The energy efficiency of gas turbine using LNG as a fuel has reached to less than about 40% even for the H class gas turbine. To increase the energy efficiency, in theoretical analysis, the maximum value of fuel efficiency can be obtained via the equally large value of the mixing rate and reaction rate in the harmonic-mean type overall reaction rate expression. Even if the delayed mixing rate can be overcome successfully by the strategy of the practically proved lean-burn method, however, the critical problem caused by the retarded reaction rate caused by the excess air has to be solved in order to make any breakthrough of the engine or gas turbine fuel efficiency. To do this, a series of systematic numerical calculation has been made for the evaluation of the lean-burn CH4 flame feature with the addition of small amount of H2 or HHO (H2+1/2O2, water electrolysis gas). To maintain lean burn state, the flow rate of methane was greatly reduced less than 50% of the standard flow rate. The addition of HHO or H2 heating value has increased steadily from 5, 10 and up to 20% of the 100% CH4 flow rate. And investigation of flame characteristics such as peak flame temperature and its location together with the temperature profile has been made through numerical calculation for a gas turbine combustor. For the standard case of 100% CH4 injection, the flame temperature profile was observed to increase steadily from the primary combustor region to gas turbine inlet. This is exactly corresponds to the temperature profile appeared in a heating process with constant pressure assumption in a typical Brayton cycle. However, for the case of co-burning with H2 or HHO with only 40 and 50% CH4 injection, the peak flame temperature appears near the upstream primary region and decreases significantly along the downstream toward turbine inlet. A detailed discussion further has been made for the flame characteristics with the change of added fuel amount and its type. In summary, the addition of the H2 and HHO gas with the reduced amount of the CH4 flow rate results in quite different temperature profile expected from the standard Brayton cycle. Further this kind of flame feature suggests the possibility of high fuel efficiency together with the reduction of the metallurgical thermal damage of the turbine blade due to the decreased gas temperature near turbine inlet.

전 세계적으로 에너지 소비가 급속하고 늘고 있는 추세이며, 화학연료를 이용한 전기 생산은 기후변화를 야기시키므로 새로운 형태의 친환경적인 발전 시스템의 개발이 매우 중요한 현안으로 떠오르고 있다. 전력수급의 많은 부분을 원자력과 화력발전에 의존하고 있는 우리나라의 경우 증가하는 전력 수요를 가스터빈을 이용한 복합발전이나 열병합 발전이 분담을 해야 하므로 가스터빈 관련 연구 개발은 매우 중요하다고 할 수 있다. 최근에는 분산발전에 대한 관심이 고조되면서 이에 적합한 동력원으로 고려되고 있는 마이크로 터빈 및 이에 대한 응용시스템 연구개발이 국내외에서 활발히 수행되고 있다. 마이크로 가스터빈은 중대형 가스터빈에 비해 개발기간이 짧고 개발비 규모가 작아 세계시장에서도 경쟁력있는 상품이 될수 있을 것으로 판단된다. 본 연구는 60KW 출력의 마이크로 가스터빈을 대상으로 메탄/수소, 메탄/산소-수소 혼합기체를 혼합한 연료에 대한 연소 특성 및 내부 열유동을 수치해석적 연구를 통하여 검토하였다. 수소 및 산소-수소 혼합연료의 체적분율을 변화시켜 변수연구를 수행하였다. 연구 결과를 살펴보면 연료 중 수소 및 산소/수소 기체의 체적분율을 높일수록 연소기 내부의 primary zone의 화염온도가 현저히 상승하며 연소기 내부의 고온영역이 넓게 분포되는 것을 볼 수 있다.이는 수소나 산소-수소 기체로 대체했을 때 수소의 빠른 연소속도에 의해 단시간에 화염온도의 상승을 이룰수 있고 수소의 강한 반응성과 높은 열확산성으로 인하여 순신간에 가스터빈 내부의 연료와 공기의 난류혼합을 활발하게 하여 가스 터빈의 효율 향상에 일조한다는 것이다. 수소비율에 따라 가스터빈의 연소성능과 관련이 있는 primary zone의 평균온도, 출구의 평균온도, 출구에서의 온도의 편차비(pattern factor)와 같은 결과를 검토하여 의미있는 결과를 도출하였다. 향후 최적 운전을 위한 적절한 연료의 혼합비율은 가스터빈의 형상 및 규모 등 다양한 변수를 고려하여 도출하는 것이 필요할 것으로 판단된다.

