KR101982786B1 - 유동층 반응기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유동층 반응기에 관한 것으로, 내부에 열전달매질이 흐를 수 있는 열전달매질 유동부 및 라이저 내부로 고체반응물이 주입되는 고체반응물 주입부를 포함하는 케이싱; 및 상기 케이싱 내부에서 길이방향으로 배치되며, 내부에서 상기 고체반응물과 유동화 가스가 상승하면서 반응하는 하나 이상의 라이저;를 포함하며, 상기 라이저의 외부면과 접하는 열전달매질을 통해서 열교환이 일어난다.
Description
본 발명은 유동층 반응기에 관한 것으로, 라이저 내부의 정밀한 온도조절을 용이하게 하는 유동층 반응기에 관한 것이다.
유동층(fluidized bed)은 유동상이라고도 한다. 입자지름이 작은 분립체를 용기에 넣고, 그 밑부분의 다공판과 같은 정류기를 거쳐서 가스 또는 액체를 흘려보내면, 유속이 작을 때에는 입자가 정지된, 이른바 고정층 그대로이지만, 유속이 어느 정도 이상이 되면, 입자에 가해지는 유동저항과 중력이 같아져서, 분립체는 마치 끓는 액체처럼 손쉽게 유동할 수 있는 상태가 된다. 이 현상이 유동화(fluidization)이며, 이 상태의 층이 유동층으로 정의된다.
유동층에서는 용기 내의 입자가 거의 균일하게 혼합되어, 입자와 유체의 접촉이 좋고 온도조절이 손쉬워, 간단한 장치로 다량의 분립체를 연속적으로 처리하여 그 일부를 빼내거나 공급할 수 있다. 그러나 입자가 유체를 따라 운반되는 과정에서 장치가 마모되는 결점이 있다.
이와 관련하여, 라이저(riser)를 이용한 유동층 반응기의 경우 빠른 유동화 속도로 인해 내부 설치형 열교환기 설계 및 유지보수에 어려움을 겪고 있다.
한편, 유동층 반응기는 유체 처리량이 커질수록 반응기의 크기가 커지는데, 반응기의 부피 증가량에 비해 열교환 가능한 반응기 벽면 표면적 증가량이 작기 때문에 열교환 면적을 확보하기 위하여 반응기 내부에 열교환기를 설치할 수 있다. 이때, 내부 설치형 열교환기로 인해 고체의 흐름이 방해를 받거나, 열교환 튜브의 마모로 인한 유지보수에 대한 문제점이 발생한다.
유동층 가스화기와 관련하여 한국공개특허 제 10-2014-0080453호(이하 '선행기술'이라 약칭함)는 열 교환기가 구비된 순환 유동층 가스화기가 개시되었다. 선행기술은 단일 라이저 및 단일 다운커머를 구비하여 단일 경로에서 열교환이 일어나는 메커니즘을 포함하는 유동층 가스화기가 개시되며, 이에 따라 열 교환 면적이 협소하며, 면적의 용이한 확장이 어려운 문제점이 있다.
이에 따라, 본 출원인은 열전달 면적 부족, 고체 흐름 방해, 마모 등을 해결할 수 있는 새로운 형태의 유동층 반응기를 고안하였다.
본 발명의 목적은 열교환 면적이 향상된 유동층 반응기를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 향상된 열교환 면적을 가짐과 동시에, 유동층 입자에 의한 마모가 최소화된 유동층 반응기를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 필요에 따라 용이하게 열교환 면적을 제어할 수 있는 유동층 반응기를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 유지 및 보수가 용이한 유동층 반응기를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 제한된 공간에서 복수의 라이저를 구비하여, 열전달물질과 열교환 면적이 향상된 유동층 반응기 작동방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 유동층 반응기는, 내부에 열전달매질이 흐를 수 있는 열전달매질 유동부 및 라이저 내부로 고체반응물이 주입되는 고체반응물 주입부를 포함하는 케이싱; 및 상기 케이싱 내부에서 길이방향으로 배치되며, 내부에서 상기 고체반응물과 유동화 가스가 상승하면서 반응하는 하나 이상의 라이저;를 포함하며, 상기 라이저의 외부면과 접하는 열전달매질을 통해서 열교환이 일어난다.
또한, 상기 케이싱은 상기 고체반응물 주입부 하단에서 연통된 고체 유동화부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 열전달매질 유동부는 복수의 격벽에 의해 구획되는 복수의 구획들을 포함할 수 있다.
또한, 상기 고체반응물 주입부는 상기 고체 유동화부로부터 유동화 가스를 주입받을 수 있다.
또한, 상기 고체반응물 주입부는 상기 고체반응물을 기포 유동층 상태로 유지할 수 있다.
또한, 상기 라이저는 상기 열전달매질 유동부 상단으로부터 상기 고체반응물 주입부 하단까지 길이방향으로 신장될 수 있다.
