중잔유 가스화기에서 선회수 영향에 대한 수치해석적 연구

나혜령, 이진욱, 유진열*

고등기술연구원 재료/공정연구실, 대우중공업(주) 선박해양기술연구소*

Numerical Study for The Swirl Effects on The Heavy Residual Oil Gasification

H.R. Na, J.W. Lee, J.Y. Yu*

Materials/Processing Lab., Institute for Advanced Engineering

Ship & Design R&D  Office, Daewoo Heavy Industries Ltd.*

서론

중잔유는 원유정제 후 남는 잔여물질로서 정제공정을 거쳐 재사용하게 된다. 그러나, 중잔유는 다른 유류나 석탄에 비해 높은 황 함유율을 나타내므로 환경적인 측면에서 볼 때, 유황제거효율이 높은 시스템의 연료로 사용하는 것이 타당하며, 한 예로서 가스화 복합발전시스템을 들 수 있다. 따라서, 중잔유를 가스화 복합발전시스템의 발전연료로서 활용하게 되면 지속적으로 강화되고 있는 CO2, SOx등의 대기오염물질의 환경규제를 만족시킬 수 있으며, 중잔유의 활용 방안으로도 매우 유리한 점을 가지게 된다.

본 연구에서는 중잔유를 연료로 하는 가스화기를 대상으로 하여 전산유체역학방법에 의한 수치해석을 수행하였다. 고온/고압의 가스화기내에서 일어나는 중잔유의 가스화반응 특성을 파악하고, 주요 운전 변수중의 하나인 원통형 반응로의 이차주입노즐의 회전방향 속도변화, 즉, 선회수가 반응유동장에 미치는 영향을 파악함으로써 가스화기의 적절한 운전조건을 제시하고자 하였다.

수학적 모델 및 해법

난류반응유동장이 형성되는 가스화기 내부의 기체상지배방정식은 2차원 축대칭 좌표계에서 다음과 같은 편미분방정식의 형태로 표현된다. 즉,

[eqn: partial over{partial x} left(barrho baru phi right) + 1over r partial over{partialr} left(r barrho barv phi right) - partial over{partialx }left(Gamma_phi {partialphi}over{partialr}} right) - 1over r partial over{partialr} left( r Gamma_phi {{partialphi}over{partialr}} right) = S_phi]

윗 식에서 [eqn: phi]는 해석하고자 하는 일반 종속 변수로서 각 방향에 대한 속도 성분,  레이놀즈응력, 엔탈피 및 화학종등을 나타낼 수 있다. 난류모델은 RSM(Reynolds Stress Model), 복사열전달 모델은 P-1 모델을 사용하였으며, 가스상 반응은 연료와 산화제의 혼합 속도에 의해서 반응이 좌우된다고 가정한 'fast chemistry model'중 혼합분율과 확률밀도함수를 이용한 보존 스칼라 모델을 사용하였다[1]. 또한, 해석의 주요변수인 선회수는 다음의 정의에서 관계식을 도출하여 사용하였다.[2].

[eqn: S_N = {int {rho uwrrdr}}over{R_o int{ rho uurdr}} SIMEQ ~ 2over3 {w over u} {{(D_o ^2 + D_o D_i + D_i^2 )} over{(D_o ^2 + D_o D_i )}}]

경계 및 해석 조건

중잔유를 대상연료로 하는 가스화기는 550MW급을 기준으로 설정하였다. 본 연구의 적용대상인 상단공급방식 원통형 가스화기의 일차주입구로는 중잔유가 산화제(95% 산소)와 함께 20m/s의 속도로 공급되며, 이차주입구로는 산화제만이 공급되도록 하였다. 산소 및 스팀과 연료의 비는 Texaco공정을 기준으로 각각 1.04, 0.31로 설정하였으며[3], 대상연료의 조성은 아래의 표에 간략히 나타내었다. 이중 연료에 미량으로 포함되어 있는 수분과 ash는 가스화반응 모델링시 제외하였고, 수치해석의 주요변수로 이차주입노즐의 회전방향속도를 변화시켜 봄으로써 선회수가 반응유동장에 미치는 영향을 파악하고자 하였으며, 상용 열유체 해석 소프트웨어인 Fluent V.4.5를 사용하여 HP9000/770 Workstation에서 계산을 수행하였다.

Table 1. Composition of heavy residual oil

Proximate Analysis(%)	Moisture	0.01
	Volatile Matter	79.71
	Ash	0.20
	Fixed Carbon	20.08
Ultimate Analysis(%)	C	83.03
	H	9.77
	N	0.68
	S	6.27
	O	0.04
	Ash	0.20
	Moisture	0.01
Gross heating value(Kcal/kg)	9628

