KR20100076976A - 고체 과립상 연료의 압력 가스화를 위한 가스 발생기 - Google Patents

고체 과립상 연료의 압력 가스화를 위한 가스 발생기 Download PDF

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Abstract

합성 가스 또는 H2-적합 원료 가스를 생성하기 위한 연소성 가스성 화합물을 얻기 위하여 고체 과립상 연료를 가스화하기 위한 가스 발생기에서, 연료로 형성된 유동층은 연료를 연속적으로 도입하기 위하여 상부에 장착된 슬루우스 및 형성된 재를 재 방출구로 방출하기 위하여 저부의 깔때기 형상의 수축부 아래에 장착된 마개를 갖는 밀폐 반응 용기를 통하여 이동하고, 저부의 깔때기 형상 수축부 위에 회전성 그레이트가 배열되고, 그를 통하여 가스화 매질이 아래에서부터 유동층으로 도입될 수 있으며, 형성된 재는 깔때기 형상 수축부 및 결합성 관상 부분을 통하여 재 방출구로 방출될 수 있다. 회전성 그레이트의 연속 동작을 달성하기 위하여, 벌크재 슬라이드 밸브는 관상 부분에 장착한다.

Description

고체 과립상 연료의 압력 가스화를 위한 가스 발생기{Gas generator for gasifying solid granular fuels by applying pressure}
본 발명은 스팀 및 O2 또는 스팀 및 공기로 이루어진 가스화 매질과 함께 가열함으로써 합성 가스 또는 H2-적합 원료 가스를 생성하는 것에 의해 5 내지 100 바아[a]의 압력하에서 고체 과립상 연료의 압력 가스화를 위한 가스 발생기로서, 연료로 형성된 유동층(fluidized bed), 연료를 연속적으로 도입하기 위해 상부에 장착된 슬루우스(sluice) 및 형성된 재(ash)를 재 방출구(ash sluice)로 방출하기 위하여 저부의 깔때기 형상의 수축부(constriction) 아래에 장착된 마개, 가스성 매질이 아래로부터 유동층으로 도입될 수 있고 또 형성된 재가 깔때기 형상의 수축부를 통하여 방출될 수 있는 상기 깔때기 형상의 수축부 위의 반응 용기의 하부에 장착된 회전성 그레이트(grate)를 갖는 밀폐(closed) 반응용기, 및 재 방출구에 대한 결합성 관상 부분을 포함한다. 본 발명은 또한 재 방출구를 동작시키는 방법에도 관한 것이다.
가스 발생기는 가압수의 증발에 의해 냉각되는 밀폐 이중벽 용기로 구성된다. 역청탄, 갈탄, 이탄, 코우크, 석유 가공 잔류물, 바이오매스 또는 그레인 크기가 3 내지 10 mm 범위인 유사 피드스톡(feedstock)과 같은 고체 과립상 연료는 가스 발생기의 상부에 있는 슬루우스를 통하여 도입되어 횡단면(cross section) 상으로 분포된다. 가스화 매질 스팀 및 O2 또는 스팀 및 공기는 회전성 그레이트를 통하여 아래에서부터 유동층으로 도입된다. 도입된 연료는 중력의 영향으로 서서히 아래로 이동하게 되며 또 재 융점 아래의 온도에서 가스와의 역류로 건조되며, 300 내지 700℃의 온도에서 탈가스화된 다음 700 내지 1500℃, 바람직하게는 1100 내지 1500℃에서 가스화되어, 마지막으로 오직 재만이 남겨지며, 이는 회전성 그레이트로부터 반자동적으로 작용하는 재 방출구로 방출된다. 사용된 연료의 유형에 따라서 원료 가스는 300 내지 600℃의 온도를 가지며, 가스 발생기의 상부로부터 방출되며 또 조성 및 사용 목적에 상응하게 가공 처리된다. 연료는 충분히 자동적으로 또는 반자동적으로 동작하는 슬루우스를 통하여 가스 발생기로 연속적으로 도입된다.
