KR920000778B1 - 탄화수소연료로부터 합성가스를 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

탄화수소연료로부터 합성가스를 제조하는 방법

제1도는 본 발명의 방법에 사용되는 첫 번째 버너의 종단면도이다.

제2도는 본 발명의 방법에 사용되는 두번째 버너의 종단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 버너 8 : 중앙배출로(central outlet channel)

9 : 제1환형배출로(first annular outlet channel)

10 : 제2환형배출로(second annular outlet channel)

본 발명은 액체상태 또는 슬러리상태의 탄화수소 연료를 산소 또는 산소함유 기체로 구성된 산화제를 사용하여 부분연소시켜 합성가스를 제조하는 방법에 관한 것이다.

탄화수소연료는 화학양론적양의 산소나 공기와 같은 산소함유 기체와의 조절된 반응에 의해 수소와 일산화탄소의 혼합물로 구성된 합성가스로 전환될 수 있다. 이렇게 생성된 가스는, 예컨대 화학제품제조시 공급원료로서, 환원제로서 그리고 순수 연료로서 사용될 수 있다.

합성가스를 제조하는 방법, 소위 가스화법에서 주된 요구사항은 가스화도중 탄화수소공급원료를 산화제와 균질하고 균일하게 혼합해주는 것이다. 만일 혼합이 불충분하면, 생성된 합성가스의 질이 심하게 손상을 받아 공급원료의 일부는 불충분하게 가스화되는 반면 다른 부분은 가치가 적은 생성물인 이산화탄소와 수증기로 완전히 전환되어 버린다. 상기 요구를 충족시키기 위해선, 연료류에 산화제를 도입할때 탄화수소연료와 산화제의 실질적으로 균일한 혼합물이 생성될 수 있기에 충분히 작은 분절로 공급되는 탄화수소 연료류를 분쇄하는 것이 필요하다.

탄화수소연료와 산화제에 의해 형성된 반응 체간의 불충분한 접촉은 또한 공정에 사용된 장치에 손상을 야기할 수 있다. 반응체들이 서로 균질하게 접촉되지 않는다면 산화제와 연료는 공정이 일어나는 반응기내에 있는 적어도 부분적으로 독립된 궤도를 따라가게 된다. 반응기는 뜨거운 미리 형성된 일산화탄소와 수소로 주로 충전되어 있기 때문에, 산화제는 연료 대신 이들 기체와 급속히 반응하게 된다. 만일 산화제가 산소 또는 유리산소를 함유하는 기체로 형성되어 있다면, 반응은 발열반응이 되며 이산화탄소와 수증기로 구성된 연소생성물은 아주 뜨겁게된다. 이들 연소생성물은 또한 독립된 궤도를 따라가 그 결과 반응기중에 있는 비교적 차거운 연료류와 불량한 접촉을 하게 된다. 상기 현상은 반응기내에 국소적인 고온부의 형성을 야기하게되며 그로 인해 반응기의 내화 라이닝 및 사용되는 버너(들)에 손상을 야기할 수 있다. 상기한 공정 장치에 대한 손상의 위험성은, 만일 비교적 중질의 탄화수소 연료들을 가공하는 경우 이런 연료가 유리산소로 가스화될 때 비교적 높은 반응열을 방출하기 때문에 한층더 심각해진다.

반응체들의 충분한 혼합은 버너 그 자체내에서 이루어질 수 있다. 그러나 이런 생각은, 특히 일반적 고압가스화 공정에서 버너의 디자인과 조작이 아주 정밀하므로 불리하다. 그 이유는, 혼합되는 순간과 연료 산소 혼합물이 반응대역내로 도입되는 순간사이에 걸리는 시간이 혼합물의 연소유도 시간보다 반드시 짧아야 하기 때문이다. 더욱이, 버너내에 있는 혼합물의 속도는 플래시 백(flash back)을 피하기 위해선 화염전파 속도보다 커야한다. 그러나 가스화압력이 증가하면 연소유도 시간이 짧아지고 화염전파 속도가 증가하게 된다. 버너가 비교적 낮은 연료 적재량에서 조작되거나 또는 달리 표현하면 버너내 연료/산소혼합물의 속도가 비교적 낮게 되면, 버너자체내에서 연소유도시간 및/또는 플래시백조건에 쉽게 도달하게 되어 그 결과 버너에 심한 손상 및 과열을 야기할 수 있다.

