내부순환유동층에서의 고체 순환속도 예측

김 요한, 이 시훈, 노 선아, 이 동현, 김 상돈

한국과학기술원 화학공학과 및 에너지□환경연구센터

Estimation of solid circulating rate in internally circulating fluidized bed

Yo Han Kim, See Hoon Lee, Seon Ah Roh, Dong Hyun Lee and

Sang Done Kim

Dept. of Chem. Eng. and Energy & Environment Research Center

KAIST, TaeJon, Korea

서론

최근 고도의 산업발전과 경제성장으로 인하여 도시 및 산업체에서 발생되는 폐기물의 양은 점차 증가하고 있다. 그러나 단순 매립에 의존하는 폐기물의 처리는 2차 오염 및 매립지의 한계를 유발하여 사회 문제로 대두되었다. 따라서 고형 폐기물을 소각시킬 수 있는 다양한 방식의 소각로의 개발이 필요하게 되었다.

유동층을 이용한 소각로는 세계적으로 널리 이용되고 있으나 연소 효율이 낮고 긴 체류시간을 필요로하는 폐기물의 경우 이용하는 것이 매우 힘들다. 따라서 고체를 재순환시켜 연소 효율 및 체류시간을 증가시킨 내부순환유동층의 개발이 필요하게 되었다. 내부순환유동층은 draft tube 나 평판 (partition plate) 을 설치하여 두 개의 층으로 분리하고 분산판 위의 orifice opening 을 통해 입자를 이동층 (moving bed) 에서 유동층 (fluidized bed) 으로 강제 순환시키는 방식이다.  Draft tube를 갖는 내부순환유동층은 annulus 보다 draft tube 로 더욱 빠른 유속의 기체를 주입함으로써 발생하는 draft tube 와 annulus 간의 밀도차로 인하여 입자들이 draft tube 위로, annulus 의 아래로 순환하는 패턴을 형성한다. 입자순환을 보다 원활히 하기 위해 보통 annulus 는 최소 유동화 상태에 가깝도록 유지한다.

내부순환유동층 소각로는 설계 개념이 단순하고, 운전 온도가 낮다는 일반적인 유동층의 장점을 살리고, 열의 효율적인 운용이 가능한 순환유동층의 장점을 동시에 가지고 있는 새로운 개념의 소각로다. 내부순환유동층을 소각로로 사용하는 경우 입자순환 특성으로 인하여 반응기로부터 미세입자들이 비산 유출되는 정도를 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라 미세입자들의 반응기내 체류시간이 훨씬 길어지기 때문에 전형적인 유동층에 비해 높은 소각효율을 얻을 수 있다. 특히 토양세척기법으로 오염물질 제거가 어려운 미세토양 (250□ 이하) 의 소각시 이 같은 장점을 충분히 살릴 수 있다. 또한 함수율이 높은 슬러지의 소각시, draft tube 에 의해 반응구역을 각각 연소구역 (draft tube region) 과 건조구역 (annulus region) 으로 나눔으로써 슬러지의 탈수와 건조에 대한 전처리 공정을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다 [1,2].

내부순환유동층 소각로의 개발과 그 조업을 위해서 고체입자의 순환 특성을 고찰할 수 있는 cold bed 실험은 매우 중요하다. 본 실험에서는 draft tube 에 orifice를 가지는 내부순환유동층을 이용하였으며 미세입자의 비말동반을 줄이고, 강제 하방 흐름을 주기 위해 draft tube 상부에 impact cap 을 설치하였다. 이를 이용하여 유동 매체의 입도, 공기유속 등의 조업 조건에 따른 고체순환속도를 측정하였으며 orifice 의 압력을 이용하여 고체순환속도를 예측하는 상관식을 개발하였다.

