냉매 R-10(CCl4)과 CH4 혼소 화염특성 전산해석 연구

신미수,김용주,장동순,이용국,이강우 한국폐기물자원순환학회 2014 한국폐기물자원순환학회지 Vol.31 No.8

Considering the high potential of the widely-used halogenated hydrocarbons on the global warming and ozone depletion, the development of effective thermal destruction methods of these compounds are quite urgent and indispensible. As part of the research efforts of this area, the destruction of CCl4 and flame characteristics have been investigated numerically by the co-firing CCl4 with CH4 in an industrial LNG-fired combustor as a function of molar ratio of the CCl4 to CH4 using a commercial code of STAR-CCM+. Considering a broad range of Damkohler number associated with the process of intensive CHCs (Chlorinated hydrocarbons) combustion with auxiliary fuel together with the inhibition reaction especially near flammability limits, a proper combustion modeling of CCl4 thermal destruction is quite desirable. In this study, however, after careful review of the literature about the flame characteristics of halogenated hydrocarbon together with the previous study about the modeling of the CCl4 flame based on the data of burning velocity, the eddy breakup turbulent combustion model was employed since it is quite reasonably assumed that chain branching reaction looks dominant in most flame region over the halogenated inhibition effect in strong turbulent reacting flows. One of the most useful results based on this study is that; without any incorporation of flame inhibition effect, the length of co-fired flame increases steadily as the ratio of CCl4 to CH4 (R) increases from 0.0, 0.1, 0.2 to 0.5, and 1.0 together with the increase of the maximum flame and exit gas temperature. The reason of the increase of the flame length with the increase of flame temperature can be explained by the presence of the additional CCl4 fuel with low heating value. Further a detailed discussion has been made on the thermal destruction of CCl4 together with the Cl2 concentration by Deacon reaction.

물 전기분해 기체 라디칼 반응의 엔진 연소 응용

신미수,장동순,김용주,김희용 한국에너지학회 2021 한국에너지공학회 학술발표회 Vol.2021 No.4

물 전기분해 기체를 이용한 폐냉매 열적 처리 연구

신미수,이용국,김용주,장동순 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2015 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2015 No.-

HFC-134a는 에탄 파생 냉매 중 하나로서 대표적인 HFCs 의 하나이며 가정용 냉장고나 자동차의 냉매로 널리 사용되고 있는 물질이며 온난화지수는 1300이다. 이러한 HFCs 의 생산 및 사용에 대한 규제가 가속화되고 있으며, 대체물질 개발이나 폐 냉매에 대한 처리기술연구 또한 활발히 진행되고 있다. 이들 폐냉매에 대한 처리기술로는 일반적으로 열분해법, 촉매 산화법, 플라즈마를 이용한 공정 등이 알려져 있다. 열분해법은 고온의 로에서 열적 분해를 도모하는 기술로서 대용량의 가스를 처리하는 경우에 유리하다. HFC-134a 프레온은 단순 열을 가열하는 경우 보통 3000℃이상의 고온에서만 효과적으로 분해되는 특성을 가진 것으로 알려져 있다. 그러나 만일 열원이 충분한 고로나 소성로와 같은 대형장치에서 800℃ 이상의 온도에서 수증기가 동시에 존재한다면 HFC-134a 냉매가 효과적으로 처리되는 것으로 실증 장치에서 제시되고 있다. C₂H₂F₄+4F₂O→4HF+3H₂O+2CO₂ (1) 이러한 현상에 대한 연구로서 튜브형 연소로에서 온도의 변화와 산소량과 유량 조절을 통해 HFC-134a 열적분해 성능 실험에 대한 검증을 전산해석적인 연구를 통하여 수행하였다. C, H, F 등으로 구성된 HFCs가 열원과 H₂O에 의하여 HF, H₂O 그리고 CO₂로 잘 반응하는 결과에 기초할 때 HFC-134a 의 반응에 필요한 것이 첫째로 H와 O의 원소와 둘째로 반응에 요구되는 활성화 에너지임을 추정할 수 있다. 그러므로 수소와 산소가 당량비로 혼합된 물 전기분해 기체(H₂ + 1/2 O₂)를 사용하여 튜브 반응기에서 HFC-134a 의 열적 반응에 대한 가능성을 전산 해석적으로 검토하였다. 사사: 본 연구는 환경부 글로벌탑 환경기술개발사업 중 Non-CO₂ 온실가스 저감기술개발 사업단(E614-00169-0306-2)과 환경부의 폐기물 에너지화ㆍ자원화 전문인력 양성사업에서 지원받았으며 이에 감사드립니다.

