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문제 정의
- 본 연구에서는 순산소 연소시 생성되는 배기가스 중 C02를 재순환시켜 연소실의 분위기 온도와 로내 압력변화 그리고 배기가스 특성을 비교 분석하였디..
- 순산소 연소기술은 적용대상설비의 열적, 구조적인 특싱에 부합되도록 활용되고 있으며 [2, 3, 4, 5], 본 연구에서는 에너지다소비 열설비인 공업용 가열로에 CO2 재순환 산소연소 가열시스템 특성에 관한 기초적 실험을 수행하여 순신소 연소가열로의 상용화설계를 위한 원천기술을 확보하고 추후 CO2 재순환 강재 베치식 가열로(10톤/charge)의 실증 및 실용화에 적용하고자 한다.
가설 설정
- 2)를 이용해 수치 모사한 것이다. 원통형 연소실을 가정하였고 실험과 동일한 조건에 대하여 해석하였으며 연소기 구조의 비대칭성을 고려하여 연소기 중심 축방향 수직단면과 수평단면에서의 온도분포를 비교한 것이다. C02 재순환이 없는 경우 (a), 수직단면에서와는 달리 수평단면 연소기 출구에서 고온영역이 형성되고 있으며, 이것은 연소기 노즐의 기하학적 배열에 의해 수평단면 연료노즐 가장자리에서 연료와 산화제가 최적혼합비에 가까운 혼합 상태를 형성하기 때문이며, 수직단면에서는 연료노즐 상단에 연료희박 혼합기 상태가 형성되고 하단에는 연료과잉 상태가 형성되기 때문으로 판단된다.
제안 방법
- 설치되었고 。2노즐 안에 연료노즐을 역시 편심 설치하여 각각의 노즐이 독립적으로 회전함으로써 일정한 연소부하를 유지하고 다양한 화염형상을 얻을 수 있도록 설계하였다. 이는 공간적으로연료과농-희박 영역이 공존하는 다단연소개념으로 NOx를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 연료 과농 영역에서의 휘염(Luminous Flame)형성으로 동일 연소부하에서 더 많은 복사열을 얻을 수 있고, 연소시 화염 형상을 얇은 막상으로 넓게 펼쳐서 열방산이 일어나게 함으로써 국부 고온영역을 억제시키는 효과가 있다[7].
- CO2 재순환 산소연소시스템의 공업용 가열로 실용화 적용을 위한 재순환 연소특성과 운전 특성에 관한 기초적 실험을 수행하였으며 다음의 결론을 도출하였다.
- 실험에 사용된 가열로는 1톤/Charge 강재의 승온 및 온도특성을 파악하기위해 제작된 연소 시뮬레이터를 사용하였다[6]. 가열로는 가로 Im, 세로 1.4m, 높이 lm의 내부 체적을 갖는 직육면체 형태이며, 로 내부에는 1800°C 이상의 고온에 견딜 수 있도록 내화재 처리를 하였고, 4개의 연소기가 좌우측면 상단에 각각 2 개씩 설치되었다. 이번 연구에서는 우측 1개의 버너를 이용하여 실험을 수행하였다.
- 유속을 나타내었다. 각각의 공급량제어는 Pneumatic Control valve를 이용해 연소조건에 따라 일정량을 조절 공급하였다.
- 재순환을 적용하였다. 그리고 재순환시 화염의 특성과 로내 분위기 온도와 압력, 그리고 배줄되는 0% CO, CO2, 그리고 NOx 특성을 비교하였다. 재순환되는 CO2 공급압력은 300mmAq 조건을 유지하였고 공급되는 CO2 제순환량의 증감 조절시 로내압의 변동에 의해 외부공기의 유입이 발생할 수 있으므로, 로내에 공급되는 CO2 재순환량은로내 압력이 1.
