가압기포유동층에서 기포 특성

김영렬, 고명한***, 강용, 서용칠*, 진경태**, 손재익**, 김상돈***

충남대학교 화학공학과

연세대학교 산업환경공학과*

한국에너지기술연구소 에너지환경연구부**

한국과학기술원 화학공학과*

Characteristics of Bubble In

Pressurized bubbling Fluidized Beds

Young-Real Kim, Myoung-Han Ko***, Young Kang Yong-Chil Seo*

Gyoung-Tae Jin**, Jae-Eek Son**, Sang-Done Kim***

Dept. of Chemical Engineering, Chungnam National University

Dept. of Industrial Environment and Health, Yonsei University*

Energy & Environment research Dept., Korea Institute of Energy**

Department of Chemical Engineering, KAIST***

서 론

가압유동층은 상압유동화 상태에 압력을 상승시킨 유동층시스템의 일종으로 연소공정에 응용할 경우 저 공해 연소특성 및  고효율 특성을 부가하여 증기를 생성하여 열병합발전을 할 수 있는 차세대 연소시스템이라 할 수 있다

또한 연소물질로 사용하는 석탄은 매장량 및 분포도 측면에서 가장 안정적으로 공급받을수 있는 확실한 에너지 연료임에 틀림없다. 그러나 환경 적인 측면을 고려할 경우 맑고 깨끗한 물과 공기에 대한 관심 및 규제가 새롭게 부각되고 있어, 석탄 연소를 통한 완전 연소에 접근하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에서도 우선적으로 SOx, NOx 및 분진 발생을 최소화 할 수 있는 연소 방법으로 가압유동층방식을 도입하여 이에 대한 연구가 진행되어야 할 것으로 기대된다.[1].

가압기포유동층의 특성은 가압에 의한 산소의 부분압이 높아지고 연소 반응이 촉진되며, 고압으로 인한 탈황 반응이 향상되고 반응 전반에 거쳐 상압 연소에 비해 반응속도가 빨라지는 현상을 유발한다고 할 수 있다. 그 중에서 산소의 양이 증가하는 현상으로 층 내부에 emulsion phase이외의 과잉 공기가 기포로 존재하기 때문에 기포 특성에 관한 연구 및 가압시 압력 변동에 관한 연구가 중요하다고 판단된다. 그래서 본 연구에서는 상온 상태에서 가압기포유동층에서 기포특성및 압력 변동에 관한 연구를 하여 여기서 얻은 최적 조건을 고온의 가압연소시스템에 적용할 경우 매우 중요한 정보를 제공할 것으로 기대된다.

실 험

본 연구에 사용한 실험장치는 가압유체공급부분, 가압유동층, 미분체포집부분등으로 이루어져 있다. 가압유체공급은 30HP compressor를 이용하여 regulator, filter를 거쳐 분배기를 통해 가압유동층으로 주입되도록 하였다. 가압유동층은 스텐레스 철로 만들었는데 직경은 0.1m, 높이는 3.5m로 하였다.

가압유동층부분의 구성은 층내부로 일정한 유속을 주입하기 위해 rotameter를 설치하였고, 압축 공기의 역류를 방지하기 위해 check valve를 설치하였고, 압력을 일정하게 유지하기 위해 ball valve를 설치하여 조절하였다. 층박으로 날아가는 미세 입자를 포집하기위해 싸이클론을 설치하였다. 가압유동층의 dense 영역에서 압력 및 기포 특성을 살펴보기 위해 층내부에 압력센서 및  resistivity probe를 설치하였다.

압력센서는 분배기로부터 0.2m 높이, probe는 0.3m 높이에 설치하였는데 이들로부터 감지되는 신호들은 200 Hz로 3000 개를 직접 A/D convertor를 통해 PC에 저장한 후 해석하였다.

가압유동층에 사용한 유동입자는 평균 입자 크기가 각각 875□, 625□, 375□, 188□의 4종류로 국내에서 생산되는 무연탄을 사용하였다. 본 연구에 적용한 실험 변수는 유동입자, 층내부의 압력(1∼5atm), 과잉기체유속(U-Umf; 0.05∼0.25m/s)등으로 결정하였다.

기포 특성

가압기포유동층에서 존재하는 기포들의 특성 즉, 기포의 상승속도, 기포의 수직 길이 그리고 기포의 체류량을 구하기 위해 다음과 같은 해석 방법을 적용하였다[2-4]. 먼저 resistivity probe에서 감지된 신호 값은 층내부에 유동입자가 emulsion 상태로 존재할 경우 최대전압를 나타내고, 기포가 존재할 경우 전압이 나타나지 않도록 하였다. 이때 probe의 구성은 층내부에 상하로 2개의 tip을 만들었고, tip간의 거리를 1cm로 하였다. 여기에서 두 tip간의 신호시간차이를 t1, 기포가 probe에 존재할 때 시간을 t2 그리고 다음 기포가 probe에 나타날 때까지의 시간을 t3로하고 이들로부터 기포의 상승속도(bubble rising velocity, Ub)), 기포의 수직 길이(bubble chord length, Lb) 그리고 통계적인 기포의 체류량(gas holdup, □b)을 구할 수 있다.

