[논문]코안다 노즐을 이용한 배기가스 재순환 버너의 연소 유동 특성 및 NOx 저감에 관한 연구

하지수

doi:10.7842/kigas.2017.21.3.53

코안다 노즐을 이용한 배기가스 재순환 버너의 연소 유동 특성 및 NOx 저감에 관한 연구
A Study on the Combustion Flow Characteristic and NOx Reduction of the Exhaust Gas Recurculation Burner using Coanda Nozzles 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.21 no.3, 2017년, pp.53 - 60

초록
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연소로에서 질소산화물을 저감하기 위하여 여러 가지 방법으로 연구가 진행되어 오고 있는데 그 중에 배기가스를 재순환하여 저감하는 방법이 있다. 본 연구는 배기가스를 재순환하는 방법으로 연소로 외부에 코안다 노즐을 이용하여 배기가스를 재순환 유입하는 방법을 사용하였다. 코안다 노즐을 이용하여 배기가스를 재순환하고 혼합가스는 연소로 접선 방향으로 투입하여 선회유동을 유발하는 특징을 가지는 배기가스 재순환 버너이다. 이러한 버너에서 연소로 내의 선회 유동 특성을 살펴보고 온도와 반응속도 분포를 살펴봄으로써 코안다 노즐을 이용한 재순환 버너의 연소 유동 특성을 규명하였다. 과잉공기계수와 코안다 노즐 간격을 변화하여 배기가스 재순환 유입량 특성을 살펴보았으며 과잉공기계수를 증가하면 재순환 유입량비가 증가하였고 코안다 노즐 간격을 증가하면 코안다 노즐 공기 출구에서 속도가 낮아져서 재순환 유입량이 감소한다는 특성을 알았다. 배기가스 출구에서 평균온도는 코안다 노즐 간격 변화에 거의 무관하며 과잉공기계수 증가에 따라 감소하는 것을 알았다. 이러한 특성으로 배기가스 출구에서 NOx 농도는 과잉공기계수 증가에 따라 현저히 감소하고 코안다 노즐 간격에는 상대적으로 영향이 적은 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Various researches have been conducted for the reduction of NOx at the combustion furnace and exhaust gas recirculation method is commonly used technology for NOx reduction. The present research adopted coanda nozzles at the outside pipes of furnace to entrain the exhaust gas for the exhaust gas recirculation and the mixed gas was ejected to the tangential direction to cause the swirl flow in the furnace. The combustion flow characteristics in the exhaust gas recirculation burner with coanda nozzle has been elucidated by analyzing the swirl flow streamlines, temepraure and reaction rate distribution in the furnace. The exhaust gas entrained flow rate has been investigated by changing the excess air factor and coanda nozzle gap and the exhaust gas entrained flow rate increased with the increase of excess air factor and it decreased with the increase of coanda nozzle gap. The mean temperature at the exit plane of exhaust gas decreased with the excess air factor and it was little affected by the increase of coanda nozzle gap. The NOx mass fraction at the exhaust gas exit plane remarkably decreased with the excess air factor and it was also little affected by the increase of coanda nozzle gap.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

코안다 노즐의 형상에 따른 배기가스 재순환 유량 특성에 관한 연구는 본 연구에 선행되어 진행되었다[6,7]. 본 연구는 코안다 노즐이 장착된 배기가스 재순환 버너에서 코안다 노즐의 공기 분출 간격과 공기 유량 변화에 따라 유동 특성과 연소 특성을 규명하기 위해 수행하였다.
본 연구에서 코안다 노즐을 이용한 배기가스 재순환 연소로의 연소유동 특성을 살펴 보기위해 공기유량과 코안다 노즐의 간격을 변화시켜서 살펴보기로 하였다. 공기유량은 과잉공기계수 1.
본 연구에서는 배기가스를 재순환 시키는 장치로 코안다 노즐을 장착한 버너에 대해 연구하고자 한다. 코안다 노즐을 이용하여 연소로 내부에 있는 배기가스를 재순환하고 외부에서 들어오는 공기와 혼합하여 연소로에 투입할 경우에 연소 특성을 관찰한다.
코안다 노즐을 이용하여 연소로 내부에 있는 배기가스를 재순환하고 외부에서 들어오는 공기와 혼합하여 연소로에 투입할 경우에 연소 특성을 관찰한다. 코안다 노즐의 형상에 따른 배기가스 재순환 유량 특성에 관한 연구는 본 연구에 선행되어 진행되었다[6,7]. 본 연구는 코안다 노즐이 장착된 배기가스 재순환 버너에서 코안다 노즐의 공기 분출 간격과 공기 유량 변화에 따라 유동 특성과 연소 특성을 규명하기 위해 수행하였다.

