KR102020850B1 - 반응률을 향상시킨 건식 분류유동 반응장치 - Google Patents

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Abstract

반응률을 향상시킨 건식 분류유동 반응장치는 반응유닛을 포함하고, 상기 반응유닛은 침강 챔버, 가속확산부, 사이클론 챔버 및 확산유닛을 포함한다. 상기 침강 챔버는 유입부로 유입된 입자상물질을 포함한 배가스를 유동시키며 상기 입자상물질을 제거한다. 상기 가속확산부는 상기 침강 챔버의 상부에 연결되어 반응제가 유입되며, 상기 배가스의 회전유동 및 상승속도를 가속시켜 상기 반응제와 상기 배가스가 분산 및 확산된다. 상기 사이클론 챔버는 상기 가속확산부의 상부에 연결되어 상기 반응제와 상기 배가스가 상부로 회전 상승하며 서로 반응하여 유출부로 배출된다. 상기 확산유닛은 상기 침강 챔버의 내부에 상기 배가스의 유입방향에 수직인 방향으로 배열되는 디스크부를 포함한다.

Description

반응률을 향상시킨 건식 분류유동 반응장치{DRY TYPE CYCLO-CIRCULATING FLUID MIXING REACTOR WITH IMPROVED REACTION RATE}
본 발명은 건식 분류유동 반응장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화석연료 연소 배가스 또는 폐기물 소각 배가스 중에 함유된 산성가스(HCI, SO2, HF 등)를 제거하며 산성가스 제거율과 분말흡수제의 반응률을 향상시킨 건식 분류유동 반응장치에 관한 것이다.
화석연료 연소 배가스 또는 폐기물 소각 배가스 중에 함유된 황산화물을 제거하기 위한 배연 탈황기술로는 건식, 습식 및 반건식의 3가지 종류가 있다.
이 중, 건식 탈황법의 경우 배연가스를 분말이나 펠릿(pellet) 형태의 촉매층을 통과시키는 것으로, 습식 공정에 비해 용수사용이 거의 없으며 SO2 제거 후 배출가스의 온도 변화가 거의 없어 재가열이 필요 없는 장점이 있으나 반응속도가 느리기 때문에 반응영역 확장에 따른 대형장치가 필수적이고 SO2 제거율이 높지 않아 경제성이 낮은 단점이 있다.
습식 탈황법의 경우 물이나 알칼리 용액 등으로 배연가스를 세정하여 흡수하는 것으로, 1차 생성물이 용액 또는 슬러리 형태이며 SO2와 약체 반응제이 혼합이므로 반응속도가 빨라 SO2 제거율이 높으며 부속 장치가 크지 않아 공간 확보가 용이한 장점이 있으나 공정과정에서 배출되는 가스의 온도가 낮아 연돌에서의 상승력을 위해서는 재가열이 필요하며 공정에 따라 다량의 폐수가 생성되는 단점이 있다.
한편, 반건식 탈황법의 경우 배출가스에 알칼리성 용액이나 슬러리를 분사하여 고온의 배출가스가 알칼리성 물질과 접촉하도록 하는 것으로, 가스 내의 산성 물질을 알칼리성 물질로 흡수 및 중화시키므로 산성가스의 높은 제거효율 뿐 아니라 폐수의 발생이 없으며 장치의 부식 및 백연현상이 없는 장점이 있다.
그러나, 상기 반건식 탈황법의 경우 배가스와 슬러리상 흡수제와 함께 장치의 하부방향으로 하강하므로 배가스와 슬러리상 흡수제와의 접촉율이 낮아 탈황효율이 60~70% 정도로 낮으며, 반응시간을 10초 이상 길게 유지하여 탈황효율을 향상시키기 위해서는 장치의 높이가 높아야 하며, 반건식 배연탈황장치에 유입되는 배가스의 유입온도가 160℃ 이상으로 높으려면 슬러리상 흡수제에 함유된 수분의 건조가 신속히 발생하여 기-액반응이 일어나는 시간을 감소하여 탈황효율이 낮아지고, 배가스의 유입온도를 낮게 유지하면 배가스 중에 함유된 수증기가 응축하여 장치의 내벽면에 응축하게 되어 반응장치 내벽면에 고착 반응 고형물의 고착량이 증가하여 장치의 부식을 야기하며, 내벽에 고착된 반응 고형물이 증가하면 장치의 내부 직경이 감소하여 탈황효율이 더욱 감소하므로 주기적으로 고형물을 제거하는 작업이 필요한 단점이 있다.
