기 호 설 명
1. 서 론
2. 가스터빈과 연료의 특성
2.1 탄소중립과 RE100의 준수
2.2 국내의 가스터빈 개발 현황
2.3 가스터빈에서 청정연료의 필요성
3. 화염의 모델링과 수치해석 방법
3.1 화염의 모델링과 유동장 효과
3.2 수치해석 방법
4. 결과 및 분석
5. 결 론
기 호 설 명
NDC : nationally determined contribution
: maximum temperature (K)
LBV : maximum laminar burning velocity (m/s)
LHV : lower heating value (MJ/m3)
IT : minimum auto ignition temperature (°C)
FL : flammability limit
V : axial velocity (cm/s)
𝜙 : equivalence ratio
: elapsed time (s)
1. 서 론
산업혁명 이후 인류 문명 발전에 큰 역할을 한 화석연료는 그 편리함과 유용성에도 불구하고 지구온난화와 대기오염 등의 큰 부작용을 유발하고 있다. 지구온난화 문제는 기후변화에 따른 생태계 변화, 식량 부족, 폭염과 혹한 및 가뭄, 해수면 상승, 해양 산성화 등 되돌릴 수 없는 위험을 초래하고 있으며 인류는 이를 해결해야 할 커다란 과제를 안고 있다. 이에 대처하기 위해 1992년 국제적으로 유엔기후변화협약(UNFCCC)에 따라 온실가스 배출량 감축을 위한 노력을 기울이고 있다[1]. 이는 가입국들이 자국의 실정에 맞도록 온실가스 감축에 대한 국가정책을 수립하여 시행하고 정책 이행에 대한 보고서를 제출하도록 권장하고 있다. 이와 함께 산업화 진행에 따라 악화된 매연과 유해가스 배출로 인한 대기오염은 광화학 스모그, 미세먼지, 악취, 오존층 파괴 등으로 인한 건강상 피해뿐 아니라 건축물 노후화, 전선이나 금속의 부식, 고무나 가죽, 섬유 등의 노화를 촉진하여 재산상으로도 큰 피해를 일으키고 있다. 이런 지구온난화와 대기오염을 해결하기 위해 1997년 선진국부터 우선 온실가스의 감축 의무를 준수하고 화석연료의 사용을 제한하려는 교토의정서(Kyoto Protocol)가 채택되었다. 또한 2015년 파리에서 세계 196개국의 참여로 온실가스 감축안에 동참하는 파리협정(Paris Agreement)이 발효되었다. 파리협정의 주요 내용은 전 지구적 장기 온도 목표로써 산업화 이전(pre-industrial, ‘1850년~1900년’ 기간의 지구 평균온도) 대비 지구 평균 기온 상승을 2°C보다 낮은 수준으로 유지하고 1.5°C 이하로 상승을 억제하기 위해 노력한다는 것이다[2]. 파리협정 이후 세계 각국은 2050년에 탄소의 순환배출량이 0이 되는 탄소중립사회(carbon neutrality)를 목표로 구체적인 달성 시점을 선언하였고 한국도 이에 동참하고 있다.
