KR101457884B1

KR101457884B1 - 초 중질유 업그레이드 공정을 위한 자동형 이중순환유동층 냉간장치

Info

Publication number: KR101457884B1
Application number: KR20130133271A
Authority: KR
Inventors: 서명원; 곽영태; 윤상준; 이재구; 라호원; 노남선; 김용구; 김재호
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2014-11-13

Abstract

본 발명은 이중순환유동층 냉간장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 점도가 높은 역청(bitumen) 및 감압잔사유(vacuum residue)의 열분해-가스화 과정에서 반응장치 내부에서 기체 및 유동화매체 흐름이 최적화되도록 실질적인 반응장치를 제조하기 이전에 유동화매체의 흐름 데이터를 수집하고 개선할 부분을 쉽게 파악할 수 있는 냉간장치에 관한 것이다.

Description

초 중질유 업그레이드 공정을 위한 자동형 이중순환유동층 냉간장치{Dual circulating fluidized bed reactor for extra-heavy oil upgrading process}

일반적으로 고체입자를 이용한 반응기는 보일러, 건조기, 흡착 반응기, 소각로, 석탄가스화 복합발전(IGCC) 등에 이용되고 있고, 그 중에서 가스화 반응에 가장 많이 사용되고 있다. 고체입자를 이용한 반응기는 고체입자의 유동형태에 따라 고정층(Moving/Fixed Bed), 분류층(Entrained Flow), 유동층(Fluidized Bed)으로 나눌 수 있다.

고정층 반응기는 반응기 내에 연료를 적층시킨 상태에서 가스화제를 투입하고 그 위치에서부터 부분산화, 가스화, 열분해, 건조 형태로 순차적인 반응이 일어난다. 충전물이 고정되어 있어 마모가 적고, 형상, 크기, 용량 등을 자유롭게 선택할 수 있어 접촉 시간의 조절이 용이하다. 하지만 가스의 흐름의 한 쪽으로 쏠리는 채널링(Channeling) 현상으로 인해 효율이 낮다는 단점이 있어 대용량보다는 중소용량에 적합한 특징을 가지고 있다. 분류층 반응기는 반응기 내에 높은 온도를 가지는 화염이 존재한다. 반응 대상인 고체연료는 미분화된 형태로 공급되며 화염대 주변에 분사되어 가스화 과정을 거친다. 고효율 운전이 가능하여 석탄 가스화 복합발전용 등으로 많이 사용되고 있다. 대표적으로 Texaco, Shell, Kopper-Totzek 등이 있다. 유동층 반응기는 유동화 매체를 사용하여 연전달율을 높이고 수력학적인 특성을 이용하여 유동화 매체와 고체연료를 이송시킨다. 고정층 반응기와 비교하여 유동층 반응기는 반응기 내부의 온도 분포가 균일하며 반응기 내 최고 온도가 낮은 특징을 가진다.

유동층 반응기 중에서도 이중유동층(Dual Fluidized Bed) 방식에서는 두 개의 반응기를 사용하여 흡열반응인 가스화 영역과 발열반응인 연소 영역이 구분되어, 가스화에 필요한 열은 미반응된 촤(Char)나 필요시 보조연료의 연소열로 공급된다. 가스화기와 연소기가 분리되어 있어 합성가스에 질소가 섞이지 않아 높은 발열량을 가지는 합성가스의 생산이 가능하여, 고부가 연료 생산을 위한 합성가스 공정 구성에 주로 활용된다. 이중유동층 반응기는 가스화기와 연소기의 조합에 따라 다양한 형태로 구성할 수 있으며, 대표적으로 미국의 FERCO Silva gas 공정, 네덜란드 ECN의 Milena, 오스트리아의 Gussing, 일본 EVARA사의 가스화기가 있다.

