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문제 정의
- 다음으로 두 가지 산소전달입자에 대하여 안정적인 고체순환을 유지할 수 있는 조업조건을 결정하기 위한 실험을 수행하였다. 본 연구팀의 기존 실험 결과8)에서 고체순환속도가 높은 조건, 즉 하부루프실의 유량이 높거나 연료반응기 내부 고체층 높이(Hs) 가 높은 조건에서 공기반응기의 유량이 낮을 때에는 공기반응기 내부에 존재하는 고체량이 급격히 증가하여 고체순환을 유지할 수 없는 현상이 발생하였다.
- 본 연구팀의 기존 실험 결과8)에서 고체순환속도가 높은 조건, 즉 하부루프실의 유량이 높거나 연료반응기 내부 고체층 높이(Hs) 가 높은 조건에서 공기반응기의 유량이 낮을 때에는 공기반응기 내부에 존재하는 고체량이 급격히 증가하여 고체순환을 유지할 수 없는 현상이 발생하였다. 따라서 본 연구에서는 안정적인 고체순환을 유지할 수 있는 운전조건을 결정하기 위하여 연료반응기 고체층 높이, 공기반응기 유량을 변화시키면서 공기반응기의 폐색(choking) 없이 운전할 수 있는 하부 루프실 최대 유량을 결정하였다.
제안 방법
- 2) 두 가지 산소전달입자들에 대해 안정적인 고체순환을 유지할 수 있는 하부 루프실 최대 유량의 변화를 결정하였다.
- 2탑 연결 순환유동층 실험 장치에 산소전달입자를 장입한 후, 상부 루프실과 연료반응기를 먼저 유동화시킨 후 공기반응기에 공기를 주입하였다. 이후 하부 루프실을 유동화시키면 산소전달입자는 연료반응기에서부터 중력에 의하여 하강하면서 하부 루프실을 거쳐서 공기반응기로 이송되며 공기반응기 사이클론에서 입자가 포집되어 상부 루프실을 거쳐서 연료반응기로 재순환된다.
- s)를 계산하였다. 고체순환속도 측정 실험에 앞서 본 연구의 실험조건 내에서 공기반응기 사이클론으로부터 상부 루프실로 유입되는 고체를 연료반응기로 안정적으로 이송시킬 수 있는 상부 루프실 최소유량을 결정하였으며, 이 실험 결과를 바탕으로 모든 실험조건에서 MFC-301과 302는 4.0 Nl/min의 조건에서 운전하였다.
- 공기반응기, 상부 루프실, 연료반응기 및 하부 루프실의 유동화를 위하여 총 6개의 질량유량계를 사용하였으며, 공기압축기에서 압축된 공기를 질량유량계와 스파저(sparger)를 통하여 각 부분에 주입하였다.
- 공기반응기, 상부 루프실, 하부 루프실 및 연료반응기에 존재하는 고체의 양을 파악하기 위하여 각 위치에 차압형 압력변환기(differential pressure transducer)를 설치하였다. 공기 주입을 위한 질량유량계의 유량 및 차압형 압력변환기에서 측정되는 차압값은 PLC를 거쳐서 PC에 저장되도록 하였다.
- 7에 나타난 안정적인 고체순환이 가능한 조건에서 실제로 장기적인 고체순환이 가능한지를 확인한 실험 결과를 나타내었다. 공기반응기, 연료반응기, 상부 루프실, 하부 루프실의 유량이 각각 430, 26, 4.0, 2.6 Nl/min이고 연료반응기 내부 고체층 높이가 0.6 m인 조건에서 장기 고체순환 실험을 수행하였다. Fig.
