수직관에서 광석입자의 기송특성

남궁 원, 조 민영

포항산업과학연구원 용융환원프로젝트팀

Pneumatic Conveying of Ore Particle in a Vertical Tube

W. Namkung, M. Cho

Smelting Reduction Research Team, Research Institute of Industrial Science and Technology(RIST), Pohang, Korea, 790-600

서  론

Pneumatic conveying(공기이송)은 19세기 곡물의 이송에 사용된 이후로 현재 광석을 포함한 다양한 물질의 수송에 사용되고 있다. 공기이송장치는 파이프내에 bend 사용으로 수직, 수평으로 다양하게 입자의 이송이 가능하며, 유지비와 인건비가 적게 들고, 제어 및 자동화가 용이하다는 장점이 있다. 그러나, 이에 반하여 전력소비가 높으며, 장치의 마모와 부식 가능성이 있고, 이송시 복잡한 흐름현상으로 인하여 설계와 운전시 높은 기술력이 요구 되는 단점이 있다[1].

현재까지 화학공정내 공기이송 장치가 많이 사용되었음에도 불구하고 고체이송은 기체나 액체의 수송에 비하여 조업의 안정성이 뒤쳐지는 편이다[2]. 입자를 다루는 공정에서 공정실패의 50% 이상은 입자수송에 기인한다고 알려져 있다[3]. 그러므로, 공기이송에 대한 정확한 이해가 필요하다. 공기이송계의 적절한 설계를 위해서는 압력강하, choking velocity, 입자속도등에 대한 정보가 필요하다. 특히 공기이송에서 tube 전체에 걸리는 압력에 대한 정보는 안정적인 조업 및 설계를 위해서 매우 중요한 인자이다. 만약, 반응기내에서 상승되는 입자의 속도 및 마찰계수를 정확히 알고 있다면, 상승관내에 걸리는 압력강하 측정을 통하여 수송되는 입자의 유량 예측이 가능하다[4]. 최근까지 입자의 기송특성에 대한 연구가 많이 진행되었지만, 상대적으로 광석입자에 대한 연구는 미비한 실정이다.

그러므로, 본 연구에서는 광석을 사용한 공기이송장치에서 기체유속과 입자 장입량에 따른 상승관내 압력측정을 통하여 광석의 이송특성을 연구하였고, 광석입자의 공기이송시 공기이송장치 설계의 기초자료를 확보하고자 하였다.

실  험

본 연구에서 사용된 수직관 공기이송 장치의 개략도는 Fig. 1 과 같다. 전체 장치는 상승관 (riser), 사이클론 (cyclone), 호퍼와 rotary 밸브로 구성되어 있다. 상승관의 내경은 0.078 m 이고, 분산판으로부터 상승관 상단까지의 높이는 6.0 m 이며, 상승관은 sus pipe로 제작되었다. 초기에 상승관내의 흐름현상을 관찰하기 위하여 분산판에서 상부 2 m까지 아크릴로 제작되었으며, 후에 sus pipe로 교체되었다. Compressor (용량 500 Nm3/hr, 5 bar)에서 공급되는 air는 필터와 dryer를 거쳐 상승관내로 주입이 되었다. 하부의 분산판은 다공판 (perforated plate) 형태로 제작되었다. 상승관에서 싸이클론으로 연결되는 출구부분은 90 도의 각을 갖는 직각형태이며, 비산유출되는 고체 입자를 포집하여 재순환 시키기 위하여 상승관 출구에 직경 0.26 m 인 싸이클론를 설치하였고, 싸이클론에서 포집되지 않은 미분은 최종적으로 bag filter에서 포집이 되었다. 싸이클론에서 포집된 입자를 저장하기 위하여 호퍼를 설치하였고, 가변속 모터(variable speed motor)에 의해 회전속도가 제어되는 rotary 밸브를 사용하여 상승관내로 재주입되는 고체의 순환속도를 조절하였다.  입자의 순환되는 양은 싸이클론 하부에 설치된 three-way 밸브를 사용하여 흐름경로를 바꾼 후, sampling bottle에서 bottle 내 주어진 길이에 대해 고체입자가 하강하는 시간을 측정하는 time of descent 방법에 의하여 측정하였다. 재순환되는 고체는 분산판위 0.30 m 지점에서 상승관으로 주입되었다. 상승관 내의 압력분포를 측정하기 위하여 상승관의 벽면에는 0.2 m 간격으로 pressure tap 을 설치하였다. 압력을 측정하기 위하여 pressure transducer 와 A/D converter를 사용하였고, 여기서 나오는 신호는 PC를 사용하여 저장하였다.

