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문제 정의
- 이러한 배경 하에 본 연구에서는 CH4 비예혼합 화염을 대상으로 1차원 대향류 화염의 산소 부화율에 따른 보다 구체적인 NOx 발생 원인을 검토하고자 한다. 이를 위해 NOx 발생의 주요인자가 되는 화염온도, 화염 두께, 체류시간, N2 소모율 변화에 따른 검토가 진행되었다.
- 서론에서 언급되었듯이 산소부화율 75% 이상에서 NOx가 감소되는 구체적인 해석결과를 찾기 어려운 실정이다. 이를 위해 본 연구에서는 산소부화율의 변화 시 NOx 생성에 대한 화염두께, 체류시간 및 N2 소모율 변화의 영향을 체계적으로 검토하였다.
제안 방법
- 산화제의。2 및 N2량 변화에 따른 NOx 배출지수(NOx Emission Index; EINOx)> 구하였다. 그 결과 산화제 중 6가 60% 근처에서 EInox가 최고값을나타내고, 5% 이하의미 량 N2가 유입 되었을 때 통상 CH4/air 연소의 경우보다 NOx 발생량이 많음을 확인하였다.
- 즉, 앞에 언급한 GRI 반응기구를 이용하여 NO의 총생성량(이하, Total NO)를 구하고, C2 반응기구에 Thermal NO 반응만을 포함한 반응기구를 이용하여 Thermal NO를 구하였다. 그리고 이 Total NO 에서 Thermal NO를 뺀 값을 Prompt NO로 정의하여, NO 생성에 미치는 각 기구의 역할을 검토하였다.
- 복사열손실에 대한 계산은 열손실에 주로 기여하는 것으로 알려진 CO2, CO, H2O, CH4의 4가지 화학종에 대해 계산되었다. 단위 체적당 복사 열손실은 다음 식에 의해 계산되었다[8].
- 본 연구는 Oppdif code[6]를 수정하여 수행 되었으며, 열역학적 및 전달 물성치는 각각 Chemkin-II[l0]와 Transport packageμ 1]를 사용하였다. 특정 스트레인율에 해당되는 노즐의 초기유속은 Williams 등[12]에 의해 유도된 식 (11)을 이용하였다.
- 산소부화율의 변화 시 NOx 생성에 영향을 줄 수 있는 또 다른 변수로서, NO 생성에 직접적인 영향을 줄 수 있는 N2의 소모율을 검토하였다. Fig.
- 의미한다. 스트레인율의 변화는 화염구조 뿐만 아니라 NO의 생성특성에도 매우 중요한 변화를 초래할 수 있으나, 본 연구에서는 모든 조건에서 안정한 화염이 형성되는 스트레인율 100 L의 조건에서 계산이 수행되 었다.
- 이를 위해 NOx 발생의 주요인자가 되는 화염온도, 화염 두께, 체류시간, N2 소모율 변화에 따른 검토가 진행되었다.
- 이에 대한 보다 명확한 근거를 확인하기 위해, N2 개시반웅의 생성물에 해당되는 N 라디칼의 발생량을 산 소부화율에 따라 검토하였다. Fig.
- il을 이용하였으며, NO 생성에 영향을 미치는 Thermal NO 및 Prompt NO 기구의 역할을 분리 검토하기 위하여 Nishioka 등[13]이 제안한 방법에 의해 동일 화염을 두 번 계산하였다. 즉, 앞에 언급한 GRI 반응기구를 이용하여 NO의 총생성량(이하, Total NO)를 구하고, C2 반응기구에 Thermal NO 반응만을 포함한 반응기구를 이용하여 Thermal NO를 구하였다. 그리고 이 Total NO 에서 Thermal NO를 뺀 값을 Prompt NO로 정의하여, NO 생성에 미치는 각 기구의 역할을 검토하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 층류 비예혼합 화염편에서 산소 부화율에 따른 NOx 생성특성을 검토하기 위하여 Fig. 1과 같이 노즐간의 거리가 2 cm인 비예혼합 대향류 화염을 대상으로 하였다.
이론/모형
- 또한 각 화염에서의 NO 생성량을 정량적으로 비교하기 위하여 Takeno 등[14]이 제안한 NO 배출지수를 이용하였으며, 그 식은 다음과 같다.
- 연료 및 NOx에 대한 상세 반응기구로는 GRI-2.il을 이용하였으며, NO 생성에 영향을 미치는 Thermal NO 및 Prompt NO 기구의 역할을 분리 검토하기 위하여 Nishioka 등[13]이 제안한 방법에 의해 동일 화염을 두 번 계산하였다. 즉, 앞에 언급한 GRI 반응기구를 이용하여 NO의 총생성량(이하, Total NO)를 구하고, C2 반응기구에 Thermal NO 반응만을 포함한 반응기구를 이용하여 Thermal NO를 구하였다.
- packageμ 1]를 사용하였다. 특정 스트레인율에 해당되는 노즐의 초기유속은 Williams 등[12]에 의해 유도된 식 (11)을 이용하였다.
성능/효과
- 1) 산소부화율이 약 30% 이상의 조건에서 Thermal NO는 주로 NO 생성에 기여하나, Prompt NO는 오히려 소멸에 기여함을 확인하였다.
- 2) 산소부화율이 증가함에 따라 화염온도, 두께, 체류 시간 등은 점점 증가하게 되지만, EIno는 산소부화율이 75%까지 증가하다가 급격히 감소함을 보인다. 이는 N2 소모율의 경향과 일치함을 알 수 있었다.
- 3) 산소부화 화염의 경우, Thermal NO와 관련된 N+NO=N2+O 반응이 N2의 소모에 크게 기여함을 알 수 있다. 또한, 이 반응은 NO 발생이 최대가 되는 산소부화율 75%에서 그 기여가 가장 큼을 확인하였다.
- Figs. 3~5의 결과로부터, 일반적으로 NOx 생성의 주요 변수에 해당되는 화염온도, 화염두께 및 체류 시간은 산소부화율에 따라 증가되는 일관된 경향을 확인할 수 있었다. 따라서 이러한 결과는 특정 산소부화율 75% 이상의 조건에서 NOx의 감소현상에 대한 뚜렷한 원인을 제공하지 못함을 알 수 있다.
- Thermal EIno는 산소부화율이 27%까지는 Prompt ERo보다 작은 값을 보이지만, 27% 이상의 산소 부화 조건에서는 NO 생성의 주요 원인으로 작용하고 있다. 결과적으로 위의 두 EIno의 합에 해당되는 Total EIN0 는 산소부화율이 증가함에 따라서 상승을 하다가 부화율이 약 75% 이상에서 감소되는 결과를 보여주고 있다. 서론에서 언급되었듯이 산소부화율 75% 이상에서 NOx가 감소되는 구체적인 해석결과를 찾기 어려운 실정이다.
- 3에서 언급된 EIno의 경향과도 일치함을 재확인할 수 있다. 결론적으로 산소부화율에 따른 EIno 경향은 화염온도, 화염두께 및 체류시간보다는 NO 생성과 관련된 N2의 소모율과 밀접하게 관련되며, 이때 N2 소모율에 가장 큰 영향을 주는 반웅은 Thermal NO 생성경로와 관련된 N+NO=N2+O임을 확인할 수 있다.
- Emission Index; EINOx)> 구하였다. 그 결과 산화제 중 6가 60% 근처에서 EInox가 최고값을나타내고, 5% 이하의미 량 N2가 유입 되었을 때 통상 CH4/air 연소의 경우보다 NOx 발생량이 많음을 확인하였다. 그러나 N2 유입에 따른 주위류 유속변화로 연료와 주위류의 운동량비가 크게 변경되어서, N2 유입에 의한 열 및 화학적 효과가 NOx에 미치는 영향을 도출하는데 다소 어려움이 있었다.
- CH4/O2-10%N2 조건의 경우, 정체면은 통상화염에 비해 산화제의 운동량이 증가하여 연료 노즐 측으로 더욱 가깝게 위치함을 볼 수 있다. 또한 화염의 최고 온도가 통상 화염에 비해 약 900 K 이상 높으며, 화염두께가 약 0.65 cm로 증가되었음을 알 수 있다. 산소부화 조건일 경우는 통상화염 조건에 비해 화염의 두께가 증가하고, 화염의 최고온도 위치가 정체면에 가까워져 고온 영역에서의 NO 생성에 관여하는 체류시간(residence time)이 보다 증가됨을 짐작할 수 있다.
- 47 cm의 두께로 형성된다. 또한, NOx는 이미 알려진 바와 같이 화염대에서 생성되며, 발생량이 최대가 되는 지점은 화염의 최고온도 지점과 거의 일치함을 보인다. CH4/O2-10%N2 조건의 경우, 정체면은 통상화염에 비해 산화제의 운동량이 증가하여 연료 노즐 측으로 더욱 가깝게 위치함을 볼 수 있다.
- 또한, 이 반응은 NO 발생이 최대가 되는 산소부화율 75%에서 그 기여가 가장 큼을 확인하였다.
- 이때 N2 소모율은 전체 계산영영에 대해 적분된 값을 의미한다. 산소부화율이 증가할수록 卬의 소모율은 서서히 증 가하다가 부화율이 40%에서부터는 급격하게 증가하여 부화율이 75%가 될 때 최대점을 이루고 있고, 75%에서 100%까지는 급격하게 감소하고 있음을 보여주고 있다. 이는 Fig.
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