초록 ▼

최근 유가 상승으로 사용을 검토한 바 있다. 관련업계에서 이와 같이 활발한 검토를 수행한 까닭은 경기침체에 따른 제조업의 원가 상승요인을 저감하려는 의도에서 비롯되었다고 파악되어진다. 즉 오리멀젼은 중유가격의 $50\%$ 수준으로 구입이 가능하다는 연료의 경제성으로부터 비롯되었다. 안정적인 에너지 공급을 확보하고, 보다 경제성 있는 연료를 수입해야만 하는 국내의 에너지 수급차원을 고려하여 볼 때, 국내에서 오리멀젼의 청정이용을 위한 연소기술 개발이 요구되었다.
오리멀젼 이용시 문제점으로는 바나듐에 의한

최근 유가 상승으로 사용을 검토한 바 있다. 관련업계에서 이와 같이 활발한 검토를 수행한 까닭은 경기침체에 따른 제조업의 원가 상승요인을 저감하려는 의도에서 비롯되었다고 파악되어진다. 즉 오리멀젼은 중유가격의 $50\%$ 수준으로 구입이 가능하다는 연료의 경제성으로부터 비롯되었다. 안정적인 에너지 공급을 확보하고, 보다 경제성 있는 연료를 수입해야만 하는 국내의 에너지 수급차원을 고려하여 볼 때, 국내에서 오리멀젼의 청정이용을 위한 연소기술 개발이 요구되었다.
오리멀젼 이용시 문제점으로는 바나듐에 의한 $SO_{3}$로의 생성촉진, ash의 미세한 입자구조로 인한 응집으로 전열면에서의 퇴적현상 $NO_{x}$ 배출량등을 감소시켜야 할 것으로 나타났다. 따라서 본연구에서는 낮은 과잉공기비에서 연소할 수 있는 연소기와 연소 운전조건을 도출하고자 하였다.
연료공급량 기준 $100{\ell}/hr$ 규모의 시험용 오리멀젼 연소용 보일러 및 버너를 설계, 제작하여 여러종류의 노즐, 첨가제와 초음파 전처리 장치 등을 적용한 오리멀젼 연소 기술 개발 연구를 수행하였다. 연소기 형태는 공기 또는 스팀 제트방식의 F-jet 버너로 설계하였으며 시험은 연료공급량은 $50-100{\ell}/hr$에서 수행하였다.
배기가스중 $Ex.O_{2}$를 $0.5\∼3\%$범위에서 측정된 배기가스조성은 $NOx130\∼150ppm$, $CO\;40\∼60ppm$, $Dust\;75\∼100\;mg/Nm^3$, $SO_2\;1500\∼2000ppm$,으로 나타났다. 연료첨가제를 사용한 결과, $0.1wt.\%$ 첨가시에도 연소상태가 매우 촉진되어 CO농도는 $90\%$이상 감소함을 보였으나, $NO_{x}$ 저감효과는 다소 적은 결과를 보였다.
시험연소로에서 연구결과를 바탕으로 오리멀젼을 사용하고 있는 삼성정밀화학(주)의 150T/hr 보일러에 적용할 버너를 설계, 제작 및 국내산 연료 첨가제를 적용하여 실증실험을 수행한 결과, SCR 전단에서 $NO_{x}$ 농도는 172ppm 수준으로 나타났다.
아울러, 연소로 해석용 수치모사 프로그램을 개발하여 실험결과와 비교, 검토를 통한 검증과정을 거쳐 오리멀젼 상업용 보일러에 대한 연소특성 해석 및 플랜트 해석기법을 개발하였다.

