가압유동층에서 석탄 연소시 열전달 특성

강석환, 한근희*, 진경태*, 강  용

충남대학교 화학공학과

* 한국에너지기술연구소 에너지환경연구부

Heat transfer characteristics of coal combustion

in a pressurized fluidized bed

Suk-Hwan Kang, Kun-Hee Han*, Gyoung-Tae Jin* and Yong Kang

Dept. of Chem. Eng., Chungnam Nat,l. Univ.

*Energy ＊ Environmental Research Dept., KIER

서 론

유동층은 유체와 고체간의 거의 완전한 혼합상이 되어 온도, 조성 등의 균일성이 유지되므로 촉매분해반응, 석탄의 가스화(gasification), 액화(liquefaction) 및 화학공업의 각종 반응 조건에 널리 이용되어 지고 있다[1]. 유동층 연소로는 고체 입자의 농후상으로 되어 있는 유동층과 희박상으로 되어 있는 유동층 상부의 자유 공간으로 구성되는데 열매체로 작용하는 고체 입자 및 기체의 수력학적 특성과 온도 등이 다르므로 연소로 내 전열관의 위치 및 형태에 따라 다른 열전달 특성을 갖게 된다. 이러한 열전달 특성을 토대로 연소로 내의 온도 조절과 함께 적정 열 추출량이 결정되는데, 이는 유동층 연소로의 안정적인 조업과 밀접한 연관을 갖게 되므로 유동층 연소로 내 전열관의 열전달 특성 파악은 유동층 연소로의 설계 및 운전에 있어 가장 중요한 요소의 하나로 꼽히고 있다[2]. 연소로 내에 압력을 가하거나 vessel 안에 연소로를 설치하는 가압유동층은 기포의 크기 분포가 좁아지고, 평균크기도 감소하게 되므로 기포 수평분포의 상대적인 안정도를 증가시키게 된다. 따라서 내부열원과 유동층간의 열전달이 일어나는 열전달계수도 상대적으로 증가한다[3].

본 실험에서는 가압유동층 연소로의 열전달 특성을 해석하기 위하여 연소로내에 수평 이중전열관을 설치하고, 유동층 온도, 유동화 속도 및 과잉공기를 변화시키면서 변화하는 열전달계수를 관찰하였다. 또한 무차원군과 조업변수를 사용하여 열전달계수를 예측할 수 있는 상관식을 제시하였다.

열전달계수 계산

총괄열전달계수는 유동층 내부의 열원이 전열관에 가하는 열량(Q1)과 전열관 내부에 흐르는 유체가 얻은 열량(Q2)으로부터 구할 수 있다.

[eqn: rm Q_1 ``=`` Delta T_L ·U_o ·A]	(1)

[eqn: rm Q_2 ``=`` m_w ·C_pw · DeltaT]	(2)

또한, 총괄열전달계수는 식 (3)과 같이 전열관 내부 유체의 흐름 특성에 영향을 받는 열전달저항(hi), 전열관의 전도를 통한 저항, 유동층에서 전열관 표면으로의 열전달저항(ho)으로 표현된다.

[eqn: rm 1 over U_o = { 1 over h_i left ( D_o over D_i right ) ~+~ x_m over k_m left ( D_o over bar D_Log right ) + 1 over h_o }]	(3)

전열관 내부 유체의 전달저항, hi는 전열관의 형태, 유체의 흐름 발달 및 유체의 물성에 따라 변하며, 층류(laminar flow)와 난류(turbulent flow)로 구분되어 다음과 같은 식을 이용하여 구할 수 있다[4,5].