이에, 대한민국 등록특허 제10-1015154호에서는 개선된 반건식 유동층 반응기를 통해 종래의 습식 배연탈황장치에서의 액상 슬러리 제조장치, 석고상 슬러리 분리장치, 폐수처리 장치 및 백연배출 방지용 열교환기 등을 생략할 수 있으며, 종래 반건식 배연탈황장치에서의 낮은 탈황효율을 개선하고 고형물의 고착으로 인한 주기적 제거작업을 생략할 수 있으며, 분말 흡수제의 유동화와 장치내의 내부 순환과 재순환으로 흡수제의 반응이 극대화되어 탈황효율이 높게 유지되며, 유리용해로 배가스 중에 함유된 가스 붕소화합물을 효과적으로 제거하며 이와 동시에 입자상 붕소화합물로 전환되어 후단의 분말 흡수제 싸이클론 집진장치에서 포집 제거가 용이한 기술을 개시하고 있다.
그러나, 현재까지 개발되고 있는 반응기의 경우 유동화부에서의 체류시간이 상대적으로 짧아 탈황률이 높지 않은 단점이 있으며, 상기와 같은 특징을 구현하기 위한 반응기의 구조가 상대적으로 복잡해지는 문제가 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1015154호 대한민국 등록특허공보 제10-1617759호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 상대적으로 간단한 구조를 가지며, 반응기 내에서 유동속도를 변화시키는 것에 의해 반응제에 대한 산성가스 반응물의 농도를 상승시키며, 반응제와 산성가스와의 반응시간을 상대적으로 길게 유지할 수 있어 반응률을 향상시키고, 반응제의 특성에 따른 산성가스 체류시간의 변동이 용이하고, 유지관리의 편의성을 향상시킨 건식 분류유동 반응장치에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 건식 분류유동 반응장치는 반응유닛을 포함하고, 상기 반응유닛은 침강 챔버, 가속확산부, 사이클론 챔버 및 확산유닛을 포함한다. 상기 침강 챔버는 유입부로 유입된 입자상물질을 포함한 배가스를 유동시키며 상기 입자상물질을 제거한다. 상기 가속확산부는 상기 침강 챔버의 상부에 연결되어 반응제가 유입되며, 상기 배가스의 회전유동 및 상승속도를 가속시켜 상기 반응제와 상기 배가스가 분산 및 확산된다. 상기 사이클론 챔버는 상기 가속확산부의 상부에 연결되어 상기 반응제와 상기 배가스가 상부로 회전 상승하며 서로 반응하여 유출부로 배출된다. 상기 확산유닛은 상기 침강 챔버의 내부에 상기 배가스의 유입방향에 수직인 방향으로 배열되는 디스크부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 디스크부는, 서로 평행하게 배열되며 이격된 복수의 디스크들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 디스크들 각각에는, 상기 배가스의 유입방향에 수직인 방향으로 상기 배가스가 통과하는 개구부가 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 디스크들 각각에 형성된 개구부들은, 상기 유입부로부터 가까운 디스크로부터 먼 디스크로 갈수록, 상기 개구부의 크기가 작아질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 디스크들 각각은 원형 플레이트 형상이고, 상기 개구부들 각각도 원형일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 디스크들은 서로 동일한 간격으로 이격될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 확산유닛은, 상기 유입부의 연장방향과 평행하게 연장되며 상기 디스크부를 상측에서 고정하는 제1 고정부, 및 상기 제1 고정부와 평행하게 연장되며 상기 디스크부를 하측에서 고정하는 제2 고정부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 고정부들은 각각 상기 침강 챔버의 내측에 양 끝단이 고정되며, 상기 디스크들 각각의 상측 및 하측 끝단에 상기 제1 및 제2 고정부들과 고정되는 슬릿이 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 침강 챔버는 상측으로 갈수록 반경이 감소하는 원추형 형상을 가지며, 상기 침강 챔버의 상측 끝단과 상기 가속확산챔버의 하측 끝단 사이를 동일한 반경을 가지는 원통형 형상으로 연결하는 벤츄리부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유출부는, 상기 사이클론 챔버의 상부 일측면으로부터 연장되어, 상기 사이클론 챔버의 원주를 따라 휘어지며 상기 일측면의 반대측까지 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가속확산부로 상기 반응제를 공급하는 반응제 공급부, 상기 사이클론 챔버에서 반응이 종료된 상기 배가스를 여과하며, 반응하지 않은 반응제를 포집하는 여과집진부, 및 상기 여과집진부에서 포집된 반응제를 상기 가속확산부로 재공급하는 반응제 재공급부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 반응유닛의 침강 챔버 내부에 확산유닛이 구비되어, 유입부로 유입된 배가스가 상기 확산유닛을 통해 보다 균일하게 상부방향으로 확산이 유도되며, 상기 배가스에 포함된 입자상물질을 하부로 보다 균일하게 침강시켜 제거할 수 있다.
