Research Article

Journal of The Korean Society Combustion. September 2020. 1-10
https://doi.org/10.15231/jksc.2020.25.3.001


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 실험 장치 및 방법

  •   2.1. 실험 장치

  •   2.2. 실험 방법

  • 3. 실험 결과 및 고찰

  •   3.1. 메탄 무화염 연소 특성

  •   3.2. 산소 부화율에 따른 무화염 연소 특성

  •   3.3. CO 및 NOx 배출 특성

  • 4. 결 론

1. 서 론

최근 열에너지 분야에서 연소 시 배출되는 미연 탄소와 질소 산화물로 인한 미세먼지와 대기 오염 문제가 대두되고 있다. 무화염 연소(flameless combustion) 또는 MILD (moderate or intense low-oxygen dilution)는 이와 같은 문제를 해결할 수 있는 기술로 효율적인 열화학 전환 방법으로 평가되고 있다[1].

무화염 연소 또는 MILD 연소 기술은 연소 후 배가스와 투입된 반응물을 희석하여 연소 반응 영역을 확장시키는 개념에 기초한다. 따라서, 무화염 연소는 기존 화염이 가지고 있는 국부적인 연소 반응 영역을 확장시켜, 가시적인 화염이 보이지 않는 것이 특징이다[2]. 또한 확대된 연소 반응 영역으로 인하여 기존 화염 대비 낮은 최대 온도를 가지고, 연소기 내부 온도 분포가 균일해지는 장점을 가지고 있다[3], [4]. 이러한 온도 특성으로 인하여, 고온의 배가스를 더욱 효율적으로 활용할 수 있고, 가스 연소 시 주로 문제가 되는 thermal NOx를 저감할 수 있다.[5].

무화염 연소를 구현하기 위해서는 두 가지의 필요 조건이 있다. 첫 번째로, 앞서 언급한 반응물과 희석제의 혼합이다. 희석제는 연소 후 배가스가 주로 고려되는데, 이는 강한 연소기 내부 재순환을 통해 추가적인 희석제의 투입 없이 반응물과 혼합할 수 있기 때문이다. 두 번째로, 반응물의 자발화 온도 이상으로 연소실이 예열되어 있어야 한다. 무화염 연소는 일반 화염과는 다르게 착화 현상이 국소적인 영역에서 일어나지 않기 때문에, 착화가 일어나기 위해서는 연소실이 전체적으로 충분히 예열되어 있어야 한다[2].

앞서 언급한 무화염 연소의 필요조건에 대해서, 산화제의 산소 농도와 예열 온도를 변수로 가연 한계에 대한 연구들이 진행되었다[6], [7], [8]. 또한 무화염 연소는 메탄[9], [10], [11], LPG/에틸렌[12], 그리고 저열량 합성 가스[13] 등 가스 연료에 대해 활발한 연구가 진행되고 있다. 석탄을 대상으로 한 무화염 연소 연구는 pilot-scale 규모의 장치를 이용한 FLOX(flameless oxidation)[14]가 있다. 그리고 가스 터빈[15], 가스화[16] 등 여러 열에너지 설비에 적용하기 위한 연구들이 진행되고 있다.

화력 발전 분야에서 온실가스 저감을 위한 순산소 연소는 높은 화염 온도를 가지고 있고, 보통 이러한 문제점을 외부 배기가스 재순환 기술을 통해 해결한다[17]. 무화염 연소의 낮은 최대 화염 온도는 순산소 화염의 높은 온도와 높은 thermal NOx 배출량을 제어하는 방안으로 고려되고 있다[18], [19], [20].

산소 부화 연소(oxygen-enriched combustion) 조건에서 무화염 연소 현상을 조성하기 위한 연구[21]도 수행된 바 있다. 산소 부화 연소는 산화제 내 높은 산소 분율을 가지고 있기 때문에 더 적극적인 희석제 활용과 강한 내부 재순환 유동을 활용해야 하는 문제점이 있다. 또한 착화를 위한 예열 과정이 필수적이기 때문에 연료나 산화제를 희석제와 함께 예열하는 연구[22]도 함께 진행되고 있다.

본 연구는 실험실 규모의 무화염 연소 시스템을 바탕으로 메탄의 무화염 연소 및 배가스 배출 특성을 분석하기 위해 수행되었다. 특히, 무화염 연소 기술의 적용 범위를 확대함과 동시에 NOx 배출 저감 기술을 확보하기 위해 산소 부화 조건에서의 무화염 연소 성능을 동시에 확보하고자 수행되었다.

