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석탄화력 내 암모니아 혼소율에 따른 연소 및 NOx 발생 특성에 대한 전산해석 연구
강우석(Woosuk Kang),조현빈(Hyunbin Jo),류창국(Changkook Ryu) 한국연소학회 2021 KOSCOSYMPOSIUM논문집 Vol.2021 No.11
This study analyze the combustion and NOx emission characteristic of NH₃ cofiring in a commercial pulverized coal boiler using computational fluid dynamics (CFD). Four different methods of NH3 supply at a cofiring ratio of 10% on a higher heating value(HHV)-based thermal input were evaluated while fixing total stoichiometric ratio at 1.08 and that for the burner zone at 0.84. In addition to advanced coal conversion models, global reaction mechanism for NH₃ combined with fuel and thermal NOx mechanisms was established for preliminary evaluation of NH₃ cofiring. For the reference case, the CFD results showed reasonable agreement with the operation data in terms of heat distribution and NOx emission. When NH3 was cofired, the total heat absorption significantly decreased by lower flame temperatures. However, the boiler efficiency was similar on a lower heating value (LHV) base. Therefore, the thermal input of NH₃ and corresponding boiler effienciy need to be determined using the LHV. NOx emission increased by NH₃ cofiring but significant differences were observed between the cofiring method. In particular, concentrating NH₃ supply in a particular burner level exhibited lower NOx emission, indicating that NH₃ cofiring method can be optimized to reduce the NOx emission. The NOx emission required further investigations with an improve NH₃ combustion model.
대향류 석탄화력 보일러의 NOx 저감을 위한 다단 OFA 및 CH₄ lancing 성능 평가
강우석(Woosuk Kang),조현빈(Hyunbin Jo),류창국(Changkook Ryu),이종국(Jongwook Lee) 한국연소학회 2021 KOSCOSYMPOSIUM논문집 Vol.2021 No.5
This study evaluate the performance of multi-level overfire air (OFA) and CH₄ lancing on combustion and NOx reduction in an opposed wall-firing boiler. Computational fluid dynamics (CFD) incorporating advanced coal combustion models was applied to evaluate two design parameters while fixing total stoichiometric ratio (SR) at 1.15 and that for the burner zone at 0.89. First, the OFA was modified into two levels (OFA1 and OFA2) and the flow rate distribution between them was evaluated. Second, the amount of CH₄ injected at the burners was varied between 0% and 20% of thermal input partially replacing that of coal. For the reference case, the CFD results showed reasonable agreement with the design data in terms of heat distribution and NOx emission. The NOx emission was reduced by 9% when OFA2 was used alone, the peak gas temperature entering the heat exchanger zone decreased by 25 ℃. When the thermal input of CH₄ was 10%, the NOx emission was reduced by 22% and the peak gas temperature was decreased by 5 ℃. All cases showed satisfactory carbon conversion, except for the case with a thermal input of CH₄ at 20%. The results suggest that the introduction of multi-level OFA and CH₄ lancing can be effective measures for NOx reduction without deteriorating the boiler performance.
미분탄-암모니아 혼소 전산해석을 위한 암모니아의 글로벌 연소 반응모델 개발
강우석(Woosuk Kang),박종민(Jongmin Park),류창국(Changkook Ryu) 한국연소학회 2022 KOSCOSYMPOSIUM논문집 Vol.2022 No.11
For computational fluid dynamics (CFD) of NH₃ cofiring with pulverized coal, the detailed reaction mechanism of NH₃ is not applicable because of the simplifications employed on coal combustion involving numerous reactions of hydrocarbons and char. This study developed a global combustion mechanism of NH₃ for CFD applications to cofiring with coal based on an optimization algorithm. For an existing detailed reaction mechanism of NH₃, three representative reaction parameters were acquired for different temperatures (1500-1900 K) and equivalence ratios (0.9-1.4) using Chemkin-Pro: i) characteristics time for decrease in NH₃ concentration, ii) peak and final N₂O concentration, and iii) final NO concentration. Using the results as the reference data, the rate constants for five reactions involving only the major species were optimized by the gradient descent method. The global mechanism of NH₃ exhibited reasonable agreement with the detailed mechanism in terms of the reaction parameters for the entire reaction conditions. Further evaluation of the mechanism is required using actual cofiring tests.
