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문제 정의
- 본 연구에서는 2차 공기를 연소로 상부에서 연소가스 흐름의 역방향으로 주입하여 NOx 및 CO의 배출특성을 알아보기 위한 모사실험을 수행하였다. 실험은 2차 공기의 투입 방향, 1, 2차 공기의 유량비를 변수로 진행하였다.
- 은 2차 공기를 연소로 상부에서 역방향으로 투입하는 실험을 통해서 연소가스의 재순환, jet 침투에 의한 혼합증대 등의 효과로 CO와 NOx를 동시에 저감이 가능함을 확인하였다. 본 연구에서는 연소로 상부에 2차 공기노즐을 설치하여 2차 공기의 역방향 주입효과를 알아보는 실험을 진행하였다. 2차 공기 투입 방향, 1차 공기와 2차의 공기의 유량비를 주요 설계 변수로 선정하였으며 이에 따른 NOx 및 CO의 배출특성을 도출하기 위하여 상용플랜트의 1/20의 형상적 축소로에서 실험적 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 실제소각로 운전은 연료의 탈휘발, 촤연소 유도가 가능한 1차 공기량이 필요한데 일반적으로 전체 투입공기량의 60~70%를 1차 공기로 사용하고 나머지를 2차 공기로 활용하고 있다.(17) 본 연구의 모사실험은 1차 공기와 2차 공기의 유량비 70 : 30부터 20:80의 조건에서 수행해 유량비 변화에 대한 오염물질 저감의 경향을 파악하였다. 하지만 실제 플랜트의 1차 공기량의 운전 범위를 기준으로 볼 때 적용가능 범위는 70 : 30 및 60 : 40 조건으로 한정된다.
- 2차 공기 투입 방향, 1차 공기와 2차의 공기의 유량비를 주요 설계 변수로 선정하였으며 이에 따른 NOx 및 CO의 배출특성을 도출하기 위하여 상용플랜트의 1/20의 형상적 축소로에서 실험적 연구를 수행하였다.
- 즉, 12개의열전대를 이용하여 깊이 방향으로 5단계로 측정하여 각 Case 별로 총 70개의 측정값을 획득하였다. NOx와 CO 측정은 실시간 가스측정이 가능한 testo사의 330-2 모델을 사용하여 출구에 위치한 측정포트에서 수행하였다.
- 공기 유량조절을 통해 1차공기와 2차 공기의 비를 70:30 조건에서부터 60:40, 50:50, 40:60, 30:70, 20:80까지 변경하며 조건에 따른 가스와 온도를 1초 단위로 저장한 후 10분간의 평균값을 결과에 사용하였다.
- 같은 높이 내에서는 연소로의 중심위치를 포함하여 좌, 우 40 mm 간격으로 3개의 포트를 설치하였다. 깊이 방향으로는 간격 25 mm씩 5단계로 나누어 연소실 내부 온도를 측정하였다. 즉, 12개의열전대를 이용하여 깊이 방향으로 5단계로 측정하여 각 Case 별로 총 70개의 측정값을 획득하였다.
- 내부 온도측정을 위한 포트는 버너 위쪽으로 275 mm 떨어진 위치로부터 150 mm 간격으로 배치하였고 TC1, TC2, TC3, TC4로 표기하였다.
- 상부에 설치된 수직 방향 2차 공기 노즐의 직경은 3.0 mm이고 위치는 3× 4배열의 총 12개를 설치해 노즐 위치의 변화에 따른 실험이 가능하도록 하였다.
- 실험로 승온은 버너에서 1차 공기와 연료만을 사용하여 안정화 상태까지 진행하였다. 승온이 완료되면 1차 공기유량을 점차 줄이고, 2차 공기유량을 증가시켰다.
- 본 연구에서는 2차 공기를 연소로 상부에서 연소가스 흐름의 역방향으로 주입하여 NOx 및 CO의 배출특성을 알아보기 위한 모사실험을 수행하였다. 실험은 2차 공기의 투입 방향, 1, 2차 공기의 유량비를 변수로 진행하였다.
- 연소로의 2차 공기 노즐은 지면을 기준으로 수평 방향(일반적인 2차 공기 투입)과 수직 방향(역방향 2차 공기 투입)으로 투입이 가능하도록 제작하였다. 수평 방향의 2차 공기 노즐은 내경6mm를 사용하였으며 버너로부터 275 mm 위에 설치하였다.
