KR101038465B1 - 열분해 개질기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 환원반응로의 바닥에 나선형 경사부를 형성함으로써, 환원반응로의 내부에서 산화반응로로부터 공급되는 수증기 또는 수증기와 이산화탄소가 회전 상승하면서 플루 가스를 개질 반응시켜 합성가스를 생성하는 열분해 개질기에 관한 것으로,
플루 가스를 개질 반응시켜 합성가스를 생성하는 환원반응로; 수증기 또는 수증기와 이산화탄소를 상기 환원반응로에 공급하는 산화반응로; 상기 환원반응로의 하부 일측에 형성되고, 플루 가스를 상기 환원반응로에 공급하는 플루 가스 유입구; 및 상기 환원반응로의 상부 일측에 형성되고, 상기 환원반응로에서 생성된 합성가스를 배출하는 합성가스 유출구를 포함하는 열분해 개질기에 있어서, 상기 환원반응로의 바닥에는 나선형 경사부가 형성되고, 상기 산화반응로는 상기 나선형 경사부의 하단에 연장 형성되어 상기 산화반응로로부터 공급되는 수증기 또는 수증기와 이산화탄소가 상기 환원반응로의 내부에서 상기 나선형 경사부를 타고 회전하면서 상승함으로 내부온도를 1200℃ 이상으로 균일하게 유지한다.

Description

열분해 개질기{Pyrolysis Reformer}
본 발명은 열분해 개질기의 환원반응로 바닥에 나선형 경사부를 형성함으로써, 산화반응로로부터 공급되는 고온의 수증기 또는 수증기와 이산화탄소가 환원반응로의 내부에서 회전 상승하면서, 열분해로에서 탄화물을 열분해하여 발생하는 플루 가스(Flue gas)를 개질 반응시켜 합성가스를 생성하는 열분해 개질기에 관한 것이다.
탄화물(Carbonaceous material)이라 함은 탄소를 구성원자로 하는 모든 물질을 말하며, 여기에는 모든 형태의 화석연료, 바이오 물체(biomass), 동물성 폐기물, 및 합성수지 등의 모든 유기 폐기물이 포함된다. 열분해 반응은 600∼1000℃에서 고분자 물질이 (C1-C8) 규모의 기체로 분해되는 것을 말한다. 개질반응(Reforming reaction)은 가스화 반응(Gasification)이라는 개념보다는 더욱 정확하게, 물질을 구성하는 탄소가 수증기 또는 CO2가스와 1200℃ 이상에서 반응하여 CO와 H2가스로 변하는 탄소 개질반응 (Carbon reforming reaction)을 말한다. 개질반응의 형태는 흡열반응이고 환원반응으로 정하고 있다. 어떠한 물리적, 화학적 형태이던지 탄소, H2O, CO2, CO, H2가 1200℃ 이상에서 공존할 때(즉, Lurgi가 1934년 제시한 Coal gas reaction이 열역학적으로 균형을 이루고 있을때), 모든 탄소는 개질되어 CO로 변하고, 수소는 수소가스로 환원된다(대한민국 특허 제10-0637340호 고온 개질기). 이 혼합가스를 합성가스(syngas)라고 한다.
개질 반응을 강요하기 위해서는 환원반응로를 1200℃ 이상으로 유지해야 한다. 환원반응로를 1200℃로 유지하려면 상당한 열손실이 일어나고 환원반응로가 크면 클수록 열손실이 커진다. 열분해로를 600∼1000℃로 유지하여 탄화물을 열분해 하면, 기체로 분해되는 플루 가스(Flue gas)와 고체로 남는 타르나 코크스로 분리된다. 탄소의 손실은 없다. 고체는 1/10로 줄고 플루 가스는 가스량이 불어나지만 일시에 환원반응로 내부로 주입할 필요는 없다. 부피가 큰 탄화물을 열분해 하여 플루 가스와 타르나 코크스 고체로 만들어서 개질함으로써 환원반응로의 크기를 줄일 수 있다. 소형의 환원반응로를 열분해로에 연결하여 열분해로에서 발생되는 플루 가스를 효율적으로 개질하여 고질의 합성가스를 생산하는 장치가 소개된 바 있었다(대한민국 특허 제10-0887137호 탄화물 열분해 개질방법 및 그 장치).