국제사회의 움직임 아래서 우리나라가 목표로 설정한 온실가스 감축량을 달성하기 위해서는 주요 온실가스의 발생량 감축뿐만 아니라 적절한 처리 방법에 대한 연구가 수행되어야 할 것이다. 특히 6대 온실가스에 속하는 HFCs는 이산화탄소나 메탄 등에 비하여 발생량은 많지 않으나 GWP(Global Warming Potential)가 높고 대기 중 체류시간이 길며 주로 공조기기, 냉장고, 에어컨디셔너, 냉동설비 등에 사용되고 있다. 또한 이러한 가전제품이나 설비에는 주로 냉매 중 HFC-134a(CH2FCF3)가 사용되는 것으로 알려져 있으므로 이러한 물질의 처리 대한 자세한 연구가 이루어질 필요성이 있을 것이다. 폐냉매 회수 재생 방법이 파괴 방법에 비해 에너지소모와 온실가스 배출이 확연이 적기 때문에 폐냉매를 회수/정제하여 재이용하는 기술을 우선 적용하며, 정제 후 기술적/경제적인 한계 등으로 재활용 하는 것이 불가능한 경우 열적으로 파괴하여 HFCs의 대기 배출을 방지하는 것이 바람직한 방법이다. HFCs계열의 폐 냉매의 파괴기술로는 열분해법, 촉매산화법, 플라즈마분해법 등이 있는 것으로 알려져 있으며, 본 연구에서는 열적 파괴 기술 중 LNG-Burning 기술을 이용하여 폐냉매를 처리하고자 한다. C사에서 개발한 에너지 저소비형 이중구조 선회류 방식 전용 연소기는 원통형으로 연소기 하부에 폐냉매와 보조연료를 공급하는 버너가 설치되어 있고 원통형 연소기의 측벽은 내벽과 외벽의 이중구조로 이루어져 있다. 연소용 공기는 이중 구조 노벽을 통해 접선 방향으로 주입되어 연소실 내벽을 냉각하여 고온의 연소열로부터 연소기를 보호하는 내화물을 대체함과 동시에 연소공기를 예열하는 효과를 가진다. 그리고 연소기 하부에서 폐냉매와 보조연료(LNG)를 강한 선회류를 주면서 주입하여 연소실 중심에 강력한 나선를 형성하고 고온 고속으로 완전연소 시킨다. 이때 이중구조로 공급되어 연소용 공기도 연소실 내벽을 따라 회전 후 화염에 합류하고 폐냉매 연소과정에서 생성되는 산성가스가 연소기에 접촉하는 것을 원천적으로 억제하여 부식을 방지하는 효과를 가진다. 본 연구에서는 HFC를 감축하는 CDM 사업중 LNG를 연료로 사용하는 프로젝트에 적용된 기술과 비교하여 동일한 연소 조건에서 연소하여 C사가 개발한 장치의 효율 상승을 검토해 분석하였다.

Waste management has become a very crucial issue in many countries, due to the ever-increasing amount of waste material. Recent studies have focused on an innovative technology, gasification that has been demonstrated to be one of the most effective and environmentally friendly methods of solid waste treatment and energy utilization. In this study, a gasification process has been investigated systematically by numerical simulation, in order to obtain optimum design conditions for a commercial-scale facility of an updraft fixed-bed gasifier. Turbulent flow field was calculated with the incorporation of the proper flow model for turbulence and inertial resistance for the porous region of SRF loading. The calculated temperature and pressure drop (ΔP) at exit of the gasifier were in good agreement with measured values. Next, a detailed thermochemical model was employed to estimate the syngas composition by gasification. Results showed that a better plant solution depends on both the air-fuel ratio (AFR) and the steam and carbon mole ratio (S/C). In this study, the gasification efficiency was best at an AFR of 0.25-0.3 and an S/C below 0.5.

Even though removal of fluoride in HF wastewater by crystallization using a fluidized bed reactor (FBR) has been widely studied as an efficient alternative to the chemical precipitation method using traditional stirred tank reactor, serious problems have been encountered for the optimum design of FBR together with the determination of proper operating conditions. One problem is the proper formation of the fluidization state of the seed as a function of seed particle characteristics such as particle size and density. Because dynamics in the reactor are governed by forces such as gravity, drag, and buoyancy as a function of particle size, particle density, relative velocity together with flow characteristics, this study carefully examines the effects of these factors on the formation of fluidization via theoretical analysis and numerical calculation in fluidized bed reactors in the range of practical design and operation condition. The results of this study show the overall trend of the motion of particle behavior in terms of particle size and flow condition.

