KR101342770B1 - 합성가스 냉각기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석탄가스화공정으로 생성된 합성가스를 수용하고 냉각하는 데에 사용되는 합성가스 냉각기에 관한 것으로, 합성가스 냉각기는 비용의 효율성과 조밀구조를 성취하기 위한 특정한 조립체로 복사 및 대류표면과 일체형 기화기를 사용한다.

Description

합성가스 냉각기 {Steam generator to contain and cool synthesis gas}

도 1은 본 발명에 따른 복사식 합성가스 냉각기의 제1실시예를 개략적으로 도시한 측단면도이다.

도 2는 도 1의 2-2선에서 바라본 도 1의 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 대류가열표면을 배치한 복사식 합성가스 냉각기의 제2실시예를 개략적으로 도시한 측단면도이다.

도 4는 본 발명엥 따른 일체형 기화기를 배치한 복사식 합성가스 냉각기의 제3실시예를 개략적으로 도시한 측단면도이다.

본 발명은 석탄가스화 분야에 관한 것으로, 특히 석탄가스화공정으로 생성될 합성가스를 함유하고 냉각하는 데에 사용될 합성가스 냉각기에 관한 것이다.

고체연료를 연소하는 석탄가스화복합발전방식(Integrated Gasification Combined Cycle;이하 IGCC)용 발전소는 경쟁 고체연료기술, 예컨대 미분탄연소 랭 킨순환방식(pulverized coal combustion Rankine cycles)보다 통상적으로 더 많은 비용을 갖어야하는 한편, 낮은 신뢰성 및 작업효용성을 갖는다. 더욱 경쟁력을 갖는 IGCC를 만드는 제1구성부재는 비냉각 기화기와 복사 및 대류식 합성가스 냉각기를 구비한다. 복사식 합성가스 냉각기구조는 수용용기압력과 대부분의 발전소 부지에서는 선박크기의 한계성 때문에 전반적인 외경의 실제적인 한계성을 갖는다. 이러한 용기의 직경에 대한 한계로, 복사식 합성가스 냉각기의 전체 높이를 최소화하여 가스를 냉각하기 위해 사용될 복사식 열전달 증기발생표면를 최대한 조밀화시킬 필요가 있다.

Ziegler가 출원한 미국 특허출원 제4,768,470호는 냉각기의 전체 높이를 짧게한 증기발생벽표면으로 된 동축연료구조를 사용한다. 이러한 구조는 개별적인 해체과, 내부 및 외부연도의 제거와 검사를 제공하기 위해 독립 워터서킷(water circuit)을 갖춘 별도의 연도를 구비한다. 1992년 더 뱁콕 앤드 윌콕스 컴파니, 캐나다가 개발한 다른 구조는 냉각기 높이를 낮추고 표면적을 최대화시킨 연도 내부에 매달려 있는 부수 증기발생표면("날개벽(wing wall)")을 갖춘 증기발생벽표면의 단일연도를 사용한다. GHH Mann 등의 다른 회사는 유사한 구조를 사용하고 있다.

현재의 해결책은 경쟁적인 수준까지 이러한 구성부재의 비용을 여전히 저감시키지 못한다. 대형의 상용가스터빈을 사용하는 발전소용 합성가스를 냉각하는 복사식 단일냉각기의 높이는 150 ft.를 초과할 수 있다. 몇몇 발전소의 구조는 전반적인 높이를 줄인 2개의 냉각기를 사용하는 반면에 비용이 증가한다. 덧붙여서, 예비기화기, 복사식 냉각기 및 대류식 냉각기는 실질적으로 상당한 비용으로 발전소 의 작업효용성을 향상시키도록 발전소설계에 구비되고 있다.

