KR950009002B1 - 가스화 물질을 가스화하고 및/또는 가스를 개질하기 위한 공정 및 장치 및 그 방법을 실시하기 위한 고온 열교환기 - Google Patents

가스화 물질을 가스화하고 및/또는 가스를 개질하기 위한 공정 및 장치 및 그 방법을 실시하기 위한 고온 열교환기 Download PDF

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반덴회크 젠-폴
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코르텍 악티엔 게젤샤프트
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Abstract

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Description

가스화 물질을 가스화하고 및/또는 가스를 개질하기 위한 공정 및 장치 및 그 방법을 실시하기 위한 고온 열교환기
본 발명에 의한 장치의 구체예를 도면과 관련하여 설명하고 발명에 의한 운전과정의 한예를 설명한다. 간단히 도해식으로 표시된 도면에 있어,
제1도는 공정을 실시하기 위한 장치를 표시하며,
제2도는 격자를 통한 종단면도이며,
제3도는 제2도에 표시된 격자의 한 구역의 평면도이며,
제4도는 제2도 및 3도에 표시된 격자의 지지요소를 보여주며,
제5도는 제3도의 Ⅴ-Ⅴ선을 따라 배열된 격자의 덮개요소의 종단면도이며,
제6도는 한 덮개요소의 평면도이며,
제7도는 제6도의Ⅶ-Ⅶ선을 따른 한 덮개요소의 종단면이며,
제8도는 가스속도에 따른 격자내 입자통과를 보여주는 다이어그램이며,
제9도는 제1도에 도시된 장치에 대한 연소실의 하부 구역 및 반응기의 상부구역의 단면도이며,
제10도는 제1도 및 2도에 도시된 장치에 대한 반응기의 하부 구역 및 연관된 공급실의 단면도이다.
본 발명은 특허청구의 범위의 제1항의 분류부에 기재되어 있는 바와 같이, 가스화제를 첨가하여, 액체 및/또는 미립자 고체 가스화 물질을 가스화하고 및/또는 가스를 재질하는 공정에 관한 것이다.
본 발명은 또한 특허청구의 범위 제18항의 분류부에 기재되어 있는 것과 같이 상기 공정의 실시하기 위한 장치 및 특허청구의 범위의 제28항 또는 36항에 기재되어 있는 것과 같이 특히 상기 장치를 위한 고온 열교환기에도 관한 것이다.
미립자 가스화 물질을 가스화하고 및/또는 일산화탄소함유가스를 얻기 위해 이산화탄소함유가스를 개질하기 위한 공지의 공정(영국 특허 제744,742호)에서는, 폐쇄회로내에서 흐르고 반응기 외부에서 가열되는 미립자 열전달입자에 의해 화학반응이 일어나는데 필요한 열이 반응기에 공급된다. 향류로 수송되는 입자의 경우에는, 수평으로 배치되어 있고 그 종축주위로 회전되는 반응기에 의해 입자들을 반응기내에 양호하게 분리시켜 입자와 가스화 물질 사이에 열전달이 양호하게 일어나도록 하려고 노력했다. 반응기의 바닥에 도달하는 입자들은 회전운동에 의해 들어올려진 뒤 자중에 의해 반응기 바닥에 낙하하며 이렇게 배열한 것은 그 반응내의 적하류와 유사한 방식으로 입자가 반응기 내부에 작용하여 양호한 열교환기효과를 발생시키고자 하는 것이다. 병류로 움직이는 입자의 경우에는, 이 입자들은 수직배치된 반응기의 상부영역으로부터 미립자 고체가스화 물질층을 지나 반응기의 바닥으로 이동되어 그 바닥으로부터 이 입자들이 발생된 회분과 함께 배출되게 할 것이 제안되어 있다.
입자들은 금속 또는 산화물로 되어 있고 입자크기는 약 1 내지 5㎜이다. 입자에 의해 배출되는 있을 수 있는 회분은 예컨대 체질 또는 회성분의 자기 분리에 의해 분리조작을 받으며 그런뒤 입자들은 가열기에 재순환된다. 마찬가지로 입자에 열을 제공하는 가열기의 그 종축주위에 회전되는 가열기 실린더를 포함하며, 가열기에 열을 공급하는 양상은 상세히 기재되어 있지 않다. 가열기에서 가열되는 입자들은 코크스화장치 또는 공기예열기에 의해 반응기로부터 배출된후 폐쇄회로내에 있는 가열기로 다시 들어온다. 가스화 물질이 분진형형인 때에는 더 이상 자세히 기재되지 않은 방식으로 반응기내에 부유상태를 취할 수 있다.
회전 반응기 및 회전 가열기를 사용한다는 것은 공정을 실시시키는 것과 관련된 경비지출수준이 비교적 높다는 것을 의미한다. 유사한 수준의 지출이 고정을 실시하기는 장치를 건설 및 유지하는데 소요된다. 그위에 반응기가 회전할 때 입자가 가스화 물질내를 적하류식으로 통과할 때에 있어서도, 또는 회전 반응기내 가스화 물질층이 비교적 낮은 경우에도, 가스화 물질과 긴밀히 접촉혼합한다는 보장은 없다.
H2및 CO성분이 높은 환원가스를 얻기 위해 CO2와 HO 함유하는 가스 및 탄화수소함유가스를 개질하는 공지의 공정(독일특허 제2 947 128호)에 있어서는, 사용되는 열교환 매질은 입자크기 50내지 500㎛ 범위의 산화알루미늄의 유동화가능한 내열성 입자이다. 거기에는 액체나 고체 가스화 물질의 가스화를 위한 장치는 없다. 가스의 개질을 위해, 폐쇄회로내에서 순환하는 입자들은, 먼저 열교환기내 및 열소실내에서, 연소실에서 발생된 가연가스의 열을 흡수한다. 이 목적을 위해 입자들은 가열기 및 연소실내 격자위 연소가스로 형성된 유동층내에 유지되어 있다. 이 경우 입자들은 하향관을 통해 가열기로부터 연소실로 흐르고 그 연소실로부터 다른 하향관을 통해 연소실 아래에 배치된 바닥쳄버내로 도입된다. 바닥쳄버는 수송관에 의해 반응기의 상부 영역에 연결되어 있는데 이 반응기내에서 입자들은 격자위 개질된 가스로 형성된 유동층내에 수용된다. 반응기내에 형성되어 있는 유동층도 마찬가지로 하향관에 연결되어 있다. 반응기에 생기 환원가스가 바닥쳄버 또는 연소실내에 유입하는 것을 방지하기 위해 수송관내에는 교번적으로 개폐될수 있는 복식작동밸브가 배치되어 있다. 이밸브로 인해 한편으로는 입자가 불연속적으로 반응기에 공급되며 다른 한편으로는 이 공정을 실시하기 위한 장치의 건설 및 운전에 비교적 비용이 많이들고 마모량이 많아 고장이 나기 쉽다.
본 발명은 효과적이고 간단하고 작동신뢰적인 방식으로 입자가 열을 흡수할수 있으며 반응기내 가스화 물질 및/또는 개질될 가스 및 가스화 제제에 열이 전달될 수 있도록 상기한 일반종류의 공정을 개발하는 것이 그 목적이다. 본 발명의 다른 목적은 높은 열효율로 열교환이 되게하는 비교적 간단하고 내마모성이고 작동신뢰적인 구조의 고온 열교환기를 포함하여, 상기 공정실시를 위한 상기한 일반 종류의 장치를 개발하는 것이다.
본 발명에 따라, 공정은 특허청구의 범위 제1항의 특징에 의해 장치의 경우는 제18항의 특징에 의해 그리고 열교환기는 제28항의 특징에 의해 그 목적이 달성된다.
본 발명에 의한 공정의 추가의 유리한 양태는 특허청구의 범위 제2항 내지 17항에, 장치의 유리한 양태는 제18항 내지 27항에, 그리고 열교환기의 유리한 양태는 제29항 내지 37항에 기재되어 있다.
입자와 연소가스의 가열기내에 배치된 적어도 한 격자 상부에 유동층을 형성함으로써 가열기내에서 입자와 연소가스 사이에 긴밀한 혼합이 이루어지고 그결과 열교환이 양호해진다. 열교환 또는 필요한 온도 1250℃까지의 입자가열은 가열기의 유동층에서 일어나며, 그 가열기의 하부 구역은 연소가스의 1350℃ 내지 1500℃의 온도에 있는 연소실형으로 되어 있다. 본 발명에 따라 가열기에서 또한 연소실에서 가열된 입자는 흐름 전달관에 의해 연소실로부터 반능기의 상부 구역에 도입된다. 흐름 전달관을 통해 물질이 통과함에 따라 그 관은 반응기에서 생성된 생성가스의 통과를 방지하는 시일(밀봉재)역할을 한다. 그래서, 공정을 실시하는데 적은 비용이 들고 마모가 적어 운전이 신뢰적인 방식으로 예컨대 밀봉부재로서 교번적으로 개폐되어야하고 공정운전중 조작되어야 하는 복식작동밸브의 설치는 불필요한채 본 발명에 따라 생성가스의 통과가 방지된다.
