WO2011034249A1 - Ｆｔ 슬러리 기포탑 반응기의 반응열 제거용 다단분리형 냉각장치 - Google Patents

Ｆｔ 슬러리 기포탑 반응기의 반응열 제거용 다단분리형 냉각장치 Download PDF

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inner tube
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정헌
천동현
김학주
양정일
양정훈
홍재창
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한국에너지기술연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a multi-stage separation type cooling device for removing the reaction heat of the FT slurry bubble column reactor that can control the temperature of the reaction heat generated during the reaction of the synthesis gas generated in the coal gasifier and the catalyst, more specifically FT slurry
  • a cooling tube containing an inner tube is piped to the bubble column reactor, and a spray hole is formed in the nested inner tube so that the coolant is injected from the spray hole, so that the injected coolant absorbs the heat around and phase changes into steam. It relates to a cooling device using latent heat.
  • the inner tube in the cooling tube is formed of a plurality of multi-pipes and each individual pipe is to be controlled by opening and closing a separate valve, the inner pipe is installed vertically in the reactor to form a different section of the injection hole is formed for each individual pipe
  • the present invention relates to a multi-stage separation type cooling device for removing the reaction heat of the FT slurry bubble column reactor to selectively cool only a specific portion of the reactor.
  • coal indirect liquefaction system is used to prepare a synthetic fuel in the form of wax and finally use it as a raw material for fossil fuels through gasification process-> refining process-> liquefaction process.
  • the gasification process is a process of converting coal into a synthesis gas mainly containing hydrogen and carbon monoxide.
  • the refining process is a process of collecting and desulfurizing the syngas produced through the gasification process and removing various impurities.
  • the liquefaction process is a process of converting the purified syngas to a liquid synthetic fuel by reacting on a catalyst.
  • the synthesis gas is uniformly dispersed in the FT slurry bubble column reactor to react with the iron-catalyst contained in the slurry of the FT slurry bubble column reactor to generate a synthetic fuel.
  • the present applicant has proposed a cooling apparatus using latent heat in Patent Registration No. 0901736.
  • the applied cooling device 1 introduces a cooling tube 4 having an injection tube 3 therein into the reaction chamber of the reactor 2, and extends a plurality of downwardly downward injection tubes.
  • the cooling water supplied through the injection hole formed in the injection pipe is injected into the space between the cooling pipe and the injection pipe, and the injected cooling water absorbs the reaction heat and is evaporated into steam and discharged upward.
  • the registration case is a method of controlling the internal reaction temperature of the reactor by the latent heat of evaporation of the coolant, or part of the water is evaporated when the coolant is supplied as the cooling water supply is downward while closing the lower end of the extended cooling tube. While removing the heat of reaction, but the water is not evaporated flows to the lower portion of the cooling tube and evaporates, so the temperature control of the bottom of the reactor is not well achieved.
  • reaction temperature is different because the reaction amount of the synthesis gas and the catalyst is different depending on the height, it is preferable to precisely control the temperature by dividing the sections by long sections when the length of the reactor is long.
  • the inside of the FT slurry bubble column reactor is partitioned into an upper reaction chamber and a lower introduction chamber by a gas distribution plate, and the partitioned reactor is piped with a cooling tube, which is a double tube having an inner tube of multi-pipes, and the cooling tube is connected to the upper cover of the reaction chamber.
  • the inner tube of the vertically installed and formed inside of the multi-pipe type is composed of a plurality of third cooling tubes having a plurality of injection holes, so that the pipes are piped without inflow of the cooling tube through the reaction chamber sidewall to facilitate installation and maintenance;
  • the transfer pipe in the second cooling pipe is extended to the outside to connect with the cooling water storage tank, and the cooling water stored in the cooling water storage tank is pumped by the circulation pump to be fed back into the reactor, thereby immediately recovering the remaining cooling water and stagnating the cooling water.
  • the purpose is to prevent the overcooling caused by the temperature control.
