Combustion of bulky solid fuel particles usually occurs in the form of a bed. According to the flow direction of solid fuel and an oxidizer, the bed can be classified as either a batch type packed bed, a co-current and counter-current beds, or a cross-current moving bed. This list excludes beds that contain very complicated physical phenomena such as rotation of the furnace or fluidization. Bed combustion is understood based on similar combustion processes and modes of heat transfer. Various bed configurations and ignition methods can be considered numerically as boundary conditions. However, the bed combustion models which have been reported treat the sub-models and boundary conditions application-specifically, even though the governing equations and basic combustion procedures have much in common. Additionally, previous models have treated the solid material as a single phase, which has one specific particle size and uniform composition. This assumption has problems that the model cannot reflect the various sizes and kinds of the material mixed in the solid bed to the simulation.
In this study, an unsteady 1-dimensional model of bed combustion, which can be applied to a variety of bed combustion cases, is proposed. Based on the assumption that the bed material is homogeneous and continuum, the governing mechanisms of the solid and the gas phases are modeled. Solid material are treated as multiple solid phases. These mechanisms include solid-gas reaction, gaseous reaction, various modes of heat transfers, and geometric changes of the solid particles.
The numerical model is applied to an iron ore sintering bed, which can be characterized as a relatively uniform process of solid material, coke combustion, various modes of heat transfer, and the complicated physical changes of solid particles. Solid material is treated as three phases: iron ore, coke and limestone. Drying, condensation, coke combustion, limestone decomposition, generation of the macroscopic internal pore and shrinking of the bed are considered. Shrinking of the bed is assumed that it occurs by decrease of the particle size due to solid-gas reactions, while it does by melting of the iron ores in the combustion zone in real situation. Complicated modes of heat transfer including conduction, convection and radiation are also considered. Simulation is performed along with sinter pot test to validate the model. Calculation results of temperature profiles and flue gas compositions are compared with the experimental data. Simulation results have a good agreement with the experimental data. Sensitivity analysis is also carried out for some calculation parameters which cannot be measured or determined due to their arbitrariness.
Parametric studies of the iron ore sintering bed are performed for various composition of solid material and operating parameters. Numerical simulations are carried out for various coke and water contents in the solid material, air suction rates, coke diameters and ignition conditions. Calculation results are compared with the limited set of the sintering pot test. They show meaningful agreements with the experimental results or in physical phenomena, and they show that each parameter should be set carefully for sustaining coke combustion with avoiding excessive melting which causes disturbing gas flow through the bed. For quantification of the fact and characterization of the bed combustion, several quantitative parameters are introduced and defined. Combustion zone thickness (CZT), melting zone thickness (MZT) and maximum temperature in the bed (MaxT) are newly defined, with introducing flame front speed (FFS) and sintering time. Simulation results are interpreted by these parameters and basic results can be provided for optimization of the sintering process under the view of the quality, productivity and energy efficiency of the process.
Simulation results are also shown for other kinds of combustors: A fixed bed combustor and a waste incinerator. The results also show good agreements with the experimental results or previous researchers' works, which shows the applicability of this model to the various systems.
In conclusion, method of numerical analysis for solid fuel bed is improved through this study. The utility of this model is that it can be applied to solid beds of various configuration An extension of this model to a 2-dimensional model should be performed for combustors such as coke oven and blast furnace in iron-making process, which have significant 2-dimensional characteristics. Additional model of the geometrical changes and reactions should be complemented for future studies.
고체 연료층의 연소를 모사하기 위하여 1차원 비정상 모델을 수립하고 계산하였다. 지금까지 이루어져온 고체 연료층의 연소 및 열전달 모델은 해당 연소로에 대해서만 적용 가능한 형태로 수행되어왔다. 그러나 실제 고정층이나 층내 혼합이 없는 moving bed 에서의 고체 연료층 연소 모델은 경계조건과 생성항 계산 방법만의 차이를 갖는 동일한 지배방정식을 가지게 된다. 이에 따라 본 연구에서는 일반화된 고체 연료층 연소 모델링을 수행하기 위해 고체 연료층을 연속체인 다공층(porous media)으로 가정하고 고체상과 가스상에 대하여 지배방정식을 수립하였으며, 연소기의 종류에 따른 차이는 고체 원료의 조성과 경계조건, 고려되는 반응의 종류를 사용자가 직접 입력하게 하여 반영하였다. 또한 기존의 연구에서는 고체상을 단일 고체상으로 가정하여 모델을 수립하여, 입자 크기가 다르고 성상이 다른 다른 종류의 고체 원료 또는 연료들의 특성이 반영되지 못하는 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위하여 고체상의 경우에는 크기와 성상이 다른 원료를 함께 고려하기 위하여 다중 고체상에 대한 고려가 가능하게 하였다. 모델은 일반화된 지배방정식과 함께 고체-기체 반응, 기체-기체 반응 및 다양한 형태의 열전달 현상을 포함하고 있으며, 연소 진행시 발생하게 되는 다양한 고체 입자 성질의 변화와 층 구조 변화를 반영하였다.