2023년 환경부 자료에 따르면 2020년 국내 온실가스 배출량이 가장 많은 분야는 에너지 분야로 총 온실가스 배출량의 87%를 차지한다[3]. 에너지 분야는 세부 분야로 공공 전기·열 생산, 제조업·건설업, 수송 등으로 구분되는데 이 중에서 공공 전기·열 생산 부문의 온실가스 배출 비율은 38%(전체로는 33%)로 산출되고 있다. 2022년 기준 전력생산량 관점에서 한국은 화력, 원자력, 신재생 및 기타 수력의 비중이 각각 64.2%, 27.9%, 7.3%, 0.5%이다. 온실가스 배출에서 화력발전의 비율이 압도적으로 높은 비중을 차지하고 있다[4]. 한편 화력발전 중에서 사용연료별로는 석탄, 천연가스(LNG), 기타 연료의 비중이 각각 50.8%, 42.2%, 7.0%인데 온실가스를 줄이기 위해서는 석탄 화력발전으로부터 시급히 탈피해야 한다. 최근 국내에서는 온실가스 저감을 위해 천연가스발전 비중이 증가하고 이에 더하여 천연가스에 수소를 혼소하거나 또는 무탄소 연료인 수소(H2) 또는 암모니아(NH3) 연료를 도입하려는 연구가 활발히 진행되고 있다[5,6,7,8,9,10]. 그러나 수소는 저장의 문제, 화재와 폭발 등의 위험이 상존하고 암모니아는 가연한계가 좁고 연소속도가 낮은 문제 등이 있어 향후 상용화되기까지에는 해결해야 할 과제가 산적한 실정이다. 당분간 수소 혼소 천연가스 연료를 활용하는 가스터빈의 기술을 개발하고 수소의 혼소 비중을 확대하는 방향으로 가야 한다. 기존 가스터빈은 연소기 노즐과 일부 장치의 설계변경을 통해 수소용 가스터빈으로 변경될 수 있으므로 온실가스 저감에 크게 기여할 수 있다. 본 연구에서는 메탄(CH4)과 에탄(C2H6)으로 구성된 천연가스(LNG)에 수소(H2)를 혼소한 연료(혼소된 수소 비율 30%)를 대상으로 노즐 출구로부터 공급되는 혼합기의 속도가 다양한 진동수에서 시간에 따라 변할 경우 예혼합화염의 비정상상태 온도발생 거동, 열발생률, 점화가 발생하는 시기 및 질소산화물의 배출 경향 등을 분석하여 효율적인 수소 혼소 천연가스 발전을 위한 기초자료를 확보하고자 한다.
2. 가스터빈과 연료의 특성
2.1 탄소중립과 RE100의 준수
화석연료의 사용으로 인한 기후변화와 대기오염의 부작용은 환경과 경제에 커다란 위협요인으로 작용하고 있다. 국내 산업구조는 산업화 이후 대표적인 수출주도 국가로서 제조업 중심으로 편성되어 있다. 이는 전체적으로 중후장대한 중화학공업이 큰 비중을 차지하고 있어 다량의 화석연료를 소비할 수밖에 없다. 반도체, 제철과 철강, 석유화학, 정유, 자동차 등의 산업에서는 해마다 더 많은 전기 에너지가 필요하다. 온실가스를 줄이기 위한 전략과 실행은 현재 전력 생산 부문에서 신재생에너지의 활용 증가를 통해 활발하게 이루어지고 있다. 신재생에너지 분야는 태양광, 풍력, 수력, 바이오에너지 등을 이용한 재생에너지 분야와 연료전지, 수소 및 가스화 복합화력발전(IGCC, Integrated Gasification Combined Cycle)의 신에너지 분야로 크게 구분된다. 이 중에서 국내에서 태양광과 풍력 등을 활용하는 재생에너지 비율은 2022년 기준 95% 정도이다. 하지만 전체 발전량에서 재생에너지가 차지하는 비중은 선진국에 비하면 현저하게 낮은 수준이다. 이에 더하여 다국적 비영리기구인 ‘The Climate Group’의 주도로 2014년에 시작된 RE100 캠페인은 글로벌 기후 위기를 타파하기 위해서 기업 활동에 필요한 전력을 100% 재생에너지로 생산된 전기를 사용하겠다는 자율적 활동이다. 국제간 무역거래에서 RE100 회원사들은 자신의 공급망에 포함된 협력업체에도 재생에너지로 생산된 전기를 활용하여 생산된 부품을 요구하기 시작했다. 수출주도형 산업국가인 한국은 기후협약에 의한 온실가스 저감과 RE100의 자발적 캠페인에 대응하기 위해서라도 재생에너지의 비율을 반드시 높여나가야 한다.
