KR102069646B1

KR102069646B1 - 산화와 환원반응이 분리되는 환원반응로

Info

Publication number: KR102069646B1
Application number: KR1020180173408A
Authority: KR
Inventors: 장연
Original assignee: 장연
Priority date: 2018-12-31
Filing date: 2018-12-31
Publication date: 2020-01-29

Abstract

본 발명은 산화와 환원방응이 분리되는 환원반응로에 관한 것으로, 반응로 내부에 설치되는 버너의 구조를 개선하여 버너에서는 산화반응만 발생하도록 하고, 반응로 내부에서는 환원반응만 발생하도록 하여 석탄이나 폐유기물의 소각과정에서 산화에 의한 독성부산물이 없는 고순도의 합성가스를 얻을 수 있는 기술이다.
즉, 본 발명은 상부에 배출부가 형성되어 있고 벽체의 일측에는 버너장치가 복수로 설치되어 내부의 온도가 1200도 이상으로 가열되도록 한 환원반응로에 있어서, 상기 버너장치는; 연료공급구멍과 산소공급구멍이 각각 형성되며 헤드부가 벽체의 내측에 위치하도록 설치되는 버너몸체와, 상기 버너몸체의 헤드부의 주변을 감싸는 형태로 버너몸체의 일측에 결합되되, 헤드부의 위치보다 전방으로 더 연장형성되는 커버부재;로 구성되며, 상기 반응로의 내부는 커버부재 내측에 형성된 연소공간과 커버부재 외측의 환원공간으로 구분되어, 상기 연소공간에는 산소공급구멍을 통해 공급된 산소가 산화 연소작용을 위해 전부 소모되어, 환원공간에서는 산소가 존재하지 않은 환원분위기를 조성하여 환원반응만 일어나도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

산화와 환원반응이 분리되는 환원반응로{Reduction reactor for exactly separating the oxidation reaction}

본 발명은 산화와 환원방응이 분리되는 환원반응로에 관한 것으로, 반응로 내부에 설치되는 버너의 구조를 개선하여 버너에서는 산화반응만 발생하도록 하고, 반응로 내부에서는 환원반응만 발생하도록 하여 석탄이나 폐유기물의 소각과정에서 산화에 의한 독성부산물이 없는 고순도의 합성가스를 얻을 수 있는 기술이다.

일반적으로 현대 산업에서 사용하는 모든 종류의 산화반응로(연소로)(산업폐기물 소각로, 복합화력발전, 병원쓰레기 등의 소각로)는 1200℃ 이하의 저온 산화 환경에서 견딜 수 있는 단열재와 버너를 주로 사용하고 있으며, 환원에 대한 인식이 부족하여 모든 산업 폐기물 등을 소각로와 같은 연소로에서 불로 태워 부피를 줄이는 산화처리 방법을 채택하고 있다.

그러나 각종 산업폐기물을 소각하는 과정에서 발생하는 연소가스는 다량의 다이옥신(Dioxine)을 포함하고 있다. 이러한 다이옥신은 암을 유발하는 매우 위험한 독성물질로 알려져 있으며, 최근까지 연구된 바로는 만성 피부질환, 근육 기능장애, 여러 가지 신체의 염증, 발기부전, 기형아, 유전자 돌연변이, 신경계 질환 등을 일으킬 수 있다고 알려져 있다.

이와 같은 다이옥신을 제거하기 위한 대표적인 방법으로는 800 내지 1000 ℃의 온도로 소각하여 제거하는 방법이 사용되고 있으나, 문제는 소각온도의 조건에서는 성분이 일시적으로 사라졌다가 배출된 가스가 대기중에 노출되어 온도가 300 ℃로 낮아지게 되면 다이옥신이 재형성되는 문제점이 발생하게 된다.

이러한 각종 폐기물 소각시의 문제점을 연구하다가 점차 산화에 의한 다양한 2차 화합물이 생성된다는 것을 알게 된 후에는 산화 후에 2차 화합물을 처리하는 방법을 연구해오고 있다.

