KR20220069503A - 유동층 가스화기 내부 국부과열 방지를 위한 가스 주입 장치 - Google Patents

유동층 가스화기 내부 국부과열 방지를 위한 가스 주입 장치 Download PDF

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Abstract

본 실시예들은, 유동층 가스화기 내부 국부과열 방지를 위한 가스 주입 장치에 관한 것이다. 상기 가스 주입 장치는, 가스화 반응이 일어나는 반응기, 상기 반응기의 하부에 위치하며 유동화 기체가 주입되는 주입부, 상기 반응기와 상기 주입부를 구획하면서 상기 유동화 기체가 통과 가능한 분산판, 및 상기 분산판 상에 위치하며 기둥 형상을 갖는 구조물을 포함할 수 있다.

Description

유동층 가스화기 내부 국부과열 방지를 위한 가스 주입 장치{Gas distribution device to prevent local overheating inside fluidized bed gasifier}
본 발명은 바이오 매스 또는 폐기물을 연료로 하는 유동층 가스화 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 반응기 내에 용융 애쉬(melting ash)에 의해 가스 분산판이 막히는 것을 방지할 수 있는 유동층 가스화 장치에 관한 것이다.
바이오 매스 및 폐기물 연료는 이산화탄소 발생을 저감시킬 수 있기 때문에 온실 효과에 거의 영향을 미치지 않는다. 따라서, 바이오 매스 또는 폐기물 연료를 이용하여 전기를 생산하기 위하여 광범위한 연구가 진행되고 있다.
특히, 유동층 반응기를 이용한 바이오 매스 및 폐기물 연료의 전환 공정은 다양한 연료를 사용할 수 있고, 온도 제어가 용이하기 때문에 발전 효율을 향상시킬 수 있는 방법으로 제시되고 있다.
유동층 반응기를 이용하여 바이오 매스 및 폐기물을 합성 가스로 전환하는 과정에서 무기질로 구성된 회분(ash) 성분이 생성된다. 이러한 회분 성분이 용융되면 반응기의 내부 벽면, 가스 분산판 등에 붙어 슬래깅(slagging), 비유동화(defluidization) 및 회분 응집(agglomeration) 등을 유발한다.
반응기 내부에서 이러한 현상이 발생되면 공정의 효율을 감소시키는 주요 원인이 될 뿐만 아니라, 궁극적으로 이와 같은 현상이 심화되면 조업을 중단해야 하고, 이로 인해서 막대한 경제적 손실을 초래하게 된다.
따라서, 유동층 반응기를 이용한 바이오 매스 또는 폐기물의 연료 전환 공정에서 발전 효율을 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 시급하다.
본 실시예에서는 기둥 형상의 구조물이 형성된 분산판을 포함함으로써 바이오 매스 또는 폐기물 연료를 이용한 유동층 반응 과정에서 발생하는 회분 성분으로 인해 반응기 내에 오염 및 비유동화(defluidization)가 발생하는 것을 방지할 수 있는 유동층 가스화기 내부 국부과열 방지를 위한 가스 주입 장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 유동층 가스화기 내부 국부과열 방지를 위한 가스 주입 장치는, 가스화 반응이 일어나는 반응기, 상기 반응기의 하부에 위치하며 유동화 기체가 주입되는 주입부, 상기 반응기와 상기 주입부를 구획하면서 상기 유동화 기체가 통과 가능한 분산판, 및 상기 분산판 상에 위치하며 기둥 형상을 갖는 구조물을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 유동층 가스화기 내부 국부과열 방지를 위한 가스 주입 장치를 이용하면, 회분 성분이 반응기의 내부 벽면, 분산판 등에 붙어 비유동화(defluidization)가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 바이오 매스 또는 폐기물을 이용한 전환 공정에서 회분(ash) 성분만을 선택적으로 제거함으로써 회분 함량이 낮은 연료 물질을 효과적으로 분리할 수 있고, 결과적으로 바이오 매스 또는 폐기물 연료를 이용한 발전 시스템의 전환 효율을 현저하게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 장치의 개략도를 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에서 반응기 및 주입부를 보다 구체적으로 나타낸 것이다.
도 3은 분산판의 평면도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 일 실시예에 따른 가스화 장치에 포함되는 기둥 형상 구조물의 변형예를 예시적으로 나타낸 것이다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 주입 장치의 개략도를 나타낸 것이고, 도 2는 도 1에서 반응기 및 주입부를 보다 구체적으로 나타낸 것이며, 도 3은 분산판의 평면도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 일 실시예에 따른 가스 주입 장치(100)는, 반응기(10), 주입부(20), 분산판(30) 및 기둥 형상의 구조물(31)을 포함한다.
상기 반응기(10)는 일 측에 바이오 매스 또는 폐기물 연료가 투입되는 연료 주입구(40)가 위치한다.
