KR101993018B1 - 가스화 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소질 피드를 위한 프로세스 및 반응기에 관한 것이다. 반응기는 ㆍ반응기 챔버 (2); ㆍ스팀 생성 열 교환 유닛들 (3, 15, 16); ㆍ적어도 하나의 스팀 드럼 (20); ㆍ하나 이상의 열 교환 유닛들 (3, 15, 16) 과 스팀 드럼 (20) 사이에서 물 및 스팀을 순환시키기 위한 재순환 라인들을 포함한다. 스팀 드럼은 스팀을 열 교환 유닛 (15) 및 과열된 스팀 라인 (30) 을 통해 과열된 스팀 헤더 (32) 에 이송하기 위한 스팀 피드 라인 (28) 을 추가로 포함한다. 과열된 스팀 라인 (30) 은 상기 스팀 드럼 (20) 을 통과하여 열 교환 라인 (35) 에 이르는 리턴 라인 (33), 및 헤더 피드 라인 (34) 으로 나누어진다.

Description

가스화 반응기{GASIFICATION REACTOR}
본 발명은 스팀 생성 열 교환 요소들을 포함하는 가스화 반응기에 관한 것이다. 또한 본 발명은 그러한 가스화 반응기에서 스팀 유동을 제어하는 프로세스에 관한 것이다.
가스화 반응기들은, 예를 들면 미분탄 (pulverized), 오일, 바이오매스, 가스 또는 임의의 다른 타입의 탄소질 피드와 같은 탄소질 피드의 부분적인 연소에 의해 합성 가스를 생산하기 위해 사용될 수 있다. 합성 가스는 전형적으로 고온들, 예를 들면, 1300 ℃ 또는 그보다 훨씬 높은 온도에서 가스화 반응기를 나간다. 가스를 냉각하도록, 가스는 열 교환 요소들을 따라 안내된다. 물이 냉각 매체로서 사용된다면 열 교환기들은 스팀을 생성하는 데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 가스화 프로세스에서 생성된 폐열은 경제적으로 사용될 수 있고 프로세스의 전체 효율은 실질적으로 개선된다.
폐열 회수 열 교환기들로부터 생성된 스팀은 일반적으로 스팀 드럼에서 물 및 스팀 혼합물로서 재수집된다. 스팀 드럼으로부터의 물은 이어서 열 교환기들로 재순환된다. 스팀 드럼에서의 스팀은 스팀 헤더로 배출될 수 있다. 스팀이 포화된 스팀이라면 스팀은 과열된 스팀을 형성하는 과열기를 통해 스팀 헤더로 이송될 수 있다.
열적 부하들로 기인하는 연관된 장비의 부식 및 손상을 감소시키거나 또는 회피하도록, 수집된 과열된 스팀의 온도는 너무 높지 않아야 한다.
본 발명의 목적은 전체적으로 프로세스의 경제적 효율을 개선시키고, 열적 부하들로부터 기인하는 손상을 감소시키는 것이다.
본 발명의 목적은 반응기 챔버, 하나 이상의 스팀 생성 열 교환 유닛들, 생성된 스팀을 재수집하기 위한 적어도 하나의 스팀 드럼 및 하나 이상의 열 교환 유닛들과 스팀 드럼 사이에 물과 스팀을 순환시키기 위한 재순환 라인들을 포함하는 가스화 반응기에 의해 달성된다. 스팀 드럼은 포화된 스팀을 과열기 및 과열된 스팀 라인을 통해 과열된 스팀 헤더로 향하게 하기 위한 스팀 피드 라인을 추가로 포함하고, 과열된 스팀 라인은 스팀 드럼을 통해 열 교환 라인에 이르는 리턴 라인, 및 헤더 피드 라인으로 나누어진다. 하나 이상의 밸브들은 리턴 라인 또는 헤더 피드 라인을 선택적으로 개방하거나 또는 폐쇄하기 위해 제공된다.
