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The flow and heat transfer performance were measured at high temperatures in CFB heat exchanger with multiple risers and downcomers. The theoretical model for predicting heat exchanger performance was developed in this study. The model predictions were compared with the measured heat transfer rates ...

The flow and heat transfer performance were measured at high temperatures in CFB heat exchanger with multiple risers and downcomers. The theoretical model for predicting heat exchanger performance was developed in this study. The model predictions were compared with the measured heat transfer rates to show relatively good agreement. The maximum gas cooling rate was $20,300^{\circ}C/sec$, and the dioxin reduction rate was 68%.

The flow and heat transfer performance were measured at high temperatures in CFB heat exchanger with multiple risers and downcomers. The theoretical model for predicting heat exchanger performance was developed in this study. The model predictions were compared with the measured heat transfer rates to show relatively good agreement. The maximum gas cooling rate was $20,300^{\circ}C/sec$, and the dioxin reduction rate was 68%.

AI 본문요약

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 이 경우, 폐열보일러의 배가스가 냉각되는 과정에서 다이옥신이 재합성되어 다이옥신의 농도가 증가하게 된다.⁽¹⁾ 본 연구에서는 다관형 순환유동층 열교환기에서의 배가스의 급속냉각 특성을 고찰하기 위하여 유동 및 전열 성능실험과 이론적 분석을 수행하였다. 본 연구의 다관형 순환유동층 열교환기의 열전달계수의 예측 모델은 Mickley and Fairbanks⁽²⁾의 renewal model을 일부 수정하여 개발하였다.

가설 설정

• 입자대류의 경우, Mickey and Fairbanks⁽²⁾는 기포유동층의 벽면에 접촉하는 입자군을 일정한 유효열전도도와 유효비열을 나타내는 균일한 재질로 가정하였다. 만약 입자군이 열투입깊이 (thermal penetration depth)가 두꺼운 경우, 즉 열투입깊이가 1mm 보다 작고, 접촉시간이 1초 정도인 경우, 입자군을 반무한 열전도체로 가정할 수 있다.

