신동훈국민대학교 기계공학과

개질기 성능 해석

CFD Modeling

에너지 시스템 설계

Excel-Visual Basic / Cycle-Tempo

Open-Modelica

RAI 연소 기술

Flameless Combustion

한전 전력연구원, 2005년도

25kW 급 MCFC용 평판형 개질기 해석모델

100kW 급 MCFC용 원통형 개질기 해석모델

100kW 급 MCFC용 촉매 연소기 설계 개선

한국 가스공사, 2009년도

5kW급 원통형 개질기 설계 개선

주요반응 CH4 + H2O CO + 3H2 (1)

CH4 + 2H2O CO2 + 4H2 (2)

CO + H2O CO2 + H2 (3)

반응속도식

2

22

4422

22

2

2

22

24

2

2

24

2

1

/

/

/

2

2

3

3

2

21

4

2

5.3

2

2

2

1

3

5.2

1

1

H

OHOH

CHCHHHCOCO

COH

OHCO

H

COH

OHCH

H

COH

OHCH

H

P

PKPKPKPKDEN

DENK

PPPP

P

kr

DENKK

PPPP

P

kr

DENK

PPPP

P

kr

속도상수

흡착평형상수

hkg

kPakmol

Tk

hkg

kPakmol

Tk

hkg

kPakmol

Tk

1

4

3

5.0

16

2

5.0

16

1

3.8074exp1039.4

29336exp1029.2

28879exp1049.9

][71.8497

exp1023.8

][13.9971

exp1012.6

][35.1066

exp1077.1

][28.4604

exp1065.6

17

111

13

16

2

2

4

kPaT

K

kPaT

K

kPaT

K

kPaT

K

CO

H

OH

CH

평형상수

][063.44400

exp

][11.3026830

exp76.10266

2

2

1

TK

kPaT

K

J. Xu, G.F.Froment, Methane steam reforming, methanation and watergas shift. I. Intrinsic kinetics, AIChE J. 35 (1989) 97-103

최종균, 정태용, 남진현, 신동훈, 수증기-메탄개질반응 해석모델의 비교연구, 대한기계학회 논문집B, 32:497~503, 2008

반응 반응식ActivationEnergy (E)

Pre-exponentialfactor (A)

STR

CH4+H2O3H2+CO 2.4e+8 7e+17

CH4+2H2O4H2+CO 2.439e+8 1.5e+16

CO+H2O H2+CO2 6.413e+7 219.5

HTSCO+H2O H2+CO2 5.574e+7 4.39e+7

LTSCO+H2O H2+CO2 5.574e+7 1.5e+8

속도벡터 온도분포 (K)

CH4 몰분율 CO 몰분율 H2 몰분율

전산해석에 의한 연소공간과 개질공간 중심에서의온도분포 (w1: 개질공간, comb_line: 연소공간)

연소공간 온도분포 측정값과 전산해석결과의 비교

700

800

900

1000

1100

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

높이(m)

온도

(K)

CFD

측정값1

측정값2

개질공간 온도분포 측정값과 전산해석결과의 비교

개질공간 원형면 유동형태 해석 유속: 174 m/s, 온도: 1000 K

속도벡터 계산결과 (보기속도영역: 0~3m/s) 유선도 계산결과

Y-velocity 등고선 결과 반응공간 하단면에서의 Y-velocity 분포

그림 25) 25 kW급 평판형 개질기 개질부 분산관 분산관 유동해석을 위한 계산격자

분산관 형상

분산관내 유선도분산관내 속도 등고선

예연소 가열식 평판형 개질기 형상 및 격자시스템

항   목 사   양

 개질실 단위 chamber   18 chambers 로 구성

   Dimension   670 × 1675 × 13.5 mm (5t 분리판 포함)

   개질 원료   CH4 + H2O

 연소실 단위 chamber   19 chambers 로 구성

   Dimension   670 × 1675 × 13.5 mm (5t 분리판 포함)

   연소방식   예연소 주입방식

 원료와 연료 flow pattern   counter current

Case 1 Case 2 Case 3

연소가스유량 (Nm3/hr) 107 192.6 256.8

연소가스 온도 (K) 1073 1014 1058

연소가스 압력 (atm) 1 1 1

CH4 유량 (Nm3/hr)

H2O 유량 (Nm3/hr)

온도 (K)

압력 (atm)

연소실

개질실

6.52

19.6

673

1

온도분포

Case 1

메탄 몰분율 분포 메탄 몰분율 분포도 (연소가스 유량이 2.4배인 경우)

Case 3

온도분포 (연소가스 유량이 2.4배인 경우)

CO 몰분율 분포도 (연소가스 유량이 2.4배인 경우)

