KR102122621B1 - 산소를 가압 유동상 가스화 공정으로 도입하는 장치 및 방법 - Google Patents

산소를 가압 유동상 가스화 공정으로 도입하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 각각이 적어도 하나의 환상 간격의 범위를 정하는 적어도 3개의 서로 동축인 파이프들을 포함하는 산소창에 관한 것이다. 최외곽 파이프는 초과열된 증기를 전도하도록 설계되고 증기 공급점을 가지며, 중심 파이프는 환상 간격으로 설계되며, 최내곽 파이프는 180℃ 이하의 온도에서 산소를 전도하도록 설계되고 산소 공급점을 갖는다. 온도 센서는 최내곽 파이프 내에 배치되며, 상기 온도 센서는 최내곽 파이프의 개구부 바로 정면까지 연장된다. 최내곽 파이프는 개구부 앞의 노즐의 형태로 테이퍼되고; 최내곽 파이프는 중심 파이프로 개방되며; 중심 파이프의 개구부는 최외곽 파이프의 개구부보다 더 돌출되어 있다.

Description

산소를 가압 유동상 가스화 공정으로 도입하는 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR INTRODUCING OXYGEN INTO A PRESSURIZED FLUIDIZED-BED GASIFICATION PROCESS}
본 발명은 고압 윙클러(Winkler)법(HTW법)에 따라 산소를 가스화 반응기에 통상적으로 채용되는 가압 유동상 가스화 공정으로 도입하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
HTW법은 오랫동안 알려져 있었으며, 미립자 및 액체 또는 반죽상 탄소(pasty carbon)-함유 연료 양쪽 모두를 합성 가스로 변환시키는, 시험을 거쳐 증명된(tried-and-tested) 기술이다. 사용된 연료는 매우 높은 회분 함유량을 갖는 중질연료이기도 하고, 바이오매스계 연료 및 탄소-함유 폐기물이기도 하다. 이는 기포 유동상으로서 작동되는 유동상으로 도입되며, 산소, 증기 및 CO2에 의하여 가스화된다. 다른 가스화 방법들과는 달리, HTW법은 발생한 회분이 용융되지 않는 중간 온도에서 작용한다. 이는 특히, 부식성 회분의 경우에 작동상 이점을 갖는다.
과도한 계량(metering)으로 인해 연소 소모가 증가하게 되어, 합성 가스 내에서 CO2 함량의 증가로 이어지는데, 이는 반드시 피해야 하기 때문에, 산소 첨가는 매우 정밀하게 계량되어야 한다. 또한, 산소 입구 지점들의 인접 환경들에서, 과도한 계량은 회분 입자들의 용융으로 이어져서, 유동상 물질과 함께 케이킹(caking)이 발생할 수 있으며, 이어서 산소창들(oxygen lances)에 부착하는 물질이 발생할 수 있다. 그러므로, 연료는 가압 하에서 불연속적으로 부분적으로 공급되기 때문에, 산소 공급의 정확하고, 신속하며 미세한 조절이 필요하다. 이로 인하여, 요구되는 산소를 유동상 반응기로 도입하는데 통상적으로 이용되는 산소창들에 의하여 특히 엄격한 요건들이 충족되어야 한다.
해당 산소창들은 예를 들면, 지금까지의 기존 선행 기술에 해당하는 DE 34 39 404 C2 및 DE 44 07 651 C1에 기재되어 있다. 이것들에서는, 산소의 출구 지점에서, 증기 첨가는 부상하는 산소 제트를 둘러싸는 증기막을 형성하는 방식으로 이루어진다는 점에서, 케이킹이 일어날 가능성이 있는 문제가 해결된다. 부상하는 가스 제트에서 동시에 발생되는 난류는 비말동반된(entrained) 유동상 입자들의 과열을 방지하여, 케이킹되는 경향을 상당히 감소시키는 매우 높은 증기 함유량을 갖는다.
그러나, 이 기술은 8 내지 10 bar 이상의 압력에서 문제점을 제기한다. 산소창에 첨가되기 이전에, 산소는 주로 예열된다. 그러나, 안정상의 이유로, 이러한 경우에, 업계에서 통상적인 장비 부품, 특히, 밀봉재(seal)가 공격받기 때문에, 180℃를 초과하여 가열을 수행하지 않는 것이 바람직하다. 200℃ 초과에서는, 재료의 이용에 있어서 법정 면허 제약(statutory licensing restrictions)이 있다. 예열된 산소가 180℃의 산소창으로 도입되고, 초과열된 증기가 둘러싼 파이프 내로 가해지면, 산소를 운반하는 파이프의 증기측 상에 8 내지 10 bar를 초과하는 압력에서 응축물이 형성된다. 이러한 응축물들은 둘러싸는 증기막이 산소창 주위로 더 이상 형성되지 않을 정도로 가스 출구의 흐름 조건을 크게 변화시킨다. 이는 산소창들의 고장으로 이어진다.