가스 발생기의 정지상 동작에서, 재 방출구의 상부 마개는 개방되어 있다. 회전성 그레이트는 가스 발생기의 하부에서 얻어진 재를 가스 발생기의 전력과 연료의 재 함량에 비례하는 양으로 재 방출구로 연속적으로 전달한다. 재 방출구 부피의 80%의 미리 설정된 충전 정도(filling level)로 되면, 재 방출구 프로그램은 재 방출구 비우기(evacuation) 주기를 개시한다. 제 1 단계로서, 재가 재 방출구로 유동하는 것을 억제하기 위하여 회전성 그레이트가 중지된다. 재 유동의 억제는 중요한데, 이는 상부 재 방출구 마개는 재 유동이 중지될 때에는 긴밀하게 밀폐될 수 없기 때문이다. 재 방출구의 상부 마개가 긴밀하게 밀폐될 수 있을 때, 회전성 그레이트가 다시 개시된다. 재 방출구가 닫힐 때 얻어지는 재는 깔때기 형상 수축부 및 회전성 그레이트 하부의 관상 부분에 의해 형성된 공간으로 전달되며 또 상부 재 방출구 마개가 다시 개방되어 재가 재 방출구로 떨어질 때까지 그곳에서 일시적으로 저장된다. 상부 재 방출구 마개의 긴밀성은 절대적으로 필수적이며 반복적으로 확인한다. 평균적으로, 긴밀성 시험은 3분이 걸리며 또 더 이상의 누출이 검출되지 않을 때까지 상기 기간 동안 반복한다.
회전성 그레이트 중지는 연속적으로 가스 출구 온도 상승을 초래한다. 가스 발생기의 출구에서 가스의 온도가 > 630℃의 특정 값을 초과하면, 가스 발생기 쉘(shell) 또는 가스 발생기 출구 포트(port)의 원료에서 균열과 같은 손상을 피하기 위하여 가스화 매질에 대한 밸브를 자동적으로 밀폐하는 것에 의해 가스 발생기가 스위치 오프(switched off)된다. 재 함량이 높은 연료의 경우에서, 가스 출구 온도는 재 함량이 비교적 적은 연료에서보다 더 빠르게 상승한다. 회전성 그레이트를 중지 및 재개시시키는 것에 의해 유도되어 높은 원료 마모를 초래하는 구동 요소(drive elements)의 고 하중(high load) 이외에, 가스 발생기의 산화 대역의 위치 및 형성에서 변화가 또한 있을 것이다. 그 결과, 허용가능한 가스 출구 온도를 초과한다.
본 발명의 목적은 형성된 재가, 반응 과정을 방해하지 않으므로 압력 및 온도 조건에 나쁜 영향을 주지 않게 가스 발생기로부터 연속적으로 방출될 수 있는 가스 발생기를 고안하는 것이다. 특히 회전성 그레이트를 중지하는 것이 생략되어서 플랜트 부품을 아끼고 또 원료 마모를 최소화해야 한다. 또한, 질적 및 양적 측면에서 일정한 성능이 유지되어야 하고 또 시간 소모적 및 생산 지연적인 상부 재 방출구 마개의 긴밀도 시험을 생략해야 한다.
상기 목적은 바람직하게는 평탄한 슬라이드 밸브를 구성하는 관상 부분에 장착된 벌크재(bulk-material) 슬라이드 밸브에 의해 해결된다.
도 1은 벌크재 슬라이드 밸브의 배열을 갖는 가스 발생기의 종단면도를 도시한다.
본 발명에 사용된 바와 같은 벌크재 슬라이드 밸브는 원래 공지된 것이다. 미국특허 명세서 5,396,919호에는, 예컨대 축에 부착된 2개의 회전성 디스크로 구성된 영구 밸브 및 푸싱/리프팅(pushing/lifting) 장치로 구성된 영구 밸브가 기재되어 있다. 회전 이동을 통하여, 상기 디스크는 통로(opening)로 밀려져서 닫힌다. 회전으로 인하여, 금속 표면의 균일한 구동이 가능하며, 그에 의해 밸브가 닫힐 때 영구적으로 완전한 밀폐가 보장된다.
가스 발생기용의 본 발명의 적용에서 벌크재 슬라이드 밸브는 회전성 그레이트를 중지시킴없이 재 방출구로 재가 흘러가는 것을 방지한다. 벌크재 슬라이드 밸브를 닫으면, 재는 회전성 그레이트와 벌크재 슬라이드 밸브의 저면 사이의 공간으로 연속적으로 도입된다. 바로 직후, 벌크재 슬라이드 밸브 아래에 위치한 상부 재 방출구 마개를 닫고 또 압력 가스화에 영향을 주지 않고 필수적인 긴밀성 시험처리시킨다. 상부 재 방출구 마개가 긴밀하게 밀폐되게 확실히 한 후, 재 방출구는 대기압으로 만들며, 하부 재 방출구 마개는 개방되고, 또 재는 추가의 처리를 위해 재 방출구로부터 제거한다. 상부 재 방출구 마개를 닫은 직후, 벌크재 슬라이드 밸브를 다시 개방한다. 재 방출구를 비울 때, 하부 재 방출구 마개를 다시 긴밀하게 밀폐하며, 재 방출구는 가스 발생기 압력에 응력을 받으며, 또 상부 재 방출구 마개는 다시 개방된다. 상부 재 방출구 마개 위의 공간에 축적된 재는 비워진 재 방출구로 떨어진다. 미리 설정된 충전 수준에 도달하자마자, 벌크재 슬라이드 밸브를 닫는 것에 의해 다시 재(ash) 방출 주기를 개시한다.
