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수소 첨가에 따른 30kW급 가스엔진 발전기의 발전효율 및 질소산화물 배출량 특성 연구
A Study on the Generating Efficiency and NOx Emissions of a 30kW Gas Engine Generator with Hydrogen Addition 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.22 no.3, 2011년, pp.313 - 318  

차효석 (연세대학교 대학원 기계공학과) ,  김태수 (연세대학교 대학원 기계공학과) ,  엄태준 (연세대학교 대학원 기계공학과) ,  전광민 (연세대학교 기계공학부) ,  송순호 (연세대학교 기계공학부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study is about characteristics of generating efficiency and $NO_x$ emissions of a 30 kW gas engine generator in case of using model biogas with hydrogen addition. In this case, both generating efficiency and $NO_x$ emissions are lower than the case of using urban gas (LNG)...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 수소는 모델 바이오가스의 공급 열량을 기준으로 5%에 해당하는 유량을 질량유량계(MFC: mass flow controller)를 통해서 공급하였다. 가스엔진 발전기에서 발생한 전력은 부하 저항기(load resister)에서 소모되고, 배기가스 내의 질소산화물 배출량은 휴대용 가스분석기인 Greenline MK2를 이용하여 측정하였다.
  • 여러 가지 개선 방안들 중 본 연구에서는 상대적으로 빠른 화염전파속도를 가진 수소9)를 발열량을 기준으로 일정한 비율만큼 바이오가스에 첨가하였다. 그리고 이 경우의 가스엔진 발전기의 발전효율과 질소산화물 배출량을 도시가스 및 바이오가스를 이용하였을 경우들과 비교 분석하였다.
  • 점화시기는 1도(°)단위로 변경을 하였다. 다음으로 모델 바이오가스를 이용해 동일한 방법으로 가스엔진 발전기의 발전효율과 질소산화물 배출량을 조사하였다. 마지막으로는 모델 바이오가스 공급 열량 5%에 해당하는 수소를 첨가하여 점화시기에 따른 가스엔진 발전기의 발전효율과 질소산화물 배출량을 조사하였는데, 여기서 모델 바이오가스의 공급 열량 값은 최대 발전효율에서의 열량 값을 기준으로 하였다.
  • 다음으로 모델 바이오가스를 이용해 동일한 방법으로 가스엔진 발전기의 발전효율과 질소산화물 배출량을 조사하였다. 마지막으로는 모델 바이오가스 공급 열량 5%에 해당하는 수소를 첨가하여 점화시기에 따른 가스엔진 발전기의 발전효율과 질소산화물 배출량을 조사하였는데, 여기서 모델 바이오가스의 공급 열량 값은 최대 발전효율에서의 열량 값을 기준으로 하였다. 열량기준으로 5%의 수소 농도는 부피기준으로 약 9% 정도에 해당한다.
  • 전체 실험조건을 Table 3에 정리하였다. 모든 실험들은 가스엔진 발전기의 출력이 15kW일 때 상대 공연비(EAR) 1.2 조건에서 수행하였다. 처음으로 도시가스를 이용하여 점화시기를 변경하면서 가스 엔진 발전기의 발전효율과 질소산화물 배출량을 조사하였다.
  • 따라서 이보다 적은 메탄 성분으로 인해서 낮은 발열량을 갖는 바이오가스를 연료로써 보다 효율적으로 이용하기 위한 개선 방안이 필요하다. 여러 가지 개선 방안들 중 본 연구에서는 상대적으로 빠른 화염전파속도를 가진 수소9)를 발열량을 기준으로 일정한 비율만큼 바이오가스에 첨가하였다. 그리고 이 경우의 가스엔진 발전기의 발전효율과 질소산화물 배출량을 도시가스 및 바이오가스를 이용하였을 경우들과 비교 분석하였다.
  • 2 조건에서 수행하였다. 처음으로 도시가스를 이용하여 점화시기를 변경하면서 가스 엔진 발전기의 발전효율과 질소산화물 배출량을 조사하였다. 점화시기는 1도(°)단위로 변경을 하였다.

