게시판 > 질답게시판 > 가스 온도 감소(수분감소)를 위한 물 분사 조건

스테파노 Stefano

23-08-16 20:02

(A0) 대부분의 Scrubber 출구 가스온도는 Scrubber 공급수와 충분히 접촉하고 배출될 수 있다고 보기 때문에 공급수 온도로 냉각되고 그 온도에 해당하는 물의 증기압으로 포화(즉 상대습도 100%)되는 상태에 근접하여 배출된다고 가정하면 될 것입니다.

따라서 Scrubber 공급 Gas의 온도가 높고 수분함량이 낮더라도 Scrubber 내에 유입되어 Gas 온도는 낮아지고 공급수의 일부가 증발되어 Scrubber 출구에서 수분이 포화되는 상태로 배출되면 Gas중 수분 함량이 더 늘어난 상태로 배출될 수 있다는 것을 고려해야 합니다.

질문에서 (Scrubber 입구?)에서 상대습도 100% 이고 절대습도 0.137 kg/kg 이라고 적고 있는데

만일 출구온도 60℃ 에서 대기압 상태로 배출되고 수증기로 포화된 가스라고 하면
출구온도(60℃) 포화수분함량 0.152 kg_Moisture/kg_Dry Air ...로 오히려 절대수분 함량이 늘어나게 됩니다.

(60℃에서 물 증기압 149.4 mmHg 이므로 상대습도는 149.4/(760-149.4)=0.2447 mol H2O/mol Dry Air,
절대습도는 (0.2447*18.02)/(28.96)=0.152 kg_H2O/kg_Dry Air)

(A1) 질문에서 출구온도를 60℃에서 56℃ 정도로 낮춘다면 (56도에서 물의 증기압이 123.8 mmHg이므로 절대습도는 위와 같은 방법으로 계산해 보면 0.1209 kg.H2O/kg_Dry Air로 입구 수분함량보다 13.3 % 낮아질 수는 있습니다.

(A2) 액적비산이 문제가 된다면 KO드럼, 사이클론원심형, 관성형 액적분리기 등으로 간단해 해결하면 될 것이고 액적이 심한 경우라면 Glass Felt형 Demister를 Gas 출구배관에 추가함으로써 크게 개선할 수 있겠지만 대부분 액적문제는 쉽게 해결이 가능합니다. 현재로서오 액적 비산에 의한 수분량 증가는 무시할 만한 수준이 것입니다.

(A3) Demister는 대부분 배가스 노즐 하단 Scrubber 전체 단면적 넓이로 설치하기 때문에 Demister 성능에 문제가 없다면 제 성능이 발휘될 것입니다. 현 Spray Nozzle위에 설치된 Demister는 비산되는 액적들이 서로 모아져 액적이 커진다음 내부로 떨어지는 현상으로 액적 제거효과를 나타냅니다. 285 mm 두께의 Mist Eliminator라면 충분한 효과를 나타낼 것으로 봅니다.

(A4) Scrubber의 출구 온도를 낮추려면 Scrubber 공급(순환)수의 온도를 낮게 유지해야 합니다. 순환수가 있다면 순환수 냉각기를 달아아두거나 순환수 냉각탑을 달아둘 수도 있습니다. Scrubber 배가스에 오염물질이 없는 경우라면 Spray Tower형 순환수 냉각탑을 설치할 수도 있습니다. 이때 냉각부하는 Column 열수지와 물질수지 계산으로 구해야 합니다.

(A5) Scrubber 배가스 전량을 보일러 연소공기로 사용하려면 보일러 부하에 따른 연소공기 필요량이 공급되도록 조절할 필요가 있을 것입니다. 배가스 유량과 보일러 연소공기 유량이 다를 때 조절하는 방법과 배가스를 보일러 연소공기로 사용하려는 이유가 궁금합니다.

(A0) 대부분의 Scrubber 출구 가스온도는  Scrubber 공급수와 충분히 접촉하고 배출될 수 있다고 보기 때문에 공급수 온도로 냉각되고 그 온도에 해당하는 물의 증기압으로 포화(즉 상대습도 100%)되는 상태에 근접하여 배출된다고 가정하면 될 것입니다.

따라서 Scrubber 공급 Gas의 온도가 높고 수분함량이 낮더라도  Scrubber 내에 유입되어 Gas 온도는 낮아지고 공급수의 일부가 증발되어 Scrubber 출구에서 수분이 포화되는 상태로 배출되면 Gas중 수분 함량이 더 늘어난 상태로 배출될 수 있다는 것을 고려해야 합니다.

질문에서   (Scrubber 입구?)에서 상대습도 100% 이고 절대습도 0.137 kg/kg 이라고 적고 있는데

만일 출구온도 60℃ 에서 대기압 상태로 배출되고 수증기로 포화된 가스라고 하면    
       출구온도(60℃) 포화수분함량  0.152 kg_Moisture/kg_Dry Air ...로  오히려 절대수분 함량이 늘어나게 됩니다.