상기 반응기(10)의 하부에는 유동화 기체가 주입되는 주입부(20)가 위치하며, 상기 반응기(10)와 상기 주입부(20) 사이에는 분산판(30)이 위치한다. 분산판(30)은 상기 반응기(10)와 상기 주입부(20) 사이를 구획하며 유동화 기체를 통과시킬 수 있다.
상기 주입부(20)로 주입되는 유동화 기체는, 예를 들면, 열원을 공급하는 공기, 산소 및 스팀 중 적어도 하나일 수 있다. 상기 주입부(20)를 통해 공급되는 유동화 기체의 양은 제어 장치에 의해 제어될 수 있다. 연료 주입구(40)를 통해 주입되는 연료의 공급량에 따라 유동화 기체의 양을 조정함으로써 연료의 공급량 변동에 관계 없이 반응기(10) 내 연료의 상태를 균일하게 유지할 수 있다.
예를 들어, 스팀을 유동화 기체로 사용하게 되면 반응기(1)에서의 가스화 성분은 H2, CO, CH4, CO2가 다량 발생한다. 또한, 공기-산소를 유동화 기체로 사용하게 되면 H2, CO, CH4, CO2 이외에 다량의 N2가 포함되어 있다. 특히, 공기-산소는 화염의 길이를 증가시키고 온도를 상승시키기 때문에 가스화율을 증가시키는 효과가 있다.
또한, 공기 또는 산소와 스팀을 혼합 사용하면 공기-산소에 의한 고온화 효과를 얻으면서 불활성 기체인 질소의 함유량을 최소화해 가연성 가스의 고순도화 과정인 후단공정에서의 부담을 최소화할 수 있다.
상기 반응기(10)이 상부에는 사이클론(50)이 위치하며, 반응기(10) 내에서 가스화된 합성 가스가 사이클론(50)으로 배출된다. 사이클론(50)은 상기 합성 가스에 섞여 있는 회분 성분(52)을 제거하여 외부로 배출(51)하고, 챠(char) 및 유동 모래(fluidizing sand) 등의 일부 부산물은 상기 반응기(10)의 일 측으로 공급하여 재사용할 수 있다.
다음, 상기 분산판(30)은 다공판(미도시) 또는 버블캡(32)을 포함할 수 있다. 이러한 다공판 및 버블캡(32)은 주입부(20)로 유입된 유동화 기체를 상부에 위치하는 반응기(10)로 고르게 분사하도록 한다.
본 실시예에서는 기둥 형상의 구조물(31)을 분산판(30) 상에 형성함으로써 바이오 매스 또는 폐기물을 이용한 가스화 반응 과정에서 발생하는 회분 성분이 상기 구조물(31) 상에 붙어 성장(growth)하거나 용융(melting)되도록 하여 회분 성분으로 인해 반응기 내에 오염 및 비유동화(defluidization)가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상기 상기 구조물(31)은 표면에 코팅층이 형성된 것일 수 있다.
이때, 상기 코팅층은, SiO2, CaO, K2O, Al2O3, MgO 및 용융된 회분 중 적어도 하나를 포함하는 코팅 물질을 이용하여 형성된 것일 수 있다.
상기와 같은 코팅 물질을 이용하여 구조물(31) 표면을 코팅하는 경우 반응기(10) 내부에서 가스화에 따라 발생되는 회분(ash) 성분을 상기 구조물(31) 표면의 코팅층에 부착되도록 하거나 용융되도록 함으로써 가스화된 합성가스로부터 회분 성분을 효과적으로 제거할 수 있다.
상기 구조물(31)의 높이는 분산판(30)에 형성된 다공판 또는 버블캡(32) 보다는 높고, 층 물질(bed material) 보다는 낮게 설치할 수 있다.
상기 층 물질(bed material)은 반응기(10) 내부에 위치하며, 연료 주입구(40)를 통해 내부로 공급되는 바이오 매스 또는 폐기물 연료의 유동화가 용이하도록 하는 역할을 한다. 또한, 층 물질은 반응기(10) 내부의 열전달 매개체의 역할도 수행할 수 있다.
한편, 상기 구조물(31)의 수평 단면 형상은, 원형, 삼각형, 사각형 및 다각형 중 적어도 하나일 수 있다.
본 실시예에서 상기 가스 주입 장치(100)는 상기 구조물(31)을 복수 개 포함할 수 있다. 구체적으로 가스 주입 장치(100)는 상기 구조물(31)을 상기 다공판 또는 버블캡(32)이 위치하지 않는 사이 공간에 필요한 만큼 설치할 수 있다.
도 4에는 일 실시예에 따른 가스 주입 장치에 포함되는 기둥 형상 구조물의 변형예를 예시적으로 나타내었다.
도 4를 참고하면, 상기 구조물(31)은 표면에 복수의 돌기(31a)가 형성된 것일 수 있다.
상기 돌기(31a)는 핀(fin) 형상 및 판(plate) 형상 중 적어도 하나의 형상을 가질 수 있다.
본 실시예에서 상기 구조물(31)은 강철 및 주철 중 적어도 하나를 포함하는 철강; 그리고 STS 및 SUS 중 적어도 하나를 포함하는 스테인레스 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
일 실시예에 따른 유동층 가스화기 내부 국부과열 방지를 위한 가스 주입 장치를 이용하면, 회분 성분이 반응기의 내부 벽면, 분산판 등에 붙어 비유동화(defluidization)가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 구체적으로, 분산판 상에 기둥 형상의 구조물을 설치함으로써, 바이오 매스 또는 폐기물 연료를 이용한 전환 공정에서 회분(ash) 성분만을 선택적으로 상기 기둥 구조물에 용융시키거나 부착시켜 제거함으로써 회분 함량이 낮은 연료 물질을 효과적으로 분리할 수 있다.
본 실시예의 유동층 가스화기 내부 국부과열 방지를 위한 가스 주입 장치를 사용하는 경우, 결과적으로 바이오 매스 또는 폐기물 연료를 이용한 발전 시스템의 전환 효율을 현저하게 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 가스 주입 장치
10: 반응기
20: 주입부
30: 분산판
40: 구조물

Claims (9)

  1. 가스화 반응이 일어나는 반응기;
    상기 반응기의 하부에 위치하며 유동화 기체가 주입되는 주입부;
    상기 반응기와 상기 주입부를 구획하면서 상기 유동화 기체가 통과 가능한 분산판; 및
    상기 분산판 상에 위치하며 기둥 형상을 갖는 구조물
    을 포함하는 유동층 가스화기 내부 국부과열 방지를 위한 가스 주입 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구조물은 표면에 코팅층이 형성된 것인 유동층 가스화기 내부 국부과열 방지를 위한 가스 주입 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코팅층은, SiO2, CaO, K2O, Al2O3, MgO 및 용융된 회분 중 적어도 하나를 포함하는 코팅 물질을 이용하여 형성된 것인 유동층 가스화기 내부 국부과열 방지를 위한 가스 주입 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구조물의 높이는 상기 분산판에 형성된 다공판 또는 버블캡 보다는 높고, 층 물질(bed material) 보다는 낮은 것인 유동층 가스화기 내부 국부과열 방지를 위한 가스 주입 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 구조물의 수평 단면 형상은, 원형, 삼각형, 사각형 및 다각형 중 적어도 하나인 유동층 가스화기 내부 국부과열 방지를 위한 가스 주입 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구조물은 표면에 복수의 돌기가 형성된 것인 유동층 가스화기 내부 국부과열 방지를 위한 가스 주입 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 돌기는 핀(fin) 형상 및 판(plate) 형상 중 적어도 하나의 형상을 갖는 유동층 가스화기 내부 국부과열 방지를 위한 가스 주입 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 구조물은,
    강철 및 주철 중 적어도 하나를 포함하는 철강; 그리고
    STS 및 SUS 중 적어도 하나를 포함하는 스테인레스 중 적어도 하나로 이루어진 것인 유동층 가스화기 내부 국부과열 방지를 위한 가스 주입 장치.
  9. 제1항에 있어서
    상기 분산판은, 다공판 또는 버블 캡을 포함하는 유동층 가스화기 내부 국부과열 방지를 위한 가스 주입 장치.
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