KR100519803B1 - 고체입자-가스의 고밀도 매체를 사용한 다관형 순환유동층 장치 - Google Patents

고체입자-가스의 고밀도 매체를 사용한 다관형 순환유동층 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소각로등의 연소로로부터 배출되는 다량의 오염성분을 함유한 고온의 배가스로부터 폐열을 회수하고, 또한 배가스내의 오염성분을 제거하기 위한 배가스 열회수겸 배가스처리장치이다. 수직전열관의 배열 밑에 다공판을 설치하고 고체입자가 자동적으로 수직전열관 배열내에서 순환하는 다관형 순환유동층이다. 이러한 장치의 특징은 고체입자의 유동화로 인하여 전열증대, 전열관 파울링 저감, 산성가스의 저감, 분진내의 용융염의 제거등이다. 그리고 소각로의 경우, 순환유동층 입구에서의 급속한 가스 냉각으로 다이옥신의 재형성의 방지 기능이 있다.
따라서 열교환기의 파울링이 심한 경우에는 전열관벽에서의 비교적 입경이 큰 고체입자를 유동화시켜 청소기능을 높일 수 있다. 이 경우에는 전술한 나머지의 효과는 비교적 적게 나타난다.
또한, 비교적 미세한 석회석과 같은 입자를 사용하고, 순환유량을 증대시키면, 추가로 전열증대 효과를 얻을 수 있으며, 산성가스와 분진중의 용융염의 제거효율이 증대된다. 그리고 소각로의 전열관 배열과 다공판사이에서 고온의 배가스와 저온의 고체입자의 혼합으로 배가스의 온도가 급격하게 냉각되어 다이옥신의 재형성을 억제할 수 있다. 그리고 활성탄등을 유동화 매체로 사용하는 경우, 다이옥신의 제거 기능도 얻을 수 있다.

Description

고체입자-가스의 고밀도 매체를 사용한 다관형 순환유동층 장치{A circulating fluidized bed device with multiple vertical tubes using the high suspension density fluid mixture of solid particles and gas}
본 발명은 소각로등의 연소로로부터 배출되는 다량의 오염성분을 함유한 고온의 배가스로부터 폐열을 회수하고, 또한 배가스내의 오염성분을 제거하기 위한 배가스처리겸 열회수장치에 관한 것이다.
소각로 등의 연소로로부터 배출되는 다량의 오염성분을 함유한 부식성의 고온 배가스에는 다량의 분진과 산성성분을 함유하고 있다.
또한, 이러한 배가스에는 미세한 분진과 용융온도가 낮은 여러 가지의 용융염들이 있고 또한 산성가스로서 SOX, NOX, HCl 그리고 다이옥신등이 함유될 수 있다.
따라서, 이러한 배가스로부터 에너지를 회수하기 위하여 일반적인 열교환기를 사용하는 경우, 전열면에 파울링 및 부식현상이 나타날 수 있다.
전열면에서의 파울링이 심한 경우, 열교환기의 성능이 감소하며, 또한 열교환기의 배가스 유로를 막아 통풍저항이 증가하여 배가스의 유량이 감소하게 된다.
그리고 소각로의 경우, 배가스내에 다이옥신을 함유하고 있어서, 일반적인 열교환기를 사용하여 배가스를 서서히 냉각하는 경우 다이옥신이 재합성되어 열교환기 출구에서의 다이옥신의 함유량이 증가한다.
기존의 고체입자 순환유동층 특허의 경우, 상승관이 6개이고 하강관이 1개인 것으로 되어 있으나, 이것을 개량시켜, 다수의 상승관과 다수의 하강관을 사용할 수 있다.
기존의 고체입자 순환유동층에 대한 특허(국내특허 242226호, 배기가스 폐열회수용 고체입자 순환유동층 열교환기)의 경우, 비교적 입경이 큰 고체입자의 적은 량을 사용하여, 주로 열교환기의 전열면의 청소에 의한 파울링의 저감을 목적으로 하였다.
