순환유동층내 loop-seal을 갖는 고체재순환부의 특성

김성원, 남궁원, 김상돈

한국과학기술원 화학공학과 및 에너지 환경 연구센터

A Characteristics of Solid Recycle System with loop-seal in a Circulating Fluidized Bed

S. W. Kim, W. Namkung, and S. D. Kim

Department of Chemical Engineering and Energy & Environment Research Center, KAIST, Taejon, Korea

서론

순환유동층은 기존의 기포유동층에 비하여 높은 유속에서 조업되는 반응기로 고속의 기체와 크기가 작은 고체입자간의 긴밀한 접촉을 통하여 비교적 대규모의 여러 가지 화학적, 물리적 작업을 수행하는 유동층기술의 한 분야이다. 순환유동층은 높은 유속에서 조업되므로 원활한 반응유지를 위해 싸이클론에 의한 입자의 포집과 상승관내의 고체량을 적절하게 유지시키기 위해 포집된 입자를 상승관내로 재주입하는 것이 필요하다. 이러한 포집된 입자의 재주입은 고체재순환부를 통해 이루어진다. 고체재순환부는 downcomer 와 고체재주입밸브로 이루어져 있다. 고체재순환부는 고체입자를 압력이 낮은 지역에서 높은 지역으로 전달하고, 반응기내 기체흐름이 역방향으로 흐르는 것을 방지하는 sealing 역할을 하며 고체순환속도를 조절한다[1].

이러한 고체 입자의 재순환을 특징으로 갖는 순환유동층에서 반응기의 조업정지를 가져오는 주요문제의 하나는 고체의 재순환부에서 발생한다[2]. 특히, 연소로의 경우 고체순환부에서 발생하는 문제로 인한 불안정한 고체순환은 연소로내 열의 고른 분포를 일으키지 못하고, 연소로의 국부과열과 보일러의 효율저하라는 치명적 장애를 가져온다. 따라서, 상승관내의 원활한 반응을 유지시키기 위해 안정적이며, 최적의 고체입자의 재순환을 얻기 위해서는 고체재순환부에 대한 이해가 필요하다. 그러나, 현재까지 대부분의 연구는 상승관내의 수력학적특성에 대하여 이루어 졌고, downcomer 의 중요성에 비하여 이에 대한 연구는 거의 없는 실정이다.

따라서, 본 실험에서는 순환유동층의 조업시 고체재순환부의 특성을 조사하고, 원활한 반응유지 및 순환유동층 시스템 설계에 있어 중요한 조업변수인 고체순환속도를 예측하고자 하였다.

실험장치 및 실험방법

본 연구에서 사용한 순환유동층 장치를 Fig. 1 에 나타내었다.  전체 장치는 상승관 (riser),  싸이클론(cyclone), 호퍼, downcomer, loop-seal 로 구성되어 있다. 상승관은 내경이 0.1 m 이고, 높이는 5.3 m 이다. 상승관은 아크릴 관으로 제작되었고, 분산판은 다공판으로 steel로 제작되었다. 비산유출되는 고체입자는 2개의 싸이클론에 의해 포집되었고, 여기서 포집된 입자는 호퍼에 저장되었다가, downcomer 와 loop-seal 을 통하여 공기량 조절을 통하여 원하는 고체흐름속도로 상승관내로 재주입된다.  Downcomer 와 loop-seal 은 아크릴로 제작되었고 내경은 0.08 m 이다. 입자의 재주입을 원활하게 하기 위해 loop-seal 내의 입자를 유동화 시키기 위한 수단으로 loop-seal 하단에 sparger pipe 형태의 분산판을 설치하였고, downcomer 에 공기주입을 위해 aeration tap을 높이에 따라 일정한 간격으로 설치하였다. 상승관, 싸이클론, downcomer, loop-seal 내의 압력분포를 측정하기 위해서 압력탭을 설치하였다. 압력을 측정하기 위하여 마노미터와 pressure transducer 를 사용하였고, pressure transducer 에서 나오는 신호는 data acquisition 을 이용하여 IBM-PC 에 저장하였다. 입자의 순환속도는 sampling pot 를 사용하여 주어진 높이에 대해 입자가 쌓이는 시간을 측정하는, time-of-descent method에 의해 측정하였다.