- 배기가스는 가열로에 재순환되기 전에 수냉식 열교환기를 설치하여 냉각시켰고 응축수는 Water Trap을 사용하여 분리 배출하였다. 그리고 재순환을 위해 ID팬과 밸브를 조절하여 로내에 공급되는 CO2의 압력손실을 보완 유지하였다. 로내 분위기 온도는 연소 실내 중앙 상단부에 R-Type 열전대를 설치하이 측정하였고, 배기가스 조성을 측정하기위해 가열로 후단에 샘플링 프로브(Sampling Probe)를 연결하였다.
- 분석기는 실험을 수행하기 전에 표준가스를 사용하이 보정하였으며, 분석기 특성상 100% 까지 C6 측정범위를 높이기 위해 질소가스(N2) 또는 Fresh Air를 혼입하였다. 또한 TESTO 300M 가스분석기를 추가로 설치하여 O2, NOx 지시 값을 비교 확인하였다. 실험에 사용된 산화제로는 액체산소, 연료는 충남도시가스를 사용하였디-.
- 그리고 재순환을 위해 ID팬과 밸브를 조절하여 로내에 공급되는 CO2의 압력손실을 보완 유지하였다. 로내 분위기 온도는 연소 실내 중앙 상단부에 R-Type 열전대를 설치하이 측정하였고, 배기가스 조성을 측정하기위해 가열로 후단에 샘플링 프로브(Sampling Probe)를 연결하였다. 사용한 가스분석기는 6, CO, CO2, NO, NO2를 측정 할 수 있는 TESTO 360 가스 분석기를 이용하였고 NOx 지시값은 NO와 NO2의 합으로 나타내었다.
- 본 연구에서 순산소 연소에 의해 가열로가 정상상태에 도달할 때까지 로내 분위기 온도 (1200 °C)를 높여 CO2 재순환을 적용하였다. 그리고 재순환시 화염의 특성과 로내 분위기 온도와 압력, 그리고 배줄되는 0% CO, CO2, 그리고 NOx 특성을 비교하였다.
- 사용한 가스분석기는 6, CO, CO2, NO, NO2를 측정 할 수 있는 TESTO 360 가스 분석기를 이용하였고 NOx 지시값은 NO와 NO2의 합으로 나타내었다. 분석기는 실험을 수행하기 전에 표준가스를 사용하이 보정하였으며, 분석기 특성상 100% 까지 C6 측정범위를 높이기 위해 질소가스(N2) 또는 Fresh Air를 혼입하였다. 또한 TESTO 300M 가스분석기를 추가로 설치하여 O2, NOx 지시 값을 비교 확인하였다.
- 점화 후 파일럿 버너 운전을 차단하여 로내의 연소특성에 영향을 미치지 않도록 하였다. 배기가스는 가열로에 재순환되기 전에 수냉식 열교환기를 설치하여 냉각시켰고 응축수는 Water Trap을 사용하여 분리 배출하였다.
- 이번 연구에서는 우측 1개의 버너를 이용하여 실험을 수행하였다. 정면에는 화염관측을 위한 2개의 가시창을 부착하였고 외부 공기의 유입을 차단하여 NOx 발생을 최소화하기 위해 구조적인 보완(sealing)을 하였다.
대상 데이터
- 로내 분위기 온도는 연소 실내 중앙 상단부에 R-Type 열전대를 설치하이 측정하였고, 배기가스 조성을 측정하기위해 가열로 후단에 샘플링 프로브(Sampling Probe)를 연결하였다. 사용한 가스분석기는 6, CO, CO2, NO, NO2를 측정 할 수 있는 TESTO 360 가스 분석기를 이용하였고 NOx 지시값은 NO와 NO2의 합으로 나타내었다. 분석기는 실험을 수행하기 전에 표준가스를 사용하이 보정하였으며, 분석기 특성상 100% 까지 C6 측정범위를 높이기 위해 질소가스(N2) 또는 Fresh Air를 혼입하였다.
- Fig 3 은 실험용 시뮬레이터를 보여 준다. 실험에 사용된 가열로는 1톤/Charge 강재의 승온 및 온도특성을 파악하기위해 제작된 연소 시뮬레이터를 사용하였다[6]. 가열로는 가로 Im, 세로 1.