층류관계식, Re〈2,100

[eqn: rm {h_i D_i} over k_i ~=~ 1.62~ LEFT ( {m_w` C_pw} over {pi ``k_i `L} RIGHT )]	(4)

난류관계식, Re〉10,000

[eqn: rm {h_i D_i} over k_i ~=~ 0.023~P_r`^0.4 ~R_e `^0.8]	(5)

실험방법

Table 1. Properties of coals

Analysis Name	Item	Results
		Shenwha	Anthracite
Proximate Analysis	Moisture	4.84%	4.62%
	Voletile	32.63%	4.69%
	Ash	5.46%	35.87%
	Fixed Carbon	57.07%	54.81%
Elemental Analysis	Carbon	73.16%	51.76%
	Hydrogen	4.11%	1.62%
	Nitrogen	0.73%	0.52%
	Surfur	0.49%	0.46%
	Oxygen	15.01%	7.66%
Particle Diameter (mm)		〈5
Calorific Heating Value (kcal/kg)		7,030	4,650

본 실험에서는 진[6]등이 사용한 한국에너지기술연구소의 가압유동층 연소로를 사용하였다. 이 연소로는 연료 및 공기의 공급과 연소로 그리고 배가스 처리부로 구성되며, 연료인 석탄은 screw feeder에 의해 정량화 되어 연소로의 하부에 공급된다. 유동화 기체는 MFM(mass flow meter)으로 정량하여 연소로에 공급하였다. 연소로 측면에는 압력과 온도를 측정할 수 있도록 tap이 설치되어 있으며, 연소로의 열전달 특성을 관찰하기 위하여 수평 이중전열관을 공기 분산판으로부터 0.74, 0.91, 1.08, 1.24, 1.41, 1.58, 1.74m 위치에 설치하였다. Fig. 1에는 수평 이중전열관의 상세도를 나타내었다. 전열관은 열을 효과적으로 추출하고, 간편하게 설치하기 위하여 annular 형태의 tube를 사용하였다. 내부는 SCH.40 3/8□관으로 냉각수가 주입되고, 외부는 SCH.40 1"관으로 열교환된 냉각수가 배출된다.

Fig. 1. Schematic diagram of heat transfer tube.

실험에 사용된 석탄은 국내 무연탄과 중국 선화탄이며, 그에 대한 물성을 Table 1에 나타내었다. 층 물질에 사용된 모래의 밀도는 2,500kg/m3, 입자의 크기 범위는 300∼700□였다. 실험조건은 반응기 내부의 층높이를 2m, 압력을 6기압으로 일정하게 유지하였으며, 공기의 유속은 0.9∼1.3m/s로 운전하였다. 과잉공기율은 10, 20, 30）, 연소로 온도는 850, 900, 950℃로 변화하였으며, 유동층의 온도, 전열관 입구와 출구의 냉각수 온도 그리고 냉각수량으로부터 열전달계수를 계산하였다. 열전달 특성에는 설치된 수평 이중전열관 7개중 길이가 0.67m이고, 분산판으로부터 1.08m 위치에 있는 전열관을 사용하였으며, 설치된 7개의 전열관에 대하여 유동층 높이에 따른 열전달계수의 변화를 관찰하였다.

결 과

1. 유동층 온도의 영향

Fig. 2에는 무연탄에 대하여 과잉공기 20%일 때, 공기의 유속이 0.9m/s와 1.1m/s에서의 유동층 온도에 따른 열전달계수의 영향을 나타낸 것이다. 유속 0.9m/s, 1.1m/s에 대하여 온도가 850℃에서 950℃까지 증가함에 따라 열전달계수는 415∼640W/m2K, 370∼610W/m2K으로 유동층 온도와 비례하는 경향을 나타내었다. 또한 kg에 대한 지수가 0.5와 2.4승일 때의 열전달계수 변화를 나타내었다. 그림에서와 같이 본 실험에서 kg에 대한 지수는 0.9m/s일 때 4.1이고, 1.1m/s일 때 4.5로 계산되었다. 또한 각 실험조건에서 kg에 대한 지수의 범위는 2.8∼4.5였다.