2. 실험 장치 및 방법

2.1. 실험 장치

Fig. 1은 본 연구에 적용된 실험실 규모의 무화염 연소기의 개략도를 나타낸 것이다. 본 연구에 적용된 무화염 연소 시스템은 내부 재순환 방식을 이용한 선행 연구[23]를 참고하여, 연구 목적에 부합되도록 자체적인 보완 설계 후 구축되었다. 연소실은 Fig. 2와 같이 내부 기준으로 높이 400 mm, 너비 200 mm의 직육면체 형태이다. 연소로 바닥면 중앙에 bluff-body 형태의 비예혼합 동축 버너를 적용하였으며, 연료는 메탄을 기준 연료로 선정하였다. 산화제는 산소와 질소를 각각 제어하여, 혼합기를 통해 투입할 수 있도록 구성하였다. 내부 재순환 연소를 위해 연소 가스는 연소실 하단에 위치한 4개의 출구를 통해서 배출되며, 고온의 연소 가스에 의한 차압 및 진동을 방지하기 위해서 buffer pipe가 설치되어 있다. 연소 가스의 조성은 buffer pipe 이후에 NDIR(Nondispersive infrared sensor) 가스 분석기를 활용하여 측정을 수행하였다.

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Fig. 1.

Schematic diagram of lab-scale flameless combustion system.

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Fig. 2.

Detailed view of lab-scale flameless combustor.

무화염 연소의 핵심은 연소 온도 저감을 통한 NOx 생성 억제와 동시에 연소실 내부 온도의 균일성을 확보하는 것에 있다. 따라서, 연소실 내부 온도의 균일성을 측정하기 위해 연소실 내부와 내화재로 구성된 내벽의 공간에 대한 대표성을 확보할 수 있는 위치에 K-type 열전대를 설치하였다. 열전대의 위치는 연소실 내부를 기준으로 총 16 등분하였으며, 가스 온도를 측정하기 위한 9개와 내벽에 설치된 6개로 총 15개의 열전대가 설치되어 있다. 등분된 격자 교차 지점을 모두 포함할 수 있도록 계측 위치를 설정하였으며, 각 위치를 설정함에 있어서 연소실 중앙에는 일반 연소 시 화염에 직접 온도 센서가 노출되어 손상될 가능성이 높기 때문에 측정 위치에서 제외하였다.

2.2. 실험 방법

본 연구의 목적은 산소 부화 조건에서 산소 비율 변화에 따른 무화염 연소 및 배가스 특성을 분석하는 것에 있다. 이를 고찰하기 위해 Table 1과 같이 산소 부화 비율 변화에 따른 실험 조건을 설정하였다. 기준 연료인 메탄은 투입 열량을 기준으로 3 kWth로 유지하였으며, 연료 유속은 3.4 m/s, 산화제 유속 범위는 산소 부화율에 따라 6~6.5 m/s로 유사하다. 당량비는 식 (1)을 기준으로 0.92로 고정하였다.

$$\phi=\frac{{\left(m_{fuel}/m_{ox}\right)}_{actual}}{{\left(m_{fuel}/m_{ox}\right)}_{stoichiometric}}$$ (1)

식 (1)에서 mfuelmox는 각각 연료와 산소의 질량 유량을 의미하여, actual은 실제 투입량, stoichiometric은 이론 당량비에 해당한다. 산소 부화 조건을 위해 공기 중 산소 비율을 24.4%에서 26.3%까지 증가시켰으며, Table 1에서 C1 조건이 기준 조건에 해당한다.

Table 1.