폐냉매 분별액화 장치의 CFD 기초 연구

신미수,김용주,장동순 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2014 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2014 No.-

몬트리올 의정서(1989년 1월 발표)가 2008년에 개정되어 HCFC 사용 금지기간이 개발도상국에서도 앞당겨 졌다. 즉, 협정이 체결되어 2013년에는 오존층 파괴 환산총량으로 2009년과 2010년의 평균치를 넘지 않을 것과, 2015년에는 그 평균치의 15%를 삭감하여야만 한다는 단계적 폐기계획이 결정되었다. 이 때문에 냉동·공조의 보급이 점차 확대되면서 냉매 소비가 높아지고 있는 개발도상국의 냉매 삭감은 중대한 문제가 되고 있다. 냉매가 오존층을 파괴하는 이유는 HCFC에 함유되어 있는 염소 이온이 오존을 파괴하는 것으로, 선진국에서는 이미 염소가 함유되어 있지 않은 HFC(Hydro Fluoro Carbon:수화불화탄소)를 CFC(Chloro Fluoro Carbon:염화불화탄소)라든지 HCFC의 대체 냉매로 사용하고 있다. 지구환경에 심각한 영향을 미치는 할로겐탄화수소화합물의 처리는 그 화학적 안정성에 의해 일반적인 방법으로는 분해처리가 불가능하다. 연구되고 있는 CFC의 분해처리방법으로는 소각법, 플라즈마 반응법, UV분해법, 촉매접촉 수소화/산화분해법, 환원반응분해법, 초임계유체분해법, 용융금속분해법, 초음파분해법 등이 있다. 또한 CFC의 분해처리방법은 분해된 생성물에 따라 완전분해와 부분분해방법으로 나뉠 수 있으며 CFC화합물을 부분 분해하여 다른 유용한 화합물로 변환시키는 부분분해방법이 매우 유망한 방법으로 검토되고 있다. 본 연구는 대체 냉매들의 비등점 차이를 이용하여 분별액화 장치에서 분리하기 위한 기초연구를 수행한 것이다. 일반적으로 응축기에 이용되는 열교환기는 주로 동관이나 알루미늄 fin으로 구성되어 있는 열교환기가 사용되고 있으며 주로 냉동 공조 제품에 많이 적용되어 왔다. 그러나 본 연구는 대체 냉매를 분리회수 하기 위한 연구로 기존의 응축기와는 다소 차이가 있다고 할 수 있다. 본 연구는 분별액화장치에 대한 기초연구로써 액화장치 내부의 온도가 각각의 대체냉매의 비등점에 가깝게 고른 온도분포를 나타내며 응축효율을 높일 수 있도록 응축기 내부의 파이프관 배치에 따라 벽이나 파이프 관으로부터 생성되는 냉기가 액화장치 내부에 고르게 분포될 수 있도록 수치해석을 통한 변수 연구를 수행하였다. 아직은 기초연구 단계라서 상호협력을 하는 업체에서 액화장치의 기본형상이 결정되지 않아서 문헌을 통하여 일반적인 액화장치의 형상에 대하여 수치해석을 수행하였으며 현재 개념설계 중에 있는 업체의 액화장치에 대한 기초연구를 병행하여 상호 협력을 통한 최적설계에 도움을 주고자 한다.

