KR20150052155A

KR20150052155A - 다단 순환식 유동층 합성 가스 냉각

Info

Publication number: KR20150052155A
Application number: KR1020157008022A
Authority: KR
Inventors: 구오하이 리우; 팬나랄 바이말찬드; 시아오펭 구안; 완왕 펭
Original assignee: 서던 컴퍼니
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2015-05-13
Also published as: AR092244A1; US20140054011A1; MX2015002328A; SA515360064B1; EP2888033A1; PH12015500184A1; CA2882371A1; EP2888033A4; JP6263185B2; US9464848B2; JP2015526584A; US20170038152A1; KR102088217B1; SG11201408560XA; AU2013309093A1; US10309727B2; ZA201500025B; CA2882371C; PH12015500184B1; IN2015DN00277A

Abstract

다단 순환식 유체층(CFB) 냉각기들을 사용하여 800℃ 내지 1600℃ 의 온도 범위의 고온 가스 스트림들을 냉각하기 위한 방법 및 장치가 개시된다. 본 발명은 석탄 가스화기들로부터의 고온 합성 가스의 냉각에 관한 것이며 여기서 고온 합성 가스는 종래의 냉각기들과 접촉시 5 개의 찌꺼기, 침식 및 부식 열 전달 표면들인 물질들을 수반한다. 고온 합성 가스는 CFB 합성 가스 냉각기들의 순환 비활성 고체 입자들에 의해 열을 추출하고 열 전달 표면들에 열을 간접적으로 전달함으로써 냉각된다.

Description

다단 순환식 유동층 합성 가스 냉각 {MULTI-STAGE CIRCULATING FLUIDIZED BED SYNGAS COOLING}

관련 출원들에 대한 교차 참조

본 출원은 2012년 8월 27일자로 출원된, 미국 가출원 제 61/693,707호의 35 U.S.C. §119(e) 하의 이익을 주장하며, 상기 출원은 그 전체가 인용에 의해 포함된다.

연방 정부 후원 조사 또는 개발에 관한 언급

본 발명은 미국 에너지부에 의해 수여된, 협약/계약 번호 DE-NT0000749 하에서 정부 지원에 의해 이루어졌다. 정부가 본 발명에 대한 일정한 권리를 갖는다.

본 발명은 포화 증기 및 과열 증기 모두를 발생하면서 반응기로부터 고온 가스 증기를 냉각하기 위한 다단 순환식 유동층(CFB) 냉각기에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 공급물로서 석탄과 같은 탄소질 재료들, 생물체(biomass) 또는 도시 폐기물(municipal waste)을 취급하는 가스화기로부터의 고온 합성 가스를 냉각하기 위한 냉각기에 연관되며, 냉각기는 동력 발생을 위해 고압 포화 및 과열 증기를 동시에 발생시킨다. 냉각기는 슬래깅(slagging) 가스화기로부터 발생되는 합성 가스에 통상적으로 존재하는 용융된 재 입자(ash droplet)들을 뭉친다. 본 다단 CFB 합성 가스 냉각기는 슬래깅 및 다른 타입들의 가스화기들에 의해 제조되는 합성 가스의 다른 찌꺼기(fouling), 침식성 및 부식성 물질들과의 접촉으로부터 열 전달 표면들을 또한 보호한다.

합성 가스 냉각의 당업자들에게는, 열 전달 표면들과 합성 가스가 직접 접촉할 때 합성 가스 냉각의 어려움들이 주지되어 있으며, 이러한 어려움들은 합성 가스들에 수반되는 물질들로 인해 가스 유동 경로의 막힘, 미세한 용융된 재 입자들의 적층 및 합성 가스 내의 타르 구성성분 모두에 의한 열 전달 표면들의 찌꺼기, 미세한 재 및 가스화기로부터 수반되는 숯(char)으로 인한 침식, 및 황화수소 및 염화수소와 같은 합성 가스 내의 구성성분들로 인한 부식을 포함한다.

합성 가스 냉각과 연관된 다른 어려움은 고온들과 양립할 수 있는 열 전달 표면들을 위한 구조 재료들의 확인 및 취급 그리고 신뢰할 수 있는 작동을 위한 비교적 비싼 열 전달 표면들의 보호이다.

현재, 신뢰할 수 있게 합성 가스를 냉각하는 많은 어려움들을 회피하기 위해 시도되는 옵션들은 프로세스 효율들을 크게 희생시킨다. 예컨대, 종래의 대류식 합성 가스 냉각기의 구조 재료들의 온도 한계들 내로 유지하기 위해, 가스화기 배출 스트림은 비교적 차가운 재생 가스의 큰 양들과 혼합함으로써 초기에 냉각되어야만 한다. 기존 합성 가스 냉각기들을 수용하기 위해 희생된 프로세스 효율들의 다른 예들은 상류 급냉(quench cooling), 가스화기 배출 온도들을 낮추기 위해 가스화기의 상부 부분들에 석탄을 주입하는 것 및 낮은 탄소 변환이 수반되는 더 낮은 온도들에서의 가스화기를 작동시키는 것을 포함한다.

미국 특허 제 8,197,564호는 물과의 직접 접촉에 의한 표면 냉각 또는 침전에 의해 가스 스트림으로부터 분리되는 미세한 재 및 슬래그와 보통 연관되는 하류 막힘 및 찌꺼기 문제들을 제한하기 위한 복사 합성 가스 냉각기 및 수반되는 유동 가스화기의 하류의 합성 가스의 급냉의 예를 개시한다. 이러한 퀀치 냉각 시스템들은 입자들을 분리하고 소모된 냉각수로서 물을 취급하기 위해 덜 신뢰할 수 있는 물 처리 시스템들 및 비싼 복사 합성 가스 냉각기와 연루되고, 이는 본질적으로 매우 부식성이고 침식성이며, 합성 가스를 냉각시키기 위한 전체 비용들을 증가시킨다. 게다가, 실질적인 경험에 의해서 합성 가스의 복사 및 급냉의 조합이 하류 대류식 냉각기의 막힘 문제들의 제한(회피)에서 완전하게 효과적이지 않다는 것이 나타났다.

유동층 가스화기들로부터 발생된 합성 가스는 수반되는 유동 가스화기들과 비교할 때 비교적 더 낮은 온도(대략 1000℃)들에서 가스화기들을 빠져나간다. 그렇더라도, 이러한 가스화기들을 빠져나가는 합성 가스를 냉각하기 위한 합성 가스 냉각기는 냉각 튜브들을 위한 진귀한 합금들의 사용으로 인해 장비의 비교적 비싼 부품이다. 고압 조건들 하에서 1000℃ 근처의 합성 가스와 접촉하는 종래의 대류식 냉각기에서 이러한 진귀한 그리고 비싼 합금들이 반드시 사용되어야 한다. 유동층 가스화기들로부터의 합성 가스의 냉각의 다른 어려움은 냉각 튜브 표면들을 침식시키려는 내부에 수반되는 미세한 재 및 숯 입자들이다. 적층 및 찌꺼기는 냉각 효율을 서서히 저하시키고 이는 바람직한 과열 증기 조건들보다 못한 결과를 초래하고, 일체형 가스화 조합 사이클(IGCC) 시설의 발전 용량에 영향을 미친다. 이러한 어려움들 및 입구의 합성 가스 냉각기 조건들을 취급하기 위해, 진귀한 합금들을 포함하는 구조물의 더 차가운 열 전달 표면 재료들을 위해 두꺼운 벽 디자인들이 사용되어야만 한다.

합성 가스 냉각기들은 내부 유체역학, 압력 강하 및 그의 물리적 치수들을 제한하는 다른 프로세스 고려사항들로 인해 제한된 냉각 용량들을 갖는다. 공칭 300 MWe 용량의 IGCC 프로세스와 같은 일부 분야들에서, 단일 가스화기로부터의 합성 가스 냉각은 병렬의 다수의 합성 가스 냉각기들을 요구한다. 다수의, 프로세스 라인의 병렬의 합성 가스 냉각기들은 1000℃ 근처의 고압 합성 가스의 취급에서의 비용들 및 레이아웃 복잡성 모두를 불가피하게 증가시킨다.

일부 유동층 가스화기들에서 생물체 및 역청탄(bituminous coal)들을 처리하는 것은 합성 가스가 가스화기를 빠져나갈 때 합성 가스에 의해 수반되는 타르 형성을 유도한다. 타르 구성성분들은 합성 가스 냉각기 열 전달 표면들 및 하류 장비에 적층되며 악화되는 오염 조건들은 결국 작동 불가능한 프로세스를 유도한다. 석탄 미네랄들에 더 높은 퍼센트의 알칼리 금속들을 함유하는 석탄들을 처리하는 동안 유사한 어려움들에 직면한다. 증가된 비용들 및 프로세스 효율들의 전체적인 감소에도, 종래의 합성 가스 냉각기들은 공지된 상류의 완화 수단들에 의해 이러한 프로세스들을 위해 여전히 신뢰할 수 있게 사용될 수 없다.