상기 장치가 플루 가스를 개질하여 환원반응로의 크기를 상당히 감소시키긴 하였으나, 산화반응로로부터 공급되는 초고온(대략 1800∼2000℃)의 수증기 또는 수증기와 이산화탄소가 환원반응로의 일측에 집중되어 개질반응의 효율이 감소하였고, 환원반응로의 국소적인 파손 또는 변형이 발생하였으며, 환원반응로의 내부 전체의 온도를 1200℃ 이상으로 균일하게 유지하는데 한계가 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 환원반응로의 바닥에 나선형 경사부를 형성함으로써, 산화반응로로부터 공급되는 수증기 또는 수증기와 이산화탄소가 환원반응로의 내부에서 회전 상승하면서 플루 가스를 개질 반응시켜 합성가스를 생성하므로, 개질반응의 효율이 크게 향상되고, 환원반응로의 파손 또는 변형이 거의 없으며, 환원반응로 내부의 공간적인 온도 차이를 감소시켜 환원반응로의 내부 전체의 온도를 1200℃ 이상으로 균일하게 유지하는 열분해 개질기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 열분해 개질기는, 플루 가스를 개질 반응시켜 합성가스를 생성하는 환원반응로; 수증기 또는 수증기와 이산화탄소를 상기 환원반응로에 공급하는 산화반응로(syngas burner); 상기 환원반응로의 하부 일측에 형성되고, 플루 가스를 상기 환원반응로에 공급하는 플루 가스 유입구; 및 상기 환원반응로의 상부 일측에 형성되고, 상기 환원반응로에서 생성된 합성가스를 배출하는 합성가스 유출구를 포함하는 열분해 개질기에 있어서, 상기 환원반응로의 바닥에는 나선형 경사부가 형성되고, 상기 플루 가스 유입구는 상기 나선형 경사부의 하부 또는 하단부에 형성되고, 상기 산화반응로는 상기 나선형 경사부의 하단에 연장 형성되며, 상기 산화반응로로부터 공급되는 수증기 또는 수증기와 이산화탄소가 상기 환원반응로의 내부에서 플루 가스와 섞여 상기 나선형 경사부를 타고 회전하면서 상승하여 플루 가스를 개질 반응시켜 합성가스를 생성한다.
산화반응로로부터 공급되는 수증기 또는 수증기와 이산화탄소가 환원반응로의 내부에서 플루 가스와 섞여 회전 상승하면서 플루 가스를 개질 반응시켜 합성가스를 생성하므로, 개질반응의 효율이 크게 향상되고, 환원반응로의 파손 또는 변형이 거의 없으며, 환원반응로 내부의 공간적인 온도 차이를 감소시켜 환원반응로의 내부 전체의 온도를 1200℃ 이상으로 균일하게 유지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열분해 개질기의 정면 종단면 개략도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열분해 개질기의 측면 종단면 개략도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열분해 개질기의 횡단면 개략도.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열분해 개질기는, 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 환원반응로(10), 산화반응로(20; syngas burner), 플루 가스 유입구(30), 및 합성가스 유출구(40)를 포함하고, 환원반응로(10)의 바닥에는 나선형 경사부(15)가 형성되는 것으로서, 산화반응로(20)로부터 공급되는 수증기 또는 수증기와 이산화탄소가 환원반응로(10)의 내부에서 회전 상승하면서 플루 가스(flue gas)를 개질 반응시켜 합성가스를 생성한다.
산화반응로(20)는 환원반응로(10)의 하부 일측에 형성되어 수증기 또는 수증기와 이산화탄소를 환원반응로(10)에 공급하고, 산화반응로(20)에서 수소가스 또는 합성가스와 산소가스를 연소하여 생성된 초고온(대략 1800∼2000℃)의 수증기 또는 수증기와 이산화탄소가 환원반응로(10)의 열원이 된다. 이때, 산화반응로(20)는 나선형 경사부(15)의 하단에 연장 형성되어 산화반응로(20)로부터 공급되는 수증기 또는 수증기와 이산화탄소가 환원반응로(10)의 내부에서 나선형 경사부(15)를 타고 회전하면서 상승한다.
환원반응로(10)의 내부에서 나선형 경사부(15)를 타고 회전하면서 상승하는 초고온의 수증기와 이산화탄소에 의해서 내부가 균일하게 1200℃ 이상을 유지하므로 플루 가스 유입구(30)에서 유입되는 플루 가스를 CO 가스로 개질하고, 동시에 수소는 수소가스로 환원된다. 즉, 열분해로(미도시)로부터 플루 가스를 유입하는 플루 가스 유입구(30)가 고온의 수증기와 이산화탄소를 공급하는 산화반응로(20)의 끝단에 위치하므로 플루 가스는 충분한 열량을 흡수할 수 있고, 모든 탄화물의 Feed stock은 열분해로를 통해서 기체화 되어 플루 가스로 환원반응로(10)에 유입된다.
