KR20130009623A - 가스화 반응기를 냉각하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

부분 연소 하의 탄소 함유 연료 및 산소 함유 연료를 수용하기 위한 반응실이 형성된 합성 가스를 생산하는 용기를 포함하는 예시적인 가스화 반응기가 개시된다. 용기를 냉각하기 위해 제 1 냉각 장치 및 제 2 냉각 장치가 제공된다. 제 1 냉각 장치는 용기의 제 1 상측 영역에 부착된다. 제 2 냉각 장치는 용기의 제 2 중간 영역에 부착된다. 또 방법 및 IGCC 발전 시스템(IGCC 발전 시스템)이 개시된다.

Description

가스화 반응기를 냉각하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR COOLING GASIFICATION REACTOR}
본 발명의 실시예들은 일반적으로 통합 가스화 복합 사이클(IGCC; integrated gasification combined-cycle) 발전 시스템에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 IGCC 시스템의 가스화 반응기 또는 가스화 장치를 냉각하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
적어도 일부의 공지된 IGCC 시스템은 적어도 하나의 발전용 터빈 시스템과 통합된 가스화 시스템을 포함한다. 가스화 시스템은 연료, 공기 또는 산소, 증기, 및/또는 석회석 또는 기타 플루산트(fluxant)와 같은 고형물의 혼합물을 종종 합성가스라고 불리는 부분연소 가스 및 슬래그의 생성물로 전환하기 위한 가스화 장치를 포함할 수 있다. 가스화 장치 내에서 발생되는 연소 공정은 다량의 열을 생성할 수 있다. 연소 공정 중의 온도는 1600-1800 ℃를 초과할 수 있다. 내부 라이너가 가스화 장치의 수명을 연장하기 위해 고온으로부터 가스화 장치의 벽을 보호하기 위해 사용될 수 있다.
다양한 상이한 유형의 라이너가 공지되어 있다. 예를 들면, 하나의 유형의 라이너는 고온으로부터 가스화 장치의 벽을 절연하는 내화 벽돌을 포함한다. 그러나, 내화 벽돌을 사용하는 것의 하나의 결점은 벽돌은 교체가 필요하고, 이것은 가스화 장치의 작업 비용을 증가시킨다. 더욱, 내화 벽돌을 사용하는 가스화 장치의 벽은 열 충격 손상을 회피하기 위해 예열(warm-up) 기간 및 냉각 기간이 필요할 수 있다.
그러므로, 전술한 도전들 중의 적어도 하나에 대처하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것이 요망된다.
본 명세서에 기재된 하나의 실시예에 따라 용기, 제 1 냉각 장치, 및 제 2 냉각 장치를 포함하는 가스화 반응기가 제공된다. 용기는 부분 연소 하에서 탄소 함유 연료 및 산소 함유 가스를 수용하고 합성 가스를 생산하기 위한 반응실을 형성한다. 용기는 제 1 상측 영역 및 제 2 중간 영역을 포함한다. 제 1 냉각 장치는 제 1 상측 영역에 부착된다. 제 2 냉각 장치는 제 2 중간 영역에 부착된다.
본 명세서에 기재된 다른 실시예에 따라, 가스화 반응기를 냉각하기 위해 사용될 수 있는 냉각 시스템이 제공된다. 냉각 시스템은 제 1 냉각 장치 및 제 2 냉각 장치를 포함한다. 제 1 냉각 장치는 가스화 반응기의 제 1 상측 영역에 부착된다. 제 2 냉각 장치는 가스화 반응기의 제 2 중간 영역에 부착된다. 제 1 냉각 장치 및 제 2 냉각 장치는 제 1 상부 영역과 제 2 중간 영역에 각각 일치하는 형상을 갖도록 구성된다.
본 명세서에 기재된 다른 실시예에 따라, 용기 및 열 교환기를 포함하는 가스화 반응기가 제공된다. 용기는 탄소 함유 연료 및 산소 함유 가스를 내부에서 부분 연소시키기 위한 반응실을 형성한다. 용기는 외측면 및 내측면을 갖는다. 열 교환기는 용기의 외측면의 적어도 일부에 부착된다. 열 교환기는 반응실로부터 열을 흡수하도록 구성된다.
본 명세서에 기재된 다른 실시예에 따라, 가스화 반응기의 용기의 온도 조절 방법이 제공된다. 이 방법은 가스화 반응기의 제 1 영역의 주위의 적어도 하나의 제 1 온도 구역 및 가스화 반응기의 용기 본체의 주위의 제 2 온도 구역을 포함하는 가스화 반응기의 온도 프로파일을 획득하는 단계; 및 제 1 영역에 관련된 제 1 냉각 장치를 사용하는 것에 의해 가스화 반응기의 제 1 영역의 주위의 얻어진 제 1 온도 구역에 따른 가스화 반응기의 제 1 영역을 냉각하기 위한 제 1 냉각 방법을 채용하는 단계; 및 제 2 영역에 관련된 제 2 냉각 장치를 사용하는 것에 의해 가스화 반응기의 제 2 영역의 주위의 얻어진 제 2 온도 구역에 따라 가스화 장치의 제 2 영역을 냉각시키기 위한 제 2 냉각 방법을 채용하는 단계를 포함한다.
본 명세서에 기재된 다른 실시예에 따라, 통합 가스화 복합 사이클(IGCC) 발전 시스템이 제공된다. 이 IGCC 발전 시스템은 가스화 장치 및 가스 터빈을 포함한다. 이 가스화 장치는 용기 및 냉각 시스템을 포함한다. 용기는 부분 연소 하의 탄소 함유 연료 및 산소 함유 가스를 수용하기 위해 내부에 반응실을 형성하고, 내부에서 합성 가스를 생산한다. 용기는 제 1 영역 및 제 2 영역을 포함한다. 냉각 시스템은 제 1 영역과 관련된 제 1 냉각 장치 및 제 2 영역과 관련된 제 2 냉각 장치를 포함한다. 가스 터빈은 가스화 장치와 유체 연통 상태로 결합된다. 가스 터빈은 가스화 장치로부터 수용된 합성 가스를 연소하도록 구성된다.
