[논문]다양한 형태의 버너를 이용한 수증기개질기의 고효율화 연구

이명용; 이지홍; 이상석; 이진석; 이도형

[국내논문] 다양한 형태의 버너를 이용한 수증기개질기의 고효율화 연구
A Study on the High Efficient Steam Reformer using Various Burner Types 원문보기

이명용 (부경대학교 기계공학과) , 이지홍 (부경대학교 대학원 기계공학과) , 이상석 (부경대학교 대학원 기계공학과) , 이진석 (부경대학교 대학원 기계공학과) , 이도형 (부경대학교 기계공학과)

The purpose of this study is to develop a highly-efficient and compact steam reformer for PEMFC changing the burner types. For the purpose some of the Can type flat burners were adopted and the results were compared with 'O' company's typical cylinderical flat burner. We used commercial STAR-CD tools for numerical calculation. We found the optimum Can type STR burner and this type of burner was highly efficient comparing with typical burner.

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문제 정의

본 연구의 목적은 Steam Reforming System의 성능을 개선하여 compact화의 가능성 여부를 알아보는 것이다. 이를 위해 Steam Reforming System의 연소기에 포함된 버너를 기존 Flat type에서 Can type으로 변경하였다.

가설 설정

1) 온도가 고온으로 균일하게 분포되어야 한다.
난류 모델은 k-∊을 사용하였으며, 화염이 예혼합 평면화염의 형태임을 고려하여 연소반응을 해석하는 대신 combustion field의 모든 연소가스에 대해 균일한 온도를 주었다. 또한 STR내부 CH₄와 H₂O의 화학 반응 전체를 모사하는 대신 화학반응에서의 흡열량만을 고려해 주었으며, 촉매영역을 모사하기 위해 다공성 물질이라 가정하였다. 연소기와 STR의 경계는 SUS-310으로 만들어 졌다고 가정하였고 열전달을 고려하였다.
또한 STR내부 CH₄와 H₂O의 화학 반응 전체를 모사하는 대신 화학반응에서의 흡열량만을 고려해 주었으며, 촉매영역을 모사하기 위해 다공성 물질이라 가정하였다. 연소기와 STR의 경계는 SUS-310으로 만들어 졌다고 가정하였고 열전달을 고려하였다.

제안 방법

본 연구의 목적은 Steam Reforming System의 성능을 개선하여 compact화의 가능성 여부를 알아보는 것이다. 이를 위해 Steam Reforming System의 연소기에 포함된 버너를 기존 Flat type에서 Can type으로 변경하였다.
Can type 버너는 다양한 형상으로 CFD에 적용 되었으며, 수치해석 결과 확인된 각 형상에 대한 STR온도분포를 통해 위의 두 조건을 모두 만족시키는 최적의 형상을 찾아냈다. 또한 기존 Flat type일 때의 STR온도분포와 비교해 봄으로써 연소기 체적을 줄이는 방법을 통해 Steam reforming System의 compact화를 시도해 보았다.
각 case에서의 해석 결과를 비교하기 위해서는 모든 버너에 공급되는 연료 및 공기량을 동일하 게 맞추는 것이 중요하다. 이를 위해 Can type 버너의 높이를 적절하게 선정하여 Can type 버너의 측면 연소가스 유입구 면적을 기존 Flat type 버너의 연소가스 유입구 면적과 동일하게 만들었 다.
R/n가운데 Ref.와 유사한 해석결과를 나타낸 R/4을 연소기반경이 R/4만큼 줄어든 R/4-a로 remodeling하여 다시 수치해석을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

수치해석은 기존의 Flat type 버너와 6종류의 Can type 버너에 대해서 이루어졌으며 각 버너 에 대한 설명은 Table 1에 명시되어 있다. Fig.
수치해석을 위해서 약 300,000개의 육면체 격 자를 생성하였으며 Fig. 3과 같다. 계산은 상용코 드인 STAR-CD v3.

이론/모형

3과 같다. 계산은 상용코 드인 STAR-CD v3.26을 이용하였다. 난류 모델은 k-∊을 사용하였으며, 화염이 예혼합 평면화염의 형태임을 고려하여 연소반응을 해석하는 대신 combustion field의 모든 연소가스에 대해 균일한 온도를 주었다.
26을 이용하였다. 난류 모델은 k-∊을 사용하였으며, 화염이 예혼합 평면화염의 형태임을 고려하여 연소반응을 해석하는 대신 combustion field의 모든 연소가스에 대해 균일한 온도를 주었다. 또한 STR내부 CH₄와 H₂O의 화학 반응 전체를 모사하는 대신 화학반응에서의 흡열량만을 고려해 주었으며, 촉매영역을 모사하기 위해 다공성 물질이라 가정하였다.

성능/효과

2) Ni계 상용촉매를 이용할 경우 STR내부의 온도는 700~800℃로 유지되어야 한다.
Can type 버너는 다양한 형상으로 CFD에 적용 되었으며, 수치해석 결과 확인된 각 형상에 대한 STR온도분포를 통해 위의 두 조건을 모두 만족시키는 최적의 형상을 찾아냈다. 또한 기존 Flat type일 때의 STR온도분포와 비교해 봄으로써 연소기 체적을 줄이는 방법을 통해 Steam reforming System의 compact화를 시도해 보았다.
결국 이와 같은 결과들을 통해 볼 때 같은 운전조건에서는 Can type burner가 기존의 Flat type burner보다 STR평균온도 및 온도균일성면에서 더 효율적이라는 것을 알 수 있다.
1)기존의 model에서는 최고온도가 개질기의 상단에 집중되었다. 이러한 현상은 연소기의 파괴 및 촉매반응의 둔화시킨다.
2)개질기 내부의 온도를 더 상승 시키면서 개질기 내벽과 외벽의 온도차를 줄일 수 있었다. 본 연구에서는 R/2 model이 최적인 것으로 나타났으며 기존의 model보다 향상된 성능을 기대할 수 있을 것으로 생각된다.
3) 기존의 model과 R/4 model을 비교해 본 결과 캔 형 버너를 적용시킴으로써 Steam reforming System의 체적을 줄일 수 있음을 확인할 수 있었다.

후속연구

본 결과에서는 그 차이가 약 150℃정도로 나타났지만 이는 금속의 선정에 따라 다소 차이가 있을 것으로 보인다. 하지만 SUS와 STR의 그래프 형태가 유사하게 나타나기 때문에 STR표면온도의 확인함으로써 SUS의 표면온도 또한 예측할 수 있을 것으로 보인다.
와 비교했을 때 연소기의 체적은 30%정도 줄어든 반면 온도 균일도면에서는 오히 려 좋게 나타났다. 따라서 버너를 기존에서 캔형으로 바꿈으로써 개질시스템을 좀 더 compact 하게 할 수 있다는 기대를 할 수 있을 것 같다.
2)개질기 내부의 온도를 더 상승 시키면서 개질기 내벽과 외벽의 온도차를 줄일 수 있었다. 본 연구에서는 R/2 model이 최적인 것으로 나타났으며 기존의 model보다 향상된 성능을 기대할 수 있을 것으로 생각된다.

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