산업용 암모니아 버너 및 모델링 역량 개발

초록 

산업용 난방 및 증기 발생 연료로서의 암모니아는, 특히 자국 내 천연가스 매장량이 없거나_{이산화탄소} 격리를 위한 공극 공간이 부족한 지역에서 산업 부문 온실가스 배출을 줄이는 데 도움이 될 수 있는 대안으로 검토되고 있다. 암모니아는 수소 및 기타 대체 연료에 비해 에너지 밀도가 높고 이에 따른 운송 편의성이 뛰어나며, 암모니아 운송을 위한 기존 프로토콜, 표준 및 인프라가 구축되어 있고, 암모니아를 운반 매체(암모니아/탄화수소)에서 연료(수소)로 전환하는 데 필요한 추가 시설 및 에너지 소비를 없앨 수 있다는 점에서 저탄소 연료로서 매력적이다.  

암모니아는 층류 화염 속도가 느리고 고농도의 질소산화물(_NOx)이 생성되기 쉬운 특성 때문에, 기체 탄화수소 및 수소 기반 연료와 비교할 때 연료로서 몇 가지 과제를 안고 있습니다. 본 논문에서는 산업용 가열 및 증기 발생 분야에 적용하기 위해 Zeeco다양한 버너 개념을 바탕으로 개발된 상용 버너의 현재까지의 개발 현황을 설명합니다. 또한, 상업적 용도의 버너에서 암모니아 연소 성능을 예측할 수 있도록 하는 모델링 도구의 개발 과정에 대해서도 설명한다.  

여기에 설명된 기술 개발 작업은 엑슨모빌이 주도하는 대규모 암모니아 연소 프로그램의 일환으로, 매사추세츠 공과대학(MIT)과 스탠퍼드 대학교의 기초 연구를 포함하며, 암모니아 연소에 대한 이해를 심화시켜 특정 상업적 용도에 적합한 암모니아 버너를 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다.

다양한 버너 모델을 테스트한 끝에 선정된 Zeeco개량형 GLSF FREE JET® 버너에 대한 시험 결과를 본 논문에서 제시한다. 다양한 작동 조건에서 암모니아와 수소 또는 천연가스의 다양한 혼합비 로 시험을 수행한 결과,_{NOx 배출량을} 관리 가능한 수준으로 유지하면서 안정적인 화염을 제공하는 암모니아 버너 개발의 진전을 입증하였다. 본 논문에는 세 가지 상용 버너 설계에 대한 암모니아 배출 시험 데이터가 포함되어 있으며, 이를 뒷받침하는 전산유체역학(CFD) 분석 결과와 점화 시 연소 성능을 예측하기 위해 CFD를 활용하는 방법에 대한 논의도 수록되어 있다. 연소 시험과 CFD를 모두 활용하는 것은 신기술을 개발하고 상용 적용 시 성능을 합리적인 확률로 예측하는 데 필수적이다. 마지막으로, 본 논문은 상용 암모니아 버너 개발 프로그램의 향후 단계에 대해 개략적으로 설명한다.

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도입

에너지 시스템을 위한 무탄소 연료로서 암모니아 연소에 대한 관심이 높아지고 있으며, 특히 현지 천연가스(NG) 자원이 부족하거나_{이산화탄소(CO₂)} 격리가 제한적이거나 불가능한 지역에서 이러한 추세가 두드러지고 있습니다. 암모니아는 높은 에너지 밀도와 낮은 탄소 집약도를 갖추고 있어, 수소를 비롯한 많은 대체 연료에 비해 운반이 용이한 매력적인 연료로 평가받고 있습니다. 또한, 아직 널리 사용되지는 않지만, 산업계에는 이미 암모니아 취급 및 운송을 위한 기존 프로토콜, 표준 및 인프라가 마련되어 있습니다. 마지막으로, 암모니아를 직접 연소하면 암모니아를 수소로 변환하는 데 필요한 시설과 추가적인 에너지 소비를 없앨 수 있습니다. 암모니아 점화 조기에 도입한 사례는 아시아의 석탄 화력 발전소에서 점화 , 이곳에서는 암모니아를 보조 연료로 시험하고 있습니다. 이러한 방식은_CO₂ 배출량을 줄여주지만, 열적 및 연료 유래_NOx 배출을 모두 저감하기 위해서는 여전히 선택적 촉매 환원(SCR) 기술에 의존하고 있습니다.

