버너형태에 따른 자용로내 유동장모사

남장우, 서경원

아주대학교 공과대학 화학생물공학부

A Simulation of the Fluid Field in a Flash Smelting Furnace

for the Different Type of Burner

J. W. Nam,  K. W. Seo

School of Chem. Eng. and Biotech, Ajou University

서  론

구리의 건식 제련법에 사용되는 자용제련공정에 관한 연구는 오래 전부터 진행되어 왔다. 우리 나라에서도 온산 동제련소가 Outokumpu 공정에 의해서 가동되고 있으며 자용제련에 대해 많은 연구를 하고 있다.[1, 2]

자용제련공정은 건조된 유화 동광석 입자(평균크기 75□)가 고농도의 산소와 함께 자용로 안에 분사되고, 이 입자들은 주위의 고온가스에 의해 온도가 급상승하여 발화하고 자용로 아래로 낙하하면서 주위의 산소와 매우 빠른 반응을 한다음  용융 상태로 자용로 바닥에 떨어져 용융 slag, matte, 혹은 blister copper로 분리되는 공정이다.[2]

자용공정에서 분진발생에 대한 문제는 분진 내 포함되어 있는 구리의 손실 및 환경 문제의 유발이라는 측면에서 신속히 처리해야 할 과제이다. 분진의 발생량은 자용공정에서 발생되는 off-gas의 양에 비례하나 경우에 따라서는 자용로 내의 유체역학적 흐름분포나 온도분포 및 정광의 반응정도에 따라 발생량에 차이가 있을 수 있다. 또한 자용로 내의 유동장 분포와 온도분포 등은 자용로에 주입되는 정광의 분산과 이들의 반응정도에 따라 변하기 때문에 정광과 반응기체를 자용로에 주입시키는 버너의 모양 및 배열(shape & configuration)에 따라서도 분진 발생량이 변하게 된다. [1, 2]

본 연구에서는 Outokumpu형 제련공정의 자용로를 모델로 Fluent code를 이용하여 상온에서의 자용로 내 유동장 분포, 입자의 유동경로 및 분산정도 등을 모사하였다.

모사 모델 및 조건 [3]

가스계의 난류현상을 나타내기 위한 모델로는 Launder와 Spalding[4, 5]에 의해 제안된 2-Equation(k-□) 모델이 사용되었다. 가스에 의해 정광로로 분사된 고체입자들은 그들이 각기 지나온 궤적에 따라 서로 다른 성질을 갖게 된다. 컴퓨터에 의한 계산 시간과 노력을 경제적으로 줄이면서 계를 효율적으로 해석하기 위하여 고체입자들의 수지계산은 Lagrangian 방식에 의해 일련의 궤적들을 따라 계산하였다. [6, 7]

단순화된 모델에 의한 모사의 기본이된 실측 크기의 정광로의 단면도를 Fig. 1에 보였다. (a) 그림은 y축에서 바라본 노의 단면이고 (b) 그림은 z축에서 바라본 단면이다. Fig. 2는 노의 표면격자를 나타낸 그림이다. 정광로 좌측의 반응로 상부에는 Fig. 3에 보인 바와 같은 원주 방향 분사 버너(type 2)와 Fig. 4에 보인 바와 같은 원주 방향 분사와 축 방향 분사를 같이하는 버너(type 3), Fig. 5에 보인 바와 같은 2차 흐름 주입구의 형태를 변형 시킨 원주 방향 분사 버너(type 4)와 Fig. 6에 보인 바와 같은 크기를 증가시킨 원주방향 분사 버너(type 5)가 위치한다.

각 버너의 inlet-1과 inlet-2로 각각 입자 분산용 가스와 공정가스를 주입하고, particle-inlet으로 입자를 분사시킨다.

단순화된 모델에 의한 모사를 하기 위한 조건으로써 1차 흐름의 유속은 22.4 □, 2차 흐름의 유속은 18.6 □, 입자의 크기는 100□, 버너의 형태는 type 2∼5로 변화시켰다.

모사 결과 및 토의

Fig. 7은 type 2에 대한 유속벡터를 보인 그림이다. 노 상부에서 버너를 중심으로 좌우 대칭으로 유체가 노 벽을 따라 노 하부로 내려가고 일부는 노의 중심부로 흘러 상부로 상승한 후 순환하였다. 노 내에서의 유체의 유속은 버너 주변과 노 상부를 제외하곤 5 m/s이하로 분포하는 것을 볼 수 있다. Type 2의 버너는 원주 방향으로 1차 흐름의 유체를 방사상으로 분사하여 2차 흐름의 흐름방향을 변화시키기 때문에 유체가 반응로 상부에서 퍼져 노 벽을 타고 내려오게 되며 유체가 반응로 중심부로 순환을 많이 하는 것을 볼 수 있으며 이것으로 볼 때  1차 흐름의 유속과 분사 방향이 반응로 중심부의 공간에서 순환하는 유체의 순환 형태에 영향을 줌을 알 수 있었다.

Type 2 버너의 경우 분사구에서 분사되는 1차 흐름의 유속이 2차 흐름의 유속보다 몇 배나 빠르기 때문에 축 방향으로 유입되는 2차 흐름을 축의 수직 방향으로 방향을 바꾸어 주는 역할을 하여 입자들이 넓게 반응로 내에 퍼지게 한다.

