KR100390380B1 - 고형물을 함유한 뜨거운 가스를 냉각시키기 위한 자기-세척장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고형물을 함유한 뜨거운 가스를 냉각시키기 위한 자기-세척 장치에 관한 것이다. 이 장치는 가스 유입구 및 가스 배출구를 가진 용기 및 세로로 뻗어있고 다수의 가스 통로를 형성하는 다수의(대류식) 열 전달 표면으로 구성된다. 열 전달 표면들 사이의 통로의 전체 유입구 단면적은 가스 속도가 일정하게 유지되는 방식으로 공정 온도를 감소시키는 방향으로 감소된다.

Description

고형물의 함유한 뜨거운 가스를 냉각시키기 위한 자기-세척 장치

본 발명은 고형물을 함유한 뜨거운 가스를 냉각시키기 위한 장치에 관한 것이다.

고형물을 함유한 가스는 예컨대 석탄 가스화 공정으로부터 얻을 수 있는 합성 가스이다. 석탄 가스화 공정은, 실질적으로 자동열적으로 적당한 온도 및 압력 조건하에 (실질적으로 수소 및 일산화탄소의 가스 혼합물인) 합성 가스를 함유한 가스 스트림이 생성되는 가스화 영역에, 산화제로서 사용된 산소-함유 가스 및 미분된 고체 탄소질 연료가 공급되는 미분된 고체 탄소질 연료를 부분적으로 산화시키기 위해 잘 공지된 방법이다. 게다가, 플라이 애시(fly ash) 입자같은 고체 불순물은 일반적으로 합성 가스내에 존재한다. 이 입자는 끈적끈적하다. 산화제로서 사용된 산소-함유 가스는 일반적으로 공기 또는 (순수한) 산소 또는 증기 또는 그의 혼합물이다.

상기의 부분 산화 반응은 일반적으로 가스화 반응기에서 일어난다. 반응기에서 온도를 조절하기 위해, 조절제 가스(예컨대, 증기, 물 또는 이산화탄소 또는 그의 배합물)가 이 반응기에서 사용될 수 있다.

당업자는 반응기에 산화제 및 조절제를 공급할 조건을 알고 있을 것이다.

유리하게, (임의로 조절제 가스와 함께) 상기 탄소질 연료 및 (임의로 조절제 가스와 함께) 산화제로서 사용된 상기 산소-함유 가스는 적어도 하나의 버어너에 의해 반응기에 공급된다. 일반적으로 반응기의 상탑부에 또는 그 근처에서 나오는 뜨거운 원 유출 가스 스트림은 임의로 침지되고, 일반적으로 대류 냉각기같은간접 열 교환기에서 냉각된다.

통상적으로, 원 가스 스트림은 가스화 반응기 다음에 위치되고 관을 통해 이 반응기까지 연결된 가스냉각기에 장치된 대류식 열 전달 표면에 의해 냉각된다.

가스에 고형물이 함유되어 있으므로, (가스 속도가 너무 빠를 때) 열 전달 표면의 부식에 관한, 또는 (가스 속도가 너무 느릴 때) 열 전달 표면들 사이에 가스 통로를 오염시키고/차단시키는 것에 관한 문제점이 발생할 수 있다.

일반적으로, 냉각 공정중에 일정한 효율 및 압력에서 작업할 때 가스 속도는 감소되어, 장치의 오염/차단이 (예컨대, 점성 입자에 의해) 일어나서 이 오염/차단을 피하기 위해 값비싼 래핑 장치가 필요해 진다.

그러므로, 고형물을 함유한 가스의 자기-세척 효과를 기대하고, 오염/차단이 없고 부식이 없으며, 정상의 작업 조건하에 (복잡한) 래핑 장치를 사용하지 않고 작업될 수 있는 자기-세척 냉각기를 필요로 한다.

그러므로, 본 발명은 고형물을 함유한 뜨거운 가스를 냉각시키기 위한 자기-세척 장치를 제공하는데, 이 장치는 가스 유입구 및 가스 배출구를 갖는 용기, 및 이 유입구와 배출구 사이에 용기내에서 세로 방향으로 뻗어 있고, 구조물 안에서 다수의 가스 통로를 형성하는 다수의 열 전달 표면으로 구성되는 열 전달 구조물로 구성되고, 이때 상기 다수의 열 전달 표면은 상기 구조물내 상기 가스 통로의 전체 유입구 단면적이 상기 가스 통로들 사이의 전체 배출구 단면적 보다 더 크도록 장치되고, 상기 가스 통로들이 작업에서 상기 가스 통로들을 통해 흐르는 가스의 속도가 상기 가스 통로들의 유입구 단면적과 상기 가스 통로들의 배출구 단면적 사이에 실질적으로 일정하게 유지되는 방식으로 장치된다.

