[논문]고에너지물질 비군사화 시설의 후처리 공정 모사 및 열교환기 합성망을 이용한 에너지 최적화

황래문; 김현수; 오민; 문일

doi:10.9766/kimst.2021.24.1.079

고에너지물질 비군사화 시설의 후처리 공정 모사 및 열교환기 합성망을 이용한 에너지 최적화
Simulation and Process Optimization of High Energetic Materials Demilitarization Facility Gas Treatment Process 원문보기

The expiration date of high energetic materials(HEM), such as HMX, RDX, TNT, is important. If the expiration date is violated, the expected specification of HEM would not be satisfied which may cause a different conclusion in an urgent situation. As a result, this HEM should maintain fresh conditions which cause the accumulation of waste HEM. If HEM is landfilled during demilitarization, the impact on living organizations is serious. Additionally, landfilling HEM has a possibility of explosion. In this research, the process flow diagram of the demilitarization gas treatment process was simulated while satisfying the law of the environment in Korea. After validation of simulation, it was optimized thermodynamically using Heat Exchanger Network Synthesis(HENs). This study is expected to enhance the energy efficiency of the original facility by suggesting developed designs. This research was supported by Agency of Defense Development NE32 Korea. Thanks to Agency of Defense Development, Korea

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문제 정의

본 연구에서는 탄약 비군사화 시설을 기준으로 정상 상태 모사를 실시하였으며 실제 데이터를 바탕으로 검증하였다. 이 정상상태 모사 모델은 대한민국 환경기준치를 만족시키며 실제 공정과의 오차는 10 %를넘지 않는다.

가설 설정

Hot composite curve와 Cold composite curve가 만나게 되면 온도 교차가 발생하며 이러한 경우 열교환기 합성망 설계가 불가능하다. 따라서 Hot/Cold composite curve간의 여유를 두어야 하는데 이를 Minimum temperature approach(△T_min)라고하며 본 연구에서는 10 ℃ 로 가정하였다^[6].

제안 방법

폭발성 물질들의 연소 결과는 Kubota^[3]를참고하여 계산하였다. Oxidizer에서의 반응은 완전 연소 반응을 가정하여 NO, SO₂, 그리고 CO를 각각 NO₂, SO₃, CO₂로 반응하도록 하였다.
검증된 정상상태 모사 모델을 바탕으로 열교환기합성 망을 이용한 에너지 최적화를 실시하였다. 이를 위하여 기체 후처리 공정에서 작동하고 있는 다섯 개의 열 교환 장치에 대한 열역학적, 물리적 특성을 Fig.
본 연구에서는 앞서 언급한 폭발성 물질 후처리 공정을 대상 공정인 탄약 비군사화시설을 참고하여 정상상태 모사를 진행하였다. 또한, 검증된 정상상태 모사 모델을 이용하여 공정 최적화와 열교환기 합성망을 이용한 에너지 최적화를 진행하였다. 배출가스는 대한민국 환경규제에 의해 CO 25 ppm/hr, NO₂ 50 ppm/hr, NO 10 ppm/hr 이하를 만족하여야 한다.
이 정상상태 모사 모델은 대한민국 환경기준치를 만족시키며 실제 공정과의 오차는 10 %를넘지 않는다. 본 모델을 통해 열교환기 합성망을 통해 에너지 최적화를 실시하였다. 열교환기 합성망을 통한 세 개의 Design들이 계산하였으며 각 Design을 에너지와 초기 비용 관점에서 분석하였다.
본 성상상태 모사 모델에서는 Caliber .30^[2]의 원료인 RDX, HMX를 5:5 질량 비율인 466 kg/hr의 유량으로 계산하였다. 폭발성 물질들의 연소 결과는 Kubota^[3]를참고하여 계산하였다.
안타깝게도 이렇게 폭발성 물질들을 태우게 되면 유독 기체들이 발생하게 되는데, 대기로 기체를 내보내기 전에 적합한 후처리를 해야 한다. 본 연구에서는 앞서 언급한 폭발성 물질 후처리 공정을 대상 공정인 탄약 비군사화시설을 참고하여 정상상태 모사를 진행하였다. 또한, 검증된 정상상태 모사 모델을 이용하여 공정 최적화와 열교환기 합성망을 이용한 에너지 최적화를 진행하였다.
수식 (10)과 (11)과 같이 대상공정의 열교환 면적 비율과 heat duty 비율의 수치를 이용하여 열교환기 합성 망 디자인들을 분석하였다.
본 모델을 통해 열교환기 합성망을 통해 에너지 최적화를 실시하였다. 열교환기 합성망을 통한 세 개의 Design들이 계산하였으며 각 Design을 에너지와 초기 비용 관점에서 분석하였다. 탄약 비군사화 시설의 공정 효율 개선에 도움이 될 것으로 기대된다.
열교환기 합성망을 통해 대상공정보다 효율이 좋은세 개의 디자인을 계산하였다. 세 디자인 모두 에너지와 설비 비용 면에서 개선되었다.
열교환기 합성망을 통해 대상공정보다 효율이 좋은세 개의 디자인을 계산하였다. 세 디자인 모두 에너지와 설비 비용 면에서 개선되었다.
이를 위하여 기체 후처리 공정에서 작동하고 있는 다섯 개의 열 교환 장치에 대한 열역학적, 물리적 특성을 Fig. 2와 같이 분석하였다. 이를 통하여 복합선도(Composite curve)를 작성하여 열교환기 합성망(Heat Exchanger Network synthesis, HENs)을 실시하였다.
배출가스는 대한민국 환경규제에 의해 CO 25 ppm/hr, NO₂ 50 ppm/hr, NO 10 ppm/hr 이하를 만족하여야 한다. 이를 위해 해당 비군사화 시설에는 반응기, 습식 세정탑, 흡수탑, 선택적 촉매 환원 반응기(Selective Catalyst Reduction Reactor, SCR)를 이용하였다.
2와 같이 분석하였다. 이를 통하여 복합선도(Composite curve)를 작성하여 열교환기 합성망(Heat Exchanger Network synthesis, HENs)을 실시하였다.

