KR101865029B1 - 가스화 반응기 및 방법 - Google Patents

Abstract

탄소질 공급물의 가스화에 의한 합성 가스의 생산을 위한 가스화 반응기 (1) 및 방법이다. 반응기는 슬래그 함유 고온 합성 가스 스트림을 배출하기 위한 배출 채널 (4) 과 급랭 가스 유동을 배출 채널 (4) 로 공급하기 위한 급랭 가스 공급 유닛 (5) 을 갖는 가스화기 유닛을 포함한다. 급랭 가스의 유동 방향과 일렬인 블라스트 랜스와 같은 적어도 하나의 블라스트 노즐 (12) 을 포함하는 적어도 하나의 블라스터 (10) 가 배열된다. 블라스터 (10) 는 합성 가스, 질소, 이산화탄소, 증기 등과 같은 가압된 가스의 공급원에 연결될 수 있다. 블라스터는 슬래그 퇴적물을 날려버리기 위해서 주기적으로 작동될 수 있다.

Description

가스화 반응기 및 방법{GASIFICATION REACTOR AND PROCESS}

본 발명은 탄소질 공급물의 가스화 (gasification) 에 의한 합성 가스 (syngas) 의 생산을 위한 가스화 반응기 및 방법에 관한 것으로, 가스화 반응기는 슬래그 함유 고온 합성 가스 (slag-loaded hot syngas) 의 스트림을 배출하기 위한 배출 채널 및 급랭 가스 (quench gas) 의 유동을 배출 채널에 공급하기 위한 급랭기 (quencher) 를 갖는 가스화기 (gasifier) 유닛을 포함한다.

합성적 가스 (synthetic gas) 또는 합성 가스의 생산을 위한 가스화 방법에서, 미분탄 (pulverized coal) 과 같은 탄소질 공급물은 가스화 반응기에서 부분적으로 산화된다. 초기에, 합성 가스는 통상적으로 1,300 ~ 1,600 ℃ 의 온도를 갖는다. 고온 합성 가스는 액상 슬래그 액적을 포함한다. 열 교환기에서의 파울링을 회피하기 위해서, 가스화기를 떠나는 가스에 혼입된 액상 슬래그 액적을 고형화 (solidify) 시키고 액상 슬래그 액적을 끈적이지 않는 온도로 냉각시킬 필요가 있다. 이는 가스화기를 떠나는 전체 가스 스트림이 슬래그 연화 온도 (softnening temperature) 보다 훨씬 아래의 온도로 냉각되어야 하는 것을 의미한다. 이를 위해서, 가스화 반응기를 떠나는 고온 합성 가스는 세척되고 냉각된 합성 가스를 하나 이상의 열 교환기로 전달하기 전에 가스 스트림안으로 재공급하는 것에 의해서 1,000 ~ 700 ℃ 사이의 온도로 급랭된다. 이 재순환된 냉각된 가스는 일반적으로 급랭 가스로 불린다.

EP 0 347 986 A1 은 냉각되고 재순환된 가스가 가스화 반응기를 떠날 때 이를 원가스 생성물 (raw gas product) 에 주입하는 노즐을 갖는 교체 가능한 급랭 가스 주입 링을 개시한다. 재순환된 냉각된 가스는 고온 합성 가스에 균일하게 혼합되어야 하고 냉각 가스 막 (film) 은 급랭 가스의 공급 라인이 가스 스트림으로 빠져나가는 벽 인근에 형성되어야 한다.

작동시에, 통상적으로 위쪽으로 유동하는 고온 합성 가스 스트림은 냉각된 재순환된 가스와 혼합되는 퇴적된 슬래그의 수직 직립 비어드 (beard) 및 석순 (stalagmite) 을 형성한다. 이 슬래그 퇴적물은 가스 유동을 방해한다. 이 퇴적물이 너무 커지면, 바람직한 냉각 가스 막이 더이상 얻어질 수 없고 냉각된 가스는 고온 가스 유동에 불균일하게 혼합된다.