  • each individual inner tube in the third cooling tube is formed so that the injection port is formed in the section having a different height, each inner tube is controlled by a separate valve to selectively adjust the amount of cooling water injection, thereby increasing the inside of the reactor It is an object to selectively enable temperature control according to.
  • the gas distribution plate is installed inside the reactor to partition the inner space into the lower introduction chamber and the upper reaction chamber, partitioned space
  • the multi-stage separation type cooling device for removing the reaction heat of the FT slurry bubble column reactor to control the temperature of the reaction heat generated when the synthesis gas generated in the coal gasifier is supplied by the cooling tube to react with the catalyst.
  • Two to five pipes are individually piped into the first to third cooling pipes, and a plurality of injection holes are formed in the pipe to be piped inside the third cooling pipe, and the injection holes are different from other adjacent pipes. It is formed in the section having a different height and the inner tube for spraying the coolant by spraying the coolant to absorb the ambient heat to change phase into steam.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a multi-stage separation type cooling device for removing the reaction heat of the FT slurry bubble column reactor according to the present invention.
  • FIG. 2 and 3 are enlarged views of portion A of FIG. 1 and B-B cross-sectional views.
  • Figure 4 is a schematic diagram showing a piping state of the first and second inner tube according to an embodiment of the present invention.
  • 5 and 6 is a block diagram showing a multi-stage separation type cooling apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a cooling tube for removing the reaction heat of the conventional FT slurry bubble column reactor.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a multi-stage separation type cooling device for removing the reaction heat of the FT slurry bubble column reactor according to the present invention
  • Figures 2 and 3 is a cross-sectional view showing a portion A
  • BB cross-sectional view of FIG. 4 is a schematic diagram showing a pipe state of the first and second inner tube according to an embodiment of the present invention.
  • the multi-stage separation type cooling device 10 for removing the reaction heat of the FT slurry bubble column reactor receives a synthesis gas from a coal gasifier and reacts with a catalyst to generate a synthetic fuel, and heat of reaction is generated in this process. It is a device to control the temperature in the reactor.
  • the reactor 20 is composed of a main body 21 of the cylinder, and upper and lower cover 22, 23 coupled to the upper and lower portions of the main body, respectively, and the gas distribution plate between the lower cover 23 and the body 21 (24) was installed to divide the inner space into a lower introduction chamber (26) and an upper reaction chamber (25).
  • the introduction chamber 26 is supplied with the synthesis gas generated by the coal gasifier to distribute the synthesis gas to the upper reaction chamber through the gas distribution plate, and the reaction chamber is loaded with the synthesis Allow reaction with gas.
  • the reactor 20 is installed in the reactor 20 to remove the reaction heat generated in the reaction of the synthesis gas and the catalyst to maintain a temperature suitable for the synthesis fuel production.
  • the cooling device 10 is configured by piping a cooling tube 30 of a double tube type having an inner tube 40 inside the reactor.
  • the cooling pipe 30 is the first cooling pipe 31 which is horizontally piped to the upper cover 22 of the reactor, and the horizontal pipe to the introduction chamber 26 of the reactor, one end is expressed to the outside and the exposed end Outlet 321 is formed with a second cooling tube 32 for discharging the phase-changed steam of the cooling water, and a plurality of third cooling tube 33 for vertically connecting the first cooling tube and the second cooling tube. Is done.
  • the first cooling tube 31 and the second cooling tube 32 are piped to be widely distributed in the vertical section of the reactor. That is, the first cooling pipe 31 and the second cooling pipe 32 are inserted into the reactor from the outside or the main pipe 34 discharged to the outside from the inside of the reactor, and the main pipe is in communication with and widely distributed in the reactor cross section It is composed of an auxiliary pipe 35, the auxiliary pipe 35 may be formed in a variety of forms such as a circle, a grid or a plurality of concentric circles shown in FIG.
  • An inlet 311 is formed at the end of the first cooling tube 31 to the outside to allow the inflow of cooling water, and the outlet 321 formed at the end of the second cooling tube 32 during the cooling process. Discharge the generated steam.