일반적으로 사용되는 산업용 연료 가스와 비교할 때, 암모니아의 특성은 상당히 다르며, 이는 아래 표 1에 나와 있습니다. 암모니아는 화염 속도가 느리고, 화염 온도가 낮으며, 가연성 한계가 좁고, 화학 반응 속도가 느립니다. 이러한 특성들 때문에 암모니아는 연소하기 훨씬 더 어려운 연료입니다. 또한, 고온에서 암모니아가 분해되면 질소가 자유 산소, 하이드록실 라디칼 및 기타 화합물과 반응하여 다량의 질소산화물(NO,_NO₂,_N₂O)을 생성합니다. 산업용 난방 및 발전 분야에서 암모니아가 탄소 배출이 없는 연료로 널리 사용되기 위해서는 이러한 연소상의 난제들을 극복해야 합니다.

표 1. 암모니아와 일반적인 연료 가스의 비교.

엑슨모빌(ExxonMobil)과 Zeeco 신규 및 기존 산업용 가열 설비(프로세스 , 증기 발생 등)에 사용할 수 있는 상용 암모니아 버너 개발을 위해 공동 프로젝트를 Zeeco . 이 개발 프로그램은 연료 구성에 유연성을 갖추고, 모든 운전 조건에서 안정적인 성능을 발휘하며, 온실가스(GHG) 배출을 줄이는 것을 목표로 하는 버너를 생산하는 데 목적을 두고 있습니다. 이 프로젝트의 배출 목표는 3%_O₂ 건식 조건에서_NOx 200 ppm 미만(이상적으로는 100 ppm 미만), 암모니아 슬립 50 ppm 미만(가급적 10 ppm 미만)입니다. 본 논문에서는 현재까지의 개발 성과를 설명합니다.

버너 개발, 시험 계획 및 시험 시설

개발 및 테스트 계획:

상용 암모니아 버너 개발의 출발점으로 다음 세 가지 버너 개념이 선정되었습니다:

1. 1. ZeecoGB 버너 – 중앙에 위치한 단일 연료 노즐에 블러프 바디 화염 안정화 장치가 적용된 기존 방식의 원료 가스 버너
2. 2. ZeecoGLSF FREE JET – 고온 내화 타일 위에 고정된 단계별 연료 노즐을 갖추고, 타일 내부에 위치한 보조 연료 노즐에서 화염이 발생하는_초저NOx 버너(ULNB)
3. 3. ZeecoGLSF DT 버너 – 내화 타일 주위에 동일한 유형의 단계식 및 보조 노즐이 배치된 ULNB로, 버너 외곽을 따라 추가적인 단계식 연료 노즐 세트가 배치되어 있다.

그림 1은 세 가지 버너 개념의 개략도를 보여준다.  

그림 1. 초기 시험 단계의 버너 개념 - (왼쪽부터) GB, FREE JET, DT.

오클라호마주 털사 인근에 위치한 Zeeco글로벌 기술 센터(GTC)에서, 이 세 가지 버너 유형 중 자연 통풍 방식의 공칭 4 MMBtu/hr 사양에 대한 초기 시험 및 버너 구성 최적화가 수행되었습니다. 상업용 규모 중 하위 범위에 속하는 버너 크기를 테스트함으로써, 다수의 시험을 신속하고 경제적으로 수행할 수 있었습니다. 강제 통풍식 버너 설계에서 더 높은 연소 공기 압력 강하로 인해 연료와 공기의 혼합이 더욱 활발해지면, 초기 개념 개발 단계에서 버너 설계상의 결함이 가려질 수 있습니다. 따라서 화염 안정화와_NOx 및_NH3 배출을 최적화하기 위한 버너 구성 개념을 더 효과적으로 파악할 수 있도록 자연 통풍식 테스트가 채택되었습니다.

초기 버너 시험 단계에서는 연소되는 가스 흐름이 하나뿐이었기 때문에, GB 버너는 암모니아와 보조 연료를 혼합하여 사용했습니다. ULNB 설계(FREE JET DT)는 보조 노즐(중앙의 노즐)과 주 노즐(버너 타일 주변의 노즐)에 별도의 연료 스트림을 사용함으로써, 중앙 보조 연료 노즐에서는 100% 천연가스 또는 수소를 사용할 수 있게 하고, 주 연료 노즐에서는 연료 내_NH3 함량을 극대화할 수 있도록 했습니다. 천연가스와 수소는 보조 연료로 사용되었습니다.  

