[논문]SOFC/가스터빈 혼합발전을 위한 SOFC 생성물의 연소특성

이병준; 배철한

doi:10.15231/jksc.2014.19.3.044

SOFC/가스터빈 혼합발전을 위한 SOFC 생성물의 연소특성
Combustion Characteristics of the SOFC Products for SOFC/Gas Turbine Hybrid Power Generation System 원문보기

한국연소학회지 = Journal of the Korean Society of Combustion, v.19 no.3, 2014년, pp.44 - 52

Abstract ▼ AI-Helper

Solid oxide fuel cell(SOFC) makes electric power using hydrogen or reformed from methane and emits high temperature products that contain flammable species like hydrogen, carbon monoxide and methane which varies with operation condition. SOFC/gas turbine integrated system which uses thermal and chemical energy of the discharges is more efficient than SOFC itself. Burning character of the SOFC products will affect the efficiency and stability of the system. Experiments were conducted to know the characteristics of the flame for two typical composition of SOFC products, i.e. start-up and steady state composition. When coflowing air temperature was higher than $600^{\circ}C$, auto-ignitin occurred for both fuels. Though start-up fuel has higher contents of hydrogen, it makes longer flame than steady state composition. It was inferred that the amount of oxidizer necessary to burn makes this phenomenon. Steady state composition fuel was unstable since it contains lots of water. Nozzle that had 6 holes, distance between each hole was 16.7 times of hole diameter, improved the stability of the flame.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

가스터빈/연료전지 하이브리드 발전용 후 연소기로 공급되는 대표적인 두 가지 조성의 연료에 의하여 형성되는 화염의 특성을 실험적으로 살펴보고 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 가스터빈/연료전지 하이브리드 발전용 후 연소기로 공급되는 고온 연료의 연소특성을 살펴보고, 화염의 크기를 줄이고 안정성을 높이기 위하여 6개의 공급구를 가진 다공 노즐로 이 연료를 공급할 때 형성된 화염의 특성을 살펴보고자 한다.

가설 설정

본 연구의 화염이 확산화염이므로 연료와 산화제가 이론당량비라고 가정하고 상용코드인 STANJAN을 사용하여 화염온도를 구하면 Fig. 5와 같다. 수분과 이산화탄소의 함량이 적고 연료성분이 많은 시동상태의 단열화염온도가 정상상태에 비하여 약 1.

제안 방법

다공 노즐은 화염을 안정화시키며 다량의 연료를 적은 크기의 공간에서 연소시킬 수 있으므로, 연료전지 발생물 연료의 화염상호작용 특성을 파악하기 위하여 Fig. 2와 같이 s/d = 5.8 (Type A)과 16.7(Type B)인 두 종류의 다공노즐을 가공하여 실험을 수행하였다. Type A노즐은 배출구 6개를 직경 6 mm의 가상원 위에 등원주각으로 배열한 것이고, Type B 노즐은 직경 12 mm의 가상원 상에 배열한 형태이다.
변화하는 화염의 길이 및 안정성을 살펴보기 위하여 캠코더로 녹화하여 화염의 특성을 살펴보았다. 2분간 녹화된 화염을 0.
)로 제어하였으며, 물의 양은 주사기펌프(KDS100)를 사용하여 제어하였다. 산화제인 공기에도 수분이 포함되어있으나 그 양이 산소와 질소에 비하여 적으므로 무시하였고, 유량제어는 질량 유량계를 사용하였다.
건조연료와 물은 막대형 히터를 사용하여 각각 약 120℃로 가열한 후 혼합하였다. 연료 배출구로 연료가 공급되기 전에 물이 응축되는 것을 막기 위하여, 고온의 동축류 공기와 기연가스가 공급되는 연료를 가열하도록 공급관을 스파이럴 형태로 하였다(Fig. 1 참조).
연료전지의 작동에 의하여 생성된 물은 비열이 크기 때문에 화염의 특성에 많은 영향을 미치므로 먼저 물을 공급하지 않은 건조연료의 특성을 살펴보았다.

