500 MW급 초임계압 순환유동층 보일러의 공기비에 따른 운전특성 연구

이충호 연세대학교 공학대학원 2015 국내석사

순환유동층(CFB, Circulating Fluidized Bed) 보일러는 연소가능 연료의 다양성 측면에서 다른 발전용 보일러에 비해 큰 장점을 가지고 있다. 특히 전세계적으로 매장량이 풍부하고 비교적 가격이 저렴한 저급탄(Low-Rank Coal)에 최적화된 설비로 최근비약적인 기술의 발전으로 고효율화, 대용량화되어, 미분탄 보일러와 비슷한 수준으로건설 및 운영 경제성을 확보하게 되었다, 이러한 추세에 맞춰 국내에서도 동해화력(200 MW), 여수화력(340 MW)이 상업운전 중에 있으며 한국남부발전의 삼척그린파워는 초임계압 500 MW급 순환유동층 보일러 4기를 2016년 중순 상업운전을 목표로 건설공사 중에 있다. 그러나 삼척 순환유동층 보일러는 국내에서 처음 시도되는 대용량 보일러 설비로서 국내뿐만 아니라 해외에서도 운전기술 축적 및 설비 표준화가 부족한 상태여서 삼척 프로젝트의 성공적 추진에 큰 장애요소가 되고 있다. 따라서 본 연구에서는 삼척 초임계 순환유동층 보일러의 안정적이고, 성공적인 상업 운전 달성을 위해, 보일러의 설계 Data 및 제작사(Foster Wheeler)에서 제시된 성능자료의 분석을 통해 순환유동층 보일러의 운전특성을 확인하고 더불어 실제 운전에서 일어날 수 있는 운전특성을 시뮬레이션 모델 분석을 통해 예측하여, 시운전 단계에서 보일러 튜닝 등 시운전 가이드 도출을 목적으로 한다. 삼척 순환유동층 보일러의 실제 운전과정에서 일어날 수 있는 운전특성을 “IEA-CFBC 시뮬레이션 모델”을 통해 분석, 고찰하였다. 우선 보일러설비의 특성 및 각 운전변수에 대해 설계분석을 실시하여 시뮬레이션 모델 입력변수를 도출하였으며, 이를 바탕으로 삼척 순환유동층의 BMCR 조건을 기준으로 보일러 운전의 가장 중요한 인자(운전변수)인 1차-2차 공기비 변화(PA/PA+SA, 8Cases)에 따른 보일러 운전 특성을 시뮬레이션 모델을 이용하여 분석하였다. 삼척 순환유동층 보일러는 총 공기량을 일정하게 유지한 상태에서 일-이차 공기비만을 조절하여 순환유동층 상부로 비산되는 고체량을 조절할 수 있음을 고찰하였으며, 특히, 연소로 상, 하부간의 온도편차는 일차 공기비를 증가함에 따라 적어짐을 알 수 있었다. 또한, 내화재 경계면 부근의 유속 감소 필요시 일-이차 공기비를 감소시 그 효과를 달성할 수 있으며 이는 내화재 경계면에서의 보일러 튜브 마모의 위험을 낮출 수 있을 것으로 기대되었다. 한편, 휘발분의 방출 증가에 따른 연소 불안정 시 일차-이차 공기비를 증가시켜 휘발분의 평균 농도분포를 줄일 수 있을 것으로 파악되었으며 이는 휘발분에 의한 연소로 환원성 분위기를 억제하는 데에 큰 효과를 줄 것으로 기대되었다. 또한 일차 공기비가 커질수록 SO2의 발생량은 감소하는 반면, NO의 발생은 점차 증가하는 것으로 나타나, 일-이차 공기비 조절에 따라 적정 환경오염원을 조절하여 최적화하는 운전 튜닝이 필요할 것으로 확인되었다. 이상에서 고찰한 바와 같이, 1차-2차 공기비 조절을 통한 고체량 분포 및 순환량 조절은 결국, 연소 변화를 야기해 온도 및 SO2 그리고 NO 등의 분포를 바꿀 수 있는 것으로 고찰되었으며, 향후, 삼척 초임계압 순환유동층 보일러의 시운전단계 튜닝과정에서 부하별 1차-2차 공기비 조절 적용을 통해 연소 온도 등의 운전조절을 이뤄내고 최적화를 달성할 수 있도록 할 것이다. The circulating fluidized bed combustion technology is known as the most efficient one for fuel diversification when compared to other coal combustion technologies. Due to the good performance including good fuel flexibility, high combustion efficiency and efficient pollution control, CFB boiler has been successfully commercialized for coal-fired power generation. In accordance with this trend, in Korea, Donghae thermal power plant(200MW) and Yeo-su thermal power plant(340 MW) have been operated commercially, and Samcheok Green Power which has 4 units of 550MW Supercritical CFB boilers is under construction aimed at commercial operation in mid-2016. However, as there are little operation experience and standard of this large scale supercritical CFB boiler in and out of Korea, it has become the serious obstacles to successful completion of this project. Therefore, the aims of this study are to provide the operation guide in the commissioning stage by analysis of boiler design data and estimate of operating characteristics through the simulation of performance prediction. Operating characteristics that might occur at actual operation of samcheok CFB boiler were analyzed and investigated by using IEA-CFBC model. The input variables are derived by the analysis on the boiler design and operation parameters of Samcheok CFB boiler, and the effect of the primary to secondary air ratio, which is the most important factor in operation parameter, on the performance of the CFB boiler was verified by simulation. It was observed that the solid hold up in the furnace can be controlled by changing the PA ratio at a constant total air flow rate. Especially, the temperature difference between upper bed and lower bed decreased with increasing PA ratio. It was also expected that the erosion of water wall tube located at kick out zone could be reduced when the primary to secondary air ratio becomes low due to reduced solid hold-up in that point. On the other hand, It was found that the volatile concentration in the furnace decreased with decreasing the PA ratio. It was expected to give a great effect for reducing the reduction atmosphere in the furnace. Moreover, with the increase of the PA ratio, the emission of SO2 decreased, but that of NOx increased. So, it was confirmed that the optimum condition of the PA ratio is necessary to reduce the emission of both pollutants. As discussed above, it is expected that the control of the boiler performance such as the furnace temperature, gaseous emissions and combustion efficiency is possible through the changing the PA ratio of the CFB boiler. At the commissioning stage in near future, these results will be applied to optimize the Samcheok CFB boiler.