최근에는 이중유동층 방식을 이용한 가스화 공정 뿐 아니라, 흡착 강화 개질 (absorption enhanced reforming), 매체 순환식 연소 (chemical looping combustion) 등도 개발되고 있다. 이와 더불어 API 비중이 10이하인 초중질유분의 업그레이드 공정에도 이중유동층 방식을 도입할 수 있다. 초중질유분 (역청 및 감압잔사유)를 두 개의 반응기를 사용하여 열분해 영역과 가스화 영역을 구분하여 열분해 영역에서 1차 열분해 된 오일 성분을 추출하고 남은 코크스 성분은 유동화 매체 (모래)에 코팅되어 가스화 영역에서 가스화 반응 통하여 일산화탄소와 수소로 구성된 합성가스를 생산할 수 있다. 열분해 반응 및 가스화 반응 효율은 반응기의 형태 및 구조와 밀접한 관련을 가지고 있으며, 이중유동층 반응기내에서 유동화 매체의 흐름은 반응기의 성능을 좌우할 수 있다.

- 한국등록특허 제10-0999470호(2010.12.02 등록):사각 형태의 이단 순환 유동층 반응기

이에 본 발명의 이중순환유동층 냉간 장치는,

열분해-가스화 반응기 각각의 유동화 매체 흐름 특성을 파악하고 모니터링하기 위한 손쉬운 장치의 제공을 목적으로 한다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 이중순환유동층 냉간 장치는,

초중질유를 열분해 및 가스화시키는 과정에서 반응장치 내부 흐름과 압력을 관할하여 실제 반응장치의 유동매체 흐름을 최적화시킬 수 있도록 투명재질로 형성된 이중 순환 유동층 냉간장치에 있어서, 하단에 유동화가스유입구가 형성된 수직상승관과, 상기 수직상승관의 하부에 연통되어 유동화물질인 고체입자를 공급하는 고체입자공급부와, 상기 수직상승관에는 하단과 높이에 따라 다수 설치된 압력센서를 포함하는 열분해반응기와; 하단에 유동화가스유입구가 형성되어 적층된 고체입자를 유동화시키는 원통체의 가스화반응챔버와, 상기 가스화반응챔버의 상단에 연통된 가스배출관과, 상기 가스배출관 및 유동화가스유입구에 설치된 압력센서를 포함하는 가스화반응기와; 상기 열분해반응기의 상부에 일단이 연통되고 타단이 가스화반응기의 상부측면을 연통되어 열분해반응기에서 가스화반응기로 고체입자를 이송시키는 이송관과; 상기 가스화반응기의 하부측면에 일단이 연통되고 타단이 열분해반응기의 하부측면에 연통되어 가스화반응기에서 열분해반응기로 고체입자를 재공급하는 순환관과; 상기 이송관의 라인상에 설치되는 사이클론과; 상기 사이클론 하부에 연통되어 분리된 고체입자를 임시적층하고, 하단에는 단속밸브를 설치하여 개폐에 의해 적층된 고체입자를 배출시키는 호퍼와; 상기 순환관의 라인상에 설치되어 일정 적층공간에 의해 열분해반응기와 가스화반응기 사이의 가스이동을 차단하면서 열분해반응기로 고체입자를 공급하는 룹실;을 포함하여 구성된다.

또한, 상기 냉간장치에는 각 압력센서 센싱값을 표시하는 표시부를 메인표시대에 밀집하여 배치할 수 있다.

또한, 상기 열분해반응기, 사이클론, 호퍼, 가스화반응기, 룹실의 연결부위 중 어느 하나 이상의 연결부위에는 유량계를 설치하고, 상기 각 유량계의 측정값을 표시하는 표시부는 메인표시대에 밀집하여 배치되도록 할 수 있다.