실험은 상승관이 비어 있는 상태에서 원하는 유속으로 상승관에 공기를 주입하면서 loop-seal 을 통하여 상승관내로 고체를 주입시키고, 상승관내의 압력을 측정하여 압력분포가 일정한 상태에 이르면 이를 정상상태로 간주하여 이 조건에서 고체순환속도와 압력을 측정하였다. Downcomer 와 loop-seal 내로 주입되는 공기의 양과 공기주입위치를 변화시켜 가면서 실험을 수행하였고, 이 때, downcomer내 압력변이를 측정하였다. 실험변수 및 범위를 Table 1 에 나타내었다. 실험에 사용된 고체입자는 FCC 입자로, 평균입경은 65 □m 이고 겉보기밀도는 1720 kg/m3 이다.

결과 및 고찰

고체재주입 밸브로서 loop-seal을 갖는 순환유동층은 조업시 전체루프에 대해 다음과 같은 압력강하에 대한 수지식을 갖는다[3].

[eqn: Delta P_d ~=~DeltaP_LS ~+~DeltaP_R ~+~DeltaP_TS]                            (1)

여기서, □Pd, □Pd, □PR 와 □PTS 는 각각 downcomer, loop-seal, riser 와 top section 에서의 압력강하를 나타낸다.

압력수지식에서 나타나듯이 downcomer 내 압력강하는 압력수지를 맞추기 위해 압력강하를 자동적으로 보상하므로 고체재순환은 downcomer를 포함한 고체재순환부의 적당한 설계와 그 내부에서의 원활한 고체흐름에 의존함을 알 수 있다. Fig. 2 에 고체순환속도에 대한 aeration velocity 의 영향을 나타내었다. 상승관내 기체유속은 2.0 m/s 로, Loop-seal 의 공기주입은 수평부분에서 Umf 조건으로 일정하게 유지시켰고, 수직부분에서 최대 고체순환속도를 얻은 위치인 수평관위 0.2 m (Lh/Dd=2.5) 지점에서 공기주입 속도를 증가시키며 초기에 채워진 고체량 30 kg 에 대해 고체순환속도의 변화를 측정하였다. 그림에서 보듯이 고체순환속도는 22 kg/m2s 의 최대고체순환속도를 나타낼 때까지 증가하다가 최대값이후 일정해 짐을 나타내었다. Fig. 3 에는 공기주입량과 downcomer내 압력변이와의 관계를 알아보기 위해 Fig. 2에 나타낸 동일한 조업조건에서 공기주입량을 변화시켰을 때, 공기주입점 이상에서  downcomer내 압력변이 기울기의 변화를 나타내었다. 그림에서 나타나는 것과 같이 공기주입량이 증가할수록, 공기주입점 이상에서의 압력변이 기울기는 증가하였고, 최대 고체순환속도를 나타내는 공기주입량에서 기울기가 갑자기 증가하였다. 식 (1)에서 볼 수 있듯이 downcomer내 공기주입점 상부의 압력강하는 각 구성부의 압력강하에 의존하게 된다. 이를 달리 표현하면, loop-seal 을 통해 흐를 수 있는 고체흐름속도는 downcomer 상부의 압력강하와 관계된다는 것이다. 따라서 공기주입량의 증가는  downcomer 상부의 압력강하를 더 크게 함으로써 loop-seal 을 통해 흐를 수 있는 고체흐름속도를 증가시키게 되는 것이다.

순환유동층내에서 loop-seal은 비기계적 밸브로서 고체순환속도를 조절하는 역할을 한다. 이러한 loop-seal은 다른 비기계적 밸브와 달리 loop-seal의 수평부분에서 상승관으로 고체입자를 전달하는 weir section이 유동화되는 특성을 갖는다. 따라서 이러한 loop-seal의 성질을 이용하여 weir section에서의 압력을 측정, 아래와 같이 고체순환속도를 예측하였다.

Weir section은 유동화된 상태이므로 압력강하는 다음과 같이 표현될 수 있다.

