초록 ▼

1973년 석유 파동 이후 대체에너지원으로 석탄이 재 평가되면서 전세계적으로 석탄의 활용을 위한 개발이 활발히 이루어졌다. 현재까지 개발된 방법중에서 석탄 유동충 연소법이 가장 효과적인 방법으로 알려져 왔으나, 미세한 석탄 입자가 완전 연소되지 않은 상태에서 연소 가스와 함께 비산 유출됨에 따라 연소효율이 낮아지는 문제점을 갖고 있다. 그러므로 본 연구에서 유동층 연소에서 미연 입자의 비산유출량을 줄임으로써 연소효율을 증가시키기 위한 방안으로 2단 선회류 유동층 연소법, 내부순환 유동층에서 CWM 액적 연소법 및 미세 석탄

1973년 석유 파동 이후 대체에너지원으로 석탄이 재 평가되면서 전세계적으로 석탄의 활용을 위한 개발이 활발히 이루어졌다. 현재까지 개발된 방법중에서 석탄 유동충 연소법이 가장 효과적인 방법으로 알려져 왔으나, 미세한 석탄 입자가 완전 연소되지 않은 상태에서 연소 가스와 함께 비산 유출됨에 따라 연소효율이 낮아지는 문제점을 갖고 있다. 그러므로 본 연구에서 유동층 연소에서 미연 입자의 비산유출량을 줄임으로써 연소효율을 증가시키기 위한 방안으로 2단 선회류 유동층 연소법, 내부순환 유동층에서 CWM 액적 연소법 및 미세 석탄 입자의 granulation 연소법을 개발하였다. 본 연구 과정을 통해 수행한 연구내용과 주요 결과를 요약하면 다음과 같다. 2단 선회류 상온 유동층에서 swirler 및 가스 유출구의 구조를 변화시키면서 상단 freeboard내에서 유속 분포 및 입자의 궤적을 측정한 결과, 상단 freeboard내에서 유속분포는 combined vortes와 유사하였으며, 선회강도는 수직방향으로 지수함수적으로 감소하였다. 가스 유출지점에서 나타나는 vortex core는 가스 유출관의 직경이 감소함에 따라 작아졌다. Standpipe type swirler를 사용하게 되면 freeboard 중앙과 벽 근처에 두개의 재순환 영역이 나타났으며, 중앙에 나타나는 재순환 영역은 2차 공기량이 많을 수록 수직방향으로 크게 나타났다. 그러나 nozzle type swirler를 사용할 경우엔 freeboard의 벽 쪽에서 한개의 재순환 영역이 나타났다. 이와 같은 결과와 마찬가지로 상단 freeboard내에서 입자의 궤적은 swirler와 가스 유출구의 구조에 따라 크게 영향을 받음을 알 수 있었다. 2단 선회류 유동층 연소로에서 저열량 무연탄과 phenol waste의 연소특성과 황산화물 저감특성을 파악하였다.
2단 선회류 유동층 연소로의 상단 freeboard부에서 미세입자의 trapping rate는 선회노즐의 내경, 선회노즐의 갯수, 상단로 내경, 노즐의 분사속도 및 상하단 유동화 속도등과 같은 설계 및 조업변수의 영향을 크게 받는다. Trapping rate는 선회노즐의 내경이 감소함에 따라, 그리고 선회노즐의 갯수, 상단로 내경, 노즐의 분사속도 및 상하단 유동화 속도등과 같은 설계 및 조업변수의 영향을 크게 받는다. Trapping rate는 선회노즐의 내경이 감소함에 따라, 그리고 선회노즐 갯수 및 상단로 내경이 증가함에 따라 증가하였다. 그러나 상단 유동화 공기속도가 일정한 조건에서 선회노즐의 분사속도가 증가하게 되면 상단 층내 미세입자의 포집율은 약간 증가하다가 감소하는 경향을 나타냈다.