H2 몰분율 분포도 (연소가스 유량이 2.4배인 경우)H2 몰분율 분포

CO 몰분율 분포

100 kW급 NG 개질기 형상 및 전산해석을 위한 격자시스템

연소실-연료 공급부

CH4 : 20 Nm3/hr, 300 K, 1atm

-공기공급부Air: 234 Nm3/hr, 300 K, 1atm

개질관 열흡수총 흡열량: 56236 kcal/hr = 65405 W전열 면적: 8.947 m2면적당 흡열량: 7310 W/m2 (균일한 흡열로

가정)

벽면 열손실(가정)

외벽면 온도 77 ℃내화재 두께 200mm열전도도 1 w/m K

100kW급 개질기 연소공간내 속도벡터(m/s) 100kW급 개질기 연소공간내 유선 및 온도분포 (K)

100kW급 개질기 연소공간내 온도분포(K) 100kW급 개질기 개질관 및 벽면 온도분포(K)

100kW급 개질기 NG 버너근처의 메탄 농도분포 100kW급 개질기 NG 버너근처의 CO 농도 분포 100kW급 개질기 연소공간내 산소분포

유입관 내경 0.0127 m

개수 16 개

총단면적 0.002027 m2

CH4 26.07 Nm3/hr

H2O 78.4 Nm3/hr

총유량 104.47 Nm3/hr

유입온도 300 oC

573 K

가스유속 30.05134 m/s

CH4 질량비율 0.228144

H2O 질량비율 0.771856

100 kW급 NG 개질기 개질기관 형상

외벽면 복사 열전달연소실 버너 화염 온도: 1400 K, 연소실외벽면 온도: 1200 K외관 두께 6mm의 steel 으로 가정

100 kW급 NG 개질기 개질기관 내부 속도벡터도 (m/s, 굵기를 5배 확대해서 본 것임)

100 kW급 NG 개질기 개질기관 내부 온도분포도 (K, 굵기를 5배 확대해서 본 것임)

100 kW급 NG 개질기 개질기관 내부 CO 몰분율 (K, 굵기를 5배 확대해서 본 것임)

100 kW급 NG 개질기 개질기관 내부 H2 몰분율 (K, 굵기를 5배 확대해서 본 것임)

100 kW급 NG 개질기 개질기관 내부 메탄 몰분율 (K, 굵기를 5배 확대해서 본 것임)

촉매의 부피 고정

STR 촉매 : 2.00 liter

HTS 촉매 : 1.65 liter

LTS 촉매 : 1.65 liter

tip 크기에 따른 변화

35, 40, 45 mm

촉매공간의 H/D에 따른 변화

-20%, -10%, 0%(도면), +10%, +20%

촉매부피 유지하도록 직경은 수정

냉각관의 형상은 격자의 용이성을 위해 단순화

Grid

FLU

EN

T 6

.2 (axi

, segre

gate

d, spe, rn

gke)

Jul 1

3, 2009

℃ m/s

결과 - Mole fraction (tip40, H/D 0%)

H2 COCH4 H2O CO2

45mm

35mm

40mm

35mm 40mm 45mm

H/D 변화율에 따른 해석

-20% -10% 0% +10% +20%

H/D 증가율에 따른 H2 mol-fraction(wet)

50.97%

62.15% 62.75%63.38%

65.40%

50%

55%

60%

65%

70%

-20% -10% 0% 10% 20%

H/D 증가율에 따른 메탄 전환율

69.95%

91.18%

94.68% 94.75%

99.92%

60%

70%

80%

90%

100%

-20% -10% 0% 10% 20%

1kW 결과대비 5kW는 개질기 출구 CO농도가 다소 높은 것으로 예상됨.

Tip의 크기에 따라 연소공간내 유동흐름에 변화가 있으나 효율에 큰 차이는 없는것으로 사료됨.

Tip의 크기 45mm가 개질공간주변 연소가스공간에서 고른 하강형태를 보였으며 효율이가장 좋은 것으로 나타남.

개질기 길이(H/D)가 늘어날 수록 열전달율이 높아져 메탄의 전환율 및 수소생산량이 높아짐.

개질기 길이는 설계치 보다 10~20% 늘어난 값이 적정한 것으로 판단됨.

H/D와 CO 잔량의 상관관계는 비교적 적은 것으로 판단됨.