MTO 공정을 위한 상온순환유동층 에서 모델촉매의 기체-고체 수력학적 특성연구

박상순 성균관대학교 일반대학원 2011 국내석사

This study was for analyzing of MTO(methanol to olefins) Process using a MTO Circulating Fluidized Bed (CFB) [0.025m-ID x 4m-H] and different catalysts size with hydrodynamic characterizations were investigated. The solid feeding rate of different catalysts size was determined by nonmechanical valve as seal-pot, performance of the seal-pot with different catalysts size was analyzed. Optimization of catalyst size improved to the MTO Circulating Fluidized Bed. The variation of axial solid holdup profiles with decay coefficient from different catalyst size for variable operating conditions were studied, the effect on catalysts size to influencing the decay coefficient for axial solid holdup structure was demonstrated. The correlation between this work and reference experimental data for predicting an axial solid distribution in a riser of MTO Circulating Fluidized Bed were proposed, it was shown that comparison this work axial profiles between predicted profiles were well coincide. The decay coefficient developed in this study could be expressed by as a function of Froude number and dimensionless velocity ratio. 본 연구는 Methanol to olefins (MTO) 순환유동층 공정 해석을 위해 직경 0.025m-ID x 4 m-Height MTO 순환유동층 장치를 사용하였으며, 미세구형 평균촉매입자 크기 53㎛, 90㎛, 141㎛ 변화에 따른 수력학적 특성연구를 평가하였다. 비기계적 고체주입장치인 seal-pot을 사용하여 고체주입량을 결정하였으며, 평균촉매입자크기에 따른 seal-pot 성능을 해석하였다. 또한 MTO 순환유동층 장치에 최적의 평균촉매입자 크기를 제공할 수 있었다. 촉매입자크기 및 반응기기체 유속변화에 따른 고체체류분포도 및 감쇄상수를 연구하였으며, 촉매입자크기에 따른 감쇄상수가 축방향 고체체류분도에 미치는 영향을 증명하였다. 본 연구결과와 문헌의 연구결과를 사용하여 MTO 순환유동층 반응기내 축방향 촉매체류분포도를 예측할 수 있는 상관식에 제안하였으며, 본 연구결과에 잘 일치하는 것을 보여주었다. 본 연구에 제안한 감쇄상수 상관식은 Froude number와 무차원 유속비의 함수로 나타내었다.

