WO2021107258A1 - 다중 통로를 가지는 이중 유동층 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 고체연료를 분해해서 만들어지는 가스의 순도를 높이고, 강성이 높은 이중 유동층 반응기를 제공하는 것이다. 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명에서는 상부에서 유동매체가 유동매체 투입부로부터 투입되고 하부에서 투입된 스팀에 의해 상기 유동매체가 유동하여 유동층이 형성되며, 연료투입부를 통해 투입된 고체연료가 유동매체와 스팀으로부터 전달되는 열에 의해 분해되어 가스화되는 유동층 가스화로 및 상기 유동층 가스화로와 연결되어 상기 유동층 가스화로로부터 배출되는 상기 유동매체를 고온의 가스로 가열하면서 상승시켜 다시 유동층 가스화로의 상부로 투입하는 연소로를 포함하고, 상기 유동층 가스화로는 상기 유동층과 상기 유동매체 투입부 사이에 둘 이상의 수직통로를 포함하는, 이중 유동층 반응기를 제공한다.

Description

다중 통로를 가지는 이중 유동층 반응기

본 발명은 유동매체를 통해 높은 효율로 가스를 생성하기 위한 이중 유동층 반응기에 관한 것으로, 특히 생성되는 가스의 순도가 높고 이중 유동층 반응기의 강성이 높아 대규모 설비 제조가 가능하게 되는 이중 유동층 반응기에 관한 것이다.

최근, 폐플라스틱에 의한 환경문제가 점차 커지면서 이를 친환경적으로 처리하기 위한 다양한 방법이 제안되고 있다. 재활용을 하기 위한 방법이 많이 있지만, 한계가 있고 플라스틱의 수명 자체가 반영구적이어서 이를 경제적으로 제거할 수 있는 기술에 대한 요구가 늘어나고 있다.

이를 위한 여러 연구 중 폐플라스틱을 연료로 하여 실생활에 유용한 수소, 일산화탄소 등의 가스를 제조하는 기술 개발이 활발한데, 이처럼 가스 제조를 위한 연료로서 폐플라스틱을 사용할 수 있게 되면 매우 경제적이면서 효과적으로 폐플라스틱의 제거가 가능하게 된다.

이러한 폐플라스틱을 연료로 가스를 제조하기 위해 가장 유력한 방법으로는 이중 유동층 가스화 기술이 있다. 이중 유동층 가스화 기술은 고온으로 가열된 유동매체를 증기를 통해 유동시키고 여기에 고체연료를 투입하여 반응시킴으로써 가스를 생성시키는 기술로, 대표적으로 유동층 가스화로와 연소로를 포함하는 이중 유동층 반응기를 활용하게 된다.

종래의 이중 유동층 반응기는 도 1에서 나타나는 바와 같이 유동층 가스화로(100)와 연소로(200)를 포함하는데, 유동층 가스화로(100)는 고온으로 가열된 유동매체를 담고 하부에서 투입되는 증기(120)를 통해 유동매체가 유동하는 유동층(500)으로 투입된 고체연료를 고온(700~1,000℃)에서 분해하여 가스화하는 공정을 진행하게 된다. 이렇게 생성된 1차 반응 가스(130)는 유동층 가스화로(100) 상부로 상승하여 사이클론(400)을 통해 일부 포함될 수 있는 유동매체가 제거되고 최종 가스(140)로 포집된다.

연소로(200)에서는 유동층 가스화로(100)에서 연소로(200) 하단으로 배출되는 유동매체를 고온, 고속의 가스를 통해 고체연료와의 반응에 의해 유동매체 표면에 부착된 반응 부산물을 제거하고 재가열하여 다시 유동층 가스화로에 투입시켜 유동매체를 순환시키게 된다. 이때 부착된 부산물이 분해되어 생성되는 연소 가스(230)와 유동매체는 외부로 연소로와 유동층 가스화로 사이에 배치되는 연소로 사이클론(300)을 통해 분리되어 유동매체는 유동층 가스화로(100)로 투입되고 연소 가스(230)는 외부로 배출된다. 연소로에서 재가열된 유동매체는 표면의 부산물이 제거되어 촉매로서 역할을 할 수 있고, 고온으로 가열되어 고체연료의 가스화를 위한 충분한 열원이 될 수 있게 된다.

