KR100901267B1 - 산소 부화식 합성가스 연소장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산소 부화식 합성가스 연소장치에 관한 것으로서, 합성가스가 유입되는 합성가스 유입부가 마련되고, 연소가스가 배출되는 연소가스 배출구가 마련되는 연소로와, 연소로의 합성가스 유입부 측에 설치되며, 합성가스를 점화시키는 연소버너와, 연소로의 합성가스 유입부 측에 마련되고 연소로 내측으로 합성가스와 혼합되기 위한 산소를 유입시키는 산소 유입부를 포함한다. 따라서, 본 발명은 합성가스 유입부에 산소 유입을 위한 산소 유입부를 구비하여 고압의 반응기로부터 배출되는 미연소 합성가스가 유입 시 부화식으로 공급되는 산화제인 산소에 의해 연소로의 연소 영역 내에서 자연스럽게 합성가스와 산소가 교차, 혼합되어 미연소 합성가스를 고효율로 완전 연소시킬 수 있고, 연소로 에 공기 및 산소를 교차하여 주입할 수 있도록 구성하여 공기 및 산소를 동시에 공급함으로써 연소로 내부의 혼합을 증진시키며, 유적(flow path)의 길이를 증대시켜서 열 유동 형태를 제어함으로써 전체 시스템 운전 조건에 따른 연소장치의 운전이 용이하도록 하고, 이로 인해 미연소 가스가 많이 포함되는 합성가스 또는 낮은 발열량을 가지는 합성가스의 유입 시에도 고효율로 완전 연소시킬 수 있는 효과를 가지고 있다.
합성가스(synthesis gas), 산소 부화(oxygen enrichment), 연소로, 연소버너

Description

산소 부화식 합성가스 연소장치{OXYGEN ENRICHMENT TYPE COMBUSTION APPARATUS OF SYNTHESIS GAS}
본 발명은 폐기물의 고온열분해 또는 가스화를 통하여 발생하는 미연소 합성가스를 완전히 2차 연소시킬 수 있도록 함과 아울러 전체 시스템 운전 조건에 따른 연소장치의 운전이 용이하도록 하는 산소 부화식 합성가스 연소장치에 관한 것이다.
산업의 발달과 더불어 각종 산업현장에서는 다양한 종류의 폐기물이 발생되고 있다. 이러한 폐기물을 처리하기 위하여 일정 장소에 매립하는 경우 환경오염을 유발시킴으로써 사회문제를 야기 시킨다.
폐기물을 처리하는 다른 방법으로 소각하는 방법을 들 수 있는데, 폐기물을 소각에 의해 처리하는 경우 다이옥신의 배출과 중금속이 함유된 재의 발생 등으로 인해 2차 공해물질을 배출시키게 된다.
이러한 폐기물의 처리방식들에 대한 문제점으로 인해 폐기물을 열분해에 의해 가스화하는 처리 방식이 매립과 소각 방식의 대안으로 사용되고 있다.
종래의 폐기물을 열분해하여 가스화하는 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 기술에 따른 폐기물 열분해 가스화 시스템을 도시한 블록도이다. 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 폐기물 열분해 가스화 시스템(10)은 폐기물이 폐기물 공급 장치(11)에 의해 고압 반응기(12)로 공급되면, 고압 반응기(12) 내에서 폐기물에 대한 열분해 또는 가스화가 이루어지고, 이로 인해 발생되는 합성가스는 합성가스 연소장치(13)를 통과하면서 2차로 연소되며, 연소된 가스는 열교환기(14)를 거쳐서 냉각되어 스크러버(15)에 의해 처리된다.
한편, 폐기물 열분해 가스화 시스템(10)에서 미연소 합성가스를 2차로 연소시키는 합성가스 연소장치(13)는 공급되는 합성가스를 연소시키기 위하여 별도의 연소기를 두거나, 다단의 연소실을 두어 합성가스를 단계적으로 연소시키게 된다.
