KR102376472B1 - 고효율, 고강성 이중 유동층 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 고체연료를 분해해서 발생되는 생성 가스의 순도를 높이고, 강성이 높은 이중 유동층 반응기를 제공하는 것이다. 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명에서는, 상부에서 유동매체가 투입되고 하부에서 투입된 스팀에 의해 상기 유동매체가 유동하여 유동층이 형성되며, 연료투입부를 통해 투입된 연료가 유동매체와 스팀으로부터 전달되는 열에 의해 분해되어 가스화되는 유동층 가스화로 및 상기 유동층 가스화로와 연결되어 상기 유동층 가스화로로부터 배출되는 상기 유동매체를 고온의 가스로 가열하면서 상승시켜 다시 유동층 가스화로의 상부로 투입하는 연소로를 포함하고, 상기 유동층 가스화로 내부에는 상기 유동층 가스화로를 가로지르는 하나 이상의 흐름제어축이 배치되는, 이중 유동층 반응기를 제공한다.

Description

고효율, 고강성 이중 유동층 반응기{High efficiency, high rigidity dual fluidized bed reactor}

본 발명은 유동매체를 통해 높은 효율로 가스를 생성하기 위한 이중 유동층 반응기에 관한 것으로, 특히 생성되는 가스의 순도가 높고 이중 유동층 반응기의 강성이 높아 대규모 설비 제조가 가능하게 되는 이중 유동층 반응기에 관한 것이다.

최근, 폐기물에 의한 환경문제가 점차 커지면서 이를 친환경적으로 처리하기 위한 다양한 방법이 제안되고 있다. 재활용을 하기 위한 방법이 많이 있지만, 한계가 있고 폐기물 중 폐플라스틱은 수명 자체가 반영구적이어서 이를 경제적으로 제거할 수 있는 기술에 대한 요구가 늘어나고 있다.

이를 위한 여러 연구 중 폐기물을 연료로 하여 실생활에 유용한 수소, 일산화탄소 등의 가스를 제조하는 기술 개발이 활발한데, 이처럼 가스 제조를 위한 연료로서 폐기물을 사용할 수 있게 되면 매우 경제적이면서 효과적으로 폐기물의 제거가 가능하게 된다.

이러한 폐플라스틱과 같은 폐기물을 연료로 가스를 제조하기 위해 가장 유력한 방법으로는 이중 유동층 가스화 기술이 있다. 이중 유동층 가스화 기술은 고온으로 가열된 유동매체를 증기를 통해 유동시키고 여기에 고체연료를 투입하여 반응시킴으로써 가스를 생성시키는 기술로, 대표적으로 유동층 가스화로와 연소로를 포함하는 이중 유동층 반응기를 활용하게 된다.

종래의 이중 유동층 반응기는 도 1에서 나타나는 바와 같이 유동층 가스화로(100)와 연소로(200)를 포함하는데, 유동층 가스화로(100)는 고온으로 가열된 유동매체를 담고 하부에서 투입되는 증기(120)를 통해 유동매체가 유동하는 유동층(500)으로 투입된 고체연료를 고온(700~1,000℃)에서 분해하여 가스화하는 공정을 진행하게 된다. 이렇게 생성된 생성 가스는 사이클론(400)을 통해 일부 포함될 수 있는 유동매체가 제거되어 포집된다.

연소로(200)에서는 유동층 가스화로(100)에서 연소로(200) 하단으로 배출되는 유동매체를 고온, 고속의 가스를 통해 고체연료와의 반응에 의해 유동매체 표면에 부착된 반응 부산물을 제거하고 재가열하여 다시 유동층 가스화로에 투입시켜 유동매체를 순환시키게 된다. 이때 부착된 부산물이 분해되어 생성되는 연소 가스(230)와 유동매체는 외부로 연소로와 유동층 가스화로 사이에 배치되는 연소로 사이클론(300)을 통해 분리되어 유동매체는 유동층 가스화로(100)로 투입되고 연소 가스(230)는 외부로 배출된다. 연소로에서 재가열된 유동매체는 표면의 부산물이 제거되어 촉매로서 역할을 할 수 있고, 고온으로 가열되어 고체연료의 가스화를 위한 충분한 열원이 될 수 있게 된다.

