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KR102527354B1 - 이중 하부 루프실을 구비하는 순환 유동층 시스템 - Google Patents

이중 하부 루프실을 구비하는 순환 유동층 시스템 Download PDF

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KR102527354B1
KR102527354B1 KR1020210049669A KR20210049669A KR102527354B1 KR 102527354 B1 KR102527354 B1 KR 102527354B1 KR 1020210049669 A KR1020210049669 A KR 1020210049669A KR 20210049669 A KR20210049669 A KR 20210049669A KR 102527354 B1 KR102527354 B1 KR 102527354B1
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South Korea
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fluidized bed
pipe
solid
loop
loop seal
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류호정
남형석
황병욱
김하나
원유섭
김대욱
조성호
이승용
박영철
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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 순환 유동층 시스템은, 각각이 유동화 기체를 주입받는 복수의 유동층 반응기와 복수의 유동층 반응기 각각으로부터 배출되는 기체와 고체를 분리하는 복수의 사이클론을 포함하는 순환 유동층 시스템으로서, 상기 복수의 유동층 반응기는 적어도 제1 유동층 반응기 및 제2 유동층 반응기를 포함하고, 상기 제1 유동층 반응기로부터 배출된 고체 입자가 유입되어 상기 제2 유동층 반응기로 배출되는 상부 루프실, 상기 제2 유동층 반응기로부터 배출된 고체 입자를 상기 제1 유동층 반응기로 배출하여 순환시키는 하부 루프실을 포함하고, 상기 하부 루프실은, 순차 배치된 2개 이상의 루프실을 포함한다.

Description

이중 하부 루프실을 구비하는 순환 유동층 시스템{CIRCULATING FLUIDIZED BED SYSTEM INCLUDING DUAL LOWER LOOP SEAL}
본 발명은 기체-고체 반응에서 널리 사용되는 순환 유동층 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 고체 순환 제어를 용이하게 할 수 있는 2탑 연결 순환 유동층 시스템에 관한 것이다.
기체-고체 유동층(Fluidized bed)은 유동층 반응기 내부에 고체입자를 장입한 후, 반응기 하부에 기체를 주입하여, 고체입자를 부유시킴으로써 고체입자들의 거동을 유체의 거동과 유사해지도록 변화시키는 장치이다.
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. 특히 2탑 연결 순환 유동층(Two-interconnected Circulating Fluidized Bed) 시스템은 열 및 물질 전달이 우수한 유동층 반응기의 장점과 함께 고체순환이 가능한 점에서 서로 다른 두 개의 반응이 동시에 일어나는 기체-고체 반응에 널리 사용되고 있다.
도 1은 종래의 2탑 연결 순환 유동층 시스템을 도시한 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 일반적으로 2탑 연결 순환 유동층 시스템(1)은 2개의 유동층 반응기(11, 12)가 연결되어 있으며, 두 개의 유동층 반응기(11, 12) 사이에는 각각의 유동층 반응기에 주입되는 기체의 혼합을 방지하고, 두 개의 유동층 반응기(11, 12) 내부에서 차압(differential pressure) 발생에 의해 일어날 수 있는 고체의 역흐름을 방지하기 위해 루프실(loop seal)(3, 4)을 설치할 수 있다.
일반적인 2탑 연결 순환 유동층 시스템(1)에 있어서의 고체 순환에 대해 설명하면, 제1 유동층 반응기(11)의 하부에 유동화 기체(g1)를 주입하는 것에 의해 고체 입자가 부유하여 비산되고, 비산된 기체와 고체의 혼합물은 제1 사이클론(5)에 유입된 후, 고체 입자는 분리되어 하부로 배출되고 기체는 제1 사이클론(5) 상부로 배출되게 된다. 하부로 배출된 고체 입자는, 상부 루프실(3)로 도입되고, 중력에 의해 하강하여 상부 고체 하강관(31)에 도달한다. 상부 고체 하강관(31)에 도달한 고체 입자는, 상부 루프실(3) 하부에서 주입되는 유동화 기체(g3)에 의해 유동화 되어 상부 고체 상승관(32)을 통해 상승하고, 이 때 상부 고체 하강관(31)과 상부 고체 상승관(32)에 작용하는 압력이 동일할 경우, 상부 고체 하강관(31)과 상부 고체 상승관(32) 내에 존재하는 고체 입자의 높이가 동일하게 된다. 계속해서 고체 입자가 주입되어 상부 고체 하강관(31) 내의 높이가 증가하면 상부 고체 상승관(32)의 높이도 함께 증가하게 되고 그 결과 상부 고체 상승관(32) 내부의 고체 입자 높이가 (33)의 하부 높이와 같아지게 되면 상부 루프실(3)에 추가적으로 주입되는 고체량만큼 상부 고체 배출관(33)을 통해 제2 유동층 반응기(2)로 고체입자가 공급되게 된다.
