[논문]습식 석탄 가스화 장치에서 버너노즐에 따른 미립화 특성

라호원; 이재구; 최영찬; 윤상준; 손영일; 홍재창

습식 석탄 가스화 장치에서 버너노즐에 따른 미립화 특성
Atomization characteristics of burner nozzle for entrained flow gasifier 원문보기

라호원 (한국에너지기술연구원 가스화연구센터) , 이재구 (한국에너지기술연구원 가스화연구센터) , 최영찬 (한국에너지기술연구원 가스화연구센터) , 윤상준 (한국에너지기술연구원 가스화연구센터) , 손영일 (한국에너지기술연구원 가스화연구센터) , 홍재창 (한국에너지기술연구원 가스화연구센터)

최근 석탄 가스화 기술은 화석연료인 석탄을 기존의 공해물질 발생을 90%이상 줄이면서 고효율로 활용할 수 있는 방법으로 각광받고 있다. 본 연구는 습식 석탄 가스화기에서 가스화의 핵심적인 요소인 버너의 분무 관계 분야에 대한 분무 특성 및 무화성능을 높일 수 있는 분무기의 구조 및 운전 조건 등을 제시 할 목적으로 분무 시 내부를 관찰 할 수 있는 아크릴을 이용하여 내부 혼합식 버너를 제작하였다. 미립화 특성을 파악하기 위하여 $O_2$/Fuel Ratio 및 버너의 내부 혼합 방식, 분사각도, 각 분사 높이에 따른 미립화 특성을 관찰하였으며, 입도 분석은 심파텍사의 입도 분석기를 이용하여 측정하였다. 내부 혼합식 버너의 입도는 분사 각도와 $O_2$/Fuel Ratio에 따라서 변화하는 경향을 나타냈으며, 공급되어지는 Fuel은 석탄 슬러리와 물을 이용하여 각각의 입도를 측정하였다. slurry의 공급량이 고정된 상태에서 산소 공급량이 증가함에 따라 미립화도는 증가하는 경향을 나타내었으며, 슬러리 공급량과 산소 공급량이 동일한 경우 버너의 분사 각도에 따라 미립화도가 다르게 나타나는 특성을 관찰하였다.

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문제 정의

되어지는 의 입자사이즈가 크게 되면 가스화 CWM 에서 탄소전환율은 감소하게 된다^3,4). 따라서 본 연구에서는 당 센터에서 보유하고 있는 급 습식 1.0T/D 분류상 석탄 가스화 장치에 적용하기 위한 석탄 가스화기술에서 가장 핵심적인 요소이면서도 상대적으로 연구가 미진한 분무관계 분야에 대하여 버너에 대한 분무 특성을 이해하고 미립화 성능을 높일 수있는 버너의 구조 및 운전 조건등을 제시할 목적으로 내부 혼합식 버너를 이용하여 미립화 최적 조건을 도출하는 실험을 실시하였다.

제안 방법

각각의 노즐의 하단부의 길이는 로 고정한 상 22mm 태에서 분사되어지는 각도를 도 도 도의 세 20 , 25 , 30가지 종류로 실험을 실시하였다 의 버너 실험결과를 에 나타내었다 동일한 산소 공급량에 Fig. 4 . 서 분사 각도에 따라서 입도 분포가 다르게 나타나며 실험 결과 도의 실험 결과가 가장 우수하게 나타냈 30다 또한 슬러리의 공급량이 고정된 상태에서 산소의 .
급을 확인 후 산소를 공급하게 된다 슬러리의 . 공급량을 고정한 상태에서 산소의 공급량을 변경하면서 미립화 정도를 측정하며 또한 차 차 , 1 ,2산소 공급량 측정 높이를 변경하면서 미립화도 , 를 측정하였다.
6 . 과 같이 설계하였다 슬러리가 공급되는 면적은 135mm2으로 설계하였으며 차 산소공급 면적과 ,1 2차 산소 공급면적은 선속도가 이상 되도록 설 100m/s 계를 하였다 향후 급 석탄가스화기에 적용하여 . 1T/D 성능평가 및 비교 실험을 수행할 예정이다.
버너에 대한 미립화 실험은 급 습식 분 1.0T/D 류상 석탄 가스화장치 운전 조건과 동일한 조건인 슬러리 공급량 산소 공급 40kg/hr ~ 60kg/hr, 량은 12.9Nm3/hr~28Nm3/hr의 조건에서 실시하였다 아크릴을 이용하여 만든 각각의 버너는 내부 . 에 산소와 슬러리를 공급하는 내부노즐과 차 산 2소를 공급하는 노즐을 틈새게이지를 이용하여 0.
을 실시하였으며 실제 가스화 운전에 사용되는 모노 , 펌프를 이용하여 공급하였다 버너에 공급되어지는 . 산소는 액체 산소를 기화기를 이용하여 약 8kgf/cm2의압력으로 공급하였으며 가스화 운전 시 운전 조건에 , 따른 O2/Fuel Ratio에 따라 분무화 실험을 실시하였다 미립화 특성 분석은 . Phillips-Twomey 이론의적용에 의한 입력변수와 분포모델을 사용하지 않는 비의존성 수학적 이론을 가진 무변수 회절이론 (parameter free fraunhofer diffraction) 을 사용한 심 파텍사의 레이저 입도 분석기를 이용하여 측정하다.

