From the view of the environmental protection against the usage of fossil fuels, a great amount of effort has been exerted to find an effective method which is not only for pollutant reduction, but also for higher thermal efficiency. In order to enhance combustion efficiency, oxygen-enriched combustion is used by increasing the oxygen ratio in the oxidizer. However, since the flame temperature increases, NOx formation in the furnace seriously increases for low oxygen enrichment ratio. In this case reburning is a useful technology for reducing nitric oxide through injection of a secondary hydrocarbon fuel.
In this research, experimental studies have been conducted to evaluate the hybrid effects of reburning/selective non-catalytic reaction (SNCR) and reburning/air staging on NOx/CO formation and also to examine heat transfer characteristics in various oxygen-enriched LPG flames. Also fuel lean reburn, which is reducing NOx by small amount of reburn fuel without burnout air injection, has been tested. Experiments were performed in flames stabilized by a co-flow swirl burner and an air staged burner, which were mounted at the bottom of the 15kW laboratory scale furnace. Tests were conducted using LPG gas as the reburn fuel as well as the main fuel. The effects of reburn fuel fraction and injection location of the reburn fuel as well as SNCR agent were studied. Also the effects of air staging and fuel lean reburn on thermal characteristics and emission were studied.
The paper reports data on flue gas emissions, temperature distribution in the furnace and various heat fluxes at the wall for a wide range of experimental conditions. At steady state, the total heat flux from the flame to the wall of the furnace has been measured using a heat flux sensor. Temperature distribution and emission formation in the furnace have also been measured and compared. Overall temperature in the furnace, heat fluxes to the wall and NOx generation were observed to increase with low level oxygen-enriched combustion, but due to its hybrid effects of reburning/SNCR and reburning/air staging, NOx and CO concentrations in the exhaust have decreased considerably. And this paper makes clear that in order to decrease NOx concentration in the exhaust when the fuel lean reburning system was adapted, it is important that the control of some factors such as initial equivalence ratio and reburn fuel fraction. Also it shows the fuel lean reburning is also effective method to reduce NOx as much as reburning.
현재 인류의 주된 에너지원인 탄화수소계열 화석연료의 연소 후 생성물에 의한 환경오염 문제가 심각하게 제기되고 있으며, 주된 환경 오염원인 질소산화물(NOx)의 저감은 전 세계의 각종 환경 규제와 맞물려 경제적인 문제까지 직결된 상황이다.
NOx를 저감하는 연소기술에는 화염대의 산소 농도나 온도 조건을 조절하여 NOx 발생을 줄이는 방식과, 발생된 NOx를 연소 후단에서 제거하는 후처리 방식이 있다. 그러나 NOx 발생은 연료, 운전조건 등 다양한 요인의 영향을 받으며, 제어방식에 의한 경제적 비용과 효율도 상이하고, 장치의 성능 및 운전에 미칠 역작용에 대해서도 고려되어야 하므로, 그 개발 및 선정은 매우 신중하게 진행되어야 한다.
본 연구에서는 실용화에 유리하고 NOx 저감 효율이 높은, 재연소(reburning) 기반 기술에 대해 실험적 방법을 중심으로 진행하였다.
본 연구에서는 크게 4가지의 재연소 방법에 관한 연구가 수행되었다.
먼저, 가장 기초적인 연구로 일반 재연소 방법에 대한 연구가 수행되었는데, 이를 통해 재연소 방법의 열적 특성 및 공해가스의 저감 특성을 파악하였다. 재연소 연료와 과급공기 분사 지점에서 열적 특성의 변화가 관찰되었으며, 45% 정도의 NOx 저감이 확보되었고 CO는 발생하지 않았다.
두번째로, 재연소 방법과 여타 저 NOx 방법을 혼합한 형태의 기술에 관한 연구가 수행되었다. 먼저 재연소 방법에 SNCR을 적용한 혼합형 재연소 연구를 통해, 그 시너지 효과가 극대화된 효율적인 NOx 저감 연구를 진행하였고, 78%의 NOx 저감이 가능하면서 CO와 Ammonia slip이 없는 결과를 확보하였다.
또한, 동축 공기 다단형 연소기를 사용하는 상태에서 재연소 방법을 적용하여 그 연소 특성 및 NOx의 발생 특성을 규명하였으며, 65%의 NOx 저감을 이루었다.
마지막으로 연료 희박 재연소 (Fuel lean reburning) 방법에 대한 연구가 수행되었다. 연료 희박 재연소에서는 소량의 재연소 연료를 고속으로 분사하여 국부적인 연료농후의 와류들(Fuel rich eddies)을 유도하고, 이로 인해 기존 재연소 영역의 NOx 저감 반응이 가능하도록 한다. 결국 재연소 연료의 양을 크게 절감할 수 있으며, 전체적으로 연소로는 계속하여 연료 희박 상태를 유지하게 되므로, 미연 탄화수소나 CO 제거를 위한 과급공기의 공급도 필요하지 않게 되어 구조가 단순해진다. 본 연구에서는 실험을 통해, 약 10%의 재연소 연료만을 사용하여 50%의 NOx 저감에 성공하였다.
본 논문 연구를 통해 확보된 실험 데이터는 재연소 방법과 관련한 수치해석 연구의 참조자료로 활용 가능하며, 실용장치 설계에도 기초 자료의 형태로 제공될 수 있다. 이를 통해 다양한 형태의 연소로에 효율적으로 적용 가능한 실용적인 저공해 기술 확보에 일조할 것으로 기대되며, 연구를 통해 파악한 몇 가지 결론을 아래에서 정리하였다.
1. LPG를 재연소 연료로 사용하여 효율적인 NOx 저감이 가능하며, 재연소 연료비 및 재연소 영역비, 화염온도의 증가는 NOx 저감율 상승을 유도한다.
2. 재연소/SNCR 혼합형 시스템에서는 SNCR 작용제의 양이 적을 경우에도 높은 NOx 저감율 확보가 가능하다. 또한, 재연소 영역에 SNCR 작용제를 분사하는 것이 안정적인 고 NOx 저감 및 CO 발생 억제의 측면에서 효율적이다. 재연소/SNCR 혼합형 방법은 다양한 산소부화도 조건에서 두가지 방법이 동시에 효과적으로 작용하며, 열부하가 다양하게 변화하며 작동하는 시스템에도 안정적으로 적용 가능하다.
3. 재연소/공기다단 혼합형 시스템은 적용 온도 환경이 신중히 고려되어야 한다. 이는 재연소에 의해 비교적 낮은 온도에서도 NOx 저감이 가능하나, 높은 온도 조건에서 보다 효율적인 NOx 저감이 확보되기 때문이다.
4. 연료 희박 재연소 시스템의 NOx 저감율은 재연소 연료비 증가에 따라 상승하며, 일반 재연소에 비해 효율적인 NOx 저감도 가능하다. 또한, 연료 희박 재연소 방법에서 산소농도 및 온도조건은 NOx, CO 에 주요한 영향을 미치며, 두 공해가스의 최소화를 위한 최적 조절이 필요하다.
