메조스케일 다중 노즐 희박 예혼합 CH4/H2 화염의 연소불안정 및 NOx 배출물에 대한 실험적 연구

Abstract

본 연구에서 희박 예혼합, 스월 안정화된 모형 가스터빈 연소기를 이용하여 메탄/수소 혼합 연소가 메조스케일 다중 노즐 화염의 화염 구조, 자발불안정, 그리고 NOx 및 CO 배기 특성에 미치는 영향을 실험적으로 고찰하였다. 수소 전소를 포함하여 광범위한 메탄/수소 혼합물을 다루기 위해 60개의 동일한 스월 인젝터로 구성되어 있는 메조스케일 다중 노즐 배열이 고려되었다. 해당 실험은 1881 K의 동일한 단열화염온도에 대한 균일 혼소 및 연료 분리 조건의 주요 차이점에 중점을 두었다. 균일 혼소 조건에서 메조스케일 다중 노즐 화염은 수소 몰분율이 75%까지 증가함에 따라 고차 길이방향 고유모드의 불안정을 야기하는 경향을 갖지만, 압력 섭동 진폭과 수소 몰분율의 관계는 매우 비선형적인 것으로 관찰되었다. 위상동기화 OH PLIF과 OH* 자발광 이미지 계측 결과는 60개의 메조스케일 화염들로 결합된 거대 거동(X$_{H2}$ = 0%)에서 조밀하고 개별적인 화염 거동(X$_{H2}$ = 75%)으로의 변화를 분명히 보여준다. 게다가 획득된 NO$_X$ 배출물은 일정한 단열화염온도로 인하여 대략 1.5 ppmvd 부근에서 상대적으로 크게 변하지 않는 것으로 나타나는데, 반면 CO와 CO$_2$ 배출물은 수소 몰분율이 증가함에 따라 극적으로 낮아짐이 확인되었다. 50% H$_2$ 조건에 대해 입구 연료 유로를 반경방향으로 분리함으로써 두 개의 서로 다른 연료 분리에 대한 잠재적 영향성에 대해 알아보았다. 여기서 연료 분리는 수소와 메탄 연료가 각각 내부와 외부 스테이지로만 공급되는 것을 의미한다. 연료 분리 조건에서의 메조스케일 다중 노즐 화염의 전체 거동은 전 노즐로 균일하게 혼합된 메탄/수소 화염의 동조와 다르게 내부와 외부 스테이지의 서로 다른 화염에 영향을 받는 것으로 파악되었다. 결과적으로 연료 분리 기법의 적용은 균일 혼소 조건과 비교하여 확연히 다른 불안정 주파수와 압력 섭동 진폭을 유발하며, 열 방출률 섭동의 완전한 이조가 국부 화염의 거동을 조절함(위상 상쇄 메커니즘)으로써 자발불안정 제어를 가능케하는 것을 입증하였다. 이 결과는 연료 분리가 고 비율의 수소를 포함한 메탄/수소 혼합 연료(가스)의 연소가 가능한 가스터빈 연소기에서 연소불안정을 제어하는 효과적인 방법으로 적용될 수 있음을 제안한다.