도입
본 논문에서는 까다로운 복사-벽 (Radiant wall) 버너 개조 응용 분야에 대한 해결책을 탐구합니다. 오늘날 연소 산업이 직면한 중요한 과제 중 하나는 오래된 기술을 성능 저하 없이 새로운 규정에 맞게 개조하는 것입니다. 기존의 복사-벽 버너 분야는 버너의 근접성, 화염 상호작용, 온도의 상승 및 연료의 변화 (수소 등과 같은 저탄소 연료를 포함)로 인해 기존의 복사-벽 기술로 배출량을 낮추는 데 어려움이 있었습니다. 이 문서에서는 Zeeco가 이러한 어려움을 해결하기 위해 물리적 실험과 CFD (Computational Fluid Dynamics)를 함께 활용한 경험에 대해 설명합니다. 혁신을 주도하고 새로운 제품 개발을 추진하기 위해 우리의 접근 방식을 탐구하며 배운 교훈과 프로젝트 성과를 공유합니다.
배경
Zeeco 복사-벽 버너의 개발 목적은 높은 수소 연료에서의 운영 능력을 향상시키기 위해 이산화탄소 (CO2)와 질소산화물 (NOx)의 배출량을 줄여 팁(Tip)의 예상 서비스 수명을 늘리고 예상 유지보수 비용을 줄이는 것입니다. 이러한 목표를 달성하기 위해 가스 스퍼드, 벤츄리 및 팁 설계를 수정하여 전체적으로 간단한 해결책을 제공했습니다. 내부 스테이징 연도가스와 외부 스테이징 연도가스를 모두 갖춘 RWSF 버너를 나타내는 도면은 각각 그림 1 과 그림 2 에 나와 있습니다.
그림 1 의 내부 스테이징 연도가스 RWSF 버너는 버너 간 간격이 가까운 용도나 높은 수소 응용 분야에 사용됩니다. 스테이징 된 연료 가스는 팁의 입구에 비해 팁 끝에서 더 풍부한 연료 혼합물을 제공하여 더 콤팩트한 화염 형태를 생성하면서 일부 NOx의 감소를 가능하게 합니다. 간단한 설계로 연료 가스 스퍼드와 내부 스테이징 연료 가스 라이저를 함께 버너 끝에서 동시에 제거할 수 있어 유지보수가 용이합니다. 참고로 팁의 슬롯은 팁 끝에 대해 수평으로 배치됩니다.
그림 1. 내부 스테이징 연료 가스 Zeeco RWSF 버너
그림 2. 외부 스테이징 연료 가스 Zeeco RWSF 버너
그림 2 와 같이 외부 스테이징 연도가스 RWSF 버너는 가장 낮은 NOx 배출량을 필요로 하는 응용 분야에 사용됩니다. 연료 팁 스테이징은 복사-벽 버너 팁 외부에 있기 때문에 팁 슬롯을 통해 빠져나가기 전, 벤츄리 내에서 연료 가스와 연소 공기의 희박 예혼합 (Fuel lean)이 이루어집니다. 외부 연료 가스는 주변 연소 생성물 (연도가스)와 혼합되어 연소되기 전에 연료 가스를 희석시킵니다. 희박 예혼합과 스테이징 된 연료 가스를 모두 사용하면 낮은 열 NOx 배출을 가능하게 합니다. 외부 스테이징 연도가스 RWSF 버너의 경우에도 팁의 슬롯이 팁 끝에 대해 수평으로 배치되어 있습니다.
방법
다음 단락에서 수평 슬롯 벽 버너의 가스 스퍼드, 벤츄리 그리고 팁 설계에 대한 수정사항에 대해 더 자세히 설명합니다.
가스 스퍼드(Gas Spud) 설계
가스 스퍼드는 연료 가스를 벤츄리로 배출하는 장치입니다. 이 연료 가스 스퍼드 부품은 연료 가스 연결부, T자 형태의 연료 가스 스퍼드, 연료 스테이징 가스 라이저와 연료 가스 출구 (연료 스테이징 가스 팁)로 구성됩니다. 연료 가스 스퍼드 부품은 유지보수의 편의성을 고려하여 설계되었습니다. 가스 라이저 스테이징은 연료 가스 스퍼드의 중앙에 부착되어 있으므로, 가스 라이저 스테이징과 연료 가스 스퍼드를 동시에 분리하여 청소할 수 있습니다. 플랜트에는 유지 관리가 필요한 수천 개의 복사-벽 버너가 있기 때문에 이에 대한 유지보수 시간과 자원을 절약하는 데 도움이 됩니다.
