KR101096316B1 - 폐기물을 고온에서 가스화시키기 위한 산소 랜스, 및이것의 작동 방법 - Google Patents

폐기물을 고온에서 가스화시키기 위한 산소 랜스, 및이것의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 필요한 경우 열적으로 사전처리된 불균일 폐기물을 고온에서 가스화시키기 위한 산소 랜스에 관한 것으로서, 여기에서 반응 산소 운반용 채널이 공통 채널내에서 연소 산소 공급용 채널, 및 두가지 이상의 유입 상태에서 공급된 산소량을 제어하는 제어 장치와 동일하게 제조된다. 또한, 본 발명은 상기 산소 랜스의 작동 방법에 관한 것으로서, 여기에서 산소 랜스는 하나 이상의 버너 플레임과 함께 영구적으로 작동되며, 제 1 작동 모드에서는 반응물 연료 및 산소가 버너 플레임(burner flame)에 대해 화학양론적 비에 가까운 비로 공급되고, 제 2 작동 모드에서는 산소가 연료에 대해 과화학양론적 비로 공급되어, 이러한 비율의 산소가 반응 파트너로서 고온 반응기내로 도입된다.

Description

폐기물을 고온에서 가스화시키기 위한 산소 랜스, 및 이것의 작동 방법 {OXYGEN LANCE FOR HIGH TEMPERATURE GASIFICATION OF WASTES, AND ALSO METHOD FOR OPERATING THE SAME}
도 1은 불균일 폐기물을 고온에서 가스화시키기 위한 종래 기술에 따른 산소 랜스(A), 및 동일한 목적의 본 발명에 따른 산소 랜스(B)를 나타내는 개략도이다.
도 2는 교환가능한 버너 팁(burner tip)을 구비한 본 발명의 구체예로서의 산소 랜스에 대한 상세 구체예의 종단면 및 횡단면을 나타내는 도면이다.
도 3은 산소 흐름에 대해 병렬로 연결되는 2개 밸브에 의해 수행되는 제어 장치를 나타내는 도면으로, 상기 제어 장치에는 연소 가스를 공급하기 위한 추가 밸브가 구비되어 있다.
본 발명은 반응 산소 운반용 채널, 연료 공급용 채널 및 연소 산소 공급용 채널(I, II, III)을 구비하는, 필요한 경우 열적으로 사전처리된 불균일 폐기물을 고온에서 가스화시키기 위한 산소 랜스; 및 고온 반응기에서의 이의 작동 방법에 관한 것이다.
불균일한 폐기물을 가스화시키기 위해, 산소 랜스에 의해, 예를 들어 고온 반응기 내의 가스화 층에 산소를 공급하는 것이 공지되어 있다. 본원에서 산소 랜스는 물에 의해 냉각되는 노즐을 지칭하는데, 이것에 의해 일반적으로 산소 또는 산소 부화 공기가 가스화 반응기의 내부 연소 챔버로 주입된다.
독일 특허 명세서 제 195 12 249 C2호에는, 높은 플레임 온도 및 높은 연소 속도의 하나 이상의 영구적으로 연소되는 파일럿 플레임(pilot flame)을 사용하여, 랜스의 산소가 적어도 음속에 가까운 속도로 가속되어, 이것이 초고온보다 고온으로 가열되도록 하는 방식으로 작동되는 산소 랜스의 용도가 기술되어 있다. 이로써 고온의 산소가 가스화 속도를 증가시키며, 산소의 높은 가속도가 랜스의 작동범위를 결정적으로 증가시킨다.
종래 기술에 따르면, 파일럿 플레임 생성용 버너가 구비되어 있는 산소 랜스가 이러한 목적으로 사용된다. 이러한 버너/산소 랜스의 조합체는, 특히 산소를 반응기의 가스화 층내로 도입시키기 위한 제 1 산소 채널 이외에 개별적인 제 2의 산소 채널이 제공되어, 버너에 의해 생성된 파일럿 플레임의 산소가 제공될 수 있다는 점에서 특징이 있다.
