미분탄-암모니아 흔소를 위한 전산해석모델 개발 및 최적 흔소 방안 연구

Development of numerical models for pulverized coal-NH₃ cofiring and analysis on ideal cofiring method

미분탄-암모니아 혼소는 최근에 부각된 석탄화력의 탄소 저감 기술로 NOx 발생과 보일러 성능에 큰 영향이 없는 혼소 방식의 개발이 필요하다. 전산유동해석은 다양한 혼소 방안별 성능 예측을 통해 혼소 방식을 최적화하기 위한 핵심 기법으로서 석탄 및 암모니아의 연소, 열전달, NOx 거동 둥에 대한 합리적인 예측이 필요하다. 본 연구에서는 먼저 암모니아 연소 반응의 Global mechanism을 수립하고 기존의 석탄 연소, ThermaJ 및 Puel NOx 반용과의 통합적인 해석 기법을 개발하였다. 그리고, 이를 이용하여 단일스월버너와 접선연소식 보일러 내 암모니아 최적 혼소 방안에 대한 평가를 진행하였다. 암모니아 반용모델은 주요화학종(NH₃, O₂, H₂, N₂, NO, N₂O)으로 구성된 5개 반응을 수립하고, 넓은 온도 및 당량비 조건 범위에서 Okafor detaiJed mechanism의 반응시간과 NO 농도를 기준으로 반용상수롤 최적화하였다. 스월버너는 암모니아를 버너 중앙에서 단순 투입시 혼소율 20% 이상의 조건에서 화염의 안정성 저하와 NOx 배출 중가 동의 문제를 보였다. 따라서, 다양한 암모니아 투입 방식에 대한 추가 연구가 필요하다. 접선연소식 보일러의 경우 암모니아의 투입 위치에 따라 열전달 및 NOx 발생 특성에 큰 차이를 보였다. 특히 최하단 버너에 투입시 NOx 발생은 저하되었으나 보일러 하부 온도 감소에 의해 벽면 열전달이 큰 폭으로 감소하고 보일러 상단 관군부에서의 열전달이 중가하였다. 따라서, 2차공기 배분을 최적화하여 보일러 스팀 측 운전 영향을 최소화하는 방안의 도출이 필요하다.