KR100999470B1

KR100999470B1 - 사각 형태의 이단 순환 유동층 반응기

Info

Publication number: KR100999470B1
Application number: KR1020080069806A
Authority: KR
Inventors: 이시훈; 이재구; 김상돈; 서명원
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2010-12-09
Also published as: KR20100009098A

Abstract

본 발명은 연소 영역과 가스화 영역을 분리한 사각형태의 이단 순환 유동층 (dual circulating fluidized bed) 반응기에 대한 것이다.

본 발명에 따른 이단 순환 유동층 반응기는 고체 연료의 연소 반응이 일어나는 직사각형 형태의 상승 관과, 상기 상승 관의 상부에 연결되어 고체 연료 중 고체 입자와 연소 반응에서 발생된 기체를 분리하는 제1싸이클론과, 상기 싸이클론의 하단부에 연결되는 하강 관과, 상기 하강관과 연결되어 상기 고체 연료의 가스화 반응을 일어나도록 기포 유동층으로 조업되는 직사각형 형태의 주 반응기와, 상기 주 반응기 말단에 연결되어 상기 고체 입자의 양을 제어하여 재순환하도록 마련된 비 기계적 밸브와, 상기 주 반응기에서 발생하는 기체가 배출되도록 상기 주 반응기에 연결된 기체 배출구를 포함한다.

위와 같은 구성의 본 발명에 따른 이단 순환 유동층 반응기는 상승 관과 가스화 기를 동일한 유닛으로 제작하여 두 반응기 간의 열전달을 최대화함과 동시에 반응기의 전용면적을 줄어드는 효과가 있을 뿐만 아니라 scale-up시 모듈화가 가능하고 직사각 형태로 제작하여 향상된 열전달 효율을 갖는다.

이단 순환 유동층 반응기(dual circulating fludized bed reactor), 순환유동층, 가스화, 룹씰, 고체순환속도, 열전달 계수

Description

사각 형태의 이단 순환 유동층 반응기 {Rectangular dual circulating fluidized bed reactor}

본 발명은 이단 순환 유동층 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연소 영역과 가스화 영역을 분리하여 상승 관에서 발열반응인 연소 반응으로 생성된 열을 열전달 매체를 통해 흡열반응인 가스화 반응(주 반응기)으로 공급하여 열전달 및 열효율이 뛰어난 가스화기를 위한 이단 순환 유동층 반응기에 관한 것이다.

최근 고유가 시대를 맞이하여, 석탄, 바이오매스 등 기존의 화석연료를 에너지원으로 가스화 복합발전이나 합성석유, 화학물질 등을 생산할 수 있는 고체 가스화기 기술이 각광을 받고 있다. 이러한 가스화 반응기의 종류에는 고정 층, 유동층, 분류 층 및 용융 층 방식 등이 있으며, 이 중 유동층 반응기의 경우 우수한 기-고체 혼합특성과 함께 내부에 구동 부(moving part)가 존재하지 않는 것으로 알려져 산업적으로 널리 응용되고 있다. 일반적인 순환 유동층 반응기의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 상승 관(11)으로 공기와 수증기가 함께 유입되어 연소, 열분 해, 가스화 반응 등이 혼합적으로 일어난 뒤에 싸이클론(12)으로 넘어간다. 싸이클론에서는 합성 가스를 분리하여, 고체를 포집해 하강 관(13)으로 넘기고 하강 관(13) 하단에 고체 재 주입 밸브(14)가 형성되어 상승 관(11)으로 다시 고체를 넘기게 된다.

기존의 순환 유동층 가스화 반응기는 반응영역의 구분 없이 가스화 매체로 공기/수증기를 혼합하여 사용해 질소의 희석에 따른 저 열량 가스(4-6 MJ/Nm³)를 생산할 수밖에 없으며 상승 관과 연결된 하강 관 및 고체 재순환 부가 단지 고체를 이송하는 역할을 할 뿐 별다른 반응이 일어나지 않고 반응기의 전용 면적만 늘리는 단점을 갖는다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 이제까지 여러 가지 방안들이 제시되고 있다.

