KR100304392B1 - 가스터어빈장치및이가스터어빈장치로부터의NOx방출감소방법 - Google Patents

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Abstract

예비혼합섹션내로 주입하기 이전에 소량의 공기를 연료 내에 혼합함으로써, 예비혼합섹션을 갖는 가스터어빈 연소기로부터의 NOx 방출레벨을 감소시키는 장치 및 방법이 개시된다. 전환된 공기부분은 예비혼합섹션내로 주입된 총 공기량의 대략 5%이거나, 또는 연료라인내에 생성된 연료-공기 혼합물이 대략 연료가 반이고 공기가 반이다. "헤드 스타트 부분예비혼합"이라 불리는 연료라인 내로의 공기 주입은 NOx의 출력을 증가시키는 연료농도 레벨중의 변동성 및 불균일성을 감소시키는 데 효율적이다.

Description

가스 터어빈 장치 및 이 가스 터어빈 장치로부터의 NOx 방출 감소 방법
제1도는 종래의 예비혼합 연소용 연소기의 개략도.
제2도는 본 발명의 연소기의 개략도.
제3도는 실험상의 평균 연료농도를 비교한 그래프.
제4도는 실헝상의 "비혼합" 레벨을 비교한 그래프.
제5도는 실험상의 N0x 방출 레벨을 비교한 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 연소기 21 : 예비혼합 섹션
22 : 연소 섹션 23 : 화영 안정화기
24, 25 : 제 1 및 제 2 입구 26 : 연료 라인
27 : 공기 흡입 라인 28 : 공기 전환 수단 또는 분기부
29 : 분기부
본 발명은 가스 터어빈 연소기내의 NOx 생성을 최소화하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 연소기의 예비혼합 섹션의 상류에서 소량의 연소공기를 연료 라인과 혼합함으로써 NOx 의 방출을 감소시키는 것에 관한 것이다.
탄화수소는 가스터어빈 연소기의 연료로서 널리 사웅된다. 천연가스는 그것의 광범위한 이용성 때문에, 고정식 발전 시스템에 있어서 특히 매력적인 연료이다. 그러나, 탄화수소가 연소에 의해 방출되면 산성비, 오존층 파괴 및 "온실" 효과 등의 같은 많은 환경문제가 야기된다. 대기를 오염시키는 연소 부산물은 환경의 질에 대하여 고조되고 있는 관심중 일부로서 최소화되는 것이 요구되고 있다. 질소 산화물(NOx)은 특히 바람직하지 않은 부산물이다.
NOx는 연소중에 대기중의 질소와 산소원자들 간에 발생되는 반웅에 의해 부분적으로 형성된다. 이들 반응의 높은 활성에너지 때문에, 약 1800K 내지 1900K미만의 온도에서는 NOx가 많이 형성되지 않는다. 통상적인(예비혼합되지 않는) 연소기에 있어서는 이러한 고온의 요건 때문에 NOx를 제어하기 위해서 물 또는 증기를 주입하였다. 이 접근법을 이용하면, 주입된 물 또는 증기는 열을 흡수하여 최고 온도를 NOx 형성의 임계치 미만으로 감소시키므로 NOx의 형성이 감소된다. 그러나, 이러한 접근법은 물 또는 증기로 인하여 비싸며, 부식을 야기시킬 수 있고, 또 일산화탄소의 방출 레벨을 증가시킬 수 있다. 암모니아계의 열적 질소산화물 제거제를 배기 스트림내로 주입하는 또다른 접근법은 NOx를 최소화시키지만, 이 방법은 투자설비 및 처리 암모니아의 면에서 대단히 비싸다.
기상 탄화수소의 희박한 예비혼합 연소(lean premixed combustion)는 배기물을 사후연소처리할 필요없이 비교적 청정한 연소를 제공하기 때문에 매력적인 접근법이다. 전형적으로, 희박한 예비혼합 연소는 (예비혼합 섹션이라 불리는 연소기의 일부 내에서) 화염 안정화기의 바로 상류에서 연료와 공기를 예비혼합하여 화학 양론적으로 희박한 측에 혼합물을 형성함으로써 달성된다. 예비혼합의 효과는 혼합물의 연소온도를 감소시키는 것, 바람직하게는 최소화시키는 것이며, 그에 따라 온도에 민감한 N0x의 생성을 감소시킨다. 일반적으로, 혼합물이 희박할수록 연소 온도는 낮아질 것이다.
