Research Article

Journal of The Korean Society Combustion. March 2020. 27-36
https://doi.org/10.15231/jksc.2020.25.1.027

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 이론적 배경

  •   2.1. Beer-Lambert Law

  •   2.2. 선 형상 함수(Line-shape function)

  • 3. 실험장치 및 방법

  •   3.1. OH 라디칼 광 흡수 영역 선정

  •   3.2. 실험장치

  • 4. 결과 및 고찰

  •   4.1. 연소기 연소 특성

  •   4.2. OH 측정 실험 결과

  •   4.3. OH 광 흡수 신호 시뮬레이션

  • 5. 결 론

1. 서 론

최근 전세계 에너지 공급의 높은 비율을 차지하고 있는 화석연료의 연소 시 발생되는 배기가스가 대기환경오염 및 이상기온 현상을 야기하는 주요원인으로 지목되면서, 각국은 대기환경오염 물질의 규제를 점차 강화해 나가고 있다. 국립환경과학원 대기오염배출량 보고서에 따르면, 국내 대기오염 배출량 중 연소 적용 분야는 크게 두 가지로 25% 이상이 에너지산업 연소, 비산업 연소, 제조업 연소로 나타나며, 50% 이상이 도로이동오염원으로 나타나고 있다[1]. 연소 반응은 두 가지 상반되는 효과를 가져온다. 최적 연소 반응 유도로 에너지 효율 증대를 가져올 수 있는 긍정적인 효과가 있으나, 한편으로는 연소 반응 이후 발생하는 배기가스 중 입자물질과 미세먼지로 전환되는 전구물질의 원인으로 지목될 수 있다. 이를 극복하기 위해 연소 효율 증가 및 배기가스 유해물질 저감을 위한 실시간 연소 환경 스캐닝 기술 개발이 필수적으로 요구되고 있다. OH 라디칼은 거의 모든 연료의 연소에서 중요한 화학종으로 화염 전파 반응(Propagation reaction)이나 연쇄 분지 반응(Branching reaction)에 주요한 운반자이다. 또한 산화제를 공기로 사용할 때 공기 중 질소 성분이 고온 등 여러가지 조건에서 NOx로 변하기 때문에 유해가스 생성에도 밀접한 관련이 있다[2]. 하지만 OH 라디칼 특성상 생성과 소멸이 순식간에 일어나기 때문에 정량적으로 측정하기는 어렵다. 이러한 이유로 연소 환경 내 화염을 직접적으로 진단하는 연구가 매우 활발히 진행되고 있으며, 특히 비접촉식 방법으로 각광받고 있는 광학식 측정기법들을 대상으로 화염 거동을 이해하고자 하는 노력들이 있어왔다.

기존 연구들을 살펴보면, 화염 내 OH 라디칼 측정을 위한 대표적인 광학적 측정 방법으로는 흡수분광법(Absorption Spectroscopy)[3], [4], [5], [6], 레이저 유도 형광법(Laser-induced fluorescence) [7], [8], [9], 발광분석법(Emission)[10], [11], [12]등이 있다. 흡수 분광법을 이용하여 측정한 연구들을 보면 OH 라디칼을 측정하기 위한 광 흡수 영역은 크게 자외선(Ultraviolet)과 근적외선(Near-Infrared)으로 나뉜다.

최근에 자외선 흡수 파장 영역에서 흡수 분광법을 이용하여 화염 내 OH 라디칼 측성에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 화염 측정 및 충격파의 물리적 거동을 이해하고자 하는 노력들이 있어 왔다[6], [10]. 또한 1990년대 후반에서 2000년대 초반에 근적외선 흡수 파장 영역을 사용하여 화염 내 OH 라디칼 측정을 시도해왔다[3], [4], [5]. 기존 연구들을 자세히 살펴보면, Shengkai et al.는 충격파 연소 환경에서 자외선 파장 레이저 시스템(UV laser system)을 구축하여 자외선 파장 대 OH 라디칼 농도를 측정하였고, Aizawa et al.은 다양한 당량비 조건을 가지는 프로판-공기 혼합 연소기의 화염에서 분포 궤환형 레이저(DFB, Distribution feedback laser)를 이용하여 근적외선 흡수 영역의 OH 라디칼 농도를 측정하고 화학적 평형 계산 시뮬레이션(Chemical equilibrium)과의 비교를 통해 측정 정밀도를 향상시키는 연구를 수행하였다. Bernard et al은 근적외선에서 다파장 흡수 영역을 적용하여 CO/CO2 배출 농도와 OH 라디칼 흡수 크기의 상관관계를 관찰하였지만 H2O 광 흡수 신호의 간섭으로 인한 오차율이 존재하였다. 흡수 분광법을 이용해 OH 라디칼 측정에 대한 연구를 정리해보면, 자외선 영역의 레이저 파장을 이용하는 시스템의 경우, 자외선 흡수 파장 영역의 파장 가변 레이저를 가동시키기 위해서 극성 레이저(5W s-Polarized 532 nm laser), 공진기(Ti:Al2O3 Resonator), 펌프 레이저(10W CW 532 nm-pump)로 발생한 빛을 합 진동수 발생기(Sum-Frequency Generation(SFG) module)에 주입하여 발진시키기 때문에 복잡한 광 정렬과 시스템으로 인해 작동 환경이 제한적임을 알 수 있다. 근적외선 파장 영역에서 소형의 반도체 레이저를 이용하여 측정하는 시스템은 단순화가 가능하고 측정 적용 환경이 넓지만 H2O 광 흡수 신호의 간섭으로 인한 OH 라디칼 농도 측정의 오차를 가지고 있다. 본 연구는 근적외선 영역에서 H2O에 의한 광 흡수 신호가 OH 라디칼의 광 흡수 신호와 부분적으로 중첩되어 간섭될 때 H2O에 의한 광 흡수 신호만 선별하여 분리, 제거하고 정량적으로 OH 라디칼을 측정하고자 한다.

