KR20010057929A - 내부 순환 유동층 반응기 및 반응기 내로 공급되는 가스의혼합저감 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내부 순환유동층 반응기에서 반응기내로 독립적으로 공급되는 반응가스가 반응기 내에서 혼합되는 것을 방지하고, 안정적으로 입자순환속도를 조절할 수 있도록 된 내부 순환유동층 반응기 및 반응기 내로 공급되는 가스의 혼합저감방법에 관한 것이다.
본 발명은 원형관과 이동층으로 조절된 공기를 주입하기 위한 공기주입부와, 주입된 공기를 원형관 내부와 이동층으로 원활히 공급하기 위하여 설치된 경사진 분사판과, 층 물질의 원활한 순환을 위해 주탑의 중앙에 설치된 원형관과, 하부에는 배출관이 설치되고 상부에는 입자의 비말동반을 줄이기 위해 하부보다 단면적이 넓은 프리보드가 설치된 주탑과, 비말입자를 포집하기 위한 사이클론으로 구성된 내부 순환유동층 반응기에 있어서, 상기 경사진 분산판 위로 하부에 다수개의 오리피스가 형성 된 원형관이 설치 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 내부 순환유동층 반응기를 그 특징으로 하며, 또한 원형관 및 이동층으로 독립적으로 공기를 공급하여 반응기 내의 층 물질을 유동화 시킴으로서 반응효율을 높이도록된 내부 순환유동층 반응기의 조업에 있어서, 상기 층 물질의 유동화는 하부에 다수개의 오리피스가 형성된 원형관이 경사진 분산판 위에 설치 고정된 내부 순환유동층 반응기에서 이루어 지도록 하되, 이동층으로 공급되는 공기유속은 최소유동화 속도의 0.5배에서 1.5배로 하고, 원형관으로 공급되는 공기 유속은 최소 유동화 속도의 7배~12배가 되도록 공기량을 조절하는 것을 특징으로 하는 내부 순환유동층 반응기 내로 공급되는 가스의 혼합저감 방법을 특징으로 한다.
본 발명은 설치가 용이하며, 안정적으로 입자순환속도를 조절 할 수 있고, 가스의 우회 현상을 극히 낮게 유지 할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 내부 순환유동층 반응기에서 반응기 내로 독립적으로 공급되는 반응가스가 반응기 내에서 혼합되는 것을 방지하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부 순환유동층 반응기에서 원형관과 이동층으로 독립적으로 공급되는 반응가스가 반응기 내에서 혼합 되는 것을 방지하고, 안정적으로 입자순환속도를 조절 할 수 있도록 된 내부 순환유동층 반응기 내로 공급되는 가스의 혼합저감방법에 관한 것이다.
종래의 전형적인 유동층 반응기는 원형층이나 사각층의 내부에 열 매체로 층 물질(모래, 알루미나)을 채우고, 이들을 유동층 내로 공급되는 공기 또는 다른 반응가스로 유동화시키면서 반응기 내로 공급되는 석탄, 폐기물 및 고체연료 등과 반응시키는 구조로 되어있다. 일반적으로 유동층 반응기는 유동화 되는 층 물질이 유체와 같은 특성을 가지기 때문에 반응기 내부에서 혼합특성이 좋아 반응기 내 온도를 균일하게 하여, 반응효율을 증가시키며, 비교적 다양한 연료를 처리할 수 있다는 특징이 있다. 이런 특징으로 유동층 반응기는 발전용 보일러의 연소로로 사용되거나 석탄 가스화 반응의 반응기로 많이 사용되어져 왔다.
