KR102323362B1

KR102323362B1 - 계단형 나선 날개를 포함하는 이중 유동층 반응기 시스템

Info

Publication number: KR102323362B1
Application number: KR1020200010069A
Authority: KR
Inventors: 경국현; 강상우
Original assignee: 경국현; 강상우
Priority date: 2020-01-28
Filing date: 2020-01-28
Publication date: 2021-11-09
Also published as: US20230074981A1; KR20210096515A; WO2021153871A1

Abstract

본 발명의 계단형 나선 날개가 포함된 이중 유동층 반응기 시스템은 가연성 폐기물, 바이오매스와 같은 원료와 스팀을 공급받아 내부에서 유동매체가 유동하며 기포유동층을 형성하고, 원료가 가스화되어 생성가스가 만들어지는 기포유동층 가스화로, 상기 기포유동층 가스화로에서 유동매체와 생성가스의 차르(char)를 공급받고, 추가로 공기를 공급받아 차르(char)를 연소시킴으로써 유동매체를 가열한 뒤, 가열된 유동매체를 다시 기포유동층 가스화로로 이송하는 고속유동층 연소로를 포함하고, 상기 기포유동층 가스화로의 내부에는 기포유동층 가스화로 중심부를 따라 수직 방향으로 길게 형성되는 중심로드 및 상기 중심로드를 따라 생성가스 및 스팀을 선회류로 이동시키는 나선형 날개가 설치되며, 상기 나선형 날개는, 복수개의 단위날개가 중심로드에 방사상으로 결합되되, 각 단위날개는 서로 이격 형성되어 계단식으로 배치되어, 기포유동층 가스화로의 상부에서 공급되는 유동매체와 하부에서 공급되는 반응물질의 접촉 빈도를 높임으로써 가스 생성 효율 및 타르 제거 효율을 현저히 향상시킬 수 있다.

Description

계단형 나선 날개를 포함하는 이중 유동층 반응기 시스템{Dual fluidized bed reacting system including terraced helical impeller}

본 발명은 나선형 가스화로를 포함하는 이중 유동층 반응기 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 가스화로 내부의 나선형 날개가 불연속적인 계단 형태로 형성되어, 가스화로의 상부에서 하부로 이동하는 물질과 하부에서 상부로 이동하는 물질의 접촉 빈도를 높임으로써 가스 생성 효율과 타르 제거 효율을 향상시킬 수 있는 계단식의 나선형 가스화로를 포함하는 이중 유동층 반응기 시스템에 관한 것이다.

전 세계적으로 화석연료의 과다 사용에 따른 자원 고갈 및 지구온난화를 비롯한 환경 오염에 대한 우려가 증가함에 따라 지속적이고 안정적으로 에너지를 생산할 수 있는 대체 에너지 기술 개발에 대한 관심이 높아지고 있다.

대체 에너지 개발의 일환으로 바이오매스를 이용하여 에너지를 생산하는 기술 또한 많은 관심을 받고 있으며, 바이오매스를 이용한 에너지 생산 공정 중에 이산화탄소가 바이오매스를 거쳐 탄소 형태로 전환되기 때문에 이산화탄소 배출량을 감소시킬 수 있는 가장 효과적인 대체 에너지로 인식되고 있다. 또한, 화석연료를 대신하여 바이오매스를 대체에너지로 사용함으로써 환경, 경제 및 사회적 층면에서 상생하며 지속 가능한 글로벌 경제구조를 창출할 수 있다.

바이오매스는 C, H, O로 구성된 고체로, 바이오매스의 열분해를 통해 H₂, CO, CH₄ 등으로 구성된 가스가 생성되며, 이와 같이 생성된 가스는 가스엔진, 복합발전 등에 공급됨으로써, 전기에너지를 생산하거나 수소가스, 합성천연가스 또는 바이오디젤을 생산하기 위한 원료물질이 된다. 이러한 가스화 공정은 일반적인 연소방식과는 달리 환원 분위기에서 전체적인 반응이 수행되므로, 오염물질 배출이 적어 대기오염 등을 예방할 수 있을 뿐만 아니라, 에너지 효율의 증대에도 기여하므로 차세대 청정이용 기술로 각광을 받고 있다.