최근에는 이러한 이중 유동층 반응기를 이용하여 우드칩과 같은 바이오매스(biomass)를 분해하여 가스화하는 기술이 소개되고 있다. 재사용하기 어려운 우드칩과 같은 바이오매스를 이중 유동층 반응기를 활용하여 환경 친화적으로 수소 또는 일산화 탄소와 같은 유용한 가스를 제조할 수 있게 된다.

하지만, 이러한 종래의 이중 유동층 반응기를 이용하여 바이오매스가 아닌 폐플라스틱을 연료로 하여 가스를 제조하게 되면 순도 높은 수소 가스 또는 일산화탄소 가스를 제조하기 어려운 문제가 있다. 고체연료가 분해되어 가스가 되기 위해서는 우선 메탄 가스가 만들어지고 여기에 열원이 더 가해지면 메탄 가스로부터 수소가스와 일산화탄소 가스가 만들어지게 되는데, 바이오매스와 같은 고체연료는 고체상태에서 분해반응이 서서히 일어나면서 충분한 열원을 받아 메탄 가스가 수소 가스와 일산화탄소 가스로 분해되기 쉽다. 하지만, 폐플라스틱의 경우에는 유동층 가스화로 내로 투입되면 급속한 분해가 일어나면서 메탄 가스가 수소 가스와 일산화탄소 가스로 분해되기 전에 메탄 가스 상태로 배출되게 된다. 따라서, 종래의 이중 유동층 반응기에서 폐플라스틱을 분해하여 생성된 가스에는 메탄 가스가 많이 포함되어 있기 때문에 생성된 가스를 직접 활용하기 어렵고, 이중 유동층 반응기에서 1차적으로 메탄 가스가 많이 포함되어 생성된 가스를 다시 재가공해서 수소 가스와 일산화 탄소를 만들어야 하는 문제가 있게 된다.

또한, 종래의 이중 유동층 반응기는 대량 양산을 위해 그 크기를 크게 하기 어려운 문제가 있는데, 원활한 유동층 반응을 위해서는 일반적으로 중량을 기준으로 투입되는 고체연료의 30배에 달하는 유동매체의 사용이 필요하다. 따라서, 시간 당 1톤의 고체연료 처리를 위해서는 시간당 30톤에 달하는 유동매체를 순환시키면서 가열하는 것이 필요하게 되는데, 이러한 유동매체를 원활하게 순환시키기 위해서는 이중 유동층 반응기의 강성 및 내구성이 중요하다. 특히, 고체 연료의 가스화 반응이 일어나는 유동층 가스화로(100) 내에서는 유동매체의 유동과 순환이 동시에 일어나기 때문에 진동 등에 의해 유동층 가스화로의 크기를 크게 하기가 어려운 문제가 있었다.

종래의 이중 유동층 반응기에서 미반응 타르 등의 문제를 해결하기 위해, 대한민국등록특허 제10-1993734에서는 유동층 가스화로 상부에 나선형 구조물을 배치하여 바이오매스와 같은 폐기물에서 분해되는 가스가 유동층 가스화로 상부에서 투입되는 유동매체와 만나는 시간을 증가시키고자 하였다. 하지만, 이 경우에 유동매체가 나선형 구조물을 타고 일정한 흐름을 타고 이동하기 때문에 유동층 가스화로 내부 공간에서 유동매체가 흐르지 않는 공간인 데드존(dead zone)이 형성되고 이에 따라 유동층 가스화로 내의 공간을 충분히 활용하기 어렵게 되는 문제가 있다. 또한, 유동매체와 가스가 좁은 흐름에서 만나기 때문에 유동매체로부터 가스로의 충분한 열전달이 원활하게 일어나기 어렵게 된다. 따라서, 이러한 이중 유동층 반응기에서 폐플라스틱과 같은 폐기물이 분해되어 생성된 가스에서 메탄 가스 함량을 줄이기는 어렵다.

