둥근 형태의 제트 버너에서의 합성가스(Syngas) 연소 분석
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이번 블로그에서는 Reacting Flow 인터페이스와 Heat Transfer in Solids 인터페이스를 이용하여 둥근 형태의 제트 버너에서의 합성 가스 연소를 살펴보고자 합니다. 실험값과 벤치마킹하여 비교를 하였습니다.
합성가스란?
합성가스라는 이름은 연료혼합기체 – 대부분 수소, 일산화탄소, 이산화탄소로 구성 – 을 나타내는 것으로, 합성천연가스의 생산공정에서 중간물로 나옵니다. 하지만, 합성가스는 메탄올, 암모니아, 수소와 같은 다른 생성물을 만드는 데에도 이용됩니다. 여기에는 가스화(gasification)라고 알려진 공정이 도입됩니다.
가스화 공정에서 고체 공급 원료가 기체로 변환되는데 여러 분야에서 사용됩니다. 한 예로, 응축으로 가스를 액화합니다. 특히 가스화는 석탄에서 생물 자원에 이르는 원료 형태에 따라 유연하게 적용할 수 있습니다. 더불어, 이러한 접근법으로 황이나 이산화탄소와 같은 생성물을 포획하는 작업을 단순화할 수 있습니다.
현 블로그에서는 실험데이터를 비교하면서 해석을 수행하였습니다.
둥근 형태의 제트 버너에서의 난류 연소
이 모델에서 버너는 공기로 이루어진 같은 방향으로 흐르는 유체 안에 일직선 관으로 구성되어 있습니다. 일산화탄소, 수소, 질소로 구성된 기체가 76 m/s (Ma ≈ 0.25)속도로 관을 통해서 주입되고, 공기는 같은 방향으로 관 밖에서 0.7 m/s 속도로 들어오고 있습니다.
관을 나오면서 연료가스는 공기와 혼합이 되고, 원형 제트 패턴을 발생시킵니다. 제트의 난류는 두 기체가 확실하게 혼합되도록 하고 있으며, 관 출구에서 연소가 유지되게끔 합니다. 이는 연료와 산화제가 독자적으로 반응 영역으로 들어와서 연소가 되게끔 미리 섞이는 것을 방지하는 형태입니다.
둥근 형태의 제트 버트 개요
이 예제에서 반응 제트에서의 물질전달 모델을 위해 병류(co-flow)로 흐르는 반응에 관계하는 다섯 가지 종과 질소의 질량 분율을 해석합니다. 제트의 레이놀즈 수는 약 16700이며, 완전 난류라는 것을 의미합니다. 이러한 이유로, 유체의 난류성이 제트의 혼합과 반응 과정에 지대한 영향을 미친다는 것을 예측할 수 있습니다.
난류 모델로 유체의 난류성을 고려하였고, 난류 반응을 모델화 하기 위해 와류 분산(eddy dissipation) 모델을 사용하였습니다. 반응열로 인해, 연소의 결정적 특성인 제트의 온도가 상당히 증가합니다. 온도와 조성을 정확히 예측하기 위해 유체의 물성, 종의 물성을 온도 종속적으로 적용하였습니다.
합성 가스 모델은 난류, 열전달, 물질전달이 연동된 고 난이도 모델입니다. 비선형 모델에 대한 해석 방법은 예제를 참고하시기 바랍니다.
해석 결과
아래에 있는 첫 번째 그림은 반응이 일어나는 제트의 속도를 나타낸 것입니다. 핫 프리(hot free) 제트의 생성과 팽창을 보여줍니다. 제트의 출구 부분에서 난류 혼합이 초기에 병류로부터 유체의 가속을 유발하고, 엔트레인먼트(entrainment)로 간주하는 공정인 제트에 이르게 합니다. 이러한 유체 전이는 병류 유선에서는 명백합니다. 즉, 관 개구부의 제트 하류쪽으로 유선이 구부려져 있습니다.
속도 값과 패턴
다음은 제트에서의 온도입니다. 연소 영역에서 최대 온도가 약 1960 K가 되는 것을 확인할 수 있습니다.
제트 온도
다음 그림은 이산화탄소 질량분율을 나타낸 것입니다. CO2 는 관출구에서 제트의 바깥방향으로 전단층을 생성합니다. 반응을 촉진하는 난류 혼합으로 연료가 산소와 반응하여 만들어지는 층입니다. CO2생성과 같이 이전 그림에서 보여준 온도 증가도 관출구에서 발생합니다. 이는 화염이 상승하거나 관으로 결부되지 않는 것을 시사합니다.
이산화탄소 질량 분율Carbon dioxide mass fraction.
해석 결과와 실험 데이터 비교
이제 시뮬레이션 결과와 실험 데이터를 비교해 봅시다. 아래 왼쪽 그림은 중심선에서 제트 온도 분포를 보여 주고 있습니다. 이 그래프에서 실선은 해석 결과이고, 사각형은 실험값입니다. 모델에서 예측한 최고 온도가 실험 결과에 유사한 것을 볼 수 있습니다.
모델 결과에서 온도 분포가 하류 방향으로 이동된 것을 볼 수 있습니다. 이유는 모델에서 복사를 고려하지 않았기 때문입니다. 반면, 오른쪽 그림은 파이프 하류에서 서로 다른 위치(관 직경 20배와 50배)에서의 수평방향으로의 온도 분포를 비교한 것입니다. 해석과 실험에서 얻은 값이 유사한 것을 볼 수 있습니다.
왼쪽: 중심선에서의 온도 비교.
오른쪽: 관하류에서 관직경 20배와 50배 떨어진 곳에서의 온도
실험과 제트의 축방향 속도를 비교하면, 아래 그림처럼 해당 위치(관 직경 20배와 50배)에서 아주 흡사한 것을 볼 수 있습니다:
관직경 20배와 50배 위치에서의 축방향 속도
마지막으로, 제트 중심선에서의 종 농도를 살펴 봅시다. N2와 CO 인 경우, 축방향 질량 분율은 실험과 거의 따라가는 것을 확인할 수 있습니다. H2O와 H2 는 실험값과 꽤 잘 맞는 것을 볼 수 있습니다(H2O는 약간 이동되었습니다). CO2와 O2 는 실험값과 비슷한 경향을 보이고 있으나, 아래쪽으로 이동된 것을 볼 수 있습니다. 여기서, 차이가 나는 것은 모델에서 복사를 고려하지 않았기에 발생하는 것으로 예측합니다. 하지만, 단순하게 고려한 반응구성과 와류분산모델이 정확성에 영향을 미친 것으로 보입니다.
제트 중심선을 따른 종들의 질량 분율 비교
