[논문]FIR과 FGR 기법이 적용된 메탄-공기 대향류 확산화염에서 화염구조와 NO 배출 연구

박정; 권오붕; 김세원; 이창엽; 길상인; 윤진한; 임인권

doi:10.15231/jksc.2016.21.1.038

FIR과 FGR 기법이 적용된 메탄-공기 대향류 확산화염에서 화염구조와 NO 배출 연구
A Study on Flame Structure and NO Emission in FIR- and FGR-applied Methane-air Counterflow Diffusion Flames 원문보기

한국연소학회지 = Journal of the Korean Society of Combustion, v.21 no.1, 2016년, pp.38 - 45

박정 (부경대학교 기계공학과) , 권오붕 (부경대학교 기계공학과) , 김세원 (한국생산기술연구원 고온에너지시스템그룹) , 이창엽 (한국생산기술연구원 고온에너지시스템그룹) , 길상인 (한국기계연구원 환경에너지기계시스템연구부) , 윤진한 (한국기계연구원 환경에너지기계시스템연구부) , 임인권 (명지대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Flame characteristics and NO emission behavior in $CH_4$/air-air premixed counterflow flames with applying FIR and FGR with $CO_2$ and $H_2O$ were investigated numerically by varying the ratios of FIR and FGR as well as global strain rate. Chemical effects of added $CO_2$ and $H_2O$ via FIR and FGR were analyzed through comparing flame characteristics and NO behaviors from real species($CO_2$ and $H_2O$) with those from their artificial species($XCO_2$ and $XH_2O$) which have the same thermochemical, radiative, and transport properties to those for the real species. The results showed that flame temperature and NO emission with FIR varied much more sensitively than that with FGR. Those varied little irrespective of adding $CO_2$, $H_2O$, and their artificial species to the fuel stream via FIR. However, Those were varied complicatedly by chemical effects of added $CO_2$ and $H_2O$ via FGR. Detailed analyses for them were made and discussed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 메탄-공기 대향류 예혼합 화염에서 FIR과 FGR 기법으로 주요 연소생성물인 H₂O와 CO₂들이 화염대에 도입이 되었을 때 화염 구조와 NOx 거동을 파악하는 연구가 수행되었다. 실제 산업용 버너에서 NOx 저감을 위해 공기 과잉비를 1.
본 연구의 주요한 관심은 메탄-공기 대향류 예혼합 화염에서 FIR과 FGR에 따른 화염 특성 변화를 명확히 하는 것이다. 따라서 FIR과 FGR율을 명확히할 필요가 있다.

제안 방법

또한 FIR과 FGR로 첨가되는 H₂O와 CO₂는 화학 반응에 참여하므로, 이러한 화학적 효과가 화염 구조와 NOx 거동에 미치는 효과를 분석하기 위해 가상의 화학종 XH₂O와 XCO₂를 도입하여 수치해석을 한번 씩 더 수행하였다. 이러한 가상의 화학종 XH2O와 XCO2는 열역학적 및 전달 물성치와 복사 열전달의 물성치가 H₂O와 CO₂와 동일하나 화학 반응에는 참여하지 않고, 삼체 반응(thirdbody reaction)에는 참여 하도록 정의하였다.
메탄/공기-공기 대향류 예혼합 화염에 주요 생성 물인 H₂O와 CO₂가 FIR 혹은 FGR로 첨가되는 효과를 파악하기 위한 수치해석은 Oppdif 코드를 사용하여 수행되었다. 수치해석을 위한 해법과 지배 방정식은 타 연구[8,9]에 잘 나와 있으므로 여기서는 생략하기로 한다.
이러한 기존 연구 결과들에 근거[14-16]한 결과들의 명확함을 위해 ag = 50s-1에서 ΩD에 따른 CO2 + H → CO + OH와 O + H2O → OH + OH의 반응율을 FIR과 FGR인 경우들에 대해 Fig. 3에 비교하였다.
따라서 CO₂와 H₂O 의 열용량의 차이에 기인한 T_max의 차이는 크게 영향을 받지 않으며 오히려 다른 원인이 화염 특성을 크게 지배하고 있다는 것을 알 수 있다. 이를 명확히 하기 위해, T_max거동에 대한 첨가되는 CO₂와 H₂O의 화학적 효과를 Fig. 2에 비교하였다. CO₂와 XCO₂의 FGR인 경우를 비교하면 CO₂인 경우가 XCO₂인 경우에 비해 T_max가 현저하게 작다.
15 인 조건의 화염을 대상으로 하였다. 주요생성물(H₂O 와 CO₂ )의 재순환율에 따라 화염 구조와 NOx 거동에 미치는 영향이 논의하였고, 특히 첨가되는 CO₂와 H₂O의 화학적 효과가 화염 구조와 NO 거동에 미치는 영향 또한 분석하였다.

