KR101281016B1

KR101281016B1 - 미분화되지 않은 고형물 상태의 석유코크스 연료를 사용하여 순환 부상 연소방식으로 우수한 연소효율을 갖도록 하는 가스연료화 시스템 및 장치.

Info

Publication number: KR101281016B1
Application number: KR1020120139235A
Authority: KR
Inventors: 이아름드리
Original assignee: 서울샤프중공업 주식회사
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2013-07-08

Abstract

본 발명은 원유정제의 최종 단계에서 배출되는 부산물로 고형물의 탄소덩어리인 고유황 저급연료인 석유코크스(Petro Cokes)를 연소할 경우에도 미분화 가공치 아니한 상태에서 그 자체를 사용하여 청정연료인 가스화토록 하여 고체연료의 제한사용이 법규화되어 있는 문제점을 해소함은 물론 이러한 변환을 위한 과정에서 발생되는 미연분에 대한 재활용으로 연소되는 석유코크스의 연소량을 절약토록 한 것이다.
따라서 본 발명에서는 고체 형태의 탄화물로 남게 되는 석유 코크스(Petro cokes)를 미분화 가공을 하지않은 상태로 직접사용하면서도 연소가 가능하면서 지속토록 하고, 또한 연소과정에서 발생되는 미연분을 연소챔버로 재투입사용토록 함으로서 에너지의 낭비요인을 줄이게 되면서 연소챔버내에서 수관을 사용하여 열교환과 물론 정제와 스팀의 발생도 가능토록 하여 설비의 간소화를 이룰 수 있도록 됨은 물론 수관에서 얻어지는 스팀을 H₂가스를 얻기 위하여 사용하면서도 점화연료의 효율향상을 위하여 사용토록 한 것이고, 이러한 것들을 간단한 설비로 구현이 가능토록 한 것이다.

Description

미분화되지 않은 고형물 상태의 석유코크스 연료를 사용하여 순환 부상 연소방식으로 우수한 연소효율을 갖도록 하는 가스연료화 시스템 및 장치.{A gasification system}

본 발명은 원유정제의 최종 단계에서 배출되는 부산물로 고형물의 탄소덩어리인 고유황 저급연료인 석유코크스(Petro Cokes)를 미분화 가공치 아니한 상태에서 연소토록 하여 가공비 절감은 물론 연소시 불완전연소를 유도하여 청정연료인 가스화로 가능토록 하여 고체연료의 제한사용이 법규화되어 있는 문제점을 해소하기 위한 것이다.

또한 이러한 가스화를 위한 과정중에서 발생되는 미연분을 재활용토록 하여 석유코크스의 소비량을 절약토록 한 것이다.

또한 동시에 가스화과정에서 스팀을 사용함으로서 가스화되어진 연소가스의 성분을 CO와 H₂가 함유토록 하여 연소가스의 효율을 우수하게 하는 것이다.

또한 이때 사용되는 스팀을 폐열을 이용하여 생산할 경우에 수관을 연소챔버의 내벽에 형성함으로서 시설을 간편화토록 한 것이다.

또한 이러한 수관에 의하여 열교환되는 불완전연소가스의 생산성을 향상토록 한 것이고, 동시에 얻어진 스팀을 산업현장에서 활용토록 하면서 동시에 H₂를 얻기 위한 스팀라인으로 공급토록 하여 점화연료를 벙커C유로 사용할 경우에 무화를 위한 스팀으로도 활용토록 한 것이다.

현재 산업현장에서 에너지로 사용되는 증기 또는 버너에 의한 직접 가열을 위하여는 대부분 천연가스나 벙커-C유와 같은 중질유나 석탄 등을 사용하여 보일러를 가동하거나 또는 버너에 직접사용하였으나, 최근에는 특히 석탄을 사용할 경우에 발생되는 비산물 등에 의한 환경오염에 의하여 고체연료인 석탄의 사용을 법적으로 규제토록 하거나 사용치 못하게 되고 있는 것이다.

또한 이러한 석탄은 벙커-C유에 비해 가격이 저렴하다는 장점은 있으나 벙커-C유에 비해 열량이 낮은 문제가 있어 실질적인 사용에 문제점이 있는 것이었다.

그러나 이러한 것들도 생산성이나 산유국들의 원유값 상승에 따라 결국 에너지의 사용을 줄일수 없는 상황에서는 대체에너지의 개발이 요구되었던 것이다.

따라서 최근에는 정유공장에서 원유를 정제하는 과정에서 발생하는 석유부산물로서 각종 유류를 빼낸 뒤 고체 형태의 탄화물로 남게 되는 석유 코크스(Petro cokes)를 에너지로 사용하고자 많은 시도가 있으나 이러한 석유코크스가 용이하게 연소되지 않는다는 점과 설사 연소가 된다고 하더라도 환경오염의 주범으로 지목되는 황산화물, 질소산화물등 유해가스 성분이 대량으로 발생된다라는 것이다.

따라서 최근에는 이를 해소하기 위하여 고체형태의 탄화물 덩어리의 석유코크스를 미분화 가공토록 한 후 벙커 C유 등과 같이 혼소토록 하고, 이때 공기비를 최소화하여 질소산화물의 발생을 억제토록 함으로서 에너지 절감효과는 물론 환경오염의 방지를 기대하고 있지만 질소산화물의 발생을 완전하게 억제치 못하게 됨으로서 직접연소를 위한 사용에는 문제점이 있었던 것이다.