또한, 상기 라이저는 상기 고체반응물 주입부에 위치하는 부분에 고체반응물 주입구를 포함할 수 있다.
또한, 상기 고체반응물 주입구는 상기 고체반응물 주입부의 하부에 위치하는 상기 라이저 부분에 형성될 수 있다.
또한, 상기 라이저의 하부에서 상기 유동화 가스가 주입되어 상기 고체반응물과 혼합되어 상기 라이저를 통해 상승할 수 있다.
또한, 상기 하나 이상의 라이저는 복수개의 라이저를 포함하여, 각 라이저가 독립된 상승 경로를 제공할 수 있다.
또한, 상기 라이저는 핀튜브 형태로 제공되어 열 교환 면적이 향상될 수 있다.
또한, 상기 라이저는 내화성 재료를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 유동층 반응기는 상기 케이싱 외부에 위치하여 상기 고체반응물을 저장하며, 상기 고체반응물 주입부로 상기 고체반응물을 공급하는 고체반응물 저장부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 고체반응물 저장부는 상기 고체반응물 주입부로 상기 고체반응물을 공급하는 공급부; 및 상기 라이저로부터 배출된 고체반응물을 전달받는 재생부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 유동층 반응기는 상기 케이싱의 외부에 위치하며, 상기 라이저로부터 배출되는 유체를 전달받는 처리부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 처리부는 상기 라이저로부터 전달받은 유체에서 고체입자와 기체를 분리하는 사이클론; 및 상기 사이클론에서 상기 기체를 전달받는 기체 처리부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 기체 처리부는 상기 기체의 불순물을 흡착하는 흡착제를 포함할 수 있다.
또한, 상기 고체반응물은 탄소질 연료, 유기물 및 바이오 매스 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 유동층 반응기는 상기 열전달매질 유동부에 상기 열전달매질을 공급하는 열전달매질 공급부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 유동층 반응기 동작방법은, (a) 케이싱으로 열전달물질을 공급하는 단계; (b) 상기 케이싱 하단에 고체반응물을 공급하는 단계; (c) 상기 고체반응물을 유동층 상태로 유동화하는 단계; (d) 상기 유동층 및 유동화 가스를 복수의 라이저에 공급하는 단계; 및 (e) 상기 복수의 라이저와 상기 열전달물질 간 열교환이 발생하는 단계;를 포함한다.
본 발명은 복수의 관형 라이저를 케이싱에 삽관함으로써, 종래의 벽타입 열교환기와 동일한 규격의 케이싱이 제공되더라도 상대적으로 열교환 면적이 향상된 유동층 반응기를 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 케이싱에 길이방향으로 삽관된 라이저를 통해 유동층이 상승함으로써, 기존의 내부에 삽입된 열교환기를 포함하는 라이저와 달리 유동층에 포함된 입자의 이동에 대한 방해요소 및 입자의 충돌횟수가 감소할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 유동층 반응기는 유동층 입자에 의한 마모가 최소화되는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 케이싱에 독립된 복수의 라이저를 삽관하여 제공된 유동층 반응기에 있어서, 유동층 반응기 또는 열교환 시스템에서 요구되는 열교환 용량에 따라 삽관되는 라이저의 수를 제어함으로써 용이하게 열교환 면적을 제어할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 각각의 독립된 상승경로를 제공하는 라이저를 구비함으로써 단일 라이저에 불량이 발생하거나 보수가 요구되는 경우 독립적인 보수가 이루어질 수 있어 유지 및 보수 비용이 절감되는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 유동층 반응기는 열교환량이 많은 물리/화학 반응에 용이하게 적용가능함에따라 CFBC(Circulating Fluidized Bed Combustion), CLC(Chemical Looping Combustion), Redox reation 및 FCC(Fluid Catalytic Cracking)와 같이 다양한 분야의 산업에 적용될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 유동층 반응기이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 케이싱 및 라이저의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 케이싱 및 라이저의 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고체반응물 주입부의 확대도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 유동층 반응기의 동작방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 케이싱 및 라이저의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 케이싱 및 라이저의 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고체반응물 주입부의 확대도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 유동층 반응기의 동작방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 유동층 반응기(1)이다. 본 발명의 실시 예에 따른 유동층 반응기(1)는 케이싱(11) 및 라이저(13)를 포함하고, 유동층 반응기(1)는 라이저(13)의 외부면과 접하는 열전달매질을 통하여 열교환이 일어난다. 또한, 도 1을 참조하면 유동층 반응기(1)는 고체반응물 저장부(15), 처리부(17) 및 열전달매질 공급부(19)를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 케이싱(11) 및 라이저(13)의 사시도이다. 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 케이싱(11) 및 라이저(13)의 측단면도이며, 이를 통해 유동화 가스(G, G')의 유동에 대한 이해를 도울 수 있다. 도 2 및 3을 참조하면, 케이싱(11)은 열전달매질 유동부(111), 고체반응물 주입부(113) 및 고체 유동화부(115)를 포함할 수 있다.
