석탄화력 보일러의 미분탄-암모니아 혼소 전산유체해석을 위한 암모니아의 굴로벌 연소 메커니즘 개발

Development of global combustion mechanism of ammonia for pulverized coal-ammonia co-combustion in a coal-fired power plant

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.