KR20110094308A - 합성가스를 생성하기 위한 가스화기 안으로의 연료 수송을 균질화하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 합성가스를 생성하기 위한 가스화기 안으로 밀집상 흐름 수송을 이용해 공압식으로 수송되는 고체 연료들을 균질화 및 조절하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것으로, 버너에게의 석탄의 매우 균질화된 공급이 가능해져야 하며, 이때 단기적인 변동들이 최소화되어야 하고, 그리고 이로써 가스화 품질이 개선되어야 하며, 그리고 버너로의 석탄량의 조절이 보다 효과적으로 형성되어야 한다. 이러한 목적은 미세한 알갱이 내지 가루형 연료가 버너 높이보다 아래에 배치된 저장 용기 (1) 로부터 우선 버너 높이보다 위에 있는 높이로 수송되며, 그리고 그 후, 버너 (4a, 4b) 를 향해 아래쪽으로 향해 있는 라인 안에서 균질화됨으로써 달성된다.

Description

합성가스를 생성하기 위한 가스화기 안으로의 연료 수송을 균질화하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR HOMOGENIZING THE DELIVERY OF FUELS IN A GASIFIER FOR GENERATING SYNGAS}

본 발명은 합성가스를 생성하기 위한 가스화기 안으로 밀집상 흐름 수송을 이용해 공압식으로 수송되는 고체 연료들을 균질화 및 조절하기 위한 방법에 관한 것이다.

분류층 가스화기 안에서의 가루형 연료의 조절된 공급은 예컨대 DE 10 2005 047 583 A 에 기술되어 있다. 여기에서는, 연료를 수직 가스화기벽 안에 장착된, 그리고 본질적으로 수직으로 정렬된 버너 (burner) 들을 이용해 전환시키는 것이 공지되어 있으며, 이 경우 미세하게 분해된 또는 가루형의 (< 0.5 mm) 연료 입자들로 만들어진 연료, 예컨대 석탄, 석유코크스, 생물학적 쓰레기 및 다른 연료들은 산소 함유 가스화제를 갖고 상승된 압력하에 슬래그 용융점 위의 온도들에서 전환된다.

밀집상 흐름 방법에서 벌크재의 공압식 수송을 위한 장치 및 방법은 WO 2006/015702 A1 으로부터 공지되어 있다.

압력 가스화의 실행에 있어서, 탄소 함유 연료는 산소 함유 가스를 갖고 전환되며, 이때 산소 함유 가스는 아화학양론적 비율로 공급되고, 따라서 수소 및 일산화탄소 함유 생산물 가스가 얻어진다. 연료의 높은 대사 및 높은 효율을 달성하기 위해, 연료-산소 비율은 좁은 범위에서 설정될 수 있다.

압력 가스화에서 일반적으로 버너들은 동축적인 채널들을 갖고 이용되며, 이때 공급된 매체들의 혼합은 버너에서 수행되는 것이 아니라 가스화기 안에서 비로소 수행된다. 압력 가스화 시스템 안에 이용된 버너를 위한 예는 예컨대 EP 0 437 698 A1 에 상세히 나타나 있다. 버너들에게의 연료 공급은 일반적으로 가스화기 압력의 약간 위에 있는 저장 용기로부터 밀집상 흐름 수송을 이용해 수행된다. 여기에서, 공압식 수송은 밀집상 흐름 수송이라고 불리우며, 이때 캐리어 가스는 연료 입자들을 개별 입자들로서 수송하는 것이 아니라, 전체 관 횡단면을 채우는 빽빽한 충전물 또는 플러그의 형태로 수송한다. 일반적으로, 밀집상 흐름 수송은 4 내지 6 m/s 의 속도를 가지며, 이때 가스 흐름의 많은 고체 적재는 그럼에도 불구하고 많은 수송량을 초래한다. 밀집상 흐름 수송은 매우 재료 보호적이며, 그리고 무엇보다도 들러붙는 또는 축축한 운반 재료에 대해 고장이 덜 난다.

가스화의 품질은 버너에게의 석탄 공급의 균일성에 의해 크게 영향을 받는다. 보다 긴 시간 간격들에 걸친 변화들 (예컨대 의도된 조절 개입에 의한 또는 이용 석탄의 변경 등등에 의한) 은 측정 기술적으로 검출되며, 그리고 고려되는 반면, 수송 품질 (수송 밀도 및 수송 속도) 에서의 매우 단기적인 변동들은 보상될 수 없다.

밀집상 흐름 수송은 가장 큰 의미에서 볼 때 유동화된 가스/고체 혼합물에 관한 것이기 때문에, 여기에서는 밀도 및 속도에서의 유동층의 전형적인 변동들이 관찰되어야 한다. 이것들은 수송 라인 안으로의 공급의 형태와 같은 간접적인 조치에 의해서만 영향을 받을 수 있다. 이 이외에, 수송 라인의 긴 수평 섹션들 안에서는 고체의 침전 현상이 생길 수 있으며, 이는 일반적으로 추가적인 가스 공급에 의해 최소화되는 것이 알려져 있다. 라인이 다시 위쪽으로 안내하면, 그 밖의 균질화가 달성된다.

