[논문]온도와 압력의 변화에 따른 석유계 및 바이오항공유의 점화특성 분석

강샛별

doi:10.7464/ksct.2019.25.3.238

온도와 압력의 변화에 따른 석유계 및 바이오항공유의 점화특성 분석
Ignition Characteristics of Petroleum-based and Bio Aviation Fuel According to the Change of Temperature and Pressure 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.25 no.3, 2019년, pp.238 - 244

강샛별 (국방과학연구소)

초록
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본 연구에서는 온도와 압력의 변화에 따른 석유계항공유(Jet A-1), 바이오항공유(Bio-6308) 그리고 두 항공유를 50:50 (v:v)으로 혼합한 연료의 점화특성의 변화에 대한 분석을 수행하였다. Combustion research unit (CRU) 장비를 사용하여 각 항공유의 점화지연시간을 측정하였으며, GC/MS 및 GC/FID를 사용하여 각 항공유를 구성하는 화합물에 대한 정성 및 정량적인 분석을 수행하였다. 그 결과, 모든 연료의 경우에서 온도와 압력이 증가할수록 점화지연시간이 짧게 측정 되었으며, 특히 압력보다 온도의 영향을 더 많이 받는 것을 확인하였다. 또한, 모든 측정 조건에서 Jet A-1의 점화지연시간이 가장 길게 측정되었는데 이는 Jet A-1을 약 22.48%의 비율로 구성하는 방향족화합물이 산화되는 과정에서 생성되는 benzyl radical이 구조적으로 매우 안정한 특성을 갖기 때문인 것으로 판단되었다. 이러한 benzyl radical은 negative temperature coefficient (NTC) 구간에 영향을 줄 수 있는 반응을 억제하여, Jet A-1의 경우에서는 온도가 증가함에 따라 점화지연시간이 짧아지는 정도가 감소하는 구간이 없는 것을 확인하였다. Jet A-1과 Bio-6308을 50:50 (v:v)으로 혼합한 연료의 점화특성은 Bio-6308 보다는 Jet A-1과 비슷한 경향을 나타내는 것을 통해 기존의 시스템을 변경하지 않고서도 실제로 적용이 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the ignition characteristics of petroleum-based aviation fuel (Jet A-1), bio aviation fuel (Bio-6308), and blended aviation fuel (50:50, v:v) were analyzed in accordance with change of temperature and pressure. The ignition delay time of each aviation fuel was measured by combustion research unit (CRU) and the compositions of the fuels were analyzed by GC/MS and GC/FID for qualitative and quantitative results. From the results, it was confirmed that the ignition delay times of all aviation fuels were shortened with increasing temperature and pressure. In particular, the effect of temperature was larger than the effect of pressure. Also, the ignition delay time of Jet A-1 was the longest at all measurement conditions, and it was judged that this result is because of the structurally stable characteristics of the benzyl radical generated during the oxidation reaction of the aromatic compound (about 22.48%) in Jet A-1. Also, it was confirmed that Jet A-1 had no section where the degree of shortening of ignition delay time was decreased by increasing temperature, which was because the benzyl radical inhibits the response that can affect the negative temperature coefficient (NTC). The ignition characteristics of blended aviation fuel (50:50, v:v) showed a similar tendency to those of Jet A-1, rather than to those of Bio-6308, so that the blended aviation fuel (50:50, v:v) can be applied to the existing system without any change.

주제어

표/그림 (15)

그림 Figure 1. Plan for greenhouse gas reduction in aviation industry [4].
그림 Figure 2. Schematic of CRU.
표 Table 1. Source of feedstocks
그림 Figure 3. Pressure changes in combustion chamber (a) Definition of specific time, (b) Example of result.
그림 Figure 4. Ignition delay times of Jet A-1 (a) T-ID curve, (b) P-ID curve.
그림 Figure 5. Ignition delay times of Bio-6308 (a) T-ID curve, (b) P-ID curve.
표 Table 2. ID of various fuels
표 Table 3. Results of GC/MS analysis
그림 Figure 6. Ignition delay times of Jet A-1 + Bio-6308(50:50, v:v) (a) T-ID curve, (b) P-ID curve.
그림 Figure 7. Intensity peaks of fuels from GC/MS analysis.
그림 Figure 8. Composition ratio of paraffins by carbon number (a) Jet A-1, (b) Bio-6308.
그림 Figure 9. Schematic mechanism of oxidation and auto-ignition [12].
표 Table 4. Results of GC/FID analysis
그림 Figure 10. Various resonance structures of benzyl radical [13].
그림 Figure 11. C-H bond dissociation energy of n-heptane and toluene [14].

