저품질 열을 사용한 파일럿 규모 토로이드 유동층 건조기에서 다양한 출처의 갈탄 건조
에이초록
폴란드, 그리스, 루마니아, 호주 등 다양한 원산지의 갈탄에 대해 토로이달 베드 건조기를 사용하여 실험 연구를 수행했습니다. 고정된 건조 조건에서 시간이 지남에 따라 수분 함량이 손실되는 것을 포함하여 건조 효율에 대한 온도의 영향이 조사 주제였습니다. 주요 목표는 보일러의 배기 가스와 같은 열원에서 나오는 저품질 열을 활용할 수 있는 건조 시스템의 기반으로 토로이달 베드를 사용할 가능성을 확인하고 이러한 시스템에 대한 최적의 매개변수를 결정하는 것이었습니다. 수행된 연구는 토로이달 베드에서 갈탄을 건조하기 위해 저온 열원을 사용할 수 있음을 결정적으로 입증했습니다. 토로이달 베드를 사용하여 테스트한 대부분의 갈탄에 대해 20%의 수분 함량을 달성할 수 있었으며, 체류 시간은 비교적 짧았습니다(약 30분). 공기 온도는 최저 60°C였습니다. 게다가 입자 크기 분포의 변화는 습하고 미세한 입자의 유입으로 인해 최종 수분 함량에 어느 정도 영향을 미쳤습니다. 이 연구에서는 또한 입자의 침대 내부 마모가 미립자 생성에 부분적으로 책임이 있다는 사실을 밝혀냈습니다.
키워드:
건조;갈탄;토로이드 침대;마찰;에너지 효율성
1. 서론
1.1. 갈탄의 건조
갈탄은 주로 발전에 사용되는 고체 화석 연료입니다. 최근 설치된 재생 에너지원 전력이 증가했음에도 불구하고 전 세계적으로 갈탄 사용이 여전히 상당합니다. 2015년 전 세계 갈탄 채굴량은 약 8억 1,100만 톤에 달했습니다. [1], EU 전역에서 채굴된 3억 9,900만 톤 포함 [2]; 갈탄에서 발생하는 전력 생산 점유율은 호주, 불가리아, 체코, 독일, 그리스, 폴란드, 루마니아, 세르비아 등 여러 국가에서 20%를 초과합니다. [2]. 갈탄은 저급 고체 연료입니다. [3], 높은 수분 함량을 특징으로 합니다. 활용하기 전에 갈탄의 수분 함량을 줄이면 발열량을 높이고, 장거리 운송 비용을 절감하고, 활용으로 인한 온실 가스 배출을 줄일 수 있습니다. 건조는 토양 개량제와 같이 갈탄에서 고부가가치 제품을 생산하려는 기술의 전형적인 전제 조건이기도 합니다. [4]. 따라서 갈탄의 사용을 합리화하고 동시에 그렇지 않으면 낭비될 저급 열을 활용하기 위한 조사는 정당한 것으로 보입니다.
최근 갈탄 건조의 기본적 측면에 대한 많은 연구가 수행되었습니다. Park et al.은 건조 시간, 온도 및 건조제의 속도가 인도네시아 갈탄의 건조 효율에 미치는 영향을 조사하고 체류 시간과 건조 조건에 따라 수분 함량을 예측할 수 있는 수학적 모델을 개발했습니다. [5]. Si et al.은 Shengli 덩어리 갈탄의 3단계 마이크로파 지원 유동화층 건조를 조사하고 건조된 갈탄의 기공률은 마이크로파의 전력이 증가함에 따라 감소한다는 것을 확인했습니다. [6]. Song et al.은 동부 내몽골의 갈탄의 전체 수분 함량이 더 높은 마이크로파 전력에서 더 빨리 감소한다는 것을 확인했습니다.7]. Pusat과 Herdem은 고정층 건조기에서 터키 Konya-Ilgin 갈탄의 건조 특성을 결정했습니다. [8]. 연구에 따르면 필요한 건조 시간은 침대 높이가 증가함에 따라 증가하고 건조 속도에 미치는 온도의 영향은 침대 높이가 증가함에 따라 증가한다는 것이 밝혀졌습니다. [8]. Yang et al.은 고정층에서 건조한 후 갈탄에 의한 수분 재흡수를 실험적으로 테스트했으며 메조기공의 높은 상대 부피 비율로 인해 100 °C에서 건조한 갈탄의 가장 높은 재흡수 수분 수율을 결정했습니다. [9]. Feng et al.은 기계적 열 표현이 갈탄 구조에 미치는 영향을 조사하고 각각 10MPa 및 30MPa의 압력에서 120°C와 150°C 사이의 건조 온도에서 건조된 갈탄과 원료 갈탄 사이의 기공 부피 변화를 결정했습니다. [10]. Wen et al.은 원료 갈탄과 재습윤 갈탄의 건조 동역학을 조사했고 전자의 건조 속도가 후자에 비해 더 느리다는 것을 확인했습니다. [11]. 또한 연구에서는 습윤화된 갈탄의 유효 확산 계수가 원시 갈탄의 해당 값보다 더 높은 것으로 나타났습니다.11].
