KR20120139598A - 가스화 시스템을 위한 공급 인젝터 - Google Patents

가스화 시스템을 위한 공급 인젝터 Download PDF

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KR20120139598A
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동희 류
에드워드 팬
프라산트 마리카티
니라지 미쉬라
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

본 출원 및 그 결과 얻어지는 특허는 내부에 반응 구역(160)을 갖는 가스화 시스템(100)을 위한 공급 인젝터 노즐(150)을 제공한다. 이 공급 인젝터 노즐(150)은 반응 구역(160)을 향해 연장하는 복수의 관(190)을 포함할 수 있다. 이들 관(190)은 그 사이에 복수의 통로(180)를 형성할 수 있다. 냉각수 도관(300)은 상기 복수의 관(190) 중의 하나를 통해 연장할 수 있다. 냉각수 도관(300)은 복수의 도관(180) 중의 하나에 인접하는 제 1 측면(310)과 반응 구역(160)에 인접하는 제 2 측면(320)을 포함할 수 있다. 제 1 측면(310)은 제 1 측면 두께(330)을 포함할 수 있고, 제 2 측면(320)은 제 2 측면 두께(340)을 포함할 수 있고, 제 1 측면 두께(330)는 제 2 측면 두께(340) 보다 작거나 같다.

Description

가스화 시스템을 위한 공급 인젝터{FEED INJECTOR FOR GASIFICATION SYSTEM}
본 출원 및 그 결과 얻어지는 특허는 전체적으로 복합 사이클 발전 시스템에 관한 것이고, 특히 국부적인 변형(strain) 및 이에 관련된 균열(cracking)의 발생을 회피할 수 있는 가스화 시스템의 개량된 공급 인젝터용 냉각수 도관에 관한 것이다.
복합 사이클 발전 시스템은 가스 터빈 엔진과 통합된 가스화 시스템을 일반적으로 포함한다. 공지의 가스화 시스템은 연료, 공기/산소, 증기, 및/또는 기타 물질의 혼합물을 "합성가스(syngas)"로 알려져 있는 부분 산화된 가스의 산물로 전환시킨다. 공지의 가스화 시스템은 반응 용기 내에 혼합류를 공급하기 위해 공급 인젝터를 일반적으로 사용한다. 공지의 공급 인젝터는 반응 용기 내의 극한의 온도(temperature extremes)에 노출될 수 있다. 특히, 공급 인젝터의 선단은 인젝터의 효과적인 작동을 억제할 수 있는 및/또는 인젝터의 수명을 단축시킬 수 있는 반응 온도에 노출될 수 있다. 더욱, 공급 인젝터는 반응 용기 내에서 유동하는 합성가스 내의 부식성 원소에 노출될 수 있다.
공급 인젝터를 보호하기 위해, 공지의 가스화 시스템은 공급 인젝터에 냉각수를 제공하기 위해 폐회로(closed loop) 급수 시스템을 사용할 수 있다. 그러나, 공지의 공급 인젝터에 냉각수를 제공하면 국부적 변형 및 이에 관련된 균열 영역이 발생될 수 있다. 특히, 내부 산소 통로와 선단 주위의 내부 냉각수 도관의 사이의 금속의 온도는 연소 구역 주위의 외측면의 금속 온도에 비교했을 때 비교적 낮을 수 있다. 이와 같은 온도 차이는 약 10배 정도일 수 있다. 따라서, 고온측 금속의 강성은 온도가 증가함에 따라 감소한다. 그러므로 고온측은 저온측에 비해 더욱 연신될 수 있고, 그 결과 고온측과 저온측의 사이에 높은 소성 변형의 영역이 형성된다. 이 높은 소성 변형의 영역은 그 영역 내의 균열의 발생 또는 기타 손상의 원인이 될 수 있다. 이와 같은 손상을 복구하는데 요구되는 시간 및 노력은 상당한 것일 수 있다.
따라서, 가스화 시스템을 위한 개량된 공급 인젝터 구성에 대한 요구가 존재한다. 이와 같은 개량된 공급 인젝터 구성은 균열의 발생 및 기타 유형의 손상을 경감시키기 위해 인젝터 내의 소성 변형의 영역을 감소시킬 수 있다. 균열의 발생이 감소되면 전체 시스템의 조업 중단시간 및 복구비용이 감소될 수 있고, 부품 수명이 증대될 수 있다.
따라서 본 출원 및 그 결과 얻어지는 특허는 내부에 반응 구역을 갖는 가스화 시스템을 위한 공급 인젝터 노즐을 제공하는 것이다. 이 공급 인젝터 노즐은 반응 구역을 향해 연장하는 복수의 관을 포함할 수 있다. 이들 관은 그 사이에 복수의 통로를 형성할 수 있다. 냉각수 도관은 관들 중의 하나를 통해 연장할 수 있다. 냉각수 도관은 상기 통로들 중의 하나에 인접하는 제 1 측면 및 반응 구역에 인접하는 제 2 측면을 포함할 수 있다. 제 1 측면은 제 1 측면 두께를 포함할 수 있고, 제 2 측면은 제 2 측면 두께를 포함할 수 있고, 제 1 측면 두께는 제 2 측면 두께보다 작거나 같다.