2. 유동화속도의 영향

Fig. 3에는 무연탄에 대하여 950℃의 조건에서 유동화속도에 대한 열전달계수의 변화를 나타낸 것이다. 열전달계수는 과잉공기 20%에서 유체의 유속이 0.9m/s에서 1.3m/s로 증가할수록 640W/m2K에서 550W/m2K까지 감소하였다. 일반적으로 유동층내의 기체유속이 증가하면 고체체류량의 감소로 전도에 의한 열전달의 양은 감소하고, 대류에 의한 열전달은 증가한다. 대류에 의한 열전달 양이 전도에 의한 열전달 양보다 크기 때문에 대체로 증가하는 경향을 보이며, 고체입자와 전열관과의 접촉빈도가 임계조건의 농도하에 도달할 때까지 열전달계수는 증가하게 된다. 그러나 어느 이상에서의 유속에서는 전도에 의한 양의 감소가 상대적으로 커서 열전달계수는 최대점을 보인다고 알려져 있다. 그 이유는 기체유속이 증가하면서 기포의 크기는 증가하지만, 상대적으로 전열관에 충돌하는 기포 입자의 횟수와 양이 감소하므로 대류에 의한 열전달 증가율이 감소하기 때문이다[6].

3. 전열관 위치에 따른 열전달계수

유동층의 층 높이에 대한 열전달계수 변화를 관찰하고자 분산판으로부터 0.74, 0.91, 1.08, 1.24, 1.41, 1.58, 1.74m에 위치한 전열관을 사용하였다. Fig. 4에는 선화탄에 대하여 유동층 온도 850℃, 유동화속도 1.1m/s의 조건에서 전열관들의 열전달계수를 나타낸 것이다. 0.91∼1.08m의 범위에 위치한 전열관의 열전달계수가 가장 높았으며, 0.74m에 위치한 전열관의 열전달계수는 1.08m의 전열관 보다 낮은 열전달계수를 얻었다. 0.74m에 위치한 전열관의 열전달계수가 낮게 나타나는 이유는 석탄의 주입 위치가 0.1m이므로 연소로 내의 반응온도보다 낮은 석탄이 유입되어 연소로 내의 온도를 떨어뜨리기 때문으로 사료된다.

라. 조업조건에 따른 상관식

무차원군의 상관식은 다른 기포유동층 반응기에 적용할 수 있는 장점이 있지만 세부적으로 조업조건에 관한 영향을 관찰하기란 쉽지 않다. 그렇기 때문에 조업조건인 유동화속도, 과잉공기 및 온도 등을 이용하여 열전달계수와의 직접적인 상관식을 계산하여 다음과 같이 나타내었다.

[eqn: rm h_o ~=~ 3.08 TIMES 10^-10 ~u_g ^-0.64 ~(1+ea)^-1.26 ~ T^4.06 ~~]	(6)

본 실험에서의 주요변수인 ug, ea, T등으로만 상관식을 계산하였으며, 고정변수인 압력, 층물질의 입경 등은 제외하였다. 유동화속도와 과잉공기에 대한 결과를 보면, 열전달계수의 영향은 반비례관계를 가지며 과잉공기에 대한 영향은 -1.26으로 매우 적었다. 반면에 유동층 온도에 대한 영향은 지수가 4.06으로 비례하였다. 이 결과로부터 열전달계수는 유동층 온도에 대해 더 큰 영향을 받고 있음을 확인할 수 있었다. Fig. 5에는 무연탄의 열전달계수에 대하여 상관식으로부터 얻은 계산치와 실험치를 나타낸 것이다. 여기서 상관계수는 0.96으로 실험결과와 잘 일치하였다.

REFERENCE

1.	Park, Y.S., Choi, J.H., Son, J.E. and Maeng, K.S. : HWAHAK	KONGHAK, 22, 107(1984).

2.	Park, Y.S. and Son, J.E. : HWAHAK KONGHAK, 31, 287(1993).

3.	Molerus, O. and Schweinzer, J. : Proc. 9th International Con. on Fluidized	Bed Combustion, 624(1987).

4.	Dittus, F.W. and Boelter, L.M.K. : Univ. Calif., Publs. Eng., 2, 443(1930).

5.	Leveque, J. : Ann. Mines, 13, 201(1928).

6.	진경태, 손재익, 선도원, 이창근, 박재현, 한근희, 배달희, 조성호 : "Bench	Scale 가압유동층 석탄연소 기술 개발에 관한 최종보고서□, KIER-973402, 한	국에너지기술연구소, (1997).