대용량 수열탄화반응기의 설계 개선을 통한 성능 예측에 대한 연구
A Study on the Performance Prediction by Improving the Design of Large-Capacity Hydrothermal Carbonization Reactors
- 주제(키워드) Hydro thermal carbonization (HTC) , Computational Fluid Dynamics(CFD) , Fluid Structure Interaction (FSI) , Heating-Up Time
- 주제(DDC) 621.8
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 이정일
- 발행년도 2021
- 학위수여년월 2021. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000031051
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
열처리를 통한 고형연료화 기술 중 하나인 수열탄화 (HTC : Hydro Thermal Carbonization)는 수분함량이 높은 유기성폐기물계 바이오매스를 닫힌계(closed system)에서 약 150 ~ 250 ℃로 승온시켜 열수처리하는 방법으로, 유기물 분해 및 탄화과정을 통해 빠른 시간안에 안정적인 연료생산이 가능하다. 수열탄화기술의 핵심은 온도 및 시간으로 특히, 내부 승온시간은 전체 생산 공정의 에너지 효율과 관련 있기 때문에 매우 중요한 매개변수로 평가된다. 본 연구에서는 대용량 수열탄화반응기 설계를 위하여 다양한 인자 변화에 대한 승온속도를 분석하였다. 또한 초기 높은 점도를 갖는 하수슬러지 특성에 따른 교반기 날개 안정성 확보를 위해 유동 해석결과를 바탕으로 구조해석이 가능한 FSI해석 기법을 이용하여 구조 안정성 평가를 수행하였다. 이를 통해 대용량 수열탄화반응기의 최적 설계인자를 선정하고, 50ton/day의 수열탄화가 가능한 수열탄화반응기 구성이 가능하도록 설계하였다. 기초 설계된 7500L급 수열탄화반응기의 목표온도(200℃) 승온시간은 138분으로, 50ton/day를 만족할 수 있는 목표시간인 최대 120분에 미치지 못하는 것으로 나타났다. 열 공급을 위한 열매채유 자켓의 유동 불균일도 분석결과, 단순화된 모델의 좌우 편자가 약 34.4%로 나타났으며, 이는 수열탄화반응기 벽면에 균일한 열공급이 이루어지지 않음을 확인 할 수 있다. 이러한 열매체유 자켓의 유동 불균일도를 해결하고자, 위쪽방향으로 일정간격의 격벽을 배치하여 유동이 느리게 상승할 수 있도록 구성하였다. 이를 통해 좌우 편차가 1.47%로 크게 감소함을 확인 하였으며, 격벽으로 인한 압력강하 증가량 역시 630 Pa로 추가 펌프에너지 소모는 작은 것으로 나타났다. 목표시간에 따른 승온시간 단축을 위하여 다양한 인자에 대한 승온속도 분석을 실시하였다. 먼저 열 공급 면적을 증가시킬 수 있는 반응가의 L/D 비율을 선정하여 승온속도 분석을 실시하였다. 그 결과, L/D가 증가할수록 승온속도가 증가하는 경향을 보이며 L/D 3인 경우 목표온도 승온시간이 98분으로 기존에 비해 약 40분가량 단축될 수 있음을 확인하였다. 두 번째로, 교반효과와 관련 있는 교반기 날개의 개수 및 각도 조절을 통한 승온속도 분석을 실시하였으며, 해석결과 교반기 날개 단수가 증가할수록 승온속도가 상승하는 것을 확인 할 수 있다. 7개를 기준으로 날개 단수가 8개인 경우 목표온도 승온시간이 128분으로 약 10분가량 단축시킬 수 있음을 확인하였다. 날개 각도의 경우 각도 변화에 따른 승온시간 차이가 거의 없음을 확인 할 수 있었으며, 유동 및 승온 형태가 매우 비슷함을 확인하였다. 이를 통해 수열탄화반응기의 승온시간 단축을 위해서는 전열면적을 상승시킬 수 있는 L/D 조절이 가장 영향 있는 설계 변수로 판단되었으며, 날개 각도의 경우 승온시간 단축의 영향이 거의 없는 것으로 나타났다. 