무화염연소의연구동향과

적용사례

국민대학교대학원기계공학과

신동훈교수

New Energy Lab.

• 연소

• 오염물질저감에대한딜레마

1. 연소및오염물질

• 무화염연소의정의

• 무화염연소의특징

• 화염연소 vs 무화염연소

2. 무화염연소

• 기존무화염연소시스템의연구

• 역방향공기주입연소(RAI) 연소의기본특성연구

• 관련분야적용연구

3. 연구실의연구

• 철강산업분야

• 항공(가스터빈) 분야

• 소각플랜트분야

• 유리산업분야

• 수송생산분야

4. 기타연구사례

5. 결론

1. 연소 및 오염물질

연소

EmissionsIdeal

Products

Luminous flame

Heat

FurnaceBurnerBoiler

Fuel

Hydrocarbons(CH4, C3H8)

Air(O2, N2)

Oxidant

N2

CO2

H2O

O2

NOx

CO

HC

SO2

4/38

기존연소 방법의 NOx와 CO 저감에 대한 딜레마

연소효율

상승연료/산화제

예열

연소온도

상승

NOx 증가

NOx 저감

배가스

재순환

연소온도

하락

연소효율

하락

• 일반연소방법의한계• 절충점을찾는선에서운전

5/38

2. 무화염 연소

무화염 연소(Flameless combustion)의 정의

• 온도분포와반응영역이균일해지고화염의경계

가사라져육안으로화염의관찰이어려워무화

염연소라명명됨

• Flameless combustion

• Flameless Oxidation(FLOXTM)

• High Temperature Air Combustion (HiTAC)

• MILD combustion(Moderate and intense low

oxygen dilution)

• 화염의불안정없이높은효율과오염물질저감

동시달성

Flame mode

Flameless mode

Flame mode

Flameless mode 7/38

무화염 연소의 특징

• 고온의가스활용가능

• 재순환을통해연료및공기가희석됨

• Da << 1

• Da = flow time scale/chemical time scale

• 반응물의혼합속도대비반응속도가느림

• 반응속도의지연화학반응이국부영역에

서집중되지않음

• 반응영역에서의산소농도감소

• 연소영역의넓은분포

• 온도차가적은(일정한) 온도분포

• 최고점온도의감소

• 낮은단열화염온도

• NOx 와 CO의발생이적음

- IFRF Combustion Journal, Article Number 200101, February 2001- Michael Flamme, Low NOx combustion technologies for high temperature applications, Energy Conversion and Management, 2001

< 연소방법의가스농도대비온도분포>

< 운전온도대비 NOx발생량 > Da= Damköhler number

8/38

화염연소와 무화염연소의 비교

- Joachim G. Wünning, “Flameless Combustion and its applications”, Natural Gas Technologies. Orlando (USA), 2004)- Yeshayahou Levy, “Low NOx Flameless Combustion for Jet Engines and Gas turbines”, 9th Israeli Symposium on Jet Engines and Gas Turbines,

October 7 2010

Flame combustion Flameless combustion

9/38

3. 연구실의 연구

• Flameless combustion furnace in TU Delft, Netherlands

• Study the configuration effects of multi-pair regenerative burners

D. Shin et.al., “Configuration effects of natural gas fired multi-pair regenerative burners in a flameless oxidation furnace on efficiency and emissions”, 2013

기존 무화염 연소 시스템의 연구

11/38

tc=60s

0 2 4 6 8

tc=20s

Exhaust gas O2 [%]

0 2 4 6

NO

em

issi

on

[p

pm

, 3%

O2]

0

5

10

15

20

C-I-P

C-I-S

C-II-P

C-II-S

Trends of CO emission as a function of exhaust gas O2 (%) for all configurations and cycle times

Result of computational fluid dynamic simulation – temperature contour (K)

기존 무화염 연소 시스템의 연구(계속)

Multi-burner installation map for the definition of configurations and operating modes.

12/38

Trends of NO emission as a function of exhaust

gas O2 (%) for all configurations and cycle times.

역방향공기 주입(RAI) 연소의 연구 동기

• 단순한 설비 및 제어로 무화염

연소 달성

• 특수한버너사용x

• 연료와공기예열x

• 재순환덕트사용x

FLOXTM burner with honeycomb

Flameless combustion system

• 기존 무화염연소 설비

• 고가의특수한버너(허니컴타입)

