KR0147900B1 - 고온 가압 분류층 반응장치 - Google Patents

고온 가압 분류층 반응장치

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KR0147900B1 KR1019950054763A KR19950054763A KR0147900B1 KR 0147900 B1 KR0147900 B1 KR 0147900B1 KR 1019950054763 A KR1019950054763 A KR 1019950054763A KR 19950054763 A KR19950054763 A KR 19950054763A KR 0147900 B1 KR0147900 B1 KR 0147900B1
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이종훈
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Abstract

본 발명은 고온 가압 분류층 반응장치에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 대기압하에서는 물론, 고온 고압하에서의 석탄의 가스화반응과정을 정확히 모사할 수 있는 고온 가압 분류층 반응장치에 관한 것이다. 본 발명의 반응장치는, 상부(10), 중앙부(30) 및 하부(50)의 3부분으로 구성되고 압력용기로 외장되어 예열된 반응가스와 석탄입자를 0 내지 25kg/㎠의 압력 및 600 내지 1,600℃의 온도에서 석탄가스화 반응시키기 위한 반응기(100);반응기(100)의 내부 중앙에 수직으로 내설되고 알루미나 튜브로 이루어지면 반응기(100) 상부 일측의 반응가스 유입관 (11)으로부터 공급된 반응가스와 석탄입자의 가스화반응이 수행되는 반응관(20); 반응기(100)의 상부 일측에 부설된 주입 프로브 이송장치(70)에 의해 상기한 반응관(20) 내에서 상하이동이 가능하며, 석탄입자를 상기한 반응관(20) 내부로공급히기 위한 주입 프로브(80);반응기 (100) 중앙부의 내화재(43) 및 단열재(42)의 수직홈 사이에 형성되고 반응관(20)의 외부에 축방향으로 배열되어 복수개의 전열선(41)에 의해 반응관(20) 내의 반응가스와 석탄입자를 가열하기 위한 가열부(40); 반응기 (100) 중앙부의 일측에 부설되어 가열부(40)의 전열선(41)과 열전대를 설치, 제거 및 수리하기 위한 접근 포트(45);반응기 (100)의 중앙부 하단에 반응기(100)와 수직하게 부설되고 그 일단은 상기한 반응관(20)의 하단에 위치하여 석탄입자의 온도, 크기 및 속도를 광학적으로 측정하기 위한 복수개의 광학창(35); 및, 반응기(100) 하부의 내부 중앙에 수직으로 반응관(20)의 하단에 부설되고 질소공급노즐(61), 급수노즐(62) 및 배수노즐(63)이 부설되어 질소냉각 및 수냉각에 의해 반응관(20) 내에서 석탄입자 및 반응가스의 체류시간 동안만 반응이 허용되도록 하며 가스화 반응을 종결시켜 가스화 반응에 따른 전체 질량유동을 수집하기 위한 수집 프로브(80)로 구성된다.

Description

고온 가압 분류층 반응장치(High temperature and high pressure entrained flow reaction apparatus)
제 1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온 가압 분류층 반응장치의 수직 단면도.
제 2(a)도는 제 1도에 도시된 반응장치의 A-A선에 따른 수평 단면도이고,
제 2(b)도는 B-B선에 따른 수평 단면도이며,
제 2(c)도는 C-C선에 따른 수평단면도.
제 3(a)도는 제 1도의 주입 프로브의 평면도이고,
제 3(b)도는 주입 프로브의 부분 단면도이며,
제 3(c)도는 제 3(b)도의 유동 직류기에 대한 평면도이고,
제 3(d)도는 제 3(c)도의 D-D선에 따른 유동 직류기의 단면도.
제 4(a)도는 제 1도의 수집 프로브의 평면도이고,
제 4(b)도는 수집 프로브의 단면도이며,
제 4(c)는 제 4(b)도의 A 부분에 대한 평단면도이고,
제 4(d)는 제 4(b)도의 A 부분에 대한 측단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10: 반응기 상부 11: 반응가스 유입관
20: 반응관 30: 반응기 중앙부
35: 광학창 40: 가열부
45: 접근 포트 50: 반응기 하부
60: 수집 프로브 70: 주입 프로브 이송장치
80: 주압 프로브 90: 수조
100: 반응기
본 발명은 고온 가압 분류층 반응장치에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 대기압하에서는 물론, 고온 고압하에서의 석탄의 가스화반응과정을 정확히 모사할 수있는 고온 가압 분류층 반응장치에 관한 것이다.
