저발열량 석탄가스의 확산화염길이에 관한 연구

최병철, 김형택

아주대학교 에너지학과

A Study of Diffusion Flame Length on

Low Calorific Value(LCV) Coal Gas

Byung-Chul Choi, Hyung-Taek Kim

Department of Energy Studies, Ajou University

서론

차세대화력기술 중 석탄가스화 복합발전 (IGCC : Integrated Gasification Combined Cycle)은 상기요구사항인 고청정, 고효율 및 연료 다변화 등의 요구사항을 만족시킬 수 있는 기술로 관련 연구가 전세계적으로 진행중이다. 석탄가스화 복합발전 시스템이 미래의 전력산업에 적용되기 위해서는 투자비용의 효율성과 환경적 문제의 해결을 동시에 만족해야 하는 요구를 받고 있다. 특히, IGCC 연계 문제 중에서 CO와 H2를 주 구성성분으로 하는 저발열량의 석탄가스의 가스터빈 연소기에서의 연소특성을 파악하는 연구의 필요성을 가지게 되었다. 따라서 본 연구에서는 기존의 천연가스를 대상으로 제작된 연소기의 설계 파라메터 및 가스터빈연소기에 적용 가능한 저발열량의 석탄가스의 물리/화학적 성질을 종합하여 저발열량가스 연소기의 설계 파라미터를 도출하여 실험용 연소기를 제작하고자한다. 제작된 연소기를 이용하여 연료종류, 연료/공기비, 노즐의 형태, 스월수 등을 변경시킨 실험결과로부터 확산화염의 길이에 대한 특성과 오염물질 배출정도를 파악하여 최적의 석탄가스 연소기 운전조건을 도출하고자 한다. 또한 이러한 연구결과를 토대로 현재 고등기술연구원의 연구진들이 운전 중인 3톤/일 가스화기와 연계된 생성가스연소시스템을 설계/제작/운전 연구를 수행하고자 한다.

이론

난류제트화염 길이를 설명하고 예측하는 데 대한 연구는, 1940년대와 1950년대에 발표된 Hottel[1], Hawthorne[2], 그리고 Wohl[3]등이 있다. 화염길이에 영향을 미치는 요인은 정지 분위기에 분출되는 연료제트에 의해 생성된 수직화염에서 네 가지 주된 요인이 화염길이에 영향을 미친다. 첫째로, 화염에 작용하는 제트운동량 플럭스와 부력의 상대적 중요도 Frf, 이론혼합비 fs, 유체와 주변가스 밀도비 □e/□∞ , 그리고 초기 제트지름 dj등이 있다고 알려져 있다. 이 요인 중 첫 번째인 초기 운동량과 부력의 상대적 중요도는 화염 Froude 수로 특성화 될 수 있다. 난류제트화염에 대해서는 화염 Froude수의 다음 정의를 (1)식으로 제시한다.

[eqn: Fr_{f}~=~{v_{e} {f }`_{s} ^{3/2 }}over{ LEFT ( {rho_{e}}over{rho_{ INF }} RIGHT )^{1/4}LEFT[{DeltaT_{f}}over{T_{ INF }}gd_{j}RIGHT]^{1/2} }]                  (1)

실험

연소시스템의 구성은 실험실급 석탄가스 연소 시스템은 석탄합성가스의 조성을 모사하기 위해서 석탄가스의 주성분인 CO, H2, CH4, N2등의 순수가스를 혼합할 수 있는 장치로 구성하였다. 산화제인 공기의 공급은 공기 압축기로 구성하였다. 각각의 가스의 압력조절은 압력조절기를 이용하여 조절하고 유량은 공기유량계를 사용하여 구성하였다. 아래의 [그림 1]는 본 실험장치의 구성 계통도이다. 구성도를 살펴보면 석탄합성가스의 주성분인 CO, H2, CH4, N2등의 순수가스를 유량계를 조절하여 혼합챔버를 거치면서 혼합하여 주입되는 연료가스의 유량을 최종적으로 조절하는 유량계를 거쳐서 연료노즐을 통하여 축방향 및 접선방향 주입노즐을 통하여 연소기에 주입되도록 설계하였다. 산화제인 공기의 경우는 공기압축기를 통해 압축된 공기를 1,2차 유량계와 공기중의 수분제거를 위해서 실리카겔로 충진된 충진재를 통하여 원하는 선회강도에 따라 주입공기의 유량을 결정하여 연소기에 주입되도록 설계하였다. 연소과정을 통해서 생성된 화염의 형상은 디지털 카메라를 통해 촬영하고 화염의 온도를 측정할수 있도록 R-Type 열전대 온도계를 DAWIN 100 Data Aquisition unit를 컴퓨터에 연결하여 온도 데이터를 수집하도록 설계하였다. 또한 반응후 배가스는 수분제거 trap를 거쳐서 진공펌프로 샘플링하여 분석시스템으로 보내어지게 설계하였다. 배가스내의 CO2, CO의 조성은 Perkin Elmer사의 Paragon 1000 FT-IR을 사용하여 측정하도록 하였으며 NOX의 조성은 Signal사의 NOX Analyser 4000 series를 사용하여 측정하도록 설계하였다.

