KR20110008759A - 매체 순환식 연소기 및 이를 이용한 매체 순환식 연소 방법 - Google Patents

매체 순환식 연소기 및 이를 이용한 매체 순환식 연소 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 매체 순환식 연소기 및 이를 이용한 매체 순환식 연소 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 산화 반응기 및 환원 반응기를 포함하는 매체 순환식 연소기에 있어서, 상기 환원 반응기의 하부에 위치한 하부 연료 주입구; 및 상기 환원 반응기의 일 측면에 위치한 연료 기체를 주입할 수 있는 다단의 측면 기체 주입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 매체 순환식 연소기 및 이를 이용한 매체 순환식 연소 방법을 제공한다.
본 발명은 환원 반응기에 유입되는 연료를 하부 연료 주입구와 측면 기체 주입구로 분산하여 유입시킴으로써 환원 반응기의 상부에서의 반응 속도가 감소되지 않게 하여 반응 효율을 증가시키며 이로 인해 불완전 연소 생성물인 CO의 발생량을 줄일 수 있다.
매체 순환식 연소, 다단 기체 주입구, 측면 기체 주입구

Description

매체 순환식 연소기 및 이를 이용한 매체 순환식 연소 방법{Chemical-looping Combustor and combustion method using thereof}
본 발명은 매체 순환식 연소기 및 이를 이용한 매체 순환식 연소 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 연소시 NOx의 발생을 원칙적으로 차단하고, 이산화탄소를 고농도로 분리함과 동시에 연소 효율이 높아 불완전 연소의 부산물인 일산화탄소가 거의 발생하지 않으므로 온실효과를 유발하는 이산화탄소의 분리 및 회수와 일산화탄소의 후처리에 드는 수고 및 비용이 절감되는 매체 순환식 연소기 및 이를 이용한 매체 순환식 연소 방법에 관한 것이다.
기존의 연소-발전 시스템은 연료와 공기가 직접 접촉하여 연소되기 때문에 온실효과를 유발하는 CO2와 대기오염물질인 NOx가 발생하였다. 따라서, 이러한 기체물질의 저감 및 분리기술에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있고, 이러한 문제에 대처할 수 있는 새로운 연소기술로 매체 순환식 연소기(Chemical-Looping Combustor, CLC)에 대한 연구가 각광받고 있다.
매체 순환식 연소기는 산화 반응기(oxidation reactor)와 환원 반응기(reduction reactor)로 구성되고, 산화 반응기에는 공기가 주입되며, 환원 반응기에는 석탄, 바이오매스, 합성가스, 천연가스, LPG 등의 탄화수소 또는 수소 등의 연료가 주입된다. 산화 반응기에서는 고체 입자가 공기중의 산소와 반응하여 산화물을 형성하고 생성된 산화물은 환원 반응기로 이동한다. 환원 반응기에서는 이동된 산화물이 연료와 반응하여 이산화탄소 및 수증기를 생성하고 산화물은 다시 고체 입자 형태로 환원되어 산화 반응기로 순환된다. 산화 반응기내의 반응은 화염(flame)이 없는 조건에서 일어나는 기체-고체 반응이므로 thermal-NOx의 발생이 거의 없으며, 환원 반응기내의 반응은 연료에 의해 산화물을 환원시키면서 이산화탄소와 수증기만을 발생시키므로 수증기를 응축하여 제거하면 고농도의 CO2 만을 분리하여 회수할 수 있다.
매체 순환식 연소를 위한 반응기 형태로는 기체-고체간의 접촉이 좋고, 열 및 물질 전달이 우수하며, 공정 유지가 쉬운 유동층이 주로 제안되고 있다. 일반적으로 유동층을 사용하는 매체 순환식 연소기의 환원 반응기에서는 연료 전환율이 증가함에 따라 기체중의 연료의 농도는 감소하고 이산화탄소와 수증기의 농도가 증가하게 된다. 즉, 환원 반응기 상부로 갈수록 연료 기체의 농도는 감소하고 생성물의 농도는 증가하므로 환원 반응의 속도가 감소하게 된다. 따라서, 환원 반응기의 상부로 갈수록 고체 입자의 이용률이 감소하게 되어 불완전 연소로 인한 일산화탄소가 발생하게 되는 문제점이 있다.
