KR20090098810A - 기화 반응기 - Google Patents

Abstract

압력 쉘 (1), 수직 방향 관형 막 벽 (3) 으로 부분적으로 구분된 반응 구역 (2), 사용시 상기 반응 구역 (2) 내로 연소 화염이 방출되는 버너 헤드를 갖는 수평 방향 버너 (13) 를 포함하는 기화 반응기에 관한 것이고, 상기 버너 (13) 는 버너 머플 (14) 을 경유하여 막 벽 (3) 의 수직 벽 부분에서 돌출되고, 상기 버너 머플 (14) 은 수직 방향이고 동심의 상호 연결된 몇 개의 링 (15) 을 포함하고, 링은 그 이웃하는 링보다 더 늘어난 직경을 갖고 있어서 버너 머플 (14) 이 일 단부에서는 버너 헤드용 머플 개구 (16) 를 갖고 다른 - 화염 배출 - 단부에서는 더 큰 개구 (18) 를 갖게 되며, 링 (15) 은 냉각 매체용 입구 (21) 및 사용된 냉각 매체용 출구 (21) 를 갖는 도관이고, 버너 헤드용 머플 개구는 압력 쉘 (1) 과 막 벽 (3) 사이에 위치하고, 버너 머플 (14) 은 반응 구역 (2) 내로 돌출된 기화 반응기이다.

기화 반응기

Description

기화 반응기 {GASIFICATION REACTOR}

본 발명은 압력 쉘, 수직 방향 관형 막 벽으로 부분적으로 둘러싸인 반응 구역, 사용시 상기 반응 구역 내로 연소 화염이 방출되는 버너 헤드를 갖는 수평방향 버너를 포함하는 기화 반응기에 관한 것이고, 상기 버너는 버너 머플을 통하여 막 벽의 수직 벽부분에서 돌출된다.

이러한 기화 반응기는 US-A-4202672 에 나타나 있다. 이 공보는 압력 쉘, 반응 구역 및 부분적으로 반응 구역을 규정하는 막 벽을 갖는 기화 반응기를 개시하였다. 관형 막 벽은 증발 냉각수가 존재하는 상호 연결된 도관을 포함한다.

전술한 기화 반응기에서 수행될 수 있는 석탄 기화 과정이 US-A-4959080 에 개시되어 있다. 이 공보는, 석탄을 기화하는 동안 슬래그 층이 막 벽 상에 형성될 것임을 개시하였다. 이 슬래그 층은 막 벽의 내측면을 따라 아래로 흐를 것이다.

또한, 쉘 석탄 기화 과정(The Shell Coal Gasification Process) 은, 크리스토퍼 히그만 (Christofer Higman) 과 마르텐 반 데어 부르트 (Maarten van der Burgt) 가 쓴 "기화 (Gasification)", 2003, Elsevier Science, Burlington MA, 118 ~ 120 페이지에 따른 압력 쉘 및 막 벽 반응 구역을 포함하는 기화 반응기를 사용한다. 이 공보에 따르면, 쉘 석탄 기화 과정은 통상적으로 1500℃ 의 온도와 30 ~ 40 bar 의 압력에서 이루어진다. 이 공보에 따르면 작은 니치 (niche) 에 수평 버너가 위치한다.

본 출원인은 전술한 압력 범위의 하한에서 쉘 석탄 기화 처리를 성공적으로 수행하였다. 그러나 더 높은 압력에서 기화 반응기를 작동시키는 것이 바람직한데, 예컨대 동일한 용량을 얻으면서 반응기의 크기 (직경 및/또는 길이) 를 줄일 수 있기 때문이다. 기화 반응기의 직경이 줄어들면 슬래그가 수직 막 벽에서 내려가는 원주 영역이 더 작아지게 된다. 따라서, 반응기 처리량이 동일할 때 유체 슬래그 층의 두께가 증가한다. 회분이 많은 공급 원료를 사용하면 이 효과는 더욱 커진다. 가스압을 증가시키고 반응기 직경을 줄이면 슬래그가 버너 머플 안으로 들어가는 것이 발견되었다. 이 슬래그는 금속 머플 벽 쪽으로 산소/ 석탄 화염을 편향시키고, 이로 인해 극히 높은 열 플럭스가 발생한다. 더 높은 전체 표면 온도와 함께, 수냉 측에 증기 블랭킷이 형성될 수 있고, 이로 인해 국부적으로 적절하지 않은 냉각이 있게 된다. 그 결과, 이러한 위치에서 막 벽의 금속이 녹게 된다.

