KR20000032785A - 유동베드 처리용의 개량된 노 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동화된 가스를 유도하는 복수의 노즐을 포함하는 유동베드 반응기에 관한 것으로, 적어도 일부분의 노즐은 유동화된 가스의 유동을 노즐로 다시 향하게 하는 노즐 입구에 인접한 판을 구비하고 있다. 노즐의 입구에 판을 구비함으로써 다음과 같은 효과가 달성된다. 유동화된 가스의 유동이 노즐을 통해 분배되더라도 노즐을 통한 압력강하는 상대적으로 높게 유지되므로 유동화된 가스의 가속도를 적절히 해주는데 이는 노즐 내부표면에의 미세입자 부착을 방지해준다.

Description

유동베드 처리용의 개량된 노 장치(improved furnace apparatus for fluidized bed processes)

본 발명은 유동화된 고체입자 시스템에 사용되는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유동베드 처리에 있어서 특히 철광석의 직접 환원에 유용한 장치에 관한 것이다.

유동화 처리는 철광석의 직접 환원에 있어서 상당한 중요성을 갖는다. 철광석 환원를 위한 전형적인 유동화 처리에 있어서 산화철은 단일 환원단계 또는 보다 일반적으로 일련의 환원단계를 갖는 수직용기(반응기)에서 점진적으로 환원된다. 이와 같은 처리에 있어서, 환원될 광석은 용기의 정상부로 공급되어 용기 내에서 위로 올라가는 유동화된 가스의 유동에 대하여 대향류를 형성하는 관계를 갖도록 아래쪽으로 유동한다. 유동화된 가스는 일반적으로 일산화 탄소, 수소 그리고 기타 주지의 가스 혼합체로 구성된 고온 환원가스를 포함하고 있다.

유동화된 가스는 철광석과 접촉하도록 복수의 노즐을 통해 유동베드로 분배되며, 용기 내부에 배치된 수평벽에 구비된다. 특히 철광석의 직접환원을 위한 유동화 처리에 있어서 이러한 노즐의 오염 및 막힘으로 인해 중대한 문제가 발생된다. 노즐의 오염 및 막힘은 노즐의 내벽에 부착되어, 내벽면에 쌓임으로써 결국에는 노즐을 완전히 막아버리는 금속 입자로 된 "미세입자"의 부착과 유관하다. 노즐의 내부벽면에 미세입자가 부착되는 것을 방지하는 방식으로 노즐을 통해 원활한 유동이 이루어지도록 원추형의 노즐이 결합된 유동화된 가스의 입구에 차폐판을 구비하도록 한 발명이 미국 특허 제3,910,769호에 제안된 바 있다. 이러한 설계가 유용한 것으로 판명된 바 있으나, 이 설계는 특히 노즐의 외부링과 관련하여 문제가 있는 것으로 드러났다. 차폐판은 노즐의 외부링에, 보다 구체적으로는 노즐의 외부링 벽 일부분에 미세입자가 우선적으로 쌓이게 하는 것으로 알려졌다. 이와 같이 미세입자가 쌓이는 것은 노즐 입구에서 강력한 횡유동을 발생시키는 차폐판으로 인한 것이다.

따라서, 본 발명의 주목적은 노즐 외부링의 노즐 입구에서 횡유동이 발생하는 것을 방지함으로써 노즐의 외부링에 미세입자가 과도하게 쌓이지 못하도록 하는 메카니즘을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따르면 유동베드 장치 내의 적어도 노즐의 외부링은 유동화된 가스의 유동을 노즐로 되돌리는 노즐 입구에 인접한 판을 구비한다. 노즐의 입구에 판을 구비함으로써 다음과 같은 효과가 달성된다. 노즐을 통한 유동화된 가스의 유동이 분배되더라도 노즐을 통한 압력강하는 상대적으로 높게 유지되므로 유동화된 가스의 가속도를 적절하게 유지해 주며, 이는 노즐 내부표면에의 미세입자 부착을 방지한다. 본 발명의 다른 목적이나 장점은 아래에 설명될 것이다.