불소는 다양한 산업 분야에서 주로 활용되고 있는 물질로, 불소를 사용하는 산업공정의 예로는 대표적으로 반도체, 전자 산업의 세정 공정뿐만 아니라 액정 디스플레이, 금속 산업, 유리･세라믹 산업, 냉매, 고분자 산업 등 국가 주력 산업을 다수 포함되어 있다. 불소를 함유하는 폐수는 이러한 산업공정에서 폐기물로서 다량 발생하며 또한 R-124a와 같은 폐 냉매제의 처리 과정에서도 상당량 발생하는 것으로 알려져 있다. 이러한 불소는 일정량 이상이 인체에 유입이 되면 갑상선 장애, 신경 손상 등의 인체 손상을 일으킨다. 따라서 불소의 배출은 법률에 의해서 엄격하게 규제되고 있으며, 배출량을 제어하기 위한 적절한 처리 방법의 적용이 필수적으로 요구되고 있다. 더불어 불소의 원료물질인 형석(불화칼슘, CaF2)은 매장량이 한정적이며 점점 부가가치가 높아지고 있어, 불소 함유 폐수에서의 불소 회수 공법은 그 필요성이 점차 커지고 있는 실정이다. 불산 폐수의 처리 방법으로는 석회 침전법, 흡착법, 이온 교환법, 역삼투, 미세여과, 막분리 공정 등이 있으며 가장 일반적으로 사용되는 기술은 폐수 내의 불소를 난용성 CaF2으로 전환하여 제거하는 침전법이다. 침전법은 불소 함유 폐수에 칼슘염을 주입하여 용해도가 매우 낮은 CaF2를 생성하고 이를 침전시켜 제거하는 방법이다. 침전법의 다양한 문제점을 회피하기 위하여 유동층 반응기(fluidized bed reactor)를 이용한 결정화 방법을 고려해 볼 수 있다. 본 연구에서는 불소 재생을 위한 효율적인 유동층 반응기의 설계를 위하여 Seed 물질인 CaCO3 입자를 통해 반응기 내에 적절한 유동층을 형성하는 문제에 주안점을 두고, superficial velocity(SV, 공탑속도)와 유입구의 형상을 변수로 하여 최적의 유동화를 이룰 수 있는 주입방법 및 조건에 대한 수치 해석적 연구를 수행하였다.

일반적으로 저급의 화석연료나 폐기물로부터 thermochemical conversion을 통해서 고급의 에너지를 얻는 전환기술은 열분해, 가스화, 액화, 연소 등을 들 수 있는데 이들 전환기술들은 반응 온도, 압력, 그리고 공급된 반응물 종류 및 유무에 따라 서로 다른 1차 생성물을 얻을 수 있으며 이들 1차 생성물들은 다시 사용 목적에 따라 여러 단계의 변환 공정을 통하여 최종적으로 유용한 생성물을 만들게 된다. 특히 폐기물을 대상으로 하는 가스화 공정은 환경문제와 에너지 효율을 동시에 접근할 수 있는 공정으로 각광을 받고 있다. 가연성 폐기물로부터 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성 가스를 얻기 위한 주된 반응은 환원 반응이다. 이반응은 흡열반응으로 연이어서 발생하는 연소반응에서 생성된 열을 이용한다. 연소반응으로 생성된 CO2와 H2O를 환원시켜 결과적으로 CO와 H2를 생성한다. CO2 + H2O → CO + H2 본 연구에서는 이러한 가스화 반응으로 얻어진 합성가스를 기존의 LNG 연소로에 적용할 때 내부 온도 및 유동의 변화를 해석하여 향후 가스화 공정으로부터 얻어진 합성가스의 산업 현장에의 적용가능성을 평가해 보고자 한다. 합성가스는 기체상 연료이므로 발열량의 차이는 존재하지만 기존의 LNG를 연료로 사용하고 있는 산업용 연소로에 버너의 큰 교체 없이 사용이 가능할 것으로 판단되며 내부 열유동에 큰 변화가 생기지 않는다면 가스화 장치로부터 얻어진 합성가스의 판로 개척에 일조를 할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 LNG를 연료로 사용하는 연소로를 대상으로 LNG의 70%를 합성가스 연료로 대체했을 때 연소로의 내부 열유동 해석 및 합성가스의 주입노즐 배치 및 주입 방법 등을 변화시켜 다양한 변수 연구를 수행하여 의미있는 결과를 도출하였다. 연구 결과 발열량 차이에 따라 주입량이 증가되므로 그 점을 감안하여 적절한 방법으로 주입하면 연소로 내부 열유동 분포의 큰 변화 없이 연료대체가 가능한 것으로 나타났다.