본 발명의 이점은 재(ash) 방출 주기 동안 회전성 그레이트가 더 이상 중지될 필요가 없는 것에 존재한다. 그 결과, 가스 발생은 방출 주기에 의해 영향을 받지 않으며 또 일정한 품질과 양으로 지속될 수 있다. 최대 허용가능한 가스 발생기 출구 온도 630℃를 초과하는 가스 발생기 산화 대역의 위치 및 형성에서의 변화 및 전력에서의 감소를 피할 수 있다. 다른 이점은 회전성 그레이트의 마모를 방지하는데 있다. 회전성 그레이트의 빈번한 개시와 중지 및 높은 회전성 그레이트 출발 토르크를 피할 수 있어, 회전성 그레이트 구동 요소에 하중이 덜 걸리고 또 플랜트 부품의 마모도 최소화할 수 있다. 본 발명에 따라 사용된 벌크재 슬라이드 밸브를 이용함으로써 높은 동작 안정성, 일정한 생산 품질 및 회전성 그레이트 구동 요소의 사용 수명의 증가를 달성할 수 있다.
본 발명은 도면에 개략적으로 도시된 가스 발생기와 결부하여 이하에서 더욱 자세하게 설명할 것이다. 도 1은 벌크재 슬라이드 밸브의 배열을 갖는 가스 발생기의 종단면도를 도시한다.
이중벽 재킷(2)에서 가압수 증발 냉각을 갖는 가스 발생기(1)의 상부에, 그레인 크기 3 mm 내지 100 mm이고 재 함량이 30%인 역청탄을 약 50,000 kg/h의 양으로 공급 슬루우스(3)를 통하여 도입하고 또 50 바아[a]의 압력 및 평균 온도 1200℃에서 가스화시켰다. 가스 발생기(1)의 축 횡단면 상으로 퍼지는 역청탄은 유동층(4)을 형성하며, 이는 중력의 영향 하에서, 가스 발생기(1)의 상부(5)에 배열된 관상 부분(7)을 통하여 서서히 아래로 이동하며, 또 중간 및 하부 부분(8)을 통하여 이중벽 재킷(2) 내부와 함께 고리모양(annular) 공간(6)을 형성한다. 도관(9)을 통하여, O2는 온도 110℃ 및 34 바아[a]의 압력에서 회전성 그레이트(1)를 통하여 아래로부터 유동층(4)로 주입되고, 또 도관(10)을 통하여, 스팀은 온도 400℃ 및 40 바아[a]의 압력에서 주입되며, 그 혼합물은 가스화 매질을 형성한다. 가스 매질을 역류시키는 것에 의해, 순서대로, 역청탄을 연속적으로 건조시키고, 450℃의 온도에서 탄소화시키며, 950℃의 평균 온도에서 가스화하고 또 1150℃의 평균 온도에서 연소시켰다. 형성된 생성물 가스는 고리상 공간(6)과 이중벽 재킷(2) 사이의 관상 부분(7)에 축적되며, 또 추가의 가공을 위하여 도관(12)을 통하여 배출한다. 형성된 재(13)는 약 8800 kg/h의 양으로 회전성 그레이트(11)를 통하여 재 방출구(16)로 연속적으로 도입되며 또 하방으로 수축된 깔때기 형상의 공간(14)을 통하여 가스 발생기(1) 아래에 결합되어서 관상 부분(15)을 통과한다. 상부에서, 재 방출구(16)는 상부 재 방출구 마개(17)에 의해 규정되고 또 저부에서는 하부 재 방출구 마개(18)에 의해 규정된다. 상부 재 방출구 마개(17) 위에는, 벌크재 슬라이드 밸브(19)가 관상 부분(15)에 장착된다.
회전성 그레이트(11)를 통하여 가스 발생기(1)로부터 배출된 재는, 하방으로 수축된 깔때기 모양의 공간(14) 및 벌크재 슬라이드 밸브(19)와 상부 재 방출구 마개(17)가 장착되어 있는 결합성 관상 부분(15)을 통과한다. 상기 벌크재 슬라이드 밸브(19) 및 상부 재 방출구 마개(17)는 개방되고 또 재는 하부 재 방출구 마개(18)에 의해 저부에서 닫힌 재 방출구(16)로 연속적으로 떨어진다.
재 방출구 부피의 80%를 충전하는 정도에 도달하면, 벌크재 슬라이드 밸브(19)가 자동적으로 닫히므로, 얻어진 재는 벌크재 슬라이드 밸브(19) 상에 축적된다. 회전성 그레이트(11)는 변화없이 계속 동작한다. 벌크재 슬라이드 밸브(19)를 닫은 직후, 상부 재 방출구 마개(17)를 닫고 또 그 긴밀성을 확인한다. 양성 시험 후, 재 방출구(16)를 대기압으로 만들고, 또 벌크재 슬라이드 밸브(19) 및 하부 재 방출구 마개(18)를 개방하여서 재(13)를 재 방출구(16)로 방출한다.
재 방출구(16)를 비우면, 하부 재 방출구 마개(18)를 닫고 또 그의 긴밀성을 2 바아[a]의 압력에서 확인한다. 양성 시험 후, 상부 재 방출구 마개(17)를 다시 개방하여서 재 방출구의 압력이 동작 압력으로 증가시키며 또 상부 재 방출구 마개(17) 상에 축적된 재(13)는 재 방출구(16)로 흘러갈 수 있다.

