무화염연소의연구동향과 적용사례 국민대학교대학원기계공학과 신동훈교수 New Energy Lab.
1. 연소및오염물질 연소 오염물질저감에대한딜레마 2. 무화염연소 무화염연소의정의 무화염연소의특징 화염연소 vs 무화염연소 3. 연구실의연구 기존무화염연소시스템의연구 역방향공기주입연소 (RAI) 연소의기본특성연구 관련분야적용연구 4. 기타연구사례 철강산업분야 항공 ( 가스터빈 ) 분야 소각플랜트분야 유리산업분야 수송생산분야 5. 결론
1. 연소및오염물질
연소 Fuel Hydrocarbons (CH 4, C 3 H 8 ) Furnace Burner Boiler Products Ideal Emissions CO 2 CO N 2 NOx Oxidant Air (O 2, N 2 ) Heat Luminous flame H 2 O O 2 HC SO 2 4/38
기존연소방법의 NOx 와 CO 저감에대한딜레마 연소효율 하락 연소효율 상승 연료 / 산화제 예열 연소온도 하락 연소온도 상승 배가스 재순환 NOx 저감 NOx 증가 일반연소방법의한계 절충점을찾는선에서운전 5/38
2. 무화염연소
무화염연소 (Flameless combustion) 의정의 온도분포와반응영역이균일해지고화염의경계 가사라져육안으로화염의관찰이어려워무화 염연소라명명됨 Flameless combustion Flameless Oxidation(FLOX TM ) Flame mode Flameless mode High Temperature Air Combustion (HiTAC) MILD combustion(moderate and intense low oxygen dilution) 화염의불안정없이높은효율과오염물질저감 동시달성 Flame mode Flameless mode 7/38
무화염연소의특징 고온의가스활용가능 재순환을통해연료및공기가희석됨 Da << 1 < 연소방법의가스농도대비온도분포 > Da = flow time scale/chemical time scale 반응물의혼합속도대비반응속도가느림 반응속도의지연 화학반응이국부영역에서집중되지않음 반응영역에서의산소농도감소 연소영역의넓은분포 온도차가적은 ( 일정한 ) 온도분포 최고점온도의감소 낮은단열화염온도 NOx 와 CO의발생이적음 < 운전온도대비 NOx 발생량 > Da= Damköhler number - IFRF Combustion Journal, Article Number 200101, February 2001 - Michael Flamme, Low NOx combustion technologies for high temperature applications, Energy Conversion and Management, 2001 8/38
화염연소와무화염연소의비교 Flame combustion Flameless combustion - Joachim G. Wünning, Flameless Combustion and its applications, Natural Gas Technologies. Orlando (USA), 2004) - Yeshayahou Levy, Low NOx Flameless Combustion for Jet Engines and Gas turbines, 9th Israeli Symposium on Jet Engines and Gas Turbines, October 7 2010 9/38
3. 연구실의연구
기존무화염연소시스템의연구 Flameless combustion furnace in TU Delft, Netherlands Study the configuration effects of multi-pair regenerative burners D. Shin et.al., Configuration effects of natural gas fired multi-pair regenerative burners in a flameless oxidation furnace on efficiency and emissions, 2013 11/38
기존무화염연소시스템의연구 ( 계속 ) NO emission [ppm, 3% O 2 ] 20 15 10 5 C-I-P C-I-S C-II-P C-II-S t c =20s t c =60s Multi-burner installation map for the definition of configurations and operating modes. 0 0 2 4 6 0 2 4 6 8 Exhaust gas O 2 [%] Trends of NO emission as a function of exhaust gas O 2 (%) for all configurations and cycle times. Result of computational fluid dynamic simulation temperature contour (K) Trends of CO emission as a function of exhaust gas O 2 (%) for all configurations and cycle times 12/38
역방향공기주입 (RAI) 연소의연구동기 RAI: Reversed Air Injection 기존무화염연소설비 고가의특수한버너 ( 허니컴타입 ) 사용 FLOX TM burner with honeycomb 공기와연료의예열을위한별도 의열교환설비필요 멀티버너의경우가스흐름제어 를위한배관설비필요 단순한설비및제어로무화염 연소달성 특수한버너사용 x Flameless combustion system 연료와공기예열 x 재순환덕트사용 x 13/38
