Investigation of fuel-lean reburning process for reducing NOx emission in gas-fired combustion systems = 가스연료를 이용한 연소장에서 NOx 저감을 위한 연료희박 재연소 기법에 관한 연구
서명 / 저자 Investigation of fuel-lean reburning process for reducing NOx emission in gas-fired combustion systems = 가스연료를 이용한 연소장에서 NOx 저감을 위한 연료희박 재연소 기법에 관한 연구 / Hak-Young Kim.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2011].
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DAE 11015

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Reburning process has been demonstrated to be a very effective and simple technique for reducing NOx emission and successfully applied to many industrial fields. In this study, the fuel lean reburning system is considered for reducing NOx emission by using experimental and numerical approach from lab scale fur-nace(1.5kW) and real scale water tube boiler(1.5MWe). Liquefied Petroleum Gas (LPG) and Liquefied Natu-ral Gas (LNG) are used as the main and reburn fuel. The goal of this work is to obtain the most optimal com-bustion system by employing the fuel lean reburning system to reduce environmental pollutions. In the fuel-lean reburn system, the amount of injected reburn fuel into the reburning zone is low enough to maintain overall fuel-lean condition in the furnace, so that no additional air system is required, and CO emission can be maintained at almost zero level. The amount of reburn fuel, injection location of reburn fuel and oxygen enrichment ratios are considered as experimental parameters. Temperature distributions and heat flux rates were measured to compare the thermal characteristics between different experimental conditions. Effective-ness of fuel-lean reburn system was discussed and compared with the results for conventional reburning process. For the case of conventional reburning, NOx reduction reached 44%, when reburn fuel fraction was 0.22. However, the fuel-lean reburn system could attain up to 45% of NOx reduction with just 0.13 of reburn fuel fraction, since the fuel-lean reburn system had more reaction length than the conventional reburning process. There are very few studies that have focused on how the reburning process is affected by changes in the flow field that are induced by combustion. It is important to study the effect of the combustion condition on the reburning process in order to control fuel lean reburning. Computational Fluid Dynamics (CFD) model is used to provide understanding of the complex combustion phenomenon. The validation of the predicted results is carefully conducted by comparing the predicted results with the measured data such as species con-centration and temperature distribution inside the furnace region. Several predicted results provided insight and understanding about how the recirculation flow induced by primary combustion affected the reburning process. As presented in the above experimental and numerical results, the recirculation flow was predomi-nant in the range of 0~0.5m from the burner tip. Therefore, in this range, the injected reburn fuel had a longer residence time and blended well with flue gases, since it was poured into the upstream region of the furnace. For this reason, the role of recirculation flow had to be carefully attended in order to enhance the NOx reduction and to limit CO emissions. In addition, an experimental study was carried out to improve the effective-ness of a fuel-lean reburning process in a 15-kW lab-scale furnace, focusing on enhancing NOx reduction and limiting CO emissions by changing the primary combustion zone. Temperature distributions and heat flux rates were measured to compare the thermal characteristics between different combustion modes. For normal combustion, NOx reduction was influenced by the reburn fuel fraction as well as by the reburn fuel injection points. For modified combustion, using a high oxidizer velocity, and air-staged combustion, the flame charac-teristics were strongly influenced by the oxidizer velocity and the air-staged burner. Air-staged combustion led to a NOx reduction of up to 29% without the reburning process, and a NOx removal rate above 75% with a 0.13 reburn fuel fraction. For modified combustion, 27% of the total NOx emissions in normal combustion could be reduced without the reburning process. When the reburning process was adjusted to decrease the NOx concentration, the NOx reduction was increased, up to 69% with a 0.13 reburn fuel fraction. The mod-ified and air-staged combustion greatly influenced the internal flow pattern as well as temperature distribu-tions inside the furnace. Within the investigated region, 0.9 m from the burner tip, the air-staged and modified combustion established higher temperature zones than normal combustion, promoting NOx removal and CO oxidation chemical reactions. It is requirement to prove that the operating working parameters of the fuel lean reburning process are applicable to the large scale combustor, since significant changes to the dimension of the combustor and thermal load may affect the fuel lean reburning process. The facility used for the experimental research is a 1.5MW horizontal natural gas fired water tube boiler, which is used for production of superheated steam for process industry. The effectiveness of the fuel lean reburning process for reducing NOx and the influence of recirculation flow on the reburning process were experimentally as well as numerically conducted in a 1.5MW water tube boiler by changing the reburn fuel faction, injection location and input thermal load condition. The experimental and numerical studies have shown that the fuel lean reburning method led to 43% NOx reduction with reburn fuel fraction of 0.11 at 100% thermal load condition. The CO emission characteristic was found to be highly influenced by the reburn fuel injection position as well as temperature distribution. Recirculation flow induced by primary combustion in the system was observed to play an important role in determining the effectiveness of reburning process. Based on the experimental and numerical results, due to the recirculation flow the injected reburn fuel could have a longer residence time to mix with product gases. Therefore, the behavior of recirculation flow had to be carefully attended in order to enhance the NOx reduction and simultaneously to limit CO emission.

