KR101748898B1 - 순환 유동층 수송 가스화기 및 반응로용 장치，구성 요소 및 작동 방법 - Google Patents

순환 유동층 수송 가스화기 및 반응로용 장치，구성 요소 및 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 제안된 개선점은 "수송 가스화기(transport gasifier)"로 명명된 가압 순환 유동층 반응로에서 저등급 석탄을 가스화하기 위한 신뢰성 있는 장치 및 방법을 제공한다. 본 발명의 실시예에 의하면, 기존 가스화기에서 나타나는 다수의 작동성 및 신뢰성 관련 문제들을 극복할 수 있다. 내부 구성을 사용하지 않는 가스화제의 분배, 응집 및 클링커(clinker)의 형성을 방지하기 위한 열 방출 관리, 높은 고형체 입자 순환 속도로 인한 고도의 부식 환경을 견디기 위한 특정 굴곡부 구조, 고온 가스화 환경에 견디기 위한 직립관 사이클론의 구조, 고형체의 높은 질량 플럭스를 다룰 수 있는 콤팩트한 시일-레그의 구조, 막힘 현상을 방지하는 노즐의 구조, 대구경 직립관의 균일한 폭기, 가스화기 출구 온도를 효과적으로 조정하기 위한 사이클론 출구에서의 산화제 주입, 그리고 수정된 형태의 비기계식 밸브를 구비한 가스화기의 전체 높이 감소와 관련된 문제들을 표명하고 있다.

Description

순환 유동층 수송 가스화기 및 반응로용 장치，구성 요소 및 작동 방법{AN APPARATUS，COMPONENTS AND OPERATING METHODS FOR CIRCULATING FLUIDIZED BED TRANSPORT GASIFIERS AND REACTORS}
본 출원은 본 명세서에 참조로써 인용되고 있는, 2009년 12월 21일자로 출원된, 미국 가출원 제 61/288,533 호의 이득을 청구하고 있다.
본 발명은 미국 에너지부(United States Department of Energy)가 부여한 협력 협정 제 DE-FC21-90MC25140 호에 따라 정부 지원에 의해 이루어진 것이다. 미국 정부는 본 발명에 대해 소정의 권한을 갖는다.
본 발명은 전체적으로 가압 순환 유동층 수송 반응로에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 수송 가스화기 루프의 각종 구성 요소에 관한 것이다.
히그만(Higman)과 반 드 버그트(van de Burgt)의 저서(2003년 엘세비어(Elsevier)에 의해 발행된 '가스화(Gasification)'를 제목으로 하는 저서)에서 고찰되고 있는 다양한 가스화 기술을 통해 분명하게 알 수 있는 바와 같이, 등급이 낮은 석탄, 특히, 갈탄 또는 아역청탄과 같은, 수분 및/또는 재의 함량이 높은 석탄의 가스화 처리에 있어서의 경제성을 개선하기 위해서는 새로운 기술이 필요하다.
비말 동반형 가스화기는 건식 공급 시스템 또는 슬러리 공급 시스템을 통해 입자의 크기가 75 미크론 미만인 석탄을 공급한다. 건식 공급 방법의 경우, 석탄 입자가 공급 시스템 내에서 덩어리져 가교형 구조물을 형성하는 것을 방지하기 위해서는 석탄의 수분이 5% 미만이어야 한다. 슬러리 공급 시스템의 경우에는, 석탄 슬러리를 만들기 위해 대략 35 wt%의 물이 첨가되어야 한다. 슬러리 중의 물의 총 함량이 40%를 초과하지 않도록 슬러리를 만들기 전에 석탄을 건조시켜 수분의 레벨을 상당히 낮출 필요가 있다. 일반적으로, 저등급 석탄은 30%를 초과하는 수분을 포함하며; 이러한 종류의 석탄을 수분 함량이 5% 미만이 되도록 건조시키기 위해서는 작동 비용이 많이 드는 값비싼 건조 설비가 필요하여, 전체 공정 효율이 떨어지게 된다. 따라서, 이러한 저등급 석탄의 처리와 관련하여 건조 의무와 작동상 우려를 줄이는 것이 절실히 요구되고 있다.
미국 특허 제 6,631,698 호에는, 저등급 석탄을 가스화하기 위해 사용될 수 있는 순환 유동층 반응로가 개시되어 있다. 그러나, 상기 개시된 장치는 대기 환경하의 용례에서만 사용될 수 있으며, 석탄 가스화기가 설치되는 현대식 화학 공장이나 발전소에서 필요로 하는 다량의 합성 연료(synfuel)를 생성하기 위해서는 산출량이 커야 한다.
미국 특허 제 5,560,900 호에는, 마찬가지로, 저등급 석탄을 부분적으로 산화시키기 위한 용도의 가압 순환 유동층 반응로를 기반으로 하는 공정이 개시되어 있다. 석탄의 처리를 위해 제안된 개념은, 석유 산업 분야에서 50년 이상의 경험을 바탕으로 하여 이루어진, 저압 유체 촉매 분해(FCC: Fluid Catalytic Cracking) 공정의 사용이다. 결론적으로, 상기 특허에 개시된 바와 같은 반응로 시스템은, 열분해 반응에 필요한 다량의 열이 반응로 루프 둘레에서 순환하는 세분화된 내화 재료에 운반되는 열분해기로서 라이저(Riser)를 사용한다. 공정 중에 발생된 석탄 재를 열 운반 재료로부터 어떻게 분리하는지는 다루기가 상당히 어려운 문제 중 하나로서, 상기 특허에서는 이 문제를 방지하기 위한 방안을 다루고 있다. 또한, 상기 반응로는 열분해 구역 아래쪽으로 혼합 구역을 구비하며, 열분해 구역은 혼합 구역으로 공급되는 석탄 입자를 가열하기에 충분한 체류 시간을 보장하도록 라이저의 직경보다 상당히 큰 직경으로 형성되어 있다. 혼합 구역으로부터 순환되는 고형 입자의 비말 동반에 필요한 최소한도의 가스 유속으로 인해 수송 라이저에서 가스 유속이 유난히 빨라지게 되어, 열우물(thermowell)과 같은 내부 구성 요소 및 사이클론 벽체의 부식이 급속도로 이루어지게 된다. 그 외에도, 열분해 반응이 완료를 위해서는 상당히 길어진 체류 시간을 필요로 하며 생성 산물인 합성 가스(syngas) 중에서의 타르(tar)의 형성을 방지함에 따라, 라이저가 상기 특허에서 제안된 반응로와 관련한 상업상의 공정에서 실제 적용이 불가능할 정도로 높이 형성되어야만 한다. 또한, 상기 공정의 경우 소정 크기의 시판 가스화기의 단면적에 걸쳐 적절하게 가스(증기 및 공기 또는 산소)를 분배하는 방식과 관련한 지침을 제시하지는 못하고 있다.
100 여년 이상의 시간 동안 저등급 석탄의 가스화를 위해 이동층 가스화기가 사용되어 왔다. 특히, 러기(Lurgi) 가스화기가 화학적 합성을 위한 합성 가스를 생성하도록 광범위하게 사용되어 왔다. 그러나, 이동층 가스화기는 공급재로서 석탄 덩어리를 필요로 하며, 보통 인근의 소수의 사용자를 갖는 그 양이 풍부한 미세한 석탄 입자를 사용할 수 없다. 상기 기술은 그외에도, 상당량의 석탄이 유용한 합성 가스가 아닌 타르로 전환되는 단점이 있다.
또한, 전술한 모든 가스화기는 복잡한 내부 구성 요소를 갖추고 있다. 이동층 가스화기는 석탄 덩어리를 만들기 위한 내부 구성 요소로서 정교한 회전 격자판 시스템과 교반 기구를 구비한다. 유동층 가스화기는 1100℃에 이르는 가스화기 작동 온도를 견딜 수 있도록 특이 합금으로 형성되는 다양한 유형의 복잡한 내부 가스화제 분배기를 구비한다. 분배용 격자판의 설계 및 값비싼 고온 합금 재료의 선택에 상당한 노력을 기울여왔음에도 불구하고, 격자판이 시판이 불가능할 정도로 고장이 나는 경우가 여전히 발생하고 있다. 비말 동반형 가스화기의 경우, 가장 문제가 되는 내부 구성 요소는 석탄 버너로서, 이 석탄 버너는 공정에 있어서 유지 관리를 가장 집중적으로 필요로 하는 항목 중 하나이다.
본 발명은 갈탄 또는 아역청탄과 같은 저등급 석탄의 가스화를 포함하는 광범위한 범위의 순환 유체 층 용례에 대한 개선된 장치를 제공한다.
