Trans. of Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 28, No. 3, 2017, pp. 315~321 DOI: https://doi.org/10.7316/khnes.2017.28.3.315 KHNES pissn 1738-7264 eissn 2288-7407 압력변화에따른대향류화염연소특성연구를위한가압연소실설계 안영종 1 구재원 1 최선 1 구자예 2 권오채 1, 1 성균관대학교기계공학부, 2 한국항공대학교항공우주및기계공학부 Design of a Combustion Chamber for Studying the Combustion Characteristics of Counterflow Flames at Elevated Pressure YEONG JONG AHN 1, JAE WON KU 1, SUN CHOI 1, JAYE KOO 2, OH CHAE KWON 1, 1 School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University, 2066 Seobu-ro Janan-gu, Suwon, 16419, Korea 2 School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University, 76 Hanggongdaehak-ro, Deogyang-gu, Goyang 10540, Korea Corresponding author : okwon@skku.edu Received 8 June, 2017 Revised 16 June, 2017 Accepted 30 June, 2017 Abstract >> A combustion chamber is designed and fabricated for studying the combustion characteristics of counterflow flames at elevated pressure and establishing the fundamental combustion database of counterflow flames. The combustion chamber design aims to allow the maximum operating pressure of 11 bar and be able to conduct flame visualization and the measurements of flame extinction limits, flame temperature and combustion emissions at elevated pressure. Preliminary tests for counterflow nonpremixed CH 4-NH 3-N 2/air flames at 1-3 bar have been conducted, and the results confirm the proper operation of the designed chamber. Key words : Counterflow flame( 대향류화염 ), Methane( 메탄 ), Ammonia( 암모니아 ), Elevated pressure( 가압조건 ), Combustion chamber( 연소실 ) 1. 서론 지구온난화로인한기후변화에대응하기위해전세계적인노력이요구되고있다. 특히 2015년에개최된제21차유엔기후변화협약당사국총회에서협의된 파리기후변화협약 에의하면우리나라는 2030년까지배출전망치대비 37% 감축을이행해야함에따라기존의에너지산업구조가신재생에너지를비롯한저탄소에너지로부분적으로 대체되는것이불가피하다 1). 수소 (H 2) 는연소시이산화탄소 (CO 2) 를배출하지않는무탄소친환경연료로서연료전지, 직접연소등많은방식으로이용이연구되어왔으나밀도가낮고액화에어려움이있어저장및공급문제를가지고있으며, 폭발적인반응성으로인한안전성문제로실용화에한계점이지적되고있다. 암모니아 (NH 3) 는수소와마찬가지로연소시탄소를배출하지않지만상대적으로저압에서 315 2017 The Korean Hydrogen and New Energy Society. All rights reserved.