연소공간 설계연소실 열부하 (체적당 발열 에너지)

기본설계

연소가스 체류시간 (버너의 형식과 관련)전산유체역학

벽면 열손실기본설계

개질공간 설계개질기 면적당 열전달율

기본설계

물질의 흐름방향과 열교환 형식전산유체역학

Excel-VB를 이용한 기본설계

공정해석을 통한 공정 최적화

Cycle-Tempo

CFD 해석을 이용한 요소별 상세 설계

Solidworks simulation/ANSYS Fluent

동특성 해석을 통한 운전 최적화

Modelica/Open-Modelica

Flameless combustion• Flameless Oxidation(FLOXTM)• High Temperature Air Combustion

(HiTAC)• MILD combustion• a technology capable of

accomplishing high efficiency and low emissions without flame instability phenomena.

• uses delayed mixing of fuel and oxidizer combined with high level of dilution

• by flue gas in the main reaction zone.

Flame mode

Flameless mode

42

Recirculation of combustion products at high temperature (> 1000°C)

Reduced oxygen concentration at the reactants

Distributed combustion zone

Uniform temperature distribution

Reduced temperature peaks

Low adiabatic flame temperature

High concentration of CO2 & H2O

Low NOx and CO emission

Queted in

43

Conventional Combustor High Peak Temperature Thin reaction zone High Temperature

Gradients High NOx production

Low NOx Combustor(Flameless combustor) Low temperature peak Distributed flame Temperature Uniformity Low NOx production

Queted in Yeshayahou Levy, “Low NOx Flameless Combustion for Jet Engines and Gas turbines”, 9th Israeli Symposium on Jet Engines and Gas Turbines, October 7 2010, 44

Flameless combustion furnace in TU Delft, Netherlands

Study the configuration effects of multi-pair regenerative burners

Develop the CFD model

D. Shin et.al., “Configuration effects of natural gas fired multi-pair regenerative burners in a flameless oxidation furnace on efficiency and emissions”, Applied Energy, 2013 45

46

Result of computational fluid dynamic simulation –temperature contour (K)

Trends of CO emission as a function of exhaust gas O2 (%) for all configurations and cycle times

Trends of furnace temperature as a function of exhaust gas O2 (%) for all configurations and cycle times

Multi-burner installation map for the definition of configurations and operating modes.

Advantages of Flameless comb.

Low temperature peak

Distributed flame

Temperature uniformity

Low NOx production

Previous flameless combustion facilities

Specific burner of heat regeneration with a honeycomb

Heat exchanger for pre-heating air or fuel

Recirculation ducts / gas

FLOXTM burner with honeycomb

47

Simple flameless combustion

No preheating air/fuel

No specific burner

No recirculation duct

But, have flameless combustion characteristics

Find a possibility of simple flameless combustion

48

Air flow counter for fuel

Air is heated by exhaust gas

Fuel and air are diluted by exhaust gas

Mixing of fuel and air is delayed by dilution

Air

Fuel

49

Furnace is 0.7 m high The inner diameter is 0.2 m Several air inlet ports(ID 4.2mm) to

various conditions and configurations Only 2 ports used in this study

Fuel: CH4(99.95%), 11.6 lpm Stoichiometry ratio: 1.15 Fuel and air temp.: ambient temp. Air supply by compressor Fuel: bottom of furnace Air Bottom (flame mode) top nozzle (flameless mode)

50

Temperature distribution(as same range)

Temp. uniformity of the flameless mode is an increase of dramatic

Peak temp. of flameless mode is a decrease

Fuel

Flame mode Flameless mode

0.25m

51

T/C

T/C

T/C

T/C

T/C

NO emission: decreased

Various Temp.: decreased

CO: slightly increased

Flamelessmode

Flamemode

flame flameless Unit

CO 7 14 ppm

NO 143 35 ppm

T_max 1260 1150 oC

T_min 1125 1113 oC

T_avg 1186 1132 oC

T_stde 41.6 12.2 oC

52

The contour of temperature as independent ranges

Turbulent: standard k-ε

Reaction: 16 species EDC

Radiation: DO model

Grid: about 110,000 cells

A quarter of the size

53

Fuel

Exhaust gas

Air inlet

Flame mode

54

CH4 OHCH3Temp.

Flameless mode– Low temperature

peak– Distributed flame– Temperature

Uniformity– Distributed

combustion zone

개질기 가열 연소실 버너로 활용

강한 난류에 의한 높은 열전달율 및 장치크기 감소

균일한 온도분포에 의한 국부가열 감소 및내구성 향상

무화염 연소기술을 적용한 고효율 컴팩트 개질기 개발 CFD 해석 및 구조해석을 통한 최적 설계

수소스테이션 공정 해석 및 설계 최적화 Excel-VB 및 Cycle-Tempo를 활용한 공정해석 및 설계 개발에너지 효율 극대화를 위한 최적화

이용한 수소스테이션 운전 동특성 예측 및 성능 최적화 Modelica/Open-Modelica 를 이용한 동적모델 개발시스템 안정성 및 안전도 향상