미국 특허 제 4,412,848호는 2 단 유동층 냉각 시스템에서 합성 가스를 냉각하는 방법을 개시한다. 제 1 단 유동층 냉각기는 비활성 베드 재료 입자들의 표면의 타르 응축을 최소화하기 위한 시도로 450 내지 500℃ 범위의 온도에서 작동한다. 제 2 단 냉각기는 250 내지 300℃ 범위의 온도에서 입자 표면들 상으로의 액체 응축을 가능하게 하기 위한 시도로 작동한다. 입자들의 표면의 고화된 응축물 축적을 회피하기 위해, 산소 및 증기가 입자 표면들의 숯 또는 응축물을 연소시키도록 제 2 단 냉각기 안으로 주입된다. 이러한 2 단 유동층 냉각 시스템은 합성 가스가 응축 가능한 액체 또는 숯을 함유할 때 유사한 분야들을 위한 많은 다른 타입들의 열 교환기들과 비교할 때 합성 가스 냉각 분야를 발전시킨다. 이는 스팀이 동력 발생을 위해 사용된다면 전체 프로세스 효율을 개선하기 위해 적당한 온도 및 고압 증기를 또한 발생할 수 있다. 하지만 상기 '848호의 2 단 유동층 냉각 시스템은 실질적인 어려움들에 직면한다.

하나의 주목할만한 단점은 합성 가스 하류의 세정으로부터 발생되는 산성수(sour water)를 처리하는 것을 어렵고 비싸게 만드는 냉각기를 빠져나가는 합성 가스에 함유된 상당한 양의 기름기 있는 물질에 관한 것이다. 다른 심각한 문제는 안전인데, 개시된 것과 같이, 제 2 단 냉각기의 작동 온도는 일산화탄소(609℃), 수소(500℃) 및 메탄(580℃)과 같은 합성 가스의 주요 구성성분들의 자동 점화 온도들보다 실질적으로 낮다. 제 2 단 냉각기의 연소 구역의 400 내지 500℃의 작동 온도는 합성 가스 구성성분들의 자동 점화 온도보다 더 낮다. 당업자들은 온도가 자동 점화 온도 미만인 합성 가스 스트림 안으로 산소를 주입할 때 폭발에 대한 위험성 또는 증가된 잠재성을 충분히 이해한다. 이러한 안전 염려들을 넘어서, 저온 부분 산화 방법은 연소 구역에 대한 냉각기의 더욱더 큰 공간을 필요로 하고 CO 보다 더욱 많은 Co₂ 를 발생한다.

상기 '848호의 냉각기의 냉각 용량이 또한 단점이다. 거품(bubbling) 층 또는 분출(spouted) 층 냉각기에서, 가스 공탑 속도(superficial velocity)는 일반적으로 초당 1 미터(m/s) 미만이다. 그 결과, 통상적인 IGCC 시설로부터의 대량의 합성 가스가 냉각될 필요가 있을 때, 냉각기 직경이 정상 전달 한계들을 넘어서는 것을 회피하기 위해 병렬인 2 개 이상의 합성 가스 냉각기들이 요구된다. 하지만 병렬 냉각기 배열들은 비싼데, 이는 합성 가스가 내화성 직선 파이프들에 의해 냉각기들로 보내져야 하기 때문이다.

미국 특허 제 5,759,495호는 순환식 유동층의 합성 가스를 포함하는 고온 가스들을 처리하기 위한 방법 및 장치를 개시한다. 상기 특허는 가스가 냉각 표면과 접촉하기 전에 충분히 냉각되는 것을 교시하며, 상승기(riser)의 냉각 표면의 침식이 문제가 되지 않는 것을 제기한다. 하지만 이러한 교시는 복잡한 문제를 지나치게 단순화한다. 냉각 표면이, 가스 공탑 속도가 통상적으로 5 m/s 초과인 상승기의 직접 유동 경로에 있을 때, 심지어 더 차가운 냉각 표면에서의 침식도 불가피하다. 따라서 상승기 내측에 냉각 표면을 설치하는 것은 비현실적이다. 비록 그럴듯 하지만, 이러한 저온들에서 냉각기를 작동시키는 것은 낮은 등급의 증기를 발생하고, 이는 발전소 환경에서 훨씬 덜 사용된다. 또한, 상기 '495호의 특허는 냉각기 및 입자 표면들의 고체들 및/또는 액체 응축물 축적을 어떻게 취급하는지에 대하여는 묵시적이다.

다른 내부 순환식 유동층 합성 가스 냉각기가 미국 특허 공보 제 2004/0100902호에 개시된다. 유익하게는, 개시된 냉각기의 가스 공탑 속도는 5 내지 10 m/s 의 범위에서 작동될 수 있어서 하나의 냉각기가 최대 초당 실제 90 평방 미터(㎥/s)의 체적을 취급할 수 있으며, 이는 공지된 산업상 가스화기들보다 더 큰 용량에 연관된다. 비록 이러한 공보의 교시가 합성 가스를 처리하기 위한 넓은 분야들을 가질 수 있지만, 이 공보 역시 입자 표면들의 오염물 축적들 및 이러한 오염물들로부터의 층 재료들의 재발생을 어떻게 회피하는지는 개시하지 않는다. 또한, 공보는 동력 발생을 위해 필요한 증기 조건들을 다루지 않는 1 단 냉각기를 개시한다.

상기 언급된 작동성, 효율 및 비용 문제들을 극복하기 위해, 개선된 합성 가스 냉각기가 매우 바람직할 수 있다. 본 발명의 의도는 이러한 산업상 필요를 제공하기 위한 것이다.

간단하게 설명하면, 바람직한 형태에서, 본 발명은 CFB 합성 가스 냉각기를 포함한다. 순환식 열 전달 매체는 합성 가스로부터 열을 추출하고 그 후에 이 열을 열 제거 메커니즘(열 전달 표면)으로 전달하며, 더 차가운 합성 가스를 초래한다. 바람직한 실시예들에서, 열 전달 매체는, 비록 다른/부가적인 상의 매체가 사용될 수 있지만 순환 고체들을 포함한다.

냉각 순서는 고온 합성 가스와 순환 고체들을 접촉시키는 단계, 그리고 합성 가스와 순환 고체가 분리된 후에, 그 후 순환 고체들이 순환 루프 주위로 이동함에 따라 고온 순환 고체들이 열을 열 제거 메커니즘에 전달하는 단계를 포함한다. 열 제거 메커니즘은 열 전달 표면들을 갖는 열 전달 튜브들 또는 코일들을 포함할 수 있으며, 여기서 열 전달 표면들과 접촉하는 순환 고체들이 열 전달을 통하여 냉각되는 동안 증기가 발생될 수 있거나 포화 증기가 과열될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에서, CFB 합성 가스 냉각기는 상이한 조건들에서 증기를 상승시키기 위해 다단 합성 가스 냉각을 포함한다. 합성 가스는 본 CFB 합성 가스 냉각기의 상승기의 바닥으로 공급되고, 가열된 순환 고체들은 중력에 의해 상승기의 상이한 높이들로부터 빼내어진다. 특정 높이에서 상승기를 빠져나가는 가열된 순환 고체들은 고체 냉각기 안으로 유동하고 이 고체 냉각기 안에서 설치된 튜브 번들들 또는 열 전달 코일들이 열 전달을 통하여 원하는 온도로 순환 고체들을 냉각시킨다. 보일러 급수 또는 포화 증기는 증기 발생을 위해 또는 과열 증기를 발생하기 위해 열 전달 표면들에 공급된다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 본 CFB 합성 가스 냉각기는 원하는 온도로 고온 합성 가스를 냉각시키고 미세한 용융된 재 입자들과 가스상의 다른 찌꺼기 물질들을 뭉치기 위해 하방 유동 스테이지를 포함한다. 고온 합성 가스는 합성 가스와 순환하는 더 차가운 고체들 모두가 냉각기의 하방 유동 스테이지에서 동시적으로 유동할 때 순환하는 더 차가운 고체들과 열을 교환한다. 유동층 냉각기에 도달하는 합성 가스는, 만약에 있다면, 최소의 찌꺼기 재료들을 갖고, 따라서 적층 문제들을 없앤다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 타르 또는 다른 경량 구성성분들과 같은 응축될 수 있는 유기 복합물들은 냉각기의 입구의 고온 영역에서 파괴된다. 냉각기의 입구의 온도들은 합성 가스 구성성분들의 자동 점화 온도들보다 훨씬 더 높고, 주된 폭발 안전 염려를 완화한다. 또한, 이러한 고온 부분 산화는 유익하게는 합성 가스의 CO 분율을 증가시킨다.

본 발명의 또 다른 양태에서, CFB 합성 가스 냉각기는 다중 스테이지들을 가질 수 있다. 예컨대, 냉각기의 하나의 스테이지는 증기 발생기로 전용될 수 있고, 다른 스테이지는 증기 과열기 및 재가열기로, 그리고 또 다른 스테이지는 이코노마이저(economizer)로 전용될 수 있다. 따라서 합성 가스는 각각의 스테이지에서 고체들의 순환층에 열을 전달함으로써 점진적으로 더 낮은 온도들로 연속적으로 냉각된다.