순환유동층 연소로에서 수력학적 특성 실험 및 모델링 : 유동매체량에 따른 수력학적 특성을 중심으로

김은경 연세대학교 대학원 2003 국내석사

본 연구는 순환유동층의 주요 설계 및 운전 변수의 하나인 유동물질의 유동매체량(solid mass inventory)에 따른 순환 유동층 내에서의 수력학적 특성을 파악하여 이를 바탕으로 운전 및 설계변수를 예측하는 것이 주 목적이다. 실험실 규모의 순환유동층 실험 데이터와 이를 근간으로 모델링에는 IEA-CFBC 및 상용 CFD 해석코드를 사용하여 순환유동층 내에서 수력학적 특성을 평가 및 비교하기 위한 기초 자료를 제공하는 데 그 목적이 있다. 층물질 유동매체량과 공기 주입량을 변화시켰을 때의 순환유동층 내에 유동화 형태에 미치는 영향을 이해하고자 하였다. 실험은 직경 0.05 m와 높이 3 m의 아크릴 판으로 제작된 냉간 순환유동층에서 수행되었으며 사용된 유동물질은 흑색의 샬리카 카보네이트로 입경분포는 100 ∼ 500 ㎛ 범위를 이룬다. 상승부 공탑속도는 1.39 ∼ 3.24 m/s이고, J-밸브의 유동화 속도는 0.139 ∼ 0.232 m/s로 주어졌다. 실험으로부터 순환유동층 내 축방향 고체분률과 고체순환율이 측정되었고, 실험 데이터는 IEA-CFBC와 상용 CFD 코드를 이용한 모델링을 통해 검증 비교되었다. 또한 본 연구에서는 소규모 연구실 규모의 실험장치로부터 대규모 플랜트로의 용량확대(scale-up) 기초자료 확보를 위해 IEA-CFBC와 상용 CFD 코드를 이용해 모델링이 수행되었다. This paper discusses effect of solid of mass inventory on the hydrodynamic characteristics of circulating fluidized bed(CFB). Operating parameters of solid mass inventory and air flow rates were varied to understand their effects on fludization pattern. Experimental measurements were made in a CFB of which height and diameter are 3 m and 0.05 m, respectively. Black SiC particles ranging from 100 ㎛to 500 ㎛ were employed as the bed material. Superficial gas velocity of riser and J-valve fluidizing velocity were in the ranges of 1.39 3.24 m/s and 0.139 0.232 m/s, respectively. The axial solid fraction and solid circulation rate of CFB were calculated based on the experimental data and compared with modellings through IEA-CFBC Model and commercial CFD code(FLUENT).

상온상압 순환 유동층에서 수력학 특성

김도형 건국대학교 대학원 2007 국내석사

한글초록 : 상온 상압순환유동층 실험장치에서 수력학 특성을 분석하기 위해 고체의 초기충전량 혹은 기포유동층의 고체량에 따른 고체순환속도의 변화와 그의 영향을 측정 및 고찰하였다. 고체순환속도의 변화에 따른 영향으로 수송층 반응기에서 고체체류량의 변화를 고찰하였다. 상승관(0.025 m diameter, 3 m height), 두 개의 기포유동층(0.1 m diameter, 1.2 m height), 사이클론, 슬라이드벨브 등으로 구성된 장치에서 glass bead(dp=0.0926mm, ρs=2486 kg/m3)를 층물질로 사용하여 슬라이드벨브 2의 개구비와 기포유동층2의 고체층 높이를 변화시키면서 고체순환속도, 공정전체의 압력분포 그리고 상승관에서의 고체체류량을 측정했다. 고체순환속도는 슬라이드벨브 2의 개구비가 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 경향을 나타내었고 정상상태에서 유동층반응기2의 고체층높이가 증가함에 따라서 역시 선형적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 공정 전체의 압력과 상승관에서 고체 체류량은 고체순환속도의 영향을 크게 받는다. 따라서 슬라이드벨브 2의 개구비가 증가하거나 정상상태에서 유동층반응기2의 고체층높이가 증가함에 따라서 공정 전체의 압력과 고체체류량이 증가하는 경향을 보였다 영문초록 : This study has been carried out to investigate effects of the solid circulation rate and the bed level of the bubbling fluidized-bed on hydrodynamic characteristics in a circulating fluidized-bed system consisting of a riser and a bubbling fluidized- bed. The circulating fluidized-bed consisted of a riser (0.025 m diameter, 3 m height), two bubbling fluidized-beds (0.1 m diameter, 1.2 m height), cyclones and slide-valves. Glass bead (dp=0.0926mm, ρs=2486 kg/m3)was used for bed materials. The distribution of solid holdup and pressure and the solid circulation rate were measured with variation of the opening ratio of the slide valve below the bubbling fluidized-bed(II) and the bed level of the bubbling fluidized-bed(II) at ambient temperature and pressure. The solid circulation rate had a tendency to increase linearly with increasing the opening ratio of the slide valve below the bubbling fluidized-bed(II) and increasing the bed level of the bubbling fluidized-bed. The solid holdup and pressure of the whole process were influenced by the solid circulation rate. The pressure and the solid holdup had a tendency to increase with increasing the opening ratio of the slide valve below the bubbling fluidized-bed(II) and increasing the bed level of the bubbling fluidized-bed(II)