상기의 문제점을 해결하고자 본 발명의 목적은, 연소시 NOx의 발생을 원칙적으로 차단하고, 이산화탄소를 고농도로 분리함과 동시에 연소 효율이 높아 불완전연소의 부산물인 일산화탄소가 거의 발생하지 않아 온실효과를 유발하는 이산화탄소의 분리 및 회수와 일산화탄소의 후처리에 드는 수고 및 비용을 절감할 수 있는 매체 순환식 연소기 및 이를 이용한 매체 순환식 연소 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하고자 본 발명은,
산화 반응기 및 환원 반응기를 포함하는 매체 순환식 연소기에 있어서,
상기 환원 반응기에 하부에 위치한 하부 연료 주입구;
상기 환원 반응기의 일 측면에 위치한 기체 연료를 주입할 수 있는 적어도 하나 이상의 측면 기체 주입구를 포함하는 매체 순환식 연소기를 제공한다.
상기 측면 기체 주입구는 상기 환원 반응기의 하부로부터 순서대로 n 번째에 위치한 제 n 측면 기체 주입구와 n+1 번째에 위치한 제 n+1 측면 기체 주입구와의 간격(Hn +1)이 n+1 번째에 위치한 제 n+1 측면 기체 주입구와 n+2 번째에 위치한 제 n+2 측면 기체 주입구와의 간격(Hn +2)보다 작거나 같도록 설치될 수 있으며, 여기서, 상기 n 은 0 이상의 정수이고, n=0 인 경우 반응기 하부를 나타내며, 1 이상인 경우 측면으로 기체가 주입되는 경우를 의미한다.
상기 측면 기체 주입구에 유입되는 기체 연료의 유량은 상기 환원 반응기의 하부로부터 순서대로 n 번째에 위치한 제 n 측면 기체 주입구에 유입되는 유량(Qn)이 상기 환원 반응기의 하부로부터 n+1 번째에 위치한 제 n+1 측면 기체 주입구에 유입되는 유량(Qn +1)보다 클 수 있다.
상기 하부 연료 주입구에 유입되는 유량(Q0)은 상기 측면 기체 주입구중 하부로부터 첫 번째 위치한 제1 측면 기체 주입구에 유입되는 유량(Q1)보다 클 수 있다.
상기 측면 기체 주입구는 상기 환원 반응기의 일 측벽에 형성될 수 있다.
상기 환원 반응기는 일 측벽으로부터 상기 환원 반응기 내부의 중심 방향으로 연장되는 주입관을 포함하고,
상기 측면 기체 주입구는 상기 주입관의 일단에 형성될 수 있다.
상기 환원 반응기는 일 측벽으로부터 상기 환원 반응기 내부의 중심 방향으로 연장되는 주입관을 포함하고,
상기 측면 기체 주입구는 상기 주입관의 표면에 복수개의 홀(hole)로 형성될 수 있다.
상기 측면 기체 주입구는 상기 환원 반응기의 일 측벽으로부터 상기 환원 반응기 내부의 중심 방향으로 삽입된 스파저(sparger)형태일 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하고자 본 발명은,
매체 순환식 연소 방법에 있어서,
측면 기체 주입구를 통하여 반응기의 하부로부터 높은 곳에 위치한 주입구일수록 유입되는 기체의 유량이 작아지도록 기체 연료를 주입하는 측면 연료 주입 단계를 포함하는 연소 방법을 제공한다.
본 발명의 매체 순환식 연소기는 환원 반응기내에서 상층부로 갈수록 반응 속도 및 반응 효율이 감소하지 않아 종래의 매체 순환식 연소로에 비해 전체적으로 반응효율 및 반응성이 상당히 개선된다.
본 발명의 매체 순환식 연소기를 사용하는 경우 불완전 연소의 부산물인 일 산화탄소의 발생이 거의 없다. 따라서, 일산화탄소의 처리에 드는 수고 및 비용을 줄일 수 있다.
본 발명의 매체 순환식 연소 방법은 NOx를 발생시키지 않으며 고농도의 이산화탄소를 분리회수할 수 있다.
