KR102432401B1 - 유동층 반응기 시스템 및 이를 이용한 분체 유동화 방법 - Google Patents

유동층 반응기 시스템 및 이를 이용한 분체 유동화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 구현예는 유동층 반응기; 상기 유동층 반응기와 연결라인을 통해 연결되어 가동 상태의 상기 유동층 반응기로부터 분체를 채취한 후, 분체의 온도 및 압력을 측정하여 최소유동화속도를 산출하고, 측정이 종료된 분체를 유동층 반응기로 재주입하는 최소유동화속도 측정장치; 및 상기 유동층 반응기 및 상기 최소유동화속도 측정장치에 각각 전기적으로 연결되며, 상기 최소유동화속도 측정 장치로부터 산출된 최소 유동화속도에 따라 유동층 반응기 시스템의 유량을 조절하는 시스템 유량 제어장치; 를 포함하는 유동층 반응기 시스템에 관한 것이다.

Description

유동층 반응기 시스템 및 이를 이용한 분체 유동화 방법{FLUIDIZED BED SYSTEM AND METHOD FOR POWDER FLUIDIZATION USING THE SAME}
본 발명은 유동층 반응기 시스템 및 이를 이용한 분체 유동화 방법에 관한 것이다.
유동층 반응기(Fluidized bed)는 반응챔버 하단에 상승기류를 형성하는 분산판을 설치하여, 분체를 공기 중으로 분산(비말)시킴으로써 유동적인 특성을 분체에 부여하여 효율적인 화학반응이 일어나도록 하는 장치이다. 이러한, 유동층 반응기는 수행하고자 하는 유동화 반응에 따라 추가로 필요한 일련의 장치들과 함께 유동층 반응기 시스템(Fluidized bed system)을 구성할 수 있다.
한편, 유동층 반응기 및 유동층 반응기 시스템은 기류를 이용하여 분체의 분산 정도를 조절한다. 이때 공기주입은 미리 설계된 유량으로 일정하게 수행될 수 있으나 분체의 입경과 입도 분포는 일정한 수치를 유지하기 어렵기 때문에 유동 정도가 일정하지 않고 변화하게 된다. 이러한 분체의 변화에 적절히 대응하지 못하는 경우, 유량 부족에 의한 비유동 현상 및 혼합 불량이 발생할 수 있고, 과유동에 의한 기계적 손상이 유발될 수 있다. 또한, 고온에서 운용되는 유동층 반응기를 포함하는 시스템은 내부에 클링커가 쌓여 효율성이 저하되거나 조업이 중단되는 문제가 발생할 수 있다. 때문에, 유동층 반응기는 분체의 입경 및 입도 변화에 맞추어 유량을 조절하는 것이 매우 중요하다.
종래에는 이러한 유동층 반응기 시스템의 유동 정도를 제어하기 위한 다양한 방법들이 제안되어 있다. 이러한 종래의 방법들은 유동층 반응기 내로 투입되는 분체를 투입 전에 입경을 측정한 후 이에 따라 고정된 유량을 적용하거나, 조업 중간에 시스템을 정지시킨 뒤 분체를 채취하여 입도 분포 등을 측정하고 변동된 유량을 적용하는 등의 방법을 이용하고 있다.
예를 들면, 한국 공개특허공보 2012-0080355호(이하, 특허문헌 1)는 유동층 장치 내에서 순환되는 입자를 추출하여 증류수에 분산 후 입도를 분석하는 방법을 제안하고 있다. 그러나 이러한 방법은 고온의 반응 조건을 갖는 반응기로부터는 입자의 추출이 어려우며, 고온에서의 입자 유동 정도를 정확히 예측할 수 없고, 입도 분석 후 증류수에 혼입된 표본을 반응기에 재투입하기 위해 복잡한 처리 공정이 필요한 문제점이 있다.
때문에, 상기 특허문헌 1 및 종래의 방법들은 여전히 반응 중간에 변화되는 유동 정도에 따라 정밀하게 조절되기 어려우며, 입자의 추출을 위해 조업을 멈추는 경우에 의해 효율성 저하 등의 문제점이 발생할 수 있어, 이를 해결할 수 있는 기술의 필요성이 증대되고 있다.
특허문헌 1: 한국 공개특허공보 2012-0080355호
본 발명의 하나의 목적은 유동층 반응기 내부에 존재하는 분체의 최소유동화속도 및 입도분포를 실시간으로 측정할 수 있고, 입도분포 측정과 조업을 동시에 수행할 수 있으며, 고온 공정에서도 유동 정도를 정확히 측정할 수 있으며, 입도분포 측정에 사용한 분체를 유동층 반응기 시스템 내부로 다시 환류시킬 수 있는 유동층 반응기 시스템 및 이를 이용한 분체 유동화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예는 유동층 반응기; 상기 유동층 반응기와 연결라인을 통해 연결되고, 가동 상태의 상기 유동층 반응기로부터 분체를 채취한 후, 상기 분체의 온도 및 압력을 측정하여 최소유동화속도를 산출하고, 측정이 종료된 분체를 유동층 반응기로 재주입하는 최소유동화속도 측정장치; 및 상기 유동층 반응기 및 상기 최소유동화속도 측정장치에 각각 전기적으로 연결되며, 상기 최소유동화속도 측정 장치로부터 산출된 최소 유동화속도에 따라 유동층 반응기 시스템의 유량을 조절하는 시스템 유량 제어장치; 를 포함하는 유동층 반응기 시스템에 관한 것이다.
