[논문]환경에너지시설내 화격자식 소각로 수치해석 연구

김종윤; 전용한

doi:10.12812/ksms.2017.19.4.149

환경에너지시설내 화격자식 소각로 수치해석 연구
Numerical research for Gate Type Waste Incinerators In Environment energy facilities 원문보기

대한안전경영과학회지 = Journal of the Korea safety management & science, v.19 no.4, 2017년, pp.149 - 155

김종윤 (서정대학교 소방안전관리과) , 전용한 (상지영서대학교 소방안전과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study is analyzed combustion phenomena based on the environmental energy facility incinerator. It is assumed that combustible components of waste are composed of carbon and hydrogen, and the combustion process of fuel is by setting as multi-component / multistage reaction. As the combustion chamber is burned, the high temperature environment is achieved, also the heat transfer accompanied by the turbulent flow and the generation of NOx, a pollutant, are interpreted to predict the thermal and fluid characteristics and pollution emissions of the grate incinerator. As the result of internal flow analysis, the slow flow around the ash chute and the mixing effect due to the complicated turbulence around the combustion chamber were predicted to show excellent performance. It is shown to the internal average temperature was about $1024^{\circ}C$, around the about $1000^{\circ}C$ homogeneous temperature distribution. Due to the sudden temperature decrease in the boiler, the flue gas temperature at the outlet was estimated to be about $220^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

해석상 가연분은 탄소와 수소로 이루어진 것으로 가정하였으며, 연료의 연소과정을 다성분/다단반으로 설정하였다. 연소실은 연소함에 따라 고온의 환경이 이루어지며, 난류유동과 함께 수반되는 열전달 및 공해물질인 NOx의 생성을 분석하여 화격자식 소각로의 열 및 유체적 특성과 공해 배출을 예측하고자 하였다. ;
이러한 배경에서 소각로내 연소현상에 대한 기초자료를 정립하고자 환경에너지 시설의 소각로를 대상으로 연소현상 해석을 실시하였다. 해석상 가연분은 탄소와 수소로 이루어진 것으로 가정하였으며, 연료의 연소과정을 다성분/다단반으로 설정하였다.
환경에너지 시설내부의 폐기물 소각로의 기초적인 소각 성능예측 및 관련 데이터 확보를 위하여 소각로의 연소 과정을 컴퓨터를 이용한 전산해석을 통해 고찰 하였다. 전산해석의 수행은 해석대상의 도면분석을 통한 형상 및 작성된 Grid를 이용하여 계산을 수행하고 검토 및 분석하는 절차로 진행되었으며, 해석에 사용된 Software는 ANSYS-FLUENT 패키지의 V13을 사용하였다.

가설 설정

2차 연소실을 통과한 연소가스는 보일러를 통과하며 약 200℃로 급격하게 냉각된다. 본 해석에서는 보일러까지 형상을 고려하여 해석을 진행하였으며, 보일러의 경우 energy equation에 대한 temperature sink term으로 작용하는 것으로 가정하였다. ;
이러한 배경에서 소각로내 연소현상에 대한 기초자료를 정립하고자 환경에너지 시설의 소각로를 대상으로 연소현상 해석을 실시하였다. 해석상 가연분은 탄소와 수소로 이루어진 것으로 가정하였으며, 연료의 연소과정을 다성분/다단반으로 설정하였다. 연소실은 연소함에 따라 고온의 환경이 이루어지며, 난류유동과 함께 수반되는 열전달 및 공해물질인 NOx의 생성을 분석하여 화격자식 소각로의 열 및 유체적 특성과 공해 배출을 예측하고자 하였다.

제안 방법

소각로에 대한 열유동 및 연소반응 해석을 수행하였다. 소각로의 전산해석은 열유동 및 연소해석 시 신뢰성이 가장 높은 전산유체역학 프로그램 중 하나인 ANSYS-FLUENT를 이용하여 내부 유동현상 및 온도분포예측, 오염물질 배출을 예측하였다. 내부 유동해석결과, ash chute 주변의 느린 유속분포, 연소실 주변의 복잡한 난류로 인한 혼합효과가 예측되어 우수한 성능을 보일 것으로 판단되었으며, 내부 평균온도는 약 1024℃로 나타났으며, 1000℃ 내외에서 균일한 온도분포를 보였다.

대상 데이터

따라서 이러한 경계면의 특성을 고려하여 boundary layer meshing을 사용하였고 이를 통해 벽면 및 경계면에서 계산의 정확도를 높였다. 총 격자수는 약 100,000개 이다.