튜브 반응로에서 HFC 134a 열분해를 위한 수치해석 연구 및 검증

신미수,장동순,하종욱 한국폐기물자원순환학회 2015 한국폐기물자원순환학회지 Vol.32 No.8

Since HFCs does not contain Cl component, they are not harmful to the depletion of Ozone layer but require reduction especially due to the high GWP (global warming potential). The HFC 134a, known as one of typical refrigerant of HFCs is generally shown to be effectively thermally decomposed only above the temperature of 3,000℃. However, giving condition of sufficient water vapor and the temperature more than 800℃ with large heating source like in calcination reactor or blast furnace, the thermal decomposition of HFC 134a will occur easily due the component of H and O contained in water vapor. In order to investigate this phenomenological finding appeared in large scale field test, a series of experimental investigation has been made for the thermal decomposition rate of HFC 134a as a function oxygen and HFC 134a flow rate for a small tubular reactor. In this experiment the wall temperature of tubular reactor was fixed to be 900℃. In order to verify and figure out the finding by experiment, numerical calculation has also been made for the detailed reaction of HFC 134a inside the tubular reactor. The comparison between experiment and numerical calculation are in good agreement each other especially for the rate of thermal destruction at the exit of the reactor. Further, considering the efficient thermal decomposition of HFC 134a in the H2O vapor environment with sufficient heating source, the application of the stoichiometric mixture of hydrogen and oxygen, that is, H2+ 1/2O2, is made numerically in the same tubular reactor, for the thermal decomposition of HFC 134a. The result appears physically acceptable and looks promising for the future method of the HFCs decomposition.

합성가스의 LNG 연소로 연료 대체를 위한 수치 해석적 연구

신미수,박민정,장동순 한국폐기물자원순환학회 2016 한국폐기물자원순환학회지 Vol.33 No.6

The synthetic gas obtained from the gasification of waste material becomes more important not only in waste reduction but also for the generation of clean energy directly applicable to industrial combustors firing LNG fuel without any major modification of the boiler system. Therefore, in this study, a systematic calculation was made for the turbulent reaction inside a conventional LNG combustor to determine the temperature distribution and fluid flow field. By doing this, the syngas obtained from gasification of combustible waste could be evaluated for the potential applicability of syngas as a substitute for LNG fuel in the industrial field. In this calculation, the ratio of the syngas amount to the LNG amount was fixed. That is, based on calorific value, 70% of the fuel was syngas and 30% was LNG. Since the calorific value of the syngas was different from that of LNG with a high energy density, the different volumetric flow rate was expected to give rise to a visible flow field change together with the local velocity. Thus, in this study, the swirl intensity and the inlet nozzle diameter were varied carefully in order to resolve the flow field and turbulence effects on the reaction characteristics of the co-burning flame. First of all, the calculation result of pure LNG combustion was made successfully as a reference and for evaluation of the code implementation. The results obtained from the numerical simulation of the burning of syngas in the LNG boiler could duplicate the combustion feature almost similar to that of 100% LNG fuels by changing the injection method of the syngas without any major change of the boiler system. The results suggested the high potential of syngas as an economic substitute for conventional LNG fuel.

폐 냉매의 열적 처리에 대한 수치해석 연구

신미수,김용주,이용국,장동순 한국폐기물자원순환학회 2014 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2014 No.11