본 발명은 이제 첨부하는 도면을 참고로 실시예에 의해 보다 상세히 서술될 것이다.

제 1 도를 참고로, 목적에 적합한 임의 재료로 제조된 용기(1)가 보여진다.

용기(1)는 용기 벽(1a)을 갖고, (간결함을 위해 보여지지 않는) 반응기로부터 고형물을 함유한 가스(A)용 유입구(2)가 반응기의 업스트림 면에 제공되고, (간결함을 위해 보여지지 않는) 임의 적합한 부가의 가스 처리 및 공정 장치에 임의 적합한 방식으로 공급되는 냉각된 가스(B)용 배출구(3)가 반응기의 다운스트림 면에 제공된다. 유리하게, 유입구(2)는 용기(1)의 상탑부에 또는 그 근처에 위치되고, 배출구(3)은 용기(1)의 탑저부 또는 그 근처에 위치된다.

일반적으로, 가스냉각기는 실질적으로 원통형이고 실질적으로 수직적으로 장치되나, 당업자는 목적에 적합한 임의 장치가 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 냉각기(1)는 다운스트림 방향으로(즉, 공정 온도가 감소되는 방향으로) 뻗어있는 유입구로 부터 배출구까지의 다수의 가스 통로(13)가 제공되는 방식으로 배치된(대류식) 열 전달 표면의 다수의 패널(4)로 구성되는 열 전달 구조물이 임의 적합한 방식으로 내부에 제공된다. 특히, 열 전달 표면은 가스 통로(13)의 전체 유입구 단면적이 가스 통로(13)의 전체 배출구 단면적 보다 크도록 배치된다. 간결함을 이유로, 9개의 패널(4) 만이 제 1 도에서 보여지나, 목적을 위해 적합한 임의 수의 패널이 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 열 전달 구조물의 높이가 M인 반면, 이 구조물의 외부 열 전달 표면들 사이의 거리는 각각 W1 (유입구) 및W2 (배출구)이다.

유리하게, 가스 냉각기내에 배치된 열 전달 표면의 각 패널(4)은 웨빙같은 임의 적합한 방식에 의해 상호간에 기계적으로 연결되어 있는 (간결함을 위해 제 1 도에서 보이지 않는) 다수의 냉각관으로 구성되고, 이때 이관을 통해 임의 적합한 냉각 유체 (예컨대, 유리하게 가스와 반대 방향으로 흐르는 물 또는 증기)가 흐르고, 이들 패널들은 열 전달 표면들 사이에 통로의 단면적이 유리하게 6-12 m/s의 속도 영역에서 가스 속도를 실질적으로 일정하게 유지하는것을 목표로 끝이 점점 가늘어지도록 고안된다. 유리하게, 관에 핀들이 제공된다.

상기 열 전달 표면들 사이의 가스 통로는 가스 흐름(A)이 상기 표면에 부드럽게 향해지고 열 전달 표면상에 화살(C)에 의해 표현된 가스 흐름이 부식의 관점으로 부터 가스 흐름이 상기 표면에 실질적으로 평행이도록 하는 작은 각 α로 부딪히도록 전체 단면적이 감소된다. 각 α는 하기와 같이 정의된다 :

가스 흐름의 유리한 충돌 각 α는 2.5˚이다.

가스냉각기는 임의 적합한 냉각 매질을 갖는 냉각 관의 패널을 공급하는 다수의 유입구 헤더가 그의 한 말단에 제공된다.

가스 냉각기는 다수의 배출구 헤더가 그의 다른 말단에 제공된다. 간결함을 위해, 유입구 헤더, 배출구 헤더 및 이 헤더들을 갖는 관들의 기계적 연결부는 제 1 도에서 보여지지 않았다. 제 2a 및 2b도를 참고로 하기에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 패널의 냉각 관의 각 말단은 각각 배출구 헤더(6) 및 유입구 헤더(5)에 연결된다.