- 다음으로 2탑 연결 순환유동층 실험 장치에서 고체순환속도에 미치는 조업변수의 영향을 해석하기 위하여 고체순환속도에 미치는 가장 중요한 조업변수인 하부 루프실의 유량변화에 따른 고체순환속도를 측정하였다. 본 연구팀의 기존 실험 결과8)에 의하면 동일한 2탑 순환유동층 실험 장치에서 하부 루프실 유량이 증가하고, 연료반응기 내부 고체층 높이가 증가함에 따라 고체순환속도가 증가하는 경향을 나타내었으며 이 경우, 안정적인 고체순환을 위해서는 공기반응기 유량을 함께 증가시켜야 하는 것으로 나타났다.
- 두 가지 산소공여입자에 대하여 2탑 연결 순환유동층 시스템에서 고체순환속도에 미치는 조업변수의 영향을 측정 및 고찰하였다. 본 연구에서 얻어진 결론을 요약하면 다음과 같다.
- 두 가지 산소전달입자의 유동화특성을 확인하기 위해 먼저 최소유동화속도(minimum fluidization velocity)를 측정하였다. 상온, 상압조건에서 기포유동층 내부에 고체층 높이 0.
- 본 연구팀의 기존 실험 결과8)에 의하면 동일한 2탑 순환유동층 실험 장치에서 하부 루프실 유량이 증가하고, 연료반응기 내부 고체층 높이가 증가함에 따라 고체순환속도가 증가하는 경향을 나타내었으며 이 경우, 안정적인 고체순환을 위해서는 공기반응기 유량을 함께 증가시켜야 하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 안정적인 고체순환이 가능한 조건에서 하부 루프실의 유량변화에 따른 고체순환속도의 변화를 먼저 측정하였다.
- 본 연구팀에서는 가압 케미컬루핑 연소시스템을 개발하기 위한 과정으로 0.5 MWth 케미컬루핑 연소시스템에서 가압 장기운전을 실증하고자 하며, 이를 위해 본 연구에서는 0.5 MWth 시스템과 유사한 장치규격을 갖는 상온-상압 아크릴 실험 장치를 이용하여 두 가지 산소전달입자의 고체순환속도에 미치는 조업변수의 영향을 해석하였으며, 이를 통하여 고속유동층(공기반응기) 내부의 고체이송능력(solid carrying capacity) 범위 내에서 반응기의 폐색(choking)이 없이 운전할 수 있는 운전영역(operating range)을 선정하였다. 또한 결정된 운전영역 내에서 장기 고체 순환 운전을 통하여 안정적인 고체순환이 가능함을 실험적으로 입증하였다.
- 두 가지 산소전달입자의 유동화특성을 확인하기 위해 먼저 최소유동화속도(minimum fluidization velocity)를 측정하였다. 상온, 상압조건에서 기포유동층 내부에 고체층 높이 0.4 m에 해당하는 산소전달 입자를 장입한 후 유속을 증가시켜가면서 고체층의 압력강하를 측정하였으며, 이 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 두 입자 모두 고정층 조건에서부터 유속이 증가함에 따라 층의 압력강하가 증가하여 최대값을 나타내었으며 이후 다소 감소한 후에 거의 일정한 값을 나타내었다.
- 3(b)에 나타내었다. 전체 시스템은 공기반응기를 모사하는 고속유동층, 공기반응기 사이클론, 상부 루프실(upper loop seal), 연료반응기를 모사하는 기포유동층, 연료반응기 사이클론, 하부 루프실(lower loop seal)로 구성되어 있으며 내부를 관찰할 수 있도록 하기 위하여 아크릴 재질로 제작하였다. 공기반응기는 바닥부터 1 m까지는 내경 0.
