Combustion Characteristics of Partially Premixed H2 Combustor : NOx emission, Flashback and Combustion Instability = 수소 부분 예혼합 연소기의 연소 특성:NOx 배기 , 역화 , 그리고 연소불안정 특성

국문 초록 (Abstract)

기후 변화에 대응하기 위한 탈탄소 정책이 전 세계적으로 강화됨에 따라, 무탄소 연료인 수소를 활용하는 가스터빈 기술이 주목받고 있다. 하지만 수소는 기존 탄화수소 연료와 다른 연소 특성을 가지므로, 이를 가스터빈 연료로 활용하기 위해서는 역화, 연소불안정 특성 변화, 그리고 질소산화물 배출 증가라는 세 가지 핵심적인 기술적 난제를 해결해야 한다.
본 연구는 이러한 문제들을 해결하기 위한 실험적 연구를 수행하였으며, 각 장에서 단계적으로 해결책을 모색하였다. 먼저, 기존의 스월(swirl) 안정화 연소기에서 역화 억제 성능을 강화하고자 스월러 후단에 연료를 분사하는 리트로핏(retrofit) 노즐을 설계하였다. 이 노즐은 짧은 혼합 거리를 통해 부분 예혼합 화염을 형성하며, 이를 이용해 역화와 연소불안정 연구(3.1장, 3.2장)를 진행하였다. 이후, 수소 가스터빈의 최신 기술 동향인 다중 노즐 마이크로 믹서(MMX) 타입 연소기에 주목하여, 이의 장점을 활용하고 단점을 보완하는 연구(3.3장)를 수행하였다.
첫째, 3.1장에서는 설계된 리트로핏 스월 연소기에서 당량비와 유속을 조절하며 화염 구조 변화를 분석하였다. 그 결과 화염이 V형, M형, 그리고 노즐 내부에 고정되는 역화 상태인 좁은 M형(Narrow-M)의 세 가지 구조로 변화함을 확인했다. 이 과정의 정밀 분석을 위해 OH* 자발광 계측과 입자 영상 유속계(PIV)를 동시 측정하였고, 노즐 내부 유동장은 수치해석(ANSYS Fluent)을 통해 분석하였다. 이를 통해 노즐 내의 국소적인 연료 분포 변화가 화염 구조를 결정하는 핵심 요인임을 밝혔으며, 특히 역화가 발생하는 과정(M→N-M)에서 화염의 내부 재순환 영역(IRZ)이 화염 외부로 밀려나며 소멸하는 현상이 역화의 직접적인 메커니즘임을 규명하였다.
둘째, 3.2장에서는 단일 및 이중 노즐 연소기를 구성하고, 연소실 길이와 당량비를 바꿔가며 연소불안정 지도(instability map)를 작성하였다. 실험 결과, 관측된 모든 불안정은 화염의 열방출과 음향파가 상호작용하는 열음향 연소불안정임을 확인하였다. 특히 이중 노즐 구성에서는 단일 노즐과 달리 긴 연소기 조건에서 발생하는 고주파 불안정이 억제되었다. 고속 OH* 자발광 이미지의 FFT 분석을 통해, 이러한 억제 현상이 두 화염 간의 상호작용으로 인해 열방출 섭동에 국지적인 위상 지연이 발생하기 때문임을 확인하였다.
마지막으로 3.3장에서는 역화에 강점을 갖는 마이크로 믹서(MMX) 타입 노즐의 단점인 NOx 배출 문제를 해결하고자, 접선 방향으로 연료를 분사하여 유동에 스월을 유도하는 방식을 고안하였다. 분사 거리와 당량비에 따라 변화하는 연료 유도 스월 수(Sf)가 화염을 통합(IF), 부상 4분할(LQF), 부착 4분할(AQF) 화염으로 변화시키는 것을 확인하였고, 각 구조에 따른 NOx 배출 특성을 비교 분석하였다. 그 결과, 화염을 여러 개로 분리하는 전략이 고온부의 가스 체류 시간을 효과적으로 단축시켜 NOx를 선형적으로 저감시켰으며, 특히 AQF 구조가 가장 넓은 운전 안정성과 가장 낮은 NOx 배출량을 동시에 달성하여 가장 우수한 설계임을 입증하였다.
