고압 메탄-수소 동축류 연소기 구조와 산화제 조성에 따른 화염 안정화 및 배기 특성

Abstract

최근 지구온난화로 인하여 탄소 중립에 대한 관심이 굉장히 높아지고 있으며, 앞으로 이산화탄소 다량 조건에서 작동하는 순산소 연소와 수소를 혼소하는 연소 기술들이 중요해 질 것이라고 예상된다. 본 연구에서는 동축류 연소기를 사용하여 상승된 압력에서의 순산소 연소와 수소 혼소 연소 조건에 대해 실험을 진행하였다. 특히 화염 안정화가 관의 내경, 이산화탄소 희석 비율, 수소 혼소 비율, 압력 등과 어떠한 관계에 있는지 분석하였다. 먼저 순산소 연소 조건에서는 연료 제트 레이놀즈 수와 이산화탄소의 확산으로 기본적인 화염 안정화 선도를 설명할 수 있었다. 또한 대기압하에서 연료관 깊이를 조절하여 그을음을 줄이고 연소 효율을 높일 수 있었다. 연료관 깊이를 조절하면 추가적으로 내부 부상 화염 영역이 발견되었고, 상승된 압력에서도 이러한 조건을 활용하면 그을음이 감소하고 연소 효율도 높일 수 있는 것을 확인하였다. 수소 혼소 연소에서는 동축류 공기 유속을 변화시키며 실험했으며 이러한 경우 순산소 연소와는 다르게 동축관에 화염이 부착되어 존재하는 외부 부착 화염이 관찰되었다. 화염은 내부 부착, 내부 부상과 외부 부착 화염으로 구분되었으며, 특히 내부 부상 화염의 경계는 난류 강도와 당량비에 의해 결정되었다. 이런 안정화 메커니즘을 분석하여 압력에 대해 일반적인 화염 안정화 선도를 얻을 수 있었고, 부분예혼합을 통해 화염 길이를 감소시킬 수 있는 내부 부상 화염이 고압 조건에서도 그을음과 질소산화물 저감에 효과적인 것을 확인하였다.