KR20050025159A - 유동층 반응기용 그리드 구조체 및 유동층 반응기로부터거친 물질을 제거하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동층 반응기용 그리드 구조체에 관한 것으로서, 상기 반응기는 고체 입자들의 유동층(fluidized bed)이 유지되어 있는 거의 수직 벽에 의해 한정된 반응실 및 반응기의 하부내의 반응실 아래의 윈드박스(windbox)를 포함한다. 이 그리드 구조체는 반응실 및 윈드박스간에 위치되고, (a) 윈드박스로부터 반응실 내로 유동 가스를 분포시켜 상기 반응실내에서 유동층을 부유(suspend)시키는 다수의 연속적인 노즐 라인 및 (b) 상기 노즐 라인들 간의 연속적인 트렌치(trenches)를 포함한다. 이 노즐 라인은 가스의 대부분이 흐르고 상기 노즐 라인의 측면들에 위치하여 유동 가스 젯(gas jets)이 인접 트렌치를 향하도록 하는 다수의 가스 출구를 포함한다.

Description

유동층 반응기용 그리드 구조체 및 유동층 반응기로부터 거친 물질을 제거하는 방법{GRID CONSTRUCTION FOR A FLUIDIZED BED REACTOR AND A METHOD OF REMOVING COARSE MATERIAL FROM A FLUIDIZED BED REACTOR}

본 발명은 유동층 반응기(fluidized bed reactor)용 그리드 구조체(grid construction) 및 이와 같은 그리드 구조체를 사용하여 유동층 반응기의 최하부에서 거친 물질(coarse material)을 제거하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 유동층 반응기로부터 거친 물질을 신뢰할 수 있고 효율적으로 제거하는데 최적의 내구성이 있는 그리드 구조체에 관한 것이다.

유동층 반응기는 수직벽으로 한정되며, 그 내에 고체 입자들이 유지되어 있는 유동층을 갖는 반응실, 반응기의 하부내의 반응실 아래의 윈드박스(windbox) 및 상기 반응실 내의 유동층을 지지하기 위하여 상기 반응실 및 상기 윈드박스간에 위치하는 그리드 구조체를 포함한다. 그리드 구조체에는 통상적으로, 유동 공기 또는 가스를 윈드박스로부터 반응실 내로 분포시키는 노즐과 같은 수단이 존재한다.

유동층 반응기는 고체 연료의 연소 또는 기화(gasification)와 같은 여러 가지 처리들을 위하여 사용되는데, 이들 처리로 인해 반응실의 최하부, 즉 그리드상에 누적되는 거친 잔류 물질을 발생시킬 수 있다. 거친 물질의 누적은 특히, 돌, 고철과 같은 비연소될 수 있는 물질이 풍부한 고체 연료가 반응실에서 처리될 때, 또는 이 처리가 예를 들어 회분 응집물(ash agglomerations)과 같은 거친 물질을 발생시킬 때 문제가 될 수 있다. 그리드상에 누적되는 거친 물질은 예를 들어 반응실 내로의 유동 가스 또는 처리 가스의 적절한 분포를 방지함으로써, 유동층의 동작에 나쁜 작용을 일으키기 전에 제거되어야만 한다. 따라서, 반응기의 최하부로부터 거친 물질을 적절하게 제거하기 위하여 유동층 반응기에 효율적인 장비가 필요로 된다. 통상적으로, 하나 이상의 방출 덕트(discharge duct)가 반응실에 설치되어 반응기로부터 고체(즉, 거친 물질)를 회수한다.

그러나, 반응실의 최하부에 배치된 종래의 물질 방출 채널(discharge channel)또는 몇개의 물질 인출관(outlet pipe)은 종종, 거친 물질을 효율적으로 제거하는데 불충분한데, 그 이유는 유동 공기에 의해 발생된 랜덤한 이동이 무겁거나 바람직하지 않은 형상의 조각들을 장거리 동안 수평으로 운반할 수 없기 때문이다. 또한, 반응실의 최하부를 따른 물질의 이동은, 특히 거친 물질이 들러붙을 수 있는 위로 돌출한 공기 노즐 또는 이외 다른 불규칙한 물체를 반응실의 최하부가 가질 때, 방해받는다.

유동층의 최하부로부터 물질의 제거를 개선시키기 위한 시도는 방향성 유동 공기 노즐(directional fluidizing air nozzles)을 사용하는 것인데, 이 노즐은 예를 들어 미국 특허 제5,395,596호에 서술된 바와 같이, 블로우잉(blowing)에 의해 물질을 방출구 또는 방출 덕트로 향하도록 안내한다. 그러나, 각각의 공기 노즐은 부식되는 경향이 있고 거친 물질이 노즐에 들러붙을 수 있다.

또 다른 방법은, 반응실의 최하부를 출구에 대하여 하향으로 경사지게 하거나 계단형으로 만듬으로써, 중력이 물질의 수평 이동을 지원하도록 한다. 이와 같은 해결책은 예를 들어 미국 특허 제4,372,228호에 제안되어 있다. 그러나, 이들 해결책이 지닌 문제는, 고속으로 공급되는 운반 공기(transport air) 및 이동 물질에 의해 초래되는 노즐 및 이들 노즐 근처 영역의 마모일 수 있다. 또한, 적어도 최하부가 상당한 레벨 차를 가질 때, 각종 노즐에서 여러 층 압력으로 인해 전체 그리드 에리어에 걸쳐서 공기를 균일하게 하는 것은 어렵다.

