1. 서 론

화력발전은 오랫동안 전력 생산의 주요 수단으로 활용되어 왔으며, IEA의 Electricity 2026에 따르면 2030년까지도 전 세계 전력 생산에서 단일 에너지원으로는 가장 큰 비중을 차지할 것으로 전망되고 있다. 기존 화력발전의 주요 연료는 석탄과 천연가스와 같은 화석연료로, 특히 석탄은 풍부한 매장량과 낮은 비용이라는 장점을 갖는다. 그러나 석탄 연소 과정에서는 황산화물, 질소산화물(NO_x), 이산화탄소(CO₂) 등 다양한 대기오염물질이 배출되는 문제가 있다. 천연가스 또한 상대적으로 청정 연료로 평가되지만, 이산화탄소 배출로 인한 기후변화 문제에서 완전히 자유롭지 않다.

이러한 환경적 문제를 저감하기 위한 기술로 석탄 가스화 복합발전(Integrated Coal Gasification Combined Cycle, IGCC)이 제안되었다. IGCC는 석탄을 직접 연소하는 대신 가스화 공정을 통해 합성가스를 생성하고, 이 과정에서 오염물질을 사전에 제거한 후 발전에 활용하는 방식이다. 생성된 합성가스는 주로 수소(H₂)와 일산화탄소(CO)로 구성되며, 이는 향후 저탄소 또는 무탄소 발전으로의 전환 과정에서 중요한 연료로 주목받고 있다.

그러나 수소는 높은 층류 화염속도를 가지므로 예혼합 연소 시 역화(flashback) 위험이 크며, 이에 따라 적용에 제약이 따른다. 반면 확산화염은 구조적으로 안정적이지만 높은 화염온도로 인해 열적(thermal) NO_x 생성이 증가하는 단점이 있다. 이러한 문제를 완화하기 위해 화염온도를 낮추는 전략으로 희석(dilution) 및 부분 예혼합(partially premixed) 연소 방식이 적용되고 있다. 특히 수소 기반 연료의 연소 특성은 최근 수소 전소 및 수소 혼소 발전 기술의 확산과 함께 활발히 연구되고 있다.

희석이 NO_x 배출에 미치는 영향에 대해서는 다양한 연구가 수행되어 왔다. Liu와 Sanderson[1]은 실제 가스터빈 연소기에서 질소(N₂) 및 이산화탄소를 이용한 예혼합 화염 희석 실험을 수행하였으며, 연료-공기 운동량속비(momentum flux ratio, J=(ρfuf2/ρaua2)1/2, ρ:밀도, u: 속도, f: 연료, a: 공기)에 따른 혼합 특성이 NO_x 배출에 중요한 영향을 미침을 보고하였다. Fackler 등[2]은 chemical reactor network model을 활용하여 희석제가 NO_x 생성에 미치는 영향을 분석하였고, Lee 등[3]은 질소, 이산화탄소 및 수증기를 희석제로 적용한 결과, 희석제 종류와 관계없이 열용량(heat capacity) 증가에 따라 NO_x 저감 효과가 유사한 경향을 보임을 확인하였다. 또한 Weiland와 Strakey[4]는 희석 위치가 화염온도 및 NO_x 생성에 미치는 영향을 분석하고, 그 효과가 당량비에 따라 달라짐을 보고하였다.

합성가스 연소와 관련하여, Yoon 등[5]은 H₂/CH₄/CO 연료 조성 변화에 따른 연소불안정 특성을 연구하여 수소 함량 증가에 따른 주파수 천이 현상을 규명하였다. Park[6]은 H₂/CO 예혼합 화염에서 상세 화학반응 모델을 이용하여 압력 변화에 따른 NO_x 배출 특성을 분석하였다. 또한 Kim 등[7,8]과 Kim 등[9]은 충돌 제트 화염에서의 화염 진동/불안정에 대한 연구를 수행하였으며, Park[10]은 혼합가스 보일러에서 NO_x 저감을 위한 실증적 개선 방안을 제시하였다.