Test conditions

Parameter Unit C1 C2 C3 C4
Fuel - CH4 CH4 CH4 CH4
Heat input kWth 3 3 3 3
O2 fraction % 24.4 25 25.6 26.3
Vfuel m/s 3.4 3.4 3.4 3.4
Voxidant m/s 6.45 6.29 6.15 6.0
Reactants °C 20 20 20 20
ER(φ) - 0.92 0.92 0.92 0.92

특히 본 연구에서는 앞서 서술한 무화염 연소 기술과는 차별적으로 반응물인 연료와 산화제를 예열하지 않고 상온의 상태로 투입하여 무화염 연소를 달성하고자 하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1. 메탄 무화염 연소 특성

3. 실험 결과 및 고찰

Table 1에서 제시된 운전 조건을 바탕으로 실험실 규모 무화염 연소 시스템을 활용한 무화염 연소 특성 분석 연구를 수행하였으며, 기준 조건인 C1 조건에 대해 연소실 내부 온도 및 압력 분포, 온도 균일성 그리고 배가스 조성을 정량적으로 분석하기 위해 충분한 실험 시간을 확보하고자 하였으며, C2~C4 조건에 대해서는 산소 부화율 증가에 따른 연소실 내부 온도 및 압력 분포, 배가스 조성 변화에 초점을 두었다.

기준 조건인 C1에 대한 온도 및 압력 결과는 Fig. 3와 같다. 참고로 본 연구에서는 총 15개의 위치에서 온도를 측정하였으며, 대표성을 가지는 7개의 위치에 대한 측정 결과를 모든 조건에 대해 도시하였다.

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Fig. 3.

Temperature and pressure profiles for C1.

초기 운전 시에는 착화 및 화염 유지로 인해 연소실 내부 온도가 증가하는 경향을 보이고 있으며, 화염의 형태가 존재하는 Fig. 4(a)와 같은 일반 연소(A 구간)의 전형적인 결과를 보이고 있다. 연소실 내부 높이 100, 200, 300 mm 위치의 가스 온도는 주 연소 영역으로, 화염에 의해 직접적인 영향을 받기 때문에 급격한 온도 상승을 보이고 있다. 연소실 벽면의 높이 별(100, 200, 300, 400 mm) 온도 측정 결과에서도 비슷한 경향을 보이고 있지만, 시간이 지날수록 가스 온도와의 차이는 더 커지는 결과를 보이고 있다.

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Fig. 4.

Combustor visualization results; (a) conventional flame, (b) transitional, and (c) flameless combustion mode.

연소실의 내부 압력의 경우, 대기압 조건과 비교하면 조금 더 심한 진동이 발생하고 있음을 알 수 있다. 일반적으로 연소실 내 화염 길이는 반대편 벽까지 도달하지 않게 버너를 설계하고, 이러한 경우, 연소실 압력이 대기압과 큰 차이가 없는 미압이 발생한다. 하지만 본 실험에서 일반 연소 구간은 연소실 높이 기준으로 전체적으로 포함할 수 있는 상당히 긴 화염이 형성되었으며, 이로 인해 일반 연소 구간임에도 불구하고 연소실 상부에 위치한 압력 센서에 영향을 미쳐, 이로 인해 미압 진동이 측정된 것으로 보인다.

일반 연소는 약 1000초(17분) 정도 유지되었으며, 조건 변경 없이 Fig. 4(b)와 같은 전환 영역(B 구간)에 진입하는 것을 확인할 수 있었다. 전환 영역의 특징은 소염과 착화가 반복적으로 일어나는 것이다. 이로 인해 연소실 내부의 압력 변화가 크게 발생하며, 최대 3 kPa 정도의 압력 변동이 발생하게 된다. 또한 주 연소 영역인 가스 온도는 소염과 착화의 반복으로 인해 온도 상승과 하강을 반복되는 결과를 보이는 반면, 상대적으로 벽 온도의 민감도는 가스 온도와 비교하여 낮은 것을 확인할 수 있다.

C1에서 주목해야 할 부분은 무화염 연소 전환 영역 시작 위치에서의 연소실 최고 온도이다. 전환 영역에 진입 후 약 1200초(20분) 정도 이후 연소실 내부 가스 온도는 평균 약 800°C로 유지되었고, Fig. 4(c)와 같이 가시적인 화염이 사라지고 연소실 내부 전체 공간에 대해 무화염 연소 영역(C 구간)이 형성되었다. 연소실 최고 온도는 약 815°C이며, 산소 부화 조건에서 무화염 연소의 특성을 분석하기 위한 중요한 요소라고 볼 수 있다.

