두 유동층 반응기 사이의 고체순환 및 수력학적 특성 연구

채현규, 김의식, 이봉희, 조성호*, 진경태*, 이창근*

충북대학교 화학공학과, 한국에너지기술연구소*

Characteristics of Hydrodynamics and  Solid Circulation        between Two Fluidized Reactors

H.K. Chae, Y.S. Kim, B.H. Lee, S.H. Cho*, G.T. Jin*, C.K. Yi*

Department of chemical engineering, Chungbuk National University

Korea Institute of Energy Research (KIER)*

1. 서론

고온건식 탈황 (Hot Gas Desulfurization) 공정은 유동층 방식의 두 반응기로 이루어져 있고, 아래 반응기에서 위 반응기로 고체를 올리기 위하여 수평관과 riser가 사용되었다. 수평관과 riser에서 탈황제 순환량, 입도분포등의 흐름특성은 전체 공정특성에 크게 영향을 미치며 반응기의 크기나 반응정도 및 반응온도를 조절하는 매우 중요한 공정인자가 된다. 한국에너지기술연구소에서는 고온건식 탈황 (Hot Gas Desulfurization)의 실제 기-고 반응공정에 대한 고체 순환기술을 확보하기 위하여 두 개의 loopseal을 갖는 공정에서 안정적인 고체연속순환과 역흐름 가능성, 그리고 압력균형곡선에 대한 연구가 진행되어 왔다.1,2) 본 연구는 두 개의 반응기를 갖는 유동층 공정에서 수평관과 riser에서의 유속과 초기충전량의 변화에 따른 고체순환량과 층밀도를 측정하여 반응기 설계시 필요한 데이터를 얻고, 수평관에서 고체흐름형태의 변화에 따른 역흐름 발생과 공정에 미치는 영향에 대해서 알아보는데 그 목적이 있다.

2. 실험장치 및 방법

가. 실험장치 및 운전조건

[그림 1]은 두 개의 유동층 반응기를 가진 상온 고체순환장치이다. 장치의 재질은 Plexi-glass로 만들어져 있으며, 왼편의 riser는  아래 부분이 내경 50 □에 높이  630 □이고, 윗부분은 내경 35 □에 높이 4,650 □이며, 두 부분이 길이 170 □의 reducer관에 의해서 연결되어 있다. 두 개의 반응기는 내경 160 □에 높이 1250 □의 유동층 반응기로 하부에 공기 분산판이 연결되어 있다. Riser와 위 반응기는 loopseal에 의해서 연결되어있는데, loopseal 위에는 lode cell hopper를 설치하여 고체순환량을 측정하도록 하였다. Loopseal의 출구는 위반응기의 분산판에서 290 □ 위쪽에 연결되어 있다. 아래반응기는 standpipe와 수평관에 의해서 riser에 연결되어 있고 양 반응기 사이의 slide valve는 PID 제어기를 통하여 양 반응기의 층 높이를 조절한다. 공기압축기로부터 유입되는 공기의 유량은 mass flow controller를 사용하여 조절한다. 각 압력점에는 차압변환기를 연결하여 상대압을 측정하며, 측정된 실험치는 PLC를 거쳐 컴퓨터에 저장되었다.

[그림 ] 두 개의 반응기를 가진

고체순환장치의 개략도

나. 변수들의 운전 조건

<표 1> 변수들의 운전 조건

변 수	범 위
초기 충전량, Ws	20 - 25 kg
수평관에서의 기체 유속, Uht	0.24 - 2.54 m/s
riser 상부에서의 기체 유속, Urs,t	1.51 - 3.41 m/s
반응기 1, 2에서의 기체 유속, Urt	0.045 m/s
loopseal에서의 기체 유량, Qloop	3.0 l/min

다. 입자의 특성

본 입자에 사용된 입자는 아연계 탈황제를 사용하였다. 아연계 탈황제의 평균 입경은 67.2 □, 입자 밀도 (particle density)는 2.01 g/□, bulk 밀도는 1.32 g/□이었고, 최소 30 □에서 최대 200 □까지 고른 정상분포 (normal distribution)를 보여주고 있다.  ASTM attrition resistance (ASTM 95-5757)는 78.8%의 마모도를 갖는 입자이다.

3. 결과 및 고찰

가. 기체의 유속이 고체순환량에 미치는 영향

[그림 2]에서는 두 개의 반응기를 가진 유동층 공정에서 수평관에서의 기체 유속변화에 따른 고체순환량의 변화를 나타내었다. 이 때 riser상부에서의 유속은 2.65 m/s로 유지하였다. 고체순환량은 2.0 m/s까지는 점차 증가하다가 2.0 m/s에서는 급격히 감소하여 2.5 m/s에서부터 거의 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있다. 이러한 변화는 수평관에서 고체흐름 형태의 변화와 아주 밀접한 관련이 있다. 0.2∼0.5 m/s의 유속에서는 L-valve와 같이 느린 속도의 부드러운 흐름을 보였고, 고체순환량은 점차 증가하였다.  0.5 m/s에서부터 dune이 형성되면서 0.5∼2.0 m/s에서는 dune flow의 흐름 형태가 나타나고 역흐름이 발생하였다.3) 이때의 고체순환량은 거의 일정하게 유지되었다. 2.0 m/s이후의 유속에서는 가끔씩 dune flow가 관찰되었으나 거의 dense pneumatic transport의 흐름이었고 고체 순환량은 거의 일정하였다. 초기 충전량이 커짐에 따라 약간 고체순환량이 증가하였으나 뚜렷한 증가를 나타내지는 못하였다.