그러므로, 발명의 목적은 10 bar를 초과하는 작동 압력에 적합하기도 하고, 높은 안정성 및 이용가능성과 함께 효율적인 가압 유동상 가스화 공정으로 산소를 도입하는 장치 및 방법을 이용가능하게 하는 것이다.
상기 목적은 서로 동축으로 배열된 적어도 3 개의 파이프들을 가지며 적어도 각각의 경우에 환상 간격의 범위를 정하는 산소창에 의하여 달성된다,
· 초과열된 증기의 전도를 위해 설계되고 증기 공급점을 갖는 최외곽 파이프,
· 환상 간격으로 설계된 중간 파이프,
· 최대 180℃의 온도를 갖는 산소의 전도를 위해 설계되고 산소 공급점을 갖는 최내곽 파이프,
· 최내곽 파이프 내에 배치된, 최내곽 파이프의 입구 바로 앞에 이르는 온도 프로브,
· 입구 상류에서 노즐 유사 방식으로 테이퍼되는 최내곽 파이프,
· 중간 파이프로 나아가는 최내곽 파이프, 및
· 최외곽 파이프의 입구에 비하여 더 돌출되는 중간 파이프의 입구.
일 변형예에서, 중간 파이프는 양 측면들 상에 폐쇄된 블라인드 파이프로서 설계될 수 있으며, 이 경우에, 선행 단락에서 사용된 “입구”라는 용어는 이 제한적인 경우에 있어서, 단순히 최외곽 파이프의 입구 부근의 파이프 말단을 지칭한다. 다른 변형예에서, 중간 파이프는 산소창의 입구측상에 개방되어 있다. 또 다른 변형예에서, 중간 파이프는 건조 가스의 전도용으로 설계되고, 가스 도입점을 갖는다. 이 경우에, 또 다른 변형예에서, 중간 파이프로 나아가는 최내곽 파이프의 입구 상류에서 노즐 유사 방식으로 중간 파이프가 테이퍼되는 경우가 있을 수 있다.
건조 가스는 증기 발생 기술과는 달리 연소 기술에서 통상적인 것으로, 여기서는 증기 분율 없이 산업적인 가스를 의미하는 것으로 이해된다. 이에 반하여, 습한 가스는 아래에서는 증기 분율도 함유하는 산업적인 가스를 의미하는 것으로 이해되나, 다중상 혼합물이 형성되는 것을 의미하는 것은 아니다. 그러므로, 초과열된 증기는 습윤 증기가 발생하지 않는다는 의미에서 건조하다고 하더라도, 습한 가스로 간주되어야 한다.
상기 목적은 상술한 바와 같이, 산소창에 의하여 HTW법에 따라 작동되는 유동상 가스화 반응기로 산소를 도입하는 방법에 의하여 달성되기도 한다.
· 유동상 가스화 반응기 내의 압력을 초과하는 압력에서 최외곽 파이프로 습한 가스가 공급되는 단계,
· 최대 180℃의 온도 및 유동상 가스화 반응기 내의 압력을 초과하는 압력을 갖는 최내곽 파이프로 산소가 전도되는 단계,
· 중간 파이프의 입구 및 부상하는 자유 제트 주위로 클래딩(cladding) 흐름으로서 최외곽 파이프의 입구로부터 습한 가스가 부상하는 단계로서, 부상하는 습한 가스의 흐름 속도는 최내곽 파이프로부터 부상하는 가스의 흐름 속도보다 더 높게 설정되는 단계.
방법의 변형예들에서, 유동상 가스화 반응기 내의 압력을 초과하는 압력에서 중간 파이프로 건조 가스가 도입되어, 산소 및 건조 가스가 중간 파이프의 입구의 상류에서 서로 섞이는 경우가 있을 수 있다.
방법의 또 다른 변형예들에서, 습한 가스는 초과열된 증기이거나 이산화탄소 및 초과열된 증기의 혼합물인 경우가 있다.
방법의 또 다른 변형예들에서, 건조 가스는 이산화탄소, 질소, 또는 이산화탄소 및 공기의 혼합물 또는 이산화탄소 및 질소의 혼합물인 경우가 있다. 또한, 가스화 공정에서 바람직한 범위 내에서, 건조 가스 없는 작동이 가능하며, 습한 가스의 온도에 미치는 긍정적인 효과가 유지된다. 중간 파이프로의 건조 가스의 최소 공급 온도는 최외곽 파이프 내에서 이용되는 습한 가스의 이슬점으로부터 유래하며, 이는 순수한 증기의 경우 포화 증기 온도에 해당한다.