대상 데이터

유량제어부는 실험용 연료의 조성과 유량 및 산화제의 유량을 제어하는 부분이다. 가스터빈/연료전지 하이브리드 발전용 후 연소기에 유입되는 연료의 성분은 주로 CH₄, H₂, O₂, CO, CO₂, H₂O의 6가지이므로 실험의 편의상 본 실험에서는 상온상압에서 응결되는 물을 제외한 성분을 미리혼합하여 사용하였다. 혼합 연료의 양은 질량조절기(MKS Co.
사용한 노즐은 내경 1.5 mm의 단일노즐(single nozzle)과, 이 노즐과 유사한 단면적인 직경 0.6 mm의 6개 배출구를 갖는 다공노즐 두 종류를 사용하였다. 단일노즐의 경우에는 1.
실험장치는 크게 유량제어부, 가열부, 노즐 및 측정부로 이루어져있다(Fig. 1 참조).
내경 203 mm, 길이 762 mm의 복사형 히터 내부로 공급된 공기는, 히터 안에서 복사와 대류에 의하여 가열된 후에 허니컴(1 mm × 1 mm셀, 직경 66 mm, 두께 20 mm)을 거쳐 화염이 형성되는 곳으로 공급된다. 외부공기에 의하여 고온의 동축류가 냉각되는 것을 방지하기 위하여 내경 70 mm, 길이 300 mm의 석영관을 허니컴 외부에 설치하였다. 히터의 온도는 히터 출구에 놓인 허니컴으로부터 히터 내부로 65 mm 지점에 위치한 열전대의 온도(T_c)를 이용하여 제어하였다.
Type A노즐은 국내에서 제안된 가스터빈 연료전지복합발전용 후연소기로 제안된 것과 유사한 s/d이고, Type B 노즐은 8개 배출구에 대하여 화염의 안정화가 증대되는 범위[11]에 있는 s/d이다. 참고문헌[11]의 조건을 맞추기 위해서는 8개의 노즐을 사용하여야하나, 동축류 공기 가열용 히터의 용량 문제로 인하여 본 실험에서는 6개의 노즐을 사용하였다. 다공노즐을 허니컴에 수직으로 세우기 위하여 노즐 하부에 길이 10 mm의 노즐지지부를 부착하였다.
측정부는 화염길이 측정을 위한 카세토미터와 화염형상 촬영을 위한 카메라(Kenox)와 디지털캠코더(SONY DSR-PD100A)로 구성되어있다.
외부공기에 의하여 고온의 동축류가 냉각되는 것을 방지하기 위하여 내경 70 mm, 길이 300 mm의 석영관을 허니컴 외부에 설치하였다. 히터의 온도는 히터 출구에 놓인 허니컴으로부터 히터 내부로 65 mm 지점에 위치한 열전대의 온도(T_c)를 이용하여 제어하였다.

성능/효과

둘째, 단일 노즐에 시동상태연료를 사용한 경우의 화염은 정상상태연료에 비하여 길이가 길고 노즐부착화염으로 존재한다.
셋째, 인접한 연료 배출구의 간격을 노즐직경으로 나눈 s/d = 16.7인 노즐은 화염을 안정화시키는 효과가 있다.
첫째, 단일노즐에서 형성된 화염은 안정한 노즐부착화염의 형태이고, 산화제 및 연료의 온도를 600℃ 이상으로 유지하면 정상상태 및 시동상태 조성의 연료에서 자발화가 일어난다.

후속연구

이는 수증기 없이 연료만 공급되거나, 물없이 연료만 공급되는 경우는 거의 없음을 의미한다. 연료공급관 내부에서 물의 증발이 불균일한 것이 부분적인 요인일 수 있으므로 이에 대한 연구는 향후 필요하다. 노즐 출구에서 연료 유속에 의한 불안정성이 요인이라면, 유속 증가에 따라 불안정성이 발생하는 주파수 혹은 화염 길이의 변동이 증가하여야 하나 길이의 변동성분이 288 m/s에서 감소하므로 이는 큰 요인은 아닌 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고체산화물 연료전지의 열효율을 높이기 위해 대표적으로 제안되고 있는 것은 무엇인가?	고체산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell, SOFC)는 600~1,000℃의 고온에서 작동하기 때문에 가스터빈, 파워플랜트 등 열에너지를 이용하여 전기나 열을 생산하는 장치와 혼합하여 열효율을 높일 수 있다. 대표적으로 제안되고 있는 것이 SOFC와 가스터빈을 혼합하는 방법이다[1-4]. 구성방법에 따라 SOFC의 배출가스와 가스터빈의 작동유체가 동일한 직접통합법(direct integration)과 간접통합법(indirect integration)으로 나뉜다.
	고체산화물 연료전지의 특징은 무엇인가?	고체산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell, SOFC)는 600~1,000℃의 고온에서 작동하기 때문에 가스터빈, 파워플랜트 등 열에너지를 이용하여 전기나 열을 생산하는 장치와 혼합하여 열효율을 높일 수 있다. 대표적으로 제안되고 있는 것이 SOFC와 가스터빈을 혼합하는 방법이다[1-4].
	직접통합법의 특징은 무엇인가?	구성방법에 따라 SOFC의 배출가스와 가스터빈의 작동유체가 동일한 직접통합법(direct integration)과 간접통합법(indirect integration)으로 나뉜다. 직접통합법은 Brayton 사이클의 압축기에서 압축된 공기를 SOFC로 공급하여 생성된 생성물로 터빈을 구동시키는 방식으로 메탄연료에 대하여 60% 이상의 효율을 얻을 수 있다. 간접통합법은 Brayton 사이클의 터빈에서 배출된 배기가스의 열로 SOFC용 공기를 가열한 후 SOFC에서 연료와 반응시키고, 이 때 생긴 생성물로 Brayton 사이클의 연소기로 공급되는 공기를 열교환에 의하여 가열하는 방식으로 효율은 약 45% 정도이다[1].

참고문헌 (13)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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