Fine dust particles under 10 μm, emitted with the exhaust gas from the chimney of industrial plants, are known to cause seriously harmful result to human health. Fortunately they can be effectively cleaned from the exhaust gas using the Venturi scrubber that employs the liquid spray ejected into the gas stream in the transverse direction. High efficiency of dust particle collection can be achieved in this device at the cost of high pressure drop or high energy consumption. In order to save energy and increase the particle collection efficiency at the same time, it needs to analyze the performance of Venturi scrubber in terms of various operating conditions. Since the phenomena are quite complex with the three-phase, namely, the gas, liquid droplet and solid particle interactions, there have been practically no computer models to predict the performance of Venturi scrubbers in the past.
In this paper a numerical method is developed for this purpose. In the Venturi scrubber dust particles in the gas stream are captured by the droplets of liquid spray due to inertial impaction mechanism. The gas-particle interaction is solved by Eulerian-Lagrangian method while atomization of the transverse liquid jet and particle capturing by the droplet are modeled. Various factors such as the change of drag coefficient by droplet deformation, turbulent particle dispersion, interaction between gas and droplets, and droplet collision were also considered in this numerical analysis. The KIVA-code was modified to obtain spray characteristics in the Venturi scrubber.
Atomization of liquid jet in a crossflow was first simulated in a rectangular duct to test accuracy of the developed computational model. The results for the volume flux distribution, SMD (Sauter Mean Diameter) and velocity of droplets showed good agreement with the experimental results. The effect of droplet size and droplet spatial distribution on the performance of the Venturi scrubber was next simulated and we obtained the following result: the spatial distribution of droplet had negligible influence on pressure drop but collection efficiency was improved for uniform spatial distribution. As the droplet size became smaller, both pressure drop and particle collection efficiency increased.
The practical cases were also studied by taking various gas velocities and liquidto-gas loading ratios, for the circular and rectangular Venturi scrubbers. Quite reasonable numerical results comparable to the experimental data were obtained. The increase of gas velocity at the throat and loading ratio resulted in both high pressure drop and high collection efficiency. The rate of change of pressure drop with loading ratio increased in the case of high gas velocity but that of collection efficiency was reduced as gas velocity and loading ratio kept higher.
공장에서 배출되는 10 μm 이하의 미세 입자들은 인체에 매우 해로운 것으로 알려져 있다. 함진 가스에 대해 수직하게 세정액을 분사하는 집진 장치인 벤츄리 스크러버를 활용하여 이들을 효과적으로 제거할 수 있다. 이 장치에서는 집진 효율을 높이면 압력 손실이 커져 에너지 소비가 많아진다. 그러므로 에너지를 절약하면서도 높은 집진 효율을 얻기 위해서는 다양한 운전 조건에서 벤츄리 스크러버의 성능을 분석할 필요가 있다. 기체, 액체, 분진이 함께 존재하는 삼상 유동으로 매우 복잡한 현상이 일어나므로 이전 연구에서는 벤츄리 스크러버의 성능을 예측할 수 있는 실용적인 컴퓨터 모델이 없었다.
본 연구에서는 이와 같은 목적으로 성능을 예측할 수 있는 수치적 모델을 개발하였다. 벤츄리 스크러버에서 분진은 분사 액체로부터 발생한 액적과 관성 충돌하여 흡착됨으로써 제거된다. 분사 액체의 미립화 현상과 액적에 의한 분진 포획을 모델링하여 오일러-라그랑지 방법으로 기체, 액체, 분진에 대한 삼상 유동을 해석하였다. 액적 변형에 의한 항력 계수의 변화, 입자의 난류 확산, 기체와 액적 간의 상호작용, 액적 충돌 등과 같은 요소들을 모두 고려하였다. 수치 해석은 KIVA 코드를 수정하여 수행하였다. 먼저 개발된 모델의 정확성을 검증하기 위해 사각 덕트 내에서 기체 흐름에 수직하게 액체를 분사하는 경우에 대해 수치 해석하였다. 액적의 체적 유량 분포, SMD와 속도에 대해 실험과 잘 일치하는 결과를 얻었다. 다음으로 액적의 크기와 공간적 분포가 벤츄리 스크러버의 성능에 미치는 영향을 수치적으로 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다: 액적의 공간적 분포는 압력 손실에 거의 영향을 주지 않았지만 공간적으로 균일하게 분포할 때 집진 효율은 높아졌다. 액적의 크기가 작아질수록 압력 손실과 집진 효율은 증가하였다.
마지막으로 원형과 사각형의 두 가지 형상의 벤츄리 스크러버에 대해 수치 해석하였고 스로트부에서의 공기 속도와 기체에 대한 액체의 체적 유량비 변화에 따른 액적의 공간 분포, 압력 손실 및 집진 효율의 변화를 계산하였고 실험 결과와 비교함으로써 본 논문에서 개발한 성능 해석 방법의 정확성을 검증하였다.
