[논문]난류강도가 수소 동축분류 난류 확산화염의 NOx 생성에 미치는 영향

한지웅; 정영식; 이창언

doi:10.22634/ksme-b.2001.25.2.147

문제 정의

본 연구에서는 주위 공기 의 난류강도를 인위적으로 강화시킨 분류화염과 통상의 분류화염을 대상으로, 위에 언급한 측정 시스템을 이용하여 연소장 전 영역에서의 NO, NOx 농도 측정을 통하여, 난류강도가 수소분류 화염의 NO 및 NO₂ 생성에 미치는 영향을 고찰 하였다. 그리고 본 연구의 목적 중 하나는 여기서 얻어질 데이터를 NOx 생성에 난류강도의 영향을 고려할 수 있는 소화염(flamelet) 연소 모델 의 개발 및 검증에 이용하고자 하는 것이다.
본 연구에서는 우선, 연료 과잉 영역에서의 NOx 측정시의 문제점을 화학발광식 분석기의 컨 버터 재질을 바꾸면서 검토하여 NOx 농도를 정확히 측정할 수 있는 시스템을 구축하였다. 실험 은 주위 공기 유로에 평균유속과 등방성을 그대 로 유지하면서 난류강도만을 증가시키도록 고안 된 난류발생장치를 장착한 연소기를 대상으로 하였으며, 연료로는 반응기구가 단순하고 복사 열 전달 효과가 적으며, prompt NOx가 발생하지 않는 수소를 사용하였다.
실험 은 주위 공기 유로에 평균유속과 등방성을 그대 로 유지하면서 난류강도만을 증가시키도록 고안 된 난류발생장치를 장착한 연소기를 대상으로 하였으며, 연료로는 반응기구가 단순하고 복사 열 전달 효과가 적으며, prompt NOx가 발생하지 않는 수소를 사용하였다. 본 연구에서는 주위 공기 의 난류강도를 인위적으로 강화시킨 분류화염과 통상의 분류화염을 대상으로, 위에 언급한 측정 시스템을 이용하여 연소장 전 영역에서의 NO, NOx 농도 측정을 통하여, 난류강도가 수소분류 화염의 NO 및 NO₂ 생성에 미치는 영향을 고찰 하였다. 그리고 본 연구의 목적 중 하나는 여기서 얻어질 데이터를 NOx 생성에 난류강도의 영향을 고려할 수 있는 소화염(flamelet) 연소 모델 의 개발 및 검증에 이용하고자 하는 것이다.

제안 방법

이 컨버터의 재질에는 스테인리스 스틸, 몰리 브덴 및 탄소 등이 있으며 재질에 따라서는 시료 중의 공존가스의 영향으로 컨버터가 정상적인 작 동을 하지 않아 측정된 NOx 농도치가 실제보다 작게 되는 경우가 있다.'”>스테인리스 스틸 컨버 터를 사용한 기존의 연구가에서는 이와 같은 변 환과정에 문제점이 발견되어, 본 연구에서는 스 테인리스 스틸 컨버터와 몰리브덴 컨버터를 병렬 로 연결한 NOx 분석기를 제작하여 컨버터의 재 질에 따른 문제점을 검토, 해결하였으며, 결과에 대해서는 실험고찰 부분에서 논의하기로 한다. NOx측정시 시료가스는 문헌 (3)에서 추천하는 석 영 프로우브로 채집하였고, 채집직후 시료가스를 급속 팽창시켜 반응을 동결시키기 위해 프로우브 선단의 직경을 0.
'”>스테인리스 스틸 컨버 터를 사용한 기존의 연구가에서는 이와 같은 변 환과정에 문제점이 발견되어, 본 연구에서는 스 테인리스 스틸 컨버터와 몰리브덴 컨버터를 병렬 로 연결한 NOx 분석기를 제작하여 컨버터의 재 질에 따른 문제점을 검토, 해결하였으며, 결과에 대해서는 실험고찰 부분에서 논의하기로 한다. NOx측정시 시료가스는 문헌 (3)에서 추천하는 석 영 프로우브로 채집하였고, 채집직후 시료가스를 급속 팽창시켜 반응을 동결시키기 위해 프로우브 선단의 직경을 0.1 mm에서 10 mm로 확대시켰다. 각 화학종의 농도 측정은 수분을 제거한 건농도 상태에서 수행하여, 습농도로 환산하였다.
1 mm에서 10 mm로 확대시켰다. 각 화학종의 농도 측정은 수분을 제거한 건농도 상태에서 수행하여, 습농도로 환산하였다.
수소와 질소의 혼합기를 연료로 한 동축분류 확산화염의 주위 공기류의 난류강도를 인위적으 로 증가시킨 분류화염과 통상의 분류화염을 대상 으로, 연소장내의 NOx 측정시 화학발광식 분석 기의 컨버터 재질어). 따른 문제점을 검토하고, 난류강도가 분류화염의 thermal NOx(NO+NC)2)생성에 미치는 영향을 관찰한 결과 다음과 같은 결론 을 얻었다.
다음에 NOx 농도를 살펴보면 현저한 차이가 있음을 알 수 있는데, 통상의 분류화염의 경우 약 15 ppm이었던 NO 농도의 최고치가 주위 공기류 난류강도가 강한 경우에는 8 ppm으로 크게 감소하나 NO₂ 농도에는 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 이는 주위 공기류 난류강 도의 증가는 고온의 연소가스와 저온의 주위 공 기류간의 혼합을 증대시켜 NO 발생을 급속히 저 감시키나, NO에서 NO?로의 변환과정을 촉진시키 기 때문이라 사료되며 이에 관한 상세한 논의는 다음에 제시하는 반경방향의 농도분포들을 이용하여 고찰하겠다.
1 mm, Pt-Pt/13%Rh)를 사용하였으며 복사에 의한 열손실은 보정하지 않았다. 질소산화물을 제외한 화학종 농도는 수냉 스테인리스 프로우브에 의해 흡입한 시료가스를 가스 크로마토그래피에 의해 분석하여 측정하였으며, 이들에 대한 상세한 내 용은 문헌 (11)을 참조하기 바란다.

