순환유동층에서 서로 다른 입자의 혼합에 따른 유동안정성 연구

김상현, 한귀영

성균관대학교 화학공학과

Flow Stability Characteristics of a Circulating Fluidized Bed with the Mixture of Different Particles

Sang Hyun Kim, Gui Young Han

Dept. of Chemical Engineering, Sung Kyun Kwan University, Suwon, 440-746

1. 서론

순환유동층(Circulating Fluidized Bed : CFB)은 고속의 기체와 크기가 작은 고체입자간의 긴밀한 접촉을 통하여 비교적 대규모의 여러 가지 화학적, 물리적 작업을 수행하는 유동층 기술의 한 분야로[1] 비교적 저속의 기체와 입자가 접촉하는 기포유동층과 비교하여 수력학적, 열전달 특성에서 큰 차이가 있으며 일반적으로 기포유동층에 비하여 기체-고체간의 혼합이 우수하고 유동층 단위체적당 취급용량이 크며 다양한 종류의 입자를 취급할 수 있다는 장점이 있다[2]. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 유동층내의 격렬한 혼합에 따른 고체입자간의 마찰, 입자와 벽면간의 마찰에 따른 정전기의 발생으로 입자들이 덩어리를 형성(agglomeration)하여 유동층내 입자들의 유동특성이 바뀌고[3] 입자의 농도분포가 불균일해지면서 이로 인하여 조업상에 심한 압력변동(pressure fluctuation)이 일어나게 되고 유동흐름의 불안정성이 발생되어진다.

따라서 본 연구에서는 순환유동층의 조업중 발생하는 유동흐름의 불안정성을 해결하는 방법으로 연구가 활발한 coarse particle의 첨가를 통한 유동흐름의 안정성을 살펴보고자 한다. 즉 일반적으로 순환유동층에 사용되는 fine particle에 coarse particle을 첨가하여 유동층내 흐름의 변화를 실험적으로 살펴보고 유동흐름에 영향을 주는 인자들의 역할을 규명해 보고자 한다. 또한 agglomeration의 주요 원인으로 여겨지는 입자간의 마찰에 의한 정전기를 방지하는 방법으로 제안되고 있는 유동화기체(공기)의 상대습도 조절을 통하여 유동흐름의 안정성과 습도와의 관계를 살펴보고자 한다.

2. 실험

실험장치는 고체입자의 흐름을 관찰할 수 있도록 아크릴 관(acrylic resin column)으로 제작되었으며 크게 공기공급장치, 유동층 상승관(riser), 사이클론, 그리고 입자 재순환용 기포유동층으로 구성되어 있다. 유동층 상승관의 내경은 0.04 m, 높이는 2.5 m 이고 벽면에는 압력강하를 측정하기 위한 4개의 pressure tap이 50 cm 간격으로 설치되어 있는데 입자의 유출을 막기 위하여 60 micron의 필터를 설치하였으며 각각의 pressure tap은 3개의 pressure transmitter와 연결되고 data acquisition unit를 통하여 유동층 상승관내의 압력강하를 전압값으로 측정하여 컴퓨터에 저장하였다. 또한 유동층 밖으로 비산되는 입자를 포집하기 위하여 2개의 사이클론을 직렬로 연결하였고 순환유동층의 주요 조업변수인 고체입자 재순환속도(solid circulation rate)를 계산하기 위하여 1차 사이클론 하단부에 measuring column을 설치하고 분산판이 부착된 butterfly valve를 이용하여 정상상태로 조업될 때 밸브를 닫고 입자의 축적속도를 측정하였다. 한편 습도의 영향을 알아보기 위하여 공기 공급장치와 유동층 상승관 사이에 내경 0.065 m, 높이 0.45m의 습도조절장치(humidi fier)를 설치하였다. 분사노즐(spray nozzle)을 통하여 물을 humidifier 내부로 공급하였고 출구에 설치한 습도 및 온도 측정 probe를 통하여 상대습도 및 온도의 변화를 측정하면서 각 실험조건에서 압력강하를 측정하였다.

본 실험에서는 fine particle로서 po lyvinylchloride(PVC, 109□m)와 poly  ethylene(PE, 538□m)를 사용하였고 coarse particle로서 glass bead(GB, 2000□m)와 sand(625□m)를 사용하였으며 우선 PVC와 PE만을 사용하여 압력강하값을 측정한 후 같은 실험조건에서 각각의 fine particle에 10% (Vol.%)의 glass bead, 5%(Vol.%)의 sand를 첨가한 후 압력강하값을 측정하여 서로 비교, 분석하였다.

Figure 1. Schematic diagram of CFB facility

3. 결과 및 고찰

3-1. Effect of coarse particles

Figure 2는 일정 공기공급속도에서 순환유동층의 riser내부에서 측정된 압력강하변동을 시간에 따라 나타낸 그림이다. 여기서 시간은 그림상에서 압력변동의  차이를 더 잘 나타내주기 위하여 총 data중 0∼35 sec의 data를 취하였다.

