KR101805220B1

KR101805220B1 - 가스화 반응기의 물 분배 시스템

Info

Publication number: KR101805220B1
Application number: KR1020127025480A
Authority: KR
Inventors: 요하네스 코볼
Original assignee: 티센크루프 인더스트리얼 솔루션스 아게
Priority date: 2010-03-01
Filing date: 2011-02-23
Publication date: 2018-01-10
Also published as: HK1180000A1; CU20120130A7; EP2542653B1; AU2011223250A1; US20130118587A1; EP2542653A2; WO2011107228A3; JP2013521353A; TW201137109A; CN102844411A; CU23995B1; AU2011223250B2; US9175809B2; RU2012138293A; CN102844411B; DE102010009721B4; CA2791819C; KR20130048721A; WO2011107228A2; RU2570866C2

Abstract

본 발명은 슬래그 형성 연행(entrained)-흐름 공정을 수행하기 위한 가스화 반응기의 물 분배 시스템에 관한 것으로서, 물 분배 시스템으로 물 스크린을 형성하기 위해, 동심원의 환형 분배기가 오목하게 굽은 횡단면을 갖는 축대칭인 편향면과 함께 제공되고, 상기 환형 분배기는 적어도 하나의 물 흡입구 및 물이 제트의 형태로 배출되도록 적합하게 설계된 개구들을 가진다. 개구들로부터 나온 제트들은 상기 오목하게 굽은 편향면의 내측 상부를 향하고, 상기 개구들로부터 나온 제트들의 방향으로, 상기 오목하게 굽은 표면의 평면상 방위는, 제트 방향 및 상기 제트의 충돌 지점에서 표면의 접선 방향이 서로 0 내지 45도 범위의 예각을 이루도록 구성되고, 횡단면에서 상기 편향면은 60도를 넘는 편향각을 가지는 정도로 굽어진다. 물은 가압 하에서 환형 분배기로 이송되어, 개구를 통해 환형 분배기로부터 나갈 때까지 빠르게 흐르고, 물이 각 개구를 나감에 따라, 편향면에 충돌하는 각각의 워터 제트를 형성하고, 각 워터 제트가 편향면을 따라 미끄러짐에 따라, 퍼져서 각각의 인접한 개구로부터 나온 워터 제트와 결합하여 폐수막을 형성하고, 상기 폐수막은 편향면을 떠난 후, 반응기 내부로 하향 이송된다.

Description

가스화 반응기의 물 분배 시스템{WATER DISTRIBUTION SYSTEM IN A GASIFICATION REACTOR}

본 발명은 가스화 반응 동안 발생된 합성 가스가 하방으로 흐르는 슬래그 형성 연행(entrained)-흐름 공정을 수행하기 위한 가스화 반응기용 물 분배 시스템 및 물 분배 방법에 관한 것이다. 이러한 종류의 방법에서, 1200 내지 2000℃의 온도를 갖고, 용해되어 끈적끈적한 재(ash) 입자들과 응축 및 탈승화 물질, 예컨데 나트륨, 칼륨, 납 및 아연을 함유하는 고온 가스가 발생된다. 이들 입자들은 냉각된 벽에 퇴적물을 형성할 수 있고 동작 간섭을 야기할 수 있다.

이러한 사건을 방지하기 위해, 고온 가스를 물과 혼합함으로써 고온 가스는 대개 냉각, 즉 급냉되어서, 재 입자들은 빨리 응고된다. 그러나, 미세한 보풀 재 입자들은 시멘트 입자들과 유사한 특징들을 가져서, 이들 입자들은 물과 결합하여 콘크리트와 같은 퇴적물들을 형성할 수 있다. 이러한 사건을 방지하기 위해, 급냉 챔버의 모든 벽들은 계속해서 뜨겁고 건조하게 유지되거나 수막(water film)으로 덮여야만 한다.

선행기술, 예를 들어 국제공개 제2009/036985 A1호에 설명된 것과 같은 선행기술에 따르면, 그러므로 이러한 종류의 가스화 반응기는 반응기의 상부에 배치된 제1 반응 챔버를 포함하고, 그의 상부 영역에 공급원료 재료들을 위한 피더(feeder) 장치가 배치되고, 그의 측벽들은 멤버레인 벽으로서 내부 냉각부를 갖는 튜브 또는 슬래그의 표면이 응고되지 않도록 액체 슬래그가 자유롭게 흐르는 튜브 코일을 장착하고 있고, 그의 바닥에는 개구가 드립-오프 에지(drip-off edge)를 갖고서 제공된다. 게다가, 상기 가스화 반응기는 개구와 조합하여 바닥에 배치된 제2 챔버를 포함하고, 상기 제2 챔버 내에서 합성 가스는 건조하게 유지되고 복사 냉각에 의해 냉각되며, 물 분배 시스템은 깔때기 형상의 물 커튼을 생성하기 위해 제공되고, 제2 챔버와 연속하여 제3 챔버가 바닥에 제공되고, 상기 반응기로부터 나온 합성 가스를 위한 배기 장치가 제3 챔버의 바닥 또는 측면에 제공된다.