실험장치

본 연구에서는 orifice 형태의 draft tube 를 갖는 내부순환유동층 장치 내에서 수력학적 특성을 고찰하기 위하여 상온실험 (cold model) 을 수행하였다. 본 연구에 사용된 draft tube 를 갖는 내부순환유동층 반응기의 개략도는 Fig. 1 에 나타내었다. 내부순환유동층 (0.28 m-I. D. × 2.1 m- height) 은 입자흐름을 관찰할 수 있도록 acryl column (thickness 10mm) 으로 제작되었다. 장치는 크게 세 부분 (air box 와 분산판, 주탑, freeboard) 으로 나눌 수 있다. 공기 압축기에서 나오는 공기는 filter 를 거쳐 rotameter 로 속도가 조절되어 air box로 주입된다. Air box 는 draft tube 와 annulus 로 공기를 독립적으로 공급할 수 있도록 설계되었다. Air box 를 통해서 draft tube 와 annulus 에 각각 공급된 air 에 의해 입자들이 유동화 되며, draft tube 하부에 위치한 orifice 를 통해 입자들이 draft tube 위쪽으로 annulus 의 아래로 입자순환이 일어날 수 있도록 하였다. 분산판으로부터 0.76 m 지점에는 프렌지를 설치하여 draft tube 를 고정시켰다. Draft tube 는 주탑을 두 부분으로 나누게 된다. Draft tube 안쪽은 기포 (또는 슬러그) 가 있는 유동층 (bubbling fluidized bed or slugging bed) 으로 annulus 쪽은 기포가 없는 이동층 (moving bed) 으로 이루어진다. Draft tube와 annulus 에는 분산판으로부터 0.04 m. 0.46 m, 0.66 m, 0.84 m 지점에 압력탭이 각각 설치되어 있고 물을 채운 U자 모양의 manometer 로 annulus 의 축방향 압력차를 측정하였다. 압력의 fluctuation 이 심한 draft tube 내부는  pressure transmitter 를 이용하여 압력차를 측정하였다.

Draft tube 의 상부에는 impact cap 을 설치하여 입자들이 강제순환 되도록 하였으며, 반응기를 통하여 빠져나가는 미세한 모래는 cyclone 으로 포집하였다.고체 입자는 분산판으로부터 1.3 m 위에 있는 투입구를 통해서 주입되며, 배출은 0.21 m 지점의 배출구를 통해서 이뤄진다.

Draft tube 와 annulus 를 통한 압력강하는 transmitter 와 manometer 에 의해 측정하였다. Hopper 에서 450-500 ℃ 로 가열된 추적자입자를 solenoid valve를 이용하여 이동층의 분산판 위 0.58 m 되는 지점에 설치된 L-모양의 tube를 통해 pulse 로 공기수송에 의해 주입하였다. 이동층으로 들어온 가열된 모래는 분산판 위의 0.51 와 0.46 m 지점에 설치되어 있는 두 개의 thermistor probe 를 통과하게 되고, 이때 probe 에서 유발된 저항차가 bridge circuit 을 통해 전압으로 증폭되어 data acquisition system 을 통해 personal computer 에 저장된다. 벽면에서의 Shear stress 는 무시할 수 있을 정도로 작아서 annulus 의 흐름이 plug flow 라고 가정하였으며, 측정된 두 signal 사이의 time-lag 와 두 thermistor probe 사이의 거리로 이동층에서 입자의 평균속도를 계산하였다.

결과 및 고찰

Fig. 2 은 정지층 높이가 0.86 m 일 때 입자순환속도에 대한 draft tube 로 주입되는 기체유속의 영향을 보여주는 그림이다. Draft tube 로 주입되는 기체유속 (Ud) 이 증가함에 따라 고체입자의 순환속도는 증가하는 경향을 가진다. Draft tube 로 주입되는 기체유속이 annulus 로 주입되는 기체유속보다 빠를 경우, 이동층 (annulus) 과 유동층 (draft tube) 사이의 밀도차는 커지고 이는 입자를 순환시키는 구동력이 된다 [3]. 본 실험에서 impact cap 을 사용하지 않았을 때 draft tube 로의 기체유속이 증가할수록 draft tube 내부의 고체 체류량은 감소하고, 이는 annulus 와의 밀도차를 증가 시켜서 solid circulation rate 를 증가시키는 경향을 나타냈다. 또한 annulus 로의 유속이 충분하더라도, draft tube 로 주입되는 기체유속이 2Umf 가 되기 전까지는 solid circulation 이 발생하지 않았다. Choi [4]는 입자의 순환을 얻기 위해서는 draft tube 로의 유속이 2.5Umf 이상이 되어야 한다고 했는데, 이는 본 실험과 매우 유사한 경향을 나타내는 것이다.

