It is often assumed that mean flow and combustion phenomena in a swirl-burner are axy-symmetric, but there are substantial situations that this assumption is not correct. One of these situations occurs when the peripheral flow of combustion air supplied to burner is not uniform and this takes place usually in an oil-fired power plant. Because the shape of a windbox, which is designed to supply combustion air to burners, is complicated enough to produce the non-uniform flow pattern inside the windbox. In this study, flow distribution in the windbox which has 24 burners in 12 burner cells was investigated by numerical simulation, scaled-model test and measurement in a real windbox in a power plant boiler.
The results show two significant flow patterns; one is that flow rates of each burner were different from each other, which means that all burners operate in a different excess air ratio. The other is that peripheral air flow distribution around the burner exit was not axi-symmetric although the burner shape was symmetric. The flow rate differences among burners were characterized with deviation of flow rates and the deviations ranged from about -14\% to 16\%. Peripheral flow distribution around the burner exit represents the axi-asymmetric supply of combustion air and it was characterized by unimodal and bimodal distribution. The unimodal distribution is the characteristics of the middle burners in a windbox while bimodal distribution is the characteristics of the corner burners.
Effects of axi-asymmetric supply of combustion air on combustion were studied in a horizontally oil-fired and 3-staged swirl burner. Axi-asymmetric conditions were created by supplying combustion air through six different air inlets from the back panel of the burner. Experimental conditions were decided by varying the degree of axi-asymmetry and changing the location of the minimum flow in unimodal and bimodal air distribution. Temperature profiles inside a furnace were measured by using R-type thermocouples and flame images were captured by CCD camera to investigate the intensity of visible flames.
Experimental results showed three distinct phenomena. The unimodal air distribution made the flame shape deformed more axi-asymmetrically (inclined toward the minimum flow region) than the bimodal case. The flame shape was indeed affected by the mutual interaction of buoyancy and swirl flow as well as by the azimuthal location of the minimum flow region in an air distribution. Especially when combustion air was discharged less in the ascending region of the swirl flow, flame shape got deformed more toward the less supplied region. Lastly, critical values in the degree of axi-asymmetric combustion air supply was identified that makes the shape of radial temperature profiles transformed from a parabolic one to an inclined straight line. In addition, a commercial code Fluent was used and applied to recognize the effect of the axi-asymmetric supply of combustion air in the furnace.
버너 연소 및 열유동에 관한 대부분의 연구에서는 통상적으로 버너중심축을 기준으로 대칭조건을 가정하게 된다. 하지만, 발전소와 같이 다수의 버너가 하나의 연소로에 설치되어 운전되는 경우에는 이런 대칭조건은 실제 상황과는 맞지 않게 된다. 발전소에서는 Windbox라고 불리는 설비를 통해 다수의 버너로 연소용 공기를 공급하는데, Windbox의 구조가 다소 복잡하기 때문에 내부 유동이 불균일 해진다. 이런 Windbox내의 유동 불균일로 인해 각 버너로 공급되는 연소용 공기양과 버너출구 주변의 유동형태는 불균일하고 비대칭적으로 형성된다. 본 논문에서는 전산해석, 축소모형실험, 실플랜트 측정실험을 통해 Windbox 내부의 불균일한 유동을 분석하고 평가하였으며, 다음의 두가지의 대표적 결과를 도출하였다.
첫째는 각 버너로 공급되는 공기유량은 평균유량을 기준으로 최대 16\%, 최소 -14\%의 편차가 생기며, 이는 각 버너에서의 연소환경이 크게 차이가 나는 것을 의미하고 전반적 연소효율 및 공해물질 발생에 큰 영향을 줄 수 있다. 둘째는 버너출구 주변에서 형성되는 연소용 공기의 유동분포가 비대칭적으로 형성되고 있다. 이는 통상적인 버너연구에서 가정하고 있는 축대칭 연소조건이 잘못 될 수 있음을 의미하며 비대칭적인 공기분포는 단봉모드(Unimodal distribution)와 쌍봉 모드(Bimodal distribution)로 분포형태를 구분할 수 있었다.
이런 연소용 공기분포의 비대칭 강도 및 방향이 버너 연소현상에 미치는 영향을 수평-3단-선회 버너실험을 통해 알아봤다. 버너 뒷면의 Windbox로 연결된 6개의 유로를 개별적으로 조절하여 비대칭 공기분포 조건을 조성하였으며, 연소실내 반경방향의 온도측정 및 CCD 카메라를 이용한 화염변화 관측을 통해 연소실내의 연소 비대칭성을 분석하였다. 또한, 단순화된 전산해석을 통해 실험결과와 상호 비교하였다.
화염 및 연소실내 온도분포는 공기분포의 비대칭 방향과 상부방향으로 작용하는 부력에 직접적으로 영향을 받으며, 기본적으로는 공기의 최소유량이 위치한 방향으로 휘어지게 된다. 하지만, 부력과 선회류의 상호작용으로 인해 발생되는 추가적인 힘에 의해 유동 및 화염형상의 휘어짐은 다소 복잡한 양상을 보인다. 연소실내에서 선회류에 의해 발생되는 반시계방향의 유동흐름은 상부방향으로 작용하는 부력에 의해 선회류의 하강부(연소실이 좌측부)에서는 유속이 줄어들고 압력이 높아진다. 반대로 선회류의 상승부(연소실의 우측부)에서는 유속이 더욱 높아지고 압력은 줄어들게 된다. 이렇게 해서 발생되는 선회류의 하강부와 상승부사이의 압력차는 연소실내에서 선회류의 상승부 방향(연소실내 우측방향)으로 작용하는 추가적인 힘을 생성하게 된다. 이 추가적 힘은 화염 및 가스유동을 우측방향으로 휘어지게 하는 작용을 하지만 반대방향으로 휘어지는 것은 제한하게 된다. 이런 이유로 인해 연소실의 좌측보다는 우측방향에서 공기의 최소유량이 존재하는 조건에서 화염 및 온도분포의 치우침이 더 크게 나타났다.
쌍보모드보다는 단봉모드 형태로 공기가 분포할 경우 연소실내 연소 비대칭성이 증가하였으며, 연소 비대칭성은 특정 값 이상의 공기분포의 비대칭 강도에서는 급격하게 증가하는 것을 확인하였다.
