KR20100053557A

KR20100053557A - 직립형 기체화 장치

Info

Publication number: KR20100053557A
Application number: KR1020107003257A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 엘 더글라스; 데이비드 엘 브레톤; 로널드 더블유 허배넥; 스티븐 브이 치체스터
Original assignee: 코노코필립스 컴퍼니
Priority date: 2007-08-07
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2010-05-20
Also published as: AU2008284081A1; WO2009020809A1; PL2792731T3; EP2792731B1; US20120233921A1; US8444724B2; KR101426426B1; CA2693218C; TW201437355A; JP2010535895A; EP2176386B1; CN101772562A; US8211191B2; PL2176386T3; EP2176386A1; TWI568843B; TWI444466B; CN101772562B; JP5774849B2; AU2008284081B2

Abstract

본 발명은 원료물질의 기체화를 위해 사용되는 일반적인 직립형 반응로 시스템에 관한 것이다. 이 반응로 시스템에는 대체로 하나의 본체, 그 본체로부터 외측으로 연장되는 적어도 2개의 주입구 돌기, 그리고 각각의 주입구 돌기 상에 배치된 적어도 1개의 주입구가 포함된다. 각각의 주입구는 원료물질을 반응 구역에 방류하는 데 이용된다. 각각의 주입구는 원료물질을 반응 구역에 방류하는 데 이용된다.

Description

직립형 기체화 장치{UPRIGHT GASIFIER}

본 발명은 원료물질을 기체로 바꾸는 방법과 장치에 전반적으로 관련된다.

무엇보다도, 본 발명을 여러 가지로 구현하여 일반적으로 직립형 구조를 갖는 기체화 반응로를 제작할 수 있다.

기체화 반응로는 일반적으로 고체 상태인 원료물질을 기체 상태의 제품으로 전환시키는 데 자주 이용된다. 예를 들면, 기체화 반응로로 탄소가 포함된 석탄 및/또는 석유 코크스 같은 원료물질을 기체로 바꿔 수소와 같은 유용한 기체 제품을 생산할 수 있다. 기체화 반응로는 반드시 고체 원료물질을 기체화하는 데 필요한 높은 압력과 온도에 견딜 수 있도록 구축해야 한다. 단점이라면, 기체화 반응로에는 복잡한 기하학적 구조를 채택할 경우가 많으므로 막대한 유지관리 노력이 필요하다는 점이다.

본 발명은 일반적으로 직립형 구조를 갖는 기체화 반응로를 제공하며, 이 기화체 반응로를 이용하여 원료물질을 기체로 바꾸는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명을 구현한 한 실시예에서는, 원료물질을 기체로 바꿔주는 2단계 기체화 반응로 시스템을 채택하였다. 반응로 시스템은 보통 제1 단계 반응로 구획과 제2 단계 반응로 구획으로 구성된다. 제1 단계 반응로 구획은 보통 하나의 본체와 원료물질을 제1 반응 구역에 방류하는 데 이용되는 적어도 2개의 주입구로 구성된다. 제1 단계 반응로 구획은 다수의 내부 표면들을 갖는데 이 표면들이 합쳐져 제1 반응 구역을 형성하고, 이 내부 표면들의 총 면적 중 적어도 50 퍼센트 정도는 직립 방향으로 배열된다. 제2 단계 반응로 구획은 일반적으로 제1 단계 반응로 구획의 위쪽에 배치되어 제2 반응 구역을 형성한다.

본 발명을 구현한 또 다른 실시예에서는, 원료물질을 기체로 바꿔주는 반응로 시스템이 제공된다. 반응로 시스템에는 일반적으로 가늘고 긴 수직 방향의 본체와, 보통은 본체상의 반대쪽으로부터 외부로 연장된 한 쌍의 주입구 돌기가 포함된다. 본체와 주입구 돌기가 합쳐져 반응 구역을 형성한다. 각각의 주입구 돌기에는 적어도 1개의 주입구가 배치된다. 각 주입구는 원료물질을 반응 구역에 방류하는 데 이용된다. 본체의 최대 외경은 주입구 돌기의 최대 외경보다 적어도 25 퍼센트 정도 더 크다.

본 발명을 구현한 또 다른 실시예에서는, 원료물질을 기체로 바꿔주는 2단계 기체화 반응로 시스템이 제공된다. 일반적으로 반응로 시스템에는 제1 단계 반응로 구획, 제2 단계 반응로 구획, 그리고 협류(throat) 구획이 포함된다. 제1 단계 반응로 구획은 여러 개의 내부 표면을 갖는데 이 표면들이 합쳐져 제1 반응 구역을 형성하고, 이 내부 표면들의 총 면적 중 적어도 50 퍼센트 정도는 충분히 수직을 이루도록 배열된다. 그외에도 제1 단계 반응로 시스템에는 내부 표면의 본체쪽 부분을 이루는 하나의 본체와 보통은 본체상의 반대쪽으로부터 외부로 연장된 한 쌍의 주입구 돌기가 포함된다. 주입구 돌기는 내부 표면의 주입구 부분을 형성한다. 각각의 주입구 돌기에는 적어도 1개의 주입구가 배치된다. 각각의 주입구는 원료물질을 제1 반응 구역에 방류하는 데 이용된다. 제1 반응 구역의 총 용적 대비 대략 50 퍼센트 미만의 용적이 주입구 돌기 내에 형성되어 있으며, 본체의 최대 외경은 주입구 돌기의 최대 외경보다 적어도 25 퍼센트 정도 더 크다. 제2 단계 반응로 구획은 일반적으로 제1 단계 반응로 구획의 위쪽에 배치되어 제2 반응 구역을 형성한다. 협류 구획은 제1 단계 반응로 구획과 제2 단계 반응로 구획 사이의 유체 연통을 구현해 주며, 상향 흐름을 위한 통로를 구성한다. 이 통로에는 제1 반응 구역 및 제2 반응 구역의 개방된 최대 상향 흐름 공간 대비 약 50 퍼센트 미만의 개방된 상향 흐름 공간을 갖는다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는, 탄소를 포함하는 원료물질을 기체로 바꾸는 방법을 제공한다. 이 방법은 보통 다음으로 구성된다. (a)제1 반응 구역에서 원료물질을 최소한 부분적으로 연소시킴으로써 제1 반응 생성물을 생성한다. 여기서 제1 반응 구역은, 여러 개의 내부 표면들이 합쳐져 형성되는데, 이 내부 표면들의 총 면적 중 적어도 50 퍼센트 정도는 직립 방향으로 배열된다. 그리고 (b) 보통 제1 반응 구역 위에 배치되는 제2 반응 구역에서 제1 연소 생성물 중 적어도 일부분을 추가로 반응시킴으로써 제2 반응 생성물을 얻는다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는, 탄소를 포함하는 원료물질을 기체로 바꾸는 방법을 제공한다. 이 방법에는 일반적으로 기체화 반응로 내 반응 구역의 원료물질 중 적어도 일부분을 연소시켜 반응 생성물을 얻는 과정이 포함된다. 반응로에는 하나의 본체와, 보통은 본체상의 반대쪽으로부터 외부로 연장된 한 쌍의 주입구 돌기가 포함된다. 반응로에는 또한 보통 반대쪽에 있는 한 쌍의 주입구가 포함되는데, 주입구 돌기의 외측 말단에서 가장 가까운 위치에 배치된다. 본체의 최대 외경은 상기 주입구 돌기의 최대 외경보다 적어도 약 25 퍼센트 정도 더 크다.

본 발명에 따르면, 일반적으로 직립형 구조를 갖는 기체화 반응로를 얻을 수 있으며, 이 기화체 반응로를 이용하여 원료물질을 기체로 바꾸는 방법을 얻을 수 있다.

