[논문]정적연소기를 이용한 합성가스의 가연한계 및 연소특성에 관한 실험적 연구

조용석; 이성욱; 원상연; 박영준; 김득상

정적연소기를 이용한 합성가스의 가연한계 및 연소특성에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on Flammability Limits and Combustion Characteristics of Synthetic Gas in a Constant Combustion Chamber 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.16 no.1, 2008년, pp.14 - 21

조용석 (국민대학교 기계자동차공학부) , 이성욱 (국민대학교 기계자동차공학부) , 원상연 (국민대학교 자동차공학전문대학원) , 박영준 (국민대학교 자동차공학전문대학원) , 김득상 (국민대학교 자동차공학전문대학원)

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Synthetic gas is defined as reformed gas from hydrocarbon-based fuel and the major chemical species of the synthetic gas are $H_2$, CO and $N_2$. Among them, hydrogen from synthetic gas is very useful species in chemical process such as combustion. It is a main reason that many studies have been performed to develop an effective reforming device. Furthermore, other technologies have been studied for synthetic gas application, such as the ESGI(Exhaust Synthetic Gas Injection) technology. ESGI injects and burns synthetic gas in the exhaust pipe so that heat from hydrogen combustion helps fast warmup of the close-coupled catalyst and reduction of harmful emissions. However, it is very hard to understand combustion characteristic of hydrogen under low oxygen environment and complicated variation in chemical species in exhaust gas. This study focuses on the characteristics of hydrogen combustion under ESGI operating conditions using a CVC(Constant Volume Chamber). Measurements of pressure variation and flame speed have been performed for various oxygen and hydrogen concentrations. Results have been analyzed to understand ignition and combustion characteristics of hydrogen under lower oxygen conditions. The CVC experiments showed that under lower oxygen concentration, amount of active chemicals in the combustion chamber was a crucial factor to influence hydrogen combustion as well as hydrogen/oxygen ratio. It is also found that increase in volume fraction of oxygen is effective for the fast and stable burning of hydrogen by virtue of increase in flame speed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 일반적인 대기조건 및 산소농도가 적은 분위 기 조건에서의 합성가스의 연소 특성을 파악하고자 한다. 정적연소기를 이용하여 순수 수소의 가연한계를 조사하여 합성가스의 가연한계를 파악하는데 사용하였으며, 산소농도, 합성가스의 농도 및 분위 기 압력 등 다양한 조건에서 합성 가스의 가연한계 및 연소특성을 분석하였다.
본 연구에서는 합성 가스를 이용하여 배기 다기 관에서 의 2차 연소를 통한 촉매 예 열성 을 향상시키는 후처리 기술을 적용시키기 전에 합성가스에 대한 연소 특성을 살펴보고자 한다. 합성가스 내의 수소는 높은 에너지를 갖고 있어 연소에 유리하나 배기 다기관 내에는 산소가 적고 불활성 가스가 많아 합성가스를 연소시키기 위해서 적합한 연소 범위를 찾아야 한다.

제안 방법

Table 2는 실험조건을 나타낸다 합성가스의 가연한계를 알아보기 위하여 수소의 가연한계를 먼저 조사하고, 다양한 분위기 조건에서의 합성 가스의 가연한계를 조사하였다. Table 3은 합성가스 연소 특성을 파악하기 위한 실험조건을 정리한 것이다.
가스 조성 및 압력을 조절하기 위한 미 세 압력조절 밸브 및 연소 후 기 연가스를 제거하기 위하여 진공펌프를 설치하였다. 모든 데이터는 LabVIEW를 거반으로 하는 DAQ(Data Acquisition; DAQ Card-6024E)를 사용하여 측정하였고, 점화 시기와 고속 카메라의 촬영시기 및 압력 데이터 저장은 CodeVision AVR C언어를 사용하여 제어하였다
본 실험에서는 합성가스의 공급의 편의를 위하여 개 질장치 를 통해 생산되는 합성 가스를 직접 사용하지 않고, 합성가스와 유사한 성분조성의 모사가스 (simulation gas)를 사용하였다. 모사된 합성가스는 수소 26.
수소의 연소 유무는 정적연소기내의 압력 센서와 고속카메라를 이용하여 압력 변화 및 화염 전파 형상관찰로 판단하였다. 실험결과 수소의 가연한계 범위는 체적분율 8.
연소압력 및 연소 가시화 데이터는 점화시기 제어의 트리거 신호와 동기화하여 동일 시간상의 변화를 분석할 수 있다. 실험조건은 합성가스의 연료성분인 수소와 일산화탄소 중 연소에 보다 영향이 큰 수소를 기준으로 농도를 조절하였으며, 산소 및 불활성가스의 농도를 조절하여 각 조건별로 반복실험으로 신뢰성을 확보하였다.7)
이 면을 통해 고속카메라(Photoron FASTCAM 512) 를 이용하여 연소 시 화염전파 과정과 연소상태를 촬영 및 분석하였다
이용하여 정 적 연소기 내를 정 화한다. 이후 미세 압력조절밸브를 이용하여 합성가스, 공기, 질소를 정적연소기 내로 주입하여, 여러 실험조건을 구현하였다. 연소실에 유입된 혼합기가 장시간 방치될 경우 수소의 부력에 의해 층상을 형성할 우려 가 있다 일반적인 정적연소의 경우 연소실내의 유동이 안정화되고 연소를 하는 것이 일반적 이나, 본 실험에서는 가스 조절을 완료한 직후 연소하였다 따라서 연소실 내에는 약간의 유동이 존재할 수 있으나, 이에 대한 오차는 크지 않을 것으로 판단한다.
파악하고자 한다. 정적연소기를 이용하여 순수 수소의 가연한계를 조사하여 합성가스의 가연한계를 파악하는데 사용하였으며, 산소농도, 합성가스의 농도 및 분위 기 압력 등 다양한 조건에서 합성 가스의 가연한계 및 연소특성을 분석하였다.
합싱가스의 연소특성을 알아보기 위하여 정적 연소기를 이용한 실험을 실시하였으며, 이 결과를 바탕으로 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

