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문제 정의
- 최근 전 세계적으로 화석연료 고갈로 인한 에너지 부족현상과 산성비, 지구온난화 등 환경오염 문제를 해결하기 위한 노력이 진행되고 있는 가운데 에너지 자원의 고갈로 인해 현재 잘 쓰이지 않는 연료를 효율적으로 사용하는 방법들이 연구 중에 있다. 이러한 노력중의 하나가 이전에는 발열량이 낮아 저급 연료로만 여겨졌던 합성가스(synthetic gas) 연료를 활용하는 연구이다. 산업적으로 응용될 수 있는 합성가스에는 제철소 및 정유사 공정의 부생가스, 매립지 등에서 얻어지는 바이오가스 그리고 석탄의 가스화 공정 등에서 생산되는 혼합가스 등이 있는데, 이들 합성가스를 본격적인 산업용 연료로 활용하기 위한 핵심기술로 연소특성 향상 및 배출물 저감 등에 대한 연구가 수행되고 있다.
제안 방법
- 4까지로 하였다. 고려된 연료의 조성은 수소 성분 변화에 따라 층류 연소속도의 변화폭이 매우 크기 때문에 수소 함량이 상대적으로 적은 조건에서는 화염의 안정성을 고려하여 낮은 혼합기 평균 유속의 조건에서 주로 실험이 수행되었으며, 수소의 함량이 많은 경우에는 화염의 역화현상 발생으로 비교적 유속이 증가된 조건에서 연소속도 측정을 수행하였다.
- 노즐버너 출구 직경은 내경 10mm로 노즐 끝 팁(tip) 부분은 화염에 의한 예열 현상이 억제되도록 최대한 얇고 날카롭게 가공하였다. 버너 길이는 200mm로 연료와 공기의 혼합이 잘 이루어지면서 역화를 방지하기 위하여 버너 하단 부분에 지름 2.5mm 스테인레스 볼(ball)을 적층하고 그 위에 메쉬층(mesh layer)을 차례로 형성시킴으로써 예혼합된 합성가스-공기 반응물이 완전 발달된 층류 상태로 분사되도록 하였다.
- 본 연구에서 수행한 원추형 분젠 화염을 슐리렌영상을 통해 측면의 각도를 측정하여 연소속도를 구한 각도법(S-Angle로 표시)과 화염의 반응대에서 자발적으로 발광하는 CH와 OH의 형광 이미지를 아벨 변환 후 3D 모델링으로 분젠 화염의 표면적을 구하여 계산한 면적법(CH-Area 및 OH-Area로 표시)이 적절한 측정 방법인지를 확인하기 위하여, 수소:일산화탄소 비율이 50: 50인 동일한 조성비와 유사한 당량비 범위에서 수행된 다른 연구자들의 실험값들과 Davis 모델을 사용하여 PREMIX 코드로 수치 계산한 비교 결과를 Fig. 6에 나타내었다.
- 본 연구에서는 수축형 노즐버너에 의한 석탄가스화 합성가스 예혼합 분젠화염을 통하여 정지 화염법의 대표적 방법인 각도법과 면적법 모두로 동시에 층류 연소속도를 측정한 후 수치 계산한 결과와 비교를 통해 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 본 연구에서는 앞서 설명한 두 가지 층류 연소속도를 측정하는 방법에서 실험장치의 구성과 측정이 비교적 간단하면서 정확한 방법으로 알려진 첫 번째 방법인 정지 화염법으로 수행하였는데, 사용된 버너는 측정의 엄밀성을 높이기 위해 버너 출구에서 속도분포가 균일한 유동장을 형성하도록 노즐(nozzle) 형태의 버너를 사용하였으며, 정지화염법의 두 가지 방법인 각도법과 면적법을 동시 측정으로 구한 후 그 결과를 서로 비교하였다.
