유동층 내 암모니아 연소 및 혼소에 따른 CO, NO 및 N₂O 의 배출 특성 연구

국문 초록 (Abstract)

암모니아(NH3)는 직접 연소 가능한 무탄소 에너지원으로 산업·발전 분야에서의 향후 에너지 전환에 적용이 기대되지만, 연소 및 혼소 시 높은 질소 함량과 낮은 가연성으로 인해 CO, NOx뿐만 아니라 유동층에서 적용시 700-900 oC의 낮은 운전 온도 범위의 영향으로 N2O 및 NH3 slip 증가 우려가 있다. N2O는 CO2와 비교하여 약 273배의 지구온난화지수를 갖는 온실가스이기 때문에 유동층에서 NH3 연소 및 혼소 시 연소 거동과 배출 특성의 정량적 규명이 필요하다.
본 연구는 실험실 규모 유동층 연소기를 사용하여 유동층 환경에서의 NH3 연소 동안 CO, NO 및 N2O와 같은 오염물질의 배출 거동을 서로 다른 두 가지 상용 유동층 보일러의 운전 조건을 모사하여 조사하였다. 오염물질 배출에 대한 조사는 NH3 연소 및 CO와의 혼소 조건과 배출가스 내 O2 농도, 유동층 온도, 연소기 내 가스 체류시간, 그리고 NH3 주입 위치 등의 요인 영향을 중심으로 수행하였다.
NH3와 CO 혼소 시 산소가 제한적인 조건에서 CO보다 반응성이 높은 NH3가 CO 연소를 저해하여 배기가스 내 CO2 농도를 감소시키고 CO 농도를 50 ppm에서 최대 1856 ppm까지 증가시켰다. 또한 유동층 온도가 840oC 일 때,
배기가스 내 산소 농도가 0에서 6%로 증가하게 되면 반응기 출구에서 측정된 N2O 배출은 최대 34 ppm까지 증가하였다. 그러나 동일한 공급 조건 하에서, 유동층 온도를 920 oC까지 증가시켰을 때 N2O는 산소 농도가 0 vol.% 조건에서 배출되지 않았고, 6 vol% 조건에서 14 ppm으로 배출되었다. 이는 유동층 온도가 증가함에 따라 N2O 분해 반응이 활발히 일어났기 때문이다. 이후 920 oC 조건에서 가스 체류시간을 두 배로 늘렸을 때, 반응시간이 증가함에 따라 N2O 배출은 더욱 감소하였다. 그러나 840 oC조건에서는 체류시간이 증가함에 따라 N2O 배출이 증가하였다. 이에 840 oC 조건에서 NH3 주입 위치를 변경하여 Dense bed zone으로 공급하였을 때, Windbox에 공급했을 때와 비교하여 NO 배출이 현저히 감소하였고 N2O는 배출되지 않았다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Ammonia is a carbon-free energy source that can be combusted directly and is expected to be applied to future energy-transition pathways in industrial and power-generation sectors. However, owing to its high nitrogen content and low flammability, there are concerns that not only CO and NOx but also N2O and NH3 slip may increase during ammonia combustion and co-firing, particularly in fluidized-bed systems that typically operate at relatively low temperatures of 700–900 oC. Because N2O is a greenhouse gas with a global warming potential approximately 273 times that of CO2, quantitative elucidation of combustion behavior and emission characteristics during ammonia combustion and co-firing in fluidized-bed environments is required.
n this study, a laboratory-scale fluidized bed combustor was used to investigate the emission behaviors of pollutants such as CO, NO, and N2O during NH3 combustion under operating conditions designed to represent two different commercial fluidized-bed boiler regimes. The investigation focused on the effects of key operating factors, including ammonia combustion and co-firing with CO, O2 concentration in the flue gas, fluidized bed temperature, gas residence time in the combustor, and NH3 injection position.
During NH3–CO co-firing under oxygen-limited conditions, the high reactivity of NH3 inhibited CO combustion, decreasing the CO2 concentration in the flue gas and increasing the CO concentration from 50 ppm to a maximum of 1856 ppm. At a bed temperature of 840 oC, increasing the O2 concentration in the flue gas up to 6 vol% increased the N2O emissions measured at the reactor outlet to a maximum of 34 ppm. However, under the same feed conditions, when the bed temperature was increased to 920 oC, N2O was not detected at 0 vol% O2 and was 14 ppm at 6 vol% O2. This reduction is attributed to enhanced N2O decomposition at higher bed temperatures. Furthermore, at 920 oC, doubling the gas residence time further reduced N2O emissions owing to the increased reaction time, whereas at 840 oC the opposite trend was observed. Finally, at 840 oC, injecting NH3 into the dense bed zone markedly reduced NO emissions and resulted in no detectable N2O compared with injection through the windbox.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 1.연구배경 1
• 2.연구 대상 4
• 1)암모니아(NH3) 4
• 2)유동층 보일러 6
• 3.연구 동향 13
• 4.연구 목적 22
• 제 2장 실험 대상 및 방법 23
• 1.실험 공정 및 방법론 23
• 2.실험 조건 31
• 3.실험 분석 35
• 4.반응 경로 분석 39
• 제 3장 결과 및 고찰 41
• 1.NH3 혼소 시 CO 분위기에 따른 영향 41
• 2.배기가스 내 산소 농도에 따른 영향 51
• 3.유동층 온도 및 체류시간에 따른 영향 59
• 4.NH3 주입 위치에 따른 영향 69
• 제 4장 결론 및 향후 연구 76
• 1.결론 76
• 2.향후 연구 78
• 참 고 문 헌 79