US-A-4818252 는 기화 반응기의 막 벽에 존재하는 버너 머플을 개시하고 있다. 이 버너 머플 자체는 기화 조건에 따라 설계가 바뀔 수 있다. 이 설계는, 기화 버너용 개구 주위에 있는 상호 연결된 동심 관으로 이루어진 수직의 피냉각 실드를 포함한다. 이 수직의 동심 실드는 다른 수평 위치에 위치할 수 있는 데, 즉, 막 벽에 가까이 또는 그로부터 더 멀리 위치할 수 있다.

그러나 US-A-4818252 의 버너 머플은, 두꺼운 점성 액체 슬래그 층이 막 벽 내면에 형성되는 조건에서 기화 반응이 이루어지는 경우 슬래그 침입에 취약하다. 이러한 상황에서는, 슬래그는 버너 헤드의 앞에서 흐르게 되고 연소를 방해할 것이다. US-A-4818252 는, 슬래그가 버너 헤드를 덮는 것을 막기 위해 도 14 에 나타낸 바와 같은 슬래그 편향기를 개시하고 있다. 그러나 이러한 설계는 두꺼운 슬래그 층을 감당하기에는 적합하지 않다.

본 발명의 목적은 더 높은 압력에서 작동할 수 있고 큰 열 플럭스를 피할 수 있거나 대안적으로 적어도 이러한 열 플럭스의 해로운 영향을 최소화시킬 수 있는, 전술한 바와 같은 기화 반응기를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 높은 슬래그화 조건에서 작동할 수 있는 기화 반응기를 제공하는 것이다.

이러한 목적은 다음과 같은 기화 반응기를 통해 달성할 수 있다. 압력 쉘, 수직 방향 관형 막 벽으로 부분적으로 둘러싸인 반응 구역, 버너 헤드를 갖는 수평 방향 버너를 포함하고, 상기 버너는 버너 머플을 경유하여 막 벽의 수직 벽 부분에서 돌출되고, 상기 버너 머플은 수직 방향인 동심의 상호 연결된 몇 개의 링을 포함하고, 링은 그 이웃하는 링보다 더 늘어난 직경을 갖고 있어서 버너 머플이 일 단부에서는 버너 헤드용 머플 개구를 갖고 다른 - 화염 배출 - 단부에서는 더 큰 개구를 갖게 되며, 링은 냉각 매체용 입구 및 사용된 냉각 매체용 출구를 갖는 도관이고, 버너 헤드용 머플 개구는 압력 쉘과 막 벽 사이에 위치하고, 버너 머플은 반응 구역 내로 돌출된 기화 반응기이다.

본 출원인은, 청구된 기화 반응기에 의해 달성할 수 있는 바와 같은 버너 머플의 표면에 적절한 냉각을 가하면, 더 높은 기화 압력, 바람직하게는 30 bar 보다 높은 압력, 더 바람직하게는 35 ~ 70 bar 의 압력에서 작동할 수 있는 견고한 설계가 가능함을 발견하였다. 본 출원인은, 슬래그가 버너 머플에 들어가는 것을 방지하는데 돌출부가 도움이 됨을 더 발견하였다. 슬래그가 머플 표면에 쌓이는 것을 방지하여, 더 낮은 국부 열 플럭스가 발생하고, 따라서 더욱 견고한 설계가 가능하다.

더불어, 돌출된 버너 머플을 사용하여 특정 회분 (ash) 함유 공급 원료용 기화 반응기의 동작 온도 범위를 넓힐 수 있음을 발견하였다. 이는 두 가지 점에서 유익하다: a) 기화 반응기의 작동이 더 쉽고, 또한 더 안전하며 더 신뢰성이 있고 b) 넓어진 동작 윈도우 (operating window) 의 더 낮은 범위에서 작동함으로서, 더 적은 산소를 소모하고 따라서 더욱 효율적이 된다.

