KR20220122346A - Method for stabilizing combustion of hydrogen-methan mixed fuel - Google Patents

Method for stabilizing combustion of hydrogen-methan mixed fuel Download PDF

Info

Publication number
KR20220122346A
KR20220122346A KR1020210026856A KR20210026856A KR20220122346A KR 20220122346 A KR20220122346 A KR 20220122346A KR 1020210026856 A KR1020210026856 A KR 1020210026856A KR 20210026856 A KR20210026856 A KR 20210026856A KR 20220122346 A KR20220122346 A KR 20220122346A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
mixed fuel
hydrogen
methane
combustion
mixed
Prior art date
Application number
KR1020210026856A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102441298B1 (en
Inventor
윤성환
정용호
Original Assignee
한국해양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국해양대학교 산학협력단 filed Critical 한국해양대학교 산학협력단
Priority to KR1020210026856A priority Critical patent/KR102441298B1/en
Publication of KR20220122346A publication Critical patent/KR20220122346A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102441298B1 publication Critical patent/KR102441298B1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23NREGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00Regulating fuel supply
    • F23N1/02Regulating fuel supply conjointly with air supply
    • F23N1/022Regulating fuel supply conjointly with air supply using electronic means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/26Control of fuel supply
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/06Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed
    • F02D19/0639Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed characterised by the type of fuels
    • F02D19/0642Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed characterised by the type of fuels at least one fuel being gaseous, the other fuels being gaseous or liquid at standard conditions
    • F02D19/0644Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed characterised by the type of fuels at least one fuel being gaseous, the other fuels being gaseous or liquid at standard conditions the gaseous fuel being hydrogen, ammonia or carbon monoxide
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23NREGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2237/00Controlling
    • F23N2237/14Controlling burners with gasification or vaporizer elements
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Abstract

The present invention relates to a method of stabilizing combustion of a hydrogen-methane mixed fuel and, more specifically, to a method of stabilizing combustion of a hydrogen-methane mixed fuel, wherein sensitivity to external disturbance decreases as the hydrogenation rate of the hydrogen-methane mixed fuel increases in over-concentrated premixed gas, thereby stabilizing combustion, and sensitivity to external disturbance decreases as the hydrogenation rate of the hydrogen-methane mixed fuel increases in thin premixed gas, thereby stabilizing combustion. The present invention relates to a method of stabilizing combustion of a hydrogen-methane mixed fuel in a gas turbine or a combustor, comprising the steps of: (a) producing a mixed fuel composed of hydrogen-methane; (b) creating an equivalent ratio of the mixed fuel and air; and (c) supplying oxygen to control the speed of flame propagation during combustion of the mixed fuel. Provided is a method of stabilizing combustion of a hydrogen-methane mixed fuel, wherein the over-concentrated premixed gas composition is maintained with the equivalent ratio of the mixed fuel and air in step (b) being equal to or greater than 1.1 and equal to or smaller than 1.4, and sensitivity to external disturbance is reduced by increasing the hydrogenation rate of the mixed fuel. The equivalent ratio is Φ = (F/A)_actual/(F/A)_theoretic = injected air amount/theoretic air amount, and the equivalent ratio of the over-concentrated premixed gas is equal to or greater than 1.1.

Description

수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법 {METHOD FOR STABILIZING COMBUSTION OF HYDROGEN-METHAN MIXED FUEL}Method for stabilizing combustion of hydrogen-methane mixed fuel {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.The present invention relates to a method of stabilizing combustion of a hydrogen-methane mixed fuel, and more particularly, as the hydrogenation rate of a hydrogen-methane mixed fuel in an over-concentrated premixed gas increases, the sensitivity to external disturbances decreases to stabilize combustion, The present invention relates to a combustion stabilization method of a hydrogen-methane mixed fuel in which the sensitivity to external disturbance decreases as the hydrogenation rate of the hydrogen-methane mixed fuel increases in a lean premixed gas, thereby stabilizing the combustion.

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.Hydrogen is a very unstable element, and due to its high diffusion power and high combustion reaction rate, it is highly likely to cause thermoacoustic instability in commercial combustors when used as a fuel. Here, thermoacoustic instability mainly occurs inside the gas turbine and in the high-temperature and high-pressure combustion chamber, and pressure and heat fluctuations occur. If the phase difference between pressure and heat is different, a larger energy form is formed, which can cause fire or explosion accidents due to accumulation of thermal stress and excessive vibration.

