1. 서 론

운송수단 및 발전용으로 오래전부터 사용된 화석연료는 인류의 발전에 많은 공헌을 하였지만, 연소로 발생한 NO_x, CO, PM과 같은 다양한 오염물질은 환경에 심각한 피해를 주고 있어 최근 그 규제가 강화되고 있다. 이에 따라 현재 보일러 등 연소 기반 산업에서는 연소 공정에서의 전반적인 관리를 통해, 각종 오염물질 배출량을 저감하기 위한 방안을 검토 및 적용 중이다. 일례로 현재 화력 발전소에서는 NO_x 배출량을 줄이기 위해 연소 후처리 단계에서 선택적 촉매 환원 장치를 적용하고 있다. 이 장치는 실제로 80%의 NO_x 저감효과가 있으나, 시설투자비 및 공간 문제로 인해 소규모 시설에는 적용하기 어렵고 유지 및 보수 비용이 많이 소요된다는 단점이 있다. 한편, 간단한 설비만으로도 각종 오염물질을 저감시키고 연소효율을 향상할 수 있는 연소 보조 시스템이 그동안의 많은 연구를 통해 소개되고 있다. 특히 최근에는 능동적인 연소 제어 방법으로서, 연소 단계에서도 화염의 특성 및 거동을 임의로 조절할 수 있는 플라스마 및 전기장 연소 보조 시스템 연구가 국책사업 및 공공기관 등에서 활발히 진행 중이다[1,2]. 특히, 전기장을 이용한 연소 보조 시스템은 화염 에너지의 1/1000 정도의 에너지만을 사용하면서도 화염의 특성을 능동적으로 조절할 수 있다는 점에서 향후 활용범위의 확대가 기대되고 있다.

전기장과 화염 간의 상호작용은 연소 과정 동안 발생한 이온의 이동으로 이루어진다. 전기장이 인가되지 않은 조건에서 화염 내부의 이온은 반응 영역에 존재하다가 전기장이 인가되면 Fig. 1과 같이 로런츠힘에 따라 해당 이온들이 각각 서로 반대 극성을 향해 이동하게 된다. 양이온 및 전자의 이동 중 경로상에 존재하는 중성 라디칼과 충돌하면 모멘텀 천이에 의해 벌크 유동이 생성되는데 이를 이온풍(ion wind)이라고 한다. 이러한 이온풍은 화염의 특성을 변화시키고, 결과적으로 연소 효율 및 오염물질 배출 특성 등 다양한 영향을 미친다.

Fig. 1.

Movement of ions in premixed flame under electric field.

이온풍을 통한 화염 제어는 코로나 방전 제어에 비해 비교적 작은 전압으로도 화염을 조절할 수 있다는 장점이 있어 많은 선행 연구가 진행되었다. Starikovskii 등은 전기장을 이용하여 희박 분젠 예혼합 버너에서 배출되는 오염물질 저감효과를 분석하였다[3]. 연구 결과 전기장의 영향에 의해 희박 연소 한계가 확장되어, 더 낮은 온도의 화염을 형성하여 NO_x를 약 40%만큼 절감할 수 있다고 보고하였다. Zhen 등은 층류 예혼합 화염의 안정성, 온도에 대한 DC 전기장의 영향을 실험적으로 파악하였다[4]. 연구 결과 화염의 blowoff 특성 및 화염의 온도가 전기장의 영향으로 변화되었다. Altendorfner 등은 다양한 당량비에서 화염 속도 및 화학 라디칼의 분포에 대한 DC 전기장의 영향을 연구하였다[5]. 연구 결과 OH^* 및 CH^*이 전압 증가에 따라 화염 전면 부근에서 신호강도가 증가하였고, 화염 속도의 변화가 나타났으며 배기가스 영역이 확장되는 결과가 나타났다. 다만 기존의 연구에서 확인한 전기장 내 화염 특성은 주로 반응 영역 부근 배기가스 영역에 집중된 경우가 많으며, 전기장 인가에 따른 화염 및 화염 유동장에 대한 특성 변화를 확인한 연구 사례는 부족하다.

