KR102476042B1

KR102476042B1 - 가스화 반응기의 버너를 위한 냉각 디바이스

Info

Publication number: KR102476042B1
Application number: KR1020187011562A
Authority: KR
Inventors: 알폰스 하이트만; 롤란트 레이메스; 코싸크-글로브체브스키 토마스 파울 폰
Original assignee: 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
Priority date: 2015-10-12
Filing date: 2016-10-10
Publication date: 2022-12-08
Also published as: CN108138059B; RU2745273C2; CA3000899C; EP3362537B1; CA3000899A1; KR20180067555A; EP3362537A1; CN108138059A; SG11201802775UA; RU2018117486A3; US10767858B2; US20180292088A1; WO2017063981A1; SA518391312B1; RU2018117486A

Abstract

가스화 반응기는, 압력 셸; 압력 셸에 의해 둘러싸인 관형 멤브레인 벽에 의해 부분적으로 경계가 정해지는 반응 구역; 버너 헤드를 가진 적어도 하나의 버너로서, 상기 버너 헤드는 멤브레인 벽에 돌출하는, 상기 적어도 하나의 버너; 멤브레인 벽에 배열되고 적어도 하나의 버너의 버너 헤드를 둘러싸는 적어도 하나의 냉각 디바이스로서, 적어도 하나의 냉각 디바이스는 반응 구역과 마주하는 가장 큰 직경의 개구 및 버너 헤드와 마주하는 가장 작은 직경의 개구를 가진 원뿔대 형상을 형성하는, 증가하는 직경을 갖는 수개의 동심원 링을 포함하고, 각각의 링은 냉각 매체를 위한 유입구 및 유출구를 가진 도관이고, 버너 헤드를 위한 가장 작은 직경의 개구는 압력 셸과 멤브레인 벽 사이에 위치되는, 상기 적어도 하나의 냉각 디바이스를 포함하되; 냉각 디바이스는 단절 부분을 가진 적어도 하나의 일부-원형 외측 링을 포함한다.

Description

가스화 반응기의 버너를 위한 냉각 디바이스

본 발명은 가스화 반응기의 버너를 위한 냉각 디바이스에 관한 것이다. 본 발명은 또한 냉각 디바이스가 제공된 가스화 반응기에 관한 것이다.

또한 버너 머플(muffle)로서 또한 지칭되는, 냉각 디바이스는 가스화 반응기를 위한 버너의 반응기 대면 단부를 냉각시키고 그렇지 않으면 보호하도록 적용 가능하다.

가스화는 탄소 피드(feed)의 부분적인 연소에 의한 합성 가스의 생산을 위한 프로세스이다. 탄소 피드는 예를 들어, 미분탄, 바이오매스, 오일, 원유 잔여물, 바이오-오일, 탄화수소 가스 또는 탄소 피드의 임의의 다른 타입 또는 이들의 임의의 혼합물을 포함할 수도 있다. 가스화 반응은 적어도 일산화탄소 및 수소를 포함한 가스인, 합성 가스를 생산한다. 합성 가스는 예를 들어, 화학적 프로세스를 위한 연료 가스로서 또는 공급원료(feedstock)로서 사용될 수도 있다. 합성 가스는 예를 들어, 이로 제한되지 않지만, 메탄올, 합성 천연 가스, 가솔린, 디젤, 왁스, 윤활유 등과 같은 미리 결정된 타입의 탄화수소 생성물을 만들도록 가공처리될 수 있다.

