[논문]공기다단 적용 석유코크스 연료 전용 연소기에 대한 실험적 연구

권민준; 이창엽; 김세원

doi:10.15231/jksc.2015.20.2.040

공기다단 적용 석유코크스 연료 전용 연소기에 대한 실험적 연구
An Experimental Study of Petroleum Cokes Air Staged Burner 원문보기

한국연소학회지 = Journal of the Korean Society of Combustion, v.20 no.2, 2015년, pp.40 - 45

권민준 (한양대학교 기계공학과) , 이창엽 (한국생산기술연구원 고온에너지시스템연구실용화그룹) , 김세원 (한국생산기술연구원 고온에너지시스템연구실용화그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

This study is aimed to study combustion characteristics of low $NO_X$ burner using petroleum cokes as fuel. The petroleum coke, which is produced through the oil refining process, is an attractive fuel in terms of its high heating value and relatively low price. But petroleum coke is a challenging fuel because of its low volatile content, high sulfur and nitrogen content, which give rise to undesirable emission characteristics and low ignitability. The petroleum cokes burner is operated at fuel rich condition, and overfire air are supplied to achieve fuel lean condition. The low $NO_X$ burner is designed to control fuel and air mixing to achieve air staged combustion, in addition secondary and tertiary air are supplied through swirler. Air distribution ratio of triple staged air are optimized experimentally. The result showed that $NO_X$ concentration is lowest when overfire air is used, and the burner function at a fuel rich condition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구를 통해 설계된 석유코크스 연소기의 성능 검증 및 질소산화물 발생 최소화를 위하여 다음과 같은 조건을 정하여 운전 조건의 최적화를 수행하였다.
본 연구에서는 연소반응성이 낮은 석유코크스를주 연료로 하고, 정제유(이온정제유)와의 혼소를 목적으로 하는 연소기를 설계/제작하여 그 성능을 실험적으로 검증하는 것을 목적으로 석유코크스 연소기의 설계와 운전 최적화를 통해 질소산화물의 발생 최소화를 유도하여 저 질소산화물의 연소기의 성능 검증 및 최적 운전조건 도출을 목적으로 한다.