본 연구에서는 전기장 인가 시 프로판 희박 예혼합 화염의 화학 자발광 이미지, 유동장 온도

분포, NO_x 배출량 등을 실험적으로 측정하여 전기장 인가에 따른 화염 특성 변화를 종합적으로 확인하였다.

2. 실험방법

Fig. 2 는 실험 시스템을 나타낸 개략도이다. 시스템은 프로판 예혼합 버너, 고전압 공급장치(High Voltage Supply), 연료 및 압축공기 유량 조절 시스템(MFC, Mass Flow Controller), sCMOS 카메라, 열전대, 배기가스 분석 장치(Gas Analyzer) 등으로 구성되어 있다.

Fig. 2.

Experimental setup.

2.1 프로판 예혼합 버너

프로판 예혼합 버너는 길이가 150 mm, 내경이 15 mm인 스테인리스 재질이며, 버너 내부에는 허니콤과 철망 시트를 배치하여 유동이 노즐 출구에서 균일하게 형성되도록 하였다. 연료는 프로판(99.5%)과 공기가 각각의 MFC를 통해 공급되고 Mixing Chamber에서 예혼합 후 버너 노즐로 공급하였다. 노즐로 공급되는 유량은 총 17 L/min이며, 버너 직경 15 mm 기준으로 유속은 1.6 m/s 로 계산되었다. 이때 관내 레이놀즈수는 식 (1)을 통해 계산되며 본 실험 조건에서는 Re = 1627로 층류(Re < 2000) 유동 조건을 형성하였다.

해당 식에서 𝜌는 미연 혼합물의 밀도, V는 관내 유속, d는 관의 직경, 𝜇는 미연 혼합물의 점성계수이다. 실험에서 설정한 당량비는 이론 당량비(프로판 : 공기 = 1 : 24)에 가까운 희박 당량비(프로판 : 공기 = 1 : ２5)에 해당한다. 또한 주변 유동에 의한 교란을 최소화하고 화염 유동장의 온도를 관측하기 위해 길이 500 mm, 내경 90 mm의 석영관을 설치하였다.

2.2 전기장 발생 장치

본 연구에서 전기장은 화염의 진행 방향과 평행한 방향으로 형성하였다. 이를 위해 버너 표면 상단 15 mm에 위치한 직경 50 mm인 고리 형태의 전극에 DC 고전압 장치(GLASSMA HIGH VOLTAGE≤±5 kV)를 연결하였으며, 버너에는 그라운드 전선을 연결하였다. 화염면 및 후류 영역의 직경은 약 15 ~ 20 mm 까지 형성되었기 때문에 화염 유동에 대한 전극의 간섭은 발생하지 않았다. 본 실험에서 전압은 0 kV, 2 kV, 4 kV로 설정하였으며, 이때 전기장의 세기는 4 kV 의 전압 인가 시 최대 266 kV/m로, 아크방전이 발생하지 않는 조건에서 실험을 수행하였다.

2.3 온도 측정 시스템

석영관 내부의 유동장 온도를 측정하기 위해서 크게 접촉식과 비접촉식 방법을 고려해 볼 수 있다. 접촉식은 측정하고자 하는 화염에 열전대를 삽입한 후 온도를 직접적으로 측정하는 방식이다. 이러한 방법은 내부 유동에 영향을 미친다는 단점이 존재하나, 실험 방법이 간편하고 직관적이며 그 결과가 정확하다는 장점이 있어 많은 연구자들에 의해 사용되었다[6,7]. 본 연구에서는 실험 조건, 비용, 실험 용이성 등을 고려하여 열전대를 이용한 접촉식 온도 측정 방법을 통해 내부의 유동장 온도를 측정하였다. 유동장의 온도 측정을 위해 R-type, B-type 열전대와 열전대 데이터를 읽어들이는 DAQ를 사용하였다. 실험에 사용된 R-type 및 B-type의 온도 분해능은 모두 0.1°C이며 R-Type의 측정 오차는 약 ±1.5°C, B-Type의 측정 오차는 800°C 이상의 온도에서 ±0.5°C이다. Fig. 2 에서 확인할 수 있듯 유동장의 온도를 고려하여 유동장의 상류 부근(80 mm ~ 140 mm)까지는 B-type, 하류 부근(160 mm ~ 200 mm)에는 R-type 열전대를 동시에 사용하여 온도를 측정하였으며, 버너 중심 기준 반경 방향으로 0, 5, 10, 20, 30 mm 지점, 축 방향으로 80 mm ~ 200 mm 까지의 영역을 순차적으로 측정하였다. 실험의 정확성을 위해 온도 데이터는 각 포인트에서 수렴한 후 1분간 총 30회 측정하여 이를 평균하는 방식으로 수집하였다. 모든 열전대의 직경은 4 mm, bead의 직경은 0.5 mm이며 복사로 인한 열 손실을 고려하기 위해 다음 식을 통해 보정 작업을 수행하였다.