일반적으로, 공간 요건 및 시스템 특정적인 설치로 인해, 수송 라인을 통해 버너들에게 공급하는 저장 용기는 시스템 구조물에서 '아래에' 있고, 반면 버너들은 가스화기의 수직 구조로 인해 훨씬 더 높은 높이에 있다. 저장 용기의 설치 '아래' 는, 특히 저장 용기 안으로의 필요한 연료 슬루이싱 (fuel sluicing) 이 중력 흐름에 기초하면, 그러므로 저장 용기보다 위에 배치되어야 하면 비용 절감적이다.

기존에는 버너들로의 수송 라인의 라인 안내는 '아래' 에서 '위' 로 버너 높이에서 수행되었고, 그리고 거기에서 대개의 경우 수평으로 버너의 접합관에 안내되었으며, 그곳으로부터 석탄은 버너들 안에 도달했다.

본 발명의 목적은, 버너에게의 석탄의 매우 균질화된 공급이 가능해지도록, 이때 단기적인 변동들이 최소화되고, 그리고 이로써 가스화 품질이 개선되며, 그리고 버너로의 석탄량의 조절이 보다 효과적으로 형성되도록, 도입부에 설명된 방법을 형성하는 것이다.

이 목적은, 도입부에 설명된 유형의 방법에 있어서, 본 발명에 따르면 미세한 알갱이 내지 가루형 연료가 버너 높이보다 아래에 배치된 저장 용기로부터 우선 버너 높이보다 위에 있는 높이로 수송되며, 그리고 그 후, 버너를 향해 아래쪽으로 향해 있는 라인 안에서 균질화됨으로써 달성된다.

본 발명에 따른 방식을 통해, 밀집상 흐름 안에 수송된 연료/가스 혼합물의 균일성이 달성되며, 상기 방식은 예컨대 수평으로 뻗어 있는 라인들을 통한 수송보다 훨씬 더 좋다는 것이 밝혀졌다. 버너의 앞에 있는 낙하관 안에서의 균질화를 통해 연료 입자들은 중력에 의해 가속화되며, 이때 아마도 혼합물 안에 존재하는 가스 버블들 (gas bubbles) 은 낙하시 연료로 채워진다.

구현형태들은 종속항들에 나타나 있다. 이에 따르면, 균질화는 아래쪽으로 향해 있는 라인 안에서 수행될 수 있으며, 상기 라인의 길이는 라인 지름의 적어도 5 배와 일치한다.

연료가 관 엘보우 (pipe elbow) 밖으로 안내된 낙하관 안에서 균질화되며, 이때 상기 낙하관은 수직선에 대한 각도들 < 20°에서, 바람직하게 0°에서 정렬되어 있는 것이 목적에 부합하는 것으로 증명되었다.

낙하관이 수직선에 대해 조절될 수 있는 범위는 여기에서 청구된 것과 달리 선택될 수 있으며, 즉 어떤 재료가 이용되는 가에 따라 선택될 수 있고, 중요한 것은 낙하관 안에서의 균질화이다.

본 발명에 따른, 목적에 부합하는 그 밖의 구현형태에서는, 연료 처리량 (fuel throughput) 을 조절하기 위해 연료 흐름에게 가스가 공급되며, 이때 혼합은 버너 바로 앞에서 또는 버너 안에서 수행된다.

밀집상 흐름을 이용해 수송된 연료 흐름 안으로 보조 가스를 첨가함으로써 희석이 초래되며, 즉 수송 밀도가 감소된다. 희석된 연료의 속도가 높아지고, 그럼에도 불구하고, 감소된 밀도의 영향이 뛰어나며, 이때 처리량이 감소된다.

예:

밀집상 흐름 수송을 이용해, 밀도 400 kg/㎥ 및 속도 5 m/s 를 가진 10 kg/s 연료는 버너를 통해 가스화기 안으로 수송된다. 관 라인 안에는, 마찰 및 상향 수송으로 인해 100 kPa 의 압력손실이 생긴다. 버너 안에서는, 현탁액의 마찰 및 그 밖의 가속도로 인해 20 kPa 의 압력손실이 생긴다. 처리량을 감소시키기 위해, 보조 가스가 버너의 바로 앞에서 연료 라인 안으로 공급되며, 이를 통해 체적유량이 거의 두 배가 된다. 이로 인해, 버너의 버너 채널 안에서의 압력손실이 마찬가지로 두 배가 된다. 연료 채널은 길이가 단지 2 m 이기 때문에, 상기 연료 채널은 이미 0.2 s 후, 희석된 연료로 채워진다. 이미 이 짧은 시간 후 연료 처리량이 감소된다.

