표제지

제출문

보고서 초록

기술개발요약

Summary of research

목차

제1장 서론 20

가. 연구개발의 중요성 및 필요성 20

나. 연구개발의 국내외 현황 23

다. 연구개발대상 기술의 차별성 23

제2장 연구개발의 목표 및 내용 24

가. 연구의 최종목표 24

나. 연도별 연구개발의 목표 및 평가방법 24

다. 연도별 추진체계 25

제3장 연구개발 결과 및 활용계획 26

가. 연구개발 결과 및 토의 26

(1) 암모니아의 연소 특성 연구 26

(가) 암모니아 연소특성 측정장치 구축(그림 2) 26

(나) 실험 및 계산 방법 28

(다) 암모니아 연소 실험 및 계산 결과 31

(2) 수소 첨가 암모니아의 연소특성 연구 42

(가) 실험 및 계산 방법 42

(나) 수소첨가 암모니아 연소 실험 및 계산 결과 42

(3) 암모니아 반응 메커니즘 및 소형 밀폐공간 내 연소특성 연구 55

(가) 반응 메커니즘 문헌 조사 55

(나) 소형 밀폐공간 내 연소 및 열전달 시뮬레이션 기법 개발 56

(4) 암모니아의 연소 특성을 적용한 리포밍용 소형 연소기 설계/제작 57

(가) 소형 연소기 설계 57

(나) 소형 연소기 제작 62

(5) 암모니아의 리포밍 특성 기초 연구 82

(가) 암모니아의 리포밍 특성 실험장치 구축 82

(나) 암모니아의 리포밍특성 파라미터 측정 85

(6) 암모니아 이용 연소기 및 리포머가 통합된 소형 수소발생장치 설계/제작 117

(가) 암모니아 연소기 설계/제작 117

(나) 실험 방법 및 결과 117

(7) 수소발생장치의 성능평가 134

(가) 생성가스 재순환 암모니아 리포밍 장치 제작 및 작동 134

(나) scale-up된 소형 암모니아 리포머 시스템 제작 및 실험 135

나. 연구개발 결과 요약 138

다. 연도별 연구개발목표의 달성도 141

라. 연도별 연구성과(논문·특허 등) 141

마. 관련분야의 기술발전 기여도 142

바. 연구개발 결과의 활용계획 142

제4장 참고 문헌 144

부록 148

공개세미나 개최결과 보고 148

결과 그림 원데이터 152

표 1. 암모니아와 기타 연료의 물성치 및 가격 비교(Zamfirescu와 Dincer, 2008) 22

표 2. 타 연료 대비 암모니아의 성능 및 경제성(Zamfirescu와 Dincer, 2008) 22

표 3. 3단계 NH3-H2-O₂ 반응메커니즘 (Brink 등, 2001; Mitani와 Williams, 1980) 81

표 4. 리포밍 시스템의 최적화된 작동 조건 116

표 5. 리포밍 시스템의 최적화된 작동 조건 및 성능 133

그림 1. 수소 첨가 암모니아 연소를 이용한 연소기-리포머 통합 소형 수소발생장치 개념도 33

그림 2. 암모니아 연소특성 측정장치 구성도 34

그림 3. 구형 연소실 35

그림 4. 광학 창 및 오링(O-ring)이 장착된 플렌지(flange) 36

그림 5. 점화장치 회로도 37

그림 6. 광학측정 시스템(shadowgraph system) 38

그림 7. 고속 디지털 카메라(Redlake사 X-3 Plus) 39

그림 8. NTP 조건하의 암모니아-공기 예혼합화염의 위치(반경, rf)에 따른 국소 연소속도 변화(Miller와 Bowman (1989)의 반응메커니즘을 이용한 예측)(이미지참조) 40

그림 9. NTP 조건하의 암모니아-공기 예혼합화염의 Ka에 따른 국소 연소속도 변화(Miller와 Bowman (1989)의 반응메커니즘을 이용한 예측) 41

