공기 다단 연소기에서 재연소 과정의 $NO_x$ 저감 효과

Abstract

재연소과정은 2차 연료로인 탄화수소계 연료를 분사시킴으로써 질소 산화물을 저감시키는 유용한 기술이다. 본 연구는 2차 연료로 LPG를 사용하여 15kW 실험실 규모의 연소로에서 재연소 과정의 $NO_x$ 저감에 대한 영향을 조사하기 위한 실험을 수행하였다. 산화제 다단 기술 또한 병행하여 수행되었는데, 이 기술도 $NO_x$ 저감에 있어 효과적인 기술로 많은 선진국에서 사용되어지고 있다. 본 실험에서는 공기가 주 연소기의 공기 공급관으로부터 분리되어져 분사되는 동축 다단 연소기를 사용하였다. 재연소 연료와 연소완료 공기는 실린더형 연소기의 벽면에 부착되어 있는 각각의 노즐로 부터 분사되어졌으며 주 연소기와 재연소 연료 모두 액화석유가스(LPG)를 사용하였다. 본 연구는 재연소 영역에서 연료 분율에 따른 $NO_x$ 저감과 최적의 반응 거리을 찾기 위한 연구를 수행하였다. 반응 거리는 재연소 연료와 연소완료 영역과의 거리를 의미한다. 또한 전체 연소로에서 온도와 벽면에서의 열 유속을 측정하여 재연소와 공기 다단 연소기로 인한 연소로 내의 열전달 상황에 대해 고찰하였고 일반 연소기와 다단 연소기를 비교 분석하였다. 가스 분석은 또한 주 연소 영역에서 실험에 적절한 $NO_x$ 방출을 유도하기 위해 1.1의 약간 과잉공기 상태로 실험을 수행하였으며 실험의 통일성을 유지하기 위해 배기구에서 산소 농도는 3%로 유지하였다. 결과적으로 재연소 연료가 20% 주입될 때 $NO_x$ 은 약 45% 저감된 것을 확인 할 수 있었다. 또한 본 연구에서 $NO_x$ 저감이 반응 거리에 영향을 받는 다는 것을 알 수 있었다. 공기 다단 연소기를 적용한 연소로에서 온도는 낮아진 반면 전체 영역에서의 온도 분포는 균일해 지는 것을 알 수 있었다. 이것은 또한 연소로 후류에서 불필요한 열 손실을 보상하였으며 연소 효율 측면에서 공기 다단 연소기가 재연소 과정과 조합될 때 보다 효과적일 수 있다는 것을 보여 준다.