현재 소비되고 있는 대부분의 석탄은 대기압하에서의 발전용 보일러 등에서 연소되며, 이와 관련하여 대기압하에서의 발전용 보일러 등에서 연소되며, 이와 관련하여 대기압하에서의 석탄의 연소 특성실험을 수행할 수있는 다양한 형태의 석탄가스화 반응장치가 개발되어 사용되고 있다.
한편, 최근 고효율을 지닌 에너지의 개발에 대한 관심이 고조됨에 따라, 고온 고압하에서 석탄을 가스화하여 발전설비에 사용할 수 있는 석탄가스화 복합발전에 대한 연구가 신기술 개발을 위한 시도의 하나로서 활발히 진행되고 있다.
따라서, 석탄을 원료로 사용하는 고온 고압 석탄가스화 반응기에서 발생하는 가스화 반응과정을 실험적으로 정확히 모사할 수 있는 고온 가압 석탄가스화 반응장치의 개발이 끊임없이 요구되어 왔으나, 상기한 종래의 석탄 가스화 반응장치는 고온 고압하에서 운용되는 석탄가스화 반응기에서 발생하는 연료 반응특성을 모사할 수 없으므로, 고온 고압하에서의 석탄가스화반응시 일어나는 석탄의 열분해,촤(char)의 산화 및 가스화반응 등에 대한 데이타를 얻는 것이 불가능하다는 문제점을 지니고 있었다.
이를 해결하기 위하여, 본 발명자들은 대기압하에서는 물론, 1600℃의 온도 및 25kg/㎠의 압력에 이르는 고온 고압하에서의 석탄의 가스화반응을 실험 및 분석할 수 있는 고온 가압 석탄가스화 반응장치를 개발하고, 이미 특허출원을 완료한 바 있다.
상기한 본 발명자들에 의해 기출원된 대한민국 특허출원 제95-37631호 「고온 가압 석탄가스화 반응 장치」에 개시된 고온 가압 석탄가스화 반응장치는, 석탄가스화에 필요한 반응가스를 고온 고압 주반응기에 정량 공급하기 위한 가스정량공급부; 상기한 반응가스를 혼합하기 위한 가스혼합부; 상기한 반응가스를 800내지 1,300℃의 온도로 예열시키기 위한 가스예열기; 증기를 고온 고압 주반응기에 정량 공급하기 위한 증기정량주입부;석탄입자를 고온 고압 주반응기에 공급하기 위한 석탄공급부;상기한 가스예열기로부터 예열된 반응가스와 상기한 석탄공급부에서 공급된 석탄입장를 0내지 25kg/㎠의 압력 및 600내지 1,600℃의 온도에서 석탄가스화 반응시키기 위한 고온 고압 주반응기;상기한 고온 고압 주반응기로부터 배출된 가스와 반응입자의 분석을 수행하며 가스를 외부로 배출시키기 위한 배가스 처리부; 상기한 고온 고압 주반응기의 주위에 냉각수를 순환시키기 위한 냉각수순환부; 및, 상기한 고온 고압 주반응기 및 반응가스의 압력, 유량 및 온도를 제어하고 설비운전시의 설비운전시의 비상상황을 감시 및 제어하며 설비운전자료를 수집하기 위한 제어 및 자료수집부로 구성된다.