  • the third cooling tube 33 is to communicate with the first cooling tube installed on the upper side of the reactor and the second cooling tube installed on the lower side, as shown in Figure 4 a plurality of vertical installation and fixed to each other Piping at intervals is preferred to facilitate temperature control in the reactor.
  • a plurality of inner tubes 40 are piped inside the first to third cooling tubes 31, 32, and 33, and an injection hole 401 is formed in the inner tube located inside the third cooling tube 33.
  • the cooling water flowing into the inner tube is injected through the injection hole.
  • the number of inner tubes installed in the cooling pipe is formed in two to five to subdivide the reactor section in multiple stages so that the cooling water is sprayed.
  • the number of the inner pipe is to increase the number of pipes as the length of the reactor is increased so that the segmentation is possible, if the number of the inner pipe exceeds 5, the coolant injection angle is restricted by the other inner pipe is even injection of the coolant It is preferable to make the injection within the above range with difficulty.
  • the inner tube 40 is formed of three tubes, such as the first to third inner tubes (41, 42, 43) as shown.
  • the first inner tube 41 is piped inside the first to third cooling tubes and communicated with one passage, and the second inner tube 42 and the third inner tube 33 are also the same as the first inner tube.
  • 3 Inside the cooling pipes are piped as independent flow paths.
  • the inner tube 40 has a plurality of injection holes 401 is formed in the tube located in the third cooling tube 33 to allow the injection of the cooling water flowing into the inner tube.
  • the diameter of the inner tube 40 which is a bundle of three tubes having different flow paths, is smaller than 1/2 of the inner diameter of the cooling tube 30, so that a sufficient gap is formed between the inner tube and the cooling tube. It is desirable to.
  • the gap is used as a space in which the coolant can be injected by the injection hole described later, or as a space for discharging the phase-changed steam.
  • the injection hole 401 formed in the first to third inner pipe (41, 42, 43) may be formed in a section having a different height and the other adjacent adjacent tubular body. Since the cooling water sprays a part of the cooling water while sequentially passing through the plurality of injection holes 401, the amount of cooling water gradually flowing to the inner tube is reduced, thereby lowering the injection pressure. Therefore, in order to prevent a difference in temperature control that may occur as the amount of cooling water injected at the first injection hole and the amount of the cooling water injected at the last time is different, the present invention forms a different location of the injection hole formed in each inner tube to maximize each section. The same cooling water is sprayed to minimize the temperature difference due to the reduced injection volume.
  • the first inner tube 41 forms an injection hole in section a of the drawing
  • the second inner tube 42 is shown in FIG.
  • the injection port is formed in the section b
  • the third inner tube 43 may form the injection hole in the section c of the drawing so that the injection is performed at the same pressure in each section.
  • the inner tube 40 can be further divided into a multi-stage separation section forming the injection hole.
  • the inner tube 40 has a smaller inner tube diameter in the second cooling tube 32 through which the coolant is discharged after injection is made through the injection hole than the inner tube diameter in the first cooling tube 31 into which the coolant flows into the reactor. can do.
  • the inner tube of the third cooling tube is formed in the same part as the inner tube diameter of the first cooling tube is formed in the injection hole, the end of the injection hole is formed to be the same as the inner tube diameter in the second cooling tube, the injection hole
  • the diameter of the inner tube is formed can be made gradually smaller. As such, the change in the inner tube diameter is such that the diameter is made smaller by the amount of the cooling water discharged through the injection hole, thereby preventing the lowering of the injection pressure of the next injection hole by the cooling water lost by the injection.
  • the plurality of injection holes formed in the first to third inner pipes are formed to be gradually widened from the inner circumferential surface of the inner pipe to the outer circumferential surface such that the cooling water is sprayed in a wide range by the pressure.
  • the reaction is actively performed in the reactor, the relatively high heat dissipation portion can be formed in a narrower forming interval of the injection hole than the other portion to increase the injection amount of the cooling water.
