KR102441298B1 - 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 과농 예혼합 가스에서 수소-메탄 혼합연료의 수소첨가율이 증가함에 따라 외부 교란에 반응하는 민감도가 떨어져 연소 안정화를 시키고, 희박 예혼합 가스에서 수소-메탄 혼합연료의 수소 첨가율이 증가함에 따라 외부 교란에 반응하는 민감도가 떨어져 연소 안정화를 시키는 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 (a) 수소-메탄으로 구성되는 혼합연료를 제조하는 단계;와 (b) 상기 혼합연료와 공기의 당량비를 조성하는 단계;와 (c) 상기 혼합연료에 대한 연소 시, 화염전파속도를 조절하기 위해 산소를 공급하는 단계;를 포함하여 이루어는 가스터빈 또는 연소기에 대한 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법에 있어서, 상기 (b) 단계가 혼합연료와 공기의 당량비는 1.1이상 1.4이하의 과농 예혼합 가스조성 상태를 유지하고, 상기 혼합연료에 대한 수소 첨가율이 증가시켜 외부 교란에 반응하는 민감도를 저감시키는 것을 특징으로 하는 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법을 기술적 요지로 한다.
(상기 당량비는
Figure 112021023879882-pat00010
이고, 과농 예혼합 가스는 당량비가 1.1이상을 의미한다.)

Description

수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법 {METHOD FOR STABILIZING COMBUSTION OF HYDROGEN-METHAN MIXED FUEL}
본 발명은 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 과농 예혼합 가스에서 수소-메탄 혼합연료의 수소첨가율이 증가함에 따라 외부 교란에 반응하는 민감도가 떨어져 연소 안정화를 시키고, 희박 예혼합 가스에서 수소-메탄 혼합연료의 수소 첨가율이 증가함에 따라 외부 교란에 반응하는 민감도가 떨어져 연소 안정화를 시키는 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법에 관한 것이다.
수소는 매우 불안정한 원소로 높은 확산력과 높은 연소 반응률로 인해 연료로 사용 시, 상용 연소기에서 열음향 불안정성을 야기할 가능성이 높다. 여기서 열음향 불안정성이란 가스터빈 내부와 고온고압 연소실에서 주로 발생되며, 압력과 열의 섭동이 발생한다. 압력과 열의 위상차가 다르면 더 큰 에너지 형태가 이루어져, 열응력의 축적과 과도한 진동 등으로 화재나 폭발 사고를 유발할 수 있다.
한편, 등록특허 제10-1544388호에는 천연가스와 수소 혼합 연료 엔진의 아이들 운전 개선 및 촉매 효율 향상 방법을 제시하고 있다. 하지만 혼합연료는 아이들 운전에 대한 안정성 확보에 한정되어 있고, 실제 선박엔진, 가스 터빈 또는 로켓 추진제를 포함하는 상용 연소기에서 수소와 메탄을 혼합한 연료를 사용할 수 없는 문제점이 있으므로, 이를 개선하기 위한 기술 개발 연구가 요구되고 있는 시점이다.
한국등록특허 제10-1544388호
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 당량비 1.1이상 1.4이하의 과농 예혼합 가스 조건에서 수소 첨가율을 높일수록 연소 안정성이 확보되어 대형 폭발 사고를 예방하고 연소 시 높은 발열량을 가지며, 당량비 0.6이상 0.9이하의 희박 예혼합 가스 조건에서 수소 첨가율을 낮출수록 연소 안정성이 확보될 수 있는 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법을 제공하는 것을 기술적 해결과제로 한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 (a) 수소-메탄으로 구성되는 혼합연료를 제조하는 단계와 (b) 상기 혼합연료와 공기의 당량비를 조성하는 단계와 (c) 상기 혼합연료에 대한 연소 시, 화염전파속도를 조절하기 위해 산소를 공급하는 단계;를 포함하여 이루어는 가스터빈 또는 연소기에 대한 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법에 있어서, 상기 (b) 단계가 혼합연료와 공기의 당량비는 1.1이상 1.4이하의 과농 예혼합 가스조성 상태를 유지하고, 상기 혼합연료에 대한 수소 첨가율이 증가시켜 외부 교란에 반응하는 민감도를 저감시키는 것을 특징으로 하는 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법을 제공한다.