- 99%의 고순도 공기를 사용하였다. 이들 유량은 버블(bubble) 유량계로 교정한 습식(wet)가스메터와 질량유량계(MFC)를 통해 정밀한 양으로 측정되어 합성가스 조성비 변화에 따른 당량비 계산에 사용하였다.
- 9까지 나타내었다. 조성비로는 수소:일산화탄소 혼합 비율이 각각 25:75%, 50:50%, 75:25%인 세 가지이며, 각 조성비 조건에서 당량비 변화는 IGCC발전소 가스터빈 연소기에서 저공해 연소를 위해 주로 희박 예혼합 상태로 운전을 하는데, 주 관심 운전영역인 당량비 0.5의 희박(lean)한 상태에서 상대적으로 과농(rich)한 운전 범위인 당량비 1.4까지로 설정하여 비교 분석하였다.
- 화염 표면적을 구하는 원리를 나타내고 있다. 즉, Fig. 4에서 취득한 화염 반응대에서 형성되는 자발상태의 OH*와 CH* 라디칼들의 형광 이미지는 공간적으로 라디칼의 신호들이 적분된 상태이므로 정확한 이차원의 단면 형광 신호를 얻기 위하여 MATLAB 프로그램을 사용하여 아벨 변환으로 단면상의 라디칼 이미지를 얻은 뒤 CATIA CAD 로 모델링(modeling)하여 다시 3차원 원추형 형상으로 된 분젠 화염에서 화염의 표면적을 구하였다.
- 본 연구의 실험조건을 Table 1에 요약하였다. 합성 가스 조성비 조건은 본 연구팀의 이 전 연구1,2) 결과와 비교하기 위해 동일한 조건인 몰 분율(mole fraction) 기준으로 수소와 일산화탄소의 혼합 조성비(H2:CO) 를 25:75%, 50:50% 그리고 75:25%로 하였으며, 예혼합기의 당량비는 수치해석으로 구한 연소속도 값과 타 연구자들의 실험값들을 비교하기 위해 0.5에서 1.4까지로 하였다. 고려된 연료의 조성은 수소 성분 변화에 따라 층류 연소속도의 변화폭이 매우 크기 때문에 수소 함량이 상대적으로 적은 조건에서는 화염의 안정성을 고려하여 낮은 혼합기 평균 유속의 조건에서 주로 실험이 수행되었으며, 수소의 함량이 많은 경우에는 화염의 역화현상 발생으로 비교적 유속이 증가된 조건에서 연소속도 측정을 수행하였다.
대상 데이터
- 1에 나타내었다. 보다 정확한 연소속도 측정을 위하여 버너는 출구에서 속도분포가 균일한 층류 유동을 형성하도록 버너 출구 직경 대비 교축비가 25인 수축형(contraction type) 노즐로 제작되었다. 노즐버너 출구 직경은 내경 10mm로 노즐 끝 팁(tip) 부분은 화염에 의한 예열 현상이 억제되도록 최대한 얇고 날카롭게 가공하였다.
- 연료는 화염의 특성을 보다 엄밀하게 관찰하기 위하여 순도 99.999%의 고순도 수소와 일산화탄소를 사용하였으며, 연소용 공기도 순도 99.99%의 고순도 공기를 사용하였다. 이들 유량은 버블(bubble) 유량계로 교정한 습식(wet)가스메터와 질량유량계(MFC)를 통해 정밀한 양으로 측정되어 합성가스 조성비 변화에 따른 당량비 계산에 사용하였다.
- 연소속도 측정에 사용된 광학계로는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 100W 할로겐 램프 광원과 2개 미러 및 핀홀(pin hole)과 나이프에지(knife edge)로 구성된 슐리렌(schlieren) 광학 시스템과 화염의 반응대역에서 자체적으로 발생하는 라디칼들(OH, CH)의 화학발광 (chemiluminescence)된 광 신호를 증폭하여 수신하는 ICCD 카메라와 콘트롤러로 이루어진 ICCD 이미지 시스템으로 구성된다. 측정된 영상이미지들은 각도법에 의한 연소속도 계산에서는 슐리렌 이미지 영상을 그리고 면적법은 ICCD 영상 이미지를 통하여 계산되는데, 연료의 각 조성비와 당량비 조건별 슐리렌과 ICCD 이미지의 화염 영상은 동시에 취득되어 각각의 연소속도 계산에 사용된다.