한편, 수소 전소 기반의 무탄소 발전 기술이 주목받는 가운데, 기존 천연가스 기반 발전설비를 활용하기 위한 수소 혼소 기술에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. Joo 등[11]은 화염전달함수 이해를 위해 비연소 전달함수를 도입하였으며, Shin과 Cho[12]는 희박 예혼합 화염에서 수소 첨가량 변화에 따른 연소 특성을 분석하였다. Yoon 등[13], Nam과 Yeo[14]는 수소 혼소 조건에서의 연소불안정 특성을 연구하였으며, Choi 등[15]과 Lee 등[16]은 가스터빈 연소기에서 수소 혼소율 변화에 따른 연소 특성을 수치적으로 분석하였다. Hwang 등[17,18]은 수소 혼소 조건에 최적화된 연료홀 설계 및 다단연소 적용에 따른 연소 특성을 평가하였고, Jeong 등[19]과 Park 등[20]은 압력 및 운전 조건 변화에 따른 연소 안정성 기준을 제시하였다. 또한 Lee 등[21]과 Jang 등[22]은 실규모 연소기에서 수소 혼소율이 연소불안정에 미치는 영향을 분석하였으며, Hong과 Lee[23]는 분사기 형상이 혼합 특성 및 NO_x 배출에 미치는 영향을 규명하였다.

이와 같이 희석 및 수소 기반 연료 연소에 대한 연구는 다수 수행되었으나, 부분 예혼합 조건에서 H₂/CO 화염에 대해 희석제 종류 및 희석 위치가 NO_x 배출 특성에 미치는 영향을 체계적으로 비교한 연구는 상대적으로 부족한 실정이다. 특히 실제 가스터빈 운전 조건을 고려한 희석 방식과 화염 구조 간의 상관관계를 규명하는 것은 NO_x 저감 기술 개발에 있어 중요한 과제로 남아 있다. 따라서 본 연구에서는 희석이 적용된 부분 예혼합 H₂/CO 화염의 NO_x 배출 특성에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 희석제로 N₂와 CO₂를 적용하여 그 효과를 비교하였으며, 희석 위치에 따른 차이를 분석하기 위해 연료측 희석과 공기측 희석 조건을 각각 고려하였다. 또한 NO_x 배출에 영향을 미치는 주요 인자를 규명하기 위하여 화염 구조 분석을 병행하였다. 본 연구 결과는 수소 기반 혼합연료의 연소 특성 이해를 위한 기초 자료로 활용될 수 있으며, 향후 저배출 가스터빈 연소기 설계 및 운전 전략 수립에 기여할 것으로 기대된다.

2. 실험 장치 및 방법

2.1 실험장치

본 연구에 사용된 실험장치의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다. 실험 시스템은 공기 압축기, 공기 히터, 유량 제어기, 그리고 모델 가스터빈 연소기로 구성된다. 압축된 공기는 공기 히터를 통과하며 설정된 온도 조건까지 가열된 후, 유량 제어기를 통해 공기 및 연료의 유량이 정밀하게 조절되어 연소기로 공급된다. 모델 가스터빈 연소기는 스월 분사기(swirl injector), 석영 튜브(quartz tube), 그리고 배기 덕트로 구성되며, 배기 덕트에서 배출가스 성분을 측정하였다. 스월 분사기는 GE7EA 가스터빈의 부분 예혼합 노즐을 1/3 축소한 형상을 적용하였으며, 연소기는 단일 캔(can) 구조로 구성하였다. 노즐은 14개의 스월 베인(swirl vane), 45°의 스월 각도, 그리고 0.83의 스월 넘버(swirl number)를 갖는다. 스월 넘버는 스월러 형상에 의해 결정되며, 다음 식으로 정의된다[24].

여기서 Dswirl-in, Dswirl-out, 그리고 𝜃는 각각 스월러의 내경, 외경, 그리고 스월 각도를 나타낸다.

Fig. 1.

Schematic of the model gas turbine combustor.

Fig. 2는 스월 분사기 내부의 유동 구조를 나타낸다. 공기가 주 유동을 형성하며, 연료는 교차 유동 내 분사(jet-in-crossflow) 형태로 공기 흐름에 주입된다. 본 노즐은 부분 예혼합 구조로, 스월 넘버, 스월 각도, 그리고 연료 분사 위치와 덤프면 사이의 길이는 고정되어 있으나, 연료와 공기의 운동량속비에 따라 예혼합 정도가 달라질 것으로 예상된다. 합성가스 화염의 NO_x 배출 특성을 분석하기 위하여 배기 덕트에서 NO_x 및 O₂ 농도를 측정하였다. 배출가스 측정은 TESTO 350K를 이용하여 수행하였다. NO_x 농도는 배기가스의 총 유량 및 희석 조건에 따라 변하므로, 실험 간 비교를 위해 산소 농도 기준으로 보정하였다. 가스터빈 분야에서는 일반적으로 배기가스 산소 농도를 15%로 환산하여 비교하며, 측정된 농도는 다음 식을 이용하여 보정된다[25].

