다양한 천연가스의 연소특성 및 호환성 판정법에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

국내의 도시가스 사용 환경은 연료 측면에서 액화가스를 기화하여 열량조절과정을 거쳐 공급되는 비교적 고발열량의 최고급 가스라 할 수 있다. 반면, 국내에서 생산, 판매되는 가스기기들은 위와 같은 고발열량의 가스를 기반으로 설계된 것으로 가스 성분 변화에 따른 화염안전성에는 취약하다고 할 수 있다. 최근, 세계적으로 천연가스의 가격 및 수요가 급증하고 있어 천연가스의 발열량 및 웨버지수 등의 품질에 관계없이 수입산지의 다변화가 요구되고 있다. 그리고 장기적으로는 재생 가스인 석탄가스, 바이오가스, 메탄 하이드레이트 등의 극저열량 가스들도 도시가스 대체가스로 사용하려고 시도되고 있다. 이와 같이 도시가스 조성이 변화하는 경우에는 현 안정성 평가기준으로 설계된 가스기기에서는 화염안전성, 효율 및 공해 성능 측면에서 많은 문제점을 초래할 것이다. 따라서, 도시가스의 품질변화 및 극저열량 가스들의 사용에 대비하여 동일 공급조건에서 화염안정성 측면에서 호환 가능한 범위를 규정하는 호환성 판정법에 대한 체계적인 연구가 필요한 실정이다.
가스 호환성 판정법에 대해서는 국외에서는 1900년대 초기부터 여러 국가연구기관에서 연구가 시작되었으며, 미국, 호주, 유럽, 일본 등의 선진국 대부분은 각국 고유의 호환성 판정법을 보유하고 있다. 그러나 외국에서 개발된 호환성 판정법은 해당 국가의 가스 사용 환경 및 가스기기를 대상으로 실험적으로 구해진 것이기 때문에 이들을 국내 가스기기에 바로 적용하는 것은 곤란하다. 국내의 경우에는 국외의 판정법을 기본으로 국내 가스 사용 환경에 적합한 호환성 판정법을 개발 제안하였으나, 호환성 판정법 개발과정에서 가스기기를 대상으로 하여 얻어진 호환성 판정법은 실험 대상 가스기기 중 화염 안정성이 가장 나쁜 제품에 의해 호환범위가 결정되는 문제점이 있다. 또한 상기와 같은 방법으로 얻어진 호환성 판정법은 안정화염 범위가 통상적으로 매우 좁게 나타나는 한계가 있어, 저열량 가스의 사용을 활성화하는 측면에서는 매우 소극적인 판정법이라 할 수 있다. 또한 미래의 가스 사용 환경을 대비하여 가스기기의 선도적인 화염 안정성에 대한 설계기준을 제시하는 데에도 불합리한 점이 많다고 할 수 있다.
본 연구는 천연가스의 다변화 및 대체가스로의 사용이 시도되고 있는 극저열량 재생가스 사용에 대비하여 가스기기에 의존하지 않는 화염부상 및 불완전연소 판정지수의 개발을 궁극의 목표로 하고 있다. 천연가스는 산지가 다양하고 그 성분이 CH4에서C8H18까지 다양하기 때문에, 천연가스의 호환성에 대한 연구를 효과적으로 진행하기 위해, 먼저 본 연구에서는 천연가스를 메탄, 프로판, 질소로 단순하게 모사하여 가스제조에 필요한 시간과 비용을 단축 시킬 수 있는 등가가스의 개념을 도입하여 사용하였으며, 등가가스 연구 결과를 천연가스와 비교 검토함으로써 다양한 천연가스를 연구하는데 문제가 없는지에 대한 타당성을 증명하였다. 이를 바탕으로 호환성 판정을 쉽게 할 수 있게 해주는 대표적인 인자인 웨버지수와 비중을 변화시켜 다양한 천연가스가 소형가스기기의 연소특성에 미치는 영향을 확인하고, 웨버지수와 비중을 이용하여 호환성을 판정할 수 있는지에 대한 검토를 수행하였다. 또한 웨버지수와 비중 변화에 따른 기초 연소 특성을 파악하기 위해, 수치 해석 프로그램인 OPPDIF코드와 PREMIX코드를 이용하여 부분예혼합 화염과 예혼합 화염에 대해 가스 성분 변화에 따른 공해 물질 배출특성을 검토하였다.
