KR102043020B1 - 고온고압 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 고온고압 반응기는 반응기 본체의 하부 및 상부에 각각 배치되는 제1내화 부재 및 제2내화 부재; 상기 제1내화 부재 및 상기 제2내화 부재 사이에 배치되는 팽창 부재; 및 상기 제1내화 부재에 형성되고 반응기 내부의 단면적을 부분적으로 감소시키는 형상의 안내 부재;를 포함한다.

Description

고온고압 반응기{High Pressure and High Temperature Reactor}
본 발명은 고온고압 반응기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반응기 내부에 배치되는 팽창대의 파손을 경감시킬 수 있는 고온고압 반응기에 관한 것이다.
반응기는 고체 연료의 소각, 연소, 연료전환, 화학변환을 목적으로 사용되며, 고체 연료의 반응성을 향상시키기 위해 고온 및 고압 조건에서 고체 연료를 반응시키도록 구성된다.
고온고압의 반응기는 고온 및 고압의 조건을 견딜 수 있도록 철피와 단열 및 보호를 위한 내화재로 구성된다. 반응기의 내부는 반응기의 목적에 따라 각각 다른 성분 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 고온고압의 반응기는 고체 연료의 반응 조건에서 부분적으로 팽창될 수 있으므로, 반응기의 팽창을 완충하기 위한 탄성체(통상적으로 팽창대라고함)를 포함한다.
그런데 이러한 팽창대는 고온에 취약하므로 반응기의 내부에서 생성되는 반응가스에 의해 파손될 수 있다. 따라서, 팽창 현상을 완충할 수 있으면서도 팽창대의 파손을 최소화할 수 있는 고온고압 반응기의 개발이 요청된다.
참고로, 본 발명과 관련된 선행기술로는 특허문헌 1 및 2가 있다.
KR 2014-0069138 A KR 2014-0081491 A
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 팽창대의 파손을 최소화시킬 수 있도록 구성된 고온고압 반응기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 고온고압 반응기는 반응기 본체의 하부 및 상부에 각각 배치되는 제1내화 부재 및 제2내화 부재;와, 상기 제1내화 부재 및 상기 제2내화 부재 사이에 배치되는 팽창 부재;와, 상기 제1내화 부재에 형성되고 반응기 내부의 단면적을 부분적으로 감소시키는 형상의 안내 부재; 및 상기 제1내화 부재, 상기 제2내화 부재, 및 상기 팽창 부재의 외주면을 감싸도록 구성된 외피 부재;를 포함하되, 상기 안내부재는, 상기 제1 내화 부재와 팽창 부재의 경계 영역에 배치되고, 상기 안내 부재는 상기 반응기 본체의 하부에서 상부 방향으로 갈수록 단면적이 확대되는 형상이며, 상기 안내 부재는 곡면 또는 경사면을 포함하는 형상으로 구성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 고온고압 반응기에서 상기 제1내화 부재 및 상기 제2내화 부재는 규소 화합물로 이루어진다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 고온고압 반응기에서 상기 팽창 부재는 상기 제1내화 부재 및 상기 제2내화 부재와 동일한 두께로 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 고온고압 반응기에서 상기 팽창 부재는 실리카 알루미나 성분을 포함하는 울 재질로 이루어진다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 고온고압 반응기에서 상기 안내 부재는 상기 제1내화 부재에 일체로 형성된다.
삭제
본 발명의 일 실시 예에 따른 고온고압 반응기에서 상기 안내 부재의 길이는 상기 팽창 부재의 길이보다 크다.
삭제
삭제
본 발명은 팽창대의 파손을 경감시킬 수 있으므로 반응기 내부 구조의 강건성을 확보할 수 있으며, 이를 통해 반응기의 수명을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고온고압 반응기의 단면도
도 2는 도 1에 도시된 A 부분의 확대도
도 3은 도 1에 도시된 고온고압 반응기의 B-B 단면도
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고온고압 반응기의 A 부분 확대도
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 고온고압 반응기의 A 부분 확대도
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
아래에서 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 구성요소를 지칭하는 용어들은 각각의 구성요소들의 기능을 고려하여 명명된 것이므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 안 될 것이다.
아울러, 명세서 전체에서, 어떤 구성이 다른 구성과 '연결'되어 있다 함은 이들 구성들이 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 구성을 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함하는 것을 의미한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 고온고압 반응기를 설명한다.
