기포유동층에서 수평전열관의 마모특성

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

한근희, 이창근, 박영성．, 류정인．．

한국에너지기술연구원 유동층기술연구센터, 대전대학교．,충남대학교．．

Erosion characteristics of horizontal tubes in bubbing fluidized bed

Keun-Hee Han, Chang-Keun Yi, Yeong-Seong Park*, Jung-In Ryu**

Fluidization Research Center, Korea Institute of Energy Research

71-2, Jang-Dong, Yusung-Ku, Taejon, 305-343, Korea

*Department of Environmental Engineering, Taejon University

**Department of Mechanical Engineering, Chungnam National University

서  론

유동층연소 기술은 적당한 입도를 가진 석탄뿐만아니라 폐기물을 높은 전열효과와 연소효율을 유지하면서 연소할 수 있다는 장점과 연료의 연소시 발생되는 황산화물을 석회석이나 백운석등을 로내에 주입하여 흡수제거할 수 있고, 연소온도를 낮게 유지함으로 질소산화물의 생성을 억제할 수 있어 대기오염물질의 배출을 별도의 공해방지 시설없이 효과적으로 연소중에 처리할 수 있다는 가장 큰 장점을 지니고 있다[1].

한편 기포유동층연소로에서 높은 전열효과를 얻기 위해서는 층(bed)내에 수평전열관을 설치한다. 층(bed)내에 설치된 전열관은 유동하는 층물질과 계속적인 충돌접촉으로 인하여 기존보일러의 대류 열교환방식에 비해 열전달계수가 매우 높게 된다. 그러나 유동층 연소에서 고체입자의 격렬한 유동화로 인하여 전열효과는 극대화되지만 층(bed)내에 설치된 전열관의 표면은 유동매체와 충돌접촉으로 마모가 발생한다. 이러한 전열관 표면의 마모는 기계적인 마모, 화학적인 마모 또는 복잡한 행위를 통하여 일어날 수 있다. 유동층 연소에 있어서 전열관의 마모에 영향을 주는 인자들은 대개 유동하는 유동매체의 크기 및 물성, 유동화 속도, 연소로의 압력, 전열관의 재질과 형태, 관의 배열상태, 공기분배기의 형태 등을 들 수 있다[2].

본 연구에서는 이러한 마모인자들에 의한 전열관의 마모경향을 고찰하고자, 상온유동층에서 마모를 가속화하기 위하여 층(bed)에 아크릴관을 설치하고 유동화속도, 층물질의 입도, 층물질의 종류등을 변화시켜 관의 단면에 대한 마모와 관의 길이방향에 대한 마모경향을 고찰하였다. 이것은 유동층의 유동조건과 층물질의 특성에 따른 전열관의 기하학적인 마모형태를 확인하고 전열관의 설치효과를 증대하고자 연구를 수행하였다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

실험장치 및 방법

Fig. 1은 실험장치의 구성을 나타낸다. 공기의 공급부문과 유동층장치로 구분된다. 층물질의 유동화를 위한 공기의 공급은 송풍기(rotary blower)를 사용하였다. 공기량측정은 유량계(Flowcell Co., 60-300Nm3/hr)을 사용하여 측정하고, 유량조절은 게이트밸브를 사용하였다. 유동화 장치는 상온 기포유동층으로 층(bed)의 단면적이 0.15m x 0.20m이고 높이는 1.0m로 제작되었다. 공기의 확산을 위하여 freeboard는 층단면적의 2.5배인 0.25m x 0.30m로 높이는 0.7m로 제작하였다. 층(bed)내에 관을 설치하기 위하여 공기분배기로 부터 높이 0.15, 0.30, 0.45m에 각각 3개씩 층 단면 0.20m 방향으로 중심과, 중심에서 좌우 60mm간격으로 총 9개의 구멍을 내고 분배기와의 거리 0.60m에는 층의 중앙에 1개의 구멍을 뚫어 총 10개의 관를 설치 하였다. 또 실험장치에는 세군데의 압력을 측정하기 위하여 U자 마노메타를 설치하였다. 하나는 공기상자의 절대압을 측정하고, 다른 하나는 공기분배기의 압력강하를 측정하고, 또 다른 하나는 층내의 차압을 측정하도록 층높이 0.75m에 설치하였다.   공기분배기는 층 단면적과 같은 크기의 평판에 삼각피치 8.5mm간격으로 직경 2mm의 구멍 344개를 뚫어 개구비(openning ratio)를 3.6%가 되게 제작하였고 층물질이 공기상자로 유입되는 것을 방지하기 위하여 100mesh 스텐레스 망을 분배기위에 깔았다.