결국, 본 발명은 종래기술에 따른 석탄가스화 반응장치의 한계를 극복하는 동시에, 전술한 고온 가압 석탄가스화 반응장치의 고온 가압 주반응기인 고온 가압 분류층 반응장치를 개량하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 대기압하에서는 물론, 1600℃의 온도 및 25kg/㎠의 압력에 이르는 고온 고압하에서의 석탄의 가스화반응을 실험적으로 정확히 모사할 수 있는 고온 가압 부류층 반응장치를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하는 본 발명의 고온 가압 분류층 반응장치는, 상부, 중앙부 및 하부의 3부분으로 구성되고 30기압 이상의 압력을 수용할 수 있는 압력용기로 외장되어 가스예열기로부터 예열된 반응가스와 석탄공급부로부터 공급된 석탄입자를 0 내지 25kg/㎠의 압력 및 600내지 1,600℃의 온도에서 석탄가스화 반응시키기 위한 반응기 ; 상기한 반응기의 내부 중앙에 수직으로 내설되고 알루미나 튜브로 이루어지며 반응기 상부 일축의 반응가스 유입관으로부터 공급된 반응가스와 석탄입자의 가스화반응이 수행되는 반응관 ; 상기한 반응기의 상부 일측에 부설된 주입 프로브 이송장치에 의한 상기한 반응관 내에서 상하이동이 가능하며, 석탄공급기로부터 질소가스에 실려 공급된 석탄입자를 상기한 반응관 내부로 공급하기 위한 주입 프로브(injection probe); 상기한 반응기 중앙부의 내화재 및 단열재의 수직홈 사이에 형성되고 상기한 반응관의 외부에 축방향으로 배열되어 복수개의 전열선(heating element)에 의해 반응관 내의 반응가스와 석탄입자를 가열하기 위한 가열부 ; 상기한 반응기 중앙부의 일측에 부설되어 상기한 가열부의 전열선과 열전대(thermocouple)를 설치, 제거 및 수리하기 위한 접근 포트(access port); 상기한 반응기의 중앙부 하단에 반응기와 수직하게 부설되고 그 일단은 상기한 반응관에 하단에 위치하여 석탄입자의 용도, 크기 및 속도를 광학적으로 측정하기위한 복수개의 광학창(optical window) ; 및, 상기한 반응기 하부의 내부 중앙에 수직으로 상기한 반응관의 하단에 부설되고 질소공급노즐, 급수노즐 및 배수노즐이 부설되어 질소냉각 및 수냉각에 의해 상기한 반응관 내에서 석탄입자 및 반응가스의 체류시간 동안만 반응이 허용되도록 하며 가스화 반응을 종결시벼 가스화반응에 따른 전체 질량유동을 수집하기 위한 수집 프로브(collection probe)로 구성된다.
이때, 상기한 반응기 하단에는, 상기한 반응기와 탈부착이 가능하며 상온수 공급노즐, 배츨수집 밸브 및 가스 배츨노즐이 부설되어 수집 프로브의 주위에 상온수를 공급함으로써 수집 프로브를 통해 배출되는 고온가스를 급속냉각시키기 위한 수조(collection vessel)가 추가로 포함되도록 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기한 주입 프로브는, 일측에는 냉각수 공급구, 냉각수 배출구가 형성되고, 상기한 냉각수 공급부로부터 공급된 냉각수가 주입 프로브의 하단까지 이송되도록 주입 프로브 내부에는 수냉관이 내설되고, 타측에는 주입 르로브와 반응관 사이의 공간을 통해 공급된 반응가스 유동을 층류로 만들어주기 위한 세라믹 하니컴(ceramic honeycomb)형상의 유동 직류기(flow straightner)가 부설되고, 주입 프로브 표면과 고온의 반응가스 및 반응관과의 열전달을 줄이기 위하여 하면에는 세라믹 단열재를 부설하여 구성하는 것이 바람직하다.
아울러, 반응관의 열손실을 줄이고 광학창의 촛점을 용이하게 맞출수 있도록, 상기한 광학차은 반응기의 외피로부터 반응관의 중심부로 갈수록 광학적 구멍의 직경이 감소되도록 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기한 반응관을 따라 등온분포를 얻기 위해서는, 상기한 가열부의 전열선은 4구역(zone) 이상으로 나뉘어 반응관을 따라 일정한 상하간격으로 배열하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 고온 가압 분류층 반응장치의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
제 1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온 가랍 분류응 반응장치의 수직 단면도이다.