Figure 2. Pressure drop fluctuation signals for different Gs and riser height (Ug = 2.69 m/s)

정상상태에서 실험을 진행하였으므로 시간에 따른 압력변동의 차이는 크지 않았다. 공기공급속도 Ug는 glass bead(GB)의 최소 유동화 속도이상에서 유지하였으며 B, M, U는 riser의 높이에 따라 각각 bottom zone(0.25 m∼ 0.75 m), middle zone(0.75 m∼1.25 m), upper zone(1.25 m∼1.75 m)을 나타낸다. (a)와(b) 모두 PE만을 사용한 경우보다 10%의 GB를 첨가한 경우에서 fluctuation이 더 작아짐을 보여주고 있으며 고체입자 재순환속도(Gs)가 증가할수록 fluctuation도 증가하지만 coarse particle에 의한 fluctuation 감소 경향은 그대로 유지됨을 알 수 있다. 또한 riser의 높이에 따른 fluctuation의 정도가 fine particle만을 사용한 경우보다 coarse particle을 첨가한 경우에서 비교적 일정하게 나타나고 있는데 이는 유동층내의 축방향 농도분포가 보다 균일해져 입자들의 흐름이 안정화되어 있음을 보여준다고 할 수 있다.

Figure 3. Pressure drop fluctuation signals for different gas velocity

Figure 3은 PVC와 sand를 사용하여 공기공급속도를 변화시키면서 upper zone에서의 압력강하변동을 나타낸 그림이다. (a)에서 공기공급속도가 낮을 때는 fluctuation이 크게 나타나고 있는 데 이는 particle이 충분히 유동화되지 못하여 fully developed flow에 미치지 못하기 때문으로 판단된다. 반면 (b)와 (c)에서 처럼 공기공급속도(Ug)가 증가하게되면 fluctuation이 감소하게 되고 riser내의 흐름이 균일해 진다. 따라서 공기공급속도의 결정이 유동특성에 영향을 미치는 중요한 인자임을 확인할 수 있었고 또한 coarse particle을 첨가함으로써 fluctuation의 감소가 뚜렷이 나타나고 있는 데 이는 coarse particle이 fine particle의 baffle 역할을 하여 압력변동 특성이 향상되는 것으로 볼 수 있다.

3-2. Effect of humidity

본 실험에서 사용된 particle은 PE resin으로서 이들은 높은 표면저항에 기인한 전하를 띄고 있어 유동층내에서 입자간의 마찰로 생기는 정전기(electrostatic charge)에 의하여 서로 정전기적 인력이 작용하여 agglomeration이 쉽게 일어나게 된다. 또한 PE와 riser 벽면과의 마찰에 의해서도 정전기가 일어나  PE 입자들이 벽면에 달라붙는 현상을 나타낸다. 이러한 정전기를 방지하는 방법으로 유동화기체(공기)의 상대습도를 높이는 방법을 사용하여 압력변동과 습도와의 관계를 살펴보았다.

Figure 4는 상대습도가 12%일때와 65%일때의 압력변동을 비교한 그림이다. 65%의 습도에서 12%보다 현격하게 압력변동이 감소함을 알 수 있다. 이러한 결과는 particle 표면에 물분자들이 물리적 흡착을 하게되는 현상으로 설명할 수 있다. 즉 유동층내에 존재하는 물분자의 양이 증가할수록 입자-입자, 입자-벽면 간의 마찰을 감소시킬 수 있게 되어 정전기가 그 만큼 방지되고 fluctuation이 감소하게 되는 것이다.

Figure 4. Pressure drop fluctuation      Figure 5. Normal distribution curves of

signals for different relative             pressure drop for different

humidity(Ug = 2.69 m/s,               relative humidity(Ug = 2.69 m/s,

Gs = 8.2 kg/m2-s)                      Gs = 8.2 kg/m2-s)

Figure 5는 압력변동을 확률밀도함수(probability density function)를 사용하여 나타낸 그림으로 상대습도가 65%일 때가 12%일 때 보다 훨씬 narrow한 모양을

띄고 있다. 이는 압력변동값들이 습도가 클 때 작은 standard deviation을 가짐을 다시 한 번 확인 시켜주고 있다. 이로써 습도가 유동흐름에 커다란 영향을 미침을 확인할 수 있었고 또한 60%이상의 습도에서 PE particle의 전기적 행동이 습도의 영향을 받게된다는 연구결과[4]와도 잘 일치하고 있다.

4. 참고문헌

1. Han, G. Y. and J. W. Choi, : Chemical Industry and Technology, vol.13,       29(1995).

2. Yerusalmi, J. and Cankurt, N. T. : Powder Technology, 24, 187(1979).

3. Wolny, A. and W. Kazmierczak, : Chem. Eng. Sci., 44, 2607(1989).

4. Jiang, P., Zhang, J. and L.-S. Fan, : in Circulating Fluidized Bed              Technology Ⅴ, edited by Kwauk, H. and Li, J., Science Press, 188(1997).