결과 및 고찰

본 연구는 중잔유를 연료로 하는 가스화기내 반응유동장의 특성을 파악하고 운전조건의 변화에 따른 유동장 패턴 변화를 통해 적절한 가스화 반응이 일어날 수 있는 가스화기의 운전조건을 제시하고자 하였다. Fig. 1은 산소와 연료의 비가 1.04, 스팀과 연료의 비가 0.31로 유입되는 중잔유 가스화기내에서 선회가 없는 표준 반응유동장에서의 생성가스의 몰분율을 나타낸 것이다. 결과로부터 연료인 중잔유가 분사되는 가스화기 초기의 입구영역에서는 산소와 빠르게 반응하여 연소반응이 활발히 일어남으로 CO2와 H2O가 높게 생성됨을 알 수 있으며, 특히, 이차주입노즐로 분사되는 산소에 의해 국부적으로 가스화기 중심축보다는 입구 벽면근처에서 CO2와 H2O가 높게 나타나고 있음을 볼 수 있다. 또한, 연소반응에 의한 발열량으로 가스화기내 온도가 충분히 고온으로 유지되고, 연소생성물이 다시 가스화반응의 산화제의 역할을 하므로 일단 연소반응영역 이후부터는 CO2와 H2O는 감소하는 반면, CO와 H2는 증가하기 시작하므로, 가스화 반응이 진행되고 있음을 볼 수 있다. Fig. 2는 이차주입노즐의 선회수 변화에 따른 가스화기내 속도장을 나타낸 것이다. 가스화기내로 분사되는 산화제와 연료의 혼합효과를 증대시켜 반응성을 향상시키기 위한 방안으로 이차주입노즐의 선회수를 변화시켰을 때의 유동장의 특성변화를 파악해 보았다. Fig. 2의 (a)는 선회가 존재하지 않는 경우에 대한 해석 결과이다. 결과로부터 알 수 있듯이 연료와 산소와의 반응에 의한 가스 유량의 급팽창으로 인해 가스화기 입구영역에서 급격한 속도변화가 나타나고 있으며, 속도 변화에 의해 입구 벽면쪽에는 긴 재순환영역이 형성되고, 중심축을 따라 가스가 출구쪽으로 진행되고 있는 평이한 유동장을 나타내고 있다. (b)의 결과는 이차주입노즐에서의 선회속도가 1.2m/s로 미약한 선회의 효과가 존재할 때의 속도장으로 (a)와 비교해 볼 때 선회에 의한 원심력으로 유동이 약간 벽쪽으로 치우쳐져 벽면쪽에 형성되었던 재순환영역의 크기가 상당히 줄어들었음을 확인할 수 있다. 또한, 가스화기의 중심축 부근에서 아주 미약하지만 유동장의 변화가 일어나고 있음을 보여준다. 선회속도가 2.3m/s로 선회가 비교적 강해진 (c)의 경우을 보면, 입구근처의 벽면에 위치한 재순환영역의 크기가 더욱 줄어들고, 화염안정화에 도움을 주는 중심축 부근의 재순환영역의 형성이 커지고 있음을 확인할 수 있다. 그러나, 선회속도가 3.4m/s로 선회가 더욱 강해진 (d)의 유동장을 살펴보면, 가스화기 입구 벽면쪽으로 유동이 상당히 치우쳐져 있어 벽쪽에 반응이 집중되어 가스화기 내화재에 손상을 입힐 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 고온/고압의 가스화기의 경우 내화재가 일종의 화염안정화 역할을 하기 때문에 중앙 재순환 영역이 지나치게 크게 형성될 필요는 없다고 판단된다.  Fig. 3의 결과는 Fig. 2의 유동장내에서의 입자궤적을 나타낸 것으로 입자궤적의 길이로 볼 때 전체적으로 반응이 빨리 완료되고 있음을 보여준다. 또한, 선회속도가 증가함에 따라 선회에 의한 원심력으로 인해 입자들이 서서히 벽면쪽으로 치우쳐져 가고 있으며 입자궤적의 길이도 점차 짧아져 가고 있어 연료와 산화제의 혼합이 증가하고 있음을 명확히 알 수 있다. 특히, 선회속도가 2.3m/s인 (c)와 같은 입자궤적의 분포를 갖는 것이 벽면쪽에 고온이 집중되지 않으면서 연료와 산화제의 혼합을 증대시킬 수 있는 적절한 형태라고 판단된다. 따라서, 현 수치해석의 결과로 볼 때 가스화기내에서 연료와 산화제의 혼합효과를 증대시킬 수 있는 최적의 이차주입노즐 선회수는 Fig. 2와 Fig. 3의 (b)와 (c)의 중간 정도가 적절할 것으로 판단된다.

참고문헌

1. 나혜령,이진욱,윤용승, □오리멀젼의 가스화 반응특성에 관한 수치해석 연구□, 에너지공학, 제8권 제2호, 1999.

2. A.K. Gupta, D.G. Lilley and N. Syred, Swirl Flows, Abacus Press, 1984.

3. Texaco Gasification Process(for Gaseous or Liquid Feedstocks), 1993.

감사

본 연구는 산업자원부 산하 에너지관리공단 R&D본부에서 지원하는 □석탄가스화 복합발전 기반기술개발(Ⅱ)□ 연구의 일환으로 수행되었습니다. 이에 관계자 여러분께 감사드립니다.

Fig. 1. 중잔유 가스화기내 반응생성물의 몰분율 분포

Fig. 2. 선회수 변화에 따른 가스화기내 속도 분포

Fig. 3. 선회수 변화에 따른 중잔유 액적의 입자궤적