게다가, 실제로, 패널 및 관의 배치는 소위 막 파이프 벽이 형성되도록 하고, 이외 (고리-모양) 유입구 및 (고리-모양) 배출구는 제 1 도에서 각각 참고번호(8) 및 (9)로써 도식적으로 표현되었다. 막 파이프 벽은 용기(1a)내에 상기 패널에 둘러싸인 "케이지(cage)"를 형성하고, 제 3a 및 3b를 참고로 하기에 보다 상세히 보여질 것이다.

제 2a 도는 제 1 도에서 보여지는 본 발명의 가스냉각기에서 사용되는 유입구 헤더 장치의 부분 측면도를 나타낸다. 간결함을 위해, 7개의 관들만이 보여졌다. 유입구 헤더(5)는 패널(4)의 각 냉각 관(10)에 임의 적합한 방식으로 연결된다. 참고 번호(1a)는 용기 벽을 나타낸다.

패널(4)의 관(10)은 (예컨대, 용접에 의해) 웨빙(10a)에 의해 기계적으로 연결된다.

게다가, 패널(4)의 말단 또는 외부 관(10')은 막 파이프 벽에 의해 형성된 "케이지"의 일부이고, 유입구(8)에 유동적으로 연결되어 있다. 막 파이프 벽 관은 유입구 헤더(5)에 연결되지 않을 것이다. 적당하다면, 패널(4)과 유입구 헤더(5) 사이에 연결 관에 공간을 제공하기위해 막 파이프 벽의 관은 적합하게 구부려진다는 것을 알 수 있을 것이다.

제 2b 도는 제 1 도에서 보이는 바와 같이 본 발명의 가스냉각기에 사용된 배출구 헤더(6)에 대한 유사한 장치의 부분 측면도를 나타낸다. 간결함을 위해, 7개의 관만이 보여졌다. 제 2a 도에서와 같은 참고 번호가 사용되었고, 적당하다면 막 파이프 벽의 관은 적합하게 구부려진다. 말단 또는 외부 관(10')은 "케이지"의 일부이고, 배출구(9)에 유동적으로 연결되어 있다 (제 1 도).

제 3a 도는 제 1 도의 라인 I-I에 따른 열 전달 표면의 장치의 단면도를 나타낸다. 이 경우에, 13개의 패널(4)이 보여지고, 각 패널(4)은 다수의 냉각 관(10) 및 말단 또는 외부 관(10')으로 구성된다.

각 패널의 관(10)은 웨빙(10a)에 의해 연결된다.

각 패널(4)의 말단 또는 외부 관(10')은 관(7)에 의해 인접한 패널(4)의 말단 또는 외부 관(10')에 연결된다. 외부 관(7) 및 (10')은 "케이지" (11)를 형성한다.

관(7) (장치의 대칭면에 배치된 두개를 제외하고)은 상탑부로 부터 탑저부까지 직경이 줄어들어, 대칭-면의 양 면에서 패널(4)이 점점 가늘어지게 배치되고 기울어지게 위치된다. 간결함을 위해, 각 패널(4)의 제한된 수의 관(10)들 만이 표현된다.

참고 번호(13)은 열 전달 표면들 사이에 가스 통로를 나타낸다.

패널의 유입구 면에서 패널 거리(C1)는 각 패널(4)의 외부 관(10')들 사이에 배치된 점점 가늘어지는 관(7)의 배치 때문에 배출구 면에서의 패널거리(C2) 보다 더 크다.

이리하여, 케이지의 전체 치수는 V×W1(유입구) 및 V×W2(배출구)(여기서, W1〉W2 및 V는 일정함)이다.

제 36b 도는 제 1 도의 배출구 헤더 장치의 평면도를 나타낸다. 같은 참고 번호는 앞서의 도면에서와 같이 사용되었다.

제 4 도는 각 패널(4)의 외부 관(10') 들사이에 배치된, "케이지"의 점점 가늘어지는 관(7)의 (부분적으로 표현된) 유리한 구체예를 나타낸다. Z은 테이퍼드 웨빙을 나타낸다.

관(7)의 직경은 이 관의 다수의 점점 가늘어지는 부품에 대한 적합하게 가늘어진 각 β로 유입구 말단으로부터 배출구 말단까지 점차로 감소된다. 본 발명의 유리한 구체예에서, 관의 직경은 60-30 mm의 아래로 흐르는 방향으로 점차로 감소되고, 길이 M은 25-35 m이다.