  • the injection holes 401 are formed so that a plurality of injection holes are formed on the same horizontal line, or as shown in the enlarged view of FIG. 2 or by arranging the injection holes 401 in a spiral along the inner tube 40, one on the same horizontal line Only injection holes can be formed. As such, only one injection hole is formed on the same horizontal line, which is advantageous in that injection may be easily performed even at a relatively low internal pressure than that of a plurality of injection holes formed.
  • the cooling device 10 may further include a circulation pipe 50 for recovering and re-supplying the remaining cooling water.
  • the circulation pipe 50 is a pipe that is piped outside the reactor, one end of which communicates with the inner tube in the first cooling tube 31, and the other end thereof communicates with the inner tube of the second cooling tube 32.
  • the circulating pipe 50 piped in this way supplies the cooling water to the first cooling tube side, sprays through the injection port, and immediately recovers the remaining cooling water from the second cooling tube side, and supplies it back into the reactor through the first cooling tube side.
  • the cooling water storage tank 60 is further installed on the flow path of the circulation pipe 50 to temporarily store the recovered cooling water and to replenish the cooling water consumed by being injected into the reactor.
  • the pump 80 is installed on the flow path of the circulation pipe so that the supply amount of the cooling water can be adjusted according to the degree of operation of the pump.
  • the supply amount of the cooling water can be adjusted by a valve in addition to the pump.
  • the valve 80 may be installed in one circulation pipe 50 as shown in FIG. 5 to adjust the amount of cooling water injected by controlling the cooling water pressure of the inner tube by adjusting the valve.
  • the valve may be installed in the circulation pipe of the cooling water inlet portion, but it is preferable to be installed in the discharge portion after being injected into the reactor as shown to facilitate the pressure control by the pump.
  • a valve 80 may be mounted on each of the plurality of inner tubes installed in the reactor cooling tube to selectively adjust the coolant pressure in the plurality of inner tubes to vary the amount of cooling water injected.
  • the plurality of inner pipe 40 is formed in each of the injection holes in the section having a different height, and the temperature sensor is mounted in the vicinity of the injection hole formed in each of the inner pipe, the value measured by measuring the reaction temperature in the temperature sensor mounting portion By opening and closing the associated valves by means of temperature regulation in the reactor can be made in part.
  • the cooling pipe 30 pipe in the FT slurry bubble column reactor 20 of the present invention, as shown in the drawings, the first cooling pipe 31 is in the upper cover 22 which is the upper space of the slurry layer containing the catalyst
  • the second cooling tube 32 is piped to the introduction chamber 26 inside the lower cover 23 so that only the third cooling tube 33 is vertically installed in the substantial reaction space of the reaction chamber. This effect on gas fluid behavior can be minimized.
  • the cooling device 10 is manufactured and maintained by making the connecting portion for supplying or discharging the cooling water into the reactor through the upper and lower lids 22 and 23 instead of the main body 21 of the reactor. Maintenance can be made easily.
  • the synthesis gas introduced into the introduction chamber 26 of the FT slurry bubble column reactor 20 is distributed and supplied to the reaction chamber 25 through the gas distribution plate 24.
  • Synthetic gas supplied to the reaction chamber is raised by bubbling type, that is, gas fluid behavior, and reacts with the catalyst contained in the reactor's flow slurry to produce synthetic fuel.
  • the synthesis fuel generation reaction is an exothermic reaction by syngas (CO + H 2 ) and iron (Fe) -catalyst, thereby raising the temperature of the reaction chamber.
  • the temperature of the reactor is increased, it is out of the range of about 200 to 350 ° C., which is a preferable temperature for the production of synthetic fuel, and the generation of methane gas and carbon dioxide is increased, thereby lowering the production rate of synthetic fuel.
  • the cooling device 10 flows into the reactor through the inner tube 40 of the first cooling tube 31 and descends vertically through the inner tube of the third cooling tube 33. It passes through the reaction chamber 25 in which a catalytic reaction takes place, and is conveyed to the inner tube in the 2nd cooling tube 32 of the introduction chamber 26. As shown in FIG. 5, the cooling device 10 flows into the reactor through the inner tube 40 of the first cooling tube 31 and descends vertically through the inner tube of the third cooling tube 33. It passes through the reaction chamber 25 in which a catalytic reaction takes place, and is conveyed to the inner tube in the 2nd cooling tube 32 of the introduction chamber 26. As shown in FIG.
