KR20220085727A - 가스화 버너용 냉각 재킷 - Google Patents

Abstract

버너 및 고온으로부터 버너를 보호하기 위한 냉각 재킷을 포함하는 가스화기용 공급물 주입기. 냉각 재킷은 열 전달 유체, 통상적으로 물을 위한 유동 경로를 제공하기 위해 2개의 동심 채널을 포함하여, 하나의 채널을 통해 버너 전방을 향해 이동하고, 버너 전방을 따라 이동하고, 다른 채널을 통해 복귀한다. 냉각 재킷에서의 열 전달은 열 전달 유체의 경로에 하나 이상의 핀을 도입함으로써 및/또는 냉각 재킷의 유동 재순환 구역에 접하는 벽 코너의 곡률 반경을 증가시킴으로써 개선된다.

Description

가스화 버너용 냉각 재킷{COOLING JACKET FOR GASIFICATION BURNER}

본 발명은 고체 탄소질 연료의 부분 연소(또는 가스화)를 위해 사용되는 버너를 보호하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 일산화탄소 및 수소 가스를 포함하는 합성 가스를 생성하기 위해 유체에 의해 운반되는 미분된 고체 탄소질 연료를 포함하는 연료 스트림 및 산소 함유 가스를 사용하는 버너의 부분 연소 공정을 보호하기 위한 냉각 재킷의 설계 및 용도에 관한 것이다. 합성 가스 생성물은 전형적으로 연료 가스로서 또는 화학 공정을 위한 공급원료로서 사용된다.

본 명세서에 사용된 용어 "고체 탄소질 연료"는 다양한 기체-운반 가연성 물질 및 그의 혼합물을 포함하도록 의도되고, 석탄, 석탄으로부터의 코크스, 석탄 액화 잔류물, 석유 코크스, 그을음, 바이오매스, 및 오일 셰일, 타르 샌드 및 피치로부터 유래된 미립자 고체의 군으로부터 선택될 수 있다. 석탄은 갈탄, 아역청, 역청 및 무연탄을 포함하는 임의의 유형일 수 있다. 고체 탄소질 연료는 바람직하게는 물질의 적어도 약 90 중량%가 90 마이크론 미만의 평균 입자 직경을 갖고 수분 함량이 약 5 중량% 미만인 입자 크기 분포를 갖는다. 고체 탄소질 연료는 캐리어 가스 또는 액체 슬러리와 같은 유체 내의 현탁액으로서 버너로 전달될 수 있다.

본 명세서에 사용된 용어 "산소-함유 기체"는 유리 산소 (O2)를 함유하는 기체를 지칭하고, 공기, 산소-풍부 공기 (즉, 21 몰% 초과의 산소를 포함함), 및 또한 실질적으로 순수한 산소 (예를 들어, 약 95 몰%를 초과하는 산소를 포함함)를 포함하고, 나머지는 공기, 예컨대 질소, 및/또는 희유 기체에서 통상적으로 발견되는 기체를 포함하는 것으로 의도된다.

주거용 및 산업용 연료로서, 화학 물질 및 연료의 합성을 위한 출발 물질로서, 그리고 전기 발생을 위한 에너지원으로서 가치가 있는 가스를 생산하기 위한 석탄과 같은 고체 탄소질 연료의 부분 연소 또는 가스화는 오랫동안 전세계적으로 다양한 규모로 인식되고 실시되고 있다.

가스화 버너의 배출 단부에서, 연소 온도는 1300℃ 이상에 도달할 수 있다. 이는 연장된 작동 동안 버너 전방 또는 면의 열 응력 및 열화, 특히 피로 응력을 유발하고, 이는 궁극적으로 냉각제의 누출을 초래할 수 있다. 또한, 작동 중에 버너 헤드는 또한 높은 기계적 압력 부하를 받는다. 이러한 이유로, 열 응력을 감소시키고 버너 수명을 증가시키기 위해 금속 온도 및 금속 온도의 변화 모두를 감소시킬 수 있는 냉각 재킷을 사용하는 것이 바람직하다.

Hasenacket 등 (US 4,887,962)는 팁 내에 나선형 유로를 갖는 냉각 재킷을 교시하며, 이는 물의 유량을 최대화하고 열 제거를 최대화한다고 한다.

