저NOx 수평연소(HBC) 버너 덕트 내 미분탄 거동 개선을 위한 전산해석 연구

국문 초록 (Abstract)

Nox는 2차 미세먼지를 유발하는 오염원으로서 대기오염물질 배출기준의 강화를 통해 화력발전에서의 배출량이 엄격히 관리되고 있다. NOx 저감은 최종적으로 보일러 후단의 선택적촉매환원을 통해 제거되나, 저NOx 연소를 통해 일차적으로 생성을 억제하는 것이 바람직하다. 수평연소(HBC, Horizontal Bias Combustion)는 접선연소식 석탄화력에 적용되는 저NOx 연소 방식의 하나로서 버너 출구 좌우 미분탄 농도 편차를 발생시켜 NOx 저감을 극대화시킬 수 있다. 이 때 보일러 안쪽(화염구)을 향하는 노즐은 미분탄이 집중된 연료농후 상태, 벽면으로 분사되는 노즐은 연료 희박 상태로 분사된다. 이를 통해 보일러 벽면 쪽의 희박한 영역에서는 회분 부착에 의한 슬래깅/파울링을 저감하고, 보일러 중심의 연료 농후 영역에서는 NOx 저감 메커니즘을 촉진시킬 수 있다.
본 연구는 국내 500MW 표준화력에 최근 일부 적용된 HBC 버너의 미분탄 거동을 전산해석 모델을 통해 분석하고, 설계 개념에 맞는 미분탄 농도 편차의 달성을 위해 내부 구조를 개선하기 위한 것이다. 표준화력에는 이미 PM(Pullution Minimum) 버너가 설치되어, 미분탄과 1차 공기의 유동을 Conc(Concentrated, 미분탄 집중) 및 Weak(미분탄 희박) 포트로 분리하는 저NOx 연소 개념이 적용되어 있다. HBC 버너는 Conc 및 Weak 포트에 대해 각각 적용되어 미분탄의 농도 편차를 극대화시키게 된다. 이를 자세히 분석하기 위해 난류 유동과 함께 입경 분포를 반영한 다수의 미분탄 입자 궤적을 추적하는 Discrete phase method를 결합하여 설계 형상에 대한 해석을 수행하였다. 그 결과 각 포트 입구의 곡관부 형상으로 인해 유동이 왜곡되어 HBC 버너가 의도하는 미분탄 농도 편차의 달성에 한계가 있음을 확인하였다. 이러한 농도 편차를 증가시키기 위해서 HBC 덕트 내부의 3개의 Vane 길이를 다양하게 변화시켜 전산해석을 수행하였다. 그 중 2단(첫 번째와 두 번째vane) 길이를 1.5배 증가시켰을 때 기존 설계보다 약 6배 증가한 농도비를 얻을 수 있었다. 그리고 기존 HBC 버너 설계에 적용이 용이할 수 있도록 변경 사항을 최소화하였다. 이 논문으로 HBC 버너에 관한 질소산화물 저감에 대한 개선을 기대한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

NOx is a pollution source that causes the formation of secondary particulate matter in the atmosphere, and its emission from thermal power plants is strictly regulated by air pollutant emission standards. The reduction of NOx is achieved through selective catalytic reduction ate the boiler exit but is desirable to minimize its formation during combustion by primary measures. Horizontal-bias-combustion(HBC) is one of the low NOx combustion methods for coal applied to tangential-firing boilers. It generates a deviation in the concentration of fine coal between the left and right sections of the burner outlet. The section toward the center of the boiler (the flame port) is injected in a fuel-rich state with a larger coal concentration, whereas the section facing the wall is injected in a fuel-lean condition. This can promote the NOx reduction mechanism by creating a fuel-rich region at the furnace center while slagging/fouling by ash deposition on the boiler wall can be alleviated. The purpose of this study is to analyze the detailed coal behaviors of HBC burner applied to the 500 MW standard power in Korea using computational fluid dynamics (CFD) and to improve the deviations in the coal concentration at the burner outlet according to the design concept of HBC by modifying the internal structure. The standard power plant already has the pollution minimum (PM) burner for low NOx combustion, which separates the flow of pulverized coal and primary air into two ports: concentrated (Conc) and Weak ports. The HBC burner is applied to both internal ducts of the Conc and Weak ports to maximize the deviations in coal concentration. For CFD simulations, the design shape was analyzed by employing the turbulence model and discrete phase method that tracks the trajectories of a large number of pulverized coal considering the particle size distribution and turbulent dispersion.
The results showed that the ratio of coal concentration at the burner outlet were smaller than the design target of 4 in the HBC burner because the flow was distorted in the curved pipe at the entrance of each port. To increase the concentration ratio, additional simulations were performed for various lengths of three vanes installed inside the duct of HBC. Increasing the length of the first and second vanes by 1.5 times achieved a concentration ratio of approximately 6 at the burner outlet which was larger than the design target. This is a minor modification that can be easily applied to the existing vane design of the HBC burner and is expected to significantly improve the performance of NOx reduction.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 관련 연구 3
• 3. 연구 목적 7
• 제2장 연구 방법 8
• 1. 시험 설비 구조 및 특성 8
• 2. HBC 구조 및 운전조건 10
• 3. 전산유동 해석 방법 13
• 제3장 연구 결과 19
• 1. 기존 HBC 버너 분석 19
• 2. HBC 버너 형상 변경안 분석 25
• 제4장 결 론 37
• 1. 결 론 37
• 2. 향후 연구 38