KR20090127796A - 회전 킬른용 가스분배기 - Google Patents

Abstract

고체 바이오매스와 다른 탄소함유 물질의 효율적인 혼합을 위하여 그리고 고체 바이오매스와 다른 탄소함유 물질로부터 합성 연료 가스로 최대로 변환하기 위한 가스 산화제와 바이오매스와 다른 탄소함유 물질을 위한 회전 킬른과 같은 회전 반응기용 회전 공기 분배기가 개시된다. 가스 분배 포트는 고정 전방판을 통하여 회전 반응기로 들어가고 고체 바이오매스와 다른 탄소함유 물질이 산화제와 다른 반응제가 혼합이 잘되고, 이들 고체 물질로부터 연료 가스로 고 변환을 산출하도록 고체 탄소함유 물질과 근접하게 되도록 이들 가스를 적절히 공급하도록 반응기 안으로 충분히 뻗어 있다. 가스 분배 포트는 반응로의 연장된 길이에 걸쳐 가스 분배를 제공하도록 반응로의 길이를 따라 다른 각도와 다른 위치로 들어간 복수의 배출 노즐로부터 하나의 주공급원을 구비한다. 모든 분배 노즐은 일정한 길이를 가지고 있으며 이 때문에 이들은 회전 반응로 내에 놓이는 대부분의 고체 탄소함유 물질 근처의 반응로의 벽 근처에서 종단된다. 가스 분배 포트로부터의 가스 분배는 포트 내부의 플러그의 위치를 변경하여 조절되며 반응로의 길이를 따라 가스-고체물질이 최적으로 상호반응하도록 킬른 운전 중에 조절될 수 있다. 전체의 가스 분배 포트는 반응로 내부에서 난류를 일으키도록 외부에 장착된 모터에 의해 회전되고 이는 가스-고체물질의 상호반응을 촉진하고 이에 의해 반응로 내부에서 반응한다. 가스 분배 포트의 회전 작용은 또한 반응을 한 바이오매스 고체물질과 다른 탄소함유 물질 잔류물이 반응로를 통하여 통과하기 용이하게 한다.

Description

회전 킬른용 가스분배기{Gas Distriburor For a Rotary Kiln}

본 발명은 바이오매스와 고체 폐기물과 같은 고체 탄소함유 물질을 기화시키기 위한 회전 킬른과 같은 회전 반응로, 특히 가스 고체물질 반응을 촉진하기 위하여 반응로 내부에서 가스 고체물질을 확실하게 혼합하는 가스 분배기를 갖는 회전 킬른의 내부에 공기, 산소, 수증기와 같은 가스를 도입하기 위한 가스 분배기에 관한 것이다.

지난 20 여년 동안, 바이오매스의 기화에 관한 관심은 에너지 안전 요구에 부응하기 위한 이유로서 보급을 위한 전략을 향상시킴과 함께 외국 수입을 대체하기 위해 재생가능한 자원으로부터 에너지를 생산하기 위해 채택되었다. 이러한 새로운 관심은 그 자체의 타르 함유량을 정화하는 것으로부터 발생되는 연료 가스를 효율적으로 바이오매스를 기화하기 위한 신규한 방법의 개발을 촉진하였다. 통상적으로, 바이오매스는 화석 연료와 비교하여 적절하게 값싸며 풍부하여 쉽게 구할 수 있는 식물에서 나온 물질을 포함한다. 또한, 바이오매스는 잠재적으로 화학적 연료유나 발전용으로 전용할 수도 있다. 바이오매스 자원의 몇몇 예로서는, 비제한적으로, 목재, 풀, 농업 및 농장 쓰레기, 거름, 폐지, 볏짚 및 왕겨, 옥수수대 및 옥수수 속대, 사탕수수 줄기, 가금류 깔개짚, 사탕수수 찌끼, 식물유 추출물로부터 나온 쓰레기, 조개 껍질, 코코넛 껍질, 나무껍질 세편, 음식물 쓰레기, 도시 쓰레기, 도시 고체 폐기물을 들 수 있다.

회전 킬른 내에서 가스 고체물질 혼합을 개선하기 위해 제안된 몇몇 종래의 시도와, 간접 수단에 의해 회전 킬른 내에서 탄소함유 물질을 합성 연료 가스의 변환을 개선하기 위한 제안을 이하에 설명한다.

종래 기술에 있어서, 회전 킬른은 킬른의 외피를 통하는 복수의 포트를 구비함으로써 그 전체 길이에 걸쳐 반응로 내로 공기, 수증기, 연료를 받아들이도록 되어 있다고 공지되어 있다. 이러한 장치들의 예로서, 미국특허 제1,216,667호 및 제2,091,850호, 제3,182,980호가 있다. 이러한 킬른의 포트 장치는 미국특허 제3,794,483호, 제3,946,949호, 제4,214,707호에 개시되어 있다. 어떤 종래 기술, 즉 미국특허 제2,091,850호에 있어서, 공기는 킬른 외피에 천공된 수백 개의 포트를 통하여 킬른 내로 주입된다. 이러한 종래 기술은, 공기를 킬른 내로 도입시키는 수단이 구비되어 있고 베드 위에 포트가 있거나 베드에 물질이 장입될지라도 그 운전, 제어, 유지보수는 성가시고 귀찮았다. 상기 장치가 포트보다 작은 직경을 가진 입자를 포함하는 혼합된 크기의 물질을 처리한다면, 이들 작은 입자의 물질은 포트로 들어갈 것이고 이에 관련된 파이프가 포트를 막게되고 이에따라 반응로 내로의 공기의 유동이 제한될 것이다. 이들 몇몇 포트가 막힐 때, 반응로로 들어가는 공기의 양은 그에 따라 줄어들 것이고 이에 의해 킬른의 용량은 그에 따라 감소될 것이다. 이러한 종류의 손상은 또한 유지보수의 필요성을 증가시키고 반응로의 정지시간을 증가시킨다.