여기서 Ci는 성분 i의 몰분율, Ntotal는 생성된 전체 기체의 총 몰수를 의미한다. 일반적으로 위 식은 다음과 같은 형태로 단순화되어 사용된다.

Fig. 2.

Schematic of the flow in the injector.

그러나 식 (3)은 희석 조건에서 직접 적용할 경우 오차를 유발할 수 있다. 이는 희석제 주입으로 인해 전체 배기가스의 몰 수가 증가하면서 NO_x 및 O₂ 농도가 동시에 변화하기 때문이다. 결과적으로 식 (3)을 적용하면 실제보다 NO_x 농도가 과소평가되는 문제가 발생한다. 따라서 본 연구에서는 Elkady[26]의 방법을 참고하여 희석 효과를 고려한 다음 보정식을 적용하였다.

여기서 𝛼는 희석제가 포함된 산화제 내 산소의 몰분율을 의미한다. 본 보정식은 본 연구에서 사용된 H₂/CO 합성가스 조성에 맞게 유도되었다.

화염 구조 분석을 위해 석영 튜브를 통해 화염 이미지를 획득하였다. 화염 이미지는 고속 ICCD(Intensified Charge- Coupled Device) 카메라를 이용하여 촬영하였으며, 반응 영역을 나타내는 OH 라디칼의 자발광(chemiluminescence)을 계측하였다. 측정된 이미지는 3차원 신호가 시선 방향으로 적분된 2차원 이미지이므로, Abel 변환을 적용하여 축대칭 가정을 기반으로 연소기 중심에서 화염의 단면 분포를 복원하였다[27]. 이를 통해 화염 구조뿐 아니라 반응 영역의 분포 특성을 정량적으로 분석하였다. 스월 화염에 대한 Abel 변환은 축대칭 가정이 성립하지 않을 때는 큰 에러를 야기하는 요인이 되지만 본 연소기에서는 화염이 안정한 조건에서 축대칭이 확보되는 것으로 판단하였다.

2.2 실험조건

Table 1은 본 연구에서 적용된 전체 실험 조건을 정리한 것이다. 연료 조성은 태안 IGCC 발전소 조건을 모사한 H₂/CO(29:71 vol%) 혼합가스를 사용하였다. 합성가스 화염의 배출 특성을 평가하기 위해 주요 운전 변수로 유입 공기 온도와 당량비를 설정하였으며, 당량비는 연료 유량을 조절하여 제어하였다.

희석 조건이 NO_x 배출 특성에 미치는 영향을 체계적으로 분석하기 위하여, 본 연구에서는 희석제 종류와 희석 위치를 주요 변수로 설정하였다. 희석제로는 질소와 이산화탄소를 사용하였다. 두 기체는 분자량 및 정압 비열 등 열물성 차이를 가지며, 실제 가스터빈 연소기에서 온도 저감 및 NO_x 제어를 위한 희석제로 널리 사용된다는 점에서 비교 대상으로 선정하였다.

희석 방식은 희석제가 주입되는 위치에 따라 구분되며, 이는 혼합 과정 및 화염 구조에 직접적인 영향을 미친다. 본 연구에서는 연료측 희석과 공기측 희석의 두 가지 조건을 적용하여 비교 분석을 수행하였다. 연료측 희석은 연료 유동에 희석제를 혼합하여 분사하는 방식이며, 공기측 희석은 주 공기 유동에 희석제를 혼합하는 방식이다. 이러한 희석 위치의 차이는 국부 혼합 특성, 화염 온도 분포, 그리고 반응 영역 구조를 변화시켜 결과적으로 NO_x 생성 특성에 영향을 미칠 것으로 예상되었다.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 기본 NO_x 배출 특성

Fig. 3과 Fig. 4는 부분 예혼합 H₂/CO 합성가스 화염에서의 NO_x 배출 특성을 나타낸다. Fig. 3에서 확인할 수 있듯이, 유입 공기 온도가 증가함에 따라 NO_x 배출량은 전반적으로 증가하는 경향을 보인다. 또한 Fig. 4와 같이 당량비가 증가할수록 NO_x 배출량 역시 증가하는 경향을 나타낸다. 이러한 경향은 화염 온도 변화와 밀접하게 관련된다. 유입 공기 온도의 상승은 반응 전 혼합기의 초기 온도를 증가시켜 화염 온도를 상승시키며, 당량비가 1 이하의 조건에서는 연료 공급 증가에 따른 발열량 증가로 인해 화염 온도가 증가한다. 결과적으로, 두 변수 모두 화염의 최대 온도 및 고온 영역의 체류시간을 증가시켜 NO_x 생성이 촉진되는 조건을 형성한다.