사용

• 공기와연료의예열을위한별도

의열교환설비필요

• 멀티버너의경우가스흐름제어

를위한배관설비필요

RAI: Reversed Air Injection

13/38

RAI의 개념도

• 연료와연소가스의역방향으로산화

제를고속으로공급

• 고속으로분사된공기 jet가주변가

스(연소가스)와의혼합유도

• 연료와공기의투입위치를이격해반

응시간지연

• 연소가스로희석된공기와연료의연

소반응을지연시킴

• Damköhler 수작아짐

• 공기 jet의유동으로고른가스분포

형성

AirNozzle

Fuel

Internal recirculation of exhaust gas and mixing with air to heat-up

Dilution area

Exhaust gas

반응지연 + 가스의혼합극대화

무화염연소효과달성

14/38

RAI의 기본 특성 연구-실험

• 설계인자에따른실험

- 공기과잉비

- 투입열량

- 공기노즐지름

- 연소로의종횡비(H/D)

< RAI 실험 장치 > < RAI 실험 장치 개략도 >

Furnace

MFC

Air

Compressor

CH4/LPG

Bomber

MFC

Mixer

Regulator

Regulator

Gas, Temp.

Data Acquisition

Valve

Portexit

Port-10

Port-2

Port-1

15/38

Air

Fuel

Exit

Air

H

ha

dada

D

df

de

- 공기노즐의깊이

- 공기노즐위치와개수

- 연소방식에따른특성

Premixed combustion characteristic of 5/1 chamber (air : 30lpm)

RAI combustion characteristic of 5/1 chamber (air : 30lpm)

RAI의 기본 특성 연구-실험

• 예혼합연소는하부에서의연소반응으로국부적인고온영역이형성됨

• RAI 연소는고른온도분포를보임

• 두연소조건에서 CO는검출되지않았으며, RAI연소는예혼합연소대비 NOx 발생량이저감됨

예혼합연소와 RAI연소의비교

Premixed RAI

NOx [ppm] 127 30

CO [ppm] 0 0

Port1 [oC] 1040 1131

Port2 [oC] 1068 1171

Port3 [oC] 1115 1190

Port4 [oC] 1131 1192

Port5 [oC] 1173 1162

16/38

CO[%]

RAI의 기본 특성 연구-실험

연소로 H/D 비율과공기노즐깊이에따른특성

Variable

H/D ratio [-] 5/1, 4/1, 3/1

Nozzle depth [mm] 0~300

Diameter=100mm (Fixed)H/D ratio : 5/1, 4/1, 3/1

Heigh

t=50

0m

m

Heigh

t=40

0m

m

Heigh

t=30

0m

m

Fixed value

Nozzle diameter

[mm] 1.5

Stoichiometricratio

[-] 1.1

NOx emissions vs (H-ha)/(H)

17/38Characteristic of RAI combustion(3/1)

RAI의 기본 특성 연구-실험

공기노즐위치와개수에따른특성

NOx characteristic by nozzle position change

NOx and CO characteristic by nozzle number change

mm

Nozzle position (H/D ratio : 3/1)

Temp NOx O2 CO

Inner distribution of RAI combustion(5/1)

Variable

Nozzleposition

[mm] 20, 30, 40

Nozzle number

[-] 2, 4

Fixed value

Nozzle diameter

[mm] 1.5

Stoichiometric ratio

[-] 1.1

18/38

RAI의 기본 특성 연구-전산해석

1100

1200

1300

1400

1500

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

Unit：Kz=0.15

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

1STEP

2STEP

4STEP

11STEP

exp

Realizable k-e &

Finite Rate/Eddy Dissipation

Realizable k-e &

Eddy Dissipation Concept

RSM &

Finite Rate/Eddy Dissipation

< Temperature distribution of several models >

Air nozzle

Temp[K]

< Temperature contour of several models >

19/38

11steps reaction model

Re-EDCRe-FED RSM-FED

철강분야-신합금철공정 환원가스 가열로

• 환원가스가열로: 신합금철공정에서환원로와전기로의 heat balance를해결

• 기존의연소방법의경우고온영역이생성되고, 이는내구성문제와재질선정의어려움을야기

했음

• 해결방안으로무화염연소의개념을적용한가열로에대한설계와실험을하였음

• 운전결과

• 상용버너를사용한결과대비 62.9% NOx의저감(213ppm 79ppm)

5.5C + 5.5CO211CO

0.83Fe3O4+3.3CO2.5Fe+3.3CO2

2.2CaCO32.2CaO+2.2CO2

Zone 1

Zone 2

Zone 3

Zone 4

1.4MgCO31.4MgO+1.4CO2

2.7Mn3O4+2.7CO8.1MnO+2.7CO2

예비 환원로

밀폐형 전기로

열교환 반영(Zone 3/Zone 4)

반응영역 수정(Zone 3Zone 2)

[기존 열/물질 수정]

1275C14.4 CO

994 C22.1 CO

612 C14.6 CO8.9 CO2

200 C8.4 CO15.1 CO2

밀폐형전기로

원료

전기

환원가스가열로

환원로

ID Fan

산소/공기+연료

에너지회수/

후처리설비

CO,

CO2

600~1000oC

CO, CO2, N2

~1100oC

원료

일반적인 확산 연소 적용 무화염 연소 적용

온도(K)

