순환유동층에서 온도변화에 따른 고속유동층으로의 전이유속 변화

류 호 정, 배 달 희, 선 도 원, 진 경 태, 이 동 규*

한국에너지기술연구원 유동층기술연구센터

*충북대학교 공업화학과

Transition Velocity from Turbulent fluidization to Fast Fluidization in a Circulating Fluidized Bed at High Temperature

Ho-Jung Ryu, Dal-Hee Bae, Dowon Shun, Gyoung-Tae Jin and Dong-Kyu Lee*

Fluidization Research Center, Korea Institute of Energy Research, Taejeon 305-343

*Dept. of Ind. Chem., Chungbuk National University, Chongju 361-763

서 론

난류유동층(turbulent fluidized bed)에서 유속이 더욱 증가하면 입자의 비산유출이 급격히 증가하게 되고, 유속이 입자수송속도를 넘으면 층내 모든 입자는 비산유출되며 사이클론 등에 의한 재순환이 없이는 층내 입자밀도를 유지할 수 없는 상태에 이르게 되는데 이를 고속유동층(fast fluidized bed)이라 한다.  고속유동층에서 층내 입자농도는 재순환되는 고체의 유량에 따라 변화하며 축방향 높이에 따라 고체농도가 거의 일정하게 유지되고 층내 고체량의 유지를 위해서는 원활한 고체순환이 요구된다.  고속유동층 조업은 고체의 역혼합에 의해 연소로의 경우 온도분포가 균일해질 뿐 아니라 주입된 차가운 고체 및 공기가 빠르게 조업온도로 가열될 수 있는 특징이 있어서 순환유동층연소로, 가스화 반응기 및 기타 화학반응기에 널리 사용되고 있다[1, 2].

난류유동층에서 고속유동층으로 전이되는 유속은 층물질이 재순환 되지 않는 회분식 조업에서 유속을 높일 수 있는 한계유속이 되며 비산된 층물질이 재순환되는 연속조업의 경우 농후상과 희박상의 경계(dense-dilute interface)가 없어지는 가장 낮은 유속이 된다[2].

고속유동층으로의 전이유속에 대한 기존의 연구들을 종합적으로 재고하면 순환유동층연소로의 조업조건과 같은 고온유동층 조건에서, 고속유동층으로의 전이유속에 미치는 온도의 영향에 대해서는 보고된 바 없으며 제시된 상관식들도 레이놀즈수(Retr)와 아르키메데스수(Ar)에 기체밀도와 기체점도의 항이 포함되어 있으나 기존 실험들은 대부분 상온, 상압의 실험조건에서 수행된 결과이기 때문에 고온에서의 적용 가능성에 대해서는 실험결과와의 비교를 통한 확인이 필요하다.  또한 여러 상관식들이 제시되어 있기 때문에 기존 상관식들과 실험결과와의 비교, 검토를 통해 고속유동층으로의 전이유속을 가장 적합하게 예측할 수 있는 상관식을 선정하는 것이 고속유동층 전이유속을 이해하는데 도움을 줄 수 있다.

본 연구에서는 기체유동층에서 온도의 변화에 따른 고속유동층으로의 전이유속의 변화를 해석하기 위해 모래를 층물질로 사용하여 층온도를 변화시키면서 고속유동층으로의 전이유속을 측정 및 고찰하였다.

실 험

Fig. 1은 본 실험에 사용된 고온 순환유동층 실험장치를 나타내고 있다.  전체 장치는 상승관(riser), 사이클론, downcomer와 L-valve로 구성되어 있다.  상승관과 downcomer는 내경 0.02m, 높이 2.0m의 투명한 석영관(quartz tube)으로 제작되었고 downcomer 상부에는 사이클론을 설치하였다.  유동화기체로는 공기가 사용되었으며 가스미터로 보정한 디지털 유량계로 정량되어 상승관 하부로 주입되도록 하였다.  층내 압력신호는 L-valve를 통해 고체가 재주입되는 위치로부터 높이 0.05m와 1.7m에 위치한 압력점을 차압형 압력변환기와 연결하여 측정하였다.  상승관과 downcomer의 온도조절을 위해 상승관은 4kW의 용량을 갖는 전기히터 4개, downcomer는 6kW의 전기히터 2개를 사용하여 가열하였으며 온도조절기로 원하는 온도를 유지시켰다.  비산된 고체는 사이클론에서 포집되어 downcomer와 L-valve를 통해 상승관으로 재주입되었다.