케이싱(11)은 다양한 형태로 제공될 수 있다.
본 실시 예에서, 케이싱(11)은 외벽이 곡면을 포함하는 원통형으로 제공되어, 원형 파이프와 같은 형상으로 제공되는 라이저(13)가 용이하게 삽관될 수 있으며, 케이싱(11)의 외벽과 인접한 위치에도 라이저(13)가 용이하게 배치될 수 있어, 케이싱(11) 내측의 제한된 영역 내에서 배치가능한 라이저(13)의 개수가 향상될 수 있다. 이에 따라, 유동층 반응기(1)의 열교환 효율이 향상될 수 있다. 다만, 케이싱(11)의 제공형태는 원통형으로 제한되지 않으며, 설계적 변경이나 사용자의 필요에 따라 다양한 형태로 제공될 수 있다.
열전달매질 유동부(111)는 내부에 열전달매질이 흐를 수 있다.
본 실시 예에서, 열전달매질 유동부(111)는 라이저(13)와 열교환이 이루어지기 위한 열전달매질이 유입 및 유출될 수 있다. 열전달매질 유동부(111)는 내부에서 열전달매질이 순환할 수 있다. 열전달매질 유동부(111)는 열전달매질 공급부(19)로부터 열전달매질을 유입받을 수 있다. 열전달매질 유동부(111) 내부에서 열교환이 이루어져 가열된 유체는 배출될 수 있으며, 열전달매질 공급부(19)로 재공급 되거나 가열된 유체의 공급이 필요한 구성요소에 공급되어 활용될 수 있다.
열전달매질 유동부(111)는 복수의 격벽(1111)에 의해 구획되는 복수의 구획들을 포함할 수 있다.
본 실시 예에서, 열전달매질 유동부(111)는 길이방향으로 다단으로 구획될 수 있다. 열전달매질 유동부(111)는 단일 단층을 정의하는 복수의 구획을 포함할 수 있다. 열전달매질 유동부(111)의 각 구획은 격벽(1111)으로 구획될 수 있다. 열전달매질 유동부(111)의 각 구획은 열전달매질이 유통 및 순환될 수 있다. 열전달매질 유동부(111)의 각 구획은 라이저(13)가 관통되어 열전달매질과 라이저(13) 외벽간 열교환이 이루어질 수 있다.
필요에 따라 복수의 격벽(1111)은 필요에 따라 열전달매질이 연통되는 개구를 포함할 수 있다.
본 실시 예에서, 격벽(1111)은 각 구획을 구획하는 구성요소로 정의될 수 있다. 격벽(1111)은 각 구획간 열전달매질이 용이하게 연통되도록 개구를 포함할 수 있다. 복수의 격벽(1111)에 형성된 개구는 다양한 형태로 제공될 수 있다. 복수의 격벽(1111)에 형성된 개구는 동일하거나 상이한 위치에 형성될 수 있으며, 이는 설계의 변형 도는 사용자의 필요에 의해 변경되어 제공될 수 있다.
고체반응물 주입부(113)는 라이저(13) 내부로 고체반응물이 주입될 수 있다.
본 실시 예에서, 고체반응물 주입부(113)는 라이저(13)와 연통될 수 있다. 고체반응물 주입부(113)는 라이저(13) 내부로 고체반응물을 주입할 수 있다. 특히. 고체반응물 주입부(113)는 복수로 구비된 라이저(13) 각각에 동일한 양의 고체반응물을 주입할 수 있다. 고체반응물의 용이한 주입을 위해, 고체반응물 주입부(113)는 고체반응물을 유동층 상태로 유지할 수 있다.
전술한 바에 따라, 고체반응물 주입부(113)는 고체 유동화부(115)로부터 유동화 가스를 주입받을 수 있다. 이후, 고체반응물 주입부(113)는 고체반응물을 기포 유동층 상태로 유지할 수 있다.
본 실시 예에서, 고체반응물 주입부(113)는 고체 유동화부(115)와 연통될 수 있다. 고체반응물 주입부(113)와 고체 유동화부(115)는 유동화 가스(G')의 이동이 이루어질 수 있으며, 고체반응물의 이동은 제한될 수 있다. 외부로부터 고체 유동화부(115)로 공급된 유동화 가스(G')는 고체반응물 주입부(113)로 공급된 고체반응물의 최소 유동화를 유도하기 위해 주입될 수 있다. 최소 유동화는 고체반응물 주입부(113)에서 라이저(13)로 고체반응물이 용이하게 주입되기 위한 최소한의 유동성을 확보한 상태로 정의된다. 고체반응물 주입부(113)에서는 고온의 유동화 가스(G')가 하단의 고체 유동화부(115)로부터 고체반응물로 공급될 수 있다. 고체반응물 주입부(113)에서는 공급된 유동화 가스(G')에 의해 고온의 분위기에서 버블링이 발생할 수 있으며, 이에 따라 고체반응물 주입부(113) 내부의 고체반응물은 기포 유동층 상태로 유지될 수 있다.
