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Hydrodynamics in bubbling and circulating fluidized beds and cyclone performance of iron ore particles = 철광석 입자의 기포 및 순환 유동층 반응기에서의 수력학적 특성 및 사이클론의 집진 특성
서명 / 저자 Hydrodynamics in bubbling and circulating fluidized beds and cyclone performance of iron ore particles = 철광석 입자의 기포 및 순환 유동층 반응기에서의 수력학적 특성 및 사이클론의 집진 특성 / Chang-Kuk Ko.
저자명 Ko, Chang-Kuk ; 고창국
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2012].
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Research and development of smelting reduction and direct reduction processes of iron ore without any pretreatment have been conducted as alternatives to the blast furnace processes to enhance the cost competitiveness and environmental friendliness. Since a fluidized bed reactor is appropriate for gaseous reduction with advantages of uniform temperature distribution, high gas permeability, and favorable heat and mass transfer rates between gas and solid particles, to develop a new iron making process using fluidized bed reactors is an important research subject. The entrainment of solid particles is a prime disadvantage of fluidized bed operation since the loss of fines due to the entrainment results in lower reaction rate and pollution abatement problems. Therefore, information on the entrainment rate of solid is essential to analyze the hydrodynamics and performance of gas fluidized bed reactors. The effects of particle size, (dp) and superficial gas velocity (Ug) on Transport Disengaging Height (TDH) of iron ore particles along the freeboard height were determined in a fluidized bed (0.11 m-i.d. x 2 m-high). The entrainment rates of iron ore particles in the size range of 0.063??1.00 mm were measured along the axial height of bed by an isokinetic sampling probe to determine TDH with variation of dp and Ug. The entrainment rate decrease exponentially with the freeboard height and the particle size but it increase with gas velocity. TDH increase with the gas velocity but the TDH values are much less than predicted values of the correlations in previous studies. The effect of particle size is more pronounced than gas velocity on TDH that values can be predicted by a proposed correlation in terms of Froude and Reynolds numbers. Practically all industrial gas-solid fluidized bed reactors operate at temperature well above ambient. It is therefore important to know how fluidized beds behave under high temperatures and if possible to predict this behavior from observations made under ambient condition. Because it enhances interparticle contact forces, operating temperature influences the hydrodynamics of the bubbling fluidized bed. An equation with Archimedes and Reynolds dimensionless group has been proposed for predicting the minimum fluidization velocity in the bubbling fluidized bed for gas??solid systems at elevated temperatures. The particle entrainment rate increased, after an initial decrease, with increasing bed temperature. the variation of the particle entrainment rate with temperature was very similar to that of the particle size for which the terminal velocity was equal to the gas velocity. The hydrodynamics and flow regime in fast fluidized beds of iron ore fine particles were determined in a circulating fluidized bed (0.075 m i.d. x 6 m high). The transport velocity (Utr) was determined by the emptying time methods. At a given solid circulation rate, solid holdups in the upper dilute region exhibit their maximum values with variation of gas velocities, where a dense region forms at the bottom of the riser. The gas velocity at which solid holdup in the upper dilute region exhibits a maximum value is defned as the fast transition velocity (UFT). The fast fluidization regime can be divided into the fast transition region and the fully developed fast fluidization region. A demarcation line between the two regions is proposed. A demarcation line between the two regions is proposed. The fast transition velocity and the transition velocity (UFD) to pneumatic transport have been correlated. The transition velocity of the fast fluidization region can be predicted by the UFD and UFT. Cyclones are simple, very widely used mechanical collectors which use centrifugal forces to separate particles from gas streams in industry. They are relatively inexpensive to fabricate, economical to operate, and adaptable to a wide range of operating conditions. Cyclones can operate at very high dust loading. The most important parameters in cyclone operation are pressure drop and collection efficiency. Accurate measurements of the overall gravimetric efficiency of gas/solid cyclone separators as a function of inlet solids loading have been made. Experiments were performed with a cyclone with a body diameter, D, of 0.16 m and inlet velocity range of 14 to 23 m/s. Variations in pressure drop and separation performance with solids loading are represented well by the empirically based equations. The results obtained in this work are consistent with the following mechanism for the effect of solids loading on separation performance: part of the solids is removed unclassified in or before the inlet to the cyclone and by a mechanism unrelated to the fractionation in the cyclone proper, while separation of the remainder of the particles occurs independently of total loading. Effectiveness of cyclone separations is highly dependent on their geometrical characteristics such as: chamber dimensions, aperture diameters or feed inlet geometry, for instance. Moreover, slight modifications of any of these features might. This work highlights the fundamental significance of the position of the vortex finder, showing how small changes in its length have meaningful effects on mass recovery and particle size distribution in overflow and underflow streams. This parameter has been scarcely considered in design studies. In order to establish the importance of the vortex finder length, cyclone separation efficiency and pressure drop were examined. As a result, the most efficient point is that the vortex finder tip is situated at the lowest point of the feed inlet section. Also, by comparing the efficiency curves for the three cyclones with different dimensions under the same condition, it was observed the collection efficiency increases with increasing cyclone cylinder and cone length. The effect of cylinder height is more pronounced than cone height on the collection efficiency.

