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논문 기본 정보

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(국민대학교, 국민대학교 일반대학원)

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    초록·키워드

    암모니아는 탈탄소화 산업에서 근본적인 역할을 합니다. 암모니아는 고효율 비료를 만들기 위한 공급원료로 사용됩니다. 화석 연료를 암모니아, 수소 등 탄소 제로 재생 에너지원으로 대체함으로써 온실가스 배출을 방지하고 줄일 수 있습니다. 녹색 산업으로 전환하는 과정에서 수소를 생산하려면 재생 가능한 공급원료와 탄소 제로 에너지가 필요합니다. 암모니아는 가장 효과적인 수소 운반체이며 분해 공정에서 수소를 생성하는 데 사용됩니다. 이는 촉매 존재 및 고온에서 수행됩니다.
    암모니아를 연료로 사용하면 온실가스 배출에 기여하지 않고 열화학 공정에 필요한 에너지를 제공할 수 있습니다. 그러나 암모니아 연소 불안정성, 높은 NOx 배출, 안전 및 효율성 문제를 포함하여 산업 및 상업용 암모니아 연소 응용 분야에는 극복해야 할 몇 가지 장애물이 있습니다.
    본 연구에서는 경험적 기반 방법이 연소 불안정성을 평가하기 위해 평평한 무화염연소기에 대한 실험실 환경에 적용됩니다. 연구 혁신에는 순수한 암모니아 무화염연소 및 배출 성분의 특성화, 암모니아 위험 평가 및 안전 분석이 포함됩니다. 암모니아 무화염연소에서 NH2, NH, OH, NO, NO2, N2O 종에 의해 방출되는 빛의 스펙트럼 분석을 UV-VIS 영역에서 측정했습니다. 2.5kw 플랫 버너의 부피 전체에 걸쳐 암모니아 무화염연소의 균일한 온도 분포는 노즐로부터의 다양한 거리와 0.2-1.2 및 O2 % 3 및 1 atm 등가의 깊이에서 측정되었습니다. 이 실험에 따르면 당량비가 0.2 인 매우 희박한 무화염조건에서도 암모니아 연소가 계속될 수 있습니다. 순수 암모니아 무화염연소의 NOx 배출은 연료 풍부 조건(ψ= 1.15)에서와 같이 등가비 ψ 의 함수이며, 가장 낮은 NOx 배출(40ppm)을 중요한 결과로 보여줍니다. 입열량 조건은 2.5kW 로 하였다. 연소 안정성을 테스트하기 위해 다양한 방법으로 당량비를 조정했습니다. 결과는 연소가 안정적으로 유지됨을 나타냅니다. NOx 를 줄이려면 열, 당량비 및 산소 함량(O2%)을 제어해야 합니다. 이 연구에서는 암모니아 연소와 관련된 안전성 및 효율성 문제를 해결하기 위해 연소 안정성을 향상시키고 NOx 배출을 줄이며 배기 가스의 암모니아 잔류물을 줄이기 위해 뜨거운 연도 가스의 내부 재순환과 함께 화염 없는 연소가 효과적인 것으로 입증되었습니다. 안전성 평가에 적용된 정량적 위험 평가 방법을 바탕으로 암모니아 무화염연소의 공정 안전성 평가에서는 폭발, NOx 배출 및 미연 독성 가스 방출 위험이 더 낮은 것으로 나타났습니다.
    암모니아를 연료로 개발하려면 지속 가능한 친환경 에너지원으로서 안전성과 효율성을 높이는 것이 중요합니다. 수소 생산을 위한 지속 가능한 녹색 에너지원인 암모니아는 연료로 연구되고 있으며 안전성과 효율성을 높이기 위해 개발되고 있습니다.

