KR102093052B1 - 가스화 시스템 및 가스화 방법 - Google Patents

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Abstract

적어도 합성 가스를 제공하기 위한 탄소질 공급 원료의 부분 산화용 가스화 시스템은, 리액터 챔버 바닥을 갖고, 탄소질 공급 원료를 수용하고 부분 산화하는 리액터 챔버; 액체 냉각제 배스(bath)를 유지하기 위한, 리액터 챔버 바닥 아래의 급냉(quench) 챔버; 리액터 챔버 바닥에 있는 중간 섹션으로서, 합성 가스를 리액터 챔버로부터 급냉 챔버의 배스로 안내하도록 리액터 챔버를 급냉 챔버와 소통시키는 리액터 유출 개구를 갖는 것인 중간 섹션; 리액터 챔버 바닥 상에 배치되고 리액터 챔버 바닥에 의해 지지되는 하나 이상의 내화 벽돌층으로서, 내화 벽돌의 하부 단부 섹션은 리액터 유출 개구를 에워싸고 그 내경을 획정하는 것인 적어도 하나의 내화 벽돌층; 및 액체 냉각제를 리액터 챔버 바닥 상의 반할관을 통해 순환시키기 위해 액체 냉각제의 소스와 소통하는 펌프 시스템을 포함하고, 중간 섹션은 내화 벽돌의 하부 단부 섹션에 반대되는 리액터 챔버 바닥의 측면에서 리액터 챔버 바닥의 적어도 일부에 배치되는 액체 냉각제를 위한 다수의 반할관을 포함한다.

Description

가스화 시스템 및 가스화 방법
본 발명은 탄소질 공급물의 부분 연소에 의해 합성 가스를 생성하기 위한 가스화 시스템 및 가스화 방법에 관한 것이다.
탄소질 공급물은, 예컨대 미분탄, 석탄 슬러리, 바이오 매스, (중질) 오일, 원유 잔유물, 바이오 오일, 탄화수소 가스 또는 임의의 다른 유형의 탄소질 공급물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 액체 탄소질 공급물은, 예컨대 석탄 슬러리, (중질) 오일, 원유 잔유물, 바이오 오일 또는 임의의 다른 유형의 탄소질 공급물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
여기에서 사용되는 신가스(syngas) 또는 합성 가스는 수소, 일산화탄소 및 잠재적으로 일부 이산화탄소를 포함하는 가스 혼합물이다. 신가스는, 예컨대 연료로서 사용되거나, 합성 천연 가스(Synthetic Natural Gas; SNG)를 생산하고 암모니아, 메탄올, 수소, 왁스, 합성 탄화수소 연료 또는 석유 제품을 생산하기 위한 중간체로서 사용되거나, 다른 화학 프로세스의 원료로서 사용될 수 있다.
본 개시는 신가스를 생산하기 위한 가스화 리액터 및 리액터로부터의 신가스를 수용하는 급냉 챔버(quench chamber)를 포함하는 시스템에 관한 것이다. 리액터의 신가스 유출구는 관형 침적관(diptube)을 통해 급냉 챔버와 유동적으로 연결된다. 예컨대, US4828578 및 US5464592에 도시된 타입의 부분 산화 가스화 장치(gasifier)는 내화 벽돌 또는 내화 라이닝으로도 일컫는 내화 점토 벽돌과 같은 하나 이상의 절연 내화재층으로 둘러싸이고, 외측 강제(鋼製) 외피 또는 외측 용기에 수납되는 고온 반응 챔버를 포함한다.
W09532148A1에 설명된 바와 같은 탄화수소 함유 액체 연료의 부분 산화를 위한 프로세스는 앞서 인용한 특허에 제시된 타입의 가스화 장치와 함께 사용될 수 있다. US9032623, US4443230 및 US4491456에 개시된 것과 같은 버너가 앞서 인용한 특허에 제시된 타입이 가스화 장치와 함께 사용되어, 탄화수소 함유 액체 연료를, 산소 그리고 또한 잠재적으로는 조절자 가스와 함께, 가스화 장치의 반응 챔버 내로 하방으로 또는 측방으로 안내할 수 있다.
연료가 가스화 장치 내에서 반응할 때, 반응 생성물 중 하나는 가스상 황화수소 부식제일 수 있다. 슬래그 또는 미연소 탄소도 또한 가스화 프로세스 중에 연료와 산소 함유 가스 간의 반응 부산물로서 형성될 수 있다. 반응 생성물과 슬래그의 양은 사용되는 연료 타입에 좌우될 수 있다. 석탄을 포함하는 연료는 전형적으로, 연료를 포함하는, 예컨대 중유 잔여물을 포함하는 액체 탄화수소보다 많은 슬래그를 생성할 것이다. 액체 연료의 경우, 부식제에 의한 부식과 신가스의 상승 온도가 더 두드러진다.
슬래그 또는 미연소 탄소도 또한 잘 알려진 부식제이며, 가스화 장치의 내벽을 따라 수조로 점차적으로 하방으로 흐른다. 수조는 반응 챔버로부터 나오는 신가스를 냉각하고, 또한 수조로 떨어지는 임의의 슬래그 또는 미연소 탄소를 냉각한다.
하방 흐름 신가스는 수조에 도달하기 전에 가스화 리액터의 바닥부에 있는 중간 섹션을 통해 그리고 수조로 통하는 침적관을 통해 흐른다.
전술한 바와 같은 가스화 장치는 통상적으로 급냉 링도 또한 갖는다. 급냉 링은 통상적으로 Incoloy(R)과 같은 니켈계 합금 또는 크롬 니켈 철 합금과 같은 내부식성 및 내열성 재료로 형성될 수 있고, 냉각제인 물을 침적관의 내면에 대해 유입시키도록 구성된다.
US4828578 및 US5464592의 가스화 장치는 슬래그를 생성하는 탄소 및 물로 이루어진 슬러리를 포함하는 액체 연료를 위한 것이다. 급냉 링의 몇몇 부분은 하방 흐름 용융 슬래그 및 신가스의 유로 내에 위치하고, 급냉 링은 이에 따라 용융 슬래그 및/또는 신가스와 접촉할 수 있다. 고온 신가스와 접촉하는 급냉 링의 부분은 대략 1800 °F 내지 2800 °F (980 내지 1540 ℃)의 온도를 경험할 수 있다. 종래기술의 급냉 링은 이에 따라 열손상 및 열화학적 열화에 취약하다. 공급 원료에 따라, 슬래그는 또한 급냉 링 상에 고화되고 축적되어, 신가스 개구를 제한하고 궁극적으로 폐쇄할 수 있는 플러그를 형성할 수 있다. 더욱이, 급냉 링 상의 임의의 슬래그 축적은 급냉 링이 그 냉각 기능을 수행하는 능력을 감소시킬 것이다.
기지의 가스화 장치에서는, 반응 챔버의 금속 바닥부가 역전된 원추형 외피의 절두체 형태이다. 중간 섹션은 가스화 장치 바닥에 있는 중앙 신가스 유출 개구에 스로트(throat) 구조를 포함할 수 있다.
금속 가스화 장치 바닥은 금속 바닥을 덮는 세라믹 벽돌 및/또는 절연 벽돌과 같은 내화재를 지지하고, 가스화 장치 바닥 위에 있는 가스화 장치 용기의 내면을 덮는 내화재도 또한 지지한다. 가스화 장치 바닥은 하부 급냉 링 및 침적관도 또한 지지할 수 있다.
선단 에지라고도 알려진, 중간 섹션에 있는 가스화 장치 바닥의 둘레 에지는 고온, 고속 신가스(공급 원료의 속성에 따라, 침식성 애시의 입자에 비말 동반될 수 있음) 및 미연소 탄소(및/또는 슬래그)의 혹독한 환경에 노출될 수 있다. 여기에서, 슬래그의 양도 또한 공급 원료의 속성에 좌우될 수 있다.
