Gas separator가 설치된 내부순환유동층에서  Gas Bypassing 특성

장용원, 송병호, 김상돈*

군산대학교 화학공학과, 한국과학기술원 화학공학과*

The Effect of Gas Separator Height on Gas bypassing in

an Internally Circulating Fluidized Bed

Yong-Won Jang, Byung-Ho Song, Sang-Done Kim*

Department of Chemical Engineering, Kunsan National University, Kunsan,  Chonbuk 573-701, Korea

*Department of Chemical Engineering, KAIST, Taejon 305-701, Korea

서론

Draft tube를 갖는 내부순환유동층에서는 Umf의 2∼10 배정도 유속의 기체를 draft tube와 annulus 밑으로 각각 독립적으로 공급하게 된다. Draft tube로 더 빠른 유속의 기체를 주입함으로 해서 발생되는 draft tube와 annulus 층간의 밀도차로 인하여 입자들이 draft tube에서는 위로, annulus에서는 아래로 순환된다. 내부순환유동층은 그 입자순환특성으로 인하여 반응기로부터의 미세입자들이 비산유출을 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라 미세입자들의 반응기내 체류시간이 훨씬 길기 때문에 전형적인 유동층에 비해 높은 석탄의 전환율을 얻을 것으로 기대된다[Kim and Song, 1993]. 내부순환유동층을 가스화 반응기로 사용하는 경우 draft tube에 의해 반응구역을 각각 연소구역(draft tube)과 가스화구역(annulus)으로 나눔으로써 가스화 반응에 필요한 열을 반응기 내부의 연소구간에서 직접 회수하여 이용할 수 있는 장점이 있다. 주입가스가 타구역으로 bypass되면 반응에 큰 영향을 미칠 수 있으므로 이러한 시스템에서 gas bypass 특성은 중요하다. 본 연구에서는 생성가스의 분리를 위해 상부에 설치된 separator 높이에 따라 gas bypassing 현상에 대한 수력학적특성을 조사하여 조업변수에 대한 최적조업조건을 구하고자 했다.

Gas bypassing fraction

반응기의 draft tube와 annulus 내로 독립적으로 주입된 기체들이 상호 타구역으로 얼마만큼 cross flow 하는가를 정량적으로 도출하기 위해 CO2 추적자를 사용하였다. 측정된 추적자농도 및 주입가스 유량에 대한 정보로부터 gas bypassing 에 대한 정보를 얻기 위해 물질수지식을 사용하였다. 물질수지식에 사용된 원리를 Fig. 1.에 나타냈으며, 한쪽의 주입가스가 상대편 구역으로 bypass 되는 분율(volume %)을 □bypassing fraction"으로 정의하였다. 즉 draft tube로 주입되는 가스가 annulus로의 bypassing fraction은 QDA/QD1×100(fDA)으로, annulus로 주입된 가스가 draft tube로의 bypassing fraction은 QAD/QA1×100(fAD)으로 정의된다. 사용한 물질수지식은 다음과 같다:

[eqn: Q_{A2}=(R_{A1}Q_{A1}+R_{D1}Q_{D1}-R_{D2}Q_{D2})/R_{A2}]                 (1)

[eqn: R_{i}= rho _{g}(1-X_{i})+ rho _{c}X_{i}]

[eqn: Q_{D2}= { X_{D1}Q_{D1}-(X_{A2}/R_{A2})(R_{A1}Q_{A1}+R_{D1}Q_{D1})} over {X_{D2}-X_{A2}(R_{D2}/R_{A2}) }]           (2)

[eqn: Q_{DA}=(R_{AD}Q_{AD}+R_{D1}Q_{D1}-R_{D2}Q_{D2})/R_{D1}]                 (3)

[eqn: Q_{AD}= { X_{D2}-X_{D1}(R_{D2}/R_{D1})} over {X_{A1}-X_{D1}(R_{A1}/R_{D1}) }Q_{D2}]                         (4)

25℃에서 공기의 밀도 ; □g=29g/24500cc

25℃에서 이산화탄소의 밀도 ; □c=44g/24500cc

Xi ; 공기중의 CO2 농도 분율

Qi ; 부피 유속

실험방법

실험은 내경 0.056 m, 높이 0.485 m의 draft tube를 갖는 0.15 m 직경의 acryl column 유동층에서 수행하였다. 고체의 순환을 위해서 내경 0.01 m의 오리피스 4개를 draft tube 하부에 적용하였다. 공기압축기에서 나오는 공기는 압력 레귤레이터, 필터를 거쳐 유량계를 통하여 air box로 공급된다. Air box는 두 개의 부분으로 되어 있으며 draft tube과 annulus에 독립적으로 기체를 공급한다. Draft tube 분산판은 37개의 hole을 갖으며 60°각으로 기울어진 코니칼 평판은 Air box위에서 annulus로 주입되어지기 위해 설치되어져 있다. 기체 bypass 양을 측정하기 위해 gas sampling probe는 분산판 위 0.39 m 높이로 draft tube와 annulus에 설치하였다. 깔대기형 생성가스분리대는 draft tube과 annulus구역에서 생성가스 분할이 쉽게 만들어졌으며 분산판 위로 0.56 m 높이에서 28 mm 간격으로 그 높이를 변화시켰다.