그림 10. 화염의 Shadowgraph 사진: (a) 차등확산(preferential-diffusion)에 의한 불안정 화염 (NTP 조건하의 φ ＝ 0.8, Xh＝ 0.5의 층류 예혼합 H₂ 첨가 NHg₃/공기화염), (b) 부력 영향을 받은 화염 (NTP 조건하의 φ ＝ 0.8, Xh＝ 0.5의 층류 예혼합 H₂ 첨가 NHg₃/공기화염)(이미지참조) 45

그림 11. NTP 조건하의 층류 예혼합 H₂ 첨가 NH₃/공기 화염의 Ka, φ, Xh 변화에 따른 국소 층류연소속도 변화(측정)(이미지참조) 46

그림 12. NTP 조건하의 층류 예혼합 H₂ 첨가 NH₃/공기 화염의 Ka, φ, Xh 변화에 따른 국소 층류 연소속도 변화(Miller와 Bowman (1989)의...(이미지참조) 47

그림 13. NTP 조건하의 다양한 φ에 대한 H₂ 첨가 NH₃/공기 화염의 Xh 변화에 따른 층류 연소속도 측정 및 예측(Miller와 Bowman...(이미지참조) 48

그림 14. NTP 조건하의 NH₃/공기 화염의 φ 변화에 따른 층류 연소속도 변화(Ronney, 1988; Pfahl 등, 2000; Jabbour와 Clodic, 2004; Takizawa 등, 2008) 49

그림 15. NTP 조건하의 H₂/공기 화염의 φ 변화에 따른 층류 연소속도 변화(Kwon과 Faeth, 2001) 50

그림 16. NTP 조건하의 H₂ 첨가 NH₃/공기 화염의 φ, Xh 변화에 따른 Ma 변화 측정 및 예측(Miller와 Bowman (1989), Lindstedt 등 (1994)의 반응메커니즘 이용)(이미지참조) 51

그림 17. NTP 조건하의 순수 NH₃/공기 화염(φ ＝ 1.0)의 구조(Miller와 Bowman (1989)의 반응메커니즘 이용한 예측) 52

그림 18. NTP 조건하의 H₂ 첨가 NH₃/공기 화염(φ ＝ 1.0, Xh ＝ 0.5)의 구조(Miller와 Bowman (1989)의 반응메커니즘 이용한 예측)(이미지참조) 53

그림 19. NTP 조건하의 다양한 φ(＝ 0.60, 1.00, 1.67)에 대한 H₂ 첨가 NH₃/공기 예혼합화염의 Xh 변화에 따른 생성된 NOx 및 N₂O 최대 몰분율(Miller와 Bowman (1989)의 반응메커니즘 이용한 예측)(이미지참조) 54

그림 20. 초소형 2단 연소기 형상 63

그림 21. 열재순환 원통형 초소형 연소기 형상 64

그림 22. NTP 조건하의 φ ＝ 0.9, V ＝ 0.79 m/s의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 γ₁ 변화에 따른 초소형 2단 연소기 벽면의 온도분포 변화(Hautman 등 (1981)의 반응메커니즘 이용한 예측)(이미지참조) 65

그림 23. NTP 조건하의 φ ＝ 0.9, V ＝ 0.79 m/s의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 γ₁ 변화에 따른 초소형 2단 연소기(d₁＝ 2.5 mm, d₂＝ 3.2 mm, γ₂ ＝ 1.6, tw ＝ 0.5 mm) 벽면의 온도 및 연소기 내 연료 몰분율 분포 변화: (a) γ₁ ＝ 2.0, (b) 4.0(Hautman 등 (1981)의...(이미지참조) 66

그림 24. NTP 조건하의 φ ＝ 0.9, V ＝ 0.79 m/s의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 γ₁ 변화에 따른 초소형 2단 연소기(d₁ ＝ 2.5 mm, d₂ ＝ 3.2 mm, γ₂ ＝ 1.6, tw ＝ 0.5mm) 표면의 열속 변화(Hautman 등...(이미지참조) 67