Abstract ▼

Because of recent oil price increase, power companies and utility companies, which use heavy oil or coals, consider to use Orimulsion. That is because they want to reduce factors which increase costs of manufacturing industry. There is an economical efficiency of fuel in using Orimulson, which can b

Because of recent oil price increase, power companies and utility companies, which use heavy oil or coals, consider to use Orimulsion. That is because they want to reduce factors which increase costs of manufacturing industry. There is an economical efficiency of fuel in using Orimulson, which can be purchased at $50\%$ of heavy oil price. Considering the situation of energy supply and demand in
Korea that should secure energy supply and import cheap fuel, it is necessary to perform the research and development for the clean combustion technologies of Orimulsion.
The project aims to solve the problems at commercial scale boiler such as transfonnation of $SO_{2}$ to $SO_{3}$ promoted by $V_{2}O_{5}$ fine particulate agglomeration on the heat transfer tube from ash and NOx formation etc.
It was specially designed for $100{\ell}/hr$ scale test facilities such as combustor and F-jet burner, feeding system to keep emulsion stability. From the experiment it was shown that $NO_{x}$ was $130\∼150ppm$, $CO\;40\∼60ppm$, $Dust\;75\∼100mg/Nm^{3}$ and $SO_{2} 1500\∼2000ppm$ at$50\∼100{\ell}/hr$of feed rate and $0.5\∼3\%$ of $Ex.O_{2}$. And also from the addition of fuel additives it was shown that $NO_{x}$ was little changed however CO concentration was significantly decreased as much as $90\%$ from the promotion of combustion.
Developed burner and fuel additive in this study was applied in the boiler of Samsung Fine Chemicals Co., Ltd .. It was analyzed that $NO_{x}$ concentration in the front of SCR unit was around 172ppm.
Numerical simulation was also performed for combustor analysis and it was compared with the results of Orimulsion combustion experiment in a small scale ($20{\ell}/hr$) combustion boiler. Simulation programs that can be applied to boilers and burners for commercial boilers are developed and be used as tools for numerical simulation of commercial plants.