본 발명은 수송 가스화기로 명명되는 가압 순환 유동층 반응로 클래스에서의 저등급 석탄을 가스화하기 위한 신뢰성 있는 장치 및 방법을 제공한다. 본 발명의 실시예에 의하면, 종래 기술의 가스화기에서 나타나는 전술한 바와 같은 문제들을 극복할 수 있다. 수송 가스화기 루프는 가스화제 분배 시스템과, 혼합 구역과, 라이저와, 프리솔터 사이클론으로 불리우는 제 1 스테이지 사이클론과, 직립관 사이클론으로 불리우는 제 2 스테이지 사이클론과, 프리솔터 사이클론에 포집된 고형체를 직립관으로 복귀시키기 위한 시일-레그, 그리고 직립관으로부터 혼합 구역으로 고형체를 이동시키며 동시에 가스의 역류를 실질적으로 감소시키거나 방지하기 위한 비기계식 밸브를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 가스화제 공급 시스템은 내부 구성을 거의 또는 전혀 사용하지 않고 실시될 수 있다. 분배 시스템은 고온 고형체의 역류를 실질적으로 감소시키거나 방지할 수 있다. 가스화기 내부에서의 고형체 입자의 이동에 의해 가스화기의 단면적에 걸친 가스화제의 균일한 분배가 촉진된다.
수송 가스화기의 실시예는 또한, 가스화기가 공정 또는 안전상의 이유로 갑자기 정지하는 경우 노즐이 막히는 현상을 실질적으로 감소시키거나 방지하기 위한 기구를 사용하여 가스를 가스화기 내부로 공급하는 노즐을 포함할 수 있다. 정지 기간 동안 노즐에 침전된 고형체는 노즐로의 가스 유동이 재개되는 시점에 가스화기 내부로 다시 간단한 방식으로 불어 넣어질 수 있다. 이에 따라, 수송 가스화기 노즐이 막히는 현상을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수송 가스화기는 또한, 운반 가스 중의 고하중 고형체를 분리할 수 있을 뿐만 아니라 사이클론 벽이 이러한 고하중 고형체로 인해 부식되는 현상을 실질적으로 감소시키거나 방지하는 제 1 스테이지 프리솔터 사이클론을 채용할 수 있다. 또한, 종래 기술의 사이클론과 대조적으로, 본 발명의 실시예에 따른 제 1 스테이지의 프리솔터 사이클론에는 소용돌이 파인더뿐만 아니라 루프 구조가 마련되지 않을 수도 있다. 이러한 구조에 의하면, 상업상의 고온 고압 제 1 스테이지 사이클론 구조, 작동 및 장기 사용 성능의 관점에서 맞닥뜨리게 되는 많은 신뢰성 관련 문제를 감소시킬 수 있다.
프리솔터 사이클론에 의해 포집된 고형체는 시일-레그를 통해 직립관으로 유동할 수 있다. 수송 가스화기의 다양한 실시예에 따른 시일-레그의 위치 및 구조의 장점은, 시일-레그 및 가스화기 루프로의 가스 첨가를 최소화하기 위한 자연적인 압력 구배에 있다.
직립관 사이클론은 가스 흐름으로부터 입자를 포집할 수 있으며, 직립관 사이클론에 의해 포집된 미세 고형체는 이어서, 프리솔터 사이클론에 의해 포집된 고형체와 결합되어 직립관을 통해 라이저로 복귀할 수 있다. 수송 가스화기의 실시예에 따르면, 미세 고형체가 직립관 하방으로 유동함에 따라 미세 고형체와 관련된 유동성 문제를 감소시키거나 방지할 수 있다. 또한, 본 발명은 입자가 거친 고형체가 시일-레그를 통해 직립관으로 유동함에 따라 프리솔터 사이클론에 의해 포집되는 입자가 거친 고형체와 보다 미세한 고형체의 혼합을 촉진할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 있어서, 가스 유출 온도를 증가시키며 비산 재 중의 탄소 함량을 낮추기 위하여, 가스 흐름과 함께 가스화제, 산소 및/또는 공기 중 일부가 제 1 스테이지 또는 제 2 스테이지 사이클론의 출구에서 주입될 수 있다. 이러한 가스화제 주입은 또한, 메탄의 함량을 감소시킬 수 있으며, 생성 가스 중의 일산화탄소 및 수소의 함량을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수송 가스화기는 또한, 종래 기술에 비해 직립관의 폭기 노즐의 위치를 보다 최적화한 구성이 가능하도록 한다. 대규모 상업적 용례의 경우 대구경 직립관의 바닥에 또는 그 부근에서 폭기 가스가 사용될 수 있어, 폭기 가스가 직립관으로부터 비기계식 밸브를 통해 라이저로 이어지는 경로를 따라 분배됨으로써 고형체의 유동을 촉진하게 된다.
일 실시예에 있어서, 라이저 내부에서의 고형체의 밀도는 대략 5 lb/ft3 내지 20 lb/ft3 의 범위일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 순환 고형체 대 공급 원료의 질량비는 대략 50 내지 200의 범위일 수 있다. 석탄의 특성이 상이한 공급 원료의 구조 및 작동을 최적화하기 위해서는 상기 범위가 넓은 것이 유리하다.
전술한 바와 같은 수송 가스화기는 직립관 내부의 고형체 레벨을 제어하며 가스화기를 소망하는 높은 고형체 플럭스 및 라이저 밀도 뿐만 아니라 루프 내에서의 일관된 높은 고형체 순환 속도로 작동시키기 위한 방법을 제공함으로써, 최대 합성 가스 생성률과 함께 석탄의 합성 가스로의 전환에 있어 상당한 개선을 초래한다.
도 1은 수송 가스화기 루프를 도시한 도면이다.
도 2는 가스화제의 일부가 가스화기로 도입되도록 통과하게 되는 하부 혼합 구역의 일부를 구성하는 가스 분배기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 하부 혼합 구역, 상부 혼합 구역, 라이저의 하부, 그리고 석탄 주입 노즐과 함께 가스화기 혼합 구역으로의 비기계식 밸브 입구, 그리고 열 방출을 관리하며 석탄 입자의 균일하면서도 신속한 가열을 달성하기 위한 공급 가스 분배를 도시한 도면이다.
도 4는 프리솔터 사이클론에 접선 방향으로 들어가는 가스 흐름 중의 염류 석출 고형체가 통과하게 되는 경사진 교차부와 라이저 사이를 연결하는 라이저 굴곡부를 도시한 도면이다.
도 5는 프리솔터 사이클론을 직립관에 연결하는 시일-레그를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 수송 가스화기 내부로 상방으로 유동하는 가스 스트림용의 통상적인 폭기 노즐 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 수송 가스화기의 고압, 고온 및 부식 환경을 견딜 수 있는 직립관 사이클론 구조를 도시한 도면이다.
도 8은 가스화기의 출구 온도를 효과적으로 조절하면서 탄소 전환 전 과정을 약간이나마 개선하기 위한 사이클론 출구에서의 산화제 주입을 도시한 도면이다.
도 9는 대구경 수송 가스화기 직립관용의 폭기 분배기를 도시한 도면이다.
도 10은 수송 가스화기의 전체 높이를 감소시키기 위한 L + J 유형 비기계식 밸브의 개념을 도시한 도면이다.
