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표제지

목차

요약 9

I. 서론 10

1. 연구의 필요성 10

2. 연구 목적 13

3. 연구 방법 14

II. 하수슬러지 고형연료 15

1. 하수슬러지 고형연료 15

2. 점하중시험 16

가. 가압부 치수 측정 17

나. 점하중시험 19

다. 점하중강도 계산 20

3. 점하중시험 결과 21

가. 점하중강도 21

나. 일축압축강도 추정 25

다. 파단면 관측 27

III. 다목적 최적화 기법을 통한 Roter 수직판 천공 치수 도출 29

1. 분쇄기 설계 이론 29

2. 하수슬러지 고형연료 분쇄기 설계 31

3. 분쇄기 로터 설계 파라미터 설정 33

4. 실험 계획법에 따른 실험 계획 작성 36

5. 로터 수직판 천공 설계 파라미터에 따른 유동 해석 37

가. 해석 모델 및 메시 모델 37

나. 경계조건 39

6. 유동 해석 결과에 따른 설계 파라미터 분석 40

가. Turbulence eddy dissipation의 평균 분석 41

나. Turbulence eddy frequency의 평균 분석 42

다. 압력차(∆P)의 평균 분석 43

라. Mass flow의 평균 분석 44

7. 다목적 최적화 기법을 활용한 로터 수직판 천공 치수 도출 45

가. 다목적 최적화 45

나. 다목적 최적화에서의 파레토 지배 46

다. Non-dominated sorting genetic algorithm-II (NSGA-II) 48

라. 분쇄기 내부 연료 누적을 줄이기 위한 로터 수직판 천공 치수 도출 50

마. 다목적 최적화 기법 결과에 따른 유동 양상 비교 53

바. 분쇄 조건 도출 결과 반영한 유동 해석 55

IV. 개별요소법을 이용한 분쇄 조건 도출 57

1. 파라미터 설정 및 시뮬레이션 조건 57

가. 파라미터 설정 57

나. 시뮬레이션 조건 59

2. 개별요소법 60

3. 접촉 모델 61

4. 분쇄 조건 도출을 위한 개별요소법 해석 63

가. DEM 해석 모델 63

나. 경계조건 64

다. 재료 특성 65

5. DEM 해석 결과 67

가. 로터 회전 속도 변화에 따른 해석 결과 분석 69

나. 롤러 지름 크기 변화에 따른 해석 결과 분석 70

다. 조건별 상부 롤러 통과 연료 양에 따른 분쇄 양상 분석 71

V. 하수슬러지 고형연료 분쇄기의 연료 분쇄 실험 73

1. 연료 분쇄 실험 73

가. 연료 분쇄 설비 73

나. 연료 분쇄 실험 조건 및 실험 방법 74

2. 연료 분쇄 실험 결과 75

가. 분쇄율 측정 방법 75

나. 분쇄율 측정 결과 77

다. DEM 해석 결과와 분쇄 실험 결과 비교 79

VI. 결론 81

참고문헌 83

Abstract 88

표목차

Table 2-1. Specification of sewage sludge solid fuel sample 15

Table 2-2. Dimension of sewage sludge solid refuse fuel's pressurization point 18

Table 2-3. Results of the point load test(Breaking load) 22

Table 2-4. The point load strength index 23

Table 2-5. Is(50) of sewage sludge solid refuse fuel[이미지참조] 24

Table 2-6. Uniaxial compressive strength of sewage sludge solid fuel 25

Table 3-1. Level of design parameters 35

Table 3-2. Orthogonal array table 36

Table 3-3. Results of flow analysis 40

Table 3-4. Mean effect response for turbulence eddy dissipation 41

Table 3-5. Mean effect response for turbulence eddy frequency 42

Table 3-6. Mean effect response for △P 43

Table 3-7. Mean effect response for mass flow 44

Table 3-8. Configuration of analysis for optimization 51

Table 3-9. Derived the hole size of rotor perpendicular plate 51

Table 3-10. Result of flow analysis with rotor rotation speed 150 rpm 56

Table 4-1. Level of parameters 58

Table 4-2. Simulation conditions table 59

Table 4-3. Particle material properties for DEM analysis 66

Table 4-4. Results of DEM analysis 69

Table 5-1. Conditions of fuel crushing experiment 74

Table 5-2. Results of fuel crushing experiment 78

그림목차

Fig. 1-1. Production process of sewage sludge solid fuel 12

Fig. 1-2. Shape of hammer mill 12

Fig. 1-3. Crush equipment of sewage sludge solid fuel and damage of hammer mill parts 13