반응기의 가스화 층내로의 산소 공급이 중단되고 오로지 파일럿 플레임만이 작동(버너 작동)되는 경우에는, 고온의 합성 가스가, 반응기내의 부분 초고압으로 인하여 반응기로부터 사실상 어떠한 산소도 공급되지 않는 제 1 산소 채널로 확산된다는 위험이 존재한다. 이러한 현상은 특히 위험한데, 그 이유는 버너를 작동시키기 위한 반응기의 가스화 층내로의 산소 공급이 다시 연결되자 마자, 고온 합성 가스와 제 1 산소 채널 내 산소의 혼합물이 폭발을 일으킬 수 있기 때문이다.
종래 기술된 버너 작동에서는 고온의 합성 가스가, 산소를 반응기의 가스화 층내로 공급하기 위한 제 1 채널로 확산되는 경우에, 또한 일반적으로 물로 냉각되는 고온 합성 가스와 산소 랜스의 조합체 사이의 온도차로 인하여 합성 가스의 상당 성분이 스위치 오프되는 제 1 산소 채널 내에서 적어도 부분적으로 응축된다는 단점이 발생한다.
본 발명의 과제는, 버너/산소 랜스의 조합체; 및 버너 작동에 사용될 수 있으며 이로써 종래 기술에서 인식된 상기 언급된 위험 및 단점에 대처하기 위한 이들의 사용 방법에 관한 것이다.
이러한 과제는, 반응 산소 운반용 채널(III)이 연소 산소 공급용 채널(II)과 동일하며, 2가지 이상의 상이한 유입 상태에서 공급된 산소량을 제어하는 제어 장치가 포함됨을 특징으로 하는, 반응 산소 운반용 채널, 연료 공급용 채널 및 연소 산소 공급용 채널(I, II, III)을 구비하며, 필요에 따라 열적으로 사전처리된, 불균일 폐기물을 고온에서 가스화시키기 위한 산소 랜스; 및 산소 랜스가 하나 이상의 버너 플레임과 함께 영구적으로 작동되며, 제 1 작동 모드에서는 반응물 연료 및 산소가 버너 플레임에 대해 화학양론적 비에 근접한 비로 공급되고, 제 2 작동 모드에서는 산소가 연료에 대해 과화학양론적 비로 공급되어, 이러한 비율의 산소가 반응 파트너로서 고온 반응기내로 도입되며, 산소 압력은, 이것이 항상 고온 반응기 내의 부분 압력을 초과하도록 선택됨을 특징으로 하는, 고온 반응기내에서의 상기 산소 랜스의 작동 방법에 의해 본 발명에 따라 달성된다.
이러한 해결책은 특히 하기의 이점이 있다:
반응 산소, 즉 반응을 목적으로 반응기의 가스화 층내로 도입되는 산소 운반용 채널이, 연소 산소, 즉 버너 또는 파일럿 플레임을 공급하기 위한 산소 공급용 채널과 동일하다는 사실의 결과로, 본 발명은, 산소를 반응기의 가스화 층 내로 공급하거나 공급하지 않는 경우에도 버너/산소 랜스의 조합체가 일정하게 연소되는 파일럿 플레임을 사용하여 작동되는 지와는 상관없이, 적어도 버너 프레임에 화학양론적 연소에 필요한 일정량의 산소(연소 산소)가 공급되기 때문에 산소 흐름이 항상 산소 채널을 통해 도입되는 특히 유리한 방식으로 달성된다. 이러한 방식으로는, 고온의 합성 가스가 반응기로부터 산소 채널로 확산될 수 없으며, 반응기의 가스화 층으로의 산소(반응 산소) 공급이 재개시될 경우에 폭발의 위험이 방지되는 동시에, 반응 산소 공급 채널 내의 고온 합성 가스의 응축이 배제된다.
또한, 파일럿/버너 플레임에 대한 산소의 개별 유입 흐름용 연결부 및 부가 채널 뿐만 아니라 반응기의 가스화 층으로의 산소 공급이 불필요해지기 때문에, 버너 장치를 구비한 산소 랜스 장치에 대한 구성이 전반적으로 간편화된다.