Fig.  Experimental apparatus

1. Riser 2. Cyclone 3. Hopper 4. Rotary valve & motor 5. Three-way valve 6. Sampling bottle 7. Compressor 8. Heater 9. Bag filter

실험은 먼저 광석입자를 호퍼에 장입한 후 상승관이 비어있는 상태에서 공기를 원하는 기체유속으로 상승관내로 공급하였다. 이 상태에서 calibrated rotary valve를 사용하여 원하는 속도로 고체입자를 상승관내로 주입하면서 상승관내의 축방향 압력분포를 측정하였다. 기체유속은 10 - 30 m/s, 광석 장입량은 최대 1 kg/s로 변화시키면서 실험을 수행하였다.

실험에 사용한 광석입자는 호주산 Hamersley로 0.5 - 2.0 mm의 입자분포를 가지며 입자의 밀도는 4500 kg/m3이다.

이론 및 결과

입자의 기송시 관에 걸리는 총압력은 입자 및 기체의 가속(□Paccel), 중력  (□Pstatic)과 마찰(□Pfriction)에 의한 압력강하의 개별적인 합으로 나타낼 수 있다.

[eqn: □P_t ~=~□P_accel ~+~ □P_static ~+ ~□P_friction]	(1)

수직관에서 입자에 의한 static pressure는 다음과 같다.

[eqn: Delta P_sp ~=~ rho_p (1-epsilon) Lg]	(2)이항은 수평관에서는 □0□이다. 수직관에서 단지 기체에 의한 static pressure는 보통 고체에 의한 static pressure에 비하여 매우 낮다. 이것은 일반적으로 무시되며, 다음과 같다.

[eqn: DeltaP_sg ~=~ rho_g epsilon L g]	(3)

마찰항은 일반적으로 기체의 마찰(□PFg)과 고체의 마찰(□PFp)에 의해서 미치는 압력의 합으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[eqn: DeltaP_Friction ~=~ DeltaP_Fp ~+~DeltaP_Fg ~ =~ {2f_s rho_p (1-epsilon) U_p^2 L} over D + ~ {2f_g rho_f U_f^2 L} over D]	(4)

만약, acceleration length을 알고 있다면, 기체 및 입자의 가속에 의한 압력항은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[eqn: DeltaP_accel ~=~ integral_0 ^Laccel rho_p (1-epsilon)gdL + integral_0^Laccel {2f_g rho_f U_f^2 dL} over D + integral_0 ^Laccel {2f_s rho_p (1-epsilon) U_p^2 dL} over D]

[eqn: + [rho_p (1-epsilon) U_p^2 ] ~ at ~Laccel]	(5)

공기이송시 tube에 걸리는 압력을 계산하기 위해서는 입자속도에 대한 정보가 필요하다. 상승관내 입자속도는 다음과 같이 기체속도와 입자의 종말속도 차로 구할 수 있다[5].

[eqn: U_p ~=~U_g ~ - U_t]	(6)

Plasynake 등은[2] 상대적으로 큰 입자의 경우 입자속도가 식(6)에 의하여 잘 예측된다고 하였다.