한편, 가스기기에 의존하지 않는 호환성 판정 지수를 개발하기 위해 본 연구에서는 소위 표준검증버너 시스템을 설계 제작하여 연구를 수행하였다. 다중의 노즐을 가지는 표준검증버너 시스템은, 화염 부상 실험시에는 각 노즐에 공급되는 유속을 단계적으로 다르게 설정하여 유속에 따른 화염 부상 여부를 단계별로 나타내는 속도 비례제어 방식이며, 불완전연소 실험시에는 노즐에 공급되는 유속을 균등 분배하여 균일한 화염을 만들고, 이를 상단의 열교환기를 거쳐 포집하여 측정하는 방식의 시스템으로, 본 표준검증버너 시스템의 연구 결과를 바탕으로 새로운 호환성 판정지수를 도출하였다. 마지막으로, 국내에서 실제로 사용되는 대표적인 가스기기를 이용하여 각각의 호환성 범위를 확인하고, 그 범위를 본 연구를 통해 도출한 새로운 판정지수를 적용하여 비교 검토함으로써 국내 환경에 적합하고 가스기기의 의존성을 최대한 배제한 현 가스그룹의 호환성 판정법을 제안해 보았다. 본 연구를 통해 개발된 새로운 호환성 판정지수는, 실용기기에 대한 보완 검토를 통해 저열량 가스를 사용하게 될 가스기기의 설계 기준으로 유용하게 활용할 수 있을 것으로 사료된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 동향 및 필요성 3
• 1.3 연구 목적 12
• 제 2 장 천연가스 모사용 등가가스의 타당성 검토 14
• 2.1 등가가스의 개요 및 유래 14
• 2.1.1 등가가스의 유래 14
• 2.1.2 등가가스의 개요 15
• 2.1.3 등가가스의 필요성 17
• 2.2 등가가스 검증을 위한 실험 및 수치해석 방법 19
• 2.2.1 실험 및 수치해석 조건 19
• 2.2.2 실험방법 19
• 2.2.3 수치해석방법 22
• 2.3 등가가스의 타당성 검토 25
• 2.3.1 실험결과 25
• 2.3.2 수치해석결과 25
• 2.4 결론 32
• 제 3 장 등가가스의 웨버지수 및 비중 변화가 소형가스기기의 연소특성에 미치는 영향 33
• 3.1 실험장치의 구성 33
• 3.2 실험방법 및 조건 36
• 3.3 웨버지수와 당량비의 상관관계 38
• 3.4 부분예혼합 가스기기의 연소특성 변화 42
• 3.5 예혼합 가스기기의 연소특성 변화 49
• 3.6 결론 55
• 제 4 장 상세반응기구를 이용한 웨버지수 및 비중 변화가 연소특성에 미치는 영향 분석 57
• 4.1 수치해석방법 58
• 4.1.1 부분예혼합화염 58
• 4.1.2 예혼합화염 65
• 4.2 부분예혼합화염의 연소특성 분석 71
• 4.2.1 화염 구조의 검토 71
• 4.2.2 웨버지수 및 비중의 변화에 따른 CO 배출농도 검토 71
• 4.2.3 웨버지수 변화에 따른 CO 반응기구 검토 77
• 4.2.4 비중 변화에 따른 CO 반응기구 검토 81
• 4.3 예혼합화염의 연소특성 분석 88
• 4.3.1 화염 구조의 검토 88
• 4.3.2 웨버지수 및 비중의 변화에 따른 CO 배출농도 검토 91
• 4.3.3 웨버지수 변화에 따른 CO 반응기구 검토 94
• 4.3.4 비중 변화에 따른 CO 반응기구 검토 96
• 4.3.5 웨버지수 및 비중의 변화에 따른 NO 배출농도 검토 102
• 4.3.6 웨버지수 변화에 따른 NO 반응기구 검토 105
• 4.3.7 비중 변화에 따른 NO 반응기구 검토 110
• 4.4 결론 116
• 제 5 장 천연가스를 위한 새로운 화염안정지수(FI, ICI)의 개발 118
• 5.1 표준검증버너 시스템 설계 118
• 5.2 실험방법 및 조건 126
• 5.2.1 화염부상지수 실험방법 및 조건 126
• 5.2.2 불완전연소지수 실험방법 및 조건 128
• 5.3 화염부상지수를 위한 실험적 연구 131
• 5.3.1 Dutton의 화염부상지수 검토 131
• 5.3.2 이론화염부상지수 도출 131
• 5.3.3 화염부상지수 실험결과 및 화염부상지수 도출 133
• 5.3.4 화염부상지수 검토 137
• 5.4 불완전연소지수(ICI) 도출을 위한 실험적 연구 139
• 5.4.1 Dutton의 불완전연소지수 검토 139
• 5.4.2 이론불완전연소지수 도출 139
• 5.4.3 불완전연소 실험결과 및 불완전연소지수 도출 141
• 5.5 결론 146
• 제 6 장 새로운 화염안정지수를 이용한 다양한 천연가스의 호환성 판정범위 도출 148
• 6.1 실험장치의 구성 148
• 6.2 실험방법 및 조건 150
• 6.3 다양한 종류의 가스기기를 이용한 호환성 범위 도출 153
• 6.3.1 13A 가스그룹의 호환성 판정범위 도출 153
• 6.3.2 새 가스그룹의 호환성 판정범위 도출 162
• 6.4 결론 169
• 제 7 장 결론 170
• 참고문헌 175