2단 선회류 유동층 연소로에서 미세입자의 trapping rate가 증가하고 비산유출량이 감소함에 따라 연소효율이 향상되었다. 동일 조업조건 하에서 nozzle type swirler에 비해 standpipe type swirler를 사용한 경우 연소효율은 약 10% 정도 향상되었다. 비산유출 회재를 재순환함에 따라 freeboard 부에서 재연소가 일어나며 배출 가스 온도가 높아져 연소효율은 증진되었다. 재순환비가 증가함에 따라 연소효율은 증가하였으며, 하단층에 비해 상단 층내로 비산회재를 재순환 하는 것이 효율적이었다. 2단 선회류 유도층 연소로에서 석회석 주입에 따른 SO? 배출특성에 영향을 미치는 인자들로서는 Ca/S 몰 비, 가스공탑속도, 층온도, 총관 공기-연료비 및 석회석 입자의 크기 등이 있다. Ca/S 몰 비가 증가함에 따라 SO? 포획율은 증가하는 반면 석회석 이용율은 감소하게 된다. 또한 SO? 포획율은 가스 공탑속도 및 공기-연료비가 높을수록 증가하며, 층온도 800℃ 부근에서 최대치를 나타냈다. 그리고 석회석 입자의 크기가 작을수록 SO? 포획율 및 석회석 이용율은 현저하게 증진됨을 볼 수 있었다.
압력 전달기를 통해 상온 유동층에서 압력요동의 통계학적인 특성치를바탕으로 석탄 유동층 연소로에서 수력학적 거동과 정상상태를 연구하였다. 상온 유동층의 정상상태 도달시간은 물질수지로부터 구한 시간 (W/F)과 잘 일치하였으며, 유동층 연소로의 정상상태 도달시간은 물질수지로부터 구한 시간의 약 2 배 정도였다. 정상상태 도달시간은 단지 고체입자 주입속도에만 영향을 받음을 알 수 있다. 유동층 연소로에서 비산유출되는 미세입자의 제거와 연소효율의 향상을 위하여 염을 이용한 granulation process를 연구하였으며 granulation mechanism은 층내의 입자크기 분포, 연소효율 및 온도분포로부터 규명하였다. 유동층 연소로에서 석탄 연소시 발생하는 이산화황가스의 석회석을 이용한 제어를 연구하였다. 단일 원판형 screen을 이용하여 screen의 설치위치와 석회석의 입도분포에 따른 이산화황가스의 제어에 미치는 영향을 고찰하였다. 그리고 조업조건인 screen의 개공비, 유속, 석탄의 발열량이 탈황과정과 탈황효율에 미치는 영향을 연구하였다.
Draft tube가 있는 내부순환유동층 (0.3 m I.D. x 0.6 m height)의 cold bed에서 수력학적 특성(입자순환속도, gas bypassing)이 연구되었다. 입자순환속도와 gas bypassing에 대한 draft tube로의 기체 유속과 annulus로의 기체유속, gap height, 고정층 높이 등이 결정되었다. 입자순환속도는 두 개의 thermistor probe를 이용해서 결정하였다. 입자순환속도는 draft tube와 annulus로의 기체유속, gap height, 고정층 높이 등이 결정되었다. 입자순환속도는 두 개의 thermistor probe를 이용해서 결정하였다. 입자순환속도는 draft tube와 annulus로의 기체유속의 증가에 따라 증가 한다. 고정층 높이가 draft tube 의 높이와 같을 때, 가장 큰 입자순환속도를 얻었다. Annulus로의 일정한 기체유속에서 annulus에서 draft tube로의 gas bypassing은 draft tube로의 기체유속과 gap height에 따라 증가한다. Draft tube에서 annulus로의 gas bypassing은 annulus의 기체유속이 0.6 Umf 까지 일어난다. 그러나 annulus의 기체유속이 0.6 Umf 이상으로 증가하면 annulus에서 draft tube로 gas bypassing이 일어난다. Cold bed와 같은 크기의 내부순환 유동층 연소로에서 CWM의 연소특성이 연구되었다. 총골 입자 비산속도는 draft tube의 기체유속에 따라 증가하지만, 층온도에 따라서는 감소한다. 비산재속에 있는 미연탄소는 draft tube로의 기체유속에 따라 증가한다. 총괄 연소효율은 층온도에 따라 증가하지만, draft tube로의 기체유속에 따라서는 감소한다. Annulus에서 열전달계수는 기체유속과 층온도에 따라 증가한다.