316 압력변화에따른대향류화염연소특성연구를위한가압연소실설계 도액화가가능하여수소의저장및공급문제를해결할수있으며 2), 수소와혼합하여사용할시수소의빠른연소속도를늦춰주어안전성을개선시킬수있는장점이있다 3). 따라서본연구실에서는무탄소그린연료로서암모니아-수소혼합연료의실용화가능성확인을위한기초연소연구를진행한바있다. 수소첨가암모니아 / 공기대향류비예혼합화염의연소안정한계측정결과, 혼합연료중소량의수소를첨가했음에도수소의매우강한반응성으로인해일반적인탄화수소연료와비슷한수준의연소안정한계가측정되어순수암모니아연료이용시의연소불안정문제를해결할수있는첨가제로서수소의특성을파악하였다 4). 또한암모니아-수소 / 공기동축류예혼합연소특성연구에서는배기가스분석결과, 암모니아가화염의온도를낮춰주어질소산화물 (NO x) 의배출을낮추는 thermal deno x 역할을하는것이확인되었고, 연료과농조건에서는미연암모니아가배기가스와섞이면서촉매반응이진행되어일반적인탄화수소연료사용시와비슷한수준의 NO x 가측정된바있다 3). 이와같은장점에도불구하고여전히수소는저장및공급문제점과높은반응성으로인한안전성에문제점이제기됨에따라실용화에있어심도있는검증이필요한단계에있다. 천연가스는현재매우활발하게사용되고있는에너지원으로서청정연료의특성과많은매장량으로인해전세계적으로사용량이계속증가하는추세에있다. 이와같은천연가스또는천연가스의주성분인메탄 (CH 4) 에암모니아를혼합할경우연소시배출되는이산화탄소를저감할수있다. 메탄에암모니아를혼합할시암모니아의낮은연소속도로인해연소강도가낮아질것으로예상되어소량의메탄을암모니아로대체하여사용해야할것으로보이나현재천연가스및메탄사용량을볼때소량의메탄을암모니아로대체해도이산화탄소배출저감효과는큰것으로판단된다. 또한연료중암모니아로인해연료로부터발생하는 NO x 의배출량이크게증가할것으로예상되나선행연구에서확인된암모니아의 thermal deno x 효과나연료과농조건에서암모니아의촉매역할을고려한다면 NO x 배출량역시일반적인수준으로조절할수있을것으로보인다. 이와같은이산화탄소배출을저감할수있는연료로서메탄-암모니아혼합연료의효율적이고경제적인연구를위해서는기초연구가필요하며, 메탄-암모니아혼합연료의기초연소데이터베이스확보를통해실제연료로서의이용가능성에대한심도있는연구가필요하고, 잠재력이검증된뒤에실용화연구가진행되어야한다. 따라서본연구에서는실제적용에근접한조건에서의메탄-암모니아혼합연료의대향류비예혼합연소의데이터베이스확보를위한가압대향류연소실을설계및제작하였으며, 이를사용하여예비실험으로서메탄-암모니아-질소 / 공기대향류비예혼합화염의구조파악을위한가시화및직접온도측정을수행하여가압연소실의적절한작동여부를검증하였다. 2. 설계 2.1 가압연소실개념설계 Fig. 1은메탄-암모니아혼합연료의대향류비예혼합연소특성실험을위한가압연소실의개략도이다. 가압연소실은대표적으로연소실, 배기장치, 계측제어장치로구성되어있다. 다양한가압연소실험이가능하도록내부에 200 300 mm의실린더형상의공간을확보하였다. 연소실벽면에는가시화를통한연소특성파악이가능하도록지름 108 mm인 4개의가시창 (quartz) 을설치하였다. 가시창과연소실사이에는유로 (curtain flow) 를형성하여연소생성물이가시창에부착되는것을방지하고액화된물이강제대류에의해빠르게기화되도록하였다. 또한친수성폴리머로가시창내 외부를코팅하여가시창 >> 한국수소및신에너지학회논문집제 28 권제 3 호 2017 년 6 월
안영종 구재원 최선 구자예 권오채 317 Fig. 3. Exhaust system Fig. 1. Configuration of combustion chamber Fig. 2. Major dimensions of combustion chamber 의가시성을확보하였다. 연소실및가시창에대한대표적인치수및구성을 Fig. 2에나타내었다. 가압연소실내부에서발생된연소생성물은배기가스분석을위하여코일형냉각기, 배기분배박스, 릴리프밸브 (PRV) 를거쳐배출된다. 코일형냉각기는배기가스의온도를낮추기위해 1/4 in. 스테인리스스틸 (STS) 튜브를굽힘가공하여제작하였으며, 과열시에는 250 mm 직류팬 (DC fan) 을이용해강제대류냉각이이루어지도록제작되었다. 배기경로를다양화하기위해구성된배기분배박스는 1/4 in. 테이퍼암나사 (FNPT) 6개및 1/2 in. FNPT 4개를한공간에연결하여여러밸브들과연결될수있도록구성되었다. 이중 3개의 1/4 in. FNPT에각각 3 bar, 6 bar, 11 bar의배출압력을갖 는릴리프밸브를연결하여대향류연소실험시목표주위압력조건을형성할수있도록하였다. 배기시스템의전체적인구성은 Fig. 3과같다. 가압연소실험중화염을직접측정하기위하여계측제어장치를연소실내부에설치할수있도록하였다. 계측제어장치는리니어액추에이터 (THK KR2006, 200L), 스텝모터 (Shinano Kenshi STP-42D1112, 2 Phase, 1.8 ), 체결용커플링및오링 (o-ring) 으로구성되어있다. 리니어액추에이터는다양한계측장치를설치한상태에서상하운동이가능하도록설계되었다. 연소실내부에는고온에서의성능을보장하기위하여금속재질의장치만을설치하도록설계되었다. 이에따라열에민감한모터는연소실의하단부바깥쪽에설치하였다. 연소실외부에설치된모터와내부에설치된액추에이터는연소실벽을관통하여축으로연결한다. 