실험에 사용된 입자는 모래로서 평균입경은 0.256mm, 입자밀도(apparent density)는 2617kg/m3, 벌크밀도 1222kg/m3이다.

각 유속조건에서의 압력요동 특성을 측정하기 위해 먼저 입도와 무게가 측정된 층물질을 downcomer에 위치한 고체시료 주입구에 넣은 후 Fig. 1의 Q1과 Q2 부분에 공기를 주입하여 상승관 쪽으로 고체가 순환되도록 하였다.  상승관으로 재주입되는 고체량은 Q1의 유량을 변화시켜 조절할 수 있었다.

Fig. 1. Schematic diagram of

experimental apparatus.

1. Riser, 2. Cyclone,

3. Downcomer, 4. Feed hopper,

5. L-valve, 6. DP transducer,

7. A/D converter, 8. PC

원하는 유속과 온도조건에서 층내 압력요동이 주기적인 경향을 보일 때를 정상상태로 고려하였으며 정상상태에서 층의 압력요동 신호를 측정하였다.  고속유동층으로의 전이유속은 emptying time method를 이용하여 결정하였다.  원하는 유속과 온도조건에서 정상상태를 유지하다가 L-valve를 통해 상승관으로 재순환되는 고체의 흐름을 막으면 상승관에서는 고체의 비산유출이 일어나 층내 고체량이 감소하게 되며 이때의 층내 압력강하도 시간이 지남에 따라 감소하게 된다.  상승관으로의 고체 재순환을 막은 순간부터 입자 비산에 의해 층내 고체량이 감소하여 층내 압력강하 신호가 감소한 후 거의 일정해질 때까지의 시간을 emptying time으로 결정하였다[3, 4].  Emptying time의 정확한 결정을 위해 층내 압력강하를 차압형 압력변환기와 A/D converter에 의해 디지털 신호로 측정하였다.  고속유동층으로의 전이유속 측정을 위한 실험은 주어진 조건에서 3회 반복실험을 통해 재현성을 고찰하였다.

각 실험조건에서의 압력신호는 압력변환기(차압형, validyne, P24D Model)를 사용하여 전압(±5V)-시간 신호로 바꾸어 자료수집계(data acquisition system, Real time devices Inc., AD2110 Model)를 거쳐서 PC에 저장하였다.  각 실험조건에서 압력신호는 100Hz의 주파수로 10000개를 수집하였다.

결과 및 고찰

1. 고속유동층으로의 전이유속 결정

Fig. 2는 본 연구에서 emptying time 결정에 사용된 방법을 나타내고 있다.  본 연구에서는 층내 압력강하를 차압형 압력변환기를 이용하여 측정하였다.  그림에서 40초까지는 상승관에서 비산된 고체가 L-valve를 통해 상승관으로 다시 주입되는 정상상태의  압력신호를 나타낸다.  이러한 정상상태 조건에서 상승관으로의 고체 재주입을 막으면 상승관으로의 고체 보충이 없으므로 입자비산에 의해 층내 고체량이 감소하게 되며 상승관에서의 압력강하도 감소하게 된다.  Fig. 2는 정상상태에서부터 압력신호를 측정하기 시작한 후 40초가 되었을 때부터 고체를 재순환시키지 않은 경우의 압력신호를 나타내고 있으며 그 시간 이후부터 층내 압력강하가 감소한 후 대부분의 입자가 비산유출되면 압력신호가 일정해졌다.  본 연구에서는 층의 압력강하가 감소한 후 일정해지기 시작하는 시간을 emptying time으로 결정하였다.  압력변환기로 층내 압력요동 신호를 측정하여 emptying time을 결정하는 방법은 압력계의 시각적 관찰에 의해 결정하는 방법에 비해 정확한 값을 측정할 수 있는 것으로 사료되었다.  그림에 나타난 바와 같이 주어진 조건에서 3회에 걸쳐 반복실험을 하였으며 3회의 실험에서 얻은 emptying time 값은 거의 유사하였고 편차는 최대 1초 이내였다.

