[논문]촉매 분해 에탄올을 연료로 사용하는 마이크로 가스터빈의 성능

최송이; 구자예; 윤영빈

doi:10.20910/jase.2017.11.2.9

촉매 분해 에탄올을 연료로 사용하는 마이크로 가스터빈의 성능
Micro Gas Turbine Performance using Catalytic Cracked Ethanol as Fuel 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.11 no.2, 2017년, pp.9 - 15

최송이 (한국항공대학교 대학원) , 구자예 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 윤영빈 (서울대학교 기계항공공학부)

초록
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제올라이트 촉매를 이용한 에탄올의 연소 성능 향상 가능성과 질소산화물 및 일산화탄소 배출 특성을 검증하기 위해 촉매 반응 생성물, 에탄올, 케로신을 연료로 사용하여 마이크로 가스터빈 엔진 구동실험을 수행하고 그 결과를 비교하였다. 촉매 반응 생성물의 추력은 케로신의 추력보다 낮았으나 에탄올을 사용했을 때에 비해 평균적으로 5% 정도 향상되었다. 촉매 반응 생성물의 질소산화물과 일산화탄소 배출량은 전반적으로 케로신에 비해 매우 낮게 측정되었다. 결론적으로 제올라이트 촉매를 이용하여 에탄올을 개질하는 경우, 에탄올의 친환경성을 유지하면서 엔진성능을 개선할 수 있는 가능성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to verify the possiblity of improving the combustion performance of ethanol using zeolite catalyst and the characteristics of nitrogen oxides and carbon monoxide emission, micro gas turbine experiments were performed using catalytic reaction products, ethanol and kerosene as fuels and the results were compared. The thrust of the catalytic reaction product was lower than that of kerosene, but it was improved by 5% on average compared with the use of ethanol. Nitrogen oxides and carbon monoxide emissions of the catalytic reaction products were measured to be very low overall compared to kerosene. As a result, when the ethanol was reformed using the zeolite catalyst, the engine performance could be improved while maintaining the environment friendliness of the ethanol.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

바이오에탄올의 친환경성을 기반으로 기존의 케로신 연료보다 낮은 열량을 가진 에탄올을 제올라이트 촉매를 이용해 연소 성능을 향상할 수 있는 가능성을 확인하고자 하였다. 이를 위해 촉매 반응 생성물, 케로신, 에탄올을 마이크로 가스터빈엔진의 연료로 사용하여 추력, 질소산화물 및 일산화탄소 배출량을 비교하였다.
이전 연구[11]에서 에탄올과 촉매 반응 생성물의 예혼합 시험을 통해 친환경성을 확인하였으며, 본 연구에서는 제올라이트 촉매작용으로 생성된 생성물과 케로신, 에탄올을 각각 연료로 사용했을 때의 추력, 질소 산화물 및 일산화탄소 배출량을 측정하고 비교하여 촉매반응 생성물의 특성을 검증하고자 하였다.

