산업용 암모니아 버너 개발: 연소 시험, 모델링 및 시제품 제작 준비 과정

초록 

산업용 난방 및 증기 발생을 위한 연료로서 암모니아의 사용은, 특히 자국 내 천연가스가 없거나_{이산화탄소 격리를} 위한 공극 공간이 확보되지 않은 지역(예: 일본, 한국)에서 산업계 온실가스 배출을 줄일 수 있는 잠재적 대안으로 업계에서 검토되고 있다. 암모니아는 다음과 같은 이유로 저탄소 연료 솔루션으로서 잠재적으로 매력적인 대안으로 꼽힌다: i) 수소에 비해 더 뛰어난 운송성을 가능하게 하는 에너지 밀도, ii) 암모니아 운송을 가능하게 하는 프로토콜, 표준 및 인프라의 존재, iii) 운반 매체(암모니아/탄화수소)를 연료(수소)로 전환하는 과정에서 발생하는 추가 시설 및 에너지 소비를 잠재적으로 피할 수 있는 능력.

암모니아는 상대적으로 낮은 층류 화염 속도, 속도 변형에 대한 민감성, 좁은 가연성 범위, 그리고 고농도의 질소산화물(NOx)을 생성하기 쉬운 특성 등으로 인해, 기체 탄화수소 및 수소 기반 연료와 비교할 때 연료로서 여러 가지 과제를 안고 있습니다. 본 논문에서는 2025년 AFRC 산업 연소 심포지엄에서 시험 및 발표된 버너 설계와 관련 전산유체역학(CFD) 역량의 추가 개발 내용을 설명할 것이다. 이러한 추가 개발 및 연구의 결과로, 강제 통풍식 산업용 가열 및 증기 발생 응용 분야에 특화되어 Zeeco의 GLSF FREE JET 플랫폼을 기반으로 한 독창적인 버너 설계가 제시될 것이다. 또한 상업용 응용 분야에서 암모니아 버너의 성능을 예측할 수 있도록 지원하는 모델링 도구 및 분석 방법의 개선 사항도 설명됩니다.

본 논문에서 설명하는 개발 연구는 엑슨모빌이 후원하는 대규모 암모니아 연소 프로그램의 일환으로, 상업적 응용을 위한 암모니아 버너의 성능 향상을 도모하기 위해 암모니아 연소에 대한 이해를 심화시키는 것을 목표로 매사추세츠 공과대학(MIT)과 스탠퍼드 대학교가 수행한 기초 연구를 포함하고 있다.

본 논문에서는 Zeeco가 개량한 GLSF FREE JET 버너를 대상으로, 다양한 작동 조건 하에서 암모니아와 수소 또는 천연가스의 다양한 혼합 비율을 사용하여 예열 공기의 유무에 따른 강제 통풍 방식의 시험 데이터를 포함할 것이며, 이를 통해 목표 성능을 충족하는 NOx 및 암모니아 배출량을 유지하면서 안정적인 화염을 제공할 수 있는 버너 개발의 진전을 입증할 것이다. 또한 이를 뒷받침하는 CFD 분석 결과와 CFD를 활용하여 연소 성능을 예측하는 방법에 대한 논의도 포함될 것이다. 본 논문은 새로운 기술을 개발하고 상용 적용 시 성능을 합리적인 확률로 예측하기 위해서는 연소 시험과 CFD가 모두 필수적임을 재차 강조할 것입니다.

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도입

특히 천연가스 자원이 부족하거나 이산화탄소 격리 수단이 없는 지역에서, 이산화탄소 배출을 줄이는 수단으로서 암모니아 연소에 대한 관심이 높아지고 있다. 암모니아는 높은 에너지 밀도와 낮은 탄소 집약도를 갖추고 있으며, 전 세계적으로 확립된 인프라를 바탕으로 하여 수소보다 저장 및 운송이 더 실용적이다. 또한, 암모니아를 직접 연소하면 이를 수소로 분해하는 데 필요한 에너지와 설비를 절감할 수 있다.