이산화탄소에 대한 공급선들은 급속한 폐쇄가 일어나는 동안에 산소창들의 불활성화를 확실하게 할 필요가 있으므로 이용될 수 있으며, 산소창들로의 다른 파이프의 삽입은 경비소모를 거의 수반하지 않기 때문에, 이러한 기술적 해결책이 특히 경제적으로 유익한 것이 명백해졌다. 높은 비열용량을 갖는 건조 가스의 선택 및 더 차가운 산소에 대하여 가열된 습한 공기의 추가적인 차폐를 통해 증기-운반 최외곽 파이프 내에서 온도의 상당한 하강을 방지하므로, 최외곽 파이프 내에서 증기의 응축을 방지하게 된다.
본 발명은 2 개 도면들에 의하여 아래에서 더 상세히 설명된다. 이 경우에, 도 1은 그 입구가 미도시된 HTW 가스화 반응기의 유동상으로 나가는 산소창을 통한 단면을 도시하며, 도 2는 산소, 이산화탄소 및 증기에 대한 공급선들의 회로를 도시한다.
산소(1)는 온도 계측 장치(3)가 배치된 최내곽 파이프(2)로 전도된다. 온도는 섭씨 180도에 달하며, 입구에서의 압력은 대략 28 bar에 달한다. 정확한 압력은 가스화에 대하여 즉시 요구되는 산소의 양을 정확하게 반응기에 공급하는 수량 제어기에 의하여 측정된다. 섭씨 230 도의 이산화탄소(5)가 중간 파이프(4)에 첨가된다. 대략 29 bar의 압력 및 섭씨 410 도의 온도를 갖는 초과열된 증기(7)는 최외곽 파이프(6)로 도입된다. 이 증기는 이산화탄소를 대략 섭씨 270 도의 온도로 가열하고, 산소는 마찬가지로 약간 가열된다. 증기의 이슬점은 이 경우 하사식(undershot)이 아니기 때문에, 증기는 응축되지 않으며, 최외곽 파이프의 입구(8)에서 물방울들이 전혀 형성되지 않아서, 산소창의 선단 주위로 균질 증기막이 형성될 수 있다.
최내곽 파이프의 산소 및 중간 파이프의 이산화탄소는 혼합점(9)에서 합류되어 공통의 가스 흐름이 되고, 공급점은 HTW 가스화 반응기 내에서 유동상 내에 이미 존재한다. 혼합물은 유동상으로 자유 제트(10)로서 전도되어, 증기막은 노즐 선단 주위로 산소가 와류를 형성하는 것을 방지하게 되어, 노즐 선단에서 회분 연화 및 케이킹을 일으키는 국부적인 과열을 방지하게 된다. 이에 의하여, 유동상 반응기는 28 bar의 압력에서 작동될 수 있다.
도 2는 산소(11), 이산화탄소(12) 및 초과열된 증기(13)에 대한 공급선들과 함께, 가장 중요한 셧-오프(shut-off) 및 조절 밸브들에 대한 회로도를 도시한다. 응급한 경우, 이산화탄소는 소기 밸브(14)를 통해 산소선으로, 조절 밸브(15)를 통해 증기선으로 도입될 수 있다. 대체로, 두 밸브들은 폐쇄된다. 필요한 산소량에 따라서, 조절 밸브(16)는 산소 공급 역할을 하고, 조절 밸브(17)는 이산화탄소의 양을 조절하는 역할을 하며, 조절 밸브(18)는 증기 도입의 역할을 한다. 산소(11)는 산소 분배기(19)를 통해 다른 노즐 수준들로 분배될 수도 있다.
하기 계산 및 설계예들은 본 발명을 예시한다:
· 예 1에서, 최외곽 파이프는 증기를 거치고, 중간 파이프는 질소를 거친다.
· 예 2에서, 최외곽 파이프는 증기를 거치고, 중간 파이프는 이산화탄소를 거친다.
· 예 3에서, 최외곽 파이프는 이산화탄소 및 증기의 동일한 질량 분율로 이루어진 혼합물을 거치고, 중간 파이프는 이산화탄소를 거친다.
· 예 4에서, 최외곽 파이프는 증기를 거치고, 중간 파이프는 관통류(throughflow)없이 남게 된다.
모든 예들에 있어서, 최내곽 파이프는 산소를 거치고, 내경은 대략 25 ㎜에 달하고, 11 ㎜의 두께를 갖는 열전쌍이 내부에 배치된다. 모든 크기 표기는 설계 계산으로부터 얻은 대략적인 표기이다.