Fig. 2-1. Shape of sewage sludge solid fuel 16

Fig. 2-2. The shape of specimen for the point load test 17

Fig. 2-3. The point load tester & the shape of pressing position 19

Fig. 2-4. Process of the point load test for the sewage sludge solid fuel 19

Fig. 2-5. Normal distribution of Is(50)[이미지참조] 24

Fig. 2-6. Normal distribution of uniaxial compressive strength 26

Fig. 2-7. Fracture of sewage sludge solid fuel (High uniaxial compressive strength : 89.78 MPa) 28

Fig. 2-8. Fracture of sewage sludge solid fuel (Low uniaxial compressive strength : 1.08 MPa) 28

Fig. 3-1. Design for roller type sewage sludge solid fuel crusher 32

Fig. 3-2. Initial shape of crusher's rotor 34

Fig. 3-3. Design parameters of rotor perpendicular plate hole 34

Fig. 3-4. Analysis model for flow analysis 37

Fig. 3-5. Mesh model for flow analysis 38

Fig. 3-6. Boundary conditions 39

Fig. 3-7. Mean effect response graph for turbulence eddy dissipation 41

Fig. 3-8. Mean effect response graph for turbulence eddy frequency 42

Fig. 3-9. Mean effect response graph for △P 43

Fig. 3-10. Mean effect response graph for mass flow 44

Fig. 3-11. NSGA-II workflow 49

Fig. 3-12. Shape of the derived rotor 52

Fig. 3-13. Comparison of flow analysis results 54

Fig. 3-14. Comparison of flow analysis results (150 rpm) 56

Fig. 4-1. Definition of parameters with rotor rotation speed and roller diameter size 58

Fig. 4-2. Diagram of linear spring model 62

Fig. 4-3. Models for DEM analysis 63

Fig. 4-4. Mesh model and boundary conditions 64

Fig. 4-5. Radius 3 mm sphere shape of DEM particle 66

Fig. 4-6. Total discharge and non-crushed amount result of DEM analysis 68

Fig. 4-7. Crushing aspect of Case 1, Case 4 & Case 6 72

Fig. 5-1. Roller type sewage sludge solid fuel crusher and experiment set up for crushing experiment 73

Fig. 5-2. Analysis of fuel crushing experiment results 76

Fig. 5-3. Case 1, Case 4 & Case 5 of crushing rate results of DEM analysis and fuel crushing experiment 80

초록보기

 경제성장 과정에서 야기된 환경문제로 인하여 산업계에서는 500 MW 이상의 발전설비를 보유한 사업자에게 신재생 에너지 의무할당제를 시행하고 있다. 국내 석탄 화력발전소에서는 환경문제 개선을 위하여 하수슬러지 고형연료를 이용하여 신재생 에너지 의무할당제를 이행하고 있다. 석탄 화력발전소에서는 5% 내외의 하수슬러지 고형연료를 석탄과 혼합하여 발전 연료로 사용하고 있으며, 연료의 혼소 투입 방식에는 간접투입 방식(Co-milling 방식)과 직접투입 방식(Co-firing 방식)이 있다. 현재 직접투입 방식(Co-firing)에서는 해머 밀을 이용하여 하수슬러지 고형연료를 분쇄하고 있으나, 해머 밀은 부품 교체 및 정비 수리에 어려움이 있어 유지보수가 용이한 형태의 분쇄기의 개발이 필요하다.

본 연구에서는 점하중강도 시험을 통하여 하수슬러지 고형연료의 기계적 물성을 파악하고, 롤러형 하수슬러지 고형연료 분쇄기를 기본 설계하였다. 롤러형 하수슬러지 고형연료 분쇄기 내부에 연료의 누적을 줄일 수 있는 로터 수직판 천공의 치수를 결정하기 위하여 설계 파라미터와 범위를 선정하고, 실험 계획법에 따라 직교 배열표를 구성하였다. 이를 토대로 유동해석을 진행하고 설계 파라미터에 따른 유동양상을 분석하였다. 또한, 다목적 최적화 기법(Multi-objective optimization method)를 이용하여 분쇄기 내부에 연료의 누적을 줄이기 위한 로터 수직판 천공의 치수를 도출하였다. 설계된 롤러형 하수슬러지 유기성 고형연료 분쇄기의 분쇄조건이 분쇄율에 미치는 영향을 분석하였다. 개별요소법(DEM : Discrete element method)을 활용하여 연료 분쇄 해석을 수행하였으며, 개별요소법 해석 결과를 토대로 공정변수(로터 회전속도, 롤러의 크기)가 분쇄율에 미치는 영향을 분석하였다. 롤러형 하수슬러지 고형연료 분쇄기를 이용하여 연료 분쇄 실험을 수행하고 개별요소법 해석 결과와 연료 분쇄 실험 결과의 분쇄율을 비교 검토하여 연료 분쇄조건을 제시하고자 하였다.

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