기화 반응기의 동작 온도범위는 막 벽의 아래로 흐르는 유체 슬래그의 점도에 의해 규정된다. 높은 온도에서는 점도가 더 낮고 슬래그는 쉽게 버너 머플 주위로 편향된다. 낮은 온도에서는 점도가 더 높고 버너 머플 주위에서 슬래그를 편향시키기 더 어렵게 된다. 본 발명에 따른 반응기에 존재하는 돌출된 버너 머플을 통해 이를 달성할 수 있다.

본 발명에 따른 기화 반응기는 회분을 포함하는, 적어도 예컨대 석탄과 같은 고체 탄소질 공급물, 나무와 농업 쓰레기와 같은 바이오매스 (biomass), 또는 타르 모래와 다른 역청 오일과 같은 액체 탄소질 공급물을 기화하는데 적절하게 사용된다. 회분으로 인하여 슬래그 층이 막 벽 상에 형성된다. 또한, 기화 반응기에서는, 반드시 회분을 포함하지는 않을 수 있는, 추가적인 공급물이 기화될 수 있다.

도 1 내지 도 3 을 참조하여 본 발명과 이의 바람직한 실시형태를 설명하도록 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 기화 반응기이다.

도 2 는 본 발명에 따른 버너 머플을 나타낸다.

도 3 은 버너 머플의 바람직한 실시형태를 나타내는, 도 1 의 반응기의 상세도이다.

도 1 은 수직 방향 관형 압력 쉘 (1), 막 벽 (3) 및 반응 구역 (2) 을 갖는 기화 반응기를 나타낸다. 막 벽 (3) 의 부분 (3a) 은 관형이다. 막 벽 (3) 은 물이 관류하는 수직 통로로 이루어진다. 물은 공통 분배기 (5) 로 향하는 공급 라인 (4) 을 통하여 막 벽에 공급된다. 전형적으로 물-/증기 혼합물 형태인 사용된 냉각수는 공통 헤더 (6) 와 배출 라인 (7) 을 통하여 반응기에서 배출된다. 반응기는 켄치 (quench) 가스 공급부 (8), 기화 반응기에서 준비된 수소와 일산화탄소 혼합물용 배출 라인 (9) 및 슬래그용 배출 라인 (10) 을 더 갖는다. 2 개의 직경방향으로 마주보는 버너 (13) 가 나타나 있다. 반응기는, 예컨대 동일 높이에서 또는 다르게는 다른 높이에서 2 이상의 이러한 버너 쌍을 포함할 수 있다. 석탄 공급물을 위한 적절한 버너는 예컨대 US-A-4523529 와 US-A-4510874 에 개시되어 있다. 버너는 석탄 공급 라인 (11) 및 산소용 공급 라인 (12) 에 의해 공급을 받는다.

도 2 는 막 벽 (3) 에 돌출된 버너 (13) 를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 압력 쉘 (1) 과 막 벽 (3) 사이에 버너 헤드 (17) 용 머플 개구 (16) 가 위치한다. 개구 (18) 는 막 벽 (3) 과 같은 면을 이룬다. 따라서, 이 설계에서 버너 머플 (14) 은 반응 구역 내로 돌출되지 않는다. 따라서, 슬래그 (32) 는 용이하게 개구 (18) 에 들어가서 머플 (14) 을 채우게 되어, 결과적으로 화염이 전술한 바와 같은 금속 머플 벽으로 향할 수 있다.

도 3 은 도 1 의 기화 반응기의 일부인 버너와 버너 머플을 나타내는데, 여기서 버너 머플 (14) 은 반응 구역 (2) 내로 돌출되어 있다. 본 출원인은 이러한 돌출을 통해 슬래그 (32) 가 버너 머플 (14) 에 들어가는 것을 방지하는데 도움이 되는 것을 발견하였다. 머플 (14) 의 표면상에 슬래그가 쌓이는 것을 방지하여 국부적인 열 플럭스가 덜 발생하고, 따라서 훨씬 더 견고한 설계를 할 수 있다고 믿어진다. 슬래그 (32) 는, 돌출된 머플 (14) 때문에, 머플 (14) 자체로 들어갈 수 있게 되지 않고 외측에 위치한 링 (30) 의 외부에서 아래로 흐른다.