미국 특허 제4,748,916호는 거의 수평인 상부 부분를 지닌 노즐 및 유동층 연소기의 최하부에 배치된 이와 같은 노즐 장치를 서술한다. 이 노즐은 2개의 발산하는 공기 젯(two diverging air jet)이 자신의 프론트 엔드로부터 인접 노즐 간의 에리어를 향하도록 한다. 이 특허는 거친 물질이 유동층의 최하부를 따라서 이동될 수 있도록 하는 방식으로 공기를 공급하는 내구성이 있는 노즐을 제공하고자 하는 것이다. 그러나, 이 구조체는 최하부에서 매우 가변하는 유속 필드(flow velocity field)를 제공함으로써, 거친 입자들이 저속 에리어에서 부식 또는 누적될 위험성이 있다.

종래 기술의 상기 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 유동층 반응기의 전체 최하부 에리어로부터 회분 회수지(ash withdrawal)로 거친 회분 및 이외 다른 비연소재들을 효율적으로 그리고 신뢰할 수 있게 운반하는 새로운 그리드 구조체가 필요로 된다.

도1은 본 발명을 따른 그리드 구조체를 지닌 유동층 반응기의 개요적인 단면도.

도2는 본 발명을 따른 그리드 구조체의 일부분의 개요도.

도3a는 본 발명의 제1 실시예를 따른 노즐 유닛의 개요적인 수평 단면도.

도3b는 본 발명의 제1 실시예를 따른 노즐 유닛의 개요적인 부분 단면 측면도.

도3c는 본 발명의 제1 실시예를 따른 노즐 유닛의 개요적인 수직 단면도.

도3d는 본 발명의 제1 실시예를 따른 노즐 유닛의 또 다른 개요적인 수직 단면도.

도4a는 본 발명의 제2 실시예를 따른 노즐 유닛의 개요적인 수평 단면도.

도4b는 본 발명의 제2 실시예를 따른 노즐 유닛의 개요적인 측면도.

도5a는 본 발명의 제3 실시예를 따른 노즐 유닛의 개요적인 수평 단면도.

도5b는 본 발명의 제3 실시예를 따른 노즐 유닛의 개요적인 측면도.

도5c는 본 발명의 제3 실시예를 따른 노즐 유닛의 개요적인 수직 단면도.

따라서, 본 발명의 목적은 상술된 결점을 최소화 한 개선된 그리드 구조체를 제공하는 것이다.

본 발명의 특정한 목적은 거친 물질을 방출시키는 개선된 내구성이 있는 그리드 구조체를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 물질이 유동 공기 노즐에 들러붙는 것을 최소화하는 그리드 구조체를 제공하는 것이다.

본 발명의 이들 및 그외 다른 목적들을 성취하기 위하여, 첨부된 청구범위에 기재된 바와 같은 새로운 장치 및 방법이 제공된다.

따라서, 본 발명을 따른 유동층 반응기용 그리드 구조체가 제공되는데, 이 반응기는 고체 입자들의 유동층이 유지되어 있는 거의 수직 벽에 의해 한정된 반응실 및 반응기의 하부내의 반응실 아래의 윈드박스를 포함하며, 이 그리드 구조체는 반응실 및 윈드박스간에 위치되고, 윈드박스로부터 반응실 내로 유동 가스를 분포시켜 상기 반응실내에서 유동층을 부유(suspend)시키는 다수의 연속적인 노즐 라인 및 상기 노즐 라인들 간의 연속적인 트렌치(trenches)를 포함하는데, 이 노즐 라인은 각 노즐 라인의 측면들에 위치하여 유동 가스 젯이 인접 트렌치를 향하도록 하는 다수의 가스 출구를 포함한다.

또한, 본 발명을 따르면, 유동층 반응기로부터 거친 물질을 제거하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 (a) 반응기의 하부 부분 내의 윈드박스로부터 그리드 구조체를 통해서 반응실 내로 유동 가스 젯을 분사시킴으로써 유동층 반응기의 반응실 내에 고체 입자들의 유동층을 유지시키는 단계로서, 상기 그리드 구조체는 윈드박스로부터 반응실 내로 유동 가스를 분포시켜 상기 반응실내에서 유동층을 부유시키는 다수의 연속적인 노즐 라인을 포함하는, 유지 단계, 및 (b) 상기 반응실의 최하부로부터 거친 물질을 제거하는 단계를 포함하는데, 상기 단계(b)는 상기 가스 젯으로부터 형성된 결합된 가스 스트림에 의해 다수의 노즐 라인 간의 그리드 구조체에 배치된 다수의 트렌치를 따라서 거친 물질을 운반하는 단계를 포함한다.

노즐 라인 및 상기 노즐 라인 간의 트렌치를 포함하는 본 발명을 따른 그리드 구조체는 소위 공기 바 그리드(air bar grid)와 상이한데, 그 이유는 본 발명에서, 트렌치는 대체로 견고하고-타이트하여 거친 물질이 그리드 아래의 포집 퍼넬(collection funnel)로의 노즐 라인 사이에는 존재하지 않기 때문이다. 그리드의 필수 기능은 트렌치를 따라서 수평으로 예를 들어 방출 덕트로 거친 물질을 운반하는 수단을 제공하는 것이다. 노즐 라인 및 트렌치는 매끄러운 표면(smooth surfaces) 및 양호하게-규정된 유동 가스 속도 필드를 제공하여 그리드상에 효율적으로 그리고 신뢰할 수 있게 거친 물질을 운반하는 간단하며 연속적인 구조이다.