국내 특허 등록 제 1002086540000호에는 하단 천공된 드래프트 관을 갖는 내부순환유동층 가스화 반응기가 개시되어 있는데, 개시된 내부순환유동층 가스화 반응기는 애뉼러스 부분(가스화 반응-흡열반응)과 드래프트 부분(연소반응-발열반응 )으로 반응영역을 분리하고, 드래프트의 구멍을 통하여 열전달 매체의 순환이 일어나는 구조이다. 드래프트의 구멍이 하단에 형성된 드래프트 관을 반응기체 주입 분산판과 밀착 설치하여 높은 발열량의 가스를 생산하며, 경사진 수증기 주입 분산 판을 반응기 하단에 설치하여 애뉼러스 부분의 고체입자 흐름을 원활하게 하였다. 하지만 내부순환유동층 가스화 반응기의 경우, 두 영역 간 기체의 우회 현상(bypassing) 이나 원활한 고체 순환 속도의 조절이 쉽지 않은 단점을 갖고 있 다.

국내 특허 등록 제 100402170000호에는 순환유동층 하강 관을 이용한 석탄 가스화기가 개시되어 있는데, 개시된 석탄 가스화기는 하강관이 축-횡 방향의 기체 및 고체 흐름의 균일성 증가로 생성물의 선택도가 높고 열점이 생성되지 않는 점을 이용하여 하강 관에서 수증기를 주입, 가스화 반응이 일어나도록 하였다. 상승관의 연소 반응과 하강 관의 가스화 반응 영역을 분리함으로써 중 열량 가스를 얻었으나, 하강 관에서의 짧은 체류시간으로 인해 고체 재순환부에서 많은 양의 가스화 반응이 일어나는 문제점이 있다.

연소 반응과 가스화 반응 영역을 구분된 이단 순환유동층 반응기(dual fluidized bed reactor)는 연소 생성가스와 가스화 기에서 가스화 생성가스의 분리하여 질소 희석이 없는 중 열량 가스 (10-20 MJ/Nm³)의 생성이 가능하고 하강 관과 고체 재순환 부 사이에 가스화 반응기가 설치되어 고체연료의 가스화 반응이 비교적 긴 체류 시간 동안 진행되는 장점이 있으나, 이단 순환유동층 반응기에서는 흡열 반응인 가스화 반응에 필요한 열을 발열 반응인 연소반응에서 공급하는 시스템이므로 상승 관(연소로)과 주 반응기(가스화기) 간의 원활한 열매체 순환 및 두 반응기 간의 열전달이 매우 중요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 연소 영역과 가스화 영역을 분리하고 가스화 기에서의 입자 체류 시간을 증가시켜 가스화 효율을 증가시킴과 동시에 연소 영역과 가스화 영역 간에 원활한 열매체 입자의 순환을 원활히 일어나는 이단 순환 유동층 반응기를 를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 이단 순환 유동층반응기는 고체 연료의 연소 반응이 일어나는 직사각형 형태의 상승 관과, 상기 상승 관의 상부에 연결되어 고체 연료 중 고체 입자와 연소 반응에서 발생된 기체를 분리하는 제1싸이클론과, 상기 싸이클론의 하단부에 연결되는 하강 관과, 상기 하강관과 연결되어 상기 고체 연료의 가스화 반응을 일어나도록 기포 유동층으로 조업되는 직사각형 형태의 주 반응기와, 상기 주 반응기 말단에 연결되어 상기 고체 입자의 양을 제어하여 재순환하도록 마련된 비 기계적 밸브와, 상기 주 반응기에서 발생하는 기체가 배출되도록 상기 주 반응기에 연결된 기체 배출구를 포함한다.