상기 해결수단에 의한 본 발명의 이중순환유동층 냉간 장치는,

투명재질에 의해 유동화물질인 가스와 고체입자의 유동상황을 육안으로 확인할 수 있어 어느 부위에서 고체입자가 불필요한 적층이 이루어지는지의 개전할 부분을 쉽게 파악하여 이후 실제 반응기 제조에 있어서 참고자료로 활용할 수 있도록 하였다. 특히 장치내에 다수의 압력센서 또는 유량계를 설치하여 구간별 압력과 유량을 확인함은 물론 각 측정값을 나타내는 표시부를 메인표시대에 밀집하여 배치시킴으로써 메인표시대만 확인하여도 각구간의 압력과 유량 데이터를 쉽게 파악할 수 있도록 하는 편의성을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이중순환 유동층 냉간장치를 도시한 전체 구성도.
도 2a는 열분해반응기의 수직상승관 하단을 도시한 개략단면도.
도 2b는 가스화반응기의 하단을 도시한 개략단면도.
도 2c는 룹실의 하단을 도시한 개략단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 메인표시대를 구비한 이중순환 유동층 냉간장치를 도시한 구성도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.

본 발명에 따른 이중순환 유동층 냉간장치는 금속재질의 반응장치를 제조하기 이전에 유동화매체 즉 고체입자의 흐름을 예비적으로 측정하여 데이터를 수집하고 이를 기반으로 최적화된 최종 반응장치의 제조가 가능하게 하는 냉간장치에 관한 것이다. 본 발명의 냉간장치의 재질로는 내부를 육안으로 확인할 수 있는 아크릴이나 유리등의 투명재질로 형성하는 것이 바람직하며, 금속재질로 형성할 경우에는 내측에 cctv를 설치하여 내부 흐름을 확인할 수 있도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이중순환 유동층 냉간장치를 도시한 전체 구성도이다.

참조한 바와같이 본 발명의 냉각장치(1)는 열분해반응기(10)와, 가스화반응기(20)와, 열분해반응기의 고체입자를 가스화반응기로 공급하는 이송관(30)과, 가스화반응기의 고체입자를 열분해반응기로 공급하는 순환관(40)과, 상기 이송관의 라인상에 설치되는 사이클론(50) 및 호퍼(60)와, 상기 순환관의 라인상에 설치되는 롭실(Loop seal;70)과, 고체입자가 이동되는 유로상에 설치된 다수의 압력센서(P)를 포함하여 구성된다.

상기 열분해반응기(10)는 하단에 유동화가스유입구(12)가 형성된 수직상승관(11)으로 구성되고, 하부 일측면에는 유동화매체인 고체입자를 공급하는 고체입자공급부(13)가 형성된다. 상기 유동화가스유입구(12)는 단일관을 통해 유동화가스를 공급하거나 도 2a를 참조한 바와같이 도입부를 통해 중심과 외측이 다른 성분을 공급하도록 할 수 있다. 즉, 유동화가스유입구(12)는 중앙에 분사관(121)을 배치하여 고체입자가 혼합된 유동화가스를 상향으로 고압분사하고, 분사관 외측으로는 분산판(122)에 의해 상하구획하여 고체입자의 하강을 방지하면서 유동화가스만 상향분사가 이루어지도록 해 고체입자를 분사압력에 의해 수직상승관 상부로 이동되도록 한다.

이때 상기 수직상승관(11)에는 높이에 따라 일정간격으로 다수의 압력센서(P)를 설치하여 각 위치에서의 압력을 측정해 중앙의 분사관(121) 또는 가장자리의 분산판(122)을 통해 공급되는 유동화가스의 압력에 의한 수직상승관(11) 내의 압력변화를 측정할 수 있으며, 육안을 통해 직접 내부 고체입자 흐름을 확인하여 어느 구간에서 고체입자의 적층 또는 정체가 발생되는지 여부와 가해지는 압력이 적절한지를 쉽게 파악하여 설계에 반영할 수 있다.