특히, 상기 확산유닛은 서로 평행하게 이격되도록 배열되고, 개구부가 형성되되 유입부로부터 멀어질수록 개구부의 크기가 작게 형성되는 디스크들을 포함하므로, 상대적으로 많은 배가스가 유동되는 위치에서 디스크부에 의해 배가스의 유동이 제한되어 상부로의 유동이 방해되는 것을 최소화하며, 균일한 유동을 유도할 수 있다.
즉, 종래 기술에서 유입부를 통해 상기 침강 챔버의 연장방향에 수직인 방향으로 유입되는 배가스는 상기 침강 챔버의 끝단에 부딪히며 상승되는 등, 상기 침강 챔버 내부에서의 상기 배가스의 유동을 제어하는 것이 어려웠으나, 본 실시예에서와 같이 복수의 공간들로 상기 디스크부에 의해 구획되는 경우, 상대적으로 균일한 유량으로 배분되며 상부로 유동될 수 있다. 이에 따라, 후속되는 반응제와의 혼합도 균일하게 수행될 수 있어, 전체적으로 반응률을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 디스크들에 슬릿을 형성하고 상기 슬릿을 통해 플레이트 형상의 고정부로 상기 디스크들을 상기 침강 챔버 내에 안정적으로 고정시킴으로써, 원형 플레이트 형상을 가지는 디스크들을 침강 챔버의 내에 정위치에 고정하기 어려운 문제를 해결하면서도, 상기 침강 챔버 내에서의 배가스의 유동이 고정부들에 의해 제한되는 것을 최소화할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 건식 분류유동 반응장치를 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 건식 분류유동 반응장치에서의 반응유닛을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 반응유닛을 상부에서 관찰한 투영도이다.
도 4a는 도 2의 반응유닛의 내부에서의 유동을 측부에서 도시한 모식도이고, 도 4b는 도 2의 반응유닛의 내부에서의 유동을 상부에서 도시한 모식도이다.
도 5a는 도 2의 침강 챔버를 도시한 사시도이고, 도 5b는 도 5a의 침강 챔버의 내부를 도시한 분해도이다.
도 6은 도 5b의 활성화 유닛을 상세히 도시한 사시도이다.
도 7은 도 6의 활성화 유닛을 분해하여 도시한 분해 사시도이다.
도 8a는 도 2의 침강 챔버 내부에서의 실제 유동상태를 실험한 결과 이미지이고, 도 8b는 도 2의 침강 챔버 내부에서의 실제 유동속도를 실험한 결과 이미지이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 종래 기술에 의한 건식 분류유동 반응장치를 도시한 모식도이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 의한 건식 분류유동 반응장치(1)는 침강 챔버(2), 가속확산부(3), 반응제 공급부(4), 사이클론 챔버(5), 여과 집진부(6), 반응제 재공급부(7) 및 입자 배출부(8)를 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 침강 챔버(2)는 유입된 배가스에 함유된 입자상물질을 제거하며, 상기 가속확산부(3)는 상기 침강 챔버(2)의 상부에 연결되어 반응제가 유입되며, 상기 배가스의 회전유동 및 상승속도를 가속시켜 상기 반응제와 상기 배가스가 균일하게 분산 및 확산되도록 한다.
상기 반응제 공급부(4)는 상기 가속 확산부(3)로 상기 반응제를 공급하고, 상기 사이클론 챔버(5)는 내부에서 상기 가속확산부(3)의 상부에 연결되어 상기 배가스와 상기 반응제가 상부로 회전 상승하며 서로 반응한다.
상기 여과 집진부(6)는 상기 사이클론 챔버(5)에서 반응이 종료된 상기 배가스를 여과하며, 반응하지 않은 반응제를 포집하고, 상기 반응제 재공급부(7)는 상기 여과 집진부(6)에서 포집된 반응제를 상기 가속확산부(3)로 재공급한다.
한편, 상기 입자 배출부(8)는 상기 여과 집진부(6)에서 포집된 반응제 중 이물질 등과 같은 입자상 물질을 제거하여 상기 반응제 공급부(7)로 제공한다.