발전 부문에서 단시일 내에 재생에너지로 전환하기에는 큰 무리가 있다. 기상과 기후에 민감한 재생에너지의 확대는 전력수급의 불안정성을 초래할 수 있는데 이는 재생에너지의 간헐성 문제를 가스터빈의 급속한 기동으로 보완해야 한다. 장기적으로는 국내 전기 발전도 무탄소 연료인 수소 또는 암모니아를 사용하는 가스터빈 시스템으로 전환할 필요가 있다. 그러나 현재 여러 가지 기술적인 문제와 연료의 특성상 실용화에는 많은 문제점이 극복되어야 한다. 무탄소 연료나 재생에너지로 가기 위한 전환기에서는 석탄발전 비율을 연차적으로 감소시키면서 실용화된 천연가스 발전 구조를 활용해야 한다. 천연가스에 수소를 혼소하고 그 혼소 비율을 높여나가는 수소 혼소 천연가스 발전이 현재로서는 온실가스 저감을 위해서 가장 현실적인 대응 방안이다.
2.2 국내의 가스터빈 개발 현황
화력발전에서 전기를 생산하기 위한 핵심 동력원은 가스터빈으로 열역학적으로는 정압과정과 가역단열과정으로 구성된 브레이튼 사이클(Brayton cycle)로 성능해석을 수행한다. 현재까지 국내 발전소에서 운영되고 있는 가스터빈은 155기로 전량 외국의 주요 업체(GE, 지멘스, 미쯔비시 파워 등)에서 수입된 제품이다. 국내에서는 2013년부터 정부의 국책과제로써 두산에너빌리티를 중심으로 산학연을 구성하고 가스터빈 국산화를 위한 연구개발을 시작하였다. 10년만인 지난 2022년 두산에너빌리티는 독자적으로 개발한 270 MW급 가스터빈을 김포열병합발전소에 설치하였고 시험운영에 성공하였다. 이로써 한국은 세계 다섯 번째로 가스터빈 국산화에 성공하면서 가스터빈 기술 보유국이 되었다. 복합가스 발전용으로 개발된 출력 270 MW 가스터빈은 복합발전효율이 60% 이상이고 부품 수만 4만여 개로 1500°C 이상의 고온을 견디는 첨단소재 기술 등을 활용하여 내구성을 확보하였다. 천연가스 발전은 석탄발전에 비해 초미세먼지(PM 2.5)의 배출이 1/8, 황산화물과 질소산화물은 1/3 이하로 배출되어 친환경으로 운용할 수 있는 장점이 있다. 복합가스 발전의 핵심인 가스터빈 국산화를 통하여 2030년까지 대략 10조원의 수입대체 효과를 거둘 것으로 전망된다. Fig. 1 울산 복합화력발전소를 보여주고 있다. 2023년 정부는 10차 전력수급기본계획을 통해 천연가스 발전과 수소 혼소 천연가스 발전량을 확대하여 노후 석탄발전소 28기의 천연가스 발전소 전환, 천연가스발전소 5기를 신규로 건설할 계획을 밝혔다. 또한 2030년까지 50% 수소 혼소 천연가스 발전량을 6.1 TWh로 빠르게 확대해 나갈 예정이다.