순환유동층 반응기내 운전조건에 따른 다상유동 열전달에 관한 전산해석

최동혁 연세대학교 대학원 2022 국내석사

제지애시 및 규조토를 사용한 경량 경화체의 특성

이용 한밭대학교 일반대학원 2017 국내석사

본 연구에서는 시멘트 대체재로서 고로슬래그를 사용하였으며, 고로슬래그에 사용되는 알칼리 자극제의 양을 줄이고자 고로슬래그에 순환 유동층 보일러 플라이애시를 첨가하였다. 고로슬래그는 잠재수경성이라는 성질을 가지고 있어 알칼리 자극제를 이용하여 고로슬래그 외부의 피막을 제거하여 주어야 경화가 진행된다. 고로슬래그 외부의 피막을 제거하기 위하여 사용된 순환 유동층 보일러 플라이애시에 있는 CaO 성분이 물과 반응하면 Ca(OH)2가 되며 고로슬래그를 경화시킨다. 또한, 경화체의 경량화를 위하여 제지애시와 규조토를 사용하였으며, 유동성, 밀도 및 흡수율, 휨 및 압축강도, 열전도율 등을 측정하였다. 적정 첨가율에 대한 시멘트 대체재의 특성을 분석하여 무기결합재의 경량복합패널의 심재로서 제조가 가능한 지에 대한 연구 자료로 활용하고자 한다. 그 결과, 본 연구 범위 내에서는 다음과 같이 요약할 수 있다. 1. 순환 유동층 보일러 플라이애시 첨가율에 따른 경화체의 특성 Series I에서 고로슬래그를 알칼리 자극제 없이 순환 유동층 보일러 플라이애시를 이용하여 경화를 진행시켰다. 그 결과, 국내의 경량패널 KS F 4914에 따른 압축강도 7MPa 이상은 모든 경화체에서 발현하였다. 하지만 순환 유동층 보일러 플라이애시의 첨가율이 증가함에 따라 유동성이 떨어져 적절한 유동성과 강도를 갖는 순환 유동층 보일러 플라이애시의 첨가율을 30%로 선정하여 Series Ⅱ의 배합으로 선정하였다. 2. 규조토 및 알칼리 자극제(제지애시) 첨가율에 따른 경화체의 특성 Series I에서 적정 배합으로 선정된 배합에 규조를 첨가한 실험을 진행한 결과, 규조토를 20% 첨가한 경화체는 밀도 1.21g/cm3 로 가장 낮은 밀도를 나타내었다. KS F 4914에 따르면 밀도는 최대 0.75g/cm3 로 0.7폼을 사용하고 있다 추후 밀도를 더 낮출 수 있는 실험을 추가적으로 진행하여야 할 것으로 판단된다. 제지애시를 첨가하고 알칼리 자극제의 첨가율에 따른 실험을 진행한 결과, 알칼리 자극제를 0% 첨가한 Plain 경화체는 약간의 팽창하는 현상을 보여주기는 했으나 공극이 생기며 발포하는 현상을 보이지는 않았다. 이후 자극제를 첨가하며 발포하는 현상을 보였으며, 자극제의 첨가율이 높아질수록 밀도는 낮아지는 현상을 보였다. 규조토 및 제지애시를 첨가하여 실험한 결과, 압축강도 및 휨강도는 높은 수준을 유지하고 있어 추후 경량화 실험을 추가적으로 진행하여도 7MPa 이상의 압축강도는 발현할 것으로 판단된다. 본 연구는 CO2 발생량을 줄이기 위하여 산업부산물인 고로슬래그와 순환 유동층 보일러 플라이애시, 제지애시, 규조토 등을 사용하여 도시생활주택을 위한 모듈러 주택에서 이용 가능한 경량 경화체를 제조하여 적은 작업인원으로도 작업이 가능한 경량벽체로 활용하기 위한 기초자료로서 연구하고자 하였다. 본 연구에 사용된 재료는 산업부산물을 사용한 경량복합패널로서 원자재에 대한 경제적 효과는 기존의 경량복합패널에 비해 클 것으로 기대된다. 본 연구의 결과를 보면 추후에 밀도를 더 낮추어야 하는 추가 실험이 필요하겠지만, 추가적으로 실험을 진행한다면 산업부산물 만을 사용하여 이산화탄소 저감과 낮은 원가로 충분히 사용 가능한 경량벽체로서 활용이 가능할 것이라 기대된다. This research used blast furnace slag as a cement alternative and to reduce the amount of alkali accelerator used in blast furnace slag, circulatory flow layer boiler fly ash was added to blast furnace slag. Blast furnace slag has latent hydraulic properties and thus the use of alkali accelerator is required to remove the outer film of blast furnace slag to proceed with hardening. When CaO component in circulatory flow layer boiler fly ash, used to remove outer film of blast furnace slag, reacts with water, it becomes Ca(OH)2which hardens blast furnace slag. Further, paper ash and diatomite were used to make matrix more lightweight, and liquidity, density, water absorption ratio, flexural and compressive strengths, and heat conduction rate were measured. Properties of cement alternatives according to optimum addition ratio were analyzed to use as research material to verify the possibility of manufacturing it as the core of lightweight complex panel in inorganic binder. The results can be summarized as below within the scope of this research. 