수직관에서 철광석의 기송건조특성

남궁 원, 조 민영

포항산업과학연구원 용융환원프로젝트팀

Pneumatic Drying of Iron Ore in a Vertical Tube

W. Namkung and M. Cho

Smelting Reduction Research Team, Research Institute of Industrial Science and Technology(RIST), Pohang, Korea, 790-600

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

서  론

현재 전세계적으로 분체의 사용량이 증가되고 있는 추세이다. 그래서, 이에 대한 활용방안에 대한 연구가 활발히 진행중에 있으며, 분체의 수송에 대한 관심도 증가되고 있다. 분체를 반응기에 장입하기 위해서는 대부분 건조 과정을 거치게 된다. 기류건조기 (pneumatic conveying dryer)는 매우 짧은 체류시간으로 인하여 열적으로 민감한 입자를 건조 할 수 있고, 기체와 고체의 병류흐름으로 기체의 주입온도를 높게 유지 할 수 있으며, 제어가 용이하고 유지비가 저렴하다는 장점이 있다[1].

현재 국내에서는 시멘트 공정에 싸이클론 기송건조반응기를 사용하여 석회석의 건조에 사용하고 있으며, 최근에는 원료를 건조하면서 미분쇄와 분급기능의 단위조작을 복합화 처리하는 직접 가열식 기류건조기가 일부 국내 업체에 의해서 상품화되고 있다. 벨기에 SIDMAR사는 분광과 석회석을 싸이클론 기송방식으로 건조 및 예열하는 SIDCOMET 공정의 pilot plant test를 거쳐 연 70만톤의 상업화 공장을 건설할 예정이다. 비록, 다양한 입자의 건조에 기류건조기가 사용되고 있지만, 철광석을 사용한 기류건조에 대한 연구는 거의 없는 실정이다.

그러므로, 본 연구에서는 기존의 기송특성에 대한 연구를 바탕으로[2] 철광석을 사용하여 기체유속, 입자 장입량 및 주입되는 기체의 온도에 따른 건조특성을 연구하여 철광석의 기류건조기 설계시 기초자료를 확보하고자 하였다.

실  험

본 연구에서 사용된 수직관 공기이송 장치의 개략도는 Fig. 1 과 같다. 전체 장치는 상승관 (riser), 공기가열기, 사이클론 (cyclone), 호퍼와 rotary 밸브로 구성되어 있다. 상승관의 내경은 0.078 m 이고, 분산판으로부터 상승관 상단까지의 높이는 6.0 m 이며, 상승관은 stainless steel로 제작되었다. Compressor (용량 500 Nm3/hr, 5 bar)에서 공급되는 공기는 필터와 dryer를 거쳐 공기가열기에서 원하는 온도로 가열되어 상승관내로 주입이 되었다. 하부의 분산판은 다공판 (perforated plate) 형태로 제작되었다. 상승관에서 싸이클론으로 연결되는 출구부분은 90 도의 각을 갖는 직각형태이며, 비산유출되는 고체 입자를 포집하기 위하여 상승관 출구에 직경 0.26 m 인 싸이클론를 설치하였고, 싸이클론에서 포집되지 않은 미분은 최종적으로 bag filter에서 포집이 되었다. 싸이클론에서 포집된 입자는 호퍼에 저장되었다가 수분함량이 측정된 후 배출되었다. 입자는 장입호퍼에서 가변속 모터(variable speed motor)에 의해 회전속도가 제어되는 rotary 밸브를 사용하여 상승관내로 주입되었다. 상승관 내의 압력분포를 측정하기 위하여 상승관의 벽면에는 0.2 m 간격으로 pressure tap 을 설치하였다. 압력을 측정하기 위하여 pressure transducer 와 A/D converter를 사용하였고, 여기서 나오는 신호는 PC를 사용하여 저장하였다. 상승관내의 온도를 측정하기 위하여 분산판위 0.5, 1.3, 3.4 와 5.4 m 지점에 thermocouple를 설치하였다.

실험은 먼저 철광석입자를 호퍼에 장입한 후 상승관이 비어있는 상태에서 공기를 원하는 온도와 기체유속으로 상승관내로 공급하였다. 이 상태에서 calibrated rotary valve를 사용하여 고체입자를 상승관내로 주입하면서 상승관내의 축방향 압력분포 및 온도를 측정하였다. 철광석입자의 수분함량을 측정하기 위하여 싸이클론 입구와 배출호퍼에서 철광석입자를 포집하였다. 기체유속은 15 - 27 m/s, 기체주입온도는 100 - 400 oC, 광석 장입량은 0.05 - 0.3 kg/s로 변화시키면서 실험을 수행하였다.

Fig.  Experimental apparatus

1. Riser, 2. Cyclone, 3.6 Hopper

4. Heat exchanger, 5. Bag filter

7. Rotary valve & motor,

8. Loop-seal

실험에 사용한 광석입자는 호주산 Hamersley로 0.5 - 2.0 mm의 입자분포를 가지며 입자의 밀도는 4500 kg/m3이다.

