[논문]저선회 연소기에서 합성천연가스(SNG) 연료의 수소함량에 따른 연소 특성 연구

정황희; 강기중; 이기만

doi:10.7316/khnes.2017.28.2.181

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes experimental results on combustion characteristics with hydrogen contents of synthetic natural gas (SNG) in low swirl combustor. To investigate the effect of hydrogen contents for premixed SNG flame, stability map, CH chemiluminescence images, flame spectrum analysis and emissio...

This paper describes experimental results on combustion characteristics with hydrogen contents of synthetic natural gas (SNG) in low swirl combustor. To investigate the effect of hydrogen contents for premixed SNG flame, stability map, CH chemiluminescence images, flame spectrum analysis and emission performances were measured. In the results, as the hydrogen content was increased, the lean flammable limit was expanded and the flame length was decreased. The hydrogen contents affected the flame liftoff height, and it has different tendency according to the equivalence ratio and flame shape. The change of height and length of flame according to hydrogen contents is caused by the fast burning velocity of hydrogen, which can be confirmed by GRI 3.0 reaction mechanism in PREMIX code. The intensity of $OH^*$, $CH^*$ and $C_2^*$ was confirmed by spectrum analysis of flame. As a result, the $CH^*$ intensity was not significantly different according to hydrogen content. The increase of hydrogen contents influenced positively CO and NOx emission performances.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

그런데 그나마 보고된 가스터빈 연소기에서 SNG 연료 적용에 대한 연구들은 전부가 강한 선회류로 화염을 잡아주는(anchoring) 강선회 연소기에 관한 것으로 화염이 부상되어 있지만 안정화되어 존재하는 저선회 연소기에서 SNG 연료 적용에 대한 연구는 아직까지 전무한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 SNG 연료를 사용한 저선회 연소기의 연소특성에 관한 연구로 일차적으로 SNG 내 포함된 수소함량에 따른 예혼합 화염의 연소 특성을 파악하고자 화염의 형상, 라디칼 강도 변화 및 배기 성능 등을 중심으로 수소함량이 저선회 연소에 미치는 영향을 확인하고자 한다.

제안 방법

또한 본 연구에서는 수소함량에 따른 SNG 화염의 발광 특성을 분석하기 위하여 정밀한 분광기(PI Acton SP500i, Princeton Instruments Inc. Co.)를 사용하였다. 측정범위는 주요 라디칼들인 OH^*, CH^*, C₂^*의 파장대를 포함하는 근자외선 부근과 가시광선 대역으로 200~600 nm 까지 1 nm 간격으로 SNG 화염으로부터 방출되는 발광 데이터를 취득하였다.
저선회 연소기에서 SNG 연료의 수소함량에 따른 예혼합 연소 특성을 화염의 형상, 라디칼 강도 변화 및 배기 성능 등을 중심으로 파악하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 연소기 노즐의 출구직경(2Rb)은 28 mm, 연소실의 직경(Dc)은 74 mm로 확대비는 약 7.0이다. 저선회 연소기에서는 선회기의 작은 형상변화에 따라 유동장이 변화하여 화염의 형상 및 거동이 달라지게 되는데, 변수로는 선회기의 베인 각도(α), 다공판의 패턴 및 기공률(β), 노즐 출구 길이(L) 등이 있다^13-16).
2는 본 연구에서 사용된 저선회 연소기의 실험장치와 측정장비를 나타낸 그림이다. 연료는 메탄(methane), 수소(hydrogen), 프로판(propane)을 각각 SNG 연료 조성비에 맞게 혼합시키고 산화제는 압축공기를 사용하였다. 각각의 유량들은 버블 유량계를 통해 보정된 질량 유량계(MFC)와 제어기에 의해 조절되며 당량비에 맞게 조절된 연료와 공기는 정체실(settling chamber)에서 충분히 잘 혼합되도록 예혼합된 후 연소기로 유입되도록 하였다.

성능/효과

1) 저선회 연소기의 화염 안정화 선도와 배출성능을 제시하였고 수소함량이 증가함에 따라 희박 가연한계가 확장되었으며 연소 배출 성능에 긍정적인 영향을 미쳤다.
2) 저선회 화염의 발광특성을 자발광 이미지와 분광분석을 통하여 발광강도를 측정하였고, 그 결과 수소함량이 증가함에 따라 CH*의 강도가 미세하게 증가하였으나 큰 변화를 보이지 않았으며 분광 분석과 자발광 이미지가 유사한 경향을 보였다.
3) 수소함량에 따라 부상 높이와 화염의 길이가 영향을 받는데, 이는 수소의 빠른 연소속도에 의해 나타나는 현상으로 PREMIX 코드를 이용한 계산을 통해 확인할 수 있었고 수소함량이 증가할수록 화염의 길이가 감소하였다.