이는 예를 들면 스팀이 너무 뜨겁다면, 스팀 드럼을 통과하여 열 교환 라인으로 스팀을 재순환하는 것을 가능하게 하고, 이 경우 열은 스팀 드럼에서 물로 전달될 수 있다. 이러한 방식으로, 부가적인 스팀이 생성될 수 있고 과열기의 하류에서 장비의 오버히트 위험성은 실질적으로 감소될 수 있다.
스팀 드럼을 통과하는 열 교환 라인은 예를 들면 과열된 스팀 헤더에 이르는 2 차 과열된 스팀 피드 라인에 연결될 수 있다.
2 차 과열된 스팀 피드 라인은 예를 들면 과열된 스팀 피드 헤더 내에서 개방하기 전에 헤더 피드 라인과 결합할 수 있고, 따라서 2 차 라인으로부터의 냉각기 과열된 스팀은 헤더로 진입하기 전에 헤더 피드 라인으로부터의 과열된 스팀과 사전 혼합될 수 있다.
리턴 라인의 상류에서, 과열된 스팀 피드 라인에는 하나 이상의 온도 센서들이 제공될 수 있고 하나 이상의 밸브 제어 유닛들은 측정된 온도의 함수로서 리턴 라인 및 헤더 피드 라인을 통해 유동을 제어하도록 구성된다.
선택적으로, 스팀 드럼을 통과하는 열 교환 라인은 스팀이 응축되면서 산소를 예열하기 위한 직교류 열 교환기로의 라인에 연결될 수 있다. 직교류 열 교환기는 반응기 챔버로 예열된 산소를 공급하는 산소 피드 라인에 연결될 수 있다. 예열된 산소의 사용은 반응기의 연소 효율을 개선시킨다. 산소를 예열하기 위한 스팀의 사용으로 인해 외부 에너지 입력은 산소를 예열하기 위해 요구되지 않는다.
추가의 개선예에서 리턴 라인은 예를 들면, 폐열 회수 회로에서 재사용을 위해 직교류 열 교환기로부터 스팀 드럼으로 가압기를 통해 스팀 응축물을 복귀시킨다.
구체적인 실시형태에서 스팀 드럼과 과열된 스팀 헤더 사이에 열 교환 유닛은 반응기 챔버의 하류에서 폐열 회수 유닛을 포함한다. 이러한 폐열 회수 유닛은 예를 들면 특히 합성 가스로부터 스팀으로 열을 전달하기 위한 일련의 하류의 폐열 회수 유닛들 중 첫번째일 수 있다.
열 교환 유닛들은 예를 들면 가스 기밀성 벽을 형성하도록 상호 연결된 평행한 냉각 라인들로 만들어진 수냉식 멤브레인 벽을 포함할 수 있다. 유사하게, 반응기 챔버는 가스 기밀성 벽을 형성하도록 상호 연결된 평행한 냉각 라인들로 만들어진 멤브레인 벽을 포함할 수 있다. 이는 멤브레인 벽을 오버 히트에 대해 효과적으로 보호되게 하고 멤브레인 벽은 또한 스팀을 생성하기 위해 사용될 수 있다.
또한 본 발명은 과열된 스팀 헤더로의 과열된 스팀의 유동을 제어하는 프로세스에 관한 것이고, 스팀 드럼으로부터의 포화된 스팀은 과열기 내로 그리고 이어서 피드 라인을 통해 과열된 스팀 헤더로 공급되고, 상한치를 초과하는 온도의 과열된 스팀은 스팀 드럼을 통과하여 열 교환 라인으로 우회된다.
이어서, 스팀 드럼을 통해 열 교환 라인을 통과한 후에 스팀은 과열된 스팀 헤더 내로 공급될 수 있고 그리고/또는 산소의 역류를 교차시키는 직교류 열 교환기를 통해 통과될 수 있고 산소는 이어서 반응기 챔버에서의 버너들로 공급된다. 직교류 열 교환기를 통과한 후에 스팀은 이어서 가압기를 통해 스팀 드럼 내로 복귀 공급될 수 있다.
