KR102371679B1 - Fluidized bed combustion system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 유동층 반응기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유동층 반응기에 사용되는 유동층 연소장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fluidized bed reactor, and more particularly, to a fluidized bed combustion apparatus used in a fluidized bed reactor.
알려진 바에 따르면, 유동층 반응기는 파우더(powder) 형태의 유동입자와 기상 반응물을 유동장 내에서 함께 움직이게 한다. 일례로써, 유동층 반응기는 촉매입자를 유동입자로 적용하여 반응물과 촉매입자의 높은 혼합특성을 보이게 하여 반응성능을 극대화시킨다.As is known, a fluidized bed reactor causes fluidized particles in powder form and gaseous reactants to move together in a flow field. As an example, a fluidized bed reactor maximizes reaction performance by applying catalyst particles as fluidized particles to show high mixing characteristics of reactants and catalyst particles.
유동층 반응기의 연소 반응은 석유·화학 산업에서 촉매 온도를 승온하기 위한 목적으로 사용되거나, 연료의 연소열을 얻기 위해 유동입자로 모레 입자를 사용한다. 유동층 반응기는 안정적인 연소 반응을 필요로 한다. 그러나 많은 연구 결과, 유동층 반응기는 연료를 연소시키기 위하여 높은 반응 온도(메탄의 경우, 850도씨 이상)를 필요로 하거나, 연료의 연소 반응이 일어나기 위한 긴 반응 시간을 필요로 한다. 이러한 현상은 입자 표면과 촉매 반응과의 상호작용으로 연소 반응이 지연되는 현상이 발생하기 때문이다.The combustion reaction of a fluidized bed reactor is used for the purpose of raising the catalyst temperature in the petrochemical industry, or sand particles are used as fluidized particles to obtain combustion heat of fuel. A fluidized bed reactor requires a stable combustion reaction. However, as a result of many studies, fluidized bed reactors require a high reaction temperature (for methane, 850°C or more) to burn fuel or a long reaction time for fuel combustion reaction to occur. This phenomenon is because the combustion reaction is delayed due to the interaction between the particle surface and the catalytic reaction.
본 발명의 목적은 유동층 반응기에서 연소 반응을 안정적으로 유도하기 위한 유동층 연소장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 종래기술에 대비하여 낮은 온도에서도 빠르고 안정적인 연소 반응을 유도하는 유동층 연소장치를 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a fluidized bed combustion apparatus for stably inducing a combustion reaction in a fluidized bed reactor. It is an object of the present invention to provide a fluidized bed combustion device that induces a fast and stable combustion reaction even at a low temperature compared to the prior art.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동층 연소장치는, 입자의 유동이 존재하는 유동층 내에 공급된 제1연료와 공기가 혼합되어 입자와 기체의 밀도차에 의하여 상승하는 제1반응부과 상기 제1반응부의 상방에 확장 형성되는 제2반응부를 포함하는 유동층 반응기, 및 상기 제1반응부의 희박 영역에 구비되어 연소를 유도시키는 점화기를 포함한다.In a fluidized bed combustion device according to an embodiment of the present invention, a first reaction unit and a first reaction unit in which a first fuel and air supplied in a fluidized bed in which a flow of particles exist are mixed and rise by a difference in density between the particles and the gas, and the first reaction unit It includes a fluidized bed reactor including a second reaction part extended and formed above, and an igniter provided in the lean region of the first reaction part to induce combustion.
상기 점화기는 상기 제1반응부의 상기 희박 영역에 구비되어 제2연료를 분사하는 연료 공급 그리드 또는 연료 공급 파이프를 포함할 수 있다.The igniter may include a fuel supply grid or a fuel supply pipe provided in the lean region of the first reaction unit to inject the second fuel.
상기 점화기는 상기 제1반응부의 상기 희박 영역에 구비되어 스파크, 플라즈마 또는 글로우를 각각 제공하는 스파크 점화기, 플라즈마 점화기 또는 글로우 점화기를 포함할 수 있다.The igniter may include a spark igniter, a plasma igniter, or a glow igniter that is provided in the lean region of the first reaction unit to provide a spark, plasma, or glow, respectively.
상기 제1반응부는 입자가 밀집되는 버블링 유동층 영역(bubbling fluidization)과 상기 희박 영역을 형성하며, 상기 점화기는 상기 버블링 유동층 영역과 상기 희박 영역의 경계 상방 상기 희박 영역에 설치될 수 있다.The first reaction unit may form a bubbling fluidization region in which particles are concentrated and the lean region, and the igniter may be installed in the lean region above a boundary between the bubbling fluidized bed region and the lean region.
상기 제1반응부는 상기 점화기의 상방에 설치되는 배플을 더 포함할 수 있다.The first reaction unit may further include a baffle installed above the igniter.
상기 제1반응부는 입자가 밀집되는 난류 유동층 영역(turbulent fluidization)과 상기 희박 영역을 형성하며, 상기 점화기는 상기 난류 유동층 영역과 상기 희박 영역의 경계 상방 상기 희방 영역에 설치될 수 있다.The first reaction unit may form a turbulent fluidization region in which particles are concentrated and the lean region, and the igniter may be installed in the lean region above a boundary between the turbulent fluidized bed region and the lean region.
상기 제1반응부는 상기 점화기의 상방에 설치되는 배플을 더 포함할 수 있다.The first reaction unit may further include a baffle installed above the igniter.