가스화 과정은 통상적으로, 건조, 탈휘발화, 가스화 단계로 분류되는데, 120℃까지 가열하여 건조 단계가 수행되고, 350℃까지 가열할 경우에는 탈휘발화(devolatilization) 현상이 일어나 휘발분이 날아가는 탈휘발화 단계가 수행되며, 350℃ 이상의 온도로 가열될 경우에는 차르(char)의 가스화 반응이 일어난다.

이러한 가스화 반응 중에 생성되는 타르(tar)는 열분해과정에서 생성되는 휘발분 중 일부가 분자량이 크고 반응성이 낮은 탄화수소류를 형성한 것으로, 낮은 온도에서 쉽게 응축되는 특성 때문에 가스화로 후단의 배관을 막히게 하여 공정의 효율을 떨어뜨리고, 가스엔진이나 가스터빈에 들어가서 파울링(fouling) 및 블로킹(blocking) 현상을 일으켜 장치의 고장을 유발하는 등 전체 공정효율을 떨어뜨리며 운전비용을 증가시키므로, 가스화 반응에서 생성되는 타르 농도를 최대한 낮게 유지하여야 한다.

타르 제거기술은 대표적으로 두 가지 기술로 나눌 수 있다.

첫 번째 방법은 사이클론(cyclone), 필터(filter), 스크러버(scrubber) 등을 사용하여 가스화 공정 후에 반응기에서 생성된 가스에 포함된 타르를 물리적으로 혹은 촉매작용으로 제거하는 방법인데, 이러한 방법은 반응기에서 생성된 가스에 다량의 타르가 포함된 경우에는 타르 정제를 위한 별도의 후처리시설을 갖추고 운영해야 하므로 비용적 측면에서 비효율적이다.

두 번째 방법은 가스화 과정에서 여러 가지 조건을 조절함으로써 반응기 내부에서 타르를 제거하는 방법으로, 유동층 반응기를 이용하여 가스를 생성하고 동시에 타르를 제거하나, 타르를 제거할 수 있는 유동매체와 타르가 충분히 접촉되지 못하여 타르 제거 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

따라서, 유동층 반응기 내에서 타르와 유동매체의 접촉률을 높여 타르 제거 효율을 향상시킬 수 있는 유동층 반응기의 개발이 필요한 실정이다.

등록특허 제10-1993734호(2019.06.21등록)

본 발명에서는 가스화로 내부의 나선형 날개가 불연속적인 계단 형태로 형성되어, 가스화로의 상부에서 하부로 이동하는 물질과 하부에서 상부로 이동하는 물질의 접촉 빈도를 높임으로써 가스 생성 효율과 타르 제거 효율을 향상시킬 수 있는 계단형 나선 날개가 구비된 가스화로를 포함하는 이중 유동층 반응기 시스템을 제공하고자 한다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이중 유동층 반응기 시스템은, 원료가 저장되는 원료 탱크; 상기 원료 탱크로부터 원료를 공급받고, 하부에서 스팀이 유입되어 내부에서 유동매체가 유동됨으로써 기포유동층이 형성되며, 상기 원료가 가스화되어 내부에서 생성가스가 만들어지는 기포유동층 가스화로; 상기 기포유동층 가스화로로부터 상기 유동매체와 상기 생성가스에 포함된 차르(char)를 이송받고, 추가로 공기를 공급받아, 상기 차르(char)를 연소시킴으로써 유동매체를 가열하고, 가열된 유동매체를 상기 기포유동층 가스화로로 이송하는 고속유동층 연소로; 상기 기포유동층 가스화로와 연통되고, 기포유동층 가스화로에서 배출되는 생성가스 중 미세입자를 분리하여 미세입자는 상기 기포유동층 가스화로로 다시 유입시키고, 나머지를 배출시키는 생성가스 싸이클론; 및 상기 고속유동층 연소로의 상부와 기포유동층 가스화로의 상부 사이에 연결되어, 상기 유동매체를 배기가스와 분리시킨 후, 배기가스는 배출하고 유동매체는 기포유동층 가스화로로 이송하는 배기가스 싸이클론;을 포함한다.

본 발명에 따른 이중 유동층 반응기 시스템의 기포유동층 가스화로 내부에는, 기포유동층 가스화로의 중심부에 수직 방향으로 형성되는 중심로드; 및 상기 중심로드를 따라 생성가스 및 스팀을 선회류로 이동시키는 나선형 날개;가 설치된다.