지금부터 본 발명의 예시적인 실시형태들이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다:
도 1 은 가스화 반응기의 예시적인 실시형태를 개략적으로 도시한다;
도 2 는 가스화 반응기의 제 2 예시적인 실시형태를 개략적으로 도시한다.
도 1 은 합성 가스를 생산하도록 탄소질 피드의 부분적인 연소를 위한 가스화 반응기 (1) 를 도시한다. 반응기 (1) 는 가스 기밀성 벽 구조를 형성하도록 상호 연결된 평행한 냉각 라인들 (도시 생략) 에 의해 형성된 멤브레인 벽 (3) 을 갖는 반응기 챔버 (2) 를 포함한다. 냉각 라인들은 예를 들면 수직 라인들 또는 나선형으로 권취된 평행한 라인들일 수 있다. 물은 멤브레인 벽 (3) 상에 열적 부하들을 감소시키도록 연소 프로세스 중에 냉각 라인들을 통해 유동한다. 물은 스팀으로서 또는 스팀 및 물의 혼합물로서 냉각 라인들을 나갈 것이다. 반응기 챔버 (2) 의 하부 단부는 슬래그 수집 배스 (4) 내로 개방된다. 반응기 챔버 (2) 의 상부 단부는 배출 채널 (5) 내로 개방된다. 반응기 챔버 (2), 슬래그 수집 배스 (4) 및 배출 채널 (5) 은 압력 용기 (8) 내에 케이싱된다.
배출 채널 (5) 의 상단 단부는 원통형 압력 용기 (11) 내부의 냉각 채널 (10) 의 상부 단부 내로 개방된다. 압력 용기 (11) 는 폐쇄된 상단 단부 (12) 및 합성 가스 배출 라인 (14) 에 연결된 하부 단부 (13) 를 포함한다. 냉각 채널 (10) 은 폐쇄된 압력 용기 상단 단부 (12) 로부터 합성 가스 배출 라인 (14) 으로 진행하고 과열기 (15) 및 일련의 하부 열 교환 유닛들 (16) 을 포함한다. 과열기 (15) 및 열 교환 유닛들 (16) 은 가스 기밀성 벽 구조들을 형성하도록 상호 연결된 평행한 냉각 라인들 (도시 생략) 로 만들어진다.
일련의 하부 열 교환 유닛들 (16) 의 각각의 하나는 적어도 하나의 유입구 (17) 및 적어도 하나의 배출구 (18) 를 갖는다. 유입구들 (17) 은 라인 (21) 을 통해 스팀 드럼 (20) 에 연결된다. 스팀 드럼에서 물은 스팀으로부터 분리된다. 또한 스팀 드럼 (20) 은 라인들 (19) 을 통해 배출구들 (18) 중 각각의 하나에 그리고 보일러 피드 물 스팀 공급 유닛 (boiler feed water steam supply unit) (22) 에 연결된다. 스팀 드럼 (20) 은 물 (23) 및 스팀 (24) 의 혼합물을 포함한다. 물은 스팀 드럼 (20) 으로부터 라인들 (21) 을 통해 열 교환 유닛들 (16) 의 유입구들 (17) 로 유동한다. 열 교환 유닛들 (16) 을 통해 통과하는 합성 가스로부터의 열은 냉각 라인들에서 물로 전달되어 스팀이 발생된다. 스팀은 라인들 (19) 을 통해 스팀 드럼 (20) 으로 복귀된다.
유사하게, 물은 스팀 드럼 (20) 으로부터 물 공급 라인들 (25) 을 통해 멤브레인 벽 (3) 의 냉각 라인들로 이송된다. 도시된 실시형태에서, 라인들 (25) 은 라인 (21) 로부터 분기된다. 대안적으로, 라인들 (25) 은 멤브레인 벽 (3) 의 냉각 라인들과 스팀 드럼 (20) 을 직접적으로 연결하는 개별적인 라인들일 수 있다. 물은 멤브레인 벽 (3) 을 냉각시키고 스팀이 발생되어 리턴 라인들 (26) 을 통해 스팀 드럼 (20) 으로 복귀된다.