상기 제1반응부는 입자가 밀집되는 고속 유동층 영역(fast fluidization)과 상기 희박 영역을 형성하며, 상기 점화기는 상기 고속 유동층 영역과 상기 희박 영역의 경계 상방 상기 희박 영역에 설치될 수 있다.The first reaction unit may form a fast fluidization region in which particles are dense and the lean region, and the igniter may be installed in the lean region above a boundary between the fast fluidization region and the lean region.
상기 제1반응부는 상기 점화기의 상방에 설치되는 배플을 더 포함할 수 있다.The first reaction unit may further include a baffle installed above the igniter.
상기 제1반응부는 입자가 희박한 희박상 공기 수송 영역(dilute pneumatic conveying)을 형성하며, 상기 점화기는 희박상 공기 수송 영역에 설치될 수 있다.The first reaction section forms a dilute pneumatic conveying region of the particles, and the igniter may be provided in the dilute pneumatic conveying region.
상기 제1반응부는 상기 점화기의 상방에 설치되는 배플을 더 포함할 수 있다.The first reaction unit may further include a baffle installed above the igniter.
상기 배플은 V자 형상의 단면 홀들을 가지는 V형 베인(vane)으로 형성될 수 있다.The baffle may be formed as a V-shaped vane having V-shaped cross-sectional holes.
상기 제1반응부는 다공을 구비하는 배플을 입자가 밀집하는 밀집 영역에 구비하고, 상기 점화기는 상기 배플의 직하방에 형성되는 부분 희박 영역에 설치될 수 있다.The first reaction unit may include a baffle having pores in a dense region where particles are dense, and the igniter may be installed in a partially thin region formed directly below the baffle.
상기 배플은 다공판으로 형성될 수 있다. The baffle may be formed of a perforated plate.
상기 제2연료는 상기 제1연료의 점화를 유도시키기 위한 연료로써 상기 제1연료와 같은 연료, 다른 기상 연료, 및 다른 액상 연료 중 하나일 수 있다.The second fuel is a fuel for inducing ignition of the first fuel, and may be one of the same fuel as the first fuel, another gaseous fuel, and another liquid fuel.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예는 입자와 기체의 밀도차에 의하여 상승하는 제1반응부의 희박 영역에 점화기를 구비하여 점화 에너지 이상의 에너지를 공급하여 국부적인 연소 및 점화를 구현 및 유도시키므로 유동층 반응기의 연소 반응을 안정적으로 구현할 수 있다.As such, an embodiment of the present invention provides an igniter in the lean region of the first reaction unit, which rises due to the difference in density between particles and gas, to supply energy equal to or greater than the ignition energy to implement and induce local combustion and ignition. of combustion reaction can be stably implemented.
본 발명의 일 실시예는 제1반응부의 밀집 영역에서 점화기의 상방에 배플을 설치하여 배플의 하부에 밀집 영역 중에서도 국부적인 부분 희박 영역을 형성케 하여 부분 희박 영역에서 입자의 유동이 유지되고 기상 반응물의 체류시간을 증가시키므로 유동층 반응기의 연소 반응을 더욱 안정적으로 유도할 수 있다.In one embodiment of the present invention, a baffle is installed above the igniter in the dense region of the first reaction unit to form a local partially lean region among the dense region under the baffle, so that the flow of particles is maintained in the partially lean region and the gaseous reactant By increasing the residence time, the combustion reaction of the fluidized bed reactor can be induced more stably.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 유동층 연소장치가 적용되는 유동층 반응기의 사시도이다.
도 2는 도 1에 적용되는 유동층 연소장치(난류 유동층 영역(turbulent fluidization)과 희박 영역 및 점화기)의 구성도이다.
도 3은 도 2에 적용되는 점화기의 일례인 연료 공급 그리드의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 유동층 연소장치(고속 유동층 영역(fast fluidization)과 희박 영역 및 점화기)의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 유동층 연소장치(희박상 공기 수송 영역(dilute pneumatic conveying) 및 점화기)의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 유동층 연소장치(난류 유동층 영역(turbulent fluidization)과 희박 영역, 배플 및 점화기)의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제5실시예에 따른 유동층 연소장치(고속 유동층 영역(fast fluidization)과 희박 영역, 배플 및 점화기)의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제6실시예에 따른 유동층 연소장치(희박상 공기 수송 영역(dilute pneumatic conveying), 배플 및 점화기)의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 제7실시예에 따른 유동층 연소장치(배플과 연료 공급 그리드 및 점화기)의 구성도이다.
도 10은 도 9에 적용되는 배플의 평면도이다.
도 11 내지 도 12는 본 발명의 제8, 제9실시예에 따른 유동층 연소장치에 적용되는 배플의 평면도이다.
도 13은 배플을 적용하지 않은 비교예 1에 따른 유동층 연소장치에서 연소 상태를 도시한 시뮬레이션 이미지이다.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 제7 내지 제9실시예에 따른 유동층 연소장치에서 연소 상태를 도시한 시뮬레이션 이미지이다.
도 17은 배플만을 적용하는 비교예 2와 배플과 점화기(수소점화)를 적용하는 유동층 연소장치에서 메탄의 전환율과 점화원의 혼합비의 관계를 도시한 그래프이다.1 is a perspective view of a fluidized bed reactor to which a fluidized bed combustion apparatus according to a first embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is a block diagram of the fluidized bed combustion apparatus (turbulent fluidization, lean zone and igniter) applied to FIG. 1 .
3 is a perspective view of a fuel supply grid that is an example of the igniter applied to FIG. 2 .
4 is a block diagram of a fluidized bed combustion apparatus (fast fluidization, lean zone, and igniter) according to a second embodiment of the present invention.