2. 이론적 배경

2.1. Beer-Lambert Law

파장 가변 다이오드 레이저 흡수 분광법은 Beer-Lambert 법칙에 근거하여 식 (1)과 같이 특정 주파수에서 좁은 스펙트럼의 빛이 흡수 대상 매질을 통과할 때 초기 강도와 투과된 강도의 비로 나타낼 수 있다.

Fig. 1은 흡수 매질을 통과하는 초기강도의 빛과 투과된 빛의 강도가 흡수로 인하여 줄어듬을 보여주며 아래 식 (1)의 형태로 표현이 가능하다.

$$\tau_\nu=\frac{I_{\left(\nu\right)}}{I_{0\left(\nu\right)}}=exp\lbrack-\alpha_{\left(\nu\right)}\rbrack$$ (1)
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Fig. 1.

Schematic of typical absorption spectroscopy.

αν는 흡광도로 식 (2)로 표현된다.

$$\alpha_{(\nu)}=x_j\times P\times L\times S(T)\times\phi(\nu,T,P)$$ (2)

여기서, xj는 흡수 매질 내 가스 분자의 몰분율, P(atm)는 흡수 매질 내 압력, L(cm)은 광 경로(Optical path)이며 S(T),ϕ(ν,T,P)는 흡수 매질의 분광학적 파라미터로 온도, 압력, 흡수 파수에 의존한다. S(T)(cm-2atm-1)는 선강도(Linestrength)로 가스 분자의 고유 운동 특성과 온도에 밀접한 광학적 속성이다. ϕ(ν,T,P)는 흡수 면적 영역의 스펙트랄 선 형상 함수(spectral line-shape)로 ϕνdν=1로 정량화할 수 있다. 따라서 흡수 면적 A는 식 (3)으로 표현될 수 있다.

$$A=\int_{-\infty}^\infty\alpha_\nu d\nu=x_i\times P\times L\times S(T)$$ (3)

식 (4)는 몰분율 즉 측정 대상 가스의 농도를 중심으로 정리한 식이며, 이는 압력, 흡수거리, 선강도에 반비례하고 흡수 면적 A에 비례하는 식으로 나타낼 수 있다.

$$x_i=\frac A{P\times L\times S(T)}$$ (4)

2.2. 선 형상 함수(Line-shape function)

연소 환경의 경우 고온 영역이면서 연소 생성물들의 가스 분자 충돌이 다양하기 때문에 하나의 선 형상 함수로는 표현할 수 없다. 따라서 흡수 면적의 선 형상 함수는 일반적으로 가스 분자 열적 운동에 관련 있는 Doppler 선 형상 함수와 측정 환경 내 압력과 가스 분자들의 충돌에 관련 있는 Pressure-broadened 선 형상 함수의 혼합 형태인 Voigt 선 형상 함수를 사용하여 근사화 할 수 있다[13].

Doppler 선퍼짐은 흡수되는 분자들의 무작위 열적 운동 때문에 일어나며 Gaussian 함수 형태로 나타낼 수 있다.

$$\varnothing_D(\nu)=\frac2{\triangle\nu_D}\sqrt{\frac{\ln2}\pi}exp\left[-4\ln2\left(\frac{\nu-\nu_0}{\triangle\nu_D}\right)^2\right]$$ (5)

식 (5)는 Doppler 선퍼짐을 Gaussian 함수 형태로 나타낸 식이다. νD(cm-1)는 흡수 면적의 선 형상 영역에서 반치전폭(Full width at half maximum, FWHM)으로 식 (6)으로 나타낼 수 있다.

