KR100725001B1 - 유동층 반응기용 유동화 가스 공급용 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동층 반응기용 유동화 가스 공급용 노즐에 관한 것으로, 그 목적은 유동층 하부 가스분산판에 심어져 있는 가스 공급 노즐을 고체 입자에 의한 막힘을 방지함으로써 노즐에 있어서 공급 가스에 의한 압력강하를 줄이고 우동층에 공급되는 가스를 로 면적에 골고루 분산시킬 수 있으며 제작하기 간편한 가스 공급 노즐을 제공하는데 있다.

본 발명의 구성은 노즐헤드(23)에 삽입되는 가스유입관(22)으로 구성된 분산노즐로 구성하되; 상기 노즐헤드(23)의 내부 측면에 수평면으로부터 30°~ 85°의 경사각도를 가지는 가스분출구(25)를 천공 형성하고, 상기 노즐헤드(23) 내부에 가스분출구(25)의 경사가 시작되는 지점으로부터 상방향으로 가스유입관(22)의 직경 및 높이보다 큰 직경 및 높이를 갖는 빈공간을 형성하고, 상기 가스분출구(25)의 경사가 시작되는 지점의 아래쪽으로는 가스유입관이 삽입되도록 그 외경에 해당되는 직경을 가지는 구멍을 천공하고, 가스유입관(22) 끝단이 가스분출구(25)의 경사가 시작되는 지점보다 더 높은 높이를 갖도록 노즐헤드 내부에 돌출 삽입시킨 돌출부(26)를 형성하여 구성한 것을 특징으로 한다.

유동층, 연소로, 가스 공급 노즐부 , 공기 유입관, 입자 역류

Description

유동층 반응기용 유동화 가스 공급용 노즐{Fluidizing gas Nozzle assembly in a fluidized bed reactor}

도 1 은 순환 유동층 연소로의 개략도이고,

도 2 는 유동층 연소로의 공기공급 노즐부가 심어진 분산판이며,

도 3 은 공기공급 노즐부에 심어진 본 발명의 분산 노즐이고,

도 4 는 돌출부를 형성하지 않은 형태의 분산노즐이며,

도 5 는 본 발명 도 3의 1'I' 부분을 확대한 부분 확대도이고,

도 6 은 본 발명의 또 다른 실시예인 요(凹) 형태의 가스유입관을 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 연소로 (2) : 사이클론

(10) : 입자층 (11) : 일차공기

(12) : 공기 상자 (13) : 분산판

(14) : 2차 또는 3차 공기용 공급관 (15) : 연료 투입관

(20) : 공기(가스) 공급 노즐부 (2l) : 공기(가스) 공급 노즐

(22) : 공기(가스) 유입관 (23) : 노즐 헤드

(25) : 공기(가스) 분출구 (26) : 돌출부

본 발명은 유동층 반응기용 유동화 가스 공급용 노즐에 관한 것으로, 상세하게는 유동층에 공급되는 유동화 가스를 층내에 고르게 분산시키고 고체 입자인 유동매체가 가스 공급용 노즐을 통하여 역류해서 공기 상자로 유입되는 현상을 방지하고 역류에 의하여 노즐의 부분적인 막힘에 의하여 그에 걸리는 압력 강하를 줄일 수 있는 가스 공급용 노즐에 관련된 것이다.

유동층은 고체 입자간의 격렬한 혼합으로 인한 높은 열전달 및 물질전달, 온도 제어 용이성 등으로 반응기로서 산업적으로 그 사용 예가 매우 많다. 특히 연소에 있어서는 높은 연소효율과 조업조건인 800~950℃의 비교적 낮은 연소온도에 따른 질소산화물 생성억제 효과, 석회석의 로내 투입을 통한 황산화물의 배출제어, 다양한 연료에 대한 동시처리가 가능하고 연료의 변동폭에 대한 수용능력이 좋아 석탄 보일러뿐만 아니라 각종 폐기물용 소각로서도 각광을 받고 있다.

