KR101594797B1 - 유동층 가스화 반응기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스팀공급에 의한 냉각이 아닌 열교환에 의한 냉각에 의해 처리량을 감소시키고, 열회수율을 증대시킬 수 있는 유동층 가스화 반응기에 관한 것으로, 내부에 공간을 가지는 하우징; 상기 하우징 하부에 설치되는 원료공급부; 상기 하우징 하부에 설치되는 가스화제공급부; 상기 하우징의 상부에 설치되어 합성가스를 배출시키는 합성가스배출부; 및 상기 하우징 내부의 유동층 영역에 설치되고, 열매체가 내부를 순환하는 냉각기를 포함한다.
Description
본 발명은 유동층 가스화 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스팀공급에 의한 냉각이 아닌 열교환에 의한 냉각에 의해 합성가스 처리량을 감소시키고, 열회수율을 증대시킬 수 있는 유동층 가스화 반응기에 관한 것이다.
가스화 공정은 일반적으로 석탄, 바이오매스 등의 탄소질(carbonaceous) 원료를 가스화제(예를 들면, 산소, 증기, 이산화탄소 또는 이의 혼합물)의 공급 하에서 반응시켜 주성분이 수소 및 일산화탄소로 이루어지는 합성가스로 전환시키는 일련의 공정을 의미한다. 이때, 합성가스라는 용어는 통상적으로 CO 및 H2가 포함된 혼합가스를 의미한다. 이러한 가스화 반응의 전형적인 반응 메커니즘의 예는 하기 반응식 1 내지 3에 나타낼 수 있다.
[반응식 1]
C+1/2O2 → CO
[반응식 2]
C + H2O → CO + H2 (스팀 개질)
[반응식 3]
C + CO2 → 2CO (이산화탄소 개질)
반응식 1은 부분산화를 나타내고, 반응식 2는 스팀개질을 나타내며, 반응식 3은 이산화탄소 개질을 나타낸다.
최근 가스화 공정 기술은 다양한 화합물의 원료 및 연료를 생산하는 기술로 확대되었으며, 전력생산을 포함한 다양한 제품을 생산하도록 그 적용 범위가 확장되고 있다. 구체적으로, 가스화 공정의 주된 생성물인 합성가스 내 수소를 이용하여 수소 발전, 암모니아 제조, 정유 공정 등에 적용할 수 있고, 합성 가스를 하기 반응식 4로 표시되는 피셔-트롭시(Fischer-Tropsch) 반응의 원료로 사용하여 디젤유, 제트유, 윤활기유, 나프타 등을 제조할 수 있으며, 그리고 반응식 5로 표시되는 바와 같이 합성 가스로부터 제조된 메탄올을 이용하여 아세트산, 올레핀, 디메틸에테르, 알데히드, 연료 및 첨가제 등의 고부가가치의 화학 물질을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다. 이와 관련하여, 피셔-트롭시 공정 및 메탄올 합성공정의 경우, 일산화탄소와 수소의 비율이 약 1:2정도(1:2 내외)가 바람직하다.
[반응식 4]
nCO + 2nH2 → CnH2n + nH2O
[반응식 5]
CO + 2H2 → CH3OH
그러나, 반응식 2에 따른 스팀 개질 반응 및 반응식 3에 따른 이산화탄소 개질 반응에서 얻어진 합성가스의 경우 모두 일산화탄소와 수소의 비율이 1:2가 되지 않는다. 따라서, 일반적으로 스팀 개질 반응, 부분 산화반응, 및/또는 이산화탄소 개질 반응 후 생성물에 대하여 하기 반응식 6에 따른 수성 가스 전이반응(Water-Gas Shift reaction)을 수행하거나 수소를 추가 공급하여 일산화탄소와 수소의 비율을 약 1:2 정도로 조정하기도 한다.
[반응식 6]
CO + H2O → CO2 + H2
가스화 공정에서 O/C 비율은 일정해야 하며, 이를 위해 온도가 과열되는 것을 방지하기 위한 온도제어를 하게 된다. O/C 비율을 대략 30%로 하기 위해서는 내부온도가 850~870℃가 되어야 한다.