- 또한 TESTO 300M 가스분석기를 추가로 설치하여 O2, NOx 지시 값을 비교 확인하였다. 실험에 사용된 산화제로는 액체산소, 연료는 충남도시가스를 사용하였디-. 사용된 연료의 조성은 다음과 같다.
성능/효과
- 한편 일정시간 운전 경과 후, 연소실의 온도가 고온화(12000)된 경우(b), 화염의 형태는 유지되나 하부의 휘도는 감소됨을 볼 수 있는데 이는 연소실 벽면 복사광에 의한 상쇄 효과에 의한 것으로 판단되며, 하부 중심부에는 여전히 연료과농의 휘염이 존재하고 있음을 보여 준다. 한편 (b)와 동일한 고온 분위기에서 CO2 재순환량을 일정량 공급한 경우(c), 화염의 길이는 다소 길어지며 휘도가 낮아지는 결과를 보여 준다.
- 1) CO2 제순환시 화염길이는 길고 넓게 펴지는 형상을 보였다. 따라서 상대적으로 균일한 열 분포를 갖게 되어 균일가열특성을 확보할 수 있다.
- 2) CO2 재순환에 따라 로내 온도와 로압은 감소하였다. 재순환량의 증가에 따라 배가스중의 CO2 농도는 증가하였고, 이는 CO2 회수경제성을 담보할 수 있음을 의미한다.
- 3) 외부공기의 유입에 따른 NOx 특성변화가 민감함을 알 수 있었다. 미량의 N2 성분의 유입으로 NOx 생성에 큰 영향을 주는 것을 확인하였으며, 재순환 결과 NOx 발생량은 50%(200ppm t lOOppm) 가량 감소하였다.
- 4) Single flex 개발버너의 적용으로 화염의 과농연소와 희박연소 영역을 만들어 NOx를 줄일 수 있었을 뿐만 아니라 복사열전달을 향상시킬 수 있는 화염형상제어 가능성을 확인할 수 있었다.
- 농도를 증가시킬 수 있었다. Fig. 8에 보인 바와 같이, CO2를 재순환시키기 전의 배가스중의 COz 농도는 응축후 약 80% 수준이었으나, 응축 후의 배가스를 6.2m3/hr로 재순환시 CO2 농도는 약 5% 증가한 85%의 농도를 보였으며, l&f/hr로 재순환시 CO2 농도는 약 15% 증가한 95%의 농도를 보였다. 결국 재순환 배가스량의 증가는 허용되는 범위 내에서는 가급적 증가시키는 것이 고농도 CO2 회수에 유리할 수 있다는 것을 의미한다 이것은 고농도의 C6를 갖는 배가스를 반복 재순환시킴에 따라 연소배가스 중의 CO2 농도는 점진적으로증가된다는 사실과 일치하는 결과이다.
- 한편 실험조건 범위 내에서 재순환량의 증가에 따른 로내 분위기 온도 저하 폭은 큰 차이를 보이지 않았다. 결과적으로는 Fig. 9에서와 같이 순산소 연소시 매우 높은 화염 온도 때문에 발생하는 Thermal NOx를 200ppm에서 100ppm로 일정수준 감소시키는데 기여할 수 있음을 보여 준다. 이것은 CO2 재순환에 따른 화염온도 제어뿐만 아니라 연소기 의 구조적인 특성 때문에 화염이 분할되고 얇은 막상으로 넒게 펼치서 열방산을 증대시킨 효과에 의한 것으로 사료된디-.
- 2m3/hr로 재순환시 CO2 농도는 약 5% 증가한 85%의 농도를 보였으며, l&f/hr로 재순환시 CO2 농도는 약 15% 증가한 95%의 농도를 보였다. 결국 재순환 배가스량의 증가는 허용되는 범위 내에서는 가급적 증가시키는 것이 고농도 CO2 회수에 유리할 수 있다는 것을 의미한다 이것은 고농도의 C6를 갖는 배가스를 반복 재순환시킴에 따라 연소배가스 중의 CO2 농도는 점진적으로증가된다는 사실과 일치하는 결과이다.