대류식 합성가스 냉각기를 위한 현재의 해결책은 2개의 구성부재를 연결하는 냉각연도를 갖춘 복사식 냉각기로부터 별도의 구성부재를 필요로 한다. 대류식 냉각기 구조는 물과 증기 튜브구조(튜브 내에 물 또는 증기, 외부에 가스)(셀 오일 컴파니) 및 화염튜브구조(튜브 내부에 가스, 외부에 물)(스테인뮬러(Steinmueller), 그 외)를 구비한다. 이러한 구조물들은 복사식 냉각기와는 별도로 압력용기엔클로저 및 물/증기 시스템을 필요로 한다. 가스연도와 대류식 냉각기에 주입구에서 만들어질 난류가 운영상에 어려움을 야기시킬 수 있는 연료재의 공급원을 창출한다.

기화기를 위한 현재의 해결책은 비냉각 및 냉각될 내화엔클로저를 구비하는 것이다. 비냉각 엔클로저(제네랄 일렉트릭사, 코노코(conoco), 그 외)는 고장과 잦은 교체를 경험하게 된다. 통상적으로, 이러한 구조로서 높은 효용성이 예비기화기트레인 및 기화기에 교체시간 동안 고비용으로 오일 또는 가스를 연소하는 가스터빈을 필요하다. 두꺼운 내화물의 비냉각구조를 위한 느린 가열 및 냉각이 내화물을 수리 또는 교체하기 위한 작동정지 시간을 연장한다. 현존하는 냉각기화기구조(셀 오일 컴파니, 퓨처 에너지사)가 기화기가스를 에워싸고 수용하도록 내화코팅재를 갖춘 별도의 물 또는 증기발생서킷을 사용한다. 이러한 몇몇 시스템은 낮은 압력, 발전소 증기/물 시스템의 외부로 열을 배출하는 강제순환식 냉각수시스템, 줄어든 효율성으로 이용된다. 하류식 냉각회로를 일체로 갖춘 증기발생표면을 사용하는 이러한 환경과 유사한 연소환경에서 용해된 슬러그와 고온의 고체연료가스를 수용하 는 종래기술은 싸이클론^TM 연소보일러(더 뱁콕 앤드 윌콕스 컴파니)를 구비한다.

그러므로, 경제적이고, 조밀하며, 신뢰할 수 있으며 견고한 합성가스 냉각기의 개발이 상업적인 IGCC시스템의 미래를 결정한다.

따라서, 본 발명의 한 양상은 가스화공정으로 생성될 합성가스에서 열을 제거하는 합성가스 냉각기에 관한 것이다. 이러한 합성가스 냉각기는 주입구와 배출구를 갖춘 동체와, 합성가스를 수용하도록 동체 내에 구비될 유체-냉각내부연도, 내부연도에서 합성가스를 수용하도록 동체 내에 구비될 유체-냉각외부연도, 합성가스를 냉각하도록 내부연도 내에 위치된 복사식 열전달표면 및, 외부연도에서 배출구까지 합성가스를 이송하는 이송수단으로 이루어진다.

본 발명의 다른 양상은 추가로 합성가스를 냉각하기 위해 외부연도 내에 위치된 대류열표면의 조립체를 사용하는, 전술된 바와 같은 합성가스 냉각기에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 양상은 동일한 동체 내에 복사 및 대류열표면 뿐만 아니라 일체형 기화기와 병합되어 사용되는 합성가스 냉각기에 관한 것이다.

본 발명의 새롭고 다양한 특징들은 명세서의 일부로 첨부된 청구범위에서 지적하고 있다. 본 발명의 이해를 돕기 위해서, 작동상의 장점과 사용상의 장점이 첨부도면을 참조로 하고 도해된 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 기술될 것이다.