가스화반응 온도를 낮추기 위해 스팀을 공급하는 것이 일반적이다. 그러나, 스팀을 추가하는 경우에, 합성가스가 수분을 포함하여 전체적인 처리량이 증대되고, 합성가스로부터 수분을 제거해야 하므로 공정이 복잡해질 뿐 아니라, 열회수율이 떨어지게 된다. 또, 스팀을 추가하면 CO의 함량이 낮아지게 되고, 장비의 부식이 촉진되는 문제점이 있다.
가스화반응 온도를 낮게 하고, 온도분포를 균일하게 하기 위해 유동촉매를 사용하게 된다. 이러한 유동촉매는 유동화하면서 마모와 포이즈닝(poisoning)으로 인한 활성저하 및 융점강하의 문제가 발생하게 된다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 스팀공급에 의한 온도조절이 아닌 열교환에 의한 온도조절에 의해 처리량을 감소시키고, 열회수율을 증대시킬 수 있는 유동층 가스화 반응기를 제공하는 데에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 내부에 공간을 가지는 하우징; 상기 하우징 하부에 설치되는 원료공급부; 상기 하우징 하부에 설치되는 가스화제공급부; 상기 하우징의 상부에 설치되어 합성가스를 배출시키는 합성가스배출부; 및 상기 하우징 내부의 유동층 영역에 설치되고, 열매체가 내부를 순환하는 냉각기를 포함하는 유동층 가스화 반응기이다.
상기 냉각기는 열매체가 흐르는 냉각튜브가 나선의 코일형상을 가지는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 냉각튜브가 서로 맞닿아서 상기 냉각기가 전체적으로 관체를 형성하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 냉각기 내부에서 유동화 흐름이 하향을 이루도록, 상기 냉각기의 아래에 냉각기의 외부 주위로 유동화 흐름을 안내하는 확산가이드가 설치되고, 상기 가스화제공급부는 상기 확산가이드 주위에 설치되어 상기 냉각기의 주위로 상향의 유동화 흐름을 형성하는 것이 가능하다.
반대로, 상기 냉각기 내부에서 유동화 흐름이 상향을 이루도록, 상기 냉각기의 아래에 상기 가스화제공급부가 위치하고, 상기 가스화제공급부의 외부 주위로 유동화 흐름을 상기 냉각기의 하부를 향해 안내하는 수렴가이드가 설치되어 상기 냉각기의 주위로 하향의 유동화 흐름을 형성하는 것도 가능하다.
또, 상기 냉각튜브의 표면에는 촉매가 코팅되는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 통하여, 스팀을 가하지 않고도 합성가스의 온도를 낮추는 것이 가능하다. 따라서, 스팀공급에 의한 냉각에 비해 처리량을 감소시킬 수 있을 뿐 아니라, 스팀공급으로 인한 CO의 함량저하와 장비의 부식의 문제를 해결할 수 있다. 추가적으로 냉각에 의해 얻은 열량을 재사용하는 것에 의해 열회수율을 높일 수 있다.
또, 유동촉매를 대신한 촉매코팅에 의해 합성가스의 온도를 낮게 하고, 온도분포를 균일하게 하면서도, 고정된 촉매를 사용하기 때문에 마모량이 감소하여, 포이즈닝(poisoning)으로 인한 활성저하 및 융점강하의 문제가 해소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 유동층 가스화 반응기의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 유동층 가스화 반응기의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 3에 따른 유동층 가스화 반응기의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 유동층 가스화 반응기의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 3에 따른 유동층 가스화 반응기의 개략적인 단면도이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1에서 도면부호 100은 본 발명의 실시예1에 따른 유동층 가스화 반응기를 지시한다. 상기 유동층 가스화 반응기(100)는 내부에 공간을 가지는 하우징(102)과, 상기 하우징(102) 하부에 설치되는 원료공급부(114)와, 상기 하우징(102) 하부에 설치되는 가스화제공급부(104)와, 상기 하우징(102)의 상부에 설치되어 합성가스를 배출시키는 합성가스배출부(106)와, 상기 하우징(102) 내부의 유동층 영역에 설치되고, 열매체가 내부를 순환하는 냉각기를 포함하여 이루어진다.
