건식 $CO_2$ 포집공정 효율 향상을 위한 열교환형 유동층 반응기 열설계

건식 포집공정용 유동층 반응기

유동층을 이용한 건식 흡수공정 개발 및 연구는 1999 년부터 미국에서 시작되었다. 유동층(fluidized bed)이 란 액체나 기체흐름에 고체입자들을 부유시켜 유체와 같이 거동하게 함으로써 고체 입자와 유체간의 혼합, 이송, 화학반응 및 열/물질전달 등에서 큰 장점을 갖는 공정이다. 이러한 유동층은 부유하는 입자들의 넓은 표 면적이 높은 혼합효과와 열/물질전달 효과를 나타내기 때문에 입자들의 코팅, 건조, 가열 및 연소, 냉각 혹은 기타 화학반응 공정에 많이 적용되고 있다. 하지만 유 동층 운전은 층(bed) 물질이 항상 유동하고 있기 때문 에 입자간 충돌에 의한 마모 그리고 입자와 반응기간의

충돌에 의한 반응기 손상과 더불어 입자들의 응집 (agglomeration)과 소결(sintering) 등이 발생할 수 있는 단점이 있다.

유 동 층 공 정 은 반 응 기 내 의 유 속 (공 탑 속 도 : superficial gas velocity)에 따라 분류할 수 있으며, 공탑 속도의 증가에 따라 고정층(fixed bed), 기포 유동층 (bubbling fluidized bed), 슬러깅 유동층(slugging fluidized bed), 난류 유동층(turbulent fluidized bed), 고속 유동층(fast fluidized bed), 그리고 이동층 (pneumatic transport)으로 구분되며 공정의 목적과 특 성에 맞게 각각 사용되어야 한다. 특히, 입자들의 유동 화 특성은 각각의 유동층을 구성하는 입자들의 특성에 의해 구분되어 진다. 동일 공탑속도에 의해 같은 유동 유동층기술은 물리반응 공정, 화학반응 공정, 에너지 변환공정 등 다양한 산업 분야에 오랫동안 적용되어 왔다. 이 글 에서는 여러 산업분야 중 최근 환경 분야에 적용된 유동층 반응기 설계기술, 특히 건식흡수제를 이용한 다단 CO

포 집공정용 유동층 반응기 설계를 위한 유동층 열교환기 설계 기술에 대해 소개 하고자 한다.

조 형 희 연세대학교 기계공학부 교수ㅣ e-mail : [email protected]

열교환형 유동층 반응기 열설계

표 1유동층 입자의 Geldart 분류(Powder Technology, 1973, 7, 285-292)

층의 범위에 속하더라도 유동층을 구성하는 입자의 크 기, 구형도(sphericity), 밀도 등에 따라 유동화의 성질 이 크게 달라질 수 있으며 이는 전체공정의 효율에 큰 영향을 미치게 된다. 이러한 비슷한 유동을 보이는 입 자들을 입자들의 크기와 밀도로 구분하여 게다트 (Geldart, 1973)는 입자들을 크게 네 가지 군(Group C, A, B, D)으로 구분(Geldart’s classification)하였으며 표 1에 나타내었다.

공정에 가장 많이 적용되는 대표적 유동층 형태로는 기포 유동층(BFB: Bubbling Fluidized Bed)과 순환 유 동층(CFB: Circulating Fluidized Bed)을 들 수 있다. 기 포 유동층은 Geldart’s Group B 입자들로 구성된 유동 층에서 최소 유동화 속도(minimum fluidization velocity: U

) 이후에 일반적으로 나타나는데, 반응기 내부의 밀집된 입자들의 공극 사이로 유동화 가스가 흘 러가면서 부분적으로 기포형태를 나타내게 되며 이때 형성되는 기포의 크기, 빈도, 속도 등에 의해 전체적인 혼합 및 전달 특성 등이 달라지게 된다. 특히, 기포유동 층의 기포의 생성과 배열은 유동화 가스가 주입되는 분 사판(distributor)의 배열과 형태에 따라 크게 영향을 받 게 되며 공정의 특성에 맞게 다양한 형태의 분사판이 적용되고 있다. 또한, 순환 유동층은 난류 유동층 이후 속도영역(critical velocity: Use)에서 운전되는데, 높은

유동화 속도에 의해 반응기(riser)에서 비산되는 입자들 을 사이클론을 통해 포집하여 다시 반응기내로 순환시 키는 유동층이다. 주로 Geldart’s Group A 입자들 (catalytic)을 사용하며, 높은 운전속도에 의한 층 확장 (bed expansion)이 커짐에 따라 입자들이 분포가 희박 하게 되어 기포 유동층에서와는 구분되는 입자분포 특 성이 나타난다. 이러한 유동층 내부에서의 층 물질의 다양한 분포와 거동은 유동층 반응기 내부에서의 열전 달 특성에 큰 영향을 미치게 된다.

따라서, 다양한 유동층의 특징과 건식 흡수제의 흡수 능, 흡수속도 등을 고려하여 포집공정을 위한 유동층 반응기의 설계가 이루어져야 하며, 흡수제 사이즈, 배 가스의 속도의 상호 작용에 의한 유동층에서의 흡수제 거동에 대한 분석을 통한 효율적 운전조건에 대한 도출 이 필요하다.