최근에는 이러한 이중 유동층 반응기를 이용하여 우드칩과 같은 바이오매스(biomass)를 분해하여 가스화하는 기술이 소개되고 있다. 재사용하기 어려운 우드칩과 같은 바이오매스를 이중 유동층 반응기를 활용하여 환경 친화적으로 수소 또는 일산화 탄소와 같은 유용한 가스를 제조할 수 있게 된다.

하지만, 이러한 종래의 이중 유동층 반응기를 이용하여 바이오매스가 아닌 폐플라스틱을 연료로 하여 가스를 제조하게 되면 순도 높은 수소 가스 또는 일산화탄소 가스를 제조하기 어려운 문제가 있다. 고체연료가 분해되어 가스가 되기 위해서는 우선 메탄 가스가 만들어지고 여기에 열원이 더 가해지면 메탄 가스로부터 수소가스와 일산화탄소 가스가 만들어지게 되는데, 바이오매스와 같은 고체연료는 고체상태에서 분해반응이 서서히 일어나면서 충분한 열원을 받아 메탄 가스가 수소 가스와 일산화탄소 가스로 분해되기 쉽다. 하지만, 폐플라스틱의 경우에는 유동층 가스화로 내로 투입되면 급속한 분해가 일어나면서 1차 반응 가스에는 메탄 가스가 주성분이고 유용한 수소 가스와 일산화탄소 가스의 함량이 낮게 된다. 따라서, 종래의 이중 유동층 반응기에서 폐플라스틱을 분해하여 생성되는 최종 가스에는 메탄 가스가 많이 포함되어 있기 때문에 생성된 가스를 직접 활용하기 어렵고, 이중 유동층 반응기에서 1차적으로 메탄 가스가 많이 포함되어 생성된 가스를 다시 재가공해서 수소 가스와 일산화 탄소를 만들어야 하는 문제가 있게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 유동층에서 고체연료가 분해되어 생성되는 메탄 가스 함량이 많은 1차 반응 가스가 유동층 가스화로에서 상승하면서 지속적인 열량이 투입되어 추가적인 분해반응이 일어날 필요가 있고, 이러한 추가적인 열량은 상부에서 투입되어 낙하하는 유동매체를 통해 전달되는 것이 바람직하다. 즉, 유동층 가스화로의 상부에서 투입되는 유동매체와 상승하는 1차 반응 가스가 충분히 접촉하도록 하여 메탄 가스의 추가적 분해 반응이 일어나도록 유도하는 방법이 검토될 수 있다.

그런데, 양산화를 위해 유동층 가스화로의 크기가 커지면 빠르게 분해되어 상승하는 생성 가스가 일정한 흐름으로 흘러 가스화로를 빠져나가게 되고 이에 따라 유동층 가스화로의 일부 구간에는 1차 반응 가스가 통과하지 않는 데드존(Dead zone)이 형성되어 실질적으로 유동매체와 1차 반응 가스가 만나지 않게 된다. 이러한 데드존이 형성되면 1차 반응 가스가 유동매체와 추가적인 접촉 없이 배출되고 메탄 가스의 함량은 여전히 높게 되며, 유동매체와 접촉되는 1차 반응 가스도 투입되는 유동매체와 충분히 접촉되는 것이 아니어서 메탄 가스의 원활한 분해 반응이 일어나기 어렵게 된다.

또한, 종래의 이중 유동층 반응기는 대량 양산을 위해 반응기의 크기를 크게 하기 어려운 또 다른 문제가 있는데, 원활한 유동층 반응을 위해서는 일반적으로 중량을 기준으로 투입되는 고체연료의 30배에 달하는 유동매체의 사용이 필요하다. 따라서, 시간 당 1톤의 고체연료 처리를 위해서는 시간당 30톤에 달하는 유동매체를 순환시키면서 가열하는 것이 필요하게 되는데, 이러한 유동매체를 원활하게 순환시키기 위해서는 이중 유동층 반응기의 강성 및 내구성이 중요하다. 특히, 고체 연료의 가스화 반응이 일어나는 유동층 가스화로(100) 내에서는 유동매체의 유동과 순환이 동시에 일어나기 때문에 진동 등에 의해 유동층 가스화로의 크기를 크게 하기가 어려운 문제가 있었다.

