최적연소 및 유해가스 저감을 위한 화염 내 라디칼의 실시간 계측 기법에 관한 연구

Abstract

최근 에너지 다소비 연소시스템의 경우 시스템의 효율 향상과 저공해를 동시에 구현할 수 있는 기술적인 요구가 증가하고 있다. 이러한 기술적 요구에 따라 진행되고 있는 연구 가운데 실시간으로 배기가스의 농도와 당량비 등을 계측함으로써 연소 시스템의 운전 상태를 진단하고, 이를 바탕으로 최적 운전조건으로 시스템을 운전하는 능동적 제어기술이 주목받고 있다. 이러한 연소시스템의 제어를 위해서는 기존 계측 시스템의 단점인 응답속도를 개선한 시스템이 요구된다. 이에 따라 기존의 산소 트리밍과 같은 방법이 아닌 비접촉식 광학적 접근에 의한 화염의 직접적인 계측/진단이 필요하다. 본 연구에서는 이러한 광학적 계측 기법을 연소제어기법에 적용하기 위해 화염의 화학적 발광(Chemiluminescence)신호를 적용한 화염 자발광의 라디칼을 이용하여 연소시스템의 주된 요소인 화염 당량비와 NOX배출량을 예측하는 계측시스템을 구축한다. 이를 위해 계측위치에 따른 분광분석과 화염 라디칼의 특성을 분석하여 연소시스템에 적용이 용이한 계측위치를 선정하였으며 당량비에 따른 라디칼 특성을 이용하여 화염 당량비의 변화에 따른 라디칼강도의 특성을 분석하였다. 또한 각 당량비에서의 NOX 배출량을 이용하여 배출량과 라디칼의 상관관계를 분석하였다. 이러한 계측시스템을 연소제어에 적용하기 위해 당량비와 NOX 예측 배출량을 퍼포먼스함수(Performance Function)로 표현하여 화염상태를 수치적으로 나타내고, 진단된 화염의 상태를 이용하여 화염 운전 범위에서 최적의 화염조건을 찾아내고자 Direct Set Method 알고리즘을 적용하였고, 본 연구의 계측시스템을 연소제어 시스템에 적용하기 위한 프로그램 설계를 수행하였다.; The present study is aiming at establishing the relationship between flame chemiluminescence(OH, CH, C₂) intensities and combustion conditions such as NOX emission characteristics. Measurements are made for OH, CH, C₂ radicals in gas and light oil diffusion flames. At turbulent nonpremixed combustion mode, experiments are carried out for the wide range of the overall equivalence ratio. The optical emissions were measured by photomultiplier(PMT) using optical band pass filter and spectrometer system. The experimental results indicate that there exists a certain correlation between the concentration of radicals and the NOX emission level and the overall equivalence ratio has a near linear correlation with the NOX emission level. By utilizing the experimental results obtained in this study, the correlation of flame condition and radicals for performance function and the related control program is established according to the modified Powell's direct set method.