현재 사용되고 있는 대표적인 분리막은 다양한 재질로 사용하여 만든 가운데가 빈 가는 실과 같은 중공사막(hallow fiber membrane)이다. 이러한 막의 대표적인 직경은 100㎛, 즉 0.1mm이다. 이는 보통 가정에서 사용하는 실의 굵기의 1/10 정도로 매우 가는 것으로 이러한 실의 다발을 묶어서 모듈로 만들어 이산화탄소를 분리하는 기본 장치로 사용한다. 그러나 일반적으로 분리막을 통과하는 기체의 양이 많아지면 이산화탄소의 상대적인 분리도는 낮아지는 상충적(tradeoff) 경향을 나타낸다. 또한 기존의 가는 분리막은 모듈의 구성과 그 모듈을 이용한 시스템 설계라는 매우 어려운 난제를 해결해야 하고 그 후에도 오염물질에 대한 분리막 장치와 재질의 내구성 문제가 대두되고 있다. 본 연구에서는 활용하고자 하는 튜브형 분리막은 기존의 분리막에 비해 100배 큰 1cm 크기의 직경을 갖고있기 때문에 압력변화 및 유량변화 등에 탄력적으로 적용이 가능하여 투과량이나 분리도 설정과 조절에 용이하다는 점이 절대적으로 유리한 조건으로 작용한다. 본 연구는 다양한 환경기초 시설의 CO2 분리에 적용하기 위한 튜브형 분리막에 대한 기초연구로써 분리막에 대한 이론연구를 수행하고, 분리막의 직경, 길이, 압력을 변수로 하여 각 조건의 최대 유속에서 주입부의 압력에 따른 압력강하와 압력강하에 따른 출구에서의 속도 변화를 고찰하였다. 이 계산은 pip flow calculator라는 상용코드를 이용하여 계산을 수행하였다. 2012년 RTI 실증시스템에서 수행된 최종 연구결과 향후 분리막의 직경을 100㎛에서 150㎛로 50% 증가하고 분리막의 길이를 36인치에서 24인치로 줄이는 것을 강력히 추천한 바 있다. 본 연구의 계산 결과 RTI는 100㎛의 중공사막에 대한 최대 유량으로 0.0001m³/hr의 조건에 압력 4.5기압을 사용하는 경우 압력손실이 0.46기압, 즉 약 10% 정도의 손실이 발생한 반면 유속은 출구에서 약 10% 입구유속보다 증가한 것으로 나타났다. 그러나 권장 직경 150㎛으로 직경을 증가하고 길이를 36인치에서 24인치로 감소한 경우 압력손실은 약 0.056기압으로 나타나 100㎛ 직경일 때 압력손실의 약 1.2%만 발생한 것으로 나타났다. 이와 같이 직경의 증가와 길이의 감소는 압력 강하와 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다. 그러나 직경이 증가할 때 분리막의 단위체적당의 물질전달 면적 감소와 함께 두께가 얇은 분리막 모듈의 제작상의 어려움 등을 동시에 고려해야 할 것이다.

The synthetic gas obtained from the gasification of waste material becomes more important not only in waste reduction but also for the generation of clean energy directly applicable to industrial combustors firing LNG fuel without any major modification of the boiler system. Therefore, in this study, a systematic calculation was made for the turbulent reaction inside a conventional LNG combustor to determine the temperature distribution and fluid flow field. By doing this, the syngas obtained from gasification of combustible waste could be evaluated for the potential applicability of syngas as a substitute for LNG fuel in the industrial field. In this calculation, the ratio of the syngas amount to the LNG amount was fixed. That is, based on calorific value, 70% of the fuel was syngas and 30% was LNG. Since the calorific value of the syngas was different from that of LNG with a high energy density, the different volumetric flow rate was expected to give rise to a visible flow field change together with the local velocity. Thus, in this study, the swirl intensity and the inlet nozzle diameter were varied carefully in order to resolve the flow field and turbulence effects on the reaction characteristics of the co-burning flame. First of all, the calculation result of pure LNG combustion was made successfully as a reference and for evaluation of the code implementation. The results obtained from the numerical simulation of the burning of syngas in the LNG boiler could duplicate the combustion feature almost similar to that of 100% LNG fuels by changing the injection method of the syngas without any major change of the boiler system. The results suggested the high potential of syngas as an economic substitute for conventional LNG fuel.

A parametric study has been made numerically on the thermal incineration of CF4, one of the perfluorocarbons (PFCs) emerging recently as issues of public concern in a practical CDM incinerator developed for the thermal destruction of HFC-23. In doing this, a turbulent combustion model of the fast combustion approximation is reasonably assumed using the typical auxiliary fuel, CH4, for the supply of the heat, and the necessary species of hydrogen and oxygen atom. In addition, the performance of the stoichiometric gas mixture of hydrogen and oxygen (H2+ 1/2 O2) was examined as a special auxiliary fuel not only in order to enhance the thermal destruction efficiency but also the reduction of the CO2 emission by the elimination or the reduction of the auxiliary fuel CH4 in this incineration process. The calculation results showed that the thermal destruction efficiency of CF4 using methane as an auxiliary fuel increases with the amount of methane. However, the thermal destruction efficiency did not reach a satisfactory level (i.e., < 95%), even with the application of a CH4 amount more than four times of the stoichiometric value. This is explained by the improper turbulent mixing effect between CH4, CF4 and air especially in a large scale practical incinerator employed for the destruction of HFC-23. For the case of H2+ 1/2 O2 as the auxiliary fuel, however, the thermal destruction efficiency, surprisingly, reached almost 100%, which shows the high potential of the thermal destruction of CF4 by the use of HHO gas. Further, a detailed evaluation for the effect of the turbulent mixing on the thermal destruction of CF4 will be quite necessary, considering operating conditions together with the type of auxiliary fuels.

