KR100510880B1 - 분산 노즐 및 이를 이용한 유동층 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동층 반응기에 유동화 기체를 공급하는 분산 노즐에 관한 것으로서, 일측은 개방되어 있고, 타측에는 복수개의 관통공이 형성되며 노즐의 길이 방향에 대해 30 내지 60°경사진 경사면을 구비하는 것을 특징으로 하는 관상의 노즐이 제공된다. 본 발명에 의한 분산노즐 및 이를 이용한 유동층 반응기는 유동매체를 효과적으로 순환시킴으로써 반응물질이 반응챔버에 투입되는 즉시 유동매체내로 이동되어 유동층 반응의 속도를 촉진시킬 수 있다.

Description

분산 노즐 및 이를 이용한 유동층 반응기

본 발명은 유동층 반응기에 유동화 기체를 공급하는 분산 노즐 및 이를 이용한 유동층 반응기에 관한 것이다.

유동층 반응기는 일반적으로 연소, 가스화 또는 스팀생산 공정 등에 사용되며, 연료, 불활성 유동매체, 흡착제 또는 촉매와 같은 입자물질 층을 지지하는 분산판을 포함하고 있다. 또한, 분산판은 일반적으로 미세한 유동매체 입자를 균일하게 분산시킬 수 있을 정도로 작은 직경을 지닌 복수개의 기체 또는 공기 통로를 포함하고 있다. 분산판 아래에는 가압하에 유동화 기체가 도입되는 윈드박스(wind box) 또는 에어챔버(air chamber)가 배치된다. 가압 기체는 일반적으로 팬이나 블로우어에 의해 윈드박스에 도입된다. 상기 기체는 분산판의 기체 통로를 통해 상향유동하여 상기 입자층이 유동 상태(fludized state)로 떠있게 하는 역할을 한다. 그 결과, 반응기내에서 기체와 고체와 혼합이 잘되어 비교적 균일한 반응온도를 얻을 수 있어, 반응기의 용도에 따라 효율적인 연소공정, 양호한 열전달특성 또는 흡착성을 얻을 수 있다. 따라서, 유동층 반응기의 원활한 운전을 위해서는 반응기에 공급되는 유동화 기체의 균일한 분산 및 혼합이 중요하다.

그럼에도 불구하고, 종래의 유동층 반응기에 사용되는 분산노즐은 상향으로만 향하기 때문에 유동매체의 혼합운동을 촉진할 수 없어 유동층에서의 반응속도 향상에 한계가 있고, 불연물이 유동층 하부에 쌓여 있을 뿐 불연물 배출구 쪽으로 자연스럽게 이송되지 못하므로 불연물을 배출함에 있어서도 어려움이 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 유동화 반응기의 유동매체를 균일하게 분산 및 순환시킬 수 있는 유동화 기체 분산 노즐을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 분산노즐을 적절하게 배치함으로써 반응효율을 향상시킬 수 있는 유동화 반응기를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 유동층 반응기용 분산 노즐에 있어서, 일측은 개방되어 있고, 타측에는 복수개의 관통공이 형성되며 노즐의 길이 방향에 대해 30 내지 60°경사진 경사면을 구비하는 것을 특징으로 하는 관상의 노즐을 제공한다.

상기 관통공의 크기는 노즐에서의 압력손실이 유동층에서의 압력손실의 0.2 내지 0.4배가 되도록 조절하는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 기저부, 상기 기저부와 함께 윈드박스를 형성하는 분산판 및 상기 분산판 상부에 위치하는 반응챔버를 포함하는 유동층 반응기에 있어서, 상기 분산판에는 복수개의 제1항 내지 제3항중 어느 한 항의 노즐이 그 개방단부는 윈드박스와 소통하고 경사면의 관통공은 반응챔버와 소통하도록, 그리고 상기 윈드박스로부터 상기 경사면의 관통공을 통해 반응챔버로 유입되는 기체의 유동방향이 일치되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 제공한다.

상기 반응챔버는 상기 기체의 유동방향쪽 벽면 하단에 형성된 배출구를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 기체의 유동방향쪽 벽면에 바로 인접하여 설치되는 노즐은 경사면의 각도를 0°로 하여, 상기 윈드박스로부터 상기 경사면의 관통공을 통해 반응챔버로 유입되는 기체가 수직방향으로 유동하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 기저부, 상기 기저부와 함께 윈드박스를 형성하는 분산판 및 상기 분산판 상부에 위치하는 반응챔버를 포함하는 유동층 반응기에 있어서, 상기 분산판은 상기 반응기의 중심으로 갈수록 하향하도록 경사져 있으며, 상기 분산판에는 복수개의 제1항 내지 제3항중 어느 한 항의 노즐이 그 개방단부는 윈드박스와 소통하고 경사면의 관통공은 반응챔버와 소통하도록, 그리고 상기 윈드박스로부터 상기 경사면의 관통공을 통해 반응챔버로 유입되는 기체의 유동방향이 반응기의 중심을 향하도록 배치된 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 제공한다.

상기 반응기는 상기 분산판의 중심으로부터 상기 반응기의 기저부 중심을 관통하여 상기 반응챔버와 소통하는 배출구가 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 한편, 설명의 편의를 위해 유동층 소각로를 예로 들었으나 본 발명의 용도가 이에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 유동층 반응기의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도이다. 유동층 반응기(10)는 일반적으로 분산판(14)에 의해 반응챔버(12)와 윈드박스(13)로 분리된다. 반응챔버(12)에서는 유동매체가 유동상태로 떠있으면서 원하는 반응, 소각로의 경우에는 소각대상 물질의 연소반응을 진행시킨다. 윈드박스(13)에는 유동화 기체 주입구(15)가 있어서 팬이나 블로우어(미도시)에 의해 가압기체가 공급된다. 윈드박스(13)에 공급된 기체는 복수개의 노즐(11)을 통해 반응챔버(12)로 들어가 유동매체를 유동화시킨다.

도 2는 본 발명에 의한 분산노즐의 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 노즐의 우측면도이다. 본 발명에 의한 분산노즐(11)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 일측은 개방되어 있고, 타측은 복수개의 관통공(20)이 형성된 경사면을 구비하고 있는 관의 형상을 하고 있다. 관의 형상은 원통형이거나 사각형 모두 가능하며, 특별히 한정되지 않는다. 또한 관통공(20)의 개수는 편의상 4개만을 도시하였으나, 관통공의 크기나 유동화 기체의 유량을 고려하여 이보다 적거나 많게 조절할 수 있다.

한편, 관통공이 반응챔버를 향해 개방되어 있어, 초기 시동시 역유동에 의한 유동매체의 유출이 우려될 수 있으나 상기 관통공을 통한 유동매체의 역유동량은 무시할 수있을 정도이고, 초기 시동조건을 조정함으로써, 즉 유동매체를 주입하기전에 유동화 기체를 먼저 공급함으로써 유동매체의 유출을 방지할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 관통공(20)이 형성된 경사면을 지닌 노즐(11)을 분산판(14)상에 그 경사면이 모두 한 방향을 향하도록 배치하면 유동화 기체는 방향성을 가지고 한방향으로 유동하면서 유동매체를 화살표방향으로 순환시킨다.

이와 같이 유동매체가 순환하게 되면 소각대상 물질이 반응기에 투입되는 즉시 유동매체내로 이동되어 고온의 유동매체내에서 반응이 신속하게 진행되도록 한다.

상기 노즐의 길이방향에 대한 경사면의 각도(α)는 30 내지 60°가 바람직한데, 상기 각도 α가 30°미만이면 유동매체가 반응챔버의 벽면을 향해 직접 분출되어 벽면의 마모를 야기하거나 옆의 분산노즐을 향해 분출되어 옆의 분산노즐의 마모를 야기할 수 있으며, 60°를 초과하면 유동매체가 거의 수직 상향하여 방향성을 상실하기 때문에 반응챔버내의 전체적인 순환이 곤란해질 우려가 있기 때문이다.

