수열탄화 반응기 설계를 위한 수치해석적 연구

Abstract

최근, 화석연료의 고갈과 화석연료의 사용으로 인한 환경오염 문제가 대두되면서, 태양광, 풍력, 바이오에너지 등과 같은 신재생에너지에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 새 정부가 출범하면서 신재생에너지의 연구지원이 확충되고 있으며, 국내에서는 바이오매스를 이용한 바이오에너지 생산에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 바이오에너지는 토양, 수질오염의 주 원인 중 하나인 유기성 폐기물류(가축 분뇨, 음식물류 폐기물, 하폐수 슬러지 등)를 재활용하여 연료로 사용함으로써, 환경 보호와 동시에 에너지 생산까지 가능하게 한다. 유기성 폐기물류는 다량의 수분을 함유하고 있기 때문에 자원화 및 에너지 생산시 운전비용 상승으로 경제성 저하의 문제점을 지니고 있다. 이러한 문제점을 해결하고 궁극적으로 바이오에너지 생산효율을 높이기 위해, 수열탄화기술에 기반한 통합공정을 개발하고, 실증 플랜트를 건설하여 운영해야만 한다. 수열탄화(HydroThermal Carbonization, HTC)는 수분함량이 높은 유기성 폐기물계 바이오매스를 일정 온도(180~200C)까지 승온시켜 탈수(dehydration)반응을 유도하는 것을 의미한다. 이는 기존 건조 방식에 비해 60% 이상의 에너지를 절감시켜 경제적인 고형연료화를 가능하게 한다. 본 논문에서는 바이오매스의 고형연료화에 필요한 수열탄화 반응기의 승온시간 최소화를 통한 경제성 향상 도모를 위해, 7500L급 반응기의 형상 설계에 대해 연구하였다. 먼저, 기존에 존재하던 1400L급 수열탄화 반응기의 실험 결과와의 비교를 통해 상용코드의 검증을 실시한다. 이 과정을 통해, 7500L급 수열탄화 반응기로의 scale-up에 대한 신뢰성과 타당성을 확보한다. 그리고 7500L급 수열탄화 반응기의 형상설계를 위해 반응기의 형상 설계 변수를 무차원화하여 L/D(L:슬러지 높이, D:반응기 직경)비를 정의하고, L/D비의 크기를 조정하며 수치해석을 진행한다. 이를 통해, 승온시간을 최소화시키는 L/D비를 도출하고, 이를 활용하여 승온시간에 미치는 변수인 회전속도, 임펠러 단수 등을 변경하여 수치해석을 진행한다. 또한, 임펠러 단수에 따른 교반 모터의 제원을 선정하기 위한 모터의 토크, 동력을 예측하여 경제적인 실증 플랜트의 제작에 도움이 되도록 한다.