아시아의 석탄 화력 발전소에서는 CO₂ 배출량을 줄이기 위해 암모니아를 보조 연료(co-점화 )로 시험 도입하는 움직임이 진행 중이다. 그러나 이러한 시스템은 여전히 암모니아 연소 과정에서 발생하는 열적 및 연료 유래 NOx를 처리하기 위해 선택적 촉매 환원(SCR) 기술에 의존하고 있다.

This program focuses on developing a commercial ammonia-fired burner suitable for both new and existing industrial heating applications. The objective is to create a fuel-flexible system that maintains stable operation under a wide variety of conditions while significantly reducing CO₂ emissions. Target performance includes NO_x emission levels below 200 ppm (with a goal of <100 ppm) and ammonia (NH₃) slip below 50 ppm (preferably <10 ppm) at 3% O₂ dry. This paper outlines the progress achieved to date.

버너 개발, 시험 계획 및 시험 시설

개발 및 테스트 계획:

상업용 암모니아 연소 강제 통풍 버너 개발의 기반으로서, ‘ZEECO ’의 FREE JET® 버너 개념이 채택되었습니다. 오클라호마주 털사 인근에 위치한 ‘ Zeeco’의 글로벌 기술 센터에서, 공칭 정격 출력이 4 MMBtu/hr인 개조된 강제 통풍형 ‘ FREE JET ’ 버너를 대상으로 초기 시험 및 구성 최적화가 수행되었습니다. 

전산유체역학(CFD) 모델 개발 역시 이 프로그램의 핵심 요소입니다. 탄화수소와 수소에 대한 연소 모델링은 이미 확립되어 있지만, 암모니아의 반응 동역학 및 난류-화학 상호작용에 대한 연구는 아직 초기 개발 단계에 머물러 있습니다. CFD 연구는 암모니아 연소를 보다 정확하게 재현하기 위해 반응 메커니즘과 난류 모델을 정교화하는 데 중점을 두고 있습니다. 그 목적은 버너 설계를 지원하고 상용 응용 분야에서 성능을 예측하는 데 도움이 될 수 있는 신뢰할 수 있는 CFD 도구를 개발하는 것입니다.

그림 1: 표준 강제 통풍식 GLSF FREE JET 버너.

그림 1은 표준 GLSF FREE JET 버너를 보여줍니다. 시험 대상 버너는 암모니아 사용에 맞게 개조된 것이었습니다( 점화). 보조 노즐을 포함한 모든 가스 노즐은 동일한 연료를 연소시켰습니다. 단일 파일럿은 발열량 90,000 Btu/hr의 천연가스를 연소시켰습니다. GLSF FREE JET 버너는 조작이 간편하도록 설계되었으며, 100% 암모니아에서 100% 수소, 100% 천연가스에 이르기까지, 그리고 그 사이의 모든 혼합 비율로 연료를 전환할 수 있으면서도 안정적인 화염을 유지합니다. 이 버너들은 사용자가 요구하는 간편성과 안정성을 제공하면서 10년에서 20년 동안 작동하도록 설계되었습니다.

시험 시설: 

Zeeco의 글로벌 기술 센터에 설치된 기존의 수직 원통형(VC) 단일 버너 시험로

암모니아 공정을 지원하기 위해 선정 및 개조되었습니다. 점화. 4에 적합한 크기로 설계된 이 용광로는

현재 평가 중인 MMBtu/hr 버너에는 높이 약 17.33 ft인 복사 상자가 포함되어 있으며, 이 상자에는

파이프와 벽 사이의 거리는 5.83피트입니다. 화실 바닥 중앙에는 버너 하나가 설치되어 있으며,

화실 온도는 VC의 한쪽 면을 따라 배치된 수냉식 튜브를 통해 조절되며, 이는

다중 버너를 갖춘 상용 수직 원통형 히터의 열흡수 특성

프로세스 튜브로 이루어진 고리 모양 구조물 안에 배치되어 있습니다. 표 1에는 사용된 시험로에 대한 추가 세부 정보가 나와 있습니다.

이 연구에서.