이러한 초기 시험 결과를 바탕으로 가장 유망한 설계 개념을 선정한 후, 배출 가스를 줄이면서도 안정적인 화염을 생성할 수 있는 범위 내에서 연료 혼합물에 포함된 암모니아의 활용 비율을 극대화하기 위해 해당 설계를 추가로 최적화했습니다. 이 가장 유망한 설계는 대부분의 산업용 난방 응용 분야에서 일반적으로 볼 수 있는 용량 범위로 확대된 강제 통풍 버너를 제작하는 데 활용될 예정입니다.

암모니아 연소를 위한 전산유체역학(CFD) 모델링 기법의 개발은 상용 암모니아 버너 개발의 핵심 요소입니다. 탄화수소 및 수소 연소는 검증된 반응 동역학을 통해 잘 이해되고 있는 반면, 암모니아 연소 모델링은 아직 개발 초기 단계에 있습니다. 이번 CFD 연구는 암모니아 연소를 보다 정확하게 시뮬레이션하기 위해 화학 반응 속도론 및 난류 모델을 개선하는 데 중점을 두었습니다. 이 CFD 연구의 목적은 버너 설계를 지원하고 상용 적용 시 버너 성능을 예측할 수 있는 CFD 도구를 개발하는 것입니다.

시험 시설: 

ZeecoGTC에 설치된 기존의 수직 원통형(VC) 단일 버너 시험로 중, 시험 대상인 4 MMBtu/hr 버너에 적합한 크기의 장비가 암모니아 연소를 위한 설비 설치 장소로 선정되었습니다. 사용된 시험로는 복사 상자 높이가 약 14’이고 튜브 원형 직경이 6’였으며, 시험로 바닥 중앙에서 단일 버너에 대한 시험이 진행되었습니다. 히터 화실 온도는 VC의 한쪽 면에 위치한 튜브를 통해 흐르는 물의 유량을 조절하여 제어되었으며, 이는 프로세스 튜브로 이루어진 더 큰 원형 내부에 여러 개의 버너가 원형으로 배열된 상용 수직 원통형 설비의 구조를 모방한 것이었습니다.  

암모니아 취급을 위해 연료 공급, 기화, 배관 및 계량 설비를 모두 추가하거나 개조했습니다. 안전한 운영을 보장하기 위해 상세한 안전 검토를 실시하여, 적절한 시설이 갖춰졌는지 확인하고, 필요한 운영 절차를 수립하며, 암모니아 연료의 취급 및 운영과 관련된 위험을 최소화할 수 있도록 운영 인력을 교육했습니다. 운영 절차 및 교육 내용에는 시험 시 시설 내에 있는 인원, 주변 환경 조건, 풍속 및 풍향 등이 포함되었습니다.

배출량 측정은 각별한 주의가 필요한 또 다른 분야였다. 화학발광 방식을 활용하는 기존의_NOx 측정 시스템은 시스템 내에 존재하는_NH3 누출과 상호작용할 가능성이 있어 오해의 소지가 있는 결과를 초래할 수 있습니다. 또한, 프로그램의 버너 개발 목표를 달성하기 위해서는_NH3 누출과_N2O를측정하는 것이 중요했습니다._NOx 배출량에는 NO와_NO2가 포함되지만,_N2O는포함되지 않습니다. 탄화수소와 수소 연료가 혼합된 대부분의 연소 시스템에서_N2O배출량은 매우 낮으며, 일반적으로 5 ppm 미만입니다. 그러나 암모니아 함량이 높은 연료 혼합물에서 연료에 결합된 질소 함량이 매우 높을 경우, 상당한 양의_N₂O가배출될 가능성이 훨씬 더 커집니다._N₂O배출은 대기 중 오존을 유발하는_NOx와 달리 인체에 호흡기 손상을 일으키지 않기 때문에, 과거에는 큰 우려 사항이 아니었습니다. 하지만_N₂O는강력한 온실가스이므로,_CO₂ 배출을 줄이기 위해 암모니아를 저탄소 연료로 사용할 때는 특히 주의가 필요합니다.  

