KR20120035915A - 가스화 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압력용기 (2), 및 냉각관으로 만들어진 멤브레인벽 (3) 의해 형성된 반응 챔버 (4) 를 구비하고 CO 또는 H₂ 함유 생가스를 생산하기 위한 가스화 반응기 (1) 에 관한 것으로, 상기 압력용기 (2) 의 내벽과 상기 멤브레인벽 (3) 사이에는 환상 공간이 형성되어 있으며, 이때 요소, 예컨대 버너 (7) 등이 제공되어 있고, 상기 버너는 상기 압력용기 벽 및 상기 멤브레인벽을 본질적으로 동일한 평면 (18) 에 있어서 수평으로 관통한다. 본 발명의 목적은 특히 상기 압력용기의 내부에, 가스 또는 슬래그 배출을 위한 원뿔형 영역을 구비한 냉각 스크린을 제공하는 것이며, 이때 차등 팽창을 막으면서 냉각 슬러지와 상기 압력용기 간의 설치 또는 연결 (부하 제거) 이 최적화되어야 한다. 이 목적은 멤브레인벽 (3) 의 부하를 제거하기 위해 지지가 직접적으로 또는 간접적으로 냉각제 유입 라인 (5) 또는 혼합물 유출 라인 (14) 에서 수행됨으로써 달성된다.

Description

가스화 반응기 {GASIFICATION REACTOR}

본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 기재된 종류의, CO 또는 H₂ 함유 생가스 (crude gas) 를 생산하기 위한 가스화 반응기에 관한 것이다.

이러한 유형의 가스화 반응기는 출원인의 예컨대 WO 2009/036985 A1 에 공지되어 있으며, 이 문헌에는 그 밖의 다수의 선행기술, 예컨대 뜨거운 합성가스의 냉각을 다루고 있는 US 4 474 584 가 언급되어 있다. 선행기술로서는 또한 DE 35 30 918 C3, DE 691 02 878 T2 및 EP 0 046 600 B1 이 언급된다.

본 발명은 특히 이러한 유형의 반응기에서 발생하는 문제를 다루고 있으며, 이때 본 발명은 특별히 여기에 언급된 가스화 반응기에 제한되어 있지 않고, 본 발명은 아래에서 상세히 설명되는 유사한 문제가 발생할 수 있는 장치에 관한 것이다.

이러한 유형의 장치는 미세하게 분배된 연료의 압력 가스화/연소 공정을 가능하게 하기에 적합해야 하며, 반응기 안에서의 연료, 석탄 가루, 미세하게 분배된 바이오매스, 오일, 타르 등의 부분적인 산화도 가능해야 한다. 슬래그 (slag) 또는 플라이 애시 (fly ash) 및 생성된 합성가스 또는 매연의 분리된 또는 공통의 인출도 가능해야 한다. 이용된 방법의 유형에 따라 분사 켄칭, 가스 켄칭, 복사 켄칭, 대류 가열면 등을 통해 반응 생산물 (가스 및 슬래그/플라이 애시) 의 냉각이 수행되어야 하며, 그리고 뒤따라 압력용기 밖으로 반응 생산물을 배출시키는 것에 주목해야 한다.

본 발명의 목적은 특히 압력용기의 내부에, 가스 또는 슬래그 배출을 위한 원뿔형 영역을 가진 냉각 스크린 (cooling screen) 을 제공하는 것이며, 이때 차등 팽창 (differential expansion) 을 막으면서 냉각 스크린과 압력용기 간의 설치 또는 연결 (부하 제거) 이 최적화되어야 한다.

이 목적은, 본 발명에 따르면 멤브레인벽의 부하 (load) 를 제거하기 위해 지지 (support) 가 직접적으로 또는 간접적으로 냉각제 유입 라인 또는 혼합물 유출 라인에서 수행됨으로써 달성되며, 상기 냉각제 유입 라인 및/또는 상기 혼합물 유출 라인이 예컨대 버너 (burner) 에 의해 미리 정해져 있는 중립 평면에 배치되어 있고, 그리고 그곳에서 압력용기를 관통하는 것이 목적에 부합한다.

