3중 다공 동축 버너에서 $CO_2$ 첨가가 순산소 화염에 미치는 영향에 관한 연구

Abstract

순산소 연소와 배가스 재순환 기법은 $CO_2$ 저감 및 열문제에 대한 대처방안이다. 순산소 연소는 탄화수소계 연료를 사용할 때 이론적으로 물과 이산화탄소만을 배출하며 복사 열전달을 증가시키고, 넓은 안정 영역을 가진다. 그러나, 순산소 연소는 공기 연소와 비교했을 때 산화제에서 $N_2$의 부재로 인해 연료와 산화제의 혼합률이 낮고, 높은 화염 온도를 지니고 있어, 연소기 재설계문제를 발생시킨다. 게다가, 연소기로의 미량의 공기 유입은 다량의 NOx를 유발시킨다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해, 순산소 연소를 위한 새로운 디자인의 버너를 개발해야 한다. 또한, 배가스 재순환 기법을 위해 $CO_2$ 첨가는 화염 온도를 저감시키는 반면, 복잡한 유동장을 발생시키거나 화염 불안정성을 발생시킨다. 본 연구에서는 순산소 연소를 위한 새로운 디자인의 버너로써 3중 다공 동축 버너를 소개하고, 3중 동축 버너와 2중 다공 동축 버너와 비교함으로써 이 버너의 장점을 살펴보고자 한다. 또한, 3중 다공 동축 버너의 포괄적인 이해를 위해 순산소 연소의 특성을 살펴봤으며, 화염 구조, 연소기 내 온도 분포, 그리고 화염 불안정성 등의 순산소 화염에서 $CO_2$ 첨가에 대한 다양한 영향을 관찰하였다. 3중 다공 동축 버너는 3중 동축 버너와 2중 다공 동축 버너와 비교했을 때, 난류 강도를 향상시키고 연료와 산화제의 혼합을 증진시켜 가장 짧은 화염 길이가 나타냈으며, 가장 높은 화염 자발광 강도를 발생 시켰다. 3중 다공 동축 버너의 순산소 연소에서는 산화제 공급율의 모든 영역에서 안정한 화염을 나타내는 조건인 연료 15 lpm으로 고정하였다. 순산소 화염에서 매연 발생을 줄이기 위해 공연비 1.05 즉, 전체 당량비 0.93으로 설정하였다. 순산소 화염은 Center Port (CP) 주위에 역 확산 화염과 1st Circumferentially Arranged Ports (1st CAPs) 주위에 정상 확산 화염의 혼합을 생성되어 있으며, 산화제 공급율이 줄어들수록 화염 길이가 줄어들었다. 3중 다공 동축 버너에서의 순산소 화염에서 $CO_2$의 공급은 안정 모드를 비롯하여 A, B, C, D 타입의 5가지의 화염 모드를 발생시켰으며, 각각의 화염 모드는 버너의 CP (center port)와 2nd CAPs (second circumferentially arranged ports)에서의 비반응 유동장의 레이놀즈 수에 의해 지배 되었다. 안정 모드는 순산소 화염의 2중 구조와 유사하게 발생했다. CP로 $CO_2$를 공급할 경우, A와 B 타입의 화염이 발생했으며, 화염은 부상되었고 주 반응 영역은 연소실 상류로 이동하였다. A 타입 화염은 안정했으며, B 타입 화염 모드는 열-음향 불안정성으로 지배되었으며 가장 불안정했다. 1st CAPs 로 $CO_2$를 공급할 경우, C와 D 타입의 화염이 발생했으며, 안정한 D 타입의 화염 모드와는 달리 C 타입의 화염 모드는 강한 난류에 의해 불안정하게 발생되었다. $CO_2$ 첨가는 순산소 화염과 비교하였을 때 모든 경우에서 화염 온도를 저감 시켰고, 열적 NOx는 최대 90 % 에서 최소 71 % 까지 저감 시켰다.