CO2 추적자는 draft tube에 주입되는 기체 흐름에 일정하게 주입하였고, draft tube의 주입부분과 draft tube와 annulus 층의 출구에서 gas 샘플을 얻었다. 샘플의 추적자 농도는 CO2 Analyzer를 통해 컴퓨터로 100초간 데이터를 받아 평균을 낸 값을 사용하였다. 세 곳의 가스농도와 주입되는 두 기체 유속을 알아야만 두 주입된 기체의 분할에 따라 서로 다른 두 구역에서의 물질 수지에 의해 결정될 수 있다.

실험결과

Fig. 2.는 separator bottom와 draft tube top과의 거리(Hi)가 gas bypassing에 미치는 영향을 보여주고 있다. Separator와 draft tube의 거리차이가 작을수록 annulus에서 draft로의 gas bypassing은 증가하고, draft에서 annulus로의 gas bypassing은 감소하는 경향을 보인다. Hi=0.106 m에서 annulus에서 draft로의 gas bypassing이 작은 것은 separator와 draft tube 사이에서 층물질이 가득 차게되고 draft tube 상부에 층물질이 정체되어서 draft tube 내부에 층물질이 쉽게 순환되지 않기 때문으로 보인다.

Fig. 3.은 annulus 쪽으로 주입되는 기체유속에 대한 gas bypassing의 영향을 보여주고 있는 그림이다. 기체유속이 증가할수록 annulus에서 draft로의 gas bypassing은 거의 일정하거나 약간 증가하고, draft에서 annulus로의 gas bypassing은 감소하는 경향을 보여주고 있다. Annulus에서 draft로 bypassing되는 기체는 draft 쪽으로 주입되는 기체와 co-current flow를 형성하게 되어 입자순환을 향상시키는 역할을 하게 된다.

Fig. 4.는 draft tube 쪽으로 주입되는 기체유속에 대한 gas bypassing 의 영향을 보여주고 있는 그림이다. 기체유속이 증가할수록 annulus에서 draft로의 gas bypassing은 증가하고, draft에서 annulus로의 gas bypassing은 감소하는 경향을 보인다. 이것은 draft tube로의 기체유속이 증가할수록 orifice를 통한 압력차가 증가하여 annulus에서 draft로의 gas bypassing은 증가하고, draft tube에서 annulus로의 gas bypassing은 감소하게 된다.

Fig. 5.는 draft tube 갖는 내부순환유동층을 사용하였을 때 draft tube로 주입하는 기체유속에 대한 gas bypassing의 영향을 비교한 그림이다. Gas bypassing 정도는 Song(1993)의 결과와 유사하게 나타났다. Ahn(1995)의 결과에서 fDA가 적게 나타난 것은 orifice diameter가 크기 때문이다. Ahn(1995)의 실험에 따르면, orifice diameter가 증가하면 annulus로 주입되는 기체가 draft tube 쪽으로 bypass가 상대적으로 쉽게 되어 annulus에서 draft tube로의 gas bypassing은 증가하게 되고, annulus에서 draft tube로의 bypass는 감소하고 있다.

결론

Separator 높이가 높아지면 annulus에서 draft tube로의 bypass가 증가하고 separator가 정체층 높이에 위치하여 층물질이 separator 상부로 올라가면 annulus에서 draft tube로의 bypass 양은 감소하나, draft tube에서 annulus로의 bypass는 증가한다. Annulus 기체유속, draft tube 주입 기체유속이 증가함에 따라 annulus에서 draft tube로의 bypass는 증가하고, draft tube에서 annulus로의 bypass는 감소한다.

참고문헌

1) Ahn. H.S., "Solid Circulation Rate and Gas Bypassing Characteristics in an Internally Circulating Fluidized Bed with Draft Tube", M.S Thesis, KAIST (1995)

2) Kim, S.D and Song, B.H., "The Principles and Application of Fluidized Bed Reactor with a Draft tube", Energy Eng., 2, 1-15 (1993).

3) Song, B.H., "Coal Gasification Characteristics in a thermobalance and an Internally circulating Fluidized Bed", Ph.D Thesis, KAIST (1993).

Fig. 3 Effect of Ua/Umf on gas bypassing.

Fig. 1. Mass balance for calculating the gas bypass.

Table. 1. The ranges of experimental parameters.

Exp. parameters	Ranges
Gas velocity Ud/Umf Ua/Umf	7.6 - 17.4 0.85-1.21
Separator height(m) Static bed height (m)	0.48, 0.508, 0.536, 0.564 0.375
Orifice diameter(m)	0.01
Particle diameter(m)	0.3×10-3

Fig. 2. Effect of distance between separator         bottom and draft tube top on gas bypassing.

Fig. 5. Comparison of gas bypassing at

different Ua/Umf.

Fig. 4. Effect of Ud/Umf on gas bypassing.