대용량 MILD 연소로에서 LNG와 합성가스 혼합연료의 연소특성

Abstract

요약문

대부분의 산업체 열 설비 및 동력장치는 화석연료의 화학에너지를 연소과정을 통해 열에너지로 변환하여 사용하는 구조로 되어 있으며, 이러한 화석연료의 연소과정에는 필연적으로 지구온난화 가스인 CO2,대기오염물질인 SOX, NOX, 매연 (Soot) 등을 배출하게 된다. 하지만, CO2는 연소과정에서 필연적으로 생성되게 된다. 이를 줄이기 위해서 열효율을 높이는 방법이 가장 유용한 방법으로 알려져 있다. 오염 물질인 NOX 와 매연 등은 산성비를 통하여 대기와 수질 그리고 토양 등을 오염시키는 주 오염원이며, 자체가 갑상선 암과 다양한 호흡기 질환을 유발하는 물질로 알려져 있어 이에 관한 저감 대책이 최근 절실한 상황이다. 최근에는 선진국을 중심으로 개발되고 있는 무 화염 연소라고도 불리는 MILD 연소기술은 위에서 요구되는 고효율뿐만 아니라 저 NOx, 저 매연과 같은 저공해를 동시에 달성할 수 있는 최신 연소기법이다. 또한, 합성가스는 저급연료를 가스화하여 얻어질 수 있는 연료로서 연소에 이용된다면 대체연료의 활용에 좀 더 유리하게 된다. 따라서, LNG나 LNG+합성가스 연료를 이용한 MILD 연소기술을 개발하는 것은 산업체 열설비의 연료저감 및 다양화뿐만 아니라 CO2와 같은 공해물질 저감을 동시에 이룰 수 있는 기술로서 필수적이라 할 수 있다. 이러한 기술들은 일본과 독일 등과 같은 선진국에서 많이 개발이 되어 있으나, 국내에서는 선진국에서 개발한 연소기의 기본 틀에서 벗어나지 못하는 실정이다. 그러므로 순수 국내 기술을 이용한 MILD 연소기술개발은 국내의 공업용 연소로 및 산업용 보일러 개발에 필요한 중요한 정보를 얻는데 매우 유용할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 LNG와 LNG+합성가스를 원료로 하는 대용량 MILD 연소기를 설계 및 제작을 실시하였고, 제작이 완료된 대용량 MILD 연소기의 성능 평가를 위하여 연료 노즐 배열, 절환 주기 최적화, 그리고 당량비 변화에 따른 MILD 연소 및 오염물질 배출특성에 대한 성능평가 실험을 실시하였다. 연료공급 노즐 배열 최적화 실험 조건으로는 두 가지가 있다. 첫 번째 조건은 MILD 연소기 중심부에서 1개의 내경이 6 mm인 노즐에서 연료를 공급할 수 있으며, 또 다른 조건은 내경이 20 mm인 공기공급 노즐의 주위에 환형 위치에 배치된 노즐내경이 각 3.6 mm인 6개의 노즐에서 공급할 수 있도록 되어있다. 두 가지의 연료공급 위치 조건을 변화시킴에 따라 연소성능의 변화를 관찰하였다. 그 결과 6개의 연료노즐을 사용하였을 때보다 1개의 노즐을 사용하였을 때 열재생 성능이 높게 나타났으며, 화염 또한 균일한 무화염 상태를 얻을 수 있었다. 절환시간 최적화 실험은 MILD 연소기 중심부에 있는 1개의 연료노즐과 Φ=0.7의 조건을 고정한 상태에서 절환밸브의 절환시간을 9초, 12초, 15초, 18초로 3초씩 증가시키면서 MILD 성능평가를 비교하였으며, 절환시간 12초일 경우에 CO2양이 가장 많이 저감되었다. 당량비 변화에 따른 MILD 연소특성 실험은 앞의 두 실험에서 검증된 MILD 연소성능에 최적화된 조건인 1개의 연료노즐과 절환시간을 12초로 고정한 상태에서 공급하는 공기의 양을 조절하여 총괄 당량비를 0.6, 0.7, 0.8, 0.9로 총 4개의 조건으로 변화시켰을 경우의 MILD 연소특성검토를 하였다. 이 경우 총괄 당량비 0.6조건에서 온도효율과 폐열회수율이 다른 총괄 당량비 보다 낮게 나타냄을 확인하였다. 오염물질 배출특성으로 당량비가 과농해질수록 NOX 배출량은 적게 배출되는 특성을 보였으며. 매연 배출량은 총괄 당량비 0.7 조건에서 가장 낮게 측정 되었다. LNG연료에 합성가스 혼합비를 30%, 50%로 변화함에 따라서 MILD 성능 실험을 한 결과로는 LNG연료에 합성가스를 혼합함에 따라 온도효율을 증가하지만 열 재생효율은 미소하게 감소하는 것을 알 수 있었으며, 합성가스를 30% 혼합한 조건에서 NOX 배출량은 가장 낮은 배출량을 보였으며, CO2 저감량은 가장 높은 저감량을 보였다. 매연 배출량은 합성가스를 혼합할수록 많이 줄어드는 것을 알 수 있다.

