전산유체역학을 이용한 공냉식 소각시스템의 최적설계 및 경제성 분석

Abstract

The objective of this study is to secure optimal design and stable operation conditions for air-cooled circulating combustion reactors(ACCCR), one of the new combustion technologies, and to provide solutions for commercialization through economic and sensitivity analysis of high-efficiency combustion plants.

In this study, A three-dimensional computational fluid dynamics(CFD) analysis was carried out to find the optimum design conditions of a high-efficiency air-cooled combustion system to overcome the problems of existing incinerator such as high installation area, maintenance cost, and low energy efficiency.

First, 3D CFD simulation was performed on the internal temperature, velocity distribution, and retention time of the air cooled combustion furnace. The results confirms that the circulation velocity of 40 ∼50 m/s meet, the retention time and exit temperature of legal criteria. Air fuel ratio of 1.9 ∼ 2.1 and fuels of 1.25 ∼ 1.5 ton/hr were identified to be suitable conditions for complete combustion and thermal NOx control.

Second, the design structure of the outer wall was simulated to determine whether it is possible to change the design of the combustion air injection fan from two to one in an ACCCR, and to secure the conditions for cooling the radiant heat emitted to the outer wall and operating it below the safe outer wall temperature of 80℃ by analysing on velocity, airflow, and temperature field in the furnace.

As a result, when a single fan was applied, it was confirmed that a turbulent swirling flow was formed without drift even when the combustion air was injected into the tangential surface of the outer wall of the combustion furnace. In addition, under the design condition including slits and guide vanes in the existing combustion furnace outer wall structure, the ignition loss was improved to 3.45%, and the CO concentration was improved from 190.8 ppm to 36.8 ppm.

Third, because the distribution of combustion air is important for efficient operation of the furnace and securing optimal combustion conditions, the distribution chamber shape was simulated so that the primary combustion air is injected for complete combustion and that of secondary to prevent excessive rise of the furnace outlet temperature

The results indicated that combustion air injected from the fan induced a pressure loss of 84.7 mmAq in the injection chamber and 154 mmAq in the branch pipe and the outer wall of the combustion furnace and have to design to overcome the pressure loss. and a chamber shape with combustion air distribution stability was selected based on the simulation analysis

Fifth, for the efficient control of NOx, which is attracting the most attention as a precursor of fine dust, the airflow, temperature, and flow velocity behavior was simulated by 3D CFD to select the optimal SNCR nozzle installation location.

As a result of the simulation, it was confirmed that a dead zone occurred due to the generation of vortices in the process of moving the boiler division stage through the analysis of airflow, flow velocity, and temperature field in the process of transferring the mixed airflow of combustion air to the cavity boiler space. In addition, design conditions was identified to optimally remove pollutants in combustion exhaust gas in the future by selecting the location of the SNCR urea injection nozzle that can have De-NOx efficiency through analysis of the flame characteristics of the ACCCR and the temperature and airflow behavior in the cavity boiler space.

Finally, based on the research contents and empirical data, the economic feasibility of a 187.2 ton/day ACCCR was analyzed using the net present value, internal rate of return, and payback period method. As a result of the analysis, the net present value was 10,117 million won, the internal rate of return was 12.16%, and the payback period was 5.6 years. In addition, by analyzing the sensitivity according to sales, operating cost, and construction cost, it was confirmed that there is the greatest influence on the change of operating cost. Therefore, it is desirable to establish and implement a plan to avoid changes in operating costs when performing future projects.|본 연구는 새로운 소각기술인 공냉식 소각시스템에 대한 최적설계를 통해 안정적인 운전조건을 확보하고, 공냉식 소각로를 포함한 고효율 연소플랜트 사업의 경제성 분석과 민감도 조사를 통해 환경플랜트의 실증화를 위한 설계조건 및 경제성을 제시하는데 그 목적이 있다.