이때 T_g는 화염 유동장의 실제 온도, T_p는 열전대로 측정된 온도, ε는 방사율, σ는 스테판-볼츠만 상수, h_c는 열대류 계수를 의미한다. 여기서 h_c는 식(3)를 통해 계산된다.

위 식에서 k는 열전도도이며, d는 열전대 bead의 직경, c_p는 비열, μ는 점성계수 ρ는 밀도이다. 여기서 k, c_p, μ, ρ는 온도에 따라 변화되는 상수에 해당한다. 본 연구에서 방사율 ε의 경우, bead 직경 0.5 mm를 기준으로 약 0.11에 해당한다[8].

또한 열전대 bead 부분에 전기장에 의한 간섭이 발생할 가능성이 있으므로 상온 실험을 통해 열전대 측정 온도에 미치는 영향을 파악하였다. 실험 결과, 모든 전압에서 약 0.5°C 미만의 차이가 발생하는 것을 확인하였고 이를 통해 전기장이 열전대에 직접적으로 미치는 영향은 매우 미미한 것으로 파악되었다.

2.4 배기가스 분석 및 라디칼 광학 측정

실험 조건에 따른 오염물질 변화를 확인하기 위해 배기가스 분석장치(Ecom사 MK 6000+)를 사용하였다. 본 장치는 CO₂, CO, NO_x, SO_x 등 다양한 종류의 오염물질을 측정할 수 있으나 본 연구에서는 주로 NO_x를 측정하였다. NO_x의 경우, 본 장치는 0 ppm ~ 7000 ppm 까지의 농도 측정이 가능하며 측정 오차는 ±5 ppm(error : 2%) 정도로 정확한 측정을 수행한다. 장치의 프로브는 유동 하류에 법선 방향으로 설치되어 NO_x의 농도를 실시간으로 측정하였다. 또한 내부의 공기 조성이 변화되는 것을 방지하기 위해서 최대한 밀폐된 조건에서 수행하였다.

탄화수소계 연료의 연소에서 생성되는 중간 라디칼은 연소 과정 동안에서의 고온 영역 및 반응 영역을 확인할 수 있는 요소로 많이 활용되고 있다[9,10]. 대표적인 중간 라디칼로는 OH^*, CH^*, C₂^*이 존재하며, 특정 파장 대역에서 강한 신호가 검출된다. 이 중에서도 OH^*은 체류시간이 길고, 넓게 분포하고 있어 화염의 거동 및 온도 특성을 확인하는데 도움을 준다. 본 연구에서는 화염의 자발광 신호를 광학적으로 계측하기 위해 CH^*(430 nm), C₂^*(514 nm), OH^*(310 nm) 영역의 Bandpass 필터가 장착된 sCMOS 카메라를 화염 상류 영역에 배치하였다. 또한 광학 필터별 노출 시간을 조정하여 각각 5장의 이미지를 취득하였으며, 이를 MATLAB 이미지 프로세싱을 통해 특정 광도 이상의 영상만을 추출하여 가시성을 높였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 화염의 Radical 자발광 특성