(상기 당량비
Figure 112021023879882-pat00001
이고, 과농 예혼합 가스는 당량비가 1.1이상을 의미한다.)
본 발명에 있어서, 혼합연료에 대한 수소 첨가율 및 화염전파속도에 따라, 메탄 90~99.9 부피% 및 수소 0.1~10 부피%에서 화염 전파 속도 35~38cm/s이고, 메탄 70~90 부피% 및 수소 10~30 부피%에서 화염 전파 속도 35~42cm/s이고, 메탄 50~70 부피% 및 수소 30~50 부피%에서 화염 전파 속도 35~46cm/s 범위에서 연소 안정화가 되는 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 (a) 수소-메탄로 구성되는 혼합연료를 제조하는 단계와 (b) 상기 혼합연료와 공기의 당량비를 조성하는 단계와 (c) 상기 혼합연료에 대한 연소 시, 화염전파속도를 조절하기 위해 산소를 공급하는 단계;를 포함하여 이루어는 가스터빈 또는 연소기에 대한 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법에 있어서, 상기 (b) 단계가 혼합연료와 공기의 당량비는 0.6이상 0.9이하의 희박 예혼합 가스조성 상태인 경우, 상기 혼합연료에 대한 수소 첨가율이 하락시켜 외부 교란에 반응하는 민감도를 저감시키는 것을 특징으로 하는 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법을 제공한다.
(상기 당량비는
Figure 112021023879882-pat00002
이고, 희박 예혼합 가스는 당량비가 0.9이하을 의미한다.)
상기 과제의 해결 수단에 의한 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법에 따르면, 수소-메탄을 혼합하여 연료로 사용 시, 연소의 안정성이 보장되어 대형 폭발 사고를 예방할 수 있는 효과가 있다.
또한, 수소-메탄에 대한 혼합연료를 연소 시, 선박엔진, 가스 터빈 또는 로켓 추진제를 포함하는 상용 연소기에서 연료로 사용하기에 적합한 발열량을 가지는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 희박 예혼합 가스 조건에서 수소-메탄 혼합연료의 안정화를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 과농 예혼합 가스 조건에서 수소-메탄 혼합연료의 안정화를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정성을 나타낸 실험 모식도.
도 5는 도 3에 따른 영역별 화염 정도를 나탄낸 사진.
도 6은 도 3에 따른 영역별 특성을 나타낸 사진 및 그래프.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도 1 내지 도 6에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 도면과 상세한 설명에서 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 도시 및 언급은 간략히 하거나 생략하였다. 특히 도면의 도시 및 상세한 설명에 있어서 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략하고, 본 발명과 관련되는 기술적 구성만을 간략하게 도시하거나 설명하였다.
본 발명을 설명하기에 앞서, 세계적으로 석유 에너지에 대한 의존도는 점차 가스 에너지원으로 이동하는 추세에 있으며, 지구온난화를 막기위한 대책으로 청정에너지원인 수소의 비중이 큰 폭으로 확대되고 있다. 그러나 수소는 높은 확산력 및 높은 연소 반응률로 인해 가스터빈 및 로켓 추진제를 포함하는 상용 연소기에서 열음향 불안정성이 발생할 가능성이 높다. 열음향 불안정성은 압력과 열 자체의 섭동으로, 위상차가 동상이 되면 더 큰 에너지의 형태를 만들어 연소 도중 폭발의 위험이 있다. 이에 따른 연소의 불안정성을 수소-메탄 혼합연료의 비율을 안정적으로 조성할 필요가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명은 수소-메탄으로 구성되는 혼합연료를 제조하는 단계(S1)와 혼합연료와 공기의 당량비를 조성하는 단계(S2)와 혼합연료에 대한 연소 시, 화염전파속도를 조절하기 위해 산소를 공급하는 단계(S3)를 포함하여 이루어지며, 가스터빈 또는 연소기에 적용된다.