본 발명이 도 1에 개략적으로 예시된 바와 같이 특히 단일베드 반응기를 참조로 설명되어 있지만 본 발명은 이론적으로 제안된 복수의 단일베드 반응기 뿐만 아니라 미국 특허 제3,910,769호에 개시된 타입의 다중베드 반응기에도 마찬가지로 적용될 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 개량된 노즐구조를 예시하는 유동베드 타입 용기의 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 노즐 디자인의 확대도.

도 3은 도 1의 22선에 따른 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 용기(반응기) 12 : 고체입자 입구

14 : 고체입자 출구 16 : 가스 입구

18 : 가스 라인 20 : 벽

22 : 고체입자부 24 : 가스공급부

26 : 차폐판 28 : 노즐

30 : 벽 32 : 판

34 : 입구 개구부 36 : 지지부재

도 1을 참조하면, 철광석 직접환원에 채용되는 타입의 수직 반응기(10)가 도시되어 있다. 미세한 철광석 덩어리는 용기(10)의 정상부에 있는 고체입자 입구(12)를 통하여 용기(10)로 공급된다. 환원된 철광석은 고체입자 출구(14)를 통해 용기(10)의 바닥에서 제거된다. 고온 환원가스 형태의 유동화된 가스는 유동화된 가스의 입구(16)를 통하여 용기(10)의 바닥으로 공급된다. 소모된 환원가스는 라인(18)을 통해 용기(10)의 정상부로부터 회복된다. 용기(10)는 벽수단(20)에 의해 벽수단(20) 위의 유동화된 고체입자부(22)와 벽(20) 아래의 유동화된 가스공급부(24)로 분할되어 있다.

유동화된 가스공급부는 유동화된 가스의 입구(16)로부터 공급된 유동화된 가스를 벽(20)에 구비된 복수의 노즐(28)쪽으로 분배하기 위한 입구(16) 하류측에 인접한 차폐판(26)을 구비하고 있다. 위에서 언급한 바와 같이 차폐판(26)은 벽(20)에 구비된 노즐(28) 외부링의 입구에 적절한 횡유동을 발생시킨다. 이는 노즐 외부링의 벽(30) 일부분에 미세입자가 쌓이게 한다. 이러한 현상을 방지하기 위해서는 적어도 벽(20) 내의 노즐(28) 외부링이 노즐(28)을 통한 유동화된 가스의 유동을 원활하게 분배하도록 유동화된 가스를 되돌리는 역할을 하는 별개의 판(32)을 구비한다.

도 2를 참조로, 본 발명의 노즐 디자인이 상세히 설명될 것이다. 각각의 노즐(28) 또는 적어도 벽부재(20) 내에 노즐(28) 외부링을 포함하는 노즐은 노즐을 통한 유동화된 가스의 유동이 균일하게 되도록 유동화된 가스의 유동을 되돌리기 위해 노즐의 입구 개구부(34)에 인접한 판(32)을 구비하고 있다. 본 발명에 따르면 판(32)은 노즐(28)의 입구직경(Di)보다 큰 직경(Dp)을 가지고 있다. 판(32)은 유동화된 가스 유동을 효과적으로 되돌리면서 동시에 노즐(28) 입구(34)로의 유동화된 가스의 접근에 역으로 작용하지 않도록 하기 위해 노즐의 입구(34)로부터 상대적으로 짧은 거리(H)만큼 떨어져 있어야 하는 것을 알 수 있다. 거리(H)는 판의 직경(Dp)과 함께 노즐(28)을 통한 유동화된 가스의 최적 유동을 보장하게 된다. 노즐(28)은 원추형으로 되어 있는데, 그 측벽은 노즐을 통한 유동화된 가스의 가속도가 노즐 내부면에 미세입자의 부착을 방지하기에 충분하도록 하는 각도(α)를 이루고 있다. 노즐(28)의 형상과 크기는 판(32)의 형상 및 노즐 입구(34)에 대한 상대위치와 함께 최적의 유동화딘 가스유동을 보장한다.