또한, 상부 공간에 위치하게 되는 나선형 구조물은 전체 유동층 가스화로의 무게 중심을 위로 올려 유동층 가스화로를 불안정하게 하고, 그 크기를 증가시키기 어려운 구조가 되는 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제10-1993734호 대한민국 등록특허 제10-1442134호

본 발명의 목적은 고체연료를 분해해서 발생되는 생성 가스의 순도를 높이고, 강성이 높은 이중 유동층 반응기를 제공하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명에서는, 상부에서 유동매체가 투입되고 하부에서 투입된 스팀에 의해 상기 유동매체가 유동하여 유동층이 형성되며, 연료투입부를 통해 투입된 연료가 유동매체와 스팀으로부터 전달되는 열에 의해 분해되어 가스화되는 유동층 가스화로 및 상기 유동층 가스화로와 연결되어 상기 유동층 가스화로로부터 배출되는 상기 유동매체를 고온의 가스로 가열하면서 상승시켜 다시 유동층 가스화로의 상부로 투입하는 연소로를 포함하고, 상기 유동층 가스화로 내부에는 상기 유동층 가스화로를 가로지르는 하나 이상의 흐름제어축이 배치되는, 이중 유동층 반응기를 제공한다.

본 발명에서 제공되는 이중 유동층 반응기를 통해 폐플라스틱과 같은 고체연료를 효율적으로 가스화할 수 있고, 높은 강성을 통해 이중 유동층 반응기의 크기를 보다 크게 제작할 수 있게 되어 생산성을 높일 수 있다.

도 1은 종래의 이중 유동층 반응기에 대한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이중 유동층 반응기의 일 실시예에 대한 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 흐름제어축의 일 실시예에 대한 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 흐름제어축의 배치와 관련하여 일 실시예에 대한 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 흐름제어축의 배치와 관련하여 일 실시예에 대한 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 흐름제어축의 배치와 관련하여 일 실시예에 대한 개략도이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명에서는 상부에서 유동매체가 투입되고 하부에서 투입된 스팀에 의해 상기 유동매체가 유동하여 유동층이 형성되며, 연료투입부를 통해 투입된 고체연료가 유동매체와 스팀으로부터 전달되는 열에 의해 분해되어 가스화되는 유동층 가스화로 및 상기 유동층 가스화로와 연결되어 상기 유동층 가스화로로부터 배출되는 상기 유동매체를 고온의 가스로 가열하면서 상승시켜 다시 유동층 가스화로의 상부로 투입하는 연소로를 포함하고, 상기 유동층 가스화로 내부에는 상기 유동층 가스화로를 가로지르는 하나 이상의 흐름제어축이 배치되는, 이중 유동층 반응기를 제공한다.

도 2를 통해 본 발명에 따른 이중 유동층 반응기를 설명하면, 유동매체를 통해 고체연료를 가스화하는 이중 유동층 반응기는 고체연료를 유동매체와 스팀의 열을 통해 분해시키는 유동층 가스화로(100)를 포함한다. 유동층 가스화로(100)는 하단에 축적된 유동매체가 하부에서 공급되는 스팀에 의해 계속 유동을 하여 유동층(500)을 형성하고 여기서 고체연료가 분해되어 가스화 반응이 일어나 유동층 가스화로 상층으로 상승(130)하게 된다. 일반적으로 유동매체는 촉매 역할을 할 수 있고 고온에서 안정한 올리빈(olivine)이나 산화칼슘(CaO)이 사용될 수 있다.

