高效率 熱乾燥 시스템 開發에 관한 硏究

Abstract

산업화가 진행됨에 따라 환경문제의 중요성이 강조되면서 환경오염 개선에 대한 요구가 증가하고 있다. 환경오염 중에서 가장 심각하게 대두되는 것 중의 하나가 수질오염이라 할 수 있는데, 하수 슬러지는 다량의 수분(80%)과 유기물(20%)을 포함하고 있는 대표적인 오염물질이다. 현재 하수 슬러지 처리 방법으로는 대부분 단순 매립하거나, 소각을 행하거나, 해양투기가 되고 있지만, 매립은 악취, 해충 등의 2차적인 환경오염을 유발 시킬 우려가 있고, 국제 환경규제에 따라 해양투기는 이미 금지된 상태이다. 현재의 슬러지 자원화 처리 방법으로는 열풍을 이용하여 슬러지를 건조시킨 후, 슬러지에 포함된 수분 함량을 줄이고 고농도의 유기물을 확보하여 토지의 퇴비화 및 시멘트 원료 등에 사용하는 방법이 활발하게 실행되고 있다. 따라서 본 연구에서는 하수 슬러지를 퇴비화 할 목적으로 사용하고 있는 회전식 열풍건조기의 건조기 내부로 공급되는 열원에 대하여 내부 유동에 관한 수치해석을 실시하여 건조기의 설계에 대한 기초 자료를 제공하고자 한다.본 연구에 사용된 첫 번째 모델은 전기 히터에 의해 가열된 공기를 건조기 내로 투입하여 하수 슬러지를 직?간접 방식으로 건조시키는 회전식 건조기로써 기존의 회전식 건조기와는 다른 구조로 3개의 드럼이 동시에 같은 방향으로 회전하면서 재료를 건조시키는 3단 회전식 건조기이다. 일반적으로 건조기의 선정은 재료의 성질이나 재활용하는 목적에 따라 결정하는데 우선 다루기가 용이하고 재료의 재활용성이 좋아야 하기 때문에 장치 설계에서 재료의 체류시간과 건조효율 및 열효율에 대한 문제가 하나의 과제가 된다. 3단 회전식 건조기는 이런 측면에서 하수 슬러지를 분말 형태가 아닌 pellet 형태로 제조가 가능하여 제 2공정을 거치지 않고 곧바로 퇴비나 시멘트 원료로 사용할 수 있어 재활용성 면에서 우수한 성능을 가지고 있다. 먼저 첫 번째 드럼의 입구에서는 공기 유동을 벽면으로 원활하게 공급하고, 슬러지가 열풍에 의하여 멀리 날아가는 것을 방지하는 콘 모양의 가이드가 설치되어 있고, 첫 번째 제 1단 드럼 벽면에는 드럼이 회전할 때 하수 슬러지를 훑어 올려 일정한 높이에서 하수 슬러지를 아래로 낙하시켜 열풍과의 접촉으로 건조가 잘 이루어 질수 있도록 리프트 플레이트가 드럼 길이 방향으로 8개 부착되어 있다. 두 번째 드럼에는 하수 슬러지가 건조기 내부 표면과의 접촉으로 건조가 이루어지면서 세 번째 드럼으로 이송하도록 슬러지를 유도하는 스크류 플레이트가 부착되어있다. 일반적으로 드럼내의 슬러지의 체류시간에 영향을 미치는 인자는 리프터의 수, 열풍의 질량속도, 無水재료의 질량속도, 입자의 특성, 드럼의 직경과 길이, 그리고 드럼의 경사도 및 회전수 등에 따라 결정된다. 본 연구에서는 이러한 인자들 중에서 회전수에 대하여 각각 변화를 주어 그 때에 발생하는 건조기 내부 열 유동 변화를 각 case 별로 비교 및 분석하여 가장 최적인 회전수를 선정하였다. 실제적으로 건조기 내부 유동은 슬러지와의 접촉효율을 좋게 하기위하여 난류의 흐름이 되거나 열풍의 질량속도 변동이 커야한다. 본 연구에서는 건조기의 회전수가 5rpm 경우가 난류강도와 유체가 가지고 있는 유효 열전도도가 좋은 것으로 나타났다. 두 번째 모델은 1, 2, 3번 드럼에 모두 리프트 플레이트를 가지는 앤드리츠형의 회전식 건조기이다. 자세한 구조는 기존의 건조기와는 다르게 입구쪽은 급확대관의 형상을 하고 있고, 출구쪽에는 콘형상의 구조물이 설치되어 건조된 슬러지가 콘 주위를 선회하여 축 중심에 설치되어 있는 출구쪽으로 나가는 구조이다. 따라서 본 모델은 건조 후 나오는 공기를 재순환할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 첫 번째 모델과는 다르게 2번 드럼에 스크류 플레이트가 부착되어 있지 않으므로 제작이 용의하고 가동시 스크류 플레이트에 의한 슬러지의 엉김현상을 획기적으로 줄여주는 장점을 가지고 있다. 앤드리츠형도 첫 번째 모델과 같이 건조기의 회전 속도를 변화시키면서 유동특성을 파악하였다. 건조기 내부의 유동은 입구와 출구의 형상으로 인하여 벽면 부근에 재순환영역이 다소 크게 존재함을 확인할 수 있었고, 따라서 개선된 모델의 설정을 위해 형상변경을 제시하였다.

Environmental problems are very important in our daily life, because that industrial society generate too much pollutions such as air pollution and water pollution. For sustainable development, our concerns should be given to solve these pollutions. Among them, water pollution is the most serious problem for keeping our life abundant. So various kinds of water treatment have been developed continuously. Sewage is one of the by-products that are obtained from water treatment for clean water. Up to now, the representative methods of sewage treatment are burying into soil, burning, and throwing in deep sea. But throwing in deep sea will be prohibited by 2011 due to international environment treaty. By the way, sewage is consisted of 80% of water and 20% of organism, if we treat it well, sewage can be reused as resources such as fertilizer, fuel and so on. Therefore the development of original sewage treatment technology is urgent. In this paper, the process of basic calculation for dryer design was established. And two kinds of dryers were analyzed by numerical simulation. Through these simulations, basic design data can be supplied for high efficiency thermal drying system development. The summary of this study is as follows; In case of a rotary dryer, the recirculation was found at inlet region and could be removed by changing geometry. In cases of 5rpm and 8rpm, the second drum showed appropriate flow characteristics for transfer and drying of sludge. But in case of 10rpm, axial directional flow was not good and flow stagnation between the screw plates appeared. So, both the rotation of screw plate and fluid flow were considered simultaneously. In case of the ANDRICH type dryer, the recirculation zone was appeared between the outer core and the wall of the first drum. A recirculation zone at the third drum was magnified by increasing the rotational speed due to the centrifugal force. By changing the inlet geometry, the recirculation zone was suppressed and the optimal velocity condition (20 m/s) was obtained in the dryer. Finally, the design program was developed using fortran and delphi. In order to develop this program, all equations relating thermal balance and stress analysis were discussed. If users want to design a dryer, they can design the dryer just inputting capacity and basic properties of sludge. So, users can design the dryers of various capacity using this program.