These days, the development of various pre- and post-combustion techniques has been pursued in order to reduce the emission of CO2 in the fleet of coal-fired power plants, since it is of great importance to each country’s energy production while also being the single largest emitter of CO2. As part of this kind of research efforts, in this study, a novel burning method is tried by the co-burning of the pulverized coal with the stoichiometric mixture of the hydrogen and oxygen (H2+1/2O2) called as HHO. For the investigation of this idea, the commercial computational code (STAR-CCM+) was used to perform a series of calculation for the IFRF (International Flame Research Foundation) coal-fired boiler (Michel and Payne, 1980). In order to verify the code performance, first of all, the experimental data of IFRF has been successfully compared with the calculation data. Further, the calculated data employed with pure coal are compared with the co-burning case for the evaluation of the substituted HHO performance. The reduced amount of coal feeding was fixed to be 30% and the added amount of HHO to produce a similar flame temperature with pure coal combustion was considered as 100% case of HHO addition. This value varies from 100 to 90, 80, 60, 50, 0% in order to see the effect of HHO amount on the performance of pulverized coal-fired combustion with the 30% reduced coal feeding. One of the most important thing found in this study is that the 100% addition of HHO amount shows approximately the same flame shape and temperature with the case of 100% coal combustion, even if the magnitude of the flow velocity differs significantly due to the reduced amount of air oxidizer. This suggests the high possibility of the replacement of the coal fuel with HHO in order to reduce the CO2 emission in pulverized coal-fired power plant. However, an extensive parametric study will be needed in near future, in terms of the reduction amount of coal and HHO addition in order to evaluate the possibility of the HHO replacement for coal in pulverized coal-fired combustion.

Since HFCs does not contain Cl component, they are not harmful to the depletion of Ozone layer but require reduction especially due to the high GWP (global warming potential). The HFC 134a, known as one of typical refrigerant of HFCs is generally shown to be effectively thermally decomposed only above the temperature of 3,000oC. However, giving condition of sufficient water vapor and the temperature more than 800oC with large heating source like in calcination reactor or blast furnace, the thermal decomposition of HFC 134a will occur easily due the component of H and O contained in water vapor. In order to investigate this phenomenological finding appeared in large scale field test, a series of experimental investigation has been made for the thermal decomposition rate of HFC 134a as a function oxygen and HFC 134a flow rate for a small tubular reactor. In this experiment the wall temperature of tubular reactor was fixed to be 900oC. In order to verify and figure out the finding by experiment, numerical calculation has also been made for the detailed reaction of HFC 134a inside the tubular reactor. The comparison between experiment and numerical calculation are in good agreement each other especially for the rate of thermal destruction at the exit of the reactor. Further, considering the efficient thermal decomposition of HFC 134a in the H2O vapor environment with sufficient heating source, the application of the stoichiometric mixture of hydrogen and oxygen, that is, H2+ 1/2O2, is made numerically in the same tubular reactor, for the thermal decomposition of HFC 134a. The result appears physically acceptable and looks promising for the future method of the HFCs decomposition.

미분탄을 연료로 사용하고 있는 발전소는 지구온난화 문제에 따른 이산화탄소를 비롯한 여러 가지 오염물질 배출저감에 대한 압박과 석탄연료 가격 상승 등의 여러 가지 문제에 직면하고 있다. 그래서 석탄청정 기술에 대한 전 세계적인 관심과 더불어 석탄 연소 및 가스화에 대한 활발한 연구가 진행되고 있다. 석탄연소과정의 연구가 지속적으로 이루어져 왔지만 아직 모든 종류의 석탄에 대한 특정 석탄연소과정의 메카니즘을 일반적으로 적용할 수 있는 모델이 없기 때문에 오늘날도 많은 연구자들이 연구를 하고 있다. 본 연구에서는 미분탄 연소에 대한 이전 일련의 연구결과를 토대로 하여 일차적으로 수치 해석적 방법을 활용하여 실험결과와의 비교 및 모델 검증을 수행하고, 더불어 본 연구실에서 다양한 연소시설에 접목을 시도하고 있는 물 전기분해 가스와의 혼소에 따른 오염물질, 특히 CO2의 배출농도 변화 및 연소로 내부의 열유동 분포 등을 검토하고자 한다. 본 연구에서는 상용 해석 프로그램 STAR-CCM+와 In-house 코드를 이용하여 IFRF(International Flame Research Foundation) 다양한 형상의 보일러에 대하여 일련의 실험데이터와 비교검증을 수행하였다. 실험결과와의 비교를 통한 전산해석 결과의 타당성을 검증한 후 연료중의 석탄 양을 감소시키고 대신 물 전기분해 가스를 일부 사용하여 연료 변화에 따른 연소특성을 평가하고 배출가스 중 CO2의 농도 변화를 관찰하였다. 수치해석 결과를 살펴보면 In house 코드를 활용한 계산 결과는 실험결과와 매우 유사한 온도 분포를 나타내어 수치해석에서 사용한 모델에 대하여 비교적 성공적으로 검증할 수 있었으며, 이를 바탕으로 연료의 성상을 변화시켜 수치해석을 수행하여 의미 있는 결과를 도출할 수 있었다.

