폐목질계 바이오매스의 급속열분해 기포유동층 반응기에 대한 수치해석적 연구

이지은(Ji Eun Lee),최항석(Hang Seok Choi) 大韓環境工學會 2013 대한환경공학회지 Vol.35 No.10

대기 오염, 기후 변화 등 환경 문제와 자원 고갈로 인해 화석 연료를 대체할 에너지에 많은 관심이 집중되고 있다. 폐바이오매스의 에너지화 분야에서도 다양한 연구가 이루어지고 있다. 폐목질계 바이오매스의 급속열분해는 바이오매스 에너지화 기술 중 하나로 액상 연료를 생산할 수 있다. 바이오매스의 급속열분해에는 주로 기포유동층 반응기가 쓰이고 있으며, 기포유동층 급속열분해 반응기에서는 반응물에 열을 효과적으로 전달하기 위하여 고체입자의 유동매체를 이용한다. 이러한 기포유동층 반응기에서 유동층 내 고체 입자의 움직임과 혼합은 기포의 거동에 영향을 받는다. 이로 인해 열전달 현상이 달라지고 결과적으로는 폐목질계 바이오매스의 급속열분해 반응 속도가 변한다. 따라서 본 연구에서는 기포유동층 반응기 내부의 수력학적 특성과 폐목질계 바이오매스 급속열분해 반응에 관한 연구를 수행하였다. 반응기내의 기체-고체 유동에 대해 Eulerian-Granular 방법을 사용하여 반응기를 시뮬레이션 하였으며, two-stage semi-global reaction model로 폐바이오매스의 급속열분해반응을 모사하였다. 결과를 살펴보면, 유동층 내에서 기포들이 생성되고 상승하면서 크기가 증가한다. 이러한 기포의 거동에 의해 기포 주위의 고체 입자는 여러 방향으로 움직이게 된다. 고체 입자상의 활발한 움직임으로 바이오매스 입자가 유동층에 골고루 퍼져 일차 반응이 유동층 전반에서 일어난다. 그리고 일차 반응 중 타르가 생성되는 반응 속도가 가장 높게 나타난다. 그 결과 기체상 생성물 중 타르가 약 66 wt.%로 가장 많이 발생한다. 반면 이차 반응은 유동층에서보다 freeboard에서더 많이 일어난다. 따라서 기포의 거동이나 입자의 움직임에 의한 영향은 일차 반응보다 상대적으로 적을 것으로 판단된다. New and renewable energy sources have drawn attention because of climate change. Many studies have been carried out in waste-to-energy field. Fast pyrolysis of waste lignocelluosic biomass is one of the waste-to-energy technologies. Bubbling fluidized bed (BFB) reactor is widely used for fast pyrolysis of the biomass. In BFB pyrolyzer, bubble behavior influences on the chemical reaction. Accordingly, in the present study, hydrodynamic characteristics and fast pyrolysis reaction of waste lignocellulosic biomass occurring in a BFB pyrolyzer are scrutinized. The computational fluid dynamics (CFD) simulation of the fast pyrolysis reactor is carried out by using Eulerian-Granular approach. And two-stage semi-global kinetics is applied for modeling the fast pyrolysis reaction of waste lignocellulosic biomass. To summarize, generation and ascendant motion of bubbles in the bed affect particle behavior. Thus biomass particles are well mixed with hot sand and consequent rapid heat transfer occurs from sand to biomass particles. As a result, primary reaction is observed throughout the bed. And reaction rate of tar formation is the highest. Consequently, tar accounts for 66wt.% of the product gas. However, secondary reaction occurs mostly in the freeboard. Therefore, it is considered that bubble behavior and particle motions hardly influences on the secondary reaction.

점성액체로 채워진 수직 원관의 중심축을 따른 구형 기포의 상승

정재택(Jae-Tack Jeong) 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集B Vol.46 No.5