다양한 실시예 및 본 발명의 이들 실시예에 따른 수송 가스화기 루프의 예시가 예제 및 도시된 바를 참조하여 설명된다. 도 1에는 수송 가스화기 루프(100)가 도시되어 있다. 가스화기 용기 벽은 탄소강으로 형성될 수 있으며, 외장(shell)은 가스화기의 압력 경계부를 구성할 수 있다. 가스화기 루프(100)는, 생성 합성 가스 하강류를 활용하는 유닛의 공정 요건에 따라, 대략 100 psia 내지 1000 psia 사이의 압력에서 작동될 수 있다. 가스화기 루프(100)의 외장 내부에는 두 개 층의 내화 라이닝이 마련될 수 있다. 고형물로 이루어진 순환 층과 접촉하는 내층은 연성 단열 내화재와 용기 벽을 보호하기 위하여 내부식성 내화재 층을 포함할 수 있다. 외부 단열층은 일 측면이 가스화기 루프(100)의 외장과 접촉할 수 있으며, 타측면이 상기 내부식성 내화재와 접촉할 수 있다. 이러한 단열 내화재는 외장의 과열을 방지하는 역할을 한다. 일 실시예에 있어서, 수송 가스화기 루프(100)는, 아래에 보다 상세히 설명되는, 가스화기 바닥 부근의 가스 분배기, 하부 혼합 구역, 상부 혼합 구역, 라이저(riser), 경사진 교차부, 제 1 스테이지 (프리솔터(presalter)) 사이클론, 제 2 스테이지 직립관(standpipe) 사이클론, 직립관, 프리솔터 사이클론과 직립관을 연결하는 시일-레그(seal-leg), 그리고 직립관과 혼합 구역을 연결하는 비기계식 밸브를 포함할 수 있다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 수송 가스화기 루프(100)의 하부 혼합 구역(LMZ)(200)이 도시되어 있다. 가스화 반응에 사용되는 가스(예를 들어, 공기, 산소 및/또는 증기) 중 대략 25% 내지 100%가 하부 혼합 구역을 통하여 주입된다. 공급 원료의 특성은 LMZ에 주입될 필요가 있는 가스의 양을 지시해주며, 나머지 가스는 혼합 구역(예를 들어, 하부 및 상부 혼합 구역 모두)의 높이를 따라 분배될 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에 있어서, LMZ(200)는 분사식 가스 분배기 또는 가스 유입 섹션(225)으로 구성된다. LMZ에 들어가는 가스 중 대략 70% 내지 95%는 분배기 섹션의 노즐 유입구(210)를 통해 주입될 수 있다. LMZ로 주입되는 가스 중 나머지 5% 내지 30%는 분배기의 원추형 섹션(240)을 따라 다양한 높이에 배치되는 복수 개의 노즐(270)을 통해 공급될 수 있다. 노즐의 수, 방위 및 높이는 공급 원료의 유형 및 가스화기의 크기에 따라 변할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이와 함께, 가스 유입 섹션(225)과 노즐(270)을 통하여 유동하는 가스는 간격을 두지 않고 가스화기의 전체 단면적에 걸쳐 가스화제를 도입 및 분배하기 위한 방식을 제공한다.
노즐 유입구(210)는 가스 공급원으로부터의 가스를 운반하는 금속관과 가스 분배기의 내화재 라이닝 처리된 관의 경계를 표시한다. 도 2에 도시된 실시예의 U-자형의 내화재 라이닝 처리된 관은 가스가 하방으로 유동하도록 하는 수직 섹션(215)과, 이 수직 섹션에 연결된 수평 섹션(220), 그리고 가스가 분배기의 원추형 섹션에 들어가기 전에 목부(throat)를 향해 상방으로 유동하도록 하는 추가 수직 섹션(230)을 포함한다. 이들 섹션은 모두 내화재 라이닝 처리된 관으로 형성될 수 있다. 안전상의 이유나 공정의 특성을 고려하여, 가스화기의 이동시에, 가스화기 혼합 구역 및/또는 라이저 섹션 내부에 보유된 고형체가 가스화기의 하부로 낙하하여 침전됨으로써, 수직 섹션(230)과 수평 섹션(220)의 일부에 채워지게 된다. 수평 섹션(220)은 고형체가 수직 섹션(215)에 도달하는 것을 방지하도록 구성된다. 이러한 구조에 의하면, 온도가 2000℉에 이를 수 있는 고온의 침전 고형체로부터 유입구(210)에 위치한 연결 금속관을 보호할 수 있다. 또한, 가스화 작동 재개 시에 침전 고형체가 가스화기 내로 다시 불어 넣어질 수 있도록 수평 섹션(220)의 길이 대 직경 비가 적어도 4가 되도록 구성될 수 있다. 주요 가스화제 공급 라인의 막힘 현상이 감소 및/또는 배제됨에 따라 작동성 및 안전상의 우려를 크게 줄일 수 있다.
유입 섹션(225)을 통하여 유동하는 가스화제는 LMZ(200)의 원추형 섹션(240)에 들어간다. 유입 섹션(225)의 목부에서의 공탑 가스 유속은 대략 50 ft/s 내지 300 ft/s일 수 있다. 가스화제가 가스화기로 도입될 수 있도록 하는 유속의 범위가 넓게 설정됨에 따라 시동시부터 풀 가동시까지 가스화제를 도입 및 분배하기 위한 방법을 제공함으로써 작동 융통성을 증대시킬 수 있다. 가스화제는 LMZ(200)의 바닥으로 역류 낙하하는 고형체와 혼합될 수 있다. 역류 고형체 중의 탄화물이 가스화제 중의 산화제에 의해 연소된다. 전술한 바와 같은 장치의 작동 시에, 고형체가 원추형 섹션의 바로 바닥으로 역류하여, 특히, 완전히 잘 혼합되었는지 여부가 한 세트의 온도 지표(280)로부터 추론될 수 있다. 충분한 양의 고형체가 LMZ의 하부 바닥 섹션으로 역류하였다면, 온도 지표(280)는 가스화기 내부의 다른 온도 지표와 거의 동일하다. LMZ의 바닥으로 역류하는 고온 고형체가 소망하는 바보다 적다면, 재의 방출 속도를 감소시킴으로써 또는 가스화기에 첨가되는 비활성 고형체의 양을 보다 증가시킴으로써 직립관 내부의 고형체의 레벨이 상승될 수 있다. 이에 따라, 직립관으로부터 혼합 구역으로 유동하는 재순환 고형체의 속도가 증가되어, LMZ(200)에서의 고형체의 밀도가 증가하게 되며 이는 다시 전체 LMZ(200)에 걸쳐 역류하는 고온 고형체의 속도를 증가시키게 된다.
가스화제는 LMZ(200)의 원통형 섹션(250) 내부로 유동하며, 가스화제 중의 나머지 산소는 순환 고형체 중의 탄화물에 의해 소비된다. 가스화기가 적절하게 작동되는 경우, 한 세트의 온도 지표(285, 290)는 한 세트의 온도 지표(280)와 거의 동일하다. LMZ(200)에 들어가는 가스 흐름과 연소 및 가스화 반응으로 인해 발생된 가스는 유출구(260)를 통해 LMZ 외부로 유동한다. 유출구(260)를 통해 LMZ를 나가는 시점에서의 공탑 가스 유속은, 가스에 의해 LMZ 밖으로 충분한 양의 고형체를 비말 동반시키기에 충분한, 대략 5 ft/s 내지 15 ft/s의 범위에 있을 수 있다. 이에 따라, 직립관으로부터 유동한 새로운 재순환 고형체가 LMZ 전체에 걸쳐 역류할 수 있게 된다. 새로운 고형체가 하방으로 역류하는 상태로 탄화물이 연속적으로 LMZ로 도입됨에 따라, 연소 및 가스화 반응 동안 LMZ에서의 온도 프로파일이 유지된다. LMZ에서의 이러한 층의 밀도는 15 lb/ft3 내지 40 lb/ft3 일 수 있다. LMZ에서의 이러한 층의 밀도는 (직립관으로부터 혼합 구역으로의 고형체의 이동 속도에 영향을 미치는) 직립관 내에서의 고형체의 레벨 및 폭기율을 조절함으로써, 또한 (LMZ에서의 공탑 가스 속도에 영향을 미치는) LMZ와 상부 혼합 구역(300)의 사이에서의 가스 분배를 조절함으로써 획득될 수 있다.
LMZ 내부로 주입된 가스는 도 3에 도시된 바와 같이 상부 혼합 구역(UMZ)(300)으로 상방으로 유동된다. LMZ로부터의 공급 가스 중의 미반응 산소는 우선, LMZ의 상부와 UMZ의 하부에서 탄화물과 맞닥뜨리게 된다. 탄화물은 내화성일 수 있으며(예를 들어, 가스화 관점에서 미반응 상태임), 직립관(700)(도 1)으로부터 비기계식 밸브(800)를 통해 재순환되는 고형체에 존재한다. 도 3에 도시된 실시예에 있어서, 탄화물은 라이저(400)에서 발생하는 고도의 흡열 가스화 반응에서 필요로 할 수도 있는 열 에너지를 발생시키도록 활용될 수 있다. 발생된 연소 열이 가스화 반응 흡열성, 가스화기에서 방출되는 합성 가스 중의 열 손실 및 현열을 통해 연소됨에 따라 가스화기의 온도 프로파일이 유지된다. 잠재적으로 상당히 높은 고형체 순환 속도(높은 질량 플럭스와 함께)로 인해, 순환 고형체 중의 탄화물 함량이 공급 가스 중의 모든 산소를 소비하기에 충분한 양보다 많은 대략 0.1% 내지 4%의 범위일 수 있다. 직립관으로부터 혼합 구역으로 유동하는 재순환 고형체의 온도가 대략 1600℉ 내지 2000℉의 범위일 수 있으므로, 탄화물의 연소 반응은 거의 순간적으로 이루어진다. 하부 혼합 구역으로부터의 산소는 탄화물과 맞닥뜨리는 경우 급속하게 소비될 수 있다.
