KR20210031769A

KR20210031769A - 합성 가스를 냉각시키기 위한 열 교환 디바이스 및 그의 조립 방법

Info

Publication number: KR20210031769A
Application number: KR1020217007285A
Authority: KR
Inventors: 알폰스 하이트만; 요아힘 파펜딕; 에크하르트 프리제; 엘뷔르흐 헤르하르트 요한 판; 우나이 하우레기; 모하마드 베자드
Original assignee: 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
Priority date: 2014-05-13
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2021-03-22
Also published as: CN106461344A; JP6585631B2; EP3143353B1; EP3143353A1; WO2015173103A1; CN106461344B; US20170082375A1; US10408542B2; KR20170005086A; JP2017521625A

Abstract

본 발명은 가스 유동을 수용하기 위한 입구를 갖는 유동 채널 (7) 을 한정하는 채널 벽 (3) 을 포함하는 열 교환 디바이스 (1) 에 관한 것이다. 상기 디바이스 (1) 는 유동 채널 (7) 을 통해 가스 유동용의 상이한 평행 유동 경로들을 형성하는 유동 채널 (7) 내부에 위치된 하나 이상의 열 교환 표면들 (5a - 5e) 을 추가로 포함하고, 상기 열 교환 표면들 (5a - 5e) 중 적어도 하나는 유체 열 교환 매체용의 하나 이상의 유동 경로들을 매설한다. 하나 이상의 편향 요소들 (40) 은 유동 채널 (7) 내부에 위치되고 또한 가스 유동을 채널 벽 (3) 으로부터 멀어지게 편향시키기 위해 채널 벽 (3) 에 부착된다.

Description

합성 가스를 냉각시키기 위한 열 교환 디바이스 및 그의 조립 방법{HEAT EXCHANGE DEVICE FOR COOLING SYNTHETIC GAS AND METHOD OF ASSEMBLY THEREOF}

본 발명은 합성 가스를 냉각시키기 위한 열 교환 디바이스에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 합성 가스의 생성을 위한 플랜트와 이러한 열 교환 디바이스의 조립 방법에 관한 것이다.

합성 가스 (또한 신가스 (syngas) 로 언급됨) 의 생성을 위한 가스화 프로세스에서, 탄소질 공급 원료는 가스화 반응기에서 부분적으로 산화된다. 탄소질 공급 원료는 석탄, 중질 석유 잔여물들 (heavy petroleum residues) 및/또는 바이오매스일 수도 있다.

초기에는, 생성된 신가스는 통상적으로 1300 ~ 1600 ℃ 의 온도를 가진다. 신가스가 가스화 반응기를 빠져나올 때에, 고온의 신가스는 700 ~ 1000 ℃ 의 온도로 퀀칭 (quenched) 될 수도 있고, 그 후 신가스의 추가의 냉각을 위해 하나 이상의 열 교환기들을 포함하는 냉각 섹션 또는 신가스 쿨러 (syngas cooler) 로 이송된다.

이러한 신가스 쿨러들은 공지되어 있고 또한 예를 들어 WO 2011/089140, WO 2011/003889 및 WO 2012/028550 에 개시되어 있다.

신가스 쿨러들은 통상적으로 신가스용의 유동 채널을 한정하는 채널 벽을 포함한다. 채널 벽은 평행한 관형 파이프 라인들을 포함하는 멤브레인 벽에 의해 형성된다. 멤브레인 벽은 일반적으로 원통형 형상이다. 신가스는 통상적으로 유동 채널을 통해 실질적으로 하향 방향으로 유동한다. 평행한 관형 파이프 라인들은 신가스의 유동 방향에 평행하게, 즉 실질적으로 수직하게 연장된다.

멤브레인 벽의 관형 파이프 라인들은 기밀 벽을 형성하기 위해 함께 연결된다. 관형 파이프 라인들은 직접적으로 함께 연결되거나 핀들을 통해 연결될 수도 있어서, 이른바 튜브-핀-튜브 배열을 초래한다. 연결부들은 용접에 의해 형성될 수도 있다. 냉각 매체, 예컨대 물은 채널 벽의 관형 파이프 라인들을 통해 유동한다.

채널 벽 내부에는, 복수 개의 중첩된 열 교환 표면들이 유동 채널 내에 위치되고, 유체 열 교환 표면들은 유체 열 교환 매체, 예컨대 스팀용의 하나 이상의 유동 경로들을 매설하고 또한 유체 열 교환 매체의 공급 및 배출을 위한 공급 및 배출 연결부들을 포함한다.

중첩된 열 교환 표면들은 임의의 적합한 형상을 가질 수 있지만, 일반적으로는 원통형이다. 중첩된 열 교환 표면들은 이들이 동축 배향으로 위치될 수 있도록 (유동 방향에 수직한 방향으로) 상이한 치수들을 가지고, 더 작은 열 교환 표면들이 더 큰 열 교환 표면들 내에 위치된다.

열 교환 표면들은 유체 열 교환 매체의 공급 및 배출을 위한 공급 및 배출 연결부들에 연결되는 나선형으로 형상화된 도관들에 의해 형성될 수도 있다.

신가스용의 상이한 유동 경로들은 이웃하는 중첩된 열 교환 표면들 사이에 형성되고, 일 외부 유동 경로는 외부 열 교환 채널과 멤브레인 벽 사이에 형성된다. 최내측 열 교환 표면 내의 유동 경로는 폐쇄되거나 폐쇄가능할 수도 있다.

추가로, 채널 벽에 의해 형성된 채널 내에 중첩된 열 교환 표면들을 지지하기 위한 지지 구조체가 제공된다. 지지 구조체는 중심 교차부로부터 채널 벽으로 연장하는 복수 개의 아암들을 포함할 수도 있다.