반응기내에 유입한 입자는 거기서 가스화 물질 및/또는 개질될 가스와 함께 격자의 수에 따라 다수의 유동층을 형성하며 그로인해 공정의 효율성을 증진시키는 반응기내의 양호한 열교환이 보장된다.
유리하게도, 반응기에 공급되는 입자량 그리고 그와 함께 열량을 변경시킴으로써 간단하게 운전과정에 영향을 줄 수 있도록 흐름 전달관을 통한 입자의 흐름은 조정될 수 있다.
또한 고체가스화 물질이 공급실 또는 유입실에 수송되고 거기서 수송가스에 의해 포획되어 이 가스와 함께 적어도 공급관에 의해 반응기에 유입되게 하는 것이 유리하다는 것도 발견되었다. 그럼으로써 간단하고 효과적인 방식으로, 반응기내에 형성되어 있어 열교환효과를 양호하게 하는 유동층내에 가스화 물질이 거의 균일하게 분포되는 것이 보장된다.
그와 관련하여 연속된 유동층들이 공급실 부근 반응기 바닥위 및 하나 및 몇 개의 격자위에 형성되게 하는 것이 유리하다. 그렇게 하면 가스화 또는 개질 효과를 일으키는 화학반응의 신속하고 완전한 성능 및 이를 위해 유리한 입자에 의해 균일한 가열을 위한 양호한 상태가 이루어진다. 그렇게 하여 가스화와 개질에 요구되는, 열과 물질의 전달을 위한, 입자와 가스화제 및 물질 및/또는 개질가스의 혼합효과가 보다 빠르고 보다 완전하게 일어날 수 있다.
바람직하게는 구체적예에서는 집괴입자 및/또는 회분이 부착된 입자가 폐쇄가능한 배출관에 의해 연소실로부터 제거된다. 그래서 간단한 방식으로 유동층 형성면에 있어 더 이상 작동을 못하는 입자들이 필요한대로 입자회로로부터 제거될 수 있다. 그렇게 하여 공정의 효과 및 작동 신뢰성의 수준이 간단한 방식으로 더욱 개선될 수 있다.
다른 바람직한 구체예에 있어서는, 예컨대 불활성가스인 제어가스가 분사작동에 의해 흐름 전달관을 통한 통과속도를 증가시키기 위해 제어노즐에 의해 흐름 전달관의 출구 근방의 부분에 공급될 수 있다. 흐름 전달관을 통한 통과속도를 변경함으로써 반응기에의 열공급 및 그에의한 공정의 조작과정에 영향을 줄 수 있다.
사용될 수 있는 고체 가스화 물질은 미립자 갱내탄, 갈탄, 이탄, 목탄 또는 생물유기체이며, 사용가능한 액체 가스화 물질은 경질 또는 중질 탄화수소 및 알코올이다. 사용될 수 있는 가스화제는 예컨대 수분함유가스, 용광로 가스 등의 CO2함유 폐가스와 같은 H2O 및 CO2함유 물질들이다.
사용될 수 있는 개질할 가스는 천연가스와 같은 가스상 탄화수소이다.
공정을 효과적으로 행하기 위해서는 연소실내 연소가스가 1350℃ 내지 1500℃의 온도에 도달하는 것이 유리하다는 것을 발견했다.
또한 물의 증기 또는 수증기를 가스화제로 직접 반응기에 첨가하는 것이 유리하다는 것을 발견했다. 그러면 가스화제는 반응기내에 균일하게 분포되며 이런 양호한 분포는 효과적인 가스화의 필요조건이다.
가열기나 공기 예열기에 비해 반응기내에 높은 압력이 형성되는 것이 유리하다. 압력이 높으면 간단한 방식으로 확실하게 산소함유 고온연소가스가 연소실로부터 반응기내로 유입하지 않을 수 있고 그리하여 반응기에서 조작안정성을 위협하는 연소가 일어나지 않는다. 또한 그에 의해 마찬가지로 예열된 연소공기도 반응기내에 유입하지 않는 것이 보장된다.
공정을 실현시키기 위해서는, 직경이 약 0.5㎜ 내지 3㎜의 범위인 대략 구형의 입자를 사용하는 것이 유리하다는 것이 발견되었다. 이 입자는 바람직하게는 산화물 예컨대 산화알루미늄으로 되어 있다.
공정을 실시하기 위한 본 발명의 장치에 있어서는, 가열기, 연소실 및 반응기는 각각 대략 수직방향으로 설치된다. 그럼으로써 간단히 입자들은 각 용기내에서 자체에 작용되는 중력에 의해 이동될 수 있으며 따라서 예컨대 입자이동을 위해 가열기나 반응기를 회전시킬 필요가 없다. 그위에 각 용기들을 알맞게 배치함으로써 입자들은 용기와 용기간을 중력에 의해 이송될 수 있다.
본 발명에 따라 가열기는 연소실 바로위에 그것과 바로 연결되며 적어도 하나의 격자를 가지며 가열기의 상부 구역에서 입자를 위해 분배기를 갖고 있음으로 인해 간단하게 가열기내에 균일히 분포된 입자들이 입자에 작용하는 출력으로 인해 연소실내에 유입하는 것이 보장된다. 그런 배치에서는, 연소실로 부터 멀리 떨어져 있는 구역에는 고급강철로 된 격자가 형성될 수 있으며 연소실에 인접 배치되어 격자는 연소가스의 고온을 감당할 수 있기 때문에 세라믹 요소로 만들어질 수 있다. 격자위 약 100㎜ 높이의 얇은 유동층을 유리하게 형성시키기 위해서는 열팽창이 일어난 후에도 거의 그대로 유지될 수 있는 편평한 표면을 격자가 잦게하는 것이 유리하다. 이 목적을 위해 셀라믹 요소들은 서로 맞물도록 설계될 수 있고 상호간에 지지되고 및/또는 스프링에 의해 가열기 외벽에 지지될 수 있다. 격자를 세라믹 요소 또는 고급강철로 만든다는 것은 입자가 고속으로 그안에서 운동하는 유동층이 형성되더라도 격자가 받는 마모의 양이 적다는 것을 의미한다.
연료노즐은 연소실의 하부구역 외주주위에 분포배치되어 있는 한편 연소공기노즐은 그 아래에 역시 외주를 따라 분포되어 있음으로써, 생성된 연소가 분포가 분배되어 흐르게 되고 그리하여 이 연소가스와 함께 입자가 연소실내 유동층을 형성하는 것이 보장된다.
본 발명에 따라 흐름 전달관의 유입구는 연료노즐 구역에 배치된다. 그렇게 배치함으로써 충분한 입자가, 연소실에 형성되어 있는 유동층으로부터, 반응기에 생성된 생성가스에 대해 시일을 형성하는 흐름 전달관내로 유입하여, 충분한 양의 열을 반응기에 운반할 수 있게 된다. 그위에 입자가 흐름 전달관 내로 유입하는 것을 촉진하기 위해 유입구는 적어도 국부적으로 깔대기 모양으로 확장된 형상일 수 있다.
본 발명에 따라 입자를 분배하기 위한 분배장치가 흐름 전달관의 유출구와 간격을 두고 배치되어 있고 그 유출구는 반응기의 상부 구역내에 돌입해 있다. 예컨대 배플판으로 형성된 분배장치로 인해 고온입자는 균일하게 분배되어 반응기내로 유입할 수 있다.
본 발명에 의하면 반응기에 유입 또는 공급실이 할당배치되어 있으며, 이 유입실은 적어도 한 공급도관을 통해 반응기에 연결되어 있으며, 수송가스를 위한 연결도관을 가진 하부실, 및 하부실의 상부에 배치되고 가스화 물질을 위한 유출도관을 가진 하부실과는 다공성 격벽에 의해 분리되어 있는 상부실을 갖고 있다.
간단한 방식으로 그런 배치는, 고체 가스화 물질이 반응기내에 도입되어 반응기를 통과한 뒤 반응기내에 형성되어 있고 입자를 갖고있는 유동층내에 신속하도록 거의 균일히 배분되는 식으로 포획되는데에 필요한 조건을 제공한다.
바람직한 구체예에 있어, 분배장치는 흐름 전달관에 연결된 오리피스판 및/또는 유출구 또는 오리피스판에 의해 제공되는 분배판이다. 오리피스판의 설치로 인해 유출구로부터 유출하는 입자들은 오리피스판을 통과하는 주성분과 보다 적은 방향이 바뀐 성분으로 분할된다. 이로 인해 입자들은 반응기의 상부 구역에 양호하게 분배된다. 오리피스판을 통과해 흐르는 입자의 주성분(주부분)에 의해 작용을 받도록 배치된 분배판에 의해 분배를 더욱 개선될 수 있다.
다른 바람직한 구체예에 있어서는, 제어가스도관에 연결된 적어도 하나의 제어노즐이 유출구 인근에 있는 흐름 전달관 한 구역에 배치되어 있다. 제어가스로서 불활성가스 등의 가스를 적당히 공급함으로써, 흐름 전달관내에 발생되는 분사효과에 의해, 간단한 방식으로 흐름 전달관내 입자의 통과량을 변경시켜 공정에 관여하는 작동과정을 조절할 수 있다.
