메탄/공기 층류 부분예혼합화염의 상세 라디칼(OH*, CH* 그리고 C2*) 정보와 배기매출물에 관한 실험적 연구 Detailed Local Chemiluminescence Measurement (OH*, CH* and C2*) and Nitrogen Oxides Emissions in Laminar Partially Premixed CH4/Air Flames원문보기
An experimental study was performed to investigate the effects of partially premixing, varying the equivalence ratios from $0.79{\sim}{\infty}$, on NOx emissions and chemiluminescence of excited $OH^{\ast},\;CH^{ast}\;C_2^{\ast}$ radicals in laminar partially premixed flames. t...
An experimental study was performed to investigate the effects of partially premixing, varying the equivalence ratios from $0.79{\sim}{\infty}$, on NOx emissions and chemiluminescence of excited $OH^{\ast},\;CH^{ast}\;C_2^{\ast}$ radicals in laminar partially premixed flames. the signal from the electronically excited state of $OH^{\ast},\;CH^{ast}\;C_2^{\ast}$ was detected through a band pass filter with a photo multiplier tube, which are processed to the intensity ratio ($C_2^{\ast}/CH^{\ast},\;C_2^{\ast}/OH^{\ast},\;and\;CH^{\ast}/OH^{\ast}$) to reveal the correlation with local equivalence ratio. And measurements of NOx emission were made to investigate the relationship between visible flame appearance, chemiluminescence, and EINOX. The results demonstrated that (1) the flames at ${\phi}<1.59$ exhibited classical double flame structure, at ${\phi}>4.76$, the flames exhibited diffusion flame structure, and the intermediate flames at $1.59<{\phi}<4.76$ was a merged flame, (2) the $OH^{\ast}$ peak was located inside the $CH^{\ast}\;and\;C_2^{\ast}$ radical for all measured conditions and the emission intensity ratio of $C_2^{\ast}/CH^{\ast}\;and\;C_2^{\ast}/OH^{\ast}$ were identified as good marker for local equivalence ratio over a range of ${\phi}=0.79{\sim}1.2\;and\;CH^{\ast}/OH^{\ast}\;is\;0.79<{\phi}<1.9$. However, it was difficult to predict the equivalence ratio in partially premixed flames using this system for ${\phi}>2.38$, (3) the minimum NOX emission index (EINOx) is obtained for a equivalence ratio of 3.19 in the intermediate flames.
An experimental study was performed to investigate the effects of partially premixing, varying the equivalence ratios from $0.79{\sim}{\infty}$, on NOx emissions and chemiluminescence of excited $OH^{\ast},\;CH^{ast}\;C_2^{\ast}$ radicals in laminar partially premixed flames. the signal from the electronically excited state of $OH^{\ast},\;CH^{ast}\;C_2^{\ast}$ was detected through a band pass filter with a photo multiplier tube, which are processed to the intensity ratio ($C_2^{\ast}/CH^{\ast},\;C_2^{\ast}/OH^{\ast},\;and\;CH^{\ast}/OH^{\ast}$) to reveal the correlation with local equivalence ratio. And measurements of NOx emission were made to investigate the relationship between visible flame appearance, chemiluminescence, and EINOX. The results demonstrated that (1) the flames at ${\phi}<1.59$ exhibited classical double flame structure, at ${\phi}>4.76$, the flames exhibited diffusion flame structure, and the intermediate flames at $1.59<{\phi}<4.76$ was a merged flame, (2) the $OH^{\ast}$ peak was located inside the $CH^{\ast}\;and\;C_2^{\ast}$ radical for all measured conditions and the emission intensity ratio of $C_2^{\ast}/CH^{\ast}\;and\;C_2^{\ast}/OH^{\ast}$ were identified as good marker for local equivalence ratio over a range of ${\phi}=0.79{\sim}1.2\;and\;CH^{\ast}/OH^{\ast}\;is\;0.79<{\phi}<1.9$. However, it was difficult to predict the equivalence ratio in partially premixed flames using this system for ${\phi}>2.38$, (3) the minimum NOX emission index (EINOx) is obtained for a equivalence ratio of 3.19 in the intermediate flames.
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문제 정의
따라서 본 연구의 목적은 동축류 메탄/공기 부 분 예혼합화염의 당량비 변화에 따른 화염구조의 변화와 O*, H C* H 그리고 C2* 라디칼에 관한 상 세한 분석과 이와 관련한 EINOx의 최소화 메카 니즘과의 관계규명이다.