Fig. 3.

NO_x with respect to inlet air temp. @ Φ=1.0.

Fig. 4.

NO_x w.r.t. eq. ratio @ T_air = 600 K.

한편, 동일 조건에서 질소 희석을 적용한 경우, Fig. 3 및 Fig. 4에서 볼 수 있듯이 NO_x 배출량이 전반적으로 감소하는 경향을 보인다. 이는 희석제가 반응계 내에서 열적 완충체(thermal sink)로 작용하여 화염 온도를 낮추고, 반응 영역의 고온 체류시간을 감소시키기 때문으로 해석된다. 이러한 결과를 종합하면, 본 연구에서 다루는 부분 예혼합 H₂/CO 화염에서는 NO_x 생성이 주로 화염 온도에 강하게 의존하는 메커니즘에 의해 지배됨을 알 수 있다. 즉, 온도 의존성이 높은 열적 NO_x 생성 경로가 지배 기작으로 작용하며, 이는 유입 공기 온도, 당량비, 그리고 희석 조건에 따른 NO_x 배출 경향을 일관되게 설명한다.

3.2 희석 위치 영향 비교

NO_x 배출 특성은 희석제가 주입되는 위치에 따라 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 희석 위치의 영향을 정량적으로 분석하기 위해 질소를 희석제로 사용하여 연료측 희석과 공기측 희석 조건을 구분하여 실험을 수행하였다. 그 결과는 Fig. 5에 나타내었다. 당량비 ϕ = 0.5 조건에서는 연료측 희석이 공기측 희석에 비해 더 낮은 NO_x 배출량을 나타내었으며, 이러한 차이는 당량비가 증가함에 따라 점차 감소하였다. 당량비가 ϕ = 1.0에 도달하면 두 희석 조건에서의 NO_x 배출량은 거의 유사한 값을 보였다.

Fig. 5.

NO_x w.r.t. dilution placement: (a) ϕ = 0.5 and (b) ϕ = 1.0.

이러한 경향은 희석제가 실제로 반응 영역을 통과하는 비율 차이에 기인한다. 당량비가 1.0 이하의 조건에서는 공기 과잉 상태이므로, 연료측으로 주입된 희석제는 대부분 화염을 통과하여 반응 영역에 직접적으로 영향을 미치는 반면, 공기측으로 주입된 희석제는 일부만이 반응 영역에 기여하게 된다. 따라서 동일한 희석 비율 조건에서도 연료측 희석이 공기측 희석에 비해 화염 온도 저감 효과가 더 크게 나타난다. 반면, 당량비가 1.0에 근접하면 모든 공기와 연료가 반응에 참여하게 되며, 이에 따라 희석제 역시 대부분 반응 영역을 통과하게 된다. 이 경우 희석 위치에 따른 유효 희석 효과의 차이가 감소하게 되어, 결과적으로 두 조건 간 NO_x 배출량의 차이가 거의 사라지는 것으로 해석된다.

또한 Fig. 5(a)에서 확인할 수 있듯이, 저당량비 조건에서 연료측 희석의 NO_x 저감 효과는 공기측 희석에 비해 약 2배 정도 크게 나타난다. 이는 공기측 희석의 경우, 희석제가 반응 영역에 기여하는 비율이 당량비에 비례하여 제한되기 때문으로 이해할 수 있다. 예를 들어, ϕ = 0.5 조건에서는 공기측으로 주입된 희석제의 약 절반만이 화염에 직접적인 영향을 미치게 되므로, 결과적으로 연료측 희석 대비 NO_x 저감 효과가 감소하게 된다. 이러한 결과는 산소 과잉 조건의 부분 예혼합 화염에서 희석 위치가 NO_x 저감 효과를 결정하는 중요한 인자임을 시사한다. 이와 같은 경향은 기존 연구 결과와도 일치한다. Weiland와 Strakey[4]는 희석 위치에 따른 단열 화염 온도를 비교한 결과, ϕ = 0.5 조건에서 공기측 희석의 단열 화염 온도가 연료측 희석에 비해 약 100 K 이상 높은 값을 보였으며, ϕ = 1.0에서는 두 조건이 유사한 온도를 나타냄을 보고하였다. 이는 본 연구에서 관찰된 NO_x 배출 경향과 일관된 결과이다.