따라서 최근에는 대부분 증기생산을 위하여 별도의 연소실이 구비되는 보일러에서 사용하게 되는데 이러한 이유는 이러한 미분화 상태의 석유코크스 연료의 일반적인 연소적 특성이 연료자체가 표면에서 연소하는 특징이 있기 때문이다.

즉 이렇게 미분화되어진 석유코크스의 표면연소의 반응이 활성화되기 위하여는 보일러의 연소실 내부를 약 1200℃~1400℃의 고온으로 유지하여야 하고 연소불꽃도 길게 이루어져야만 되는 것이기 때문이다.

그러나 이렇게 연소실이 구비된 보일러에서 사용될 경우에도 원가가 상승되고, 보일러 설비의 훼손등이 발생되는 문제점이 있는 것이다.

즉 미분화 상태가 기존의 석탄의 입자보다 더 미분화하게 되고, 그 미분화된 연료의 크기는 연소실 안을 지나기 이전에 모두 연소될 수 있는 미세한 크기로 미분화하게 되는데, 이러한 가공비용이 증가된다라는 것이다.

또한 가연분의 연소온도가 매우 높아 비가연분 중에 포함된 회분(ash)을 녹일 수 있는 융점 이상의 고온으로 온도가 상승하게 되어 이러한 회분(ash)의 멜팅(melting)현상으로 인한 보일러 챔버내의 수관이나 또는 연소실의 내벽을 형성하는 내화벽돌에 부착되어 설비의 심각한 문제점을 일으킨다라는 것이다.

따라서 이러한 석유코크스의 사용을 국가에서는 환경을 고려하여 사용에 많은 제한을 두고 있어 저렴한 가격의 연료를 일반적으로 사용치 못한다는 것이다.

따라서 최근에는 이러한 석유코크스를 고온으로 가열하고, 여기에 공기나 수증기를 접촉시켜 열분해로 회분(ash)이외의 탄소 성분을 가연성 가스로 바꾸는 가스화(gasification)의 작업이 활발하게 이루어지고 있다.

그러나 이때에도 결국 석유코크스 연료를 연소시키기 위하여 미분화작업이 필요하다라는 것이어서 가공을 위한 추가적인 비용은 물론 상당한 설비가 필요하다라는 것이고 석유코크스와 벙커-C유등의 연료를 혼소토록 함으로서 가열을 위한 기존의 추가적인 연료의 사용은 물론 별도의 가열장비가 필요하기 때문에 실질적인 절감의 효과를 기대치 못한다라는 것이다.

따라서 본원출원인이 석유 코크스를 미분화 가공치 않은 상태에서 불완전연소를 유도하여 가스화가 가능토록 하기 위하여 탄화물 덩어리인 석유코크스를 일정온도로 가열된 모재와 공압에 의하여 부상되면서 혼합토록 함으로서 연소가 가능토록 하고 이러한 연소가 지속성을 갖도록 하기 위하여 부하산소를 투입토록 하고 이러한 부하산소를 최소로 투입토록 함으로서 연소의 지속과 불완전연소를 유도하여 CO가스가 다량으로 함유되어지는 청정연료인 연소가스를 얻을 수 있도록 제안하였던 것이다.

그러나 이러한 것의 단점은 공압에 의하여 석유코크스 연료가 가열된 모재와 같이 부상되면서 연소될 경우에 미연분이 발생되는데 이러한 미연분이 공압에 의하여 상승되어져 미연분이 그냥 대기로 배출되어져 석유코크스 연료의 손실과 이러한 미연분에 대한 추가적인 제거작업이 요구되었던 것이다.

또한 연소가스의 주성분이 CO와 H₂인데 H₂가 부족하여 실질적인 사용시 연소효율이 떨어진다라는 것이고, 모재의 가열을 위하여 벙커C유를 사용할 경우에는 벙커C유의 연소를 위한 무화작업이 어려워 점화시 또는 모재의 가열시 어려움은 물론 불연소되면서 손실되는 벙커C유가 존재하게 된다라는 것이다.

따라서 본 발명에서는 정유공장에서 원유를 정제하는 과정에 발생하는 석유부산물로서 각종 유류를 빼낸 뒤 고체 형태의 탄화물 덩어리로 남게 되는 석유 코크스(Petro cokes)를 미분화 가공을 하지 않은 덩어리 상태로 연소토록 하여 미분화를 위한 가공비용을 절감토록 하고,

또한 고체 형태의 탄화물 덩어리로 남게 되는 석유 코크스(Petro cokes)를 가열된 모재와 연소할 경우에 불완전연소토록 할 경우에 발생되는 CO가스 이외에 H₂가스도 발생토록 하여 가스화 과정으로 얻어지는 연소가스의 연소효율을 우수하게 하고,

또한 이러한 연소과정에서 발생되는 미연분을 연소챔버로 재투입사용토록 함으로서 에너지의 낭비요인을 줄이도록 하며,

또한 모재의 가열을 위한 점화연료를 벙커C유로 사용할 경우에도 연소율을 우수하게 하면서 벙커C유의 낭비를 방지토록 하고,

또한 이를 위한 스팀의 발생을 별도의 보일러를 사용치 아니하면서도 스팀의 생산이 가능토록 하고, 동시에 시설의 간소화를 유지하면서 열교환의 시간을 신속하게 유도토록 하며,

또한 이러한 폐열을 이용하여 별도의 보일러를 사용치 아니하면서 스팀을 생산토록 함으로서 에너지를 절약토록 한것이고, 열교환으로 얻어지는 스팀을 산업설비에서 사용이 가능토록 한 것이다.