한편, 각각의 유동화 가스(G, G')가 상이한 가스로 공급되는 경우, 라이저(13) 내부에서 발생하는 반응에 의해 라이저(13) 내벽이 손상될 수 있다. 이러한 문제점을 최소화하기 위해, 유동화 가스(G')는 후술되는 유동화 가스(G)와 동일한 가스로 공급될 수 있다.
고체반응물은 탄소질 연료, 유기물 및 바이오 매스 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 실시 예에서, 고체반응물은 유동화 가스와 반응함으로써 열을 생성할 수 있다. 고체반응물과 유동화 가스의 반응을 통해 생성되는 유체 및 열은 라이저(13)를 통하여 상승할 수 있다. 특히, 반응을 통해 생성되는 열은 열전달매질 유동부(111) 내측에 위치한 라이저(13)의 외벽에서 열전달매질과 열교환이 이루어질 수 있다. 한편, 탄소질 연료는 코크스와 같이 석탄, 바이오연료 및 폐기물에서 유도된 연료일 수 있고, 바이오 매스는 곡물, 식물, 폐목재, 식물 줄기와 같은 목질계와 해조류, 동물의 분뇨나 음식물 쓰레기, 유기성 폐수 등이 포함될 수 있지만 이에 제한되지 않으며, 사용자의 필요 및 작동 상 특징에 따라 고체반응물로 사용되는 물질이 선택적으로 적용될 수 있다.
라이저(13)는 케이싱(11)내부에서 길이방향으로 배치되며, 내부에서 고체반응물과 유동화 가스(G)가 상승하면서 반응할 수 있다. 또한, 라이저(13)는 열전달매질 유동부(111) 상단으로부터 고체반응물 주입부(113) 하단까지 길이방향으로 신장될 수 있다.
본 실시 예에서, 라이저(13)는 열전달매질 유동부(111)의 상단에서 길이방향으로 신장되어 고체반응물 주입부(113)와 연통될 수 있다. 이에 따라, 라이저(13)는 유동화 가스(G) 및 고체반응물이 주입될 수 있다. 라이저(13)는 유동화 가스(G)의 상승력에 의해 유동화 가스(G) 및 고체반응물을 상승시킬 수 있으며, 내부에서 반응이 발생할 수 있다. 이때, 라이저(13)가 일자형 관으로 제공됨에 따라, 고체반응물 및 반응으로 형성된 입자들이 라이저(13)에 충돌하는 횟수가 최소화될 수 있다. 이에 따라, 내부에 열교환기가 구비된 라이저와 같은 종래의 기술보다 장치의 마모되는 정도가 감소할 수 있으며, 기대수명이 향상될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고체반응물 주입부(113)의 확대도이다. 도 4를 참조하면, 라이저(13)는 고체반응물 주입부(113)에 위치하는 부분에 고체반응물 주입구(131)를 포함할 수 있다. 또한, 고체반응물 주입구(131)는 고체반응물 주입부(113)의 하부에 위치하는 라이저(13)의 부분에 형성될 수 있다.
본 실시 예에서, 라이저(13)는 고체반응물 주입부(113)에 위치하는 영역에 고체반응물의 주입을 용이하게 하기 위한 고체반응물 주입구(131)가 형성될 수 있다. 고체반응물 주입구(131)는 다양한 형태로 형성될 수 있다. 일 실시 예에서, 고체반응물 주입구(131)는 라이저(13)의 외벽에 형성되어 측방향으로 고체반응물의 주입을 유도할 수 있다. 이때, 고체반응물 주입구(131)의 위치는 고체반응물 주입부(113)의 하부에 위치하여, 기포 유동층 상태의 고체반응물의 주입이 용이하게 이루어지는 형태로 제공될 수 있다. 다른 실시 예에서, 라이저(13)는 고체반응물 주입부(113)의 상단까지 신장될 수 있으며, 이경우 고체반응물 주입구(131)는 라이저(13)의 최하단에 형성될 수 있다.
라이저(13)는 하부에서 유동화 가스(G)가 주입되어 고체반응물과 혼합된 유체가 라이저(13)를 통해 상승할 수 있다. 이러한 라이저(13)는 복수로 구비될 수 있다. 복수의 라이저(13)는 독립된 상승 경로를 제공할 수 있다.