Fig. 8은 type 3에서의 속도장과 유속 벡터를 나타낸 그림이다. 노 상부에서 버너를 중심으로 좌우대칭으로 유체의 흐름이 노 벽을 타고 노 하부로 내려가 반응로 하부 통로에서 반응로 중심부로 이동하여 상승하는 것을 볼 수 있다. 상승한 유체는 반응로 내에서 순환하다 하부 통로를 통해 집진로로 이동하였다. 유체가 반응로 내 중간 부분에서 중심부로의 상승은 줄어들고,  하부까지 내려간 후에 중심부로 재 상승하는 것은 버너에서 축 방향으로 분사되는 유체의 영향 때문이다.

Fig. 9는 type 3에서의 입자의 이동경로와 체류시간을 나타낸 그림이다. 버너에서 분사된 입자는 1차 흐름에 의해 좌우로 퍼진 후 노 벽을 타고 내려와 일부는 하부 통로를 따라 집진로로 가고 나머지는 하부 반응로 중심에서 유체를 따라 노 상부로 상승한 후 반응로 내에서 순환하다 노 벽을 타고 내려오는 입자와 같이 하부로 내려와 통로를 따라 집진로 방향으로 이동하였다. 반응로 내에서의 입자들의 이동경로를 보면 반응로 상부에 생성되는 재순환 구역이 없고, 버너 하부까지 상승하는 입자들의 양이 적음을 알 수 있다. 이는 1차 흐름이 버너 하부에 있는 축 방향 분사구에서 분사되어 상승하는 유체와 입자를 억제하기 때문이다. 그리고 일부 입자들이 반응로 중심부에서 상승하는 것을 볼 수 있는 데, 이는 입자가 축 방향 분사구가 없는 버너 중심부로 상승하여 1차 흐름의 영향을 받지 않기 때문이다.

type 3의 버너는 버너 하부의 축 방향으로 분사되는 유체의 양이 원주 방향으로 분사되는 유체의 양에 비해 적기 때문에 본 모사의 결과에서는 뚜렷한 효과가 보이지 않으나, 분사구의 수를 늘려 축 방향으로 분사되는 유체의 양을 증가시키면 상승하는 유체를 억제하여, 입자들이 버너 하단에 쌓이는 것을 막을 수 있다.

Fig. 10은 type 4에 대한 유속벡터를 보인 그림이다. 노 상부에서 버너를 중심으로 좌우 대칭으로 유체가 노 벽을 따라 노 하부로 내려가고 일부는 노의 중심부로 흘러 상부로 상승한 후 순환하였다. Fig. 7의 type 2 버너 모사결과와 달리 2차 흐름 주입구 가까이 작은 재순환구역이 생성되었다.

결  론

본 연구에서는 Outokumpu형 제련공정의 자용로를 모델로 Fluent code를 이용하여 상온에서의 자용로내 유동장 분포, 입자의 유동경로, 체류시간 등을 모사 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

Type 2의 버너는 1차 흐름이 반응로 내에 입자를 고루 분산시키고 반응로 내의 빈 공간을 활용하게 하며 재순환이 증가되어 체류시간도 증가하는 장점이 있다. Type 3의 버너는 버너 하단에서 입자의 상승을 억제하고 type 2의 버너와 같이 반응로 내에 입자를 원주 방향으로 고루 분산시켜 반응로 내의 빈 공간을 활용하게 하며 재순환 구역이 생성되어 반응로 내에 입자들이 충분한 시간 동안 체류하도록 한다. 이 외에도 type 4와 type 5등 다양한 형태의 버너, 유체와 입자의 유입 조건 등을 변화 시켰을 경우 유동장의 변화에 대한 연구가 현재 진행중이다.

참 고 문 헌

1.	Kyung-won Seo, "Flash Reaction of Sulfide Mineral Particles in A Turbulent Gas jet", Ph. D.	dissertation, Utah, 1990.

2.	손홍용, 서경원, 한윤봉, □Turbulent Gas Jet 내에서의 유화동광물 미립자 연소□, 화학공학회지,	27(4), 531-547, 1989.

3.	서경원, □Flash Smelter의 정광버너 설계□, LG 금속, 1998.

4. B. E. Launder, D. B. Spalding, "Mathematical Models of Turbulence", Academic Press, London,	1972.

5. B. E. Launder, D. B. Spalding, "Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering", 3,	269, 1974.

6.	Y. B. Hahn, H. Y. Sohn, Chem. Eng. Comm., 61, 39, 1987.

7. Y. B. Hahn, Ph.D. Dissertation, University of Utah, Salt Lake City, Utah, USA, 1988.

Fig. . Geometry of a furnace ( unit : □)

Fig. 2. Grid of a furnace

Fig. 3. Grid of burner type 2 : radial blowing burner

Fig. 4. Grid of a burner type 3 : grid of a radial & axial        blowing burner

Fig. 5. Grid of burner type 4 : radial blowing burner

Fig. 6. Grid of burner type 5 : radial blowing burner

Fig. 7. Gas phase velocity field and stream lines in a           furnace (Type 2)

Fig. 8. Gas phase velocity field and stream lines in a           furnace (Type 3)

Fig. 9. Residence time of particles (Type 3)

Fig. 10. Gas phase velocity field and stream lines in a           furnace (Type 4)