Spent FCC 입자의 마모 특성

박동수, 문영섭, 최정후, 이창근*, 손재익*

건국대학교 화학공학과

*에너지기술연구원

Attrition Characteristics of Spent FCC Particles

Dong-Su Park, Young-Sub Moon, Jeong-Hoo Choi,

Chang-Keun Yi* and Jae-Ek Son*

Department of Chemical Engineering, Konkuk University, Seoul 143-701

Korea Institute of Energy Research, Taejeon 305-343

서론

유동층 공정에서 입자의 마모는 고체의 손실에 따른 효율 감소 혹은 경제적 손실, 분진 제어의 필요성 등의 문제를 제기한다. 따라서 유동층 공정에서 고체의 마모 특성은 중요한 관심사 중에 하나이다. 유동층에서 발생하는 마모 현상을 가장 유사하게 모사하는 마모 특성 측정 장치로는 ASTM D 5757-95의 방법[1]이 사용될 수 있다. 그러나 이 방법에서 측정되는 AI (attrition index)는 유동층 공정에 적용될 수 없으며, 이를 위해서는 적절한 응용이 필요하다. 본 연구에서는 ASTM D 5757-95 방법의 간단한 응용을 통하여 유동층 공정에 적용될 수 있는 입자 마모 특성의 해석 방법을 제시하고자 하였다.

이론적 배경

입자의 마모성을 나타내는 지표로서 ASTM D 5757-95에 의한 마모 지표(AI: attrition index)는 소형 회분식 유동층에서 측정되며, 다음의 식으로 나타내진다.

[eqn: AI(5)~=~{f(5)}over{S}×100]	(1)

where

[eqn: f(5)]: gross weight of elutriated fine particles during 5 hours [g]

S: weight of initial charge [g]

한편 수정된 마모 지표 CAI는 [eqn: f(5)] 대신에 실험 시작 후 2시간 이후 5시간까지 비산 유출된 미분 입자의 양([eqn: f(5)-f(1)])을 사용하여 계산된다.

Vaux 등[2], Werther와 Xi[3], Merrick와 Highly[4]에 의하면 기체 유동층에서 입자 마모는 기체 분배기 orifice의 jet 영역에서 jet 효과에 의한 마모와 jet 영역 상부의 유동화 영역에서 마모로 구분될 수 있다. 이에 따라 유동층 공정에서 총괄 입자 마모 속도([eqn: R_a,tot] [kg/s])를 jet 마모속도([eqn: R_a,distr] [kg/s])[3]와 bubbling 마모속도([eqn: R_a,bub] [kg/s])[4]의 합으로 고려할 수 있다.

[eqn: R_a,tot ~=~ R_a,distr ~ + ~ R_a,bub]	(2)

[eqn: R_a,distr = C_a,j d_pb N_{or} rho_g d_or^2 u_or^3]	(3)

[eqn: R_a,bub = K_a,bub (U-U_mf )^n_1 W]	(4)

where

[eqn: d_{or}]: orifice diameter [m]

[eqn: d_pb]: specific surface mean diameter [m]

[eqn: K_a,bub]: bubbling attrition rate constant

[eqn: C_a,j]: jet attrition rate constant

[eqn: N_{or}]: total orifice number [ea]

[eqn: n_1]: exponent [-]

[eqn: U]: superficial gas velocity [m/s]

[eqn: U_mf]: [eqn: U] at minimum fluidizing condition [m/s]

[eqn: u_{or}]: orifice velocity [m/s]

[eqn: W] : bed weight [kg]

[eqn: rho_g]: gas density [□/m3]

한편 [eqn: C_a,j], [eqn: K_a,bub], [eqn: n_1]은 입자의 특성이 포함된 변수로써 실험적으로 결정되어야 한다.

[eqn: C_a,j ~=~ f~(RH,~ T)]	(5)

[eqn: K_a,bub ~= ~ f~(d_p, ~ RH,~ T, ~ P~)]	(6)

where

[eqn: P]: pressure [atm]

[eqn: RH]: relative humidity [%]

[eqn: d_p]: particle diameter [m]

[eqn: T]: temperature  [℃]

실 험

Fig. 1은 본 실험에 사용된 ASTM D 5757-95 입자 마모 측정 장치를 나타내고 있다. 입자 마모 측정 장치는 마모관(attrition tube)과 침강조(settling chamber)로 구성되어 있다. 마모관은 내경 0.035 m, 높이 0.71 m, 두께 0.003 m의 stainless steel로 제작되었다. 침강조는 내경 0.11 m, 높이 0.63 m, 두께 0.003 m의 stainless steel로 제작되었다. 침강조의 하부는 높이 0.23 m의 확장관으로 마모관에 연결되어 있으며, 상부는 높이 0.1 m의 수축관으로 직경 0.034 m의 기체 출구와 연결되어 있다. 기체 출구를 통하여 외부로 비산된 입자는 삼각 flask와 thimble filter에서 포집된다. 기체 분배기는 0.381 mm hole 3개가 삼각 pitch (pitch 0.017 m)로 배열되어 있다. 공기는 압축기로 공급되고, 압력 조절기와 수분 제거용 prefilter를 거친 후, 질량 유량계로 정량되고, 증습기(humidifier)와 silica-gel이 채워진 건조기(dryer)를 통과시켜 습도를 조절하여 공급하였다. 공기 유량은 gas meter (Sinagawa, DC-2A)로 확인되었다.

