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Hydrodynamics, heat transfer and gasification characteristics of coal/biomass in a dual circulating fluidized bed reactor = 이중 순환유동층 반응기에서의 수력학, 열전달 및 석탄/바이오매스 가스화 특성
서명 / 저자 Hydrodynamics, heat transfer and gasification characteristics of coal/biomass in a dual circulating fluidized bed reactor = 이중 순환유동층 반응기에서의 수력학, 열전달 및 석탄/바이오매스 가스화 특성 / Myung-Won Seo.
저자명 Seo, Myung-Won ; 서명원
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2011].
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Due to the current high energy price, the gasification technology to convert solid fuels to the product gases ($H_2+CO$) for the integrating gasification of combined cycle (IGCC), coal-to-liquid (CTL), chemical synthetic processes is under developing actively in many countries. Conventional fluidized bed gasifier by using air/steam as a gasifying agent produces the low calorific value gas (4-6 $MJ/Nm^3$) due to nitrogen dilution. Whereas, a dual fluidized bed gasification technology enables to produce the medium calorific value gas (12-18 $MJ/Nm^3$) by separating the combustion and gasification zones in which steam is used as a gasifying agent. In the present study, a rectangular dual circulating fluidized bed reactor (combustor: 0.04 m × 0.11 m × 4.5 m high; gasifier: 0.04 m × 0.285 m × 2.13 m high) was designed and constructed for gasification of coal, biomass, and their blends. Prior to gasification operation, the hydrodynamic properties such as solids circulation, bubble, and cluster in a cold-model dual circulating fluidized bed reactor (riser: 0.04 m × 0.11 m × 4.5 m high; bubbling fluidized bed: 0.04 m × 0.285 m × 2.13 m high) were determined to provide prerequisite knowledge for the optimum operation of the combustor and gasifier. The flow regime velocity, such as minimum fluidization velocity and transport velocity of bed material (silica sand particle) were determined. The riser gas velocity and recycle chamber aeration velocity were found to be decisive variables affecting solid circulation rate and a correlation is proposed to predict solid circulation rate. Hydrodynamic characteristics were identified by computational fluid dynamics (CFD) simulation where a two-dimensional (2D) multiphase Eulerian model incorporating with the kinetic theory of solid particles was used. Bubble properties (bubble chord length, rising velocity, frequency, fraction) were determined in the bubbling fluidized bed, whereas cluster properties were determined at the riser wall using an optical fiber probe system. The average bubble chord length and bubble rising velocity increase with gas velocity and the bed height without or with solid circulation ($G_s$= 60 $kg/m^2s$). With solid circulation, bubble chord length and rising velocity decrease with bubble coalescence in the up-per bed and down flow in the lower bed. For both cases, the correlations to predict bubble chord length and its velocity using the operating variables are proposed. Cluster properties (mean cluster length, mean cluster velocity, cluster fraction) decrease with increasing gas velocity as solid holdup decreases. With increasing solid circulation rate, solid holdup increases and subsequent cluster properties increase. Based on the hydrodynamic study, the solid flow pattern in a rectangular cross-section riser was proposed. The corner effect and end effect were more pronounced compared with those of a circular cross-section riser. The bed-to-wall heat transfer characteristics in a dual circulating fluidized bed reactor have been determined by the heat flux meters. The presence of particles in the gas stream is found to enhance the heat transfer greatly over that in a single phase flow (gas only). The heat transfer coefficient decreases with increasing gas velocity at a constant solid circulation rate due to the decreasing particle suspension density. The heat transfer coefficient increases with increasing solid circulation rate due to the increasing particle suspension density. The heat transfer coefficient with a solid circulation ($G_s$= 41 $kg/m^2s$) in the bubbling fluidized bed is found to be lower than that without solid circulation. The decreased bubble and slip velocity at the wall with solid circulation could induce decrease in heat transfer coefficient as confirmed from the bubble characteristics of dual circulating fluidized bed reactor. The correlation to predict convective heat transfer coefficient using the operating variables is proposed. To verify the heat-transfer mechanism in a dual circulating fluidized bed reactor, the cluster-renewal model was adapted and found to be applicable with high accuracy. The obtained hydrodynamic and heat transfer coefficient data can be utilized to understand dual circulating fluidized bed reactor and determine the optimum operating conditions in the gasification operation. The effects of reaction temperature (750-900℃), steam/fuel ratio (0.5-0.8), and biomass ratio (0, 0.25, 0.5, 0.75, 1) on the gasification characteristics have been determined in a dual circulating fluidized bed reactor. Indonesian Tinto sub-bituminous coal and Quercus acutissima sawdust were used as the coal and biomass, respectively. The product gas yield, carbon conversion, and cold gas efficiency from gasification of biomass are higher than those of coal with increasing temperature and steam/fuel ratio. After pyrolysis, surface area, pore volume, and micro-pores of coal/biomass blend char increase. The maximum increase in gas yield can be obtained with a biomass ratio of 0.5 at the given reaction temperature. Calorific values of the product gas are 9.89-11.15 $MJ/m^3$with the coal, 12.10-13.19 $MJ/m^3$ with the biomass and 13.77-14.39 $MJ/m^3$ with the coal/biomass blends at 800℃. The synergistic effects on the basis of calorific value and cold-gas efficiency are pronounced with the coal/biomass blends. A three-stage steady state model (TSM) was applied for coal and biomass gasification in a dual circulating fluidized bed reactor to calculate the product gas composition, gas yield, carbon conversion, calorific value, and cold gas efficiency. The model consists of pyrolysis, char-gas reactions, and gas-phase reactions. Product gas compositions in the pyrolysis step and water participation involved in the char-gas reaction can be expressed as the Arrhenius type function of temperature. The non-equilibrium factor expressed as an exponential function of temperature is introduced to compensate the equilibrium constant in the gas-phase reaction. Using the TSM incorporating with the empirical model, the product gas composition, gas yield, carbon conversion, calorific value, and cold gas efficiency of coal and biomass shows agreement with the experimental data. Using TSM simulation, solid circulating ratio, defined as the ratio of the circulation rate of the bed particle to the fuel feed rate for stable gasification operation is proposed. At the gasifier temperature of 800℃, desirable solid circulation ratio (≤50) can be obtained at various combustor temperature. Depending on operating condition and feedstock, the product gas from coal and biomass gasification can be utilized for Fischer-Tropsch diesel, methanol, DME, and SNG synthesis process.

