유동층 촉매소각용 알루미나 촉매의 유동화 및 마모특성

양 승 목, 김 한 수, 박 영 성, 송 광 섭*, 강 성 규*

대전대학교 환경공학과, *한국에너지연구소 촉매연소팀

Fluidization and Attrition Characteristics of Alumina Catalyst

for Fluidized Bed Incineration

Seung-Mok Yang, Han-Soo Kim, Yeong-Seong Park,

*Kwang-sup Song, *Sung-Kyu Kang

Department of Environmental Engineering, Taejon University

*Catalytic Combustion Division, Korea Institute of Energy Research

1. 서론

폐기물의 소각처리는 처리물의 감량화, 안정화, 에너지회수의 관점에서 유리한 점을 가지고 있어 여러 가지 폐기물처리 방안중에서 가장 확실한 대안으로 꼽히고 있다. 촉매소각은 고체 촉매를 이용해 비교적 저온 또는 저농도에서 연료를 산화시키는 것으로 연소 시작 온도가 화염 온도보다 낮아 배출가스 중 NOX 생성을 크게 줄이면서도 높은 연소효율을 얻을 수 있으므로 기술개발이 한창 진행 중에 있다.

촉매소각에 있어서 적용되는 공정은 고정층, 이동층, 유동층 방식을 들 수 있으며 반응기내 열 및 물질전달특성이 우수하며 균일한 온도의 유지가 가능한 공정의 선택이 중요한 요소가 되고 있다. 이러한 관점에서 유동층 공정은 연료의 혼합효과가 뛰어나며 반응기내 체류시간이 길며, 고수분, 저발열량 등의 저급 연료에 대한 적응성이 뛰어나 특히 하수슬러지, 폐수슬러지 등 각종 유해폐기물에 탁월한 효과가 예상된다.

한편 촉매를 이용한 유동층 소각에 있어서 촉매를 포함한 유동물질(bed material)의 마모작용은 촉매의 성능저하를 초래하거나 입자의 비산유출손실에 의한 충전물 보충과 비산분진 후 처리 문제를 야기하므로 장시간 조업시 아주 중요한 사항이 되고 있다.

본 연구는 폐기물의 유동층 촉매소각에 있어서 촉매 유동물질로 사용하는 알루미나 입자를 대상으로 상온용 유동화 실험을 수행하였으며, 실제 유동층 촉매 소각공정의 주요 설계인자인 시료 입자에 대한 마모속도, 마모유출비 등을 고찰하였다.

2. 실험

1) 실험장치

본 실험에 사용된 실험장치는 Fig.1과 같다. 유동층은 직경이 4인치 규격의 아크릴 원통관으로 제작되었으며, 총길이는 160cm 이다. 기체 분산판은 압력손실과 공기의 고른 분배등을 고려하여 다공판(perforated plate)을 사용하였는데 오리피스 직경 0.12cm, 핏치 1.1cm, 개구비(opening area ratio)는 1.0%이다. 비산입자는 사이클론에서 포집되어 사이클론 하부의 hopper에 저장되도록 하였다. 공기의 공급은 oilless 콤퓨레샤(압력 7kg/cm2, 용량 27Nm3)에서 공급되며, 공기중의 수분건조를 위해 건조기가 부착되어 있다. 또한 공급되는 공기의 유량과 압력조절을 위해 압력조정기(pressure regulator)와 유량계가 공기공급관에 설치되어 있다. 이밖에 유입되는 공기와 유동층내 압력측정을 위해 air plenum과 유동층 영역에 5개의 압력점(pressure tap)을 설치하였으며, U-마노메타가 콘트롤 판넬에 부착되어 있다. 유동층과 사이클론을 거친 공기는 배풍기(induced blower)를 거쳐 대기로 방출되도록 되어 있다.

(1) Compressor	(2) Dryer	(3) Control panel	(4) Fluidized bed reactor
(5) 1st Cyclone	(6) 2nd Cyclone	(7) Hopper	(8) Induced blower

[ Fig. 1 Fluidized bed cold mode combustor ]

2) 실험방법

유동층 촉매소각에 있어서 촉매는 알루미나입자를 그대로 사용하거나 표면에 팔라듐과 같은 귀금속을 담지시켜 사용하게 되므로 유동화특성에 관련된 여러 가지 실험에는 입자크기 1.4-1.7mm 범위에 들며 일정한 강도를 갖는 쌍용연구소에서 제조한 알루미나입자를 시료로 사용하였다. Table 1과 같은 물성을 갖는 알루미나를 유동층에 충진하고 콤프레샤와 건조기를 거쳐 건조된 공기를 air plenum을 통해 유동층 하부로 공급하면서 유동층이 형성되도록 한다.