본 발명의 목적은 급랭 가스가 고온 가스 유동에 혼합되는 지점에서의 큰 슬래그 퇴적물을 방지하는 효과적인 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 탄소질 공급물의 가스화에 의한 합성 가스의 생산을 위한 가스화 반응기로 달성되고, 가스화 반응기는 슬래그 함유 고온 합성 가스의 스트림을 배출하기 위한 배출 채널과 급랭 가스의 유동을 배출 채널에 공급하기 위한 급랭 가스 공급 유닛을 포함하고, 급랭 가스의 유동 방향과 일렬인 적어도 하나의 블라스트 노즐을 포함하는 적어도 하나의 블라스터 (blaster) 가 배열된다.

이 방식으로, 슬래그 퇴적물은 블라스터를 작동시킴으로써 효과적으로 제거될 수 있다. 블라스트 노즐이 급랭 가스의 유동 방향과 일렬로 있기 때문에, 급랭 가스 유동을 방해할 수 있는 슬래그 퇴적물을 날려버릴 수 있다. 이는 블라스트 방향이 급랭 가스의 유동 방향에 엄격하게 평행이어야 한다는 의미는 아니다.

적어도 하나의 블라스터는 예를 들어 합성 가스, 질소, 이산화탄소, 증기 및 이들의 혼합물의 군 (group) 으로부터 선택된 가압된 블라스트 가스 공급원에 연결될 수 있다.

특정 실시예에서, 블라스터는 복수의 격실로 나뉘어지고, 각각은 하나 이상의 블라스트 랜스 (lance) 를 포함하고, 짝수개의 대향 격실은 배출된 합성 가스 스트림의 중앙으로의 블라스트 충격을 완화시키도록 대칭으로 작동된다. 블라스터는 예를 들어 4 ~ 16 개의 격실, 예를 들어 8 개의 격실로 나뉘어질 수 있고, 각각의 격실은 다수의 블라스트 랜스를 포함한다. 2 개의 대향 블라스터 격실을 작동시킴으로써 대칭적인 블라스팅이 모든 블라스트 랜스를 동시에 작동시킬 필요 없이 달성될 수 있다.

슬래그 비어드는 통상적으로 가스 배출 채널로 개방되고 고온 합성 가스가 급랭 영역에서 냉각 급랭 가스로 급랭되는 가스화기의 상부 가장자리부에서 성장한다. 급랭 영역은 통상적으로 개구부 방향으로 아래쪽으로 비스듬하고 수평선에 예각을 이루며, 결과적으로 가스화 반응기와 급랭 영역 사이에 예리한 상부 가장자리부를 이루는 하부를 갖는다. 분사된 (blasted) 슬래그 비어드가 이 상부 가장자리부에 약간의 잔존 슬래그 퇴적물을 남기면, 이 잔여 퇴적물은 새로운 슬래그 비어드의 성장을 시작할 수 있다. 이를 방해하기 위해서, 슬래그 퇴적물은 바람직하게는 어떤 잔여물도 남김 없이 완전히 날려져야 한다. 이를 위해, 블라스터는 가스화 반응기의 상부 가장자리부로 배향될 수 있다. 블라스터는 바람직하게는 급랭 가스의 유동 방향보다 0.1 ~ 5 도 가파른 블라스트 각도 하에서 분사하도록 배향되고, 이 각도는 급랭 영역의 비스듬한 하부에 실질적으로 평행하다.

효과적인 세척을 위해서, 블라스터는 배출 채널의 방사상 방향으로 인접한 랜스 사이에 1 ~ 3 도의 각도로 연장되는 다수의 블라스트 랜스를 포함할 수 있다.

예를 들어 적어도 하나의 블라스터는 주기적으로 작동될 수 있다. 최적의 속도로 블라스트 가스를 분사하기 위해서, 블라스트 가스의 압력은 배출된 합성 가스의 압력보다 예를 들어 10 ~ 100 바 (bar) 높게 유지될 수 있다. 가스는 예를 들어 30 ~ 300 m/s 의 속도로 급랭 영역에 분사될 수 있다.

블라스트 노즐을 개방 및 자유롭게 유지하기 위해서 블라스터는 주기적으로 방출되는 블라스트 유동에 더하여 연속적인 퍼지 유동 (purge flow) 을 방출하도록 작동될 수 있다. 이는 또한 블라스터 선단 (tip) 이 냉각되고 합성 가스로부터의 열 복사에 대해 보호되는 장점을 갖는다.