상기한 바와 같이, 종래의 기술에 따른 폐기물 열분해 가스화 시스템에서 합성가스 연소장치는 미연소 가스가 많이 포함된 경우 공기만 유입하여 연소 시 연소 속도가 늦어져 미연소 되는 경우가 발생하고, 타르와 같은 응축성 가스 및 유기독성 가스에 의해 후단 설비의 배관 내부에 퇴적물을 형성시켜 설비의 효율을 떨어뜨리게 되는 문제점을 가지고 있었다.
또한, 종래의 기술에 따른 합성가스 연소장치는 공기의 활용이 오히려, 반응로 내부의 가스 온도 저하, 유동 불균일 등의 역효과를 발생시키고, 내부로 공급되는 공기 분사 여부 및 분사 노즐의 위치, 주입량 등에 민감한 영향을 나타내며, 낮은 발열량을 가지는 연소 가스의 유입 시에도 내부의 온도를 제어하기가 어려운 단점이 있다.
그러므로, 본 발명은 합성가스가 유입되는 배관에 산소를 주입하기 위한 구성을 가짐으로써 .고압 반응기로부터 미연소 합성가스가 유입 시 부화식으로 산소를 공급하고, 내부의 연소 영역 내에서 미연소 합성가스와 산소 및 공기가 자연스럽게 교차, 혼합되도록 하며, 이로 인해 미연소 합성가스의 불완전 연소 물질을 산소와 같은 산화제와 충분히 반응시킴으로써 공해 물질의 발생률을 저감시키고, 미연소 반응가스를 완전히 연소시킬 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 산소 부화식 합성가스 연소장치는, 폐기물의 열분해 또는 가스화에 의해 발생되는 합성가스를 연소시키는 장치에 있어서, 합성가스가 유입되는 합성가스 유입부가 마련되고, 연소가스가 배출되는 연소가스 배출구가 마련되는 연소로와, 연소로의 합성가스 유입부 측에 설치되며, 합성가스를 점화시키는 연소버너와, 연소로의 합성가스 유입부 측에 마련되고, 연소로 내측으로 합성가스와 혼합되기 위한 산소를 유입시키는 산소 유입부를 포함하고, 연소로는, 내측으로 공기 또는 산소가 공급되도록 공기 공급관 또는 산소 공급관이 설치되되, 공기 공급관 또는 산소 공급관이 접선 방향으로 공기 또는 산소를 공급하여 와류를 형성시킨다.
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연소로(110)는 각각이 길이 방향으로 서로 플랜지 결합(113a)되는 다수의 단(113)으로 이루어지고, 각 단(113)의 외주면에 외부의 냉각수 순환공급부(114)로부터 냉각수 순환라인(115)을 따라 냉각수가 순환 공급되는 냉각자켓(116)이 각각 설치되며, 하부에 합성가스의 연소 불꽃을 통한 화염 상태, 안정성을 관찰함과 아울러 가시화하기 위하여 제 1 관찰창(117)과 상부에 합성가스의 점화 상태를 관찰할 수 있도록 하는 제 2 관찰창(118)이 각각 마련되고, 내부벽 조건이 화염의 온도 에 영향을 주기 때문에 내부 열손실 방지 및 연소로(110)의 보호를 위하여 내측에 내화물(refractory; 119)이 설치된다.
연소버너(120)는 연소로(110)에서 합성가스 유입부(111)가 위치하는 측에 설치되며, 합성가스를 점화시키기 위한 점화원의 역할을 한다.
산소 유입부(130)는 연소로(110)에서 합성가스 유입부(111)가 위치하는 측에 마련되고, 연소로(110) 내측으로 산소를 유입시킴으로써 산소가 합성가스 유입부(111)를 통해 공급되는 합성가스와 혼합되도록 한다.