제2 유동층 반응기(12)에 공급된 고체는, 제2 유동층 반응기(12)의 하부로 공급되는 유동화 기체(g2)에 의해 비산하여 제2 사이클론(6)에 유입되어 고체 입자는 분리되어 다시 제2 유동층 반응기(12)로 유입되고, 기체는 제2 사이클론(6) 상부로 배출된다. 제2 유동층 반응기(12) 내부의 고체입자는 하부 루프실(4)에 도입된 후 하부 루프실(4)의 하부로 주입되는 유동화 기체(g4)에 의해 유동화되어, 제1 유동층 반응기(11)로 재순환된다.
이 때, 하부 루프실(4)에 주입되는 유동화 기체(g4)의 유량을 조정하는 것에 의해 고체의 순환 속도를 조절할 수 있다. 즉, 제2 유동층 반응기(12)로부터, 하부 루프실(4)의 하부 고체 유입관(41)을 통해 고체가 하부 루프실(4)로 유입되고, 유입된 고체는 하부 고체 하강관(42)을 통해 하강하고 고체 유입에 따라 하부 고체 상승관(43)까지 채우게 된다. 이 상태에서 유동화 기체(g4)의 유량을 변화시키는 것에 의해 고체가 하부 고체 배출관(44)을 통해 배출되는 고체량을 변화시킬 수 있고 따라서 전체 시스템의 순환 속도를 변화시킬 수 있다. 이와 같은 연속적인 고체의 유입과 배출이 있는 조건에서, 제1 유동층 반응기(1)의 압력이 증가하는 경우 제2 유동층 반응기(2)과의 관계에서 압력차가 발생하게 되어 해당 차이만큼 제2 유동층 반응기(2) 내부에서의 고체층 높이가 증가하게 된다. 이 경우, 하부 루프실(4)에 주입되는 유동화 기체(g4)의 유량이 동일한 경우에도 고체 순환 속도가 크게 증가하여 원하는 제어를 얻을 수 없게 되고, 또한 제2 유동층 반응기(2) 내부에서의 고체층의 높이가 크게 증가하여 제2 유동층 반응기(2)에 주입되는 유동화 기체(g2)가 상승하면서 발생하는 기포의 크기가 증가함에 따라 슬러깅(slugging)이 발생하여 전체 시스템의 운전이 어려워 질 수 있다는 문제가 있다.
또한 이와 반대로, 제2 유동층 반응기(2)의 압력이 증가하는 경우, 제2 유동층 반응기(2) 내부에서의 고체층 높이가 감소하게 되고, 이 경우 하부 루프실(4)에 주입되는 유동화 기체(g4)의 유량이 동일한 경우에도 고체 순환 속도가 크게 감소하여 원하는 제어를 얻을 수 없게 되고, 또한 제2 유동층 반응기(2) 내부에서의 고체층의 높이가 크게 감소하여 또한 제2 유동층 반응기(2) 내에서 일어나는 반응에 필요한 기체-고체간 접촉시간을 충분히 확보할 수 없다는 문제가 있다. 아울러 제2 유동층 반응기(2) 내부에서의 고체층의 높이가 더욱 감소하여 하부 루프실(4)의 하부 고체 유입관(41)보다도 낮아질 경우에는 하부 루프실(4)로의 고체 유입이 중단되어 고체 순환이 일어나지 않는다는 문제도 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 하부 루프실(4)의 하부 고체 유입관(41)의 위치를 제2 유동층 반응기(2)에서 비교적 높은 부분에 위치하도록 하는 구성을 사용할 수도 있다(over-flow 형태). 그러나 이 경우에는, 제2 유동층 반응기(2) 내부에서의 고체층 높이를 충분히 유지할 수 있다는 장점이 있으나, 상부 루프실(3)과 하부 루프실(4) 모두 유입된 고체량만큼 고체가 배출되므로 하부 루프실(4)을 통한 고체순환속도 제어는 불가능하며, 전체 시스템의 고체 순환 속도는 초기 장입한 고체량에 의존하게 된다. 따라서 고체 순환 속도를 증가시키려면 초기 고체 장입량을 증가시켜야 하는데, 초기 고체 장입량이 과도한 경우 제1 유동층 반응기(1)에서 상부로 부유시킬 수 있는 최대 고체순환량(saturation carrying capacity)에 비해 많은 양의 고체가 제1 유동층 반응기(1)로 유입될 수 있으며, 이 경우 제1 유동층 반응기(1) 하부에 고체가 쌓이게 되면서 폐색(choking)되어 더 이상 고체가 순환되지 않는 조건이 발생할 수 있다는 문제가 있다. 또한 장입된 고체 입자의 마모, 파쇄 등에 의한 손실이 발생할 경우 고체순환속도가 감소하게 되어 지속적인 보충(make-up) 없이는 일정한 고체순환속도를 유지할 수 없다는 문제가 있다.