Pawlak-Kruczek 등은 저온 건조제(공기, 최대 50°C)를 사용하여 유동층에서 갈탄 건조에 대한 실험 조사와 수치 시뮬레이션을 모두 포함하는 연구를 수행했습니다.12]. 이 연구는 저온 열원 활용 개념의 전반적인 타당성을 입증했습니다. 또한 이 연구는 건조 중 수축과 함께 갈탄의 구조적 특성과 같은 요소의 중요성을 밝혔습니다. [12]. Agraniotis et al.은 1 MWth 분쇄 연료 연소 시설의 실험 결과와 CFD 시뮬레이션을 비교했습니다. [13]. 결과는 시뮬레이션과 실험 결과 사이에 좋은 일치를 보였습니다. 특히 용광로 바닥 부분에서 용광로 축을 따라 측정된 온도는 증기와 운반 가스가 용광로로 재순환되지 않은 건조 갈탄의 연소 경우에 가장 높았습니다. [13]. 이는 Tahmasebi 등이 수행한 또 다른 연구 결과와 잘 일치하는 것으로 보이며, 이 연구에서는 중국과 인도네시아 갈탄 입자의 수분 함량과 점화 사이의 관계를 조사했습니다. [14]. 이 연구에서는 테스트된 갈탄의 수분 함량 증가가 점화를 상당히 지연시킨다는 사실을 확인했습니다. [14]. Drosatos 등이 수행한 수치 시뮬레이션은 사전 건조된 갈탄을 사용하면 보일러의 유연성을 개선하고 정격 부하의 35%에 해당하는 매우 낮은 부하에서도 작동할 수 있음을 보여주었습니다. [15]. Komatsu 등은 110°C에서 최대 170°C까지 과열된 증기를 사용하여 갈탄의 조립자 건조와 관련된 실험을 수행했습니다. [16]. 이 연구는 건조 속도 값이 일정 건조 속도 기간 동안은 오로지 온도와 갈탄 입자 크기에 따라 달라지는 반면, 건조 속도 감소 기간 동안은 건조 입자 표면에 균열이 형성되기 시작하면서 관계가 훨씬 더 복잡해진다는 결론을 내렸습니다. [16]. Pusat et al.은 70°C~130°C의 온도와 0.4~1.1m/s의 속도에서 건조 공기를 사용하여 고정층에서 터키 갈탄의 건조를 조사했습니다. [17]. 갈탄의 입자 크기는 20~50mm 사이에서 다양했으며 이러한 조립 입자의 경우 수행된 실험 동안 일정한 건조 속도 기간이 관찰되지 않았습니다. [17]. Sciazko et al.은 과열 증기 건조에서 Turoszów 갈탄의 건조 특성에 대한 암석학적 특성의 영향에 대한 실험 조사를 수행했습니다. [18]. 110°C~170°C의 온도 범위에서 5mm 및 10mm 구형 입자를 사용하여 조사를 수행했습니다. [18] 그리고 건조 시간, 건조 속도, 온도 구배, 균열 및 수축 거동은 테스트된 갈탄의 암형에 따라 달라진다는 결론을 내렸습니다.18].
Stokie et al.은 고정층과 유동층에서 130°C의 온도에서 호주산 갈탄을 건조하는 동안의 파손 및 마모에 대한 광범위한 연구를 수행했습니다. [19]. 연구 결과 파손의 주요 원인은 벌크수와 비동결수 간의 전환이라는 결론이 나왔습니다. [19]. d50 직경으로 나타낸 작은 고정층과 작은 유동층(시료 10g) 사이의 입자 크기 변화는 유의하지 않았습니다. 그럼에도 불구하고 큰 유동층(시료 크기 3kg)의 경우 입자 크기 변화에 유의한 차이가 나타났으며, 이는 층 규모의 영향이 크다는 것을 나타냅니다.