유입 포트와 관련 파이프로부터의 물질의 막힘을 방지하기 위한 개선책으로서 미국특허 제4,214,707호에는 이들 포트를 자체 정화하는 방법이 개시되어 있다. 상기 특허에서, 각각의 포트는 킬른 내로 공기를 도입하기 위한 복수의 구멍을 갖는 노즐을 가진다. 노즐의 뒤에는 미로 트랩이 있다. 킬른으로부터의 입자들은 포트가 킬른 내의 물질 아래를 통과할 때, 노즐 구멍을 통하여 트랩 안으로 통과하게 허용한다. 트랩 내의 복수의 구멍은 공기가 트랩을 통과하여 킬른 내로 흘러 들어갈때, 공기가 소용돌이를 일으키게 한다. 이러한 개선책은 관련된 포트 파이프로 입자 물질이 들어가는 것을 방지하지만, 약간의 매우 작은 입자들은 결국 이러한 여과 기구를 약화시켜 파이프를 통과하게 하고 공기가 반응로로 들어가는 것을 제한하게 된다.

킬른에 잔류하는 고체 물질을 효과적으로 교통시키기 위해 회전 반응로에 균일하게 공기와 수증기를 도입하는 데 관련된 문제점이 있기 때문에 반응로에 이들 가스를 도입하기 위한 문제점을 완전히 회피하는 대신에 연구자들은 바이오매스와 탄소함유 물질을 킬른의 외피를 간접 가열하여 연료 가스로 변환하는 방책을 고안했다. 앤드로우트소포우로스(Androutsopoulos)와 햇질리베리스(Hatzilyberis)(참조 2)에 의해 수행된 연구 중의 한 연구에 있어서, 연구자들은 킬른 외피를 간접 가열하여 열을 반응로에 공급하는 열의 간접 가열 상태에서 갈탄의 기화를 위한 회전 킬른 반응로를 가동하였다. 가스의 성분비는 통합 가스 고체물질 혼합물을 갖는 기화 반응로에 의해 생성된 것과 비교하여 찾아냈다. 연구자들은 일반적으로 유동화 베드와 내장 베드 반응로와 같은 다른 형식의 반응로를 가진 경우에서와 같이 입자 크기 범위를 걸러냄이 없이 광범위한 입자 크기의 입자를 사용할 수 있는 킬른 반응로를 개시하였다. 본 연구는 반응로 내에 공기를 직접 주입함이 없이 갈탄의 변환 범위를 개시하지는 않았으나, 킬른 반응로(참조 1) 내로의 공기의 주입 또는 비주입에 대한 다른 연구로부터의 판단은 달성된 석탄의 변환은 낮은 쪽에서 의심스럽다.

판토지 달레상드로(Fantozzi D'Alessandro)와 데시더리(Desideri)(참조 3)의 다른 유사한 연구에 있어서, 연구자들은 바이오매스로부터 연료 가스를 발생시키기 위해 킬른 외피를 간접 가열하는 것을 제시하였다. 이 연구에 있어서, 킬른 외피를 간접 가열하기 위한 연료로서 사용하는 한 다량의 탄소가 고체 잔류물로 남게 되고, 바이오매스를 연료 가스로 변환하는 효율적인 공정은 크게 감소된다.

미국특허출원 제20050095183호에 있어서, 킬른 내로 공기와 수증기를 도입하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에 있어서, 복수의 포트를 갖는 여러 개의 분절 내로 고정 파이프가 킬른 내에 고정되고 이는 킬른의 고정 단부에 의해 지지된다. 포트의 여러가지 구성은 반응로 내로 공기와 수증기를 도입하도록 개시되어 있다. 그러나, 이러한 포트는 고체 반응에 대한 의도된 가스 반응보다 가스 반응에 대하여 대부분의 가스가 바람직하지 않게 되는 결과를 낼 수도 있는 포트의 각각의 부분 둘레로부터 공기와 수증기를 균일하게 분산시키는데 기초를 두고 있다. 가스 고체물질의 혼합은 고정 파이프의 위치에 따라 크게 의존되며 킬른 내에 잔류하는 고체물질에 대하여 포트의 크기 및 위치에 따라 달라진다. 이러한 분배장치는 고 체 바이오매스와 다른 고체 탄소함유 연료를 가스 연료로의 최적의 변환을 야기하기 위해 가스와 반응로 사이에서 강력히 혼합하기에는 역부족이다. 본 발명은 킬른 반응로 내측에서 가스 고체물질의 혼합의 특정 양태의 개선책이다.

