초록 ▼

연구개발 결과
1차 년도에는 처리능력 1000kg/hr(함수율80%→20%)인 사축스크류 난류접촉식 건조기를 설계ㆍ제작함에 있어서 사축(Four Shaft Seg.&Full Screw)적용 및 ω형으로 배열된 건조열원공급 분공판에 부가하여 중앙부 난류유동 튜브 장착 및 동일 분공판을 최적으로 배열하여 열유동 및 교반파쇄 거리를 400mm 이내로 하여 열교환시간과 수분유동로를 최적화 하였다. 열유동해석을 토대로 건조기내부 물질 및 열이동에서 물질이동은 전단되면서 이동하여 점착성 하수슬러지를 파쇄하도록 하며 열풍 또한 전단각도로

연구개발 결과
1차 년도에는 처리능력 1000kg/hr(함수율80%→20%)인 사축스크류 난류접촉식 건조기를 설계ㆍ제작함에 있어서 사축(Four Shaft Seg.&Full Screw)적용 및 ω형으로 배열된 건조열원공급 분공판에 부가하여 중앙부 난류유동 튜브 장착 및 동일 분공판을 최적으로 배열하여 열유동 및 교반파쇄 거리를 400mm 이내로 하여 열교환시간과 수분유동로를 최적화 하였다. 열유동해석을 토대로 건조기내부 물질 및 열이동에서 물질이동은 전단되면서 이동하여 점착성 하수슬러지를 파쇄하도록 하며 열풍 또한 전단각도로 만나게 하여 재료의 비표면적이 최대로 되고 빠르게 열교환이 이루어져 건조속도를 증가시키고 열효율을 65% 이상지향할 수 있도록 하였다. 거의 모든 건조장치의 고질적 결함인 축부 실링은 리브랜스 팩킹의 원리를 응용하여 250℃의 내열성, 내마모성, 내산성, 내알칼리성을 확보하여 연속운전 시 적어도 1년 이상 축관통부를 통한 내용물 및 가스가 새지 않도록 하였다. 축 설계 및 제작 경험에서 축 길이 5000mm이하에서는 일측구동이 가능하고 추력을 해결하는데 큰 어려움이 없지만 그 이상에서는 양축구동이 유리하고 동일 토크를 발생하기 위해서는 양측구동장치를 구성함과 아울러 향후 독자모델로 적용 될 획기적인 추력방지기를 적용하였다.
2차 년도에는 보조장치 즉, 슬러지이송기, 정량공급기, 제품이송기, 배기처리기, 제어반 등을 설계ㆍ제작하여 P시 하수처리장에 실증실험운전 건조설비를 구성 하였다. 6개월간 주기적인 실증운전을 실시하였다.
표준적인 실증운전조건에서 하수슬러지함수율 81.4%를 체류시간을 60분(a), 80분(b)으로 하였을 때 718,000kcal/hr, 544,500kcal/hr 열량을 각각 공급하여 건조 후 평균함수율은 19.3%, 8.0%를 나타내어 화력발전소에 혼소할 경우 요구 되어지는 함수율 10% 이하와 본 연구과제의 목표인 함수율 20% 이하에 도달 하였다.
(a), (b)의 운전조건에서 총괄열전달계수는 498kcal/h℃m², 378kcal/h℃m²로 나타나 일반적인 열전달건조기 값인 100～200kcal/h℃m²보다 높은 수준을 나타내었고 건조실 체적과 온도에 의해서 건조기 성능을 판단할 수 있는 총괄열용량계수는 1,367kcal/h℃m³, 1,037kcal/h℃m³을 각각 나타내어 로터리회전건조기 150～ 200kcal/h℃m³ 보다 훨씬 높은 수준을 보였다. 투입열량에 대한 건조사용열량 으로 계산되는 열효율은 66.2%, 68.2%를 나타내어 당초목표인 65% 이상 도달하였다.