대부분의 연료 스테이징 복사-벽 버너 스퍼드 설계는 주요 스퍼드와 스테이징 스퍼드로 구성됩니다. 여러 개의 스퍼드는 유지보수가 필요한 경우 제거하는 데 많은 시간이 소요되어 비용이 증가합니다. 이러한 버너 설계는 주 연료 가스 포트와 스테이징 연료 가스 포트를 포함한 단일 스퍼드를 활용합니다. 새로운 스퍼드는 일반적인 주 연료 가스 스퍼드와 동일한 위치에 있습니다. 스테이징 연료 가스 포트는 스퍼드의 중앙에 위치하며 중앙에 있는 스테이징 연료 가스 라이저는 벤츄리를 통해 삽입됩니다. 유지보수가 필요한 경우, 스퍼드는 일반적인 복사-벽 버너 스퍼드와 마찬가지로 제거가 가능하지만 동시에 스테이징 연료 가스 라이저도 제거됩니다. 따라서 주 가스 포트와 스테이징 가스 포트 모두 동시에 제거할 수 있어 시간 및 유지보수 관련 비용을 절감할 수 있습니다.
스테이징 연료 포트는 연료 가스 스퍼드의 중앙에 위치하기 때문에 동일한 설계로 두 가지 각기 다른 유형의 연료 스테이징 분야에 사용될 수 있습니다. 첫 번째 유형은 내부 스테이징 연료 (Internal Staged Fuel)로 연료 가스가 팁 자체 내부에서 일부 스테이징 하는 방식입니다. 이 방법은 매우 높은 수소 응용 분야 및 일반적인 버너 간 간격보다 더 가까이 위치한 프로젝트에 사용됩니다. 두 번째 유형은 외부 스테이징 연료 (External Staged Fuel)로 스테이징 가스 라이저의 끝에 위치한 스테이징 팁이 팁 중앙에 있는 중앙 구멍을 통해 연장되는 방식입니다. 이 방법은 가장 낮은 NOx 유형에 사용되며 희박 예혼합 (Fuel lean) 구역과 연소 구역 생성물과 혼합된 연료가 풍부한 구역 (Fuel rich)으로 구분됩니다.
그림 3. 연료 가스 스퍼드 부품 설계도
벤츄리 설계
개발 과정은 벤츄리 입구부 벨 반경, 목 직경, 직선부 길이, 출구부 각도, 출구부 길이 및 출구부 직경의 크기를 팁의 출구부 영역과 일치시키기 위한 새로운 방법과 비율을 사용하며 시작되었습니다. 이러한 매칭은 연료 압력을 활용하여 벤츄리를 통해 연소 공기를 유입시키고 팁에서 배출하는 동안에도 공기 흐름을 제한하지 않으면서 충분한 내부 팁 압력 균일성을 유지하는 데 사용되는데 이는 벤츄리와 팁 구성을 최적으로 활용할 수 있습니다.
그림 4. 위의 벤츄리 그림은 입구부(di)가 입구부 반경(R), 목(dt), 출구부 길이(lo) 및 출구부 직경(do)과 일치한다는 것을 보여줍니다.
팁 설계
우리는 대부분의 개발 시간을 복사-벽 버너 팁 설계에 중점을 두었습니다. 내부 팁의 최소 압력은 낮은 출구 속도를 유발하기 때문에 일관된 내부 압력을 개발하여 균일한 출구 속도를 달성할 수 있도록 초점을 두었습니다. 이는 버너 설계의 목적이 메탄보다 화염 속도가 빠른 높은 수소 연료를 작동하는 것이므로 출구 속도가 낮은 영역은 조기에 역화(Flashback)를 초래할 수 있기 때문에 매우 중요합니다. 내부 팁 압력을 더 균일하게 유지함으로써 (결과적으로 출구 속도가 더 균등해짐) 연료 가스에 의해 생성된 에너지가 더 많은 공기를 유입시켜 희박 예혼합을 달성할 수 있습니다.