이론/모형

여기서 버너간 거리는 20 mm 로 고정하였다. 복사열손실은 광학 박 모델[10]을 사용하였다. 지배 방정식은 Chemkin 코드[11]와 Tranfit 코드[12]를 사용하여 해를 구하게 된다.
주위 압력은 1기압이고, 플러그 유동 경계 조건을 사용하였고, 적응 격자가 채택되어 격자점은 300-500 사이였다. 상세 화학반응 기구는 메탄화염에 가장 잘 맞추어진 GRI v-3.0을 사용하였다.
복사열손실은 광학 박 모델[10]을 사용하였다. 지배 방정식은 Chemkin 코드[11]와 Tranfit 코드[12]를 사용하여 해를 구하게 된다. 주위 압력은 1기압이고, 플러그 유동 경계 조건을 사용하였고, 적응 격자가 채택되어 격자점은 300-500 사이였다.

성능/효과

1) 전체신장율에 따라 최대화염온도는 전형적인 C-곡선을 나타낸다. 전체 신장율이 50s^-1로 고정된 경우 CO₂와 H₂O을 FIR한 경우는 최대화염온도 차이가 없고 각각의 화학적 효과도 크지 않으나 FIR율이 증가함에 따라 급격히 최대화염온도는 작아진다.
2) 전체 신장율이 50s^-1로 고정된 경우 CO₂와 H₂O을 FIR한 경우는 NO 배출지수는 둘 사이에 거의 차이가 없고 FIR 율을 증가시킴에 따라 NO 배출지수는 급격히 감소한다. CO2와 H2O을 FGR한 경우에는 CO₂가 훨씬 효과적으로 NO 배출지수를 감소시키며두 경우 모두 FGR율이 30%까지는 NO 배출 지수가 증가한 후 그 이상으로 FGR율을 증가시키면 감소하게 된다.
3) CO₂와 H₂O을 FGR한 경우에 있어서 열적 NO는 FGR 율이 10%까지 증가하다가 그 이후 감소하고, 화학적 효과의 열적 NO 저감에 대한 기여는 H₂O는 거의 없고 CO₂ 는 매우 크다. 페니모어 NO는 FGR 율이 20%까지는 증가하다가 그 이상으로 증가하면 감소한다.
그러나 H2O와 XH2O를 FGR한 경우를 비교하면 H2O를 FGR한 경우가 ΩD가 20% 이상에서 ΩD 증가에 따라 페니모어 NO 지시자 반응율이 점점 더 작아지는 것을 볼 수 있어 첨가 되는 H2O의 화학적 효과 역시도 페니모어 NO 저감에 기여를 한다는 것을 알 수 있다.
그러나 XCO₂와 XH₂O을 FIR 및 FGR한 경우(속이 찬 심볼들)를 비교하면 두 경우의 T_max 는 XH₂O인 경우가 약간 더 클 뿐 크게 차이가 나타나지 않는 것을 알 수 있다. 따라서 CO₂와 H₂O 의 열용량의 차이에 기인한 T_max의 차이는 크게 영향을 받지 않으며 오히려 다른 원인이 화염 특성을 크게 지배하고 있다는 것을 알 수 있다. 이를 명확히 하기 위해, T_max거동에 대한 첨가되는 CO₂와 H₂O의 화학적 효과를 Fig.
또한 FIR인 경우는 기준 경우에 비해 ΩD가 증가할수록 Tmax는 급격히 감소하지만 FGR인경우는 오히려 ΩD = 13%까지 ΩD가 증가할수록 Tmax는 오히려 증가하는 것을 알 수 있다.
2의 T_max에 대한 경향과 같다. 또한 H₂O와 CO₂첨가에 따른 화학적 효과도 없고 둘 사이의 열용량의 차이에 의한 효과도 거의 나타나지 않음을 알 수 있다. 그러나 FGR인 경우 (Fig.
7(a)에나타낸 바와 같이 H₂O를 FGR한 경우는 XH₂O를 FGR한 경우와 비교하여 열적 NO 지시자인 (R178)의 반응율이 크게 차이가 없는 점으로부터 첨가된 H₂O의 화학적 효과에 의해 열적 NO를 크게 변화시 키지 못한다. 또한 XCO₂가 XH₂O를 FGR한 경우에 비해 (R178) 반응율이 약간 작게 나타나는 것으로부터 H₂O와 CO₂의 열용량의 차이에 의해 CO₂첨가가 열적 NO를 더 줄이는 효과를 갖는다는 것을 알 수 있다. 그러나 CO₂를 FGR한 경우 열적 NO.