그림 25. NTP 조건하의 φ ＝ 0.9, V ＝ 0.79 m/s의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 tw 변화에 따른 초소형 2단 연소기(d₁ ＝ 2.5 mm, d₂ ＝ 3.2 mm, γ₁ ＝ 3.0, γ₂＝ 1.6) 벽면의 온도분포 변화(Hautman 등 (1981)의...(이미지참조) 68

그림 26. NTP 조건하의 φ ＝ 0.9, V ＝ 0.79 m/s의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 tw 변화에 따른 초소형 2단 연소기(d₁ ＝ 2.5 mm, d₂ ＝ 3.2 mm, γ₁ ＝ 3.0, γ₂＝ 1.6) 벽면의 온도 및 연소기 내 연료 몰분율 분포 변화(Hautman 등 (1981)의 반응메커니즘 이용한 예측)(이미지참조) 69

그림 27. NTP 조건하의 φ ＝ 0.9, V ＝ 0.79 m/s의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 tw 변화에 따른 초소형 2단 연소기(d₁ ＝ 2.5 mm, d₂ ＝ 3.2 mm, γ₁ ＝ 3.0, γ₂＝ 1.6) 표면의 열속 변화: tw ＝ 0.5, 1.5 mm(Hautman 등...)(이미지참조) 70

그림 28. 열재순환 연소방식 미적용 원통형 초소형 연소기 형상 71

그림 29. NTP 조건하의 φ ＝0.9, 1.0, 1.1,V ＝ 0.9 m/s의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 열재순환 연소방식 미적용 원통형 초소형 연소기(dw ＝7.0 mm, l＝ 22.0 mm, 1.0, tw = 0.5 mm) 벽면의 온도분포(Hautman 등...(이미지참조) 72

그림 30. NTP 조건하의 φ ＝0.9, 1.0, 1.1,V ＝ 0.9 m/s의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 열재순환 원통형 초소형 연소기(dw ＝ 7.0 mm, l ＝ 22.0 mm, γ ＝ 1.0, tw ＝ 0.5 mm) 벽면의 온도분포(Hautman 등 (1981)의 반응메커니즘...(이미지참조) 73

그림 31. NTP 조건하의C₃H8-공기 예혼합기에 대한 열재순환 원통형 초소형 연소기(dw ＝ 7.0 mm, l ＝ 22.0 mm, γ ＝ 1.0, tw ＝ 0.5 mm)...(이미지참조) 74

그림 32. NTP 조건하의 φ ＝1.0, V ＝ 3.3 m/s의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 γ 변화에 따른 열재순환 원통형 초소형 연소기(dw ＝ 7.0 mm, l ＝ 22.0 mm, tw ＝ 0.5 mm) 벽면의 온도분포 변화: γ ＝ 1.0, 1.4, 2.0(Hautman...(이미지참조) 75

그림 33. NTP 조천하의 φ ＝1.0, V ＝ 3.3 m/s의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 γ 변화에 따른 열재순환 원통형 초소형 연소기(dw ＝ 7.0 mm, l ＝ 22.0 mm, tw ＝ 0.5mm) 벽면의 온도 및 연소기 내 연료 몰분율 분포...(이미지참조) 76

그림 34. NTP 조건하의 φ ＝1.0, V ＝ 3.3 m/s의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 tw 변화에 따른 열재순환 원통형 초소형 연소기(dw ＝ 7.0 mm, l ＝ 22.0 mm, γ ＝ 2.0) 벽면의 온도분포 변화: tw ＝ 0.5, 1.0 mm(Hautman 등...(이미지참조) 77

그림 35. NTP 조건하의 φ ＝1.0, V ＝ 3.3 m/s의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 tw 변화에 따른 열재순환 원통형 초소형 연소기(dw ＝ 7.0 mm, l ＝ 22.0 mm, γ ＝ 2.0) 벽면의 온도 및 연소기 내 연료 몰분율 분포 변화: tw ＝ 1.0 mm(Hautman 등(1981)의...(이미지참조) 78

