본 연구에서 MILD 연소 조건의 달성 여부는 중요한 요인이다. Joannon이 정의한 Fig. 1의 연소 모드 표에 따르면 MILD 연소는 혼합기 혹은 산화제 입구 온도인 T_in이 연료의 자연발화 온도인 T_si보다 높아야 하고 화염의 온도(T_flame)와 T_in과의 온도 차인 ∆T가 T_si보다 낮아야 한다. 따라서 본 연구에서는 위 두 가지 조건을 만족하는 상태만을 MILD 연소 영역이라 부르고 화염의 온도인 T_flame에 큰 영향을 주는 MILD 연소 조건에서 고온의 산화제 내 산소 농도에 따른 화염거동을 비교하였다.

Fig. 3에 메탄과 수소의 혼합연료 중 H₂ 함량(수소 혼소율)과 산화제 중 산소 농도에 따른 OH* 자발광 이미지(좌)와 직접 사진 이미지(우)에 의한 화염거동을 나타내었다. 화염의 자발광인 OH* 라디칼 이미지에서 선명한 화염 이미지와 측정 센서의 손상을 고려하여 광 증폭기(intensifier)의 gain 값을 다르게 하여 측정하였다. 고온의 산화제 내 산소 농도 4%에서 gain 값은 80, 8%에서는 70, 12%에서 gain 값은 최대 gain 값 대비 60%로 조절하여 취득하였다. OH* 이미지와 직접 사진 이미지를 비교하면 산소 농도 4%, 8%에서 직접 사진 이미지에서는 육안으로 화염을 발견하기 어렵지만 신호가 증폭된 OH* 이미지에는 제트(jet) 형태의 화염이 존재하는 것을 볼 수 있다. 이전의 연구에 의하면 산화제가 낮은 농도의 산소 분위기가 되면 반응 영역(reaction zone)이 확장되어 무화염 연소 상태로 보여 마치 공간 연소 형태로 전환되는 것으로 알려져 있다^12,13). 이처럼 본격적인 MILD 연소 모드에 들어서기 전후 육안으로 판독하기 힘든 화염의 길이는 광 증폭기를 이용한 OH* 자발광 이미지를 취득함으로써 화염의 길이를 측정할 수 있게 되었다.

Fig. 3. 
Effect of H₂ content on flame behaviors of line-of-sight integral OH* chemiluminescence images (left) and direct images (right) at different O₂ fraction of hot gas oxidaant

Fig. 4는 본 연구의 수소 전소 조건 중 산소 농도에 따른 (단열)화염 온도(T_flame)를 chemkin code를 이용하여 구한 후 ∆T를 계산하여 Fig. 1의 연소 모드에 해당되도록 나타낸 도식도이다. Fig. 4에서 알 수 있듯이 산소 농도가 낮아질수록 열적 NO_x 생성이 억제되는 저온 연소가 특징인 4/4분면에 해당되는 MILD 연소 모드로 접어드는 것을 볼 수 있는데 이는 산소 농도가 낮을수록 연소 반응률이 낮아져 공간 연소 형태를 이루면서 반응 영역이 확장됨에 따라 단열화염의 온도가 상대적으로 줄어들어 ∆T가 낮아지기 때문인 것으로 판단된다. 본 연구에서 실제 화염의 온도는 계산된 단열화염 온도로 가정하였는데 산소 농도 4%인 조건은 MILD 연소에 도달하였고 12%인 경우는 Fig. 1의 1/4분면인 고온 연소 영역 내에 해당한다. 산소 농도 8% 경우에는 단열화염 온도임을 감안하면 MILD 연소와 고온 연소 영역 사이인 과도 상태의 거동을 보인다. 따라서 안정적으로 MILD 연소 구역에서 운전되기 위해서는 고온 산화제의 산소 농도를 낮게 유지하는 것이 MILD 연소 조건 달성에 유리함을 알 수 있다.

