The inert gas dilution effect for the stability of a stratified propane premixed flame has been experimentally studied. The addition of inert gases to a stratified premixed flame, which used to be very stable without dilution, makes a flame unstable. The lower equivalence ratio on the outer premixed flame and the lower fuel flow rate through the inner nozzle were observed to be the more stable conditions for the stratified premixed flame with nitrogen or argon dilution. It has been interpreted with the flame structure change such as shift of stoichiometric ratio region in a flame.
Combustion of low concentration VOC in inert gas around the flammability limit has been experimentally studied. Streams of nitrogen and propane mixture with various compositions and flow conditions were treated by a turbulent partially-premixed pilot flame. HC and CO contents in exhaust gas measured and the flow patterns were visualized. The results suggested that there exists an optimal mixture velocity range for efficient combustion treatment for each flow condition and composition of the mixture.
Kim, Jin-Sik;Kwark, Ji-Hyun;Jeon, Chung-Hwan;Chang, Young-June
한국연소학회:학술대회논문집
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2001.11a
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pp.51-56
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2001
An experiment using preheated air in the coaxial diffusion flame burner was carried out in order to decrease NOx emission and improve the thermal efficiency. Preheated air combustion generally produces high NOx emissions but it was known very well to reduce NOx emission by diluting the combustion air with inert gas in preheated air combustion. In our study, $N_2$ gas was used for diluent and propane was utilized for fuel. We set the combustion air temperature on 300K, 500K, 700K, 900K and dilution level from 21% to 10% in terms of oxygen concentration. NOx emission increased along increment of combustion air temperature and decreased along increment of dilution level(lowering of oxygen concentration in combustion air). Flame-off limit with dilution level enhanced, flame length became longer and the location of maximum flame temperature became lower with increasing of combustion air temperature.
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 concentration 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.
Biogas can be obtained from biogenic materials through an anaerobic digestion process. Since biogas has low calorific value and its composition significantly varies, appropriate combustion strategies need to be established to obtain stable combustion in engine applications. In this study, efforts have been made to investigate the effects of inert gas composition variations on engine performance and emissions. Results show that the MBT spark timing was advanced and $NO_x$ was reduced as the inert gas in the biogas rose. Moreover, $NO_x$ emission drop in $CO_2$ diluted biogas was more significant than that of $N_2$ due to higher heat capacity of $CO_2$, while THC emissions showed the opposite tendency. Thermal efficiency was increased in $N_2$ case with elevation of $N_2$ due to the decreased heat loss and PMEP. However, there is no difference in $CO_2$ case because of deteriorated flame propagation speed.
The Sea:JOURNAL OF THE KOREAN SOCIETY OF OCEANOGRAPHY
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v.27
no.3
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pp.144-157
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2022
Noble gases, which are chemically inert and behave conservatively in marine environments, have been used as tracers of physical processes such as air-sea gas exchange, mixing of water masses, and distribution of glacial meltwater in the ocean. For precise measurements of Ne, Ar, and Kr, we developed a mass spectrometric system consisting of a quadrupole mass spectrometer (QMS), a high vacuum preparation line, an activated charcoal cryogenic trap (ACC), and a set of isotope standard gases. The high vacuum line consists of three sections: (1) a sample extraction section that extracts the dissolved gases in the sample and mixes them with the standard gases, (2) a gas preparation section that removes reactive gases using getters and separates the noble gases according to their evaporation points with the ACC, and (3) a gas analysis section that measures concentrations of each noble gas. The ACC attached to the gas preparation section markedly lowered the partial pressures of Ar and CO2 in the QMS, which resulted in a reduced uncertainty of Ne isotope analysis. The isotope standard gases were prepared by mixing 22Ne, 36Ar, and 86Kr. The amounts of each element in the mixed standard gases were determined by the reverse isotope dilution method with repeated measurements of the atmosphere. The analytical system achieved precisions for Ne, Ar, and Kr concentrations of 0.7%, 0.7%, and 0.4%, respectively. The accuracies confirmed by the analyses of air-equilibrated water were 0.5%, 1.0%, and 1.7% for Ne, Ar, and Kr, respectively.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.36
no.3
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pp.309-314
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2012
Flame flickering occurs mainly because of the buoyancy force for pool fires under ambient air. The cup-burner flame was used for experimental investigation of the effect of the oxidizer velocity on the gravitational instability. The results showed that the flickering frequency decreased with increasing oxidizer velocity. The frequency-buoyancy relation with nondimensional variables coincided with that of the buoyant flume and pool fires when the characteristic velocity was defined as the difference between the fuel and oxidizer velocities, which implies that the origin of the gravitational instability is the Kelvin-Helmholtz instability in the shear layer. The effect of the oxidizer composition on the instability was also examined through nitrogen dilution in the oxidizer stream. As the concentration of inert gas increased, the length of the blue flame increased and lift-off behavior was observed. The oscillation frequency was independent of the dilution ratio, but was related to the local flame structure.