$$\triangle\nu_D=\nu_0\sqrt{\frac{8kTln2}{mc^2}}\approx7.1623\times10^{-7}\nu_0\sqrt{\frac TM}$$ (6)

여기서 M(gcm-1)은 흡수 종의 몰질량을 나타낸다. Pressure-broadening은 흡수 종들의 충돌과 측정 공간 내 압력에 지배되며 Lorentzian 함수 형태로 식 (7)으로 나타낸다.

$$\varnothing_D(\nu)=\frac2{\triangle\nu_D}\sqrt{\frac{\ln2}\pi}exp\left[-4\ln2\left(\frac{\nu-\nu_0}{\triangle\nu_D}\right)^2\right]$$ (7)

여기서 νc는 흡수 종의 충돌로 흡수 면적 선 형상 반치선폭을 나타내며 식 (8)로 나타 낼 수 있다.

$$\triangle\nu_c=P\sum_j^{}x_i2\gamma_j$$ (8)

여기서 γj(cm-1atm-1)는 흡수 종들끼리의 충돌이나 흡수 종들과 교란흡수 종과의 충돌로 인한 선퍼짐 계수를 나타낸다. 식 (9)는 Gaussian과 Lorentzian식을 혼합시켜 나타낸 Voigt 함수 형태이다.

$$\varnothing_V(\nu)=\int_{-\infty}^{+\infty}{\varnothing_D\varnothing_C(\nu-u)du}$$ (9)

Voigt 함수 형태는 정량적인 흡수 분광법 분석에 잘 맞으며 수치 근사방법(Different numerical approximation)을 통해서 근사화 할 수 있다[14], [15].

본 연구에서는 MATLAB을 통하여 Voigt 선 형상 함수 기반 광 흡수 신호 시뮬레이션을 도출하였으며, 이를 실험값과 비교하는 연구도 수행되었다.

3. 실험장치 및 방법

3.1. OH 라디칼 광 흡수 영역 선정

본 연구의 실험을 진행하기 전에 정확한 OH 라디칼 광 흡수 영역을 선정해야 한다. Fig. 2의 (a)는 1400K에서 OH 라디칼 선강도와 H2O 선강도를 비교한 것이다. 6000 cm-1에서 6750 cm-1 파수 영역은 OH 라디칼 선강도는 강하고 H2O 선강도는 약한 것을 볼 수 있다. 하지만 이것은 측정 환경 내 OH 라디칼 농도와 H2O 농도가 같았을 때 적용되는 값이다. 측정하고자 하는 연소 환경은 연소 생성물 중 H2O의 비율이 OH 보다 많이 존재할 수 있기 때문에 단순한 비교는 어렵다. Fig. 2의 (b)는 (a)의 Y축 선강도를 확대하여 본 그림이다. (a) 그래프에서 OH 라디칼 광 흡수 영역 내 H2O 간섭이 없는 것처럼 보이지만 (b) 그래프와 같이 작은 흡수 신호들을 상세히 관찰하여 보면 H2O의 광 흡수 신호는 OH 라디칼 전 영역에서 나타나는 것을 알 수 있다. H2O 광 흡수 신호는 근적외선 영역에서 고르게 분포하고 있기 때문에 OH와의 광 흡수 영역 간섭을 배제하기 어렵다.

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Fig. 2.

Linestrength at (a) 0 - 5.0×10-21 scale and (b) 0 - 4.0×10-23 scale of H2O and OH in the 5000 to 7000 cm-1 spectral range at 1400K (from HITRAN database).

Aizawa et al.은 6421.3 cm-1 파수 영역을 선택하여 당량비(Equivalence ratio, ) 0.6 - 1 영역에서 OH 라디칼을 측정하였지만, 당량비 0.65, 0.95, 1, 영역에서 H2O 광 흡수 신호 간섭으로 오차가 크게 발생함을 확인하였다[3].

본 연구의 최종적인 광 흡수 파수 범위는 다양한 연소 생성물들의 광 흡수 영역들과의 간섭을 고려하여 선정되어야 한다. Fig. 3에서 확인되는 것과 같이 선택한 파장 범위에서 H2O를 제외한 다른 연소 생성물들의 간섭은 관찰되지 않는다. 6421.3 cm-1 파수 범위는 H2O의 광 흡수 신호가 OH 광 흡수 신호 중심에 포함되기 때문에 실험 진행시 광 흡수 신호 구분이 어렵다. 따라서 H2O에 의한 간섭이 존재하지만 OH 라디칼의 광 흡수 강도가 높으면서 H2O의 광 흡수 강도가 약한 곳인 6419.9 cm-1 – 6419.5 cm-1 OH+H2O (case1) 파수 범위를 선정하였다. 선정한 파수 범위에서 OH와 H2O의 광 흡수 신호는 부분적으로 중첩되어 간섭이 일어나기 때문에 H2O에 의한 광 흡수 신호만을 선별하여 분리되어야 한다. Fig. 4는 간섭되는 H2O 광 흡수 신호를 분리하기 위해 파수 범위 7207.4 cm-1 - 7206.80 cm-1에서 선정된 단일 H2O (case2) 광 흡수 신호를 보여주고 있다.