본 발명의 구체적 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 아래에 자세히 설명하였다.
도 1은 2단계 기체화 반응로의 전체적 외형을 본 발명의 여러 가지 구체적 실시예에 맞춰 구성하여 표현한 것이다.
도 2는 도 1의 기체화 반응로의 제1 단계 반응로 구획의 단면도이다.
도 3은 도 2의 제1 단계 반응로 구획의 일부를 확대시켜 단면도로 더 자세하게 나타낸 것이다.
도 4는 도 1의 참조용 보조선 4-4에 따른 기체화 반응로의 단면도이다.
도 5는 3개의 주입구 돌기를 채택한 또 다른 기체화 반응로의 단면도이다.
도 6은 4개의 주입구 돌기를 채택한 또 다른 기체화 반응로의 단면도이다.

발명의 여러 가지 구체적 적용에 대한 아래의 상세 설명에서는 발명을 실용화할 수 있는 구체적 적용 실시예들을 설명해 주는 첨부 도면을 참조한다. 구체적 실시예들은 이 분야의 기술자들이 발명을 실제적으로 적용할 수 있도록 발명의 특성들을 충분히 자세하게 설명하기 위한 것이다. 기타 구체적인 활용이 가능하며 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 변경이 가능하다. 그러므로, 아래의 상세 설명은, 한정적인 의미로 받아들여서는 안 된다. 본 발명의 범위는 해당 청구항이 마땅히 권리를 갖는 상응물의 모든 범위와 함께, 첨부된 청구항에 의해서만 규정된다.

먼저 도 1에 대해, 본 발명을 여러 가지로 구체적으로 적용하여 적어도 원료물질(12)(예: 석탄 또는 석유 코크스)의 일부분을 기체로 바꾸는 데에 사용되는 기체화 반응로 시스템(10)을 구현할 수 있다. 도 1에 보여진 것과 같이, 일부 실시예에서는, 반응로 시스템(10)에는 2단계 구성을 구현하기 위해 제1 단계 반응로 구획(14)과 제2 단계 반응로 구획(16)을 포함시킬 수 있다. 하지만, 실시예에 따라서는 반응로 시스템(10)에 제1 단계 반응로 구획(14)만을 포함시켜 1단계로만 구성할 수도 있다.

도 2에 가장 잘 나타나 있듯이, 제1 단계 반응로 구획(14)에는 여러 개의 제1 내부 표면(18)이 합쳐져 제1 반응 구역(20)을 형성하고 이곳에서 원료물질(12)이 적어도 부분적으로 기체화되도록 할 수 있다. 제1 단계 반응로 구획(14)에는 제1 내부 표면(18)의 본체 부분(18a)으로 이루어진 본체(22)와 제1 내부 표면(18)의 주입구 부분(18b)을 이루는 한 쌍의 주입구 돌기(24)를 포함시킬 수 있다. 각각의 주입구 돌기(24)에 적어도 1개의 주입구(26)를 배치할 수 있다. 여기서 각 주입구(26)는 원료물질(12)을 제1 반응 구역(20)에 방류하는 데 사용된다. 구체적 일실시예에서는, 주입구 돌기들(24)의 높이가 충분히 일치하도록 배치하였다.

제1 내부 표면(18)을 임의의 구성으로 배열하여 제1 반응 구역(20)을 만들 수 있다. 하지만, 여러 가지 구체적 적용 실시예에서, 제1 내부 표면(18)의 총 면적 중 적어도 약 50 퍼센트, 적어도 약 75 퍼센트, 적어도 약 90 퍼센트, 또는 적어도 95 퍼센트를 직립 또는 충분히 수직으로 배치할 수 있다. “직립 방향”이란, 본 명세서의 의미로는, 수직을 기준으로 표면 경사각이 45도 미만의 기울기를 이루는 경우를 말한다. 일부 실시예에서는, 제1 내부 표면(18)의 총 면적의 대략 10 퍼센트 미만, 대략 4 퍼센트 미만, 또는 2 퍼센트 미만이 아래쪽 방향 및/또는 위쪽 방향으로 배치될 수 있다. “아래쪽 방향”이란, 본 명세서에서의 의미로는, 수평 대비 아래쪽으로 45도보다 큰 각도로 연장되는 법선 벡터를 갖는 표면을 뜻한다. “위쪽 방향”이란, 본 명세서에서의 의미로는, 수평 대비 위쪽으로 45도보다 큰 각도로 연장되는 법선 벡터를 갖는 표면을 뜻한다.

뒤에 좀 더 자세히 설명하겠지만, 제1 내부 표면(18) 중 적어도 일부를 직립 방향으로 배치하면 반응로 시스템(10)에 소요되는 유지관리 작업을 줄일 수 있다. 예를 들면, 아래쪽을 향하는 표면을 최소로 줄임으로써 반응로 시스템(10)의 여러 가지 구성부품에 드는 설치 비용을 줄일 수 있는 반면, 위쪽을 향하는 표면을 최소로 줄임으로써 제1 단계 반응로 구획(14) 내에 슬래그와 기타 기체화 과정의 부산물들이 쌓이는 양을 줄일 수 있다.

제1 단계 반응로 구획(14)의 전체적 형태 역시 반응로 시스템(10)을 더 효율적으로 조작하는 데 도움이 될 수 있으며 유지관리 및 수리 비용을 줄여 줄 수 있다. 예를 들면, 도 2에 설명된 것처럼, 일부 실시예에서는, 본체(22)의 최대 외경(Db,o)을, 주입구 돌기(24)의 최대 외경(Dp,o)보다 적어도 약 25 퍼센트, 적어도 약 50 퍼센트, 또는 적어도 75 퍼센트 크게 만들 수 있다. 이와 같은 구성에서는 용접 또는 고정용 부품으로 본체(22)와 주입구 돌기(24)를 결합시켜야만 하는 부위의 길이가 제한될 수 있고, 따라서 반응로 시스템(10)에서 견뎌낼 수 있는 내부 압력이 높아질 수 있다.

도 2에 설명된 것처럼, 일부 실시예에서는, 본체(22)의 최대 내경(Db,i)[제1 내부 표면(18)의 본체 부분(18a) 간의 최대 수평 거리로 측정]은 보통 반대쪽에 있는 주입구 돌기(24)에 있는 주입구(26) 사이의 수평거리 대비 적어도 대략 30 퍼센트, 대략 40 내지 80 퍼센트 범위, 또는 45 내지 70 퍼센트 범위만큼 크게 할 수 있다. 일부 실시예에서는, 제1 반응 구역(20)의 최대 높이(Hr)와 제1 반응 구역(20)의 최대 폭[보통 서로 반대쪽에 있는 주입구(26) 사이의 수평거리로 측정]의 비율이 1:1 내지 약 5:1, 약 1.25:1 내지 약 4:1, 또는 1.5:1 내지 3:1 범위에 속하도록 본체(22)를 구성하였다. 일부 실시예에서는, 본체(22)의 최대 외경(Db,o) 및/또는 본체(22)의 최대 내경(Db,i)은 약 4 내지 40 피트, 약 8 내지 30 피트, 또는 10 내지 25 피트 범위에 속할 수 있다. 또, 제1 반응 구역(20)의 최대 높이(Hr)는 약 10 내지 약 100 피트, 약 20 내지 약 80 피트, 또는 40 내지 60 피트 범위에 속할 수 있다.

주입구 돌기(24)는 본체(22)로부터 외측으로 연장되도록 구성됨으로써 주입구(26)를 통해 원료물질(12)을 제1 반응 구역(20)으로 공급하도록 할 수 있다. 일부 실시예에서는, 주입구 돌기(24)는 도 1, 도 2 및 도 4에 설명된 것처럼 보통 서로 반대 방향에 배치될 수 있다. 그러므로, 주입구 돌기(24)는 일반적으로 본체(22) 상의 반대측에서 외측으로 돌출하도록 제작할 수 있다.