본 실시 예에서, 라이저(13)는 하부에서부터 유동화 가스(G)가 주입될 수 있다. 라이저(13)는 내부에서 유동화 가스(G)와 고체반응물이 혼합될 수 있다. 라이저(13)는 혼합된 유체가 상승하는 경로를 제공할 수 있다. 이러한 라이저(13)는 복수로 구비되어 전술한 과정이 독립적으로 진행될 수 있다. 라이저(13)는 상승한 유체를 처리부(17)로 전달할 수 있다. 라이저(13)는 유체의 상승과정에서 열전달매질과 열교환이 이루어질 수 있다. 사용자는 유동층 반응기(1)의 열교환 효율을 향상시키기 위해 배치되는 라이저(13)의 개수를 조절할 수 있다. 일 예로, 동일한 규격의 라이저(13)가 4개 구비되는 경우 열교환 면적이 2배 증가할 수 있으며, 동일한 규격의 라이저(13)가 9개 구비되는 경우 열교환 면적이 3배 증가할 수 있다. 이처럼, 본 발명의 실시 예를 따르는 유동층 반응기(1)는 제한된 규격내에 복수의 라이저(13)를 삽관함으로써 열교환 면적이 향상되는 장점이 있다.
또한, 독립된 복수의 라이저(13)에 고체반응물 주입부(113)로부터 동일한 양의 고체반응물이 분배되어, 동일한 조건에서 운전되도록 제어할 수 있다. 동일한 고체반응물의 주입을 위해 고체반응물 주입부(113)는 고체반응물을 유동층 상태로 만들어 주입할 수 있으며, 고체반응물 주입부(113) 내부에 저장되는 고체반응물의 레벨을 일정하게 유지되도록 할 수 있다. 또한, 라이저(13)는 동일한 온도 및 압력조건을 유지하는 고체반응물 주입부(113)로부터 동일한 양의 고체반응물이 주입되도록 고체반응물 주입구(131)가 제공될 수 있다.
라이저(13)는 열교환 면적을 향상시키기 위한 설계적 변형이 적용될 수 있다. 라이저(13)는 열 교환 면적을 향상시키기 위해 핀튜브(fin-tube) 형태로 제공될 수 있다.
본 실시 예에서, 라이저(13)는 측벽에 핀(fin)구조가 추가된 핀 튜브 형태로 제공될 수 있다. 핀튜브 형태로 제공된 라이저(13)는 열전달매질과의 접촉면적이 향상될 수 있으며, 이를 통해 열교환 면적이 향상될 수 있다. 외벽에 추가되는 핀 구조는 제한되지 않으며, 열교환 면적을 향상시키기 위한 모든 변형이 포함될 수 있다. 이처럼, 본 발명의 실시 예에 따른 유동층 반응기(1)는 라이저(13)의 개수를 조절하는 방법 외에도 제공되는 라이저(13) 설계의 변형을 통해 열교환 효율이 향상될 수 있는 이점이 있다.
라이저(13)는 주입되는 고체반응물의 크기에 따라 상이하게 설계되어 제공될 수 있다. 라이저(13)는 10mm 내지 30mm의 직경을 가질 수 있다.
본 실시 예에서, 라이저(13)는 고체반응물의 주입 및 이동이 용이한 크기로 제공됨이 바람직하다. 라이저(13)는 유동화 가스(G)와 고체반응물의 반응이 용이하게 발생하기 위한 충분한 공간을 제공하기 위한 단면적을 가질 수 있다. 각각의 라이저(13)는 동일한 규격으로 제공될 수 있다. 라이저(13)가 원통형 파이프 형태로 제공되는 경우, 라이저(13)는 10mm 내지 30mm의 직경을 가짐으로써 전술한 조건을 만족시킬 수 있다. 다만, 라이저(13)의 직경은 전술한 범위에 제한되지 않으며, 라이저(13)는 설계변경 또는 사용자의 필요에 의해 형상 및 규격이 변경되어 제공될 수 있다.
라이저(13)는 기대수명의 향상을 위해 가동조건에 대한 저항성을 갖는 소재를 포함할 수 있다. 라이저(13)는 내화성 재료를 포함할 수 있다.
본 실시 예에서, 라이저(13)의 외벽은 열교환 효율이 높은 재질로 선택됨이 바람직하다. 또한, 라이저(13)는 내부에서 고체반응물과 유동화 가스(G)의 반응이 발생하기 때문에 내화성 재질로 선택되어, 유동층 반응기(1)의 기대수명을 향상시킬 수 있다. 유용한 내화성 재질로는 모래, 시멘트, 세라믹 재료, 멀라이트 또는 코런덤을 함유하는 고알루미나 벽돌, 고실리카 벽돌, 마그네사이트 벽돌, 점토 또는 카올린의 단열 내화벽돌 또는 임의의 기타 고온 내성재료가 포함될 수 있다.
또한, 라이저(13)는 열전달매질에 대한 내부식성이 강한 재질로 선택될 수 있다. 내부식성이 강한 재질로는 탄소, 실리콘, 망간, 크롬 구리, 니켈 및 붕소 등이 있으며 이러한 재질 또는 재질의 조합을 통해 내부식성이 향상될 수 있다.
라이저(13)로 주입되는 유동화 가스(G)는 고체반응물 주입구(131)를 통해 유동화된 고체반응물이 용이하게 주입되도록 기설정된 압력으로 주입될 수 있다.
