Burner combustion characteristics of hybrid type water mixing emulsion fuel

2.1 실험장치

Figure 1은 실험 장치의 개략도이다. 물과 연료의 공급장치, 물과 연료의 하이브리드 혼합장치, 버너와 연소실로 구성된다.

Figure 1:

Experimental setup

물과 연료가 펌프에 의해 유입되고, 혼합기에서 물 혼합 연료가 생성된다. 이때 물 혼합량은 유량계에 의해 조절된다. 혼합기에서 생성된 에멀젼 연료는 정적 혼합장치를 통과하여 연속적으로 순환하면서 미세하게 혼합되며 공급량만큼의 유화유가 연소실에 분사된다.

연소실의 구조는 직경 400mm, 길이 1260mm의 원통이며 연도는 직경 160mm, 길이 1500mm의 크기이다. 연소실에 5개 홀을 두어 연소 화염 구간에서의 질소산화물과 일산화탄소, 스모크를 측정하였고, 화염 온도는 화염 중심축과 반경방향으로 k-형 열전대로 측정하였다. 측정위치는 중심축의 경우 분사노즐 끝에서 200mm, 350mm, 500mm, 650mm, 800mm 5점이며 반경방향으로는 중심축에서 0mm, 50mm, 100mm, 150mm이고 측정점 6은 연도 배기가스 출구이다. 냉각수를 주입하여 연소실 온도를 일정하게 유지하였으며, 이때 입구와 출구의 온도를 측정하였다.

배기가스는 이산화탄소와 질소산화물, 스모크를 측정하였고 각 측정 장치는 다음과 같다. Testo 330-2 모델로 본 실험에서 측정 연료를 디젤로 지정하고 이산화탄소, 질소산화물을 계측하였다. 스모크는 Diesel smoke tester DS-330 모델로 측정하고 측정 타입은 수동형 여지반사식으로 측정 수치는 0~100% 값으로 나타낸다.

연소 화염의 가시화는 3m 거리에서 고속 카메라와 줌 렌즈를 이용하여 영상을 1ms 간격으로 촬영하였다. 실험에 사용한 버너는 정격출력 116kW(10만 kcal/h)의 Olympia OM-N1 모델로 상세사양은 Table 1과 같다.

Table 1:

Specification of test burner

2.2 실험조건

물 혼합률은 디젤유(diesel oil) 소모량을 기준으로 0%, 10%, 20%로 하였으며 이는 전체 소모량을 기준으로 하면 0%, 9.1%, 16.7%가 된다. 크게 2가지 기준으로 실험조건을 선정하였는데 연료 오일소모량을 동일하게 유지하면서 물의 혼합량을 조절하는 경우와 16.7%의 물 혼합률의 경우에 배기와 부하조건을 디젤유만 사용했을 때와 유사하게 할 경우로 구분된다

흡기조건은 디젤유만 사용한 경우에 배기가스 중의 스모크 농도가 0.1%가 되도록 흡기구의 개도량을 조절하였으며 이를 기준(100%)으로 개도량을 75%, 50%가 되도록 하였고, 16.7% 혼합률에 대한 추가 실험의 경우는 스모크 농도가 디젤유만을 사용한 경우와 동일한 스모크 농도가 되도록 조절하였다. 이상은 Table 2와 같이 요약된다.

Table 2:

Test conditions

3.1 화염 거동

Figure 4는 디젤유만을 공급할 경우 점화가 시작될 때의 화염성장을 보여준다. 2~3회의 점화 스파크가 있은 후에 착화되었으며 화염이 흡입공기와 함께 후류로 밀려나가다가 10ms 후에 버너에 접촉되어 연속화염이 형성됨을 볼 수 있다.

