DME/공기 확산 화염에서 $CO_2$ 첨가에 따른 $NO_x$ 생성 특성에 관한 수치 해석

Abstract

최근 여러 산업 분야에서 두 개의 메틸기와 한 개의 산소 원자를 가지고 있는 DME(Di-methyl ether, $CH_3OCH_3$)는 기존의 화석 연료중의 하나인 석유 연료를 대체할 수 있는 매우 매력적인 청정 대체 연료로서 여겨지고 있다. 특히 DME는 디젤 엔진에서의 대체 연료로서 각광 받고 있다. DME 연료의 경우 탄소 고리(C-C)가 없고 연료 내에 산소 원자를 함유하고 있기 때문에 디젤 엔진에서의 모든 작동 조건하에서 매연이 거의 발생하지 않는 특성을 가지고 있다. 이러한 배출 특성은 DME를 이용한 디젤 엔진에서 NOx를 줄이기 위한 후처리 방식인 EGR(배기 가스 재순환)의 가동 범위를 높여주어 높은 NOx 감소율을 기대할 수 있어 현재 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만 실용 엔진에서 EGR을 적용시켜 NOx 배출 특성을 연구할 경우 여러 가지 엔진의 운전 조건에 따라 배출 특성이 달라지게 된다. 이에 본 연구에서는 본질적인 NOx 배출 특성을 연구하기 위해서 EGR에서 큰 비중을 차지하고 있는 $CO_2$를 산화제측에 희석한 DME/공기 확산화염에서의 NOx 생성 특성을 대향류 확산 화염 모델을 이용하여 수치 해석적으로 접근해보고자 한다. 또한 DME연료 내에 포함되어져 있는 산소 원자의 역할을 규명하기 위해 유사한 메틸기를 가지고 있지만 산소 원자가 없는 에탄 ($C_2H_6$) 를 이용하여 DME의 NOx 배출 특성과 비교해보았다. 그 결과 $CO_2$ 가 산화제측에 15%이상 희석되었을 경우 $CO_2$ 첨가에 따른 화학적 효과와 DME와 $C_2H_6$ 간의 분자상 화학구조 차이로 인해 DME의 NOx 배출지수(EINO)가 $C_2H_6$ 보다 더 큼을 알게 되었다