상기 관통공(20)의 크기는 유동화 기체가 노즐(11)을 통과할 때의 압력손실이 유동층에서의 압력손실의 0.2 내지 0.4배가 되도록 조절하는 것이 바람직하다. 상기 압력손실이 유동층에서의 압력손실의 0.2배 미만이면, 분산판에서의 압력손실이 작아 유동화 공기가 분산판 노즐의 각 분출구에서 고르게 분출되지 않기 때문에 유동화가 고르게 되지 않아 부분적 유동화로 인하여 반응기가 불안정해질 수 있다. 또한, 상기 압력손실이 0.4배를 초과하면 분산판에서의 압력손실이 과다하여 블로어의 에너지 손실이 지나치게 커질 우려가 있으며 분산판의 진동으로 인해 유동층이 불안정해질 우려가 있다.

도 1과 같이 노즐(11)을 배치한 경우에는 유동화 기체의 유동방향 쪽에 위치하는 반응챔버(12) 벽면 하단에 불연물 (또는 미반응물) 배출구를 설치하는 것이 바람직하다. 유동층 소각로에서 미처 소각되지 않은 불연물은 분산판(14)의 상부에 쌓이게 되는데, 순환하는 유동매체가 이들을 배출구(17) 쪽으로 이동시킨다. 이동된 불명물은 배출구(17)를 통해 일부 유동매체와 함께 배출되는데, 불연물은 분리제거하고 유동매체는 반응챔버내로 재순환시킨다.

한편, 도 1과 같이 유동매체가 한쪽 방향으로만 유동하도록 분산노즐을 배치한 경우에는 일부 유동매체가 반응챔버의 벽면에 부딪힌 후 상향유동하게 되는데. 이로 인하여 벽면이 마모될 우려가 있다.

따라서, 본 발명의 다른 실시예에서는 반응챔버 벽면의 마모를 방지하고, 벽면에 인접한 부분에서 유동매체의 상향유동을 도와줄 수 있도록 도 4에 도시된 바와 같이 반응챔버의 벽면에 인접한 노즐의 경사면 각도를 0°로 하여 반응챔버의 벽면에서는 유동화 기체가 수직 상승하도록 하였다.

경사면의 각도가 0°인 노즐(이하 평면 노즐이라 함)은 유동화 기체의 유동방향쪽 벽면에 바로 인접한 부분에 설치하는 것이 바람직하며, 유동층 반응기의 형상에 따라 배치 모습이 달라질 수 있다. 즉, 도 5a 및 5b는 유동층 반응기에 형상에 따른 노즐 배치 모습을 개략적으로 보여주는데, ○는 경사면을 지닌 노즐(41)의 위치이고, ●는 경사면의 각도가 0°인 평면노즐(42)의 위치이다. 반응기가 사각형이라면 기체의 유동방향쪽 벽면을 따라 평면노즐을 일렬로 배치하고, 원형이라면 기체의 유동방향쪽 반원의 벽면을 따라 평면노즐을 일렬로 배치하는 것이 바람직하다.

도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유동층 반응기의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도이다. 분산판(64)은 반응기의 중심으로 갈수록 하향토록 경사져 있으며, 본 발명에 의한 노즐(61)은 그 경사면이 반응기의 중심을 향하도록, 즉 윈드박스(63)로부터 노즐(61)을 통해 유입되는 유동화 기체의 유동방향이 반응기의 중심을 향하도록 배치되어 있다. 따라서 유동매체는 화살표로 표시된 것처럼 반응기의 중심에서 수직상승하여 반응챔버(62)의 벽면을 따라 하강함으로써 반응챔버(62)내를 순환하게 된다.

이와 같은 구조 역시 유동층 반응기의 형상에 구애받지 않으며 원형 또는 사각형 모두 적용가능하다. 특히, 반응기의 단면적이 커서 한쪽 방향 유동만으로는 유동매체를 충분히 순화시키기 곤란한 경우 상기와 같은 구조가 보다 효과적일 수 있다.