본 발명의 전형적인 실시예는 이하 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 가스화 반응기의 길이방향 단면도를 개략적으로 도시한다;
도 2 는 도 1 의 가스화 반응기의 급랭 구역의 방사상 단면을 상세하게 도시한다;
도 3 은 도 1 의 가스화 반응기의 급랭 영역을 평면으로 도시한다.

도 1 에 도시된 가스화 반응기 (1) 는 수직으로 배향된 긴 (elongated) 압력 컨테이너 (3) 에 가스화기 유닛 (2) 을 포함한다. 가스화기 유닛 (2) 에 탄소질 공급물, 예를 들어 미분탄이 공급되고, 이 탄소질 공급물은 합성 가스를 형성하기 위해 가스화기 유닛 (2) 의 다수의 버너 (도시되지 않음) 에 의해서 부분적으로 연소된다. 상단부에서 가스화기 유닛 (2) 은 급랭 영역 (18) 으로 개방되는 합성 가스 배출구 (15) 를 포함한다. 급랭 영역 (18) 은 예리한 상부 가장자리부 (16) 를 형성하는 합성 가스 배출구 (15) 주변에 약간 비스듬한 하부 (19) 를 갖는다. 급랭 영역 (18) 은 배출 채널 (4) 의 시작부를 형성한다. 급랭 영역 (18) 에서 급랭 가스 공급 유닛 (5) 은 배출된 합성 가스에 의해 운반된 슬래그 입자의 연화점 아래로 합성 가스를 냉각시키기 위해서 냉각 급랭 가스를 배출된 고온 합성 가스 스트림 (A) 에 혼합하도록 배열된다. 급랭된 가스는 급랭 가스 공급 유닛 (5) 으로부터 급랭 가스의 유동 방향 (B) 으로 배출 채널 (4) 안으로 그리고 추가적인 냉각을 위해 고온 합성 가스를 열 교환기 (도시되지 않음) 로 운반하는 추가의 하류 급랭 가스 공급 유닛 (5) 으로 유동한다. 급랭 가스 공급 유닛 (5) 은 배출 채널 (4) 및 가스화기 유닛 (2) 과 동축인 원형 배열의 방사상으로 연장되는 급랭 가스 공급 채널 (6) 을 포함한다. 급랭 가스 공급 채널 (6) 은 배출 채널 (4) 의 중앙 라인 (X) 을 향해 배향된 개방 단부 (7) 를 갖고, 한편 다른 단부는 급랭 가스 공급 라인 (8) 에 연결된다. 급랭 가스 공급 라인 (8) 으로부터 개방 단부 (7) 까지, 급랭 가스 공급 채널 (6) 은 아래쪽으로 비스듬하다.

배출된 고온 합성가스가 급랭 가스에 의해서 슬래그 입자의 연화점 아래의 온도로 냉각될 때, 이 슬래그 입자는 도 2 에 도시된 바와 같이 퇴적되어 직립 석순 (17) 을 형성한다.

급랭 가스 공급 채널 (6) 근처에서 가스화 반응기 (1) 에는 도 2 에서 상세하게 및 도 3 에서 평면도로 도시된 바와 같은, 블라스터 (10) 가 더 구비된다. 블라스터 (10) 는 8 개의 격실 (11) 로 이루어진다. 각각의 격실 (11) 은 복수의 방사상으로 연장되는 블라스트 랜스 (12) 를 포함한다. 각각의 블라스트 랜스 (12) 는 인접한 블라스트 랜스 (12) 와 약 2 도의 각도를 이루고, 결과적으로 평균 거리가 약 11 ㎜ 가 된다.

블라스트 랜스 (12) 는, 급랭 가스의 유동 방향 (B) 진로에 기립한 슬래그 퇴적물을 날려버리기 위해서 급랭 가스의 유동 방향 (B) 과 일렬인 방향 (C) (도 2 참조) 으로 분사하도록 배향된다. 블라스터 (10) 는 급랭 영역 (18) 의 비스듬한 하부 (19) 와 각도 (α) 하에서 분사하도록 배향된다. 각도 (α) 는 바람직하게는 0.1 ~ 5 도이다.