본 발명은 이와 같은 종래의 순환 유동층 시스템에서의 한계를 해결하기 위하여 도출된 것으로, 반응기의 순간적인 압력 변화에도 제2 유동층 반응기 내의 고체층 높이 변화가 적으며, 또한 고체 순환 속도의 변화도 적어서 고체 순환 속도를 용이하게 제어할 수 있고, 제2 유동층 반응기 내부의 고체층 높이를 충분하게 유지할 수 있는 순환 유동층 시스템을 제공하는 것을 과제로 한다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 순환 유동층 시스템은, 각각이 유동화 기체를 주입받는 복수의 유동층 반응기와 복수의 유동층 반응기 각각으로부터 배출되는 기체와 고체를 분리하는 복수의 사이클론을 포함하는 순환 유동층 시스템으로서, 상기 복수의 유동층 반응기는 적어도 제1 유동층 반응기 및 제2 유동층 반응기를 포함하고, 상기 제1 유동층 반응기로부터 배출된 고체 입자가 유입되어 상기 제2 유동층 반응기로 배출되는 상부 루프실, 상기 제2 유동층 반응기로부터 배출된 고체 입자를 상기 제1 유동층 반응기로 배출하여 순환시키는 하부 루프실을 포함하고, 상기 하부 루프실은, 순차 배치된 2개 이상의 루프실을 포함한다.
상기 하부 루프실은, 순차 배치된 1차 하부 루프실 및 2차 하부 루프실을 포함할 수 있다.
상기 1차 하부 루프실 및 상기 2차 하부 루프실은 각각 U자형 관 형태를 갖고, 상기 하부 루프실은 상기 U자형 관 형태를 연결하는 루프실 연결관을 더 포함할 수 있다.
상기 하부 루프실은 상기 제2 유동층 반응기로부터 고체가 유입되는 하부 유입관을 포함하고, 상기 하부 유입관은 상기 1차 하부 루프실의 1차 하부 하강관과 연결될 수 있다.
상기 1차 하부 하강관은 1차 하부 상승관과 연결되어 상기 U자형 관 형태를 형성하고, 상기 1차 하부 상승관의 상단부는 상기 루프실 연결관의 일단부와 연결될 수 있다.
상기 루프실 연결관의 타단부는 상기 2차 하부 루프실의 2차 하부 하강관가 연결되고, 상기 2차 하부 하강관은 2차 하부 상승관과 연결되어 상기 U자형 관 형태를 형성할 수 있다.
상기 2차 하부 상승관은 상기 2차 하부 루프실 내의 고체를 상기 제1 유동층 반응기로 배출하는 하부 배출관과 연결될 수 있다.
상기 1차 하부 루프실 및 상기 2차 하부 루프실에는 각각 유동화 가스가 공급되어 상기 하부 루프실 내부의 고체를 유동화시킬 때, 상기 고체를 유동화하기 위한 상기 유동화 가스의 최소 유량은 하기 식 (1) 및 식 (2)를 만족시킬 수 있다.
Q1min = Umf × A1 … (1)
Q2min = Umf × A2 … (2)
(식 (1) 및 식 (2)에서, Q1min 및 Q2min는 각각 상기 1차 하부 상승관 및 상기 2차 하부 하강관으로 유입되는 유동화 가스의 최소 유량을 나타내고, Umf는 상기 고체의 최소 유동화 속도(minimum fluidization velocity)를 나타내고, A1 및 A2는 각각 상기 1차 하부 상승관 및 2차 하부 하강관의 단면적을 나타낸다)
상기 루프실 연결관의 최소 단면적은 하기 식 (3)을 만족시킬 수 있다.
A3min > (Q1+Q2) / Umf… (3)
(식 (3)에서, A3min은 루프실 연결관의 최소 단면적을 나타내고, Q1 및 Q2는 각각 상기 1차 하부 상승관 및 상기 2차 하부 하강관에 공급되는 유동화 가스의 유량을 나타내고, Umf는 상기 고체의 최소 유동화 속도(minimum fluidization velocity)를 나타낸다)
상기 루프실 연결관의 높이는 상기 하부 루프실의 바닥면으로부터 상기 루프실 연결관의 바닥면까지의 높이로 정의되고, 상기 하부 배출관의 아래 높이는 상기 하부 루프실의 바닥면으로부터 상기 하부 배출관과 상기 2차 하부 상승관이 만나는 부분의 아랫면까지의 높이로 정의되며, 상기 루프실 연결관의 높이는 상기 하부 배출관의 높이와 같거나 그보다 높을 수 있다.
상기 루프실 연결관의 바닥면은, 적어도 어느 한 지점에서 수평면에 대하여 소정 각도를 갖도록 상기 1차 하부 상승관 및 상기 2차 하부 하강관 중 적어도 하나를 향하여 기울어질 수 있다.
상기 소정 각도는, 상기 고체의 안식각(repose angle) 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 유동층 반응기 내부의 고체 높이나 압력 등의 변화가 발생하여도 이중 하부 루프실의 완충 역할에 의해 급격한 고체 흐름이나 높이 변화 없이 고체 순환 속도를 용이하게 제어하고 또한 반응기 내부의 고체층 높이를 충분하게 유지할 수 있는 순환 유동층 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 2탑 연결 순환 유동층 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 순환 유동층 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에서 하부 루프실과 제2 유동층 반응기 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에서 반응기 내부의 압력 변화가 발생하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 순환 유동층 시스템에서 하부 루프실 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 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.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
이하에서, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 순환 유동층 시스템에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 순환 유동층 시스템을 도시한 도면이고, 도 3은 도 2에서 하부 루프실과 제2 유동층 반응기 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 순환 유동층 시스템(100)은, 제1 유동층 반응기(10), 제2 유동층 반응기(20) 및, 각각의 반응기로부터 배출되는 기체와 고체를 분리하기 위한 제1 사이클론(50), 제2 사이클론(60)을 포함한다. 또한, 제1 유동층 반응기(10)로부터 배출된 고체 입자를 제2 유동층 반응기(20)로 유입시키는 경로에 배치되는 상부 루프실(30) 및 제2 유동층 반응기(20)로부터 배출된 고체 입자를 제1 유동층 반응기(10)로 재차 유입하여 고체를 순환시키는 경로에 배치되는 하부 루프실(40)을 포함한다. 이 때, 하부 루프실(40)은, 제2 유동층 반응기(20)로부터 제1 유동층 반응기(10)를 향하는 방향으로 연속하여 순차 배치된 1차 하부 루프실(410) 및 2차 하부 루프실(420)을 포함한다.
제1 유동층 반응기(10)의 하부에는, 제1 유동화 기체(g10)가 주입되고, 이에 의해 내부에 장입된 고체 입자가 부유하여 비산된다. 주입되는 유동화 기체는 반응에 필요한 기체를 사용할 수도 있으며, 스팀을 사용하여 유동화시키고 배출된 후에는 응축하여 분리할 수도 있고, 불활성기체를 사용할 수도 있다. 비산된 기체와 고체의 혼합물은 제1 사이클론(50)에 유입된 후, 고체 입자는 분리되어 하부로 배출되고 기체는 제1 사이클론(50) 상부로 배출되게 된다. 하부로 배출된 고체 입자는, U자관 형태의 상부 루프실(30)로 도입되어, 중력에 의해 하강하여 상부 고체 하강관(330)에 도달한다. 상부 고체 하강관(330)에 도달한 고체 입자는, 상부 루프실(30) 하부에서 주입되는 제3 유동화 기체(g30)에 의해 유동화 되어 상부 고체 상승관(310)을 통해 상승하고, 이 때 상부 고체 하강관(330)과 상부 고체 상승관(310)에 작용하는 압력이 동일할 경우, 상부 고체 하강관(330)과 상부 고체 상승관(310) 내에 존재하는 고체 입자의 높이가 동일하게 된다. 계속해서 고체 입자가 주입되어 상부 고체 하강관(330) 내의 높이가 증가하면 상부 고체 상승관(310)의 높이도 함께 증가하게 되고 그 결과 상부 고체 상승관(310) 내부의 고체 입자 높이가 상부 고체 배출관(320)의 하부 높이와 같아지게 되면 상부 루프실(30)에 추가적으로 주입되는 고체량만큼 상부 고체 배출관(320)을 통해 제2 유동층 반응기(20)로 고체입자가 공급되게 된다.
이러한 상부 루프실(30)을 구비함으로써, 제1 유동층 반응기(10)와 제2 유동층 반응기(20) 사이의 기체 혼합을 막고, 고체층 높이에 해당하는 압력만큼 두 반응기 사이의 차압을 상쇄할 수 있다. 또한 이러한 상부 루프실(30)에서는, 고체가 추가적으로 도입되면 상부 루프실(30) 양측의 높이가 같아지도록 상부 고체 배출관(320)을 통해 고체가 배출되고, 따라서 상부 루프실(30)의 경우 해당 구성을 통해 고체 순환 속도를 제어하기는 어렵고, 주어진 조건 내에서 상부 루프실(30)로 유입되는 고체만큼 배출하는 역할을 한다.