가열기내 및 반응기내에서는 고온의 유동층내에서 입자와 가스사이에 열교환이 일어난다. 따라서 가열기와 반응기는, 비교적 간단하고 내마모성이고 작동 신뢰성있는 구조로 된 그 격자의 특정형상에 의해 고효율의 열교환을 가능케하는 고온 열교환기이다. 이 고온 열교환기는 본 발명에 의한 장치의 일부로서뿐 아니라 일반적 목적에도 사용될 수 있다.
가스화제제의 사용하에, 액체 및/또는 미립자 고체 가스화 물질을 가스화하기 위한 및/또는 가스를 개질하기 위한 본 발명에 의한 방법을 실시하기 위한 제1도 표시 장치는, 대략 장치의 중앙에 수직으로 배치된 반응기(1)을 갖고 있다. 반응기(1) 위에는, 용기형으로 되어 있고 그 하부 구역은 연소실(3) 형으로 되어 있는 가열기(1)가 있다. 가열기(5) 및 연소실(3)에서 가열되는 열전단입자가 후술하는 방식으로 반응기(1)내에 유입할 수 있도록, 흐름 전달관(7)은 연소실(3)의 하부 구역으로부터 반응기(1)의 상부 구역내로 뻗어있다(제9도를 참조).
가스화 물질을 공급하고 장입하기 위해서, 전체 조립체에는 저장용기(표시 안됨)가 있으며, 그 용기로부터 예컨대 고체의 미립자 가스화 물질이 계량되면서 유입 또는 공급실(11)내에 공급되며 유입실은 반응기 아래에 배치되어 있고 복수개의 공급관(9)에 의해 반응기(1)의 하부 구역에 연결되어 있다. 예시 구체예에서는 7개의 공급관(9)을 가지는데 제10도에서는 일렬로 된 3개 공급관(9)이 도시되어 있다.
반응기(1) 아래에 배치된 것은 복귀도관(15)에 의하여 반응기(1)에 연결되는 공기예열기(13)이다. 연소실(3) 및 가열기(5)와 유사한 방식으로 반응기(1) 및 공기예열기(13)도 각각 컨테이너(용기)형태로 되며 부재번호(17)로 통상 표시되는 지지프레임에 고착된다.
지지프레임은 강철 구조물의 형태로 되며 예를 들면 4개 길이 방향 컬럼을 갖는데 제1도에서는 두 개 정면컬럼(19), (21)이 도시되어 있다. 높이에 관하여 여러군데에서 컬럼(19)와 (21)은 횡 스트럿(23)에 의하여 함께 연결된다. 지지프레임(17)은 여기에서 도시하지 않은 방식으로의 토대에 의해 바닥부분(18)에 확고하게 고정된다.
제9도에서 볼수 있는 바와 같이 두 인접수평면에서 연소실(3)의 하부에 배치되고 연소실(3)주위에 분포되어 있는 것은 연료공급용 연료노즐(25)이다. 이 배열에서, 한 평면에 배치되어 있는 연료노즐(25)은 인접평면에 배치된 연료노즐(25)에 관하여 주위방향으로 변위된 관계로 배열된다. 연소공기노즐(26)은 연료노즐(25) 아래에 배치되며 또한 그 연료노즐에 인접하여 한면상에서 주위에 분포된다. 연료공기노즐(26)과 연료노즐(25)의 주위에서의 분포는 본 발명에서는 각 연소공기노즐(26)이 각 연료노즐(26)이 각 연료노즐(25)에 할당되도록 된다. 연료노즐(25)과 연소공기노즐(26)은 동일방식으로 방사상 방향으로 연장하여 연소실(3)의 벽을 넘어 연소실내에 돌출하도록 각기 배열된다. 이 배열에서 각각의 노즐(25, 26)은 각기 방사상으로 내부로 연장하는 아래로 경사진 선단(25', 26')를 갖는다.
광범위로 변하는 성질의 연료는 연료노즐(25)에 의하여 연소실(3)로 연속적으로 공급될 수 있다. 장기가 송풍로 또는 직접 환원하는 설비에서 사용될 때 그 경우에서는 생성되는 폐가스를 연소시킬 수 있다. 그러나, 액체연료, 미세립석탄, 목탄 또는 생체재료를 연소시킬 수도 있다. 연소공기는 공기예열기(13)에서 사진가열되며 거기서부터 연소공기도관(31)에 의하여 연소실(3)로 통과하게 된다. 도관(31)은 연소실(3)의 외벽(3')과 그로부터 간격을 두고 거기에 마주하여 배치되는 내벽(32) 사이에 형성되는 환상실(31')과 연통한다. 두벽(31, 32)은 연소실(3)기부를 향하여 깔대기와 같은 구조로 좁아지는 구조를 한다. 연소공기노즐(26)에 공기가 균일하게 공급되도록 하기 위해서 상기 연소공기노즐(26)은 각기 환상실(31')에 관하여 개구되어 있다. 이미 사전가열된 연소공기의 공급으로 인하여 고온연소가스는 연소실(3)에서 약 1350℃ 내지 1500사이의 온도로 생성될 수 있다. 연소가스는 연소실(3)로부터 본 구체예에서는 약 350℃의 온도로 그 상부선단에서 가스출구(33)를 통해 배기가스로서 배기되는 가열기(5)내로 적당한 방식으로 예정될 수 있는 속도로 흐른다. 이들 배기가스는 예컨대 가스화제로서의 증기를 생성하기 위해 또는 고체연료를 건조하기 위해 또 다른 예열기(도시안됨)에도 사용될수 있으며 거기에 이어서 폐가스정화설비(도시안됨)로 통과될 수 있다.
본 발명의 경우에 가열기(5)는 실제 수평으로 편평하게 연장하는 5개의 격자(34a) 내지 (34e)에 의해 세분되며 ; 그 배열에서 인접격자사이의 간격은 실제 동일하다. 가열기(5)와 연소실(3)은 여기에서는 보다 상세하게 도시되지 않은 방식으로 내화물질으로 덮여진다 ; 또한 수-냉각벽요소를 사용할 수도 있다.
연소실(3)로부터 가열기(5)로 올라가는 연소가스와 역류관계로 열전달입자는 가스출구(33) 아래 및 격자(34e)위에 배치되는 분배기(41)에 의하여 공급된다. 단단한 내마모성 물질, 예컨대 산화알루미늄으로 이루어지는 입자는 지지프레임(17)의 기부 영역으로부터 사실상 수직방향으로 연자하는 수송도관(43)에 의하여 분배기로 공급된다 ; 입자는 압축공기 이송장치(40)에 의해 수송도관(43)으로 공급된다 ; 압축공기 이송장치(40)는 압축공기연결부(54)에 의하여 송풍기(도시안됨)에 의해 압축공기가 공급될 수 있다. 또한 입자는 컨베이어 버킷이 구비된 지지벨트 또는 스크류 컨베이어에 의해서 분배기로 수송될 수도 있다.
가열기(5)에는 별모양과 같은 구조로 연장하는 복수의 분배관 또는 판을 갖는 분배기(41)에 의하여 실제 균일하게 입자들이 공급된다. 입자들은 약 0.5㎜ 내지 3㎜범위의 직경을 가지며 실제 구형상을 하고 있으며, 적당한 입도 조작에 의하여 임의로 구형상은 아니나 편평한 입자의 비율이 작도록 할 수도 있다. 연소가스로부터 입자로의 열 공급에 관한 고수준의 효율을 달성하기 위해서, 입자는 약 100㎜높이의 얇은 유동층(fludised bed)이 격자상에 형성되는 식으로 하나 또는 그 이상의 격자(34a) 내지 34(e)상에서 연소가스에 의해 유체화 된다. 본 모양의 입자는 동종의 얇은 유동층 형성에 특히 적당하다. 격자(34a) 내지 (34e)상의 얇은 유동층에서 일어나는 입자와 연소가스 사이의 완전한 혼합효과는 입자에 의한 좋은 열 흡수성을 제공하여 분배기(41)에 의해 입자가 공급되는 약 200℃온도에서부터 시작하여, 가열기(5)를 통한 단 통과시간과 함께 유동층당 약 1내지 2분의 단체류시간의 경우 입자는 1250℃온도로 된다.
입자들은 각각의 격자(34a) 내지 (34e)와 연관된 복수의 수송관(37)(제5도 참조)에 의하여 격자(34a)에서 연소실(3) 또는 격자(34e), (34d), (34c), (34b)중 어느 하나로부터 인접한 아래 격자에 의해 확정되는 가열기(5)의 각 인접영역으로 통과될 수 있다. 그에 대해서는 이후 격자구조와 연관하여 기술될 것이다.
또 입자가열은 연소실내에서 생성되고 약 1350℃ 내지 1500℃의 온도에 있는 연소가스에 의해 연소실(3)에서 직접 행해질 수 있다. 기술된 연료노즐(25)과 연소공기노즐(26)의 배열로 인해, 연소실(3)에서의 입자가 실제 완전히 참여되는 유동층이 연소실(3)내에서 형성되도록, 생성된 연소가스의 흐름이 형성된다. 연소실(3)에서 형성된 유동층은 그 밀도가 충분히 낮고 입자가 빠른 운동을 하고 있는 비등 또는 기포상 유동층에 해당한다. 연소가스와 입자사이의 우수한 열전달을 제공하는 것이외에도 연소실(3)에서 생성된 유동층은, 연료노즐(25), 연소공기노즐(26) 및 연소실의 벽(3')과 접촉하여 그렇게 하지 않으면 있을 수 있는 재(회분)가 부착되는 퇴적하는 것을 입자가 막을 수 있도록 한다.
