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문제 정의
- 본 연구는 순산소를 이용한 가스터빈연소기 설계의 기본단계로서 고온의 순산소 화염에 희석가스(dilute gas)를 첨가하는 경우에 주연소 영역특성 및 연소가스의 배출특성을 살펴보고자 CH4/O2/CO2 동축 노즐이 장착된 Lab-scale 의 연소기를 사용하여 연소기초실험을 수행하였다. 또한 연료/산화제/희석가스의 공급량, 분사속도 등의 변화가 CO 배출량 변화 등 순산소 연소특성에 미치는 영향에 관한 연구도 함께 수행하였고 그 결과를 분석하였다.
제안 방법
- 2 차 실험은 노즐 특성을 분석하기 위하여 수행하였으며 노즐의 분사면적을 다양하게 변화시킴으로서 연료 /산화제 /희석가스의 공급량 및 분사속도, 산화제와 희석가스의 혼합율의 변화가 CO 배출농도에 미치는 영향을 살펴보고자 하였다. Fig.
- 2 차 실험은 노즐 특성을 분석하기 위하여 수행하였으며 노즐의 분사면적을 다양하게 변화시킴으로서 연료 /산화제 /희석가스의 공급량 및 분사속도, 산화제와 희석가스의 혼합율의 변화가 CO 배출농도에 미치는 영향을 살펴보고자 하였다. Fig. 2에서 보는 바와 같이 다양한 직경을 갖는 Ring 을 중간노즐과 외곽노즐의 내측면에 끼워 넣음으로서 중간노즐의 외직경(B2)을 6.92 ~ 9.35 mm 범위에서 조절하였고 외곽노즐의 외직경(A2)을 14.94 ~ 15.59 mm 범위에서 조절하여 O2 와 CO2 의 분사속도를 조절하였다. 열부하에 따른 연소특성을 살펴보기 위하여 Table 1 에서 언급한 연료/산화제/희석가스의 공급량을 Heat load = 1 으로 정의하였으며 Heat load = 0.
- Heat load = 1 인 경우에는 CH4 와 CO2 의 공급속도를 각각 60, 54 m/s 로 하였고 O2 속도는 case 1, 2, 3 에 대해서 27, 54, 90 m/s 로 변화시켰다. Heat load 를 0.67, 0.33 으로 감소시키기 위해서 CH4, O2, CO2 의 공급유량을 비례하여 조절하였다. Fig.
- 3는 연소기 길이 방향에 따른 연소기 중심 및 liner 외벽표면의 온도분포를 나타내고 있다. 고온 중심부에서의 Bare type 열전대의 열적 손상을 줄이기 위해서 노즐에서 30 cm 떨어진 위치에서부터 온도를 측정하였다. 측정된 중심온도 분포로 미루어보아 30 cm 내에서 주연소반응이 이루어진 것을 짐작할 수 있다.
- 본 연구는 순산소를 이용한 가스터빈연소기 설계의 기본단계로서 고온의 순산소 화염에 희석가스(dilute gas)를 첨가하는 경우에 주연소 영역특성 및 연소가스의 배출특성을 살펴보고자 CH4/O2/CO2 동축 노즐이 장착된 Lab-scale 의 연소기를 사용하여 연소기초실험을 수행하였다. 또한 연료/산화제/희석가스의 공급량, 분사속도 등의 변화가 CO 배출량 변화 등 순산소 연소특성에 미치는 영향에 관한 연구도 함께 수행하였고 그 결과를 분석하였다.
- 1(b)에 도시된 바와 같이 중심노즐에서 연료가 분사되고, 중간노즐에서 산화제(O2), 외곽노즐에서 희석가스(CO2 또는 N2)가 분사된다. 본 실험은 고압 250kW 급연소용량을 상압에서 시험하기 위하여 21.5kW 급으로 scale down 하였으며 이 때 연소기에 공급되는 연료/산화제/희석가스의 공급유량이 Table 1 에 언급되어 있다. Table 1 에 의한 과잉산소율은
- 연소기 Liner 는 stainless steel 재질로서 길이는 900 mm, 내직경 200mm 이며 후단부에는 Flange 를 장착하여 후단부 내직경을 50 mm 또는 80 mm 로 감소시켜 외부공기 유입을 최소화하도록 하였다. 본 연소실험을 통하여 Liner dilution hole 의 위치를 선정하고자 하였으며 Liner 내부 화염온도와 가스조성을 측정하기 위하여 R-type 열전대(Pt/13% Rh-Pt thermocouple)와 gas sampling probe 를 축방향으로 삽입하여 연소기 중심축을 따라 화염온도와 가스조성을 측정할 수 있도록 설계하였다. 추출된 가스 성분을 분석하기 위하여 가스분석기(Horiba VA-3000)를 사용하였으며 CH4, CO2, CO, O2, NO 가스의 조성을 측정하였다.
- 실제 실험시에는 배기 O2 의 측정량이 1 % 미만으로 유지됨을 확인하였다. 연료와 산소의 유량조절을 위하여 코리올리 질량 유량계 (Coriollis flowmeter, Micro Motion CMF025)를 사용하였으며 CO2유량은 Mass Flow Controller (Brooks)로 조절하였다. 각 버너의 노즐사이즈는 원래 연료 / 산화제 / 희석가스의 노즐분출속도가 약 60, 30, 60 m/s 가 되도록 제작하였으나 CO2 공급이 증가하면서 연소불안정으로 인한 소음이 크게 발생하여 Table 1 에 언급되어 있는 것처럼 CO2 공급량을 줄여 단열화염온도가 2400K 정도가 되도록 유지하였다.