본 발명에 따라, 원추형 노즐은 약 330㎜ 내지 450㎜ 사이의 길이와, 약 100㎜ 내지 120㎜ 사이의 입구직경(Di)과, 약 35㎜ 내지 45㎜ 사이의 출구직경(Do) 그리고 약 5°내지 약 8°사이의 각도(α)를 가지고 있는 것이 바람직한 것을 알 수 있으며, 산화철의 직접환원에 사용되는 유동베드 반응기에 특히 유용하다. 이러한 노즐 설계에 의하면 판(32)은 입구(34)와 노즐(28)로부터 약 125㎜ 내지 약 225㎜ 사이의 거리(H)만큼 떨어져 배치되어 있고 판의 직경(Dp)은 150㎜ 내지 230㎜ 사이에 있어야 하는 것을 알 수 있다. 위에서 설명한 바와 노즐(28)에 대한 판(32)의 설계는 유동화 가스의 되돌림과 노즐(28)을 통한 유동화 가스의 유동을 최적화한다.

바람직하게는 노즐의 크기가 위에서 제시한 범위내에 있으나 노즐은 다음과 같은 치수관계를 유지하여야 한다: (Di-Do)/L의 비는 0.175 내지 0.281 사이에 있고, (Di-Do)의 비는 2.6 내지 4.8 사이에 있으며, 각도(α)는 약 5° 내지 8° 사이에 있다. 이와 같은 노즐의 설계에 의해서 판(32)은 노즐(28)의 입구(34)로부터 2 내지 4.1 사이의 비(L/H)에 따른 거리(H)만큼 떨어져 배치되어야 하며, 판의 직경(Dp)과 입구의 직경(Di) 사이의 비(Dp/Do)는 1.3 내지 1.6 사이에 있어야 하는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따르면 판(32)은 도 3에 예시된 바와 같이 약 120°정도 각도가 떨어져 있는 노즐에 체결되는 로드 등의 형태를 갖는 복수의 지지부재(36)에 의하여 원하는 거리(H)만큼 떨어진 위치의 노즐(28)에 체결되어 있다. 로드(36)는 납땜 등에 의해 노즐(28)과 판(32)에 체결될 수도 있다. 로드(36)는 노즐(28) 상에 판(32)을 반드시 지지하면서도 동시에 노즐(28) 입구(34)로의 유동화 가스의 접근을 방해하지 않도록 가능한한 작게 제작된다.

본 발명의 노즐 설계는 유동화 가스의 노즐(28) 입구(34)로의 원활한 접근을 보장하며, 노즐 입구에 강력한 횡유동이 발생하는 문제점을 해소시키며 따라서 특히 벽(20) 외부링 내의 노즐에 대하여 노즐의 외부표면 상에 미세입자가 선택적으로 쌓이는 것을 방지한다. 본 발명에 따르면, 모든 노즐은 본 발명에 따라 판(32)을 구비할 수도 있으나; 다른 경우에 있어서는 노즐의 외부링에 대해서만 판(32)을 구비시키는 것이 필요할 수도 있다.

본 발명은 여기에 설명 및 도시되어 있으며, 본 발명을 수행하기 위한 최적의 모드를 단지 예시적으로 설명하고 있을 뿐이고, 형태, 크기, 부품의 배열 및 상세 작동 등의 수정이 가능한 실시예에 제한되지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 더욱이 특허청구범위에 한정된 바와 같은 발명의 사상 및 영역 내의 모든 수정을 포괄하도록 한 것이다.

Claims (21)