반응챔버(62)의 벽면을 따라 하강한 유동매체가 경사진 분산판(64)을 따라 중심으로 이동하면서 불연물도 함께 분산판(64)의 중심으로 수집되므로, 분산판(64)의 중심으로부터 반응기의 기저부를 관통하는 배출구(67)를 설치하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 분산노즐 및 이를 이용한 유동층 반응기는 유동매체를 효과적으로 순환시킴으로써 반응물질이 반응챔버에 투입되는 즉시 유동매체내로 이동되어 유동층 반응의 속도를 촉진시킬 수 있으며, 소각로의 경우 완전연소를 추구할 수 있다. 또한, 유종매체의 방향성있는 순환은 불연물을 비롯한 미반응물의 배출을 용이하게 한다는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 의한 분산노즐은 신설 유동층 반응기 뿐만 아니라 기존의 유동층 반응기에도 용이하게 적용가능하므로 기존 유동층 반응기의 성능향상에도 기여할 수 있다. .

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유동층 반응기의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도이다.

도 2는 본 발명에 의한 유동층 반응기용 노즐의 단면도이다.

도 3은 도 2에 도시된 노즐의 우측면도이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 유동층 반응기의 부분확대 단면도이다.

도 5a 및 5b는 유동층 반응기에 형상에 따른 노즐 배치 모습을 개략적으로 보여주는 평면도이다.

도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유동층 반응기의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10... 유동층 반응기

11. 41, 61... 노즐

12, 62 ... 반응챔버

13, 63... 윈드박스

14, 64... 분산판

15, 65... 유동화 기체 주입구

17, 67... 배출구

Claims (7)

1. 유동층 반응기용 분산 노즐에 있어서, 일측은 개방되어 있고, 타측에는 복수개의 관통공이 형성되며 노즐의 길이 방향에 대해 30 내지 60°경사진 경사면을 구비하는 것을 특징으로 하는 관상의 노즐.
2. 제1항에 있어서, 상기 관통공의 크기는 노즐에서의 압력손실이 유동층에서의 압력손실의 0.2 내지 0.4배가 되도록 조절된 것을 특징으로 하는 분산 노즐.
3. 기저부, 상기 기저부와 함께 윈드박스를 형성하는 분산판 및 상기 분산판 상부에 위치하는 반응챔버를 포함하는 유동층 반응기에 있어서,

   상기 분산판에는 복수개의 제1항 내지 제3항중 어느 한 항의 분산 노즐이 그 개방단부는 윈드박스와 소통하고 경사면의 관통공은 반응챔버와 소통하도록, 그리고 상기 윈드박스로부터 상기 경사면의 관통공을 통해 반응챔버로 유입되는 기체의 유동방향이 일치되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
4. 제3항에 있어서, 상기 반응챔버는 상기 기체의 유동방향쪽 벽면 하단에 형성된 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
5. 제3항에 있어서, 상기 기체의 유동방향쪽 벽면에 바로 인접하여 설치되는 분산 노즐은 경사면의 각도를 0°로 하여, 상기 윈드박스로부터 상기 경사면의 관통공을 통해 반응챔버로 유입되는 기체가 수직방향으로 유동하도록 하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
6. 기저부, 상기 기저부와 함께 윈드박스를 형성하는 분산판 및 상기 분산판 상부에 위치하는 반응챔버를 포함하는 유동층 반응기에 있어서,

   상기 분산판은 상기 반응기의 중심으로 갈수록 하향하도록 경사져 있으며, 상기 분산판에는 복수개의 제1항 내지 제3항중 어느 한 항의 분산 노즐이 그 개방단부는 윈드박스와 소통하고 경사면의 관통공은 반응챔버와 소통하도록, 그리고 상기 윈드박스로부터 상기 경사면의 관통공을 통해 반응챔버로 유입되는 기체의 유동방향이 반응기의 중심을 향하도록 배치된 것을 특징으로 하는 유동층 반응기
7. 제6항에 있어서, 상기 분산판의 중심으로부터 상기 반응기의 기저부 중심을 관통하여 상기 반응챔버와 소통하는 배출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.