종래기술의 가스화 시스템에서, 금속 바닥은, 선단 에지에서 시작하여 고온 신가스에 의해 생성된 혹독한 조건이 하부 급랭 링의 냉각 효과와 평형을 이룰 때까지 반경방향 외측으로 진행하면서 (가스화 장치의 중심축으로부터) 반경방향으로 소모된다. 금속 소모 작용은 이에 따라 “평형” 포인트 또는 “평형” 반경에 도달할 때까지 가스화 장치의 중심축으로부터 반경방향 외측으로 진행한다.
평형 반경은 때때로 가스화 장치의 중심축과 바닥의 선단 에지로부터 충분히 떨어져 있기 때문에, 바닥이 더 이상 상부 내화물을 견딜 수 없게 될 위험이 있다. 내화물 지지가 위태로운 경우, 가스화 장치는 바닥 재구성 작업 및 스로트 내화물 재배치 - 매우 시간 및 노동 집약적인 절차 - 를 위한 조기 운전 정지를 필요로 할 수 있다.
종래기술의 가스화 장치의 중간 섹션 또는 스로트 섹션에서의 다른 문제는, 급냉 링의 상부 만곡면이 가스화 장치의 최대 복사열과, 애시와 미연소 탄소(및 슬래그)를 포함할 수 있는 고속, 고온 신가스의 부식 및/또는 침식 효과에 노출된다는 것이다. 그러한 혹독한 조건은, 충분히 심각한 경우에 필요한 수리 작업을 위해 가스화 공정의 종결을 강제할 수 있는 급냉 링의 소모 문제도 또한 야기할 수 있다. 이러한 문제는, 상부 바닥이 상당량 소모된 경우에 악화되어, 급냉 링의 더 많은 부분이 고온 가스 및 미연소 탄소에 노출된다.
전술한 구성은 내화 벽돌, 금속 바닥 및 급냉 링의 마모 및 부식과 같은 빈번한 손상을 겪은 것으로 보고되었다. 스로트 섹션, 즉 리액터와 급냉 섹션 사이의 인터페이스는 아래의 문제를 가질 수 있다:
- 중간 섹션의 바닥 및 리액터 출구에서의 금속 지지 구조가 고온 및 부식성 고온 가스에 의해 유발되는 마모에 취약하고;
- 고온 건조 리액터와 습윤 급냉 영역 사이의 인터페이스는 파울링(fouling)에 취약하며;
- 급냉 링은 고온 신가스에 의해 과열될 위험이 있다.
US4801307은 내화 라이닝을 개시하며, 중앙 통로의 하류 단부에 있는 이 내화 라이닝의 편평한 밑면의 후방부는 급냉 링 커버에 의해 지지되는 한편, 내화 라이닝의 전방부는 급냉 링 페이스의 수직 다리부 및 커버 위로 돌출한다. 돌출부는 약 10도 내지 30도 범위의 각도로 하방으로 경사진다. 돌출부는 고온 가스로부터 차폐되는 내부 페이스를 제공한다. 내화성 보호 링이 급냉 링의 내부 페이스의 전방에 고정될 수 있다.
US7141085는 스로트 섹션과, 스로트 섹션에 스로트 개구를 지닌 금속 바닥을 구비하는 가스화 장치를 개시하며, 금속 바닥에 있는 스로트 개구는 금속 가스화 장치 바닥의 내주 에지에 의해 획정된다. 금속 가스화 장치 바닥은 부속물을 포함하는 저부를 갖는 금속 바닥의 내주 에지에 상부 내화 재료와 현수 내화 벽돌을 구비하며, 부속물은 금속 가스화 장치 바닥의 내주 에지의 일부 위로 돌출하도록 선택된 수직 크기를 갖는다. 급냉 링은 가스화 장치 바닥의 내주 에지에서 가스화 장치 바닥 아래에 위치하며, 부속물은 급냉 링의 상부면 위로 돌출할 만큼 충분히 길다.
US9057030은 급냉 링의 내주면 내에 배치되는 보호 배리어를 포함하는 급냉 링 보호 시스템을 구비하는 가스화 시스템을 개시한다. 급냉 링 보호 시스템은 적하 용융 슬래그를 급냉 링으로부터 멀어지게 배치하도록 구성된 적하 에지를 포함하고, 보호 배리어는 급냉 링의 축을 따른 축방향에서의 축방향 치수의 대략 50 % 넘는 부분을 따라 내주면과 중첩되며, 보호 배리어는 내화 재료를 포함한다.
US9127222는 급냉 링 및 리액터와 저부 급냉 섹션 사이의 천이 영역을 보호하는 차폐 가스 시스템을 개시한다. 급냉 링은 가스화 리액터의 금속 바닥의 수평 섹션 아래에 배치된다.
특허문헌에 따라, 가장 통상적인 부식 지점들 중 하나는 급냉 링의 전방이며, 급냉 링은 멤브레익 벽이나 내화재가 종결되는 지점에서 침적관 내부에 수막을 분사하는 디바이스이다. 급냉 링은 고온 신가스에 직접 노출될 뿐만 아니라, 가스가 상부에 수집될 때에 불충분하게 냉각될 수 있으며, 열적 과부하 및/또는 부식이 발생할 수 있다.
전술한 종래기술 구성의 장기 작동은 여러 쟁점을 나타냈다. 예컨대, 종래기술의 구성은 내화층에 의해 고온 페이스측으로부터 금속 바닥을 보호하지만, 고온 신가스는 여전히 내화 벽돌의 접합부를 통해 침입하고, 궁극적으로 금속 바닥에 도달할 수 있다. 내화 벽돌은 침식되거나 마모될 수 있고, 이 경우에 금속 바닥이 보호되지 않을 것이다. 추가로, 종래기술의 돌출 벽돌은 급냉 링을 보호하도록 되어 있지만, 급냉 링이 과열될 위험은 여전히 벽돌만큼 비교적 높으며, 그 돌출 섹션이 침식될 수 있다. 당업계는 돌출 벽돌을 구비하는 경우에도 급냉 링에서의 손상 및 균열을 보고하였다. 마지막으로, 리액터로부터의 신가스는 통상적으로 그을음 및 애시 입자 - 건조면에 점착될 수 있고, 예컨대 급냉 링에 축적될 수 있음 - 를 함유한다. 급냉 링에 그을음과 애시가 축적되면 급냉 링의 물 분배기 출구가 차단될 수 있다. 일단 급냉 링의 물 분배가 방해를 받으면, 침적관은 건조 지점과 결과적인 과열을 경험할 수 있고, 이는 역시 침적관에 대한 손상을 초래할 수 있다.
추가로, 침적관 재료는 침적관 내면 상의 수막에 의해 보호되며, 이 수막은 침적물 조성을 방지하고, 침적관의 벽을 냉각한다. 침적관 내부에서는, 침적관의 벽 섹션이 부적절하게 냉각되거나 교호하는 습윤-건조 사이클을 겪는 경우에 심각한 부식이 발생할 수 있다.
본 개시의 목적은 전술한 문제들 중 적어도 하나를 제거하는 개선된 가스화 시스템 및 가스화 방법을 제공하는 것이다.
