양쪽 출구가 트인 배기가스 재순환 버너의 연소 유동 특성에 관한 연구 A Study of the Combustion Flow Characteristics of a Exhaust Gas Recirculation Burner with Both Outlets Opening원문보기
연소 반응 시 발생하는 질소산화물은 산성비와 미세먼지 발생에 많은 영향을 미치는 물질이다. 이에 대한 저감 방법으로 고비용의 탈질설비 대신 지연연소 등의 방법에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 이러한 연구들 중에 적은 양의 공기로 많은 양의 배기가스를 재순환 할 수 있는 코안다 노즐을 이용한 배기가스 재순환 연소에 대한 연구가 최근에 이루어지고 있다. 본 연구에서는 배기가스 재순환 배관에 코안다 노즐을 사용하여 배기가스를 재순환하는 재순환 버너의 양쪽 출구가 트인 형상에 대하여 전산유체해석을 통해 연구를 수행하였으며 연소 유동의 압력, 유선, 온도, 연소 반응 속도와 질소산화물의 분포 특성을 살펴보았다. 배기가스를 재순환하여 연소용 공기와 혼합된 기체가 원통의 접선방향으로 유입되어 연료노즐 출구 부근에서 압력이 낮은 영역이 존재하고 이에 따라 원통 버너의 중심부근에는 버너의 가운데 부분으로 역류가 형성되며 가장자리 부분으로 배기가스가 배출되는 것을 확인하였다. 배기가스가 유입되는 부분이 버너의 오른쪽에 있어서 버너의 오른쪽으로 연소반응이 일어나며 상대적으로 온도분포와 NOx 분포가 높게 나타났다. 연소용 공기비를 1.0에서 1.8까지 변화하여 NOx 생성을 관찰한 결과, 공기비가 1.0에서 1.5까지는 평균 NOx 생성이 감소하다가 공기비가 1.8일 때 급격히 증가하는데 이는 NOx 생성 반응은 온도의 지수승에 비례하게 되는데 공기비가 1.5이상이 되면서 온도의 영향을 많이 받아서 NOx 생성 반응이 오른쪽 영역에서 급격히 증가하는 것으로 판단된다.
연소 반응 시 발생하는 질소산화물은 산성비와 미세먼지 발생에 많은 영향을 미치는 물질이다. 이에 대한 저감 방법으로 고비용의 탈질설비 대신 지연연소 등의 방법에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 이러한 연구들 중에 적은 양의 공기로 많은 양의 배기가스를 재순환 할 수 있는 코안다 노즐을 이용한 배기가스 재순환 연소에 대한 연구가 최근에 이루어지고 있다. 본 연구에서는 배기가스 재순환 배관에 코안다 노즐을 사용하여 배기가스를 재순환하는 재순환 버너의 양쪽 출구가 트인 형상에 대하여 전산유체해석을 통해 연구를 수행하였으며 연소 유동의 압력, 유선, 온도, 연소 반응 속도와 질소산화물의 분포 특성을 살펴보았다. 배기가스를 재순환하여 연소용 공기와 혼합된 기체가 원통의 접선방향으로 유입되어 연료노즐 출구 부근에서 압력이 낮은 영역이 존재하고 이에 따라 원통 버너의 중심부근에는 버너의 가운데 부분으로 역류가 형성되며 가장자리 부분으로 배기가스가 배출되는 것을 확인하였다. 배기가스가 유입되는 부분이 버너의 오른쪽에 있어서 버너의 오른쪽으로 연소반응이 일어나며 상대적으로 온도분포와 NOx 분포가 높게 나타났다. 연소용 공기비를 1.0에서 1.8까지 변화하여 NOx 생성을 관찰한 결과, 공기비가 1.0에서 1.5까지는 평균 NOx 생성이 감소하다가 공기비가 1.8일 때 급격히 증가하는데 이는 NOx 생성 반응은 온도의 지수승에 비례하게 되는데 공기비가 1.5이상이 되면서 온도의 영향을 많이 받아서 NOx 생성 반응이 오른쪽 영역에서 급격히 증가하는 것으로 판단된다.
The nitrogen oxides generated during combustion reactions have a great influence on the generation of acid rain and fine dust. As an NOx reduction method, exhaust gas recirculation combustion using Coanda nozzles capable of recirculating a large amount of exhaust gas with a small amount of air has r...