이하, 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 매체 순환식 연소기를 도시한 것이다. 도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 다른 매체 순환식 연소기(100)는 산화 반응기(110); 환원 반응기(120); 고체 이동관(130); 및 고체 재순환관(140)을 포함한다. 상기 환원 반응기는 하부 연료 주입구(121); 생성물 배출구(122); 및 측면 기체 주입구(123, 124)를 포함한다. 본 발명의 매체 순환식 연소기의 환원 반응기는 하부 연료 주입구외에 측면 기체 주입구를 더 포함함으로써 환원 반응기의 상부로 갈수록 반응속도 및 반응성이 감소하는 것을 막아 반응의 효율을 상승시키고 불완전 연소의 부산물인 일산화탄소의 생성을 막을 수 있다.
상기 산화 반응기(110)는 기체 주입구(111) 및 기체 배출구(112)를 포함한다. 상기 산화 반응기(110)에는 공기가 주입되며, 주입된 공기 중 산소와 고체 입자가 하기 반응식 1 과 같은 산화 반응을 하여 고체 산화물을 형성한다:
Figure 112009044306976-PAT00001
상기 고체 입자는 금속 산화물 또는 금속의 형태로, 매체 순환식 연소기의 산화 반응기와 환원 반응기를 순환하면서 산소를 주고 받는 고체 입자를 산소 공여 입자(oxygen carrier particle)이라 부른다. 상기 고체 입자로는 Fe, Ni, Co, Cu, Mn 또는 이의 산화물 또는 이의 혼합물을 사용하거나 벤토나이트, 제올라이트, 실리카, 헥사알루미네이트, 지르코니아 또는 이의 혼합물을 지지체로 이용하여 제조한 입자등이 사용될 수 있다.
상기 기체 주입구(111)는 상기 산화 반응기(110)의 하부에 위치하며, 상기 기체 주입구(111)를 통해 산소를 포함한 공기가 주입된다. 주입되는 공기의 유량은 당업자가 임의로 조절할 수 있으며, 기포유동층 조건의 낮은 유속으로 주입하여 기체 체류시간을 증가시킬 수 있다. 상기 기체 주입구에는 유입되는 기체의 분산성을 향상시키기 위해 분산판 또는 스파저 등이 설치될 수 있다.
상기 기체 배출구(112)는 상기 산화 반응기(110)의 상부에 위치하며, 상기 기체 배출구(112)를 통하여 상기 기체 주입구(111)를 통하여 유입된 공기중 고체 입자와 반응을 하지 않는 질소 성분 및 과량으로 주입되어 반응에 참여하지 못한 산소 성분이 배출된다.
상기 고체 이동관(130)은 상기 산화 반응기(110)의 상부 및 상기 환원 반응 기(120)의 상부와 연결되어 있으며, 상기 산화 반응기(110)에서 산화물 형태가 된 산소 공여 입자는 상기 고체 이동관(130)을 통하여 상기 환원 반응기(130)로 이동한다. 상기 고체 이동관(130)은 상기 산화 반응기(110)에서 산화물 형태가 된 산소 공여 입자를 운반할 수 있는 형태라면 당업계에 공지된 어떤 형태든 가능하며 제한이 없으나, 바람직하게는 고체순환과 기체누설 방지, 압력균형 유지를 위해 루프실(loopseal), 실포트(seal pot), J 밸브, L 밸브, U 밸브 등을 사용할 수 있다.
상기 환원 반응기(120)는 상기 고체 이송관(130)을 통하여 상기 산화 반응기(110)와 연결되며, 하부 연료 주입구(121); 생성물 배출구(122); 및 측면 기체 주입구(123, 124)를 포함한다. 상기 환원 반응기(120)에서 산화물 형태의 산소 공여 입자는 기체 연료와 만나 환원 반응을 일으켜 CO2 와 H2O만을 발생시킨다. 상기 환원 반응기(120)에서 일어나는 반응은 하기 반응식 2 와 같다.
Figure 112009044306976-PAT00002
상기 하부 연료 주입구(121)는 상기 환원 반응기(120)의 하부에 위치하며, 이를 통하여 기체 연료가 유입된다. 상기 기체 연료는 H2, CO, CnH2n, CnH2n +2, CnH2n -2 (여기서, n 은 1 내지 10) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 하부 연료 주입구(121)는 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위내에서 당업계에 공지된 형태일 수 있으며, 주입되는 기체 연료의 원활한 분산을 위해 필요에 따라 분산판 또는 스파저(sparger)등을 설치할 수 있다.