축은고압에서의가스누설을방지함과동시에회전에의한마찰을최소화하기위하여테플론 (teflon) 재질의오링을이용해기밀하였다. 이렇게구성된계측제어장치에온도측정용열전대받침대 (thermocouple support) 를설치한형상을 Fig. 4에나타내었다. 열전대가설치된계측제어장치는스텝모터의회전에따라상하로움직이게되는데, 측정되는온도분포의해상도증가및열전대이동에따른유동방해최소화를위하여미세한위치이동 (30 μm) 이가능하도록 DAQ 시스템중디지털릴레이모듈 (NI 9482) 을사용하여스텝모터 Vol. 28, No. 3, June 2017 Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society <<
318 압력변화에따른대향류화염연소특성연구를위한가압연소실설계 Table 1. Design parameters of combustion chamber Fig. 4. Installation of instruments 를가동하게된다. 2.2 가압연소실내압설계 메탄- 암모니아등다양한혼합연료의대향류비예혼합연소특성실험이진행될가압연소실은최대 11 bar의실험이가능하면서여러상황에대응이가능하도록 Sch 40S 이상의두께를갖는 8 in. 및 4 in. 배관을이용해본체를제작하였다. 본체에연결되는체결부품은 3,000 lb급이상의부품을이용하여연결하였다. 배관을용접하면서생기는열영향부가존재하고, 특히암모니아가사용될경우부식성이높은환경이기때문에충분한내식성을확보하기위하여전체시스템의재질을 STS 316L로선정하였다. 또한바이톤 (viton) 오링의경우암모니아로인해경화되는현상이발생할수있어가능한연소실내부의배기가스가닿지않는곳에바이톤오링을배치하였고, 불가피한곳에는테플론오링을배치하였다. 제작된연소실험장치의총중량은 66.6 kg이다. 가압연소실은 16 bar 의압력에서내압시험을수행하여안전에대한검사를수행하였다. 이외의설계조건들이 Table 1에제시되어있다. 3. 예비실험방법및결과 3.1 예비실험방법 Fig. 5 는가압연소실내메탄 - 암모니아혼합연 Parameters Values Maximum pressure 11 bar Test pressure 150% Safety factor 6 Pipe pressure rating > Sch 40S Fittings pressure rating > 3000 lb Material STS 316L Combustion room 200 300 mm Visualization window 108 20 mm Chamber fastener M10 20EA Window fastener M5 24EA Chamber weld neck thickness > 7 mm Window weld neck thickness > 5 mm Net weight 66.6 kg 료의대향류비예혼합연소특성연구를위한개략도이다. 실험장치는본연구를통해설계된가압연소실및대향류연소기, 연료및산화제공급시스템, 화염직접사진촬영을위한 DSLR (Sony A65; resolution: 3,376 6,000 pixels), OH * 자발광측정을위한 band pass 필터및 ICCD (PI-max 4; resolution: 1,024 1,024 pixels), 데이터수집및시퀀스제어를위한 DAQ 시스템 (NI 9188, NI 9269, NI 9239, NI 9211, NI 9482) 등으로구성되어있다. 대향류연소기의하단노즐에서는연료및질소 (N 2 ) 가공급되고, 상단노즐에서는공기가공급되며, 각노즐사이의간격 (separation distance, L) 은 15 mm이다. 또한각각의연료및공기노즐주위로질소동향류를분사해주어연소실내주위기체로인한 2차연소및간섭을방지해주었다. 연료및공기는각각의노즐에서분사되는반응물의모멘텀플럭스비가일정하도록 (ρ F u 2 F =ρ O u 2 O ; ρ: 밀도, u: 유속, 하첨자 F: 연료, O: 산화제 ) 공급해주었고, 대향류화염의일정한연소조건유지를위해일정한스트레인율 (global strain rate, a g ) 및 stoichiometric mixture fraction (Z st ) 을고려해주었다. 스트레인율과 Z st 의정의는다음과같다 5). >> 한국수소및신에너지학회논문집제 28 권제 3 호 2017 년 6 월