수직으로 놓인 원관에 점성 액체가 채워져 있고 점성유체 내의 기포가 부력에 의하여 원관의 중심축을 따라 수직으로 상승할 때 생겨나는 점성유동의 특성에 대하여 고찰한다. 특히, 자유표면에서 표면장력 효과가 충분히 큰 경우 기포는 구형으로 가정할 수 있으며, 기포의 상승속도가 느린 경우 기포주위의 유동은 비압축성 축대칭 스톡스 유동으로 근사된다. 축대칭 스톡스 유동방정식을 해석하는데 고유함수 전개와 오차의 최소제곱법이 사용된다. 주어진 기포의 상승속도에 대하여 유동함수와 압력분포식을 구하고 기포가 받는 항력을 결정할 수 있다. 유동장의 해석 결과로부터, 기포의 상승속도를 기포반경의 함수로 구하였으며, 기포 주위의 유선과 압력분포 등 유동장의 특성을 고찰하고, 기포 표면에서의 접선속도 분포 및 수직응력 분포를 각각 도시하였다. 또한, 원관 내의 기포의 상승으로 인해, 기포로부터 먼 지점에서의 압력 변화 및 원관의 벽면에 작용하는 전단력에 대하여 논의하였다. We considered the characteristics of the viscous flow generated when a bubble in a viscous fluid filled in a vertically placed circular tube rises vertically along the axis of the tube due to buoyancy. Particularly, when the surface tension effect at the free surface was sufficiently large, the bubble could be assumed to be spherical; and when the velocity of the rising bubble was slow, the flow around the bubble was approximated to an incompressible axisymmetric Stokes" flow. The method of complex eigenfunction expansions and the method of least squared error were used to analyze the axisymmetric Stokes" equations. Moreover, for a given velocity of the rising bubble, the stream function and the pressure distribution could be obtained, and the drag force of the bubble could be determined. From the results of the analysis of the flow field, the velocity of the rising bubble was found as a function of the radius of the bubble; the flow characteristics, such as the streamline and pressure distribution around the bubble, were examined; the tangential velocity distribution and the normal stress distribution at the bubble surface were shown. Furthermore, due to the rise of the bubble in the tube, the pressure change at a distance from the bubble, and the shear force acting on the tube wall were discussed.

원관 내의 구형 기포를 지나는 축대칭 스톡스 유동에 대한 연구

정재택(Jae-Tack Jeong) 대한기계학회 2020 大韓機械學會論文集B Vol.44 No.5

원관 내의 기포를 지나는 비압축성 축대칭 유동에 대한 이론적 연구를 수행하였다. 기포는 원관의 중심축에 놓여 있으며, 기포에서 멀리 떨어진 곳에는 하겐-포아제 유동이 존재한다. 유동방정식에 스톡스 근사를 적용하고 고유 함수 전개와 오차의 최소제곱법을 사용하여 유동장을 해석하였다. 해석의 결과로 유동 함수와 압력 분포 식을 구하여 유선과 압력 분포도를 도시하였으며, 원관의 벽면과 기포표면에 작용하는 응력 분포를 계산하여 도시하였다. 원관 내의 기포로 인해 발생하는 부가적인 압력 강하와 기포가 받는 항력을 기포의 반경의 함수로 도시하였으며, 기포의 존재로 인하여 원관의 벽면에 작용하는 유동 방향의 전단력이 증가함을 확인하였다. This study analyzes the axisymmetric Stokes flow past a spherical bubble in a circular tube. The bubble is located on the axis of the circular tube, and the Hagen-Poiseuille flow exists upstream and downstream far from the bubble. The Stokes approximation is used, and the flow is investigated analytically using the eigenfunction expansion and the least-squared error methods. From the analysis, the stream function and pressure in the flow field are obtained, and the streamline pattern and pressure contour lines are shown. In addition, the normal and shear stress distributions on the bubble surface and circular tube wall are calculated, and then shown for some typical radii of the bubble. The additional pressure drop induced by the bubble and the drag force exerted on the bubble are plotted as functions of the bubble radius, and it is shown that the shear force on the tube wall increases owing to the existence of the bubble.

원뿔형 산기관 설계와 생물반응조에서 수력학적 운전특성에 관한 실험 및 해석

이승진(Seung-Jin Lee),고경한(Kyeong-Han Ko),고명한(Myeong-Han Ko),양재경(Jae-Kyeong Yang),김용국(Yong-Guk Kim) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集B Vol.39 No.8

