DME (di-methyl ether) is one of the eco-friendly alternative fuels for reducing air pollution and solving energy depletion problems. DME has no carbon-carbon bond and contains high oxygen (35% by weight). These properties create a great potential for DME as the alternative fuel to achieve low soot and CO2 emission combustion. DME flame has higher flame propagation velocity than those of methane and propane. Therefore it is possible to burn more fuel in the same period of time and high load combustion. If the velocity of fuel is increased, flame lift-off can occur. Lift-off flame has shorter flame length and low NOx emission because of active mixing on the flame base. There are many cases using lift-off flame in the gas turbine combustor and boiler system for preventing thermal damage to fuel nozzle. If DME is directly apply to existing combustor, flash back phenomenon can occur. Therefore the study of lift-off properties of DME is needed.
This research is focused on experimental study of lift-off characteristics of DME-Air diffusion flame according to the velocity of fuel and air with coaxial burner compared with methane and propane which have been extensively studied.
DME-Air diffusion flame had three different modes which were attached flame, lift-off flame and blow out. On the same velocity condition of air and fuel, lift-off region was narrower than those of propane and wider than those of methane. It was verified by checking stability map of DME, propane, and methane. On the same air velocity condition, CH radical chemiluminescence intensity was non-linearly increased with increasing fuel velocity. It was verified by using ICCD camera and CH filter. As increasing fuel velocity, fuel rich region was made in the lifted flame. Unburned fuel was re-circulated and made doughnut shape. On the contrary to this, as increasing air velocity, CH radical shape was changed from two horns to doughnut and finally become lump. In this case, all the supplied fuels were burned and there were no more unburned fuels. Therefore they become lump not making doughnut shape. As the velocity of DME was increased, lift-off height was increased non-linearly. Also as the velocity of air was increased, lift-off height was increased non-linearly. It was verified by checking the direct image and Schlieren photography.
DME는 공기 오염을 줄이고 에너지 고갈 문제를 해결할 수 있다고 각광받고 있는 친환경 대체 연료 중 하나이다. DME는 탄소고리 결합이 없고 분자 구조 내에 산소를 포함하고 있어서 soot와 이산화탄소의 배출량을 줄일 수 있다. DME의 연소 속도는 메탄과 프로판에 비해서 빠르다. 따라서 고 부하 연소를 하기 위해 단위 시간당 많은 연료를 연소시킬 수 있다. 연소 속도를 높이면 화염 부상이 일어날 수 있는데 부상 화염은 화염 기저부에서 활발히 연료와 산화제가 섞인 후 연소가 되어 부착 화염에 비해서 화염 길이가 짧고 NOx 배출이 짧다고 알려져 있다. 가스터빈이나 보일러 시스템에서는 열적 손상으로부터 노즐을 보호하기 위해서 부상 화염을 사용하고 있다. DME를 현 연소기에 바로 적용하게 되면 화염 역화 현상이 발생할 수 있다. 따라서 DME의 부상 특성에 대한 연구가 필요하다.
본 연구에서는 연료와 공기의 유속에 따른 DME-공기 확산화염의 부상 특성에 대해서 고찰해 보고자 하며, 동축류 버너를 사용하였고, 기존에 많은 연구들이 선행되었던 메탄, 프로판과 비교해 보았다.
안정화 선도를 작성함으로써 DME-공기 확산 화염은 부상이 가능하며 부착화염, 부상화염, 화염 날림 3가지 모드를 가진다는 것을 확인하였다. 부상 영역은 동일한 공기와 연료의 유속 범위에서 메탄의 부상 영역보다는 넓고, 프로판의 부상 영역보다는 좁다는 것을 확인하였다.
ICCD카메라와 CH 필터를 이용하여 일정한 공기 유속에서 DME의 유속이 증가할수록 CH 라디칼 자발광의 강도가 비선형적으로 증가함을 확인하였다. 이는 주변 공기의 유속은 일정한 상황에서 연료의 유속이 증가함에 따라 국부적으로 과농한 영역이 생기고, 연료가 연소하지 못한 채로 부상 화염 내의 도넛 모양으로 유동이 재순환 하면서 연소하여 최대 온도가 되며, 그 부분이 열원이 되어 화염이 날아가지 않도록 붙잡게 되는 것이라 생각된다.
앞의 경우와는 반대로 연료의 유속이 일정한 상황에서 공기의 유속이 증가할수록 2개의 뿔 형태의 CH 라디칼 자발광이 도넛 모양을 거쳐서 하나의 덩어리 형태로 합쳐지는 것을 확인하였다. 이는 공급된 연료가 모두 연소되어서 재순환 유동을 형성시킬 미 연소 연료가 없어서 도넛 형태가 나타나지 않고 연료와 공기가 섞여서 하나의 덩어리 형태로 나타나는 것이라 생각된다.
직접 이미지와 슈리렌 이미지 획득을 통하여 공기의 유속이 일정한 상황에서 DME의 유속이 증가할수록 부상 높이는 비선형적으로 증가하며 그 증가율이 프로판보다 컸다. 따라서 DME의 부상 높이가 연료 유속의 변화에 더 민감하게 반응하기 때문에 DME의 부상 영역이 프로판보다는 좁은 이유라고 생각되어진다. 또한 연료의 유속이 일정한 상황에서 공기의 유속이 증가할수록 부상 높이가 비선형적으로 증가하며 증가율이 프로판과 비슷함을 확인하였다.