표 1: 시험 용광로 정보

안전하고 신뢰할 수 있는 운영을 보장하기 위해 암모니아 전용 연료 공급, 기화, 배관 및 계량 시스템을 신설하거나 업그레이드했습니다. 포괄적인 안전 검토를 통해 시설 안전 조치, 운영 절차 및 직원 교육이 암모니아 취급 및 연소와 관련된 위험을 관리하기에 충분하다는 사실이 확인되었습니다. 운영 지침에는 안전한 시험 수행을 보장하기 위해 필요한 인원 배치, 주변 환경 조건, 풍속 및 풍향, 그 밖의 요소들이 반영되었습니다.

정확한 배출량 측정을 위해서는 상당한 추가적인 주의가 필요했습니다. 기존의 화학발광 방식 NOx 분석기는 NH₃ 누출이 발생할 경우, 분석기 내부의 화학적 간섭으로 인해 오해의 소지가 있는 결과를 산출할 수 있습니다. 또한 프로그램의 버너 개발 목표를 달성하기 위해서는 NH₃ 누출량과 N₂O 배출량을 정량화할 필요가 있었습니다. NOx 측정에는 일반적으로 NO와 NO₂만 포함되지만, 탄화수소나 수소 연료를 사용하는 시스템 점화 에서는 N₂O가 대개 무시할 수 있는 수준(종종 5 ppm 미만)이므로 측정 대상에 포함되지 않습니다.

그러나 암모니아에는 연료에 결합된 질소가 높은 비율을 차지하고 있어, N₂O 생성량이 증가할 가능성이 있다. 과거에는 대기 중 오존 형성과 관련하여 주로 NO와 NO₂가 주목받아 왔다. 그러나 N₂O는 온실가스이므로, 온실가스 배출량이 적은 연료로 암모니아를 대체할 경우 N₂O의 측정과 관리가 중요해진다.

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 및_H2O를 측정하기 위한 가변 다이오드 레이저(TDL) 기반 시스템
• _NOx,_NO2, 건조_산소(O2), CO를 측정하는 화학발광식 및 상자성식 분석기

CFD 방법론

CFD 모델링 워크플로는 본 프로그램의 1년 차에 개발된 연구 성과를 활용했으며, 당시 주요 초점은 자연통풍 버너¹에 맞춰져 있었습니다. 보일러가 암모니아 버너 개발의 단기적인 주요 시장 기회로 부상함에 따라, 2년 차에는 강제통풍 버너로 연구 초점을 전환했습니다. 강제통풍 버너는 연소용 공기 송풍기를 사용하기 때문에 전력, 덕트, 제어 장치 및 관련 장비가 필요합니다. 이 버너들은 일반적으로 약 1~10인치 H₂O 이상의 더 높은 압력 강하로 작동하지만, 그 대가로 자연통풍 버너에 비해 더 우수한 혼합, 단계별 연소, 화염 안정성을 제공하여 NOx 배출 저감 효과를 높일 수 있습니다. 강제통풍 버너는 높은 열방출량, 점화 율 유연성, 매우 낮은 배출량, 더 넓은 출력 조절 범위 및 정밀한 공기/연료 제어 기능이 필요한 보일러 및 연소 장비에 널리 사용됩니다.

본 프로젝트를 위해 개발된 CFD 방법론은 다음과 같은 목표를 달성하기 위해 고안되었습니다:

1. 1.) 상용 코드의 기하학적 모델링 및 메싱 기능을 활용하여 실제 버너 및 용광로의 기하학적 구조를 모델링하고,

2. 2.) 적어도 환원된 형태로는 상세한 화학 동역학 기전을 사용하며,

3. 3.) 운동 모델을 빠르고 쉽게 변경할 수 있어야 하며,

4. 4.) 연료와 산화제의 독립적인 반응 흐름이 두 개 이상 존재할 수 있도록 하고,

5. 5.) 참여 매체의 열복사 효과를 모델링하고,

6. 6.) 버너 및 용광로의 변화에 따른 화학 동역학적 효과를 모델링할 수 있어야 하며,

7. 7.) 버너 하나를 사용하여 약 하루 동안 시험용 용광로 시뮬레이션을 실행합니다.