실험 장치는 정적연소기, 점화장치, 혼합가스 분사 장치, 압력 측정 장치 그리고 연소 가시화를 위한 고속 카메라 등으로 구성되어 있으며, Fig. 1은 본연구에 사용된 정적연소기와 주변 실험 장치를 나타낸 것이다. 실험 장치 의 주요 제원은 Table 1과 같다.
실험 장치 의 주요 제원은 Table 1과 같다. 연소기는 직경 123 mm, 깊이 140 mm의 원통형으로 용적은 1660 cc이다. 주변장치로는 흡.

성능/효과

1) 합성가스는 분위기 압력 1 bar에서 가 1 ~2 인영 역, Xa가28 이상인 조건에서 연소가 가능하다 또한 연소가능 영역에서는 a와 Xa가 커질수록 연소압력은 높아지고, 연소시간은 짧아진다.
2) Q 와 Xa 가 일정한 조건에서 분위기 압력(P。)을 변화시켰을 경우 동일한 연소압력 특성을 보였으나, 분위기 압력(P。)이 높을수록 연소압력이 높아지며, 전체적인 연소특성은 유사한 경향을 보였다
3) 다종의 연료성분과 불활성 가스의 혼합가스인 합성가스의 연소특성을 분석하기 위해서 연료와 산소의 비(a)뿐만 아니라 활성가스의 합(X) 과 분위기 압력(P。)을 모두 동시에 고려하여야 정 확한 연소특성을 파악할 수 있다
이용하여 압력 변화 및 화염 전파 형상관찰로 판단하였다. 실험결과 수소의 가연한계 범위는 체적분율 8.8 ~60%로 나타났다. 일반적으로 대기 조건에서 수소의 가연한계 범위는 수소의 체적 분율 기준으로 4 ~ 75%이 나, 8)실험결과 희박영 역 및 농후영역에서 가연한계 범위가 좁게 나타났다.
이 에서 Xa값이 35% 이상인 조건은 실험을 실시하지 못했으나 충분히 연소가 가능할 것이 라고 판단할 수 있다. 즉 연료와 산소의 비가 1 ~2 부근이더라도 전체 혼합기에서 활성 가스의 비가 낮은 경우 불활성 가스의 영향으로 인해 연소가 불가능한 것을 확인하였다.
합성가스의 가연한계 범위는 전체 혼합기에서 수소의 체적분율이 7.5 ~ 13%로 순수 수소의 가연한계 범위보다 좁은 가연한계를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이는 합성가스에 수소 이외에도 일산화탄소 및 질소가 포함된 것에 기 인한다.

참고문헌 (8)

N. Metz(BMW Group), "Hydrogen- The Alternative Fuel for Future Powertrain," FISITA, World Automotive Congress, 2002
S. M. Oh, C. U. Kim, K. K. Kang and Y. Choi, "Lean Operation Characteristics of a Spark Ignition Engine with Reformed Gas Addition," Transactions of KSAE, Vol.14, No.3, pp.170- 177, 2006
M. W. Jensen, and M. H. Ross, "The Ultimate Challenge: Developing an Infrastructure for Fuel Cell Vehicles," Environment, Vol.42, No.7, pp.10-22, 2000
L. Bromberg, D. R. Cohn, A. Rabinovich and N. Alexeev, "Experimental Evaluation of SI Engine Operation Supplemented by Hydrogen Rich Gas from a Compact Plasma Boosted Reformer," SAE 2000-01-2206, 2000
J. E. Kirwan, A. A. Quader and M. J. Grieve, "Fast Start-Up On-Board Gasoline Reformer for Near Zero Emissions in Spark-Ignition Engines," SAE 2001-01-1011, 2001
C. S. Song, C. G Kim, K. Y. Kang and Y. S. Cho, "Reduction of Exhaust Gas Emission with the Syngas Assist in Idle State of an SI Engine," Fall Conference Proceedings, KSAE, pp.34-41, 2005
H. S. Chae, Y. G. Aum, S. H. Chung, S. W. Hong and H. D. Kim, "A Burning Velocity Correlation for Premixed Hydrogen/Air/Steam Flames," KSME International Journal, Vol.13, No.3, pp.294-303, 1999

상세보기
B. S. Kim and Y. J. Lee, "Combustion Characteristics of Methane-Hydrogen-Air Premixture (II)," Transactions of KSAE, Vol.4, No.3, pp.156-167, 1996

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