Van Der Ploeg 등 (WO 2009/019272)는 냉각수가 버너 전방 이전에 전이 섹션에 들어가는 냉각 재킷을 교시하며, 여기서 단면적은 감소하고 증가된 유속 및 낮은 압력 강하를 초래한다고 한다.

냉각 재킷의 효율적인 작동은 가능한 많은 열을 가스화기로부터 운반하도록 열 전달 유체의 유량을 최대화하는 것을 필요로 한다. 그러나, 열 전달 유체가 효과적으로 포획되어 핫 스팟(hot spot) 및 기계적 고장을 초래하는 재순환 구역이 형성될 수 있다. 냉각 재킷 내의 열 전달을 최대화하기 위한 재순환 구역의 형성을 최소화하거나 심지어 제거하는 냉각 재킷 설계에 대한 필요성이 당업계에 존재한다.

본 발명의 목적은 버너 전면 상의 금속의 온도 및 온도의 변화 모두를 최소화함으로써 버너 수명을 증가시키는 것이다.

본 발명은 압력 강하를 최소화하면서 버너 전방 근처의 유체 유동을 개선하기 위한 냉각 재킷 장치 및 작동 방법을 포함한다.

양태 1: 고체 탄소질 연료의 슬러리를 포함하는 공급물 스트림의 가스화를 위한 공급물 주입기로서,

버너 및 상기 버너를 둘러싸는 냉각 재킷을 포함하되;

상기냉각 재킷은 원뿔형 헤드 내벽, 선단 벽, 원뿔형 헤드 외벽, 및 내부 원뿔을 포함하고;

상기 원뿔형 헤드 내벽은 벽 코너에서 선단 벽에 연결되고, 선단 벽은 원뿔형 헤드 외벽에 연결되고, 내부 원뿔은 원뿔형 헤드 내측 벽, 선단 벽, 및 원뿔형 헤드 외측 벽에 의해 둘러싸이고;

열 전달 유체 입구를 포함하는 내부 채널은 원추형 헤드 내벽과 내부 원추부 사이의 공간에 의해 형성되고;

유동 재순환 구역은 팁 채널과 유체 유동 연통하고, 원추형 헤드 내벽, 선단 벽, 및 벽 코너에 가장 가까운 내부 원추의 지점 사이의 공간에 의해 형성되고;

유동 재순환 구역과 유체 유동 연통하는 팁 채널은 선단 벽과 내부 원추부 사이의 공간에 의해 형성되고;

팁 채널과 유체 유동 연통하는 외부 채널은 원추형 헤드 외벽과 내부 원추부 사이의 공간에 의해 형성되고;

상기 내부 채널은 상기 원뿔형 헤드 내벽으로부터 상기 내부 원뿔까지의 거리에 의해 정의된 두께를 갖고;

열 전달 유체 유입구에서의 내부 채널의 두께 대 유동 재순환 구역과의 계면에서의 내부 채널의 두께의 비는 1.5 내지 3인, 공급물 주입기.

양태 2: 양태 1에 있어서, 내부 채널 및/또는 유동 재순환 구역 내로 연장되는 하나 이상의 핀을 추가로 포함하는, 공급물 주입기.

양태 3: 양태 2에 있어서, 상기 하나 이상의 핀의 길이는 1 내지 4 mm인, 공급물 주입기.

양태 4: 양태 2 또는 양태 3에 있어서, 상기 하나 이상의 핀은 단일 연속 원형 구조를 포함하는, 공급물 주입기.

양태 5: 양태 1에 있어서, 상기 원뿔형 헤드 내벽에 부착되고 유동 재순환 구역 내로 연장되는 하나 이상의 핀을 추가로 포함하는, 공급물 주입기.

양태 6: 양태 5에 있어서, 상기 하나 이상의 핀의 길이는 1 내지 4 mm인, 공급물 주입기.

양태 7: 양태 5 또는 양태 6에 있어서, 상기 하나 이상의 핀은 단일 연속 원형 구조를 포함하는, 공급물 주입기.

양태 8: 양태 1 내지 7 중 어느 하나에 있어서, 유동 재순환 구역과의 계면에서의 벽 코너는 반경방향 단면을 따라 측정된 곡률 반경을 갖고, 곡률 반경은 0.5 내지 4 mm인, 공급물 주입기.

양태 9: 양태 1 내지 8 중 어느 하나에 있어서, 상기 선단 벽의 두께는 1 mm 내지 8 mm인, 공급물 주입기.