첨부도면을 참조로 하면, 유사한 참조번호가 여러 도면을 통해서 동일하거나 기능적으로 유사한 부재에 표기하다. 특히, 도 1은 본 발명의 제1실시예의 개략적인 측단면도로, 복사식 합성가스 냉각기(10)를 도해한 것이다. 통상적으로, 합성가스 냉각기(10)는 수직되게 길이방향의 축을 갖는 실린더형 용기로 되어 있다. 이 실시예에서, 냉각기(10)는 기화기(도시되지 않음)에서 냉각기(10)의 상부에 구비된 주입구(14)로 고온의 합성가스(12)를 공급받는다. 가스(12)는 냉각기(10) 내에 구비된 내부연도 또는 엔클로저 영역(16)으로 주입된다. 내부연도는 바람직하기로 실린더형상의 내부엔클로저벽(18)으로 형성되고 전형적인 유체-냉각튜브로 이루어진다. 튜브 내에 활동유체는 물, 증기 또는 이들의 혼합물로 되어 있다. 내부엔클로저벽(18)을 형성하는 유체-냉각튜브에 덧붙여서, 내부연도(16)는 냉각기(10) 내부에 매달려 있는 다수의 유체-냉각용 날개벽(20) 표면을 또한 구비하는바, 날개벽(20)의 주요 부분은 유입하는 합성가스에 노출되어서 날개벽(20)을 통해 운송될 활동유체(물, 증기, 또는 이들의 혼합물)를 가열한다. 일반적으로, 날개벽(20)은 서로 인접하게 구비된 평편한 튜브 뱅크(bank)로 구성되고, 날개벽(20)을 통해 운송될 활동유체를 분배 또는 집결하는 주입부 및 배출부를 갖는 다기관 또는 헤더부(22)를 구비한다. 구비될 날개벽(20)의 갯수와 배열은 열전달 및 다른 필요조건으로 결정된다. 그러므로, 도 2는 냉각기(10)의 길이방향의 수직축 둘레로 배열된 6개의 날개벽(20)의 배열상태를 보여주는바, 날개벽(20)의 갯수가 많고 적음은 특정한 열전달과 냉각조건에 맞춰 구비된다. 고온의 합성가스(12)가 내부연도(16)를 통해 아래로 흐르면서, 내부엔클로저벽(18)과 날개벽(20)으로 냉각되고, 내부연도(16)의 바닥영역(24)에서 합성가스(12)는 내부엔클로저벽(18)에 구비된 하나 이상의 개방부(26)를 관통하여 실제로 180°진행방향을 변경하여 윗방향으로 이동한 다음에 내부엔클로저벽(18)과 유사한 구조로 된 외부엔클로저벽(30)으로 형성된 외부연도 또는 엔클로저영역(28) 내부로 이동한다. 따라서, 외부연도(28)는 실제로 고리형상으로 되어 있다. 다기관 또는 헤더부(32)는 필요에 따라서 개방부(26)의 형성을 용이하게 하도록 구비된다. 그런 다음에, 합성가스(12)는 외부연도(28)를 통해 윗방향으로 이송되고 하나 이상의 개방부(34)를 이송수단으로 하여 합성가스 배출구(36)를 통해 냉각기(10) 외부로 배출된다.

내부엔클로저벽(18)과 외부엔클로저벽(30) 사이의 거리 뿐만 아니라 외부엔클로저벽(30)과 냉각기(10)를 형성하는 동체(38) 사이의 거리는 냉각기(10)가 고장날 때에 접근과 검사할 수 있는 충분한 크기로 될 것이다. 개별적으로, 내부 및 외부연도(16,28)를 형성하는 내부 및 외부엔클로저벽(18,30)은 별도의 해체, 제거 및 검사를 제공하기 위해서 독립적인 유체서킷으로 구비되는 것이 바람직하다. 모든 물/증기발생표면들은 순환펌프를 갖춘 강제순화시스템의 필요성을 배제하기 위해, 자연순환방식으로 배열될 것이다. 내부연도(16)를 통해 아래방향으로 흐르는 고온의 합성가스(12)에 포함된 고체는 바닥영역(24)에서 합성가스(12)로부터 떨어지게 될 것이며, 합성가스(12)는 외부연도(28)로 약 180°정도로 윗방향을 향해 진행방향을 변경한다. 고체는 냉각기(10)의 하부에 구비된 수조(38)로 낙하되어, 고체는 하부에 구비된 고체배출구(40)를 매개로 냉각 및 제거될 수 있다. 검댕이 송풍기(42)는 바닥영역(24)에 구비될 개방부(26)에 구비되어, 축적된 고체를 플러그화되지 않도록 할 필요가 있으면 합성가스(12)는 외부연도(30)에서 180°방향전환되게 한다.

