NG-H2 혼소율에 따른 난방용 보일러의 열·공해 성능 검토와 물 분사 폐열회수 보일러의 효용성 검증 :The Thermal and Pollution Performance calculation of Heating Boilers with NG-H2 Mixture ratio and Validation Practicality of Heat Recovery Boilers with Water Spray

서준선

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자료유형: 학위논문

저자정보: 서준선 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수: 이창언

발행연도: 2022

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2022

NG-H2 혼소율에 따른 난방용 보일러의 열·공해 성능 검토와 물 분사 폐열회수 보일러의 효용성 검증

서준선 기계공학과 2022.01 학위논문

2021

난방용 보일러에서 NG-H₂ 혼소율에 따른 열 및 공해 성능의 검토

서준선 , 김영직 , 박준규 외 1명 한국수소및신에너지학회논문집 2021.12 학술저널

물분사 폐열회수 보일러의 효용성 검증을 위한 기초 연구

서준선 , 이창언 , 박태준 외 3명 대한기계학회 논문집 B권 2021.08 학술저널

물분사 폐열회수 보일러의 효용성 검증을 위한 기초 연구

서준선 , 박태준 , 이창언 KOSCO SYMPOSIUM 논문집 2021.05 학술대회자료

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수소는 기존 화석연료의 한계와 오염문제를 극복할 수 있는 새로운 에너지원 중 하나로 평가받고 있다. 비록 수소는 CO2를 배출하지 않을지라도 기존 가스연료 시스템에서 수소를 사용하기 위해서는 NOx 배출 및 화염 안정성에 주의가 필요하다. 가정?상업용 난방 분야의 탈탄소 전략으로 전기망(electric grid)은 비현실적이며, 기존 시스템과의 호환성, 경제성, 접근성 측면에서 도시가스망(city gas grid)을 활용한 수소 이용이 합당한 방안이라 제안되고 있다. 본 연구에서는 연소용 공기에 증기를 가습하는 가습 NG-H2 보일러를 대상으로 H2 혼소율 및 증기 가습률에 따른 보일러의 열효율 및 NOx 성능을 검토하였다. H2(20%)인 혼소 연료는 효율, 화염 온도 및 공해 성능 측면에서 NG와 거의 유사하여 기존 NG(Natural Gas) 시스템에 바로 호환 가능할 것으로 예상된다. H2 전소 보일러는 가습률 15~20% 정도에서 배기 온도를 60℃ 근방까지 낮춘다면 NOx 배출농도를 5~10ppm 정도로 억제하면서 효율은 1등급에 해당하는 정격 부하 87%를 달성할 수 있음을 알 수 있다.
현재 개발 중인 물 분사 폐열회수 보일러(Heat Recovery Boilers with Water Spray : HR-B/WS)를 이용하여 이에 대한 효용성 및 타당성 검증을 동시에 진행하였다. HR-B/WS는 폐열회수 과정에서 발생하는 고온 응축수를 유입 공기에 재순환 분사하는 보일러로 폐열회수량을 증가시키고 동시에 공기비에 무관하게 화염 온도를 낮추어 NOx 생성을 억제시키고자 고안된 것이다. 실험에 사용된 연료는 NG이며, 실험 결과를 통해 보일러 제품 상용화를 위한 최적화 검토도 진행하였다. 본 HR-B/WS는 동일 환수온도 조건의 난방용 보일러에 비해 NOx, CO 농도를 약 50% 저감시키나, 효율증가는 2~3%로 예상보다 크지 않음을 확인하였다. 그 원인을 HR-B/WS의 열·물질 분석을 통해 상세히 파악하고 효율 개선을 위한 폐열회수 시스템의 설계 방안을 검토하였다.

Hydrogen is evaluated as one of the new energy sources that can overcome the limitations and pollution problems of conventional fossil fuels. Although hydrogen is CO2-free, attention is required in NOx emission and flame stability in order to use hydrogen in existing gas fuel system. However, use of electric grids is an unrealistic strategy for decarbonization for residential and commercial heating. Instead, use of H2 that utilizes city gas grid is suggested as a reasonable alternative in terms of compatibility with existing systems, economic feasibility, and accessibility. In this study, the thermal efficiency and NOx performance of the boiler according to the H2 mixture ratio and vapor humidified ratio are reviewed for a humidified NG-H2 boiler that vapor humidity to combustion air. Mixed fuel with H2(20%) is almost similar to NG(Natural Gas) in terms of efficiency, flame temperature, and pollution performance. Thus, it is expected to be directly compatible with the existing NG system. If the exhaust temperature of the H2 boiler is lowered to around 60℃ at a humidified ratio of 15-20%, the NOx emission concentration can be suppressed to about 5-10ppm. The level of efficiency reaches 87% of the rated load efficiency, which is equivalent to the highest grade achievable.
The heat recovery boiler with water spray (HR-B/WS) currently being developed was used to verify its utility and validity at the same time. The HR-B/WS, where high temperature water condensed in the system is sprayed onto the inlet airstream, is designed to increase the recovery of waste heat and reduce NOx formation by lowering the flame temperature irrespective of the air ratio. The fuel used in the experiment is NG, and an optimization review was also conducted for the commercialization of boiler products based on the experimental results. Compared to the basic condensing boiler with the same return water temperature, HR-B/WS reduces the NOx and CO emission by approximately 50%. However, the rise in the efficiency was estimated at 2~3%, which was less than expected. The cause was identified through HR-B/WS analysis of heat and mass balances and confirmed the design points of the heat recovery system aimed at improving the efficiency.

#Net zero CO2 #NG-H2 boiler #Heat recovery boiler #Vapor humidified ratio #One-D numerical analysis

제 1장 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 동향 2
1.3 연구 목적 3
제 2장 보일러의 효율 및 공해 성능 예측법 4
2.1 열효율 예측법 4
2.1.1 대상 시스템 및 총괄반응식 4
2.1.2 운전조건 7
2.1.3 열물성치 계산법 10
2.1.4 효율 13
2.2 NOx 및 CO 배출농도 예측법 14
2.2.1 단순 모델 연소실 및 지배방정식 14
2.2.2 해석모델의 신뢰성 18
제 3장 H2 혼소율에 따른 결과 및 고찰 22
3.1 일반 보일러(Ba-B)의 H2 혼소율에 따른 성능 변화 24
3.2 가습 H2 보일러 유용성 검토 31
제 4장 물 분사 폐열회수 보일러의 효용성 검증 36
4.1 최적 조건의 물 분사 폐열회수 보일러 시스템 36
4.1.1 NG, H2 보일러의 폐·예열원 분석 39
4.1.2 NG, H2에 대한 HR-B/WS의 폐·예열원 분석 43
4.2 물 분사 폐열회수 보일러 기초 실험 45
4.2.1 연구대상 시스템 45
4.2.2 해석방법 47
4.2.3 기초 실험(1차) 결과 분석 51
4.3 물 분사 폐열회수 보일러의 상용화 검토 55
4.3.1 고효율을 위한 설계 사양 개선 55
4.3.2 재실험(2차) 결과 분석 57
4.3.3 공해물질 배출량 비교 64
제 5장 결론 66
참고문헌 67

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