상기 하우징(102)은 관체로 형성되며, 대략 단면이 원형 또는 직사각형으로 형성될 수 있다.
상기 원료공급부(114)는, 도시되지 않은 원료공급원과 연결되는 것으로, 피드스크류와 같은 공지의 기술을 사용할 수 있다.
상기 가스화제공급부(104)는, 원료를 연소 또는 산화시키는 것과 동시에, 상기 하우징(102) 내부에 유동화 영역을 형성하도록 충분한 유량으로 가스화제가 공급된다. 가스화제로는 산소, 공기, 이산화탄소 또는 이의 혼합물을 사용할 수 있으며, 필요에 따라 스팀이 추가될 수도 있다. 가스화제의 혼합조성은 공지의 기술이므로, 여기에서는 자세한 설명은 생략한다.
또, 상기 합성가스배출부(106)는 상기 하우징(102)의 상부에 설치되어, 성분분리기, 수성화반응기 등 다른 장치와 연결될 수 있다.
상기 냉각기는 열매체가 흐르는 냉각튜브(108)가 접촉면적을 넓힐 수 있도록 나선의 코일형상을 가질 수 있다. 나선의 코일형상은 나선의 축선방향이 상기 하우징(102)의 길이방향으로 배치되도록 하여, 유동화 흐름에 대한 방해를 최소화시키는 것이 바람직하다. 상기 냉각튜브(108)에는 열매체유입부(110)와 열매체유출부(112)가 연결되고, 상기 열매체유입부(110)와 상기 열매체유출부(112)는 도시되지 않은 열매체순환장치에 연결되어, 상기 냉각튜브(108)에 열매체를 순환시킬 수 있다.
열매체는 액체 또는 기체 등 제한이 없으며, 특히 유동층 가스화 반응기(100)의 주위에 설치되는 설비에 획득한 열에너지를 재사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 가스화제공급부(104)로 유입되는 가스화제를 예열시키는 데에 열매체가 얻은 열량을 사용하는 것이 가능하다. 이 결과, 열회수율을 높일 수 있고 종래기술과 달리 스팀을 냉각제로 사용하지 않으므로 냉각용 스팀의 공급으로 인해 발생할 수 있는 스팀 등 성분분리를 위한 처리량 감소 및 CO의 함량저하와 장비의 부식을 방지할 수 있게 된다.
그리고, 상기 냉각튜브(108)에는 촉매를 코팅하여, 유동화 흐름에 따라 원료와 가스화제의 혼합물이 촉매에 접촉하여 촉매반응이 일어날 수 있다. 촉매로는 Ni, Fe, Co, Mo, Mn, Zr, Ti, Ce, Ru, Rh, Pt 등의 단일 금속과 산화금속 또는 이들의 혼합형태의 촉매, 그리고 Na, K 등의 알칼리 금속의 촉매도 사용할 수 있다. 이 때, 촉매는 고정되어 있으므로, 합성가스의 온도를 낮게 하고, 온도분포를 균일하게 하면서도, 고정된 촉매를 사용하기 때문에 마모량이 감소하여, 포이즈닝(poisoning)으로 인한 활성저하 및 융점강하의 문제가 해소될 수 있다.
다음으로, 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예 2에 따른 유동층 가스화 반응기(200)를 설명한다. 상기 유동층 가스화 반응기(200)는 내부에 공간을 가지는 하우징(202)과, 상기 하우징(202) 하부에 설치되는 원료공급부(214)와, 상기 하우징(202) 하부에 설치되는 가스화제공급부(204)와, 상기 하우징(202)의 상부에 설치되어 합성가스를 배출시키는 합성가스배출부(206)와, 상기 하우징(202) 내부의 유동층 영역에 설치되고, 열매체가 내부를 순환하는 냉각기를 포함하여 이루어지는 점에서 실시예 1과 차이가 없으며, 동일한 구성요소에 대해서는 설명을 생략한다.