주입구(26) 중 한 개는 각각의 주입구 돌기(24)의 먼 쪽(24b)와 가까운 위치에 배치할 수 있다. 일부 실시예에서는, 각각의 주입구 돌기(24)는 일반적으로 비슷한 크기로 제작될 수 있는데, 각각 가까운 쪽(24a)은 본체(22)에 결합되며 먼 쪽(24b)은 본체(22)에서 멀어지는 쪽으로 배치된다. 주입구(26) 중 한 개는 각각의 주입구 돌기(24)의 먼 쪽(24b)과 가까운 위치에 배치할 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 주입구 돌기(24)는 일반적으로 절두체(frustum) 형태로 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 주입구 돌기(24)는 약 2 내지 25 피트, 약 4 내지 15 피트, 또는 6 내지 12 피트 범위에 속하는 최대 외경(Dp,o) 및/또는 최대 내경(Dp,i)을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 반대 방향으로 연장되는 돌기(24)에 있는 주입구(26) 사이의 수평 거리는 약 10 내지 약 100 피트, 약 15 내지 약 75 피트, 또는 20 내지 45 피트 범위에 속한다.

일부 실시예에서는, 주입구 돌기(24) 내에 제1 반응 구역(20)의 총 용적 대비 약 50 퍼센트 미만, 약 25 퍼센트 미만, 또는 10 퍼센트 미만을 형성할 수 있는 반면, 본체(22) 내에는 제1 반응 구역(20)의 총 용적 대비 약 50 퍼센트 초과, 약 75 퍼센트 초과, 또는 90 퍼센트 초과 부분을 형성할 수 있다.

이제 도 2 내지 도 4에 대해 설명하면, 주입구(26)는 외부 출처로부터 반응로 시스템(10)으로, 좀 더 구체적으로는, 제1 반응 구역(20)으로 원료물질(12)을 공급한다. 주입구(26)는 주입구(26)를 통해 아주 적은 물량이 제1 단계 반응로 구획(14) 내에 방류되도록 배치될 수 있다[예: 내화성 라이너가 새것이든지 새로 재시공된 경우 주입구(26)를 1 내지 2 인치만 제1 반응 구역(20) 내부로 연장시킬 수 있음]. 그와 같은 구성으로 주입구(26)가 손상을 입을 가능성이 있는 제1 반응 구역(20) 내에 노출되는 부분의 크기를 줄일 수 있다. 주입구(26)에는 각각 원료물질(12)이 제1 반응 구역(20)으로 들어갈 수 있도록 해주는 임의의 구성부품이나 그 조합을 포함시킬 수 있는데, 여기에는 튜브와 구멍들이 포함된다. 하지만, 도 3에 설명된 것처럼, 일부 실시예에서는, 원료물질(12)의 적어도 일부분을 산화제와 혼합시키는 데 사용되는 노즐(28)을 각 주입구(26)에 포함시킬 수 있다. 예를 들면, 원료물질(12)이 제1 반응 구역(20)으로 공급되는 동안 각 노즐(28)을 사용해 원료물질(12)을 적어도 부분적으로 산소와 혼합시킬 수 있다. 또, 각 노즐(28)로, 적어도 원료물질(12)의 일부분을 분무화하고, 분무화된 원료물질(12)을 산소와 혼합시켜 원료물질(12)이 제1 반응 구역(20) 내에서 한 가지 이상의 기체 생성물로 빠르게 전환되도록 할 수 있다.

일부 실시예에서는, 원료물질(12)을 제1 반응 구역(20)의 중심부쪽으로 방류하도록 주입구(26)를 구성할 수 있는데, 여기서 제1 반응 구역(20)의 중심은 보통 서로 반대쪽에 있는 주입구(26) 사이를 잇는 직선의 중간점에 위치한다. 또 다른 실시예에서는, 한쪽 또는 양쪽의 주입구(26)를 경사지게 배치하여 수평선 및/또는 수직선 상에서 제1 반응 구역(20)의 중심에서 벗어난 위치로 원료물질(12)이 방류되도록 하였다. 이렇게 보통 반대쪽에 있는 주입구(26)를 경사지게 배열함으로써 제1 반응 구역(20)에서 스월링(swirling) 운동을 촉진할 수 있다. 주입구(26)를 제1 반응 구역(20)의 중심에서 경사지게 배치할 때, 원료물질(12)이 제1 반응 구역(20) 내로 방류되는 각도는 보통 중심에서 약 1 내지 약 7도 범위가 되게 할 수 있다.

다시 도 2 내지 도 4에 대해 설명하면, 일부 실시예에서는, 반응로 시스템(10)에서 앞에 설명한 주입구(26)에 추가로 2차 주입구(56)를 포함시킬 수 있다. 2차 주입구(56)에는 메탄과 산소를 혼합시켜 반응로 시스템(10)에 가함으로써 반응로 시스템(10)의 온도 및/또는 압력을 제어하기 위한 메탄 버너(56a)를 포함시킬 수 있다. 메탄 버너(56a)는 균일한 혼합 및 가열을 촉진하기 위해, 본체(22)에서와 같이, 주입구(26) 및 주입구 돌기(24)에서 떨어진 위치에 배치될 수 있다. 메탄 버너(56a)는 기체 흐름의 경로를 효과적으로 연장하고, 기체의 체류 시간을 늘리며, 기체로부터 제1 내부 표면(18) 쪽으로 대체로 균일한 열 전달을 제공하기 위해, 제1 반응 구역(20)에서의 기체의 스월링 운동을 촉진하도록 배치될 수 있다. 일부 실시예에서는, 반응로 시스템(10)의 직립 구조로 인해 제1 반응 구역(20)을 원하는 온도로 가열하기 위한 1개의 메탄 버너(56a)를 반응로 시스템(10)에 포함시킬 수 있다.

제2 주입구(56)에는 또한 숯(char) 분사기(56b)를 포함시킬 수 있는데, 이것은 원료물질(12)의 반응을 촉진하기 위해 제1 반응 구역(20)에 건조 숯을 가하는 데 이용되며, 뒤에서 좀 더 자세히 설명한다. 숯 분사기(56b)는 보통 제1 반응 구역(20)의 중심 쪽에 건조 숯을 가하여 탄소의 전환량을 늘리는 데 이용될 수 있다. 적어도 숯 분사기(56b) 중 일부는 추가로 탄소의 전환량을 늘리기 위해 제1 단계 반응로 구획(14)의 상단쪽으로 배치시킬 수 있다. 또한 숯 분사기(56b)는 제1 반응 구역(20)에 숯을 가할 때, 탄소 전환량을 늘리고 제1 반응 구역(20) 내에서 좀 더 균일한 온도 분포를 구현하기 위해 숯의 스월링 운동을 발생시키도록 배치될 수 있다.

다시 도 1에 대해 설명하면, 제2 단계 반응로 구획(16)은 보통 제1 단계 반응로 구획(14) 위에 배치되며, 제2 반응 구역(32)을 이루는 다수의 제2 내부 표면(30)을 제공한다. 제2 반응 구역(32) 내에서는 제1 반응 구역(20)에서 발생된 생성물들이 추가로 반응할 수 있다. 제2 단계 반응로 구획(16)에는, 원료물질(12)을 제2 반응 구역(32)에 공급하여 이곳에서 반응시키는 데 이용되는 2차 원료물질 주입구(62)를 포함시킬 수 있다. 아래에 설명한 것처럼, 제2 단계 반응로 구획(16)은 제1 단계 반응로 구획(14)과 통합시킬 수도 있고 따로 만들 수도 있다.

