Thermodynamic analysis has a little limitation to preliminary design of process since the result of parame-ters are not available. Energy analysis, determination of reactor dimensions, and 1-dimensional calculation were proceeded to design the new process which is composed of pneumatic reactors, especially a flash dryer, staged cyclone pre-heater, and a flash calciner.
First of all, appropriate assumptions for calculating basic data are required. Fuel flow rate and compositions affect a required air flow rate which results in changing total process of heat consumption. Proper fuel flow rate was first calculated by using iteration technique, after that energy analysis on unit process was conducted. For an objective of process analysis, the energy index which is the ratio of new input heat to require heat of the process was calculated at drying and calcination process, and the results were 1.06 and 1.89, respectively. The energy index of pneumatic dryer was approximately 40% lower than that of rotary kiln dryer which is typically applied to drying process. And that of pneumatic calciner was similar than that of rotary kiln cal-ciner. Then, cross-sectional area and gas inlet velocity of the reactors corresponding to capacity were calculat-ed by referring to the similar process and literature.
Finally 1-dimensional modeling of the unit reactor was conducted. There were two major reasons for mod-eling. One is to calculate the result parameters which were temperature of gas, solid and moisture content, species composition of product considering operation conditions, chemical reaction rate, heat and mass trans-fer. The other is to decide the proper length of reactor since result parameters according to the reactor axis could be predicted. On account of the purpose of 1-d modeling, simple consideration on the reactor, gas, and solid were applied. Overall process modeling was conducted by integrating unit process modeling, and the meaningful result parameters of imaginary process were obtained.
Since lots of assumptions are used, the reliability of the results are kind of unreliable. However, this model-ing could be useful when finding the tendency for the process that needs operate condition. Besides, most of the pyro-process could be generalized to sequent drying, heat up and reaction process even if there were dif-ferences like ore composition and specific chemical reactions at each pyro-process. Therefore, the design pro-cedure and modeling approach described here would be applied to other specific gas-solid process. Also, this basic approach to evaluating the process will provide helpful basis for understanding the concept of the pro-cess design and more detailed modeling in the future.
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.