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존의 석유계항공유와 외국에서 개발된 바이오항공유 각각의 점화지연특성을 측정하여 비교하였고, 실제 비행체의 운용 속도에 따라 달라질 수 있는 온도 및 압력을 여러 가지 조건으로 설정하여 측정하였을 때 나타나는 점화지연특성의 변화에 대해 분석하였다.

제안 방법

각 연료의 정성 및 정량적인 분석 자료를 얻기 위해 Gas Chromatography/Mass Spectrometer (GC/MS, Agilent 7890) 장비를 활용하였고, 검출시간에 따른 스펙트럼 intensity의 피크에 해당하는 화합물을 기존에 존재하는 library를 통해 확인하였다. 또한, flame ionization detector (FID)를 활용하여 연료를 구성하는 화합물 중에서도 paraffin의 함량을 화학적인 구조를 기준으로 하여 정량적으로 분석하였고, 이를 GC/MS 분석을 통해 얻은 결과와 비교하였다.
본 연구에서는 기존에 상용 중인 석유계항공유(Jet A-1), 미국 UOP사에서 개발 및 생산된 바이오항공유(10POSF6308) 그리고 두 항공유를 50:50의 부피비로 혼합한 연료의 점화특성이 온도와 압력에 따라 어떻게 변화하는지에 관하여 분석 하였고, 그 결과는 다음과 같다.
실험은 장비의 사양과 각 연료의 연소 조건을 고려하여 700 K부터 850 K까지 총 4개의 온도 조건에서 실시하였으며, 압력 조건은 기존에 수행된 연구들을 기준으로 하여 12 atm부터 42 atm까지 총 3가지로 설정하였다. 이때, 장비로 공급되는 air의 압력은 50 bar, 질소의 압력은 4 bar로 설정하여 각각 연소 시에 필요한 산화제와 purging의 용도로 사용이 가능하게 하였다.
현재까지 특정 제조 공정을 통해 개발된 바이오항공유는 상용중인 석유계항공유와 50% 이상을 혼합하여 사용하는 것이 인증되어 있으며, 따라서 실험 대상인 두 연료를 50:50 (v:v)으로 혼합하였을 때의 온도와 압력에 따른 점화지연시간을 측정하였고, 그 결과는 Figure 6에 나타내었다. 혼합된 연료 역시 700 K 이하에서는 각 연료의 경우에서와 같이 완전한 연소가 이루어지지 않았다.

대상 데이터

외국에서 개발 및 생산 중인 바이오항공유에는 Sasol사에서 Fisher-Tropsch (F-T)공정을 통해 제조한 11POSF7629, Shell사에서 F-T공정을 통해 제조한 07POSF5172 등이 있으나, 본 연구에서는 현재 국내에서 개발 중인 바이오항공유와 같은 hydroprocessed 공정으로 제조된 미국 UOP사의 10POSF6308 (이하 Bio-6308)을 실험 대상 연료로 선정하였다. 또한, 기준이 되는 연료로서 GS Caltex사에서 제조 하였으며 기존에 사용되고 있는 석유계항공유인 Jet A-1을 선정하였다.
외국에서 개발 및 생산 중인 바이오항공유에는 Sasol사에서 Fisher-Tropsch (F-T)공정을 통해 제조한 11POSF7629, Shell사에서 F-T공정을 통해 제조한 07POSF5172 등이 있으나, 본 연구에서는 현재 국내에서 개발 중인 바이오항공유와 같은 hydroprocessed 공정으로 제조된 미국 UOP사의 10POSF6308 (이하 Bio-6308)을 실험 대상 연료로 선정하였다. 또한, 기준이 되는 연료로서 GS Caltex사에서 제조 하였으며 기존에 사용되고 있는 석유계항공유인 Jet A-1을 선정하였다.

데이터처리

각 연료의 정성 및 정량적인 분석 자료를 얻기 위해 Gas Chromatography/Mass Spectrometer (GC/MS, Agilent 7890) 장비를 활용하였고, 검출시간에 따른 스펙트럼 intensity의 피크에 해당하는 화합물을 기존에 존재하는 library를 통해 확인하였다. 또한, flame ionization detector (FID)를 활용하여 연료를 구성하는 화합물 중에서도 paraffin의 함량을 화학적인 구조를 기준으로 하여 정량적으로 분석하였고, 이를 GC/MS 분석을 통해 얻은 결과와 비교하였다.
석유계항공유와 바이오항공유의 점화지연특성이 차이가 나는 원인을 정성 및 정량적으로 분석하기 위해 GC/MS 분석을 수행하였으며, 얻어진 각 연료의 검출시간에 따른 intensity peak 그래프를 Figure 7에 나타내었다. Table 3에는 분석 결과를 토대로 각 연료를 구성하고 있는 화합물의 함량을 화학적 구조에 따라 분류하여 정리하였으며, 이를 통해 Jet A-1에는 특히 Bio-6308에 없는 aromatics가 약 22.