본 연구의 목적은 고효율 미세기포 공급장치인 산기관을 개발하기 위하여, 미세기포를 이용하여 하폐수에 용존산소를 효율적으로 공급하고 슬러지에 의한 기공의 막힘을 최소화함으로써 호기성 미생물에 의한 유기물 분해공정의 효율성과 내구성을 개선하고자 하였다. 종래의 미세기포 산기관을 개선하기 위하여, 실험과 전산해석 방법을 이용하여 미세기포를 발생시키면서 슬러지에 의한 막힘현상이 없는 원뿔형 산기관을 개발하였다. 전산해석을 통하여 단위 산기관 내부의 공기유동패턴을 확인하여 산기관 설계를 보완하고, 모의 생물반응기에 단위 산기관을 적용하여 발생 기포 거동 실험과 2상유체유동에 대한 전산해석을 수행하였다. 실험 결과로서 모의 생물반응기 내에서 발생기포 수직 길이 및 상승속도 등 기포거동에 대한 통계치를 도출하였으며, 전산해석 결과로서 기포군의 거동을 포함한 유동특성에 대한 메커니즘을 규명하였다. 이를 통하여 고효율 산기관 설계를 체계화하였고 모의 생물반응기 내에서 기포거동과 내부유동 현상을 규명함으로써, 실증 수처리장 규모 생물반응기에 산기관 군체를 적용하여 산소전달특성 및 내부유동특성을 파악하고 시스템을 설계하는데 중요한 근거를 제시하였다. In this study, we develop a highly efficient conical-air diffuser that generates fine bubble. By inserting a sufficient number of aerotropic microorganisms with dissolved oxygen from an air diffuser and minimizing the air-channel blockages within the air diffuser, we expect to improve the efficiency and durability of the decomposition process for organic waste. To upgrade the conventional air diffuser, we perform experiments and numerical analysis to develop a conical-type that generates fine bubble, and which is free from nozzle blockage. We complement the air-diffuser design by numerically analyzing the internal air-flow pattern within the diffuser. Then, by applying the diffuser to a mockup bioreactor, we experimentally and numerically study the bubble behavior observed in the diffuser and the 2-phase fluid flow in the bioreactor. The results obtained include statistics of the cord length and increased velocity, and we investigate the mechanisms of the fluid-flow characteristics including bubble clouds. Throughout the study, we systemize the design procedures for the design of efficient air diffusers, and we visualize the fluid-flow patterns caused by bubble generation within the mockup bioreactor. These results will provide a meaningful basis for further study as well as the detection of oxygen transfer and fluid-flow characteristics in real-scale bio-reactors using sets of air diffusers.

2상유동장 내 3차원 밀도 분포 재건을 위한 토모그래피 기법의 성능 비교 분석

고한서,김용재 한국비파괴검사학회 2002 한국비파괴검사학회지 Vol.22 No.5

Algebraic reconstruction technique (ART)과 multiplicative algebraic reconstruction technique (MART)이라는 토모그래피 방법을 이용하여 2상유동에서 기포의 거동을 비침투적으로 분석하였다. 먼저, 컴퓨터 합성 영상장으로 환상유동과 기포유동을 제작하여 2차원 단면의 재건을 시도하였다. 2상유동의 보다 정확한 결과들을 얻기 위하여 두가지 토모그래피 방법이 비교되었다. 그리고, 2상유동에서 기포의 거동을 3차원으로 분석하기 위하여 2개와 3개의 기포가 존재하는 3차원 합성 영상장으로부터 2차원 단면에서 보다 정확한 결과를 보인 MART 재건법에 의해서 밀도 분포 해석을 수행하였다. Bubble behaviors in two-phase flows have been analyzed by tomography methods such as an algebraic reconstruction technique (ART) and a multiplicative algebraic reconstruction technique (MART). Initially, a bubbly flow and an annular flow have been investigated by cross-sectional view using computer synthesized phantoms. Two tomography methods have been compared to obtain more accurate results of the two-phase flows. Then, reconstruction of three-dimensional density distributions of phantoms with two and three bubbles have been accomplished by the MART method which provided the better results for the two-dimensional reconstructions accurately to analyze the bubble behaviors in the two-phase flow.

