CO₂회수를 위한 발전용 순산소 연소기의 연소특성에 관한 실험적 연구

Abstract

CO₂ capture and storage (CCS) techniques have been gaining its significance as a way of migrating the green house effects. Oxyfuel combustion gained more attention as an attractive candidate of CCS because it can concentrate the CO₂ during the combustion process. Even though the oxyfuel technique seems to be suitable for CCS, there are some very critical technical challenges which should be resolved. In particular, since very high adiabatic flame temperature of oxyfuel combustion could result in fatal durability issues, exhaust CO₂/H₂O should be recycled. This study is designed to understand the characteristics of oxyfuel combustor with flue gas recycle. Two types of burners, premixed and non-premixed burner, are employed for the comparison those are capable of 100 kW_(th) at 5 bar feeding by NG gas and O₂/CO₂ or O₂ /H₂O. In non-premixed burner test, CO emission was measured along the centerline of combustor for the combustion of methane and oxygen diluted by CO₂. Substitution of CO₂ with N2 indicates a possibility that some CO is formed by dissociation of CO₂ in reaction zones. Some parametric tests were also carried out to see the mixing effects of reactant gases on CO emission by changing the gas injection velocity at the burner nozzles with various turndown ratios. The overall results indicate that CO emission was reduced when the reactants are injected at higher velocities of similar magnitude. Moreover, CO₂ concentration of over 90% was obtained in performance test of 100kW_(th) oxyfuel combustor at high temperature and high pressure up to 5 bar. In premixed burner test, the effects of the oxygen with carbon dioxide and the oxygen with steam have been investigated which is fed into the swirl-stabilized premixed combustor. Prior to the combustor, the pre-mixer is used for the mixing of the fuel and oxidant mixture with dilute gases. And then the final mixture is induced into the combustor through different degrees of swirl vanes. The combustion characteristics of pre-mixed flames effects were examined regarding CO₂ or H₂O addition and swirl intensity which is obtained by chemiluminescence techniques to provide information about flow field. Additionally, the flame characteristics were also examined for various liner diameters, liner cooling flowrates, and dilute gases. The results show that the recirculation flow increases the flame area at the upstream and the downstream zones because higher swirl intensity results in higher centrifugal force. The OH and CH radical intensities of reaction zone decrease with carbon dioxide addition because the carbon dioxide plays a role of dilution gas in the reaction zone. On the other hand, increasing liner diameters results in the reduction of CO emission because CO has enough time to recombine into CO₂ with increased liner. And as liner cooling flowrate is increased, CO emission is increased. In tests of non-premixed and premixed oxyfuel burners for CO₂ capturing, 100 ppm or lower CO and 90% or more CO₂ capturing capability has been achieved even at very low excess O₂ ratios.; 지구온난화의 주범인 이산화탄소 회수 기술 중 순산소 연소(oxyfuel combustion) 기술은 전처리나 후처리 과정을 거치지 않고 연소과정을 통하여 고농도 CO₂회수가 가능하다는 장점으로 유망한 기술로 평가받고 있다. 그러나 순산소 연소의 화염온도는 공기 연소에 비하여 훨씬 높기 때문에 배기가스 중의 CO₂ 또는 H₂O를 재순환함으로서 화염의 온도를 제어하여야 한다. 본 연구에서는 배기가스 재순환 순산소 연소기의 설계를 위한 실험적 연구로서, 순산소 연소기의 연소방식 및 조건에 따른 연소특성에 대한 연구를 수행하였다. 연소기는 비예혼합과 예혼합의 두 가지 형태이며, 100kW_(th), 5 bar를 설계조건으로 하여 연료(NG)와 산화제(O₂/CO₂ or O₂/H₂O)에 대하여 실험을 수행하였다. 비예혼합방식 연소기의 주연소영역에서의 연소특성을 파악하기 위해 공급 O₂의 분기량, Turn down ratio, 연료와 산화제의 분사속도를 변화시켜가며 실험을 수행하였다. 실험결과, 중간노즐과 외곽노즐에 O₂를 분기하여 공급하였을 때 외곽노즐의 O₂공급량이 증가하면 연료와 산화제의 혼합효과가 감소하여 CO가 증가하며, Turn down ratio가 감소하면 연료와 산화제의 혼합특성이 현저히 저하되면서 CO가 급증한다. 또한 연료와 산소의 속도차가 클수록 난류강도의 증가로 인하여 화염의 길이가 감소하는 것을 확인하였다. 내부 연소특성 실험결과, 라이너입구부터 60cm정도에서 연소반응이 종결되는 것으로 미루어 이 위치에 희석가스 공급공을 설치해야 한다는 결과를 얻었으며, 성능시험결과 연소실 압력이 증가할수록 CO의 배출이 감소하며, 배가스 중 CO₂의 농도가 증가하는 경향을 보였다. 예혼합방식 연소기의 주연소영역에서의 연소특성을 파악하기 위해 예혼합가스의 조성량, 선회기의 각도, 라이너의 직경을 변화시켜가며 과잉산소 공급률(Excess O₂ ratio)에 따라 실험을 수행하였다. 예혼합가스의 조성은 단열화염온도를 기준으로 2250K 이상에서 화염이 소염되지 않으며, 선회기의 각도는 45도의 경우 가장 안정된 화염을 보였다. 라이너의 직경은 벽면에서의 미연가스의 Quenching 및 화염안정성을 고려하여 200mm로 결정하였다. 연소기의 운전조건은 과잉산소 공급률 1.2%-2.0% 범위에서 양호한 연소특성을 보였으며 이때 수증기를 응축시킨 배기가스에서 90% 이상의 CO₂회수가 가능하다는 결과를 얻을 수 있었다. 내부 연소특성 실험결과, 라이너입구부터 45cm정도에서 연소반응이 종결되는 것으로 미루어 이 위치에 희석가스 공급공을 설치해야 한다는 결과를 얻었다. 이산화탄소 회수를 위한 비예혼합과 예혼합의 두 가지 형상의 순산소연소기에 대하여 낮은 과잉산소 공급률 조건에서 100ppm 미만의 CO와 90%이상의 CO₂ 배출특성을 보이는 양호한 연소특성 얻을 수 있었다.