일부 실시예에서는, 반응로 시스템(10)에, 제1 단계 반응로 구획(14)과 제2 단계 반응로 구획(16) 사이에 유체 연통을 구현해 주는 협류 구획(34)을 추가로 포함시켜, 유체가 제1 반응 구역(20)에서 제2 반응 구역(32)으로 흘러가도록 해 준다. 협류 구획(34)은 상향 흐름 경로(36)를 형성하여 유체가 이곳을 통해 흘러갈 수 있도록 한다. 일부 실시예에서는, 협류 구획의 개방된 상향 흐름 공간이, 제1 반응 구역(20)과 제2 반응 구역(32)이 형성하는 최대 개방 상향 흐름 공간 대비 약 50 퍼센트 미만, 약 40 퍼센트 미만, 또는 30 퍼센트 미만의 용적을 갖도록 할 수 있다. 본 명세서에서의 의미로는, “개방된 상향 흐름 공간”이란 통과하는 상향 유체 흐름 방향에 수직이 되게 설정한 단면에 의해 형성되는 개방된 공간을 말한다.

다시 도 2 내지 도 4로 돌아가서, 반응로 시스템(10)에는 원료물질(12)을 기체로 바꿀 때 발생되는 여러 가지 온도와 압력들을 적어도 일시적으로 유지하는 데 이용할 수 있는 모든 자재들을 포함시킬 수 있는데, 이 부분은 뒤에 더 자세히 설명한다. 일부 실시예에서는, 반응로 시스템(10)에 금속용기(40)와 금속용기(40)의 내벽 중 최소한 일부분을 덮어 주는 내화재(42)를 포함시킬 수 있다. 따라서 내화재(42)는 제1 내부 표면(18) 중 적어도 일부분을 형성한다.

내화재(42)에는 원료물질(12)을 기체로 바꾸는 데 사용되는 열로부터 금속용기(40)를 적어도 부분적으로 보호해 주기 위한 모든 자재 또는 자재 조합을 포함시킬 수 있다. 일부 실시예에서는, 도 2 내지 도 4에 설명한 것처럼, 금속용기(40)의 내벽을 적어도 부분적으로 덮어 주는 여러 개의 벽돌(44)을 내화제(42)에 포함시킬 수 있다. 금속용기(40)를 보호하기 위해, 내화제(42)는 적어도 30일간 심한 변형 및 특성 저하 없이 2000°F보다 더 높은 온도에 견딜 수 있도록 개조 가능하다.

도 3에 설명된 것처럼, 내화제(42)에, 최소한 벽돌(44)의 일부분 및 금속용기(40)의 일부분 사이에 배치된 세라믹 섬유 시트(46)를 추가로 포함시켜, 벽돌(44)의 특성이 저하될 경우에 금속용기(40)를 추가로 보호할 수 있다. 하지만, 반응로 시스템(10)의 직립 구성으로 인해 내화제(42)를 쉽게 부분적으로 교체할 수 있으므로, 일부 실시예에서는 세라믹 섬유 시트(46)와 기타 백업 라이너(backup liners)들을 반응로 시스템(10)에서 제외시켜, 설계상 복잡성을 줄이고 제1 반응 구역(20)의 용적을 극대화시킬 수 있다.

일부 실시예에서는, 반응로 시스템(10)에서 내화제(42)와 금속용기(40) 사이에 수냉식 멤브레인 벽체 패널(membrane wall panel)을 추가로 포함시켜 배치할 수 있다. 멤브레인 벽체 패널에는 여러 가지 물 주입 및 배출 라인들을 포함시켜, 멤브레인 벽체 패널을 통해 물이 재순환되게 함으로써, 반응로 시스템(10)의 일부를 냉각시킨다. 추가로 또는 대안으로서, 반응로 시스템(10)에는 제1 단계 반응로 구획(14)의 중심에 가까운 위치 및 내화제(42)의 뒤쪽에 배치되는 여러 개의 수냉식 스테이브(staves)들을 포함시켜, 세라믹 섬유 시트(46)와 같은 백업 자재가 필요 없도록 함으로써 제1 반응 구역(20)의 용적을 늘릴 수 있다. 수냉식 멤브레인 및/또는 스테이브를 활용하여, 내화제(42)를 통한 열 구배를 늘리고 침입하는 용융 슬래그의 깊이와 관련 자재(42)의 파손을 제한함으로써 내화제(42)의 내구성을 높일 수 있다.

도 2에 설명한 것처럼, 제1 단계 반응로 구획(14)에 배출구 또는 꼭지 구멍(tap hole)(50)을 갖는 플로어(48)를 설치할 수 있는데, 이것은, 슬래그와 같은, 반응했거나 반응하지 않은 원료물질(12)이 제1 단계 반응로 구획(14)으로부터 냉각 구획(52)과 같은 저장공간으로 흘러갈 수 있게 하기 위한 것이다. 냉각 구획(52)에 부분적으로 물을 채워서 배출구(50)에서 떨어지는 용융 슬래그를 냉각시켜 고체 상태로 만들 수 있다. 슬래그가 배출구(50) 쪽으로 더 잘 흘러가도록 하기 위해, 플로어(48)를 배출구(50) 방향으로 경사지게 시공할 수 있다. 주입구 돌기(24)의 아래쪽 표면 역시 슬래그가 플로어(48)로 더 잘 흘러가도록 하기 위해 경사지게 할 수 있다. 보통 직립 상태인 반응로 시스템(10)의 구조로 인해, 제1 단계 반응로 구획(14)의 플로어(48) 위에, 내화제(42) 및/또는 주입구 돌기(24)의 지지부와 이격시켜 배출구(50)를 배치할 수 있다. 그와 같은 구조는 냉각 구획(52)으로부터 배출구(50)를 통과해 정체될 수 있는 냉각수 때문에 지지부가 손상되는 것을 막아준다.

도 2에 설명한 것처럼, 반응로 시스템(10)에는 또한 여러 가지 센서(54)를 포함시켜 반응로 시스템(10) 내부 및 주위의 상황을 감지할 수 있다. 예를 들면, 반응로 시스템(10)에는 여러 가지 온도 센서 및 압력 센서(54)를 포함시킬 수 있다. 예를 들면 접이식 열전쌍, 차동 압력 송신기, 광학식 고온계 송신기, 또는 이들 기기들의 조합을 본체(22), 주입구 돌기(24), 및/또는 주입구(26) 및 그 내부에 포함시켜 반응로 시스템(10)과 기체화 반응과정에 대한 데이터를 얻는다. 또한 여러 가지 센서(54)에 TV 송신기를 포함시켜 반응로 시스템(10)이 작동하는 동안 기술자들이 반응로 시스템(10) 내부를 화상으로 파악하도록 할 수 있다. 센서(54)를 주입구 돌기((24))에 배치하여 센서(54)를 제1 반응 구역(20)의 중심부로부터 이격시키면, 센서(54)를 더 오래 사용하도록 할 수 있다.

도 3에 설명한 것처럼, 반응로 시스템(10)에는 또한 여러 가지 점검 경로(58)를 포함시켜 조작기사가 반응로 시스템(10) 내부의 상황을 보고, 모니터링 및/또는 감지를 수행하도록 할 수 있다. 예를 들면, 도 3에 설명한 것처럼, 일부 점검 경로(58)를 통해 조작기사는 보로스코프(boroscope) 또는 기타 유사장비를 활용하여 주입구(26) 및 내화제(42)의 상태를 살펴 볼 수 있다. 반응로 시스템(10) 에는 또한 1개 이상의 작업인원 접근통로(60)를 포함시켜, 조작기사가 배출구(50) 및 내화제(42) 같은 반응로 시스템(10) 내의 부분들에 쉽게 접근하도록 할 수 있다. 반응로 시스템(10)은 보통 직립 구조를 가지므로, 배출구(50)에 근접한 곳, 주입구(56) 등과 같은, 반응로 시스템(10)의 중요 위치에 작업인원 접근통로(60)를 좀 더 쉽게 배치하여, 유지관리 및 수리작업을 용이하게 실시할 수 있다.

