Explosion Characteristics of Hydrogen(Ammonia) Fuel with Various Cracking Ratios for Power Generation

Ammonia is being explored as a carbon-free fuel; however, its narrow flammability limits, low laminar burning velocity, and high ignition energy make it difficult to use as a commercial fuel. To overcome these limitations, the addition of hydrogen has been widely investigated. In this study, the explosion characteristics of ammonia cracking fuel were experimentally examined in a cylindrical constant-volume combustion chamber, with the ammonia cracking ratio and equivalence ratio as key variables, and the results were compared with corresponding heat loss behavior. As the cracking ratio increased, the maximum explosion pressure (Pmax) and index (KG) increased, while the explosion duration (tc) and heat loss (qtr) decreased. With respect to the equivalence ratio, both the maximum explosion pressure and index increased under lean conditions up to Φ = 1.1 and then decreased under rich conditions. Schlieren imaging of the flame reaction zone revealed that buoyancy instability dominated at a cracking ratio of 7%, hydrodynamic instability at 16%, and thermo-diffusive instability at 62%. The thermo-diffusive instability was found to enhance the explosion characteristics.Key Words : Ammonia cracking ratio, Maximum explosion pressure, Heat loss, Explosion index †Corresponding Author, kmlee@scnu.ac.kr This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licences/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 기 호 설 명 50 김민규 · 김인호 · 이기만 수소는 낮은 점화에너지, 빠른 층류 연소속도, 넓은 가연 한계를 가지고 있어 암모니아의 단점을 극복해줄 수 있다2. 이렇듯 수소의 혼합은 연소특성을 향상시키는 장점이 있지만, 수소의 높은 생산비용과 저장 특성 때문에 수소 함량이 증가하면 시스템의 경제성이 저하되는 문제가 존재한다. 또한, 수소 화염은 열-확산 불안정성, 유체역학적 불안정성이 관찰되며, 이 중 열-확산 불안정성은 연소 반응영역이 확장되어 폭발성을 강화시키는 주요 요인으로 작용한다3. 이러한 폭발성 강화는 위험성을 증가시키 며, 이를 고려하지 않을 시 설비의 화재와 폭발 등 재산과 인명 피해를 입을 수 있어 암모니아/수소 예혼합 연료뿐만 아니라 새로운 연료를 적용하려는 설비에서는 연료의 폭발특성을 반드시 확인해야 한다4. 암모니아와 수소 혼합연료의 폭발특성에 관한 연구는 활발히 진행되고 있다. Cheng 등5은 20 L의 정적연소기 에서 암모니아/공기 또는 암모니아/산소의 혼합물에서 초 기압력의 변화를 통해 폭발특성을 확인했다. 또한, Tseng 등6은 층류 연소속도가 15 cm/s 이하일 경우 부력에 의한 불안정성이 발생된다고 보고하였다. Deng 등7은 1.67 L의 정적연소기에서 암모니아/수소/공기의 수소함 량, 당량비, 초기온도, 초기압력의 변화를 통해 최대 폭발 압력, 최대 압력 상승률, 폭발 지수, 최대 열 방출율에 대해 조사하였다. 