파일럿 화염과 플라즈마를 이용한 불활성 기체로 희석된 휘발성 유기 화합물의 연소 처리 :A Study on the Combustion Treatment of Volatile Organic Compounds in Dilution with Inert Gas Using Pilot Flame and Plasma

안태국

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자료유형: 학위논문

저자정보: 안태국 (단국대학교, 단국대학교 대학원)

지도교수: 박선호

발행연도: 2019

저작권: 단국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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2019

파일럿 화염과 플라즈마를 이용한 불활성 기체로 희석된 휘발성 유기 화합물의 연소 처리

안태국 기계공학과 2019.01 학위논문

2015

불활성기체로 희석된 동축류 확산화염의 파일럿화염에 의한 안정화

안태국 , 이원남 , 박선호 한국연소학회지 2015.12 학술저널

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이 연구는 다량의 불활성 기체로 희석되어 통상적인 방법으로는 연소되지 않은 난연성 유증기를 연소 처리하기 위한 방안을 찾기 위해 수행되었다. 유류 탱크 등에서 생성되어 대기로 배출되는 유증기에는 탄화수소 계열의 다양한 VOC(volatile organic compounds; 휘발성 유기 화합물)가 포함되어 있으며, 이러한 VOC는 인간의 신체에 직접적인 영향을 미치거나 지표면에서 광화학반응을 통하여 오존을 생성하는 등 대기 환경과 인간에 유해한 영향을 미친다. 따라서 VOC의 대기로의 배출을 저감하기 위한 많은 연구가 수행되고 있다. 기존의 VOC 처리방식으로는 VRU(vapor recovery units; 유증기 회수설비)나 멤브레인 흡착법 등을 이용하여 VOC를 액화시키거나 특정 화학종을 선택적으로 포집하는 방법이 있지만, 이러한 방법을 이용하여 유증기 내 모든 VOC를 제거하기는 어렵다. 따라서 기존의 방법으로 1차 회수 처리된 유증기를 연소 처리하여 잔여 탄화수소를 제거하는 방법이 장점을 가지게 된다. 그러나 1차 처리된 유증기는 매우 높은 불활성 기체 농도를 가지므로 유증기 내의 잔여 탄화수소만으로는 자체적인 연소가 불가능하다. 본 연구에서는 이러한 연료의 농도가 희박한 난연성 유증기의 연소 처리를 위해 다양한 형태의 파일럿 화염과 버너, 로테이팅 아크를 이용한 실험을 수행하였고, 여러 측정 장비를 사용하여 연소 처리의 효과를 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 첫째, 파일럿 화염으로부터 전달되는 열에너지와 가연성 화학종을 이용하여 가연한계 영역을 벗어난 난연성 유증기를 연소 처리할 수 있었다. 둘째, 파일럿 화염의 형상, 크기 그리고 처리해야 할 유증기의 유량 및 유속을 제어하여 유증기 내 탄화수소 화학종을 대부분 제거할 수 있었다. 마지막으로, 유증기나 파일럿 화염에 로테이팅 아크 플라즈마를 적용하면 연료 개질 효과와 온도 상승효과로 인해 유증기의 연소 처리 성능이 향상되며 플라즈마가 적용된 과농 예혼합화염을 이용하여 유증기의 연소 처리를 진행하면 연소 처리 후 배기가스 내의 CO나 NOx의 농도도 낮게 유지할 수 있다는 결과를 얻을 수 있었다. 본 연구에서 사용된 모든 버너는 작은 공간에 간단하게 설치할 수 있어 적은 양의 유증기가 생성되는 시설에 사용될 수 있으며, scale-up 과정을 통해 석유 화학제품을 사용하는 시설이나 대용량 저장소의 기존 회수장치 후단에 설치하여 고유량의 유증기를 처리하는데 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