본 발명을 통해, 특히 압력용기와 내부 구조 사이의 용기 평면에 대한 법선에서의 고정점 평면 (fixed point plane) 을 마련하는 것이 달성되며, 따라서 극단적인 온도차이에 의해 발생하는 팽창이 저지되는데, 왜냐하면 상기 고정점 평면에서는 차등 팽창이 없거나 또는 단지 적은 차등 팽창만 있기 때문이다. 상기 멤브레인벽은 상기 압력용기 벽에 대해 기밀적이다 (gas-tight). 이러한 멤브레인벽 배스킷 (membrane wall basket) 의 바닥 또는 덮개는 가스, 슬래그 (slag), 물 등이 유입 또는 유출되도록 하기 위해 구조 유형에 따라 배출구를 구비한다.

알아볼 수 있는 바와 같이, 예컨대 버너를 가스화, 석탄 가루 압력 연소시 등에 상기 압력용기 및 상기 냉각 스크린을 관통하여 꽂는 것이 본 발명을 통해 가능하며, 이때 팽창을 감수할 필요가 없다.

도입부에 언급된 문제는 부분적으로 EP 0 616 022 B1 에서 다뤄지고 있다. 여기에는, 가스화 반응기 및 바로 뒤따르는 대류 가열면에의 적용이 기술되어 있다. 여기에서도 멤브레인벽 구조가 보여지고 있고, 상기 멤브레인벽 구조는 바깥쪽에서 압력용기에 의해 둘러싸인다. 부하는 별도의 부품을 통해 멤브레인벽으로부터 압력용기 안으로 유출된다. 이 부품은 자기 자신의 순환부를 갖추고 있으며, 상기 순환부는 상기 부품을 가열시킨다. 하지만 이 구조는 그 밖의 순환부가 멤브레인벽을 위한 기존의 순환부에 대해 추가로 이용되어야 한다는 단점을 가지며, 이는 추가적인 필요 공간을 초래하고, 그리고 매우 큰 비용이 든다.

본 발명의 구현형태에서, 멤브레인벽의 관은 가열면 (heating surface) 의 아래쪽에 및/또는 위쪽에 배치되어 있는 환상 디스트리뷰터 (annular distributor) 에 고정되어 있으며, 이때 상기 환상 디스트리뷰터는 상기 냉각제 유입 라인 또는 상기 혼합물 유출 라인과 연결되어 있다.

원칙적으로 반응 챔버의 벽 설계는 서로 달리 형성될 수 있으며, 즉, 본 발명은 멤브레인벽 배스킷 (membrane wall basket) 을 가진 가스화 반응기를 제공하며, 그리고 냉각관에 형성된 하부 및 상부 원뿔형 영역을 구비하고, 상기 가스화 반응기는, 원뿔형 멤브레인 배스킷 영역은 분리되어 있는 냉각수 유입부 및 유출부를 갖고 형성되어 있으며, 수직 멤브레인벽을 형성하는 관의 일부는 상기 하부 또는 상부 콘 (cone) 을 형성하는 관의 지지 요소로서 형성되어 있음으로써 탁월함을 나타낸다.

알아볼 수 있는 바와 같이, 이 구현형태의 특색은 본질적으로 원통형인 멤브레인벽을 형성하는, 냉각제가 관류되는 관의 적어도 일부가 동시에 하부 멤브레인 배스킷 영역을 지지체를 통해 받치고 있고 또는 상부 멤브레인 배스킷 영역을 매달기를 통해 받치고 있다는 데에 있다.

이 해결책의 구현형태에서, 상기 지지 요소를 형성하는 관은 분리되어 각각의 콘의 아래쪽에서의 또는 위쪽에서의 각각의 환상 디스트리뷰터 (annular distributor) 밖으로, 그리고 멤브레인벽 안으로 되돌아가 뻗어 있을 수 있으며, 이때 상기 지지 요소를 형성하는 관이 상기 환상 디스트리뷰터의 서로 다른 평면 밖으로 안내되어 있음으로써, 올려 놓여 있는 또는 매달려 있는 멤브레인벽 배스킷 영역의 부하를 흡수하기 위한 최적의 각위치 (angular position) 을 갖는다.

