순환유동층에서 수평관을 갖는 루프씰의 고체흐름 및 열전달 특성

김성원, 정대성, 이동현, 김상돈

한국과학기술원 화학공학과 및 에너지 환경 연구센터

Solids Flow and Heat Transfer Characteristics of Loop-seal with Horizontal Tube Bundle in a Circulating Fluidized Bed

Sung Won Kim, Dae Sung Jung Dong Hyun Lee and Sang Done Kim

Department of Chemical Engineering and Energy & Environment

Research Center, KAIST, Daejon 305-701, Korea

서론

순환유동층은 기존의 기포유동층에 비하여 높은 유속에서 조업되는 반응기로 기-고체간의 접촉효율이 높고, 층내 전체에 걸쳐서 균일한 기-고의 접촉을 갖는 등 많은 장점이 있어서 석탄연소로, 촉매반응기와 같은 여러 기-고 반응기에 적용이 확대되고 있다[1]. 순환유동층은 높은 유속에서 조업되므로 상승관내 고체입자들은 즉시 비산하게 된다. 따라서, 원활한 반응에 필요한 상승관내 적절한 고체체류량 유지를 위해 고체입자들 대부분은 싸이클론에서 포집되어 고체재순환부에 의하여 상승관내로 재주입되는 순환과정이 반복된다. 이러한 고체재순환부는 downcomer 와 고체재주입밸브로 구성되어 있으며, 고체입자를 압력이 낮은 지역에서 높은 지역으로 전달하고, 반응기의 기체흐름이 역방향으로 흐르는 것을 방지하며, 고체입자가 상승관내로 주입되는 순환속도를 조절하는 역할을 수행한다[2]. Downcomer 하부에 위치하여 고체순환속도를 조절하는 고체재주입밸브에는 크게 기계적밸브와 비기계적밸브가 있고, 고온, 고압에서 조업되는 상압 및 가압 순환유동층 연소로의 경우, loop-seal 과 같은 비기계적 밸브가 사용된다[2]. 최근 순환유동층 연소로의 scale-up 을 통한 열용량 증대와 함께 고온의 재순환물질로부터 열을 회수, 연소로의 온도제어 및 열회수율의 극대화를 얻고자 유동층 열교환기를 재순환부에 연결하여 사용하고 있고, 가압순환유동층의 개발과 더불어 유효열전달 면적의 증대를 통한 상대적인 연소로 소형화를 위해 이를 채택하고 있다. 그러나, 기존 두요소의 독립적인 조업 및 배치방식에 있어 고체흐름의 조절에 있어 어려움이 있고, FBHE 로의 흐름에 있어 추가적인 제어 및 배치상의 공간제약성이 발생하여 대형화 및 가압장치에의 적용에 있어 어려움이 존재한다.

Fig. 1 Schematic diagram of developed solids

recycle system

본 연구에서는 기존의 고체재순환설비에서 비기계적밸브인 루프씰과 유동층 열교환기 (FBHE) 를 기초로 제어능력이 우수하고, 안정적 흐름을 제공하며 열전달특성이 우수한 고효율의 재순환설비를 개발하였고, 이에대한 조업특성을 연구하였고, 개발된 장치에서 고체흐름특성 및 열전달 특성을 연구하였다.

개발된 고체재순환설비

기존 순환유동층의 경우, 비기계적밸브를 이용하여 고체재순환속도 조절 및 상승관내 기체의 downcomer 로의 역류를 방지하고, 연소열의 회수를 위해 고체흐름의 일부를 병렬로 설치된 유동층열교환기로 흐르게 하거나, downcomer 영역에 수직열교환관을 설치하여 연소로 이외의 전열면적을 확보하였다. 그러나, 상압 순환유동층의 대형화 및 가압 순환유동층의 개발에 있어 고체재순환설비의 조밀한 배치 및 성능향상이 요구되었다. 개발된 고체재순환설비는 기존의 비기계적 밸브인 루프씰 (loop-seal) 과 유동층 열교환기 (Fluidized Bed Heat Exchanger: FBHE) 를 기초로하여 상압 및 가압 순환유동층에 적용 가능하도록 개발된 것으로 개념도는 Fig. 1 과 같다. 개발된 고체재순환설비는 비기계적밸브인 루프씰의 weir section 이 상승관 기체의 역류방지를 위해 기포유동층 영역에서 조업되는 것 [2] 을 근거로 하여 이 부분에 수평전열관을 설치하여 열교환기 역할을 함으로써, 기존 고체흐름조절 이외에 전열면적을 제공함으로써 loop-seal 과 유동층열교환기를 단일 장치로 간소화한 것이다.