(60℃에서 물 증기압 149.4 mmHg 이므로  상대습도는 149.4/(760-149.4)=0.2447 mol H2O/mol Dry Air, 
        절대습도는 (0.2447*18.02)/(28.96)=0.152 kg_H2O/kg_Dry Air)

(A1) 질문에서 출구온도를 60℃에서 56℃ 정도로 낮춘다면 (56도에서 물의 증기압이 123.8 mmHg이므로 절대습도는 위와 같은 방법으로 계산해 보면 0.1209  kg.H2O/kg_Dry Air로  입구 수분함량보다 13.3 % 낮아질 수는 있습니다.

(A2) 액적비산이 문제가 된다면 KO드럼,  사이클론원심형,  관성형 액적분리기 등으로 간단해 해결하면 될 것이고 액적이 심한 경우라면 Glass Felt형 Demister를  Gas 출구배관에  추가함으로써 크게 개선할 수 있겠지만  대부분 액적문제는 쉽게 해결이 가능합니다.  현재로서오 액적 비산에 의한 수분량 증가는 무시할 만한 수준이 것입니다.

(A3) Demister는 대부분 배가스 노즐 하단 Scrubber 전체 단면적 넓이로 설치하기 때문에 Demister 성능에 문제가 없다면 제 성능이 발휘될 것입니다.  현 Spray Nozzle위에 설치된 Demister는 비산되는 액적들이 서로 모아져 액적이 커진다음 내부로 떨어지는 현상으로 액적 제거효과를 나타냅니다.  285 mm 두께의 Mist Eliminator라면 충분한 효과를 나타낼 것으로 봅니다.

(A4) Scrubber의 출구 온도를 낮추려면 Scrubber 공급(순환)수의 온도를 낮게 유지해야 합니다.   순환수가 있다면 순환수 냉각기를 달아아두거나 순환수 냉각탑을 달아둘 수도 있습니다.   Scrubber 배가스에 오염물질이 없는 경우라면 Spray Tower형 순환수 냉각탑을 설치할 수도 있습니다.   이때 냉각부하는 Column 열수지와 물질수지 계산으로 구해야 합니다.

(A5) Scrubber 배가스 전량을 보일러 연소공기로 사용하려면 보일러 부하에 따른 연소공기 필요량이 공급되도록 조절할 필요가 있을 것입니다.  배가스 유량과 보일러 연소공기 유량이 다를 때 조절하는 방법과  배가스를 보일러 연소공기로 사용하려는 이유가 궁금합니다.

공기와열 ojh7852

23-08-17 08:25

친절한 답변 감사합니다 스테파노님. 작성해주신 답변은 충분히 잘 숙지하였습니다.
작성해주신 내용을 읽어보니 제 숫자에 잠깐 오류가 있어 보완 후 다시 답글을 남깁니다.

(A0) Scrubber 입구의 배가스 조건을 다시 말씀드리자면
약 58.6℃, 상대습도 100%, 559CMM, H 0.142 kg_H2O/kg_Dry Air 입니다.
(사실 제 계산 로직이 다소 완벽하진 않아 H 가 정확한 값은 아니라고 볼 수 있을 것 같습니다.)

말씀해주신대로 Scrubber 출구의 온도가 공급수의 온도로 냉각된다고 하면
몇도(℃)의 물을 시간당 몇 ㎥를 Spary 해야하는지에 대한 의문이 여전히 있습니다.

('A1) 온도가 4℃(60→56℃)낮아짐에 따라 13.3%의 수분이 감소되면 조금 더 온도를 Down 시켜야 할 것 같습니다.
수분함량이 약 20% 정도까지 냉각이 이루어지면 굉장히 좋을 것 같습니다.

('A2, 'A3) 액적 비산에 의한 수분량 증가는 Demister로 제어가 된다니 다행스러운 마음입니다.

('A4) 순환수는 현재 두가지 Option을 고려 중인데, 40℃의 물과 25℃의 일반적인 수돗물이 있습니다.
모두 단독 냉각탑(250RT)을 통과시켜 냉각을 할 계획입니다.(시간당 150㎥의 물을 순환 할 수 있는 펌프가 있습니다.)
다만, 순환하여 데워진 후 냉각탑으로 다시 돌아오는 순환수의 온도를 알 길이 없어 Balance 수립에 막막한 상황입니다...