본 출원 및 그 결과 얻어지는 특허는 복합 사이클 발전 시스템을 위한 가스화 장치를 더욱 제공한다. 이 가스화 장치는 용기 본체, 이 용기 본체 내의 반응 구역, 및 용기 본체 내 반응 구역 주위에 연장하는 공급 인젝터를 포함할 수 있다. 공급 인젝터는 내부에 냉각수 도관을 갖는 노즐 선단을 포함할 수 있다. 냉각수 도관은 제 1 측면 및 반응 구역에 인접하는 제 2 측면을 포함할 수 있다. 제 1 측면은 제 1 측면 두께를 포함할 수 있고, 제 2 측면은 제 2 측면 두께를 포함할 수 있고, 제 1 측면 두께는 제 2 측면 두께보다 작거나 같다.
본 출원 및 그 결과 얻어지는 특허는 내부에 반응 구역을 갖는 가스화 시스템을 위한 공급 인젝터 노즐을 더욱 제공한다. 공급 인젝터 노즐은 반응 구역을 향해 연장하는 복수의 관을 포함할 수 있다. 이들 관은 그들 사이에 복수의 통로를 형성할 수 있다. 냉각수 도관이 관들 중의 하나를 통해 연장할 수 있다. 냉각수 도관은 산소 통로에 인접하는 저온 측면과 반응 구역에 인접하는 고온 측면을 포함할 수 있다. 저온 측면은 저온 측면 두께를 포함할 수 있고, 고온 측면은 고온 측면 두께를 가질 수 있고, 저온 측면 두께는 고온 측면 두께보다 작거나 같다.
본 출원 및 그 결과 얻어지는 특허의 상기 및 기타의 특징 및 개량점은 복수의 도면에 관련하여 기술된 하기의 상세한 설명 및 첨부된 청구항의 검토를 통해 본 기술분야의 통상의 기술자가 명확히 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 복합 사이클 발전 시스템 및 그 내부의 부품의 개략도이다.
도 2는 공급 인젝터 및 반응 구역을 갖는 가스화 장치의 개략도이다.
도 3은 냉각수 도관을 갖는 공급 인젝터의 선단(tip)의 측단면도이다.
도 4는 냉각수 도관을 갖는 선단의 측단면도이다.
도 5는 본 명세서에 기재된 바와 같은 냉각수 도관을 갖는 선단의 측단면도이다.
동일한 참조번호가 복수의 도면 전체를 통해 동일한 요소들을 나타내는 도면을 참조하면, 도 1은 복합 사이클 발전 시스템(10)을 도시한다. 이 복합 사이클 발전 시스템(10)은 주 공기 압축기(15), 이 공기 압축기(15)에 유체 연통 상태로 결합된 공기 분리 장치(20), 이 공기 분리 장치(20)에 유체 연통 상태로 결합된 가스화 장치(25), 이 가스화 장치(25)에 유체 연통 상태로 결합된 가스 터빈 엔진(30), 및 증기 터빈(35)을 포함할 수 있다. 여기서 다른 부품 및 다른 구성이 사용될 수 있다.
압축기(15)는 공기 분리 장치(20)로 이송되는 주위의 공기류(air flow)를 압축한다. 대안으로서, 가스 터빈 엔진(30)의 압축기(40)로부터 배출되는 압축 공기류도 사용될 수 있다. 이 공기 분리 장치(20)는 가스화 장치(25)에 의해 사용되기 위한 산소를 발생시키기 위해 압축 공기를 이용한다. 산소류(oxygen flow)는 가스화 장치(25) 내에서 부분 산화된 합성가스를 발생시키는데 이용된다. 공기 분리 장치(20)로부터 배출되는 질소 처리 기체류도 배기가스 등의 감축에 사용하기 위해 가스 터빈 엔진(30)의 연소 장치(45)로 이송될 수 있다.
특히, 가스화 장치(25)는 가스 터빈 엔진(30)에 사용하기 위해 연료, 산소, 증기, 및/또는 기타 물질의 혼합물을 합성가스의 산물로 전환시킨다. 합성가스는 정화 장치(50)를 경유하여 연소 장치(45)로 유동할 수 있다. 정화 장치(50)는 내부의 이산화탄소 등을 분리할 수 있다. 합성가스는 고온 연소 가스 흐름을 생성하기 위해 연소 장치(45) 내에서 연소될 수 있다. 고온 연소 가스는 기계적 일을 생성하기 위해 터빈(55)을 구동한다. 터빈(55)에 의해 생성된 기계적 일은 압축기(40) 및 발전기(60) 등과 같은 외부 부하를 구동한다. 터빈(55)으로부터 배출되는 배기 가스도 열 회수 증기 발생장치(65)로 이송될 수 있다. 열 회수 증기 발생장치(65)는 증기 터빈(35)을 구동하기 위한 증기를 생성한다. 증기 터빈(35)은 추가의 부하(70)를 구동시킬 수 있다. 추가의 증기 공급분은 합성가스의 냉각을 촉진하기 위해 열 회수 증기 발생장치(65)에 의해 가스화 장치(25)로 이송될 수 있다. 여기서 다른 부품 및 다른 구성이 사용될 수 있다.