본 발명에 의해 전술한 도전들 중 적어도 하나에 대처할 수 있는 시스템 및 방법이 제공된다.
본 발명의 이들 및 기타의 특징, 태양, 및 이점은 첨부한 도면에 관련하여 이하의 상세한 설명을 읽었을 때 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이고, 전체 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 부품을 표시한다.
도 1은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 가스화 반응기의 부분 절제 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 예시적 실시예에 따른 가스화 반응기의 부분 절제 사시도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 예시적 실시예에 따른 가스화 반응기의 부분 절제 사시도이다.
도 4는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 가스화 반응기의 부분 절제 사시도이다.
도 5는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 가스화 반응기의 부분 절제 사시도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 예시적 실시예에 따른 열 교환기와 관련된 가스화 반응기의 부분 절제 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 예시적 실시예에 따른 열 교환기와 관련된 가스화 반응기의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 예시적 실시예에 따른 열 교환기와 관련된 가스화 반응기의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 예시적 실시예에 따른 열 교환기와 관련된 가스화 반응기의 사시도이다.
도 10는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 통합 가스화 복합 사이클(IGCC) 발전 시스템의 회로도이다.
본 명세서에 기재된 실시예들은 가스화 장치의 용기를 냉각하기 위한 가스화 반응기 또는 가스화 장치와 관련되어 사용되는 냉각 장치에 관련된다. 더욱, 일부의 실시예는 가스화 반응기를 냉각하기 위한 냉각 장치를 사용하는 방법에 관한 것이다. 일부의 실시예에서, 능동적 냉각 장치가 가스화 반응기를 냉각하기 위해 사용될 수 있다. 더욱 일부의 실시예에서, 열 교환기는 냉각하기 위해 또는 가스화 반응기의 용기에 열을 전달하기 위해 가스화 장치의 용기의 외측면에 장착된다.
다르게 정의되지 않는 한 본 명세서에서 사용된 기술 용어 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상 전문가가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 가진다. 본 명세서에 사용된 "제 1", "제 2" 등의 용어는 임의의 순서, 양, 또는 중요도를 표시하지 않고, 오히려 하나의 요소를 다른 것과 구별하기 위해 사용된다. 또, "하나(a, an)"라는 용어는 양의 제한을 표시하지 않고, 오히려 참조된 대상물의 적어도 하나의 존재를 표시한다. 본 명세서의 "포함하다(including, comprising)" 또는 "가지다(having)" 및 그 변형의 사용은 열거된 대상물 및 등가물 뿐 아니라 추가의 대상물을 포함하는 것을 의미한다. "연결된(connected)" 및 "결합된(coupled)"이라는 용어는 물리적 또는 기계적 연결 또는 결합에 한정되지 않고, 직접 또는 간접적인 전기적 연결 또는 결합을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 가스화 장치(56)의 부분 절제 사시도이다. 설명을 위해, 도 1의 실시예에서 가스화 장치(56)는 혼입류 가스화 장치(entrained flow gasifier)로서 도시되어 있다. 그러나, 가스화 장치(56)는 가스화 장치가 이하에서 더욱 상세히 검토될 냉각 장치 및 방법의 하나 이상의 태양을 구현할 수 있는 한 고정상(fixed bed) 가스화 장치 또는 유동상(fluidized bed) 가스화 장치를 포함하는, 그러나 이들 가스화 장치에 한정되지 않는, 임의의 다른 유형의 가스화 장치에 적용될 수 있다는 것이 검토될 수 있다.
도 1을 참조하면, 혼입류 가스화 장치(56)는 내부에 반응실(122)을 형성하는 쉘 또는 용기(120)을 포함한다. 반응실(122)은 내부에 탄소 함유 연료 및 산소 함유 가스를 수용하기 위해 형성된다. 탄소 함유 연료 및 산소 함유 가스는 용기(120)의 상부에 배치된 인젝터(버너라고도 불림)(124)를 통해 반응실(122) 내에 도입될 수 있다. 인젝터(124)는 다양한 각도 및 용기(120)의 다양한 위치에 배치될 수 있다는 것이 검토될 수 있다. 연소 공정에서, 인젝터(124)를 통해 반응실(122) 내에 도입된 탄소 함유 연료 및 산소 함유 가스는 사용된 가스화 장치의 유형에 의존하여 예를 들면 약 20 바아 내지 약 85 바아의 고압 및 예를 들면 약 700 ℃ 내지 약 1800 ℃의 온도에서 연소될 수 있고, 합성 가스가 생산될 수 있다.
더욱 도 1을 참조하면, 용기(120)는 제 1 상측 영역(132), 제 2 중간 영역(134), 및 제 3 하측 영역(136)을 포함한다. 도 1의 실시예에서, 제 1 상측 영역(132)은 돔 형상을 가지도록 형성되고, 제 2 중간 영역(134)은 원통 형상을 가지도록 형성되고, 제 3 하측 영역(136)은 원추 형상을 가지도록 형성된다. 도 1의 실시예에서, 단지 설명을 위해서 제 1 상측 영역(132), 제 2 중간 영역(134), 및 제 3 하측 영역(136)이 일체로 형성된 것으로 도시되어 있다. 다른 실시예들에서, 이들 3개의 영역(132, 134, 136)은 별체로 형성된 다음 용접 또는 접착과 같은 적절한 수단에 의해 결합될 수 있다.