1. 유동화된 고체입자용 유동경로를 형성하는 용기; 제1 방향으로 상기 용기 내에 고체입자를 유도하는 고체입자 입구수단; 상기 제1 방향에 대해 실질적으로 역행하는 흐름을 갖는 제2 방향으로 상기 용기 내에 유동화 가스를 유도하는 유동화 가스 입구수단; 상기 용기로부터 상기 유동화된 고체입자를 제거하는 고체입자 출구수단; 상기 용기로부터 상기 유동화 가스를 제거하는 유동화 가스 출구수단; 상기 용기를 유동화된 고체입자부와 유동화 가스공급부로 분할하기 위해 상기 고체입자 입구수단과 상기 유동화 가스 입구수단 사이에서 상기 용기 내에 배치되어 있는 벽수단; 상기 유동화 가스공급부로부터 상기 유동화된 고체입자부로 유동화 가스를 연결시키기 위한 입구와 출구를 각각 가지고 있으며 상기 벽수단 내에 위치하는 복수의 노즐; 상기 유동화 가스 입구수단으로부터 상기 복수의 노즐 쪽으로 유동화 가스를 공급 분배하기 위해 상기 벽수단과 상기 유동화 가스입구수단 사이에서 상기 유동화 가스공급부 내에 위치하는 차폐판 수단; 및 상기 복수의 노즐의 적어도 일부분을 통해 상기 유동화 가스유동을 되돌리기 위해 상기 복수의 노즐의 상기 적어도 일부분의 입구로부터 인접하게 떨어져 있는 판수단;으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 유동화된 고체입자 시스템에 사용되는 노장치.
2. 제1 항에 있어서, 상기 복수의 노즐은 입구직경(Di)과 출구직경(Do)을 가지며 입구직경(Di)이 출구직경(Do)보다 큰 원추형으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제2 항에 있어서, 상기 판수단은 직경(Dp)을 가지며 직경(Dp)은 직경(Di)보다 큰 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제1 항에 있어서, 상기 노즐입구로부터 거리(H)만큼 위쪽에 상기 판수단을 지지하기 위해 상기 노즐에 체결되는 지지수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제4 항에 있어서, 거리(H)는 약 125㎜ 내지 약 225㎜ 사이의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제4 항에 있어서, 상기 지지수단은 약 120°의 각도 간격으로 노즐에 체결된 3개의 로드로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제2 항에 있어서, 상기 원추형 노즐은 약 5°내지 8°사이의 각도(α)를 이루는 측벽부분을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제2 항에 있어서, 직경(Do)은 약 35㎜ 내지 45㎜ 사이의 길이를 가지고 있으며, 직경(Di)은 약 100㎜ 내지 120㎜ 사이의 길이를 가지고 있고, 노즐은 약 330㎜ 내지 450㎜ 사이의 길이(L)를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제3 항에 있어서, 직경(Dp)은 약 150㎜ 내지 230㎜ 사이의 길이를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제3 항에 있어서, 직경(Do)은 약 35㎜ 내지 45㎜ 사이의 길이를 가지고 있으며, 직경(Di)은 약 100㎜ 내지 120㎜ 사이의 길이를 가지고 있고, 노즐은 약 330㎜ 내지 450㎜ 사이의 길이(L)를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제10 항에 있어서, 직경(Dp)은 약 150㎜ 내지 230㎜ 사이의 길이를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제11 항에 있어서, 상기 노즐입구로부터 거리(H)만큼 위쪽에 상기 판수단을 지지하기 위해 상기 노즐에 체결되는 지지수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제12 항에 있어서, 거리(H)는 약 125㎜ 내지 약 225㎜ 사이의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제13 항에 있어서, 상기 원추형 노즐은 약 5°내지 8°사이의 각도(α)를 이루는 측벽부분을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
15. 제4 항에 있어서, 비(L/H)는 2 내지 4.1 사이의 값을 가지며, L은 노즐의 길이인 것을 특징으로 하는 장치.
16. 제2 항에 있어서, 비(Di/Do)는 2.6 내지 4.8 사이의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
17. 제3 항에 있어서, 비(Dp/Di)는 1.3 내지 1.6 사이의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
18. 제3 항에 있어서, 비(Di/Do)는 2.6 내지 4.8 사이의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
19. 제10 항에 있어서, 비(Dp/Di)는 1.3 내지 1.6 사이의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
20. 제12 항에 있어서, 비(L/H)는 2 내지 4.1 사이의 값을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
21. 제2 항에 있어서, 비((Di-Do)/L)는 0.175 내지 0.281 사이의 값을 가지며, L은 노즐의 길이인 것을 특징으로 하는 장치.