도 2는 본 명세서에 기재될 수 있는 바와 같은 고형물 제거 가스화 장치(100)의 개략도이다. 이 가스화 장치(100)는 전술한 복합 사이클 발전 시스템(10) 등과 함께 사용될 수 있다. 가스화 장치(100)는 헤드 단부(110), 테일 단부(120), 및 이들 사이에 연장하는 실질적으로 원통상인 용기 본체(130)를 포함할 수 있다. 공급 인젝터(140)는 연료의 유동이 헤드 단부(110) 내로 이송될 수 있도록 헤드 단부 내에 침투한다. 특히, 공급 인젝터(140)를 통한 연료의 유동은 공급 인젝터의 노즐(150)을 통해 이송될 수 있다. 연료의 유동은 반응 구역(160) 내로 토출될 수 있다. 반응 구역(160)은 노즐(150)과 실질적으로 공동으로 정렬된(co-aligned) 수직방향으로 배향된 대체적으로 원통상의 공간이다. 합성가스 및 부산물이 반응 구역(160) 내에서 생성될 수 있다. 여기서 다른 부품 및 다른 구성이 사용될 수 있다.
도 3은 공급 인젝터(140)의 노즐(150)의 선단(170)을 도시한다. 이 선단(170)은 연료 산소, 연료 등의 유동을 위해 내부에 형성된 복수의 통로(180)를 포함할 수 있다. 이들 통로(180)의 치수, 형상, 개수, 및 구성은 변화될 수 있다. 이들 통로(180)는 동심상으로 배열된 복수의 환상의 관(190)에 의해 형성될 수 있다. 이 도관(190)은 대체로 총검(bayonet)과 같은 형상(195)을 가질 수 있다. 하나 또는 복수의 관(190)은 내부에서 연장하는 냉각수 도관(200)을 포함할 수 있다. 냉각수 도관(200)의 치수, 형상, 개수, 및 구성은 변화될 수 있다. 여기서 다른 부품 및 다른 구성이 사용될 수 있다.
도 4는 공지의 냉각수 도관(200)의 확대도이다. 이 냉각수 도관(200)은 산소 통로(220)에 인접할 수 있는 저온 측면(210)을 포함할 수 있다. 이 냉각수 도관(200)은 또 반응 구역(160)에 인접할 수 있는 고온 측면(230)을 포함할 수 있다. 내부에서 냉각수(240)의 유동이 유동한다. 최대 변형 영역(250)은 저온 측면(210) 및 고온 측면(230)의 사이에 위치될 수 있다. 전술한 바와 같이, 최대 변형 영역(250)은 균열 발생 등이 쉽게 일어날 수 있다. 최대 변형 영역(250)의 치수 및 범위는 변화될 수 있다.
저온 측면(210)은 고온 측면의 두께(270)와 같거나 큰 단면 두께(260)를 가질 수 있다. 고온 측면(230)이 저온 측면(210)에 비해 수배(multiple)만큼 높은 온도에 노출되므로 저온 측면(210)의 강성은 고온 측면(230)의 강성보다 훨씬 클 수 있다. 그러므로 고온 측면(230)은 최대 변형 영역(250)을 형성하도록 저온 측면(210)에 비해 더 연신될 수 있다.
도 5는 본 명세서에 기재될 수 있는 바와 같은 냉각수 도관(300)을 도시한다. 이 냉각수 도관(300) 역시 저온 측면(315)이 될 수 있는 제 1 측면(310) 및 고온 측면(325)이 될 수 있는 제 2 측면(320)을 포함할 수 있다. 그러나 이 예에서 저온 측면(315)은 고온 측면(325)의 제 2 측면 두께(340)보다 얇은 제 1 측면 두께(330)을 가질 수 있다. 제 1 측면 두께(330)를 감소시키는 것에 의해 저온 측면(315)의 강성도 감소될 수 있다. 따라서 저온 측면(315)의 강성은 고온 측면(325)의 강성에 더욱 접근될 수 있다. 그러므로 유사한 강성의 영역은 최대 변형 영역(250)을 제거하거나 감축시키는 작용을 할 수 있다. 최대 변형 영역의 감축에 의해 전체의 공급 인젝터(140)의 수명을 증대시키도록 낮은 사이클 피로(cycle fatigue)가 얻어진다. 여기서 다른 부품 및 다른 구성이 사용될 수 있다.
전술한 내용이 본 출원 및 그 결과 얻어지는 특허의 특정의 실시예에 관한 것일 뿐이라는 것은 명확하다. 하기의 청구항 및 그 등가의 것에 의해 정의되는 본 발명의 일반적 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는 한 복수의 변경 및 개조가 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 실시될 수 있다.
10: 복합 사이클 발전 시스템(combined cycle power system)
15: 주 공기 압축기 20: 공기 분리 장치
25: 가스화 장치 30: 가스 터빈 엔진
35: 스팀 터빈 40: 압축기
45: 연소 장치 50: 정화 장치
55: 터빈 60: 발전기
65: 열 회수 증기 발생장치 70: 부하
100: 가스화 장치 110: 헤드 단부
120: 테일 단부 130: 용기 본체
140: 공급 인젝터 150: 노즐
160: 반응 구역 170: 선단
180: 통로 190: 관
195: 총검과 같은 형상 200: 냉각수 도관
210: 저온 측면 220: 산소 통로
230: 고온 측면 240: 냉각수 유동
250: 최대 변형 영역 260: 저온 측면 두께
270: 고온 측면 두께 300: 냉각수 도관
310: 제 1 측면 315: 저온 측면
320: 제 2 측면 325: 고온 측면
330: 제 1 측면 두께 340: 제 2 측면 두께

