• 한국연소학회:학술대회논문집
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• 한국연소학회 2012년도 제44회 KOSCO SYMPOSIUM 초록집
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• pp.231-233
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• 2012

Circulating Fluidized Bed (CFB) is a technically and economically proven technology for boiler systems and large CFB coal boilers are making inroads into the domestic power boiler market. For biomass gasification, it is also considered as a very promising technology for commercial. Due to the lack of experiences of a large scale CFB gasifier, however, any large scale CFB gasifiers are hard to in Korea in spite of fast-growing demand of domestic market. In this study, a 3 $MW_{th}$ CFB gasifier was developed for biomass gasification. The CFB gasifier consists of interconnected fast and bubbling fluidized bed reactors including unique features for in-situ tar removal. Various numerical and experimental approaches will be presented such as basic modeling works, investigation of hydrodynamics with a cold model, computational particle fluid dynamics and experiments in the 3 MWth gasifier.

• 한국전산유체공학회지
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• 제16권2호
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• pp.94-101
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• 2011

The fast pyrolysis characteristics of lignocellulosic biomass are investigated for a bubbling fluidized bed reactor by means of computational fluid dynamics (CFD). To simulate multiphase reacting flows for gases and solids, an Eulerian-Eulerian approach is applied. Attention is paid for the primary and secondary reactions affected by gas-solid flow field. From the result, it is scrutinized that fast pyrolysis reaction is promoted by chaotic bubbling motion of the multiphase flow enhancing the mixing of solid particles. In particular, vortical flow motions around gas bubbles play an important role for solid mixing and consequent fast pyrolysis reaction. Discussion is made for the time-averaged pyrolysis reaction rates together with time-averaged flow quantities which show peculiar characteristics according to local transverse location in a bubbling fluidized bed reactor.

• 한국가스학회지
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• 제22권2호
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• pp.84-89
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• 2018

최근 환경문제로 인해 폭발성 폐기물을 안전하게 소각 처리하는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 유동층 소각로를 이용한 처리 공정은 기존 방법보다 연소 가스 배출량이 현저하게 낮으며, 운전의 효율 또한 높다. 본 연구에서는, 폐 추진제 중 가장 많은 양이 폐기되고 있는 Double-based Propellant를 유동층 소각로에서 소각하는 공정을 전산유체역학 프로그램으로 모사하였다. Cylindrical Bed 내부에서 일어나는 7개의 연소 반응이 안전하게 모사되는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 실제 공정 설계를 진행하면, 앞으로 폭발성 폐기물 처리 공정 연구에 새로운 연구 방향을 제시할 것이라 사료된다.

• 한국전산유체공학회지
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• 제15권1호
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• pp.9-16
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• 2010

The characteristics of flow and heat transfer in a bubbling fluidized bed are investigated by means of computational fluid dynamics (CFD). To simulate two-phase flow for the gas and solid flows, Eulerian-Eulerian approach is applied. Attention is paid for a heat transfer from the wall to fluidized bed by bubbling motion of the flow. From the result, it is confirmed that heat transfer is promoted by chaotic bubbling motion of the flow by enhancement of mixing among solid particles. In particular, the vortical flow motion around gas bubble plays an important role for the mixing and consequent heat transfer. Discussion is made for the time and space averaged Nusselt number which shows peculiar characteristics corresponding to different flow regimes.

• 반도체디스플레이기술학회지
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• 제14권4호
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• pp.38-44
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• 2015

In this paper, numerical simulations on conical fluidized bed combustors were carried out to estimate the effect of coefficients of restitution between particle and particle and particle to wall on hydrodynamics and heat transfer. The Eulerian-Eulerian two-fluid model was used to simulate the hydrodynamics and heat transfer in a conical fluidized bed combustor. The solid phase properties were calculated by applying the kinetic theory of granular flow. Simulations results show that increasing the restitution coefficient between the particle and particle results in increasing the bed pressure drop. On other hand, the increasing of particle to wall coefficient of restitution results in decreasing the bed pressure drop. It is found that the coefficient of restitution has little effect on heat transfer.