일부 용례의 경우, 순환 고형체 중의 초과 탄화물을 소비하기 위해 산화제가 추가로 필요할 수도 있다. 이를 위해, 도 3의 실시예에 도시된 바와 같이, 산화제(1500)가 직접 UMZ(300)에 첨가된다. 순환 고형체 중의 탄화물의 함량 백분율은 고형체 순환 속도, 석탄 공급 속도, 전체 가스화기 온도, 그리고 가스화기의 높이 방향으로의 온도 배분에 의해 제어된다. 공급 가스 중의 산화제의 배분은 가스화기 루프의 하부를 따라 이루어지는 열 방출의 제어에 도움이 된다. 높은 고형체 순환 속도 및 균일한 열 방출 배분을 통해 핫 스팟(hot spot) 현상이 방지된다. 핫 스팟은 응집, 슬래그화, 클링커(clinker) 형성을 야기함에 따라 가스화기 작동에 상당히 해로울 수 있다.
높은 고형체 플럭스 및 마찬가지로 높은 고형체 순환 속도는 가스화기 루프(100) 주변의 작동 온도가 높은 수준에 유지될 수 있도록 함으로써, 바람직한 기상 생성물과 함께 높은 고온 가스 효율을 초래하게 된다. 가스화기 루프 주변에서 순환하는 고온의 고형체는, 에너지가 탄화물 연소를 통해 추가되어 가스화 반응, 열 손실 및 현열을 통해 소비되는 써멀 플라이휠(thermal flywheel)로서 간주될 수 있다. 가스화기 루프 주변의 하나의 완벽한 사이클에 있어서, 대략 5%의 열 에너지가 혼합 구역의 써멀 플라이휠에 추가되어 결국 라이저 및 가스화기의 다른 부분에서 소비된다. 이와 같이 추가 및 소비가 이루어지는 에너지가 가스화기 루프 주변에서 순환하는 열 에너지의 단지 적은 부분에 해당함에 따라, 루프 주변의 가스화기의 온도는 거의 균일하게 유지된다.
공급부(1600)으로부터의 석탄 또는 다른 탄소질 고형체가 도 3의 실시예의 수송 가스화기 공급 섹션에 도시된 바와 같은 UMZ(300)의 상부 섹션에 첨가될 수 있다. 공급 고형체의 반응성에 따라, 공급 고형체의 질량 평균 직경(MMD)이 200 내지 500 미크론의 범위일 수 있다. 반응성이 높은 저등급 석탄의 MMD는 350 내지 500 미크론의 범위일 수 있다. 이와 같이 공급 재료의 직경이 큰 경우 연마 비용이 감소하며, 또한 수송 가스화기 루프의 높은 고형체(재) 순환 속도를 유지하기에 적당한 범위의 크기를 갖는 재가 발생된다.
가스화기로 공급되는 모든 산소가 순환 고형체 중의 탄화물에 의해 LMZ 및 UMZ의 하부 섹션에서 소비될 수 있기 때문에, 가스화기로 공급되는 석탄은 공급 가스 중의 산소와 접촉하지 않을 수도 있다. 대부분의 화학적 용례의 경우, 석탄은 CO2 또는 질소에 의해 가스화기로 운반된다. 새로운 석탄이 산소와 접촉하는 일이 없어, 국부적인 핫 스팟 발생이 방지될 수 있으며 클링커 형성 가능성이 배제될 수 있다. 일체형 가스화 혼합 사이클(IGCC) 용례에 대한 가스화기의 공기 송풍 작동의 경우, 석탄을 공기와 함께 운반하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 운반을 위해 사용되는 공기의 양은 이러한 용례에서 가스화기 내로 주입되는 공기의 총량 중 대략 15% 미만이다. 가스화기 루프에서의 높은 고형체 순환 속도 및 UMZ(300)의 상부에서의 상이한 높이에서의 석탄 주입에 의해 운반 공기 중의 산소가 빠르게 분산될 수 있으며, 가스화기에서의 핫 스팟 형성 가능성이 최소화된다.
수송 가스화기의 실시예에 있어서 높은 고형체 순환 속도로 인해, 석탄 입자는 가스화기의 라이저(400)의 하부에서 높은 비율(예를 들어, 대략 50,000℉/초의 비율)로 가열된다. 이러한 빠른 가열 비율은 휘발 성분으로 이루어진 상당 부분의 공급 재료의 열 발생을 야기하며, 휘발 성분 재료의 열 크랙킹 및 가스화 반응 대부분이 라이저에서 발생한다. 라이저에서의 유용한 기상 생성물로의 탄소 전환은 라이저를 통과하는 제 1 경로에서 65% 내지 80%의 범위일 수 있다. 미반응 탄화물은 사이클론 시스템에 의해 포집되어 혼합 구역으로 회수됨으로써 혼합 구역의 하부로 공급되는 산화제와 반응할 수 있다. 혼합 구역에서의 부분적인 또는 완벽한 산화에 의해 방출되는 열에 의해 가스화기가 소망하는 온도에 유지된다. 가스화기 루프 주변에서 순환하는 비활성 고형체의 밀도는 라이저 내에서 15 lb/ft3 내지 20 lb/ft3의 범위일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 질량 평균 직경이 75 내지 100 미크론의 범위일 수 있는 라이저 내부의 고형체의 이러한 높은 밀도는 큰 표면적을 제공하며, 작은 유기 분자 및 석탄으로부터 CO 및 수소와 같은 소망하는 합성 가스 성분으로의 다른 탈휘발화 생성물의 크랙킹에 효과적이다.
저등급 석탄과 같은 반응성이 높은 연료의 경우, 수송 가스화기가 LMZ, UMZ 및 라이저의 내경이 모두 동일하거나 유사하도록 구성될 수 있다. 반응성이 떨어지는 연료의 경우에는, LMZ의 내경이 가스화기의 상부에서보다 크다. LMZ가 반응성이 떨어지는 연료 중의 보다 많은 양의 탄화물을 취급함에 따라, LMZ의 기능성에 따라 부분 산화 및 증기 가스화 반응의 최적의 효율이 변경된다.
미반응 탄화물과 순환 비활성 고형체가 라이저(400)를 따라 상부로 이동한 다음 경사진 교차부(550)와 라이저(400)를 연결하는 특정한 구조의 굴곡부(450)를 통하여 라이저(400)를 빠져나간다. 이러한 굴곡부의 일 예가 도 4에 도시되어 있다. 굴곡부(450)는 압력 강하를 최소화하며 경사진 교차부(550)와 굴곡부(450)의 부식을 방지하는 구조 및 디자인으로 구성된다. 수송 가스화기의 높은 질량 순환 고형체를 구성하는 고형체 입자는 공급 석탄에서 비롯되는 가스화기에서 발생되는 재료부터 연속적으로 유도될 수 있다. 이러한 고형체 입자는 불규칙한 형상의 마모성 입자일 수 있다. 굴곡부가 주의를 기울여 설계되어 있지 않은 경우, 심지어 내부식성 내화재의 사용 수명이 의도한 기간 중 일부 기간만 존속될 수도 있다. 고형체와 가스 흐름은 굴곡부(450)에 15 ft/s 내지 35 ft/s의 속도로 들어간다. 기타 다른 제약 조건을 고려하여 기술적으로 실현 가능한 반경이 큰 굴곡부(450)의 경우, 순환 고형체 흐름의 영향으로 굴곡부 상부에 부식이 야기되는 경향이 있다. 티(tee) 타입 또는 크로스(cross) 타입 굴곡부에 의해, 굴곡부의 상부 및 하부 모두가 부식되는 경향이 있다. 수송 가스화기의 일 실시예에 사용된 도 4의 굴곡부의 일 실시예에 있어서, 순환 흐름 중 소량이 굴곡부의 연장부에 들어간다. 이러한 유입 흐름은 굴곡부의 연장부 둘레를 순환한 다음 경사진 교차부(550)에 들어감으로써, 경사진 교차부(550)에 들어가는 메인 순환 흐름을 경사진 교차부(550)의 상부 반대 방향으로 밀어내도록 작용한다. 이러한 작용에 의해 메인 순환 흐름이 교차부(550)의 하부로 보내지며, 접촉 지점이 제 1 터치-다운(touch-down) 지점으로 명명된다. 이러한 접촉(예를 들어, 제 2 터치-다운 등)은 부적절하게 설계된 시스템에서 발생할 수도 있다. 일 실시예에 있어서, 경사진 교차부(550)와 함께 굴곡부(450)의 연장부는 교차부(550)의 상부 내화재의 부식 뿐만 아니라 터치-다운 효과를 감소시키거나 방지하도록 설계된다.