RAI 의개념도 Internal recirculation of exhaust gas and mixing with air to heat-up Dilution area Air Nozzle Exhaust gas Fuel 연료와연소가스의역방향으로산화제를고속으로공급 고속으로분사된공기 jet가주변가스 ( 연소가스 ) 와의혼합유도 연료와공기의투입위치를이격해반응시간지연 연소가스로희석된공기와연료의연소반응을지연시킴 Damköhler 수작아짐 공기 jet의유동으로고른가스분포형성 반응지연 + 가스의혼합극대화 무화염연소효과달성 14/38
RAI 의기본특성연구 - 실험 Port exit Gas, Temp. Port-10 Port-2 Port-1 Furnace Data Acquisition MFC Air Compressor Valve Regulator < RAI 실험장치 > < RAI 실험장치개략도 > 설계인자에따른실험 - 공기과잉비 - 투입열량 - 공기노즐지름 - 연소로의종횡비 (H/D) Mixer - 공기노즐의깊이 - 공기노즐위치와개수 - 연소방식에따른특성 Air d a Exit d e D d f Fuel MFC Air d a h a H Regulator CH 4 /LPG Bomber 15/38
RAI 의기본특성연구 - 실험 예혼합연소와 RAI 연소의비교 Premixed RAI NOx [ppm] 127 30 CO [ppm] 0 0 Port1 [ o C] 1040 1131 Port2 [ o C] 1068 1171 Premixed combustion characteristic of 5/1 chamber (air : 30lpm) Port3 [ o C] 1115 1190 Port4 [ o C] 1131 1192 Port5 [ o C] 1173 1162 RAI combustion characteristic of 5/1 chamber (air : 30lpm) 예혼합연소는하부에서의연소반응으로국부적인고온영역이형성됨 RAI 연소는고른온도분포를보임 두연소조건에서 CO 는검출되지않았으며, RAI 연소는예혼합연소대비 NOx 발생량이저감됨 16/38
RAI 의기본특성연구 - 실험 연소로 H/D 비율과공기노즐깊이에따른특성 Variable H/D ratio [-] 5/1, 4/1, 3/1 Nozzle depth [mm] 0~300 Nozzle diameter Stoichiometric ratio Fixed value [mm] 1.5 [-] 1.1 NOx emissions vs (H-ha)/(H) Height=500mm Height=400mm Height=300mm CO[%] Diameter=100mm (Fixed) H/D ratio : 5/1, 4/1, 3/1 Characteristic of RAI combustion(3/1) 17/38
RAI 의기본특성연구 - 실험 공기노즐위치와개수에따른특성 Nozzle position Nozzle number Variable [mm] 20, 30, 40 [-] 2, 4 Nozzle diameter Stoichiomet ric ratio Fixed value mm [mm] 1.5 [-] 1.1 NOx characteristic by nozzle position change Temp NOx O2 CO Inner distribution of RAI combustion(5/1) Nozzle position (H/D ratio : 3/1) NOx and CO characteristic by nozzle number change 18/38
RAI 의기본특성연구 - 전산해석 Temp[K] 11steps reaction model Air nozzle Re-FED Re-EDC RSM-FED < Temperature contour of several models > Realizable k-e & Finite Rate/Eddy Dissipation Realizable k-e & Eddy Dissipation Concept RSM & Finite Rate/Eddy Dissipation nit:k z=0.15 1500 1400 1300 1200 1100 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 < Temperature distribution of several models > 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 1STEP 2STEP 4STEP 11STEP exp 19/38
철강분야 - 신합금철공정환원가스가열로 예비환원로 Zone 1 200 C 8.4 CO 15.1 CO 2 원료 ID Fan 에너지회수 / 후처리설비 일반적인확산연소적용 배가스가열로 밀폐형전기로 무화염연소적용 Zone 2 2.7Mn 3O 4+2.7CO 8.1MnO+2.7CO 2 612 C 14.6 CO 8.9 CO 2 환원로 1.4MgCO 3 1.4MgO+1.4CO 2 [ 기존열 / 물질수정 ] 반응영역수정 (Zone 3 Zone 2) 5.5C + 5.5CO 2 11CO Zone 3 0.83Fe 3O 4+3.3CO 2.5Fe+3.3CO 2 994 C 22.1 CO 전기 원료 CO, CO2, N2 ~1100 o C 확산연소가열로 무화염연소가열로 온도 (K) 2.2CaCO 3 2.2CaO+2.2CO 2 열교환반영 (Zone 3/Zone 4) Zone 4 1275 C 14.4 CO 환원가스가열로 산소 / 공기 + 연료 밀폐형전기로 밀폐형전기로 CO, CO2 600~1000oC 환원가스가열로 : 신합금철공정에서환원로와전기로의 heat balance를해결 기존의연소방법의경우고온영역이생성되고, 이는내구성문제와재질선정의어려움을야기했음 해결방안으로무화염연소의개념을적용한가열로에대한설계와실험을하였음 운전결과 상용버너를사용한결과대비 62.9% NOx 의저감 (213ppm 79ppm) 20/38
