KR101388203B1 - 개질 반응 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

개질 반응 장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

개질 반응 장치 및 그 제어방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 탄화실에 연결되어 탄화실의 열에너지가 유입되는 개질 반응기; 상기 개질 반응기 내에 개질 물질과 산소를 분사하는 혼합물 분사부; 및 상기 개질 반응기의 개질 물질과 산소를 가열하여 상기 개질 물질이 산소화 반응하도록 하는 가열실을 포함하는 개질 반응 장치를 제공한다.

Description

개질 반응 장치 및 그 제어방법{REFORMING REACTOR AND CONTROLLING METHOD THEREOF}
본 발명은 탄화실의 열에너지를 이용하여 개질 물질을 반응시킬 수 있는 개질 반응 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
제철소에서는 석탄을 건류하여 코크스를 제조한다. 탄화실에 석탄을 장입한 후 가열하여 코크스를 제조할 수 있다. 코크스 제조시 부생가스가 발생될 수 있다. 부생가스에는 코크스 가스, 타르 및 방향족 화합물인 BTX가 함유될 수 있다. 코크스 가스는 제철공정에서 LNG를 대체할 수 있는 제철 연료로 사용될 수 있다. 제철 연료로 적합성이 낮은 타르와 BTX는 정제공정을 통해 다시 이용될 수 있다.
대한민국 특허공개공보 제1998-0080651호(1998.11.25. 공개)에는 코크스로의 조업방법과 그 장치에 관한 것이다. 탄화실에 상승관이 배치되어 상승관을 통해 탄화실에서 발생된 코크스 가스가 배출될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 탄화실의 열에너지를 이용하여 개질 물질을 반응시킬 수 있는 개질 반응 장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 탄화실에 연결되어 탄화실의 열에너지가 유입되는 개질 반응기; 상기 개질 반응기 내에 개질 물질과 산소를 분사하는 혼합물 분사부; 및 상기 개질 반응기의 개질 물질과 산소를 가열하여 상기 개질 물질이 산소화 반응하도록 하는 가열실을 포함하는 개질 반응 장치를 제공한다.
상기 혼합물 분사부는, 혼합 챔버가 형성되고 상기 혼합 챔버의 분사측에 다수의 분사홀이 형성된 혼합관; 상기 혼합 챔버에 산소를 분사하는 산소 분사관; 상기 혼합 챔버에 액체 타르 및 액체 탄화수소계 물질을 분사하는 액체 분사관; 및 상기 혼합 챔버에 고체 타르 및 고체 탄화수소계 물질을 분사하는 고체 분사관을 포함할 수 있다.
상기 개질 반응기와 탄화실의 가스 배출관은 연결관에 의해 연결되고, 상기 연결관에는 연결관의 유로를 개폐시키는 밸브가 설치될 수 있다.
상기 개질 반응기에는 액체 및 고체 타르와 탄화수소계 물질과 산소가 반응하여 생성된 일산화탄소와 수소를 배출하는 회수관이 형성되고, 상기 회수관에는 유로를 개폐시키는 밸브가 설치될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 탄화실의 열에너지가 개질 반응기에 공급되는 단계; 상기 개질 반응기에 개질 물질과 산소가 분사되는 단계; 및 상기 개질 반응기의 개질 물질과 산소를 가열하여 개질 물질과 산소를 반응시키는 단계를 포함하는 개질 반응 장치의 제어방법을 제공한다.
상기 개질 반응기에 탄화실의 열에너지가 공급되는 단계에서는, 상기 탄화실의 압력이 일정하게 유지될 때에 상기 탄화실의 열에너지를 개질 반응기에 공급할 수 있다.
상기 개질 물질과 산소가 분사되는 단계에서는, 혼합물 분사부에서 타르와 탄화수소계 물질 및 산소가 혼합되면서 개질 반응기에 분사될 수 있다.