굴곡부(450)를 통해 라이저(400)를 빠져나온 고형체와 가스 혼합물은 제 1 스테이지 사이클론, 즉, 프리솔터 사이클론(500)으로 들어간다. 도 4에 도시된 바와 같이, 라이저 굴곡부(450)와 프리솔터 사이클론(550)을 연결하는 교차부(550)는 하방으로 경사지게 형성된다. 경사각(a)은 가스화기 루프의 순환 고형체의 특성에 따라 대략 15° 내지 60°도의 범위일 수 있다. 이러한 경사각에 의해 고형체가 교차부(550)에서 가스로부터 분리되며, 다량의 염류 석출 고형체가 벽을 따라 상당한 회전 현상을 야기하는 일 없이 교차부의 바닥을 따라 프리솔터 사이클론(500)의 용기 내부로 직접 유동하게 된다: 전체 내용이 본 명세서에 참조로써 인용되고 있는 특허 제 7,771,585 호에 개시된 다른 개념과 함께 이러한 고형체의 작용에 의해 사이클론 벽의 부식 가능성이 감소될 수 있다. 프리솔터 사이클론은 순환 가압 유동층 가스화기의 성능에 중요한 높은 고형체 순환 속도 및 질량 플럭스를 고려하여 개념화한 구성이다. 도 4의 프리솔터 사이클론은 소용돌이 파인더(vortex finder) 뿐만 아니라 루프 없이 실시될 수 있다. 이러한 개념에 의하면, 상업상의 고압, 고온 사이클론 디자인, 작동 및 장기 사용 성능의 관점에서 맞닥뜨리게 되는 많은 신뢰성 관련 문제를 감소시키거나 배제할 수 있다.
프리솔터 사이클론(500)에 의해 포집된 고형체는, 이후, 프리솔터 사이클론, 시일-레그(900), 그리고 프리솔터 사이클론(500)과 직립관 사이클론(600) 사이의 교차부를 포함하는 사이클론 시스템용의 서브 루프를 도시한 도 5에 도시된 바와 같은 시일-레그(900) 내부로 유동할 수 있다. 시일-레그는 프리솔터 사이클론의 원추체를 수평 레그 부분(930)에 연결하는 일 단부에 마련된 하강 유로(910)와, 수직 시일-레그 라이저 섹션(920), 그리고 시일-레그 라이저와 가스화기 직립관(710)을 연결하는 경사진 섹션(940)을 포함한다. 수평 레그 부분(930)의 길이는 수평 레그 부분의 내경의 대략 2배 내지 10배일 수 있으며, 가스화기 루프 내에서의 고형체 순환 속도 및 가스화기 루프의 특성에 좌우된다. 고형체는 길이가 짧은 수직 레그(시일-레그 라이저(920))를 통해 수평 레그에서 빠져나와 상방으로 유동한다; 시일-레그 라이저의 높이는 시일-레그 루프의 다른 부분의 설계에 따라 결정된다. 수송 가스화기의 일 실시예에 있어서, 시일-레그 라이저(920)의 높이는 시일-레그 하강 유로(910)에서의 고형체의 레벨이 하강 유로 직경의 대략 4배 내지 10배 미만이 되도록 결정될 수 있다. 프리솔터 사이클론 유입구(510)과 직립관 사이클론 유입구(590) 사이의 압력차는, 일부 실시예에 있어서, 상기 유입구(510)와 직립관으로의 시일-레그 출구(990) 사이의 압력차와 거의 동일할 수 있다. 시일-레그 하강 유로에서의 추가 유동 저항이 하강 유로의 고형체 레벨(915)의 형태로 반영된다. 유동 저항이 높을수록, 하강 유로 내부의 고형체의 레벨도 높아진다. 시일-레그 라이저의 높이는 하강 유로 내부에서의 고형체의 레벨과 시일-레그 내부에서의 유동 저항을 조절하도록 사용될 수 있다.
시일-레그(900)의 일 목적은 공정 가스가 프리솔터 사이클론으로부터 상방으로 직립관 사이클론 유입구로 유동하는 것을 실질적으로 보장할 수 있도록 하는 것이다. 이것은 공정 가스가 직립관으로 짧은 순환 경로로 유동하는 것을 방지하는 시일-레그 내부의 유동 고형체 기둥에 의해 달성된다. 보통, 시일-레그를 통과하여 유동하는 고형체는 하강 유로 중의 고형체 기둥에 의해 구동된다. 본 발명의 실시예에 있어서, 고형체 유동은 프리솔터 사이클론과 직립관 사이의 압력차 뿐만 아니라 하강 유로 중의 고형체 기둥에 의해 이루어진다. 이러한 압력차 및/또는 고형체 기둥으로 인해, 하강 유로 중의 고형체 레벨이 최소이면서 고형체 폭기를 위한 최소 요건을 만족하는 상태에서, 시일-레그를 통해 보다 높은 고형체 플럭스가 실현될 수 있다. 가스화의 경우에서와 같은 높은 고형체 순환 속도를 필요로 하는 순환 고형체 루프의 경우, 본 발명의 실시예에 의하면 대규모 상업용 가스화기용의 콤팩트한 구조의 시일-레그 디자인을 실현이 가능해진다. 또한, 하강 유로 내부의 고형체 레벨(915)은 또한, 유입구(510)로부터 교차부 굴곡부(520)를 통해 직립관 사이클론 입구(590)까지의 유동 경로에서의 저항성에 의해 조절될 수 있다. 폭기율을 감소시키며 시일-레그 내부에의 고형체 플럭스를 최대화하기 위하여, 시일-레그 하강 유로 내부에서의 고형체 레벨이 또한 추가로 최소화될 수 있도록 루프의 상기 해당 부분에서의 유동 저항을 증가시키는 것이 바람직할 수도 있다.
가스화기 루프에서의 높은 고형체 순환 속도를 보장하기 위하여, 시일-레그를 통하여 고형체가 완만하게 유동하는 것이 바람직할 수도 있다. 이것은 시일-레그 내로 최소량의 재순환 가스를 주입함으로써 달성될 수 있다. 재순환 가스의 특성은 가스화기에서 생성되는 합성 가스와 거의 동일할 수 있지만, 냉각, 세정 및 재압축 과정을 거쳐왔다. 본 실시예에 있어서, 시일-레그로 공급되는 폭기 가스(980)는 세 개의 경로로 분기된다. 시일-레그 하강 유로(910)로 유동하는 폭기 가스는 일반적으로 하방으로 경사진 경로를 따라 유동하며, 공탑 유속은 시일-레그 하강 유로의 단면적을 기준으로 0.03 ft/s 내지 0.1 ft/s이다.
수평 섹션(930)으로 공급되는 폭기 가스(950)는 도 6에 도시된 바와 같은 구조를 갖는 노즐(1100)을 통해 달성될 수 있다. 수송 가스화기의 이 부분은 두 개의 레그를 포함하며, 도그-레그(dog-leg) 노즐로 명명된다. 가스 공급 레그(1120)는 배수/세정 레그(1130)와 실질적으로 직각을 이룬다. 이러한 유형의 폭기 노즐 실시예는 내화재 라이닝 처리된 배관용으로 사용될 수 있으며, 이러한 배관의 경우, 종래 기술의 직선형 노즐이 사용되었다면, 길이 대 직경비(L/D)가 대체로 20 이상이었을 수도 있다. 이와 같은 L/D의 비가 높은 경우 작동에 치명적인 노즐 막힘 현상을 야기할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 순환 유동층 가스화기의 통상적인 고압, 고온 및 부식 환경으로 인해, 관에는 일반적으로 두 개 층의 내화재가 마련된다. 내층(1140)은 유동 채널(1110)을 통과하는 순환 고형체와 접촉하며, 내부식성 내화재를 포함한다. 외층(1150)은 관의 외장(1160)과 접촉하며, 외장의 금속 온도가 300℉ 미만인 것을 보장하도록 단열 내화재를 포함한다. 내부 채널 벽(1115), 그리고 세정 레그(1130)와 가스 공급 레그(1120) 사이의 상호 연결 지점(티-접합부; 1125) 사이의 거리는 노즐 내경의 대략 4배 내지 8배의 범위일 수 있다. 본 실시예에 따른 이와 같은 L/D의 비로 인해, 노즐이 고형체로 채워지더라도, 가스 공급 레그(1120)로부터의 폭기 가스가 노즐 밖으로 고형체를 밀어 유동 채널 내부로 들어가도록 할 수 있다. 본 실시예는 폭기 가스와 가스화제가 상방으로 유동하는 수송 가스화기 노즐에서 성공적으로 사용된다.