본 발명은 임산물이나 농산물 잔류물, 동물 쓰레기, 박테리아 슬러지, 스웨지 슬러지, 도시 고체 폐기물, 음식물 쓰레기, 소의 동물 부분, 균류 물질, 공업 고체 폐기물, 폐타이어, 석탄 세정 잔류물, 석유 코크스, 유혈암(Oil Shale), 석탄, 토탄, 아탄, 폐유, 공업 액체 폐기물, 석유 정제 잔류물, 타르 및 오일의 무가스 합성연료를 유지하도록 공업적 방법에 의해 생산된 휘발성 유기 복합물 등 고체, 액체, 가스 유기물 등을 무제한적으로 사용하는 반응로에 관한 것이다. 이러한 형태의 유기물 물질을 보통 고정 탄소, 휘발성 물질 및 재를 포함하여 탄소함유 물질이라 부른다.

모든 탄소함유 물질에 존재하는 습기는 또한 휘발성 물질을 포함한다. 변환의 주목적은 고체 잔류물로서 재만을 남기면서 탄소나 휘발성 물질을 완전하게 변환시켜 합성 연료 가스를 얻기 위함이다. 유기 물질의 이러한 변환은 고온 환경에서 이들 유기 물질과 수증기, 공기 또는 산소를 결합하여 이루어진다. 주어진 온도에서 가스-고체 접촉을 위해 할당된 가스-고체 접촉, 온도 및 시간은 유기 물질 의 변환 기간 동안 반응로 용기 내에서 모든 역할을 한다. 유기물 공급 물질의 대부분의 시간과 습기 용량은 변환 반응에 적절하다. 그러나, 본 발명은 이러한 장 치로부터 균질의 합성 가스를 생산하기 위하여 부가적으로 습기를 도입하는 것을 포함한다. 본 발명은 반응로 용기 내에 도입하기 전의 유기물 공급 물질의 사전 건조는 포함하지 않는다.

탄소함유 물질을 직접 연소시켜 유기 물질을 합성 가스로 변환하는 것은 매우 큰 이점이 있다. 상기한 탄소함유 물질의 직접 연소는 연기를 배출하며 인간 건강에 해로운 원치않는 공해 물질을 배출하게 된다. 그 밖에도, 직접 연소는 굴뚝에 타르가 퇴적되게 하며 이는 화재의 위험이 있다. 대조적으로, 제조 후 및 청정 후, 합성 연료 가스는 단순한 청정 연소성 연소 가스, 즉 비연소성 질소, 이산화탄소와 수증기와 함께 일산화 탄소, 수소와 약간의 메탄 가스를 포함한다. 이러한 합성 연료 가스는 내연 기관의 연료로서 사용하는 데 또한 적합하다.

탄소함유 물질을 합성 연료 가스로 변환시키는 데 이상적인 장치는 원산지, 크기, 및 배합비에 제한됨이 없이 모든 형태의 탄소함유 물질을 도입할 수 있는 능력을 가진 것이며, 장치 내로 도입될 공기와 수증기를 포함하는 가스와 장치에 존재하는 고체 물질 사이에서 이상적인 혼합을 제공하는 것이다. 탄소를 함유하는 모든 종류의 물질을 합성 연료 가스로 변환할 수 있는 여러 장치가 있으나, 어느 것도 제한적이지 않은 것이 없다.

예를 들면, 거품 유동화 베드 반응로는 고체 물질과 가스의 이상적인 접촉을 제공하는 장치로 잘 알려져 있으나, 이들 장치는 탄소함유 물질의 크기와 여러 형태를 취급하는 면에 대하여 융통성이 부족하다. 유동화 베드 장치의 운전은 하나의 특정한 형태로 제한되고 탄소함유 물질의 하나의 크기로 제한되고, 이 때문에 반응로로 도입되는 공기와 수증기와 같은 반응 가스양과 탄소함유 물질의 조성비 사이에서의 균형과 함께 탄소함유 물질의 크기와 유동화 속도 사이에서의 균형을 미묘하게 한다.

고체물질과 가스 사이에서의 양호한 접촉을 하는 반응로의 다른 예는 순환 베드 수용 반응로이다. 이러한 형식의 반응로는 반응로 용기 내에서 고체물질의 연속적인 순환에 의해 고체물질과 가스 사이에서의 접촉 시간을 증가시켜 준다. 이러한 형식의 반응로는 탄소함유 물질의 형태와 크기에 대한 융통성이 없다.

소규모의 이용가능한 반응로에 있어서, 반응로는 상향 기화기, 하향 기화기, 혼합형 기화기 중의 하나이다. 이들 형태의 모든 반응로는 이들이 취급할 수 있는 탄소함유 물질의 밀도와 크기에 따라 제한을 가진다. 그 밖에, 이들 반응로의 어느 것도 탄소함유 물질에서 합성 연료 가스로의 최대 변환을 얻기 위해 없어서는 안 될 고체물질과 가스 사이에서의 이상적인 혼합을 제공할 능력을 가진 것은 없다. 불량 혼합의 결과로서, 이들 반응로는 고체 잔류물과 함께 상당한 양의 탄소를 잃게 된다.