배출 가스 측정을 위해 시험 용광로에 다음과 같은 분석기가 설치되었습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:

• • • NO,_NO₂,_N₂O,_NH₃,_O₂,_H₂O,_CO₂, CO를 측정하기 위한 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) 시스템
    • NO,_NH3,_H2O를측정하기 위한 가변 다이오드 레이저(TDL) 기반 시스템
    • _NOx,_NO2, 건조_산소(O2), CO를 측정하는 화학발광식 및 상자성식 분석기

TDL 시스템은 굴뚝(그림 2)의 노즐 연결부 두 쌍에 설치되었다. 나머지 두 분석기 시스템은 독립적인 가열 시료 채취 시스템을 사용하여 연도 가스 시료를 지면 높이의 분석기로 이송했다.

그림 2. 시험용 용광로 스택에 설치된 TDL 분석기

고농도의 암모니아를 연소하는 과정에서 다음과 같은 몇 가지 문제점과 관찰 사항이 있었습니다:

• • 연도 가스에 포함된 높은 농도의 수분은 FTIR 및 TDL 시스템에 문제를 야기했습니다(파장 간섭). 예상되는 연도 가스 수증기 농도 범위를 고려한 분석기 구성이 필요했습니다. 본 논문을 집필하는 시점에서, 검증된 측정이 가능한 TDL 구성은 아직 개발 중이므로, 본 논문에서 인용된 모든_NH3 측정값은 FTIR 분석기를 통해 얻은 것입니다. 

  • Ammonia is a “sticky” gas and can stay adhered to the sample line tubing wall for an extended period. This made it challenging to take test point measurements that did not carry ammonia slip from previous test points. A test was conducted where the analyzer initially read <1 ppm NH₃ before ammonia fuel was introduced; upon firing, ammonia measurement spiked to 2000–4000 ppm. The sample line was opened to the atmosphere, and it took 12 minutes for NH₃ levels to drop below 10 ppm and 53 minutes to reach 2 ppm! 
  • 또한, 암모니아가 용광로 단열재에 흡수되기도 합니다. 별도의 시험에서 버너를 정지시키고 용광로 문을 열어 대기와 연결했습니다. 용광로 중앙에서는_NH3 수치가 0으로 나타났으나, 단열재에서 6” 떨어진 지점에서 측정했을 때는 9~17 ppm이 기록되었습니다. 또한, 히터를_H₂ (또는 천연가스)로 가동했을 때, 밤새 퍼징(자연 통풍 상태에서 개방)을 실시했음에도 불구하고 단열재에 갇힌 암모니아로 인해_NH₃가 기록된 사례도 있었습니다. 그림 3은 암모니아 함량이 높은 연료(80+ vol%)를 연소하던 중 버너를 차단한 후, FTIR 분석기로 측정한_NH₃ 농도의 시간별 추이를 보여줍니다. 
  • 연료 배관 내에서 암모니아가 응축되어 밸브에서 역류하는 사례가 몇 차례 있었습니다. 이 액체는 가스 버너에서 제대로 연소되지 않았고, 배기구에서_NH3가 검출되었습니다. 

그림 3. 버너 차단 후 시간 경과에 따른 배기구에서 측정된 잔류_NH3 농도 

초기 버너 시험 결과

이번 초기 개발 단계에서는 약 0.3” WC의 바닥 통풍 조건에서 다양한 과잉 산소(O₂) 농도 범위에 걸쳐 버너 시험을 실시했다. 대부분의 시험 지점에서 화실 온도는 1600~1750F로 유지되었습니다. 초기에는 세 가지 버너 개념 모두 성능이 만족스럽지 못했으며, 각 버너에서 배출 가스에 높은 농도의 암모니아가 검출되었습니다. 이에 각 버너에 대해 화염 안정성을 개선하고,_NOx 및 암모니아 누출을 줄이며, 연료 내 암모니아 함량을 높이기 위한 개조가 이루어졌습니다. 