당업자는 목적에 적합한 임의 수의 헤더가 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예컨대, 관의 패널 당 2개의 헤더가 사용될 수 있다.

당업자는 본 발명이 가공 가스와 냉각 유체의 흐름이 만나는 것을 제한하지 않는다는 것을 또한 알 수 있을 것이다. 유리하게, 함께 흐르게 할 수 있다.

본 발명의 유리한 구체예에서, 관들 사이의 웨빙에 개구부가 제공된다. 보다 유리하게, 웨빙은 25-90% 열려있다.

본 발명의 여러가지 변형은 앞서의 서술로부터 당업자에게 명백해질 것이다. 상기 변형은 첨부되는 청구범위의 범위 내에 해당하는 것으로 의도된다.

제 1 도는 본 발명의 가스냉각기의 종단면을 도식적으로 나타낸다;

제 2a 및 2b 도는 제 1 도의 가스냉각기에 사용된 헤더 장치의 부분 측면도를 도식적으로 나타낸다;

제 3a 및 3b 도는 각각 제 1 도의 라인 I-I 및 II-II를 따라 가스냉각기에 사용된 열 전달 구조물의 단면도를 도식적으로 나타낸다;

제 4 도는 제 3a 및 3b 도의 세부사항의 유리한 구체예와 부분 측면도를 나타낸다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 냉각기 1a: 용기벽

2: 유입구 3: 배출구

4: 패널 5: 유입구 헤더

6: 배출구 헤더 10: 관

10a: 웨빙 10': 외부관

13: 가스 통로

Claims (13)

1. 고형물을 함유한 뜨거운 가스를 냉각시키기 위한 자기-세척 장치로서, 가스 유입구(2) 및 가스 배출구(3)을 가진 용기(1)와 이 유입구(2)와 배출구(3)사이에 용기(1) 내에서 세로 방향으로 뻗어있고 구조물내 다수의 가스 통로(13)를 형성하는 다수의 열 전달 표면(4)으로 구성되는 열 전달 구조물 (7, 10')로 구성되고, 상기 다수의 열 전달 표면은, 상기 구조물내 상기 가스 통로(13)의 전체 유입구 단면적이 상기 가스 통로(13)들 사이의 전체 배출구 단면적보다 더 크게 되도록 배치되고, 상기 가스 통로가 작업시 이 가스통로로 통해 흐르는 가스의 속도가 이 가스통로의 유입구 단면적과 배출구 단면적 사이에 실질적으로 일정하게 유지되도록 배치되는 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 용기(1)가 실질적으로 원통의 형상을 갖는 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 용기(1)가 실질적으로 수직으로 배치되는 장치.
4. 제 1-3 항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 유입구(2)가 용기(1)의 상탑부에 또는 그 근처에 존재하고, 가스 배출구(3)가 용기(1)의 탑저부에 또는 그 근처에 존재하는 장치.
5. 제 1-3 항 중 어느 한 항에 있어서, 열 전달 구조물(7, 10')이 막 파이프 벽 또는 케이지인 장치.
6. 제 1-3 항 중 어느 한 항에 있어서, 열 전달 표면(4)이 대류식 열 전달 표면인 장치.
7. 제 1-3 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 열 전달 표면(4)이 냉각 관(10)의 패널을 포함하고, 작업시에는 이 관을 통해 냉각 매질이 흐르는 장치.
8. 제 7 항에 있어서, 냉각 매질이 가스와 역방향으로 흐르는 장치.
9. 제 7 항에 있어서, 냉각 매질이 물 또는 증기인 장치.
10. 제 1-3 항 중 어느 한 항에 있어서, 열 전달 표면(4) 사이에 가스통로(13)의 전체 유입구 단면적은 다운스트림 방향으로 점차로 감소되어, 열 전달 표면의 장치가 점점 가늘어지게 배치되는 장치.
11. 제 1-3 항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 속도가 6-12 m/s 범위인 장치.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 열 전달 표면(4)이 α=tan(W1/W2)/M(여기서, M은열 전달 구조물의 높이이고, W1 및 W2는 구조물의 유입구 및 배출구 각각에서 상기 구조물의 외부 열 전달 표면들 사이의 거리를 나타냄)의 각 α 하에 배치되는 장치.
13. 제 12 항에 있어서, α가 2.5˚이하인 장치.