대상 데이터

연구 대상인 화염은 Fig. 1과 같은 연소기에서 형성된 분류화염으로, 실험장치의 상세에 대해서는 문헌“"을 참고하기 바란다. 본 장치의 특징은 주위 공기 류의 난류강도를 변화시키 기 위해 공기 유로에 정사각형 단면을 갖는 5개의 ring이 계단 식으로 배열되어 있는 난류 발생장치를 설치한 것이다.
수소와 질소의 혼합기를 연료로 한 동축분류 확산화염의 주위 공기류의 난류강도를 인위적으 로 증가시킨 분류화염과 통상의 분류화염을 대상 으로, 연소장내의 NOx 측정시 화학발광식 분석 기의 컨버터 재질어). 따른 문제점을 검토하고, 난류강도가 분류화염의 thermal NOx(NO+NC)2)생성에 미치는 영향을 관찰한 결과 다음과 같은 결론 을 얻었다.
본 연구에서는 우선, 연료 과잉 영역에서의 NOx 측정시의 문제점을 화학발광식 분석기의 컨 버터 재질을 바꾸면서 검토하여 NOx 농도를 정확히 측정할 수 있는 시스템을 구축하였다. 실험 은 주위 공기 유로에 평균유속과 등방성을 그대 로 유지하면서 난류강도만을 증가시키도록 고안 된 난류발생장치를 장착한 연소기를 대상으로 하였으며, 연료로는 반응기구가 단순하고 복사 열 전달 효과가 적으며, prompt NOx가 발생하지 않는 수소를 사용하였다. 본 연구에서는 주위 공기 의 난류강도를 인위적으로 강화시킨 분류화염과 통상의 분류화염을 대상으로, 위에 언급한 측정 시스템을 이용하여 연소장 전 영역에서의 NO, NOx 농도 측정을 통하여, 난류강도가 수소분류 화염의 NO 및 NO₂ 생성에 미치는 영향을 고찰 하였다.