도 1의 하나의 실시예에서, 연소 공정 중에 고온으로부터 용기(120)를 보호하기 위해 용기(120)의 벽의 냉각을 제공하기 위해, 제 1 냉각 장치(142) 및 제 2 냉각 장치(144)가 제공된다. 제 1 냉각 장치(142)는 제 1 상측 영역(132)의 벽의 냉각 및 보호를 위해 사용되는 제 1 상측 영역(132)과 관련된다. 제 2 냉각 장치(144)는 제 2 중간 영역(134)의 벽의 냉각 및 보호를 위한 제 2 중간 영역(134)과 관련된다.
더 구체적으로 설명하면, 제 1 냉각 장치(142)는 제 1 상측 영역(132)과 일치되는 형상을 갖도록 구성된다. 예를 들면, 제 1 냉각 장치(142)는 돔 형상의 제 1 상측 영역(132)과 실질적으로 일치하는 원추형 관이다. 다른 실시예들에서 제 1 냉각 장치(142)는 제 1 상측 영역(132)과 일치되는 다른 형상으로 구성된 관을 사용할 수 있다. 도 1의 실시예에서, 제 1 냉각 장치(142)는 용접 또는 접착과 같은 임의의 적절한 수단에 의해 제 1 상측 영역(132)의 내측면에 부착된다. 다른 실시예들에서, 제 1 냉각 장치(142)는 제 1 상측 영역(132)의 외측면에 부착될 수 있다. 또 일부의 실시예에서, 제 1 냉각 장치(142)는 용기(120)의 제 1 상측 영역(132)의 벽의 내측에 매립될 수 있다. 더욱 일부의 실시예에서, 도 1에 도시되지 않았으나 내화 라이너가 이 내화 라이너 및 제 1 상측 영역(132)의 내측면의 사이에 제 1 냉각 장치(142)가 개재될 수 있는 구성으로 더 제공될 수 있다.
도 1에 도시된 하나의 실시예에서, 제 1 냉각 장치(142)는 제 1 상측 영역(132)의 국부 냉각을 제공하기 위해 제 2 냉각 장치(152)에 대해 독립적으로 작동될 수 있다. 다른 실시예들에서, 예를 들면 도 3과 관련하여 이하에서 설명되는 바와 같이, 제 1 냉각 장치(142)는 제 1 상측 영역(132) 및 제 2 중간 영역(134)의 양자에 대한 냉각을 제공하기 위한 단일의 냉각 시스템(140)을 형성하기 위해 제 2 냉각 장치(152)와 결합될 수 있다. 도 1의 실시예에서, 제 1 냉각 장치(132)는 유입구(144), 유출구(146), 및 유입구(144)와 유출구(146)의 사이에서 연결되는 증가하는 직경을 갖는 중간 관(148)을 포함하는 능동적 냉각 장치이다.
제 1 냉각 장치(132)의 가동 중에 물 또는 증기와 같은 냉각제는 유입구(144)를 통해 도입될 수 있고, 중간 관(148)을 통해 순환될 수 있다. 열을 포함한 냉각제는 유출구(146)로부터 회수 또는 배출되고, 그 후 중간 관(148)을 통해 냉각 및 재순환될 수 있다. 능동적 제 1 냉각 장치(132)의 작동에 의해, 열 특히 용기(120)의 제 1 상측 영역(132)의 벽의 인접부에서 생성된 열은 관(148)을 통해 순환하는 냉각제와 함께 전달된다. 따라서, 제 1 상측 영역(132)의 벽의 온도는 원하는 온도에 유지될 수 있다. 제 1 상측 영역(132)의 원하는 온도는 열 전달 과정과 관련된 다양한 파라메터를 변화시키는 것에 의해 조절될 수 있다는 것을 주목해야 한다. 예를 들면, 제 1 상측 영역(132)의 벽의 온도가 역치보다 더 높은 것으로 판정되었을 때, 관(148)을 통해 순환하는 냉각제의 속도 또는 유량은 주어진 시간 내에 더 많은 열을 전달하기 위해 그리고 제 1 상측 영역(132)에 더 많은 냉각을 제공하기 위해 증대시킬 수 있다. 제 1 상측 영역(132)의 온도는 예를 들면 제 1 상측 영역(132)에 부착된 열 센서를 사용하여 실시간으로 검출될 수 있고, 검출된 온도는 다음에 제 1 상측 영역(132)가 가열되어야 하는지 또는 냉각되어야 하는지를 판정하기 위해 사용된다. 본 명세서에서 사용되는 "냉각 방법"이라는 용어는 용기의 벽의 원하는 온도를 조절하기 위해 열 전달 과정과 관련된 다양한 파라메터를 변화시키는 수단을 간단히 말하는 것으로 정의될 수 있다.
계속하여 도 1을 참조하면, 도 1의 실시예에서 제 2 냉각 장치(152)는 또한 원통 형상의 제 2 중간 영역(134)과 일치하는 전체 형상을 갖도록 구성된다. 제 2 냉각 장치(152)는 또한 유입구(154), 유출구(156), 및 유입구(154)와 유출구(156)의 사이에서 연결되는 복수의 수직 관(158)을 일반적으로 포함하는 능동적 냉각 장치이다. 도 1의 실시예에서, 복수의 관(158)은 제 2 중간 영역(134)의 종축선(또는 상하 방향)을 따라 평행하게 연장하고, 단부로부터 단부까지 연결되어 있다. 복수의 관(158)은 원통 형상의 제 2 중간 영역(134)의 내측면에 고정된다. 유사하게, 냉각제는 제 2 중간 영역(134)의 벽이 원하는 온도에 유지될 수 있도록 유입구(154)를 통해 도입되어, 관(158)을 통해 순환하고, 유출구(156)로부터 배출될 수 있다.