상기한 조기(premature) 연소와 플래시백의 위험성은 연료와 산화제를 반응대역내 버너 외부에서 혼합하는 경우 제거된다. 이 경우, 상기 논의된 바와 같이 연료를 효율적으로 가스화하는데 필요한 반응체들을 적절히 혼합하기 위해선 특별히 계량에 주의를 해야한다. 반응대역내 버너외부에서 연료와 산화제를 혼합할 때 생기는 또다른 문제는, 반응대역중에 존재하는 미리형성된 합성가스와 산소와의 조기접촉에 의해 생성된 뜨거운 화염 때문에 반응대역에 면한 버너의 앞쪽 부분이 과열될 위험이 있다는 것이다. 연료와 산화제와의 균질한 접촉을 촉진시키기 위해서, 산화제를 고속젯트로 연료흐름 중심에 주입해줄 것이 이미 제안되어 왔다. 비록 이런 고속젯트가 연료류를 분산시키는데 유리하나, 그들이 버너 정면을 따라 있는 뜨거운 반응기기체의 흡입을 야기하기 쉬우므로 버너정면에 나쁜 영향을 미칠 수 있다.

본 발명의 목적은 액체상태 또는 슬러리 상태로 있는 탄화수소 연료로부터 합성가스를 제조하는 방법을 제공하는데 있으며 본 방법은 높은 연료적재량하에 조작될 수 있으며, 여기서는 생성물 손상이나 사용장치에 대한 손상의 위험을 실질적으로 제거할 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 고속 산화제를 위한 제1환형 배출로에 의해 둘러싸인 저속 산화제를 위한 중앙 배출로를 에워싸고 있는 하우징으로 이루어진 적어도 하나의 버너를 사용하는 것으로 구성되며, 여기서 제1환형배출로는 탄화수소연료를 위한 제2환형배출로에 의해 둘러싸여 있으며, 상기 제2환형배출로는 제1환형배출로를 향해 경사진 바깥 부분을 갖고 있다.

본 발명에 따른 방법은 저속 탄화수소연료류, 고속산화제류 및 저속산화제류를, 각기, 하나이상의 버너의 제2환형배출로, 제1환형배출로 및 중앙배출로를 통해 반응대역내로 도입시켜, 탄화수소연료류를 산화제와 반응시키는 것으로 구성된, 액체상태 또는 슬러리상태의 탄화수소연료를 산소 또는 산소함유기체로 구성된 산화제를 사용하여 부분연소시켜 합성가스를 제조하는 방법이다.

본 발명에 따라 사용되는 버너의 제2환형배출로로부터 유출된 저속탄화수소 연료류는 제1환형배출로로부터 유출된 고속산화제류에 의해 분쇄되어 산화제 둘레에 보호막을 형성하게 되며 그로 인해 산화제가 미리형성된 합성가스와 조기접촉되는 것을 막아준다.

본 발명에 따른 제2환형배출로는 제1환형배출로를 향해 경사진 바깥부분을 갖고 있으며, 연료는 저속으로 바람직하게는 약 5-15m/초의 속도로 반응대역내 도입되는 반면 제1환형배출로로부터의 산화제는 실질적으로 높은 속도로 반응대역내로 도입되어 연료와 산화제 사이에 높은 슬립속도를 야기하기 때문에 탄화수소연료류가 효과적으로 분산되어 산화제와 혼합될 수 있다. 제1환형 배출로로부터 나오는 산화제류의 속도는 약 50-90m/sec로부터 선택하는 것이 바람직하다. 연료와 산화제와의 혼합을 가장 좋게하기 위해선, 따라서 연료류 및 제2환형배출로의 바깥부분을 제1환형배출로에 대해 바람직하게는 약 20-40도의 각도가 되게 놓아야 한다.

중질탄화수소연료를 가공할 경우 고속산화제에 의한 연료류의 분산을 촉진시키기 위해, 제1환형배출로로부터 나오는 산화제와 접촉시키기에 앞서 연료를 예비-분쇄하는 것이 유리할 수 있다. 연료의 예비-분쇄는 반응 대역내 도입시키기에 앞서 연료에 증기나 이산화탄소같은 분쇄 작용을 가진 유체를 첨가해줌으로써 바람직하게 이루어진다.