이동 또는 정지 후 노즐을 깨끗하게 유지함으로써, 폭기 가스 유동에 의해 고형체의 유동을 야기하고 시일-레그를 통한 높은 고형체 유속을 유지하는 것을 보장할 수 있다. 시일-레그의 수평 레그로의 폭기 가스의 유속은 수평 레그의 단면적과 가스화기 작동 압력 및 온도에 따라 대략 0.03 ft/s 내지 0.1 ft/s 사이일 수 있다. 다른 갈래의 폭기 가스(950)는 시일-레그 라이저로 공급된다. 정상 환경 하에서는 시일-레그 라이저로 폭기 가스를 공급할 필요가 없다. 폭기 가스가 필요한 유일한 순간은 고형체 플럭스가 대략 450 lb/ft2 를 초과하는 경우이다. 차동 압력 및 하강 유로 고형체 기둥에 의해 고형체 유동이 야기되는 본 발명의 수송 가스화기에 제안되는 시일-레그의 정상 용량은 대략 200 lb/ft2s내지 500 lb/ft2s 범위이다.
입자의 하중이 상당히 감소된 가스가 프리솔터 사이클론(500)의 상부로부터 빠져나와 직립관(700)의 상부에 배치된 다른 사이클론에 들어간다. 수송 가스화기의 직립관 사이클론(600)이 도 7에 개략적으로 도시되어 있다. 비제한적인 본 실시예에 있어서, 직립관 사이클론(600)은 원추체를 구비하지 않으며, 직립관과 동일한 직경을 갖추고 있어, 구조와 설계가 단순하다. 직립관 사이클론은 또한, 단순히 직립관으로의 접선 방향 유입구를 구비한다. 직립관 사이클론(600) 유입구가 가스 흐름 중에 저농도의 미세 입자를 보유함에 따라, 사이클론은 높은 포획 효율을 보장하도록 소용돌이 파인더를 구비한다.
수송 가스화기의 고압(대략 1000 psig에 이르는) 및 고온(대략 2000℉에 이르는) 환경 하에서는, 소용돌이 파인더를 지지하기 위한 종래 기술의 구조를 사용하는 것이 적당하지 않다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 가스화 환경에서 만족스럽게 작동한다. 소용돌이 파인더의 관은 부식 방지를 위해 내외측 모두에 모두 얇은 내화재 층을 구비한다. 소용돌이 파인더를 위한 지지부는 단열 내화재에 매립되어 있으며, 단열 내화재는 다시 확장형 루프에 의해 외장에 부착되어 있다. 지지 위치 및 확장형 루프의 온도가 비교적 낮음에 따라 지지부가 경험하게 되는 열 팽창으로 인한 추가 응력이 최소화되는 것을 보장할 수 있다.
전술한 양 사이클론의 조합 구성에 있어서의 포집 효율은 99.999%를 초과할 수 있다. 사이클론 시스템을 통과하는 탄화물의 손실이 최소화됨에 따라 이러한 높은 포집 효율의 덕택으로 가스화기에서의 탄소 전환이 상당히 촉진된다. 본 발명의 실시예와 함께, 미국 특허 제 7,771,585 호에 제안된 프리솔터 사이클론 개념에 의하면, 사이클론 내화재를 부식으로부터 보호할 수 있으며, 종래 기술의 사이클론의 사용으로 인한 고유의 심각한 고장 발생을 줄일 수 있고, 또한, 조악한 가스화 환경 하에서의 높은 포집 효율을 달성할 수 있다.
전력 생산과 같은 일부 용례 및 기타 다른 용례에서는, 가스화기로부터의 고온 합성 가스를 냉각하여 소망하는 증기 발생률을 정밀하게 제어하는 것이 필요할 수도 있으며 지정 출력이 유지되는 것을 보장하는 것이 필요할 수도 있다. 그러나, 장비의 노후화 및 구조적 불확실성으로 인해 실제 증기 발생률이 지정 비율과 달라질 수도 있다. 소망하는 특징 중 하나 및 효과적인 실현 가능한 방법은 증기 발생률의 정밀 제어를 달성하기 위하여 가스화기 출구의 온도를 조정하는 것이다. 전체 가스화기 루프의 작동 온도가 변경될 수 있는 범위 뿐만 아니라 소망하는 가스화기 출구 온도를 달성 및 유지하기 위한 온도 변경률은 제한된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 수송 가스화기 출구의 온도는 산화제(1500) 중 소량을, 고형체의 농도가 낮으며 고형체 중의 탄소 농도가 비교적 높은, 프리솔터 사이클론(500) 또는 직립관 사이클론(600) 출구로 주입함으로써 용이하게 조정될 수 있다. 산화제(1500) 중 이렇게 주입된 양은 가스화기에 들어가는 총 산화제 중 대략 5% 미만이다. 수송 가스화기의 본 실시예에 있어서, 산화제 주입은 또한, 가스화기 루프에서의 탄소 전환을 어느 정도 증대시키며 또한, 합성 가스 중의 방향족 탄화 수소 구성량을 감소시키는 효과가 있다.
가스화기 루프 내부의 고형체 순환 성향은 직립관 내부의 고형체의 정수두(hydrostatic head)에 좌우된다. 직립관 내부의 고형체를 유동화 상태로 유지하는 것이 필요할 수도 있다. 이것은 직립관 중에서 하방으로 유동하는 고형체에 의해 비말 동반되는 가스 및 직립관의 노즐과 분배기를 통과하는 재순환 가스에 의한 유동화에 의해 달성된다. 석탄의 처리 시에, 순환 고형체는 석탄 자체로부터 나온 재이며, 고형체의 질량 평균 직경은 재의 특성 및 사이클론의 기능 효율에 따라 대략 75 내지 100 미크론의 범위일 수 있다. 이러한 크기 범위의 고형체는 고형체가 프리솔터 사이클론으로부터 시일-레그를 통해 직립관으로 유동함에 따라 자연적으로 소정량의 가스의 비말 동반을 야기한다. 또한, 도 9의 실시예에 도시된 바와 같은 대구경 직립관 바닥의 폭기 격자판과 직립관 둘레에 전략적으로 배치된 노즐은 가스화기 루프 주변에 높은 고형체 순환 속도를 유지할 수 있도록 충분한 유동화 및 정수두를 제공한다. 폭기 가스(1700)는 비기계식 밸브(800)의 아래 통상 대략 6인치 내지 18인치 거리에 배치되는 분배 격자판을 통과하여 유동한다. 직립관 내부에서의 고형체 레벨은, 시일-레그 라이저의 바닥으로부터 입자가 거친 재 및 수송 가스화기의 보다 미세한 재의 하강류를 인출함으로써, 실질적으로 일정하게 유지된다.
비기계식 밸브(800)는 도 10에 도시된 바와 같이 직립관을 혼합 구역에 연결한다. 비기계식 밸브의 일 목적은 혼합 구역으로부터 직립관으로의 가스 역류를 감소시키거나 방지하는 것이다. 실제로 사용되어온 통상적인 비기계식 밸브는 J-레그, L-레그, Y-레그로 명명된다. J-레그 및 Y-레그의 경우, 경사각은 순환 고형체 층의 특성에 따라 변한다. 석탄 처리량이 상당히 낮은 경우에는, 소형 가스화기가 사용될 수 있으며, 라이저와 직립관 사이의 중심선 거리가 비교적 짧다. 이러한 조건 하에서는 J-레그가 사용되는 것이 바람직하다. 라이저와 직립관 사이의 중심선 거리가 증가함에 따라, J-레그에서 발생하는 저항을 극복하기 위해 필요한 직립관의 정수두가 증가하게 된다. 이것은 가스화기의 높이 증가 뿐만 아니라 이에 상응하는 구조상 높이의 증가 및 이에 따라 자본 비용의 증가를 필요로 한다. 보다 높은 처리량을 필요로 하는 수송 가스화기의 경우, 도 10에 도시된 바와 같은 L + J 레그로 명명되는 새로운 구성이 장점을 제공할 가능성이 있다. 도시된 실시예에 있어서, 짧은 L-자형 부분은 가스의 역류를 감소시키거나 방지하는 비기계식 밸브로서의 역할을 한다. 경사진 J-자형 부분은 산화제(1500)와 증기 혼합물이 J-자형 부분으로 도입될 수 있으며 탄화물 연소 반응이 개시될 수 있다는 점에서 혼합 구역/라이저의 일부를 구성하게 된다. 이에 따라, 비기계식 밸브에서 발생하는 저항으로 인한 정수두 손실이 상당히 감소되며, 이에 따라 직립관의 높이 감소를 실현할 수 있다. 또한, 본 실시예에 있어서, 혼합 구역 및 라이저에서와 유사한 연소 및 가스화 반응을 수행하는 가스화기의 추가 체적부(L + J 레그의 J-자형 부분)가 실현 가능하게 된다. 이것은 가스화기의 라이저 부분의 높이를 감소시킨다. 전체적으로, 도시된 L + J 실시예는 대규모 상업용 가스화기 구조에 유리하게 적용될 수 있는 가스화기의 높이 감소를 달성할 수 있다.