다만, 상기 유동층 가스화 반응기(200)의 냉각기의 형상이 실시예 1과 다르게 이루어진다.
상기 냉각기는 냉각튜브(208)가 서로 맞닿아서 전체적으로 관체를 형성하는 것이 특징이다. 이 결과, 냉각기 내부와 외부의 유동화 흐름이 서로 격리된다.
실시예 2에서는, 상기 냉각기 내부에서 유동화 흐름이 하향을 이루고, 상기 냉각기 외부에서 유동화 흐름이 상향을 이루도록, 상기 냉각기의 아래에 냉각기의 외부 주위로 유동화 흐름을 안내하는 확산가이드(218)가 설치된다.
상기 확산가이드(218)는 도 2에 도시된 바와 같이, 중심이 높은 대략 원뿔의 블럭을 설치하거나, 상기 하우징(202)의 내부에 상기 냉각기 하부에 설치되는 원뿔각의 플레이트인 것도 가능하다. 이 결과, 상기 확산가이드(218)는 상기 냉각기를 향해 유동화 흐름이 형성되는 것은 방해하고, 반대로 상기 냉각기의 하부로부터 주위를 향해 유동화 흐름이 형성되는 것을 유도하게 된다. 또한, 상기 확산가이드(218)의 주위로, 상기 가스화제공급부(204)를 설치하여, 가스화제를 상향으로 공급하는 것에 의해, 상기 냉각기 내부에서 유동화 흐름이 하향을 이루고, 상기 냉각기 외부에서 유동화 흐름이 상향을 이루는 유동화 흐름의 순환이 형성될 수 있다.
따라서, 실시예 2의 유동층 가스화 반응기(200)는 실시예 1의 유동층 가스화 반응기(100)에 비해 가스화제와 원료의 혼합이 잘 이루어져, 합성가스의 생산량을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
다음으로, 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예 3에 따른 유동층 가스화 반응기(300)를 설명한다. 상기 유동층 가스화 반응기(300)는 내부에 공간을 가지는 하우징(302)과, 상기 하우징(302) 하부에 설치되는 원료공급부(314)와, 상기 하우징(302) 하부에 설치되는 가스화제공급부(304)와, 상기 하우징(302)의 상부에 설치되어 합성가스를 배출시키는 합성가스배출부(306)와, 상기 하우징(302) 내부의 유동층 영역에 설치되고, 열매체가 내부를 순환하는 냉각기를 포함하여 이루어지는 점에서 실시예 1과 차이가 없으며, 동일한 구성요소에 대해서는 설명을 생략한다.
다만, 상기 유동층 가스화 반응기(300)의 냉각기의 형상이 실시예 1과 다르게 이루어지고, 유동화 흐름의 방향은 실시예 2와 다르다.
상기 냉각기는 냉각튜브(308)가 서로 맞닿아서 전체적으로 관체를 형성하는 것이 특징이다. 이 결과, 냉각기 내부와 외부의 유동화 흐름이 서로 격리된다.
실시예 3에서는, 상기 냉각기 내부에서 유동화 흐름이 상향을 이루고, 상기 냉각기 외부에서 유동화 흐름이 항향을 이루도록, 상기 냉각기의 아래에 상기 가스화제공급부(304)를 배치하고, 상기 가스화제공급부(304)의 외부 주위로 수렴가이드(316)가 배치된다.
상기 수렴가이드(316)는 도 3에 도시된 바와 같이, 케이싱(302)의 하부 외벽이 하측으로 갈수록 단면적이 점차 작아지는 형상을 가지도록 상기 케이싱(302)과 일체로 형성될 수 있다. 또는, 상기 케이싱(302)의 내부에 도 3에 도시된 단면을 가지도록 추가적인 블럭을 설치하는 것도 가능하다.
