2차 공기공급장치를 가진 폐순환 유동층에서의 입자순환에 관한 연구

김종훈

한국원자력연구소 핵연료주기기술개발단

Study on Solid Circulation Rate in a closed loop CFB with Secondary Air Injection

Jong-Hoon,Kim

S/F Research Group, KAERI

서 론

약 850℃정도의 적정온도에서 유용한 유동층 보일러의 유체 순환 메카니즘을 연구하는 것은 물질전달과 열 전달현상 뿐 아니라 반응로에서 화학작용에도 아주 중요한 요소이다. 특히 2차 공기공급장치의 역할은 고밀도지역(dense region)과 저밀도지역(dilute region)사이에서 발생되는 고체입자전달을 저해 하여 유동층 로에서의 고체입자 체류시간을 연장시킴[1]으로써 효율적인 운전이되고 이의원인으로는 2차 공기공급장치부위의 와류(jet flow)로 고체입자의 재혼합을 촉진[2]한다고 밝혀져있다.  이러한 연구문헌은 유동층 보일러에서 갖는 단점인 소형용량(250 Mwe)이라는 문제점을 해결하기 위하여 현재 추진중인 600 Mwe 순환 유동층 보일러에서의 설계나 그 밖에 공정운전에 중요한 역할을 하게될 고체입자의 입자전달 모델링 설정에 기여를 할 것이다.

본 연구에서는 고체입자의 자연적인 공급(폐 순환계)을 위하여 비기계적 흐름장치인 사이폰(U-valve)을 사용하고 2차 공기공급장치를 설치하여 이에대한 고체입자의 순환현상을 관찰하고 그 영향을 예측하였다. 또한 폐순환 유동층에서시스템내의 고체입자에 대한  Inventory의 영향도 예측하였다.

실 험

장치

그림 1은 본연구를 수행하는데 사용된 순환유동층장치이다. 반응을 위한 컬럼의 모양은 사각기둥(0.286 m x 0.176 m)으로써 높이는 7m 이다. 순환되는 고체입자의 양은 return line에서 측정되며 이에대한 자세한 측정방법은 다음항목에서 설명을 한다. 컬럼에는 36개의 압력측정 탶(tap)이 설치되고 몇 개의 창을 프렉시그라스(Plexiglas)로 만들어 안에 고체입자의 흐름을 볼수 있도록 하였다. 고체입자가 공기입자와 잘 분리되도록 1차 싸이크론과 2차 싸이크론 및 공기 휠타를  설치하였다. 씨이크론을 통과한 고체입자의 재순환은  비기계적 흐름장치인 사이폰(U-valve)을 통과하여 직접 컬럼 안으로 들어가게 되고 이 순환계는 폐순환유동층을 형성하여 실제 순환유동층 보일러의 고체입자의 순환조건에서 연구를 수행하게 하였다.

본 실험에서 사용한 고체입자는 FCC로 입자의 평균크기는 68마이크론이며 압력 및 온도는 일반적 환경에서 수행되었다. 공기의 공급은 1차와 2차계통으로 구분되었으며 2차공기공급계통의 위치는 전체컬럼높이의 1/4에 위치하여 설치되었다.

사이폰은 컬럼 밑부분과 싸이크론위치의 압력차이로써 작동되도록 standpipe에 설치하였으며 최고유동속도를 위하여는 어느 정도의 사이폰의 기능이 제한되어있음을 알았다.

고체순환량에 대한 율은 3개의 Force Tranducer가 설치된 외부측정호퍼(external weighted hopper)를 통하여 측정할 수가 있다. 이 측정기술은 컬럼 외부에서 압축공기밸브(pneumatic valve)를 이용하여 순간적인 차단으로 호퍼내에 누적되는 고체입자의 양으로써 알 수가 있었다. 고체입자의 농도는 컬럼 위 부분(3.75m 이상)에서 액주 압력계(water manometer)를 이용하여 측정하였다.

측정 방법

고체순환속도를 측정하기 위하여 3개의 Force Tranducer는 voltage로 바꾸어주는 전기상자와 연결이 되고 이 voltage는 개인용 컴프터에      QuickBasic으로 짜여진 프로그램에 의해서 <voltage-시간>에 대한 그래프를 얻을수 있다. 측정시간은 약 10-20초 정도이고 이 시간 동안 얻어진 그래프의 기울기를 얻으므로 해서 외부측정호퍼에 쌓이는 양을 측정하므로 써 고체순환속도를 환산 할 수 있었다. 측정오차는 10%미만으로 밝혀졌으며 이측정방법의 문제점은 한번측정 후 정상운전상태가 되어지기까지 약 15분이상의 시간을 기다려야하므로 측정에 많은 시간을 소비하게 된다.