Abstract ▼

Ⅳ. Results
1. Design Condition of Dryer
Municipal wastewater plant for test operation produce 8,000kg sludge per day which moisture content is 80%WB. When the sludge is treated 1,000kg/hr the dried moisture reach 20%WB. But the moisture can be reached to 10% according to control of input dryin

Ⅳ. Results
1. Design Condition of Dryer
Municipal wastewater plant for test operation produce 8,000kg sludge per day which moisture content is 80%WB. When the sludge is treated 1,000kg/hr the dried moisture reach 20%WB. But the moisture can be reached to 10% according to control of input drying heat, retention time, exhaust fan speed which provision against mix combustion with coal in a thermoelectric power generation.
The fixed drying temperature 450℃ as a drying condition is necessary to dry interstitial and bond water that is experience data(450∼540℃) following model dryer test as basic experiment. Design is focused on confrontation against the total quantity of heat with safety factor(σ=2) and the temperature change by cooling air feeding.
Preparatory calculation showed the length of Seg.& Full Screw Conveyer 9.1m but empirical study guided both side driving method considering thrust that comes from more than 5m shaft length.
In case of exhaust, maximum water head set up to 80mmAq and exhaust fan is controlled by the inverter to minimize dust generating and to maximize discharging moisture rich gas. Every bough tube of exhaust manifold equipped flap to control the discharge vacuum which concerned to each bough tube according to moisture quantity in the course of drying.
2. Design Procedure of Dryer
The twenty five design equation is derived to design dryer involving thermal necessity Qt. Among the equations, Qt, Vn, Z etc. is main equation to determine the structure dimension of dryer. In here, Vn is necessary volume of dryer m³), Z is Induced tube surface area of drying gas.
Calculating the 25 equation, dimension of dryer is determined. In other words,
the length(L) of dryer included four shaft and driving unit length, width(W), height(H), and heat conductive area(A) is determined. From the all the determined
data, dryer is designed and manufactured.
Dryer include shop drawing is completed by adjusting in the process of assembling through unload and load test.
3. Heat & Fluid Analysis of Drying Gas
a. velocity vector plots
Evaporation latent heat loss which contained in the sludge is considered when it is given Swirl(60°) at burner with assumption of Porous Zone. The combustion turbulent generated in combustion chamber appears apparently that shows intensity at high temperature. It shows strong turbulent around 0.3～2m from burner in case of combustion chamber also very similar pattern on the discharge holes. All of this turbulence pattern showed very affirmative influence to drying efficiency.
b. Fluid Distribution Result of x-y Plane(Manifolder Face)
c. Result of 3-D Temperature Distribution
When it gives whirl the temperature scope expanded to the bloc of raw material sensible heat and the continuous rate drying bloc also the temperature scope expanded to 1,000℃. On the most spectacular point, because the strong swirl with straight moving precession drying gas move from after section of combustion chamber to drying chamber, high temperature section is built up between end of the continuous rate drying bloc and reducing rate drying bloc.
Because drying heat supply should be reduce at reducing rate drying bloc some machine necessary to distribute and supply to the bloc of raw material sensible heat and the continuous rate drying bloc inducing high temperature drying gas to the combustion chamber inside.
d. Conclusion for Design Application
(1) Bypass air quantity is increased in the case of swirl exist.
(2) Accurate analysis of drying gas is necessary according to sludge properties and feeding type.
(3) In case of sludge layer forming drying gas is accumulated at rear side of drying chamber also high temperature zone more than 1,000℃.
Therefore application of drying gas inducing tube will be effective to induce drying gas which existing high temperature zone to discharged drying Ⅰstage, Ⅱstage, Ⅲstage. If the tube equipped at the space that is located in the middle section of four screw shaft It will be accomplished very high drying efficiency and thermal efficiency.
4. Design & Manufacture of Dryer
Design results of dryer equipped four screw with turbulent contact is and manufacture result shows in & 5. Results of Verification Test Operation
a. Heat Transfer and Mass Transfer of Dryer
(1) Heat Transfer
Computational numerical analysis showed consistent result for the temperature and velocity that can be applied scale up analysis or design of dryer and study for variables requesting structural change according to complication and diversity design circumstance.
One of useful computational numerical results is to find out the high temperature region more than 1000℃ in due to thermal fluid accumulation of after section in dryer when sludge layer is stratified. It will be very effective to adopt drying gas induce discharge tube that will induce the drying gas then discharge to drying 1stage, Ⅱstage, Ⅲstage. Therefore the induce tube located in the center of four screw shaft possible to get a high drying efficiency and thermal efficiency.
