메탄-산소 연소에서 침입공기의 위치 및 유량이 NO x 배출 특성에 미치는 영향에 관한 수치해석적 연구

Influence of Position and Flow Rate of Infiltrated Air on NO x Emission Characteristics in Methane-Oxygen Combustion : A Numerical Study

순산소연소에서는 연료에 질소 성분이 포함되지 않는다면 이론적으로 질소산화물이 배출되지 않는다. 그러나 제철소의 대표적인 열설비인 재가열로에서 메탄-산소 연소의 경우, 외부 공기가 가열로 내부로 유입되면서 공기에 포함된 질소의 고온 산화반응으로 고농도의 질소산화물을 배출하게 된다. 따라서 본 연구에서는 전산유체역학 시뮬레이션을 통해 공기의 침입이 메탄-산소 연소 시 질소산화물 생성에 미치는 영향을 수치적으로 조사하였다. 특히, 외부공기의 유입 위치와 유입량이 질소산화물 배출에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과, 온도가 높은 주연소부로 외부공기가 유입될 때 질소산화물의 배출량이 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 외부 침입공기 유량에 대한 질소산화물배출 특성은 외부 공기 유입경로에 따라 다른 경향을 보였다. 버너 근처에 외부 공기가 유입될 때, 그리고 외부 공기유입 유량이 낮을수록 질소산화물의 배출 농도는 높아졌다.

In pure O₂ combustion, the absence of N₂ in the fuel theoretically eliminates the emission of NOx. However, when CH₄ combusts in the presence of O₂ in a reheating furnace, the influx of external air into the furnace introduces N₂, resulting in a significant emission of NOx. Therefore, in this study, we numerically investigated the effect of external-air intrusion on the production of NOx during CH4-O₂ combustion through computational fluid dynamics simulation. NOx emission characteristics were investigated in terms of the location and amount of external-air inflows. Results indicated that NOx emissions increased when external air flowed into the main combustion area where the temperature was high. Additionally, the flow rate of external air exhibited different effects on NOx emission characteristics depending on the inflow path of the air. When external air was introduced near the burner, the NOx emission concentration increased as the flow rate of the air decreased.