기존의 석탄 및 바이오매스 가스화기는 가스화 매체로 공기/수증기를 사용해 질소의 함량이 높아지기 때문에 저 열량 가스를 생산할 수 밖에 없는 단점을 갖는다. 최근에 각광받고 있는 이중 순환 유동 층 반응기 (Dual circulating fluidized bed reactor) 기술은 순 수증기를 가스화 매체로 이용, 연소 반응 영역과 가스화 반응 영역을 구분함으로써 질소의 희석이 없는 중 열량 가스의 생성을 기대할 수 있다. 본 연구에서는 이중 순환 유동 층 가스화 기술을 이용하여 사각 형태의 상온 이중 순환 유동 층 반응기를 제작하고, 수력학 및 열 전달 특성을 살펴보았다. 이를 바탕으로 실제로 고온에서 반응이 가능한 hot-model 이중 순환 유동 층 가스화 반응기를 제작하고, 이 반응기에서 석탄, 바이오매스, 석탄/바이오매스 혼합물을 원료로 하여 가스화 조업 및 모델링을 통하여 석탄 및 바이오매스의 가스화 반응기술을 확립하였다. 아크릴 재질로 제작된 상온 이중 순환 유동 층 반응기에서는 실험을 통하여 전체 고체 순환 속도 및 loop-seal 내 고체 흐름 특성을 결정하였고, CFD (Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 이용하여 실험결과를 검증하였다. 시뮬레이션 툴로는 상용CFD code (Fluent Inc., USA)를 이용하였으며, 2D multiphase Eulerian model과 고체 입자의 kinetic theory를 적용하였다. 이중 순환 유동 층 반응기는 연소 반응이 일어나는 상승 관과 가스화 반응이 일어나는 기포 유동 층 반응기로 구성되어 있으며, 벽면 열 전달 및 반응에 영향을 주는 수력학적 특성은 상승 관에서의 입자 뭉치(cluster)와 기포 유동 층 반응기에서의 기포 (bubble) 특성이라 할 수 있다. 이중 순환 유동 층 반응기에서 고체 순환이 있을 경우 ($G_s$= 60 $kg/m^2s$) 와 고체 순환이 없을 경우로 나누어 Particle velocity measurer를 이용하여 cluster 및 bubble의 속도, 길이, 빈도, 분율 등과 같은 특성을 측정하였다. 고체 순환이 있을 경우에는 상승 관에서 유입된 고체 입자에 의해 기포 유동 층 상부에서는 기포의 깨짐 현상이, 기포 유동 층 하부에서는 고체 입자의 하향 흐름에 의한 기포 억제 현상에 의해 기포 속도 및 크기가 감소하는 경향을 발견할 수 있었다. 이를 통하여 고체 순환이 있는 경우와 없는 경우 각각 기포 크기에 대한 상관 식을 제시할 수 있었다. 한편, cluster 특성의 상승 관내 고체 체류 량과 밀접한 관련을 가짐을 확인할 수 있었으며 이를 통하여 본 실험에서 사용된 직사각형 단면 상승 관과 일반적인 원형 단면 상승 관의 고체 순환 특성을 비교할 수 있었다. 직사각형 단면 상승 관의 경우, 구석(corner)에서의 고체 체류시간이 길어짐에 따라 전체적으로 고체 체류 량이 증가하였으며, 상승 관 출구에서 반동에 의해 재 유입된 고체 입자가 corner에서 머무르게 되면서 출구 효과 (end effect) 또한 증가하였다. 반응기 내의 벽면 열 전달 특성은 heat flux meter를 통하여 상승 관 및 기포 유동 층 반응기에서 측정하였다. Cluster특성과 마찬가지로, 벽면 열 전달 계수는 고체 체류 량과 밀접한 관련을 가졌으며 고체 체류 량의 지수 승(0.485)으로 표현할 수 있었다. 기포 유동 층에서의 벽면 열 전달 계수는 앞서 bubble 특성에서 살펴본 바와 같이 고체 순환이 있을 경우에 하향흐름에 의해 입자 및 bubble 속도가 줄게 되고 이로 인하여 벽면 열 전달 계수 또한 감소하는 경향을 보였다. 벽면 열 전달 계수의 mechanism을 해석하기 위하여cluster-renewal model을 적용하였고 실험 결과를 바탕으로 선택한 상관 식에 의해 도출 된 벽면 열 전달 계수는 실험 값에 잘 들어맞음을 확인하였다. 상온 이중 순환 유동 층 반응기에서 결정된 수력학 및 열 전달 특성을 바탕으로 안정적인 조업 조건을 확보하였고 이를 바탕으로 고온 이중 순환 유동 층 가스화기에서 석탄, 바이오매스, 석탄/바이오매스 혼합물의 가스화 특성을 결정하였다. 