계속하여 도 1을 참조하면, 도 1의 실시예에서 냉각 방법은 제 2 중간 영역(134)에서 열 전달 과정과 관련된 다양한 파라메터를 변화시키는 것에 의해 제 2 중간 영역(134)에서 실시될 수 있다. 더욱, 제 1 냉각 장치(142) 및 제 2 냉각 장치(152)에서 실시된 냉각 방법은 제 1 상측 영역(132) 및 제 2 중간 영역(134)의 온도의 조절 시에 협조될 수 있다. 주어진 가스화 조건을 위한 연소 공정 중에 가스화 장치(56)의 용기(120)는 일반적으로 상하 방향을 따라 온도 프로파일을 갖는다. 예를 들면, 용기(120)의 제 1 상측 영역(132)은 제 2 중간 영역(134)에 비해 낮은 온도를 가질 수 있다. 이 경우, 일부의 실시예에서 제 1 냉각 장치(132)의 관(148)을 통해 유동하는 냉각제는 제 2 냉각 장치(152)의 관(158)을 통해 유동하는 냉각제의 속도 또는 유량에 비해 낮은 속도 또는 유량을 갖도록 조절될 수 있다. 그 결과, 제 1 상측 영역(132) 및 제 2 중간 영역(134)은 실질적으로 동일한 온도에 유지될 수 있고, 이것은 2개의 영역(132, 134) 사이의 열 응력을 경감시킬 수 있고, 가스화 장치(56)의 용기(120)의 수명을 더욱 연장할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 예시적 실시예에 따른 가스화 장치(56)의 부분 절제 사시도이다. 도 2의 실시예는 도 1과 관련하여 전술한 실시예와 유사하다. 차이는 용기(120)에 추가의 냉각을 제공하기 위해 제 3 냉각 장치(162)가 용기(120)의 제 3 하측 영역(136)과 관련되는 것이다.
더 구체적으로 설명하면, 도 2의 실시예에서 제 3 냉각 장치(162)는 제 3 하측 영역(136)의 내측면에 부착되고, 원추 형상의 제 3 하측 영역(136)과 일치하는 원추 형상의 관을 갖도록 구성된다. 제 3 냉각 장치(162)는 또한 유입구(164), 유출구(166), 유입구(164)와 유출구(166)의 사이에 상호 연결된 원추 형상의 관(168)을 포함하는 능동적 냉각 장치이다. 원추 형상의 관(168)은 단지 설명을 위한 것이고, 다른 실시예들에서는 다른 형상의 관이 제 3 하측 영역(136)과 일치하도록 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 제 3 냉각 장치(162)의 가동 중에 냉각제는 제 3 하측 영역(136)의 벽이 원하는 온도에 유지될 수 있도록 유입구(164)를 통해 도입되고, 관(168)을 통해 순환하고, 유출구(166)로부터 배출될 수 있다.
계속하여 도 2를 참조하면, 도 2의 실시예에서 냉각 방법은 제 3 냉각 장치(162)를 작동시키는 것에 의해 열 전달 과정과 관련된 다양한 파라메터를 변화시킴으로써 제 3 하측 영역(136)에서 실시될 수 있다. 더욱, 제 3 냉각 장치(162)를 사용하는 냉각 방법의 실시는 제 2 중간 영역(134)의 벽과 제 3 하측 영역(136)의 벽을 동일 온도에 유지하기 위해 제 2 냉각 장치(152)와 협조될 수 있고, 이것은 2 영역(134, 136)의 벽들 사이의 열 응력을 경감시킬 수 있고, 가스화 장치(56)의 용기(120)의 수명을 더욱 연장할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 예시적 실시예에 따른 가스화 장치(56)의 부분 절제 사시도이다. 도 3의 실시예에서, 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같은 독립된 냉각 장치(142, 152)를 사용하는 대신 단일의 냉각 시스템(140)이 제 1 상측 영역(132)과 제 2 중간 영역(134)을 냉각하기 위해 제공된다. 도 3의 실시예에서, 냉각 시스템(140)은 제 1 냉각 장치(142) 및 제 2 냉각 장치(152)를 함께 연결하여 형성된다. 도 1 및 도 2와 관련하여 설명된 것과 유사하게, 제 1 냉각 장치(142)는 제 1 상측 영역(132)과 일치하는 원추 형상의 관을 갖고, 제 2 냉각 장치(152)는 제 2 중간 영역(134)과 일치하는 수직 관을 갖는다. 냉각 시스템(140)은 유입구(146), 유출구(156), 원추 형상의 관(148), 및 수직 관(158)을 포함한다.
도 3에 도시된 냉각 시스템(140)의 가동 중에, 냉각제는 제 1 상측 영역(132)의 벽 및 제 2 중간 영역(134)의 원하는 온도에 유지될 수 있도록 유입구(146)를 통해 도입되고, 원추 형상의 관(148) 및 수직 관(158)을 통해 순차적으로 순환하고, 유출구(156)로부터 배출된다.
도 4는 본 발명의 또 다른 예시적 실시예에 따른 가스화 장치(56)의 부분 절제 사시도이다. 도 4의 실시예에서, 도 2에 도시된 것과 같은 독립적인 냉각 장치(152, 162)를 사용하는 대신 제 2 중간 영역(134) 및 제 3 하측 영역(136)의 냉각을 위해 다른 단일 냉각 시스템(150)이 제공된다. 도 4의 실시예에서, 냉각 시스템(150)은 제 2 냉각 장치(152) 및 제 3 냉각 장치(162)를 함께 연결하는 것에 의해 형성된다. 도 1 및 도 2와 관련하여 설명된 것과 유사하게 제 2 냉각 장치(152)는 제 2 중간 영역(132)과 일치하는 수직 관을 갖고, 제 3 냉각 장치(162)는 제 3 하측 영역(136)과 일치하는 원추 형상의 관을 갖는다. 냉각 시스템(150)은 유입구(154), 유출구(166), 수직 관(158), 및 원추 형상의 관(164)을 포함한다.