본 발명의 그 밖의 구현형태에서, 특히 멤브레인이 상부뿐만 아니라 하부 원뿔형 영역을 형성하는 연속적인 관으로 형성되어 있으면, 멤브레인벽 관에서의 환상 공간 (annular space) 안에는 브래킷 (bracket) 이 제공되어 있고, 상기 브래킷은 상기 냉각제 유입 라인 또는 상기 혼합물 유출 라인에 지지되며, 이때 또한 멤브레인벽과 상기 상부 및 하부 원뿔형 영역은 냉각제를 안내하는 동일한 관에 의해 형성되어 있을 수 있고, 이때 각각의 콘 형성 (cone formation) 을 위해, 상응하는 관 섹션 (pipe section) 은 일부 영역에서 서로 엇갈려 또는 옮겨져 배치되어 있으며, 이로써 간단한 수단을 갖고 콘 형성이 최적화될 수 있다.

본 발명의 그 밖의 상세 내용, 특징 및 장점은 아래의 설명 및 도면을 근거로 나타나 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 가스화 반응기의 개략적인 단면도,
도 2 및 도 3 은 서로 달리 형성된 반응 챔버를 가진 가스화 반응기의 개략적인 도면,
도 4 내지 도 7 은 서로 다른 배관 (piping) 을 가진 반응 챔버의 절반 단면을 보이는 개략적인 도면이다.

도 1 에 도시되어 있는, 전체적으로 1 로 표시되어 있는 가스화 반응기는 압력용기 (2) 를 구비하며, 상기 압력용기 안에는 위에서 아래로, 멤브레인벽 (3) 에 의해 둘러싸인 반응 챔버 (4) 가 상기 압력용기 (2) 에 대해 간격을 두고 배치되어 있다. 멤브레인벽 (3) 을 가압하는 냉각제 공급 라인은 5 로 표시되어 있다. 상기 멤브레인벽 (3) 은 하부 콘 (cone, 6) 을 통해, 8 로 표시되어 있는 전이 영역 (transition area) 의 일부로서의 좁아진 채널 안으로 병합되며, 상기 좁아진 전이 채널 (transition channel, 7) 안에는 소용돌이 제동장치 (9) 가 암시되어 있다. 상기 전이 채널 (7) 의 단부에서의 제 1 드립 에지 (drip edge, 10) 에 대해 간격을 두고, 상기 전이 영역 안의 액체 애시 (ash) 를 위한 상기 전이 영역 (8) 안의 드립 에지는 10a 로 표시되어 있다.

상기 전이 영역 (8) 에는 켄칭 챔버 (quenching chamber) 또는 켄칭 채널 (11) 이 연결되고, 그 하류에는 워터 배스 (water bath, 13) 안의 슬래그 수집 용기 (12) 가 연결된다.

이하, 특히 반응 챔버 (4) 를 둘러싸는 멤브레인벽 (3) 의 구현형태가 설명된다.

도 2 에 따른 실시예에서, 멤브레인벽 (3) 은 냉각매체가 관류되는, 선으로만 암시되어 있는 관에 의해 형성되며, 상기 관은 동시에 상부 및 하부 원뿔형 영역 (3a, 3b) 을 형성하고, 냉각제 공급은 냉각제 유입 라인 (5) 을 통해 수행되며, 혼합물 유출 라인은 14 로 표시되어 있고, 이 라인은 상부 및 하부 환상 디스트리뷰터 (annular distributor, 15 또는 16) 에 의해 가압되어 있다.

압력용기 (2) 의 벽 및 멤브레인벽 (3) 을 관통하는 어쩌면 있을 수 있는 요소, 예컨대 버너 (burner) 등은 도 2 에 암시만 되어 있고, 17 로 표시되어 있다. 이 내부 구조물에 의해 정의된 (defined) 수평 평면은 파선으로 암시되어 있으며, 18 로 표시되어 있다.

냉각제 유입 라인 (5) 의 또는 혼합물 유출 라인 (14) 의 입구 또는 출구는 이 평면 (18) 에서 또는 가능한 한 평면 (18) 가까이에서 압력용기 벽 (2) 을 관통하며, 기하학적 할당은 도 2 에“x”로 표시되어 있다.