실험장치 및 실험방법

본 연구에서 사용한 상온 순환 유동층 연소로 개략도는 Fig. 2 와 같다. 전체 장치는 상승관 (riser), 사이클론 (cyclone), downcomer, 유동층 열교환기를 갖는 비기계적 밸브로 구성되어 있다.  상승관의 직경은 0.1 m 이고, 분산판으로부터 상승관 상단까지의 높이는 7.6 m 이다. 상승관내에서의 흐름현상을 관찰하기 위하여 상승관은 아크릴로 제작하였으며, 상승관에서 싸이클론으로 연결되는 출구부분은 90 도의 각을 갖는 abrupt 형태로 제작되었다. 비산유출되는 고체 입자를 포집하여 재순환 시키기 위하여 상승관 출구에 직경 0.20 m 인 1차 사이클론과 직경 0.14 m 인 2차 사이클론를 설치하였다. 싸이클론에서 포집된 입자는 하부에 위치한 dowcomer 로 하강하였고, 이들은 연속적으로 비기계적 밸브 (내경 0.1m) 로 주입되었으며, 이들은 밸브에서 공기주입으로 순환되는 양이 조절되어 열교환기부분을 거쳐 상승관내로 재주입되었다. 순환되는 고체속도는 downcomer 쪽에 있는 sampling bottle 에서 butterfly 밸브를 이용 흐름경로를 바꾼 후, bottle 내 주어진 길이에 대해 고체입자가 하강하는 시간을 측정하는 time of descent 방법에 의하여 측정하였다. 또한, 고체순환속도 측정 시, downcomer 내 고체량을 유지하기 위하여 측정과 동시에 고체 공급탱크를 이용하여 bottle 내로 주입되는 양만큼 주입시켰다. 순환유동층 루프의 압력분포를 측정하기 위하여 루프의 벽면에 pressure tap 을 설치하였다. 또한, 압력을 측정하기 위하여 마노미터와 압력요동이 심한 영역은 pressure transducer (valydine, USA) 및 A/D converter 를 사용하였고, 여기서 나오는 신호는 IBM-PC 를 사용하여 저장하였다. 실험은 루프내 기체-고체 흐름이 정상상태에 이른 후, 고체순환속도와 압력을 측정하였다. 상승관 내 기상유속은 4.5 m/s 로 일정하게 유지시켰다. 실험에 사용한 입자는 silica sand 입자로 평균입경은 240 □ 이고 겉보기 밀도는 2582 kg/m3 이다.

본 연구에서 개발된 재순환설비의 유동층 열교환기 부분은 세로 0.20 m 이고 가로는 0.26 m 이며, 높이는 0.58 m 이다. 내부에는 1 in. sus 관이 벽면에 연결되어 있고, 관사이의 간격은 0.08 m 이며 관의 배열은 삼각배열 형태를 갖고, 총 12 개의 관들이 설치되어 있다. 총괄 열전달계수 및 반경방향에 따른 국부 열전달계수를 측정할 수 있는 probe 는 전열관 내부를 가열하여 층물질로의 열전달계수를 측정하는 방식으로 김 등 [3] 의 보고에 자세히 나타나 있다. Probe 의 길이는 전열관과 동일한 200 mm 이고, 중심에는 열전달계수 측정을 위한 80 mm 길이를 갖는 구리관이 있으며, 이의 양쪽으로 전열 방지를 위한 테프론 봉이 부착되어 있다. 구리관 안에는 저항히터가 설치되어 있고, 열흐름속도를 알기 위하여 공급된 전원의 전압과 전류를 측정하였다. 총괄 및 반경방향의 국부 열전달계수를 측정하기 위하여 구리관 표면에 반경방향으로 수평면을 기준으로 + 90o 에서 - 90o 까지 45o 의 각을 가지고 5개의 열전쌍을 부착하였다. 열전쌍 (thermocoupe microprobe, IT-23, Physitemp, USA) 은 T-type 으로 접합부 bead 는 0.13 mm 의 직경을 갖는다. 신호는 amplifier를 거쳐 A/D converter 를 통해서 PC 에 신호가 저장되도록 하였다. Sampling 은 8 ms 간격으로 50초 동안 6,250개의 data 를 포집하였다.

Data 해석

국부열전달계수는 공급된 전압과 전류로부터 다음식에 의해 계산될 수 있다.

[eqn: h_i~=~ Q over {A_tube (T_s -T_b ) }~=~ IV over {A_tube (T_s -T_b ) }]	(1)    여기서 Atube 는 관의 면적, Ts 는 관 표면 온도, Tb 는 bed 온도이며, I 와 V 는 공급된 전류 및 전압이다. 또한, 총괄열전달계수는 다음과 같다.