발생된 합성 가스의 역류를 방지하기 위해, 물 커튼은 마진 영역에 임의의 갭 또는 보이드(void)를 갖지 말아야 한다. 그러나, 물 커튼은 슬래그 유출구를 막는 정도로 많이 냉각되어서는 안된다. 게다가, 물 커튼은 원주를 가로질러 고르게 퍼져야만 하고 가능한 한 미세하고 얇아야 한다. 또한, 물 커튼의 분해 후, 고온 가스가 횡단면의 중앙 영역에서 가능한 한 효율적으로 급냉될 수 있도록 급냉될 발생 가스 제트(jet)는 중앙에 있어야 한다.

가스화시 재 냉각을 위해 사용된 슬래그 물이 부분적으로 에지가 날카로운 입자들을 포함하고 있다는 것을 고려하면, 리사이클된 물이 물 커튼을 형성하기 위해 사용될 수 있다면 매우 유리할 것이다. 심한 침식을 피하기 위해, 파이프라인, 분배기들, 및 제트 노즐들 내에서 낮은 유속, 예를 들어 2m/s를 유지하는 것이 필요하고, 반면에 퇴적물은 너무 낮은 속도, 전형적으로는 0.5m/s 아래의 속도에서 형성된다.

주요한 문제는 이러한 물 커튼을 형성시키는 장비의 작동 안정성에 관하여 강제된 요구들에 의해 제기된다. 이는 특히 국제공개 제2009/036985 A1호에 설명된 환형 분배기뿐만 아니라 만곡부(ramp)에 관한 것이다. 리사이클된 물이 사용되리라는 것을 고려하면, 포트들이 슬롯 또는 보어(bore) 또는 제트 노즐이던지 간에, 물이 램(ram) 위로 고르게 분배되도록 하는 물 배출 포트들을 영구적으로 깨끗하게 유지하는 문제에 더하여 만곡부를 깨끗하고 퇴적물들이 없게 영구적으로 유지하는 문제가 여전히 존재한다. 본원에서는, 이들 공장 유닛들에 대한 접근이 어렵다는 것만이 고려되어야 한다.

액체를 몇몇 제트 노즐들에 공급하기 위해, 일정한 횡단면을 가진 통상의 파이프라인 또는 환형 분배기가 대부분의 경우에 적용된다. 미국특허 제4,474,584호는 다수의 제트 노즐들을 포함하는 여러 개의 물 분배기들로 구성되는 물 급냉 시스템을 설명한다. 예시적 도면들은 일정한 횡단면적과 함께 4각형이거나 둥근 횡단면을 가진 주변 연장 채널들을 도시한다.

이러한 종류의 분배기들에서, 속도는 각 제트 노즐보다 느려서, 제트 노즐을 통한 액체의 스루풋(throughput)이 변하도록 정압이 증가되도록 한다. 그러나, 종래의 분배기로는, 이로 인해 물 분배가 실질적으로 불균일하게 된다. 원주에 걸쳐서 거의 상당히 균형잡힌 물 분배는 제트 노즐의 속도를 높임으로써 달성될 수 있고, 그 결과 제트 노즐의 압력 손실은 분배기의 물의 동압(dynamic pressure)보다 사실상 두드러지게 높게 된다. 그러나, 연행-흐름 가스화 반응기에 적용시 벽 재료의 침식은 증가된 속도와 함께 허용범위를 넘어서 증가할 것이다.

그러므로, 이제, 본 발명의 목적은 가스화 반응기를 위한 개선된 물 분배 시스템 및 개선된 물 분배 방법을 제공하여 위에서 개괄된 단점들을 갖지 않고 가능한 한 경제적으로 설치 및 작동될 수 있는 슬래그-형성 연행-흐름 공정을 수행하는 데 있다.