[그림 2] 수평관에서의 유속변화에

따른 고체순환량의 변화

[그림 3] Riser 상부에서의 유속변화에 따른 고체순환량 변화

[그림 3]에서는 내경이 35 □인 riser 상부에서 유속변화에 따른 고체순환량의 변화를 나타내었다. Riser 상부의 유속이 1.51∼3.41  m/s까지 증가함에 따라 고체순환량은 거의 일정하게 유지되었고, 수평관에서의 유속이 각각 0.479 m/s, 0.958 m/s로 변할 때 고체순환량은 9 kg/m2s에서 14 kg/m2s로 크게 변하는 것을 알 수 있었다. 따라서 Riser에서의 유속변화는 고체순환량에 영향을 미치지 않고 수평관에서의 유속에 따라서 고체순환량이 결정되는 것을 알 수 있다.

결국 고체순환량의 결정단계는 수평관에서의 유속에 따른 고체 흐름형태의 변화이고, 그 흐름 형태는 역흐름과 riser에서의 층밀도 등 다른 공정 변수에 크게 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.

나. Riser에서의 층밀도

[그림 4]는 내경이 50 □인 riser 하부에서의 유속 변화에 따른 평균 공극율의 변화를 나타내었다. 평균 공극율은 riser 하부에서 차압으로부터 계산되어진 값이다. 유속이 0.74 m/s로부터 1.67 m/s의 범위에서 평균 공극율은 0.5에서 0.98까지 크게 증가하였다. 유속이 계속 증가함에 따라 각각 1.3 m/s와 1.1 m/s이상부터는 공극율이 0.96∼0.99정도로 거의 희박상 (dilute phase)에서 유지되었다.

Riser에서의 유속은 고체순환량에는 크게 영향을 주지 않지만  riser에서의 평균 공극율에는 크게 영향을 주었다. 수평관에서의 유속은 0.958 m/s와 0.479 m/s에서 각각 측정하였다. 두 그래프의 차이가 보이듯이 평균 공극율은 수평관에서의 유속에 따라서도 크게 영향을 받는다. 수평관에서 흐름형태가 dune flow일 때 riser에서의 차압도 심하게 변동하였다. 즉 수평관에서의 흐름형태에 따라서 고체순환량도 변화하고 그 영향으로 riser에서의 평균 공극율도 변하는 것을 알 수 있었다.

[그림 4] Riser 하부에서의 유속변화에 따른 평균 공극율 변화

[그림 5] Riser에서의 유속 변화에 따른 평균 공극율의 변화

[그림 5]에서는 riser에서의 유속변화에 따른 평균 공극율을 나타내었다. Riser 에서의 유속이 증가할수록 평균 공극율은 급격히 감소하는 것을 알 수 있다. 출구에서의 영향으로 위 부분의 층밀도가 다시 증가하였다.

다. 역흐름에 관한 고찰

수평관에서의 고체흐름은 유속이 증가함에 따라서 점차적으로 dune이 형성되고 더 진행되어 0.5∼2.0 m/s의 유속범위에서 dune flow가 나타난다. 이 dune flow에서는 멈춤과 흐름을 반복하는데, 그 dune flow가 멈추었을 때 수평관내의 차압이 순간적으로 크게 증가하면서 standpipe로 공기가 거슬러 올라가는 현상을 역흐름이라 한다. 이 역흐름은 아주 순간적으로 standpipe내의 고체를 reactor2로 밀어 올린다. 수평관내의 차압이 reactor2의 층높이와 standpipe 그리고 slide valve의 세 차압의 합보다 커졌을 때  역흐름이 발생하는 것이다. 역흐름을 방지하기 위해서는 수평관내에 aeration을 시켜서 순간적으로 수평관이 막히는 것을 방지하거나 reactor2의 bed height와 standpipe 그리고 slide valve의 세 차압의 합을 크게 만드는 것이다.

4. 결론

두 개의 반응기를 갖는 고체 순환 시스템에서 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 첫 번째로 고체순환량은 수평관에서의 유속이  dune flow일 때 가장 크게 나타났고, 초기충전량의 증가에 의해서도 조금 증가하는 것을 알 수 있었다. 결국 고체순환량의 결정단계는 수평관에서의 유속에 따른 고체 흐름형태의 변화이고, 그 흐름형태는 역흐름과 riser에서의 층밀도 등 다른 공정 변수에 크게 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 두 번째로 riser하부에서의 층밀도는 고체순환량이 많고 riser에서의 유속이 작을수록 크게 나타났고 수평관에서 dune flow의 영향으로 크게 진동하는 것을 알 수 있었다. 마지막으로 역흐름은 riser에서의 층밀도가 크고 수평관에서 dune flow가 정지되어 수평관에 쌓인 압력이 standpipe로 작용하여 발생하였다.

감사의 글

본 연구는 대체에너지 선도기술개발(G7)사업의 일환으로 수행되었습니다. 연구비지원에 감사드립니다. 탈황제를 공급하여주신 한국에너지기술연구소 안영수, 한문희 박사님과 전력연구원 류청걸, 위영호 박사님께 감사를 드립니다.

참고문헌

1. 이창근, 배달희, 선도원, 진경태, 손재익 □두 개의 loopseal을 갖는 KIER 고온   순환 유동층 공정에서의 압력균형곡선□, 화학공학, 37(4), in print(1999)

2. C. K. Yi, S. H. Jo, D. H. Bae, D. Shun, G. T. Jin, J. E. Son "Particle        Hold-up in the two Fluidized Reactor System with Two Loopseals"           Proceedings of the 8th APCChE Congress, 3, 1715(1999)

3. Kunii, D. and O. Levenspiel; Fluidization Engineering, 2nd ed. p. 384,        Butterworth-Heinemann, Stoneham, USA(1991)