합성가스(SNG)는 석탄 가스화를 통하여 얻어지는 가스연료로서, 고유가로 인한 천연가스가격 상승을 대비할 수 있는 대체연료 중의 하나로 주목받고 있다. 본 연구에서는 메탄 90.95%, 프로판 6.05%와 수소 3%의 조성비를 갖는 SNG연료 모사가스와 압축천연가스 (CNG)를 11리터 급 CNG 엔진에 적용하여 연소 및 배기 특성을 비교실험 하였다. 연료공급시스템, 분사시기 등 엔진의 연소제어인자를 일정하게 하고 전부하 운전조건에서 엔진회전수 변화에 따른 출력, 열효율, 연소 안정성 및 배기특성을 비교하였다. 1260rpm, 전부하 운전조건에서 노킹특성도 분석하였다. SNG 연료를 사용했을 때 출력 저하 없이 연소안정성이 향상되어 열효율이 증가하였다. 질소산화물($NO_x$)의 배출은 CNG연료의 경우에 비해 증가되었으나 이산화탄소($CO_2$)의 배출은 감소하였다. SNG 연료를 이용하여 운전할 경우 내노킹성이 향상되었다.
합성가스(SNG)는 석탄 가스화를 통하여 얻어지는 가스연료로서, 고유가로 인한 천연가스가격 상승을 대비할 수 있는 대체연료 중의 하나로 주목받고 있다. 본 연구에서는 메탄 90.95%, 프로판 6.05%와 수소 3%의 조성비를 갖는 SNG연료 모사가스와 압축천연가스 (CNG)를 11리터 급 CNG 엔진에 적용하여 연소 및 배기 특성을 비교실험 하였다. 연료공급시스템, 분사시기 등 엔진의 연소제어인자를 일정하게 하고 전부하 운전조건에서 엔진회전수 변화에 따른 출력, 열효율, 연소 안정성 및 배기특성을 비교하였다. 1260rpm, 전부하 운전조건에서 노킹특성도 분석하였다. SNG 연료를 사용했을 때 출력 저하 없이 연소안정성이 향상되어 열효율이 증가하였다. 질소산화물($NO_x$)의 배출은 CNG연료의 경우에 비해 증가되었으나 이산화탄소($CO_2$)의 배출은 감소하였다. SNG 연료를 이용하여 운전할 경우 내노킹성이 향상되었다.
Synthetic natural gas(SNG), acquired from coal, is regarded as an alternative to natural gas since a rise in natural gas due to high oil price can be coped with it. In the present study, 11-liter heavy duty compressed natural gas(CNG) engine was employed in order to examine the combustion and emissi...
Synthetic natural gas(SNG), acquired from coal, is regarded as an alternative to natural gas since a rise in natural gas due to high oil price can be coped with it. In the present study, 11-liter heavy duty compressed natural gas(CNG) engine was employed in order to examine the combustion and emission characteristics of SNG. The simulated SNG, made up 90.95% of methane, 6.05% propane and 3% hydrogen was used in the experiment. Power output, thermal efficiency, combustion stability and emission characteristics were compared to those with CNG at the same engine operating conditions. Knocking phenomenon was also analyzed at 1260 rpm, full load condition. Combustion with SNG was more stable than CNG. Nitrogen oxides emissions increased while Carbon dioxides emissions decreased. Anti-knocking characteristics were improved with SNG.
Synthetic natural gas(SNG), acquired from coal, is regarded as an alternative to natural gas since a rise in natural gas due to high oil price can be coped with it. In the present study, 11-liter heavy duty compressed natural gas(CNG) engine was employed in order to examine the combustion and emission characteristics of SNG. The simulated SNG, made up 90.95% of methane, 6.05% propane and 3% hydrogen was used in the experiment. Power output, thermal efficiency, combustion stability and emission characteristics were compared to those with CNG at the same engine operating conditions. Knocking phenomenon was also analyzed at 1260 rpm, full load condition. Combustion with SNG was more stable than CNG. Nitrogen oxides emissions increased while Carbon dioxides emissions decreased. Anti-knocking characteristics were improved with SNG.
SNG의 생산에 관한 연구는 여러 연구자들에 의해 수행된 결과가 있으나, 대체연료로서 CNG 엔진에 SNG 연료의 적용 등의 이용에 관한 연구는 미흡한 상태이다. 이에 본 연구에서는 CNG 엔진에 SNG를 연료로 사용하였을 때의 적용가능성 검토를 목표로 하여, 각각의 연료에 대한 연소 및 배기특성을 살펴보았다. 연료공급시스템 및 분사시기 등의 엔진운전 제어변수를 일정하게 하고 엔진의 출력 및 배기가스 배출량을 비교하였으며, 최대출력조건에서의 노킹현상을 비교하여 내노킹성을 검토하였다.