표 2는 최적화 후 세 가지 버너 개념에 대한 시험 결과 요약을 보여준다. 기존 GB 버너는 천연가스와 혼합 시 최대 20%(*)의 암모니아를, 수소와 혼합 시 최대 60%의 암모니아를 연소할 수 있었다. 그러나_NOx 배출량은 여전히 높은 수준을 유지했다. GLSF FREE JET 현저한 개선을 보였으며, 주 노즐을 통해 100% 암모니아로 안정적인 화염을 생성했으나, 주 연료로 사용되는 암모니아 비율이 80%를 초과하면 암모니아 누출이 허용 불가한 수준에 이르렀다. 또한 이 버너는 GB 버너보다 낮은_NOx 배출량을 기록했다. DT 버너는 FREE JET 유사한 FREE JET 보였으며, 뚜렷한 장점은 나타나지 않았다. 이러한 결과를 바탕으로, 향후 개발은 FREE JET 개념에 집중하기로 결정되었다.

표 2. 연료 내 암모니아 농도가 최대인 상태에서의 초기 시험 결과 

초기 테스트 관찰 결과: 

초기 테스트를 통해 도출된 몇 가지 주요 관찰 결과는 다음과 같습니다:

• • FREE JET 주 연료 노즐의_NH3 함량을 80 vol% 이상으로 높였을 때, 버너는 안정적으로 작동했으나 화염 길이가 증가했고, 그 결과 배기구에서 상당한 양의_NH3 누출(200 ppm에서 >1000 ppm)이 발생했다. 그림 4의 사진은 이러한 조건에서 매우 높은 암모니아 누출이 발생했음에도 불구하고, 주 연료 팁의 암모니아 함량이 최대 100%에 이르는 다양한 조건에서 안정적인 화염을 보여줍니다. 그림 5의 데이터에서 볼 수 있듯이, 주 연료 팁의_{NH3 함량이} 80 vol%를 초과하는 시험 지점에서는 천연가스 및 수소 보조 가스를 모두 사용할 때 높은 암모니아 슬립이 관찰될 수 있습니다. 주 연료 팁의 암모니아 함량이 80% 미만인 경우, 대부분의 데이터 포인트는 0~5 ppm 범위 내에 있었습니다. 
  • ULNB는 열적_NOx를 저감하는 것 외에도,_NH3 혼합물의 연소와 관련된 연료 유래_NOx도 저감했습니다. GB 기존 버너는_NH3 60% 및 수소 40% 혼합 연료를 사용했을 때 약 2,400 ppm의_NOx를 배출했습니다. 동일한 연료를 사용했을 때, GLSF FREE JET 200~400 ppm의_NOx를 배출했습니다. FREE JET 연료 노즐을 통해 화염으로 유입된 연도 가스가 특정 영역을 형성함으로써,_NH3 산화에 유리한 조건(높은_{산소 농도} 및 고온)에서 생성된 NO를_NH2가N2로 환원시키는 것으로 추정됩니다. 
  • N₂O emission correlated very strongly with NH₃ slip. For test points where NH₃ slip was < 5 ppm, N₂O was less than 10 ppm. Where NH₃ slip was between 5 and 100 ppm, N₂O was between 10 and 50 ppm. For NH₃ slip > 100 ppm, N₂O was 50-150 ppm. Thus, limiting NH₃ slip results in preventing N₂O emissions that erode the CO₂ emission reduction benefit of ammonia fuel. 
  • 단계별 공기 주입 시험 결과에 따르면, 용광로 상부 구역에서 아주 소량의 단계별 공기 주입만 이루어져도_NOx 배출량이 약 25 ppm 증가하는 것으로 나타났습니다. 따라서 용광로 상부 구역에서의 단계별 공기 주입은 효과적인_NOx 저감 방법이 아닐 수 있습니다. 또한, 이 결과는 용광로가 음압 상태에서 작동하는 프로세스 및 기타 응용 분야의 경우, 공기 누출이 현장에서_NOx 배출량에 상당한 영향을 미칠 수 있음을 보여주었습니다. 
  • 3.4 MMBtu/hr 조건에서 메인 팁에 점화 vol% 천연가스(NG)와 90 vol%_NH3를 점화 , 보조 팁에서는 천연가스로부터 20%의 열 방출이 발생하는 FREE JET 중 암모니아 측정 결과, 바닥에서 15’ 상공에서 1100 ppm의_NH3가, 굴뚝에서는 5.5 ppm이 검출되었습니다._NOx를 저감하기 위해 선택적 비촉매 환원(SNCR)을 모사하여 화염 상부에_NH3를 주입하는 방법은 암모니아 점화 높은 상황에서는 적용할 수 없었습니다. 대신, 화염 높이를 낮추는 데 중점을 두었습니다. 