- 아울러 연소 배가스의 온도에 따라 압력이 변동하게 되므로 배기가스량 및 연소실 온도를 고려한 로압 조절이 요구되는 것이다. 따라서 본 연구의 실험조건 내 입(0〜 lmmH2。) 을 유지하게 되면 재순환시 ID팬에 의한 유인압력보다 토출압력이 작아져부압이 형성되어 그로 인해 연돌부 또는 장출입구에서 공기가 유입되어 추가적인 로온의 저하 및 NOx 생성의 원인이 될 수 있다. 따라서 CO2 재순환 및 산소연소기술을 적용하는 공업용 가열로의 경우, 정상적인 운전을 위해서 로압은 최소한 3~4 mmHzO) 이상을 유지해야 할 것으로 판단된다.
- 3) 외부공기의 유입에 따른 NOx 특성변화가 민감함을 알 수 있었다. 미량의 N2 성분의 유입으로 NOx 생성에 큰 영향을 주는 것을 확인하였으며, 재순환 결과 NOx 발생량은 50%(200ppm t lOOppm) 가량 감소하였다. 그리고 NOx 생성을 억제하기 위한 고속 재순환 분사방식의 접목이 요구된다.
- 이를 위하여 본 실험에서 연료/산화제 및 재순환 CO2 를 고속으로 분사하여 연소실내 배가스의로내 재순환을 강력하게 유도하는 방법을 도입할 수 있으며, 이 기술은 고온 무화염 산화 반응(또는 연소) 개념으로 본 연구의 결과와 접목될 경우 에너지절감 및 CO2 회수 경제성을 동시에 확보할 수 있는 신 연소 가열기술로 인식될 수 있을 것으로 판단된다.
- 그리고 재순환시 화염의 특성과 로내 분위기 온도와 압력, 그리고 배줄되는 0% CO, CO2, 그리고 NOx 특성을 비교하였다. 재순환되는 CO2 공급압력은 300mmAq 조건을 유지하였고 공급되는 CO2 제순환량의 증감 조절시 로내압의 변동에 의해 외부공기의 유입이 발생할 수 있으므로, 로내에 공급되는 CO2 재순환량은로내 압력이 1.5 〜 2 mmH20로 일정하게 유지되는 조건 내에서 단위시간당 평균 재순환량으로 산출하였다.
- 한편 CO는 거의 생성되지 않는 것으로 측정되었으며 이로써 재순환 수행시 화염 온도의 저하로 인한 연소효율저하는 없는 것으로 판단된다.
후속연구
- 5) 순산소 연소시 CO-2 재순환량과 로온, 로압 및 연소부하와의 정량적 상관관계, CO2 분사 위치에 따른 NOx 특성 및 Os/CCh 혼합비율에 따른 개발버너의 연소특성에 대한 연구가 보완될 필요가 있다
- 미 량의 N?에 의 해 fuel/thermal NOx가 생성됨[8]을 추가 보완한다면 NOx 발생량을 보다 더 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 이를 위하여 본 실험에서 연료/산화제 및 재순환 CO2 를 고속으로 분사하여 연소실내 배가스의로내 재순환을 강력하게 유도하는 방법을 도입할 수 있으며, 이 기술은 고온 무화염 산화 반응(또는 연소) 개념으로 본 연구의 결과와 접목될 경우 에너지절감 및 CO2 회수 경제성을 동시에 확보할 수 있는 신 연소 가열기술로 인식될 수 있을 것으로 판단된다.
- 그중에서 배기가스의 CO2를 고효율 저비용으로 농축 회수할 수 있는 O2/CO2 연소기술이 현재 가장 중요한 쟁점이 되고 있다. 이와 동시에 CO2 재순환형 산소연소기술을 이용한 효율성과 경제성에 초점을 맞춰 순산소연소시 고온의 화염 온도에 견딜 수 있는 고온재료기술과 경제성이 있는 산소제조기술 또한 병행되어야 할 것이다.
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