제안 방법

• (4) 이러한 접촉면적비에 대한 여러 가지의 실험식들을 검토하여 결정하였다.
• (7) 그리고 가스에서의 고체입자로의 열전달계수(h_gp)는 일반적인 유동층에서의 실험식을 사용하였다.⁽⁸⁾
• 그리고 전열관의 외부에 수냉자켓을 설치하여 고온의 배가스를 냉각하였다. Datalogger와 열전대를 사용하여 전열관에서의 배가스와 물의 입출구온도를 측정하였다. 오리피스 유량계를 사용하여 배가스유량을 측정하고, 물의 유량은 oval type 물유량계로 측정하였다.
• 각 실험조건에서의 가스냉각속도는 모델해석결과로 얻은 가스온도분포로부터 가스온도가 850^oC 에서부터 250^oC까지 냉각되는 시간을 계산하여 결정하였다. 이것은 다이옥신의 재합성 온도가 약 450^oC - 250^oC 범위인 것을 고려한 것이다.
• 고온성능실험에서 가스와 물의 입출구온도와 유량을 측정하여 열교환기 전열량과 열효율을 계산 하였다. Fig.
• 고온성능실험에서 상승관에서의 압력손실과 하강관에서의 고체입자 순환유량을 측정하였다. Fig.
• 오리피스 유량계를 사용하여 배가스유량을 측정하고, 물의 유량은 oval type 물유량계로 측정하였다. 고체입자 하강관에서 고체입자의 순환유량을 밸브를 사용하여 측정하였다. 그리고 상승관과 전체 열교환기의 압력 손실을 측정하였다.
• 이러한 실험을 통하여 여러가지 순환유동층 열교환기 운전 조건에 대하여 고체입자의 투입량을 변경하면서 순환유동층 열 교환기의 유동 및 전열성능을 측정하였다. 그리고 다이옥신 및 염화수소의 저감율도 측정하였다.
• 고체입자 하강관에서 고체입자의 순환유량을 밸브를 사용하여 측정하였다. 그리고 상승관과 전체 열교환기의 압력 손실을 측정하였다. 이러한 실험을 통하여 여러가지 순환유동층 열교환기 운전 조건에 대하여 고체입자의 투입량을 변경하면서 순환유동층 열 교환기의 유동 및 전열성능을 측정하였다.
• 다관형 순환유동층 열교환기에 대한 유동 및 전열 해석을 위한 모델을 개발하였다. 그리고 전열 성능 해석결과로서 모델을 사용한 전열량을 계산하였으며, 이러한 모델을 사용한 계산결과와 측정 결과를 Fig.
• 다관형 순환유동층 열교환기의 고온 성능실험 결과 중에서 6가지의 실험 조건에 대하여 본 연구의 해석 모델을 사용하여 가스 및 고체입자의 온도분포와 압력분포를 계산하였다. 이러한 실험 조건들은 가스입구온도가 850^oC이상이다.
• 다관형 순환유동층 열교환기의 고온에서의 유동 및 전열성능을 측정하였으며 열교환기의 유동 및 전열성능에 대한 해석모델을 개발하였다. 다관형 순환유동층의 총 압력손실은 약 200 - 300 mmH₂O 이며, 열효율은 약 80 - 87%정도이다.
• ⁽¹⁾ 본 연구에서는 다관형 순환유동층 열교환기에서의 배가스의 급속냉각 특성을 고찰하기 위하여 유동 및 전열 성능실험과 이론적 분석을 수행하였다. 본 연구의 다관형 순환유동층 열교환기의 열전달계수의 예측 모델은 Mickley and Fairbanks⁽²⁾의 renewal model을 일부 수정하여 개발하였다. 그리고 전열성능에 대한 예측 모델의 계산 결과와 실험 결과를 비교하여 본 연구의 해석 모델의 타당성을 검증하였다.
• 석회석 순환유동층 열교환기의 전단과 후단에서 다이옥신과 HCl의 농도를 측정하였으며, 다이옥신의 경우 기체 상태와 고체 상태의 다이옥신 을 분리하여 샘플링하여 측정하였다. Table 2에서 보면, 다이옥신의 저감율은 약 68% 정도이며, HCl의 경우의 저감율은 약 76% 인 것으로 나타나 순환유동층에서의 배가스 급속냉각에 의한 다이옥신 재형성 방지와 석회석 입자 유동화에 의한 다이옥신의 흡착에 의한 다이옥신의 저감 효과는 우수한 것으로 판단된다.
• 소형 소각실험장치에 순환유동층 열교환기에서의 다이옥신 제거율을 측정하였다. 이러한 다이옥신 측정시의 배가스 유량은 16g/s이며, 고체입자 투입량은 4kg이다.
• 순환유동층 열교환기의 고온 실험장치에서의 가스유량에 따른 가스의 입출구온도와 총 압력손실의 변화를 측정하였다. Fig.
• 순환유동층 열교환기의 상승관에서의 2상유체 유동을 1차원으로 가정하여 상승관에서의 고체입자의 유속변화 그리고 2상유체의 압력손실을 다음의 관계식을 사용하여 계산하였다.
• Datalogger와 열전대를 사용하여 전열관에서의 배가스와 물의 입출구온도를 측정하였다. 오리피스 유량계를 사용하여 배가스유량을 측정하고, 물의 유량은 oval type 물유량계로 측정하였다. 고체입자 하강관에서 고체입자의 순환유량을 밸브를 사용하여 측정하였다.
• 그리고 상승관과 전체 열교환기의 압력 손실을 측정하였다. 이러한 실험을 통하여 여러가지 순환유동층 열교환기 운전 조건에 대하여 고체입자의 투입량을 변경하면서 순환유동층 열 교환기의 유동 및 전열성능을 측정하였다. 그리고 다이옥신 및 염화수소의 저감율도 측정하였다.
• 그리고 전열성능에 대한 예측 모델의 계산 결과와 실험 결과를 비교하여 본 연구의 해석 모델의 타당성을 검증하였다. 이러한 해석 모델을 사용하여 계산한 가스의 온도분포로부터 가스의 냉각속도를 결정하였다. 본 연구의 실험결과, 석회석을 사용한 다관형 순환유동층 열교환기에서 850^oC에서 250^oC까지의 가스의 최대냉각속도는 최대 20,300^oC/sec이며, 다이옥신의 제거율은 68% 정도이다.
• 15 mm의 석회석이다. 전열관 배열의 상부에 고체입자와 가스를 분리하기 위한 입자분리장치를 설치하여 고체입자가 열교환기의 외부로 방출되는 것을 방지하였으며 전열관 배열의 밑에는 다공판을 설치하였다.