본 개시는 적어도 합성 가스를 제공하기 위한 탄소질 공급 원료의 부분 산화용 가스화 시스템으로서,
탄소질 공급 원료를 수용하고 부분 산화하는 리액터 챔버;
액체 냉각제 배스(bath)를 유지하기 위한, 리액터 챔버 아래의 급냉(quench) 챔버; 및
리액터 챔버를 급냉 챔버에 연결하는 중간 섹션
을 포함하고, 중간 섹션은
리액터 유출 개구가 마련되는 리액터 챔버 바닥으로서, 합성 가스를 리액터 챔버로부터 급냉 챔버의 배스로 안내하도록, 리액터 유출 개구를 통해 리액터 챔버가 급냉 챔버와 소통되는 것인 리액터 챔버 바닥;
리액터 챔버 바닥 상에 배치되고 리액터 챔버 바닥에 의해 지지되며 리액터 유출 개구를 에워싸는 하나 이상의 내화 벽돌층;
리액터 챔버 바닥의 외면 상에 배치되는 적어도 하나의 냉각제 도관; 및
액체 냉각제를 적어도 하나의 냉각제 도관을 통해 순환시키기 위해 액체 냉각제의 소스와 소통하는 펌프 시스템
을 포함하는 것인 가스화 시스템을 제공한다.
실시예에서, 적어도 하나의 냉각 도관은 리액터 챔버 바닥의 적어도 일부 주위에서 나선형으로 연장된다.
다른 실시예에서, 적어도 하나의 냉각 도관은 리액터 챔버 바닥의 외면에 직접 연결되는 반할관(halved tube)을 포함한다.
선택적으로, 반할관의 적어도 일부는 인접한 반할관과 분리되며, 각각의 반할관은 리액터 챔버 바닥 주위에서 연장된다.
실시예에서, 리액터 챔버 바닥의 하부 단부는 원추형 섹션으로부터 하방으로 연장되는 원통형 섹션과, 원통형 섹션의 하부 단부로부터 내측방향으로 연장되는 수평 섹션을 포함하고, 냉각 도관은 적어도 리액터 챔버 바닥의 원통형 섹션을 에워싼다.
냉각 도관은 적어도 리액터 챔버 바닥의 수평 섹션과 맞물릴 수 있다.
또 다른 실시예에서, 침적관(dip tube)이 리액터 유출 개구로부터 급냉 챔버의 배스로 연장되고, 침적관의 상부 단부에는 침적관의 내면에 액체 냉각제를 공급하기 위한 급냉 링이 마련되며, 급냉 링은 적어도 하나의 냉각제 도관의 외면을 에워싼다.
일실시예에서, 탄소질 공급 원료는 적어도 오일 또는 중유 잔여물을 포함하는 액체 공급 원료이다.
다른 양태에 따르면, 본 개시는 전술한 바와 같은 가스화 시스템의 사용을 포함하는, 적어도 합성 가스를 제공하기 위한 탄소질 공급 원료의 부분 산화를 위한 방법을 제공한다.
본 발명의 이들 및 다른 피쳐(feature), 양태 및 장점은 첨부도면을 참고로 하여 아래의 상세한 설명을 읽어봄으로써 더 잘 이해될 것이다. 첨부 도면에서, 유사한 문자는 도면 전반에 걸쳐 유사한 부품을 나타낸다.
도 1은 가스화 장치의 예시적인 실시예의 단면도를 보여주고,
도 2는 가스화 장치의 중간 섹션에 관한 실시예의 단면도를 보여주며,
도 3a는 도 2의 실시예의 단면의 상세도를 보여주고,
도 3b는 도 3a에서 ⅢA로 나타낸 교차부의 개략도를 보여주며,
도 4는 가스화 장치의 중간 섹션에 관한 다른 실시예를 단면도를 보여주고,
도 5는 도 4의 실시예의 상세도를 보여주며,
도 6은 가스화 장치의 중간 섹션에 관한 또 다른 실시예의 단면도를 보여주고,
도 7a 및 도 7b는 가스화 장치의 중간 섹션에 관한 각각의 실시예를 단면도를 보여준다.
아래에서 상세하게 설명되는 개시된 실시예는, 공급 원료를 합성 가스로 변환하도록 구성된 반응 챔버, 합성 가스를 냉각하도록 구성된 급냉 챔버 및 급냉 챔버에 물 흐름을 제공하도록 구성된 급냉 링을 포함하는 가스화 장치 시스템에 적합하다. 반응 챔버에서 급냉 챔버로 흐르는 합성 가스는 고온일 수 있다. 이에 따라, 소정 실시예에서 가스화 장치는 리액터와 급냉 챔버 사이에, 반응 챔버에서 생성될 수 있는 합성 가스 및/또는 미연소 탄소나 용융 슬래그로부터 급냉 링 또는 금속 부품을 보호하도록 구성된 중간 섹션의 실시예를 포함한다. 합성 가스 및 미연소 탄소 및/또는 용융 슬래그는 총칭하여 가스화의 고온 생성물로 칭할 수 있다. 가스화 방법은 반응 챔버에서 공급 원료를 가스화하여 합성 가스를 생성하고, 합성 가스를 냉각하기 위해 급냉 챔버에서 합성 가스를 급냉하는 것을 포함할 수 있다.
도 1은 가스화 장치(10)의 예시적인 실시예의 개략적인 다이어그램이다. 반응 챔버(12)와 급냉 챔버(14) 사이에 중간 섹션(11)이 배치된다. 보호 배리어(16)가 반응 챔버(12)를 획정할 수 있다. 보호 배리어(16)는 물리적 배리어, 열적 배리어, 화학적 배리어 또는 이들의 임의의 조합으로서 작용할 수 있다. 보호 배리어(16)를 위해 사용 가능한 재료의 예로는, 제한하는 것은 아니지만, 내화재, 내화 금속, 비금속재, 점토, 세라믹, 서멧(cermet) 그리고 알루미늄, 실리콘, 마그네슘 및 칼슘의 산화물이 있다. 추가로, 보호 배리어(16)를 위해 사용되는 재료는 벽돌, 캐스터블(castable), 코팅 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 여기에서, 내화재는, 고온에서 그 강도를 유지하는 것이다. ASTM C71은 내화재를, “1,000 °F (538 ℃)가 넘는 환경에 노출되는 구조를 위해 또는 시스템의 구성요소로서 적용 가능하게 하는 화학적 특성 및 물리적 특성을 갖는 비금속재”로서 규정하고 있다.
리액터(12)와 내화 클래딩(16)은 보호 외피(2)에 의해 에워싸일 수 있다. 외피는, 예컨대 강으로 형성된다. 외피(2)는 바람직하게는 리액터 내부의 설계 작동 압력과 대기압 간의 압력차를 견딜 수 있다. 상기 압력차는 적어도, 예컨대 최대 70 barg일 수 있다.
산소(6)와 함께 공급 원료(4) 그리고 증기와 같은 선택적 조절자(8)가 하나 이상의 유입구를 통해 가스화 장치(10)의 반응 챔버(12) 내로 유입되어, 예컨대 원료 또는 미처리 합성 가스 - 슬래그, 미연소 탄소 및/또는 다른 오염물도 또한 포함할 수 있음 - , 예컨대 일산화탄소(CO)와 수소(H2)의 결합물로 변환될 수 있다. 공급 원료, 산소 및 조절자를 위한 유입구는 하나 이상의 버너(9)에 조합될 수 있다. 도시한 바와 같은 실시예에서, 가스화 장치에는 리액터의 상단에 단일 버너(9)가 마련된다. 추가의 버너가, 예컨대 리액터의 측면에 포함될 수 있다. 소정 실시예에서, 공기 또는 산소 증대 공기가 산소(6) 대신에 사용될 수 있다. 산소 증대 공기의 산소 함량은 80 내지 99 % 범위, 예컨대 약 90 내지 95 % 범위일 수 있다. 미처리 합성 가스는 미처리 가스로도 기술될 수 있다.