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.On the other hand, Patent Registration No. 10-1544388 proposes a method for improving the idle operation and catalyst efficiency of a natural gas and hydrogen mixed fuel engine. However, the mixed fuel is limited to securing stability for idle operation, and there is a problem in that it is impossible to use a fuel mixed with hydrogen and methane in a commercial combustor including an actual marine engine, gas turbine, or rocket propellant. It is a time when development research is required.

한국등록특허 제10-1544338호Korean Patent No. 10-1544338

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.The present invention was invented to solve the above problems, and the higher the hydrogen addition rate under the condition of an equivalence ratio of 1.1 or more and 1.4 or less, the higher the hydrogen addition rate, the more combustion stability is secured, preventing large-scale explosion accidents, and having a high calorific value during combustion, the equivalence ratio It is a technical solution to provide a method for stabilizing the combustion of a hydrogen-methane mixed fuel in which combustion stability can be secured as the hydrogen addition rate is lowered in the lean premixed gas condition of 0.6 or more and 0.9 or less.

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.In order to solve the above technical problem, the present invention provides the steps of (a) preparing a mixed fuel composed of hydrogen-methane, (b) creating an equivalent ratio of the mixed fuel and air, and (c) for the mixed fuel In the combustion stabilization method of a hydrogen-methane mixed fuel for a gas turbine or combustor comprising; The equivalence ratio maintains the over-concentrated premixed gas composition of 1.1 or more and 1.4 or less, and increases the hydrogen addition rate to the mixed fuel, thereby reducing the sensitivity to external disturbance. to provide.

(상기 당량비

Figure pat00001
이고, 과농 예혼합 가스는 당량비가 1.1이상을 의미한다.)(the equivalence ratio
Figure pat00001
, and the excessively concentrated pre-mixed gas means that the equivalence ratio is 1.1 or more.)

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.In the present invention, according to the hydrogenation rate and flame propagation rate for the mixed fuel, the flame propagation rate is 35 to 38 cm/s at 90 to 99.9 vol% of methane and 0.1 to 10 vol% of hydrogen, and 70 to 90 vol% of methane and hydrogen It is a hydrogen-methane mixed fuel with a flame propagation speed of 35-42 cm/s at 10-30 vol% and combustion stabilization in the range of 35-46 cm/s at a flame propagation speed of 35-46 cm/s at 50-70 vol% of methane and 30-50 vol% of hydrogen. It features a combustion stabilization method.

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.In addition, the present invention provides the steps of (a) preparing a mixed fuel composed of hydrogen-methane, (b) creating an equivalent ratio of the mixed fuel and air, and (c) burning the mixed fuel, flame propagation speed In a combustion stabilization method of a hydrogen-methane mixed fuel for a gas turbine or combustor, comprising the step of supplying oxygen to control In the case of a lean pre-mixed gas composition of

(상기 당량비는

Figure pat00002
이고, 희박 예혼합 가스는 당량비가 0.9이하을 의미한다.)(The equivalent ratio is
Figure pat00002
, and the lean pre-mixed gas means that the equivalence ratio is 0.9 or less.)

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.According to the method for stabilizing combustion of a hydrogen-methane mixed fuel by means of solving the above problems, when hydrogen-methane is mixed and used as a fuel, the stability of combustion is ensured, thereby preventing a large-scale explosion accident.

또한, 수소-메탄에 대한 혼합연료를 연소 시, 선박엔진, 가스 터빈 또는 로켓 추진제를 포함하는 상용 연소기에서 연료로 사용하기에 적합한 발열량을 가지는 효과가 있다.In addition, there is an effect of having a calorific value suitable for use as fuel in a commercial combustor including a marine engine, a gas turbine, or a rocket propellant when the hydrogen-methane mixed fuel is combusted.

