1. 서 론

기존의 가스 연소기는 이론 당량비 근처에서 확산화염의 형태로 연료를 연소시키는 방식을 이용하였다. 이러한 연소방식은 연소가 안정적으로 이루어진다는 장점을 가지고 있지만 대기오염을 일으키는 대표적인 오염물질인 질소산화물을 발생할 뿐만 아니라 연료의 소모가 많다는 문제점을 가지고 있다. 화석 연료의 고갈과 환경오염 문제를 해소하기 위해서 연소시스템의 효율 향상과 배기 배출 감소 기술이 동시에 요구되고 있는 실정이다. 그 결과 현재는 희박 예혼합화염 방식을 적용한 건식 저공해 기술 (DLN: Dry low NO_x)을 채택하고 있으며 이러한 방식은 화염온도를 현저하게 낮출 수 있어 Thermal NO_x의 배출량을 크게 줄일 수 있다[1, 2]. 또한 보다 적은 연료를 사용하기 때문에 높은 연소효율을 달성 할 수 있다. 하지만 운전 조건이 희박 가연한계로 접근하게 되면 연소 불안정성과 함께 CO 배출량이 급격히 증가, 진동, 소음, 실화 등의 여러 가 문제가 발생한다. 이러한 많은 문제점들이 있음에도 불구하고 점차 강화되는 NO_x 규제를 충족시키기 위해서는 예혼합화염 방식을 포기할 수 없는 실정이다. 이 뿐만 아니라 세계적으로 CO의 규제 강화에 대비하여 기존의 패러다임을 벗어난 혁신적인 NO_x 제어 기술의 개발이 요구 된다(즉, NO_x 10 ppm 이하, CO 25 ppm 이하). 이러한 여러 가지 문제들에 있어서, 연소 시스템 기술 개발의 하나로 저온 플라즈마를 이용한 연소 기술이 관심 분야의 하나로 부각 되고 있다.

플라즈마는 전자와 중성자의 상대적인 온도에 따라 고온 플라즈마(Thermal plasma)와 저온 플라즈마(Non- thermal plasma)로 분류 할 수 있다. 고온 플라즈마에 비해 저온 플라즈마는 라디칼의 생성물과 전자 충돌(Electron impact)에 의해 전자가 매우 활동적이며 더 높은 전자의 온도(1-100 eV)가 발생 한다[3, 4]. 이러한 전자 충돌의 과정은 전자의 에너지와 관련이 있다. 따라서 저온플라즈마가 인가된 연소 특성은 전자의 특성에 영향을 크게 받는다. 특히, 교류전기장을 이용한 유전체 장벽 방전은 저온플라즈마를 발생시키는데 유용한 방법 중 하나다. 유전체 장벽 방전은 아크 방전보다 상대적으로 소비 전력이 낮아 적은 비용으로 효율을 높일 수 있다[5, 6]. 또한, 이는 강한 교류 전기장에 발생할 수 있으며, 전기적 자극과 전리를 통해 에너지 전달에 용이하다[7]. 이러한 장점들로 인해 유전체 장벽 방전을 이용한 실용적인 연소기 개발 연구에 관심이 높아지고 있다.

본 연구에서 희박 예혼합화염에 인가된 유전체 장벽 방전 기술을 통한 저온 플라즈마의 효과에 대하여 실험적으로 수행하였다. 특히, 희박 소화 한계의 확장과 CO 와 NO_x 배출량의 감소에 초점을 두고 연구를 수행하였다.

2. 실험 방법

Fig. 1은 본 연구에서 사용된 실험 장치의 개략도이다. 실험 장치는 모형 스월 연소기, 유량 조절부, 전원 공급기, 그리고 가스 측정기로 구성 되어 있다. 연료는 순도 99.95%의 메탄와 에어펌프를 이용하여 공기를 사용하였으며, 질량 유량계(Mass flow controller; MKS)를 이용하여 유량을 조절하였다. 스월 연소기의 내부는 Fig.1(a) 와 같이 스트리머의 강도를 제어하기 위해 세라믹으로 만들어진 원뿔 모양의 돌기(Ceramic nose cone)를 제작하였으며, 그 돌기로부터 각 각 30 mm와 50 mm 떨어져 있는 곳에서 수평선(Blue line)으로 연료가 분사되는 구멍이 각각 10개가 있다.