Fig. 4. 
Combustion mode change with different O₂ fraction at H₂ 100% in this work

무탄소연료인 수소 전소 및 혼소용 버너에서 NO_x의 연소 성능을 위해 수소 MILD 화염을 통한 효율적인 로체(furnace body) 설계와 손상 방지를 위해 수소 MILD 버너의 제트 화염 길이 예측이 필수적이다. MILD 연소의 화염 길이 예측을 위하여 기존의 탄소 기반 화석연료의 확산형 화염에서 유용하게 사용되는 식 (1)의 Roper 상관식이 무탄소연료인 수소 혼소 및 전소 상태에서도 적용 가능한지를 파악하였다. 이를 위해 본 연구에서 광 증폭기로 취득한 OH* 자발광 이미지로 MILD 모드 전후에서 화염 길이를 비교하였다^14-16).

여기서 Q˙_f는 연료의 체적 유량이고 T_∞와 T_F는 각각 산화제 온도와 연료 온도이며 S는 몰(mole)로 나타낸 이론 산화제-연료 혼합비이다.

Fig. 5는 수소 함량과 산화제의 산소 농도에 따른 화염의 길이 변화를 OH* 자발광 이미지로 취득한 실험값과 식 (1)의 Roper 식으로 계산된 값들을 비교한 그래프들이다. 고온의 산화제 내 산소 농도에 따라 화염의 형태가 육안으로 구분하기 힘든 점을 감안하여 정확한 화염대를 파악하고 그 길이를 측정하기 위해 광 증폭기를 이용한 OH* 이미지들로만 화염의 길이를 비교하였다. Fig. 5에서 나타난 두드러진 특징으로는 측정된 화염 길이에서 산소 농도가 일정할 때 수소의 함량이 증가할수록 화염의 길이가 짧아짐을 볼 수 있다. 이는 수소의 높은 반응성 때문에 화염의 연소 속도가 빨라지기 때문으로 판단된다. 식 (1)에서 수소-메탄 혼합연료 중 수소의 함량이 증가하면 이론 산화제-연료 혼합비인 S값이 감소하여 화염 길이의 계산값은 낮아지게 된다. 또한 일정한 수소 함량에서는 산화제의 산소 농도가 낮아질수록 화염의 길이가 증가하는 것을 볼 수 있는데 이렇게 산소 농도가 낮아지게 되면 연소 반응률이 저하되어 화염 온도인 T_flame이 낮아짐에 따라 Fig. 4에 표시한 ∆T 값이 자연발화 온도인 T_si보다 낮아져서 MILD 연소 조건에 근접하는 것을 알 수 있다. 이처럼 MILD 연소 조건에 들어서면 2차원 제트 형태의 반응 영역이 3차원적으로 확장되면서 공간 연소 형태가 되어 육안으로는 화염의 길이를 파악하기 힘들게 되나 광 증폭기로 취득한 화염의 길이는 증가하였다. 반면에 고온의 산화제 내 산소 농도가 증가하게 되면 반응 영역이 2차원 제트 형태를 취하면서 상대적으로 축소되어 화염의 길이가 감소하는 것을 볼 수 있다.

Fig. 5. 
Comparison of the Roper’s correlation and actual flame length at different O₂ fraction with different H₂ content

그런데 Roper 식으로 계산된 화염의 길이와 본 연구에서 취득한 화염의 길이에서는 많은 차이를 보이는 것을 볼 수 있다. 수소 함량이 증가할수록 취득한 화염의 길이는 계속 감소하는 반면 Roper의 식으로 계산된 화염의 길이는 증가하였다가 수소 전소에서 감소하는 경향을 보였다. 수소 전소 조건에서 산소 농도가 증가함에 따라 취득한 화염의 길이는 감소하였고 Roper 식으로 계산된 화염 길이 또한 감소하였다. 낮은 산소 농도일수록 실험으로 취득한 화염의 길이와 Roper 식으로 계산된 화염의 길이의 오차율이 증가하였고 산소 농도가 증가할수록 오차율이 감소하였다. 산소 농도가 낮을수록 오차율이 증가하는 것은 Roper 식은 산소 농도 21%인 일반적인 공기 연소 조건인 경우로 산소 농도가 상대적으로 낮아질수록 형성되는 MILD 연소에서는 Roper 식을 적용하기가 어려움을 알 수 있다. 따라서 Fig. 4의 1/4분면과 4/4분면에 해당되는 고온 산화제 연소 영역과 MILD 연소 영역으로 운전되는 연소기의 경우 산소 농도에 따른 화염 길이에 대한 새로운 상관식 연구가 필요함을 알 수 있다.

