For the combustion performance to achieve the low pollution, it is essential to understand the combustion and gas flow characteristics of the incinerator combustion chamber. Numerical simulation has been frequently applied and has provided a comprehensive set of information on the flow field. However, the waste bed has been usually treated as an inlet condition based on an arbitrarily assumed combustion profile, which has limited the usefulness of predicted results. Thus, it is necessary to develop an improved simulation method that extends the capability of the numerical simulation applied in incinerators.
In this study, the combined simulation method(CSM) was proposed, which incorporated the gas flow simulation with a waste combustion model to consider the waste combustion and its interaction with the gas flow region. When coupled with CFD, the bed model provided inlet conditions of the gas flow field on the waste bed which corresponded to the radiative heat flux onto the bed received from CFD.
For this purpose, a mathematical model was constructed to predict the waste bed combustion. The waste bed was treated as a packed bed of homogeneous fuel particles. Comparison with the batch type reactor experiments showed that the model provided the macroscopic phenomena of the waste bed combustion and the release of the combustion gas.
Test simulations using CSM successfully predicted overall physical processes of the waste bed combustion and its interaction of heat and mass transfer with the gas flow fields for test cases having different design and operating conditions. Such interaction was identified as an important factor of the combustion chamber, which affected the results of both regions.
Additionally, quantitative evaluation of the predicted gas flow field as the combustion performance was summarized. Though current numerical simulation, including the CSM, has not fully validated, its results contain useful information on the gas flow field. By defining quantitative measures on the gaseous mixing, residence time and thermal destruction efficiency, the performance of the gas flow field could be derived, which was essential in comparative studies for the design or operation improvement of incinerators.
폐기물 소각 시설에서 발생하는 다이옥신 등의 공해물질 최소화가 사회적인 관심으로 대두되면서, 소각로에 대한 공학적인 접근의 필요성이 제기되고 있다. 소각로의 저공해화에 있어서 최적 연소는 가장 기본적인 요건으로서, 이를 위해서는 폐기물의 연소 및 열 유동 특성에 대한 이해가 필요하다. 전산해석은 연소실 내 유동장에 대한 많은 정보를 제공하기 때문에 자주 이용되고 있지만 해석이 매우 어려운 폐기물 층 연소과정을 단순화해왔고 이로 인해 그 유용성에 많은 한계를 가지고 있다. 따라서, 폐기물 층 연소과정을 포함한 전반적인 노내의 주요 현상을 해석할 수 있는 기법을 개발하는 것이 필요하다.
이 연구에서는 폐기물의 연소와 유동장의 형성을 함께 해석할 수 있는 병합해석기법(CSM, Combined Simulation Method)을 제시하였다. 이는 폐기물 층과 가스 유동장 사이에 일어나는 상호작용을 토대로 가스 유동해석(CFD)에 폐기물 층 연소모델(Waste bed combustion model, WBCM)을 결합시킨 것이다. WBCM 은 폐기물 층에서 가스 유동장으로 유입되는 연소가스의 조건을 입구 조건으로서 CFD에 제공하며, 유동해석 결과 중 하나인 폐기물 층으로 전달되는 복사열유속은 폐기물 층에서의 경계조건 중 일부로서 WBCM에 제공된다. WBCM과 유동 해석 모델의 반복적인 계산을 통해 폐기물 층 연소와 가스 유동장의 수렴된 결과를 얻게 된다.
Chapter. 2 이를 구현하기 위해 먼저 폐기물 층에 대한 수학적 모델을 세웠다. 이모델(WBCM)은 폐기물 층을 일정한 속도로 화격자 위를 진행하는 균일한 연료 입자층으로 가정한 기존의 기술방법을 도입하였다. 이로부터 폐기물 층은 연료 및 가스의 이상(two phase)이 존재하는 1 차원 비정상 시스템이 되며, 경과 시간은 화격자 위의 위치를 의미한다. 층 내부의 열전달, 폐기물 연소, 가스 반응, 물리적 특성 등에 대한 모델링을 이용해 얻어진 해석 결과를 고정상(fixed bed) 실험 결과와 비교한 결과, WBCM 은 연소의 개시와 층 내부로의 전파 및 연소 가스의 발생과 같은 거시적인 연소현상을 모사할 수 있음을 확인하였다. 그러나 모델에서 도입된 가정들로 인해 공기 유량이 증가되는 경우 연소 진행속도가 더 빠르게 예측된다.
Chapter. 3 CMS을 이용해 폐기물 층의 높이 및 이송시간, 발열량, 노 형상 등 설계 및 운전조건이 다른 여러 경우에 대해 해석하였다. 그 결과, 기존의 단순해석 방식에서 도입되었던 폐기물 층 연소에 대한 임의적인 가정을 대체할 수 있음을 확인하였다. 또한 기존 방식에서 볼 수 없었던 폐기물 연소, 가스 유동 형태, 복사 열전달 특성 등 전반적인 물리적 과정에 대한 정보를 얻을 수 있었다. 특히, 폐기물 층과 가스 유동장 사이의 상호작용은 두 영역의 해석 결과에 큰 영향을 미치는 중요한 현상이었으며 이로부터 CSM의 필요성을 재확인하였다. 이 상호작용은 복사열유속 분포, 가스 복사의 비중, 폐기물 층에서 연소개시까지의 시간, 연소의 전파 속도, 고온 가스유동의 흐름 등에 의해 이루어지며, 설계 및 운전인자를 통해 제어될 수 있음을 의미한다. 앞으로 CSM의 개선을 위해서는 폐기물 층 연소 모델의 확장과 함께 수트(soot) 및 비산제의 복사 참여 등 세부 유동 해석 기법의 개선이 필요하다.
Chapter. 4 추가적으로 전산해석 결과로부터 연소성능을 판단할 수 있는 정량적인 기법을 정리하였다. 현재의 전산해석은 해석을 위한 기본 정보의 부정확성과 불완전한 해석 기법으로 인해 정확성에 한계를 가지고 있다. 그러나 전산해석이 설계 및 운전개선에 이용되는 경우 그 한계에도 불구하고 여러 대안들에 대한 구체적인 평가가 필요하며, 기존의 정성적(qualitiative)인 기술과 가시화만으로는 명확한 결론을 도출하기 힘들다. 따라서, 해석방식의 개발 뿐 아니라 결과의 평가 방식 역시 전산해석 관련 연구의 중요한 주제가 된다. 여기에서는 연소 성능을 결정하는 가스혼합, 체류시간, 미연분의 파괴율에 근거한 정량적인 평가 방식을 제시하였다. 이를 소각로의 설계 최적화와 운전 개선에 적용한 결과, 복잡한 노내 유동장에 대한 압축된 정보를 얻을 수 있었으며, 다양한 인자들의 비교 평가에 있어서 매우 유용하였다.
이 연구에서 제시된 해석 기법과 평가 방식은 소각로 내 연소 및 유동 현상에 대한 이해의 증진에 기여할 수 있으며, 전산해석이 소각시설의 설계와 운전 상태의 평가, 연소 제어 등에 활용되는 데 있어 실제적인 유용성을 크게 증가시킬 수 있다.