J. Korean Soc. Combust. 20(4) (2015) 19-25 〈학술논문〉 http://dx.doi.org/10.15231/jksc.2015.20.4.019 ISSN 1226-0959 † Corresponding Author, sunhopark@dankook.ac.kr This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licences/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 불활성기체로 희석된 동축류 확산화염의 파일럿화염에 의한 안정화 안태국 * ․이원남 * ․박선호 * † * 단국대학교 기계공학과 Stabilization of Inert-Gas-Diluted Co-Flow Diffusion Flame by a Pilot Flame Taekook Ahn * , Wonnam Lee * and Sunho Park * † * Department of Mechanical Engineering, Dankook University (Received 6 August 2015, Received in revised form 26 November 2015, Accepted 30 November 2015) ABSTRACT An experimental study was conducted to find the effect of a pilot flame on the flammability of inert-gas- diluted methane and propane. The diffusion pilot flame was formed with propane at the innermost nozzle of a concentric triple co-flow burner. The main diffusion flame was formed with nitrogen-diluted methane or propane at the outermost nozzle of the burner. An air flow was located in-between. The results showed that the existence of the pilot flame helped stabilizing the main flame even at the flammability limit concentra- tion of nitrogen-diluted fuel. The co-flow burner generated re-circulation zones and local variation of equivalence ratio depending on the flow rates of the reactants, which are known to help flame stabilization. Hot-wire experiments confirmed that both heating of the reactants and supplying of active chemical species by the pilot flame contributed to stabilization of the main flame. The results of this study would suggest a design concept for an efficient SVRU system that minimizes the emission of unburned hydrocarbon fuel from ship fuel tanks. Key Words : Flame stabilization, Pilot flame, Co-flow burner, Flammability limit, Inert gas dilution, SVRU 1. 서 론 선박의 유류탱크에서 회수되는 유증기의 대기유 출을 저감하기 위해 선박용 유증기 회수장치(SVRU, Ship’s Vapor Recovery Units)가 사용된다. SVRU는 유증기 내의 탄화수소를 응축 또는 연소과정을 통 해 제거하는데, 탄화수소의 분자량이 낮을수록 낮은 포화온도로 인해 응축을 통한 제거가 쉽지 않다. 이 러한 경우 연소과정을 통해 잔여 탄화수소를 제거 해야 한다. 그러나 선박의 유증기는 다량의 질소와 같은 불활성기체와 혼합된 채 회수되며, 혼합물의 각 성분들의 유량과 농도가 선박의 외부 환경조건 에 따라 시시각각 변화한다. 그러므로 이러한 환경 에서 안정적인 화염을 형성하여 넓은 농도범위의 유 증기/불활성기체 혼합물을 연소 처리할 수 있는 기 술에 대한 연구가 필요하다. 기체상 연료를 공기로 연소시키는 과정에서 확산, 부분 예혼합 또는 예혼합 화염이 형성된다. 이때 연 소반응이 이루어지는 영역에서 연료와 공기의 혼합 조건이 가연한계를 벗어나지 않아야 한다. 연료 또 는 산화제가 불활성기체로 희석되어 있을 경우의 가 연한계는 기존 연구결과를 활용할 수 있다. Lewis 등 [1]에 따르면 불활성기체 희석 정도에 따른 예혼합 반응물의 가연한계는 Fig. 1과 같이 연료/공기/불활 성기체 혼합물의 연료분율(=y, 수직축)과 공기/불활 성기체 혼합물의 불활성기체분율(=x, 수평축)을 이 용하여 그래프 상의 곡선으로 나타낼 수 있다. 이를 프로판의 확산화염에 적용하면 화염면에서 공기와 당량비 1인 조건(stoichiometric condition)의 연소반 응이 일어나므로 식 (1)의 화학 반응식으로 나타낼