혼합연료와 공기의 당량비를 조성하는 단계(S2)에 의해서, 당량비가 1.1이상 1.4이하의 과농 예혼합 가스 조성 상태를 유지하면서 혼합연료에 대한 수소 첨가율을 증가시켜 외부 교란에 반응하는 민감도를 저감시킬 수 있다.
또는 혼합연료와 공기의 당량비를 조성하는 단계(S2)에 의해서, 당량비가 0.6이상 0.9이하의 희박 예혼합 가스 조성 상태를 유지하면서 혼합연료에 대한 수소 첨가율을 감소시켜 외부 교란에 반응하는 민감도를 저감시킬 수 있다.
여기서 당량비는 연료와 공기의 비율을 의미하며, 하기 <식 1>에 의해서 계산할 수 있다. 과농 예혼합 가스는 당량비가 1.1이상이고, 공기보다 연료가 더 많은 연료 농후인 상태로 본 발명에서 연소 안정화되는 당량비의 범위는 1.1이상 1.4이하로 선정될 수 있다.
또한, 희박 예혼합 가스는 당량비가 0.9이하이고, 연료보다 공기가 더 많은 연료 희박인 상태로, 본 발명에서 연소 안정화되는 당량비의 범위는 0.6이상 0.9이하로 선정될 수 있다.
<식 1>
Figure 112021023879882-pat00003
(상기 식 1에 의해서 Φ는 당량비이며, F는 연료의 질량비, A는 공기의 질량비이다. 분모의
Figure 112021023879882-pat00004
은 이론적인 연료와 공기의 질량의 비로 본 발명에서 이론공기량이라 칭하고, 분자의
Figure 112021023879882-pat00005
는 실제 현장에서 투입된 연료와 공기의 질량비로 본 발명에서 주입공기량으로 칭한다. 예를 들어 F:A 질량비가 1.2:16으로 투입되는 경우
Figure 112021023879882-pat00006
으로 당량비가 1.2로 도출되어 연료 과농 상태라고 할 수 있다.)
그리고 과농 예혼합 가스에서는 혼합연료에 대한 수소 첨가율 및 화염 전파속도에 따라 메탄 90~99.9 부피% 및 수소 0.1~10 부피%에서 화염 전파 속도 35~38cm/s이고, 메탄 70~90 부피% 및 수소 10~30 부피%에서 화염 전파 속도 35~42cm/s이고, 메탄 50~70 부피% 및 수소 30~50 부피%에서 화염 전파 속도 35~46cm/s 범위에서 수소 첨가율을 높일수록 연소 안정화가 이루어진다. 이는 도 3의 영역 Ⅲ´에 해당된다.
이에 대한 안정성을 평가하기 위한 실험은 도 4에 도시되어 있다. 수소-메탄 혼합연료의 연소안정성을 평가하기 위한 실험의 조건은 다음과 같다.
가스터빈 혹은 상용 연소기는 일반적으로 개방계 시스템을 채택하고 있기 때문에 음향장이 발생할 수 있는 공명기에 속한다. 공명기 내 연소 불안정성으로 비정상적인 열방출이 발생될 경우, 기존의 음향장과 상호작용으로 인해 열에너지와 음향파가 모두 증폭되는 열음향 불안정성으로 발전할 수 있다. 열음향 불안정성이 발생하게 되면 연소기 시스템 내부에는 진동 및 소음에 대한 문제점이 발생되고, 지속되면 연소기 폭발이 발생할 수 있다.
또한, 연소기로 채택된 1/4 파장 공명기는 관의 상부는 개방되어 있고 하부는 닫힌 형태로 되어있다. 이에 따른 압력 분포는 관의 상부가 노드(node)와 관의 하부가 안티노드(antinodes)에 해당하고, 속도 분포는 압력 분포와 정반대로 나타난다. 관은 투명 아크릴로 제작될 수 있으며, 내부 직경은 3cm, 길이는 100cm로 실험을 진행할 수 있다. 또한, 버너의 상부는 공압 실린더와 솔레노이드 밸브로 구성된 전자동 개폐시스템이 설치될 수 있다. 개폐 시스템이 닫힌 상태에서 예혼합 가스는 대기압으로 충전되고, 이후 스파크 점화기에서 점화가 시작됨과 동시에 개폐시스템이 열린다. 점화 이후 발생된 화염은 관 바닥으로 전파하게 되며, 화염의 전파 거동은 고속카메라로 촬영하였다. 음향파를 측정하기 위해 마이크로폰을 버너의 바닥부분에 설치하였다. 시스템의 모든 순차제어는 프로그램 제어기를 통하여 이루어진다. 화염 선단의 유동장을 가시하기 위해 532nm의 다이오드 레이저를 활용하여 미 산란 기법을 채택하여 관찰할 수 있다.