내부연도(16) 내에 위치된 날개벽(20)을 갖춘 내부 및 외부연도(16,28)의 조합은 개별적인 구조보다도 실제로 냉각기(10)의 전체 높이를 낮춘다. 해체 및 제거용 공간을 갖는 독립적인 내부 및 외부연도(16,28)를 구비하여서, 날개벽 헤더부(22)를 수용하고 내부연도(16) 내에서 연결(도시되지 않음)이 새로운 내부연도(16), 특히 내부연도(16)의 바닥에서 필요하다.

냉각기(10)에 공급될 합성가스(12)에 열량에 따라서, 추가적인 열표면이 필요하고 이를 달성하기 위해서 본 발명의 제2실시예가 도 3으로 도해된다. 당해분야의 숙련자들에게 이미 널리 알려져 있듯이, 제2실시예는 도 1의 제1실시예에 다수의 구조적 특성을 공유하고 있으며, 특히 도시된 바와 같이 외부연도(28) 내에 배열된 대류열표면(50)의 조립체를 구비한다. 이 대류열표면(50)은 물 또는 증기로 냉각될 수 있고, 하나 이상의 튜브 뱅크로 배열되어 합성가스(12)가 튜브의 외부로 흐르게 한다. 대류열표면(50)의 뱅크는 냉각기(10)의 주변 둘레에서 외부연도(28) 내부에 구비된다. 이 실시예의 한 특징으로, 대류열표면(50)이 내부 및 외부엔클로저벽(18,30)으로 이루어진 증기발생표면에서 사용되었듯이 동일한 유체회로(일체형 냉각)를 사용하여서, 별도의 냉각시스템의 필요성을 배제한다. 선택가능하기로, 별도의 유체서킷은 대류열표면(50)용으로 사용된다. 대류열면(50)으로 흐른 후에, 합성가스(12)는 개방부(34)를 매개로 외부연도(28)를 빠져나가고 가스배출구(36)를 통해 냉각기를 빠져나간다. 검댕이 송풍기(52)는 플러그화되는 것을 방지하기 위해 대류열표면(50)의 세척을 위해 구비될 수 있다.

대류열표면(50)은 복사식 냉각기(10)에서 탈거될 대류식 냉각기 구성부재 뿐만 아니라 방향전환용 부수연결연도, 동일한 압력용기, 전술된 경우에서 일체식 냉각, 별도의 냉각시스템에 대한 필요성을 배제한다. 복사식 냉각부(내부연도(16))에서 외부연도(28) 내에 위치된 대류열표면(50) 위로 윗방향으로 흐르는 합성가스(12)는 외부연도(28)에 주입구에서 가스난류를 최소화하기 위해 실제로 수직선상으로 이동하다. 이는 제어할 수 없는 에쉬플러그의 잠재력을 최소화하고, 대류열표면(50)에 인접하게 검댕이 송풍기(52)를 구비하여 세척하도록 한다. 이러한 구조는 연소튜브 냉각기구조의 주입 튜브시트에 튜브에 일관성 없는 주입으로 야기될 부수적인 제어할 수 없는 플러그화문제와 난류에 비교하여 특정한 장점을 갖는다.

가스화시스템에 사용될 단순화된 구조와 설비는 도 4로 도시된 바와 같이 본 발명의 제3실시예를 수단으로 성취될 수 있다. 도시되었듯이, 이러한 조립체는 내부엔클로저벽(18)으로 이루어진 튜브로 뻗어 있고, 냉각기(10)의 상부영역에서 유체-냉각용 기화기 엔클로저영역(60)을 형성하도록 윗방향으로 내부연도(16)를 형성한다. 그러므로, 일체형 기화기(60)는 합성가스(12)를 내부연도(16)로 공급하도록 냉각기(10) 내에 위치된다. 기화기 엔클로저영역(60)의 엔클로저벽(62)을 형성하는 튜브는 용융된 슬러그로부터 튜브의 표면을 보호하고 기화반응에서 발생할 수 있는 적당한 온도에서 기화기 엔클로저영역(60)을 유지하도록 내화코팅부(64)를 갖는다.