철광석은 매장량의 약 80%가 미분 상태로 존재하며, 이러한 분철광석과 분탄을 직접 사용할 수 있는 유동층을 이용한 용융 환원 제철법이 차세대 제철 공정으로 크게 각광을 받으며 전세계적으로 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다. 용융환원법은 철광석을 고체상태에서 환원성 가스로 환원하는 예비 환원 공정과 예비 환원된 광석을 용융하여 최종 환원하는 용융 환원 공정으로 구성된다. 이중 예비 환원 공정은 입도 분포가 넓은 분철광석을 기존 고로 공정에서 철의 원료로 사용하는 소결광 및 펠렛광 등과 같이 사전 처리 없이 직접 사용함으로써 소결 공정의 생략이 가능하게 된다. 따라서 원료의 제약성을 극복하고 괴성화하는 중간 공정 단계의 부대 설비를 생략하고 분철광석을 직접 사용함으로써 상당한 원가 절감을 가져올 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 분철광석의 환원에 있어서는 통기성 확보, 반응기내 균일한 온두 분포 및 가스와 고체의 접촉 면적을 크게 하여 반응성을 좋게 하기 위해 유동층 공정의 적용이 필수적이다. 이에 유동층 환원의 특징을 최대한 활용할 수 있는 공정개발이 용융 환원 제철법의 요소 기술로서 다각적으로 연구가 진행되고 있다. 기존의 유동화 현상에 대한 보고는 석탄, 모래, FCC 촉매 등에 관한 연구로 제한되어 있으며, 유동층을 이용한 철광석 입자의 유동특성에 관한 연구는 거의 없는 실정이다. 철광석 입자는 기존의 유동층 층물질과는 달리 입자의 밀도 및 입도가 상당히 크기 때문에, 기존의 연구 결과를 적용시키는 대에는 상당한 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 철광석 입자의 유동 특성 연구를 통해 유동층 환원로 개발의 기초 자료로 활용할 수 있을 것이다. 유동층 공정 내 입자의 비산은 환경 오염 문제와 원료의 소실이라는 측면에 있어서 가장 큰 약점으로 꼽힌다. 따라서 유동층 반응기내 입자 비산에 관한 정보를 아는 것은 유동층 반응기의 수력학적 특성 및 성능개선에 필수 적인 것이다. 본 연구에서는 0.11 m 직경을 가진 2 m 기포 유동층 반응기를 이용하여 철광석 입자의 크기 (dp) 및 기체 주입 속도 (Ug)에 따른 Transport Disengaging Height (TDH) 를 알아보았다. 철광석은 0.063 ?? 1.00 mm 의 입자를 사용하였으며, 반응기 프리보드 내에서 iso-kinetic 조건으로 비산된 입자를 체취하여, dp 및 Ug 에 따른 TDH 를 결정하였다. 비산량은 프리보드의 높이와 dp가 증가함에 따라 감소하나, Ug 가 증가함에 따라 증가한다. TDH 는 Ug에 따라 증가하나, 기존의 연구 식이 예측한 값보다는 작았다. TDH 의 실험값은 무차원 수인 프라우드 수와 레이놀즈 수를 이용하여 상관식을 제안하였다. 순환유동층의 상승관 (0.75 m??id ⅹ 6 m-high) 에서 극미분 철광석 입자를 사용하여 수력학적 특성에 대한 연구를 하였다. 그 결과 철광석 입자의 emptying time method 로부터 구한 transport velocity (Utr) 은 1.8 m/s이다. 일정한 고체순환속도에서 기상유속이 증가함에 따라 축방향 고체 체류량은 감소하고, 일정한 기상유속에서 고체순환속도가 증가함에 따라 축방향 고체 체류량은 증가한다. 또한 반응기 직경이 증가할수록 축방향 고체 체류량 분포는 균일해지고 작아진다. 반응기 상부의 희박상 영역에서의 고체 체류량은 일정한 고체순환속도에서 기상유속이 증가함에 따라 최대값을 보인 후 감소하였다. 이 때의 유속을 fast transition 영역으로의 전이속도 (UFT) 로 정의하였다. 반응기 하부에서는 주어진 고체순환속도에서 기상유속이 증가함에 따라 고체 체류량은 증가하다가 거의 일정해지는 데 이 경계유속이 pneumatic transport로의 전이속도 (UFD) 이다. Ar와 무차원군의 함수로 UFT와 UFD를 예측할 수 있는 상관식을 제안하였다. 유동 환원 공정의 새로운 공정 개선책으로 원가 절감을 위하여 극미분 철광석을 활용하는 방안이 논의되고 있다. 극미분 철광석을 유동로에 장입하면, 프리보드 내의 고체 부하가 증가하며, 사이클론의 고체부하와 비산 손실이 증가할 것으로 예상된다. 하지만 고체 부하에 대한 싸이클론의 포집 효율에 대한 연구 보고는 한정되어 있으며, 특히 철광석과 같이 밀도가 큰 입자에 대한 연구 결과는 없다. 유동로 사이클론을 모사한 사이클론에서 유속과 고체부하를 변화하며, 사이클론의 압력강하, 입도별 포집효율, 총괄포집효율을 측정하고 고찰하였다. 공탑 상태일 때 싸이클론의 압력 손실은 유속이 증가하면, 압력 손실 값이 증가하는 경향을 보였다. 고체부하가 있는 경우 싸이클론의 압력 강하는 공탑 싸이클론 압력 강하의 63% 를 보였으며, 고체부하에 따라 그 값의 변화는 거의 없었다. 싸이클론의 grade efficiency 는 기체 유속이 증가할수록, 고체부하가 증가할수록 증가하였다. 기존의 cut size를 예측한 모델식들은 고체부하를 반영하지 않았기 때문에, 실험값을 잘 예측하지 못하였다. 이는 Muschelknautz가 제안한 ‘critical loading theory’에 의해 설명될 수 있었다. 싸이클론의 overall efficiency는 기체 유속이 증가할수록 증가하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 12003
형태사항 x, 168 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 고창국
지도교수의 영문표기 : Sang-Done Kim
지도교수의 한글표기 : 김상돈
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 References : p. 149-162
주제 bubbling fluidized bed
circulating fluidized bed
gas-solid cyclone
hydrodynamics
기포유동층
순환유동층
사이클론
철광석
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