Figure 3:

Photomicrograph of the emulsified fuel

Figure 4:

Flame development of the diesel oil case at ignition start

Figure 5:

Flame development of the 9.1% mixing case at ignition start

Figure 6:

Flame development of the 16.7% mixing case at ignition start

Figure 5는 물 혼합률 9.1%인 경우 점화가 시작될 때의 화염 성장을 보여준다. 화염은 점화 초기부터 매우 안정적인 상태로 버너에 부착되어 성장하지만 완전 성장까지 디젤 화염과 비교할 때 많은 시간이 소모된다.

Figure 6은 물을 16.7% 포함하는 경우 점화 시의 화염 성장을 보여준다. 혼합률 9.1%의 경우와 유사하게 점화초기부터 화염이 버너에 부착한다. 그러나 화염부상의 정도가 디젤유만을 사용한 경우와 유사하며 30ms가 지나면서 화염이 급격하게 확대된다. 이는 동일한 디젤유 유량에 물을 추가로 혼합하여 전체 연료 유량이 16.7% 증가하여 연료의 분사속도가 증가되었고 물혼합에 의하여 증가된 잠열의 영향으로 연소되지 못한 후류의 연료가 일시에 연소된 것으로 생각된다.

디젤유와 물혼합 연료의 화염 거동을 종합하면 점화가 시작된 직후 흡입공기와 함께 화염이 후류로 날리면서 버너 노즐에 화염이 부착과 부상을 반복하며 화염이 성장한다. 물 혼합률이 16.7%의 경우 9.1%보다는 부족하지만 0%인 디젤유만의 점화보다는 안정된 화염의 성장을 가져온다. 이는 더 많은 량의 연료가 분사되면서 화염이 집중되기 때문으로 생각된다. 화염이 완전히 성장된 후의 거동은 물 혼합률이 증가하면 화염의 폭방향과 축방향으로 넓은 화염을 나타내지만 화염이 집중되어 큰 휘도를 나타내는 버너 근처의 주화염은 축소된다. 또한 화염의 전 영역에서 휘도가 감소한다. 이는 물 혼합 액적의 미세 폭발의 원인과 물 혼합량만큼의 분사속도 증가의 원인으로 사료된다.

3.2 화염 온도

Figure 7은 흡기구 100% 개방조건에서 화염중심축상의 온도 분포를 나타낸다. 디젤유의 경우 분사노즐 직후에 850℃를 나타낸 후 770℃까지 낮아지며 이후에 온도가 증가되는 현상을 나타낸다. 물 혼합률 9.1%의 경우도 0%와 유사한 변화경향을 나타내지만 편균 1,5% 낮은 온도 특성을 보인다. 물 혼합률 16.7%의 경우도 9.1%와 유사한 온도 변화특성을 나타내지만 온도가 매우 저하되어 디젤유 대비 평균 5.9% 낮은 온도를 나타낸다. 2번째 측정점에서 매우 낮은 온도를 나타내며 전체적으로 큰 온도변화를 나타내는 것은 많은 급기 유량에 의한 큰 스월유동의 영향이며, 물 혼합률의 증가와 함께 온도가 낮아지는 것은 혼합된 물의 증발과 미세폭발 등에 의한 화염의 확산에 기인한 것으로 생각된다.

Figure 8과 Figure 9는 흡기 개도율 50%, 75% 경우의 화염 중심축에서의 온도분포를 나타낸다. 개도량이 적어지면서 흡입 공기량이 감소되어 연소에 의한 열발생량이 다소 감소되지만 가열 유체의 유량도 크게 감소되기 때문에 온도가 증가한다. 개도량 50%인 경우 더욱 높은 온도분포를 나타내는데 0%의 경우 3번 위치부터 급격히 온도가 저하된다. 이는 연소공기의 부족으로 불완전 연소가 이루어지기 때문이다. 하지만 물혼합 연료의 경우는 전체적으로 높은 온도를 유지하는데 이는 미세폭발에 의한 화염의 확산으로 주위 공기를 충분히 이용하기 때문이다.

