비기계적 고체순환설비(Loop Seal) 연구

선도원, 배달희, 한근희, 조성호, 손재익, *岑可法

한국에너지기술연구소, *(중국)절강대학교

Study of a Non-mechanical Solid Valve (Loop Seal)

D, Shun, D.H. Bae, K.H. Han, S.H. Cho, J.E. Son  *K. Cen

Korea Institute of Energy Research, *Jhejiang University

서론

고체 재순환 설비는 순환유동층 연소설비와 같이 운전과정에 다량의 고체가 기체의 흐름에 대해 역방향으로 주입 또는 순환되는 경우에 필요하다.  특히 비기계적 설비인 loop seal은 구조가 간단하여 널리 쓰이고 있으나 설계방법이 잘 알려져 있지 않으며, 정체층이 생기기 쉽고 안정적 조업조건을 찾기가 어렵다는 단점을 지니고 있다.

본 연구는 상온 유동층에서의 수력학적 실험을 통해 순환유동층 고체순환 설비의 특징을 이해하고 재순환 장치 개발의 기초자료를 확보하는데 있다.  상온장치인 0.2m×0.15m×0.2m를 구성하고 석탄회재의 재순환 실험을 통해 최적 유동화 공기주입량 및 방법을 연구하고, 고체순환속도의 제한조건 및 시스템 압력과의 관계식을 수립하였다.

실험장치 및 방법

실험은 상온 Loop seal 재순환 실험 설비(0.2m×0.15m×0.2m)에서 수행되었다.  본 장치는 높이 4.5m의 riser와 사이클론 loop seal이 직렬로 연결된 상온 수력학 시험장치이다.  [그림 1]은 본 장치의 구조도를 나타낸 것이며, 공기 주입구, 측정점 등이 표시 되어있다.  Loop seal의 높이는 0.2m이고 폭은 0.15m이다. Stand pipe와 재순환 파이프의 직경은 60mm로서 단면적은 0.00196□가 된다.  그림에서 h1은 순환매질이 통과하는 수평관 gap의 높이를 나타내었다.  gap의 폭은 146mm이다.  h2는 연소로 재주입구 weir의 높이를 나타낸 것이다. 재주입구 폭은 110mm이다.  Loop seal의 높이는 180mm이다.  Q1, Q2, Q3는 각각 재주입구의 유동화 공기, stand pipe의 유동화 공기 및 stand pipe의 aeration 공기를 나타낸 것이다.  유동화 특성을 나타내는 변수로 각부분의 압력차를 지정하여 그값을 읽었으며 그 용어와 설명은 다음과 같다.

[그림 ] Loop seal 장치도

□P1 : stand pipe 차압

□P2 : loop seal supply chamber의 차압

□P3 : loop seal과 재주입관 사이의 수평관 차압

□P4 : 연소로 재주입구의 차압

실험에 사용된 유동매질은 석탄 연소회재로 평균입경 0.289이며 진밀도 2384kg/□이다.

결과 및 고찰

[그림 2]는 Q1, Q3의 각각의 port중 한 port만 공기를 주입하였을 때의 loop seal 내부 입자의 유동현상을 나타내었다.  Q1, Q3는 각각 재주입구의 유동화 공기 및 stand pipe의 aeration 공기를 나타낸 것이다(선 등 1997).

[그림 ] 단일 공기주입에서 따른 입자순환속도

Q1 공기만을 공급할 때는 공기의 stand pipe으로의 흐름이 적어 회재를 충분히 유동화 시키지 못하여 stand pipe회재의 수평흐름이 적게 나타난다.  Q3에서는 반대로 공기의 stand pipe로의 주입이 많고 따라서 회재 흐름이 상대적으로 크다.  Loopseal의 회재를 흐르게 하는 최소유량은 다음과 같이 나타난다.

Q3 ≤ Q1

단일 공기에 의한 유동에서는 조업이 불안정한 것으로 나타났다.

[그림 ] 공기 동시주입에 따른 입자순환속도

[그림 3]에는 Q1, Q2, Q3의 모든 port에서 동시에 공기를 주입하였을 때의 운전 결과를 나타내었다.  공기를 모든 port에서 동시에 주입한 경우 운전에 필요한 총 공기유량은 한 port 만을 사용한 경우보다 적게 나타났다.

[그림 4]는 Q1, Q2, Q3 공기의 동시주입하에서 Q1공기유량만을 변화시키면서 입자순환 속도을 측정한 결과이다.  공기유량의 증가에 따라 입자순환량은 증가하는 경향을 나타내었다.

[그림 ] Q1 유량변화에 따른 입자 순환량 변화

[그림 5]에는 stand pipe의 차압변동(□P1)과 회재 순환량과의 관계를 나타내었다.  회재 순환속도의 증가에 따라 stand pipe의 차압은 감소 하였다.  따라서 □P1이 0에 가까울 때 최대유량을 나타내었다.  과잉의 aeration air 공급이 stand pipe내의 입자의 흐름을 직접 방해하거나 또는 사이클론 쪽으로의 다량의 공기역류를 일으켜 사이클론의 포집효율을 떨어뜨릴 수 있음을 보여준다.

[그림 ] □P1과 입자 순환량과의 관계

[그림 6]은 loopseal과 supply chamber사이에서 층의 하부압력차를 나타낸 것이다.  □P2의 경우는 대개 0을 나타내었으나 느린 회재 유량에서는 음의 값을, 빠른 회재 유량에서는 양의 값을 나타내었다.  □P2가 음의 값을 나타내는 것은 loopseal supply chamber의 국부압력이 stand pipe 압력보다 크다는 의미가 된다.  반면 양의 값은 stand pipe의 압력이 supply chamber의 압력보다 크다는 것으로 빠른 회재유량 만이 supply chamber가 Venturi tube와 같은 특성을 나타내고 있다.  Loopseal의 조업과 압력에 관한 특성비교에서 공기주입량이 차압을 최소화할 수 있는 경우가 최적의 조업조건임을 나타내었다.

[그림 ] □P2와 입자유량과의 관계

사이클론에서 포집된 회재는 standpipe를 따라 내려와 loopseal을 거쳐 다시 연소로로 재주입 된다.

회재 순환설비에 걸리는 차압은 다음과 같이 묘사된다.

[eqn: DELTA P_s -Delta P_g - Delta P_r - Delta P_rp = 0]

여기서 아래첨자 s는 standpipe, g는 gap, f 는 furnace, r은 recycle chamber, rp는 recycle pipe를 나타낸다.  연소로(furnace)와 사이클론의 압력차는 상대적으로 작으므로 위 식은 다음과 같이 나타내어진다.

Stand pipe내의 압력 강하는 Ergun식을 이용한다.

[eqn: {Delta P_s }over L_s g_c = 150 {(1-epsilon_m )^2} over epsilon_m ^3 {mu Delta U} over { PHI_s ^2 d_p ^2} + 1.75 {1-epsilon_m} over epsilon_m ^3 {rho_g Delta U^2} over{PHI_s d_p }]

[그림 ] 측정값과 계산값의 비교

[eqn: G_s = rho_p (1-epsilon_s ) U_ss] 로 나타내어진다. 여기서 Uss는 stand pipe에서의 회재유속을 나타낸다. [그림 7]에 실험값과 관계식과의 대비를 나타내었다.

감사

이 연구는 통산부 청정에너지 기술개발 사업으로 지원 되었다.

참고문헌

선도원 등, □열병합 발전을 위한 순환유동층 석탄연소기술개발,□ 한국에너지기술연구소 보고서, 통상산업부 (1997).