순환 유동층 char 연소기의 수력학적 특성

박훈채,최항석 한국폐기물자원순환학회 2012 한국폐기물자원순환학회지 Vol.29 No.8

In this study, a cold model of a circulating fluidized bed is developed and tested for designing a char combustor. This study has been carried out to investigate effects of the solid circulation rate and superficial gas velocity on the hydrodynamic characteristics in a circulating fluidized bed. Solid holdup and pressure drop in the riser increases with the increase of solid circulation rate, but decreases with increasing superficial gas velocity. The solid holdup in the dense region increases with increasing solid circulation rate at lower gas velocities, whereas it is independent of solids circulation rate at higher gas velocities.

순환유동층 내 우드 펠렛과 슬러지의 수력학적 특성

박훈채,최항석,서용칠,장하나,백승기,성진호 한국폐기물자원순환학회 2013 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2013 No.2

국내에서는 약 3,500천 톤 이상의 슬러지가 매년 배출되고 있다. 슬러지 처리 방법으로는 매립, 해양투기, 퇴비화, 소각 등의 방법이 있으며, 매립으로 인한 토양오염과 매립지 제한, 해양투기 금지로 인하여 소각에 의한 슬러지 처리가 빠르게 증가하고 있다. 슬러지 소각 기술은 다단로, 로터리 킬른, 순환 유동층 기술 등이 있으며, 이 중 순환 유동층 소각 기술은 슬러지를 연속적으로 투입하면서 소각이 가능하고 회분을 연속적으로 제거하면서 운전이 가능할 뿐만 아니라 유동층 내의 격렬한 혼합에 의한 열전달이 우수하기 때문에 유동층 소각에 의한 슬러지 처리 기술 개발이 많이 진행되고 있다. 국내의 경우 유동층 슬러지 소각시설의 수가 적고, 대부분의 소각 시설이 외국의 기술로 설계되어 있으며, 연구기관, 학교, 기업에서 연구를 수행하고 있으나 현재까지 유동층 소각 시설의 설계와 운전, scale-up 기술은 더 많은 연구가 필요한 상황이다. 순환 유동층 연소기의 최적설계와 운전을 위해서는 압력분포, 고체 체류시간, 고체 순환율, 고체 체류량 등 연소기 내 수력학적 특성에 대한 정보가 필요하며, 수력학적 특성에 따라 기체와 고체간의 물질전달 및 반응속도는 영향을 받는다. 본 연구에서는 순환 유동층 연소기의 cold bed 실험장치 및 CPFD(Computational Particle Fluid Dynamic)를 이용하여 운전 조건 변화에 따른 순환 유동층 내 기체-고체의 수력학적 특성을 연구하였다. 연구를 통하여 공탑속도, 우드펠렛과 슬러지의 투입비에 따른 순환 유동층 연소기 내 압력강하, 고체 체류시간, 고체 순환율 변화에 대하여 고찰하였으며, 전산해석 결과와 cold bed 실험 결과를 비교/평가하였다.

Electrical Capacitance Volume Tomography를 이용한 원뿔형 분사층 급속열분해 반응기 내 다상유동 특성 연구

박훈채,이병규,최항석 한국폐기물자원순환학회 2017 한국폐기물자원순환학회지 Vol.34 No.4

This study aims to investigate the behavior characteristics of solid particles within conical spouted beds depending on the inlet gas velocity. Electrical capacitance volume tomography was applied to the measurements of the instantaneous gas-solid flow structures in a conical spouted bed. The effects of inlet gas velocity on the solid volume fraction and pressure were investigated. The different inlet gas velocities showed a certain influence on the gas?solid flow behaviors in the conical spouted bed. A symmetric core-annulus structure in the conical spouted bed was observed. Solid particles in the core and annulus areas were mixed at the ratio U/Ums = 1.6. It would be efficient to operate a fast pyrolysis reactor for the high heat and mass transfer of waste woods and sand particles.