2.3 가스터빈에서 청정연료의 필요성
천연가스 발전용 가스터빈은 연소기의 노즐이나 부속장비의 설계변경을 통해 수소나 암모니아 연료와의 혼소 또는 전소를 위한 가스터빈으로 비교적 쉽게 전환할 수 있다. 2050년 탄소중립의 시대에 대응하기 위해서는 발전 분야에도 재생에너지의 비율을 높이고 청정연료인 수소와 암모니아 연료의 발전 비중을 높이는 방향으로 나아가야 한다. 이를 위해 석탄의 발전비중을 점진적으로 줄이고 탄소배출량이 적은 순수 천연가스 발전이나 천연가스에 수소를 혼소한 연료 또는 온실가스를 전혀 배출하지 않는 수소나 암모니아를 활용한 발전 비중이 점차 증가하여야 한다. 그러나 청정연료인 암모니아는 최대층류화염속도가 현저하게 느려 연소실 내부에서 희박 날림 현상으로 안정적인 화염의 유지가 어려운 문제가 있다. 또한 암모니아 연료 자체에 질소가 함유되어 있으므로 낮은 화염온도에서도 질소산화물(fuel NOx)이 다량으로 배출되며 또한 좁은 가연범위와 비교적 높은 자연발화온도가 문제가 되고 있다. 온실가스를 줄이기 위해 수소를 혼소한 천연가스 화력발전에서는 연료로서의 수소와 메탄과 에탄의 연소특성을 파악하고 이를 가스터빈 설계에 반영해야 한다. 수소는 천연가스에 비해 가벼워 확산이 빠르고 또한 화염전파속도가 천연가스의 주요 구성성분인 CH4에 비해 8배 정도 빠르므로 역화(flashback)가 발생할 수 있으며 이로 따라 가스터빈의 연료 노즐이 파손될 수 있다. 따라서 기존의 천연가스용 가스터빈의 연소기 설계의 변경을 통해 역화 발생이 억제되어야 한다. 한편 수소는 CH4에 비해 넓은 당량비에서 연소가 발생하므로 가연범위(flammability limits)가 넓고 단열화염온도가 160°C 정도 더 높은 것으로 알려져 있다. 이것은 높은 화염온도로 인한 질소산화물(thermal NOx)의 배출량이 더욱 증가한다는 것을 의미한다. 그러나 연료로서 수소의 청정성 및 넓은 가연범위 이외에 수소의 강한 화학반응성은 저부하 상태의 가스터빈 운전에서도 안정성을 확보할 수 있는 장점을 갖고 있다[12]. 아래 Table 1은 수소, 암모니아 그리고 천연가스의 주요 성분인 메탄의 연료특성을 각각 보여주고 있다.
Table 1.
Fuel characteristics for thermal power generation
| Fuel type |
LBV (m/s) | IT (°C) |
LHV (MJ/m3) |
FL (%) |
| H2 | 2.91 | 520 | 10.8 | 4~75 |
| NH3 | 0.07 | 650 | 14.1 | 15~28 |
| CH4 | 0.37 | 630 | 35.9 | 5~15 |
2021년 한국 정부는 2050년 탄소중립의 시대적 요구에 대응하기 위해서 2030년 국가온실가스 감축목표를 2018년 배출량 대비 40% 이상 감축하려는 계획을 발표하였다. 한국전력 및 발전그룹사에서는 중·장기적 로드맵으로 2035년까지 수소를 30% 이상 혼소한 천연가스 가스터빈을 개발하기로 목표를 세웠다. 본 연구에서는 온실가스 저감을 위한 전력생산 방안으로 수소를 30%를 혼소한 천연가스의 연소특성을 수치계산을 통해 살펴보고자 한다. 수소 혼소 천연가스의 비정상상태 화염온도, 점화지연시간, 질소산화물의 거동을 통해 연료의 혼소에 따른 기존 연소기의 재설계 및 신규설계의 효율성을 높이고 탄소중립을 이루어 나가는 기술을 발전시키는 데 일조하고자 한다.
3. 화염의 모델링과 수치해석 방법
3.1 화염의 모델링과 유동장 효과
가스터빈 연소기에서의 화염모델은 예혼합화염으로 연료와 산화제가 화염에 도달되기 이전에 분자적으로 잘 혼합된 형태의 화염이다. 예혼합화염의 화염전파속도는 열과 물질의 확산과 화학반응률에 의해 결정되며 이때 화학반응률의 유한성이 해석상의 어려움으로 작용한다. 가스터빈 연소현상의 해석을 위해서는 점화로부터 시작되는 연소 이전에 예혼합화염의 연소에 큰 영향을 미치는 유동장의 해석이 선행되어야 한다. 또한 수십 개의 화학종과 수백 개의 화학반응단계로 구성된 연소해석의 복잡성과 화학반응에 수반되는 Arrhenius의 형태의 비선형성은 연소현상의 해석을 어렵게 만든다. 보통 유동장을 포함한 다차원 화염에 대한 모델링과 이를 수치적으로 계산하기 위해서는 많은 시간과 고성능 컴퓨터의 연산이 필요하다. 한편 2차원 유동장에 상사변수를 도입하여 1차원 유동장으로 근사하면 연소현상을 집중적으로 해석할 수 있는 효율적인 방법이 일찍부터 적용되었다[13]. 본 연구에서는 가스터빈에 수소를 혼소한 천연가스의 연소특성을 해석하기 위해 적절한 가정과 상사변수를 도입하여 2차원 유동을 1차원으로 단순화시킨 축대칭 대향류 유동장(axisymmetric counterflow flow field)으로 모델링하여 계산하였다. 이에 대한 지배방정식과 경계조건은 1차원 대향류 유동장의 일반적인 조건을 따른다[14].