Claims (9)

  1. 내부에 반응 구역(160)을 갖는 가스화 시스템(100)을 위한 공급 인젝터 노즐(150)에 있어서,
    상기 반응 구역(160)을 향해 연장하는 복수의 관(190)으로서, 상기 복수의 관(190)의 사이에 복수의 통로(180)가 형성되는 상기 복수의 관(190); 및
    상기 복수의 관(190) 중의 하나를 통해 연장하는 냉각수 도관(300)으로서, 상기 냉각수 도관(300)이 상기 복수의 통로(180) 중의 하나에 인접하는 제 1 측면(310) 및 상기 반응 구역(160)에 인접하는 제 2 측면(320)을 포함하는, 상기 냉각수 도관(300)을 포함하고,
    상기 제 1 측면(310)은 제 1 측면 두께(330)이고, 상기 제 2 측면(320)은 제 2 측면 두께(340)이고, 상기 제 1 측면 두께(330)는 상기 제 2 측면 두께(340) 보다 작거나 동일한
    공급 인젝터 노즐.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 측면(310)은 저온 측면(315)을 포함하는
    공급 인젝터 노즐.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 측면(320)은 고온 측면(325)을 포함하는
    공급 인젝터 노즐.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 관(190)은 상기 공급 인젝터 노즐(150)의 선단(170)의 주위의 반응 구역(160)을 향해 연장하는
    가스화 시스템을 위한 공급 인젝터 노즐.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 통로(180) 중의 하나는 산소 통로(220)를 포함하는
    공급 인젝터 노즐.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각수 도관(300)은 내부에 냉각수(240)의 유동을 포함하는
    공급 인젝터 노즐.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 관(190)은 총검과 같은 형상(195)을 포함하는
    공급 인젝터 노즐.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 측면 두께(330)는 제 1 측면(310)과 제 2 측면(320) 사이의 변형영역(250)을 최소화하는
    공급 인젝터 노즐.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 측면(310)은 제 1 측면 온도를 포함하고, 상기 제 2 측면(320)은 제 2 측면 온도를 포함하고, 상기 제 1 측면 온도는 상기 제 2 측면 온도보다 배수만큼 낮은
    공급 인젝터 노즐.
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