이 경우, 고체입자의 유동화로 인한 전열증대 효과가 작으며, 또한 석회석이나 활성탄을 사용하는 경우의 산성가스와 다이옥신의 제거 효율이 비교적 낮게 나타난다.
그리고 고체입자의 순환유량이 적어서 배가스의 급속 냉각에 의한 다이옥신 저감 효과가 적고 또한 배가스내의 점척성의 분진의 필터링 효과가 적게 나타난다.
또다른 종래기술로써, Fluxflow 순환유동층 열교환기는 일반적인 형태의 순환유동층으로 상승관이 하나이고, 배가스와 함께 상승관을 통과한 고체입자는 사이클론에서 분리되어 L-tube를 사용하여 순환유동층의 입구로 공급된다.
순환유동층의 입구에서는 냉각된 고체입자와 고온의 배가스가 혼합되어 배가스가 급격하게 냉각되어 배가스내의 용융염을 응고시켜 상승전열관에서의 파울링을 억제한다. 그리고 배가스의 급격한 냉각으로 다이옥신의 재형성을 억제한다.
따라서, 상승관의 전열면적이 적고, 고체입자의 별도분리 및 이송을 위한 장치를 마련하여야 하므로 경제성과 기계효율면에서 떨어지는 단점이 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은 수직 전열관 배열내에서 고체입자가 자동적으로 순환하며 수직상승관내에서 순환유동층을 형성하므로서, 전열면에서의 전열증대, 자동적인 전열면 청소에 의한 파울링 저감, 석회석 등을 사용하여 배가스내의 HCl과 SOX 등의 산성가스의 제거, 활성탄 또는 촉매를 유동 매체로 사용하여 다이옥신 제거, 그리고 수직전열관 입구에서 냉각된 고체입자와 고온의 배가스의 직접접촉에 의한 배가스의 급속 냉각에 의한 다이옥신의 재형성 억제가 가능한 장치의 제공에 있다.
상기의 목적을 달성위한 본 발명의 구성은, 상부의 배가스배출구와 하부의 배가스유입구와 고체입자방출구를 가지는 케이싱과, 배가스의 상부방향 이동통로인 다수의 수직상승관과, 상기 수직상승관의 주위에 위치하며 배가스를 하부방향 이동통로인 다수의 수직하강관과, 상기 수직상승관과 수직하강관을 감싸며 배가스의 열량을 흡수하는 냉각수단과, 상기 수직상승관과 수직하강관의 하부에 위치하며, 수직하강관을 통해 나온 배가스와 하부의 배가스유입구의 배가스를 혼합시키는 공간을 마련하고 발생된 분진덩어리를 하향으로 배출시키는 다공판과, 상기 수직상승관과 수직하강관의 상단 위에 설치되며 고체입자를 분리하는 고체입자분리장치를 포함한다.
이하 본 발명의 구조를 도면 및 실시예를 통하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예의 단면도이다.
케이싱은 단면이 원형 또는 사각형으로 구성될 수 있으며, 유체의 유동을 위해 케이싱의 하부에 배가스유입구를 두고, 케이싱의 상부에 배가스배출구를 둔다.
또한, 케이싱의 하부에는 중력으로 인해 포집되는 고체입자를 외부로 방출할 수 있도록 고체입자방출구를 가진다.
상기 고체입자배출구를 통한 고체입자의 방출을 조절하기 위한 고체입자밸브를 갖는다.
상기 케이싱의 하부의 배가스유입구의 위쪽으로 다수의 수직상승관 및 다수의 수직하강관을 설치한다.
도 4에는 수직상승관 및 수직하강관의 길이방향의 직각방향으로 잘랐을 때의 단면의 모습을 나타낸다.
수직상승관은 수직하강관보다 다소 길게 형성시킨다.