본 실시 예에 따른 고온고압 반응기(100)는 고체 연료의 소각, 연소, 연료전환, 화학변환이 가능하도록 구성된다. 이를 위해 고온고압 반응기(100)는 고체 연료가 투입되는 투입구와 투입된 고체 연료를 소각 및 연소시키기 위한 연소실을 포함할 수 있다. 아울러, 고온고압 반응기(100)는 투입된 고체 연료를 연료전화 및 화학변환시키기 위한 별도의 장치를 더 포함할 수 있다. 참고로, 이러한 구성은 통상의 기술자가 일반적인 반응기를 통해 파악할 수 있으므로, 이들 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
고온고압 반응기(100)는 고온고압 조건에서 고체 연료의 반응이 가능하도록 구성된다. 이를 위해 고온고압 반응기(100)는 제1내화 부재(110), 제2내화 부재(120), 팽창 부재(130), 외피 부재(150)를 포함할 수 있다.
제1내화 부재(110)는 반응기 몸체의 하부에 배치된다. 부연 설명하면, 제1내화 부재(110)는 반응기 몸체의 하단으로부터 반응기 몸체의 상방으로 연장되는 부분이다. 제1내화 부재(110)는 고온 및 고압에 강한 재질로 이루어질 수 있다. 부연 설명하면, 제1내화 부재(110)는 규소 화합물로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1내화 부재(110)는 통상적인 벽돌과 동일 또는 유사한 재질로 이루어질 수 있다. 그러나 제1내화 부재(110)의 재질이 전술된 예로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1내화 부재(110)의 재질은 통상의 기술자가 인지 및 인지할 수 있는 범위에서 다른 재질로 변경될 수 있다.
제1내화 부재(110)는 상당한 두께로 형성된다. 부연 설명하면, 제1내화 부재(110)는 반응기 내부의 고온이 외부로 전달되지 않도록 상당한 두께를 가질 수 있다. 아울러, 제1내화 부재(110)는 반응기 내부의 압력에 의해 변형되지 않도록 상당한 강도와 강성을 가질 수 있다.
제2내화 부재(120)는 반응기 몸체의 상부에 배치된다. 부연 설명하면, 제2내화 부재(120)는 반응기 몸체의 상단으로부터 반응기 몸체의 하방으로 연장되는 부분이다. 제2내화 부재(120)는 고온 및 고압에 강한 재질로 이루어질 수 있다. 부연 설명하면, 제2내화 부재(120)는 제1내화 부재(110)와 마찬가지로 규소 화합물로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제2내화 부재(120)는 통상적인 벽돌과 동일 또는 유사한 재질로 이루어질 수 있다. 그러나 제2내화 부재(120)의 재질이 전술된 예로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제2내화 부재(120)의 재질은 통상의 기술자가 인지 및 인지할 수 있는 범위에서 다른 재질로 변경될 수 있다.
제2내화 부재(120)는 상당한 두께로 형성된다. 부연 설명하면, 제2내화 부재(120)는 반응기 내부의 고온이 외부로 전달되지 않도록 상당한 두께를 가질 수 있다. 아울러, 제2내화 부재(120)는 반응기 내부의 압력에 의해 변형되지 않도록 상당한 강도와 강성을 가질 수 있다.
참고로, 제1내화 부재(110) 및 제2내화 부재(120)는 팽창 부재(130)를 기준으로 내화 부재를 구분하여 지칭하는 것이다. 따라서, 팽창 부재(130)가 배치되는 위치에 따라 제1내화 부재(110)가 더 길게 형성되거나 또는 제2내화 부재(120)가 더 길게 형성되거나 또는 제1내화 부재(110) 및 제2내화 부재(120)가 동일한 길이로 형성될 수 있다.
팽창 부재(130)는 제1내화 부재(110)와 제2내화 부재(120) 사이에 배치된다. 부연 설명하면, 팽창 부재(130)는 대체로 반응기 몸체의 중간부에 배치된다. 그러나 팽창 부재(130)의 배치 위치가 전술된 위치로 한정되는 것은 아니다. 부연 설명하면, 팽창 부재(130)는 반응기 몸체에서 압축 또는 신장이 가장 잘 일어나는 부분에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상부 변형이 잘 일어나는 반응기(100)에서는 팽창 부재(130)가 반응기 몸체의 상부에 배치되고, 하부 변형이 잘 일어나는 반응기(100)에서는 팽창 부재(130)가 반응기 몸체의 하부에 배치될 수 있다.