열 교환 표면들은 지지 구조체 상에서 얹혀 있거나, 열 교환 표면들은 지지 구조체로부터 하방으로 매달릴 수 있다. 하나 이상의 열 교환 표면들은 예를 들어 조인트들을 용접함으로써 지지 구조체에 연결될 수 있다. 지지 구조체는 채널 벽에 또는 채널 벽 내의 부하 베어링 구조체에 조인될 수 있다.

채널 벽의 멤브레인 벽을 통해 유동하는 냉각 매체는 일반적으로 중첩된 열 교환 표면들을 통해 유동하는 유체 열 교환 매체와는 상이한 공급부로부터 기인한다. 멤브레인 벽용의 냉각 매체는 그의 끓는점 미만에서, 예를 들어 270 ℃ 의 온도에서 68 bar(g) 의 압력에서 액체 물일 수도 있고, 중첩된 열 교환 표면들용의 유체 열 교환 매체는 대략 270 ℃ 의 이른바 포화 스팀으로서 열 교환 표면들에 진입하고 또한 대략 400 ℃ 의 이른바 과열 스팀으로서 열 교환 표면들을 빠져 나오는 스팀일 수도 있다.

중첩된 열 교환 표면들을 나오는 유체 열 교환 매체가 추가의 목적들을 위해 사용되는 플랜트의 일부가 신가스 쿨러인 경우, 열 교환 표면들을 빠져 나오는 유체 열 교환 매체의 온도에 영향을 주고 그리고/또는 상기 온도를 보장할 필요가 있을 수도 있다.

본 발명의 목적은, 신가스로부터 멤브레인 벽을 통해 유동하는 냉각 매체로의 열 전달과 신가스로부터 중첩된 열 교환 표면들을 통해 유동하는 유체 열 교환 매체로의 열 전달이 보다 정확하게 제어될 수 있는 개선된 신가스 쿨러를 제공하는 것이다. 본 발명의 추가의 목적은, 열 교환 표면들을 빠져 나오는 유체 열 교환 매체의 온도를 더 정확하게 제어하기 위해 신가스 쿨러들을 적합화시키는 것이다.

양태에 따라, 합성 가스를 냉각시키기 위한 열 교환 디바이스가 제공되고, 상기 열 교환 디바이스는:

- 가스 유동을 수용하기 위한 입구를 갖는 유동 채널을 한정하는 채널 벽;

- 유동 채널을 관통하는 가스 유동용의 상이한 평행 유동 경로들을 형성하는 유동 채널 내에서 위치된 하나 이상의 열 교환 표면들로서, 상기 열 교환 표면들 중 적어도 하나는 유체 열 교환 매체용의 하나 이상의 유동 경로들을 매설하는, 상기 열 교환 표면들;

- 가스 유동을 채널 벽으로부터 멀어지게 편향시키기 위하여 채널 벽에 부착되고 유동 채널 내부에 위치된 하나 이상의 편향 요소들을 포함한다.

열 교환 디바이스는 특히 1000 ~ 700 ℃ 의 온도를 갖는 합성 가스를 수용 및 냉각시키는데 적합한 열 교환 디바이스이다.

상이한 유동 경로들은 채널 벽을 따르는 유동 경로와 상이한 열 교환 표면들 사이의 하나 이상의 유동 경로들을 포함한다.

편향 요소들은 채널 벽으로부터 내향 돌출하고 또한 가스 유동을 채널 벽으로부터 멀어지게 편향시킬 수 있으며, 따라서 채널 벽을 따르는 유동 경로를 통한 유동을 감소시킨다. 다른 유동 경로들을 통과하는 질량 유동과 유동 속도는 증가되고, 그럼으로써 가스 유동, 열 교환 표면들과, 이들을 통해 유동하는 유체 열 교환 매체, 통상적으로 스팀 사이의 열 교환을 증가시킨다. 가스 유동과 채널 벽 사이의 열 교환은 감소된다. 그러므로, 열 교환 표면들을 나오는 열 교환 매체의 출구 온도는 보다 높아질 것이다. 편향 요소들은 유체 열 교환 매체의 출구 온도에 영향을 미치고 또한 상기 출구 온도를 최적화시키는데 사용될 수 있다. 편향 요소들은 채널 벽에 제거가능하게 연결될 수도 있다. 편향 요소들을 제거 또는 추가함으로써, 유체 열 교환 매체의 출구 온도는 특정 온도 요건들을 충족시키기 위해 특정 범위 내에서 적합해질 수 있다.

가스는 열 교환 디바이스에 의해 냉각되어야 하는 합성가스 또는 신가스이다.

열 교환 표면들은 유체 열 교환 매체의 공급 및 배출을 위해 공급 및 배출 연결부들을 포함할 수도 있다.

편향 요소들은 임의의 적합한 방식으로, 예를 들어 편향 플레이트들로서 매설될 수도 있다.

실시형태에 따라, 채널 벽은 냉각 매체용의 하나 이상의 유동 경로들을 형성하는 복수 개의 파이프 라인들을 포함하는 멤브레인 벽이다.

이러한 실시형태에 따라, 편향 요소들은 가스 유동이 멤브레인 벽으로부터 멀어지게 편향시킬 수 있고, 따라서 가스 유동과 냉각 매체 사이의 열 교환을 감소시키고 또한 열 교환 표면들에서의 유체 열 교환 매체와 가스 유동 사이의 열 교환을 증가시킨다.

복수 개의 파이프 라인들은 서로에 직접적으로 연결될 수도 있거나 핀들에 의해 상호 연결될 수도 있다. 후자의 경우에, 편향 요소들은 핀들에 부착될 수도 있다. 핀들은 쉽고 신뢰가능한 방식으로 편향 요소들을 부착하는데 사용될 수 있다.

편향 요소들은 외부 열 교환 표면에 추가로 부착될 수 있다. 하지만, 이는 채널 벽과 열 교환 표면 사이의 열 팽창 계수의 차이로 인해 문제들을 유발할 수도 있다. 그러므로, 편향 요소들은 열 교환 표면들과 직접 접촉되지 않도록 위치될 수도 있다.

