KR101510735B1 - 나선형 라이저를 구비한 간접 가스화기 - Google Patents

Abstract

나선형 라이저를 구비한 간접 가스화기가 제공된다. 상기 나선형 라이저를 구비한 간접 가스화기는 연소화 반응과 가스화 반응이 분리되어 수행되도록 내부가 구획된 가스화 반응기와 상기 가스화 반응기에서의 생성물질을 분해하고 유동사를 회수하는 사이클론을 포함하는 간접 가스화기에 있어서, 연료 및 수증기를 공급받아 가스화 반응이 일어나도록 하는 라이저는 나선형 형상을 가짐을 특징으로 한다. 상기 나선형 라이저를 구비한 간접 가스화기는 소형화된 반응기 사이즈로 인해, 높은 작업공간 없이 쉽게 가스화기를 분해하여 유지, 보수 할 수 있으며, 유지 보수에 필요한 작업공간을 감소시킬 수 있고, 전체 반응기 사이즈를 최소화 할 수 있는 효과가 있다.

Description

나선형 라이저를 구비한 간접 가스화기{INDIRECT GASIFIER INCLUDING A HELICAL RISER}

본 발명은 나선형 라이저를 구비한 간접 가스화기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스화기의 용량은 유지하되 라이저의 높이를 감소시켜 간접 가스화기의 소형화를 이룰 수 있는 나선형 라이저를 구비한 간접 가스화기에 관한 것이다.

가스화 공정은 그 반응 및 가스화 생성물의 목적에 따라 가스화기 및 조업 조건 등이 결정되고, 일반적으로 가스화기의 종류에 따라 분류층(Entrained Bed), 이동층(Moving Bed) 및 유동층(Fluidized Bed) 가스화 장치로 분류 될 수 있다.

유동층 가스화 장치는 상향 흐름을 갖는 반응 기체로 인해 고체층이 부유된 상태로 유동을 하며 혼합되어 가스화 반응을 일으키는 장치로, 고온의 유동매질과 연료 및 산화제의 완전혼합을 통해 기체-고체의 접촉이 완벽히 일어나며, 이에 따라 반응속도가 빠르고 효율이 증대될 수 있다. 또한 비교적 광범위한 연료를 사용할 수 있으며, 반응온도가 1,000℃ 이하로 비교적 낮아서 회분이 건식으로 처리되어 회분의 슬래그(Slag) 배출로 인한 열손실을 줄일 수 있는 특징이 있다.

일반적으로, 유동층 가스화 장치는 대체 에너지 개발 및 폐기물 처리 등의 여러 화학공정 분야에서, 석탄이나 슬러지 또는 폐고분자 물질, 폐목재 및 폐타이어 등의 가스화와 관련된 에너지 전환공정 및 에너지 회수공정에서 사용되어 왔으며, 이에 대한 광범위한 연구가 진행되고 있다.

여기서 가스화 기술이란 탄소, 수소, 산소 등을 포함하는 유기성 고형자원(목질계 바이오매스, 하수슬러지, SRF-Solid Refused Fuel)등에 열/수증기를 가하여 가연성 가스인 H₂,CO,CxHy등을 합성하는 공정을 말한다. 대부분의 가스화기는 가스화 반응에 필요한 열원을 공급하는 연소 반응과 가연성 가스를 합성하는 가스화 공정이 하나의 반응기에서 진행되는데, 연소에 필요한 공기가 공급됨에 따라 최종적으로 합성된 가스가 N₂에 의해 희석되어 단위부피당 열량이 낮다는 단점이 존재한다.

간접가스화기는 연소 반응부와 가스화 반응부를 분리함으로써 N₂에 의한 합성가스의 희석현상을 현저히 감소시킴으로써 높은 발열량의 합성가스를 얻을 수 있다는 장점이 존재한다. 간접가스화기는 연소 반응부와 가스화 반응부의 위치에 따라 내부 순환형 간접가스화기(도1a), 외부 순환형 간접가스화기(도1b)로 나뉜다.

내부 순환형 간접가스화기는 열손실이 적다는 장점이 존재하지만 보수, 개선을 위한 반응기의 분리, 해체작업이 어렵다는 단점이 존재한다. 라이저를 분리하기 위해선 반응기 상단으로 분리해야 하므로 2m의 소형 반응기를 분해하기 위해서 높이 6m이상의 공간이 필요하단 단점이 존재한다.

반응기 크기는 라이저의 크기에 의해 결정되기 때문에(e.g. 라이저 길이 1.2m인 경우, 반응기는 2m 내외) 반응기를 작게 제작하기 위해선 라이저의 길이를 감소시켜야 하지만, 라이저의 길이가 감소하면 가스화기 용량이 감소하는 물리적 모순에 부딪히게 된다.

또한, 단순히 라이저의 직경을 늘리는 경우, 라이저 중심부까지 열이 전달이 안 되어 반응의 편차가 발생할 수 있는 문제점이 존재한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 내부 순환형 간접 가스화기에서 가스화기의 용량은 유지하되 라이저의 길이를 감소시켜 유지, 보수의 효율성을 향상시키고, 라이저의 직경을 유지하여 열전달 효율의 감소가 없도록 하는 간접 가스화기를 제공하는데 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 일 양태에 따르면, 연소화 반응과 가스화 반응이 분리되어 수행되도록 내부가 구획된 가스화 반응기와 상기 가스화 반응기에서의 생성물질을 분해하고 유동사를 회수하는 사이클론을 포함하는 간접 가스화기에 있어서, 연료 및 수증기를 공급받아 가스화 반응이 일어나도록 하는 라이저는 나선형 형상을 가짐을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 사이클론은 상기 가스화 반응기의 상부와 연결되며, 상기 사이클론의 하부에는 상기 가스화 반응기와 연결되는 사이클론 연결관을 포함한다.