본 실시 예에서, 라이저(13)는 유동화 가스(G)와 고체반응물의 주입구가 상이하게 마련될 수 있다. 유동화 가스(G)의 주입 압력이 유동화된 고체반응물의 주입압력보다 높은 경우 고체반응물의 주입이 용이하지 않을 수 있다. 이에 따라, 유동화 가스(G)의 주입압력의 제어가 요구될 수 있다. 반면, 고체반응물 주입부(113) 내부의 압력이 상대적으로 라이저(13) 내부에 형성된 압력보다 높은 경우, 고체반응물의 과다한 주입이 발생할 수 있다. 이에 따라, 유동화 가스(G)의 적절한 주입 압력이 요구될 수 있으며, 이를 통해 독립된 복수의 라이저(13)에 동일한 양의 고체반응물을 주입할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 고체반응물 저장부(15)는 공급부(151) 및 재생부(153)를 포함할 수 있다. 고체반응물 저장부(15)는 케이싱(11) 외부에 위치하여 고체반응물을 저장하며, 고체반응물 주입부(113)로 고체반응물을 공급할 수 있다.
본 실시 예에서, 고체반응물 저장부(15)는 고체반응물 주입부(113)로 고체반응물을 공급하기위해 마련될 수 있다. 고체반응물 저장부(15)는 고체반응물 주입부(113)와 연결될 수 있다. 고체반응물 저장부(15)는 외부로부터 고체상태의 연료를 주입받아 저장할 수 있다. 고체반응물 저장부(15)는 고체반응물 주입부(113)에 포함된 고체반응물의 레벨을 일정하게 유지하기 위해 공급되는 고체반응물의 양을 제어할 수 있다.
공급부(151)는 고체반응물 주입부(113)로 고체반응물을 공급할 수 있다.
본 실시 예에서, 공급부(151)는 고체반응물 주입부(113)와 연결될 수 있다. 공급부(151)는 외부로부터 주입되거나, 처리부(17)로부터 전달받은 고체반응물을 고체반응물 주입부(113)로 공급할 수 있다.
재생부(153)는 라이저(13)로부터 배출된 고체반응물을 전달받을 수 있다.
본 실시 예에서, 재생부(153)는 처리부(17)와 연결될 수 있다. 재생부(153)는 사이클론(171)과 연결되어 사이클론(171)으로부터 분리되는 고체입자를 전달받을 수 있다. 이후, 재생부(153)는 기설정된 재생과정을 통해 고체입자를 재사용가능한 상태로 재생할 수 있다. 이어서, 재생부(153)는 재생된 고체입자를 고체반응물 주입부(113)로 전달할 수 있다.
처리부(17)는 케이싱(11)의 외부에 위치하며, 라이저(13)로부터 배출되는 유체를 전달받을 수 있다. 또한, 처리부(17)는 사이클론(171) 및 기체 처리부(173)를 포함할 수 있다.
본 실시 예에서, 처리부(17)는 케이싱(11)의 외측에 위치할 수 있다. 처리부(17)는 복수의 라이저(13)와 연결될 수 있다. 처리부(17)는 고체반응물 주입부(113)와 연결될 수 있다. 처리부(17)는 고체반응물 저장부(15)와 연결될 수 있다. 처리부(17)는 복수의 라이저(13)로부터 상승된 유체를 전달받을 수 있다. 처리부(17)는 라이저(13)로부터 전달받은 유체에서 고체입자를 분리하여 추출할 수 있다. 처리부(17)는 추출한 고체입자를 고체반응물 주입부(113)로 전달할 수 있다. 고체반응물 주입부(113)는 전달받은 고체입자를 고체반응물로 재활용 할 수 있다. 이를 통해, 유동층 연소화기(1)는 고체반응물의 사용효율이 향상될 수 있다.
사이클론(171)은 라이저(13)로부터 전달받은 유체에서 고체입자와 기체를 분리할 수 있다.
본 실시 예에서, 사이클론(171)은 라이저(13)와 연결될 수 있다. 사이클론(171)은 재생부(153)와 연결될 수 있다. 사이클론(171)은 고체반응물 주입부(113)와 연결될 수 있다. 사이클론(171)은 기체 처리부(173)와 연결될 수 있다. 사이클론(171)은 라이저(13)로부터 배출된 유체를 전달받을 수 있다. 사이클론(171)은 전달받은 유체에서 고체입자를 선별하여 재생부(153) 또는 고체반응물 주입부(113)로 전달할 수 있다. 사이클론(171)은 전달받은 유체에서 기체를 선별하여 기체 처리부(173)로 전달할 수 있다.
기체 처리부(173)는 사이클론(171)에서 기체를 전달받을 수 있다. 기체 처리부(173)는 라이저(13)와 연결될 수 있다. 기체 처리부(173)는 기체의 불순물을 흡착하는 흡착제를 포함할 수 있다.