상부 루프실(30)을 거쳐 제2 유동층 반응기(20)에 공급된 고체는, 제2 유동층 반응기(20)의 하부로 공급되는 제2 유동화 기체(g20)에 의해 비산하여 제2 사이클론(60)에 유입되고, 여기에서 고체 입자는 분리되어 다시 제2 유동층 반응기(20)로 유입되고, 기체는 제2 사이클론(60) 상부로 배출된다. 제2 유동층 반응기(20) 내부의 고체입자는 하부 루프실(40)에 도입된 후 하부 루프실(40)의 하부로 주입되는 유동화 기체(g40, g50)에 의해 유동화되어, 제1 유동층 반응기(10)로 재순환된다.
하부 루프실(40)은 제2 유동층 반응기(20)로부터 제1 유동층 반응기(10)를 향하는 방향으로 연속하여 순차 배치된 1차 하부 루프실(410) 및 2차 하부 루프실(420)을 포함한다. 또한, 하부 루프실(40)은 제2 유동층 반응기(20)로부터 고체가 유입되도록 연결된 하부 유입관(401)을 포함한다. 하부 유입관(401)은 1차 하부 루프실(410)과 연결된다. 1차 하부 루프실(410)은, 하부 유입관(401)과 연결되어 고체 입자가 중력 방향으로 하강하도록 구성되는 1차 하부 하강관(411), 1차 하부 하강관(411) 과 연결되어 고체 입자가 상승할 수 있도록 구성되는 1차 하부 상승관(412)을 포함한다. 또한, 1차 하부 하강관(411) 과 1차 하부 상승관 (413) 사이, 즉 1차 하부 루프실(410)의 하부에는 제4 유동화 기체(g40)가 주입될 수 있는 장치가 구비될 수 있다. 이와 같이 1차 하부 루프실(410)은 1차 하부 하강관(411)과 1차 하부 상승관(412)이 연결되어 U자형 관 형태를 갖게 된다.
1차 하부 루프실(410)의 1차 하부 상승관(412)은, 루프실 연결관(430)과 연결된다. 루프실 연결관(430)은, 1차 하부 상승관(412)과 수직한 방향으로 연장하는 관으로서, 1차 하부 루프실(410)과 2차 하부 루프실(420)을 연결한다. 즉, 루프실 연결관(430)의 일단은, 1차 하부 루프실(410)의 1차 하부 상승관(412)과 연결되고, 루프실 연결관(430)의 타단은, 2차 하부 루프실(420)의 2차 하부 하강관(421)과 연결된다.
2차 하부 루프실(420)은, 루프실 연결관(430)과 연결되어 고체 입자가 중력 방향으로 하강하도록 구성되는 2차 하부 하강관(421), 2차 하부 하강관(421)과 연결되어 고체 입자가 상승할 수 있도록 구성되는 2차 하부 상승관(422)을 포함한다. 또한, 2차 하부 하강관(421)과 2차 하부 상승관(423) 사이, 즉 2차 하부 루프실(420)의 하부에는 제5 유동화 기체(g50)가 주입될 수 있는 장치가 구비될 수 있다. 이와 같이 2차 하부 루프실(420)은 2차 하부 하강관(421)과 2차 하부 상승관(422)이 연결되어 U자형 관 형태를 갖게 된다. 한편, 하부 루프실(40)은, 2차 하부 상승관(422)과 연결되어 고체 입자를 제1 유동층 반응기(10)로 배출하는 하부 배출관(402)을 포함한다.
이하에서는, 도 4를 더욱 참조하여 본 발명의 일 실시예에서의 고체 순환에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 4는 도 3에서 반응기 내부의 압력 변화가 발생하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
즉, 도 3의 경우 제1 유동층 반응기(10)에 의해 작용하는 압력(P4)과 제2 유동층 반응기(20)에 의해 작용하는 압력(P3)이 같은 경우(P3 = P4)를 도시한 것이며, 도 4는 제1 유동층 반응기(10)에 의해 작용하는 압력(P4)과 제2 유동층 반응기(20)에 의해 작용하는 압력(P3)에 차이가 있는 경우를 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 순환 유동층 시스템에서는, 1차 하부 루프실(410)과 2차 하부 루프실(420)을 포함하는 하부 루프실(40)을 구비하는 것에 의해, 제1 유동층 반응기(10)와 제2 유동층 반응기(20) 내부의 압력 변화시 두 반응기 사이의 차압을 상쇄하여 급격한 고체 흐름을 막아주는 완충 역할을 할 수 있다. 즉, 하부 루프실(40)에서 고체입자는 제2 유동층 반응기(20) → 하부 유입관(401) → 1차 하부 하강관(411) → 1차 하부 상승관(412) → 루프실 연결관(430) → 2차 하부 하강관(421) → 2차 하부 상승관(422) → 하부 배출관(402)의 순서로 이동하여 제1 유동층 반응기(10)로 재순환된다. 따라서 하부 루프실(40)로서 1차 하부 루프실(410)만을 구비하는 기존의 순환 유동층 시스템과는 달리 2차 하부 루프실(420)에 채워진 고체량에 해당하는 압력만큼 두 반응기 사이의 압력차이(차압)를 추가적으로 상쇄할 수 있다.