- 주어진 조업조건에서 고체순환속도 측정을 위하여 고체가 연속적으로 순환되는 조건에서 상부 루프실의 MFC를 통한 기체유입을 정지하여 상부 루프실을 유동화 상태에서 고정층 상태로 변화시켰으며 이를 통하여 공기반응기 사이클론에서 포집된 입자가 상부루프실과 사이클론 사이에 쌓이도록 하였고 연료반응기로의 고체순환이 없는 조건에서 시간 변화에 따른 연료반응기 고체층 높이의 변화를 측정하여 입자의 벌크밀도로부터 단위시간 동안 단위면적당 고체순환량인 고체순환속도(kg/m2s)를 계산하였다. 고체순환속도 측정 실험에 앞서 본 연구의 실험조건 내에서 공기반응기 사이클론으로부터 상부 루프실로 유입되는 고체를 연료반응기로 안정적으로 이송시킬 수 있는 상부 루프실 최소유량을 결정하였으며, 이 실험 결과를 바탕으로 모든 실험조건에서 MFC-301과 302는 4.
대상 데이터
- 전체 시스템은 공기반응기를 모사하는 고속유동층, 공기반응기 사이클론, 상부 루프실(upper loop seal), 연료반응기를 모사하는 기포유동층, 연료반응기 사이클론, 하부 루프실(lower loop seal)로 구성되어 있으며 내부를 관찰할 수 있도록 하기 위하여 아크릴 재질로 제작하였다. 공기반응기는 바닥부터 1 m까지는 내경 0.06 m이며, 0.1 m 길이의 축소부(tapered zone)를 거치면서 내경 0.05 m로 축소되도록 하였으며, 내경 0.05 m인 구간의 총 길이는 4 m로 공기반응기의 총 높이는 5.1 m이다. 공기반응기 사이클론의 내통경은 0.
- 산소전달입자로는 한국전력공사 전력연구원에서 분무건조법(spray drying method)에 의하여 제조한 두 가지 산소전달입자(OCN 706-1100, N016-R4)를 사용하였다. OCN706-1100 입자는 상압조건에서 우수한 성능을 나타낸 산소전달입자이며, N016-R4 입자는 상압 및 고압조건에서 우수한 성능을 나타내고 내마모도가 향상된 신규 산소전달입자이다.
- 1 m로 설계하였다. 연료반응기의 경우 내경 0.1 m, 높이 1.05 m이며 연료반응기 사이클론의 내통경은 0.09 m, 총 높이 0.36 m로 설계하였다. 이러한 반응기 형태는 기존 반응기 형태와는 고압 유동층 조업조건에서 두 반응기 사이의 차압이 달라지는 경우에도 안정적인 고체순환이 가능하고 두 반응기 사이의 기체혼합을 막을 수 있도록 하기 위해 상부 루프실과 하부 루프실의 높이(즉, 고체층 높이)가 높게 설계된 특징이 있다.
성능/효과
- 1) 하부 루프실 유량이 증가함에 따라 고체순환속도가 증가하였으며 N016-R4 입자의 경우가 같은 유량조건에서 더 높은 고체순환속도를 나타내었다. 이는 입자를 유동화시키고 남은 유량에 해당하는 만큼 고체입자의 움직임에 추가적인 운동량을 전달할 수 있기 때문으로 사료되었다.
- 3) 안정적인 고체순환이 가능한 조건에서 실제로 장기적인 고체순환이 가능한지를 실험적으로 확인하고자 하였으며, 두 가지 산소전달입자 모두에 대하여 24시간 동안 장기 연속 고체순환이 가능함을 실증하였다.
- 7에 나타난 바와 같이 두 가지 산소공여입자 모두에 대하여 동일한 공기반응기 유량조건에서 연료반응기 내부의 고체층 높이가 증가함에 따라 조업 가능한 최대 하부 루프실 유량이 감소하는 경향을 나타내었으며 동일한 고체층 높이 조건에서 공기반응기의 유량이 증가함에 따라 최대 조업 가능한 최대 하부 루프실 유량이 증가하는 경향을 나타내었다. 결과적으로 하부 루프실 유량과 연료반응기 내부의 고체층 높이가 증가하면 두 반응기 사이의 고체순환량을 증가시킬 수 있으나 안정적인 고체순환을 위하여서는 공기반응기 유량을 함께 증가시키는 것이 유리한 것으로 나타났다.