1. Properties of matrix according to addition ratio of circulatory flow layer boiler fly ash In Series I, hardening of blast furnace slag was conducted with out alkali accelerator using circulatory flow layer boiler fly ash. The results in all matrixes were over 7MPa of compressive strength according to Korea lightweight panel KS F 4914. However, increase in addition ratio of circulatory flow layer boiler fly ash reduced liquidity. Therefore, 30% addition ratio of circulatory flow layer boiler fly ash was chosen to have appropriate liquidity and strength, and thus it was selected as Series II mix. 2. Properties of matrix according to the addition ratio of diatomite and alkali accelerator (paper ash) The result of replacement experiments using the combination identified in Series I showed the lowest density of 1.21g/cm3 in matrix added with 20% diatomite. According to KS F 4914,maximum density is 0.75g/cm3(0.7 foam). There is a need for additional research to reduce density in the future. Experiments were conducted according to addition ratio of alkali accelerator and by adding paper ash. There was slight expansion in plain matrix with 0% alkali accelerator; there were pores but no discharge. Then, stimulant addition led to discharge; increasing addition ratio of stimulant decreased density. Results of experiment adding pore and paper ash showed that compressive and flexural strength were maintained at high levels. Further experiments on lightweight matrix could lead to over 7MPa of compressive strength. This research was conducted to reduce CO2 emission by using industrial byproducts such as blast furnace slag, circulatory flow layer boiler fly ash, paper ash, and pore to manufacture lightweight matrix to be used in modular housing for urban living homes. The research aimed to be the basic material for the use of lightweight walls to allow construction work with fewer workers. The materials used in this research are lightweight complex panels using industrial byproducts and its economic benefits in terms of raw materials are expected to be great compared to the existing lightweight complex panels. The results of this experiment shows additional research is required to lower density further. Additional research could allow the use of lightweight walls with lower cost and reduced carbon dioxide emission by using industrial byproducts.