The nitrogen oxides generated during combustion reactions have a great influence on the generation of acid rain and fine dust. As an NOx reduction method, exhaust gas recirculation combustion using Coanda nozzles capable of recirculating a large amount of exhaust gas with a small amount of air has recently been utilized. In this study, for the burner outlet with dual end opening, the use of a recirculation burner was investigated for the distribution of the pressure, streamline, temperature, combustion reaction rate and nitrogen oxides using computational fluid analysis. The gas mixed with the combustion air and the recirculated exhaust gas flow in the tangential direction of the circular cylinder burner, so that there is a region with low pressure in the vicinity of the fuel nozzle exit. As a result, a reverse flow is formed in the central portion of the burner near the center of the circular cylinder burner and the exhaust gas is discharged to the outside region of the circular cylinder burner. The combustion reaction occurs on the right side of the burner and the temperature and NOx distribution are relatively higher than those on the left side of the burner. It was found that the average NOx production decreased from an air flow ratio of 1.0 to 1.5. When the air flow ratio is 1.8, the NOx production increases abruptly. It is considered that the NOx production reaction increases exponentially with temperature when the air ratio is more than 1.5 and the NOx production reaction rate increases rapidly on the right-hand side of the burner.
The nitrogen oxides generated during combustion reactions have a great influence on the generation of acid rain and fine dust. As an NOx reduction method, exhaust gas recirculation combustion using Coanda nozzles capable of recirculating a large amount of exhaust gas with a small amount of air has recently been utilized. In this study, for the burner outlet with dual end opening, the use of a recirculation burner was investigated for the distribution of the pressure, streamline, temperature, combustion reaction rate and nitrogen oxides using computational fluid analysis. The gas mixed with the combustion air and the recirculated exhaust gas flow in the tangential direction of the circular cylinder burner, so that there is a region with low pressure in the vicinity of the fuel nozzle exit. As a result, a reverse flow is formed in the central portion of the burner near the center of the circular cylinder burner and the exhaust gas is discharged to the outside region of the circular cylinder burner. The combustion reaction occurs on the right side of the burner and the temperature and NOx distribution are relatively higher than those on the left side of the burner. It was found that the average NOx production decreased from an air flow ratio of 1.0 to 1.5. When the air flow ratio is 1.8, the NOx production increases abruptly. It is considered that the NOx production reaction increases exponentially with temperature when the air ratio is more than 1.5 and the NOx production reaction rate increases rapidly on the right-hand side of the burner.
본 연구는 최근의 연구[9]에서 코안다 노즐을 이용한 배기가스 재순환 버너 형상이 한쪽은 막혀 있고 다른 한쪽이 출구인 원통 형상의 버너에서 연소 및 질소산화물 생성 특성을 규명한 것을 토대로 하여 양쪽 출구가 트인 버너에서 연소 및 질소산화물 생성 특성을 규명하는 것을 목적으로 하였다. 이 연구를 통해 질소산화물 저감을 위한 재순환 버너의 최적설계에 활용하기로 한다.
제안 방법
양쪽 출구가 트인 배기가스 재순환 버너에 대하여 연소유동을 전산해석을 통해 살펴보았으며 이에 관한 결과는 아래와 같이 정리할 수 있다.
원통 버너 양쪽 끝은 열려져 있어서 외부 공기가 유입될 수 있도록 되어 있다. 원통 버너의 외부에 두 개의 배관을 연결하여 배기가스를 재순환하도록 하였다. 배기가스를 재순환하는 원동력은 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.
대상 데이터
본 연구에 사용한 연료는 메탄이며 메탄 유량을 5.15x10-4kg/s로 고정하였는데 이 유량에서 이론 공기량은 8.61x10-3kg/s이다. 실제 공기량은 이론 공기량의 1.
데이터처리
본 연구는 ANSYS WORKBENCH 모델링 프로그램을 이용하여 모델링 및 격자를 생성하였으며, 전산 열 유체 사용해석 프로그램인 FLUENT 프로그램을 이용하여 해석을 수행하였다.