종래의 이중 유동층 반응기에서 미반응 타르 등의 문제를 해결하기 위해, 대한민국등록특허공보 제10-1993734호에서는 유동층 가스화로 상부에 나선형 구조물을 배치하여 폐플라스틱에서 분해되는 가스가 유동층 가스화로 상부에서 투입되는 유동매체와 만나는 시간을 증가시키고자 하였다. 하지만, 이 경우에 유동매체가 나선형 구조물을 타고 일정한 흐름을 타고 이동하기 때문에 유동층 가스화로 내부 공간에서 유동매체가 흐르지 않는 공간인 데드존이 형성되고 이에 따라 유동층 가스화로 내의 공간을 충분히 활용하기 어렵게 되는 문제가 있다. 또한, 유동매체와 가스가 좁은 흐름에서 만나기 때문에 유동매체로부터 가스로의 충분한 열전달이 원활하게 일어나기 어렵게 된다. 따라서, 이러한 이중 유동층 반응기에서 폐플라스틱이 분해되어 만들어지는 가스에서 메탄 가스 함량을 줄이기는 어렵다.

또한, 상부 공간에 위치하게 되는 나선형 구조물은 전체 유동층 가스화로의 무게 중심을 위로 올려 유동층 가스화로를 불안정하게 하고, 그 크기를 증가시키기 어려운 구조가 되는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 고체연료를 분해해서 만들어지는 가스의 순도를 높이고, 강성이 높은 이중 유동층 반응기를 제공하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명에서는 상부에서 유동매체가 유동매체 투입부로부터 투입되고 하부에서 투입된 스팀에 의해 상기 유동매체가 유동하여 유동층이 형성되며, 연료투입부를 통해 투입된 고체연료가 유동매체와 스팀으로부터 전달되는 열에 의해 분해되어 가스화되는 유동층 가스화로 및 상기 유동층 가스화로와 연결되어 상기 유동층 가스화로로부터 배출되는 상기 유동매체를 고온의 가스로 가열하면서 상승시켜 다시 유동층 가스화로의 상부로 투입하는 연소로를 포함하고, 상기 유동층 가스화로는 상기 유동층과 상기 유동매체 투입부 사이에 둘 이상의 수직통로를 포함하는, 이중 유동층 반응기를 제공한다.

본 발명에서 제공되는 이중 유동층 반응기를 통해 폐플라스틱과 같은 고체연료를 효율적으로 가스화할 수 있고, 높은 강성을 통해 이중 유동층 반응기의 크기를 보다 크게 제작할 수 있게 되어 생산성을 높일 수 있다.

도 1은 종래의 이중 유동층 반응기에 대한 개략도이다.

도 2는 본 발명에 따른 이중 유동층 반응기에 대한 개략도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 유동층 반응기의 유동층 가스화로에 배치되는 구획판에 대한 개략도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 유동층 반응기의 유동층 가스화로에 배치되는 구획판에 대한 개략도이다.

도 5는 본 발명에 따라 유동매체 분산판이 포함된 이중 유동층 반응기에 대한 개략도이다.

도 6은 본 발명에 따라 1차 반응 가스 분산판이 포함된 이중 유동층 반응기에 대한 개략도이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명에서는 상부에서 유동매체가 유동매체 투입부로부터 투입되고 하부에서 투입된 스팀에 의해 상기 유동매체가 유동하여 유동층이 형성되며, 연료투입부를 통해 투입된 고체연료가 유동매체와 스팀으로부터 전달되는 열에 의해 분해되어 가스화되는 유동층 가스화로 및 상기 유동층 가스화로와 연결되어 상기 유동층 가스화로로부터 배출되는 상기 유동매체를 고온의 가스로 가열하면서 상승시켜 다시 유동층 가스화로의 상부로 투입하는 연소로를 포함하고, 상기 유동층 가스화로는 상기 유동층과 상기 유동매체 투입부 사이에 둘 이상의 수직통로를 포함하는, 이중 유동층 반응기를 제공한다.

도 2를 통해 본 발명에 따른 이중 유동층 반응기를 설명하면, 유동매체를 통해 고체연료를 가스화하는 이중 유동층 반응기는 연료를 유동매체와 스팀의 열을 통해 분해시키는 유동층 가스화로(100)를 포함한다. 유동층 가스화로(100)는 하단에 축적된 유동매체가 하부에서 공급되는 스팀에 의해 계속 유동을 하여 유동층(500)을 형성하고 여기서 연료가 분해되어 가스화 반응이 일어나 유동층 가스화로 상층으로 1차 반응 가스(130)가 상승하게 된다. 일반적으로 유동매체는 촉매 역할을 할 수 있고 고온에서 안정한 올리빈(olivine)이나 산화칼슘(CaO)이 사용될 수 있다.

