KR101223460B1 - 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너 - Google Patents

고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너에 관한 것으로서, 연료유입공을 통해 유입된 연료가 이동될 수 있도록 상부가 개방된 연료유입부;와 상기 연료유입부의 상부에 배치되어 상기 상부로 이동된 연료의 이동통로가 되는 연료도관이 구비되고, 산화제유입공을 통해 유입된 산화제가 이동될 수 있도록 상부가 일부 개방되는 산화제유입부; 및 상기 산화제유입부의 상측에 배치되어, 내부에는 상기 산화제유입부의 연료도관과 연통되는 연료도관과, 상기 상부로 이동된 산화제의 이동통로가 되는 산화제도관이 구비되는 분리이송부;를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 의하면, 연료유입부와 산화제유입부 및 분리이송부로 3단 구성되고 그 사이에 테프론 재질로 성형된 제1,2실링부를 구비하는 한편 연료도관과 산화제도관을 분리하여 허니컴 구조로 배치함으로써, 고온 및 고압조건하에서도 균일한 평판화염의 형성이 가능하여 고체연료 분류층 가스화기나 각종 실험장비에 적용할 수 있는 유리한 효과가 있다.

Description

고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너{BURNER FOR SOLID FUEL ENTRAINED GASIFICATION PRESSURIZED LAMINAR FLOW REACTOR}
본 발명은 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고온 및 고압조건 하에서도 안전하게 평판화염을 형성할 수 있어서 고체연료 분류층 가스화기에 사용될 수 있는 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너에 관한 것이다.
일반적으로 제철제강 및 주·단조 공정에서 사용하는 산업용 버너는 연료와 산화제인 공기를 이용하여 화염을 형성하고, 가열하고자 하는 소재의 온도를 상승시켜 후처리 공정의 편의를 돕기 위해 공업용 로(爐)에 설치된다. 그러나 화염 길이가 긴 산업용 버너를 사용하였을 경우에는 화염의 폭이 좁아 제품의 국부 가열 현상을 불러올 수 있는 문제점이 있고, 화염의 폭을 넓게 하기 위해 필요 이상으로 로체(爐體)의 크기를 크게 하면 연료가 낭비되는 문제점이 생기게 된다. 따라서 화염의 길이가 짧고 폭이 넓은 평판화염기의 필요성이 대두되었고, 최근에는 석탄입자나 바이오메스 등 고체입자의 반응성을 연구하기 위해 평판화염반응기가 실험실에서 사용되고 있다.
그러나, 종래의 평판화염기는 고온 및 고압조건하에서의 고체입자의 반응성을 연구하는데 한계가 있었다. 즉 화염을 생성하는데 필요한 연료와 산화제간은 고온 및 고압조건하에서도 양자가 분리된 상태로 분사되어야 평판화염이 형성될 수 있음에도 실링이 충분히 이루어지지 못하여 사용하기에는 안전상 문제가 있었다.
한편, 석탄은 연소조절이 어렵고 오염물질이 발생하는 등의 문제점이 있으나, 석유나 천연가스에 비해 매장량이 풍부하고 광범위한 지역에 고루 분포되어 있어서 고갈되고 있는 석유와 천연가스를 대체할 에너지원으로 많은 관심을 받고 있다. 최근 석탄 가스화기술은 기존의 공해물질 발생을 90%이상 줄이면서 고효율로 활용할 수 있는 방법으로 각광받고 있다.
즉, 석탄가스화 복합발전(IGCC, Integrated Gasification Combined Cycle)은 석탄을 이용한 차세대 발전시스템 중 하나의 대안으로 제시되고 있다. 석탄가스화 복합발전은 가스화기(Gasifier)에서 고온/고압 조건으로 석탄을 가스화제(산소 또는 공기, 수증기)와 반응시켜 CO, H2가 주성분인 합성가스(Syngas)를 생성한다. 이때 생성된 합성가스는 가스터빈의 블레이드를 손상시킬 수 있는 분진 등을 제거하는 가스 정화 공정을 거친 후 가스터빈 연소기에서 고온연소되어 가스터빈을 구동하여 발전을 한다. 또한 가스터빈에서 배출되는 고온의 연소가스를 이용하여 증기를 발생시켜 증기터빈을 구동하여 발전하는 방식인 복합 발전(Combined cycle) 시스템으로 구성된다.
