[논문]연소 배출가스의 유입방식에 따른 백필터를 활용한 흡착/촉매 통합공정 시스템 반응기 내 유동특성

최청렬

doi:10.3795/ksme-b.2007.31.5.425

문제 정의

영향을 미치게 된다. 그래서 본 연구에서는 반응기 내 유동 특성을 파악하고, 연소 배출가스와 활성탄 입자의 반응기 내 체류시간을 산정하기 위하여 전산유체기법을 활용하여 해석을 수행하였다. 이를 위하여 네 가지 방식의 연소 배출가스주입방식이 고려되었고, 각각의 주입 방식에 따른 반응기 내 유동특성과 체류시간을 비교하고 평가하였다.
본 연구에서는 이러한 노력의 일환으로, 기존의 백필터 시스템이 다이옥신 제거용인 것과는 달리 다이옥신과 NOx를 동시에 제거할 수 있는 흡착/촉매 통합공정 시스템을 개발 중이다. 일반적으로 활성탄을 이용한 배출가스 처리용 공정으로는 크게 필터백 입구에 PAC(Particulate Activated Carbon)를 주입하는 분무흡착 방식과 GAC(Granular Activated Carbon)를 이용한 고정층 흡착공정으로 구분할 수 있다.
이에 본 연구에서는 반응기 설계를 최적화하기 위하여 전산유체기법 (CFD)을 활용하여 반응기에 활성탄이 주입되는 경우에 연소 배출가스의 유입방식에 따른 반응기 내에서 연소 배출가스와 활성탄 입자의 유동 특성을 해석하였고, 연소 배출가스와 활성탄 입자의 체류시간을 계산하였다.

가설 설정

흡착/촉매 반응기 내에서의 유동해석을 위해서 수치계산은 3차원 정상상태로 가정하여 계산을 수행하였다. 연속방정식과 운동량방정식과 난류의 영향을 고려하기 위하여 standard k-ε 난류모델을 적용하였다.

제안 방법

사용하여 해석을 수행하였다. 먼저 기본 설계도면을 바탕으로 3차원 형상을 제작하고 격자 시스템을 구성하였다 (Fig. 3과 Fig. 5). 이후 생성된 격자계를 로드하여 정상운전 조건을 적용하였다.
212 kg/h , 평균입자의 직경은 49/µm , 밀도는 490 kg/m³, 점화온도 260℃이다. 반응기 내의 압력강하가 l,500Pas 라는 실험 예측값을 활용하여 수치해석 시에 필요한 압력강하 특성 값을 산정하고 이를 활용하여 해석을 수행하였다.
반응기의 유동 해석을 위하여 소요된 격자는 약 130만 셀이다. 유동해석의 정확성을 기하기 위하여 hexa와 tetra 격자를 혼용한 hybrid 격자 시스템을 구성하였다. 이후 해석에 필요한 여러 방정식과 관련된 모델들을 설정한 후 정상상태 해석을 수행하였다.
그래서 본 연구에서는 반응기 내 유동 특성을 파악하고, 연소 배출가스와 활성탄 입자의 반응기 내 체류시간을 산정하기 위하여 전산유체기법을 활용하여 해석을 수행하였다. 이를 위하여 네 가지 방식의 연소 배출가스주입방식이 고려되었고, 각각의 주입 방식에 따른 반응기 내 유동특성과 체류시간을 비교하고 평가하였다.
유동해석의 정확성을 기하기 위하여 hexa와 tetra 격자를 혼용한 hybrid 격자 시스템을 구성하였다. 이후 해석에 필요한 여러 방정식과 관련된 모델들을 설정한 후 정상상태 해석을 수행하였다. 실제 계산은 KISTI 슈퍼컴퓨팅센터의 IBM 슈퍼 컴퓨터를 사용하여 계산을 수행하였다.
주입방식에 따른 유동형태를 파악하기 위하여 4가지 형태에 대한 수치해석을 수행하였다. 현재 고려된 연소 배출가스의 유입방식은 Fig.
활성탄 입자의 거동을 해석하고자 입자의 운동방정식을 추가로 고려하였다. Lagrangian 격자계에서 입자 지배방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
흡착/촉매 반응기 내에서의 유동해석을 위하여 전술한 수치해석 기법을 사용하는 전산유체해석프로그램을 사용하여 해석을 수행하였다. 먼저 기본 설계도면을 바탕으로 3차원 형상을 제작하고 격자 시스템을 구성하였다 (Fig.