- 특히, 석탄은 전 세계적으로 매장량이 풍부하여 대부분 국가에서 매우 중요한 화석에너지임에도 불구하고 연료 특성상 불편함과 환경 오염물질이 대량 배출되는 문제점을 안고 있어 고체연료인 석탄을 가스화하여 기체연료로 연소시키는 청정에너지 자원화에 대한 시도가 오래전부터 진행되어 왔다. 최근 들어 이처럼 청정에너지로 자원화 된 석탄가스를 대규모로 적용하는 사례가 석탄가스화복합발전(IGCC) 분야인데 이곳에 사용되는 주 연료가 고체인 석탄을 가스화시켜 생산한 석탄가스화 합성가스 연료이다.
데이터처리
- 또한, 측정결과는 Chemkin-II Package의 PREMIX Code를 이용하여 수치 계산한 결과와 비교를 하였다. 계산은 수소-일산화탄소 연소속도 계산에 비교적 적합한 것으로 알려진 Davis Mechanism을 사용하였으며, 본 연구와 유사한 측정 범위에서 수행된 타 연구자들의 실험결과 값3-9)과 비교 분석하여 평가하였다.
- 와 동일한 범위로 수행하였다. 또한, 측정결과는 Chemkin-II Package의 PREMIX Code를 이용하여 수치 계산한 결과와 비교를 하였다. 계산은 수소-일산화탄소 연소속도 계산에 비교적 적합한 것으로 알려진 Davis Mechanism을 사용하였으며, 본 연구와 유사한 측정 범위에서 수행된 타 연구자들의 실험결과 값3-9)과 비교 분석하여 평가하였다.
이론/모형
- 1에서 보는 바와 같이 100W 할로겐 램프 광원과 2개 미러 및 핀홀(pin hole)과 나이프에지(knife edge)로 구성된 슐리렌(schlieren) 광학 시스템과 화염의 반응대역에서 자체적으로 발생하는 라디칼들(OH, CH)의 화학발광 (chemiluminescence)된 광 신호를 증폭하여 수신하는 ICCD 카메라와 콘트롤러로 이루어진 ICCD 이미지 시스템으로 구성된다. 측정된 영상이미지들은 각도법에 의한 연소속도 계산에서는 슐리렌 이미지 영상을 그리고 면적법은 ICCD 영상 이미지를 통하여 계산되는데, 연료의 각 조성비와 당량비 조건별 슐리렌과 ICCD 이미지의 화염 영상은 동시에 취득되어 각각의 연소속도 계산에 사용된다.
성능/효과
- 9에 표시되었다. 그런데 흥미로운 사실은 앞서 수소 함유량이 적은 25%인 경우에서는 수치 계산한 결과가 면적법 결과에 좀 더 근접하고, 함유량이 비슷한 50%인 경우에서는 두 가지 측정법 모두에 비슷한 결과를 보이다가, 수소 함유량이 많은 75% 조성비에서는 (a), (b)번 모두에서 화염 라디칼 신호에 의한 면적법보다 각도법으로 측정한 결과가 수치 계산한 예측값과 매우 잘 일치한다는 것이다.
- 1) 슐리렌 영상에 의한 각도법과 화염 반응대의 라디칼 영상에 의한 면적법으로 측정한 연소속도 측정값들은 동일한 조성비와 당량비 조건에서 수행된 다른 연구자들의 실험값들과 수치 계산한 결과와 비교하여 매우 잘 일치하는 것으로 나타났다.