본 발명은 가스화 반응 동안 발생된 합성 가스가 하방으로 흐르는 슬래그 형성 연행-흐름 공정을 수행하는 가스화 반응기의 물 분배 시스템에 의해 이러한 과제를 해결하는데, 상기 가스화 반응기는,

상기 반응기의 상부에 배치되는 제1 반응 챔버로서, 그 상부 영역에 배치된 공급원료 재료들을 위한 피더 장치, 그 측벽에 제공되어, 멤버레인 벽으로서 내부 냉각부를 갖는 튜브 또는 슬래그의 표면이 응고되지 않도록 액체 슬래그가 하방으로 자유롭게 흐르는 튜브 코일, 및 그 바닥에 제공되고 드립-오프 에지(drip-off edge)를 갖는 개구를 포함하는 제1 반응 챔버;

상기 개구와 결합하여 바닥에 배치되고, 그 내부에 합성 가스가 건조하게 유지되고 복사 냉각에 의해 냉각되며, 깔때기 형상의 물 커튼을 생성하기 위해 제공되는 물 분배 시스템을 포함하는 제2 챔버;

상기 제2 챔버와 연속하여 위치되고, 상기 반응기로부터 나온 합성 가스를 위해 바닥 또는 측면에 제공되는 배기 장치를 포함하는 제3 챔버를 포함하고,

물 분배 시스템으로 기능하도록 횡단면이 오목하게 굽은 축-대칭인 편향면과 결합하여 동심원의 환형 분배기를 제공하여 물 커튼을 형성하고,

상기 환형 분배기는 적어도 하나의 물 유입구를 갖고,

상기 환형 분배기는 제트와 같은 물 유출구에 적합한 설계와 구성으로 이루어진 애퍼처들을 갖고,

상기 개구들로부터 제트의 방향은 상기 오목하게 굽은 편향면의 내부를 향하고,

상기 애퍼처들로부터 상기 제트의 방향에서 상기 오목한 표면의 평면상 방위는 제트의 방향과 횡단면의 접선면이 상기 제트의 충돌 지점에서 서로 0 내지 45도 범위의 예각으로 정렬되도록 배치되고,

상기 편향면은 60도를 넘는 편향각을 갖도록 횡단면에 곡률을 갖는다.

물 분배 시스템의 추가적인 구성에서, 개구들은 상향 제트 노즐로 설계되고 구성되어 제공된다. 상기 개구들은 또한 반응기 주변부의 방향으로 접선의 경사 또는 상기 반응기의 중심축을 향한 경사를 가질 수 있다. 상기 제트 노즐들의 실행에 따라, 상기 환형 분배기의 전류 펄스는 횡방향 성분으로 그리고 상기 개구들로부터 상기 편향면 쪽으로 수직하게 상기 개구들로부터 워터 제트들을 안내하기 위해 이용될 수 있다.

물 분배 시스템의 또 다른 구성에서, 상기 환형 분배기는, 상기 환형 분배기의 피드로부터 이들 개구들의 각각으로 감에 따라 좁아지는 다른 흐름 횡단면들을 갖고서 설계되고 만들어지도록 제공된다. 가능하면 약 2m/s의 유속이 확실하게 유지되도록 주의해야 한다. 입자들을 포함하고 있는 슬래그 물 또는 기타 피드백 물이 물 커튼을 위해 이용될 것이므로, 임의의 경우 유속은 입자들이 퇴적 및 침전되지 않도록 0.5m/s를 넘어야 한다. 침식의 위험을 고려하여, 유속은 3m/s를 초과하지 말아야 한다. 형성된 물 커튼의 두께는 1 내지 10 mm 범위여야 한다. 환형 분배기의 흐름 횡단면들은 전문가에 의해 적절하게 설계되어야 할 것이다.

물 분배 시스템의 또 다른 구성에서, 상기 편향면의 곡률 반경은 0.3 미터 미만이도록 제공된다. 이러한 종류의 편향면들은, 예를 들어 그들의 길이 측이 개방된 굽은 튜브들로부터 경제적으로 얻어질 수 있다. 유지 편의를 위해, 본 발명의 오목한 편향면은 그 부분의 방향으로 부분들을 꿰매어 잇거나 부분들을 끼워서 이을 때 어떠한 문제 없이 구성될 수 있다.

물 분배 시스템의 또 다른 구성에서, 직선부는 상기 편향면의 곡률부와 연속하여 배치되도록 제공된다. 구조적으로, 이는, 물 커튼의 유출구를 위한 부분이 인출되는 것이 아니라 위로 굽어져서 길이 측에 대해 위로 자른 후 직선형태로 되어 오목한 편향면을 위한 야구 모자와 같은 횡단면을 얻으면, 달성될 수 있다.

급냉 챔버의 냉각된 벽들처럼, 본 발명의 환형 분배기는 그의 외부에 입자들과 함께 날라지는 가스로부터 성장하는 구워진 재료의 퇴적물들을 수용하려는 경향이 있다. 그러므로, 이러한 냉각된 벽들은 보통 수막을 갖고 있다. 물 분배 시스템은 또한 급냉 챔버 벽들 및 환형 분배기 자체의 외벽을 위해 필요한 수막의 형성이 똑같이 이루어지도록 환형 분배기의 추가적인 발전에 의해 변경될 수 있다. 따라서, 추가적인 횡방향 개구들 및 이들 개구들에 반대로 놓이는 편향면들이 제공되어, 환형 분배기의 외벽 및 추가로 급냉 챔버의 벽에 달라붙어 거기에서 아래로 흐르는 수막을 형성한다.