수직상승관과 수직하강관의 주위로 냉각유체가 흐르게 하여 열교환을 발생시키는 냉각수단을 마련하며, 냉각유체의 유입구 및 배출구가 케이싱의 벽체에 형성된다.
상기 배가스유입구의 위쪽으로 수직상승관과 수직하강관의 하부에 다공판이 설치된다. 즉, 수직상승관 및 수직하강관과 소정의 거리를 두고 케이싱 내부에 다공판이 형성된다.
상기 다공판의 구멍은 수직상승관의 구멍의 크기와 일치시키거나, 거의 유사하게 한다.
또한, 상기 다공판을 지나온 유체가 바로 수직상승관으로 향할 수 있도록 다공판의 구멍의 위치를 수직상승관의 위치와 일치시킨다.
도 3은 다공판을 위에서 본 모습이다.
도 4의 수직상승관 및 수직하강관의 단면도와 도 3의 다공판의 구멍이 일치하는 것은 수직상승관이고, 차이가 있는 것은 수직하강관이다.
도 2에는 고체입자-가스 분리장치를 나타내고 있다.
고체입자-가스 분리장치는 수개의 판이 절곡되어 일정간격으로 형성되어 있다.
절곡된 판의 사이공간으로 인해 하부에는 고체입자-가스유입구와 상부에는 고체입자-가스배출구가 형성되며, 절곡된 판의 오목홈에 의해 고체입자가 모여지고, 오목홈에는 고체입자배출구가 형성된다.
본 발명의 작동은 다음과 같이 이루어진다.
배가스유입구를 통해 배가스가 유입되면, 유체의 방향이 급하게 바뀌게 되고 다공판과 부딪혀 와류가 발생하며, 수직상승한다.
다공판을 지난 유체는 다공판의 구멍 바로 위에 형성된 수직상승관쪽으로 이동하게 되며, 수직상승관을 지나온 유체는 고체입자-가스분리장치의 하단에 이르러 일부는 통과하고 일부는 부딪혀 다시 아래로 역행하게 된다.
상기에서 아래로 역행한 배가스는 수직하강관을 타고 다공판을 향해 나아가며, 수직하강관 아래에는 다공판의 구멍이 형성되지 않아 다공판의 면에 부딪히게 되고, 새로이 다공판 아래쪽으로부터 공급되는 배가스와 혼합하게 된다.
즉, 다공판 위에서 유동화된 고체입자는 전열관 배열중의 수직상승관으로 배가스와 함께 유입되어 배가스에 의하여 유동화되면서 상승한다.
이 때, 배가스는 수직상승관과 수직하강관을 지나는 동안 냉각되어 온도가 하강하고, 상기의 혼합과정에서 다공판을 통과한 고온의 배가스와 수직하강관을 통하여 내려온 냉각된 고체입자가 급속하게 열평형을 이룬다.
따라서, 이러한 배가스의 급속한 열평형에 의한 냉각 정도는 고체입자의 순환유량에 의하여 조절될 수 있다.
냉각유체는 케이싱의 상부 측면의 냉각유체유입구를 통하여 유입되고 수직상승관의 전열면을 통과하면서 가열되고 가열된 유체는 열교환기의 수직관 배열의 하부로 내려와서 열교환기 하부측면의 냉각유체배출구를 통하여 배출된다.
상기에서 고체입자-가스분리장치에서 고체입자-가스유입구를 통과한 유체는 가스배출구로 나아가기 전에 절곡된 판에 부딪히며, 자중이 큰 고체입자는 하강하여 절곡판의 오목한 홈쪽으로 쌓이게 되며, 가벼운 배가스는 가스배출구를 통과하여 케이싱 상부에 마련되 배가스배출구를 통해 장치 외부로 배출된다.
고체입자-가스의 분리장치와 비중차이에 의하여 분리된 고체입자는 수직상승관의 출구가 전열관 배열의 상판보다 높게 되어 있으므로 수직상승관으로 유입되지 않고 전열관 배열의 상판위에 계속 쌓이게 된다.