순환유동층보일러 효율향상을 위한 eutectic에 의한 응집 메커니즘 연구

연무혁 부산대학교 대학원 2024 국내석사

순환유동층보일러에 재생에너지를 연료로 적용하는 것은 탄소 중립을 달성하기 위해 필수적이다. 바이오매스는 널리 알려진 재생에너지원 중 하나로, 순환유동층보일러에 투입 시, 높은 알칼리금속 함량으로 인한 응집이 발생할 것이 예상되어 졌다. 이와 같은 응집 현상은 회분 내 성분들의 조성비에 따라 용융온도가 바뀌어 발생하며, 응집과 관련된 순환유동층보일러 운영기준이 아직 정립되지 않았다. 본 연구에서는 회 용융 분석을 통해 알칼리금속에 의한 용융점 감소 현상을 실험적으로 확인하였으며, 유동층 조건에서 층물질 및 알칼리금속에 따른 응집 비율을 정량적으로 비교하였다. 본 연구에서 알칼리금속에 의한 응집 비율 도출에 사용된 실험방법은 유동층 환경에서 회분 조성 변화로 발생하는 정량적 응집량 평가에 활용될 수 있으며, 탄소 중립을 달성하는 과정에서 바이오매스 순환유동층보일러의 안정적인 운영방안 수립에 활용될 수 있다. 또한, 저회의 대체 층물질 적용 가능성을 평가하였으며, 낮은 SiO2 함량의 층물질이 알칼리금속에 의한 응집 비율을 낮출 수 있음을 보였다. 이를 통해, 순환유동층보일러 층물질 모래의 대체재를 선정하여 운용비용을 절감에 기여할 수 있을 것이다.

배가스 폐열회수용 순환유동층 열교환기 성능

윤효중 공주대학교 대학원 2003 국내석사

우리나라의 산업폐열 추정량은 2000년을 기준으로 약 9백만 에너지톤 (TOE)이고, 이중 폐가스 비율은 약 80%에 해당하며, 이중 약 50%만이 회수되고 있는 실정이다. 특히 소각로 등의 배가스에는 다량의 오염의 부식물질(분진)이 많으며 이러한 오염 물질이 열교환기의 전열면을 오염 시켜 열교환기의 성능을 크게 저하시킨다. 따라서 전열면의 오렴문제 없이 배가스에 함유된 열에너지를 효과적으로 회수할 수 있는 기술의 개발이 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 실험실 규모의 유동층식 폐열회수용 열교환기가 고안되고 이에 대한 시험을 수행하였다. 본 열교환기 시스템은 이전의 연구에서 다루었던 단일상승관식 열교환기와 달리 많은 량의 배가스를 다루기 위하여 다수(4개)의 상승관을 갖고있다는 특징을 가지고 있다. 순환입자는 상승관의 입구영역에 설치된 환형 입자주입구를 통하여 배가스와 혼합된 상태로 수직 전열관을 통과한다. 본 연구를 통하여 가스-물 열교환기 시스템에 대한 전열성능과 함께 압력손실에 대한 실험값을 얻었다. 성능실험장치는 원하는 온도의 배가스와 냉각수를 공급하기 위한 연소로와 온수가 열기를 포함하는 순환유동층 열교환기 실험장치로 구성되며, 배가스 유량은 약 200Nm3/hr이고, 전열 용량은 7000kcal/hr 이다. 순환유동층 열교환기는 다량의 배가스로부터 폐열을 회수하기 위하여 다관식으로 구성되며 분배판을 사용하지 않는 형식으로 설계되었다. 본 연구를 통하여 수행된 성능실험결과는 전열성능과 압력강하, 열교환기내 입자순환 특성 외에 입자포집방법 및 배가스 유량측정 방법에 대하여 소개하고 있다. A lab-scale fluidized bed heat exchanger for waste gas heat recovery is devised and tested. Compared to our previous works on fluidized bed type system with a single riser, the present heat exchanger system is featured by its multiple(four) risers to handle increased amount of exhaust gas. Particles are introduced to the main hot gas stream alongside the pipe circumference near riser inlets. The heat exchanger performance and pressure drop are evaluated through experiments for the present gas-to-water heat exchanger system. An experiment study was performed to evaluate the heat transfer according to decrease of waste gas flow rates caused by using the solid particles in the heat exchanger system. In the experiment, The temperature of waste gas is about 260 ℃ and The initial waste volume flow rates is 202Nm3/h and 206.7Nm3/h. As the results, in spite of decrease of waste gas flow rate, The overall Heat-transfer Coefficient have been increased to maximum 12.6 % in the present system.