또한, 상기 나선형 날개는, 복수개의 단위날개가 중심로드에 방사상으로 형성되되, 각 단위날개는 서로 이격되도록 형성되고, 이격되어 이웃하는 각 단위 날개의 위치가 높아지도록 계단식으로 배치되는 것이 바람직하다.

상기 중심로드의 중심축과 상기 단위날개의 길이방향 축에 의해 형성되는 면과 수직인 상기 단위날개의 단면은, 삼각형, 사다리꼴, 오각형 등의 다각형일 수 있다.

상기 단위날개는, 단위날개의 길이방향 축에 대하여 소정 각도 회전된 상태로 배치되어, 단위날개의 단면이 바닥면에 대하여 기울어진 형태를 가질 수 있다.

인접한 두 단위날개의 이격 영역은, 이격 영역에서의 각 단위날개의 최상단 사이의 거리가 최하단 사이의 거리의 2~7배가 되도록 형성될 수 있다.

인접한 두 단위날개의 이격 영역은, 이격 영역에서의 각 단위날개의 최상단 사이에서 최하단 사이로 테이퍼지도록 형성될 수 있다.

상기 배기가스 싸이클론에서 배출되는 배기가스 중 일부는 산소가 제거된 후, 원료 탱크로 공급될 수 있다.

산소가 제거된 배기가스는, 생성가스에 포함된 먼지와 HCl을 제거하는 필터의 퍼징가스로 공급될 수 있다.

상기 배기가스 싸이클론에서 배출되는 배기가스 중 일부는, 저온 산화 촉매를 통해 산소가 제거될 수 있다.

본 발명의 계단식의 나선형 가스화로를 포함하는 이중 유동층 반응기 시스템은 타르와 유동매체의 접촉 빈도가 현저히 증가하여, 생성가스의 생성 효율과 타르 제거 효율이 우수하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계단식의 나선형 가스화로를 포함하는 이중 유동층 반응기 시스템을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 계단식의 나선형 가스화로 내부를 상세하게 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 나선형 날개를 구성하는 단위날개의 단면 형태의 변형예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 계단식의 나선형 가스화로 내부를 상부(a방향)에서 바라본 도면이다.
도 5는 본 발명의 나선형 날개를 구성하는 단위날개의 단면이 유사 사다리꼴 형태를 갖는 일 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 나선형 날개를 구성하는 단위날개의 단면 형태의 일 예를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 계단식의 나선형 가스화로 내부에서의 유체 흐름을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 나선형 날개를 구성하는 단위날개의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 계단식의 나선형 가스화로를 포함하는 이중 유동층 반응기 시스템을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 계단식의 나선형 가스화로를 포함하는 이중 유동층 반응기 시스템을 도식적으로 나타낸 도면이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 상세히 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 밝혀둔다.

도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.

본 명세서에서 '및/또는'이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 또한, '연결되는/결합되는'이란 표현은 다른 구 성요소와 직접적으로 연결되거나 다른 구성요소를 통해 간접적으로 연결되는 것을 포함하는 의미로 사용된다.

본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 '포함한다' 또는 '포함하는'으로 언급된 구성요소, 단계 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및 동작의 존재 또는 추가를 의미한다.

이하에서는, 본 발명의 실시예를 살펴본다. 그러나 본 발명의 범주가 이하의 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 본 발명의 권리범위 내에서 본 명세서에 기재된 내용의 여러 가지 변형된 형태를 실시할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계단식의 나선형 가스화로를 포함하는 이중 유동층 반응기 시스템을 도식적으로 나타낸 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 계단식의 나선형 가스화로를 포함하는 이중 유동층 반응기 시스템은 기포유동층 가스화로(100), 고속유동층 연소로(200) 및 원료탱크(300)를 포함하여, 원료탱크(300)에서 원료인 바이오매스가 기포유동층 가스화로(100)로 이송되면, 기포유동층 가스화로(100)에서 원료가 열분해되어 생성가스(10)가 생성되고, 고속유동층 연소로(200)는 기포유동층 가스화로(100)로부터 유동매체와 생성가스(10)에 포함된 차르(char)를 공급받아 차르를 연소시킴으로써 유동매체를 가열한 뒤 기포유동층 가스화로(100)로 다시 이송시켜 기포유동층 가스화로(100)에 열을 전달한다.

상기 원료탱크(300)는 가연성 폐기물, 바이오매스, 석탄 및 슬러지와 같은 원료 물질이 저장되는 유닛으로, 원료투입부(160)를 통해 이와 같은 원료 물질이 기포유동층 가스화로(100)로 공급될 수 있다.

