고체 고온처리공정 열 설계 및 성능평가

Abstract

체류시간이 짧고 기체-고체 간 접촉면적이 넓어 효율적인 열전달이 가능하고 반응기의 크기 역시 줄일 수 있을 것으로 예상하는 고체 흩날림 유동 반응기를 적용하여 공정 기초 설계를 진행할 때, 이전 접근방법으로는 한계가 있다. 따라서 건조, 예열 및 소성공정에 기류건조, 사이클론 예열(집진기) 및 기류소성기를 적용한 공정을 공정에너지평가, 장치설계 및 1차원 계산을 통한 성능도달 가능성 확인 순으로 설계를 진행하였다. 존재하지 않는 공정이기 때문에 적절한 가정이 수반되어야 하며, 열량공급방식으로는 고온기체와 광석 간 열전달을 고려하였다. 석탄량 및 석탄 조성에 따라 투입공기량이 달라지고 이는 배출되는 물질량 및 열량도 변하게 된다. 반복계산을 적용하여 연료투입량을 계산하였으며, 이를 통해 각 공정에서 에너지 및 물질량에 의한 평가를 진행하였다. 각 공정에서 이론 필요열량 대비 신규 투입 열량을 계산하였으며, 기류건조기 및 기류소성기에서 각각 1.06, 1.89를 얻을 수 있었다. 기류건조기의 경우는 로터리킬른의 경우 보다 약 40% 절감된 수치이며, 기류소성기의 경우 로터리킬른의 경우와 투입되는 열량에서 큰 이득을 얻을 수는 없는 것을 확인할 수 있었다. 다음으로 각 공정 물질 투입량을 토대로 기류건조기 및 소성기의 투입속도 및 단면적을 계산하였다. 유사 공정 운전조건 및 반응기 크기를 참고하였으며, 고체 흩날림 유동 반응기에서 기본적인 기준들이 존재하지만 상용화 공정에서는 이보다 안정적인 운전조건(기체투입속도)을 적용하는 특징 또한 확인할 수 있었다. 마지막으로 운전조건에 따른 공정성능파악과 이를 통해 적절한 반응기의 길이를 결정하는 데 참고하기 위해 1차원 성능모형을 진행하였다. 기본적으로 계산 목적이 각 공정에서 투입되는 물질량 및 운전조건에 따라 배출되는 광석 및 기체의 온도, 수분 증발량, 화학반응량 등에 있었기 때문에 반응기의 외형, 기체 및 고체를 간단하게 고려하였다. 단위공정 1차원 계산을 통해 운전조건을 고려한 상황에서 이전 연구에서 고려할 수 없었던 열전달 및 반응속도를 고려할 수 있었으며, 이는 반응기의 길이를 결정하는 데 참고할 수 있을 것으로 생각된다. 본 계산을 통해 공정 초기 설계 단계에서 공정성능 결과가 없는 상태에서 참고할 수 있는 결과를 얻을 수 있었다. 1차원 모형 역시 많은 가정이 포함되어있으므로 결과를 전적으로 신뢰하기에는 어려움이 있지만, 공정 운전조건 결정 및 성능을 예측하는 데 참고자료로써 활용할 수 있을 것이다. 또한, 고체처리공정이 투입되는 광석의 조성 및 고려해야 하는 화학반응들에서 차이가 있을 뿐, 전체적인 공정의 흐름은 유사하므로 본 계산모형을 향후 구체적인 공정으로의 확장 및 개선까지도 가능할 것이다.