가열기(5)에서 격자(34a) 내지 (34e)상에 형성되는 얇은 유동층을 위하여 유동층은 실제 편평한 표면을 가질 필요가 있다. 가열기(5)의 상부 차가운 부분에서는 충분히 높은 수준의 내열성 및 내마모성을 가지는 고급 강철로 이루어지는 격자(34e)를 사용할 수 있다. 약 1250℃이상의 온도의 가열기(5) 하부에는 격자(34a, 34b)가 예컨대 내열세라믹 물질로 형성되는 것이 유익하다. 이점에 있어, 상호간에 지지(접촉)되어 있으며 스프링에 의하여 상호간에 및 가열기(5)의 외벽에 대하여 프리스트레스된 6각형 세라믹 요소를 사용하는 것이 열팽창효과를 보상할 수 있어서 유익하다는 것을 알게되었다. 그런식으로 가열된 상태에서 조차도 격자가 그들의 편평한 유형 또는 그들의 수평위치를 보유할 수 있도록 할 수 있다. 각각의 요소들은 연소가스 흐를 수 있는 적어도 하나의 관통 개구(통공)을 가진다.
본 발명에 따르면, 각각의 세라믹 요소는 세라믹 물질로 제조된 각각의 지지요소(34, 35', 35'', 35''')(제2도 및 제4도)와 그 지지요소에 할당된 각각의 덮개요소(36', 37")(제3도 및 제5도)로 이루어지는 두-부분 구조로 되어 있다.
제4도로부터 알 수 있는 바와 같이 지지요소(35) 내지(35''')는 육각형 기부표면과 중심관통개구(351)를 갖는 프리즘-과 같은 구조를 한다. 인접지지요소(35) 내지 (35''')를 연결하기 위해서 상호 교호로 인접하는 측벽에는 서로 각가 동일한 간격으로 실제 수평으로 연장하는 지지돌출부(352) 및 지지요부(353)가 각각 구비된다. 적당한 방식으로 경사져 연장하는 측표면이 지지돌출부(352) 및 지지요부(353)에 구비되어서, 상호 지지되도록 지지요소(35') 내지 (35''')의 지지요부(353)는 간단한 방식으로 인접지지요소의 지지돌출부(352)를 수용할 수 있으며, 반면에 지지요소의 지지돌출부(352)는 다시 인접지지요소의 지지요부(353)와 결합하게 된다. 이런식으로 복수의 지지요소(35') 내지 (35''')를 배열하면 격자(34a) 내지 (34d)중 하나에 관한 제2도에서 도시된 바의 지지구조를 얻게된다. 격자(34e)가 고급 강철로 형성되지 않으면 이 격자도 기술된 격자(34a) 내지 (34d)에 해당하는 방식으로 더욱이 어쩌면 예컨대 반응기(1)에서와 같은 장치의 다른부분에서의 격자와 같이 구성될 수 있다.
그점에서 다양한 높이의 지지요소는 제2도에서 볼 수 있는 바와 같이 가장 낮은 높이의 지지요소(35)가 중심부에 배치되도록 배열된다. 그 다음 그것들은 각각의 높이가 단계식 구조로 증가되는 지지요소(34', 34'', 35''')와의 동심영역에 의하여 방사상 외부방향으로 인접되며, 여기서 모든 지지요소(35) 내지(35''')들은 그들의 상부 표면에 공동평면에 놓이도록 배열된다. 다양한 높이의 지지요소(35) 내지 (35''')의 그 배열은 격자의 하중-지지부를 위한 둥근천장모양과 같은 구조를 부여하며 우수한 하중지지성능과 중량감소를 제공한다. 본 발명의 경우, 가열기(5)와 같은 컨테이너의 벽(354)에서 지지되는 격자의 하중지지부를 위하여 방사상으로 외부에 배치된 지지요소(35''')는 제2도에서와 같이 벽(354)에 있는 수용수단으로 연장되며, 이 수용수단은 내화물질(355)로 덮여있다. 방사상 외부로의 지지요소(35''')에 인접하는 것은 이 요소와 함께 상호작동하며 그 전체는 실제 원통상 외부주위표면을 제공하는 중간요소(356)이다. 그것은 예정가능한 간격으로 조립체의 주위에 분포되는 스프링(358)에 의하여 방사상 내부방향으로 프리스트레스된 적당한 쉘모양 구조의 강판(357)에 의해 인접하게 된다. 스프링(258)은 적당한 구조의 코일스프링 또는 복수의 상호 연관된 다이어프램 스프링에 의해 각기 형성될 수 있다.
스프링(358)은 지지요소(35, 35', 35'', 35''')에 실제 균일하게 방사상 내부로 배향된 반경방향으로의 힘을 가한다. 그래서, 상호인접한 보유요소(35, 35', 35'', 35''')는 지지돌출부(352) 및 지지요부(353)를 위하여 상호가압되어 서로 적당하게 결합되게 한다. 개개지지요소(35, 35', 35'', 35''')가 스프링(358)의 프리스트레스력에 의하여 대략 균일하게 상호 가압된다는 사실에 의해 온도차에 인한 개개지지요소(35, 35', 35'', 35''')와 컨테이너벽(354)의 치수 변화는 간단하고 확실한 방식으로 보상될 수 있다. 그러므로 그것은 온도변동이 국부 스트레스 집중으로 인해 발생하는 균열형성을 일으키지는 않는 반면, 동시에 그 배열은 각각의 격자가 식을 때 상호 인접하는 지지요소들(35, 35', 35'', 35''')사이의 응집력이 줄어들지 않도록 한다. 또한 형태에 있어서도 격자가 충분한 안정성을 갖도록 보장한다.
개개의 지지요소(35) 내지 (35''')가 그 높이에서만 서로 다르다는 사실은 지지요소가 그들의 기본구조에 있어서 동일한 형태를 사용하여 세라믹 물질로부터 용이하게 제조될 수 있음을 의미한다. 또한 지지요소(35) 내지 (35''')의 육각형 구조는 비교적 큰 직경의 관통개구(351)를 제공할 수도 있어서 지지요소는 비교적 벽두께가 작아지게 되고 중량이 감소하게 된다. 이런 식으로 구성되는 격자의 총 면적의 50％이상이 모든 관통개구(351)로 형성된 개구영역을 구성할 수 있다. 따라서 격자의 단순한 조립체에 비하여 70 내지 90％의 범위내에서 중량을 줄일 수 있다.
지지요소(35) 내지 (35''')로부터 본 발명에 따라 구성되며 약 15㎝의 최소높이의 지지요소(35)와 약 40㎝의 최대높이의 지지요소(35''')를 가지는 격자에 대하여 관련된 요구조건을 충족시키는 강성도를 제공하려면 약 2kP/㎠의 프리스트레스력이 스프링(358)에 의하여 외주에 가해지면 충분하다는 것을 알게 되었다. 그 상황에서 흔히 있듯이 지지요소(35) 내지 (35''')에 영향을 미치는 열팽창 효과를 초래하는 온도상승하에서 공정의 실행하기 위해서는, 약 5kP/㎠로 프리스트레스력에서의 균일하게 분포된 증가는 특히 유익하다는 것이 증명되었다. 이 프리스트레스력은 확실히 내화물질에 규정된 압력한계 아래이다. 내화물질이 실제 균일한 압력이하로 일정하게 유지되는 경우, 냉각동안의 균열형성은 실제 크게 방지된다.
그위에 형성되는 각각 유동층을 위한 격자에 요구된 편평한 표면을 제공하려면 덮개요소(36', 36'')는 지지요소(35) 내지 (35''')의 상승 배열에 의해 형성되는 격자의 하중지지부의 상부측에 배치된다. 이와 관련하여 각각의 지지요소(35) 내지 (35''')와 연관하는 것은 동일한 기본 육각형 모양과 크기를 하는 각각의 덮개요소(36', 36'')들이며, 실제 판모양의 편평한 구조를 하는 각각의 덮개요소(36', 36'')는 지지요소(35) 내지 (35''')의 코너부에 구비된 지지돌출부(359) 상에 놓여진다. 제5,6,7도에서 볼 수 있는 바와 같이 덮개요소(36', 36''')는 교호로 다른 각도의 기울기로 경사져 연장하는 측단부(361, 362)를 갖는다. 여기서 측단부(361)는 상부로부터 접근하기 쉬운 경사표면을 형성하는 반면, 측단부(362)는 상부로부터 접근할 수 없으며 아래가 절단된 구조를 형성하는 경사표면을 형성한다. 상호 결합하는 인접하는 덮개요소(36', 36'')의 측단부(361, 362)에 의해, 지지요소(35) 내지 (35''')상에 그런식으로 놓여지는 덮개요소(35', 36''') 사이에 상호지지 및 연결이 얻어진다. 덮개요소(36', 36'')에 의해 그런식으로 형성되어 표면은 유동층 형성에 필요한 정도로 편평하다. 덮개요소(36, 36'')가 하중지지력 또는 열스트레스 또는 팽창효과의 전달에 관하여 지지요소(35) 내지 (35''')로부터 단절(차단)된다는 사실에 의해 이런 식으로 구성되는 격자의 표면은 그러한 하중을 받을 때 조차도 편평하게 된다.