(2) Mass Transfer
The structural characteristics of screw conveyer which for mass transfer is to give shear force to crash the sticky sludge on the way to conveying. In this time the specific surface is very much widened then drying gas also meet as a count flow. This Full & Seg. Screw Conveyer application technology enables drying speed about two times faster than indirect disc dryer and thermal efficiency reach more than 65%.
b. Mechanical Structure
(1) The viscosity test result of sewage sludge which moisture content 80% with wet basis and temperature 80℃ showed in the range of 1,500,000～2,000,000cP. The very high viscous material is the reason of clogging and hardening which unable the sludge to move and agitate.
Therefore high temperature drying gas is very effective to remove the interstitial and the bond water. In reflecting operating condition equipping with 20mm thick iron plate and 100mm castable enable the material safe to the thermal resistance. Mechanical change was not found in the process of verification operation.
(2) The almost chronic defect of dryer is shaft sealing which can be overcome to adopt "Rotating shaft structure in high temperature agitation machine" that is the patent getting from this R&D work. This technology solved all of the problem like shaft heat expansion, leaking of penetration section etc. The result of application showed good condition without leak, thermal expansion etc..
c. Drying Test for Verification
(1) Drying Characteristics
The sludge with moisture 81.4% had done the operating test in standard verification operation condition. When the retention time of sludge in drying chamber 60min-718,000kcal/hr(a) and 80min-544,500kcal/hr(b) respectively After drying mean moisture content of sludge showed 19.3%(a), 8.0%(b) respectively. The objective moisture content of this project and requested moisture content in mixing combustion in power plant is less than 20%, 10% respectively. The mean exhaust temperature and the mean temperature of dried sludge showed 102.1℃, 76.4℃ respectively.
(2) Thermal Efficiency
From operating condition (a), (b) total heat transfer coefficient is 498kcal/h℃m², 378kcal/h℃m² respectively. This results showed that coefficient is higher than conventional dryer heat transfer of 100～200kcal/h℃m². Total heat capacity coefficient which can be judged for dryer capability by volume and temperature of drying chamber showed 1367kcal/h℃m³, 1037kcal/h℃m³ respectively. This data is much higher than the date of conventional dryer 150～200kcal/h℃㎥. Thermal efficiency calculated used heat quantity of drying over input heat quantity is 66.2%, 68.2% respectively. Therefore the planned goal of thermal efficiency 65% is over reached.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 요 약 서 ... 4