5 is a block diagram of a fluidized bed combustion apparatus (dilute pneumatic conveying and igniter) according to a third embodiment of the present invention.
6 is a block diagram of a fluidized bed combustion apparatus (turbulent fluidization and lean zone, baffle and igniter) according to a fourth embodiment of the present invention.
7 is a block diagram of a fluidized bed combustion device (fast fluidization and lean region, baffle and igniter) according to a fifth embodiment of the present invention.
8 is a block diagram of a fluidized bed combustion apparatus (dilute pneumatic conveying, baffle and igniter) according to a sixth embodiment of the present invention.
9 is a block diagram of a fluidized bed combustion device (baffle, fuel supply grid, and igniter) according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a plan view of the baffle applied to FIG. 9 .
11 to 12 are plan views of the baffle applied to the fluidized bed combustion apparatus according to the eighth and ninth embodiments of the present invention.
13 is a simulation image showing a combustion state in the fluidized bed combustion apparatus according to Comparative Example 1 to which a baffle is not applied.
14 to 16 are simulation images showing the combustion state in the fluidized bed combustion apparatus according to the seventh to ninth embodiments of the present invention.
17 is a graph showing the relationship between the methane conversion rate and the mixing ratio of the ignition source in Comparative Example 2 in which only the baffle is applied and the fluidized bed combustion apparatus in which the baffle and the igniter (hydrogen ignition) are applied.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are given to the same or similar components throughout the specification.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 유동층 연소장치가 적용되는 유동층 반응기의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 제1실시예의 유동층 연소장치(100)는 유동층 반응기(10)와 점화기(20)를 포함한다.1 is a perspective view of a fluidized bed reactor to which a fluidized bed combustion apparatus according to a first embodiment of the present invention is applied. Referring to FIG. 1 , the fluidized
유동층 반응기(10)는 입자의 유동이 존재하는 유동층 내에 공급된 제1연료와 공기가 혼합되어 입자와 기체의 밀도차에 의하여 상승하는 제1반응부(101)와 제1반응부(101)의 상방에 확장 형성되는 제2반응부(102)를 포함한다. 점화기(20)는 제1반응부(101)의 희박 영역에 구비되어 점화원을 제공함으로써 국부적인 연소 및 점화를 구현 및 유도시킨다.The fluidized
제1실시예의 유동층 연소장치(100)는 유동층 반응기(10) 내에서 연소 반응을 유도하는 보일러(미도시), 촉매 반응기(미도시) 및 촉매 재생기(미도시)에서 활용될 수 있다. 유동층 반응기(10)는 기본적으로 입자의 유동이 존재하는 유동층, 즉 제1반응부(101) 내에 연소 공기와 제1연료를 공급하는 공기 연료 공급부(111)를 구비한다. The fluidized
공기 연료 공급부(111)는 연소 공기와 제1연료를 각각 별도로 공급하는 형태 또는 미리 혼합되어 공급하는 형태로 형성될 수 있다. 유동층 반응기(10)의 제1반응부(101)의 하단부에서 공기 연료 공급부(111)로 공급되는 연소 공기와 제1연료는 혼합되어 제1반응부(101) 내의 입자와 기체의 밀도차에 의한 상승하게 된다.The air
이때, 제1반응부(101)는 입자가 밀집되는 하측의 밀집 영역(A1)과 입자가 희박한 상측의 희박 영역(A2)을 형성하게 된다. 본 발명의 실시예들은 밀집 영역(A1)에 부분적으로 형성되는 부분 희박 영역(A11)에서 연소를 유도시키기 위해서 배플(40, 41, 42, 43)과 점화기(20)를 사용하거나, 희박 영역(A2)에서 점화기(20)만을 사용한다(도 1 내지 도 9 참조).In this case, the
배플(baffle)(40)은 V자 형상의 단면 홀들을 가지는 V형 베인(vane)(도 6 내지 도 8 참조) 또는 다공판으로 형성되어 밀집 영역(A1)에서 부분 희박 영역(A11)을 형성하고(도 9 내지 도 12 참조), 점화기(20)로 인하여 국부적인 연소 및 점화를 구현 및 유도할 수 있다.The
점화기(20)는 점화원을 제공하여 높은 연소 효율을 보일 수 있게 한다. 연소 후 배출가스는 유동층 반응기(10)의 제2반응부(102)의 상단에 연결되는 사이클론(미도시)에 의해 입자와 분리된 후 유동층 반응기(10) 외부로 빠져나가며, 입자는 유동층 반응기(10)의 제1반응부(101)로 재공급 순환하게 된다. The
일례로써, 유동층 반응기(10)의 연소 기술은 일반적인 보일러에 적용될 수 있다. 유동층 반응기(10)를 적용한 보일러는 유동층 반응기(10)의 높은 열 전달 특성으로 인하여 높은 온도 안정성을 갖는다. 하지만, 기상 연료 연소 반응에서 입자로 인한 연소 반응 소염 현상 및 점화 지연 시간의 증가로 인하여 상대적으로 높은 연소 온도를 유지해야 하는 어려움을 가질 수 있다.As an example, the combustion technology of the fluidized
예를 들어, 850℃ 이상의 유동층 반응기(10)는 점화기(20)를 희박 영역(A2)이나 밀집 영역(A1)에 별도로 구성하므로 입자에 의한 점화 지연 시간의 증가를 겪지 않게 된다. 또한, 상대적으로 낮은 온도, 즉 700℃ 이하의 유동층 반응기(10)도 점화기(20)로 인하여 연소 반응을 유도시킬 수 있다.For example, in the fluidized
석유, 화학 산업에서 경질 올레핀 생산 공정의 요소 장치로 촉매재생기가 활용되며, 촉매재생기에 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있다. 납사를 주 원료로 하는 경질 올레핀 생산 공정은 납사 분해에 촉매가 활용되며, 납사 분해 반응은 열을 필요로 하며, 촉매 분해 과정에서 촉매 표면에 코크(coke)가 생성되어 촉매 성능을 저감시킨다. 촉매재생기는 납사 분해에 필요한 열과 촉매 표면의 코크 제거를 추가 연료의 연소, 즉 국부적인 연소 및 점화로 인한 열과 및 코크 연소를 통해 필요한 기능을 수행한다.In the petroleum and chemical industries, a catalyst regenerator is used as a component device for a light olefin production process, and embodiments of the present invention may be applied to the catalyst regenerator. In the light olefin production process using naphtha as the main raw material, a catalyst is used for naphtha cracking, and the naphtha cracking reaction requires heat, and coke is generated on the catalyst surface during the catalytic cracking process, thereby reducing catalyst performance. The catalyst regenerator performs the necessary functions through combustion of additional fuel, that is, heat and coke combustion due to local combustion and ignition, to remove the heat and coke on the catalyst surface required for naphtha decomposition.