두 신호간의 시간 차이 t1은 tip간의 거리를 통과할 때의 기포의 상승속도로 식(1)과 (2)와 같이 나타낼 수 있다.

단일 기포의 상승속도,  [eqn: U_bi ~ =~ 1 over {t_1i}]                             (1)

평균 기포의 상승속도,  [eqn: U_b ~=~ 1 over n sum from i=1 to n U_bi]                         (2)

또한 기포가 존재할 때 시간 t2는 두 tip 사이에 기포가 머무르는 시간이므로 기포의 수직 길이 Lv는 식(3)과 (4)와 같이 나타낼 수 있다.

단일 기포의 수직 길이,[eqn: L_bi ~&=~ U_bi ·t_2i ~# &=~ t_2i over t_1i &]                    (3)             평균 기포의 수직 길이, [eqn: L_b ~&=~ 1 over n sum from i=1 to n L_bi ~# &=~ 1 over n sum from i=1 to n U_bi ·t_2i ~# &=~ 1 over n sum from i=1 to n t_2i over t_1i &]                    (4)

또한 통계적인 기포의 체류량은 기포가 두 tip 사이에 머무르는 시간 t2i의 합을 전체 측정 시간으로 나눈 값으로 식(5)와 같이 나타낼 수 있다.

통계적 기포의 체류량,[eqn: □_b ~&=~ 1~-~lim fromt->∞ 1 over T sum from i=0 to T t_3i # & =~ lim fromt->∞ 1 over T sum from i=0 to T t_2i]                (5)

Probe를 통과하는 기포의 평균 빈도수는 식(6)과 같이 나타낼 수 있다.

기포의 평균 빈도수,[eqn: F~ =~ {기포의~ 총수(n)} over{ 전체의 ~측정시간(T)}]                 (6)

결과 및 고찰

기포 특성을 알아보기 위해 가압기포유동층에 설치한 resistivity probe에서 감지된 신호를 Fig. 2에 나타내었다. Fig. 2에서 볼 수 있듯이 lower tip에서 감지된 기포의 신호가 0.01s 후 upper tip에서 감지되고 0.0255s 동안 기포가 존재함을 알 수 있었다. 이로부터 두 tip 사이에서 감지된 신호들로부터 기포의 속도, 기포의 크기 그리고 기포의 체류량 및 빈도수를 알 수 있었다.

Fig. 3은 가압기포유동층에서 resistivity probe에서 감지된 신호를 시간의 변화에 따라 voltage-time 신호로 나타낸 값을 voltage 크기에 따라 누적 퍼센트와 확률밀도함수로 나타낸 것이다. Fig. 3에서 보는바 와 같이  lower tip에서 나타낸 voltage 분포도는 upper tip에서 나타난 분포도와 거의 유사함을 알 수 있었다. 이로부터 본 연구에 사용한 resistivity probe의 적용 및 안정성에 있어서 매우 우수함을 확인 할 수 있었다. 또한 본 연구에 적용한 공기의 유속 변수로는 과잉기체유속을 사용하였는데 그 이유는 층내부에 유입되는 유량중 최소유동화속도후의 남은 유량이 기포를 형성하기 때문이다. 과잉기체유속이 증가함에 따라 초기 기포의 크기가 커지고 이로 인한 기포의 빈도수가 증가하여 합체 현상으로 인한 기포의 상승속도 및 크기가 증가함을 보였다.

결 론

두 probe간의 분포도를 살펴본 결과 거의 일정한 분포도를 나타내었다. 이로부터 생성된 기포의 경로는 거의 대부분 lower tip을 통과한 기포가 upper tip을 통과함을 알 수 있었다. 그러므로 본 연구에 적용한 resistivity probe는 매우 적정함을 알 수 있었다.

기포의 상승속도는 과잉 공기 증가에 따라 증가하였고, 입자가 증가함에 따라 다소 감소함을 보였다. 기포의 크기는 압력이 증가함에 따라 다소 감소함을 알 수 있었다. 기포의 평균 빈도수와 기포의 체류량은 과잉 공기의 증가에 따라 증가하였다.

참고문헌

1. Rong, D., Jin, B., Zhang, M.: A coal combustion model in pressurized beds,	Fluidized Bed Combustion, ASME, 1177(1991).

2. Wittmann, K., Helmrich, H. and Schugerl, K.: Measurements of bubble	properties in continuously operated fluidized bed reactors at elevated	temperatures, Chem. Eng. Sci., 36, 1673(1981).

3. Weimer, A.W. and Quarderer, G.J.: On dense phase voidage and bubble	size in high pressure fluidized beds of fine powders, AIChE J., 31,	1019(1985).

4. Sobreiro, L.E.L. and Monteiro, J.L.F.: The effect of pressure on fluidized	bed behavior, Powder Technol., 33, 95(1982).

Fig. 1.  Theoretical signals of resistivity probe.

Fig. 2. Typical experimental signals of probe

in a PBFB

( dP=375□m, P=100 kPa, UG=34 cm/s).

Fig. 3. Normal distribution of resistivity probe signals.

(dP = 375□m, P = 100 kPa, UG= 34 cm/sec )