또한, 상기 상승관과 주 반응기는 직사각형 형태의 일체형 유닛으로 마련되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상승관의 상부와 제1싸이클론은 상기 상승관의 상부에서 하향 30° 방향으로 기울어져 제1싸이클론으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 비 기계적 밸브는 분리가 가능하도록 개별적인 유닛으로 제작된 사각 형태의 룹씰인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 주 반응기에 연결된 기체 배출구와 연결되어, 상기 배출된 기체에 포함된 미세입자를 포집하는 제2싸이클론을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고체연료는 석탄, 바이오매스, RDF를 포함하는 고체연료를 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고체연료에는 원활한 열전달을 위해 열전달 매체를 더 포함하고, 상기 열전달 매체는 모래(Silica sand)입자인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 모래(Silica sand)입자인 열전달 매체의 평균 입경은 250μm인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1싸이클론은 상기 고체입자와 발생한 기체의 분리기능 외에 상기 열전달 매체가 원활한 흐름을 고려하여 상기 제1싸이클론의 용량을 결정하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 구성의 본 발명은 사각 이단 순환유동층 반응기에서 원활한 열전달 매체의 순환과 벽면에서의 열전달 특성이 효과적으로 이루어지는 효과가 있다.

또한, 고체 순환 속도는 상승 관에서의 기상유속과 룹씰의 순환 관에서의 공기 주입 유속을 조절함으로써 넓은 범위에서 조절할 수 있었으며, 일반적인 원형 관에 비해 더 효과적인 열전달 특성을 갖는다.

또한, 본 발명의 사각 이단 순환 반응기는 간단한 디자인의 이단 순환 유동층 반응기의 설계기준을 제시할 수 있고, 순환 유동층 가스화 기술 이외에도 매체 순환식 연소로, IGCC 탈황 촉매, 기-고 유동층 반응기 등의 촉매 입자 및 열전달 입자를 이용한 연소 공정, 촉매 제조 공정에 이용될 수 있다.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명에 따른 디지털 데이터를 통한 교합상태 판단방법 및 디지털 교합기에 대해 상세히 설명한다.

일반적으로 실제 고온에서 조업되는 반응기에서는 상승 관(21)에 예열된 공기가, 기포유동층 반응기(24) 및 룹씰(loop-seal)(25)에는 예열된 수증기가 주입되지만 실험적으로는 상온 상압의 공기만을 주입하고 고체입자의 흐름과 열전달 특성을 파악한다.

이하, 본 발명의 사각 이단 순환유동층 반응기를 첨부한 제 2도에 따라 상세히 설명하고자 한다. 도 2에서 제시된 바와 같이 본 발명의 사각 이단 순환 유동층 반응기는 연소로인 상승 관(21), 상승 관과 주 반응기를 연결하고 배 가스를 배출하고 고체순환입자를 넘기는 제1싸이클론(22), 제1싸이클론에서 주 반응기로 연결된 하강 관(23), 기포 유동층 반응기인 주 반응기(24), 주 반응기의 고체 순환물질을 상승 관으로 재순환 시키는 룹씰(25), 그리고 주 반응기(24)에서 유출되는 가스를 배출하거나 미세입자를 포집하기 위한 제2싸이클론(26)으로 구성되어 있다.

상기 상승 관 영역과 주 반응기 영역은 각각 고속 유동층, 기포 유동층으로 설정되었으며 실제 가스화 기에서 발열 반응인 연소 반응과 흡열 반응인 가스화 반응의 열전달을 최적화하기 위해 상승 관과 주 반응기는 동일 벽을 사이에 두고 하나의 유닛으로 제작한다.

상기 상승 관 반응기는 종래 반응 시스템들이 대부분 원환 관 형태인데 반해 직 사각형 형태 제작되어 scale-up시 모듈화가 가능하다는 점과 고체 입자 주입을 균일하게 할 수 있고, 상승 관과 주 반응기 간의 접촉 면적을 넓혀 열전달을 최대화할 수 있다.