도 4에 도시된 냉각 시스템(140)의 가동 중에, 냉각제는 제 2 중간 영역(134)의 벽 및 제 3 하측 영역(136)이 원하는 온도에 유지될 수 있도록 유입구(154)를 통해 도입되고, 수직 관(158) 및 원추 형상의 관(174)을 순차적으로 순환하고, 유출구(166)로부터 배출된다.
도 5는 본 발명의 또 다른 예시적 실시예에 따른 가스화 장치(56)의 부분 절제 사시도이다. 도 5의 실시예에서, 제 1 냉각 장치(142), 제 2 냉각 장치(152), 및 제 3 냉각 장치(162)는 다른 냉각 시스템(160)을 형성하기 위해 함께 연결된다. 유입구(146)를 통해 냉각제를 도입하고, 원추 형상의 관(148), 수직 관(158), 및 원추 형상의 관(164)을 통해 순환하고, 유출구(166)를 통해 배출되는 것에 의해, 제 1 상측 영역(132), 제 2 중간 영역(134), 및 제 3 하측 영역(136)은 원하는 온도에 유지될 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 예시적 실시예에 따른 가스화 장치(56)의 개략도이다. 이 가스화 장치(56)는 용기(210)의 외측면에 부착된 열 교환기(220)를 포함한다. 일반적으로, 열 교환기(220)는 냉각 모드 및 가열 모드에서 작동하도록 구성될 수 있다.
냉각 모드에서 열 교환기(220)는 용기(210)에 의해 형성된 반응실 내의 내부 연소로부터 발생된 열을 배출하는 것에 의해 용기(210)의 벽을 냉각하도록 작동될 수 있다. 내화 라이닝(도시되지 않음)이 가스화 장치(56)의 용기(210)의 내측면에 제공될 수 있고, 열 교환기(220)를 사용하는 용기(210)에 냉각을 제공하는 것에 의해 용기의 내측면의 내화 요건이 경감될 수 있다. 더욱, 용기(210)를 냉각하기 위해 열 교환기(220)를 사용하면 용기(210)의 내측면에 슬래그의 축적이 유발될 수 있고, 희생성 자기 수리(self-repairing)의 내화층의 역할을 하도록 할 수 있다. 이하에서 설명될 일부의 실시예에서, 열 교환기(220)는 용기(210) 상의 구역의 위치에 의존하여 냉각이 달라질 수 있는 구역들을 갖도록 설계될 수 있다.
가열 모드에서 열 교환기(220)는 가스화 장치(56)의 용기(210)의 벽에 열을 전달하도록 작동될 수 있다. 가열 모드에서 열 교환기(220)를 작동하는 것이 유용하다. 예를 들면, 시동 공정 중에 열 교환기(220)는 열 충격 손상을 회피하기 위해 용기(210)의 벽의 예열을 위해 용기(210)를 가열하도록 작동될 수 있다. 이하에서 설명될 일부의 실시예에서, 열 교환기(220)는 용기(210) 상의 구역의 위치에 의존하여 가열이 달라질 수 있는 구역들을 갖도록 설계될 수 있다.
도 6의 실시예에서, 열 교환기(220)는 용기(210)의 (점선(232)로 표시된) 종축선에 대해 수직으로 배열된 복수의 원형 관(214)을 포함하는 능동적 냉각 장치이다. 도 6의 실시예에서, 복수의 관(214)이 종축선(232)을 따라 균등하게 분배되어 있고, 예를 들면 인접하는 2개의 관이 거리 D만큼 이격되어 있다. 다른 실시예에서, 복수의 관(214)이 종축선(232)을 따라 불균등하게 분배되는 것도 가능하다. 하나의 실시예에서, 각 복수의 관(214)은 각각 냉각제의 도입 및 배출을 위한 유입구 및 유출구를 구비할 수 있고, 그 결과 냉각 장치(220)는 각각 냉각제의 공급 및 배출을 위한 복수의 유입구 및 유출구를 갖도록 형성된다. 다른 실시예들에서, 복수의 관(214)이 각각 냉각제의 도입 및 배출을 위한 단일의 유입구 및 단일의 유출구를 갖도록 함께 연결될 수 있다. 관(214)의 치수는 예시적 목적을 위해 도시된 것이고, 실제의 실시에서 관(214)의 치수는 실제의 용도에 따라 변화될 수 있다는 것을 주목해야 한다.
도 7은 본 발명의 다른 예시적 실시예에 따른 가스화 장치(56)의 개략 사시도이다. 도 7의 실시예에서, 가스화 장치(56)는 용기(210)의 외측면에 또한 부착되는 열 교환기(230)를 구비한다. 열 교환기(230)의 기능은 도 6을 참조하여 전술한 바와 같이 열 교환기(220)와 유사하다. 차이는 열 교환기(230)는 냉각제의 도입 및 냉각제의 배출을 위해 나선 형상의 관(238)을 갖는다는 것이다.