덮개요소(36'')와 지지요소(35) 내지 (35''')와같이 세라믹 물질로 제조되는 덮개요소(36')에는 본 구체예에서는 중심개구(363)와 그로부터 방사상 간격을 두는 대략 동일직경의 관통개구(364) 6개가 구비된다.
제5도에 도시된 바와 같이 덮개요소(36'')은 중심관통개구(363)를 거쳐 통과하게 되는 수송관(37)에 각기 확고하게 연결된다. 또한 덮개요소(36')와 같이 관통개구(364)를 가질 수 있는 동 종류의 덮개요소들(36'')은 예컨대 각각의 다섯 번째 내지 열번째 덮개요소가 수송관(37)이 연결된 덮개요소(36'')가 되도록 하는 방식으로 덮개요소(36')가 교호로 배치된다. 관(37)의 중량은 덮개요소(36'')의 적당한 고정의 제공하며 덮개요소(36', 36'')의 전체 배열은 상호 중첩하는 측단부(361, 362)에 의해 적당하게 고정된다. 수송관(37)의 소정률로 입자 처리양(통과량)의 조절은, 덮개요소(36', 36'')를, 각각 필요 직경 및 높이를 가진 수송관(37)이 있는 다른 덮개요소로 대치함으로써 간단한 방식으로 실행될 수 있다.
지지요소(35) 내지 (35''')의 개구(351)와 덮개요소(36')에 있는 개구(351)에 할당된 개구(363, 364)와 덮개요소(36'')에서의 개구(364)를 통하여, 입자와 함께 유동층을 형성하기 위해 요구되는 가스가 상기 방식으로 구성되는 격자위의 부분으로 통과한다. 가열기(5)의 격자(34a) 내지 (34d)의 경우에는, 연소가스는 관통개구(351, 363, 364)에 의하여 연소실(3)로부터 각각의 격자상의 부분으로 흐른다. 그 상황에서는 연소가스(Vf)의 속도는, 높은 상태의 난류에서 유동층에 분배기(41)를 통해 공급된 입자를 유지하는데 충분한 값이며; 이 경우에 유동층은 각각의 격자(34a) 내지 (34d)상의 입자의 상기 운동에 의해 형성된다. 격자위 부분에서 격자 아래 부분으로의 입자수송은 덮개요소(36'')에 있는 수송관(37)에 의하여 일어난다. 제5도에서 볼 수 있는 바와 같이, 각 수송관(37)은 보다 큰 직경의 입구부(371)를 가지며 이 입구부(유입영역)는 덮개요소(36'') 및 격자위에 위치한다. 입구부(371) 반대쪽 수송관(37)의 선단은 중앙배출개구(373)를 구비한 선단벽(372)을 가진다. 그래서 배출개구(373)는 입구부(371) 및 수송관(37)의 직경(du)에 비하여 작은 직경(dA)를 갖게 된다.
격자에 관하여 이후 기술되는 바와 같이 입자는 수송관(37) 또는 배출개구(373)를 통하여, 격자를 통하여 또는 격자위 부분으로부터 격자아래 부분으로 통과할 수 있다. 그것은 유사한 방식으로 지지요소(35) 내지 (35''') 및 덮개요소(36', 36'')로 제조되는 모든 격자에 상응하는 방식으로 적용한다.
유동층내에서 입자들은 입자에 대해 역류관계로 격자를 통해 흐르는 가스의 밀도를 1000배 정도 초과하는 밀도를 갖는다.
본 공정에서는 입자들은 덮개요소(36')의 개구(363 및 364) 및 덮개요소(36'')의 개구(364)와 각각 연관된 흐름 전달관(37)을 통해 약 200 내지 600㎏/㎠/h의 범위의 저속에서 통과하는데, 개구(263 및 254)의 직경은 약 20㎜내지 80㎜의 범위이다. 유동화 가스의 유속은 3 내지 50㎏/㎠/h의 범위로 상당히 낮고 압력, 온도 및 실시되고 있는 가스화 과정의 종류에 좌우된다. 격자내 개구(363 및 364)를 통과하는 가스류로 인해, 사실상 아무 입자도 이 가스에 대해 향류로 격자내를 통과하지 못할 것이다.
제8도에 도시된 다이어그램은 개구(363 및 364)의 직경이 약 60㎜이고 직경 약 1㎜의 입자에 대한 격자의 전체투과범위가 약 25%인 경우 가스속도와 입자유속사이의 관계를 나타낸다. 입자의 유속(Vt)에 대응하는 5m/s이상의 높은 가스속도(Vh)에서는 격자를 통한 입자의 유속은 단지 낮다. 따라서 가스속도가 입자유속을 초과할 경우에는, 격자를 통해서는 약간의 입자만이 통과하는데 그 이유는 가스류에 의해 입자류내에 난류효과가 나타난 때문일 것이다. 생성된 회분 등에 대한 격자 개구(363 및 364)의 지정효과(self-cleaning effect)에 대해서는, 개구(363 및 364)내의 가스속도(Vh)가 입자유속(Vf)보다 상당히 높을 것이 요구된다. 그위에 입자에 대한 효과적인 열교환 및 유동층의 형성을 위해서는, 격자위에서의 가스속도(Vt)는 입자속도(Vf)에 가까운 값일 필요가 있다. 상기와 같이 개구(363 및 364)에서는 가스속도가 높은(Vh) 그 개구를 통한 입자 흐름이 낮아질 뿐이다. 흐름전달관(37)의 유입구역을 감싸는 격자의 부분은 유동층내에 비교적 흐름이 조용한 영역을 형성하는데 거기서는 가스 속도는 그 영역 외부의 가스속도(Vt)보다 낮다. 이 결과로 그 구역에 입자밀도가 증가할 수 있다. 배출개구(373)의 단면적 대 흐름전달관(37)의 단면적의 비는 격자층 개방면적 대 격자의 총 면적간의 비에 대략 일치한다. 이것은 흐름전달관내 유속이 격자 상부 구역에서는 가스속도(Vn) 일치한다는 것을 뜻한다.
상술과 같이 유입구역(371)에서의 입자밀도는 유동층의 다른 구역에서 보다 약간 높기 때문에 격자내의 다른 개구(363 및 364)에서보다 더 많은 입자가 유입구역(371) 및 그래서 흐름 전달관(37)내로 유입한다. 어느 경우나 배출개구(373)를 통한 가스류는 입자들을 흐름전달관(37)으로부터 제거할 만큼 충분히 크지만, 압력차로서 검출되는 그 목적에 필요한 에너지는 크다. 이 결과로 가스의 일부는 바이패스식으로 유입개구(373)로부터 격자의 인접한 개구(363, 364)로 편향된다. 그 과정은 흐름전달관(37)내의 가스류가 입자를 유동화하는데 요구되는 값 이하로 떨어질 때까지 비가역적으로 계속한다. 그 경우에는 흐름전달관(37)내에 형성된 유동층이 붕괴하고 그 결과로 흐름전달관(37)내로의 가스흐름이 중단한다. 그러면 입자들은 배출개구(373)의 단면적에 비례하는 이동속도로 배출개구(373)를 통과한다. 입자들은 배출개구(373)를 통해 다른쪽입자들이 유입개구(371)를 통해 흐름전달관(37)내로 진입할 수 있는 것보다 더 빨리 흐름전달관(37)으로부터 배출할 수 있기 때문에 흐름전달관(37)내에 모였던 입자들은 입자로 배출된다. 이제 가스가 다시 흐름전달관(37)내로 유입하고 그 결과로 그안에 잔류하던 입자 및 흐름전달관(37)내에 새로 유입한 입자들은 유동화되며, 보다 상세하게 말하면 이 유동화는 그 과정이 다시 역전될 때까지 계속된다. 효과적인 작동을 위해서는 격자외부로 하향 돌출한 흐름전달관(37)의 밀리미터로된 길이(h)가 격자에 허용되는 수두 밀리미터로된 최대압력강하를 g/㎠로 된 입자의 표면밀도를 나눈 값(상)과 같거나 크게하는 것이 바람직하다. 배출개구(373)의 직경은 60배 이상인 것이 적당하다. 그렇게 선정하면 기계적 가교형성이 방지된다. 균일한 유동층의 형성 및 흐름전달관(37)에의 균일한 공급을 실현하기 위해서는, 큰 직경의 격자를 사용하는 경우에도 복수개의 흐름전달관(37)을 대략 등간격으로 배치하는 것이 바람직하다. 유리하게 유동층을 발생시키기 위해서는 모든 배출개구(373)의 총 단면적이 입자류만을 기준으로 할 때 필요할 면적의 4배 이상이어야 한다.