3.2 수치해석 방법
본 연구에서 연료와 공기의 화학반응과 열역학적 물성치 및 상태방정식의 계산에는 Chemkin 패키지와 Transport 패키지를 사용하였다. 또한 화학반응 메커니즘으로는 수소가 혼소된 천연가스의 연소 거동을 관찰하기 위해서 탄화수소 연료 중에서 C3까지 계산할 수 있고 NOx의 거동을 관찰할 수 있는 GRI-Mech 3.0을 사용하였다. 메탄이나 에탄 등의 연료에 널리 활용되는 이 화학반응 메커니즘은 53개의 화학종과 325단계의 화학반응으로 구성되어 있다.
미분방정식 형태로 표시된 지배방정식은 유한차분법을 통해 대수방정식으로 구성한 후 시간적분과 Newton 반복계산으로 온도, 화학종, 라디칼, 스트레인율, 반응률 등을 구한다[13]. 본 연구에서는 정상상태와 비정상상태의 해를 구하기 위해 Sandia 국립연구소에서 개발한 정상 수치해석 코드인 OPPST와 비정상 수치해석 코드인 OPUS를 본 연구에 적합하도록 수정하여 사용하였다[15]. 비정상상태의 해를 구할 때 천이문제의 시간적분에서 발생하는 경직성(stiffness)을 해결하기 위해 DASPK 패키지를 활용하였다[16].
가스터빈 연소기에서 비정상상태 거동을 보이는 점화는 짧은 시간에 순간적으로 발생한다. 이를 추적하기 위해 우선 구하고자 하는 비정상상태와 같은 조건에서 화학반응을 무시한 상태에서 정상상태의 동결해(frozen solution)를 OPPST를 통해 구한다. 이 동결해는 동일한 조건에서 비정상상태의 해를 구하는 OPUS의 초기조건으로 사용된다.
일반적으로 탄화수소 연료일 경우 전체 유동장에서 연소가 진행되는 지역은 상당히 좁은 영역으로 국한된다. 이때 등간격 격자계(equidistributed grid system)를 사용할 경우 해의 수렴성이 떨어져 정확한 해를 구하기가 어렵다. 한편 격자 간의 간격을 지나치게 조밀하게 구성하면 해를 구하는 데 많은 시간이 필요하다. 본 연구에서는 화염과 밀접한 상관관계를 갖는 온도의 변화에 따라 가중함수(weighting function)를 이용하여 격자를 적응재배치(adaptive redistribution)하는 방식으로 격자계를 구성하였다. 그러나 비정상상태의 해를 구할 때는 화염지역을 이미 알고 있으므로 효율적인 계산을 위해 적응격자계(adaptive grid system)를 배제하고 정상상태 동결해의 격자를 그대로 활용하였다.
4. 결과 및 분석
Fig. 2는 대향류 유동장으로 노즐 간의 거리가 cm 떨어져 있고 =0에서 수소가 30% 혼소된 𝜙=0.5의 천연가스 예혼합기가 공급된다. 또한 =에서는 연소생성물이 공급되고 화염은 정체점 근처에서 형성된다. 노즐 간의 거리는 1 cm로 두고 속도 변동에 따른 연소특성을 살펴보기 위해 노즐의 출구속도는 아래와 같이 시간에 따라 삼각 함수 형태로 변하도록 하였다.