본 발명에 따른 기화기 엔클로저 영역(60)은 비냉각된 내화기화기 뿐만 아니 라 종래기술에 따른 냉각된 기화기를 결합하여 문제점을 극복한다. 본 발명은 동일한 유체-냉각용 회로에 기화기 엔클로저영역(60)용 냉각회로에 일체화된 종래의 냉각된 기화기구조를 향상시킨 것으로, 별도의 냉각시스템의 필요성을 배제한다. 이러한 구조는 기화기 엔클로저영역(60)에서 제거된 열을 회복하고 기화발전소의 증기 및 물시스템으로 전달하여, 유니트의 사용수명을 연장하고 연료비용의 절감효과를 제공하여 효율을 향상시킨다.

본 발명의 특정한 실시예가 본 발명의 원리의 적용을 상세히 도해하고 기술하면서, 당해분야의 숙련자들인 이러한 원리에서 벗어나지 않고서 다음의 청구범위 안에서 변형될 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 본 발명의 임의의 특징은 다른 특징에 사응하게 사용되지 않는 장점으로 사용된다. 따라서, 모든 변형예와 실시예들은 아래의 청구범위의 범주 내에서 이루어진다.

3개 실시예에 대한 설명은 종래기술에 대해 기술적 장점을 기술하였다. 상업적 전망에서, 날개벽구조를 갖는 조합된 내부 및 외부연도는 복사식 합성가스 냉각기의 전반적인 높이를 줄여서 비용을 줄인다. 이러한 비용절감은 외부용기의 감소된 비용뿐만 아니라 운송비용, 연료전달비용, 철재비용, 현장에 구성부재의 축조비용으로 성취될 수 있다. 분리가능한 내부 및 외부연도를 제공함으로써 유지비용을 최소화한다. 이는 부식환경에 노출되고 종래의 미분탄발전소에 사용될 연소가스 냉각기 보다 유지하기 위해 더 많은 시간을 필요로 하는 기화공정냉각기에 중요하게 작용한다.

복사냉각엔클로저 내에 일체로 된 대류열표면의 결합이 별도의 구성부재에 대한 비용을 배제토록 한다. 비용절감은 감축된 가스연도와, 증기관 및 수관 비용, 철구조비용 및, 건설비용에서 절감되어 별도의 압력용기를 절약할 수 있기 때문에 실질적으로 이루어진다. 감소되거나 제거될 대류식 냉각기의 플러그화 때문에, 고체연료에 높은 효율성으로부터의 절약이 유니트의 사용수명을 연장하여 대류식 냉각기의 전반적인 총비용 보다 크게 할 수 있다.

일체형 냉각기화기의 병합이 별도의 압력용기와 냉각회로의 필요성을 배제하여 별도의 냉각기화기로 비용절감을 제공한다. 비냉각된 기화기와 비교하여 고비용이 들고, 고체연료를 사용하는 고효율성이 이루어져 비용의 차를 실제로 크게 넘는다.

예비구성부재트레인을 제거하는 3개 구조물의 조합으로 이루어지는 비용절감은 중요하다. 이러한 절감비용은 구조물에 연합된 건설비용과 구성부재를 둘러싸는 철강구조물 및 모든 지지설비를 포함하는 별도의 구성부재를 넘어 확장된다. 그러므로, 본 발명으로 구비될 중요한 기본적인 향상은 조밀화, 저비용, 신뢰성 및 유지관리할 수 있게 하나로 일체된 구성부재 내에 개별적인 구성부재를 견고히 한다.