상기 주 반응기는 직 사각형 형태로 상승 관과 동일 벽을 사이에 두고 하나의 유닛으로 제작되어 열전달을 최대화함과 동시에 반응기 전체의 전용면적을 줄이는 효과를 갖는다.

상기 상승 관 반응기에서 제1싸이클론(22)으로의 연결부는, 하향 30°의 각도를 가짐으로서 입자가 원활히 흘러가게 된다. 기존의 수평 연결부의 상승 관 출구 부분제1싸이클론(22) 연결 부 바닥에 고체 입자가 쌓여 전체 입자의 흐름을 방해하고 상승 관(21) 출구에 급격한 압력이 형성되는 현상을 방지할 수 있었다. 또한 제1싸이클론(22)의 접선 방향으로 고체 입자가 흐르도록 하기 위해 각도를 알맞게 조절하였다.

상기 두 영역 간의 열전달 물질은 발열 반응인 상승 관 반응에서 발생한 열을 흡열반응인 주 반응기로 전달해주는 역할을 하므로 두 반응기 간 원활한 열전달 물질 순환을 위하여 비 기계적 밸브(룹씰)(25)를 상기 반응 영역의 연결 부위에 설치한다.

일반적인 밸브에는 기계적 밸브와 비 기계적 밸브가 존재하나, 가스화 반응과 같이 고온 조건에서 운전되는 경우에는 기계적 밸브는 구동부가 쉽게 마모되거나 sealing 문제 등으로 인하여 비 기계적 밸브를 이용한다. 상기 룹씰은 수직 방향과 하부 방향에서 공기의 주입 속도를 달리하여 고체 주입량을 제어하는 비기계적 밸브로서 Seal-pot, J-valve, L-valve 등 여러 형태의 비기계적밸브 중 사각형태의 룹씰을 선택하였다. 제 3도는 본 발명의 사각 이단 순환 유동층 반응기에 장착된 룹씰의 실측 크기와 고체의 흐름을 화살표로 도시하고 있다. 도 3에서 보는 바와 같이 룹씰은 크게 공급 관 부(31,33)와 순환 관 부(32,34)로 나누어져 있으며, 상승 관과 주 반응기 기에서 배출되는 기체의 진입을 차단하면서 열매체 입자를 순환시키는 역할을 한다.

상기 싸이클론은 각각 연소로와 가스화기 상단에 위치하도록 설계된다. 일반적인 싸이클론은 반응기에서 발생된 기체를 배출하는 기체 배출구 및 미세입자를 포집하기 위한 수단을 포함한다. 본 발명의 사각 이단 순환유동층 반응기의 상승 관에 연결된 제1싸이클론(22)은 미세입자의 포집이 목적이 아닌, 열전달 매체의 원활한 흐름이 목적이므로 일반적인 싸이클론에 비해 용량을 큰 형태로 제작하였다. 이를 통해 연소반응에서 발생한 기체를 배출함과 동시에 열전달 매체가 원활하게 순환함에 따라 훨씬 효율적인 열전달이 일어나는 효과가 있다. 반면 주 반응기에 연결된 제2싸이클론(26)의 일반적인 싸이클론의 설계기준에 의해 제작하였다.

이하에서는 본 발명의 사각 이단 순환유동층 반응기의 작용 및 효과를 설명한다.

본 발명에 의한 사각 이단 순환 유동층 반응기에의 고체 순환 속도의 조절은 룹씰에서의 공기 주입에 의해 가능하고 상승 관의 기상 유속 및 주 반응기의 기상 유속 등에 영향을 받는다. 또한, 반응기 벽면에서의 열전달 특성을 확인하여 종래의 원형 순환 유동층 반응기의 경우와 비교하여 효율적인 열전달 특성을 가짐을 알 수 있다.