전형적으로, 당해분야에 사용되는 연소기의 예비혼합 섹션(premixer section)은 기상 연료와 공기를 완전하게 혼합하지 못하므로 N0x 방출 레벨이 높다. 기하학적 구조 및 흐름 패턴을 변경시킴으로써 예비혼합 섹션내의 연료와 공기의 "혼합"을 향상시키고자 하는 노력이 시도되었다. 그러나, 실제의 설계는 허용가능한 압력저하 한계 및 공간 제약과 같은 요인에 의해 제한된다. 예비혼합기의 설계의 개선에도 불구하고, 불완전하게 혼합되는 경우가 여전히 있다. 불완전하게 혼합되면, 희박한 예비혼합 연소중에 연료농도 레벨의 불균일성과 변동이 발생된다. NOx의 생성은 연료농도에 따라 비선형적으로 증가하기 때문에, 그러한 불균일성 및 변동은 NOx의 생성을 증가시킨다. 예를 들어, 평균 연료농도 이상에서 변동이 일어나면 NOx가 많이 생성될 것이고, 동일한 변동이 평균 연료농도 이하에서 일어나면 NOx가 그보다는 적게 생성될 것이다. 또한 일정한 연료농도에서 연소를 수행할 해보다 변동이 있을 때 더 많은 NOx가 생성된다. 유사하게, 불균일한 평균 프로파일도 보다 많은 NOx를 야기한다.
따라서, 본 발명의 목적은 연료와 공기 연소 혼합물 중의 연료농도 레벨의 변동 및 불균일성을 최소화시킴으로써 NOx의 방출을 감소시키는데 있다
특히, 본 발명의 다른 목적은 소량의 공기와 연료를 예비혼합 단계의 상류에서 혼합시킴으로써 희박한 예비혼합 연소에 있어서의 NOx 방출을 감소시키는데 있다.
또한, 본 발명의 또다른 목적은 연소기의 설계와 상관없이 유용하며 그리고 연소기의 주요한 변경을 요구하지 않는, 희박한 예비혼합 연소에 있어서의 NOx 방출 감소에 있다.
본 발명의 상기 목적 및 기타 목적은 "헤드 스타트 부분 예비혼합(head start partial premixing)"이라 불리는 공정에 의해 달성된다. 이 헤드 스타트 부분 예비혼합은 연소기내로 주입하기 전에 소량의 공기(총 연소공기 공급량의 약 1 내지 10% 정도)를 연료 라인내로 혼합함으로써 가스 터어빈 연소기로부터의 NOx 방출 레벨을 감소시킨다. 비예비혼합 연소기도 가능하긴 하지만, 본 발명은 바람직하게는 연료와 공기를 혼합하기 위한 예비혼합 섹션을 갖는 연소기를 포함하는 가스 터어빈 장치를 제공한다. 연료 라인이 예비혼합 섹션에 연료를 공급하기 위한 제 1 입구에 접속되어 있으며, 공기의 공급원이 예비혼합 섹션의 제 2 입구에 접속되어 있다. 상기 예비혼합 섹션의 상류에서 공기를 연료 라인으로 주입하기 위한 수단이 공기의 공급원으로부터의 소량의 공기를 연료 라인으로 전환하기 위한 수단을 포함한다.
본 발명은 설계와 상관없이 불완전한 혼합을 갖는 임의의 연소기에도 이용될 것이다. 더우기, 본 발명은 연소기의 고가의 변경을 요구하지 않는다. 본 발명은 헤드 스타트 부분 예비혼합이 연소기로부터 비교적 멀리 떨어진 상류에서 발생되고, 또 연료 라인내의 연료와 공기의 혼합물이 매우 다량으로(가연능력의 한계를 초과하여) 유지되어서 연소가능하지 않기 때문에 안전성의 문제는 없다.
본 발명의 기타 목적 및 장점은 첨부도면을 참조하여 이하의 상세한 설명 및 청구범위를 보면 더욱 명확해질 것이다.
본 발명은, 연소기의 예비혼합 섹션내로 주입하기 전에 소량의 공기를 연료와 혼합시키면 예비혼합 섹션의 혼합물의 순수한 평균 연료농도 레벨에 있어서의 변동 및 불균일성의 감소에 의해 NOx의 생성을 최소화한다는 개념에 기초를 두고 있다. 이 개념의 기본 이론은 통상의 예비혼합 연소기와 본 발명의 연소기를 비교 하는 것에 의하여 보여줄 것이다.
