미분탄의 기류수송에 있어서 진동 효과

여평모, 김용하

부경대학교 화학공학과

Effect of Vibration on the pneumatic conveying of pulverized coal

Pyoung-Mo Yeo and Yong-Ha Kim

Department of Chemical Engineering, Pukyong National University

서론

분체를 다루는 공정에서 전체적인 공정의 성패여부는 분체의 안정적인 공급 여부에 따라 결정된다. 화학공정에서 분체를 공급하기 위해서는 중력, 스크류 피더나 로타리 밸브와 같은 기계적 장치 또는 기체를 이용한 기류수송 등이 일반적으로 이용된다.

일반적으로 부착력에 비해 중력이 지배적인, 즉 입경이 큰 분체는 기계적 장치 등을 이용하여 비교적 쉽게 공급할 수 있으나 입경이 수십 마이크론 이하가 되면 입자사이의 상호 부착이 강력해지면서 응집체의 생성 등으로 인해 안정적 공급이 어렵게 된다1). 이와같은 응집 현상은 입자사이의 van der Waals 힘, 정전기 힘, 수분 등에 의한 액가교 힘 등에 의해서 발생하게 된다. 입자의 응집에 대표적으로 작용하는 van der Waals 힘이 입자의 중력보다 높아지는 임계 입경은 입자의 밀도와 형상에 따라 차이가 있으나 약 40 - 70 [eqn: mu]m로 알려져 있다2).

임계입경이하 입자, 즉 미분체의 안정적 공급에는 공급기의 특성외에 입자가 저장되는 저장조내에서 입자가 어떠한 거동을 하고 있는가와 밀접한 관계가 있다. 즉 이동층 또는 고정층에 가까운 저장조내 미분체사이에는 상호 부착력에 의해서 브리지가 발생되기도 하며, 이러한 브리지에 의한 폐색은 결과적으로 분체의 공급 사고를 초래하게된다.

이와같은 미분체의 안정적 공급에 대해 Wibberley와 Phong-Anant3)는 미분탄의 syringe-type 공급기를 개발하였는데, 이는 미분탄이 하부에서 유입되는 공기에 의해서 유동되어 일정한 분산상태를 유지하고, 피스톤의 움직임에 따라 미분탄이 유출되는 현상을 이용하였다. 이러한 방법은 층내에 응집물이 형성되면서 유동이 불균일해지며 배출되는 부분이 막히는 경우가 생길 수 있음에 대해 Annamalai 등4)은 층 전체의 유동 대신에 배출되는 부위만을 부분적으로 유동시켜서 배출시키는 방법을 이용하여 평균입경 150 [eqn: mu]m의 모래와 39 [eqn: mu]m의 챠의 수송을 실험하였다. 이와같은 방법들의 공통적인 문제점은 응집력과 부착력이 큰 미분체의 경우 배출되는 부분에서 브리지에 의한 공극이 생기면서 입자들이 간혈적으로 배출되는 점이다.

따라서 본 연구에서는 분체의 저장조 하부에 일정하게 진동을 가하여 저장조내분체의 공극을 억제하면서 일정한 거동을 유지한 상태에서 공기에 의해 부분적으로 유동되는 미분탄을 배출시키는 기술을 제안하고,  이와같은 방법에서 기류수송에 의한 미분탄의 배출 속도에 대한 가스 유량, 진동 힘, 공기 압력 등의 영향을 규명하고자 한다.

실험

본 실험에서 사용한 공급장치는 그림 1에서 보는 바와 같이 공기유입부, 미분탄 저장조, 미분탄 배출부, 진동장치, 배출량 측정부로 구성되어 있다. 공기 유입부는 공기중의 습기를 흡수 제거하기 위한 실리카겔 탑, 압력 조절기, 유량 조절기로 되어 있다. 미분탄 저장조는 내경 5.5 cm 아크릴 관으로 아랫부분을 깔대기 모양으로 45。 각도로 하여 진동할 때 미분탄이 배출부 중심으로 움직이도록 하였으며, 높이는 깔대기 모양의 꼭지점으로부터 34 cm로 하였다. 미분탄 배출부는 공급 장치에서 가장 중요한 부분으로, 진동에 의해 깔대기 부위로 하강하는 입자들을 부분적으로 유동을 시켜서 배출하게 된다. 진동을 가하지 않고 공기만 주입했을 경우 미분탄의 응집력때문에 입자들은 중력에 의해서 자연 하강하지 않고 브리지를 형성하게 되는데 이 브리지의 형성을 억제하기 위해 저장조 외벽에 진동을 가하는 방법을 택하였다. 배출부는 아크릴관으로 제작된 이중관이며, 외관의 외경은 1.2 cm, 내경은 0.9 cm, 내관의 외경은 0.8 cm, 내경은 0.5 cm 로 되어 있다. 배출관은 저장조 하부의 깔대기 꼭지점으로부터 2 cm 상부에 위치하도록 하였다. 진동은 저장조 하부에 자장에 의해서 진동하는 장치를 두어 층 전체에 진동을 가하는 방법을 이용하였다.