본 발명의 실시예에 의한 건식 분류유동 반응장치에서는 상기 종래 기술에 의한 건식 분류유동 반응장치(1)와 상기 침강 챔버(2) 및 사이클론 챔버(5)를 제외하고는, 상기 가속확산부(3), 상기 반응제 공급부(4), 여과 집진부(6), 반응제 재공급부(7) 및 입자 배출부(8)는 실질적으로 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에서는 비록 반응유닛에 대하여만 설명하나, 종래 기술(대한민국 등록특허공보 제10-1617759호 참조)에 의한 상기 가속확산부(3), 반응제 공급부(4), 여과 집진부(6), 반응제 재공급부(7) 및 입자 배출부(8)는 후술되는 반응유닛과 연결되어 전체적으로 건식 분류유동 반응장치를 구현할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 건식 분류유동 반응장치에서의 반응유닛을 도시한 사시도이다. 도 3은 도 2의 반응유닛을 상부에서 관찰한 투영도이다. 도 4a는 도 2의 반응유닛의 내부에서의 유동을 측부에서 도시한 모식도이고, 도 4b는 도 2의 반응유닛의 내부에서의 유동을 상부에서 도시한 모식도이다.
도 2 내지 도 4b를 참조하면, 본 실시예에 의한 건식 분류유동 반응장치에서의 반응유닛(10)은 사이클론 챔버(100), 침강 챔버(200), 벤츄리부(300) 및 가속확산부(400)를 포함한다.
상기 침강 챔버(200)는 유입부(210)를 포함하며, 상기 유입부(210)를 통해 입자상물질이 포함된 배가스가 유입된다.
상기 침강 챔버(200)는 원통형 형상의 중앙부 형상을 가지며, 상기 중앙부로부터 상측 및 하측으로 연장됨에 따라 각각 반경이 줄어드는 원추형 형상으로 형성된다.
상기 침강 챔버(200)에서는, 상기 유입된 배가스를 회전유동시켜 상기 배가스에 포함된 입자상물질, 예를 들어 먼지 등과 같은 이물질을 하측으로 제거한다. 특히, 상기 유입되는 배가스의 속도를 조절하여 밀도가 큰 입자상 물질을 중심으로 제거할 수 있다.
즉, 상기 침강 챔버(200)에서는 인입되는 배가스의 속도를 저하시켜 하강을 유도함에 따라 중력을 통해 상기 상대적으로 큰 입자상 물질을 하측으로 제거할 수 있다.
상기 침강 챔버(200)의 상측으로는 상기 벤츄리부(300)가 연결되며, 이 경우, 상기 침강 챔버(200)는 상측으로 연장되면서 반경이 감소하는 원추형 형상을 가지므로 상기 벤츄리부(300)는 상기 침강 챔버(200)보다는 작은 반경을 가지는 원통형 형상을 가진다.
이 경우, 상기 입자상 물질이 제거된 상기 배가스가 상대적으로 좁은 반경의 상기 벤츄리부(300)를 통과하면서 상대적으로 속도가 저하되어 확산이 제한되고, 이에 따라 상기 벤츄리부(300)를 통과한 상기 배가스는 후술되는 상기 가속확산부(400)에서 급격하게 확산되며 상승하게 된다.
상기 가속 확산부(400)는 가속확산챔버(410) 및 노즐유닛(420)을 포함하며, 상기 가속확산챔버(410)의 하단은 상기 벤츄리부(300)의 상단에 연결된다.
이 경우, 상기 가속확산챔버(410)는 상측으로 갈수록 반경이 증가하는 원추형 형상을 가지며 이에 따라, 상기 벤츄리부(300)를 통과한 상기 배가스는 상기 가속확산챔버(410)를 통과하면서 회전유동 및 상승속도가 가속된다.
상기 노즐유닛(420)은 상기 가속확산챔버(410)의 내측으로 인입되며, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 노즐유닛(420)은 예를 들어, 9개가 원주방향으로 동일한 간격으로 형성될 수 있으며, 상기 노즐유닛(420)의 개수 및 간격은 다양하게 변경될 수 있다.
상기 노즐유닛(420)은 도시하지는 않았으나, 앞서 설명한 반응제 공급부와 연결되어 반응제를 공급받을 수 있으며, 또한 상기 노즐유닛(420)의 일부는 도시하지는 않았으나 앞서 설명한 반응제 재공급부와 연결되어 반응제를 재공급받을 수도 있다.
한편, 예를 들어, 상기 배가스가 황산화물을 포함하는 경우, 상기 황산화물을 제거하기 위한 반응제로 알칼리성 분말 흡수제로 Ca(OH)2가 사용될 수 있다. 나아가, 상기 배가스가 화석연료 연소 배가스 또는 폐기물 소각 배가스라면 이에 함유된 산성가스를 제거하기 위한 알칼리성 분말 흡수제로 NaOH, KOH, Na2CO3 중 어느 하나가 사용되어 상기 배가스 중의 붕소화합물을 제거할 수 있다.