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Fig. 3.

Optical absorptions of OH and H2O by HITRAN database.

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Fig. 4.

Optical absorption of single H2O by HITRAN database.

3.2. 실험장치

본 연구의 실험 목적은 선택된 OH+H2O(1)와 H2O(2) 파수 범위를 가지는 각각의 레이저를 동시에 조사하여 화염 내 OH와 H2O 농도를 측정하는 것이다. 즉 단일 H2O(2) 광 흡수 신호를 이용하여 화염 안을 지나가는 광 경로 상의 H2O 농도를 구한 다음, OH 라디칼 광 흡수 영역에서 간섭되어 있는 OH+H2O(1)의 광 흡수 신호에 H2O(2)로 측정한 H2O 농도 값을 기반으로 간섭되는 광 흡수 신호를 분리하여 OH 라디칼을 측정하는 방법이다.

우선, 본 실험은 OH 라디칼 광 흡수 신호 영역에서 간섭 H2O(1) 광 흡수 신호를 분리하여 화염 내 OH 라디칼 농도를 측정할 수 있는지에 초점을 두고 있기 때문에 연소기의 사양이 중점 고려사항은 아니며, 이에 Fig. 5와 같이 야외에서 캠핑용 버너 등으로 사용되는 이동식 가스연소기를 대상 연소기로 선정하였다. 연료는 휴대용 부탄가스 용기로부터 공급되며, 연료 공급관에 타공된 구멍으로 유속차로 인해 흡기된 공기가 산화제로 사용된다. (a)는 연소기의 윗면 사진으로 다공판과 금속매쉬를 확인할 수 있다. (b)는 연소기의 개략도이다.

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Fig. 5.

(a) Top view of the burner (b) schematic of the burner.

Fig. 6는 전체적인 실험장치 구성을 보여준다. 조사되는 두 광원으로는 Butterfly 14 pin type의 분포 궤환형 레이저 (NTT社)로 중심 파수 6419.9 cm-1와 7207.1 cm-1를 사용하였으며, 전류와 온도를 주입해야만 원하는 파수 범위로 조사할 수 있기 때문에 레이저 컨트롤러(ILX Lightwave, LDC-3908)를 이용하였다. 측정을 위해 사용되는 광원은 화염 안으로 직접 조사되어 OH 라디칼과 H2O 농도를 측정하게 된다. 식 (3)에서 나타나는 바와 같이 광 흡수 거리(L)가 길어지면 광 흡수 면적(A)이 증가하기 때문에 농도(xi) 측정 한계를 향상시킬 수 있다. 따라서 반사율이 높은 Gold mirror(Thorlabs, PF05-03-M01)는 저농도의 OH 라디칼의 농도를 정밀하게 측정하기 위해 실험에 사용되었다.

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Fig. 6.

Experimental schematic of the measurement system for measuring OH radical concentration.

Fig. 7은 통상 다른 두 광원을 합쳐주고 분리해주는 WDM (Wavelength Division Multiplexing) 시스템으로 Fig. 6의 MUX(Multiplexer)와 De-MUX(De-Multiplexer)로 나누어 진다. MUX는 다른 두 파수을 가지는 각각의 레이저 광원을 합쳐서 조사하는 역할을 하고 이후 혼합된 광원은 측정 구간을 지나 De-MUX에서 굴절율 차이로 분리 된다. Fig. 8의 (a), (b)는 레이저에 주입되는 전류 및 온도 조건에 따른 출력 광의 파수를 나타내고 있다. 정확한 파수의 레이저광 발진을 위해, Wavemeter (HighFinesse laser and Electronic Systems, WS-6)를 이용하여 사전 실험을 진행하였다.

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Fig. 7.

Schematic of the wavelength division multiplexing.

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Fig. 8.

Wavemeter of the laser lights by the injected current and temperature variation near by (a) 6419.9 cm-1 and (b) 7207.1 cm-1.

또한 광 흡수 신호의 파장 가변 및 신호 분석을 위해 함수 발생기(Tektronix, AFG320)를 이용하여 일정한 주기와 진폭을 가지는 파형을 인가하였다. Table 1은 실험에 사용된 레이저 주입 전류 및 온도 조건과 함수 발생기 조건, 파수를 나타낸다. 조사된 다른 두 파수의 광원은 화염을 지나 Photo detector(Thorlabs, PDA20CS-EC)에 집광되어 신호처리를 위해 DAQ 시스템으로 보내진다. 취득한 신호는 MATLAB을 이용하여 분석한다. 측정 위치는 화염 밑면에서부터 15 mm 씩 증가하여 총 3 구간을 측정한다.