상기 최소유동화속도 측정장치는 상기 최소유동화속도 측정장치의 내벽에 설치되어 내부 온도를 측정하는 온도센서; 상기 최소유동화속도 측정장치의 바닥에 설치되어 유량을 제어할 수 있는 공기주입장치; 고정층 상태에서 최소유동화속도 측정장치 내부에 분체가 존재하는 하단부(P1)에 설치되어 압력을 측정하는 제1압력센서; 및 고정층 상태에서 최소유동화속도 측정장치 내부에 분체가 존재하지 않는 상단부(P2)에 설치되어 압력을 측정하는 제2압력센서; 를 포함하고, 상기 최소유동화속도 측정장치는 유동층 반응기로부터 분체를 유입한 후, 상기 공기주입장치를 통해 0.01 m/s를 최소단위로 유속을 증가시키며, 상기 유속의 증가에 따라 제1압력센서 및 제2압력센서에서 측정된 압력의 차이가 일정해지는 순간의 유속을 최소유동화속도로 측정할 수 있다.
상기 연결라인은 유동층 반응기에 탈착이 가능한 체결부를 포함하며, 상기 최소유동화속도 측정장치는 유동층 반응기와의 탈착이 가능한 것일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 연결라인을 이용하여 가동 상태의 유동층 반응기로부터 최소유동화속도 측정장치 내부로 분체를 채취하는 제1단계; 상기 최소유동화속도 측정장치에서, 분체의 온도 및 압력을 측정하여 최소유동화속도를 산출하는 제2단계; 상기 최소유동화속도 산출이 종료된 분체를 유동층 반응기로 재주입하는 제3단계; 및 상기 최소유동화속도 측정 장치에서 측정된 온도, 압력 및 산출된 최소 유동화속도 정보를 시스템 유량 제어장치에 전송하고, 상기 시스템 유량 제어장치에 의해 유동층 반응기 시스템의 유량을 조절하는 제4단계; 를 포함하는 분체 유동화 방법에 관한 것이다.
상기 제1단계는 유동층 반응기와 최소유동화속도 측정장치를 연결한 후, 최소유동화속도 측정장치 내부에 가동 중인 유동층 반응기와 동일한 유속의 공기를 공급하여, 가동 중인 유동층 반응기의 분체를 최소유동화속도 측정장치 내부로 유입하는 것을 포함할 수 있다.
상기 제2단계는 최소유동화속도 측정장치의 유속을 0.01 m/s 단위로 증가시키면서, 고정층 상태에서 최소유동화속도 측정장치 내부에 분체가 존재하는 하단부(P1)의 압력인 제1압력 및 고정층 상태에서 최소유동화속도 측정장치 내부에 분체가 존재하지 않는 상단부(P2)의 압력인 제2압력의 차이를 측정하고, 상기 유속의 증가에 따라 제1압력 및 제2압력의 차이가 일정해지는 순간의 유속을 최소유동화속도로 산출하는 것을 포함할 수 있다.
제3단계는 최소유동화속도 산출이 종료된 후, 제2단계에서 측정된 최소유동화속도를 이용하여 연산한 종말속도 이상의 유속을 갖는 공기를 주입하여 분체를 유동층 반응기로 재주입하는 것을 포함할 수 있다.
상기 제4단계는 제2단계에서 측정된 온도, 압력 및 산출된 최소유동화속도 정보를 시스템 유량 제어장치에 전송하여 입도분포 값을 역산하고, 상기 역산된 입도분포 값 및 측정된 온도 값을 이용하여 최적유동화속도를 연산하고, 유동층 반응기의 유량을 조절하는 것을 포함할 수 있다.
상기 유동층 반응기는 순환 유동층 반응기이고, 상기 순환 유동층 반응기는 루프실(loopseal), 재순환 열교환기(INTREX, Integrated Heat Exchanger), 유동층 열 교환기(FBHE, Fluidized Bed Heat Exchange) 또는 유동층 저회 냉각기(FBAC, Fluidized Bed Ash Cooler)일 수 있다.
상기 유동층 반응기는 기포 유동층 반응기이고, 상기 기포 유동층 반응기는 기포유동층 연소로, 기포유동층 소각로, 기포유동층 가스화기, 기포유동층 이산화탄소 흡수 반응기, 기포유동층 재생반응기 또는 기포유동층 화학반응기일 수 있다.