유동층은 사용되는 입자의 크기와 유동층내에서의 가스의 공탑속도에 따라 기포유동층(Bubbling fluidized bed)과 순환유동층(Circulating fluidized bed)으로 구분되는데 층물질의 입자 크기는 공정마다 다를 수 있으나 통상 기포유동층 연 소로에서는 평균 입경이 700~1OOO㎛ , 유속은 1.5~ 2.5m/sec 그리고 순환유동층 연소로에서는 300㎛의 평균 입경, 유속은 4~6m/sec 의 범위에서 정상 운전된다.

기포유동층은 가스 공급 노즐부로부터 분출되는 가스는 고체 입자들 사이로 흐르는 가스 부분이외는 모두 기포 형태로 입자층을 통과하며 입자층 부분과 프리보드 부분으로 구분되는 층표면이 존재하는 특정을 갖고 있는 반면 순환유동층은 층내에 기포가 존재하지 않고 고체 입자층 표면이 구분되지 않으며 기포유동층보다 고체 입자층에서의 고체입자 밀도가 작은 특징을 갖고 있다.

하지만 두 형태 모두 공통적으로 가스를 유동층으로 공급하기 위한 가스 공급 노즐이 심어져 있는 분산판과 그 하부에는 압입송풍기로부터 공급되는 가스의 흐름을 안정시키기 위한 공기상자가 구비되어 있다.

도 1에서 나타낸 바와 같이 유동층의 일예인 순환유동층 연소로와 관련지어 구체적으로 서술하면 다음과 같다.

유동층에는 모래, 또는 연료인 석탄의 회분 또는 탈황을 목적으로 투입되는 석회석과 같은 흡수제로 구성된 입자층(10)이 존재하며 연소용 공기는 도면에는 나타내지는 않았지만 압입 송풍기로부터 열교환기를 지나 그 일부는 1차공기로서 연소로(1)의 하부인 공기 상자를 거쳐 분산판(l3)에 의하여 지지되고 있는 공기 공급 노즐부(20)로 유입되어 로내로 공급되어 유동층을 형성하고 나머지 일부는 분산판(13) 상단의 측벽면에 부착된 2차 또는 3차 공기용 공급관(14)으로 공급된다. 석탄 등 각종 연료가 연소로(1) 하부에 부착되어 있는 연료 투입관(15)을 통하 여 이를 입자 층으로 투입되면 입자와 격렬히 혼합되면서 연소가 연소로 전역에 걸쳐 진행되게 된다.

도면에는 표시되어 있지 않았지만 연소에 의하여 발생되는 열은 연소로 내부에 설치되어 있는 수관을 통하여 회수되고 연소가스는 대류 전열부에서 폐열을 회수하고 집진기를 거쳐 대기로 방출된다.

순환유동층에서는 입자크기가 작고 유속이 크기 때문에 연소 가스에 의하여 비말동반되어 연소로 출구로 유출되는 고체 입자는 사이클론(2)에서 포집되어 연소로 하부로 다시 재순환된다.

도 2 는 유동층 연소로의 공기 공급 노즐부(20)가 심어진 분산판(13)을 도시한 것으로 공기 공급 노즐부(20)는 분산판(13) 위에 층 전역에 걸친 공기의 균등한 공급을 위하여 적절한 간격과 배열로 심어져 있다.

한편, 연소로 하부에 위치한 연소용 1차공기 공급 노즐로부터 분출되는 지역은 상부부분에서의 고체-기체간의 거동 특성 때문에 압력 변동이 심하게 일어나서 한 개의 노즐부위에 작용하는 순간적인 압력이 작은 부분은 공기의 유량이 커지고 반대로 압력이 크게 작용하는 부분은 공기의 유량이 작을 수 있고 또한 경부하로 운전할 경우에는 공기 분출구에서 유속이 작아지고 특히 운전 정지시에는 공기의 유속이 급격히 줄어들면서 공기 공급 노즐로부터 층물질을 이루고 있는 고체 입자들이 공기상자로 역류되어 운전을 정지시키거나 유출된 층입자를 처리하기 위하여 많은 시간과 경비가 소요되는 문제점이 발생되었다.

또한 분산판에 심어진 일부 분산 노즐은 층입자에 의한 공기분출구의 막힘 현상 때문에 공기의 공급이 층 전역에 걸쳐 균등하게 배분되지 못하여 온도의 불균일에 의한 층입자 응집, 연소효율 저하, 배가스 제어 효율 악화의 원인이 되기도 한다.