슬래그 퇴적물은 특히 가스화기 유닛 (2) 의 상단부에서 상부 가장자리부 (16) 에 형성된다. 슬래그 비어드가 날려질 때, 이 슬래그 비어드는 약간의 잔존 슬래그 퇴적물을 이 상부 가장자리부 (16) 에 남길 수 있고, 이는 새로운 슬래그 비어드의 성장을 시작할 수 있다. 이를 방해하기 위해서, 슬래그 퇴적물은 바람직하게는 어떤 잔여물도 남김 없이 완전히 날려져야 한다. 이를 위해, 이 실시예의 블라스터 (10) 는 가스화기 유닛 (2) 의 이 상부 가장자리부 (16) 로 배향된다.

각각의 블라스트 랜스 (12) 는 공급 라인 (14) 에 연결된 원형 분배 라인 (13) 을 통해서 가압된 블라스트 가스의 공급원에 연결된다. 블라스트 랜스는 가스를 30 ~ 300 m/s 의 속도로 분사할 수 있다. 블라스트 가스의 압력은 배출된 합성 가스의 압력보다 10 ~ 100 바 높다. 쌍으로 된 대향 격실 (11) 은 배출된 합성 가스 스트림의 중앙 라인 (X) 으로의 블라스트 충격을 완화시키도록 대칭으로 작동된다.

블라스터 (10) 는 가스화기 유닛 (2) 의 상단부 개구부 주변의 슬래그 퇴적물을 날려 버리도록 주기적으로 작동되고, 고온 합성 가스는 급랭 가스에 의해 냉각된다. 블라스터 (10) 는 또한 주기적으로 방출되는 블라스트 유동에 더해서 연속적인 퍼지 유동을 방출한다.

Claims (14)