Fig.  Schematic diagram of cold fluized bed facility

마모재로 사용된 관의 재질은 마모를 가속화시키기 위하여 아크릴을 택하고 층내에 삽입하여 고정하기 위하여 양단에 나사를 내 너트(nut)를 조이도록 하였다.

실험은 유동층내에 설치될 관(마모재)의 무게와 직경을 측정한다. 무게는 전자저울(정밀도 1/10000g, RE20D, Sartorius, German)에서 측정하고, 관의 직경은 버어니어 캘리퍼스(정밀도 1/100mm)로 측정하였다. 관의 무게와 직경을 측정하고 유동층내에 설치한다. 관의 설치위치를 관의 안쪽에 번호(0-9)로 표시하였다. 이 번호은 실험후 관의 설치위치에 따른 마모량을 고찰하는데 혼동을 방지하기 위해서이다. 관은 공기분배기로 부터 높이 0.60m 떨어진 곳이 0번, 높이 0.45m 떨어진 곳에 좌로부터 1-3번, 높이 0.30m 떨어진 곳이 4-6번, 높이 0.15m 떨어진 곳이 7-9번순으로 설치하였다. 또 설치된 관의 안쪽에 설치방향(시계의 6시방향)을 표시하였다. 이것은 관 단면의 원주각에 따른 마모정도를 고찰하기 위하여 표기하였다. 관의 설치가 끝난 후 입자의 크기가 확인된 층물질을 층내에 주입하였다. 이때 층물질의 정체층높이는 공기분배기로 부터 높이 0.45m까지 층물질을 충전하였다. Table 1에 실험조건을 나타냈다. 송풍기의 전원을 공급하여 층내로 미리 설정된 유량의 공기를 주입하여 마모실험을 수행하였다.

Table 1  Experimental conditions

Parameters	Conditions
Gas velocity (m/s) Bed materials Size of material (mm) Height from distributor (m) Static bed height (m) Operation time (hr)	1.2, 1.4, 1.6, 1.8 Sand, Anthracite ash 0.73, 1.243, 0.901 0.15, 0.30, 0.45, 0.60 0.45 100

실험은 100시간동안 계속적으로 수행하였다. 가동시간 100시간이 지난후 유동층으로부터 마모를 위한 아크릴관를 해체하여 전자저울(1/10000g)에서 무게를 측정하였다.  실험전 관의 무게와의 차이를 구하였다. 한편 관의 마모두께 측정은 관의 중앙을 절단하고, 절단된 면을 30도씩 나누어 각방향의 두께를 버어니어 캘리퍼스로 측정하였다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

결과 및 고찰

상온기포유동층에서 층내에 파묻힌 전열관의 마모실험을 통하여 유동화속도와 층물질의 종류 및 입도를 변화시켜, 설치된 관의 설치 위치와 공기분배기로부터 높이, 관의 원주방향에 대한 마모율과 마모두께을 고찰하였다. 마모두께는 아크릴관의 초기두께(T0)와 실험후 측정된 두께(Tt)와의 차이로 정의하였고, 마모율은 식(1)에 나타낸 바와 같다.

[eqn: Erosion~ rate ={ DELTA M }over{ A~ DELTA t} = {M_0 -M_t }over { A~ DELTA t} ~~(mg/cm^2 hr)]	(1)

유동화속도 Fig. 2는 평균입도 0.73mm의 자연산 강모래를 층물질로 사용하여 유동화속도 1.2m/s에서 1.8m/s까지 변화시켜 유동층내에 설치된 총10개의 관의 마모율을 관의 설치높이별로 평균한 마모율을 나타낸 것이다. 공기분배기로부터 떨어진 거리 0.15m에 설치된 수평관의 마모율은 유속 1.2m/일 때 약 0.04mg/cm2·hr이었으나 유속이 증가함에 따라 직선적으로 증가하여 1.8m/s에서는 0.05mg/cm2·hr를 보였다. 공기분배기로부터 떨어진 거리가 클수록 마모율은 증가하였다. 층물질이 비산하는 영역, 높이 0.60m에 설치된 수평관의 마모율은 유속 1.2m/s에서 0.09mg/cm2·hr이었으나 1.8m/s에서는 1.12mg/cm2·hr를 상회하였다. 이렇게 유동화속도의 증가에 따라 마모율이 증가한 이유는 기포가 생성하여 빠른 속도로 상승하고 기포의 생성빈도가 높아지면서 층물질의 유동이 증가하였고, 상승하는 기포가 안고 있는 층물질이 수평관에 부딪치거나 기포가 깨지면서 마모에 영향을 주는 운동량이 증가하였기 때문이다[3]. 한편 공기분배기에서 설치된 수평관의 거리가 클수록 마모율이 증가하였는데 이것은 기포가 상승하면서 합체되어 기포에 안고 있는 층물질의 양이 많고, 층표면에 가까워질 수록 기포의 상승을 억제하는 층물질의 양이 감소하여 상승속도가 증가하였기 때문이라고 사료된다.