위의 선행연구들은 특정 당량비 영역에 한정되어 있거나 국소영역에서의 자발광(chemiluminescence), 형 ^(fluorescence), 화학종(n司 or and minor species) 과 온 도분포(load tenperature distribution) 등에 머물러 있으며, 아직 자발광 특성을 이용한 화염구조와 배기 배출물과의 관계를 부분 예혼합화염의 전 영역에 걸쳐 설명하려는 시도는 드물다. 본 실험에서는 앞서 서술한 선행연구의 일환으로서 메탄/공기 동축류 층류 부분 예혼합화염을 대상으로 당량비 와 자발광 강도와의 관계를 연구하고자 한다.
본 연구에서는 당량비 영역을 희박한 영역에서 부터 확산화염영역까지 확장하여 화염전파면에서 당량비와 자발광 강도비사이의 관계를 연구하였다. Fig.
제안 방법
PMT(Photo-Multi-Tube)를 이용한 L차원 점측정 (1 dimensional point measurement)시 초점에서의 수차를 줄이기 위해 비구면 볼록 렌즈(Aspherical piano convex lens; X =200~2000nm; SIGMA KOKI, SLSQ-50-400P) 2개와 광파이버 (optic fiber, D=L22mm)를 사용하였으며 자발광 파장에 따라 초점거리를 달리 하였다. O*(0H, 0), C*(0H, 0) 및 C2*(0, 0) 밴드의 자발광을 획득하기 위하여 각각 307.
그리고 N* O와 CO2 등의 배기배출물 측정을 위하여 NOX 분석기와(Teledyne instruments Inc., M- 200AH), GC(Gas-Chromatograph; Hewlett- Packard, Hm5890H)를 사용하였다. 배기가스 취득시 프로브(acquisition probe, D=2mm, L=450mrn)의 끝단에서 NO의 산화를 막기 위하여 (quenching) 상온의 냉각 수를 사용하였으며, 측정위치는 선행연구㈣를 참고 하여 반경방향으로의 농도가 일정해지는 화염높이 의 두 배로 하였다.
, M- 200AH), GC(Gas-Chromatograph; Hewlett- Packard, Hm5890H)를 사용하였다. 배기가스 취득시 프로브(acquisition probe, D=2mm, L=450mrn)의 끝단에서 NO의 산화를 막기 위하여 (quenching) 상온의 냉각 수를 사용하였으며, 측정위치는 선행연구㈣를 참고 하여 반경방향으로의 농도가 일정해지는 화염높이 의 두 배로 하였다.
실험 범위의 설정은 희박화염에서부터 확산화염 에 이르기까지 전 범위에 걸쳐 수행하였으며 $ =0.79 미만의 조건에서는 공기량의 증가와 연료 량의 상대적 감소로 인한 연소불안정 (flame instability) 으로 소 염 (blow-off) 되 었 다.
예혼합연소를 이루기 위한 혼합기는 메탄(99.95% CHQ과 건공기 (dry air; 79%N2, 21%0力를 사용하였으며, 당량비는 볼유량계 (rota-meter) 와 MFC(Mass-Flow-Controler)를 사용하여 메탄을 고정한 상태에서 건공기를 주입하여 조절하였다. 이때 당량비 증가에 따라 노즐 내경을 기준으로 한 Fr수와 Re수는 감소하며, 이차공기는 55slpm 으로 고정하였다.
대상 데이터
이차공기 공급은 연소시 외부 유동에 대해 화염이 떨리지 않고 안정적으로 연소하는데 도움 이 된다. 또한 자발광 측정시 버너의 림에서 반 사광을 줄이기 위해 노즐의 출구는 버너 출구에서 100mm 높였으며, 원통형 석영관(D=93mm, t=4mm, H=500mm, X =200~2000nm) 을 씌 워 (confined) 사용하였다. 광의 강도는 씌우지 않은 (unconfined) 경우에 비해 최고 강도값이 10% 줄 어들었으며 화상의 외곡은 거의 없었다.
성능/효과
(1) 당량비 증가에 따라 화염형 상은 예혼합화염 구조, 혼합구조 (hybrid), 그리고, 확산화염구조로 분류되어 지며, 화염길이와 화염폭이 증가하였다.
(2) O* H 가 다른 화학종, C* H 와 C2* 보다 중심 측에 존재하며, 0>=1.36인 경우 C* H 마찬가지로 * OH 도 이중구조를 나타내는 최고치가 2개 존재하였으며 C* 2 도 동일한 결과를 보였다. 하지만 상대적으로 과농한 당량비에서는 이중구조가 보이지 않는다.