본 발명의 바람직한 실시예를 따르면, 다수의 노즐 라인은 측면들 및 끝면들(end faces)을 지닌 다수의 노즐 유닛을 포함하는데, 연속적인 노즐 유닛은 자신들의 끝면상에서 상호 접촉하여 다수의 노즐 라인중 한 라인을 형성한다.

노즐 라인은 자신들의 2개의 대향 측면에서 가스 출구를 포함하여 2개의 인접 트렌치에 유동 가스 젯을 향하게 하는 것이 바람직하다. 가스 출구의 흐름 방향은 거의 수평으로 되어, 거의 수평 가스 젯을 형성할 수 있다. 수평 가스 젯을 사용함으로써, 반응실의 최하부를 따라서 물질을 운반하는 효율성은 최대화 된다. 그러나, 일부 물질에 대해선, 물질이 노즐 유닛 내로 또는 윈드박스로 역이동(backshift)할 위험성을 최소화하기 위하여, 다소 하향으로, 예를 들어 약 5° 내지 10°경사진 가스 흐름 방향을 갖도록 하는 것이 유용할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예를 따르면, 그리드 구조체는 하나 이상의 방출 덕트를 포함하여 반응실로부터 거친 물질을 회수하고, 가스 출구의 흐름 방향은 인접 트렌치와 직각을 형성하여 고체 물질이 트렌치를 따라서 방출 덕트를 향하도록 한다. 그리드 구조체는 평행 노즐 라인 및 트렌치를 포함하는 여러 그리드 에리어로 이루어져, 어떤 물질 흐름 방향을 갖도록 한다. 거친 물질이 결국 전체 그리드 에리어로부터 방출 덕트로 포집되도록, 그리드 영역이 배치된다.

노즐의 가스 출구는 원형 단면을 가질 수 있다. 그러나, 트렌치에서 매우 균일한 공기 분포를 획득하기 위해선, 가스 출구는 주로 수평인 것이 바람직한데, 즉, 가스 출구의 수평 폭은 가스 출구의 각각의 높이 보다 훨씬 큰 것이 바람직하다. 가스 출구의 폭은 각각의 높이 보다 적어도 4배인 것이 바람직하다. 또한, 가스 출구는 일렬의 여러 작은 개구를 포함할 수 있다. 가스 출구의 폭은 노즐 유닛의 측면의 상당 부분을 커버할 수 있다. 노즐 라인의 측면에서 가스 출구의 총 수평 폭은 각 노즐 라인의 측면의 총 수평 치수의 적어도 약 20%, 바람직하게는 적어도 약 40%인 것이 바람직하다.

가스를 가스 출구로 공급하기 위하여, 노즐 유닛은 윈드박스 및 가스 출구와 흐름 연결(flow connection)되는 수직 덕트를 포함할 수 있다. 가스 출구 개구 또는 채널은 수직 덕트에 직접 연결될 수 있다. 그러나, 특히 평평한 가스 출구를 사용할 때, 노즐 유닛은 수직 덕트 및 가스 출구를 연결하는 거의 수평 중앙 채널을 포함하는 것이 바람직하다. 중앙 채널은 흐름 방향에서 감소되는 수직 단면적을 가져, 평평한 가스 출구의 유속을 균일하게 한다.

균일한 유속은 매우 중요한데, 만일 균일하지 않게되면 노즐 유닛으로 향하는 역 흐름(return flow)이 출구의 어떤 부분들에서 발생될 수 있기 때문이다. 이 역 흐름은 노즐 내에서 물질을 포집하게 하여 노즐을 급격하게 부식시킬 수 있다. 불균일한 유속은 또한, 가스 젯의 어떤 부분에서 불필요하게 높은 유속을 의미하는데, 이는 인접 표면, 예를 들어 인접 트렌치의 대향 측상의 노즐의 측면으로의 충격(impingement)으로 인해 부식의 위험성을 증가시킨다.

노즐에 의해 제공되는 유속 필드는 반응기의 최하부상에 거친 물질을 운반시키는 효율성에 상당한 영향을 미친다. 본 발명을 사용함으로써, 양호하게-규정된 유속 필드가 제공된다. 가스 출구의 수, 크기 및 형상을 최적화함으로써, 트렌치 내의 가스 흐름은 트렌치를 따라서 양호하게 향하도록 하고 상대적으로 일정한 속도, 예를 들어, 30-50m/s를 갖는다. 트렌치 및 노즐 라인 바로 위의 가스 흐름 또한 매우 양호하게 향하도록 하고 예를 들어 10-30m/s의 속도를 갖는다. 반응기 하부로부터 매우 높은 곳에서, 가스 흐름의 주 방향은 위로 향하고, 속도는 겉보기 유동 속도(superficial fluidization velocity)의 레벨, 예를 들어 2-8m/s이다.

특정 응용에 요구되는 유속은 이 응용에 사용되는 물질 및 반응기 구조체에 좌우된다. 본 그리드 구조체에 의해, 거친 고체 물질은 노즐의 출구에서 매우 높은 가스 유속 없이 반응기의 최하부 상에 효율적으로 운반된다. 따라서, 그리드의 부식 위험성은 최소화 된다. 따라서, 본 구조체에 의해, 유속은 노즐의 가스 출구의 크기 또는 윈드박스의 압력을 가변시킴으로서 손쉽게 최적화될 수 있다.