본 발명은 또한 가스화 반응 동안 발생된 합성 가스가 하방으로 흐르고 마진에서 닫혀진 깔때기 형상의 물 커튼이 형성되는 슬래그 형성 연행(entrained)-흐름 공정을 수행시 가스화 반응기의 물 분배 방법에 의해 이러한 과제를 해결하고, 그것에 의해

물은 가압 상태로 환형 분배기로 들어가서 개구들을 통해 상기 환형 분배기를 떠날 때까지 재빨리 흐르고,

편향면에 부딪치는 워터 제트는 물이 애퍼처들을 떠남에 따라 형성되고,

워터 제트들의 각각은 편향면을 따라 미끄러지면서 분기되고, 인접한 개구의 워터 제트와 결합하여 폐수막을 형성하고,

이러한 폐수막은 상기 편향면을 떠난 후 하방으로 상기 반응기의 내부를 통과한다.

물 커튼의 기하구조를 구성시, 이 일의 담당 전문가는 관련 목적을 위해 선택할 기하 형상을 평가한다. 물 커튼이 주로 중앙 영역에서 분해되도록 중앙 채널의 중앙으로 수렴하도록 하면, 물은 편향면에 대해 어떠한 소용돌이가 없이 수직하게 향할 것이다. 그러나, 낙하하는 물 커튼이 초기에 중앙부에서 접촉하도록 하지만, 이후 그의 추가적인 낙하 동안 다시 팽창하도록 하면, 그리고 물 커튼의 하단부에서 반응기의 마진 영역을 촉촉하게 하기 위해 방울들의 더욱 균일한 방사방향의 분포가 필요하면, 이후 물 커튼은 반응기 축을 중심으로 적절히 회전하면서 도입되어야 할 것이다. 따라서, 본 발명의 방법의 일 실시예에서, 폐수막이 반응기 축 둘레를 회전하도록 반응기의 원주방향에서 편향면 위로 워터 제트들이 경사진 형태로 향하도록 제공된다.

본 발명의 방법의 또 다른 실시예에서, 적어도 또 다른 수막이 횡방향 개구들 및 이들 개구들에 반대로 놓인 편향면들을 통해 형성되도록 제공되고, 상기 수막은 생성된 가스에 노출된 환형 분배기 또는 급냉 챔버의 냉각된 벽들에 달라붙는다.

본 발명의 방법의 또 다른 실시예에서, 사용된 물은 가스화 반응기의 슬래그 배스(bath)로부터 나온 고체 함유 물이거나 가스화 반응기의 슬래그 배스의 하류에 배치된 물 순환으로부터 나온 물이도록 제공된다. 사용에 앞서, 예를 들어 하이드로사이클론(hydrocyclone)에서 주요한 슬래그 입자들을 대략적으로 분리할 필요가 있다.

이하, 6개의 밑그림에 기반한 예시적 형태로 본 발명을 약술한다.
도 1은 평강(flat steel)을 균질화하기 위해 갭 및 굽은 영역으로 물 커튼을 형성하기 위한 시스템의 횡단면도이다.
도 2는 가스화 발생기의 물 분배 시스템의 상황에 따른 평면도이다.
도 3은 편향면을 가진 환형 분배기의 사시도이다.
도 4는 편향면(11)의 유리한 기하구조를 보여준다.
도 5는 개구(10)로 제트 노즐을 그리고 다른 수막을 형성하기 위한 장치를 갖는 환형분배기(3)의 실시예를 보여준다.
도 6은 본 발명의 물 분배 시스템의 다른 실시예를 보여준다.
도 7은 본 발명의 물 분배 시스템의 다른 실시예를 보여준다.

도 1은 자유낙하하는 깔때기 형상의 물 커튼의 형성을 위한 장치의 횡단면도를 도시하는데, 상기 물 커튼은 마진에서 닫혀지고 선행기술에 따른 갭을 가지며, 평강을 균질화 하기 위해 굽은 영역에 의해 연장된다. 상기 장치는, 예를 들어 증발기 튜브들로 구성되는 냉각된 벽(2) 뒤에 위치된다. 가스 발생 장치로부터 외부로 흘러 나오는 고온 가스(1)는 1000 내지 2000℃ 범위의 온도를 가지고, 비산회(fly ash)와 용융된 슬래그 입자들로 구성된다. 거친 슬래그는 직경이 0.6 내지 3m 범위에 있는 보통의 실린더형 채널(1)의 중앙 영역에서 얻어진다.