후속연구

15인 상황에서 희석제의 산화제측 첨가에 의해 당향혼합비로 접근하면서 15% 이하까지는 증가하다가 희석제 첨가 효과가 15-25%에서 나타나는 것으로 이해된다. 그러나 30%에서 갑자기 점프가 발생하는 현상은 현재의 상황에서는 명확히 이해되지 않으며 향후 좀더 연구가 필요한 상황이다. 그러나 이러한 효과들은 전체 반응율의 지시자 반응 단계인 O₂+ H → OH + O의 반응율에 연향을 미치게 되며 이를 Fig.
그러나 이러한 특성들은 아주 극단적으로 과다하게 생성물들을 재순환 한 경우에 해당하며 실제 연소기에서는 나타날 가능성은 매우 희박하다[7]. 따라서 실제 연소기에 있어서 이러한 열화학적 효과들이 FIR과 FGR 을 통해 10 ppm 이하의 NOx 저감을 달성할 수 있는 연소기 설계를 위해서는 FIR과 FGR 기법이 적용된 화염 구조와 NOx 거동을 좀 더 상세히 연구하는 것이 필요하다. 특히 실제 연소기들이 NOx 저감을 위해 공기 과잉비를 약 1.
1의 전환점 이후가 산업용 버너의 일반적인 화염 거동과 더 유사하다고 볼 수 있다. 따라서 향후 주요한 관심은 전환점 이후의 a_g을 주목할 것이며 a_g = 50s^-1인 경우를 고정하여 화염 특성을 고려할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FIR과 FGR 가운데 무엇이 화염 온도를 줄이는 효과가 더 큰가?	앞 절에서 FIR과 FGR에 대한 화염 특성으로부터 FGR이 훨씬 화염 온도를 줄이는 효과가 있다는 것을 보였다. 이러한 효과들은 NOx 배출에 직접적으로 영향을 미치게 된다.
	NOx 저감을 위한 단계 연소법에는 어떤 방법들이 있는가?	NOx 저감을 위한 단계 연소법(stage combustion)[1]등 여러 가지 기법들은 이미 잘 알려져 있고 방법론들조차도 이제는 거의 완성 단계에 접어든 상태이다. 이중 가장 전통적인 방법의 하나인 배출 가스의 외부 재순환을 공기 측(Flue gas recirculation, FGR)과연료 측에 적용하는 방식(Fuel injection recirculation, FIR)은 NOx 저감에 효과적인 것으로 알려져 왔다 [2,3]. 그러나 10 ppm 이하의 NOx 저감을 위해서 배출 가스의 외부 재순환 이외에도 내부 재순환을 시키는 기법 등 다양한 시도가 필요할 수 있다.
	10 ppm 이하의 NOx 저감을 달성할 수 있는 연소기 설계를 위해서는 어떤 것이 필요한가?	그러나 이러한 특성들은 아주 극단적으로 과다하게 생성물들을 재순환 한 경우에 해당하며 실제 연소기에서는 나타날 가능성은 매우 희박하다[7]. 따라서 실제 연소기에 있어서 이러한 열화학적 효과들이 FIR과 FGR 을 통해 10 ppm 이하의 NOx 저감을 달성할 수 있는 연소기 설계를 위해서는 FIR과 FGR 기법이 적용된 화염 구조와 NOx 거동을 좀 더 상세히 연구하는 것이 필요하다. 특히 실제 연소기들이 NOx 저감을 위해 공기 과잉비를 약 1.