가스 출구는 출구의 흐름 방향을 한정하는 측벽 및 충분한 축방향 길이를 갖는 간단한 개구 또는 채널일 수 있다. 그러나, 본 발명을 따른 어떤 노즐 유닛 구조체에선, 가스 젯의 방향성을 개선시키기 위하여 가스 출구 채널 내에서 안내 소자를 갖는 것이 유용하다. 예를 들어, 노즐 라인의 대부분의 측면을 커버하는 매우 넓은 수평 가스 출구가 트렌치에 걸쳐서 균일하게 가스를 분포시키기 위하여 사용될 때, 이와 같은 안내 소자가 사용될 수 있다.

유동 가스 노즐은 반응실에서 균일하고 안정한 유동화를 보장하기 위하여 충분히 압력 강하되어야 한다. 본 발명의 바람직한 실시예를 따르면, 노즐의 주 압력 강하는 수직 공기 튜브의 상부 부분에, 바람직하게는 상기 튜브의 최상부 에지에 배치된 제어 플레이트에 의해 제공된다. 제어 플레이트는 구멍(hole)을 갖는 것이 바람직한데, 이 구멍의 크기는 필요한 압력 강하를 얻도록 조정될 수 있다. 경사진 최하부에서 공기 노즐을 사용할 때, 압력 강하는 상이한 최하부의 고도에서 노즐에 대해 상이하게 되어, 노즐을 통해서 균일한 가스 유속을 제공하여야 한다. 제어 플레이트에 의해, 최하부가 높은 고도에서의 노즐의 압력 강하는 이 보다 낮은 고도에서의 노즐의 압력 강하보다 높게되도록 손쉽게 조정될 수 있다.

수직 공기 튜브의 최상부 부분에서의 제어 플레이트의 대안으로서, 노즐의 압력 강하는 또한, 상기 구조체의 어떤 다른 에리어에서 조정될 수 있다. 이 압력 강하는 노즐의 중앙 채널 또는 출구 개구에서 수직 공기 덕트의 최하부 부분에서의 압축에 의해 조정될 수 있다. 그러나, 공기 덕트의 최하부 부분에서의 압축은 역이동의 위험성을 증가시키고, 중앙 채널 또는 출구 개구에서의 압축은 균일한 가스 흐름 분포를 방해할 수 있다.

노즐 유닛은 주조(casting)에 의해 용이하게 제조된다. 이들 노즐 유닛은 주조 금속 또는 주조 내화물(cast metal or cast refractory)중 어느 하나로 제조될 수 있다. 노즐 유닛이 주조 내화물로 제조되고 트렌치가 내화물에 의해 커버될 때, 극히 내구성이 있는 그리드 구조체가 형성된다. 그러나, 그리드 노즐이 통상, 매우 가혹한 조건에서 사용되기 때문에, 어떤 작동 시간 후에, 이들 노즐은 새로운 노즐로 대체되어야 한다. 따라서, 그리드 노즐의 간편한 대체는 필수적인 요구조건이다. 유용하고 일반적인 형태의 본 발명의 노즐로 인해, 이들 노즐은 많은 간편한 방법으로 설치될 수 있다. 한가지 가능한 방법은 노즐 양단의 핀에 의해 노즐을 직접 수직 공기 덕트에 부착시키는 것이다. 또 다른 가능한 방법은 노즐의 측상의 러그(lug)에 의해 노즐을 설치하는 것이다. 이 설치가 행해질 때, 노즐은 내화 물질에 유용하게 담겨져, 부착 수단을 커버하고 출구 개구의 하부 에지의 레벨까지 신장된다.

본 발명에 대한 상기 간단한 설명 뿐만 아니라 부가적인 목적, 특징 및 장점이 이하의 상세한 설명을 참조하여 보다 명백하게 이해될 것이지만, 첨부한 도면과 관련하여 설명된 본 발명을 따른 실시예들은 단지 예시를 위한 것이다.

도1은 고체 입자의 유동층(16)이 유지되어 있는 수직 벽(14)에 의해 한정된 반응실(12)을 지닌 유동층(10)의 수직 단면도 이다. 반응기(10)의 하부 부분에서, 반응실(12) 아래에 윈드박스(18)가 있다. 반응실(12) 및 윈드박스(18)사이에 그리드(20)가 위치되어 상기 반응실 내에서 유동층(16)을 부유시킨다. 이 유동층(16)은 유동 가스 입구 수단(22)을 통해서 유동 가스를 윈드박스(18)로 도입함으로써 유동 상태로 유지되는데, 상기 윈드박스로부터의 가스는 그리드(20) 내에 배치된 노즐 라인(24)을 통해서 반응실(12)로 분사된다.

도1은 고속 유동층 반응기를 도시한 것인데, 이 반응기에서 반응실(12) 내의 유동 가스의 속도는 너무 높게 되어, 고체 연료, 가능한 흡수제 및 불활성 층 물질(inert bed material)과 같은 고체 입자가 반응실(12)의 상부 부분으로 유동 가스와 비말동반(entrain)되고 출구 개구(26)를 통해서 사이클론(cyclone)으로 비말동반된다. 사이클론(28)에서, 배기 가스와 비말동반되는 대부분의 고체 입자는 배기 가스와 분리된다. 이에 따라서 세정된 배기 가스는 가스 방출(30)을 통해서 방출되고 분리된 고체 입자는 리턴 덕트(32)를 통해서 반응실(12)로 되돌아 간다. 대안적으로, 반응기(10)는 또한, 저속 유동층 반응기와 같은 어떤 다른 유형의 유동층 반응기일 수 있다.