석탄화력 보일러의 미분탄-암모니아 혼소 전산유체해석을 위한 암모니아의 굴로벌 연소 메커니즘 개발
강우석(Woosuk Kang),박종민(Jongmin Park),류창국(Changkook Ryu) 한국환경에너지공학회 2022 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2022 No.1
미분탄-암모니아 혼소는 단기간 내 상용화 가능한 저탄소화 기술로써 주목받고 있으나 석탄화력 도입을 위해서는 보일러 운전특성 변화 및 NOx 배출량을 고려한 최적의 혼소방식 도출이 필요하다. 이를 위해서는 전산유체해석을 수행해야 하고 글로벌 메커니즘 형태의 암모니아 연소모델이 필요하지만 제시되어있는 모델이 많지 않으며, 기존 모델의 경우 연소조건이 보일러의 연소조건과는 매우 큰 차이가 있다. 따라서 본 연구에서는 미분탄-암모니아 혼소 전산유체해석을 위하여 암모니아의 글로벌 연소반응모델을 개발하였다. 보일러 연소조건에 맞는 반응모델을 도출하기 위하여 실험 및 수치 해석으로 검증된 detailed mechanism을 기반으로 global mechanism의 반응속도계수를 최적화 하였다. Chemkin-Pro를 활용하여 기준 반응 모델인 Okafor detailed mechanism 의 시간에 따른 화학종 농도 및 반웅속도를 도출하였고, 최적화를 위한 목표값으로서 암모니아 농도가 70%, 90%로 감소되는 시점까지의 반응속도와 NO농도를 선정하였다. 그리고 global mechanism의 반응속도 분석을 위하여 시간에 따른 화학종 농도 및 반웅속도를 도출할 수 있는 Excel VBA code를 개 발하고, 반웅상수는 각 반응의 반응속도인 Arrhenius equation의 계 수들과 암모니아 산화반웅의 oxygen order로 선정하였다. 최종적으로 최적화 기법을 이용하여 Excel VBA code로부터 도출된 global mechanism의 두 목표값을 기준 반응 모델의 Chemkin-Pro 해석결과에 fitting 하였다. 최적화 결과 반응시간과 NO농도가 기준반응모델에 근접한 수치를 보였고, 온도에 따른 반응속도 및 NO농도를 합리적으로 예측하였다.
CO 포함 방산 배가스의 연소효율 향상을 위한 수치해석 연구
강우석(Woosuk Kang),조현빈(Hyunbin Jo),김태영(Taeyoung Kim),조한창(Hanchang Jo),류창국(Changkook Ryu) 한국연소학회 2020 KOSCOSYMPOSIUM논문집 Vol.2020 No.9
Some off-gases from a steel making process contains high concentration of CO which requires to be removed by oxidation at the flare stack. One way to achieve this is to install oxy-combustion gas burner at the shield of the flare stack for ignition of the off-gas. Using computational fluid dynamics (CFD), this study investigates the influences of design and operation parameters for the flare stack including different levels of CO concentration in the off-gas, tilting and yawing of four oxy-combustion gas burners, wind speed, pre-mixing of natural gas. The off-gas was difficult to maintain the flame because of its low energy content and excessive cooling by large volume of entrained air despite the use of oxy-combustion burner for heat-up and ignition. The flame was maintained only when the CO concentration in the off-gas was over 25% at the quiescent air condition, which achieved 99.7% of CO removal. Adjusting the burner angle was helpful in increasing CO oxidation inside the shield but was not successful in keeping the flame above. Pre-mixing natural gas inside the stack also increased the level of CO oxidation but has a cost issue. The optimal condition for near-complete CO oxidation were determined from the combustion efficiency and safety of the flare stack.