1. compressor, 2. PC, 3. filter, 4. pressure regulator,

5. valve, 6. mass flow meter, 7. humidity meter,

8. air dryer, 9.humidifier, 10. sparger, 11. thermo couple, 12. attrition tester, 13.distributor, 14. thimble filter, 15. mist eliminator, 16. data logger

Fig. 1. Schematic diagram of a fluidized bed attrition tester system.

고체로는 spent FCC 입자를 사용하였다. Table 1은 spent FCC 입자의 특성을 나타내고 있다. 유속을 10 l/min으로 고정하고, 습도를 일정하게 조정하고, 포집기를 연결하여 30분간 유지 후 포집기의 무게를 측정하였다. 공기의 유속을 일시적으로 미량으로 낮추고 상부로 시료를 주입하고 다시 유속을 10 l/min으로 유지하며 실험 수행 1시간 후 포집기의 무게를 측정하여 비산된 입자의 양을 결정하였다. 총 5시간 후 실험을 종료하고, 포집기와 층내 잔류 시료의 무게를 측정하여 비산 입자량, 잔류 고체량, 고체 회수율을 결정하였다.

Table 1. Properties of spent FCC.

Property	Apparent density [kg/m3]	Bulk density [kg/m3]	Mean particle diameter [mm]
FCC	2083	802	0.084

결과 및 고찰

Fig. 2. Cumulative mass of attrition fines with time.

Fig. 2는 초기 층물질의 양이 50 g일 때 시간에 따른 마모미분의 배출량을 나타내고 있다.  마모미분의 배출속도는 시간에 따라 일정한 경향을 보였으며 이는 실험에 사용된 입자가 spent FCC로서 초기에 입자의 거친 표면으로 인하여 발생하는 입자의 마모현상이 매우 적기 때문으로 사료되었다.

Fig. 3은 초기 층물질량에 따른 마모속도를 나타내고 있다. 마모속도는 낮은 층 높이에서는 층물질량이 증가함에 따라 약간의 증감을 나타낸 후 층물질량이 계속 증가하면 마모속도도 거의 선형으로 비례하여 증가하였다. 이는 낮은 층높이 (초기 층 무게 175 g 이하)에

Fig. 3. Effect of bed mass on particle attrition     Fig. 4. Effect of bed mass on AI and CAI.

rate.

서는 분산판에서 발생되는 고속의 jet에 의한 입자 마모가 지배적이고, 초기 층물질량 175 g 이상에서는 jet에 의한 입자마모와 함께 bubbling에 의한 입자마모가 발생하고, 식 (4)에서 예측되는 바와 같이 입자량이 증가할수록 bubbling에 의한 입자마모가 증가되기 때문으로 사료된다. 식 (3)과 (4)에 의해서 계산된 사용된 층물질 spent FCC의 [eqn: C_a,j]는 2.03 ×10-11 [sec2/□3], [eqn: K_a,bub · (U-U_mf )^n_1]는 5.47×10-7 [1/sec]이었다.

Fig. 4는 식(1)에 의한 마모지표와 수정마모지표를 초기 층물질량에 따라 나타낸다. 초기 층물질량이 증가할수록 마모지표와 수정마모지표의 감소경향은 급격히 감소 후 완만히 감소하였다. 그림에서 100g 이후의 AI 또는 CAI의 감소는 jet에 의한 마모는 일정한 양에 도달하였고 bubbling에 의한 마모량이 상대적으로 작기 때문이다.

결론

초기 층물질의 양이 175 g 이하의 경우에는 jet에 의한 입자 마모가 지배적이며, 175 g 이상에서는 jet에 의한 입자 마모와 bubbling에 의한 입자 마모가 동시에 발생함을 확인할 수 있었다. Bubbling에 의한 입자 마모 속도는 초기층물질의 양이 증가함에 따라 선형으로 비례하여 증가하였다. 사용된 층물질 spent FCC의 [eqn: C_a,j]는 2.03 ×10-11 [sec2/□3], [eqn: K_a,bub · (U-U_mf )^n_1]는 5.47×10-7 [1/sec]이었다.

감사의 글

본 연구는 대체에너지기술개발사업(G7)의 일환으로 수행되었습니다. 연구비 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. Ryu, C.K.: "Standard Test Method for Determination of Attrition of Powdered Sorbents by Air Jets," KEPRI, TM.97GJ17.I1999.431, Taejeon, 1(1999).

2. Vaux, W.G. and Schruben, J.S.: "Kinetics of Attrition in the Bubbling  Zone of a Fluidized Bed," AIChE Symp. Ser., 222(79), 97(1983).

3. Werther, J. and Xi, W.: "Jet Attrition of Catalyst Particles in Gas        Fluidized Beds," Powder Tech., 76, 15(1993).

4. Merrick, D. and Highly, J.: "Particle Size Reduction and Elutriation in a   Fluidized Bed Process," AIChE Symp. Ser., 137(70), 367(1974).