일부 실시예에서는, 반응로 시스템(10)에 제1 단계 반응로 구획(14)과 제2 단계 반응로 구획(16)을 전부 일체형(monolithic) 구조로 만들어 주는 일체형 기체화 반응로를 포함시킬 수 있다. 그러므로, 제1 단계 반응로 구획(14)과 제2 단계 반응로 구획(16)을 다양한 유체 도관들로 연결되는 다중 용기로 만드는 대신, 위에 설명한 금속용기(40) 및 내화제(42)처럼 동일한 자재로 통합시켜 제작할 수 있다.

조작할 때는, 원료물질(12)을 주입구(26)를 통해 제1 반응 구역(20)에 공급하고 이곳에서 최소한 부분적으로 연소시킨다. 제1 반응 구역(20)에서 원료물질(12)을 연소시키면 제1 반응 생성물이 만들어진다. 반응로 시스템(10)에 제2 단계 반응로 구획(16)이 포함되는 실시예에서, 제1 반응 생성물은 제1 반응 구역(20)으로부터 제2 반응 구역(32)으로 통과하여 제2 반응 구역(32) 내에서 추가로 반응해 제2 반응 생성물을 만들 수 있다. 제1 반응 생성물은 협로 구획(34)을 거쳐 제1 반응 구역(20)으로부터 제2 반응 구역(32)으로 통과할 수 있다. 원료물질(12)의 추가물량을 제2 반응 구역(32)에 가해 그곳에서 최소한 부분적으로 연소시킬 수 있다.

일부 실시예에서, 원료물질(12)에 석탄 및/또는 석유 코크스를 포함시킬 수 있다. 또한, 원료물질(12)에 물과 기타 유체들을 추가로 포함시켜 석탄 및/또는 석유 코크스 슬러리로 만들어 유동성을 높이고 더 잘 연소되게 할 수 있다. 원료물질(12)에 석탄 및/또는 석유 코크스가 포함된 경우, 제1 반응 생성물에는 증기, 숯, 및 수소, 일산화탄소, 및 이산화탄소 같은 기체상 연소 생성물이 포함될 수 있다. 원료물질(12)에 석탄 및/또는 석유 코크스가 포함된 경우, 제2 반응 생성물에는 비슷하게 증기, 숯, 및 수소, 일산화탄소, 및 이산화탄소 같은 기체상 연소 생성물이 포함될 수 있다. 또한 여러 가지 반응 생성물에 슬래그가 포함될 수 있으며, 뒤에 더 자세히 설명하겠다.

제1 반응 생성물의 오버헤드 분획에는 증기 및 기체상 연소생성물이 포함될 수 있는 반면 제1 반응 생성물의 언더플로 분획에는 슬래그가 포함될 수 있다. “슬래그”란, 본 명세서에서는, 원료물질(12)에서 나온 광물질과, 제1 반응 구역(20) 및/또는 제2 반응 구역(32) 내에서 일어나는 기체화 반응 후에 남아 있는 추가된 모든 융제(fluxing agent) 잔류성분을 함께 지칭한다.

협로 구획(34)을 통과하는 방법 등으로, 제1 반응 생성물의 오버헤드 분획을 제2 반응 구역(32)에 가할 수 있고, 제1 반응 생성물의 언더플로 분획은 제1 반응 구역(20)의 바닥으로부터 제거하거나 기타 방법으로 내보낼 수 있다. 예를 들면, 슬래그를 포함하는 언더플로 분획은, 배출구(50)를 통해 냉각 구획(52)으로 보낼 수 있다.

협로 구획(34) 내의 제1 반응 생성물의 오버헤드 분획의 최대 표면 유속은 적어도 대략 초속 30 피트, 초속 약 35 내지 약 75 피트 범위, 또는 초속 40 내지 50 피트로 나타날 수 있다. 제2 반응 구역(32) 내의 오버헤드 분획의 최대 유속은 초속 약 10 내지 약 20 피트 범위로 나타날 수 있다. 하지만, 파악 가능한 바와 같이, 오버헤드 분획의 표면 유속은 제1 반응 구역(20)과 제2 반응 구역(32) 내의 조건에 따라 달라질 수 있다.

제1 반응 구역(20) 및/또는 제2 반응 구역(32) 내에서 원료물질(12)의 반응을 통해서도 숯이 생성될 수 있다. “숯(Char)”이란, 본 명세서에서는, 여러 가지 반응 생성물이 만들어진 후에, 제1 반응 구역(20) 및/또는 제2 반응 구역(32) 내에 남아 있는 연소되지 않은 탄소와 재의 입자들을 뜻한다. 원료물질(12)의 반응에 의해 생성된 숯은, 제거된 다음 탄소 전환량을 늘리기 위해 재활용 가능하다. 예를 들면, 숯을 위에 설명한 대로 2차 주입구(56b)를 통해 재수거하여 제1 반응 구역(20) 내에 분사할 수 있다.

제1 반응 구역(20) 내에서 원료물질(12)의 연소는 원료물질(12)로부터 제1 반응 생성물을 발생시키는 데 적합한 어떤 온도로도 시행될 수 있다. 예를 들면, 원료물질(12)에 탄소 및/또는 석유 코크스가 포함된 실시예에서, 제1 반응 구역(20) 내에서 원료물질(12)을 연소시킬 때는 최대 온도를 적어도 약 2,000°F, 약 2,200 내지 3,500°F의 범위, 또는 2,400 내지 3,000°F로 설정할 수 있다. 반응로 시스템(10)에 제2 단계 반응로 구획(16)을 포함하는 실시예에서, 제2 반응 구역(32) 내에서 수행되는 반응은, 제1 반응 구역(20) 내에서 수행되는 연소의 최고 온도에 비해 최저 200°F, 약 400 내지 약 1,500°F의 범위, 또는 500 내지 1,000°F 만큼 낮은 평균 온도에서 흡열 반응으로 진행될 수 있다. 흡열 반응의 평균 온도는 제2 반응 구역(32)의 수직 중심축 방향 평균 온도에 의해 정해진다. 반응 생성물의 반응 및 발생을 촉진하기 위해, 제1 반응 구역(20)과 제 2 반응 구역(32)에서는 각각 최저 약 350 psig, 약 350 내지 약 1,400 psig의 범위, 또는 400 내지 800 psig의 압력을 유지할 수 있다.

반응로 시스템(10)에서 직립 구성을 채택하여, 원료물질(12)을 기체화할 때 나오는 슬래그 및 기타 부산물을 더 잘 제거할 수 있다. 예를 들면, 위쪽을 향하는 제1 내부 표면(18)의 사용을 제한함으로써, 플로어(48)의 경사진 구조에 힘입어 낙하하는 슬래그를 빠르게 배출구(50)으로 강제로 내보낼 수 있다. 슬래그와 기타 원치않는 기체화 부산물들을 반응로 시스템(10)으로부터 쉽게 제거함으로써, 슬래그의 축적을 예방하여 반응 구역(20, 32) 및 관련된 대량 처리율 용적을 늘릴 수 있다.

제1 반응 생성물 및 제2 반응 생성물을 여러 반응 구역(20, 32)으로부터 회수하여, 미국 특허 제4,872,886호에 공개된 바와 같은 기존 시스템으로 추가 사용 및/또는 처리할 수 있다. 이 인용 문헌은 참조로써 본 명세서에 포함된다. 원료물질(12)에 석탄이 포함된 일부 실시예에서는, 반응로 시스템(10)에서 시간당 입방 피트당 약 25 내지 200 파운드 범위의 석탄 기체화 처리 능력을 갖출 수 있다.

예시로 구현된 반응로 시스템(10)의 여러 가지 규격 및 특성들을 아래 표 1에 명시하였다.