Table 1. Conditions for laser operation (laser controller and function generator)

Wavenumber (cm-1) Laser controller (mA-°C) Function generator (kHz - V)
6419.9[OH] + 6419.5[H2O(1)] 60 - 32.1 1 - 1
7207.1[H2O(2)] 60 - 16.9 1 - 1

4. 결과 및 고찰

4.1. 연소기 연소 특성

실험에 사용된 연소기의 화염은 연료 유속에 의해 연료관으로 흡기된 공기가 1차 산화제로 사용되어 형성되고, 이후 화염 주변 공기가 공급되면서 연소가 진행되는 것으로 파악된다. 따라서 연소기 전단의 초기 화염 형성부분은 연료농후의 예혼합화염이 형성되고, 화염 측면 및 중후반 부분은 외기와 만나 확산화염을 형성한다. 이는 사용자가 일반인인 이동식 가스연소기의 안정적 점화를 위한 화염구조이다.

연소기 화염 특성을 간략하게 알아보기 위해 전기화학식 가스 분석기와 K-type 열전대(Thermocouple, T/C)를 통해 연소기로부터 15 mm 상단의 화염 전단 중심부 CO 농도 및 온도를 측정하였다. CO 농도는 가스분석기의 측정한계를 벗어나 정량적으로 측정하지는 못했으나 수% 이상의 높은 연료 농후 특성을 보였으며, 온도는 1200K 내외로 측정되었다. 이는 주로 조리에 사용되는 야외용 이동식 가스연소기의 특성으로, 바람의 영향에서도 안정적으로 점화되고 넓은 면적의 조리기구 등 피가열물의 넓은 단면을 골고루 가열할 수 있는 장점에 특화되어 있는 연소기 특성이라 할 수 있다.

4.2. OH 측정 실험 결과

본 연구의 초점은 근적외선 영역에서 H2O와 OH 광 흡수 신호 범위 내 간섭이 일어나기 때문에 WDM 시스템을 활용하여 OH+H2O(1) 광 흡수 신호 영역과 단일 H2O(2) 광 흡수 신호 영역을 동시에 조사하여 측정하는 것이다. 즉, 단일 H2O(2) 광 흡수 신호 영역의 레이저를 화염에 조사하면 정확한 H2O 농도를 알 수 있고, 이를 통해 측정된 농도는 중첩된 OH+H2O(1) 광 흡수 신호에서 간섭되는 H2O(1) 광 흡수 신호를 분리하는데 적용된다. H2O(1)의 광 흡수 신호를 분리하면 단일의 OH 라디칼 농도를 도출할 수 있다. 이 방법은 광 흡수 신호에 해당하는 선 형상 함수가 파수 범위, 측정 공간 내 온도, 압력, 화학종 충돌에 따라 형상은 다르지만 각각의 다른 파수 범위에서 광 흡수 면적을 적분하여 계산되는 농도 값은 같은 원리를 이용한다. Fig. 9는 OH 라디칼 측정을 위해 사용된 화염을 나타내고 있다. 연소기 끝단에는 금속 매쉬가 설치되어 있으며, 이의 가열로 인한 붉은 색의 복사파 방출을 가시적으로 확인할 수 있다. (a)와 (b)는 화염의 화염면이 심하게 변동할 때 금속 매쉬 기준 화염 높이별 단면의 직경 변화와 측정 구간을 나타낸 것이다. 화염이 대기로 전파될 때 화염 높이 15 mm 위로는 변동이 증가하여 정확한 화염 단면의 직경을 알기 어렵다. 따라서 본 실험에서는 15 mm 에서만 화염 두께를 광 경로 측정 거리로 도출하여 실험을 진행하였다.

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Fig. 9.

(a) Flame thickness(Thick) at three flame heights (15 - 45 mm) (b) Flame thickness (Thin).

Fig. 10의 (a)는 화염의 중심축을 따라 버너 밑면을 기준으로 높이 15 mm에서 45 mm 까지 15 mm 간격으로 OH+ H2O(1) 파수 범위의 광원을 조사하여 얻어진 광 흡수 신호 결과이다. 15 mm에서 측정된 OH+H2O(1) 광 흡수 신호 면적이 제일 큰 것으로 나타나며 45 mm로 올라 갈수록 전체 면적이 줄어듬을 알 수 있다.

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Fig. 10.

Absorption signals at three flame heights (15, 30, 45 mm) (a) OH+H2O(1) and (b) H2O(2).