제안 방법

2차 공기 공급부와 3차 공기 공급부에는 상기한 바와 같이 선회기를 설치하여 선회유동을 형성하도록 설계하였으며, 화염의 난류를 증가하기 위해 2차공기 공급부의 선회강도와 3차 공기 공급부의 선회 강도를 달리 설계하였다. 또한 2차 공기 공급부의 선회강도보다 3차 공기 공급부의 선회강도가 강하게 나타나도록 설계하였다.
1 에 나타내었다. 개념도에 나타난바와 같이 축방향 모멘텀을 가진 공기의 공급을 통해 화염 선단부에 발생하는 고온영역의 해소를 통해 열적질소산화물 (thermal NO_X)의 발생을 억제시키고, 각기 다른 선회 강도로 석유코크스와 공기를 공급하여 연소로 내부 유동의 난류강도를 증가시켜 화염의 안정화를 유도 하도록 한다. 또한 화염영역의 당량비 조건은 Extreme fuel rich 조건으로 하여 Fuel NO_X의 생성을 억제함과 동시에 후단영역은 OFA(Overfire Air)를 공급함 으로써 Extreme Fuel lean 조건을 형성하여 연소영역 에서 고온영역의 형성을 억제하여 Thermal NO_X 생성을 억제한다.
석유코크스의 연료의 연소를 위해서 충분한 체류 시간 확보와 화염안정성 확보가 가장 중요한 요소 이다. 따라서 본 연구에 사용한 석유코크스 연소는 정제유의 전소를 통해 연소로의 분위기온도를 약 1200℃까지 승온하고, 석유코크스의 투입량을 증가 하면서 정제유의 투입량을 감소하는 형식을 따른다.
2차 공기 공급부와 3차 공기 공급부에는 상기한 바와 같이 선회기를 설치하여 선회유동을 형성하도록 설계하였으며, 화염의 난류를 증가하기 위해 2차공기 공급부의 선회강도와 3차 공기 공급부의 선회 강도를 달리 설계하였다. 또한 2차 공기 공급부의 선회강도보다 3차 공기 공급부의 선회강도가 강하게 나타나도록 설계하였다.
또한 다단공기공급 연소특성을 확인하기 위하여 2가지 조건의 Air distribution ratio를 적용하여 실험을 수행하였고, 최적의 성능조건에서 시스템 당량비(Φ)를 변화하여 실험을 수행하였다(Table 3).
상기한 수식은 석유코크스 연소시스템의 OFA(Over Fire Air)의 비율을 최적화하기 위한 조건으로서 3가지 조건의 연소기 당량비(Φb)에서 실험을 수행하였다.
1차 공기 주위로 석유코크스와 이송가스가 공급된다. 석유 코크스와 이송가스는 사이클론모션으로 공급되도록 설계하였다. 이는 Fig.
연소성이 낮은 석유코크스를 주 연료로 하고, 정제유(이온정제유)와의 혼소를 목적으로 하는 연소기를 설계/제작하여 그 성능을 실험적으로 검증하기 위한 실험적인 연구를 수행한 결과는 다음과 같다.
또한 이와 같이 fuel rich,조건의 화염은 불완전 연소로 인한 미연분과 높은 농도의 CO를 배출한다. 이를 방지하기 위해 연소영역 후류에 OFA를 공급함으로써 fuel lean조건의 반응장의 형성을 유도하여 미연분과 높은 농도의 CO를 해소한다. 이러한 설계개념은 상기한 결과에 나타났으며, 연소기의 운전조건이 fuel rich조건, 후류의 OFA가 전체 공기 공급의 30%로 공급될 때 최적의 성능을 보인다.
본 연구에 사용한 정제유는 이온정제유로서 분석기 관을 통해 직접 분석한 결과는 Table 2에 나타냈다. 점도의 경우 연료공급트레인 설계와 펌프 구성에 중요한 요소이기 때문에 3가지 온도조건에서 분석을 수행하였다. 수행한 결과 정제유의 점도는 경유와 유사하거나 낮게 나타났다.

대상 데이터

상기한 바와 같이 본 연구에 적용된 연소기는 석유코크스와 정제유의 혼소연소기로서 그 설계 비율이 약 9:1(석유코크스 : 정제유)이며 석유코크스 연료의 전환은 석유코크스 투입량증가와 함께 정제유 투입량 감소를 통해 진행된다. 이러한 과정은 Fig.

이론/모형

또한 출구 그림에 나타낸바와 같이 연소기는 중앙에 정제유분 사를 위한 연료노즐이 위치한다. 본 연료노즐은 일반 상용노즐로서 다공 내부혼합식 노즐을 적용하였다. 이후 연료노즐 주위로 1차공기가 공급된다.

성능/효과

1) 설계된 연소기는 연소성이 낮은 석유코크스를주 연료로 하여 혼소비율 9:1의 조건에서 안정적인 화염을 형성하였다.
2) 높은 선회강도를 통해 화염에서 발생하는 국부 적인 고온영역의 해소를 위해 연소기 당량비(Φb)를 Fuel rich 조건으로 운전하고, OFA를 통해 Qr을 약 30%로 운전하는 최적 운전 조건 확립하였다.
3) 다단공기공급 조건(Air distribution ratio)을 조절하여 최적의 운전조건에서의 버너 운전 성능은 NO_X 52 ppm, CO 141 ppm으로 나타났다.
6과 7은 초기 연소기 운전 과정 중 O₂와 NO_X를 나타낸 그래프이다. 그래프에 나타낸 바와 같이 연소기의 당량비와 OFA의 투입을 통해 배기가스 O₂를 조절하였으며, 그에 따라 NO_X가 저감되는 결과를 확인할 수 있다. 이는 연소기당량비의 조절을 통해 화염 초기에 Fuel rich 조건의 운전을 통해 Fuel NO_X의 생성을 억제하고 화염영역과 OFA공급을 통한 후단영역에 Extreme fuel rich/lean 조건의 운전을 통해 반응영역의 고온영역생성을 억제함으로써 Thermal NO_X 의 발생을 억제하여 나타난 현상이다.
이러한 설계개념과 실험 결과를 살펴보면 선회강도가 강하게 나타나는 유동조건이 석유코크스의 저 NO_X운전에 유리하게 나타나며, 이는 석유코크스의 연소시간 확보를 위한 유동의 형성과 난류강도의 증가를 통한 화염안정화의 설계 목적이 유효하게 작용하였음을 나타낸다.
이를 방지하기 위해 연소영역 후류에 OFA를 공급함으로써 fuel lean조건의 반응장의 형성을 유도하여 미연분과 높은 농도의 CO를 해소한다. 이러한 설계개념은 상기한 결과에 나타났으며, 연소기의 운전조건이 fuel rich조건, 후류의 OFA가 전체 공기 공급의 30%로 공급될 때 최적의 성능을 보인다.