그림 4. 메인 팁 연료 분할 FREE JET GLSF FREE JET 초기 시험 

그림 5. 보조 연료로 천연가스와 수소를 각각 사용한 GLSF FREE JET 배기 가스 배출량 비교 

최적화된 자연통풍식 GLSF FREE JET 개발 및 시험

초기 시험이 끝난 후, 개선된 GLSF FREE JET 시험된 세 가지 개념 중 가장 유망한 것으로 드러났습니다. 이 버너는 암모니아 점화 성능을 향상시키기 위해 추가 개발이 이루어졌습니다. 앞서 언급한 바와 같이, 초기 시험에서는 화염 안정성을 확보하기 위해 보조 노즐에 100% 천연가스(NG) 또는 100%_{수소(H2)를} 사용했습니다. 주 연료 팁에는_NH3와 보조 연료(천연가스 또는_수소)의 혼합물이 사용되었습니다.   

개량된 버너의 개발 및 시험 과정에서, 보조 연료 노즐과 주 연료 노즐 모두 동일한 공급원에 연결되어 두 노즐 세트 모두 동일한 조성의 연료를 사용하게 되었습니다. 초기 개발 단계에서 검토 및 개선된 설계 매개변수들을 재평가하여, 목표 성능을 충족시키면서 버너로 공급되는 전체_{NH3 비율을} 높일 수 있도록 했습니다. 주 연료 가스의 안정적인 점화를 위해 보조 노즐의 화염을 유지하는 것이 어려운 것으로 밝혀졌으며, 초기 시험 단계에서 사용된 것과 동일한 용광로 조건에서 여러 가지 수정 방안을 시험하였다.

최적화된 버너 성능 테스트 결과:

원하는 목표 성능 기준을 충족하면서 달성한 최대_NH3 농도는_NH3 70% 및 천연가스 30%였다. 버너 연료의 전체적인_NH3 함량은 초기 시험과 유사했으나, 보조 노즐에 별도의 100% 천연가스 또는 100% 수소 공급이 필요 없게 된 점은 산업용 버너 배치에 적합한 버너를 개발하는 데 있어 상당한 개선이었다. 암모니아 함량이 70%를 초과하면 암모니아 누출이 급격히 증가했습니다. 다양한 양의_NH3를 사용한 최적화된 자연통풍 버너의 성능은 아래 그림 7과 8에 나와 있습니다. 

그림 6. 단일 연료 공급 방식을 적용한 최적화된 자연 통풍식 GLSF FREE JET 의_NOx-연료 내_NH3 함량 관계 

그림 7. 단일 연료 공급 FREE JET 최적화된 자연 통풍식 GLSF FREE JET _NH3 슬립 대 연료 내_NH3 함량 

단일 연료 공급 방식의 최적화된 자연통풍식 FREE JET 높은 암모니아 농도에서도 견고한 성능을 보였으며,_NOx 및_NH3 배출량도 적정 수준을 유지했습니다. 이 설계는 더 높은 농도의 암모니아를 처리할 수 있도록 추가적인 개선이 필요하며, 궁극적으로는 상업적 적용에 점화 100% 암모니아 점화 달성해야 점화 . 이는 본 연구의 궁극적인 목표입니다. 본 논문의 ‘향후 연구’ 절에서 이에 대해 자세히 다루고 있습니다. 

버너 성능 예측을 위한 CFD 모델링 도구 개발

산업용 버너 개발에는 연소 시험과 전산유체역학(CFD)을 모두 활용하는 것이 필수적입니다. 산업 현장에서의 채택을 확고히 하기 위해서는 상업적 적용 환경에서 버너 성능(화염 형태, 배출가스, 화염 간 상호작용 등)을 합리적인 정확도로 예측할 수 있어야 합니다. 탄화수소 및 수소 연료용 CFD 도구는 현재 매우 성숙한 단계에 이르렀으나, 암모니아용의 경우 개발 초기 단계에 머물러 있습니다. 단일 버너는 시험용 화로에서 신속하게 평가할 수 있지만, CFD의 가치는 다중 버너 설비, 특히 신규 또는 특이한 응용 분야에 대한 정확한 성능 예측을 제공한다는 점에 있습니다. 