물은 하나 또는 여러 개의 지점들에서 사각형의 상부와 모따기된(chamfered) 저부로 이루어진 분배기(3)의 주변 채널(4)로 공급된다. 채널은 원주를 가로질러 일정한 폭을 가지지만, 내부에서 일정한 유속이 전체 원주에 대해 지배적이도록 그의 높이는 변한다. 높이(H1)으로 표시된 횡단면의 일부만이 변하고, 반면에 입구 영역에서의 교란으로부터 생기는 효과들과 수학적으로 이상적인 형태로부터 구조가 벗어나서 생기는 효과들을 상쇄하기 위해, 횡단면의 나머지 부분은 플라이휠의 기능과 유사한 기능을 가진다.

물은 유출구 갭(5)을 통해 분배기를 나가고, 그 후 오목한 영역으로 설계되어 구성된 편향면(6) 상에서 굴절된다. 유출구 갭(5)의 횡단면의 작은 부분들이 막히면, 외부로 흐르는 워터 제트는 보이드(void)를 가진다. 그러나, 굽은 영역 위에서, 이들 보이드들이 닫혀지도록 물은 오목한 영역에 대해 강력하게 압축된다. 자유 낙하하고 고온 가스(1)와 혼합될 때에만 분해되는 닫혀진 물 커튼(7)은 만곡부(ramp)로 설계되어 만들어진 편향면(6)의 수막으로부터 초기에 생성된다. 닫혀진 물 커튼은 물방울들을 포함하는 냉각된 가스의 상향 스트림이 가스 발생 장치의 유출구 영역으로 흐르는 것을 방지하고, 그로 인해 슬래그 배출의 간섭이 방지된다.

물 커튼을 형성하는 이러한 방식의 단점은, 물이 1 내지 10mm 폭의 갭을 점점 더 막을 수 있는 고체 물질들을 함유하고, 그것에 의해 형성된 물 커튼은, 적어도 물 커튼이 대부분의 경우 단지 수 밀리미터 두께이고자 하면, 곡률에도 불구하고 보이드를 가질 것이라는 데 있다. 작동 안정성의 이유로, 그것은 실제로는 물 커튼이 공정 공학의 견지에서 필요한 것보다 더 높은 두께로 구성되어야 하거나, 심지어 새로운 물의 사용이 필요치 않으면, 사용 전에 사용될 물이 실질적인 소비시 입자들이 없이 깨끗해야만 한다는 것을 의미한다. 그러나, 하나의 좁은 주변 갭 대신 원주 상에 분포된 몇몇 더 넓은 개구들을 제공함으로써 흘러나가는 제트들이 원심력으로 인해 오목한 편향면(6) 상에서 편평하게 가압되어 닫혀진 막을 형성함으로써, 이러한 단점을 피할 수 있다.

도 2는 압력 용기(8), 환형 분배기(3)로 물을 공급하기 위한 피더 메인(9), 및 고온 가스(1)를 갖고 있는 중앙의 실린더형 채널을 갖는 가스화 발생기의 물 분배 시스템의 상황에 따른 평면도를 도시한다. 하나의 피더 메인만을 통한 물 공급 또한 실현가능할 것이다. 이 경우, 환형 분배기는 대략 더 큰 직경을 가져야만 할 것이다. 하나의 더 큰 피더 메인은 여러 개의 더 작은 피더 메인들보다 비용이 작게 들지만, 그것은 또한 더 뻑뻑하여 분배기(3)와 압력 용기(8) 사이에서 열팽창 차이를 야기할 수 있다. 피더 메인들의 수에 관해, 담당 전문가는 적절한 최적을 찾아 내야만 한다.

도 3은 편향면(11)을 가진 환형 분배기(3)의 사시도를 도시한다. 본 발명의 물 커튼(7) 형성은 막힐 수 없는 분명히 더 큰 개구들(10) 및 밖으로 흐르는 워터 제트들이 시스템을 떠날 때 원심력에 의해 편평하게 가압되어 편평한 물 커튼(7)을 형성하는 편향면(11)에 의해 이루어진다.

모든 개구들에서 들어오는 흐름이 확실하게 동일한 횡단 속도를 갖도록 하기 위해, 환형 분배기(3)에서 물 스트림의 대략 일정한 원주 속도가 필요한데, 이는 횡단면을 변화시켜서 이루어질 수 있고, 본 예에서, 이는 높이를 변화시켜서 이루어지지만, 다른 변화 가능성들을 이용하는 것 또한 가능하다. 물의 유입은 높이(H1) 옆의 횡단면적에 대해 수행된다. "H1"은 높이의 가변적인 부분을 나타내고, 반면에 "H2"는 추가로 "H1"과 "H2"로 구성되는 전체 높이의 일정한 부분을 나타낸다. 도 3에 도시된 것처럼, 개구들은 둥근 보어들로뿐만 아니라, 사각형 슬롯 또는 직선 및/또는 굽은 제트 노즐들로 만들어질 수 있다.