1.2. 토로이드 베드 반응기
토로이드 유동층 반응기는 각진 날개로 구성된 가스 분배 시스템을 갖춘 특수한 유형의 유동층 반응기이며 반응기 바닥에 위치합니다.20]. 이러한 배열은 침대 성능의 강화를 가능하게 합니다. [21,22], 즉 열과 물질 전달의 강화[20,21] 뿐만 아니라 혼합도 개선되었습니다.21,23,24]. 이것은 와류 흐름 패턴에 기인하며 모든 와류 반응기의 특징입니다. [24,25,26,27]. 반응기 성능 측면에서는 체류 시간을 단축하여 처리량(생산성 증가)을 증가시킬 수 있습니다. [28]. 지금까지 출판된 대부분의 작업은 이러한 유형의 침대에 관한 것으로 다양한 유형의 열처리를 포함합니다. [29,30], 소성공정 [31] 또는 탄소 포집을 위한 흡착 강화 [32]. 토로이드 흐름 패턴을 갖는 이러한 유동화층에서의 건조에 관한 정보는 부족합니다. [33]. 본 연구는 이러한 지식 격차를 해소하는 것을 목표로 한다.
1.3. 수행된 작업의 목적, 범위 및 참신성 측면
표시된 바와 같이섹션 1.1, 갈탄 건조는 온도, 체류 시간, 건조제, 건조 방법 및 갈탄의 특성 등 여러 매개변수에 따라 달라지는 복잡한 공정입니다. 난류가 심한 토로이드형 베드에서 건조하는 경우 건조 속도론과 에너지 소비에 대한 지식 격차가 있습니다. 게다가 저품질 폐열을 사용하여 이러한 건조기를 갈탄 발전소에 통합하는 것을 목표로 하는 모든 연구에 선행 조건입니다. 이를 통해 새로운 솔루션을 사용하여 얻을 수 있는 잠재적인 절감 효과를 더 높은 온도에서 건조제를 사용하여 기존 갈탄 건조 솔루션에 대해 이미 입증된 에너지 절감 효과와 비교할 수 있습니다. [34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46].
이 연구는 건조제로 공기를 사용하여 토로이드형 침대에서 다양한 출처의 갈탄을 건조하는 것에 대한 조사를 통해 그 격차를 메우는 것을 목표로 합니다. 이러한 구성은 질량과 열 전달을 강화하여 비교적 낮은 온도에서 건조제를 사용할 수 있을 것으로 예상되었습니다. 토로이드형 침대 건조기를 사용한 실험 연구는 폴란드, 그리스, 루마니아, 호주 등 다양한 원산지의 갈탄에 대해 수행되었습니다. 고정된 건조 조건에서 시간이 지남에 따라 수분 함량이 손실되는 것을 포함하여 건조 효율에 대한 온도의 영향이 조사 주제였습니다. 다양한 평균 온도에서 건조하는 동안 건조 속도와 에너지 소비가 결정되어 비교되었습니다. 이 연구는 건조 속도와 에너지 소비를 고려하여 건조 공정 매개변수, 즉 온도와 체류 시간의 최적값을 식별하는 것을 목표로 했습니다. 그러나 건조제의 상대 습도와 원료의 고유한 특성과 같은 다른 요인도 건조 공정에 큰 영향을 미쳤습니다. 이 연구에 사용된 방법론은 일반적으로 건조 공정에 보편적으로 적용할 수 있습니다. 이런 측면에서, 수행된 실험은 해당 시험 방법의 폭넓은 적용성을 입증하는 사례 연구로 간주될 수 있습니다.
수행된 연구의 주요 목적은 보일러의 연기 가스와 같은 출처에서 나오는 저품질 열을 활용할 수 있는 건조 시스템의 기반으로 토로이드형 베드를 사용할 가능성을 확인하는 것이었습니다. 이러한 유형의 유동층 건조기는 갈탄을 건조하는 데 사용된 적이 없으며, 저품질 열을 사용할 가능성과 함께 수행된 연구의 참신함을 강조합니다. 또한 수행된 연구는 가장 효과적인 건조기 매개변수, 즉 갈탄 입자의 표면과 기공에 포함된 1kg의 H2O를 제거하는 데 필요한 최소 에너지 소비를 달성할 수 있는 매개변수를 찾는 것을 목표로 했습니다.
2. 재료 및 방법
2.1. 시험된 갈탄의 특성
폴란드 갈탄 샘플은 Sieniawa 노천 광산에서 얻었습니다. Sieniawa의 갈탄은 주로 목질분해석과 탈석회석으로 구성되어 있습니다. [47]. 그리스 갈탄은 Public Power Corporation에서 운영하는 Agios Dimitrios 발전소에 연료를 공급하는 South Field 광산에서 얻었습니다. 루마니아 갈탄 샘플은 Oltenia Energy Complex의 Rovinari 발전소에 연료를 공급하는 Peșteana 광산에서 채취했습니다. 호주 갈탄은 Energy Australia의 Yallourn 발전소에 연료를 공급하는 Latrobe Valley의 Yallourn 광산에서 채취했습니다. 모든 갈탄은 수행된 테스트 전에 공칭 상단 크기인 8mm로 미리 분쇄되었습니다.
