132 문진호 박장근 강문후 정성희 의교반법이다. 교반정도의적정여부를판단하는상하부의슬러지농도와온도의편차는측정하였지만실제내부유체의유동은염료및 ABS입자를투입하여유동을가시화하는방법으로유동특성을추정할뿐이었다. 일반적으로유동특성은전산유체역학모델의수치해석, 입자영상유속계등의방법

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은서 지
5 years ago
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1 Journal of Radiation Industry 9 (3) : 131 ~ 135 (215) Technical Paper 방사성추적자를이용한수직교반형소화조의유동특성측정 문진호 1 박장근 1 강문후 2 정성희 1, * 1 한국원자력연구원동위원소이용연구부 2 ( 주 ) 우진기술연구소 Measurement of Flow Characteristics of Digester Installed Tray Motioned Mixer by Using Radiotracer Jinho Moon 1, Jang Guen Park 1, Munhu Kang 2 and Sung-Hee Jung 1, * 1 Radioisotope Research Division, Korea Atomic Energy Research Institute, Daejeon 3457, Korea 2 Woojin Research and Development Center, Gunwi, Gyeongsangbuk-do 3923, Korea Abstract - The flow characteristics of fluid were measured using radioactive tracer in pilot scale digester with tray motion mixer. In consideration of the detection volume of the detector and the size of the digester, 2 detectors were installed in the digester. The radioactive tracer eluted 8 mci of 68 Ga from 68 Ge/ 68 Ga generator was injected into the digester bottom. After radiotracer injection, the flow pattern was measured on the basis of the initial movement of the tracer until its diffusion completely. Most of tracer moved to the wall along the bottom of the digester, and then rose along the wall. The other tracer moved up along the mixer, and then moved to the wall direction along the surface. Key words : Radiotracer, Digester with tray motion mixer, Flow pattern 서 혐기성소화는산소가존재하지않는혐기성조건에서미 생물에의해유기물을분해하여, 하수슬러지의안정화와부 피를감소시키는공정이다. 특히소화과정에서발생하는메 탄을주성분으로하는소화가스는소화조의가온이나소각로의보조열원으로이용할수있으며, 최근에는소화가스발전등에도이용되고있다 ( 김등 27). 소화조효율을향상시킬수있는방법으로슬러지농축, 소화조가온, 슬러지가용화, 소화조교반등의방법이있다. 이중교반은투입슬러지와소화슬러지와의혼합, 탱크내온도의균일화및 론 * Corresponding author: Sung-Hee Jung, Tel , Fax , . shjung3@kaeri.re.kr 스컴발생에의한유효용량의감소를방지하는공정으로소화효율향상에직접적인영향을끼친다 ( 이등 211). 교반방식은혼합방식에따라크게가스교반방식과기계교반방식으로분류할수있다. 가스교반방식은소화과정에서발생하는소화가스를소화조하부에장착된블로워를사용하여내부를순환시키는방법으로소음이심하고, 기계식대비동력소비가높은단점이있다. 기계교반방식의대표적인방법인회전식교반은내부임펠러의회전운동을통하여내부를순환시키는방법으로초기시설비가높다는단점이있다. 이와같은단점을보완하기위하여대구환경공단과 ( 주 ) 우진의공동연구를통하여저동력, 고효율의수직형교반기를개발하였다 ( 대구환경시설공단과 ( 주 ) 우진 21). 수직형교반은임펠러의수직왕복운동을통하여유동을발생시키는방법으로기존교방방식대비소비전력의최대 9% 이상절감할수있는에너지효율이높은새로운방식 131

특히소화조의운전효율및부동층산정 ( 정등 1999), 수처리시설내침전조의유동특성연구 (Kim et al. 25), 석유화학공정내촉매재생기유동특성연구 ( 문등 211) 등기존의유동측정방법을적용할수없는조건에서방사성추적자의적용사례가보고되고있다. 본연구에서는파일럿규모소화조를대상으로방사성추적자를이용하여내부유체의유동특성을측정하였다.