상기 기포유동층 가스화로(100)는 원료탱크(300)에서 원료를 공급받아 열분해시킴으로써 생성가스(10)를 생성하는 유닛으로, H₂, CO, CH₄ 등과 같은 유용한 물질뿐만 아니라 타르(tar) 및 차르(char)가 함께 생성된다. 여기서 생성된 타르(tar)는 기포유동층 가스화로(100) 내부에서 열분해를 통해 제거되며, 차르(char)는 고속유동층 연소로(200)로 이송되어 유동매체를 가열하기 위한 연소 연료로 사용된다.

기포유동층 가스화로(100)에서 배출되는 생성가스(10)에는 H₂, CO, CH₄ 등과 같은 유용 가스 성분이 포함되어 있을 뿐만 아니라, 타르(tar) 및 유동매체 분쇄입자와 같은 미세 입자가 포함되어 있는데, 이들 미세 입자는 기포유동층 가스화로(100)와 연통되어 있는 생성가스 싸이클론(140)을 통해 분리되어 다시 기포유동층 가스화로(100)로 유입되며, 미세 입자가 제거된 나머지 생성가스(10)는 후처리 장치 등으로 배출된다.

생성가스 싸이클론(140)에서 배출되는 생성가스(10)는 유동매체의 종류에 따라 달라질 수 있는데, 수소가 40~70% 정도 함유되어 있어서 수소원료로 이용될 수 있으며, 유동매체로는 올리바인이나 산화칼슘(CaO) 등이 사용될 수 있다.

상기 고속유동층 연소로(200)는 기포유동층 가스화로(100)로부터 유동매체와 차르(char)를 공급받아 차르를 연소시킴으로써 유동매체를 가열하는 유닛으로, 가열된 유동매체와, 연소 과정에서 생성된 배기가스(20)는 배기가스 싸이클론(210)을 통해 분리되어 가열된 유동매체는 배기가스 싸이클론 연결관(220)을 통해 다시 기포유동층 가스화로(100)로 공급되어 열원으로써 기능하고, 배기가스(20)는 배출된다.

이와 같이 가연성 폐기물, 바이오매스, 석탄 및 슬러지 등의 원료는 기포유동층 가스화로(100), 고속유동층 연소로(200)로 이루어지는 일련의 순차적인 장치로 이루어지는 가스화 시스템에 의하여 가스화된다.

기포유동층 가스화로(100)는 가연성 폐기물, 바이오매스, 석탄 및 슬러지 등과 같은 원료를 열분해, 가스화하는 부분으로서, 기포유동층 가스화로(100) 하부에는 산화제인 스팀(30)이 분사됨으로써 기포유동층(120)이 형성되며, 가연성 폐기물, 바이오매스, 석탄 및 슬러지 등과 같은 물질들이 열분해 및 가스화되어 생성가스(10)로 변하게 된다. 여기서의 가연성 폐기물은 약 5~8cm의 크기로 분쇄된 폐목, 플라스틱 또는 비닐 등을 포함할 수 있다.

기포유동층 가스화로(100) 내부 중 기포유동층(120)의 위쪽에는 기포유동층 가스화로(100)의 중심부를 따라 수직 방향으로 길게 중심로드(130)가 고정 설치되고 중심로드(130)의 둘레에는 스크류 날개 형태의 나선형 날개(110)가 결합되어, 기포유동층 가스화로(100) 내부에서 유체가 선회류로 이동하도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기 나선형 날개(110)에 의해 생성가스(10)와 유동매체의 접촉빈도가 증가됨으로써, 생성가스(10)에 포함된 타르(tar)와 유동매체 간 접촉 반응이 증가하게 된다. 상기 나선형 날개(110)는, 후술될 바와 같이 복수개의 단위날개(111)가 중심로드(130)에 방사상으로 결합되되, 서로 이격 형성되고 계단식으로 배치되어, 나선 형태로 형성될 수 있다.

일 측면에서 관찰했을 때 상기 나선형 날개(110)는 2~5줄이 되도록 형성될 수 있으며, 줄 수가 한 줄 이하인 경우에는 상부에서 하부로 이동하는 원료 및 유동매체와 같은 반응물과 하부에서 상부로 이동하는 가스의 접촉 빈도 및 반응 효율이 적어져 생성가스(10)의 생성 효율 및 타르(tar)의 제거 효율이 저하되고, 6줄을 초과하는 경우에는 각 줄 사이의 공간이 좁아져 나선형 날개(110)를 따라 선회하며 상승하는 가스의 압력 손실이 상승하므로, 가스의 흐름이 원활하지 않은 문제가 발생할 수 있다.