가스화 장치의 작동 중에, 통상적인 반응 챔버 온도는 대략 2200 °F (1200 ℃) 내지 3300 °F (1800 ℃) 범위일 수 있다. 액체 연료에 있어서, 반응 챔버의 온도는 대략 1300 내지 1500 ℃일 수 있다. 작동 압력은 10 내지 200 atm 범위일 수 있다. 가스화 리액터의 압력은 대략 20 bar 내지 100 bar 범위일 수 있다. 액체 연료에 있어서, 압력은 30 내지 70 atm 범위, 예컨대 35 내지 55 bar 범위일 수 있다. 리액터의 온도는, 가스화 장치(10)와 활용되는 공급 원료의 타입에 따라, 예컨대 1300 ℃ 내지 1450 ℃일 수 있다. 이에 따라, 버너 노즐을 통과하는 연료를 포함하는 탄화수소는 상시에 가스화 리액터 내부에서, 작동 온도에서 자기 점화한다.
이들 조건 하에서, 애시 및/또는 슬래그는 용융 상태일 수 있고, 용융 슬래그로 칭한다. 다른 실시예에서, 용융 슬래그가 전부 용융 상태는 아닐 수 있다. 예컨대, 용융 슬래그는 용융 슬래그 내에 현탁된 고체(비용융) 입자를 포함할 수 있다.
정유공장으로부터의 중유 잔여물과 같은 액체 공급 원료는 금속 산화물을 함유하는 애시를 포함하거나 생성할 수 있다. 중유 잔여물과 같은 액체 연료와 연관된 특정 마모는
- 금속 산화물과 같은 경질 입자와 고속의 조합으로 인한 침식;
- 점착성 애시 - 저융점 원소가 슬래깅(slagging)을 초래할 수 있음 - ;
- 황화 - 공급 원료 내의 비교적 높은 황 함량이 황화에 의한 부식을 초래함 - ; 및
- 카르보닐 형성 - CO의 존재 시에 오일 잔여물 내의 니켈(Ni) 및 철(Fe)이 불수용성 {Ni(CO)4Fe(CO)5}를 형성할 수 있고, 이에 따라 급냉 후에 가스 처리부로 운반될 수 있음 -
중 하나 이상을 포함할 수 있다.
반응 챔버(12)로부터 나온 고압 고온의 미처리 합성 가스는 화살표 20으로 예시한 바와 같이 보호 배리어(16)의 저부 단부(18)에 있는 신가스 개구(52)를 통해 급냉 챔버(14)에 진입할 수 있다. 다른 실시예에서, 미처리 합성 가스는 급냉 챔버(14)에 진입하기 전에 신가스 냉각기를 통과한다. 일반적으로, 급냉 챔버(14)는 미처리 합성 가스의 온도를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 소정 실시예에서, 급냉 링(22)은 보호 배리어(16)의 저부 단부(18)에 근접하게 위치할 수 있다. 급냉 링(22)은 급냉 챔버(14)에 급냉수를 공급하도록 구성된다.
예시한 바와 같이, 예컨대 가스 스크러버 유닛(33)으로부터 나온 급냉수(23)는 급냉수 유입구(24)를 통해 급냉 챔버(14) 내로 수용될 수 있다. 일반적으로, 급냉수(23)는 급냉 링(22)을 거쳐 침적관(26) 아래로 급냉 챔버 섬프(28)로 흐를 수 있다. 이와 같이, 급냉수(23)는 미처리 합성 가스를 냉각할 수 있으며, 미처리 합성 가스는 후속하여 냉각 후에 화살표 32로 나타낸 바와 같이 합성 가스 유출구(30)를 통해 급냉 챔버(14)를 빠져나갈 수 있다.
다른 실시예에서, 동축 흡출관(36)이 침적관(26)을 둘러싸, 미처리 합성 가스가 상승할 수 있는 환형 통로(38)를 형성할 수 있다. 흡출관(36)은 통상적으로 침적관(26)의 하부 부분 외측에 동심으로 배치되고, 압력 용기(2)의 저부에서 지지될 수 있다.
합성 가스 유출구(30)는 일반적으로 급냉 챔버 섬프(28)와는 별개로 급냉 챔버 섬프 위에 위치할 수 있고, 미처리 합성 가스와 임의의 물을, 예컨대 하나 이상의 처리 유닛(33)으로 이송하는 데 사용될 수 있다. 처리 유닛은, 제한하는 것은 아니지만 그을음 및 애시 제거 유닛, 신가스 스크러빙 유닛 및 할로겐 및/또는 사워 가스(sour gas) 제거 유닛 등을 포함할 수 있다. 예컨대, 그을음 및 애시 제거 유닛은 미세 고체 입자와 다른 오염물을 제거할 수 있다. 스크러버와 같은 신가스 처리 유닛은 미처리 합성 가스로부터 비말 동반된 물 및/또는 H2S 및 암모니아와 같은 부식성 오염물을 제거할 수 있다. 제거된 물은 그 후에 가스화 장치(10)의 급냉 챔버(14)로의 급냉수로서 재활용될 수 있다. 가스 스크러버 유닛(33)으로부터의 미처리 합성 가스는 궁극적으로, 예컨대 화학 프로세스나 가스 터빈 엔진의 연소기로 지향될 수 있다.
중간 섹션(11)은 저부에 있는 리액터 유출구(52)로 종결되는 원추형 섹션(50)을 포함할 수 있다. 원추형 섹션은 리액터의 수직선(58)에 대해 적절한 각도(α)(도 2 참고), 예컨대 25 내지 75도 범위, 예컨대 약 60도의 각도를 가질 수 있다. 원추부의 총 각도, 즉 2×α는 약 50 내지 150도, 예컨대 약 120도일 수 있다. 원추부는 내화 벽돌 또는 캐스터블(16)로 이루어진 층을 포함할 수 있다. 내화 벽돌은 금속 원추형 지지체(54)에 의해 지지될 수 있다. 원추부의 저부에서, 금속 원추부 지지체는 내화 벽돌의 마지막 부분을 지지하도록 수평형으로 될 수 있다.
도 2 및 도 3은 보호 배리어(16)를 포함하는 가스화 장치의 중간 섹션(11)의 실시예를 보여준다. 보호 배리어(16)는, 예컨대 다수의 내화 벽돌층, 예컨대 2개나 3개 층을 포함할 수 있다. 하부 섹션(18)은 동일한 개수 또는 그보다 적은 개수의 층을 포함할 수 있다. 이들 3개층의 벽돌 타입은 리액터(12)의 원통형 부분에 포함되는 벽돌과 동일할 수 있다. 원추부의 저부에서, 신가스 개구(52) 근처에서 내화재(16)는 유출구 치수로 종결되며, 유출구 치수는 개구(52)의 내경(ID52)을 의미한다. 개구(52)의 내경은 그 수직 길이를 따라 거의 일정할 수 있다.
멤브레인 벽 섹션(60)의 적어도 일부는 보호 배리어(16)의 하부 단부(62)로부터 하방으로 연장된다. 멤브레인 벽 섹션은 또한 상부 섹션(64)을 포함할 수 있으며, 이 상부 섹션은 보호 배리어(16)의 저부 단부(62)의 적어도 일부와 금속 가스화 장치 바닥(54)의 수평방향 단부(86) 사이에서 수평방향으로 연장될 수 있다.
멤브레인 벽 섹션(60, 64)은 여기에서 냉각 유체 또는 유동성 냉각 유체와 기화 냉각 유체, 통상적으로 물 및 증기의 혼합물로 충전되는 관을 포함할 수 있다. 냉각 유체는 공급 라인(도시하지 않음)을 통해 공급될 수 있다. 관 내부의 냉각 유체는 둘레 구조체 및/또는 신가스와의 열교환에 의해 가열된다. 유체는 적어도 부분적으로 관 내에서 증발될 수 있으며, 이에 따라 관 내의 혼합물의 온도는 관 내의 작동 압력에서 냉각 유체의 대략 비등 온도로 일정할 것이다. 관 내의 냉각 유체는 배출 헤더(도시하지 않음)로 배출될 수 있고, 후속하여 공급 헤더로 재순환하기 전에 냉각될 수 있다.