대상 데이터

반응기 내의 압력변화는 크게 백필터의 전단과 후단으로 크게 나누어지는 것을 볼 수가 있다. 주 압력강하는 백필터에 의하여 발생하였다.

데이터처리

이후 해석에 필요한 여러 방정식과 관련된 모델들을 설정한 후 정상상태 해석을 수행하였다. 실제 계산은 KISTI 슈퍼컴퓨팅센터의 IBM 슈퍼 컴퓨터를 사용하여 계산을 수행하였다.

이론/모형

반응기 내 활성탄 입자의 거동과 이 입자와 연소 배출가스와의 운동량 교환에 의한 연소 배출가스의 유동장을 예측하고자 입자의 거동해석을 위한 입자 거동방정식 (Lagrangian 기법)을 고려하여 해석을 수행하였다.
해를 구하기 위하여 First-order upwind scheme과 staggered grid system을 적용하였다. 압력-속도해는 SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)⁽⁹⁾를 이용하여 구하였으며, 벽면에서는 점착 (no-slip) 조건을 적용하여 정상해를 구하였다.
. 연속방정식과 운동량방정식과 난류의 영향을 고려하기 위하여 standard k-ε 난류모델을 적용하였다.
의 Haider and Levenspiel⁽⁸⁾ 모델을 사용하였다.
해를 구하기 위하여 First-order upwind scheme과 staggered grid system을 적용하였다. 압력-속도해는 SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)⁽⁹⁾를 이용하여 구하였으며, 벽면에서는 점착 (no-slip) 조건을 적용하여 정상해를 구하였다.

성능/효과

일반적으로 활성탄을 이용한 배출가스 처리용 공정으로는 크게 필터백 입구에 PAC(Particulate Activated Carbon)를 주입하는 분무흡착 방식과 GAC(Granular Activated Carbon)를 이용한 고정층 흡착공정으로 구분할 수 있다.^(4,5)두 공정의 특징은 소각시설 배출가스 내의 다이옥신을 제거하기 위한 공정은 주로 PAC를 이용하여 백필터 전단에 주입하는 분무 흡착공정이 주로 사용되고 있다는 것이다. 그러나 질소 산화물을 제거하는 공정에서는 주로 GAC를 이용한 고정층 반응기가 주류를 이루고 있다.
백필터 면을 통하여 유입되는 연소 배출가스의 유입속도는 약간의 차이가 있으나 거의 동일한 속도로 유입되었다. 각각의 필터의 출구에서 유량을 산정해본 결과, 각각의 필터를 통한 연소 배출가스의 유량을 다소간의 차이는 있으나 거의 동일함을 확인할 수가 있다.
반응기 내로의 연소 배출가스의 유입방식에 따라 산정된 연소 배출가스의 체류시간은 3개의 지관으로 나눠 유입시키는 방식이 가장 길게 나타났다. 하지만 반응기 내에서 연소 배출가스의 흡착효율은 기본적으로는 연소 배출가스의 체류시간이 긴 경우가 뛰어나지만, 접촉하는 활성탄 입자의 농도와도 밀접한 관계가 있으므로 이에 대한 종합적인 평가가 요구된다.
유입된 활성탄 입자는 연소 배출가스의 유동이 강한 하부영역에서는 연소 배출가스의 궤적과 거의 유사하게 이동하지만 유동이 약한 영역에 이르러서는 입자들의 질량이 연소 배출가스에 비하여 상당히 무겁기 때문에 관성력과 자중에 의하여 연소 배출가스와는 다른 이동 경로를 가졌다. 반응기 내 고농도 영역과 저농도 영역이 상부 혹은 하부로 구획 지어져 있는 것이 아니라 전체적으로 고농도 영역과 저농도 영역이 부분적으로 공존하며, 그 영역의 크기만이 부분적으로 차이가 발생하였다.
이와 같이 반응기 전단에 활성탄을 분무하게 되면 NOx 및 다이옥신이 활성탄에 흡착될 수 있는 시간이 매우 짧아서 충분한 흡착반응이 발생하도록 반응시간을 연장시켜주는 것이 처리효율 향상 큰 도움을 줄 것으로 판단된다. 반응기의 최적 설계를 위해서는 연소 배출가스의 유입속도가 빠르므로 반응기 내에서 연소 배출가스의 흐름은 주입구의 위치와 형태에 따라 현저히 다른 양상을 나타낼 것이므로 연소 배출가스의 유입형태에 따른 반응기 내에서의 유동장에 대한 연구가 선행되어야 한다.