구체적으로, 제1 유동층 반응기(10)에 의해 하부 루프실(40)에 작용하는 압력(P4)이 제2 유동층에 의해 이중 하부 루프실에 작용하는 압력(P3)보다 높은(P4>P3) 경우에는 도 4에 도시한 바와 같이 루프실 연결관(430)에 고체가 채워지게 되며, 이로 인해 해당 공간에 채워진 고체량만큼의 차압이 추가적으로 발생하게 되므로 두 반응기 사이의 차압을 더 많이 상쇄할 수 있다. 반대로, 제2 유동층에 의해 이중 하부 루프실에 작용하는 압력(P3)이 제1 유동층 반응기(10)에 의해 하부 루프실(40)에 작용하는 압력(P4)보다 높은(P3>P4) 경우에도 도 4에 도시한 바와 같이 루프실 연결관(430)에 고체가 채워지게 되며, 이로 인해 해당 공간에 채워진 고체량만큼의 차압이 추가적으로 발생하게 되므로 이 경우에도, 두 반응기 사이의 차압을 더 많이 상쇄할 수 있다.
한편, 제2 유동층 반응기(20) 내부의 고체층(S)의 높이(H10)는 P4>P3인 경우와 P3>P4인 경우 모두 루프실 연결관(430)에 고체가 채워지기 위해 이동한 고체량만큼만 변화되므로, 도 3에서 P3=P4인 조건에서의 고체층(S)의 높이(H10)에 비해 다소 감소할 수 있으나 추가적인 고체층(S)의 높이 감소는 없기 때문에 제2 유동층 반응기(20) 내부의 고체층(S)의 높이(H10) 변화에 따른 고체순환속도의 변화가 크지 않은 조건에서 조업이 가능하다.
결국, 본 발명의 일 실시예에 따른 순환 유동층 시스템(100)에서는, 하부루프실(40)로서 이중의 하부 루프실(40)을 사용하기 때문에 제1 유동층 반응기(10)와 제 2 유동층 반응기(20)의 압력이 변화하는 경우에도 제2 유동층 반응기(20) 내부의 고체층(S)의 높이(H10) 변화가 적으며, 두 유동층 반응기 사이의 고체순환속도 변화도 적어 전체 시스템의 고체순환속도 제어가 용이한 장점이 있다. 또한 제2 유동층 반응기(20) 내부의 고체층(S)의 높이(H10)를 충분하게 유지할 수 있으면서도 1차 및 2차 하부 루프실(410, 420)의 유량제어를 통해 고체 순환 속도를 제어할 수 있기 때문에, 이러한 고체순환속도 제어를 통해 제2 유동층 반응기(20) 내부의 고체층(S)의 높이(H10)를 변화시킬 수 있고 따라서 초기 고체장입량과 무관하게 고체순환속도를 변화시킬 수 있다.
이하에서는, 도 5를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 순환 유동층 시스템에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 순환 유동층 시스템에서 하부 루프실 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 하부 루프실(40)에서의 차압 해소 효과를 증가시키기 위하여, 루프실 연결관(430)의 단면적을 증가시키거나, 그 형상을 변형시킬 수 있다. 즉 도 5에 도시한 바와 같이 루프실 연결관(430)의 단면적을 증가시키는 것에 의해 해당 공간에 존재하는 고체의 상태를 고정층(fixed bed)으로 변화시키는 방법이다.
이러한 루프실 연결관(430)의 단면적은, 하부 루프실(40)로 도입되는 유동화 기체(g40, g50)의 유량 중 1차 하부 상승관(412) 및 2차 하부 하강관(421)으로 유입되는 유량(Q1, Q2), 1차 하부 상승관(412)의 면적(A1) 및 2차 하부 하강관(421)의 면적(A2) 등을 고려하여 도출될 수 있다.
일반적으로 1차 하부 루프실(410)로 도입되는 유동화 기체(g40)중 중 1차 하부 상승관(412)으로 유입되는 유량(Q1)과 2차 하부 루프실(420)로 도입되는 유동화 기체(g50)중 2차 하부 하강관(421)으로 유입되는 유량(Q2)에 의해, 1차 및 2차 하부 루프실(410, 420)에 존재하는 고체가 유동화 상태로 유지되기 위해서는, 해당 위치의 유속이, 고체의 최소 유동화 속도(minimum fluidization velocity, Umf) 이상이 되어야 하므로, 1차 하부 상승관(412) 및 2차 하부 하강관(421)을 유동시키기 위한 최소 유량(Q1min, Q2min)은 하기와 같은 식 (1), (2)와 같이 표시될 수 있다.