제1도에는 희박한 예비혼합 연소를 수행하기 위한 통상적인 연소기(10)의 개략도가 도시되어 있다. 이 연소기(10)는 주입된 연료와 공기를 혼합하는 예비혼합 섹션(11)과 연료와 공기의 혼합물이 연소되는 연소 섹션(12)을 갖는다 화염 안정화기(13)가 연소 섹션과 예비혼합 섹션을 분리한다. 2개의 입구(14)(15)가 예비혼합 섹션(11)에 대한 진입로를 제공한다. 이들 입구는 임의의 공지된 방식으로 구성될 수 있다. 연료 라인(16)이 예비혼합 섹션에 연료를 공급하기 위하여 제 2 입구(15)에 접속된다. 공기 흡입 라인(17)이 제 1 입구(14)에 접속된다 이 공기 흡입 라인(17)은 제 1 입구를 통하여 공기를 예비혼합 섹션(11)으로 공급한다.
제 1 입구(14)를 통하여 운반되는 스트림의 체적 연료농도는 C1으로 규정하고, 제 2 입구(15)를 통하여 운반되는 스트림의 체적 연료농도는 C2로 규정한다. 제 1 입구(14)를 통과하는 스트림은 전적으로 공기이고 제 2 입구를 통과하는 스트림은 전적으로 연료이기 때문에, C1= 0이고 C2= 1이다. 이 두가지 스트림의 혼합물의 순수한 평균 연료농도를 C 로 규정하면
C1≤ C ≤ C2
이다.
예비혼합 섹션의 혼합물의 순수한 평균 연료농도 C의 최대 분산 σ2 max는 하기와 같다.
σ2 max= (C2- C)(C - C1) (1)
이 분산은 연료와 공기 농도의 변동 크기를 나타낸다. 예를 들어, 연료가 메탄인 경우의 연소공정을 고려해 보자. 메탄의 경우, 순수한 평균 연료농도는
로 주어지며, 여기서 Ø는 연료와 공기의 균등비이다. 연료와 공기의 균등비가 0.5인 경우, C는 대략 0.05일 것이므로, 방정식(1)을 풀면 σ2 max= 0.0475가 된다.
제2도를 참조하면, 본 발명의 연소기(20)가 개략적으로 도시되어 있다. 이 연소기(20)는, 제1도의 연소기와 유사하게, 주입된 연료와 공기가 혼합되는 예비혼합 섹션(21)과, 연료와 공기의 혼합물이 연소되는 연소 섹션(22)을 갖는다. 화염 안정화기(23)가 연소 섹션과 예비혼합 섹션을 분리한다. 2개의 입구(24)(25)가 예비혼합 섹션(21)에 대한 진입로를 제공한다. 연료 라인(26)이 연료를 예비혼합 섹션에 공급하기 위하여 제 2 입구(25)에 접속된다. 공기 흡입 라인(27)이 제1 입구(24)에 접속된다. 이 공기 흡입 라인(27)은 2개의 분기부(28)(29)로 분할된다. 제 1 분기부(28)는 총공기중 소량의 비율(X)을 공기 흡입 라인(27)으로부터 연료 라인(26)으로 운송하여, 예비혼합 섹션(21)으로 주입되기 전에 상술한 소량의 공기를 연료와 혼합시키는 공기 전환 수단이다. 공기 흡입 라인(27)의 나머지 공기는 제 1 입구(24)에 접속되어 있는 제 2 분기부(29)를 거쳐 예비혼합 섹션으로 직접 운송된다.
하기에는 헤드 스타트 예비혼합이 연소기(20)내에 이용되는 경우 0.5의 연료와 공기 균등비에서 메탄올 연소하는 상술한 실시예를 고려해 보고자 한다. 공기 흡입 라인(27)으로부터 연료 라인(26)으로 전환되는 공기의 체적을 총 체적의 5%로 가정해 보자. 그러면, 제 1 입구(24)를 통과하는 스트림은 여전히 전적으로 공기이지만, 제 2 입구를 통과하는 스트림은 연료와 공기의 혼합물이다. 균등비가 0.5인 경우, 순수한 평균 연료농도 C는 약 0.05이기 때문에, 제 2 인구(25)를 통해 주입된 연료와 공기의 혼합물은 절반은 연료이고 절반은 공기이다. 따라서, C1= 0이고 C2= 0.5이며, 방정식(1)에 있어서 σ2 max= 0.0225이다. 이러한 비교로부터, 헤드 스타트 부분 예비혼합이 최대 분산을 50% 이상 감소시키므로 평균 변동 및 볼균일성이 감소된다는 것을 알 수 있다.