고체입자의 평균농도는 유체의 완전 발달층 (fully developed zone)에서의 단위 높이 당 얻어지는 압력 손실에 대한 값으로 얻어 낼 수가 있었다.

국소 고체입자 농도와 속도측정은 <광 화이바>방법[3]으로 컬럼의 세곳의 다른 위치(그림 1에서 P0, P1 그리고 P3)에서 실험하였으며 고체입자 이동에 대한 더욱 자세한 자료를 얻을  수 있으나 이에 대한 결론은 다음에 이어서 국부적인 해석이 있을 것이다.

결과 및 토론

본 시스템에서는 3개의 변수 - 기체유속(Ug : 공기량/컬럼 단면적), 1차공기와 2차공기 공급비(SA/TA), 고체입자의 무게(M) -를 초기변수로 정하고 이에 대한 고체순환속도(Ws)와 고체입자의 평균농도(solid mean concentration;□s)의 변화를 연구하였다.

그림 2에서와 같이 고체순환속도와 고체입자의 평균농도의 기체유속 Ug에 대한 변화는 Ug=1,7m/s, Ug=2,3 m/s를 중심으로 3가지 유속범위로 나누어지게 되고 Ug=1,7m/s까지는 Ws와 □s가 함께 증가하나, Ug=2,3m/s까지는 Ws는 증가하는 반면 □s는 증가하는 폭이 적어지며 3번째 유속 범위에서는 두변수가 정체(stagnation)를 이루는 현상을 알 수 있었다. 두 번째 영역에서의 현상은 컬럼 내에서 pressure fluctuation에 의하여 발생되는 것으로 특징 지워지고 이에 반하여 세 번째의 현상은 사이폰의 고체입자 전달의 한계 때문인 것으로 추정된다.

그림 3은 고체입자의 시스템 내에서의 무게를 각각 25Kg, 27Kg 그리고 35Kg으로 변화를 시키면서 고체순환속도와 고체입자의 평균농도의 기체유속에대한 변화를 보았다. 이에 대한 Ws의 변화는 Ug의 낮은 부분에서는 거의 변화가 없으나 Ug가 클수록 변화가 큰 것으로 관찰되었다.

마지막으로 2차공기계통의 영향을 보기위하여  SA(2차공기량)/TA(전체공기량)의 공급비를 달리하면서 고체순환속도와 고체입자의 평균농도를 관찰하였다. 그림 4에서와 같이 고체입자의 평균농도(□s)는 최대치에 다다르다 감소하는 면을 보여준 반면 그림 5에서와같이 고체순환속도(Ws)는 최대치에서 변화가 없는 실험결과를 보여주었다. 이실험결과치에서 컬럼아래부분(dense part)은 어느정도의 범위까지 고체입자를 컬럼위부분(dilute part)에 전달하는데 기여하지만, 2차공기공급장치로 인하여 컬럼 벽면주변에 발생되는 cluster의 reflux되는 양을 증가시켜 점차적으로 두 개의 부분에 고체입자의 순환을 증가시키는 역할을 한다고 추정할 수가 있다.

본연구는 폐순환 유동층에서의 고체입자전달 현상의 메카니즘을 규명하고자 수행되었다.  초기 1차공기계통의 역할은 컬럼의 아래부분(lower part)에서 윗부분(upper part)으로 고체입자의 공급을 하게된다. 반면에 컬럼 위부분의 고체입자농도가 어떤 한계에 다다르면 벽면을 통한 역순환(reflux)이 시작되게 된다. 2차공기 계통의 공급은 컬럼 아래부분에서는 고체입자의 흐름에 변화를 볼 수 있으나 어느정도의 한계(SA=0.8m/s)에서는 2차공기 공급계통의 역할은 크게 영향을 주지 않는 것으로 예측되었다. 2차공기계통은 downward solid의 양에 영향을 주고 2차공기를 증가시킬수록 그양은 작아진다는 것을 확인하였다.

참고 문헌

1. Cho Y., Namkung W., Kim S. D. & Park S., <Effect of secondary air injection on axial solid hold-up distribution in a circulating fluidized bed>, J. of Chem.Eng.of Jap.,vol.27,no.2(1994),p158-164

2. Aguillon J., Shakouzadeh K., Guigon P.,Powder Tech., 83(1995) p.79-84

3. J.Militzer, K. Shakourzadeh, J.P. Hebb & G. Jollimore, <Solid

particle velocity measurement>, Proc. of Fluidization VII.

(solid mean concentration and solid flow rate)

그림 2.Variation of solid flow rate and solid mean concentration as a fuction of gas flow rate.

그림3. solid inventory

그림 4. solid concentration

그림1. The CFB pilot

그림 5. solid flow rate