이 프로젝트 초기에는 Zeeco 에서 이러한 요구 사항을 충족하는 CFD 분석 역량이 존재하지 않았을 뿐만 아니라, 관련 문헌을 조사한 결과 버너 업계 어디에서도 그러한 역량을 갖춘 곳이 없었습니다. 화학 평형(Chemical Equilibrium), 와류 분산(Eddy Break-Up, EBU), 플라멜렛(Flamelet) 기반 모델 등 업계에서 일반적으로 사용되는 연소 모델들은 추가 개발 없이는 이 프로젝트의 요구 사항을 충족할 수 없었습니다. 대학 연구용 코드들은 정교한 화학 모델과 대용량 와류 시뮬레이션(LES) 모델을 함께 사용하지만, 특히 급변하는 버너 설계를 고려할 때 상세한 버너 및 화실 형상을 정확히 반영하도록 설계되지는 않았습니다. LES 모델은 화염 안정성이나 블로우오프와 같은 연소 특성의 기전을 이해하는 데 중요하지만, 계산 비용이 많이 들기 때문에 모델 검증 및 버너 설계와 시험에 필요한 데이터를 신속하게 도출하는 데는 적합하지 않았습니다.

강제 통풍 버너 시스템에 대한 CFD 방법론 검증

단순한 모델로는 포착되지 않는 동역학적 효과의 예가 그림 2에 나와 있다. 암모니아 재연소 또는 선택적 비촉매 환원(SNCR)으로도 알려진 열적_{DeNOx 화학 반응은} NO가_NH3와 반응하여_N2를 형성하는 과정에서 명확하게 관찰된다. 파란색 영역은 화염의 연료 과잉 측에서 일어나는 NO 소멸을 나타내는 반면, 노란색 영역은 연료 결핍 측에서 일어나는 NO 생성을 나타낸다. 파란색 영역에서 나타나는 NO 감소 현상은 암모니아 연소의 특징이며, 탄화수소 단독 연소에서는 발생하지 않습니다. 전체적인 범위에서 포착된 이러한_{DeNOx 거동은} 기초가 되는 버너의 기하학적 특성에 매우 민감합니다. 버너 구성에 따라 이 현상이 그다지 두드러지지 않을 수도 있습니다.

그림 2: NO 생성 속도 = 0.05^kg/m³·sec (노란색) 및 NO 소멸 속도 = 0.05^kg/m³·sec ( 파란색)의 등표면.

그림 3은 1300 K 온도의 등온면으로 근사화된 시뮬레이션된 가시 화염 표면과, 이산 좌표법/회색 가스의 가중합(DO/WSGG) 기법을 통해 계산된 냉각관으로의 복사 플럭스를 함께 보여준다. 산업용 연소 시뮬레이션의 주류인 DO/WSGG 기법은 현재의 방법론과 완벽하게 호환된다.

그림 3: T = 1300K 등온면과 계산된 관 내 복사 열유량.

단일 버너 설계는 실험을 통해 평가할 수 있지만, CFD는 측정하기 어렵거나 불가능한 유동 구조, 혼합 현상, 국소적 반응 경로에 대한 추가적인 통찰력을 제공합니다. 이번 2년 차 연구에서는 CFD를 예측 도구이자 진단 도구로 활용하여 실험 관찰 결과를 해석했습니다. 이 연구를 통해 더 복잡한 버너 배열, 다중 버너 용광로, 암모니아, 수소 및 기타 연료를 포함한 확장된 연료 유연성 시나리오 등 향후 응용을 위한 검증된 기준을 확립했습니다.

그림 4는 반응 영역 내에 위치한 단일 CFD 셀 내부의 반응 경로 분석 결과를 보여준다. 암모니아 소비와 NO 생성 및 분해를 초래하는 복잡한 화학 경로들이 활발하게 진행되고 있는 것으로 확인된다. 이는 이러한 시뮬레이션에 포함된 화학 동역학적 세부 사항을 보여준다.

그림 4: 반응 영역 내 단일 CFD 셀에 대한 화학 동역학 경로 분석.