구체적으로 석탄가스화는 탄소계 연료가 소량의 산소에 의해 부분 산화되고 일부의 탄소는 스팀에 의해 수성가스화되어 일산화탄소 및 수소로 전환되는 반응이 고온(800∼1500℃)에서 일어나는 것을 지칭하는 것으로서, 이러한 가스화는 고정층(Fixed bed), 유동층(Fluidized bed) 그리고 분류층(Entrained bed) 방식으로 나누어진다. 특히 분류층(Entrained-flow) 가스화기는 미분탄(직경 약 74μm)과 산화제가 같은 방향으로 함께 분사되며 미분탄, 산화제(산소 또는 공기) 및 수증기가 매우 빠른 속도로 유입된다. 다른 가스화기에 비해서 산소 요구량이 높고 매우 높은 온도에서 운전되므로 회는 용융 상태로 처리되고 탄소 전환율이 매우 좋으며, 석탄의 가스화기내 체류시간이 짧아서 대용량화가 가능한 장점이 있다.
상기의 IGCC는 미분탄(Pulverized coal) 화력발전 방식에 비해 효율이 높으며, CO2, NOx, SOx 그리고 분진 등의 배출이 감소되는 장점으로 인하여 전세계적으로 상용화하기 위한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 일반적으로 석탄입자의 연소현상을 연구하기 위하여 열중량 분석기나 DTF(Drop Tube Furnace), 그리고 LFR(Laminar Flow Reactor)과 같은 비교적 소규모의 반응기들이 사용되고 있는데, 고온 및 고압의 조건에서 안정적으로 평판화염을 형성할 수 있는 평판화염반응기용 버너을 개발할 필요성이 제기되었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 고온 및 고압조건 하에서도 안전하게 평판화염을 형성할 수 있는 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 화염길이가 짧고 폭이 넓은 평판화염을 균일하게 형성할 수 있는 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한, 고온과 고압조건이 필요한 고체연료 분류층 가스화기에 사용가능한 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너는, 연료유입공을 통해 유입된 연료가 이동될 수 있도록 상부가 개방된 연료유입부;와 상기 연료유입부의 상부에 배치되어 상기 상부로 이동된 연료의 이동통로가 되는 연료도관이 구비되고, 산화제유입공을 통해 유입된 산화제가 이동될 수 있도록 상부가 일부 개방되는 산화제유입부; 및 상기 산화제유입부의 상측에 배치되어, 내부에는 상기 산화제유입부의 연료도관과 연통되는 연료도관과, 상기 상부로 이동된 산화제의 이동통로가 되는 산화제도관이 구비되는 분리이송부;를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 산화제유입부의 연료도관 주위에는, 상기 산화제유입공과 연통되는 낮은 홈이 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 연료유입부와 상기 산화제유입부 사이에는, 상기 산화제유입부의 연료도관과 연통되는 연료이동공이 마련된 제1실링부가 더 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 산화제유입부와 상기 분리이송부 사이에는, 상기 분리이송부의 연료도관 및 산화제도관과 연통되는, 연료이동공 및 산화제이동공이 마련된 제2실링부가 더 구비되는 것이 바람직하다.
특히, 상기 제1,2실링부는, 테프론(Teflon)재질로 성형되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 분리이송부의 연료도관과 산화제도관은, 각각의 연료도관 주위에 산화제도관이 배치되도록 형성됨이 바람직하다.
특히, 상기 분리이송부의 연료도관과 산화제도관은, 허니컴(honeycomb) 구조로 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 연료유입부, 산화제유입부, 분리이송부 및 제1,2실링부에는, 석탄입자를 공급하는 튜브가 관통되는 튜브홀더부가 연통 형성되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면 첫째, 버너를 연료유입부와 산화제유입부 및 분리이송부로 3단 구성함으로써, 고압조건하에서도 평판화염을 형성할 수 있는 장점이 있다.
둘째, 제1,2실링부를 테프론 재질로 성형함으로써, 내구성과 내열성을 향상시켜 고온 및 고압조건하에서도 안전하게 사용될 수 있는 장점이 있다.
셋째, 버너의 연료도관 및 산화제도관을 허니컴 구조로 분리 배치함으로써, 균일하면서도 많은 수의 평판화염의 형성이 가능한 장점이 있다.