종래의 산화반응로(연소로)는 반응로 내부로 버너의 헤드 부분이 짧게 돌출되어 있거나 반응로 내벽에서 돌출되지 않는 형태로 설치되어 있으며, 버너의 화염이 반응로 내부의 처리대상물질과 직접 닿으면서 소각이 이루어진다.

이와 같이 종래의 산화반응로(연소로)는 처리대상물질에 불을 직접 붙여 같이 타면서 소각하는 산화버너 방식으로서, 탄소를 포함하는 유기물(CnH2n)에 산소를 공급하여 연소시키는 것이므로 산화와 환원(아주 부분적으로 1200℃ 이상의 온도에 도달한 부분에서는 환원반응도 일어난다.)이 같이 일어나면서 각종 산화물과 2차 화합물이 발생하게 된다.

즉, 다이옥신 외에도 톨루엔, 나프탈렌, 벤젠, 염화비닐단량체, 자이렌, 클로로벤젠과 같은 방향족 발암물질(PAHS)과 아황산가스(SO2), 이산화질소(NO2), 이산화탄소(CO2)등도 발생하여 이들을 그대로 대기 중에 방류할 경우 심각한 대기오염과 환경오염이 발생하게 되므로 깨끗한 여과를 위해 상당한 처리비용이 소요되는 문제점이 있다.

이와 관련하여 본 발명자에 의해 개시된 등록특허 제10-1604679호(산화반응과 환원반응이 분리되어 일어나도록 하는 환원용버너 및 이를 이용한 합성가스 리사이클링 시스템)에는 연료공급공과 다수의 산소공급공이 구비된 환원용버너를 반응로의 벽체에 다수 설치하여 반응로 내부 온도를 1200℃ 이상의 고온으로 가열하는 반응로의 버너를 구성함에 있어서, 환원용버너의 헤드 선단에는 헤드에 공급되는 산소를 완전히 없앨 수 있도록 버너 깊이를 충분히 깊게 한 연소실을 구비하여 산소공급공을 통해 공급되는 산소가 연소실 내부에서 산화 연소작용을 위해 충분히 소모되게 하는 기술을 통해 이러한 문제점을 해결하고 있다.

그러나 상기 선행기술은 산화반응이 분리되기 위해서는 버너가 환원반응로 외부로 돌출된 형태가 되어야 하며, 돌출된 부분으로 열손실을 유발하는 문제점과 버너의 연소가스가 반응로의 결합부분과 근접하여 반응로의 단열재를 손상시키는 문제점이 있었던 바, 본 발명을 통해 이를 개선하고자 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 버너가 반응로 외부로 돌출된 형태로 설치되지 않고 반응로 내측에서 점화 및 연소가 이루어지면서, 버너에서는 산화반응만 발생하도록 하고, 반응로 내부에서는 환원반응만 발생하도록 하여 산화에 의한 독성부산물이 없는 고순도의 환원 합성가스(Synthesis gas)를 얻을 수 있도록 한 환원반응로를 제공함에 목적을 두고 있다.

본 발명은 상부에 배출부가 형성되어 있고 벽체의 일측에는 버너장치가 복수로 설치되어 내부의 온도가 1200도 이상으로 가열되도록 한 환원반응로에 있어서, 상기 버너장치는; 연료공급구멍과 산소공급구멍이 각각 형성되며 헤드부가 벽체의 내측에 위치하도록 설치되는 버너몸체와, 상기 버너몸체의 헤드부의 주변을 감싸는 형태로 버너몸체의 일측에 결합되되, 헤드부의 위치보다 전방으로 더 연장형성되는 커버부재;로 구성되며, 상기 반응로의 내부는 커버부재 내측에 형성된 연소공간과 커버부재 외측의 환원공간으로 구분되어, 상기 연소공간에는 산소공급구멍을 통해 공급된 산소가 산화 연소작용을 위해 전부 소모되어, 환원공간에서는 산소가 존재하지 않은 환원분위기를 조성하여 환원반응만 일어나도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 버너장치의 산소공급구멍을 통해 공급되는 산소의 양은 연료공급구멍을 통해 공급되는 연료가스가 모두 산화하여 소모되는 양보다 적은 양으로 공급될 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

