화염법으로 제조된 감마-Al₂O₃ 나노입자의 화염조건에 따른 입자특성 연구

이교우(Gyo Woo Lee) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集B Vol.36 No.5

본 논문은 수소를 연료로 하는 확산화염을 이용하여 알루미나 나노입자를 합성할 때, 합성되는 알루미나 나노입자의 특성에 미치는 화염온도의 영향을 조사하였다. 합성된 나노입자의 특성을 전자현미경 이미지, 결정 구조 분석, 비표면적과 기공의 크기 분석, 화염온도 측정 등의 여러 특성분석 방법으로 조사하였다. 사용된 화염의 중심축 최고온도는 산화제의 산소농도가 19, 21, 30, 47%인 각각의 실험조건에서 1507.8K, 1593.8K, 1753.1K, 1998.7K으로 측정되었다. SEM 이미지 분석 및 BET 비표면적 측정을 통해서는 47% 산소농도인 경우 에는 50 nm 수준의 독립적인 구형입자가 생성되었음을 확인할 수 있었으며, 19%와 21%의 경우에는 응집된 상태의 20-30 nm 수준의 입자를 볼 수 있었다. XRD 결과에서는 감마(γ)-알루미나가 주를 이루는 것으로 판단되었다. 이상의 결과를 바탕으로 촉매 담체로 사용하기 위한 알루미나 나노입자를 연소합성 하기 위한 가장 적절한 조건으로 실험했던 네 경우 중에서는 산화제의 산소농도가 21%인 두 번째 경우를 선택할 수 있었다. In this study, γ-Al₂O₃ nanoparticles were synthesized by using coflow hydrogen diffusion flames. The synthesis conditions were varied with using several oxygen concentrations in the oxidizing air. The particle characteristics of the flame-synthesized Al₂O₃ nanoparticles were determined by examining the crystalline structure, shape, and specific surface area of the nanoparticles. The measured maximum centerline temperature of the flames ranged from 1507.8 K to 1998.7 K. The morphology and crystal structure of the Al₂O₃ nanoparticles were determined from SEM images and XRD analyses, respectively. The particle sizes were calculated from measured BET specific surface areas and ranged from 25 nm to 52 nm. From XRD analyses, it was inferred that a large number of the synthesized nanoparticles were γ-Al₂O₃ nanoparticles including θ-Al₂O₃ nanoparticles.

합성천연가스의 조성변화에 따른 확산화염 연소특성

오정석(Jeongseog Oh),동상근(Sangeun Dong),양제복(Jebok Yang) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集B Vol.37 No.9

석탄을 개질한 합성천연가스의 조성에 변화가 있을 경우 화염의 연소특성에 대하여 연구하였다. 본 연구의 목적은 동축 공기 합성천연가스 확산화염을 구현하여 연료조성에 따른 화염안정성과 화염구조, 분광특성, 온도분포를 실험적인 방법으로 연구하는 것이다. 각 화염의 분광특성을 관찰하기 위하여 분광기를 사용하였으며 연소장 내 온도측정을 위하여 K 형 열전대를 사용하였다. 연료 분사기 출구속도는 uF =5~40 m/s 사이에서 조절하였고 공기 분사기 출구속도는 uA =0~0.43 m/s 사이에서 조절하였다. 연소 동특성에 대한 실험을 통해 합성천연가스에 수소 성분이 증가하면 화염안정화 영역이 증가하고 부상화염 높이가 낮아져 화염길이가 짧아지는 것을 알 수 있었다. The combustion characteristics with variations in synthetic natural gas (SNG) compositions were studied in a lab-scale combustor. The objective of the current study is to investigate the flame stabilization, flame structure, and spectrometry in a non-premixed SNG flame with varying fuel compositions. For the analysis of light emission in SNG flames, we used a spectrometer. As experimental conditions, the fuel jet velocity at the nozzle exit uF was varied from 5 to 40 m/s and the coaxial air velocity uA was varies from 0 to 0.43 m/s. The experiments showed that the flame stability increased with the hydrogen component in SNG.