Fig. 2. Bed pressure drop versus time - emptying time determination.	Fig. 3. Emptying time versus gas velocity - Utr determination.

2. 고속유동층으로의 전이유속에 미치는 온도의 영향

Fig. 4는 상온부터 600℃까지의 온도변화에 따른 고속유동층으로의 전이유속 변화를 나타내고 있다.  그림에 나타난 바와 같이 온도가 증가함에 따라 고속유동층으로의 전이유속이 증가하는 경향을 나타내었다.  이와 같은 경향은 온도변화에 따른 입자비산속도의 변화경향과 관련하여 해석할 수 있다.  입자비산속도에 미치는 온도의 영향에 대한 기존 연구를 살펴보면 연구자들에 따라 온도증가에 따라 입자비산속도가 감소한다는 보고와 증가한다는 보고 및 온도의 영향이 거의 없다는 보고 등 서로 다른 결과가 제시된 바 있다.  이렇게 서로 다른 연구결과에 대해 Choi 등[5]과 Ryu와 Choi[6]는 온도변화에 따른 입자비산속도의 변화경향을, 주어진 유속이 그 입자의 종말속도(terminal velocity)와 같아지는 입경(dpt)의 변화를 이용하여, 정성적으로 나타낼 수 있다고 보고하였다.  즉, dpt의 증가는 입자에 가해지는 항력의 증가를 의미하고 이어서 입자비산속도의 증가를 예측할 수 있으며, 역으로 dpt의 감소는 입자비산속도의 감소를 예측할 수 있다고 보고하였다.  또한 그들은 모래입자(평균입경 0.172mm, 입자밀도 2509kg/m3)를 사용하여 측정한 실험결과에서 낮은 유속(0.8m/s)에서는 온도가 증가함에 따라 총괄입자비산속도가 증가하고, 중간유속(1.0-1.6m/s)에서는 온도증가에 따라 감소한 후 다시 증가하며, 높은 유속(2.1m/s)에서는 온도가 증가함에 따라 계속적으로 감소하는 것으로 보고한 바 있다.  본 실험에 사용한 모래입자(평균입경 256□m, 입자밀도 2617kg/m3)에 대해 계산된 dpt의 변화를 살펴보면 실험조건의 모든 유속범위에서 온도가 증가함에 따라 dpt가 감소하였으며 결과적으로 본 연구의 유속범위에서는 일정 유속에서 온도가 증가함에 따라 입자비산속도가 감소하는 것을 예측할 수 있다.  따라서 온도가 증가하면 입자비산속도가 감소하므로 고속유동층으로의 전이가 이루어지기 위해서는 더 높은 유속이 필요한 것으로 사료되었다.

Fig. 4. Transition velocity from turbulent to fast fluidization versus temperature.

감 사

본 연구는 과학기술부 국가지정연구실사업의 일환으로 수행되었습니다.  연구비지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. Arnaldos, J. and Casal, J.: Powder Technology, 86, 285(1996).

2. Bi, H. T., Ellis, N., Abba, A. and Grace, J. R.: Chem. Eng. Sci., 55, 4789(2000).

3. Shin, B. C., Koh, Y. B. and Kim, S. D.: HWAHAK KONGHAK, 22, 253(1984).

4. Han, G. Y., Lee, G. S. and Kim, S. D.: Korean J. of Chem. Eng., 2, 141(1985).

5. Choi, J. H., Choi, K. B., Kim, P., Shun, D. W. and Kim, S. D.: HWAHAK KONGHAK, 33(5), 580(1995).

6. Ryu, H. J. and Choi, J. H.: HWAHAK KONGHAK, 35(2), 173(1995).