[논문]석탄광산 선탄장에서 비산분진의 국소배기 특성

이승철; 조우현; 박영록; 옥윤용; 김태혁

석탄광산 선탄장에서 비산분진의 국소배기 특성
Local Exhaust Ventilation Characteristics of Coal Dust in Coal Preparation Plant of a Coal Mine 원문보기

이승철 (강원대학교 소방방재학부) , 조우현 (강원대학교 방재전문대학원) , 박영록 (강원대학교 방재전문대학원) , 옥윤용 ((주)티에스엔지니어링) , 김태혁 (한국광해관리공단)

본 연구에서는 석탄광산 선탄장설비와 국소배기시스템의 일부를 모형화하여 포집특성과 유동특성실험을 수행하였으며 동일조건에서 수치해석을 수행하여 그 결과를 비교 검토하였다. case 5가 46.35%의 가장 높은 포집효율을 보였으며 실험의 3가지 변수 중 고무 커튼의 사용유무가 국소배기시스템의 포집효율에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 또한 case 1, 5, 6에 대해 포집된 입자크기 확인 결과, 포집성능이 우수한 case 5가 입경 $20{\mu}m$ 초과 입자들이 약 55%로 가장 많이 포집된 것을 알 수 있었다. 따라서 제어거리는 0.5m 이상이 적절한 것으로 판단된다.

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문제 정의

본 연구에서는 캐노피형 후드가 파쇄된 석탄을 이동시키는 벨트컨베이어 전환점과 여기에서 발생되는 분진을 포집하기 위해 캐노피후드를 채용한 국소배기시스템을 대상으로 한 모형장치를 제작하여 후드 포집성능 실험을 수행하였다.

가설 설정

대류항을 계산하기 위해서 2차 상류차분법(upwind differencing scheme)을 사용하였고, 속도장을 얻기 위하여 SIMPLE (Semi -Implicit Method for Pressure-Linked Equations) 알고리즘을 사용하였다. 수렴판정 조건으로는 입구에서의 운동량으로 정규화한 각 cell에서의 운동량 유수의 합과 연속방정식에서 유수의 합이 모두 10^-3이하일 때, 에너지방정식에서의 유수의 합이 10^-5일 때로 정하였다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 석탄광산 선탄장설비와 국소배기시스템의 일부를 모형화하여 포집특성과 유동 특성실험을 수행하였으며 동일조건에서 수치해석을 수행하여 그 결과를 비교ㆍ검토하였다.
본 연구에서는 석탄 광산 선탄장설비와 국소배기 시스템의 일부를 모형화하여 제어거리, 제어풍속, 고무커튼의 유ㆍ무에 따라 변화시키며 모두 6가지 포집특성실험과 유동특성실험을 수행하였다. 또한 동일조건에서 수치해석을 수행하여 그 결과를 비교ㆍ검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 앞서 설명한 실험에서 고무커튼이 사용되고 제어속도가 18m/s인 case 1, 5, 6에 대해 전산유체역학 기법을 이용하여 3차원 수치해석을 수행하였다. 본 수치해석은 3차원, 정상상태 공기유동만을 해석하였다.
본 실험은 제어거리, 제어풍속 그리고 고무커튼의 유ㆍ무에 따라 변화시키며 모두 6가지 실험을 수행하였다. 실험은 제어거리(0.
본 연구에서는 석탄 광산 선탄장설비와 국소배기 시스템의 일부를 모형화하여 제어거리, 제어풍속, 고무커튼의 유ㆍ무에 따라 변화시키며 모두 6가지 포집특성실험과 유동특성실험을 수행하였다.
본 연구에서는 앞서 설명한 실험에서 고무커튼이 사용되고 제어속도가 18m/s인 case 1, 5, 6에 대해 전산유체역학 기법을 이용하여 3차원 수치해석을 수행하였다.
상세한 결과 비교를 위해 표 2에 실험종류별 실제 투입시료량, 포집량 그리고 포집효율을 나타내었다.
실험은 제어거리(0.3m, 0.5m, 0.7m), 제어 풍속(15m/s, 18m/s, 21m/s)을 변화시키며 수행하였으며 상세한 실험종류는 표 1을 참조바란다.

대상 데이터

본 실험에서 사용된 송풍기는 축류형 송풍기로서 최대 풍량과 전압은 각각 2400m3/h, 87mmAq이다.
실험에서 사용된 광종은 석회석이며, 비중은 2.2 정도이고 입자크기 0.5~80㎛의 시료를 공급하였다.

이론/모형

난류모델은 표준 κ－ε모델을 이용하였으며, 각 방정식에 대한 수식적 표현은 지면관계상 생략하였다.
대류항을 계산하기 위해서 2차 상류차분법(upwind differencing scheme)을 사용하였고, 속도장을 얻기 위하여 SIMPLE (Semi -Implicit Method for Pressure-Linked Equations) 알고리즘을 사용하였다.
본 연구에서는 모형실험장치에서의 유동특성을 해석하기 위하여 상용 CFD 코드인 STAR-CCM+(4)를 사용하였다.

성능/효과

1. case 5가 46.35%의 가장 높은 포집효율을 보였으며 실험의 3가지 변수 중 고무 커튼의 사용유무가 국소배기시스템의 포집효율에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
2. case 1, 5, 6에 대해 포집된 입자크기 확인 결과, 포집성능이 우수한 case 5가 입경 20㎛ 초과 입자들이 약 55% 가장 많이 포집된 것을 알 수 있었다. 따라서 제어거리는 0.
15%의 가장 낮은 포집효율을 보였다. 또한 고무커튼이 사용되고 제어거리와 제어 속도가 각각 0.3m과 18m/s인 case 5가 46.35%의 가장 높은 포집효율을 보였다. 본 실험의 포집효율 결과들을 살펴보면 실험의 3가지 변수(고무커튼, 제어 거리, 제어속도) 중 국소배기시스템의 포집효율에 가장 큰 영향을 미치는 변수는 고무 커튼의 사용유무이며, 그 다음이 제어거리, 제어속도 순이다.
35%의 가장 높은 포집효율을 보였다. 본 실험의 포집효율 결과들을 살펴보면 실험의 3가지 변수(고무커튼, 제어 거리, 제어속도) 중 국소배기시스템의 포집효율에 가장 큰 영향을 미치는 변수는 고무 커튼의 사용유무이며, 그 다음이 제어거리, 제어속도 순이다.
7m인 case 6의 경우, 벨트 컨베이어 아래로 유입된 공기가 분진과 함께 챔버 좌측으로 상승하여 후드 중앙부로 포집되어 배출되며 또한 챔버 중상부에 재순환영역이 발생한다. 실험과 수치해석 결과는 전반적으로 일치하나 국소위치에서의 속도 크기나 재순환영역의 크기는 다소 차이가 있다.

후속연구

3. case 1, 5, 6의 유동특성에 대한 수치해석 결과, 전반적으로 결과가 유사함으로 향후 수치해석을 이용하여 국소배기특성을 해석할 수 있으리라 사료된다.

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