탄소배출 저감을 위한 SC-AS 고화제의 경화 특성

김동남 중앙대학교 대학원 2024 국내박사

순환유동층 연소로 내에서 수평전열관의 열전달 특성 연구

김부현 연세대학교 산업대학원 2000 국내석사

유동층 연소 보일러의 장점은 국내의 저열량 무연탄을 높은 열전달율 및 연소효율을 유지하면서 연소할 수 있다는 점과 배기가스에 의한 심각한 공해문제의 해결을 위하여 별도의 공해 방지시설 없이 연소과정에서 가능하다는 것이다. 그러나 유동층 연소보일러는 고체입자가 격렬하게 운동하므로 유동층내에 전열관을 설치하면 전열관 표면과 유동매체 사이의 충돌접촉으로 인한 마멸과 연소화염에의 노출로 인한 부식에 의해 침식이 심하게 일어나기 때문에 전열관의 수명이 기존의 보일러보다 매우 짧다. 유동층 연소에 영향을 주는 중요한 운전인자가 매우 많기 때문에 유동층 연소의 열전달 현상은 매우 복잡하다. 국내 무연탄을 이용하는 유동층 보일러에서 열전달에 영향을 주는 주요한 인자로는 국내 무연탄의 회분함량, 층내온도, 전열면 온도, 유동매체의 크기, 모양 및 물성, 공기분배판의 형태, 유동화 속도, 전열관의 크기 및 형태, 전열관의 배열형태 등이 있다. 일반적인 유동층 연소 기술은 국내 외에서 많은 연구가 수행, 완료되어 실재 유동층 연소보일러에 적용하고 있지만, 무연탄을 연소할 경우 유동매체의 격렬한 운동으로 인하여 발생되는 전열관 침식에 대한 기술 정립이 없는 실정이므로, 국내 무연탄을 사용하는 유동층 연소로에서 전열관에 Fin부착 여부에 따른 열전달 특성을 연구하여 이에 대한 자료를 정립할 필요가 있다. 따라서 본 연구는 유동층 보일러 내에 설치되는 수평 전열관의 열전달 특성을 조사하고, 매끄러운 전열관에 대한 것과 비교 분석하여 유동층 보일러의 기본자료로 활용하고자 한다. 본 연구를 실행하기 위하여 실험실용 유동층 연소로를 설계 제작하고, 삼각형 형상의 Fin의 방사상으로 부착된 윈통형 전열관을 고온 유동층 내에 수평으로 설치하였을 때 유동층 온도, 유동화 속도, 유동매체의 평균입자 크기, Fin의 크기 및 형태 등이 열전달율에 미치는 영향을 조사하고, Fin이 없는 매끄러운 일반 전열관을 Fin이 부착된 전열관을 실험한 것과 동일한 유동매체 및 동일한 연소 분위기 온도하에서 열전달율을 측정하여 이들 실험자료를 비교 분석하여 Fin의 최적 크기 및 형태를 결정하여 발전소용 유동층 연소로의 전열관 자료로 활용하고자 한다. 본 연구를 수행하기 위한 전열실험을 할 수 있도록 연료로 Propane가스를 사용하고 연소실 단면적 크기는 410×250㎟이며 전열관을 동시에 7개까지 수평으로 설치할 수 있는 유동층 실험장치를 설계 제작하였다. 본 실험장치로는 바깥지름 48.6mm 인 보일러용 고압강관으로 된 Smooth Tube 전열관과 Finned Tube 전열관 6종류에 대하여 아래와 같은 운전조건하에서 전열실험을 하였다. 층내온도 : 720℃, 800℃, 880℃ 유동매체의 평균 입자 크기 : 0.96mm, 1.37mm 전열관의 휜 경사각 : 25˚ ,30˚ ,35˚ ,40˚ ,45˚ ,50˚ 공탑속도 : 1.1∼2.8m/s 위와 같은 실험조건하에서 실행한 전열실험의 결과는 다음과 같이 요약할수 있다. 열전달계수는 동일한 전열관 및 공탑속도에서 층내온도가 증가할수록 또한 유동매체의 크기가 작을수록 증가한다. 또한 동일한 전열관, 층내온도 및 유동매체에 대하여 공탑속도가 증가함에 따라 열전달계수가 약간 증가하다가 감소하는 경향이 있으나 실험이 이루어진 공탑속도의 범위내에서 평균 열전달계수에 대하여 편차가 ±6% 이내로 아주 작았다. 본 실험 범위에서 최대 열전달계수가 최대인 전열관은 유동매체의 평균 입자크기가 0.96mm인 경우에서는 휜 경사각이 25˚ 인 휜 전열관이며, Dp=1.37mm인 경우에서는 휜 경사각 θ=30˚ 인 휜 전열관으로 매끄러운 전열관에 비해 열전달계수가 각각 약 2배와 1.8배 증가하였다. 휜 전열관에서의 열전달계수가 매끄러운 전열관에서의 열전달계수보다 크고 유동매체의 크기에 따라 최대 열전달계수를 갖는 휜 전열관의 휜 경사각이 다르다. 또한 동일한 유동매체와 공탑속도에서 층내온도가 증가할수록 휜 경사각 θ의 변화에 대한 열전달계수의 변화폭이 커져서 휜 경사각의 영향이 뚜렷하게 나타났다. 위의 전열실험결과 Finned Tube 전열관은 Smooth Tube 전열관에 비해 열전달율이 증가되고 휜의 경사각이 유동매체의 입자크기에 대하여 적당하면 침식은 휜의 끝부분에서만 이루어지기 때문에 전열관의 수명은 짧아지지 않으므로 유동층 내에 수평으로 설치할 전열관은 Smooth Tube 전열관보다 유동매체의 크기에 따라 최적의 휜 경사각을 갖는 Finned Tube 전열관이 바람직한 것으로 생각된다. Fluidized bed combustion is particularly appealing with its combined advantages of pollution control. fuel flexibility and excellent heat transfer. Critical to the improved design of immersed heat transfer surface is a fundamental understanding of bed-to-surface heat transfer phenomena in high temperature fluidized beds. Until now, studies on heat