고체 연료의 연소 또는 기화와 같은 반응실(12)에서 일어나는 처리는 통상적으로, 일정한 강세 운동(vigorous motion)하는 유동 가스로 인한 회분 또는 숯(char)과 같은 미세한 잔류 물질을 발생시키고 방출 덕트(34)를 통해서 반응실(12)로부터 제거될 수 있다. 그러나, 반응실(12)에서의 이 처리는 또한, 반응실(12)의 최하부로 내려가는 회분 응집물과 같은 거친 고체 물질을 발생시킬 수 있고 특수한 수단에 의해서만 출구(34)로 드리프트될 수 있다. 입구 수단(36)을 통해서 반응실(12)내로 도입되는 고체 물질은 또한, 돌 또는 고철과 같은 거친 고체 입자를 포함할 수 있는데, 이들 입자들은 반응실(12)의 최하부로부터 제거되어야 한다. 반응실(12)의 최하부 상의 거친 입자의 이동을 지원하기 위하여, 그리드(20)는 도1에 도시된 바와 같이 방출 덕트(34)를 향하여 경사질 수 있다. 그러나, 이 그리드(20)의 구조체는 도2에 보다 상세하게 도시된 바와 같이, 방출 덕트(34)를 향하여 거친 물질을 운반하는 새롭고 효율적인 장치 및 방법을 제공한다.

도2는 본 발명을 따른 그리드 구조체(40)의 일부분을 도시한 것이다. 이 그리드 구조체(40)는 끝면(44) 및 측면(46)을 갖는 노즐 유닛(42)을 포함한다. 노즐 유닛(42)은 자신들의 끝면(44)과 상호 접촉함으로써 연속적인 노즐 라인(48, 48')을 형성한다. 노즐 라인(48, 48')은 불균일하고 불안정한 유동 공기 흐름 패턴을 야기시키는 돌출 또는 홈이 없는 간단하면서 견고한 라인인 것이 바람직하다. 이와 같은 불균일 또는 불안정한 흐름 패턴은 그리드상의 고체 물질의 흐름을 방해하여 그리드 구조체(40)의 부식의 위험성을 증가시킨다. 트렌치(50), 즉, 노즐 라인(48, 48')의 최상부 보다 낮은 레벨에서의 그리드(40)의 매끄러운 직선 부분이 인접 평행 노즐 라인(48, 48')의 각각의 쌍 간에 형성된다.

노즐 유닛(42)의 측면(46)은 가스 출구(52)를 포함하는데, 이 출구를 통해서 유동 가스 젯(54)이 인접 트렌치(50, 50')로 분사된다. 가스 젯(54)이 예를 들어 인접 트렌치(50, 50')의 수직에 대해 약 20°내지 약 70°각도로 향하도록, 가스 출구(52)를 형성하는 것이 바람직하다. 따라서, 가스 젯(54)은 각 트렌치(50, 50')에서 결합된 가스 스트림(56)을 형성하는데, 이 스트림은 트렌치(50, 50')를 따라서 고체 물질 방출 개구(58)를 향하여 효율적으로 거친 고체 물질을 이동시킨다.

결합된 가스 스트림(56)은 고체 물질을 방출 개구(58)로 직접 또는 포집 에리어(60)로 안내하는데, 이 에리어에서 여러 트렌치(50, 50')로부터 포집된 물질은 예를 들어 효율적인 가스 스트림(62)에 의해 방출 개구(58)를 향하여 운반된다. 이와 같은 효율적인 가스 스트림은 예를 들어, 포집 에리어(60)에 인접한 노즐 유닛(42)의 끝면(44')에서의 특수한 가스 출구 개구(64)에 의해 제공될 수 있다. 포집 에리어(60)의 최하부는 방출 개구(58)를 향하여 경사질 수 있다. 포집 에리어(60)는 또한, 제1 노즐 라인(48)에 수직한 노즐 라인을 포함할 수 있다.

다수의 그리드 부분으로부터 최하부 그리드를 구성하도록 하는 많은 대안적인 방법들이 존재한다는 것이 당업자에게 명백한데, 각 그리드 부분은 평행한 노즐 라인 및 트렌치와 포집 에리어를 포함하여, 거친 고체 재료가 유동층 반응기의 전체 최하부 에리어로부터 방출 개구로 효율적으로 운반되도록 한다. 노즐 라인 및 유닛 내의 출구 개구의 배열은 그리드내 이들 유닛의 위치에 좌우될 수 있다. 일 예로서, 도2에 도시된 노즐 라인(48")과 같은 그리드의 에지상의 노즐 라인은 단지 한 측면(46)상에서만 가스 출구(52)를 포함할 수 있다.

도3a, 도3b 및 도3d는 본 발명을 따른 그리드 구조체에 사용될 노즐 유닛(70)의 제1 바람직한 실시예를 도시한 것이다. 도3a는 노즐 유닛의 측면(74 및 74')에서 2개의 가스 출구(72 및 72')와 함께 노즐 유닛(70)의 수평 단면을 도시한 것이다. 유동 가스 젯(76, 76')은 가스 출구(72, 72')를 통해서 인접 트렌치(78, 78')로 분사된다.

노즐 유닛(70)은 끝면(80 및 80')에 의해 유사한 인접 노즐 유닛(70' 및 70")에 접속된다. 노즐 유닛(70, 70', 70")은 매끄러운 결합된 측면을 지닌 노즐 라인(82)의 일부분을 형성한다. 트렌치(78)에서, 트렌치(78)의 대향 측에 위치된 노즐 유닛(70 및 70''')으로부터의 가스 젯(76 및 76')은 결합된 가스 흐름(84)으로서 융합(merge)되며, 이는 트렌치(78)를 따라서 효율적으로 거친 재료를 운반한다. 동시에, 예를 들어, 트렌치(78) 내의 물질 및 가스젯(76")은 노즐 유닛(70''')을 노즐 유닛(70)으로부터의 고속 가스 젯(76)에 의해 야기되는 부식으로부터 보호한다.

