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문제 정의
- 이번 연구에서는 연소완료 공기의 공급양에 따른 NOX 저감효율 및 CO 발생을 고찰하고 최대 NOX 저감 효율을 얻기 위한 실험적 조건을 파악함과 동시에 상용 유체해석 프로그램인 플루언트(FLUENT)를 이용하여 NOX 발생과 열화학 특성을 분석하고자 하였다.
제안 방법
- 첫 번째는 재연소 연료량에 따른 NOX 저감율을 측정하는 실험이며 두 번째는 연소완료 공기양에 따른 NOX 저감율이다. 두 가지 실험조건 모두 재연소 연료는 연소로 하부 팁으로부터 40cm 떨어진 지점에서, 연소완료 공기는 70cm 떨어진 지점에서 각각 분사되도록 하였다.
- 상온·상압의 작동조건과 연료와 공기 각각 속도입구 조건을 설정하였으며 출구는 압력출구 조건을 사용하였다.
- 실험결과는 연소로 내부의 온도가 더 이상 변하지 않은 정상상태에 이르렀을 때 온도와 가스분석 데이터를 확보하였다. 수치해석결과는 모든 상태량의 잔류치(Residual)가 10- 6이하일 때를 정상상태로 설정하여 결과를 도출하였다.
- 배출양과 온도를 측정하였다. 실험에서 주연소 영역의 화염의 길이는 대략 0.4m 정도이며, 재연소 연료는 연소기 끝단에서 0.4m 하류 지점에서, 연소완료 공기는 0.7m 지점에서 각각 연소로 벽면에 수직한 방향으로 분사하였다.
- 상온·상압의 작동조건과 연료와 공기 각각 속도입구 조건을 설정하였으며 출구는 압력출구 조건을 사용하였다. 연료와 공기 각각의 질량 유량으로부터 속도를 계산하여 입력하였다. 입·출구 입력 조건에 난류 영향을 추가하기 위하여 난류강도와 유압직경을 Table 2 와 같이 입력하였다.
- 저감율에 어떠한 영향을 미치는가를 알아보기 위한 실험이다. 연소완료 공기를 줄이게 되면 출구의 산소농도(O2 Concentration)가 감소하게 되므로 출구산소 농도에 대한 NOX 저감율을 측정하였다.
- 재연소 실험 Case1의 재연소 연료비에 따른 NOX 저감 효과를 관찰하기 위해 재연소 연료비를 0~20%까지 매 5%씩 증가시키면서 NOX 배출양과 온도를 측정하였다. 실험에서 주연소 영역의 화염의 길이는 대략 0.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용하는 LPG 연료는 연료 성분 중에 질소 성분을 포함하고 있지 않기 때문에 Fuel NOX 생성은 무시하고 Thermal NOX와 Prompt NOX 생성만을 고려하였다.
- 연소기는 선회각이 45°인 Radial Flow Guide Vane Swirler가 장착되어 화염의 안정화에 기여한다. 선회각에 대한 선회수(Swirl Number, S)의 계산은 다음과 같으며 본 연구에서는 선회수가 0.76인 선회기를 사용하였다.
- 3을 이용하였으며 3차원 정상상태의 해를 구하였다. 수치해석을 위해 사용한 격자의 개수는 155,267개이며 화염이 존재하는 구간에 격자를 집중시켜주었다.
- 실험결과는 연소로 내부의 온도가 더 이상 변하지 않은 정상상태에 이르렀을 때 온도와 가스분석 데이터를 확보하였다. 수치해석결과는 모든 상태량의 잔류치(Residual)가 10- 6이하일 때를 정상상태로 설정하여 결과를 도출하였다.
- 연소로 내부의 온도를 측정하기 위한 열전대는 R-Type을 사용하였다. 온도측정은 각기 다른 크기의 정점(Bead)을 가진 몇 가지의 R-Type열전대를 사용하여 측정하고자 하는 한 지점의 온도를 측정한 후 정점의 크기가 0일 때의 온도를 외삽하여 그 지점의 온도로 정의하였다.
- 연소로는 높이 1.2m, 외경이 0.5m의 원통형상이다. 연소로 내부의 온도를 측정할 수 있는 측정구가 연소로 하단 10cm 지점부터 매 10cm 간격으로 연소로 1.
데이터처리
- 연소로 내부의 수치적 해석은 상용유체해석 프로그램인 FLUENT 6.3을 이용하였으며 3차원 정상상태의 해를 구하였다. 수치해석을 위해 사용한 격자의 개수는 155,267개이며 화염이 존재하는 구간에 격자를 집중시켜주었다.
이론/모형
- 난류는 k-ε 모델을 사용하였고 복사열전달은 Discrete-Ordinate 모델을 사용하였다.
- 반응모델은 프로판-공기-2단계(Propane-Air-2Step) 화학종 수송(Species Transport) 반응모델을 사용하였고 Finite-rate, Eddy-Dissipation 난류-화학 상호작용 모델을 사용하였다. 난류는 k-ε 모델을 사용하였고 복사열전달은 Discrete-Ordinate 모델을 사용하였다.
성능/효과
- (1) 재연소 연료비가 증가할수록 NOX 저감율이 증가한다. 재연소 연료비가 20%일 때 최대 25%의 NOX 저감율을 기록하였다.
- (2) 연소완료 공기를 감소하면 재연소 반응구간이 증가하여 추가적인 NOX 저감을 이룩할 수 있다. 하지만 충분하지 못한 연소완료 공기가 공급되면 추가적 오염물질인 CO가 발생한다.
- (3) FLUENT를 이용한 수치해석을 통해 연소로 내부의 온도장과 NOX 발생을 실험과 비교·검증하여 연소로 내부의 열화학 특성을 파악할 수 있다.
- 연소완료 공기양을 줄임으로써 출구의 산소 농도는 감소하게 되고 결과적으로 산소농도변화에 따른 NOX 저감 효과를 확인할 수 있다. 출구의 산소농도가 감소됨으로써 NOX 저감 효율을 더욱 증대되어 50%이상의 NOX 저감율을 기록하지만 출구 산소농도가 1% 미만이 되면 추가적인 오염물질인 CO가 발생하여 NOX 저감효과를 반감시키게 된다.
- 출구의 산소농도가 감소됨으로써 NOX 저감 효율을 더욱 증대되어 50%이상의 NOX 저감율을 기록하지만 출구 산소농도가 1% 미만이 되면 추가적인 오염물질인 CO가 발생하여 NOX 저감효과를 반감시키게 된다. 이는 연소완료 공기양이 줄어들수록 재연소에 의한 NOX 저감이 이루어지기 위한 충분한 온도 조건이 연소완료 공기 공급 이후에도 지속적으로 형성되어 결과적으로 재연소 영역이 확장에 기인하여 NOX 저감 효율이 증대된 것으로 판단된다. 하지만 연소완료 공기의 양이 충분하지 못할 경우 재연소 영역에서 발생한 미연탄화수소가 그대로 배출되어 CO가 발생하게 된 것이다.
- 저감율이 증가한다. 재연소 연료비가 20%일 때 최대 25%의 NOX 저감율을 기록하였다.
후속연구
- 최종적으로 FLUENT를 이용한 수치해석을 통해 재연소가 NOX 저감에 미치는 영향을 확인하고 최대의 NOX 저감효율을 기록할 수 있는 작동조건을 찾음으로써 실험적 접근방법의 경제적 비효율성을 절감할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
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