('A5) 보일러는 배가스를 소각시키는(마치 RTO..) 악취 방지시설로 되어있어, 현재 그렇게 운영 중입니다.
다만 배가스 뿐만 아니라 전체 연소 공기의 10% 내외를 외부 대기로 충당(?)하고 있고, 상기 글에서 말씀드린
분배기라는 오픈된 설비를 통해서도 외기가 보일러로 유입되고 있습니다.
또한 작업자가 보일러 Fan Duct 쪽 공기흡입구 댐퍼 조절을 통해 연소공기 유량을 일부 조절하고 있습니다.
결국, 보일러 부하가 작으면 작은대로 연소공기 중 배가스의 비중이 늘고, 보일러 부하가 크면
연소공기 중 배가스 비중은 그대로, 외기의 비중이 늘어나게 되는 그러한 구조입니다.

너무 초보스런 보충 설명이 아닌지 걱정이 되긴 합니다만,
58.6℃의 배가스의 온도를 공급수와 접촉시켜 수분함량을 20% 가까이 제거하기 위해서
순환수(25℃ 옵션, 40℃ 옵션)를 시간당 몇 ㎥ 만큼 순환시켜야 하는지에 대한 밸런스를 수립하려면
어떻게 접근을 해야할지... 죄송스럽습니다만 다시금 도움을 요청드립니다.

친절한 답변 감사합니다 스테파노님. 작성해주신 답변은 충분히 잘 숙지하였습니다.
작성해주신 내용을 읽어보니 제 숫자에 잠깐 오류가 있어 보완 후 다시 답글을 남깁니다.

(A0) Scrubber 입구의 배가스 조건을 다시 말씀드리자면 
약 58.6℃, 상대습도 100%, 559CMM, H 0.142 kg_H2O/kg_Dry Air 입니다.
(사실 제 계산 로직이 다소 완벽하진 않아 H 가 정확한 값은 아니라고 볼 수 있을 것 같습니다.)

말씀해주신대로 Scrubber 출구의 온도가 공급수의 온도로 냉각된다고 하면
몇도(℃)의 물을 시간당 몇 ㎥를 Spary 해야하는지에 대한 의문이 여전히 있습니다.

('A1) 온도가 4℃(60→56℃)낮아짐에 따라 13.3%의 수분이 감소되면 조금 더 온도를 Down 시켜야 할 것 같습니다.
수분함량이 약 20% 정도까지 냉각이 이루어지면 굉장히 좋을 것 같습니다.

('A2, 'A3) 액적 비산에 의한 수분량 증가는 Demister로 제어가 된다니 다행스러운 마음입니다.

('A4) 순환수는 현재 두가지 Option을 고려 중인데, 40℃의 물과 25℃의 일반적인 수돗물이 있습니다.
모두 단독 냉각탑(250RT)을 통과시켜 냉각을 할 계획입니다.(시간당 150㎥의 물을 순환 할 수 있는 펌프가 있습니다.)
다만, 순환하여 데워진 후 냉각탑으로 다시 돌아오는 순환수의 온도를 알 길이 없어 Balance 수립에 막막한 상황입니다...

('A5) 보일러는 배가스를 소각시키는(마치 RTO..) 악취 방지시설로 되어있어, 현재 그렇게 운영 중입니다.
다만 배가스 뿐만 아니라 전체 연소 공기의 10% 내외를 외부 대기로 충당(?)하고 있고, 상기 글에서 말씀드린
분배기라는 오픈된 설비를 통해서도 외기가 보일러로 유입되고 있습니다. 
또한 작업자가 보일러 Fan Duct 쪽 공기흡입구 댐퍼 조절을 통해 연소공기 유량을 일부 조절하고 있습니다. 
결국, 보일러 부하가 작으면 작은대로 연소공기 중 배가스의 비중이 늘고, 보일러 부하가 크면
연소공기 중 배가스 비중은 그대로, 외기의 비중이 늘어나게 되는 그러한 구조입니다.

너무 초보스런 보충 설명이 아닌지 걱정이 되긴 합니다만,
58.6℃의 배가스의 온도를 공급수와 접촉시켜 수분함량을 20% 가까이 제거하기 위해서
순환수(25℃ 옵션, 40℃ 옵션)를 시간당 몇 ㎥ 만큼 순환시켜야 하는지에 대한 밸런스를 수립하려면
어떻게 접근을 해야할지... 죄송스럽습니다만 다시금 도움을 요청드립니다.