Abstract ▼

Since the oil crisis of 1973, coal has been reevaluated as an important alternative to petroleum, and various coal utilization technologies have been developed. Of the several technologies developed for coal utilization, it has been well-known that fluidized bed combustion is the most effective.

Since the oil crisis of 1973, coal has been reevaluated as an important alternative to petroleum, and various coal utilization technologies have been developed. Of the several technologies developed for coal utilization, it has been well-known that fluidized bed combustion is the most effective. However, some problems still remain in high ash anthracite coal combustion. One of the most important problems is that a large amount of fine particles containing high quantity of unburnt carbon is elutriated from the combustor, therefore resulting in a decreased combustion efficiency. In order to enhance the combustion efficiency in fluidized bed combustion, several combustion techniques such as two-stage swirl-flow fiuidized bed combuston process, CWM(coal-water mixture) droplet combustion process in an internally circulating fluidized bed, and fine coal granulation process in a fluidized bed combustor are developed and the fundamental combustion characteristics are respectively investigated. The work performed and main results obtained are summarized as follows.
A series of experiments have been performed in a cold model two-stage swirl-flow fluidized bed combustor(TSSF-FBC) to investigate the effects of swirler and gas outlet geometries on velocity distributions in the freeboard of the upper stage and particle trajectories. The velocity distributions in the freeboard of the upper stage show similar distributions to the combined vortex. The swirling intensity decreases exponentially in axial direction and the size of vortex core at gas outlet decreases as gas outlet diameter decreases. Two recirculation zones appear both at the center of the freeboard and near the wall for the standpipe type swirler, whereas only one recirculation zone appears near the wall of the freeboard for the nozzle type swirler. Central recirculation zone extends longitudinally as the secondary air flow rate increases. The particle trajectories are greatly affected by the swirler and gas outlet geometries.
In order to investigate the combustion characteristics of the TSSF-FBC, combustion experiments of low-grade anthracite coal and/or phenol waste have been performed. Emission characteristics of sulfur dioxide(SO?) during combustion of digested sewage sludge in the combustor with limestone addition have been also investigated. In the freeboard of TSSF-FBC, the trapping rate of fines is affected by such parameters which can enhance the swirling intensity as swirler nozzle diameter, number of swirler nozzles, combustor diameter of the upper stage, and swirler nozzle velocity. The trapping rate of fines increases with reducing the swirler nozzle diameter and with increasing the number of swirle nozzles and combustor diameter of the upper stage. At constant superficial gas velocity of the upper stage, the trapping rate of fines in the upper stage tends to increase with swirler nozzle velocity to some extent and then decreases. The combustion efficiency improves as the result of the increase in the trapping rate and of the decrease in the carryover rate. The combustion efficiency in the TSSF-FBC with standpipe type swirler shows an increase of about 10% compared with the case of nozzle type swirler under the same operating conditions. Fly ash recycle results in postcombustion in the freeboard of the upper stage and an increase in exit temperature at a given bed temperature, therefore resulting in an increased combustion efficiency. The combustion efficiency increases with the fly ash recycle ratio. Further, the fly ash recycle into the upper bed is more effective compared with the case of the lower bed. The emission of SO? in TSSF-FBC with limestione addition is affected by such parameters as the Ca/S molar ratio, superficial gas velocity, bed temperature, air-fuel ratio, and particle size of limestone. The increase of the Ca/S molar ratio results in the increase of the SO? capture, whereas it causes the decrease of the limestone utilization. The SO? capture tends to increase with the superficial gas velocity and air-fuel ratio, but has a maximum value at a temperature of about 800℃. A smaller limestone size significantly inhances the SO? capture and the limestone utilization.
