본 연구의 목적은 산업용 보일러에서 적용할 수 있는 실질적인 산소부화 연소기술을 개발하는데 있다. 일차적으로 실험실 규모의 연소기에서 연소용 산화제를 공기에서 산소로 대체할 경우 화염특성 및 배출 오염물질의 특성변화를 수치해석을 통해 조직적으로 연구하였다. 첫 번째로 증가된 산소부화량의 결과로 나타나는 화염은 길고 가는 층류형상의 화염모양을 보여주고 있는데 이것은 산화제 중에서 질소성분이 감소함으로써 약화된 난류혼합효과에 기인하는 것으로 판단하였으며 문헌에 발표된 실험결과와 그 경향이 일치하였다. 그리고 산소부화효과는 $N_2$ 가스에 의한 현열손실과 희석효과를 감소시키므로 연소로 내 화염온도를 실질적으로 크게 증가시키고 또한 $CO_2$와 $H_2O$ 농도분율을 증가시킨다. 그러나 100% 순산소 연소가 아닌 경우 산소부화량 증가에 의한 화염온도의 증가는 thermal $NO_x$ 발생을 크게 증가시키는 결과를 초래하였다. 이러한 산소부화에 따른 고온 특성에 의한 질소산화물의 생성문제와 산화제의 유량 감소에 따른 화염의 안정성 문제를 해결하기 위해서는 발생한 이산화탄소를 적절하게 재순환시키는 문제와 기타 운전 조건의 조절에 의한 방법이 필요할 것으로 판단되었다. 예를 들어 화염의 버너선회와 형상변화가 연소특성에 미치는 영향을 고려하기 위하여 버너의 선회각을 변화하여 수치해석을 수행한 결과 $30sim45^{circ}$의 버너 선회는 LNG 연료의 연소효율을 증가시키고 동시에 $NO_x$ 발생량을 저감시켰다.
The ultimate objective of this study is to develop oxygen-enriched combustion techniques applicable to the system of practical industrial boiler. To this end the combustion characteristics of lab-scale LNG combustor were investigated as a first step using the method of numerical simulation by analyzing the flame characteristics and pollutant emission behaviour as a function of oxygen enrichment level. Several useful conclusions could be drawn based on this study. First of all, the increase of oxygen enrichment level instead of air caused long and thin flame called laminar flame feature. This was in good agreement with experimental results appeared in open literature and explained by the effect of the decrease of turbulent mixing due to the decrease of absolute amount of oxidizer flow rate by the absence of the nitrogen species. Further, as expected, oxygen enrichment increased the flame temperatures to a significant level together with concentrations of $CO_2$ and $H_2O$ species because of the elimination of the heat sink and dilution effects by the presence of $N_2$ inert gas. However, the increased flame temperature with $O_2$ enriched air showed the high possibility of the generation of thermal $NO_x$ if nitrogen species were present. In order to remedy the problem caused by the oxygen-enriched combustion, the appropriate amount of recirculation $CO_2$ gas was desirable to enhance the turbulent mixing and thereby flame stability and further optimum determination of operational conditions were necessary. For example, the adjustment of burner with swirl angle of $30sim45^{circ}$ increased the combustion efficiency of LNG fuel and simultaneously dropped the $NO_x$ formation.
