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20 kW급 매체순환연소 아크릴 순환유동층 장치에서 수력학 특성과 기체 흐름 고찰
김대욱(Daewook Kim),장재준(Jae Jun Jang),남형석(Hyungseok Nam),원유섭(Yooseob Won),김재영(Jae Young Kim),이도연(Doyeon Lee),류호정(Ho-Jung Ryu) 한국에너지기후변화학회 2021 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2021 No.5
매체순환연소 기술은 연소 중 CO2 포집기술로, 순환유동층 공정이 사용된다. 반응기는 크게 공기반응기와 연료반응기로 구성되며, 금속산화물 입자는 두 반응기를 순환하면서 공기반응기의 공기 중 O2를 흡수하여 연료반응기에 이를 전달한다. 전달된 O2는 연료반응기에서 CH4와 반응하여 CO2와 H2O가 생성되고, H2O를 응축시키면 고농도의 CO2가 포집된다. 이러한 공정의 성능을 예측하기 위해서는 공정의 수력학 특성 파악이 요구된다. 한편, 두 반응기 사이의 기체혼합을 방지하기 위해 연료반응기 상부와 하부에 루프실이 설치되어 있다. 원활한 고체 순환을 위해 루프실에 높은 유량의 유동화기체가 요구되며, 높은 순도의 CO2를 포집하기 위해서는 이러한 유동화기체가 양 반응기 중 어디로 배출되는지에 대한 측정이 필요하다. 본 연구는 매체순환연소를 위한 순환유동층 공정에서 수력학 특성과 기체 흐름을 고찰하는 것을 목적으로 수행되었다. Cold mode 장치를 이용하여 실험하였다. 수력학 특성을 조사하기 위해 상, 하부 루프실에 주입되는 기체 유량을 변화시키며 고체 순환 속도와 순환유동층 위치별 압력강하를 측정하였다. 기체 흐름을 조사하기 위해 상, 하부 루프실에 CO2를 주입하였고, 연료반응기 기체 배출구에서 기체 유량과 CO2 농도를 측정하여 루프실에 주입되는 CO2 중 연료반응기로 흐르는 CO2 유량 비를 측정하였다. 고체순환속도가 증가하면 공기반응기에서의 층 압력강하는 증가하였고, 연료반응기와 하부 루프실의 recycle chamber에서의 층 압력강하는 감소하였다. 한편, 기체 흐름은 상부 루프실에서는 66~77%의 기체가 연료반응기로 배출되었고, 하부 루프실에서는 4~6%의 기체가 배출되었다. 이는 상부루프실의 경우 고체유입구와 고체배출구에 존재하는 고체층 높이의 차이가 크지 않아 차압이 크지 않은 반면, 하부루프실의 경우 고체유입구에 존재하는 고체층의 높이가 고체배출구에 존재하는 고체층에 비해 높으므로 차압이 커서 주로 고체 배출구 방향으로 기체가 배출되는 것으로 사료되었다.