성능/효과

(2) 주위 공기류의 난류강도 증가는 화염면 신 장률 증가 및 주위 저온기체와의 혼합을 촉진하여 화염평균온도를 저감시켜 NOx 배출량을 현저 히 저감시키며, 본 실험 범위내에서는 난류강도 가 강한 경우의 NOx 배출량을 약한 경우의 절반 이하로 감소시킬 수 있다.
(3) 난류강도 증가에 따른 NOx의 저감효과는 분류화염 상류부분에서 현저하며, 이 결과는 화 염 초반부에서의 난류강도 제어가 NOx 저감에 매우 유효함을 시사한다.
따라서 두 그림 에서 NOx 분포곡선의 하부 면적은 각 화염에서 의 NOx 배출량에 비례한다고 할 수 있다. (a)와 (b)에서 NOx 배출량을 비교해 보면, 난류강도가 강한 경우의 NOx 배출량은 약한 경우에 비해 절반 이하로 감소됨을 알 수 있다. 이 결과는 화염 주변부의 난류강도를 크게 하는 것이 thermal NOx의 저감법으로서 매우 유용한 방법이며, 이를 적극적으로 이용하면 연소장에서 발생하는 NOx를 현저히 감소시킬 수 있음을 시사하는 것이다.
6은 분류화염의 상류 단면에 해당하는 x=60 mm 단면에서의 분류화염구조 및 NOx 농도를 도시한 것이다. (a), (b)의 결과를 비교해 보면, 주위 공기류 난류강도가 강한 경우 수소 및 산소 농도의 구배가 완만하며 이들 공존영역이 폭도 넓어지고, 또한 온도, H₂O 등의 분포 형상도 완 만해지는 등 난류강도 증가로 인한 혼합이 촉진 되고 있음을 잘 보여주고 있다. 특호], 난류강도가 강한 경우 NO분포의 최고치는 30 ppm에서 10 ppm으로 급격히 감소하며, NO?의 최고치도 현저 히 감소되고 있음을 알 수 있는데, 이는 난류강 도 증가에 따른 반웅대에서의 화염 신장률(flame stretch)의 증가 및 주위 저온 기체와의 혼합촉진 에 의해 화염의 평균온도가 하강하여 NO발생률 이 급격히 저하하기 때문인 것으로 사료된다.
통상의 분류화염인 (a)에서 NOx의 최고치는 potential core 직후 단면까지 계속 증가하다가 감소하는 경향을 보인다. 반면, (b)의 난류강도가 강한 경우에는 NOx의 최고치가 x=30 mm 이후 단면부터 감소하며, 그 절대량도 분류화염 초반부에서 현격한 차이가 있음을 알 수 있다. 이 결과는 주위 공기류 의 난류강도 증가에 따른 NOx 저감효과가 주로 분류화염 상류부분의 국부 신장률 증가 및 주위 저온기체와의 혼합촉진으로 인한 평균화염온도의 저감에 의해 이루어짐을 시사하며, 분류화염에서 thermal NOx를 저감시키기 위해서는 화염 초반부 의 난류강도를 제어해 주는 것이 매우 유효함을 시사하는 것으로 사료된다.
이 결과는 화염 주변부의 난류강도를 크게 하는 것이 thermal NOx의 저감법으로서 매우 유용한 방법이며, 이를 적극적으로 이용하면 연소장에서 발생하는 NOx를 현저히 감소시킬 수 있음을 시사하는 것이다. 그리고 NOx 농도는 이와 같이 현저한 차이가 있음에도 불구하고, NO₂ 농도는 난류강도에 관계없이 그 절대량은 유사한 분포를 보이고 있는데, 이는 난류강도가 강할수록 NO에서 N₆로 전환되는 비율은 높으며, 또 전체 NOx중에 NO₂ 가 차지하는 비율이 높게됨을 의미한다.
그러나 이들에 대한 상세한 논의는 이미 보고한 바가"" 있기 때문에 여기서는 생략한다. 다음에 NOx 농도를 살펴보면 현저한 차이가 있음을 알 수 있는데, 통상의 분류화염의 경우 약 15 ppm이었던 NO 농도의 최고치가 주위 공기류 난류강도가 강한 경우에는 8 ppm으로 크게 감소하나 NO₂ 농도에는 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 이는 주위 공기류 난류강 도의 증가는 고온의 연소가스와 저온의 주위 공 기류간의 혼합을 증대시켜 NO 발생을 급속히 저 감시키나, NO에서 NO?로의 변환과정을 촉진시키 기 때문이라 사료되며 이에 관한 상세한 논의는 다음에 제시하는 반경방향의 농도분포들을 이용하여 고찰하겠다.
이와 같은 분포경향은 층류화염의 경 우(06와 유사하며, 그 이유로 NO?는 NO와 HO₂ 의 반응에 의해 발생하는데, 이 HOj 라디칼은 고 온가스가 주위의 저온공기와 혼합하여 급랭되면 서 발생하므로 NO₂ 역시 화염외측의 온도구배가 큰 곳에서 발생하며, 그리고 여기서 발생한 NO₂ 가 내부로 확산되면서 고온인 화염대에서 N0가 NO로 다시 변환되기 때문에 화염대 내부에는 NCh가 거의 존재하지 않는다고 알려져 있다. 따라서 위의 결과는 난류분류화염에 있어서도 분류 초기 단면에서의 NOx의 생성 및 분포경향은 층 류화염과 유사함을 알 수 있다.
반면, (b)의 난류강도가 강한 경우에는 NOx의 최고치가 x=30 mm 이후 단면부터 감소하며, 그 절대량도 분류화염 초반부에서 현격한 차이가 있음을 알 수 있다. 이 결과는 주위 공기류 의 난류강도 증가에 따른 NOx 저감효과가 주로 분류화염 상류부분의 국부 신장률 증가 및 주위 저온기체와의 혼합촉진으로 인한 평균화염온도의 저감에 의해 이루어짐을 시사하며, 분류화염에서 thermal NOx를 저감시키기 위해서는 화염 초반부 의 난류강도를 제어해 주는 것이 매우 유효함을 시사하는 것으로 사료된다.

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