날개 각도의 경우 승온시간에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났으나, 교반기 토크 및 소요동력과, 구조적 안정성에 영향을 미칠 수 있기 때문에 이에 대한 구조안정성 평가가 필요하다. 유동 해석결과를 바탕으로 구조안정성 평가를 수행한 결과, 날개 각도가 증가할수록 총변형량이 증가하여 안전계수가 감소하는 경향을 보이게 된다. 날개 각도가 45°인 경우 총 날개 두께 대비 10%의 변형량을 보이고, 90°인 경우 총 날개 두께 대비 14.5%의 변형이 일어나 불안전한 것으로 나타났다. 이러한 날개의 불안정성을 해결하기 위하여 날개 두께를 증가시켜 구조적 안정성을 평가 하였으며, 날개 두께가 기존대비 5mm 증가한 20.25mm의 경우, 구조적 변형 및 안정성에서 유리할 것으로 나타났다. 연구 결과를 통해 제작된 대용량 수열탄화반응기는 L/D 3, 날개각도 45°, 날개 단수 8개, 날개 두께 20.25mm로 선정하였으나, 실제 제작 환경에 따라 승온속도 및 안정성이 보장된 날개 단수 7개, 날개 두께 15.25mm를 선정하였다. 이를 통한 대용량 수열탄화반응기의 1cycle당 승온 시간은 108분으로 기존 138분에 비해 약 30분가량 단축시킬 수 있음을 확인하였으며, 구조적으로도 안정성을 갖는 대용량 수열탄화반응기 구성이 가능함을 확인 하였다.
more목차
제1장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 국내외 연구 동향 6
1.3 연구 목적 9
1.4 연구 범위 및 방법 10
1.4.1 대용량 수열탄화반응기 열 유동 특성 평가 10
1.4.2 슬러지 물성에 따른 열 유동 해석 타당성 평가 11
1.4.3 수열탄화반응기 성능 분석 11
1.4.4 교반기 토크 및 구조안정성 평가 11
제2장 수열탄화반응기 설계 평가를 위한 연구 방법 12
2.1 개요 12
2.2 지배방정식 12
2.2.1 Navier-Stokes 방정식 12
2.2.2 에너지방정식 13
2.2.3 난류모델 14
2.2.4 다상유동(Multiphase) 모델 14
2.3 수치해석 기법 15
2.3.1 SIMPLE 알고리즘 15
2.3.2 Sliding Mesh 기법 17
2.4 FSI(Fluid-Structure Interaction) 평가 방법 19
제3장 수열탄화반응기 수치해석을 위한 타당성 검증 20
3.1 개요 20
3.2 계산 및 경계조건 20
3.3 격자 의존성 평가 26
3.4 하수슬러지 특성 30
3.5 1400L급 수열탄화반응기 승온분석 33
3.6 요약 37
제4장 대용량 수열탄화반응기 설계를 위한 수치해석 38
4.1 개요 38
4.2 계산 및 경계조건 38
4.3 기초설계 수열탄화반응기 승온 특성 43
4.4 대용량 수열탄화반응기 성능향상을 위한 설계 47
4.4.1 열매체유 자켓 유동 특성 47
4.4.2 L/D 변화에 따른 승온속도 52
4.4.3 교반 날개 단수 변화에 따른 승온속도 67
4.4.4 날개 각도에 따른 승온속도 70
4.4.5 교반기 rpm 변화에 따른 승온속도 75
4.5 설계 인자별 주효과 분석 77
4.6 요약 79
제5장 구조해석을 통한 교반기 날개 구조안정성 평가 81
5.1 개요 81
5.2 투입량 변화에 따른 토크 분석 81
5.3 FSI기법을 이용한 교반기 구조해석 84
5.3.1 교반기 날개 단순화 타당성 평가 87
5.3.2 교반기 날개 각도에 따른 FSI 해석 90
5.3.3 교반기 날개 두께에 따른 FSI 해석 97
5.3.4 교반기 rpm 변화에 따른 FSI 해석 103
5.4 요약 105
제6장 실증플랜트 검증을 통한 설계 타당성 평가 106
6.1 개요 106
6.2 실증수열탄화반응기 검증 106
6.2.1 실증 수열탄화반응기 구성 107
6.2.2 해석방법 및 경계조건 108
6.2.3 실증 수열탄화반응기 검증 111
6.3 대용량 수열탄화반응기 승온분석 114
6.4 요약 117
제7장 결론 118
참고문헌 125