• 요 약 문 ... 6
• SUMMARY ... 18
• 목 차 ... 30
• 표 목 차 ... 37
• 그 림 목 차 ... 40
• 사 진 목 차 ... 43
• 제1장 서 론 ... 47
• 제1절 연구개발과제의 개요 ... 49
• 1. 건조공정의 중요성(필요성) ... 49
• 2. 관련법규 및 정책 ... 51
• 3. 연구개발의 국내외 현황 ... 55
• 가. 국내의 기술개발동향 ... 55
• 나. 해외의 기술개발동향 ... 57
• 4. 연구개발 대상 기술의 차별성 ... 60
• 제2절 연구개발의 목표 및 추진전략 ... 61
• 1. 연구개발의 목표 ... 61
• 가. 연구개발의 최종목표 ... 61
• 나. 연구개발의 연차별 목표 ... 62
• 2. 연구개발의 추진전략ㆍ체계 및 연구수행방법 ... 63
• 가. 연구개발의 추진전략 ... 63
• 나. 연차별 추진체계 및 연구수행방법 ... 63
• 제2장 연구개발 수행내용 및 결과 ... 69
• 제1절 건조특성 ... 71
• 1. 건조특성곡선 ... 71
• 가. Ⅰ단계(슬러지예열기간) ... 71
• 나. Ⅱ단계(항률건조기간 ... 72
• 다. Ⅲ단계(감률건조기간) ... 72
• 2. 항률건조속도 ... 74
• 가. 경험식 및 상수 ... 76
• 나. 항률건조속도 계산 ... 77
• 3. 감률건조속도 ... 79
• 제2절 건조열원 ... 82
• 1. LPG의 일반적 특성 ... 82
• 2. LPG의 발열량 및 부피계산 ... 85
• 가. 발열량 ... 85
• 나. 부피 ... 85
• 다. 배기량 산정 ... 86
• 3. COG 열원 ... 87
• 가. COG 발열량 계산 ... 87
• 나. Atom & molecule Balance 확인 ... 87
• 다. 개념식 대입 ... 87
• 라. 발열량 계산 및 단위환산 ... 87
• 마. 연소가스 부피 ... 87
• 제3절 배기량측정 ... 88
• 1. 측정이론 ... 88
• 2. 배기측정방법 ... 91
• 가. 피토관을 이용한 배가스 측정 ... 91
• 나. 오리피스를 이용한 배가스 측정 ... 92
• 다. 사이클론 압력손실을 구하는 방법 ... 93
• 라. 팬의 성능곡선에 의해 구하는 방법 ... 94
• 마. O2, Co2 농도에 의해 구하는 방법 ... 96
• 3. 피토관 부압을 적용한 배기량 계산 ... 96
• 4. 등유를 열원으로 하는 경우의 계산 예 ... 97
• 제4절 관통부구동축 ... 99
• 1. 극한환경기술 적용 ... 99
• 2. 기술의 구성 ... 100
• 제5절 배기(排氣)제어 ... 103
• 1. 배가스악취 ... 103
• 2. 액상촉매세정법 ... 106
• 3. 악취제거원리 및 공법 비교 ... 108
• 가. 메커니즘 ... 108
• 나. 악취가스의 탈취방정식 ... 108
• 다. 촉매의 산화․환원 메커니즘 ... 109
• 4. 악취제거설비 설계제원 ... 109
• 가. 세정식 탈취탑 ... 109
• 나. 순환수 펌프 ... 110
• 다. 순환수 저장탱크 ... 111
• 라. 배관 ... 111
• 마. 액상촉매 탈취탑 ... 111
• 바. Hood & Duct(M-Damper) ... 113
• 제6절 열유동 해석 ... 115
• 1. 수치해석 개요 ... 115
• 2. 이축스크류건조기 수치해석 결과 ... 117
• 가. 계산 조건 ... 117
• 나. 일반 지배방정식 ... 119
• 다. 연구 변수 ... 121
• 라. 스크류 건조기의 도식도 및 격자 생성 ... 123
• 마. 수치해석 결과 ... 124
• 바. 분석 ... 141
• 사. 결론 ... 143
• 제7절 슬러지 점성 ... 143
• 1. 점도 단위 ... 143
• 2. 회전형 점도계 ... 144
• 3. 슬러지 점도측정 ... 147
• 가. 샘플링절차 ... 148
• 나. 실험절차 ... 149
• 다. 주의 ... 149
• 라. 실험결과 ... 150
• 제8절 건조기 구조설계 ... 151
• 1. 건조시스템 설계 ... 151
• 가. 건조기 몸체 설계 ... 151
• 나. 회전부 설계 ... 159
• 다. 보조기기 ... 161