실시형태에 따라, 하나 이상의 열 교환 표면들은 폐쇄된 기하학적 형상의 동축으로 중첩된 열 교환 표면들이다.

폐쇄된 기하학적 형상은 삼각형 또는 사각형과 같은 임의의 적합한 형상을 가질 수도 있지만, 바람직하게는 폐쇄된 기하학적 형상은 원형이고, 따라서 중첩된 열 교환 표면들은 예를 들어 WO 2011/003889 및 US 5,482,110 에 개시된 바와 같이 원통형의 기하학적 형상을 가진다. 열 교환 표면들은 채널 벽 내에 동축으로 배열되거나 중첩될 수 있고, 이러한 채널 벽은 통상적으로 원통형일 것이다. 선택적으로, 지지 구조체는 중첩된 열 교환 표면들의 일련의 둘 이상의 번들들을 지지할 수 있다.

따라서, 열 교환 표면들은 폐쇄된 기하학적 형상의 복수 개의 중첩된 열 교환 표면들로서 조립될 수 있고, 그럼으로써 내부 열 교환 표면들은 인접한 외부 열 교환 표면보다 큰 구성 높이를 가져서, 각각의 열 교환 표면이 임의의 다른 열 교환 표면들을 관통할 필요 없이 외부로부터의 래핑 디바이스 (rapping device; 가열 표면 세정 디바이스) 에 의해 세정될 수 있다.

편향 요소들은 이러한 경로를 폐쇄하거나 적어도 부분적으로 폐쇄하기 위해 외부 열 교환 표면과 채널 벽 사이의 유동 경로 내부에, 바람직하게는 이러한 유동 경로의 입구에 위치될 수도 있다. 하지만, 이는 채널 벽과 외부 열 교환 표면 사이의 공간에서 슬래그와 플라이-애시 (fly-ash) 축적을 형성할 것이다.

실시형태에 따라, 하나 이상의 편향 요소들은 열 교환 표면들의 상류에 위치된다.

편향 요소들을 열 교환 표면들의 상류에 위치시킴으로써, 외부 열 교환 표면과 채널 벽 사이의 가스 유동이 가스 유동을 너무 많이 방해하지 않으면서 최소화된다. 가스 유동의 방향이 하향되도록 열 교환 디바이스가 구성되는 경우에, 편향 요소들은 열 교환 표면들 위에 위치된다.

편향 요소들은 유동 채널 내부에 위치되는 열 교환 표면들에 바람직하게 연결되지 않는다. 편향 요소들은 편향 요소와 외부 열 교환 표면의 상부 엣지 또는 상부 튜브 사이에서 (도 4c 를 참조하여 이하에서 더 상세하게 설명되는 바와 같은) 갭 "d" 을 두도록 위치될 수도 있다. 갭은 2 ~ 10 ㎜, 바람직하게 3 ~ 5 ㎜ 일 수도 있다. 갭은 중심 보디 축선 (R) 의 방향으로 측정될 수도 있다. 또한, 갭은 외부 열 교환 표면과 편향 요소 사이의 최단 거리로서 규정될 수도 있다.

이는 채널 벽과 열 교환 표면 사이의 열 팽창 계수들의 차이로부터 초래되는 문제들을 방지한다.

갭의 크기는 특정 요건들에 적합해지고 또한 최적화될 수 있다.

실시형태에 따라, 편향 요소들은 채널 벽에 대하여 각도 (β) 를 이루는 편향 표면을 포함한다.

편향 표면은 배플 플레이트에 의해 형성될 수도 있다.

편향 표면은 채널 벽으로부터 유동 채널 내로 각도 (β) 를 이루어 돌출하고, 상기 각도 (β) 는 편향 표면이 채널 벽으로부터 연장하는 방향과 하향 방향으로 채널 벽의 중심 보디 축선 (R) 또는 가스 유동의 메인 방향 사이의 각도이다. 각도 (β) 는 10°≤ β ≤ 45°, 바람직하게는 15°≤ β ≤ 25°일 수도 있다. 이러한 편향 표면은 가스 유동의 매끄러운 편향을 제공한다.

실시형태에 따라, 별개의 편향 요소들은 채널 벽의 내부 둘레를 따라서 각도 (α) 에 걸쳐 연장하고, 상기 각도는 는 10°≤ α ≤ 45°, 바람직하게는 10°≤ α ≤ 20°이다.

제시된 범위의 각도에 걸쳐 연장하는 편향 요소들을 제공함으로써, 편향 요소들은 비교적 작게 유지되어, 설치 및 제거가 비교적 쉬워진다. 또한, 이는 내부 둘레의 제한된 범위에 걸쳐 편향 요소들을 적용함으로써 가스 유동과 채널 벽 사이의 열 전달에 비교적 정확하게 영향을 미칠 수 있게 한다. 예를 들어, 30 °를 각각 커버하는 6 개의 편향 요소들이 적용될 수 있어서, 채널 벽의 내부 둘레의 절반에 걸쳐 연장한다. 가스 유동과 채널 벽 사이의 열 전달이 너무 높다고 간주되면, 하나 이상의 추가의 편향 요소들이 추가될 수 있다. 가스 유동과 채널 벽 사이의 열 전달이 너무 작다고 간주되면, 하나 이상의 편향 요소들이 제거될 수 있다.

편향 요소들은 채널 벽의 내부에서 용접에 의해 채널 벽에 부착될 수도 있다. 하지만, 실제로 이는, 특히 열 교환 표면들이 지지 구조체로부터 매달리고 배출 또는 공급 라인들이 유체 열 교환 매체를 지지하기 때문에, 채널 벽 내부에 끼워맞춤 및 용접 인력을 위한 조종실이 거의 없으므로 어려울 수도 있다.