본 발명은 유동층 반응기 내부에 존재하는 분체의 최소유동화속도 및 입도분포를 실시간으로 측정할 수 있고, 입도분포 측정과 조업을 동시에 수행할 수 있으며, 고온 공정에서도 측정 정밀성이 우수하며, 입도분포 측정에 사용한 분체를 유동층 반응기 시스템 내부로 다시 환류시킬 수 있는 유동층 반응기 시스템 및 이를 이용한 분체 유동화 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명 일 실시예의 유동층 반응기 시스템을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명 일 실시예의 유동층 반응기 시스템에 포함되는 최소유동화속도 측정장치를 간략하게 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명 실시예 1의 유동층 반응기 시스템의 실제조업 사진이다.
도 4는 본 발명 비교예 1의 유동층 반응기 시스템의 클링커 발생 정도를 나타내는 사진이다.
본 발명의 일 구현예는 유동층 반응기; 상기 유동층 반응기와 연결라인을 통해 연결되고, 가동 상태의 상기 유동층 반응기로부터 분체를 채취한 후, 상기 분체의 온도 및 압력을 측정하여 최소유동화속도를 산출하고, 측정이 종료된 분체를 유동층 반응기로 재주입하는 최소유동화속도 측정장치; 및 상기 유동층 반응기 및 상기 최소유동화속도 측정장치에 각각 전기적으로 연결되며, 상기 최소유동화속도 측정 장치로부터 산출된 최소 유동화속도에 따라 유동층 반응기 시스템의 유량을 조절하는 시스템 유량 제어장치; 를 포함하는 유동층 반응기 시스템에 관한 것이다.
이하, 본 발명 일 실시예의 유동층 반응기 시스템을 도시하고 있는 도 1을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
일 실시예의 유동층 반응기 시스템은 유동층 반응기(100), 최소유동화속도 측정장치(200) 및 시스템 유량 제어장치(300)를 포함한다. 이러한 유동층 반응기 시스템은 유동층 반응기(100) 및 이를 포함하는 시스템의 가동 중에 분체를 채취하여 최소유동화 속도를 조업의 중단 없이 실시간으로 측정하며, 이를 통해 정밀하게 전체 시스템의 유량을 제어하여 유동 정도 및 반응 효율을 향상시킨다.
상기 유동층 반응기(100)는 일반적인 유동층 반응기라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 유동층 반응기(100)는 도 1에 도시한 바와 같이 반응기(10), 분체 주입구(11), 공기 배출구(12), 공기주입노즐(13), 분산판(14)을 포함하는 공기주입장치(15)을 포함할 수 있다. 이러한 유동층 반응기(100)에서 유동체로서 유동화 반응에 이용되는 분체(1)는 공기주입장치(15)를 통해 주입되는 공기가 분산판(14)에 의해 분산되어 생성하는 기류에 의해 비말되면서 유동화된다. 이때 유동화되는 분체(1)는 공기의 유량에 따라 일정수준의 층을 유지하여, 반응기 내에 유동체 상태로 머물게 되며, 연속해서 주입되는 공기는 공기 배출구(12)를 통해 배출된다.
상기 유동층 반응기(100)는 예를 들면, 유동층 보일러와 같은 고온 유동층 반응기인 경우 조업 효율성 및 측정 편리성이 더욱 우수할 수 있다. 구체적으로, 고온 유동층 반응기를 사용하는 경우, 상기 유동층 반응기 시스템은 고온의 분체 입자에 대하여 유동층 반응기 시스템 외부가 아닌 유동층 반응기 시스템 내에서 분체의 유동 정도를 정밀하게 평가하는 것이 가능할 뿐 아니라, 온도에 의한 유동 정도를 반영한 상태로 측정할 수 있어 유동 제어 정밀성이 더욱 우수할 수 있다. 또한, 채취한 고온의 분체를 별도의 어려움 없이 다시 반응기로 재주입할 수 있어 이에 따른 경제성 향상 등의 장점이 더욱 유리하게 작용될 수 있다.
일 구체예에서, 상기 유동층 반응기(100)는 순환 유동층 반응기이고, 상기 순환 유동층 반응기는 루프실(loopseal), 재순환 열교환기(INTREX, Integrated Heat Exchanger), 유동층 열 교환기(FBHE, Fluidized Bed Heat Exchange) 또는 유동층 저회 냉각기(FBAC, Fluidized Bed Ash Cooler)일 수 있다. 이러한 경우, 본 발명 일 실시예의 유동층 반응기 시스템에 의한 유동 정밀도 향상 및 실시간 유동 변화 측정에 의한 효과가 더욱 우수한 경제적 효과로 나타날 수 있다.
다른 구체예에서, 상기 유동층 반응기(100)는 기포 유동층 반응기이고, 상기 기포 유동층 반응기는 기포유동층 연소로, 기포유동층 소각로, 기포유동층 가스화기, 기포유동층 이산화탄소 흡수 반응기, 기포유동층 재생반응기 또는 기포유동층 화학반응기일 수 있다. 이러한 경우, 본 발명 일 실시예의 유동층 반응기 시스템에 의한 유동 정밀도 향상 및 실시간 유동 변화 측정에 의한 효과가 더욱 우수한 반응성 및 생산성의 증가 효과로 나타날 수 있다.