1. 탄소질 공급물의 가스화에 의한 합성 가스의 생산을 위한 가스화 반응기 (1) 로서,
   상기 가스화 반응기는 슬래그 함유 고온 합성 가스 (slag-loaded hot syngas) 의 스트림을 배출하기 위한 배출 채널 (4) 을 갖는 가스화기 유닛 (2) 및 급랭 가스의 유동을 상기 배출 채널 (4) 에 공급하기 위한 급랭 가스 공급 유닛 (5) 을 포함하고,
   상기 가스화기 유닛 (2) 은 상단부에서 급랭 영역 (18) 으로 개방되는 합성 가스 배출구 (15) 를 포함하며,
   상기 급랭 영역 (18) 은 상부 가장자리부 (16) 를 형성하는 합성 가스 배출구 (15) 주변에 비스듬한 하부 (19) 를 갖으며, 상기 급랭 영역 (18) 은 배출 채널 (4) 의 시작부를 형성하고,
   상기 급랭 가스의 유동 방향 (B) 과 일렬인 적어도 하나의 블라스트 랜스 (12) 를 포함하는 적어도 하나의 블라스터 (10) 가 배열되고,
   적어도 하나의 블라스터 (10) 는 상기 가스화기 유닛 (2) 이 상기 배출 채널 (4) 로 개방되는 상기 가스화 반응기 (1) 의 상기 가스화기 유닛 (2) 의 합성 가스 배출구의 상부 가장자리부 (16) 로 배향되는, 가스화 반응기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 블라스터 (10) 는 합성 가스, 질소, 이산화탄소, 증기 및 이들의 혼합물의 군으로부터 선택된 가압된 가스의 공급원에 연결된, 가스화 반응기.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 블라스터 (10) 는 급랭 가스의 유동 방향 (B) 보다 0.1 ~ 5 도 가파른 블라스트 각도 (α) 하에서 분사하도록 배향되고, 상기 각도 (α) 는 급랭 영역 (18) 의 비스듬한 하부 (19) 에 평행한, 가스화 반응기.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 블라스터 (10) 는 복수의 격실 (11) 로 나눠지고, 각각은 하나 이상의 블라스트 랜스 (12) 를 포함하고, 짝수의 대향 격실이 배출된 합성 가스 스트림의 중앙으로의 블라스트 충격을 완화시키기 위해 대칭으로 작동되도록 구성되는, 가스화 반응기.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 블라스터는 4 ~ 16 개의 격실 (11) 로 나눠지고, 각각의 격실은 다수의 블라스트 랜스 (12) 를 포함하는, 가스화 반응기.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 급랭 가스 공급 유닛 (5) 은 상기 가스화기 유닛의 상기 상부 가장자리부 (16) 로 아래쪽으로 비스듬한 하부를 갖는 급랭 영역 (18) 에 위치되고 상기 블라스터 (10) 는 상기 급랭 영역 (18) 의 비스듬한 하부보다 0.1 ~ 5 도 가파른 블라스트 각도 하에서 분사하도록 배향된, 가스화 반응기.
7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 블라스터 (10) 는 인접한 랜스 사이에 1 ~ 3 도의 각도로 배출 채널 (4) 의 방사상 방향으로 연장되는 다수의 블라스트 랜스 (12) 를 포함하는, 가스화 반응기.
8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 급랭 가스 공급 유닛 (5) 은 배출 채널 (4) 및 가스화기 유닛 (2) 과 동축인 원형 배열의 방사상으로 연장되는 급랭 가스 공급 채널 (6) 을 포함하는, 가스화 반응기.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 급랭 가스 공급 채널 (6) 은 배출 채널 (4) 의 중앙 라인 (X) 을 향해 배향된 개방 단부 (7) 를 갖고, 다른 단부는 급랭 가스 공급 라인 (8) 에 연결되며, 급랭 가스 공급 채널 (6) 은 급랭 가스 공급 라인 (8) 으로부터 개방 단부 (7) 까지 아래쪽으로 비스듬한, 가스화 반응기.
10. 슬래그 함유 고온 합성 가스 스트림을 배출하기 위한 배출 채널 (4) 로 개방되는 가스화기 유닛 (2) 을 포함하는 가스화 반응기 (1) 에서 탄소질 공급물의 가스화에 의한 합성 가스 생산 방법으로서,
    상기 가스화기 유닛 (2) 은 상단부에서 급랭 영역 (18) 으로 개방되는 합성 가스 배출구 (15) 를 포함하며,
    급랭 영역 (18) 은 상부 가장자리부 (16) 를 형성하는 합성 가스 배출구 (15) 주변에 비스듬한 하부 (19) 를 갖으며, 급랭 영역 (18) 은 배출 채널 (4) 의 시작부를 형성하고,
    상기 생산 방법은:
    급랭 가스 공급 유닛 (5) 을 이용하여 급랭 가스 유동을 상기 배출 채널 (4) 로 공급하는 단계,
    상기 급랭 가스의 유동 방향 (B) 과 일렬로 배향된 적어도 하나의 블라스트 랜스 (12) 를 포함하는 적어도 하나의 블라스터 (10) 를 주기적으로 작동하는 단계를 포함하고,
    적어도 하나의 블라스터 (10) 는, 상기 가스화기 유닛 (2) 이 상기 배출 채널 (4) 로 개방되는 상기 가스화 반응기 (1) 의 상기 가스화기 유닛 (2) 의 합성 가스 배출구의 상부 가장자리부 (16) 로 배향되는, 합성 가스 생산 방법.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 블라스트 랜스 (12) 로부터 방출되는 가스의 압력은 배출된 합성 가스의 압력보다 10 ~ 100 바 더 높은, 합성 가스 생산 방법.
12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 블라스터 (10) 의 적어도 일부는 주기적으로 방출된 블라스트 유동 이외에 연속적인 퍼지 유동을 방출하도록 작동되는, 합성 가스 생산 방법.
13. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 블라스터 (10) 는 복수의 격실 (11) 로 나눠지고, 각각은 하나 이상의 블라스트 랜스 (12) 를 포함하며,
    상기 생산 방법은:
    배출된 합성 가스 스트림의 중앙으로의 블라스트 충격을 완화시키기 위해 짝수의 대향 격실을 대칭으로 작동하는 단계를 포함하는, 합성 가스 생산 방법.
14. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 블라스터 (10) 는 상기 가스를 30 ~ 300 m/s 의 속도로 분사 (blast) 하는, 합성 가스 생산 방법.

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