한편, 희석 위치에 따른 화염 구조 변화는 Fig. 6의 OH* 자발광 이미지를 통해서도 확인할 수 있다. OH* 자발광은 주로 고온 반응 영역에서 생성되는 라디칼 종으로, 그 강도 분포는 반응 영역의 위치 및 상대적인 반응 강도를 반영한다. 저당량비 조건에서는 공기측 희석의 경우 연료측 희석보다 높은 자발광 강도를 나타내며, 이는 상대적으로 높은 화염 온도 및 강한 반응 영역을 의미한다. 반면, ϕ = 1.0 조건에서는 희석 위치에 따른 자발광 강도의 차이가 거의 관찰되지 않는다. 이러한 결과를 종합하면, 본 연구에서의 NO_x 생성은 화염 온도에 강하게 의존하는 열적 NO_x 생성 기작에 의해 지배되며, 희석 위치는 반응 영역에 유입되는 희석제의 유효 비율을 변화시켜 화염 온도 및 NO_x 배출 특성에 직접적인 영향을 미치는 주요 인자로 작용함을 확인할 수 있다.

Fig. 6.

OH* chemiluminescence intensity depending on dilution placement.

3.3 희석제 영향 비교

NO_x 배출에 영향을 미치는 추가적인 요인을 파악하기 위하여 희석제 종류에 따른 비교 실험을 수행하였다. 희석제로는 분자량과 열용량이 서로 다른 질소와 이산화탄소를 선정하였다. 본 연구에서는 NO_x 배출 특성을 희석제 열용량의 함수로 표현하였다. 이는 희석에 의한 화염온도 감소가 희석제의 열용량과 밀접하게 관련되며, 따라서 희석제 열용량이 NO_x 배출 특성을 결정하는 주요 인자 중 하나라고 판단하였기 때문이다. Lee 등[3] 또한 희석에 따른 NO_x 저감 효과를 희석제 열용량의 함수로 표현한 바 있다.

그러나 Fig. 7에 나타난 바와 같이, 유사한 희석제 열용량(Diluent heat capacity = mdiluent ∙cp, diluent)을 갖는 조건에서도 N₂ 희석보다 CO₂ 희석에서 NO_x 배출량이 상대적으로 낮게 나타났다. 또한 희석제 종류에 따른 NO_x 배출량의 상대적 차이는 당량비가 증가할수록 더욱 크게 나타났다. 이는 희석에 의한 NO_x 저감 효과가 단순히 희석제 열용량에 의한 화염온도 감소만으로 설명되기 어렵고, 연료-공기 혼합 및 희석제의 화학적 특성 등 다른 요인이 함께 작용함을 시사한다.

Fig. 7.

NO_x w.r.t. diluent heat capacity: (a) ϕ = 0.6 and (b) ϕ = 1.0.

2장에서 설명한 바와 같이, 본 연구에서 사용한 부분 예혼합 연소기에서는 연료가 공기 주 유동을 가로지르는 jet-in-crossflow 형태로 분사된다. 따라서 희석제의 종류와 희석률(Dilution Ratio, DR) 변화는 연료측 유동의 밀도, 유량, 속도 및 운동량속비를 변화시킬 수 있으며, 이는 연료-공기 혼합 특성과 화염구조에 영향을 미친다. 이러한 가능성을 확인하기 위하여 희석률 변화에 따른 화염구조 분석을 수행하였다.