2 132 문진호 박장근 강문후 정성희 의교반법이다. 교반정도의적정여부를판단하는상하부의슬러지농도와온도의편차는측정하였지만실제내부유체의유동은염료및 ABS입자를투입하여유동을가시화하는방법으로유동특성을추정할뿐이었다. 일반적으로유동특성은전산유체역학모델의수치해석, 입자영상유속계등의방법으로측정하지만새로운형태의교반법에대한수치해석결과의검증이부족하고, 거대한소화조의크기때문에레이저산란에의한입자영상의획득이쉽지않아유동패턴을검증할수없었다. 방사성추적자기술의경우방사성동위원소에서방출되는감마선의높은투과력과방사선검출기의예민한검출능력을바탕으로공정진단에널리쓰이고있다. 특히소화조의운전효율및부동층산정 ( 정등 1999), 수처리시설내침전조의유동특성연구 (Kim et al. 25), 석유화학공정내촉매재생기유동특성연구 ( 문등 211) 등기존의유동측정방법을적용할수없는조건에서방사성추적자의적용사례가보고되고있다. 본연구에서는파일럿규모소화조를대상으로방사성추적자를이용하여내부유체의유동특성을측정하였다. 이를위하여소화조내부에다수의방사선검출기를설치하고, 내부에방사성추적자를주입하여이의초기거동을측정하는방법으로추정유동패턴을검증하였다. 재료및방법 Fig. 1. Pilot scale digester and tray motion mixer. 1 8 Distance (cm) E Distance (cm) Fig. 2. Detection probability of radiotracer depending on distance. 1. 실험대상하수처리시설에사용되는혐기성소화조 1/1 크기의파일럿규모소화조를대상으로내부유체의유동특성을측정하였다. 직경 2.7 m, 높이 2 m의실린더형소화조내부는물이채워져있으며, 물의입출력이없는배치타입설비이다. 또한소화조상부에기존의회전식교반기가아닌수직왕복형교반기가설치되어있는것이특징이다 (Fig. 1). 2. 검출기배치방사선계측방법을선택하기위하여소화조내부에위치하는방사성동위원소 ( 방출에너지.5 MeV) 를대상으로소화조외부에설치된검출기에서의거리에따른검출확률을몬테칼로전산모사를통하여산정하였으며, Fig. 2에나타내었다. 검출기로부터약 7 cm 떨어진지점에서의검출확률이 2% 정도이며, 검출확률이 1% 이상인영역까지확대하더라도 2 cm에불과하다. 따라서소화조외벽에방사선검출기를설치할경우소화조중심부의유동은알수없다. 하지만내부에검출기를설치할경우유체의유동을일부방해하겠지만소화조전체에대한유동패턴을파악할수있는장점이있다. 또한교반기운동방향을 z축이라할때, x-y평면에서검출기가차지하는면적은전체소화조의 1% 도되지않아유동의방해는크지않을것으로보인다. 소화조내부검출기설치를위하여지그를제작하고, 방수형 2인치 NaI 검출기 2개를교반기에대칭이되도록 Fig. 3과같이설치하였다. 검출기사이의간격은검출유효체적을감안하여약 4 cm로유지하였다. 3. 방사성추적자및주입방법실험에사용된방사성추적자로는 68 Ga이안전관리규정에따라사용되었으며, 그특성을 Table 1에요약하였다. 68 Ge/ 68 Ga generator에서 68 Ga 8.5 mci (1 ml) 를용출하여 Fig. 4와같이튜브와주사기를이용하여소화조바닥면에설치된콘 (cone) 상부에주입하였다. 대용량주사기를사용하여공기를밀어넣는방식으로튜브끝단에서기포가나올때까지완전히주입하였다. 또한튜브속에방사성물질이남아있더라도물에의하여차폐되므로검출기신호에는영향을주지않는다. 방사성추적자의주입은교반기가정지된상태로진행되었으며, 주입완료후교반기를 182회 min -1 의속도로작동시켰다.

추적자이용수직교반소화조의유동특성 133 12 cm 4 cm 4 cm 29 cm 41 cm 41 cm 52 cm 35 cm 17 cm Fig. 3. Schematic of detector installation.

Characteristics of radiotracer Radioisotope Form Half life Dose Rhm Energy (MeV) 68 Ga Ga 3+ ion in.5 M HCl 67.6 min 8.5 mci 1.

대칭적으로설치된검출기들의신호 가비슷한패턴을보여주므로한쪽 ( 검출기 1~1) 의검출기 신호를분석하였다. 방사성추적자주입후확산되기전까지 추적자의초기거동을바탕으로유동패턴을측정하였다. 방사성추적자는 Fig.

3 추적자이용수직교반소화조의유동특성 cm 4 cm 4 cm 29 cm 41 cm 41 cm 52 cm 35 cm 17 cm Fig. 3. Schematic of detector installation. Tubing Air Lead shield 68 Ga solution Fig. 4. Injection method of radiotracer. Table 1. Characteristics of radiotracer Radioisotope Form Half life Dose Rhm Energy (MeV) 68 Ga Ga 3+ ion in.5 M HCl 67.6 min 8.5 mci msv m 2 (hr MBq) (176.4%), 1.77 (3%), (.138%) 결 방사성추적자의주입에따른각검출기의계측신호를 Fig. 5 에나타내었다. 대칭적으로설치된검출기들의신호 가비슷한패턴을보여주므로한쪽 ( 검출기 1~1) 의검출기 신호를분석하였다. 방사성추적자주입후확산되기전까지 추적자의초기거동을바탕으로유동패턴을측정하였다. 방사성추적자는 Fig. 6 에보인바와같이 665 초에주입하 기시작하여 69 초에완료하였으며, 72 초부터교반기가작 동되었다. 방사성추적자주입직후 1 번과 2 번검출기의계측 과 Fig. 5. Detection signal after radiotracer injection (D1~1). D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D1 신호가갑자기감소하는등이상신호가발견되는데, 이는초 기고방사능의방사성추적자주입에의한검출기의계측한계를넘어섰기때문이다. Fig. 7에점선으로나타낸바와같이실제계측신호는훨씬높은값을가질것으로추정된다.

