동축류 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8) 혼합 확산화염내의 수소(H2) 첨가가 화염 형상 및 연소생성물에 미치는 영향

Abstract

최근 강화된 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)의 황산화물() 배출규제에 대응하여 LNG연료를 사용하는 선박엔진이 개발 및 상용화 되고 있지만 LNG 연료의 주성분인 메탄()은 탄소를 포함하고 있어 여전히 온실가스인 이산화탄소()를 발생시킨다. 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)는 국제해양오염방지협약(MARPOL 73/78) 부속서(AnnexVI Reg. 20~21)에서 에너지 효율 설계 지수(EEDI, Energy Efficiency Design Index)를 적용하여 선종 및 선박의 크기별로 이산화탄소() 배출 특성을 비교하고 단계별로 감축계수를 부여하여 2015년 기준으로 2020년까지 10%, 2025년까지 30%의 감축을 목표로 하고 있다. 또한 지난 2016년 파리에서 개최된 기후변화협약(UNFCCC, United Nations Framework Convention On Climate Change)이 발효되면서 개도국 포함 160개국 이상의 국가가 참여하여 온실가스 감축기여 의무를 부여하게 되었으며 국내에서는 저탄소 녹색성장을 위한 대안으로서 수소에너지와 그 이용 기술에 대한 관심이 높아지는 추세이다. 이와 같은 동향에 맞추어 무탄소 연료인 수소를 LNG의 주성분인 동축류 메탄, 메탄-프로판, 메탄-프로판-에탄 확산화염 내에 첨가하여 화염형상 및 연소생성물에 미치는 영향을 확인하고자 한다. 본 연구에서는 상온상압 조건의 확산화염에 수소를 단계적으로 첨가하여 실제 생성되는 연소생성물의 변화 추이를 가스 분석기를 이용하여 실험적으로 관찰하였고 확산화염의 형상은 디지털카메라를 이용하여 단계적으로 관찰 하였다. 실험결과에서 확산화염에 수소를 첨함에 따라 질소산화물의 생성량이 선형에 가깝게 증가하는 경향을 보였다. 이것은 수소의 상대적으로 높은 단열화염온도와 빠른 연소속도가 Thermal NOx의 생성을 촉진했기 때문이다. 반면 이산화탄소의 생성량은 감소하는 경향을 나타났는데 수소를 첨가함에 따라 메탄, 메탄-프로판, 메탄-에탄-프로판의 혼합 확산화염에 포함되어있는 전체 탄소비율이 줄어들어 이산화탄소의 생성량이 감소 한 것이다. 이는 선박에서 LNG-수소의 혼합 연료사용으로 인해 온실가스인 를 저감할 수 있는 하나의 방안으로 고려될 수 있다는 것을 의미한다. 확산화염에 수소를 첨가함에 따라 일산화탄소의 생성량이 증가하는 경향을 보였다. 이것은 수소를 첨가함에 따라 전체적인 이론 공연비가 높아짐에 따라 불완전 연소 확률이 높아진 영향으로 보이며 이러한 경향은 메탄-에탄-프로판 혼합 확산화염에서 수소를 40% 첨가하였을 때 가장 두드러지게 보인다. 수소첨가량에 따른 화염형상을 비교분석한 결과, 모든 실험에서 수소 첨가량을 증가시키면 화염상부에 적노색부분이 줄어들고 화염의 하부의 파란색 부분이 선명해지는 것을 확인할 수 있었다. |Recently, the marine engine using LNG fuel has been developed and commercialized in response to the regulation of sulfur oxides emission of the IMO(International Maritime Organization). However, the main component of LNG fuel is methane. It still generates carbon dioxide, a greenhouse gas. The IMO(International Maritime Organization) has adopted the EEDI(Energy Efficiency Design Index) in the Annex(Annex VI Regulations 20 to 21) of the International Maritime Pollution Prevention Convention(MARPOL 73/78). The EEDI(Energy Efficiency Design Index) is applied to compare emission characteristics according to the type of ship and ship size and to reduce emissions by 10% by 2020 and 30% by 2025 in 2015. In addition, as the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) was held in Paris in 2016, more than 160 countries, including developing countries, participated to contribute to the reduction of greenhouse gas emissions.In Korea, interest in hydrogen energy and its utilization technology is increasing as an alternative for low carbon green growth. in accordance with these trends, the effect of hydrogen-free carbon fuel on the flame and combustion products is investigated by adding the co-flow methane, methane-propane, methane-ethane-propane diffusion flame, which is the main component of LNG. In this study, the evolution of combustion products by adding hydrogen to the diffusion flame at room temperature and normal pressure was experimentally observed using a gas analyzer, and the shape of the diffusion flame was observed step by step using a digital camera. Experimental results show that the amount of nitrogen oxides tends to increase linearly with the addition of hydrogen to the diffusion flame. This is because the relatively high adiabatic flame temperature and fast burning rate of hydrogen facilitated the generation of thermal NOx. On the other hand, the amount of carbon dioxide tended to decrease linearly with the addition of hydrogen, which decreased the total carbon content in the mixed diffusion flame of methane, methane-propane and methane-ethane-propane. This means that the use of mixed fuel of LNG-hydrogen in the ship can be considered as a way to reduce the greenhouse gas . The amount of carbon monoxide formation tended to increase with the addition of hydrogen to the diffusion flame. This seems to be due to the increased incomplete combustion probability as the overall theoretical air / fuel ratio increases with the addition of hydrogen, and this tendency is most pronounced when 40% hydrogen is added in the methane-ethane-propane mixed diffusion flame.