제 1도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 고온 가압 분류읓 반응장치는, 상부(10), 중앙(30) 및 하부(50)의 3부분으로 구성되고 30기압 이상의 압력을 수용할 수있는 압력용기로 외장되어 가스예열기(미도시)로부터 예열된 반응가스와 석탄공급부(미도시)로부터 공급된 석탄입자를 0 내지 25kg/㎠의 압력 및 600 내지 1,600℃의 온도에서 석탄가스화 반응시키기 위한 반응기(100): 상기한 반응기(100)의 내부 중앙에 수직으로 내설되고 알루미나 튜브로 이루어지며 반응기 상부(10) 일측의 반응가스 유입관(11)으로부터 공급된 반응가스와 석탄입자의 가스화반응이 수행되는 반응관(20); 상기한 반응기(100)의 상부(10) 일측에 부설된 주입 프로브 이송장치(70)에 의해 상기한 반응관(20)내에서 상하이동이 가능하며, 석탄공급기로부터 질소가스에 실려 공급된 석탄입자를 상기한 반응관(20) 내부로 공급하기 위한 주입프로브(80); 상기한 반응기(100) 중앙부(30)의 내화재 및 단영재의 수직홈 사이에 형성되고 상기한 반응관(20) 내화재 및 단영재의 수직홈 사이에 형성되고 상기한 반응관(20)의 외부에 측방향으로 배열되어 복수개의 전열선에 의해 반응ㄴ관 내의 반응가스와 석탄입자를 가열하기 위한 가열부(40); 상기한 반응기(100) 중앙부(30)의 일측에 부설되어 상기한 가열부(40)의 전열선과 열던대를 설치, 제거 및 수리하기 위한 접근 포트(45); 상기한 반응기(100)의 중앙부(30) 하단에 반응기(100)와 수직하기 부설되고 그 일단은 상기한 반응관(20)에 하단에 위치하여 석탄입자의 온도, 크기 및 속도를 광학적으로 측정하기 위나 복수개의 광학창(35); 상기한 반응기(100) 하부(50)의 내부 중아에 수직으로 상기한 반응관(20)의 하단에 부설되고 질소공급노즐, 급수노즐 및 배수노즐이 부설되어 질소냉각 및 수냉각에 의해 상기한 반응관(20) 내에서 석탄입자 및 반응가스의 체류시간 동안만 반응이 허용되도록 하며 가스화 반응을 종결시켜 가스화 반응에 따른 전체 질량유동을 수집하기 위한 수집 프로브(60);및, 상기한 반응기(100)의 하단에 부설되고, 상기한 반응기(100)와 탈부착이 가능하며 상온수 공급노즐(91), 배출수집 밸브(92) 및 가스 배출노즐(93)이 부설되어 수집 프로브(60)의 주위에 상온수를 공급함으로써 수집 프로브(60)를 통해 배출되는 고온가스를 급속냉각시키기 위한 수조(90)로 구성된다.
제1도에 도시된 본발명의 가압 분류층 반응기는 상부(10), 중앙부(30)및 하부(50)의 3부분으로 이루어진 주요 압력용기로 구성되며, 각 부분은 외벽(1)에서 반응기(100)에 압력이 걸리고, 각 부분들은 볼트와 가스켓프랜지(gasket flanges)(2)를 사용하여 체결된다. 이때,각 압력용기는 550K의 벽 온도에서 30atm의 압력까지 견딜 수 있도록 구성한다. 반응기(100)에는 반응관(20)의 가열을 위한 전열선(Super Kantal 33)을 포함하는 가열부(40)를 설치하고, 기기의 보수를 용이하게 하기위하여 반응기(100)의 중앙부(30) 일측에는 접근 포트(45)를 부설한다. 이때 접근 포트(45) 덮개판(cover plate)은 반응기(100)에 압력이 작용할 때, 반응기(100)의 외부막을 구조적으로 지지해주며, 반응기(100)의 수리 및 보수를 위해 가열부(40)의 전열선과 열전대를 용이하게 제거 및 설치를 할 수 있도록 하는 통로를 제공한다. 한편, 가열부(40)에 공급되는 전원과 열전대 선(thermocouplewire)는 접근 포트(45)의 측단에 부설된 밀봉 그랜드 노즐(sealing glandnozzle)을 통해 반응기(100) 내부로 공급된다.
또한, 반응기(100)의 외벽(1)은 30기압 이상의 압력에 견딜 수 있는 압력용기로 구성하며, 재질은 스텐레스 스틸를 사용하는 것이 바람직하다. 반응관(20)는 압력용기의 축을 따라 하향으로 설치하며, 반응관(20)으로는 알루미나 튜브 표준관(5,08cm ID×5,27cm OD)과 같이 열전도가 우수하고, 열충격에 견딜 수 있는 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 반응관(20)의 하단에는 4개의 광학창(35)을 반응기(100)의 주위에 수직하게 설치한다. 반응관(20) 외부에는 축방향으로 전열선을 벽면에 내장하는 원통형으로 된 내열성 물질을 4 구역 이상으로 나누어 수직방향으로 설치하다. 이때, 반응관(20) 따라 등온분포를 얻기 위해서는, 가열부(40) 각각의 전열선들은 4 구역 이상로 나누어 상하로 적절한 간격이 되도록 고정하고, 반응관(20) 외부의 고온 단열재 및 내화재의 홈 사이에 설치한다.