이를 위해, 본 연구에는 기존 소각로가 가지고 있는 높은 설치면적과 유지관리비, 낮은 에너지화 효율 등의 문제점을 개선하고자 3 차원 전산유체해석 기법을 사용하여 공냉식 소각시스템의 최적화 설계조건에 대해 아래와 같은 연구를 수행하였다.

첫째, 선회연소로 내부 온도, 속도분포, 체류시간에 대한 3차원 전산유체 해석을 진행하여, 소각로 내에서 최대 40 ∼ 50 m/s의 선회속도를 가지고 체류시간과 출구온도를 만족하는 것을 확인하였고, 완전연소와 thermal NOx를 억제하는 조건에서 공기비 1.9 ∼ 2.1범위로 연료를 1.25 ∼ 1.5 ton/hr 정도 투입하는 것이 적합하다는 결과를 얻었다.

둘째, 공냉식의 선회연소로에서 연소공기주입 팬을 2개에서 하나로 설계변경이 가능한지 여부와 외벽으로 배출되는 방사열을 냉각시켜 안전한 외벽온도인 80℃ 이하로 운전할 수 있는 조건을 확보하기 위해 외벽 설계구조를 변경하여 로 내의 속도, 기류 및 온도장에 대한 모사분석을 실시하였다.

그 결과 하나의 팬을 적용한 경우, 연소공기가 연소로 외벽의 접선면으로 주입되어도 편류없이 난류선회흐름이 형성되는지를 확인할 수 있다. 또한 기존의 연소로 외벽구조에 슬릿과 가이드 베인이 포함된 설계조건에서 강열감량이 3.45%로 개선되고, CO의 농도가 기존 190.8 ppm에서 36.8 ppm까지 개선되는 효과를 얻었다.

셋째, 연소로의 효율적인 운영과 최적의 연소조건 확보에 있어 연소공기 배분은 매우 중요하기 때문에 우선 1차 연소공기를 주입하여 완전연소 시키고, 연소로 출구온도 과다 상승방지를 위해 2차 연소공기가 주입될 수 있도록 분배용 챔버형태 모사를 실시하였다.

챔버의 형태와 팬의 공기주입 형태에 따라 모사한 결과, F.D. 팬에서 주입된 연소공기로 인해 주입챔버에서 84.7 mmAq와 분지관과 연소로 외벽유로에서 154 mmAq의 압력손실이 발생하여 이를 극복할 수 있는 압력수준으로 설계하여야 하는 점을 확인하였고, 모사해석 결과에 따라 연소공기 분배안정성을 가지는 챔버를 선정하였다.

다섯째, 미세먼지의 전구체로 가장 관심을 받고 있는 NOx의 효율적인 제어를 위하여 SNCR 최적 노즐 설치위치를 선정하기 위한 기류, 온도 및 유속거동을 3D CFD로 모사를 실시하였다..

모사결과, 연소공기의 혼합기류가 캐비티 보일러 공간으로 이송되는 과정에서의 기류, 유속 및 온도장 분석을 통해 보일러 구분단 이동과정에서 와류가 생성되어 사영역이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 선회연소로의 화염특성과 캐비티 공간에서 온도 및 기류거동 해석을 통해 De-NOx 효율을 가질 수 있는 SNCR urea 분사노즐 위치를 선정하여, 향후 연소배가스 내 오염물질을 최적으로 제거할 수 있는 설계조건을 도출할 수 있었다.

마지막으로, 연구내용과 실증자료를 바탕으로 187.2 톤/일 용량(2기 기준)으로 운영하는 규모의 고효율 공냉식 선회연소소각로의 경제성을 순현재가치, 내부수익율, 회수기간법으로 분석하였다. 분석결과, 순현재가치는 10,117 백만원, 내부수익율 12.16% 그리고 회수기간은 5.6년으로 나타났다. 또한, 매출액, 운영비, 공사비에 따른 민감도를 분석하여 운영비 변동에 가장 큰 영향이 있음을 확인하였다. 따라서, 향후 사업수행시 운영비 변동에 대한 회피방안을 수립하여 추진하는 것이 바람직할 것으로 사료된다.