CFD 연구는_NOx 및 암모니아 누출과 같이 중요하지만 예측하기 어려운 현상에 대한 용광로 배출 가스 모델링에 중점을 두었습니다. 본 프로젝트에서 개발된 CFD 모델링 기법은 다중 버너 산업용 장비에서의 암모니아 연소와 같은 더욱 까다로운 응용 분야에 대한 유망한 해결 방안을 제시합니다.

이 모델의 주요 특징은 다음과 같습니다:

1. 1. 실현 가능한k-Ɛ, 정상태 RANS
2. 2. 본 응용 분야에 맞게 매개변수가 조정된 Eddy Dissipation Concept(EDD) 난류-화학 상호작용 모델 (Magnussen & Hjertager1)
3. 3. 천연가스와 암모니아 혼합물에 대한 CRECK(Stagni 외 2) 기전을 기반으로 한 단순화된 화학 동역학 기전, 그리고 탄화수소가 존재하지 않는 상황에서 H-N-O 동역학을 설명하기 위해 MIT가 본 프로젝트를 위해 개발한 기전(Doner 외 3)

아래에는 물리적 시험 데이터와 비교한 일부 선별된 시뮬레이션 결과가 제시되어 있습니다.

그림 8. 주 연료가 75%_NH3/25% NG이고 보조 연료가 100% NG인 경우, 4 MMBtu/hr의 열 방출에 대한 CFD 결과 

그림 9는 열방출량이 4 MMBtu/hr인 FREE JET 암모니아-천연가스 주연료 혼합물에 대한 대표적인 CFD 결과를 보여준다. 시험 용광로의 한쪽 측면에 위치한 냉각관으로 인해 관 주변에서 산소가 풍부한 가스가 하향 순환하게 되며, 이로 인해 화염의 이쪽 측면에서 연료가 더 빠르게 연소되고 화염이 용광로의 더 뜨거운 쪽으로 치우치게 된다.  

그림 9. 75%_NH3/25% 천연가스(NG)를 주연료로, 100% 천연가스(NG)를 보조연료로 사용하는 4 MMBtu/hr 용량의 GLSF FREE JET 대한 CRECK RM을 적용한 NO의 순반응 속도 

그림 9는 75%_NH3와 25% 천연가스로 연소되는 화염에서 NO의 생성 및 소멸 과정을 모두 보여준다. 이 모델은 연료 및 열 경로를 통한 NO 생성은 물론, 선택적 비촉매 환원(SNCR) 반응을 통한 암모니아에 의한 NO 소멸을 예측할 수 있을 만큼 충분한 화학 동역학적 세부 사항을 포함하고 있습니다. 이 모델 결과는 연료 단계별 공급, 연도 가스 유입, 지연된 공기-연료 혼합이 어떻게 작용하는지에 대한 Zeeco이해와,_NH3 산화 및 NO 환원 화학에 대한 현재의 이해가 결합된 내용과 질적으로 일치합니다. 공기-연료 혼합 지연과 산소 농도가 낮고 온도가 낮은 연도 가스가 화염으로 유입되는 현상이 결합되어,_NH3 산화에 의한 NO 생성과 해리된_NH3 및 OH 라디칼과의 반응에 의한 NO 환원이 촉진되는 인접 구역이 형성됩니다.

그림 10. 초기 GLSF FREE JET _NH3/H2 연료 시험 결과와 두 가지 동역학 모델을 활용한 CFD 예측치를 비교한 스택 NO 및_NH3 슬립 측정값 

그림 10은 NO 및 암모니아 누출에 대한 측정값과 예측값을 비교한 것이다. 예측값을 산출한 CFD 모델은 다음 두 가지 메커니즘을 사용했다:  

1. 1. Stagni 등(20XX)의 상세 기전을 기반으로 한 50종 축소 화학 모델 
2. 2. 이 프로젝트를 위해 MIT에서 개발한 화학 모델 (Doner 외) 

그림 10의 측정 데이터는 GLSF FREE JET 주 노즐에서 점화 암모니아-수소 혼합물을 점화 , 보조 노즐에서는 100% 수소를 점화한 시험 결과입니다. MIT 기법은_NH3-H2 혼합물에 대해서는 우수한 NO 결과를 보여주지만, 순수_H2의 경우 NO 농도를 과대 예측합니다. 두 기법을 모두 사용한 CFD 시뮬레이션은 암모니아 함량이 최대 80%일 때 한 자릿수 또는 소수점 이하 ppm 수준의 암모니아 누출을 예측하지만, 순수 암모니아 점화 시에는 예측 결과가 크게 달라지며, 이 경우 CRECK 기법이 정량적으로 더 우수한 성능을 보입니다. 