US-4818252호는 냉각 매체가 공급되도록 배치된 복수의 파이프를 가진 멀티-파이프 벽을 가진, 증가된 압력 하에서 미세하게 분할된, 특히 고체 연료를 가스화하기 위한 장치를 기술하고, 멀티-파이프 벽은 가스-수집 챔버를 제한하고 또한 연소 챔버를 형성하는 복수의 오목부를 제한한다. 버너는 오목부 각각으로 연장된다. 각각의 오목부는 파라미터 중 적어도 하나가 변화 가능하도록, 주변 벽의 깊이, 폭 및 경사각을 포함한 복수의 파라미터를 갖는다. 가스화 장치의 동작에 대해, 오목부의 크기는 동작 파라미터의 예로서 연료, 가스화의 속도, 가스화의 온도, 또는 가스의 조성에 따라 변화될 수도 있다. 이는 오목부의 깊이를 변화시킬 수 있는 오목부 삽입에 의해 유리한 방식으로 달성될 수 있다. 멀티-파이프 벽 구조체는 가스 수집 챔버의 멀티-파이프 벽 구조체로부터 해제 가능하게 오목부 벽을 홀딩할 수도 있고 독립적인 냉각 시스템을 가질 수도 있다. 버너를 보호하기 위해, 슬래그(slag)-수집 보호 차폐부(shield)를 제공하는 것이 권장된다. 이 보호 차폐부는 커버 플레이트로부터 돌출하고 바람직하게 내화(내화 물질) 재료의 층으로 코팅된 관형 피스로부터 유리하게 형성될 수 있다.

US-4818252호의 오목부는 가스화 반응이, 점성 액체 슬래그의 두꺼운 층이 멀티-파이프 벽의 내부에 형성되는 조건 하에서 실시될 때, 슬래그 진입에 취약하다. 이러한 상황에서, 슬래그는 버너 헤드의 전방에 흐를 것이고 연소를 방해할 것이다. 보호 차폐부는 슬래그의 상대적으로 두꺼운 층에 대처하기에 충분하지 않다.

US-8628595호는 압력 셸(shell), 수직으로 배향된 관형 멤브레인 벽에 의해 부분적으로 경계가 정해지는 반응 구역, 및 버너 헤드를 가진 수평으로 지향된 버너를 포함한 가스화 반응기를 개시한다. 버너는 멤브레인 벽을 통해 몇몇의 수직으로 배향된, 동심원인 그리고 상호연결된 링을 포함한 콘-형상의 버너 머플을 통해 돌출한다. 연속적인 링은, 버너 머플이 일 단부에서 버너 헤드를 위한 머플 개구 그리고 다른 프레임 배출-단부에서 보다 큰 개구를 갖도록 상기 이웃하는 링에 대해 증가하는 직경을 갖는다. 링은 냉각 매체를 위한 유입 단부 및 사용된 냉각 매체를 위한 유출 단부를 가진 도관을 포함한다. 버너 헤드를 위한 머플 개구는 압력 셸과 멤브레인 벽 사이에 위치된다. 버너 머플의 적어도 하나의 링은 슬래그가 버너 머플로부터 진입하는 것을 방지하고 머플의 표면 상에 침착되는 것을 방지하도록, 반응 구역 내로 돌출한다. US-8628595호의 버너 머플은 예를 들어, 30 bar를 초과하는 상대적으로 높은 가스화 압력으로 동작할 수 있는 단단한 디자인을 유발하는, 버너 머플의 표면을 냉각시키는 것을 가능하게 한다.

본 발명은 증가된 수명을 가진, 개선된 버너 머플을 제공하는 것을 목표로 한다.

본 발명은 가스화 반응기의 버너를 위한 냉각 디바이스를 제공하고, 냉각 디바이스는:

가스화 반응기의 반응 구역과 마주하는 가장 큰 직경의 개구 및 버너의 버너 헤드와 마주하는 가장 작은 직경의 개구를 가진 원뿔대 형상을 형성하는, 증가하는 직경을 갖는 수개의 동심원 링으로서, 각각의 링은 냉각 매체를 위한 유입구 및 유출구를 가진 도관인, 수개의 동심원 링을 포함하고,

냉각 디바이스는 단절 부분(interruption)을 가진 적어도 하나의 일부-원형 외측 링(part-circular outer ring)을 포함한다.

일 실시형태에서, 단절 부분은 미리 결정된 방사각 이상 연장된다.

냉각 디바이스는 2개 이상의 일부-원형 외측 링을 포함할 수도 있다.

냉각 디바이스는 제1 방사각(α) 이상 연장되고 제1 각(β) 이상 단절되는 하나 이상의 제1 외측 링, 및 제2 방사각(γ) 이상 연장되고, 제2 각(δ) 이상 단절되는 하나 이상의 후속 외측 링을 포함하고, 제2 방사각은 제1 방사각을 초과한다. 제1 방사각은 약 240°일 수도 있다. 제2 방사각은 약 260°일 수도 있다.