상기한 모든 장치와 비교하여, 킬른과 같은 회전 반응로는 형태, 배합비, 크기에 있어서 불규칙한 탄소함유 물질의 다대한 배열을 취급할 수 있는 면에서 가장 유연하고 융통성이 있다. 회전 킬른 장치는 탄소함유 물질의 사용도 또는 합성 연료 가스 수요에 필요한 전부하 및 부분 부하로 운전하기에 적절하다. 회전 킬른의 주요 약점은 가스와 고체물질의 혼합에 있어서 탄소함유 물질을 합성 연료 가스로의 높은 변환율을 얻기 곤란함이다. CPL 산업(참조 1)에 의해 수행된 연구에 있어 서, 킬른 내에 적절한 혼합 장치 없이는 탄소함유 물질에서 합성 연료 가스로의 고변환을 얻는 것이 가능하지 않다는 것이 명백하다. 고체물질과 가스 사이에서 적절한 혼합없이는 공기와 수증기는 고체물질과 반응하지 않는 경향이 있고 그 대신에 가스와 반응하는 경향이 있으며 이에 의해 가열치에 대하여 합성 연료 가스의 질에 악영향을 미치는 경향을 가진다. 더욱이, 공기와 수증기의 통과는 탄소함유 물질의 낮은 변환율을 나타내고 많은 탄소를 고체 잔류물과 함께 잃게 된다.

본 발명은 반응로 내부에서 가스 고체물질의 혼합을 매우 개선하고 이에 의해 탄소함유 물질에서 합성 연료 가스로의 최대 변환을 보장하는 킬른이 회전 반응로 내에 설치되어 있을 때, 기화 반응에 따라 공기, 수증기 및 다른 가스를 시스템적으로 도입하는 장치를 제공한다. 가스 고체물질 혼합 능력과 불규칙한 형태의 탄소함유 물질, 배합비, 크기를 광범위하게 수용하기 위한 본래의 유연성과 탄소함유 물질의 부하의 큰 변화량으로 동작할 수 있는 능력과 결합된 능력을 가진 킬른 반응로는 소형 장치 또는 대형 장치용 전력 생산용으로 선택되는 반응로가 될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 회전 킬른의 고정판에 의해 고정되고 회전 킬른의 내부와 연통하도록 위치되어 있는 포트 조립체가 제공된다. 포트 조립체는 킬른 내에 존재하는 고체물질과 이들 노즐로부터 나오는 가스들 사이에서 밀접한 혼합을 촉진함과 함께 킬른 내부로 가스를 분배하기 위한 주 도관으로부터 뻗어 있는 여러 개의 노즐과 함께 킬른 안으로 공기, 산소 수증기와 같은 가스를 도입하기 위한 주 도관을 포함한다. 주 도관은 킬른이 기화기로서 운전된다면 킬른 내로 약 3분의 2정도 뻗어 있다. 상기 도관은 킬른이 연소기로서 운전된다면 킬른 단부까지 전길이에 걸쳐 뻗어 있다. 가동 가스 플러그는 주 도관 내측에 삽입되어 있다. 이러한 가스 플러그의 위치는 반응가스가 도입되는 킬른의 길이를 결정한다. 이러한 유연성은 탄소함유 물질을 기화시키는 경우에 중요하고, 이는 가스와 고체 물질 사이에서 반응을 실시하기 위하여 필요한 에너지를 제공하기 위하여 공기 또는 산소와 함께 탄소함유 물질 부분을 연소시킬 필요가 있어 중요하고 합성 연료 가스를 산출하도록 수증기와 탄소함유 물질 사이에서 흡열 반응을 유지하기 위하여 반응로의 온도를 유지하여야 하기 때문에 중요하다. 대조적으로, 탄소함유 물질의 연소는 킬른에 공급되는 공기 또는 산소에 의해 완전하게 연소되고 그러므로 공기는 반응로를 통하여 공급된다. 사실은, 연소를 위하여, 완전 연소에 필요한 공기 이상의 부가적인 공기가 열을 흡수하고 온도에 관한 조건과 무관하게 운전을 제어하기 위하여 킬른 내로 도입된다. 상기 도관은 조립체의 먼쪽 단부에서 차단되고 이에 의해 노즐을 통하여 가스가 충분히 배출된다.

노즐의 개수와 간격은 장치의 크기에 따라 달라지며 처리에 필요한 가스 유량에 대응한다. 다음 설명은 본 발명의 여러 적용 중에 한가지이다. 본 기술분야에 숙달된자에게는 본 포트 조립체와 관련된 여러 적용과 함께 포트 조립체의 여러 가능한 장치를 쉽게 알 수 있을 것이다. 이들 모든 적용 및 장치는 본 발명을 의미하고 포함된다.

본 발명의 포트 조립체는 최소 3개의 노즐이 노즐 설치를 위해 형성된 도관 둘레와 각각 관련된다. 이러한 개수는 도관의 직경과 주 도관을 통하여 통과하는 가스 유동량에 따라 달라진다. 이들 외주 노즐은 주 도관의 길이를 따라 반복된다. 또, 최소한 3열의 노즐이 바람직하고, 각열은 서로 같은 거리에 있다. 이러한 개수는 킬른의 길이와 킬른 안으로 도입되는 가스량에 따라 달라진다.