팽창 부재(130)는 반응기 몸체의 압축 및 신장에 따라 함께 변형되도록 구성된다. 이를 위해 팽창 부재(130)는 탄성 변형이 가능한 재질로 이루어질 수 있다. 일 예로, 팽창 부재(130)는 실리카 알루미나 성분을 포함하는 화합물로 이루어질 수 있다. 부연 설명하면, 팽창 부재(130)는 양모(毛) 섬유와 실리카 알루미나 성분을 포함하는 재질의 화합물로 이루어질 수 있다.
이와 같이 구성된 팽창 부재(130)는 반응기 몸체의 압축 및 신장 시 반응기 몸체와 함께 변형되면서 제1내화 부재(110)와 제2내화 부재(120) 사이에 틈새의 형성을 억제하고, 반응기 몸체의 변형으로 인한 제1내화 부재(110)와 제2내화 부재(120)의 파손 또는 이탈을 방지할 수 있다.
한편, 전술된 제1내화 부재(110), 제2내화 부재(120), 및 팽창 부재(130)는 대체로 동일한 두께로 형성될 수 있다. 부연 설명하면, 제1내화 부재(110), 제2내화 부재(120), 및 팽창 부재(130)는 반응기의 높이 방향을 따라 대체로 동일한 단면 크기를 갖도록 구성될 수 있다. 이에 따라 반응기 몸체의 중심으로부터 제1내화 부재(110)까지의 반경(R1), 제2내화 부재(120)까지의 반경(R2), 및 팽창 부재(130)까지의 반경(R3)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 대체로 동일한 크기로 형성될 수 있다.
한편, 전술된 팽창 부재(130)는 종래 기술에서 언급한 바와 같이 반응기(10)의 내부에서 생성되는 여러 물질에 취약하다. 부연 설명하면, 팽창 부재(130)는 고체 연료의 소각, 연소 시 발생하는 입자와의 충돌에 의해 파손될 수 있다. 특히, 고체연료의 반응 시 생성되는 카본은 팽창 부재(130)의 내부에 침투하여 팽창 부재(130)의 본연의 기능을 떨어뜨릴 수 있다.
본 실시 예에 따른 고온고압 반응기(100)는 위와 같은 문제점을 해소할 수 있도록 안내 부재(140)를 더 포함하고 있다.
안내 부재(140)는 제1내화 부재(110)에 배치된다. 부연 설명하면, 안내 부재(140)는 제1내화 부재(110)와 팽창 부재(130)의 경계 영역에 배치되어, 반응 물질 및 고온 가스가 팽창 부재(130)의 표면에 직접적으로 접촉하는 것을 최대한 억제시킨다. 안내 부재(140)는 도 2에 도시된 바와 같이 반응기 내부의 단면적을 부분적으로 축소시키는 형상을 갖는다. 부연 설명하면, 안내 부재(140)는 반응기의 내부 단면적으로 점진적으로 축소되도록 쐐기 형태로 형성된다. 안내 부재(140)는 제1내화 부재(110)와 일체로 형성될 수 있다. 부연 설명하면, 안내 부재(140)는 제1내화 부재(110)와 마찬가지로 규소 화합물로 이루어질 수 있으며, 제1내화 부재(110)의 일 부분을 형성할 수 있다. 안내 부재(140)의 연장 높이(h1)는 팽창 부재(130)의 연장 높이(h)보다 클 수 있다. 그러나 안내 부재(140)의 연장 높이(h1)가 팽창 부재(130)의 연장 높이(h)보다 반드시 커야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 안내 부재(140)가 반응기 안쪽으로 충분히 돌출된 경우에는 안내 부재(140)의 연장 높이(h1)를 팽창 부재(130)의 연장 높이(h)보다 작게 할 수도 있다.
위와 같이 형성된 안내 부재(140)는 반응기의 내벽을 따라 하부에서 상부로 이동하는 반응 물질 및 고온가스의 흐름을 반응기의 중심부로 유도하므로, 반응 물질 및 고온가스와 팽창 부재(130) 간의 접촉을 효과적으로 경감시킬 수 있다. 따라서, 본 고온고압 반응기(100)에 따르면 팽창 부재(130)의 파손을 경감시킴과 더불어, 팽창 부재(130)의 파손으로 인한 반응기의 운전정지 주기를 연장시킬 수 있다.
외피 부재(150)는 내화 부재(110, 120) 및 팽창 부재(130)를 외부의 충격으로부터 보호하도록 구성된다. 이를 위해 외피 부재(140)는 내화 부재(110, 120) 및 팽창 부재(130)의 외주면을 완전히 감싸도록 형성되며, 대체로 금속재질로 이루어질 수 있다. 외피 부재(150)는 내화 부재(110, 120) 및 팽창 부재(130)보다 얇게 형성될 수 있다. 부연 설명하면, 외피 부재(150)는 반응기(100)의 신장 및 압축 시 탄성 변형 또는 소성 변형이 가능한 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
다음에서는 본 발명의 다른 실시 예를 설명한다. 참고로, 이하의 설명에서 전술된 실시 예와 동일한 구성요소는 전술된 실시 예와 동일한 도면부호를 사용하고 이들 구성요소에 대한 상세한 설명은 생략한다.