그림 36. 초소형 2단 연소기 제작 79

그림 37. 열재순환 원통형 초소형 연소기 제작 80

그림 38. 리포밍 실험장치도(C₃H8-공기 화염)(이미지참조) 89

그림 39. 초소형 2단 연소기를 이용한 환형 리포머 시스템 형상 90

그림 40. 초소형 2단 연소기를 이용한 환형 리포머 시스템의 실험장치도 91

그림 41. NTP 조건하의 φ＝1.0,V ＝ 0.78 m/s의C₃H8-공기 예혼합기와 S/C＝1.38의 메탄올-물 혼합물에 대한 mf 변화에 따른 mr 변화(이미지참조) 92

그림 42. NTP 조건하의 φ＝1.0의 C₃H8-공기 예혼합기와 mf ＝ 0.10 ml/min, S/C ＝ 1.38의 메탄올-물 혼합물에 대한 V변화에 따른 mr 변화(이미지참조) 93

그림 43. NTP 조건하의 φ＝1.0, V ＝ 0.78 m/s의 C₃H8-공기 예혼합기와 mf ＝ 0.10 ml/min의 메탄올-물 혼합물에 대한 S/C 변화에 따른 mr 변화(이미지참조) 94

그림 44. NTP 조건하의 φ＝1.0, V ＝ 0.78 m/s의 C₃H8-공기 예혼합기와 mf ＝ 0.10 ml/min의 메탄올-물 혼합물에 대한 S/C 변화에 따른 η와 r 변화(이미지참조) 95

그림 45. NTP 조건하의 φ＝1.0, V ＝ 0.78 m/s의 C₃H8-공기 예혼합기와 mf ＝ 0.10 ml/min의 메탄올-물 혼합물에 대한 S/C 변화에 따른 [CO] 변화(이미지참조) 96

그림 46. NTP 조건하의 φ＝1.0, V ＝ 0.78 m/s의 C₃ H8-공기 예혼합기와 S/C ＝ 1.38 메탄올-물 혼합물에 대한 연소기 재료 변화에 따른 mr 변화(이미지참조) 97

그림 47. NTP 조건하의 φ＝1.0, V ＝ 0.78 m/s의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 연소기 재료 변화에 따른 초소형 연소기 벽면 온도분포 변화(이미지참조) 98

그림 48. NTP 조건하의 φ＝1.0, V ＝ 0.78 m/s의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 연소기 재료 변화에 따른 초소형 연소기 벽면 온도 및 연소기 내 연료 몰분율 분포 변화: (a) 스테인리스 스틸, (b) 두랄루민 초소형 연소기(Hautman 등 (1981)의 반응메커니즘 이용한...(이미지참조) 99

그림 49. NTP 조건하의 φ＝1.0, V ＝ 0.78 m/s의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 연소기 재료 변화에 따른 초소형 연소기 표면 열속 q" 변화(Hautman 등 (1981)의 반응메커니즘 이용한 예측)(이미지참조) 100

그림 50. 스테인리스스틸 및 두랄루민 초소형 연소기에 대한 C₃H8-공기 예혼합화염의 V-φ 공간에서의 연소안정한계(이미지참조) 101

그림 51. NTP 조건하의 φ＝1.0의 C₃H8-공기 예혼합기와 mf＝ 0.1 ml／min, S/C ＝ 1.38의 메탄올-물 혼합물에 대한 V 변화에 따른 mr 변화(두랄루민 초소형 연소기)(이미지참조) 102

그림 52. NTP 조건하의 φ＝1.0의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 연소기 재료 변화에 따른 연소기 벽면 온도분포 변화(이미지참조) 103