전형적인 유동층 반응기는 층 물질을 유동화시키기 위해 반응기 내로 공급되는 반응가스에 의해 층 표면으로부터 미반응 고체물질이 반응기 밖으로 비말동반되어 손실되고, 유동층은 비교적 다양한 고체물질을 처리할 수 있지만, 반응기 내로 공급되는 고체물질의 성질이 끈적끈적하면 반응기 내에서 층 물질의 유동화로 잘 혼합되지 못하고 엉겨붙어 덩어리를 형성하여 유동층이 형성되지 않게 되는 단점이 있다. 이와 같은 전형적인 유동층의 단점을 보완하기 위해 유동층 내부에 원형관(8)을 삽입하고 내부적으로 층 물질을 순환시켜 층 내의 입자혼합 특성을 증가시켜 어느 정도 끈적한 고체물질도 처리할 수 있으며, 층 내의 전체적인 유속을감소시켜 비말동반에 의한 손실을 줄일 수 있도록 한 것이 제 1 도에 도시한바와 같은 내부 순환 유동층 반응기이다.
이와같은 종래의 내분 순환유동층 연소로의 단점을 보완 한 것이 1995년 특허출원 제66272호에 개시된바 있고, 그 주된 내용은 평평한 분산판을 사용하여 석탄 및 고체물질을 연소시키기 위해 원형관으로는 최소유동화속도의 3~6배와 이동층으로는 최소유동화속도의 1~1.5배가 되도록 독립적으로 공기를 공급하였고, 연소열을 회수하기 위해 이동층 내에 전열관을 설치하여, 전형적인 유동층 연소로의 단점을 보완하고 연소효율을 향상시킨 것을 그 특징으로 하고 있으며 또한, 경사진 분산판(4)을 사용하고, 석탄을 수증기 및 공기를 이용하여 가스화 반응을 수행하기 위해 원형관(8) 내로 공기를 최소유동화속도의 6배에서 12배로 공급하고 이동층(7) 내로는 수증기를 최소유동화속도가 되도록 공급하였으며, 생성된 가스를 분리하여 높은 열량의 생성가스를 얻을 수 있도록 한 것이〔1998년 특허출원 제56300호〕에 개시된바 있다.
종래의 내부 순환유동층 연소로와 내부 순환유동층 가스화 반응기에서는 제 1 도에서 보듯이, 원형관(8)은 원형관 하부의 분산판(4) 위에 거리를 두어 설치하였다. 이와 같은 내분 순환유동층 반응기에서는 반응기 내의 층 물질의 순환속도는 원형관(8)과 이동층(7)으로 공급되는 기체유속과 원형관과 분산판 사이의 거리를 조절함으로써 변화시킬 수 있다. 원형관(8)과 분산판(4) 사이의 거리를 증가시켜 입자 순환 속도를 조절할 때 원형관과 분산판사이의 거리가 일정거리 이상이 되면 입자순환이 일어나지 않게 되며, 또한 원형관을 분산판 위에 일정 거리를 두어설치하는 것은 원형관을 이동층으로 각각 다른 반응가스를 주입할 경우에 분산판과 원형관 사이에서 원형관쪽과 이동층 쪽으로 주입한 반응가스의 일부가 다른 쪽으로 흐르는 반응가스의 우회(bypass) 현상이 일어난다. 내부 순환유동층 반응기를 연소로로 사용할 경우에는 원형관과 이동층으로 각각 공기를 공급하므로 원형관 하부에서 반응가스의 우회 현상이 일어나도 문제가 되지 않는다. 그러나 내부 순환 유동층 가스화 반응기의 경우 원형관 내로 공기를 공급하여 석탄 연소반응을 수행하여 가스화 반응에 필요한 열을 공급하고 이동층 내로는 수증기를 공급하여 가스화 반응을 각각 독립적으로 수행하기때문에 원형관(8)과 이동층(7)으로 공급된 공기와 수증기가 원형관 하부에서 반응가스의 우회현상이 일어나면 반응기 내에서 가스화 반응의 효율이 급격히 저하된다. 특히 원형관으로 공급된 공기가 원형관 하부에서 이동층으로 우회하는 양이 많으면, 이동층내에서 공기에 의한 연소반응이 수증기에 의한 가스화반응보다 훨씬 빠르기 때문에 가스화반응의 효율이 크게 떨어진다.