또한, 본 발명의 가압 분류층 반응장치 내에는 층류 가스유동의 긴수직 반응관(20)이 형성되어 있으며, 고온 고압하에서 반응관(20)을 따라 온도구배를 조절할 수 있다. 본 발명의 반응장치는 latm 내지 30atm의 압력및 1000K내지 1800K의 온도로 압력 및 온도를 조정할 수 있고, 반응관(20)의 길이를 따라 온도를 제어할 수 있으며, 반응관(20)내의 입자 체류시간을 30ms내지 2000ms에서 조정할 수 있다.
또한, 본 발명의 반응장치의 운전조건에 따라 보일러 및 가스화기내에서 발생하는 104내지 105K/s의 초기 가열율과 1700 내지 2200K의 높은 입자온도가 모사될 수 있으며, 설비온도는 넓은 범위에서 제어가 가능하다. 아울러, 반응과정 동안 일정한 반응관(20)의 온도를 유지할 수 있으며, 석탄입자 주위의 온도와 가스조성을 파악할 수있는 동시에 변화시킬 수 있고, 석영(quartz)재의 광학창(35)에 의해 가스화 반응하는 동안 반응입자의 물성치, 특히, 입자온도의 측정이 가능하며, 반응관(20)을 통해 유동하는 입자들의 온도, 속도 및 크기 등을 광학적으로 계측할 수 있게 된다.
제 1도에 도시된 본 발명의 고온 가압 분류층 반응장치에 있어서, 반응기(100) 내에는 2가지의 가스유동이 들어오는데, 석탄공급기로부터 공급되는 연료입자인 석탄입자와 전기한 석탄입자를 주입 프로브(80)를 통해 이동시키기 위한 매체로 사용되는 질소가스의 1차 가스유등과, 가스화 반응을 위하여 반응가스 유입관(11)을 통해 공급되는 예열된 2차 가스유동이 반응관(20)내로 공급된다.
이때, 1차 가스유동은 주입 프로브(80)를 통하여 반응관(20)의 중앙으로 공급되는데, 반응길이를 조절할 수 있도록 움직이는 주입 프로브(80)를 통하여 석탄이나 촤의 연료입자가 질소가스에 실려서 고온의 반응관(20)내부로 들어오게 된다. 또한, 반응기(100)내의 유동의 대부분을 구성하는 2차 가스유동은 반응관(20)과 주입 프로브(80)사이의 공간을 따라 반응영역으로 들어오게 된다.
이때, 석탄입자의 반응관(20) 내에서의 체류시간을 변동시키기 위하여, 주입 프로브(80)는 반응관 (20) 내부의 상하로 이동하게 된며, 반응기(100)상단 일측에 부설된 주입 프로브 이송장치(70)의 서브모터에 의해 반응관(20) 내부의 상하로 이동하게 된다. 또한, 주입 프로브(80)의 일측에 부석된 세라믹 하니컴 유동 직류기는 반응관(20) 내에서 주입 프로브(80)를 중심에 두고, 2차 가스유동을 층류유동으로 만들어준다. 상기한 1차가스와 2차가스는 주입 프로브(80) 출구의 입자반응이 시작되는 반응관(20) 내에서 혼합되며, 석탄입자가 포함된 1차 가스는 주입 프로브(80)로부터 배출되어 주위의 2차가스들과 반응하면서 반응관(20) 측을 따라 반응관(20)의 하부로 유동하게 된다. 이때, 2차 가스유동은 반응기(100)로 들어오기 전에 반응가스의 온도를 높여주는 가스예열기(미도시) 내를 통과한다.
한편, 4개의 구역으로 구분형성된 가열부(40)의 전열선들은 반응관(20)을 따라 600내지 1800℃ 범의의 희망하는 온도분포를 유지해준다. 가열부(40)는 반응관(20)에 열을 공급하며, 예열은 전기히터로 수행된다.
또한, 반응관(20) 내에서 반응이 이루어진 후, 반응관(20)의 출구에 위치한 수집 프로브(60)는 반응이 이루어진 반응가스의 전체 질량유등을 수집하며, 반응관(20) 바로 하단에서 입자의 가스화반응을 종결시킨다.
아울러, 반응기(100)의 하단에 수조(90)를 부설하여, 상부로부터 유입되는 가스를 급속 냉각시키고, 수조(90)를 사용하지 않을 경우에게는 반응기(100)와 분리하여 상부의 반응기(100)와 수집 프로브(60) 만을 사용할 수 있도록 가스켓 프렌지 형태로 제작한다. 수조(90)를 부착하여 사용하는 경우에는, 상온의 물을 수조(90)에 부설된 공급노즐(91)을 통하여 공급함으로써 수위를 일정한 높이로 채워, 상부의 수집 프로브(60)를 통해 배출되는 고온가스를 효과적으로 냉각시킬 수 있게 된다. 이러한 수조(90)에는 반응이 종결된 촤 또는 슬래그가 퇴적되고, 이들을 수조(90) 하부의 밸브(92)를 통하여 배출 수집하여 분석을 수행함으로써, 석탄의 반응성 및 가스화 반응에 대한 실험자료로 이용할 수 있다. 이때, 수조(90)내의 발생된 가스는 배출노즐(93)을 통하여 외부로 배출될 수 있도록 한다.
제 2(a)도는 제 1도에 도시된 반응장치의 A-A선에 따른 수평 단면도이고, 제 2(b)도는 B-B선에 따른 수평 단면도이며, 제 2(c)도는 C-C선에 따른 수평단면도이다.
제 2(a)도에 도시된 바와 같이, 반응기 상부(10) 일측는 반응가스를 반응관(20)내로 공급하기 위하여 반응가스 유입관(11)이 형성되어 있다.
또한, 제 2(b)도에 도시된 바와 같이, 반응관(20)의 주위에는 전열선(41)을 반응관(20)의 외부에 들러 설치하고, 반응관(20)의 외부에는 원통형의 고온 단열재(42)를 부설하며, 원통형 단열재(42)의 외부에는 내화재(refractory)(43)를 타설하여 반응관(20) 내부의 열손실을 방지하도록 한다.
아울러, 제 2(c)도에 도시된 바와 같이, 광학창(35)은 원통형의 반응기(100)의 외부에 부설함으로써, 반응관(20)의 내부를 광학적으로 측정할 수 있도록 구성한다. 이때, 반응관(20)의 열손실을 줄이고 광학창(35)의 촛점을 용이하게 맞출 수 있도록, 상기한 광학창(35)은 반응기(100)의 외벽(1)으로부터 반응관(20)의 중심부로 갈수록 광학적 구멍의 직경이 감소되도록 형성한다.
제 3(a)도는 제1도의 프로브의 평면도이고, 제3(b)도는 주입 프로브의 부분 단면도이며, 제 3(c)도는 제3(b)도의 유동 직류기에 대한 평면도이고, 제 3(d)도는 제 3(c)도의 D-D선에 따른 유동 직류기의 단면도이다.
제 3(a)도 및 3(b)도에 도시된 바와 같이, 주입 프로브(80)의 일측에는 냉각수 공급구(81), 냉각수 배출구(82)가 형성되고, 상기한 냉각수 공급부(81)로부터 공급된 냉각수가 주입 프로브(80)의 하단까지 이송되도록 주입 프로브(80) 내부에는 수냉관(83)이 내설되고, 타측에는 주입 프로브(80)와 반응관(20) 사이의 공간을 통해 공급된 반응가스 유동을 층류로 만들어주기 위한 세라믹 하니컴 형상의 유동 직류기(84)가 부설되고, 주입 프로브(80)표면과 고온의 반응가스 및 반응관(20)과의 열전달을 줄이기 위하여 하면에는 세라믹 단열재(ceramic insulation)(85)를 부설하여 구성한다.
이러한 수냉식 주입 프로브(80)를 통하여 석탄입자들은 고온의 반응관(20)으로 공급되며, 반응관(20)에서의 연료의 반응시간을 조절하고 고압을 유지할 수 있도록, 주입 프로브(80)는 반응관 (20)내에서 상하로 움직일 수 있도록 구성하며, 이때, 주입 프로브(80)가 고압을 유지하면서 반응관(20)내에서 상하이동할 수 있도록 반응기(100) 상단의 헤드 캡(headcap)(4)에는 카본 씰(carbon sesl)(5)을 설치함으로써, 주입 프로브(80)가 반응기(100) 내에서 압력을 지탱하면서 축방향을 유지할 수 있도록 구성한다.