넷째, 버너에 석탄입자의 튜브홀더부를 더 구비함으로써, 고온과 고압조건이 필요한 고체연료 분류층 가스화기에 사용가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너의 전체사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너의 분해사시도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화제유입부의 확대사시도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1실링부의 사용상태도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2실링부의 사용상태도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리이송부의 연료도관 및 산화제도관의 배치상태도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너의 단면도,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너를 통해 발생된 평판화염의 사진이다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너(100)의 전체사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너(100)의 분해사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화제유입부(30)의 확대사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너(100)는, 연료유입부(10)와 산화제유입부(30) 및 분리이송부(50)로 이루어진다.
상기 연료유입부(10)는 하부는 밀폐되고 상부는 개방된 형상을 이루고, 측부에는 연료유입공(11)이 마련되어 메탄(CH4)과 같은 가스연료(1)가 연료유입공(11)을 통해 유입될 수 있도록 한다. 상기 연료유입공(11)을 통해 유입된 연료(1)는 개방된 상부로 이동하여, 후술되는 바와 같이 산화제유입부(30)와 분리이송부(50)에 마련된 연료도관(31,51)을 통해 버너 상부로 이동한다. 연료유입공(11)의 갯수와 배치는 다양하게 형성될 수 있다.
상기 산화제유입부(30)는 연료유입부(10)의 상부에 체결되고, 전술한 연료유입부(10)로 유입되어 상부로 이동된 연료(1)의 이동통로인 연료도관(31)이 관통형성된다. 측부에는 공기 등의 산화제(2)가 유입될 수 있도록 산화제유입공(33)이 마련되고, 산화제유입공(33)을 통해 유입된 산화제(2)는 후술하는 분리이송부(50)로 이동될 수 있도록 상부면 일부가 개방된다. 산화제유입공(33)은 연료유입공(11)과 마찬가지로 다양하게 형성될 수 있다. 이때, 상기 산화제유입부(30)의 연료도관(31) 주위에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 산화제유입공(33)과 연통되는 낮은 홈(32)이 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 분리이송부(50)는 산화제유입부(30)의 상부에 체결되고, 내부에는 산화제유입부(30)의 연료도관(31)과, 산화제유입공(33)을 통해 유입된 산화제(2)의 이동통로가 되는 산화제도관(52)으로 이루어지는 다수의 모세관이 관통형성된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너(100)는 연료유입부(10)와 산화제유입부(30) 및 분리이송부(50)의 3단으로 구성되고, 평판화염을 형성하기 위한 연료도관(51)과 산화제도관(52)을 분리형성함으로써, 버너의 상부에 마련되는 반응기 등의 챔버 내부가 고압조건인 경우에도, 평판화염을 안정적으로 형성할 수 있는 유리한 효과가 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1실링부(20)의 사용상태도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너는, 연료유입부(10)와 산화제유입부(30) 사이에 제1실링부(20)가 더 구비될 수 있다.
도 2를 참조하면, 연료유입부(10)와 산화제유입부(30)는 나사 등의 체결구를 이용하여 서로 결합되는데, 연료(1)의 누설을 방지하기 위해서는 밀봉부재인 제1실링부(20)를 별도로 구비할 필요가 있다. 이때 제1실링부(20)에는 산화제유입부(30)에 관통형성된 연료도관(31)과 연통되는 연료이동공(21)이 구비되어야 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2실링부(40)의 사용상태도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너는, 산화제유입부(30)와 분리이송부(50) 사이에 제2실링부(40)가 더 구비될 수 있다.
이는 전술한 제1실링부(20)와 마찬가지로, 연료(1)와 산화제(2)간의 혼입을 방지하기 위함이며, 이때 제2실링부(40)에는 후술하는 분리이송부(50)에 관통형성되는 연료도관(51) 및 산화제도관(52)과 연통될 수 있는 연료이동공(41)과 산화제이동공(42)이 형성되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너에 구비되는 제1,2실링부는, 테프론(Teflon)재질로 성형되는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 고체연료 분류층 가스화기는 고온 및 고압조건하에서 석탄입자를 반응시켜야 하는데, 버너에 사용되는 제1,2실링부를 에폭시와 같은 열경화성 합성수지로 성형하면 고온·고압하에서 연료 누설로 폭발사고가 발생하거나 연료(1)와 산화제(2)의 혼입으로 원하는 평판화염의 형성이 곤란해지는 문제가 생긴다. 따라서 화학적 비활성, 내열성, 비점착성 등의 우수한 특성을 가진 불소수지인 테프론을 이용하여 제1,2실링부를 성형함으로써, 내구성과 내열성을 향상시켜 고온 및 고압조건 하에서도 안전하게 사용될 수 있도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리이송부(50)의 연료도관(51) 및 산화제도관(52)의 배치상태도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너(100)의 단면도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너를 통해 발생된 평판화염의 사진이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너는, 분리이송부(50)의 연료도관(51) 주위에 산화제도관(52)이 배치되도록 한다.