스팀 라인 (28) 은 스팀 드럼 (20) 으로부터 과열기 (15) 의 유입구 (29) 로 진행된다. 과열된 스팀 라인 (30) 은 과열기 (15) 의 배출구 (31) 로부터 과열된 스팀 헤더 (32) 로 진행한다.
과열된 스팀 피드 라인 (30) 은 리턴 라인 (33) 및 헤더 피드 라인 (34) 으로 나누어진다. 리턴 라인 (33) 은 스팀 드럼 (20) 을 통해 열 교환 라인 (35) 에 이른다. 스팀 드럼 (20) 을 통과하는 열 교환 라인 (35) 은 과열된 스팀 헤더 (32) 에 이르는 2 차 과열된 스팀 피드 라인 (36) 에 연결된다. 2 차 과열된 스팀 피드 라인 (36) 은 피드 라인 (34) 이 과열된 스팀 헤더 (32) 내로 개방되는 지점 전에 헤더 피드 라인 (34) 과 결합한다.
밸브들 (37, 38) 은 리턴 라인 (33) 또는 헤더 피드 라인 (34) 을 선택적으로 개방하거나 또는 폐쇄하기 위해 구성된다.
리턴 라인 (33) 의 상류에, 과열된 스팀 피드 라인 (30) 에는 하나 이상의 온도 센서들 (도시 생략) 이 제공된다. 밸브 제어 유닛 (도시 생략) 은 공급된 과열된 스팀의 측정된 온도의 함수로서 리턴 라인 (33) 및 헤더 피드 라인 (34) 을 통해 유동을 제어하도록 구성된다. 과열된 스팀 피드 라인 (30) 에서 과열된 스팀의 측정된 온도가 규정된 상한치를 초과한다면, 밸브 (37) 는 개방되지만 밸브 (38) 는 폐쇄된다. 과열된 스팀은 리턴 라인 (33) 및 스팀 드럼 (20) 을 통과하는 열 교환 라인 (35) 통해 우회되고, 과열된 스팀은 허용 가능한 온도 레벨 밑으로 냉각된다. 이어서, 과열된 스팀은 2 차 과열된 스팀 피드 라인 (34) 을 통해 과열된 스팀 헤더 (32) 로 이송된다. 이러한 방식으로, 과도한 열은 스팀 드럼에서 부가적인 스팀을 생성하도록 사용된다. 이러한 부가적으로 생산된 스팀은 과열기에 보다 양호한 냉각을 제공하고 결과적으로 라인 (30) 에서 과열기 스팀 배출구 온도를 낮춘다. 이러한 방식으로, 과열된 스팀의 온도는 장비의 오버히트를 회피하도록 효과적으로 충분히 낮게 유지될 수 있어서 반응기 부품들의 수명을 증가시킨다.
도 2 는 가스화 반응기 (40) 의 대안적인 실시형태를 도시한다. 도 2 에서 동일한 도면 부호는 도 1 실시형태에서와 동일한 부품들에 대해 사용된다. 도 1 의 실시형태에서와 같이, 도 2 의 가스화 반응기 (40) 는 가스 기밀성 벽 구조를 형성하도록 상호 연결된 평행한 냉각 라인들 (도시 생략) 에 의해 형성된 멤브레인 벽 (3) 을 갖는 반응기 챔버 (2) 를 포함한다. 냉각 채널 (10) 은 물 공급 라인들 (21) 및 스팀 리턴 라인들 (19) 에 의해 스팀 드럼 (20) 에 연결된 과열기 (15) 및 일련의 하부 열 교환 유닛들 (16) 을 포함한다. 유사하게, 물은 스팀 리턴 라인들 (26) 을 통해 스팀 드럼 (20) 으로 스팀으로서 복귀하도록 스팀 드럼 (20) 으로부터 멤브레인 벽 (3) 의 냉각 라인들로 유동한다.