이론/모형
본 연구의 수치해석에 사용한 지배방정식은 3차원 정상상태 연속방정식, 운동량방정식 그리고 realizable k-∊ 난류방정식, 에너지방정식, 농도장 방정식으로 이루어 졌으며 연소모델은 Finite-rate 및 Eddy-Dissipation 모델을 사용하였으며 이에 관한 자세한 식은 이전의 연구인 한쪽 끝이 열려있는 버너에서의 연구[9]에 기술되어 있다.
성능/효과
양쪽 트인 원통 버너의 가운데 부분에 코안다 노즐을 이용하여 배기가스를 재순환하여 연료노즐 출구 부근에 선회유동을 유발하면서 혼합가스를 유입하면 혼합가스 유입구 부근의 원통 중심에서 낮은 압력이 형성되고 이에 따라 원통 가장자리로 배기가스가 배출되지만 가운데 부분으로는 역류가 발생하였다. 또한 온도, 연소반응속도, NOx 분포는 주로 배기가스가 유입되는 쪽인 오른쪽 영역에서 높은 값을 가졌다.
배출 유량은 혼합가스 유입구가 있는 쪽은 배출되는 것을 방해하여 상대적으로 왼쪽이 큰 값으로 나타났다. 이러한 현상은 공기비를 1.
양쪽 트인 원통 버너의 가운데 부분에 코안다 노즐을 이용하여 배기가스를 재순환하여 연료노즐 출구 부근에 선회유동을 유발하면서 혼합가스를 유입하면 혼합가스 유입구 부근의 원통 중심에서 낮은 압력이 형성되고 이에 따라 원통 가장자리로 배기가스가 배출되지만 가운데 부분으로는 역류가 발생하였다. 또한 온도, 연소반응속도, NOx 분포는 주로 배기가스가 유입되는 쪽인 오른쪽 영역에서 높은 값을 가졌다.
8에서는 급격히 증가하였다. 이는 NOx 생성 반응은 온도의 지수승에 비례하게 되는데 공기비가 1.5이상이 되면서 온도의 영향을 많이 받아서 NOx 생성 반응이 오른쪽 영역에서 급격히 증가하는 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연소반응 시 발생하는 질소산화물은 어떤 영향을 미치는가?
연소반응 시 발생하는 질소산화물은 산성비와 미세먼지에 많은 영향을 미치는 물질이다. 연소기기에서 질소 산화물을 저감하는 방법은 여러 가지가 있는데 대형 발전설비에서는 탈질설비와 같이 설치비용과 운전비용이 큰 후처리 장치를 설치하여 저감 하고 있다.
양쪽 출구가 트인 배기가스 재순환 버너에 대하여 연소유동을 전산해석을 통한 결과는 어떠한가?
양쪽 트인 원통 버너의 가운데 부분에 코안다 노즐을 이용하여 배기가스를 재순환하여 연료노즐 출구 부근에 선회유동을 유발하면서 혼합가스를 유입하면 혼합가스 유입구 부근의 원통 중심에서 낮은 압력이 형성되고 이에 따라 원통 가장자리로 배기가스가 배출되지만 가운데 부분으로는 역류가 발생하였다. 또한 온도, 연소반응속도, NOx 분포는 주로 배기가스가 유입되는 쪽인 오른쪽 영역에서 높은 값을 가졌다.
연소기기에서 질소 산화물을 저감하는 방법은?
연소반응 시 발생하는 질소산화물은 산성비와 미세먼지에 많은 영향을 미치는 물질이다. 연소기기에서 질소 산화물을 저감하는 방법은 여러 가지가 있는데 대형 발전설비에서는 탈질설비와 같이 설치비용과 운전비용이 큰 후처리 장치를 설치하여 저감 하고 있다. 자동차의 엔진에서 연료를 연소 후 배기가스에 있는 질소산화물도 촉매를 이용한 탈질설비를 사용하고 있다.
참고문헌 (9)
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Ha, J. S., Shim, S. H., "Characteristics of Entrainment Flow Rate in a Coanda Nozzle with or without Coaxial Contractor", The Korean Institute of Gas, vol. 18, No.2, pp.21-27, 2014. DOI: https://doi.org/10.7842/kigas.2014.18.2.21
Ha, J. S, "A study on the combustion flow characteristic and NOreduction of the exhaust gas recirculation burner using coanda nozzles", The Korean Institute of Gas, vol. 21, No. 3, pp.53-60, 2017.
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