설계 압력 (PSIG)	800
설계 온도 (°F)	650
석탄 처리량 (톤/일)	3,000
석유 코크스 처리량 (톤/일)	2,400
제1 단계 반응로 구획(14) 외측 거리	33’-7”
제1 단계 반응로 구획(14) 내경	8’-0”
제2 단계 반응로 구획(16) 내경	16’-9”
제1 반응 구역(20)의 용적 (ft³)	4,582
측정된 MW 용량	250
주입구(26) ~ 주입구(26) 간 거리	32’-5”
주입구(26) ~ 수직 중심선 간 거리	16’-2 1/2”

반응로 시스템(10)의 구조로 인해 반응로 시스템(10)을 더 쉽게 조립 및 설치할 수도 있을 것이다. 예를 들면, 반응로 시스템(10)의 직립 구조로 인해 금속용기(40)의 벽면을 기존 기체화 반응로에서 제공되는 것보다 더 얇게 제작할 수 있을 것이다. 더 얇은 용기 벽체를 사용하면 금속용기(40)를 제작하기 위한 자재 구입량을 줄일 수 있고 금속용기(40) 제작에 필요한 작업인력 시간이 줄어든다. 더 얇은 용기 벽체를 사용하는 것으로 인해 금속용기(40)를 지지하는 데 필요한 강재, 지지용 철재 및 콘크리트 양 역시 줄일 수 있다. 반응로 시스템(10)의 구조를 간단하게 바꿈으로써 또한 용기 내부 응력을 금속용기(40) 전체에 걸쳐 더 균일하게 배분하고 금속용기(40)에 형성될 수 있는 열점(hot spots)의 수를 줄일 수도 있을 것이다.

더욱이, 내화제(42)를 사용함으로써 정해지는 여러 규격들로 인해, 금속용기(40)와의 결합 형태의 종류를 줄일 수도 있다. 그러므로, 벽돌(44)을 활용하는 실시예에서는, 상당한 수량의 오버헤드 내화제 아치 구조를 필요로 하지 않으면서 금속용기(40)의 여러 부분에 벽돌(44)을 좀 더 쉽게 덧댈 수 있다. 또 반응로 시스템(10)의 구조가 간단해짐으로 인해 금속용기(40) 내에서 내화제(42)를 더 쉽게 지지시킬 수도 있을 것이다. 예를 들면, 내화제의 지지부를 쉽게 추가 및 재배치하여 내화제(40)의 일부분을 선택적으로 재배치 가능하도록 만들 수 있을 것이다. 더욱이, 반응로 시스템(10)의 직립 구조로 인해, 기존 시스템 설계에 비해 내화제(42)를 제1 반응 구역(20)의 중심에서 더 멀리 배치할 수 있게 됨으로써, 내화제(42)의 사용기간을 더 늘릴 수 있을 것이다. 반응로 시스템(10)의 형태를 단순화함으로써, 추가로 적외선 열 스캔과 같은 비파괴 테스트 기기들을 사용해 기존 설계에 비해 반응로 시스템(10)을 더 쉽게 테스트할 수 있게 된다.

도 5와 도 6에서는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 구성된 두 가지 반응로 시스템(100 및 200)의 제1 단계 반응로 구획을 도해로 설명하였다. 도 5에 설명된 것처럼, 반응로 시스템(100)의 제1 단계 반응로 구획에는, 보통 본체(102)와 3개의 주입구 돌기(104)가 포함되며, 각각의 주입구 돌기(104)에서는 그로부터 먼 쪽에 주입구(106)가 배치되어 있다. 도 6에 설명된 것처럼, 반응로 시스템(200)의 제1 단계 반응로 구획에는, 보통 본체(202)와 4개의 주입구 돌기(204)가 포함되며, 각각의 주입구 돌기(204)에서는 그로부터 먼 쪽에 주입구(206)가 배치되어 있다.

한 실시예에서는, 반응로 시스템(100 및 200)의 주입구(106 및 206)를, 원료물질이 제1 단계 반응 구역의 중심쪽으로 방류되도록 배치할 수 있다. 다른 방법으로는, 반응로 시스템(100 및 200)의 주입구(106 및 206)을 비스듬하게 배치하여, 원료물질을 제1 단계 반응 구역의 중심으로부터 수평 및/또는 수직으로 벗어난 위치로 방류하도록 함으로써, 제1 단계 반응 구역에서의 스월링 운동을 촉진할 수 있다.

2개의 주입구 돌기를 만드는 대신에, 도 5와 도 6의 반응로 시스템(100 및 200)을 각각 반응로 시스템(10)과 충분히 동일한 방식으로 구성하고 작동하도록 할 수 있는데, 여기에 대해서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 자세히 설명하였다.

본 명세서에서 쓰인 바와 같이, 단수 명사 및 “상기”는 대상이 하나 이상인 것을 의미할 수 있다.

본 명세서에서 쓰인 바와 같이, “및/또는”이란 용어는, 2개 이상의 항목을 나열할 때 쓰였을 경우, 나열된 항목 중 아무거나 1개만 따로 채택하거나, 나열된 항목 중 2개 이상을 임의로 조합해서 채택할 수 있다는 의미이다. 예를 들면, 어떤 구성에 구성부품 A, B, 및/또는 C이 포함된다고 설명한 경우, 그 구성에는 A 단독, B 단독, C 단독, A와 B 조합, A와 C 조합, B와 C 조합, 또는 A, B, 및 C 조합이 포함될 수 있다.

본 명세서에서 쓰인 바와 같이, “숯”이라는 용어는 여러 가지 반응 생성물이 만들어진 후에 연소되지 않은 탄소 및 재 입자들이 기체화 반응 구역 내에 남아있는 것을 말한다.

본 명세서에서 쓰인 바와 같이, 용어 “구성하는”, “구성한다”는, 이 용어 앞에 먼저 언급된 주체로부터 그 뒤에 언급한 하나 이상의 요소들에까지 연결부에 사용되는 제한없는 연결어로서, 여기서 연결어 뒤에 나열된 요소(들)만 그 주체를 구성하는 유일한 요소가 되는 것은 아니다.

본 명세서에서 쓰인 바와 같이, 용어 “포함하는”, “포함한다”는 아래에 제시된 “구성하는”, “구성한다”와 같이 동일한 제한없는 의미를 갖는다.

본 명세서에서 쓰인 바와 같이, “아래쪽 방향”은, 수평 대비 아래쪽으로 45도보다 큰 각도로 연장되는 법선 벡터를 갖는 표면을 뜻한다.

본 명세서에서 쓰인 바와 같이, 용어 “갖는”, “갖다”는 위에 제시된 “구성하는”, “구성한다”와 같이 동일한 제한없는 의미를 갖는다.

본 명세서에서 쓰인 바와 같이, 용어 “포함하는”, “포함하다”는 위에 제시된 “구성하는”, “구성한다”와 같이 동일한 제한없는 의미를 갖는다.

본 명세서에서 쓰인 바와 같이, 용어 “개방된 상향 흐름 공간”은 이를 통해 위쪽으로 진행하는 유체의 상향 흐름 방향을 수직으로 절단한 단면으로 이뤄진 공간을 말한다.

본 명세서에서 쓰인 바와 같이, 용어 “슬래그”는 기체화 원료물질에서 나온 광물질과, 기체화 반응 구역 내에서 일어나는 기체화 반응 후에 남아 있는 추가적인 모든 융제 잔류성분을 함께 지칭한다.

본 명세서에서 쓰인 바와 같이, 용어 “직립 방향”은 수직 대비 45도 미만의 각도를 갖는 표면의 방향을 가리킨다.

본 명세서에서 쓰인 바와 같이, 용어 “위쪽 방향”은, 수평 대비 위쪽으로 45도보다 큰 각도로 연장되는 법선 벡터를 갖는 표면을 뜻한다.

본 명세서에서 쓰인 바와 같이, 용어 “수직으로 가늘고 긴”은 최대 수직 길이가 최대 수평 길이보다 큰 구조를 가리킨다.