모델의 적용을 위해 제철소에서의 제선 공정의 일부분인 철광석 소결층(iron ore sintering bed)의 코크스 연소 및 열전달의 모사를 수행하였다. 고체상은 철광석, 코크스, 석회석의 세 상으로 가정되었으며, 실제 철광석의 용융에 의해 일어나는 층 변화는 코크스 연소 및 석회석 분해에 의한 입자 크기 감소로 인해 일어나는 것으로 가정하였다. 모델의 검증을 위하여 실험실 규모의 소결 포트에서 실험을 수행하였으며, 층의 높이별 세 지점에서의 온도 변화와 배가스의 조성을 측정하였다. 계산을 수행한 결과, 모델이 소결 포트에서 일어나는 온도 변화와 가스 조성을 잘 예측하고 있음을 볼 수 있었다. 실험에 의해 측정될 수 없는 인자들 및 계산에 임의성을 가지고 사용된 인자들에 대해서는 민감도 해석을 수행하여 각 인자들의 영향을 파악하였다.
소결기의 운전에 있어서 원료의 조성과 운전 인자의 영향을 알아보기 위해 각각의 인자들을 변화시켜가면서 계산을 수행하였다. 원료 내 코크스 배합비, 공기 흡입량, 원료 내 수분 함량, 코크스의 입도, 점화 시간 및 점화 온도 등을 변화시켜 가면서 계산을 수행하였다. 계산을 수행한 결과 모델이 물리적으로 타당한 결과를 나타내고 있었으며, 원료 내 코크스 배합비 및 공기 흡입량에 대해서는 실험 결과를 잘 예측하고 있었다. 철광석의 지나친 용융을 유발하는 국부적인 고온 영역의 발생을 줄이면서 자체 연소열에 의해 끝까지 연소를 진행시키기 위해서는 원료 내 연료 특성을 결정하는 성분들, 공기 흡입량, 점화 조건 등의 운전 인자가 주의깊게 설정되어야 함을 확인할 수 있었다. 이러한 사실을 정량적으로 확인하기 위하여 층 연소를 특징지을 수 있는 몇 가지 인자들을 정의하여 사용하였다. 기존의 연구에서 사용되어 온 화염 전파 속도(FFS; Flame Front Speed) 외에 연소층의 두께(CZT; Combustion Zone Thickness), 용융층의 두께(Melting Zone Thickness), 층 내 최고 온도(MaxT; Maximum Temperature) 및 전통적으로 소결 공정에서 많이 사용되는 인자인 소결 시간 (sintering time) 을 정의하여 사용하였다. 이러한 인자들을 통하여 계산 결과를 좀더 정량화하여 정의하고 소결광의 품질 및 생산성 등의 측면에서 적절한 운전 조건을 찾기 위한 기초를 제공할 수 있었다.
모델이 다양한 연소기에서 적용될 수 있음을 보이기 위하여 고정층 연소로와 스토커식 소각로 베드에 대하여 모델을 적용하여 해석하였다. 각각의 경우에도 실험 결과 및 기존 연구들의 결과와 잘 맞는 결과를 보여주고 있었으며, 수립된 모델이 다양한 형태의 연소로에 적용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 연구를 통하여 고체 연료층 해석 기법의 향상이 이루어졌으며, 특별히 다양한 형태로 층을 이루어 연소가 진행되는 연소로에 대하여 공통적으로 적용이 가능한 모델의 개발로 인해 그 유용성이 훨씬 증가되었다. 그렇지만, 2차원성이 강한 코크 오븐(coke oven)이나 고로(blast furnace) 등의 모사를 추가적으로 고려하기 위해서는 모델의 2차원 확장이 앞으로 필요하며, 좀더 복잡한 층 구조 변화 및 덩어리화(agglomeration)에 대한 모델링 등이 이루어져야 할 것으로 생각된다.