고형연료보일러분야 Secondary air Secondary combustion chamber Moisture evaporation rate (H 2 O, HC) De-volatilization rate (HC, H 2, CO) Secondary air Char combustion rate (CO, O 2 ) Primary combustion chamber Air Reaction Happened gradually Evaporation De-volatilization Char combustion Composition of primary combustion gas different for each position NOx, CO and HC Amount of pollutants & temperature distribution Depend on mixing with air Secondary air achieve complete combustion as mixing with the combustion gas Design parameters Flow rate, velocity, position and injection angle 21/38
고형연료보일러분야 실험연소로의개략도 22/38
고형연료보일러분야 노즐방향에따른연소특성 (NOx, CO) NOx emissions [ppm] 150 125 100 75 50 25 0 Horizontal Vertical 70:30 60:40 50:50 40:60 30:70 20:80 CO emissions [ppm] 5 4 3 2 1 0 Horizontal Vertical 70:30 60:40 50:50 40:60 30:70 20:80 1 st vs 2 nd air ratio 1 st vs 2 nd air ratio NOx 2 차공기비율이증가할수록감소함. 2 차공기비율이높은경우에약간증가함. 수직노즐조건이수평노즐조건보다적음. CO 수평조건 모든경우에발생하지않음. 수직조건 70:30 ~ 40:60 은발생하지않음. 30:70 ~ 20:80 에서소량발생. 23/38
고형연료보일러분야 연소방법에따른로내온도분포 Nozzle 3:7 H-30:70 Frame 001 04 Aug 2015 Secondary Nozzle 4:6 525 375 225 Y [ ] Z V-A-40:60 X Temp 1136 1126 1116 1106 1096 1086 1076 1066 1056 1046 1036 1026 1016 1006 996 986 525 375 225 Y Z X 1 st :2 nd Temp air ratio 1136 1126 1116 1106 1096 1086 1076 1066 1056 1046 1036 1026 1016 1006 996 986 Conventional (Horizontal) RAI (Vertical) Unit 30:70 40:60 %:% NOx 39 15 [ppm] CO 0 0 [ppm] Avg. temp. Max. temp. > > 1080 1048 [ ] > 1148 1111 [ ] 75 75 Min. temp. > 1017 986 [ ] 24/38
철강분야 함철부산물 CBI 환원로 CO gas inlet Exhaust < 반응온도에따른 Highmill scale 의환원율 > 환원로 전기로 < 함철부산물재사용설비개념도 > 함철부산물재사용설비 철을함유하고있는저질의제철부산물을재사용하기위해원료를브라켓형태로제작하여예비환원시키는설비 전기로에서발생된 CO 가스를예비환원로로전달하여환원가스로활용. 예비환원된원료는전기로로이송. 예비환원로의필요조건 정해진 tap 주기동안환원율을높이기위해온도를높여야함 원료의용융문제와로의내구성문제로 1100 o C 이하로운전돼야함 25/38
철강분야 함철부산물 CBI 환원로 예혼합버너를사용한경우 해석조건 : CBI 충진량변화에대한해석 Oxidant: O 2 80%, N 2 20% HCBI: 1ton, 2ton 2 톤을충진했을경우버너화염이직접적으로화염에닿을것으로보임 HCBI 1 ton 충진 HCBI 2 ton 충진 해석조건 : HCBI 충진유무에대한해석 스월예혼합버너를사용한경우 환원로내부의 Pathline 과압력분포 충진유무에상관없이연소가스가충진층까지직접도달 HCBI 의충진으로충진층의압력강하가발생. 해석조건 - 산화제조성변화에대한해석 Oxidant: O 2 80%, 21% HCBI: 1ton 산화제를순산소 (80% 기준 ) 를이용할때대비공기 (21%) 를이용하였을때화염의길이가길어짐. 또한, 질소의영향으로전체적으로온도가낮아짐. 산화제산화제 : 산소산화제 : 80% 산소: 산소80% 산화제산화제 : 산소산화제 : 21% 산소: 산소21% 버너화염부분이닿는위치에서고온영역을볼수있음 26/38
철강분야 함철부산물 CBI 환원로 무화염연소기술의적용방안모색 Flameless combustion by cyclonic combustor 산화제, 연료노즐에의한선회류생성으로연소로내부에서의혼합유도 로내균일한온도분포 Giancarlo Sorrentino et al., Development of a novel cyclonic flow combustion chamber for achieving MILD/Flameless Combustion, Energy Procedia 66 ( 2015 ) 141 144 27/38