층물질 종류 Fig. 3은 유동화속도 1.2와 1.4m/s에서 무연탄회와 모래를 층물질로 사용하여 관의 설치높이에 대해 마모율의 관계를 비교한 것이다. 사용된 층물질의 입도는 무연탄회재가 0.9011mm, 모래는 0.731mm이다. 무연탄회재의 입도가 모래보다 크지만 마모율은 관의 높이에 따라 현저하게 감소하였는데 무연탄회는 유동층연소로에서 연소되면서 충돌접촉으로 인하여 입자의 구형도가 좋아졌고 비중이 작은 것에 기인한 것[4]이라고 사료된다.

Fig.  Effect of fluidizing velocity on erosion rate

Fig.  Effect of bed material on erosion rate

층물질 입도  Fig. 4은 유동화속도 1.8m/s에서 층물질인 자연산 강모래의 평균입도를 0.731mm와 1.2432mm로 변화시켜 층내에 설치된 관의 높이에 따른 마모효과를 나타낸 것이다. 관 높이 0.15m에 설치된 관의 마모율는 입도에 대해 차이가 없으나 설치높이가 높아지면서 마모율의 차이가 발생되는 것으로 나타났다. 이것은 층물질의 입도가 커지면 기포의 상승속도는 약간 작아지지만 기포가 커져 유동질량이 증가하기 때문[5]이라고 사료된다.

Fig.  Effect of bed material size on erosion rate

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관의 원주방향 Fig. 5는 유동화속도 2.2m/s로 모래 1.243mm을 사용하여 500시간동안 연속적으로 실험한 후 중심열에 위치한 관번호 0, 2, 5, 8번을 원주방향으로 절단하여 마모된 관의 두께를 나타낸 것이다. 관의 맨 윗면을 기준점(0도)으로 하여 시계방향으로 30도씩 나누어 마모된 두께를 고찰하였다. 그림에 나타난 바와 같이 180도를 축으로 좌우가 서로 대칭적으로 마모가 이루어지는 것으로 나타났다. 층물질의 비산영역에 설치된 관(0.6m)의 마모는 더욱 증가하였다. 이것은 기포가 층표면에 이르러 기포가 깨지면서 층물질을 비산시켜 관의 표면에 큰 충격을 주었기 때문이라고 사료된다.

Fig.   Effect of erosion at circumferencal direction of tube

또 마모형태를 보면 120-240도 방향이  심한 마모가 발생되는 것으로 나타났는데 이것은 기포가 상승하면서 관의 하부에 직접적으로 충돌하고 관의 측면을 따라 미끄러져 상승하기 때문에 관의 상부에는 속도가 거의 미치지 않기 때문이다.

결  론

상온 기포유동층 실험장치에서 층(bed)내에 전열관을 모사하기 위하여 아크릴관을 설치하고 층물질의 종류 및 입도를 변화시키고, 유동화속도를 변화시켜 전열관의 마모실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 전열관의 마모는 유동화속도가 증가함에 따라 거의 선형으로 증가한다.

2) 층물질의 입도가 커지면 마모는 증가한다.

3) 공기분배기로부터 멀리 떨어질 수록 마모는 증가한다.

4) 관 단면의 마모형태는 4시-8시방향까지 많은 마모가 발생하고 특히 유동화에 의해 층물질이 직접 부딪치는 5시-7시방향은 마모량이 더욱 증가한다.

5) 무연탄회를 층물질로 사용하면 모래에 비하여 마모를 1/3로 감소시킬 수 있다.

참고문헌

1. 최정후 등 : □低公害 有煙炭보일러 普及擴大를 위한 循環流動層技術 開發(I)□. 硏究報告書, KE -91009G, 한국에너지기술연구소, pp. 21-33(1991).

2. Kazuo Tsutsumi, Jun Tatebayashi, Kiyoshi Hasegawa, et al "Development of Erosion-resistant In-bed Tubes" Fluidizaton VI, pp. 653-660(1993).

3. 지평삼 외, □流動層 燃燒爐內에서 水平傳熱管의 寢食 및 熱傳達 特性□ 硏究報告書, KRC-91G-T06, 한전전력공사 기술연구원, pp. 205-231(1993).

4. G.P.Tilly, "Erosion Caused by Impact of Solid Particles," Treatise on Materials Science and Technology, Vol. 13, pp. 287-319(1979).

5. H, Zhang, P. Y. Hou, J. Stinger, "The effect of temperature gradient on steel tube wastage in a bubbling fluidized bed simulator", Wear 197, pp.286-294(1996).

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