[eqn: { TRIANGLE P}over {TRIANGLE L}~=~ rho _m g]                                   (2)

여기서 □m은 기체-고체입자의 혼합물 밀도로서, 다음과 같다.

[eqn: rho _m ~=~ {M_gL + M_p } over {Q_gL +Q_p}]                                (3)

이때, M은 질량, Q는 부피를 첨자 gL은 loop-seal내 기체를 각각 나타낸다. 기체의 질량은 무시할 수 있으므로, 기체-고체입자 혼합물의 질량은 다음과 같다.

[eqn: M_gL + M_p ~CONG~ M_p]                                    (4)

따라서, 식 (4) 에 의해 □m은 아래와 같이 정리된다.

[eqn: rho _m ~=~ { M_p } over {Q_gL +Q_p} ~=~{M_p /Q_gL } over {1 +Q_p / Q_gL}]                (5)

여기서 Mp/QgL은 time-base로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[eqn: M_p over Q_gL ~=~ G_s over U_gL]                                      (6)

윗 식에서 Gs는 고체순환속도를 UgL은 loop-seal내 주입된 공기의 weir section 내 유속을 나타낸다.

식(6)에 의해, 혼합물의 밀도는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[eqn: rho _m ~=~ {G_s /U_gL } over {1 +Q_p / Q_gL}]                                  (7)

또한, 기체와 고체입자의 부피비는 다음과 같이 공극률의 함수로 나타낼 수 있다.

[eqn: Q_p over Q_gL ~=~ epsilon _s over epsilon _L ~=~{(1- epsilon _L )} over epsilon _L]                            (8)

여기서 □s는 고체체류량을, □L은 loop-seal내 weir section에서의 공극률을 나타낸다. 따라서, 식(8)은 아래와 같이 정리될 수 있다.

[eqn: rho _m ~=~ {G_s /U_gL } over {1 +(1- epsilon _L )/ epsilon _L} ~=~ {(G_s /U_gL ) epsilon _L} over {epsilon _L +(1- epsilon _L )} ~=~ {G_s epsilon _L } over U_gL]          (9)

식(2)와 식(9)를 정리하면 weir section에서의 압력강하는 다음과 같고,

[eqn: {TRIANGLE P} over {TRIANGLE L} ~=~ ({G_s epsilon _L } over U_gL ) g]                                  (10)

또한, 유동화될 때의 압력강하는 다음과 같이 표현될 수 있다.

[eqn: {TRIANGLE P} over {TRIANGLE L} ~=~ rho _s epsilon _s g ~+~rho _g epsilon g~ CONG ~ rho _s epsilon _s g][eqn: {TRIANGLE P} over]                       (11)

따라서, 식(11)을 식(10)에 대입하여 정리하면 다음과 같은 고체순환속도를 예측할 수 있는 식이 도출된다.

[eqn: G_s ~=~(rho _s epsilon _s g) U_gL over { epsilon _L g}~=~(rho _s epsilon _s ) U_gL over { (1- epsilon _s ) }]                     (12)

Fig. 4에 loop-seal내 주입된 공기는 모두 weir section으로 흐른다는 가정하에, 실험에서 얻은 고체순환속도의 결과와 식 (12)에서 구한 계산 결과를 비교하였다. 그림에서 나타난 것과 같이 실험치와 계산결과는 잘 일치하였다.

참고 문헌

1. Rudolph, V., Chong, Y. O. and Nicklin, D. J., CFB technol. Ⅲ, edit by P.      Basu and J. F. Lange, Pergamon Press, New York, 49-64 (1990).

2. Merrow, E., Linking R ＊ D to problems experienced in solids processing,    Chemical Engineering Processing, May, 14-22 (1985).

3. Knowlton, T. M.,CFB technol. Ⅱ, edit by P. Basu and J. F. Large,           Pergamon Press, New York, 31-41 (1988)

Table 1  실험변수 및 범위

실 험 변 수	실 험 범 위
Gas Velocity (m/s)	1.5 - 4.0
Aeration Height (m)	0.1, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8
Aeration velocity(m2/s)×105	0.3 - 24.7