그림 5는 수직 슬롯이 있는 팁과 수평 슬롯이 있는 팁 간의 비교를 보여줍니다. 수직 슬롯이 있는 버너의 경우, 넓은 범위의 출구 속도에 의한 버너의 역화 방지를 위해 내부 압력을 증가시켜 최저 출구 속도를 수소의 화염 속도 이상으로 더 높게 유지해야 합니다. 수직 슬롯의 길이가 늘어남에 따라 팁 내부의 압력 분포가 달라지기 때문에 슬롯 하단의 속도가 감소합니다. 이는 연료 가스 스퍼드에서 나오는 연료 가스 제트에서 생성된 에너지의 일부를 팁 내에서 사용해야 하므로 연소 공기가 유입된 가능성이 낮아짐을 의미합니다. 따라서 이를 보완하기 위해 일반적으로 스테이징 된 가스 양을 줄이고 주 연료 가스의 양을 증가시켜 팁 내 압력을 증가시킵니다. 이것의 부정적인 결과는 스테이징 된 가스의 감소와 주 연료 가스의 증가로 인해 희박 예혼합 구역의 연료를 더 풍부하게 하고 연도가스와 혼합할 스테이징 연료 가스가 줄어들어 열 NOx 배출량이 높아지는 것입니다.
그림 5. 수직 슬롯이 있는 팁(왼쪽)과 수평 슬롯이 있는 팁(오른쪽) 간의 비교
따라서 긴 수직 슬롯이 필요한 경우, 내부에 유량 분배기가 있는 수평 슬롯을 사용하여 내부 압력 분포를 균일하게 조절하는 것이 더 나은 것으로 판단되었습니다. 유량 분배기를 사용한 슬롯 설계는 열 방출이 더 낮은 분야에 사용되는 슬롯 설계와 유사해집니다. 슬롯의 유량 면적을 늘리기 위해 더 많은 수평 슬롯을 추가하면 역화가 더 적게 발생하는 균일한 슬롯 크기를 사용할 수 있습니다. 슬롯의 수는 팁의 직경에 의해 제한되므로 슬롯 길이가 더 길어질수록 더 많은 압력 변동을 유발하고 더 다양한 출구 속도 범위를 생성합니다. 내부 팁 전환기와 함께 표준 고 수소 슬롯 길이와 너비를 사용하면 더 균일한 내부 팁 압력을 얻을 수 있으며, 더 많은 스테이징 연료 가스와 더 적은 주 연료 가스로 버너를 설계할 수 있습니다.
개발 과정의 일환으로, 새로운 팁 설계에 대한 통찰력을 제공하기 위해 전산 도구를 활용했습니다. 매우 불안정한 상태의 상세한 CFD (Computational Fluid Dynamics) 실험부터 정상 상태의 실험을 통해 설계를 탐색하고 유한 요소 분석 (FEA)을 활용하여 팁의 응력을 평가하고 줄이는 등 다양한 전산 기법을 사용했습니다.
결과
초기 CFD 분석은 벤츄리를 통한 흐름의 일시적인 분석으로 벤츄리 안의 내부 혼합을 포착하고, 팁의 수평 슬롯에서 배출되는 속도 프로필을 해결하기 위한 것이었습니다. 이 시뮬레이션에 사용된 구조는 그림 6에서 볼 수 있으며 해당 구조에는 내부 또는 외부 스테이징이 포함되지 않았습니다. 스퍼드와 RWSF 팁의 수평 슬롯을 통해 세분화된 6,000만 개 이상의 육면체(cubic) 계산 셀(Computational cells)로 이루어진 메쉬(Mesh)를 사용했습니다. 시뮬레이션 영역 전체에서 셀 크기는 100μm~640μm까지 다양했습니다. 이 실험에서는 시간 간격이 0.0005초인 WALE(Wall-Adaptive Local-Eddy) 점성계수와 함께 LES(Large Eddy Simulation)을 사용했는데, 이는 필요한 에너지 스펙트럼을 해결하는데 필수적이었습니다. 0.144kg/s의 공기 유량과 0.008kg/s의 연료 유량은 3% 초과O2기준 1.58MMBTU/hr의 열 방출에 해당합니다. 통계적으로 안정적인 상태에 도달할 때까지 실험을 진행한 후 평균 결과를 얻기 위해 샘플링을 시작했습니다. 순간 및 평균 연료 혼합과 속도의 시각화는 그림 7에서 볼 수 있습니다.
그림 6. 수평 슬롯이 있는 RWSF 버너 벤츄리 시뮬레이션 구조
그림 7. 기하학적 구조 전체의 중심 평면에서 벤츄리와 RWSF 팁을 통과하는 흐름의 LES 실험 결과: 순간 (a) 및 평균 (b) 연료 혼합물 프로필, 순간 (c) 및 평균 (d) 속도 크기 프로필.