관(62)은 상호 연결된 인접한 관들의 나선형 셋업을 가질 수 있고/있거나 별개의 인접한 관들을 포함할 수 있다. 인접한 및/또는 나선형의 관 전부는 공동 헤더를 통해 공급 라인에 연결될 수 있다. 인접한 관(62)들은 상호 연결되어 실질적으로 기밀한 벽 구조를 형성한다. 기밀식 멤브레인 벽 구조는 수직 멤브레인 벽 섹션을 에워싸는 급냉 링을 내부의 반응 생성물 및 부식성 물질로부터 보호한다.
신가스 개구(52)를 향하는 멤브레인 벽 섹션(60)의 내면에는 보호층(66)이 마련되어, 멤브레인 벽을 고온 신가스에 의한 부식 및 잠재적인 과열에 대해 보호할 수 있다. 보호층은, 예컨대 신가스 개구(52)를 따른 멤브레인 벽 섹션(60)의 내면을 덮는 모놀리식 라이닝을 형성하는 데 사용되는 캐스터블 내화재를 포함할 수 있다.
내화성 캐스터블로서 적합한, 샤모트(chamotte), 홍주석(andalusite), 보크사이트(bauxite), 멀라이트(mullite), 강옥(corundum), 타블라 알루미나(tabular alumina), 탄화규소, 그리고 펄라이트(perlite) 및 질석(vermiculite) 모두를 포함하는 다양한 원료가 단열 목적으로 사용될 수 있다. 적합한 치밀한 캐스터블은 1300 ℃ 내지 1800 ℃의 온도를 견딜 수 있는 고알루미나질(Al203) 시멘트로 형성될 수 있다.
캐스터블 라이닝(66)은 모놀리식일 수 있으며, 이것은 캐스터블 라이닝에 접합부가 결여되어 있고, 이에 따라 신가스의 침투를 방지하여, 멤브레인 벽 섹션(60)을 보호함을 의미힌다. 캐스터블 라이닝(66)과 벽돌(18) 사이의 인터페이스(68)는 고온 신가스의 침투를 방지하기 위해 신가스 흐름 방향으로 각도 β로 하방으로 경사질 수 있다. 각도 β는 15 내지 60도 범위, 예컨대 약 30도 또는 45도일 수 있다.
수직 멤브레인 벽 섹션(60)에는, 캐스터블 라이닝(66) 내로 연장되어 이 라이닝을 지지하는 다수의 앵커 구조가 마련될 수 있다.
사용 시, 멤브레인 벽은 고온 신가스측 내부 개구(52)와 재순환 신가스측, 즉 급냉 챔버의 상부 단부를 향하는 멤브레인 벽 측 양자 모두로부터의 열플럭스를 냉각한다. 공정 중에, 공급 원료에 있는 애시는 용융 슬래그로 변환될 수 있다. 멤브레인 벽에 의해 냉각되는 용융 슬래그는 내화 라이닝(66)의 슬래그 침식에 대한 보호층을 형성하도록 유리화될 수 있다.
침적관(26)은 멤브레인 벽 섹션(60)에 대해 수평 거리(70)를 두고 배치될 수 있다. 급냉 링(22)의 하부 단부는 멤브레인 벽 섹션의 하부 단부 위로 수직 거리(72)를 두고 배치될 수 있다. 실용적인 실시예에서, 급냉 링(22)의 정중선(midline)과 멤브레인 벽 섹션(60)의 하부 단부 사이의 거리(74)는 30 cm를 초과하며, 예컨대 약 40 cm이다. 수평 거리(70)는, 예컨대 2 cm이며, 예컨대 3 내지 10 cm 범위이다.
사실상, 멤브레인 벽(60)은 클래딩 없이 리액터로부터 직접 나온 고온 신가스를 향할 수 있다. 그러나, 예컨대 탄소강으로 형성된 관은 공급 원료 내의 황 함량에 따라 H2S 부식에 취약할 것이다. 멤브레인 벽 섹션(60)에 있는 냉각관의 수명에 관하여 합당하다면, 클래딩(66)을 도포하는 것이 고려될 수 있다. 기대 수명은 수년으로, 예컨대 오일 잔여물 공급 원료의 경우에는 2년 내지 3년으로 제한될 수 있다. 캐스터블 라이닝(66)을 도포하는 것은 경제적으로 바람직한 실시예이다. 업계 경험에 비추어, 캐스터블층의 하부 단부에는 라운드형 에지(80)가 마련되며, 이 라운드형 에지는 멤브레인 벽 섹션(60)의 하부 단부가 신가스와 직접 접촉하는 것을 방지한다. 캐스터블의 팁(80)이 떨어지는 것을 방지하기 위해, 예컨대 앵커 구조(65)에 의한 추가의 보강이 제공될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 멤브레인 벽(60)의 냉각 용량은 아래의 가정을 이용하여 산출될 수 있다:
- 관의 냉각벽 내부의 냉각수 압력 및 온도: 평균 74 barg, 195 ℃, 최대 78 barg까지, 210 ℃
- 리액터로부터의 신가스 유량, 압력 및 온도: 6.8 kg/s, 45 barg, 1475 ℃;
- 멤브레인 벽 섹션(60)의 냉각 면적: 2.6m2;
- 멤브레인 벽의 관 재료; 고강도 저합금강(내부식성 강);
- 관 치수는 약 38 mm 직경 × 5.6 mm 벽 두께일 수 있다. 관은 2개의 평행 흐름 통로를 제공할 수 있는데, 이는 멤브레인 벽 섹션(60)이 2개의 별개의 꼬임식(interwined) 나선형 관을 포함함을 의미한다. 꼬임식 관은 냉각면의 압력 손실을 제한한다;
- 물은 냉각관에서 증발되지 않기 때문에(포화 증기 온도의 물 유출 온도 마이너스 20 ℃의 안전 여유, 아르보스 설계 법칙), 베이스라인의 경우에는 7394 kg/h (= 874.9 kg/m3에서 8.45 m3/h), 최대 부하의 경우에는 8522 kg/h (= 857.6 kg/m3에서 9.94 m3/h)의 최소 냉각 유량을 초래한다.
상기는 720 kW 정도의 멤브레인 벽 섹션(60)의 예시적인 총 냉각 듀티를 초래하였다.
선택적으로, 신가스가 급냉 링(22)과 멤브레인 벽(60) 사이에서 급냉 챔버의 상부 내외로 누설되는 것을 방지하기 위해 시일(seal)이 포함될 수 있다. 하나의 시일 옵션은 L자형 실링 플레이트(82)를 포함한다. 실링 플레이트(82)와 금속 가스화 장치 바닥(54, 86) 및/또는 멤브레인 벽(60) 사이의 공간은 적절한 내화재(84)로 충전될 수 있다(도 3). 다른 옵션은 급냉 링(22)의 상부 바로 위에 있는 수평방향 실링판(도시하지 않음)을 포함한다. 제1 옵션은 상대적으로 유지하기가 용이하기 때문에 바람직하다.
바닥(54), 멤브레인 벽(60) 및 보호 배리어(16) 사이의 인터페이스에 또는 이 인터페이스 근처에 신축 조인트(90)가 포함될 수 있다. 도 3을 참고하라. 신축 조인트(expansion joint) 또는 이동 조인트는, 구성재료의 열유도 팽창 및 수축을 안전하게 흡수하여, 바닥, 멤브레인 벽 및 보호 배리어 사이의 진동을 흡수하도록 구성된 조립체이다.