예
건조되어 광범위한 시험을 거친, 도 1에 도시된 공학 규모 시험 유닛의 수송 가스화기의 비제한적인 일 예가 아래에 설명된다. 본 예의 설명, 범위 또는 다른 정보는 모두 전술한 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것으로 간주하여서는 안 된다. 시험 유닛 가스화기의 공칭 석탄 공급 속도는 3000 lb/hr 내지 6000 lb/hr이며, 가스화 반응에 필요한 열을 제공하기 위해 순환 고형체 중의 탄화물과 반응하기 위한 산화제로서 공기와 산소를 모두 사용한다. 이러한 공학 규모 유닛에서의 석탄을 이용한 시험에 앞서, 우선, 수송 가스화기의 다양한 실시예에 따라 단순한 구성의 대형 냉각 유동 시험 유닛에서의 시험을 수행하였다. 상이한 여러 종류의 저등급 석탄을 시험하였다. 본 발명의 시험 착수 시에 사용된 고형체는 이전 시험에서 가스화기로부터 방출된 입자가 거친 재를 포함하고 있었다. 시험 설비에서의 고형체 흐름 중의 재료에는 경우에 따라 100 내지 120 미크론 범위의 평균 입자 크기를 갖는 모래가 포함되도록 하였다. 2일간에 걸쳐, 이러한 모래를 공급 석탄으로부터 발생된 재와 점진적으로 교체하였다. 입자가 거친 석탄 재의 입자 크기는 어느 정도 석탄의 특성에 따라 좌우되었으며, 시험 범위의 공급 입자 크기와는 거의 무관하였다. 표 1에는 두 가지의 상이한 공급 재료에 대한 순환 고형체의 통상적인 입자 크기가 예시되어 있다. 매체 평균 직경은 수송 가스화기에서 시험한 아역청탄의 경우 대략 100 미크론이며, 시험 갈탄의 경우 대략 80 미크론이다. 상이한 시험 조건에서 가스화기를 작동시켜 얻어진 데이터에 따르면, 라이저의 고형체 플럭스는 75 lb/ft2 내지 350 lb/ft2의 범위에서 변경되었다. 라이저 내부의 고형체의 밀도는 5 lb/ft3 내지 15 lb/ft3의 범위에서 변경되었으며, 이러한 밀도 범위는 다른 순환 유동 층 라이저에서보다 실질적으로 높은 값이다. 라이저에서의 높은 고형체 밀도로 인해, 전체 라이저에 걸쳐 온도가 거의 균일하였다. 라이저에서 시험한 공탑 가스 유속은 160 psig 내지 250 psig의 범위의 작동 압력 조건 하에서 20 ft/s 내지 35 ft/s의 범위에 있었다.
질량 퍼센트 입자 크기(미크론) 아역청탄 입자 크기(미크론) 갈탄
10 49 35
20 61 46
30 71 57
40 83 69
50 97 84
60 117 104
70 150 135
80 235 197
90 392 347
95 489 461
100 640 639
프리솔터 사이클론과 직립관 사이클론에 존재하는 흐름을 등속 시험하였다. 순환 속도와 함께 이들 시료로부터 얻은 결과치를 사용하여 개개의 사이클론과 전체 포집 효율을 산출하였다. 다양한 공정 조건에서 상이한 연료를 이용하여 시험하는 경우, 프리솔터 사이클론의 효율은 일반적으로 99.5%를 초과하였다. 대부분의 환경 하에서, 사이클론의 효율은 99.6% 내지 99.7%이다. 프리솔터 사이클론 유입구에서의 고형체 로딩 부하가 높으며 입자의 크기가 비교적 크기 때문에, 프리솔터 사이클론 벽의 부식 문제가 주요 관심 사항이었다. 사이클론 벽은 6300시간 이상의 작동 후에도 부식의 징후를 거의 나타내지 않았다. 이것은 유사한 설치 환경 하에서 심각한 부식 현상을 경험하였던 종래 기술의 사이클론과 차별화되는 사항이다.
다양한 시험 동안 달성된 전체 포집 효율은 대략 99.95%이었다. 가스화기에서 나온 가스 흐름의 온도는 대체로 1600℉ 내지 1800℉의 범위이었으며, 이렇게 해서 얻어진 가스 흐름을 합성 가스 냉각기에 의해 600℉ 내지 1000℉까지 냉각시켰다. 냉각된 가스 흐름을 캔들 필터(candle filter)를 사용하여 여과시켜 합성 가스 중의 미세 먼지를 제거하였다. 통상, 미세 먼지(비산 재)의 평균 입자 크기는 10 내지 15 미크론의 범위에 있었다. 가스화기에서 소실된 거의 모든 탄화물에는 직립관 사이클론에서 빠져나온 가스 흐름 중의 비산 재가 포함되어 있다. 갈탄 및 아역청탄의 경우, 가스화기 내부에서의 탄소 전환 효율은 대체로 98%를 초과하였다. 프리솔터 사이클론에 의해 포집된 고형체는 시일-레그 하강 유로로 유동하며, 시일-레그 하강 유로 내부의 고형체 플럭스는 가스화기 루프에서 시험되는 고형체 순환 속도에 따라 100 lb/ft2 내지 470 lb/ft2 이었다. 고형체를 완전히 폭기 처리함에 따라 높은 고형체 플럭스율이 달성되었으며, 시일-레그를 가로질러 야기되는 바람직한 압력차로 인해 거의 최소 유동화 공극률에 맞먹는 값을 나타내었다. 시일-레그 하강 유로 및 직립관에서의 공극률과 고형체 유속은 고형체 입자 추적체의 주입 및 유동 흐름의 CAT 스캔을 포함한 상이한 측정법을 사용하여 확인되어 왔다. 시일-레그 및 가스화기 루프 주변의 다른 위치의 도그-레그 타입 폭기 노즐은 여러 번의 가스화기 정지 및 이동에도 불구하고 막힘 현상을 나타내지 않는 것으로 증명된 바 있다. 도면에 제안된 수송 가스화기의 다양한 실시예를 상이한 다수의 공정 시험 조건 하에서 다양한 연료를 이용하는 설비에서 시험하였다. 다양한 석탄을 이용한 합성 가스 발생에 대한 본 발명의 수송 가스화기의 시험에 추가하여, 수송 연소기로서 명명되는 가압 순환 유동층 연소기에 대하여서도 또한 거의 5000시간 동안 전술한 바와 같은 시험이 성공적으로 수행되었다. 가스화 및 연소를 포함한 서로 다른 두 가지 용례에 대한 이들 시험이 지시하는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예는 고형체의 큰 표면적 및 순환 속도에 반응 물질을 노출시킬 것을 필요로 하는 다수의 다른 용례의 수송 반응로에서 적용될 수 있다.