대상 데이터

• 본 연구에 사용한 고체입자는 직경이 0.1 mm - 0.15 mm의 석회석이다. 전열관 배열의 상부에 고체입자와 가스를 분리하기 위한 입자분리장치를 설치하여 고체입자가 열교환기의 외부로 방출되는 것을 방지하였으며 전열관 배열의 밑에는 다공판을 설치하였다.
• 이러한 실험장치는 연소실, 버너, 열교환실험장치, 공기유량계, 송풍기, 물펌프, 물유량계, datalogger와 압력계로 구성되어 있다. 열교환기 전열관 규격은 25A이며, 수직전열관의 높이는 600mm이고, 상승관(riser)은 20개이며 하강관은 4개이다.

데이터처리

• 본 연구의 다관형 순환유동층 열교환기의 열전달계수의 예측 모델은 Mickley and Fairbanks⁽²⁾의 renewal model을 일부 수정하여 개발하였다. 그리고 전열성능에 대한 예측 모델의 계산 결과와 실험 결과를 비교하여 본 연구의 해석 모델의 타당성을 검증하였다. 이러한 해석 모델을 사용하여 계산한 가스의 온도분포로부터 가스의 냉각속도를 결정하였다.

성능/효과

• 석회석 순환유동층 열교환기의 전단과 후단에서 다이옥신과 HCl의 농도를 측정하였으며, 다이옥신의 경우 기체 상태와 고체 상태의 다이옥신 을 분리하여 샘플링하여 측정하였다. Table 2에서 보면, 다이옥신의 저감율은 약 68% 정도이며, HCl의 경우의 저감율은 약 76% 인 것으로 나타나 순환유동층에서의 배가스 급속냉각에 의한 다이옥신 재형성 방지와 석회석 입자 유동화에 의한 다이옥신의 흡착에 의한 다이옥신의 저감 효과는 우수한 것으로 판단된다.
• 가스냉각속도에 대한 계산 결과를 보면, 가스유속이 16g/s인 4가지 경우 모두 냉각속도가 10,000^oC/sec이상이며, 가스유속이 낮은 경우 냉각 속도는 이보다 작게 나타났다.
• 그리고 4가지의 선정된 실험조건에서 해석모델을 사용하여 계산한 850^oC에서 250^oC까지의 가스냉각속도는 10,000^oC/sec 이상이며, 본 실험에서의 최대의 가스냉각속도는 20,300^oC/sec 이다. 본 연구에서의 석회석 순환유동층에서의 급속냉각에 의한 다이옥신 재합성 방지와 석회석의 흡착에 의한 다이옥신의 제거율은 68% 이며, HCl 의 제거율은 76% 이다.
• 이러한 해석 모델을 사용하여 계산한 가스의 온도분포로부터 가스의 냉각속도를 결정하였다. 본 연구의 실험결과, 석회석을 사용한 다관형 순환유동층 열교환기에서 850^oC에서 250^oC까지의 가스의 최대냉각속도는 최대 20,300^oC/sec이며, 다이옥신의 제거율은 68% 정도이다.
• 8에 비교하여 나타내었다. 전열량의 비교결과, 전열량의 계산결과의 오차는 약 20% 이내로 나타나, 본 연구의 다관형 순환유동층 열교환기의 유동 및 전열성능에 대한 해석모델의 정확성이 입증되었다고 판단된다.

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질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
실험장치	실험장치로 무엇이 구성되어 있는가?	이러한 실험장치는 연소실, 버너, 열교환실험장치, 공기유량계, 송풍기, 물펌프, 물유량계, datalogger와 압력계로 구성되어 있다. 열교환기 전열관 규격은 25A이며, 수직전열관의 높이는 600mm이고, 상승관(riser)은 20개이며 하강관은 4개이다.
소각로의 고온 배가스	소각로의 고온 배가스에는 무엇이 함유하고 있는가?	소각로의 고온 배가스에는 다이옥신과 분진을 포함한 다량의 오염물질을 함유하고 있다. 이러한 고온 배가스의 열회수를 위하여 일반적으로 폐열보일러를 사용한다.
폐열보일러를 사용	폐열보일러를 사용하는 경우 무엇이 증가하게 되는가?	이러한 고온 배가스의 열회수를 위하여 일반적으로 폐열보일러를 사용한다. 이 경우, 폐열보일러의 배가스가 냉각되는 과정에서 다이옥신이 재합성되어 다이옥신의 농도가 증가하게 된다.(1) 본 연구에서는 다관형 순환유동층 열교환기에서의 배가스의 급속냉각 특성을 고찰하기 위하여 유동 및 전열 성능실험과 이론적 분석을 수행하였다.

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