한편, 상기 기포유동층 가스화로(100)의 하부로부터 차르(char) 및 유동매체가 고속유동층 연소로(200)로 이송된다. 고속유동층 연소로(200) 하부로부터 차르(char)를 연소시키기 위하여 공기가 유입되며, 고속유동층 연소로(200)는 속도가 아주 빠른 고속유동층(fast bed)으로 운전된다. 고속유동층 연소로(200)로 이송된 유동매체는 기포유동층 가스화로(100)의 하부에서 820~850℃였던 것이 고속유동층 연소로(200)를 거치면서 920~950℃로 승온되어 고온의 열원으로서 기포유동층 가스화로(100)로 재투입된다.

이때, 필요에 따라 고속유동층 연소로(200)에 외부 연료가 추가로 더 공급될 수 있으며, 외부 연료로 생성가스 사이클론(140)을 통해 배출되는 생성가스(10)가 사용될 수 있다.

고속유동층 연소로(200)를 지난 가스는 고속유동층 연소로(200) 상부에 연결된 배기가스 싸이클론(210)에 의해 유동매체 및 재가 분리된다. 고속유동층 연소로(200)에서 고온으로 변한 유동매체가 배기가스 싸이클론(210)을 지나서 기포유동층 가스화로(100) 상부로 이송되어 기포유동층 가스화로(100)의 가스화 반응을 위한 열원으로 사용되며, 연소 과정에 의해 생성된 배기가스(20)는 배기가스 싸이클론(210)을 통해 외부로 배출된다.

도 2는 본 발명의 기포유동층 가스화로(100)의 내부를 상세하게 나타낸 도면으로, 복수개의 단위날개(111)가 중심로드(130)에 방사상으로 결합되되, 서로 이격 형성되어 계단식으로 배치되어 나선형 날개(110)를 형성한다.

따라서, 거시적으로는 스크류 형태의 나선형 날개(110)에 의해 유동매체가 나선형 날개(110)를 따라 선회하며 내려오고, 생성가스(10)와 스팀(30)을 포함하는 기체 성분은 나선형 날개(110)를 따라 선회하며 상부로 이동한다. 동시에, 미시적으로는 상기 반응물이 불연속적으로 배치된 각 단위날개(111) 사이의 빈 공간인 이격 영역으로 떨어지므로 선회하며 상부로 이동하는 상기 기체 성분과 더욱 빈번하게 효과적으로 접촉하여 생성가스(20)의 생성 효율 및 타르(tar)의 제거 효율이 현저히 향상된다.

이때, 중심로드(130)의 중심축과 단위날개(111)의 길이방향 축에 의해 형성되는 면과 수직인 상기 단위날개(111)의 단면은 다각형으로, 도 2에 도시된 바와 같이 직사각형의 형태를 가질 수도 있고, 도 3에 도시된 바와 같이 삼각형, 사다리꼴형, 오각형 등과 같은 형태를 가질 수도 있으며, 도면에 제시된 형태 외의 다른 다각형으로 형성되는 것도 가능하다.

도 4는 상기 도 2의 a방향에서 관측한 기포유동층 가스화로(100)의 탑뷰(top-view) 도면으로, 나선형 날개(110)의 인접한 두 단위날개(111)는 일부 영역이 겹쳐져 상부에서 바라봤을 때에는 마치 단위날개(111) 사이의 빈 공간이 존재하지 않는 것처럼 관측되나, 실제로는 단위날개(111)가 불연속적으로 위치하므로 각 단위날개(111) 사이에는 빈 공간인 이격 영역이 존재한다.

도 5는 본 발명의 일 예에 따라 단위날개(111)가 사다리꼴 형태의 단면을 갖도록 형성된 나선형 날개(110)를 도시한 것이다.

단위날개(111)의 단면은 앞서 설명한 바와 같이 다각형으로 형성되며, 바람직하게는 각 단위날개(111) 사이의 빈 공간인 이격 영역이 상부에서 하부로 갈수록 좁아지는 형상으로 형성되는 것이 더욱 바람직하다.