The statistical properties of the pressure fluctuation in the cold model fluidized bed have been measured by the pressure transducer, and the steady state in the bed has been evaluated. With the results of the cold bed, the hydrodymanic behvior and steady state in the coal combustor have been also investigated. The arrival time to the steady-state in the cold bed is consistent with the time obtained by dividing the solid particles added to the bed into the solid feeding rate(W/F). The time in the fluidized bed combustor is about 2 times as long as the time obtained by the W/F. The time arrived at steady-state was affected only by the solid feeding rate. It is known that analysis of major frequency, it can be known that the bed is composed of ash and combustion region. For the removal of elutriated fine particles and the increment of conversion efficiency, the granulation process using surfactant in the coal combustor was investigated. It is found that the granulation mechanism was evaluated by conversion efficiency, particle size distribution and temperature profile in the bed. Emission control of sulfur dioxide were sutdied in a fluidized coal combustor. The effect of screen packing on desulfrization efficiency with distribution of limestone particle and height of the screen inserted were investigated. The operating variables such as screen opening, air-velocity and coal heating value effected on desulfurzation process and efficiency.
Hydrodynamic properties (solids circulation rate, gas bypassing) in a cold model internally circulating fluidized bed (0.3 m I.D x 0.6 m height) in a cold model internally circulating fluidized bed (0.3 m I.D x 0.6 m height) with a draft tube have been determined. The effect of gas velocities to the draft tube and to the downward moving bed, gap height, static bed height of solids on solids circulation rate and gas bypassing from the draft tube to the moving bed have been determined. The solids circulation rate has been determined by using two thermistor probes. The solids circulation rate increases with increasing gas velocities to the draft tube and to the downward moving bed and consequent increase in pressure drop across the gap opening. When the static bed height of solids is identical to the height of draft tube, a maximum solids circulation rate can be attained. At a constant gas velocity to the annulus, the gas bypassing from the annulus to the draft tube increases with increasing gas velocity to the draft tube and gap height. It has been found that the gas bypassing from the draft tube to the annulus occurs up to the gas velocity to the annulus reaches 0.6 times of minimum fluidizing velocity (Umf). However, the gas bypassing reverses from the annulus to the draft tuve when the gas velocity to annulus reaches abouve 0.6 Umf. Combustion characteristics of CWM in an internally circulating fluidized bed combustor as the same dimension of the cold model bed have been determined. The total entrainment rate increases with an in gas velocity in the draft tube, but it decreases with an increase in bed temperature. The unburned carbon loss in flyash increases with an increase in gas velocity in the draft tube. The overall combustion efficiency increases with increasing bed temperature, but decrease with increasing gas velocity in the draft tube. The heat transfer coefficient in the annulus (moving bed) increases with increasing gas velocity and bed temperature.