실험에 사용되는 수소-메탄 혼합연료의 조성비율은 메탄 50~99.9 부피%와 수소 0.1~50부피%로 조절하여 첨가할 수 있다. 수소가 50부피%이상이 되면 메탄이 아닌 수소가 혼합연료의 기준이 되어버리기 때문에 이와 같이 조성비율을 한정할 수 있다.
또한. 실험에서는 과농 예혼합 가스의 당량비는 1.2이고, 희박 예혼합 가스의 당량비는 0.8로 선정하여 진행할 수 있다. 기본적으로 가스터빈에서 사용되는 가스 조성은 당량비가 1에 가까운 가스 조성을 채택하고 있고, 당량비가 1에서 먼 가스 조성일 경우, 열 방출률이 낮아 운전 효율이 좋지 않으므로 당량비가 1에 가까운 당량비를 채택할 수 있다.
또한, 실험에서 고정된 당량비에서 질소 희석률 <식 2>에 따라 산소의 양을 조절하여 화염전파속도를 변화시킬 수 있다.
<식 2>
Figure 112021023879882-pat00007
(상기 식 2에 의해서, D는 질소 희석률이다.)
상기와 같은 조건에 따른 실험을 진행한 결과는 다음과 같으며, 도 5 내지 도 6에 도시되어 있다. 도 5는 본 발명의 과농 예혼합 가스 조건에서 수소-메탄 혼합연료 연소 시 영역별 화염 정도를 나탄낸 사진이고, 도 6은 해당 영역 별로 좌측에서부터 화염 선단 유동장 가시화, PIV 해설 결과, 압력 강도를 도시하였다.
먼저 도 5 내지 도 6에 도시된 영역은 Ⅰ은 안정된 화염, 영역 Ⅱ는 1차 열음향 불안정성, 영역 Ⅲ은 2차 열음향 불안정성, 영역 Ⅲ´은 2차 열음향 불안정성의 재안정화, 영역 Ⅳ는 폭발적인 난류화염으로 정의할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 과농 예혼합 가스일 경우, 영역Ⅰ은 수력학적 불안정성(Hydrodynamic instability)과 함께 음향소리가 나지않는 비교적 안정화된 화염이고, 영역Ⅱ는 진동하는 평면 화염 및 작은 소음을 동반하는 연소 불안정성으로 1차 열음향 불안정성이라고 정의한다. 영역Ⅲ은 진동하는 평면 화염에서 물결 모양이 나타나기 시작하며 큰 소음을 유발한 이후 난류로 천이하는 화염으로 2차 열음향 불안정성으로 정의한다. 영역 Ⅲ´은 화염전파속도가 증가함에 따라 안정화되는 영역으로 2차 열음향 불안정성의 재안정화로 정의한다. 마지막으로 영역 Ⅳ에서 점화 직 후, 큰 소음을 동반하며 물결 모양의 화염이 짧은 진동 주기를 거친 이후 곧바로 난류로 천이하는 화염으로 전체 영역에서 가장 강한 연소 불안정성이 관측되는 영역이다.
따라서, 도 2를 참고하면 수소-메탄 혼합연료로 사용할 때, 희박 예혼합 가스를 조성하는 경우 수소 첨가율이 증가함에 따라 외부 교란에 반응하는 민감도가 증가하여 폭발적인 압력 증폭과 함께 극심한 연소 불안정성 현상이 도출된다. 이에 따라 메탄 50부피%와 수소 50부피%로 혼합된 경우, 낮은 화염전파속도임에도 불구하고 폭발적인 난류 화염이 관측된다.