Fig. 8은 희석률 증가에 따른 화염구조 변화를 나타낸다. 일반적으로 jet-in-crossflow 유동에서 교차 유동(crossflow)에 대한 제트의 운동량속비가 증가하면 제트의 침투 길이가 증가하고, 이에 따라 두 유동 사이의 혼합이 증대된다. 본 연구의 연료측 희석 조건에서도 희석률이 증가하면 연료와 희석제로 구성된 제트 유동의 운동량속비가 증가하며, 이로 인해 연료와 공기의 혼합이 촉진되고 화염온도가 감소할 수 있다. 희석률이 0%일 때는 화염이 주로 노즐 안쪽에 부착되어 있으나, CO₂ 희석률이 50%로 증가하면 주된 화염 부착 위치가 노즐 바깥쪽으로 이동하는 경향을 보인다. 이는 희석률 증가에 따른 제트 침투 길이 증가 및 혼합 특성 변화가 화염구조에 영향을 미쳤음을 보여준다.

Fig. 8.

OH* chemiluminescence change w.r.t. momentum flux ratio.

운동량속비가 화염구조 변화에 미치는 영향을 정량적으로 검토하기 위하여, Fig. 9에 희석제 열용량에 따른 운동량속비를 나타내었다. 이때 운동량속비는 순수 연료만이 아니라 연료와 희석제를 모두 포함한 혼합 유동을 기준으로 계산하였다. 화염구조 변화가 나타나는 조건을 살펴보면, 당량비 ϕ = 0.6에서는 CO₂ 희석률 100% 또는 N₂ 희석률 130% 부근에서 화염구조 변화가 관찰되었으며, 이때 운동량속비는 약 5 수준이었다. 반면, Fig. 8과 같이 당량비 ϕ = 1.0에서는 CO₂ 희석률 50% 또는 N₂ 희석률 70% 이상에서 화염구조 변화가 나타났으며, 이때 운동량속비는 약 7 수준이었다.

Fig. 9.

Momentum flux ratio w.r.t. diluent heat capacity: (a) ϕ = 0.6 and (b) ϕ = 1.0.

이러한 결과는 화염구조 변화가 운동량속비 하나의 인자만으로 결정되지 않음을 의미한다. 따라서 추가적인 요인으로 희석제 열용량을 함께 고려하였다. 화염구조 변화가 발생한 조건을 희석제 열용량 기준으로 살펴보면, 당량비와 희석제 종류가 달라짐에도 불구하고 화염구조 변화는 대체로 희석제 열용량이 약 4 J/(K·s)에 도달하는 부근에서 나타났다. 희석은 화염온도를 낮추고 이에 따라 화염속도를 감소시키므로, 화염속도 감소는 화염 부착 위치를 노즐 내부에서 노즐 외부로 이동시키는 요인으로 작용할 수 있다. 실제로 당량비 ϕ = 0.6 이하의 조건에서는 희석률 증가에 따라 화염온도와 화염속도가 감소하면서 blow- out 현상이 관찰되었다.

그러나 당량비가 증가할수록 연료에서 공급되는 열에너지가 증가하므로, 서로 다른 당량비 조건에서 유사한 희석제 열용량 부근에서 화염구조 변화가 발생하는 현상은 열용량 효과만으로는 충분히 설명되기 어렵다. 따라서 화염구조 변화는 운동량속비와 희석제 열용량의 결합 효과(coupling effect)에 의해 결정되는 것으로 해석된다. 예를 들어, 당량비가 ϕ = 0.6에서 ϕ = 1.0으로 증가할 때 화염구조 변화는 유사하게 희석제 열용량 약 4 J/(K·s) 부근에서 나타나지만, 이때 요구되는 운동량속비는 약 5에서 약 7로 증가한다. 이는 당량비 증가에 따른 열에너지 증가가 운동량속비 증가 및 연료-공기 예혼합도 증가에 따른 화염온도 저감 효과와 상쇄되면서 유사한 화염구조 변화 조건을 형성한 것으로 볼 수 있다. 다만, 본 연구에서 사용된 연소기는 단순한 단일 jet-in-crossflow 구조가 아니라 다수의 연료 분사공과 스월 유동을 포함하는 부분 예혼합 스월 노즐이다. 따라서 화염구조 변화를 운동량속비 또는 희석제 열용량 중 하나의 인자만으로 독립적으로 분리하여 해석하는 데에는 한계가 있다. 보다 정확한 유동장 분석과 연료-공기 혼합 특성이 화염구조에 미치는 영향을 규명하기 위해서는 향후 CFD 해석을 통한 추가 연구가 필요하다.