먼저, 도 4를 참조하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고온고압 반응기를 설명한다.
본 실시 예에 따른 고온고압 반응기(100)는 안내 부재(140)의 형상에 있어서 전술된 실시 예와 구별된다. 부연 설명하면, 안내 부재(140)의 내주면은 도 4에 도시된 바와 같이 곡면으로 이루어질 수 있다.
다음으로, 도 5를 참조하여 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 고온고압 반응기를 설명한다.
본 실시 예에 따른 고온고압 반응기(100)는 안내 부재(140)의 배치 형태에 있어서 전술된 실시 예들과 구별된다. 부연 설명하면, 본 실시 예에 따른 고온고압 반응기(100)는 2개 이상의 안내 부재(140: 142, 144)를 포함할 수 있다.
안내 부재(140: 142, 144)는 대체로 동일한 높이를 가질 수 있다. 부연 설명하면, 제1안내 부재(142)의 연장 높이(h1)는 제2안내 부재(144)의 연장 높이(h2)와 같을 수 있다. 그러나 제1안내 부재(142)의 연장 높이(h1)와 제2안내 부재(144)의 연장 높이(h2)가 반드시 동일해야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 제1안내 부재(142)의 연장 높이(h1)는 제2안내 부재(144)의 연장 높이(h2)보다 크거나 작을 수도 있다.
안내 부재(140: 142, 144)는 서로 다른 돌출 크기를 가질 수 있다. 부연 설명하면, 제1안내 부재(142)의 돌출 길이(L1)는 제2안내 부재(144)의 돌출 길이(L2)보다 작을 수 있다. 그러나 제1안내 부재(142)의 돌출 길이(L1)와 제2안내 부재(144)의 돌출 길이(L2)가 반드시 달라야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 제1안내 부재(142)의 돌출 길이(L1)는 제2안내 부재(144)의 돌출 길이(L2)와 같을 수도 있다.
한편, 본 실시 예에서는 2개의 안내 부재(142, 144)가 반응기 내부에 형성되는 것으로 설명되었으나, 필요에 따라 제1내화 부재(110)에 3개 이상의 안내 부재를 형성할 수도 있다.
본 발명은 이상에서 설명되는 실시 예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것이다. 예를 들어, 전술된 실시형태에 기재된 다양한 특징사항은 그와 반대되는 설명이 명시적으로 기재되지 않는 한 다른 실시형태에 결합하여 적용될 수 있다.
100 고온고압 반응기
110 제1내화 부재
120 제2내화 부재
130 팽창 부재
140 안내 부재
150 외피 부재

Claims (9)

  1. 반응기 본체의 하부 및 상부에 각각 배치되는 제1내화 부재 및 제2내화 부재;
    상기 제1내화 부재 및 상기 제2내화 부재 사이에 배치되는 팽창 부재;
    상기 제1내화 부재에 형성되고 반응기 내부의 단면적을 부분적으로 감소시키는 형상의 안내 부재; 및
    상기 제1내화 부재, 상기 제2내화 부재, 및 상기 팽창 부재의 외주면을 감싸도록 구성된 외피 부재;
    를 포함하되,
    상기 안내부재는, 상기 제1 내화 부재와 팽창 부재의 경계 영역에 배치되고,상기 안내 부재는 상기 반응기 본체의 하부에서 상부 방향으로 갈수록 단면적이 확대되는 형상이며, 상기 안내 부재는 곡면 또는 경사면을 포함하는 형상인 고온고압 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1내화 부재 및 상기 제2내화 부재는 규소 화합물로 이루어지는 고온고압 반응기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 팽창 부재는 상기 제1내화 부재 및 상기 제2내화 부재와 동일한 두께로 형성되는 고온고압 반응기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 팽창 부재는 실리카 알루미나 성분을 포함하는 울 재질로 이루어지는 고온고압 반응기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 안내 부재는 상기 제1내화 부재에 일체로 형성되는 고온고압 반응기.
  6. 삭제
  7. 제2항에 있어서,
    상기 안내 부재의 길이는 상기 팽창 부재의 길이보다 큰 고온고압 반응기.
  8. 삭제
  9. 삭제
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