HFC-134a는 에탄 파생 냉매 중 하나로서 대표적인 HFCs 의 하나이며 가정용 냉장고나 자동차의 냉매로 널리 사용되고 있는 물질이며 온난화지수는 1300이다. 이러한 HFCs 의 생산 및 사용에 대한 규제가 가속화되고 있으며, 대체물질 개발이나 폐 냉매에 대한 처리기술연구 또한 활발히 진행되고 있다. 이들 폐냉매에 대한 처리기술로는 일반적으로 열분해법, 촉매 산화법, 플라즈마를 이용한 공정 등이 알려져 있다. 열분해법은 고온의로에서 열적 분해를 도모하는 기술로서 대용량의 가스를 처리하는 경우에 유리하다. HFC-134a 프레온은 단순 열을 가열하는 경우 보통 3000℃이상의 고온에서만 효과적으로 분해되는 특성을 가진 것으로 알려져 있다. 그러나 만일 열원이 충분한 고로나 소성로와 같은 대형장치에서 800℃ 이상의 온도에서 수증기가 동시에 존재한다면 HFC-134a 냉매가 효과적으로 처리되는 것으로 실증 장치에서 제시되고 있다. C2H2F4+4H2O →4HF+3H2O+2CO2 (1) 이러한 현상에 대한 연구로서 튜브형 연소로에서 온도의 변화와 산소량과 유량 조절을 통해 HFC-134a 열적분해 성능 실험에 대한 검증을 전산해석적인 연구를 통하여 수행하였다. C, H, F 등으로 구성된 HFCs가 열원과 H2O에 의하여 HF, H2O 그리고 CO2로 잘 반응하는 결과에 기초할 때 HFC-134a 의 반응에 필요한 것이 첫째로 H와 O의 원소와 둘째로 반응에 요구되는 활성화 에너지임을 추정할 수 있다. 그러므로 수소와 산소가 당량비로 혼합된 물 전기분해 기체(H2 + 1/2 O2)를 사용하여 튜브 반응기에서 HFC-134a 의 열적 반응에 대한 가능성을 전산 해석적으로 검토하였다.

대기 중의 이산화탄소(CO2) 농도는 지속적으로 상승하고 있으며 전세계적으로 지구온난화에 대한 관심이 매우 높은 상태이다. 또한 환경 기초시설의 곳곳에서도 온실가스를 방출하는 여러 공정들이 있으며 그중 환경 기초시설인 하폐수처리장 및 매립지 등에서도 메탄과 이산화탄소를 포함하는 다량의 온실가스가 배출되고 있으며 이를 분리 회수하기 위한 다양한 공정에 대한 연구들이 이루어지고 있는 실정이다. 바이오가스를 분리정제하는 공법에는 흡수법(absorption), 흡착법(adsorption), 심냉법(cryogenics) 그리고 막분리법(membrane) 등이 있다. 현재 사용되고 있는 대표적인 분리막은 다양한 재질로 사용하여 만든 가운데가 빈 가는 실과 같은 중공사막(hallow fiber membrane)이다. 이러한 막의 대표적인 직경은 100㎛, 즉 0.1mm이다. 이는 보통 가정에서 사용하는 실의 굵기의 1/10 정도로 매우 가는 것으로 이러한 실의 다발을 묶어서 모듈로 만들어 이산화탄소를 분리하는 기본 장치로 사용한다. 그러나 일반적으로 분리막을 통과하는 기체의 양이 많아지면 이산화탄소의 상대적인 분리도는 낮아지는 상충적(tradeoff) 경향을 나타낸다. 또한 기존의 가는 분리막은 모듈의 구성과 그 모듈을 이용한 시스템 설계라는 매우 어려운 난제를 해결해야 하고 그 후에도 오염물질에 대한 분리막 장치와 재질의 내구성 문제가 대두되고 있다. 본 연구에서는 활용하고자 하는 튜브형 분리막은 기존의 분리막에 비해 100배 큰 1cm 크기의 직경을 갖고 있기 때문에 압력변화 및 유량변화 등에 탄력적으로 적용이 가능하여 투과량이나 분리도 설정과 조절에 용이하다는 점이 절대적으로 유리한 조건으로 작용한다. 본 연구는 다양한 환경기초 시설의 CO2 분리에 적용하기 위한 튜브형 분리막에 대한 기초연구로써 분리막에 대한 이론연구를 수행하고 분리막의 직경 변화 및 배기가스 유량 변화에 따른 압력강하에 대한 다양한 변수연구를 수행하고자 한다. 이러한 자료를 바탕으로 향후 운전조건에 따른 분리막의 투과량(P)와 분리도(S)에 대한 상관관계 및 최적 운전변수를 설정하는데 일조하고자 한다.