물 커튼을 원주 방향으로 비틀고자 하면, 환형 분배기(3)에서 원주 스트림의 펄스가 이 목적을 위해 사용될 수 있다. 물이 개구(10)들을 통해 나갈 때 펄스의 원주 성분이 훼손되지 않는 방식으로 개구(10)들을 구성하면 충분하다. 환형 분배기(3)의 상부 벽이 원주 방향에서 개구의 길이보다 분명히 얇으면, 개구들은 벽에 수직하게 형성될 수 있다. 더 두꺼운 벽으로, 개구들은 경사진 형태로 형성되어야 하고, 가장 바람직한 각은 벡터 합에 의한 법선 방향 및 접선 방향의 속도 성분들로부터 생긴다.

도 4는 편향면(11)의 유리한 기하구조를 도시한다. 편향면은 주로 원형 또는 타원 형태를 가져야 하고 편향각(BETA)를 포함한다. 시험으로 반지름(R1 및 R2)은 넓은 범위로 변할 수 있다는 것이 입증되었다. 편향면의 굽은 부분의 단부에 길이 부분이 직선인 부분(B), 즉 3차원 사시도로 원뿔 부분이 제공되어, 테어-오프 에지(tear-off edge)에서 원심력은 물에 대해 영향을 미치지 아니하며 제트의 방향을 바꾸지 않는다. 짧은 "직선" 부분만이 필요하다. 편향면을 따라 미끄러지는 2 mm 두께의 수막의 5 내지 10배의 길이에 해당하는 10 내지 20 mm의 길이로, 안정하고 균등한 물 커튼이 형성된다.

도 5는 개구들(10)로서 제트 노즐을 가진 환형 분배기(3)의 실시예를 도시한다. 환형 분배기(3)로부터 나온 물은 접선 방향으로 경사진 제트 노즐들을 통해 흘러 나온다. 편향면(11)은 더 큰 주변각을 이루고 워터 제트들이 원심력으로 인해 편평하게 가압되는 경로의 연장을 야기하도록 먼저 외측 방향으로 경사질 수 있다.

게다가, 도 5는 반응 챔버와 마주하는 측 위의 환형 분배기(3)에서 흘러 나가서 연소된 재료의 퇴적물로부터 보호하는 수막(15)의 형성을 도시한다. 그러므로, 환형 분배기(3)의 실린더형 내벽에 개구들(12)이 제공되어, 이 개구들을 통해 분배기 내에서 순환하는 물의 일부가 갭(14)으로 흐르고, 상기 갭은, 예를 들어 환형 분배기의 내벽과 상측 단부에서 굽은 실린더형 판(13)에 의해 형성되고, 그 결과 개구들(12)을 통해 형태가 갖추어진 워터 제트들은 편평하게 가압되어 표면(13) 상에서 먼저 얇은 막을 형성한다. 개구들(12)은 개구들(10), 즉 보어, 슬롯 또는 제트 노즐과 유사한 형상을 가질 수 있다.

표면(13) 위에 형성된 막이 원심력으로 인해 갭(14) 내의 벽(16)에 대해 내던져지도록 원주 속도는 통과 흐름(through-flow)으로 유지되어야 한다. 막 두께가 작으면, 갭(14)의 폭은 수막의 폭보다 클 수 있다. 판(13)의 상측 단부에서 편향면은 매우 작은 반지름, 예를 들어 30mm를 가져야만 한다. 더 거친, 예를 들어 10 mm 크기의 슬래그 결정립들이 물과 함께 이 장치를 제한없이 통과할 수 있도록 개구들(12)의 직경과 갭(14)의 폭은 형성된 벽 막의 두께보다 실질적으로 더 클 수 있다.

도 5에 따른 실시예를 위한 설계의 예는 기능 모드를 더욱 더 명료하게 해야만 한다: 하기의 초기 변수들을 갖는 깔때기 형태의 자유낙하하는 물 커튼이 형성될 것이다:

직경 1 m,

속도 1.5 내지 2 m/s,

두께 2 mm.

물은 5 mm에 이를 수 있는 큰 고체 입자들을 포함할 수 있다.

이후, 임의의 막힘이 없도록 제트 노즐의 내부 직경은 10 mm로 선택되어야 한다. 제트 노즐들 간 거리는 1.5 내지 2 m/s의 요구 속도가 제트 노즐들에서 우세하도록 선택된다. 그러므로, 제트 노즐들은 서로 40 mm의 거리로 이격되어야 한다. 제트 노즐들이 나란히 가깝게 수용되면, 10 m/s²를 초과하는 원심력에서 편평한 물 커튼이 형성될 수 있다는 것이 실험적 시험으로 입증된다. 반지름이 작을수록, 원심력은 더 크고 허용될 수 있는 거리와 제트 노즐들의 내부 직경은 더 크다. 편향 판의 30 mm 반지름으로, 1.5 m/s에서 75 m/s²과 2 m/s에서 133 m/s²의 원심 가속도(이는 중력가속도의 7배 내지 13배임)가 물에 대해 작용한다. 균등하고 편평한 물 커튼이 이들 조건들 하에서 형성된다는 것을 시험과 실험으로 볼 수 있었다.