이 연구에 사용된 갈탄의 기본 특성화는 근접 및 최종 분석을 통해 수행되었으며, 이는 고체 연료를 특성화하는 전형적인 방법입니다. 갈탄의 근접 분석(표 1)는 Perkin Elmer Diamond TGA(331 Treble Cove Rd., Billerica, MA 01862, USA)를 사용하여 수행되었습니다. 다음 프로그램은 이러한 테스트 동안 적용되었습니다.
표 1.시험된 갈탄의 근접 분석 및 원소 분석.
(1) 초기단계
∘
최대 105°C까지 가열, 10°C/분으로 램프업
∘
10분 동안 유지
(2 a) 회분 함량을 얻기 위해 공기를 사용했습니다.
∘
최대 815°C까지 가열, 램프 50°C/분
∘
15분 동안 유지
(2 b) 휘발성 물질 함량을 얻기 위해 아르곤을 사용했습니다.
∘
최대 850°C까지 가열, 램프 50°C/분
∘
15분 동안 유지
상위 발열량은 ISO 1928 규범을 준수하여 IKA C2000 기본 폭탄 열량계(KA®-Werke GmbH & Co. KG, Janke & Kunkel-Str. 10, 79219 Staufen, Germany)를 사용하여 결정했습니다. 등온 순환법을 사용했습니다. 하위 발열량은 수분과 수소 함량을 사용하여 계산했습니다. 최종 분석(표 1)는 폴란드 표준 PKN-ISO/TS 12902:2007에 따라 Perkin Elmer 2400 분석기(331 Treble Cove Rd., Billerica, MA 01862, USA)를 사용하여 수행되었습니다. 입자 크기 분포는 ISO 3310-1을 준수하는 일련의 교정된 체를 사용하여 결정되었습니다.
2.2. 테스트 장비 - 토로이드 유동층 건조기
이 연구에서 설명한 일련의 실험 동안 토로이드 유동층 장비를 사용하여 건조를 수행했습니다. 설치 다이어그램은 다음과 같습니다.그림 1. 테스트 장비는 일괄 모드로 작동했습니다. 약 2.5kg의 갈탄이 공급 호퍼(E4)를 통해 수동으로 공급되었습니다.그림 1) 각 테스트 동안. 건조 공기의 온도는 각각 정격 전력이 3kW인 온도 제어 시스템이 있는 두 개의 히터를 사용하여 유지되었습니다(E20 및 E17).그림 1). 건조 공기는 송풍기(E3)에 의해 공급되었습니다.그림 1) 각 테스트에 대해 동일한 속도를 얻기 위해 약 130m3/h의 뜨거운 공기 유량을 사용했습니다. 유량은 밸브(E7)를 사용하여 제어되었습니다.그림 1).
그림 1.토베드 설치-다이어그램.
토로이드형 베드 건조기는 다음과 같습니다.그림 1, 는 거꾸로 된 절두 원뿔로 꼭대기가 닫힌 수직 원통형 기둥으로, 공기와 건조된 물질 사이의 열 교환이 직접 이루어집니다. 유동화 챔버의 바닥에는 건조 챔버 내부에 소용돌이를 생성하기 위해 소용돌이 날개가 설치됩니다.
수행된 일련의 실험 동안 다음 매개변수가 측정되었습니다: 온도, 상대 습도, 공기 흐름 속도 및 각 장치의 전기 소비. 온도 및 습도 센서는 건조기로 가는 뜨거운 공기의 입구에 설치되었습니다(T4 및 Rh1).그림 1) 및 설비 출구(T2 및 Rh2)에서그림 1). 온도는 EN 60751에 정의된 클래스 A 요구 사항을 준수하는 사양을 갖춘 표준 Pt1000 센서를 사용하여 측정했습니다. 주어진 온도와 압력에 대한 공기 중 수증기 부피를 최대 수증기 부피로 나눈 상대 습도(RH)는 HC1000-400 센서와 EE31 트랜스미터를 사용하여 측정했으며, 작동 범위는 0~100% RH, 온도 범위는 -40~80°C, 응답 시간은
귀하의 메시지는 20-3,000 자 사이 여야합니다!