목차 Contents

• 제 1 장 서론 ... 21
• 제 1 절 연구배경 ... 21
• 제 2 절 국내$\cdot$외 기술개발 현황 ... 22
• 1. 연료 특성 ... 22
• 2. 연료 조작 ... 25
• 3. 연소 특성 ... 27
• 가. 서론 ... 27
• 나. 이론적 검토 ... 28
• 다. 대기오염물질 방출 및 제어 ... 31
• 4. 오리멀젼의 수요와 공급 ... 35
• 5. 연소설비 운용기술 ... 38
• 가. 연소특성에 따른 구조 변경의 필요성 ... 38
• 나. 연소 생성물 특성에 따른 구조 변경의 필요성 ... 40
• 다. 배기가스 특성에 따른 구조 변경의 필요성 ... 40
• 라. 기존 플랜트 적용시 근본적인 구조 변경의 필요성 ... 41
• 제 2 장 연구의 필요성 및 목적 ... 42
• 제 1 절 연구의 필요성 ... 42
• 1. 기술적 측면 ... 42
• 2. 경제적 측면 ... 42
• 제 2 절 연구목적 ... 43
• 1. 최종목표 ... 43
• 2. 1차년도 연구목적 ... 44
• 3. 2차년도 연구목적 ... 44
• 4. 3차년도 연구목적 ... 44
• 제 3 절 연도별 연구실적 요약 ... 44
• 1. 1차년도 주요 연구실적 요약(2002년도) ... 44
• 가. 시료발주 및 공급시스템 설계 ... 44
• 나. 수치해석을 위한 연소 모델 선정 및 유동장 해석 ... 45
• 다. 소형 연소로의 연료공급 시스템 제작 ... 45
• 라. 오리멀젼용 20 l/hr 소형 버너의 설계 ... 45
• 마. 버너의 미립화 실험 ... 45
• 바. 20 l/hr 규모에서 버너 성능 실험 ... 45
• 사. 100 l/hr 시험연소 시스템 설계 및 본체 제작 ... 46
• 2. 2차년도 주요 연구실적요약(2003년도) ... 46
• 가. 주변장치 제작을 통한 시험연소로 전체 시스템 구성 완료 ... 46
• 나. 실증 플랜트 현장 방문조사를 통한 애로기술 및 문제점 도출 ... 46
• 다. 시험연소로에서의 연소 실험 ... 46
• 라. 자체 개발된 오리멀젼용 버너의 성능 시험(100bl/hr 규모) ... 46
• 마. 버너의 실증적용을 위한 설계 및 제작 ... 47
• 바. 수치모사를 통한 연소특성 해석 및 실험치와의 비교 ... 47
• 3. 3차년도 주요 연구실적요약(2004년도) ... 47
• 가. 실증플랜트 적용 실험을 위한 버너제작 및 실증 적용 ... 47
• 나. 시험연소로에서 운전장애요인 해결방안 및 최적 운전조건 도출 ... 47
• 다. 연료 첨가제의 실증 플랜트 적용 실험 ... 48
• 제 3 장 오리멀젼의 연료 특성분석 ... 49
• 제 1 절 연료 분석(성분 및 회재 분석) ... 49
• 제 2 절 온도에 따른 점도 실험 ... 50
• 제 3 절 고온연소 반응성 실험 (TGA) ... 51
• 제 4 절 유화특성 실험 ... 52
• 제 4 장 소규모 연소로(20 l/hr)를 이용한 연소특성 분석 ... 54
• 제 1 절 연료 공급 시스템 제작 ... 54
• 제 2 절 연소실험 결과 ... 54
• 1. 소규모(20 l/hr) 연소로 ... 54
• 2. 실험결과 ... 56
• 제 5 장 오리멀젼용 시험연소로(100 l/hr)를 이용한 연소특성 분석 ... 62
• 제 1 절 오리멀젼용 시험연소로(20 l/hr)의 제작 ... 62
• 제 2 절 오리멀젼용 소규모(100 l/hr) 버너의 설계 및 제작 ... 67
• 1. 버너 설계에 대한 이론 ... 67
• 2. 모리멀젼용 버너 설계 ... 75
• 제 3 절 시험연소로(100 l/hr)를 이용한 오리멀젼의 연소실험 ... 78
• 1. 1차 연소실험 ... 78
• 2. 2차 연소실험 ... 79
• 3. 3차 연소실험 ... 81
• 4. 개발된 오리멀젼용 버너에 대한 다양한 형태의 노즐실험 ... 82
• 5. 개발된 오리멀젼용 버너를 이용한 연소특성 실험 ... 85
• 6. 실증적용을 위한 버너의 설계 및 제작 ... 91
• 7. 오리멀젼 연소시 발생되는 제반 문제점 ... 92
• 제 6 장 오리멀젼의 연소효율 개선을 위한 기초실험 ... 94
• 제 1 절 서론 ... 94
• 제 2 절 초음파 에멀젼 연료장치를 이용한 연소효율 개선 특성분석 ... 94
• 1. 기술의 특징 ... 94
• 2. 초음파가속기(Ultrasonic Accelerator)의 연료절약 및 공해방지효과 ... 95
• 3. 초음파 에멀젼 연료장치를 이용한 기초실험 ... 97
• 제 3 절 첨가제를 이용한 연소효율 개선 특성분석 ... 99
• 1. Biolime을 이용한 연소효율 개선 특성 분석 ... 99
• 2. 연료 첨가제를 이용한 연소효율 개선 특성 분석 ... 101
• 제 4 절 연소효율 개선을 위한 실증적용 실험 ... 108
• 1. 개발된 오리멀젼용 버너의 실증 적용 ... 109
• 2. 연료 첨가제의 실증 적용 ... 111
• 제 7 장 수치해석적 연구 ... 114
• 제 1 절 서론 ... 114
• 제 2 절 수학적 방법 ... 114
• 1. 일반 지배 방정식 ... 114
• 2. 난류 모델 ... 115
• 3. 연소반응모델 ... 115
• 4. 액적모델 ... 121
• 5. 복사 열전달 모델 ... 124
• 제 3 절 수치해석 결과 및 토론 ... 127
• 1. 경계조건 ... 127
• 가. 예비연구 ... 127
• 나. 소형 오리멀젼 보일러 ... 128
• 다. 상용화급 오리멀젼 보일러 ... 129
• 2. 결과 및 토론 ... 130
• 가. 예비연구 ... 130
• 나. 소형오리멀젼 보일러 ... 133
• 다. 상용화급 오리멀젼 보일러 ... 137
• 라. 향후 연구 ... 149
• 제 4 절 결론 ... 150
• 제 8 장 결론 ... 152
• Reference ... 154