그림 53. 열재순환 원통형 초소형 연소기 형상 104

그림 54. 열재순환 원통형 초소형 연소기를 이용한 일체형 리포머 시스템 105

그림 55. 열재순환 원통형 초소형 연소기를 이용한 일체형 리포머 시스템 형상 106

그림 56. NTP 조컨하의 φ ＝ 1.0의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 mf 변화에 따른 η 변화(이미지참조) 107

그림 57. NTP 조건하의 φ ＝ 1.0, V ＝ 2.6-3.7 m/s의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 mf 변화에 따른 mr 변화(촉매: RU)(이미지참조) 108

그림 58. NTP 조건하의 φ ＝ 1.0, V ＝ 2.6-3.7 m/s의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 mf 변화에 따른 r 변화(촉매: RU)(이미지참조) 109

그림 59. NTP 조건하의 φ ＝ 1.0, V ＝ 2.6-3.7 m/s의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 mf 변화에 따른 η 변화(촉매: Ru)(이미지참조) 110

그림 60. NTP 조건하의 φ ＝ 1.0, V ＝ 2.6-3.7 m/s의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 mf 변화에 따른 XNH3 변화(촉매: RU)(이미지참조) 111

그림 61. NTP 조건하의 φ ＝ 1.0의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 리포머 촉매 변화에따른 mr 변화(촉매: Ni/SiO₂/Al₂O₃, Ir, Ru): V ＝ 2.6-4.1 m/s(이미지참조) 112

그림 62. NTP 조건하의 φ ＝ 1.0의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 리포머 촉매 변화에따른 r 변화(촉매: Ni/SiO₂/Al₂O₃, Ir, Ru): V ＝ 2.6-4.1 m/s(이미지참조) 113

그림 63. NTP 조건하의 φ ＝ 1.0의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 리포머 촉매 변화에따른 η 변화(촉매: Ni/SiO₂/Al₂O₃, Ir, Ru): V ＝ 2.6-4.1 m/s(이미지참조) 114

그림 64. NTP 조건하의 φ ＝ 1.0의 C₃H8-공기 예혼합기에 대한 리포머 촉매 변화에따른 XNH3 변화(촉매: Ni/SiO₂/Al₂O₃, Ir, Ru): V ＝ 2.6-4.1 m/s(이미지참조) 115

그림 65. 리포밍 실험장치도(NH3-H2-공기 화염)(이미지참조) 120

그림 66. NTP 조건하의 φ ＝ 1.0, Xh ＝ 0.3, 0.5의 NH3-H2-공기 예혼합기에 대한 V 변화에 따른 mr 변화(촉매: Ru)(이미지참조) 121

그림 67. NTP 조건하의 φ ＝ 1.0, Xh ＝ 0.3, 0.5의 NH3-H2-공기 예혼합기에 대한 V 변화에 따른 r 변화(촉매: RU)(이미지참조) 122

그림 68. NTP 조건하의 φ ＝ 1.0, Xh ＝ 0.3, 0.5의 NH3-H2-공기 예혼합기에 대한 V 변화에 따른 η 변화(촉매: Ru)(이미지참조) 123

그림 69. NTP 조건하의 φ ＝ 1.0, Xh ＝ 0.3, 0.5의 NH3-H2-공기 예혼합기에 대한 V 변화에 따른 XNH3 변화(촉매: Ru)(이미지참조) 124

그림 70. NTP 조건하의 φ ＝ 0.8, Xh ＝ 0.3, 0.5의 NH3-H2-공기 예혼합기에 대한 V 변화에 따른 mr 변화(촉매: Ru)(이미지참조) 125

그림 71. NTP 조건하의 φ ＝ 0.8, Xh ＝ 0.3, 0.5의 NH3-H2-공기 예혼합기에 대한 V 변화에 따른 r 변화(촉매: RU)(이미지참조) 126

그림 72. NTP 조건하의 φ ＝ 0.8, Xh ＝ 0.3, 0.5의 NH3-H2-공기 예혼합기에 대한 V 변화에 따른 η 변화(촉매: Ru)(이미지참조) 127