또한 상기 연료가스는 CO와 H2가 혼합된 가스가 유입되고, 배출부를 통해 배출되는 가스는 환원반응에 의해 CO, H2, H2S, N2가 배출되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 커버부재는 내화성[耐火性]을 갖는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 커버부재의 재질은 세라믹으로 적용되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상부에 배출부가 형성되어 있고 벽체의 일측에는 버너장치가 복수로 설치되어 내부의 온도가 1200도 이상으로 가열되도록 한 환원반응로에 있어서, 상기 버너장치는; 연료공급구멍과 산소공급구멍이 각각 형성되며 헤드부가 벽체의 내측에 위치하도록 설치되는 버너몸체와, 상기 버너몸체의 헤드부의 주변을 감싸는 형태로 버너몸체의 일측에 결합되되, 헤드부의 위치보다 전방으로 더 연장형성되는 커버부재;로 구성되며, 상기 반응로의 내부는 커버부재 내측에 형성된 연소공간과 커버부재 외측의 환원공간으로 구분되어, 상기 연소공간에는 산소공급구멍을 통해 공급된 산소가 산화 연소작용을 위해 전부 소모되어, 환원공간에서는 산소가 존재하지 않은 환원분위기를 조성하여 환원반응만 일어나도록 하고 커버부재는 버너몸체의 헤드부의 주변을 감싸는 형태로 버너몸체의 일측에 결합되며, 상기 커버부재가 형성하는 연소공간은 반응로 내부에만 위치하여 열손실을 최소화하고, 상기 반응로의 벽체의 열손상을 방지하며, 버너장치가 설치되는 반응로의 벽체에는 삽입구멍을 관통형하고, 삽입구멍의 선단부에는 플랜지부를 돌출형성하고, 상기 버너장치는 플랜지부와 결합하도록 상기 삽입구멍에 끼워지고 선단부가 플랜지부와 맞닿아 고정되는 하우징을 더 포함하고, 상기 하우징의 내측 중앙에 버너몸체가 관통하여 헤드부가 반응로 내부로 삽입되고, 커버부재는 하우징의 전방에 형성된 결합부에 결합되도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 반응로 내부에 연소공간과 환원공간이 구분되어 산화반응과 환원반응이 서로 분리됨으로써, 산화반응에 의한 독성부산물이 없는 고순도의 환원 합성가스(Synthesis gas)를 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 배출가스에 CO2, SOx, NOx 와 같은 산화가스가 포함되어 있지 않아 산화가스를 필터링하기 위한 별도의 구성이 설치되지 않아도 되는 이점이 있다.

또한 본 발명은 커버부재를 통해 버너장치가 반응로 내부로 삽입되는 형태로 설치될 수 있고, 그로 인해 버너장치가 반응로 외부로 돌출되지 않고 간단한 구조로 설치될 수 있고, 연소공간의 고온의 열이 손실되지 않고 반응공간으로 전달될 수 있고,

또한 커버부재를 통해 헤드부로부터 연소되는 고온의 화염이 반응로의 벽체의 내벽에 직접적으로 전달되는 것을 방지하기 때문에 반응로 내벽의 열손상을 방지할 수 있는 구조적 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 환원반응로를 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 환원반응로에 결합되는 버너장치의 구성을 나타낸 확대 단면도
도 3은 본 발명의 환원반응로에 결합되는 버너장치를 분리한 상태를 나타낸 예시도
도 4는 본 발명의 버너장치를 구성하는 커버부재에 내열코팅층을 더 형성한 또 다른 실시예
도 5는 본 발명의 버너장치를 구성하는 커버부재에 내향만곡부가 형성된 또 다른 실시예
도 6은 도 5실시예의 내향만곡부 외측에 보강층을 더 형성한 또 다른 실시예

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 상부에 배출부(11)가 형성되어 있고 벽체(12)의 일측에는 버너장치(100)가 복수로 설치되어 내부의 온도가 1200도 이상으로 가열되도록 한 환원반응로(10)에 관한 것이다.

