CO2 포집을 위한 가압 순산소 연소 시스템의 연소 특성 및 NOx/SOx 배출 특성 연구

Abstract

에너지 생산 시스템의 온실 가스 배출은 심각한 상황으로, 대표적인 온실 가스인 CO2를 포집하기 위한 새로운 화력 발전 시스템들이 연구되고 있다. 가압 순산소 연소 시스템은 CO2 포집 및 저장을 위한 발전 시스템으로, 고압에서의 높은 열전달률로 고효율 발전 사이클을 구현할 수 있다. 또한, CO2 포집을 위해 많은 에너지가 소모되는 CO2 압축 공정과 산소 생산 공정에서의 손실을 최소화할 수 있고, 상승된 수분 응축 온도로 인해 잠열 회수가 용이하다는 장점이 있다. 하지만, 가압 순산소 연소는 매우 높은 단열 화염 온도를 가지며, 이를 제어하기 위해 연소 가스를 재순환하는 방법이 주로 연구되고 있다. 하지만 연소 가스 재순환은 압력 손실을 보상하기 위한 추가적인 에너지가 소비되며, 발전 효율 감소의 원인이 된다. 본 연구는 연소 가스 외부 재순환을 고려하지 않은 가압 순산소 연소 시스템에 대한 작동 압력의 영향성을 평가하기 위해 수행되었다. 희석을 고려하지 않은 가압 순산소 화염은 3000 K 이상의 매우 높은 단열 화염 온도를 가지며, 연소기 소재 선정과 높은 NOx 배출량의 문제를 보인다. 이에 대한 종합적인 분석을 위해, 반응 모사 연구, 실험적 연구, 그리고 3-D 수치해석 연구, 총 세 가지의 접근 방법으로 연구를 수행하였다. CO/H2 합성 가스와 천연 가스를 대상 연료로 선정하였으며, 각각의 연료에 대해서 20 kWth과 100 kWth 규모의 가압 순산소 연소 시스템의 적용성에 대해 평가하였다. 첫 번째로, CO/H2 합성 가스의 가압 순산소 연소 환경 반응 모사 연구에서, 합성 가스의 조성에 따른 점화 지연 시간을 분석하였다. CO는 대표적으로 느린 화학 반응을 가지는 화학종으로, 압력과 합성 가스 내 H2가 증가할수록 점화 지연 시간은 단축되었다. 또한 합성 가스에 NO를 첨가한 결과, NO 산화 반응으로 인한 초기 열 방출로 인해 점화 지연 시간이 단축되었다. 또한 가압 조건에서는 2단 점화 현상이 발생하였으며, 이는 H2O2가 증가하며 HO2를 소비하여 주요 열 방출이 감소되었기 때문이다. 또한, S가 포함된 반응을 추가한 수정된 GRI-Mech 3.0을 적용하여 대향류 화염 모델을 이용하여 화염 구조를 분석하였다. 합성 가스 내 H2의 분율이 증가하면 화염 두께가 증가하였고, 농후 영역에서 NO와 SO2의 소모가 증가하였다. 그리고 100 kWth 규모의 가압 순산소 연소 시스템에 적용한 비정제 천연 가스의 경우, 혼합 분율에 따른 화염 영역은 압력이 증가함에 따라 감소하였다. 또한 비정제 천연 가스에 H2가 첨가된 경우, 희박 영역에서 H2O 생성으로 인한 O2 소모량과 NO 생성량이 증가하였다. 다음으로, CO/H2 합성 가스의 가압 순산소 연소 및 열전달 특성, 그리고 NOx/SOx 배출 특성에 대한 작동 압력의 영향성을 파악하기 위해, 20 kWth 규모의 가압 순산소 연소 시스템을 이용하여 실험 및 해석 연구를 수행하였다. 