본 연구의 결과들은 수소 연소의 핵심 난제에 대한 포괄적인 이해를 제공하며, 향후 더 안정적이고 친환경적인 수소 가스터빈 설계에 기여할 기초자료가 될 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Global warming, driven by the accumulation of greenhouse gases from fossil fuel combustion, poses an existential threat, necessitating a transition to cleaner energy sources. Hydrogen is a promising carbon free fuel, but its adoption in gas turbines faces challenges including elevated NOx emissions, flashback, and altered combustion instability characteristics. This study investigates these critical issues in partially premixed hydrogen flames using single and dual nozzle combustor configurations to provide fundamental insights and suggest solutions.
First, the flashback process in a swirl-stabilized combustor designed with a short mixing length was investigated. The process was found to occur in two distinct stages: an initial transition from a V-shaped to an M-shaped flame, driven by the upstream movement of the inner recirculation zone (IRZ) due to changes in fuel distribution, followed by the flashback where the flame transitions to a Narrow-M (N-M) structure. This final step is governed by the balance between local flame speed and flow velocity, which leads to the separation and eventual disappearance of the.
Second, the thermo-acoustic combustion instability characteristics of single- and dual-nozzle configurations were compared to understand the effects of flame-to-flame interaction. While both setups exhibited longitudinal instability modes, the dual-nozzle configuration effectively suppressed high-frequency instability at longer combustor lengths. This out-of-phase region is attributed to the flame interaction, which induces a longitudinal phase delay in heat release perturbations and attenuate the instability.
Finally, to address the challenge of NOx emissions in a Micro-mixer (MMX) type nozzle, a tangential fuel injection method was employed to generate a fuel-induced swirl. This strategy successfully separated the flame into distinct Integrated, Lifted-Quadruple, and Attached-Quadruple Flame (AQF) structures. The investigation revealed that this swirl-induced flame separation leads to a linear decrease in NOx emissions by shortening the residence time of combustion gases in the high-temperature reaction zone. The AQF configuration was identified as the most promising, exhibiting both the lowest NOx emissions and the widest operational stability range.
These findings provide a comprehensive understanding of the key challenges in hydrogen combustion and offer fundamental data that can contribute to the design of more stable and environmentally friendly hydrogen-fueled gas turbines.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• List of figure iv
• List of table ix
• Nomenclature x
• 1 Introduction 1
• 1.1 Research background 1
• 1.1.1 Global warming and transition in energy generation 1
• 1.1.2 Risk of hydrogen gas turbine: flashback, combustion instability, and emission 3
• 1.2 Research objective 8
• 2 Experimental setup 10
• 2.1 Combustor design 11
• 2.1.1 Flow control system 11
• 2.1.2 Data acquisition 12
• 2.2 Measurement devices 12
• 2.2.1 OH* Chemiluminescence: Flame visualization and heat output 12
• 2.2.2 Particle image velocimetry: Velocity field 13
• 2.2.3 Gas analyzer: NOx emission 13
• 2.2.4 Thermocouple: temperature point measurement 15
• 2.2.5 Dynamic pressure 15
• 3 Experimental result 16
• 3.1 Flashback process in partially premixed flame with single swirl stabilized nozzle combustor 17
• 3.1.1 Experimental setup and condition 18
• 3.1.2 Experimental result 22
• 3.1.3 Summary of subchapter 35
• 3.2 Comparison of Thermo-Acoustic Combustion Instability Characteristics in Single/Dual Nozzle Combustors 36
• 3.2.1 Experimental setup and conditions 37
• 3.2.2 Experimental result 41
• 3.2.3 Heat output special FFT 46
• 3.2.4 Summary of subchapter 50
• 3.3 NOx emission characteristics in Micro-mixer type single nozzle combustor 51
• 3.3.1 Comparison between swirl stabilized nozzle and MMX type nozzle 52
• 3.3.2 Experimental setup and condition 54
• 3.3.3 Experimental result 58
• 3.3.4 Summary of subchapter 67
• 4 Conclusion 68
• 4.1 Conclusion and limitations 68
• 4.2 Future work 70
• Reference 71
• Appendix 78
• Abstract in Korean 85