확산 화염에서 연료 유량별 배출된 입자상 물질의 광학 특성에 관한 연구

A Study on the Optical Characterisitcs Analysis of Particulate Matter by Fuel Flow Rate in Diffusion Flame

현재 입자상 물질(미세먼지) 환경적 이슈로 인해 농도 감소를 위한 노력이 이어지고 있다. 입자상 물질 농도 감소를 위한 연구와 규제가 활발히 진행 중에 있으나 정확한 입자상 물질 농도 측정이 우선적으로 수행되어야한다. 광학 기반의 입자상 물질 농도 측정은 실시간으로 측정이 가능하지만 일반화된 광학 특성값(광소멸계수) 적용으로 비교적 낮은 신뢰성을 갖는다. 정확한 측정을 위해 상황에 맞는 광학 특성값 적용과 다양한 환경에서의 데이터를 확보하는 것이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 연료 유량별 초저황디젤(Ultra Low Sulfur Diesel, ULSD)에서 발생한 입자상 물질의 광소멸계수를 측정하고 연료 증가에 따른 광학 특성을 비교 분석하였다. 동축류 버너에서 연료 유량(4.5, 5.5, 6.5 g/h)별 연소 후 확산화염에서 발생한 입자상 물질을 GSLE(Gravimetric Sampling Light Extinction) 장치를 이용해 광소멸계수를 측정하고 포집하여 물리적 형상과 구조 분석을 진행하였다. Trasmission Electron Microscope(TEM) 분석을 통해 입자상 물질의 물리적 형상을 확인할 수 있으며 이는 광산란과 밀접한 관련이 있다. 또 Raman spectroscopy 분석을 통해 탄소의 구조를 정성적으로 판단할 수 있다. 광소멸계수 측정 결과 연료 유량이 증가함에 따라 값이 증가하였으며, 광소멸계수의 증가는 입자상 물질에서 광소멸(광산란+광흡수)이 더 많이 일어나는 것을 의미한다. 이러한 결과는 TEM, Raman 분석을 통해 연료 유량이 증가할수록 입자상 물질의 입자 직경이 증가하고 흑연 구조에 가까워짐에 따라 산란과 흡수의 영향이 강해지기 때문이라 판단할 수 있다. 연료 유량이 증가함에 따라 화염 길이가 길어지고 입자 성장 시간이 직경 증가 및 흑연 구조화에 기인한 것으로 사료된다. 본 연구 결과를 통해 연소환경에 따라 달라지는 광소멸계수 특성과 연료 유량에 따른 광소멸계수 관계를 확인할 수 있었고 ULSD의 광소멸계수는 광학 특성 기초 데이터로 활용할 수 있을것으로 기대된다.