회분식 석탄연소기의 CFD 해석

홍병국, 윤도영, 한춘

광운대학교 공과대학 화학공학과

CFD Analysis of Batch-type Coal Combustor

B.-K. Hong, S.-W. Lee, D.-Y. Yoon and C. Han

Department of Chemical Engineering, Kwangwoon University, Seoul 139-701

서론

가정용 열원으로 주종을 이루던 무연탄이 경제수준의 향상, 국제 유가저하등으로 소비가 감소하여 현재는 국내의 무연탄 생산량이 소비량을 웃돌고 있다.  그러나 국가적인 측면에서보면 무연탄의 생산구조를 축소할 수만은 없으므로, 그 대체방안에 대한 장기적인 대책을 구축해야 할 것이다.  여기에는 탄광지역의 열병합보일러 또는 산지나 인접소도시 유동층 지역난방등 집단에너지시설에서 무연탄을 장기적으로 사용할 수 있는 방안이 포함되며, 단기적인 대안으로는 산업체가 야적하고 있는 분탄의 처리와 기존 석탄보일러에서 연소성능을 향상시킬 필요가 있다.  그러나, 무연탄 연소에 따른 연소효율, 연소기내부의 슬래그발생, 연소기마모, 연소재의 처리 및 재활용과 같은 기술적인 문제에 대한 경험과 기반기술이 부족하다.  즉, 현재 국내 연소기의 생산자급도는 약70%에 그치고 있으며, 더구나 에너지의 효율적인 활용 및 절약방안에 대한 시도가 기술집약적인 방법이 아닌 현장경험에 의존하고 있는 실정이다.  현재 고효율 연소장치로 적합한 유동층연소기, 분무형연소기, 진동조합식연소기등의 핵심기술들은 수입에 의존하고 있으므로, 연소기내의 열유동해석과 같은 기초적인 연구로부터 국내기술의 향상을 도모해야 할 것이다.  이와같은 배경하에 본 연구에서는 연소장치내의 연소현상 및 열유동의 해석의 일환으로 CFD해석을 수행하고자 한다.  이를 위하여 막강한 적용력을 갖고 있는 것으로 알려진 Fluent를 본 연구에 활용하여, 그 가능성을 타진하고 이를 근거로 상업용 코드의 연소공정의 해석기법을 확보함과 아울러 실제공정에서 연소장치의 설계 및 조업인자의 도출을 도모하고자 한다.