Claims (18)

1. 상부에 구비된 주입구 및 배출구를 갖춘 동체와;

   합성가스를 수용하도록 상기 동체 내에 구비되고, 유체-냉각 튜브로 만들어진 엔클로저벽으로 구성된 유체-냉각 내부연도;

   상기 내부연도로부터 합성가스를 수용하도록 상기 동체 내에 구비되고, 고리형상으로 구성된 유체-냉각 외부연도;

   상기 엔클로저벽에 추가로, 합성가스를 냉각하도록 상기 내부연도 내에 위치된 하나 이상의 복사식 열전달표면 및;

   상기 외부연도에서 배출구로 합성가스를 이송하는 이송수단;을 포함하여 이루어지고,

   상기 내부 및 외부연도를 이루는 부재는 검사를 위해 해체할 수 있도록 별도로 형성되어 있고,

   상기 복사식 열전달표면은, 합성가스 냉각기 내부에 일체로 매달려져 있는 유체-냉각용 날개벽으로 구성되어서, 상기 날개벽의 표면 부분이 유입되는 합성가스에 노출되도록 되어 있고, 상기 날개벽의 표면은 서로 인접하게 구비되는 복수의 튜브 뱅크들로 이루어지고, 상기 튜브 뱅크들은 상기 합성가스 냉각기의 수직 종축을 따라 배치되고, 상기 튜브 뱅크들은 상기 날개벽을 통해 이송된 유체를 배분하는 주입부 및 배출부를 갖는 다기관을 구비하여 이루어지는, 가스화공정으로 생성된 합성가스로부터 열을 뽑아 내는 합성가스 냉각기.
2. 제1항에 있어서, 합성가스에 포함된 고체를 수용하고 냉각하는 상기 합성가스 냉각기의 하부에 구비된 수조와, 상기 합성가스 냉각기에서 고체를 제거하는 고체배출구를 포함하여 이루어진 합성가스 냉각기.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 유체-냉각 외부연도는 유체-냉각 튜브로 만들어진 엔클로저벽으로 구성된 합성가스 냉각기.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서, 상기 합성가스가 상기 합성가스 냉각기의 바닥영역에서 180°방향전환하여 합성가스는 상기 내부연도에서 상기 외부연도로 운반되는 합성가스 냉각기.
8. 제7항에 있어서, 상기 합성가스는 상기 내부연도를 형성하는 엔클로저벽에 하나 이상의 개방부를 통해 이송되는 합성가스 냉각기.
9. 제8항에 있어서, 상기 내부연도를 형성하는 엔클로저벽에 하나 이상의 개방부에 인접하게 검댕이 송풍수단을 구비하는 합성가스 냉각기.
10. 제4항에 있어서, 상기 외부연도에서 배출구로 합성가스를 이송하는 이송수단은 상기 외부연도를 형성하는 엔클로저벽에 하나 이상의 개방부를 구비하는 합성가스 냉각기.
11. 삭제
12. 제1항에 있어서, 상기 합성가스를 냉각하는 상기 외부연도 내에 위치된 대류열표면을 구비하는 합성가스 냉각기.
13. 제12항에 있어서, 상기 대류열표면은 하나 이상의 튜브 뱅크를 배열하여 합 성가스가 튜브의 외부로 흐르게 하는 합성가스 냉각기.
14. 제12항에 있어서, 상기 대류열표면에 인접하게 검댕이 송풍수단을 구비하여 대류열표면을 세척하는 합성가스 냉각기.
15. 제1항에 있어서, 상기 합성가스를 생산하도록 상기 동체 내에 유체-냉각용 일체형 기화기를 구비하고, 상기 일체형 기화기는 상기 내부연도에 합성가스를 공급하는 합성가스 냉각기.
16. 제15항에 있어서, 상기 일체형 기화기는 상기 합성가스 냉각기의 상부영역에 위치되고 유체-냉각용 튜브로 된 엔클로저벽으로 이루어진 합성가스 냉각기.
17. 제16항에 있어서, 상기 유체-냉각 내부연도는 유체-냉각용 튜브로 된 엔클로저벽으로 이루어지고, 상기 내부연도를 형성하는 상기 유체-냉각용 튜브는 상기 일체형 기화기의 엔클로저벽을 형성하도록 윗방향으로 뻗어 있는 합성가스 냉각기.
18. 제16항에 있어서, 상기 일체형 기화기를 형성하는 엔클로저벽의 유체-냉각용 튜브는 내화물로 코팅되어 있는 합성가스 냉각기.

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