분사층 급속열분해 반응기를 통해 생산된 바이오 오일의 특성 연구

박훈채,이병규,최항석 한국폐기물자원순환학회 2015 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2015 No.11

우리나라는 국토의 약 64%가 산림으로 구성되어 있으며, 2011년 기준 국내 산림면적은 6,443천ha이다. 산림청 자료에 따르면 국내 산림 바이오매스 발생량은 총 704만 ㎥으로 발생량 중 약 45%인 319만㎥이 제재목, 펄프, 보드용, 축산깔개, 버섯재배, 열병합 발전 등에 이용된 것으로 추정된다. 발생량의 55%인 385 만㎥는 현재에도 미이용 상태로서 이러한 산림 바이오매스 에너지의 이용을 위한 경제성과 효율성 확보를 위한 기술 개발이 시급한 실정이다. 바이오매스를 에너지로 변화하는 열화학적 변환 공정은 연소, 가스화, 급속 열분해 공정이 있으며, 이중 급속열분해 공정은 산소가 없는 조건하에서 500℃ 내외의 고온에서 짧은 시간 동안 반응시킨 후 연료로 전환하는 공정이다. 급속열분해 과정을 거치면 바이오매스는 분자 간 결합뿐만 아니라 C-C 결합, C-O 결합의 해체 등 화학적 전환이 일어나게 되며 최종적으로 액상 연료인 바이오 오일과 고형분인 바이오탄, 가스형태의 비응축성 가스를 생성한다. 바이오 오일은 보일러․터빈 등 발전용 연료뿐만 아니라 수송용 연료와 화학소재 등으로 활용이 가능한 잠재력을 갖고 있다. 따라서 공정 후 최종 생성물의 수율을 최적화하는 것은 공정의 효율성과 바이오 오일의 활용 가능성을 높이는데 중요한 역할을 한다. 더불어 바이오 오일의 물리적․화학적 특성을 분석함으로써 연료로서의 특성을 평가하고 소재화 활용 방안을 구축할 뿐만 아니라 더 나아가 화석연료를 대체할 에너지원으로써의 가치 및 발전 가능성을 가늠할 수 있다. 바이오 오일의 수율과 물리적․화학적 특성에 영향을 미치는 요인으로는 크게 공정 조건과 원료 조건으로 나눌 수 있다. 공정 조건은 반응온도, 반응기내 체류시간이 있으며 원료 조건은 바이오매스 함수율, 입자 크기, 바이오매스 내 화학 조성 등이 있다. 본 연구에서는 공정조건, 원료 조건 변화에 따른 바이오 오일의 물리적․화학적 특성을 연구하기 위하여 분사층 급속열분해 실험장치를 이용하여 폐목재 톱밥 급속열분해 실험을 수행하였다. 급속열분해 실험은 공정 조건인 반응온도, 체류시간, 투입속도와 원료 조건인 바이오매스 입자 크기를 각각 변화하며 실험을 수행하였으며, 각 조건에서 생산된 바이오 오일의 원소분석, 발열량, 수분함량, 점도, pH, GC-MS 분석을 수행하였다. 그리고 실험 결과를 바탕으로 바이오 오일의 연료적 특성 평가 및 화학소재 활용 방안에 대하여 고찰하였다.

C-23 : 순환유동층 내 우드 펠렛과 슬러지의 수력학적 특성

박훈채,최항석,서용칠,장하나,백승기,성진호 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2013 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2013 No.-