이를 위하여 본 발명에서는 연소챔버내로 미분화 가공치 아니한 고체 형태의 탄화물 덩어리로 남게 되는 석유 코크스(Petro cokes)를 투입하여 연소가능토록 하기 위하여 1차적으로 연소챔버내에서 점화연료와 연소용 공기를 사용하여 연소챔버내에 투입되어진 모재를 일정온도로 가열토록 하고,

가열이 완료되면 점화연료의 공급을 차단토록 하면서 탄화물 덩어리 상태의 석유코크스를 연소챔버에 투입하고, 동시에 연소챔버의 하단에서는 이들이 부상할 수 있도록 공기를 주입하여 이들이 서로 혼합 와류 및 부상되면서 연소가 개시토록 하고,

이때 연소의 지속을 위하여 연소용 공기(부하산소 또는 순산소)를 공급하고 연소가 지속토록 하면서 불완전연소에 의한 CO가스를 얻기 위하여 연소용 공기를 최소로 투입토록 하고,

이때 얻어지는 CO가스와 동시에 H₂를 얻기 위하여 석유코크스가 투입될 경우에 동시에 스팀이 투입되어지는 것이고,

이와 같이 CO와 H₂가 함유되어진 불완전연소가스는 연소챔버내에서의 연소열과 부상을 위한 공기주입으로 인하여 발생되는 상승기류에 의하여 상승되어지면서 1차로 열교환과 정제되어지면서 연소챔버의 중단에서 상단에 설치된 수관에 의하여 2차로 열교환과 정제되면서 사이클론을 통과하면서 CO와 H₂가 함유되어진 불완전연소가스에 함유된 미연분은 사이클론을 통하여 분리토록 하여 재연소를 위하여 연소챔버로 보내지고,

열교환과 정제되어진 CO와 H₂가 함유되어진 연소가스는 절탄기로 이송되어 절탄기로 공급되는 물과 열교환되면서 연소가스로의 사용을 위한 저온으로 열교환되고, 동시에 이러한 열교환시의 폐열에 의하여 수관으로 공급되는 물은 온수로 변환하여 수관에서의 열교환효율이 우수토록 되어 열교환과 정제되어 지고,

상기 사이클론에서 분리된 미연분은 사이클론의 하부로 유도토록 하여 이를 부상을 위한 공기의 주입에 의하여 연소챔버로 재 투입토록 하여 재 연소토록 함으로서 에너지 낭비를 줄이게 되면서 동시에 추가로 미연분의 제거를 위한 공정이 없이 청정연료로의 사용을 위한 가스화가 가능토록 한 것이다.

또한 점화연료로 벙커C유를 사용하여 모재를 1차로 가열토록 할 경우에는 점화연료인 벙커C유의 사용효율을 우수하게 하기 위하여 투입되는 스팀을 2차 열교환을 위하여 연소챔버의 내벽에 설치되는 수관을 통하여 얻어지는 스팀을 투입토록 하여 벙커C유를 무화토록 함으로서 벙커C유의 사용효율을 우수하게 하는 것이고,

이러한 수관으로 공급되는 물은 절탄기에서 3차 열교환에 의하여 얻어지는 가온된 물을 사용함으로서 수관이 열교환 효율을 향상토록 하면서 불완전연소가스의 열교환시 급속한 응축에 따른 보일러의 수관의 부식을 방지하게 되는 것이다.

이때 점화연료로 벙커C유를 사용치 아니하고 LNG등을 사용할 경우에는 모재의 가열단계에서는 스팀을 사용치 아니하는 것이다.

따라서 연소챔버와 연통되게 사이클론만을 형성함으로서 간단한 설비에 의하여 미연분을 재연소가 가능토록 하여 에너지 효율을 20%이상 절약이 가능토록 한 것이고,

또한 덩어리 상태의 석유코크스를 연소토록 하기 위한 모재의 1차 가열시 점화연료로 벙커C유를 사용할 경우에는 연소챔버에서의 열교환시 폐열을 사용하여 연소챔버의 내벽에 설치된 수관에 의하여 생성되는 스팀에 의하여 무화토록 함으로서 점화연료의 사용효율을 우수하게 하는 것이고, 연소챔버의 내벽에 설치된 수관에서 얻어지는 증기를 산업현장에 사용토록 함으로서 에너지를 절약하게 되는 것이고, 이러한 스팀을 연소챔버에 지속적으로 주입토록 함으로서 석유코크스를 투입하여 불완전연소토록 할 경우에 생성되는 CO가스이외에 H₂가스를 발생토록 함으로서 최종단계에서 얻어지는 연소가스의 품질을 우수하게 하는 것이다.

또한 사이클론에서 분리되어진 미연분을 연소챔버로 재 투입할 경우에 모재와 석유코크스를 부상토록 하여 연소를 위하여 투입되는 동일한 압력의 공기만을 사이클론에 투입함으로서 연소챔버에서 연소시 부상되는 불완전연소가스 등이 역류치 아니하고 자동적으로 연소챔버로 투입토록 되는 것이다.

도1은 본 발명의 전체적은 시스템의 구조를 도시한 시스템도
도2는 본 발명의 스팀라인의 연결상태도
도3은 본 발명의 연소챔버의 내벽에 수관이 설치된 상태도.
도4는 본 발명의 연소챔버에 사이클론이 장착된 상태도.
도5a 내지 도5d는 본 발명의 노즐의 상태도.

이하 첨부도면에 의거 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명의 전체적인 시스템을 나타낸 것이고 도2는 본 발명의 연소챔버에 사이클론의 장착상태도이고, 도3은 연소챔버의 내벽에 수관이 설치된 상태도이고, 도4는 노즐의 다양한 실시상태도이다.