무화염 연소 영역에서는 일반 연소 영역과 차별적으로 가스 온도의 상승보다 벽 온도의 상승 폭이 급격하게 증가하였다. 이로 인해 가스 온도와 벽 온도의 차이가 감소하며, 연소실 온도가 전체적으로 균일해지는 무화염 연소 특성이 나타났음을 확인하였다. 그리고 무화염 연소 영역에서는 연소실 전반적으로 발생하는 연소 현상으로 인해, 일정 범위(0~0.4 kPa)의 압력이 일반 연소보다 높은 빈도로 계측되었다. 일반 연소 영역에서도 압력 변동 현상이 존재하였지만, 무화염 연소 영역에서의 압력 변동은 주기와 진폭에서 일반 연소와 차이를 보인다. 이는 화염에 의해 압력이 상승하는 현상이 무화염 연소 현상에서 전체적으로 발생하는 화염으로 인하여 더 빈번하게 압력이 계측된 것으로 보인다.

앞서 구술한 무화염 연소에서 특징적인 부분은 연소실 내부 온도의 균일성에 있다. Fig. 5에서는 연소실 중앙에서 높이 200 mm를 기준으로 앞, 뒤 50 mm 간격 위치에서의 온도 측정 결과를 도시한 것이다. 일반 연소 및 전환 영역에서는 연소실 중심 온도 대비 앞, 뒤 위치에서의 온도가 약 20°C 낮은 분포를 보이고 있으며, 이는 연소실 내 화염에 의해 중앙 위치의 온도가 상대적으로 높게 측정된 결과이다. 반면, 무화염 영역에서는 앞, 뒤, 그리고 중앙에서의 온도 구배가 약 2°C로 감소하는 결과를 보이고 있다. 이를 통해 연소실 내부 공간에 대한 온도 구배가 무화염 연소로 인해 개선된 결과를 확인할 수 있었다.

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Fig. 5.

Temperature and pressure profiles for C1 at the height of 200 mm.

이와 같이 무화염 연소에 의한 연소실 내부 온도 구배가 감소되는 결과를 도출할 수 있었으며, 연소실 내부 온도 구배에 대한 정량적인 분석을 위해 아래 식 (2)를 바탕으로 온도 균일도에 대해 분석하였다[24].

$$T_{uniformity}=\sqrt{\sum_{}^{}\left(\frac{T_i-T_{avg}}{T_{avg}}\right)^2}\times100\%$$ (2)

식 (2)에서 Tuniformity는 연소실 내부 온도 균일도, Ti는 측정 위치별 온도, 그리고 Tavg는 연소실 전체 평균 온도를 의미한다. 식 (2)에서 제시된 온도 균일도 계산을 위해 본 연구에 적용된 15 개의 온도 센서 측정 값을 모두 활용하였다. 참고로 시간에 따른 온도 변화가 크기 때문에 영역별 평균 온도 도출을 위한 기준을 개별적으로 정의할 필요가 있었으며, 각 영역의 평균 온도 도출 기준은 일반 연소 영역은 전환 영역 직전의 20초, 전환 영역은 전체 평균, 그리고 무화염 영역에서는 정상 상태 도달 후 2분에 대한 평균을 적용하였다.

Table 2는 위 기준을 바탕으로 각 영역에서의 평균 온도를 도출한 결과를 나타낸 것이다. 참고로 연소실(Combustor)에서 100_C의 의미는 높이 100 mm, 중앙(Center, C)를 의미하며, 중앙 기준 뒤쪽 50 mm는 B(Backward), 앞쪽 50 mm는 F(Foward)에 해당한다. 그리고 벽면(Wall)에서의 옆면은 S(Side)이며, 윗면은 T(Top)에 해당한다.

Table 2.

Averaged temperatures for C1 with repect to combustion modes

Region Location Avg. temperature (°C)
A B C
Combustor 100_C 744.2 760 931.7
200_C 795.1 779.1 960.1
300_C 835.1 784 995.1
100_B 743 765.8 932.1
100_F 737.8 771.8 930.4
200_B 780.1 775.7 958.1
200_F 775.4 783.4 961.6
300_B 811.4 777.2 985.5
300_F 808.4 782.2 996.8
Wall 100_S 451.9 561.6 815.1
200_S 502.9 593.2 854.6
300_S 542.3 603.4 877.3
400_T1 536.3 583.3 857.3
400_T2 514.3 560.8 837
400_T3 495.1 554.5 849.3