<실시예 1> 고체 순환 속도의 조절

본 발명에 의한 사각 이단 순환유동층 반응기에서 고체 순환속도의 조절은 매우 중요하며, 고체 순환속도는 상승 관에서의 기상 유속, 가스화 기의 기상유속, 초기 고체 주입량 및 하부 룹씰에서 주입되는 공기의 주입량, 위치 등의 함수로 표현된다. 평균 입자 크기 250μm 인 모래를 층 물질로 사용하여 고체 순환 속도를 측정한 결과 초기 고체 주입량 값은 큰 영향을 주지 않았으며, 룹씰에서 공급 관으로의 유속과 룹씰의 수직 부분에서의 공기주입속도는 최소유동화 속도(6 cm/s ) 로, 수직 부분 공기주입 위치(H/L)를 2.5로 결정하였다. 또한, 주 반응기에 주입되는 유속은 최소유동화 속도의 2배 이상일 때 고체순환 속도가 최적 값을 유지함을 확인할 수 있었다. 따라서 위와 같은 조건은 모두 고정시킨 뒤 상승 관에서의 기상 유속과 룹씰의 순환 관으로의 유속을 조절함으로써 원하는 범위의 고체 순환속도를 얻을 수 있다.

도 4에서 보듯이, 상승 관에서의 기상 유속(u_g)과 룹씰의 순환 관에서의 공 기 주입 유속(u_rc)을 사용해 고체순환속도를 표기한 식인

G_s/ρ_su_g=0.002301+0.001568(U_rc/U_mf)^0.8838 대입한 결과, 실험에서 얻은 값과 계산 값은 오차 ±20% 범위에서 잘 들어맞는 것을 알 수 있다.

<실시예 2> 벽면에서의 열전달 특성

본 발명에 의한 사각 이단 순환유동층 반응기에서 각 조업 변수에 따른 벽면에서의 열전달 특성을 열 플럭스 미터(heat flux meter)를 이용해 측정하였다. 열전달 표면의 설계는 전체 장치설계와 효과적인 조업에 크게 영향을 미치므로 기상유속이나 고체순환 속도 등의 조업변수의 함수로 열전달계수를 정확하게 예측하는 것은 열전달이 일어나는 벽면의 설계와 반응기 내의 화학반응을 조절하기 위해 중요한 인자이다. 실험 결과, 대류 열전달 계수는 측정 위치에 존재하는 부유밀도(suspension density)의 함수임을 확인할 수 있었다. 문헌(Cho, Y.J. et al.,Korean. J. of Chem. Eng., 1996, 13(6), 627-632)에 따르면, 부유밀도(suspension density) 혹은 고체 체류 량 (solid holdup)이 Froude 수 (U_g ²/gd_p),고체순환속도에 관한 무 차원 수 (G_s/ρ_sU_g), riser의 측정 위치에 관한 무 차원 수 (z/H_t)로 표현 가능하며 다음과 같은 상관 식을 얻을 수 있었다.

Nu_p=178(U² _g/gd_p)^-0.35(G_s/ρ_sU_g)^0.241exp[0.557(z/H_t)]

이 식의 상관계수는 0.91로, 3.5 < 상승관의 유속(m/s) < 4.25, 20< 고체순환 속도(kg/m²s) < 100, 35 < 부유밀도(kg/m³) < 350 의 범위를 만족함을 확인하였다. 동일한 종류의 열 플럭스 미터를 이용해 동일한 종류의 시료(평균 입자 크기 227 μm 인 Silica sand 입자) 원형 상승 관에서 대류 열전달 계수를 측정한 문헌(Basu, P. et al.,Int. J. of Heat Mass Transfer, 1987, 30(11), 2399-2409)과 비교한 결과 문헌의 실험 데이터를 위의 상관 식에 대입하면 계산 값이 더 크게 나온다. 이는 본 사각 이단 순환유동층 반응기에서 제시한 상관 식에서 얻은 대류 열전달 계수가 동일 실험 조건에서 더 큰 값을 가지고 더 뛰어난 열전달이 일어나고 있음을 의미하게 된다. 따라서 문헌에서 사용한 원형 상승 관에 비하여 본 사각 이단 순환유동층 반응기의 형태가 직 사각형으로써 열전달 면적이 넓어 원형 반응기에 비하여 더 큰 열전달 특성을 가짐을 알 수 있다.