스팀 라인 (28) 은 스팀 드럼 (20) 으로부터 과열기 (15) 로 진행한다. 과열된 스팀 라인 (30) 은 과열기 (15) 로부터 과열된 스팀 헤더 (32) 로 진행한다.
과열된 스팀 피드 라인 (30) 은 리턴 라인 (33) 및 헤더 피드 라인 (34) 으로 나누어진다. 리턴 라인 (33) 은 스팀 드럼 (20) 을 통과하여 열 교환 라인 (35) 에 이른다. 스팀 드럼 (20) 을 통과하는 열 교환 라인 (35) 은 직교류 열 교환 유닛 (42) 을 향하는 라인 (41) 에 연결된다. 직교류 열 교환 유닛 (42) 에서 열은 스팀으로부터 산소의 역류로 전달된다. 스팀은 응축되고 이어서 응축된 스팀은 직교류 열 교환 유닛 (42) 의 통과 중에 스팀의 압력 손실에 대해 보상하도록 리턴 라인 (43) 을 통해 가압기 (46) 에 의해 스팀 드럼 (20) 으로 복귀된다. 산소 유동은 공기 분리기와 같은 산소원 (44) 으로부터 공급된다. 직교류 열 교환 유닛 (42) 을 통과한 후에 가열된 산소는 산소 라인 (45) 을 통해 반응기 챔버 (2) 로 이송된다.
추가의 가능한 대안적인 실시형태에서 직교류 열 교환 유닛 (42) 으로부터의 스팀은 스팀 드럼 (20) 으로 복귀되는 것이 아니라, 응축물 수집 유닛 (도시 생략) 으로 이송된다. 상기 경우에, 어떠한 가압기 (46) 도 요구되지 않는다.
낮게 과열된 스팀 온도들을 갖는 작동 조건에서, 라인들 (33 및 41) 로부터의 과열된 스팀을 대신하여 또는 이에 부가하여, 포화된 스팀이 산소 예열기와의 사용을 위해 밸브 (39) 를 통해 라인 (30) 으로 공급될 수 있다.

Claims (11)

  1. 가스화 반응기 (1) 로서:
    반응기 챔버 (2);
    반응기 챔버 (2) 의 합성 가스 배출구에 연결되는 냉각 채널 (10) 로서, 일련의 스팀 생성 열 교환 유닛들 (3, 15, 16) 을 포함하고, 상기 열 교환 유닛들 (3, 15, 16) 중 적어도 하나는 과열기 (15) 인 것인 냉각 채널 (10);
    적어도 하나의 스팀 드럼 (20);
    하나 이상의 상기 스팀 생성 열 교환 유닛들 (3, 15, 16) 과 상기 스팀 드럼 (20) 사이에서 물 및 스팀을 순환시키기 위한 재순환 라인들,
    과열된 스팀 헤더 (32),
    상기 스팀 드럼 (20) 으로부터 상기 과열기 (15) 로 스팀을 이송하도록 구성되는 스팀 피드 라인 (28),
    상기 과열기 (15) 로부터 상기 과열된 스팀 헤더 (32) 로 과열된 스팀을 이송하도록 구성되는 과열된 스팀 라인 (30) 으로서, 상기 스팀 드럼 (20) 을 통과하여 열 교환 라인 (35) 에 이르는 리턴 라인 (33), 및 상기 과열된 스팀 헤더 (32) 에 이르는 헤더 피드 라인 (34) 으로 나누어지는 것인 과열된 스팀 라인 (30),
    상기 리턴 라인 (33) 을 선택적으로 개방하거나 폐쇄하도록 구성되는 제 1 밸브 (37),
    상기 헤더 피드 라인 (34) 을 선택적으로 개방하거나 폐쇄하도록 구성되는 제 2 밸브 (38), 및
    상기 스팀 드럼 (20) 을 통과하여 상기 열 교환 라인 (35) 의 배출구에 연결되는 2 차 과열된 스팀 피드 라인 (36) 으로서, 제 2 밸브 (38) 및 상기 과열된 스팀 헤더 (32) 사이에서 상기 헤더 피드 라인 (34) 에 연결되는 2 차 과열된 스팀 피드 라인 (36)