본 CFB 합성 가스 냉각기의 다른 양태에서, 따뜻한 합성 가스 정화(clean-up)는 선택된 흡착제들의 작동 온도 범위들에 의존하여 냉각기의 하나 또는 그 초과의 적절한 스테이지들에서 재생 가능한 흡착제들을 포함시킴으로써 달성될 수 있다. 따뜻한 합성 가스 정화 흡착제들은 탈황(dedulfurization)을 위해 그리고 수은, 비소, 카드뮴 및 납과 같은 미량 구성성분들을 포획하기 위해 발전된다(developed). 자체 흡착제들, 또는 흡착제들과 비활성 순환 고체들의 혼합물이 합성 가스 냉각 및 정화 모두를 달성하기 위해 순환 열 전달 매체로서 사용될 수 있다.

유동층 가스화기로부터의 합성 가스는 상당한 숯 입자들을 함유할 수 있다. 숯 입자들이 다공성이고 밀도가 더욱 경량이기 때문에, 본 발명은 합성 가스 냉각기 가스-고체 분리 유닛을 더 포함할 수 있고 입자 수집 시스템은 최소한의 숯 입자들이 가스 냉각기에 축적되거나 숯 입자들이 축적되지 않도록 최적화된다.

본 발명의 다른 양태에서, CFB 합성 가스 냉각기의 입구에 매립된 냉각 코일들을 갖는 조밀한 유동층은 냉각기의 다른 하류 스테이지들에서의 상당한 고체 순환을 방지하는 작동이 어려운 경우에 대비하여 필요한 시간 기간 동안 충분히 낮은 합성 가스 냉각기 배출 온도들을 보장한다.

예시적인 실시예들에서, 본 발명은 수반되는 찌꺼기, 침식성 및 부식성 및 응축 가능한 물질들을 함유하는 고온 합성 가스를 냉각시키기 위해 다단 순환식 유동층 합성 가스 냉각기를 포함한다. 입구의 합성 가스 온도는 최대 약 1600℃일 수 있고, 다중 스테이지들에서의 냉각 후에, 배출 합성 가스 온도는 약 300℃ 미만일 수 있다.

다단 냉각은 50 내지 1000 ㎛ 의 범위의 입자들을 함유하는 고체들의 순환층에 의해 최대 약 1000 psi 에서 작동하는 냉각기에 의해 달성될 수 있다.

다단 냉각은 최대 초당 실제 90 평방 미터의 합성 가스 유속을 취급할 수 있는 단일 다단 냉각기에 의해 달성될 수 있다.

다단 냉각은 냉각기를 통하여 최대 초당 10 미터의 합성 가스 공탑 속도들에 의해 달성될 수 있다.

다단 냉각은 과열 증기를 포함하는 상이한 증기 조건들에서의 증기 발생을 유도할 수 있다. 하나 또는 그 초과의 스테이지들이 또한 이코노마이저로서 기능할 수 있다.

냉각기 내의 입자들은 입구의 합성 가스 스트림의 용융된 재 입자들과 같은 수반되는 찌꺼기 물질들에 의해 뭉치고 비교적 더 큰 크기들로 성장할 수 있으며 이러한 더 큰 뭉친 입자들은 냉각기로부터 주기적으로 빼내어지고 200 내지 400 ㎛ 의 평균 크기의 분쇄된 뭉친 재 입자들의 부분이 재고(inventory)를 유지하기 위해 냉각기로 다시 첨가된다.

열 전달 표면들은 열 에너지가 냉각기 내의 고체 입자들의 순환층에 의해 고온 합성 가스로부터 냉각 표면들로 추출되고 간접적으로 전달되기 때문에 합성 가스 내의 찌꺼기, 침식성 및 부식성 물질들로부터 보호될 수 있다.

이산화탄소 및 증기에 더하여 50 체적%의 산소 스트림이 합성 가스 내의 타르 구성성분을 우선적으로 그리고 부분적으로 산화하기 위해 냉각기의 입구에서 고체들의 유체층 안으로 주입될 수 있다.

다른 예시적인 실시예에서, 다단 합성 가스 냉각기는 입구 고온 합성 가스 스트림과 유체 접촉하는 매립된 냉각 코일들을 갖는 조밀한 유체층, 상승기로서, 상승기로부터 고체들의 순환층의 일부가 상이한 높이들에서 유동층 냉각기들에 들어가고 냉각된 고체들은 중력 하에서 더 낮은 높이에서 상승기로 다시 유동하고 냉각기로부터의 통기 가스가 더 높은 높이에서 상승기로 유동하는 상승기, 합성 가스 냉각기를 빠져나가는 더 차가운 합성 가스에 의해 합성 가스와 고체들을 분리하기 위한 사이클론(cyclone), 더 차가운 고체들을 사이클론으로부터 상승기로 다시 복귀시키는 하강관(downcomer), 고체들을 분류하고 뭉친 재의 제거를 용이하게 하는 하강관의 더 낮은 부분 및 조밀한 유체층으로의 유동 가스를 포함하는 석탄 가스화기로부터 고온 합성 가스를 냉각하기 위한 외부 순환식 유동층 다단 냉각기이다.

냉각기로 들어가는 고온 합성 가스는 냉각기의 상승기 부분을 통하여 이 고온 합성 가스가 유동할 때 연속적인 단계들로 냉각될 수 있는데; 먼저, 조밀한 유체층의 고체들과 접촉하고, 그 후 상승기의 바닥의 고체들의 순환층과 접촉하며, 마지막으로, 연속적인 스테이지들의 유체층 냉각기들로부터 복귀하는 상승기의 더 차가운 고체들과 접촉함으로써 냉각된다.

다른 예시적인 실시예에서, 다단 합성 가스 냉각기는 입구 고온 합성 가스 스트림과 유체 접촉하는 매립된 냉각 코일들을 갖는 조밀한 유체층을 포함하는 석탄 가스화기로부터의 고온 합성 가스를 냉각하기 위한 내부 순환식 유동층(ICFB) 다단 냉각기이고 직렬의 내부 순환식 유체층 냉각기들의 다단들이다.

합성 가스는 유동층 및 내부 순환 층들에 매립된 열 교환 표면들에 의해 원하는 증기 및 고온 보일러 급수 조건들을 발생시키기에 적절한 온도들로 상이한 스테이지들에서 연속적으로 냉각될 수 있다.

ICFB 냉각기는 합성 가스를 혼합하고 열 에너지를 고체들의 순환층에 전달하는 상승기, 고체들의 순환층으로부터 합성 가스를 분리하기 위한 분리 섹션, 고체들을 아래로 유동하게 하고 열을 매립된 열 전달 표면들로 전달하도록 순환하기 위한 환형 공간, 상승기 섹션 안으로의 순환 고체들의 유동을 제어하기 위한 폭기(aeration) 및 시일 메커니즘 그리고 내부 고체들의 순환을 용이하게 하고 냉각기 스테이지들 사이의 파티션으로서의 역할을 하는 원뿔형 섹션을 포함할 수 있다. 원뿔형 섹션은 환형 공간의 고체들이 통과하고 폭기를 제공하기 위해 합성 가스의 적은 부분을 위한 작은 개구를 갖는 증기 냉각된 코일들을 더 포함할 수 있다.

냉각기로 들어가는 합성 가스는 상류 스테이지에서 예비 냉각되고 오염물(fouling agent)들을 처리할 수 있으며 고체 입자들의 외부 및 내부 순환 모두를 갖는 하이브리드 냉각기 시스템을 형성할 수 있다.

상류 스테이지는 다단 ICFB 합성 가스 냉각기의 마지막 스테이지로부터의 비교적 더 차가운 고체들을 하강 유동 냉각기 안으로 주입하기 위한 이덕터(eductor)로서, 여기서 고온 합성 가스 입구 스트림이 주입된 비교적 차가운 고체들과 최초로 혼합되는 이덕터, 이덕터 구동 유체(motive fluid)로서 고압 재생 합성 가스 스트림, 그리고 추가의 냉각을 위해 다단 ICFB 합성 가스 냉각기로 들어가는 하강 유동 냉각기로부터의 비교적 더 차가운 합성 가스 배출 스트림을 포함한다.

상류 스테이지는 고온의 입구 합성 가스가 아래로 유동할 때 상이한 높이들에서 주입된 비교적 더 차가운 고체들과 이 고온의 입구 합성 가스가 혼합되는 하강 유동 도관, 뭉친 고체들로부터 합성 가스를 분리하기 위한 프리솔터 사이클론(Presalter cyclone), 크기가 1000 ㎛ 를 초과하는 뭉친 고체들을 빼내고 보충 고체(make-up solid)들의 첨가를 제공하는 것에 의해 사이클론으로부터 분리된 고체들을 냉각시키기 위한 매립된 열 전달 표면들을 갖는 냉각기, 고압 재생 합성 가스에 의해 냉각기로부터 냉각된 고체들을 올려보내고 상이한 높이들에서 하강 유동 도관 안으로 주입하기 위한 리프트 도관 및 추가의 냉각을 위해 다단 ICFB 합성 가스 냉각기로 들어가는 사이클론으로부터의 비교적 더 차가운 합성 가스 배출 스트림을 포함하는 하강 유동 냉각기 시스템일 수 있다.