상기 사이클론 챔버(100)는 상기 가속확산챔버(410)의 상측으로 연결되며, 원통형 형상의 챔버 형상을 가진다.
그리하여, 상기 가속확산챔버(410)를 통과하며 회전유동과 상승속도가 가속되며 보다 균일하게 분산 및 확산된 상기 배가스 및 상기 반응제는 상기 사이클론 챔버(410)의 내부에서 상부방향으로 회전 유동이 유동되며 반응하게 된다.
이와 같이, 상기 배가스 및 상기 반응제는 상기 사이클론 챔버(100)를 통해 상부방향으로 회전 유동이 유도되어 반응된 후, 상기 사이클론 챔버(100)의 상측 일단에 연결된 유출부(110)를 통해 유출된다.
이 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 상기 유출부(110)는 상기 사이클론 챔버(100)의 상부 일측면으로부터 연장되어, 상기 사이클론 챔버(100)의 원주를 따라 휘어지며 상기 연장된 일측면의 반대측까지 연장되도록 형성될 수 있다.
그리하여, 상기 사이클론 챔버(100)를 통해 유출되는 배가스 및 반응제의 속도를 감소시킬 수 있어, 상기 사이클론 챔버(100)의 내부에 상기 배가스 및 반응제가 보다 오랫동안 머무를 수 있도록 유도하고, 이에 따라 반응률을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 사이클론 챔버(110)의 상측에는 흡입부(120)가 형성되고, 상기 흡입부(120)가 상기 유출부(110)와 연결되도록 형성되어, 상기 배가스 및 상기 반응제는 상기 흡입부(120)를 통해 상기 유출부(110)로 유출되도록 유도된다.
나아가, 상기 흡입부(120)에는 미세한 개구부들이 형성되므로, 상대적으로 상기 배가스 및 상기 반응제가 상기 흡입부(120)를 통해 외부로 유출되는 시간을 보다 지연시킬 수 있으며, 이에 따라 반응률을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 상기 유출부(110)의 연장방향과 상기 유입부(210)의 연장방향이 소정의 각도(θ)를 이루도록 형성될 수 있다.
그리하여, 상기 유입부(210)를 통해 유입되는 배가스가 반응제와 반응하며 서로 다른 방향으로 연장된 상기 유출부(110)를 통해 배출됨으로써, 유입되는 배가스의 흐름 패턴을 추가로 변화시켜 상기 배가스 및 상기 반응제의 유동에 있어서의 와류 유동을 유도시키고 이에 따라 상기 배가스와 상기 반응제의 혼합 효과를 보다 향상시킬 수 있다.
한편, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기에서 설명한 바와 같이, 유입부(210)를 통해 유입되는 배가스, 노즐유닛(420)을 통해 유입되는 반응제, 및 배가스와 반응제가 사이클론 상승하며 반응하고 유출되는 대략적인 흐름이 도시되고 있으며, 도시된 바와 같이, 회전 유동 및 사이클론 유동을 이루므로, 배가스와 반응제의 반응률은 향상될 수 있다.
도 5a는 도 2의 침강 챔버를 도시한 사시도이고, 도 5b는 도 5a의 침강 챔버의 내부를 도시한 분해도이다. 도 6은 도 5b의 활성화 유닛을 상세히 도시한 사시도이다. 도 7은 도 6의 활성화 유닛을 분해하여 도시한 분해 사시도이다.
도 5a 내지 도 7을 참조하면, 본 실시예에서의 상기 침강 챔버(200)의 내부에는 확산유닛(500)이 구비된다.
상기 확산유닛(500)은 제1 고정부(510), 제2 고정부(520) 및 디스크부(530)를 포함한다.
상기 제1 고정부(510)는 상기 유입부(210)가 연장되는 방향과 평행한 방향으로, 상기 유입부(210)의 상측 원주면과 접하며 상기 침강 챔버(200)의 내측의 양 끝단을 연결하며 고정된다. 이 경우, 상기 제1 고정부(510)는 상기 침강 챔버(200)의 내부 중앙을 관통하며 상기 침강 챔버(200)의 내측에 양 끝단이 고정될 수 있다.
마찬가지로, 상기 제2 고정부(520)는 상기 유입부(210)가 연장되는 방향과 평행한 방향으로, 상기 유입부(210)의 하측 원주면과 접하며 상기 침강 챔버(200)의 내측의 양 끝단을 연결하며 고정된다. 이 경우, 상기 제2 고정부(520) 역시 상기 침강 챔버(200)의 내부 중앙을 관통하며 상기 침강 챔버(200)의 내측에 양 끝단이 고정될 수 있다.
