[논문]1차원 기체-고체 반응기 모델의 로터리킬른 환원로 적용

한택진; 최상민

가설 설정

직접가열식 로터리킬른에서는 가스층에서 고체층으로의 대류 및 복사열전달, 가스층에서 벽으로의 대류 및 복사열전달, 벽에서 고체층으로의 대류, 전도 및 복사열전달 벽에서 외부로의 대류 및 복사 열전달이 일어난다[4]. 하지만 본 연구에서는 외벽에서 단열되어 열의 출입이 없다고 가정하고, 가스층과 고체층 사이에서 발생하는 반응과 두 층 사이에서의 대류 및 복사열전달(Fig. 4의 Qcgs, Qrgs)만을 단순하게 고려하여 모델을 작성하였다. 또한, 기체상과 고체상에서의 반응은 (1) - (3)에서와 같이 고려하였다.
화학반응은 비가역반응으로 1차 반응속도모델을 적용하였고[5], 공급된 열량 중 손실 열량을 제외한 열량은 고체의 승온과 반응에 소모된다고 가정하였다. Fig.

제안 방법

먼저, 열역학적 접근을 위한 기초적인 방법으로, 질량 보존법칙과 에너지 보존법칙을 바탕으로 하는 0차원 물질 및 열정산을 수행하였다. 0차원 열물질정산을 통해 얻은 로터리킬른 환원로에 필요한 환원탄 투입량, 공기 주입량, 배출되는 연소 가스량 등 기본 자료들을 바탕으로 단순화 된 1차원 로터리킬른 모델을 구성하여, 1차원으로 확장시킨 열반응해석을 수행하였다. 운전 조건으로는 현재 국내에서 운전 중인 로터리킬른 환원로를 고려하여 적용하였고, 해석 대상이 되는 로터리킬른의 정보는 Table 1에서와 같다.
1차원 열전달 해석의 결과로서 로터리킬른 연소로의 각 위치별 출입가스와 고체의 온도변화를 살펴보았다. 또한, 단순화 된 1차원 모델의 유효성을 알아보기 위하여 현재 운전 중인 로터리킬른 환원로의 지점에 따른 온도분포와 고체 유량의 비교를 수행하였다.
1차원 열전달 해석의 결과로서 로터리킬른 연소로의 각 위치별 출입가스와 고체의 온도변화를 살펴보았다. 또한, 단순화 된 1차원 모델의 유효성을 알아보기 위하여 현재 운전 중인 로터리킬른 환원로의 지점에 따른 온도분포와 고체 유량의 비교를 수행하였다. 실제 운전 데이터는 특정지점에 설치 된 열전대를 이용하여 측정 되었다.
1에서와 같이 단순화시킨 직접가열식 석탄환원 로터리킬른 환원로(역류식)에 적용하여 열반응해석을 하였다. 먼저, 열역학적 접근을 위한 기초적인 방법으로, 질량 보존법칙과 에너지 보존법칙을 바탕으로 하는 0차원 물질 및 열정산을 수행하였다. 0차원 열물질정산을 통해 얻은 로터리킬른 환원로에 필요한 환원탄 투입량, 공기 주입량, 배출되는 연소 가스량 등 기본 자료들을 바탕으로 단순화 된 1차원 로터리킬른 모델을 구성하여, 1차원으로 확장시킨 열반응해석을 수행하였다.
본 연구에서는 1차원 기체-고체 반응기 모델을 Fig. 1에서와 같이 단순화시킨 직접가열식 석탄환원 로터리킬른 환원로(역류식)에 적용하여 열반응해석을 하였다. 먼저, 열역학적 접근을 위한 기초적인 방법으로, 질량 보존법칙과 에너지 보존법칙을 바탕으로 하는 0차원 물질 및 열정산을 수행하였다.
운전 조건으로는 현재 국내에서 운전 중인 로터리킬른 환원로를 고려하여 적용하였고, 해석 대상이 되는 로터리킬른의 정보는 Table 1에서와 같다. 한편, 1차원 모델을 통하여 해당 구간에서의 온도 계산 결과 값과 현재 운전 중인 로터리킬른 환원로의 온도분포와 고체유량의 비교를 통하여 1차원 모델의 유효성을 확보하였다.

대상 데이터

또한, 단순화 된 1차원 모델의 유효성을 알아보기 위하여 현재 운전 중인 로터리킬른 환원로의 지점에 따른 온도분포와 고체 유량의 비교를 수행하였다. 실제 운전 데이터는 특정지점에 설치 된 열전대를 이용하여 측정 되었다.
0차원 열물질정산을 통해 얻은 로터리킬른 환원로에 필요한 환원탄 투입량, 공기 주입량, 배출되는 연소 가스량 등 기본 자료들을 바탕으로 단순화 된 1차원 로터리킬른 모델을 구성하여, 1차원으로 확장시킨 열반응해석을 수행하였다. 운전 조건으로는 현재 국내에서 운전 중인 로터리킬른 환원로를 고려하여 적용하였고, 해석 대상이 되는 로터리킬른의 정보는 Table 1에서와 같다. 한편, 1차원 모델을 통하여 해당 구간에서의 온도 계산 결과 값과 현재 운전 중인 로터리킬른 환원로의 온도분포와 고체유량의 비교를 통하여 1차원 모델의 유효성을 확보하였다.

후속연구

하지만 기본적인 단계에서 수행된 모델링임을 감안하여 향후 보완을 통해 보다 복잡한 상황으로 확장시킨다면 개선된 모델을 얻을 수 있을 것이다. 또한, 비록 간단한 생각이었지만 이번 연구에서와 같이 해석하려는 대상에 대해 0차원에서 1차원으로 생각을 확장해나가는 시도를 통해 실제 운전 데이터와의 비교 확인함으로써, 로터리킬른 연소로의 설계 및 운전과 관련한 기본적인 아이디어 도출에 도움이 될 것으로 기대한다.
또한, 1차원 모델링 과정에서 상당히 많은 부분에 대하여 단순화하고 가정하였으므로, 여기에서 단순화 된 모델링 및 가정된 조건에 따른 결과를 실제 공정의 상황과 직접 비교하는 것은 부적합하다. 하지만 기본적인 단계에서 수행된 모델링임을 감안하여 향후 보완을 통해 보다 복잡한 상황으로 확장시킨다면 개선된 모델을 얻을 수 있을 것이다. 또한, 비록 간단한 생각이었지만 이번 연구에서와 같이 해석하려는 대상에 대해 0차원에서 1차원으로 생각을 확장해나가는 시도를 통해 실제 운전 데이터와의 비교 확인함으로써, 로터리킬른 연소로의 설계 및 운전과 관련한 기본적인 아이디어 도출에 도움이 될 것으로 기대한다.

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