- 1 에 도시되어 있는 바와 같이 연소기 Liner 의 입구에 부착된 버너의 동축 3 단 노즐을 통해서 연료(CH4), 산화제(O2), 희석가스(CO2 또는 N2)가 연소기 내부로 분사되어 확산화염(diffusion flame)을 형성한다. 연소기 Liner 는 stainless steel 재질로서 길이는 900 mm, 내직경 200mm 이며 후단부에는 Flange 를 장착하여 후단부 내직경을 50 mm 또는 80 mm 로 감소시켜 외부공기 유입을 최소화하도록 하였다. 본 연소실험을 통하여 Liner dilution hole 의 위치를 선정하고자 하였으며 Liner 내부 화염온도와 가스조성을 측정하기 위하여 R-type 열전대(Pt/13% Rh-Pt thermocouple)와 gas sampling probe 를 축방향으로 삽입하여 연소기 중심축을 따라 화염온도와 가스조성을 측정할 수 있도록 설계하였다.
- 추출된 가스 성분을 분석하기 위하여 가스분석기(Horiba VA-3000)를 사용하였으며 CH4, CO2, CO, O2, NO 가스의 조성을 측정하였다. 연소기 바깥 표면에는 7 개의 열전대를 부착하여 연소과정 중에 연소기의 표면온도를 측정하였다.
- 59 mm 범위에서 조절하여 O2 와 CO2 의 분사속도를 조절하였다. 열부하에 따른 연소특성을 살펴보기 위하여 Table 1 에서 언급한 연료/산화제/희석가스의 공급량을 Heat load = 1 으로 정의하였으며 Heat load = 0.33, 0.67 에 대해서도 실험을 수행하였다.
- 본 연소실험을 통하여 Liner dilution hole 의 위치를 선정하고자 하였으며 Liner 내부 화염온도와 가스조성을 측정하기 위하여 R-type 열전대(Pt/13% Rh-Pt thermocouple)와 gas sampling probe 를 축방향으로 삽입하여 연소기 중심축을 따라 화염온도와 가스조성을 측정할 수 있도록 설계하였다. 추출된 가스 성분을 분석하기 위하여 가스분석기(Horiba VA-3000)를 사용하였으며 CH4, CO2, CO, O2, NO 가스의 조성을 측정하였다. 연소기 바깥 표면에는 7 개의 열전대를 부착하여 연소과정 중에 연소기의 표면온도를 측정하였다.
대상 데이터
- 각 버너의 노즐사이즈는 원래 연료 / 산화제 / 희석가스의 노즐분출속도가 약 60, 30, 60 m/s 가 되도록 제작하였으나 CO2 공급이 증가하면서 연소불안정으로 인한 소음이 크게 발생하여 Table 1 에 언급되어 있는 것처럼 CO2 공급량을 줄여 단열화염온도가 2400K 정도가 되도록 유지하였다. 희석가스로는 수증기대신 CO2 를 사용하였으며 CO2 가 CO 농도에 미치는 영향을 확인하기 위해서 CO2 대신에 N2 도 희석가스로 사용하였다.(이 때 N2 공급량은 단열화염온도 유지조건에 의해 결정함.
성능/효과
- 1. CH4 농도는 약 50 cm 에서 모두 연소되며 CO 농도는 약 60cm 지점에서 급격히 감소하므로 60cm 지점이 Dilution hole 의 적정 위치로 판단된다.
- 2. 노즐을 통한 가스분사속도는 CO 배출농도에 가시적인 영향을 미치며 이는 가스의 혼합특성에 기인하는 것으로 판단된다. 본 실험조건에서는 연료 / 산화제 / 희석가스가 비슷한 속도로서 일정속도(약 60 m/s) 이상으로 분사될 때 CO 가 적게 배출됨을 확인할 수 있었다.
- 노즐을 통한 가스분사속도는 CO 배출농도에 가시적인 영향을 미치며 이는 가스의 혼합특성에 기인하는 것으로 판단된다. 본 실험조건에서는 연료 / 산화제 / 희석가스가 비슷한 속도로서 일정속도(약 60 m/s) 이상으로 분사될 때 CO 가 적게 배출됨을 확인할 수 있었다.
- 3%이다. 실제 실험시에는 배기 O2 의 측정량이 1 % 미만으로 유지됨을 확인하였다. 연료와 산소의 유량조절을 위하여 코리올리 질량 유량계 (Coriollis flowmeter, Micro Motion CMF025)를 사용하였으며 CO2유량은 Mass Flow Controller (Brooks)로 조절하였다.
- Han 등[8]은 수치해석을 통해서 산화제에 포함되거나 연소반응으로 생성된 CO2 의 일부가 반응영역에서 CO 로 해리되어 CO 농도가 증가함을 언급하였다. 약 60 cm 에서는 CO 농도가 급격하게 감소하므로 이 부근에 2 차 희석가스를 공급할 Liner hole 을 위치시키는 것이 적정할 것으로 판단되며 CO 저감의 관점에서는 CO2 대신 H2O 를 재순환하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
- 6는 O2 분배효과를 보여주며 O2 를 중간노즐과 외곽노즐에 분배해서 공급한 경우에 CO 배출량의 변화를 도시하고 있다. 중간노즐에 O2 공급유량의 100%, 70% 30%에 해당되는 양을 각각 공급하고 나머지는 외곽노즐에 공급하였으며 이 때 측정되는 CO 량은 47, 81, 285 ppm 으로서 외곽노즐에 O2 를 많이 공급할수록 CO 발생량은 증가하는 양상을 보여준다. 이는 외곽에 공급되는 O2 량이 많아질수록 연료와 산화제의 혼합효과가 감소하기 때문이다.
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