[논문]마일드 연소장 수치계산을 위한 화학반응기구의 예측성능 검토

김유정; 오창보

문제 정의

본 연구는 마일드 연소에 대한 기본정보를 전산해석을 통해 얻기 위한 선행단계로 진행된 것으로서, 비교적 단순한 제트 연소장을 대상으로 마일드 연소에 적합한 화학반응기구의 예측성능을 비교 검토하였다.
본 연구에서는 Fig.1과 같은 제트 연소장을 대상으로 CO₂, CO, H₂O 및 N₂와 같은 주요 연소 생성물이 희석된 고온 공기류에 의한 마일드 연소특성을 4가지 화학반응기구를 이용한 전산해석 결과를 비교 검토하였다. 전산해석을 위해서는 ANSYS사에서 개발한 Fluent-13.

제안 방법

각 반응식에 대한 반응률은 참고 문헌을 참고하기 바란다. 또한 마일드 연소장에서의 NOx 발생을 고찰하기 위해서 Thermal NO와 Prompt NO, N₂O path NO의 생성이 고려되도록 하였다.
2과 같은 조건으로 변화시키면서 계산을 수행하였다. 또한 벽면의 온도는 기존의 마일드연소기 실험 결과들을 참조하여 마일드 연소기 벽면온도와 유사한 범위에 있도록 900 K으로 고정시켰으며 유속에 대해서는 벽면조건을 부여하였다. 제트 연소장의 하류 출구에서는 출구 경계 조건으로 처리하였다.
이 모델은 Arrhenius 형태의 화학반응률을 고려할 수 있다. 본 연구에서는 5개 화학종과 3개 소반응으로 구성된 3단계의 총괄 화학반응식[9], 6개 화학종과 5개 소반응으로 구성된 WD4(the modified West-brook and Dryer mechanism),[5] 16개 화학종과 41개 소반응으로 구성된 Skeletal[10] 및 19개 + N₂, AR 화학종과 84개 소반응으로 구성된 DRM-19[11]으로 총 4가지 화학반응기구를 사용하였다. 각 반응식에 대한 반응률은 참고 문헌을 참고하기 바란다.
본 연구에서는 총괄당량비를 0.7로 고정하였으며, 총괄당량비 0.7을 맞추기 위해 산화제의 유속은 Table.1 와 같이 공급하였다.
를 사용하였다. 연소생성물의 주요성분은 CH₄ 연료를 당량비 1.0 조건으로 완전혼합 반응기(Perfectly-stirred reactor; PSR)에서 정상상태로 연소될 때의 연소생성물 중 주요성분인 CO₂, CO, H₂O 및 N₂만을 연소생성물로 간주하여 혼합하였다. 연소생성물 농도의 계산에는 완전혼합반응에 대한 계산이 가능한 UPSR 코드[8]를 이용하였다.

대상 데이터

마일드 연소를 구현하기 위한 연료는 도시가스의 주요성분인 CH₄를 사용하였다. 연소생성물의 주요성분은 CH₄ 연료를 당량비 1.
제트 연소장은 지름 200 mm, 높이 1.8 m의 원통형 벽면으로 한정된 공간이며 전산해석을 위해 전체적으로 5만개 정도의 2차원 격자계를 구성하였다. 연료 노즐의 내경은 5 mm이며, 연료 노즐 외부의 내경 200 mm 영역에서 고온공기가 공급된다.

이론/모형

복사모델은 DO(Discrete Ordinates) 모델을 이용하였으며 반응 혼합기의 복사특성을 고려하기 위해 WSGGM(Weighted Sum of Gray Gases Model)을 사용하였다. 또한 연소반응의 계산을 위하여 최근 연구들에서 마일드 연소특성 검토에 적합하다고 알려진 EDC(Eddy Dissipation Concept) 모델을 사용하였다. 이 모델은 Arrhenius 형태의 화학반응률을 고려할 수 있다.
6)을 이용하였다. 복사모델은 DO(Discrete Ordinates) 모델을 이용하였으며 반응 혼합기의 복사특성을 고려하기 위해 WSGGM(Weighted Sum of Gray Gases Model)을 사용하였다. 또한 연소반응의 계산을 위하여 최근 연구들에서 마일드 연소특성 검토에 적합하다고 알려진 EDC(Eddy Dissipation Concept) 모델을 사용하였다.
0 조건으로 완전혼합 반응기(Perfectly-stirred reactor; PSR)에서 정상상태로 연소될 때의 연소생성물 중 주요성분인 CO₂, CO, H₂O 및 N₂만을 연소생성물로 간주하여 혼합하였다. 연소생성물 농도의 계산에는 완전혼합반응에 대한 계산이 가능한 UPSR 코드[8]를 이용하였다. Table.
전산해석을 위해 유동의 해석은 표준 κ-ε난류 모델(C1ε=1.6)을 이용하였다.
1과 같은 제트 연소장을 대상으로 CO₂, CO, H₂O 및 N₂와 같은 주요 연소 생성물이 희석된 고온 공기류에 의한 마일드 연소특성을 4가지 화학반응기구를 이용한 전산해석 결과를 비교 검토하였다. 전산해석을 위해서는 ANSYS사에서 개발한 Fluent-13.0[7]을 이용하였다.

성능/효과

화학반응기구 WD4는 다른 총괄화학반응 기구에 비해 CH₄/H₂ 혼합기에서의 마일드 연소실험결과와 가장 잘 맞는다고 보고된 결과가 있다.[5] 본 연구결과에서 WD4는 화학반응이 더 상세한 DRM-19, Skeletal과 같은 화학반응기구와 다르게 CO의 생성이 매우 낮은 값을 나타냄을 알 수 있다.
0을 이용하였다. [6] 그러므로 DRM-19의 NO몰분율 분포는 NOx반응이 제외된 GRI-3.0과 유사할 것으로 예상되며 DRM-19의 결과가 다른 화학반응기구보다 정확할 것으로 판단된다.
또한 혼합비에 상관없이 Global 3step을 제외하고 나머지 화학반응기구는 전체적으로 유사한 분포를 보인다. 또, 전산해석을 이용하여 마일드 연소에서 연료 CH₄에 H₂를 혼합함에 따라 상세화학반응기구로 잘알려진 GRI-3.0과 DRM-19 결과 비교해보았을 때 전체적으로 동일한 거동을 보임을 확인한 결과가 있다. 이때 GRI-3.
본 연구팀의 이전 연구에서 화학반응기구 Global 3-step을 이용하여 총괄 당량비 0.7조건에서 동일한 혼합비에서 공기측 온도가 감소하거나, 동일한 공기측 온도에서 혼합비가 증가할수록 연료 1kg당 CO와 NO의 배출량이 크게 감소함을 확인하였다.[12] 하지만 본 연구에서 Global 3-step는 DRM-19을 기준으로 비교해보았을 때 CO 몰분율은 과소.

후속연구

본 연구에서 총괄당량비 0.7 조건의 마일드 연소특성 예측에 가장 적합한 화학반응기구는 DRM-19임을 확인하였고, 이 화학반응기구를 이용하여 다양한 총괄 당량비에서 공기측 온도와 연소생성물 혼합비 변화에 따라 마일드 연소에 가장 적합한 조건을 검토할 필요가 있다.

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