즉, 상기 제2 고정부(520)는 상기 제1 고정부(510)의 하부에 위치하며, 상기 제1 고정부(510)와 평행하게 연장되고, 상기 제1 및 제2 고정부들(510, 520)의 사이에는 상기 디스크부(530)가 위치한다. 또한, 상기 디스크부(530)는 상기 제1 및 제2 고정부들(510, 520)에 의해 그 위치가 고정된다.
상기 디스크부(530)는 도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 제1 내지 제5 디스크들(531, 532, 533, 534, 535)을 포함하며, 상기 디스크들의 개수는 상기 침강 챔버(200)의 크기 등을 고려하여 다양하게 변경될 수 있다. 다만, 본 실시예에서는 도시된 바와 같이 5개의 디스크들이 구비되는 것을 예를 들어 설명한다.
상기 각각의 디스크들은 원형 플레이트 형상을 가지며, 상기 제5 디스크(535)를 제외하고는 중앙에 원형 개구부가 형성된다.
이 경우, 상기 원형 개구부는, 상기 유입부(210)로부터 가까운 디스크일수록, 즉 제1 디스크(531)부터 제4 디스크(534)의 순으로, 개구부의 크기가 크게 형성된다.
또한, 상기 각각의 디스크들은 도시된 바와 같이, 상기 유입부(210)로부터 유입되는 배가스에 수직인 방향으로, 상기 침강 챔버(200)의 내측에 수직하여 위치한다.
나아가, 상기 각각의 디스크들은 상기 제1 고정부(510) 및 상기 제2 고정부(520)와의 고정을 위해, 상측 및 하측 끝단에 슬릿(536)이 형성되고, 상기 슬릿(536)에 상기 제1 및 제2 고정부들(510, 520)이 끼워져 상기 디스크들을 고정하게 된다.
또한, 상기 제1 내지 제5 디스크들(531, 532, 533, 534, 535)은 서로 동일한 간격으로 배치될 수 있다.
이와 같이, 상기 침강 챔버(200)의 내부에 복수의 디스크들을 포함하는 디스크부(530)가 구비됨에 따라, 상기 유입부(210)를 통해 유입된 배가스는 도 4a 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1 내지 제5 디스크들(531, 532, 533, 534, 535)에 의해 각각 구획되면서 서로 분리되며 상부로 확산되며, 이렇게 분리되어 상부로 확산되므로 상대적으로 균일한 유량 배분이 될 수 있어, 상부에서 반응제가 유입된 후 분산 및 확산되며 서로 반응하는 경우 보다 효과적인 반응이 발생할 수 있다.
즉, 상기와 같은 디스크부(530)가 구비되지 않는 경우라면, 상기 유입부(210)를 통해 상기 침강 챔버(200)의 연장방향에 수직인 방향으로 유입되는 배가스는 상기 침강 챔버(200)의 끝단에 부딪히며 상승되는 등, 상기 침강 챔버(200) 내부에서의 상기 배가스의 유동을 제어하는 것이 어려웠으나, 본 실시예에서와 같이 복수의 공간들로 상기 디스크부(530)에 의해 구획되는 경우, 상대적으로 균일한 유량으로 배분되며 상부로 유동될 수 있다.
또한, 상기 디스크부(530) 중, 상기 유입부(210)에 근접한 디스크들일수록 개구부의 면적을 증가시킴으로써, 상대적으로 많은 배가스가 유동되는 위치에서 상기 디스크부(530)에 의해 배가스의 유동이 제한되어 상부로의 유동이 방해되는 것을 최소화할 수 있다.
나아가, 상기 유입부(210)에서 가장 먼 디스크의 경우 개구부를 형성하지 않음으로써, 모든 배가스가 상기 침강 챔버(200)의 끝단까지 이동되지 않고 상부로 유동될 수 있도록 가이드할 수 있고, 이에 따라 불규칙적인 배가스의 유동을 최소화할 수 있다.
도 8a는 도 2의 침강 챔버 내부에서의 실제 유동상태를 실험한 결과 이미지이고, 도 8b는 도 2의 침강 챔버 내부에서의 실제 유동속도를 실험한 결과 이미지이다.
도 8a를 참조하면, 본 실시예에서와 같이, 침강 챔버(200)의 내부에 디스크부(530)를 포함하는 확산유닛(500)이 구비됨에 따라, 상기 유입부(210)로 유입되는 배가스가 상기 복수의 디스크들에 의해 상부방향으로 보다 균일하게 유동되는 것을 확인할 수 있다.