Figure 7:

Temperature distribution in the flame center axis in the 100% open case

Figure 8:

Temperature distribution in the flame center axis in the 75% open case

Figure 9:

Temperature distribution in the flame center axis in the 50% open case

3.3 배기가스

Figure 10은 흡기 개도율이 변화할 때 물혼합률에 따른 질소산화물 농도를 나타낸다. 100% 개도율에서 디젤유만을 사용한 경우 14ppm정도를 유지하다 20ppm까지 증가한 후 12ppm정도로 낮아진다. 물혼합 연료의 경우로 비슷한 경향을 나타내지만 물혼합률의 증가와 함께 질소산화물 배출이 감소된다. 물혼합률 16.7%에서 위치에 따라 47%까지 감소되었다. 개도율이 50%일 때 물혼합률 0%인 디젤유만을 사용한 경우 매우 낮은 7ppm 정도의 값을 나타내는데 이는 부족한 공기의 영향으로 불완전연소가 심화되어 낮은 화염온도가 형성된 영향으로 생각된다.

Figure 10의 (d)는 보일러 연도로 최종 배출되는 배기가스 중 질소산화물 농도를 나타낸다. 디젤유만 사용한 0%에서는 개도율 100% 일 때 11ppm, 75% 일 때 13ppm으로 증가한 뒤 50% 개도에서 5ppm으로 급격히 낮아지는데 이는 전술한 바와 같이 공급되는 공기의 부족에 기인한 불완전 연소의 영향이다. 물을 9.1%, 16.7% 혼합한 경우는 화염온도의 증가와 공급공기의 감소가 질소산화물 생성에 서로 반대되는 작용을 하여 전체적으로 유사한 결과를 나타낸다.

Figure 11은 흡기량과 물혼합률이 변화할 때의 일산화탄소 배출 농도의 변화를 나타낸다. 개도율이 100%이고 물혼합률이 0% 일 때 일산화탄소 농도는 분사노즐에서 멀어지는 측정위치 2, 3에서 200ppm 이상의 높은 값을 나타내며 이후에는 줄어들어 연도로 배출될 때는 매우 낮은 값을 나타낸다. 이는 공연비가 충분히 높은 경우의 전형적인 연소현상으로 연소시작 반응과 함께 발생한 CO의 증가와 CO의 연소에 의한 이산화탄소의 생성으로 CO를 소모하는 반응의 결과이다. 물혼합률이 9.1% 일 때 가장 낮은 값을 나타내며 16.7% 일 때 다시 증가되는 것을 알 수 있다. 개도율이 75%, 50%로 낮아지면 산소가 부족하여 연소초기에는 CO의 농도가 줄어들다가 미연소된 연소의 불완전연소 증가로 CO농도가 다시 증가되는 현상을 나타낸다. 그러나 16.7%의 물혼합률의 경우는 50% 개도율까지 연속적으로 CO의 농도가 낮아짐을 보이는데 이는 에멀젼 연료의 미소폭발과 분사량 증가에 따른 분포의 넓은 확산으로 흡입되는 공기를 충분히 이용한 결과이다. 배기가스가 연도를 빠져나가는 측정위치 6의 경우를 보면 흡기 개도율이 100%, 75%까지는 모두 낮은 값을 나타내지만 50% 개도율의 경우는 물혼합률이 16.7% 일 때는 낮은 값을 유지하나 9.1% 일 때 CO배출농도가 크게 증가하고 0% 일 때 더욱 증가되는 것을 알 수 있다.