다른 예시적인 실시예에서, 본 발명은 합성 가스 입구 스트림, 순환 열 전달 매체, 열 제거 메커니즘 및 합성 가스 출구 스트림을 포함하는 순환식 유동층 합성 가스 냉각기 시스템이며, 순환 열 전달 매체의 적어도 일부는 합성 가스 입구 스트림으로부터 열의 적어도 일부를 열 제거 메커니즘으로 전달하여 합성 가스 출구 스트림의 온도는 대략 90 ㎥/s 의 합성 가스 유속으로 작동할 때 합성 가스 입구 스트림의 온도보다 적어도 500℃ 더 차갑게 된다.

높은 합성 가스 입구 온도들에서 작동할 때 상부 단부의 냉각 용량에서, 합성 가스 입구 스트림과 합성 가스 출구 스트림 사이의 온도 차이는 대략 90 ㎥/s 의 합성 가스 유속에서 최대 1300℃ 일 수 있다. 시스템은 대략 최대 1000 psi 에서 작동될 수 있다. 순환 열 전달 매체는 대략 50 내지 1000 ㎛ 사이의 평균 입도를 갖는 고체들을 포함할 수 있다. 합성 가스 공탑 속도는 대략 10 m/s 일 수 있다.

열 제거 메커니즘은 열 전달 튜브들 또는 코일들을 포함할 수 있다. 열 제거 메커니즘은 증기 및/또는 과열 증기를 발생할 수 있다.

배출 평균 입도 또는 그보다 더 큰 입도를 포함하는 순환 열 전달 매체는 시스템으로부터 제거될 수 있다. 배출 입자들은 1000 ㎛ 이상의 크기를 포함한다. 시스템으로부터 제거될 수 있는 배출 평균 입도 또는 그보다 더 큰 입도를 포함하는 전달 매체의 적어도 일부는 크기가 감소되고, 감소된 크기의 전달 매체의 적어도 일부가 시스템으로 복귀된다.

본 발명은 합성 가스 입구 스트림, 순환 열 전달 매체, 2 개 이상의 유동층 냉각기들, 열 제거 메커니즘 및 합성 가스 출구 스트림을 포함하는 순환식 유동층 합성 가스 냉각기 시스템을 포함할 수 있으며, 순환 열 전달 매체의 적어도 일부는 합성 가스 입구 스트림으로부터 열의 적어도 일부를 열 제거 메커니즘으로 전달하여서 합성 가스 출구 스트림의 온도는 합성 가스 입구 스트림의 온도보다 적어도 500℃ 그리고 최대 1300℃ 더 차갑고, 순환 열 전달 매체는 대략 50 내지 1000 ㎛ 의 평균 입도를 갖는 고체들을 포함하고, 1000 ㎛ 또는 그보다 더 큰 평균 입자를 포함하는 전달 매체의 적어도 일부는 시스템으로부터 제거되고, 산소, 이산화탄소 및 증기를 포함하는 스트림이 합성 가스의 타르 구성성분들을 우선적으로 그리고 부분적으로 산화시키기 위해 합성 가스 입구 스트림 안으로 주입된다.

본 발명은 석탄 가스화기로부터의 고온 합성 가스를 냉각하기 위한 다단 합성 가스 냉각기를 포함할 수 있으며, 이 냉각기는 고온 합성 가스 입구 스트림과 연통하는 매립된 냉각 코일들을 갖는 조밀한 유체층, 상승기로부터 고체들의 순환층의 일부가 상이한 높이들에서 유동층 냉각기들에 들어가고 냉각된 고체들이 중력 하에서 더 낮은 높이에서 상승기로 다시 유동하고 냉각기로부터의 통기 가스가 더 높은 높이에서 상승기로 유동하는 상승기, 합성 가스 냉각기를 빠져나가는 더 차가운 합성 가스에 의해 합성 가스와 고체들을 분리하기 위한 사이클론, 더 차가운 고체들을 사이클론으로부터 상승기로 다시 복귀시키는 하강관, 고체들을 분류하고 뭉친 재의 제거를 용이하게 하기 위해 하강관의 더 낮은 부분 및 조밀한 유체층으로의 유동 가스를 포함한다.

본 발명의 이러한 및 다른 목적들, 특성들 및 이점들이 첨부된 도면들과 연관하여 이후의 명세서를 읽을 때 더욱 자명하게 될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 상승기의 바닥에 조밀한 베드 냉각기를 갖는 외부 순환 다단 합성 가스 냉각기의 바람직한 실시예를 예시한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 입구 섹션에 조밀한 베드 냉각기를 갖는 다단 내부 순환식 유체층 합성 가스 냉각기를 예시한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다단 내부 순환식 유체층 합성 가스 냉각기 및 하강 유동 냉각기를 갖는 하이브리드 냉각기를 예시한다. 이러한 냉각기 실시예에서, 하강 유동 냉각기 스테이지는 이덕터를 통하여 냉각기의 마지막 스테이지로부터 냉각된 고체들을 빼내고 더 차가운 고체들을 하강 유동 냉각기 안으로 주입한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다단 내부 순환식 유체층 냉각기 및 하강 유동 냉각기로서 독립 외부 고체 순환 루프를 포함하는 하이브리드 냉각기의 다른 실시예를 예시한다.

본 발명의 다양한 실시예들의 원리들 및 특성들의 이해를 용이하게 하기 위해, 다양한 예시적인 실시예들이 이하에 설명된다. 비록 본 발명의 예시적인 실시예들이 상세하게 설명되지만, 다른 실시예들이 고려되는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명은 이후의 설명에 명시되거나 도면들에 예시된 구성요소들의 구성 및 배열의 세부 사항들로 그 범주가 제한되지는 않는다. 본 발명은 다른 실시예들을 가질 수 있고 다양한 방식들로 실시되거나 실행된다. 또한, 예시적인 실시예들의 설명에서, 구체적인 용어가 명쾌함을 위해 의존될 것이다.

명세서 및 첨부된 청구항들에서 사용될 때, 단수 형태들("a", "an" 및 "the")은 내용이 명백하게 다른 방식으로 서술되지 않는다면 복수의 대상들을 포함하는 것에 또한 반드시 주의해야 한다. 예컨대, 구성요소에 대한 참조는 복수의 구성요소들의 합성물을 또한 포함하려는 것이다. "a" 를 갖는 성분을 함유하는 합성물에 대한 참조는 언급된 성분 외에 다른 성분들을 포함하려는 것이다.

또한, 예시적인 실시예들의 설명에서, 용어가 명쾌함을 위해 의존될 것이다. 각각의 용어는 당업자에 의해 이해되는 그의 가장 넓은 의미로 고려되고 유사한 목적을 달성하기 위해 유사한 방식으로 작동되는 모든 기술적 동등물들을 포함하려는 것이다.

범위들은 본원에서 "약" 또는 "대략" 또는 "실질적으로" 하나의 특별한 값 및/또는 "약" 또는 "대략" 또는 "실질적으로" 다른 특별한 값으로서 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현될 때, 다른 예시적인 실시예들은 하나의 특별한 값으로부터 및/또는 다른 특별한 값을 포함한다.

유사하게는, 본원에 사용될 때, "실질적으로 자유로운" 무엇, 또는 "실질적으로 순수한" 등의 특징들은 "적어도 실질적으로 자유로운" 무엇, 또는 "적어도 실질적으로 순수한", 그리고 "완전히 자유로운" 무엇, 또는 "완전히 순수한" 것 모두를 포함할 수 있다.

"포함하는(comprising)" 또는 "함유하는(containing)" 또는 "포함하는(including)"에 의해 적어도 언급된 복합물, 요소, 입자 또는 방법 단계가 합성물 또는 물품 또는 방법에 존재하지만, 다른 복합물, 재료들, 입자들, 방법 단계들이 언급된 것과 동일한 기능을 갖는다 하더라도 이러한 다른 복합물, 재료들, 입자들, 방법 단계들의 존재를 배제하지 않는 것을 의미한다.

하나 또는 그 초과의 방법 단계들의 언급은 명백하게 확인된 이러한 단계들 사이에 부가적인 방법 단계들 또는 사이에 있는 방법 단계들의 존재를 불가능하게 하지 않는 것이 또한 이해되어야 한다. 유사하게, 합성물 내의 하나 또는 그 초과의 구성성분들의 언급은 명백하게 확인된 이러한 구성성분들 외의 부가적인 구성성분들의 존재를 불가능하게 하지 않는 것이 또한 이해되어야 한다.

본 발명의 다양한 요소들을 구성할 때 설명된 재료들은 예시적인 것이지 제한적인 것이 아닌 것으로 의도된다. 본원에 설명된 재료들과 동일하거나 유사한 기능을 수행하는 많은 적절한 재료들이 본 발명의 범주 내에 포함되어야 한다. 본원에 설명되지 않은 이러한 다른 재료들은 예컨대 본 발명의 개발 시점 후에 개발되는 재료들을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.