바람직하게는 머플 (14) 은 거리 (36) 만큼 반응 구역 (2) 내로 돌출되고, 이 거리는 공급 원료 내의 회분 특성 및 회분 함량에 의해 결정된다. 거리 (36) 는 링 (15) 의 직경의 1 배 이상이고, 바람직하게는 링 (15) 직경의 2 배 이 상이나 4 배를 넘지 않는다. 도시된 바와 같이, 거리 (36) 는 외측에 위치한 링 (30) 과 내화재 (24) 의 표면 사이의 수평 거리로 정의된다.

도 3 에 나타난 바와 같이 더욱 바람직한 실시형태에서는, 개구 (18) 와 외측 링 (30) 에 의해 규정되는 원주의 상부를 따라 슬래그 도랑 (35) 을 형성하도록 위치된 도관 (34) 을 상부측에서 갖는 머플 (14) 이 사용된다. 도관 (34) 은 일단부에서 냉각 매체용 입구를 갖고, 다른 단부에서는 사용된 냉각 매체용 출구를 가지며, 이들 입구와 출구는 도시되어 있지 않다.

도 2 및 도 3 은 동심원이고 상호 연결된 몇 개의 수직 방향 링 (15) 을 포함하는 버너 머플 (14) 을 더 나타낸다. 바람직하게는 1 이상, 더욱 바람직하게는 모든 링 (15) 은 라인 (20) 을 통한 각각의 냉각 매체용 입구 및 라인 (22) 을 통한 각각의 사용된 냉각 매체용 출구를 갖는 도관이다. 도관 벽의 두께는 바람직하게는 좋은 열전달이 가능하고 또한 벽 온도를 제한하기 위해 가능한한 작다. 최소 벽 두께는 국부적으로 요구되는 기계적 강도에 의해 결정될 것이다. 당업자는 이러한 도관을 위한 정확한 치수를 손쉽게 결정할 수 있을 것이다. 도관의 직경은 바람직하게는 0.02 ~ 0.05 m 이다. 링은 바람직하게는 크롬 함량이 최대 5 중량 % 인 저합금강 또는 크롬 함량이 15 중량 % 를 넘는 고합금강으로 만들어진다.

라인 (20) 및 라인 (22) 은 냉각 매체 (전형적으로는 물) 분배기 (19) 및 공통된 (전형적으로는 물-/증기 혼합물) 헤더 (21) 에 각각 유체 연결된다. 라인 (20) 을 통해 공급되는 냉각수는 막 벽 (3) 의 도관 (33) 에 공급되는 냉각수와 같 은 공급원으로부터 나온 것일 수 있다. 또한, 수온이 더 낮고 그리고/또는 압력이 다른, 상이한 공급원으로부터 나온 것일 수 있다. 바람직하게는 링은 함께 용접된다.

링 (15) 은 이웃하는 링 (15) 에 비해 늘어난 직경을 갖게 되고, 그로 인해 버너 머플 (14) 은 일단부에서는 버너 헤드 (17) 용 머플 개구 (16) 를 갖고 다른 - 화염 배출 - 단부 (23) 에서는 더 큰 개구 (18) 를 가진다. 머플 개구 (16) 는 더 큰 개구 (18) 로부터 수평 방향으로 떨어져 있다. 이로 인해, 연결된 링은 원뿔 형태를 갖는다.

바람직하게는, 버너 헤드 (17) 용 머플 개구 (16) 에서 내측에 위치한 링 (29) 과 이 내측 링 (29) 에 인접한 다음 링 (29a) 사이의 방향선 (25a) 및 수평선 (26) 사이의 각 (α1) 은 15 ~ 60°이다. 바람직하게는, 버너 헤드 (17) 용 머플 개구 (16) 에서 내측에 위치한 링 (29) 과 화염 배출 단부 (23) 에 있는 개구 (18) 에서 외측에 위치한 링 (30) 간의 방향선 (25) 및 수평선 (26) 사이의 각 (α2) 은 20 ~ 70°이다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 라인 (25) 은 링 (29) 의 중심에서 링 (30) 의 중심으로 이어진다. 라인 (25a) 은 또한 도시된 바와 같이 링의 중심에서 중심으로 이어진다. 바람직하게는 α1 은 α2 보다 크다. 외측에 위치한 링 (30) 은 버너 헤드 (17) 용 머플 개구 (16) 를 형성하는 링이다.