제안 방법

본 연구에서 코안다 노즐을 이용한 배기가스 재순환 연소로의 연소유동 특성을 살펴 보기위해 공기유량과 코안다 노즐의 간격을 변화시켜서 살펴보기로 하였다. 공기유량은 과잉공기계수 1.1인 경우, 코안다 노즐에서 공기 간격은 0.5mm인 경우를 기준 Case로 설정하여 이 경우의 연소유동 특성을 우선 살펴보기로 한다.
또한 공기의 유량을 연료량보다 많이 연소시키는 연료희박 재연소의 연소특성을 통해 질소산화물을 저감시키는 방법에 대한 연구도 진행되었다[3]. 또한 배기가스 재순환 장치로 화력발전소에서 공기 흡입구에 배기가스의 일부를 재순환시켜 연소할 때의 최고온도를 낮춤으로 질소산화물의 발생을 억제하는 연구도 진행되었고, 실제 생산되고 있는 재순환 배기가스를 공급하는 장치인 EGR 연소기가 장착된 보일러에 가스 분석기를 설치하여 재순환율을 변경하여 실험을 통해 데이터를 분석하는 연구도 진행되었다[4,5]. 이 경우 배기가스를 연소로 내부에 재순환시켜 고온의 가스를 공기에 바로 연소시키는 것이 아니라 배기가스를 연소로에 재순환시켜 공기의 온도를 낮게 해 준다.
본 연구에서 코안다 노즐을 이용한 배기가스 재순환 연소로의 연소유동 특성을 살펴 보기위해 공기유량과 코안다 노즐의 간격을 변화시켜서 살펴보코안다 노즐에서 투입되는 공기유량과 코안다 노즐의 입구 간격 변화에 따른 배기가스 재순환 유입 유량의 변화 특성을 Table 1, Table 2와 Table 3에 나타내었다. Table 1은 코안다 노즐 간격이 0.
본 연구의 수치해석에 사용한 지배방정식은 3차원 정상상태 연속방정식, 운동량방정식, 에너지방정식, 연소 반응에 관한 농도장 방정식으로 구성되어 있다. 난류 모델은 realizable k-ε 난류방정식을 사용하였고 연소모델은 Finite-rate 및 Eddy-dissipation 모델을 사용하였다.
연소로에서 코안다 노즐을 이용하여 배기가스를 재순환할 때 코안다 노즐 간격과 공기유량을 변화하면서 연소로 내부의 유동과 연소 특성을 살펴보았고 아래와 같이 결과를 도출할 수 있었다.
1(a)에 나타낸 것과같이 버너의 연소로는 원통형이며 원통 가운데에 연료 공급용 배관이 설치되어 있다. 원통 버너의 외부에 두 개의 배관을 연결하여 배기가스를 재순환하도록 하였다. 배기가스를 재순환하는 원동력은 Fig.
본 연구에서는 배기가스를 재순환 시키는 장치로 코안다 노즐을 장착한 버너에 대해 연구하고자 한다. 코안다 노즐을 이용하여 연소로 내부에 있는 배기가스를 재순환하고 외부에서 들어오는 공기와 혼합하여 연소로에 투입할 경우에 연소 특성을 관찰한다. 코안다 노즐의 형상에 따른 배기가스 재순환 유량 특성에 관한 연구는 본 연구에 선행되어 진행되었다[6,7].
5배로 변화하였다. 코안다 노즐의 공기 측 간격은 0.5mm, 1.0mm, 1.5mm 의 세 가지에 대하여 해석을 수행하였다.

대상 데이터

15mm이다. Fig. 2에는 전산유체해석에 필요한 격자를 나타내었는데 본 연구에서는 격자수가 약 800만개로 구현하였다.
본 연구에 사용한 연료는 메탄이며 메탄 유량을 5.15x10^-4kg/s로 고정하였는데 이 유량에서 이론 공기량(Q_aideal)은 8.61x10-3kg/s이다. 실제 공기량(Q_areal)은 이론 공기량의 1.
본 연구에서 사용한 배기가스 재순환 버너의 형상을 Fig. 1에 나타내었다. Fig.
원통의 직경은 160mm이고 길이는 1180mm이다. 연료노즐의 직경은 5.15mm이다. Fig.
5˚로 위치해 있다. 원통의 직경은 160mm이고 길이는 1180mm이다. 연료노즐의 직경은 5.