철강분야 함철부산물 CBI 환원로 무화염연소적용환원로 연료 Inlet 연료 Inlet 산화제 Inlet 산화제 Inlet 산화제 배가스 Outlet 10 o 연료 15 o 원료 < 함철부산물예비환원로의형상 > < 산화제 / 연료노즐각도 > 산화제 : 공기, 연료 : LNG 투입유체의혼합이양호하도록유속을 100m/s로투입 넓은범위에서의연소를유도하기위해각노즐을이격시켜연소를지연 28/38
철강분야 함철부산물 CBI 환원로 연소방법에따른환원로내부의온도분포해석 Temp[K] 예혼합버너 버너의공기흐름에따라버너주변에서고온이나타남 무화염연소 A A B B 로내부의온도는전체적으로균일한분포를보임 균일한온도의가스가원료에공급됨 예혼합버너사용 무화염연소버너사용 unit[k] 예혼합버너무화염연소 Maximum 1771 1546 Minimum 1640 1528 원료상부온도분포 (A-A ) 원료상부온도분포 (B-B ) Average 1696 1542 Standard Deviation 27.6 4.67 29/38
철강분야 함철부산물 CBI 환원로 노즐각도에따른환원로내부의 OH radical/ 온도분포 노즐각도 5 o 15 o 30 o OH[-] OH Radical 분포 Temp[K] 온도분포 5 o 5 o 15 o 30 o 30/38
4. 기타연구사례
철강분야 Steel industry: continuous and batch furnaces Reheating furnaces (rotary, pusher-type, and walking beam) Annealing furnaces Forging furnaces Batch furnaces All other direct-fired or radiant tube applications Aluminum industry Melting and holding furnaces Homogenizing and annealing furnaces < Walking beam furnace with flameless burners application (Danieli Centro Combustion ) > 32/38
철강분야 Hundreds of ceramic FLOX burners fire an annealing furnace WS Wärmeprozesstechnik GmbH Regenerative burners in an annealing and pickling line installed at Terni 철강산업에서는 annealing과 pickling line에서사용되고있음 annealing로에 FLOX 버너를여러개를설치하여적용 넓은공간에서균일한고온을유지시킬수있음 크롬, 니켈강철로만든버너보다온도저항력이높고긴수명 33/38
가스터빈분야 Low NOx Flameless Combustion for Jet Engines and Gas turbines < Conventional gas turbine > < Gas turbine with the FLOXCOM combustor > < Compare with Conventional combustion and flameless combustion > Yeshayahou Levy, Low NOx Flameless Combustion for Jet Engines and Gas turbines, 2010 34/38
유리산업분야 Burner Batch inlet < Schematic of a recuperative glass melting furnace > Flue Gas Duct to Central Recuperator < Schematic of a glass melting furnace > 유리용융로에대한적용 넓은공간을균일한온도로유지가능 무화염버너를이용한설비는기존예혼합버너를이용한설비에비해 NOx 를적게배출함 (1183mg/Nm 3 484mg/Nm 3 ) 개조후 5 년간운영되었으며동일한품질의생산품을유지하면서오염물질의저감을달성하고있음 < Measured NOX emissions of the original (HWI) burner and the new GlasFLOX burner > Jörg Leicher, Flameless Oxidation as a Means to Reduce NOx Emissions in Glass Melting Furnaces, 2013 35/38
수소생산분야 < FLOX steam 개질기의개념도 > < 연소기의형상 > < FLOX 가적용된개질기의형상 > < 상용화된 FLOX 개질기의형상 > 업체명 : WS Reformer GmbH 국가 : 독일 2014년전시회에서공개된제품 FLOX의적용으로수소생산에필요한열원공급부의소형 화와단순한제어를장점으로내세우고있음 36/38
4. 결론
결론 RAI 연소의 장점 무화염연소현상으로 Nox와 CO 동시저감 로내부전체를무화염연소영역으로설비변경 연료와공기투입파이프설치만으로실현 기존무화염버너활용에비해단순한설비변경 고형연료 ( 석탄, 화목, 바이오매스등 ) 보일러의 NOx 저감 최소의설비변경으로높은수준의 Nox 저감 응용분야 가열물의균일한온도제어가필요한경우 : 철강열처리, 유리산업열처리 투입열량의증가와최고온도의제한두가지를동시에고려해야하는경우 : 환원광의예비환원, 고형연료의연소 38/38
감사합니다. 39/38