The objective of this research is to determine generally applicable design principles for the development of internally staged combustion devices. Utilizing a triple annulus combustor, air staged commercial propane flame configuration are studied. For this triple air staged combustor, the angular momentum weighted by it's swirl number and air distribution ratio was observed to be the critical criteria. An internal recirculation zone which develops on the centerline of the flame immediately downstream of the burner entraps the fuel into a fuel rich eddy. Then sufficient heat must he transferred from the flame via radiation to the chamber heat transfer surfaces, such that when the second air is introduced, peak flame temperatures are suppressed. It is experimentally found out that the total NOx emission level in this type of burner is lower than 0.75g/kg.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.25
no.12
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pp.1793-1801
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2001
A study of low NOx atomizer was carried out to reduce nitrogen oxides(NOx) in a liquid fuel burner flame. The basic concept of NOx reduction in this atomizer is the fuel 2-staging combustion which is generated by a single atomizer forming two different stoichiometric flames. Two orifices swirl atomizer was selected and modified to realize this concept, and it was tested to obtain the design process of low NOx atomizer. These experiments were achieved to find out the relationship between the injection pressures and the flow rate, spray angle and drop size of swirl atomizer as well as to confirm the NOx reduction concept in real plant(power boiler). In comparison between experimental and theoretical results, the correct discharge coefficient and spray angle were obtained. In real burning test, NOx reduction rate was reached to above 27% of the case using conventional swirl atomizer.
The effect of micro scale turbulence on flame structure and stability were experimentally investigated by changing the area of micro turbulence generator(MTG) and air velocity in terms of low NOx and high efficiency combustion. NOx and CO concentration were also measured for different MTG areas to investigate whether a vane swirler having MTG has a possibility of using as part for low NOx combustor. From the obtained results, it is shown that flame stability region increases and flame size becomes small as MTG area increases since MTG in itself makes small scale recirculation flow and swirler does large scale recirculation one. It is also shown that low NOx concentration(about 20${\sim}$30ppm@$O_2$ 11%) is achieved for all MTG areas without any increase in CO concentration regardless of air velocity range tested in this study when the equivalence ratio is 0.7. The results obtained in this study can give basic guideline for the design of compact low NOx high efficiency combustor using a vane swirler having MTG.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2003.06a
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pp.499-502
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2003
Increase energy costs have placed demands for improved combustion efficiency, high equipment availability, low maintenance and safe operation. Simultaneously low NOx modification, installed due to stricter environmental legislation, require very careful combustion management. We aimed at gaining the relationship between burner flame image and emissions such as NOx and unburned carbon in furnace by utilizing the image processing method. For the first step of development, its possibility test was undertaken with bench furnace. The test proceeded to the second step with pilot furnace, the system was observed to be effective for evaluating the combustion conditions. By using this technology, it is possible to perform continuous monitoring of the combustion conditions and instant detection of individual changes for each burner to prevent future loss of ignition.
Hydrogen-dimethy ether(DME) partially premixed compression ignition(PCCI) engine combustion was investigated in a single cylinder compression ignition engine. Hydrogen and DME were used as low carbon alternative fuels to reduce green house gases and pollutant. Hydrogen was injected at the intake manifold with an injection pressure of 0.5 MPa at fixed injection timing, $-210^{\circ}CA$ aTDC. DME was injected directly into the cylinder through the common-rail injection system at injection pressure of 30 MPa. DME inejction timing was varied to find the optimum PCCI combustion to reduce CO, HC and NOx emissions. When DME was injected early, CO and HC emissions were high while NOx emission was low. As the DME injection was retarded, the CO and HC emissions were decreased due to high combustion efficiency. NOx emissions were increased due to the high in-cylinder temperature. When DME were injected at $-30^{\circ}CA$ aTDC, reduction of HC, CO and NOx emissions was possible with high value of IMEP.
It is becoming increasingly difficult for engines using conventional fuels and combustion techniques to meet stringent emission norms. The homogeneous charge compression ignition(HCCI) concept is being evaluated on account of its potential to control both smoke and NOx emissions. However, HCCI engines face problems of combustion control. In this work, a single cylinder water-cooled diesel engine was operated in the HCCI mode. Diesel was injected during the suction stroke($0^{\circ}$ to $20^{\circ}$ degrees aTDC) using a special injection system in order to prepare a nearly homogeneous charge. The engine was able to develop a BMEP(brake mean effective pressure) in the range of 2.15 to 4.32 bar. Extremely low levels of NOx emissions were observed. Though the engine operation was steady, poor brake thermal efficiency(30% lower) and high HC, CO and smoke were problems. The heat release showed two distinct portions: cool flame followed by the main heat release. The low heat release rates were found to result in poor brake thermal efficiency at light loads. At high brake power outputs, improper combustion phasing was the problem. Fuel deposited on the walls was responsible for increased HC and smoke emissions. On the whole, proper combustion phasing and a need for a well- matched injection system were identified as the important needs.
Proceedings of the Korea Society for Energy Engineering kosee Conference
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1999.05a
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pp.89-93
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1999
Experimental studies are conducted to investigate the flame stability and the thermal/fuel NOx formation characteristics of the low calorific value(LCV) gas fuel. Synthetic LCV fuel gas is produced through mixing carbon monoxide, hydrogen, nitrogen and ammonia on the basis that the thermal input of the syngas fuel into a burner is identical to that of natural gas, and then the syngas mixture is fed to and burnt with air on flat flame burner. Flame behaviors are observed to identify flame instability due to blow-off or flash-back when burning the LCV fuel gas at various equivalence ratio conditions. Measurements of NOx in combustion gas are made for comparing thermal and fuel NOx emissions from the LCV syngas combustion with those of the natural gas one, and for analyzing ammonia to NOx conversion mechanism. In addition, the nitrogen dilution of the LCV syngas is preliminarily attempted as a NOx reduction technique.
This study investigated on the conversion of nitrogen component in ammonia gas to control fuel-NOx. Control conditions were found to suppress the production of NOx in the catalytic combustion of the gasified fuels. Also, the results would provide the basis of the theoretical study on fuel-NOx generation mechanism.
In order to reduce NOx emissions in the 20kw class microturbines under development, the low NOx characteristics, as being an application to the lean premixed combustion technology, have been investigated. The study has been conducted at the conditions of high temperature and pressure. Air from a compressor with the temperature of 500K to 650K and the pressure of 0.3bar gauge to 0.7bar gauge, was supplied to the combustor through an air preheat-treatment. Sampling exhaust gases were measured at the immediate exit of the combustor. for the effect of temperature on NO and CO emissions. though NOx was increased, CO was decreased with increasing inlet air temperature. With increasing inlet air pressure, NOx and CO were increased also. NOx was decreased, but CO was increased with increasing inlet air mass flow rate. The test has been performed on the equivalent ratios of 0.10 to 0.25 in a lean region. NOx was increased with increasing equivalent ratios, but CO was decreased as an influence of flame temperature. In the very lean region of the equivalent ratio below 0.12, CO was increased suddenly, due to instability. As the results of this study, NOx and CO are found to be reduced to the similar level at the same time when operated at optimal conditions.
Air-staging combustion is a relatively well-known technique to reduce NOx emission and used in combination with other techniques nowadays. However, the design variables are still selected depending upon operating circumstances. Though the fuel-rich condition of the primary combustion zone is very helpful to NOx reduction, its range is known to be restricted by the increase of carbon monoxide. However, in many cases carbon monoxide level is so low not to be the restriction at all. So we tried to expand the equivalence ratio range to the richer condition in the primary combustion zone and make the function of each burner component and its contribution to the overall NOx production clear.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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