연소로(200)는 유동층 가스화로에서 배출되는 유동매체를 하단으로 받아 이를 고온 고속의 가스를 이용하여 화살표(220)와 같이 연소로 내에서 상승시키면서 가열하여 표면에 부착된 연소 부산물을 가스화한 후 사이클론(300)을 통해 유동매체(510)와 연소 가스(230)로 분리하여 연소 가스(230)는 외부로 배출하고 가열된 유동매체(510)는 다시 유동층 가스화로(100)의 상부로 노즐 등을 통해 투입해 주는 역할을 한다.

본 발명에서는 이중 유동층 반응기 내에 이중 유동층 반응기를 가로지르는 흐름제어축(110)이 배치된다. 흐름제어축(110)은 이중 유동층 반응기의 상부에서 투입되어 중력에 의해 아래로 흐르는 유동매체의 흐름(510)을 강제로 변경하여 유동층까지 도달하는 시간을 늘려주고 내부에서 난류 효과를 일으켜 유동층에서 고체연료의 분해반응에 의해 발생해서 상승하는 상승 가스(130)와 접촉 시간을 증가시키게 되고 상승 가스(130)의 충분한 분해반응이 일어날 수 있게된다. 따라서 일차로 유동층에서의 고체연료 분해에 의해 발생되는 상승 가스(130)에 포함될 수 있는 미반응 메탄 가스등은 상승하면서 유동매체와의 증가된 접촉 시간으로 인해 다시 일산화탄소, 수소 등으로 분해되어, 최종 생성된 가스(140)의 재처리 필요성을 줄여준다. 사용되는 고체연료는 바이오매스, 저등급 석탄, 유기성 폐자원, 폐기물 고형연료, 폐플라스틱 고형연료 등이 될 수 있다.

또한, 이러한 흐름제어축(110)은 유동층 가스화로(100) 내에서 가로질러 형성되기 때문에 유동층 가스화로(100)를 구조적으로 안정적으로 지지해줄 수 있게 된다. 특히 흐름제어축이 배치되면 유동흐름은 불규칙해져서 난류 등에 의해 유동층 가스화로(100)의 진동이 심해지고 전체적인 반응기의 가동이 불안정해지게 되고, 반응기의 크기를 늘리기 어렵게 될 수 있다. 하지만, 이처럼 유동층 가스화로를 가로질러 배치되는 흐름제어축(110)은 이러한 진동 등에 의한 불안정성을 감소시키고 반응기를 양산 가능하도록 크게 만들 수 있게 한다.

본 발명에서, 상기 흐름제어축은 로드 형태이고 단면은 원형 또는 다각형인 이중 유동층 반응기를 제공한다.

흐름제어축은 유동층 가스화로를 가로질러 배치되는데, 이때 흐름제어축은 일정한 두께를 가지는 로드 형상이고 단면은 원형 또는 다각형일 수 있다. 로드 형태인 흐름제어축의 단면 형상을 원형 또는 다각형으로 함에 따라 유동매체의 흐름에 변화를 줄 수 있게 되어, 유동매체의 투입양, 유동층 가스화로의 크기에 따라 다양한 단면 형상의 로드를 적용하여 그 흐름을 제어할 수 있게 된다. 이를 통해, 유동매체의 흐름을 제어하여 원활한 가스 생성반응을 이끌어낼 수 있게 된다. 단면은 도 3에서 나타낸 바와 같이 원형(도 3(a)), 육각형(도 3(b)), 삼각형(도 3(c)), 오각형(도 3(d))이 될 수 있다. 특히, 도 3(c) 및 도 3(d)에서와 같이 다각형의 꼭지점이 유동층 가스화로의 위를 향해 형성되는 경우 유동매체가 흐름제어축 상에 쌓이지 않을 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 흐름제어축은 상기 유동층 가스화로의 길이 방향에 수직하게 배치되는 이중 유동층 반응기를 제공한다.