상기 개질 물질과 산소를 반응시키는 단계에서는, 상기 타르와 탄화수소계 물질 및 산소가 반응하여 일산화탄소와 수소가 생성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 탄화실의 열에너지를 이용하여 타르와 탄화수수계 물질로부터 일산화탄소와 수소를 얻을 수 있으므로, 에너지를 절감할 수 있고 고부가가치 물질을 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 코크스 제조장치의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 코크스 제조장치의 탄화실과 개질 반응 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 개질 반응 장치에서 반응 물질이 배출되는 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 개질 반응 장치의 혼합물 분사부를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 개질 반응 장치의 제어방법을 도시한 플로우 차트이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 개질 반응 장치의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 코크스 제조장치의 일 실시예를 도시한 도면이고, 도 2는 코크스 제조장치의 탄화실과 개질 반응 장치를 도시한 도면이고, 도 3은 개질 반응 장치에서 반응 물질이 배출되는 상태를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 코크스 제조장치는, 코크스로(10), 다수의 가스 배출관(60), 가스 집합관(70)을 포함할 수 있다.
코크스로(10)는 연소실(20)과 탄화실(30)이 교번으로 배열되는 구조를 가질 수 있다. 장입차(미도시)가 이동하면서 탄화실(30)에 순차적으로 석탄을 장입할 수 있다.
연소실(20)의 내부는 격벽(21)이 형성될 수 있다. 연소실(20)은 인접한 탄화실(30)에 열을 제공한다.
탄화실(30)에는 개질 반응 장치(100)가 연결될 수 있다. 개질 반응 장치(100)에 관해서는 아래에서 상세히 설명하기로 한다.
탄화실(30)에는 석탄을 장입할 수 있도록 장입구(31)가 형성될 수 있다. 장입구(31)에는 석탄을 가열할 때에 장입구(31)를 폐쇄하도록 장입 도어(32)가 설치될 수 있다. 장입구(31)는 석탄의 장입을 용이하게 할 수 있도록 탄화실(30)의 상측에 배치될 수 있다.
탄화실(30)에는 석탄을 가열할 때에 발생되는 코크스 가스가 배출될 수 있도록 코크스 가스 배출구(34)가 형성될 수 있다. 코크스 가스 배출구(34)는 탄화실(30)의 상측에 배치될 수 있다. 탄화실(30)의 코크스 가스 배출구(34)에는 가스 배출관(60)이 연결될 수 있다. 가스 배출관(60)은 탄화실(30)의 상측으로 세워진 상태로 배치될 수 있다.
모든 가스 배출관(60)은 가스 집합관(70)에 연결될 수 있다. 가스 집합관(70)은 코크스로(10)의 길이방향을 따라 길게 배치될 수 있다.
탄화실(30)에는 가스 배출시 수증기를 분사하도록 수증기 분사노즐(36)이 설치될 수 있다. 또한, 탄화실(30)에는 탄화실(30) 내부의 압력을 측정할 수 있도록 압력 감지부(37)가 설치될 수 있다.
석탄은 탄화실(30)에서 대략 1300℃의 온도로 대략 25-27 시간 정도 가열된다. 석탄이 가열됨에 따라 코크스가 생성되고 코크스 가스, 타르 및 BTX 등의 부생가스가 발생될 수 있다.
연소실(20)과 탄화실(30)의 하부에는 축열실(40)이 형성될 수 있다. 축열실(40)의 내부에는 축열물질이 수용되어 연소실(20)과 탄화실(30)에서 발산되는 열에너지를 축열할 수 있다.
축열실(40)의 외측에는 열교환부(50)가 접촉될 수 있다. 열교환부(50)에는 공기나 물이 유동하면서 축열실(40)의 열에너지에 의해 가열될 수 있다. 가열된 공기나 물은 가열 공기나 온수가 필요한 다른 제철 공정에 이용되거나 제철소의 편의 시설에 이용될 수 있다.
개질 반응 장치(100)는, 개질 반응기(110), 혼합물 분사부(120) 및 가열실(130)을 포함할 수 있다.
개질 반응기(110)는 탄화실(30)에 연결될 수 있다. 이때, 개질 반응기(110)의 일측과 탄화실(30)의 가스 배출관(60)은 연결관(111)에 의해 연결될 수 있다. 연결관(111)에는 연결관(111)의 유로를 개폐시키도록 밸브(112)가 설치될 수 있다. 이러한 개질 반응기(110)는 1400℃ 이상에서 견딜 수 있도록 내화물로 제작될 수 있다.