목차 Contents

• 제 1 장 서 론...16
• 제 1 절 연구배경 및 연구목적...16
• 제 2 절 연구범위...19
• 제 2 장 연구방법...22
• 제 1 절 이론적 고찰...22
• 제 2 절 실험장치 및 방법...29
• 제 3 장 결 과 및 고 찰...40
• 제 1 절 선회류 유동층 연소로 특성...40
• 제 2 절 석탄의 입도분포에 따른 유동층 연소특성 및 공해제어...43
• 제 3 절 CWM(Coal-Water-Mixture)의 유동층 연소특성...48
• 제 4 절 2단 선회류 유동층 연소로에서 석탄-페놀수지 분말 연소 및 공해물질 배출특성...55
• 제 5 장 결 론...65
• 제 6 장 참 고 문 헌...69
• 제 1 세 부 목 차...77
• 제 1 장 서 론...80
• 제 1 절 연구배경 및 연구목적...80
• 제 2 절 연구내용 및 범위...82
• 제 2 장 연구방법...85
• 제 1 절 이론적 고찰...85
• 제 2 절 실험장치 및 방법...95
• 제 3 장 결과 및 고찰...110
• 제 1 절 단순 유동층 연소로와 2 단 선회류 유동층 연소로의 연소효율...110
• 제 2 절 선회류 분포 측정 결과...121
• 제 3 절 선회류내 입자괘적 계산 결과...129
• 제 4 절 입자의 비산 유출속도...136
• 제 5 절 입자의 체류시간 분포...146
• 제 6 절 열중량법을 이용한 석탄의 kinetic data 측정결과...146
• 제 7 절 열전달 계수 측정 결과...153
• 제 8 절 2 단 선회류 유동층 연소로의 swirler 유형에 따른 연소효율...157
• 제 4 장 결 론...164
• 제 5 장 참고문헌...166
• 제 2 세 부 목 차...173
• 제 1 장 서 론...178
• 제 1 절 연 구 배 경...178
• 제 2 절 연구의 목적과 범위...179
• 제 3 절 연구결과의 활용과 건의사항...181
• 제 2 장 연 구 방 법...183
• 제 1 절 이론적 고찰...183
• 제 2 절 실험장치 및 방법...198
• 제 3 장 결 과...214
• 제 1 절 연속식 상온유동층의 해석...214
• 제 2 절 연속식 유동층연소로의 해석...228
• 제 3 절 석탄 유동층 연소로에서 염을 이용한 granulation...236
• 제 4 절 석탄 유동층 연소로에서 석회석을 이용한 탈황...248
• 제 4 장 고 찰...264
• 제 1 절 연속식 상온유동층의 해석...264
• 제 2 절 연속식 유동층연소로의 해석...269
• 제 3 절 석탄 유동층 연소로에서 염을 이용한 granulation...271
• 제 4 절 석탄 유동층 연소로에서 석회석을...274
• 제 5 장 결 론...278
• 제 6 장 참고문헌...282
• 제 3 세 부 목 차...291
• 제 1장 서 론...294
• 제 1 절 연 구 배 경...294
• 제 2 절 연 구 목 적...299
• 제 2 장 연 구 방 법...302
• 제 1 절 이론적 고찰...302
• 제 2 절 실험 장치 및 방법...307
• 제3장 결 과...318
• 제 1 절 상온 유동층...318
• 제 2 절 유동층 연소로...335
• 제 3 절 내부 순환유동층 연소로 설계...353
• 제4장 고 찰...363
• 제 1 절 상온 유동층...363
• 제 2 절 유동층 연소로...367
• 제 3 절 상관식...370
• 제 5 장 결 론...377
• 제 6 장 참 고 문 헌...381
• 제 4 세부목차...391
• 제 1 장 서 론...394
• 제 1 절 연구배경 및 목적...394
• 제 2 절 연구내용 및 범위...397
• 제 2 장 연구방법...401
• 제 1 절 이론적 고찰...401
• 제 2 절 실험장치 및 방법...414
• 제 3 장 결과 및 고찰...432
• 제 1 절 2단 선회류 상온 유동층 내에서 기체-입자의 동력학적 특성...432
• 제 2 절 2단 선회류 유동층 연소로의 성능에 대한 설계 및 조업 변수의 영향...444
• 제 3 절 재순환이 있는 2단 선회류 유동층 연소로의 연소특성...461
• 4 절 2단 선회류 유동층 연소로에서 무연탄-페놀수지분말의 혼합 연소특성...469
• 제 5 절 석회석 주입에 의한 공해물질 저감특성...475
• 제 4 장 결론...496
• 제5장 참고문헌...499