또 다른 양상에 따르면, 본 발명은 가스화 반응기를 제공하며, 가스화 반응기는,

압력 셸(pressure shell);

압력 셸에 의해 둘러싸인 관형 멤브레인 벽에 의해 부분적으로 경계가 정해지는 반응 구역;

버너 헤드를 가진 적어도 하나의 버너로서, 상기 버너 헤드는 멤브레인 벽에 돌출하는, 상기 적어도 하나의 버너;

멤브레인 벽에 배열되고 적어도 하나의 버너의 버너 헤드를 둘러싸는 적어도 하나의 냉각 디바이스로서, 적어도 하나의 냉각 디바이스는 반응 구역과 마주하는 가장 큰 직경의 개구 및 버너 헤드와 마주하는 가장 작은 직경의 개구를 가진 원뿔대 형상을 형성하는, 증가하는 직경을 갖는 수개의 동심원 링을 포함하고, 각각의 링은 냉각 매체를 위한 유입구 및 유출구를 가진 도관이고, 버너 헤드를 위한 가장 작은 직경의 개구는 압력 셸과 멤브레인 벽 사이에 위치되는, 상기 적어도 하나의 냉각 디바이스를 포함하되;

냉각 디바이스는 단절 부분을 가진 적어도 하나의 일부-원형 외측 링을 포함한다.

일 실시형태에서, 적어도 하나의 외측 링의 단절 부분은 중력 방향에서 하향으로 향한다.

또 다른 실시형태에서, 냉각 디바이스의 적어도 하나의 링은 반응 구역 내로 돌출한다.

예로서, 본 발명의 실시형태는 도면을 참조하여, 본 명세서의 이하에 상세히 기술될 것이다.
도 1은 가스화 반응기의 예시적인 실시형태의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 2는 종래 기술에 따른, 버너 머플의 단면도를 도시한다.
도 3은 종래 기술에 따른, 또 다른 버너 머플의 단면도를 도시한다.
도 4는 종래 기술에 따른, 버너 머플의 실용 예의 정면도를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른, 버너 머플의 실시형태의 사시도를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른, 버너 머플의 실시형태의 정면도를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른, 버너 머플의 실시형태의 단면도를 도시한다.

도 1은 관형 압력 셸(1), 멤브레인 벽(3) 및 반응 구역(2)을 가진 예시적인 가스화 반응기를 도시한다. 반응기 및 멤브레인 벽은 보통 수직으로 위치된다. 멤브레인 벽(3)의 부분(3a)은 관형 형상을 가질 수도 있다. 멤브레인 벽(3)은 냉각 매체, 예컨대, 물을 가이드하기 위한 도관으로 구성될 수도 있다. 도관은 일반적으로 수직 방향으로 연장된다. 대안적으로, 나선형 도관이 사용될 수도 있다.

물은 공급 라인(4) 및 공통 분배기(5)를 통해 멤브레인 벽으로 공급될 수도 있다. 일반적으로 물과 증기의 혼합물의 형태인, 사용된 냉각수는 반응기로부터 공통 헤더(6) 및 배출 라인(7)을 통해 배출될 수도 있다. 반응기는 생성된 합성가스를 냉각시키기 위한 ??칭(quench) 가스 공급부(8)를 포함할 수도 있다. 배출 라인(9)은 합성가스, 수소와 일산화탄소의 혼합물을 배출할 수도 있다. 배출 라인(10)은 슬래그를 배출하도록 제공될 수도 있다.

반응기에는 일반적으로 공급원료의 부분적인 산화를 위한 하나 이상의 버너(13)가 제공된다. 2개의 정반대에 위치된 버너(13)가 도시된다. 반응기는 예를 들어, 동일한 높이에, 또는 대안적으로 상이한 높이에 2개 이상의 쌍의 버너를 포함할 수도 있다. 석탄 피드를 위한 적합한 버너가 예를 들어, US-4523529호 및 US-4510874호에 기술된다. 그러나 발명은 또한 공급원료를 포함한 임의의 다른 타입의 탄화수소를 위한 버너와 관련될 수도 있다. 공급원료는 공급 라인(11)을 통해 버너로 제공될 수도 있다. 산소는 산소 공급 라인(12)을 통해 제공될 수도 있다.