데이터처리

본 연구는 ANSYS WORKBENCH 모델링 프로그램을 이용하여 모델링 및 격자를 생성하였으며, 전산 열 유체 사용해석 프로그램인 Fluent 프로그램을 이용하여 해석을 수행하였다.

이론/모형

난류 모델은 realizable k-ε 난류방정식을 사용하였고 연소모델은 Finite-rate 및 Eddy-dissipation 모델을 사용하였다.

성능/효과

Table에서 유입유량의 괄호안 수치가 공기유량을 기준으로 한 배기가스 재순환 유입량비를 나타낸다. 공기 유량의 증가에 따라 재순환 유입량비는 증가하는 것으로 나타났다. Table 2와 Table 3에는 코안다 노즐 간격이 1.
이는 노즐 간격이 크면 속도가 낮아져서 배기가스를 유입하는 원동력이 낮아지기 때문이다. 과잉공기계수가 증가하면 노즐 간격의 변화에 관계없이 배기가스 출구에서 온도가 낮아지는데 이에 따라 배기가스 출구에서의NO_x 농도도 같은 경향으로 감소하는 것으로 나타났다.
85로 증가하였다. 노즐간격이 1.0mm와 1.5mm로 변화하면 배기가스 재순환 유입량 비는 노즐간격이 0.5mm일 때보다 상대적으로 감소하는 것으로 나타났다. 이는 노즐 간격이 크면 속도가 낮아져서 배기가스를 유입하는 원동력이 낮아지기 때문이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	배기가스를 재순환시키는 원동력은?	배기가스를 재순환하는 원동력은 Fig. 1(b)에서 볼 수 있듯이 두 개의 외부 배관 가운데에 코안다 노즐을 설치하여 작은 간격을 통해 연소용 공기를 고속으로 분사함으로써 작은 간격 출구에서 낮은 압력을 생성시켜 원통 버너의 후류에 있는 배기가스를 흡입하도록 되어 있다. 또한 외부의 배관은 흡입구와 배출구는 같은 평면상에 있도록 한 것이 아니며 Fig.
	질소의 일반적인 공기 중에서의 특징은?	공기 중에서 질소는 반응성이 낮은 물질이기 때문에 상온에선 안정된 분자상태로 존재하지만 고온에서 분해된 질소원자가 산소와 반응하여 질소산화물을 생성하게 된다. 연소반응에서 이러한 질소산화물을 저감하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다.
	배기가스 재순환 버너의 유동특성은?	본 연구의 배기가스 재순환 버너는 코안다 노즐을 이용하여 배기가스를 재순환하는 특징을 가지고 있다. 이에 따라 유동은 연소로 가장 자리로 선회유동이 일어났으며 연소로 가운데 부분에 낮은 압력 분포를 보여주었고 이로 인해 연료 노즐 상류로의 역류를 유발하였다.

참고문헌 (7)

Kang, G. W., Dong, Y. H., Park, J. H., Park, K. G., Lee, J. T., and Kim, J. S., "NOx Reduction Characteristics of Vanadium and Fe-Zeolite Urea-SCR Catalyst", The Korean Society Of Automotive Engineers, 461-466, (2011)
Chae, T. Y., Lee, J. W., Jo, G. R., Ryu, C, K., Kang, K. S., and Yang, W., "Reburning Characteristics of Syngas in a 60kW Combustion System", The 47th KOSCO Symposium, 155-158, (2013)
Kim, H, Y., Baek, S. W., Son, H., and Kim, S. W., "Experimental and Numerical Investigation for NOx Reduction with Fuel Lean Reburning System", J. Korean Soc. Combust., 14(2), 18-25, (2009)
Ha, J. S., Shim, S. H.. and Jung, S. H., "A Study on the Flow Characteristics in a MILD Combustion Waste Incinerator with the Change of Flue Gas Recirculation", J. of Energy Engineering, 23(2), 51-57, (2014)

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Yu, B. H., Kim, J. M., Lee, S. R., Kum, S. M., Lee, C. E. and Son, S. K., "A Basic Study of Combustion System Applying Exhaust Gas Recirculation", The 43th KOSCO Symposium, 437-442, (2011)
Ha, J.S., Shim, S. H., "A Study on the Exhaust Gas Recirculation in a MILD Combustion Furnace by Using the Coanda Nozzle Effect", J. of Kor, Soc. Environ. Eng., 35(12), 967-972, (2013)

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Ha, J.S., Shim, S. H., "Characteristics of Entrainment Flow Rate in a Coanda Nozzle with or without Coaxial Contractor", J. of the Korea Institute of Gas, 18(2), 21-27, (2014)

저자의 다른 논문 :

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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