국내에서는 약 3,500천 톤 이상의 슬러지가 매년 배출되고 있다. 슬러지 처리 방법으로는 매립, 해양투기, 퇴비화, 소각 등의 방법이 있으며, 매립으로 인한 토양오염과 매립지 제한, 해양투기 금지로 인하여 소각에 의한 슬러지 처리가 빠르게 증가하고 있다. 슬러지 소각 기술은 다단로, 로터리 킬른, 순환 유동층 기술 등이 있으며, 이 중 순환 유동층 소각 기술은 슬러지를 연속적으로 투입하면서 소각이 가능하고 회분을 연속적으로 제거 하면서 운전이 가능할 뿐만 아니라 유동층 내의 격렬한 혼합에 의한 열전달이 우수하기 때문에 유동층 소각에 의한 슬러지 처리 기술 개발이 많이 진행되고 있다. 국내의 경우 유동층 슬러지 소각시설의 수가 적고, 대부분의 소각 시설이 외국의 기술로 설계되어 있으며, 연구기관, 학교, 기업에서 연구를 수행하고 있으나 현재까지 유동층 소각 시설의 설계와 운전, scale-up 기술은 더 많은 연구가 필요한 상황이다. 순환 유동층 연소기의 최적설계와 운전을 위해서는 압력분포, 고체 체류시간, 고체 순환율, 고체 체류량 등 연소기 내 수력학적 특성에 대한 정보가 필요하며, 수력학적 특성에 따라 기체와 고체간의 물질전달 및 반응속도는 영향을 받는다. 본 연구에서는 순환 유동층 연소기의 cold bed 실험장치 및 CPFD(Computational Particle Fluid Dynamic)를 이용하여 운전 조건 변화에 따른 순환 유동층 내 기체-고체의 수력학적 특성을 연구하였다. 연구를 통하여 공탑속도, 우드펠렛과 슬러지의 투입비에 따른 순환 유동층 연소기 내 압력강하, 고체 체류시간, 고체 순환율 변화에 대하여 고찰하였으며, 전산해석 결과와 cold bed 실험 결과를 비교/평가하였다.

Conical spouted bed 내 폐바이오매스의 급속열분해 특성 연구

박훈채,최항석,이병규 한국폐기물자원순환학회 2015 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2015 No.05

농업 및 임업 부산물로부터 발생되는 폐바이오매스를 에너지 자원으로 전환하는 공정인 급속열분해 공정은 폐바이오매스를 무산소 조건에서 500℃ 정도의 온도와 1~2초 이내의 짧은 시간 동안 반응시킨 후 액상 연료로 변환하는 공정이다. 급속열분해 공정을 통해 생산되는 액상 연료인 바이오 오일은 발전용, 수송용 연료로 사용될 수 있으며, 화학소재 등으로 활용이 가능하기 때문에 많은 연구가 진행되고 있다. 급속 열분해 반응기는 급속열분해 공정의 핵심이라 할 수 있으며, 반응기 종류 및 공정조건에 따라 급속열분해 생성물의 특성이 변화한다. 현재 개발된 반응기는 기포 유동층, 순환유동층, spouted bed, rotating cone, ablative, anger, vacuum moving bed 형태의 반응기가 있다. 다양한 반응기 중 conical spouted bed 반응기는 열 및 물질전달이 타 반응기에 비하여 우수하고, 유동층 반응기 보다 바이오매스의 입도가 큰 경우에도 운전이 가능하기 때문에 시료 분쇄에 소요되는 에너지를 절감할 수 있다. 또한 유동층 반응기와 동일한 처리 용량일 경우 반응기 체적이 작고, 분산판이 필요하지 않기 때문에 반응기 제작 비용 및 압력강하로 인한 에너지 손실 및 운전비용을 절감할 수 있으며, diluted spouted bed regime 에서는 반응기 내 열분해 생성물의 체류시간이 짧기 때문에 바이오 오일의 수율이 유동층 반응기 보다 높은 장점이 있다. 이러한 conical spouted bed의 여러 장점 때문에 최근 conical spouted bed를 이용한 급속열분해 연구가 소수 연구자들에 의해 연구되고 있지만, 폐바이오매스의 급속열분해 특성에 대한 연구는 미진한 상태이다. 바이오 오일의 수율 및 특성은 반응기 운전조건에 영향을 받기 때문에 conical spouted bed 급속열분해 반응기의 최적 운전조건 도출 및 안정적인 운전을 위해서는 반응기 내 폐바이오매스의 급속열분해 특성에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 conical spouted bed 급속열분해 실험장치를 이용하여 반응기 운전조건에 따른 폐바이오매스의 급속열분해 특성을 연구하였다. 연구를 통하여 공탑속도.유동사 입자 크기, bed 높이 변화에 따른 열분해 생성물의 수율 및 물리-화학적 특성을 분석하여 최적 운전 조건을 도출하였다.