식 (1)에서 는 각각 노즐출구에서의 기준속도, 속도변동에 대한 진폭 및 진동수를 표시한다. 수소의 혼소비율이 높아질 경우 노즐 출구속도가 낮을수록 화염전파속도가 증가하여 역화의 가능성이 커진다[15]. 본 연구에서는 수소가 혼소된 천연가스 연료 특성상 역화를 방지하여 속도변동에 따른 안정적인 연소 거동을 살펴보기 위해서 기준속도를 200 cm/s, 진폭은 0.7, 진동수는 0~2000 Hz까지 변화시키면서 연소의 거동을 살펴보았다. 노즐 출구속도의 변동 변위는 수소의 층류화염속도(291 cm/s)를 고려하여 안정적 연소가 가능한 의 범위에서 수치계산을 수행하였다.
천연가스는 원산지에 따라서 다양한 화학적 조성비를 갖는다. 본 연구에서 활용한 천연가스에 대한 모델링 연료는 메탄 90%, 에탄 10%의 체적비로 혼합된 것으로 여기에 수소를 30% 혼소하였다. Fig. 3은 수소를 혼소한 천연가스에서 역화 현상을 일으키지 않도록 기본속도를 조정한 후 노즐출구의 속도를 식 (1)에 의해 제공했을 때 100 Hz의 진동수에서 시간의 경과에 따른 속도 변화를 도시한 그림이다. 본 연구에서는 노즐 출구속도의 변동을 주기 위해서 진동수는 0~2000 Hz까지 폭넓게 변화시키면서 연소 거동을 살펴보았다.
Fig. 4는 진동수 100 Hz의 속도변동을 주었을 때 시간에 따른 화염 최고온도의 변화를 도시한 그림이다. 수소가 혼소된 경우 3 ms지나면 초기 화염핵이 형성되는 것으로 추정되며 이후 화염전파가 시작되어 10 ms가 경과하면 화염의 초기 형태가 나타난다. 시간이 20 ms를 경과하면 정상상태의 화염이 형성된 것을 알 수 있다. 이때의 화염면의 최고온도는 1900 K까지 상승하는 것으로 나타난다.
Fig. 5는 대향류 유동장에서 정상상태 화염이 형성(점화 후 50 ms 경과)된 후 화염온도와 함께 수소가 혼소된 천연가스 연료 구성 및 주요 생성물인 이산화탄소의 몰분율을 도시한 그림이다. 화염온도와 연료 및 주요 생성물(CO2)의 몰분율을 살펴보면 화염은 노즐 간 중간 위치인 =0.5 근방에서 형성된 것을 알 수 있다.
무탄소 연료인 수소를 기존의 천연가스에 혼소하면 주요 온실가스인 CO2를 줄일 수 있지만 연소최고온도의 상승으로 NOx는 증가한다. 본 연구에서는 공기 중의 질소가 고온에서 열해리가 되어 공기 중의 산소와 반응하여 발생하는 열적 NO(thermal NO)의 생성 추이를 살펴보았다. 열적 NO의 생성은 일반적으로 Zeldovich 반응 메카니즘으로 잘 설명되고 있다[17]. Fig. 6은 100 Hz의 진동수로 속도변동이 발생할 때 점화 시작 시점(0 ms)과 정상상태에 도달한 후(50 ms)의 NO의 몰분율을 나타낸다. 보통 열적 NO는 화염면의 온도가 1800 K 이상인 경우 공급된 공기 중의 질소와 산소가 고온의 에너지를 흡수하여 급속하게 생성되는 것으로 알려져 있다.
일반적으로 화염면에서는 OH 라디칼의 생성이 극대점을 보이는 것으로 알려져 있다. Fig. 7은 축방향에서 시간의 경과에 따른 OH의 몰분율을 표시하고 있다. 점화가 시작된 후 10 ms가 진행될 때 화염면이 모습을 갖춰지지만 Fig. 4를 참조하면 화염최고온도는 1564 K로 이때 화염면 근처에서 NO는 거의 발생하지 않는다는 기존의 이론과 일치하는 것을 알 수 있다.