Fig. 3은 전기장에 따른 라디칼의 자발광 신호를 나타낸다. Fig. 3(a)의 경우, OH^* 분포가 붉은색으로 표시된 영역에서 가장 많이 분포하고 있으며 양전압 4 kV 조건에서 버너 및 유동장의 하류 방향으로 확장되는 경향을 보였다. 반면, 음전압에서 해당 영역의 길이가 짧아지고 반경 방향으로 약간 확장되는 현상을 보였다. 이는 양이온이 반대 극성으로 이동함에 따라, 중간 라디칼에 전기적 체적 힘을 전달하여 중간 라디칼들의 위치가 변하였기 때문이다. Fig. 3(b)의 경우, CH^*은 OH^*에 비해 화염 후류 영역에서 신호강도가 약하나 OH^*과 전압별로 유사한 양상을 보였다. 이러한 결과는 OH^*의 생성 반응에 CH^*이 주로 관여하며 OH^*에 비해 CH^*의 형광 수명이 짧기 때문이다. 반면 Fig. 3(c)의 C₂^* 은 주로 반응 영역에 분포하고 전기장에 대한 영향이 거의 발생하지 않는 현상을 보였다. 이는 OH^* 및 CH^*에 비해 C₂^*이 비교적 형광 수명이 짧으며 C₂^*은 주로 반응영역에 분포하기 때문이다.

Fig. 3.

Chemiluminescence of (a) OH Radical, (b) CH Radical, (c) C₂ Radical in different voltages.

자발광 결과에서 나타난 라디칼의 분포를 통해 추정해 볼 때 양의 전기장이 인가됨에 따라 화염의 고온 영역이 확장되고 이 영역이 버너 표면 쪽으로 압축될 것으로 예상되었다. 반면, 음의 전기장에서는 고온 영역이 화염 후류로 이동될 것으로 예상되었다. 화염 자발광 측정을 통해 화염 주위의 전기장 인가는 화염의 라디칼 분포를 변화시켰으며, 이를 통한 내부 화염 및 유동장의 온도 변화 또한 예상해 볼 수 있었다.

3.2 유동장 온도 분포

석영관 내부의 유동장 온도 분포 데이터는 연소 효율, 열전달 양상, NO_x의 생성 원인 등을 파악하는 데 주요한 인자로 사용된다[11,12]. 앞서 설명한 온도 측정 방법으로 석영관 내부 총 35개 지점에서 온도 데이터를 획득하였고, 이를 온도장 형태로 표현하기 위해 Origin 프로그램을 사용하였다. 이때, 온도장 내부의 검은 점 부분은 실제 온도 측정 포인트이다.

Fig. 4(a) ~ (d)는 화염에 전기장이 인가되지 않았을 때와(왼쪽) ±2, 4 kV가 인가되었을 때(오른쪽)를 비교한 그래프이다. 전기장이 인가되지 않은 조건에서는 그림에서 볼 수 있듯이 고온 영역(1500 K 이상)이 축 방향으로 200 mm 까지 길게 형성되는 모습을 보였으며, 중심에서 반경 방향으로 멀어질수록 유동장의 온도가 급격하게 감소하는 양상을 보였다.

Fig. 4.

Temperature distribution of flow field in the case of (a) 0 kV, -2 kV, (b) 0 kV, +2 kV, (c) 0 kV, -4 kV and (d) 0 kV, +4 kV.

반면 링 전극에 음전압이 인가되었을 때, - 2 kV에서는 높이 120 mm 정도부터 벽 근처(30 mm)부근의 중온(약 800 K) 영역이 다소 확장되었으며(그래프 내 1), (그림에 1로 표시) 전압이 –4 kV로 증가 되었을 때에는 화염의 고온 영역이 축 방향으로 120 mm 까지 축소되고 대신 유동장의 온도가 상대적으로 균일해졌다. 이는 음전압의 영향에 의해 화염이 반경 방향으로 확산하면서 중심 고온 영역의 유동이 그에 따라 중온 영역으로 분산되었기 때문이다.

전극에 양전압이 인가되었을 때, +2 kV에서는 고온 영역이 180 mm 부근에서 버너 쪽으로 수축하는 모습을 보였고, 벽 근처(30 mm)의 온도가 전체적으로 감소하였다. 이러한 경향은 전압의 세기가 +4 kV로 인가되었을 때 더욱 현저해졌으며, 고온 유동장의 면적 또한 음전압의 경우와 동일하게 감소하였다. 이는 화염 라디칼이 양이온과의 충돌로 전극 중심 및 버너 표면으로 이동하면서 주 반응 영역이 유동장의 중심 및 아래쪽으로 형성되었기 때문이다. 실험의 전반적인 온도 분포 특성은 앞서 확인한 라디칼의 분포와 유사함을 확인하였으며, 상대적으로 측정이 간편한 라디칼을 통해 석영관 내부 온도장의 분포를 간접적으로 확인하였다.