Conical spouted bed 내 폐바이오매스의 급속열분해 특성 연구

박훈채,최항석,이병규 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2015 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2015 No.-

농업 및 임업 부산물로부터 발생되는 폐바이오매스를 에너지 자원으로 전환하는 공정인 급속열분해 공정은 폐바이오매스를 무산소 조건에서 500℃ 정도의 온도와 1~2초 이내의 짧은 시간 동안 반응시킨 후 액상 연료로 변환하는 공정이다. 급속열분해 공정을 통해 생산되는 액상 연료인 바이오 오일은 발전용, 수송용 연료로 사용될 수 있으며, 화학소재 등으로 활용이 가능하기 때문에 많은 연구가 진행되고 있다. 급속 열분해 반응기는 급속열분해 공정의 핵심이라 할 수 있으며, 반응기 종류 및 공정조건에 따라 급속열분해 생성물의 특성이 변화한다. 현재 개발된 반응기는 기포 유동층, 순환유동층, spouted bed, rotating cone, ablative, anger, vacuum moving bed 형태의 반응기가 있다. 다양한 반응기 중 conical spouted bed 반응기는 열 및 물질전달이 타 반응기에 비하여 우수하고, 유동층 반응기 보다 바이오매스의 입도가 큰 경우에도 운전이 가능하기 때문에 시료 분쇄에 소요되는 에너지를 절감할 수 있다. 또한 유동층 반응기와 동일한 처리 용량일 경우 반응기 체적이 작고, 분산판이 필요하지 않기 때문에 반응기 제작 비용 및 압력강하로 인한 에너지 손실 및 운전비용을 절감할 수 있으며, diluted spouted bed regime 에서는 반응기 내 열분해 생성물의 체류시간이 짧기 때문에 바이오 오일의 수율이 유동층 반응기 보다 높은 장점이 있다. 이러한 conical spouted bed의 여러 장점 때문에 최근 conical spouted bed를 이용한 급속열분해 연구가 소수 연구자들에 의해 연구되고 있지만, 폐바이오매스의 급속열분해 특성에 대한 연구는 미진한 상태이다. 바이오 오일의 수율 및 특성은 반응기 운전조건에 영향을 받기 때문에 conical spouted bed 급속열분해 반응기의 최적 운전조건 도출 및 안정적인 운전을 위해서는 반응기 내 폐바이 오매스의 급속열분해 특성에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 conical spouted bed 급속열분해 실험장치를 이용하여 반응기 운전조건에 따른 폐바이오매스의 급속열분해 특성을 연구하였다. 연구를 통하여 공탑속도. 유동사 입자 크기, bed 높이 변화에 따른 열분해 생성물의 수율 및 물리-화학적 특성을 분석하여 최적 운전 조건을 도출하였다.

압력변동 해석을 통한 바이오매스 급속열분해 원뿔형 분사층 반응기의 수력학적 특성 연구

박훈채,최항석,이병규 한국폐기물자원순환학회 2015 한국폐기물자원순환학회지 Vol.32 No.5

Fast pyrolysis is one of the most viable and commonly used thermochemical conversion technologies which can be applied to both fossil-based and bio-based wastes. The conical spouted bed reactor is an alternative to fluidized beds and has been proven to be a versatile reactor for waste biomass fast pyrolysis, which allows obtaining high bio-oil yields because of its high heat and mass transfer rates and very short residence times. Understanding of the stable hydrodynamic operation range of the conical spouted bed is important for operation of fast pyrolysis reactor. This study characterizes the hydrodynamics of conical spouted bed using the analysis of pressure fluctuation signals. Stable hydrodynamic operation rages were identified by evaluation of pressure drop curve and FFT analysis. The stable operation range of a conical spouted bed was maintained while dominant frequency is 10 Hz. This appears to be promising cost-effective tool for precess control especially in fast pyrolysis systems.