- 2) 수소-일산화탄소가 주성분인 합성가스의 세 가지 조성비에서 당량비 변화에 따른 연소속도 측정을 통해 수소 함유량이 적은 조성비에서는 면적법이, 상대적으로 수소 함유량이 많은 조성비에서는 각도법이 좀 더 엄밀한 측정법으로 판단되었다.
- 4) 다양한 조성비에서 수소 함유량이 큰 폭으로 증가하더라도 층류 연소속도는 선형적으로 증가하게 되며 증가율은 당량비 증가에 따라 기울기가 커지는 것으로 나타났다.
- 11은 합성가스 연료 조성비에서 체적 기준의 수소 용량 변화가 연소속도에 미치는 영향을 파악하고자 각도법으로 측정된 연소속도 변화를 각 당량비 별로 표시한 그래프이다. 그림에서 알 수 있듯이 반응물 상태가 희박한 영역인 당량비 0.8 이하에서는 수소 함유량 증가에 따른 연소속도 증가율은 다소 완만하나 당량비 0.9 이상에서는 증가율이 커지는 등 합성가스 연료의 연소속도는 수소 함유량이 증가함에 따라 모든 당량비 조건에서 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 수소 함유량이 25%에서 75%까지 큰 범위로 서로 다름에도 불구하고 연소속도가 선형적으로 증가하는 현상은 이전의 연구들과 일치하는 결과이다.
- 3에서 약간의 차이를 보이다가 이후 유사한 분포를 보임으로써 전체적으로 다른 연구자들의 결과들과 비교적 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 또한 비교를 위해 수치 계산한 값도 본 연구의 측정값들과 매우 잘 일치함을 보여주고 있다. 지면 관계상 수행한 세 가지 조성비에서 수소와 일산화탄소 비율이 각각 절반인 50:50% 경우에서만 비교결과를 나타내었지만 나머지 두 조건인 25:75%와 75:25%인 경우에서도 다른 연구자들의 측정값들과 비슷한 결과를 보임으로써 본 연구에서 사용한 화염 각도법과 특히 주요 라디칼인 CH와 OH의 최대 자발 형광신호의 2차원 지점들을 추적하여 3차원으로 모델링한 면적법이 석탄가스화 합성가스 연료의 연소속도 측정에도 적합한 것으로 판단할 수 있었다.
- 본 연구를 통해 수소 함유량이 적은 합성가스 조성비에서는 면적법이, 상대적으로 수소 함유량이 많은 조성비에서는 각도법이 좀 더 정확한 층류 연소속도를 구할 수 있는 것으로 판단되며, 다(多) 성분의 혼합연료 연소인 경우 보다 정확한 연소속도 측정을 위해서는 조성비에 따라 측정방법을 달리해야 한다는 사실을 새롭게 알게 되었다.
- 9 이상에서는 증가율이 커지는 등 합성가스 연료의 연소속도는 수소 함유량이 증가함에 따라 모든 당량비 조건에서 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 수소 함유량이 25%에서 75%까지 큰 범위로 서로 다름에도 불구하고 연소속도가 선형적으로 증가하는 현상은 이전의 연구들과 일치하는 결과이다.
- 또한 비교를 위해 수치 계산한 값도 본 연구의 측정값들과 매우 잘 일치함을 보여주고 있다. 지면 관계상 수행한 세 가지 조성비에서 수소와 일산화탄소 비율이 각각 절반인 50:50% 경우에서만 비교결과를 나타내었지만 나머지 두 조건인 25:75%와 75:25%인 경우에서도 다른 연구자들의 측정값들과 비슷한 결과를 보임으로써 본 연구에서 사용한 화염 각도법과 특히 주요 라디칼인 CH와 OH의 최대 자발 형광신호의 2차원 지점들을 추적하여 3차원으로 모델링한 면적법이 석탄가스화 합성가스 연료의 연소속도 측정에도 적합한 것으로 판단할 수 있었다.
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