납사 분해 반응에 활용된 촉매는 기체의 유동에 의해 움직이게 되며, 사이클론에 의해 분리되어 촉매재생기로 공급된다. 촉매재생기 내 촉매 입자 표면의 코크는 연소 공기와 650℃ 이상의 고온에 의해 연소된다. 또한, 추가 열량을 공급하기 위해 기상의 연료를 활용할 수 있으며, 이 때, 촉매재생기 내 촉매가 밀집하는 밀집 영역에 배플(다공판)과 배플의 하방에 일정 거리를 둔 점화기(20)를 구비하여, 기상 연료의 연소 반응을 가속화시킬 수 있다. The catalyst used in the naphtha cracking reaction is moved by the flow of gas, separated by a cyclone and supplied to the catalyst regenerator. The coke on the surface of the catalyst particles in the catalyst regenerator is burned by combustion air and a high temperature of 650°C or higher. In addition, gas-phase fuel can be used to supply additional heat, and at this time, a baffle (perforated plate) is provided in a dense area where the catalysts in the catalyst regenerator are concentrated and an
점화기(20)는 제1연료(주연료) 보다 빠른 연소 속도를 갖는 제2연료(이종의 기상 연료 또는 액상 연료)를 공급하는 연료 공급 그리드(30) 또는 연료 공급 파이프(미도시)를 활용할 수 있다. 제2연료로 제1연료가 사용될 수도 있다. 이하에서는 연료 공급 그리드(30)로 설명한다. 또한 점화기(20)는 별도의 플라즈마 점화기, 스파크 점화기, 또는 글로우 점화기를 활용할 수 있다. The
연소 후 배기가스는 촉매재생기 상단 사이클론을 통해 배출되고, 촉매는 다시 촉매재생기 내로 유입되어 순환하도록 구성된다. 촉매재생기 내에서 재생된 촉매는 촉매재생기 하단 촉매 배출구를 통해 다시 납사-촉매 분해 반응이 일어나는 라이저(riser) 영역으로 공급되어, 납사 분해에 활용된 후 다시 촉매재생기로 순환한다.After combustion, the exhaust gas is discharged through the upper cyclone of the catalyst regenerator, and the catalyst is introduced into the catalyst regenerator and circulated. The catalyst regenerated in the catalyst regenerator is supplied to the riser area where the naphtha-catalytic cracking reaction takes place again through the catalyst outlet at the bottom of the catalyst regenerator, and is used for naphtha cracking and then circulated back to the catalyst regenerator.
촉매재생기에서 본 발명 실시예들의 활용 가치는 실시예들을 적용하지 않는 경우와 비교하면 알 수 있다. 실시예들을 구비하지 않는 경우, 촉매 입자의 거동에 의한 기상 연소 반응이 억제되어, 촉매 표면에서의 촉매 연소 반응만이 일어나고, 이러한 경우, 연료의 촉매 연소만이 일어나서 촉매재생기 내에서 완전히 연소시키기 위해서는 상당히 긴 반응시간이 필요하며, 충분한 반응시간이 확보되지 않을 경우, 촉매재생기 상단에서 잔류 연료가 한꺼번에 연소하는 후연소(after-burning) 현상이 발생한다. 후연소 현상은 촉매재생기의 반응기 소재에 대한 내구성 문제 및 촉매의 성능을 저감시키는 문제를 야기시킨다. The utility value of the examples of the present invention in the catalyst regenerator can be seen compared to the case where the examples are not applied. If the embodiments are not provided, the gas phase combustion reaction due to the behavior of the catalyst particles is suppressed, and only the catalytic combustion reaction occurs on the catalyst surface. A fairly long reaction time is required, and if a sufficient reaction time is not secured, an after-burning phenomenon occurs in which the residual fuel is burned all at once at the top of the catalyst regenerator. The post-combustion phenomenon causes a problem of durability of the reactor material of the catalyst regenerator and a problem of reducing the performance of the catalyst.