Stefano

23-08-18 01:25

(1) Scrubber 계산을 위해 아래의 방법을 사용해 보세요
Scrubber에서는 충분히 기-액 접촉이 일어나 Scrbber Effluent Gas 온도와 Scrubber Top Suppliy Water 온도는 같다고 가정합니다

(2)사용 기호와 Stream 번호는 아래와 같이 정의해 봅니다.
Symbols: m: mass flow (kg/h), h:enthalpy (kcal/kg), Q:heat rate (kcal/h)
Stream Numbers:
Str#1= Scurbber Inlet Gas, St#2=Scrubber Outlet Gas,
Str#3=Scrubber Top Feed, Str#4 = Scrubber Bottom Discharge; Str#5= Scrubber Purge Water

(3) Material Balance
Scrubber In = Scrubber Out: m1+m3=m2+m4 .....(1) <---각 Str.은 건조공기와 수분의 합으로 계산. m3~m5는 수분뿐.
Scrubber Purge Rate: m5 = m4-m3 ........................(2) <---Feed중 Moisture의 일부가 응축되어 누적되는 양은 연속배출

(4) Enthalpy Balance
m1*h1+m3*h3 = m2*h2+m4*h4 ...........................(3) <--- Scrubber 공급온도는 고정, 각 Str. Enthalpy중 기상은 건조공기 엔탈피와 포화수증기압 상태(온도, 압력)의 수증기엔탈피로 계산하고 물은 응축온도에서의 엔탈피로 계산

(5) Scurbber 순환시 발생열과 순환수 냉각기부하
Pump 순환 마찰열 Qh = (Pump 동력)*(1-Pump Efficiency) ......(4) <--Pump 동력은 m4유량을 펌핑하는 것으로 계산
순환수 냉각기 부하 Qc = Qh + m3*(t1-t3)*Cpw ......................(5) <--Purge Water는 냉각하지 않고 폐수장 배출

순환펌프 마찰열을 정확히 계산하기는 어렵지만 펌프동력의 (1-Pump Efficiency) 비율만큼의 에너지가 열에너지로 발생된다고 가정하여 계산합니다.

각 Stream의 성분은 악취성분 농도가 높지 않으면 건조공기와 포수수분으로 계산하고 Scrubber Bottom은 포화수분이 응축되는 온도(=Feed Gas 온도)로 가정하고 , Scrubber Effluent 온도는 Scrubber 공급수 온도와 같다고 가정하여 계산합니다.

(6) 처음에는 m3를 모르기 때문에 임의 값으로 가정한 후 Try and Error의 방법으로 정상상태의 안정화된 값을 찾아가도록 합니다. 위 식들을 이용하여 직접 계산해 보세요.

(1)  Scrubber 계산을 위해 아래의 방법을 사용해 보세요
Scrubber에서는 충분히 기-액 접촉이 일어나 Scrbber Effluent Gas 온도와 Scrubber Top Suppliy Water 온도는 같다고 가정합니다

(2)사용 기호와 Stream 번호는 아래와 같이 정의해 봅니다.
Symbols:    m: mass flow (kg/h), h:enthalpy (kcal/kg), Q:heat rate (kcal/h) 
Stream Numbers: 
Str#1= Scurbber Inlet Gas,  St#2=Scrubber Outlet Gas,  
Str#3=Scrubber Top Feed,  Str#4 = Scrubber Bottom Discharge; Str#5= Scrubber Purge Water

(3) Material Balance   
 Scrubber In = Scrubber Out:   m1+m3=m2+m4   .....(1)  <---각 Str.은 건조공기와 수분의 합으로 계산. m3~m5는 수분뿐. 
 Scrubber Purge Rate:   m5 = m4-m3 ........................(2)  <---Feed중 Moisture의 일부가 응축되어 누적되는 양은 연속배출

(4) Enthalpy Balance
 m1*h1+m3*h3 = m2*h2+m4*h4  ...........................(3)  <--- Scrubber 공급온도는 고정,  각 Str. Enthalpy중 기상은 건조공기 엔탈피와 포화수증기압 상태(온도, 압력)의 수증기엔탈피로 계산하고 물은 응축온도에서의 엔탈피로 계산

(5) Scurbber 순환시 발생열과 순환수 냉각기부하
 Pump 순환 마찰열    Qh =  (Pump 동력)*(1-Pump Efficiency) ......(4)   <--Pump 동력은 m4유량을 펌핑하는 것으로 계산
 순환수 냉각기 부하  Qc  =  Qh + m3*(t1-t3)*Cpw ......................(5)  <--Purge Water는 냉각하지 않고 폐수장 배출

순환펌프 마찰열을 정확히 계산하기는 어렵지만  펌프동력의 (1-Pump Efficiency) 비율만큼의 에너지가 열에너지로 발생된다고 가정하여 계산합니다.

각 Stream의 성분은 악취성분 농도가 높지 않으면  건조공기와  포수수분으로 계산하고  Scrubber Bottom은 포화수분이 응축되는 온도(=Feed Gas 온도)로 가정하고 , Scrubber Effluent 온도는 Scrubber 공급수 온도와 같다고 가정하여 계산합니다.

(6) 처음에는 m3를 모르기 때문에 임의 값으로 가정한 후 Try and Error의 방법으로 정상상태의 안정화된 값을 찾아가도록 합니다.     위 식들을 이용하여  직접 계산해 보세요.