    목차

    1. 1. Introduction 1
      1.1 The Present and Future of Hydrogen and Ammonia 3
      1.1.1Application of Ammonia in hydrogen production 4
      1.1.2. Ammonia production 5
      1.1.3 Properties of ammonia as a carbon-free energy source 7
      1.2 Literature review/theoretical framework 10
      1.2.1 Fundamentals of Ammonia combustion 10
      1.2.2 Challenges of Ammonia combustion 10
      1.3 Reactions Mechanisms of Ammonia Combustion 12
      1.3.1 Ammonia- air flames propagation characteristics 13
      1.3.2 The ignition characteristics of ammonia 19
      1.3.3 The formation of nitrogen oxides NOx 21
      1.3.4 The influence of equivalence ratio on NOx emission 24
      1.4 Ammonia combustion technologies 27
      1.4.1 Characteristics of Ammonia Flameless combustion 29
      1.4.2 Heat release characteristics of flameless ammonia-air combustion 29
      1.4.3 The lean blow-off limit of a flame 31
      1.5 Hazards and Safety issues of Ammonia Fuel 33
      1.5.1. Ammonia Fire and Explosion Risk 33
      1.5.2 Ammonia Corrosion Risk 35
      1.5.3. Health hazards of Ammonia 36
      1.5.4 Ammonia safety management 39
      Chapter 2: Ammonia Combustion Stability 43
      2.1 Combustion stability 43
      2.1.1 Ammonia flame stability condition and limits 44
      2.2 The Effective Factors of Ammonia Combustion Stability 54
      2.2.1 Effects of ammonia laminar flame speed on combustion stability 54
      2.2.2 The extinction of ammonia combustion flame 54
      2.2.3 The laminar burning velocity of ammonia effects on combustion stability 59
      2.2.4 Effects of ignition temperature on ammonia combustion stability 61
      2.2.5 Effects of heat released on ammonia combustion stability 62
      2.2.6 Effects of swirl number on ammonia combustion stability 62
      2.2.7 Effects of residence time on ammonia combustion stability 65
      2.2.8 Effects of O2 concentrations on ammonia combustion stability 65
      2.2.9 Effects of fuel composition and species on ammonia combustion stability 67
      Chapter 3: Ammonia Combustion Instability 68
      3.1 The characteristic of Ammonia Combustion instability 68
      3.2 Thermal diffusive instability of ammonia combustion 70
      3.3 Hydrodynamic instability characteristics of ammonia Combustion 74
      3.4 Thermo-acoustic instability characteristics of ammonia Combustion 79
      3.5 The spectrum of ammonia combustion species 81
      Chapter 4. Research methods and apparatus 91
      4.1 Research Motivation and Objectives 91
      4.1.1 Experimental set-up and configuration of flat flameless furnaces 93
      4.1.2 The geometric and detailed design of flat flameless ammonia combustor 95
      4.1.3 Measurement of ammonia combustion flue gas composition 96
      4.2 Elemental Analysis of Flow and Instability 97
      4.3 Experimental Condition and Parameters 99
      4.4 Optical Setup of Experimental System 101
      4.5. Safety and hazard Analysis of Ammonia in Flameless Combustion 105
      4.5.1 Hazard identification 105
      4.5.2 The health and safety assessment of ammonia combustion process 107
      5: Results and Discussion 109
      5.1. Experimental Results of Ammonia Flameless Combustion 109
      5.1.1 The real-time temperature data ammonia flameless combustion 109
      5.1.2 The emission characteristics of ammonia combustion flue gas 111
      5.1.3 The evaluation of ammonia combustion stability limits 115
      5.2 Optical Study of Ammonia Combustion Processes 118
      5.2.1 The emission spectrum from ammonia flameless combustion 120
      5.2.2 The UV,Visible and IR spectrum from ammonia flameless combustion and species in each of the regions 124
      5.2.3 The Effect of equivalence ratio on the spectra of ammonia combustion 133
      5.3 Safety Analysis and Risk Assessment of Ammonia Combustion 135
      5.3.1 Ammonia flameless combustion safety hazard identification 135
      5.3.2 Health hazard of ammonia flameless combustion 138
      5.3.3 Safety evaluation of released ammonia in exhaust gas 141
      5.3.4 Safety evaluation of released hydrogen in exhaust gas 143
      5.3.5 Safety evaluation of NOx emission in exhaust gas 144
      5.4. Safety risk assessment of experimental ammonia flameless combustion 145
      5.4.1 The risks associated with each components of experimental ammonia flameless combustion 145
      5.4.2 Summery of risk assessment of ammonia combustion hazards 147
      5.5. Control measures for safe use of ammonia in combustion 149
      5.5.1 The layers of protection analysis (LOPA) for control measures safe use of ammonia gas 149
      5.5.2 Preventive measures for safe handling of ammonia gas and fire suppression system 150
      Chapter 6: Conclusion remarks 152
      References 158
      Korean abstract 172
      Appendix 1: Technology of hydrogen production from ammonia 173
      Appendix 2: Health hazards and safety of ammonia 174
      Appendix 3: Utilizing ammonia combustion technology for carbon neutrality 175
      Appendix 4: Process of Converting Ammonia to Hydrogen 176
      Appendix 5: Green Hydrogen Production Technologies from Ammonia Cracking 177

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