그러나 본 발명의 실시예들을 적용하는 경우, 밀집 영역(A51)(도 9참조)에 형성되는 부분 희박 영역(A14)에서 기상 연소를 유도할 수 있어, 기상 및 촉매 연소를 함께 활용할 수 있기 때문에 빠른 연소가 가능하고, 제한된 촉매재생기 체류시간 안에 연료의 완전 연소를 유도하여 후연소 현상을 제거할 수 있다.However, when the embodiments of the present invention are applied, gas-phase combustion can be induced in the partially lean region A14 formed in the dense region A51 (refer to FIG. 9 ), so that the gas-phase and catalytic combustion can be utilized together, so it is fast Combustion is possible, and the after-combustion phenomenon can be eliminated by inducing complete combustion of fuel within the limited residence time of the catalyst regenerator.
도 2는 도 1에 적용되는 유동층 연소장치의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 제1실시예의 유동층 연소장치(100)에서, 제1반응부(101)는 난류 유동층 영역(turbulent fluidization)으로 인하여 밀집 영역(A1)과 희박 영역(A2)을 형성한다. 점화기(20), 즉 연료 공급 그리드(30)는 난류 유동층 영역, 즉 밀집 영역(A1)과 희박 영역(A2)의 경계 상방 희박 영역(A2)에 설치되어 제2연료를 분사한다.FIG. 2 is a block diagram of the fluidized bed combustion apparatus applied to FIG. 1 . Referring to FIG. 2 , in the fluidized
별도로 도시하지 아니하고 도 2를 참조하여 설명하면, 제1반응부(101)는 난류 유동층 영역을 형성하기 전에, 입자가 밀집되는 버블링 유동층 영역(bubbling fluidization)으로 인하여 밀집 영역(A1)과 희박 영역(A2)을 형성한다. 이 경우에도, 점화기(20)는 버블링 유동층 영역, 즉 밀집 영역(A1)과 과 희박 영역(A2)의 경계 상방 희박 영역(A2)에 설치되어 제2연료를 분사한다.2, the
도 3은 도 2에 적용되는 점화기의 일례인 연료 공급 그리드의 사시도이다. 도 3을 참조하면, 점화기(20)는 제1반응부(101)의 희박 영역(A2)에 구비되어 제2연료를 분사하는 연료 공급 그리드(30)로 형성될 수 있다.3 is a perspective view of a fuel supply grid that is an example of the igniter applied to FIG. 2 . Referring to FIG. 3 , the
연료 공급 그리드(30)는 교차하여 통로를 서로 연결하는 파이프(31, 32)와 파이프(31, 32)에 구비되어 제2연료를 분사하는 복수의 노즐(33)을 포함한다. 노즐(33)은 수평 방향에 설정된 각도(θ)로 하향 경사지게 형성된다. 제1반응부(101) 및 희박 영역(A2)에서의 상승 기류에 저항하는 방향으로 제2연료를 분사하여, 국부적인 연소 및 점화를 구현한다.The
또한 점화기(20)는 별도로 도시하지 않았으나, 제1반응부(101)의 희박 영역(A2)에 구비되어 스파크, 플라즈마 또는 글로우를 각각 제공하는 스파크 점화기, 플라즈마 점화기 또는 글로우 점화기로 형성될 수도 있다.In addition, although not shown separately, the
제1반응부(101) 및 희박 영역(A2)에서의 상승 기류에 저항하는 방향으로 스파크, 플라즈마 또는 글로우를 토출하여, 국부적인 연소 및 점화를 구현할 수 있다.By discharging a spark, plasma, or glow in a direction that resists the rising airflow in the
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 유동층 연소장치의 구성도이다. 도 4를 참조하면, 제2실시예의 유동층 연소장치(200)에서, 제1반응부(101)는 고속 유동층 영역(fast fluidization)으로 인하여 밀집 영역(A21)과 희박 영역(A22)을 형성한다. 점화기(20), 즉 연료 공급 그리드(30)는 고속 유동층 영역, 즉 밀집 영역(A21)과 희박 영역(A22)의 경계 상방 희박 영역(A22)에 설치되어 제2연료를 분사한다. 연료 공급 그리드(30)에서 제2연료를 분사하여 제1반응부(101) 및 희박 영역(A22)에서 국부적인 연소 및 점화를 구현한다.4 is a block diagram of a fluidized bed combustion apparatus according to a second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4 , in the fluidized
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 유동층 연소장치의 구성도이다. 도 5를 참조하면, 제3실시예의 유동층 연소장치(300)에서, 제1반응부(101)는 희박상 공기 수송 영역(dilute pneumatic conveying)으로 인하여 희박 영역(A32)을 형성한다. 여기서는 밀집 영역이 존재하지 않는다. 점화기(20)는 희박상 공기 수송 영역, 즉 희박 영역(A32)에 설치된다. 연료 공급 그리드(30)에서 제2연료를 분사하여 희박 영역(A32)에서 국부적인 연소 및 점화를 구현한다.5 is a block diagram of a fluidized bed combustion apparatus according to a third embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5 , in the fluidized
제1실시예의 난류 유동층 영역이 형성되는 경우, 제2실시예의 고속 유동층 영역이 형성되는 경우, 제3실시예의 희박상 공기 수송 영역이 형성되는 경우, 점화기는 제1반응부(101)에서 점점 더 낮아진 위치에 설치되어 연료 공급 그리드(30)에서 제2연료를 분사하여 희박 영역(A2, A22, A32)에서 국부적인 연소 및 점화를 구현하여, 상승하면서 더 연소할 수 있게 한다.When the turbulent fluidized bed region of the first embodiment is formed, when the high-velocity fluidized bed region of the second embodiment is formed, when the lean-phase air transport region of the third embodiment is formed, the igniter is gradually increased in the
