가압유동층 연소시 알칼리금속 제거공정에 관한 전산모사

전수한, 김수현, 김승택*, 김형택, 최윤호*

아주대학교 에너지학과, 아주대학교 기계공학과*

A Simulation on the Alkali Metal Removal Process in PFBC Combustion

Su-Han Jeon, Su-Hyeon Kim, Seung-Tech Kim*, Hyung-Taek Kim, Yun-Ho Choi*

Dept. of Energy studies, Dept. of Mechanical engineering*, Ajou University

서론

현재 석탄화력발전 분야에서 석탄의 효율적인 이용을 목적으로 Pressurized Fluidized Bed Combined cycle(PFBC)과 Integrated Gasification Combined cycles(IGCC) 등이 연구개발되고 있다. 특히, 가압유동층 복합발전 시스템은 석탄의 직접연소 방식으로 가격경쟁력이 있고, 신뢰성이 우수하며, 환경 친화적인 발전기술이다. 이러한 고효율 석탄 연소 시스템의 배가스에는 분진과 다양한 화학적, 물리적인 형태인 나트륨과 칼륨을 포함하고 있다. 가압유동층 복합발전방식에서는 석탄연소에서 생성되는 배가스에 존재하는 증기상의 알카리염들이 가스터빈의 날과 직접 접촉하여 심각한 고온 부식현상을 초래하게 된다. 이러한 침식, 부식 등을 예방하기 위해서는 가스터빈으로 유입되는 알카리증기를 제거해야 한다. 이를 위해서 흡착제를 이용한 효율적이고 신뢰성 있는 알카리증기 제거 공정을 도출해야 한다. 그러므로 본 연구에서는 실험에 필요한 알칼리증기 제거반응기의 설계자료를 도출하고 다양한 실험결과를 이용하여 흡착반응에 대한 모델링을 통하여 효율적인 알카리증기 제거 메카니즘을 개발한다. 또한 이를 이용하여 실제 0.1톤/일 석탄연소에 관하여 수치모사를 함으로써, 연소시 발생하는 알카리증기 제거공정의 설계에 필요한 기본자료를 제공하고자 한다.

이론

본 연구에서 계산에 사용된 방정식으로는 압축성 유동의 지배방정식으로는 연속 방정식, 운동량 방정식, 에너지 방정식과 물질 전달 및 화학적 혼합을 고려하기 위하여 species 보존방정식을 사용하였다. 이 식들과 더불어 혼합물의 밀도에 있어서 이상 기체 방정식을 사용하였다. 또한 난류 유동장을 해석하기 위해서 k-□난류 모델을 사용하였다. 본 모델은 Reynolds stress가 평균 속도 성분에 비례한다고 가정한 eddy viscosity 모델이다. 또한 다공성 매질의 특성은 압력 강하로부터 구할 수 있고 이러한 특성들은 운동방정식에 운동량 source term이 추가된다. 이러한 운동량 source term은 점성부분과 관성손실 부분으로 구성되어져 있다. 운동량의 감소는 다공성 매질에서 압력감소를 생기게 한다. 이러한 압력감소는 매질 내에서 유체의 속도에 비례한다.

본 연구에서는 위에서 언급한 3차원 압축성 Navier-Stokes 지배방정식들과 다공성 매질 모델을 해석하기 위해서 상용 프로그램인 FLUENT 코드를 사용하였다. 본 코드에서는 위의 지배방정식을 이산화하는 방법으로 유한 체적법을 사용하였다. 또한 대류항에 대한 차분기법으로는 power law기법을 사용하였다. 이와 같이 이산화된 지배방정식을 계산하기 위하여 Patankar가 제안한 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation)알고리즘을 사용하였다. 유체 해석 시 정확한 유동장에 대한 해는 사용하는 격자계의 특성과 밀접한 관계가 있다. 본 연구에서 형상이 매우 복잡함으로 인하여 단일 격자계의 생성이 어렵다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 연구에서는 다중 블록기법(multiblock method)을 사용한다. 이는 계산영역을 가능한 한 사각형 형상의 여러 구역으로 구분함으로써, 특히 벽면 근처 격자의 직교성을 유지하고 비틀림을 방지할 수 있는 방법이다. 본 연구에서는 격자생성을 위하여 FLUENT 코드의 전처리 코드인 GEOMESH 코드를 사용하여 격자를 생성하였다.[1]