10 : 기체화 반응로 시스템
12 : 원료물질
14 : 제1 단계 반응로 구획
16 : 제2 단계 반응로 구획
18 : 제1 내부 표면
20 : 제1 반응 구역
22 : 본체
24 : 주입구 돌기
26 : 주입구
32 : 제2 반응 구역

Claims

원료물질의 기체화를 위한 2단계 기체화 반응로 시스템으로서, 상기 기체화 반응로 시스템은 제1 단계 반응로 구획 및 제2 단계 반응로 구획을 포함하며,
상기 제1 단계 반응로 구획은 제1 반응 구역을 형성하고, 상기 제1 단계 반응로 구획은 본체, 적어도 2개의 주입구 돌기, 및 적어도 2개의 주입구로 이루어지며, 각각의 상기 주입구 돌기는 상기 본체와 연결되는 근위 단부와 상기 본체로부터 외측으로 이격된 원위 단부를 가지고, 상기 주입구 중 1개는 각각의 상기 주입구 돌기의 상기 원위 단부에 가깝게 위치하며, 각각의 상기 주입구는 상기 원료물질을 상기 제1 반응 구역으로 방류하도록 작동 가능하고, 상기 제1 단계 반응로 구획에는 협동하여 상기 제1 반응 구역을 형성하는 복수 개의 내부 표면이 마련되며, 상기 내부 표면의 총 면적 중 적어도 약 50 퍼센트는 직립 방향으로 배열되고,
제2 단계 반응로 구획은 일반적으로 상기 제1 단계 반응로 구획 위에 배치되어 제2 반응 구역을 형성하는 것인 기체화 반응로 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 단계 반응로 구획과 제2 단계 반응로 구획 사이에 유체 연통을 제공하는 협로 구획을 더 포함하는 기체화 반응로 시스템.
제1항에 있어서, 상기 내부 표면의 총 면적 중 적어도 약 90 퍼센트 정도는 실질적으로 수직방향으로 배열되는 것인 기체화 반응로 시스템.
제1항에 있어서, 상기 내부 표면의 총 면적 중 약 10 퍼센트 미만은 위쪽을 향하도록 배열되고/되거나 상기 내부 표면의 총 면적 중 약 10 퍼센트 미만은 아래쪽을 향하도록 배열되는 것인 기체화 반응로 시스템.
제1항에 있어서, 상기 주입구 돌기는 거의 동일한 높이에 위치하는 것인 기체화 반응로 시스템.
제1항에 있어서, 상기 주입구 돌기는 각각 대체로 절두체(frustum)의 형상을 갖는 것인 기체화 반응로 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 단계 반응로 구획은 상기 본체의 대체로 반대쪽에서 외측으로 연장되는 한 쌍의 상기 주입구 돌기를 포함하는 것인 기체화 반응로 시스템.
제7항에 있어서, 상기 본체의 최대 내경은, 상기 주입구 돌기의 쌍 각각의 상기 원위 단부에 가깝게 위치한 상기 주입구들간의 수평거리 대비 적어도 30 퍼센트인 것인 기체화 반응로 시스템.
제1항에 있어서, 상기 본체와 상기 주입구 돌기가 협동하여 상기 제1 반응 구역을 형성하며, 이때 상기 주입구 돌기에는 상기 제1 반응 구역의 총 용적 대비 50 퍼센트 미만이 형성되는 기체화 반응로 시스템.
제1항에 있어서, 상기 본체의 최대 외경은 상기 주입구 돌기의 최대 외경보다 적어도 약 25 퍼센트 더 큰 것인 기체화 반응로 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 반응 구역의 최대 높이와 상기 제1 반응 구역의 최대 폭의 비율은 약 1:1 내지 약 5:1 범위에 속하는 것인 기체화 반응로 시스템.
제1항에 있어서, 상기 기체화 반응로 시스템은 적어도 3개의 상기 주입구 돌기를 포함하는 것인 기체화 반응로 시스템.
제1항에 있어서, 상기 기체화 반응로 시스템은 금속용기와 상기 금속용기의 내부를 최소한 부분적으로 덮어 주는 내화제로 구성되며, 상기 내화제는 상기 내부 표면의 적어도 일부분을 차지하는 것인 기체화 반응로 시스템.
제1항에 있어서, 상기 기체화 반응로 시스템은 일체형(monolithic) 기체화 반응로를 포함하는 것인 기체화 반응로 시스템.
원료물질의 기체화를 위한 반응로 시스템으로서, 상기 반응로 시스템은,
수직방향으로 가늘고 긴 형태의 본체,
상기 본체의 대체로 반대쪽에서 외측으로 연장되며 상기 본체와 협동하여 반응 구역을 형성하는 한 쌍의 주입구 돌기, 및
각각의 상기 주입구 돌기에 위치하며 상기 원료물질을 상기 반응 구역 내에 방류시킬 수 있도록 작동 가능한 적어도 1개의 주입구를 포함하며,
상기 본체의 최대 외경은 상기 주입구 돌기의 최대 외경보다 적어도 약 25 퍼센트 더 큰 것인 반응로 시스템.
제15항에 있어서, 상기 본체와 상기 주입구 돌기에 있는 내부 표면들이 협동하여 상기 반응 구역을 형성하며, 상기 내부 표면의 총 면적 중 적어도 약 50 퍼센트가 직립 방향으로 배열되는 것인 반응로 시스템.
제15항에 있어서, 상기 본체와 상기 주입구 돌기에 있는 내부 표면들이 협동하여 상기 반응 구역을 형성하며, 상기 내부 표면의 총 면적 중 약 10 퍼센트 미만이 아래쪽 방향으로 배열되는 것인 반응로 시스템.
제15항에 있어서, 상기 본체와 상기 주입구 돌기가 협동하여 상기 반응 구역을 형성하며, 상기 반응 구역의 총 용적 중 약 50 퍼센트 미만이 상기 주입구 돌기 내에 형성되는 것인 반응로 시스템.
제15항에 있어서, 각각의 상기 주입구 돌기에는 상기 본체와 연결되는 근위 단부와 상기 본체로부터 외측을 향해 이격된 원위 단부가 있으며, 상기 주입구 중 1개는 각각의 상기 주입구 돌기의 상기 원위 단부 가까이에 위치하는 것인 반응로 시스템.
제19항에 있어서, 상기 본체의 최대 내경은, 각각의 상기 주입구 돌기의 상기 원위 단부에 가깝게 위치하는 상기 주입구들간의 수평거리 대비 적어도 30 퍼센트인 것인 반응로 시스템.
원료물질의 기체화를 위한 2단계 기체화 반응로 시스템으로서, 상기 반응로 시스템은 제1 단계 반응로 구획, 제2 단계 반응로 구획, 및 협로 구획을 포함하며,
상기 제1 단계 반응로 구획은,
협동하여 제1 반응 구역을 형성하는 복수 개의 내부 표면으로서, 상기 내부 표면들의 총 면적 대비 적어도 약 75 퍼센트 정도는 실질적으로 수직 방향으로 배열되는 것인 복수 개의 내부 표면,
상기 내부 표면에서 본체 부분을 형성하는 본체,
상기 본체의 대체로 반대쪽에서 외측으로 연장되며 상기 내부 표면의 주입구 부분을 형성하는 한 쌍의 주입구 돌기,
각각의 상기 주입구 돌기에 위치하며 각각 상기 원료물질을 상기 제1 반응 구역 내에 방류하도록 작동 가능한 적어도 1개의 주입구를 포함하고,
상기 제1 반응 구역의 총 용적 대비 약 50 퍼센트 미만은 상기 주입구 돌기 내에 형성되며,
상기 본체의 최대 외경은 상기 주입구 돌기의 최대 외경보다 적어도 약 25 퍼센트 정도 더 크고,