Considering the high potential of the widely-used halogenated hydrocarbons on the global warming and ozone depletion, the development of effective thermal destruction methods of these compounds are quite urgent and indispensible. As part of the research efforts of this area, the destruction of CCl4 and flame characteristics have been investigated numerically by the co-firing CCl4 with CH4 in an industrial LNG-fired combustor as a function of molar ratio of the CCl4 to CH4 using a commercial code of STAR-CCM+. Considering a broad range of Damkohler number associated with the process of intensive CHCs (Chlorinated hydrocarbons) combustion with auxiliary fuel together with the inhibition reaction especially near flammability limits, a proper combustion modeling of CCl4 thermal destruction is quite desirable. In this study, however, after careful review of the literature about the flame characteristics of halogenated hydrocarbon together with the previous study about the modeling of the CCl4 flame based on the data of burning velocity, the eddy breakup turbulent combustion model was employed since it is quite reasonably assumed that chain branching reaction looks dominant in most flame region over the halogenated inhibition effect in strong turbulent reacting flows. One of the most useful results based on this study is that; without any incorporation of flame inhibition effect, the length of co-fired flame increases steadily as the ratio of CCl4 to CH4 (R) increases from 0.0, 0.1, 0.2 to 0.5, and 1.0 together with the increase of the maximum flame and exit gas temperature. The reason of the increase of the flame length with the increase of flame temperature can be explained by the presence of the additional CCl4 fuel with low heating value. Further a detailed discussion has been made on the thermal destruction of CCl4 together with the Cl2 concentration by Deacon reaction.

할로겐 화합물에 대한 연소는 화염억제 치원에서 화염현상에 대한 기본 연구(burning velocity 나 flammability limit 등)나 적은 양의 산업폐기물에 대한 thermal destruction을 위한 소각 연구가 주류를 이루었다. 그러나 최근 국내외적으로 오존층 파괴나 온난화지수가 높은 다양한 불화염화탄화수소에 대한 본격적인 열적처리 문제가 대두됨으로써 실제적인 연소로 규모에서 이 화합물에 대한 연소현상에 대한 관심이 높아지기 시작하였다. 본 연구에서는 이러한 불화염화탄소로 이루어진 다양한 연소특성을 가진 냉매에 대한 다양한 연료와의 혼소에 의한 보다 효율적인 열적처리를 위한 기초연구를 수행한 것이다. 본 연구 결과로 나타난 LNG와 CCl4의 화염특징은 주어진 메탄 양에 대하여 사염화탄소의 양이 증가할수록 화염의 온도는 높아졌으나 반응은 지연되어 화염의 형성이 후류 영역에서 형성되는 양상을 나타냈다. 이는 사염화탄소 주입에 따라 연료의 절대양은 증가하였으나 사염화탄소 연료의 낮은 발열량과 같은 연소 성능의 저하의 복합적인 결과로 판단되었다. 사염화탄소의 혼소양이 10% 이하일 경우 사염화탄소에 대한 99.99%의 효과적인 처리가 이루어졌으며 Deacon 반응을 고려한 계산 결과는 사염화탄소 혼소양이 10%인 경우에도 실질적인양의 Cl2가 생성될 수 있음을 시사하고 있다. 그러나 향후에 특히 난류반응모델에서 사염화탄소의 화염억제 작용이 가능한 영역에 대한 보정된 난류 반응 모델과 함께 Deacon 반응에 대한 화학반응속도 개념을 고려한 난류반응모델에 대한 보완이 추후의 연구로서 요구된다.