산소 유입부(130)는 도 3에 도시된 바와 같이, 합성가스와의 혼합을 원활하게 하기 위하여 합성가스 유입부(111)의 외주면에 형성되는 산소유입공간(131)과, 산소유입공간(131)에 산소를 유입시키는 산소유입관(132)과, 산소유입공간(131) 상단에 합성가스 유입부(111)의 출구(111a) 둘레를 따라 형성되는 다수의 산소공급홀(133)을 포함한다.
산소유입공간(131)은 관(pipe)으로 이루어지는 합성가스 유입부(111)를 이중관으로 형성함으로써 합성가스 유입부(111)의 외주면을 따라 형성되는 공간으로서 하측에 마련되는 산소유입관(132)을 통해 산소를 공급받는다.
산소유입관(132)은 단일로 이루어질 수 있으나, 산소유입공간(131)으로 산소를 균일하게 공급하도록 다수로 이루어질 수 있으며, 외부의 산소공급부로부터 산소를 공급받아 산소유입공간(131)으로 산소를 공급한다.
산소공급홀(133)은 산소를 연소로(110) 내측으로 공급시키기 위한 노즐 역할을 하는데, 산소유입공간(131)으로부터 유입되는 산소를 합성가스 유입부(111)의 출구(111a) 둘레로 공급시킴으로써 합성가스 유입부(111)로부터 유입되는 합성가스에 산소가 원활하게 혼합되도록 한다.
연소로(110)는 공기와 산소를 각각 공급함으로써 합성가스의 연소 효율을 높이기 위하여 공기 공급관(140)과 산소 공급관(150)이 각각 마련된다.
공기 공급관(140)은 하나 또는 2 이상으로 이루어지고, 연소로(110)의 하부에 설치되며, 도 4에 도시된 바와 같이, 연소로(110) 내측의 평면상에 위치하는 임의의 원(O)에 접선 방향으로 공기를 공급하여 와류를 형성시키고, 와류 형성 효율을 높이기 위하여 끝단이 연소로(110) 내측으로 삽입되도록 설치된다.
산소 공급관(150)은 하나 또는 2 이상으로 이루어지고, 연소로(110)의 하부에 설치되며, 도 5에 도시된 바와 같이, 연소로(110) 내측의 평면상에 위치하는 임의의 원(O')에 접선 방향으로 산소를 공급하여 와류를 형성시키고, 와류 형성 효율을 높이기 위하여 끝단이 연소로(110) 내측으로 삽입되도록 설치된다.
한편, 공기 공급관(140)과 산소 공급관(150)은 송풍기에 의해 공급량 및 공급 압력을 조절할 수 있고, 연소용 공기 및 산소를 균일하게 공급하기 위하여 연소용 공기 및 산소의 공급 경로 상에 각각 설치되는 가변면적 유량계(rotameter)를 통해 연소용 공기 및 산소를 연소로(110)에 각각 공급할 수 있다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 산소 부화식 합성가스 연소장치의 작동 및 작용을 설명하면 다음과 같다.
폐기물의 열분해 처리시 고온.고압 반응기(12; 도 1에 도시)에서 생성된 미연소 합성가스는 합성가스 유입부(111)를 통해서 연소로(110) 내부로 유입된다. 이 때, 합성가스 유입부(111)에 산소 유입부(130)를 마련함으로써 합성가스 유입시 산소가 산소공급홀(133)을 통해 부화(oxygen enrichment)식으로 공급되어 하부의 연소버너(120)에서 점화가 이루어져서 합성가스 및 산소가 연소로(110)의 연소 영역 내에서 자연스럽게 교차, 혼합되어 연소 효율을 증가시키고, 화염 높이를 적정하게 유지하며, 연소로(110) 내의 유동 형태를 적절하게 형성함으로써 효율적인 유동패턴을 만들어 미연소 합성가스를 완전 연소시키게 된다.
이 때, 합성가스와 산소의 혼합 효과를 상승시켜 연소를 원활하게 해주기 위하여 산소 유입부(130)를 통해서 공급되는 산소의 투입량 등을 조절하게 되며, 합성가스의 연소에 의해 형성되는 연소가스는 연소가스 배출구(112)를 통해서 열교환기(14; 도 1에 도시)로 회수되어 냉각된다.