바람직하게는 링 (15) 의 수는 6 ~ 10 개이다. 링 (15) 은 도시된 바와 같이 라인 (25) 을 따라 S 자 곡선을 형성할 수 있다. 바람직하게는 실링 (28) 이 버너 (13) 의 샤프트와 버너 슬리브 (36) 사이에 존재한다. 실링 (28) 은 도시된 바와 같이 버너 헤드 (17) 까지 연장될 수 있다. 이러한 실링 (28) 은 반응 구역에 존재하는 가스와 비산회 (fly-ash) 및/또는 슬래그가 압력 쉘 (1) 및 막 벽 (3) 사이의 공간에 존재하는 버너 슬리브 (36) 에 들어가는 것을 방지해준다. 이러한 가스 흐름을 피함으로써, 국부적인 열 플럭스가 더 감소된다. 실링 (28) 은 바람직하게는 국부적인 열팽창을 수용할 수 있는 가요성 실링이다. 적합한 실링 재료는 예컨대 섬유 직물 (fiber-woven) 및/또는 편성 와이어 메쉬형 (knitted wire mesh) 실링이다.

도 2 및 도 3 은 또한 막 벽 (3) 의 일부를 나타낸다. 막 벽 (3) 은 몇 개의 수직이고 상호 연결된 도관 (33) 를 포함하고, 이 도관을 통해 냉각 매체, 바람직하게는 증발수가 흐른다. 이러한 도관 (33) 은 개략적으로 도시된 바와 같이 공급 및 배출선 (31) 을 갖는다. 도관 (33) 은 바람직하게는 내화재 (24) 로 코팅된다. 사용시, 내화재 (24) 는 예컨대 전술한 US-A-4959080 에 설명된 바와 같이 슬래그 (32) 층으로 피복될 것이다. 또한 도 2 및 도 3 은 버너 머플 (14) 주위에 장착된 내화재 덩어리 (27) 를 나타내고, 이는 슬래그가 버너 헤드 (17) 로 향하는 가능한 지름길인 머플 (14) 의 후측으로 들어가는 것을 방지한다.

Claims (9)

1. 압력 쉘, 수직 방향 관형 막 벽으로 부분적으로 둘러싸인 반응 구역, 버너 헤드를 갖는 수평 방향 버너를 포함하고, 상기 버너는 버너 머플을 통해 막 벽의 수직 벽 부분에서 돌출되고, 상기 버너 머플은 수직 방향인 동심의 상호 연결된 몇 개의 링을 포함하고,

   링은 그 이웃하는 링보다 더 늘어난 직경을 갖고 있어서 버너 머플이 일 단부에서는 버너 헤드용 머플 개구를 갖고 다른 - 화염 배출 - 단부에서는 더 큰 개구를 갖게 되며, 링은 냉각 매체용 입구 및 사용된 냉각 매체용 출구를 갖는 도관이고,

   버너 헤드용 머플 개구는 압력 쉘과 막 벽 사이에 위치하고,

   버너 머플은 반응 구역 내로 돌출된 기화 반응기.
2. 제 1 항에 있어서,

   버너 머플의 하나 이상의 링이 반응 구역 내로 돌출된 기화 반응기.
3. 제 2 항에 있어서,

   반응 구역 내로 돌출된 머플 일부의 상부측에 도관이 배치되어 슬래그 도랑을 형성하고,

   상기 도관은 일단부에서는 냉각 매체용 입구 및 다른 단부에서는 사용된 냉 각 매체용 출구를 갖는 기화 반응기.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   버너 헤드용 머플 개구에서 내측에 위치한 링과 화염 배출 단부에 있는 개구에서 외측에 위치한 링 간의 방향선 및 수평선 사이의 각이 20 ~ 70°인 기화 반응기.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   버너 헤드용 머플 개구에서 내측에 위치한 링과 이 내측 링에 인접한 다음 링 사이의 방향선 및 수평선 사이의 각이 15 ~ 60°인 기화 반응기.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   링의 수는 6 ~ 10 개인 기화 반응기.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   버너 헤드와 내측 링 사이에 실링이 존재하는 기화 반응기.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 실링은 섬유 직물 및/또는 편성 와이어 메쉬형 실링인 가스형 반응기.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

   링은 크롬 함량이 최대 5 중량 % 인 저합금강 또는 크롬 함량이 15 중량 % 를 넘는 고합금강으로 만들어진 기화 반응기.

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