제안 방법
이에 본 연구에서는 CNG 엔진에 SNG를 연료로 사용하였을 때의 적용가능성 검토를 목표로 하여, 각각의 연료에 대한 연소 및 배기특성을 살펴보았다. 연료공급시스템 및 분사시기 등의 엔진운전 제어변수를 일정하게 하고 엔진의 출력 및 배기가스 배출량을 비교하였으며, 최대출력조건에서의 노킹현상을 비교하여 내노킹성을 검토하였다.
대상 데이터
본 실험에서 사용한 CNG와 SNG의 조성은 Table 1과 같다. SNG연료를 직접 합성하여 사용하기 어렵기 때문에 SNG 모사가스로서 메탄 90.95%, 프로판 6.05% 및 수소 3%로 합성한 시험가스를 이용하였다.
성능/효과
(1) SNG 연료는 CNG 연료에 비하여 발열량이 2% 정도 낮지만, 높은 연소안정성에 의해 열효율이 개선되고 엔진출력 성능을 만족하는 특성을 보였다.
(2) NOx 배출이 3.5% 증가되었으나, 그 절대값의 차이가 크지 않고 점화시기 지각 또는 보다 희박한 혼합기를 이용하여 배출가스 규제를 만족할 수 있을 것으로 판단된다.
(3) CO와 THC의 배출의 차이는 거의 나타나지 않았으며, CO2 배출량은 탄소비율이 낮아짐에 따라 2.5% 감소하였다.
(4) SNG와 CNG 연료에 대해서 최대효율시점인 MBT는 동일하지만, SNG 연료의 경우 노킹 발생 시기가 진각되어 CNG 연료에 비해 내노킹성이 높은 특성을 나타냈다.
후속연구
(5) SNG 연료는 CNG 엔진의 제어변수 및 구조 변경 없이 사용가능 할 것으로 판단되며, CNG 연료 대비 열효율 증가 및 CO2 저감효과가 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
합성가스란?
그러나 고유가로 인하여 가스연료의 가격이 동반 상승함에 따라 석탄을 이용하여 가스연료를 만드는 방법이 새롭게 주목받고 있다.[3,4] 석탄을 고온, 고압, 그리고 산소와 스팀을 이용하여 가스화한 후 산성가스를 제거하는 정제과정을 거쳐 메탄 등을 합성 하여 생산되는 연료를 합성가스(Synthetic natural gas; SNG)라고 한다. 특히 주원료가 되는 석탄은 가격이 저렴하고 풍부한 매장량을 가지고 있기 때문에 가격경쟁력이 있는 연료이다.
CNG 엔진이 가솔린 엔진에 비해 갖는 장점은?
그에 따라 대표적인 운송수단의 연료인 가솔린과 디젤을 대체하기 위한 액화석유가스 (Liquified petroleum gas; LPG) 및 압축천연가스 (Compressed natural gas; CNG)와 같은 가스연료의 활용이 이루어지고 있다. 특히, CNG 엔진은 가솔린 엔진에 비하여 높은 열효율과 낮은 배기가스 배출하는 장점을 가지고 있다. 가장 강력하게 규제가 강화되고 있는 배출물인 질소산화물(NOx)의 배출은 삼원촉매의 적용 또는 희박연소를 통하여 줄일수 있다.
합성가스의 특징은?
SNG는 생산될 때 메탄, 일산화탄소, 이산화탄소및 수소의 성분을 지니지만, 정제과정을 거치면 주로 메탄과 수소로 구성되게 된다.[7] 연료의 주성분이 CNG와 매우 유사하기 때문에 대체 가능한 잠재력을 가지고 있으며, SNG 연료를 CNG 엔진에 적용 하였을 때 낮은 유지비의 장점이 나타날 수 있다.
참고문헌 (9)
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Felder, R., Dones, R., "Evaluation of Ecological Impacts of Synthetic Natural Gas from Wood Used in Current Heating and Car Systems", Biomass and Bioenergy, 31(6), 403-145, (2007)
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Vitasari, C. R., Jurascik, M., and Ptasinski, K. J., "Exergy Analysis of Biomass-to-Synthectic Natural gas (SNG) Process via Indirect Gasification of Various Biomass Feedstock", Energy, 36(6), 3825-3837, (2011)
Kim, S. H., Yoo, Y. D., Kim M. H., Kim, N. R., and Kim, H. T., "The Study on SNG(Substitute Natural Gas) Production Process Using Synthesis Gas for Gasification", Presented at KOSEE Fall Conference 2007, 153-158, (2007)
Valtadoros, T. H., Wong, V.W., and Heywood, J. B., "Engine Knock Characteristics at the Audible Level", SAE Technical Paper 910567, (1991)
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