이러한 층물질의 역류에 의한 공기 상자로의 유입을 방지하는 방법으로서 공기 분출 경로를 경사지도록 제작하여(미국 특허 제 5,575,086호) 사용되고 있으나 경부하 운전 혹은 운전 정지시에는 모래 유출에 대한 문제가 여전히 대두되고 있다.

한편 공기 분출구를 곡관으로 만들어(독일 특허 제3,224,909호) 사용하기도 하는데 이는 경부하시 곡관으로 층물질이 유입되어 상기 언급한 바와 같이 공기 분출관이 막혀 층 면적 전체로 공기의 균일한 공급이 달성되기 어려운 문제점이 있다.

공기 유입관과 공기 분출구 사이에 체크밸브 효과를 낼 수 있는 부유체를 장착하는 고안(미국 특허 제5,286,188호)도 마련되어 있으나 노즐의 제작상 비용이 많이 드는 경향이 있을 뿐 아니라 층물질 입자가 부유체와 공기 유입관 측면 사이에 끼일 경우 부유체의 원활한 작동이 어려워 공기의 유입을 차단하는 등의 문제점이 발생될 수 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 유동층 하부 가스분 산판에 심어져 있는 가스 공급 노즐로부터 층 매체인 고체 입자가 역류되어 공기 상자로 유입되는 것을 억제하거나 가스가 노즐을 통하여 유동층내로 분출하는 경로에 있어서 고체 입자에 의한 막힘을 방지함으로써 노즐에 있어서 공급 가스에 의한 압력강하를 줄이고 유동층에 공급되는 가스를 로 면적에 골고루 분산시킬 수 있으며 제작하기 간편한 가스 공급 노즐을 제공하는데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 유동층 반응기용 유동화 가스 공급용 분산노즐에 있어서,

노즐헤드(23)에 삽입되는 가스유입관(22)으로 구성된 분산노즐로 구성하되;

상기 노즐헤드(23)의 내부 측면에 수평면으로부터 30°~ 85°의 경사각도를 가지는 가스분출구(25)를 천공 형성하고,

상기 노즐헤드(23) 내부에 가스분출구(25)의 경사가 시작되는 지점(A, B)으로부터 상방향으로 가스유입관(22)의 직경 및 높이보다 큰 직경(D) 및 높이(E)를 갖는 빈공간을 형성하고,

상기 가스분출구(25)의 경사가 시작되는 지점(A)의 아래쪽으로는 가스유입관이 삽입되도록 그 외경에 해당되는 직경(C)을 가지는 구멍을 천공하고,

가스유입관(22) 끝단이 가스분출구(25)의 경사가 시작되는 지점(A, B)보다 더 높은 높이(F)를 갖도록 노즐헤드 내부에 돌출 삽입시킨 돌출부(26)를 형성하여 구성한 것을 특징으로 한다.

또한 상기 가스분출구(25)는 적어도 1개 이상의 육상트랙(

) 형상을 갖도록 형성한다.

또한 상기 가스유입관(22)이 노즐헤드(23)와 결합되는 쪽의 가스유입관(22)의 끝단 형상을 요(凹)형태로 한다.

본 발명 유동층 연소로용 공기 공급용 노즐은 일차적으로 연소로용으로 발명됐지만 연소가 동반되지 않는 많은 다른 용도의 유동층에서도 적용될 수 있는데 연소로 이외의 타용도로 응용될 경우는 공기 대신 각 용도에 합당한 가스로 대체되므로 본 발명서의 용어 사용에 있어서 가스와 공기를 같은 뜻으로 혼용하여 사용하였다.

이하 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3 은 공기공급 노즐부에 심어진 본 발명의 분산 노즐이고, 도 5 는 본 발명 도 3의 'I' 부분을 확대한 부분 확대도이고, 도 6 은 본 발명의 또 다른 실시예인 요(凹) 형태의 가스유입관을 나타낸 도면이다.

먼저 본 발명의 실시예를 나타낸 도 3의 노즐헤드 부분(Ⅰ)을 확대한 도 5와 가스유입관(22)의 또 다른 실시예를 나타낸 도 6을 참조하여 본 발명의 구성을 설명하겠다.

본 발명에 의한 분산 노즐은 노즐헤드(23)와 가스유입관(22)으로 구성되어 있다.