두 가지 이상의 상이한 유입 상태에서 공급된 산소량을 제어하는 제어 장치가 포함된다는 사실로부터, 각각 요구되는 정도의 산소량; 가스화 층내로 반응 산소가 공급되는 경우의 버너 프레임; 및 가스화 층내로 반응 산소가 공급되지 않는 경우의 버너 플레임이 2개의 작동 상태에 대해 일정량으로 투여되는(dosed) 방식으로 공급된다.
"가스화 층내로 반응 산소가 공급되지 않는 경우의 버너 플레임"의 작동 모드에서는, 반응물인 연료 및 산소가 버너 플레임내에서의 연소를 위해 대략 화학양론적 비로 공급된다. "가스화 층내로 반응 산소가 공급되는 경우의 버너 플레임"의 작동 모드에서는, 대조적으로 산소가 연료에 대해 "과화학양론적 비"로 공급되어, 화학양론적 비의 공급된 산소 분량을 넘어서 버너 플레임내에서의 연소에 필요한 분량이 고온 반응기의 연소 층에 대한 반응 파트너로서 공급된다.
이러한 전체 용도의 맥락에서 연료는, 예를 들어 메탄 가스, 공정에 특이적인 합성 가스 또는 이의 개별 성분, 및 액체 및/또는 펌핑가능한 오염물-함유 물질일 수 있다.
이로써, 특히 버너 플레임만으로 작동되는 경우의 산소 압력이 항상 고온 반응기내에서의 부분 압력을 초과하도록 선택된다는 점에서, 산소 공급 라인으로의 고온 합성 가스의 확산이 효과적으로 방지된다.
본 발명의 이로운 개선점은 종속항 제 2항 내지 제 6항 또는 제 8항 내지 제 10항에 따라 가능해지며, 이에 대해서 하기 간단히 설명한다.
두가지 이상의 상이한 유입 상태에서 공급된 산소량을 제어하는 제어 장치에 대한 이로운 구체예는, 산소 흐름에 대해 병렬로 연결되는 밸브로서 사용되는 것이다. 결과적으로, 요구된 유입 상태를 형성하기 위한 확실하고 기술적으로 특히 간단한 방법은 정확하게 조절가능하고 일정하게 유지된 유입량으로 달성된다.
본 발명의 또 다른 개선점은 버너/산소 랜스 조합체의 반응기-측면 말단에 교환가능한 버너 팁이 설치된다는 점이다. 이는, 한편으로는, 버너 팁에 고온 반응기의 고온 대기가 가해짐으로 해서 이 버너 팁이 마모부(wearing part)로서 단지 제한된 수명을 가지게 되어, 급속하고 문제 없는 교환가능성이 산소 랜스의 유지를 매우 간편화시키기 때문에 이롭다. 다른 한편으로는, 이러한 버너 팁의 교환가능성은 특히 본 발명에 따른 공급 채널의 절감 효과로 인해, 또한 버너 팁과, 산소 랜스 사이의 연결부 및 반응부 측면 상의 산소 랜스를 시일링하는 버너 팁의 구조가 이것의 구성 자체를 매우 간소화시킨다는 본 발명의 특징에 의해 지지된다. 따라서, 상기 버너 팁은 산소 랜스의 채널과 공간적으로 상응하는 플러그-인(plug-in) 또는 나사 연결부(screw connection)에 의해 형성될 수 있다.
산소 랜스의 작동 방법에 대한 이로운 개선점은, 제어 장치가 2개의 작동 상태 사이에서 펄스(pursed) 방식으로 전환(switched-over)될 수 있다는 것이다. 이러한 방식으로, 산소 랜스에 의해 반응기의 가스화 층내로 도입된 반응 산소가 펄스 상태로 도입되어, 랜스의 산소 빔에 의해 형성될 수 있었던 가스화 층 내의 채널이 펄스 중단(pulsed pause)으로 붕괴된다는 이점이 제공된다. 따라서, "브리지 형성(bridge forming)"이 가스화 층내에서 방지된다.
본 발명을 개략적인 도면 및 구체예에 의해 하기 설명한다:
도 1은 불균일 폐기물을 고온에서 가스화시키기 위한 종래 기술에 따른 산소 랜스(A); 및 비교예로서 본 발명의 구체예로서의 산소 랜스(B)를 나타내는 개략도이다.