제안 방법

기체 연료는 연료 도입관으로 유입되어 36 ° 간격으로 배열된 10개의 연료 노즐을 통해 축 방향으로 분사되도록 하였다.
촉매 생성물, 케로신, 에탄올 연료는 펌프를 이용하여 열교환기로 공급하였고 나선형 유료를 통과하며 모두 400 ℃로 가열되어 동일한 분사온도 조건에서 기체 상태로 연소기에 공급되었다. 연료의 공급 유량에 따라 추력, 엔진 회전수, 질소산화물 배출량과 일산화탄소 배출량을 측정하였으며, 질소산화물 배출량과 일산화탄소 배출량은 Testo 社의 Testo 330-2 연소 가스 분석기로 측정하였다.
기체 연료는 연료 도입관으로 유입되어 36 ° 간격으로 배열된 10개의 연료 노즐을 통해 축 방향으로 분사되도록 하였다. 원활한 점화를 위해 글로우 플러그 대신 11kV, 15 mJ의 스파크 플러그로 교체하여 실험을 수행하였다.
바이오에탄올의 친환경성을 기반으로 기존의 케로신 연료보다 낮은 열량을 가진 에탄올을 제올라이트 촉매를 이용해 연소 성능을 향상할 수 있는 가능성을 확인하고자 하였다. 이를 위해 촉매 반응 생성물, 케로신, 에탄올을 마이크로 가스터빈엔진의 연료로 사용하여 추력, 질소산화물 및 일산화탄소 배출량을 비교하였다. 촉매 반응 생성물을 사용했을 때의 추력은 케로신을 사용했을 때의 추력보다 낮았으나 에탄올을 사용 했을 때에 비해 평균적으로 5% 정도 향상되었으며 추력당 연료소모율은 에탄올에 비해 낮았고 비추력은 에탄올에 비해 높았다.
Figure 1은 마이크로 가스터빈 실험 장치의 개략도이다. 제올라이트 촉매 반응이 활발하게 일어나는 조건을 충족시키기 위해 카트리지 히터와 열교환 효율을 높이기 위한 구리 스프링, 제올라이트 촉매 반응로를 포함하는 열교환기를 구성하여 연료 공급 배관에 장치하였다.

대상 데이터

Table 1에 실험에서 사용한 마이크로 가스터빈의 제원을 나타내었다. 마이크로 가스터빈은 Sophia precision 社의 J-850 터보제트 엔진으로 단일 원심식 압축기, 단일 반경류 터빈, 애뉼러형 연소기가 장착되어 있고 최대 추력은 8 kgf, 최대 엔진 회전수 130000 rpm이다. 촉매 반응을 거쳐 기체 상태로 존재하는 연료를 이용하여 마이크로 가스터빈을 구동하기 위해 Fig.
Inaba 등[8]의 실험 결과에 따르면 촉매 반응 온도가 400 ℃일 때 제올라이트 H-ZSM-5의 에틸렌 선택성이 가장 높으며, 촉매 반응 생성물과 케로신, 에탄올의 연소 특성을 비교하기 위하여 모든 연료는 400 ℃ 의 기체 상태로 공급하였다. 제올라이트 촉매는 AC materal 社에서 구입하였으며 SiO2/Al2O3 비가 300 인 직경 3 mm의 구형(sphere)이다. 촉매는 실험에 사용하기 이전에 300 ℃에서 2시간동안 소성 (calcination) 과정을 거쳐 휘발물질을 제거하였다.