실시형태에 따라, 편향 요소들은 배플 플레이트와 앵커 요소를 포함하고, 배플 플레이트는 앵커 요소에 연결되며, 배플 플레이트는 가스 유동을 채널 벽으로부터 멀어지게 편향시키기 위해 채널 벽 내부에 위치되고, 앵커 요소는 채널 벽 내의 개구를 통해 채널 벽으로부터 외측으로 연장하고 또한 채널 벽의 외측에서 채널 벽에 부착된다.

이러한 실시형태는 도 5a 내지 도 5c 를 참조하여 더 상세하게 설명될 것이다. 배플 플레이트는 편향 표면을 포함한다.

이는 편향 요소가 바람직하게는 용접에 의해 채널 벽의 외부로부터 부착되게 한다. 따라서, 여기에는 용접 작업 등을 수행하기 위하여 채널 벽에 인력이 진입할 필요가 없다. 편향 요소들은 여전히 채널 벽의 내측을 통해 위치결정 및 제거될 필요가 있지만, 부착 및 분리는 외부로부터 행해진다.

편향 요소는 하나 이상의 플레이트들 (패드 또는 밀봉 플레이트라 함) 을 사용함으로써 채널 벽의 외측에 부착될 수도 있고, 하나 이상의 플레이트들은 앵커 요소를 수용하기 위한 개구들을 가진다. 플레이트들은 채널 벽의 외부를 향해 위치된다. 하나 이상의 플레이트가 사용되는 경우, 플레이트들은 채널 벽의 외부를 향해 적층된다.

여기에는 앵커 요소와 채널 벽 내의 개구 사이의 억지 끼워맞춤이 있을 수도 있다. 대안적으로, 채널 벽 내의 개구가 채널 벽에 대한 원하는 위치에서 편향 요소의 위치결정을 허용하기 위해 앵커 요소보다 큰 치수를 가진다. 하나 이상의 플레이트들 중 외부 플레이트 (패드 또는 밀봉 플레이트) 는 외부 플레이트 내의 개구와 앵커 요소 사이의 억지 끼워맞춤을 제공할 수도 있다. 용어 억지 끼워맞춤은 용접에 의해 기밀 방식으로 폐쇄될 수 있는 끼워맞춤을 나타내는데 사용된다. 억지 끼워맞춤은 1 ~ 2 ㎜ 의 갭을 포함한다.

실시형태에 따라, 갭 (d2) 은 배플 플레이트와 채널 벽 사이에 존재한다. 이러한 갭은 도 5c 에 도시되어 있고 바람직하게는 1 ~ 5 ㎜ 이다. 갭은 배플 플레이트와 채널 벽 사이의 열 팽창 차이를 극복하기 위하여 배플 플레이트의 최상측 엣지와 채널 벽 사이에 존재할 수도 있다.

추가의 양태에 따라, 여기에는 합성 가스의 생성을 위한 플랜트가 제공되고, 상기 플랜트는 탄소질 공급 원료가 부분적으로 산화되어 합성 가스를 생성하는 적어도 하나의 가스화 반응기를 포함하고, 상기 가스화 반응기는 생성된 합성 가스용의 배출 섹션을 포함하고, 상기 플랜트는 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 열 교환 디바이스를 갖는 적어도 하나의 섹션을 추가로 포함하고, 유동 채널의 입구는 가스화 반응기의 생성된 합성 가스용의 배출 섹션과 유동 연통한다.

그러므로, 사용 중에, 채널 벽의 유동 채널을 통한 가스 유동이 생성된 합성 가스의 의해 형성된다.

가스화 반응기와 열 교환 디바이스 사이에는 예를 들어 신가스의 제 1 냉각을 얻기 위하여 퀀칭 수단과 같은 추가의 하드웨어가 존재할 수도 있다. 또한, 열 교환 디바이스의 하류에는 추가의 열 교환 디바이스가 가스를 추가로 냉각시키기 위해 존재할 수도 있다.

실시형태에 따라, 열 교환 디바이스의 조립 방법이 제공되고, 상기 방법은:

a) 가스 유동을 수용하기 위한 입구를 갖는 유동 채널을 한정하는 채널 벽을 제공하는 단계;

b) 유동 채널을 관통하는 가스 유동용의 상이한 평행 유동 경로들을 형성하는 유동 채널 내부에 위치된 하나 이상의 열 교환 표면들을 제공하는 단계로서, 상기 열 교환 표면들 중 적어도 하나는 유체 열 교환 매체용의 하나 이상의 유동 경로들을 매설하는, 상기 열 교환 표면들을 제공하는 단계;

c) 가스 유동을 채널 벽으로부터 멀어지게 편향시키기 위해 채널 벽에의 부착에 의해 유동 채널 내부에 하나 이상의 편향 요소들을 설치하는 단계를 포함한다.

액션 a) 는 멤브레인 벽으로서 형성된 채널 벽을 제공하는 것을 포함할 수도 있고, 상기 멤브레인 벽은 냉각 매체용의 하나 이상의 유동 경로들을 형성하는 복수 개의 파이프 라인들을 포함한다.

액션 b) 는 폐쇄된 기하학적 형상의 하나 이상의 동축으로 중첩된 열 교환 표면들을 제공하는 것을 포함할 수도 있다.

액션 c) 는 용접에 의해 하나 이상의 편향 요소들을 부착하는 것을 포함할 수도 있다.