- 모사 실험 장치는 20:1 크기의 형상으로 제작하였다. 하단에 설치한 4개의 메탈화이버 버너에서 연료와 1차 공기를 예혼합하여 투입하였는데, 소각로에서 발생하는 1차 연소실 출구 가스는 화격자의 위치에 따라 불균일한 가스 조성을 나타내므로,(17) 이를 모사하기 위해 버너별 유량을 달리하는 방법으로 불균일성을 모사하였다.
대상 데이터
- NOx 발생량은 연료가 농후한 화염과 매우 희박한 화염의 경우에 상대적으로 낮은 반면, 과잉공기비 10%에서 최대가 된다. NOx 저감 효과를 명확하게 확인하기 위하여 공기유량은 과잉공기비 10%를 기준으로 선정하였다.(18)
- 2는 실제플랜트의 2차 연소실을 실험실 규모로 모사하기 위한 실험장치의 개략도이다. 모사 실험 장치는 20:1 크기의 형상으로 제작하였다. 하단에 설치한 4개의 메탈화이버 버너에서 연료와 1차 공기를 예혼합하여 투입하였는데, 소각로에서 발생하는 1차 연소실 출구 가스는 화격자의 위치에 따라 불균일한 가스 조성을 나타내므로,(17) 이를 모사하기 위해 버너별 유량을 달리하는 방법으로 불균일성을 모사하였다.
- 일반적인 소각로의 경우는 열회수에 필요한 수관과 캐스타블, 내화벽돌로 구성된 벽면으로 구성되어 있으며 2차 연소로 출구기준으로 850 ℃ 이상의 범위에서 운전되는데, 모사소각로는 설비가 작아 단위 체적대비 벽면 열손실이 크기에 내화벽만으로도 충분히 온도가 하강하는 효과가 있었다. 벽면은 주 온도영역대인 800~1100 ℃에서0.16~0.21 W/m℃의 열전도율을 갖는 두께 100 mm의 세라믹계열 단열재(금강 세라크울)를 사용하였다. 실험에 사용한 연료는 LPG이며, 조성은 프로판 60%, 부탄 40%이다.
- 3에 나타난 바와 같이 행(column) 방향으로 1, 2, 3, 4로 표기하고 열(row) 방향으로 (A), (B), (C)로 표기하였다. 본 논문에서 수직 방향 2차 공기 노즐은 A열의 1행과 4행을 한 세트로 사용하였다.
- 본 연구 결과 중 NOx 감소 효과는 연료를 N성분이 포함되지 않은 LPG를 사용했기 때문에 thermal NOx로 한정된다. Di Nola(19)의 연구 내용에 따르면 연료 중 N성분을 포함한 연료의 연소에서 NOx는 주로 fuel NOx라고 할 수 있다.
- 21 W/m℃의 열전도율을 갖는 두께 100 mm의 세라믹계열 단열재(금강 세라크울)를 사용하였다. 실험에 사용한 연료는 LPG이며, 조성은 프로판 60%, 부탄 40%이다.
- 깊이 방향으로는 간격 25 mm씩 5단계로 나누어 연소실 내부 온도를 측정하였다. 즉, 12개의열전대를 이용하여 깊이 방향으로 5단계로 측정하여 각 Case 별로 총 70개의 측정값을 획득하였다. NOx와 CO 측정은 실시간 가스측정이 가능한 testo사의 330-2 모델을 사용하여 출구에 위치한 측정포트에서 수행하였다.
성능/효과
- 일반적인 소각로의 경우는 열회수에 필요한 수관과 캐스타블, 내화벽돌로 구성된 벽면으로 구성되어 있으며 2차 연소로 출구기준으로 850 ℃ 이상의 범위에서 운전되는데, 모사소각로는 설비가 작아 단위 체적대비 벽면 열손실이 크기에 내화벽만으로도 충분히 온도가 하강하는 효과가 있었다.
- (3) 본 연구 결과는 실제 소각플랜트의 1/2차 공기량의 비율을 유지하는 조건에서 CO의 완전연소를 유도함과 동시에 thermal NOx의 생성을 저감할 수 있는 새로운 연소 방법이라고 할 수 있다.
- (2) 이로 인해 EU, EPA(Environment Protection Agency), IMO(International Maritime Organization)와 같은 국제기구에서 NOx, CO 등의 공해물질배출규제 기준치를 꾸준히 강화하고 있는 실정이다.(3,4) 국내에서 운전되고 있는 폐기물 소각 설비는 30여 년 전부터 건설되어 왔는데 대형소각로는 해외기술로 제작되었고 중소규모 소각로는 기술력에 한계가 있던 국내 기업에서 제작되었다. 이러한 폐기물 소각로는 현재 노후도가 심하여 공해물질 저감에 한계가 있는 상황이다.