석탄가스화 복합발전(IGCC)은 석탄을 고온 고압의 조건에서 산화제(산소 또는 공기) 또는 수증기와 반응시켜 합성가스(CO + H2)로 전환시키는 공정과 유해가스 정제공정 그리고 전력을 생산하는 발전 공정 등의 싸이클이 결합된 복합 시스템이다. 이러한 IGCC 발전방식에 의한 효율향상은 기존의 미분탄 발전방식에 비해 CO2 와 SOx와 NOx 발생을 현실적으로 저감시킬 수 있는 방법이며 기타 바이오매스나 폐기물 연료에도 적용이 가능한 기술로서 이에 대한 일련의 연구가 지속적으로 수행되어오고 있다. 분류층 가스화기는 고정층 가스화기와 같이 뚜렷하지는 않지만 일반적으로 열분해와 휘발화 물질 연소영역, 가스화와 연소가 동시에 발생하는 영역 그리고 순수한 가스화 영역 등 3개의 특성을 가진 영역으로 구분된다. 이렇게 다른 영역에서 석탄 입자나 검댕이 그리고 수증기를 포함하는 가스화기내의 온도분포는 당연히 다양한 입자 구성 매질특성 때문에 복사열전달에 큰 영향을 받는다. 이러한 복사 열전달의 효과는 본격적으로 온도가 상승하지 않은 미연지역보다는 온도가 높으며 검댕이(soot)와 CO2나 H2O와 같이 복사에 관여하는 물질이 많은 화염대 후류 영역에서 복사열전달이 더욱 중요한 인자가 되는 것으로 나타나고 있다. 본 연구에서는 습식 석탄가스화 장치에서 석탄입자의 크기분포에 따른 내부 열유동 분포 변화와 가스화 효율에 미치는 영향에 대한 상관관계를 살펴보았다. 석탄 가스화를 위한 수치해석은 가스와 입자의 2상 반응유동에 대한 많은 물리적인 모델들을 포함하고 있으며 모델검증에 필요한 석탄의 반응성과 실제 가스화기의 운전결과와 같은 방대한 실험적인 자료를 필요로 한다. 본 연구에서는 1.0ton/day 용량의 가스화기를 대상으로 석탄의 입도분포에 따른 전산해석을 수행하였다. 계산결과는 물리적으로 의미 있는 결과를 나타내었으며 특히 평균입도보다 큰 입자의 존재는 그 질량 분율이 크게 많지 않은 경우에도 가스화의 성능에 매우 큰 영향을 미치는 것으로 나타나고 있다.

In order to ensure the high carbon conversion in a short residence time in a coal slurry entrained gasifier, the objectiveof this study lies in to investigate the effect of important variables to influence on the complex reacting flow and therebyto clarify the physical feature occurring inside the gasifier using a comprehensive gasifier computer program. To this end,the gasification process of a 1.0ton/day gasifier is numerically modeled using the code of Fluent and systematicallyinvestigated with the change of major design and operation parameters. Special emphasis is given on the effect of theparticle size distribution on the gasification process, since it is associated with various length and time scales via multi-phase and with complex reacting flows. Three different particle sizes are tested for a given coal mass flow rate, the firstis 70µm mean diameter with Rosin-Rammler distribution based on the actual measurement. But in the other two casestwo uniform mean particle diameters are employed, that is, very fine 1µm and 70µm with mean diameter itself. Thecalculation results of these three cases show quite different flow pattern, temperature and reacting flows probably causedby the different particle trajectory as well as reaction rate. However, the results obtained can be explained in a consistentmanner with particle size. Especially, it is noted that the presence of coal particle, the diameter of which is larger thanthat of mean diameter of Rosin-Rammler distribution, shows a significantly retarded gasification reaction in a gasifier,even if its mass fraction is less than 50%.

In this study, the waste gasification gas was co-fired with LNG and water electrolysis gas (or stoichiometrically well-mixed hydrogen oxygen gas) in order to see the change of flame characteristics compared to the standard case of wellknown LNG flame. In detail, a numerical study was made to figure out the fundamental combustion characteristics ofthe waste produced gas blended LNG or hydrogen-oxygen mixture gas flame in an existing industrial LNG combustor.As a preliminary study, the mixture of 70% synthetic gas blended with 30% LNG or hydrogen-oxygen mixture gas wascompared with pure LNG fuel with maintaining the same total input of heating value. Especially, the reason to includethe hydrogen-oxygen mixture gas, that is, the mixture of H2 and 1/2 O2, as a fuel is following:the hydrogen-oxygenmixture gas has a rather high heating value since it does not need air as oxidizer, which consists of 79% N2 as inertmaterial. The result shows that the case of mixture fuel with LNG exhibits more broadening flame shape than the 100%LNG flame. Further, it is observed that there is a phenomenon like a disappearance of CTRZ (Central ToroidalRecirculation Zone) and flame extinction showing partial lift-off of flame around strong swirl flow near burner. This kindof observation appeared in the case of blended fuel mixture is considered probably due to the increased effect of velocityand turbulence stress caused by the mass increase by the addition of low calorific fuel. However, the case of mixturefuel with hydrogen-oxygen mixture gas and water vapor does not show any flame instability phenomenon due to increasedflow rate as in LNG case.