노즐 유닛(70)의 끝면(80') 근처에 수직 입구(86)가 배치되어, 그리드 구조체(40) 아래에 위치되는 윈드박스로부터 노즐 유닛(70)으로 가스를 안내한다. 수직 입구(86)는 수평 중앙 채널(88)에 의해 가스 출구(72)에 연결된다. 수직 입구(86) 및 중앙 채널(88)은 또한, 노즐(70)의 부분적인 단면 측면을 도시한 도3b에 도시되어 있다. 도3b는 가스 출구(72)가 가급적 평평한 수직 단면을 갖는 다는 것을 도시하는데, 즉 가스 출구의 각각의 폭이 가스 출구의 각각의 높이 보다 훨씬 크다는 것을 도시한다.

도3b는 또한, 중앙 채널(88)이 가스 흐름 방향에서 협소화되어 일정한 유속을 유지시키고 가스를 가능한 넓은 출구 개구(72)에 걸쳐서 균일하게 분포시키는 것을 도시한다. 출구(72)에서의 균일한 가스 분포는 가스 출구(72) 및 인접 트렌치(78)에서 이상적인 가스 흐름 패턴을 파괴하는 것을 피하도록 하는데 매우 중요하다. 불균일한 가스 흐름은 또한, 노즐내에 포집되는 물질로 인해 역 흐름을 초래하고 부식을 증가시킬 수 있다.

도3b는 또한, 노즐 유닛(70)의 끝면(80, 80')과 인접 노즐 유닛(70', 70")이 어떻게 접속되는 지를 도시한 측면도이다. 상호접속된 노즐 유닛(70, 70' 및 70")의 최상부면(90)은 반응실의 최하부상의 거친 입자가 들러붙는 돌출 또는 홈이 없는 매끄러운 최상부 표면을 형성한다.

도3c 및 도3d는 도3b의 선 A-A 및 B-B 각각을 따라서 본 수직 단면도이다. 이들 단면도는 노즐 유닛(70)의 바람직하지만 전형적인 형상을 도시한다. 본 발명의 각 실시예에서, 노즐 유닛의 수직 단면은 도3c 및 도3d에 도시된 단면과 많은 면에서 상이할 수 있다. 도3c를 따르면, 중앙 채널(88) 및 가스 출구(72. 72')의 최하부는 평평하다. 유동층에서 어떤 유형의 고체 재료로 인해, 가스 출구(72, 72')를 가스 흐름 방향에서 다소 하향으로 경사지도록 하는 것이 유용할 수 있다. 약 10°내지 약 20°의 경사각이 노즐 유닛(70) 내부로 물질이 역이동할 위험성을 더욱 최소화한다. 도3c 및 도3d는 노즐 유닛(70)의 측면(74, 74')이 수직이라는 것을 도시한다. 어떤 층 재료로 인해, 측면의 최상부 부분은 노즐(70) 내부로의 역이동을 더욱 방지하기 위하여 어느 정도 만큼, 예를 들어 약 10°만큼 경사지게 하는 것이 유용할 수 있다. 도3c 및 도3d는 평평한 최상부 면(90)을 도시한다. 어떤 응용에선, 상이한 최상부 면(90)을 갖도록 하는 것이 유용할 수 있다. 예를 들어, 이는 쐐기모양(wedge)이 될 수 있거나, 이의 외부 에지(92)는 둥글게 될 수 있다.

도3d는 노즐 유닛(70)의 입구 부분 및 노즐 유닛(70)의 수직 개구(86)에 배치된 수직 덕트(94)의 수직 단면도이다. 유동 가스는 그리드 구조체 아래의 윈드박스로부터 덕트(94)를 통해서 노즐 유닛(70)으로 안내된다. 개구(98)를 지닌 플레이트(96)는 덕트(94)의 상부 에지에 배치된다. 이 플레이트(96)는 노즐 유닛의 압력 강하를 적절한 레벨로 조정하는데 사용되는 압축을 제공한다. 그리드 구조체가 방출 덕트에 대해서 경사질 때, 노즐 유닛은 상이한 수직 레벨 및 상이한 평균 층 압력으로 된다. 따라서, 이들 노즐 유닛은 유동층의 모든 부분에서 고체 물질의 안정한 유동화를 유지하기 위하여 상이한 압력 강하를 필요로 한다. 플레이트(96)의 개구(98)로 인해, 필요한 만큼 각 노즐의 압력 강하를 조정하는 것이 용이하게 된다.

도4a 및 도4b는 본 발명을 따른 그리드 구조체에 사용될 수 있는 또 다른 바람직한 노즐 유닛(11)을 도시한 것이다. 도4a는 노즐 유닛(110)의 수평 단면도이고 도4b는 이 노즐 유닛의 측면도인데, 이 노즐 유닛(110)은 가스 출구(114, 114' 및 114a, 114a') 각각을 통해서 인접 트렌치로 유동 가스를 각각 분사하는 2개의 수직 개구(112, 112a)를 포함한다는 점에서 도3a 내지 도3d에 도시된 노즐 유닛과 상이하다. 출구(114, 114', 114a, 114a')로부터의 가스 젯의 방향성을 개선시키기 위하여, 각각의 가스 출구는 스플리터(116)에 의해 2개의 부분으로 분할된다. 가스 출구(114)가 매우 넓을 때, 이들 출구는 2개, 또는 심지어 2개 이상의 스플리터(116)에 의해 분할될 수 있다.