본 실시 예에서, 기체 처리부(173)는 사이클론(171)과 연결될 수 있다. 또한, 기체 처리부(173)는 라이저(13)와 연결될 수 있다. 기체 처리부(173)는 라이저(13)에서 배출된 유체 중 기체에 대한 처리를 수행할 수 있다. 처리의 일 예로, 기체 처리부(173)에서는 기체의 불순물을 흡착할 수 있다. 특히, 라이저(13)에서 배출된 유체의 악취제거, 유기용제회수 및 배기가스 정화 등의 목적으로 기체 처리부(173)가 포함될 수 있다. 흡착의 방법으로는 물리적 흡착과 화학적 흡착이 사용될 수 있다. 흡착을 위해 기체 처리부(173)는 흡착제를 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 흡착제의 예로는 다공질 흡착제, 활성탄, 제올라이트, 실리카겔, 골탄 및 금속산화물 등이 사용될 수 있다. 기체 처리부(173)에서 사용된 흡착제는 별도의 재생과정을 통해 흡착질이 제거될 수 있으며 재사용될 수 있다.
열전달매질 공급부(19)는 열전달매질 유동부(111)에 열전달매질을 공급할 수 있다.
본 실시 예에서, 열전달매질 공급부(19)는 케이싱(11)의 외측에 위치할 수 있다. 열전달매질 공급부(19)는 열전달매질 유동부(111)와 연통될 수 있다. 열전달매질 공급부(19)는 유동층 반응기(1)의 작동유무 및 열전달매질 공급의 필요성 여부에 따라 개폐되어 열전달매질 유동부(111)와 연통을 제어할 수 있다. 열전달매질 공급부(19)는 열전달매질 유동부(111)에서 열교환이 이루어지는 열전달매질을 공급할 수 있다. 열전달매질 공급부(19)는 열전달매질 유동부(111)의 하단에 위치한 구획에 일정 이상의 압력을 가진 열전달매질을 공급할 수 있으며, 이를 통해 열전달매질은 최하단의 구획과 개구를 통해 연통된 상단의 구획으로 유통될 수 있다. 열전달매질 유동부(111) 최상단의 구획으로 이동한 열전달매질은 열전달매질 유동부(111)의 외부로 배출될 수 있다.
열전달매질은 라이저(13)의 외측벽면과 면접촉을 통해 열교환이 이루어지는 모든 작동유체를 총칭하는 정의로 이해될 수 있다. 본 실시 예에서, 열전달매질은 기체 또는 액체로 제공될 수 있다. 기체 열전달매질은 고압의 공기, 탄산가스, 헬륨 등이 포함될 수 있고, 암모니아, 이산화탄소, 이산화황, 염화메틸, 염화메틸렌 등이 포함될 수 있으나 본 실시 예에 따른 유동층 반응기(1)의 용도에 따라 제공되는 기체 열전달매질이 변형될 수 있으며 전술한 기체에 제한되지 않는다. 또한, 액체 열전달매질은 수은, 나트륨, 납과 비스무트의 합금 등 용융금속이 사용될 수 있고 물, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 등이 사용될 수 있으며 기체 열전달매질과 마찬가지로 유동층 반응기(1)의 용도에 따라 제공되는 기체 열전달매질이 변형될 수 있으며 전술한 액체에 제한되지 않는다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 유동층 반응기의 동작방법을 나타낸 흐름도이다. 케이싱으로 열전달물질을 공급하는 (a)단계, 케이싱 하단에 고체반응물을 공급하는 (b)단계, 고체반응물을 유동층 상태로 유동화하는 (c)단계, 유동층 및 유동화 가스를 복수의 라이저에 공급하는 (d)단계 및 복수의 라이저와 열전달물질 간 열교환이 발생하는 (e)단계를 포함한다. 본 실시 예에 따른 유동층 반응기의 동작방법은, 전술한 유동층 반응기(1)에 대하여 기재된 내용과 중복되는 내용은 생략되었으며, 각 단계에 포함되는 구성요소의 특징 및 목적은 동일하게 적용될 수 있다.
이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명을 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 설명한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
1: 유동층 반응기
11: 케이싱
111: 열전달매질 유동부
1111: 격벽
113: 고체반응물 주입부
115: 고체 유동화부
13: 라이저
131: 고체반응물 주입구
15: 고체반응물 저장부
151: 공급부
153: 재생부
17: 처리부
171: 사이클론
173: 기체 처리부
19: 열전달매질 공급부
G, G': 유동화 가스
11: 케이싱
111: 열전달매질 유동부
1111: 격벽
113: 고체반응물 주입부
115: 고체 유동화부
13: 라이저
131: 고체반응물 주입구
15: 고체반응물 저장부
151: 공급부
153: 재생부
17: 처리부
171: 사이클론
173: 기체 처리부
19: 열전달매질 공급부
G, G': 유동화 가스
Claims (20)
- 내부에 열전달매질이 흐를 수 있는 열전달매질 유동부 및 라이저 내부로 고체반응물이 주입되는 고체반응물 주입부를 포함하는 케이싱; 및
상기 케이싱 내부 중 상기 열전달매질 유동부가 형성하는 공간 내에 길이방향으로 서로 이격되어 배치되며, 내부에서 상기 고체반응물과 유동화 가스가 상승하면서 반응하는 복수개의 라이저;를 포함하며,
상기 라이저의 외부면과 접하는 열전달매질을 통해서 열교환이 일어나는 유동층 반응기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 케이싱은,
상기 고체반응물 주입부 하단에서 연통된 고체 유동화부를 포함하는 유동층 반응기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 열전달매질 유동부는,
복수의 격벽에 의해 구획되는 복수의 구획들을 포함하는 유동층 반응기.