Figure 10:

NOx concentration variation with intake opening

Figure 11:

CO concentration variation with intake opening

Figure 12:

Smoke concentration variation with intake opening

Figure 12는 흡기 개도율과 물혼합률이 변화할 때의 스모크 농도 변화를 나타낸다. 개도율이 100%인 경우 모든 물혼합률에서 0,5% 이하의 매우 낮은 값을 나타낸다. 개도율이 75% 일 때 물혼합률 0%인 디젤유의 경우 3% 내외의 스모크량이 증가되지만 16.7%의 물혼합률에서는 거의 0%를 유지한다. 50% 개도율의 경우 0% 물혼합률에서 매우 높은 60% 정도의 스모크량을 나타내며 9.1% 물혼합률의 경우도 35% 내외의 높은 값을 나타낸다. 16.7% 물혼합의 경우는 연속적으로 스모크량이 줄어들어 배기가스 출구에서는 매우 낮은 값을 보여준다. 배기가스 출구를 기준으로 할 때 16.7% 물혼합의 경우 물혼합이 없는 디젤유와 비교하여 97%의 높은 저감률을 나타낸다.

3.4 디젤과 에멀젼 연료 비교 분석

물혼합 에멀전연료의 버너성능에 미치는 영향을 분석하기 위하여 첫 번째로 연소실의 온도와 배기배출특성을 유사하게 유지시키면서 연료공급량과 흡기량을 조절하여 효율에 미치는 영향을 실험분석 하였으며, 두 번째로 연료공급량과 흡기량을 동일하게 유지하면서 배기가스농도를 계측하여 배기에 미치는 영향을 분석하였다.

3.4.1 화염온도 비교

Figure 13은 물혼합률이 0%와 16.7%이고 유량을 적절히 조절하여 연소실 내부의 처음과 끝의 온도를 동일하게 유지한 경우의 온도분포를 비교한 것이다. 디젤유의 공급유량은 물혼합률이 0%인 경우 250cc/min이며 16.7% 물혼합률의 경우 220cc/min이며 물공급유량 44cc/min이다. 연소실 중심축에서의 온도분포는 물혼합률 16.7%의 경우가 약간 높은 값을 나타낸다. 반경방향으로도 에멀젼의 경우가 약간 높은 분포를 나타낸다. 이는 보일러의 부하, 즉 가열량이 에멀젼의 경우가 약간 높다는 것을 나타낸다.

Figure 13:

Comparison of flame temperatures

3.4.2 배기가스 비교

Figure 14는 디젤유인 물혼합률 0%인 경우와 물혼합률이 16.7%이고 디젤유 공급량을 12% 줄인 경우인 버너부하와 스모크량을 유사하게 맞춘 경우의 질소산화물 배출농도를 비교한 그래프이다. 두 경우 모두 20ppm 이하의 낮은 값을 나타내지만 에멀젼의 경우 버너 근처에서만 약간 높은 값을 나타내고 이후부터 낮은 값을 유지한다. 배기가스 배출위치에서는 45.5%의 저감을 나타낸다.

Figure 14:

NOx comparisons between diesel and the emulsion of water mixing percent of 16.7% and fuel consumption reduction of 12%

Figure 15:

Comparisons of CO and smoke be-tween diesel and emulsion 16.7% in the 50% opening case

Figure 15는 개도율이 50% 일 때의 물혼합률 0%와 16.7%의 경우에 배출되는 일산화탄소와 스모크의 비교를 나타낸다. 일산화탄소와 스모크 농도의 변화는 매우 유사한 경향을 나타내는데, 디젤유인 0% 혼합률의 경우 버너 근처에서 매우 높은 값을 나타낸 후에 중간부분에서 다소 줄어든 후에 화염후류에서 다시 크게 증가된다. 이는 일산화탄소와 스모크 모두 불완전연소에 기인하는 생성물로 흡기량 부족이 원인이다. 그러나 에멀젼 연료의 경우 연속적으로 저감되어 배기가스 배출시점에서는 매우 낮은 값을 나타내는데 이는 흡입된 공기를 액적 미세 폭발과 유동의 활성화에 의하여 충분히 이용한 결과로 사료된다. 결과적으로 동일한 흡기량에서 배기가스가 일산화탄소는 98.5%, 스모크는 97.2% 저감되었다.