양태 10: 양태 1 내지 9 중 어느 하나에 있어서, 원뿔형 헤드 외벽의 외부 표면과 접촉하는 내화 블록을 더 포함하는, 공급물 주입기.

양태 11: 가스화기를 위한 공급물 주입기를 작동시키는 방법으로서, 열 전달 유체의 선속도를 증가시키기 위해 유동 제한부를 갖는 내부 채널을 통해 열 전달 유체를 공급하는 단계, 및 선단 벽과의 직접 접촉에 의해 열 전달 유체를 가열하는 단계를 포함하되; 상기선단 벽은 선단 벽과 열 전달 유체 사이의 계면을 따라 최대 온도 및 최소 온도를 갖고; 상기 상한 온도와 상기 하한 온도의 차가 150℃ 미만인, 방법.

양태 12: 양태 11에 있어서, 선단 벽과 열 전달 유체 사이의 계면을 따른 최대 온도는 190℃ 미만인, 방법.

양태 13: 양태 11 또는 양태 12에 있어서, 상기 열 전달 유체의 압력은 가스화기의 압력보다 0 내지 10 bar 더 큰, 방법.

양태 14: 양태 11 내지 13 중 어느 하나에 있어서, 상기 열 전달 유체의 압력은 약 10 bara인, 방법.

양태 15: 양태 11 내지 14 중 어느 하나에 있어서, 내부 채널의 유입구에서의 열 전달 유체의 선속도 대 내부 채널의 유출구에서의 열 전송 유체의 선속도의 비는 1.3 내지 2.8인, 방법.

이하, 본 발명은 첨부된 도면과 함께 설명될 것이며, 여기서 동일한 번호는 동일한 요소를 나타낸다:
도 1은 본 발명에 따른 냉각 재킷을 도시한다.
도 2는 냉각 재킷이 내부 채널의 출구 근처의 열 전달 유체 유동 경로 내로 돌출하는 핀을 갖는 도 1의 구현예의 변형을 도시한다.
도 3은 냉각 재킷의 벽 코너가 도 1보다 큰 곡률 반경을 갖는 도 1의 실시예의 변형을 도시한다.
도 4는 냉각 재킷의 벽 코너가 도 2보다 큰 곡률 반경을 갖는 도 2의 실시예의 변형을 도시한다.

다음의 상세한 설명은 바람직한 예시적인 실시예들만을 제공하며, 본 발명의 범위, 적용가능성, 또는 구성을 제한하도록 의도되지 않는다. 오히려, 바람직한 예시적인 구현예들의 다음의 상세한 설명은 본 발명의 바람직한 예시적인 구현예들을 구현하기 위한 가능한 설명을 당업자들에게 제공할 것이다. 첨부된 청구항들에 제시된 바와 같이, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 구성요소들의 기능 및 배열에서 다양한 변경들이 이루어질 수 있다.

가스화 공정에 사용되는 공급물 주입기는 전형적으로 버너 및 버너를 둘러싸는 냉각 재킷을 포함한다.

버너는 전형적으로 하나 이상의 탄소질 연료 증기 및 하나 이상의 산소-함유 가스 스트림을 가스화기에 전달하기 위한 일련의 동심 채널을 포함할 것이다.

냉각 재킷은 열 전달 유체, 통상적으로 물을 위한 유동 경로를 제공하기 위해 2개의 동심 채널을 포함하며, 이 유동 경로는 하나의 채널을 통해 버너 전방을 향해 이동하고, 버너 전방으로 이동하고, 다른 채널을 통해 복귀한다. 더 높은 공정 온도에서, 스팀은 열 전달 유체로서 사용될 수 있다. 열 전달 유체는 외부 채널을 통해 버너 전방을 향해 이동할 수 있고 내부 채널을 통해 복귀할 수 있지만, 바람직한 구현예에서 내부 채널을 통하여 버너 전방으로 이동하고 외부 채널을 통하여 복귀한다.