압력이 증가할수록, 단열 화염 온도 증가에도 불구하고 연소기 내부 온도는 감소하였다. 또한 고압에서의 복사 열 전달의 증가로 인하여 연소기의 열 전달율은 상승하였다. 합성 가스 내 H2 함량이 높은 경우, 연소 가스 내 H2O 분율의 증가로 인해 더 높은 열 전달율을 보였다. 또한 수치 해석 결과에서, 압력이 높아질수록 OH, O, 그리고 H2O2가 포함된 주요 연소 반응의 반응률이 증가되었고, 화염 내 더 넓은 영역에서 높은 최대값의 반응률을 보였다. 합성 가스에 NO와 SO2를 첨가하여 가압 순산소 연소 환경에서 NOx/SOx 배출 특성을 파악한 결과, H2O가 매우 낮은 연소 가스 환경에서는 NO가 NO2로 산화되었지만, SO2는 거의 변화가 없었다. 하지만 NO와 SO2가 동시에 첨가되면, 압력 증가에 따라 NO2와 SO2의 반응으로 인해 SO2 저감율이 감소되었다. H2O가 높은 연소 가스 환경에서는 10 bar의 작동압력에서 NO와 SO2의 저감율은 모두 약 90%로 측정되었다. 고압의 환경에서는, HO2와 OH 같은 H와 관련된 화학종들로 인하여, NO2 형성이 촉진되었고, SO2의 산화 반응으로 인한 SO3의 형성이 촉진되었다. 마지막으로, 100 kWth 규모의 가압 순산소 연소 시스템을 활용하여 비정제 천연 가스의 적용 가능성을 실험적 및 수치 해석적 접근으로 분석하였다. 앞서 확인한 것과 같이, 연소기 내부 온도는 압력이 증가할수록 감소되었고, 열 전달율은 상승하였다. 수치 해석 결과를 통해, 상승된 열 전달율은 복사 열전달의 증가로 인한 것으로 분석되었으며, 이는 압력 상승에 따른 가스의 복사 방출도가 상승하였기 때문이다. 또한 N2를 포함하고 있는 비정제 천연 가스의 연소 시 NOx 배출 특성을 파악하기 위하여 연소 가스 측정과 수치 해석 연구를 진행하였다. 압력이 증가하면서 연소기 내부 온도가 감소하였기 때문에, 가스 연소에서 대부분을 차지하는 열적 NOx가 감소하여 NOx 배출량은 감소하였다. 또한, 연소기 작동 압력이 증가할수록 NOx 중 NO2가 차지하는 비율은 증가하였다. 수치 해석 결과에서, 연소기 내 화염이 위치한 영역에서는 고온, 고압의 환경으로 NO와 NO2의 생성 및 환원이 활발하게 일어난다. 하지만, 연소기 출구에서 측정되는 NOx는 화염 이 후의 영역에서의 반응이 큰 영향을 미친다. 이 영역에서 NO의 산화 반응을 통해 NO2가 생성되며, NO 산화 반응은 압력이 증가할수록 촉진된다. 이와 같이 본 연구는 반응 모사 연구, 실험적 및 해석적 연구와 같은 다양한 분석을 통해 가압 순산소 연소 현상에 대한 이해도를 상승시키기 위해 수행되었다. 매우 높은 화염 온도를 가지는 가압 순산소 화염에 대한 연소 특성과 압력 증가에 따른 복사 열전달 강화와 NOx/SOx 배출량 감소를 확인하였다. 따라서, 다양한 가스 연료를 활용한 가압 순산소 연소 기술의 활용 가능성을 확인하였다는 점에서 학문적, 실용적으로 매우 의미 있는 결과를 남겼다.