134 문진호 박장근 강문후 정성희 2 15 1 5 665s 69s 72s D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D1 4 35 3 25 2 15 1 5 D1 D2 D3

15 D7 D8 D9 D1 1 5 8 9 1 7 7 75 8 85 Fig. 8. Detection signal and flow pattern of flow (I-1).

방사성추적자계측순서를바탕으로유동을추정하였으며, 크게두가지유동이관찰되었다. Fig. 8과같이 1, 2번검출기위치에서시작하여 8 9 1 7 순서로움직이는유동이측정되었다.

4 134 문진호 박장근 강문후 정성희 s 69s 72s D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D Fig. 6. Early movement of radiotracer (D1~1) Fig. 7. Corrected detection signal. 15 D7 D8 D9 D Fig. 8. Detection signal and flow pattern of flow (I-1). 15 D3 D5 D Fig. 9. Detection signal and flow pattern of flow (I-2). 방사성추적자계측순서를바탕으로유동을추정하였으며, 크게두가지유동이관찰되었다. Fig. 8과같이 1, 2번검출기위치에서시작하여 순서로움직이는유동이측정되었다. 바닥을따라외벽방향으로이동후벽 을따라상승하는유동이며, 계측신호가큰것으로보아주입된방사성추적자의대부분이이유동 (I-1) 을따라이동하였다. 또한 Fig. 9와같이검출기 순서로움직이는유

추적자이용수직교반소화조의유동특성 135 15 D3 D4 D7 1 5 4 3 7 7 75 8 85 Fig. 1. Detection signal and flow pattern of flow (II). 동이유동 (I-1) 과동시에관측되었다.

5 추적자이용수직교반소화조의유동특성 D3 D4 D Fig. 1. Detection signal and flow pattern of flow (II). 동이유동 (I-1) 과동시에관측되었다. 계측값의변동폭이작은것으로보아유동 (I-1) 을따라움직이는방사성추적자의일부가작은회전반경으로이동한것으로유동 (I-1) 의부수적인유동 (I-2) 으로보인다. 마지막으로검출기 순서로움직이는유동이 Fig. 1과같이측정되었다. 이는유동 (I-2) 의후속흐름으로유동 (I-2) 를따라이동한방사성추적자의일부가교반기를따라상승한후표면을따라소화조벽방향으로이동한것으로보인다. 가있다. 사사이논문은미래창조과학부의지원을받아 연구로동위원소활용융합기술개발및생산기술선진화사업 과제에서수행된연구이다. 고찰본연구에서는내부에설치된검출기로인하여유체의유동을교란시킨점과추적자의공간적분포를가시화및정량적분석을하지못한한계가있었다. 향후유체거동특성에대한고차원적인정량적분석을위하여 lab scale 소화조를대상으로단일광자방출단층촬영기법및방사성입자궤적탐지기술을사용하여유동을가시화하고, 정량적분석및 scale-up factor를도출하는연구가필요하다. 결론본연구에서는방사성추적자를이용하여수직교반형소화조내유체의유동특성을측정하였다. 소화조내유체는소화조바닥을따라외벽방향으로이동후벽을따라상승하는유동과, 교반기를따라상승후표면을따라외벽방향으로이동하는유동이측정되었다. 방사성추적자를이용한유동탐지기술은감마선의높은투과도로투명하지않은실험대상에서도적용가능한장점이있으며, 수치해석이아닌실계측을통하여유동패턴을획득하였다는데에의의 참고문헌 김승민, 민경섭, 표갑두, 장정석. 27. 하수처리장혐기성소화조가동에따른콘크리트중성화사례. 대구환경시설공단 대구환경시설공단, ( 주 ) 우진부설기술연구소. 21. 혐기성소화조교반설비개발을위한공동연구결과보고서. 대구환경시설공단 문진호, 김종범, 박장근, 정성희 방사성동위원소를이용한정유설비내촉매유동특성및수직밀도분포측정. 방사선산업학회지. 5(4): 이기영, 이상협, 조영무, 최기석 소화조효율개선및에너지자원화사업타당성평가. 경기개발연구원 정성희, 진준하, 이면주 방사성동위원소추적자를이용한슬럿지소화조성능진단. 대한환경공학회지. 21(12): Kim HS, Shin MS, Jang DS, Jung SH and Jin JH. 25. Study of flow characteristics in a secondary clarifier by numerical simulation and radioisotope tracer technique. Applied Radiation and Isotopes 63: Received: 5 August 215 Revised: 16 August 215 Revision accepted: 25 August 215

04-몬테칼로(dh)

04-몬테칼로(dh) Journal of Radiation Industry 7 (2~3) : 115~119 (213) Review Paper 몬테칼로전산모사를이용한감마선투과계측증류탑진단기술의타당성연구 문진호 김종범 박장근 정성희 * 한국원자력연구원동위원소이용기술개발부 Feasibility Study of Gamma Ray Transmission Technique in Distillation