상기 생성물 배출구(122)는 상기 환원 반응기(120)의 상부에 위치하며, 환원 반응으로 인한 생성물인 CO2 와 H2O는 이를 통해 배출된다. 배출되는 CO2 와 H2O중에서 H2O를 응축하여 제거하면 고농도의 CO2 를 분리회수할 수 있다.
상기 측면 기체 주입구(123, 124)는 상기 환원 반응기(120)의 일 측면에 위치하며, 상기 하부 연료 주입구(121)외에 상기 측면 기체 주입구(123, 124)를 통해서도 기체 연료가 주입된다. 상기 환원 반응기(120)내의 상부로 갈수록 기체중 생성물인 CO2 와 H2O의 분압이 높아지므로 르-샤틀리에의 원리에 의해 평형이 이동하여 환원 반응의 속도는 낮아지게된다. 따라서, 환원 반응기의 하부에서는 반응속도가 빠르지만 상부로 갈수록 반응속도가 낮아져 산소 공여 입자의 이용율이 감소하게 되고 불완전 연소의 부산물로 일산화탄소가 발생하게 된다. 본 발명에서는 상기 하부 연료 주입구(121)외에 상기 측면 기체 주입구(123, 124)를 통해 기체 연료를 분산하여 주입함으로써 측면 기체 주입구 이상의 영역에서 기체 연료의 분압을 증가시켜 평형을 환원 반응의 정반응으로 이동시킴으로써 반응속도를 증대시킬 수 있다.
상기 환원 반응기(120)는 상기 측면 기체 주입구(123, 124)를 적어도 하나 포함할 수 있다. 측면 기체 주입구의 개수는 주입되는 기체의 유량, 반응기의 크기 등에 따라 당업자가 임의로 조절할 수 있다.
상기 측면 기체 주입구(123, 124)로 주입되는 기체 연료의 유량은 환원 반응기의 하부로부터 순서대로 n 번째에 위치한 제 n 기체 주입구에 유입되는 유량(Qn)이 하부로부터 n+1 번째에 위치한 제 n+1 기체 주입구에 유입되는 유량(Qn +1)보다 같거나 크도록 주입할 수 있다. 즉, 상기 환원 반응기(120)의 하부로부터 첫 번째 위치하는 제 1 측면 기체 주입구에 유입되는 기체 연료의 유량을 Q1, 그 다음에 위치하는 제 2 측면 기체 주입구에 유입되는 기체 연료의 유량을 Q2, 제n 측면 기체 주입구에 유입되는 유량을 Qn, 제 n+1 측면 기체 주입구에 유입되는 기체의 유량을 Qn +1 이라하면, Q1 ≥ Q2 ≥ … ≥ Qn ≥ Qn +1 로 주입할 수 있다. 측면 기체 주입구에 주입하는 기체의 유량이 클수록 반응기체의 체류시간 확보를 위해 고체 입자층의 높이를 증가시켜야 하고 다음 측면 기체 주입구의 높이가 높아져야 하므로 반응기 크기의 증가를 막기위해 상부에 위치한 측면 기체 주입구일수록 주입되는 기체의 유량이 적은 것이 바람직하다. 또한, 상기 측면 기체 주입구중 상기 환원 반응기(120)의 하부로부터 첫 번째 위치한 제1 기체 주입구에 유입되는 유량(Q1)이 상기 하부 연료 주입구(121)에 유입되는 유량(Q0)보다 작거나 같도록 기체 연료를 주입할 수 있다. 연료 기체의 균일한 분산 및 반응기 크기의 증가를 막기 위해 상기 하부 연료 주입구(121)에 유입되는 연료 기체의 유량이 가장 큰 것이 바람직하다. 또한, 연료기체의 균일한 분산과 제 1 측면 기체주입구(123) 아래에 위치하는 고체입자의 유동화상태 유지를 위해 하부 연료주입구(121)에 공급되는 연료의 유량(Q0)은, 산소공여입자의 최소유동화속도(minimum fluidization velocity)에 해당하는 유량 이상으로 공급되어야 한다.
