The high temperature diluted air combustion, which improves the flame stability while lowers the $NO_x$ emission level, has been numerically investigated. The Favre-averaged Navier-Stokes equations are solved by a finite volume method of SIMPLE type that incorporates the laminar flamelet concept with the standard $\kappa - \varepsilon$ turbulence model. The $NO_x$ formation is estimated by solving the Eulerian particle transport equations in a postprocessing mode.
The numerical model was extensively validated against two test problems, i.e., the $CH_4/H_2/N_2$ jet flame and the $CH_4/H_2$ stabilized bluff body flame, because of ample experimental data base. The flow, temperature and species except NO are well captured by the steady flamelet model. The NO concentration is overpredicted by the steady flamelet model but the unsteady calculation gives much better agreement with the experimental data. In particular, the NO concentration is sensitive to the number of flamelet particles. The calculations with different number of flamelet particles show that the results for NO improve with increasing number of flamelet particles. However, the results do not much change when the particle number exceeds six. The NO concentration with six flamelet particles may be considered to be independent of the number of flamelet particle.
In order to examine the characteristics on high temperature diluted air combustion, calculations are performed for a coaxial jet flame and a turbulent jet flame in a crossflow for various conditions of inlet air temperature and oxygen concentration. The results for the temperature distribution and the NO formation are presented and discussed. The carbon dioxide is a more effective diluent than the nitrogen in reducing the maximum flame temperature and NO formation. The relative importance of the thermal, prompt, $N_2O$ intermediate mechanisms for NO formation is discussed using detailed chemical kinetics. Also, a production rate analysis of elementary reactions reveals major paths for NO formation. When the oxygen concentration is high, the NO formation is mostly affected by the thermal mechanism due to the increase in the flame temperature and the reaction zone is formed near fuel nozzle. When the oxygen concentration is low, however, the reaction is not limited to the upstream region and occurs more uniformly in the furnace. In particular, when the air is diluted with nitrogen, the NO formation by prompt route is much more pronounced than other routes. The amount of nitrogen in the air plays a key role in NO formation at low oxygen concentration. The combustion characteristics between the propane and methane fuel are also compared. When the oxygen concentration is high, the flame temperature between two fuels shows much difference in the downstream. However, when the oxygen concentration is low, the nearly same temperature levels are kept between two fuels. The propane fuel gives a higher NO formation compared to the methane fuel especially when the oxygen concentration is high. The higher temperature, longer flame length and longer residence time result in a higher thermal NO formation.
고온으로 예열된 공기는 화염온도를 상승시키고 연소특성의 안정성이 확대되는 장점이 있으나 화염온도의 상승으로 인한 $NO_x$ 배출량이 증가한다. 고온공기에 질소, 이산화탄소, 배기가스 재순환을 통해 산소농도를 희석시키면 $NO_x$ 배출량이 줄어드는 것으로 보고된 바 있다. 선진국에서는 이산화탄소 및 $NO_x$ 배출량 규제를 강화하고 있으며 이런 상황에 대처하기 위해 배출가스를 감소시키는 기술에 대한 기초적 연구가 필요하다. 최근 고온공기 연소특성에 대해 활발한 연구가 진행중이며, 특히 고온에서 연소반응에 참여하는 화학종의 혼합특성을 이해하는 것은 연소기를 설계, 제어하기 위한 가장 근본적인 과정이라 할 수 있다. 이러한 혼합특성은 화학종 자체의 확산 특성뿐 아니라 반응이 발생하는 연소기의 내부 환경과 연소기 형상에 의한 유동특성 그리고 연소기 내의 온도분포 및 열특성에 의해서도 크게 변하고, 그 결과가 보다 개선된 연소기를 제안하는 기초가 될 것이다. 본 논문에서는 고온공기 연소특성에 대한 기초적 연구를 수행하기 위해 난류 확산화염을 모사할 수 있는 층류화염편 모델을 적용한 코드를 개발하여 코드 검증을 마친 후 개발된 코드를 이용해서 고온공기 상태에서 연소조건의 변화에 따른 화염구조와 $NO_x$ 배출에 대한 특성을 살펴보고자 한다.
