An Experimental Study on Scaling of Nitrogen Oxide emissions of H2/CO Non-premixed Turbulent Jet Flame

Abstract

There has been increased interest in an effort to meet stringent emissions goal. Syngas, gasified from coal feedstock, is one of the new and renewable energy sources. A non-premixed combustor or partially-premixed combustor has been adopted to prevent flashback for syngas. But, non-premixed combustor is worse than premixed combustor. To achieve low NOx emissions in non-premixed combustor, fundamental understanding and general trend of NOx for syngas flame is needed. This study addressed the trend of NOx emissions and conducted EINOx scaling for H2/CO non-premixed turbulent jet flame. Validity of experimental setup and methodology is checked. First, effects of the coflow air on flame length and NOx emissions were investigated. Second, the flame length measured by OH* chemiluminescence images was compared with that by visible images. Third, effects of measuring location on NOx were checked. With varying the fuel composition and flow conditions, flame length and NOx emissions were measured. Scaling theory of previous studies for H2 flame was applied to current study and modified to satisfy extended regime. Effects of carbon monoxide addition were investigated and compared with dilution of inert gas. EINOx scaling based on 1/2-power scaling for H2 flame was applied to H2/CO flame. The first part of the thesis introduces IGCC system and previous studies on EINOx scaling. The second part of this thesis explains apparatus and experimental methods. All experiments have been conducted in a non-premixed combustor that can be assumed as free burner. The third part of this thesis describes trends of NOx emission. Consequently, this study devises new scaling equation to collapse all data to a single line for H2/CO non-premixed turbulent jet flame.

최근 환경문제와 에너지 고갈 문제를 해결하기 위한 노력이 요구되고 있다. 석탄을 가스화시켜 얻어낸 합성가스는 대안 중 하나이다. 천연가스가 예혼합 방식의 연소형태를 채택한 것과는 달리, 합성가스는 역화를 방지하기 위해 비예혼합 방식을 사용한다. 하지만, 비예혼합 화염은 예혼합 화염에 비해 질소산화물 배출 정도가 심하다. 따라서 질소산화물 배출을 억제하기 위해서는 합성가스 화염의 질소산화물 배출 특성에 관한 연구가 필요하다. 본 연구는 H2/CO를 이용한 비예혼합 난류제트화염의 질소산화물 배출 경향을 알아보고 이를 예측하기 위한 스케일링을 수행하였다. 먼저, 새로 제작된 실험장치와 실험 방법들에 대해 타당성을 검증하였다. 주위류가 화염길이와 질소산화물 배출 특성에 어떤 영향을 미치는지를 알아보고, OH*자발광을 이용한 화염길이 측정 등의 새롭게 적용된 기법을 이전 연구와 비교 및 검증하였다. 연료의 조성과 유동조건을 바꾸어 가면서 이에 따른 질소산화물 배출량과 화염길이의 변화를 관측하였다. 기존의 연구에서 수소화염에 대해 수행된 기존의 스케일링 이론을 본 실험에 적용해보았고, 더 일반적인 조건에 대해 성립할 수 있는 스케일링식을 제안하였다. 수소화염에서 검증된 이론을 H2/CO 화염으로 확장하였고, 이 과정에서 기존의 이론들을 종합하여 스케일링식을 새롭게 고안하였다. 본 연구의 결과를 통해 다양한 조성비의 H2/CO 화염에 대해서 질소산화물의 배출량을 예측할 수 있겠다.