습공기가 보일러 버너 화염에 미치는 영향에 대한 해석 및 실험적 연구

Abstract

최근 광화학 스모그 현상으로 인한 미세먼지에 의해 가시거리가 짧아지고 호흡기와 눈을 자극하는 날이 증가하고 있다. 이는 질소산화물과 휘발성 유기화합물이 햇볕에 의한 화학반응에 의해 오존을 생성하고, 이 오존의 일부는 대기 중의 또 다른 오염물질과 2차 반응을 일으켜 미세먼지를 만들게 된다. 따라서 질소산화물의 저감이 미세먼지를 줄이는데 중요한 요소가 된다.

버너 연소에서 질소산화물과 분진 등의 공해물질을 줄이기 위한 연구는 발생 원인에 대한 이해를 바탕으로 그 특성을 파악하고 해결방안의 검증을 위해 수치적인 연구 및 실험적 연구가 수행되어야 한다. 물 혼합 에멀젼 기술은 연소의 불안정과 분사시스템 및 연소실의 부식에 있어 불리하지만 최근 정교한 분사기술을 통해 질소산화물과 스모크를 줄이기 위해 계속 연구되고 있다.

본 연구에서는 습공기가 보일러 버너 화염특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 수치해석 방법과 실험적 연구를 진행하였다.

Ansys CFX를 사용하여 흡기 중에 가스상 수분함량을 0%~20%까지 7개의 케이스(case)에 대해 연소온도, CO, CO2, NO 발생량에 대해 분석하였다. 가스상 수분함량이 증가하면서 NO 최대질량분율은 196ppm에서 9ppm까지 큰 폭으로 감소하였으며 특히 가스상 수분 5%일 때 56.1%의 감소율을 보였다. 이는 열적(thermal) NO 생성에 영향을 미치는 1,800K이상의 영역이 급격히 감소하였기 때문으로 파악된다. 가스상 수분 2.5%일 때 NO 질량분율은 38.1% 감소하였고, 이때 CO 질량분율은 2.5% 증가, CO2 질량분율은 1.5% 감소하였다.

실험적 연구는 물 혼합 에멀젼 연료의 연소 안정성을 향상시킨 하이브리드형 혼합장치를 적용한 보일러 버너에서 화염 거동 및 화염온도, 배기가스를 비교 분석 하였다. 화염거동은 에멀젼 화염은 휘도가 전체적으로 낮아지며 화염의 측면부와 후류부로 조각화염이 넓게 분포되는 구조를 갖는 것을 확인하였고, 화염온도는 흡기유량을 조절하여 동일한 배기상태를 유지하는 경우 에멀젼 화염이 11% 이상 높은 온도분포를 나타냈다. 질소산화물은 동일한 연소실 온도와 스모크 배출상태에서 45.5% 저감 되었으며, 일산화탄소와 스모크는 동일한 흡기유량에서 각각 98.5%와 97.2% 저감되었다.|Recent photochemical smog phenomenon has reduced visibility distance and increased respiratory and eye problems. This causes the nitrogen oxides and volatile organic compounds to produce ozone by means of sun-induced chemical reactions, some of which create minute reactions with other airborne contaminants. Therefore, reduction of nitrogen oxides is a major factor in reducing particulate matters.

A study to reduce pollution, such as nitrogen oxides and dust, from burner combustion should be performed based on the understanding of the causes. Numerical and experimental studies should be performed to verify the solutions. Water mixture emulsions are disadvantageous due to the instability of combustion and corrosion of the dispensing system and combustion chambers. Yet they are being continuously studied to reduce nitrogen oxides and smoke fumes with advanced dispensing techniques.

In this study, numerical analysis methods and experimental studies have been performed to analyze the effects of humid air on the flame characteristics of boiler burners.

Ansys CFX was used to analyze the combustion temperature, CO, CO2 and NO rates in seven cases, ranging from 0% to 20% of the gas phase H2O content during the intake. As the gas phase H2O content increased, Maximum value of NO mass fraction decreased significantly from 196ppm to 9ppm, with a 56.1% reduction rate especially when the gas phase H2O was 5%. This is due to the sharp decrease in the area above 1,800K, which affects the generation of thermal NO. At 2.5% gas phase H2O, the NO mass fraction was decreased by 38.1%, CO mass fraction was increased by 2.5%, and CO2 mass fraction was decreased by 1.5%.

An experimental study has compared flame behavior, flame temperature and emissions in boiler burners equipped with hybrid mixer to enhance combustion stability of water mixture emulsion fuel. The flame behavior confirmed that the emulsion flame has a structure with a low luminance across the entire surface, and a large distribution of the fragments with the side wall and the rear wing of the flame. Nitrogen oxides were reduced by 45.5% at the same combustion chamber temperature and smoke emission conditions, while carbon monoxide and smoke were reduced by 98.5% and 97.2% at the same intake air flow rate.