그 다음 고체입자는 자중에 의하여 전열관 배열내의 수직하강관을 통과하여 밑으로 내려와 배기가스 분배실로 유입된다. 따라서 고체입자는 다수의 수직상승관과 다수의 수직하강관의 배열사이를 자동적으로 순환하게 된다.
배가스의 공급이 중단된 상태에서는 고체입자가 다관형 순환유동층의 배가스의 유입구 부분에 위치하게 된다.
이러한 정지상태에서 배가스가 공급되기 시작하면, 배가스 유입구로 공급되는 배가스에 의하여 배가스 유입구에 있던 고체입자가 유동화된다.
상기의 과정에서 고체입자는 배가스와 함께 다공판의 구멍을 통과하여 수직전열관 배열내로 유입되어 순환유동층을 형성한다.
그리고, 배가스 유입구에서 유동화된 고체입자는 얼마동안은 다공판의 밑면과 충돌하므로서 다공판의 밑부분에 형성될 수 있는 부착물을 제거하는 청소효과를 나타낼 수 있다.
그리고 배가스 유입구의 상부에 순환유동층에서 사용하는 미세 입자보다 좀 더 입경이 큰 고체입자를 넣어 배가스 유입구 부분에 큰 입자의 유동층을 형성할 수 있다. 이러한 큰 입자의 유동층을 형성하므로서 배가스내의 점착성 분진과 산성가스를 배가스가 다공판의 구멍으로 유입되기 전에 일부 제거할 수 있다.
본 발명의 다관형 순환유동층 열교환기에서 비교적 미세한 고체입자를 사용하고 순환유량을 증대시키면, 수직전열관의 전열면에서의 고체입자의 유동화로 인하여 배가스측의 열전달계수가 증가하며, 또한 전열면의 청소효과로 인하여 분진 부착등의 파울링에 의한 전열성능의 감소를 줄일 수 있다.
예를 들어, 고체입자의 순환유량을 증대시켜 배가스유량의 약 5 - 20배 정도를 유지하면, 열전달계수가 약 5-10배 정도 증가될 수 있다.
그리고 수직하강관을 통하여 내려오는 냉각된 다량의 고체입자와 다공판을 통하여 유입되는 고온의 배가스가 다공판과 전열관 배열사이에서 급격하게 혼합되어, 배가스내에 있는 분진중의 점착성의 부식성의 용융염과 고체입자가 접촉하는 과정에서, 이러한 점착성의 분진은 고체입자에 부착되고, 이러한 고체입자는 다른 고체입자와 다시 연결되어 하나의 큰 덩어리를 형성한다.
이러한 큰 덩어리는 다공판 위에서 유동화되지 못하고 다공판의 구멍을 통하여 밑으로 떨어져 분리될 수 있다.
따라서 전열관 배열의 입구에서 점착성 분진들을 사전에 제거하여 열교환기의 전열관에서의 파울링을 크게 줄이는 효과를 얻을 수 있다.
또한 다공판 위에서 다량의 냉각된 고체입자와 고온 배가스의 급격한 혼합으로 인하여 배가스가 다공판 구멍을 통과하면서 급격하게 냉각된다.
따라서 소각로의 배가스의 경우, 약 850 ℃의 배가스를 약 200 ℃정도까지 급속하게 냉각시키게 되면, 소각로 배가스내의 다이옥신의 재형성을 억제할 수 있다.
그리고 고체입자로서 석회석등을 사용하는 경우, 배가스내의 산성성분인 HCl과 SOX등을 일부 제거할 수 있으며, 전열면에서의 부식성 가스 및 분진의 부착에 의한 전열관 재질의 부식을 어느 정도 줄일 수 있다. 그리고 약 0.1-0.2mm직경의 미세한 석회석, 또는 활성탄이나 촉매등을 유동화 매체로 사용하는 경우, 다이옥신의 제거 기능도 얻을 수 있다.