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.
1 is a flowchart illustrating a method for stabilizing combustion of a hydrogen-methane mixed fuel according to the present invention.
2 is a graph showing the stabilization of a hydrogen-methane mixed fuel in a lean pre-mixed gas condition according to the present invention.
3 is a graph showing the stabilization of a hydrogen-methane mixed fuel in an over-concentrated pre-mixed gas condition according to the present invention.
4 is an experimental schematic diagram showing the combustion stability of a hydrogen-methane mixed fuel according to the present invention.
5 is a photograph showing the degree of flame for each area according to FIG. 3 .
6 is a photograph and graph showing characteristics of each area according to FIG. 3 .

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.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying FIGS. 1 to 6 . On the other hand, in the drawings and detailed description, drawings and descriptions of configurations and actions that can be easily understood by those skilled in this field are simplified or omitted. In particular, in the drawings and detailed descriptions, detailed descriptions and illustrations of specific technical configurations and actions of elements not directly related to the technical features of the present invention are omitted, and only the technical configurations related to the present invention are briefly illustrated or described. did.

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.Prior to explaining the present invention, the world's dependence on petroleum energy is gradually shifting to a gas energy source, and as a measure to prevent global warming, the proportion of hydrogen, a clean energy source, is greatly expanded. However, because of its high diffusive power and high combustion reaction rate, hydrogen is likely to develop thermoacoustic instability in commercial combustors including gas turbines and rocket propellants. Thermoacoustic instability is a perturbation of pressure and heat itself, and when the phase difference is in phase, a larger energy is formed and there is a risk of explosion during combustion. Accordingly, it is necessary to stably create a ratio of hydrogen-methane mixed fuel for the instability of combustion.

도 1은 본 발명에 따른 수소-메탄 혼합연료의 연소 안정화 방법을 나타낸 순서도이다.1 is a flowchart illustrating a method for stabilizing combustion of a hydrogen-methane mixed fuel according to the present invention.

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.The present invention supplies oxygen to control the flame propagation speed during the steps of preparing a mixed fuel composed of hydrogen-methane (S1), creating an equivalent ratio of the mixed fuel and air (S2), and burning the mixed fuel It is made to include a step (S3), and is applied to a gas turbine or combustor.

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.By the step (S2) of composing the equivalence ratio of the mixed fuel and air, the equivalence ratio of 1.1 or more and 1.4 or less is maintained and the hydrogenation rate to the mixed fuel is increased while maintaining the composition of the over-concentrated premixed gas to reduce the sensitivity to external disturbance. can

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.Alternatively, by the step (S2) of composing the equivalence ratio of the mixed fuel and air, the equivalence ratio of 0.6 or more and 0.9 or less of the lean pre-mixed gas composition is maintained and the hydrogen addition rate to the mixed fuel is reduced to reduce the sensitivity to external disturbance. can do it

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.Here, the equivalence ratio means the ratio of fuel and air, and can be calculated by the following <Equation 1>. The over-concentrated premix gas has an equivalence ratio of 1.1 or more, and the range of the equivalence ratio in which combustion is stabilized in the present invention in a fuel-rich state with more fuel than air may be selected as 1.1 or more and 1.4 or less.

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.In addition, the lean premix gas has an equivalence ratio of 0.9 or less and a fuel lean state with more air than fuel, and in the present invention, the range of the equivalence ratio to be stabilized by combustion may be selected to be 0.6 or more and 0.9 or less.

<식 1><Equation 1>

Figure pat00003
Figure pat00003

(상기 식 1에 의해서 Φ는 당량비이며, F는 연료의 질량비, A는 공기의 질량비이다. 분모의

Figure pat00004
은 이론적인 연료와 공기의 질량의 비로 본 발명에서 이론공기량이라 칭하고, 분자의
Figure pat00005
는 실제 현장에서 투입된 연료와 공기의 질량비로 본 발명에서 주입공기량으로 칭한다. 예를 들어 F:A 질량비가 1.2:16으로 투입되는 경우
Figure pat00006
으로 당량비가 1.2로 도출되어 연료 과농 상태라고 할 수 있다.)(By Equation 1 above, Φ is the equivalence ratio, F is the mass ratio of fuel, and A is the mass ratio of air.
Figure pat00004
is the ratio of the theoretical mass of fuel and air, called the theoretical amount of air in the present invention, and the
Figure pat00005
is the mass ratio of fuel and air input at the actual site, and is referred to as the amount of injected air in the present invention. For example, if the F:A mass ratio is 1.2:16
Figure pat00006
Therefore, the equivalence ratio is derived as 1.2, which can be said to be fuel-rich.)