본 발명의 특징은 도 1 내지 2에 도시한 바와 같이 환원반응로(10)에 설치된 버너장치(100)가 연료공급구멍(210)과 산소공급구멍(220)이 각각 형성되며 헤드부(230)가 벽체(12)의 내측에 위치하도록 설치되는 버너몸체(200)와, 상기 버너몸체(200)의 헤드부(230)의 주변을 감싸는 형태로 버너몸체(200)의 일측에 결합되되, 헤드부(230)의 위치보다 전방으로 더 연장형성되는 커버부재(300);로 구성됨에 따라, 상기 반응로(10)의 내부는 커버부재(300) 내측에 형성된 연소공간(A)과 커버부재(300) 외측의 환원공간(B)으로 구분되어, 상기 연소공간(A)에는 산소공급구멍(220)을 통해 공급된 산소가 산화 연소작용을 위해 전부 소모되어, 환원공간(B)에서는 산소가 존재하지 않은 환원분위기를 조성하여 환원반응만 일어나도록 한 것에 있다.

상기 반응로(10)를 구성하는 벽체(12)는 외부 충격에 강하고 내부의 열이 쉽게 배출되지 않도록 한 재질로 구성되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 외벽층(12a)과 단열층(12b)으로 구성되어 상기 외벽층(12a)은 충격에 강한 금속재질로 적용하고 단열층(12b)은 내부의 열이 보존될 수 있도록 단열재로 구성될 수 있다.

본 발명의 버너장치(100)는 반응로(10)의 벽체(12)에 설치되는 것으로서, 적어도 2군데 이상 설치되는 것이 바람직하며 반응로(10)의 규모에 따라 버너장치(100)의 개수는 얼마든지 확장될 수 있다. 그리고 버너장치(100) 구성은 크게 버너몸체(200)와 커버부재(300)로 이루어지는 것에 특징이 있다.

상기 버너몸체(200)는 연료공급구멍(210)과 산소공급구멍(220)이 각각 형성된다. 상기 연료공급구멍(210)으로 공급되는 연료는 가스형태로 공급되며 그 성분은 CO와 H2가 혼합된 가스가 공급되며, 따라서, 산소공급구멍(220)을 통해 공급된 산소와 함께 연료가스가 연소공간(A)에서 연소되는 것이다.

그리고 본 발명의 버너장치(100)는 산소공급구멍(220)을 통해 공급되는 산소의 양은 연료공급구멍(210)을 통해 공급되는 연료가스가 모두 산화하여 소모되는 양보다 적은 양으로 공급되는 것에 특징이 있다. 이와 같이 산소공급량을 조절하게 되면 공급된 산소가 연소공간(A) 내에 이루어지는 연소과정에서 전부 소모되고 연소공간(A) 내부의 산화반응에 의해 발생된 H2O, CO2와, 불완전 연소된 연료가스(CO+H2)의 일부가 환원공간(B)으로 넘어가 환원공간(B)에는 산소(O2)가 존재하지 않는 환원분위기가 되어 환원반응만 일어나는 것이다.

따라서, 배출부(11)를 통해 배출되는 가스는 CO, H2, H2S, N2와 같은 환원가스로 배출되기 때문에, 고순도의 환원가스(CO+H2)를 얻을 수 있고 종래의 연소로에서 배출되었던 CO2, SOx, NOx 와 같은 산화가스를 필터링하기 위한 구성이 필요하지 않은 이점이 있다.