가스화기의 타입 및 연료 특징들에 의존하여, 가스화기들로부터 발생되는 합성 가스는 일반적으로 대략 800℃ 내지 1600℃ 의 넓은 온도 범위를 갖는다. 높은 프로세스 효율들을 유지하기 위해, 합성 가스로부터의 열 에너지를 회수하고 동시적으로 추가의 처리를 위해 합성 가스를 냉각하는 것이 필요하다. 넓은 배출 온도 범위 외에, 가스화기 타입들은 합성 가스가 가스화기의 정상부 또는 바닥으로부터 빠져나가는 상부 유동 및 하강 유동 가스화기들을 포함한다. 가스화기 및 합성 가스 냉각기 모두는 일반적으로 합성 가스 냉각기가 가스화기와 밀착하여 일체화된 긴 베슬들이다. 가스화기의 타입 및 가스화기를 빠져나가는 합성 가스의 위치 및 온도에 의존하여, 다단 합성 가스 냉각기의 구성요소들이 구조물 높이를 제한하고, 응력 로드를 감소시키고 더 양호한 일체화를 용이하게 하기 위해 적절한 실시예들에서 배열된다.

다단 합성 가스 냉각기 시스템의 다양한 실시예들이 도 1 내지 도 4에 예시된다. 본 합성 가스 냉각기들은 바람직하게는 하나 또는 그 초과의 찌꺼기, 침식성 및 부식성 물질들을 함유하는 합성 가스를 대략 최대 1000 psi 에서 취급할 수 있다. 바람직한 합성 가스 냉각기들은 냉각시 대략 적어도 500℃ 그리고 최대 1300℃ 로 제공할 수 있고, 더 바람직하게는 최대 대략 1600℃ 의 합성 가스 입구 온도들을 취급하며 합성 가스를 대략 300℃ 미만으로 냉각시킬 수 있다.

도 1의 다단 합성 가스 냉각기(100)의 구성은, 석탄 재의 일부가 용융된 재 입자들로 용융되는 하강 유동 수반되는 유동 가스화기들로부터 발생되는 합성 가스에 주로 적용된다. 이러한 타입들의 가스화기들에 의한 현재 실행에서, 발생된 전체 합성 가스 및 용융된 재 입자들은 용융된 재 입자들의 많은 부분을 슬래그로서 고체화하기 위해 물 웅덩이를 통하여 유동하기 전에 통상적으로 복사 합성 가스 냉각기를 통하여 동시적으로 하방으로 유동한다. 바람직한 합성 가스 냉각기(100)에서, 용융된 재 입자들을 수반하는 가스화기를 빠져나가는 합성 가스 스트림(110)은 증기를 발생하면서 입구 스트림(110)으로부터 열을 제거함으로써 대략 800 내지 900℃ 의 범위에서 작동하는 1 단 조밀한 상의 유동층 냉각기(S1DBC), 또는 조밀한 베드 안으로 유동한다. 높은 베드 온도들 및 열 전달 표면들의 한계들로 인해, 증기는 통상적으로 1 단 냉각기에서 발생된다.

유동층들은 열 전달 매체를 포함한다. 바람직한 실시예들에서, 열 전달 매체는 유동 가능한 입자들의 형태의 비활성 고체들을 포함하지만, 다른/부가적인 상들의 매체가 사용될 수 있다. 조밀한 상의 유동층(S1DBC)은 순환식 유동층과 유체 연통한다. 입구 스트림(110)의 용융된 재 입자들은 조밀한 상의 베드 및 순환 루프의 열 전달 매체에 응축되고 뭉친다.

예시적인 실시예에서, 열 전달 매체는 입자들을 포함하고, 최초 입도는 대략 200 내지 400 미크론(㎛)의 범위이다. 작동 동안, 베드 입도 분포는 순환층이 입구 가스 스트림(110)으로부터의 미립자들의 일부를 수반하고 안정 상태 분포에 도달하게 됨에 따라 대략 50 ㎛ 내지 1000 ㎛ 의 범위일 수 있다. 계속된 작동에 의해, 조밀한 베드 및 순환 루프의 입자들의 일부는 수반된 용융된 재 입자들의 코팅으로 인해 실질적으로 1000 ㎛ 보다 더 큰 크기로 성장할 것이다. 이러한 더 큰 입자들은 스트림(124)을 통한 분류를 통하여 순환 루프의 하부 부분 및 조밀한 베드로부터 선택적으로 제거될 수 있다. 냉각기로부터 빼내어지는 입자들/고체들의 일부는 200 내지 400 ㎛ 의 범위의 입도들로 분쇄되고 입구의 합성 가스 스트림(110)과 함께 스트림(125)을 통하여 냉각기 안으로 다시 공급될 수 있다. 스트림(125)을 통하여 냉각기로 공급되는 입자들은 추가의 뭉침을 위한 약제로서 작용하고, 냉각기 내의 열 전달 매체 재고를 유지한다.

조밀한 상의 유동층(S1DBC)으로부터 수반되는 합성 가스의 고체 입자들은 대략 800 내지 900℃ 의 범위에 있고, 하강관(113) 및 비-기계식 밸브(114)를 통하여 루프 주위로 유동하는 비교적 더 차가운 고체들 그리고 또한 비-기계식 밸브(115(를 통하여 제 2 냉각기(S2CFB)를 빠져나가는 고체들과 혼합된다. 혼합된 스트림들은 상승기(111) 위로 유동하고 상승기로부터 고체 스트림의 일부는 2 단 냉각기(S2CFB)로 들어간다. 냉각기를 통하는 고체 비율 및 고체 높이(121)는 상승기(111)에 2 단 냉각기(S2CFB)의 하부 부분을 연결하는 비-기계식 밸브(115)에 대한 폭기를 제어함으로써 유지된다. 고체 스트림은 통상적으로 2 단 냉각기(S2CFB)로부터 과열 증기를 발생하는 동안 냉각된다. 2 단 냉각기(S2CFB) 및 루프 내의 다른 냉각기들은 유동층 냉각기들을 포함하고 유동 가스는 도관(116)을 통하여 상승기 안으로 다시 통기된다.

비록 냉각기의 각각의 스테이지를 위한 통기부(116)들이 상승기(111)의 상이한 높이들로 다시 유동시키기 위해 도시되지만, 모든 통기부들과 마지막 스테이지(4 단 냉각기(S4CFB))와 실질적으로 조합하고 순환 루프 내의 하나의 위치에서 통기하는 것이 가능하다. 또한, 상부 스테이지들로부터의 고체들이 모든 냉각기들의 열 전달 계수들을 개선하기 위해 냉각기들을 통하는 고체 유속들을 증가시키기 위해 하부 스테이지로 또한 보내질 수 있다.

상승기(111) 위로 유동할 때의 고체 스트림 및 합성 가스는 3 단 냉각기(S3CFB)를 빠져나오는 비교적 더 차가운 고체 스트림과 또한 혼합된다. 다시, 2 단 냉각기(S2CFB)에서 그랬던 것과 같이, 비교적 가열된 고체 스트림의 일부가 3 단 냉각기(S3CFB)로 들어간다.

순화 루프 내의 상승기는 냉각기들 안으로 고온 고체들의 유동을 촉진하는 상승기 벽을 따라 상당한 고체 환류를 유도하는 상승기 속도(4 내지 10 m/s 의 범위)에서 작동하도록 디자인될 수 있다. 가스화기 용량 및 프로세스 요구들에 의존하여, 3 단 냉각기(S3CFB)는 과열기 또는 이코노마이저일 수 있다. 3 단 냉각기(S3CFB)의 특성들 및 작동은 2 단 냉각기(S2CFB)와 유사할 수 있다. 프로세스는 통상적으로 이코노마이저인 4 단 냉각기(S4CFB)에 의해 반복된다. 따라서, 합성 가스는 조밀한 베드를 통하여 그리고 상승기를 따라 합성 가스가 유동할 때 열이 고체 입자들의 순환층에 의해 다단 합성 가스 냉각기의 각각의 스테이지로 전달됨으로써 점진적으로 냉각된다.

상승기로부터의 냉각된 합성 가스 및 고체 스트림은 크로스-오버(cross-over; 112)를 통하여 사이클론(117)으로 유동한다. 고체들은 사이클론에서 합성 가스 스트림으로부터 분리되고 순환 루프를 완료하는 하강관(113)으로 유동한다. 더 차가운 합성 가스는 스트림(121)을 통하여 순환 루프를 빠져나간다. 순환 루프로부터 더 큰 고체 입자들은 유동 가스를 사용하여 고체들을 분류함으로써 스트림(124)을 통하여 하강관의 바닥으로부터 빼내어질 수 있다. 하강관(113) 내의 고체 레벨(121)은 보충 고체 스트림(125) 및 스트림(124)을 통하여 빼내어지는 고체들에 의해 유지된다. 따라서, 스테이징(staging)에 의해, 합성 가스는 하류에서의 추가의 처리를 위해 최대 1600℃ 의 입구 온도들로부터 300℃ 미만으로 효과적으로 냉각될 수 있으면서 동시에 다양한 냉각기 스테이지들의 상이한 조건들에서 증기를 발생시키고 뿐만 아니라 마지막 냉각기 스테이지에서 고온 보일러 급수도 발생시킨다.