플루 가스 유입구(30)는 환원반응로(10)의 하부 일측에 형성되고, 플루 가스를 환원반응로(10)에 공급한다. 이때, 플루 가스는 탄화물을 약 600∼1000℃에서 열분해하여 생성되고, 플루 가스 유입구(30)를 나선형 경사부(15)의 하부 또는 하단부에 형성하여 환원반응로(10)의 내부에서 플루 가스가 회전하면서 상승하며, 플루 가스의 회전 상승을 더욱 활발하게 하기 위해 플루 가스 유입구(30)를 나선형 경사부(15)의 하부 또는 하단부에 경사지게 형성할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열분해 개질기의 기능 및 작용을 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
산화반응로(20)에서 수소가스 또는 합성가스를 산소와 연소시키면 초고온(대략 1800∼2000℃)의 수증기 또는 수증기와 이산화탄소가 생성된다. 상기 초고온의 가스가 환원반응로(10)의 바닥에 형성되는 나선형 경사부(15)를 타고 회전하면서 상승하여 환원반응로(10)의 내부온도를 1200℃ 이상으로 유지한다. 환원반응로(10)의 내부온도는 산화반응로(20)에 주입되는 산소량에 의해 조절된다. 산화반응로(20)에 주입되는 수소 또는 합성가스의 양은 주입되는 산소가스를 완전히 소모하는 양을 유지한다. 플루 가스 유입구(30)를 통해 환원반응로(10)로 공급되는 플루 가스는 모두 개질되고, 생성되는 합성가스는 환원반응로(10) 상부로 모이게 된다.
1200℃ 이상의 합성가스의 일부는 제2유출구(42)를 통해 열분해로(미도시)에 유입되어 열분해에 필요한 온도(600∼1000℃)를 유지하고, 합성가스의 나머지는 합성가스 유출구(40)를 통해 열교환기를 거친 뒤 합성가스 저장탱크(미도시)에 저장된다. 열분해는 대략 600∼1000℃에서 일어나고, 생성된 플루 가스는 플루 가스 유입구(30)를 통해 환원반응로(10)에 공급된다. 공급된 플루 가스는 환원반응로(10)를 통과하면서 개질되어 합성가스로 변한다. 상기 합성가스의 일부가 열분해로를 순환하면서 열분해로의 고온을 유지하여 플루 가스를 생성한다. 상기 플루 가스를 환원반응로(10)로 이동시켜 개질함으로써, 합성가스는 계속 증가하고, 합성가스의 나머지는 합성가스 유출구(40)를 통해 합성가스 저장탱크에 저장되며, 합성가스 저장탱크에 저장된 합성가스의 일부 또는 제2유출구(42)를 통해 배출되는 합성가스의 일부가 산화반응로(20)에 공급 연소되어 환원반응로(10)에 필요한 열을 제공한다.
합성가스가 계속 생성되고 일부가 계속 순환하면서 열분해로와 산화반응로(20)를 환원반응로(30)에 연결시키는 Integrated combined cycle을 형성할 수 있는 것이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 환원반응로 15: 나선형 경사부
20: 산화반응로(syngas burner) 30: 플루 가스 유입구
35: 탄화물 유입구 40: 합성가스 유출구
42: 제2유출구

Claims (2)

  1. 플루 가스를 개질 반응시켜 합성가스를 생성하는 환원반응로; 수증기 또는 수증기와 이산화탄소를 상기 환원반응로에 공급하는 산화반응로; 상기 환원반응로의 하부 일측에 형성되고, 플루 가스를 상기 환원반응로에 공급하는 플루 가스 유입구; 및 상기 환원반응로의 상부 일측에 형성되고, 상기 환원반응로에서 생성된 합성가스를 배출하는 합성가스 유출구를 포함하는 열분해 개질기에 있어서,
    상기 환원반응로의 바닥에는 나선형 경사부가 형성되고,
    상기 플루 가스 유입구는 상기 나선형 경사부의 하부 또는 하단부에 형성되고, 상기 산화반응로는 상기 나선형 경사부의 하단에 연장 형성되며,
    상기 산화반응로로부터 공급되는 수증기 또는 수증기와 이산화탄소가 상기 환원반응로의 내부에서 플루 가스와 섞여 상기 나선형 경사부를 타고 회전하면서 상승하여 플루 가스를 개질 반응시켜 합성가스를 생성하는 것을 특징으로 하는 열분해 개질기.
  2. 삭제
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