Fig. 1.

Schematic diagram of the experimental setup.

저온 플라즈마 발생시스템은 유전체 장벽 방전 장치(DBD reactor)와 전원 공급부(Power supply)로 구성되어있다. 유전체 장벽 방전 원자로는 원뿔 모양의 돌기와 스테인리스강으로 만들어진 노즐로 구성되며, 고전압 전원 장치(Trek, 10/10B-HS)를 연료 노즐에 연결하여, 노즐 자체가 전극의 역할을 하였다. 너비가 20 mm인 스테인리스강 메시(1 × 1 mm)가 석영관 주위를 둘러싸였으며, 또 하나의 전극 역할을 하였다. 두 전극 사이에 유전체 장벽 역할을 하는 석영관의 직경은 40 mm이며, 높이는 300 mm이다. 함수 발생기(NF, WF 1973)를 이용하여 교류 실효 전압으로 5 ~ 7 kV, 주파수는 2 ~ 4 kHz 까지 변화 시켰다. 인가된 주파수와 전압을 확인하기 위해서 오실로스코프(Tektronix, TBS 1102)를 사용하고 전류를 측정하기 위해 전류 프로브(Tektronix, P6022)를 사용하였다.

3. 결과 및 논의

3.1. 유전체 장벽 방전의 특성

방전 전력(Discharge power)와 전압/전류의 파형(Voltage/ current waverforms) 등과 같이 플라즈마의 특성을 분석하였다. Fig. 2는 오실로스코프를 통해 측정한 시간에 따른 전압과 전류를 나타낸 것이다. 화염의 조건은 당량비 0.9이며, 노즐 출구 속도는 8 m/s에서 교류 전기장(7 kV, 4 kHz)을 화염에 인가하였다. 전류의 패턴을 보면 몇 나노초(Nanoseconds) 동안에 무작위로 발생하는 spike의 특성(Microdischarge characteristics)을 가진 전형적인 유전체 장벽 방전이다[8]. 하나의 전류 spike는 하나의 스트리머를 나타낸다. 이러한 전류의 spikes는 대부분 양전압이 인가되었을 때 발생되는 양극 코로나(Positive corona)임을 알 수 있다. 인가 전압 7 kV, 주파수 4 kHz인 경우, 전력을 구하면 약 20 W이다. 이는 메탄 연료 2 l/min(5 m/s)의 Thermal power(약 1,220 W)에 비해 매우 적은 전력을 사용한다.

Fig. 2.

Voltage and current diagram applying V_AC = 7 kV at f_AC = 4 kHz.

3.2. 스월이 화염에 미치는 영향

스월이 화염의 특성에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 다양한 노즐 출구 속도에서 당량비에 따른 화염의 안정화 선도를 나타낸 것이다(Fig. 3(A)). Fig. 3(B)는 속도 8 m/s에서 당량비 0.9, 0.57, 0.54의 각각 화염의 형태를 대표하는 사진이다. 화염의 형태에 따라 크게 3가지 영역으로 구분하였다. 영역 1은 a M-flame, 2는 a conical flame, 3은 a columnar flame으로 정의 할 수 있다[9]. 노즐 출구 속도가 증가함에 따라 영역 3이 확장되며, 화염의 길이도 길어진다.

Fig. 3.

Flame stability map with a dependence on equivalence ratio and nozzle exit velocity for the baseline case without plasma (A), and their representative flame images (B) for Φ = 0.9, 0.57, and 0.54 at 8 m/s.

3.3. 저온플라즈마가 화염에 미치는 영향

Fig. 4는 플라즈마가 인가된 경우와 인가되지 않은 경우를 비교한 화염의 안정화 선도 및 화염의 사진들이다. Fig. 4(A)를 보면, 희박 소화 영역(lean extinction limits)이 모든 속도 영역에서 확장되었다. 특히, 7 m/s에서 교류 전기장이 인가되지 않은 경우, 화염이 소화되는 당량비는 0.54이지만 인가 된 경우(7 kV, 4 kHz), 소화 당량비는 0.45까지 확장됨을 알 수 있다. 또한, 교류 전기장을 인가하게 되면 Fig. 5(B-b)와 같이 화염의 밑단에 강한 스트리머가 발생하며, 스트리머가 화염의 밑단을 잡아주는 역할을 통해 화염의 안정성을 확보하였다[10]. 이뿐만 아니라 강한 스트리머로 인해 영역3의 화염이 형태가 영역2로 이동하는 것을 알 수 있다. 이는 화염속에 존재하는 많은 양이온들(CHO⁺, C₂H₃O⁺, H₃O⁺, CH₃⁺, etc) 강한 스트리머와 직접적으로 반응하였기 때문이다[11, 12].