입자는 연소실(3)에 형성된 유동층으로부터 흐름 전달관(7)을 통해 반응기(1)의 상부구역내로 유입할 수 있다. 흐름전달관(7)과 연소실(3)이 반응기(1)위에 수직으로 배치되어 있다는 것은 흐름전달관(7)을 통한 입자의 운동이 그 중량에 의해 도움을 받는다는 것을 의미한다. 이것은 가열기(5)와 예열기(13)를 통한 입자의 운동에서는 마찬가지이다. 제9도에 도시된 것처럼 흐름전달관(7)은 연소실(3)의 중심구역에 배치되는 것이 바람직하다. 그런 배치 대신에 또는 경우에 따라서는 그것에 추가하여 제9도에서 파선으로 표시한 것처럼 흐름전달관(7')을 연소실(3)의 가장자리 구역에서도 배치할 수 있다. 흐름전달관(7')의 구조 및 작동 양상은 흐름전달관(7)의 것과 사실상 같으며 따라서 흐름전달관(7)에 관한 설명이 흐름전달관(7')에도 대응적용된다. 중앙에 위치한 흐름전달관(7)은 깔대기 형상의 유입개구(42)를 갖고 있으며 이 유입개구는 연료노즐(25)의 구역 상세하게는 노를 약간 위에 배치되어 있다. 측방에 배치된 흐름전달관(7')의 경우에는 유입개구의 영역(42')이 깔대기 형으로 확장되어 있다.
연소실 바닥에는 부분적으로 깔대기 형상으로 위로 확장되어 있는 오목구역(44, 44')이 있으며, 그 구역내에는 연소실에서 생성된 회분이외에, 예컨대 소결작용으로 인해 서로 융착한 집괴 입자 또는 회분으로 오염된 입자가 퇴적할 수 있다. 오목구역(44, 44')에는 불완전하게 표시된 배출관(45, 45')이 연접되어 있으며 이 관은 도면에는 표시되지 않은 방식으로 폐쇄될 수 있다. 오목구역(44, 44')에 퇴적된 입자들은 배출관(45, 45')을 통해 입자회로로부터 제거될 수 있다. 그리하여 입자회로 및 입자회로내 유동층의 형성이 집괴입자 또는 회분오염입자에 의해 악영향을 안받는 것이 보장될 수 있다. 그렇지 않다면 그 종류의 입자들은 예컨대 격자 또는 흐름전달관(7)이 적어도 부분적으로 폐색되게 할 것이다.
흐름전달관(7)은 대략 수직 방향으로 뻗어있으며 출구개구(46)를 가진 그 단부는 반응기(1)의 상부구역내로 돌입한다. 그 직경이 출구개구(46)보다 작은 개구(47')를 가진 오리피스판(37)이 분배장치인 출구개구(46)와 연관되어 그 개구로부터 인접이격되어 배치되어 있다. 배플판 역할을 하는 분배판(48)이 또한 판(47)의 배출개구(46) 반대쪽에 배치되어 있다.
제어노즐(49)은 흐름전달관(7)의 영역에 연계되어 있으며 출구(46)에 인접한다. 제어노즐(49)은 흐름전달관 둘레에 분포된 개구로 이루어진다. 개구는 고리통로(50)를 거쳐 제어가스관(51)과 통한다.
유사한 방식으로, 입구판(47''), 분배관(48'), 제어노즐(49') 및 고리통로(50')는 흐름전달관(7')에 연계된다.
제어가스관(51)을 거쳐 필요에 따라 공급되는 제어가스는 제어노즐(49)을 통하여 입구(46)에 인접한 흐름전달관(7)의 말단영역으로 흐르며 여기서 분사 효과가 발생하여 이 효과에 의하면 흐름전달관(7)에서 입자의 통과속도가 증가하게 된다. 흐름전달관(7)을 통과하여 반응기(1)로 흘러들어간 입자의 통과속도의 변화에 의하여 열의 공급이 반응기(1)에 영향을 미치는 것이 용이하게 이루어질 수 있으며 따라서 공정조절이 실시된다. 사용된 제어가스는 불활성가스 예컨대 질소 등일 수 있다.
연소실(3)에서 반응기(1)로 흐름전달관(7)을 통과하고 출구(46)를 거쳐 흘러나온 입자는 먼저 입구관에 부분적으로 편향된다. 주성분은 개구(47')를 통과하여 분배관(48)으로 흘러들어간다. 잔여성분은 출구(46)와 입구관(47) 사이의 영역에서 이미 편향된다. 공급된 입자의 작은 성분의 이와 같은 편향 및 주성분의 분배관(48)에의 충돌에 기인하여 입자들은 실질적으로 반응기(1)의 상부영역에 균일하게 분포된다. 이것은 반응기(1)내에 효율적인 열교환을 위하여 필요한 상태를 제공한다. 흐름전달관(7)을 통한 통과입자는 또한 흐름전달관(7)의 입자가 반응기(1)에서 발생된 생성가스에 대해 효과적인 밀봉상태를 형성하도록 한다. 이것은 예컨대 복식작동밸브 등의 차단부재의 설치 및 조절의 필요성이 없이 연소실(3)로의 생성가스의 흘러들어감을 효과적으로 방지한다. 흐름전달관(7)을 통한 입자의 흐름에 의하여 형성되는 밀봉작용은 연소실(3)과 비교하여 반응기(1)에 높은 압력이 존재할 때에도 일어난다. 이와 같은 종류의 높은 압력은 공기 또는 연소가스가 입자의 복귀도관(15)을 거쳐 반응기(1)에 연결된 공기예열기(13)로부터 또는 연소실(3)로부터 반응기(1)로 통과할 수 없게하는 것을 확실히 보장할 수 있기 때문에 안전도의 이유에서 장점을 가진다.
제3도에 도시된 바와 같이, 흐름전달관(7)으로부터 떨어져 있는 반응기(1) 측면아래에 배치되어 있는 공급실(11)은 다공질 격벽에 의하여 하부실(52) 및 상부실(53)로 나누어진다. 다공질 격벽(52)은 복수의 관통구멍이 있는 강판(57) 및 그위에 놓여지는 철망층(59)으로 이루어진다. 하부실(53)은 이송 또는 유동가스로서 가스를 공급하기 위한 연결부(61)가 있다. 이 가스는 예컨대 불활성 가스일 수 있다. 그러나 용광로 가스를 제외하고 이송가스로서 가스화 작용에 사용되는 가스화제를 하부실(53)에 공급하는 것도 역시 바람직하게 가능하다. 상부실(55)에는 본 명세서에서는 예시되지 않은 방식으로 접속부(63)를 거쳐 가능하면 이송가스와 함께 가스화 물질을 공급한다. 가스화 물질은 다공성 격벽(51)을 거쳐 하부실(53)에서 방출되는 가스에 의해 상부실(55)에서 유동상 방식으로 포획된다. 유사한 방식으로 세로 형성되어질 액체 가스화 물질 및/또는 가스는 적당한 장치를 거쳐 반응기(1)에 직접 공급될 수 있다.
유동상 방식으로 상부실(55)에 포획된 가스화 물질은 복수개의 공급관(9)을 거쳐 반응기(1)의 하부영역을 통과한다. 반응기(1)는 이송가스에 실질적으로 균일하게 분포된 가스화 물질이 공급관(9)을 거쳐서 공급되므로, 상부실(55)로 돌출되어 있는 공급관(9)의 말단은 각각 말단 폐쇄부(65)에 의해 폐쇄되는 한편 수평입구(67)는 공급관(9)의 세로방향으로 가로질러 뻗어있는 관상 연결부에 형성되어 있다. 입자가 출구(69)를 거쳐 공급관(9)으로 따라서 공급실(11)로 통과할 수 있는 것을 방지하는, 출구(69)로부터 간격을 두고 배치되어 있는 덮개(71)가 반응기말단에 공급관(9)의 출구(69)와 연결되어 있다. 공급관(9)을 둘러싸고 연결된 공급관(9)에 대해 하부 말단에 각각 폐쇄되고 외부관(73)의 세로방향으로 가로질러 뻗어있는 입구연결부(75)를 가지는 외부관(73)이 공급실(11)의 바깥에 배치되는 영역에서 출발하여 하나 또는 그이상의 공급관(9)과 연결된 출구(69)에 인접한 영역까지 뻗어있다. 입구연결부(75)를 거쳐서 예컨대 물, 증기 또는 CO2-함유가스 등의 가스화제 또는 새로이 개질된 가스는 공급관(9)과 연결외부관(73) 사이에 형성된 중간공간을 거쳐서 반응기(1)로 통과될 수 있다.
이와 같은 방법으로 반응기(1)의 하부영역으로 통과된, 가스화제 및 개질될 가스화 물질 또는 가스는 반응기의 상부영역의 방향으로 반응기(1)내를 흐르며 여기에는 상기한 바와 같이 가열기(5) 및 연소실(3)에서 가열된 입자가 흐름전달관(7)을 통해 공급된다. 반응기(1)의 상부영역에 입구판(47) 및 분배기판(48)에 의해 분포된 이들 입자들은 반응기(1)에 공급된 가스에 역방향 흘러 경사진 벽(77)을 가지는 반응기(1) 하부영역으로 통과한다. 이것의 가장 낮은 위치는 입자의 포집영역(79)을 형성한다. 반응기(1)의 바닥에 모여진 냉각입자들은 가능한 경사벽(17)을 따라 미끄러진후 포집영역(79)으로 통과한다; 공기예열기(13)에 입자가 공급되는 복귀도관(15)이 포집영역(79)에 연결된다.