다음으로 상기 가스화반응기(20)는 하단에 유동화가스유입구(22)가 형성된 가스화반응챔버(21)와, 상단 일측의 가스배출관(23)을 포함하여 구성된다. 상기 가스화반응챔버(21)는 열분해반응기(10)의 상부로부터 배출된 고체입자를 공급받아 일정두께로 적층되어 유동화가스에 의해 버블링되거나 고압에 의한 유동화가 이루어지도록 할 수 있다. 상기 가스화반응챔버(21)의 하단은 도 2b에 도시된 바와같이 분산판(221)에 의해 하부의 도입부(222)를 분리구성하여 하부 도입부로부터 유동화가스가 분산판(221)을 통해 상부로 전달되면서 상부의 고체입자는 도입부로 유입되는 것을 차단하는 구조로 제공된다.

또한, 상기 가스화반응챔버(21)의 상단에 연통된 가스배출관(23)은 가스화에 의해 생성된 가스성분을 외부로 배출시키는 관체로, 배출되는 가스내에 고체입자를 분리하기 위한 사이클론 또는 필터가 장착될 수 있다.

또한 상기 가스화반응기(20)에는 가스배출관(23) 및 유동화가스유입구(22)에 압력센서(P)를 설치하여 유동화가스의 유입압력과 가스배출관의 배출압력을 확인함으로써 압력에 따른 고체흐름을 파악할 수 있다.

상기 열분해반응기(10)와 가스화반응기(20) 사이의 고체입자 흐름은 이송관(30)과 순환관(40)에 의해 이루어진다. 즉, 이송관(30)의 일단은 상기 열분해반응기(10)의 상단에 연통되고, 이송관의 타단은 가스화반응기(20)의 상부에 연통되어 열분해반응기의 수직상승관(11)을 따라 수직으로 이송된 고체입자가 이송관(30)을 통해 가스화반응기의 가스화반응챔버(21) 상부로 공급되어 유동화가 이루어지도록 한다. 상기 이송관(30)은 열분해반응기로부터 가스화반응기까지 하향경사로 배관되도록 하여 고체입자의 이송과정에서 이송관내에 적층되어 흐름에 저항으로 작용하는 것을 방지하도록 한다.

상기 이송관(30)의 라인상에는 사이클론(50)과 호퍼(60)가 설치된다. 상기 사이클론(50)은 열분해반응기에서 배출되는 물질 중 가스와 고체입자를 분리하고, 분리된 고체입자를 호퍼()에 저장시킨다. 따라서, 상기 사이클론(50)의 하부 배출구에 호퍼 상부를 연통설치하여 분리된 고체입자가 즉시 호퍼로 공급되도록 한다.

또한 상기 호퍼(60)는 하단에 단속밸브(61)를 설치하여 사이클론(50)에서 분리된 고체입자를 상부에 적층되도록 하면서 가스화반응기 내의 기체가 역유입되는 것을 차단시키고, 일정간격으로 개폐하여 적층된 고체입자를 가스화반응기로 일정하게 공급되도록 한다.

다음으로 상기 순환관(40)은 일단이 가스화반응기(20)에 연통되고 타단이 열분해반응기(10)로 연통되어 가스화반응기에서 반응이 완료된 고체입자를 열분해반응기로 이송시키는 관체이다. 상기 순환관도 고체입자의 흐름이 원활하게 이루어지도록 하기 위해 가스화반응기로 부터 하향경사를 갖도록 배관하는 것이 바람직하며, 순환관의 라인상에는 룹실(70)을 설치하여 두 반응기 사이의 가스이동을 차단하도록 한다.

상기 룹실(70)은 도 2c를 참조한 바와같이 유입관부(71)와 배출관부(72)가 U자 형태로 꺾인 형태로, 분산판(73)에 의해 하부가 구획되어 유입관부 또는 배출관부에 상향으로 유동화가스를 분사하고, 상기 분산판(73)의 상부공간에는 유입관부(71)와 배출관부(72)가 일정길이 연통되어 있다. 따라서 가스화반응기(20)에서 배출된 고체입자는 순환관(40)을 통해 룹실의 유입관부(71)로 내입되어 분산판(73) 상부에 적층되며, 상기 배출관부에 위치하는 분산판(73)에서는 상향으로 유동화가스를 분사하여 적층된 고체입자가 배출관부(72)를 통해 배출되고 다시 순환관을 통해 열분해반응기로 투입되도록 한다.