• 대한기계학회논문집B
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• 제39권11호
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• pp.861-869
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• 2015

본 연구에서는 서로 다른 항력 모델이 원추형 유동층 연소기 내의 수력학적 특성과 열전달 현상에 미치는 영향에 대해, 입자상 유동에 대한 분자운동론을 적용한 오일러-오일러 모델을 사용하여 수치 해석적으로 연구하였다. Gidaspow 항력 모델과 Syamlal-O'Brien 항력 모델에 대해 유입 공기의 속도와 입자의 크기를 변화시키면서 연소기 내의 압력강하나 베드 팽창률 및 벽과 베드 사이의 열전달 계수의 변화를 조사하였다. 그 결과 베드의 팽창률은 속도가 증가함에 따라 커졌으며 압력강하는 속도의 증가에 따라 감소하였다. 벽과 베드 사이의 열전달 계수는 유입 속도가 증가하면 증가하고 입자의 크기가 증가하면 감소하는 것으로 나타났다. 베드의 팽창률이나 압력 강하와 같은 수력학적 특성은 항력 모델에 큰 영향을 받지 않았으나 열전달 계수는 항력 모델에 따라 차이가 나타났다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제58권4호
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• pp.642-650
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• 2020

순환유동층 보일러에서 유동 입자들의 순환 경로는 연소로에서 비산된 입자들이 사이클론에서 포집되어 비기계적 밸브인 실포트(Sealpot)를 거쳐 연소로로 재순환하는 일반적인 경로를 갖는다. 그러나, 유동 입자들로부터 열을 추가적으로 흡수하기 위해 유동층 외부열교환기(FBHE; Fluidized Bed Heat Exchanger)가 설치된 경우, 실포트의 일부 입자들은 FBHE를 거쳐 연소로로 재순환하는 경로를 갖게 된다. 이때 기포유동층 영역으로 운전되는 FBHE는 실포트로부터 유입되는 고온(800~950 ℃)의 입자들의 유동 특성에 따라 열교환 튜브의 국부적 가열로 인한 손상 및 hot spot에 의한 입자들의 고온 뭉침(agglomeration)이 발생할 수 있어 순환유동층의 안정적 조업에 영향을 미칠 수 있다. 본 연구에서는 국내 D 순환유동층 보일러의 FBHE에 대한 운전자료 분석 및 바라쿠다를 통한 CPFD(Computational Particle Fluid Dynamics) 해석을 통해 구조적 문제로부터 발생하는 열흐름의 불균일성을 밝혀내었다. 실제 D 순환유동층의 FBHE 열교환 튜브 온도는 실포트의 고체온도 변화와 가장 밀접한 상관관계를 나타내었으며, FBHE 내의 열흐름의 불균일성은 FBHE의 조업 유속의 증가(0.3→0.7 m/s)로는 그 불균일성을 해소하기 어려운 것으로 나타났다. 그러나, FBHE로 유입되는 고온 입자들에 대한 사전 혼합 영역(Premixing Zone)이 설치된 경우와, 연소로로 재순환되는 입자 배출 라인의 대칭화를 통한 구조변경 시, 입자 혼합의 증대와 더불어 열흐름의 불균일성은 상당 부분 감소하는 것으로 고찰되었다. 이에, FBHE의 구조 최적화가 열교환 성능 및 운전 안정성을 확보하는 대안임을 제시하였다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제58권4호
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• pp.651-657
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• 2020