주 도관으로부터 돌출된 노즐은 수직방향으로부터 -60도로부터 +60도까지의 각도로 설치할 수 있다. 수직방향은 노즐이 주 도관에 수직으로 설치됨을 의미한다. 본 발명은 주 도관에 설치된 각 노즐에 대한 가능한 모든 방향을 포함한다. 모든 노즐은 하나의 특정 각도로 균일하게 장착될 수 있고; 동일 또는 다른 각도로 서로 향하거나 향하지 않게 불균일하게 장착될 수도 있다. 그러나, 이러한 치수는 일반적이지 않으며 인접한 킬른 벽으로부터 이들이 종단되는 것을 결정함은 본원에 적용된 적용에 따라 달라진다.

일반적으로, 포트 조립체에서의 주어진 외주에서의 노즐의 직경은 동일할 필요는 없지만 동일하다. 그러나, 킬른 안으로 이동할 때, 노즐의 직경은 그들을 따라 압력 강하가 감소되도록 주 도관을 따라 점진적으로 커지게 되고 이때문에 가스유동은 모든 노즐에서 방해를 받지 않을 수 있다.

킬른 벽에 대한 가스 제트의 직접적인 타격의 효과를 감소시키기 위하여, 적절한 머즐 장치가 설치될 수 있다.

본 발명은 다음과 같은 잇점을 가진다:

킬른 기화기 내에서 가스와 탄소함유 물질 사이의 밀접한 접촉을 허용함으로 써 탄소함유 물질의 완전한 이용이 얻어지는 효과가 있다.

킬른의 가열된 내화물 라이닝 내에서 가스와 고체물질 사이에서의 밀접한 접촉을 허용하여 기화를 위한 적절한 열이 가스 내에 존재하는 산소와 함께 탄소함유 물질의 부분 연소됨과 함께 내화물 라이닝에 의해 보유되어 있는 열에 의해 제공되기 때문에 더욱 신속하게 일어나고, 이에 의해 킬른 기화기의 전체 길이를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

기화기의 벽에서 난류에 부가될 수 있는 가스 기화기기 회전하고 이 때문에 탄소함유 물질을 더욱 잘 이용하고 최적의 반응을 얻기 위하여 가스와 고체물질 사이에서 상호 작용을 증가시키게 되는 효과가 있다.

노즐이 주 포트에 대하여 마이너스 각도를 향해 대향되어 있을 때, 반응가스에 대해 부가적인 잔류 시간을 허용하고, 이 때문에 더 많은 시간동안 반응이 일어나게 되는 효과가 있다. 이러한 유연함은 전체 기화가 짧은 시간에 일어나고 이에 의해 킬른의 길이는 더 감소되는 효과가 있다.

본 발명을 본 발명의 특정 실시예에 의해 더욱 상세히 설명할 것이고, 본 발명의 기술사상이나 영역을 벗어남이 없이 한 변경 및 수정도 본 기술분야게 숙달된자에게는 명백할 것이다.

도 1은 본 발명이 실시될 수 있는 여러 회전 킬른 장치 중의 하나를 도시한 도면이다. 도 1을 보면, 회전 킬른 기화기(1)는 탄소함유 물질(2)을 공급하기 위한 적절한 유입구와, 공기와 수증기(3)와 같은 반응가스를 공급하기 적절한 유입구 와, 연료가스(4)를 배출하기에 적절한 배출구와, 재(5)를 배출하기에 적절한 배출구를 갖는 중공의 내화물이 발라져 있는 용기이다. 도 1에 도시된 회전 킬른은 또한 동일한 효율을 가진 연소기로서 운전될 수도 있다. 기화기(1)는 탄소함유 물질의 요구되는 용량을 기화하기에 충분히 커야하며, 탄소함유 물질과 가스 반응제 사이에서 기화 반응을 위한 적절한 잔류 시간을 제공할 만큼 커야만 한다. 기화기(1)의 내부는 열을 흡수하도록 유동하는 액체를 포함하는 튜브와 같은 열전달 장치에 의해 둘러싸이거나 내화물(6)로 발라져 있는 것이 바람직하다. 내화물로 발라진 킬른은 열간 내화물이 열을 보유하고 접촉될 탄소함유 물질에 열을 전달하고 상기 탄소함유 물질의 온도를 높이고 상기 고체물질과 가스 반응제가 기화 반응을 개시하기가 쉬워지기 때문에 바람직하다.

킬른이 회전하는 성질 때문에, 탄소함유 물질이 상기 킬른 안으로 도입될 때, 고체 탄소함유 물질은 일반적으로 상기 킬른의 벽을 향해 가라앉는다. 대조적으로, 킬른의 헤드에서 도입된 가스의 유동은 킬른의 중간 부분을 통하여 유동하고 그 결과로, 고체물질과 가스 사이에서 최소의 상호반응이 이러한 형식의 장치에서 기대된다. 이러한 장치에서 최대의 효과를 얻기 위하여, 가스-고체물질 상호반응을 최대화시키는 것이 필수이다. 이것은 본 발명의 회전 가스 분배기(7)가 달성하는 것과 같다.