그림 5는 Rev 18 버너에 대한 결과를 보여준다. 두 모델 모두 CRECK 상세^기전²을 기반으로 한 단순화된 기전을 사용한다. 이 단순화된 기전은 주요_{오염물질인NO₂와 N₂O에}대한 예측 정확도를 높이기 위해 1년 차 연구에서 사용된 50종 모델에서 확장된 것이다. CFD 모델은 NO 예측 결과가 우수하며, NH₃ 슬립의 발생 시점을 예측하는 데도 합리적인 성능을 보입니다. CFD 모델의_N₂O및_NO₂ 예측값은 높은 편이지만, 추세는 매우 정확하게 예측됩니다.

그림 5: 천연가스와 암모니아가 혼합된 연료를 사용하는 강제 통풍 버너에서 얻은 CFD 결과와 FTIR 측정 결과의 비교.

이번 CFD 검증 결과를 통해, CFD가 난류와 화학 반응 동역학 간의 상호작용을 버너 개발을 안내하는 예측 도구로 활용될 수 있을 만큼 충분한 정확도로 포착할 수 있음이 입증되었다.

자연 통풍식 및 강제 통풍식 버너를 모두 모델링하기 위한 CFD 방법론의 개발 및 검증을 완료한 후, 다양한 운전 조건과 버너 형상 변경이 배출 가스 저감 및 화염 안정성에 미치는 잠재적 이점을 파악하기 위해 CFD 연구를 수행하였다. CFD 시뮬레이션에서 나타난 배출 가스 및 슬립 저감 잠재력을 바탕으로, 여러 가지 버너 개조 방안과 운전 조건 최적화 방안, 즉 공기 예열(APH) 온도 상승을 시험하였다. 선정된 결과는 다음 절에서 제시한다.

버너 시험 결과

표 2는 버너 개발 프로그램 전반에 걸쳐 수집된 배출 측정 결과를 요약한 것이다. 각 시험 개정판에 대해, 열방출률, 연소공기 온도, 최대 암모니아 점화 비율을 포함한 주요 운전 매개변수가NH₃ 슬립, NO 및N₂O의원시 배출 데이터와 함께 나열되어 있다. 표 2에 기재된 모든 농도는 FTIR 장비를 사용하여 측정되었다. 

표 2: 배출량 측정 결과 요약.

암모니아 점화 는 측정상 독특한 어려움을 야기하기 때문에, NH₃ 슬립 값은 슬립을 50 ppmv 미만으로 유지하면서 달성 가능한 최대 암모니아 농도를 나타냅니다. NO 및 N₂O 값은 원 데이터 기준의 건조 농도로 보고됩니다. 이 데이터 세트는 열 방출량(3.4–5.0 MMBtu/hr)의 변동을 포함하여 광범위한 운전 조건을 아우르며, 연소‑공기 온도(70–880°F), 암모니아 점화 농도(60–95%)를 측정하여 전체 설계 범위에서 버너 성능을 평가할 수 있습니다.

최고의 테스트 결과

그림 6은 가장 우수한 결과를 보인 버너 Rev 25B의 배출 측정 결과를 보여줍니다. 

그림 6: 가장 우수한 결과를 보인 Rev 25B의 배출량 측정 결과.

결과 및 고찰

일정한 발열량(3.40 MMBtu/hr)을 유지한 상태에서 연료 조성비를 100% 수소부터 100% 암모니아까지 변화시키며 일련의 FTIR 측정을 수행했다. 이 일련의 시험은 다른 운전 조건을 고정시킨 상태에서 암모니아 함량을 점진적으로 증가시켰을 때 배출 특성, 특히 NH₃ 누출, NO 및 N₂O 생성에 어떤 영향을 미치는지 규명하는 것을 목적으로 했다. 그 결과, 수소-암모니아 혼합물의 근본적인 연소 화학 반응을 반영하는 명확하고 체계적인 경향이 나타났다.