도 8은 본 발명의 다른 예시적 실시예에 따른 가스화 장치(56)의 개략 사시도이다. 도 8의 실시예에서, 가스화 장치(56)는 역시 용기(210)의 외측면에 부착되는 열 교환기(240)를 구비한다. 이 열 교환기(240)의 기능은 도 6을 참조하여 전술한 바와 같은 열 교환기(220)와 유사하다. 도 8의 실시예에서, 열 교환기(240)는 제 1 원형 관(242), 제 2 원형 관(244), 및 복수의 수직 관(246)을 포함한다. 제 1 원형 관(242) 및 제 2 원형 관(244)은 용기(210)의 종축선(232)에 대해 수직으로 배열된다. 복수의 수직관(246)의 각각은 제 1 원형 관(242)에 연결된 일단부 및 제 2 원형 관(244)에 연결된 타단부를 갖는다. 용기(210)의 복수의 수직 관(246)은 상호 이격 배치되어 있다. 도 8의 도시된 실시예에서, 복수의 수직 관(246)은 균등하게 분배되어 있으나, 이것에 한정되지 않고, 불균등하게 분배된 수직 관(246)도 본 기술분야의 전문가에 의해 검토될 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 예시적 실시예에 따른 가스화 장치(56)의 개략 사시도이다. 도 9의 실시예에서, 가스화 장치(56)는 역시 용기(210)의 외측면에 부착된 열 교환기(250)를 구비한다. 이 열 교환기(250)의 기능은 도 6을 참조하여 전술한 열 교환기(220)와 유사하다. 도 9의 실시예에서, 열 교환기(250)는 용기(210)의 상이한 구역에 배열된 3개의 관 조립체(262, 264, 266)를 갖도록 도시되어 있다. 이 3개의 관 조립체(262, 264, 266)는 용기(210)의 상이한 구역에 상이한 냉각을 제공하도록 독립적으로 작동될 수 있다. 일부의 실시예에서, 3개의 관 조립체(262, 264, 266)는 용기(210)의 상이한 구역을 동일한 온도로 유지하기 위해 협조될 수 있다. 관 조립체의 개수는 실제의 용도에 따라 3개 미만 또는 3개를 초과하도록 설정될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
더 구체적으로 설명하면, 도 9의 실시예에서 제 1 관 조립체(262)는 용기(210)의 상측 영역의 인접부의 제 1 구역(272)에 배열되고, 제 2 관 조립체(264)는 용기(210)의 중간 영역(274)의 인접부의 제 2 구역(274)에 배열되고, 제 3 관 조립체(264)는 용기(210)의 하측 영역의 인접부의 제 3 구역(276)에 배열된다. 제 1 관 조립체(262)는 매트릭스 형상 또는 망 형상의 관 배열을 형성하기 위해 상호 교차되는 복수의 원형 관(282) 및 복수의 수직 관(284)을 포함한다. 원형 관(282)은 용기(210)의 종축선(232)에 대해 수직으로 배열된다. 유사하게, 제 2 관 조립체(264)는 매트릭스 형상 또는 망 형상의 관 배열을 형성하기 위해 교차되는 복수의 원형 관(263) 및 복수의 수직 관(265)을 포함한다. 원형 관(263)은 용기(210)의 종축선(232)에 대해 수직으로 배열된다. 제 3 관 조립체(266)는 매트릭스 형상 또는 망 형상의 관 배열을 형성하기 위해 교차되는 복수의 원형 관(267) 및 복수의 수직 관(269)을 포함한다. 원형 관(267)은 용기(210)의 종축선(232)에 대해 수직으로 배열된다.
전술한 다양한 예시적 가스화 장치의 실시예는 통합 가스화 복합 사이클(IGCC) 발전 시스템으로 통합될 수 있다. 도 10은 예시적 IGCC 시스템(50)의 회로도이다. IGCC 시스템(50)은 일반적으로 공기 압축기(52), 이 공기 압축기(52)에 유체 연통 상태로 결합된 공기 분리 장치(54), 이 공기 분리 장치(54)에 유체 연통 상태로 결합된 가스화 장치(56), 이 가스화 장치(56)에 유체 연통 상태로 결합된 가스 터빈(10), 및 증기 터빈(58)을 포함한다.
작동 중에 공기 압축기(52)는 공기 분리 장치(54)로 안내되는 주위 공기를 압축한다. 일부의 실시예에서, 공기 압축기(52) 이외에도 가스 터빈 압축기(12)로부터 압축된 공기가 공기 분리 장치(54)에 공급된다. 공기 분리 장치(54)는 가스화 장치(56)에 의해 사용되기 위한 산소를 생성하기 위해 압축 공기를 사용한다. 더 구체적으로 설명하면, 공기 분리 장치(54)는 압축 공기를 별개의 산소류(O2) 및 종종 "프로세스 가스(process gas)" 라고 불리는 가스 부산물로 분리한다. 공기 분리 장치(54)에 의해 생성된 프로세스 가스는 질소를 포함하고, 본 명세서에서는 이것을 "질소 프로세스 가스(NPG)"라 부른다. 이 NPG는 산소 및/또는 아르곤과 같은 그러나 이들에 한정되지 않는 기타 가스도 포함한다. 예를 들면, 일부의 실시예에서 NPG는 약 95% 내지 약 100% 범위의 질소를 포함한다. 산소류(O2)는 후에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 가스 터빈(10)에 의해 사용되기 위한 "합성가스"라고 부르는 부분 연소 가스의 생성에 사용하기 위해 가스화 장치(56)로 안내된다. 일부의 IGCC 시스템(50)에서, 적어도 일부의 NPG류는 공기 분리 장치(54)로부터 대기로 방출된다. 더욱, 일부의 공지의 IGCC 시스템(50)에서 일부의 NPG류는 가스 터빈(10)의 배출량의 제어를 촉진하기 위해, 더 구체적으로는 연소 온도의 감소 및 가스 터빈(10)으로부터의 아산화질소 배출량의 감소를 촉진하기 위해 가스 터빈 연소기(14) 내의 연소 구역(도시되지 않음) 내로 주입된다. 예시적 실시예에서, IGCC 시스템(50)은 연소 구역 내로 주입되기 전의 질소 프로세스 가스를 압축하기 위한 압축기(60)를 포함한다.