후속연구

기존의 분무흡착 공정의 단점은 활성탄 소모가 많아 폐기물 발생량이 다소 많으며 활성탄 사용 효율이 다소 낮다는 문제점을 안고 있다. 따라서 현 단계에서는 이러한 활성탄 분무공정의 활성탄 사용 효율을 현저히 높이며 아울러 질소산화물과 다이옥신류를 높은 효율로 동시처리가능한 흡착/촉매 이 중 백필터 공정을 실공정으로 개발하기 위해서 다이옥신과 NOx를 동시처리 가능한 특수 활성탄 개발과 아울러 이를 적용할 수 있는 효율적인 분무흡착 공정 개발이 병행 되어야 한다.
큰 도움을 줄 것으로 판단된다. 반응기의 최적 설계를 위해서는 연소 배출가스의 유입속도가 빠르므로 반응기 내에서 연소 배출가스의 흐름은 주입구의 위치와 형태에 따라 현저히 다른 양상을 나타낼 것이므로 연소 배출가스의 유입형태에 따른 반응기 내에서의 유동장에 대한 연구가 선행되어야 한다. 이후 적합한 유입방식에 따른 상세한 연구가 뒤따라야 할 것이다.
반응기의 최적 설계를 위해서는 연소 배출가스의 유입속도가 빠르므로 반응기 내에서 연소 배출가스의 흐름은 주입구의 위치와 형태에 따라 현저히 다른 양상을 나타낼 것이므로 연소 배출가스의 유입형태에 따른 반응기 내에서의 유동장에 대한 연구가 선행되어야 한다. 이후 적합한 유입방식에 따른 상세한 연구가 뒤따라야 할 것이다.
하지만 반응기 내에서 연소 배출가스의 흡착효율은 기본적으로는 연소 배출가스의 체류시간이 긴 경우가 뛰어나지만, 접촉하는 활성탄 입자의 농도와도 밀접한 관계가 있으므로 이에 대한 종합적인 평가가 요구된다. 현재 산정된 연소 배출가스 및 활성탄 입자의 체류시간을 바탕으로 활성탄의 반응식과 적절히 조합한다면 정확한 제거 효율의 산정이 가능할 것이다.
하지만 반응기 내에서 연소 배출가스의 흡착효율은 기본적으로는 연소 배출가스의 체류시간이 긴 경우가 뛰어나지만, 접촉하는 활성탄 입자의 농도와도 밀접한 관계가 있으므로 이에 대한 종합적인 평가가 요구된다. 현재 산정된 연소 배출가스 및 활성탄 입자의 체류시간을 바탕으로 활성탄의 반응식과 적절히 조합한다면 정확한 제거 효율의 산정이 가능할 것이다.

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