실시형태에 따라, 하나 이상의 편향 요소들은 배플 플레이트와 앵커 요소를 포함하고, 배플 요소는 앵커 요소에 연결되며, c) 는

c1) 채널 벽에 개구를 제공하는 단계,

c2) 채널 벽의 외측을 향해 채널 벽의 개구를 통해 돌출하는 앵커 요소와 채널 벽 내부의 배플 플레이트를 갖는 하나 이상의 편향 요소들을 위치시키는 단계,

c3) 채널 벽의 외부에 편향 요소를 부착하는 단계를 포함한다.

c1) 에 관하여, 개구는 기존의 채널 벽 내에 형성될 수도 있거나, 채널 벽을 생성할 때에 형성될 수도 있다.

c1) 에 관하여, 채널 벽은 튜브-핀-튜브 배열에 의해 형성된 멤브레인 벽일 수도 있고, 상기 개구는 핀에 형성된다. 개구는 앵커 요소와 억지 끼워맞춤을 형성하기 위해 치수화될 수도 있다.

실시형태에 따라, 방법은 추가로:

- 열 교환 표면들을 나오는 유체 열 교환 매체의 온도를 결정하는 단계,

- 편향 요소의 개수, 크기, 위치 및/또는 배치 형태를 조절하는 단계를 포함한다.

온도를 결정하는 것은 측정에 의해 또는 시뮬레이션에 의해 행해질 수도 있다. 결과에 따라, 편향 요소들이 조정될 수도 있고, 예를 들어,

- 편향 요소들의 개수는 증가되거나 감소될 수도 있고,

- 편향 요소가 커버하는 채널 벽의 내부 둘레를 따르는 각도 (α) 및/또는 편향 표면의 길이를 포함하여, 편향 요소들의 크기는 조정될 수도 있고,

- 편향 요소들의 위치가 변경될 수도 있고, 이는 특히 가스 유동이 열 교환 디바이스의 상류에서의 비대칭 컨디션의 결과로서 유동 채널을 통틀어 불균일하게 분배되지 않는 상황들에서 유용하고,

- 편향 표면과 채널 벽 사이의 각도 (β) 와 같은 편향 요소들의 배치 형태가 변경될 수도 있다.

실시형태들은 대응하는 참조 부호들이 대응하는 부분들을 나타내는 첨부된 개략도들을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이다.

도 1 은 합성 가스의 생성을 위한 플랜트의 개략도를 도시한다.
도 2 는 실시형태에 따른 열 교환 디바이스의 측면도를 도시한다.
도 3a 는 멤브레인 벽의 일부의 횡단 상면도 (cross sectional top view) 를 도시한다.
도 3b 는 열 교환 디바이스의 횡단면도를 도시한다.
도 4a 는 열 교환 디바이스의 일부의 횡단면도를 도시한다.
도 4b 는 열 교환 디바이스의 일부의 상면도를 도시한다.
도 5a 는 편향 요소를 도시한다.
도 5b 는 개구를 포함하는 멤브레인 벽의 일부를 도시한다.
도 5c 는 편향 요소와 멤브레인 벽의 횡단 측면도 (cross-sectional side view) 를 도시한다.

도 1 은 합성 가스의 생성을 위한 플랜트를 단면도로 개략적으로 도시하고, 상기 플랜트는 탄소질 공급 원료가 부분적으로 산화되어 합성 가스를 생성하는 적어도 하나의 가스화 반응기 (101) 를 포함한다.

상기 가스화 반응기 (101) 는 생성된 신가스를 냉각시키는 열 교환 유닛 (104) 의 상부 섹션으로 개방하는 생성된 신가스용의 상방으로 경사진 배출 섹션 (103) 을 포함한다. 상기 경사진 배출 섹션 (103) 에도 냉각 또는 퀀칭 수단이 존재할 수도 있다.

열 교환 유닛 (104) 은 압력 베셀을 형성하고 또한 열 교환 디바이스 (1) 를 감싸는 폐쇄된 원통형 외부 벽 (2) 을 포함한다. 열 교환 유닛 (4) 은 원통형 내부 채널 벽 (3) 을 추가로 포함하고, 상기 채널 벽 (3) 은 열 교환 디바이스 (1) 를 통해 연장하며, 따라서 상기 채널 벽 (3) 도 열 교환 디바이스 (1) 의 일부이다. 열 교환 디바이스 (1) 는 도 2 를 참조하여 더 상세하게 설명된다.

도 1 이 개략도라는 것이 이해될 것이다. 버너들, 산소, 연료, 슬래그, 냉각 유체들의 공급 및 배출 라인들, 퀀치 디바이스 등과 같은 다수의 세부 사항들은 명료성의 이유로 도시되지 않는다.

도 2 는 열 교환 디바이스 (1) 를 더 상세하게 도시한다. 열 교환 디바이스 (1) 는 중심 보디 축 (R) 을 가지는 원통형 내부 채널 벽 (3) 을 포함한다. 채널 벽 (3) 은 (가스) 유동 채널 (7) 을 한정하는 기밀 관형 멤브레인을 형성하기 위해 상호 연결된 평행한 수직 냉각 액체 도관들에 의해 형성된다. 물과 같은 냉각 매체는 채널 벽 (3) 의 파이프 라인들을 통해 유동한다.

가스화 유닛의 배출 섹션 (103) 은 유동 채널 (7) 의 입구로 개방한다. 합성 가스는 화살표 방향 (A) 으로 (도 1 또한 참조) 상방으로 열 교환 유닛 (104) 으로의 가스화 유닛의 배출 섹션 (103) 으로부터 유동 채널 (7) 을 통해 하부 배출 영역으로 유동한다.

채널 벽 (3) 은 다섯 개의 개략적으로 나타낸, 동축의 중첩된 열 교환 표면들 (5a, 5b, 5c, 5d 및 5e) 의 세트를 에워싼다. 실제로, 둘 이상의 열 교환 표면들, 예를 들어 열 교환 표면들 (5a 및 5b) 이 사용될 수도 있다. 채널 벽 (3) 과 마찬가지로, 열 교환 표면들 (5a - 5e) 은 평행한 관형 라인들로 구성된다. 선택적으로, 열 교환 표면들 (5a - 5e) 의 관형 라인들은 나선형으로 감길 수 있다.