Combustion Characteristics for LNG or LNG/Syngas Mixed Fuel in Large-Scale MILD Combustor.

Ho Hyun Lee

Department of Safety Engineering, Graduate School, Pukyong National University

Abstract

Common thermal power facilities are used to adopt a combustion process in order to transform the chemical energy of fossil fuels into thermal energy. This combustion process could cause environmental problems, including CO2(greenhouse gas) and pollutant emission. However, CO2 is inevitable generated in a combustion process. As is well known, how to increase the thermal efficiency is the best way to reduce CO2 formation. NOx and Soot are the major source of pollution and cause various breathing problems and cancers. Therefore, the measures of pollutants reduction are necessary. Moderate or intense low-oxygen dilution(MILD) combustion technology, also known as flameless oxidation(FLOX), is the latest combustion technology that results in high thermal efficiency and also it reduced pollutants emission, such as NOX, soot, and CO2. Syngas gain from the gasification of low-grade fuel, and also this fuel would help utilize alternative fuel. Developing MILD combustion technology by using LNG (Liquefied Natural Gas) or LNG+Snygas fuel is essential technology in order to reduce fuel consumption in the thermal facilities and to decrease pollutants emission. This technology was first exploited in advanced countries such as Germany, Italy, and Japan. Therefore, MILD combustion technology that is developed entirely with domestic technology would be efficient for the development of industrial furnaces and boilers to get the important information. In this study, high-capacity MILD combustor was designed and developed and LNG or LNG+Syngas were used as the fuel. The performance evaluation experiments, such as the arrangement of fuel nozzle, alternating period(t) optimization, and variety equivalence ratio(Φ) effect, were investigated to confirm MILD combustor’s performance regarding combustion efficiency and pollutants emission. There are two conditions in order to optimize the arrangement of fuel nozzle. The first condition is that it has one fuel jet and it consists of central insulated fuel jet(Ø6mm). The second condition is that it has six fuel jet and it consists of regular hexagonal position insulated fuel jet(Ø3.6mm). Combustion performance was investigated with this two conditions. As a result, one central fuel jet(the first condition) shows greater thermal recycling performance than six regular hexagonal position fuel jet(the second condition), and also the flame condition showed uniform shape and flameless flame in the first condition. The experiment of alternating period optimization was performed by using one central fuel jet. Equivalence ratio was fixed at 0.7(Φ=0.7) and alternating period was gradually increase from 9 sec to 18 sec.(t=9, 12, 15, 18 sec). In case of t=12sec, the amount of CO2 is reduced much more than other conditions. In the experiment of variety equivalence ratio conditions, fuel nozzle was fixed at one central nozzle and also alternating period was fixed at 12 sec. In this experimental condition, the characteristics of MILD combustion was investigated with various equivalence ratio, such as Φ=0.6, 0.7, 0.8, and 0.9. For Φ=0.6, thermal efficiency and waste heat recovery rate were lowest value than other equivalence ratios. NOX emission gradually decreased with increasing equivalence ratio, and Soot emission had lowest value at Φ=0.7. MILD performance experiments were performed with various syngas dilution rate(0%, 30%, 50%). In this results, thermal efficiency was increased with increasing syngas dilution rate in LNG fuel, and but waste heat recovery rate decreased very little. NOX and CO2 emission had lowest vale at syngas dilution rate 30%. Soot emission decreased with increasing syngas dilution rate.