실제 복잡한 연소현상을 모사하기 위해서는 상세화학반응이 필요하고 이는 계산영역에서 상당한 컴퓨터 파워를 필요로 한다. 층류화염편 모델은 화학반응을 유동장으로부터 분리해 낼 수 있어 계산상 많은 이점이 있다. Steady flamelet library를 이용한 해석방법에서 유동장, 온도, 주요 화학종 분포는 잘 예측하나, $NO_x$ 생성에 대해서는 실제보다 크게 예측하는 것으로 보고되고 있다. 이런 문제점을 해결하기 위해서 Eulerian particle transport equation을 이용한 unsteady flamelet 계산을 통해 $NO_x$ 생성량을 계산하였다. 개발된 코드는 $CH_4/H_2/N_2$ jet flame와 $CH_4/H_2$ bluff body flame에 대해 검증을 하였으며, 유동장, 온도분포, 화학종에 대해서 실험결과에 대해 만족한 예측을 보였다. 하지만 $CH_4$/H_2/N_2$ jet flame에서 steady flamelet library 방식에 의한 해석방법은 NO 생성량을 실험결과에 비해 크게 예측하였고 unsteady flamelet 계산에 의한 결과는 비교적 실험결과와 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 특히 NO에 대한 결과는 flamelet particle 수에 민감한 것을 알 수 있었으며, 한 개의 flamelet particle을 사용한 경우에는 실험결과와 많은 차이를 보였으나 flamelet particle 개수가 증가할수록 예측결과가 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 6개 이상의 flamelet particle 개수를 사용한 경우 더 이상 NO 생성량에 대한 예측결과에서 변화는 확인할 수 없었다. 위의 결과로부터 정확한 NO 예측을 위해 한 개의 flamelet particle로는 부족하며 NO 생성량에 대한 예측결과가 particle 개수에 영향을 받지 않기 위해서는 6개 정도의 flamelet particle 개수는 필요한 것으로 보인다. Eulerian particle flamelet model을 다차원 화염장에 적용하기 전에 재순환 영역이 존재하는 benchmark case에 대한 예측능력을 검증하기 위해서 bluff body 화염에 대한 수치계산을 수행하였으며 연료제트 속도에 따른 3가지 화염에 대해 실험치와 만족할만한 결과를 얻었다. 또한 두 GRI (GRI 2.11, GRI 3.0) 화학반응 메커니즘에 대한 NO 예측능력을 비교한 결과 GRI 3.0 메커니즘이 GRI 2.11에 비해 NO 생성량을 크게 예측하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 두 화학반응 메커니즘에 의한 NO 생성경로 중 특히 급속(prompt) 반응경로에 의한 두 메커니즘의 차이가 주원인인 것을 확인하였다.
앞에서 검증한 코드를 기반으로 고온상태에서 운전조건 변화에 따른 화염특성 및 $NO_x$ 배출특성을 살펴보기 위해 산업현장에서 많이 이용되고 있는 동축류와 횡류제트 화염에 대해 수치계산을 수행하였다. 일반적인 연소특성에 비해 고온의 저 산소 농도의 산화제를 이용함으로써 국소적으로 발생하는 고온의 화염영역이 사라지고 연소로 내에서 균일한 온도분포를 얻을 수 있었다. 이로인해 NO 생성량도 상당히 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 산소농도를 희석시키기 위해 사용한 희석제의 종류에 따라 온도분포나 NO 생성량에 차이를 보였으며, 질소보다는 이산화탄소로 산소농도를 희석한 경우 화염온도를 낮추고 NO 생성량을 억제하는데 더 효과가 있는 것을 확인하였다. 동축류 화염에서 GRI 3.0 메커니즘의 기본반응들에 대한 생성속도(production rate)를 분석한 결과 산소농도가 높을 때에는 화염온도 상승으로 인해 열적(thermal) 메커니즘이 NO 생성에 기여하는 중요한 반응 메커니즘이고 연소영역은 연료노즐 부근에서 발생하는 것을 확인하였다. 반면에, 산소농도가 낮을 경우 연소반응 영역은 연료노즐 부근에 국한되지 않고 연소로 내에서 균일하게 발생하고, 특히 질소로 산소농도를 희석한 경우 급속(prompt) 메커니즘에 의한 NO 생성량이 많아지는 것을 볼 수 있었다. 탄화수소 계열의 연료에서 NO는 탄화수소 레디컬과 질소분자의 급속한 반응에 의해 생성되므로 산화제내에 질소양의 증가가 급속 메커니즘에 의한 NO 생성량에 영향을 미쳤을 것이라 사료된다.
횡류제트 화염에서 연료변화에 대한 연소특성을 비교하기 위해 프로판과 메탄연료에 대한 특징을 살펴보았다. 각 수평단면에서 연소로 높이 방향으로 두 연료에 대한 최대온도를 비교한 결과 산소농도가 높을 때에는 연소로 하류 쪽에서 두 연료간의 최대온도 차이가 큰 것을 볼 수 있었다. 그러나 산소농도가 낮아질수록 두 연료간의 온도차이는 줄어드는 것을 볼 수 있었고, 특히 산소농도가 4%로 낮아지면 두 연료는 거의 같은 레벨의 온도분포를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 산소농도가 낮을 경우 프로판 연료가 메탄 연료에 비해 조금 높은 NO 생성량을 보였으나 산소농도가 증가할수록 두 연료에 대한 NO 생성량 차이는 점점 커지는 것을 볼 수 있었다. 이는 열적 NO 생성 메커니즘과 관련이 있으며 화염온도, 연소영역에서 산소농도, 고온영역에서 연소가스의 체류시간 등이 열적 NO 생성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 산소농도가 높을 경우, 프로판 화염의 연소로 전체에서의 높은 화염온도가 NO 생성에 영향을 미쳤을 것이며 고온영역에서 증가된 화염 체류시간도 더 많은 NO 생성량이 발생하는데 기여했다고 생각할 수 있다.
고온공기 연소기의 적용은 산업의 다양한 분야에서 발생할 것이고, 연소로 형상에 따른 열유동 및 연소특성도 각기 다르기 때문에 설계변수의 효과를 예측하는 수단이 마련되는 것은 시간과 비용 절감을 위하여 매우 중요하다고 사료된다. 본 논문을 통한 수치해석 기법의 개발과 응용 결과는 이후 연소기 최적 설계를 위한 중요한 기초가 될 것으로 생각한다.