Fig. 4.

Flame stability map with a dependence on equivalence ratio and nozzle exit velocity at V_AC = 7 kV and f_AC = 4 kHz (A), and their representative flame images (B) with and without plasma for Φ = 0.9, 0.55, and 0.52 at 8 m/s.

3.4. NO_x와 CO의 배출량

Fig. 5은 인가전압 7 kV와 주파수 4 kHz를 인가한 경우와 인가하지 않은 경우, 당량비에 따른 CO와 NO_x의 배출량을 나타낸 것이다. 저온 플라즈마가 인가된 경우와 인가되지 않은 경우, 두 가지 경우 다 CO와 NO_x 배출량이 서로 상반된 경향을 보여 준다. 플라즈마를 인가하지 않은 경우(Black line), 당량비가 감소함에 따라 어느 특정 값(Φ = 0.575)에서 CO의 배출량이 급격히 증가하는 반면에 NO_x의 배출량은 감소하는 것을 알 수 있다. 당량비 0.555 ≤Φ ≤ 0.625에서 NO_x의 배출량은 0ppm 이다(Fig. 5(B)). 플라즈마를 인가한 경우(Blue line)도 당량비가 감소함에 따라 CO의 배출량이 증가 하는 것을 알 수 있다. 그러나 플라즈마가 인가되지 않은 경우에 비해 당량비에 따른 CO의 배출량의 변화율이 상당히 작음을 알 수 있다. 또한, 각각의 당량비에 따른 CO의 배출량의 값이 큰 차이를 보인다. 한 예로, 당량비 0.555에서 CO의 배출량이 395 ppm 이며, 플라즈마를 인가한 경우 5 ppm까지 감소 한다(Fig. 5(A)). 반면에 당량비 0.555에서 NOx 의 배출량은 0 ppm이었지만 플라즈마를 인가한 경우 14 ppm 증가 하였다. 이러한 현상의 원인은 흥분된 전자들과 중성자 및 이온들의 전자충돌로 인해 화염온도 상승에 따라 Thermal NOx가 증가한 것이 원인인 것으로 보인다. 화염의 온도를 제어하여 Thermal NOx를 감소시켰지만 반면에 CO의 배출량이 급격히 증가되며 연소기 시스템을 운전할 수 있는 희박 운전 영역(Lean operation condition)이 발생한다. 플라즈마가를 인가되지 않은 경우, 댱량비 0.575가 최적의 운전 조건이지만, 플라즈마가 인가된 경우, CO의 배출량이 급격히 감소함으로써 당량비 0.555에서 최적의 희박 운전 한계가 확장되었다.

Fig. 5.

Effects of applying non-thermal plasma on (A) CO and (B) NO_x emissions without and with V_AC = 7 kV and f_AC = 4 kHz.

4. 결 론

본 연구에서는 유전체 장벽 방전 기술을 통한 저온 플라즈마가 희박 예혼합화염에 미치는 영향에 대하여 실험적으로 연구하였다. 화염에 교류전기장을 인가하게 되면 화염 밑단에 강한 스트리머가 발생하게 되고 그로 인해 모든 노즐 출구 속도에서 화염의 소염 한계가 확장됨을 알 수 있었다. 또한, 강한 스트리머가 발생할 경우 화염의 형상이 급진적으로 a columnar flame에서 a conical flame로 변화였다. 저온 플라즈마를 인가하였을 경우,　비록 예열영역의 온도 증가로 인해 NO_x 배출량이 약간 증가하였지만, 당량비 감소에 따른 CO 배출량 증가를 저온 플라즈마를 통해 현저히 낮추었다. 이로 인한 희박 운전 한계를 확장 할 수 있었다.