다단 후래시 증발장치내 개수로 유동의 열.수력학적 거동

설광원,이상용 대한기계학회 1990 대한기계학회논문집 Vol.14 No.3

본 연구에서는 개수로 후래시 증발기 내부를 단순화된 형태로 가정하여 앞서 언급된 운전조건 및 유입되는 기포의 갯수유량(혹은 기공률)에 따라 증발기 내부의 속 도 및 온도분포를 수치적으로 계산해 보고자 한다. 이를 위해 유동을 정상상태의 난 류유동으로 가정하였으며, 구형의 기포에 대해 평균적인 운동 및 성장을 지배하는 방 정식을 세우고 상변화에 의한 증발량을 구하였다. 즉 입구에서 유입된 기포들이 성 장하면서 자유표면을 통해서 빠져나가는 운동 궤적을 추적함으로써 증발기 내부 유동 의 속도 및 온도분포를 구하고 이를 바탕으로 총 증발량 및 증발성능을 예측해 보고자 하는 것이다. 그리고 이렇게 계산된 결과들을 기존의 실험값과 비교하였다. This paper describes behaviors of two-phase open channel flow inside the flash chamber of a horizontal Multi-Stage-Flash evaporator numerically along with the experimental observations. Bubble trajectories and the velocity and temperature distributions of the liquid phase were predicted by using the particle-source-in-cell(PSI-Cell) method with the appropriate bubble motion/growth equations. Size and number of bubble nuclei embedded in the incoming liquid(brine) were taken into account as important parameters in addition to the conventional ones such as the velocity, degree of inlet superheat, inlet opening height, and the liquid level. Bubble motions, which are unsteady, appeared to be mostly determined by the buoyancy and the drag forces. The calculations, though a number of simplifying assumptions were made, reasonably simulated the hydrodynamic behaviors of the two-phase horizontal stream observed in the experiments. The simulated temperature distributions also agreed fairly well with the other's measurements. Non-equilibrium allownaces, evaluated from the simulated temperature distributions, were within the range of those obtained from the existing correlations, and reduced with the increases of the number and size of incoming bubble nuclei due to vigorous flashing.

친환경 경량기포 혼합토의 적용성

안영균 한국항해항만학회 2008 한국항해항만학회 학술대회논문집 Vol.2008 No.추계

해안지역 등 연약지반의 도로건설에서 각종 건설공사시 높은 성토고에 의한 토압증가로 잔류침하가 지속적으로 과다하게 발생되고 있어 공사 중에도 지속적인 덧씌우기 공사 등 유지관리에 애로가 많았다. 득히 교량이나 Box 등의 구조물과 토공부와의 접속구간에는 토압의 변화에 따른 단차와 부등침하게 발생되어 안전성 확보에 어려움이 많아 새로운 접근법으로 연약지반 발생토에 물과 시멘트 등의 고화재를 혼합하여 유동화시키고 기포를 혼합하여 경량화한 경량기포 혼합토의 적용을 시도하였다. 부산신항 배수도로 현장의 통로박스 단차방지 시험시공구간에 적용하고 기간침하량으로 비교한 결과 Box부와 경량기포혼합토 시공구간의 단차는 거의 발생하지 않았으며 예측된 침하경향과 비슷한 형태를 보였으며, 성토완료 후의 침하속도는 미시공 구간에서 더 빠른 것으로 나타나 도계-초정간 도로 확장포장공사에서도 침하방지대책으로 EPS블록 대신 경량기포혼합토를 복합적으로 적용하는 것으로 하였고 점차 항만배후도로, 배수펌프장, 교량연결구간, 지하차도 등 다양하게 적용이 확대될 전망이다.

석탄회를 활용한 경량기포유동화재의 플로우 및 강도 특성

이승준(Lee, Seungjun),이종휘(Lee, Jonghwi),채휘영(Chae, Hwiyoung),천병식(Chun, Byungsik) 한국지반환경공학회 2011 한국지반환경공학회논문집 Vol.12 No.10

산업부산물 중 석탄회는 전체배출량의 약 30%가 재활용되지 못하고 매립되고 있으며, 매립에 따른 비용 등의 문제가 심각하다. 국내 석탄회 중에서 비회는 건설재료로서 재활용되나, 매립회는 대부분 재활용되지 못하고 매립되고 있다. 본 연구에서 석탄회를 활용하여 개발한 경량기포유동화재는 기존의 유동화재에 기포를 더하여 단위중량을 낮추었으며, 교대 및 옹벽 등의 뒷채움에 적용가능한 경량성과 유동성을 지닌 재료이다. 또한, 단위중량, 일축압축강도, 플로우 시험 등과 같은 실내시험을 통해 적용성을 검토하였다. 시험결과 매립회와 비회의 혼합비 70:30∼50:50에서, 기포량 각각 2∼3%, 함수량 26.5∼29.5% 범위에서 단위중량기준 12∼15kN/㎥, 일축압축강도기준 0.8∼1.2㎫, 플로우기준 20㎝ 이상을 만족하는 것으로 나타났다. Coal ash of industial by-products was not recycled about 30% in total emissions. Moreover, it caused environmental pollution as well as wasted unnecessary expenses and time. Currently, fly ash(FA) is recycled as construction material however ponded ash(PA) is mostly buried. Lightweight foamed Controlled Low-Strength Materials(CLSM) evaluated in this study reduces unit weight by mixing foam in the traditional Controlled Low-Strength Material and has lightweight and flowability to be available for backfill materials in construction. Flow test, unconfined compressive strength test, and foamed-slurry unit weight test were performed in this study and the applicability of lightweight foamed CLSM for construction materials was evaluated. The results indicate that the mixture ratio(PA:FA) ranging from 70:30 to 50:50, cement of 7%, foam of 2~3%, and water content of 26.5~29.5% were required to satisfy the following standards such as flow value(i.e., 20㎝), unconfined compressive strength(i.e., 0.8~1.2㎫), and foamed-slurry unit weight(i.e., 12~15kN/㎥).