도 5의 확대도를 참조하면, 이격 영역에서 각 단위날개(111a, 111b)의 최상단 사이의 거리(d1)는 최하단 사이의 거리(d2)보다 크게 형성되는 경우에는 기체 성분이 이격 영역을 통해 상승하는 역류 현상이 방지되므로, d1은 d2보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.

특히, d1은 d2의 2~7배의 값을 갖도록 형성될 수 있으며, d1과 d2의 거리 비율이 이 범위를 벗어나는 경우에는 이격 영역을 통과해서 낙하하는 유동매체의 낙하 지연에 의한 반응 효율 향상 효과가 미미하므로, d1과 d2는 상술한 비율을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 이격 영역으로 낙하하는 유동매체의 직경이 약 0.4~0.8mm이므로, 유동매체에 의한 파울링(fouling) 현상을 방지하기 위해 인접한 두 단위날개(111a, 111b) 사이의 이격 영역의 최소 폭은 5~25mm의 범위로 형성되는 것이 바람직하다.

특히, 이격 영역의 폭은 각 단위날개(111a, 111b)의 최상단 사이에서 최하단 사이로 테이퍼지게 형성되는 것이 바람직하며, 이와 같은 경우에는 이격 영역을 통해 낙하하는 유동매체의 유체 흐름이 원활해지고, 기체 성분이 이격 영역을 통해 상승하는 역류 현상 및 이에 따른 파울링 현상이 방지될 수 있다.

도 6은 본 발명의 나선형 날개(110)를 구성하는 단위날개(111)의 단면 형태의 일 예를 도시한 도면으로, 단위날개(111)는 단위날개(111)의 길이방향 축에 대하여 소정 각도(θ) 회전된 상태로 배치되어, 바닥면에 대하여 기울어진 형태를 갖도록 배치될 수 있으며, 상기 소정 각도(θ)는 40~80도일 수 있다.

단위날개(111)가 이와 같이 배치됨에 따라 단위날개(111)의 최상부에 위치한 일 모서리에서 연장되는 두 면이 서로 다른 방향으로 하향 경사지도록 형성되고, 이에 따라 나선형 날개(110)를 따라 선회하며 내려오는 유동매체가 하향 경사진 두 면을 따라 이동하므로, 상기 반응물이 이격 영역을 통해 지나치게 빨리 떨어지는 것이 방지되어 반응물과 생성가스(10) 및 스팀(30)의 접촉시간이 연장되므로 반응 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 도 7은 단위날개(111)가 유사 사다리꼴 형태의 단면을 갖는 경우에, 유동매체와 생성가스(10), 스팀(30) 등을 포함하는 기체 성분의 유체 흐름을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이 일부 유동매체는 각 단위날개(111) 사이의 이격 영역에 체류하며 상부 영역에서 기체 성분과 접촉하여 반응하고, 일부 반응물은 이격 영역을 통과하여 낙하하며 기체 성분과 접촉하여 반응한다. 이와 같이 유동매체와 기체 성분의 접촉 빈도가 현저히 증가함에 따라 생성가스(10) 생성 효율 및 타르(tar) 제거 효율이 현저히 향상될 수 있다.

도 8은 본 발명의 나선형 날개를 구성하는 단위날개의 일 실시예를 도시한 도면으로, 상기 단위날개(111)에는 단위날개(111)의 하부 모서리 중 적어도 어느 하나 이상에서 하향 경사지는 연장부(113)가 형성될 수 있다.

이와 같이 연장부(113)가 형성되는 경우, 연장부(113)를 따라 유동매체가 이동하므로, 표면장력에 의해 반응물이 이격 영역의 하부로 떨어지지 못하여 이격 영역이 폐쇄되는 파울링 현상이 방지될 수 있을 뿐만 아니라 유동매체의 낙하 시간을 지연시켜 유동매체와 스팀(30) 및 생성가스(10)의 접촉 시간을 늘림으로써 반응 효율을 향상시킬 수 있다.

일 예로, 상기 연장부(113)는 각 단위날개(111)에 모두 설치될 수 있고, 혹은 일부 단위날개(111)에만 설치될 수도 있으며, 하나의 단위날개(111)에 복수개로 설치될 수도 있다. 연장부(113)는 규칙적인 패턴을 갖도록 설치되는 것이 바람직한데, 불규칙적으로 설치되는 것도 가능하며, 유동매체를 하부로 낙하시키면서 이격 영역을 폐쇄하지 않는 형태라면 그 형태나 개수는 특별히 제한되지 않고 형성될 수 있다.