배가스가열로

밀폐형전기로

확산 연소 가열로 무화염 연소 가열로

20/38

고형 연료 보일러 분야

• Reaction

• Happened gradually

• Evaporation De-volatilization Char combustion

• Composition of primary combustion gas

• different for each position

• NOx, CO and HC

• Amount of pollutants & temperature distribution

• Depend on mixing with air

• Secondary air

• achieve complete combustion as mixing with the combustion gas

• Design parameters

• Flow rate, velocity, position and injection angle

Moisture evaporation rate (H2O, HC) De-volatilization

rate (HC, H2, CO) Char combustion rate (CO, O2)

Primary combustion chamber

Secondary combustion chamber

Secondary airSecondary air

Air

21/38

고형 연료 보일러 분야

실험연소로의개략도

22/38

고형 연료 보일러 분야

• NOx• 2차공기비율이증가할수록감소함.

• 2차공기비율이높은경우에약간증가함.

• 수직노즐조건이수평노즐조건보다적음.

• CO• 수평조건

• 모든경우에발생하지않음.

• 수직조건

• 70:30 ~ 40:60은발생하지않음.

• 30:70 ~ 20:80에서소량발생.

70:30 60:40 50:50 40:60 30:70 20:800

25

50

75

100

125

150

NO

x e

mis

sio

ns [

pp

m]

1st vs 2

nd air ratio

Horizontal

Vertical

70:30 60:40 50:50 40:60 30:70 20:80

0

1

2

3

4

5

CO

em

issio

ns [

ppm

]

1st vs 2

nd air ratio

Horizontal

Vertical

노즐방향에따른연소특성(NOx, CO)

23/38

고형 연료 보일러 분야

75

225

375

525

XY

Z

Temp

11361126111611061096108610761066105610461036102610161006996986

Frame 001 04 Aug 2015 Secondary Nozzle 3:7

75

225

375

525

XY

Z

Temp

11361126111611061096108610761066105610461036102610161006996986

Frame 001 04 Aug 2015 Secondary Nozzle 4:6H-30:70 V-A-40:60

Conventional(Horizontal)

RAI(Vertical)

Unit

1st:2nd

air ratio30:70 40:60 %:%

NOx 39 15 [ppm]

CO 0 0 [ppm]

Avg.temp.

1080 1048 [℃]

Max.temp.

1148 1111 [℃]

Min.temp.

1017 986 [℃]

>

>

>

>

[℃]

연소방법에따른로내온도분포

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철강 분야 – 함철부산물 CBI 환원로

• 함철부산물재사용설비

• 철을함유하고있는저질의제철부산물을재사용하기위해원료를브라켓형태로제작하여예비환원시키는설비

• 전기로에서발생된 CO 가스를예비환원로로전달하여환원가스로활용.

• 예비환원된원료는전기로로이송.

• 예비환원로의필요조건

• 정해진 tap 주기동안환원율을높이기위해온도를높여야함

• 원료의용융문제와로의내구성문제로 1100oC 이하로운전돼야함

< 함철부산물재사용설비개념도 >

< 반응온도에따른 Highmill scale의환원율 >

전기로

CO gas inlet

Exhaust

환원로

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HCBI 1 ton 충진 HCBI 2 ton 충진

철강 분야 – 함철부산물 CBI 환원로

해석 조건- 산화제 조성 변화에

대한 해석

‒ Oxidant: O2 80%, 21%

‒ HCBI: 1ton

산화제를순산소(80%기준)를이용할때대비공기(21%)를이용하였을때화염의길이가길어짐.

또한, 질소의영향으로전체적으로온도가낮아짐.

버너화염부분이닿는위치에서고온영역을볼수있음

예혼합버너를사용한경우

해석조건: HCBI 충진유무에대한

해석스월예혼합버너를사용한경우환원로내부의 Pathline과압력분포충진유무에상관없이연소가스가충진층까지직접도달

HCBI의충진으로충진층의압력강하가발생.