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 유동층 연소장치의 구성도이다. 도 6을 참조하면, 제1실시예에 비하여, 제4실시예의 유동층 연소장치(110)에서는 제1반응부(101)는 점화기, 일례로써, 연료 공급 그리드(30)의 상방에 설치되는 배플(40)을 더 포함한다. 배플(40)은 V자 형상의 단면 홀들을 가지는 V형 베인(vane)으로 형성될 수 있다.6 is a block diagram of a fluidized bed combustion apparatus according to a fourth embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6 , compared to the first embodiment, in the fluidized
배플(40)은 V자 형상의 단면 홀들을 통하여 유동을 형성하므로 그 하측에 부분 희박 영역(A11)을 더 형성할 수 있다. 연료 공급 그리드(30)에서 제2연료를 분사하여 희박 영역(A2) 및 부분 희박 영역(A11)에서 국부적인 연소 및 점화를 더욱 구현할 수 있다.Since the
도 7은 본 발명의 제5실시예에 따른 유동층 연소장치의 구성도이다. 도 7을 참조하면, 제2실시예에 비하여, 제5실시예의 유동층 연소장치(210)에서는 제1반응부(101)는 점화기, 일례로써, 연료 공급 그리드(30)의 상방에 설치되는 배플(40)을 더 포함한다.7 is a block diagram of a fluidized bed combustion apparatus according to a fifth embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7 , compared to the second embodiment, in the fluidized
배플(40)은 V자 형상의 단면 홀들을 통하여 유동을 형성하므로 그 하측에 부분 희박 영역(A12)을 더 형성할 수 있다. 연료 공급 그리드(30)에서 제2연료를 분사하여 희박 영역(A22) 및 부분 희박 영역(A12)에서 국부적인 연소 및 점화를 더욱 구현할 수 있다.Since the
도 8은 본 발명의 제6실시예에 따른 유동층 연소장치의 구성도이다. 도 8을 참조하면, 제3실시예에 비하여, 제6실시예의 유동층 연소장치(310)에서는 제1반응부(101)는 점화기, 일례로써, 연료 공급 그리드(30)의 상방에 설치되는 배플(40)을 더 포함한다.8 is a block diagram of a fluidized bed combustion apparatus according to a sixth embodiment of the present invention. Referring to FIG. 8 , compared to the third embodiment, in the fluidized
배플(40)은 V자 형상의 단면 홀들을 통하여 유동을 형성하므로 그 하측에 부분 희박 영역(A13)을 더 형성할 수 있다. 연료 공급 그리드(30)에서 제2연료를 분사하여 희박 영역(A32) 및 부분 희박 영역(A13)에서 국부적인 연소 및 점화를 더욱 구현할 수 있다.Since the
도 9는 본 발명의 제7실시예에 따른 유동층 연소장치(배플과 연료 공급 그리드 및 점화기)의 구성도이다. 도 9를 참조하면, 제7실시예의 유동층 연소장치(300)에서 제1반응부(101)는 다공을 구비하는 배플(41)을 구비하고, 점화기(20)는 배플(41)의 직하방에 형성되는 부분 희박 영역(A14)에 설치된다.9 is a block diagram of a fluidized bed combustion device (baffle, fuel supply grid, and igniter) according to a seventh embodiment of the present invention. Referring to FIG. 9 , in the fluidized
도 10은 도 9에 적용되는 배플의 평면도이다. 도 9 및 도 10을 참조하면, 예를 들면, 배플(41)은 밀집 영역(A51)에 설치되며, 다공판으로 형성될 수 있다. 배플(41)은 다공판의 다공(H1)을 통하여 유동을 형성하므로 밀집 영역(A51)의 하측에 부분 희박 영역(A14)을 형성한다.FIG. 10 is a plan view of the baffle applied to FIG. 9 . 9 and 10 , for example, the
이 부분 희박 영역(A14)에 설치되는 점화기(20), 즉 연료 공급 그리드(30)에서 제2연료를 분사하여 밀집 영역(A51) 중에 형성되는 부분 희박 영역(A14)에서 국부적인 연소 및 점화를 더욱 구현할 수 있다.Local combustion and ignition in the partially lean area A14 formed in the dense area A51 by injecting the secondary fuel from the
일례를 들면, 다공(H1)에 의한 배플(41)의 개구율은 0.50이다. 다공(H1)은 19개로 형성되고, 직경은 20.0mm이다.For example, the opening ratio of the
도 11 내지 도 12는 본 발명의 제8, 제9실시예에 따른 유동층 연소장치에 적용되는 배플의 평면도이다. 도 11을 참조하면, 다공(H2)에 의한 배플(42)의 개구율은 0.40이다. 다공(H1)은 19개로 형성되고 직경은 18.0mm이다. 도 12를 참조하면, 다공(H3)에 의한 배플(43)의 개구율은 0.32이다. 다공(H1)은 19개로 형성되고 직경은 16.0mm이다.11 to 12 are plan views of the baffle applied to the fluidized bed combustion apparatus according to the eighth and ninth embodiments of the present invention. Referring to FIG. 11 , the opening ratio of the
도 13은 배플을 적용하지 않은 비교예 1에 따른 유동층 연소장치에서 연소 상태를 도시한 시뮬레이션 이미지이고, 도 14 내지 도 16은 본 발명의 제7 내지 제9실시예에 따른 유동층 연소장치에서 연소 상태를 도시한 시뮬레이션 이미지이다.13 is a simulation image showing the combustion state in the fluidized bed combustion apparatus according to Comparative Example 1 to which the baffle is not applied, and FIGS. 14 to 16 are the combustion state in the fluidized bed combustion apparatus according to the seventh to ninth embodiments of the present invention. is a simulation image showing