상기 최소유동화속도 측정장치(200)는 상기 유동층 반응기(100)의 측면에 설치되어 연결라인(21, 22)을 통해 유동층 반응기(100)와 연결된다. 상기 최소유동화속도 측정장치(200)는 가동 상태의 상기 유동층 반응기(100)로부터 분체(1)를 채취한 후, 분체(2)의 온도 및 압력을 측정하여 최소유동화속도를 산출하고, 측정이 종료된 분체를 유동층 반응기(100)로 재주입하는 역할을 수행한다.
상기 최소유동화속도 측정장치(200)는 상기 유동층 반응기(100)와 연결되어 분체를 유입 또는 배출하는 연결라인(21, 22); 상기 연결라인에 설치되어 최소유동화속도 측정장치와 유동층 반응기의 연결을 제어할 수 있는 개폐장치(23, 24); 상기 최소유동화속도 측정장치의 내벽에 설치되어 상기 최소유동화속도 측정장치의 내부 온도를 측정하는 온도센서(25); 상기 최소유동화속도 측정장치의 바닥에 설치되어 유량을 제어할 수 있는 공기주입장치(29); 분체의 고정층 상태에서 최소유동화속도 측정장치 내부에 분체가 존재하는 하단부(P1)의 압력을 측정하는 제1압력센서(27); 및 분체의 고정층 상태에서 최소유동화속도 측정장치 내부에 분체가 존재하지 않는 상단부(P2)의 압력을 측정하는 제2압력센서(27); 를 포함한다.
이러한 최소유동화속도 측정장치(200)는 가동되고 있는 유동층 반응기(100)로부터 분체를 유입한 후, 공기주입장치(29)를 사용하여 0.01 m/s를 최소단위로 유속을 증가시키면서 상기 유속의 증가에 따라 제1압력센서(27) 및 제2압력센서(26)에서 측정된 압력의 차이가 일정해지는 순간의 유속을 최소유동화 속도로 측정할 수 있다.
일 구체예에서, 최소유동화속도 측정장치(200)는 상기 유동층 반응기(100) 연결라인(21, 22)을 통해 연결된다. 이때, 분체를 유입하는 유입 연결라인(21)이 최소유동화속도 측정장치(200)의 하단부에, 분체를 배출하는 배출 연결라인(22)이 최소유동화속도 측정장치(200)의 상단부에 연결될 수 있다. 상기 연결라인(21, 22)은 최소유동화속도 측정장치(200)가 상기 유동층 반응기(100)와 연결되거나 연결이 해제되도록 제어할 수 있는 개폐장치(23, 24)를 포함할 수 있다. 상기 최소유동화속도 측정장치(200)는 내부 온도를 측정하는 온도센서(25)를 포함하며, 이를 통해 측정한 온도를 분체의 최적유동화속도 연산 시에 보정인자로 사용함으로써, 고온에서도 유동 제어 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다. 상기 최소유동화속도 측정장치(200)는 유량을 제어할 수 있는 공기주입장치(29)를 포함하며, 이때 최소유동화속도 측정장치(200)의 공기주입장치(29)(제2공기주입장치)는 도 1에 표시된 유동층 반응기(100)의 공기주입장치(15)(제1공기주입장치)와는 별도로 제어된다. 또한, 최소유동화속도 측정장치(200)는 고정층 상태에서 최소유동화속도 측정장치(200) 내부에 분체가 존재하는 하단부(P1)의 압력을 측정하는 제1압력센서(27); 및 분체의 고정층 상태에서 최소유동화속도 측정장치 내부에 분체가 존재하지 않는 상단부(P2)의 압력을 측정하는 제2압력센서(26);를 포함한다. 이러한 구성에서, 최소유동화속도 측정장치(200)는 제1압력센서(27) 및 제2압력센서(26)의 차압, 온도 및 주입되는 공기량을 측정하여, 최소유동화 속도를 측정할 수 있다. 이와 같이 측정된 최소유동화 속도 및 상기 차압, 온도 및 주입되는 공기량 등은 시스템 유량 제어장치(300)에 입력되어, 최적유동화속도를 연산하고, 유동층 반응기 시스템의 유량을 제어하는데 이용된다.
상기 최소유동화속도 측정장치(200)의 연결라인(21, 22)은 유동층 반응기에 탈착이 가능한 체결부를 포함하며, 이를 통해 상기 최소유동화속도 측정장치는 유동층 반응기와의 탈착 가능할 수 있다.