transfer phenomena in fluidized beds have been primarily related to smooth tubes immersed in fluidized bed. Fluidized bed heat transfer phenomena are complicated by a large number of significant fludized bed operating parameters. These include bed and heat transfer surface temperature; particle size, shape and physical properties; type of distributor; fluidizing velocity; and configuration of the immersed surfaces such as size, shape, spacing and pitch; among others. Generally the heat transfer rate between a fluidized bed and an immersed tube equipped with fins is higher than the case without fins. A lifetime of finned tubes is generally longer than that of smooth tubes. Studies on the heat transfer characteristics of finned tubes immersed in high-temperature fluidized beds are relatively scare. The objective of present work is to experimentally investigate the characteristics of heat transfer of horizontal tubes, equipped with radial fins of triangular profile, immersed in a high-temperature fluidized bed. Operating variables to be considered are bed temperature, superficial velocity, mean size of bed material, and the rake angle of fin. The heat transfer variations of the finned tube are experimentally compared with those of a smooth tube. The experimental set-up in the present study was designed and built for heat transfer of the fluidized bed with combustor cross-sectional area of 410×250㎟ and the heat exchange tubes up to 7 can be installed horizontally. The results of the heat transfer test is as follows. The experimental conditions for heat transfer test of smooth and finned tubes with outside and inside diameters of 48.6 and 30.6mm are as follows Bed temperature : 720℃, 800℃, 880℃ Mean particle size of bed material : 0.96mm, 1.37mm Rake angle of fin : 25˚ ,30˚ ,35˚ ,40˚ ,45˚ ,50˚ Superficial velocity : 1.1∼2.8 m/s The heat transfer coefficient for the same tube and superfical velocity increases as bed temperature increases, and as the particle size decreases. Also the coefficient slightly increases and decreases as the superficial velocity increases, and its overall variation is very small. The peak heat transfer coefficient for the tube of highest coefficient is obtained by a fin with the rake angle of 25˚ for the mean particle size of 0.96mm and 30˚ for 1.37mm. These values are approximately 2 and 1.8 times greater than those for a smooth tube, respectively. The heat transfer coefficient for finned tube is greater than that for smooth tube and the rake angle of finned tube for maximum heat transfer coefficient is different in the particle size. Also the effect of rake angle becomes evident as bed temperature increases.