반응기(1)에 공급된 가스에 역방향 흐름으로 통과된 입자 및 반응기(1)내에서 발생된 생성가스는 유동층식으로 가스에 포획된다. 얻어진 가스와 입자의 친밀한 혼합은 가스와 입자사이의 열교환효과가 매우 높은 효율로 일어난다는 것을 의미한다. 기술된 바와 같이 흐름전달관(7)에서 입자에 의한 연소실(3)로의 통과가 금지된 생성가스는 반응기(1)의 상부영역으로부터 유출된 생성가스관(81)을 통하여 반응기의 상부영역을 떠난다.
반응기(1)내의 우수한 열교환효과는 새로이 형성되어질 가스 및/또는 공급되 미세고체입자 또는 액체 가스화 물질이 다음 반응 :
C+CO2=2CO
C+H2O=CO+H2
CH4+H2O=CO+3H2
CH4+CO2=2CO+2H2
CO+H2O=CO2+H2
C+2H2=CH4
의 하나에 따라 생성가스를 형성하기 위하여 가스화제와 함께 반응한다는 사실을 확실히 한다. 고체 가스화 물질이 가능한 가스화제에 대응하는 이송가스와 공급실(11)에서 이미 잘 혼합되고 이러한 방식으로 공급관(9)을 거쳐서 반응기(1)로 통한다는 사실은 입자와의 우수한 접촉을 허용하며 따라서 효율적으로 열교환효과를 제공한다. 이것은 반응기(1)내에서 일어나는 화학반응에 대해 짧은 반응시간을 준다. 반응시간은 가스화 물질의 입자 크기에 좌우되며 예컨대 약 200메시(74㎛에 해당)입자 크기의 석탄의 가스화를 위해서는 반응시간은 약 0.1 내지 0.2초 사이이다. 화학반응은 약 800℃ 내지 900℃의 저온에서 정지한다; 포집영역(79)에 축적된 입자내에 있어 이들 온도에서 함유된 과잉열은 복귀도관(15)을 거쳐 공기예열기(13)로 통과한다. 그러나 이 열은 입자에 대한 변형 폐쇄회로에 예컨대 증기의 발생, 용광로를 위한 공기의 예열 또는 연소실(3)에서 연소되어질 생물질의 건조에도 이용되어질 수 있다.
높은 황 함량을 가지는 가스화 물질을 사용할 때 황성분을 석출시키기 위하여 본 명세서에서는 나타나 있지 않지만 황 성분을 결합하는 미세입자 석회가 슬래그를 형성하는 방식으로 반응기(1)에 도입하는 것이 부가적으로 가능하다. 슬래그는 예컨대 입자와 같이 및 입자에 의해 반응기(1) 밖으로 버려지며 그리고 입자가 수송관(43)으로 복귀되기전에 제거된 재(회분)성분등의 슬래그 성분은 체질 등에 의해 분리되어질 수 있다.
본 발명에 따라 가능한 회분오염입자와 함께 연소실에서 생성된 회분성분을 배출관(44, 44')을 거쳐 연소실(3)로부터 제거하는 것도 가능하다. 이것은 실질적으로 더 많은 회전성분을 가지는 연료를 이용할 때에도 문제점이 없는 작동공정을 보장한다. 이와 관련하여 입자회로내에서 입자의 대부분은 상기한 바와 같이 흐름전달관(7)을 거쳐 반응기(1)로 통과한다. 회분을 제거할 목적으로, 동일하게 소량의 입자는 입자회로 밖에서 오목구역(44, 44')을 거쳐서 제거될 수 있다. 이들 입자들이 회분으로부터 분리되거나 또는 뭉쳐진(집괴된) 또는 손상된 입자가 분리된 후 이들은 본 명세서에 나타내지 않은 방식으로 입자회로로 반송될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 미세입자고체 가스화 물질의 가스화를 위하여 다음 변수로 실행되어진다. 중량 데이터 및 부피데이타는 1N㎥의 발생된 생성가스의 부피에 관한 것이다. 따라서 관내에 흐르는 입자의 중량은 7.5㎏이다. 입자는 약 200℃의 온도에서 분배기(41)를 거쳐서 가열기(5)에 공급된다. 연료는 25℃ 온도 및 0.65mWc(수두 m)의 압력에서 연료노즐(25)을 거쳐서 연소실(3)로 공급된다. 이 상황에서 공기예열을 포함하는 3.0Mcal의 열량이 공급된다. 연소공기노즐(26)을 거쳐 공급되는 공기는 공기예열기(13)에서 700℃온도까지 예열되어지며 0.65mWc의 압력하에 공급된다. 가열기(5) 및 연소실(3)에서 가열된 입자는 약1250℃ 온도에서 흐름전달관(7)을 거쳐서 연소실(3)을 떠난다.
공급실(11)을 거쳐서 반응기(1)에는 8.5mWc 압력하 30 ℃온도에서 0.31kg의 비중의 가스화 물질이 공급된다. 140℃의 온도에서 0.34kg의 비중의 가스화제가 동일 압력하에서 공급된다. 1.0N㎥의 비용적으로 반응기에서 발생된 생성가스는 7.5mWc압력 및 1200℃ 온도에서 반응기(1)를 떠난다. 반응기(1)에서 복귀도관(15)을 거쳐 공기예열기(13)로 이송된 입자는 약800℃의 온도에 있다. 공기예열기(13)에 도입된 공기는 0,95mWc의 압력, 약 50℃의 온도 및 6.5N㎥의 비용적을 가진다. 예열기(13)에서 예열된 공기는 연소공기관(31)을 거쳐서 연소공기노즐(26)에 공급되기 위해 0.75mWc압력 및 약 700℃ 온도에서 예열기를 떠난다. 이상황에서 입자는 공기 예열기(13)에서 약 200℃온도까지 냉각되고 여기서부터 이들은 이송도관(43) 및 분배기(41)를 거쳐서 가열기(5)로 환송된다.
상기한 작동공정에서 포화증기가 가스화제로 사용된다. 연료의 소모량에 관해서는, 상기와 같이 다양한 연료가 사용되어질 수 있기 때문에 단지 열량만이 규정될 수 있다. 이들 조건하에서 발생되는 생성가스에 있어서는, 총부피의 약 95%의 CO 및 H2가 얻어질 수 있다.

Claims (37)

  1. 연소실(3)에서 발생된 연소가스에 의해 가열기(5)내 사실상 폐쇄회로내에서 가열되며, 가스화물질 또는 개질된 가스 및 가스화제에 대해 향류로 반응기(1)를 통해 흐르고, 그런 다음 재가열되기 위해 가열기(5)로 복귀되는 열전달입자에 의해 공정열이 공급되는 반응기(1)내에서, 가스화제를 첨가하여 액체 및/또는 미립자고체 가스화물질을 가스화하고 및/또는 가스를 개질하기 위한 공정에 있어서, 입자와 연소가스는 가열기(5)내에 배치된 적어도 하나의 격자(34, 34a, 34b, 34c, 34d, 34e)위에 유동층을 형성하며, 입자는 가열기(5)로부터 흘러나와 인접한 연소실(3)내에 유입하여 거기서 연소가스와 유동층을 형성하면, 입자는 연소실(3)로부터 흐름전달관(7, 7')을 통해 반응기(1)의 상부구역내에 유입하며 그리하여 흐름전달관(7, 7')을 통한 이 통과량이 반응기(1)에서 생성된 생성가스의 통과를 방지하는 시일(밀봉재)을 형성하며, 입자는 반응기(1)내에서 가스화물질 및/또는 개질될 가스와 하나 또는 그이상의 유동층을 형성하는 것을 특징으로 하는 공정.
  2. 제1항에 있어서, 입자의 통과량은 공기콘베이어(40)의 송출량조정에 의해 변경할 수 있고, 반응기(1)내 흐름전달관(7, 7')을 통해서 또한 공기예열기(13)내 흐름전달관(53)에 의해 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 공정.
  3. 제1항에 있어서, 고체가스화물질을 공급실(11)내에 수송하고 거기서 운반가스(이송가스)에 의해 포획되어 그 가스와 함께 적어도 하나의 공급관(9)을 통해 반응기(1)에 공급되게 하는 것을 특징으로 하는 공정.
  4. 제1항에 있어서, 반응기내에 있어 공급실(11)에 인접한 반응기 바닥위 및/또는 하나 또는 둘이상의 격자위에 차례로 배치된 유동층들이 형성되는 것을 특징으로 하는 공정.
  5. 제1항에 있어서, 입자는 가열기(5)내로 다시 수송되기전에 연소실(3)을 위한 연소공기를 예열하기위해 공기예열기(13)를 통과하여 수송되는 것을 특징으로 하는 공정.
  6. 제1항에 있어서, 집괴된 및/또는 회분오염된 입자 또는 회분은 패쇄가능한 배출관(45, 45')을 통해 연소실(3)로부터 제거시킬 수 있는 것을 특징으호 하는 공정.
