입자 체류시간 분포를 고려한 수소환원제철 다단 유동층 반응기의 수학적 모델링과 공정 모사 = Mathematical Modeling and Process Simulation of Multi-Stage Fluidized Bed Reactors for Hydrogen-Based Ironmaking with Consideration of Particle Residence Time Distribution

국문 초록 (Abstract)

철강 산업의 높은 탄소 배출을 줄이기 위해, 수소 기반 직접 환원 공정이 큰 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 각 반응기에서 입자의 체류 시간 분포를 포함한 수소 기반 직접 환원을 위한 다단 유동층 반응기 모델을 제시한다. 이 모델은 입자 상태 변화를 위해 균일 반응 입자 모델을 포함한다. 반응기는 난류 유동층을 나타내는 것으로 예측되며, 이에 따라 기상 몰수지식을 적용하였다. 각 반응기 내 입자의 체류 시간 분포 효과는 external/internal age distribution를 통해 고려하였다. 모델의 수렴을 보장하기 위한 기법과 알고리즘을 제안하였으며, 시스템의 지정된 유입 조건 하에서 수치 해를 성공적으로 얻었다. 시뮬레이션 결과는 철광석이 주로 수소에 의해 점진적으로 환원되며, 각 단계에서 상당한 양의 물이 생성됨을 보여준다. 이 시뮬레이션을 기반으로 환원 특성과 유입 조건 변화가 미치는 영향을 평가하기 위한 민감도 분석을 수행하였다. 또한 환원 가스를 100% 수소로 설정한 시뮬레이션에서는 수소 환원이 흡열 반응임에 따라 혼합 가스 조건보다 반응기 온도가 더 낮게 유지됨을 확인하였다. 이후 추가 단위 공정을 포함한 전체 공정의 경제성 최적화를 수행하였으며, feed 비용이 총 비용에 utility 비용보다 더 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 마지막으로, 흐름 분배기와 H2-PSA 이전의 다단 압축기 유닛을 고려한 공정을 공정 모사 프로그램으로 시뮬레이션하여 수소 회수율을 높이는 것이 운영 비용 측면에서 유리함을 확인하였다. 따라서 본 연구는 철강 산업의 탄소 중립에 기여하며, 수소 환원 제철 공정의 상용화에 이바지한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

To accelerate the transition to low-carbon steelmaking, hydrogen-based direct reduction is considered a viable alternative to conventional CO-based processes. This study presents a mathematical model for a multi-stage fluidized bed reactor (FBR) system that captures the characteristics of gas– solid reactions and thermal behavior across sequential reactors. A key feature of the model is the rigorous treatment of particle residence time distribution (RTD) in each stage and the cumulative effect of RTD superposition throughout the reactor network. The model incorporates internal and external age distributions, uniformly reacting grain kinetics, and mole and energy balances for the solid and gas phases in each reactor. This integrated framework enables detailed prediction of particle state distribution and reactor operating conditions. A numerical algorithm was developed to obtain steady-state solutions for reactor temperatures, outlet gas compositions and flow rates, and solid-phase state distributions. Based on the developed multi-stage FBR model, a flowsheet-level simulation of the overall hydrogen-based DRI (direct reduced iron) production process was established.
The process includes auxiliary units such as hydrogen purification, compression, intercooling, and heating to facilitate hydrogen recycling. An economic optimization was then performed, revealing that hydrogen utilization significantly affects the total process cost. Finally, the process considering the flow splitter and the multi-stage compressor unit upstream of the H2-PSA was simulated using a process simulation program, verifying that increasing hydrogen recovery is advantageous in terms of operating costs. Therfore, This work provides a comprehensive modeling and analysis framework for evaluating both the technical performance and economic feasibility of multi-stage FBR systems for hydrogen-based ironmaking.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 모델 설명 3
• 2.1. 키네틱 모델 6
• 2.1.1. 철광석의 direct reduction 8
• 2.1.2. Dolomite의 Half-calcination 10
• 2.1.3. 반응들의 키네틱 파라미터 11
• 2.2. 입자의 체류 시간 분포 13
• 2.3. 다단 유동층 반응기 시스템의 지배 방정식 15
• 2.3.1. 단일 유동층 반응기의 기체상 몰 수지식 17
• 2.3.2. 단일 유동층 반응기의 고체상 몰 수지식 18
• 2.3.3. 다단 유동층 반응기 시스템의 에너지 수지식 20
• 3. 계산 방법론 및 풀이 알고리즘 21
• 3.1. 반응기 출구 입자 상태 분포의 이산화 21
• 3.2. 정상 상태 해를 위한 반복 수렴 알고리즘 25
• 4. 시뮬레이션 및 분석 28
• 4.1. 과량 수소 기반 ironmaking 28
• 4.1.1. 시뮬레이션 결과 28
• 4.1.2. 민감도 분석 39
• 4.2. 100% 수소 기반 ironmaking 43
• 4.2.1. 시뮬레이션 결과 43
• 4.3. 100% 수소 기반 ironmaking 공정의 최적화 45
• 4.3.1. 최적화 문제: Operating cost의 최소화 48
• 4.3.2. 최적화 결과 및 비교 분석 50
• 5. 공정 모사 프로그램과의 연동 55
• 5.1. 머신 러닝 기반 대체 모델 구축 55
• 5.2. 공정 모사 58
• 5.2.1. 공정 설명 58
• 5.2.2. 공정 모사 결과 및 분석 62
• 6. 결론 67