도1 내지 도4에 도시된 바와 같이 탄화물 덩어리 상태의 석유코크스가 저장된 저장고(10)와;

상기 저장고(10)에 저장된 미분화 가공치 아니한 탄화물 덩어리의 형태로 석유코크스를 공급토록 하는 불러워(BLOWER)(11)나 스크류와

상기 불러워(BLOWER)(11)나 스크류를 이용하여 공급되는 석유코크스를 연소토록 하기 위한 연소챔버(20)와;

상기 연소챔버(20)는 상하로 길게 형성된 상태에서 그 내부의 하단에는 다수개의 노즐(21)이 형성되고, 연소챔버(20)의 측방으로는 연소챔버(20)의 상단과 하단에 연통되게 토출유로(21a-1)와 투입구(22a)로 연결되는 사이클론(20a)과 상기 사이클론의 상부에는 연소챔버(20)에서 불완전연소된 불완전연소가스가 토출유로를 통하여 토출되는 미연분이 포함된 불완전연소가스를 미연분을 분리토록 하여 불완전연소가스만을 토출토록 하는 토출구(21a)가 형성되고, 상기 토출구(21a)의 하방으로는 분리된 미연분을 다시 연소챔버(20)로 투입토록 하기 위한 투입구(22a)가 형성되는 것이다.

이때 상기 연소챔버(20)와 사이클론(20a)의 하단에는 팬(23)에 의하여 주입되는 공기에 의하여 가열된 모재(1)와 덩어리 상태의 석유코크스가 부상토록 하기 위한 각각의 부상공기주입라인(23a,23b)이 형성되는 것이다.

또한 상기 연소챔버(20)의 내부에 장착된 노즐(21)의 상부로는 석유코크스를 연소토록 하기 위한 모재(1)가 일정한 층으로 충전되어지고 노즐(21)의 하단으로는 점화연료라인(2)과 연소용공기라인(3)을 통하여 점화연료와 연소용공기가 공급되어 점화연료가 연소토록 하는 점화버너(4)와;

상기 점화버너(4)에 의하여 일정온도로 가열된 모재(1)와 저장고(10)에서 블로워(11)나 스크류(11a)에 의하여 공급되는 덩어리 상태의 석유코크스가 연소개시될 경우에 H₂의 발생을 위한 연소챔버(20)의 내벽에 설치된 수관(25)에서 발생된 스팀을 주입토록 하는 스팀라인(5)과;

상기 연소챔버(20)에서 불완전연소되어 발생되는 불완전연소가스를 열교환토록 하기 위하여 연소챔버(20)의 내벽에 설치된 수관(25)과 수관(25)에서 발생된 증기를 산업설비라인(31)으로 송출하거나 또는 일정한 압력유지를 위한 증기의 자연배출을 유도하는 벤트(32)와 수관(25)에 물을 공급하는 게이트(33)와 증기를 토출토록 하는 토출라인(34)이 구비되는 스팀콘트롤러(30)가 형성되는 것이다.
이때 게이트(33)를 통하여 공급되는 물은 절탄기(40)에서 열교환된 가온된 물로 공급되어지는 것이다.

또한 상기 수관(25)을 통하여 열교환되어 정제된 CO와 H₂가 함유된 연소가스의 잉여분에 대하여 임시저장토록 하기 위해 사이클론(20a)의 토출구(21a)와 연통되는 상측으로는 CO와 H₂가 함유된 연소가스를 임시로 저장하는 임시저장탱크(80)가 형성되고, 상기 임시저장탱크(80)에는 안전을 위하여 벤트(81)가 형성되는 것이다.

또한 상기 사이클론(20a)의 토출구(21a)를 통하여 토출되어 열교환되고 정제되어진 CO와 H₂가 함유된 연소가스의 최종 열교환과 연소챔버(20)의 내벽에 설치된 수관(25)에 흐르는 물의 온도가 낮을 경우에 고온의 불완전연소가스의 급속한 응축에 의하여 수관(25)의 부식을 방지하면서 열교환효율을 우수하게 하기 위한 절탄기(40)에서 열교환된 가온된 물을 사용하게 되는 것이다.

또한 상기 절탄기(40)에서 3차로 열교환된 CO와 H₂가 함유된 연소가스를 균일한 압력이 유지되게 버너(70)에 공급하기 위하여 절탄기(40)에서 열교환된 연소가스를 강제로 송풍하는 송풍기(50)와 상기 송풍기(50)를 통하여 송풍된 연소가스를 일정한 압력이 유지되게 저장토록 하는 저장탱크60)가 구비되는 것이다.

삭제

따라서 상기 저장고(60)에서 일정한 압력하에 균일하게 제공되는 CO와 H₂가 함유된 연소가스로 버너(70)는 가동되는 구성이다.

상기 본 발명에서의 연소용공기라인(3)으로 주입되는 연소용 공기는 산소의 함량이 일반공기 중에 함유된 산소보다 높은 함량을 갖는 부하산소 이상을 사용토록 함으로서 연소의 지속이 우수하게 한 것이다.

이때 연소용공기라인(3)을 통하여 공급되는 연소용 공기와 점화연료라인(2)을 통하여 공급되는 점화연료에 의하여 덩어리 상태의 석유코크스가 투입되기 이전에 가열되는 모재(1)의 가열온도는 본 발명에서는 1100~1200℃까지 가열토록 하는 것이고, 이러한 온도는 석유코크스의 연소상태에 따라 변화되는 것으로 이러한 온도의 범위가 본 발명의 목적을 제한하는 것이 아니다.