도 6은 본 발명의 물 분배 시스템의 다른 실시예를 도시한다. 자유낙하하는 물 커튼(7)이 도 3과 도 5에 설명된 것과 유사한 방식으로 형성된다. 그러나, 벽 막은 개구들(12)을 통해 표면(16) 위로 흐르는 물의 접선 주입에 의해 생성된다. 개구들(12)에서 물의 속도는 분배기(4)에서 물의 원주 속도보다 더 높을 수 있고, 그 결과 워터 제트들은 벽(16)에 대해 가압되어 편평한 막을 형성한다. 균일한 막의 형성을 촉진하기 위해, 작은, 예를 들어 10 mm 직경의 립(leap)이 표면들(16과 17) 사이에 추가로 제공될 수 있고, 그 결과 처음에 회전하는 10 mm 두께의 물 층(water layer)이 형성되고, 그 물 층으로부터 초기에 낮은 수직 속도를 가진 더 얇은 벽 막이 벽(17)에 형성된다.

다음의 예를 통해 설계는 더 정확하게 명료해질 것이다. 2 m의 직경을 가진 실린더형 벽은 얇은 수막으로 퇴적물로부터 보호될 것이고, 막힘을 없애기 위해, 자유낙하하는 물 커튼(7)의 필요한 법선 방향의 초기 속도 및 약 5 m/s에 이르는 개구들(10 및 12)에서의 법선 방향의 물 유출구 속도와 함께, 가장 좁은 횡단면은 적어도 10 mm만큼 넓어야 한다.

표면(16)에서 5 m/s의 접선 속도로, 25 m/s²의 원심가속도가 슬롯들(12)을 통해 흐르는 물에 대해 작용하고, 이 속도는 중력가속도보다 두드러지게 더 높아서, 그것에 의해 벽에 달라붙은, 닫혀진, 얇은 수막이 형성될 수 있다. 3 m/s를 넘는 속도를 가진 영역들은 침식에 저항하는 재료들, 예를 들어 주철 또는 세라믹으로 만들어져야만 하고, 또는 이들 영역들은 적절한 재료를 사용한 강화 용접에 의해 금속 부분들로 코팅될 수 있다.

도 7은 본 발명의 물 분배 시스템의 다른 실시예를 도시한다. 자유낙하하는 물 커튼(7)이 도 3 내지 도 6에 설명된 것과 유사한 방식으로 형성되고, 벽 막은 도 5와 유사하게 형성된다. 그러나, 분할 벽은 두 개의 동심원 표면들(16 및 17)로 구성되고, 막(16) 및 물 커튼 막들(7)의 형성을 위한 물 공급은 중간 공간을 통해 이루어진다. 이러한 해법은, 개구들(10 및 12)에 적합한 펌핑 수단, 예를 들어 인젝터들을 적용함으로써 압력 용기 내 슬래그 배스(bath)로부터 물이 전달되면, 특히 바람직하다.

1 1200~1800℃, 80 bar에 이르는 고온 가스를 가진 중앙 실린더 채널
2 냉각된 벽
3 환형 분배기
4 순환하는 물이 통과해서 흘러간 환형 분배기의 횡단면
5 유출구 갭
6 편향면
7 물 커튼
8 압력 용기
9 물을 분배기로 공급하는 (하나 또는 여러 개의) 피더 라인
10 개구들(둥근, 모난, 직선/경사진 슬롯들) 또는 제트 노즐들
11 편향판 또는 편향형태
12 "10"과 유사한 개구
13 환형판
14 갭
15 벽 막
16 실린더형 분할벽
17 실린더형 분할벽

