암모니아/메탄 혼합비에 따른 화염전파속도와 NOx 배출에 관한 수치해석 = Numerical analysis of flame propagation speed and NOx emmision by ammonia/methane mixing ratio

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Numerical analysis of flame propagation speed and NOx Emmisions by Ammonia / Methane Mixing Ratio Lee, Jong Ung (Supervisor Lee, Soo Ryong) Dept. of Production Technology Convergence Engineering Graduate School of industry Seoul National University of Science and Technology This study presents a numerical analysis of flame propagation speed and NOx emissions for ammonia (NH₃) and methane (CH₄) blended fuels, which are gaining attention as low-carbon energy sources. Flame propagation speed is a critical parameter that influences the stability of combustion reactions and serves as a foundation for combustor design. A systematic investigation was conducted focusing on key influencing factors such as equivalence ratio, initial temperature, and pressure. The variation in flame speed across different fuel mixtures was quantified and validated through comparison with existing literature to ensure the reliability of the results. Based on the findings, a correlation model combining power law, quadratic, and cubic equations was proposed to describe the relationship between flame speed and fuel composition. The corresponding coefficients were also derived to reflect changes in fuel ratio. The proposed model is expected to contribute to the design and simulation of combustor operating conditions and serve as a foundational reference for evaluating the practical viability of NH₃based fuel blends. 감사의 글 본 연구는 서울과학기술대학교 산업대학원 생산기술융합공학과에서 이루어졌으며, 연구를 진행하는 과정에서 많은 분들의 도움과 지원이 있었습니다. 학업과 직장 생활을 병행해야 하는 상황 속에서 지속적으로 시간에 쫓기며 논문을 작성하는 것이 쉽지 않았습니다. 연구를 진행하면서 저 자신의 부족함을 마주하며 어려움을 겪었지만, 그 모든 과정에서 아낌없는 응원과 격려를 보내준 와이프와 가 족들이 있었기에 끝까지 논문을 완성할 수 있었습니다. 이 자리를 빌려 깊은 감사 의 마음을 전합니다. 또한, 본 논문의 주제 선정부터 연구의 방향 설정, 이론 정립에 이르기까지 학문적 지도는 물론 깊은 관심과 지속적인 격려를 아끼지 않으신 이수룡 교수님께 깊은 감 사의 말씀을 드립니다. 연소공학 수업을 통해 교수님의 학구열과 열정에 감명받아 논문을 써보겠다는 다짐을 하게 되었고, 오히려 저에게 "관심을 가져줘서 감사하다 "라고 말씀해 주셨던 순간이 아직도 기억에 남습니다. 그 한마디가 논문을 끝까지 완성할 수 있는 원동력이 되었습니다. 항상 귀중한 조언과 따뜻한 지도를 해주시며, 연구 과정에서 마주한 어려움과 막힘 을 해결할 수 있도록 도와주신 교수님께 다시 한번 깊은 감사의 말씀을 전합니다. 마지막으로, 연구를 수행하는 동안 격려와 응원을 아끼지 않은 모든 분들께 진심으 로 감사드립니다.

목차 (Table of Contents)