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.And in the heavily enriched premixed gas, the flame propagation rate is 35-38 cm/s at 90~99.9% by volume of methane and 0.1~10% by volume of hydrogen, depending on the hydrogenation rate and flame propagation rate for the mixed fuel, and 70~90% by volume of methane and hydrogen The flame propagation rate is 35-42 cm/s at 10-30 vol%, and combustion stabilization is achieved as the hydrogenation rate is increased in the range of 35-46 cm/s at the flame propagation rate of 50-70 vol% methane and 30-50 vol% hydrogen. This corresponds to region III' of FIG. 3 .

이에 대한 안정성을 평가하기 위한 실험은 도 4에 도시되어 있다. 수소-메탄 혼합연료의 연소안정성을 평가하기 위한 실험의 조건은 다음과 같다.An experiment to evaluate the stability thereof is shown in FIG. 4 . The conditions of the experiment to evaluate the combustion stability of hydrogen-methane mixed fuel are as follows.

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.Since gas turbines or commercial combustors generally adopt an open system system, they belong to a resonator that can generate an acoustic field. When abnormal heat emission occurs due to combustion instability in the resonator, it may develop into thermoacoustic instability in which both thermal energy and acoustic waves are amplified due to interaction with the existing acoustic field. When thermoacoustic instability occurs, there is a problem with vibration and noise inside the combustor system, and if it continues, a combustor explosion may occur.

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.In addition, the quarter-wave resonator adopted as a combustor has an open upper part of the tube and a closed lower part. According to the pressure distribution, the upper part of the pipe corresponds to a node and the lower part of the pipe corresponds to the antinodes, and the velocity distribution is opposite to the pressure distribution. The tube can be made of transparent acrylic, and the experiment can be carried out with an inner diameter of 3 cm and a length of 100 cm. In addition, a fully automatic opening/closing system composed of a pneumatic cylinder and a solenoid valve may be installed in the upper part of the burner. When the switching system is closed, the premixed gas is charged to atmospheric pressure, and then the switching system is opened at the same time as ignition starts in the spark igniter. The flame generated after ignition propagates to the bottom of the tube, and the propagation behavior of the flame was photographed with a high-speed camera. A microphone was installed at the bottom of the burner to measure acoustic waves. All sequential control of the system is done through the program controller. In order to visualize the flow field of the flame front, it can be observed by adopting a non-scattering technique using a diode laser of 532 nm.

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.The composition ratio of the hydrogen-methane mixed fuel used in the experiment can be adjusted to 50 to 99.9 vol% of methane and 0.1 to 50 vol% of hydrogen. When the hydrogen content is 50% by volume or more, the composition ratio can be limited in this way because hydrogen, not methane, becomes the standard for the mixed fuel.

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.In addition. In the experiment, the equivalence ratio of the rich pre-mixed gas is 1.2, and the equivalence ratio of the lean pre-mixed gas is set to 0.8. Basically, the gas composition used in the gas turbine adopts a gas composition with an equivalence ratio close to 1, and when the equivalence ratio is far from 1, the heat release rate is low and the operation efficiency is poor, so an equivalence ratio close to 1 can be adopted. .

또한, 실험에서 고정된 당량비에서 질소 희석률 <식 2>에 따라 산소의 양을 조절하여 화염전파속도를 변화시킬 수 있다.In addition, the flame propagation speed can be changed by adjusting the amount of oxygen according to the nitrogen dilution rate <Equation 2> at a fixed equivalence ratio in the experiment.

<식 2><Equation 2>

Figure pat00007
Figure pat00007

(상기 식 2에 의해서, D는 질소 희석률이다.)(By Equation 2 above, D is the nitrogen dilution rate.)

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.The results of the experiment according to the above conditions are as follows, and are shown in FIGS. 5 to 6 . 5 is a photograph showing the flame degree for each region when hydrogen-methane mixed fuel is burned under the excessively concentrated premixed gas condition of the present invention, and FIG. did.

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.First, as shown in FIGS. 5 to 6, region I is a stable flame, region II is primary thermoacoustic instability, region Ⅲ is secondary thermoacoustic instability, region Ⅲ′ is restabilization of secondary thermoacoustic instability, region IV is It can be defined as an explosive turbulent flame.