상기 노즐헤드(23)의 측면에는 수평면으로부터 30°~ 85°의 경사진 적어도 1개 이상의 가스분출구(25)가 천공되어 있으며, 노즐헤드 내부에는 가스분출구(25)의 경사가 시작되는 지점(A, B)으로부터 상방향으로 가스유입관(22)의 직경보다 큰 직경 D에 높이 E를 갖는 빈공간이 마련되고, 가스분출구의 경사가 시작되는 지점 A의 아래쪽으로는 직경 C의 구멍이 천공되어 가스유입관이 삽입될 수 있도록 하고, 가스유입관 끝단이 가스분출구의 경사가 시작되는 지점(A, B)보다 더 높게 노즐헤드 내부에 삽입되어 높이 F의 돌출부(26)가 형성되도록 하는 구조를 이루고 있다.

상기 가스분출구(25)가 수평면과 이루는 경사를 30°~ 85° 이내로 한정한 이유는 층물질의 안식각보다 크게 하여 가스분출구(25)내로 역류된 층물질이 가스분출구(25)내에서 머물지 않고 노즐 밖으로 흘러내리게 하기 위함이다.

상기 가스분출구(25)는 적어도 1개 이상으로 하는데 바람직한 가스분출구의 개수는 3 ~ 8개 이내이다.

그 한정 이유는 가스분출구의 개수를 3개 이하로 할 경우에는 층내로 공급되는 가스의 분출방향이 편중되어 층물질이 유동되지 않는 정체영역을 형성할 수 있고 8개 이상으로 할 경우에는 분산노즐의 헤드에 가스분출구(25)의 배열이 마땅하지 않아 제작상의 어려움이 따르기 때문이다.

도 3에서 보는 바와 같이 가스분출구(25)의 단면 형상은 원형 타원형으로 하 여도 무방하나 육상트랙(

)과 같은 단면 형상으로 하는 것이 노즐헤드의 전체크기를 작게 하면서도 공기분출구(25)의 면적을 넓게 하는 효과를 볼 수 있다.

노즐헤드는 원추형으로 하여 상부 모서리가 없는 구조를 이루고 있으며, 가스분출구(25)의 끝단은 모따기를 하여 층입자의 움직임에 의한 마모 부분을 줄였다.

상기 가스유입관(22)의 크기는 연소로(1)에 적용할 경우에는 직경이 1.5에서 2인치 정도가 적당하지만 유동층의 용량과 용도에 따라 그 크기를 달리할 수 있다.

상기 가스유입관의 형상은 도 6과 같이 가스유입관(22)이 노즐헤드(23)와 결합되는 쪽의 가스유입관(2)의 끝단을 요(凹)형태로 하여 제작의 편이성을 제공할 수도 있다.

상기와 같이 노즐헤드(23)와 결합되는 쪽의 가스유입관(2)의 끝단을 요(凹)형태로 한정한 이유는 다수개의 노즐 제작시 돌출부(26)의 높이 F를 일정하게 하는 효과가 있다.

이하 본 발명에 의한 분산노즐의 작용을 도 4와 도 5를 참조하여 상세하게 설명하겠다.

도 4는 돌출부를 형성하지 않은 형태의 분산노즐을 도시하고 있는데, 도 5에서 보이는 바와 같이 공급되는 가스의 경로를 살펴보면 수직으로 세워진 가스유입관(22)으로 가스가 공급되고 차례로 노즐헤드(23)의 안쪽에 마련된 빈공간으로 향하다가 노즐헤드의 천정 안쪽면에 막혀 유로가 수평방향으로 변하고, 돌출부(26)와 노즐헤드(23) 안쪽 측면사이에 마련된 통로를 통하여 아래쪽 방향으로 향하다가 경사진 가스분출구(25)를 통하여 층내로 공급된다.

상기 돌출부(26)는 가스유입관(22)으로 공급된 상방향의 가스의 유로를 하방향으로 바꾸면서 가스의 흐름을 균일하게 하는 역할을 할 뿐만 아니라, 층내 모래입자의 역류를 막는 역할을 수행한다.

유동층 내부는 기포가 합체 하여 성장하고 압력이 낮은 상부로 이동함에 따라 압력변동이 있게 되며, 이 압력변동은 국부적으로 차이가 날 수 있다.