또한 이러한 온도로 가열되는 모재(1)는 이러한 가열에서도 용융되지 않는 재질을 사용하게 되는 것이다.

본 발명에서는 모재(1)를 융점이 가열온도보다 높은 이산화규소(SiO₂)가 많이 함유된 모래를 사용토록 하였고 덩어리 상태의 석유코크스의 입자의 크기는 모래의 입자크기보다 큰 1㎝정도의 크기의 것을 사용하였다.

그러나 이러한 모재(1)의 종류나 석유코크스의 입자의 크기가 본 발명의 목적을 제한하는 것이 아니다.

이때 가열된 모재(1)의 크기는 모재(1)와 접촉하면서 연소되는 탄화물 덩어리의 형태인 석유코크스의 입자의 크기 보다 작게 형성토록 함으로서 팬(23)에 의하여 부상공기주입라인(23a)을 통하여 공급되는 강한 공기에 의하여 모재(1)와 석유코크스가 부상될 경우에 덩어리 상태의 석유코크스와 긴밀하게 혼합되어지면서 연소토록 되는 것이 바람직한 것이다.

또한 상기 모재(1)가 연소용공기라인(3)을 통하여 공급되는 연소용 공기와 점화연료라인(2)을 통하여 공급되는 점화연료에 의하여 석유코크스를 연소가능온도까지 가열된 경우에는 점화연료의 공급을 차단하고 연소용 공기만을 지속적으로 주입하면서 덩어리 상태의 석유코크스 연료를 연소챔버(20)로 투입하게 되는 것이다.

이때 노즐(21)은 버너(4)에 의한 점화불꽃의 진입과 모재(1)가 노즐(21)을 막게 되는 것을 방지하기 위하여 노즐(21)의 상단으로는 갓(22)이 형성되어 모재(1)가 노즐(21)을 막는 것을 방지하면서 연소용 공기라인(3)과 팬(23)에서 불어주는 부상을 위한 강한 공기가 부상공기주입라인(23a)에 의하여 공급되면 연소챔버(20)의 내부에는 와류가 발생되면서 가열된 모재(1)와 덩어리 상태의 석유코크스가 서로 혼합되면서 부상되어지면서 연소가 개시되는 것이다.

또한 본 발명에서는 모재(1)가 연소용공기라인(3)을 통하여 공급되는 연소용 공기와 점화연료라인(2)을 통하여 공급되는 점화연료에 의하여 일정온도로 1차로 가열될 경우에 점화연료로 액화가스를 사용하거나 벙커C유를 사용하게 되는데 만일 점도가 높은 벙커C유를 사용할 경우에는 연료의 사용효율을 우수하게 하기 위하여 폐열에 의하여 열교환되는 수관(25)에서 발생되는 스팀을 스팀라인(5)을 통하여 연소챔버(20)의 내부에 주입하게 됨으로서 점화연료인 벙커C유의 무화로 인한 분무로 연료의 사용효율을 우수하게 하는 것이다.

이와 같이 모재(1)가 연소용공기라인(3)을 통하여 공급되는 연소용 공기와 점화연료라인(2)을 통하여 공급되는 점화연료에 의하여 석유코크스의 연소가 가능한 상태로 가열이 완료된 상태에서는 점화연료라인(2)을 통한 점화연료의 투입은 중지하고, 단지 연소용공기는 연소용 공기주입라인(3)에 의하여 지속적으로 주입될 경우에 최소의 주입량을 유지하게 되어 불완전연소를 유도하게 되는 것이다.

예를 들면 연소시 공기의 함량이 연료가 1이라 할 경우에 1.3일 경우에 완전연소가 이루어지는데 불완전연소를 위하여는 1.3의 이하를 사용함으로서 불완전연소가 일어나게 되는 것이다.

본 발명에서는 연소의 지속성과 불완전연소시 CO가스의 발생량을 감안하여 가장 경제적인 범위로는 0.5∼0.9의 범위로 하였으나 완전연소의 이하로 할 경우에도 본 발명이 목적을 달성할 수 있는 것이다.

그러나 연소용 공기의 공급량이 0.5이하로 할 경우에는 지속적인 연소에 문제가 발생되는 것을 확인하였다.

또한 연소챔버(20)의 하단으로는 가열된 모재(1)의 상부로 투입되어지는 덩어리 상태의 석유코크스가 불완전 연소되면서 불완전 연소가스가 상승하게 될 경우에 연소챔버(20)가 상하로 높게 형성됨으로 상층의 온도가 하층보다 낮아 불완전 연소가스가 상층으로 올라가면서 1차로 열교환되어 800~900℃로 떨어지게 되고, 그후 연소챔버의 상층의 내벽에 설치된 수관(25)에 의하여 2차로 열교환되면서 불완전연소가스중에 함유되는 회분(ASH)이 응축되면서 하강하게 되는 것이고, 그러면 연소챔버(20)의 하부에 형성된 드레인(24)을 통하여 배출되는 것이다.

또한 상기 덩어리 상태의 석유코크스가 불완전 연소되면서 불완전 연소가스가 상승하게 될 경우에는 연소되지 않은 미연분이 동시에 상승하게 되고 이는 덩어리 상태의 석유코크스가 팬(23)에서 불어주는 강한 공기에 의하여 부상되면서 연소토록 하기 위하여 부상공기주입라인(23a)을 통하여 공급되면 가열된 모재(1)와 덩어리 상태의 석유코크스가 부상되면서 가열된 모재(1)와 섞이게 되면서 연소될 경우에 덩어리 상태의 석유코크스가 불완전 연소되면서 불완전 연소가스가 상승하게 될 경우에 연소되지 않은 미연분이 발생되기 때문에 미연분이 포함되어진 불완전 연소가스가 토출유로(21a-1)를 통하여 사이클론(20a)으로 투입되면서 연소가스로 사용가능한 CO가스는 열교환과 정제를 위하여 토출구(21a)를 통하여 다음 공정으로 토출되어 절탄기(40)로 이송되고 미연분은 사이클론(20a)의 하부로 하강되면서 연소챔버(20)의 하단으로 투입구(22a)를 통하여 재 투입되는 것이다.