가스화 장치(56)는 연료, 공기 분리 장치(54)에 의해 공급되는 O2, 증기, 및/또는 플루산트의 혼합물을 연료로서 가스 터빈에 의해 사용하기 위한 합성가스의 생성물로 전환한다. 일부의 IGCC 시스템(50)에서, 가스화 장치(56)는 임의의 연료를 사용할 수 있으나, 가스화 장치(56)는 석탄, 석유 코크스, 잔유(residual oil), 오일 에멀젼, 타르 샌드, 및/또는 유사 연료를 사용한다. 일부의 IGCC 시스템(50)에서, 가스화 장치(56)에 의해 생성된 합성가스는 이산화탄소를 포함한다. 예시적 실시예에서, 가스화 장치(56)에 의해 생성된 합성가스는 연소를 위해 가스 터빈 연소기(14)로 안내되기 전에 정화 장치(62) 내에서 정화된다. 이산화탄소(CO2)는 정화 중에 합성가스로부터 분리될 수 있고, 일부의 IGCC 시스템(50)에서는 대기로 방출될 수 있다. 가스 터빈(10)은 송전망(도시되지 않음)에 전력을 공급하는 발전기(64)를 구동한다. 가스 터빈(10)으로부터의 배출 가스는 증기 터빈(58)을 구동하기 위한 증기를 생성하는 열회수 증기 발생기(66)로 안내된다. 증기 터빈(58)에 의해 생성된 동력은 송전망에 전력을 제공하는 발전기(68)를 구동한다. 일부의 IGCC 시스템(50)에서, 열 회수 증기 발생기(66)로부터 발생된 증기는 합성가스를 생성하기 위해 가스화 장치(56)에 공급된다.
더욱, 예시적 실시예에서 시스템(50)은 동력 블록(power block)으로부터 가스화 장치(56)로부터 유출되는 합성가스의 냉각을 촉진하기 위해 가스화 장치(56)에 연결되는 방사 합성가스 냉각기(도시되지 않음)까지 보일러 공급수(72)를 공급하는 펌프(70)를 포함한다. 보일러 공급수(72)는 방사 합성가스 냉각기를 통해 안내되고, 여기서 보일러 공급수(72)는 증기(74)로 전환된다. 다음에 증기(74)는 가스화 장치(56) 또는 증기 터빈(58) 내에서의 사용을 위해 증기 발생기(66)로 복귀된다.
이상에서 본 발명이 예시적 실시예들을 참조하여 설명되었으나, 본 기술분야의 전문가는 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 변경이 실시될 수 있다는 것 및 등가물이 그 요소들에 대체될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 더욱, 많은 개조가 특정의 상황 또는 재료를 본 발명의 본질적 범위로부터 벗어나지 않고 본 발명의 교시에 적합시키도록 실시될 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 실시를 위해 검토된 최상의 모드로서 설명된 특정의 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 첨부된 청구항들의 범위 내에 속하는 모든 실시예들을 포함하는 것을 고려한다.
전술한 모든 목적 또는 이점들이 임의의 특정의 실시예에 따라 반드시 달성될 수 있는 것은 아니다라는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 예를 들면 본 기술분야의 전문가는 본 명세서에 설명된 시스템 및 기법은 본 명세서에서 교시되거나 제안될 수 있는 다른 목적 또는 이점을 반드시 달성함이 없이 본 명세서에서 교시된 하나의 이점 또는 일군의 이점을 달성 또는 최적화하는 방식으로 구현 또는 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
더욱, 전문가는 상이한 실시예들의 다양한 특징들의 호환성을 인식할 것이다. 설명된 다양한 특징 뿐 아니라 각 특징의 기타 공지된 등가는 본 발명의 원리에 따라 추가의 시스템 및 기법을 구성하기 위해 본 기술분야의 통상 전문가에 의해 혼합되거나 일치될 수 있다.

Claims (19)

  1. 가스화 반응기로서,
    부분 연소 하에서 그 내부에 탄소 함유 연료 및 산소 함유 가스를 수용하고, 그 내부에서 합성 가스를 생산하도록 구성되는 반응실을 그 내부에 형성하는 용기로서, 제 1 상측 영역 및 제 2 중간 영역을 포함하는, 상기 용기;
    상기 제 1 상측 영역에 부착된 제 1 냉각 장치; 및
    상기 제 2 중간 영역에 부착된 제 2 냉각 장치를 포함하는
    가스화 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 상측 영역은 돔 형상이고,
    상기 제 1 냉각 장치는 상기 돔 형상의 제 1 상측 영역의 내측면에 부착되는 원추 형상의 관을 포함하고,
    상기 원추 형상의 관은 냉각제를 도입하기 위한 유입구 및 냉각제를 배출하기 위한 유출구를 포함하는
    가스화 반응기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 냉각 장치는 상기 제 2 중간 영역의 내측면에 부착되고, 상기 제 2 냉각 장치는 상기 제 2 중간 영역의 종축선을 따라 실질적으로 평행하게 연장하는 복수의 관을 포함하는
    가스화 반응기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 관은 단일의 관을 형성하기 위해 순차적으로 연결되고, 상기 단일의 관은 냉각제를 도입하기 위한 유입구 및 냉각제를 배출하기 위한 유출구를 포함하는
    가스화 반응기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 용기는 제 3 하측 영역을 더 포함하고, 상기 가스화 반응기는 상기 제 3 하측 영역에 부착되는 제 3 냉각 장치를 더 포함하는
    가스화 반응기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 3 하측 영역은 원추 형상이고, 상기 제 3 냉각 장치는 상기 원추 형상의 제 3 하측 영역의 내측면에 부착되는 원추 형상의 관을 포함하고, 상기 원추 형상의 관은 냉각제를 도입하기 위한 유입구 및 냉각제를 배출하기 위한 유출구를 포함하는
    가스화 반응기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 용기는 상기 제 2 중간 영역에 연결되는 제 3 하측 영역을 더 포함하고, 상기 제 3 하측 영역은 상기 제 3 하측 영역의 내측면에 부착되는 제 3 냉각 장치를 구비하여 배열되고, 상기 제 1 냉각 장치, 상기 제 2 냉각 장치, 및 상기 제 3 냉각 장치는 단일의 관을 형성하기 위해 순차적으로 연결되고, 상기 단일의 관은 냉각제를 도입하기 위한 유입구 및 냉각제를 배출하기 위한 유출구를 포함하는
    가스화 반응기.