종래 기술에 따른 모델인 경우에, 하나가 나머지의 내부에서 동심상으로(concentrically) 연장되는 3개의 관형 유동 채널이 제조되며, 이러한 유동 채널에는 현재 공급 파이프 연결부가 설치되어 있다. 종래 기술에 따른 산소 랜스(A)의 경우에, 최외부에 위치한 채널이 연료 공급용 채널(I)이다. 버너 내에서의 파일럿 플레임을 작동시키기 위한 산소 공급용 채널(II)이 그 내부에 위치하며, 고온 반응기의 연소 층내에서 반응물로서의 산소 공급용 채널(III)이 그 내부에 순서대로 위치하고 있다.
대조적으로 본 발명의 구체예(B)에 있어서는, 연료 공급용 채널(I)이 내부에 위치한다. 단일의 산소 공급용 채널(II)은 상기 연료 공급용 채널을 둘러싸고 있는데, 이 내부로 종래 기술 분야에 공지되어 있는, 연소 산소용 및 반응 산소용 개별 공급 채널이 조합된다.
버너/산소 랜스의 조합체(B)가 산소를 반응물로서 반응기의 연소 층내로 도입시키지 않으면서 버너 작동에만 사용하는 경우, 연료 공급용 채널(I) 및 산소 공급용 채널(II)이 각각 버너의 파일럿 플레임 내에서의 화학양론적 연소에 요구되는 만큼의 많은 양의 연료 또는 산소를 도입시키는데, 버너에 대한 산소의 압력은, 이것이 고온 반응기 내의 부분 압력을 항상 초과함으로써 산소 공급원 내로의 고온 합성 가스의 관통이 배제되도록 하는 방식으로 선택된다. 부가적으로 반응 산소로서의 산소를 반응기의 연소 층내로 도입시키고자 하는 경우에는, 상응하는 보다 많은 양의 산소가 산소 공급용 채널(II)로 공급된다.
이로써, 상기 공급은, 도면에 보다 상세하게 도시되어 있지 않은 제어 장치에 의해 제공된다.
도 2는 본 발명에 따른 버너/산소 랜스의 조합체에 대한 상세 구체예의 종단면을 나타낸다. 여기에는, 또한 연료 공급용 채널(I), 및 이러한 연료용 채널을 둘러쌈으로써 결과적으로 하나가 다른 하나의 내부에 위치하는 형태의 파이프가 형성되는 산소 공급용 채널(II)이 도시되어 있다. 이 점은 특히 우측 바닥 상에 표시된 축 A-A를 따른 횡단면으로부터 명확해진다.
또한, 제어 밸브, 및 이러한 밸브와 상기 공급 채널 사이의 흐름에 대한 연결부로부터 현재 개별적으로 구성되는 연결 밸브가 도시되어 있다. 공급 파이프 연결부(11) 및 관통 흐름 채널(4, 5)을 포함하는 물에 의한 냉각은, 또한 산소 랜스의 주축을 따라 상기 물이 먼저 전체 랜스 파이프를 따라 버너 팁(1)까지 도입된 후에, 버너 팁(1)으로부터 반대 방향으로 다시 빠져나가는 방식으로 도시되어 있다.
이로써, 버너 팁(1)은 플러그-인 연결부에 의해 랜스 파이프(2)에 고정되며, 여기에는 버너 팁의 반응기-측면 말단으로부터, 하향으로 위치하는 연료 공급용 파이프(I)의 개구쪽으로 가늘어지는 깔대기 형태의 오목부가 구비되어 있다. 이로써, 상기 버너 팁은, 상기 반응기로부터 버너 팁쪽으로 배향된 측면으로부터 물이 들어오는 냉각수용 채널이, 물이 반대 방향으로 도입되는 냉각수용 채널에 대해 흐름 방향으로 연결되도록 구성되어 있다. 이는, 채널벽(31, 32)을 구비한 소형 채널에 의한 버너 팁의 상응하는 구성으로 인하여 야기되는데, 상기 채널 벽은 장착된 상태에서 상기 냉각수용 채널과 함께 기밀한 시일링을 형성한다.