하기 본 발명 일 실시예의 최소유동화속도 측정장치(200)를 나타내고 있는 도 2를 참조하여, 본 발명의 최소유동화속도 측정장치(200)의 예시적인 구성에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
예시적인 도 2의 최소유동화 측정장치(200)는 전체 장치(200)의 높이를 조절할 수 있도록 다단으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 각 단은 높이가 1m 이내의 동일한 높이로 구성될 수 있으며, 이러한 경우 이송 및 탈부착이 용이할 수 있다. 또한, 예를 들면, 각 단은 온도센서를 중앙부에 지니고, 최하단 및 최상단은 압력센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 각 단은 눈금이 있는 내열 투시창을 포함할 수 있으며, 이를 통해 하부로부터의 높이를 알 수 있을 뿐 아니라 분체 유동 정도를 육안으로 확인할 수 있다.
이러한 예시에서, 최소유동화속도 측정장치(200)는 유동층 반응기(100)의 층높이에 따라 최소유동화속도 측정장치(200)의 층높이도 결정할 수 있어, 설비마다 다른 유동층 반응기(100)의 높이에 가변적으로 대응할 수 있다.
또한, 이러한 예시에서, 각 연결라인(21, 22)은 플렉시블(flexible)관으로 구성되어 길이 조정의 편이성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 이러한 예시에서, 공기주입장치(29)는 분산판(28)을 포함할 수 있으며, 분산판(28)은 미세하게 천공(<0.05mm)된 기공도(opening ratio)는 1% 미만의 기공판(perforated plate)일 수 있다. 이를 통해, 공기주입장치(29)를 통해 주입된 공기가 고르게 분산되는 동시에 공기주입장치로 역입되지 않을 수 있다.
또한, 최소유동화 측정장치는 고온(900℃ 내외)에서 견딜 수 있는 재질로 제작될 수 있다.
상기 시스템 유량 제어장치(300)는 상기 유동층 반응기(100) 및 상기 최소유동화속도 측정장치(200)에 각각 전기적으로 연결되며, 상기 최소유동화속도 측정장치(200)에서 산출된 최소 유동화속도에 따라 유동층 반응기 시스템의 유량을 조절한다.
예를 들면, 상기 시스템 유량 제어장치(300)는 연산부 및 제어부를 포함하는 컴퓨터 프로그램 또는 이러한 프로그램이 설치된 장치 등일 수 있다.
상기 연산부는 예를 들면, 최소유동화속도 측정 장치(200)에서 측정된 온도, 압력 및 산출된 최소유동화속도에 따라 분체(1)가 주입된 유동층 반응기(100)의 최적유동화속도를 연산하거나, 상기 유동층 반응기(100)에 주입되고 있는 유량이 최적유동화 속도와 오차범위 내에서 일치하는지의 여부(유량의 적절성 여부)를 판단할 수 있다.
상기 제어부는 예를 들면, 상기 연산부에서 연산된 최적유동화속도 또는 유량의 적절성 여부에 따라 유동층 반응기 시스템의 유량을 조절하는 역할을 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 연산부는 유동층 반응기(100)의 유량을 최적유동화 속도로 조절할 수 있을 뿐 아니라 유동층 반응기(100)의 유량이 최적유동화 속도와 오차범위를 벗어나는 부적합으로 판단될 경우, 상기 최소유동화속도 측정장치(200)를 제어하여 분체 추출 및 최소유동화속도를 측정하도록 제어할 수 있다.
상기 시스템 유량 제어장치(300)는 연산부 및 제어부가 통합된 일체형으로 이용될 수 있으며, 또는 연산부 및 제어부가 별개의 장치로 포함된 상태의 분리형 등으로 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 연결라인을 이용하여 가동 상태의 유동층 반응기로부터 최소유동화속도 측정장치 내부로 분체를 채취하는 제1단계; 상기 최소유동화속도 측정장치에서, 분체의 온도 및 압력을 측정하여 최소유동화속도를 산출하는 제2단계; 상기 최소유동화속도 산출이 종료된 분체를 유동층 반응기로 재주입하는 제3단계; 및 상기 최소유동화속도 측정 장치에서 측정된 온도, 압력 및 산출된 최소 유동화속도 정보를 시스템 유량 제어장치에 전송하고, 상기 시스템 유량 제어장치에 의해 유동층 반응기 시스템의 유량을 조절하는 제4단계; 를 포함하는 분체 유동화 방법에 관한 것이다.
상기 제1단계는 유동층 반응기와 최소유동화속도 측정장치를 연결한 후, 최소유동화속도 측정장치 내부에 가동 중인 유동층 반응기와 동일한 유속의 공기를 공급하여, 가동 중인 유동층 반응기의 분체를 최소유동화속도 측정장치 내부로 유입하는 것을 포함할 수 있다.
구체적으로, 유동층 반응기(100)와 최소유동화속도 측정장치(200)를 연결라인(21, 22)을 이용하여 체결하고, 개폐장치(23, 24)를 이용하여 개방 상태로 열면, 가동 중이던 유동층 반응기(100)의 유체흐름에 의해 분체(1)가 자연스럽게 최소유동화속도 측정장치(200)로 분체(1)의 높이만큼 흘러들어와 최소유동화속도 측정장치(200)의 내부에도 분체(2)가 유입되어 층이 형성된다.