성능/효과

또한 촉매 반응 생성물의 일산화탄소 배출량은 당량비 변화에 민감하게 반응하는 경향을 보였으며 전반적으로 케로신에 비해 매우 낮게 측정되었다. 결론적으로 제올라이트 촉매를 이용하여 에탄올을 개질하는 경우, 에탄올의 친환경성을 유지하면서 엔진성능을 개선할 수 있는 가능성을 확인하였다.
질소산화물 배출량은 마이크로가 스터빈 장치 및 계측장치에 한계로 다소 오차를 보였으나 에탄올 및 촉매 반응 생성물이 대체적으로 훨씬 낮게 측정되었다. 또한 촉매 반응 생성물의 일산화탄소 배출량은 당량비 변화에 민감하게 반응하는 경향을 보였으며 전반적으로 케로신에 비해 매우 낮게 측정되었다. 결론적으로 제올라이트 촉매를 이용하여 에탄올을 개질하는 경우, 에탄올의 친환경성을 유지하면서 엔진성능을 개선할 수 있는 가능성을 확인하였다.
에탄올과 촉매 반응 생성물의 질소 산화물 배출량은 연료 공급 유량이 60 g/min, 65 g/min일 때를 제외하고는 거의 0에 가까웠으며 60 g/min일 때보다 65 g/min일 때의 배출량이 더 낮았다. 또한 촉매 반응 생성물의 질소산화물 배출량이 에탄올보다 다소 높았다. 질소산화물 결과에서 저유량인 경우 케로신 연료는 거의 검출되지 않는데, 이와 같은 결과는 마이크로가스터빈을 사용하여 길이방향 연소영역이 매우 짧고 배기가스의 온도가 비교적 낮아 NOx 생성량 자체가 낮게 측정되고 있어 측정기기의 오차가 발생한 것으로 측정된다.
80 g/min 이전에는 질소산화물 측정결과와 마찬가지로 분무성능 저하에 따라 다소 상이한 경향을 보이는 것으로 추정된다. 에탄올과 촉매 반응 생성물의 일산화탄소 배출량은 연료 공급 유량이 증가할수록 당량비가 다소 증가함에 따라 CO 발생량도 높아지는 경향을 보였으나 전체적으로 케로신보다 약 두배정도 낮은 수치를 보였다. 배출물의 경향성으로 보았을 때 촉매분해 생성물은 에탄올과 유사한 특성을 보이고 에탄올은 케로신보다 낮은 오염물질 배출량을 나타낸다고 볼 수 있다.
케로신의 질소 산화물 배출량은 연료 공급 유량이 60 g/min 일 때와 65 g/min일 때 0에 가까워 에탄올과 촉매 반응 생성물의 배출량에 비해 낮았으나 연료공급 유량이 증가함에 따라 높아지는 경향을 보였다. 에탄올과 촉매 반응 생성물의 질소 산화물 배출량은 연료 공급 유량이 60 g/min, 65 g/min일 때를 제외하고는 거의 0에 가까웠으며 60 g/min일 때보다 65 g/min일 때의 배출량이 더 낮았다. 또한 촉매 반응 생성물의 질소산화물 배출량이 에탄올보다 다소 높았다.
엔진 회전수는 압축기를 통해 유입되는 공기 유량과 관련 있으며 회전수가 높을수록 유입되는 공기 유량이 높다. 연료 유량이 증가함에 따라 엔진회전수도 선형적으로 증가하는 경향을 보였으며 케로신을 연료로 사용할 때 엔진 회전수가 가장 높았다. 대체적으로 연료 공급 유량이 촉매반응 생성물을 사용할 때의 엔진 회전수가 에탄올을 연료로 사용할 때보다 높았으나 일부 구간에서 Fig.
Figure 4는 케로신, 에탄올, 촉매 반응 생성물의 공급 유량에 따른 추력을 나타낸 그래프이다. 연료유량에 따라 추력이 선형적으로 증가하였으며 케로신을 연료로 사용했을 때의 추력이 가장 높았다. 촉매 반응생 성물을 연료로 사용했을 때는 케로신을 사용했을 때 추력의 62% 정도였고, 에탄올을 연료로 사용했을 때보다 평균 약 5% 추력이 높았다.
일산화탄소 배출량은 대체적으로 당량비와 유사한 경향을 보이며 케로신을 연료로 사용할 때 가장 높았고 연료 공급 유량이 증가할수록 낮아지는 경향을 보였다. 80 g/min 이전에는 질소산화물 측정결과와 마찬가지로 분무성능 저하에 따라 다소 상이한 경향을 보이는 것으로 추정된다.
이를 위해 촉매 반응 생성물, 케로신, 에탄올을 마이크로 가스터빈엔진의 연료로 사용하여 추력, 질소산화물 및 일산화탄소 배출량을 비교하였다. 촉매 반응 생성물을 사용했을 때의 추력은 케로신을 사용했을 때의 추력보다 낮았으나 에탄올을 사용 했을 때에 비해 평균적으로 5% 정도 향상되었으며 추력당 연료소모율은 에탄올에 비해 낮았고 비추력은 에탄올에 비해 높았다. 질소산화물 배출량은 마이크로가 스터빈 장치 및 계측장치에 한계로 다소 오차를 보였으나 에탄올 및 촉매 반응 생성물이 대체적으로 훨씬 낮게 측정되었다.
연료유량에 따라 추력이 선형적으로 증가하였으며 케로신을 연료로 사용했을 때의 추력이 가장 높았다. 촉매 반응생 성물을 연료로 사용했을 때는 케로신을 사용했을 때 추력의 62% 정도였고, 에탄올을 연료로 사용했을 때보다 평균 약 5% 추력이 높았다.
10은 각각 연료 유량에 따른 질소 산화물 배출량과 일산화탄소 배출량을 15% 산소 수준에 서의 농도로 보정한 값을 나타낸 그래프이다. 케로신의 질소 산화물 배출량은 연료 공급 유량이 60 g/min 일 때와 65 g/min일 때 0에 가까워 에탄올과 촉매 반응 생성물의 배출량에 비해 낮았으나 연료공급 유량이 증가함에 따라 높아지는 경향을 보였다. 에탄올과 촉매 반응 생성물의 질소 산화물 배출량은 연료 공급 유량이 60 g/min, 65 g/min일 때를 제외하고는 거의 0에 가까웠으며 60 g/min일 때보다 65 g/min일 때의 배출량이 더 낮았다.