특히, 상기 복수의 디스크들의 상부에서 상기 배가스가 유동하는 모습을 살펴보면, 보다 균일하게 상기 침강 챔버(200)의 상부로 상승하는 유동을 확인할 수 있다.
또한, 8b를 참조하면, 본 실시예에서와 같이, 상기 침강 챔버(200)의 내부에 디스크부(530)를 포함하는 확산유닛(500)이 구비됨에 따라, 상기 유입부(210)로 유입되는 배가스가 상기 복수의 디스크들에 의해 상부방향으로 유동되는 경우, 유동 속도가 상대적으로 일정하게 유지되며, 상기 침강 챔버(200)의 특정 위치에서 속도가 매우 높거나 낮지 않은 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 상기 침강 챔버(200)의 내부에 구비되는 확산유닛(500)을 통해, 상기 침강 챔버(200)로 유입된 상기 배가스는 보다 균일하고, 일정한 속도로 상부를 향해 유동되며, 이에 따라, 반응제와의 혼합도 보다 균일하게 발생될 수 있고, 상대적으로 큰 입자상 물질을 하측으로 보다 균일하고 효과적으로 제거할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 반응유닛의 침강 챔버 내부에 확산유닛이 구비되어, 유입부로 유입된 배가스가 상기 확산유닛을 통해 보다 균일하게 상부방향으로 확산이 유도되며, 상기 배가스에 포함된 입자상물질을 하부로 보다 균일하게 침강시켜 제거할 수 있다.
특히, 상기 확산유닛은 서로 평행하게 이격되도록 배열되고, 개구부가 형성되되 유입부로부터 멀어질수록 개구부의 크기가 작게 형성되는 디스크들을 포함하므로, 상대적으로 많은 배가스가 유동되는 위치에서 디스크부에 의해 배가스의 유동이 제한되어 상부로의 유동이 방해되는 것을 최소화하며, 균일한 유동을 유도할 수 있다.
즉, 종래 기술에서 유입부를 통해 상기 침강 챔버의 연장방향에 수직인 방향으로 유입되는 배가스는 상기 침강 챔버의 끝단에 부딪히며 상승되는 등, 상기 침강 챔버 내부에서의 상기 배가스의 유동을 제어하는 것이 어려웠으나, 본 실시예에서와 같이 복수의 공간들로 상기 디스크부에 의해 구획되는 경우, 상대적으로 균일한 유량으로 배분되며 상부로 유동될 수 있다. 이에 따라, 후속되는 반응제와의 혼합도 균일하게 수행될 수 있어, 전체적으로 반응률을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 디스크들에 슬릿을 형성하고 상기 슬릿을 통해 플레이트 형상의 고정부로 상기 디스크들을 상기 침강 챔버 내에 안정적으로 고정시킴으로써, 원형 플레이트 형상을 가지는 디스크들을 침강 챔버의 내에 정위치에 고정하기 어려운 문제를 해결하면서도, 상기 침강 챔버 내에서의 배가스의 유동이 고정부들에 의해 제한되는 것을 최소화할 수 있다.
사이클론 챔버에 배치된 배플을 통해, 반응제와 배가스의 균일한 분산 및 확산이 보다 유도된다. 즉, 상기 배플이 배치됨에 따라, 상기 반응제와 배가스가 유출부를 통해 바로 유출되는 것을 차단하며 재순환을 유도하여 이에 따른 분산 및 확산이 보다 유도되며, 상기 사이클론 챔버 내부의 압력을 저감시켜 보다 안정적인 분산 및 확산이 수행될 수 있다. 이에 따라 상기 반응제와 상기 배가스 사이의 반응성이 보다 향상된다.
특히, 상기 배플은 유출부와 마주하도록 배치된 제1 배플과 상기 제1 배플의 후단에 배치된 제2 배플의 2단 구조를 가짐으로써, 상기 사이클론 챔버의 내부에서의 반응제와 배가스 사이의 분산이나 확산에 대한 방해를 최소화하면서 상승된 반응제와 배가스를 하부방향으로 재순환할 수 있도록 유도할 수 있어 반응성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 배플은 상기 사이클론 챔버가 원통형 형상을 가지는 것을 고려하여 원통형 형상의 내면의 곡면 형성과 마주하면서 반대의 곡률을 가지도록 형성되어, 상기 유출부를 토출되는 배가스와 반응제를 최소화하면서 재순환을 유도할 수 있다.