이때, 최소유동화속도 측정장치(200)는 분산판(28) 및 공기주입장치(29)(제2공기주입장치)를 이용하여 공기를 지속적으로 공급함으로써, 최소유동화속도 측정장치(200) 내부의 분체 흐름을 조절하고, 분체의 충진량을 조절한다. 상기 제1단계에서, 분체의 채취를 위해 주입되는 공기의 속도는 예를 들면, 유동층 반응기에 주입되는 공기의 속도와 동일할 수 있다. 이에 의해 분체(2)가 적절량 충진되면, 유입 개폐장치(23)를 닫아 유동층 반응기(100)로부터의 왜란을 방지하고, 분체(2)의 충진이 완료되면, 최소유동화속도 측정장치의 공기주입장치(29)를 통한 공기 공급을 멈추어 분체를 고정층 상태로 만든 후 제2단계를 수행한다.
상기 제2단계는 최소유동화속도 측정장치(200)의 유속을 0.01 m/s 단위로 증가시키면서, 고정층 상태에서 최소유동화속도 측정장치 내부에 분체가 존재하는 하단부(P1)의 압력인 제1압력 및 고정층 상태에서 최소유동화속도 측정장치 내부에 분체가 존재하지 않는 상단부(P2)의 압력인 제2압력의 차이를 측정하고, 상기 유속의 증가에 따라 제1압력 및 제2압력의 차이가 일정해지는 순간의 유속을 최소유동화속도로 산출하는 것을 포함할 수 있다.
구체적으로, 제1단계에서 공기주입장치(29)를 이용한 공기주입을 일시적으로 멈추게 되면, 유동층 반응기(100)의 가동 중에 최소유동화속도 측정장치(200) 내부에 일시적인 고정층 상태를 구현할 수 있다. 이때, 분체(2)의 고정층 상태에서 최소유동화속도 측정장치 내부에 분체가 존재하는 하단부(P1)를 제1압력센서 설치지점 또는 제1압력 측정지점으로 정하고, 고정층 상태에서 최소유동화속도 측정장치 내부에 분체가 존재하지 않는 상단부(P2)를 제2압력센서 설치지점 또는 제2압력 측정지점으로 정한다. 이후, 최소유동화속도 측정장치의 공기주입장치(29)를 이용하여 최소유동화속도 측정장치 내부의 유속을 0.01 m/s 단위로 증가시키면서, 동시에 제1압력 및 제2압력을 측정하여 차압(｜P2-P1｜)의 변화 정도를 측정한다. 이러한, 차압의 변화 정도는 예를 들면, 하기 참조식 1과 같은 거동으로 나타낼 수 있다.
[참조식 1]
Figure 112015091922058-pat00001
상기 참조식 1에서 보는 바와 같이, 상기 제2단계를 진행함에 따라, 제1압력(P1)과 제2압력(P2)의 압력 차이(△P)는 변화한다. 이때, 분체(2)가 고정층에서유동이 시작되어 유동층이 되는 순간의 최소유동화속도(Umf)에서는 두 지점사이의 차압이 증가하다가 일정해진다(△Pmf). 이를 이용하여, 제2단계에서는 상기 제1압력(P1)과 제2압력(P2)의 압력 차이(△P)가 일정해지는 순간의 유속을 최소유동화속도(Umf)로서 측정한다.
제3단계는 최소유동화속도 산출이 종료된 후, 제2단계에서 산출된 최소유동화속도를 이용하여 연산한 종말속도 이상의 유속을 갖는 공기를 주입하여 분체를 유동층 반응기로 재주입하는 것을 포함할 수 있다.
제3단계에서 공기 주입 시 유속이 종말속도의 미만으로 공급되는 경우, 분체를 유동층 반응기로 재주입하기 어렵다.
구체적으로, 상기 측정이 끝난 분체는 공기주입기(29)를 이용해 Ut(종말속도) 이상의 유량을 주입하여 다시 유동층 반응기(100)로 재순환하도록 하며, 이때 Ut(종말속도)는 최소유동화속도 측정장치(200)로부터 구한 값을 이용해 하기의 식 1 내지 식 3 중 어느 하나에 따라 산출한다.
[식 2]
Figure 112015091922058-pat00002
[식 3]
Figure 112015091922058-pat00003
[식 4]
Figure 112015091922058-pat00004
상기 제4단계는 제2단계에서 측정된 온도, 압력 및 산출된 최소유동화속도 정보를 시스템 유량 제어장치에 전송하여 입도분포 값을 역산하고, 상기 역산된 입도분포 값 및 측정된 온도 값을 보정인자로 이용하여 최적유동화속도를 연산하고, 유동층 반응기의 유량을 조절하는 것을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제4단계는 상기 최소유동화속도 측정 장치에서 측정된 온도, 압력 및 산출된 최소유동화속도 정보를 시스템 유량 제어장치에 전송하고, 시스템 유량제어장치에서 하기 식 4를 이용하여, 입도분포값을 역산하고, 상기 역산된 입도분포 값 및 측정된 온도 값을 이용하여 최적유동화속도를 연산한 뒤, 유동층 반응기의 공기주입기(15)에 신호를 전달하여 유동층 반응기의 유량을 변경하는 것일 수 있다
[식 4]
Figure 112015091922058-pat00005
예를 들면, 이러한 제4단계는 시스템 유량 제어장치(300)는 연산부 및 제어부를 포함하는 컴퓨터 프로그램 또는 이러한 프로그램이 설치된 장치를 이용하여 수행될 수 있다.