상기 측면 기체 주입구(123, 124)의 높이는 기체의 유량 및 반응기의 크기에 따라 당업자가 임의로 조절할 수 있으나, 상기 환원 반응기(120)의 하부로부터 순서대로 n 번째에 위치한 제 n 측면 기체 주입구와 n+1 번째에 위치한 제 n+1 측면 기체 주입구와의 간격(Hn +1)이 n+1 번째에 위치한 제 n+1 측면 기체 주입구와 n+2 번째에 위치한 제 n+2 측면 기체 주입구와의 간격(Hn +2)보다 작거나 같도록 설치될 수 있으며, 여기서, 상기 n 은 0 이상의 정수이고 n=0 인 경우 반응기 하부를 나타내며 1 이상이 경우 측면 기체 주입구를 나타낸다. 즉, 상기 환원 반응기(120)의 하부로부터 첫 번째 위치한 제 1 측면 주입구의 높이를 H1, 제 1 측면 주입구와 그 다음에 위치하는 제 2 측면 주입구와의 간격을 H2, 제 2 측면 주입구와 제 3 측면 주입구와의 간격을 H3, 제 n 측면 주입구와 제 n+1 측면 주입구와의 간격을 Hn +1 이라 한다면, H1 ≥ H2 ≥ H3 ≥ … ≥ Hn ≥ Hn +1 이 되도록 설치할 수 있다. 상부에 위치하는 측면 기체 주입구일수록 유입되는 기체의 유량은 작아지지만, 총괄 유량 (QT1=Q0+Q1, QT2=Q0+Q1+Q2, QT3=Q0+Q1+Q2+Q3, ‥)은 증가하므로, 기체의 체류시간 유지를 위해 아래 측면 기체주입구와의 간격을 넓게 하는 것이 바람직하다.
도 1 을 참조하면, 상기 측면 기체 주입구는 상기 환원 반응기(120)의 일 측 벽에 형성될 수 있다. 이는 당업계에 공지된 방법에 따라 형성될 수 있으며, 구체적으로는 상기 환원 반응기(120)의 일 측벽을 타공하여 형성할 수 있다. 상기 환원 반응기(120)의 일 측벽에 난 구멍을 통하여 기체 연료가 추가적으로 주입될 수 있다.
상기 고체 재순환관(140)은 상기 환원 반응기(120) 및 상기 산화 반응기(110)와 연결되어 있으며, 상기 환원 반응기(120)의 환원 반응에 의해 산소가 소모된 산소 공여 입자를 다시 산화 반응기(110)로 전달하는 역할을 한다.
상기 고체 재순환관(140)은 상기 산소가 소모된 산소 공여 입자를 운반할 수 있는 것이라면 어떠한 형태이든 제한이 없으며, 산소 공여 입자가 원활히 운반될 수 있도록 그 연결위치도 당업자가 적절히 조절할 수 있으나, 바람직하게는, 산소 공여 입자의 운반과 기체누설 방지, 압력균형 유지를 위해 루프실(loopseal), 실포트(seal pot), J 밸브, L 밸브, U 밸브 등을 사용할 수 있다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시예에 의한 매체 순환식 연소기의 환원 반응기를 나타낸 것이다. 도 2 에 따른 환원 반응기를 포함하는 매체 순환식 연소기의 도면에 도시되지 않은 다른 부분은 상기 도 1 에 나타난 매체 순환식 연소기와 동일하다. 또한, 상기 도 2 에 따른 환원 반응기는 상기 도 1 의 매체 순환식 연소기의 환원 반응기와 측면 기체 주입구가 다르게 형성된다. 따라서, 여기서는 상기 측면 기체 주입구를 중심으로 설명하고, 도 1 에 따른 환원 반응기와 동일 또는 유사한 부분은 동일한 도면부호를 사용하며, 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
도 2 를 참조하면, 상기 환원 반응기(120)는 측벽으로부터 상기 환원 반응기(120)내부의 중심 방향으로 연장되는 주입관(223, 224)을 포함하며 상기 측면 기체 주입구(223a, 224a)는 상기 주입관(223, 224)의 일단에 형성될 수 있다. 바람직하게는 상기 주입관(223, 224)은 반응기 내부의 중심축까지 연장될 수 있다. 반응기 내부의 일 지점까지 상기 주입관(223, 224)을 통하여 기체 연료가 유입되므로 기체 연료의 분산성이 향상될 수 있다.
도 3 은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 매체 순환식 연소기의 환원 반응기를 나타낸 것이다. 도 3 에 따른 환원 반응기를 포함하는 매체 순환식 연소기의 도면에 도시되지 않은 다른 부분은 상기 도 1 에 나타난 매체 순환식 연소기와 동일하다. 또한, 상기 도 3 에 따른 환원 반응기는 상기 도 1 의 매체 순환식 연소기의 환원 반응기와 측면 기체 주입구가 다르게 형성된다. 따라서, 여기서는 상기 측면 기체 주입구를 중심으로 설명하고, 도 1 에 따른 환원 반응기와 동일 또는 유사한 부분은 동일한 도면부호를 사용하며, 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
도 3 을 참조하면, 상기 환원 반응기(120)는 측벽으로부터 상기 환원 반응기 내부의 중심 방향으로 연장된 주입관(323, 324)을 포함하고, 상기 측면 기체 주입구(323a, 324a)는 상기 주입관(323, 324)의 표면에 복수개의 홀(hole)의 형태로 형성될 수 있다. 바람직하게는 상기 측면 기체 주입구는 상기 환원 반응기(120)의 일 측벽으로부터 반응기내부의 중심 방향으로 삽입된 스파저(sparger)형태일 수 있다. 상기 측면 기체 주입구가 주입관 표면의 복수개의 홀 또는 스파저 형태인 경우 기체 연료의 분산성이 향상될 수 있다. 상기 스파저의 좌, 우에는 홀이 형성되어 있을 수 있으며, 홀의 크기 및 개수는 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위내에서 당업자가 임의로 선택할 수 있다.
본 발명은 산화 단계; 산소 공여 입자 전달 단계; 환원 단계; 측면 연료 주입 단계; 및 산소 공여 입자 순환 단계를 포함하는 매체 순환식 연소 방법을 제공한다. 본 발명은 측면 연료 주입 단계를 더 포함함으로써 측면으로 주입된 기체 연료에 의해 환원 반응기의 상부에서도 반응속도가 감소하지 않게 된다.
상기 산화 단계는 산화 반응기(110)내 기체 주입구(111)을 통하여 기체를 주입하여 상기 기체와 산소 공여 입자인 고체 입자를 반응시켜 고체 입자를 산화시키는 단계이다. 상기 기체는 산소를 포함한 공기일 수 있으며 산소와 고체 입자가 반응하여 산화물을 형성한다. 상기 산화 단계에서 수행되는 산화 반응의 조업조건은 산소공여입자의 반응성에 따라 달라질 수 있으며, 당업계에 공지된 조건에서 수행될 수 있으나, 바람직하게는 산소공여입자의 산화반응 시작온도부터 산소공여입자의 녹는점(melting point) 이하의 온도범위 내에서 수행될 수 있다.
상기 산소 공여 입자 전달 단계는 상기 산화 단계에서 형성된 산화물이 된 산소 공여 입자를 환원 반응기(120)로 이동시키는 단계이다.
상기 환원 단계는 상기 산소 공여 입자 전달 단계에서 전달된 산화물이 된 산소 공여 입자를 주입된 기체 연료와 환원 반응시키는 단계이다. 상기 산화물이 된 산소 공여 입자는 환원 반응에 의하여 산소가 소모된다. 상기 기체 연료는 환원 반응기(120) 하부 연료 주입구(121)를 통하여 유입된다. 상기 환원 반응은 당업계에 공지된 조건에서 수행될 수 있으나, 바람직하게는 산화반응 온도와 같거나 낮은 온도에서 수행될 수 있다.
상기 측면 연료 주입 단계는 상기 본 발명의 측면 기체 주입구를 통하여 기체 연료를 주입하는 단계이다. 이는 상기 환원 단계에서 하부 연료 주입구(121)를 통한 기체 연료 주입과 동시에 행해질 수 있다. 기체 연료를 하부 연료 주입구 및 측면 기체 주입구로 분산시켜 주입함으로써 상기 하부 연료 주입구에 유입되는 기체 연료의 유량이 감소되어 기체의 유속이 감소하고 체류시간이 증가되어 고체와 접촉할 수 있는 반응 시간이 증가하게 되어 반응성이 개선될 수 있다. 또한, 측면 기체 주입구를 통하여 새로운 연료가 주입되므로 상기 측면 기체 주입구 이상의 영역에서는 반응속도 및 반응성이 향상될 수 있다.