후속연구

7 이하의 화염은 이전 연구에서 긴 화염(long flame)이라 정의한 화염이며 이 화염은 연소실에 영향을 크게 받아 재순환 영역이 강하게 나타나며 벽면을 따라 길게 형성된다¹²⁾. 당량비 0.7 이하에서 나타난 높은 수소함량임에도 부상 높이가 증가한 이러한 현상에 대해서는 비록 난류 화염이라도 연소속도의 영향과 더불어 물질의 확산에 의해 결정되는 슈미트 수(Schmidt number)의 영향을 확인해보아야 할 것으로 사료되어 이에 대한 자세한 분석은 후속 연구로 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	석탄은 무엇인가?	석탄은 화석연료 중에 가채 연한이 가장 긴 연료로 석탄을 가스화하여 효율을 증가시키고 온실가스 배출이 적은 청정연료로써 보급하고자 다양한 기술개발이 진행되고 있다1). 이 중 기존의 천연가스(natural gas)를 대체할 수 있는 일명 인공 천연가스인 합성천연가스(synthetic Natural Gas, SNG) 제조기술이 최근 크게 각광을 받고 있는데, SNG 연료는 석탄 가스화(coal gasification) 기술을 통하여 발생하는 합성가스(synthetic gas)로부터 SNG를 합성(CO + 3H2 → CH4 + H20)하는 간접법 방식과 석탄내 탄소와 외부에서 공급된 수소(C + 2H2 → CH4)또는 석탄 내 증기(2C + 2H20 → CH4 + CO2)와 직접 반응시키는 직접법을 통해 SNG를 얻게 된다2-5).
	연소불안정성 주기를 증가시키는 이유는 무엇인가?	또한, Choi 등은 강선회를 이용한 예혼합 형태의 이중선회 가스터빈 연소기에서 수소조성에 따른 연소불안정성(combustion instability)을 파악하였다11). Choi 등의 연구에 의하면 수소함량의 증가는 연소불안정 현상의 주기를 증가시키는 결과로 작용하여 불안정의 크기가 증가된다고 보고하였다.
	석탄에 관하여 어떤 연구가 진행되고 있는가?	석탄은 화석연료 중에 가채 연한이 가장 긴 연료로 석탄을 가스화하여 효율을 증가시키고 온실가스 배출이 적은 청정연료로써 보급하고자 다양한 기술개발이 진행되고 있다1). 이 중 기존의 천연가스(natural gas)를 대체할 수 있는 일명 인공 천연가스인 합성천연가스(synthetic Natural Gas, SNG) 제조기술이 최근 크게 각광을 받고 있는데, SNG 연료는 석탄 가스화(coal gasification) 기술을 통하여 발생하는 합성가스(synthetic gas)로부터 SNG를 합성(CO + 3H2 → CH4 + H20)하는 간접법 방식과 석탄내 탄소와 외부에서 공급된 수소(C + 2H2 → CH4)또는 석탄 내 증기(2C + 2H20 → CH4 + CO2)와 직접 반응시키는 직접법을 통해 SNG를 얻게 된다2-5).

참고문헌 (18)

S. H. Kang, J. H. Ryu, S. H. Kim, J. H. Kim, H. S. Kim, K. J. Jeong, J. E. Lee, Y. D. Yoo, and D. J. Koh, "Recent Trends in Production Technology for Synthetic Natural Gas (SNG) from Coal", Jornal of Energy & Climate Change, Vol. 9, No. 1, 2014, pp. 3-18.
Y. D. Yoo, S. H. Kim, Y. S. Yun, and G. T. Jin, "Conversion Technology from Coal to Synthetic Natural Gas", KIC News, Vol. 12, No. 3, 2009, pp. 38-57.
S. A. Qader, "Natural gas substitutes from coal and oil", Coal Science and Technology 8, Elsevier, 1985.
A. G. Collot, "Clean Fuels from Coal", IEA Clean Coal Centre Reports, 2003.
R. R. Lessard and R. A. Reitz, "Catalyst Coal Gasification : An Emerging Technology for SNG", Science, Vol. 215, No. 4529, 1982, pp. 121-127.