상기 제4단계에서, 연산부는 예를 들면, 최소유동화속도 측정 장치에서 측정된 온도, 압력 및 산출된 최소 유동화속도에 따라 분체(1)가 주입된 유동층 반응기(100)의 최적유동화속도를 연산하거나, 상기 유동층 반응기(100)에 주입되고 있는 유량이 최적유동화 속도와 오차범위 내에서 일치하는지의 여부(유량의 적절성 여부)를 판단할 수 있다.
상기 제4단계에서, 제어부는 예를 들면, 상기 연산부에서 연산된 최적유동화속도 또는 유량의 적절성 여부에 따라 유동층 반응기 시스템의 유량을 조절하는 역할을 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 연산부는 유동층 반응기(100)의 유량을 최적유동화 속도로 조절할 수 있을 뿐 아니라 유동층 반응기(100)의 유량이 최적유동화 속도와 오차범위를 벗어나는 부적합으로 판단될 경우, 상기 최소유동화속도 측정장치(200)를 제어하여 분체 추출 및 최소유동화속도를 측정하도록 제어할 수 있다.
실시예
이하에서는, 첨부된 도 3 및 도 4를 이용하여 본 발명의 실시예 및 비교예의 효과를 대비하여 나타낸다. 그러나 이들은 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로 제공되는 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
유동층 반응기, 최소유동화속도 측정장치 및 시스템 유량 제어장치를 포함하는 유동층 반응기 시스템을 이용하여, 분체 유동화 반응을 수행하였다.
이때, 최소유동화속도 측정장치를 이용하여, 가동 상태의 상기 유동층 반응기로부터 분체를 채취한 후, 상태에서 분체의 온도 및 압력을 측정하여 최소유동화속도를 산출하고, 측정이 종료된 분체를 상태에서 유동층 반응기로 재주입하였다. 또한, 시스템 유량 제어장치를 이용하여 상기 최소유동화속도 측정 장치에서 측정된 온도, 압력 및 산출된 최소유동화속도에 따라 최적유동화속도를 연산하여 유동층 반응기 시스템의 유량을 조절하였다.
이러한, 실시예 1의 유동층 반응기 시스템의 조업결과를 도 3에 나타내었다.
비교예 1
유동층 반응기 및 시스템 유량 제어장치를 포함하는 유동층 반응기 시스템을 이용하여, 분체 유동화 반응을 수행하였다.
이때, 분체를 유동층 반응기에 투입하기 전 분체의 입도분포를 미리 측정하여 최소유동화속도를 산출하고, 시스템 유량 제어장치를 이용하여 상기 최소유동화속도의 3배로 시스템의 유량을 조절하였다.
이러한, 비교예 1의 유동층 반응기 시스템의 조업결과는 도 4에 나타내었다.
상기 실시예 1 및 비교예 1과 이들의 실제 조업예를 나타내는 도 3 내지 도 4를 통해 알 수 있는 바와 같이, 비교예 1의 유동층 반응기 시스템은 클링커의 발생이 과도하게 유발되어 조업생산성이 우수하지 않음을 알 수 있었다.