따라서 가열된 모재(1)의 상부로 석유코크스의 덩어리가 투입되어지게 되면서 팬(23)에 의하여 강하게 공급되는 부상공기주입라인(23a)을 통한 공기주입으로 인하여 가열된 모재(1)와 덩어리로 이루어진 석유코크스가 부상되어지면서 연소가 개시되어지고, 이러한 연소는 부하산소 이상인 연소용공기라인(3)을 통한 연소용공기의 주입에 의하여 연소가 지속되는 것이고, 이러한 연소용 공기의 양이 최소량으로 공급되어지면서 연소가 지속되면서도 연소용 공기의 최소량에 의하여 불완전 연소가 이루어지는 것이다.

따라서 가열된 모재(1)와 그후에 투입된 석유코크스가 팬(23)에서 불어주게 되는 공기가 부상공기주입라인(23a)을 통하여 연소챔버(20)로 공급되어지면서 부상되어 혼합되면서 서로 밀착된 사이 사이로 공기가 투입되어지면서 가열된 모재(1)에 의하여 덩어리 형태의 석유코크스가 쉽게 연소가 개시되고 동시에 모재(1)는 석유코크스의 연소열과 연소용공기로 인하여 지속적으로 가열된 상태가 유지되는 것이다.

이때 연소를 위한 연소용공기가 부하산소 이상으로 이루어지는 연소용공기를 최소의 공기만을 투입하게 됨으로 연소가 지속되면서도 불완전연소가 이루어지게 되는 것이고, 이와 같이 불완전 연소되어진 상태에서 발생되는 불완전연소가스에는 CO가스가 대량으로 함유하게 되는 것이고 이러한 불완전연소된 CO가스는 연소열과 팬(23)에서 불어주는 부상공기주입라인(23a)을 통한 주입되는 공기의 공기압에 의하여 연소챔버(20)의 상층으로 상승하게 되는 것이다.

이때 스팀이 연소챔버(20)의 내벽에 형성된 수관(25)에서 발생된 스팀을 스팀라인(5)에 의하여 동시에 공급되어짐으로 스팀이 열분해되면서 H₂를 발생토록 하게 되어 결국 불완전연소가스에는 CO와 H₂로 이루어지는 우수한 연소가스를 얻게 되는 것이다.

이와 같이 CO와 H₂가 함유되어진 불완전연소가스는 상승기류에 의하여 연소챔버(20)의 상층으로 상승하게 되면 연소챔버(20)가 상하로 높게 형성됨으로 상층의 온도가 하층보다 낮아 CO와 H₂가 함유되어진 불완전 연소가스가 상승하면서 점차적으로 하강되면서 800~900℃로 1차로 열교환되면서 수관(25)의 물에 의하여 다시 300-350℃로 온도가 떨어지게 되고, 이럴 경우에 CO와 H₂가 함유되어진 불완전연소 가스중에 함유되는 회분(ASH)이 서서히 응축되면서 정제되어 연소챔버(20)의 하단으로 하강하게 되는 것이고, 동시에 응축되지 않는 미연분은 다음공정(절탄기)으로 이송되기 위하여 토출될 경우에 사이클론(20a)을 통과하면서 순수 가스연료로 사용가능한 CO와 H₂가 함유되어진 연소가스만이 토출되어 3차 열교환을 위한 절탄기(40)로 이송되고, 미연분은 사이클론(20a)의 하단으로 낙하하게 되는 것이다.

상기와 같이 사이클론(20a)의 하단으로 낙하한 미연분은 팬(23)에 의하여 공급되는 공기가 부상공기주입라인(23b)을 통하여 사이클론(20a)의 하부로도 주입되면 이러한 공기의 압에 의하여 미연분이 투입구(22a)를 통하여 연소챔버(20)의 하단으로 투입되는 것이다.

그러면 부상을 위한 공기의 주입이 부상공기주입라인(23a)을 통하여 공급되면 연소챔버(20)에서 미연분과 가열된 모재 및 석유코크스 덩어리가 동시에 부상되어지면서 연소가 이루어져 미연분의 완전한 연소가 가능하게 되는 것이다.

이때 상기와 같이 불완전연소가 이루어지면서 CO가스가 발생되고 동시에 스팀라인(5)을 통하여 공급되는 스팀에 의하여 ₂H가스가 발생되면서 결국 CO와 H₂ 가 함유되어진 연소가스를 생산하게 되는 것이다.

이때 사이클론(20a)의 투입구(22a)로 미연분이 연소챔버(20)로 투입될 경우에 투입구(22a)의 압력이 연소챔버(20)의 내부의 압력보다 높게 형성됨으로 사이클론(20a)의 투입구(22a)로 연소챔버(20)에서 부상되는 석유코크스나 모재(1)등이 역류되지 않게 되는 것이다.