상기 산소 공여 입자 순환 단계는 상기 환원 단계에서 산소가 소모된 산소 공여 입자가 다시 산화 반응기(110)로 순환되는 단계이다. 산소 공여 입자는 산화 반응기(110)에서 다시 산화되어 산화물이 되는 순환과정을 겪게 된다. 이를 통해 산소 공여 입자는 계속 순환하면서 연료에 산소를 전달하여 연소를 수행하게 된다.
상기와 같은 과정을 통해 매체 순환식 연소가 진행되며, 본 발명에서는 상기와 같은 측면 연료 주입 단계를 더 포함하여 반응의 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 이는 본 발명의 설명을 위한 것일 뿐, 이로 인해 본 발명의 범위가 제한되지 않는다.
<이론상 연료 전환율 변화에 따른 기체 농도의 분포 계산>
매체 순환식 연소에 있어서 환원 반응기의 연료로 메탄을 사용한 경우 연료 전환율에 따른 반응기 내부의 기체 농도 변화를 계산하여 도 4 에 나타내었다. 도 4 에 의하면, 연료전환율이 증가함에 따라 기체중의 CH4 농도는 감소하는 반면 CO2와 H2O의 농도는 증가하게 되며 반응기 최상부에서는 CH4 보다는 CO2와 H2O가 주로 존재하는 조건이 된다. 이와 같이 반응기의 상부로 갈수록 CO2 농도가 증가하면 환원 반응에서 기체 중 CO2와 H2O의 분압이 높아지므로 르-샤틀리에의 원리에 의해 평형이 이동하여 환원반응속도가 낮아지게 된다. 따라서, 반응기의 하부에서는 반응속도가 높지만, 상부로 갈수록 반응속도가 낮아지게 되어, 고체 입자(산소공여 입자)의 이용률이 감소하게 된다.
< 실시예 1> 다단 측면 기체주입구를 이용한 매체 순환식 연소
산소 공여 입자로는 75∼212 μm의 입도를 갖는 NiO계 산소공여입자(OCN703)를 사용하였으며, 산화반응기의 고체층 높이는 0.49 m, 환원반응기의 고체층 높이는 0.58 m를 유지하였다. 산화 반응기(110)하부의 기체 주입구(111)을 통해 200 ℓ/min의 유량으로 공기를 주입하여 대기압하 930 ℃에서 공기중의 산소와 고체 입자를 반응시켜 고체 입자를 산화시켰다. 산화된 고체 입자를 환원 반응기(120)로 이 동시켰으며, 환원 반응기(120)로 하부의 연료 주입구(121)를 통하여 천연가스를 15 ℓ/min으로 주입하였고, 제 1 측면 주입구를 통하여 5 ℓ/min를 주입하여 총 유량은 20 ℓ/min가 되도록 하였다.
산화된 고체 입자와 주입된 기체연료를 대기압, 800 ℃에서 반응시켜 환원시켰다. 환원반응기에서 환원된 입자는 다시 산화반응기로 재순환 시켰다. 산화반응기와 환원반응기를 순환하는 산소공여입자는 24 g/s의 속도로 순환되도록 하였다.
< 비교예 1> 하부 연료 주입구만을 이용한 매체 순환식 연소
환원 반응기의 하부 연료 주입구(111)를 통해 천연가스를 20 ℓ/min으로 유입하고 측면 기체 주입구로는 유입하지 않는 것을 제외하고는 상기 실시예 1 과 동일한 방법으로 매체 순환식 연소를 수행하였다.
< 실험예 1> 생성되는 기체의 분석
상기 실시예 및 비교예의 매체 순환식 연소 후 환원 반응기의 기체 배출구(122)를 통하여 빠져나오는 기체를 온라인 기체분석기로 분석하였으며, 이 때 배출되는 CO, CO2 및 NOx(NO, NO2, N2O)의 양을 분석하여 도 5 에 나타내었다.
도 5 에 의하면, 하부 연료 주입구 및 측면 기체 주입구로 나누어 연료를 주입한 실시예의 경우 생성되는 기체중 CO2의 농도가 약 99.15 % 정도로 매우 높았으며, 불완전 연소로 인하여 발생되는 CO의 양은 0.85 % 정도로 매우 낮았다. 반면, 하부 연료 주입구로만 기체 연료를 주입한 비교예 1 의 경우 생성되는 기체중 CO2 의 농도가 약 98.82 % 정도였으며, 불완전 연소로 발생하는 CO의 농도는 약 1.18% 정도였다. CO의 농도가 조금 상승하더라도 처리에 드는 수고 및 비용을 고려할 때 상기와 같은 반응 효율의 상승으로 인한 CO 농도 감소의 파급효과는 클 것으로 기대된다. 또한, 두 가지 경우 모두에 대해 NOx는 배출되지 않았다.
상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 매체 순환식 연소기는 환원 반응기에 측면 기체 주입구를 설치하여 기체 연료의 유입을 분산시켜 함으로써 환원 반응기내의 상부에서의 반응 속도의 감소를 막아 반응의 효율을 상승시킬 수 있으며, 이로 인해 불완전 연소로 발생되는 CO 의 양을 줄일 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 의한 매체 순환식 연소기를 나타낸다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시예에 의한 매체 순환식 연소기의 환원 반응기를 나타낸다.
도 3 은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 매체 순환식 연소기의 환원 반응기를 나타낸다.
도 4 는 메탄의 연료 전환율에 따른 환원 반응기내의 기체의 농도 분포를 나타낸다.
도 5 는 실시예 및 비교예의 매체 순환식 연소 후 배출되는 CO2 , CO 및 NOx의 농도를 나타낸다.

Claims (8)

  1. 산화 반응기 및 환원 반응기를 포함하는 매체 순환식 연소기에 있어서,
    상기 환원 반응기의 하부에 위치한 하부 연료 주입구; 및
    상기 환원 반응기의 일 측면에 위치한 기체 연료를 주입할 수 있는 적어도 하나 이상의 측면 기체 주입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 매체 순환식 연소기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측면 기체 주입구가 상기 환원 반응기의 하부로부터 순서대로 n(n은 0 이상의 정수이고, n=0인 경우 반응기 하부를 나타내며, n이 1 이상인 경우 측면 기체 주입구를 나타낸다.) 번째에 위치한 제 n 측면 기체 주입구와 n+1 번째에 위치한 제 n+1 측면 기체 주입구와의 간격(Hn +1)이 n+1 번째에 위치한 제 n+1 측면 기체 주입구와 n+2 번째에 위치한 제 n+2 측면 기체 주입구와의 간격(Hn +2)보다 작거나 같도록 설치되는 것을 특징으로 하는 매체 순환식 연소기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측면 기체 주입구에 유입되는 기체 연료의 유량은 상기 환원 반응기의 하부로부터 순서대로 n 번째에(n 은 1 이상의 정수) 위치한 제 n 측면 기체 주입구 에 유입되는 유량(Qn)이 하부로부터 n+1 번째에 위치한 제 n+1 측면 기체 주입구에 유입되는 유량(Qn +1)보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 매체 순환식 연소기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하부 연료 주입구에 유입되는 유량(Q0)이 상기 측면 기체 주입구중 상기 환원 반응기의 하부로부터 첫 번째 위치한 제1 기체 주입구에 유입되는 유량(Q1)보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 매체 순환식 연소기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 측면 기체 주입구가 상기 환원 반응기의 일 측벽에 형성되는 것을 특징으로 하는 매체 순환식 연소기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 환원 반응기는 측벽으로부터 상기 환원 반응기 내부 중심방향으로 연장되는 주입관을 포함하고,
    상기 측면 기체 주입구는 상기 주입관의 일단에 형성되는 것을 특징으로 하는 매체 순환식 연소기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 환원 반응기는 측벽으로부터 상기 환원 반응기 내부 중심방향으로 연장되는 주입관을 포함하고,
    상기 측면 기체 주입구는 상기 주입관의 표면에 복수개의 홀(hole)의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 매체 순환식 연소기.
  8. 매체 순환식 연소 방법에 있어서,
    측면 기체 주입구를 통하여 반응기의 하부로부터 높은 곳에 위치한 측면 기체 주입구일수록 유입되는 기체 연료의 유량이 작아지도록 연료를 주입하는 측면 연료 주입 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 매체 순환식 연소 방법.
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