이와같은 종래의 내부 순환유동층 반응기는 전형적인 유동층 반응기에 원형관(8)을 분산판(4) 위 일정거리에 설치하여 층 물질을 내부적으로 순환시키므로 층 물질 순환속도는 원형관(8)과 이동층(4)으로 공급되는 반응가스의 속도와 원형관(8)과 분산판(4) 사이의 거리에 의해 조절하였다. 이와 같은 내부 순환 유동층 반응기에서는 원형관과 이동층으로 공급되는 반응가스의 유속이 고정될 때 입자순환속도를 조절하기 위해 원형관과 분산판 사이의 거리 조절에 한계가 있고, 원형관 설치가 복잡하다. 또한 가스화 반응기로 사용할 때처럼 내부 순환유동층 반응기에서 원형관과 이동층에 각각 다른 반응가스를 공급하여 다른 반응이 일어나도록 할 때 원형관과 이동층으로 공급되는 반응가스의 우회현상이 일어나는 문제가 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 내부 순환유동층 반응기의 구조를 개선하고, 이동층 및 원형관으로 공급되는 공기유속을 조절하여 내부 순환유동층 반응기 내로 공급되는 가스가 혼합되는 것을 저감 할 수 있는 방법 및 장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
제 1 도 종래의 내부 순환유동층 반응기의 개략도
제 2 도 반응가스의 혼합을 저감할 수 있는 내부 순환유동층 반응기의 개략 도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명
1. 공기유량계 2.원형관으로의 공기 주입부
3. 이동층으로의 공기 주입부 4. 분산판
5. 층 물질 배출관 6. 유동층 7. 이동층
8. 원형관 9. 프리보드 10. feeder
11. 싸이클론 12. 가스 배출구 20. 원형관에 설치된 오리피스
본 발명은 내부 순환 유동층 반응기에서 원형관(8)과 이동층(4)으로 공급되는 반응가스의 유속이 고정될 때 입자순환속도 조절을 원활히 하고, 원형관 설치를 용이하게 하고, 원형관과 이동층으로 각각 다른 반응가스를 공급하여 다른 반응이 일어나도록 할 때 원형관과 이동층으로 공급되는 반응가스의 우회현상이 일어나는 문제를 개선하기 위한 것으로서,
원형관(8)과 이동층(7)으로 조절된 공기를 주입하기 위한 공기주입부(2), (3)와, 주입된 공기를 원형관(8) 내부와 이동층(7)으로 원활히 공급하기 위하여 설치된 경사진 분산판(4)과, 층 물질의 원활한 순환을 위해 주탑의 중앙에 설치된 원형관(8)과, 하부에는 층 물질 배출관(5)이 설치되고 상부에는 입자의 비말동반을 줄이기 위해 하부보다 단면적이 넓은 프리보드(9)가 설치된 주탑과, 비말입자를 포집하기 위한 사이클론(11)으로 구성된 내부순환유동층 반응기에 있어서, 상기 경사진 분산판(4) 위로 하부에 다수개의 오리피스(20)가 형성 된 원형관(8)이 설치 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 내부순환유동층 반응기를 그 특징으로 한다.
단한 본 발명은 원형관(8) 및 이동층(7)으로 독립적으로 공기를 공급하여 반응기 내의 층 물질을 유동화 시킴으로서 반응효율을 높이도록된 내부 순환유동층 반응기의 조업에 있어서, 상기 층 물질의 유동화는 하부에 다수개의 오리피스(20)가 형성된 원형관(8)이 경사진 분산판(4) 위에 설치 고정된 내부 순환유동층 반응기에서 이루어 지도록 하되, 이동층(7)으로 공급되는 공기유속은 최소유동화 속도의 0.5배에서 1.5배로 하고, 원형관(8)으로 공급되는 공기 유속은 최소 유동화 속도의 7배~12배가 되도록 공기량을 조절하는 것을 특징으로 하는 내부 순환유동층 반응기 내로 공급되는 가스의 혼합저감 방법을 그 특징으로 한다.
이하에 본 발명을 도면에 의거 상세히 설명한다.