그 이유는 화염이 대기 중으로 전파할 때 외기의 영향으로 화염의 아래보다 위로 갈수록 화염 폭이 좁아지기 때문이며 이는 광원이 지나갈 수 있는 화염 내 거리가 줄어들기 때문이다[16]. 또한 화염 밑면으로 갈수록 OH 와 H2O(1)의 광 흡수 신호가 증가하여 간섭이 심해짐을 관찰할 수 있다. 식 (3)을 보면 광학적 측정 거리에 흡수면적 A가 비례하기 때문에 결과가 타당하다는 것을 예측할 수 있다. OH 라디칼의 경우, 확산화염의 화염 면에서 OH가 존재하기 때문에 측정 거리 감소로 인하여 윗면으로 갈수록 농도가 줄어들 것으로 예상된다[4]. Fig. 9의 (b)는 단일 H2O(2) 광 흡수 신호 범위의 광원을 화염에 조사하여 얻어진 광 흡수 신호 면적이다. 화염 높이에 따라 측정 거리 증가에 의한 OH+H2O(1) 광 흡수 신호 면적 증가와 경향성이 같음을 알 수 있다. Table 2는 식 (4)를 활용하여 OH 라디칼 농도 값을 구하기 위해 필요한 값들을 보여준다. 우선 화염 내 광원이 조사되어 지나간 정확한 선 평균 온도 값을 알고 있어야 선강도 값을 구할 수 있다. 온도 측정의 경우 300~ 1,500 K 내외의 범위에서 흡광도 비율과 온도의 선형성이 확보되는 Line pair를 사용하였으며[17], [18], 예혼합화염과 확산화염이 혼합된 연소기 화염의 특성상 화염높이 15 mm 지점에서도 완전연소가 이루어지지 않고 높은 연료 농후 상태로 화염 온도가 낮게 측정되었다. 측정된 온도 값을 적용하여 HITRAN database에서 OH 라디칼의 선강도 값을 도출하였다[19]. 광원이 조사되어 지나간 광 경로 측정 거리는 화염 높이 15 mm 지점에서 화염 내 측정 거리를 알 수 있지만 30 mm와 45 mm에서는 화염면의 심한 변동으로 정확한 값을 도출할 수 없다. 이는 식 (4)에서 화염 내 광원이 지나간 측정거리(L)를 정의할 수 없는 조건으로, 화염 높이 30, 45 mm의 실험 조건들은 분석을 배제하고 화염 높이 15 mm의 실험에서 OH 라디칼 농도 분석을 진행하였다.

Table 2. Measured spectroscopic data for the OH radical concentration calculation

Flame height (mm) Flame Temp. (K) Line Strength (cm-2/atm) Optical path length (cm)
15 1167.2 0.008772 111.4
30 987.4 0.007228 -
45 816.2 0.005115 -

Table 3는 Table 2에서 구한 값들을 이용하여 OH+H2O(1)의 전체 광 흡수 신호 면적과 H2O(2)의 광 흡수 신호 면적을 도출한 결과이다. H2O(2) 광 흡수 신호 영역을 사용하여 식 (4)를 활용하면 화염 내 광원이 지나간 영역에서의 H2O 농도를 구할 수 있다.

Table 3. Calculated optically absorption area for OH+H2O(1) and H2O(2)

Flame height
(mm)
H2O(2) Conc.(%) H2O(1) Absorption area
(cm-1, Cal.)
OH+H2O(1) Absorption area
(cm-1, Cal.)
OH Absorption area
(cm-1, Cal.)
15 4.046 0.00354 0.00814 0.00460

두 가지 파수영역을 이용한 광 흡수 신호는 동일 시간, 동일한 위치에서 측정되었으므로 H2O의 농도는 일치해야 한다. H2O(2)에서 구한 농도 값에 해당하는 양의 H2O(1)의 광 흡수 신호 면적을 식 (4)를 통해 계산하고, OH+H2O(1) 전체 광 흡수 신호 면적에서 이를 분리해 주면 정량적인 OH 광 흡수 신호 면적만을 구할 수 있다. 이를 통해 구한 OH 라디칼의 면적은 0.0046 cm-1로 OH 라디칼 농도는 0.4706%로 도출되었다.