Fig. 2는 반응기내에 기체유속을 일정하게 유지하면서 주입되는 입자의 양을 변화시켰을 때 반응기내 축방향 압력강하를 나타내었다. 상승관내로 주입되는 기체유속은 14.5 m/s로 일정하게 유지시켰다. 상승관은 높이에 따른 압력분포에 따라 3개의 영역으로 나눌 수 있다. 반응기 하부는 상승관에 장입된 입자가 일정한 유속이 될 때까지 가속이 되면서 높이에 따라 압력이 감소한다. 그림에서 보듯이 acceleration length는 약 1.5 m 로 일정한 유속에서 입자의 주입량에 큰 영향을 받지 않았다. 입자의 속도가 일정하게 되면, 기체와 고체흐름은 완전발달흐름이 되고 이때 압력강하는 중력항과 마찰항에 의한 합으로 나타낼 수 있다. 이 영역에서 압력은 그림에서 보듯이 (약 1.5 - 3.5 m) 높이에 따라 일정하게 유지된다. 반응기 상부는 반응기 출구형태로 인하여 높이가 증가할수록 도리어 압력강하는 증가하게 된다. 이는 직각형태의 출구 구조에 의한 입자의 reflux 흐름 때문이다[6,7]. 예상했던 바와같이 전체 반응기내에 걸리는 압력은 고체순환속도가 증가할수록 증가하였다. 그리고, Ug = 14.5 m/s를 유지하면서, 고체의 장입속도가 0.084 - 0.340 kg/s로 변화될 때 고속유동층에서 관찰되는 core-annulus flow는 관찰되지 않았다. 즉, 이 흐름영역은 dilute phase pneumatic conveying 영역임을 알 수 있다.

Fig. 2 Axial pressure drop in a vertical tube

Fig. 3은 완전 발달흐름영역에서 기체유속을 일정하게 유지하면서(Ug =14.5 m/s) 입자의 장입량을 증가시켰을 때 장입량이 압력강하에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 압력강하는 식(1)를 사용하여 계산하였다. 완전발달흐름영역이기 때문에 가속에 의한 압력항은 무시되었다. 식(4)에서 기체마찰계수(fg)는 Koo [5]가 제시한 상관식을, 입자 마찰계수(fs)는 Yang [8]이 제안한 상관식을 이용하였다. 그림에서 보듯이 기체유속을 일정하게 유지시켰을 때 입자의 장입량이 증가할수록 압력은 증가하였다. 이것은 입자의 장입량이 증가할수록 입자의 중력에 의한 압력이 증가하였기 때문이다. 일반적인 유동층과는 달리 공기이송에서는 마찰항이 전체 압력강하에 미치는 영향이 매우 높기 때문에 마찰항에 의한 압력강하를 무시할 수 없다. 마찰항이 전체압력에 미치는 분율은 일정유속에서 입자의 장입량이 증가할수록 약간 감소하였다. 비록, 식(1)에 의하여 구한 계산값이 실험치에 비하여 약간 낮은 값을 나타내었지만, 전체적으로 압력강하를 잘 예측하였다. 만약, 광석입자에 대한 입자, 기체의 마찰계수 및 입자속도가 정확히 알려진다면 압력강하를 정확하게 예측하는 것이 가능하다. 완전발달흐름에서 공극률은 다음과 같이 구할 수 있다.

Fig.  Effect of solids circulation rate on pressure drop

[eqn: epsilon ~=~ 1~ - ~4W_s over { (rho_p ~- ~rho_g )pi D^2 U_p }]	(7)

식(7)에서 입자속도(Up)는 식(6)을 사용하여 구하였다. 식(7)에 의하여 고체체류량을 구하면 완전발달흐름에서 고체체류량은 고체의 순환속도가 0.08 kg/s에서 0.85 kg/s로 변화함에 따라 0.0005에서 0.005사이에서 변화하였다. 이 값은 고속유동층 희박상에 비하여 상당히 낮은 값으로, downer반응기의 고체체류량과 거의 유사한 값이다[9].

참고문헌

1. Klinzing, G., Marcus, R.D., Rizk, F. and Leung, L.S.: Pneumatic conveying of solids, Chapman and Hall, London, 1991

2. Plasynski, S.I., Klinzing, G.E. and Mathur, M.P.: Powder Technology, 79, 95(1994).

3. Knowlton, T.M.: "Solids transport research, Why it is important and research needs", Proc. Solids Transport Contractors's Review Meet., US Dept. of Energy, Sept. 17-18, p.1-10, 1987.

4. Lech, M.: Powder Technology, 114, 55 (2001).

5. Klinzing, G.E.: Gas-Solid Transport, McGraw-Hill Book Company, New York, 1981.

6. Namkung, W., Cho, Y.J. and Kim, S.D.: Hwahak Konghak, 32, 241(1994).

7. Kunii, D. and Levenspiel, O.: Powder Technol., 84, 83 (1995).

8. Yang, W.C.: AIChE J., 24, 548 (1978).

9. Bang, J.H., Kim, Y.J. and Kim, S.D.: Hwahak Konghak, 38, 503(2000).