성능/효과

방향족화합물이 산화되는 과정에서 benzyl radical이 생성되는 데에 필요한 에너지가 지방족화합물의 경우보다 크고, 생성된 benzyl radical은 주변 산소와 반응을 거의 하지 않으며 열적으로 매우 안정한 특징을 갖는 것이 점화지연시간이 길게 나타나는 것에 영향을 주는 것으로 판단된다. Jet A-1과 Bio-6308을 50:50 (v:v)으로 혼합한 경우에도 온도와 압력이 증가할수록 점화지연시간은 짧아지며, 이 때 나타나는 점화특성의 경향은 Bio-6308 보다는 Jet A-1과 유사함을 확인하였다. 이를 통해 석유계항공유와 바이오항공유를 50:50 (v:v)으로 혼합한 연료는 기존에 사용 중인 시스템을 변경하거나 개선하지 않고서도 실제로 적용할 수 있음을 확인하였다.
모든 실험 대상 연료의 경우, 700 K 이하에서는 압력을 높이더라도 완전 연소가 이루어지지 않는 것을 확인하였다. Jet A-1의 점화지연시간은 압력이 증가함에 따라 약 30 ~ 41% 감소하였으며, 온도가 증가함에 따라 약 60 ~ 66% 감소하였다.
48% 존재하는 aromatics에 의한 것으로 판단된다. 방향족화합물이 산화되는 과정에서 benzyl radical이 생성되는 데에 필요한 에너지가 지방족화합물의 경우보다 크고, 생성된 benzyl radical은 주변 산소와 반응을 거의 하지 않으며 열적으로 매우 안정한 특징을 갖는 것이 점화지연시간이 길게 나타나는 것에 영향을 주는 것으로 판단된다. Jet A-1과 Bio-6308을 50:50 (v:v)으로 혼합한 경우에도 온도와 압력이 증가할수록 점화지연시간은 짧아지며, 이 때 나타나는 점화특성의 경향은 Bio-6308 보다는 Jet A-1과 유사함을 확인하였다.
97% 감소하였다. 위의 결과들을 종합하여 Table 2에 정리하였으며, 이를 통해 두 연료를 50:50(v:v)으로 혼합하였을 경우의 온도와 압력에 따른 점화지연시간 변화 거동은 Bio-6308 보다는 Jet A-1과 거의 유사함을 확인할 수 있다.
위의 결과로부터 Jet A-1과 Bio-6308 모두 온도가 높아질수록 압력 증가에 따른 점화지연시간이 더욱 짧아지는 경향을 보이는 것을 알 수 있다. 특히 850 K에서 압력의 증가에 따른 Jet A-1의 ID 값의 변화는 818 K에서의 변화에 비해 여전히크나, Bio-6308의 ID 값의 변화는 비슷한 것으로 나타났다.
Jet A-1과 Bio-6308을 50:50 (v:v)으로 혼합한 경우에도 온도와 압력이 증가할수록 점화지연시간은 짧아지며, 이 때 나타나는 점화특성의 경향은 Bio-6308 보다는 Jet A-1과 유사함을 확인하였다. 이를 통해 석유계항공유와 바이오항공유를 50:50 (v:v)으로 혼합한 연료는 기존에 사용 중인 시스템을 변경하거나 개선하지 않고서도 실제로 적용할 수 있음을 확인하였다.
CRU 장비의 사양과 연료의 연소 조건을 고려하여 700 K부터 850 K까지 총 4개의 온도 조건 및 12 atm부터 42 atm까지 총 3개의 압력 조건에서 Jet A-1의 점화지연시간을 측정한 결과를 Figure 4에 정리하여 나타내었다. 일반적으로는 압력이 증가함에 따라 연료의 점화가 수월해지는 것으로 알려져 있으나, 본 실험에서는 700 K미만에서 연소실 내의 압력이 증가하더라도 연소가 시작되지 않았으며, 700 K에서는 연소는 시작되었으나 완전 연소는 이루어지지 않는 것을 확인하였다. 특정 온도(750, 818, 850 K)에서는 압력이 12 atm에서 42 atm으로 증가함에 따라 점화지연시간이 29.