무연탄 연소의 CFD해석

본 연구에서는 탄소질 고형물인 무연탄을 피연소물로 설정하고, 가열매개체로는 공기를 설정하였다. 연소기 내부에서의 유체유동은 대표적인 CFD (computational fluid dynamics) 코드인 Fluent(ver. 5)를 이용하여 모사하였다.  Fluent 는 유한체적법(Finite Volume Method)에 기초하며, GUI 방식으로 열유체의 이동현상을 해석하는데 있어서 널리 사용된다.  연소공정의 해석에서, 연소기는 Fig. 1에 나타나 있듯이 2차원의 대칭형 연소기와 주변장치로 가정된다.  그림에서 좌측에는 원통형 연소기를 나타내며, 우측에는 하부의 공기주입구와 입력된 공기에 의해 유출되는 배출구가 상부에 각각 위치하고 있다.  본 연소기에서 주요역할을 하는 것은 가열매개체인 공기이며, 공기의 주입과 함께 1차 점화된 탄소질 고형물은 정상상태하에서 연소가 이루어진다.  이때의 공기는 이상기체로 가정한다. 즉, 최고의 발열상태로 가정하여 연소기 내부에서 물질의 밀도등은 압력 및 온도가 이상기체 방정식에 따른다는 가정 하에 계산되어졌다. 위와 같은 조건하에서 연소기 내부의 열, 물질, 운동량등을 해석하기 위하여 적절하게 원통형 좌표계에서 지배 방정식들이 사용된다.  또한 시료의 물성치, 입구와 출구 및 경계에서의 조건들은 적절하게 선택하였다.  본 연구에서는 Fig. 1의 하부에 나타나 있는 부분에 원통형으로 석탄이 연소장치에 위치하며, 보조점화원으로부터 1차가열된 연소기내에 일정온도로 주입되는 공기중의 산소가 가열원이 되어 연소되는 회분연소기를 바탕으로 진행되는 연소공정에 대하여 전산모사를 실시하였다.  실질적으로 연소기에서는 분말상의 석탄의 체류시간이 불규칙하게 분포되며, 점화된 작은 입자들은 본질적으로 유동화된 기체의 출구 온도까지 가열된다. 비록 유입되는 기체의 온도가 일정하지만, 연소중에 기체가 빨리 혼합되어 실질적으로 층 전체를 통하여 출구기체 온도로 균일하게 되는 것이다.  연소기는 Fig. 1에 보이는 바와같이 되도록 설계되었으며 연소기의 내벽은 단열상태를 유지하도록 하였다. 이와같은 조건들에 대하여 Pre-processor 인 GAMBIT에서 대상물의 기하구조를 모사하고, 이를 바탕으로하여 수치해석 프로그램인 Fluent(ver. 5.0)에서 전산을 수행하였다.  본 연구에서 연소기의 모사는 2D를 사용하였고 Mesh는 80×80의 균일한 분포를 갖게 모델링하였다.  본 연구의 Fluent에 의한 전산모사 결과들을 Fig. 2∼6에 나타내었다.  그림에서는 석탄의 양과 외부에서 주입되는 공기의 양을 주요변수로 하여 계산한 결과들이 나타나 있다.  그림에 나타나 있는 결과에서 좌측의 연소기하부에 나타나 있는 빈공간영역에는 일정량의 석탄이 채워지는 것으로 가정되어 있으며, 이 양의 변화와 함께 그림의 우측하부에서 주입되는 공기 양이 각각 변화되는 것으로 문제를 설정하였다.  따라서 공통적으로 석탄의 점화온도를 800 K 로 가정하였고,  배출구에서는 1bar 와 350K 로 각각 설정하였다.  Fig. 2, Fig. 3 과 Fig. 4는 석탄의 양을 각각 2kg, 3kg 과 4kg으로 가정한 연소결과를 나타내고 있다.  우선 연소실내의 온도분포를 살펴보면, 석탄의 양이 많을수록 연소실내의 온도는 고온으로 고르게 나타나고 있음을 알 수 있다.  즉, 석탄의 양이 적으면 연소실내에서 온도의 국지적 차이가 나타나게 되며, 이는 발생열을 효율적으로 회수하는데 있어 연소진행중의 온도변화등으로 인하여 일정한 값의 열량을 회수하는데 있어 운영이 어려운 경우가 나타나게 될 것이다.  그림에서 보면 본 연구에서 제작된 연소실내에 석탄의 양이 3kg이상이면 연소실내의 온도가 균일하게 주어질 것으로 보인다.  이때에는 공기의 주입량이 5m/s로 일정한 양이 주입되는 경우로 가정되어 있다.  한편 Fig. 5와 6에는 Fig. 3 의 경우에 비하여 주입되는 공기의 유량변화를 고려할 때에 대한 결과를 제시하고 있다. 즉 Fig. 5, Fig. 3 그리고 Fig. 6에서는 석탄의 양이 3kg 인 상태에서 공기유량을 각각 5m/s, 3m/s 그리고 7m/s인 경우로 나누어서 전산모사를 보여주고 있다.  모사결과에 의하면 공기유량이 커질수록 배기구를 비롯한 전반적인 영역에 대하여 일정한 온도 분포를 보여준다.  