회전 가스 분배기(7)는 상기 가스 분배기를 통하여 도입되고 있는 반응가스와 함께 킬른 내에 존재하는 고체 탄소함유 물질 사이에서 최대 상호 반응을 얻기 위하여 회전 킬른 연소기 또는 회전 킬른 기화기 내로 공기, 산소, 수증기와 같은 반응가스를 도입하고 분배하기 위한 수단으로서의 본질적인 가스 포트이다. 가스 포트(7)는 각각 가용성 밀봉 삽입체(8, 9)를 갖는 킬른의 전방 및 후방 후드에 의해 킬른의 양단부에 지지된다. 비록 상기 가스 포트가 지지를 제공하기 위하여 연속 도관을 구비할지라도, 포트를 관통하는 가스 통로는 기화기로서 또는 연소기로서 킬른의 운전에 따라 킬른의 내부의 고체물질 가스 플러그(10)에 의해 적절한 위치에서 종단된다. 가스 플러그(10)는 도관(미삽입)에 장착되고 이 때문에 그 위치는 회전 킬른의 외측에서 조절할 수 있다. 이러한 플러그(10)는, 기화기로서 운전될 때, 킬른 기화기(1)의 길이를 통하여 수행되도록 허용하는 수증기와 탄소함유 물질 사이의 흡열 반응을 위한 필요 반응열을 제공하도록 고체 탄소함유 물질과 산소 사이에서 부분적인 산화를 촉진하기 위하여 킬른 내로 약 3분의 2 정도까지 산소 함유 반응 가스의 도입을 제한한다. 산소 함유 가스의 도입을 위하여 기화기의 3분의 2까지의 거리의 선택은 상기 거리는 산소가 기화기 안으로 도입되는 양만큼 처리되고 있는 탄소함유 물질의 특성에 따라 변하기 때문에 절대적으로 형성할 수는 없다. 탄소함유 물질의 기화에 숙달된 자들에게는 산소 함유 가스의 삽입의 범위는 특정한 기화를 위하여 결정할 수 있다는 것을 쉽게 인지할 것이고 본 발명은 탄소함유 고체물질의 효율적인 사용을 위하여 필요한 가능한 모든 삽입을 포함할 것이다. 가스 플러그(10)는 킬른의 단부까지의 모든 길이에 걸쳐 위치될 수 있고, 가스 배출구 근처에서, 킬른이 연소기로서 운전될 때, 산소 함유 가스가 킬른의 전길이로 공급될 수 있다.

공기, 산소, 수증기와 같은 반응가스는 가용성 고정 연결부(12)를 통하여 회 전 포트(7)와 연통하는 고정 도관에 의해 회전 포트에 공급된다.

고체물질 근처에 반응가스를 효율적으로 분배하기 위하여, 포트는 도 1에 도시된 바와 같이 13과 14와 같은 포트의 외주와 길이를 따라 복수 개의 노즐이 부착되어 있다. 이들 노즐은 포트로부터 돌출되어 있고 킬른 기화기(1)의 벽으로부터 약간의 거리에서 종단된다. 복수의 노즐은 킬른 기화기(1)의 크기와 기화기를 통과하는 탄소함유 물질을 처리하는 용량에 따라 달라질 것이다. 전형적으로, 노즐은 회전 킬른 기화기의 벽으로부터 15.3Cm(6 인치) 내지 30.5Cm(12 인치)에서 종단되나 이 거리는 기화기의 치수와 용량에 따라 조절된다.

가스 분배기 조립체(7)는 가변적인 속도로 가역 구동가능하도록 연결된 스프로킷(15)으로 외부에 부착되어 있고, 이 때문에 가스 분배기는 여러 가지 속도로 회전할 수 있다. 가스 분배기 조립체(7)는 고정 모드 또는 시계방향 또는 반 시계방향으로 회전 작동될 수 있다. 킬른 기화기(1) 회전과 같은 방향으로 가스 분배기 조립체(7)가 회전하면 기화기(1)의 벽에 걸리게되어 킬른 내측에 고체 탄소함유 물질을 가두게 되는 경향이 있고, 기화에서 나온 반응열은 열전도에 의해 내화물에 의해 보유된 열을 공급하고 상기 탄소함유 고체물질의 부분 연소로부터 발생된 열에 의해 공급된다. 가스 분배기(7)가 킬른 기화기(1)의 운동에 반대로 회전할 때, 킬른 기화기(1)의 벽에 충격을 주는 가스 제트에 의해 생성되는 전단력은 기화기(1)의 벽에 탄소함유 물질의 분진이 떨어져 나가게 한 경향이 있고 기화기(1)의 뜨거운 벽으로부터 복사 및 방사에 의해 공급되는 반응열의 도움과 탄소함유 고체물질의 부분 연소로 발생된 열에 의해 그들과 반응한다. 가스 분배기(7)가 고정 모드로 운전될 때, 가스 분배기(7)에 대한 킬른 기화기(1)의 회전의 상대 속도는 기화기(1)의 경계 내에서의 가스 고체물질의 반응을 실패하게 된다.

도 2는 킬른 기화기(1)의 단면도이다. 주 가스 포트(7)와 노즐 사이의 연통은 13과 14로 도시한다. 노즐(13, 14)의 종단부와 킬른 기화기(1)의 내화물 벽 사이의 허용 공간(18)을 도시한다. 허용 공간(18)은 킬른 기화기(1)가 킬른 기화기(1)의 경계 내에 고체물질의 통상적인 형상을 유치하게 한다.