연소실 가스 온도는 일반 연소 영역에서 무화염 연소 영역까지 약 180°C 상승하였다. 온도 상승 폭이 가장 낮은 위치는 연소실 중앙에 가장 근접한 200_C, 300_C로, 온도 상승은 160~165°C 폭으로 이루어졌다. 하지만 벽면의 경우, 일반 연소 영역에서 무화염 연소 영역까지 모든 위치에서 온도 상승이 약 300°C 이상 형성되었다. 이는 무화염 연소 영역으로 전환되면서 연소실 내부 가스 온도보다 벽면 주변의 온도 상승 효과가 크게 나타난 것으로 보이며, 무화염 연소의 전형적인 특징이 잘 구현된 것으로 볼 수 있다. 또한 내화제의 축열에 의한 효과도 반영된 것으로 볼 수 있으나, 벽면에서의 온도 센서는 연소실 방향으로 약 5 mm 돌출되어 있어서 벽면 축열에 의한 영향은 상대적으로 적었을 것으로 판단된다.

Table 3은 Table 2의 온도 결과와 식 (2)를 바탕으로 연소실 전체 영역에 대한 온도 균일도를 나타낸 표이다. 일반 연소 영역인 A에서의 온도 균일도는 80%인 반면, 무화염 연소 영역인 C에서는 25%로 상대적으로 매우 낮은 온도 균일도를 보이고 있다. 이를 통해 무화염 연소 현상은 주연소 영역 뿐만 아니라 벽면을 포함한 연소실 전체 영역에 걸쳐 온도 균일도를 확보하고, 일반 연소 현상에서 나타나는 화염의 hot spot을 제거하여 thermal NOx 생성량을 억제할 수 있음을 확인하였다.

Table 3.

Temperature uniformity for C1 with respect to combustion modes

Parameter Unit A B C
Tavg °C 671.6 695.7 916.1
Tuniformity % 80 55 25

3.2. 산소 부화율에 따른 무화염 연소 특성

Fig. 6와 7은 각각 C2와 C3 조건에서의 연소 온도 및 압력을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 기준 조건인 C1과의 차이점은 연소 전환 영역의 생성 여부라고 볼 수 있다. Fig. 3에서는 소염과 착화가 반복적으로 발생하는 전환 영역(B 구간)이 나타났으나, C2와 C3 조건에서는 일반 연소 영역(A 구간)에서 무화염 연소 영역(C 구간)으로 바로 진입하였다. 이를 통해 산소 부화 25% 이상의 조건에서는 연소 전환 영역없이 무화염 연소로 진입할 수 있음을 확인하였다.

또한, 무화염 연소 영역에 진입함과 동시에 C2와 C3 조건 모두 주연소 영역에서의 온도 하락이 측정되었으며, 벽면 영역에서의 온도는 일부 증가하는 결과를 보였다. 이와 같은 결과를 통해 C1과 마찬가지로 무화염 연소를 통한 연소실 내부 온도 구배가 개선되었으며, 산소 부화율과 상관없이 무화염 연소의 고유한 특성임을 도출할 수 있다. 그리고 C2와 C3 조건에서의 무화염 연소 영역에서는 C1 조건과 마찬가지로 넓은 영역에서의 연소 현상으로 인해 연소실 내부에서는 진동 빈도는 다소 차이가 있으나 동일한 범위(0~0.4 kPa)에서 압력이 계측되었다.

산소 부화율이 증가함에 따라 연소 측면에서 특징적인 변화는 무화염 연소 영역 진입 시점 및 최대 온도의 차이라고 볼 수 있다. Fig. 5의 C2 조건에서는 일반 연소 영역이 약 1600초(27분) 유지되었으나, Fig. 6의 C3 조건에서는 약 2100초(35분) 정도 유지되었다. Fig. 3의 C1 조건에서 일반 연소 영역을 기준으로 판단했을 때, 산소 부화율을 증가시킴에 따라 무화염 연소 영역으로 진입되는 시기가 길어짐을 알 수 있다. 이는 연소실 내부 산소 분율과 관련이 있다.

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Fig. 6.

Temperature and pressure profiles for C2.

본 연구에서 사용된 연소기는 내부 재순환 방식을 이용하여 무화염 연소 현상을 구현하였으며, 이는 연소실 내부 전체를 기준으로 산소 분율이 차지하는 비율이 무화염 연소 여부를 결정하는 중요한 인자로 작용함을 알 수 있다. 산소 부화율을 25.6%로 증가시키더라도 무화염 연소 영역에는 진입하였지만, 상대적으로 일반 연소 영역의 유지 시간이 길어졌다.