고온 신가스 - 잠재적으로 보호 배리어(18)의 내화 조인트를 통해 누설될 수 있음 - 가 수평방향 멤브레인 벽 섹션(64)의 냉각관과 금속 가스화 장치 바닥(86) 사이의 간극에 도달하는 것을 방지하기 위해 제2 시일(도시하지 않음)이 마련될 수 있다. 이것도 역시 시일 영역(84)을 통해 신가스가 급냉 링(22) 측으로 더 누설되는 것을 방지한다. 냉각관과 금속 지지부(86) 사이의 간극을 시일하기 위한 제2 시일에 대한 다수의 옵션 및 재료가 고려될 수 있다. 예컨대, 멤브레인 벽은 수평방향 바닥 섹션(86)에 대해 직접 시일될 수 있다. 또한, 제2 시일 기능은 신축 조인트(90)에 포함될 수 있다.
도 2의 실시예는, 원추부의 스로트 섹션(54)과 저부(86)를 포함하여 중간 섹션(11)의 지지 구조(86)를 보호하고, 수냉식 멤브레인 벽을 이용하는 것에 의해 금속 바닥을 비교적 저온으로 유지하는 것에 의해 금속 가스화 장치의 바닥 및/또는 내화 라이닝의 부식을 방지한다. 바람직한 실시예에서, 멤브레인 벽은 금속 바닥(86)의 온도를 신가스의 이슬점보다 높게 유지하도록 구성되고, 이에 따라 금속의 이슬점 부식을 방지한다.
도 4 및 도 5에 도시한 실시예는 리액터 유출 섹션(52)에서의 내화 벽돌의 사용을 최대화한다. 리액터 유출구(52)와 딥레그(dip-leg) 관의 직경은 내화재(18) 요건을 수용하도록 수정된다. 내경(ID52)은, 예컨대 약 60 cm 이상(맨홀 기준, 즉 바람직하게는 사람이 통과할 수 있어야 함)의 최소 요건을 갖는다
급냉 링(22)은 침적관(26)의 상부 단부에 마련된다. 침적관은, 신가스 유출구(52)의 하부 단부 위로 소정 거리(90)에 위치하는 급냉 링에서 시작한다. 급냉 링에 의해 공급되는 급냉수는 침적관(26)의 내면을 따라 수조(28)로 줄곧 아래로 흐를 수 있다.
실시예에서, 선택적 냉각 엔클로져가 침적관 외측에 배치된다. 냉각 엔클로져는, 예컨대 폐쇄형 상부 단부(93) 및 하부 단부(도시하지 않음)를 지닌 원통형 요소(92)를 포함하며, 실린더(92)와 침적관(26)의 외경 사이에 환형 공간(94)을 형성한다. 물과 같은 냉각 유체가 냉각 유체 공급 라인(118)을 통해 환형 공간(94)에 공급되고, 이 환형 공간을 통해 순환될 수 있다. 환형부(94)는 1 내지 10 cm 정도의 폭을 가질 수 있다.
원추형 섹션(18)의 상부 부분은, 예컨대 3층의 내화 벽돌층을 포함할 수 있다. 내화 벽돌은 리액터의 원통형 부분에 사용되는 벽돌과 동일할 수 있다. 원추 저부(96)에서 내화 벽돌층의 두께는, 예컨대 2층의 벽돌층으로 감소될 수 있다. 신가스 유출구(52)에서, 내화재(18)는 수직방향 하방으로 연속한다. 내화재(18)는 하방으로 연장된다. 벽돌의 하부 에지와 급냉 링의 상부 사이의 거리(98)는 적어도 40 cm일 수 있다.
가스화 장치 바닥은, 수평 섹션(86)과 원추형 섹션(54) 사이에서 연장되는 수직 섹션(87)을 포함할 수 있다. 벽돌(18)은 하부 단부(100)는 금속 바닥(54)의 수평방향 금속 지지부(86)에 의해 지지된다. 선택적으로, 예컨대 전술한 바와 같은 캐스터블 내화재층(102)이 벽돌의 하부 단부(100)와 수평방향 금속 바닥부(86)에 적용될 수 있다. 캐스터블 내화재층(102)은 벽돌(18)에서는 생략될 수 있는데, 그 이유는 열플럭스가 주로 재순환 신가스 - 리액터로부터 직접 출력되는 신가스(20)보다 낮은 온도를 가짐 - 로부터 유래하기 때문이다. 표면이 저온일수록, 애시 축적 경향도 낮아진다. 저부 수평방향부(86)에 있어서, 신가스에 의한 부식으로부터 강을 보호하기 위해 캐스터블층(102)이 추천된다.
적어도 하나의 냉각 도관이 금속 바닥(54, 86)의 외면 상에, 즉 급냉 링(22)을 향하는 측면 상에 배치된다. 적어도 하나의 냉각 도관은 냉각 도관(110)을 포함한다. 도 4에 도시한 단면에서는, 냉각 도관(110)이 금속 바닥(54)의 표면으로 지향되도록 적용되는 반할 파이프를 포함할 수 있다. 반할 파이프의 개방측은 금속 바닥을 향하므로, 파이프 내의 냉각 유체가 금속 바닥에 직접 부딪혀 금속 바닥을 냉각한다. 냉각 도관(110)은 별개의 인접한 관 및/또는 나선형 상호 연결 관을 포함할 수 있다. 냉각 도관은 냉각 유체, 통상적으로 물의 공급 라인(112)에 연결된다. 냉각 도관(110)은 임의의 적절한 단면 형상을 가질 수 있으므로, 도관 내의 냉각 유체가 리액터 챔버 바닥에 부딪혀 리액터 챔버 바닥을 냉각한다. 도관의 대안의 단면 형상은 직사각형 또는 삼각형일 수 있다.
반할 도관(110)은, 예컨대 용접에 의해 금속 바닥에 연결하기가 상대적으로 용이하다. 그러나, 온도가 금속 바닥을 따라 변할 수 있는데, 그 이유는 반할 파이프가 냉각 도관(110)들 중 하나의 도관 중간에서는 보다 낮은 온도를 갖고, 2개의 인접한 냉각 도관(110)들 사이의 인터페이스 또는 간극에서는 보다 높은 온도를 갖기 때문이다. 냉각 도관의 냉각 용량은 이에 따라 금속 바닥(54) 재료의 온도 체제와 전도율에 기초하여 설계될 수 있다. 즉, 도관은 사용 중에 인접한 도관들 사이의 인터페이스에서의 최대 온도가 바닥 섹션(54, 86)의 부식이나 마모를 방지하도록 예정된 안전 문턱값 온도 미만이 되도록 설계될 수 있다.
내화 벽돌(18)에 의해 제공되는 절연 용량은 도 2의 실시예에서 캐스터블층의 절연 용량을 초과할 수 있다. 본 실시예에서 요구되는 냉각 용량은 이에 따라 더 낮을 수 있다. 실용적인 실시예에서, 720 kW의 반할 도관(110)의 총 냉각 용량이면 충분할 수 있다.
급냉 링(22)과 가스화 장치 바닥(54) 사이의 선택적인 시일은 전술하거나 도 2에 도시한 것과 동일할 수 있다. 대안으로서, 시스템은 바닥(54)과 급냉 링 사이에 수직 실링판(114)을 포함할 수 있다. 바닥(54, 86)은 기밀식일 수 있고, 신가스가 리액터로부터 급냉 링(22) 측으로 누설되는 것을 방지할 것이다. 실링 매스(84)는 선택적이다.
실용적인 실시예에서, 리액터 유출구(52)의 내경(ID52)은 약 60 cm일 수 있다. 급냉 링의 외경은 약 170 cm일 수 있다. 압력 용기(2)의 내경(ID2)은 약 250 내지 300 cm로, 급냉 링과, 배관(116)을 위한 용기(2), 그리고 원추부 지지부(도시하지 않음) 사이에 공간을 형성할 수 있다. 급냉 링으로의 급냉수 플럭스는, 급냉 링 직경의 증가 또는 감소에 따라 증가 또는 감소될 수 있다.