그림 73. NTP 조건하의 φ ＝ 0.8, Xh ＝ 0.3, 0.5의 NH3-H2-공기 예혼합기에 대한 V 변화에 따른 XNH3 변화(촉매: Ru)(이미지참조) 128

그림 74. NTP 조건하의 φ ＝ 1.25, Xh ＝ 0.3, 0.5의 NH3-H2-공기 예혼합기에 대한 V 변화에 따른 mr 변화(촉매: Ru)(이미지참조) 129

그림 75. NTP 조건하의 φ ＝ 1.25, Xh ＝ 0.3, 0.5의 NH3-H2-공기 예혼합기에 대한 V 변화에 따른 r 변화(촉매: Ru)(이미지참조) 130

그림 76. NTP 조건하의 φ ＝ 1.25, Xh ＝ 0.3, 0.5의 NH3-H2-공기 예혼합기에 대한 V 변화에 따른 η 변화(촉매: Ru)(이미지참조) 131

그림 77. NTP 조건하의 φ ＝ 1.25, Xh ＝ 0.3, 0.5의 NH3-H2-공기 예혼합기에 대한 V 변화에 따른 XNH3 변화(촉매: Ru)(이미지참조) 132

그림 78. H₂ 재순환 실험장치도 136

그림 79. NTP 조건하의 φ ＝ 1.0, Xh ＝ 0.5의 NH3-H2-공기 예혼합기에 대한 리포머 시스템의 스케일업(scale-up)에 따른 η 변화(촉매: Ru)(이미지참조) 137

기존의 암모니아에 대한 관련 연구들은 주로 공정 및 취급 중 폭발 등 안전성과 관련되어 진행되어 왔다. 연료로서의 암모니아 이용은 이산화탄소를 배출하지 않고 동력 및 수소를 발생하는 친환경 신기술로 본 연구에서는 연료로서의 암모니아의 연소 및 리포밍 특성에 대한 기초연구를 위해 수소 첨가 암모니아-공기 예혼합화염의 연소특성을 나타내는 파라미터들인 층류연소속도와 Markstein 수(화염의 스트레치에 대한 민감도를 나타냄) 등을 측정 및 계산하였다. 층류연소속도는 모든 당량비에서 수소 첨가에 의해 층류 연소속도가 증가하는데 특히 연료과농 조건에서 그 증가 폭이 상대적으로 컸으며, 계산된 화염구조는 수소첨가로 인해 암모니아-공기 예혼합화염의 NOx와 N₂O의 생성량이 전반적으로 증가하나 연료과농 조건에서 상대적으로 낮으며 수소첨가량을 적절히 조정하면 충분한 연소강도를 제공하면서 CO₂와 CO의 무배출은 물론 NOx와 N₂O의 생성량도 적절히 제어할 수 있는 것으로 판단되었다. 이러한 결과를 바탕으로 수소 첨가 암모니아-공기 예혼합화염을 열원으로 하며 안정적인 연소와 균일한 온도분포를 보장할 수 있는 열재순환 원통형 초소형 연소기를 제시하였고 연소기 및 리포머 일체형의 리포밍 장치를 구성하여 리포밍 실험을 진행하였다. 실험결과는 Ru을 촉매로 사용하고 리포밍을 위한 암모니아 공급 유량조건을 최적의 값으로 고정할 경우 연소기 혼합기 (NH₃-H₂-공기)의 분사속도를 증가시키면 발생가스의 생성률도 증가하나 일정 분사속도에 도달하면 일정한 값을 갖게 되고 암모니아의 전환율도 일정한 값에 도달함을 보여주었다. 최적의 성능조건인 이론당량비, 연소기 연료 중 수소첨가량 50%일 때, 암모니아의 최대 전환율은 97%에 이르고 시스템 전체 효율은 10.4%에 도달하였다. 이러한 결과는 수소발생 리포밍 및 열원용 연료로서 탄소를 포함하지 않는 청정연료인 암모니아의 이용 가능성을 보여주고 있다.