열 교환 표면들 (5a - 5e) 은 유체 열 교환 매체용의 하나 이상의 유동 경로들을 매설한다. 그러므로, 열 교환 디바이스 (1) 는 하나 이상의 냉각수 공급 라인들 (11) 을 포함하고, 상기 냉각수 공급 라인들 (11) 은 하나 이상의 매니폴드들 또는 분배기들 (12) 를 통해 별개의 냉각수 공급 라인들 (13) 로 분열되며, 상기 별개의 냉각수 공급 라인들 (13) 은 열 교환 표면들 (5a - 5e) 내에 매설된 유동 경로들과 유체 연통한다. 열 교환 디바이스 (1) 는 하나 이상의 매니폴드들 또는 헤더들 (15) 을 통해 하나 이상의 결합된 냉각수 배출 라인들 (16) 에 결합되는 별개의 냉각수 배출 라인들 (14) 을 추가로 포함한다. 공급 라인들과 배출 라인들의 배열은 또한 역전될 수 있다.

지지 구조체 (20) 는 열 교환 표면들 (5a - 5e) 을 지지하기 위해 제공된다. 지지 구조체는 예컨대 WO 2011/003889 에서 설명된 임의의 적합한 형태를 가질 수도 있다. 지지 구조체는 채널 벽 (3) 에 부착되는 중심 교차부로부터 연장하는 세 개, 네 개, 또는 그 이상의 아암들을 포함할 수도 있다.

지지 구조체와 냉각수 라인들의 존재는 인력이 열 교환 표면들 (5a - 5e) 위의 영역에 접근하기 어렵게 하고 또한 채널 벽 (3) 내에서 용접 작업들을 수행하기 어렵게 한다.

각각의 열 교환 표면들 (5a - 5e) 의 하부 단부들은 인접한 외부 열 교환 표면의 하부 단부를 각각 지나서 연장한다. 이러한 방식으로, 각각의 개별의 열 교환 표면은 래퍼 디바이스들 (미도시; rapper devices) 을 이용함으로써 개별적으로 세정될 수 있다.

채널 벽 (3) 은, 상이한 평행 유동 경로들이 배출을 향해 열 교환 표면들 (5a - 5e) 에 의해 형성되는 유동 채널 (7) 을 규정한다. 최내측 열 교환 표면 (5e) 내의 유동 경로는 폐쇄 부재 (17) 에 의해 폐쇄될 수도 있다.

도 2 는 유동 채널 (7) 내부에 위치되고 또한 가스 유동을 채널 벽 (3) 으로부터 멀어지게 편향시키기 위해 채널 벽 (3) 에 부착되는 편향 요소들 (40) 을 추가로 도시한다.

도 3a 는, 기밀의 관형 멤브레인을 형성하기 위하여 핀들 (32) 에 의해 상호 연결되는 평행한 수직 냉각 액체 도관들 (31) 에 의해 형성된 채널 벽 (3) 의 일부의 (중심 보디 축선 (R) 의 방향으로의) 횡단 상면도를 개략적으로 도시한다. 핀들 중 하나에서, 이하에서 더 상세하게 설명된 바와 같은 개구 (33) 가 개략적으로 나타내어진다.

도 3b 는, 도관들 (31) 을 포함하는 채널 벽 (3), 중심 보디 축선 (R) 에 대해 동축으로 위치되는 중첩된 열 교환 표면들 (5a - 5e), 및 상기 열 교환 표면들 (5a - 5e) 의 상류에 위치되는 편향 요소들 (40) 의 존재를 더 상세하게 도시하는 열 교환 디바이스 (1) 의 일부의 (중심 보디 축선 (R) 에 수직한 방향으로의) 횡단면도를 개략적으로 도시하고, 상기 편향 요소들과 열 교환 표면들 사이에는 갭 (d) 이 있다. 갭 (d) 은 도 4a 에서 더 상세하게 도시된다.

도 4a 는 채널 벽 (3) 에 대하여 편향 요소 (40) 의 (중심 보디 축선 (R) 에 수직한 방향으로의) 횡단면도를 개략적으로 도시한다. 한 예로서, 도 4a 는 도관 (31) 을 도시한다. 편향 요소 (40) 는 화살표 (A') 에 의해 개략적으로 나타낸 바와 같이 가스 유동을 채널 벽 (3) 으로부터 멀어지게 편향시키는 편향 표면 (41) 을 포함한다. 편향 표면 (41) 은 채널 벽 (3) 또는 길이방향 축선 (R) 에 대하여 각도 (β) 를 이룬다.

도 4b 는 핀들 (32) 에 의해 상호 연결되는 평행한 수직 냉각 액체 도관들 (31) 을 포함하는 채널 벽 (3) 을 보여주는 열 교환 디바이스 (1) 의 일부의 상면도를 개략적으로 도시한다. 또한, 편향 표면 (41) 을 갖는 편향 요소 (40) 가 도시되어 있다. 편향 표면 (41) 은 기밀 밀봉이 형성되도록 채널 벽 (3) 의 형상과 정합하는 외부 엣지 (45) 를 가진다. 편향 표면 (41) 은 채널 벽 (3) 에 대하여 동축으로 연장하는 원형 단면의 일부를 형성하는 내부 엣지 (46) 를 추가로 구비한다. 편향 요소 (40) 는 중심 보디 축선 (R) 에 대하여 각도 (α) 에 걸쳐 연장한다. 각도는 10°≤ α ≤ 45°, 바람직하게는 10°≤ α ≤ 30°이다.

도 5a 는 배플 플레이트 (43) 와 앵커 요소 (42) 를 포함하는 편향 요소 (40) 를 도시한다.

도 5b 는 두 개의 도관들 (31) 과 그 사이에 위치되는 핀을 도시하는 채널 벽 (3) 의 일부를 도시한다. 핀 (32) 은 앵커 요소 (42) 가 개구 (33) 내에 위치되게 하는 치수를 갖는 개구 (33) 를 포함한다.

