Numerical Investigation of Industrial Furnaces in Various Particulate Fluidization Regimes

Abstract

고체 입자를 활용한 시스템은 화학 공정을 비롯하여 발전 분야, 제철 공정, 제약 공정 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되어 왔다. 특히, 난류 입자 연소는 난류 유동과 가스 상의 난류 연소에 더하여 입자 거동 및 입자와의 화학 반응, 열 전달 등이 동반되므로 매우 복잡한 물리적 현상을 지닌다. 고체 화석 연료의 경우 값싼 원자재 값으로 인하여 현재까지 전력 생산뿐만 아니라 제철 공정에 많은 비중을 차지하고 있다. 그러나 고체 연료 특성 상 채굴 지역 및 생성 과정에 따라 연료 특성이 매우 다양하기 때문에, 고체 연소를 활용한 설비에서는 연소 효율을 증가시키고 안정적인 상태로 운전하는 것이 매우 어렵다. 특히 고온 조건에서 용융 상태의 입자들이 설비에 부착하여 열 전달 효율을 감소시키거나, 뭉쳐진 입자들이 설비에 손상을 유발하거나 노즐 막힘 현상을 일으켜서 운전의 가동을 멈추게 하는 심각한 문제를 야기한다. 이러한 현상은 연료 특성 및 가동 설비의 형태에 따라 매우 다양한 형태로 발현하며, 미분탄 보일러에서는 슬래깅 혹은 파울링, 유동층 반응로에서는 노즐 막힘 현상이 대표적인 사례이다. 본 연구에서는 유동화 분류 기준에 따라 나뉘어진 입자 유동 영역(particulate fluidization regime) 중 산업 분야에서 가장 널리 사용되는 세 가지 영역(entrained bed, fluidized bed, moving bed)을 선정하고, 각 영역을 대표하는 산업 설비에 대하여 전산 해석을 수행하였다. 이를 통해 해당 설비에서 입자 연소로 인해 발생하는 다양한 문제에 대한 원인을 규명하고, 해결 방안을 제시하는 것을 그 목표로 한다. 먼저 500MWe 접선형 미분탄 보일러에서 발생하는 회(Ash) 부착에 대한 전산 해석을 수행하였다. 이를 위해 ANSYS FLUENT 내 user defined function 을 활용하여 회 부착을 예측하는 모델을 개발하였으며, 파일럿 규모 크기의 연소로에 적용하여 우수한 예측 결과를 얻었습니다. 500MWe 보일러의 실제 운전 조건에 대한 전산 해석 결과에 따르면, 버너 주변의 고온 영역을 제외한 전열부 지역에서는 아 역청탄이 역청탄보다 많은 회 부착을 예측함을 확인하였다. 또한 ash hopper 영역에 부착된 회는 주로 하단부 버너에서 분사 각도를 낮추게 되면 부착 양이 증가함을 확인하였다. 그리고 전열부 영역에 부착되는 회는 분사 각도를 높이면 증가하게 되고, 아 역청탄 계열의 석탄을 하단부 버너에서 투입한 경우에서 가장 많은 부착량을 예측함을 확인하였다. 다음으로, 제철 공정에서 사용되는 유동 환원로에 대한 전산 해석을 수행하였다. 이를 위해 OpenFOAM 를 활용하여 MP-PIC 기법을 활용한 유동로 전산 해석 프로그램을 개발하였으며, 실험실 규모의 반응로에 대해 적용하여 검증을 수행하였습니다. 유동 환원로의 실제 조업 조건에 대한 전산 해석 결과에 따르면, 분산판과 산소 노즐을 통해 각각 유입된 유입이 노즐 주변에서 강한 상호 작용이 이뤄지게 된다. 이때 형성된 재순환 영역으로 인해 분산판 노즐 주변에서 일부 고온 영역이 생기며, 특이 반-유동화 온도(critical defluidization temperature) 이상의 온도를 지닌 입자들은 서로 엉키게 되어 유동화 운동을 저해할 뿐만 아니라 노즐 막힘 현상을 초래하게 된다. 본 연구에서는 산소 노즐에서의 운전 조건 변화에 따른 영향 평가를 수행하였으며, 높은 분사 속도, 높은 질소 함유량, 낮은 충돌 각도 조건에서 분산판 근처의 고온 영역 감소 현상을 확인하였다. 특히 높은 분사 속도 조건에서 가장 큰 개선 효과가 있음을 확인하였다. 마지막으로 제철 공정에서 사용되는 용융-환원로에 대한 전산 해석을 수행하였다. 이를 위해 OpenFOAM 를 활용하여 DEM 기법에 기반한 용융-환원로 전산 해석 프로그램을 개발하였으며, 타 연구의 raceway 크기 비교를 통해 검증이 이뤄졌다. 유동 환원로의 실제 조업 조건에 대한 전산 해석 결과에 따르면, raceway 내에서 미분탄의 연소가 진행되면서 원형 형태의 고온 분포를 예측하는 것을 확인하였다. 코크스 반응 중, 산소와의 반응이 가장 빠르고 활발하게 진행되며, 벽면에서 진행되는 산소와 코크스 반응으로 인해 산소 노즐 근처에서 고온 분포를 가지는 것으로 예측하였다, 벽면 근처에서 고온 분포로 인하여 산소 노즐이 손상되고, 많은 입자 부착 문제가 발생하는 것으로 생각된다.