도 14에는 도 10의 개구율 0.50인 배플(41)이 밀집 영역(A51)에 구비되어, 밀집 영역(A51)에서 배플(41)의 하측에 부분 희박 영역(A14)이 형성된다. 점화기(20)가 부분 희박 영역(A14)에 구비되어 국부적인 연소 및 점화를 구현하므로 밀집 영역(A51)에서도 국부적인 연소 및 점화를 구현할 수 있다.In FIG. 14 , the
도 15에는 도 11의 개구율 0.40인 배플(42)이 밀집 영역(A51)에 구비되어, 밀집 영역(A51)에서 배플(42)의 하측에 부분 희박 영역(A14)이 형성된다. 점화기(20)가 부분 희박 영역(A14)에 구비되어 국부적인 연소 및 점화를 구현하므로 밀집 영역(A51)에서도 국부적인 연소 및 점화를 구현할 수 있다.In FIG. 15 , the
도 16에는 도 12의 개구율 0.30인 배플(43)이 밀집 영역(A51)에 구비되어, 밀집 영역(A51)에서 배플(43)의 하측에 부분 희박 영역(A14)이 형성된다. 점화기(20)가 부분 희박 영역(A14)에 구비되어 국부적인 연소 및 점화를 구현하므로 밀집 영역(A51)에서도 국부적인 연소 및 점화를 구현할 수 있다.In FIG. 16 , the
이에 비하여, 도 13에는 배플(41)이 밀집 영역(A51)에 구비되지 않아서 밀집 영역(A51) 중에 부분 희박 영역이 형성되지 않는다. 점화기(20)가 도 14 내지 도 16의 부분 희박 영역(A14)에 대응하는 위치에 구비되어도 국부적인 연소 및 점화를 구현할 수 없다.On the other hand, in FIG. 13 , the
도 17은 배플만을 적용하는 비교예 2와 배플과 점화기(수소점화)를 적용하는 유동층 연소장치에서 메탄의 전환율과 점화원의 혼합비의 관계를 도시한 그래프이다. 도 17을 참조하면, 유동층 연소장치에서 유동층 반응기(10)의 공탑속도(superficial velocity)가 1m/s이고, 온도가 720-730℃이며, 유지시간(residence time)이 1.0sec이고, 배플의 개구율이 0.5로 실험하였다.17 is a graph showing the relationship between the methane conversion rate and the mixing ratio of the ignition source in Comparative Example 2 in which only the baffle is applied and the fluidized bed combustion apparatus in which the baffle and the igniter (hydrogen ignition) are applied. Referring to FIG. 17 , the superficial velocity of the
배플만을 적용한 경우(L1)에 비하여, 배플과 수소점화를 적용한 경우(L2), 점화원의 혼합비(equivalence)(Ф)에 대한 메탄의 전환율(CH4 conversion)(%)이 더 높게 나타났다(L2 > L1).Compared to the case where only the baffle was applied (L1), when the baffle and hydrogen ignition were applied (L2), the conversion rate of methane (CH 4 conversion) (%) to the equivalence (Ф) of the ignition source was higher (L2 > L1).
도시하지 않았으나 수소점화는 반응기의 제1반응부의 최하단에서 0.4m 높이의 위치에 수소를 분사하는 노즐로 형성될 수 있다. 제1반응부의 1.0m 높이의 위치에서 반응 가스를 샘플링 하여 메탄의 전환율을 확인하여 도 17의 결과를 얻었다.Although not shown, the hydrogen ignition may be formed by a nozzle that injects hydrogen at a height of 0.4 m from the lowermost end of the first reaction part of the reactor. By sampling the reaction gas at a height of 1.0 m in the first reaction part, the conversion rate of methane was confirmed, and the result of FIG. 17 was obtained.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and it is possible to carry out various modifications within the scope of the claims, the description of the invention, and the accompanying drawings, and this also It goes without saying that it falls within the scope of the invention.
10: 유동층 반응기 20: 점화기
30: 연료 공급 그리드 31, 32: 파이프
33: 노즐 40, 41, 42, 43: 배플
100, 110, 200, 210, 300, 310: 유동층 연소장치
101: 제1반응부 102: 제2반응부
111: 공기 연료 공급부 A1, A21, A51: 밀집 영역
A11, A12, A13, A14: 부분 희박 영역
A2, A22, A32: 희박 영역 A51: 밀집 영역
H1, H2, H3: 다공 θ: 각도10: fluidized bed reactor 20: igniter
30:
33:
100, 110, 200, 210, 300, 310: fluidized bed combustion device
101: first reaction unit 102: second reaction unit
111: air fuel supply A1, A21, A51: dense area
A11, A12, A13, A14: partially sparse regions
A2, A22, A32: sparse region A51: dense region
H1, H2, H3: porosity θ: angle
Claims (16)
상기 제1반응부의 희박 영역에 구비되어 연소를 유도시키는 점화기
를 포함하는 유동층 연소장치.A fluidized bed reactor comprising: a first reaction unit in which a first fuel and air supplied in a fluidized bed in which a flow of particles are mixed and rise by a difference in density between particles and gas; and a second reaction unit, extended and formed above the first reaction unit; ; and
An igniter provided in the lean region of the first reaction unit to induce combustion
A fluidized bed combustion device comprising a.
