은 사이즈의 연소스월의 영향으로 제트형태의 예혼합화염이 형성되며 당량비가 감소됨에 따라 연소화염이 연소실의 외벽에 부딪혀 외벽을 타고 회전하는 연소화염의 형태가 뚜렷해지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 원인은 당량비가 희박해지며 스월을 통과하는 연료 및 공기의 혼합가스유량이 증가하여 NG연소속도보다 토출 속도가 빨라지기 때문이라 판단된다.
- 0으로 접근하면 연소화염의 색이 녹염으로 변화되는 특징이 발생된다. 하지만 본 논문의 스월을 적용한 예혼합 연소시스템의 경우 고 당량비 조건에서도 연소화염의 색변화가 발생하지 않음을 확인할 수 있다.
- 0 kW의 열용량을 갖는 Case 2의 AOG 및 NG의 연료/공기 체적유량의 차이가 거의 없어 연소스월을 통과하는 연료/공기 예혼합기의 유속이 비슷하기 때문이다. 하지만 저 당량비조건에서는 Case 2의 AOG연료조성에 포함되어있는 수소 및 불활성가스(CO2, N2)의 영향으로 연소화염의 형태가 연소스월의 출구방향을 따라 제트의 형상으로 명확하게 구별되어 나타나며 화염의 길이가 짧아져 외벽을 따라 형성되는 화염이 없는 것을 확인할 수 있다.
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