• 요약· ⅰ
• 표목차 ⅱ
• 그림목차 ⅲ
• 기호설명 ⅳ
• 1. 서 론 1
• 2. 이론적 고찰· 2
• 2.1 화염전파속도의 개념 2
• 2.2 화염전파속도에 미치는 영향 인자 3
• 3. 지배방정식 및 수치해석방법· 5
• 3.1 지배방정식 및 경계조건 5
• 3.2 암모니아/메탄 상세 화학반응 메커니즘 6
• 3.3 수치해석 방법 7
• 3.4 수치해석 신뢰성 검증· 9
• 4. 계산결과 및 고찰 10
• 4.1 혼합비에 따른 층류 화염전파속도 및 상관관계식· 11
• 4.2 변수 변화에 따른 층류 화염전파속도(SL) 분석· 17
• 4.2.1 당량비에 따른 영향· 17
• 4.2.2 온도에 따른 영향 17
• 4.2.3 압력에 따른 영향 19
• 4.3 혼합 연료의 화염 특성 24
• 4.3.1 연료 혼합 시 고려사항· 24
• 4.3.2 화염구조와 NOx 배출 측성· 26
• 5. 결 론· 30
• 참고문헌 31
• Abstract 34
• 감사의글 35
• ⅰ 요 약
• 제 목 : 암모니아/메탄 혼합비에 따른 화염전파속도와 NOx 배출에
• 관한 수치해석
• 이에 본 연구에서는 저탄소 연료로 주목받고 있는 암모니아(NH₃)와 메탄(CH₄)의 혼합
• 연료를 대상으로, 연소 특성 중 하나인 층류화염전파속도에 대해 체계적으로 분석하였다.
• 층류화염전파속도는 연소 반응의 전파 안정성과 연소기 설계의 기초가 되는 핵심 변수로,
• 이에 영향을 미치는 당량비, 온도, 압력등의 조건을 중심으로 실험적·이론적 접근을 수행하
• 였다. 특히, 다양한 혼합 연료 조성에 따른 화염속도의 변화 경향을 계량화하고, 기존 문헌
• 과의 비교를 통해 측정 데이터의 신뢰성을 검증하였다.
• 이를 바탕으로, 화염속도를 거듭제곱 법칙과 이차 방정식,삼차 방적식을 결합한 형태의 상
• 관식으로 정리하였으며, 연료 조성에 따른 계수 변화도 함께 제시하였다. 해당 모델은 연소
• 기의 운전 조건 설계 및 시뮬레이션 기반 예측에 활용 가능하며, NH₃ 기반 연료의 실용화
• 가능성 평가에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
• ⅱ 표 목 차
• Table 1. Complementary properties of ammonia and methane 6
• Table 2. Numerical analysis procedure 8
• Table 3. Quadratic correlation coefficients of flame speed for NH3/CH4 mixtures 13
• Table 4. Cubic correlation coefficients of flame speed for NH3/CH4 mixtures 15
• Table 5. Temperature-dependent () and pressure-dependent (β) correlation
• coefficients of flame propagation velocity 21
• Table 6. Temperature-dependent () and pressure-dependent (β) correlation
• coefficients of flame propagation velocity for various equivalence ratio 22
• Table 7. Comparison of ammonia and methane properties 24
• Table 8. Comparison of NOx Emission Mechanisms 26
• `
• ⅲ 그림목차
• Fig. 1. Laminar flame speeds as a function of equivalence ratio 9
• Fig. 2. Distributions of temperature and species mol fraction as a function of
• distance for Pure NH3 : (a) Major (b) Minor 10
• Fig. 3. Laminar Flame speeds as a function of equivalence ratio for NH3/CH4
• mixtures 12
• Fig. 4. Comparison of numerical calculations and quadratic correlation curves of
• Laminar flame speed for NH3/CH4 mixture (a)NH3 20%, (b)NH3 100%· 14
• Fig. 5. Comparison of numerical calculations and cubic correlation curves of Laminar
• flame speed for NH3/CH4 mixture (a)NH3 20%, (b)NH3 100% 16
• Fig. 6. Laminar Flame speeds as a function of equivalence ratio for various initial
• temperature :(a) NH3-Air (b) CH4-air 18
• Fig. 7. Laminar Flame speeds as a function of equivalence ratio for various
• pressure :(a) NH3-Air (b) CH4-air 20
• Fig. 8. Comparison of numerical calculations and correlation curves of Laminar flame
• speed with respect to initial temperatures for NH3/CH4 mixture (a)NH3 20%, (b)NH3
• 100% 23
• Fig. 9. Variations of unburned NH3 with respect to equivalence ration for NH3/CH4
• mixtures 25
• Fig. 10. (a) NOx formation pathway of ammoniam (b) NOx formation pathway of
• methane 27
• Fig. 11. Variations of fuel and NO with respect to equivalence ratio for (a) NH3-air
• and (b) CH4-air 28
• Fig. 12. Variations of fuel and NO with respect to equivalence ratio for various
• NH3/CH4 mixtures (a)NH3 20%, (b)NH3 80% 29