해당 연구에서 최대 폭발 압력은 초기온도가 증가함에 따라 감소하고, 최대 폭발 압력, 최대 압력 상승 률, 폭발 지수는 초기압력이 증가함에 따라 증가한다고 하였다. 또한, 최대 폭발 압력, 최대 압력 상승률, 폭발 지수, 최대 열 방출율과 당량비 사이의 관계는 3차 다항식으로 표현했을 때 가장 높은 상관성을 보인다고 보고했다. 한편, Cheng 등3은 암모니아/수소/공기 혼합물을 저압부 터 고압(0.02-0.3 MPa)의 조건에서 당량비와 수소함량에 따른 폭발특성을 조사하였다. 이들 보고에 따르면 수소의 함량이 늘어남에 따라 최대 폭발 압력이 증가하고 최대 압력 상승률도 증가하며, 폭발시간이 감소하는 경향을 확인 할 수 있었다. 또한, 최대 폭발 압력 및 최대 압력 상승률은 당량비 1.1일 때 최댓값을 갖고 감소한다. 이처럼 수소첨 가는 부력 불안정성을 개선시키나, 유체역학적 불안정성 과 열-확산 불안정성을 증가시킨다. 그런데 유체역학적 불안정성과 열-확산 불안정성은 화염 반응영역에서 주름과 세포화 구조를 촉진시켜 화염의 폭발특성을 강화시키는 것으로 확인되었다. 이처럼 암모니아에 수소를 첨가하 는 연구는 활발하게 이어지고 있지만, 암모니아를 크래킹 하는 경우 크래킹된 연료 안에 수소와 질소가 일정 비율로 함유하게 되는 암모니아 크래킹 연료에 대해 넓은 크래킹 범위에서의 폭발특성에 관한 연구와 안전성을 평가할 수 있는 폭발 지수, 수소의 첨가에 따른 열손실에 대한 연구는 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 넓은 크래킹율(7-62%)에서 암 모니아 크래킹 연료의 화염형상에서 가시적으로 확인할 수 있는 불안정성을 조사하였다. 또한, 열손실이 폭발특성에 미치는 영향, 폭발 지수 실험적으로 확인하였다. 2. 실험 설정 2.1 실험장치 및 방법 본 연구에서 사용한 원통형 정적연소기 및 슐리렌 장치 의 개략도는 Fig. 1에 도시하였다. 연소기 내부 직경은 200 mm, 길이는 220 mm로 체적은 7 L이다. 연소기 내부를 확인할 수 있는 가시창은 직경 150 mm, 두께 40 mm의 석영 유리창으로 이루어져 있다. 화염의 점화를 위해 텅스텐 전극봉을 설치하였고 정적연소기 내에서 전파하는 화염을 관측하기 위해 슐리렌 장치를 사용하였다. 슐리렌 장치는 100 W 할로겐 광원과 슬릿, 2개의 광학거울, 나이프 엣지로 구성되어 있으며, 슐리렌 이미지는 고속카메라(Chronos 1.4, 1280 × 1024 resolution, 1000 fps)를 통해 취득하였다. 초기압력과 진공상태를 정밀히 설정하기 위해 상단에 압력센서(AEP Lab DMM, 1-20 bar, accuracy ≤ ± 0.5%)를 사용하였고, 연소기 내부의 최대 폭발 압력을 측정하기 위해 전자 압력계(Kister 601CAA, 0 - 250 bar, accuracy ≤ ± 0.5%)를 장착하였다. 가스 주입 시에는 미세조절 밸브를 이용하여 정밀도를 확보하였다. 실험 방법으로는 진공펌프를 통해 연소기 내부를 진공 상태로 만들어 주었고, 분압법칙에 따라 낮은 몰분율을 가지는 수소/암모니아/질소/공기 순으로 미세조절 밸브를 통해 공급하였다. 또한, 연소기 내부의 유동 안정화와 균 Fig. 1. Schematic of the experimental system. 크래킹 비율에 따른 발전용 수소(암모니아) 연료의 폭발특성 51 일한 혼합을 위해 가스를 공급한 이후 20분의 대기시간을 가졌다. 이후 전극봉에 6.5 mJ의 점화에너지를 공급하여 점화시켰다. 연소기 중앙에서 점화가 시작되어 미연가스 방향으로 전파되는 과정을 슐리렌 기법을 통해 취득하였다. 동시에 압력센서를 통해 폭발압력 값과 압력 거동을 취득하였고, 측정된 신호는 전하증폭기를 통해 증폭시킨 후 분석하였다. 본 연구에서 진행된 실험의 반복 횟수는 실험의 정확성을 위하여 최소 5회 이상 진행하였으며, 실 험의 최댓값과 최솟값을 오차막대로 표시하였다. 2.2 암모니아 크래킹 연료 조성비 본 연구는 부분 크래킹된 암모니아 연료를 암모니아/수 소/질소로 구성된 모사 연료를 이용하여 실험적으로 조사하였다. 실험에 사용된 가스는 모두 순도 99.999%의 고순 도 가스를 사용하여 조사의 정확도를 확보하였다. 암모니아, 수소, 질소로 구성된 모사연료 중 암모니아 크래킹 비율인 ⍺는 아래의 식(1)으로 정의된다.   