이때, 수냉식 주입 프로브(80)는 두 동심의 스테인레스 스틸재 강관(86)이 수냉벽을 형성하면서, 강관은 서로 동심축으로 구성되어 있다. 냉각수는 냉각수 공급구(81)로부터 공급되어 주입 프로브(80)의 하단까지 연결된 직경이 아주 작은 3개의 수냉관(83)을 따라 주입 프로브(80)의 하단까지 이송된 후, 다시 상부로 이동하여 냉각수 배출구(82)를 통해 배출된다. 한편, 질소가스에 실린 석탁입자는 주입 프로브(80)상단의 연료주입관(87)을 통하여 반응관(20)내로 공급된다. 이때, 주입 프로브(80)와 반응관(20) 사이의 공간을 통해 공급되는 반응가스 유동을 층류로 만들어주기 위하여, 주입 프로브(80)의 하단에는 세라믹 하니컴 형상의 유동 직류기(84)를 고온 접착물을 사용하여 고정시킨다.
제 3(c)도 및 제 2(d)도에 도시된 바와 같이, 상기한 유동 직류기(84)는 원통 형상을 지니며, 그 주위에는 다수의 구멍(84a)이 천설되어 있어, 상기한 구멍(84a)을 통과하면서 반응가스 유동이 층류로 변환되게 된다.
제 4(a)도는 제 1도의 수집 프로브의 평면도이고, 제 4(b)도는 수집 프로브의 단면도이며, 제 4(c)는 제 4(b)도의 A부분에 대한 평단면도이고, 제 4(d)도는 제 4(b)도의 A부분에 대한 측단면도이다.
제 4(a)도 및 제 4(b)도에 도시된 바와 같이, 수집 프로브(60)에는 질소공급노즐(61), 급수노즐(62) 및 배수노즐(63)이 부설되어 질소냉각 및 수냉각에 의해 상기한 반응관(20) 내에서 석탄입자 및 반응가스의 체류시간동안만 반응이 허용되오록 하며, 가스화 반응을 종결시켜 가스화반응에 따른 전체 질량유동을 수집하는 역할을 수행한다.
제 4도에 도시된 수집 프로브(60)에서 질소는 질소공급노즐(61)을 통해 공급되고, 공급된 질소는 관의 상부로 이동한 다음, 제 4(c)도 및 제 4(d)도에 도시된 바와 같이, 관의 상단에 형성된 다수의 질소공급 구멍(64)을 통하여 관의 내부로 공급됨으로써, 반응이 이루어진 반응가스의 온도를 600℃이하로 낮추게 된다. 이후, 상온수는 급수노즐(62)을 통해 관의 주위에 공급되어 수집 프로브(60)의 상단까지 공급된 후, 다시 수집 프로브(60)를 따라 하강하여 배수노즐(63)을 통해 배출됨으로써, 질소에 의해 냉각된 반응가스를 수냉각에 의해 온도를 떨어뜨리게 된다.
이러한 수집 프로브(60)는 반응관(20)의 출구에서 전체 가스와 입자들을 포집하고, 반응관(20)의 출구를 냉각시키며, 반응가스를 희석시키는 역할을 하는 차가운 질소가스의 분사에 의해 모든 가스화반응을 종료시킨다. 이때,수집 프로브(60)는 스테인레스 스틸재의 관으로 형성하는 것이 바람직하다.
상기한 구성을 지닌 본 발명의 고온 가압 분류층 반응장치는, 정밀하게 조절된 공정변수하에서 가압상태의 석탄연소 및 가스화반응에 대한 연구를 효과적으로 수행할 수 있도록 한다. 또한, 본 발명의 고온 가압 분류층 반응장치는 석탄연료의 가스화 및 연소시험 중 체류시간, 온도분포, 분위기, 압력 및 온도 등을 정밀하게 조절할 수 있으므로, 고온 고압하에서 일어나는 반응조건들을 정확하게 모사할 수있고, 투입된 반응입자의 온도를 일정하게 유지및 확인할 수 있다. 아울러, 본 발명의 고온 가압 분류층 반응장치 내에 공급되는 가스조성에는 제한이 없으며, 본 발명의 반응장치에서는 직접적인 샘플링(sampling)과 입자들의 측정을 용이하게 수행할 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 고온 가압 분류층 반응장치는 종래기술에 따른 석탄가스화 반응장치의 한계를 극복하는 동시에, 대기압하에서는 물론, 1600℃의 온도 및 25kg/㎠의 압력에 이르는 고온 고압하에서의 석탄의 가스화반응을 실험적으로 정확히 모사할 수 있으므로, 본 발명의 고온 가압 분류층 반응장치는 석탄가스화 복합발전에 대한 연구개발에 기여하는 바가 클 것으로 기대된다.

