[논문]이산화탄소 저감을 위한 SMV의 순산소 연소 시뮬레이션

김호연; 손화승; 김철민

이산화탄소 저감을 위한 SMV의 순산소 연소 시뮬레이션
SIMULATION ON PURE OXYGEN COMBUSTION OF SMV FOR $CO_2$ REDUCTION 원문보기

김호연 (한국가스공사 연구개발원) , 손화승 (한국가스공사 연구개발원) , 김철민 (한국가스공사 연구개발원)

KOGAS(Korea Gas Corporation) uses two-type vaporizers to send customers natural gas with imported LNG. In winter season, SMVs(SubMerged combustion Vaporizers) are mainly operated due to low seawater temperature. SMVs consume the natural gas of 1,520 $Nm^3/hr$ and emit a lot of $CO_2$ in winter time. If carbon taxes are activated on climate change, the tax burden will be severely heavy. Accordingly this work carried out numerical simulation with a commercail CFX code to investigate its possibility on the practical use of pure oxygen combustion of SMVs to reduce $CO_2$ and to improve its efficiency. First, a nozzle of a SMV's combustor is modelled. The combustion characteristics of Air/Fuel and Oxygen/Fuel are analyzed under folly insulated condition. Although we couldn't find the carbon reduction and the efficient elevation when the pure oxygen/fuel type was compared to the existing air/fuel one, we need a further study to investigate the effect of $CO_2$ recirculation.

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문제 정의

단열화염조건 하에서 각 사례에 대한 단열 화염 온도분포와 속도분포 차이를 비교할 수 있었다 세부적인 차이를 다음 절에서 기술하고자 한다.
수행하였다. 단열화염조건에서 연소특성을 비교 분석하고자 한다.
본 설비는 동절기 많은 양의 이산화탄소를 발생시키고 있으며, 기후변화협약에 의거 탄소거래제가 활성화가되면, 기업부담이 가중되게 된다. 따라서 본 연구는 이런 문제를 해소하기 위한 방안으로 이산화 탄소 배출량을 줄이기위한 순산소 연소방식의 적용 가능성을 파악하고자 CFX 상용코드를 이용한 전산해석을 수행하였다
본 연구에서는 연소기의 수직 강하부분만 모델링하여 공기/연료 방식과 순산소연료방식에 대한 시뮬레이션을 수행하고자 한다.
체적비율을 일정하게 유지해야 하는 이유는 기존 설비의 공연비가 공기에 최적화되어 있기 때문에, 가능한 연소기 형상을 개조하지 않는 조건에서 관찰하기 위해서 선택되었다

제안 방법

상기 사례는 CFX 상용코드를 이용하여 정상상태에서의 연소해석을 수행하였다. 단열화염조건에서 연소특성을 비교 분석하고자 한다.
연소기 내의 속도변화를 관찰하기 위해 흐름방향의 속도분포를 비교하였다. Fig.
연소기는 노즐 1개로 연소하도록 하였고, 상당직경을 산출하여 3차원으로 형상화하였다 3차원 형상은 Design Modeller 를 사용하였다 격자는 ICEM CFD를 사용하여 Tetra mesh간을 사용하여 생성하였다 Fig. 2에서 그 격자를 볼 수가 있다본 격자는 유동관점에서가 아닌 연소특성에 대한 효과만을관찰하기 위해 벽근처에서 Prism mesh를 사용하지 않았다. 단열화염온도 조건 하에서 시뮬레이션을 수행하기 때문에 연소기 벽에서의 벽효과는 고려 대상이 되지 않는다
우선, 연소식 기화기(SMV)의 연소노즐 한 개를 모델링하여, 완전 단열조건 하에서 공기/연료 및 산소/연료 연소에 대한 특성을 분석하였다. 산소연료 연소방식이 기존 연소방식인 공기/연료 연소방식에 비해 큰 효과가 나타나지 않았다.

