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문제 정의
- 공기다단 연소와 같은 방법으로 총 연료량의 변화 없이 연료를 1차, 2차로 나누어 공급하는 연료 다단의 특성을 확인하여 보았다. 설계된 다단 연소기가 I차 연소영역으로 100% 공기를 공급할 경우 화염이 불안정하여 소화 (blow off) 되는경우가 많아 1차 연소영역으로 100% 공급하지 못하고 공기다단 연소조건에서 실험한 결과 중 NO 발생이 많은 1차공기 공급량 70% ( 為 =1.
- 본 연구에서는 다단 연소용 버너를 대상으로 다양한 변수에 따른 N* O 발생특성을 조사하였다. 1차 연소영역의 당량비 제어를 위하여 총 공기량은 변화 없이 (당량비 0.
제안 방법
- 조사하였다. 1차 연소영역의 당량비 제어를 위하여 총 공기량은 변화 없이 (당량비 0.9, 과잉공기 10% 조건) 1, 2차 각 단의 공기 비율을 변화시켰으며, 1차 공기의 출구단면적을 조절함으로써 2차 공기와의 상대적인 분사 위치 및 속도 변화를 시도하였다. 또한, 선회기 (swirler)의 베인(vane) 경사각도를 조절함으로써 선회 강도에 따른 연소특성을 확인하였 으며 공 기 다단조 건 에 연 료다단도 적 용하였다.
- 공기 및 연료는 1차와 2차로 구분되어 공급되며, 1차연료의 경우 연료 분사 각도는 일반 산업용 연소기에서 널리 사용되고 있는 방식과 같이 연료와 공기의 혼합을 촉진시키기 위하여 공기에 대하여 연료가 45°의 각도로 분사되도록 하였다. 1차공기 공급부에는 화염의 안정화를 위하여 선회기를 사용하였고 선회강도 변화를 위하여 베인의 각도가 다른 3 종류(30, 45, 60°, 선회수 S = 0.43, 0.74, 1.28)를 선정하였으며 선회강도 효과와 관련된 실험에서는 스로트(throat) 를 제거하고 실험을 수행하였다. 1차공기의 출구 단면적 변화를 통한 출구속도 영향을 확인하기 위하여 4종류 (A》= 107, 170, 314, 530mm2)의 스로트을 제작 사용하였으며, 2차연료 노즐은 환형의 링에 pin hole (0 0.
- 28)를 선정하였으며 선회강도 효과와 관련된 실험에서는 스로트(throat) 를 제거하고 실험을 수행하였다. 1차공기의 출구 단면적 변화를 통한 출구속도 영향을 확인하기 위하여 4종류 (A》= 107, 170, 314, 530mm2)의 스로트을 제작 사용하였으며, 2차연료 노즐은 환형의 링에 pin hole (0 0.4 mm 乂 8 EA)을 내어 사용하였다.
- 특성을 확인하여 보았다. 설계된 다단 연소기가 I차 연소영역으로 100% 공기를 공급할 경우 화염이 불안정하여 소화 (blow off) 되는경우가 많아 1차 연소영역으로 100% 공급하지 못하고 공기다단 연소조건에서 실험한 결과 중 NO 발생이 많은 1차공기 공급량 70% ( 為 =1.3) 의 경우와 NO 발생이 적은 1차공기 공급량 30% ( 爲=3.0)의 두 경우에 대하여 연료다단 연소를 수행하였다.
- 실험은 비연소장에서 수행되었으며 파장 266 nm, 출력 60 mJ의 Nd:YAG 레이저 (Spectra- Physics, LAB-170-10)를 이용하여 아세톤을 여 기시킨 후 발생되는 형광신호를 ICCD 카메라 (Roper Scientific, PI-MAX)를 이용하여 평면형 광신호 (PLIF)를 얻었다.
- 2와 같다. 연료는 질량유량조절기 (MFC)를 통하여 1단 및 2단으로 공급되며, 연소용 공기는 1, 2단 각각의 로타 메타에 의하여 공급량을 조절하였다.
- 연료다단은 각각 1차공기 비율 30%, 70%의 공기 다단 조건에서 1차연료 비율을 100%, 90%, 80%, 70%의 4 조건에서 실험하였다. 0.
- 연소실내부 및 화염의 국소 온도는 고온측정이 가능한 B 형 열전대 (측정온도 600℃~1700℃) 를 이용하여 측정하였으며 (직경 0.9 mm), 질소 산화물은 화학적 발광기법을 이용한 가스 분석기를 이용하여 측정하였다. NO 총발생량은 크기680 mm x 680 mm x 970 mm의 연소실 상부 스택에서 채집한 값을 사용하였으며, 국소 발생량은 탐침봉 (내경 2 mm, 외경 3.
- 4 mm)을 화염 내에 직접 삽입하여 채집하였다. 연소실에 관측창을 설치하여 각 조건에서의 화염형상을 관찰하였다.