암모니아 누출

암모니아가 주된 연료 성분이 될 때까지는 모든 혼합비에서 NH₃ 슬립이 무시할 수 있는 수준으로 유지되었다. NH₃ 함량이 95% 이하인 혼합물의 경우, 슬립 값이 극히 낮게(0–9 ppm) 나타났으며, 이는 해당 조건에서 효과적인 연소 완료와 강력한 혼합이 이루어졌음을 시사한다. 그러나 암모니아 함량이 100%일 때는 슬립이 1207 ppm으로 급격히 증가했는데, 이는 화염 속도와 반응 동역학을 촉진할 수 있는 수소가 존재하지 않을 때 완전한 연소를 달성하기가 어렵다는 점을 보여준다. 이러한 현상은 암모니아 연소에서 수소 첨가가 안정화 역할을 한다는 점을 강조한다._NH₃ 배출량의 최고치는 9 ppmv였으며, 95%_NH₃ 및 5%_H₂로 구성된 시험 연료 혼합물에서는_NH₃ 슬립이 50 ppmv 미만이었습니다. 96%_NH₃ 및 4%_H₂, 97%_NH₃ 및 3%_H₂, 98%_NH₃ 및 2%_H₂ 조건에서 시험을 수행했다면, NH₃ 가 실제로 50 ppmv 수준을 초과하는 지점을 파악하는 데 도움이 되었을 것입니다.

배출가스 없음

NO 배출량은 암모니아 농도에 강한 의존성을 보였습니다. 수소 100% 조건에서 NO는 107 ppm으로 측정되었으며, 이는 전형적인 열적‑NO 생성을 나타냈습니다. 암모니아 함량이 증가함에 따라 NO는 현저히 증가하여, 60% NH₃ 혼합물에서 644 ppm으로 정점을 찍었다. 이러한 증가는 연료의 도입과 일치한다‑결합된 질소의 유입에 기인한 것으로, 이는 고온 조건에서 쉽게 NO로 산화된다‑온도 조건에서 쉽게 NO로 산화되는연료 결합 질소의 도입에 기인합니다.

흥미롭게도, 암모니아 비율이 높아질수록 NO 농도는 감소하여, NH₃가 90%일 때는 197 ppm, 100%일 때는 96 ppm까지 떨어졌다. 이러한 감소 현상은 암모니아가 주된 연료가 됨에 따라, 높은 질소 함량에도 불구하고 낮은 연소 온도와 느린 반응 속도가 NO 생성을 억제함을 시사한다. 그 결과, 비-단조롭지 않은 NO 추세를 보여줍니다. 즉, 초기 NH₃ 첨가 시 증가하다가, 화염이 암모니아로 전환됨에 따라 감소하는‑지배적인 양상으로 전환됨에 따라 감소한다.

_NH3 슬립이 50 ppmv 미만인 경우, NO 배출량이 143 ppmv로 가장 낮았던 조건은_NH3 95% 및_H2 5% 혼합비였음.

N₂O의 생성

N₂O 배출량은 NH₃ 함량이 60% 이하인 혼합물의 경우 0에 가까운 수준을 유지했는데, 이는 높은 화염 온도에서 N₂O가 급속히 분해되는 현상과 일치한다. 암모니아 농도가 더 증가함에 따라 N₂O는 증가하기 시작하여, NH₃ 함량이 90~95%인 혼합물에서는 10~18 ppm, 100% NH₃ 혼합물에서는 38 ppm에 도달했다. 이러한 경향은 더 차갑고 느린 반응으로의 전환을 반영한다.‑반응하는 암모니아 화염으로의 변화를 반영하며, 이 경우 중간 질소‑산화물 종(예: N₂O와 같은 중간 질소산화물 종이 더 안정적입니다. N₂O 배출량은 18 ppmv였으며,_NH₃ 슬립은 50 ppmv 미만이었고, 이는_NH₃ 95%와_H₂ 5%로 구성되었다.

NO와 N₂O의 복합적인 거동은 암모니아 연소에서 나타나는 전형적인 상충 관계를 잘 보여줍니다:

• 더 뜨거운, 수소‑풍부한 화염 → 높은 NO, 무시할 수 있는 N₂O

• 냉각기, 암모니아‑풍부한 불꽃 → NO 감소, N₂O

전반적인 해석

연료‑혼합비 변화 실험은 화염 온도, 반응 동역학, 그리고 질소 간의 복잡한 상호작용을‑전환 경로 간의 복잡한 상호작용을 보여준다.–암모니아 연소 과정에서 나타나는 복잡한 상호작용을 보여줍니다:

• 수소‑함량이 높은 혼합물은 높은 화염 온도를 발생시켜, 높은 NO를 유발하고 N₂O는 거의 발생하지 않으며, 암모니아가 완전히 연소됩니다.

