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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 류창국
- 발행연도
- 2013
- 저작권
- 성균관대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수2
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최근 에너지 수급과 온실가스 규제가 심화되면서 매장량이 많은 석탄을 친환경적으로 이용하려는 연구가 많아지고 있다. 석탄 가스화는 석탄을 불완전 연소 후 얻은 합성가스(CO, H2)를 이용하는 기술로, 가스를 정제한 후 이용하거나 복합발전에 쓰이는 등 활용 범위가 넓다.
석탄은 온도가 상승함에 따라 건조, 탈휘발, 촤 연소 및 가스화 반응 과정을 거쳐 회분에 이른다. 탈휘발은 매우 짧은 시간 내에 다양한 화학종이 빠져나오기 때문에 실제 측정에 어려움이 있다. 촤 반응은 탈휘발에 비해 느린 반응 속도를 가지므로 전체적인 석탄 반응을 지배하게 된다. 가스화 연구는 복합적인 반응과 유동, 열전달 등을 고려해야 하기 때문에 전산유동해석(CFD)을 통한 연구가 많이 이루어지고 있으며 탈휘발과 촤 반응 과정은 CFD 해석을 위한 중요한 인자로써 현재 많은 모델이 제시되어 있다. 또한 고온 고압 상태에 비해 상대적으로 작은 크기의 반응기에서 공정이 이루어지기 때문에 작은 인자라 할지라도 운전에 쉽게 영향을 줄 수 있다.
본 연구는 300 MWe급 건식 분류층 가스화기를 Fluent를 이용하여 해석을 하였다. 촤 반응은 Shrinking unreacted core model을 사용하였으며, 탈휘발은 석탄 네트워크 예측 모델인 Flashchain으로부터 얻은 조성 및 반응 속도를 적용하였다. 또한 이들과 함께 석탄의 반응 과정마다 입자의 직경과 밀도를 달리하여 실제 석탄 입자의 변화를 user subroutine를 통해 모사하였다. 기준 운전 조건을 중심으로 부하(100%, 75%, 50%)에 따른 영향과 투입되는 석탄 입자의 직경 크기 분포(×0.85, ×1.00, ×1.15, ×1.30)에 따른 영향에 대하여 비교 및 평가하였다.
결과적으로 기준 조건(100%, ×1.00)의 경우, 벽면으로의 전열량이 2.76%, 출구 가스 온도의 경우 1554℃로 다양한 플랜트 운전 자료로부터 수립된 설계값과 유사하게 나타났으며, 가스 농도와 냉가스 효율 또한 3% 이내의 오차를 보였다. 가스화기의 부하를 달리하였을 때에는 전체적인 경향성은 유사하였으나, 가스화기 하부의 온도와 유동 특성에서 약간의 차이가 있었다. 입자 크기 분포에 따른 비교에서도 내부 가스의 유동 패턴이나 열전달 등에 있어 이에 따른 영향을 확인할 수 있었지만, 출구의 가스 특성과 냉가스 효율, 벽면 전열량은 큰 차이를 보이지 않았다.
석탄은 온도가 상승함에 따라 건조, 탈휘발, 촤 연소 및 가스화 반응 과정을 거쳐 회분에 이른다. 탈휘발은 매우 짧은 시간 내에 다양한 화학종이 빠져나오기 때문에 실제 측정에 어려움이 있다. 촤 반응은 탈휘발에 비해 느린 반응 속도를 가지므로 전체적인 석탄 반응을 지배하게 된다. 가스화 연구는 복합적인 반응과 유동, 열전달 등을 고려해야 하기 때문에 전산유동해석(CFD)을 통한 연구가 많이 이루어지고 있으며 탈휘발과 촤 반응 과정은 CFD 해석을 위한 중요한 인자로써 현재 많은 모델이 제시되어 있다. 또한 고온 고압 상태에 비해 상대적으로 작은 크기의 반응기에서 공정이 이루어지기 때문에 작은 인자라 할지라도 운전에 쉽게 영향을 줄 수 있다.
본 연구는 300 MWe급 건식 분류층 가스화기를 Fluent를 이용하여 해석을 하였다. 촤 반응은 Shrinking unreacted core model을 사용하였으며, 탈휘발은 석탄 네트워크 예측 모델인 Flashchain으로부터 얻은 조성 및 반응 속도를 적용하였다. 또한 이들과 함께 석탄의 반응 과정마다 입자의 직경과 밀도를 달리하여 실제 석탄 입자의 변화를 user subroutine를 통해 모사하였다. 기준 운전 조건을 중심으로 부하(100%, 75%, 50%)에 따른 영향과 투입되는 석탄 입자의 직경 크기 분포(×0.85, ×1.00, ×1.15, ×1.30)에 따른 영향에 대하여 비교 및 평가하였다.
결과적으로 기준 조건(100%, ×1.00)의 경우, 벽면으로의 전열량이 2.76%, 출구 가스 온도의 경우 1554℃로 다양한 플랜트 운전 자료로부터 수립된 설계값과 유사하게 나타났으며, 가스 농도와 냉가스 효율 또한 3% 이내의 오차를 보였다. 가스화기의 부하를 달리하였을 때에는 전체적인 경향성은 유사하였으나, 가스화기 하부의 온도와 유동 특성에서 약간의 차이가 있었다. 입자 크기 분포에 따른 비교에서도 내부 가스의 유동 패턴이나 열전달 등에 있어 이에 따른 영향을 확인할 수 있었지만, 출구의 가스 특성과 냉가스 효율, 벽면 전열량은 큰 차이를 보이지 않았다.
목차
제1장 서 론 11.1 연구 배경 11.2 관련 연구 21.2.1 가스화 공정 및 방식 21.2.2 석탄 가스화 51.2.3 가스화 모델링 71.2.4 슬래그 거동 및 열전달 101.3 연구 목적 111.4 연구 내용 12제2장 석탄 가스화기 해석 방법 132.1 해석 대상의 석탄 가스화 공정 132.2 가스화기 해석 형상 및 격자 152.3 기준 운전 조건 182.4 비교 조건 222.4.1 운전 부하에 따른 분류 222.4.2 입경 크기에 따른 분류 23제3장 석탄 가스화 모델링 243.1 모델링 접근 방법 243.2 석탄 탈휘발 모델 253.2.1 Flashchain model 253.3 석탄 촤 반응 모델 283.3.1 Shrinking unreacted core model 283.4 입자 크기 및 밀도 변화 303.5 가스 반응 모델 323.6 Calcination 343.7 난류 모델 363.8 입자 거동 모델 373.9 복사 열전달 모델 38제4장 연구 결과 404.1 기준 조건에서의 가스화 특성 404.1.1 온도분포 404.1.3 가스화기 내 몰농도 분포 454.1.4 가스화기 내 석탄 입자 특성 474.1.5 벽면 열전달 특성 524.1.6 석탄 입자의 벽면 부착 특성 544.1.7 Mass imbalance 594.2 부하 및 입자 크기에 따른 영향 614.2.1 부하 별 해석 결과 비교 614.2.2 입자 크기 별 해석 결과 비교 67제5장 결론 74후기 76참고문헌 77ABSTRACT 80
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