도 6은 전술한 실시예의 피쳐들을 조합한 실시예를 보여준다. 중간 섹션(11)은 리액터(12)의 내부 공간을 향하는 보호 배리어(18)가 마련된 원추형 바닥 섹션(54)을 포함한다. 배리어(18)는 바람직하게는 내화 벽돌 또는 유사 내화재를 포함한다.
원추형 바닥 섹션(54)은 원통형 바닥 섹션(87)에 연결된다. 원통형 바닥 섹션의 하부 단부에는 수평방향 바닥 섹션(86)이 마련될 수 있다. 원통형 바닥 섹션(86)의 내면에는 캐스터블 내화재(66)가 마련될 수 있다. 캐스터블 내화재(66)로 이루어진 구조에 적합한 재료는 전술한 도 2의 실시예와 유사할 수 있다. 또한, 캐스터블 내화재는 바닥의 하부 단부를 에워쌀 수 있으며, 예컨대 캐스터블(80)이 수평방향 바닥 섹션(86)의 밑면을 커버할 수 있다. 캐스터블(80)은 가스화 시스템의 이 섹션에서의 온도 체제 - 리액터(12) 내부의 온도보다 이미 낮음 - 를 견딜만큼 충분히 강할 수 있다.
침적관(26)은 신가스 유출구(52)의 외경(OD52)을 초과하는 내경(ID26)을 갖는다. 침적관의 상부 단부의 적어도 일부는 신가스 개구(52)의 외면을 에워싼다. 급냉 링(22)은 신가스 유출구(52)의 하부 단부 위에서 침적관의 상단에 배치된다.
실시예에서, 급냉 링은 수직벽 섹션(210)을 포함할 수 있다. 수직벽 섹션(210)은 침적관의 상부 단부(206)에 연결될 수 있다. 추가로, 급냉 링은 수직벽 섹션(210)을 에워싸는 관형 유체 컨테이너(212)를 포함할 수 있다. 유체 컨테이너는 수직벽(210)의 상부 에지(216)를 에워싸는 (예컨대 직선형) 립 또는 캡(214)을 포함할 수 있다, 립은 냉각 유체가 통과할 수 있도록 립과 수직벽의 상부 사이에 슬릿(218)과 같은 충분한 공간을 남겨놓는다.
바닥 섹션(54, 87, 86)들은 결합되고, 리액터(12)로부터 급냉 링(22)으로의 신가스의 잠재적인 누설을 방지한다.
냉각 도관(110)이 가스화 장치의 바닥의 적어도 일부 상에, 예컨대 바닥 섹션(54, 86 및/또는 87)의 부분 상에 직접 마련된다. 냉각 도관은 급냉 링(22)을 향하는 곡면을 갖는다. 냉각 도관의 구조 및 재료는 도 4의 실시예 대하여 설명한 것과 유사할 수 있다. 냉각 도관은 금속 바닥(54)의 표면으로 지향되도록 적용되는 반할 파이프를 포함한다. 반할 파이프의 개방측은 금속 바닥을 향하므로, 파이프 내의 냉각 유체가 금속 바닥에 직접 부딪혀 금속 바닥을 냉각한다.
냉각 도관의 냉각 용량은 금속 바닥(54) 재료의 온도 체제와 전도율에 기초하여 설계될 수 있다. 즉, 냉각 도관은 사용 중에 인접한 냉각 도관들 사이의 인터페이스에서의 최대 온도가 바닥 섹션(54, 86, 87)의 부식이나 마모를 방지하도록 예정된 안전 문턱값 온도 미만이 되도록 설계될 수 있다.
캐스터블 내화재(66)에 의해 제공되는 절연 용량은 도 2의 실시예와 유사한 냉각 용량을 요구할 수 있다. 예컨대 650 내지 750 kW 정도의 반할 도관(110)의 총 냉각 용량이면 충분할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 중간 섹션(11)의 각각의 요소들 사이의 거리를 개략적으로 나타낸다.
도 7b는, 멤브레인 벽 섹션(60)에 대해 수평 거리(70)를 두고 배치된 침적관(26)을 보여준다. 급냉 링(22)의 하부 단부는 멤브레인 벽 섹션(60)의 하부 단부 위로 수직 거리(72)를 두고 배치된다. 급냉 링(22)의 정중선은 멤브레인 벽 섹션(60)의 하부 단부 위로 수직 거리(74)를 두고 배치된다.
도 7a는, 수직 바닥 섹션(87)에 대해 수평 거리(120)를 두고 배치된 침적관(26)을 보여준다. 급냉 링(22)의 하부 단부는 수직 바닥 섹션(87)의 하부 단부 위로 수직 거리(90)를 두고 배치된다. 급냉 링(22)의 정중선은 수직 바닥 섹션(87)의 하부 단부까지 거리(74)를 두고 배치된다. 침적관은 급냉 링에서 시작한다. 급냉 링의 하부 단부는 신가스 유출구(52)의 하부 단부 위로 거리(90)를 두고 위치한다. 수직 바닥 섹션(87)의 하부 에지에서 급냉 링의 상부까지 대략 거리(98)가 있다.
도 7a 및 도 7b를 참고하면, 수평 거리(70, 120)는 침적관과 신가스 유출구(52)의 외면 사이에 공간(140)을 허용할 수 있다. 공간(140)은 급냉 링(22)으로부터의 냉각 유체로 인해 비교적 저온이다. 반할 냉각 도관(110)(도 7a) 또는 멤브레인 벽 섹션(60)(도 7b) 각각에 의해 추가의 냉각이 제공된다. 또한, 공간(140) 내에서의 가스 순환이 제한되어, 고온 신가스의 진입을 제한한다. 제한된 가스 순환은, 예컨대 공간(140)의 상단에서의 폐쇄로 인한 것이다(예컨대, 도 3 및 도 4에서 82, 114 참고)
급냉 링은 신가스 유출구(52)의 하부 에지 위로 소정 거리를 두고 위치한다. 이에 따라, 급냉 링은 작동 중에 비교적 저온으로 유지되고, 고온 신가스뿐만 아니라 슬래그 및 애시로부터 차폐된다. 이것은 급냉 링의 마모 및 부식을 감소시키고, 수명을 상당히 증가시킨다. 침적관 및 신가스 유출구(52)의 벽과 같은 고온 신가스에 노출되는 부분은 냉각 유체로 냉각될 수 있으며, 이에 따라 역시 마모가 제한되고 수명이 늘어난다.
일단 급냉 링의 물 분배가 방해받으면, 침적관은 침적관의 손상을 유발할 수 있는 건조 스팟 및 과열을 겪을 수 있다. 당업계는 장기 작동으로부터 비롯된 이 문제도 또한 보고하였다. 본 개시는 급냉 링을 리액터 유출구로부터 멀어지게 차폐하는 것에 의해 급냉 링에 관한 방해를 방지한다. 급냉 링의 상부는 신가스 유출구로부터 적어도 40 cm 위에 그리고 수평방향으로 20 cm 이격되어 위치할 수 있다. 이러한 구성은 급냉 링에서 또는 급냉 링 근처에서 그을음 및 애시 축적을 크게 감소시킬 것이고, 이에 따라 급냉 링의 물 흐름의 방해를 감소시킨다. 후자는 급냉 링과 침적관의 내면 상의 관련 수막의 연속적인 작용을 보장하여, 침적관에 있어서의 건조 스팟과 손상을 방지하고, 수명을 늘이며, 보수 관리를 제한한다.