해석 조건: CBI 충진량 변화에 대

한 해석

‒ Oxidant: O2 80%, N2 20%

‒ HCBI: 1ton, 2ton

2톤을충진했을경우버너화염이직접적으로화염에닿을것으로보임

산화제: 산소80% 산화제: 산소21%산화제: 산소80% 산화제: 산소21%산화제: 산소80% 산화제: 산소21%

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Giancarlo Sorrentino et al., “Development of a novel cyclonic flow combustion chamber for achieving MILD/Flameless Combustion”, Energy Procedia 66 ( 2015 ) 141 – 144

철강 분야 – 함철부산물 CBI 환원로

• 산화제, 연료노즐에의한선회류생성으로연소로내부에서의혼합유도

• 로내균일한온도분포

무화염연소기술의적용방안모색 Flameless combustion by cyclonic combustor

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철강 분야 – 함철부산물 CBI 환원로

• 산화제 : 공기, 연료 : LNG

• 투입유체의혼합이양호하도록유속을 100m/s로투입

• 넓은범위에서의연소를유도하기위해각노즐을이격시켜연소를지연

< 산화제/연료노즐각도 >< 함철부산물예비환원로의형상 >

배가스 Outlet

산화제Inlet

연료 Inlet

산화제Inlet

연료 Inlet

원료

10o

연료

산화제

15o

무화염연소적용환원로

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철강 분야 – 함철부산물 CBI 환원로

• 예혼합버너• 버너의공기흐름에따라버너

주변에서고온이나타남

• 무화염연소• 로내부의온도는전체적으로

균일한분포를보임

• 균일한온도의가스가원료에공급됨

예혼합버너사용 무화염연소버너사용

연소방법에따른환원로내부의온도분포해석

A’A

unit[K] 예혼합버너 무화염연소

Maximum 1771 1546

Minimum 1640 1528

Average 1696 1542

StandardDeviation

27.6 4.67

B’B

원료상부온도분포(B-B’)원료상부온도분포(A-A’)29/38

Temp[K]

철강 분야 – 함철부산물 CBI 환원로

노즐각도에따른환원로내부의 OH radical/온도분포

5o

5o 15o 30o

OH Radical분포

온도분포

노즐각도 5o 15o 30o

Temp[K]

OH[-]

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4. 기타 연구 사례

철강 분야

• Steel industry: continuous and batch furnaces• Reheating furnaces (rotary, pusher-type, and walking beam)

• Annealing furnaces

• Forging furnaces

• Batch furnaces

• All other direct-fired or radiant tube applications

• Aluminum industry• Melting and holding furnaces

• Homogenizing and annealing furnaces

< Walking beam furnace with flameless burners application (Danieli Centro Combustion ) > 32/38

철강 분야

• 철강산업에서는 annealing과 pickling line에서사용되고있음

• annealing로에 FLOX 버너를여러개를설치하여적용

• 넓은공간에서균일한고온을유지시킬수있음

• 크롬, 니켈강철로만든버너보다온도저항력이높고긴수명

Hundreds of ceramic FLOX® burners fire an annealing furnace © WS Wärmeprozesstechnik GmbH

Regenerative burners in an annealing and pickling line installed at Terni

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Yeshayahou Levy,“Low NOx Flameless Combustion for Jet Engines and Gas turbines”, 2010

가스터빈 분야

< Conventional gas turbine >

Low NOx Flameless Combustion for Jet Engines and Gas turbines

< Gas turbine with the FLOXCOM combustor >

< Compare with Conventional combustion and flameless combustion >

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Burner

Flue Gas Duct to Central Recuperator

유리 산업 분야

< Schematic of a glass melting furnace >< Schematic of a recuperative glass melting furnace >

< Measured NOX emissions of the original (HWI) burner and the new GlasFLOX burner >

• 유리용융로에 대한 적용• 넓은 공간을 균일한 온도로 유지 가능• 무화염 버너를 이용한 설비는 기존 예혼합

버너를 이용한 설비에 비해 NOx를 적게 배출함(1183mg/Nm3

484mg/Nm3)• 개조 후 5년간 운영되었으며 동일한 품질의

생산품을 유지하면서 오염물질의 저감을달성하고 있음

Jörg Leicher, “Flameless Oxidation as a Means to Reduce NOx Emissions in Glass Melting Furnaces”, 2013

Batch inlet

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수소 생산 분야

• 업체명: WS Reformer GmbH

• 국가: 독일

• 2014년전시회에서공개된제품

• FLOX의적용으로수소생산에필요한열원공급부의소형

화와단순한제어를장점으로내세우고있음

< 연소기의형상 >< FLOX steam 개질기의개념도 >

< 상용화된 FLOX 개질기의형상 >< FLOX가적용된개질기의형상 >

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4. 결론

결론

•무화염연소현상으로 Nox와 CO 동시저감

•로내부전체를무화염연소영역으로설비변경

•연료와공기투입파이프설치만으로실현

•기존무화염버너활용에비해단순한설비변경

RAI 연소의

장점

•고형연료(석탄, 화목, 바이오매스등) 보일러의 NOx 저감

•최소의설비변경으로높은수준의 Nox 저감

•가열물의균일한온도제어가필요한경우

• : 철강열처리, 유리산업열처리

•투입열량의증가와최고온도의제한두가지를동시에고려해야하는경우

• : 환원광의예비환원, 고형연료의연소

응용분야

38/38

감사합니다.

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