본 발명에 따른 방법에 사용되는 버너를 조작하는 중 제1환형배출로로부터 유출된 산화제류에 의해 측면적으로 둘러싸인 공간은 중앙배출로로부터 유출된 저속산화제로 채워지며 그럼으로써 버너앞면에 불꽃이 붙게할 수 있는 후류(wakes)의 발생을 막게된다. 중앙산화제류는 약 10-30m/see의 저속을 갖는 것이 바람직하다. 제1 및 제2환형배출로로부터 나온 연료와 산화제류는 증기와 이산화탄소로 구성된 저속의 조절기 체류에 의해 측면적으로 포위될수 있다. 이 조절 기체류의 두가지 다른 목적을 수행하며, 즉 이것은 연료/산화제 혼합물의 점화후 생긴 화염을 버너 앞면으로부터 제거해주며 이것은 버너 앞면의 열 플럭스를 감소시켜 준다.

가스화될때보다 많은 반응열을 방출하는 중질 탄화수소연료를 합성가스 생성시 공급원료로서 사용할 경우 보호조절 기체류가 특히 바람직한 것을 이해할 것이다. 조절기체류의 속도는 약 10-40m/초 범위에서 선택하는 것이 바람직하다. 조절 기체류의 유출속도를 감소시키기 위해선, 버너앞면쪽으로 갈수록 폭이 넓어지는 조절 기체 배출로를 가진 버너가 바람직하다. 중앙 배출로 및 제1배출로는 중앙배출로와 실질적으로 동축으로 배열되어 있는 통상적인 산화제공급로를 경유해 산화제를 공급받게 된다. 또한, 이들 두 배출로는 두 개의 별도의 산화제 공급로를 경유해 독립적으로 공급을 받는다. 첫 번째 형태에서, 중앙배출로로부터 나온 산화제류와 제1환형배출로로부터 나온 산화제류사이의 속도의 차는, 버너앞면쪽으로 갈수록 폭이 넓어지는 중앙배출로를 사용함으로써 성취될수 있다. 산화제 배출로가 별도의 공급통로에 연결되어 있는 두 번째 형태에서 버너가 넓은 범위의 연료적재량과 연료조건하에서 사용되는 경우 첫 번째 형태보다 바람직할 수 있다. 두 개의 별도의 산화제 공급로를 사용할 경우 저속산화제류와 고속산화제류를 독립적으로 조절할 수 있게 된다.

버너 과열의 위험을 최소화하기 위해, 중앙배출로, 제1 및 제2환형배출로를 버너앞면으로부터 쑥 들어가게 하는 것이 바람직하다. 버너내부를 이렇게 배열함으로써, 내부근처의 열플럭스는 반응대역내의 열플럭스보다 상당히 낮게된다. 들어간 정도는 약 10㎜를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

본 발명은 첨부도면을 참조로 한 예를통해 더 잘 예시 설명될 것이다.

제1도를 참조로 하면, 액체 상태 또는 슬러리상태의 탄화수소 연료를 가스화하는 버너(1)가 나타나있으며, 이 버너는 버너의 종측(4)에 거의 수직인 앞면(3)을 형성하는 확장된 끝부분을 가진 원통형의 공벽 부재(2)로 구성되어 있다. 공벽부재(2)의 내부에는 동심벽(5)이 설치되어 있으며, 동심벽은 상기 벽부재(2)의 내부를 도관(나타내지 않음)을 통해 공급되거나 배출되는 유체를 냉각시켜주는 통로(6) 및 통로(7)로 나누어준다. 공벽부재(2)는 다수의 실질적으로 동축으로 배열된, 연료와 산화제 통로 즉 저속산화제를 위한 중앙배출로(8), 고속산화제를 위한 제1환형배출로(9), 저속연료를 위한 제2환형배출로(10)의 측면을 감싸고 있다. 상기한 제2환형배출로(10)와 벽부재(2)의 내면사이에, 환형공간은 조절 기체용 통로를 형성한다. 제1도에 나타난 바와같이, 연료통로(10)의 바깥쪽 끝부분은, 버너작동중 통로(10)으로부터 나오는 연료류의 분쇄를 촉진시키기 위해 고속산화제로(9)에 대해 앞면과 약30도로 경사지게 배열되어 있다. 제1환형배출로(9)와 중앙배출로(8)는 모두 실질적으로 중심부에 배열되어 있는 산화제 공급로(11)와 유체가 통하게 되어 있다. 버너작동중 중앙배출로(8)를 통해 지나가는 산화제류의 속도를 줄이기 위해, 상기 통로의 단면을 하류 방향으로 넓게한다.