도 2는 멤브레인 벽(3)을 돌출하는 버너(13)를 도시한다. 반응기(2)와 마주하는 버너 단부(17)에는 버너 헤드(17)를 위한 버너 개구(16)를 가진 냉각 디바이스(14)가 제공된다. 냉각 디바이스 또는 버너 머플(14)은 버너 헤드를 둘러싼다. 개구는 압력 셸(1)과 멤브레인 벽(3) 사이에 위치될 수도 있다. 이 예에서, 버너 머플(14)은 반응 구역 내로 돌출하지 않는다. 버너 개구(16) 맞은편의 개구(18)는 멤브레인 벽(3)과 같은 높이에 있다.

도 3은 버너(13) 및 버너 머플(14)의 또 다른 종래 기술의 예를 예시한다. 본 명세서에서, 냉각 디바이스(14)는 반응 구역(2) 내로 돌출한다. 돌출부는 슬래그(32)가 버너 머플(14)에 진입하는 것을 방지한다. 슬래그가 버너 머플(14)의 표면 상에 침착되는 것을 방지하거나 제한하는 것은 국부적 열 플럭스를 제한한다. 돌출된 버너 머플(14) 때문에, 슬래그(32)는 외측 링(30)의 외부 주위에서 하향으로 흐를 것이고, 슬래그가 냉각 디바이스(14)에 의해 형성된 원추형 오목부에 진입하는 것을 방지한다.

냉각 디바이스 또는 머플(14)은 거리(36)에 걸쳐 반응 구역(2) 내로 돌출할 수도 있다. 거리(36)에 대한 최소값은 재(ash) 성질 및 공급원료 내의 재 함유량에 따라 미리 결정될 수도 있다. 거리(36)에 대한 최소값은 링(15)을 형성하는 도관의 평균 외경과 대략 같을 수도 있다. 실용 실시형태에서, 거리(36)는 링(15)을 형성하는 도관의 평균 외경의 약 2 내지 4배로 설정될 수도 있다. 거리(36)는 도시된 바와 같이 외측에 위치된 링(30)과 내화 물질(24)의 표면 사이의 수평 거리로서 규정된다.

도 3은 버너 머플 또는 냉각 디바이스의 상부 단부에 또는 상부 단부 근처에 위치된 도관(34)이 제공된 버너 머플 또는 냉각 디바이스(14)를 도시한다. 도관(34)은 외측 링(30) 및 개구(18)에 의해 규정된 원주의 상부 부분을 따라 슬래그 배수로(35)를 형성한다. 도관(34)은 일 단부에 냉각 매체를 위한 유입구 그리고 도관의 다른 단부에 사용된 냉각 매체를 위한 유출구(미도시됨)를 갖는다.

도 2 및 도 3은 몇몇의 수직으로 배향된, 동심원 링(15)을 포함한 버너 머플(14)을 더 도시한다. 링은 일반적으로 냉각 매체를 위한 도관에 의해 형성된다. 냉각 매체는 라인(20)을 통해 공급될 수 있고, 라인(22)을 통해 폐기될 수 있다.

라인(20)은 냉각 매체 분배기(19)에 유동적으로 연결될 수도 있다. 라인(22)은 공통 헤더(21)에 각각 연결될 수도 있다. 헤더(21)는 일반적으로 물과 증기의 혼합물을 폐기한다. 라인(20)을 통해 공급되는 바와 같은, 일반적으로 물을 포함한, 냉각 매체는 멤브레인 벽(3)의 도관(33)에 공급된 냉각수와 동일한 소스로부터 나온 것일 수도 있다. 또한 냉각 매체는 보다 낮은 수온 및/또는 상이한 압력을 가질 수도 있는, 상이한 소스로부터 나온 것일 수 있다. 링은 바람직하게 함께 용접된다.

링(15)은, 버너 머플(14)이 일 단부에서 버너 헤드(17)를 위한 머플 개구(16) 그리고 버너 머플의 다른-프레임 배출-단부(23)에서 보다 큰 개구(18)를 갖게 야기하는, 링의 이웃하는 링(15)에 관하여 증가하는 직경을 갖는다. 머플 개구(16)는 보다 큰 개구(18)로부터 수평으로 이격된다. 이는 콘-형상의 형태를 가진 연결된 링을 발생시킨다.