도5a, 도5b 및 도5c는 본 발명을 따른 그리드 구조체에서 사용될 수 있는 제3의 바람직한 실시예의 노즐 유닛(120)을 도시한 것이다. 노즐 유닛(120)의 도5a의 가스 출구들(122)중 한 출구를 따라서 본, 수평 단면도가 도5a에, 측면도가 도5b에, 수직 단면도가 도5c에 도시되어 있다. 노즐 유닛(120)은 가스 출구(122)가 평평한 것이 아니라 원형 단면을 갖는다는 점에서 이전 노즐 유닛과 상이하다. 많은 원형 가스 출구를 가짐으로써, 상대적으로 균일한 결합된 가스 스트림이 인접 트렌치에 제공될 수 있다. 도5c는 쐐기모양의 최상부 표면(124), 경사진 측면(126) 및 가스 출구 채널(122)를 갖는 노즐 유닛(120)의 일예를 도시한 단면도이다.

물론, 본 발명을 따른 그리드 구조체용 노즐 유닛을 구성하는 또 다른 대안이 존재한다. 한가지 가능한 방법은 도3a에 도시된 바와 같이 수직 입구 채널에 접속된 수평 중앙 채널을 형성하는 것인데, 이 중앙 채널은 도5a에 도시된 바와 같이 여러 원형 출구 채널에 접속된다.

본 발명이 가장 바람직한 실시예라고 간주된 예들에 의해 본원에서 서술되었지만, 본 발명이 서술된 실시예들로 국한되는 것이 아니라 첨부된 청구범위에 규정된 바와 같이 본 발명의 범위내에 포함되는 특징 및 여러가지 다른 응용들의 각종 조합 또는 수정을 커버한다는 것을 이해하여야 한다.

Claims (25)

1. 유동층 반응기용 그리드 구조체(40)로서, 상기 반응기는 거의 수직 벽에 의해 한정되며 고체 입자들의 유동층이 유지되는 반응실(12) 및 상기 반응기 하부내의 반응실 아래의 윈드박스(18)를 포함하며, 상기 그리드 구조체는 상기 반응실 및 상기 윈드박스간에 위치되고, 상기 그리드 구조체는:

   상기 반응실로부터 거친 물질을 회수하는 적어도 하나 이상의 방출 덕트(34);

   상기 윈드박스로부터 유동 가스를 상기 반응실내로 분포시켜 상기 반응실에서 상기 유동층을 부유시키는 다수의 연속적인 노즐 라인(48, 82); 및,

   상기 노즐 라인들간의 연속적인 트렌치(50, 78)를 포함하며,

   상기 노즐 라인은 상기 노즐 라인의 측면(46, 74, 126)에서 주 가스 흐름 방향을 갖는 다수의 가스 출구(52, 72, 114, 122)를 포함하여 유동 가스 젯(54, 76)이 인접 트렌치를 향하도록 하며,

   상기 다수의 가스 출구의 주 가스 흐름 방향은 인접 트렌치와 직각을 형성하여 고체 물질이 상기 트렌치를 따라서 상기 적어도 하나 이상의 방출 덕트중 한 덕트를 향하도록 하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기용 그리드 구조체.
2. 제1항에 있어서, 상기 노즐 라인은 상기 노즐 라인의 2개의 대향하는 측면에서 가스 출구를 포함하여 유동 가스 젯이 2개의 인접 트렌치로 향하도록 하는 유동층 반응기용 그리드 구조체.
3. 제1항에 있어서, 상기 다수의 가스 출구의 주 가스 흐름 방향은 거의 수평으로 되어 거의 수평 가스 젯을 형성하는 유동층 반응기용 그리드 구조체.
4. 제1항에 있어서, 상기 다수의 가스 출구(72)는 자신의 높이의 적어도 4배의 수평폭을 가지며, 상기 노즐 라인의 측면에서 가스 출구의 총 수평폭은 상기 노즐 라인의 측면의 총 수평 치수의 적어도 약 20% 신장되는 유동층 반응기용 그리드 구조체.
5. 제4항에 있어서, 상기 노즐 라인의 측면에서 가스 출구의 총 수평폭은 상기 노즐 라인의 측면의 총 수평 치수의 적어도 약 40% 신장되는 유동층 반응기용 그리드 구조체.
6. 제1항에 있어서, 상기 노즐 라인은 측면(46) 및 끝면(44)을 갖는 다수의 연속적인 노즐 유닛(70)을 포함하며, 상기 연속적인 노즐 유닛은 자신들의 끝면상에서 상호 접촉하여 상기 다수의 노즐 라인들(48)중 한 라인을 형성하는 유동층 반응기용 그리드 구조체.
7. 제6항에 있어서, 상기 노즐 유닛은 상기 윈드박스 및 및 상기 다수의 가스 출구들중 적어도 한 출구와 흐름 연결되는 수직 덕트(94)를 포함하는 유동층 반응기용 그리드 구조체.
8. 제7항에 있어서, 상기 노즐 유닛은 상기 수직 덕트 및 상기 다수의 가스 출구들중 적어도 한 출구를 연결하는 거의 수평 중앙 채널(88)을 포함하며, 상기 중앙 채널은 수직 단면적을 감소시키는 유입 흐름 방향을 갖는 유동층 반응기용 그리드 구조체.
9. 제7항에 있어서, 상기 유동 가스의 압력 강하를 조정하기 위한 제한부(96)는 상기 수직 덕트(94)의 상부 부분에 배치되는 유동층 반응기용 그리드 구조체.
10. 제1항에 있어서, 상기 다수의 노즐 라인(48, 82)은 주조 내화물로 형성되는 유동층 반응기용 그리드 구조체.
11. 유동층 반응기로부터 거친 물질을 제거하는 방법으로서,