상기 점화기는
상기 제1반응부의 상기 희박 영역에 구비되어 제2연료를 분사하는 연료 공급 그리드 또는 연료 공급 파이프를 포함하는, 유동층 연소장치.According to claim 1,
the igniter
and a fuel supply grid or a fuel supply pipe provided in the lean region of the first reaction unit to inject a second fuel.
상기 점화기는
상기 제1반응부의 상기 희박 영역에 구비되어 스파크, 플라즈마 또는 글로우를 각각 제공하는 스파크 점화기, 플라즈마 점화기 또는 글로우 점화기를 포함하는, 유동층 연소장치.According to claim 1,
the igniter
A fluidized bed combustion apparatus comprising a spark igniter, a plasma igniter, or a glow igniter provided in the lean region of the first reaction unit to provide a spark, plasma or glow, respectively.
상기 제1반응부는
입자가 밀집되는 버블링 유동층 영역(bubbling fluidization)과 상기 희박 영역을 형성하며,
상기 점화기는
상기 버블링 유동층 영역과 상기 희박 영역의 경계 상방 상기 희박 영역에 설치되는, 유동층 연소장치.According to claim 1,
The first reaction unit
Forming a bubbling fluidization region in which particles are dense and the sparse region,
the igniter
The fluidized-bed combustion device is provided in the lean region above the boundary between the bubbling fluidized-bed region and the lean region.
상기 제1반응부는
상기 점화기의 상방에 설치되는 배플을 더 포함하는, 유동층 연소장치.5. The method of claim 4,
The first reaction unit
The fluidized bed combustion apparatus further comprising a baffle installed above the igniter.
상기 제1반응부는
입자가 밀집되는 난류 유동층 영역(turbulent fluidization)과 상기 희박 영역을 형성하며,
상기 점화기는
상기 난류 유동층 영역과 상기 희박 영역의 경계 상방 상기 희박 영역에 설치되는, 유동층 연소장치.According to claim 1,
The first reaction unit
forming a turbulent fluidization region in which particles are dense and a sparse region,
the igniter
The fluidized bed combustion device is provided in the lean region above a boundary between the turbulent fluidized bed region and the lean region.
상기 제1반응부는
상기 점화기의 상방에 설치되는 배플을 더 포함하는, 유동층 연소장치.7. The method of claim 6,
The first reaction unit
The fluidized bed combustion apparatus further comprising a baffle installed above the igniter.
상기 제1반응부는
입자가 밀집되는 고속 유동층 영역(fast fluidization)과 상기 희박 영역을 형성하며,
상기 점화기는
상기 고속 유동층 영역과 상기 희박 영역의 경계 상방 상기 희박 영역에 설치되는, 유동층 연소장치.According to claim 1,
The first reaction unit
forming a fast fluidization region in which particles are dense and the sparse region,
the igniter
The fluidized bed combustion apparatus is provided in the lean area above the boundary between the high-speed fluidized bed area and the lean area.
상기 제1반응부는
상기 점화기의 상방에 설치되는 배플을 더 포함하는, 유동층 연소장치.9. The method of claim 8,
The first reaction unit
The fluidized bed combustion apparatus further comprising a baffle installed above the igniter.
상기 제1반응부는
입자가 희박한 희박상 공기 수송 영역(dilute pneumatic conveying)을 형성하며,
상기 점화기는
희박상 공기 수송 영역에 설치되는, 유동층 연소장치.According to claim 1,
The first reaction unit
the particles form a dilute pneumatic conveying,
the igniter
A fluidized bed combustor installed in a lean-phase air transport zone.
상기 제1반응부는
상기 점화기의 상방에 설치되는 배플을 더 포함하는, 유동층 연소장치.11. The method of claim 10,
The first reaction unit
The fluidized bed combustion apparatus further comprising a baffle installed above the igniter.
상기 배플은
V자 형상의 단면 홀들을 가지는 V형 베인(vane)으로 형성되는, 유동층 연소장치.12. The method of claim 5, 7, 9 or 11,
The baffle is
A fluidized bed combustor formed of a V-shaped vane having V-shaped cross-sectional holes.
상기 제1반응부는
다공을 구비하는 배플을 입자가 밀집하는 밀집 영역에 구비하고,
상기 점화기는
상기 배플의 직하방에 형성되는 부분 희박 영역에 설치되는, 유동층 연소장치.According to claim 1,
The first reaction unit
A baffle having pores is provided in a dense area where particles are dense,
the igniter
A fluidized bed combustion device installed in a partially lean region formed directly below the baffle.
상기 배플은
다공판으로 형성되는, 유동층 연소장치.14. The method of claim 13,
The baffle is
A fluidized bed combustion device formed of a perforated plate.
상기 점화기는
상기 제1반응부의 상기 희박 영역에 구비되어 제2연료를 분사하는 연료 공급 그리드 또는 연료 공급 파이프를 포함하는, 유동층 연소장치.14. The method of claim 13,
the igniter
and a fuel supply grid or a fuel supply pipe provided in the lean region of the first reaction unit to inject a second fuel.
상기 제2연료는
상기 제1연료의 점화를 유도시키기 위한 연료로써 상기 제1연료와 같은 연료, 다른 기상 연료, 및 다른 액상 연료 중 하나인, 유동층 연소장치.16. The method of claim 2 or 15,
The second fuel is
The fluidized bed combustion apparatus according to claim 1, wherein the fuel for inducing ignition of the first fuel is one of the same fuel as the first fuel, another gaseous fuel, and another liquid fuel.
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