YNH YH YN H N (1) Yi는 질량분율을 의미하며, 정의에 따라 부분 크래킹된 암모니아의 화학양론적 연소에 대한 반응식은 아래의 식으로 표현된다8. NH  H   N    O N →  HO N (2) Table 1에는 본 연구에서 조사된 크래킹 비율에 따른 연 료 조성비를 나타내었다. 이전 연구8에서 Shohdy는 ⍺ = 10, 20, 28% 조건에서 화염의 길이, 희박조건에서의 화 염날림 한계(lean blow-out limits), NOx 배출 등을 조사하 였다. 또한, 저자는 암모니아 ⍺ = 10%일 때 NOx 농도에 미치는 영향은 무시할 수 있다고 하였다. Wiseman9은 메탄/공기 화염의 가연한계와 비슷한 ⍺ = 43% 조건에서 화염의 날림 속도를 DNS 결과와 비교하였고, 메탄/공기 화염에 비해 암모니아 크래킹 연료가 소화(extinction)에 더 유리하다고 하였다. Richter10은 크래킹율(⍺)이 16%인 암모니아 함량 72%와 64%에서 소화 스트레인율 의 당량비 의존성에 대해 조사하였으며 연료 안정성과 소화 저항성에서 메탄/공기보다 안정성이 높다고 보고하였 다. Kim11은 대향류(twin counterflow burner)에서 부분 크래킹 모사연료의 상호작용하는 대향류 예혼합화염에서 소화거동 특성과 화학적 상호작용 메커니즘에 대한 결과를 보고하였다. 이 조사에서는 크래킹율인 ⍺ = 16%의 암모니아 크래킹 연료가 희박조건에서 메탄(CH4) 연료보 다 소화저항성을 의미하는 RSIB(resilience to straininduced blow out)값이 더 크다고 하였다. Cheng3은 암 모니아/수소 예혼합 화염에서 수소 함량에 따른 폭발특성을 조사하였다. 결과에 의하면, 수소함량이 50% 이상 증 가할 경우 폭발특성은 수소함량에 비례하지 않는다고 보 고하였다. Kim 등12,13은 메탄-공기 화염의 가연한계와 유사하다고 보고된 ⍺ = 28% 조건과 메탄-공기 화염의 층 류 화염 특성과 유사한 ⍺ = 43% 조건의 폭발특성을 조사 하였다. 하지만 더 넓은 암모니아 크래킹 범위에서 폭발특성에 관한 조사는 미흡하다. 따라서, 본 연구에서는 낮은 크래킹 비율 7%부터 높은 62% 범위에서의 폭발특성과 열손실 및 폭발 지수에 관하여 조사하였다. 2.3 실험장치 및 방법 폭발 위험성을 평가하기 위해서는 핵심 매개변수를 정 량적으로 분석하는 것이 필수적이다. 폭발을 평가하는 핵심 매개변수로는 폭발 시간(explosion time, tc), 최대 폭발 압력(maximum explosion pressure, Pmax), 열손실(heat loss, qtr), 최대 압력 상승률(maximum rate of pressure rise, (dP/dt)max), 폭발 지수(explosion index, KG) 등이 있다. Pmax는 점화가 일어난 후부터 연소기 벽면에 닿아 소화될 때까지의 압력값 중 최댓값이고, tc는 점화 순간부터 Pmax 에 도달할 때까지의 시간이다14. qtr은 연소 과정에서 생 성된 열에너지가 연소기 벽면, 센서 등 주변 환경으로 전 달되어 시스템 내부에 남지 않고 외부로 빠져나가는 에너지의 양이다. KG는 가연가스 폭발강도를 정량적으로 나타 내는 핵심 지표로, 폭발 위험성을 평가할 때 사용되는 변 수이다. 점화가 시작된 후부터 화염이 연소기 벽면에 닿아 소화될 때까지의 압력을 압력센서를 통해 시간에 따른 압 력 이력(history)을 얻을 수 있으며 이를 통해 핵심 매개변 Table 1. Experimental conditions NH3 (%) H2 (%) N2 (%) ⍺ = 7% 86.9 9.8 3.3 ⍺ = 16% 72.4 20.7 6.9⍺ = 28% 56.3 32.8 10.9⍺ = 43% 39.9 45.1 15.0⍺ = 62% 23.5 57.4 19.1 52 김민규 · 김인호 · 이기만 수들을 취득할 수 있다. 실험을 통해 얻은 압력 이력 경향을 확인하면 점화가 된 순간 압력이 급격하게 증가하다 연소기 벽면에 닿는 순간 압력이 감소했다가 초기 압력으로 돌아오는 경향을 확인할 수 있다. Fig. 2는 ⍺ = 16%,  = 1.0 조건에서 실험을 통해 얻은 원시 데이터(raw data)와 필터링한 데이터를 보여주는 그 래프로 Fig. 2(a)는 에 대한 신호 거동이고, Fig. 2(b) 는 dP/dt에 대한 것이다. (dP/dt)max는 KG를 구할 때 매우 중 요한 변수인데, Fig. 2(b)를 보면 dP/dt의 raw data가 진동 의 영향을 받아 평균값(filtered data) 주위로 흩어져 있는 것을 볼 수 있다. 