[논문]응축수 순환이 폐열회수 응축형 보일러 성능에 미치는 영향

금국빈; 김수익; 유병훈; 이창언

문제 정의

이러한 문제를 해결하기 위한 가장 효율적인 방법은 기존 연소시스템의 개선, 즉 가정, 상업에서 사용되는 대표적인 연소시스템인 보일러의 저공해 성능과 열효율을 개선하는 것 이다. 따라서 본 연구진은 일부 가정, 상업부분에서 사용되고있는 보일러 중 폐열회수 응축형 보일러(Waste He at Recovery Condensing Boiler, WHR CB)의 저공해 성능을 확보하고자 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation, EGR)기술과 열효율 상승을 위한 응축수 순환 기술(Condensed Water Recirculati on, CWR-WHR CB)을 적용하여 새로운 개념의 응축수 순환 폐열회수 응축형 보일러(Condensed Water Recirculation Waste Heat Recovery Condens ing Boiler, CWR-WHR CB)에 대한 연구를 수행하였다. 응축수 순환 기술과 배기가스 재순환 기술의 적용이 폐열회수 응축형 보일러에 어떠한 영향을 주는지 알아보기 위해 열역학적 해석을 수행 하였다.

가설 설정

1에서 배기가스 재순환율 변화에 따른 NO의 몰분율(mole fraction) 변화를 나타내고 있다. 산화제로 사용되는 예열공기의 상대습도는 응축수 순환 기능에 의해 100%로 가정하여 초기조건으로 사용하였다. 배기가스 재순환율이 증가함에 따라 NO의 발생량이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

제안 방법

CWR–WHR CB는 WHR CB에서 발생하는 배기가스를 재순환하고 폐열회수 장치에 응축수 순환장치를 추가하여 구성하였다.
공기비(α)의 경우 배기가스 재순환 기능을 적용한 CWR WHR CB의 예상 운전 공기비인 1.1부터 WHR CB의 실제 운전 공기비인 1.4까지로 채택 하였으며, 폐열회수 열교환기 전단온도(TEG2)는 실제 폐열회수 응축형 보일러의 열교환기 전단온도인 60℃부터 상업용 보일러의 열교환기 전단온도인 200℃까지로 정하였다.
4는 수치해석을 통해 상대습도에 따른 NO의 몰분율 변화를 도시한 것이다. 공기비와 EGR율은 각각 1.1과 0%를 적용하였다. 수치해석 결과에 따르면 상대습도가 증가함에 따라 NO의 몰분율이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
응축수 순환 기술과 배기가스 재순환 기술의 적용이 폐열회수 응축형 보일러에 어떠한 영향을 주는지 알아보기 위해 열역학적 해석을 수행 하였다. 또한, 수정된 1차원 Premix code[3]인 CHEMKIN[4]을 이용한 수치해석을 통해 결과 값을 도출 하였다. 수치해석 시 사용된 전달 물성치는 Transport package[5]를 이용 하였으며, 연료가 메탄(CH₄)임을 고려하여 반응 기구는 GRI-v 3.
예열공기의 상대습도(γap)의 경우 응축수 순환 기술의 적용 정도와 밀접한 관련이 있기 때문에 세부적인 해석을 위해 0~100% 전 구간으로 정하였으며, 배기가스 재순환율[ΩEGR]은 0 ~ 20% 까지 5% 간격으로 증가시키며 열역학적 해석 및 수치해석을 진행하였다.
따라서 본 연구진은 일부 가정, 상업부분에서 사용되고있는 보일러 중 폐열회수 응축형 보일러(Waste He at Recovery Condensing Boiler, WHR CB)의 저공해 성능을 확보하고자 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation, EGR)기술과 열효율 상승을 위한 응축수 순환 기술(Condensed Water Recirculati on, CWR-WHR CB)을 적용하여 새로운 개념의 응축수 순환 폐열회수 응축형 보일러(Condensed Water Recirculation Waste Heat Recovery Condens ing Boiler, CWR-WHR CB)에 대한 연구를 수행하였다. 응축수 순환 기술과 배기가스 재순환 기술의 적용이 폐열회수 응축형 보일러에 어떠한 영향을 주는지 알아보기 위해 열역학적 해석을 수행 하였다. 또한, 수정된 1차원 Premix code[3]인 CHEMKIN[4]을 이용한 수치해석을 통해 결과 값을 도출 하였다.