[그림 1] 석탄합성가스 연소시스템 구성도

석탄가스 연소시스템에 사용된 유량계는 공기를 기준으로 유량이 결정되었다. 따라서 주입되는 연료가스의 성분에 따른 유량계의 보정 실험을 실시하였다. 유량계 보정 실험은 가스 유량보정장치(Wet-gas meter)를 사용하여 공기유량계의 눈금과 성분가스별 실제유량을 보정하였다. 보정 결과를 살펴보면 수소의 경우 분당 20L를 주입하기 위해서는 실제 유량계에서는 약 5L의 눈금에서 유량을 결정하여야 함을 알 수 있다. 또한 CO의 경우는 적은 유량에서는 유량계의 눈금과 큰 차이를 보이지 않았으나 유량이 증가함에 따라 유량계의 눈금보다 적은 유량이 주입됨을 확인할 수 있었다.

결과 및 토론

계산된 각 조성에 대한 Froude 수를 표시하면 [그림 2]와 같다. 그림을 살펴보면 실험에서 설정된 발열량 값에 대하여 CO와 H2 합성가스의 화염길이는 운동량 모멘텀의 영향을 지배적으로 받는 것을 확인할 수 있고 비교 대상 연소가스인 메탄의 경우에는 운동량 모멘텀 이외의 영향은 부력 등의 영향을 받는 영역에 있는 것을 확인 할 수 있다.

[그림 2] 합성가스의 성분에 따른 Froude수

조성에 따른 정압 단열화염온도와 합성가스의 성분에 따른 Froude수를 통해서 계산된 Froud수를 적용하여 무차원 화염길이 L*계산하였고 구해진 무차원 화염길이를 이용하여 운동량 지름(Momentum Diameter) d*j를 구한 후 화염길이값을 구하였다. 계산된 화염길이 값은 [그림 3]에 나타내었다. 그림을 살펴보면 Axial Type 노즐의 경우 관경이 커지는 형태 1 쪽의 노즐을 사용했을 때가 전체적으로 화염의 길이가 길게 나타나는 것으로 나타났다. 또한 CO와 H2 혼합가스의 화염길이가 메탄의 화염길이보다 긴 것으로 나타났으며, CO와 H2 혼합가스의 조성변화에 따른 화염길이의 변화는 크게 나타나지 않는 것으로 나타났다.

[그림 3] 합성가스의 조성 변화에 따른 화염길이

이러한 계산결과는 실제 실험을 통하여 얻어진 화염 사진과 비교할 때 상당히 일치하는 결과를 확인할 수 있었다. 다만, 선회수에 의한 선회강도의 영향을 나타내지는 못하였으며, 화염폭의 변화, 과잉공기량에 따른 변화를 나타내지 못하였다. 가시적으로 관찰한 화염의 길이를 살펴보면, Axial Type 노즐의 변화에 따라서 노즐의 직경이 커짐에 따라 형태 1의 경우 최대 화염길이가 약 25cm 정도인 것으로 확인하였으며, 가장 작은 노즐 직경인 형태 3의 경우 화염길이는 6cm 정도인 것으로 측정되었다. 계산결과와 마찬가지로 조성의 변화에 따른 화염길이의 뚜렷한 변화는 관찰할 수 없었다.

참고문헌

[1] Hottel, H. C., "Burning in Laminar and Turbulent Fuel Jets," Fourth Symposium (International) on Combustion, Williams & Wilkins, Baltimore, p. 97, 1953

[2] Hawthorne, W.R., Weddell, D.S., and Hottel, H.C.,"Mixing and Combustion in Turbulent Gas Jet", Third Symposium on Combustion and Flame Explosion Phenomena, Williams & Wilkins, Baltimore, p. 266, 1946

[3] Wohl, K., Gazley, C., and Kapp, N.,"Diffusion Flames," Third Symposium on Combustion and Flame and Explosion Phenomena, Williams & Wilkins, Baltimore, p. 288, 1949