합성가스와 공기를 혼합한 예혼합화염의 셀 불안정성에 있어서 탄화수소 계 연료첨가에 대한 효과

Tran Manh Vu,송원식(Won Sik Song),박정(Jeong Park),권오붕(Oh Boong Kwon),배대석(Dae Seok Bae),윤진한(Jin Han Yun),길상인(Sang In Keel) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.2

본 연구에서는 합성가스-공기 화염의 셀 불안정성에 있어서 탄화수소 연료의 첨가효과를 알아보기 위하여 상온, 고압, 정적상태의 연소실에서 실험을 수행하였다. 층류화염전파속도는 상세반응기구와 전달물성치를 사용하여 계산하였고 이를 실험으로 측정된 값과 비교하였다. 탄화수소 연료가 첨가된 합성가스-공기 화염의 셀불안정성은 수력학적 불안정성과 확산-열 불안정성의 관점에서 평가되며 희박예혼합 화염에 대해 실험으로부터 측정된 셀불안정성을 유발하는 임계 Peclet 수는 이론적으로 얻어진 값과 비교하였다. 실험결과는 반응혼합물에 탄화수소 계 연료의 첨가량이 증가할수록 화염전파속도는 감소함을 보였다. 합성가스-공기화염에 프로판과 부탄을 첨가하였을 경우 수력학적 불안정성과 확산-열 불안정성이 감소하여 셀 형성은 현저하게 감소하였다. 반면 메탄을 첨가하였을 경우 셀 불안정성이 완화되는 효과는 없었다. Experiments were conducted in a constant-pressure combustion chamber to investigate the effects of hydrocarbon addition on cellular instabilities of syngas-air flames. The measured laminar burning velocities were compared with the predicted results computed using reliable kinetic mechanisms with detailed transport and chemistry. The cellular instabilities that included hydrodynamic and diffusional-thermal instabilities of the hydrocarbon-added syngas-air flames were identified and evaluated. Further, experimentally measured critical Peclet numbers for fuel-lean flames were compared with the predicted results. Experimental results showed that the laminar burning velocities decreased significantly with an increase in the amount of hydrocarbon added in the reactant mixtures. With addition of propane and butane, the propensity for cell formation was significantly diminished whereas the cellular instabilities for methane-added syngas-air flames were not suppressed.

탄소나노튜브의 합성에 대한 아세틸렌 혼합 비율의 영향

김재현,이주희,최재혁,Kim, Jae-Hyun,Lee, Joo-Hee,Choi, Jae-Hyuk 해양환경안전학회 2014 해양환경안전학회지 Vol.20 No.6

본 연구에서는 메탄 대향류 확산 화염내 탄소나노튜브의 합성에 대하여 실험 및 수치적 연구를 수행하였다. 아세틸렌을 일정비율로 메탄에 혼합하여 연료 가스로 사용하였으며, 탄소나노튜브의 합성을 위한 촉매로서 페로센이 이용되었다. 주요 인자로는 메탄 연료에 대한 아세틸렌의 혼합비율이며, 2 %, 6 %, 10 %로 혼합하였다. 탄소나노튜브를 채취한 그리드 위의 탄소나노튜브 합성 특성은 SEM 이미지로 분석되었다. 수치해석에서 화학반응 메카니즘으로는 GRI-Mech 3.0 이 적용되었다. 수치결과로는 아세틸렌 혼합 비율이 증가할수록 화염 온도도 증가하며 CO 몰분율도 증가하는 것을 알 수 있다. 실험결과로는 2% 아세틸렌 혼합 화염이 6 % 및 10 % 혼합 화염과 비교해 탄소나노튜브 합성이 잘 이루어졌음을 알 수 있었다. 이것은 6 % 및 10 % 아세틸렌 혼합화염의 경우 과도한 카본 소스의 생성이 발생해 오히려 화염 내 카본소스가 촉매입자로의 공급을 방해하기 때문이라 생각한다. 이 결과로부터 양호한 질의 탄소나노튜브 생성을 위해서는 적정한 양의 카본소스가 생성되어야 한다는 것을 알 수 있었다. In this study, experimental and numerical studies for the synthesis of carbon nanotube(CNT) in methane counterflow diffusion flame have been performed. Methane mixed with acetylene($C_2H_2$) was used as a fuel gas and ferrocene was used as a catalyst for synthesis of CNT. The major parameters was $C_2H_2$ mixing rate and mixing rates were 2 %, 6 %, and 10 %. Characteristics of CNT formation on grid were analyzed from SEM images. the chemical reaction mechanism adopted is GRI-MECH 3.0. Numerical results showed that flame temperature and CO mole fraction were increased with increasing acetylene mixing rate. Experimental results showed that the CNT synthesis in 2% acetylene mixture flame better than that of 6% and 10% acetylene mixture flames. It can be considered that 6% and 10% acetylene mixture flames generated the excessive carbon source and then it interrupted the supplement of the carbon source into ferrocene catalyst. It can be found that the supply of appropriate quantity of carbon source can make effect to synthesis of high purity of CNT.