도 3은 주 가스 포트(7) 상에 노즐을 위치시키기 위한 가능한 공간과 각도를 도시한다. 노즐의 개수와 각도는 킬른 기화기(1)의 벽 근처에서 가스 고체물질의 효율적인 접촉에 필요한 난류의 양에 따라 크게 달라질 것이다. 각 노즐의 경사도는 동일 또는 서로 전부 다른 각도(A1, A2, A3, A4)에 따라 달라질 수 있다. 마찬가지로, 가스 포트(7)의 길이를 따르는 외주 길이는 동일 또는 서로 전부 다른 길이(L1, L2, L3, L4)로 도시된 노즐 사이의 거리를 포함하여 동일 또는 동일하지 않게 할 수 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 주 가스 포트(7)로부터 나오는 노즐의 모든 방향은 본 발명에 의해 커버 된다.

도 3에 도시된 포트로부터 노즐(19, 20, 21, 22)로 가스를 동일하게 분배하기 위하여, 기화기(1)의 유입구 밀봉부(8)로부터 멀어지는 연속적인 외주 위치에 노즐로부터 노즐로 유동의 불균형을 최소화하기 위하여 압력강하의 잇점이 생기도록 점차적으로 크게 되어 있다. 그러므로, 가스 포트(7)의 길이를 통하여 모든 노즐로부터 균일한 가스 유동을 위해서는 도 3에서의 노즐(19, 20, 21, 22)의 직경(d1, d2, d3, d4) 사이의 관계를 d2보다 커야될 것이며, d2는 d1보다 크다. 그 러나, 불균일한 가스 분배는 가스 고체물질 반응을 제어하는 지점으로부터 킬른 기화기(1)의 진로를 따라 요구된다면, 노즐(19, 20, 21, 22)의 이들 직경(d1, d2, d3, d4)은 요구되는 결과를 얻기 위하여 조절될 수 있다.

도 4 및 도 5는 도 3을 단지 인용하는 것으로서, 노즐(19, 20, 21, 22)이 고체물질 유동 방향으로 균일하게 대향되거나 킬른 기화기(1) 내측으로 흐르는 고체물질 방향과 반대로 흐를 때, 가스 조립체(7)의 성질을 도시한다.

마찬가지로, 도 6은 단지 도3을 인용하는 것으로서 노즐(19, 20, 21, 22)의 불균일한 방향성을 도시한다.

도 7은 킬른 기화기(1)의 온도 형상을 도시한 도면이다. 킬른 기화기는 연료 가스 배출 노즐(4)로부터 나오는 연료가스의 온도에 의해 일반적으로 제어된다. 가스 분배기(7)를 거쳐 킬른 기화기(1)로 들어오는 공기, 산소, 수증기를 포함하는 반응 가스는 가스 포트 삽입거리 만큼과 가스 플러그(10)에 의해 막히는 위치까지 유입 포트(2)를 거쳐 반응로로 들어가는 탄소함유 고체물질과 반응한다. 가스 내의 산소는 부분 연소 반응을 촉진하고 한편 가스 내에 존재하는 수증기는 기화 반응을 촉진한다. 고체 탄소함유 물질 내에 존재하는 습기는 기화 반응에 기여한다. 탄소함유 물질의 부분 연소는 일산화탄소와 이산화탄소의 혼합물을 생성하고 한편 수증기와 탄소함유 물질의 기화 반응은 수소, 일산화탄소와 이산화탄소의 혼합물을 생성한다. 결국, 잔류수를 포함하는 모든 이들 가스는 기화기가 여기될때, 물 가스 변환 평형을 얻게 된다. 더 이상 산소 공급이 없어 부분 연소가 정지된 후에 기화기(1) 내부의 상승된 온도는 거의 모든 반응을 한 탄소함유 고체물질로부터 탄소 를 계속 소모하도록 탄소함유 물질과 가스 내의 잔류 수증기가 반응하도록 한다. 기화 반응이 흡열 반응이기 때문에, 기화기(1) 온도는 가스가 배출 노즐(4)을 향하여 이동할 때, 강하하도록 한다. 그러므로, 도 7에 도시된 바와 같이, 산소 공급이 점점 약해지고 점차적으로 정지될 때까지 기화기(1) 내의 고체물질의 진로를 따라 점진적으로 증가되도록 킬른 온도에는 유용하지 않다. 예로서, 기화기(1) 출구에서의 설정 온도가 983℃(1800℉)이라면, 기화기 내에서의 첨두 온도는 1315℃(2400℉)에 달할 것이다. 또, 이는 기화기(1) 내에서의 산화제 온도에 따라 달라질 것이다.

본 발명은 또한 기화기 대신에 연소기로 사용될 때, 유용하다. 이 경우에 있어서, 주 가스 포트(7)로부터 나온 노즐은 킬른 기화기(1)의 모든 길이에 걸쳐 연장되어 있고 도입될 공기 또는 산소량은 연소될 탄소함유 물질에 대해 연소기 용량과 비례할 것이다. 노즐 치수, 간격, 방향에 대해 기술한 원칙은 탄소함유 물질의 완전 연소를 얻도록 수용될 수 있다.

기화와 연소에 숙달된 자들에게는 기화기(1) 내로 도입된 공기 또는 산소의 양은 기화되고 있는 탄소함유 물질의 완전 연소를 위해 필요한 화학량론적인 요구량의 50% 이하이고, 한편 완전 연소의 경우, 킬른 기화기(1)내로 도입되는 공기량은 가스 배출구(4) 내의 특정 배출 가스 온도에 따라 달라지는 탄소함유 물질의 완전 연소에 필요한 화학량론적인 요구량의 200%를 종종 초과한다.