도 1에 예시된 합성 가스 냉각기는 상당한 양들의 타르를 함유하는 합성 가스를 냉각시키는데 또한 사용될 수 있다. 나중의 냉각기 스테이지들 및 하류 장비의 입자 표면들 상으로의 타르 응축물을 회피하기 위해, 운반 가스가 합성 가스 온도를 증가시키기 위해 주입될 수 있다. 예컨대, 최대 50 체적%의 산소 농도를 갖는 산소 스트림(119)이 합성 가스 냉각기의 입구 섹션에서 타르 구성성분을 파괴하기 위해 합성 가스 온도를 증가시키도록 부가적인 운반 가스(CO₂ 를 갖고 나머지 증기는 바람직하게는 50 체적%임)로서 스트림(125) 안으로 주입된다. 따라서 주입되는 산소는 합성 가스의 타르 구성성분들의 완전한 부분 산화를 달성하기 위해 비례한다.

유기 탄화수소 구성 타르의 이러한 부분 산화에서, 가스 온도의 필요한 증가량은 탄화수소 파괴를 위한 요건들에 의존하는 것이며, 재의 융합 온도의 한계에 의존하지 않는다.

최대 온도는 유동층 가스화기에서 생물체 또는 역청탄들을 가스화할 때 합성 가스의 타르의 전체가 아닌 대부분을 완전히 파괴하기 위해 대략 1150℃ 가 도달될 수 있다. 재의 융합 온도를 초과하여 합성 가스 온도를 증가시키는 것이 필요하다고 하더라도, 유체일 수 있는, 수반되는 작은 재 입자들이 냉각기의 비활성 순환 고체 입자 표면들을 코팅하려고 할 것이다. 이러한 실시예에서, 산소 스트림(119)이 증기 및 CO₂ 및 보충 고체 스트림(125)과 함께 주입되고, 산소는 유입하는 합성 가스 스트림(110)과 함께 양호하게 확산되고 고온 스폿(hot spot)들에 대한 잠재성을 최소화한다. 합성 가스의 타르 및 일부 숯 입자들이 비교적 높은 온도에서 우선적으로 그리고 부분적으로 산화되기 때문에, 주요 부분 산화 생성물은 CO₂ 대신 CO 이다. 고온 합성 가스는 대략 800℃ 내지 900℃ 의 범위의 온도로 제 1 스테이지 냉각기에서 즉시 퀀칭될 수 있다.

도 2의 합성 가스 냉각기(200)는 상이한 조건들에서 증기를 발생하고 보일러 급수를 가열하면서 대략 최대 1600℃ 로부터 대략 300℃ 미만으로 합성 가스를 냉각시키기 위해 조밀한 베드 냉각기 및 직렬의 ICFB 냉각기들을 포함한다. 가스화기를 빠져나가는 합성 가스 스트림(210)은 도관(220)을 통하여 대략 800 내지 900℃ 의 범위에서 작동하는 조밀한 상의 유동층 냉각기(S1DBC) 안으로 유동한다. 매립된 냉각 코일(222)들을 갖는 1 단 조밀한 베드 냉각기(S1DBC)는 높은 베드 온도들 및 열 전달 표면 재료들의 온도 한계들로 인해 통상적으로 증기를 발생한다. 합성 가스가 타르 구성성분을 함유한다면, 증기 및 CO₂ 와 혼합된 최대 50 체적% 산소를 함유하는 산소 스트림(219)이 합성 가스 내의 타르 및 일부 숯 입자들을 우선적으로 그리고 부분적으로 산화하기 위해 1 단 조밀한 베드 냉각기(S1DBC)의 입구에서 주입될 수 있다.

합성 가스 냉각기(200)의 모든 스테이지들의 입자들의 최초 크기는 바람직하게는 200 내지 400 ㎛ 의 범위이다. 연속된 작동에 의해, 조밀한 베드의 입자들의 일부가 합성 가스의 찌꺼기 재료와의 뭉침으로 인해 더 큰 크기들로 자란다. 대략 1000 ㎛ 보다 더 큰 입자들은 스트림(224)을 통하여 빼내어질 수 있고 보충 고체들이 스트림(225)을 통하여 냉각기로 다시 첨가될 수 있다. 200 내지 400 ㎛ 크기 범위의 보충 비활성 고체 입자들은 바람직하게는 스트림(224)을 통하여 냉각기로부터 빼내어지는 더 큰 크기의 뭉쳐진 입자들의 일부의 분쇄로부터 비롯된다. 이러한 큰 크기의 보충 비활성 고체 입자들에 의해, 2 단 ICFB 냉각기(S2ICFB)의 분리 섹션(238)이 매우 효율적으로 되고 사실상 상승기(236)로부터의 모든 입자들을 포획하고 이 입자들을 냉각 섹션(234)으로 복귀시킨다.

800 내지 900℃ 의 합성 가스가 1 단 조밀한 베드 냉각기(S1DBC)를 빠져나가고 내부 순환식 유동층 냉각기인 2 단 ICFB 냉각기(S2ICFB)로 유동한다. 1 단 조밀한 베드 냉각기(S1DBC)를 빠져나가는 혼합 가스는 고체 스트림(227)을 순환시키는 2 단 냉각기(S2ICFB)와 혼합된다. 합성 가스는 혼합물이 상승기(236) 위로 유동할 때 고체 스트림에 열을 전달함으로써 대략 650℃ 내지 700℃ 로 냉각된다. 가스 및 고체들은 관성 분리기(238)의 도움에 의해 분리된다. 상승기와 베슬의 쉘 사이의 환형 공간 아래로 유동하는 가열된 고체들은 2 단 냉각기(S2ICFB)의 환형 공간에 매립된 열 전달 표면(234)들로 열을 전달한다. 2 단 냉각기(S2ICFB)는 통상적으로 IGCC 프로세스 내의 과열기이다. 고체 순환 스트림(227) 비율은 폭기 가스(226) 및 비-기계식 시일 메커니즘(230)에 의해 제어된다. 합성 가스는 상승기 영역(232)의 하부 부분의 비교적 더 차가운 고체들과 이 합성 가스를 혼합할 때 매우 신속하게 열을 전달한다. 그 결과, 2 단 냉각기(S2ICFB) 높이는 과열된 증기를 원하는 조건들로 상승시키기 위해 필요한 열 전달 표면적에 의존한다.

관성 분리기(238)가 분리 효율에 영향을 주기 위해 상이한 디자인들을 가질 수 있는 것으로 여겨진다. 디자인들 중 하나는 간단한 중국 모자형이며, 이는 가스-고체 분리에 지장을 줄 때 유동 방향을 변경한 후의 고체들의 관성에 완전하게 의존한다. 당업자들은 가스 및 고체 스트림이 분리기의 원통형 형상 주위로 접선적으로 유동하는 정상부가 밀봉된 상승기를 갖는 것과 같은 효과적인 가스-고체 분리를 위한 적절한 다른 디자인들일 수 있다. 분리기는 본질적으로는 사이클론의 형태일 것이며 가스-고체 분리는 원심력들에 의해 실행된다.

2 단 냉각기(S2ICFB) 및 그의 작동들은 2 단 냉각기(S2ICFB)의 고체들의 내부 순환을 또한 용이하게 하는 원뿔형 형상 분할기(228)를 통하여 조밀한 베드 1 단 냉각기(S1DBC)로부터 내부적으로 분리된다. 분할기(228)는 아래의 스테이지로부터의 합성 가스의 적은 일부가 통과하여 유동하고(스트림(226)) 환형 공간의 고체들을 위한 폭기로서의 역할을 하는 작은 개구들 또는 틈들을 갖는 증기 코일들로 또한 구성된다. 1 단 냉각기(S1DBC)가 분리 섹션을 갖지 않기 때문에, 고체 재고는 도관(229)을 통하여 2 단 냉각기(S2ICFB) 고체들을 전달함으로써 유지된다. 냉각기 스테이지(1 및 2)들 뿐만 아니라 냉각기 스테이지(3(S3ICFB) 및 4(S4ICFB))들의 전체 고체 재고 및 각각의 스테이지의 고체 레벨(221)은 필요에 따라 각각의 스테이지에 스트림(225)을 통하여 보충 고체들을 첨가함으로써 유지된다.

2 단 냉각기(S2ICFB)로부터 분리된 합성 가스는 3 단 냉각기(S3ICFB) 및 4 단 냉각기(S4ICFB)로 유동하고 여기서 합성 가스는 배출 스트림(250)을 통하여 합성 가스 냉각기를 빠져나가기 전에 원하는 온도들로 더 냉각된다. IGCC 프로세스의 용량에 의존하여, 3 단 냉각기(S3ICFB)는 과열기 또는 이코노마이저일 수 있고 4 단 냉각기(S4ICFB)는 이코노마이저일 수 있다. S3ICFB 및 S4ICFB 모두는 ICFB 냉각기들이고 이들의 특성들 및 기능적 및 작업적 특징들은 2 단 냉각기(S2ICFB)와 유사하다. ICFB 냉각기들에서, 합성 가스는 상승기와 베슬 쉘 사이의 환형 공간에 매립된 열 전달 표면들과 직접 접촉하지 않게 된다. 이는 합성 가스에 존재할 수 있는 물질들로 인한 열 전달 표면들의 침식, 부식 및 찌꺼기를 완화한다. 순환 고체 스트림은 대략 1 내지 1.5 m/s 로 환형 공간 아래로 유동하고, 이러한 저속들에서는 열 전달 표면들의 침식을 야기하지 않는다.