- 일반적으로 1차 연소영역의 당량비가 커짐에 따라 즉, 연료과농 조건일수록 NO 생성량은 감소하는 경향을 볼 수 있는데 앞서 살펴본 것과 같이 Fig. 4(a)의 노즐 직경 0.4 mm 조건에서는 당량비 7.9 에서 NO 발생이 당량비 4.0 에 비하여 증가하는 경향을 보여주므로 이 조건에 대하여 확인하기 위하여 1차공기 출구 단면적 107 mm2 조건에서 화염내부의 NO 농도분포를 측정하여 보았다. Figure 5는 각각의 조건에서 NO 농도 분포를 나타낸 것으로 상대적으로 2차 공기의 유속이 증가된 당량비 7.
- 화학반응 지역에서의 연료와 공기의 혼합 특성을 파악하기 위하여 LPG 연료대신 공기와 아세톤을 섞어 실험 조건의 연료와 동일한 운동량을 갖도록 유량을 조절하여 연료 노즐을 통하여 분사하였다. 실험은 비연소장에서 수행되었으며 파장 266 nm, 출력 60 mJ의 Nd:YAG 레이저 (Spectra- Physics, LAB-170-10)를 이용하여 아세톤을 여 기시킨 후 발생되는 형광신호를 ICCD 카메라 (Roper Scientific, PI-MAX)를 이용하여 평면형 광신호 (PLIF)를 얻었다.
대상 데이터
- 9 mm), 질소 산화물은 화학적 발광기법을 이용한 가스 분석기를 이용하여 측정하였다. NO 총발생량은 크기680 mm x 680 mm x 970 mm의 연소실 상부 스택에서 채집한 값을 사용하였으며, 국소 발생량은 탐침봉 (내경 2 mm, 외경 3.4 mm)을 화염 내에 직접 삽입하여 채집하였다. 연소실에 관측창을 설치하여 각 조건에서의 화염형상을 관찰하였다.
- 본 연구에서는 15kW 용량의 모델 다단 연소기를 대상으로 실험하였다. 사용연료는 액화 석유가스 (LPG)로 사용연료량은 10.
- 대상으로 실험하였다. 사용연료는 액화 석유가스 (LPG)로 사용연료량은 10.44 1pm 이며, 산화제로는 상온의 압축공기를 사용하였으며 공기량은 273 1pm 이다.
- 실험에 사용된 다단연소 버너의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다. 공기 및 연료는 1차와 2차로 구분되어 공급되며, 1차연료의 경우 연료 분사 각도는 일반 산업용 연소기에서 널리 사용되고 있는 방식과 같이 연료와 공기의 혼합을 촉진시키기 위하여 공기에 대하여 연료가 45°의 각도로 분사되도록 하였다.
- 실험은 1차 연료노즐 직경 0.4 mm (16홀) 에서 주로 수행되었으며, 직경 1.2 mm (8홀) 노즐에서도 특성을 확인하였다.
성능/효과
- (1) 다단 연소기에서 1차 연소영역의 당량비 변화에 따른 NO 발생특성을 살펴본 결과 당량 비가 커짐에 따라 즉, 1차 연소영역의 연료과농 정도가 증가함에 따라 NO 발생이 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 노즐직경 0.
- (2) 1차공기의 출구면적 변화로 1차 연소영역의 크기를 조절할 수 있음을 보였다. 1차공기의 출구 단면적이 큰 경우 1차 연소영역이 2차 공기의 분사 지역으로 접근하여 연소지역들이 합쳐져 다단연소의 효율 감소를 가져와 질소산화물 발생이 증가하였다.
- (3) 선회강도가 증가함에 따라 질소산화물의 배출이 함께 증가함을 확인하였다. 본 실험 조건에서 선회기의 사용은 화염의 안정성을 다소 증가시키는 이외의 다른 큰 효과를 가져오지는 않았다.
- (4) 연료다단 연소의 경우 2차연료의 증가에 따라 NO 저감효과를 얻을 수 있었으나 30% 이상의 경우 CO 발생량이 급격히 증가하였다. 공기 다단과 연료다단을 동시에 할 경우보다 높은 NO 저감효과를 얻을 수 있었다.
- 공기 다단과 연료다단을 동시에 할 경우보다 높은 NO 저감효과를 얻을 수 있었다. 즉, 1차공기 공급 30%의 조건에서 20%의 2차연료 공급으로 본 실험조건 하에서 최적의 NO 저감효과를 얻을 수 있었다.
- 수 있었다. 노즐직경 0.4 mm의 경우 당량비 7.9에서 질소산화물의 생성이 다시 증가하는 경향이 나타나 화염내부를 국소 측정한 결과 1, 2 차 연소지역이 합쳐져 연료과농/연료희박의 다단연소의 효율이 감소되어 질소산화물의 배출이 증가하는 것을 확인하였다.
- 공기 다단과 연료다단을 동시에 할 경우보다 높은 NO 저감효과를 얻을 수 있었다. 즉, 1차공기 공급 30%의 조건에서 20%의 2차연료 공급으로 본 실험조건 하에서 최적의 NO 저감효과를 얻을 수 있었다.
- 그러나 30% 이상으로 2차연료를 공급할 경우 CO 발생량이 급격히 증가하여 일반적으로 20% 이내의 2차연료 공급이 적절하다고 판단된다. 즉, 본 실험조건에서는 1차공기량 30%의 조건에서 2차연료 20% 공급조건이 최적의 NO 발생 조건이었다.
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