도 3은 산소 흐름에 대해 나란히 연결되는 2개의 밸브(IV, V)로 형성되는 본 발명에 따른 제어 장치, 및 이로부터 분리되는 연료 공급원을 제어하기 위한 밸브(VI)를 나타내는 구체예이다.
정지 밸브(12)로부터, 산소가 우측 분배기로 유동하여 제 1 및 제 2의 산소 흐름으로 분할된다. 제 1 산소 흐름은 연소 산소용 밸브(V)에 의한 관통 흐름량으로 제어되는 반면, 제 2 산소 흐름은 반응 산소용 밸브(IV)에 의한 이것의 양으로 결정된다. 상기 밸브들을 통과함에 따라, 2개의 산소가 재결합되도록 유동하여 하나의 흐름을 형성한 후에, 제어 장치를 벗어난다. 밸브(IV) 및 상응하게 넓은 밸브(V)의 개구를 폐쇄시킴으로써, 버너의 파일럿 플레임 내에서의 화학양론적 연소에 요구되는 정도의 산소가 일정량으로 투여될 수 있는데, 이러한 압력은 항상 고온 반응기내에서의 부분 압력을 초과할 정도이어야 한다. 따라서, 화학양론적 연소비를 유지하기 위해, 연소 가스의 공급을 제어하는 밸브(VI)의 개구는 이에 상응하게 설정되어야 한다. 파일럿 플레임내에서의 연소에 대해 과화학양론적 양으로 공급되며 이에 따라 반응기의 가스화 층내로 반응물로서 처리되도록 의도되는 추가 산소는, 밸브(IV)를 개방시킴으로써 추가될 수 있다. 상기 언급된 제 1 작동 모드(단지 버너만으로 수행됨) 및 제 2 작동 모드(버너 및 반응 산소 공급으로 수행됨) 사이에서의 펄스 전환은, 최대한으로 간소화된 방식으로 상기 밸브(IV)의 펄스 개폐에 의해 생성될 수 있다.
본 발명으로, 고온의 합성 가스가 반응기로부터 산소 채널로 확산될 수 없으며, 반응기의 가스화 층으로의 산소 공급이 재개시될 경우에 폭발 위험이 방지되는 동시에, 반응 산소 공급 채널 내의 고온 합성 가스의 응축이 배제되는 이점이 얻어진다.

Claims (11)

  1. 반응 산소 운반용 채널, 연료 공급용 채널 및 연소 산소 공급용 채널(I, II, III)을 구비하는, 불균일 폐기물을 고온에서 가스화시키기 위한 산소 랜스에 있어서,
    반응 산소 운반용 채널(III)이 연소 산소 공급용 채널(II)과 동일하며, 반응물 연료 및 산소가 버너 플레임에 대해 화학양론적 비로 공급되는 제 1 작동 모드,및 산소가 연료에 대해 과화학양론적 비로 공급되어, 이러한 비율의 산소가 반응 파트너로서 고온 반응기 내로 도입되는 제 2 작동 모드에서, 공급된 산소량을 제어하는 제어 장치가 포함됨을 특징으로 하는 산소 랜스.
  2. 제 1항에 있어서, 제어 장치가, 제 1 작동 모드에서는 단 하나의 밸브(V)가 개방되고 제 2 작동 모드에서는 둘 모두의 밸브(IV, V)가 개방되도록, 산소 흐름에 대해 병렬로 연결된 밸브(IV, V)를 구비함을 특징으로 하는 산소 랜스.
  3. 제 1항에 있어서, 교환가능한 버너 팁(1)이 반응물 배출구의 측면 상에 설치됨을 특징으로 하는 산소 랜스.
  4. 제 3항에 있어서, 버너 팁(1)이 플러그-인(plug-in) 또는 나사 연결부(screw connection)(31, 32)에 의해 고정됨을 특징으로 하는 산소 랜스.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 채널(I, II)이, 하나가 나머지 하나의 내부에 위치하는 형태로 축 방향으로 동심상으로(concentrically) 연장됨을 특징으로 하는 산소 랜스.
  6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각제 채널(4, 5)이 추가로 설치됨을 특징으로 하는 산소 랜스.
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