이때 상기 룹실(70)의 분산판(73)에서 배출되는 유동화가스는 배출관부(72) 방향으로는 큰 압력으로 분사가 이루어지도록 하고, 유입관부(71) 방향으로는 상대적으로 작은 압력으로 분사가 이루어지도록 함으로써 유입관부에 적층된 고체입자를 배출관부 방향으로 이동되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 유입관부(71)와 배출관부(72)로의 유동화가스 공급은 각각 다른 분사관으로 분사되도록 하거나, 분사판(73)을 다공판으로 형성하되 배출관부(72)에 위치하는 분사판의 통공수를 상대적으로 많게 형성하고, 유입관부(71)에 위치하는 분사판의 통공수는 상대적으로 적게 형성하여 전체적인 통공의 단면이 차별되도록 해 서로 다른량으로 분사가 이루어지도록 할 수 있다.

아울러 상기 사이클론 전방의 이송관(30)과 룹실의 후방 순환관(40)에는 압력센서(P)를 설치하여 각 라인에서의 압력 변화를 측정할 수 있다.

즉, 상기 사이클론(50)과 열분해반응기(10) 사이의 이송관(30)에는 압력센서(P)를 설치하여 열분해반응기에서 가스 및 고체입자가 배출되는 라인의 압력을 측정할 수 있다. 또한, 룹실(70)과 열분해반응기(10) 사이의 순환관(30)에는 압력센서(P)를 설치하여 열분해반응기로 고체입자를 공급하는 라인의 압력을 측정할 수 있다. 이와같이 연결부위에서의 압력측정에 의해 각 부분에서 작용하는 압력을 확인하여 배관설계시 반영할 수 있고, 가장 바람직한 고체흐름을 나타내는 압력범위를 알 수 있어 반응기 설계에 필요한 데이터 제공이 가능하다.

또한, 상기 열분해반응기(10), 사이클론(50), 호퍼(60), 가스화반응기(20), 룹실(70)의 연결부위 중 어느 하나 이상의 연결부위에는 유량계(V)를 설치하여 각 부위를 통과하는 유량을 측정하여 그 데이터를 확인할 수 있다.

상기 압력센서(P) 및 유량계(V)는 설치부위에 센싱값을 나타내는 표시부(81)가 같이 설치될 수 있으나, 도 3을 참조한 바와같이 다수의 압력센서나 유량계의 표시부를 하나의 메인표시대(80)에 통합적으로 나타나도록 하여 각 부위에 따른 측정값을 쉽게 확인하게 할 수 있다.

이때 상기 압력센서(P) 또는 유량계(V)의 설치부위와 메인표시대(80)는 무선통신망을 통해 연결되게 함으로써 복잡한 선연결을 간소화시킬 수 있다.

이와같은 구성을 갖는 이중 순환 유동층 냉간장치(1)를 구동시키면 열분해반응기(10)의 고체입자는 하단에서 공급되는 유동화가스에 의해 수직상승관(11) 상부로 상승하고, 수직상승관 상부에 연통된 이송관(30)을 통해 사이클론(50)으로 유입된다. 사이클론에서는 가스성분과 고체성분을 분리하고, 분리된 고체성분만 하부의 호퍼(60)로 공급하여 호퍼에서 일정량 적층되도록 한다. 상기 호퍼는 하단에 설치된 단속밸브(61)의 개폐에 의해 일정량씩 이송관을 통해 가스화반응기(20)로 투입된다.

상기 가스화반응기(20)로 투입된 고체입자는 가스화반응기 내에서 유동화가 이루어지면서 유동화가 완료된 물질은 순환관(40)을 통해 룹실(70)로 공급되어 적층되고, 룹실에서는 일정량씩 열분해반응기로 재공급하여 상승이 이루어지도록 한다.