일정유동화조건에서 마모에 의해 비산된 미세입자는 사이클론에서 포집되며, 실험을 통해 구해지는 마모속도 및 마모유출비는 다음식이 적용되었다.

[eqn: 마모속도(attrition ~ rate,~ mg/hr) = left(마모유출량 over 조업시간 right)= left( W sub a over t right)]

[eqn: 마모유출비(attrition~ loss ~ratio, ~%)=({마모유출량 over 유동물질초기충진량}) = ({ {W }_{a } } over { { W}_{b } } )]

유동층 마모실험에서는 유동물질의 충진량(bed weight, Wb)과 과잉기체속도(U-Umf)등의 파라메타가 적용되었으며, 이들을 포함한 실험조건은 Table 2와 같다. 또한 마모에 의해 유출된 미세입자에 대한 입도분석은 1□m 이하 크기까지 분석이 가능한 API Aerosizer를 이용하였다.

Table 1. Physical properties of alumina particle
Items	Values
Particle size	1.4 ∼ 1.7 mm
Density(true)	1.13 g/cm3
Average crush strength	45 Newton/grain
Specific surface area	205 m2/g
Pore volume	0.51 cc/g
Average pore diameter	99 Å
Table 2. Experimental condition
Variables	Operating ranges
Bed material type	Alumina
Fluidizing velocity (U)	50 ∼ 90 cm/sec
Excess gas velocity (U-Umf)	5 ∼ 50 cm/sec
Air supply	200 ∼ 450 l/min
Bed weight (Wb)	600 ∼ 1400 g
Static bed height	11 ∼ 25 cm

3. 결과

Fig.2의 a)와 b)는 유동물질의 충전량이 1000g에 대해 운전시간에 따른 마모유출누적량과 마모속도를 나타낸 것이다. 시간이 증가할수록 마모유출량은 지속적으로 증가되지만 마모속도는 시간이 지남에 따라 감소하는 경향을 나타내고 있다. 이는 마모작용이 운전 초기에 빠른속도로 진행되지만 어느정도 진행되어 표면의 거칠은 면이 감소되면서 마모율이 서서히 떨어지게 되는 것으로 판단된다.

Fig.3은 유동물질의 충전량 변화에 따른 마모속도를 나타내고 있다. 충전량이 1∼2.3배 범위에서 증가될 때 마모속도는1∼3.5배에 달하는 증가현상을 보여 유동층내 입자 마모에 있어서 충전량의 영향이 아주 크게 미치는 것으로 나타났다.

Fig.4는 과잉기체속도에 따른 마모에 의한 입자 크기 변화를 나타낸 것이다. 입자의 초기 직경을 1.5mm라 가정할 때, 공급되어지는 과잉기체속도에 따라 입자의 직경은 0.15∼0.88% 범위만큼의 차이를 보이고 있어 과잉기체속도가 입자마모특성에 커다란 영향이 있음을 나타내고 있다.

4. 참고문헌

1) 강성규, 문승현, 유인수, 하영옥, □촉매연소특성연구, Energy R & D, Vol. 15,     No.2, pp.34-48 (1993).

2) 박영성, 배달희, 한근희, 손재익, □폐기물의 유동층 소각기술고찰□, Energy R     & D. Vol. 16, No. 2, pp. 177-129 (1994).

3) 박영성, 손재익, □유동층 연소로에서 국내 저열량 무연탄의 마모특성□, 화학공     학, Vol. 28, No. 3, pp. 320-326 (1990).

4) Chirone, R., D'Amore., M., Massimilla, L. and Mazza, A., "Char Attrition      During the Batch Fluidized Bed Combustion of a Coal", AIChE J. Vol. 31,     No. 5, pp. 812-820 (1985).

5) Kono, H., "Attrition Rates of Relatively Coarse Solid Particles in Various      Types of Fluidized Beds", AIChE Symp. Ser. Vol. 77, No. 205, pp. 96-105     (1981).

Fig.2 Variation of cumulated attrition loss (a) and attrition rate (b) as a function of operation time ( bed weight : 1000 g)

Fig.3 Variation cumulated attrition rate as a function of bed weight		Fig.4 Variation of particle diameter as operation time