Claims

가스화 반응 동안 발생된 합성 가스가 하방으로 흐르는 슬래그 형성 연행(entrained)-흐름 공정을 수행하기 위한 가스화 반응기의 물 분배 시스템으로서, 상기 가스화 반응기는,
상기 반응기의 상부에 배치되는 제1 반응 챔버로서, 그 상부 영역에 배치된 공급원료 재료들을 위한 피더 장치, 그 측벽에 제공되어, 멤버레인 벽으로서 내부 냉각부를 갖는 튜브 또는 슬래그의 표면이 응고되지 않도록 액체 슬래그가 하방으로 자유롭게 흐르는 튜브 코일, 및 그 바닥에 제공되고 드립-오프 에지(drip-off edge)를 갖는 개구를 포함하는 제1 반응 챔버;
상기 개구와 결합하여 바닥에 배치되고, 그 내부에 합성 가스가 건조하게 유지되고 복사 냉각에 의해 냉각되며, 깔때기 형상의 물 커튼(7)을 생성하기 위한 물 분배 시스템을 포함하는 제2 챔버;
상기 제2 챔버와 연속하여 바닥에 위치되고, 상기 반응기로부터 나온 합성 가스를 위해 바닥 또는 측면에 제공되는 배기 장치를 포함하는 제3 챔버로 구성되는 물 분배 시스템에 있어서,
물 커튼(7)을 형성하기 위해, 횡단면이 오목하게 굽은 축-대칭인 편향면(11)과 결합하여 동심원의 환형 분배기(3)가 물 분배 시스템으로서 제공되고,
상기 환형 분배기(3)는 적어도 하나의 물 유입구를 갖고,
상기 환형 분배기(3)는 제트 형태의 물 유출구를 허용하도록 적합하게 설계되어 구성된 개구들(10)을 갖고,
상기 개구들(10)로부터 제트의 방향은 상기 오목하게 굽은 편향면(11)의 내부를 향하고,
상기 개구들(10)로부터 상기 제트의 방향에서 상기 오목하게 굽은 편향면(11)의 평면상 방위는 제트의 방향과 횡단면의 접선면이 상기 제트의 충돌 지점에서 서로 0 내지 45도 범위의 예각으로 정렬되도록 배치되는 것을 특징으로 하고,
횡단면에서 상기 편향면(11)은 많이 굽어져서 60도를 넘는 편향각(BETA)을 갖는 것을 특징으로 하는 물 분배 시스템.
제1항에 있어서,
상기 개구들(10)은 상향 제트 노즐들로서 설계되고 구성되는 것을 특징으로 하는 물 분배 시스템.
제2항에 있어서,
상기 상향 제트 노즐들은 반응기 원주의 방향으로 접선 경사를 갖는 것을 특징으로 하는 물 분배 시스템.
제2항에 있어서,
상기 상향 제트 노즐들은 반응기의 중심축 쪽으로 경사를 갖는 것을 특징으로 하는 물 분배 시스템.
제1항에 있어서,
상기 환형 분배기(3)는 상기 환형 분배기(3)의 유입구(9)로부터 이들 개구들(10)의 각각으로 감에 따라 좁아지는 다른 흐름 횡단면들(4)을 갖고서 설계되고 만들어지는 것을 특징으로 하는 물 분배 시스템.
제1항에 있어서,
상기 편향면(11)의 곡률 반경은 0.3 미터 미만인 것을 특징으로 하는 물 분배 시스템.
제1항에 있어서,
상기 편향면(11)은 서로 봉합된 부분들로 구성되는 것을 특징으로 하는 물 분배 시스템.
제1항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
직선부가 상기 편향면(11)의 곡률부에 계속해서 뒤따르는 것을 특징으로 하는 물 분배 시스템.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
추가적인 측면 개구들과 이들에 반대로 놓인 편향면들이 상기 환형 분배기에 제공되는 것을 특징으로 하는 물 분배 시스템.
가스화 반응 동안 발생된 합성 가스가 하방으로 흐르는 슬래그 형성 연행(entrained)-흐름 공정을 수행시 마진에서 닫혀진 깔때기 형상의 물 커튼(7)이 형성되는 가스화 반응기의 물 분배 방법에 있어서,
물은 가압 상태로 환형 분배기(3)로 들어가서 개구들(10)을 통해 상기 환형 분배기(3)를 떠날 때까지 재빨리 흐르고,
하나의 워터 제트 각각은 상기 개구들(10)을 나갈 때 형성되어 편향면(11)과 부딪치고,
워터 제트들의 각각은 편향면(11)을 따라 미끄러지면서 분기되고 인접한 개구(10)의 워터 제트와 결합하여 폐수막을 형성하고,
이러한 폐수막은 상기 편향면(11)을 떠난 후 하방으로 상기 반응기의 내부를 통과하는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항에 있어서,
상기 워터 제트들은 상기 폐수막이 반응기축을 중심으로 회전하도록 상기 편향면(11) 위로 경사진 방식으로 향하는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항에 있어서,
적어도 또 다른 수막이 횡방향 개구들(12) 및 이들 개구들에 반대로 놓인 편향면들(13)을 통해 형성되고, 수막(15)은 생성된 가스에 노출된 환형 분배기 또는 급냉 챔버의 냉각된 벽들에 달라붙는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가스화 반응기의 슬래그 배스로부터 나온 고체 물질을 함유하는 물이 물로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가스화 반응기의 슬래그 배스의 물 순환 연결 하류로부터 온 물이 물로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.