200 : 하부 혼합 구역 300 : 상부 혼합 구역
400 : 라이저 500 : 프리솔터 사이클로
600 : 직립관 사이클론 700 : 직립관
800 : 비기계식 밸브 900 : 시일-레그

Claims (20)

  1. 하부 가스 유입 섹션에 결합되고, 하부 가스 유입 섹션을 통해 적어도 하나의 가스화제를 수용하도록 구성되는 하부 혼합 구역과,
    상기 하부 혼합 구역에 결합되고, 상기 적어도 하나의 가스화제 및 순환 고형체 혼합물을 수용하도록 구성되는 상부 가스 유입 섹션을 포함하며, 고형체 공급부에 추가로 결합되는 상부 혼합 구역과,
    상기 상부 혼합 구역에 결합되는 라이저로서, 순환 고형체 혼합물과, 가스화제와, 순환 고형체 혼합물과 적어도 하나의 가스화제 사이의 반응으로 생성되는 상부 혼합 구역으로부터의 기상 생성물을 수용하도록 구성되며, 라이저를 경사진 교차부에 결합시키는 굴곡부를 포함하는, 라이저와,
    상기 경사진 교차부에 결합되고, 상기 기상 생성물로부터 고형체 입자를 분리하도록 구성되는 프리솔터 사이클론과,
    상기 프리솔터 사이클론의 하부에 결합되고, 상기 프리솔터 사이클론으로부터의 고형체를 수용하도록 구성되는 시일-레그와,
    상기 프리솔터 사이클론의 출력부에 결합되고, 상기 기상 생성물로부터 상기 고형체 입자보다 더 미세한 입자를 분리시키도록 구성되는 직립관 사이클론과,
    상기 시일-레그, 직립관 사이클론 및 프리솔터 사이클론에 결합되고, 상기 시일 레그를 통해 프리솔터 사이클론으로부터 고형체 입자를 그리고 상기 직립관 사이클론으로부터 상기 고형체 입자보다 더 미세한 입자를 수용하도록 구성되며, 상기 순환 고형체 혼합물을 하부 혼합 구역과 상부 혼합 구역 중 적어도 하나로 재순환시키도록 구성되는 직립관을 포함하는, 수송 가스화기 루프.
  2. 제1항에 있어서, 상기 순환 고형체 혼합물을 직립관에서 비기계식 밸브로 재순환시킬 수 있도록 구성되는 직립관에 결합된 분배 격자판을 더 포함하며,
    상기 분배 격자판은 고형체 유출구의 6인치 내지 18인치 아래에 위치되는, 수송 가스화기 루프.
  3. 제1항에 있어서, 상기 직립관을 하부 혼합 구역 및 상부 혼합 구역에 결합시키도록 구성되고 그리고 기상 재료의 직립관으로의 역류를 감소시키도록 구성되는 비기계식 밸브를 더 포함하는, 수송 가스화기 루프.
  4. 제1항에 있어서, 상기 프리솔터 사이클론과 직립관 사이클론 중 적어도 하나의 출구에 결합되고 그리고 산화제를 수용하도록 구성되는 산화제 유입구를 더 포함하는, 수송 가스화기 루프.
  5. 제1항에 있어서, 상기 하부 가스 유입 섹션은 하부 혼합 구역의 유입구에 추가로 결합되는 U-자형 내화재 라이닝 처리된 관에 결합되는 목부를 더 포함하는, 수송 가스화기 루프.
  6. 제5항에 있어서, 상기 U-자형 내화재 라이닝 처리된 관의 수평 섹션의 길이는 U-자형 내화재 라이닝 처리된 관의 내경의 4배 내지 8배인, 수송 가스화기 루프.
  7. 제1항에 있어서, 상기 하부 혼합 구역의 직경은 상부 혼합 구역과 라이저 중 적어도 하나의 직경과 동일한, 수송 가스화기 루프.
  8. 제1항에 있어서, 상기 고형체 공급부는 탄소질 재료를 주입하도록 구성되는 복수 개의 노즐을 더 포함하며, 상기 노즐은 수평 기준선에 대해 15° 내지 75°의 하향 각도로 배향되는, 수송 가스화기 루프.
  9. 제1항에 있어서, 상기 상부 가스 유입 섹션은 가스화제를 상부 혼합 구역으로 주입하도록 구성되는 복수 개의 노즐을 더 포함하며,
    상기 가스화제의 분배가 균일한 열 방출을 야기하는, 수송 가스화기 루프.
  10. 제1항에 있어서, 상기 상부 가스 유입 섹션은 가스를 가스화기 내로 상방으로 유동시키도록 구성된 복수 개의 노즐을 포함하고,
    상기 노즐은, 제 1 단부에서 가스 공급원에 연결되고 그리고 티-접합부를 형성하는 제 2 단부에서 가스화기 내로의 상향 유동 노즐에 연결되는, 하향 노즐을 포함하며,
    상기 가스화기 내로의 노즐 출구와 티-접합부 사이의 거리는 상향 노즐의 내경의 4배 내지 8배인, 수송 가스화기 루프.
  11. 제1항에 있어서, 상기 시일-레그는 12인치 내지 36인치의 높이를 갖는 시일-레그 라이저를 더 포함하는, 수송 가스화기 루프.
  12. 제1항에 있어서, 상기 시일-레그는 프리솔터 사이클론의 출력부와 시일-레그의 입력부에 결합되는 하강 유로를 더 포함하며,
    상기 하강 유로는 프리솔터 사이클론으로부터 고형체를 수용하도록 구성되고 그리고 상기 하강 유로의 직경의 4배인 최소 고형체 레벨을 유지하도록 구성되는, 수송 가스화기 루프.
  13. 제1항에 있어서, 상기 직립관 사이클론은 직립관의 외장에 부착된 확장형 루프에 의해 지지되는 소용돌이 파인더를 더 포함하는, 수송 가스화기 루프.
  14. 제3항에 있어서, 상기 비기계식 밸브는, 가스의 역류에 대항하는 고형체 시일을 제공하도록 구성되는 짧은 L-레그, 및 긴 L-레그를 더 포함하는, 수송 가스화기 루프.
  15. 수송 가스화기 루프를 이용하는 방법이며,
    상기 수송 가스화기 루프는,
    하부 가스 유입 섹션에 결합되고, 하부 가스 유입 섹션을 통해 적어도 하나의 가스화제를 수용하도록 구성되는 하부 혼합 구역과,
    상기 하부 혼합 구역에 결합되고, 상기 적어도 하나의 가스화제 및 순환 고형체 혼합물을 수용하도록 구성되는 상부 가스 유입 섹션을 포함하며, 고형체 공급부에 추가로 결합되는 상부 혼합 구역과,
    상기 상부 혼합 구역에 결합되는 라이저로서, 순환 고형체 혼합물과, 가스화제와, 순환 고형체 혼합물과 적어도 하나의 가스화제 사이의 반응으로 생성되는 상부 혼합 구역으로부터의 기상 생성물을 수용하도록 구성되며, 라이저를 경사진 교차부에 결합시키는 굴곡부를 포함하는, 라이저와,
    상기 경사진 교차부에 결합되고, 상기 기상 생성물로부터 고형체 입자를 분리하도록 구성되는 프리솔터 사이클론과,
    상기 프리솔터 사이클론의 하부에 결합되고, 상기 프리솔터 사이클론으로부터의 고형체를 수용하도록 구성되는 시일-레그와,
    상기 프리솔터 사이클론의 출력부에 결합되고, 상기 기상 생성물로부터 상기 고형체 입자보다 더 미세한 입자를 분리시키도록 구성되는 직립관 사이클론과,
    상기 시일-레그, 직립관 사이클론 및 프리솔터 사이클론에 결합되고, 상기 시일 레그를 통해 프리솔터 사이클론으로부터 고형체 입자를 그리고 상기 직립관 사이클론으로부터 상기 고형체 입자보다 더 미세한 입자를 수용하도록 구성되며, 상기 순환 고형체 혼합물을 하부 혼합 구역과 상부 혼합 구역 중 적어도 하나로 재순환시키도록 구성되는 직립관을 포함하며,
    상기 수송 가스화기 루프를 이용하는 방법은,
    상기 고형체 공급부를 통해 도입된 고형체의 입자 크기 및 상기 수송 가스화기 루프로부터의 거친 재의 회수를 제어함으로써 상기 직립관으로의 유량 및 고형체 레벨을 제어하는 단계를 포함하는, 수송 가스화기 루프를 이용하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 고형체를 순환시킴으로써 상기 수송 가스화기 루프 내에 균일한 온도를 유지시키는 단계를 더 포함하는, 수송 가스화기 루프를 이용하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 고형체는 100 lb/ft2s 내지 400 lb/ft2s의 속도로 순환되는, 수송 가스화기 루프를 이용하는 방법.
  18. 제15항에 있어서, 상기 상부 혼합 구역과 하부 혼합 구역의 사이에 가스화제를 균일하게 분배하는 단계를 더 포함하는, 수송 가스화기 루프를 이용하는 방법.
  19. 제15항에 있어서, 50 ft/s 내지 300 ft/s의 목부 속도로 분사식 분배기를 통해 하부 혼합 구역 내로 가스화제를 공급하는 단계를 더 포함하는, 수송 가스화기 루프를 이용하는 방법.
  20. 제15항에 있어서, 상기 프리솔터 사이클론과 직립관 사이클론 중 적어도 하나의 출구에 산화제를 주입함으로써 가스화기 출구 온도를 조정하는 단계를 더 포함하는, 수송 가스화기 루프를 이용하는 방법.
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