본 결과를 통해 도출할 수 있는 무화염 연소의 추가적인 특징은 무화염 연소 시작 시점의 연소실 최대 온도이다. 앞서 서술된 바와 같이, Fig. 3의 C1 조건에서 무화염 연소 시작 온도는 약 815°C이다. 반면, C2와 C3 조건에서는 무화염 연소 영역 진입시 최대 온도는 각각 860°C, 900°C이다. 이는 기준 조건인 C1과 비교해 산소 분율이 높아질수록 무화염 연소 영역 진입 온도가 상승됨을 보여준다. 정량적으로 산소 부화율을 0.6% 증가시킬 때, 약 40~45°C 높은 연소실 내부 온도를 요구하게 된다. 이를 통해서 산소 부화율에 따라 무화염 연소 진입을 위한 절대적인 온도가 다를 수 있음을 확인하였다.

결과적으로 앞서 언급된 산소 부화율 증가에 따른 무화염 연소 측면에서의 주요 특징인 무화염 연소 영역 진입 시점 및 최대 온도의 차이를 통해 산화제 내 산소 분율이 증가하면 무화염 연소 진입에 높은 온도를 요구하게 되며, 이를 위해 장시간 운전이 필요하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 8은 C4 조건에서의 연소 온도 및 압력을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 일반 연소 영역에서의 전반적인 온도 증가 경향은 앞서 분석된 C1~C3 조건의 결과와 유사한 경향을 보인다. 하지만 C4에서의 가장 큰 차이점은 운전 조건의 변화 없이 자발적인 무화염 연소 전환이 보이지 않았다는 것이다. C4 조건에서는 일반 연소(A 구간)가 약 3700초(62분) 유지되었고, 연소실 내 최대 온도가 950°C로 높게 형성되었음에도 불구하고 무화염 연소로 전환되지 않았다. 산화제 내 산소 분율이 높은 경우 상대적으로 화염 안정성(Flame stability)가 높아져 혼합분율 변화에 따른 소염이 억제될 수 있다. 이를 바탕으로 무화염 연소를 구현하기 위해서는 연소실 내부 산소 농도가 중요한 역할을 하며, 공기 중 산소 분율 26.2%는 자발적인 무화염 연소를 구현하기에 산화제 내 산소 분율이 다른 조건에 비해 상대적으로 높은 것이 원인으로 해석된다.

이와 같은 해석은 실험 과정에서 임의로 C3 조건인 산화제 내 산소 분율을 25.6%로 낮춤과 동시에 무화염 연소 영역으로 전환된 결과(D 구간)를 통해 설명할 수 있다. 산소 분율이 낮은 경우 Table 1과 같이 산화제의 유속은 큰 차이가 없으나, 질소 투입량 증가에 의해 산화제 내 산소농도 감소, 버너 출구에서의 혼합분율 변화, 화염 안정성 감소의 복합적인 작용으로 인해 무화염 연소로 전환이 가능해진 것으로 판단된다. D 구간에서는 C3 조건을 유지하며 실험을 진행하였으며, Fig. 7과 동일한 온도 분포를 나타내었다. 이를 통해 26.2%의 산소 부화율에서는 자발적인 무화염 연소 달성을 위해 버너의 설계 변경 등 추가적인 요소가 필요할 것으로 사료된다.

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Fig. 7.

Temperature and pressure profiles for C3.

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Fig. 8.

Temperature and pressure profiles for C4.

결과적으로 앞서 수행된 C1~C4 조건에서의 산소 부화율 변경에 따른 연소 특성을 종합적으로 판단하였을 때, 본 연구에 적용된 연소기에서 자발적 무화염 연소 달성은 산소 부화율 최대 25.6%로 확인되었다.

3.3. CO 및 NOx 배출 특성

무화염 연소의 핵심적인 특징은 연소실 내부 온도 균일성과 이에 따른 NOx 저감에 있다. 하지만 일반 연소에서 thermal NOx는 CO와 trade-off 관계를 가지고 있어, NOx 저감 과정에서 CO가 급격하게 증가하는 경향을 보이게 된다. 본 연구에서는 산소 부화 조건에서의 무화염 연소시 CO와 NOx 배출 특성을 분석하였다.