기존 고체입자 순환유동층 특허의 경우, 상승관이 6개이고 하강관이 1개인 것으로 되어 있으나, 본 발명에서는 이것을 scale-up 시키기 위하여 다수의 상승관과 다수의 하강관을 사용한다. 이러한 다수의 상승관과 하강관을 사용하는 경우, 중대형의 배가스처리 및 열회수장치로서의 적용성 및 효율성이 향상될 수 있다.
그리고 상승관이 하나인 일반적인 순환유동층의 경우, 필요한 전열면적을 확보하기 위하여 상승관의 높이가 약 15 - 30 m 정도로 매우 높게 운전한다. 그러나, 이 경우 순환유동층의 상승관의 높이에 따라 배가스내의 고체입자의 입자밀도가 감소하여 상승관의 윗부분에서는 고체입자의 유동화가 원활하지 못하며, 상승관의 높이가 매우 높으므로 배가스측의 압력손실은 매우 크게 된다.
그러나, 다관형 순환유동층에서는 다수의 상승관을 사용할 수 있으므로, 필요 전열면적을 확보한 경우에도 순환유동층의 높이를 약 1m 정도로 운전할 수 있다.
따라서 다관형 순환유동층에서는 배가스측 압력손실을 크게 줄일 수 있으며, 순환유동층의 높이에 따른 고체입자의 입자밀도의 변화가 적어 거의 일정한 유동층의 형성이 가능하다.
그리고 수직관 배열위에서도 고체입자와 가스가 분리되는 과정에서 고체입자-가스의 유동층을 형성하여 고체입자와 가스의 반응을 증대시킬 수 있다.
따라서, 다관형 순환유동층을 사용하는 경우, 고체입자와 가스와의 직접접촉의 효율성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라 다관형 순환유동층에 활성탄이나 촉매 등을 유동화 매체로 사용하는 경우, 다이옥신의 제거 기능도 향상시킬 수 있다.
본 발명은 다수의 상승관과 다수의 하강관을 사용하므로서, 상승관이 하나인 일반적인 순환유동층에 비하여 동일한 전열면적을 갖는 경우, 전열관의 높이를 매우 낮게 만들 수 있다.
그리고 고체입자의 순환이 수직 전열관 배열사이에서 자동적으로 이루어지므로 별도의 고체입자의 이송장치가 필요없다. 따라서 일반적인 순환유동층보다 다관형 순환유동층에서는 배가스측 압력손실이 크게 줄어들고, 순환유동층이 매우 단순화된다.
또한, 다관형 순환유동층의 높이가 매우 낮으므로 기존의 순환유동층과 달리 전열관의 높이에 따른 유동형상의 변화가 비교적 적어 전체의 수직관에서 거의 균일한 유동화가 이루어진다.
따라서 다관형 순환유동층의 경우, 고체입자와 가스의 접촉효율이 매우 높게 나타날 수 있다.
소각로등의 연소배가스로부터 다관형 순환유동층을 사용하여 폐열을 회수할 수 있으며, 이 때 전열관에서의 전열증대와 파울링 저감 효과가 있다. 그리고 석회석등의 미세입자를 사용하고 고체입자의 순환유량을 증대시키면, 배가스내의 산성성분과 용윰염을 제거한다. 또한 열교환기의 입구에서의 배가스의 급속 냉각으로 인하여 다이옥신의 재형성을 억제한다. 그리고 활성탄등의 순환유동층을 형성하는 경우, 다이옥신의 저감도 가능하다.
또한, 본 발명의 다관형 순환유동층 열교환기에서 비교적 미세한 고체입자를 사용하고 순환유량을 증대시키면, 수직전열관의 전열면에서의 고체입자의 유동화로 인하여 배가스측의 열전달계수가 증가하며, 또한 전열면의 청소효과로 인하여 분진 부착등의 파울링에 의한 전열성능의 감소를 줄일 수 있다.