석탄 시료는 준 역청탄인 Indonesian tinto coal, 바이오매스 시료는 참나무 톱밥 (Quercus acutissima sawdust)으로 결정하였으며 실험변수는 가스화기 온도 (750-900℃), 수증기/연료 비 (0.5-0.8), 바이오매스 혼합 비율 (0, 0.25, 0.5, 0.75, 1)이다. 바이오매스의 경우, 생성가스의 수율, 탄소 전환 율, 냉 가스 효율 등 모든 성능 지표가 석탄 보다 큰 것으로 나타났는데 이는 바이오매스의 높은 휘발 성분 함량과 높은 반응성에서 기인한다. 석탄, 바이오매스, 석탄/바이오매스 혼합물의 열분해 이후 촤의 구조를 분석한 결과 표면적, 기공 부피, micro-pore 모두 증가하였는데 특히 석탄/바이오매스의 혼합물에서 이러한 경향이 두드러졌다. 이를 바탕으로 바이오매스 혼합 비율이 0.5일 때 생성가스의 수율은 최댓값을 보였으며, 석탄/바이오매스 혼합물 생성가스의 발열량은 13.77-14.39 $MJ/m^3$으로 석탄 (9.89-11.15 $MJ/m^3$) 및 바이오매스 (12.10-13.19 $MJ/m^3$)의 발열량 보다 큰 값을 가졌다. 한편 생성가스의 발열량은 모두 중 열량 가스의 범위 안에 속하는 것으로써, 본 연구에서 제작하고 운전한 이중 순환 유동 층 반응기의 성능이 다른 가스화 기 성능과 비교하여 우수하다는 것을 나타낸다. 이중 순환 유동 층 반응기에서 석탄 및 바이오매스의 가스화 성능을 예측 및 평가하기 위해 TSM (Three-stage Steady-state Model)을 개발 및 적용하였다. 이 모델은 열분해 반응 ($1^{st}$ stage), 촤-가스 반응 ($2^{nd}$ stage), 가스 상 반응 (3rd stage)으로 구성되어 있으며 각각의 단계에서 석탄 및 바이오매스의 분석 치에 따른 Arrhenius type의 경험 식을 이용하게 된다. TSM을 본 실험에 적용한 결과 생성 가스 조성, 탄소 전환 율, 생성가스의 발열량 등이 비교적 잘 들어맞음을 확인할 수 있었다. 한편, 절절한 고체 순환 비 (고체 순환 량/시료 주입량)는 이중 순환 유동 층 반응기에서 안정적인 조업을 위한 중요한 요소이며 TSM을 통하여 이를 예측하였다. 그 결과, 가스화 기 온도를 800℃로 유지할 경우에 다양한 연소로의 온도 (950-1050℃)에서 원하는 고체 순환 비(≤50)를 얻음을 확인할 수 있었다. 이중 순환 유동 층 반응기에서 생성된 합성 가스는 $H_2$/CO 비율에 따라 다양한 화학제품의 원료로 사용될 수 있으며 반응 온도, 수증기/연료 비, 바이오매스 혼합 비율 등의 조업 조건에 따라 원하는 화학 물질 (Fischer-Tropsch diesel, methanol, DME, and SNG)의 원료 물질로 이용될 수 있음을 확인하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 11007
형태사항 xii, 266 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 서명원
지도교수의 영문표기 : Kim, Sang-Done
지도교수의 한글표기 : 김상돈
공동교수의 영문표기 : Park, Sun-Won
공동교수의 한글표기 : 박선원
수록잡지명 : "Gasification Characteristics of Coal, Biomass, and Coal/biomass Blend in a Dual Circulating Fluidized Bed Reactor". Energy & fuels, 24(5), 3108-3118(2010)
Appendix : 1, Design of dual circulating fluidized bed reactor. - 2, Experipent data. - 3, Economic evaluation of conventional and dual fluidized bed gasifier.
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 References : p. 214-228
주제 Hydrodynamic
Heat transfer
Gasification
Coal/biomass
Dual circulating fluidized bed reactor
수력학
열전달
가스화
석탄/바이오매스
이중 순환 유동층 반응기
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