A pilot-scale Spray Drying Absorber (SDA) system was set up to evaluate the effect of spray characteristics on the flue gas desulfurization efficiency. The size distribution and the Sauter Mean Diameters of slurry droplets were measured in advance using optical size measurement system, Malvern 2600. The desulfurization yield of the drying chamber by size was measured for conditions of inlet gas and spray injection. As a reagent, 10% limestone slurry of $Ca(OH)_2$ was treated with flue gas containing $SO_2$, and the combustion gas analyzer and gas detectors were attached to measure the $SO_2$ concentration. With a flow rate of 144 N㎥3/h and a temperature range from 200 to 300˚, the experiments were performed for the Stoichiometric Ratio (SR) of 1.0 to 3.0 and droplet mean diameter of 6.5 to 34.3 micrometer.
In case of smaller spray droplets, the desulfurization efficiency was improved due to the increase of total droplet surface area, while the reduction in evaporation time reduced the contact time between the droplets and flue gas. In some typical region of droplet diameter, this negative effect, reduction of contact time, became dominant and the desulfurization yield decreases in spite of the expansion in absorption area. In addition, with the spray condition of high number density, the $SO_2$ molecules being transferred to the droplet region by diffusion are not sufficient to maximize the desulfurization capability of each droplet. These results revealed that there exists the optimal size of spray droplets for a given state, which is determined by the compromise between the total surface area of slurry droplets and the evaporation time of droplets. The measurements also indicated that the inlet temperature of flue gas changes the optimal injection condition by varying the driving force for evaporation.
In the meantime, the numerical simulations were performed to evaluate the effect of each operating parameter using the commercial computational fluid dynamics code, CFD-ACE. The local $SO_2$ concentration and the removal efficiency was calculated for different groups of droplet size with various operating conditions. In spite of the simplification in the geometry and the models of evaporation and absorption process, the simulation predicted the effect of each parameter quite similar to the experimental measurements. The influence of each parameter was determined by the competition of the absorption capability of droplets against the supply of $SO_2$ molecules to the region of droplet cloud and the evaporation time. The results confirmed that the effect of the evaporation time of slurry droplets should be considered in the analysis of the desulfurization yield as well as the total surface area, for it''s a significant aspect of the restriction to the capabilities of $SO_2$ absorption in wet droplets.
From both results of experimental and numerical analysis, some empirical models were suggested between desulfurization yield and operating conditions. In conclusion, the optimal condition of spray can be determined based on these results, which might be applied to design or scale-up of SDA system.
본 연구에서는 반건식 세정 시스템에서 슬러리 분무특성을 포함한 운행조건에 따른 산성가스 제거효율의 변화를 관찰하였다. 특히 슬러리 분무 액적의 크기에 따른 제거율의 변화를 관찰하여 최적 분무조건을 구하고자 한다.
먼저 슬러리 분무특성에 따른 액적의 크기분포를 광학적 방법으로 측정하여 각 조건별 평균입경을 정리하였다. 이어 pilot-scale 세정기를 설치하고 슬러리 분무시스템과 기체온도 및 산성가스의 농도를 측정하는 장치를 부착하였다. 흡수제로는 10% limestone을 사용하였고 가스분석기와 검지관을 이용하여 반응로 입구부와 출구부의 산성가스 농도를 측정하여 제거효율을 구하였다. 시스템 운행 조건 중 유입 배가스의 온도, 산성가스 초기 농도, 당량비, 그리고 입자의 크기 분포를 변화시켜 가며 제거율에 미치는 영향을 관찰하였다.
작은 액적의 경우, 액적의 총표면적의 증가에 따른 산성가스와의 유효접촉 면적의 증가에 의해 산성가스 제거율을 높이는 효과가 있다. 반면, 증발 시간의 감소와 함께 작은 액적이 높은 수농도를 가지고 분무되므로 액적 주위로 이산화황 분자가 충분히 전달되지 못하기 때문에 흡수반응율이 떨어지는 효과가 동시에 발생한다. 이러한 상반된 효과의 영향으로 정해진 운행조건에 따라 평균입경에 대한 제거효율의 곡선은 두 개의 영역으로 구분되고 특정한 평균입경에서 최대값을 갖게 된다. 유입가스의 온도 및 산성가스 농도에 따른 실험에서도 액적 총표면적의 영향 뿐 아니라 대류 및 확산에 의한 이산화황 분자의 전달이 제거효율에 큰 영향을 미침을 알 수 있다. 이러한 측정 결과를 이용하여 당량비와 평균입경에 대한 제거효율의 변화를 실험식으로 제안하였다.
한편, 전산유체 코드인 CFD-ACE를 이용하여 이러한 변수들이 제거효율에 미치는 영향을 모사 하였다. 서로 다른 평균입경을 갖는 분무조건과 운행조건에 대해 축방향 산성가스의 농도변화와 출구부분에서의 제거효율을 계산하였다. 운행조건 변수로는 기체유입 조건 중 온도, 초기 농도, 유속 (건조기 체류시간)을 변화시켰고, 슬러리 분무조건으로 당량비와 액적 평균입경을 변화시켜 주었다. 또한 3차원 형상에 대해 유입기체의 선회강도가 제거효율에 미치는 영향을 액적 의 크기별로 관찰하였다. 반응로 형상 및 흡수, 증발 반응을 단순화 시켰음에도 불구하고, 모사 결과에 의한 각 운행 조건의 영향은 실험 결과와 잘 일치하였다. 유입가스 및 슬러리 분무 조건에 따른 산성가스의 변화는 크게 액적들의 흡수 능력에 대해 건조 속도와 액적 표면으로의 이산화황 분자의 공급 능력의 대립의 결과로 나타나게 된다. 수치모사를 통한 결과는 실험 결과로부터 실험식과도 잘 일치하였다.
이러한 결과를 통해 주어진 처리 용량 및 반응로 형상에 대해 최적의 분무조건 이 존재함을 알 수 있으며, 세정기의 성능 평가에 있어 액적의 표면적의 변화 뿐 아니라 흡수 반응을 지배하는 건조시간도 고려되어야 한다는 결론을 얻을 수 있다. 위의 실험 및 수치해석을 통한 결과는 반건식 세정기의 최적 설계 등에 적용될 수 있을 것이다.