대상 데이터

NO, NO₂, CO, 그리고 CO₂가 해당 공정의 저감 대상 물질이다. NO, NO₂, 그리고 CO는 환경규제를 만족시키기 위하여 선택되었고 CO₂는 대표적인 지구온난화 기체이기 때문에 저감 대상 물질로 선정하였다.
물질이다. NO, NO₂, 그리고 CO는 환경규제를 만족시키기 위하여 선택되었고 CO₂는 대표적인 지구온난화 기체이기 때문에 저감 대상 물질로 선정하였다. Fig.
정상상태 모사 모델을 검증하기 위하여 대상 공정의 실재 배출 데이터를 이용하였다. 모사 결과 최종배출 기체의 질소산화물, 황산화물, 염화수소 기체, 그리고 일산화탄소는 모두 대한민국의 환경규제를 만족하였다.

이론/모형

30^[2]의 원료인 RDX, HMX를 5:5 질량 비율인 466 kg/hr의 유량으로 계산하였다. 폭발성 물질들의 연소 결과는 Kubota^[3]를참고하여 계산하였다. Oxidizer에서의 반응은 완전 연소 반응을 가정하여 NO, SO₂, 그리고 CO를 각각 NO₂, SO₃, CO₂로 반응하도록 하였다.

성능/효과

6에 제안된 세 개의 design의 heating, cooling에 소모되는 에너지를 나타내었다. 대상공정의 에너지 소비량은 제안된 design 대비 높았으며 전체 에너지 소비량은 design 2이 가장 낮았다. Fig.
실재 배출 데이터를 이용하였다. 모사 결과 최종배출 기체의 질소산화물, 황산화물, 염화수소 기체, 그리고 일산화탄소는 모두 대한민국의 환경규제를 만족하였다. 또한, 실제 데이터와 모사 결과가 모두 10 % 범위 내에 있다.

후속연구

열교환기 합성망을 통한 세 개의 Design들이 계산하였으며 각 Design을 에너지와 초기 비용 관점에서 분석하였다. 탄약 비군사화 시설의 공정 효율 개선에 도움이 될 것으로 기대된다. 본 연구는 국방과학연구소의 지원으로 이루어졌습니다.

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