본 발명에 따른 나선형 라이저를 구비한 간접 가스화기는 소형화된 반응기 사이즈로 인해, 높은 작업공간 없이 쉽게 가스화기를 분해하여 유지, 보수 할 수 있으며, 유지 보수에 필요한 작업공간을 감소시킬 수 있고, 전체 반응기 사이즈를 최소화 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 간접 가스화기의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 나선형 라이저를 구비한 간접 가스화기의 구성을 나타낸 도면.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 도 1 내지 도 2를 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 나선형 라이저를 구비한 간접 가스화기에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 종래의 간접 가스화기의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 나선형 라이저를 구비한 간접 가스화기의 구성을 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 나선형 라이저를 구비한 간접 가스화기는 크게 가스화 반응부(100)와 사이클론(200)을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 가스화 반응부(100)는 연소반응과 가스화 반응이 구획되어 이루어지며, 연소반응을 위해 공기 유입구에 의해 공기를 공급받으며 하부로부터는 연료를 공급받는다. 또한 상기 사이클론(200)을 통해 회수되는 유동사 및 타르 등의 고형물질도 공급받게 된다.

가스화 반응을 위해서 연료 및 수증기를 하부에서 공급받게 되며 이는 라이저(110)를 통해 공급받게 된다.

상기 사이클론(200)은 상기 가스화 반응기(100)의 상부와 연결되며, 상기 사이클론(200)의 하부에는 상기 가스화 반응기(100)와 연결되는 사이클론 연결관(210)을 포함한다. 상기 사이클론(200)을 통해 회수되는 유동사와 타르 등의 고형 물질이 사이클론 연결관(210)을 통해 다시 가스화 반응기(100)로 이동하여 연소 반응에 사용되게 된다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 내부 순환형 간접 가스화기는 가스화 반응기(100) 내에서 연소와 가스화 반응이 각각 분리되어 일어남을 특징으로 한다. 따라서 외부 순환형 간접 가스화기에 비하여 열손실이 적다는 장점이 존재한다. 그러나 가스화 반응을 위한 연료 및 스팀 공급을 위해 라이저(110)가 구조적으로 필요하고 이러한 라이저(110)의 유지 보수를 위해서는 구조적인 특징 때문에 라이저(110)를 가스화 반응기 상단으로 분리해야 하므로 2m의 소형 가스화 반응기를 분해하기 위해서는 높이가 6m 이상이 되는 공간을 확보하여야 하므로 유지 보수에 있어 큰 불편을 초래한다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 라이저(110)의 길이를 감소시키게 되면 가스화기의 용량이 감소하는 문제가 다시 발생하며, 라이저의 직경을 늘리게 되면 연소 반응에 의한 열 전달이 라이저 내부까지 이뤄지지 않아 가스화 반응의 편차가 발생할 수 있는 문제점이 존재하게 된다.

따라서, 상기한 문제점을 해결하기 위해 본 발명이 안출된 것으로서, 라이저의 실제 길이와 직경은 변함이 없으면서 사이즈를 줄일 수 있도록 하기 위하여 상기 라이저(110)의 형상을 나선형으로 함을 특징으로 한다.

상기 라이저(110)를 나선형 형상으로 함으로써 가스화 반응을 위한 라이저의 실제 길이는 그대로 유지하면서 높이는 감소시킬 수 있어 가스화 반응기(100)의 사이즈를 감소시킬 수 있고 그 결과 유지 보수에 필요한 작업공간 확보도 더 용이해 진다.

또한, 단순한 꺾임 구조가 아니라 나선형 구조를 함으로써, 연료 및 스팀의 유동성에 미치는 영향을 최소화 할 수 있다는 장점이 발생한다.

또한, 연소 반응을 위한 공간이 상대적으로 감소한 것처럼 보일 수 있으나 라이저와 연소 반응에 의한 열 전달 면적은 라이저의 실제 길이에 변화가 없으므로 형상 변화에 따른 영향을 최소화 할 수 있으며, 연소 반응부와 대기와의 접촉면적을 감소시킴으로써, 외부 시스템과의 열교환을 감소 시켜 전체 열효율을 증가시킬 수 있는 장점이 발생한다.

이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

100 : 가스화 반응기
110 : 라이저
200 : 사이클론
210 : 사이클론 연결관

Claims (2)

1. 연소화 반응과 가스화 반응이 분리되어 수행되도록 내부가 구획된 가스화 반응기와
   상기 가스화 반응기에서의 생성물질을 분해하고 유동사를 회수하는 사이클론을 포함하는 간접 가스화기에 있어서,
   연료 및 수증기를 공급받아 가스화 반응이 일어나도록 하는 라이저는 나선형 형상을 가짐을 특징으로 하는 나선형 라이저를 구비한 간접 가스화기.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 사이클론은 상기 가스화 반응기의 상부와 연결되며, 상기 사이클론의 하부에는 상기 가스화 반응기와 연결되는 사이클론 연결관을 포함하는 나선형 라이저를 구비한 간접 가스화기.

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