고온 유동층 시스템내 차압센서를 이용한 분철광석의 유동특성

목차

1. 서 론

2. 실 험
2.1 시료 및 가스

2.2 입도크기 결정

2.3 실험장치

2.4 실험방법

3. 실험결과 및 고찰

3.1 최소유동화속도(Umf)

3.2 경험식과 측정치와 비교

3.3 적정 유동화속도

3.4 고온분화

3.5 높이방향의 차압변화

3.6 무게변화에 의한 압력변화

3.7 반응기내 고체분율

본문내용

에 따른 반응기 최상부와 분산판 하부 사이의 전체 압력손실을 나타낸 것이다. 환원가스의 조성과 반응시간은 예비환원단계에서는 MG1의 가스조성으로 20분, 최종환원단계에서는 MG2의 가스조성으로 30분으로 하였다. 차압측정은 차압센서와 마노메타를 이용하여 비교한 결과, 잘일치하였으며 이들 차압변화로 부터 분철광석 입자의 유동이 원활함을 알 수 있었으며, 초기 10 분까지의 차압이 급격히 감소한 이유는 고온에서 열충격 및 헤마타이트에서 마그네타이트로 변하는 초기환원으로 인하여 분화에 의해 미분입자의 반응기 외부로의 비산에 의해 반응기내 무게가 감소함으로써 압력손실이 급격히 변하였다. 10 분 이후에서는 분화가 거의 일어나지 않고 환원반응에 의한 광석중 산소의 감소에 의해 차압이 서서히 줄어듬을 알 수 있었으며, 상온에서는 초기분회외에 반응에 의한 무게감소 영향이 없으므로 5분 이후에는 차압의 변화가 없었다17). 이는 반응중 미분포집기에서 미분입자의 양을 측정하여 인입 환원가스와 철광석의 반웅후 나오는 배가스로 부터의 환원율을 계산함으로써 산소에 의한 감소가 90 % 이상 차지함을 알았다. 또한 반응기내 분철광석의 전체 중량변화는 식 (9)와 같이 반응기내 차압변화를 측정함으로서 계산할 수 있다30).
W_b~ =~ TRIANGLE P_t~ CDOT A_t
(9)
여기서
W_b~
는 반응기내 광석체류량,
TRIANGLE P_t~
는 반응기내 전체차압,
A_t
는 반응기 단면적이다. 그림 13은 시간에 따른 차압변화에 의한 무게변화량을 나타낸 것으로 차압변화의 평균값으로 구한 결과, 식 (10)와 같이 실험식으로 나타낼 수 있다.
W_b~ (g)~= ~5923.21~ t`^{(-0.17181)} ~~~~~~~(R^2`=`0.96)
(10)
여기는
t
는 반응시간
(min)
,
R^2`
은 상관관계를 나타낸다. 최종환원 후 반응기로부터 실제 추출한 양(3090 g)과 차압변화의 평균값으로 구한 실험식 값은 오차범위 ±2 % 범위내로 거의 일치하였다. 또한 반응기내 차압과 광석체류량은 식 (10)에 의해 직선관계가 있음을 알 수 있고 이를 실제 측정한 값과 비교한 결과, 본 실험조건에서는 그림 14에 나타낸 바와 같이 잘일치 하였다. 상기 결과로부터 회분식(batch) 혹은 연속 유동층 환원실험시 차압에 의해 반응기내 무게를 측정함으로서 환원 및 분화에 의한 미분 비산량을 알 수 있으며, 특히 연속실험에서는 이러한 차압의 변화를 관찰함으로써 반응기내로 분철광석의 장입량(charging)과 배출량(discharging)을 일정하게 조절하여 유동층내 일정한 높이를 유지 및 제어하기 위한 파라메타를 제공할 수 있다.
3.7 반응기내 고체분율
유동층 시스템 구성시의 반응기 높이 결정과 반응효율에 영향을 미치는 고체와 기체간의 접촉 상황을 명확히 하기 위해서는 유동층내 높이별 고체입자의 분율을 알아야 한다. 이와 같은 고체입자의 분율은 높이 방향으로 압력손실을 측정하여 결정되는데, 입자간 또는 반응기벽에서의 마찰손실이 무시될 때 두 지점간의 압력손실
(TRIANGLE P / TRIANGLE L)
이 반응기내 존재하는 고체농도에 비례하므로 입자의 고체분율은 식 (11)31)으로 나타낼 수 있다.
△P_h,i over △L~ =~ {( rho _p - rho _f ) epsilon _s~ g_n}
~~~~~ ∴~ epsilon _s ~= ~{△P_h,i~} over {△L~g_n~ ( rho _p - rho _f )}
(11)
여기서
△P_h,i
는 i 지점 높이에서 하부와의 차압,
△L
은 두지점간의 거리차,
epsilon _s
는 고체분율이다. 그림 15는 반응기 높이별로 존재하는 고체입자의 분율을 1 분, 5 분, 10 분, 30 분, 50 분간 측정하여 그 평균값을 나타낸 것으로, 반응기 하부에는 상대적으로 큰 입자의 고체분율이 높은 농후영역(dense region)이 존재하며, 상부로 갈수록 고체분율은 감소하며 반응초기 1 분, 5 분에서는 250 cm 이상, 10 분간 실험에서는 200 cm 이상, 30 분과 50분간 실험에서는 100-150 cm 이상에서는 고체입자가 거의 존재하지 않는 회박영역(dilute region)이 존재함을 알 수 있었다. 20 cm 이하의 반응기 하부에서는 시간이 경과할수록 10 분까지는 고체분율이 감소하였으나, 그 이후에는 오히려 증가함을 보였다. 이는 10 분 까지는 분화 및 환원에 의해 고체분율이 감소하였으나, 반응이 더욱 진행되면 환원에 의해 극미분이 환원되어 극미분끼리 혹은 대립입자와의 응집에 의해 평균입자 크기가 커진 것으로 생각된다. 반응기 중부 높이인 50-150 cm에서는 시간에 따라 고체분율이 감소하였으며, 이는 환원에 의한 평균입도 감소 및 분화에 의한 미분입자의 반응기 외부로 비산에 의한 영향으로 보여진다. 대부분의 입자가 존재하는 100 cm 이하 높이에서의 고체분율은 약 0.2-0.3 범위로 상온 실험을 통해 보고17)된 기포 유동층 범위와 일치하였다.
3.8 고체밀도 변화
반응기내 분철광석은 예비환원단계와 최종환원단계를 거치면서 고온의 환원가스와 반응하여 광석중 산소가 빠져나감으로써 고체입자의 밀도가 감소한다. 그림 16에 나타낸 바와 같이 이러한 밀도변화를 환원율을 측정하여 계산에 의해 구하였다. 이때 비산이 있는 입도분포가 넓은 분철광석에 대해, 가스분석기를 사용하여 반응후 배가스와 그림 13에 나타낸 바와 같이 연속 차압시스템에 의한 반응기내 분철광석 무게를 연속적으로 측정하여 환원율을 구할 수 있었다. 이때 환원율은 식 (12)과 식 (13)에 의해 계산되었다.
R``(%)~=~ dW~/ ~[(W_t CDOT d_o ``) (1-F_gan. ) ]~ X ~100
(12)
dW~=~ (16.0/22.4) CDOT Q int FROM 0 TO t ``(`X_CO+H2 ^input ~-~ X_CO+H2^output `` )
(13)
여기서
R(%)
은 환원율,
W_t
는 시간때 반응기내 시료무게,
d_o
는 철광석중 산소무게분율,
F_H욤.o
는분 철광석중맥석"은소무게분율,, 膚壻

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차압센서,   분철광석