본 연구의 연소기 구조상 연소기 출구에서 최종적으로 배가스 성분을 측정하면 고온의 산화제를 생성하기 위하여 hot gas generation 영역의 버너에서 배출되는 질소산화물(NO_x)과 MILD 영역인 고온의 산화제 분위기에서 독립적으로 배출되는 NO_x가 동시에 측정된다. 그러나 본 연구는 고온 산화제 분위기에서 MILD 영역 전후의 화염에서 배출 성능 연구가 목적이기에 두 영역인 hot gas generation 영역과 MILD 영역의 분리가 필요하다. 따라서 MILD 영역에서만의 NO_x를 알기 위해 선행 연구를 참고하여 ∆NO_x를 도입하였다¹⁷⁾. MILD 영역에서만의 NO_x 배출을 의미하는 ∆NO_x를 다음의 식 (2)와 같이 정의하였다.

여기서 ∆NO_x는 MILD 영역에서만의 NO_x 배출을 의미하고 NO_x,t는 MILD 영역과 hot gas generation 영역이 합쳐져서 배출되는 전체 NO_x이며 NO_x,g는 hot gas generation 영역만의 NO_x 값이다. 따라서 MILD 영역에서의 NO_x 배출은 두 영역 모두 연소 중일 때 배출되는 NO_x,t를 계측한 후 hot gas generation 영역만 연소했을 때 배출되는 NO_x,g를 뺀 값으로 ∆NO_x 값을 취하였다.

본 연구에서는 O₂ 농도 15%로 환산한 건공기 기반의 ppmvd 값과 함께 배출지수인 emission index (EI) 값을 함께 비교하였다. 배출지수 EI는 연소에 사용한 연료 질량에 대해 특정 화학종을 질량비로 나타내는 무차원수로 연료의 질량 대비 생성되는 오염물질의 양을 표현하는 데 있어 굉장히 유용하다. 선행 연구를 참고하여 식 (3)에 EINO_x와 식 (4)에 ∆EINO_x를 정의하였다¹⁸⁾.

여기서 X_i는 화학종 i의 몰분율이고 M_i는 화학종 i의 몰질량이다.

Fig. 6에 본 연구에서 측정한 MILD 영역에서만의 ∆NO_x의 배출 수준을 수소 함량 10, 40, 70, 100%에 따라 나타내었다. MILD 영역에서만의 배출 성능을 ppmvd 값으로 표시한 ∆NO_x 값을 실선으로, 질량 기반의 배출지수인 ∆EINO_x 값을 점선으로 나타내었다. Fig. 6에서 보는 바와 같이 ∆NO_x는 동일한 산소 농도에서 수소 함량이 증가할수록 모든 구간에서 배출량이 증가하였다. 수소의 함량이 증가할수록 고온의 수소화염 영향으로 NO_x 배출량이 증가하였으며 일정한 수소 함량에서는 산소 농도가 감소할수록 배출량이 감소하는 것을 볼 수 있다. 이는 산소 농도가 감소할수록 연소 반응률이 감소하면서 공간 연소 형태로 반응 영역이 확장되고 온도가 균일해져 상대적으로 저온 연소 형태로 전환되기 때문으로 판단된다. ∆EINO_x 또한 ∆NO_x와 유사한 배출 경향을 보이는 것을 볼 수 있다.