This study aimed to develop a combustion-based method to remove vaporized hydrocarbon species generated from a variety of sources such as oil tankers and industrial facilities. Hydrocarbon species in the vaporized gas, commonly called volatile organic compounds (VOC), should be removed before being released into the atmosphere due to their adverse effect on the environment and the human body. In this regard, a great amount of research has been carried out on how to effectively eliminate VOC from the effluent gases from the sources. Liquefaction of VOC using a vapor recovery unit (VRU) is one strategy popularly used. However, VOC generated from an oil tank is, in general, in much dilution with inert gases such as carbon dioxide and nitrogen so that condensation of the vapors, especially lighter species of C1―C3, requires an excessive power consumption when compressing and chilling the VOC gas. It is therefore advantageous to first recover heavier hydrocarbons that are easily liquefied and then remove the lighter species in the residual gas by combustion. The major challenge of this strategy, however, is that those VOC gases become very lean after the recovery process so that they are hardly combustible by conventional burners.
In this study, various types of pilot flames and burners, rotating arc plasma generators, and analyzing devices were utilized to combust very lean VOC gases. As a simulated VOC gas for the experiments, propane and nitrogen mixture, whose nitrogen mole fraction was as high as 0.99 such that the mixture is clearly outside the flammability limit, was used. By applying a rotating arc plasma to the pilot flame and injecting the VOC gas stream to the pilot flame, almost all propane in the VOC gas was removed, depending on the experimental conditions such as pilot flame fuel flow rate and equivalence ratio, plasma power, and VOC flow rates. The results showed that thermal energy and the combustible chemical species supplied from the pilot flame might enhance the combustibility of the VOC gases.
The result of this study suggests that the concept of the burners developed in this study can be utilized for a wide range of applications by properly setting the key design parameters such as specific energy input (SEI) of the plasma and pilot flame conditions. The potential applications may include, for example, controlling the air quality of small workplaces and removing VOC in the effluent gases from large-scale storage facilities such as crude oil vessels and tankers.

목 차
국문초록 ⅰ
목 차 ⅳ
그림목차 ⅶ
표목차 ?
Ⅰ. 서 론 1
1. 연구배경 1
2. 기존 연구 3
2.1 유증기의 조성 3
2.2 불활성 기체 농도에 따른 탄화수소 화염의 특성 6
2.3 미연 가스 온도에 따른 화염의 특성 9
2.4 플라즈마 10
Ⅱ. 열 및 화학적 효과를 이용한 희박 유증기 연소 처리 14
1. 서론 14
2. 실험 장치 15
2.1 삼중 동축류 버너 15
2.2 열에너지 공급 시스템 16
2.3 유량 제어 시스템 17
2.4 배기가스 측정 장치 17
3. 실험 방법 및 실험 조건 18
4. 결과 및 고찰 22
4.1 파일럿 화염의 필요성 22
4.2 파일럿 화염의 온도 효과 분석 28
5. 결론 29
Ⅲ. 난류 예혼합 파일럿 화염과 유증기 플라즈마 개질을 이용한 연소 처리 30
1. 서론 30
2. 실험 장치 31
2.1 파일럿 화염 버너 31
2.2 로테이팅 아크 플라즈마 발생기 32
2.3 가스크로마토그래피 34
3. 실험 방법 및 실험 조건 35
3.1 실험 장치 구성 35
3.2 난류 부분 예혼합화염 36
3.3 난류 부분 예혼합화염 조건 38
3.4 실험조건 43
4. 결과 및 고찰 45
4.1 HC 처리율 45
4.2 배출가스 내 CO, NOx 농도 49
4.3 플라즈마 개질과 NOx 농도 53
5. 결론 57
Ⅳ. 로테이팅 아크 플라즈마가 적용된 과농 파일럿 화염을 이용한 연소 처리 58
1. 서론 58
2. 실험 장치 59
2.1 로테이팅 아크 파일럿 화염 버너 59
3. 실험 방법 및 실험 조건 61
3.1 실험 장치의 구성 61
3.2 실험조건 63
4. 결과 및 고찰 65
4.1 파일럿 화염 65
4.1.1 전환율과 총 에너지 효율 66
4.1.2 선택성 68
4.1.3 화염온도 70
4.1.4 버너의 운전 변수 72
4.2 유증기 내 VOC 제거 73
4.2.1 수소 및 파일럿 화염온도 효과 73
4.2.2 모사 유증기 질소 분율의 효과 82
4.2.3 VOC 처리 최적화 84
5. 실제 시스템 설계를 위한 고려사항 87
6. 결론 88
Ⅴ. 결론 89
참고문헌 90
영문요약 96

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