냉각 재킷은 단일 피스를 포함할 수 있거나, 또는 구성 및/또는 유지보수의 용이성을 위해 다수의 연결된 피스들로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 냉각 재킷은 열전달 유체가 통과할 수 있도록 구멍을 갖는 커넥터 블록을 통해 2개의 동심 환형 채널을 갖는 원통형 블록에 원추형 헤드를 장착함으로써 구성될 수 있다. 이는 물리적 강도를 희생하여 더 양호한 열 전달을 허용하기 위해 더 얇은 벽들을 갖는 원뿔형 헤드를 위한 안정적인 마운트를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 냉각 재킷(1)의 회전축을 따른 반경방향 단면을 도시한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 방사상 단면은 회전 대칭축을 통해 이동하는 평면으로서 정의되는 반면, 원형 단면은 회전 대칭 축에 수직인 평면으로서 정의된다. 냉각 재킷(1)의 벽은 다음과 같이 정의될 수 있다: 원추형 헤드 내벽(11)은 버너(10)에 가장 가깝고, 선단 벽(12)에 물리적으로 연결된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이 물리적으로 연결된이라는 용어는 2개의 특징부가 단일 피스의 2개 이상의 섹션 또는 예를 들어 용접에 의해 결합된 2개 이상의 피스인 것을 포함한다. 선단 벽(12)은 일반적으로 냉각 재킷 내의 가장 얇은 벽인데, 그 이유는 선단 벽이 고온 가스화기와 인터페이싱하고 공급물 주입기(1)의 손상을 방지하기 위해 가능한 한 많은 열을 열 전달 유체에 전달해야 하기 때문이다. 열 전달 유체와 가스화기 사이의 압력차를 여전히 취습하면서 선단 벽(12)을 가능한 한 얇게 만들기 위해 공학적인 절충이 전형적으로 요구된다. 원추형 헤드 내벽(11)과 선단 벽(12) 사이의 물리적 연결은 벽 코너(14)를 형성하고, 2개 이상의 피스가 결합된 조인트 또는 단일 피스의 전이 영역일 수 있다. 선단 벽(12)은 또한 원뿔형 헤드 외벽(16)에 물리적으로 연결된다. 원뿔형 헤드 내벽(11)과 원뿔형 헤드 외벽(16) 사이의 공간에는 내부 원추부(18)이 있다. 내부 원추부(18)의 두께는 열 전달 유체의 유속에 영향을 주도록 변화될 수 있다.

열 전달 유체를 위한 유동 경로는 냉각 재킷의 벽에 의해 한정된다. 내부 채널(20)은 원추형 헤드 내벽(10)과 내부 원추부(18) 사이의 공간에 의해 한정된다. 팁 채널(22)은 선단 벽(12)과 내부 원추부(18) 사이의 공간에 의해 한정된다. 외부 채널(24)은 원추형 헤드 외벽(16)과 내부 원추부(18) 사이의 공간에 의해 한정된다. 유동 재순환 구역(26)은 내부 채널과 팁 채널의 교차부에 또는 그 부근에 형성되고, 유동 재순환 구역은 내부 원추의 단부와 교차하는 내부 벽에 수직인 평면, 내부 원추, 선단 벽, 및 내부 벽의 단부와 교차하는 선단 벽에 수직인 평면에 의해 한정된다.

전산 유체 역학(CFD) 모델링은 유동 재순환 구역(26) 내의 열 전달 유체의 거동이 버너의 수명의 핵심 결정자임을 보여주었다. 구체적으로, 유동이 분리되고 데드 존(dead zone)이 벽 코너(14) 근처에 형성될 때, 열전달 유체가 선단 벽(12)으로부터 멀리 열을 전달할 수 없고 심지어 비등을 야기할 수 있을 때 국부적인 핫 스팟이 형성될 수 있다. 본 발명의 목적은 유동 재순환 구역(26)에서의 유동을 개선하고 임의의 데드 존을 최소화하거나 제거하는 것이다. 이러한 개선된 유동은 선단 벽(12)과 열 전달 유체 사이의 계면에서 팁벽(12) 내의 더 낮은 온도뿐만 아니라, 선단 벽부(12)에서의 최대 온도와 최소 온도 사이의 더 작은 차이를 초래하고, 이는 결국 열 응력을 감소시키고 버너 수명을 증가시킬 수 있다.