일반적으로는 압력이 증가함에 따라 연료의 점화가 수월해지는 것으로 알려져 있으나, 본 실험에서는 700 K미만에서 연소실 내의 압력이 증가하더라도 연소가 시작되지 않았으며, 700 K에서는 연소는 시작되었으나 완전 연소는 이루어지지 않는 것을 확인하였다. 특정 온도(750, 818, 850 K)에서는 압력이 12 atm에서 42 atm으로 증가함에 따라 점화지연시간이 29.55, 36.05, 40.98% 감소하였으며, 특정 압력(12, 21, 42 atm)에서는 온도가 750K에서 850 K로 증가함에 따라 점화지연시간이 59.70, 63.07, 66.24% 감소하였다. 이러한 결과를 통해 일정 온도 이상에서는 온도와 압력이 증가함에 따라 연료의 점화가 용이해지는 것을 알 수 있다.
혼합된 연료 역시 700 K 이하에서는 각 연료의 경우에서와 같이 완전한 연소가 이루어지지 않았다. 특정 온도(750, 818, 850 K)에서는 압력이 12 atm에서 42 atm으로 증가함에 따라 점화지연시간이 30.39, 34.89, 40.26% 감소하였으며, 특정 압력(12, 21,42 atm)에서는 온도가 750 K에서 850 K로 증가함에 따라 점화지연시간이 59.19, 62.61, 64.97% 감소하였다. 위의 결과들을 종합하여 Table 2에 정리하였으며, 이를 통해 두 연료를 50:50(v:v)으로 혼합하였을 경우의 온도와 압력에 따른 점화지연시간 변화 거동은 Bio-6308 보다는 Jet A-1과 거의 유사함을 확인할 수 있다.
Bio-6308도 Jet A-1과 마찬가지로 700 K미만에서는 연소실 내의 압력이 증가하더라도 연소가 시작되지 않았으며, 700 K에서는 연소는 시작되었으나 완전 연소는 이루어지지 않았다. 특정 온도(750, 818, 850 K)에서는 압력이 12 atm에서 42 atm으로 증가함에 따라 점화지연시간이 31.08, 36.54, 35.08% 감소하였으며, 특정 압력(12, 21, 42 atm)에서는 온도가 750 K에서 850 K로 증가함에 따라 점화지연시간이 63.13, 61.70, 65.27% 감소하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오항공유의 특성은 무엇인가?	바이오항공유는 Table 1에 나타낸 바와 같이 식용기름, 비식용기름, 동물성기름 그리고 이를 제외한 다른 원료 등을 사용하여 제조할 수 있다[2]. 이러한 원료의 화학반응 및 특정 공정을 통해 제조되는 바이오항공유는 기존의 석유계항공유와 같은 물성 규격에 만족하면서도 구성 화합물의 종류 및 화학적 구조가 다를 수 있으며, 따라서 비교적 CO2의 배출량이 적고 배기가스에 황 화합물과 방향족화합물을 함유하지 않는 등의 특성을 갖는다.
	연료의 점화지연시간에 영향을 미치는 요소는 무엇인가?	Combustion research unit (CRU) 장비를 사용하여 각 항공유의 점화지연시간을 측정하였으며, GC/MS 및 GC/FID를 사용하여 각 항공유를 구성하는 화합물에 대한 정성 및 정량적인 분석을 수행하였다. 그 결과, 모든 연료의 경우에서 온도와 압력이 증가할수록 점화지연시간이 짧게 측정 되었으며, 특히 압력보다 온도의 영향을 더 많이 받는 것을 확인하였다. 또한, 모든 측정 조건에서 Jet A-1의 점화지연시간이 가장 길게 측정되었는데 이는 Jet A-1을 약 22.
	바이오항공유를 기존의 엔진을 변형하지 않고 사용 가능한지를 고려해야 하는 이유는 무엇인가?	이러한 장점을 갖는 바이오항공유를 상용화함에 있어서 중요하게 고려되어야 할 부분은 기존의 엔진을 변형하지 않고 사용이 가능해야한다는 것이다. 항공유는 그것을 구성하는 물질에 따라 서로 다른 특성을 가질 수 있으며, 이는 비행체 엔진의 디자인, 작동조건, 연료 시스템 제어 장치의 성능 등에 영향을 주기 때문에 엔진의 운용 이전에 사용하는 연료의 물성 및 특성을 파악하는 것은 매우 중요하다.

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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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