연소로(200)는 유동층 가스화로에서 배출되는 유동매체를 하단으로 받아 이를 고온 고속의 가스를 이용하여 화살표(220)와 같이 연소로 내에서 상승시키면서 가열하여 표면에 부착된 연소 부산물을 가스화한 후 사이클론(300)을 통해 유동매체(510)와 연소 가스(230)로 분리하여 연소 가스(230)는 외부로 배출하고 가열된 유동매체(510)는 다시 유동층 가스화로(100)의 상부로 노즐 등을 통해 투입해 주는 역할을 한다.

본 발명에서는 이중 유동층 반응기 내에 하부에 있는 유동층과 상부에 있는 유동매체 투입부 사이에 둘 이상의 수직통로(110)를 포함하게 된다. 이러한 수직통로를 통해 원활하게 1차 반응 가스(130)가 상승하고 유동층 가스화로(100)의 부피 전체를 활용할 수 있게 되고 이에 따라 1차 반응 가스의 추가 반응 효율을 높여 메탄가스의 추가적인 분해 반응을 유도할 수 있게 된다.

본 발명에서 상기 수직통로는 상기 유동층 가스화로의 내부를 횡으로 가로지르고 상기 유동층 가스화로의 길이 방향으로 평행하게 연장되는 하나 이상의 구획판에 의해 구획되어 만들어지는 이중 유동층 반응기를 제공한다.

도 3(a)에서 나타낸 바와 같이 1차 생성 가스가 통과하는 수직통로(110)를 유동층 가스화로(100)의 횡으로 가로지르는 구획판(111)에 의해 구획하여 형성함으로써, 구획판(111)에 의해 수직 통로(110)를 만드는 동시에 유동층 가스화로(100)의 내부 지지판 역할을 함으로써 유동층 가스화로(100)의 강성을 높여줄 수 있게 된다. 또한, 유동매체(510)의 흐름에 따라 발생할 수 있는 유동층 가스화로(100)의 진동을 막아주어 안정적인 반응기의 작동을 가능하게 한다.

또한, 이러한 구획판은 둘 이상이고 서로 평행한 이동 유동층 반응기를 제공할 수 있다.

구획판(111)은 도 3(b)에서 나타낸 바와 같이 복수로 형성되고 서로 평행함으로써 복수의 수직 통로(110)를 형성할 수 있다. 복수의 구획판(111)이 형성됨으로써 유동층 가스화로(100)의 강성은 더 높아지게 된다.

본 발명에서, 구획판은 둘 이상이면서 서로 교차하는 이중 유동층 반응기를 제공한다.

도 4(a)에서는 유동층 가스화로(100) 내에서 둘 이상의 구획판(111)이 서로 교차하는 것을 나타내고 있다. 이러한 둘 이상의 구획판(111)은 소정의 각도를 가지고 교차할 수 있고, 또는 직각으로 교차할 수도 있다. 도 4(b)에서는 서로 직각으로 교차하는 구획판(111)을 나타내고 있다. 또한, 도 4(c)에서와 같이 다중으로 교차하는 구획판(111)을 통해 이중 유동층 반응기 내에 격자구조의 수직 통로(110)를 형성할 수도 있다.

구획판(111)이 서로 교차하여 형성됨으로써, 유동층 가스화로(100)의 강성을 더 높일 수 있고, 유동매체 흐름에 따른 진동을 줄여주는 효과가 있다.

또한, 교차하는 각을 조절하거나 구획판(111) 간의 거리를 조절함으로써 구획판(111)에 의해 형성되는 수직 통로(110)의 면적을 서로 다르게 조절할 수도 있는데, 예를 들어 최종 가스 배출구에 가까운 곳의 통로는 면적을 넓게하여 가까운 곳의 수직통로를 통과하는 가스의 속도는 늦추고 먼 곳의 수직통로의 면적은 좁게하여 가스 흐름 속도를 빠르게 하여 전체 가스의 흐름 속도를 조절할 수 있게 된다. 또한, 교차하는 각이 직각이 될 수록 유동층 가스화로(100) 전체의 진동 감소의 효과는 더 높아질 수 있다.

본 발명에서는, 상기 유동층 가스화로에서 상기 유동매체 투입부와 상기 수직통로 사이에 상기 유동매체 흐름에 의해 회전하는 블레이드를 가지는 유동매체 분산판을 더 포함하는 이중 유동층 반응기를 제공한다.

