Flame structures and NOx formation characteristics in the flame lets of coflow and counterflow diffusion flame are numerically studied. Calculations were carried out twice with the $C_2-Full$ and $C_2-Thermal$ Mechanism for each flame. Mixture fractions and scalar dissipation rates are used as the parameters to compare the flame let structures and NOx formation characteristics quantitatively. It was found that there is a similarity in flame temperature and stable species profiles except radical profiles between two flamelets. And there are some differences in NOx concentration and production rates. These results imply that the flow effects must be considered in calculations for NOx formation of turbulent flames using Laminar Flamelet Model.
The present study has numerically investigated the effects of the oxidizer-side nitrogen dilution on the precise structure and NOx formation characteristics of the turbulent syngas nonpremixed flames. Eulerian particle flamelet model was used to predicted the NOx formation characteristics in the turbulent syngas swirling nonpremixed flames. Current numerical simulation was conducted for the syngas gas turbine combustor. Numericla results indicate that as the H2O portion is increased in diluent, the formation of NOx decreased effectively in turbulent syngas swirl nonpremixed flames.
Experimental and numerical studies have been done to examine the effects of excess air ratio and tertiary air swirl number on the formation characteristics of NOx in a pilot scale combustor adopting a multi-air staged burner. In numerical calculation the mathematical models for turbulence, radiation and nitric oxide chemistry were taken into account. The radiative transfer equation was solved using the discrete ordinates method with the weighted sum of gray gases model. In the NOx chemistry model, the chemical reaction rates for thermal and prompt NOx were statistically averaged using a probability density function. The results were validated by comparison with measurements. For the experiment, a 0.2 MW pilot multi-staged air burner has been designed and fabricated. Using the numerical simulation developed here, a variation of thermal and prompt NOx formation was predicted by changing the excess air ratio and tertiary air swirl number. As the excess air ratio increased up to 1.9, the formation of the total as well as thermal NOx at exit increased while the prompt NOx decreased. The formation of thermal NOx was more affected by concentration of $O_2$ and $N_2$ than gas temperature. When the tertiary air swirl number increased, the formation of the total as well as the prompt NOx slightly decreased.
This numerical study was to investigate the effect of $CO_2$ addition on the structures and NOx formation characteristics in $CH_4$ counterflow diffusion flame. The importance of radiation effect was identified and $CO_2$ addition effect was investigated in terms of thermal and chemical reaction effect. Also the causes of NOx reduction were clarified by separation method of each formation mechanisms. The results were as follows : The radiation effect was intensified by $CO_2$ addition. Thermal effect mainly contributed to the changes in flame structure and the amount of NO formation but the chemical reaction effect also cannot be neglected. The reduction of thermal NO was dominant with respect to reduction rate, but that of prompt NO was dominant with respect to total amount.
This paper investigated the behaviors of combustion characteristics at part load condition with various intake charge motions induced by the port masking schemes in the CVVT (Continuously Variable valve Timing) engine. Time resolved in-cylinder and exhaust emissions were measured by the fast response HC and NOx analyzers to examine their formation mechanisms and behavior characteristics. As a result, in-cylinder HC decreased with the advanced intake valve timings but HC at the exhaust port increased due to the worse combustion stabilities. However HC reduction could be achieved by the application of the port maskings with a enhancement of the engine stability. NOx also decreased with early intake timings by internal EGR but increased with the charge motion controls which enhance the combustion behavior.
The purposes of this study are to analyze nitrogen oxides(NOx) formation mechanism and to reduce abnormal NOx emissions in gas turbines. Industrial gas turbines emissions have potential to negative affect to the atmosphere in many different ways such as photochemical smog, acid rain and global warming. In conventional gas turbine combustors, one of the main pollutants such as nitrogen oxide(NOx) species, are principally formed from combustion process of fuel with oxygen in the primary combustion zone, and their emission levels are highly depend on peak temperatures in the combustor. In order to examine the characteristics and the effect of NOx formation, we used gas turbine of which commercial operating in Korea. From the examination, it has been found that NOx emissions are relatively high at low load(output) and during combustion mode change. Also, the effect of Air/Fuel ratio was considered. As the Air/Fuel ratio was increased in Lean-Lean mode, the NOx emission was decreased. The results of this study indicated that NOx emission levels are highly depend on peak temperature and pressure of combustion process in the combustor.