Hydrogen is a clean fuel and is used in many applications in power systems such as fuel cells. It has unique properties such as wide flammability, high burning velocity, and difficulty to liquefy, which lead to critical safety issues. Fire and explosion are the most frequently occurring accidents and one of the major reasons is autoignition. In the ignition process, the chemistry of hydrogen combustion depends mainly on radical pools, and the temperature at which chain-branching and terminating rates are equal is called the crossover temperature. This study addresses the homogeneous autoignition of diluted hydrogen-air mixtures to investigate the effects of dilution on the crossover temperature to prevent explosions in the future. The new criterion for crossover temperature is introduced by only hydrogen radicals to adjust more simply. The detailed calculations indicate that the crossover temperatures are low at high dilutions of carbon dioxide and nitrogen because the concentrations of active radicals are reduced when an inert gas is added. This result is expected to contribute to hydrogen safety and realize a hydrogen society in the future.
Park, Seung-Hyun;Park, Cheol-Woong;Kim, Young-Min;Lee, Sun-Youp;Kim, Chang-Gi
Journal of the Korean Institute of Gas
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v.15
no.5
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pp.25-30
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2011
Biogas obtained from the biodegradable organic wastes in an anaerobic digester consists of $CH_4$ and inert gases such as $CO_2$ and $N_2$. Since the composition of biogas varies by anaerobic digester conditions and the origin of wastes, it is necessary to respond to these variations so as to make stable combustion and accomplish high efficiency when it is used as a fuel for power generating SI engines. In this study, efforts have been made to investigate the effect of changes in the calorific values of biogas on the engine performance and exhaust characteristics. The biogas was simulated by supplying of $CH_4$ with $N_2$ dilution of various ratios, and ECM was developed to achieve accurate control of ignition and combustion. The results show that as the $CH_4$ concentration of the biogas decreases, the optimal spark timing is advanced due to the elevated thermal capacity and lowered $O_2$ concentration of the in-cylinder charge. Furthermore, since combustion temperature was reduced by increased inert gas, $NO_x$ emissions decreased, whereas THC emissions increased.
Kim, Hey-Suk;Shin, Mi-Soo;Jang, Dong-Soon;Lee, Dae-Geun
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.29
no.6
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pp.647-653
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2007
The ultimate objective of this study is to develop a reliable oxygen-enriched combustion techniques especially for the case of the flue gas recycling in order to reduce the $CO_2$ emissions from practical industrial boilers. To this end a systematic numerical investigation has been performed, as a first step, for the resolution of the combusting flame characteristics of lab-scale LNG combustor. One of the important parameters considered in this study is the level of flue gas recycling calculated in oxygen enriched environment. As a summary of flame characteristics, for the condition of 100% pure $O_2$ as oxidizer without any flue gas recycling, the flame appears as long and thin laminar-like shape with relatively high flame temperature. The feature of high peak of flame temperature is explained by the absence of dilution and heat loss effects due to the presence of $N_2$ inert gas. The same reasoning is also applicable to the laminarized thin flame one, which is attributed to the decrease of the turbulent mixing. These results are physically acceptable and consistent and further generally in good agreement with experimental results appeared in open literature. As the level of $CO_2$ recycling increases in the mixture of $O_2/CO_2$, the peak flame temperature moves near the burner region due to the enhanced turbulent mixing by the increased amount of flow rate of oxidizer stream. However, as might be expected, the flue gas temperature decreases due to presence of $CO_2$ gas together with the inherent feature of large specific heat of this gas. If the recycling ratio more than 80%, gas temperatures drop so significantly that a steady combustion flame can no longer sustain within the furnace. However, combustion in the condition of 30% $O_2/70% $$CO_2$ can produce similar gas temperature profiles to those of conventional combustion in air oxidizer. An indepth analyses have been made for the change of flame characteristics in the aspect of turbulent intensity and heat balance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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