(3) O, * H C* H 그리고 C2* 자발광은 =0.86/1.06/1.19 순으로 각각 죄고 강도값을 나타냈 고, 당량비 4>=0.76~1.90의 영역에서 C/** O2H 와 C2*/*, CH 그리고 C*/* OHH의 자발광 강도비는 선형적으로 비례하였다.
(4) EINOx는 4>=L9에서 최고값을 가졌으며, $ =3.17에서 최소값을 가졌다. 이후 당량비 증가에 따라 서서히 증가하였다.
52의 경 우로 확산화염구조를 나타낸다. O* H와 라디 칼은 상대적으로 약간 과농한 영역에 비하여 그 강도가 줄어들었지만 반대로 C* He 계속 상승하는 것으로 나타났다.
즉 C* H와 내부에 위치한 O* H가 다른 화학종보다 중심측에 존재하며 이것은 화염내의 unbumed 지역에 예열대에 존재한다. 그리고 반경 에서 멀어질수록 C*, H C* 2 신호강도가 급격히 감소하는 반면 O* H의 강도 기울기가 완만한 것으로 봐서 넓은 반응영역을 가짐을 확인할 수 있다.
9에서 선형적인 관계를 보였으며 C* W/CH 와 * CW/OH 에 비하여 더 넓은 범위에서 선형성을 가진다. 또 다른 흥 미로운 사실은 C*/* OHH는 당량비 1.9를 기준으로 상대적으로 1.9보다 희박한 영역에서는 여러 논문에서 확인했든 결과와 동일하게 선형적으로 나타났지만 상대적으로 농후한 지역에서는 당량 비 증가에 따라 그 구배가 완만하게 나타났다. 일정당량비를 기준으로 자발광강도비는 전 구역 에 선형적인 관계를 가지지는 않는 것으로 나타났다.
9까지 급격하게 상승을 한다. 반복된 실험의 결과 E* INO 의 최대값을 기준으로 약 ±10%의 오 차범위를 나타내었다. 급격한 상승 후 e=2.
Kojhna, Ikeda 등曹)은 충류와 난류화염에서 국 소지점과 전체 화염의 자발광 배출특성과, 자발 광비와 당량비와의 관계에 대하여 연구하였다. 이의 결과로 O*, H C*, H C2* 등이 대기압-상온의 메탄 연소조건에서 이론공연비 부근에서 최고 강 도값을 가지며, C2*/*, CH C2*/* OH 그리고 C*/* OHH 등의 자발광비가 <户0.8~1.5의 영역에서 선형적으로 증가함을 밝혀냈다. 이러한 연구 결과들 은 다른 여러 연구자들에 의해 확인 되었으며户 내 연기관에서의 국소당량비 측정, ㈣ 가스터빈에서의 연소상태진단⑺ 등으로 웅용하기 위한 연구가 진행 되고 있다.
9보다 희박한 영역에서는 여러 논문에서 확인했든 결과와 동일하게 선형적으로 나타났지만 상대적으로 농후한 지역에서는 당량 비 증가에 따라 그 구배가 완만하게 나타났다. 일정당량비를 기준으로 자발광강도비는 전 구역 에 선형적인 관계를 가지지는 않는 것으로 나타났다. 이는 자발광 배출특성으로 국소 당량비 측 정에 응용을 함에 있어 당량비 영역에 따라 분류 해야함을 의미한다.
하나는 과농한 메탄과 공기가 예혼합된 곳에서 또 하나는 연소생성물과 공기사이에 생성된 확산화염의 연료끝단에서 생성되는 것이다. 한가지 흥미 로운 사실은 화염내의 C* H 라디칼 분포를 통해 두 개의 최고치가 존재하는 것은 몇몇 논문에서 알려져 있지만 본 연구에서 확인한 결과 C* H과 마찬가지로 O* H도 이중구조를 나타내는 최고치가 2개 존재하였으며 C/도 동일한 결과를 보였다.
당량비가 이론공연비 근처의 값을 가지는 예혼합화염구조 구간에서는 당량비 증가에 따라 가시화염길이가 급속하게 상승하였다. 혼합구조에서 확산화염구조로 갈수록 화염길 이의 상승이 둔해지는 것으로 나타났다.
후속연구
이 결과는 당량비에 따른 O*, H C*, HC* 2 자발광 강도의 변화를 보여준다. 아울러 자발광은 온도와 압력의 함수임으로 앞으로 온도와 관련한 연구가 수행되어야 할 것으로 사료된다.
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