그리고 환원반응에 따른 화학식과 설명은 본 발명자에 의해 개시된 특허 제1604679호에 공지되어 있으므로, 본 발명에서 구체적인 설명은 생략하고자 한다.

본 발명의 커버부재(300)는 버너몸체(200)의 헤드부(230)의 주변을 감싸는 형태로 버너몸체(200)의 일측에 결합된다. 이때 커버부재(300)는 헤드부(230)의 위치보다 전방으로 더 연장형성되어 헤드부(230)의 전방으로 연소공간(A)을 형성한다. 커버부재(300) 내측의 연소공간(A)은 연료가스(CO+H2)와 산소(O2)가 함께 연소되면서 산소가 전부 소모되어야 하기 때문에 충분한 길이로 연장 형성되는 것이 바람직하다.

상기 커버부재(300)의 재질은 내화성[耐火性]을 갖는 재질로 이루어지며, 재질은 세라믹으로 이루어질 수 있다. 이 외에도 고온에 잘 견딜 수 있는 금속재질로도 적용가능함은 물론이다.

아울러 본 발명은 상기의 커버부재(300)로 인해서 산화반응이 이루어지는 연소공간(A)이 반응로(10) 내부에 위치하도록 하는 것에 특징이 있다. 연소공간(A)이 반응로(10) 내부에 형성될 경우 열손실을 최소화할 수 있고, 연소공간(A)을 반응로(10)의 외부로 두는 것보다 버너장치(100)를 돌출시키지 않아도 되는 이점이 있다. 또한 커버부재(300)를 통해 헤드부(230)로부터 연소되는 고온의 화염이 반응로(10)의 벽체(12)의 내벽에 직접적으로 전달되는 것을 방지하기 때문에 열손상을 방지할 수 있는 구조적 이점이 있다.

아울러 본 발명의 버너장치(100)는 결합구조를 효과적인 형태로 하여, 커버부재(300)의 장기간 사용으로 인해 교체가 필요할 경우 교체작업이 용이하도록 구성하는 것이 좋다.

즉, 도 3에 도시된 바와 같이 버너장치(100)가 설치되는 반응로(10)의 벽체(12)에는 삽입구멍(13)이 관통형성되어 있고, 삽입구멍(13)의 선단부(410)에는 플랜지부(14)가 돌출형성된 구조가 되며,

상기 플랜지부(14)에 결합되는 버너장치(100)는 상기 삽입구멍(13)에 끼워지고 선단부(410)가 플랜지부(14)와 맞닿아 고정되는 하우징(400)을 더 포함할 수 있다. 따라서, 상기 하우징(400)의 내측 중앙에는 버너몸체(200)가 관통하는 형태로 결합되어 헤드부(230)가 반응로(10) 내부로 삽입될 수 있도록 하고, 커버부재(300)는 하우징(400)의 전방에 형성된 결합부에 결합될 수 있다. 이때 커버부재(300)의 외경은 하우징(400)의 크기보다 작게 하여 삽입구멍(13)을 통해 하우징(400)과 함께 분리되는 구조여야 한다.

본 발명의 커버부재(300)는 하나의 재질로 이루어진 원통형으로 구성될 수 있지만, 연소공간(A)의 온도가 반응공간의 온도보다 높기 때문에 도 4에 도시한 바와 같이 커버부재(300) 내측에 열에 잘 견디는 재질의 내열코팅층(310)을 더 형성할 수도 있다.

그리고 도 5에 도시한 바와 같이 커버부재(300)의 끝 부분을 안쪽으로 오므리는 형태의 내향만곡부(320)가 형성될 경우, 산소공급구멍(220)으로 공급된 산소가 연소공간(A) 내에서 쉽게 빠져나가지 않고 소모될 수 있도록 한 이점을 갖는다.

그러나 내향만곡부(320)는 구조적으로 열에 취약할 수 있기 때문에 도 6에 도시한 바와 같이 내향만곡부(320)가 형성된 부분의 외측에는 동일한 재질로 이루어진 보강층(330)을 더 형성하여 열에 의한 변형 및 손상을 줄이고 내구성을 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명은 상기 실시예를 참고하여 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.