연료 라인내로 주입된 공기의 양은 안전성을 고려하여 부분적으로 제한된다. 공기가 많을수록 제 2 입구를 통파하는 연료농도(C2)의 값이 저하되며 가능한 최대분산이 연료농도(C2)의 값에 직접 관련되기 때문에 가급적 많은 공기가 유입되는 것이 이상적이다. 그러나, 연료 라인(26)의 연료와 공기 혼합물은 그것의 가연능력 한계를 넘어 매우 다량으로 유지되어야 하는데, 그렇지 않은 경우에는 이 연료 라인내에서 연소가 발생되고, 너무 많은 공기가 이 연료 라인에 공급되면 가연가능한 혼합물이 생성될 수 있기 때문이다. 다른 고려사항으로는 연료 라인 및 연료 인젝터의 필요한 변경 및 전환된 공기를 이 연료 라인내로 주입하기 전에 필요한 임의의 부가적인 공기 압축 등과 같은 시스템 설계의 실제적인 측면을 들 수 있다. 대체로, 총 공기체적중 대략 1 내지 10% 범위의 양이 실제적이라고 여겨진다.
제 1 분기부(28)는 연소기(20)의 상류로부터 멀리 떨어진 지점에서 소량의 공기를 연료 라인(28)내로 주입할 수 있도록 배치되어야 한다. 연소기로부터의 거리는 연료 라인 내에서의 연소를 방지하는데 도움을 주고, 연료와 공기 혼합물이 연료 라인을 통하여 이동해야 하는 거리가 상당하면 완전한 혼합이 이루어진다.
제3도 내지 제5도에는 본 발명의 개념을 시험하기 위하여 수행된 실험의 결과가 도시되어 있다. 제 1 실험은 각 단부가 서로 접속되어 있는 예비혼합기 튜브와 연소 튜브로 구성된 실험실 규모의 장치상에서 수행하였다. 중앙제트는 예비 혼합기 튜브의 말단부내에 동축으로 배치하였다. 공기를 중앙제트의 상류 지점으로부터 예비혼합기 튜브로 공급하였다. 두 튜브간의 접합부는 화염 안정화 위치로서 작용한다. 동작중에, 평균 및 변동 연료농도를 예비혼합기의 출구평면에서 측정하였으며, NOx 방출 데이타를 연소튜브내의 하류에 위치된 베크만(Bechman)의 NOx 분석 기로 수득하였다.
두가지 연소공정을 수행하였다. 양자의 경우에 연료로 메탄을 사용하였으며 균등비는 0.5 였다. 제 1 실험시에, 메탄을 중앙제트를 통하여 주입하였으며, 공기의 흐름을 예비혼합기 튜브내에 제공하였다. 그런 다음에, 5체적%의 공기 흐름을 예비혼합기 튜브로부터 중앙제트내로 전환하였다. 그 때 이 중앙제트는 본질적으로 연료와 공기의 50-50 혼합물이었다. 이것은 본 발명의 헤드 스타트 부분 예비혼합 개념을 나타낸다. 참고로, 거의 완전히 혼합된 경우를 타타내는 데이터를 수집하였다. (이상적인 예비혼합 데이타를 만들기 위하여 사용된 실험실 기법은 실제적인 가스 터어빈 장치내에서는 실현될 수 없을 것이다) 제3도 내지 제5도에 있어서, 원으로 표시된 부분은 이상적인 예비혼합 경우의 데이타에 대응하며, 사각형으로 표시된 부분은 제 1 실험으로 수득된 데이타에 대응하고, 삼각형으로 표시된 부분은 헤드 스타트 부분 예비혼합을 이용한 실헝으로 수득된 데이타에 대응한다.
제3도에는 예비혼합기 튜브의 종축으로부터의 반경방향 거리(Z)를 예비혼합기 튜브의 직경(Dp)으로 나눈값(비치수화됨) 대 예비혼합기 튜브 단부에서의 체적 평균 연료농도를 작도한 그래프가 도시되어 있다. 연료와 공기의 혼합물이 중앙제트를 통하여 주입된 경우의 농도 프로파일은 연료만이 중앙제트를 통하여 주입된 경우의 농도 프로파일보다 더욱 균일하였고 이상적인 혼합 경우에 더 근접하였다.