만약 이러한 값을 그대로 사용하게 되면 데이터의 정확도가 떨어질 수 있으며, 이러한 문제점을 해 결하기 위해서 스무딩 필터(smoothing filter)는 필수적이 다. 이번 연구에서 압력 진동에 따른 편차를 처리하기 위해 Savitzky-Golay 방법을 이용하여 데이터를 처리하였 다15. 3. 결과 및 고찰 3.1 슐리렌 기법을 통한 화염의 불안정성 파악 화염의 불안정성은 열-확산 불안정성, 유체역학적 불안 정성, 부력 불안정성으로 나눌 수 있다14,16. 열-확산 불 안정성은 열 확산 속도와 연료의 질량 확산 속도 간의 불균형에 의해 발생하게 되는데 이는 루이스 수(Le)로 설명할 수 있다. Le<1인 경우 열이 손실되는 속도보다 연료의 유입속도가 빨라지게 되며 이는 cellular structure 형성에 영 향을 미쳐 불안정성이 강화되게 된다. 유체역학적 불안정성은 미연소 가스가 고온의 연소 가스로 변화할 때 발생하는 급격한 밀도 감소와 기체팽창에 의해 유도된다. 이는 화염면에 large-scale wrinkles를 형성하여 화염의 변형을 주도한다. 부력 불안정성은 중력과 부력의 작용으로 화염이 상승하는 속도가 발생하는데, 연소속도가 화염의 상승 속도보다 낮게 되면 화염이 연소기 상단으로 상승하게 된다. 부력 불안정성은 Froud number(Fr)로 정량화할 수 있 으며 Fr가 작을수록 부력 불안정성이 강하게 나타나게 된 다. 이 경우 화염의 부력 불안정을 극복하기 위한 연소속도는 15 cm/s 이상으로 알려져 있다6. 본 연구에서는 슐리렌 기법을 이용해 취득한 화염 반응 영역에 대한 이미지를 획득하였고, 이를 통해 가시적으로 확인할 수 있는 불안정성에 대하여 다루었다. 취득한 이미 지는 Fig. 3로 각 당량비에 따른 화염 반응면의 변화를 크래킹 비율에 따라 나타낸 것이다. 각 이미지는 화염 반응 면의 중심이 연소기 벽면으로 40 mm 떨어진 위치에 도달 했을 때 취득한 이미지이다. 크래킹율인 ⍺ = 7%일 때 화염 반응영역의 중심이 전극봉보다 상단에 위치한 것을 볼 수 있는데, 이는 화염이 부력의 영향을 받은 부력 불안정성에 의한 것을 확인하였다. 부력의 영향은  = 1.1까지 당 량비가 증가함에 따라 감소하다가, 해당 지점을 기점으로 다시 증가하는 양상을 보였다. ⍺ = 16%일 경우에도 전반 적으로 화염의 중심부가 전극봉을 기준으로 상단에 위치 한 것을 확인할 수 있는데, 이 경우에도 부력 불안정성의 영향을 받는 것을 확인할 수 있다. ⍺ = 16%의 연료 희박조건에서 화염면에 large-scale 주름이 관측되는데 이는 유체역학적 불안정성이 영향을 미치는 것으로 이해된다. 유체역학적 불안정성이 화염에 미치는 영향은 당량비가 증가함에 따라 감소하는 것도 확인할 수 있다. ⍺ = 62%의 경우  = 0.8부터 화염의 반응영역에 세포구조(cellular structure)가 관측되고, 당량비가 증가함에 따라 cellular structure가 줄어들고 결국  = 1.0부터는 large-scale wrinkles만 관측되었다. 이 경우에는 화염이 부력 불안정성의 영향을 받지 않는 것으로 확인되었다. Fig. 2. Comparison of smoothing filtered data and raw data using Savitzky-Golay method14 at ⍺ = 16%,  = 1.0. 크래킹 비율에 따른 발전용 수소(암모니아) 연료의 폭발특성 53 화염의 반응영역에 주름이 생기면 반응영역이 증가함 에 따라 미연소 가스와 반응이 증가하고, 이에 따라 연소 속도의 증가 및 Pmax, (dP/dt)max가 증가하는 등 폭발특성이 강화되게 된다. 이와 관련된 폭발특성에 대한 보다 자세한 내용은 3.2절에 기술한다. 3.2 열손실이 폭발 압력과 폭발 시간에 미치는 영향 연료의 폭발특성을 규명하고 최적의 연소 조건을 도출 하기 위해서는 주요 운전 변수에 대한 민감도 분석이 선행 되어야 한다. 특히 크래킹 비율과 당량비 변화는 폭발 위 력 및 화염 불안정성에 복합적인 영향을 미친다. 이에 본 절에서는 암모니아 크래킹 모사 연료에서 이 두 변수를 변화시켰을 때 나타나는 폭발특성의 거동을 정량적으로 분 석하고 논의한다. Fig. 4는 각 당량비에 따른 Pm