이 결과, 상기 가스화제공급부(304)에 의한 상향의 가스화제의 공급은 상기 냉각기의 내부를 통해 이루어지고, 상기 냉각기의 상부에서 상기 냉각기의 주위로 낙하하는 유동화흐름은 상기 수렴가이드(316)에 의해 모아져서 상기 냉각기의 내부로 상기 가스화제와 함께 유입된다. 이 결과, 상기 냉각기 내부에서 유동화 흐름이 상향을 이루고, 상기 냉각기 외부에서 유동화 흐름이 하향을 이루는 유동화 흐름의 순환이 형성될 수 있다.
따라서, 실시예 3의 유동층 가스화 반응기(300)는 실시예 1의 유동층 가스화 반응기(100)에 비해 가스화제와 원료의 혼합이 잘 이루어져, 합성가스의 생산량을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100,200,300:
102,202,302: 하우징
104,204,304: 가스화제공급부
106: 206,306: 합성가스배출부
108,208,308: 냉각튜브
110,210,310: 열매체유입부
112,212,312: 열매체유출부
114,214,214: 원료공급부
218: 확산가이드
316: 수렴가이드
102,202,302: 하우징
104,204,304: 가스화제공급부
106: 206,306: 합성가스배출부
108,208,308: 냉각튜브
110,210,310: 열매체유입부
112,212,312: 열매체유출부
114,214,214: 원료공급부
218: 확산가이드
316: 수렴가이드
Claims (6)
- 내부에 공간을 가지는 하우징;
상기 하우징 하부에 설치되는 원료공급부;
상기 하우징 하부에 설치되는 가스화제공급부;
상기 하우징의 상부에 설치되어 합성가스를 배출시키는 합성가스배출부; 및
상기 하우징 내부의 유동층 영역에 설치되고, 열매체가 내부를 순환하여 합성가스를 냉각시키는 냉각기를 포함하는 유동층 가스화 반응기.
- 제1항에 있어서, 상기 냉각기는 열매체가 흐르는 냉각튜브가 나선의 코일형상을 가지는 것을 특징으로 하는 유동층 가스화 반응기.
- 제2항에 있어서, 상기 냉각튜브가 서로 맞닿아서 상기 냉각기가 전체적으로 관체를 형성하는 것을 특징으로 하는 유동층 가스화 반응기.
- 제3항에 있어서, 상기 냉각기 내부에서 유동화 흐름이 하향을 이루도록, 상기 냉각기의 아래에 냉각기의 외부 주위로 유동화 흐름을 안내하는 확산가이드가 설치되고, 상기 가스화제공급부는 상기 확산가이드 주위에 설치되어 상기 냉각기의 주위로 상향의 유동화 흐름을 형성하는 것을 특징으로 하는 유동층 가스화 반응기.
- 제3항에 있어서, 상기 냉각기 내부에서 유동화 흐름이 상향을 이루도록, 상기 냉각기의 아래에 상기 가스화제공급부가 위치하고, 상기 가스화제공급부의 외부 주위로 유동화 흐름을 상기 냉각기의 하부를 향해 안내하는 수렴가이드가 설치되어 상기 냉각기의 주위로 하향의 유동화 흐름을 형성하는 것을 특징으로 하는 유동층 가스화 반응기.
- 제2항에 있어서, 상기 냉각튜브의 표면에는 촉매가 코팅되는 것을 특징으로 하는 유동층 가스화 반응기.
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|---|---|---|---|
| KR1020140151851A KR101594797B1 (ko) | 2014-11-04 | 2014-11-04 | 유동층 가스화 반응기 |
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|---|---|
| KR101594797B1 true KR101594797B1 (ko) | 2016-02-17 |
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| KR (1) | KR101594797B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102571736B1 (ko) * | 2023-01-11 | 2023-08-29 | 주식회사 토브이앤씨 | 폐플라스틱을 활용한 오일 생산 방법 |
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2014
- 2014-11-04 KR KR1020140151851A patent/KR101594797B1/ko active IP Right Grant
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