    을 포함하는, 가스화 반응기 (1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 리턴 라인 (33) 의 상류에서 상기 과열된 스팀 피드 라인 (30) 에는 하나 이상의 온도 센서들이 제공되고, 하나 이상의 밸브 제어 유닛들은 측정된 온도에 대해 반응하여 각각 상기 리턴 라인 및 상기 헤더 피드 라인을 개방 또는 폐쇄하도록 구성되는, 가스화 반응기 (1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 스팀 드럼 (20) 을 통과하는 상기 열 교환 라인 (35) 은 산소를 예열하기 위한 직교류 (cross flow) 열 교환기 (42) 로의 라인에 연결되고, 상기 직교류 열 교환기는 상기 반응기 챔버 (2) 에서 하나 이상의 버너들에 예열된 산소를 공급하는 산소 피드 라인 (45) 에 연결되는, 가스화 반응기 (1).
  4. 제 3 항에 있어서,
    리턴 라인 (43) 은 상기 직교류 열 교환기 (42) 로부터 상기 스팀 드럼 (20) 으로 가압기 (46) 를 통해 응축된 스팀을 복귀시키는, 가스화 반응기 (1).
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 스팀 드럼 (20) 과 상기 과열된 스팀 헤더 (32) 사이의 상기 열 교환 유닛 (15) 은 상기 반응기 챔버 (2) 의 하류에서의 폐열 회수 유닛 (15) 인, 가스화 반응기 (1).
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 폐열 회수 유닛 (15) 은 일련의 하류 폐열 회수 유닛들 (16) 중 첫번째인, 가스화 반응기 (1).
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열 교환 유닛들 (15, 16) 의 적어도 하나는 가스 기밀성 벽을 형성하도록 상호 연결된 평행한 냉각 라인들로 만들어진 수냉식 멤브레인 벽인, 가스화 반응기 (1).
  8. 제 1 항에 따른 가스화 반응기에서 과열된 스팀 헤더 (32) 로의 과열된 스팀의 유동의 온도를 감소시키는 프로세스로서,
    스팀 드럼 (20) 으로부터의 포화된 스팀은 과열기 (15) 내로 그리고 이어서 피드 라인 (30) 을 통해 상기 과열된 스팀 헤더로 공급되고, 상한치를 초과하는 온도의 과열된 스팀은 상기 스팀 드럼 (20) 에서 부가적인 스팀을 발생시키도록 상기 스팀 드럼을 통과하여 열 교환 라인 (35) 으로 우회되는, 과열된 스팀 헤더 (32) 로의 과열된 스팀의 유동의 온도를 감소시키는 프로세스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 스팀 드럼을 통해 상기 열 교환 라인 (35) 을 통과한 후에 스팀은 이어서 상기 과열된 스팀 헤더 (32) 내로 공급되는, 과열된 스팀 헤더 (32) 로의 과열된 스팀의 유동의 온도를 감소시키는 프로세스.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서
    상기 스팀 드럼을 통해 상기 열 교환 라인 (35) 을 통과한 후에 스팀은 이어서 산소의 역류를 교차시키는 직교류 열 교환기 (42) 를 통과하고, 상기 산소는 이어서 상기 반응기 챔버에서 하나 이상의 버너들에 공급되는, 과열된 스팀 헤더 (32) 로의 과열된 스팀의 유동의 온도를 감소시키는 프로세스.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 직교류 열 교환기 (42) 를 통과한 후에 스팀은 이어서 가압기 (46) 를 통해 상기 스팀 드럼 내로 다시 공급되는, 과열된 스팀 헤더 (32) 로의 과열된 스팀의 유동의 온도를 감소시키는 프로세스.
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