난류를 최소화하기 위해서, 통로를 점차적으로 넓혀야 한다. 단면을 넓히는 정도는, 중앙통로(8)로부터 나오는 산화제류와 혼형통로(9)로부터 나오는 산화제류사이의 원하는 속도차에 따라 달라진다. 연료통로(10)의 슬릿폭은, 상기 통로로부터 나온 연료류가 고속산화제에 의해 쉽게 분산될 수 있기에 충분히 가늘게 유지시키기 위해 약 5㎜ 크기정도로 작아야 한다. 제2환형통로(10)와 공벽부재(2) 사이에 있는 참조번호(12)로 나타낸 환형공간은 저속의 조절 기체유출을 촉진시키기 위해 하류 방향으로 넓어진 말단부(13)를 갖고 있다.

제1도에 나타난 바와 같이, 통로(8),(9) 및 (10)을 이루고 있는 버너내부는, 과도한 열플럭스로부터 이들 내부를 보호할 수 있게끔 앞면(3)으로부터 약간 안으로 들어와 있다. 이들 내부의 제1환형 배출로(9)와 제2환형배출로(10) 사이에 배열된 통로(12)를 통해 냉각매질을 통과시켜 부가적으로 냉각시키는 것이 바람직하다. 제1환형통로(9)를 통해 지나가는 산화제와 환형공간(12)을 통해 지나가는 조절 기체 또한 버너내부를 냉각시키는데 중요한 역할을 하고 있음을 주지해야 한다.

상기 언급한 버너의 적당한 변형을 제2도를 참조로 하여 설명하고자 한다. 상기 도면들에서 동일한 부재는 동일한 번호로 나타냈다. 제2도로 표시된 구체예에서, 산화제 공급장치는 중앙산화제통로(20)과 환형산화제통로(21)로 되어 있으며 이것들은 첫 번째 구체예인 버너에서와 같이 서로 유체가 통하게 되어 있지는 않다.

통로(20)와 통로(21)는 저속산화제와 고속산화제를 공급하는 별도의 산화제 공급원에 각각 연결되어 있으며 그 결과 각 통로에 산화제 공급을 조절할 수 있으며 서로 독립적으로 변경시킬수 있다. 이 두 번째 버너는 별도의 조절기체 통로가 없으며, 연료와 산화제통로 사이에 냉각통로가 없기 때문에 첫 번째 것보다 더 간단한 구조로 되어 있다. 그러나, 이 두 번째 버너는 가스화시 오직 중정도의 반응열만을 방출하는 탄화수소연료의 가스화에 사용되어야 함을 주목해야 한다.

Claims (9)

1. 액체상태 또는 슬러리상태의 탄화수소 연료를 산소 또는 산소 함유 기체로 구성된 산화제를 사용하여 부분 연소함으로써 합성가스를 제조하는 방법에 있어서, 저속 탄화수소 연료 보호류, 고속산화제류 및 저속 산화제류를 각기 하나이상의 버너의 제2환형 배출로, 제1환형 배출로 및 중앙배출로를 통해 반응대역내로 도입시키고, 탄화수소연료를 산화제와 반응시키는 단계로 구성되며, 상기 제2환형 배출로는 제1환형배출로를 향해 경사진 외측 종단부를 지니는 방법.
2. 제1항에 있어서, 탄화수소 연료류를, 반응대역내로 도입시키기에 앞서 분쇄작용을 가진 매질과 혼합해주는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 탄화수소 연료류를 5-15m/초의 속도로 반응대역내로 도입시키는 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 고속산화제와 저속산화제의 질량흐름비가 30:70인 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 고속산화제류가 버너로부터 50-90m/초의 속도로 유출되는 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 저속산화제류가 버너로부터 10-30m/초의 속도로 유출되는 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 저속조절기체류가 산화제와 연료류의 둘레에 형성되는 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 조절 기체가 증기, 이산화탄소, 질소냉각 반응기 기체 또는 그 혼합물로 형성되는 방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 조절 기체류가 버너(들로)로부터 나올 때 10-40m/초의 속도를 갖는 방법.

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