도 1은 일반적인 순환유동층 반응기(CFB)이다.

도 2는 본 발명의 사각 이단 순환 유동층 반응기를 개략적으로 나타낸 개략도이다.

도 3은 본 발명의 사각 이단 순환 유동층 반응기에서 재순환 부인 룹씰을 모식 적으로 나타낸 개략도이다.

도 4는 본 발명의 사각 이단 순환 유동층 반응기에서 연소 로 내 기상 유속 및 룹씰의 공기 주입 유량에 따른 고체 순환 속도를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11... 상승관 12... 싸이클론

13... 하강 관 21... 상승관

22... 제1싸이클론 23... 하강 관

24... 주 반응기 25... 비기계적 밸브(룹씰)

31... 공급 관(Recycle chamber) 32... 순환 관(Recycle chamber)

33... 공급 관 공기 주입 부 34... 순환 관 공기 주입 부

Claims

고체 연료의 연소 반응이 일어나는 직사각형 형태의 상승 관과,

상기 상승 관의 상부에 연결되어 고체 연료 중 고체 입자와 연소 반응에서 발생된 기체를 분리하는 제1싸이클론과,

상기 싸이클론의 하단부에 연결되는 하강 관과,

상기 하강관과 연결되어 상기 고체 연료의 가스화 반응을 일어나도록 기포 유동층으로 조업되는 직사각형 형태의 주 반응기와,

상기 주 반응기 말단에 연결되어 상기 고체 입자의 양을 제어하여 재순환하도록 마련된 비 기계적 밸브와,

상기 주 반응기에서 발생하는 기체가 배출되도록 상기 주 반응기에 연결된 기체 배출구를 포함하며,

상기 상승관과 주 반응기는 직사각형 형태의 일체형 유닛으로 마련되는 것을 특징으로 하는 이단 순환유동층 반응기.
삭제
청구항 1항에서,

상기 상승관의 상부와 제1싸이클론은 상기 상승관의 상부에서 하향 30° 방향으로 기울어져 제1싸이클론으로 연결되는 것을 특징으로 하는 이단 순환유동층 반응기.
청구항 1항에서,

상기 비 기계적 밸브는 분리가 가능하도록 개별적인 유닛으로 제작된 사각 형태의 룹씰인 것을 특징으로 하는 이단 순환유동층 반응기.
청구항 1항에서,

상기 주 반응기에 연결된 기체 배출구와 연결되어,

상기 배출된 기체에 포함된 미세입자를 포집하는 제2싸이클론을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이단 순환유동층 반응기.
청구항 1항에서,

상기 고체연료는 석탄, 바이오매스, RDF를 포함하는 고체연료를 사용하는 것을 특징으로 하는 이단 순환유동층 반응기.
청구항 1항에서,

상기 고체연료에는 원활한 열전달을 위해 열전달 매체를 더 포함하고,

상기 열전달 매체는 모래(Silica sand)입자인 것을 특징으로 하는 이단 순환유동층 반응기.
청구항 7항에서,

상기 모래(Silica sand)입자인 열전달 매체의 평균 입경은 250μm인 것을 특징으로 하는 이단 순환 유동층 반응기.
청구항 7항에서,

상기 제1싸이클론은 상기 고체입자와 발생한 기체의 분리기능 외에 상기 열전달 매체가 원활한 흐름을 고려하여 상기 제1싸이클론의 용량을 결정하는 것을 특징으로 하는 이단 순환유동층 반응기.