평판화염을 형성하기 위해서는 연료(1)와 산화제(2)가 분리되어 분사되어야 하고, 이때 균일한 평판화염을 발생시키려면 연료(1)-산화제(2)-연료(1)-산화제(2)의 순서로 배치되어야 한다. 특히 본 발명의 일 실시예에 따른 분리이송부(50)의 연료도관(51)과 산화제도관(52)은, 허니컴(honeycomb) 구조로 배치되도록 하여 단위면적당 발생되는 화염의 수를 최대로 할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 연료유입부(10), 산화제유입부(30), 분리이송부(50) 및 제1,2실링부에는, 도 7에 도시된 바와 같이, 석탄입자들을 연속적으로 고온의 평판화염면 위에 띄워 태울 수 있도록 석탄입자를 공급하는 튜브(3)가 관통되는 튜브홀더부(10',20',30',40',50')가 더 구비될 수 있다.
따라서, 버너(100) 중앙에 석탄입자의 튜브 홀더부(10',20',30',40',50')를 관통형성하고 유량제어기(MFC,Mass Flow Controller)에 의해 제어되는 질소 등의 이송용 가스를 이용하여 석탄입자를 본 발명의 버너 상에 분사하는 방식으로, 고온 및 고압조건하에서 평판화염의 형성이 가능한 버너를 고체연료 분류층 가스화기나 석탄입자의 연소시험 등에 필요한 각종 실험장비에도 적용할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명인 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너(100)는, 연료유입부(10)와 산화제유입부(30) 및 분리이송부(50)로 3단 구성되고 그 사이에 테프론 재질로 성형된 제1,2실링부를 구비하는 한편 연료도관(51)과 산화제도관(52)을 분리하여 허니컴 구조로 배치함으로써, 고온 및 고압조건하에서도 균일한 평판화염의 형성이 가능하여 고체연료 분류층 가스화기나 각종 실험장비에 적용할 수 있는 유리한 효과가 있다.
100 : 버너 1 : 연료
2 : 산화제 3 : 석탄입자공급튜브
10 : 연료유입부 11 : 연료유입공
20 : 제1실링부 21 : 연료이동공
30 : 산화제유입부 31 : 연료도관
32 : 홈 33 : 산화제유입공
40 : 제2실링부 41 : 연료이동공
42 : 산화제이동공 50 : 분리이송부
51 : 연료도관 52 : 산화제도관
10',20',30',40',50' : 튜브홀더부

Claims (8)

  1. 연료유입공을 통해 유입된 연료가 이동될 수 있도록 상부가 개방된 연료유입부;와
    상기 연료유입부의 상부에 배치되어 상기 상부로 이동된 연료의 이동통로가 되는 연료도관이 구비되고, 산화제유입공을 통해 유입된 산화제가 이동될 수 있도록 상부가 일부 개방되는 산화제유입부; 및
    상기 산화제유입부의 상측에 배치되어, 내부에는 상기 산화제유입부의 연료도관과 연통되는 연료도관과, 상기 상부로 이동된 산화제의 이동통로가 되는 산화제도관이 구비되는 분리이송부;를 포함하여 이루어지는 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산화제유입부의 연료도관 주위에는, 상기 산화제유입공과 연통되는 낮은 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료유입부와 상기 산화제유입부 사이에는, 상기 산화제유입부의 연료도관과 연통되는 연료이동공이 마련된 제1실링부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산화제유입부와 상기 분리이송부 사이에는, 상기 분리이송부의 연료도관 및 산화제도관과 연통되는, 연료이동공 및 산화제이동공이 마련된 제2실링부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 제1,2실링부는, 테프론(Teflon)재질로 성형되는 것을 특징으로 하는 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분리이송부의 연료도관과 산화제도관은, 각각의 연료도관 주위에 산화제도관이 배치되도록 형성됨을 특징으로 하는 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 분리이송부의 연료도관과 산화제도관은, 허니컴(honeycomb) 구조로 배치되는 것을 특징으로 하는 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료유입부, 산화제유입부, 분리이송부 및 제1,2실링부에는, 석탄입자를 공급하는 튜브가 관통되는 튜브홀더부가 연통 형성되는 것을 특징으로 하는 고체연료 분류층 가스화 고압 평판화염 반응기용 버너.
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