  8. 가스화 반응기로서,
    외측면 및 내측면을 갖고, 탄소 함유 연료 및 산소 함유 가스를 내부에서 부분 연소시키기 위한 반응실을 형성하는 용기; 및
    상기 용기의 외측면의 적어도 일부에 부착된 열 교환기를 포함하고, 상기 열 교환기는 상기 반응실로부터의 열을 흡수하도록 구성되는
    가스화 반응기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 열 교환기는 더욱 상기 용기의 적어도 하나의 영역에 열을 전달하도록 구성되는
    가스화 반응기.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 열 교환기는 상기 용기의 외측면의 주위에 원형 패턴으로 연장하는 복수의 관을 포함하는
    가스화 반응기.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 열 교환기는 실질적으로 나선 패턴으로 상기 용기의 외측면의 주위에 연장하는 단일의 관을 포함하는
    가스화 반응기.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 열 교환기는 제 1 원형 관; 제 2 원형 관; 및 상기 제 1 원형 관 및 상기 제 2 원형 관의 사이를 결합하는 복수의 수직 관을 포함하는
    가스화 반응기.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 열 교환기는
    상호 연결된 복수의 원형 관 및 복수의 수직 관을 포함하는 제 1 관 조립체; 및
    상호 연결된 복수의 원형 관 및 복수의 수직 관을 포함하는 제 2 관 조립체를 포함하고, 상기 제 1 관 조립체 및 상기 제 2 관 조립체는 소정의 거리만큼 상호 이격되어 있는
    가스화 반응기.
  14. 제 1 영역과 관련되고, 상기 제 1 영역과 적어도 부분적으로 일치하는 형상을 형성하는 제 1 냉각 장치를 사용하는 가스화 반응기의 용기의 제 1 영역을 냉각하는 단계; 및
    제 2 영역과 관련되고, 상기 제 2 영역과 적어도 부분적으로 일치하는 형상을 형성하는 제 2 냉각 장치를 사용하는 가스화 반응기의 용기의 제 2 영역을 냉각하는 단계를 포함하는,
    방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 가스화 반응기의 용기는 제 3 영역을 더 포함하고, 상기 방법은 상기 제 3 영역과 관련된 제 3 냉각 장치를 사용하는 상기 가스화 반응기의 상기 제 3 영역을 냉각하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 3 냉각 장치는 상기 제 3 영역과 적어도 부분적으로 일치하는 형상을 형성하는
    방법.
  16. 냉각 시스템으로서,
    가스화 반응기의 제 1 상측 영역에 부착된 제 1 냉각 장치; 및
    가스화 반응기의 제 2 중간 영역에 부착된 제 2 냉각 장치를 포함하고,
    상기 제 1 냉각 장치 및 제 2 냉각 장치는 각각 상기 제 1 상측 영역 및 상기 제 2 중간 영역에 일치하는 형상을 갖는
    냉각 시스템.
  17. 가스화 반응기의 벽의 온도 조절 방법으로서,
    상기 가스화 반응기의 온도 프로파일로서, 상기 벽의 제 1 영역 주위의 적어도 하나의 제 1 온도 구역 및 상기 벽의 제 2 영역 주위의 제 2 온도 구역을 포함하는 온도 프로파일을 획득하는 단계;
    상기 제 1 영역에 관련된 제 1 냉각 장치를 사용하는 것에 의해 상기 제 1 영역의 주위의 획득된 제 1 온도 구역에 따라 가스화 반응기의 상기 제 1 영역을 냉각하기 위한 제 1 냉각 방법을 채용하는 단계; 및
    상기 제 2 영역에 관련된 제 2 냉각 장치를 사용하는 것에 의해 상기 가스화 반응기의 상기 제 2 영역의 주위의 획득된 제 2 온도 구역에 따라 가스화 반응기의 상기 제 2 영역을 냉각하기 위한 제 2 냉각 방법을 채용하는 단계를 포함하는
    가스화 반응기의 벽의 온도 조절 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 3 영역에 관련된 제 3 냉각 장치를 사용하는 것에 의해 상기 벽의 제 3 영역의 주위의 획득된 제 3 온도 구역에 따라 상기 벽의 제 3 영역을 냉각하기 위해 제 3 냉각 방법을 채용하는 단계를 더 포함하는
    온도 조절 방법.
  19. 가스화 장치 및 가스 터빈을 포함하는 통합 가스화 복합 사이클 발전 시스템으로서,
    상기 가스화 장치는 부분 연소 하에서 내부에 탄소 함유 연료 및 산소 함유 가스를 수용하고, 내부에서 합성 가스를 생산하도록 구성되는 반응실을 내부에 형성하는 용기로서, 제 1 영역 및 제 2 영역을 포함하는, 용기; 및 상기 제 1 영역과 관련된 제 1 냉각 장치 및 상기 제 2 영역과 관련된 제 2 냉각 장치를 포함하는 냉각 시스템을 포함하고,
    상기 가스 터빈은 상기 가스화 장치에 유체 연통 상태로 결합되고, 상기 가스화 장치로부터 수용된 합성 가스를 연소하도록 구성되는,
    통합 가스화 복합 사이클 발전 시스템.
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