선박 폐유 재활용 장치의 설계 및 열유동에 관한 수치적 해석

Abstract

Currently, waste oil from ships is incinerated using an on-board incinerator or is unloaded on land. Incineration can be regulated in the future, since it causes air pollution itself. Also, landing may be impossible according to port circumstances and landing expense is an economic burden to shipping companies. To improve this issue, this study is focused on recycling of waste oil from ships using a pyrolysis system for protecting the environment and relieving an economic burden of waste oil treatment. It is hard to obtain data regarding the kinds of ship, specificities, and sailing environments for installing and operating a pyrolysis system in a real ship. Therefore, a thermo-flow analysis of a double shell-structured waste oil pyrolysis system was conducted using ANSYS-FLUENT, which is a commercial program. Diesel oil’s thermal flow characteristics at different temperatures when there was no agitator inside the pyrolysis system and its thermal flow characteristics at a specific temperature when there was an agitator were analyzed and compared. As a result, it was found that for operating a pyrolysis system efficiently and getting an optimum exit flow rate at a fixed heating temperature, it was required to adjust the diameter of exit and agitator rpm. Also, the maximum exit flow rate occurred at a specific heating temperature, not increasing at higher heating temperatures.

For setting a similar condition to a real ship waste oil when there was an agitator inside the pyrolysis system, thermal flow characteristics of four kinds of blend oil (diesel, kerosene, gas oil, and fuel oil) were identified. It

was revealed that the mean volume fraction of weather condition depended on the evaporating temperature of blend oil. This means different kinds of blend oil can be refined at different evaporating temperatures.

In this study, thermal flow characteristics of single diesel oil and blend oil inside the double shell-structured pyrolysis system and trial operation data of the experimental apparatus were compared and analyzed. It is

anticipated that if more accurate data for supplementation of the experimental apparatus and numerical analysis are provided in the future, it would be helpful for diverse studies using this.|현재 선박에서 발생되는 폐유는 선내 소각기를 이용해 소각하거나 육상에 양륙하는 두 가지 방법이 있다. 소각은 그 자체로 대기오염을 유발하므로 향후 규제 대상이 될 수 있으며, 양륙은 항만의 상황에 따라 불가능한 경우도 있으며 양륙비용 또한 해운선사에게는 경제적인 부담이다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 선박에서 발생되는 폐유를 열분해 장치를 통해 재활용함으로서 환경 보호와 폐유 처리의 경제적 부담을 경감시키기 위해 본 연구를 수행하였다.

열분해 장치를 실제 선박에 설치 및 운용하는 것은 선박의 종류, 특수성, 및 운항환경 등에 따른 데이터의 확보가 어려워 상용 프로그램인 ANSYS-FLUENT를 활용하여 이중쉘 구조로 설계된 폐유 열분해 장치에 대한 열유동 해석을 수행하였다.

열분해 장치 내부에 교반기(Agitator)가 없는 경우의 히팅 온도에 따른 디젤오일의 열유동 특성과 교반기가 있는 경우의 특정 온도에서의 열유동 특성을 파악하고 비교 분석하였다. 그 결과 열분해 장치의 효율적인 운용을 위해서는 히팅 온도를 유지한 상태에서 최적의 출구유량을 얻기 위해서는 출구의 직경 조절 및 교반기 rpm 조정이 필요함을 확인하였다.

또한 최대 출구유량은 히팅 온도가 높을수록 많아지는 것이 아니라 특정한 히팅 온도에서 발생함을 확인하였다.

열분해 장치 내부에 교반기가 있는 경우에 대하여 실제 선박 폐유와 비슷한 조건을 위해 디젤, 케로신, 가스오일, 퓨얼오일의 4종 혼합유에 대한 열유동 특성을 확인하였다. 혼합 연료유의 증발온도에 따라 기상 상태의 평균체적분율이 연료유에 따라 다른 것을 확인하였으며 이것은 증발온도에 따라 각기 다른 연료유를 정제할 수 있다는 것을 의미한다.

본 연구에서는 이중쉘 구조로 설계된 열분해 장치에 대하여 단일 디젤유 및 혼합된 연료유에 대하여 열분해 장치 내부에서 일어나는 열유동 특성과 실험장치의 시운전 데이터를 비교분석 하였다. 향후 실험장치의 보완 및 수치해석을 위한 정확한 데이터가 주어진다면 이를 활용한 다양한 연구에 도움이 될 것으로 판단된다.