    반응기의 하부 부분 내의 윈드박스로부터 그리드 구조체를 통해서 반응실 내로 유동 가스 젯(54, 76)을 분사시킴으로써 상기 유동층 반응기의 반응실 내에 고체 입자들의 유동층을 유지시키는 단계로서, 상기 그리드 구조체는 상기 윈드박스로부터 반응실 내로 유동 가스를 분포시켜 상기 반응실내에서 유동층을 부유시키는 다수의 연속적인 노즐 라인(48,82)을 포함하는, 유지 단계 및,

    상기 반응실의 최하부로부터 거친 물질을 제거하는 단계로서, 상기 제거 단계는 상기 가스 젯으로부터 형성된 결합된 가스 스트림(56)에 의해 상기 다수의 노즐 라인 간의 상기 그리드 구조체에 배치된 다수의 트렌치(50, 78)를 따라서 거친 물질을 운반하는 단계를 포함하는, 제거 단계를 포함하는 유동층 반응기로부터 거친 물질을 제거하는 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 가스 젯을 거의 수평으로 분사시키는 단계를 더 포함하는 유동층 반응기로부터 거친 물질을 제거하는 방법.
13. 제11항에 있어서, 고체 물질이 상기 트렌치를 따라서 방출 덕트를 향하도록, 인접 트렌치의 수직에 대해 적어도 약 20°내지 약 70°각도로 상기 가스 젯을 분사시키는 단계를 더 포함하는 유동층 반응기로부터 거친 물질을 제거하는 방법.
14. 제11항에 있어서, 빔의 각 높이 보다 적어도 4배의 폭을 각각 갖는 빔으로서 상기 가스 젯을 분사시키는 단계를 더 포함하는 유동층 반응기로부터 거친 물질을 제거하는 방법.
15. 제11항에 있어서, 상기 노즐 라인은 유동 가스 젯이 인접 트렌치를 향하도록 상기 노즐 라인의 측면에서 주 가스 흐름 방향을 갖는 다수의 가스 출구를 포함하는 유동층 반응기로부터 거친 물질을 제거하는 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 노즐 라인은 상기 노즐 라인의 2개의 대향 측면에서 가스 출구를 포함하고, 유동 가스 젯이 2개의 인접 트렌치를 향하도록 하는 단계를 더 포함하는 유동층 반응기로부터 거친 물질을 제거하는 방법.
17. 제15항에 있어서, 상기 다수의 가스 출구의 상기 주 가스 흐름 방향은 거의 수평으로 되어 거의 수평 가스 젯을 형성하는 유동층 반응기로부터 거친 물질을 제거하는 방법.
18. 제15항에 있어서, 하나 이상의 방출 덕트는 상기 반응실로부터 거친 물질을 회수하기 위하여 제공되며, 상기 다수의 가스 출구의 상기 주 가스 흐름 방향은 인접 트렌치와 직각을 형성하여 고체 물질이 상기 트렌치를 따라서 상기 하나 이상의 방출 덕트중 한 덕트를 향하도록 하는 유동층 반응기로부터 거친 물질을 제거하는 방법.
19. 제15항에 있어서, 상기 다수의 가스 출구는 자신의 높이의 적어도 4배의 수평폭을 가지며, 노즐 라인의 측면에서 가스 출구의 총 수평폭은 상기 노즐 라인의 측면의 총 수평 치수의 적어도 약 20% 신장되는 유동층 반응기로부터 거친 물질을 제거하는 방법.
20. 제19항에 있어서, 상기 노즐 라인의 측면에서 가스 출구의 총 수평폭은 상기 노즐 라인의 측면의 총 수평 치수의 적어도 약 40% 신장되는 유동층 반응기로부터 거친 물질을 제거하는 방법.
21. 제15항에 있어서, 상기 노즐 라인은 측면 및 끝면을 갖는 다수의 연속적인 노즐 유닛을 포함하며, 상기 연속적인 노즐 유닛은 자신들의 끝면상에서 상호 접촉하여 상기 다수의 노즐 라인들중 한 라인을 형성하는 유동층 반응기로부터 거친 물질을 제거하는 방법.
22. 제21항에 있어서, 상기 노즐 유닛은 상기 윈드박스 및 및 상기 다수의 가스 출구들중 적어도 한 출구와 흐름 연결되는 수직 덕트를 포함하는 유동층 반응기로부터 거친 물질을 제거하는 방법.
23. 제22항에 있어서, 상기 노즐 유닛은 상기 수직 덕트 및 상기 다수의 가스 출구들중 적어도 한 출구를 연결하는 거의 수평 중앙 채널을 포함하며, 상기 중앙 채널은 수직 단면적을 감소시키는 유입 흐름 방향을 갖는 유동층 반응기로부터 거친 물질을 제거하는 방법.
24. 제22항에 있어서, 상기 유동 가스의 압력 강하를 조정하기 위한 제한부를 상기 수직 덕트의 상부 부분에 배치하는 단계를 더 포함하는 유동층 반응기로부터 거친 물질을 제거하는 방법.
25. 제11항에 있어서, 상기 다수의 노즐 라인은 주조 내화물로 형성되는 유동층 반응기로부터 거친 물질을 제거하는 방법.