이러한 국부적인 압력차이는 분산노즐에서의 압력보다 커서 층물질이 분산노즐로 역류하게 되는데, 도 4에서와 같이 도 5의 돌출부(26)가 없는 경우에는 층물질이 분산노즐의 가스분출구(22)를 타고 역류하여 공기상자(12)로 떨어지게 되지만 도 5에서 보는 바와 같이 돌출부(26)가 형성되어 있는 본 발명에서는 돌출부(26)에 의해서 역류한 층물질이 공기상자(12)로 떨어지지 못하고 다시 층으로 되돌아가게 된다.

따라서 본 발명에서와 같은 분산노즐을 사용할 경우 층물질이 분산노즐을 통하여 공기상자로 역류하는 일이 없고 층내로 가스를 균일하게 공급할 수 있게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명은 유동층 연소로를 포함하는 각종 다양한 반응기의 가스 분산판에 심어져 있는 유동화 가스 공급용 분산 노즐의 헤드내부에 가스 유입관이 삽입되어 돌출부가 형성되도록 구조를 하여 분산노즐의 가스 유입관에서 노즐 헤드로 흐르는 가스의 유로가 수직하향을 이루도록 한 후 재차 가스 분출구를 통하여 경사진 하향을 이루도록 구성하는데, 이러한 분산 노즐의 구조에서는 유동층을 형성하는 층물질인 고체 입자가 유동층의 경부하 또는 운전 정지시에도 가스공급 분산 노즐의 공기 분출구를 통하여 역류되어 공기 상자로 유입이 방지되므로 이로 인한 유동층의 운전 정지 없이 연속 가동 시간 연장을 가능케 하고, 유지 보수에 따른 경비를 절감할 수 있을 뿐 아니라 공기 상자에 누적되는 고체 입자의 제거를 위한 노력이 불필요하게 되어 공장 전체의 생산성 향상을 높일 수 있다는 장점이 있다.

또한 가스 공급 분산 노즐의 역류에 의한 가스유로의 막힘 현상을 방지함으로써 가스 공급분산 노즐에 걸리는 압력강하를 줄이고 부분적인 층내에서의 정체 영역을 줄여 유동층 내에서의 온도 편차 현상을 줄일 수 있으며, 가스 분출구의 면적을 크게 함으로써 유동층에 소요되는 가스 공급 노즐의 총 개수를 줄이고 구조를 단순화시킴으로써 유동층 가스 공급 노즐부 제작에 대한 경비를 경감시킬 수 있다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

Claims (3)

1. 유동층 반응기용 유동화 가스 공급용 분산노즐에 있어서,

   노즐헤드(23)에 삽입되는 가스유입관(22)으로 구성된 분산노즐로 구성하되;

   상기 노즐헤드(23)의 내부 측면에 수평면으로부터 30°~ 85°의 경사각도를 가지는 가스분출구(25)를 천공 형성하고,

   상기 노즐헤드(23) 내부에 가스분출구(25)의 경사가 시작되는 지점(A, B)으로부터 상방향으로 가스유입관(22)의 직경 및 높이보다 큰 직경(D) 및 높이(E)를 갖는 빈공간을 형성하고,

   상기 가스분출구(25)의 경사가 시작되는 지점(A)의 아래쪽으로는 가스유입관이 삽입되도록 그 외경에 해당되는 직경(C)을 가지는 구멍을 천공하고,

   가스유입관(22) 끝단이 가스분출구(25)의 경사가 시작되는 지점(A, B)보다 더 높은 높이(F)를 갖도록 노즐헤드 내부에 돌출 삽입시킨 돌출부(26)를 형성하여 구성한 것을 특징으로 하는 유동층 반응기용 유동화 가스 공급용 노즐.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 가스분출구(25)는 적어도 1개 이상의 육상트랙(

   

   ) 형상을 갖도록 형성한 것을 특징으로 하는 유동층 반응기용 유동화 가스 공급용 노즐.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 가스유입관(22)이 노즐헤드(23)와 결합되는 쪽의 가스유입관(22)의 끝단 형상을 요(凹)형태로 한 것을 특징으로 하는 유동층 반응기용 유동화 가스 공급용 노즐.

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