충돌제트 버너에서 합성가스(H<SUB>2</SUB>/CO) 공기 예혼합 화염의 열전달 특성에 관한 실험적 연구

강기중(Ki-Joong Kang),조준익(Joon-Ik Jo),이기만(Kee-Man Lee) 한국추진공학회 2011 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.5

합성가스를 이용한 충돌제트 버너에서 신장된 예혼합 화염의 열전달 특성에 관한 실험적 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 석탄을 가스화하는 과정에서 추출되는 수소와 일산화탄소를 혼합한 합성가스를 연료로 사용하였다. 정체점에서의 열유속은 전체 신장율이 증가함에 따라 증가하다 다시 감소하는 것이 관찰되었다. 또한 정체점에서의 열유속이 노즐로부터 충돌판까지 거리가 증가함에 따라 증가하는 것을 확인하였다. 본 연구는 석탄에서 발생하는 부생가스의 주성분인 수소와 일산화탄소를 실용화하는 연구 중 기초 연구이다. An experimental investigation of the heat transfer characteristics of stretched premixed flames using Synthetic gas has been performed. Hydrogen and carbon mon-oxide which could be extracted from coal gasification process are the main fuel of synthetic-gas. Heat flux at the stagnation point was increased as global strainrate was increased, then the heat flux was decreased when a global strainrate reached a sudden point. Heat flux at the stagnation point is also affected by nozzle to impingement distance. Heat flux was increased as nozzle to impingement place distance was increased. This study is a foundation study of practical use of secondary gases from coals.

메탄 및 암모니아를 포함하는 석탄 합성가스의 NOx 발생 특성

이찬(Chan Lee) 한국청정기술학회 2008 청정기술 Vol.14 No.2

친환경 선박용 재료인 탄소나노물질의 합성에 관한 연구

최재혁,김재현,신우중,최정식,류경부,이상민,박설현,이주희,임태우,Choi, Jae-Hyuk,Kim, Jae-Hyun,Shin, Woo-Jung,Choi, Jung-Sik,Ryu, Kyoung-Boo,Lee, Sang-Min,Park, Seol-Hyun,Lee, Joo-Hee,Lim, Tae-Woo 해양환경안전학회 2012 해양환경안전학회지 Vol.18 No.5

이 연구에서는 친환경 선박용 재료로 각광받는 탄소나노물질에 대하여 실험적 연구를 수행하였다. 탄소나노물질의 합성을 위한 열원으로서는 대향류 메탄 화염을 이용하였다. 탄소나노물질 합성을 위한 촉매로서는 페로센을 사용하였다. 합성 특성을 파악하기 위한 주요 파라메타로는 대향류 메탄 화염에 수소의 혼합 비율과 샘플링 위치를 변화시켰다. 탄소나노물질의 성향은 SEM과 TEM 이미지를 이용하여 결정되었다. 실험 결과로서는 수소의 혼합 비율이 증가할수록 탄소나노물질의 생성이 잘 이루어졌다. 또한 대향류 메탄 확산화염 내 탄소나노튜브의 생성을 위한 적정 온도로는 1500 K 정도가 적당하다는 것을 알 수 있었다. In this study, experimental studies were performed for the carbon nanomaterial(CNM) which is catching on as a material for eco-ship. The opposed-flow methane flame was used as a heat source for synthesis of CNM. Ferrocene was used as a catalyst for the synthesis of CNM. These major parameters were $H_2$ mixing rate and sampling positions that synthesize CNMs in opposed-flow diffusion flames. The propensities of CNMs were experimentally determined using SEM and TEM images. The experimental result showed that the amount of CNTs was increased with increasing $H_2$ concentration. It can also be found that the optimal temperature in opposed-flow methane flame for synthesis of CNT was about 1500 K.