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.As shown in FIG. 6 , in the case of an excessively concentrated pre-mixed gas, region I is a relatively stabilized flame with no acoustic sound with hydrodynamic instability, and region II is accompanied by a vibrating flat flame and small noise. Combustion instability is defined as primary thermoacoustic instability. Region III is defined as secondary thermoacoustic instability as a flame that starts to appear wavy in a vibrating flat flame and transitions to turbulence after causing a loud noise. Region Ⅲ' is a region that is stabilized as the flame propagation speed increases, and is defined as the re-stabilization of secondary thermoacoustic instability. Lastly, after ignition in region IV, a wavy flame accompanied by a large noise goes through a short oscillation cycle and then immediately transitions to turbulence, which is the region where the strongest combustion instability is observed in the entire region.

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.Therefore, referring to FIG. 2 , when using as a hydrogen-methane mixed fuel, when a lean pre-mixed gas is prepared, the sensitivity to external disturbance increases as the hydrogen addition rate increases, leading to extreme combustion instability along with explosive pressure amplification. do. Accordingly, when 50% by volume of methane and 50% by volume of hydrogen are mixed, an explosive turbulent flame is observed despite the low flame propagation speed.

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.In addition, referring to FIG. 3 , when using as a hydrogen-methane mixed fuel, when an over-enriched pre-mixed gas is prepared, as the addition rate of hydrogen increases, the reaction sensitivity to external disturbance decreases, thereby realizing a stable combustion environment. have. Therefore, when 50% by volume of methane and 50% by volume of hydrogen are mixed, restabilization of secondary thermoacoustic instability corresponding to region Ⅲ′ in the above experiment is observed despite a relatively high flame propagation speed of 40 cm/s. .

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.That is, according to the hydrogen-methane mixed fuel gas composition of the present invention, when a hydrogen-methane mixed fuel is used in a gas turbine or a combustor where thermoacoustic instability may occur, an over-rich premixed gas composition of 1.1 or more and 1.4 or less is adopted to increase the hydrogenation rate. Increasing it can ensure combustion stability as well as improving gas turbine operation efficiency, and when a lean premixed gas composition of 0.6 or more and 0.9 or less is adopted, lowering the hydrogen addition rate can improve operation efficiency.

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.Although the combustion stabilization method of the hydrogen-methane mixed fuel according to the embodiment of the present invention as described above has been illustrated according to the above description and drawings, this is merely an example and various other methods are provided without departing from the technical spirit of the present invention. It will be appreciated by those skilled in the art that changes and modifications are possible.

Claims (3)

(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 pat00008
이고, 과농 예혼합 가스는 당량비가 1.1이상을 의미한다.)
(a) preparing a mixed fuel consisting of hydrogen-methane; and
(b) creating an equivalent ratio of the mixed fuel and air; and
(c) supplying oxygen to control the flame propagation speed during combustion of the mixed fuel; in a method for stabilizing combustion of a hydrogen-methane mixed fuel for a gas turbine or combustor comprising:
Step (b) is
Hydrogen-methane mixed fuel, characterized in that the equivalence ratio of the mixed fuel and air is maintained in an over-concentrated premixed gas composition of 1.1 or more and 1.4 or less, and the hydrogen addition rate to the mixed fuel is increased to reduce the sensitivity to external disturbances. combustion stabilization method
(The equivalent ratio is
Figure pat00008
, and the excessively concentrated pre-mixed gas means that the equivalence ratio is 1.1 or more.)
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
2. The method of claim 1
According to the hydrogenation rate for the mixed fuel and the flame propagation rate
A flame propagation rate of 35-38 cm/s in 90 to 99.9 vol% of methane and 0.1 to 10 vol% of hydrogen,
Flame propagation speed of 35-42 cm/s in 70-90 vol% of methane and 10-30 vol% of hydrogen,
Combustion stabilization method of hydrogen-methane mixed fuel, characterized in that the combustion is stabilized in the flame propagation speed of 35-46 cm/s in 50-70 vol% of methane and 30-50 vol% of hydrogen
(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 pat00009
이고, 희박 예혼합 가스는 당량비가 0.9이하을 의미한다.)
(a) preparing a mixed fuel consisting of hydrogen-methane; and
(b) creating an equivalent ratio of the mixed fuel and air; and
(c) supplying oxygen to control the flame propagation speed during combustion of the mixed fuel; in a method for stabilizing combustion of a hydrogen-methane mixed fuel for a gas turbine or combustor comprising:
Step (b) is
When the equivalence ratio of the mixed fuel and air is 0.6 or more and 0.9 or less, in the state of the lean pre-mixed gas composition,
Combustion stabilization method of hydrogen-methane mixed fuel, characterized in that the hydrogen addition rate to the mixed fuel is decreased to reduce the sensitivity to external disturbance
(The equivalent ratio is
Figure pat00009
, and the lean pre-mixed gas means that the equivalence ratio is 0.9 or less.)
KR1020210026856A 2021-02-26 2021-02-26 Method for stabilizing combustion of hydrogen-methan mixed fuel KR102441298B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210026856A KR102441298B1 (en) 2021-02-26 2021-02-26 Method for stabilizing combustion of hydrogen-methan mixed fuel