도 7a 및 도 7b에 도시한 거리는 전술한 장점을 최적화하기 위해 바람직한 범위 내일 수 있다. 수평 거리(70, 120)는 바람직하게는 예정된 최소 문턱값을 초과하여, 급냉 링으로부터의 냉각 유체의 비제한 흐름을 가능하게 하고/하거나 보수 관리를 위한 용이한 접근을 가능하게 한다. 다른 한편으로, 수평 거리는 상한 문턱값으로 제한되어, 순환을 제한하고 신가스가 공간(140)에 진입하는 것을 방지할 수 있다. 수평 거리는, 예컨대 1 내지 3 cm를 초과할 수 있다. 수평 거리는 5 내지 20 cm 범위일 수 있다.
수직 거리(72, 90)는 최소 문턱값을 초과하여, 고온 신가스와 내부의 부식성 요소로부터 급냉 링을 적절히 차폐하는 것을 보장할 수 있다. 수직 거리(72, 90)는 10 cm를 초과할 수 있고, 예컨대 적어도 20 cm이다. 수직 거리(98)는 30 cm를 초과할 수 있고, 예컨대 적어도 40 내지 45 cm이다.
유출구(52)의 직경은, 예컨대 적어도 60 cm이고, 유출구 반경(142)은 적어도 30 cm이다. 침적관 반경(144)은 수평 거리(70, 120)와 유출구 반경(142)의 합과 같다.
영역(140)에서의 최소 신가스 순환과 조합된 최대 냉각에 관하여 최적 결과는 소정의 상대적인 크기에 의해 제공될 수 있다. 예컨대, 유출구(52)의 수직 길이(143)에 대한 수직 거리(98)는 60 내지 85 %의 바람직한 범위일 수 있다. 즉, 수직 거리(98)는 수직 길이(143)의 약 0.6 내지 0.85배이다. 수평 거리(70, 120)는 침적관 반경(144)의 2 내지 20 % 범위일 수 있다. 수평 거리(70, 120)는 바람직하게는 수직 거리(98)의 2 내지 50% 범위일 수 있다.
실용적인 실시예에서, 리액터 챔버 내의 온도는 통상적으로 1300 내지 1700 ℃ 범위일 수 있다. 중유 및/또는 오일 잔여물을 포함하는 유체 탄소질 공급 원료를 사용할 때, 리액터 내의 온도는, 예컨대 1300 내지 1400 ℃의 범위이다. 리액터 챔버 내의 압력은 25 내지 70 barg, 예컨대 약 50 내지 65 barg 범위일 수 있다.
금속 바닥은 가스화 장치 외피 또는 용기와 동일한 압력 용기 야금으로 형성될 수 있다. 금속 바닥은 가스화 장치 외피 또는 용기와 상이한 야금으로도 또한 형성될 수 있다.
본 개시의 실시예는 가스화 장치 바닥의 온도를 효율적으로 제한할 수 있고, 이에 따라 가스화 장치 바닥의 부식 및 소모를 제한한다. 추가로, 실시예는 신가스 개구에서 또는 신가스 개구 근처에서 내화재를 지지한다. 여기에서 가스화 장치 바닥의 냉각은 가스화 장치 바닥에 인접한 내화재에서의 온도도 또한 제한하고, 이에 따라 내화재의 침식 역시 제한한다. 본 개시의 실시예는 액체 공급 원료를 위한 가스화 장치에 있어서 개선된 중간 섹션을 제공하여, 수명을 늘이고 마모를 감소시킨다. 본 개시의 실시예는 상대적으로 간단하고 강건하며, 보수 관리를 위한 다운타임을 제한한다.
본 개시는 전술한 바와 같은 실시예로 제한되지 않고, 첨부된 청구범위의 범주 내에서 다양한 수정이 고려될 수 있다. 각각의 실시예의 피쳐는, 예컨대 조합될 수 있다.

Claims (15)

  1. 적어도 합성 가스를 제공하기 위한 탄소질 공급 원료의 부분 산화용 가스화 시스템으로서,
    탄소질 공급 원료를 수용하고 부분 산화하는 리액터 챔버;
    액체 냉각제 배스(bath)를 유지하기 위한, 리액터 챔버 아래의 급냉(quench) 챔버; 및
    리액터 챔버를 급냉 챔버에 연결하는 중간 섹션
    을 포함하고, 중간 섹션은
    리액터 유출 개구가 마련되는 리액터 챔버 바닥으로서, 합성 가스를 리액터 챔버로부터 급냉 챔버의 배스로 안내하도록, 리액터 유출 개구를 통해 리액터 챔버가 급냉 챔버와 소통되는 것인 리액터 챔버 바닥;
    리액터 챔버 바닥 상에 배치되고 리액터 챔버 바닥에 의해 지지되며 리액터 유출 개구를 에워싸는 하나 이상의 내화 벽돌층;
    리액터 챔버 바닥의 외면 상에 배치되는 적어도 하나의 냉각 도관; 및
    액체 냉각제를 적어도 하나의 냉각 도관을 통해 순환시키기 위해 액체 냉각제의 소스와 소통하는 펌프 시스템
    을 포함하고,
    리액터 챔버 바닥의 하부 단부는 원추형 섹션으로부터 하방으로 연장되는 원통형 섹션과, 원통형 섹션의 하부 단부로부터 내측방향으로 연장되는 수평 섹션을 포함하고, 냉각 도관은 적어도 리액터 챔버 바닥의 원통형 섹션을 에워싸는 것인 가스화 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 냉각 도관은 리액터 챔버 바닥의 적어도 일부 주위에서 나선형으로 연장되는 것인 가스화 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 냉각 도관은 리액터 챔버 바닥의 외면에 직접 연결되는 반할관(halved tube)을 포함하는 것인 가스화 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 반할관의 적어도 일부는 인접한 반할관과 분리되고, 각각의 반할관은 리액터 챔버 바닥 주위에서 연장되는 것인 가스화 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 냉각 도관은 적어도 리액터 챔버 바닥의 수평 섹션과 맞물리는 것인 가스화 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 리액터 챔버 바닥에 있는 수평 섹션의 하부면에는 캐스터블(castable) 내화재가 마련되는 것인 가스화 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 리액터 유출 개구로부터 급냉 챔버의 배스로 연장되는 침적관(dip tube)을 더 포함하고, 침적관의 상부 단부에는 침적관의 내면에 액체 냉각제를 공급하기 위한 급냉 링이 마련되며, 급냉 링은 적어도 하나의 냉각 도관의 외면을 에워싸는 것인 가스화 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 급냉 링과 리액터 챔버 바닥 사이의 공간을 실링(sealing)하는 시일(seal)을 더 포함하는 가스화 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 시일, 리액터 챔버 바닥 및 급냉 링 사이의 공간을 충전하는 실링 매스(sealing mass)를 더 포함하는 가스화 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 리액터 챔버 바닥에 있는 원통형 섹션의 하부 에지로부터 급냉 링의 상부까지의 수직 거리는 리액터 챔버 유출구의 수직 길이의 0.6배 내지 0.85배인 것인 가스화 시스템.
  12. 제8항에 있어서, 리액터 챔버 바닥의 원통형 섹션과 침적관 사이의 수평 거리는 침적관 반경의 2 내지 20 % 범위인 것인 가스화 시스템.
  13. 제8항에 있어서, 리액터 챔버 바닥의 원통형 섹션과 침적관 사이의 수평 거리는 원통형 섹션의 하부 에지에서 급냉 링의 상부까지의 수직 거리의 2 내지 50 % 범위인 것인 가스화 시스템.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 탄소질 공급 원료는 오일 또는 중유 잔여물을 포함하는 액체 공급 원료인 것인 가스화 시스템.
  15. 적어도 합성 가스를 제공하기 위한 탄소질 공급 원료의 부분 산화를 위한 가스화 방법으로서, 제1항에 따른 가스화 시스템을 이용하는 것을 포함하는 가스화 방법.
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