4.3. OH 광 흡수 신호 시뮬레이션

실험에서 구한 OH 농도에 대한 비교 및 검증을 위해 Voigt function 기반 시뮬레이션 값을 도출하였다. Voigt function은 온도 및 압력에 의한 선 퍼짐 현상을 잘 반영하여 실제 흡수 신호와의 비교에 적절히 사용될 수 있다. Fig. 11은 실제 실험을 통해 구한 OH 라디칼 광 흡수 신호 면적 값과 Voigt 시뮬레이션을 통해 구한 OH 라디칼의 광 흡수 신호 면적 값을 비교하고 식 (4)를 적용하여 실험값의 농도를 표현한 그래프이다. 화염 밑면에서부터 15 mm의 측정 결과 값인 광 경로 측정거리 111.4 cm와 화염 온도 1167.2 K을 적용하여 Voigt 시뮬레이션한 결과로 X축은 농도 0.1~0.75%를 0.01% 간격으로 나타내고, 각 농도에 해당하는 광 흡수 신호 면적을 Y축에 도출하였다. 즉 실험에서 측정된 온도, 광 경로 측정 거리를 Voigt 시뮬레이션에 적용하면 농도에 따라 측정 면적이 도출되며, 이는 실제 실험값과 비교를 통하여 오차를 산출할 수 있다. 화염 높이 15 mm 조건에서 실험 농도 값과 Voigt 시뮬레이션으로 도출한 농도 값의 차이가 적은 것을 확인하였다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kosco/2020-025-01/N0590250104/images/kosco_25_01_04_F11.jpg
Fig. 11.

Comparison between experimental result and calculated result on OH radical concentration.

결과를 자세히 살펴보면, 화염 측정 높이 15 mm에서는 화염면의 변동이 작아 광원이 지나간 광 경로 측정 거리를 도출할 수 있었지만 Voigt simulation의 이론적인 광 흡수 신호 면적 값과 실험값에서 약간의 차이가 존재하였다. 이는 식 (9)의 Voigt 함수에서 광 흡수 신호를 구현하기 위한 근사화 계산 과정에서의 차이가 반영된 것으로 판단된다. 이러한 오차를 고려하면, 실험값과 해석 결과는 비교적 유사한 수준으로 판단되며, 약 8.53%의 차이를 확인하였다. 선형 함수 합성 시 수치해석기법과 실제 실험값의 광 흡수 신호가 차이를 보이는 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구는 레이저를 이용한 광학식 측정 방식인 TDLAS 기법을 이용하여 화염 내 OH 라디칼 농도를 측정하기 위해 실험을 진행하였으며 다음의 결과를 도출하였다.

1)WDM 시스템 기반 선택된 OH+H2O(1)와 단일 H2O (2) 파수 범위의 레이저를 화염에 조사하여 H2O(1) 간섭이 배제된 OH 라디칼의 농도를 도출하였다.

2)화염의 측정 구간은 화염 밑면에서부터 15 mm씩 증가시켜 총 3구간(15, 30 45 mm)을 측정하였으며 화염면의 변동이 가장 적은 15 mm 구간에서 측정된 농도 값과 Voigt 시뮬레이션 이론 값을 비교하였다.

3)화염 밑면 15 mm에서 OH 라디칼 광 흡수 면적(0.00460 cm-1)에 해당하는 농도는 0.4706%로 도출되었으며, 측정된 0.4706% 농도에 따른 Voigt 시뮬레이션 이론값은 0.00423 cm-1으로 약 8.53% 오차를 확인하였다.

이는 화염 내 OH 라디칼을 정량적으로 측정할 수 있는 기반을 확보하였다고 사료된다. 하지만 화염 측정 구간 30 mm와 45 mm에서는 화염면의 변동이 큰 구간으로 정확한 광 경로 측정 거리(L)를 도출할 수 없는 문제점이 존재하였다. 그 이유는 확산화염이 대기 중으로 전파할 때 화염면의 변동으로 인하여 화염 내 광 경로 측정 거리 오차를 증가시켰기 때문이라고 판단된다.

측정 OH 라디칼 농도를 정량적으로 측정할 수 있다면 직접적인 연소 진단 및 실시간 연소 제어를 할 수 있고 그 결과는 연소 에너지 효율과 오염물질 저감에 긍정적인 영향을 줄 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 산업통상자원부(MOTOE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(Mo.20152010103630).

