다공 동축 버너를 이용한 순산소 연소에서 CO₂첨가가 화염에 미치는 영향에 관한 실험적 연구

Abstract

순산소 연소는 $CO_2$ 저감을 위한 한가지 대안이다. 그러나 순산소 연소의 높은 단열 화염 온도는 기존 공기 연소기의 재설계 문제와 연소기 내로 유입된 공기에 기인한 thermal NOx 문제를 발생시킨다. 배가스 재순환(FGR) 기술이 이러한 열적인 문제들을 해결해 줄 수 있다. FGR 시스템에서 화염 온도는 배가스로부터 재순환된 $CO_2$ 에 의해서 저감되지만 그로인해 복잡해진 유동과 낮은 화염 온도는 화염 불안정성 문제를 야기시킨다. 따라서 FGR 시스템을 가지는 연소기의 설계와 작동을 위해서 $CO_2$ 첨가 효과에 대한 개선된 이해가 필요하다. 본 연구는 다공 동축 버너를 이용한 순산소 연소에서 FGR 시스템을 모사하기 위한 $CO_2$ 첨가와 OFR에 따른 특성에 초점을 맞추었다. $CO_2$ 첨가에 의해서 연소로 내의 전반적인 온도가 저감되었는데 이는 첨가된 $CO_2$ 가 일정 높이(z=40mm) 이상에서 반경 방향으로의 확산 특성이 우수하기 때문이며, 비반응 유동장에서의 아세톤 레이저 유도 형광법으로 확인해 볼 수 있었다. 또한, Mie 스캐터링을 이용한 반응 및 비반응 유동장 가시화를 통하여 외부 유동이 내부 유동에 크게 영향을 미치지 않음을 확인해 보았다. 연소 불안정성을 조사하기 위하여 모든 조건에서 압력 변동을 측정해 보았고, OFR 0.75 에서 내측에 $CO_2$ 를 첨가할 때 가청음압기준 143dB의 최대 소음이 발생하였다. 본 연구에서 최적의 $CO_2$ 첨가 위치는 OFR 0.75 에서 외측에 첨가한 경우로 전반적인 온도가 낮고 화염이 가장 안정적으로 존재하기 때문이다.