유동 재순환 구역(26)에서의 유동을 개선하는 한 가지 방법은 유동 재순환 구역들(26) 근처의 내부 채널(20)에 유동 제한부(28)를 생성함으로써 열 전달 유체의 유동 속도를 증가시키는 것이다. 유동 제한부(28)를 생성하는 하나의 방법은 팁 근처의 내부 원추부(18)의 두께를 증가시키는 것이다. 유동 제한은 또한 압력 강하를 증가시키기 때문에, 유동 제한은 바람직하게는 압력 강하를 최소화하기 위해 내부 채널의 출구 근처에 배치된다. 유동 제한의 양은 유입구에서의 내부 채널의 두께 대 유동 재순환 구역(26)과의 계면에서의 내부 채널의 두께의 비에 의해 측정될 수 있다. 유동 재순환 구역에서 유동을 개선하기 위한 채널 두께의 최적 비는 1.5 내지 3인 것으로 CFD 모델링에 의해 입증되었다. 대안적으로, 유동 제한의 양은 내부 채널의 출구에서의 열 전달 유체의 선속도 대 내부 채널의 입구에서의 열 전송 유체의 선속도의 비에 의해 측정될 수 있다. 유동 재순환 구역에서 유동을 개선하기 위한 열 전달 유체 선속도의 최적 비는 CFD 모델링에 의해 1.3 내지 2.8인 것으로 입증되었다.

도 2는 유동 재순환 구역(26)에서의 유동을 개선하기 위한 추가의 구조적 요소를 포함하는 냉각 재킷(2)을 도시한다. 하나 이상의 핀(30)은 내부 채널(20) 또는 재순환 구역(26)에서 열 전달 유체의 유동 경로 내로 연장되도록 배향되고, 핀의 길이는 핀이 벽에 수직인 방향으로 열 전달 유체 유동 경로로 연장되는 거리로서 한정된다. 하나 이상의 핀(30)은 삼각형, 직사각형, 또는 임의의 다른 형상, 특히 벽 내로 기계가공하거나 벽에 연결하기 쉬운 형상을 포함하지만 이에 한정되지 않는 원하는 결과를 달성하기에 충분한 방사상 단면 형상의 범위를 가질 수 있다. 하나 초과의 핀이 사용되는 경우, 핀은 동일하거나 상이한 크기를 가질 수 있고 동일하거나 상이한 단면 형상을 가질 수 있다. 하나 이상의 핀(30)은 벽의 원주를 따라 배열된 개별 핀, 또는 바람직하게는 벽에 부착된 단일 연속 구조물일 수 있다. 하나 이상의 핀(30)은 원뿔형 헤드 내벽(10) 또는 내부 원추부(18)에 부착될 수 있다. 바람직하게는, 하나 이상의 핀(30)은 원추형 헤드 내벽에 부착되고 유동 재순환 구역에 위치된 단일의 연속적인 구조체이다.

CFD 모델링은 또한 벽 코너(14)의 기하학적 형상이 유동 재순환 구역(26) 내의 열 전달 유체의 유동 패턴에 강한 영향을 미친다는 것을 입증하였다. 반경 방향 단면을 따라 볼 때 벽 코너(14)의 곡률 반경은 전형적으로 최소화되는데, 그 이유는 이것이 벽 모서리(14) 근처에서 더 얇은 선단 벽(12)을 초래하기 때문이다. 그러나, CFD 모델링은 더 큰 곡률 반경이 더 두꺼운 선단 벽(12)에도 불구하고 벽 코너를 따른 더 적은 유동 분리, 더 높은 열 전달 유체 유동 속도, 및 더 낮은 선단 벽 온도를 초래한다는 것을 보여준다. 도 3은 벽 코너(14)가 도 1의 약 0.5 mm의 곡률 반경에 비해 약 2.0 mm와 동일한 더 큰 곡률 반경을 갖는 본 발명의 실시예를 도시한다. 곡률 반경은 0.5 내지 4.0 mm, 또는 1.25 내지 1.5 mm의 범위일 수 있다.

핀 및 둥근 벽 코너 각각은 선단 벽 온도를 개선하지만, 도 4에 도시된 바와 같이 둘을 조합함으로써 훨씬 더 큰 개선이 달성될 수 있다.

본 명세서에 설명된 실시예는 전형적으로 버너 전방에서 나선형 코일 설계를 사용하는 현행 기술에 비해 여러 이점을 제공한다. 이러한 설계에서 나선형 팁은 일반적으로 버너 전방부에 용접되어, 상이한 용접부에서의 균열, 냉각 전방부의 내부 림의 열 피로, 및 나선형 팁과 메인 플랜지의 접합부 부근의 부식을 포함하는 다수의 가능한 문제를 야기한다. 부식을 방지하기 위해 고합금 재료가 사용되어 왔지만, 이는 또한 고비용으로 이어진다. 본 발명에서 냉각 재킷의 수명은 이러한 고비용의 재료에 대한 필요성 없이 훨씬 더 긴 것으로 예상된다.

