The soot formation and oxidation characteristics with different radiation boundary conditions have been studied experimentally in a co-flow ethylene/air laminar diffusion flame. The boundary conditions are two cases, one is a fully refractive radiation boundary condition by a polished aluminum cylindrical plate (AL) and the other is a fully absorbing radiation boundary condition by a black body cylindrical plate (BB). The AL case compared with BB condition show the lower inception point, denser soot volume fraction and longer annular soot area owing to the re-absorption of radiating energy
A second set of experiments was conducted for propylene diffusion flames around the sooting conditions. A non-sooting flame can be converted to a sooting flame when a laser light heats up a flame at a height of 7 mm above the burner (HAB), where soot particles are formed. On the contrary, a sooting flame can be changed to a non-sooting flame when the flame is heated with a laser light at 13 mm HAB, where soot particles are oxidized. In this study, the absorbed amounts of radiation energy, the soot volume fraction, and the increased soot temperatures were measured.
The selective heating at the soot formation and/or oxidation region determines the sooting behavior of a diffusion flame. The increased soot/flame temperatures are most likely to be responsible for both the decreased and increased soot formation/oxidation. As a consequence, the soot formation and oxidation is enhanced and the soot zone of the annular region is wider and lengthier by the re-absorption of radiation energy according to the radiation shield.
A non-sooting flame can be changed to a sooting flame with laser heating a formation region, while a sooting flame can be changed to a non-sooting flame with laser heating a formation/oxidation region.
The radiation loss of formation region reduces the formation rate of soot, leading to the enhancement of oxidation and causing a non-sooting flame. And a radiation loss of formation/oxidation region reduces a oxidation rate of soot, leading to the suppression of oxidation and causing a sooting flame. A flame structure and temperature fields depend on their local radiation loss of soot.
Radiation heat transfer is a significant factor that can change the structure of the flame. This selective laser heating experiments provide the insight into the effects of radiation heat transfer on soot formation and oxidation process in diffusion flames and can be used as an effective tool for fixing a soot model. Furthermore, by using these results to control the concentration of a flame's soot and temperature, it is possible to maximize the heat transfer efficiency of a combustion furnace.
본 연구에서는 복사경계조건의 변화에 따른 매연 및 온도특성을 파악하기 위하여 에틸렌 층류 확산화염에서 복사경계조건, 즉, (1) 화염에서 방사된 복사에너지를 전부 흡수하는 Black Body type 실린더(BB, 흡수율-0.96)와 (2) 화염에서 방사된 복사에너지를 전반사시켜 복사 쉴드(shield)기능을 하는 polished aluminum mirror type 실린더(AL, 반사율-0.94))에 따른 매연의 농도특성을 조사하였다. 또한, 매연의 생성/성장/산화 지역에 따른 복사에너지의 영향을 선택적으로 파악하기 위하여, Ar-Ion 레이저로 프로필렌 확산화염의 특정단면을 가열하고 이에 따른 매연의 특성을 실험적으로 조사하였는데 이를 통하여 매연의 생성/성장/산화 특성에 대한 복사열전달의 영향을 이해하고자 하였다.
연구 결과는 아래와 같다.
(1) 복사에너지를 재흡수하는 경계조건에 의하여 매연 생성 및 성장이 빨라지고 축 중심방향에서의 농도도 크며, annular 매연지역이 반경방향으로도 확장된다. 특히, 복사에너지의 재흡수에 의해 전단면에서 매연발생 총량이 증가하고, 표면성장지역에서 최대 40% 정도의 국소 매연 체적분율이 증가하나 산화과정을 거쳐 배출되는 매연농도는 유사하며, 배출가스 온도는 증가할 것으로 판단된다.
(2)Non-sooting 프로필렌 확산화염의 생성지역의 횡단면을 가열할 경우 생성지역에서는 매연의 온도를 상승시켜 annular 지역의 매연의 산화를 촉진시킨다. 안쪽의 가스온도도 열전달의 영향으로 상승되며, 이로 인해 내부에 존재하는 전구물질들이 매연으로 변하는 생성(nucleation)이 촉진된다. 그러나 증가된 매연으로 인해 복사열손실이 증가하며, 즉 온도를 떨어 뜨림으로써 매연의 산화를 억제시키고 화염을 sooting 화염으로 천이시킨다.
(3) Sooting 프로필렌 확산화염에서 매연의 생성과 산화가 경쟁하는 지역을 레이저로 가열할 경우 매연의 온도가 올라가고 상승된 매연의 온도는 전도 및 복사열전달에 의해 내부지역의 온도를 상승시킴으로써 생성을 촉진시키나 annular 지역의 산화를 더욱 촉진시킨다. 이로 인해 복사열손실을 감소시킴으로써 화염의 온도를 상승시킨다. 이러한 화염온도(매연온도)의 증가로 매연의 산화가 촉진되어 sooting 화염이 non-sooting 화염으로 변경된다.
(4) 복사에너지는 화염의 구조를 변경시킬 수 있는 중요한 인자이고, 확산화염에서 매연의 구조를 이해하기 위해서는 매연에 대한 복사모델이 필요하게 됨을 알 수 있다. 복사경계조건과 복사가열에 따른 매연의 특성을 고찰한 본 실험연구는 매연의 모델을 개발하고 계산결과를 검증할 수 있는 유효한 수단으로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
이러한 결과를 활용하여 확산화염의 온도와 매연의 농도를 제어함으로써 열전달효율을 향상시키고 매연의 배출을 억제할 수 있는 친환경연소시스템 개발에 활용 가능할 것으로 보인다.