Claims (5)

  1. 상부(10), 중앙부(30) 및 하부(50)의 3부분으로 구성되고 30기압 이상의 압력을 수용할 수있는 압력용기로 외장되어 가스예열기로 부터 예열된 반응가스와 석탄공급부로부터 공급된 석탄입자를 0 내지 25kg/㎠의 압력 및 600내지 1,600℃의 온도에서 석탄가스화 반응시키기 위한 반응기(100); 상기한 반응기(100)의 내부 중앙에 수직으로 내설되고 알루미나 튜브로이루어지며 반응기(100) 상부 일측의 반응가스 유입관(11)으로부터 공급된 반응가스와 석탄입자의 가스화반응이 수행되는 반응관(20); 상기한 반응기(100)의 상부 일측에 부설된 주입 프로브 이송장치(70)에 의해 상기한 반응관(20) 내에서 상하이동이 가능하며, 석탄공급기로부터 질소가스에실려 공급된 석탄입자를 상기한 반응관(20) 내부로 공급하기 위한 주입 프로브(80); 상기한 반응기(100 중앙부의 내화재(43) 및 단열재(42)의 수직홈 사이에 형성되고 상기한 반응관(20)의 외부에 축방향으로 배열되어 복수개의 전열선(41)에 의해 반응관(20) 내의 반응가스와 석탄입자를 가열하기 위한 가열부(40); 상기한 반응기(100) 중앙부의 일측에 부설되어 상기한 가열부(40)의 전열선(41)과 열전대를 설치, 제거 및 수리하기 위한 접근 포트(45); 상기한 반응기(100)의 중앙부 하단에 반응기(100)와 수직하게 부설되고 그 일단은 상기한 반응관(20)의 하단에 위치하여 석탄입자의 온도, 크기 및 속도를 광학적으로 측정하기 위한 복수개의 광학창(35); 및, 상기한 반응기(100)하부위 내부 중앙에 수직으로 상기한 반응관(20)의 하단에 부설되고 질소공급노즐(61), 급수노즐(62) 및 배수노즐(63)이 부설되어 질소냉각 및 수냉각에 의해 상기한 반응관(20)내에서 석탄입자 및 반응가스의 체류시간 동안만 반응이 허용되도록 하며 가스화 반응을 종결시켜 가스화 반응에 따른 전체 질량유등을 수집하기 위한 수집 프로브(60)를 포함하는 고온 가압 분류층 반응장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기한 반응기(100)하단에는, 상기한 반응기(100)와 탈부착이 가능하며 상온수 공급노즐(91), 배출수집 밸브(92) 및 가스 배출노즐(93)이 부설되어 주집 프로브(60)의 주위에 상온수를 공급함으로써 수집 프로브(60)를 통해 배출되는 고온가스를 급속냉각시키기 위한 수조(90)가 추가로 포함돠도록 구성된 것을 특징으로 하는 고온 가압 분류층 반응장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기한 주입 프로브(80)는, 일 측에는 냉각수 공급구(81), 냉각수 배출구(82)가 형성되고, 상기한 냉각수 공급부(81)로부터 공급된 냉각수가 주입 프로브(80)의 하단까지 이송되도록 주입 프로브(80)내부에는 수냉관(83)이 내설되고, 타측에는 주입 프로브(80)와 반응관(20) 사이의 공간을 통해 공급된 반응가스 유동을 충류로 만들어주기 위한 세라믹 하니컴형상의 유동 직류기(84)가 부설되고, 주입 프로브(80)표면과 고온의 반응가스 및 반응관(20)과의 열전달을 줄이기 위하여 하면에는 세라믹 단열재(85)를 부설하여 구성된 것을 특징으로 하는 고온 가압 분류층 반응장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기한 광학창(35)은 반응기(100)의 외벽(1)으로부터 반응관(20)의 중심부로 갈수록 광학적 구멍의 직경이 감소되도록 형성된 것을 특징으로 하는 고온 가압 분류층 반응장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기한 가열부(40)의 전열선(41)은 4구역 이상으로 나뉘어 반응관(20)을 따라 일정한 상하 간격으로 배열된 것을 특징으로 하는 고온 가압 분류층 반응장치.
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