도 5c 는, 채널 벽 (3) 을 통해 연장하는 앵커 요소 (42) 와 배플 플레이트 (43) 를 포함하는 편향 요소를 나타내는 도관 (31) 의 위치에서 채널 벽 (3) 의 횡단면도를 개략적으로 도시한다. 패드 (47) 와 밀봉 플레이트 (48) 가 추가로 도시되어 있다. 패드 (47) 는 앵커 요소 (42) 를 통과시킬 수 있는 개구를 포함하는 채널 벽 (3) 에 용접된다. 패드 (47) 는 채널 벽 (3) 의 외부와 정합하는 형상을 가진다. 밀봉 플레이트 (48) 는 패드 (47) 에 용접된다. 밀봉 플레이트 (48) 는 앵커 요소 (42) 를 통과시킬 수 있는 개구를 포함한다.

도 5c 는 편향 요소 (40) 또는 편향 표면 (41) 의 외부 엣지 (43) 와 채널 벽 (3) 사이의 갭 (d2) 을 개략적으로 도시한다. 중심 보디 축선 (R) 에 수직한 반경 방향에서 측정된 이러한 갭 (d2) 은 편향 요소 (40) 또는 편향 표면 (41) 과 채널 벽 (3) 사이의 열팽창 차이를 극복하기 위해 존재하고, 또한 바람직하게는 이러한 갭 (d2) 을 통해 가스 유동을 최소화하기 위해 가능한 한 작게 유지된다. 갭 (d2) 은 바람직하게는 2 ㎜ 미만이다.

그 다음, 조립 방법이 더 상세하게 설명된다. 방법은, a) 가스 유동을 수용하기 위한 입구를 갖는 유동 채널을 한정하는 채널 벽 (3) 을 제공하는 단계, b) 유동 채널을 관통하여 가스 유동용의 상이한 평행 유동 경로들을 형성하는 유동 채널 (3) 내에 위치된 하나 이상의 열 교환 표면들 (5a - 5d) 을 제공하는 단계로서, 상기 열 교환 표면들 (5a - 5d) 중 적어도 하나가 유체 열 교환 매체용의 하나 이상의 유동 경로들을 매설하는, 상기 하나 이상의 열 교환 표면들 (5a - 5d) 을 제공하는 단계, 및 c) 가스 유동을 채널 벽 (3) 으로부터 멀어지게 편향시키기 위하여 채널 벽에의 부착에 의해 유동 채널 내부에 하나 이상의 편향 요소들을 설치하는 단계를 포함한다.

액션 c) 는 열 교환 디바이스 (1) 의 상부로부터 편향 요소들 (40) 을 삽입하는 것을 포함하고 또한 채널 벽 내에 형성된 개구 (33) 를 통해 앵커 요소 (42) 를 슬라이딩시킨다. 이 전후에, 패드 (47) 는 편향 요소를 삽입한 후에, 앵커 요소가 패드 (47) 의 개구를 통해 또한 연장하도록 채널 벽 (3) 에 용접된다. 그런 다음, 기밀 밀봉을 형성하기 위해 밀봉 플레이트 (48) 는 패드 (47) 에 용접되고 앵커 요소 (42) 는 밀봉 플레이트 (48) 에 용접된다.

편향 요소들은 채널 벽 (3) 의 둘레 전체를 따라서 또는 오직 둘레의 일부를 따라서 끼워맞춤될 수도 있다.

도 5a 내지 도 5c 에 도시된 바와 같이, 개구 (33) 는 개구 (31) 와 앵커 요소 (42) 사이에 억지 끼워맞춤이 있도록 되어 있다. 이것은 오직 반경 위치를 변경할 수 있기 때문에 편향 요소 (40) 의 위치결정이 상대적으로 용이하게 하는 것이다. 하지만, 이는 편향 요소를 위치시킬 때에 제한된 위치결정 자유를 허용한다.

대안의 실시형태에 따라, 개구 (33) 는 앵커 요소 (42) 보다 넓고 크다. 핀 (32) 은 심지어 둘레 및 수직/축선 방향으로 개구 (33) 의 엣지들과 앵커 요소 (42) 사이에 클리어런스를 형성하기 위해 미리 결정된 높이에 걸쳐 인접한 튜브들 (31) 사이에서 완전히 컷 어웨이 (cut away) 될 수도 있다. 또한, 패드 (47) 의 개구의 치수는 개구 (33) 의 치수와 동일하거나 앵커 요소 (42) 의 치수보다 적어도 더 크도록 선택된다. 밀봉 플레이트 (48) 의 개구의 치수는 이 개구와 앵커 요소 (42) 사이에 억지 끼워맞춤이 형성되도록 선택된다. 예를 들어, 밀봉 플레이트 (48) 의 개구의 치수는 앵커 요소 (42) 의 치수보다 1 ~ 2 ㎜ 더 크도록 선택된다. 이 실시형태는 편향 요소 (40) 가 연결되기 전에 채널 벽에 대하여 모든 방향 (반경 방향, 둘레 방향 및 높이 방향 (길이 방향 (R) 에 평행함)) 으로 정렬될 수 있다는 이점을 가진다.

대안적으로, 패드 (47) 와 밀봉 플레이트 (48) 대신에, 단 하나의 밀봉 플레이트가 제공되고, 이 밀봉 플레이트는 억지 끼워맞춤이 이러한 개구와 앵커 요소 (42) 사이에 형성되도록 선택된다.

전술한 상세한 설명들은 설명을 위한 것이지 한정하려는 것은 아니다. 따라서, 이하에 설명된 청구항들의 범위로부터 벗어남 없이 설명된 대로 본 발명에 대해 수정들이 이루어질 수도 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이다.