Q1min = Umf × A1 …(1)
Q2min = Umf × A2 …(2)
(식 (1) 및 식 (2)에서, Q1min 및 Q2min는 각각 1차 하부 상승관(412) 및 2차 하부 하강관(421)으로 유입되는 유동화 가스의 최소 유량을 나타내고, Umf는 상기 고체의 최소 유동화 속도(minimum fluidization velocity)를 나타내고, A1 및 A2는 각각 1차 하부 상승관(412) 및 2차 하부 하강관(421)의 단면적을 나타낸다)
또한 하부 루프실(40)에서 차압 해소 효과를 증가시키도록 루프실 연결관(430)에 존재하는 고체의 상태를 고정층으로 변화시키기 위해서는, 해당 위치의 기체 유속이 고체 입자의 최소 유동화 속도 미만이 되어야 하는바, 이를 고려하면, 루프실 연결관(430)의 최소 단면??(A3min)은 하기와 같은 식(3)으로 계산될 수 있다.
A3min > (Q1+Q2) / Umf… (3)
(식 (3)에서, A3min은 루프실 연결관(430)의 최소 단면적을 나타내고, Q1 및 Q2는 각각 1차 하부 상승관(412) 및 2차 하부 하강관(421)에 공급되는 유동화 가스의 유량을 나타내고, Umf는 고체의 최소 유동화 속도(minimum fluidization velocity)를 나타낸다)
1차 하부 상승관(412)으로 도입되는 유동화 기체의 유량(Q1)이 Q1min이고, 2차 하부 하강관(421)로 도입되는 유동화 기체의 유량(Q2)이 Q2min인 경우 루프실 연결관(430)의 최소 단면적(A3min)은 (A1+A2)보다 큰 조건이 된다. 또한, 유량(Q1, Q2)이 증가함에 따라 루프실 연결관(430)의 단면적(A3)이 더욱 증가해야 루프실 연결관(430)에 존재하는 고체입자를 고정층 상태로 유지할 수 있게 된다.
한편, 도 5에 도시한 바와 같이 루프실 연결관(430)의 높이(H12)는, 하부 루프실(40)의 바닥면으로부터, 루프실 연결관(430)의 바닥면(431)까지의 높이로 정의될 수 있는데, 이러한 높이는, 하부 배출관(402)의 아래 높이(H5)와 같거나 그보다 높게 설치할 수 있다. 이 때, 하부 배출관(402)의 아래 높이(H5)는 마찬가지로 하부 루프실(40)의 바닥면으로부터 하부 배출관(402)의 바닥면, 즉 하부 배출관(402)과 2차 하부 상승관(422)이 만나는 부분의 아랫면까지의 높이로 정의될 수 있다.
또한, 차압 해소 효과 향상을 위해 루프실 연결관(430)의 단면적을 증가시킬 경우, 루프실 연결관(430)의 바닥에 고체 입자가 쌓여서 정체될 가능성도 있다. 따라서 이를 방지하기 위하여 루프실 연결관(430)의 바닥면(431) 형상을 변경하는 것을 고려할 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 루프실 연결관(430)의 바닥면(431)에 대응하는 수평면(h)으로부터, 소정 각도를 갖도록 1차 하부 상승관(412) 및 2차 하부 하강관(421) 중 적어도 어느 하나를 향하여 기울어지도록 형성될 수 있다. 이 때, 수평면(h)과 루프실 연결관(430)의 바닥면(431)이 이루는 각도(Θ)는 장입되는 고체의 안식각(repose angle) 이상으로 설정될 수 있고, 이에 의해 루프실 연결관(430) 바닥에 고체입자가 쌓이는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 의하면, 이중의 하부 루프실(40)을 포함하는 것에 의해, 반응기 내부의 압력 변화에 따른 차압 발생시 이를 완충할 수 있기 때문에, 전체 시스템의 고체순환속도 제어가 용이하고, 아울러 초기 고체장입량과 무관하게 고체순환속도를 변화시키도록 제어할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 순환 유동층 시스템
10: 제1 유동층 반응기
20: 제2 유동층 반응기
30: 상부 루프실
40: 하부 루프실
50: 제1 사이클론
60: 제2 사이클론
410: 1차 하부 루프실
420: 2차 하부 루프실
430: 루프실 연결관
401: 하부 유입관
402: 하부 배출관
411: 1차 하부 하강관
412: 1차 하부 상승관
421: 2차 하부 하강관
422: 2차 하부 상승관

Claims (12)

  1. 각각이 유동화 기체를 주입받는 복수의 유동층 반응기와 복수의 유동층 반응기 각각으로부터 배출되는 기체와 고체를 분리하는 복수의 사이클론을 포함하는 순환 유동층 시스템으로서,
    상기 복수의 유동층 반응기는 적어도 제1 유동층 반응기 및 제2 유동층 반응기를 포함하고,
    상기 제1 유동층 반응기로부터 배출된 고체 입자가 유입되어 상기 제2 유동층 반응기로 배출되는 상부 루프실,
    상기 제2 유동층 반응기로부터 배출된 고체 입자를 상기 제1 유동층 반응기로 배출하여 순환시키는 하부 루프실을 포함하고,
    상기 하부 루프실은, 순차 배치된 2개 이상의 루프실을 포함하고,
    상기 하부 루프실은, 순차 배치된 1차 하부 루프실 및 2차 하부 루프실을 포함하고,
    상기 1차 하부 루프실 및 상기 2차 하부 루프실은 각각 U자형 관 형태를 갖고, 상기 하부 루프실은 상기 U자형 관 형태를 연결하는 루프실 연결관을 더 포함하는 순환 유동층 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에서,
    상기 하부 루프실은 상기 제2 유동층 반응기로부터 고체가 유입되는 하부 유입관을 포함하고, 상기 하부 유입관은 상기 1차 하부 루프실의 1차 하부 하강관과 연결되는 순환 유동층 시스템.