유동층 가스화로를 가로질러 배치되는 흐름제어축은 유동층 가스화로의 길이 방향에 일정한 각도를 가지고 기울어져 배치될 수도 있고, 길이 방향에 수직하게 배치될 수도 있다(도 4(a)). 이때 수직하게 배치되면 유동매체의 흐름에 저항을 더 줄 수 있게 되고 이에 따라 흐름 속도를 줄여주고 흐름의 변형양도 크게 되어 가스와의 접촉 시간을 더 늘려주어 효율적인 가스 반응을 이끌어낼 수 있다. 한편, 흐름제어축이 기울어져 배치되면 유동층 가스화로의 길이 방향과 각도가 줄어들 수록 유동매체의 흐름을 덜 방해하게 되고 이에 따라 유동매체의 속도를 빠르게 할 수 있다(도 4(b)).

본 발명에서, 상기 흐름제어축은 둘 이상이고 상기 유동층 가스화로의 길이 방향으로 간격을 두고 서로 떨어져 배치되는 이중 유동층 반응기일 수 있다.

유동층 가스화로를 가로지르는 흐름제어축이 길이 방향으로 서로 이격되어 있어서 유동매체가 아래로 흐르면서 지속적으로 흐름이 방해를 받고 이에 따라 효율적으로 상승 가스와 만나 반응 효율을 높일 수 있게 된다.

또한, 이때 상기 둘 이상의 흐름제어축 중 길이 방향으로 인접하는 흐름제어축은 각각의 축 방향이 서로 다르게 배치되는 이중 유동층 반응기일 수 있다.

이처럼 길이 방향으로 인접하는 흐름제어축이 도 5(a)와 같이 동일한 방향일 수도 있지만, 도 5(b)와 같이 서로 엇갈리게 배치됨에 따라 유동매체와 상승 가스의 흐름이 더 많은 방해를 받고 유동매체와 상승 가스의 접촉 시간이 더 늘어나게 할 수 있게 된다.

또한, 이렇게 길이 방향으로 인접하는 흐름제어축의 축 방향은 서로 직각인 이중 유동층 반응기일 수 있다. 길이 방향으로 인접하는 흐름제어축의 엇갈리는 각이 도 5(c)와 같이 직각인 경우 가장 효과적으로 유동매체의 흐름을 방해할 수 있게 된다.

본 발명에서 상기 흐름제어축은 둘 이상이고 상기 유동층 가스화로의 길이 방향에서 동일한 위치에 있으면서 축 방향이 서로 평행하게 배치되어 흐름제어층을 형성하는 이중 유동층 반응기를 제공할 수 있다.

도 6(a)에서 나타내는 것과 같이 복수의 흐름제어축이 유동층 가스화로 내에서 같은 높이에서 평행하게 배치되면 유동층 가스화로 단면 전체에 걸쳐 유동매체의 흐름이 방해를 받아 보다 효율적으로 유동매체와 상승 가스의 흐름을 제어하여 접촉 시간을 늘릴 수 있게 된다. 또한, 복수의 흐름제어축이 유동층 가스화로의 한 단면에 배치되면서 유동층 가스화로의 강성을 높일 수 있게 된다.

또한, 상기 흐름제어층은 둘 이상이고 상기 유동층 가스화로의 길이 방향으로 간격을 두고 서로 떨어져 배치되는 이중 유동층 반응기를 제공할 수 있다.

복수의 흐름제어축이 유동층 가스화로의 길이 방향으로 서로 떨어져 배치되는 것과 마찬가지로 복수의 흐름제어축으로 형성되는 흐름제어층이 다시 유동층 가스화로의 길이 방향으로 서로 떨어져 배치됨으로써 유동매체는 아래로, 상승가스는 위로 흐르면서 지속적으로 흐름의 방해 및 분산이 이루어지기 때문에 최종적으로 생성 가스에서 보다 효과적으로 메탄가스의 양을 줄여줄 수 있게된다.

또한, 상기 둘 이상의 흐름제어층 중 길이 방향으로 인접하는 배플층은 각각의 층 방향이 서로 다르게 배치되고 상기 층 방향은 상기 흐름제어층 내의 상기 흐름제어축의 축 방향인 이중 유동층 반응기를 제공할 수 있다.