결과

석탄에 1000 ppm의 나트륨이 포함되어있다고 가정하면, 석탄 유입량 0.1 ton/일의 석탄 연소시스템에 대해서 증기상의 나트륨은 4.2 g/hr정도가 배가스로 배출된다. Lignite 경우에는, 원탄 내에 함유되어져 있는 전체 나트륨 량의 0.24 wt.%가 증기상으로 배출된다[2]. 그러므로 증기상으로 배출되는 나트륨의 양은 1 g/hr정도이다. 본 실험에 사용된 알카리증기로 NaCl 가스를 사용하였다. 이러한 기초자료를 이용하여 실제 크기의 1/10 수준의 반응기와 1/100 수준의 반응기 크기를 결정하였고, 각 경우에 대한 알카리증기와 배가스를 모사한 혼합가스(N2로 가정함)간의 혼합과정에 대한 수치모사를 수행하였다.

유연탄 연소시 발생되는 배가스는 100 lb의 연료를 연소시 43.228 mole이 생성된다. 그러므로 하루당 소비되는 석탄 용량인 0.1ton에 대해서 배가스는 95.1 mole이 배출된다. 즉, 일반적인 대기상태에서 27[eqn: rm cm^3 /sec]가 발생된다. 전체 크기의 1/10로 축소할 경우 2.7[eqn: rm cm^3 /sec]만큼의 배가스가 배출된다. 이러한 자료를 근거로하여 직경 1□ pipe에 대해서 계산을 수행하였다. 계산에 사용된 형상은 [Fig. 1]과 같다. 반경 1.27 cm, 길이 20 cm인 원통([Fig. 1] 참고)에서 대해서 계산을 수행하였다. 원통의 중간에 [Fig. 1]에서와 같이 두께 2 cm인 다공성 매질이 위치한다. NaCl 가스의 투입 반경은 0.5 mm에서 6.35 mm이고, 나머지 부분은 [eqn: rm N_2] 가스가 유입된다. NaCl 가스는 수증기 상태로 유입되고 그 함유량이 1000ppm정도이므로[eqn: rm H_2 O] 가스로 가정하였다.

<Table. 1> Thermal property for N2 and H2O[3]

Species Property (at 800℃)	N2	H2O
□ (kg/m3)	0.319	0.1611
Cp (KJ/kg·K)	1.1808	2.524
□ (kg/m·s)×10-6	41.66	40.38
k (W/m·K)	0.06749	0.1073
Molecular Weight	28.013	18.015
Binary Diffusion (H2O in N2 )		22.12×10-5

[Fig. 1] Schematic of alkali-vapor reactor for various inlet area

H2O와 N2의 면적비를 총 5가지(4%, 20%, 30%, 40%, 50%)로 변형해가며 계산을 수행하였다. 출구조건으로는 일정 압력조건으로 대기압을 유지하도록 하였다. 또한 원주방향으로 대칭인 점을 고려하여 2차원으로 단순화하여 계산영역을 설정하였으며 원통인 점을 고려하여 대칭면에 축대칭 조건을 사용하였다. 계산에 사용된 800℃에서의 열역학적 물리 상태량은 <Table. 1>과 같다.

계산에 사용된 다공성 매질은 아직 결정되지 않은 관계로 Ceramic으로 코팅된 C400C의 물성치를 사용하였다. 사용된 물성치 중 Permialbility는 다음과 같이 설정하였다.

[eqn: rm &alpha_1 = 1 over C_1x =3.4e^-8 (m^2 ) #rm &alpha_2 = 1 over 1000C_1y = 3.4e^-11 (m^2 ) #rm &alpha_3 = 3.4e^-11 (m^2 )]

Ceramic(SiSic)의 열전도도는 100∼120 (w/m·k)로 설정하였다. 계산 결과로써 먼저 유입되는 H2O의 질량비는 <Table. 2>와 같다.