Fig. 3 은 impact cap 을 설치한 후 draft tube 로의 유속을 3Ut 까지 올렸을 때 고체입자의 순환속도 변화를 나타내는 그림이다. Fig. 2 와는 다르게 draft tube 로의 기체유속이 증가함에 따라 고체입자의 순환속도는 점점 증가하다가 Ud/Ut 가 1.8 에 이르게 되면 maximum 값을 가진다. Draft tube 로의 유속이 1.8Ut 이상에서는 그림처럼 입자순환속도는 8-15 % 감소하는 경향을 보인다. 이는 높은 유속에서 조업시 고체입자들이 impact cap 에 부딧혀서 강제 하향흐름을 가지게 되어서, draft tube 내부의 고체체류량을 증가시키고 이로 인해서 annulus 와 draft tube 내부의 밀도차를 줄이기 때문이다.

Fig. 4 는 annulus 로 주입되는 기체유속을 1.28Umf 로 유지시키고 draft tube 로 주입되는 기체유속은 1.8Ut 까지 증가 시켰을 때 입자의 순환속도에 대한 impact cap 의 영향을 나타내는 그림이다. 그림에서 impact cap 을 설치한 경우 입자의 순환속도는 impact cap 이 없을때에 비해서 거의 변화가 없거나 약간 (3 %) 상승했다. 이는 draft tube 로의 유속이 1.8Ut 이하에서의 유동층 상태는 기포유동층이거나 슬러깅유동층으로 조업되기 때문에 impact cap 이 입자의 순환속도에는 거의 영향을 주지 못하고 있기 때문이다. 그러나 Fig. 3 처럼 고속유동층 조업이 이루어질 경우 impact cap 에의한 입자순환속도의 감소는 매우 크게 나타난다. Draft tube 로의 유속이 2Ut 이상에서는 입자의 비말동반이 너무 크게 나타나기 때문에 impact cap 을 설치하지 않고 고체입자의 순환속도를 측정할 수가 없었다.

고체순환속도를 예측하기 위하여 Bernoulli's equation 에 기초한 orifice theory 를 이용하였다. 유동층에서 레이놀드수가 충분히 클 때 annulus 에서의 밀도가 최소유동화 상태에서의 bed 밀도와 같다고 가정하고 mass balance를 도입하여 기체유속, 입자의 크기 등의 조업변수로 orifice 상관식을 만들면 다음과

같은 고체순환속도 상관식을 구할 수 있다. Fig. 5에서 ±20 % 의 오차 내에서 잘 일치하고 있음을 알 수 있다.

[eqn: G_s = 0.31({S_or} over {S_a}) sqrt {2rho_s {(1-epsilon_mf )} Delta P_or }]	(1)

(단 Ud/Ut ≤ 1.8, with or without impact cap)

[eqn: Delta P _or = 794.5( {U_d over U_t} )^0.486 ( U_a over {U_mf} )^0.7 ( d_p over {d_or} )^0.01]

결론

Draft tube 를 갖는 내부순환 유동층에서 수력학적특성에 대한 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻었다. Draft tube 로 주입되는 기체유속이 증가할수록 오리피스를 통한 압력차는 증가하고, 이는 입자의 순환속도를 증가시킨다. 오리피스를 통한 압력차는 draft tube 로의 유속이 1.8Ut, annulus 로의 기체 유속이 1.5-1.67Umf에서 최대값을 가진다. Impact cap을 설치한 수 draft tube 로의 유속이 증가함에 따라서 bed voidage, 오리피스를 통한 압력차, 입자의 순환속도가 모두 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 높은 입자순환속도를 얻기 위해서 Ua 는 annulus 영역이 기포 유동층이 되기 전 1.5-1.67 Umf, 가 적당하며, Ud 는 10-13 Umf 에서 조업해야 한다.

참고문헌

1. Ahn, H. S., Lee, W. J., Kim, S. D. and Song, B. H., Korean J. Chem.	Eng., 16(5), 618 (1999).

2. Kim, Y. H., M. S. Thesis, KAIST (2001).

3. LaNauze, R. D., Powder Technol., 15, 117 (1976).

4. Choi, Y. T., Ph. D. Thesis, KAIST (1991).