그림 8은 벤츄리 구조의 길이에 따른 평균 연료 혼합의 균일성을 보여줍니다. 프로필을 나타내는 평면은 10cm 간격으로 배치됩니다. 연료 혼합의 균일성은 다음 공식을 사용하여 평가되었습니다:
그림 8에서 시뮬레이션 조건에서의 혼합이 매우 효율적이며, 벤츄리의 대략 30cm 안쪽에서 0.998의 표면 균일성을 얻는 것을 알 수 있다.
해당 설계 탐색 연구에서는 버너 성능이 팁 형상에 미치는 효과를 탐구하고 정량화하기 위해 팁의 매개변수화 된 CAD 모델을 만들었습니다. 이 매개변수화 모델에는 15개의 설계 매개변수가 구현하고 각 설계 수정의 성능을 평가하기 위해 12가지의 기준을 만들었습니다. 일부 설계 매개변수는 각 슬롯의 형상(예: 슬롯 폭, 높이, 슬롯 입구 단면도), 슬롯 간격 및 버너 팁의 내부 치수를 정의하였으며, 작동 매개변수(예: 질량 유량)도 설계 매개변수로 포함했습니다. 각 설계 매개변수에 대해 탐색하고자 하는 범위를 설정했습니다. 팁의 성능을 평가하는데 사용되는 일부 기준에는 슬롯에서 나오는 유량 균일성, 압력 프로파일 및 압력 손실이 포함되었습니다. LES 시뮬레이션의 출구 평면에서 평균 연료 혼합물, 속도 및 난류량을 사용하여 팁의 단순한 축 대칭 모델에 입구 경계 조건을 정의했습니다. 이 설계 탐색 연구에서는 대략 백만 개의 셀을 갖는 정상 상태 실현 가능한 k-ε 난류 모델을 사용했습니다. 그림 9는 설계 탐색 연구에 사용된 단순화된 기하학적 영역과 여러 설계 중 하나에 대한 압력 및 속도 프로파일에 대한 예시 결과를 보여 줍니다.
이 연구에서 우리는 기하학적 및 작동 매개변수의 효과를 정량화하기 위해 다양한 기하학적 조합의 설계 매개변수를 사용하여 300개 이상의 시뮬레이션을 평가했습니다. 결과적으로, 특정 설계 매개변수와 특정 설계 목적 사이의 피어슨 상관 계수를 평가하는 교차 상관 테이블을 얻었습니다. 이러한 유형의 분석은 스크리닝 설계에서 매우 효율적입니다. 그림 10은 설계 매개변수가 팁의 성능 미치는 영향을 분석하는 데 사용된 일부 설계 매개변수와 설계 목표의 부분집합을 보여줍니다. 이러한 설계 탐색 연구의 강점은 한 번에 하나의 매개변수만 변화시킬 경우 인식하기 어려운 상관관계를 찾을 수 있다는 것입니다. 피어슨 상관 계수는 -1과 1 사이의 값을 가지며 -1은 특정 설계 매개변수와 설계 목표 간의 역 상관 관계를 의미하고, 1은 양적 관계를 나타냅니다. 상관 계수 0인 경우 설계 매개변수와 설계 목표 간의 상관 관계가 발견되지 않았음을 나타냅니다.
그림 8. 벤츄리의 길이에 따른 평균 연료 혼합물 균일성
그림 9. (a) 설계 탐구 연구에서 수백 개의 디자인 중 하나에 대한 단순화 된 형상. 속도 크기 프로파일(c)과 함께 압력 프로파일(b). 프로파일은 슬롯의 중간을 통과하는 평면에 표시됩니다.
그림 10. 설계 공간을 탐색하는 데 사용되는 기하학적 매개 변수 및 목표의 하위 집합과 복사 벽 버너 팁의 성능에 미치는 영향의 상호 상관 관계.
이 분석을 사용하여 팁 엔드 캡의 내부 모양과 슬롯 입구 프로파일이 팁을 따라 균일한 압력 분포와 모든 슬롯에서 균일한 출구 속도를 얻는 데 중요한 역할을한다는 것을 식별 할 수있었습니다.
