이온화 연료의 연소 안정성 및 오염물질 배출 특성

Abstract

The usages electromagnetic energy and non-equilibrium plasma for enhancing ignition and combustion stability has been gaining more attention recently. The conventional technologies have adapted the electrical devices to make the electromagnetic field, due to various safety issues such as high-maintenance, additional high-cost system, electric shock, explosion, etc. Therefore, an electrodeless microwave technology has an advantage in term of efficiency economic and reliability as comparing with conventional one because of no oxidation. However, the application of microwave has been still limited because of the lack of interaction mechanism between flame and microwave. Also, many electronic devices are powered by various rechargeable batteries such as lithium-ion, and occasionally the batteries undergo thermal runaway and cause fire, explosion, and other hazards. If a battery fire should occur in an electronic device of vehicle and aircraft cabin, it is important to quickly extinguish the fire and cool the batteries to minimize safety risks. Attempts to minimize these risks have been carried out by many researchers but the number of study on the successful extinguishment is limited. Because most rechargeable batteries are operated on the ion state during charge and discharge of electricity and the combustion of ion state has big difference with normal combustion. Here we focused on the effect of ions including an electron during combustion process. The other importance for understanding ionized fuel combustion could be found in high efficient and environment friendly combustion technologies, which are used to be operated an extreme condition and hence results in unintended flame instability such as extinction and oscillation. The use of electromagnetic energy and non-equilibrium plasma is one of the way to solve the problems, but the application has been still limited because of lack of excited ion effects in the combustion process[1-4]. Therefore, the understanding of ion role during combustion might be promised to the energy safety society including the battery safety. In this study, the effects of an ionized fuel on the flame stability and NOx and soot emissions were experimentally investigated in the methane jet diffusion flames. The effects of an ionized fuel on the flame stability and NOx and soot emissions were experimentally investigated in the methane and propane jet diffusion flames. The main conclusions from experiments are following. The ion density of propane is slightly higher than that of methane, which implies that propane produces more ions and electrons at the same power. The overall flame stability and shape such as flame length have no significant difference even in the higher ion concentration. NOx and CO emissions measured in post flame region decreased by fuel ionization, especially high fuel velocity, i.e. high ion density. TGA analysis and morphology of soot by TEM indicates that the fuel ionization makes soot to be matured.

일반적으로 직류 아크나 유도결합 방전으로 플라즈마 상태로 발생시키는 이온화 된 열 유체인 열 플라즈마(thermal plasma)는 재래식 연소에 의한 화학적 반응으로 발생시킬 수 없는 초고온, 대열용량, 고속, 다량의 활성입자를 갖는다. 열 플라즈마는 고온제어와 폭넓은 출력의 자유스러운 조정이 가능하고 빠른 열 및 물질 전달능력을 가지고 있으며 다양한 기체들이 열 유체로 쉽게 전환될 수 있어서, 한계에 다다른 기존 열 유체 발생기술을 대체하여 신속한 가공 및 공정처리로 효율적이며 환경면에서 깨끗한 초고온 열원으로 제공되어, 제조 및 나노소재 산업과 환경산업의 생산기반과 첨단설비에 핵심이 되는 열 유체로서 이용되고 있다 [1]. 한편 지난 수십 년간 기존 탄화수소 계 연료의 연소에서는 화염안전성과 효율성 문제가 대두되어 왔다. 따라서 순산소 연소 등의 기법이 제안되어 상용화되었고, 환경적인 측면에서 NOx등과 같은 오염물질을 줄이기 위해 EGR, Mild Combustion 등과 같은 여러 가지 방법론이 적용되고 있다. 하지만 재료적인 측면과 경제성 때문에 이러한 방법론들의 성장에는 한계가 있다. 그러므로 이를 해결하기 위해 신기술의 도입이 필요한 실정이다. 따라서 최근에 실용화 측면에서 비약적인 발전을 하고 있는 전자기 에너지와 비평형 플라즈마의 연소시스템의 적용은 점화와 연소안정성에 대한 잠재적 능력 때문에 많은 관심을 가져왔다. 특히 고효율 열에너지 교환, 가연한계의 확장, 연소측면에서 사용하기 힘든 여러 저급 연료나 합성가스들의 신뢰할 수 있는 점화, 다양한 연소특성을 가지고 있는 물질들의 이용측면에서 활용이 예상된다. 또한 차세대 추진시스템에서도 이를 긍정적으로 고려하고 있다 [2]. 기존 연구결과에 의하면 전자기 에너지가 반응 화학에 제공하는 대략적인 기구를 제시하고 있지만 열적(ohmic) 가열에 의한 화염온도 증가와 여과된 상태의 화학종, 이온, 전자의 증가의 효과를 서로 구분하기가 실험적으로 매우 힘들어 독립적인 영향을 설명하는 것이 불가능하였고, 따라서 실제 이용측면에서 설계인자를 도출할 수 있는 조건별 기구는 아직 밝혀지지 않았으며, 다양한 오염물질의 생성 등에 대해서도 많은 부분이 불명확하다. 그러므로 이러한 전자기장학과 연소반응의 결합은 향후 큰 도전과제이며 더 많은 지식과 연구가 요구된다고 할 수 있다 [3]. 또한, 현대 사회에서 널리 보급되어 사용하는 리튬 이온 배터리의 화재 진압과도 관련이 있다. 다양한 전기·전자 장치에 전력을 공급하는 배터리는 양극(+)과 음극(-) 물질의 산화 환원 반응으로 화학에너지가 전기에너지로 바뀌는 장치로서 일반적으로 1차 전지와 2차 전지로 분류된다. 1차 전지는 한 번만 사용하는 전지로 수은전지, 망간전지, 알카라인전지, 리튬전지가 있고, 2차 전지는 재충전해 여러 번 사용하는 전지로 니켈 카드뮴, 니켈수소, 납축전지, 리튬이온, 리튬폴리머 등이 있다. 특히 리튬이온 배터리는 고용량을 요구하는 휴대폰, 태블릿, 디지털 카메라 등 소형 스마트기기의 발달과 함께 사용량이 크게 증가했고 향후 그 수요는 적용분야의 다양성 때문에 기하급수적으로 증가할 것으로 예상되고 있다. 리튬 이온 배터리 자체가 고장을 일으킬 확률은 낮지만, 리튬 이온 배터리 사용으로 일어난 몇몇 화재나 폭발 사고로 배터리 사용 안전에 대한 우려가 높아지고 있다. 또한 전기 자동차와 같이 대용량의 배터리를 상용화하고 있는 현 시점에서 앞으로 예상되는 화재·폭발과 같은 불안전성을 제거하는 일이 상용화에 있어서 가장 중요하면서 시급한 과제로 판단된다 [7]. 따라서 본 연구는 새로운 연구방법인 연료의 이온화를 통해 연소안정성(stability)을 향상시켜 직접적인 안전을 도모하고, 질산화합물이나 매연 등과 같은 대기오염물질의 줄임을 통해 간접적인 환경안전기술을 개발하는데 목적이 있다. 연료의 이온화는 상용화 되어있는 이온 노즐 형태의 이온화 장치(SUNJE, SPN-11)를 사용하였다. 연료는 메탄과 프로판을 사용하여 연구를 수행하였다. 메탄의 경우 이온화 유무에 따른 화염안정성과 NOx 및 CO의 변화를 조사하였다. 프로판의 경우에는 화염안정성과 NOx 및 CO의 변화와 함께 매연의 무게 및 형태 변화를 관찰하였다. 본 연구를 바탕으로 향후 사용목적에 알맞은 이온화 연소 기법을 사용할 수 있을 것으로 기대된다.