버너 헤드(17)를 위한 머플 개구(16)에서 내측에 위치된 링(29)과 내측 링(29)에 인접한 다음의 링(29a) 사이의, 직선(25a)과 수평선(26) 사이의 각(α1)은 15 내지 60°이다. 바람직하게 버너 헤드(17)를 위한 머플 개구(16)에서 내측에 위치된 링(29)과 프레임 배출 단부(23)의 개구(18)에서 외측에 위치된 링(30) 사이의, 직선(25)과 수평선(26) 사이의 각(α2)은 20 내지 70°이다. 선(25)은 도 2에 도시된 바와 같이 링(29)의 중심으로부터 링(30)의 중심으로 그려진다. 선(25a)도 또한 도시된 바와 같이 링의 중심으로부터 링의 중심으로 그려진다. 바람직하게 α1은 α2보다 크다. 외측에 위치된 링(30)은 버너 헤드(17)를 위한 머플 개구(16)를 형성하는 링이다.

링(15)의 수는 6 내지 10개일 수도 있다. 링(15)은 도시된 바와 같이 선(25)을 따라 S-커브를 형성할 수도 있다. 바람직하게 밀봉부(28)는 버너(13)의 샤프트와 버너 슬리브(36) 사이에 존재한다. 밀봉부(28)는 도시된 바와 같이 버너 헤드(17)로 연장될 수 있다. 이러한 밀봉부(28)는 반응 구역에 존재하는 바와 같은 가스 및 비산재 및/또는 슬래그가 압력 셸(1)과 멤브레인 벽(3) 사이의 공간에 존재하는 바와 같은 버너 슬리브(36)에 진입하는 것을 방지한다. 이러한 가스 플로우를 방지함으로써, 국부적 열 플럭스가 더 감소된다. 밀봉부(28)는 국부적 열 팽창을 수용할 수 있는 가요성 밀봉 재료를 포함할 수도 있다. 적합한 밀봉 재료의 예는 섬유로 직조된(fibre-woven) 그리고/또는 편성된(knitted) 와이어 메시 타입 밀봉 재료이다.

도 2 및 도 3은 또한 멤브레인 벽(3)의 일부를 도시한다. 멤브레인 벽(3)은 일반적으로 냉각 매체가 흐를 수 있는 몇몇의 수직 도관(33)을 포함할 수도 있다. 냉각 매체는 일반적으로 물을 포함할 수도 있다. 도관(33)에는 개략적으로 도시된 바와 같이 공급 라인 및 배출 라인(31)이 제공될 수 있다. 도관(33)은 내화 물질(24)로 코팅될 수도 있다.

사용 시, 내화 물질 재료(24)는 예를 들어 US-4959080호에 기술된 바와 같이, 슬래그(32)의 층으로 커버될 것이다. 도 2 및 도 3은 또한 버너 머플(14)을 둘러싸는 선택 가능한 내화 물질 덩어리(27)를 도시한다. 내화 물질 덩어리(27)는 슬래그가 머플(14)의 후방 단부에 진입하는 것과 버너 헤드(17)에 도달하는 것을 방지한다.

그러나, 실제로, 상기에 기술된 바와 같은 버너 머플은 상대적으로 짧은 동작 시간, 즉, 대략 몇 달 후 부식을 나타낸다. 부식은 예를 들어, 버너 머플의 외측 링 상에 그리고/또는 외측 링(18)의 하부 부분(90)에서 관찰되었다(도 4). 감소된 슬래그 두께 영역(92)으로서 도 4에 나타낸, 버너 머플 아래의 슬래그 층의 두께는 일반적으로 가스화기의 내벽을 커버하는 슬래그 층(94)의 두께보다 상당히 얇았다. 버너 머플(14)의 상단(96)과 양 측면(98)에서의 슬래그 커버리지는 내측 가스화기 벽의 슬래그 커버리지와 일반적으로 유사했다. 단지 최소의 슬래그 커버리지가 버너(13) 아래에서 발견되었다.