제2 단계 반응로 구획은 대체로 상기 제1 단계 반응로 구획 위에 배치되어 제2 반응 구역을 형성하며,
상기 협로 구획은, 상기 제1 단계 반응로 구획과 제2 단계 반응로 구획 사이에 유체 연통을 제공하고 제1 반응 구역 및 제2 반응 구역의 최대 개방 상향 흐름 공간보다 적어도 약 50 퍼센트 미만의 개방 상향 흐름 공간을 갖는 상향 흐름 통로를 형성하는 것인 반응로 시스템.
제21항에 있어서, 각각의 상기 주입구 돌기에는, 상기 본체에 결합된 근위 단부와 상기 본체로부터 외측으로 이격된 원위 단부가 존재하며, 상기 주입구 중 하나는 각각의 상기 주입구 돌기의 상기 원위 단부와 근접하게 위치하는 것인 반응로 시스템.
제22항에 있어서, 상기 본체의 최대 내경은, 각각의 상기 주입구 돌기의 상기 원위 단부에 근접하게 위치한 상기 주입구들간의 수평거리 대비 적어도 약 30 퍼센트인 것인 반응로 시스템.
제21항에 있어서, 상기 제1 반응 구역의 최대 높이와 상기 제1 반응 구역의 최대 폭의 비율은 1:1 내지 약 5:1 범위에 속하는 것인 반응로 시스템.
제21항에 있어서, 상기 반응로 시스템은 일체형 기체화 반응로를 포함하는 것인 반응로 시스템.
탄소를 포함하는 원료물질을 기체화하는 방법으로서, 상기 방법은,
(a) 상기 원료물질을 제1 반응 구역 내에서 적어도 부분적으로 연소시켜 제1 반응 생성물을 생성하고, 이때 상기 제1 반응 구역은 복수 개의 내부 표면들이 협동함으로써 형성되며, 상기 내부 표면들의 총 면적의 적어도 약 50 퍼센트는 직립 방향으로 배향되는 것과,
(b) 상기 제1 연소 생성물 중 적어도 일부분을 대체로 상기 제1 반응 구역 위에 위치하는 제2 반응 구역 내에서 추가로 반응시켜 제2 반응 생성물을 생성하는 것
을 포함하는 원료물질의 기체화 방법.
제26항에 있어서, 상기 내부 표면들의 총 면적 대비 약 10 퍼센트 미만은 아래쪽을 향하게 배열되는 것인 원료물질의 기체화 방법.
제26항에 있어서, 상기 제1 반응 구역은 본체와 상기 본체로부터 외측으로 연장된 적어도 2개의 주입구 돌기를 포함하는 제1 단계 반응 구획 내에 형성되며, 상기 원료물질은 각각의 상기 주입구 돌기의 외측 단부 가까이에 위치한 주입구들을 통해 상기 제1 반응 구역 내에 방류되는 것인 원료물질의 기체화 방법.
제28항에 있어서, 상기 본체의 최대 외경은 상기 주입구 돌기의 최대 외경 대비 적어도 약 25 퍼센트 이상 더 큰 것인 원료물질의 기체화 방법.
제28항에 있어서, 상기 제1 단계 반응 구획은 상기 본체의 대체로 반대쪽으로부터 연장되는 한 쌍의 상기 주입구 돌기를 포함하며, 상기 본체의 최대 내경은 상기 주입구 돌기 쌍에 있는 상기 유입구들 간의 수평 거리 대비 적어도 약 30 퍼센트인 것인 원료물질의 기체화 방법.
제26항에 있어서, 상기 (a) 단계에서의 연소는 적어도 약 2,000°F의 최대 온도에서 이루어지는 것인 원료물질의 기체화 방법.
제31항에 있어서, 상기 (b) 단계에서의 반응은 상기 연소 시의 상기 최대 온도보다 적어도 약 200°F 만큼 더 낮은 평균 온도에서 이루어지는 것인 원료물질의 기체화 방법.
제26항에 있어서, 상기 제1 반응 구역 및 제2 반응 구역은 적어도 약 250 psig의 압력으로 유지되는 것인 원료물질의 기체화 방법.
제26항에 있어서, 상기 (b) 단계의 반응은 흡열반응인 것인 원료물질의 기체화 방법.
제26항에 있어서, 상기 원료물질은 석탄 및/또는 석유 코크스를 포함하는 것인 원료물질의 기체화 방법.
제35항에 있어서, 상기 원료물질은 물을 더 포함하는 것인 원료물질의 기체화 방법.
제26항에 있어서, 상기 원료물질의 추가 물량을 상기 제2 반응 구역에 방류하는 것을 더 포함하는 것인 원료물질의 기체화 방법.
제26항에 있어서, 상기 원료물질을 대체로 반대쪽에 있는 한 쌍의 주입구를 통해 상기 제1 반응 구역에 방류하는 것을 더 포함하는 것인 원료물질의 기체화 방법.
제26항에 있어서, 상기 제1 반응 생성물에는 증기, 숯, 및 기체상 연소 생성물들이 포함되는 것인 원료물질의 기체화 방법.
제39항에 있어서, 상기 기체상 연소 생성물에는 수소, 일산화탄소, 및 이산화탄소가 포함되는 것인 원료물질의 기체화 방법.
제26항에 있어서, 상기 제1 반응 생성물에는 오버헤드 분획과 언더플로 분획이 포함되며, 상기 오버헤드 분획은 상기 제2 반응 구역에 방류되고, 상기 언더플로 분획은 상기 제1 반응 구역의 바닥에서 제거되는 것인 원료물질의 기체화 방법.
제41항에 있어서, 상기 제1 반응 구역과 제2 반응 구역 사이에 위치한 협로를 통해 상기 오버헤드 분획을 통과시키는 것을 더 포함하며, 상기 협로 내에서 상기 오버헤드 분획의 최대 표면 유속은 적어도 초당 약 30 피트인 것인 원료물질의 기체화 방법.
탄소를 포함하는 원료물질의 기체화를 위한 방법으로서, 상기 방법은,
상기 원료물질을 기체화 반응로의 반응 구역 내에서 적어도 부분적으로 연소시킴으로써 반응 생성물을 생성하는 것을 포함하며, 이때 상기 반응로는 본체와 상기 본체의 대체로 반대쪽으로부터 외측으로 연장되는 한 쌍의 주입구 돌기를 포함하고, 상기 반응로에는 대체로 서로 반대 위치에서 상기 주입구 돌기의 외측 단부에 근접하게 한 쌍의 주입구가 더 포함되며, 상기 본체의 최대 외경은 상기 주입구 돌기의 최대 외경 대비 적어도 약 25 퍼센트 더 큰 것인 원료물질의 기체화 방법.
제43항에 있어서, 상기 반응 구역은 상기 본체의 내부 표면과 상기 주입구 돌기의 협동에 의해 형성되며, 상기 내부 표면들의 총 면적의 적어도 약 50 퍼센트는 직립 방향으로 배열되는 것인 원료물질의 기체화 방법.
제43항에 있어서, 상기 연소시키는 것은 적어도 약 2,000°F의 최대 온도에서 이루어지는 것인 원료물질의 기체화 방법.
제43항에 있어서, 상기 반응 구역은 적어도 약 250 psig의 압력으로 유지되는 것인 원료물질의 기체화 방법.
제43항에 있어서, 상기 원료물질은 석탄 및/또는 석유 코크스를 포함하는 것인 원료물질의 기체화 방법.
제43항에 있어서, 상기 원료물질 중 적어도 일부분을 대향하는 상기 주입구들을 통해 상기 반응 구역 내에 방류하는 것을 더 포함하는 것인 원료물질의 기체화 방법.
제43항에 있어서, 상기 반응 생성물은 증기, 숯, 및 기체상 연소 생성물을 포함하는 것인 원료물질의 기체화 방법.
제43항에 있어서, 상기 반응 생성물 중 적어도 일부분을 대체로 상기 반응 구역 위에 존재하는 상기 반응로의 제2 단계에서 반응시키는 것을 더 포함하는 것인 원료물질의 기체화 방법.