Claims (3)

  1. 스팀 및 O2 또는 스팀 및 공기로 이루어진 가스화 매질과 함께 가열함으로써 합성 가스 또는 H2-적합 원료 가스를 생성하기 위한 연소성 가스성 화합물을 얻기 위하여 5 내지 100 바아[a]의 압력하에서 고체 과립상 연료의 압력 가스화를 위한 가스 발생기(1)로서,
    연료로 형성된 유동층(4), 연료를 연속적으로 도입하기 위해 상부에 장착된 공급 슬루우스(3) 및 형성된 재(13)를 재 배출구(16)로 방출하기 위한 저부의 깔때기 형상의 수축부(14) 아래에 장착된 마개(17), 가스성 매질이 아래로부터 유동층으로 도입될 수 있고 또 형성된 재가 깔때기 형상의 수축부를 통하여 방출될 수 있는 상기 깔때기 형상의 수축부 위의 반응 용기의 하부에 장착된 회전성 그레이트(11)를 갖는 밀폐 반응 용기, 및 결합성 관상 부분(15)을 포함하며,
    벌크재 슬라이드 밸브(19)가 상기 관상 부분(15)에 장착된 것을 특징으로 하는, 고체 과립상 연료의 압력 가스화를 위한 가스 발생기(1).
  2. 제 1항에 있어서, 상기 벌크재 슬라이드 밸브(19)는 평탄한 슬라이드 밸브인 가스 발생기.
  3. 재 방출구에서 설정된 충전 지점에 도달하면, 벌크재 슬라이드 밸브를 닫고 그 직후 하부 재 방출구 마개를 개방하며, 벌크재 슬라이드 밸브 아래에 존재하는 재의 양은 재 방출구로 방출하고, 상부 재 방출구 마개 및 벌크재 슬라이드 밸브를 개방하며, 하부 재 방출구 마개를 닫을 때 상부 재 방출구 마개를 개방하는 것을 포함하는, 제 1항 또는 제 2항에 따른 가스 발생기를 동작시키는 방법.
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