대상 데이터

  • 4기통의 배기량 2286cc 디젤 엔진을 기반으로 개조하였으며 압축비는 13:1이고 점화방식은 스파크(spark) 점화방식을 채택하였다. 공기와 연료의 혼합기를 압축하여 공급할 수 있는 터보차저(turbocharger)를 장착하였고, 최고 출력은 25.
  • 본 연구에서는 30kW급 소형 가스엔진 발전기를 이용하였다. (주) HANATECH에서 제작한 것으로 실제 형상과 주요 사양은 Fig.
  • 실제 실험은 모델 바이오가스(model biogas)를 이용하였고, 포스코건설의 광양 바이오가스 생산시설의 조성을 기준으로 하였다. 도시가스와 모델 바이오가스의 조성 비교는 Table 1과 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
바이오가스를 사용하는 것의 장점은? 화석연료의 고갈과 지구온난화 문제로 인해 신・재생에너지원들에 대한 관심이 최근 들어서 커지고 있다. 다양한 신・재생에너지원들 중에서 바이오가스는 음폐수, 하수슬러지, 축산분뇨 등과 같은 유기성 폐자원을 활용할 수 있다는 측면에서 친환경적이라는 장점이 있다. 바이오가스는 주로 혐기성 소화조(anaerobic digester)에서 생산되며 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 주성분으로 한다.
바이오가스는 주로 어떻게 생산하는가? 다양한 신・재생에너지원들 중에서 바이오가스는 음폐수, 하수슬러지, 축산분뇨 등과 같은 유기성 폐자원을 활용할 수 있다는 측면에서 친환경적이라는 장점이 있다. 바이오가스는 주로 혐기성 소화조(anaerobic digester)에서 생산되며 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 주성분으로 한다. 원료에 따라서 차이가 있지만, 바이오가스 내 메탄의 비율은 44~67.
적은 메탄 성분으로 인해서 낮은 발열량을 갖는 바이오가스의 문제를 개선하기 위해서 본 논문에서 사용한 방법은 무엇인가? 따라서 이보다 적은 메탄 성분으로 인해서 낮은 발열량을 갖는 바이오가스를 연료로써 보다 효율적으로 이용하기 위한 개선 방안이 필요하다. 여러 가지 개선 방안들 중 본 연구에서는 상대적으로 빠른 화염전파속도를 가진 수소9)를 발열량을 기준으로 일정한 비율만큼 바이오가스에 첨가하였다. 그리고 이 경우의 가스엔진 발전기의 발전효율과 질소산화물 배출량을 도시가스 및 바이오가스를 이용하였을 경우들과 비교 분석하였다.
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참고문헌 (11)

  1. S. Rasi, A. Veijanen, J. Rintala, "Trace compounds of biogas from different biogas production plants", Energy, Vol. 32, No. 8, 2007, pp. 1375-1380. 

  2. J. K. Jensen, A. B. Jensen, "Biogas and natural gas fuel mixture for the future", 1st World Conference and Exhibition on Biomass for Energy and Industry, 2000. 

  3. 김승수, "바이오가스 활용과 품질기준", 유기물 자원화, Vol. 18, No. 3, 2010, pp. 38-49 

  4. 임문섭, 전영남, "3D-IR Matrix 버너 개질기를 활용한 모사 바이오가스 수증기 개질 연 구", 한국수소 및 신에너지학회 논문집, Vol. 22, No. 1, 2011, pp. 100-108. 

  5. 박정극, 허광범, 임상규, "30kW급 바이오가스 마이크로가스터빈 시험 운전 결과", 유체기계 연구개발 발표회 논문집, 2008, pp. 563-564. 

  6. K. K. Gupta, A. Rehman, R. M. Sarviya, "Biofuels for the gas turbine: a review", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 14, No. 9, 2010, pp. 2946-2955. 

  7. E. Porpatham, A. Ramesh, B. Nagalingam, "Investigation on the effect of concentration of methane in biogas when used as a fuel for a spark ignition engine", Fuel, Vol. 87, No. 8-9, 2008, pp. 1651-1659. 

  8. EIA, "Assumptions to the annual energy outlook 2009", 2009, pp. 34. 

  9. M. Ilbas, A. P. Crayford, I. Yilmaz, P. J. Bowen, N. Syred, "Laminar-burning velocities of hydrogenair and hydrogen-methane-air mixtures: An experimental study", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 31, No. 12, 2006, pp. 1768-1779. 

  10. J. Huang, R. J. Crookes, "Assessment of simulated biogas as a fuel for the spark ignition engine", Fuel, Vol. 77, No. 15, 1998, pp. 1793-1801. 

  11. E. Porpatham, A. Ramesh, B. Nagalingam, "Effect of hydrogen addition on the performance of a biogas fuelled spark ignition engine", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 32, No. 12, 2007, pp. 2057-2065. 

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