- 6에 나타난 바와 같이, 두 가지 입자에 대한 실험 결과가 동일 연장선상에 위치하는 것을 알 수 있었으며, 동일한 (Q/Qmf) 조건에서 두 입자의 고체순환속도가 유사한 값을 나타내었다. 결과적으로 하부 루프실을 유동화시키고 남은 유량이 많을수록 고체입자의 움직임이 활발해져 고체순환속도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 한편, Fig.
- 그림에 나타난 차압형 압력변환기(DP101-602)의 위치 및 공기반응기 바닥으로부터의 높이를 정리하여 Table 2에 나타내었다. 그림에 나타난 바와 같이 차압의 큰 변화 없이 안정적인 고체순환이 가능한 것을 알 수 있었으며, 두 경우 모두 24시간 동안 안정적인 고체순환이 가능함을 실증하였다.
- 두 가지 산소공여입자에 대하여 하부 루프실 최대 유량 범위를 비교하면, 동일한 연료반응기 고체층 높이(Hs), 공기반응기 유량조건에서 N016-R4 입자의 경우가 더 넓은 하부 루프실 유량 범위에서 안정적인 고체순환이 가능하였으며, 이와 같은 결과로 미루어 N016-R4 입자를 사용하는 경우 고체순환속도를 더 많이 변화시키면서도 안정적인 운전이 가능할 것으로 사료되었다.
- 4에 나타내었다. 두 입자 모두 고정층 조건에서부터 유속이 증가함에 따라 층의 압력강하가 증가하여 최대값을 나타내었으며 이후 다소 감소한 후에 거의 일정한 값을 나타내었다. 최소유동화속도는 정의에 따라 층의 압력강하가 최대점을 나타내는 유속으로 결정하였다.
- 5 MWth 시스템과 유사한 장치규격을 갖는 상온-상압 아크릴 실험 장치를 이용하여 두 가지 산소전달입자의 고체순환속도에 미치는 조업변수의 영향을 해석하였으며, 이를 통하여 고속유동층(공기반응기) 내부의 고체이송능력(solid carrying capacity) 범위 내에서 반응기의 폐색(choking)이 없이 운전할 수 있는 운전영역(operating range)을 선정하였다. 또한 결정된 운전영역 내에서 장기 고체 순환 운전을 통하여 안정적인 고체순환이 가능함을 실험적으로 입증하였다.
- 6을 함께 고려하면 두 가지 입자 중 N016-R4 입자의 경우가 더 낮은 유량으로 더 높은 고체순환속도를 얻을 수 있으므로 케미컬루핑 연소시스템의 경제성 측면(고체순환 및 기체혼합 방지를 위해 필요한 기체유량)에서 유리한 것으로 나타났다. 또한, 본 연구의 실험범위 내에서 하부 루프실 최소 유동화유량의 0.7-1.6배 유량 범위 내에서 고체순환 속도를 4-36 kg/m2S로 변화시킬 수 있음을 확인하였다.
- 다음으로 2탑 연결 순환유동층 실험 장치에서 고체순환속도에 미치는 조업변수의 영향을 해석하기 위하여 고체순환속도에 미치는 가장 중요한 조업변수인 하부 루프실의 유량변화에 따른 고체순환속도를 측정하였다. 본 연구팀의 기존 실험 결과8)에 의하면 동일한 2탑 순환유동층 실험 장치에서 하부 루프실 유량이 증가하고, 연료반응기 내부 고체층 높이가 증가함에 따라 고체순환속도가 증가하는 경향을 나타내었으며 이 경우, 안정적인 고체순환을 위해서는 공기반응기 유량을 함께 증가시켜야 하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 안정적인 고체순환이 가능한 조건에서 하부 루프실의 유량변화에 따른 고체순환속도의 변화를 먼저 측정하였다.
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