The global challenges related to energy production and greenhouse gas emission of thermal power plants have encouraged combustion engineers to research the possibility of a new power plant system. In this respect, the pressurized oxy-fuel combustion system, which is operated at elevated pressure, has been proposed to overcome the efficiency penalty induced by an energy-intensive air separation unit for oxygen production, and the compression work required to capture and store CO2 in flue gas. The benefits of the pressurized oxy-fuel combustion system are as follows: the latent heat recovery in the flue gas induces a higher due point through pressurization, the minimization of the physical system size including the boiler and auxiliary equipment, the increased radiative heat transfer rate. However, most studies on the pressurized oxy-fuel combustion have considered the external flue gas recirculation to control the extremely high-temperature of pressurized oxy-flame. The external flue gas recirculation requires a substantial amount of energy to compensate for the pressure drop. It also induces combustion instability, low radiative heat transfer, and abrasion of the heating furnace due to an increase of inert gases. This study aims to investigate the characteristics and potential of the pressurized oxy-fuel combustion system using CO/H2 syngas, unpurified natural gas, and pure oxygen without CO2 dilution. Typically, the oxy-flame has an extremely high adiabatic flame temperature above 3000 K, so the combustor and burner can be severely damaged. Therefore, the chemical reaction analysis (Ignition delay, Opposed-flow diffusion flame), experimental and numerical studies using 20 kWth and 100 kWth pressurized oxy-fuel combustion systems were conducted to investigate the comprehensive characteristics of pressurized oxy-fuel combustion. At first, the reaction analyses of CO/H2 syngas were conducted to study the fundamental combustion characteristics of each fuels using the homogeneous 0-D reactor model and the opposed-flow diffusion flame model. As a result of ignition delay analysis, CO is a species with a typical slow chemical reaction, and the ignition delay time was shortened as the increments of pressure and H2 contents in the syngas. In addition, the overall chemical reaction in case of NO addition under atmospheric pressure was accelerated due to initial heat release of NO oxidation reaction, and the ignition delay time decreased. In pressurized condition, H2O2 production increased the consumption of HO2 and reduced the major heat release rate, resulting in an increase of ignition delay time and a two-stage ignition. In the study of opposed-flow diffusion flame of CO/H2 syngas with the modified GRI-Mech 3.0 with sulfur chemistry, the flame thickness increased as the H2 content in fuels increased, and the consumption of NO and SO2 in the rich zone was determined by the reactions related to H. In case of natural gas, the size of high-temperature oxy-flames decreased with increasing operating pressure. When hydrogen in the fuel is considered, the consumption rate of oxygen increased due to H2O formation in the lean region, also the NO production rate increased through the extended Zel’dovich reaction. Next, the experimental and numerical studies were conducted to investigate the characteristics of combustion, heat transfer, and NOx/SOx emission of CO/H2 syngas using the 20 kWth pressurized oxy-fuel combustion system. As pressure increases, the mean temperature decreased as the combustor is pressurized, while the adiabatic flame temperature increases at high pressure. Also, the total heat recovery rate slightly increased as the operating pressure increases due to the increment of radiative heat transfer rate. The heat flow rate is higher in the case of the high-H2O condition because the total emissivity of H2O has a higher value that of CO2. The increased operating pressure provides positive effects on the heat transfer because of the increased gas emissivity and the longer residence time. The reaction rates of major combustion reactions containing OH, O, and H2O2 were promoted as the operating pressure increases and has a higher peak value in a wider area. As a results of NOx/SOx characteristics, in the low-H2O condition, the NO emission in flue gas decreased as pressure increases, but the SO2 has hardly affected due to the higher chemical bond energy of SO2 and the scarcity of H radicals. However, when NO and SO2 were simultaneously added, the reduction rate of SO2 increased through the interaction of NO2 and SO2 under the low-H2O condition. Under the high-H2O condition, the reduction rates of NOx and SO2 are both approximately 90% at 10 bar. NO2 formation is promoted by increasing pressure and the reactions with HO2 and OH. Also, SO2 is well oxidized to SO3 by the abundance of H species. Lastly, The experimental study and CFD simulation of using the 100 kWth pressurized oxy-fuel combustion system were conducted to investigate the pressure effect of combustion characteristics, heat transfer, and NOx emissions using unpurified natural (CH4/N2). As previously analyzed in 20 kWth pressurized oxy-fuel combustion system, the mean temperature in the combustor decreased as pressure increases in spite of the increase in the adiabatic flame temperature resulting from pressurization. As a result of CFD simulation, the proportion of calculated radiative heat transfer in total heat flux was increased according to pressure increases. The NOx concentration at the same heat input decreased as pressure increases due to the decrease in mean temperature, which suppresses the formation of thermal NO. The proportion of NO2 in NOx increased to approximately 25% at the operating pressure of 10 bar. The concentration of NO and NO2 reduced and produced, respectively, in the region after the high temperature oxy-flame, which greatly affects the concentrations of NO and NO2 at the combustor outlet. Consequently, this study was conducted to increase the understanding of pressurized oxy-fuel combustion through various analyses such as chemical reaction analysis, experimental and numerical studies. The combustion characteristics of pressurized oxy-flame having an extremely high-temperature, enhanced radiative heat transfer, and the decrement of NOx and SOx emission according to pressure increases were confirmed. Therefore, this study suggest the meaning results both academically and practically in that it confirmed the applicability of pressurized oxy-fuel combustion technology using various gaseous fuels.