전압에 따른 내부 온도장의 변동성을 나타내기 위해 중심축 온도의 시간에 따른 변화를 Fig. 5(a) ~ (b)의 그래프로 나타내었다. 전기장이 인가되지 않은 조건에서는 측정값 간의 차이가 거의 발생하지 않을 정도로 안정한 유동장을 형성하였다. 반면 전극에 전압이 인가되었을 때 전압이 증가할수록 온도의 변동이 증가하였다. 이러한 변동은 이온풍이 버너 중심 및 버너 표면 쪽으로 강하게 형성됨에 따라, 후류로 향하는 유동과 이온풍으로 인한 유동이 지속해서 충돌하기 때문이다. 특히 -4 kV에서 온도장이 매우 불안정해졌는데, 이는 음전압 조건에서 전극 및 반경 방향으로 화염이 확산하려는 경향으로 인해 축방향 모멘텀에 영향을 미쳤기 때문으로 생각된다.

Fig. 5.

Deviation of temperature during the measurement at (a) 80 mm, (b) 140 mm.

3.3 NO_x 생성 특성

선행 연구에 따르면, 전기장의 영향으로 화염의 최대 온도 및 화염의 온도 분포에 따라 NO_x의 농도에 다양한 영향을 미치는 것으로 보고되었다[13]. 이에 따라 본 연구에서는 배기가스 측정 장치를 이용하여 실험 조건에 따른 NO_x의 농도를 측정하였다. 전압에 따른 NO_x의 농도를 최대한 정확하게 계측하기 위하여 각 측정 케이스마다 충분히 계측값을 안정시킨 후 기록하였다.

Fig. 6을 통해 확인 가능하듯, 양전압 인가 시 NO_x의 농도가 최대 19% 정도로 증가하였으며, 음전압에서 NO_x의 농도가 최대 6.8% 만큼 감소하였다. 이러한 현상에는 복합적인 요인이 있겠지만 thermal NO_x 의 변화가 지배적인 요인이며, 이는 전기장이 인가되었을 때 고온 영역이 확장되거나 축소되는 현상과 밀접한 관련이 있다.

Fig. 6.

Variation of NO_x emissions in different voltage.

Fig. 3(a)에서 볼 수 있듯이, 양전압 조건에서 NO_x가 증가한 원인은 고온 영역 확장되었기 때문이다. 반면 음전압에서의 NO_x 감소는 Fig. 3(a) 및 Fig. 4(a), (c)에서 볼 수 있듯이, 고온 영역이 축소되고 반경 방향으로 분산되었기 때문이다. 이를 통해 화염 내 적절한 전기장 인가를 통해 화염 및 유동장의 온도를 능동적으로 변화시킬 수 있고, 궁극적으로 질소산화물의 생성을 조절할 수 있음을 확인하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 프로판 예혼합 화염에 전기장을 인가하였을 때 화염의 특성을 실험적으로 관찰하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1)화염의 고온 영역을 나타내는 CH^* 및 OH^* 자발광 측정 결과를 통해 양의 전기장에서 버너 표면 쪽으로 화염이 수축하는 양상을 보였으며, 음의 전기장에서는 반경 방향으로 약간 확장되는 현상이 관찰되었다.

2)화염 유동장의 온도 측정 결과를 통해 양의 전기장이 인가된 조건에서 전압이 증가함에 따라 유동장이 중심 및 아래쪽으로 수축하는 양상을 보였으며, 음의 전기장이 인가된 조건에서 전압이 증가함에 따라 유동장이 석영관 벽 쪽을 향해 균일하게 형성되는 양상을 확인하였다.

3)NO_x 측정 및 변화율 결과를 통해 양의 전기장이 인가된 조건에서 NO_x의 농도가 약 19% 증가하였으며, 음의 전기장 조건에서는 NO_x의 농도가 약 6.8% 감소하는 효과를 보였다.

기 호 설 명

OH^* : OH radical

CH^* : CH radical

C2^* : C2 radical

DC : Direct Current

NO_x : Nitric oxides