참고문헌 (17)

S. C. Li, F. A. Williams. NOx formation in twostage methane-air flames. Combust Flame 118 (1999) pp.399-414.

상세보기
J. Park, K. T. Kim, J. S. Park, J. S. Kim, S. C. Kim, T. K. Kim. A Study on $H_2$ -Air counterflow flames in highly preheated air diluted with $CO_2$ . Energy & Fuel 19 (2005) pp.2254-2260.

상세보기
J. Park, S. I. Keel, J. H. Yun, T. K. Kim. Effects of addition of electrolysis products in methaneair diffusion flames. Int. J. Hydrogen Energy 32 (2007) pp.4059-4070.

상세보기
J. Park, J. S. Kim, J. O. Chung, J. H. Yun, S. I. Keel. Chemical effects on added $CO_2$ on the extinction characteristics of $H_2/CO/CO_2$ syngas diffusion flames. Int. J. Hydrogen Energy 34 (2009) pp.8756-8762.

상세보기
T. M. Vu, J. Park, O. B. Kwon, Bae DS, J. H. Yun, S. I. Keel. Effects of Diluents on Cellular Instabilites in Outwardly Propagating Spherical Syngas-Air Premixed Flames. Int. J. Hydrogen Energy 35 (2010) pp.3868-3880.

상세보기
S. W. Jung, J. Park, O. B. Kwon, Y. J. Kim, S. I. Keel, J. H. Yun, I. G. Lim. Effects of $CO_2$ addition on flame extinction in interacting $H_2$ -air and CO-air premixed flames. Fuel 136 (2014) pp.69-78.

상세보기
J. Park, D. J. Hwang, K. T. Kim, S. B. Lee, S. I. Keel. Evaluation of chemical effects of added $CO_2$ according to flame location. Int. J. Energy Res. 28 (2004) pp.551-565.

상세보기
R. J. Kee, J. A. Miller, G. H. Evans, G. Dixon- Lewis. A computational model of the structure and extinction of strained, opposed flow, premixed methane-are flame, Proc Combust Inst 22 (1988), pp.1479 -1494.
A. E. Lutz, R. J. Kee, J. F. Grcar, F. M. Rupley. A fortran program for computing opposed-flow diffusion flames, Sandia National Laboratories Report. SAND 96-8243 (1997).
Y. Ju, H. Guo, K. Maruta, F. Liu. On the extinction limit and flammability limit of non-adiabatic stretched methane-air premixed flames, J Fluid Mech, 342 (1997), p.315.

상세보기
R. J. Kee, F. M. Rupley, J. A. Miller, Chemkin II: a fortran chemical kinetics package for analysis of gas phase chemical kinetics, Sandia National Laboratories Report. SAND 89-8009B (1989).
R. J. Kee, G. Dixon-Lewis, J. Warnatz, M. E. Coltrin, J. A. Miller, A fortran computer code package for the evaluation of gas-phase multi-component transport. Sandia National Laboratories Report. SAND86-8246 (1994).
Y.H. Chung, D.G. Park, J.H. Yun, J. Park, O.B. Kwon, S.I. Keel. Role of outer edge flame on flame extinction in nitrogen-diluted nonpremixed counterflow flames with finite burner diameters. Fuel, 205 (2013) 540-550.
C.K. Westbrook, F.L. Dryer. Chemical kinetics modeling of hydrocarbon combustion. Prog Energy Combust Sci, 10 (1984), p.1

상세보기
S.G. Kim, J. Park, and S.I. Keel. Thermal and chemical contribution of added $H_2O$ and $CO_2$ to major flame structures and NO emission characteristics in $H_2/N_2$ laminar diffusion flame. Int. J. Energy Res. 26 (2002) 1073-1086.

상세보기
W.J. Lee, J. Park, O.B. Kwon, J.H. Yun, S.I. Keel (2015). Heat-loss-induced Self-excitation in Laminar Lifted Coflow-jet Flames. Proc. Combust. Inst. 35 (2015) 1007-1014.
M. Nishioka, S. Nakagawa, T. Takeno. NO emission characteristics of methane-air double flame. Combust Flame, 98 (1994), 127-138.

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증