본 발명의 내부 순환유동층 반응기는 제 2도에 나타난것처럼 아크릴 column 으로 제작되었으며, 공기 주입부(2), (3), 분산판(4), 주탑(20), 프리보드(9), 사이클론(11)으로 크게 구성된다. 층 물질로는 일정 크기의 모래를 사용하였으며, 층 높이는 원형관(8)의 상부 높이와 같게 하였다. 공기 주입부(2), (3)는 원형관(8)과 이동층(7)으로 각각 독립적으로 유량이 주입부에서 서로 혼합되지 않도록 하여 분산판(4)을 통해 원형관(8)과 이동층(7) 내로 공급되도록 하였다. 공기가 원형관 내부와 이동층으로 원활히 공급되도록 하기 위해 공기 주입부(2)와 주탑(20) 사이에 경사가 있는 분산판(4)을 설치하였다. 주탑(20)의 중앙에는 층 물질의 원활한 순환을 위해 분산판(4) 위에 원형관(8)을 설치하였으며, 층 물질의 순환을 위해 원형관(8) 하부에 일정 개수의 임의 크기의 오리피스(20)를 설치하였다.또한 층 물질의 배출을 위해 주탑(20) 하부에 배출관(5)을 설치하였다. 주탑 상부에는 입자의 비말동반을 줄이기 위해 주탑보다 단면적이 넓은 프리보드(9)를 설치하였으며, 비말동반되는 입자를 포집하기 위해 프르보드 다음에 싸이클론(11)을 설치하였다.
이하에 본 발명을 실시예 의거 상세히 설명한다.
실시예 1
하부에 직경 3㎝의 오리피스(20) 4개가 설치된 원형관(8)을 분산판(4) 위에 설치하고, 층 물질로 입경 0.3㎜의 모래를 사용하여, 원형관 내로의 공기유속을 최소유동화속도의 9배로 일정하게 유지하였을 때 이동층(7)으로 공급되는 공기유속을 최소유동화속도의 0.5배에서 1.5배까지 변화시키면서 입자순환속도를 측정하였다. 이때 이동층에는 서미스터(thermistor)로 만든 프로브를 설치하여, 층 물질과 같은 뜨거운 모래를 사용하여 입자순환 속도를 측정하였다. 이동층(7)으로 공급되는 공기유속이 증가함에 따라 입자순환속도는 15㎏/㎡s에서 40㎏/㎡s로 증가하였다. 이것은 기존의 원형관이 설치된 내부 순환유동층 반응기 내에서의 입자순환속도와 유사한 값이다.
실시예 2
하부에 직경 3㎝의 오리피스(20) 4개가 설치된 원형관(8)을 분산판(4) 위에 설치하고, 층 물질로 입경 0.3㎜의 모래를 사용하여, 이동층 내로 공급되는 공기유속을 최소유동화속도의 1.4배로 일정하게 유지하였을 때 원형관으로 공급되는 공기유속을 최소유동화속도의 7배에서 12배까지 변화시키면서 입자순환속도를 측정하였다. 원형관으로 공급되는 공기유속이 증가함에 따라 입자순환속도는 31㎏/㎡s에서 42㎏/㎡s로 증가하였다. 이것은 기존의 원형관이 설치된 내부 순환유동층 반응기 내에서 입자순환속도보다 큰 값으로 원형관으로 공급되는 공기가 이동층으로 우회하는 현상이 기존 내부 순환유동층 보다 감소하였기 때문이다.
실시예 3
원형관으로 공급되는 공기유속을 최소유동화속도의 10배로 일정하게 하고 이동층으로 공급되는 공기유속을 최소유동화속도의 1.4배로 일정하게 하였을 때, 분산판 위에 설치된 원형관의 하부 오리피스 크기를 1.5㎝에서 3㎝ 까지 변화시키면서 입자순환속도를 측정하였다. 오리피스 크기가 증가함에 따라 입자순환속도는 18㎏/㎡s에서 42㎏/㎡s까지 증가하였다. 오리피스 크기에 의한 입자순환속도 조절은 기존의 원형관과 분산판 사이의 거리 조절에 의한 입자순환보다 한계가 적고 안정적이다.
