아산화질소(Nitrous oxide, N2O)는 지구온난화 물질의 하나로 이산화탄소에 비해 지구온난화효과가 310배 강하고 분해하는데 120년이 소요되기 때문에 오존층 파괴에 주범으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 N2O를 저감하기 위해 고온 열분해 기술을 적용하여 N2O 저감 공정에서 발생하는 NOx 배출 특성에 대해 조사하였다. 고온 유동장을 형성하기 위해 동축 분젠 예혼합 화염을 열원으로 채택하였으며 실험 변수로는 노즐출구속도, 동축류 속도 및 N2O 희석률로 설정하였다. 실험 결과, NO 생성률은 노즐출구속도 및 동축류 유량에 관계없이 N2O 희석률이 증가함에 따라 증가하였다. N2O의 경우에는 연소 불안정성(Kelvin Helmholtz 불안정)이 억제된 안정된 예혼합 화염에서 다량으로 배출되었는데, 이는 화염 면 부근에서 감소된 N2O의 체류시간으로 인해 열분해 시간이 충분하지 않기 때문인 것으로 사료된다. 따라서 N2O의 저감 효율을 증진시키기 위해서는 K-H 불안정성이 발생되는 노즐출구속도를 선정하여 화염 면 부근에서 발생되는 와류(toroidal vortex) 형태의 유동 구조를 형성하는 것이 N2O의 체류시간을 증가시키는데 효과적인 것으로 판단된다.
아산화질소(Nitrous oxide, N2O)는 지구온난화 물질의 하나로 이산화탄소에 비해 지구온난화효과가 310배 강하고 분해하는데 120년이 소요되기 때문에 오존층 파괴에 주범으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 N2O를 저감하기 위해 고온 열분해 기술을 적용하여 N2O 저감 공정에서 발생하는 NOx 배출 특성에 대해 조사하였다. 고온 유동장을 형성하기 위해 동축 분젠 예혼합 화염을 열원으로 채택하였으며 실험 변수로는 노즐출구속도, 동축류 속도 및 N2O 희석률로 설정하였다. 실험 결과, NO 생성률은 노즐출구속도 및 동축류 유량에 관계없이 N2O 희석률이 증가함에 따라 증가하였다. N2O의 경우에는 연소 불안정성(Kelvin Helmholtz 불안정)이 억제된 안정된 예혼합 화염에서 다량으로 배출되었는데, 이는 화염 면 부근에서 감소된 N2O의 체류시간으로 인해 열분해 시간이 충분하지 않기 때문인 것으로 사료된다. 따라서 N2O의 저감 효율을 증진시키기 위해서는 K-H 불안정성이 발생되는 노즐출구속도를 선정하여 화염 면 부근에서 발생되는 와류(toroidal vortex) 형태의 유동 구조를 형성하는 것이 N2O의 체류시간을 증가시키는데 효과적인 것으로 판단된다.
Nitrous oxide is a global warming substance and is known as the main cause of the destruction of the ozone layer because its global warming effect is 310 times stronger than carbon dioxide, and it takes 120 years to decompose. Therefore, in this study, we investigated the characteristics of NOx emis...
Nitrous oxide is a global warming substance and is known as the main cause of the destruction of the ozone layer because its global warming effect is 310 times stronger than carbon dioxide, and it takes 120 years to decompose. Therefore, in this study, we investigated the characteristics of NOx emission from N2O reduction by thermal decomposition of N2O. Bunsen premixed flames were adopted as a heat source to form a high-temperature flow field, and the experimental variables were nozzle exit velocity, co-axial velocity, and N2O dilution rate. NO production rates increased with increasing N2O dilution rates, regardless of nozzle exit velocities and co-axial flow rates. For N2O, large quantities were emitted from a stable premixed flame with suppressed combustion instability (Kelvin Helmholtz instability) because the thermal decomposition time is not sufficient with the relatively short residence time of N2O near the flame surface. Thus, to improve the reduction efficiency of N2O, it is considered effective to increase the residence time of N2O by selecting the nozzle exit velocities, where K-H instability is generated and formed a flow structure of toroidal vortex near the flame surface.