성능/효과

소각로의 전산해석은 열유동 및 연소해석 시 신뢰성이 가장 높은 전산유체역학 프로그램 중 하나인 ANSYS-FLUENT를 이용하여 내부 유동현상 및 온도분포예측, 오염물질 배출을 예측하였다. 내부 유동해석결과, ash chute 주변의 느린 유속분포, 연소실 주변의 복잡한 난류로 인한 혼합효과가 예측되어 우수한 성능을 보일 것으로 판단되었으며, 내부 평균온도는 약 1024℃로 나타났으며, 1000℃ 내외에서 균일한 온도분포를 보였다. 보일러에서 급격한 온도 감소로 인하여 출구에서는 연소가스 온도가 약 220℃로 예측되었다.
내부 유동해석결과, ash chute 주변의 느린 유속분포, 연소실 주변의 복잡한 난류로 인한 혼합효과가 예측되어 우수한 성능을 보일 것으로 판단되었으며, 내부 평균온도는 약 1024℃로 나타났으며, 1000℃ 내외에서 균일한 온도분포를 보였다. 보일러에서 급격한 온도 감소로 인하여 출구에서는 연소가스 온도가 약 220℃로 예측되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소각 처리 방법이란?	폐기물을 처리하기 위한 방법 중 소각 처리 방법은 질량 및 부피를 최대한 줄일 수 있으며 열을 회수하여 사용할 수 있어 여러 관점으로 볼 때 매우 유용한 방법 이다. 그러나 소각하는 과정에서 불완전 연소가스 및 오염 물질 등의 생성으로 인하여 여러 문제점이 도출 되고 있으며 이를 해결하기 위하여 로의 효율을 높이기 위한 연구들이 지속되어지고 있다.
	온도가 중앙부 보다 낮게 예측되는 이유는?	화격자 상부의 경우 가연분 연료에 포함된 수분증발로 인한 증발잠열 및 공급 산소 대비 높은 가연분 분율로 인하여 온도가 화격자 중앙보다 낮게 예측되는 반면, 화격자 하부의 경우 가연 연료비율이 줄어들고 상대적으로 ash의 비율이 늘어나기 때문에 온도가 중앙부 보다 낮게 예측된다. 또한 공급된 공기의 상승기류를 타고 상승한 가연분 및 불완전 연소성분들이 2차 공급공기노즐을 지나면서 완전히 산화되므로 2차 공기노즐 상단에서 다시 온도가 상승하는 [Figure 8]은 로 내부의 복사온도(radiation temperature) 분포도를 나타낸 것이다.
	경계면의 특성을 고려하여 boundary layer meshing을 사용한 이유는?	따라서 [Figure 2]에 나타난 바와 같이 소각로 내 격자는 모두 육면체 구조의 hexahedral 격자로 구성하였다. 또한, 소각로의 특성상 벽면 및 경계면에서 일어나는 물리적 특성이 유동 및 열전달에 큰 영향을 미치게 된다. 따라서 이러한 경계면의 특성을 고려하여 boundary layer meshing을 사용하였고 이를 통해 벽면 및 경계면에서 계산의 정확도를 높였다.

참고문헌 (7)

Lee. Y.S.(2010), "A Study on the Setting of CFD Boundary Condition for Hot Flow Grate Type Incinerator." KOSCO Syoposium.
Yoo, C.K.(2002), "Discussion on the Practical Use of CFD for Grate Type Waste Incinerators." JJ. Korea Society for Computational Fluids Engineering. Vol. 7 No. 3 September : 17-26
Ko, Y.G.(2002), "Numerical Simulation of Waste Bed Combustion and Gas Flow in a Grate-type Waste Incinerator" KSME Syoposium : 1244-1249.
Sung, D.M.(1997), "A Study on the Combustion Characteristics of the Small Grate Type Industrial Wastes Incinerator ." J. KSWM. Vol. 14 No. 6 March : 579-587
Ahmed, S.A and Nejsd, A.S(1992), "Velocity Measurement in a Research combustor Psrt 1 : Isothermal Swirling FLow," Experimental Thermal and Fluid Science, Vol 5 : 162-174

상세보기
Drake, M.C.and Blint, R.J.(1991), "Calculations of NOx Formation Pathways in Propagating Laminar, High Pressure Premixed CH4/Air Flames, "Combustion Science and Technology, Vol 75 : 261-285

상세보기
Ansys CFX 13.0 Teory Guide & User's Guide.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증