제4도에는 예비혼합기 튜브의 종축으로부터의 반경방향 거리(Z)를 예비혼합기 튜브의 직경(Dp)으로 나눈값(비치수화됨) 대 "비혼합" 레벨을 작도한 그래프가 도시되어 있다. 이 "비혼합" 레벨은 값(1-C)C로 비치수화된 연료와 공기 농도의 분산으로 규정된다. [가장 적게 혼합된 경우는 분산이 (1-C)C과 동일하다. 그러므로, 비혼합률이 1 이면 가장 적게 혼합된 경우에 대응할 것이며, 비혼합률이 0이면 가장 많이 혼합된 경우에 대응할 것이다.] 이 그래프는 헤드 스타트 부분 예비혼합을 이용한 연소 실험이 헤드 스타트 부분 예비혼합을 이용하지 않은 연소보다 낮은 비혼합 레벨을 갖는 것을 보여준다.
제5도에는 프로브의 반경방향 위치(Zp)를 연소튜브의 직경(Dc)으로 나눈값(비치수화됨) 대 NOx 생성(ppm)을 작도한 그래프가 도시되어 있다. 이 그래프는 헤드 스타트 부분 예비혼합을 이용하면 NOx의 방출이 상당히 개선된다는 것을 보여준다.
제 2 실험과정은 실물크기의 단일 용기의 연소기상에서 수행하였다. 이용된 연료는 천연가스였고 연료와 공기의 질량비는 약 1(체적비는 약 0.56임)이었으며; 이 값은 약 2%의 연소 공기흐름을 전환한 것에 대응하는 것이었다. 그 결과, 30ppm의 초기 레벨로부터 약 20-25%의 NOx 방출 감소가 가능하다고 나타났다.
상술한 내용은 연소기의 예비혼합 섹션으로 주입하기 전에 소량의 공기를 연료 공급라인내로 주입함으로써 가스 터어빈 연소기내의 NOx 생성을 감소시키는 것을 기술하였다. 본 발명은 연소기를 크게 변경하지 않고 구현될 수 있으며, 그리고 연소기의 설계와 상관없이 이용 가능하다.
이상에서는 본 발명의 특정 실시예를 기술하였지만, 당업자라면 청구범위에 규정된 바와 같은 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않고 그것에 대한 각종 변경예를 만들어낼 수 있을 것이다.

Claims (3)

  1. 연소 섹션(22)과, 이 연소 섹션의 상류에 배치되고 화염 안정화기(13,23)에 의해서 상기 연소 섹션(22)으로부터 분리되며 제 1 입구(25) 및 제 2 입구(24)를 갖는 예비혼합 섹션(21)을 구비하는 연소기(20)와; 상기 제 1 입구(25)에 접속되는 연료 라인(26), 및 상기 제 2 입구(24)에 접속되는 공기 흡입 라인(27)과, 상기 흡입 공기중의 일부를 상기 예비혼합 섹션(21)의 상류에서 상기 공기 흡입 라인(27)으로부터 전환하여 상기 연료 라인(26)에 주입함으로써, 상기 연소기의 예비혼합 섹션으로의 주입 전에 공기를 연료와 혼합시켜서 NOx의 생성을 감소시키는 공기 전환 수단(28)을 포함하는 가스 터어빈 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공기 흡입 라인은 제 1 및 제 2 분기부(28, 29)를 갖고, 상기 제 1 분기부는 공기중의 일부를 상기 공기 흡입 라인(27)으로부터 연료 라인(26)으로 주입하기 위하여 상기 공기 흡입 라인(27)과 연료 라인(26) 사이에 접속되고, 상기 제 2 분기부(29)는 상기 공기 흡입 라인(27)의 나머지 부분을 상기 공기 흡입 라인(27)으로부터 예비혼합 섹션의 제 2 입구(24)로 반송하기 위하여 상기 제 2 입구(24)에 접속되는 가스 터어빈 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 따른 가스 터어빈 장치로부터의 NOx 방출을 감소시키는 방법에 있어서, 예비혼합된 연료와 공기의 혼합물 및 나머지 공기가 추가의 혼합을 위하여 주입되고, 연료가 예비혼합 섹션(21)으로 주입되기 전에 총 공기량의 대략 1 내지 10 %가 연료 내로 예비혼합되는 가스 터어빈 장치로부터의 NOx 방출 감소 방법.
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