이 과정에서 상기 각 부위에 설치된 압력센서(P) 및 유량계(V)에서는 실시간으로 센싱이 이루어져 측정값을 메인표시대(80)에 나타내고, 측정된 각 데이터를 백업하여 추후 실제 반응기 제조시 설계에 반영함으로써 최적의 고체흐름을 갖는 반응기의 제조가 가능하다.

1 : 냉간장치
10 : 열분해반응기
11 : 수직상승관 12 : 유동화가스유입구
13 : 고체입자공급부
121 : 분사관 122 : 분산판
20 : 가스화반응기
21 : 가스화반응챔버 22 : 유동화가스유입구
23 : 가스배출관
221 : 분산판 222 : 도입부
30 : 이송관
40 : 순환관
50 : 사이클론
60 : 호퍼 61 : 단속밸브
70 : 룹실
71 : 유입관부 72 : 배출관부
73 : 분산판
80 : 메인표시대 81 : 표시부
P : 압력센서
V : 유량계

Claims

초중질유를 열분해 및 가스화시키는 과정에서 반응장치 내부 흐름과 압력을 관찰하여 실제 반응장치의 유동매체 흐름을 최적화시킬 수 있도록 투명재질로 형성된 이중 순환 유동층 냉간장치에 있어서,
하단에 유동화가스유입구가 형성된 수직상승관과, 상기 수직상승관의 하부에 연통되어 유동화물질인 고체입자를 공급하는 고체입자공급부와, 상기 수직상승관에는 하단과 높이에 따라 다수 설치된 압력센서를 포함하는 열분해반응기와;
하단에 유동화가스유입구가 형성되어 적층된 고체입자를 유동화시키는 원통체의 가스화반응챔버와, 상기 가스화반응챔버의 상단에 연통된 가스배출관과, 상기 가스배출관 및 유동화가스유입구에 설치된 압력센서를 포함하는 가스화반응기와;
상기 열분해반응기의 상부에 일단이 연통되고 타단이 가스화반응기의 상부측면을 연통되어 열분해반응기에서 가스화반응기로 고체입자를 이송시키며, 상기 열분해반응기와 연통된 부분에 근접하여 압력센서가 설치된 이송관과;
상기 가스화반응기의 하부측면에 일단이 연통되고 타단이 열분해반응기의 하부측면에 연통되어 가스화반응기에서 열분해반응기로 고체입자를 재공급하며, 상기 열분해반응기와 근접된 부분에 압력센서가 설치된 순환관과;
상기 이송관의 라인상에 설치되는 사이클론과;
상기 사이클론 하부에 연통되어 분리된 고체입자를 임시적층하고, 하단에는 단속밸브를 설치하여 개폐에 의해 적층된 고체입자를 배출시키는 호퍼와;
상기 순환관의 라인상에 설치되어 일정 적층공간에 의해 열분해반응기와 가스화반응기 사이의 가스이동을 차단하면서 열분해반응기로 고체입자를 공급하는 룹실;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이중 순환 유동층 냉간장치.
제1항에 있어서,
상기 냉간장치에는
각 압력센서 센싱값을 표시하는 표시부를 메인표시대에 밀집하여 배치한 것을 특징으로 하는 이중 순환 유동층 냉간장치.
제2항에 있어서,
상기 열분해반응기, 사이클론, 호퍼, 가스화반응기, 룹실의 연결부위 중 어느 하나 이상의 연결부위에는 유량계를 설치하고, 상기 각 유량계의 측정값을 표시하는 표시부는 메인표시대에 밀집하여 배치되는 것을 특징으로 하는 이중 순환 유동층 냉간장치.
제1항에 있어서,
상기 이송관과 순환관은 하향경사를 갖도록 형성하여 고체입자가 라인상에 적층되는 것을 방지한 것을 특징으로 하는 이중 순환 유동층 냉간장치.