상세보기
K. S. Sim and K. M. Lee, "A Study on Flame Extinction Behavior in Downstream Interaction between SNG/Air Premixed Flames", J. Korean Soc. Combust, Vol.21, No. 4, 2016, pp. 48-60.

원문보기 상세보기
S. P. Joo, J. S. Yoon, J. J. Kim, S. H. Kim, and Y. B. Yoon, "Experimental Study on Dilution Effect of Exhaust Gas in SNG Combustion on a Model Gas Turbine", J. of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol.44, No. 7, 2016, pp. 603-610.

원문보기 상세보기
J. S. Oh, S. G. Dong, and J. B. Yang, "Characteristics of Non-premixed Synthetic Natural Gas-Air Flame with Variation in Fuel Compositions", Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 37, No. 9, 2013, pp. 829-836.

원문보기 상세보기
S. I. Park, U. S. Kim, M. C. Lee, S. C. Kim, and D. J. Cha, "The Effects and Characteristics of Hydrogen in SNG on Gas Turbine Combustion Using a Diffusion Type Combustor", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 38, 2013, pp. 12847-12855.

상세보기
S. I. Park, U. S. Kim, J. H. Chung, J. P. Hong, S. C. Kim, and D. J. Cha, "Effect of Hydrogen in SNG on Gas Turbine Combustion Characteristics", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 23, No. 4, 2012, pp. 412-419.

원문보기 상세보기
I. C. Choi and K. M. Lee, "An Experimental Study on Combustion Instability in Model Gas Turbine Combustor using Simulated SNG Fuel", J. Korean Soc. Combust, Vol.20, No. 1, 2015, pp. 32-42.

원문보기 상세보기
H. H. Jeong and K. M. Lee, "Effect of Swirl Angles and Combustion Characterisitcs of Low Swirl Model Combustor", Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 20, No. 4, 2016, pp. 40-49.
R. K. Cheng, D. T. Yegian, M. M. Miyasato, G. S. Samuelsen, C. E. Benson, R. Pellizzari, and P. Loftus, "Scaling and Development of Low-Swirl Burners for Low_emission Furnaces and Boilers", Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 28, 2000, pp. 1305-1313.
R. K. Cheng, S. A. Fable, D. Schmidt, L. Arellano, and K. O. Smith, "Development of a Low Swirl Injector Concept for Gas Turbines", 2001 International Joint Power Conference, New Orleans, L.A., U.S.A., IJPGC2001/FACT-19055, 2001.
D. T. Yegian and R. K. Cheng, "Development of a Vane-Swirler for Use in a Low NOx Weak-swirl Burner", Energy and Environment Division Lawrence Berkeley National Laboratory berkeley, LBNL-39354, 1996.
G. E. Ballaachey and M. R. Johnson, "Prediction of Blowoff in a Fully Controllable Low-Swirl Burner Burning Alternative Fuels: Effect of Burner Geometry", Proc. Combust. Inst., Vol. 34, No. 2, 2013, pp. 3193-3201.

상세보기
D. C. Kim and K. M. Lee, "Laminar Burning Velocity Measurement of SNG/Air Flames - A Comparison of Bunsen and Spherical Flame Method", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 27, No. 6, 2016, pp. 737-746.

원문보기 상세보기
D. D. Rankin, "Lean Combustion: Technology and Control", 1th ed., Elsevier Inc., Irvine, USA, 2007.

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

저선회 연소기에서 합성천연가스(SNG) 연료의 수소함량에 따른 연소 특성 연구
A Study on the Combustion Characteristics with Hydrogen Contents of SNG Fuel in Low-Swirl Combustor 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (18)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

저선회 연소기에서 합성천연가스(SNG) 연료의 수소함량에 따른 연소 특성 연구 A Study on the Combustion Characteristics with Hydrogen Contents of SNG Fuel in Low-Swirl Combustor 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (18)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

정황희 (1) 강기중 (7) 이기만 (42)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

저선회 연소기에서 합성천연가스(SNG) 연료의 수소함량에 따른 연소 특성 연구
A Study on the Combustion Characteristics with Hydrogen Contents of SNG Fuel in Low-Swirl Combustor 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper