KR20240020041A - 차압계를 이용한 양방향 루프실의 제어장치 및 제어방법 - Google Patents
차압계를 이용한 양방향 루프실의 제어장치 및 제어방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 차압계를 이용한 양방향 루프실의 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두 개의 유동층 반응기 사이에서, 일부 고체를 제1유동층 반응기로 유입시키고, 나머지 고체를 제2유동층 반응기로 유입시키기 위한 양방향 루프실에 있어서, 고체가 유입되는 고체유입부; 상기 고체유입부 하단 일측으로 분기되며, 고체 일부를 상기 제2유동층반응기로 유입시키는 제1고체출구; 상기 고체유입부 하단 타측으로 분기되며, 고체 나머지를 상기 제1유동층반응기로 유입시키는 제2고체출구; 및 상기 고체유입부에 설치되는 차압계;를 포함하는, 차압계를 이용한 양방향 루프실 제어장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 차압계를 이용한 양방향 루프실의 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
기체-고체 유동층(Fluidized bed)은 유동층 반응기 내부에 고체입자를 장입한 후, 반응기 하부의 플레넘(plenum, 기체도입실)과 기체분산판(gas distributor)을 통해 기체를 주입하여, 고체입자를 부유시킴으로서 고체입자들의 거동을 유체의 거동과 유사해지도록 변화시키는 장치이다. 고정층(fixed bed 또는 packed bed) 조건의 고체입자를 유동화시키면 기포유동층(입자에 따라 기포가 발생하지 않고 유동화 되는 경우도 있음) 조건으로 변화되며, 유동층 내부의 밀집상(dense-phase)에 존재하는 고체입자들은 액체와 매우 유사한 거동을 나타내게 되며 다른 접촉방식에 비해 고체와 기체간의 접촉효율이 매우 뛰어나다.
기포유동층보다 유속이 증가하면 기포크기가 급격히 증가하여 마침내 기포의 직경이 층 직경과 같아지는 현상을 보이는데, 이를 슬러깅(slugging)이라 한다. 유속의 계속적인 증가는 슬러깅의 경우 슬러그(slug)를 작은 기포로 분쇄시키거나, 기포유동층의 경우에는 기포의 빈도수를 증가시켜 층의 균일도를 좋게 하며 점차적으로 기포형태의 경계를 흐리게 해 기포상과 emulsion상의 경계가 없어진다. 이 조건을 난류층(turbulent bed)이라 한다. 난류유동층에서 고체의 농도는 감소하지만 유동층은 계속 유지된다. 난류유동층에서 유속이 더욱 증가하면 고체입자의 마모 및 입자의 비산유출이 급격히 증가하게 되고, 유속이 입자수송속도를 넘으면 층내 모든 입자는 비산유출되어 사이클론 등에 의한 재순환이 필요하게 되며, 이 때의 조건을 고속유동층(fast fluidized bed)이라 한다.
다른 반응기에 비해 향상된 고체혼합과 물질 및 열전달 특성으로 인해 유동층 공정은 1) 건조, 흡착, 냉각, 냉동, 코팅, 이동, 열조절, 여과, 항온조 등의 물리적 조작과 2) FCC(fluid catalytic cracking), oxychlorination, phthalic anhydride 생산, 고분자 중합 등과 같은 촉매반응기에 사용되는 화학반응기와 3) 석탄연소, 석탄가스화, 소성반응(calcination), 광물 배소(mineral roasting), 폐기물 소각(waste incineration) 등과 같은 무촉매 반응과 4) 에너지 변환공정 등에 널리 이용되고 있다.
한편, 건식 재생흡수제를 이용한 이산화탄소 흡수 및 재생공정, 케미컬루핑 연소기(chemical-looping combustor)의 산화-환원 공정, Fisher-Tropsch 공정, 흡수증진 천연가스수증기개질(Sorption enhanced steam methane reforming of natural gas), 매체순환식 수소생산(chemical-looping hydrogen generation) 공정과 같이 두 가지 반응이 동시에 일어나는 공정의 경우 두 개의 유동층 반응기 사이의 고체 이송 및 순환이 필요하다.
이와 같이 두 개의 유동층 반응기 사이에 고체를 순환하는 과정에서 한쪽 반응기에서 배출된 고체 전부를 다른 쪽 반응기로 이송시키는 것이 아니라 일부 고체를 원래의 반응기로 재순환시키고 나머지 고체를 다른 쪽 반응기로 이송시키기 위한 방법으로 양방향 루프실(two-ways loop seal)이 사용될 수 있다.
도 1은 양방향 루프실을 이용하는 유동층 고체순환시스템(1)의 구성도를 도시한 것이다. 도 1과 같은 유동층 고체순환시스템(1)에서 고체입자는 제1유동층 반응기(fluidized bed 1, 10) 하부에서 주입되는 제1유동화기체(fluidization gas 1)에 의해 비산되어 제1사이클론(cylone 1, 20)으로 기체-고체 혼합물이 유입되고, 제1사이클론(20)에서 고체입자는 포집되어 중력에 의해 양방향 루프실(100)로 유입되며 기체는 제1기체출구(gas out 1)로 배출된다.
한편, 유사한 방법으로 제2유동층 반응기(30) 내부의 고체는 제2유동화기체(fluidization gas 2)에 의해 유동화되며, 유동화과정에서 비산된 고체와 반응기 내부의 기체는 제2사이클론(cylone 2, 40)으로 유입된 후 제2사이클론(40)에서 고체입자는 포집되어 다시 제2유동층 반응기(fluidized bed 2, 30)로 재순환되며, 기체는 제2기체출구(gas out 2)로 배출된다.
한편, 양방향 루프실(100)로 유입된 고체는 제3유동화기체(fluidization gas 3)에 의해 유동화되며, 제1고체출구(solid out 1, 121))를 통해 배출되어 제2유동층 반응기(30)에 도입된 후, 재순환관(solid out 3)을 통해 배출되어 제1유동층 반응기(10)로 재순환될 수 있으며, 제2고체출구(solid out 2, 131)를 통해 배출되어 제2유동층 반응기(30)를 거치지 않고 다시 제1유동층 반응기(10)로 재순환될 수도 있다. 즉, 도 1에 표시된 양방향 루프실(100)을 사용할 경우 양방향 루프실(100)에 유입된 고체의 재순환방향을 선택할 수 있는 장점이 있다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 고체순환시스템에서, 기계적 밸브가 포함된 양방향 루프실의 닫힘상태(도 2a), 열림상태(도 2b)의 단면도를 도시한 것이다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 모터 등에 의해 구동되는 축 끝단에 설치된 밸브팁(Valve Tip)이 이동함에 따라 제2고체출구(131) 측의 단면적(개구비, opening ratio)이 변화되므로 배출되는 고체량을 변화시킬 수 있으며, 사용자가 원하는 경우 밸브를 잠글 수 있으므로 제2고체출구(131)를 통한 고체의 흐름을 차단할 수도 있다. 한편, 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 제 1 고체출구(121)를 통해 배출되는 고체량은 루프실에 주입되는 제3유동화기체의 유량을 변화시켜 제어할 수 있으며, 제3유동화기체의 유량을 변화시키는 경우 제1고체출구(121)를 통해 배출되는 고체량 뿐만 아니라, 제2고체출구(131)를 통해 배출되는 고체량도 변화될 수 있다.
도 1 및 도 2a 및 도 2b에 나타난 바와 같이 기계적 밸브를 구비한 루프실의 경우, 기계적 밸브의 개구비(opening ratio) 변화에 따라 제2고체출구(131)를 통해 배출되는 고체량을 변화시킬 수 있으며, 밸브가 열려있는 경우에는 지속적으로 고체가 배출될 수 있다.
도 3은 정상상태에서, 양방향 루프실의 구동상태(H1 ≥ H2)를 나타낸 단면도를 도시한 것이다. 도 3에 도시한 바와 같이 루프실 내부는 제3유동화기체(fluidization gas 3)에 의해 유동화되므로, 루프실 고체유입구(110) 측의 고체층 높이(H1)는 제1고체출구(121)의 높이(H2)와 같거나 다소 높게 유지되면서(H1 ≥ H2) 루프실에 도입된 고체량 만큼 제1고체출구(121) 또는 제2고체출구(131)를 통해 배출되게 된다.
하지만 루프실 고체유입구(110)를 통해 유입된 고체량이 급격히 감소하거나, 고체 유입량에 비해 제1고체출구(121) 및 제2고체출구(131)를 통해 배출되는 고체량이 많은 경우에는 도 4에 도시한 바와 같이 루프실 고체유입구(110) 측의 고체층 높이(H1)가 제1고체출구(121)의 높이(H2)에 비해 낮아지게 되며(H1 < H2), 이 경우에는 제2고체출구의 밸브는 열려있는 상태이므로 제2고체출구(131)로는 고체입자가 배출될 수 있으나 제1고체출구(121)를 통해서는 입자가 배출되지 않는 상태가 될 수 있다.
결과적으로 기존의 기계적 밸브를 구비한 루프실을 사용하는 경우 제1유동층반응기(10) 및 제2유동층반응기(20)에 동시에 입자를 공급하는 것이 불가능해질 수 있다.
따라서 이와 같이 기계적 밸브를 구비한 양방향 루프실의 한쪽으로만 고체가 배출되는 현상을 해결하기 위한 제어방법이 요구되었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 기계적 밸브를 이용한 양방향 루프실에서 고체입자가 한쪽방향으로만 배출되어지는 현상을 방지할 수 있는 차압계를 이용한 양방향 루프실의 제어장치 및 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 루프실 고체유입구에 차압계를 설치하여 차압이 설정된 범위에 있는 경우 정상상태로 판단하고 차압이 설정된 차압보다 작아지는 경우 제1고체출부를 통한 배출이 용이하지 않다고 판단하고, 이를 유동화기체 유량 감소 및/또는 기계적 밸브 개구비 감소를 통해 제어할 수 있는, 차압계를 이용한 양방향 루프실의 제어장치 및 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 루프실의 고체유입부 고체입자 높이를 일정하게 유지하여 배출량을 적절히 조절, 제어할 수 있고, 고체입자가 한쪽방향으로만 배출되는 문제를 해결할 수 있는, 차압계를 이용한 양방향 루프실의 제어장치 및 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은 두 개의 유동층 반응기 사이에서, 일부 고체를 제1유동층 반응기로 유입시키고, 나머지 고체를 제2유동층 반응기로 유입시키기 위한 양방향 루프실에 있어서, 고체가 유입되는 고체유입부; 상기 고체유입부 하단 일측으로 분기되며, 고체 일부를 상기 제2유동층반응기로 유입시키는 제1고체출부; 상기 고체유입부 하단 타측으로 분기되며, 고체 나머지를 상기 제1유동층반응기로 유입시키는 제2고체출부; 및 상기 고체유입부에 설치되는 차압계;를 포함하는, 차압계를 이용한 양방향 루프실 제어장치로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 차압계에서 측정된 값을 기반으로 상기 고체유입부 내의 고체층의 높이(H1)를 산출하여, 양방향 루프실의 정상작동 여부를 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 제1고체출구의 고체층 높이(H2)보다 상기 고체유입부 내의 고체층 높이(H1)가 동일하거나 클 때, 정상 작동상태로 정의하며, 상기 정상 작동상태의 차압 범위를 설정하고, 상기 차압범위와 상기 차압계에서 측정된 차압값을 대비하여 양방향 루프실의 정상작동여부를 판단하는 판단부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 판단부는 상기 측정된 차압값이 상기 차압범위 미만인 경우, 제1고체출구의 고체층 높이(H2)보다 상기 고체유입부 내의 고체층 높이(H1)가 작다고 판단하며, 제1고체출구를 통해 고체가 배출되지 않는 상태로 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 양방향 루프실에 유동화 기체가 도입되도록 하는 기체공급수단; 및 상기 측정된 차압값이 설정된 차압범위 미만인 경우, 상기 기체공급수단을 제어하여 공급되는 기체의 유량을 감소하도록 하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 제2고체출부 일측에 구비되어 배출되는 고체의 양을 조절하는 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제어부는, 상기 측정된 차압값이 설정된 차압범위 미만인 경우, 상기 밸브를 제어하여 제2고체출부를 통해 배출되는 고체량이 감소되도록 하는 제어, 및 상기 양방향 루프실에 유동화 기체가 도입되도록 하는 기체공급수단을 제어하여 공급되는 기체의 유량을 감소하도록 하는 제어, 중 적어도 어느 하나를 진행하여 상기 측정된 차압값이 상기 설정된 차압범위 내로 유지되도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 차압계의 고압측정점은 상기 제1고체출구의 높이보다 낮은 위치이고, 저압측정점은 제1고체출구의 높이보다 높은 위치인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은, 두 개의 유동층 반응기 사이에서, 일부 고체를 제1유동층 반응기로 유입시키고, 나머지 고체를 제2유동층 반응기로 유입시키기 위한 양방향 루프실의 제어방법으로서, 상기 양방향 루프실의 정상 구동상태의 차압범위를 설정하는 단계; 차압계를 통해 고체유입부의 차압을 측정하는 단계; 측정된 차압이 설정된 차압범위 내이거나 큰 경우 정상 작동상태로 판단하는 단계; 및 측정된 차압이 설정된 차압범위 미만인 경우 고체유입부의 고체층 높이(H1)가 제1고체출구의 고체층 높이(H2)보다 작아 제1고체출구를 통한 고체 배출이 어려운 상태로 판단하는 단계;를 포함하는, 차압계를 이용한 양방향 루프실 제어방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 측정된 차압값이 설정된 차압범위 미만인 경우, 제어부가 상기 밸브를 제어하여 제2고체출부를 통해 배출되는 고체량이 감소되도록 하는 제어, 및 상기 양방향 루프실에 유동화 기체가 도입되도록 하는 기체공급수단을 제어하여 공급되는 기체의 유량을 감소하도록 하는 제어, 중 적어도 어느 하나를 진행하여 상기 측정된 차압값이 상기 설정된 차압범위 내로 유지되도록 하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제3목적은, 유동층 고체순환시스템에 있어서, 하부에서 주입되는 유동화기체에 의해 고체가 유동화되는 제1유동층 반응기; 상기 제1유동층 반응기에서 배출된 기체-고체 혼합물을 기체와 고체로 분리배출하는 제1사이클론; 상기 제1사이클론의 고체배출부를 통해 배출되는 고체가 유입되는, 앞서 언급한 제 1목적에 따른 양방향 루프실 제어장치; 상기 양방향 루프실의 제1고체출구를 통해 고체가 유입되며, 하부에서 주입되는 유동화기체에 의해 고체가 유동화되는 제2유동층 반응기; 상기 제2유동층 반응기에서 배출된 기체-고체 혼합물을 기체와 고체로 분리배출하는 제2사이클론; 상기 제2유동층 반응기에서 배출된 고체를 상기 제1유동층 반응기로 유입시키는 제1재순환관; 및 상기 양방향 루프실의 제2고체출구를 통해 배출된 고체를 상기 제1유동층 반응기로 유입시키는 제2재순환관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 루프실 제어장치를 이용하는 유동층 고체순환시스템으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기계적 밸브를 이용한 양방향 루프실에서 고체입자가 한쪽방향으로만 배출되어지는 현상을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 차압계를 이용한 양방향 루프실의 제어장치 및 제어방법에 따르면, 루프실 고체유입구에 차압계를 설치하여 차압이 설정된 범위에 있는 경우 정상상태로 판단하고 차압이 설정된 차압보다 작아지는 경우 제1고체출부를 통한 배출이 용이하지 않다고 판단하고, 이를 유동화기체 유량 감소 및/또는 기계적 밸브 개구비 감소를 통해 제어할 수 있는 효과를 갖는다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 차압계를 이용한 양방향 루프실의 제어장치 및 제어방법에 따르면, 루프실의 고체유입부 고체입자 높이를 일정하게 유지하여 배출량을 적절히 조절, 제어할 수 있고, 고체입자가 한쪽방향으로만 배출되는 문제를 해결할 수 있는 장점을 갖는다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 양방향 루프실을 이용하는 유동층 고체순환시스템(1)의 구성도,
도 2a 및 도 2b는 도 1의 고체순환시스템에서, 기계적 밸브가 포함된 양방향 루프실의 닫힘상태(도 2a), 열림상태(도 2b)의 단면도,
도 3은 정상상태에서, 양방향 루프실의 구동상태(H1 ≥ H2)를 나타낸 단면도,
도 4는 제2고체출구로만 고체가 배출되는 상태에서, 양방향 루프실의 구동상태(H1 < H2)를 나타낸 단면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차압계를 이용한 양방향 루프실의 제어장치의 단면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 차압계를 이용한 양방향 루프실의 제어방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 1은 양방향 루프실을 이용하는 유동층 고체순환시스템(1)의 구성도,
도 2a 및 도 2b는 도 1의 고체순환시스템에서, 기계적 밸브가 포함된 양방향 루프실의 닫힘상태(도 2a), 열림상태(도 2b)의 단면도,
도 3은 정상상태에서, 양방향 루프실의 구동상태(H1 ≥ H2)를 나타낸 단면도,
도 4는 제2고체출구로만 고체가 배출되는 상태에서, 양방향 루프실의 구동상태(H1 < H2)를 나타낸 단면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차압계를 이용한 양방향 루프실의 제어장치의 단면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 차압계를 이용한 양방향 루프실의 제어방법의 흐름도를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 차압계를 이용한 양방향 루프실의 제어장치의 구성, 기능 및 제어방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차압계를 이용한 양방향 루프실의 제어장치의 단면도를 도시한 것이다. 그리고 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.
또한 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 차압계를 이용한 양방향 루프실의 제어방법의 흐름도를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 차압계를 이용한 양방향 루프실의 제어장치 및 제어방법은 앞서 발명의 배경이 되는 기술에서 언급한 양방향 루프실에서 한 쪽으로만 고체가 배출되는 현상을 해결하기 위한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1유동층반응기(10)와 제1사이클론(20)의 고체출구를 거친 고체가 유입되는 루프실 고체유입부(110)와, 이러한 고체유입부(110) 하단 일측으로 분기되며, 고체 일부를 제2유동층반응기(30)로 유입시키는 제1고체출구(121)와, 고체유입부(110) 하단 타측으로 분기되며, 고체 나머지를 제1유동층반응기(10)로 유입시키는 제2고체출구(131)를 포함하며, 그리고 차압계(50)는 고체유입부(110)에 설치되어 진다.
일반적으로 차압계(50)는 고압부(+ 측)와 저압부(- 측)의 2개의 측정점(51,52)에 연결되며, 본 발명의 실시예에서는 고압측 측정점(+ 측)(51)의 경우 제1고체출구(121)의 높이(H2) 보다 아래에 설치하고, 저압측 측정점(- 측)(52)의 경우 제1고체출구(121)의 높이(H2) 보다 높게 설치한다.
제1고체출구(121)는 고체유입부(110) 일측 하단에서 절곡되어 상부측으로 연장되는 고체상승관(122)과, 고체상승관(122)의 상측에서 하측으로 절곡되어 하부측으로 연장되는 고체하강관(124)을 포함하며, 고체상승관(122)과 고체하강관(124) 사이에 하측으로 경사진 연결관(123)을 포함하여 구성될 수 있다.
양방향 루프실(100) 내부의 고체입자는 기체공급수단(120)에 의해 공급되는 제3유동화기체에 의해 유동화되어 유체와 같은 거동을 보이게 되며, 차압계(50)를 설치하면 고압부(51)와 저압부(52) 사이에 존재하는 고체층의 높이에 비례하는 차압 값이 측정된다.
판단부(60)는 차압계(50)에서 측정된 값을 기반으로 고체유입부(110) 내의 고체층의 높이(H1)를 산출하여, 양방향 루프실(100)의 정상작동 여부를 판단한다.
제1고체출구(121)의 고체층 높이(H2)에 비해 고체유입부(110) 내의 고체층 높이(H1)가 동일하거나 클 때, 정상 작동상태로 정의되며, 판단부(70)는 정상 작동상태의 차압 범위를 설정하고, 차압범위와 차압계에서 측정된 차압값을 대비하여 양방향 루프실(100)의 정상작동여부를 판단하게 된다.
정상적으로 제1고체출구(121)와 제2고체출구(131)를 통해 고체입자가 배출되는 경우(정상 작동상태), 차압계(50)를 통해 측정되는 차압(△P)은 거의 일정한 값을 나타내게 되며, 설정된 차압범위(△Ps) 내의 값을 가지게 된다.
또한 판단부(60)는 측정된 차압값(△P)이 차압범위(△Ps) 미만인 경우, 제1고체출구(121)의 고체층 높이(H2)보다 고체유입부(110) 내의 고체층 높이(H1)가 작다고 판단하며, 제1고체출구(121)를 통해 고체가 배출되지 않는 상태로 판단하게 된다.
즉, 양방향 루프실의 고체유입부(110)를 통해 주입되는 고체량이 감소하거나 고체 유입량에 비해 제1고체출구(121) 및 제2고체출구(131)를 통해 배출되는 고체량이 증가하여 루프실 고체유입부(110) 측의 고체층 높이(H1)가 감소하는 경우에는 실시간으로 측정되는 차압(△P)이 정상상태의 설정된 차압범위(△Ps)에 비해 작아지게 되며(△P<△Ps) 이 경우 루프실 고체유입부(110) 측의 고체층 높이(H1)가 제1고체출구(121)의 높이(H2)에 비해 낮아지면 제2고체출구(131)로는 고체입자가 배출될 수 있으나 제1고체출구(121)를 통해서는 입자가 배출되지 않는 상태가 될 수 있다.
이러한 상태에서 본 발명의 실시예에 따른 양방향 루프실의 제어장치는 두가지 제어방식을 사용할 수 있다.
제어방식 1) 제3유동화기체를 공급하는 기체공급수단(120)을 통해 주입되는 유량을 감소시켜 제1고체출구(121) 및 제2고체출구(131)를 통해 배출되는 고체량을 감소시키는 방법
제어방식 2) 기계적 밸브(80)의 구동부(모터)(81)를 가동하여 밸브의 개구비를 감소시켜 제2고체출구(131)를 통해 배출되는 고체량을 감소시키는 방법
일반적으로는 제어방식 1을 먼저 사용할 수 있으며, 제어방식 1을 사용했음에도 불구하고, 제2고체출구(131)의 개구비가 높아 배출되는 고체량이 많아서 루프실 고체유입부(110) 측의 고체층 높이(H1)가 제1고체출구(121)의 높이(H2)보다 낮은 경우에는 제어방식 2를 단독으로 또는 제어방식 1과 함께 사용할 수 있다. 기계적 밸브(80)는 모터 등과 같은 구동부(81)에 의해 구동되는 구동축(82) 끝단에 설치된 밸브팁(83)이 이동함에 따라 제2고체출구의 단면적(개구비)을 변화시켜 배출되는 고체량을 변화시킬 수 있다.
또한, 운전자의 선택에 따라 제어방식 1, 2의 작동이 시작되는 차압값을 지정할 수 있으며 제어방식의 실행 순위도 변경할 수 있다.
또한, 실시간으로 측정되는 차압(△P)이 다시 증가하여 정상상태의 차압범위(△Ps)에 가까워지면 위의 제어방식 1, 2를 반대로 작동되도록 하여 정상상태를 유지할 수 있도록 할 수 있다.
즉, 앞서 언급한 차압계를 이용한 양방향 루프실의 제어방법은, 먼저 양방향 루프실의 정상 구동상태의 차압범위(△Ps)를 설정하게 된다(S1).
그리고 차압계(50)를 통해 고체유입부(110)의 차압(△P)을 실시간으로 측정하게 된다(S2).
그리고 측정된 차압(△P)이 설정된 차압범위(△Ps) 내이거나 큰 경우(S4) 정상 작동상태로 판단하게 된다(S4).
반면, 측정된 차압(△P)이 설정된 차압범위(△Ps) 미만인 경우 고체유입부(110)의 고체층 높이(H1)가 제1고체출구(121)의 고체층 높이(H2)보다 낮아 제1고체출구(121)를 통한 고체 배출이 어려운 상태로 판단하게 된다(S5)
이러한 측정된 차압값(△P)이 설정된 차압범위(△Ps) 미만인 경우, 제어부(70)는 양방향 루프실에 유동화 기체가 도입되도록 하는 기체공급수단(120)을 제어하여 공급되는 기체의 유량을 감소하도록 하는 제어(제어방식 1), 및 밸브(80)를 제어하여 제2고체출구(131)를 통해 배출되는 고체량이 감소되도록 하는 제어(제어방식 2), 중 적어도 어느 하나를 진행하여 측정된 차압값(△P)이 설정된 차압범위(△Ps) 이상으로 유지되도록 한다(S6).
따라서 결과적으로 본 발명의 실시예에 의한 차압계를 이용한 양방향 루프실의 제어장치 및 제어 방법을 사용하면 고체입자가 한쪽으로만 배출되는 현상을 방지할 수 있게 된다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1:유동층 고체순환시스템
10:제1유동층 반응기
20:제1사이클론
30:제2유동층 반응기
40:제2사이클론
50:차압계
51:고압측 측정점
52:저압측 측정점
60:판단부
70:제어부
80:밸브
81:구동부
82:구동축
83:밸브팁
100:양방향 루프실
110:고체유입부
120:기체공급수단
121:제1고체출구
122:고체상승관
123:고체하강관
124:연결관
131:제2고체출구
10:제1유동층 반응기
20:제1사이클론
30:제2유동층 반응기
40:제2사이클론
50:차압계
51:고압측 측정점
52:저압측 측정점
60:판단부
70:제어부
80:밸브
81:구동부
82:구동축
83:밸브팁
100:양방향 루프실
110:고체유입부
120:기체공급수단
121:제1고체출구
122:고체상승관
123:고체하강관
124:연결관
131:제2고체출구
Claims (11)
- 두 개의 유동층 반응기 사이에서, 일부 고체를 제1유동층 반응기로 유입시키고, 나머지 고체를 제2유동층 반응기로 유입시키기 위한 양방향 루프실에 있어서,
고체가 유입되는 고체유입부;
상기 고체유입부 하단 일측으로 분기되며, 고체 일부를 상기 제2유동층반응기로 유입시키는 제1고체출구;
상기 고체유입부 하단 타측으로 분기되며, 고체 나머지를 상기 제1유동층반응기로 유입시키는 제2고체출구; 및
상기 고체유입부에 설치되는 차압계;를 포함하는, 차압계를 이용한 양방향 루프실 제어장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 차압계에서 측정된 값을 기반으로 상기 고체유입부 내의 고체층의 높이(H1)를 산출하여, 양방향 루프실의 정상작동 여부를 판단하는, 차압계를 이용한 양방향 루프실 제어장치.
- 제 2항에 있어서,
제1고체출구의 고체층 높이(H2)보다 상기 고체유입부 내의 고체층 높이(H1)가 동일하거나 클 때, 정상 작동상태로 정의하며,
상기 정상 작동상태의 차압 범위를 설정하고,
상기 차압범위와 상기 차압계에서 측정된 차압값을 대비하여 양방향 루프실의 정상작동여부를 판단하는 판단부;를 포함하는, 차압계를 이용한 양방향 루프실 제어장치.
- 제 3항에 있어서,
상기 판단부는 상기 측정된 차압값이 상기 차압범위 미만인 경우,
제1고체출구의 고체층 높이(H2)보다 상기 고체유입부 내의 고체층 높이(H1)가 작다고 판단하며, 제1고체출구를 통해 고체가 배출되지 않는 상태로 판단하는, 차압계를 이용한 양방향 루프실 제어장치.
- 제 4항에 있어서,
상기 양방향 루프실에 유동화 기체가 도입되도록 하는 기체공급수단; 및
상기 측정된 차압값이 설정된 차압범위 미만인 경우, 상기 기체공급수단을 제어하여 공급되는 기체의 유량을 감소하도록 하는 제어부;를 더 포함하는, 차압계를 이용한 양방향 루프실 제어장치.
- 제 4항에 있어서,
상기 제2고체출구 일측에 구비되어 배출되는 고체의 양을 조절하는 밸브를 더 포함하는, 차압계를 이용한 양방향 루프실 제어장치.
- 제 6항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 측정된 차압값이 설정된 차압범위 미만인 경우,
상기 밸브를 제어하여 제2고체출구를 통해 배출되는 고체량이 감소되도록 하는 제어, 및
상기 양방향 루프실에 유동화 기체가 도입되도록 하는 기체공급수단을 제어하여 공급되는 기체의 유량을 감소하도록 하는 제어, 중 적어도 어느 하나를 진행하여 상기 측정된 차압값이 상기 설정된 차압범위 내로 유지되도록 하는, 차압계를 이용한 양방향 루프실 제어장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 차압계의 고압측정점은 상기 제1고체출구의 높이보다 낮은 위치이고, 저압측정점은 제1고체출구의 높이보다 높은 위치인, 차압계를 이용한 양방향 루프실 제어장치.
- 두 개의 유동층 반응기 사이에서, 일부 고체를 제1유동층 반응기로 유입시키고, 나머지 고체를 제2유동층 반응기로 유입시키기 위한 양방향 루프실의 제어방법으로서,
상기 양방향 루프실의 정상 구동상태의 차압범위를 설정하는 단계;
차압계를 통해 고체유입부의 차압을 측정하는 단계;
측정된 차압이 설정된 차압범위 내이거나 큰 경우 정상 작동상태로 판단하는 단계; 및
측정된 차압이 설정된 차압범위 미만인 경우 고체유입부의 고체층 높이(H1)가 제1고체출구의 고체층 높이(H2)보다 작아 제1고체출구를 통한 고체 배출이 어려운 상태로 판단하는 단계;를 포함하는, 차압계를 이용한 양방향 루프실 제어방법.
- 제 9항에 있어서,
상기 측정된 차압값이 설정된 차압범위 미만인 경우, 제어부가 상기 밸브를 제어하여 제2고체출구를 통해 배출되는 고체량이 감소되도록 하는 제어, 및 상기 양방향 루프실에 유동화 기체가 도입되도록 하는 기체공급수단을 제어하여 공급되는 기체의 유량을 감소하도록 하는 제어, 중 적어도 어느 하나를 진행하여 상기 측정된 차압값이 상기 설정된 차압범위 내로 유지되도록 하는 단계;를 더 포함하는, 차압계를 이용한 양방향 루프실 제어방법.
- 유동층 고체순환시스템에 있어서,
하부에서 주입되는 유동화기체에 의해 고체가 유동화되는 제1유동층 반응기;
상기 제1유동층 반응기에서 배출된 기체-고체 혼합물을 기체와 고체로 분리배출하는 제1사이클론;
상기 제1사이클론의 고체배출부를 통해 배출되는 고체가 유입되는, 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 양방향 루프실 제어장치;
상기 양방향 루프실의 제1고체출구를 통해 고체가 유입되며, 하부에서 주입되는 유동화기체에 의해 고체가 유동화되는 제2유동층 반응기;
상기 제2유동층 반응기에서 배출된 기체-고체 혼합물을 기체와 고체로 분리배출하는 제2사이클론;
상기 제2유동층 반응기에서 배출된 고체를 상기 제1유동층 반응기로 유입시키는 제1재순환관; 및
상기 양방향 루프실의 제2고체출구를 통해 배출된 고체를 상기 제1유동층 반응기로 유입시키는 제2재순환관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 루프실 제어장치를 이용하는 유동층 고체순환시스템.
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240020041A (ko) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100499385B1 (ko) | 2003-12-30 | 2005-07-04 | 두산중공업 주식회사 | 순환유동층 보일러의 루프씨일 장치 |
| KR101736962B1 (ko) | 2015-04-01 | 2017-05-18 | 한국에너지기술연구원 | 고체층 높이 조절이 가능한 유동층 공정용 루프실 |
| KR101812568B1 (ko) | 2016-01-25 | 2018-01-02 | 한국에너지기술연구원 | 건식 이산화탄소 포집장치의 고체 재순환을 위한 내부루프실 및 그 내부루프실을 이용한 고체 재순환방법 및 그 내부루프실을 갖는 건식 이산화탄소 포집장치 |
| KR102176310B1 (ko) | 2019-02-15 | 2020-11-10 | 한국에너지기술연구원 | 양방향 루프실 및 그 양방향 루프실을 이용하는 유동층 고체순환시스템 |
-
2022
- 2022-08-05 KR KR1020220098006A patent/KR20240020041A/ko unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| KR102176310B1 (ko) | 2019-02-15 | 2020-11-10 | 한국에너지기술연구원 | 양방향 루프실 및 그 양방향 루프실을 이용하는 유동층 고체순환시스템 |
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