가스 연료의 연소 방식에 따른 NOX 생성 특성

초록

가스 연료를 사용하는 연소 방식은 확산 화염, 부분 예혼합 화염, 예혼합 화염으로 대별할 수 있다. 확산 화염은 역화의 위험성이 없고 안정 화염 범위가 넓기 때문에 산업용 연소기에 많이 이용되나 매연이 발생할 가능성이 높다는 단점이 있다. 부분 예혼합 화염은 확산 화염의 높은 안정성 특성을 유지하면서 매연, NOX 발생량 제어가 용이하나 역화 화염 날림 등 연소 안정성이 낮아서 문제가 된다. 이와 같이 각 연소 방식은 서로 다른 장단점을 갖고 있기 때문에 연소기 설계시에 연소 방식은 위에 언급한 장단점을 기준으로 결정되어 왔다고 할 수 있다. 그러나 근래에는 공해 문제가 중요시되고 있기 때문에 연소 방식의 선택 기준으로 위에 언급한 장단점 이외에도 공해 물질의 배출 특성이 중요한 선택 기준으로 작용하고 있다. 그런데 가스 연료는 고체 연료나 액체 연료에 비하여 일산화탄소, 미연탄화수소, 미립자, 황산화물 등의 공해 물질 발생량은 미소한 반면 질소 산화물의 발생량은 타 연료와 비슷한 수준이다. 따라서 가스 연료를 사용하는 경우에는 각연소 방식에서의 NOX 생성 특성을 검토하여 연소 조건을 결정할 필요가 있다. NOX의 생성은 유동, 전열, 혼합 등의 물리적 현상과 반응 등의 화학적 현상에 민감하게 영향을 받기 때문에 NOX 생성 특성을 검토하기 위해서는 연소장 내부의 물리, 화학적 정보가 요망된다. 이러한 정보를 실험적으로 획득하는 데에는 시간적, 경제적 어려움이 있기 때문에 최근에는 연소장의 종합적인 정보를 획득할 수 있는 수치 계산적 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 실용 연소기의 화염 형태와 유사하고 경계층 근사가 가능하여 수치 계산이 용이한 층류 분류 화염을 대상으로, 타원형 방정식과 달리 반복 계산을 하지 않고 노즐 출구의 초기 조건을 이용하여 전진 계산을 수행하는 포물선형 방정식을 이용하여 각 화염의 NOX 생성 특성을 규명하고자 한다. 연료의 산화 반응과 NOX 생성 반응은 GRI 반응 기구를 이용하였으며, NOX의 생성을 분리 규명하기 위해 Nishioka가 제안한 방법에 따라 NO를 Thermal NO와 발생량이 미소한 N2O 경유 NO를 포함한 Prompt NO로 크게 구별하여 세 화염에서의 각 NO 생성 기구의 역할을 검토하고, NOX 배출 지수를 도입해서 각 화염의 NOX 배출량을 정량적으로 비교한다.