탄화실(30)의 열에너지는 개질 반응기(110)에 유입될 수 있다. 탄화실(30)에 석탄이 장입된 후 석탄의 건류, 다시 말해 코크스 제조가 개시된다. 석탄의 건류 초기에는 대부분의 코크스 가스가 발생된다. 석탄의 건류가 소정 시간 지나면, 코크스 가스는 거의 발생되지 않는다. 탄화실(30) 내부에서 코크스 가스가 거의 발생되지 않을 시점이 되면, 탄화실(30) 내부의 압력은 더 이상 증가하지 않고 거의 변동되지 않는다. 따라서, 코크스 가스의 생성이 거의 완료되면, 탄화실(30) 내부의 압력은 일정하게 유지될 수 있다.
탄화실(30)의 압력 감지부(37)는 탄화실(30)의 내부 압력을 감지한다. 제어부에서는 압력 감지부(37)에 의해 압력 변화가 없어짐에 따라 압력이 일정하게 유지되면, 탄화실(30)에서 코크스 가스의 발생이 완료된 것으로 판단할 수 있다. 탄화실(30)에서 코크스 가스의 발생이 완료되면, 탄화실(30)의 열에너지가 개질 반응기(110)에 공급될 수 있다. 이때, 개질 반응기(110)에는 대략 1200-1300℃ 정도의 공기가 제공될 수 있다.
따라서, 탄화실(30)의 열에너지를 이용하여 개질 반응기(110)에서 개질 물질의 반응이 일어나도록 할 수 있다. 또한, 개질 반응기(110)의 내부가 조금만 더 가열되어 대략 1400℃ 정도가 되므로, 개질 물질이 개질 반응을 할 수 있는 조건을 만들 수 있다. 따라서, 개질 물질의 개질 반응에 사용되는 에너지를 절감할 수 있다.
개질 반응기(110)의 하부에는 취출구(114)가 형성되고, 취출구(114)에는 취출도어(미도시)가 설치될 수 있다. 개질 반응기(110)의 하부에 쌓인 재(ash)는 취출구(114)를 통해 배출될 수 있다.
개질 반응기(110)에는 회수관(115)이 형성될 수 있다. 회수관(115)은 액체 및 고체 타르와 탄화수소계 물질과 산소가 반응하여 생성된 일산화탄소와 수소를 배출할 수 있다. 회수관(115)에는 유로를 개폐시키는 밸브(116)가 설치될 수 있다. 회수관(115)은 반응 물질을 수용할 수 있는 저장탱크에 연결될 수 있다.
개질 반응기(110)에는 산소 공급부가 더 포함될 수 있다. 산소 공급부는 혼합물 분사부(120)에 분사되는 산소의 양을 보충할 수 있다. 따라서, 개질 반응기(110)에는 충분한 양의 산소가 공급될 수 있다.
혼합물 분사부(120)는 개질 반응기(110) 내부에 개질 물질과 산소를 혼합한 상태로 분사할 수 있다. 개질 물질은 코크스 제조시 발생되는 타르와, 폐기될 수 있는 탄화수소계 물질을 포함할 수 있다. 탄화수소계 물질은 플라스틱 가루, 고체 폐유, 액체 폐유 및 폐식용유 등 다양한 물질이 포함될 수 있다. 플라스틱 가루와 고체 폐유는 고체 물질 등은 고체 물질이고, 액체 폐유 및 폐식용유 등은 액체 물질이다. 개질 반응기(110)에서는 코크스 제조시 발생되는 타르와, 생활 폐기물 및 산업 폐기물로부터 일산화탄소와 수소를 얻을 수 있다. 따라서, 자원의 재활용이 가능하도록 한다.
도 4는 개질 반응 장치의 혼합물 분사부를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 혼합물 분사부(120)는 혼합관(121), 산소 분사관(125) 및 액체 분사관(127) 및 고체 분사관(129)을 포함할 수 있다.
