휘발유/에탄올 혼합연료의 자연점화온도 예측

Prediction of Autoignition Temperatures of Gasoline-Ethanol Blended Fuels

최근 다양한 생산기술의 발전을 통해 바이오연료의 생산이 크게 증가하였고, 석유와 같은 기존의 화석연료 등과 혼합연료를 만들어 소비를 장려하고 있다. 이와 같은 새로운 연료의 등장은 기존 에너지 시스템으로의 적용에 있어 화재 및 폭발의 위험성을 크게 증가시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서는 대표적인 바이오연료의 소비형태인 휘발유/ 에탄올 혼합연료를 사용하는 연소장에서 화재 및 폭발의 위험성을 예측할 수 있는 기법을 제시하는 것을 목적으로 하고 있다. 이를 위해 휘발유/에탄올 혼합기의 자연점화온도를 대상으로 수치해석하였고, 반응표면법을 이용하여 다 양한 변수조건에 대해서 예측에 대한 유효성과 효율성을 판단해 보았다. 당량비, 압력, 에탄올 분율 등에 대한 자연 발화온도 변화특성은 전체적으로 에탄올 함량과 압력에 큰 의존도를 보였으며, 에탄올 함량이 줄어들수록 압력에 대한 영향이 줄어들었다. 또한 계산을 통한 실험값과 반응표면법을 통해 얻은 기대값이 매우 잘 일치함을 알 수 있었다. 따라서 연료의 혼합 등 다양한 조건에서 운전하는 연소장에서 자연점화온도를 매우 적은 데이터로서 정확하게 예측할 수 있음을 확인하였다.

The recent development of biofuel production technology facilitates the widespread use of bioethanol and biodiesel by mixing them with fossil fuels. However, the use of these new blended fuels in combustion could result in severe safety problems, such as fire and explosion. In this study, numerical simulation was performed on the well-stirred reactor (WSR) to simulate the autoignition temperature (AIT) in homogeneous combustion and clarify the effect of ethanol addition on the AIT, the most important property for assessing the potential for fire and explosion. Response surface methodology (RSM) was introduced as a design of experiment (DOE), enabling the AIT to be predicted and optimized systematically with respect to three independent variables: ethanol mole fraction, equivalence ratio, and pressure. The results show that the autoignition temperature primarily depends on the ethanol mole fraction and pressure, while the effects of the equivalence ratio are independent of the AIT. RSM accurately predicted the experimental AIT, indicating that this method can be used to effectively predict the key properties involved in fires and explosions.