Nitrous oxide is a global warming substance and is known as the main cause of the destruction of the ozone layer because its global warming effect is 310 times stronger than carbon dioxide, and it takes 120 years to decompose. Therefore, in this study, we investigated the characteristics of NOx emission from N2O reduction by thermal decomposition of N2O. Bunsen premixed flames were adopted as a heat source to form a high-temperature flow field, and the experimental variables were nozzle exit velocity, co-axial velocity, and N2O dilution rate. NO production rates increased with increasing N2O dilution rates, regardless of nozzle exit velocities and co-axial flow rates. For N2O, large quantities were emitted from a stable premixed flame with suppressed combustion instability (Kelvin Helmholtz instability) because the thermal decomposition time is not sufficient with the relatively short residence time of N2O near the flame surface. Thus, to improve the reduction efficiency of N2O, it is considered effective to increase the residence time of N2O by selecting the nozzle exit velocities, where K-H instability is generated and formed a flow structure of toroidal vortex near the flame surface.
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문제 정의
따라서 본 연구는 고온 열분해 저감 공정에 있어서 화염 동적 거동에 따른 N2O 및 NOx의 배출 특성에 주목하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 고온 열분해를 통해 발생되는 NOx 와 N2O 배출량의 상관관계를 조사하기 위하여 상용 연소기인 분젠버너를 활용하여 실험연구를 진행하였으며, 연소 실내의 화염 동적 거동이 N2O 저감률에 미치는 영향에 대해 평가하였다.
본 연구는 N2O 저감하기 위한 방안으로 고온 열분해 기술의 단점으로 손꼽히는 NOx 배출에 대한 발생 메커니즘을 규명하기 위해 동축으로 구성된 분젠화염에서 노즐 출구 속도 및 동축류 유량에 대한 상관관계를 실험적으로 조사하였다.
제안 방법
Fig. 5에 N2O 저감 공정에 있어서 NO2와 NO 배출량에 대한 상대적인 비교를 위해, 본 연구에서 수행된 모든 실험 케이스에 대한 NO2와 NO 배출량을 ppm 단위로 변환하여 나타내었다. 그림에서 보듯, ujet=55와 60cm/s에서는 NO 배출량에 관계없이 NO2배출량이 매우 미미하나, ujet=50cm/s에서는 NO 배출량이 증가함에 따라 NO2배출량이 제곱근 함수 형태로 비례하는 것을 확인할 수 있다.
공급되는 가스의 유량제어는 gas calibrator(MesaLabs, Defender 530+ H)로 보정된 질량 유량계(Mass Flow Controller)를 사용하여 조절하였다. 화염 후류에서 배출되는 연소가스를 분석하기 위하여 가스분석기(MK 6000)를 내부노즐 상단으로부터 상부 쪽으로 30cm 떨어진 곳에 설치하여 NO, NO2, O2, CO2의농도를 분석하였다.
노즐출구속도 50cm/s에서 NO2생성 메커니즘에 대한 보다 자세한 이해를 위해 디지털 캠코더로 촬영된 화염 동적 변화를 관찰하였다. 관찰한 결과, ujet=55와 60cm/s에서는 50cm/s 와 달리 화염 팁(flame tip) 부근에서 일정하게 진동하는 것을 확인하였다.
내부노즐의 재질은 스테인리스(st rainless)이고 동축관의 재질은 관 내부가 관찰될 수 있도록 아크릴 재질로 선택하였다. 동축관은 중앙에 위치한 내부 노즐에 N2O 저감을 위한 예혼합 가스를 분사하여 노즐 부착 화염을 형성하였고, 가스 조성은 Table 1에 표기(Kee, 1989) 하였듯이 메탄 10%, 산소 19%, 그리고 희석제로 이산화탄소 71%의 단일 조성으로 채택하였다. 화염 크기에 따른 N2O 저감 효과를 살펴보기 위하여 노즐출구속도를 각각 50, 55, 60 cm/s으로 변화를 주어 실험을 수행하였다.