예 1 예 2 예 3 예 4
최외곽 파이프의 간격[㎜] 9 15 15 15
중간 파이프의 간격[㎜] 10 4 4 4
최외곽 파이프를 통한 관통류 질량[㎏/s] 0.039 0.039 0.039 0.039
중간 파이프를 통한 관통류 질량[㎏/s] 0.0039 0.0039 0.0039 -
최내곽 파이프를 통한 관통류 질량[㎏/s] 0.225 0.225 0.225 0.225
최외곽 파이프로의 입구 온도[℃] 410 410 410 410
중간 파이프로의 입구 온도[℃] 230 230 230 -
최내곽 파이프로의 입구 온도[℃] 180 180 180 180
최외곽 파이프로부터의 출구 온도[℃] 400 390 390 390
중간 파이프로부터의 출구 온도[℃] 270 270 270 -
최내곽 파이프로부터의 출구 온도[℃] 182 182 182 182
모든 경우에서, 최외곽 파이프의 습한 공기의 포화 증기 온도는 중간 파이프 내에서 어느 지점에서도 하사식이 아니므로, 응축은 일어날 수 없다.
본 발명은 예시된 예들에 한정되지 않으며, 또한, 상이한 하중 상황 또는 작동 상황의 경우에, 각각의 관통류들을 요건에 유연하게 맞추는 것도 가능하다.
1 산소
2 최내곽 파이프
3 온도 측정 장치
4 중간 파이프
5 이산화탄소
6 최외곽 파이프
7 증기
8 최외곽 파이프의 입구
9 혼합점
10 자유 제트
11 산소
12 이산화탄소
13 증기
14 소기 밸브
15 조절 밸브
16 조절 밸브
17 조절 밸브
18 조절 밸브
19 산소 분배기

Claims (14)

  1. 서로 동축으로 배열된 적어도 3 개의 파이프들을 가지며 적어도 각각의 경우에 환상 간격의 범위를 정하는 산소창에 있어서,
    · 초과열된 증기의 전도를 위해 설계되고 증기 공급점을 갖는 최외곽 파이프,
    · 환상 간격으로 설계된 중간 파이프,
    · 최대 180℃의 온도를 갖는 산소의 전도를 위해 설계되고 산소 공급점을 갖는 최내곽 파이프,
    · 최내곽 파이프 내에 배치된, 최내곽 파이프의 입구 바로 앞에 이르는 온도 프로브,
    · 입구 상류에서 노즐 유사 방식으로 테이퍼되는 최내곽 파이프,
    · 중간 파이프로 나아가는 최내곽 파이프, 및
    · 최외곽 파이프의 입구에 비하여 더 돌출되는 중간 파이프의 입구를 포함하는 산소창.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중간 파이프는 양 측면들 상에 폐쇄된 블라인드 파이프로서 설계되는 것을 특징으로 하는 산소창.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중간 파이프는 상기 산소창의 입구측상에 개방되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 산소창.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중간 파이프는 건조 가스의 전도용으로 설계되고, 가스 도입점을 갖는 것을 특징으로 하는 산소창.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 중간 파이프는 상기 중간 파이프로 나아가는 상기 최내곽 파이프의 입구의 상류에서 노즐 유사 방식으로 상기 중간 파이프가 테이퍼되는 것을 특징으로 하는 산소창.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 산소창에 의하여 HTW법에 따라 작동되는 유동상 가스화 반응기로 산소를 도입하는 방법에 있어서,
    · 상기 유동상 가스화 반응기 내의 압력을 초과하는 압력의 상기 최외곽 파이프로 습한 가스가 공급되는 단계,
    · 최대 180℃의 온도 및 상기 유동상 가스화 반응기 내의 압력을 초과하는 압력을 갖는 상기 최내곽 파이프로 산소가 전도되는 단계,
    · 상기 중간 파이프의 입구 및 부상하는 자유 제트 주위로 클래딩(cladding) 흐름으로서 상기 최외곽 파이프의 입구로부터 습한 가스가 부상하는 단계로서, 상기 부상하는 습한 가스의 흐름 속도는 상기 최내곽 파이프로부터 부상하는 가스의 흐름 속도보다 더 높게 설정되는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    · 상기 중간 파이프는 건조 가스를 거치고,
    · 산소 및 건조 가스가 상기 중간 파이프의 입구의 상류에서 서로 섞이고,
    · 상기 중간 파이프의 입구 및 상기 부상하는 자유 제트 주위로 클래딩 흐름으로서 상기 최외곽 파이프의 입구로부터 습한 가스가 부상하고, 상기 부상하는 습한 가스의 흐름 속도는 건조 가스 및 산소의 부상하는 혼합물의 흐름 속도보다 더 높게 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 습한 가스는 초과열된 증기인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 습한 가스는 이산화탄소 및 초과열된 증기의 혼합물인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 건조 가스는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 건조 가스는 질소인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 건조 가스는 이산화탄소 및 공기의 혼합물인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 건조 가스는 이산화탄소 및 질소의 혼합물인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제6항에 있어서,
    상기 건조 가스는 작동하는 동안에 이동되지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
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