  5. 제4항에서,
    상기 1차 하부 하강관은 1차 하부 상승관과 연결되어 상기 U자형 관 형태를 형성하고, 상기 1차 하부 상승관의 상단부는 상기 루프실 연결관의 일단부와 연결되는 순환 유동층 시스템.
  6. 제5항에서,
    상기 루프실 연결관의 타단부는 상기 2차 하부 루프실의 2차 하부 하강관가 연결되고, 상기 2차 하부 하강관은 2차 하부 상승관과 연결되어 상기 U자형 관 형태를 형성하는 순환 유동층 시스템.
  7. 제6항에서,
    상기 2차 하부 상승관은 상기 2차 하부 루프실 내의 고체를 상기 제1 유동층 반응기로 배출하는 하부 배출관과 연결되는 순환 유동층 시스템.
  8. 제6항에서,
    상기 1차 하부 루프실 및 상기 2차 하부 루프실에는 각각 유동화 가스가 공급되어 상기 하부 루프실 내부의 고체를 유동화시킬 때, 상기 고체를 유동화하기 위한 상기 유동화 가스의 최소 유량은 하기 식 (1) 및 식 (2)를 만족시키는 순환 유동층 시스템.
    Q1min = Umf × A1 …(1)
    Q2min = Umf × A2 …(2)
    (식 (1) 및 식 (2)에서,
    Q1min 및 Q2min는 각각 상기 1차 하부 상승관 및 상기 2차 하부 하강관으로 유입되는 유동화 가스의 최소 유량을 나타내고,
    Umf는 상기 고체의 최소 유동화 속도(minimum fluidization velocity)를 나타내고,
    A1 및 A2는 각각 상기 1차 하부 상승관 및 2차 하부 하강관의 단면적을 나타낸다)
  9. 제6항에서,
    상기 루프실 연결관의 최소 단면적은 하기 식 (3)을 만족시키는 순환 유동층 시스템.
    A3min > (Q1+Q2) / Umf… (3)
    (식 (3)에서,
    A3min은 루프실 연결관의 최소 단면적을 나타내고,
    Q1 및 Q2는 각각 상기 1차 하부 상승관 및 상기 2차 하부 하강관에 공급되는 유동화 가스의 유량을 나타내고,
    Umf는 상기 고체의 최소 유동화 속도(minimum fluidization velocity)를 나타낸다)
  10. 제7항에서,
    상기 루프실 연결관의 높이는 상기 하부 루프실의 바닥면으로부터 상기 루프실 연결관의 바닥면까지의 높이로 정의되고,
    상기 하부 배출관의 아래 높이는 상기 하부 루프실의 바닥면으로부터 상기 하부 배출관과 상기 2차 하부 상승관이 만나는 부분의 아랫면까지의 높이로 정의되며,
    상기 루프실 연결관의 높이는 상기 하부 배출관의 높이와 같거나 그보다 높은 순환 유동층 시스템.
  11. 제6항에서,
    상기 루프실 연결관의 바닥면은, 적어도 어느 한 지점에서 수평면에 대하여 소정 각도를 갖도록 상기 1차 하부 상승관 및 상기 2차 하부 하강관 중 적어도 하나를 향하여 기울어져 있는 순환 유동층 시스템.
  12. 제11항에서,
    상기 소정 각도는, 상기 고체의 안식각(repose angle) 이상인 순환 유동층 시스템.
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