도 3 에 따른 실시예는 약간 달리 형성되어 있다. 여기에서, 상부 및 하부 콘 (cone) 은 도 3 에 3' 및 3'' 로 표시되어 있고, 분리되어 있는 냉각관 시스템에 의해 형성되며, 상기 냉각관 시스템은 기밀적으로 (gas-tightly) 멤브레인벽 (3) 과 연결되어 있고, 그리고 자기 자신의 냉각제 공급부 및 배출부를 갖추고 있는데, 이는 상세히 도시되어 있지 않다.

도 3 에는 해결책이 암시되어 있으며, 상기 해결책에 따르면, 하부 콘 (3') 은 몇 개의 냉각관에 의해 받쳐 지며, 상기 냉각관은 예컨대 교대하는 순서로 각이 져 꺾여 하부 콘 (3') 아래의 멤브레인벽 (3) 으로부터 그의 지지부 쪽으로 하부 환상 디스트리뷰터 (15) 안으로 되돌아가 안내되어 있고, 이 관 피스 (pipe piece) 는 도 3 에 3a 로 표시되어 있다.

상기 구조는 상응하여 상부 콘 (3') 에도 적용될 수 있으며, 이는 도면에 상세히 도시되어 있지 않다.

본 발명의 본질적인 특색은 멤브레인벽 (3) 의 부하를 제거하기 위해 직접적으로 냉각제 유입 라인 (5) 또는 혼합물 유출 라인 (14) 이 동원된다는 것이며, 이는 도 4 내지 도 7 에 여러 가지 변형으로 도시되어 있다.

도 4 는 원통형 영역 (3), 하부 콘 (cone, 3'), 및 자기 자신의 배관을 가진 상부 콘 (cone, 3'') 을 갖고 3개의 부분으로 이루어진 멤브레인벽 배스킷을 보이고 있으며, 이 콘 영역은 기밀적으로 상기 원통형 벽과 연결되어 있다.

하부 콘 영역 (3') 을 지지하기 위해, 원통형 멤브레인벽 (3) 을 형성하는 관의 일부는 약간 각이 져 평면 밖으로 꺾여 있고, 그리고 하부 환상 디스트리뷰터 (annular distributor, 15) 안으로 안내되며, 이때 수직 멤브레인벽 (3) 의 관의 보다 큰 부분은 꺾이지 않고 이 환상 디스트리뷰터 안으로 통한다. 환상 디스트리뷰터 (15) 는 다수의 냉각제 유입 라인 (5) 에 의해 받쳐 지며, 이로써 전체 구조가 상응하여 유지되어 있다.

상응하는 라인 (5 또는 14) 의 입구 또는 출구는 차등 팽창을 저지 또는 억제시키기 위해 파선으로 표시된 중립 평면 (18) 에 또는 상기 중립 평면 근처에 배치되어야 한다.

도 5 에는 변경된 예가 도시되어 있다. 여기에서, 상부 및 하부 콘을 가진 멤브레인 배스킷은 연속적인 냉각관으로 제조되어 있다. 도 5 의 예에서, 멤브레인 배스킷, 특히 원통형 멤브레인벽 (3) 은 그의 상부 영역에 지지 브래킷 (19) 을 구비하며, 이때 유출 라인 (14) 은 부합하는 지지체 (support, 20) 을 구비하고 있고, 전체 멤브레인 배스킷을 유지시키기 위해 상기 지지 브래킷 (19) 은 상기 지지체에 지지된다.

도 6 은 변경된 실시예를 보이고 있다. 여기에서, 브래킷 (19a) 은 지지체 (20a) 에 의해 유지되며, 상기 지지체는 여기에서는 각각의 냉각제 유입 라인 (5) 에 배치되어 있는데, 왜냐하면 이렇게 하여 마찬가지로 전체 멤브레인 배스킷을 지지하기 위해서이다.