혼합관(121)의 내부에는 혼합 챔버(122)가 형성된다. 혼합 챔버(122)의 분사측에는 다수의 분사홀(123)이 형성될 수 있다. 산소 분사관(125)은 혼합 챔버(122)에 산소를 분사하도록 혼합 챔버(122)에 연결될 수 있다. 액체 분사관(127)은 혼합 챔버(122)에 연결되어 혼합 챔버(122)에 액체 타르 및 액체 탄화수소계 물질을 분사할 수 있다. 고체 분사관(129)은 혼합 챔버(122)에 연결되어 고체 타르 및 고체 탄화수소계 물질을 분사할 수 있다.
혼합 챔버(122)에는 산소, 액체 물질 및 고체 물질이 모두 분사되므로, 산소와 액체 물질 및 고체 물질이 고르게 혼합될 수 있다. 혼합 챔버(122)의 혼합 물질은 개질 반응기(110)의 내부에 분사될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 개질 반응 장치의 제어방법 및 그 작용에 관해 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 개질 반응 장치의 제어방법을 도시한 플로우 차트이다.
도 5를 참조하면, 탄화실(30)에 석탄을 장입한 후 산소를 취입할 수 있다. 석탄과 산소가 착화됨에 따라 석탄의 건류, 다시 말해, 코크스 제조가 개시될 수 있다(S11).
코크스 제조가 개시되면 압력 감지부(37)는 탄화실(30) 내부의 압력을 감지할 수 있다(S12). 탄화실(30)의 내부는 연소실(20)에 의해 대략 1300℃의 온도로 가열될 수 있다.
석탄이 건류됨에 따라 탄화실(30)의 내부에는 코크스 가스 등이 발생될 수 있다. 코크스 가스가 발생됨에 따라 탄화실(30)의 내부 압력은 증가될 수 있다. 코크스 가스는 가스 배출관(60)을 통해 가스 집합관(70)으로 배출될 수 있다. 따라서, 탄화실(30)의 내부 압력이 실시간으로 변동될 수 있다.
코크스 가스는 석탄의 건류 초기에 대부분 발생된다. 코크스 가스의 발생이 거의 완료되면 탄화실(30) 내부의 압력이 일정하게 유지될 수 있다.
제어부에서는 압력 감지부(37)에서 보내진 신호에 의해 탄화실(30) 내부의 압력이 일정하게 유지되는지를 판단할 수 있다(S13).
탄화실(30) 내부의 압력이 일정하게 유지된다고 판단되면, 제어부는 코크스 가스의 발생이 완료되었다고 판단할 수 있다.
코크스 가스의 발생이 완료되었다고 판단되면, 탄화실(30)의 열에너지가 개질 반응기(110)에 공급될 수 있다(S14). 개질 반응기(110)에는 코크스 가스가 거의 공급되지 않고 거의 열에너지만 공급될 수 있다. 이때, 개질 반응기(110)에는 대략 1200-1300℃의 공기가 공급될 수 있다.
이어, 가열실(130)은 개질 반응기(110)에 열에너지를 공급한다. 개질 반응기(110)는 대략 1400℃ 정도로 가열될 수 있다.
또한, 개질 반응기(110)의 내부에 산소, 타르 및 탄화수소계 물질이 분사될 수 있다(S16). 즉, 산소 분사관(125)은 혼합 챔버(122)에 산소를 분사한다. 액체 분사관(127)은 혼합 챔버(122)에 액체 타르 및 액체 탄화수소계 물질을 분사한다. 고체 분사관(129)은 혼합 챔버(122)에 고체 타르 및 고체 탄화수소계 물질을 분사한다. 혼합 챔버(122)에서는 산소, 액체 물질 및 고체 물질이 모두 분사되므로, 산소와 액체 물질 및 고체 물질이 고르게 혼합될 수 있다. 혼합 챔버(122)에서 혼합된 물질은 개질 반응기(110)의 내부에 분사될 수 있다.