[eqn: h_avg ~=~ {h_{+90^o} +2h_{+45^o} +2h_{0^o} +2h_{-45^o} +h_{-90^o} } over 8]                 (2)

실험결과

Fig. 3 에 고체순환속도에 대한 수직공기주입속도의 영향을 나타내었다. 공기주입은 고체순환속도가 최대값을 보인 수평관위 길이 대 직경 (Lh/Dd) 의 비가 2.5 인 지점에서 주입하였다 [2]. 그림에서 보듯이 고체순환속도는 공기주입속도를 1.75 Umf 로 증가시킬 때까지 선형적으로 증가되다가 그 이상의 유량에서는 감소하는 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 기존 루프씰에서 얻은 것과 유사한 결과로써 weir section 에 유동층 열교환기를 설치하여도 비기계적 밸브로서 동일한 조업결과를 갖음을 나타낸다. 초기에 loop-seal 내에 공기가 첨가되면 주입되는 공기는 입자들의 공극사이로 흐르게 된다. 이 때, 주입된 공기는 고정층 형태로 존재하는 고체 입자에 대하여 마찰력을 생성시킴으로써 downcomer 내 압력이 형성된다. 주입되는 공기의 양이 더욱 증가하여 항력이 고체흐름에 대한 저항을 극복하는데 필요한 힘을 초과하면, 입자는 유동성을 갖으며 고체는 하중에 의해 loop-seal 하부로 흐르기 시작한다[2]. 그러므로, 초기에 주입되는 공기유량이 증가되면 더 큰 downcomer 내 압력강하가 형성되면서 높은 고체흐름속도를 갖게된다. 또한, 공기주입량을 더욱 증가시킬 때, 주입량이 어느 양 이상으로 증가되면 주입점 부근에서 기포 (void) 가 형성되고, 이들의 상승속도가 고체의 하강흐름과 같아짐으로써 이 기포가 공기주입점 부근에서 정체되게 된다[2]. 이러한 정체된 기포는 고체가 흐를 수 있는 downcomer 내 면적을 감소시킴으로써 고체순환속도의 증가를 방해하는 작용을 한다. 그러므로, 기포 형성점 이상에서는 고체순환속도가 증가하지 못하는 결과를 나타내었다.

Fig. 3 Effect of vertical aeration rate on

solids mass flux

Fig. 4 에 개발된 밸브에서의 고체흐름속도 변화에 따른 전열관에서의 평균 열전달계수의 변화를 나타내었다. 열전달계수는 고체흐름속도 변화에 대해 일정한 값을 나타내었고, 주어진 기상유속에대해 나타난 열전달계수값은 김 등 [3] 이 보고한 수평관을 갖는 유동층에서의 계수와 일치하는 결과를 나타내었다. 최근 Liu et al. [4] 은 순환유동층에서 추가적인 전열면적의 확보를 위해 downcomer 벽면에 수직 전열관의 설치를 제안하였고, 고체흐름속도 변화에 따른 열전달계수의 변화를 보고하였다. 그러나, 그림에서 보듯이 열전달계수는 유동층 영역을 채택한 본 연구의 계수보다 매우 낮은 값을 나타내었고, 본 연구의 입자에 대해 Denloye 와 Botterill [5] 이 packet renewal model 에 근거하여 제시한 수직관에서의 열전달계수의 계산값과 비교했을 때, 고체흐름속도에 대해 증가하는 경향을 나타내었으나, 본 연구의 조업범위에서 유동층영역에서 조업시 더 높은 열전달 계수를 얻음으로써 열회수에 있어 더 효율적임을 알 수 있다.

Fig. 4 Effect of solids mass flux on average

heat transfer coefficient in fluidized bed

section of developed system

참고 문헌

1. 남궁원, 조용준, 김상돈 : 화학공학, 32(2), 241(1994).

2. Kim, S. W., Namkung, W. and Kim, S. D. : Korean J. Chem. Eng., 16(1), 82-88 (1999)

3. Kim, S.W., Ahn, J. Y., Lee, D.H. and Kim, S.D.: Theories and Applications of Chem. Eng., 7(1), 1169-1172 (2001)

4. Liu, J., Galvin, K. P., Tian, Z. and Huan, B.: Circulating Fluidized Bed Technology VI, Eds. by J. Werther, 343-348 (1999)

5. Denloye, A. O. O. and Botterill, J. S. M.: Chem. Eng. Sci., 32, 461-465 (1977)