할로겐 화합물에 대한 연소는 화염억제 치원에서 화염현상에 대한 기본 연구(burning velocity 나 flammability limit 등)나 적은 양의 산업폐기물에 대한 thermal destruction을 위한 소각 연구가 주류를 이루었다. 그러나 최근 국내외적으로 오존층 파괴나 온난화지수가 높은 다양한 불화염화탄화수소에 대한 본격적인 열적처리 문제가 대두됨으로써 실제적인 연소로 규모에서 이 화합물에 대한 연소현상에 대한 관심이 높아지기 시작하였다. 본 연구에서는 이러한 불화염화탄소로 이루어진 다양한 연소특성을 가진 냉매에 대한 다양한 연료와의 혼소에 의한 보다 효율적인 열적처리를 위한 기초연구를 수행한 것이다. 본 연구 결과로 나타난 LNG와 CCl4의 화염특징은 주어진 메탄 양에 대하여 사염화탄소의 양이 증가할수록 화염의 온도는 높아졌으나 반응은 지연되어 화염의 형성이 후류 영역에서 형성되는 양상을 나타냈다. 이는 사염화탄소 주입에 따라 연료의 절대양은 증가하였으나 사염화탄소 연료의 낮은 발열량과 같은 연소 성능의 저하의 복합적인 결과로 판단되었다. 사염화탄소의 혼소양이 10% 이하일 경우 사염화탄소에 대한 99.99%의 효과적인 처리가 이루어졌으며 Deacon 반응을 고려한 계산 결과는 사염화탄소 혼소양이 10%인 경우에도 실질적인양의 Cl2가 생성될 수 있음을 시사하고 있다. 그러나 향후에 특히 난류반응모델에서 사염화탄소의 화염억제 작용이 가능한 영역에 대한 보정된 난류 반응 모델과 함께 Deacon 반응에 대한 화학반응속도 개념을 고려한 난류반응모델에 대한 보완이 추후의 연구로서 요구된다.

CO2 저감을 위한 미분탄과 산소/수소 당량 혼합기체 혼소에 대한 수치 해석적 연구

신미수,김용주,이용국,장동순 한국폐기물자원순환학회 2016 한국폐기물자원순환학회지 Vol.33 No.1

These days, the development of various pre- and post-combustion techniques has been pursued in order to reduce theemission of CO2 in the fleet of coal-fired power plants, since it is of great importance to each country’s energy productionwhile also being the single largest emitter of CO2. As part of this kind of research efforts, in this study, a novel burningmethod is tried by the co-burning of the pulverized coal with the stoichiometric mixture of the hydrogen and oxygen(H2+1/2O2) called as HHO. For the investigation of this idea, the commercial computational code (STAR-CCM+) wasused to perform a series of calculation for the IFRF (International Flame Research Foundation) coal-fired boiler (Micheland Payne, 1980). In order to verify the code performance, first of all, the experimental data of IFRF has been successfullycompared with the calculation data. Further, the calculated data employed with pure coal are compared with the co-burningcase for the evaluation of the substituted HHO performance. The reduced amount of coal feeding was fixed to be 30%and the added amount of HHO to produce a similar flame temperature with pure coal combustion was considered as 100%case of HHO addition. This value varies from 100 to 90, 80, 60, 50, 0% in order to see the effect of HHO amount onthe performance of pulverized coal-fired combustion with the 30% reduced coal feeding. One of the most important thingfound in this study is that the 100% addition of HHO amount shows approximately the same flame shape and temperaturewith the case of 100% coal combustion, even if the magnitude of the flow velocity differs significantly due to the reducedamount of air oxidizer. This suggests the high possibility of the replacement of the coal fuel with HHO in order to reducethe CO2 emission in pulverized coal-fired power plant. However, an extensive parametric study will be needed in nearfuture, in terms of the reduction amount of coal and HHO addition in order to evaluate the possibility of the HHOreplacement for coal in pulverized coal-fired combustion.

고응집성 슬러지 최적건조를 위한 슬러지 투입,이송 장치 개발 연구

신미수,김혜숙,정은영,장동순,나은수 한국폐기물자원순환학회 2005 한국폐기물자원순환학회지 Vol.22 No.4

[에너지 경제 / 기후변화] 하수 및 산업폐수 슬러지 유중 건조 연구

신미수,김혜숙,홍지은,장동순,엄태인 한국폐기물자원순환학회 2008 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2008 No.1