유동층 열전달 특성

유동층에서의 열전달 특성은 유동층을 구성하는 층 물질(bed material), 유동층 반응기 형상(reactor geometry), 유동층의 종류(fluidization regime)에 의해 복합적으로 영향을 받는 복잡한 과정이다. 특히, 열교 환형 유동층 반응기 설계에서 중요한 부분인 유동층과 반응기 벽면간(bed-to-wall)의 열전달은 단상(single phase)유동에서의 열전달 분포와 구별되는 이상(two phase)유동 열전달 특성을 나타낸다. 일반적으로 유동 층 반응기 벽면에서 열전달 계수는 기체만 존재할 때보 다 10~100배 정도 증가한다고 알려져 있다. 하지만 유 동층 내부는 유동화 기체와 고체입자의 복잡한 거동을 나타내므로, 열전달 계수는 많은 요소에 의해 영향을 받는다. 이러한 열전달에 영향을 미치는 요소로는 유동 화 기체의 물성(밀도, 점성, 열용량, 열전도도 등)과 고 체 입자의 물성(입자크기, 밀도, 구형도, 열전도도, 열용 량 등), 유동화 조건(공탑속도, 공극률)과 반응기의 구 조적 특성(직경, 높이), 입자들의 초기 충진 높이 등을

그림 1온도와 입자크기에 따른 열전달(Rohsenow et al., Handbook of heat transfer, 1998)

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들 수 있다. 따라서 유동층에서의 총괄 열전달 계수(h) 는 고체입자와 기체에 의한 각각의 대류 열전달 계수 (h

, h

)와 고온인 경우 복사 열전달 계수(h

)를 고려 하여 다음과 같이 표현된다.

h = h

+h

+h

복사 열전달은 유동층 온도가 약 600℃ 이상인 경우 에 의미를 갖으며, 기체에 의한 열전달은 Geldart’s Group B와 D 입자와 같이 상대적으로 크기가 큰 입자 인 경우일 때 의미를 갖는다. 또한, Geldart’s Group A 와 B 입자와 같이 상대적으로 사이즈가 작은 입자인 경 우에는 고체입자에 의한 열전달이 지배적으로 작용하 며 이는 그림 1에 나타난 도식을 통해 확인할 수 있다.

이러한 복잡한 유동층 내부에서의 열전달의 특성은 다 양한 실험적, 이론적 연구를 통해 실험상관식, 열전달

원리 등에 대한 다양한 연구결과가 문헌을 통해 보고되 고 있다. 특히, 가장 많이 산업에 적용되고 있는 기포유 동층과 순환유동층을 공정의 목적과 특성에 맞춘 반응 기 설계를 위해 유동층 반응기에서의 열교환 및 열전달 에 초점을 맞춘 연구가 진행 중에 있다.

반응기간의 열교환이 특히 중요한 열교환형 유동층 반응기의 설계를 위해서는 반응기 열전달에 큰 영향을 미치는 흡수제들의 분포와 거동 분석을 위한 열전달/유 동 계측 과 열해석 수행이 필요하며 이를 바탕으로 요 소부품 열설계 기술을 적용하여 열교환형 유동층 반응 기 설계가 진행되어야 한다.

건식 포집공정용 열교환형 유동층 반응기 열설계

복잡한 흡수제 거동과 열전달이 일어나는 유동층, 특

그림 2유동층 영역맵을 이용한 유동화 속도별 유동층 영역의 이론적 분석(Grace et al., Circulating Fluidized bed, 1997)-건 식 흡수제 사이즈, 속도별 유동층 영역 예측

히 열교환형 유동층 반응기의 최적 열설계를 위해서는 정확한 열전달/유동 계측과 이를 바탕으로 한 이론적 방법(그림 2) 및 수치적 해석 방법(그림 3, 4)을 사용한 열해석이 필요하다. 그림 5는 열전달/유동 계측 및 수 치해석 결과를 바탕으로 한 열교환형 유동층 반응기 열 설계 과정을 보여준다. 궁극적으로 열교환형 유동층 반 응기의 열교환 효율을 증가시키기 위한 열설계의 진행 이 필요하며 이를 위해서는 열설계 기술에 대한 경험이 절대적으로 필요하다.

환경문제 대두에 따른 발전설비 등에서 이산화탄소 포집장치의 추가적인 설치는 전체 시스템의 효율을 떨 어뜨리는 단점이 있기 때문에, 포집장치 시스템의 에너 지 효율이 포집장치 선정에 중요한 지표가 될 것이다.

그러므로 CO

포집에 따른 처리 비용과 에너지 소비를 최소화 할 수 있는 건식 흡수제를 이용한 다단 포집공 정용 열교환형 유동층 반응기의 열설계 기술이 필요하 다.

그림 3유동층 반응기(CO2흡수반응기)에서의 흡수제의 시간별 분포(길이방향 단면)

그림 4이중관 열교환형 유동층 반응기(탈착반응기)에서의 흡수제의 시간별 분포(길이방향 단면)

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그림 5열전달/유동 계측 및 수치해석 결과를 바탕으로 한 열교환형 유동층 반응기 열설계