<Table. 2> Injected mass fraction of H2O for various conditions

주입속도 입구 면적비	0.85cm/s	4.25cm/s	8.5cm/s
4%	0.000997	0.00497	0.009881
20%	0.026087	0.118	0.211270
30%	0.059780	0.241	0.388680
40%	0.109090	0.38	0.550450
50%	0.176470	0.517	0.681850

이 전산모사의 결과는 알칼리 제거반응기 설계시 흡착제의 위치를 선정하기 위한 자료로 사용되었다. 실제 크기의 1/10로 설계한 경우에, 세 가지  알카리증기 주입속도( 0.85 cm/s, 4.25 cm/s, 8.5 cm/s)에 대해서 유입되는 알카리증기와 N2 가스의 면적비를 총 5가지(4%, 20%, 30%, 40%, 50%)로 계산을 수행하였다. 그 결과, 대부분 다공성 매질에 도달하기 전에 유입된 알칼리증기는 N2와 잘 혼합되었다. 하지만 면적비가 40%, 50%인 경우에 다공성 매질에 도달하기 전에 혼합되는 과정이 끝나지 않는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과로써 면적이 증가할수록, 속도가 증가할수록 알칼리증기와 N2 가스의 혼합이 좋지 않은 것으로 사료된다. 실제 크기의 1/100로 설계한 경우에는 주 유동방향에 수직 방향으로 알카리증기를 주입하였다. 계산은 N2가스가 400 cc/s로 유입되고 알카리증기를 40 cc/s, 20 cc/s의 유량으로 주입시키는 경우에 대해서 계산을 수행하였다. 그 결과로 공기 유량이 40 cc/s인 경우에는 공기 주입부로부터 52 cm 후단에서 혼합이 되었다고 생각되어지며 20 cc/s인 경우에는  64 cm 이후에서 혼합이 되었다.

본 실험에 사용되는 알칼리 제거반응기는 실험조건이 약 800℃, 1∼10기압, 그리고 배가스에 의한 부식 등을 충족시킬 수 있도록 재질은 SUS 316을 사용하였고, 모든 이음새 및 연결부분은 스웨지록으로 처리했다. 주반응기는 크게 예열부, 반응부, quenching 부로 나눌 수 있다. 먼저, 예열부에 대해서 알아보면 직경 2cm의 세라믹 비드(beeds)로 충전되어 있어서 가열된 예열부로 유입되는 혼합가스의 체류시간을 연장시켜 800℃의 고온으로 가열시켜 반응부로 보내는 역할을 한다. 두 번째로, 반응부에서는 예열부로부터 유입되는 고온 가스와 micro syringe를 통해서 투입되는 알칼리수용액이 혼합하여 본 실험에서 목적하는 알칼리농도를 갖는 혼합가스를 형성시켜 반응기 하단에 설치되어져 있는 흡착제와 물리 및 화학적 흡착반응을 발생하게 된다. 실험에 사용되는 흡착제로는 보크사이트, 고령토, 석회석을 사용한 cylinder type 펠렛(고정층)과 O.D 2mm ball type 펠렛(유동층)이고, 이 흡착제들은 모두 particle size 63□이하의 흡착제 분말로 제조되며, 흡착제 펠렛은 50%이상의 porosity를 갖는다. 이는 흡착제와 알칼리증기와의 반응성을 향상시키고 흡착제에 의한 압력상승을 최소화시켜 최적의 흡착제를 도출하는기 위함이다. 세 번째로, quenching 부에서는 실험시간 종료와 통시에 반응부로부터 흡착제를 하강시켜 상온의 질소로 가열된 흡착제를 냉각 및 잔류 혼합가스와의 반응을 차단함으로써 신뢰성 있는 실험 데이터를 얻을 수 있도록 했다.

참고문헌

[1] "Fluent user's guide(ver. 4.3)", Fluent Inc. January 1995

[2] S H D LEE, E L CARLS, "Measurement of sodium and potassium vapours in pressurised fluidised-bed combustion of Beulah lignite", Journal of Institute of Energy, December 1990, 63

[3] A. Murty Kanury, "Introduction to Combustion Phenomena", Gordon and Breach, Science Publishers, Inc. 1977