다단 합성 가스 냉각기의 다른 실시예들이 도 3 및 도 4에 개시되며 이들은 도 1 및 도 2의 이러한 시스템들의 실시예들의 하이브리드들이고 가스화기와의 더 양호한 일체화, 일반적인 배열 및 가스화 프로세스의 레이아웃 요구들을 위한 구체적인 프로세스를 제공한다. 이러한 하이브리드 다단 냉각기들은 가스화기의 정상부 근처에 위치된 합성 가스 배출구를 갖는 가스화기들 및 높은 농도의 찌꺼기 물질들 및 1600℃ 에 근접한 고온들을 갖는 합성 가스와 사용될 수 있다.

도 3 및 도 4에서 나타낸 다양한 참조 부호들의 마지막 2 자리들은 도 1 및 도 2에서와 유사한 구별 구성성분들, 스트림들 또는 기능성을 갖는다. 도 1 및 도 2로부터 도 3 및 도 4의 실시예들을 상이하게 하는 요인들은 이하에 설명된다.

도 3에 개시된 실시예(300)는 고온 합성 가스 스트림(310)과 최조로 접촉하기 위해 도관(312)을 통하여 4 단 ICFB 냉각기(S4ICFB)로부터의 더 차가운 고체들을 사용한다. 4 단 ICFB 냉각기(S4ICFB)로부터의 고체들이 입구의 합성 가스 스트림과 비교하여 비교적 더 낮은 압력에 있기 때문에, 고압 압력 재생 합성 가스(330)를 갖는 이덕터(340)가 압력을 증가시키고 고체 주입을 용이하게 한다. 합성 가스가 예컨대 유동층으로부터의 타르를 함유한다면, 고온 합성 가스 및 고체 스트림은 합성 가스 내의 타르 구성성분들을 우선적으로 그리고 부분적으로 산화시키기 위해 희석 산소 스트림(319)과 최초로 접촉된다. 비교적 더 차가운 석출된 고체들은 모든 스트림들이 고체들이 도관(320)을 통하여 2 단 조밀한 베드 냉각기(S1DBC)로 들어가기 전에 1 단 하강 유동 냉각기(313) 아래로 유동할 때 고온 혼합 가스와 혼합되고 여기서 증기를 발생하기 위해 매립된 열 전달 표면들과 열을 교환한다. 2 단 조밀한 베드 냉각기(S1DBC) 및 3 단 및 4 단 ICFB 냉각기들의 배열, 기능 및 작업은 도 2에 개시된 실시예(200)의 대응하는 냉각기의 설명과 유사하다. 합성 가스는 스트림(350)을 통하여 빠져나가기 전에 연속적으로 각각의 스테이지에서 냉각된다. 실시예(300)의 마지막 3 개의 스테이지들의 각각의 고체 레벨(321)은 2 단 조밀한 베드 냉각기로부터의 과도한 크기의 뭉친 고체 스트림(324)을 빼냄으로써 그리고 스트림(325)을 통하여 보충 고체들을 첨가함으로써 유지된다. 대략 200 내지 400 ㎛ 크기 범위의 보충 고체들이 뭉친 고체들의 분쇄로부터 비롯된다.

도 4에 도시된 실시예(400)는 하강 유동 냉각기를 순환시키는 독립 1 단 을 포함함으로써 합성 가스의 냉각에 더 유연성을 제공한다. 인용에 의해 전체가 본원에 포함되는 미국 특허 7,771,585에 개시된 것과 같이, 찌꺼기 물질들을 갖는 고온 합성 가스 입구 스트림(410)은 다양한 높이들에서 주입되는 더 차가운 고체 스트림(415)과 혼합되고 모든 스트림들은 아래로 흐르고 경사진 도관(414)을 통하여 프리솔터 사이클론(417)에 들어간다. 도 1 내지 도 3의 실시예들에서와 같이 희석 산소 스트림(419)이 합성 가스에 존재할 수 있는 타르 구성성분을 우선적으로 그리고 부분적으로 산화시키기 위해 도관(413)의 더 높은 높이에서 스트림(415)에 더하여 주입된다.

합성 가스와 비교적 더 차가운 고체 스트림이 혼합되고 도관(413) 아래로 유동할 때, 합성 가스의 용융된 재 입자들은 주입된 더 차가운 고체 입자들과 응축되고 뭉친다. 사이클론으로부터의 고체 스트림은 열 전달 표면들과 열을 교환하고 증기를 발생시킴으로써 1 단 냉각기에서 냉각된다. 스트림(430)을 통하여 냉각기 안으로 주입되는 더 높은 압력의 재생 합성 가스는 재주입을 위해 도관(411)을 통하여 냉각기로부터 고체들을 올려보낸다. 과도한 크기의 뭉친 고체들은 스트림(424)을 통하여 1 단 냉각기로부터 빼내어지고, 뭉친 고체들을 분쇄함으로써 비롯되는 대략 200 내지 400 ㎛ 의 입도 범위의 보충 고체들은 스트림(425)을 통하여 냉각기로 다시 첨가된다.

사이클론을 빠져나가는 합성 가스 스트림(420)은 스트림(450)을 통하여 다단 유체층 냉각기 실시예(400)를 빠져나가기 전에 추가의 냉각을 위해 2 단 조밀한 베드 냉각기 및 3 단 및 4 단 ICFB 냉각기들로 들어간다. 2 단 조밀한 베드 냉각기 및 3 단 및 4 단 ICFB 냉각기들의 배열, 기능 및 작동은 도 2에 개시된 실시예(200)에 설명된 대응하는 냉각기들과 유사하다. 1 단 하강 유동 냉각기 및 실시예(400)의 다른 스테이지들의 고체 레벨(421)은 필요하다면 스트림(425)에 의한 각각의 스테이지에 고체들을 첨가하는 것을 통하여 그리고 스트림(424)을 통하여 과도한 크기의 고체들을 빼내는 것을 통하여 유지된다. 1 단 하강 유동 냉각기 작동이 다른 스테이지들과 독립적이기 때문에, 도 4의 실시예는 작동 및 냉각 용량에서 더 유연성을 제공하고 대략 최대 1600℃ 의 높은 입구 온도들을 갖는 합성 가스를 취급할 수 있다.

다른 실시예들에서와 같이, 합성가스가 도 3 및 도 4에 개시된 실시예(300 및 400)들을 통하여 유동할 때 이 합성 가스는 열 전달 표면들과 직접 접촉하지 않고, 따라서 부식, 침식 및 찌꺼기와 연관된 어려움들을 회피한다. 또한, 이러한 실시예들에서의 고체들의 순환층을 갖는 다중 냉각 스테이지들은 동력을 발생시키기 위해 IGCC 프로세스를 위해 필요한 과열 증기를 포함하는 상이한 조건들에서의 증기 및 고온 보일러 급수의 발생을 용이하게 한다.

열 전달 표면들이 합성 가스의 부식, 침식 및 찌꺼기 특징들 뿐만 아니라 높은 입구 온도들로부터 보호되기 때문에, 분원에 개시된 다단 합성 가스 냉각기의 다양한 실시예들은 대략 4 내지 10 m/s 의 범위의 높은 공탑 가스 속도들에서 작동될 수 있어서 단일 다단 합성 가스 냉각기가 어떠한 단일 가스화기가 전달할 수 있는 것보다 더 큰 최대 90 ㎥/s 의 합성 가스 유속들을 취급하는 것을 용이하게 한다.

수많은 특징들 및 이점들이 구조 및 기능의 세부사항들과 함께 전술된 설명에서 명시되었다. 본 발명이 몇몇 형태들로 개시되었지만, 특히 부품들의 형상, 크기 및 배열에 대한 많은 수정들, 부가들 및 삭제들이 본 발명의 사상 및 범주 및 이후의 청구항들에 명시된 것과 같은 그의 균등물로부터 이탈함이 없이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게는 자명할 것이다. 따라서, 본원의 교시들에 의해 제안될 수 있는 것과 같은 다른 수정들 또는 실시예들은 이들이 여기 첨부된 청구항들의 범주 및 범위 내에 속하는 것으로서 특히 보호된다.