한편, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 계단식의 나선형 가스화로를 포함하는 이중 유동층 반응기 시스템을 도식적으로 나타낸 도면으로, 본 실시예의 경우에는 도 1을 참조하여 설명한 계단식의 나선형 가스화로를 포함하는 이중 유동층 반응기 시스템의 배기가스 싸이클론(210)을 통해 배출되는 배기가스(20)가 배기가스라인(21)을 통해 다시 순환되어 원료 탱크(300)로 공급되는 순환 라인을 추가로 더 구비한다. 따라서, 배기가스(20)의 열기 의해 원료 탱크(300)에서 원료가 1차적으로 가열됨으로써 기포유동층 가스화로(100)에서의 가스화 효율이 더욱 향상될 수 있다.

고속유동층 연소로(200)에서 연소 과정을 통해 생성된 배기가스(20)에는 약 3~5 vol%의 산소가 포함되는데, 이와 같이 산소가 포함된 상태에서 배기가스(20)가 원료 탱크(300)로 공급되면, 원료 탱크(300)에 저장된 원료에 열이 축적되어 자연발화가 발생할 가능성이 있기에, 배기가스(200) 내에 포함된 산소를 제거하기 위해 원료 탱크(300)로 공급되는 배기가스(20)를 저온 산화 촉매가 충전된 충진탑(400)을 거치게한다.

이때 충진탑에 충전되는 저온 산화 촉매로는 Cu, Mn 등이 사용될 수 있으며, 약 100℃ 이하의 저온에서 산화됨으로써, 배기가스(20) 내에 포함된 산소를 효과적으로 제거할 수 있다.

또한, 선택적으로 상기 배기가스(20) 내에 포함된 산소를 충분히 제거할 수 있도록 액화프로판가스(LPG) 혹은 액화천연가스(LNG) 등을 추가로 상기 충진탑(400) 내로 소량 공급하는 것도 가능하다.

이렇게 배기가스(20)가 저온 산화 촉매가 충전된 충진탑(400)을 거침으로써, 배기가스(20) 내에 포함된 산소가 효과적으로 제거될 수 있으며, 산소가 제거된 배기가스(21)는 다시 원료탱크(300)로 공급되어, 원료가 포함된 탱크(300)를 무산소 조건으로 유지시킬 수 있어, 자연발화 등과 같은 안정적인 공정의 운전을 저해할 수 있는 요인을 효과적으로 제거할 수 있다.

아울러 이렇게 산소가 제거된 배기가스(20)는 원료 탱크(300)에서 원료 성분들과 함께 기포 유동층 가스화로(100)로 공급됨으로써, 상기 기포 유동층 가스화로(100)의 내부를 무산소 혹은 저산소의 혐기 조건을 유지하는데 도움을 줄 수 있다.

또한, 이렇게 산소가 제거된 배기가스(20)는, 생성가스(10)에 포함된 먼지와 HCl을 제거하는 필터(410)의 퍼징가스로도 공급될 수 있다.

필요에 따라 배기가스 싸이클론(210)을 통해 배출되는 배기가스(20)에는 필터(410)를 거쳐 충진탑(400)으로 공급될 수 있는데, 이러한 필터(410)를 통해 배기가스(20)에 포함된 불순물을 사전에 제거함으써, 충진탑(400)에 충전되어 있는 저온 산화 촉매가 오염되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 도 1에 나타낸 본 발명의 일 실시예는 기포유동층 가스화로(100)와 고속유동층 연소로(200)가 서로 떨어져 있도록 구성된 것이나, 도 10에 나타낸 본 발명의 또 다른 실시예는 기포유동층 가스화로(100)가 고속유동층 연소로(200)를 감싸는 형태로 구성된 것이다.

도 10에 제시된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 계단식의 나선형 가스화로를 포함하는 이중 유동층 반응기 시스템의 경우에는 기포유동층 가스화로(100) 내부에 설치된 나선형 날개(110)의 중심로드(130) 내부의 공간에 고속유동층 연소로(200)가 위치하며, 고온의 고속유동층 연소로(200) 벽면을 통해 기포유동층 가스화로(100)로 열이 전달됨으로써 열전달을 최대화하고 열손실을 최소화하여 가스화 장치의 운전비를 절감할 수 있다.