결국 연소실내에 포함되어 있는 석탄양이 일정량 이상이 되는 경우에 연소실내의 온도는 일정하게 유지되며, 이는 외부에서 주입되고 있는 공기중의 산소가 거의 전적으로 연소에 참여하게 됨을 의미한다.  따라서 일정량의 석탄 즉, 피연소물이 연소기 내에 포함되어 있을 경우에 공기 주입량의 변화에 대하여 연소실 내의 최고치온도는 거의 변화가 없음을 암시하여 준다고 말할 수 있다.  배기가스의 속도분포에 대한 CFD결과를 해석하면, 주입되는 공기의 유량이 많을수록, 최대 속도치는 연소실내의 상부로 이동하고 있으며 이는 주입되는 공기의양이 많을수록 상부로 미분탄들이 이송시켜 이들의 연소를 도모하기 때문인 것으로 고려된다.  결국 주입되는 공기의 유량이 커지게 되면 연소실내의 유동형태가 점차 거세어지는 난류로 전환되며, 이때에는 본 연구에서 고려된 바와 같은 난류모델을 수용함과 아울러, 2차 점화 위치를 점차 상부로 이동시키면서 이를 출구쪽으로 변화시키는 결과를 가져올 것으로 전망된다.  한편, 피연소물인 석탄양의 변화는 공기의 주입속도에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.  이는 임계량이상의 석탄 연소시에는 연소반응이 연속적으로 진행되므로, 공기의 전달속도에 무관하게 연소반응이 진행되는 것으로 전망된다.  한편 압력분포는 연소실내부에서 전반적으로 비슷하게 나타나고 있으며, 배출구를 향하여 배기가스가 순조롭게 배출되어 질수 있도록 그 수치들이 나타나고 있다.  결국 연소기내부의 온도분포를 통하여 향후 추진하고 있는 열교환기의 설치부위를 결정함과 아울러 필요한 열량회수에 적합한 열교환량의 환산이 가능할 것으로 보인다.  가연성 고체가 고체의 유분 함유율에 해당하는 온도보다도 더 높은 온도를 갖는 공기와 접속하게 되면 고형물은 탄소질 유분을 잃고 공기와 평형을 이루기까지 연소되어 진다. 그림에서 보면 가열매개체인 기체는 처음에는 빨리 나중에는 온도차인 구동력이 감소함에 따라 점차 온도가 낮아지게 되고 기체의 온도는 점화된 액체가 편승됨에 따라 점점 서서히 올라가게 된다.  한편 압력은 피연소물의 누적에 의한 정압과 기체의 유동에 의한 유동화압력의 평형관계를 보여주고 있으므로, 모든 그림에서 압력분포는 유동화에 필요한 기체의 압력을 나타낸다.  결국 기체의 압력은 기체의 유동을 유발하고 있으므로, 그 형태는 그림에서 보이듯이 유사한 형태로 나타난다. 이는 연소기내의 난류에너지분포가 규칙적인 형태를 보이고 있게되므로, 피연소물의 불안정한 양이 연소기 내부의 벽과의 단열조건의 영향이 궁극적으로 연소기내의 온도안정화된 결과로서 나타나게 되는데, 이는 전산모사에서 피연소물과 연소기 벽과의 표면반응을 고려하지 않아서 생긴 오차로 보여진다.

Fig. 1. Drawings of coal combustion chamber.

(1) Pressure            (2) Temperature          (3) Streamline

Fig. 2. CFD results on the condition of 2kg of coal and 2m/s of air.

(1) Pressure            (2) Temperature          (3) Streamline

Fig. 3. CFD results on the condition of 3kg of coal and 3m/s of air.

(1) Pressure           (2) Temperature           (3) Streamline

Fig. 4. CFD results on the condition of 4kg of coal and 5m/s of air.

(1) Pressure              (2) Temperature        (3) Streamline

Fig. 5. CFD results on the condition of 3kg of coal and 5m/s of air.

(1) Pressure           (2) Temperature          (3) Streamline

Fig. 6. CFD results on the condition of 3kg of coal and 7m/s of air.