Claims

순환식 유동층 합성 가스 냉각기 시스템으로서 :
합성 가스 입구 스트림;
순환 열 전달 매체;
열 제거 메커니즘; 및
합성 가스 출구 스트림을 포함하고,
상기 순환 열 전달 매체의 적어도 일부가 최대 1600℃ 의 합성 가스 입구 스트림으로부터의 열의 적어도 일부를 열 제거 메커니즘으로 전달하여서 대략 90 ㎥/s 의 합성 가스 유속으로 작동될 때 합성 가스 출구 스트림의 온도가 합성 가스 입구 스트림의 온도보다 적어도 500℃ 더 차갑게 되는,
순환식 유동층 합성 가스 냉각기 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 합성 가스 입구 스트림과 합성 가스 출구 스트림 사이의 온도 차이는 최대 1300℃ 인,
순환식 유동층 합성 가스 냉각기 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 시스템은 대략 최대 1000 psi 에서 작동하는,
순환식 유동층 합성 가스 냉각기 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 순환 열 전달 매체는 대략 50 내지 1000 ㎛ 의 평균 입도를 갖는 고체 입자들을 포함하는,
순환식 유동층 합성 가스 냉각기 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 합성 가스 공탑 속도는 대략 최대 10 m/s 인,
순환식 유동층 합성 가스 냉각기 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 열 제거 메커니즘은 열 전달 튜브들을 포함하는,
순환식 유동층 합성 가스 냉각기 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 열 제거 메커니즘은 열 전달 코일들을 포함하는,
순환식 유동층 합성 가스 냉각기 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 열 제거 메커니즘은 증기를 발생하는,
순환식 유동층 합성 가스 냉각기 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 열 제거 메커니즘은 과열 증기를 발생하는,
순환식 유동층 합성 가스 냉각기 시스템.
제 1 항에 있어서,
배출 평균 입도 또는 그보다 더 큰 입도를 포함하는 순환 열 전달 매체는 시스템으로부터 제거되는,
순환식 유동층 합성 가스 냉각기 시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 배출 평균 입도는 1000 ㎛ 인,
순환식 유동층 합성 가스 냉각기 시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 시스템으로부터 제거되는 배출 평균 입도 또는 그보다 더 큰 입도를 포함하는 열 전달 매체의 적어도 일부의 크기가 감소되고, 감소된 크기의 열 전달 매체의 적어도 일부가 시스템으로 복귀되는,
순환식 유동층 합성 가스 냉각기 시스템.
제 12 항에 있어서,
배출 평균 입도는 1000 ㎛ 이고,
상기 감소된 크기의 열 전달 매체는 대략 200 내지 400 ㎛ 의 평균 입도를 갖는,
순환식 유동층 합성 가스 냉각기 시스템.
순환식 유동층 합성 가스 냉각기 시스템으로서 :
합성 가스 입구 스트림;
순환 열 전달 매체;
2 개 이상의 유동층 냉각기들;
열 제거 메커니즘; 및
합성 가스 출구 스트림을 포함하고,
상기 순환 열 전달 매체의 적어도 일부가 최대 1600℃ 의 합성 가스 입구 스트림으로부터의 열의 적어도 일부를 열 제거 메커니즘으로 전달하여서 합성 가스 출구 스트림의 온도가 합성 가스 입구 스트림의 온도보다 적어도 500℃ 그리고 최대 1300℃ 더 차갑게 되고;
상기 순환 열 전달 매체는 대략 50 내지 1000 ㎛ 의 평균 입도를 갖는 고체들을 포함하고;
1000 ㎛ 의 평균 입도 또는 그보다 더 큰 입도를 포함하는 전달 매체의 적어도 일부가 시스템으로부터 제거되고;
산소, 이산화탄소 및 증기를 포함하는 스트림이 합성 가스의 타르 구성성분들을 우선적으로 그리고 부분적으로 산화시키기 위해 합성 가스 입구 스트림 안으로 주입되는,
순환식 유동층 합성 가스 냉각기 시스템.
석탄 가스화기로부터의 고온 합성 가스를 냉각하기 위한 다단 합성 가스 냉각기로서,
고온 합성 가스 입구 스트림과 연통하는 매립된 냉각 코일들을 갖는 조밀한 유체층;
상승기로서, 상승기로부터 고체들의 순환층의 일부가 상이한 높이들에서 유동층 냉각기들에 들어가고 냉각된 고체들이 중력 하에서 더 낮은 높이에서 상승기로 다시 유동하고 냉각기로부터의 통기 가스가 더 높은 높이에서 상승기로 유동하는 상승기;
상기 합성 가스 냉각기를 빠져나가는 더 차가운 합성 가스에 의해 합성 가스와 고체들을 분리하기 위한 사이클론;
더 차가운 고체들을 사이클론으로부터 상승기로 다시 복귀시키는 하강관;
고체들을 분류하고 뭉친 재의 제거를 용이하게 하기 위해 하강관의 더 낮은 부분 및 조밀한 유체층으로의 유동 가스를 포함하는,
다단 합성 가스 냉각기.
제 15 항에 있어서,
상기 냉각기로 들어가는 고온 합성 가스는 냉각기의 상승기 부분을 통하여 상기 합성 가스가 유동할 때 연속적인 단계들로 냉각되는,
다단 합성 가스 냉각기.
제 16 항에 있어서,
상기 합성 가스는 조밀한 유체층의 고체들과 접촉함으로써 초기 냉각되는,
다단 합성 가스 냉각기.
제 17 항에 있어서,
상기 냉각된 합성 가스는 상승기의 바닥에 있는 고체들의 순환층과 접촉함으로써 더 냉각되는,
다단 합성 가스 냉각기.
제 18 항에 있어서,
상기 냉각된 합성 가스는 연속적인 스테이지들에서 유체층 냉각기들로 복귀하는 상승기의 더 차가운 고체들과 접촉함으로써 더 냉각되는,
다단 합성 가스 냉각기.
석탄 가스화기로부터의 고온 합성 가스를 냉각하기 위한 다단 합성 가스 냉각기로서,
입구 고온 합성 가스 스트림과 연통하는 매립된 냉각 코일들을 갖는 조밀한 유체층; 및
직렬인 내부 순환식 유동층 냉각기들의 다중 스테이지들을 포함하는,
다단 합성 가스 냉각기.
제 20 항에 있어서,
상기 합성 가스는 유동층 및 내부 순환층들에 매립된 열 교환 표면들에 의해 원하는 증기 및 고온 보일러 급수 조건들을 발생하기에 적절한 온도들로 상이한 스테이지들에서 연속적으로 냉각되는,
다단 합성 가스 냉각기.
제 20 항에 있어서,
상기 합성 가스가 고체들의 순환층과 혼합하고 열 에너지를 전달하는 상승기;
고체들의 순환층으로부터 합성 가스를 분리하기 위한 분리 섹션;
아래로 유동하고 매립된 열 교환 표면들로 열을 전달하기 위해 고체들을 순환시키기 위한 환형 공간;
상기 상승기 섹션 안으로 순환 고체들의 유동을 제어하기 위한 폭기 및 시일 메커니즘; 및
내부 고체 순환을 용이하게 하고 냉각기 스테이지들 사이의 파티션의 역할을 하는 원뿔형 섹션을 더 포함하는,
다단 합성 가스 냉각기.
제 22 항에 있어서,
상기 원뿔형 섹션은 합성 가스의 일부가 통과하고 환형 공간의 고체들에 통기를 제공하기 위한 개구들을 갖는 증기 냉각된 코일들을 포함하는,
다단 합성 가스 냉각기.
제 22 항에 있어서,
상기 냉각기로 들어가는 합성 가스는 상류 스테이지에서 예비 냉각되고 오염물들을 처리하며, 고체 입자들의 외부 및 내부 순환 모두를 갖는 하이브리드 냉각기 시스템을 형성하는,
다단 합성 가스 냉각기.
제 24 항에 있어서,
상기 상류 스테이지는 :
상기 다단 합성 가스 냉각기의 마지막 스테이지로부터의 비교적 더 차가운 고체들을, 고온 합성 가스 입구 스트림이 주입된 비교적 차가운 고체들과 초기에 혼합되는 하강 유동 냉각기 안으로 주입하기 위한 이덕터(eductor);
상기 이덕터 구동 유체로서의 고압 재생 합성 가스 스트림; 및
추가의 냉각을 위해 다단 합성 가스 냉각기로 들어가는 하강 유동 냉각기로부터의 비교적 더 차가운 합성 가스 배출 스트림을 포함하는,
다단 합성 가스 냉각기.
제 24 항에 있어서,
상기 상류 스테이지는,
고온의 입구 합성 가스가 아래로 유동할 때 상이한 높이들에서 주입된 더 차가운 고체들과 상기 고온의 입구 합성 가스가 혼합되는 하강 유동 도관;
뭉친 고체들로부터 합성 가스를 분리하기 위한 프리솔터 사이클론(Presalter cyclone);
크기가 1000 ㎛ 를 초과하는 뭉친 고체들을 빼내고 보충 고체들의 첨가를 제공하는 것에 의해 사이클론으로부터 분리된 고체들을 냉각시키기 위한 매립된 열 전달 표면들을 갖는 냉각기;
고압 재생 합성 가스에 의해 냉각기로부터 냉각된 고체들을 올려보내고 상이한 높이들에서 하강 유동 도관 안으로 주입하기 위한 리프트 도관; 및
추가의 냉각을 위해 다단 냉각기로 들어가는 사이클론으로부터의 비교적 더 차가운 합성 가스 배출 스트림을 포함하는, 하강 유동 냉각기 시스템인,
다단 합성 가스 냉각기.