폐바이오매스 급속열분해 공정 중 Char 제거용 싸이클론에 대한 수치해석적 연구

박훈채,최항석 한국폐기물자원순환학회 2013 한국폐기물자원순환학회지 Vol.30 No.8

In order to obtain the optimal design of a char removal cyclone, the effect of the vortex finder height and inlet shapeon its performance are numerically carried out. The pressure drop and collection efficiency are calculated for four differentcyclones with different vortex finder heights and inlet shapes. To validate the present numerical process, the calculatedpressure drops for two types of cyclones are compared with experimental results and the results show a good agreementbetween experimental and numerical results. From the results, increasing the height of the vortex finder, the collectionefficiency is increased. As for cyclone inlet shapes, the tangential one is characterized by lower efficiency compared withthe volute counterpart. The current result can be used for the design of cyclones with high collection efficiency, especiallyfor removing tiny char which is generated during fast pyrolysis process of waste biomass.

분사층 급속열분해 반응기를 통해 생산된 바이오 오일의 특성 연구

박훈채,이병규,최항석 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2015 한국폐기물자원순환학회 심포지움 Vol.2015 No.2

우리나라는 국토의 약 64%가 산림으로 구성되어 있으며, 2011년 기준 국내 산림면적은 6,443천ha이다. 산림청 자료에 따르면 국내 산림 바이오매스 발생량은 총 704만 ㎥으로 발생량 중 약 45%인 319만㎥이 제재목, 펄프, 보드용, 축산깔개, 버섯재배, 열병합 발전 등에 이용된 것으로 추정된다. 발생량의 55%인 385 만㎥는 현재에도 미이용 상태로서 이러한 산림 바이오매스 에너지의 이용을 위한 경제성과 효율성 확보를 위한 기술 개발이 시급한 실정이다. 바이오매스를 에너지로 변화하는 열화학적 변환 공정은 연소, 가스화, 급속 열분해 공정이 있으며, 이중 급속열분해 공정은 산소가 없는 조건하에서 500℃ 내외의 고온에서 짧은 시간 동안 반응시킨 후 연료로 전환하는 공정이다. 급속열분해 과정을 거치면 바이오매스는 분자 간 결합뿐만 아니라 C-C 결합, C-O 결합의 해체 등 화학적 전환이 일어나게 되며 최종적으로 액상 연료인 바이오 오일과 고형분인 바이오탄, 가스형태의 비응축성 가스를 생성한다. 바이오 오일은 보일러·터빈 등 발전용 연료뿐만 아니라 수송용 연료와 화학소재 등으로 활용이 가능한 잠재력을 갖고 있다. 따라서 공정 후 최종 생성물의 수율을 최적화하는 것은 공정의 효율성과 바이오 오일의 활용 가능성을 높이는데 중요한 역할을 한다. 더불어 바이오 오일의 물리적·화학적 특성을 분석함으로써 연료로서의 특성을 평가하고 소재화 활용 방안을 구축할 뿐만 아니라 더 나아가 화석연료를 대체할 에너지원으로써의 가치 및 발전 가능성을 가늠할 수 있다. 바이오 오일의 수율과 물리적·화학적 특성에 영향을 미치는 요인으로는 크게 공정 조건과 원료 조건으로 나눌 수 있다. 공정 조건은 반응온도, 반응기 내 체류시간이 있으며 원료 조건은 바이오매스 함수율, 입자 크기, 바이오매스 내 화학 조성 등이 있다. 본 연구에서는 공정조건, 원료 조건 변화에 따른 바이오 오일의 물리적·화학적 특성을 연구하기 위하여 분사층 급속열분해 실험장치를 이용하여 폐목재 톱밥 급속열분해 실험을 수행하였다. 급속열분해 실험은 공정 조건인 반응온도, 체류시간, 투입속도와 원료 조건인 바이오매스 입자 크기를 각각 변화하며 실험을 수행하였으며, 각 조건에서 생산된 바이오 오일의 원소분석, 발열량, 수분함량, 점도, pH, GC-MS 분석을 수행하였다. 그리고 실험 결과를 바탕으로 바이오 오일의 연료적 특성 평가 및 화학소재 활용 방안에 대하여 고찰하였다.