실시예 4
하부에 직경3㎝의 오리피스 4개가 설치된 원형관을 분산판 위에 설치하고, 층 물질로 입경 0.3㎜의 모래를 사용하여, 이동층 내로의 공기유속을 최소유동화속도의 1.4배로 일정하게 유지하였을 때 원형관으로 공급되는 공기유속을 최소유동화속도의 7배에서 12배까지 변화시키면서 원형관과 이동층으로 공급된 공기의 우회현상을 측정하였다. 원형관으로의 공기유속이 증가함에 따라 이동층에서 원형관으로 우회하는 공기의 비율은 33％에서 35％으로 약간 증가하였으며, 원형관에서 이동층으로 우회하는 공기의 비율은 1％에서 2％ 정도로 극히 적게 나타났다. 원형관으로의 공기유속 증가에 따라 이동층에서 원형관으로의 우회하는 공기 비율은 기존의 원형관을 사용하는 내부 순환유동층 반응기와 유사하며, 이것은 원형관으로의 공기유속이 빠르기 때문에 이동층의 공기가 흡입되기 때문이다. 그러나 원형관의 공기유속이 증가함에 따라 원형관에서 이동층으로 우회하는 공기비율은 2％이하로 기존의 원형관을 사용하는 내부 순환유동층에서는 9％에서 12％에 비해 극히 낮음을 알 수 있다. 따라서 내부 순환유동층을 가스화 반응기로 사용할 때 원형관으로 공기를 이동층으로 수증기를 공급하여 가스화 반응을 수행할 때 기존 원형관을 사용하는 내부 순환유동층 가스화 반응기보다 생성가스 효율이 훨씬 좋을 것으로 판단된다.
이상의 실시예에서 나타난 바와 같이 원형관 하부에 오리피스가 있는 원형관이 설치된 내부 순환유동층 반응기는 기존의 원형관 설치 내부 순환유동층에 비해 설치가 용이하며, 원형관 하부에 설치된 오리피스의 크기를 조절하여 안정적으로 입자순환속도를 조절할 수 있으며, 원형관과 이동층으로 독립적으로 공급된 가스의 우회현상을 극히 낮게 유지할 수 있기 때문에 가스화 반응기로 사용시 반응효율 및 고열량가스 생산에 기여할 수 있는 효과가 있다.
Claims (3)
- 원형관과 이동층으로 조절된 공기를 주입하기 위한 공기주입부와, 주입된 공기를 원형관 내부와 이동층으로 원활히 공급하기 위하여 설치된 경사진 분사판과, 층 물질의 원활한 순환을 위해 주탑의 중앙에 설치된 원형관과, 하부에는 배출관이 설치되고 상부에는 입자의 비말동반을 줄이기 위해 하부보다 단면적이 넓은 프리보드가 설치된 주탑과, 비말입자를 포집하기 위한 사이클론으로 구성된 내부순환유동층 반응기에 있어서,상기 경사진 분산판 위로 하부에 다수개의 오리피스가 형성 된 원형관이 설치 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 내부순환유동층 반응기.
- 제 1 항에 있어서 상기 원형관은 하부에 직경이 1.5~3㎝인 오리피스가 4개 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 내부 순환유동층 반응기.
- 원형관 및 이동층으로 독립적으로 공기를 공급하여 반응기 내의 층 물질을 유동화 시킴으로서 반응효율을 높이도록된 내부 순환유동층 반응기의 조업에 있어서,상기 층 물질의 유동화는 하부에 다수개의 오리피스가 형성된 원형관이 경사진 분산판 위에 설치 고정된 내부 순환유동층 반응기에서 이루어 지도록 하되, 이동층으로 공급되는 공기유속은 최소유동화 속도의 0.5배에서 1.5배로 하고, 원형관으로 공급되는 공기 유속은 최소 유동화 속도의 7배~12배가 되도록 공기량을 조절하는 것을 특징으로 하는 내부 순환유동층 반응기 내로 공급되는 가스의 혼합저감 방법.
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Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20030919 Patent event code: PE09021S01D |
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Patent event date: 20040323 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D Patent event date: 20030919 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I Patent event date: 20030627 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I |