후속연구

질소산화물 결과에서 저유량인 경우 케로신 연료는 거의 검출되지 않는데, 이와 같은 결과는 마이크로가스터빈을 사용하여 길이방향 연소영역이 매우 짧고 배기가스의 온도가 비교적 낮아 NOx 생성량 자체가 낮게 측정되고 있어 측정기기의 오차가 발생한 것으로 측정된다. 또한 유량 증가에 따른 인젝터의 구체적인 분무성능이 고려되지 않아 낮은 연료 유량에서의 질소산화물 발생량이 제대로 측정되지 않는 한계점이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	촉매 반응 생성물의 추력은 에탄올에 비해 얼마나 성능이 향상 되었는가?	제올라이트 촉매를 이용한 에탄올의 연소 성능 향상 가능성과 질소산화물 및 일산화탄소 배출 특성을 검증하기 위해 촉매 반응 생성물, 에탄올, 케로신을 연료로 사용하여 마이크로 가스터빈 엔진 구동실험을 수행하고 그 결과를 비교하였다. 촉매 반응 생성물의 추력은 케로신의 추력보다 낮았으나 에탄올을 사용했을 때에 비해 평균적으로 5% 정도 향상되었다. 촉매 반응 생성물의 질소산화물과 일산화탄소 배출량은 전반적으로 케로신에 비해 매우 낮게 측정되었다.
	에탄올이 화석연료의 대체연료로써 단점은 무엇인가?	바이오에탄올은 바이오연료 중에서도 가장 잘 알려져 있다. 에탄올은 분자 내에 산소 원자를 포함하고 연소온도가 낮아 화석연료에 비해 질소산화물 배출량이 적지만 화석연료보다 윤활성이 낮고[2]발열량 등의 연소 성능이 낮다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 Gevo 社에서는 에탄올을 이소부틸알코올로 전환하여 케로신을 기반으로 하는 항공유의 블렌드스톡 (blendstock)으로 사용되는 ATJ 연료(Alcohol-to-Jet fuel)를 생산하고 있다[3].
	윤활성이 낮고[2]발열량 등의 연소 성능이 낮다는 단점을 극복하기 위해 Gevo사에서 연구중인 방안은 무엇인가?	에탄올은 분자 내에 산소 원자를 포함하고 연소온도가 낮아 화석연료에 비해 질소산화물 배출량이 적지만 화석연료보다 윤활성이 낮고[2]발열량 등의 연소 성능이 낮다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 Gevo 社에서는 에탄올을 이소부틸알코올로 전환하여 케로신을 기반으로 하는 항공유의 블렌드스톡 (blendstock)으로 사용되는 ATJ 연료(Alcohol-to-Jet fuel)를 생산하고 있다[3].

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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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