화염 크기에 따른 N2O 저감 효과를 살펴보기 위하여 노즐출구속도를 각각 50, 55, 60 cm/s으로 변화를 주어 실험을 수행하였다. 동축류는 이산화탄소를 분위기 가스로 선택하여 N2O를 각각 0, 20, 25, 30%를 희석하여 사용하였다. 열분해 처리 효율을 고찰하기 위하여동축류 유량을 각각 0.
동축류는 이산화탄소를 분위기 가스로 선택하여 N2O를 각각 0, 20, 25, 30%를 희석하여 사용하였다. 열분해 처리 효율을 고찰하기 위하여동축류 유량을 각각 0.84, 0.88, 0.92L/min으로 다양한 조건에서 평가하였다. 동축관과 내부노즐 사이에 세라믹 비드를 설치하여 동축류 가스 유동을 균일한 흐름(uniform flow)으로 보장하였다.
화염 후류에서 배출되는 연소가스를 분석하기 위하여 가스분석기(MK 6000)를 내부노즐 상단으로부터 상부 쪽으로 30cm 떨어진 곳에 설치하여 NO, NO2, O2, CO2의농도를 분석하였다. 화염 이미지는 디지털 캠코더로 촬영하여 60fps 분해능으로 수득하였다.
동축관은 중앙에 위치한 내부 노즐에 N2O 저감을 위한 예혼합 가스를 분사하여 노즐 부착 화염을 형성하였고, 가스 조성은 Table 1에 표기(Kee, 1989) 하였듯이 메탄 10%, 산소 19%, 그리고 희석제로 이산화탄소 71%의 단일 조성으로 채택하였다. 화염 크기에 따른 N2O 저감 효과를 살펴보기 위하여 노즐출구속도를 각각 50, 55, 60 cm/s으로 변화를 주어 실험을 수행하였다. 동축류는 이산화탄소를 분위기 가스로 선택하여 N2O를 각각 0, 20, 25, 30%를 희석하여 사용하였다.
조절하였다. 화염 후류에서 배출되는 연소가스를 분석하기 위하여 가스분석기(MK 6000)를 내부노즐 상단으로부터 상부 쪽으로 30cm 떨어진 곳에 설치하여 NO, NO2, O2, CO2의농도를 분석하였다. 화염 이미지는 디지털 캠코더로 촬영하여 60fps 분해능으로 수득하였다.
대상 데이터
동축류 버너의 내부직경과 외부직경은 각각 10, 30mm이며, 내부노즐의 경우 완전 발달된 유동을 위해 노즐 길이 710mm로 제작하였다. 내부노즐의 재질은 스테인리스(st rainless)이고 동축관의 재질은 관 내부가 관찰될 수 있도록 아크릴 재질로 선택하였다. 동축관은 중앙에 위치한 내부 노즐에 N2O 저감을 위한 예혼합 가스를 분사하여 노즐 부착 화염을 형성하였고, 가스 조성은 Table 1에 표기(Kee, 1989) 하였듯이 메탄 10%, 산소 19%, 그리고 희석제로 이산화탄소 71%의 단일 조성으로 채택하였다.
1은 본 실험에 사용한 동축류 버너와 실험장비에 대한 개략도이다. 동축류 버너의 내부직경과 외부직경은 각각 10, 30mm이며, 내부노즐의 경우 완전 발달된 유동을 위해 노즐 길이 710mm로 제작하였다. 내부노즐의 재질은 스테인리스(st rainless)이고 동축관의 재질은 관 내부가 관찰될 수 있도록 아크릴 재질로 선택하였다.
성능/효과
(1) 동축류에 N2O 투입량이 증가함에 따라 추가적으로 발생되는 산소원자에 의해 예혼합 가지의 후류 방향으로 확산화염 가지가 추가적으로 발생하였다.