또한, 도 10에 제시된 본 발명의 또 다른 실시예의 나선형 날개가 포함된 이중 유동층 반응기 시스템의 배기가스(20) 역시 저온 산화 촉매가 충전된 충진탑(400)을 거쳐 산소가 제거된 뒤 원료 탱크(300)로 재순환될 수 있는데, 이와 관련된 내용은 이미 앞서 도 9의 다른 실시예에서 설명한 부분이 중복되므로 여기서는 생략한다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

10: 생성가스 20: 배기가스
21: 배기가스라인 30: 스팀
40: 공기 100: 기포유동층 가스화로
110: 나선형 날개 111: 단위날개
113: 연장부 120: 기포 유동층
130: 중심로드 140: 생성가스 사이클론
150: 생성가스 사이클론 연결관 160: 원료 투입부
170: 가스화로 연결관 200: 고속유동층 연소로
210: 배기가스 사이클론 220: 배기가스 사이클론 연결관
300: 원료 탱크 400: 충전탑
410: 필터

Claims

이중 유동층 반응기 시스템에 있어서,
원료가 저장되는 원료 탱크;
상기 원료 탱크로부터 원료를 공급받고, 하부에서 스팀이 유입되어 내부에서 유동매체가 유동됨으로써 기포유동층이 형성되며, 상기 원료가 가스화되어 내부에서 생성가스가 만들어지는 기포유동층 가스화로;
상기 기포유동층 가스화로로부터 상기 유동매체와 상기 생성가스에 포함된 차르(char)를 이송받고, 추가로 공기를 공급받아, 상기 차르(char)를 연소시킴으로써 유동매체를 가열하고, 가열된 유동매체를 상기 기포유동층 가스화로로 이송하는 고속유동층 연소로;
상기 기포유동층 가스화로와 연통되고, 기포유동층 가스화로에서 배출되는 생성가스 중 미세입자를 분리하여 미세입자는 상기 기포유동층 가스화로로 다시 유입시키고, 나머지를 배출시키는 생성가스 싸이클론; 및
상기 고속유동층 연소로의 상부와 기포유동층 가스화로의 상부 사이에 연결되어, 상기 유동매체를 배기가스와 분리시킨 후, 배기가스는 배출하고 유동매체는 기포유동층 가스화로로 이송하는 배기가스 싸이클론;을 포함하며,
상기 기포유동층 가스화로의 내부에는 기포유동층 가스화로 중심부를 따라 수직 방향으로 위치하는 중심로드; 및 상기 중심로드를 따라 생성가스 및 스팀을 선회류로 이동시키는 나선형 날개;가 설치되고,
상기 나선형 날개는, 복수개의 단위날개가 중심로드에 방사상으로 결합되되, 각 단위날개는 서로 이격 형성되어 계단식으로 배치되며,
상기 중심로드의 중심축과 상기 단위날개의 길이방향 축에 의해 형성되는 면과 수직인 상기 단위날개의 단면은 다각형이고,
상기 배기가스 싸이클론에서 배출되는 배기가스 중 일부는 저온 산화 촉매를 통해 산소가 제거된 후, 원료 탱크로 공급되는 것을 특징으로 하는, 계단형 나선날개가 포함된 이중 유동층 반응기 시스템.
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제1항에 있어서,
상기 단위날개는, 단위날개의 길이방향 축에 대하여 소정 각도 회전된 상태로 배치되어, 단위날개의 단면이 바닥면에 대하여 기울어진 형태를 갖는 것을 특징으로 하는, 계단형 나선날개가 포함된 이중 유동층 반응기 시스템.
제1항에 있어서,
인접한 두 단위날개의 이격 영역은, 이격 영역에서의 각 단위날개의 최상단 사이의 거리가 최하단 사이의 거리의 2~7배가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 계단형 나선날개가 포함된 이중 유동층 반응기 시스템.
제4항에 있어서,
인접한 두 단위날개의 이격 영역은, 이격 영역에서의 각 단위날개의 최상단 사이에서 최하단 사이로 테이퍼지도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 계단형 나선날개가 포함된 이중 유동층 반응기 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
산소가 제거된 배기가스는, 생성가스에 포함된 먼지와 HCl을 제거하는 필터의 퍼징가스로 공급되는 것을 특징으로 하는, 계단형 나선날개가 포함된 이중 유동층 반응기 시스템.
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