References

1
National Institute of Environmental Research, Air pollutants emission, Korea (2016).
2
S.R. Turns, An Introduction to Combustion; Concepts and Applications. U.S.A., (2000), 195-196.
3
T. Aizawa, T. Kamimoto, T. Tamaru, Measurements of OH radical concentration in combustion environments by wavelength-modulation spectroscopy with a 1.55-um, Appl. Opt., 38(9) (1999) 1733-1741.
10.1364/AO.38.00173318305797
4
T. Aizawa, Diode-laser wavelength-modulation absorption spectroscopy for quantitative in situ measurements of temperature and OH radical concentration in combustion gases. Appl. Opt., 40(27) (2001) 4894-4903.
10.1364/AO.40.00489418360532
5
B.L. Upschulte, D.M. Sonnenfroh, M.G. Allen, Measurements of CO, CO2, OH, and H2O in room- temperature and combustion gases by use of a broadly current-tuned multisection InGaAsP diode laser, Appl. Opt., 38(9) (1999) 1506-1512.
10.1364/AO.38.00150618305774
6
R.K. Hanson, S. Salimian, G. Kychakoff, R.A. Booman, Shocktube absorption measurements of OH using a remotely located dye laser, Appl. Opt., 22(5) (1983) 641-643.
10.1364/AO.22.00064118195842
7
S. Singh, M.P. Musculus, R.D. Reitz, Mixing and flame structures inferred from OH-PLIF for conventional and low-temperature diesel engine combustion, Combust. Flame, 156(10) (2009) 1898-1908.
10.1016/j.combustflame.2009.07.019
8
G. Kychakoff, R.D. Howe, R.K. Hanson, J.C. McDaniel, Quantitative visualization of combustion species in a plane, Appl. Opt., 21(18) (1982) 3225- 3227.
10.1364/AO.21.00322520396209
9
P. Andresen, G. Meijer, H. Schluter, H. Voges, A. Koch, W. Hentschel, W. Oppermann, E. Rothe, Fluorescence imaginginside an internal combustion engine using tunable excimer lasers. Appl. Opt., 29(16) (1990) 2392-2404.
10.1364/AO.29.00239220563180
10
M. De Leo, A. Saveliev, L.A. Kennedy, S.A. Zelepouga, OH and CH luminescence in opposed flow methane oxy-flames, Combust. Flame, 149(4) (2007) 435-447.
10.1016/j.combustflame.2007.01.008
11
J.P. Maillard, J. Chauville, A.W. Mantz, High- resolution emission spectrum of OH in an oxyacetylene flame from 3.7 to 0.9 um, J. Mol. Spectrosc., 63, (1976) 120-141.
10.1016/0022-2852(67)90139-7
12
B. Higgins, M.Q. McQuay, F. Lacas, J.C. Rolon, N. Darabiha, S. Candel, Systematic measurements of OH chemiluminescence for fuel-lean, high-pressure, premixed, laminar flames, Fuel, 80(1) (2001) 67-74.
10.1016/S0016-2361(00)00069-7
13
J. Puerta, P. Martin, Three and four generalized Lorentzian approximations for the Voigt line shape, Appl. Opt., 20(22) (1981) 3923-3928.
10.1364/AO.20.00392320372294
14
A. McLean, C. Mitchell and D. Swanston, Implementation of an efficient analytical approximation to the Voigt for photoemission lineshape analysis, J. Electron. Spectrosc., 69(2) (1994) 125-132.
10.1016/0368-2048(94)02189-7
15
J.M. Weisberger, J.P. Richter, R.A. Parker, P.E. DesJardin, Direct absorption spectroscopy baseline fitting for blended absorption features, Appl. Opt., 57(30) (2018) 9086-9095.
10.1364/AO.57.00908630461898
16
R.M. Terrence, R. Sukesh, N.A. Thomas, D.M. Joseph, R.K. Viswanath, R.L. Robert, R.G. James, Measurements of OH mole fraction and temperature up to 20 kHz by using a diode laser based UV absorption sensor, Appl. Opt., 44(31) (2005) 6729- 6740.
10.1364/AO.44.00672916270562
17
H. Teichert, T. Fernholz and V. Ebert, Simultaneous in situ measurement of CO, H2O and gas temperatures in a full-sized coal-fired power plant by near- infrared diode lasers, Appl. Opt., 42(12) (2003) 2043-2051.
10.1364/AO.42.00204312716144
18
M.G. Jeon, Y. Deguchi, T. Kamimoto, D.H. Doh, G.R. Cho, Performances of new reconstruction algorithms for CT-TDLAS computer tomography- tunable diode laser absorption spectroscopy, Appl. Therm. Eng., 115 (2017) 1148-1160.
10.1016/j.applthermaleng.2016.12.060
19
L.S. Rothman, I.E. Gordon, Y. Babikov, A. Barbe, B.D. Chris, P.F. Bernath, M. Brik, L. Bizzocchi, V. Boudon, L.R. Brown, A. Campargue, K. Chance, E.A. Cohen, L.H. Coudert, V.M. Devi, B.J. Drouin, A. Fayt, J.M. Flaud, R.R. Gamache, J.J. Harrison, J.M. Hartmann, C. Hill, J.T. Hodges, D. Jacquemart, A. Jolly, J. Lamouroux, R.J. Le Roy, G. Li, D.A. Long, O.M. Lyulin, C.J. Mackie, S.T. Massie, S. Mikhailenko, H.S. P. Muller, O.V. Naumenko, A.V. Nikitin, J. Orphal, V. Perevalov, A. Perrin, E.R. Polovtseva, C. Richard, M.A. H. Smith, E. Starikova, K. Sung, S. Tashkun, J. Tennyson, G.C. Toon, Vl. Tyuterev, G. Wagner, The HITRAN2012 molecular spectroscopic database, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 130 (2013) 4-50.
10.1016/j.jqsrt.2013.07.002
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