(2) NO 생성률의 경우, 노즐출구속도 및 동축류 유량에 관계없이 N2O 희석률에 따라 일정한 값이 도출되었고, N2O 희석률이 25% 이상에서는 NO 생성률이 포화되는 것으로 확인되었다.
(3) NO2생성률의 경우, 노즐출구속도 50cm/s에서만 소량생성되었는데, 이는 노즐출구속도 55와 60cm/s와 달리 K-H 불안정성이 발생되지 않아 화염 면 부근에서의 N2O의 체류 시간이 감소하기 때문에 상대적으로 저온 반응에 해당하는 NO2가 발생되는 것으로 판단된다.
3.1과 3.2절의 실험결과를 요약하면 NO 생성률은 노즐 출구 속도나 동축류 유량에 관계없이 N2O 희석률이 증가함에 따라 NO 생성률이 증가하는 일정한 경향을 보였다. 하지만 NO2생성률의 경우에는 노즐출구속도 50cm/s를 제외한 나머지의 경우, NO2 생성이 매우 미미한 것으로 확인되었다.
특히 N2O 희석률이 25%와 30%의 경우에는 값의 차이가 크게 나타나지 않았다. NO2생성률의 경우, 노즐출구속도 50cm/s를 제외한 나머지 속도에서는 NO2생성률이 거의 무시할 정도로 작게 도출되었고, ujet=50cm/s인 경우에는 N2O 희석률에 따라 NO2 생성률이 증가하였으나 해당 값이 NO 생성률에 비해 상대적으로 작게 도출되었다.
관찰하였다. 관찰한 결과, ujet=55와 60cm/s에서는 50cm/s 와 달리 화염 팁(flame tip) 부근에서 일정하게 진동하는 것을 확인하였다. Fig.
4c에 도시하였다. 그림에서 보듯 NO2생성률이 N2O 희석률 30%를 제외한 나머지는 1% 미만으로 측정되었고, N2O 희석률 30%인 경우에는 동 축류 유량이 증가함에 따라 NO2생성률이 증가하는 경향이 도출되었다.
5에 N2O 저감 공정에 있어서 NO2와 NO 배출량에 대한 상대적인 비교를 위해, 본 연구에서 수행된 모든 실험 케이스에 대한 NO2와 NO 배출량을 ppm 단위로 변환하여 나타내었다. 그림에서 보듯, ujet=55와 60cm/s에서는 NO 배출량에 관계없이 NO2배출량이 매우 미미하나, ujet=50cm/s에서는 NO 배출량이 증가함에 따라 NO2배출량이 제곱근 함수 형태로 비례하는 것을 확인할 수 있다.
또한 화염 부근에서 발생하는 고온의 열이 재순환 영역(recirculation region)으로 인해 노즐 근처에서 축적되는 결과를 야기하여 상대적으로 저온 반응에 해당하는 NO2 생성률을 억제하는 것으로 판단된다. 따라서 NO2생성률이 억제됨과 동시에 N2O 저감율이 증진할 것으로 판단된다.
따라서 고온 열분해 기술을 채택한 N2O 저감 공정에서는 연소불안정성을 촉진하여 NO2배출 억제 및 N2O 저감 효율을 증진시킬 수 있을 것으로 사료된다.
것은 매우 자명하다. 또한 화염 부근에서 발생하는 고온의 열이 재순환 영역(recirculation region)으로 인해 노즐 근처에서 축적되는 결과를 야기하여 상대적으로 저온 반응에 해당하는 NO2 생성률을 억제하는 것으로 판단된다. 따라서 NO2생성률이 억제됨과 동시에 N2O 저감율이 증진할 것으로 판단된다.
마지막으로 본 연구에서 채택된 공기 연소의 경우 NOx 배출 분야를 제외한 처리효율, 요구동력, 운영성 및 유지비용 측면을 모두 고려하였을 때, N2O 저감 기술로서의 실효성이 가장 탁월하다고 평가된다(Korea Institute of Energy Research, 2018). 최근 연구(Ling et al.
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