An experimental investigation has been made with the objective of studying the flame structure near extinction in coaxial laminar propane jet diffusion flames under a reduced oxdizer condition. The direct and Schlieren photographs show that near-extinction flame is fully occupied by blue flame and becomes unstable, which is partially detached from the fuel nozzle tip. The thin SiC filament technique has been employed to observe the soot deposition and to compare filament luminosites with temperature. The results show that radial soot inception point is on the inner surface of the soot luminous flame and that soot is not deposited any more in the near-extinction flame. Indirect evidence reveals that the steeply decreasing region of temperature exists at the interface between the blue flame and the soot luminous flame, and offers a basis that the process of soot formation is endothermic in a sooting flame. It suggests that nonsooting pyroligneous blue reaction flame is dominant and the major portion of reaction is completed near the nozzle exit in near-extinction of an oxidizer deficient condition. Simultaneously, the distributions of PAHs (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons), OH and soot are estimated with UV band laser fluorescences. It can be depicted that the process of PAHs formation is also endothermic. OH radicals are still generated in a near-extinction flame, although intensities become weak with decreasing air flow rate, but soot does not grow up any more in an oxidizer deficient condition, whereas the PAHs are distributed widely downstream. These results are due to the fact that a decrease of oxygen concentration in the combustion chamber leads to a temperature drop, as a consequence, to a delay in soot growth and to an expanding of the PAHs, as the soot precursors.
본 연구에서 연소실내에 제한된 동축류로 산화제를 공급하는 층류 확산 화염에 대하여 직접사진의 관찰 결과, 동축류로 공급되는 산화제의 유량이 감소함에 따라 밝은 노란색의 그을음 발광영역(soot luminous zone)이 초기에 증가하면서 smoke 가 발생하다가 종국에는 soot의 발광에 의한 황염의 영역은 거의 사라지고 청염이 지배적으로 된다. 이 청염이 지배적인 화염은 산소 결핍상태에서 불안정한 상태로 노즐의 한쪽에서 이탈하여 1∼2Hz의 낮은 주파수의 진동을 보이다가 소염된다. 산화제가 충분한 경우의 확산화염에서 soot는 상류부에서는 밝은 노란색의 화염대와 그 바깥쪽의 청염대 사이 경계면에서 최초 부착되며 화염대의 안쪽으로 퍼지게 되나 아주 좁은 영역에 국한된다. Soot는 산화제 공급량의 감소에 따라 현저히 줄어들고, soot가 처음 생기는 위치도 하류로 이동하며 화염 전체에 걸쳐 고른 부착 형태를 보인다. 산화제가 이론 공기량의 80% 이하로 공급되는 경우의 산소 결핍상태에서는 soot는 더 이상 부착되지 않는다. 이 조건에서는 soot의 전구물질이 soot로 성장하지 않음을 알 수 있다. 부착된 Soot의 SEM사진에서 산화제가 충분한 경우의 전형적인 확산화염에서 soot 입자의 크기는 약 50nm 근방이며, 노즐 출구부에서 입자가 더 크고, 하류부로 갈수록 입자의 크기는 감소한다. 이는 상류에서 생성된 입자가 하류로 갈수록 산화되어 작아짐을 의미하는 것이다. soot는 노란색 화염의 안쪽, 즉, PAHs가 soot입자로 성장한 직후부터 화염대까지 아주 좁은 영역에서 성장한다. 산화제 유량이 이론공기량에 근접한 경우의 soot 입자는 화염의 위치에 따라 큰 차이를 보이지 않는다. 또한 화염의 내부로 갈수록 미소한 soot 입자는 나타나지 않고 조대한 입자로 뭉쳐지는데, 이는 전구물질인 PAHs가 액적처럼 거동함을 의미한다. 화염의 중앙부에서 화염대로 접근할수록 입자의 고체성질이 점점 강해지나, 화염대에 거의 근접할 때까지도 액체의 성질이 남아있는 것으로 판단된다. 입자의 성장은 화염대의 아주 좁은 영역에서 이루어진다. 산화제 결핍으로 인해 소염직전의 불안정한 화염에 대하여 온도정보를 얻기 위해 가시광 영역의 SiC 필라멘트의 발광 영상을 포착하여 그 강도를 28(8bit)로 계수화하여 열전대 온도와의 비교를 시도하였다. 산화제 결핍상태 화염중의 안정된 화염에서 SiC필라멘트의 발광강도 분포는 열전대로 측정한 온도 분포와 화염의 바깥쪽에서 잘 일치함을 확인하였다. 이는 SiC 필라멘트의 발광 강도로부터 화염의 온도 분포를 밝혀낼 수 있는 가능성을 제시한 것으로 이 방법을 이용하여 공기가 충분한 상태의 전형적인 층류 확산화염에서 반경방향의 온도분포를 조사한 결과, 온도는 청염의 반응 영역에서 피크치를 보였다가 그 안쪽 밝은 노란색의 화염대 즉, soot 발광영역에서 급격히 감소한다. 이 부분은 SiC를 이용한 soot 부착 실험에서나 PLIF의 계측 결과에서soot의 생성이 강하게 이루어지는 곳으로 soot의 생성이 흡열반응이라는 실험적 증거가 된다. 즉, 확산화염에서 열을 방출하는 발열반응대와 매우 인접한 곳에 soot의 생성이 이루어지는 흡열반응대가 존재한다.
산화제가 결핍된 분위기에서의 확산화염은 거의가 청염의 반응대로 이 위치에서 반경방향의 발광강도의 최고치, 즉, 온도의 피크치를 보이며, 이 피크치는 노즐 근처의 상류에서 가장 높고 하류로 갈 수록 낮아진다. 즉, 열을 방출하는 주 반응이 노즐 근방의 상류부에서 이루어진다. 발광강도는 화염대를 중심으로 내외부가 거의 대칭적인 분포를 보인다. PLIF의 계측결과에서 산화제 결핍 화염에서 OH 활성기의 형광은 약해지기는 하지만 여전히 확산화염의 특성을 나타내면서 존재하나, soot의 산란광은 급격히 감소하여 더 이상 나타나지 않는다. 반면 PAHs는 산화제의 감소에 따라 하류까지 넓게 퍼진다. 즉, 산화제 결핍상태에서는 화염의 열방출률(heat release rate)이 낮아져서 soot 입자의 형성에 필요한 열을 공급하지 못한다. 이로 인해 PAHs는 더 이상 soot로 성장하지 못하고 분자상태로 확산되는 것임을 알 수 있다. 즉, 산소 결핍상태의 화염은 연료가 와해되어 새로운 분자를 형성하는 열분해 과정이 주로 이루어진다는 실험적 증거가 된다. 또한, SiC 발광 강도의분포와 비교하여 PAHs의 생성과정도 흡열반응임을 제시할 수 있다. FTIR을 이용한 배가스의 분석결과 산화제 결핍상태에서는 $C_2H_4$ 가 검출되는데, 이는 프로판의 연소과정의 2단계에서 나타나는 올레핀족의 생성으로 볼 수 있으며, 이 과정에서 나타나는 수소원자가 OH 활성기를 생성하는 것으로 OH가 산화제 결핍상태에서 존재하는 것을 설명할 수 있다. 즉, 산화제 결핍상태의 화염을 연구함으로써 연소의 초기단계의 반응을 규명할 수 있을 것으로 판단된다.