- 제 2 항에 있어서,
상기 고체반응물 주입부는,
상기 고체 유동화부로부터 유동화 가스를 주입받는 유동층 반응기.
- 제 4 항에 있어서,
상기 고체반응물 주입부는,
상기 고체반응물을 기포 유동층 상태로 유지하는 유동층 반응기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 라이저는,
상기 열전달매질 유동부 상단으로부터 상기 고체반응물 주입부 하단까지 길이방향으로 신장되는 유동층 반응기.
- ◈청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 1 항에 있어서,
상기 라이저는,
상기 고체반응물 주입부에 위치하는 부분에 고체반응물 주입구를 포함하는 유동층 반응기.
- ◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 7 항에 있어서,
상기 고체반응물 주입구는,
상기 고체반응물 주입부의 하부에 위치하는 상기 라이저 부분에 형성되는 유동층 반응기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 라이저의 하부에서 상기 유동화 가스가 주입되어 상기 고체반응물과 혼합되어 상기 라이저를 통해 상승하는 유동층 반응기.
- ◈청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 1 항에 있어서,
상기 복수개의 라이저는 각 라이저가 독립된 상승 경로를 제공하는 유동층 반응기.
- ◈청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 1 항에 있어서,
상기 라이저는,
핀튜브 형태로 제공되어 열 교환 면적이 향상된 유동층 반응기.
- ◈청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 1 항에 있어서,
상기 라이저는,
내화성 재료를 포함하는 유동층 반응기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 케이싱 외부에 위치하여 상기 고체반응물을 저장하며, 상기 고체반응물 주입부로 상기 고체반응물을 공급하는 고체반응물 저장부를 더 포함하는 유동층 반응기.
- 제 13 항에 있어서,
상기 고체반응물 저장부는,
상기 고체반응물 주입부로 상기 고체반응물을 공급하는 공급부; 및
상기 라이저로부터 배출된 고체반응물을 전달받는 재생부;를 포함하는 유동층 반응기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 케이싱의 외부에 위치하며, 상기 라이저로부터 배출되는 유체를 전달받는 처리부를 더 포함하는 유동층 반응기.
- 제 15 항에 있어서,
상기 처리부는,
상기 라이저로부터 전달받은 유체에서 고체입자와 기체를 분리하는 사이클론; 및
상기 사이클론에서 상기 기체를 전달받는 기체 처리부를 포함하는 유동층 반응기.
- ◈청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 16 항에 있어서,
상기 기체 처리부는,
상기 기체의 불순물을 흡착하는 흡착제를 포함하는 유동층 반응기.
- ◈청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 1 항에 있어서,
상기 고체반응물은,
탄소질 연료, 유기물 및 바이오 매스 중에서 1종 이상을 포함하는 유동층 반응기.
- ◈청구항 19은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 1 항에 있어서
상기 열전달매질 유동부에 상기 열전달매질을 공급하는 열전달매질 공급부를 더 포함하는 유동층 반응기.
- (a) 케이싱으로 열전달물질을 공급하는 단계;
(b) 상기 케이싱 하단에 고체반응물을 공급하는 단계;
(c) 상기 고체반응물을 유동층 상태로 유동화하는 단계;
(d) 상기 유동층 및 유동화 가스를 복수의 라이저에 공급하는 단계; 및
(e) 상기 복수의 라이저와 상기 열전달물질 간 열교환이 발생하는 단계;를 포함하는 제1항에 따른 유동층 반응기 동작방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170164056A KR101982786B1 (ko) | 2017-12-01 | 2017-12-01 | 유동층 반응기 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020170164056A KR101982786B1 (ko) | 2017-12-01 | 2017-12-01 | 유동층 반응기 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101982786B1 true KR101982786B1 (ko) | 2019-05-28 |
Family
ID=66656782
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170164056A KR101982786B1 (ko) | 2017-12-01 | 2017-12-01 | 유동층 반응기 |
Country Status (1)
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| KR (1) | KR101982786B1 (ko) |
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-
2017
- 2017-12-01 KR KR1020170164056A patent/KR101982786B1/ko active IP Right Grant
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