이론/모형

또한, 수정된 1차원 Premix code[3]인 CHEMKIN[4]을 이용한 수치해석을 통해 결과 값을 도출 하였다. 수치해석 시 사용된 전달 물성치는 Transport package[5]를 이용 하였으며, 연료가 메탄(CH₄)임을 고려하여 반응 기구는 GRI-v 3.0[6]을 사용 하였다.

성능/효과

(1) 응축수 순환 기술의 적용으로 인해 예열공기의 상대습도가 증가하며, 이슬점의 상승으로 이어진다. 이슬점의 상승은 폐열회수 열교환기의 전단 온도가 조금만 감소하여도 쉽게 응축수가 발생한다는 것을 의미하므로 효율 상승에 영향을 미친다.
(2) 공해물질 배출 특성에 있어 응축수 순환 기술과 배기가스 재순환 기술은 화염온도 감소에 영향을 주며 그로 인해 NO의 생성 또한 감소한다.
2는 공기비 및 폐열회수 열교환기의 전단 온도 변화에 따른 CWR –WHR CB(상대습도:100%)와 WHR CB(상대습도:70%)의 열효율을 비교한 그래프이다. 그래프를 살펴보면 CWR-WHR CB와 WHR CB 모두 공기비가 1에 근접하거나 폐열회수 열교환기의 전단온도가 감소할수록 열효율이 증가하는 것을 관찰할 수 있다. 또한, 기체상태의 수분(H₂O)이 액체 상태로 상변화 하면서 효율을 급격히 증가시키는 이슬점(Dew point)을 확인할 수 있는데 이는 폐열회수 열교환기의 전단온도가 이슬점보다 낮아지면서 배기가스 중의 수분이 응축하여 응축열을 방출하기 때문이다.
또한, 기체상태의 수분(H₂O)이 액체 상태로 상변화 하면서 효율을 급격히 증가시키는 이슬점(Dew point)을 확인할 수 있는데 이는 폐열회수 열교환기의 전단온도가 이슬점보다 낮아지면서 배기가스 중의 수분이 응축하여 응축열을 방출하기 때문이다. 동일한 공기비에서 CWR-WHR CB와 WHR CB를 비교하였을 때 응축수 순환 기능이 적용된 CWR-WHR CB의 이슬점이 높은 것을 확인 할 수 있다. 이는 응축수 순환 기능에 의해 예열공기의 상대습도가 증가하기 때문이다.
이는 배기가스 재순환율이 적용됨에 따라 비교적 큰 비열을 갖는 배기가스가 혼합기와 함께 화염에 유입되고, 이로 인해 화염의 최고 온도가 감소하기 때문에 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다. 배기가스 재순환율이 0%에서 20%로 증가함에 따라 NO의 몰분율은 각각 31.9ppm 에서3.85ppm으로 감소하였다.
산화제로 사용되는 예열공기의 상대습도는 응축수 순환 기능에 의해 100%로 가정하여 초기조건으로 사용하였다. 배기가스 재순환율이 증가함에 따라 NO의 발생량이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 배기가스 재순환율이 적용됨에 따라 비교적 큰 비열을 갖는 배기가스가 혼합기와 함께 화염에 유입되고, 이로 인해 화염의 최고 온도가 감소하기 때문에 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다.
1과 0%를 적용하였다. 수치해석 결과에 따르면 상대습도가 증가함에 따라 NO의 몰분율이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 예열공기 상대습도가 증가하면 연소기로 투입되는 공기의 성분 중 비열이 높은 H₂O 의 몰수가 상승한다.

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