추가적으로 고온으로 고열된 용광로 내부에서 높은 열 유속이 노출될 때 복사 팁의 구조적 견고성에 대한 설계 탐구를 수행했습니다. 이 연구에서는 솔리드 팁을 사용하고, 팁의 외부에 열 부하를 적용하고 팁의 내부에 대류 열전달 계수와 온도를 적용했습니다. 팁은 기준이 되는 부분에서 제약이 가해지지만, 그 외에는 팽창이 가능한 자유로운 상태였습니다. 이 분석에서는 단순히 고체에 대한 에너지 방정식을 해결하여 열 부하에 의한 응력을 포착하기 위해 유한 요소 분석을 사용했습니다. 이 시뮬레이션 설정은 유체 흐름의 설계 탐색 연구 유사한 형식으로, 슬롯 치수, 간격, 팁 엔드 캡 기하학 구조 등과 같은 10개의 설계 변수를 정의했습니다. 그러나 설계 목표로는 열 및 구조 분석과 관련된 새로운 목표를 생성했습니다. 이 목표들은 최대 및 최소 온도 및 위치, 온도 구배, 팁 변위 (확장), 팁 전체의 응력 및 위치 등과 관련이 있습니다.
이 설계 탐색 연구에서는 다양한 설계 변수 범위에서 팁의 성능을 탐구하기 위해 700번 이상의 가상 테스트를 완료했습니다. 광범위한 설계 파라미터에 대한 팁의 성능을 탐색할 수 있었습니다. 이러한 시뮬레이션 중 하나에 대한 일련의 결과가 그림 11에 나와 있습니다. 이 특정 설계 시나리오의 경우 온도 프로파일은 예상대로 가장 높은 온도가 팁의 끝 캡에 있음을 나타냅니다. 그러나 열은 슬롯의 개별 행 사이에있는 금속을 통해 팁으로 전도되고 있습니다. 이로 인해 가장 높은 온도를 볼 수있는 엔드 캡 근처에서 응력이 낮아집니다. 가장 차가운 영역은 슬롯의 중앙에 있으며 낮은 변위에 해당합니다. 그러나 상대적으로 낮은 온도를 감안할 때 다른 기술을 사용하여 더 높은 응력을 해결할 수 있습니다. 이 분석을 위해 그림 11과 유사한 상호 상관 테이블도 만들었습니다.
그림 11. 설계 탐색 연구 중 고려된 수백 개의 팁 설계 중 하나에 대한 열 유한 요소 분석 결과
(a) 팁의 온도 프로일, (b) 팁을 수직으로 가로지르는 단면 (c) 예측된 팁 변위, (d) 및 팁 전반에 걸쳐 예측된 본 미세스 (Von Misses) 응력
전산 분석 결과를 바탕으로 가장 중요한 설계 매개 변수와 방사 벽 버너의 성능에 미치는 영향을 식별 할 수있었습니다. 그런 다음 이러한 매개 변수 중 일부가 팁 설계에 통합되어 테스트 시설에서 철저한 테스트를 거쳤습니다. 도 12는 시험 지점 중 하나 동안 내부 스테이징 발사 천연가스와 함께 RWSF 버너의 콤팩트한 화염을 도시한다. 내부 및 외부 스테이징이 있는 RWSF 버너에 대한 연소 시험 데이터를 선택하여 표 1에 캡처합니다.
그림 12: 위의 사진은 소형 화염으로 천연가스를 발사하는 내부 스테이징 버전을 보여줍니다.
표 1: 수평 슬롯이 있는 Zeeco RWSF 버너에 대한 연소 테스트 데이터
결론
이 문서에서는 방사 벽 버너의 성능을 향상시킬뿐만 아니라 수명을 연장하고 유지보수의 용이성을 높이기위한 방법론과 함께 방사 벽 버너 개조 응용 분야에 대한 솔루션을 모색했습니다. 물리적 테스트와 계산 도구의 사용 모두 새로운 설계를 탐구하고 장기간에 걸쳐 까다로운 조건에서 버너 성능을 예측할 수있었습니다. 버너 어셈블리를 통한 흐름에 대한 상세한 과도 시뮬레이션을 정상 상태 모델과 결합하여 광범위한 설계 매개 변수와 버너의 성능에 미치는 영향을 탐색할 수 있었습니다. 또한, 우리는 용광로에서 높은 복사 하중을 겪을 때 팁의 구조적 성능을 연구했으며, 설계 탐사를 통해 설계를 수정하여 이러한 열 부하를보다 쉽게 견딜 수 있도록했습니다. Zeeco에서 방사 벽 버너의 작동 외피가 발사 속도 증가, 높은 수소 연료 또는 낮은 배출로 한계에 도달함에 따라 우리는 혁신을 주도하기 위해 전산 도구와 함께 물리적 테스트를 계속 사용하고 있습니다.