슬래그 층(94)은 가스화기의 고온 및 부식 환경으로부터 버너 머플 및 멤브레인 벽의 재료를 차폐하고 보호한다. 감소된 슬래그 층 두께 영역(92)에 의해 제공된 보호는 이에 대응하여 제한된다. 부식은 버너 머플 튜브의 수명을 감소시킬 것이다. 슬래그 층의 감소된 두께에 의해 제공된 감소된 보호 때문에, 멤브레인 벽 및/또는 버너 머플은 가스화기의 긴 시간, 연속적인 동작 동안 손상될 수 있다(도 4).

도 5는 본 발명에 따른, 가스화 반응기를 위한 버너 머플(100)을 도시한다. 버너 머플의 상부 부분(102)은 상기에 기술된 바와 같은 실시형태에 대하여 변화되지 않는다. 상부 부분(102)은 슬래그 편향을 위해 가스화 반응기 내로 연장될 수도 있다.

버너 머플(100)은 수정된 하부 부분을 갖는다. 적어도 하나, 예를 들어 2개 이상의, 버너 머플의 외측 링(110)은 미리 결정된 방사각 이상 단절된다. 단절 부분(116)은 중력의 방향으로, 하향으로 향한다. 예를 들어 2개의, 단절된 외측 링은 도 6에 예시된 바와 같이, 서브-링을 형성할 것이다.

하나 이상의, 또는 모든 링(15)은 냉각 매체를 위한 개별적인 유입구 및 개별적인 유출구를 가질 수도 있다. 대안적으로, 2개 이상의 링(15)은 상호연결될 수도 있어서, 나선형 링 구조체를 형성한다.

일 실시형태에서, 하나 이상의 외측 링(112)은 제1 방사각(α) 이상 연장되고 각(β) 이상 단절될 수 있다. 하나 이상의 후속 외측 링(114)은 제2 방사각(γ) 이상 연장되고 각(δ) 이상 단절될 수 있으며, 제2 방사각은 제1 방사각을 초과한다. 예를 들어, 제1 단절된 외측 링(112)은 약 240° 이상 연장되고, 120° 이상 단절될 수 있다. 다음의 단절된 외측 링(114)은 약 260° 이상 연장되고, 100° 이상 단절될 수 있다.

하나 이상의 단절된 링(110, 112, 114)은 버너 머플(100)의 나머지 부분에 교체 가능하게 연결될 수도 있다. 외측 링 연결부(120)는 부서지기 쉽고 교체 가능할 수도 있다. 연결부(120)는 예를 들어, 용접되거나, 클램핑되거나(clamped), (크림프(crimp)) 피팅되거나, 볼트 결합되거나, 그렇지 않으면 교체 가능하게 연결될 수도 있다.

단절된 외측 링(110)은 별도로 교체될 수 있어서, 전체 버너 머플(100)의 교체는 필요 없다. 이것은 예를 들어: a) 수리 시간이 전체 버너 머플의 교환과 비교하여 감소되고; 그리고 b) 수리 비용이 전체 냉각 디바이스(100)를 교체하는 것에 비하여 상당히 감소되기 때문에 유익하다.

보수적 추정(conservative estimation)을 사용하여, 전체 외측 링은, 사용 시, 슬래그로 커버될 것이고 그리고 1500 ㎾/㎡의 최대로 명시된 열 플럭스를 견딜 수 있어야 한다고 가정된다. 본 명세서의 외측 링은 적어도, 링(110), 그리고 또한 선택 가능하게 도 3에 나타낸 링(34)을 포함할 수도 있다. 테스트는, 실제로, 1500 ㎾/m²의 추정된 최대로 명시된 열 플럭스가 초과될 수 있다는 것을 나타낸다.

360°로 연장되는, 완전한 원형 링은 DNB(departure from nucleate boiling)에 도달하기 전에 1800 KW/m²의 최대 열 플럭스를 견딜 수 있다. DNB의 도달은 일반적으로 냉각 링의 튜브에 즉시 손상을 발생시킬 것이다.

부분적인 원형 링(110)은 증가된 열 플럭스를 견딜 수 있다. 예를 들어 240° 이상 연장되는, 부분적인 원형 링(112)은 DNB에 도달하기 전에 2100 KW/m²의 최대 열 플럭스를 견딜 수도 있다. 본 명세서에서, 링은 비교를 위해, 동일한 재료로 이루어질 수도 있다.