또한, 도 3을 참고하면 수소-메탄 혼합연료로 사용할 때, 과농 예혼합 가스를 조성하는 경우, 수소의 첨가율이 증가함에 따라 외부 교란에 반응하는 민감도(reaction sensitivity)가 떨어져 안정적인 연소 환경을 구현할 수 있다. 따라서 메탄 50부피%와 수소 50부피%로 혼합된 경우, 상대적으로 매우 높은 화염전파속도인 40cm/s임에도 불구하고 상기 실험에서의 영역 Ⅲ´에 해당하는 2차 열음향 불안정성의 재안정화가 관측된다.
즉, 본 발명의 수소-메탄 혼합연료 가스 조성에 따르면 가스터빈 혹은 열음향 불안정성이 발생될 수 있는 연소기에서 수소-메탄 혼합연료를 사용할 경우 1.1이상 1.4이하의 과농 예혼합 가스 조성을 채택하여 수소 첨가율을 높이는 것이 가스터빈 운전 효율 향상과 더불어 연소안정성을 보장할 수 있으며, 0.6이상 0.9이하의 희박 예혼합 가스 조성을 채택한 경우에는 수소 첨가율을 낮추는 것이 운전 효율을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

  1. (a) 수소-메탄으로 구성되는 혼합연료를 제조하는 단계;와
    (b) 상기 혼합연료와 공기의 당량비를 조성하는 단계;와
    (c) 상기 혼합연료에 대한 연소 시, 화염전파속도를 조절하기 위해 산소를 공급하는 단계;를 포함하여 이루어는 가스터빈 또는 연소기에 대한 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법에 있어서,
    상기 (b) 단계가
    혼합연료와 공기의 당량비는 1.1이상 1.4이하의 과농 예혼합 가스조성 상태를 유지하고, 상기 혼합연료에 대한 수소 첨가율이 증가시켜 외부 교란에 반응하는 민감도를 저감시키는 것을 특징으로 하는 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법
    (상기 당량비는
    Figure 112021023879882-pat00008
    이고, 과농 예혼합 가스는 당량비가 1.1이상을 의미한다.)
  2. 제 1항에 있어서
    상기 혼합연료에 대한 수소 첨가율 및 상기 화염전파속도에 따라
    메탄 90~99.9 부피% 및 수소 0.1~10 부피%에서 화염 전파 속도 35~38cm/s이고,
    메탄 70~90 부피% 및 수소 10~30 부피%에서 화염 전파 속도 35~42cm/s이고,
    메탄 50~70 부피% 및 수소 30~50 부피%에서 화염 전파 속도 35~46cm/s 범위에서 연소 안정화가 되는 것을 특징으로 하는 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법
  3. (a) 수소-메탄로 구성되는 혼합연료를 제조하는 단계;와
    (b) 상기 혼합연료와 공기의 당량비를 조성하는 단계;와
    (c) 상기 혼합연료에 대한 연소 시, 화염전파속도를 조절하기 위해 산소를 공급하는 단계;를 포함하여 이루어는 가스터빈 또는 연소기에 대한 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법에 있어서,
    상기 (b) 단계가
    혼합연료와 공기의 당량비는 0.6이상 0.9이하의 희박 예혼합 가스조성 상태인 경우,
    상기 혼합연료에 대한 수소 첨가율이 하락시켜 외부 교란에 반응하는 민감도를 저감시키는 것을 특징으로 하는 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법
    (상기 당량비는
    Figure 112021023879882-pat00009
    이고, 희박 예혼합 가스는 당량비가 0.9이하을 의미한다.)
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수소첨가가 예혼합 메탄 화염의 NOx 생성에 미치는 영향(한국수소 및 신에너지학회 논문집 2007.3 제18권제1호 김한석, 안국영, A.K.Gupta)
저선회 연소기에서 합성천연가스(SNG)의 연료의 수소함량에 따른 연소 특성연구(한국수소및신에너지학회논문집 2017, Vol28, No2 정황희, 강기중, 이기만)
탄화수소/수소/일산화탄소-공기의 예혼합화염에서 층류화염전파속도와 화염안정성(한국연소학회지 2011.6 23-32 송원식, 박정, 이기만)

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