• 중간 농도의 혼합물(NH₃ 40~60%)은 열적 요인과 연료적 요인 모두의 영향으로 가장 높은 NO 배출량을 보입니다.‑결합 질소 메커니즘에 의해 유발된다.

• 암모니아‑함량이 높은 혼합물은 NO 생성을 줄이되 N₂O와 NH₃ 유출을 증가시킨다.

• Pu암모니아는 NO농도에도 불구하고 높은 미끄러짐과 높은 N₂O 농도를 보이기 때문이다.

이러한 결과는 연료의 중요성을‑혼합 비율 최적화, 버너 설계 및 온도‑관리 전략이 NO, N₂O, NH₃ 누출을 균형 있게 조절하기 위한 관리 전략‑가 풍부한 환경에서 암모니아‑점화 로 넘어갈 때 미끄러짐이 발생한다.

그림 7: FREE JET 점화 3.4 MM Btu/hr, APH 885F 점화 100% 암모니아.

그림 8: FREE JET 점화 3.4 MM Btu/hr, APH 885F 점화 95% 암모니아 및 5% 수소.

공기 예열의 영향

그림 9는 Rev 25A 및 B에서 APH 온도에 따른 배출량 범위를 보여줍니다:

그림 9: Rev 25A 및 B에서 APH 온도에 따른 배출량 범위.

결과 및 고찰

배기가스 시험은 3.4 MMBtu/hr의 일정한 발열량 조건에서 암모니아 90%, 수소 10%로 구성된 연료 혼합물을 사용하여 수행되었으며, 이 과정에서 APH 온도를 약 500°F에서 885°F까지 변화시키면서 수행되었습니다. 개정판 25A 및 25B 동안 수집된 FTIR 측정 결과는 APH 온도와 NH₃ 슬립, NO 및 N₂O의 생성 사이에 명확하고 일관된 상관관계가 있음을 보여준다.

암모니아 슬립 거동

NH₃ 슬립은 APH 온도에 대해 강한 역의 상관관계를 나타냈다. 시험된 최저 온도(508°F)에서 NH₃ 슬립은 극도로 높았으며(7000 ppm 이상), 이는 낮은 연소 조건에서 연료 전환이 불완전함을 나타낸다. APH 온도가 상승함에 따라 슬립은 급격히 감소하여 784°F에서는 23 ppm으로 떨어졌고, 885°F에서는 1 ppm에 도달했다. 이러한 경향은 고온에서 반응 동역학이 개선되고 미반응 암모니아의 연소가 촉진되었음을 반영한다. 이 결과는 충분히 높은 연소 온도를 유지함으로써‑공기 온도를 유지하는 것이 고온 조건에서 암모니아 슬립을 최소화하는 데 필수적임을 입증한다‑NH₃점화 농도 조건에서 암모니아 누출을 최소화하는 데 필수적이다.

배출가스 없음

APH 온도가 상승함에 따라 NO 배출량이 꾸준히 증가했는데, 이는 온도‑온도에 따른 연료의 전환 특성과 일치하는 양상을 보였습니다‑결합 질소의 온도에 따른 환원 반응과 일치하는 양상을 보였다. 508°F에서 NO 농도는 34 ppm으로 측정되었으며, 784°F에서는 99 ppm으로 증가했으며, 885°F에서 197 ppm에 도달했습니다. 이러한 단조로운 상승 추세는 공기 중‑예열 온도가 높을수록 암모니아의 산화가 더 완전하게 이루어짐을 시사합니다‑유래 질소 종의 더 완전한 산화를 촉진하여 NO 생성을 증가시킨다는 것을 시사한다. 이러한 경향은 이미 확립된 암모니아‑연소 화학 원리와 일치하며, 여기서 열 및 연료‑결합 질소 반응 경로가 온도가 상승함에 따라 강화된다는 점과 일치한다.