한편, 가속확산챔버로 인입되는 노즐유닛들은 상부방향으로만 반응제를 토출할 수 있도록 다공부가 형성된 원추형 형상을 가지므로, 상기 반응제를 보다 효과적으로 상부방향으로 토출을 유도할 수 있다.
나아가, 침강 챔버와 가속확산 챔버 사이가 원통형 형상의 벤츄리부를 통해 연결됨으로써, 상기 침강 챔버를 통해 인입되는 배가스가 상기 벤츄리부를 통과하면서 가속화가 유도되어 상기 가속확산 챔버를 통해 인입되는 상기 반응제와의 보다 효과적인 혼합이 가능하게 된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 반응률을 향상시킨 건식 분류유동 반응장치는 소각 배가스에 함유된 입자상물질을 제거하기 위해 사용될 수 있는 산업상 이용 가능성을 갖는다.
10 : 반응유닛 100 : 사이클론 챔버
110 : 유출부 120 : 흡입부
200 : 침강 챔버 210 : 유입부
300 : 벤츄리부 400 : 가속 확산부
410 : 가속확산 챔버 420 : 노즐유닛
500 : 확산유닛 510 : 제1 고정부
520 : 제2 고정부 530 : 디스크부

Claims (11)

  1. 반응유닛을 포함하는 건식 분류유동 반응장치에서, 상기 반응유닛은,
    유입부로 유입된 입자상물질을 포함한 배가스를 유동시키며 상기 입자상물질을 제거하는 침강 챔버;
    상기 침강 챔버의 상부에 연결되어 반응제가 유입되며, 상기 배가스의 회전유동 및 상승속도를 가속시켜 상기 반응제와 상기 배가스가 분산 및 확산되는 가속확산부;
    상기 가속확산부의 상부에 연결되어 상기 반응제와 상기 배가스가 상부로 회전 상승하며 서로 반응하여 유출부로 배출되는 사이클론 챔버; 및
    상기 침강 챔버의 내부에 상기 배가스의 유입방향에 수직인 방향으로 배열되는 디스크부를 포함하는 확산유닛을 포함하고,
    상기 디스크부는 복수의 디스크들을 포함하고,
    상기 디스크들 각각에는 형성된 개구부들은 상기 유입부로부터 가까운 디스크로부터 먼 디스크로 갈수록, 상기 개구부의 크기가 작아지는 것을 특징으로 하는 건식 분류유동 반응장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 디스크들은,
    서로 평행하게 배열되며 이격되는 것을 특징으로 하는 건식 분류유동 반응장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 개구부들에는, 상기 배가스의 유입방향에 수직인 방향으로 상기 배가스가 통과하는 것을 특징으로 하는 건식 분류유동 반응장치.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서,
    상기 디스크들 각각은 원형 플레이트 형상이고,
    상기 개구부들 각각도 원형인 것을 특징으로 하는 건식 분류유동 반응장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 디스크들은 서로 동일한 간격으로 이격되는 것을 특징으로 하는 건식 분류유동 반응장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 확산유닛은,
    상기 유입부의 연장방향과 평행하게 연장되며 상기 디스크부를 상측에서 고정하는 제1 고정부; 및
    상기 제1 고정부와 평행하게 연장되며 상기 디스크부를 하측에서 고정하는 제2 고정부를 더 포함하는 건식 분류유동 반응장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 고정부들은 각각 상기 침강 챔버의 내측에 양 끝단이 고정되며,
    상기 디스크들 각각의 상측 및 하측 끝단에 상기 제1 및 제2 고정부들과 고정되는 슬릿이 형성되는 것을 특징으로 하는 건식 분류유동 반응장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 침강 챔버는 상측으로 갈수록 반경이 감소하는 원추형 형상을 가지며,
    상기 침강 챔버의 상측 끝단과 상기 가속확산부의 하측 끝단 사이를 동일한 반경을 가지는 원통형 형상으로 연결하는 벤츄리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 분류유동 반응장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 유출부는,
    상기 사이클론 챔버의 상부 일측면으로부터 연장되어, 상기 사이클론 챔버의 원주를 따라 휘어지며 상기 일측면의 반대측까지 연장되는 것을 특징으로 하는 건식 분류유동 반응장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 가속확산부로 상기 반응제를 공급하는 반응제 공급부;
    상기 사이클론 챔버에서 반응이 종료된 상기 배가스를 여과하며, 반응하지 않은 반응제를 포집하는 여과집진부; 및
    상기 여과집진부에서 포집된 반응제를 상기 가속확산부로 재공급하는 반응제 재공급부를 더 포함하는 건식 분류유동 반응장치.


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