마지막으로 도 7 은 그 밖의 예를 보이고 있으며, 상기 예에서 하부 환상 디스트리뷰터 (5) 위에는 경우에 따라 그 자체가 냉각제가 관류되는 지지 요소 (21) 가 배치되어 있고, 상기 지지 요소 위에서, 상응하는 지지체 (22) 가 멤브레인 배스킷 (3) 에 지지된다.

물론, 본 발명의 상기 기술된 실시예는 기본 사상에서 벗어나지 않으면서 여러 가지 면에서 변경될 수 있다. 즉, 예컨대 지지의 혼합 형태가 제공될 수 있는데, 가능한 한 가지 예를 들자면, 예컨대 한편으로는 구부러진 냉각제 라인 상의 하부 멤브레인벽 배스킷 영역 (3') 의 지지체와 다른 한편으로는 경우에 따라 추가적으로 도 4 와 도 6 의 실시예의 조합으로서의 추가적인 지지체 (19, 20) 가 있다.

Claims (6)

1. 압력용기 (2), 및 냉각관으로 만들어진 멤브레인벽 (3) 에 의해 형성된 반응 챔버 (4) 를 구비하고 애시 (ash) 의 융해온도 위의 온도에서 애시 함유 연료와 산소 함유 가스와의 가스화를 통해 CO 또는 H₂ 함유 생가스를 생산하기 위한 가스화 반응기 (1) 로서, 상기 압력용기 (2) 의 내벽과 상기 멤브레인벽 (3) 사이에는 환상 공간 (annular space) 이 형성되어 있으며, 이때 요소, 예컨대 버너 (17) 등이 제공되어 있고, 상기 버너는 상기 압력용기 벽 및 상기 멤브레인벽을 본질적으로 동일한 평면 (18) 에 있어서 수평으로 관통하는 가스화 반응기 (1) 에 있어서, 상기 멤브레인벽 (3) 의 부하를 제거하기 위해, 지지 (support) 가 직접적으로 또는 간접적으로 냉각제 유입 라인 (5) 또는 혼합물 유출 라인 (14) 에서 수행되는 것을 특징으로 하는 가스화 반응기 (1).
2. 제 1 항에 있어서, 상기 멤브레인벽 (3) 의 관은 가열면 (heating surface) 의 아래쪽에 및/또는 위쪽에 배치되어 있는 환상 디스트리뷰터 (annular distributor, 15, 16) 에 고정되어 있으며, 이때 상기 환상 디스트리뷰터 (15, 16) 는 상기 냉각제 유입 라인 (5) 또는 상기 혼합물 유출 라인 (14) 과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 가스화 반응기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 가스화 반응기는 멤브레인벽 배스킷, 및 냉각관으로 형성된 상부 및 하부 원뿔형 영역을 가지며, 원뿔형 멤브레인 배스킷 영역 (3', 3'') 은 분리되어 있는 냉각수 유입부 및 유출부를 갖고 형성되어 있으며, 수직 멤브레인벽 (3) 을 형성하는 관의 일부 (3a) 는 상기 하부 또는 상부 콘 (cone, 3', 3'') 을 형성하는 관의 지지 요소로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스화 반응기.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 지지 요소를 형성하는 관 (3, 3a) 은 분리되어 각각의 콘 (cone) 의 아래쪽에서의 또는 위쪽에서의 각각의 환상 디스트리뷰터 (annular distributor, 15, 16) 밖으로, 그리고 상기 멤브레인벽 안으로 되돌아가 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 가스화 반응기.
5. 제 1 항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 멤브레인벽 관 (3) 에서의 환상 공간 (annular space) 안에는 브래킷 (19) 이 제공되어 있으며, 상기 브래킷은 냉각제 유입 라인 (5) 또는 혼합물 유출 라인 (14) 에서의 지지체 (20) 에 지지되는 것을 특징으로 하는 가스화 반응기.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인벽 (3) 과 상기 상부 및 하부 원뿔형 영역 (3a, 3b) 은 냉각제를 안내하는 동일한 관에 의해 형성되어 있으며, 이때 각각의 콘 형성 (cone formation) 을 위해, 상응하는 관 섹션 (pipe section) 이 일부 영역에서 서로 엇갈려 또는 옮겨져 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 가스화 반응기.

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