후속연구

4) 향후 본 연구를 통해 확보한 설계파라미터 및 운전조건 파라미터를 통해 연소기의 scale-up 및 추가적인 NO_X 저감을 위한 연소기 구조개선에 대한 연구를 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	석유코크스의 장점은?	또한 석유코크스의 경우 국내 경질유 생산 증가를 위한 정유 고도화 시설의 증설이 예정되어 있어 국내 생산량도 증가할 것으로 보인다. 석유코크스는 중질유 열분해 공정에서 상압/감압 중유를 열분해하여 경질유분을 만들고 남은 부산물로서 열량이 매우 높지만 가격이 저렴한 장점을 가지고 있다. 그러나 휘발성분의 함량이 매우 낮아 연소 반응성이 매우 떨어지고, 연료내 질소함량이 높다.
	저급 연료의 활용에 대한 관심이 증가하고 있는 배경은?	최근 유가의 지속적인 상승과 더불어 기업의 원가절감에 대한 관심이 커짐에 따라 저급 연료의 활용에 대한 관심이 증가하고 있다. 또한 석유코크스의 경우 국내 경질유 생산 증가를 위한 정유 고도화 시설의 증설이 예정되어 있어 국내 생산량도 증가할 것으로 보인다.
	석유코크스의 단점은?	석유코크스는 중질유 열분해 공정에서 상압/감압 중유를 열분해하여 경질유분을 만들고 남은 부산물로서 열량이 매우 높지만 가격이 저렴한 장점을 가지고 있다. 그러나 휘발성분의 함량이 매우 낮아 연소 반응성이 매우 떨어지고, 연료내 질소함량이 높다. 또한 반응 온도조건이 높아 연소 시 질소산화물이 다량으로 생성되는 단점을 가지고 있다[1,2]. 현재 석유코크스 전용 연소기에 대한 연구 개발은 국내외적으로 거의 전무한 상태이다.

참고문헌 (5)

E. J. Anthony, "Fluidized bed combustion of alternative solid fuels; status, successes and problems of the technology", Progress Energy Combust Sci, vol. 21, (1995) pp. 239-268.

상세보기
R. W. Bryers, "Utilization of petroleum coke and petroleum coke/coal blends as a means of steam raising", Fuel Process Technology vol. 44, (1995) pp. 121-141.

상세보기
K.S. Milenkova, A.G. Borrego, D. Alvares, J. Xiberta, T. Menendez, Devolatilisation behaviour of petroleum coke under pulverized fuel combustion conditions, Fuel, 82 (2003) pp. 1883-1891.

상세보기
권민준, 이창엽, 김세원, "석유코크스 연료 전용연소기에 대한 실험적 연구", 제 48회 한국연소학회 춘계학술대회, pp.27-28, (2014).
한국생산기술연구원, "석유코크스 연료 전용 고효율 저공해 산업용 보일러 시스템 상용화 개발", 에너지자원융합원천기술개발사업 보고서 (2014).

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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