상기 예는 연료 처리량의 매우 빠른 적응이 가능하다는 것을 보이고 있다. 하지만 조절 범위는 필요한 가스량, 및 침식으로 인해 제한된, 버너 안의 연료 속도로 인해 제한되어 있다. 이 방법을 갖고, 연료 처리량은 전형적인 적용에 있어서 +/- 10 % 만큼 변경될 수 있다.

이하, 본 발명의 예를 도면을 참조로 보다 상세히 설명한다.

도 1 은 개략적인, 위치 접속 도면,
도 2 는 암시되어 있는 가스화기벽 안의 상세히 도시되어 있지 않은 버너의 영역에서의 섹션을 확대시킨 도면이다.

도 1 은 저장 용기 (1) 로부터 가스화기 (3) 의 버너 (4a, 4b) 들 안으로의 밀집상 흐름 수송 (2a, 2b) 을 보이고 있다. 상기 저장 용기의 출구는 상기 버너들보다 깊고, 따라서 연료는 수평으로, 그리고 위쪽으로 수송되어야 한다. 하지만 균질한 연료 현탁액을 달성하기 위해, 연료는 우선 버너 높이에 걸쳐 안내되며, 그리고 그 후 방향 전환 후 예컨대 3 m 길이의 낙하관 안에서 균질화된다. 연료를 수평으로 버너들 안으로 공급하기 위해 버너들 바로 앞에서 라인들은 방향 전환되며, 그리고 보조 가스 (11a, 11b) 가 라인 안으로 공급된다. 마찬가지로 산소 함유 가스 (5a, 5b) 및 모더레이션 가스 (moderation gas, 6a, 6b) 가 버너들 안으로 공급되며, 상기 모더레이션 가스를 갖고 가스화 파라미터들은 영향을 받는다.

대안적으로, 보조 가스 (11a, 11b) 는 곧장 버너들 안으로, 또는 버너의 연료 채널 안으로 공급될 수 있다.

도 2 는 방법의 대안적인 실시를 보이고 있다. 밀집상 흐름 수송 (2) 은 만곡부에서 낙하관 안으로 안내된다. 수직으로 정렬된 버너 접합관 (12) 앞에서, 보조 가스 (11) 또는 모더레이션 가스 (6) 의 일부, 예컨대 CO₂ 는 수송 밀도 및 연료 흐름을 감소시키기 위해 가스 도입 장치 (10) 안에 공급된다.

Claims (7)

1. 합성가스를 생성하기 위한 가스화기 안으로 밀집상 흐름 수송을 이용해 공압식으로 수송되는 고체 연료들을 균질화 및 조절하기 위한 방법으로서, 이때 미세한 알갱이 내지 가루형 연료는 버너 높이보다 아래에 배치된 저장 용기로부터 우선 버너 높이보다 위에 있는 높이로 수송되며, 그리고 그 후, 버너를 향해 아래쪽으로 향해 있는 라인 안에서 균질화되고, 연료 처리량을 조절하기 위해 연료 흐름에게 가스가 공급되며, 이때 혼합은 버너 바로 앞에서 또는 버너 안에서 수행되고, 그리고 특히 가스화기 안의 온도조절을 위해, 그 안에 삽입된 가스 (모더레이션 가스) 의 적어도 일부는 수송된 연료 안으로 도입되는, 합성가스를 생성하기 위한 가스화기 안으로 밀집상 흐름 수송을 이용해 공압식으로 수송되는 고체 연료들을 균질화 및 조절하기 위한 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   균질화는 아래쪽으로 향해 있는 라인 안에서 수행되며, 상기 라인의 길이는 라인 지름의 적어도 5 배와 일치하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   연료는 관 엘보우 밖으로 안내된 낙하관 안에서 균질화되며, 이때 상기 낙하관은 수직선에 대한 각도들 < 20°에서, 바람직하게는 0°에서 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,
   추가적으로 질소, 이산화탄소, 증기, 다른 비활성 가스들 (inert gases) 또는 이것들의 혼합물들과 같은 가스가 삽입되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   버너 바로 근처에 있는 접합관을 통해, 추가적인 가스가 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 특히 상기 항들 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한, 합성가스를 생성하기 위한 가스화기 (3) 안으로 밀집상 흐름 수송을 이용해 공압식으로 수송되는 고체 연료들을 균질화 및 조절하기 위한 시스템에 있어서,
   밀집상 흐름 수송 라인 (2) 의 단부 영역이 각각의 버너 (4) 의 앞에서 수직으로 배치되어 있는, 저장 용기 (1) 로부터 가스화기 (3) 의 버너 (4, 4a, 4b) 들로의 밀집상 흐름 수송 라인 (2, 2a, 2b) 들을 특징으로 하는 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,
   수직 밀집상 흐름 라인 섹션의 길이는 밀집상 흐름 라인 지름의 적어도 5 배와 일치하는 것을 특징으로 하는 시스템.

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