냉각 재킷은 반응기의 돔 내에 위치되고 내화 재료에 의해 둘러싸인다. 돔 내화물과 냉각 재킷 사이의 적절한 인터페이스는, 특히 재킷을 보호하기 위해 내부에 앵커(anchor)를 갖는 주조 가능한 플러그가 냉각 재킷의 외부에 설계될 때 개량의 경우에 요구된다. 나선형 코일 설계는 전형적으로 냉각 재킷을 주조 가능한 플러그에 고정하기 위한 수단을 갖지 않으며, 이는 냉각 재킷 수명을 감소시킨다.

냉각 재킷에서 더 높은 온도에 대한 전형적인 완화는 더 높은 금속 온도에서 강도를 유지하기 위해 선단 벽을 두껍게 하는 것이다. 본 발명의 냉각 재킷에서의 개선된 열 전달은 더 얇은 벽이 사용될 수 있게 하는데, 이는 금속이 더 낮은 온도에서 훨씬 더 우수한 강도를 갖기 때문이며, 이는 좁은 내부 채널, 냉각 핀 및 둥근 팁 코너로 인해 가능하다. 유동 재순환 구역에서 개선된 유동에 의해 달성가능한 선단 벽 두께는 1 mm 내지 8 mm, 또는 1.5 mm 내지 4 mm이다.

개선된 벽 강도는 또한 더 높은 압력에서 냉각 재킷의 작동을 허용한다. 전형적으로, 열전달 유체는 0 내지 10 barg의 물이지만, 본 발명은 또한 다수의 이점을 제공하는 더 높은 압력에서의 작동을 허용한다. 예를 들어, 가스화기의 압력보다 높은 0 내지 10 bar 사이에서 작동하는 것은 안전 이점을 제공하는데, 그 이유는 임의의 누출이 가연성 합성가스가 냉각수 시스템에 진입하게 하고 화재 또는 폭발의 위험을 야기하기보다는 물이 무해하게 가스화기에 진입하게 할 것이기 때문이다. 또한, 냉각 재킷 내부의 상승된 압력은 주어진 벽 두께에 대해 더 큰 구조적 안정성을 제공하며, 이는 냉각 재킷의 성능 및 수명을 개선한다.

실시예

도 1 내지 도 4에 도시된 4개의 냉각 재킷 구현예는, 50 mm의 거리에 대해 버너 면으로부터 후방으로 연장하는 외부 채널 및 선단 벽의 외부 표면 외부의 가스화기 연소 온도가 1371℃에서 일정하였다는 가정 하에서 CFD를 사용하여 모델링되었다. 43℃ 및 10 barg의 냉각수를 11.34 kg/s의 질량 유량으로 내부 채널에 공급하였다. 또한, 도 1의 설계의 냉각수의 질량 유량을 50 % 내지 17.01 kg/s로 증가시킨 경우를 모델화하였다. 표 1에서, 선단 벽의 내면의 최고 온도, 최고 온도와 최저 온도의 범위, 5개의 경우의 압력 강하를 나타낸다.

알 수 있는 바와 같이, 케이스(2)는 최대 선단 벽 온도 및 선단 벽 온도의 범위를 낮추지만, 압력 강하를 2배 이상으로 한다. 케이스(3) 내지 케이스(5)는 냉각수 유량의 증가를 요구하지 않고 최대 선단 벽 온도를 감소시킨다. 1 mm 원형 핀을 도입하는 것은, 케이스(3)에서와 같이, 선단 벽 온도를 케이스(2)에서보다 더 많이 감소시키고, 더 낮은 압력 강하를 갖는다. 케이스(4)에서의 2 mm 반경의 둥근 코너는 케이스(1)와 동일한 압력 강하를 갖지만 훨씬 더 낮은 선단 벽 온도를 갖는 훨씬 더 효과적이다. 마지막으로, 가장 낮은 선단 벽 온도는 케이스(5)에서 2 mm 반경의 둥근 코너와 1 mm 원형 핀의 조합으로 나타난다.