흐름제어층을 형성하는 평행한 복소의 흐름제어축의 축 방향을 흐름제어층의 층 방향이라고 할때, 유동층 가스화로의 길이 방향으로 서로 인접하는 흐름제어층 은 층 방향이 서로 다르게 배치함으로써 보다 효과적으로 유동매체와 상승 가스의 흐름을 제어한다. 또한, 서로 엇갈리는 층 방향은 유동층 가스화로의 강성을 높이며 발생하는 진동에 대한 내구성을 높일 수 있게 된다.

이때, 서로 다른 층 방향은 서로 직각일 수 있다. 직각인 경우 흐름제어, 강성 향상, 내구성 향상의 효과를 가장 높일 수 있게 된다(도 6(b) 참조).

또한, 본 발명에서 상기 연료는 폐플라스틱 고형연료인 이중 유동층 반응기를 제공한다. 연료로 폐플라스틱이 사용되면 분해가 빠르게 일어나기 때문에 최종 가스에서 메탄의 함량이 높게 된다. 이를 방지하기 위해 본 발명에서와 같이 흐름제어축 또는 흐름제어층이 형성된 유동층 가스화로를 활용한다면 최종 생성 가스에서 메탄 가스의 함량을 줄일 수 있게 된다.

100 : 유동층 가스화로 200 : 연소로
300 : 연소로 사이클론 400 : 가스화로 사이클론
500 : 유동층

Claims (11)

1. 상부에서 유동매체가 투입되고 하부에서 투입된 스팀에 의해 상기 유동매체가 유동하여 유동층이 형성되며, 연료투입부를 통해 투입된 고체연료가 상기 유동매체와 상기 스팀으로부터 전달되는 열에 의해 분해되어 가스화되는 유동층 가스화로; 및
   상기 유동층 가스화로와 연결되어 상기 유동층 가스화로로부터 배출되는 상기 유동매체를 고온의 가스로 가열하면서 상승시켜 다시 유동층 가스화로의 상부로 투입하는 연소로를 포함하고,
   상기 유동층 가스화로 내부에는 상기 유동층 가스화로를 가로질러 내벽에 고정되고, 상기 유동층 가스화로의 길이 방향에 수직하게 배치되며, 단면이 원형 또는 다각형의 로드 형태인 하나 이상의 흐름제어축이 배치되는, 이중 유동층 반응기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 흐름제어축은 둘 이상이고 상기 유동층 가스화로의 길이 방향으로 간격을 두고 서로 떨어져 배치되는, 이중 유동층 반응기.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 둘 이상의 흐름제어축 중 길이 방향으로 인접하는 흐름제어축은 평면에서 볼 때 각각의 축 방향이 서로 다르게 배치되는, 이중 유동층 반응기.
6. 제 4항에 있어서,
   상기 길이 방향으로 인접하는 흐름제어축의 축 방향은 평면에서 볼 때 서로 직각인, 이중 유동층 반응기.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 흐름제어축은 둘 이상이고 상기 유동층 가스화로의 길이 방향에서 동일한 위치에 있으면서 평면에서 볼 때 축 방향이 서로 평행하게 배치되어 흐름제어층을 형성하는, 이중 유동층 반응기.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 흐름제어층은 둘 이상이고 상기 유동층 가스화로의 길이 방향으로 간격을 두고 서로 떨어져 배치되는, 이중 유동층 반응기.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 둘 이상의 흐름제어층 중 길이 방향으로 인접하는 흐름제어층은 각각의 층 방향이 서로 다르게 배치되고, 상기 층 방향은 상기 흐름제어층 내의 상기 흐름제어축의 축 방향인, 이중 유동층 반응기.
10. 제 9항에 있어서,
    상기 서로 다른 층 방향은 서로 직각인, 이중 유동층 반응기.
11. 제 1항에 있어서,
    상기 고체연료는 폐플라스틱 고형연료인, 이중 유동층 반응기.

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