결과 및 고찰

Fig. 2에 장입량과 기체온도를 일정하게 유지할 때 기체유속의 변화가 입자의 건조에 미치는 영향을 나타내었다. 주입되는 기체의 온도는 200도이며, 초기 광석의 수분함량은 6.5 %이다. 그림에서 보듯이 철광석의 건조는 기체유속이 증가될수록 크게 증가하였다. 기체유속의 증가는 입자유속의 증가를 가져오고 이것은 입자의 상승관내 체류 시간을 감소시킨다. 그러나, 이에 반하여 기체에 의하여 입자에 전달되는 열을 증가시킨다. 전체적으로 장입량이 일정한 경우 기체유속의 증가로 후자의 영향이 전자의 영향을 능가하기 때문에 입자의 건조는  증가하였다. 광석의 장입량이 0.152 kg/s 이고, 기체유속이 15 m/s 인 경우 도리어 입자의 건조 효율이 높게 나타났다. 이것은, Fig. 3의 높이에 따른 축방향 압력강하에서 볼 수 있듯이 유속이 낮은 경우 기송관 하부에 고체체류량이 크게 증가하였기 때문이다. 기체유속이 15 m/s인 경우 기존의 연구에서도 볼 수 있듯이[2] 0.152 kg/s로 주입되는 입자를 모두 수송할 수 있는 능력을 가지고 있다. 그러나, 입자의 존재는 기송관내 온도를 급격하게 감소시킨다. 이것은 실제 기송관내 유속이 낮아짐을 의미한다. Fig. 3에서 볼 수 있듯이 기체유속이 15 m/s 인 경우 전체적인 압력강하가 매우 높음을 알 수 있다. 이것은 상승관내 고체체류량의 증가로 압력강하가 크게 증가되었기 때문이다. 고체체류량이 높은 경우 벽면에서 하강흐름이 존재하고 반응기 하부에서 고체의 내부순환이 일어나므로 입자의 체류시간을 크게 증가시키게 된다. 이 경우 비록 고체체류량의 증가로 건조효율은 감소하지만 입자의 체류시간이 크게 증가하기 때문에 전체적인 입자의 건조효율은 증가하게 된다. 따라서, 입자의 건조효율이 크게 증가하였다. 비록, 이 조건에서 입자의 건조효율이 증가되었지만, 전체적으로 상승관 내의 압력강하를 증가시키고, 상승관 하부의 입자축적으로 인하여 공기이송조건을 유지하는 것이 어렵게 된다. 그러므로, 가능하면 이 조건을 피해서 조업하는 것이 바람직하다. 상승관내 압력강하의 경우 온도변화에 비하여 빠른 시간에 정상상태에 도달하였다. 전체적인 축방향 압력강하는 상승관 하부에서는 입자의 가속에 의하여 높이의 증가에 따라 압력이 크게 감소하였지만, 약 분산판 위 1.0 m 이상에서는 높이에 관계없이 압력강하가 거의 일정하였다. 기체유속이 19 m/s에서 27 m/s로 변화될 때 기체유속에 변화 없이 축방향 압력강하는 거의 일정하였다.

Fig.  Effect of gas velocity on particle drying

(Tg = 200 oC).

Fig. Effect of gas velocity on axial pressure drop

(Tg = 200 oC).

Fig. 4에 일정한 기체유속에서 장입속도의 변화가 입자의 건조에 미치는 영향을 나타내었다. 주입되는 기체의 유속은 23.3 m/s 이고 온도는 200도씨로 유지하였다. 그림에서 보듯이, 예상되는 바와 같이 입자의 장입량이 증가할수록 건조효율은 감소하였다. 장입량의 증가는 기체에 의하여 건조시켜야 할 입자의 양이 증대됨을 의미하므로 건조효율은 감소하게 된다. 장입량의 증가로 광석입자의 건조는 초기 수분량이 6.5%에서 최대 1.7%에서 4.0%까지 건조효율이 감소하였다. 입자의 포집 및 분석은 싸이클론 하부 호퍼에 저장된 입자를 사용하였다.

Fig.  Effect of solid flow rate on particle drying

(Tg = 200 oC).

Fig. 5에 주입되는 기체온도가 광석의 건조에 미치는 영향을 나타내었다. 주입되는 광석의 양은 0.154 kg/s 기체의 유속은 23.3 m/s로 유지시켰다. 초기 광석의 수분량은 6.5 %이다. 그림에서 보듯이 온도가 증가할수록 입자의 건조는 크게 증가함을 알 수 있다. 입자의 건조는 주입되는 기체온도와 입자 온도차이에 크게 의존한다. 즉, 기체온도가 증가될수록 건조에 필요한 구동력(driving force)은 증가하게 되고, 건조효율도 크게 증가하게 된다. Fig. 5에서 open symbol은 상승관 출구에서 포집된 입자의 수분함량이고 close symbol은 싸이클론 후단부의 호퍼에서 포집된 입자의 수분함량이다. 그림에서 보듯이 싸이클론에서도 입자의 건조가 일어남을 볼 수 있다. 싸이클론에서는 입자의 회전반향운동으로 인한 체류시간이 증대되고 이로 인하여 어느 정도 입자의 건조가 일어난 것 같다. 그러므로, 만약 기류건조기 설계시 높이가 제한 받아 목적하는 입자의 건조효율을 달성하지 못한다면 적절한 싸이클론 건조기 설계 및 설치를 통하여 목적하는 건조효율을 얻을 수가 있다. 주입되는 기체의 온도가 100도에서 400도로 증가함에 따라 상승관 출구에서의 광석의 수분함량은 4.6%에서 2.0%까지 크게 감소하였다. 싸이클론 하부의 호퍼에서 분석한 입자의 경우 수분함량은 최대 1.2%까지 감소하였다. Fig. 6에서 볼 수 있듯이 기체유속 및 입자의 장입량이 일정한 경우 온도의 변화에 관계없이 상승관내 축방향 압력강하는 거의 일정하였다.

Fig. 5 Effect of gas temperature on particle

drying.

참고문헌

1. Strumillo, C. and Kudra, T.: Drying - Principles, applications and design, Pneumatic conveying of solids, Gorden and Breach Science Publishers, London, 1986.

2. Namkung, W. and Cho, M.: Theories and Applications of Chem. Eng., 7(2), 3767-3770 (2001).

Fig. 6 Effect of gas temperature on axial

pressure drop.