Fig. 9은 C1 조건에서의 CO와 NOx 배출 특성을 실시간으로 도시한 것이다. 초기 일반 연소 영역에서는 연소실 내부 온도가 증가하고 연소 반응이 활발하게 진행됨에 따라 NOx 배출량이 급격하게 증가하는 경향을 보이고 있다. CO의 경우, 연소 초기에 잠시 증가 추세를 보이다가 화염이 안정되면서 완전 연소에 도달하여 배출되지 않는다. 전 영역에서 NOx가 최대로 생성되는 시점은 일반 연소 영역에 존재하며, 약 55 ppm 이다.

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Fig. 9.

CO, NOx, and pressure profiles for C1.

앞서 분석된 바와 같이, 전환 영역에서는 소염과 착화가 반복적으로 일어나면서 CO와 NOx 생성이 일정하지 못하고, 화염의 변동에 따라 주기적으로 변하는 결과를 보인다. 특히 CO의 경우 화염의 착화와 동시에 4000 ppm 이상의 높은 농도를 보이고 있다. CO의 경우 순간적인 압력 상승이 발생한 시점 이후에 생성이 급격히 증가하는 반복적인 경향을 보이고 있다. 이는 화염이 생성되면서 순간적으로 화염에 의한 압력파가 발생하고, 이로 인해 연소실 내부에 압력 상승이 발생하며 메탄 분해에 의한 CO가 발생한 결과로 볼 수 있다.

반면 NOx의 경우 CO와 정확하게 반대의 경향을 보이고 있다. NOx의 증가시점과 CO의 감소 시점이 정확히 동일시점으로 발생하고 있으며, 이는 CO의 발생시점이 화염의 발생시점이며, 화염에 의해 순간적으로 고온 영역이 발생하면서 이로 인해 thermal NOx의 발생이 증가했다고 볼 수 있다.

무화염 연소 영역에 진입하게 되면, 연소 반응 영역이 넓어지며 예혼합에 가까운 연소 환경이 조성된다. 따라서 완전 연소의 가능성이 비예혼합 연소에 비해 높아지게 된다. 이로 인해서 무화염 연소 영역 진입과 동시에 CO는 급격한 감소를 보이며, 이를 통해 완전 연소에 도달하였음을 확인할 수 있다. 동시에 NOx 생성 역시 감소하게 된다. 하지만 실험이 진행될수록 CO의 배출은 거의 없으나, NOx는 점진적으로 증가하는 경향을 보이고 있다. 이는 연소실 내부 온도 증가와 연관 지어 볼 수 있다.

앞서 분석된 바와 같이 thermal NOx는 연소실 온도와 연관되어 있다. 무화염 연소 영역에 진입하면서 전체적인 연소실 온도가 균일해지는 결과를 보이나 일반 연소 영역에서의 연소실 온도에 비해 지속적으로 증가하게 되며, 이로 인해 thermal NOx의 생성이 증가하는 경향을 보이는 것이다. 하지만 정량적으로 증가된 NOx의 농도는 약 15 ppm 수준으로 일반 연소에 비해 현저히 낮은 수준이다. 이를 통해 운전조건 변경 없이 무화염 연소를 통해 NOx가 약 73% 저감될 수 있음을 확인하였다.

일반 연소 영역에서 NOx가 약 55 ppm이었으며, 최고 온도는 약 800°C이다. 하지만 무화염 연소 영역에서의 NOx가 약 15 ppm일 때 연소실 최고 온도는 약 1000°C로 200°C 이상 차이를 보이고 있다. 결국 일반 연소시 연소실 최고 온도가 1000°C 이상인 경우, NOx는 55 ppm 이상으로 배출되었을 것으로 예상된다.

Fig. 10와 11은 각각 C2와 C3 조건에서의 실시간 CO, NOx 및 압력을 도시한 결과를 나타낸 것이다. C2와 C3의 조건에 대한 CO와 NOx의 시간에 따른 변화 경향은 큰 차이가 없으며, 정성적으로 유사한 결과를 보이고 있다. 앞서 분석된 C1과 마찬가지로 일반 연소 영역에서 초기 착화에 의해 CO가 증가하게 된다. 이후 화염이 안정화되면서 완전 연소에 도달하여 NOx가 증가하고 CO가 감소하는 결과를 보이고 있다. 일반 연소 영역에서의 초기 CO는 약 120 ppm으로 유사한 결과를 보이고 있으며, NOx 증가 경향 역시 약 110 ppm으로 C2와 C3 모두 유사하다. 또한, 무화염 연소 영역에 진입하면서 CO가 일부 증가되는 결과를 보이고 있으며, C2에 비해 C3의 증가는 상대적으로 미미하다. 이는 C3의 산소 부화율이 C2에 비해 높기 때문에 무화염 연소 영역 진입시 생성되는 CO가 C3가 낮은 것으로 판단된다. 하지만 NOx는 무화염 연소 영역 진입 후 약 40 ppm으로 감소하였으며, 무화염 연소에 의한 NOx 저감율은 약 65% 정도이다. 결과적으로 NOx 배출량 측면에서는 산소부하율에 따라 차이가 있으나, 무화염 연소에 의한 NOx 저감율은 65~75% 정도로 유사한 결과를 보였다.