한편, 연소로(110)에 유입되는 미연소 합성가스 내 미연소 가스가 많을 경우에는 송풍기(blower)를 이용하여 공기 공급관(140)을 통해 와류를 형성하도록 교차식으로 연소용 공기를 연소로(110)에 유입함으로써 연소 속도를 빠르게 유지하여 연소 효율을 높이고, 연소장치(100)의 운전이 용이하도록 할 수 있으며, 낮은 발열량을 가지는 합성가스의 유입 시에도 산소 공급관(150)을 통해 와류를 형성하도록 교차식으로 산소만을 연소로(110)에 공급함으로써 열교환기(14; 도 1에 도시)로 유입 시 온도 제어가 용이하도록 할 수 있다.
이와 같이, 산소와 공기를 동시 또는 별도로 공급함으로써 전체 시스템 운전 조건에 따라서 본 발명에 따른 연소장치의 운전 및 내부 온도 제어가 용이하고, 미연소 합성가스를 고효율로 완전 연소시킬 수 있으며, 종래의 연소장치에 비해서 장 치를 작게 제작할 수 있어서 이에 따른 제작 비용의 절감 효과를 얻을 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하며, 이러한 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다할 것이다.
도 1은 종래의 기술에 따른 폐기물 열분해 가스화 시스템을 도시한 블럭도이고,
도 2는 본 발명에 따른 산소 부화식 합성가스 연소장치를 도시한 구성도이고,
도 3은 본 발명에 따른 산소 부화식 합성가스 연소장치의 산소 유입부를 도시한 사시도이고,
도 4는 도 2의 A-A'선에 따른 단면도이고,
도 5는 도 2의 B-B'선에 따른 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 연소로 111 : 합성가스 유입부
111a : 출구 112 : 연소가스 배출구
113 : 단 113a : 플랜지 결합
114 : 냉각수 순환공급부 115 : 냉각수 순환라인
116 : 냉각자켓 117 : 제 1 관찰창
118 : 제 2 관찰창 119 : 내화물
120 : 연소버너 130 : 산소 유입부
131 : 산소유입공간 132 : 산소유입관
133 : 산소공급홀 140 : 공기 공급관
150 : 산소 공급관

Claims (5)

  1. 폐기물의 열분해 또는 가스화에 의해 발생되는 합성가스를 연소시키는 장치에 있어서,
    합성가스가 유입되는 합성가스 유입부가 마련되고, 연소가스가 배출되는 연소가스 배출구가 마련되는 연소로와,
    상기 연소로의 합성가스 유입부 측에 설치되며, 합성가스를 점화시키는 연소버너와,
    상기 연소로의 합성가스 유입부 측에 마련되고, 상기 연소로 내측으로 합성가스와 혼합되기 위한 산소를 유입시키는 산소 유입부를 포함하고,
    상기 연소로는,
    내측으로 공기 또는 산소가 공급되도록 공기 공급관 또는 산소 공급관이 설치되되, 상기 공기 공급관 또는 상기 산소 공급관이 접선 방향으로 공기 또는 산소를 공급하여 와류를 형성시키는 것
    을 특징으로 하는 산소 부화식 합성가스 연소장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 산소 유입부는,
    상기 합성가스 유입부의 외주면에 형성되는 산소유입공간과,
    상기 산소유입공간에 산소를 유입시키는 산소유입관과,
    상기 산소유입공간의 상단에 상기 합성가스 유입부의 출구 둘레를 따라 형성되어 상기 연소로로 산소를 공급하는 다수의 산소공급홀
    을 포함하는 산소 부화식 합성가스 연소장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소로는,
    길이 방향으로 서로 플랜지 결합되는 다수의 단으로 이루어지고,
    각 단의 외주면에 냉각수가 순환 공급되는 냉각자켓이 설치되는 것
    을 특징으로 하는 산소 부화식 합성가스 연소장치.
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