- 2차 공기를 수직 방향으로 투입할 때 전체적으로 수평 방향보다 낮은 NOx 분포를 보였다. 1 : 2차 공기 유량비에 따른 NOx 발생 경향은 2차 공기 유량이 증가할수록 감소하였는데, 최저점이 40 : 60에서 발생한 후 2차 공기 비율이 더욱 증가하면 NOx는 다소 증가하는 경향이 나타났다.
- 1차 공기와 2차 공기의 유량비를 조절하여 실험한 결과 2차 공기 유량비가 증가할수록 NOx가 감소하였다. 그러나 2차 공기 유량비를 과도하게 증가시키면 다시 NOx가 증가하는 포물선 형태가 나타나는 것이 확인되었다.
- 2차 공기의 수평 투입조건에서는 1, 2차 공기비가 30 : 70에서 최소 NOx조건이 되었고, 수직 투입조건에서는 40 : 60 조건이 되었다. 2차 공기 비율을 증가시키면 다단연소효과에 의한 NOx 저감효과를 기대할 수 있으며, 2차 공기를 수직으로 투입하는 경우 Fig. 8에 나타난 바와 같이 연소가 가스가 2차 공기 제트의 흐름을 따라 재순환하는 흐름을 보임으로서 배가스 재순환의 효과를 동시에 이룰 수 있어서 NOx의 저감 효율이 증가하는 것으로 나타났다.
- 2차 공기가 수평 방향으로 투입될 때 CO는 모든 경우에서 나타나지 않았으며 수직 방향으로 투입될 경우 2차 공기 비율이 70% 이상인 조건에서 나타났지만 2 ppm 이내의 적은 CO가 발생하여 안정적인 연소조건으로 판단할 수 있다.
- NOx 배출은 2차 공기가 수직 방향으로 투입되는 조건이 수평 방향으로 투입되는 조건보다 평균 34% 가량 저감되는 것으로 확인되었다. 이는 상부에서 빠른 유속으로 2차 공기가 투입될 때 연소로 내부 유동의 순환 영역이 크게 발생하고 이를 통해 연소로 전체 영역의 온도가 고르게 분포되기 때문인 것으로 판단된다.
- Table 3은 유량비에 따른 NOx, CO, 평균온도, 최대온도, 최저온도, 온도의 표준편차를 나타내었다. 수평투입 조건의 NOx 측정 결과를 보면 유량비 70 : 30 조건에서 146 ppm으로 가장 많은 NOx가 발생하였고, 유량비 30 : 70 조건에서 39 ppm으로 가장 적게 발생하였다. 역방향 수직 투입 조건의 실험 결과 유량비 70 : 30 조건에서 44 ppm으로 가장 많은 NOx가 발생한 후 2차 유량비가 증가할수록 NOx가 감소하여 40 : 60 조건에서 18 ppm으로 가장 적게 나타났다.
- 수평투입 조건의 NOx 측정 결과를 보면 유량비 70 : 30 조건에서 146 ppm으로 가장 많은 NOx가 발생하였고, 유량비 30 : 70 조건에서 39 ppm으로 가장 적게 발생하였다. 역방향 수직 투입 조건의 실험 결과 유량비 70 : 30 조건에서 44 ppm으로 가장 많은 NOx가 발생한 후 2차 유량비가 증가할수록 NOx가 감소하여 40 : 60 조건에서 18 ppm으로 가장 적게 나타났다. 2차 공기를 수직 방향으로 투입할 때 전체적으로 수평 방향보다 낮은 NOx 분포를 보였다.
- 1차 공기 유량비가 높아 하부에서 고온영역대가 형성되었으며 5개의 노즐로 구성된 우측이 4개의 노즐로 구성된 좌측보다 노즐의 개수가 1개 더 많아 고온영역이 좌측으로 치우쳐진 것으로 판단된다. 주반응이 연소로 하부에서 일어난 후 상부로 갈수록 온도가 줄어들고 연소로 내부의 온도가 균일하지 못한 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 본 실험 결과를 실제 소각연소로에 적용하기 위해서 운전조건에 대한 검토가 필요하다. 실제소각로 운전은 연료의 탈휘발, 촤연소 유도가 가능한 1차 공기량이 필요한데 일반적으로 전체 투입공기량의 60~70%를 1차 공기로 사용하고 나머지를 2차 공기로 활용하고 있다.
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