본 발명의 원리들이 바람직한 실시예들과 관련하여 위에서 설명되었지만, 이 설명은 단지 예로서만 이루어지고 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니라는 것이 명백하게 이해되어야 한다.

Claims (13)

1. 고체 탄소질 연료의 슬러리를 포함하는 공급물 스트림의 가스화를 위한 공급물 주입기로서,
   버너 및 상기 버너를 둘러싸는 냉각 재킷을 포함하되;
   상기냉각 재킷은 원뿔형 헤드 내벽, 선단 벽, 원뿔형 헤드 외벽, 및 내부 원뿔을 포함하고;
   상기 원뿔형 헤드 내벽은 벽 코너에서 선단 벽에 연결되고, 선단 벽은 원뿔형 헤드 외벽에 연결되고, 내부 원뿔은 원뿔형 헤드 내측 벽, 선단 벽, 및 원뿔형 헤드 외측 벽에 의해 둘러싸이고;
   열 전달 유체 입구를 포함하는 내부 채널은 원추형 헤드 내벽과 내부 원추부 사이의 공간에 의해 형성되고;
   유동 재순환 구역은 팁 채널과 유체 유동 연통하고, 원추형 헤드 내벽, 선단 벽, 및 벽 코너에 가장 가까운 내부 원추의 지점 사이의 공간에 의해 형성되고;
   유동 재순환 구역과 유체 유동 연통하는 팁 채널은 선단 벽과 내부 원추부 사이의 공간에 의해 형성되고;
   팁 채널과 유체 유동 연통하는 외부 채널은 원추형 헤드 외벽과 내부 원추부 사이의 공간에 의해 형성되고;
   상기 내부 채널은 상기 원뿔형 헤드 내벽으로부터 상기 내부 원뿔까지의 거리에 의해 정의된 두께를 갖고;
   열 전달 유체 유입구에서의 내부 채널의 두께 대 유동 재순환 구역과의 계면에서의 내부 채널의 두께의 비는 1.5 내지 3인, 공급물 주입기.
2. 청구항 1에 있어서, 내부 채널 및/또는 유동 재순환 구역 내로 연장되는 하나 이상의 핀을 추가로 포함하는, 공급물 주입기.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 원뿔형 헤드 내벽에 부착되고 상기 유동 재순환 구역으로 연장되는 하나 이상의 핀을 더 포함하는, 공급물 주입기.
4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서, 상기 하나 이상의 핀의 길이는 1 내지 4 mm인, 공급물 주입기.
5. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서, 상기 하나 이상의 핀은 단일 연속 원형 구조를 포함하는 것인, 공급물 주입기.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 유동 재순환 구역과의 계면에서의 벽 코너는 반경방향 단면을 따라 측정된 곡률 반경을 가지며, 상기 곡률 반경은 0.5 내지 4 mm인, 공급물 주입기.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 선단 벽의 두께는 1 mm 내지 8 mm인, 공급물 주입기.
8. 청구항 1에 있어서, 상기 원뿔형 헤드 외벽의 외부면과 접촉하는 내화 블록을 더 포함하는 것인, 공급물 주입기.
9. 가스화기를 위한 공급물 주입기를 작동시키는 방법으로서,
   열 전달 유체의 선속도를 증가시키기 위해 유동 제한부를 갖는 내부 채널을 통해 열 전달 유체를 공급하는 단계, 및
   선단 벽과의 직접 접촉에 의해 열 전달 유체를 가열하는 단계를 포함하되;
   상기 선단 벽은 선단 벽과 열 전달 유체 사이의 계면을 따라 최대 온도 및 최소 온도를 갖고;
   상기 상한 온도와 상기 하한 온도의 차가 150℃ 미만인, 방법.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 선단 벽과 열 전달 유체 사이의 계면을 따른 최대 온도는 190℃ 미만인, 방법.
11. 청구항 9에 있어서, 상기 열 전달 유체의 압력은 상기 가스화기 내의 압력보다 0 내지 10 bar 더 큰, 방법.
12. 청구항 9에 있어서, 상기 열 전달 유체의 압력은 약 10 bara인, 방법.
13. 청구항 9에 있어서, 상기 내부 채널의 입구에서의 열 전달 유체의 선속도 대 내부 채널의 출구에서의 열 전송 유체의 선속도의 비는 1.3 내지 2.8인, 방법.

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