안영종 구재원 최선 구자예 권오채 319 Fig. 5. Schematic diagram of experimental apparatus O F F O (1) O st F O (2) 여기서 ν는산화제와연료의이론당량비조건에서의질량비이고, Y F,1 은연료노즐유량중연료의질량분율, Y O,2 는산화제노즐유량중공기의질량분율이며실험에서고정된스트레인율과 Z st 의값은각각 100 s -1 과 0.1이다. 메탄-암모니아혼합연료중암모니아의몰분율 (x a,f) 은 0.0-0.6 조건에서실험을진행하였으며, 질소동향류는각각의연료노즐과산화제노즐유속과동일한유속으로분사해주었다. 각각의연료및산화제, 연료노즐내질소, 질소동향류는질량유량조절기 (Aera FC-PA7810c, accuracy ±1.0%; 한국계기티엔에스 VIC-D240, accuracy ±1.0%; 한국계기티엔에스 TSC-D220, accuracy ±1.0%; Teledyne HFC-202, accuracy ±1.0%) 를사용하여조절해주었다. 예비실험에서는메탄-암모니아-질소 / 공기대향류비예혼합화염의구조파악을위해서 200 μm의 B-type 열전대를사용하였고, 열전대를통해측정된온도값은열전대표면의복사열손실을고려하여보정되었다 (Accuracy ±1.52%) 6). 3.2 예비실험결과 3.2.1 화염직접사진 Fig. 6은가압연소실내메탄-암모니아-질소 / 공기대향류비예혼합화염의직접사진으로연소실압력 1 bar, 3 bar 조건과 x a,f = 0.0-0.6 조건에서촬영되었다. 대기압에서의예비실험결과안정적인화염이형성되었으며, 연소실에가압을하였을때도안정된화염이유지되는것이확인되었다. 대기압인 1 bar 조건에서연료에암모니아가첨가되지않았을때에는푸른색화염이관찰되었다. x a,f 이증가할수록화염은점차밝아지며붉은색화염으로변하는것이확인된다. 연소실압력 3 bar 조건에서는암모니아가첨가되지않았음에도붉은화염이매우밝게나타났는데, 이는연소실내의압력이증가하면서메탄으로인한 soot 발생증가의영향으로보인다 7). 연소실압력 3 bar의 x a,f = 0.0-0.4 조건에서는화염이점차희미해지다 Vol. 28, No. 3, June 2017 Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society <<
320 압력변화에따른대향류화염연소특성연구를위한가압연소실설계 Fig. 7. Distribution of OH * for counterflow nonpremixed CH 4-NH 3-N 2/air flames at a g = 100 s -1, Z st = 0.1, p = 1-3 bar, and x a,f = 0.0-0.4 Fig. 8. Distribution of measured temperature for counterflow nonpremixed CH 4-N 2/air flames at a g = 100 s -1, Z st = 0.1 and p = 1-3 bar Fig. 6. Direct images of counterflow nonpremixed CH 4-NH 3-N 2/air flames at a g = 100 s -1, Z st = 0.1, p = 1-3 bar, and x a,f = 0.0-0.6 가 x a,f =0.6 조건에서는다시밝아지는것이관찰되었는데, 이는 x a,f 이증가함 ( 혼합연료중메탄의몰분율감소 ) 에따라메탄으로인한 soot 발생량이감소하면서화염이옅어지는경향과 x a,f 증가에따른화염의밝아지는경향이엇갈리면서나타나는현상으로보인다. 3.2.2 OH* 자발광분포 Fig. 7은 ICCD를사용하여측정된가압연소실내메탄-암모니아-질소 / 공기대향류비예혼합화염의 OH * 자발광가시화결과로서연소실압력 1 bar, 3 bar 조건과 x a,f = 0.0-0.4 조건에서촬영되었다. 모든조건에서 OH * 자발광역시성공적으로획득할수있었는데, 상압에서는 x a,f 이증가함에따라암모니아의낮은반응성으로인해 OH * 자발광강도는감소하나큰폭의변화를보이진않는결과를보여주고있다. 압력이 3 bar로증가할경우, x a,f =0.0 조건에서는 OH * 강도가매우크게증가하였으며 OH * 영역역시확장된결과를보였다. 반면, 3 bar 조건에서 x a,f 이증가할때에는 OH * 의강도가매우큰폭으로감소하였고, OH * 영역역시매우큰폭으로감소하는결과를보였다. 3.2.3 화염온도 Fig. 8은가압연소실내메탄-질소 / 공기대향류비예혼합화염의압력에따른최대온도위치부근온도분포를측정한결과로연소실압력 1 bar, 3 bar 조건에서측정하였다. 가압된연소실내에서계측제어장치및열전대를사용하여성공적으로높이에따른화염의온도를측정할수있었다. 연 >> 한국수소및신에너지학회논문집제 28 권제 3 호 2017 년 6 월