2Kg/h급 사각형 기포유동층 반응기를 이용한 톱밥의 급속 열분해 특성 고찰

유호성,최항석,황재규 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2014 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2014 No.-

폐바이오매스 자원 재활용은 고부가 가치화 및 폐기처리 비용 감소 등 많은 이점이 있어 다양한 연구가 진행되고 있다. 폐바이오매스 자원을 에너지로 전환·이용하는 방법은 직접연소, 가스화, 열분해 방법이 있다. 열분해는 산소가 없는 상태에서 폐바이오매스를 열적으로 분해하여 액상, 고상, 기상의 유용한 생성물로 회수하는 방법으로 현재 많은 연구가 진행되고 있다. 열분해 반응기는 고정층, 유동층, 비말동반층 반응기가 많이 사용되고 있으며, 그 중 유동층 반응기는 높은 열전달율과 온도 제어가 용이하여 열분해 반응기로 많이 사용되고 있다. 본 연구에서는 사각형 기포유동층 반응기 내 톱밥의 열분해 특성을 연구하기 위하여 열분해 온도, 공탑속도를 변화하며 열분해 실험을 수행하였다. 사각형 기포유동층 반응기를 이용한 톱밥의 급속열분해 실험은 시료입도 1~2mm, 반응시간 2초 이하, 투입속도 16.67g/mim의 조건에서 수행되었으며, 최적의 열분해 온도 및 공탑속도를 도출하기 위하여 온도 및 공탑속도를 변화하며 실험을 수행하였다. 실험을 통하여 열분해 온도 및 공탑속도 변화에 따른 바이오 오일, 촤, 가스의 수율과 바이오 오일의 물리-화학적 특성을 분석하여 사각형 기포유동층 반응기 내 톱밥의 급속열분해 특성을 고찰하였다.

수치 시뮬레이션을 이용한 기포장막의 거동 및 주변 유동장 분석

장성철(Sung-Chul Jang),이상협(Sang-Hyub Lee),윤한삼(Han-Sam Yoon) 한국해양환경·에너지학회 2021 한국해양환경공학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.5

본 연구는 수중에서 방출되는 기포의 선 공급원에 의하여 생성되는 기포장막의 거동 현상과 기포장막 외부 흐름에 대한 유체의 거동을 해석하기 위하여 수치해석 시뮬레이션을 활용한 연구를 수행하였다. 지배방정식은 질량, 운동량 및 부력 보존방정식을 적용하여 공기의 압축성과 상승하는 기포와 물 사이의 속도 차를 해석하는 방법으로 부력 방정식을 적용하였다. 수치해석 시뮬레이션 결과는 선행 연구자들의 실험 데이터와 비교하여 모델의 유효성에 대한 검증을 수행하였다. 실험 데이터와의 비교는 본 연구에 적용된 모델이 기포장막의 거동을 잘 예측하고 혼입계수 및 수평 흐름장에서의 기포 확산 비율의 추정치를 잘 산출하였으며 기포장막 외부 흐름의 재현에서도 유의미한 결과를 도출하였다. In order to analyze the behavior of the bubble curtain generated by the air source discharged from underwater and fluid behavior of the external flow of the bubble curtain, this study using the numerical simulation was performed. The governing equation is a method of analyzing the compressibility of air and the difference in velocity between rising bubbles and water by applying the equations for conservation of mass, momentum, and buoyancy, and is used as the buoyancy equation. The numerical analysis simulation results were compared with the experimental data of previous researchers to verify the validity of the model. The comparison with the experimental data showed that the model applied in this study predicted the behavior of the bubble envelope well, calculated well the estimates of the entrainment coefficient and the bubble diffusion rate, and also derived significant results in the prediction of the flow outside the bubble envelope.