Study on the Combustion Characteristics of a Small-Scale Orimulsion Boiler

In order to examine the application feasibility of Orimulsion fuel in a commercial boiler using heavy fuel oil, a numerical and experimental research efforts have been made especially to figure out the fundamental combustion characteristics of this fuel in a small-scale boiler. One of the notable combustion features of Orimulsion fuel is the delayed appearance of flame location with the flame shape of rather broad distribution, which is found experimentally and confirmed by numerical calculation. This kind of flame characteristics is considered due to the high moisture content included inherently in the process of Orimulsion manufacture together with micro-explosion by the existence of fine water droplets. In order to investigate the effect on the combustion characteristics of Orimulsion, a series of parametric investigation have been made in terms of important design and operational variables such as injected amount of fuel, types of atomization fluid, and phonemenological radiation model employed in the calculation, etc. The delayed feature of peak flame can be alleviated by the adjustment of the flow rate of injected fuel and the generating features of CO, $SO_2$ and NO gases are also evaluated in the boiler. When the steam injection as atomizing fluid is used, the combustion process is stabilized with the reduced region of high flame temperature. In general, the calculation results are physically acceptable and consistent but some refinements of phenomenological models are necessary for the better resolution of pollutant formation. From the results of this small-scale Orimulsion boiler, it is believed that a number of useful information are obtained with the working computer program for the near future application of Orimulsion fuel to a conventional boiler.

소형 오리멀젼 보일러의 연소특성 연구

본 연구에서는 기존에 중유를 사용하는 상용보일러에서 오리멀젼 연료의 활용 가능성을 평가하기 위하여 소형 보일러에서 오리멀젼 연료의 기본적인 연소특성을 실험과 더불어 수치해석하였다. 오리멀젼의 주요 연소특성은 최고 화염온도가 버너로부터 $20{\sim}30\;cm 뒤쪽에 나타나는 화염지연현상과 비교적 넓게 분포하는 화염의 형태로 이는 오리멀젼 제조과정에서 포함된 높은 수분함량과 미세한 수부액적으로 이한 미소폭발 현상에 기인한다. 오리멀젼 연료의 연소특성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 연료공급량, 무화유체의 종류, 그리고 계산에 사용된 현상학적인 복사모델과 같은 중요한 설계 및 운전인자에 대한 일련의 변수연구를 수행하였다. 연소특성인 최고 화염온도 지연현상은 연료공급 속도를 조절함으로써 어느 정도 저감시킬 수 있었으며 연소생성물로 CO와 $SO_2$ 그리고 NO가스의 연소로 내 발생특성을 평가하였다. 또한 무화용 유체로 증기를 사용하였을 경우 로내 연소상태는 무화용 공기에 비해 안정화 되고 고온영역이 감소되는 결과를 보였다. 일반적으로 본 연구에서 수행한 실험조건에 대한 수치해석 결과는 물리적으로 일관성 있는 결과를 제시하였으나 오염물질 생성농도에 대한 보다 정확한 예측을 위해서는 추후 현상학적인 모델개선을 필요로 한다. 결국 본 연구로부터 개발된 컴퓨터 프로그램은 기존의 상용화 중유 보일러에서 오리멀젼 연료로 대체 사용시 개선사항 및 유용한 운전 자료를 제공할 것으로 판단된다.