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Fig. 10.

CO, NOx, and pressure profiles for C2.

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Fig. 11.

CO, NOx, and pressure profiles for C3.

Fig. 12은 C4 조건에서의 실시간 CO, NOx 및 압력을 도시한 결과를 나타낸 것이다. 앞서 분석된 바와 같이 C4 조건에서는 연소실 내부 최대 온도가 약 950°C 정도로 높게 형성되었음에도 불구하고 자발적인 무화염 연소 전환이 동반되지 않았다. 이로 인해 연소실 온도 증가에 따라 NOx가 약 120 ppm 가량 배출되었으며, C3 조건으로 임의 변경 후 무화염 연소가 형성된 이후 약 35 ppm으로 감소되었다. Fig. 12에 도시되어 있는 C4 조건의 경우 임의적으로 무화염 연소를 달성한 결과로 NOx 배출 경향을 다른 조건과 비교하는 것에는 무리가 있으나 무화염 연소 진입과 동시에 NOx 생성이 억제되는 결과는 동일하게 확인될 수 있다.

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Fig. 12.

CO, NOx, and pressure profiles for C4.

또한 C1~C3의 조건과는 다르게 연소실 내부 온도가 상대적으로 고온 영역에서 형성되어 있어 무화염 연소 전환에 따른 CO 배출이 상대적으로 매우 미미하였음을 알 수 있다.

앞서 논의된 결과를 바탕으로 연소시스템에서 산소 부화시 무화염 연소 달성을 위한 초기 기동 과정에서 산소 부화율 제어를 통해 무화염 연소 전환 시기에 대한 최적화가 가능할 것으로 사료된다.

4. 결 론

본 연구는 실험실 규모의 무화염 연소 시스템을 이용하여 산소 부화 조건에서의 무화염 연소 및 배가스 배출 특성을 분석하는 것에 의의가 있다. 산소 부화율은 24.4%에서 26.3%로 변경되어 수행되었으며, 이에 대한 연소 및 배가스 특성을 요약하면 다음과 같다.

1) 산소 부화율 24.4%에서는 일반 연소 영역, 전환 영역, 그리고 무화염 연소 영역으로 구별되는 연소 특성을 보였으며, 전환 영역에서는 착화와 소염이 반복적으로 동반되어 연소실 내부 온도, 압력 및 배가스 조성이 실시간으로 변화되었다.

2) 무화염 연소 영역에서는 일반 연소 영역과 차별적으로 연소실 내부에서의 온도 증가에 비해 연소실 벽면에서의 온도 증가율이 높아졌으며, 이로 인해 연소실 전체를 기준으로 온도 균일성이 80%에서 25%로 크게 향상되는 결과를 보였다.

3) 산소 부화율이 증가함에 따라 무화염 연소 영역 진입 시기는 길어지며, 연소실 최대 온도는 증가하는 결과를 보였다. 이는 연소실 내부 산소 분율이 무화염 연소 형성에 영향을 미친 결과로 판단된다. 또한 산소 부화율을 기준으로 25.6%까지는 일반 연소 영역에서 무화염 연소 영역으로 자발적인 전환 특성을 보였으며, 26.3%에서는 자발적인 무화염 연소가 관측되지 않았다.

4) 무화염 연소를 통해 연소실 내부 온도 균일성이 확보되어 65~75% 가량의 NOx 저감 효과가 확인되었으며, NOx 저감에 따른 CO의 trade-off 효과를 극복할 수 있을 것으로 판단된다.

Acknowledgements

이 논문은 2020년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행된 연구임(20181110200190, 미세먼지 배출저감을 위한 석탄화력발전소 초 저NOx 연소기술 개발).

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