광석 원료처리용 로터리 클른 내 미분탄 버너의 암모니아 혼소 적용 방안에 대한 전산해석 연구
강서영(Seoyoung Kang),강우석(Woosuk Kang),류창국(Changkook Ryu),안형준(Hyungjun Ahn),서해원(Haewon Seo) 한국연소학회 2023 KOSCOSYMPOSIUM논문집 Vol.2023 No.11
Roatry kiln is used for thermal treatment of ore that requires a long residence time and high temperature. In this study, NH₃ cofiring in a coal burner of a ratary kiln for ore processing was investigated using computational fluid dynamics to identify issues associated with stable ignition, flame pattern, heat transfer, and NO<SUB>x</SUB> emission. At a cofiring ratio of 20%, the NH₃ injection caused unstable combustion by disturbing the ignition of product gas. Therefore, the use of swirling air was essential to create an internal circulation zone at the center of the flame near the burner trip. which also contributed to suppressing the NO<SUB>x</SUB> emission similar to that for the coal-only firing case. In addition, the partial cracking of NH₃ prior to the injection was found effective in reducing the NO<SUB>x</SUB> emission.
미분탄-암모니아 흔소를 위한 전산해석모델 개발 및 최적 흔소 방안 연구
하선교(Seonkyo Ha),강우석(Woosuk Kang),구윤하(Yunha Koo),박종민(Jongmin Park),조현빈(Hyunbin Jo),류창국(Changkook Ryu),박상빈(Sangbin Park),백세현(Sehyun Baek),이종민(Jongmin Lee) 한국환경에너지공학회 2022 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2022 No.2
미분탄-암모니아 혼소는 최근에 부각된 석탄화력의 탄소 저감 기술로 NOx 발생과 보일러 성능에 큰 영향이 없는 혼소 방식의 개발이 필요하다. 전산유동해석은 다양한 혼소 방안별 성능 예측을 통해 혼소 방식을 최적화하기 위한 핵심 기법으로서 석탄 및 암모니아의 연소, 열전달, NOx 거동 둥에 대한 합리적인 예측이 필요하다. 본 연구에서는 먼저 암모니아 연소 반응의 Global mechanism을 수립하고 기존의 석탄 연소, ThermaJ 및 Puel NOx 반용과의 통합적인 해석 기법을 개발하였다. 그리고, 이를 이용하여 단일스월버너와 접선연소식 보일러 내 암모니아 최적 혼소 방안에 대한 평가를 진행하였다. 암모니아 반용모델은 주요화학종(NH₃, O₂, H₂, N₂, NO, N₂O)으로 구성된 5개 반응을 수립하고, 넓은 온도 및 당량비 조건 범위에서 Okafor detaiJed mechanism의 반응시간과 NO 농도를 기준으로 반용상수롤 최적화하였다. 스월버너는 암모니아를 버너 중앙에서 단순 투입시 혼소율 20% 이상의 조건에서 화염의 안정성 저하와 NOx 배출 중가 동의 문제를 보였다. 따라서, 다양한 암모니아 투입 방식에 대한 추가 연구가 필요하다. 접선연소식 보일러의 경우 암모니아의 투입 위치에 따라 열전달 및 NOx 발생 특성에 큰 차이를 보였다. 특히 최하단 버너에 투입시 NOx 발생은 저하되었으나 보일러 하부 온도 감소에 의해 벽면 열전달이 큰 폭으로 감소하고 보일러 상단 관군부에서의 열전달이 중가하였다. 따라서, 2차공기 배분을 최적화하여 보일러 스팀 측 운전 영향을 최소화하는 방안의 도출이 필요하다.
제강공정 래들 버너의 COG 대체를 위한 천연가스의 적정 연소 조건 및 NOx 배출 영향에 대한 전산해석 연구
박종민(Jongmin Park),강우석(Woosuk Kang),김량균(Ryang-Gyoon Kim),임호(Ho Llim),류창국(Changkook Ryu) 한국연소학회 2021 KOSCOSYMPOSIUM논문집 Vol.2021 No.11
Because of increasing demand to utilize the coke oven gas (COG) for hydrogen production, there is a need to replace COG with natural gas (NG) in the steel making industry. In this study, ideal combustion condition and impact on NOx emission were evaluated in a burner to preheat a ladle used for transport of molten iron. Computational fluid dynamics (CFD) were employed to analyze the temperature and heat flux distribution for COG and NG combustion. It was found that the same thermal condition of the refractories with the reference case can be achieved with a major NOx reduction for NG combustion by reducing the excess air ratio to match adiabatic flame temperature. Increasing the thermal input of the burner led to a linear increase in the wall temperature and decrease in the thermal efficiency while NOx emission remained steady.