이러한 이유는 연소챔버(20)와 사이클론(20a)이 연통되어지는 동일한 챔버로 이루어져 팬(23)에서 공급되는 모재와 덩어리 상태의 석유코크스가 부상연소를 위한 부상공기주입라인(23a)을 통하여 공급되는 부상공기의 압력에 의하여 균일한 압력이 연소챔버와 사이클론에 발생된 상태에서 사이클론(20a)의 하부에서 팬(23)에서 부상공기주입라인(23b)을 통하여 추가로 동일한 압력의 공기가 주입되기 때문에 사이클론(20a)의 압력이 그만큼 높아지기 때문이다.

또한 연소챔버(20)에서 응축되어 낙하되는 회분은 연소챔버(20)의 하부에 형성된 드레인(24)을 통하여 배출되어지며, 사이클론의 상측으로 토출구(21a)를 통하여 토출되는 CO와 H₂가 함유된 연소가스는 열교환된 상태에서 회분은 분리되어 정제됨으로 CO와 H₂가 함유된 연소가스는 300∼350℃로 떨어지게 되는 것이고, 다시 저온으로의 열교환을 위하여 절탄기(40)로 이송되어 3차로 열교환되면서 취급이 용이한 250℃정도를 유지하게 됨으로서 청정연료인 연소가스로서의 사용이 가능하게 되는 것이다.

또한 상기와 같이 연소챔버(20)에서 얻어진 CO와 H₂가 함유되어진 불완전연소가스는 연소챔버(20)의 내벽에 설치된 수관(25)에 의하여 2차로 열교환될 경우에 CO와 H₂가 함유된 고온의 불완전연소가스는 수관(25)에 의한 급속한 응축에 의하여 수관(25)에 부식이 발생되는 것을 방지하기 위하여 수관(25)으로 공급되는 물은 절탄기(40)에서 3차로 열교환된 가온된 온수를 사용함으로서 수관(25)에서 열교환되어 CO와 H₂가 함유되어진 불완전연소가스의 급속한 응축에 따른 수관(25)의 부식을 방지하게 되면서 연소가스의 사용을 위한 낮은 온도로 제공이 가능하게 되는 것이다.

이때 연소챔버(25)의 내벽에 형성된 수관(25)은 수관으로 흐르는 물의 흐름을 유도하기 위하여 그 상부에 설치되는 스팀콘트롤러(30)에는 강제로 순환토록 하기 위한 펌프(도시생략)가 설치되거나 또는 대류현상에 의하여 자연적인 흐름을 유도하게 되는 것이다.

또한 연소챔버(20)의 압력이 누설방지를 위하여 대기압력보다 낮게 유지하기 때문에 압력이 낮아 절탄기(40)를 통과한 연소가스는 송풍팬(50)을 사용하여 강제로 송풍하게 되는 것이고, 이러한 송풍팬(50)을 통하여 송풍된 CO와 H₂가 함유된 연소가스는 저장탱크(60)에서 일정한 압력으로 저장된 상태에서 버너(70)로 균일한 양으로 공급하게 되는 것이다.

또한 연소챔버(20)의 상층으로 상승한 불완전연소가스가 사이클론(20a)에서 미연분이 분리되어 배출되는 불완전연소가스는 그 배출되는 양이 많아질 경우에는 열교환을 위하여 절탄기(40)로 이송되지 않고 임시저장탱크(80)로 이송되어지고 그럼에도 그 이상으로 발생될 경우에는 대기중으로 자연배기를 위하여 벤트(81)가 임시저장탱크(80)에 형성되어지는 것이다.

10:저장고 20:연소챔버
20a:사이클론 21a:토출구
22a:투입구
21:노즐 22:노즐갓
23:팬 23a,23b:부상공기주입라인
24:드레인 25:수관
30:스팀콘트롤러 31:산업설비라인
32:벤트 33:게이트
34:토출라인
40:절탄기 50:송풍팬
60:저장탱크 70:버너
80:임시저장탱크 81:벤트
1:모재 2:점화연료라인
3:연소용 공기라인 4:점화버너
5:스팀라인