본 논문에서는 실험실 규모의 1.5kW급 연소로에서 NOx 저감을 위한 연료희박 재연소 기법의 실험 및 수치적 연구를 수행하였다. 공급되는 재연소 연료량, 재연소 연료 분사 위치, 주연소 영역의 당량비 및 산소부하 연소 조건에 따른 실험 및 수치적 연구를 통하여 연료희박 재연소 기법의 최적 운전 조건을 도출하는 것을 목표로 하였다. 또한, 연료희박 재연소 기법은 에너지 효율성이 높고 간단한 구조적 시스템을 구축할 수 있기 때문에 실제 산업 현장에 적용이 용이하므로, 본 연구에서는 15kW급 연소로에 수행된 실험 및 수치적 연구를 1.5MW의 실규모 보일러에 적용하여 연료희박 재연소 기법의 운전 조건을 검증하였다. 본 연구에서는 크게 5가지의 연료희박 재연소 기법에 관한 연구가 수행되었다. 첫 번째로, LPG를 주연소 연료 및 재연소 연료로 사용하고 공기를 산화제로 사용하는 일반 연소 시스템에 연료희박 재연소 기법을 적용하여 재연소 연료 공급량, 분사 위치 및 주연소 영역의 당량비에 조건에 따른 NOx 저감 및 CO 발생 특성을 파악하였다. 총 공급 열량의 13%의 재연소 연료를 공급하여 최대 45%의 NOx 저감을 달성하였고 950℃ 이상의 연소가스 온도 분포조건에서 CO발생이 억제되는 것을 관찰하였다. 또한, 기존의 재연소 기법과 NOx 저감 특성을 비교하여 연료희박 재연소 기법의 효능을 입증하고 기존의 재연소 기법에서 연소 완료 공기를 통한 NOx 생성을 실험적으로 규명하였다. 두 번째로, 산소부하 연소 환경에서 연료희박 재연소 기법을 적용하여 산소부하도 조건에 따른 NOx 저감 및 CO 발생 특성을 고찰하였다. 연소가스 내의 산소 농도가 같은 값을 유지 하더라도 산소부하도 조건이 올라갈수록 연소가스 내에 존재하는 산소 농도의 감소로 인하여 같은 재연소 연료를 사용하더라도 산소부하도 값이 증가 할수록 NOx 저감율은 높아진다. 또한, CO 발생을 억제하기 위해서는 950℃ 이상의 온도 조건 및 연소가스 내의 O2 농도가 1.5% 이상을 유지하고 재연소 반응 길이가 0.5m 이상을 유지 하여야 한다. 세 번째로, 연소현상에 의해 생성되는 내부 유동 특성이 재연소 과정에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 수치적 해석 기법을 이용하여 연소 환경에서의 연료희박 재연소 기법을 이용한 NOx 저감에 관한 연구를 수행하였다. 실제 연소로내의 연소 현상을 모사하기 위하여 3차원 격자를 생성하였고, 유동장의 난류 효과를 모사하기 위하여 난류 모델을 이용하였고 LPG 연소 모델은 CO가 포함된 two-step 모델을 사용하였으며 화학 반응의 난류 효과를 고려하기 위하여 eddy-dissipation 모델을 고려하였다. 또한 복사 효과를 고려하기 위하여 DOM(Discrete Ordinate Method)을 사용하였다. 수치해석 결과는 실험 결과의 온도 및 화확종의 분포 측정치를 비교하여 수치해석 기법을 검증하였다. 수치해석 결과를 통하여 분사된 재연소 연료는 연소로 상류 지점에서 분사시 재순환 유동에 의하여 연소로 상류로 유입 되면서 높은 연소 가스 온도장에서 긴 체류 시간과 연소가스와의 혼합 증가로 인하여 NOx 저감이 증가하고 CO 발생이 억제되는 것을 확인하였다. 하지만, 재연소 연료 분사 지점에 연소로 하류에 위치하면 재순환 유동에 영향이 미비하여 체류 시간 및 혼합이 감소하여 재연소 효율이 감소한다. 네 번째로, 연소로 내부 유동장 제어에 의한 연료희박 재연소 특성에 파악하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 산화제의 속도를 증가시켜 내부 재순환 유동의 길이 증가를 유도하였다. 산화제의 속도 증가로 인하여 연료와의 연소 반응이 지연되어 최대 온도가 감소하는 효과가 발생하여 기존 연소 조건과 비교하여 thermal NOx의 생성이 줄어드는 효과를 파악하였다. 또한, 재순환 길이의 증가로 인하여 일반 연소 조건과 비교하여 버너 끝단에서 멀리 떨어진 영역의 온도가 증가하여 NOx 저감 효율이 증가하고 CO의 발생이 억제되는 것을 관찰하였다. 마지막으로, 1.5MW급의 실규모 수관식 보일러에 연료희박 재연소 기법의 운전 조건을 적용하여 15kW급 연소로를 통하여 얻은 실험 및 수치적 결과를 비교 검증하였다. 실험적 연구를 통하여 공급되는 재연소 연료, 분사 위치 및 열부하 조건에 따른 연료희박 재연소 기법을 적용하여 연구실 규모의 연소로에서 얻은 조건과 유사한 NOx 저감 및 CO 발생 특성을 관찰하였다. 또한, 수치해석 기법을 이용하여 내부 유동장에 의한 연료희박 재연소 기법의 특성을 고찰하였다.


청구기호 {DAE 11015
형태사항 ix, 85p : 삽화 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김학영
지도교수의 영문표기 : Seung-Wook Baek
지도교수의 한글표기 : 백승욱
수록잡지명 : "Investigation of NOx Reduction in Fuel Lean Reburning System with Propane". Energy & Fuels, v.25, no.3, pp.905-915(2011)
수록잡지명 : ", Effects of Hybrid Reburning System with SNCR and Air Staging on NOx Reduction and Thermal Characteristics in Oxygen-Enhanced Combustion". Combustion Science and Technology, v.181, no.10, pp.1289-1309(2009)
Including Appendix
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 항공우주공학전공,
서지주기 References : p.82-85
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