실제로, 특히, 프로세스의 초기 단계에, 예를 들어 가스화 프로세스의 기동(start up) 동안 작업 과제를 고려하면, 버너 머플 튜브에서 DNB에 대한 보다 높은 디자인 마진이 매우 권장된다.

게다가, 본 발명의 냉각 디바이스의 단절된 링은 수리 가능성을 개선한다. 예를 들어, 합성가스에서 H₂S를 발생시키는, 고온 부식은 일반적으로 합성가스에 가장 많이 노출되는, 가스화 반응기에 가장 가까운 링에서 시작된다.

종래 기술의 냉각 디바이스에서, 전체 머플(14)은, 예를 들어, 외측 링이 부식에 기인하여 심한 벽 시닝(thinning)을 나타낸다면, 교체될 필요가 있다. 오버레이(overlay) 용접 또는 국부적 수리가 가능하지만, 수리 품질은 항상 염려된다.

수리를 위한 접근 가능성은 머플의 돌출(36)에 따라 결정될 수도 있다. 예를 들어: 80 ㎜를 초과하는 돌출은 제자리에서 일 외측 링을 교환하는 것을 허용할 수도 있고; 100 ㎜를 초과하는 돌출은 제자리에서 2개의 외측 링을 교환하는 것을 허용할 수도 있다.

실제 경험에 기초하여, 가스화 반응기의 디자인이 수정될 수도 있다. 예를 들어, 가스화기의 크기는, 가스화 반응기(2)의 직경이 보다 작은, 소위 "강화된" 디자인으로 변화된다. 그 결과, 가스화기 벽 상의 슬래그 로딩은 이에 따라 증가된다.

본 발명에 따른, 버너 머플은 외측 링 상의 부식을 감소시킨다. 단절된 외측 링을 가진 머플이 제공된다. 또한, 외측 링은 DNB(departure from nucleate boiling)를 위한 보다 큰 안전 인자를 갖는다. 본 발명의 버너 머플에서, 슬래그는 외측 링에서 떨어지지 않을 것이지만, 버너 머플 아래의 영역(92)에서 멤브레인 벽을 커버하는, 버너 머플 아래의 멤브레인 벽, 그리고 잠재적으로 또한 슬래그의 고른 층을 가진, 버너 머플의 하부 부분으로 하향으로 흐를 것이다. 슬래그 층은 가스화기의 부식 환경으로부터의 부가적인 보호를 제공한다. 그러므로, 본 발명의 냉각 디바이스는 냉각 디바이스의 외측 링의 부식을 방지하고, 부식을 제한한다. 또한, 디바이스는 멤브레인 벽 상의 보호성 슬래그 층을 개선하다. 이는 버너 머플 및 멤브레인 벽의 수명을 증가시킨다.

실제 적용 시, 반응기 챔버 내의 온도는 일반적으로 1500 내지 1700℃의 범위 내일 수도 있다. 반응기 챔버 내의 압력은 일반적으로 25 내지 60 barg의 범위 내일 수도 있다.

버너 머플의 도관의 벽 두께는 바람직하게 열 전달을 최적화하고 벽 온도를 제한하도록 가능한 얇다. 최소 벽 두께는 국부적으로 요구되는 바와 같이, 도관 재료의 기계적 강도에 의해 결정될 것이다. 도관(15)의 직경은 약 2 내지 5㎝일 수도 있다. 링은 최대 5 wt%의 Cr 함량을 가진 저합금강 또는 15 wt% 초과의 Cr 함량을 가진 고합금강으로 만들어질 수도 있다.

본 발명은 본 발명의 전술한 실시형태로 제한되지 않고, 다양한 수정이 첨부된 청구항의 범위 내에서 가능하다.