타르와 탄화수소계 물질이 고온 상태에서 산소와 반응하면, 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 생성될 수 있다(S17). 이처럼 타르와 탄화수소계 물질에서 일산화탄소와 수소를 얻을 수 있으므로, 폐원료에서 고부가가치 물질을 얻을 수 있다.
일산화탄소와 수소는 개질 반응기(110)에서 배출될 수 있다(S18).
예를 들면, 일산화탄소와 수소는 도 2와 같이 회수관(115)을 통해 저장탱크에 저장될 수 있다. 이때, 회수관(115)의 밸브(116)가 개방됨에 따라 일산화탄소와 수소가 배출될 수 있다.
또한, 일산화탄소와 수소는 도 3과 같이 연결관(111)을 통해 정제공정으로 보내질 수 있다. 이때, 연결관(111)의 밸브(112)가 개방됨에 따라 일산화탄소와 수소가 배출될 수 있다.
상기와 같이, 탄화실(30)에서 코크스 가스의 발생이 완료된 후, 탄화실(30)의 열에너지가 개질 반응기(110)에 공급되므로, 탄화실(30)의 열에너지를 이용하여 이산화탄소와 수소와 같은 고부가 가치 물질을 얻을 수 있다.
또한, 탄화실(30)의 열에너지가 개질 반응기(110)에 공급되므로, 개질 반응기(110)가 조금만 더 가열되더라도 개질 반응 온도인 1400℃ 정도까지 가열될 수 있다. 따라서, 열에너지가 현저히 절감될 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10: 코크스로 20: 연소실
30: 탄화실 40: 축열실
50: 열교환부 60: 가스 배출관
70: 가스 집합관 100: 개질 반응 장치
110: 개질 반응기 120: 혼합 분사부
130: 가열실

Claims (8)

  1. 탄화실에 연결되어 탄화실의 열에너지가 유입되는 개질 반응기;
    상기 개질 반응기 내에 개질 물질과 산소를 분사하는 혼합물 분사부; 및
    상기 개질 반응기의 개질 물질과 산소를 가열하여 상기 개질 물질이 산소화 반응하도록 하는 가열실을 포함하고,
    상기 혼합물 분사부는,
    혼합 챔버가 형성되고 상기 혼합 챔버의 분사측에 다수의 분사홀이 형성된 혼합관;
    상기 혼합 챔버에 산소를 분사하는 산소 분사관;
    상기 혼합 챔버에 액체 타르 및 액체 탄화수소계 물질을 분사하는 액체 분사관; 및
    상기 혼합 챔버에 고체 타르 및 고체 탄화수소계 물질을 분사하는 고체 분사관을 포함하는 개질 반응 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질 반응기와 탄화실의 가스 배출관은 연결관에 의해 연결되고,
    상기 연결관에는 연결관의 유로를 개폐시키는 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 개질 반응 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질 반응기에는 액체 및 고체 타르와 탄화수소계 물질과 산소가 반응하여 생성된 일산화탄소와 수소를 배출하는 회수관이 형성되고,
    상기 회수관에는 유로를 개폐시키는 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 개질 반응 장치.
  5. 탄화실의 열에너지가 개질 반응기에 공급되는 단계;
    상기 개질 반응기에 개질 물질과 산소가 분사되는 단계; 및
    상기 개질 반응기의 개질 물질과 산소를 가열하여 개질 물질과 산소를 반응시키는 단계를 포함하는 개질 반응 장치의 제어방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 개질 반응기에 탄화실의 열에너지가 공급되는 단계에서는,
    상기 탄화실의 압력이 일정하게 유지될 때에 상기 탄화실의 열에너지를 개질 반응기에 공급하는 것을 특징으로 하는 개질 반응 장치의 제어방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 개질 물질과 산소가 분사되는 단계에서는,
    혼합물 분사부에서 타르와 탄화수소계 물질 및 산소가 혼합되면서 개질 반응기에 분사되는 것을 특징으로 하는 개질 반응 장치의 제어방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 개질 물질과 산소를 반응시키는 단계에서는,
    상기 타르와 탄화수소계 물질 및 산소가 반응하여 일산화탄소와 수소가 생성되는 것을 특징으로 하는 개질 반응 장치의 제어방법.
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