N₂O의 생성

N₂O 배출량은 예상대로 정점을 기록했습니다‑그리고‑감소 양상을 보였으며, 이는 암모니아 연소에 특징적인 현상이다. 가장 낮은 APH 온도(508°F)에서는 N₂O 농도는 96 ppm으로 비교적 높은 수치를 보였는데, 이는 중간체 질소‑산화물 종의 형성을 반영했다. 온도가 상승함에 따라 N₂O 농도는 현저히 감소하여 784°F에서 32 ppm, 885°F에서 10 ppm으로 떨어졌습니다. 이러한 현상은 N₂O의 열분해 현상과 일치하며, 이 경우 반응 경로는 NO 생성을 향해 이동한다.

NO₂ 배출량

모든 측정 지점에서 NO₂ 농도는 0에 가까운 수준을 유지했는데, 이는 산화된 질소의 거의 전부가 NO 또는 N₂O 형태로 존재했음을 나타냅니다. 이는 고농도에서 흔히 나타나는 현상입니다‑고온, 연료‑풍부한 암모니아 연소 환경에서 흔히 나타나는 현상으로, NO₂ 생성이 동역학적으로 억제되는 환경.

전반적인 성과 추이

종합적인 결과는 온도가 암모니아 연소에 미치는 상반된 영향을 보여줍니다:

• APH 온도가 낮으면 NH₃ 슬립이 높아지고, NO는 낮아지며, N₂O는 증가합니다.

• I중간 온도는 미끄러짐과 N₂O를 감소시키는 동시에 NO를 증가시킵니다.

• High 온도는 슬립과 N₂O를 최소화하지만, NO 수치를 가장 높게 만듭니다.

APH 온도가 높아지면 다음과 같은 결과가 발생합니다:

• NO 생성량 증가.

• 환원된 NH₃ 배출량 감소.

• RN 감소₂O 배출량 감소.

이러한 연구 결과는 암모니아 연소, NO 생성, N₂O 저감 간의 균형을 맞추기 위해 버너 설계와 운전 조건을 최적화하는 것이 얼마나 중요한지를 강조한다. 이 데이터는 전략, 단계별 개념 및 온도를 더욱 정교하게 다듬기 위한 탄탄한 토대를 제공한다‑제어 방식을 더욱 정교하게 다듬어 프로그램의 목표를 달성하는 데 탄탄한 토대를 마련해 줍니다’의 배출 목표를 달성하기 위한 전략, 단계별 개념 및 온도‑제어 방식을 더욱 정교하게 다듬는 데 탄탄한 토대를 마련해 줍니다.

결론

이번 개발 및 시험 프로그램을 통해, 암모니아의 고유한 연소 특성에 맞춰 특별히 설계된 버너와 결합할 경우, 산업용 난방 분야에서 CO₂ 배출을 줄일 수 있는 연료로 암모니아를 성공적으로 활용할 수 있음이 입증되었습니다. 반복적인 설계 개선, 광범위한 시험, 그리고 CFD 모델링의 발전을 통해 개량된 GLSF FREE JET 버너는 광범위한 암모니아-수소 혼합비 및 공기 예열 조건에서 안정적인 작동을 달성했습니다. 시험 결과에 따르면, 적절한 버너 설계와 온도 관리를 통해 최적화된 조건 하에서 NH₃ 슬립, _NOx 및 N₂O 배출과 관련된 프로그램의 목표 성능 매개변수를 충족할 수 있는 것으로 나타났습니다.

실험과 모델링을 결합한 연구 결과, 물리적 시험과 CFD 모두 암모니아 연소 성능을 예측하는 데 필수적인 도구임이 확인되었다. 버너 형상, 연료 단계별 공급 방식 및 운전 전략을 지속적으로 개선해 나간다면, 시제품 단계에서 상용화 가능한 암모니아 연소 버너로의 전환을 뒷받침할 수 있으며, 이를 통해 산업계 CO₂ 배출량을 실질적으로 감축할 수 있는 길을 열 수 있을 것이다.

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