예혼합 연소기의 연소특성에 관한 실험적 연구

Abstract

본 연구는 연소기 형상을 통한 국부적인 영역에서의 예혼합을 형성하는 원리를 적용한 연소 개선 방식의 저 NOx 연소기를 설계 및 제작하여 연소 특성을 파악하여 연소기 형상 및 선회각 변화에 의한 최적의 배기가스 농도 배출 특성을 나타내는 운전 조건을 제시하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 연소기 형상을 연료 헤드부, 연료 공급부, 연소 공기 공급부 및 선회기로 구성하여 상용 프로판을 연료로 사용하는 화염을 구성하였으며, 상용 프로그램을 사용한 VOF 해석기법을 이용하여 연소기 내의 혼합특성을 파악하고 이를 바탕으로, 선회기 및 노즐 φ 변화에 따른 혼합특성에 의한 영향을 고찰하기 위해 연소장내에서의 화염 온도 및 배기가스 농도 그리고, 화염 자발광 계측이 이루어 졌다. 따라서 본 연구의 각각의 결과를 통해 본 연구에서 설계된 선단 예혼합 연소기는 연소기 형상에 의한 국부적인 영역에서 예혼합이 형성되며, 형성된 예혼합 화염에 의해 최고 화염 온도의 낮은 수준을 통한 Thermal NOx 반응 경로와, 또한 균일한 화염 온도 분포를 통해 국부적인 영역에서 연료 농후 생성을 억제하여 Prompt NOx 반응 경로에 의한 NOx 생성을 동시에 억제할 수 있다. 그리고 혼합특성이 증가할수록 국부적으로 연료농후화염 조건으로 형성되어 Prompt NOx 생성이 증가되며 선회강도가 작을수록 일부 혼합가스에 참여하지 못한 연소 공기에 의한 화염 온도 저감으로 NOx 배출량이 감소하는 경향을 볼 수 있었다. 화염 안정화를 고려한 최적 조건에서 과잉공기비 1.3에서 최대 15ppm의 NOx 배출량을 나타내었으며, 다단 공기 연소기와의 정량적인 비교를 통해 NOx 저감에 있어서 국부적인 예혼합을 형성하는 선단 예혼합 연소기의 효율성을 입증하였다.; The present study has been motivated to identify the basic combustion characteristics of the rapid mix combustor which has the locally premixing process. The rapid mix combustor consists of a fuel head section, fuel feeder, air feeder, and swirler. Commercial propane is used as fuel. The flame structure for the rapid mix combustor is visualized by chemiluminescence. Chemical composition of exhaust gas and profiles of temperature in the flame field are also measured. The turbulent mixing characteristics inside the burner are numerically analyzed. Experimental results indicate that the rapid mix combustor with the local premixing minimizes the thermal NOx by maintaining low and nearly uniform flame temperature through rapid mixing process. By increasing the premixedness due to the enhanced mixing, the NO emission level is effectively reduced by decreasing the overall equivalence ratio. It is found that the total NOx emission level in this rapid mix burner is roughly 15ppm at optimal combustion condition. In terms of the NOx emission, these experimental results suggest that the rapid mix combustor is more efficient than the air staging combustor.