A gas-solid system has been widely employed in many different industries involving chemical processes, electricity generation, iron making, pharmaceutical production, etc. In particular, solid fossil fuels have been in use due to their lower prices than other hydrocarbon fuels in electricity production and iron making processes. Turbulent particle reaction is a complicated phenomenon involving turbulent flow, particle behavior, chemical reaction, convective and radiative heat transfer and coupling of all these factors. There has been difficulty in enhancing efficiency and stable operation with different fuel characteristics depending on the mining region and the production process. Some particles exist in the molten state at a high-temperature region to result in serious problems such as deposition on the internal reactor structure and agglomeration of the particles to reduce the plant life time. There may appear as slagging in pulverized coal boilers and a clogging problem in fluidized bed reactors corresponding to the fuel characteristics and the types of equipment. The objective of this study is to perform numerical investigation of industrial scale reactors in various particulate fluidization regimes to solve a design problem or to suggest improved operating conditions. Three fluidization regimes were selected in this study; moving bed, fluidized bed and entrained bed regimes. A 500MWe pulverized coal boiler, a fluidized bed reactor and the melter-gasifier in the iron making process were selected as representative facilities in different particulate regimes. First, simulation was performed to predict ash deposition in the industrial scale coalfired boiler. Ash particles were deposited on the wall by inertial impaction with the capture efficiency in terms of the estimated viscosity. The models for char combustion and ash deposition were implemented as new user defined functions in ANSYS-FLUENT. Results showed deposition of blended coals in good agreement with measurements under influence of the surrounding flow field in a pilot scale furnace. The same combustion and ash deposition models were applied to the 500MWe tangentially-fired boiler burning blended coals. Ash deposition results for the boiler showed the same tendency as the measured data in terms of the wall fouling resistance. Larger deposition was predicted at the heat exchangers for sub-bituminous coal than for bituminous coal. However, there was no significant influence of the coal types in the furnace region. A parametric investigation was performed on ash deposition with respect to injection location and tilt angle of burners. Deposition in the ash hopper was affected by the injection location, but not by the coal types. Results showed the maximum ash deposition at the heat exchanger section for subbituminous coal from the lower burner set. Ash deposition increased in the ash hopper for the downward tilt angle of burners, whereas the maximum deposition occurred at the heat exchangers for the upward tilt angle. Next, simulation was performed to investigate gas flow and iron particles with diluted oxygen burners in the industrial-scale fluidized bed reactor. The multiphase particle-in-cell (MP-PIC) method was applied to represent the behavior of iron particles. The developed library and solver were based on OpenFOAM and validated for a lab-scale reactor. The same solver showed good agreement with the measured data in the industrial scale reactor. It was shown that iron ore particles were heated by the diluted oxygen flame attached to the oxygen jet nozzle. Parametric investigation was performed to determine the optimal oxygen injection condition associated with a reduced hot region to avoid clogging of the nozzle. The peak temperature and the hot spot size decreased for a high injection velocity, a high nitrogen fraction and a low collision angle of the diluted oxygen jets. A high jet velocity had the dominant effect to decrease the number of particles above the critical defluidization temperature. Finally, simulation was performed to find the cause of deposition phenomena on the oxygen injector of melter-gasifier in the iron making process. The new solver and library were developed in OpenFOAM and validated by comparing the raceway size with the previous results in the literature. The results showed that high temperature regions are predicted with a circle shape of raceway due to heat release by pulverized coal combustion along with circulating flow in the raceway. Coke reaction with oxygen occurred as main cause of deposition molten particles on the surface of the oxygen injector.