초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
• 기후변화협약과 자동차∙항공기의 배출가스 기준 강화 등 국제사회가 환경정책을 강화하는 추세이며, 특히 세계 각 국의 NOx 배출 규제가 엄격해져 가스터빈 연소기에서의 NOx 배출 저감을 위한 노력이 필요해짐.
• 이에 따라 가스터빈 연소기에서의 NOx 배출 저감을 위해 희박연소 시스템, 그리고 촉매연소 시스템 등 저-NOx 연소 시스템의 개발 노력이 이루어지고 있음.
• 특히, 촉매연소는 낮은 온도에서도 안정적인 연소가 가능하다는 장점 때문에 가스터빈 엔진에 촉매연소기 적용을 위한 연구가

□ 연구의 목적 및 내용
• 기후변화협약과 자동차∙항공기의 배출가스 기준 강화 등 국제사회가 환경정책을 강화하는 추세이며, 특히 세계 각 국의 NOx 배출 규제가 엄격해져 가스터빈 연소기에서의 NOx 배출 저감을 위한 노력이 필요해짐.
• 이에 따라 가스터빈 연소기에서의 NOx 배출 저감을 위해 희박연소 시스템, 그리고 촉매연소 시스템 등 저-NOx 연소 시스템의 개발 노력이 이루어지고 있음.
• 특히, 촉매연소는 낮은 온도에서도 안정적인 연소가 가능하다는 장점 때문에 가스터빈 엔진에 촉매연소기 적용을 위한 연구가 진행되고 있으나, 항공 및 산업용 가스터빈 연소기의 촉매연소 적용에 관한 국내 연구는 미흡한 실정임.
• 또한 단일 채널 플러그 유동 반응기에서의 촉매 연소 현상에 대해 폭넓은 연구가 수행되었지만 완전한 하니컴 모노리스 연소기에 대한 연구는 제한적임.
• 본 연구에서는 수치해석을 통해 백금 촉매로 코팅된 원통형 하니컴 모노리스 촉매연소기에 대해 희박 예 혼합 메탄-공기를 이용한 촉매연소 특성과 가스터빈 연소기의 혼합기 화염/촉매연소에 대한 파라메터 해석을 수행함.

□ 연구결과
• 검증된 비반응 해석 모델을 바탕으로 하니컴 촉매를 장착한 촉매연소기의 1차원 내부 유동분포와 화학종 분포 특성을 분석함.
• 또한, 입구 속도 및 입구 연료비와 같은 설계 파라메터 해석을 수행하여 결과를 제시함으로써 촉매반응의 특성을 분석함.
• 1차원 촉매연소기 해석 결과를 바탕으로 하니컴 촉매를 장착한 3차원 가스터빈 촉매 연소기 내부의 화염연소 특성을 고찰하고 3D/1D 연계해석을 수행하여 결과를 도출함.
• 검증된 반응 해석 모델을 통해 단일 채널 모노리스 반응기에 대한 표면 화학 반응을 고려하고 연소에 의한 촉매반응 특성 분석을 수행함.
• 화염연소와 촉매연소의 특성 분석 및 3차원 가스터빈 촉매연소기의 촉매/화염연소 연계 해석과 설계 파라메터 해석을 수행하여 가스터빈 연소기 시스템 설계를 위한 촉매 연소기 연소 특성에 대해 고찰함.
• 가스터빈 연소기의 혼합기 및 촉매연소기의 복합 촉매/화염연소 해석을 통해 촉매연소기 작동 성능을 분석함.
• 촉매연소기 연소 특성에 대한 결과를 바탕으로 연소불안정성 요인에 대한 분석과 촉매연소기 작동영역 및 특성에 대한 분석을 수행하여 가스터빈 촉매연소기 최적화 연구를 수행함.

□ 연구결과의 활용계획
• 촉매연소기 연소 해석 기술 확보를 통하여 가스터빈 화염/촉매 복합연소기 설계에 활용하여 설계 시간 및 비용적인 측면을 저감하고자 함.
• 또한, 본 연구를 통해 개발된 촉매연소 해석 및 최적화 관련 기술을 연료전지/가스터빈 소형 하이브리드 시스템, 촉매를 이용한 자동차 배기저감 기술, 그리고 MCFC의 발전시스템의 BOP 개발에도 활용하고자 함.
• 향후 후속 연구를 통해 촉매연소 해석 기술과 가스터빈 연소기 해석 프로그램을 연계하여 보다 정확한 연소기 해석으로 촉매연소 적용 저공해/고효율 가스터빈 엔진개발에 기여하고자 함.

(출처 : 연구결과 요약문 4p)

Abstract ▼

□ Purpose& contents
• The stringent regulation requires low hydrocarbon emissions in combustion engines with high priority to environmental protection.
• Although extensive studies have been conducted investigating the phenomenon of catalytic combustion in single channel plug flow reactor, the

□ Purpose& contents
• The stringent regulation requires low hydrocarbon emissions in combustion engines with high priority to environmental protection.
• Although extensive studies have been conducted investigating the phenomenon of catalytic combustion in single channel plug flow reactor, the examination over the complete honeycomb monolith combustor is still limited.
• In this work, numerical analysis on the catalytic combustion with lean premixed methane and air is performed employing a cylindrical shaped honeycomb monolith combustor coated with the platinum catalyst.
• The reasonable requirement of catalytic combustor length for the complete combustion of lean methane-air mixture is the exact purpose of this work, which is determined by the numerical simulation over the platinum-coated honeycomb monolith.

□ Result
• It is evident to perform the numerical investigation for the catalytic combustion in a honeycomb monolithic reactor to establish the flow characteristics.
• The simulation incorporates homogeneous methane combustion and heterogeneous catalytic surface reactions to investigate the flow dynamics on the thermal flow fields inside the combustor.
• The surface chemistry introduced by Chou on the monolith reactor consisting of numerous channels engaged along the cross-section is employed to examine the monolith temperatures and methane conversions during surface ignition.
• The catalyst performance and its function are predicted by investigating the coupling effect of gas and surface reactions in a monolith reactor.
• The species and surface site fractions are predicted with adsorbed species as the function of the monolith.
• The parameters such as the inlet temperature, fuel/air ratio and velocity serve to govern the behavior of the catalytic combustion monolith.

□ Expected Contribution
• For low emission technologies, catalytic combustor is an attracting option for stable combustion process which operates at lower temperatures than conventional flames.
• Detailed diagnostic investigations of complete catalytic combustor have been carried out using honeycomb monolith reactor in order to examine the comprehensive gaseous and catalytic surface reactions.
• This numerical study is focused towards the requirement of the length of the catalytic combustor on the account of complete combustion of lean premixed methane-air mixtures.
• The analysis and optimization technologies developed in this work can be utilized in aircraft gas turbine system and emission reduction technologies on automobile.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 10
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 12
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 24
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 26
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 26
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 28
• 8. 참고문헌 ... 29
• 9. 연구성과 ... 31
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 35
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 36
• 12. 기타사항 ... 36
• 별첨1. 대 표 연 구 실 적 ... 37
• 별첨2. 세부 목표 관련 증빙 ... 52
• 끝페이지 ... 62