Fig. 6. 
∆NO_x and ∆EINO_x trends with H₂ content and O₂ fraction

Fig. 7은 수소 전소(100% H₂) 조건 중 산소 농도 4, 6, 8, 10, 12%에서 배출 성능을 보여주고 있다. 이 경우에도 ∆NO_x는 실선으로, ∆EINO_x는 점선으로 나타내었다. 산소 농도가 감소할수록 ∆NO_x 배출은 감소하였고 ∆EINO_x 또한 이와 유사하게 감소하였다. 이는 산화제 내 산소 농도에 큰 영향을 받는 MILD 영역에서 낮은 산소 농도의 화염 온도가 높은 산소 농도의 화염 온도보다 상대적으로 낮고 온도 분포도 일반적인 제트화염보다 균일해져서 반응대가 전체적으로 온도가 낮아지는 공간 연소로 재편되기 때문이다. 이처럼 공간 연소에 가까워지면 반응대에서 국소 부분이 고온으로 발생하는 hot spot 현상이 사라져 일반적인 고온의 제트화염보다 NO_x를 저감하는 데 있어 효과적임을 확인할 수 있다.

Fig. 7. 
∆NO_x and ∆EINO_x trends at H₂ content 100% with O₂ fraction

한편 Fig. 6과 Fig. 7에서 산소 농도가 낮은 구간의 경우 MILD 영역에서의 ∆NO_x와 ∆EINO_x 값들이 음의 값으로 나타나는 것을 볼 수 있다. 식 (2)에 의하면 이러한 현상은 gas generation 영역의 NO_x,g가 MILD 영역을 거친 전체 NO_x,t보다 더 많이 계측됨을 의미한다. 이는 hot gas generation 영역에서 발생한 NO_x가 MILD 연소 영역을 거쳐 줄어들었음을 보여준다. 선행 연구에 따르면 MILD 영역에서 연소되는 연료는 gas generation 영역에서 발생한 NO를 N₂로 환원시키는 역할을 한다. 반응이 일어나기 전에 gas generation 영역에서 생성된 고온의 저농도 산소 분위기로 먼저 희석되고 이러한 효과는 화염 온도를 낮추고 thermal NO_x 형성을 억제한다고 보고하고 있어 MILD 영역에서 음의 값인 ∆NO_x 결과에 기여하는 것으로 판단된다¹⁹⁾.

Fig. 8은 hot gas generation 영역의 NO_x,g와 MILD 영역의 ∆NO_x를 합친 전체 NO_x를 EINO_x로 나타내었다. Fig. 8(a)는 4, 8, 12% 세 가지 산소 농도에서 연료인 수소 함량에 따른 EINO_x 수준을 나타내었고 Fig. 8(b)는 수소 100% 연소인 전소 조건에서 산소 농도에 따른 EINO_x를 나타내었다. Fig. 8(a)에서 산소 농도에 따른 전체 NO_x 배출량인 EINO_x 값의 경향은 Fig. 6과 반대 경향을 보여주고 있다. 이는 본 연구의 조건에서 NO_x,g가 ∆NO_x보다 더 지배적이라는 것을 의미하고 MILD 영역에서의 배출량은 상대적으로 미미하다는 것을 말해주고 있다. 이처럼 본 연구와 비슷한 방식인 gas generation 영역에서 발생한 고온의 연소가스를 MILD 영역에서 산화제로 사용하는 선행 연구에서도 MILD 영역은 NO_x 배출량에 거의 기여하지 않는다고 보고하였다²⁰⁾. 위와 같은 이유로 수소 전소 조건인 Fig. 8(b)에서도 Fig. 7과 반대로 산소 농도가 증가할수록 EINO_x 값이 감소하는 경향을 관찰할 수 있다.

Fig. 8. 
Total emission trends (a) effect of H₂ content and O₂ fraction on EINO_x (b) effect of O₂ fraction on EINO_x at H₂ 100% only

그럼에도 불구하고 Fig. 8(a)에서 자세히 보면 동일한 산소 농도에서 수소 함량이 증가하면 매우 낮은 기울기로 EINO_x가 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 gas generation 영역에서의 NO_x,g에 비해 MILD 영역에서의 ∆NO_x가 매우 적은 수준으로 NO_x 배출에 기여한다고 할 수 있다. 이러한 사실은 Fig. 6의 ∆EINO_x 값 범위와 Fig. 8의 전체 EINO_x 값 범위를 나타내는 y축 값들의 크기(scale)를 비교할 때 EINO_x에 비해 ∆EINO_x의 배출 수준이 상대적으로 매우 낮은 것으로 확인이 된다.