Claims

합성 가스를 냉각시키기 위한 열 교환 디바이스 (1) 로서, 상기 열 교환 디바이스는:
- 가스 유동을 수용하기 위한 입구를 갖는 유동 채널 (7) 을 한정하는 채널 벽 (3);
- 상기 유동 채널을 관통하여 상기 가스 유동용의 상이한 평행 유동 경로들을 형성하는 상기 유동 채널 (7) 내부에 위치된 하나 이상의 열 교환 표면들 (5a - 5e) 로서, 상기 열 교환 표면들 (5a - 5e) 중 적어도 하나는 유체 열 교환 매체용의 하나 이상의 유동 경로들을 매설하는, 상기 열 교환 표면들 (5a - 5e); 및
- 상기 유동 채널 (7) 내부에 위치되고 또한 상기 가스 유동을 상기 채널 벽 (3) 으로부터 멀어지게 편향시키기 위해 상기 채널 벽 (3) 에 부착되는 하나 이상의 편향 요소들 (40) 을 포함하는, 열 교환 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 채널 벽 (3) 은, 냉각 매체용의 하나 이상의 유동 경로들을 형성하는 복수 개의 파이프 라인들 (31) 을 포함하는 멤브레인 벽인, 열 교환 디바이스.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 하나 이상의 열 교환 표면들 (5a - 5e) 은 폐쇄된 기하학적 형상의 동축으로 중첩된 열 교환 표면들 (5a - 5e) 인, 열 교환 디바이스.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 하나 이상의 편향 요소들 (40) 은 상기 열 교환 표면들의 상류에 위치되는, 열 교환 디바이스.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 편향 요소들은 상기 채널 벽 (3) 에 대하여 각도 (β) 를 이루는 편향 표면 (41) 을 포함하는, 열 교환 디바이스.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
별개의 상기 편향 요소들 (40) 은 상기 채널 벽 (3) 의 내부 둘레를 따라서 각도 (α) 에 걸쳐 연장하고, 상기 각도는 10°≤α≤ 45°인, 열 교환 디바이스.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 편향 요소들은 배플 플레이트 (43) 와 앵커 요소 (42) 를 포함하고, 상기 배플 플레이트 (43) 는 상기 앵커 요소 (42) 에 연결되고,
상기 배플 플레이트 (43) 는 상기 가스 유동을 상기 채널 벽 (3) 으로부터 멀어지게 편향시키기 위해 상기 채널 벽 (3) 내부에 위치되고, 상기 앵커 요소 (42) 는 상기 채널 벽 (3) 의 개구 (33) 를 통해 상기 채널 벽 (3) 으로부터 외측으로 연장하고 또한 상기 채널 벽 (3) 의 외측에서 상기 채널 벽 (3) 에 부착되는, 열 교환 디바이스.
제 7 항에 있어서,
상기 배플 플레이트 (43) 와 상기 채널 벽 (3) 사이에는 갭 (d2) 이 존재하는, 열 교환 디바이스.
합성 가스의 생성을 위한 플랜트 (100) 로서,
상기 플랜트 (100) 는 탄소질 공급 원료가 부분적으로 산화되어 합성 가스를 생성하는 적어도 하나의 가스화 반응기 (101) 를 포함하고, 상기 가스화 반응기는 생성된 합성 가스용의 배출 섹션 (103) 을 포함하고, 상기 플랜트 (100) 는 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 열 교환 디바이스 (1) 를 갖는 적어도 하나의 섹션을 추가로 포함하고, 유동 채널 (7) 의 입구가 상기 가스화 반응기 (101) 의 생성된 합성 가스용의 상기 배출 섹션 (103) 과 유동 연통하는, 합성 가스의 생성을 위한 플랜트.
열 교환 디바이스를 조립하는 방법으로서, 상기 방법은:
a) 가스 유동을 수용하기 위한 입구를 갖는 유동 채널을 한정하는 채널 벽 (3) 을 제공하는 단계;
b) 상기 유동 채널을 관통하여 상기 가스 유동용의 상이한 평행 유동 경로들을 형성하는 상기 유동 채널 (7) 내부에 위치된 하나 이상의 열 교환 표면들 (5a - 5d) 을 제공하는 단계로서, 상기 열 교환 표면들 (5a - 5d) 중 적어도 하나가 유체 열 교환 매체용의 하나 이상의 유동 경로들을 매설하는, 상기 하나 이상의 열 교환 표면들 (5a - 5d) 을 제공하는 단계; 및
c) 상기 가스 유동을 상기 채널 벽 (3) 으로부터 멀어지게 편향시키기 위해 상기 채널 벽에의 부착에 의해 상기 유동 채널 내부에 하나 이상의 편향 요소들을 설치하는 단계를 포함하는, 열 교환 디바이스를 조립하는 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 하나 이상의 편향 요소들 (40) 은 배플 플레이트 (43) 와 앵커 요소 (42) 를 포함하고, 상기 배플 플레이트 (43) 는 상기 앵커 요소 (42) 에 연결되고, 상기 c) 는:
c1) 상기 채널 벽 (3) 에 개구 (33) 를 제공하는 단계;
c2) 배플 플레이트 (43) 를 갖는 하나 이상의 편향 요소들 (40) 을 상기 채널 벽 (3) 내부에 위치시키고, 상기 채널 벽 (3) 의 외부를 향해 상기 채널 벽 (3) 의 상기 개구 (33) 를 통해 앵커 요소 (42) 를 돌출시키는 단계; 및
c3) 상기 채널 벽 (3) 의 외부에 상기 편향 요소 (40) 를 부착하는 단계를 포함하는, 열 교환 디바이스를 조립하는 방법.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 방법은:
- 상기 열 교환 표면들 (5a - 5e) 을 나오는 상기 유체 열 교환 매체의 온도를 결정하는 단계;
- 상기 편향 요소들 (40) 의 개수, 크기, 위치, 또는 배치 형태 중의 적어도 하나를 조절하는 단계를 포함하는, 열 교환 디바이스를 조립하는 방법.