한편, 위의 화염구조 분석은 희석이 화염구조에 미치는 영향을 설명할 수 있으나, 동일한 희석제 열용량 조건에서 CO₂ 희석이 N₂ 희석보다 낮은 NOₓ 배출량을 보이는 현상을 완전히 설명하지는 못한다. 이 차이는 희석제 자체의 화학적 특성과 관련하여 해석할 수 있다. 본 연구에서 사용한 두 희석제 중 N₂는 고온 연소장에서 열적 NO_x 생성 반응에 직접적으로 관여할 수 있다. 즉, 고온 영역에서 N₂는 산소 원자 등과 반응하여 NO 생성을 유도하며, 반응 영역 내 N₂ 농도가 증가할수록 NO_x 생성 반응이 촉진될 수 있다. 따라서 N₂ 희석의 경우 희석에 의한 화염온도 감소 효과가 존재하더라도, 동시에 반응계 내 질소 농도 증가로 인해 NO_x 저감 효과가 일부 상쇄될 수 있다.

반면 CO₂는 열적 NO_x 생성 반응의 직접적인 질소 공급원이 아니므로, 동일한 열용량 조건에서 N₂에 비해 추가적인 NO_x 생성 기여가 작다. 그 결과 CO₂ 희석은 N₂ 희석보다 더 낮은 NO_x 배출량을 나타내며, 동일한 NO_x 저감 효과를 얻기 위해 요구되는 희석률 또한 N₂ 희석 조건에서 더 크게 나타난다. 따라서 본 연구의 결과는 희석제 종류에 따른 NO_x 배출 특성이 희석제 열용량에 의한 열적 효과뿐만 아니라, 운동량속비 변화에 따른 혼합 효과와 희석제의 화학적 효과가 복합적으로 작용한 결과임을 보여준다.

4. 결 론

본 연구에서는 모델 가스터빈 연소기를 대상으로 부분 예혼합 H₂/CO 화염의 NO_x 배출 특성을 실험적으로 조사하였다. 이를 위해 희석제 종류(N₂, CO₂)와 희석 위치(연료측, 공기측)를 변화시키며 배기가스 농도를 측정하였고, OH* 자발광 이미지를 통해 화염 구조를 분석하였다. 주요 결과는 다음과 같이 정리할 수 있다.

첫째, 본 연소 조건에서 NO_x 생성은 주로 화염 온도에 강하게 의존하는 열적 NO_x 생성 기작에 의해 지배되었다. 유입 공기 온도 및 당량비 증가에 따라 화염 온도가 상승하면서 NO_x 배출량이 증가하였으며, 희석을 통한 화염 온도 저감은 효과적인 NO_x 저감 수단으로 확인되었다. 둘째, 희석 위치는 NO_x 저감 효율에 중요한 영향을 미쳤다. 연료측 희석의 경우 희석제가 대부분 반응 영역을 통과하여 화염 온도 저감에 효과적으로 기여한 반면, 공기측 희석은 희박 연소 조건에서 일부 희석제만이 반응 영역에 영향을 미쳤다. 그 결과, 저당량비 조건에서는 연료측 희석이 공기측 희석보다 더 높은 NO_x 저감 효과를 나타내었으며, 당량비가 증가할수록 이러한 차이는 감소하였다. 셋째, 희석제 종류에 따른 NO_x 배출 특성은 단순한 열용량 효과만으로 설명되지 않았으며, 운동량속비 변화에 따른 혼합 특성과 희석제의 화학적 특성이 복합적으로 작용하는 것으로 나타났다. 특히 CO₂ 희석은 N₂ 희석에 비해 동일한 열용량 조건에서도 더 낮은 NO_x 배출량을 보였으며, 이는 열적 NO_x 생성에 직접적으로 관여하지 않는 희석제의 특성과 관련된 것으로 해석된다.

이상의 결과를 바탕으로 다음과 같은 공학적 시사점을 도출할 수 있다. (1) 수소 기반 연료의 높은 화염 속도로 인한 역화 위험을 고려할 때, 완전 예혼합 연소보다는 부분 예혼합 연소 방식이 적용될 필요가 있으며, 동시에 NO_x 저감을 위해 혼합 특성과 화염 온도를 제어할 수 있는 노즐 설계가 요구된다. (2) 희석을 이용한 NO_x 저감 시, 희석제가 반응 영역을 효과적으로 통과할 수 있도록 희석 위치를 최적화하는 것이 중요하며, 특히 희박 연소 조건에서는 연료측 희석이 더 효과적인 전략이 될 수 있다.