현재 소각로 및 산업체의 연소로의 보급량이 많고, 적용분야가 넓어 시장성 우수하다.
도 1은 본 발명의 전체 개념도
도 2는 고체입자-가스 분리장치의 확대도
도 3은 수직상승관과 수직하강관의 단면도
도 4는 다공판의 확대도
< 도면의 주요부호에 대한 설명>
10: 수직상승관 20: 수직하강관
30: 다공판 31: 다공판구멍
40: 배가스분배실 50: 배가스유입구
60: 냉각유체유입구 70: 고체입자배출밸브
80: 냉각유체배출구 90: 고체입자-가스분리장치
91: 가스배출구 92: 고체입자-가스유입구
93: 고체입자배출구 100: 배가스배출구

Claims (6)

  1. 상부의 배가스배출구와 하부의 배가스유입구와 고체입자배출구를 가지는 케이싱과,
    배가스의 상부방향 이동통로인 다수의 수직상승관과,
    상기 수직상승관의 주위에 위치하며 배가스를 하부방향 이동통로인 다수의 수직하강관과,
    상기 수직상승관과 수직하강관을 감싸며 배가스의 열량을 흡수하는 냉각수단과,
    상기 수직상승관과 수직하강관의 하부에 위치하며, 수직하강관을 통해 나온 배가스와 하부의 배가스유입구의 배가스를 혼합시키는 공간을 마련하고 발생된 분진덩어리를 하향으로 배출시키는 다공판과,
    상기 수직상승관과 수직하강관의 상단 위에 설치되며 고체입자를 분리하는 고체입자분리장치를 포함하고,
    점착성 분진과 배가스내의 산성성분의 일부를 제거하도록 고체입자를 배가스 유입구에 넣어 배가스 유입구의 상부에 별도의 유동층을 형성하는 것을 특징으로 하는 다관형 순환유동층 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    고체입자의 순환을 위해 수직상승관은 수직하강관보다 위와 아래로 좀더 길게 형성됨을 특징으로 하는 다관형 순환유동층 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    다공판의 구멍의 크기와 위치는 수직상승관과 일치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 다관형 순환유동층 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    석회석 또는 활성탄을 유동매체로써 배가스에 더 포함시키는 것을 특징으로 하는 다관형 순환유동층 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    고체입자분리장치는 다수의 절곡된 판이 배치되어, 하부에서는 일부면적만이 가스를 통과시키는 고체입자-가스유입구가 형성되고, 상부에서는 가스의 유동방향을 차단하여 가스내의 입자를 속도를 줄이며 배가스를 방출하는 가스배출구가 구성되고, 상기 속도가 감소된 입자가 떨어져 쌓이는 포집홈이 형성되고 , 포집홈구멍이 상기 포집홈의 하부에 뭉쳐서 커진 입자가 밑으로 떨어지도록 형성되는 고체입자배출구가 형성되는 것을 특징으로 하는 다관형 순환유동층 장치.
KR10-2002-0076368A 2002-12-03 2002-12-03 고체입자-가스의 고밀도 매체를 사용한 다관형 순환유동층 장치 KR100519803B1 (ko)

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KR10-2002-0076368A KR100519803B1 (ko) 2002-12-03 2002-12-03 고체입자-가스의 고밀도 매체를 사용한 다관형 순환유동층 장치

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR970044828U (ko) * 1997-04-29 1997-07-31 한스엔지니어링주식회사 내부 집진구조를 구비하는 열교환기
KR19990000051A (ko) * 1997-06-02 1999-01-15 손영목 배기가스 폐열회수용 고체입자 순환유동층 열교환기
KR20010009046A (ko) * 1999-07-07 2001-02-05 장병주 반건식 반응기와 백필터를 일체화 한 소각 배출가스 처리장치
JP2002162021A (ja) * 2000-11-27 2002-06-07 Kogure Seisakusho:Kk ガスクーラ

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