평균입경 36 [eqn: mu]m 인 미분탄 약 400 g을 저장조 상부에 있는 밸브를 통해서 주입하고, 매 실험에서의 공극의 오차를 줄이기 위해서 진동을 주어서 같은 높이로 하였다. 주입되는 공기와 함께 배출되는 미분탄은 저울위에 설치된 사이클론에 의해 포집과 동시에 질량을 측정하여 배출속도를 계산하였다. 본 실험에 사용된 진동 장치는 진동 가진계에 의한 측정에서 전원 주파수 60 Hz를 기준하여 8 배인 480 Hz까지 일정하게 진동을 가할 수 있었으며, 이때 진동 장치에 의한 가속도의 범위는 15.7 - 29.7 m/s2 이었다. 사용된 공기의 유량과 게이지 압력의 범위는 각각 2 - 9 □/min과 0.3 - 0.9 Kgf/cm2 이었다.

결과 및 고찰

진동장치에 의한  진동 가속도, a와 진동에 의해 저장조에 가해지는 힘, F 사이에는 식 (1)과 같은 관계가 성립한다. 즉,

F = ma                      (1)

여기서 m : 미분탄의 질량

본 실험에서 초기 저장조에 장입되는 미분탄의 질량, 400 g을 기준하면 진동에 의해 저장조에 가해지는 힘의 범위는 6.28 - 11.89 N이다.

Fig. 2는 공기 유량을 3 - 9 □/min, 미분탄을 400 g, 고정층 높이를 24 cm, 게이지 압력을 0.3 Kgf/cm2, 배출시간을 10 min으로 하였을 때 공기 유량에 대한 배출 속도의 변화를 나타낸 것이다. 일정한 진동하에서 공기 유량이 증가함에 따라 배출 속도가 직선적으로 증가됨을 보이고 있는데 이는 공기 유량의 증가에 따라 배출관 하부에서 입자들이 부분적으로 유동되는 양이 많아지고 그 대부분이 충분히 공급되는 공기에 의해 비산 배출되기 때문이다. 진동 힘이 6.28 N로 낮은 경우 공기 유량이 3 □/min 이하로 낮아지면서는 배출관내에서 슬러깅 현상이 발생하는 등 불안정한 상태를, 그리고 공기 유량이 9 □/min 이상으로 높아지면서는 미분탄의 배출 속도가 증가되면서 배출관이 막히기 시작하는 현상이 관찰되었다. 공기 유량과 진동 힘 등이 동일한 조건에서 같은 실험을 반복했을 때 배출 속도에 생기는 오차는 매 실험에서 장입되는 저장조내 미분탄의 공극률이 동일하게 분포하지 않기 때문이라 판단된다.

Fig. 3은 공기 유량을 각각 3, 5, 7 □/min로 일정하게 유지한 상태에서 진동 힘의 증가에 따른 미분탄 배출 속도의 변화를 나타낸 것이다. 진동 힘이 6.28 N에서 11.89 N까지 증가함에 따라 배출관 하부로 내려오는 미분탄의 양이 증가되면서 배출 속도도 직선적으로 증가하는 경향을 나타냈다. 이때 진동 힘이 큰 영역에서는 공기 유량의 증가에 따라 배출 속도의 증가 폭이 크고 반대로 진동 힘이 약한 영역에서는 공기 유량의 영향력이 약해지는 것으로 보아 배출 속도의 정량 제어에는 진동 힘의 조절이 효과적임을 알 수 있었다.  한편 본 실험조건에서는 진동 힘이 6.28 N이하로 낮아지게 되면서 미분탄의 거의 배출이 일어나지 않는 것으로 보아 최소 6.28 N이상이 진동 힘이 가해져야 상부에 있는 미분탄이 배출관 부위로 흘러온다는 것을 알 수 있었으며 이 값은 저장조내 장입된 미분탄의 양이 많아지게 높아질 것으로 추정된다. 이상의 결과로부터 공기만을 이용하여 미분탄을 기류 수송하는 것보다는 진동 힘을 가하는 것이 미분탄의 기류 수송에 효과적임을 알 수 있었으며 또한 저장조내에서 미분탄이 약하게 응집되었을 경우 이들을 분산시키는 부수적 효과도 확인되었다.

참고문헌

1. 松坂 修二, 增田 弘昭, 月刊 化工技術, 5, 31 (1997)

2. Baeyens J., D. Geldart and S. Y. Wu, Powder Technology, 71, 71 (1992)

3. Wibberley, L. J. and Phong-Anant, Combust. Sci. Technol., 49, 93 (1986)

4. Annamalai K., M. Ruiz, N. Vo and V. Anand, Powder Technology, 73,        181 (1992)

Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus