[논문]대향류 화염에서의 합성가스 내 수소 함량에 따른 연소 특성 변화에 관한 수치해석 연구

김동희; 박진제; 허강열; 이영재

doi:10.7316/khnes.2020.31.5.467

대향류 화염에서의 합성가스 내 수소 함량에 따른 연소 특성 변화에 관한 수치해석 연구
Numerical Study of Combustion Characteristics for Hydrogen Content in Syngas in Opposed-Flow Flame 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.5, 2020년, pp.467 - 479

김동희 (한국생산기술연구원) , 박진제 (한국생산기술연구원) , 허강열 (포항공과대학교 기계공학과) , 이영재 (한국생산기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Various researches are being conducted to reduce greenhouse gases generated by the consumption of traditional energy resources. This study was conducted to numerically analyze the combustion characteristics and N-S reaction behavior with respect to the H2 content of syngas composed of CO and H2 in pressurized air combustion. A non-premixed opposed flow flame model was applied a modified detailed mechanism with S-chemistry was developed based on GRI 3.0 to simulate the syngas reaction. As the hydrogen content increased, the flame thickness increased due to the fast reactivity of hydrogen. In the rich region, NO and SO2 were reduced by reaction with H radical and H bonding of NO was suppressed by the formation of HOSO.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Configuration of opposed-flow flame
표 Table 1. Detailed chemistry for S and N-S reaction
표 Table 2. Fuel composition
그림 Fig. 3. Comparison of major species; F1 (solid) and F2 (dash)
그림 Fig. 2. Comparison of flame structures; F1 (solid) and F2 (dash)
그림 Fig. 4. Comparison of major radicals; F1 (solid) and F2 (dash)
그림 Fig. 5. Comparison of C, H and O radicals; F1 (solid) and F2 (dash)
그림 Fig. 6. Comparison of temperatures and heat release rates; F1 (solid) and F2 (dash)
그림 Fig. 7. Comparison of heat release rates for main reactions
표 Table 3. Flame thickness
그림 Fig. 8. Comparison of (a) N-species and (b) S-speices for F2
그림 Fig. 9. Comparison of NO production rate for N-reactions
그림 Fig. 10. Comparison of SO₂ production rate for S-reactions
그림 Fig. 11. Effect on production rate of NO and SO₂ by N-S interaction
그림 Fig. 12. Production rate of H radical at Z=0.57 for 64 cases

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 선행적으로 연구된 합성가스의 실험실규모 가압 순산소 연소 특성에 대한 분석의 일환으로 수행되었으며, 고압 공기 연소 시 CO/H₂로 구성된 합성가스의 H₂ 함량에 따른 비예혼합 화염의 연소 특성 및 NOx와 SOx의 화학적 연계 거동을 분석하기 위해 수행되었다.

제안 방법

0에 포함되어 있는 합성가스 반응과 N 반응을 기반으로 S 반응 및 N-S 연계 반응을 추가하였으며, 구체적인 S 반응과 N-S 연계 반응은 Table 1과 같다. 최종적으로 C, H, O, N, S의 가스상 반응 모사를 위해 62개의 화학종과 366개의 화학 반응으로 구성된 수정 상세 화학 반응 메커니즘을 본 연구에 도입하였다.

대상 데이터

기준 합성가스 연료 조성은 Uhde 사(Dortmund, Germany)의 The PRENFLO^® (pressurised entrainedflow) direct quench 가스화 공정을 통해 생산되는 저열량 합성가스¹⁶⁾를 참고하였으며, CO와 H₂ 조성비를 7:3으로 가정하고 기타 조성은 무시하였다. 또한 선행적으로 수행된 가압 순산소 연소 시 합성가스와 NO의 화학적 거동 특성 분석 결과¹⁷⁾를 기반으로 N 성분과 S 성분의 연계 반응 모사를 위해 소량의 NO와 SO₂를 고려하였으며, 부피 분율을 기준으로 각각 0.
본 연구에서 적용된 대상 화염은 비예혼합 대향류 화염으로 Fig. 1과 같은 구조를 가지고 있다. 연료와 산화제가 서로 마주보는 두 노즐에서 분사되어 노즐 사이의 임의의 위치에서 정체면(stagnation plane)이 형성된다.

이론/모형

0 반응 기구¹⁵⁾를 기준으로 하였다. GRI 3.0은 다양한 분야에서 메탄 및 합성가스 연소의 화학적 모델링과 N 반응 모사를 위해 활용^11-13) 되고 있으나, S 반응에 대한 고려가 부재되어 있어 본 연구를 위해 GRI 3.0에 포함되어 있는 합성가스 반응과 N 반응을 기반으로 S 반응 및 N-S 연계 반응을 추가하였으며, 구체적인 S 반응과 N-S 연계 반응은 Table 1과 같다. 최종적으로 C, H, O, N, S의 가스상 반응 모사를 위해 62개의 화학종과 366개의 화학 반응으로 구성된 수정 상세 화학 반응 메커니즘을 본 연구에 도입하였다.
이와 같은 물리적 화염의 수치해석적 접근을 위해 Kee 등에 의해 개발된 CHEMKIN OPPDIF (CHEMKIN, Pennsylvania, United States)¹⁴⁾를 사용하였으며, 연료와 산화제의 간격은 모든 조건에서 2 cm로 동일하게 적용하였다. 합성가스 모사를 위한 상세 화학 반응메커니즘으로 53개의 화학종과 325개의 화학반응으로 구성된 GRI-Mech 3.

성능/효과

1) 단열, 정압 조건에서 F1과 F2에 대한 화염 구조 및 주요 화학종을 예측, 비교하였으며, 화염 구조와 주요 화학종에 대해 F1과 F2의 예측 결과는 거의 일치하였다. 본 연구에서는 GRI 3.
2) 합성가스 내 H₂ 함량이 증가할수록 화염 두께가 두꺼워졌으며, 전체 화염 신장율은 화염 두께의 물리적인 영향성을 무시할 수 있을 정도로 작아 화염 두께의 차이는 화학적 측면의 요인이 지배적인 것으로 판단된다. 열방출률에서 H₂ 함량에 가장 큰 민감도를 보이는 반응은 R1과 R2로 H₂ 함량이 낮아질수록 총 열방출률에 대한 기여도가 감소한다.
3) 농후 영역에서의 NO와 SO₂의 소모은 H 라디칼과의 반응에 의해 결정되며, H₂ 함량이 높을수록 농후 영역에서의 H 라디칼의 영향력이 증가한다. 희박 영역에서 주 연소 반응에 의해 NO는 생성율이 크게 증가하나, SO₂의 생성율 증가는 미미하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고압조건에서 공기 연소 시 합성가스 내 H2 함량 변화에 따른 비예혼합 연소 시 합성가스의 화염 구조, 열방출 그리고 NOx, SOx 배출 특성을 분석을 하기 위해 고려해야할 점은	본 연구의 주된 목적은 고압조건에서 공기 연소 시 합성가스 내 H2 함량 변화에 따른 비예혼합 연소 시 합성가스의 화염 구조, 열방출 그리고 NOx, SOx 배출 특성을 분석하는 데 있다. 이를 달성하기 위해 Table 2와 같이 기준 합성가스 내에서의 운전 변경에 따른 H2 비율을 최소 10%에서 최대 40%까지 고려하였다. 연료와 산화제의 투입 온도는 모든 조건에서도 300K로 동일하다.
	무엇이 지구 온난화를 유발하는 주요 원인으로 주목을 받고있는가?	천연가스, 원유 그리고 석탄과 같은 전통 에너지원의 지속적인 소비로 인해 발생되는 이산화탄소가 지구 온난화를 유발하는 주요 원인으로 주목을 받으면서 이산화탄소 저감, 회수 및 저장 그리고 활용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 석탄 연료는 천연 가스 및 원유에 비해 상대적으로 운송이 용이하고, 비용이 저렴하여 집단 에너지 시설에서 대량으로 소비하고 있으며, 그에 따른 온실 가스 저감에 대한 부담이 증가하고 있는 실정이다.
	이산화탄소가 지구 온난화를 유발하는 원인으로 주목 받으면서 어떤 연구가 활발히 진행되고 있는가?	천연가스, 원유 그리고 석탄과 같은 전통 에너지원의 지속적인 소비로 인해 발생되는 이산화탄소가 지구 온난화를 유발하는 주요 원인으로 주목을 받으면서 이산화탄소 저감, 회수 및 저장 그리고 활용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 석탄 연료는 천연 가스 및 원유에 비해 상대적으로 운송이 용이하고, 비용이 저렴하여 집단 에너지 시설에서 대량으로 소비하고 있으며, 그에 따른 온실 가스 저감에 대한 부담이 증가하고 있는 실정이다.

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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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