참조

1. 2002년 DTI사에 의해 출시된 CPL 산업용 에너지 유지 프로그램 "바이오매스 회전 킬른 기화장치의 위험 간소 수단" 리포트 제ETSU B/U1/00646/REP호 및 DTI/Pub URN 02/754호, J. H. Howson과 K. Casnello

2. 2001년 9월 시소스 아일랜드, 에르모우폴리스 환경과학과 기술의 제7차 국제회의에 제출된 "고체 연료의 기화", "전기 발전과 대기 오염", G.P. Androutscopulos, K. S. Hatzilyberis

3. 2007년 5월 14일부터 17일까지 육지, 바다와 하늘의 동력, ASME 터보 엑스포 2007 회의록 중앙 이태리의 마이크로스케일 데몬스트레이티브 유닛, "An IPRP(Integrated Pyroysis Regeneraled Plant), Francesco Fantozi, Bruno D'Alessandro, Umberto Desideri

도 1은 회전 가스 분배기를 갖는 회전 가스 기화기를 개략적으로 도시한 도면.

도 2는 회전 가스 분배기를 갖는 회전 가스 기화기의 단면도.

도 3은 노즐 각도와 노즐 직경에 대한 구조를 나타내기 위하여 가스 분배기의 예를 도시한 도면.

도 4는 회전 가스 기화기 내에서 유동하는 고체물질과 가스를 따라 향해 있는 균일한 노즐 간격과 노즐 방향을 갖는 가스 분배기의 예를 도시한 도면.

도 5는 회전 킬른 기화기 내에서 유동하는 고체물질과 가스로부터 떨어져 있는 균일한 노즐 간격 및 노즐 방향을 갖는 가스 분배기의 예를 도시한 도면.

도 6은 균일하지 않은 노즐 간격과 노즐 방향을 갖는 가스 분배기의 예를 도시한 도면.

도 7은 회전 킬른 기화기 내부의 온도 분포의 예를 도시한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 회전 킬른 기화기 2 : 탄소함유 물질

4 : 연료 가스 5 : 재

10 : 가스 플러그 19, 20, 21, 22 : 노즐

Claims (14)

1. 탄소함유 물질을 효율적으로 기화하고 연소시키기 위하여 회전 킬른 내로 반응가스를 도입하기 위한 장치에 있어서,

   회전 킬른의 길이에 걸쳐 뻗어 있고 고정 유입구 후드와 고정 배출구 후드에 의해 양단부가 지지되어 있는 주도관을 구비하고; 상기 주도관 부분은 회전 킬른의 내화물이 발라져 있는 벽 또는 가열되어 있는 벽 근처까지 뻗어 있는 복수의 노즐이 부착되어 킬른 내에 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 킬른 내로 반응가스를 도입하기 위한 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 주 도관은 시계방향 및 반 시계 방향으로 회전 시킬수 있는 장치와 함께 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 킬른 내로 반응가스를 도입하기 위한 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 장치가 고정 모드로 운전되는 것을 특징으로 하는 회전 킬른 내로 반응가스를 도입하기 위한 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 장치가 회전 모드로 운전되는 것을 특징으로 하는 회전 킬른 내로 반응가스를 도입하기 위한 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 주 도관은 조절 가능한 플러그 장치에 의해 회전 킬른의 소정 길이까지 반응가스의 도입을 가두어 놓기 위하여 반응가스의 도입 지점으로부터 약간의 거리에서 가스 유동을 차단할 수 있는 것을 특징으로 하는 회전 킬른 내로 반응가스를 도입하기 위한 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 회전 킬른은 상기 반응가스와 반응하여 탄소함유 물질로부터 연료가스를 산출하기 위해 사용되는 킬른 기화기인 것을 특징으로 하는 회전 킬른 내로 반응가스를 도입하기 위한 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 회전 킬른은 상기 반응가스와 반응하여 탄소함유 물질로부터 연료 가스를 산출하기 위해 사용되는 연소기인 것을 특징으로 하는 회전 킬른 내로 반응가스를 도입하기 위한 장치.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 반응 가스는 탄소함유 물질과 잠재적으로 반응할 모든 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 킬른 내로 반응가스를 도입하기 위한 장치.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소함유 물질은 상기 반응 가스와 반응을 생성할 수 있고 탄소 원소와 수소 원소를 포함하는 모든 고체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 킬른 내로 반응가스를 도입하기 위한 장치.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐은 상기 주 도관을 외주방향으로 및 측면방향을 따라 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 킬른 내로 반응가스를 도입하기 위한 장치.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐은 수평 주 도관에 대하여 +30도 내지 -30도 범위의 각도로 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 킬른 내로 반응가스를 도입하기 위한 장치.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐은 동일 직경을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 회전 킬른 내로 반응가스를 도입하기 위한 장치.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐은 회전 킬른의 전방 부분으로부터 후방 부분까지 측면방향으로 노즐이 이동할 때, 점진적으로 커지는 직경을 가진 것을 특징으로 하는 회전 킬른 내로 반응가스를 도입하기 위한 장치.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐은 회전 킬른의 전방 부분으로부터 후방 부분까지 측면방향으로 노즐이 이동할 때, 점진적으로 작아지는 직경을 가진 것을 특징으로 하는 회전 킬른 내로 반응가스를 도입하기 위한 장치.

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