  7. 제1항에 있어서, 분사효과에 의해 흐름전달관(7, 7')을 통한 통과속도를 증가시키기 위해 제어가스를 제어노즐(49)을 통하여 흐름전달관(7, 7')의 출구개구(46)부근에 공급하는 것을 특징으로 하는 공정.
  8. 제1항에 있어서, 사용되는 고체가스화물질은 미립자 갱내탄, 갈탄, 이탄, 목탄 또는 생체유기물일수 있으며 및/또는 액체가스화물질은 중질 또는 경질 탄화수소 및 알코올일 수 있으며 사용된 가스화제는 예컨대 수증기, 용광로가스등의 CO2함유 폐가스와 같은 H2O 및 CO2함유물질일 수 있는 것을 특징으로 하는 공정.
  9. 제1항에 있어서, 예컨대 천연가스와 같은 가스상 탄화수소를 개질될 가스로 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는 공정.
  10. 제1항에 있어서 연소가스는 연소실(3)에서 약 1350℃ 내지 1500℃의 온도에 도달하는 것을 특징으로 하는 공정.
  11. 제1항에 있어서, 수증기를 가스화제로서 직접 반응기(1)에 공급하는 것을 특징으로 하는 공정.
  12. 제1항에 있어서, 가열기(5) 또는 공기 예열기(13)에 비하여 높은 압력이 반응기(1)내에 형성되는 것을 특징으로 하는 공정.
  13. 제1항에 있어서, 직경 약 0.5㎜ 내지 3㎜ 범위의 실질적으로 구형인 입자를 사용하는 것을 특징으로 하는 공정.
  14. 제1항에 있어서, 산화물 예컨대 산화알루미늄의 입자를 사용하는 것을 특징으로 하는 공정.
  15. 제1항에 있어서, 물을 가스화제로서 반응기(1)에 직접 공급하는 것을 특징으로 하는 공정.
  16. 제1항에 있어서, 반응기(1) 및/또는 가열기(5) 및/또는 공기예열기(13)에 적당한 유동화 속도를 설정함으로써, 격렬히 운동하는 입자에 대한 자정작용이 입자자체에 또한 격자의 표면 및 각 용기의 내표면에 가해지는 것을 특징으로 하는 공정.
  17. 제1항에 있어서, 한 격자(34a, 34b, 34c, 34d, 34e)로부터 낮은 높이에 있는 인접한 격자까지의 입자수송은 소정직경과 소정높이를 가진 적어도 하나의 흐름전달관(37)을 통해 행해지게 하는 것을 특징으로 하는 공정.
  18. 가열기(5), 연소실(3), 반응기(1) 및 가열기에 이르는 입자복귀도관(43)을 갖고 있는, 제1항에 기재된 공정을 실시하기 위한 장치에 있어서, 가열기(5), 연소실(3) 및 반응기(1)는 각각 실질적으로 수직방향으로 배치되어 있으며, 가열기(5)는 연소실(3) 상부에 연소실에 바로 인접하여 배치되어 있고, 적어도 하나의 격자(34a, 34b, 34c, 34d, 34e) 및 그 상부구역에 입자를 위한 분배기(41)를 갖고 있으며, 주변에 분포되어 있는 연료노즐(25)은 연소실(3)의 하부구역에 배치되어 있고 주변에 분포되어 있는 연소공기노즐(26)은 연료노즐하방에 배치되어 있으며, 흐름전달관의 입구개구(42)는 연료노즐(26)의 구역에 배치되어 있으며, 입자를 분배하기 위한 분배장치는 반응기(1)의 상부구역에 배치된 흐름전달노즐(7, 7')의 출구노즐(46)에 인접하여 이격되어 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제18항에 있어서, 분배장치는 흐름전달관(7, 7')의 출구개구(46)에 인접배치된 오리피스판(47)및/또는 분배판(48)을 갖고 있으며 분배판은 출구개구(46) 또는 오리피스판(47)을 통해 작용을 받을 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제18항에 있어서, 제어가스도관(51)에 연결된 적어도 하나의 제어노즐(49)이 출구개구(46)에 인접한 흐름전달관(7, 7')의 구역에 할당배치되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제18항에 있어서, 반응기(1)에는 공급실(11)이 배치되어 있으며, 공급실은 적어도 하나의 공급도관(9)을 통해 반응기에 연결되어 있고 공급실은 운반가스용 연결도관(61)을 가진 하부실(53) 및 하부실위에 배치되고 다공격막(51)에 의해 하부실로부터 분리된 상부실(55)을 갖고 있고 또한 상부실은 가스화물질을 위한 연결도관(63)을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제21항에 있어서, 공급실(11)의 상부실(55)내로 뻗어있고 공급관(9) 및 측방 입구개구(67) 및/또는 출구개구(69)로부터 이격되어 반응기측에 배치된 덮개수단(71)이 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 제21항 또는 22항에 있어서, 가스화제를 위한 적어도 하나의 공급도관이 공급관(9)을 둘러산 외측관(37)에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  24. 제18항에 있어서, 연소실(3)용 연소공기를 예열하기 위한 공기예열기(13)가 실질적으로 수직으로 배치되어 있으며 공기예열기의 상부구역은 복귀도관(15)을 통하여 반응기(1)의 하부구역에 연결되어 있고 그 하부구역은 수송도관(43)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  25. 제18항에 있어서, 연소실바닥은 적어도 하나의 오목구역(44, 44')을 갖고 있으며 그 구역내로 폐쇄가능한 배수관(45, 45')이 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  26. 제18항에 있어서, 반응기(1)은 하나 또는 둘이상의 격자를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  27. 제18항에 있어서, 가열기(5) 및/또는 반응기(1)의 하나 또는 둘이상의 격자(34a, 34b, 34c, 34d)는 실질적으로 육각형세라믹 요소로 구성되어 있으며 그 각 세라믹 요소는 지지요소(35, 35', 35". 35''') 및 그 위에 놓이는 판상 덮개요소(36', 36")를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  28. 유동화가스를 공급하기 위한 통공이 있는, 한 격자(34a) 또는 이격되어 서로 중첩된 수개의 격자(34a, 34b, 34c, 34d)를 갖고 있는 용기로 되어 있으며, 유도층내에서의 고체입자와 유동화가스사이의 열교환을 위한 고온 열교환기에 있어서, 상기 격자는 사실상 육각형인 세라믹요소로 구성되어 있으며, 각 세라믹요소는 지지요소(35, 35', 35", 34''')와 그위에 놓이는 판상 덮개요소(36', 36")를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온열교환기
  29. 제28항에 있어서, 지지요소(35 내지 34''')에는 그 측변부에 교대로, 인접하는 지지요소(35 내지 35''')에 있는 지지요부(353) 및 지지돌출부(352)와 공동작동할, 실질적으로 수평으로 뻗은 지지돌출부(352) 및 지지요부(353)가 있는 것을 특징으로 하는 고온 열교환기.
  30. 제28항에 있어서, 그 하면이 둥근천장형상인 격자(34a 내지 34d)를 구성하기 위해서, 중앙에 배치되는 높이가 작은 지지요소(35)로부터 출발하여 단계적으로 증가하는 높이의 지지요소(35', 35", 35''')가 반경외향 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 고온열교환기.
  31. 제28항에 있어서, 지연요소(35, 35', 35", 35''')는 용기측벽에 고정되어 있는 스프링(358)에 의해 프리스트레스되는 것을 특징으로 하는 고온열교환기.
  32. 제28항에 있어서, 지지요소(35, 35', 35', 35''')는 통공(351)을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 고온열교환기.
  33. 제28항에 있어서, 덮개요소(36, 36')는, 덮개 요소들이 서로서로 지지되도록 하기 위해서, 교대로 상이한 경사각 경사져 뻗은 측벽(361, 362)을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 고온열교환기.
  34. 제28항에 있어서, 덮개요소(36')는 균일히 분포된 다수의 통공(363, 364)을 갖고 있는 것을 특징으로하는 고온열교환기.
  35. 제28항에 있어서, 덮개요소(36'')는 입자수송을 위한 소정 직경 소정높이의 흐름전달관(37)을 갖고 있고 흐름전달관(37)은 중앙공통을 통과하는 것을 특징으로 하는 고온열교환기.
  36. 유동화가스를 공급하기위한 통공이 있는, 한 격자(34a) 또는 이격되어 서로 중첩된 수개의 격자(34a, 34b, 34c, 34d)를 갖고 있는 용기로 되어 있으며, 유동층내에서의 고체입자와 유동화가스사이의 열교환을 위한 고온 열교환기에 있어서, 상기 격자에는 입자수송을 위한 소정직경 및 소정높이의 적어도 하나의 흐름전달관(37)이 배치되어 있고 흐름전달관은 격자(34a, 34b, 34c, 34d)의 중앙통공을 통과하는 것을 특징으로 하는 고온열교환기.
  37. 제36항에 있어서, 흐름전달관(37)은 상기 격자의 덮개요소(36'')상부에 위치하는 큰직경의 흡입구역(371)을 갖고 있으며 및/또는 흐름전달관(37)의 흡입구역(371) 반대쪽단부는 중앙배출개구(373)가 있는 단벽(372)을 갖고 있는 것을 특징으로하는 고온열교환기.
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