100: 유동층 반응기
200: 최소유동화속도 측정장치
300: 시스템 유량 제어장치
10: 유동층 반응기의 반응기
11: 분체 주입구
12: 공기 배출구
13: 공기주입노즐
14: 분산판
15: 공기주입장치
21: 유입 연결라인
22: 배출 연결라인
23: 유입 개폐장치
24: 배출 개폐장치
25: 온도센서
26: 제1압력센서
27: 제2압력센서
28: 분산판
29: 공기주입장치

Claims (12)

  1. 유동층 반응기;
    상기 유동층 반응기와 연결라인을 통해 연결되고, 가동 상태의 상기 유동층 반응기로부터 분체를 채취한 후, 상기 분체의 온도 및 압력을 측정하여 최소유동화속도를 산출하고, 측정이 종료된 분체를 유동층 반응기로 재주입하는 최소유동화속도 측정장치; 및
    상기 유동층 반응기 및 상기 최소유동화속도 측정장치에 각각 전기적으로 연결되며, 상기 최소유동화속도 측정 장치로부터 산출된 최소 유동화속도에 따라 유동층 반응기 시스템의 유량을 조절하는 시스템 유량 제어장치;를 포함하고,
    상기 최소유동화속도 측정장치는
    상기 최소유동화속도 측정장치의 내벽에 설치되어 내부 온도를 측정하는 온도센서;
    상기 최소유동화속도 측정장치의 바닥에 설치되어 유량을 제어할 수 있는 공기주입장치;
    고정층 상태에서 최소유동화속도 측정장치 내부에 분체가 존재하는 하단부(P1)에 설치되어 압력을 측정하는 제1압력센서; 및
    고정층 상태에서 최소유동화속도 측정장치 내부에 분체가 존재하지 않는 상단부(P2)에 설치되어 압력을 측정하는 제2압력센서; 를 포함하고,
    상기 최소유동화속도 측정장치는 유동층 반응기로부터 분체를 유입한 후, 상기 공기주입장치를 통해 0.01 m/s를 최소단위로 유속을 증가시키며, 상기 유속의 증가에 따라 제1압력센서 및 제2압력센서에서 측정된 압력의 차이가 일정해지는 순간의 유속을 최소유동화속도로 측정하는 것인 유동층 반응기 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연결라인은 유동층 반응기에 탈착이 가능한 체결부를 포함하며,
    상기 최소유동화속도 측정장치는 유동층 반응기와의 탈착이 가능한 것인 유동층 반응기 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유동층 반응기는 순환 유동층 반응기이고, 상기 순환 유동층 반응기는 루프실(loopseal), 재순환 열교환기(INTREX, Integrated Heat Exchanger), 유동층 열 교환기(FBHE, Fluidized Bed Heat Exchange) 또는 유동층 저회 냉각기(FBAC, Fluidized Bed Ash Cooler)인 유동층 반응기 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유동층 반응기는 기포 유동층 반응기이고, 상기 기포 유동층 반응기는 기포유동층 연소로, 기포유동층 소각로, 기포유동층 가스화기, 기포유동층 이산화탄소 흡수 반응기, 기포유동층 재생반응기 또는 기포유동층 화학반응기인 유동층 반응기 시스템.
  6. 연결라인을 이용하여 가동 상태의 유동층 반응기로부터 최소유동화속도 측정장치 내부로 분체를 채취하는 제1단계;
    상기 최소유동화속도 측정장치에서, 분체의 온도 및 압력을 측정하여 최소유동화속도를 산출하는 제2단계;
    상기 최소유동화속도 산출이 종료된 분체를 유동층 반응기로 재주입하는 제3단계; 및
    상기 최소유동화속도 측정 장치에서 측정된 온도, 압력 및 산출된 최소 유동화속도 정보를 시스템 유량 제어장치에 전송하고, 상기 시스템 유량 제어장치에 의해 유동층 반응기 시스템의 유량을 조절하는 제4단계;를 포함하고,
    상기 제2단계는 최소유동화속도 측정장치의 유속을 0.01 m/s 단위로 증가시키면서, 고정층 상태에서 최소유동화속도 측정장치 내부에 분체가 존재하는 하단부(P1)의 압력인 제1압력 및 고정층 상태에서 최소유동화속도 측정장치 내부에 분체가 존재하지 않는 상단부(P2)의 압력인 제2압력의 차이를 측정하고, 상기 유속의 증가에 따라 제1압력 및 제2압력의 차이가 일정해지는 순간의 유속을 최소유동화속도로 산출하는 것을 포함하는 분체 유동화 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1단계는 유동층 반응기와 최소유동화속도 측정장치를 연결한 후, 최소유동화속도 측정장치 내부에 가동 중인 유동층 반응기와 동일한 유속의 공기를 공급하여, 가동 중인 유동층 반응기의 분체를 최소유동화속도 측정장치 내부로 유입하는 것을 포함하는 분체 유동화 방법.
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    제3단계는 최소유동화속도 산출이 종료된 후, 제2단계에서 측정된 최소유동화속도를 이용하여 연산한 종말속도 이상의 유속을 갖는 공기를 주입하여 분체를 유동층 반응기로 재주입하는 것을 포함하는 분체 유동화 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제4단계는 제2단계에서 측정된 온도, 압력 및 산출된 최소유동화속도 정보를 시스템 유량 제어장치에 전송하여 입도분포 값을 역산하고, 상기 역산된 입도분포 값 및 측정된 온도 값을 이용하여 최적유동화속도를 연산하고, 유동층 반응기의 유량을 조절하는 것을 포함하는 분체 유동화 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 유동층 반응기는 순환 유동층 반응기이고, 상기 순환 유동층 반응기는 루프실(loopseal), 재순환 열교환기(INTREX, Integrated Heat Exchanger), 유동층 열 교환기(FBHE, Fluidized Bed Heat Exchange) 또는 유동층 저회 냉각기(FBAC, Fluidized Bed Ash Cooler)인 분체 유동화 방법.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 유동층 반응기는 기포 유동층 반응기이고, 상기 기포 유동층 반응기는 기포유동층 연소로, 기포유동층 소각로, 기포유동층 가스화기, 기포유동층 이산화탄소 흡수 반응기, 기포유동층 재생반응기 또는 기포유동층 화학반응기인 분체 유동화 방법.
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