대상 데이터

Chamber는 미립화 실험 시 분무되어지는 각도와 길이를 고려하여 내부를 관찰할 수 있도록 높이 폭 2m, 80cm , 로 아크릴로 제작하였으며 분사 높이에 따른 미 립화 특성을 실험할 수 있도록 유압식 를 설치하 Lift 였다 유압식 는 버너의 분사 높이 까지 . Lift 0~60cm 측정할 수 있는 높이로 가변이 가능하도록 제작되었다 석탄 슬러리의 모사 유체로 물을 사용하여 실험 . 을 실시하였으며 실제 가스화 운전에 사용되는 모노 , 펌프를 이용하여 공급하였다 버너에 공급되어지는 .

이론/모형

산소는 액체 산소를 기화기를 이용하여 약 8kgf/cm2의압력으로 공급하였으며 가스화 운전 시 운전 조건에 , 따른 O2/Fuel Ratio에 따라 분무화 실험을 실시하였다 미립화 특성 분석은 . Phillips-Twomey 이론의적용에 의한 입력변수와 분포모델을 사용하지 않는 비의존성 수학적 이론을 가진 무변수 회절이론 (parameter free fraunhofer diffraction) 을 사용한 심 파텍사의 레이저 입도 분석기를 이용하여 측정하다.

성능/효과

정층 유동층 분류층 용융층이 각국에서 검토되고 ,,, 있다.¹⁾ 습식 유동층 가스화 성능은 연료로 사용하는 CWM , 의 연료성상 및 미립화 정도 운전 조건 등에따라 많은 차이가 발생한다 의 경우 여러 개의 . CWM 석탄 입자들과 물이 합체 되어 단일 석탄입자보다 직경이 훨씬 큰 액적들이 가스화과정을 거치게 되므로 액적의 크기와 직접 관련된 버너의 무화성능은 가스화 성능을 높이고 안정된 운전 성능을 유지하는데 결정적인 역할을 하는 것으로 알려져 있다.
3 . 20에서의 실험 결과가 가장 우수하게 나타났으나 각도 , 에 따른 버너의 분사부의 사이즈가 도 도 20 25mm, 2533mm, 30 39mm 도 로 동일하지 않아 각도에 따른 실험 결과로 해석엔 어려움이 있다 버너의 문제 . A Type 점을 보완하기 위하여 버너를 제작하여 실험 B type 을 실시하였다.
서 분사 각도에 따라서 입도 분포가 다르게 나타나며 실험 결과 도의 실험 결과가 가장 우수하게 나타냈 30다 또한 슬러리의 공급량이 고정된 상태에서 산소의 . 공급량이 늘어날수록 미립화는 우수하게 나타나며, 각도에 따른 미립화 특성은 많은 영향을 미치지 않는 것으로 보였다 위의 실험 결과를 바탕으로 석탄가스 . 화 운전 조건인 조건에 노즐 설계를 하기 위 0.

후속연구

과 같이 설계하였다 슬러리가 공급되는 면적은 135mm2으로 설계하였으며 차 산소공급 면적과 ,1 2차 산소 공급면적은 선속도가 이상 되도록 설 100m/s 계를 하였다 향후 급 석탄가스화기에 적용하여 . 1T/D 성능평가 및 비교 실험을 수행할 예정이다.

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