10 : 반응로 11 : 배출부
12 : 벽체 12a : 외벽층
12b : 단열층 13 : 삽입구멍
14 : 플랜지부 100 : 버너장치
200 : 버너몸체 210 : 연료공급구멍
220 : 산소공급구멍 230 : 헤드부
300 : 커버부재 310 : 내열코팅층
320 : 내향만곡부 330 : 보강층
400 : 하우징 410 : 선단부
A : 연소공간 B : 환원공간

Claims

상부에 배출부(11)가 형성되어 있고 벽체(12)의 일측에는 버너장치(100)가 복수로 설치되어 내부의 온도가 1200도 이상으로 가열되도록 한 환원반응로(10)에 있어서,
상기 버너장치(100)는;
연료공급구멍(210)과 산소공급구멍(220)이 각각 형성되며 헤드부(230)가 벽체(12)의 내측에 위치하도록 설치되는 버너몸체(200)와,
상기 버너몸체(200)의 헤드부(230)의 주변을 감싸는 형태로 버너몸체(200)의 일측에 결합되되, 헤드부(230)의 위치보다 전방으로 더 연장형성되는 커버부재(300);로 구성되며,
상기 반응로(10)의 내부는 커버부재(300) 내측에 형성된 연소공간(A)과 커버부재(300) 외측의 환원공간(B)으로 구분되어, 상기 연소공간(A)에는 산소공급구멍(220)을 통해 공급된 산소가 산화 연소작용을 위해 전부 소모되어, 환원공간(B)에서는 산소가 존재하지 않은 환원분위기를 조성하여 환원반응만 일어나도록 하고
커버부재(300)는 버너몸체(200)의 헤드부(230)의 주변을 감싸는 형태로 버너몸체(200)의 일측에 결합되며, 상기 커버부재(300)가 형성하는 연소공간(A)은 반응로(10) 내부에만 위치하여 열손실을 최소화하고, 상기 반응로(10)의 벽체(12)의 열손상을 방지하며,
버너장치(100)가 설치되는 반응로(10)의 벽체(12)에는 삽입구멍(13)을 관통형하고, 삽입구멍(13)의 선단부(410)에는 플랜지부(14)를 돌출형성하고, 상기 버너장치(100)는 플랜지부(14)와 결합하도록 상기 삽입구멍(13)에 끼워지고 선단부(410)가 플랜지부(14)와 맞닿아 고정되는 하우징(400)을 더 포함하고, 상기 하우징(400)의 내측 중앙에 버너몸체(200)가 관통하여 헤드부(230)가 반응로(10) 내부로 삽입되고, 커버부재(300)는 하우징(400)의 전방에 형성된 결합부에 결합되도록 한 것을 특징으로 하는 산화와 환원반응이 분리되는 환원반응로.
제 1항에 있어서,
상기 버너장치(100)의 산소공급구멍(220)을 통해 공급되는 산소의 양은 연료공급구멍(210)을 통해 공급되는 연료가스가 모두 산화하여 소모되는 양보다 적은 양으로 공급될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 산화와 환원반응이 분리되는 환원반응로.
제 2항에 있어서,
상기 연료가스는 CO와 H2가 혼합된 가스가 유입되고, 배출부(11)를 통해 배출되는 가스는 환원반응에 의해 CO, H2, H2S, N2가 배출되는 것을 특징으로 하는 산화와 환원반응이 분리되는 환원반응로.
제 1항에 있어서,
상기 커버부재(300)는 내화성[耐火性]을 갖는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 산화와 환원반응이 분리되는 환원반응로.
제 4항에 있어서,
상기 커버부재(300)의 재질은 세라믹으로 적용되는 것을 특징으로 하는 산화와 환원반응이 분리되는 환원반응로.