• 라. 열유동분공 면적 ... 162
• 마. 배기관 ... 163
• 바. 열풍공급관 ... 164
• 사. 버너 ... 166
• 아. 상부안전해치 ... 166
• 자. 연소실 냉각 및 온도조절기 ... 167
• 차. 장축 추력방지 베어링 및 축부 실링 ... 169
• 2. 건조기 제원 ... 172
• 제9절 보조기기 및 시스템구성 계획 ... 173
• 1. 배기팬 ... 173
• 가. 배기장치 ... 174
• 나. 송풍기의 동력계산 ... 175
• 2. 냉각공기 공급기 ... 177
• 3. LPG 가스버너 ... 178
• 4. 제어반 ... 179
• 5. 건조시스템 구성 ... 180
• 제10절 단위설비제원 및 특성 ... 182
• 1. 단위장치제원 ... 182
• 가. 슬러지공급기 ... 182
• 나. 슬러지 저장 및 정량공급기 ... 183
• 다. 건조기 ... 184
• 라. 배기처리기 ... 186
• 2. 시운전 주요사항 ... 187
• 가. 시운전 전담연구원 ... 187
• 나. 개별 장치 시운전(필요시 기록 및 사진) ... 187
• 다. LPG 공급기 ... 188
• 라. 중앙제어반 및 로컬제어 ... 188
• 마. 배기처리기 ... 189
• 제11절 실증실험설비구성 ... 189
• 1. 배치도면(Lay out Drawing) ... 189
• 2. 공정흐름 ... 191
• 제12절 폐열 적용성 검토 ... 192
• 1. 기술검토 ... 193
• 2. 열량검토 ... 193
• 가. 폐증기 이론 발생열량 ... 194
• 나. 폐증기 사용가능 열량 ... 194
• 다. 건조소요열량 ... 194
• 3. 적용성 검토 ... 194
• 제13절 구획열풍 적용성 ... 195
• 1. 열풍온도 조절의 필요성 ... 195
• 가. 열풍유동구간의 구획화 ... 197
• 나. 온도조절식 열풍기 ... 198
• 다. 소요 열풍량 및 개략적 건조기제원 ... 200
• 라. 구획열풍유동식 적용계산 예 ... 203
• 제14절 실험결과 분석 ... 205
• 1. 실험조건과 분석 ... 205
• 가. 세부실험계획 및 측정 ... 205
• 나. 분석 ... 209
• 2. 건조특성 ... 214
• 가. 운전조건(A)에 따른 건조특성 ... 214
• 나. 운전조건(B)에 따른 건조특성 ... 217
• 다. 운전조건 및 결과종합 ... 219
• 3. 관통축케이싱 및 안전장치 ... 219
• 4. 대기환경 ... 222
• 5. 경제성 분석 ... 224
• 6. 안전성 및 편의성 ... 226
• 7. 대기환경 검토 ... 228
• 8. 실험분석결과 ... 230
• 제15절 열효율 분석 ... 230
• 1. 계산조건 ... 230
• 2. 시스템 각부 주요운전 데이터 ... 231
• 3. 열효율 해석을 위한 계산식 전개 ... 232
• 가. 연소공기량 G0[kg/h], GH0[㎥/min] ... 232
• 4. 건조시스템의 열수지 ... 235
• 가. 유입열량 ... 235
• 나. 유출열량 ... 235
• 5. 열용량 계수 ... 236
• 가. 건조필요열량 q[kcal/h] ... 236
• 나. 대수평균온도차 : Δt[℃] ... 237
• 다. 열용량 계수 ha[kcal/㎥.h.℃] ... 237
• 6. 열효율 η[%] ... 237
• 제16절 결과 ... 237
• 제3장 목표 달성도 및 관련분야 기여도 ... 243
• 제1절 연도별 연구개발목표의 달성도 ... 245
• 제2절 관련분야의 기술발전 기여도(환경적 성과 포함) ... 248
• 제4장 연구개발 결과의 활용계획 ... 253
• 제1절 연구성과 활용계획 ... 255
• 1. 경제사회적 성과달성 계획 ... 255
• 가. 사업화 추진계획 ... 255
• 나. 고용창출 계획 ... 255
• 다. 비용절감 계획 ... 256
• 라. 기술이전(실시계약 체결) 계획 ... 256
• 마. 매출추진 계획 ... 256
• 2. 과학기술적 성과달성 계획 ... 256
• 가. 지식재산권 획득 계획 ... 257
• 나. 국내외 신기술 신제품 등 관련 인증 계획 ... 257
• 다. 국내외 전문학술지 게재 계획 ... 257
• 라. 국내외 학술회의(세미나) 발표 계획 ... 258
• 3. 국제협력 계획 ... 258
• 가. 기술무역 계획 ... 258
• 나. 인력교류 ... 258
• 다. 국제협력 기반 계획 ... 259
• 라. 국제학술회의 개최 계획 ... 259
• 제5장 참고문헌 ... 263
• 1. 국내문헌 ... 265
• 2. 국외문헌 ... 265
• 3. 기 타 ... 266
• (부 록) ... 269
• <부 록 1> 포항시 MOU ... 271
• <부 록 2> 설비철거보증보험 ... 274
• <부 록 3> 함수율시험성적서 ... 278
• <부 록 4> 대기검사성적서 ... 280
• 끝페이지 ... 283