고체 입자들이 유체처럼 움직이는 유동층 공정은 에너지 전환 공정뿐만 아니라 범용 고분자 수지의 생산 공정에도 이용되고 있다. 범용 고분자 수지 중의 하나인 LLDPE(Linear low density polyethylene)도 기포 유동층 공정을 통해 전세계에서 생산되고 있다. 입자 크기에 비해 밀도가 낮은 LLDPE 입자들은 고분자 중합 반응을 위해 공급되는 수소에 의해서 유동화된다. 그러나 LLDPE 생산 공정은 기포유동층 공정임에도 불구하고 발생한 슬러그로 인하여 반응에 영향을 끼쳐 공정의 효율 저하를 불러올 수 있다. 이에 본 연구에서는 상용 고분자 반응기를 모사한 pilot 규모의 고분자 합성 반응기(0.38 m l.D., 4.4 m High)와 동일한 시뮬레이션 모델을 구축하여 LLDPE 입자의 유동화 상태를 고찰하였다. 특히 기체 유속(0.45-1.2 m/s), 고체 입자 밀도(900-1900 kg/㎥), 입자 구형도(0.5-1.0), 입자 크기(120-1230 ㎛)의 변화에 따른 슬러그 특성을 세밀하게 고찰하기 위하여 전산입자유체해석(Computational particle-fluid dynamics, CPFD)을 이용하였다. CPFD를 통해서 일부 실험자들만 고찰할 수 있었던 flat slug의 발생을 시각적으로 구현하였으며 밀도, 구형도, 크기 등의 고체의 물리적 특성을 변화시킴에 따라 슬러그 발생을 저감시킬 수 있음을 확인하였다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제54권5호
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• pp.678-686
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• 2016

본 연구에서는 내경 0.3 m, 높이 2.4 m인 기-고 유동층 반응기 내에서 수직 방향의 내부 구조물과 shroud 노즐 분산판이 기포 흐름에 미치는 영향을 CPFD (Computational Particle-Fluid Dynamics)를 이용하여 모델링을 수행하였다. 층 물질로는 Metal-grade 실리콘 입자(MG-Si)가 사용되었으며 $d_p=149{\mu}m$, ${\rho}_p=2,325kg/m^3$, $U_{mf}=0.02m/s$이다. 전체 층물질의 양은 75 kg이며 정적층(static bed) 높이는 0.8 m이다. 수직 내부 구조물이 기포 상승속도에 미치는 영향을 파악하였다. 내부 구조물이 분산판으로부터 0.45 m 높이에 설치되었을 때 기포의 분쇄가 일어났다. 유동층의 압력강하 및 수직 고체체류량 분포는 내부 구조물의 영향을 크게 받지 않는 것으로 나타났다. 하지만 내부 구조물이 제트에 너무 가까운 경우 기포가 분쇄되지 않고 내부 구조물을 우회하여 상승하였으며 내부 구조물이 없는 경우나 0.45 m 높이에 설치된 경우에 비해 더 빠른 속도로 상승하였다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제59권3호
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• pp.417-428
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• 2021

낮은 반응성으로 인해 복잡한 공정이 필요한 무연탄은 순환유동층 내의 동적 거동을 통해 연소 특성이 고찰되어야 한다. Pilot 규모의 0.1MW_th 급 순산소 순환유동층 연소로에서의 무연탄 연소 특성을 고찰하기 위하여 본 연구에서는 전산유체해석 기법을 이용하였다. 순산소 순환유동층 보일러는 연소로(0.15 m l.D., 10 m High), 싸이클론, 재순환부 등으로 구성되었고 동일한 크기의 3D 모델 반응기를 구축하였다.실험에 사용한 무연탄은 평균 입도 1,070 ㎛, 밀도 2,326 kg/m³이다. 공기 연소에서 순산소 연소로의 연소 환경 변화에 따른 반응기 내부의 기-고 흐름 패턴을 고찰하였다. 이때, 공기 연소와 순산소 연소에서 온도 분포는 비슷한 양상을 보이지만 압력 분포는 순산소 연소에서 더 낮음을 알 수 있었다. 더불어 공기 연소에 비해 순산소 연소에서 더 높은 CO₂ 농도를 가지므로 이산화탄소 포집이 활발히 이루어질 것을 예상해 볼 수 있다. 결과적으로 본 연구를 통해 무연탄 활용 시 순환유동층 반응기의 최적화된 설계 및 운전에 기여할 수 있음을 확인하였다.