이론/모형

본 연소기는 연료의 분사속도는 311m/s이고, 공기의 주입속도 약 30m/s 정도로 난류모델 k-ε을 적용하였고, 연소모델은 EDM(Eddy Dissipation Model)을 사용하였다. 그리고 공기및 연료의 온도는 273.

성능/효과

산소가 50%이고, 재순환 이산화탄소가 50%인 경우, 화염의 형성이 상대적으로 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 산소 체적비율이 23% 이고, 재순환 이산화탄소가 77%인 경우는 공기연소방식과 비숫한 연소온도분포를 보여주고 있으며, 약간 화염길이가 긴것으로 나타났다. 순산소 연소방식이 Case 4와 같은 연소방식을 적용할 경우, 연소기 온도상승 및 화염길이에 의한 구조변경은 필요하지 않을 것이다
본 결과로 볼 때, 순산소방식에 의해서 이산화탄소를 저감할 수 없는 것으로 나타났고, 공기/연료 및 산소/연료 연소방식에서 발생되는 산소는 동일하며, 화염온도 상승에 의한 열적인 개선효과도 크게 기대할 수 없는 것으로 나타났다. 화염 온도의 상승은 배가스 온도를 상대적으로 크게 상승시켜 연료사용량을 줄일 수 있는 측면과 배가스의 온도상승으로 인한 온도효과로 LNG의 기화량을 증가시킬 수 있을 것으로 기대 했으나, 미미한 차이뿐이 확인할 수 없었다 향후 재순환하는 이산화탄소의 온도상승에 의한 배가스의 온도상승 효과가 발생되는지를 검토할 필요가 있을 것으로 본다.
이 경우 화염온도는 약 5,000K 까지 상승하는 것으로 나타났다. 산소가 50%이고, 재순환 이산화탄소가 50%인 경우, 화염의 형성이 상대적으로 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 산소 체적비율이 23% 이고, 재순환 이산화탄소가 77%인 경우는 공기연소방식과 비숫한 연소온도분포를 보여주고 있으며, 약간 화염길이가 긴것으로 나타났다.
특성을 분석하였다. 산소연료 연소방식이 기존 연소방식인 공기/연료 연소방식에 비해 큰 효과가 나타나지 않았다. 다만, 이산화탄소를 재순환하는 것에 의한 온도효과가 있을 것으로 예상되고 있으며, 향후 추가적인 연구에서 그 효과와 실 규모의 연소기 해석을 수행코자 한다.
Case 1의 경우, 공기/연료 연소방식으로 연소기 내에 적정한 크기의 화염이 형성되어 있는 온도분포를 확인할 수 있다. 천연가스가 공기와 혼합하여 연소할 경우 2, 300K 정도까지 온도가 상승하는 것으로 나타났다. 반면, 100% 산소만을 산화제로 사용하는 Case 2의 경우에서 보는 바와 같이 상당히 넓고 긴 화염이 형성되는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

산소연료 연소방식이 기존 연소방식인 공기/연료 연소방식에 비해 큰 효과가 나타나지 않았다. 다만, 이산화탄소를 재순환하는 것에 의한 온도효과가 있을 것으로 예상되고 있으며, 향후 추가적인 연구에서 그 효과와 실 규모의 연소기 해석을 수행코자 한다.
본 연구의 결과로부터 공기/연료 및 산소연료 방식에 대한 시뮬레이션을 수행하였고, 그 결과로부터 SMV의 이산화탄소 및 효율향상 효과를 기대하기가 어려운 것으로 나타났으며, 추가적인 연구에서 재순환되는 이산화탄소의 온도상승효과에 대한 효율개선 효과를 검토할 계획이다
화염 온도의 상승은 배가스 온도를 상대적으로 크게 상승시켜 연료사용량을 줄일 수 있는 측면과 배가스의 온도상승으로 인한 온도효과로 LNG의 기화량을 증가시킬 수 있을 것으로 기대 했으나, 미미한 차이뿐이 확인할 수 없었다 향후 재순환하는 이산화탄소의 온도상승에 의한 배가스의 온도상승 효과가 발생되는지를 검토할 필요가 있을 것으로 본다.

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