도 5를 참고하면, 수직통로(110)와 유동매체 투입부(150) 사이에 유동매체 분산판(170)을 포함하고, 유동매체 분산판(120)은 유동매체(510) 흐름에 의해 회전하는 블레이드를 가지게 된다. 처음 유동매체 투입부(150)를 통해 유동층 가스화로(100)로 투입되는 유동매체(510)는 유동매체 분산판(170)을 통과하면서 블레이드를 회전시키고 이어서 투입되는 유동매체(510)는 이러한 회전하는 유동매체 분산판(120)을 통과하면서 유동층 가스화로(100) 전체로 골고루 분산되어 낙하하게 된다. 특히, 유동층 가스화로(100) 내에 배치되는 복수의 수직통로(110)에 고르게 유동매체가 분산되어 낙하하게 함으로써 상승하는 1차 반응 가스(130)와 효율적으로 접촉하여 추가 분해반응이 일어나도록 유도한다.

또한, 본 발명에서 상기 유동층 가스화로에는 상기 유동층과 상기 수직 통로 사이에 상기 유동매체 흐름에 의해 회전하는 블레이드를 가지는 1차 반응 가스 분산판을 더 포함하는 이중 유동층 반응기를 제공할 수 있다.

도 6에서는 이러한 분산판을 가지는 유동층 가스화로를 나타내고 있는데, 투입된 고체연료는 고온의 유동층(500)에서 분해되어 1차 반응 가스(130)를 생성시키는데, 이렇게 생성된 1차 반응 가스(130)를 1차 반응 가스 분산판(160)을 통해 유동층 가스화로(100) 전체로 고르게 분산시키면 1차 반응 가스(130)와 낙하하는 유동매체(510)와의 접촉 기회를 늘려주어 보다 효율적인 추가적인 반응을 유도할 수 있게 된다. 이때 분산판은 낙하하는 유동매체(510)가 통과하면서 낙하하는 힘에 의해 회전할 수 있도록 블레이드를 포함하게 된다.

또한, 본 발명에서 상기 고체연료는 폐플라스틱 고형연료인 이중 유동층 반응기를 제공한다.

연료로 폐플라스틱이 사용되면 분해가 빠르게 일어나기 때문에 최종 가스에서 메탄의 함량이 높게 된다. 이를 방지하기 위해 본 발명에서와 같이 흐름제어축 또는 흐름제어층이 형성된 유동층 가스화로를 활용한다면 최종 생성 가스에서 메탄 가스의 함량을 줄일 수 있게 된다.

Claims (8)

1. 상부에서 유동매체가 유동매체 투입부로부터 투입되고 하부에서 투입된 스팀에 의해 상기 유동매체가 유동하여 유동층이 형성되며, 연료투입부를 통해 투입된 고체연료가 유동매체와 스팀으로부터 전달되는 열에 의해 분해되어 가스화되는 유동층 가스화로; 및

   상기 유동층 가스화로와 연결되어 상기 유동층 가스화로로부터 배출되는 상기 유동매체를 고온의 가스로 가열하면서 상승시켜 다시 유동층 가스화로의 상부로 투입하는 연소로를 포함하고,

   상기 유동층 가스화로는 상기 유동층과 상기 유동매체 투입부 사이에 둘 이상의 수직통로를 포함하는, 이중 유동층 반응기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 수직통로는 상기 유동층 가스화로의 내부를 횡으로 가로지르고 상기 유동층 가스화로의 길이 방향으로 평행하게 연장되는 하나 이상의 구획판에 의해 구획되어 만들어지는, 이중 유동층 반응기.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 구획판은 둘 이상이고 서로 평행한, 이중 유동층 반응기.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 구획판은 둘 이상이고 서로 교차하는, 이중 유동층 반응기.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 서로 교차하는 구획판은 직각으로 교차하는, 이중 유동층 반응기.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 유동층 가스화로에서, 상기 유동매체 투입부와 상기 수직통로 사이에 상기 유동매체 흐름에 의해 회전하는 블레이드를 가지는 유동매체 분산판을 더 포함하는, 이중 유동층 반응기.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 유동층 가스화로에서, 상기 유동층과 상기 수직 통로 사이에 상기 유동매체 흐름에 의해 회전하는 블레이드를 가지는 1차 반응 가스 분산판을 더 포함하는, 이중 유동층 반응기.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 고체연료는 폐플라스틱 고형연료인, 이중 유동층 반응기.

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