안영종 구재원 최선 구자예 권오채 321 소실의압력이 3 bar로증가할경우화염이산화제노즐쪽으로이동하는결과를보인다. 또한탄화수소계열연료의대향류비예혼합화염에서일반적으로연료의열분해로인해나타나는온도분포의변곡점 (dent) 8) 이두압력조건에서관찰되었다. 4. 결론 본연구에서는실제적용에근접한조건에서의메탄-암모니아혼합연료의대향류비예혼합연소의데이터베이스확보를위한가압대향류연소실을설계및제작하였으며, 이를사용하여예비실험으로서메탄-암모니아-질소 / 공기대향류비예혼합화염의구조파악을위한가시화및직접온도측정을수행하여가압연소실의적절한작동여부를검증하였다. 가압연소실은내부압력최대 11 bar를견디면서여러가지조건및상황에서실험이가능하도록설계가되었으며, 연소안정한계측정, 화염가시화및직접온도측정을통한화염구조파악, 배기가스특성분석이가능하도록설계 제작되었다. 예비실험결과, x a,f 이증가함에따라화염의연소강도 (OH * 강도 ) 는감소하였고, 압력이증가할경우에는메탄으로인해 soot 발생이증가함과동시에연소강도가증가하는것이관찰되었다. 또한가압된조건에서도 x a,f 증가에따라감소하는연소강도의경향은여전히관찰되었다. 설계 제작된가압대향류연소실은메탄-암모니아혼합연료의기초연소실험데이터베이스확보에활용될예정이며, 동일한조건에서의수치해석연구를통해메탄-암모니아-질소 / 공기대향류비예혼합화염의연소특성에대한심도있는연구가진행될예정이다. 또한이를통해메탄-암모니아혼합연료의실제연료로서의이용가능성에대한검 증이진행될예정이다. 후기 본연구는서울대학교차세대우주추진연구센터와연계된미래창조과학부의재원으로한국연구재단의지원을받아수행한선도연구센터지원사업 (No. 2013073861) 의연구결과이다. References 1. E. Lee, KCRC issue report vol. 14: The results of the 2015 United Nations Climate Changes Conference and CCS, Korea Carbon Capture and Sequestration R&D Center, Korea, 2015, pp. 1-46. 2. R. Metkemeijer and P. Achard, Comparison of ammonia and methanol applied indirectly in a hydrogen fuel cell, Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 19, 1994, pp. 535-542. 3. J. M. Joo, S. Lee, and O. C. Kwon, Effects of ammonia substitution on combustion stability limits and NOx emissions of premixed hydrogen-air flames, Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 37, 2012, pp. 6933-6941. 4. S. Choi, S. Lee, and O. C. Kwon, Extinction limits and structure of counterflow nonpremixed hydrogen-doped ammonia/air flames at elevated temperatures, Energy, Vol. 85, 2015, pp. 503-510. 5. U. Niemann, K. Seshadri, and F. A. Williams, Effect of pressure on structure and extinction of near-limit hydrogen counterflow diffusion flames, Proc. Combust. Inst., Vol. 34, 2013, pp. 881-886. 6. R. Seiser, L. Truett, D. Trees, and K. Seshadri, Structure and extinction of non-premixed n-heptane flames, Proc. Combust. Inst., Vol. 27, 1998, pp. 649-657. 7. K. A. Thomson, Ö. L. Gülder, E. J. Weckman, R. A. Fraser, G. J. Smallwood, and D. R. Snelling, Soot concentration and temperature measurements in co-annular, nonpremixed CH4/air laminar flames at pressures up to 4 MPa, Combust. Flame, Vol. 140, 2005, pp. 222-232. 8. H. Tsuji, Counterflow diffusion flames, Prog. Energy Combust. Sci., Vol. 9, 1982, pp. 93-119. Vol. 28, No. 3, June 2017 Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society <<