Claims

점화연료와 연소용공기에 의한 점화로 점화버너에 의하여 연소챔버에 충전된 모재를 일정한 온도로 가열토록 하고,
모재가 일정한 온도로 가열된 상태에서는 점화연료를 차단한 후 연소용공기는 계속 주입되는 상태에서 가열된 모재와 혼합되면서 연소토록 하기 위하여 덩어리 상태의 석유코크스가 투입되어지면서 팬에 의한 공기의 주입으로 이들이 부상되면서 연소가 이루어지도록 하고,
연소가 개시되면 연소용공기를 최소로 공급하여 불완전연소토록 하여 CO가 다량으로 함유된 불완전연소가스를 발생토록 하고,
CO가 다량으로 함유된 불완전연소가스는 팬에 의한 주입공기의 압력에 의하여 발생되는 상승기류에 의하여 연소챔버의 상부로 상승하면서 1차로 열교환되어 회분은 응축되어 하강하고, CO와 미연분이 함유된 불완전연소가스는 사이클론을 통과하여 미연분을 분리토록 하고,
분리된 미연분은 사이클론의 하단으로 낙하되어 사이클론의 하단에서 주입되는 주입공기에 의하여 강제송풍으로 연소챔버의 하부로 재 투입되고,
미연분이 포함되지 않은 CO가 함유된 불완전연소가스는 연소챔버로 상승되면서 연소챔버의 내벽에 형성되는 수관을 통하여 2차로 열교환과 정제되어지는 미분화되지 않은 고형물 상태의 석유코크스 연료를 사용하여 순환 부상 연소방식으로 우수한 연소효율을 갖도록 하는 가스연료화 시스템.
제1항에 있어서, 상기 점화연료가 벙커C유일 경우에는 폐열로 열교환되는 연소챔버의 내벽에 형성된 수관에서 생성되는 스팀을 스팀콘트롤러의 토출라인을 통한 스팀라인을 통하여 공급되어 벙커C유를 무화토록 하는 미분화되지 않은 고형물 상태의 석유코크스 연료를 사용하여 순환 부상 연소방식으로 우수한 연소효율을 갖도록 하는 가스연료화 시스템.
제1항에 있어서, 상기 모재가 가열된 상태에서 석유코크스가 투입되어 연소될 경우에 열교환에 의하여 연소챔버의 내벽에 형성된 수관에서 생성되는 스팀을 스팀라인을 통하여 스팀을 지속적으로 주입하여 CO가 함유된 불완전연소가스에 H₂가 함유토록 하는 미분화되지 않은 고형물 상태의 석유코크스 연료를 사용하여 순환 부상 연소방식으로 우수한 연소효율을 갖도록 하는 가스연료화 시스템.
제1항에 있어서, 상기 연소챔버와 연통되는 사이클론은 동일한 압이 유지된 상태에서 사이클론의 하부로 낙하되는 미연분을 투입구를 통하여 연소챔버로 투입할 경우에 연소챔버 내의 가열된 모재와 덩어리 상태의 석유코크스가 부상을 위한 공기압을 이용하여 사이클론의 하부로 동일하게 투입토록 하여 연소챔버에서 모재와 석유코크스가 부상되어 연소될 경우에 투입구로 역류가 방지토록 되는 미분화되지 않은 고형물 상태의 석유코크스 연료를 사용하여 순환 부상 연소방식으로 우수한 연소효율을 갖도록 하는 가스연료화 시스템.
제1항에 있어서, 상기 연소챔버와 연통되는 사이클론에는 압력을 대기압력보다 낮게 유지토록 됨으로 산업현장에서의 사용을 위한 버너로 공급할 경우에는 송풍팬을 사용하여 강제로 송풍토록 하고 송풍된 것을 저장탱크에서 일정한 압력이 유지되게 저장된 상태에서 공급토록 되는 미분화되지 않은 고형물 상태의 석유코크스 연료를 사용하여 순환 부상 연소방식으로 우수한 연소효율을 갖도록 하는 가스연료화 시스템.
제3항에 있어서, 상기 사이클론에서 분리된 CO와 H₂가 함유된 1차로 열교환된 연소가스는 연소챔버의 내벽에 형성된 수관에 의하여 2차로 열교환토록 하고, 이를 다시 절탄기에서 3차로 열교환하여 버너로 공급될 경우에는 송풍팬을 통하여 저장고에서 일정압력이 유지되게 저장되었다가 균일하게 공급토록 되는 미분화되지 않은 고형물 상태의 석유코크스 연료를 사용하여 순환 부상 연소방식으로 우수한 연소효율을 갖도록 하는 가스연료화 시스템.
탄화물 덩어리 상태의 석유코크스가 저장된 저장고(10)와;
상기 저장고에 저장된 미분화 가공치 아니한 탄화물 덩어리의 형태로 석유코크스가 블로워(BLOWER)나 스크류를 이용하여 공급되어지는 연소챔버(20)와;
상기 연소챔버(20)는 상하로 길게 형성된 상태에서 그 내부의 하단에는 다수개의 노즐(21)이 형성되고, 연소챔버(20)의 측방으로는 연소챔버(20)의 상단과 하단에 토출유로와 투입구로 연통되게 사이클론이 형성되고,
상기 사이클론(20a)의 상부로는 연소챔버(20)에서 불완전연소된 불완전연소가스가 토출되는 토출구(21a)가 형성되어 토출구(21a)의 하방으로는 불완전연소가스에 함유된 미연분이 낙하토록 하여 연소챔버(20)로 하단과 연통되는 투입구로 재 투입토록 되고,
상기 연소챔버(20)와 사이클론(20a)의 하단에는 팬(23)에 의하여 공급되기 위한 부상공기주입라인(23a,23b)이 형성되며,
상기 연소챔버(20)의 내부에 장착된 노즐(21)의 상부로는 석유코크스를 연소토록 하기 위한 모재(1)가 일정한 층으로 충전되어지고 노즐(21)의 하단으로는 점화연료라인(2)과 연소용공기라인(3)을 통하여 점화연료와 연소용공기가 공급되어 연소토록 하는 점화버너(4)와;
가열된 모재(1)와 석유코크스가 연소개시될 경우에 H₂의 발생을 위한 스팀콘트롤러(30)의 토출라인(34)과 연결되는 스팀라인(5)과;
사이클론(20a)의 상측으로는 불완전연소가스를 임시로 저장하는 벤트(81)가 형성된 임시저장고(80)와;
불완전연소가스의 열교환과 정제는 물론 스팀발생을 위한 수관에서 발생되는 스팀을 콘트롤 하는 스팀콘트롤러(30)와;
상기 연소챔버에서 2차로 열교환된 연소가스를 3차로 열교환토록 하여 연소챔버의 내벽에 형성된 수관에 의하여 불완전연소가스가 급속하게 응축되는 것을 방지하기 위한 절탄기(40)와;
상기 절탄기에서 3차로 열교환된 연소가스를 강제로 송풍하는 송풍기(50)와
송풍기로 송풍된 연소가스를 일정압력이 유지되게 저장토록 하는 저장고(60)와
상기 저장고에서 균일하게 제공되는 연소가스로 가동되는 버너(70)로 이루어지는 미분화되지 않은 고형물 상태의 석유코크스 연료를 사용하여 순환 부상 연소방식으로 우수한 연소효율을 갖도록 하는 가스연료화 장치.