Claims

가스화 반응기의 버너를 위한 냉각 디바이스로서,
상기 가스화 반응기의 반응 구역과 마주하는 가장 큰 직경의 개구 및 상기 버너의 버너 헤드와 마주하는 가장 작은 직경의 개구를 가진 원뿔대 형상을 형성하는, 증가하는 직경을 갖는 수개의 동심원 링으로서, 각각의 링은 냉각 매체를 위한 유입구 및 유출구를 가진 도관인, 상기 수개의 동심원 링과,
상기 가장 큰 직경의 개구에 인접하는 상기 원뿔대 형상의 외측에서 상기 원뿔대 형상을 형성하는 동심원 링에 인접하게 위치된 별도로 교체 가능한 적어도 하나의 일부-원형 외측 링(part-circular outer ring)으로서, 각각의 일부-원형 외측 링은 단절 부분(interruption)을 갖고, 상기 적어도 하나의 일부-원형 외측 링의 상기 단절 부분은 단절 부분 각도를 따라 상기 단절 부분을 정의하도록 중력 방향에서 하향으로 향하고, 상기 단절 부분 각도는 바닥쪽 틈이 연장되는 정도를 정의하는 미리 결정된 방사각인 상기 적어도 하나의 일부-원형 외측 링을 포함하는, 냉각 디바이스.
삭제
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 일부-원형 외측 링은 2개 이상의 일부-원형 외측 링을 포함하는, 냉각 디바이스.
제3항에 있어서,
상기 적어도 하나의 일부-원형 외측 링은
제1 방사각(α) 이상 연장되고, 제1 각(β) 이상 단절되는 하나 이상의 제1 일부-원형 외측 링, 및
제2 방사각(γ) 이상 연장되고, 제2 각(δ) 이상 단절되는 하나 이상의 후속 일부-원형 외측 링으로서, 상기 제2 방사각은 상기 제1 방사각을 초과하는 상기 하나 이상의 후속 일부-원형 외측 링을 포함하는, 냉각 디바이스.
제4항에 있어서, 상기 제1 방사각은 약 240°인, 냉각 디바이스.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 제2 방사각은 약 260°인, 냉각 디바이스.
삭제
제1항, 및 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 링의 수는 6 내지 10개인, 냉각 디바이스.
제1항, 및 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 링은 최대 5 wt%의 Cr 함량을 가진 저합금강 또는 15 wt% 초과의 Cr 함량을 가진 고합금강으로 만들어진, 냉각 디바이스.
가스화 반응기로서,
압력 셸(pressure shell);
상기 압력 셸에 의해 둘러싸인 관형 멤브레인 벽에 의해 부분적으로 경계가 정해지는 반응 구역;
버너 헤드를 가진 적어도 하나의 버너로서, 상기 버너 헤드는 상기 멤브레인 벽에 돌출하는, 상기 적어도 하나의 버너;
상기 멤브레인 벽에 배열되고 상기 적어도 하나의 버너의 상기 버너 헤드를 둘러싸는 적어도 하나의 냉각 디바이스로서, 상기 반응 구역과 마주하는 가장 큰 직경의 개구 및 상기 버너 헤드와 마주하는 가장 작은 직경의 개구를 가진 원뿔대 형상을 형성하는, 증가하는 직경을 갖는 수개의 동심원 링으로서, 각각의 링은 냉각 매체를 위한 유입구 및 유출구를 가진 도관이고, 상기 버너 헤드를 위한 상기 가장 작은 직경의 개구는 상기 압력 셸과 상기 멤브레인 벽 사이에 위치되는 상기 수개의 동심원 링, 및 상기 가장 큰 직경의 개구에 인접하는 상기 원뿔대 형상의 외측에서 상기 원뿔대 형상을 형성하는 동심원 링에 인접하게 위치된 별도로 교체 가능한 적어도 하나의 일부-원형 외측 링(part-circular outer ring)으로서, 각각의 일부-원형 외측 링은 단절 부분을 갖고, 상기 적어도 하나의 일부-원형 외측 링의 상기 단절 부분은 단절 부분 각도를 따라 상기 단절 부분을 정의하도록 중력 방향에서 하향으로 향하고, 상기 단절 부분 각도는 바닥쪽 틈이 연장되는 정도를 정의하는 미리 결정된 방사각인 상기 적어도 하나의 일부-원형 외측 링을 포함하는 상기 적어도 하나의 냉각 디바이스;를 포함하는, 가스화 반응기.
삭제
제10항에 있어서, 상기 냉각 디바이스의 상기 적어도 하나의 일부-원형 외측 링은 상기 반응 구역 내로 돌출하는, 가스화 반응기.