Experimental Investigation of NOx Reduction in Methane Swirl Flames under different composition of the oxidizer = 메탄 스월 화염에서 산화제 조성 변화에 따른 질소산화물 저감 특성 연구

국문 초록 (Abstract)

고온 연소 시스템에서 배출되는 질소산화물(NOx)은 특히 thermal NOx 생성이 온도에 강하게 의존한다는 점에서 여전히 심각한 환경 및 공중보건 문제로 남아 있다. 강화되고 있는 배출 규제에 대응하여, 본 연구에서는 고분자 중공사(hollow-fiber) 막 분리 시스템의 작동 원리에서 착안한 질소 희석 기반 산화제 조성 제어 전략을 제안한다. 제안된 방법은 산화제 내 질소 분율을 수동적으로 증가시키고 산소 농도를 감소시킴으로써, 버너 구조의 변경이나 능동적 피드백 제어 없이도 효과적인 thermal NOx 저감을 가능하게 한다.
실험은 대기압 조건에서 운전되는 예혼합 메탄–공기 스월 버너를 사용하여 수행되었으며, 산화제 조성은 세 가지 서로 다른 시험 조건에서 체계적으로 변화시켰다. 막 기반 공기 분리를 모사하기 위해 질소가 농축된 산화제를 공급하였고, NOx 배출량은 전기화학식 가스 분석기를 이용해 측정한 후 질소산화물 배출지수(EINOx)로 환산하였다. 화염 구조 및 반응 영역 특성은 CH* 자발광 이미징과 역 아벨 변환을 결합하여 분석하였으며, 이를 통해 화염 체적과 체류 시간을 정량적으로 평가하였다.
그 결과, 연료 유량과 열출력이 일정한 조건에서 질소 희석을 증가시킬수록 NOx 생성이 효과적으로 억제되었으며, 높은 질소 분율 조건에서 NOx 농도 기준(ppm, 15% O2 보정)으로는 최대 약 45%, EINOx 기준으로는 약 26%의 저감 효과가 확인되었다. 이러한 감소는 산소 농도의 감소와 단열 화염 온도의 저하에 기인하며, 이는 Zeldovich 메커니즘에 의해 지배되는 thermal NOx 생성을 효과적으로 억제한다. 반면, 공기 유량을 증가시킨 실험에서는 반응물 농도 증가와 온도 저하 효과가 경쟁적으로 작용하여 NOx 배출이 비단조적인 거동을 보였다. 총 산화제 유량을 일정하게 유지한 조건에서는 질소 분율 증가로 인해 화염이 길어지고 체류 시간이 증가하여, 온도 변화가 미미함에도 불구하고 NOx가 소폭 증가하는 경향이 나타났다.
종합적으로, 본 연구는 질소 희석이 화염 구조, 체류 시간, 그리고 thermal NOx 생성에 미치는 영향을 실험적 및 반응론적으로 규명하였다. 이러한 결과는 막 분리 개념을 적용한 산화제 조성 제어 방식이 단순하면서도 확장성이 뛰어난 NOx 저감 전략임을 보여주며, 버너 하드웨어의 수정 없이 산업용 버너 및 가스터빈 연소 시스템에 적용 가능한 유망한 개조 기술임을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Emissions of nitrogen oxides (NOx) from combustion processes operating at elevated temperatures continue to pose serious risks to both the environment and human health, largely because thermal NOx formation increases sharply with temperature. In response to increasingly stringent emission regulations, this study proposes a nitrogen-dilution-based oxidizer composition control strategy inspired by the operating principle of polymeric hollow-fiber membrane separation systems. By passively increasing the nitrogen fraction in the oxidizer while reducing the oxygen concentration, the proposed approach enables effective thermal NOx mitigation without requiring structural modifications to the burner or active feedback control.
Experiments were conducted using a premixed methane–air swirl burner operated at atmospheric pressure, with oxidizer composition systematically varied under three distinct test conditions. Nitrogen-enriched oxidizers were supplied to simulate membrane air separation, and NOx emissions were quantified using an electrochemical gas analyzer and expressed as emission indices (EINOx). Flame structure and reaction-zone characteristics were analyzed through CH* chemiluminescence imaging combined with the inverse Abel transform, enabling quantitative evaluation of flame volume and residence time.
The results show that, under constant fuel flow and thermal output, increasing nitrogen dilution significantly suppresses NOx formation, with a maximum reduction of approximately 45% in NOx concentration (ppm, corrected to 15% O₂) and 26% in EINOx at high nitrogen fractions. This reduction is primarily attributed to decreased oxygen concentration and lowered adiabatic flame temperature, which suppress thermal NOx formation governed by the Zeldovich mechanism. In contrast, experiments involving increased air flow exhibited non-monotonic NOx behavior due to competing effects of increased reactant concentration and temperature reduction. Under constant total oxidizer flow conditions, increased nitrogen fraction resulted in elongated flames and extended residence times, leading to a slight increase in NOx emissions despite minimal temperature change.
Overall, this work combines experimental observations with chemical kinetic analysis to clarify how nitrogen dilution influences flame geometry, residence time, and thermal NOx generation. The findings highlight the practicality and effectiveness of membrane-inspired oxidizer composition control as a simple and scalable NOx reduction strategy, offering strong potential for retrofit application in industrial burners and gas turbine combustion systems.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iii
• List of Tables iv
• List of Figures v
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Importance of study 1
• 1.2. NOx emission 2
• 1.3. General solution 4
• 1.4. Motivation 5
• 1.5. Purpose of study 7
• Chapter 2. Methodology 8
• 2.1. Chemical kinetics 8
• 2.2. CH* chemiluminescence 10
• 2.3. Abel inversion and Residence time 11
• Chapter 3. Experimental setup 15
• 3.1. Swirl burner 15
• 3.2. Gas analyzer 19
• 3.3. Test conditions 21
• Chapter 4. Result and Discussion 24
• 4.1. Effect of nitrogen addition on NOx emissions 24
• 4.2. Effect of air addition on NOx emissions 27
• 4.3. Effect of nitrogen fraction under constant oxidizer flow 30
• Chapter 5. Conclusion 36
• Bibliography 37
• 국문 초록 40