합성가스(H2/CO)/공기 예혼합 충돌화염의 연소 및 열전달 연구 Part I: 연소특성

정병규,이용호,이기만 한국수소및신에너지학회 2014 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.25 No.1

The characteristics of flame shape, laminar burning velocity, emissions and heat flux of stagnationpoint in premixed impinging jet flame of syngas fuel with 10% hydrogen content were experimentally investigated. Also, the adiabatic temperature and burning velocity are calculated by Chemkin package with USC-II mechanism. The equivalence ratios(0.8~5.0) and dimensionless separation distance(2.0~5.0) with fixed Reynolds number(1800)are main parameters in this work. Different flame shapes and colors were observed for different impingementconditions. The experimental results of burning velocity by flame surface area have a consistent with previousworks and numerical simulation of this work. The inner flame length could be predicted with the ratio of mixturevelocity and burning velocity from a simple formulation by the laminar burning velocity definition. It has beenobserved that the heat fluxes at stagnation point are directly affected by the flame shape including the separationdistance. The emission results in impinging flame of syngas fuel show that the characteristics of NOx emissiontraced well with adiabatic temperature trend and CO emission due to fuel rich condition increased continuouslywith respect to the equivalence ratio.

합성가스(H2/CO) 예혼합 충돌 제트화염에서 신장률에 따른 부상된 화염 구조에 관한 연구

심근선,장병록,이기만 한국수소및신에너지학회 2015 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.26 No.4

A study has been conducted numerically to investigate the lifted flat syngas flame structure of impinging jet flame configuration with the global strain rates in 10% hydrogen content. In this study, the effects of strain rate were major parameters on chemistry kinetics and flame structure at stagnation point. The numerical results were calculated by SPIN application of the CHEMKIN package. The strain rates were adjusted with Reynolds numbers of premixed syngas-air mixture. Different flame shapes were observed with different strain rates. As strain rate has increased, the flame temperature and axial velocity have been decreased due to the flame heat loss increment, and the OH radical reaction zones become narrower but each mole fractions are still constant. Also, the reversion of H2O product near stagnation point has been found out when strain rate has increased. This phenomenon is attributed to the rapid production of oxidizing radical reaction such as the R12 (H+O2(+M) = HO2(+M)), which makes the R18 (HO2 + OH = O2 + H2O) reaction increment.

화염온도 변화에 따른 연소합성된 TiO₂나노입자의 결정구조 변화

이교우(Gyo Woo Lee),최상민(Sang Min Choi) 대한기계학회 2006 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2006 No.6

In this work, TiO₂ nanoparticles were synthesized using N₂-diluted and Oxygen-enriched coflow hydrogen diffusion flames. The effect of flame temperature on the crystalline structure of the formed TiO₂ nanoparticles was investigated. The measured maximum centerline temperature of the flame ranged from 2,103K for oxygen-enriched flame to 1339K for N₂-diluted flame. The visible flame length and the height of the main reaction zone were characterized by direct photographs. The crystalline structures of TiO₂ nanoparticles were analyzed by XRD. From the XRD analysis, it was evident that the crystalline structures of the formed nanoparticles were divided into two sorts. In the higher temperature region, over the 1,700K, the fraction of formed TiO₂ nanoparticles having anatase-phase crystalline structure increased with increasing the flame temperature. On the contrary, in the lower temperature region, below the 1,600K, the fraction of anatase-phase nanoparticles increased with decreasing the flame temperature.