Fig. 8은 식 (1)의 함수를 통해 진동수 변화에 따라 노즐 출구속도가 변동될 경우 유동장의 최고온도(화염면)를 시간에 따라 도시한 그림이다. 진동수 0 Hz는 노즐 출구속도의 변동이 없이 일정한 경우이고 진동수가 증가할수록 시간에 따른 노즐 출구속도의 변동이 심해지는 것을 의미한다. 점화가 발생하지 않는 경우를 제외하고 정상상태 온도는 대략 1897~1901 K 근처에서 형성된다. 진동수 10 Hz일 경우는 0 Hz와 거의 일치하지만 50 Hz일 경우 점화시기가 약간 지연되면서 정상상태 온도로 다소 늦게 수렴한다. 일반적으로 진동수가 증가하여 시간에 따른 속도변동이 심해지면 점화가 일어나는 시점이 점차 지연되는 경향을 보인다. 한편 100 Hz의 진동수에서는 200 Hz보다 오히려 약간 더 지연되면서 정상상태 온도로 수렴한다. 이는 점화가 일어날 시점의 노즐 출구속도가 변동의 최대치(480 cm/s)로 증가하여 화염면으로부터 대류열손실의 증가로 0~50 Hz(노즐 출구속도 200~310 cm/s)와 같이 초기에 바로 점화에 이르지 못하고 지연된 것으로 분석된다. 200 Hz 이상에서는 진동수가 증가하여 시간에 따른 속도변동을 빠르게 하면 점화가 발생하는 시점이 점점 더 지연된다. 한편 진동수가 2000 Hz가 되면 시간에 따른 노즐 출구의 속도변동이 심하게 발생하여 0.3 s(300 ms)가 경과할 때까지 계산해도 점화에 이르지 못하는 것을 확인할 수 있었다.
일반적으로 화염의 특성을 해석할 때 열발생률은 연소 거동을 살펴볼 때 매우 중요한 역할을 한다. 화염면 근처에서 열발생률은 화학반응 전체를 대표할 수 있으므로 열발생률이 최대치를 형성하는 곳에서 화염의 위치가 정의되는 것으로 알려져 있다. Fig. 9는 진동수 변동에 따른 열발생률을 도시한 그림이다. 노즐 출구속도의 변동이 없는 0 Hz에서는 열발생률이 0.01 s(10 ms) 경과 후 정상상태에 도달하는데 이 값은 2.107×1011 erg/cm3·s로 거의 일정한 값을 갖는다. 진동수 변동에 의해 노즐 출구속도의 변동이 발생하면 열발생률도 점화가 이루어진 후 일정한 진폭의 범위 내에서 변동이 발생하는 것을 알 수 있다. 1000 Hz의 진동수에서는 점화가 이루어진 후 열발생률의 중간값이 감소하는 것을 알 수 있는데 이는 속도변동이 심해질수록 화염면으로부터 대류 열손실이 증가하고 속도변동의 어느 한계치를 넘어서면 열발생률이 급격히 감소하면서 점화가 이루어지지 않는다는 것을 의미한다.
수소 혼소 천연가스의 연소는 수소의 혼소비율이 높을수록 화염온도가 상승하고 이에 따라 최고온도에 민감한 NO의 생성량이 증가한다. 진동수 증가에 따라 속도변동이 클수록 대류항으로 인한 열손실의 증가로 연소최고온도는 약간 낮은 값에서 작은 진폭의 변동이 발생한다. Fig. 10은 진동수 변동에 따른 NO의 생성을 시간에 따라 도시한 그림이다. 진동수 증가에 따라서 시간에 따른 속도 변동이 심해지고 이로 인해 대류열손실로 인한 화염면의 최고온도가 낮아진다. 따라서 진동수가 증가할수록 NO의 생성이 미세하게 감소하며 진동수 1000 Hz가 되면 NO의 변동이 없이 정상상태의 값을 갖게 되고 점화가 발생하지 않는 2000 Hz에서는 0으로 수렴하게 된다.