그림 11. 최적화된 자연 통풍식 FREE JET 대해 두 가지 모델을 적용한 스택 NO 및_NH3 슬립과 CFD 예측값의 비교 

그림 11은 최적화된 GLSF FREE JET 대한 CFD 결과를 보여준다. 이 FREE JET 100% 천연가스와 60~75%_NH3 범위의 연료 혼합물에 대해 시험되었다(보조 및 주 노즐 모두 단일 연료 사용). 이 연구 기간 동안 사용할 수 있었던 MIT 메커니즘에는 탄화수소 화학 반응이 포함되어 있지 않았기 때문에, 이러한 시험에 대한 모든 시뮬레이션은 50종 CRECK 축소 메커니즘을 사용하여 수행되었다. 

이 데이터셋을 바탕으로 NO 예측 결과가 상당히 정확합니다. 암모니아 누출량도 잘 예측되었습니다. 최적화된 자연 통풍식 FREE JET 경우, CFD 모델은 연료_NH3 비율이 70%일 때 암모니아 누출이 발생할 것으로 예측했으나_, 실제 측정 결과에서는 75%에서 누출이 발생했습니다. 특히 실험적 불확실성 정량화가 이루어지지 않았고, 동역학 모델 개발이 아직 진행 중이라는 점을 고려할 때, 배기 가스 중 NO 및_NH3 농도 예측의 정확도는 매우 고무적입니다.

향후 과제

위에서 제시한 암모니아 연소 실험 결과의 초기 성공을 바탕으로, 향후 다음과 같은 연구가 계획되어 있습니다. 

버너 개발:

GLSF FREE JET 바탕으로 다음과 같은 특성을 지닌 강제 통풍 버너 시제품을 설계하고 시험하십시오:

• • 점화 암모니아를 점화 수 있으며, 천연가스 또는 수소로 구성된 예비 연료를 사용할 수 있음 
  • 단일 연료 가스 공급
  • _NOx 배출량이 200 ppm 미만(가급적 100 ppm 미만)이고,_NH3 누출량이 50 ppm 미만(가급적 10 ppm 미만)인 경우

CFD 도구 개발:

향후 CFD 연구에서는 단순화된 동역학 모델과 상세 동역학 모델의 구현을 계속해 나갈 것입니다. MIT와 스탠퍼드 연구팀은 이러한 목표 달성을 위해 계속해서 전문 지식을 제공할 것입니다. 

결론 

초기 버너 개발 결과, 자연 통풍식 ULNB가 천연가스 내 70% 점화 _NH3를 성공적으로 연소시킬 수 있으며, 해당 암모니아 농도 수준에서 점화 원가스를 점화 버너와 유사한_NOx 성능을 달성할 수 있음이 입증되었다. 또한 이 연구를 통해 단계식 연료 버너가 점화 때 기존 버너보다 훨씬 우수한 성능을 발휘한다는 사실도 확인되었다.  

암모니아 연소 CFD 기능을 구현하기 위해 선정된 하위 모델들의 조합은 산업용 응용 분야에서 수용 가능한 수준의 NO 및 암모니아 슬립 예측 결과를 제공하며, 다양한 버너 구성과 수소 및 천연가스를 혼합한 암모니아 연료 조건에서 그 성능이 입증되었다. 테스트된 화학 메커니즘 중, 축소된 CRECK 메커니즘은 암모니아와 탄화수소 연소 모두를 효과적으로 모델링하여 실험적 경향과 합리적인 일치를 보였으나, 이 부분은 여전히 추가적인 정교화가 필요한 분야로 남아 있다. 

앞으로 첨단 CFD 모델링과 긴밀히 연계된 버너 개발이 지속됨에 따라, NOx 배출량을 더욱 낮춘 상태에서 암모니아를 안전하게 연소할 수 있게 될 것으로 기대된다. 강제 통풍식 버너의 개발은 이러한 가능성을 한층 더 확대할 것이다. 

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