메탄 연료에 대한 MILD 연소 및 오염물질 배출 특성

Abstract

천연가스(NG) 연료의 주성분인 CH4(메탄) 연료의 비예혼합화염에 대한 MILD 연소 및 오염물질 배출특성에 관한 계산적 연구를 수행하였다. CH4 연료의 MILD 연소특성을 검토하기 위해 벽면으로 둘러싸인 제트 유동장에서 2차원 전산해석 연구를 수행하였다. 총 5가지 화학반응기구를 이용하여 벽면으로 둘러싸인 제트 유동장에서 MILD 연소현상 예측에 적합한 화학반응기구를 선정하였다. 화염구조만을 예측함에 있어서는 총괄반응기구도 적합하지만 오염물질의 예측에 있어서는 적합하지 않음을 확인하였다. 결과적으로 DRM-19와 GRI-2.11의 예측성능이 가장 우수함을 확인하였다. 하지만 GRI-2.11의 예측성능과 비슷하면서 계산시간 측면에서 효율적인 DRM-19가 가장 적합하다고 판단하였다. 그러므로 DRM-19를 이용하여 MILD 연소에 영향을 미치는 3가지 변수의 변화에 따른 온도 및 오염물질의 분포, 그 배출특성을 검토하였다. 공급온도와 혼합비가 동시에 증가함에 따라 EINO와 EICO는 감소하는 경향을 나타냄을 확인하였다. 또한, 산화제 측에 CO가 공급됨에도 EICO가 음의 값을 나타내는 것으로 MILD 연소가 발생하는 영역에서 공급되는 CO 마저 소멸되는 것을 알 수 있었다. 2차원 제트 유동장의 전산해석 결과를 참고하여, 3차원 전산해석을 이용한 대용량 MILD 연소로에서 CH4와 C2H6로 구성된 천연가스(NG)와 H2, CO 및 CO2로 구성된 합성가스(Snygas)의 혼합에 따른 MILD 연소특성을 검토하였다. 복잡한 형상의 대용량 MILD 연소로의 전산해석 결과의 타당성을 검토하기 위하여 연소실 내부의 온도분포를 실험결과와 비교한 결과 매우 잘 예측되는 것을 알 수 있었다. 연소로 내부의 유선을 통해 연료 또는 산화제측에 배기가스를 미리 혼합하지 않아도 내부에서 자연스럽게 연소생성물과 산화제가 혼합되는 것을 확인 할 수 있었다. NG 연료에 합성가스를 혼합함에 따라 연소로 벽 주변에서 연소생성물과 산화제의 혼합이 더욱 활발한 것을 알 수 있었다. NO 배출측면에서는 합성가스를 30 % 혼합한 조건이 NO 배출을 가장 적게 측정됨을 확인하였다. 또한, SLF 모델과 DRM-19을 사용하고 Reburn NO의 생성까지 고려된 조건과 EDC모델과 GRI-2.11을 사용한 조건이 실험에서 측정된 NO 배출을 가장 잘 예측함을 확인하였다.