일반적으로 점화개시 시점은 시간에 따른 화염온도의 증가율이 최대인 시점으로 정한다. 보통 이런 방식으로 계산된 점화발생 시간은 점화에 의한 급격한 화학반응으로 인해 열발생률의 최대점이 발생하는 시점과 일치하는 것으로 알려져 있다[18]. Fig. 9와 같이 노즐 출구속도 변동으로 인해 열발생률이 규칙적으로 변동하는 경우는 첫 번째 최대점과 대략 일치한다. Fig. 11은 진동수 변화에 따라 노즐 출구속도의 시간 변동에 대해 점화지연시간(ignition delay time)을 도시한 그림이다. 진동수가 증가함에 따라 속도변동이 심화될수록 점화는 지연된다. 100 Hz의 진동수에서는 Fig. 8에서 보는 것처럼 바로 점화로 이어지지 못하고 지연되어 200 Hz의 경우에 비해 점화지연이 늦게 발생하는 것으로 관찰되었다.
5. 결 론
산업화 이후 화석연료의 사용 급증으로 인한 온실가스 배출로 지구촌은 이상기후로 인한 부작용을 심하게 겪고 있다. 한국 정부도 2021년에 파리 기후협정 이후 국가별로 설정하는 온실가스 감축 목표인 국가결정기여(NDC, Nationally Determined Contribution)에 따라 2030년까지 “2018년 국가 온실가스 배출량 대비 40% 감축”할 것을 선언하였다. 온실가스 주요 배출원인 화력발전 부문에서도 가장 높은 비중으로 사용된 석탄 대신에 천연가스 연료로 대체되고 있으며 전환기인 현재 수소 혼소 천연가스를 거쳐 머지않아 무탄소 연료인 수소나 암모니아를 사용하는 방향으로 가야 할 것이다. 본 연구에서는 이런 전환기 시점에서 실용화가 유력한 수소 혼소 천연가스 연료를 모델로 한 대향류 유동장에서 진동수를 변화(0~2000 Hz)시키면서 노즐 출구속도의 시간변동에 따른 연소특성을 살펴보기 위해서 수치계산을 수행하여 다음의 결과를 얻었다.
수소가 30% 혼소된 천연가스의 당량비 𝜙=0.5일 때 100 Hz의 진동수로 속도변동을 부여하면 점화는 4 ms의 짧은 시간에 이루어지고 대략 20 ms에서 정상상태 화염에 도달하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 수소의 빠른 확산속도와 반응의 폭발성에 기인하는 것으로 분석된다.
수소 혼소 천연가스는 수소의 비율이 높아질수록 화염온도의 상승으로 인해 많은 양의 NO가 발생한다[15]. 특히 열적 NO는 화염최고온도에 민감하게 반응하는데 1800 K 화염온도 이하에서는 화염면의 특성인 OH 라디칼이 관찰되어도 열적 NO의 생성이 이루어지지 않는 것을 확인하였다. 또한 노즐 출구속도가 삼각 함수의 형태로 변동이 될 때 진폭을 고정하고 진동수가 증가하면 NO의 배출도 시간에 따라 다소 변동되는 결과를 보이며 전체적으로 배출량은 약간 감소하는 경향을 보인다. 진동수가 1000 Hz에 이르면 NO의 배출이 진동수 0 Hz와 마찬가지로 정상상태에 도달한 후 일정한 값을 갖게 된다.
노즐 출구속도의 변동을 부여하기 위해 진동수를 증가하는 경우 점화시기가 지연되는 것을 관찰하였다. 그러나 100 Hz의 진동수에서는 200 Hz에 비해 점화가 지연되는데 이는 점화발생 시점에 노즐 출구속도가 속도변동의 최대값(480 cm/s)을 갖게 되어 대류 열손실이 크기 때문에 바로 정상상태 화염으로 진행하지 못한 것으로 분석된다. 진동수가 200 Hz 이상에서는 진동수 증가에 따라 점화지연시간이 급격히 증가하고 진동수가 2000 Hz에 이르면 더 이상 점화가 발생하지 않는다. 이는 점화를 완성하기 위해 필요한 에너지보다 더 많은 대류 열손실이 발생하기 때문으로 분석된다.
