Silica nanoparticles were made through the gas-to-particle conversion of tetraethylorthosilicate (TEOS) in coflowing turbulent methane-oxygen enriched nonpremixed flames. The effects of fuel velocity, oxygen concentration, flame residence time, and temperature distribution on the characteristics of the silica nanoparticles were investigated. The flame length was measured by OH chemiluminescence using an intensified charge-coupled device (ICCD) camera. The primary particle diameter of the silica nanoparticles was quantitatively measured by transmission electron microscopy (TEM). Particle number concentration, geometric mean diameter, and standard deviation were measured by a scanning mobility particle sizer (SMPS) spectrometer. The calculations of adiabatic temperatures considering sets of chemical species showed that it was necessary to include the most important species, i.e., CH4, O2, CO2, H2O, N2, CO, H2, OH, O, and H in the combustion of oxygen enriched methane. If these species do not consider the flame temperature will be significantly overestimated, which also influences the predictions of the characteristics of the particles, i.e., particle formation and growth. From these calculations, the flame temperature could be calculated using β-PDF combustion model and obtained reasonable results for the combustion of oxygen enriched methane. It is also expected that these results will be very useful in investigating the flame characteristics to an industrial oxy-fuel combustor.
The flame residence time obtained by OH chemiluminescence results tended to decrease as the first jet velocity was varied from 40 to 70 m/s at oxygen concentrations of 50, 60, 80, and 100%. The flame temperature increased with increasing oxygen concentration for each first jet velocity condition but velocity and turbulent intensity were nearly constant. In this condition, the average primary particle diameter and its standard deviation decreased. Moreover, the fraction of the primary particle diameter was shifted to smaller sizes. With an increase in first jet velocity for each oxygen concentration, the mode of the particle number concentrations was shifted to smaller sizes and the geometric mean particle diameter decreased, but its standard deviation did not significantly change. It shows that the distribution of the produced silica nanoparticles in this reactor reaches self-preserving state. In particular, the result shows an increasing trend of geometric mean diameter scaled by residence time with global strain rate is investigated.
실리카 나노입자는 산소부화된 동축류 난류비예혼합화염에서 TEOS를 이용하여 기상법을 통하여 만들어진다. 연료의 속도, 산소 농도, 화염의 체류시간과 화염의 온도가 실리카 나노입자의 특성에 미치는 영향에 대하여 조사하였다. 화염의 길이는 ICCD 카메라를 이용한 OH 화학발광법을 통하여 측정하였다. 실리카 나노입자의 기본입자직경은 전자투과현미경을 통하여 정량적으로 측정하였다. 입자의 수농도, 기하평균직경과 그 분산은 SMPS를 이용하여 측정하였다. 산소부화 시의 단열온도는 CH4, O2, CO2, H2O, N2, CO, H2, OH, O, H의 화학종을 고려하여 계산할 필요가 있음을 보였다. 이러한 화학종을 고려하지 않을 경우 입자의 생성과 성장 등의 입자특성에 큰 영향을 주는 화염의 온도가 과대 예측된다. 이러한 계산을 고려하여 화염의 온도는 연소모델로 β-PDF를 사용하였고 그 결과 적절한 결과를 얻었다. 이러한 결과는 순산소 화염의 특성을 파악함에도 매우 유용하다. OH 화학발광으로부터 구한 화염의 체류시간은 산소부화율이 50, 60, 80, 100%인 경우 중심부 유속이 40에서 70 m/s로 증가함에 따라 감소하는 경향이 있다. 화염의 온도는 각 중심부노즐의 유속조건에서 산소의 농도가 증가함에 따라 증가한다. 그러나 난류강도는 거의 일정하다. 이러한 조건에서 평균기본입자직경과 그 표준편차는 감소한다. 더욱이 기본입자직경의 빈도가 작은 크기 쪽으로 이동함을 알 수 있다. 각 산소부화율 조건에서 중심부 노즐의 유속의 증가에 따라 입자 수농도의 모드가 작은 쪽의 크기로 이동한다. 특히 기하평균직경/체류시간과 글로벌 스트레인율과의 관계를 조사하였다.