Experimental investigations were conducted for two hydrogen-nitrogen coaxial jet diffusion flames. A flame was a conventional coaxial jet diffusion flame and the other was a coaxial jet diffusion flame of which ambient air-jet turbulence was intensified. In this study, firstly two kinds of NOx measuring system were campared by using different convertors, secondly the NOx formation characteristics were investigated in order to examine the effect of turbulence intensity. In this study it is known that stainless convertor has some problem in the converting process from NO$_2$to NO in fuel rich region but molybdenum convertor can detect the amount of NOx correctly. The increase of turbulence intensity reduces the thermal NOx less than a half in our experiment and this effect is conspicuous near the nozzle. The conversion rate from NO to NO$_2$and the portion of NO$_2$among NOx are increased with turbulence intensity. These NOx measurements will help to understand the influences of turbulence intensity on NOx formation.
In this study, the NOx formation characteristics of one-dimensional $CH_4$/Air premixed flame using detailed-kinetic chemistry are examined numerically. The combustor length and the amount of heat loss are varied to investigate the effect of residence time and heat loss on the NOx formation in a post-flame region. In the flame region, NO is mainly produced by the Prompt NO mechanism including $N_2$O-intermediate NO mechanism over all equivalence ratios. However, thermal NO mechanism is more important than Prompt NO mechanism in the post-flame region. In the case of adiabatic condition, the increase of combustor length causes the remarkable increase of NO emission at the exit due to the increase of residence time. On the other hand, NO reaches the equilibrium state in the vicinity of flame region, considering radiation and conduction heat losses. Furthermore the NO, in the case of $\phi$=1.2, is gradually reduced in the downstream region as the heat loss is increased. From these results, it can be concluded that the controls of residence time and heat loss in a combustor should be recognized as an important NOx reduction technology.
Hydrogen with high chemical reactivity and combustion efficiency, is expected to reduce greenhouse gas and CO emission. However, there is a problem of increase in NOx emission due to hydrogen combustion. MILD combustion technology has been proposed to resolve NOx emission. In this study, the characteristics of MILD combustion and NOx formation by flue gas recirculation (KV) in CH4-H2 mixture were analyzed and predicted using 0D premixed combustion model. The ignition delay time became shorter as the hydrogen co-firing rate increased, and longer as the recirculation rate increased. For NOx emission, EINO decreased as the KV increased, but EINO increased as the hydrogen co- firing rate increased. In particular, EINO was predicted to increase significiently above 80% hydrogen. Through the pathway analysis of NO formation, it was found that the influence of N2O intermediate route and NNH route was enhanced for hydrogen co-firing.
완전혼합 반응기에서 외부로의 열손실이 $CH_4/air$예혼합화염의 NOx 생성특성에 미치는 영향을 수치해석으로 검토하였다. 주요 결과로서, 단열조건에서 NOx는 체류시간에 따라 급격히 증가하는 반면에, 열손실이 고려될 때 열전 달 상수와 체류시간의 증가에 따라 NOx 저감현상이 뚜렷하게 발생하였다. 민감도 해석을 통해 열손실율이 증가함에 따라 Thermal NO 기구와 Re-burning NO 기구는 NOx 저감에 크게 기여하는 반면, Prompt NO 기구와 $N_2O$-경유 NO 기구는 오히려 NOx 증가에 기여함을 확인하였다. NOx 생성기구는 열전달 상수 및 체류시간의 변화에 따라 매우 복합한 특성을 갖지만, NOx 농도는 독립된 Thermal NO 기구에 의해 표현될 수 있었다. 이를 통해 실용 $CH_4/air$예혼합 연소기에서 NOx 농도를 예측할 수 있는 열손실율과 체류시간을 조합한 새로운 NOx 상관식이 도출되었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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