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210026856A KR102441298B1 (en) 2021-02-26 2021-02-26 Method for stabilizing combustion of hydrogen-methan mixed fuel

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220122346A true KR20220122346A (en) 2022-09-02
KR102441298B1 KR102441298B1 (en) 2022-09-06

Family

ID=83280757

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210026856A KR102441298B1 (en) 2021-02-26 2021-02-26 Method for stabilizing combustion of hydrogen-methan mixed fuel

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102441298B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024080472A1 (en) * 2022-10-13 2024-04-18 주식회사 엘지화학 Method for preparing cracking furnace fuel

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101544388B1 (en) 2014-04-22 2015-08-21 한국기계연구원 Method for improving engine idle starting ability and catalyst effect

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101544388B1 (en) 2014-04-22 2015-08-21 한국기계연구원 Method for improving engine idle starting ability and catalyst effect

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
가솔린 메탄의 연소특성비교(한국액체미립학회지 제7권제3호 2002 박명호) *
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) *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024080472A1 (en) * 2022-10-13 2024-04-18 주식회사 엘지화학 Method for preparing cracking furnace fuel

Also Published As

Publication number Publication date
KR102441298B1 (en) 2022-09-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9638423B2 (en) Multifuel gas turbine combustor with fuel mixing chamber and supplemental burner
JP4660594B2 (en) Apparatus and method for reforming gaseous fuel content
JPH0140246B2 (en)
JP2012092838A (en) Method and system for preventing combustion instability during transient operation
US9388745B2 (en) Method for switching over a combustion device between a first fuel and a second fuel
KR102441298B1 (en) Method for stabilizing combustion of hydrogen-methan mixed fuel
Alabaş Effect of biogas addition on combustion instability of propane flame at different external acoustic enforcement frequencies
Seo Combustion instability mechanism of a lean premixed gas turbine combustor
Bulysova et al. Low-Emission combustion of fuel in aeroderivative gas turbines
Yilmaz et al. Experimental investigation of the flame characteristics of a fuel mixture with high hydrogen content enriched with oxygen under the externally acoustic enforcement conditions
JP3472424B2 (en) Gas turbine and method of operating gas turbine
EP4191037A1 (en) Gas turbine engine and method for operating same
US20140134551A1 (en) Combustion Instability Suppression System Using Heat Insulating Flameholding Material
Xavier et al. Determination of criteria for flame stability in an annular trapped vortex combustor
JP5993046B2 (en) Multi-fuel compatible gas turbine combustor
Richards et al. Gas turbine combustion instability
JP2001241653A (en) Combustion equipment
JP4182414B2 (en) Combustion control method for steam injection gas turbine
JP2527170B2 (en) Operation method of gas turbine two-stage combustor
James A solution for noise associated with a series staged DLE combustion system
JPS5847928A (en) Gas turbine combustor
CN115112344A (en) Working method of low total temperature state of thermal jet flow experimental device for shock tunnel
JPH0275821A (en) Gas-turbine burner
JP2022147400A (en) combustor
Dasari et al. Variation of Dominant Instability Mode with Fuel Configuration in an Inverted Coaxial Injector

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant