[논문]제트 혼합 반응기 내 희박 예혼합 메탄-공기 연소의 NO 생성 예측을 위한 화학 반응기 모델링

이보람; 박정규; 이도용; 이민철; 박원식

doi:10.3795/ksme-b.2010.34.4.365

초록
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제트 혼합 반응기(JSR) 내의 NOx와 같은 배출물질을 예측하기 위해서 화학반응기 모델을 개발했다. 본 연구에서는 JSR에 대한 화학반응기 모델로서 two-PSR 모델이 채택되었다. CHEMKIN 코드와 4가지 NO 생성 메커니즘을 포함한 GRI 3.0 메탄-공기 연소 메커니즘을 이용해서 JSR내의 희박 예혼합 메탄-공기 연소의 NO 생성예측을 실시하였다. 모델의 검증을 위해서 계산된 결과를 Rutar의 실험 데이터와 비교하였다. NO 생성의 중요 파라미터와 4 가지 NO 경로의 기여도를 조사하였다. 화염 영역에서는 prompt 메커니즘이 주된 경로이고, 화염후영역에서는 Zeldovich 메커니즘이 주된 경로이다. 희박 예혼합 조건에서는 N2O 메카니즘이가 화염 및 화염후 영역 모두에서 중요한 경로이다.

Abstract ▼ AI-Helper

A chemical reactor model (CRM) was developed for a jet stirred reactor (JSR) to predict the emission of exhaust such as NOx. In this study, a two-PSR model was chosen as the chemical reactor model for the JSR. The predictions of NO formation in lean premixed methane-air combustion in the JSR were ca...

A chemical reactor model (CRM) was developed for a jet stirred reactor (JSR) to predict the emission of exhaust such as NOx. In this study, a two-PSR model was chosen as the chemical reactor model for the JSR. The predictions of NO formation in lean premixed methane-air combustion in the JSR were carried out by using CHEMKIN and GRI 3.0 methane-air combustion mechanism which include the four NO formation mechanisms. The calculated results were compared with Rutar's experimental data for the validation of the model. The effects of important parameters on NO formation and the contributions of the four NO pathways were investigated. In the flame region, the major pathway is the prompt mechanism, and in the post flame region, the major pathway is the Zelodovich mechanism. Under the lean premixed condition, the N2O mechanism is the important pathway in both flame and postflame regions.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 가스터빈에서의 NOx 생성 예측 모델링을 구축하기 위한 기초연구로서 JSR에서의 화학반응기 모델을 개발하고 이를 검증하려 한다. 또한 본 연구에서는 가스터빈 연소기에서 NO 생성에 주요한 파라미터들의 영향을 고찰하고, 네 가지 NO 생성 메커니즘의 기여도를 분석한다.
본 연구에서는 가스터빈에서의 NOx 생성 예측 모델링을 구축하기 위한 기초연구로서 JSR에서의 화학반응기 모델을 개발하고 이를 검증하려 한다. 또한 본 연구에서는 가스터빈 연소기에서 NO 생성에 주요한 파라미터들의 영향을 고찰하고, 네 가지 NO 생성 메커니즘의 기여도를 분석한다.

제안 방법

본 연구에서는 JSR에 대하여 CFD 해석을 실시하고, 이 결과를 토대로 화학 반응기 모델을 구성하였다. 또한 화학 반응기 모델의 검증을 위하여 모델로 예측한 NOx와 CO 생성량을 Rutar의 실험값⁽³⁾과 비교하여보았다.
2 (b)는 CO 농도를 나타낸다. 화염의 영역은 CO 농도를 바탕으로 결정되었는데, CO 최대치의 20%인 지점을 화염의 경계로 보았다.⁽¹⁴⁾
4에 화학 반응기 모델의 개략도를 나타내었다. 유동에 의해 화염 후 영역에서 화염 영역으로 반응물이 재순환하는 CFD 결과를 화학 반응기 모델에 포함시키지 않고 세 반응기를 직렬로 연결하였다. 각 반응기의 체적은 CFD 해석을 바탕으로 결정한다.
각 반응기의 체적은 CFD 해석을 바탕으로 결정한다. 압력변화와 체류시간 변화에 따라 화염의 체적이 변화하며, 이것을 적용하여 각 모델링 조건에 따라 화학 반응기 모델 요소 각각의 체적을 정하였다. Fig.
본 연구에서는 JSR에 대한 CFD 해석을 토대로 화학 반응기 모델을 구성하고, 이를 이용하여 메탄-공기의 희박 예혼합 연소의 NO 생성을 예측하여 실험치와 비교하여 모델을 검증하였다. 또한 화염 영역과 화염 후 영역으로 나누어 주요 파라미터들이 NO 생성에 미치는 영향을 고찰하고, NO 생성 과정에 대한 네 가지 NO 생성 메커니즘의 역할을 분석하였다.
해석은 Star-CD Ver.4.02를 사용하였으며, Cyclic boundary 조건을 이용하여 JSR 전체 형상의 4분의 1, 즉 90° 부분 모델(22만 cell)에 대해 해석하였다.
본 연구에서는 JSR에 대하여 CFD 해석을 실시하고, 이 결과를 토대로 화학 반응기 모델을 구성하였다. 또한 화학 반응기 모델의 검증을 위하여 모델로 예측한 NOx와 CO 생성량을 Rutar의 실험값⁽³⁾과 비교하여보았다.
화염의 형상을 예측해보고, 각 요소의 체적을 결정하기 위해 JSR에 대한 CFD 해석을 실행하였다. 해석은 Star-CD Ver.
본 연구에서 사용된 GRI 3.0은 네 가지 NO 생성 메커니즘(Zeldovich, N₂O, Prompt, NNH)이 모두 포함된 메탄-공기 연소 메커니즘이며, 각 메커니즘의 기여도를 분석하기 위해 GRI 3.0 메커니즘에서 네 메커니즘을 분리하여 계산하였다. 각 메커니즘에 의한 NO생성량을 합한 값을 도시하여 비교해 보면, PSR1에서는 각 메커니즘의 예측치를 합한 값과 GRI 3.
본 연구에서는 JSR에 대한 CFD 해석을 토대로 화학 반응기 모델을 구성하고, 이를 이용하여 메탄-공기의 희박 예혼합 연소의 NO 생성을 예측하여 실험치와 비교하여 모델을 검증하였다. 또한 화염 영역과 화염 후 영역으로 나누어 주요 파라미터들이 NO 생성에 미치는 영향을 고찰하고, NO 생성 과정에 대한 네 가지 NO 생성 메커니즘의 역할을 분석하였다.

대상 데이터

6으로 실험조건을 달리하였다. 배기 해석을 위한 가스 샘플링은 JSR의 2/3 지점인 재순환 영역(화염 후 영역)에서 이루어졌다.⁽³⁾

데이터처리

화학 반응기 모델을 이용하여 메탄-공기 희박 예혼합 연소에서의 NOx 생성을 예측하기 위해, GRI 3.0 메탄 연소 메커니즘⁽¹⁵⁾을 사용하여 상용 프로그램인 CHEMKIN CODE를 통하여 해석하고, 모델을 검증하기 위해서 Rutar의 JSR 실험데이터⁽³⁾와 비교하였다.

이론/모형

난류 모델은 k-ε 모델을 사용하였으며, 연소 해석은 EBU(Eddy Break-Up) 모델을 사용하였다.

성능/효과

(3) 화염 영역(PSR1)에서는 Prompt 메커니즘이 NO 생성의 주요 메커니즘으로 작용한다. 희박한 연소(당량비 0.
어떤 연구는 입구온도가 증가함에 따라 약간의 NOx 증가를 보여주는 반면에, 다른 연구는 매우 큰 NOx 증가를 보여준다.⁽¹³⁾ 연료와 공기의 비혼합성을 증가시킴에 따라 NOx 발생은 입구온도에 더 의존하게 된다는 것을 발견했다.
6(a)는 비예열 입구 조건(353K)에서의 결과이다. 예측 결과를 보면 반응기 체류시간이 증가함에 따라 NOx가 완만히 증가하며, 압력이 증가함에 따라 NOx가 감소하는 것을 볼 수 있다. Rutar의 실험치도 같은 경향을 보이고 있다.
0 메커니즘에서 네 메커니즘을 분리하여 계산하였다. 각 메커니즘에 의한 NO생성량을 합한 값을 도시하여 비교해 보면, PSR1에서는 각 메커니즘의 예측치를 합한 값과 GRI 3.0 메커니즘의 예측치가 잘 일치한다. 그러나 PSR2에서는 PSR1에서의 결과를 PSR2의 입구 조건으로 입력하여 계산하는 과정에서 발생한 오차의 누적으로 인하여 네 메커니즘의 합과 GRI 3.
9(b)에 나타난 것과 같이 화염 후 영역에서는 Zeldovich 메커니즘이 NO 생성의 주요 메커니즘이다. 두 번째로 기여정도가 큰 메커니즘은 N₂O 메커니즘인데, Zeldovich와 N₂O 메커니즘으로 생성된 NO는 전체 NO에서 94%정도의 비율을 차지한다. 이에 반해 NNH와 Prompt 메커니즘으로 생성되는 NO는 매우 작다.
(1) 화학 반응기 모델로 예측한 NOx 생성은 Rutar의 JSR 실험 데이터와 비교적 잘 일치한다.
(2) NO 생성은 당량비, 입구 온도, 체류시간의 증가에 따라 증가하는데, 이것은 Zeldovich 메커니즘과 N₂O 메커니즘에 의한 NO 생성의 증가와 관련이 크다. 반면에 압력의 증가에 따라서는 NO가 다소 감소하는데, 이것은 CH, O, NNH 등의 라디칼의 감소에 따른 prompt 경로와 NNH 경로에 의한 NO 생성 감소와 관련이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 사용되고 있는 가스 터빈은 NOx생성을 줄이기 위해 어떤 상태로 작동하는가?	당량비가 NO 생성에 끼치는 일차적인 영향은 화염온도에 끼치는 영향으로 나타난다. 현재 사용되고 있는 가스 터빈은 일반적으로 공기-연료를 이론공연비보다 희박하게 혼합하여 화염온도를 줄임으로써 NOx 생성을 줄일 수 있도록 희박 예혼합 상태로 작동된다. 희박 상태로 가스터빈 엔진을 작동하는 동안의 주요 약점은 연소를 불안정하게 해서, 화염소멸(flameout)과 화염진동 그리고 소음을 발생시키는 것이다.
	연소기 체류시간은 무엇인가?	연소기 체류시간은 혼합기가 연소실에서 체류하는 평균시간이다. 온도와 자유 활성기 농도가 일정할 때, 그리고 NO 농도가 충분히 낮아서 역반응이 무시될 때, NOx 배출은 체류시간과 함께 선형적으로 증가한다.
	입구온도 573K, 압력 6.5atm, 체류시간 3ms인 조건에서 당량비 변화(0.6-0.8)에 따른 화염 영역과 화염 후 영역에서 NO 생성의 변화에 영향을 주는 Prompt 메커니즘은 어떤 변화를 가지는가?	Fig. 8(a)에서 볼 수 있듯이 화염영역(PSR1)에서는 당량비 증가에 따라 네 가지 메커니즘을 통한 NO 생성이 모두 증가하나 Prompt 메커니즘을 통한 NO 생성이 월등히 크게 증가한다. 이것은 Table 1에서 볼 수 있듯이 Prompt 메커니즘의 주요 활성기인 CH활성기가 당량비가 0.

참고문헌 (15)

DuPont, V., Pourkashanian, M., and Williams, A.,

상세보기
Michaud, M.G., Westmoreland, P.R., and Feitelberg,
Rutar, T.S., 2000, "NOx and CO Formation for
Miller, J.A., and Bowman, C.T., 1989, "Mechanism

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Harrington, J. E., Smith, G. P., Berg, P. A.,
Steele, R.C., Tonouchi, J.H., Nicol,D.G., Malte,

상세보기
Lee, B.R., Kim, H., Park, J.K., Lee, M.C. and Park,
Steele, R.C., 1995, "NOx and $N_2O$ in Lean-Premixed
Heywood, J.B., 1988 "Internal Combustion Engine
Rutar, T., Martin, S.M., Nicol, D.G., Malte, P.C.,
Mongia, R.K., Tomita, E., Hsu, F.K., Talbot, L.,
Steel, R.C., 1995, "NOx and N2O Formation in
Steel, R.C., Tarrett, A.C., Malte, P.C., Tonouchi, J.

상세보기
Novosselov, Igor V., 2006, "Chemical Reactor
http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/version30/text30.html.

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