  • the cooling water pressure in the inner tube 40 is increased to increase the injection amount of the cooling water through the injection hole 401 formed in the inner tube. That is, the cooling water is injected into the space between the inner circumferential surface of the third cooling tube 33 and the outer circumferential surface of the inner tube 40, and the injected cooling water absorbs heat transferred to the cooling tube to change into steam, and the phase-changed steam is second It is discharged to the outside through the discharge port 321 formed at one end of the cooling pipe (32).
  • the inner tube 40 is composed of three tubes of the first to third inner tubes (41, 42, 43), the injection hole formed in the first inner tube 41 is sprayed to the section a shown, The injection hole formed in the second inner tube 42 is sprayed in the section b shown, the injection hole formed in the third inner tube 43 is sprayed in the section c shown is made of the injection of the coolant at the same pressure in each section It can be.
  • the remaining cooling water injected into the injection hole 401 is recovered through the circulation pipe 50 communicated with the inner tube in the second cooling tube and collected in the cooling water storage tank 60, and the reactor 20 by pumping the pump. It can be re-supplied to the inner tube (40).
  • the inner tube for injecting the cooling water in the cooling tube is installed, the cooling water is injected into the space between the cooling tube and the inner tube and the injected cooling water absorbs the reaction heat transferred through the cooling tube and evaporates to change phase into steam. It is done.
  • the phase change method using the latent heat of evaporation is to increase the cooling efficiency more than the conventional method using only cooling water.
  • bubbles in the reaction chamber are introduced into the reactor through the gas introduction chamber and the upper cover to avoid the inner part of the reaction chamber body in which the cooling water flows into the FT slurry bubble column reactor and the reaction of the synthesis gas with the catalyst. Minimize the interference to the ring behavior, and can be made easy to install and maintain the cooling tube.
  • the inner tube inside the cooling tube is formed by a multi-pipe equipped with each individual valve, and the injection holes formed in each inner tube are formed in sections having different heights, thereby precisely controlling the temperature by controlling the injection amount of the cooling water for each section.
  • the injected cooling water and the phase-change steam can be immediately discharged to the lower outlet to prevent the supercooling of the reactor due to excessive injection.

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Abstract

본 발명은 석탄 가스화기에서 생성된 합성가스와 촉매와의 반응시 발생되는 반응열의 온도를 제어할 수 있는 FT 슬러리 기포탑 반응기에 배관된 냉각관 내의 내관을 다수개의 다관으로 형성하고 각 개별관은 별도의 밸브에 의해 개폐가 조절가능하도록 하되, 반응기에 수직으로 설치되는 내관에는 각 개별 관체마다 분사구가 형성되는 구간을 서로 다르게 형성하여 반응기의 특정부위만을 선택적으로 냉각작용이 이루어지도록 하는 FT슬러리 기포탑 반응기의 반응열 제거용 다단분리형 냉각장치에 관한 것이다.

Description

ＦＴ 슬러리 기포탑 반응기의 반응열 제거용 다단분리형 냉각장치
본 발명은 석탄 가스화기에서 생성된 합성가스와 촉매와의 반응시 발생되는 반응열의 온도를 제어할 수 있는 FT 슬러리 기포탑 반응기의 반응열 제거용 다단분리형 냉각장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 FT슬러리 기포탑 반응기에 내관이 내포된 냉각관을 배관하고, 상기 내포된 내관에는 분사구를 형성하여 상기 분사구에서 냉각수가 분사되도록 함으로써, 상기 분사된 냉각수가 주위의 열을 흡수해 스팀으로 상변화가 이루어지게 하는 잠열을 이용한 냉각장치에 관한 것이다. 특히 상기 냉각관 내의 내관을 다수개의 다관으로 형성하고 각 개별관은 별도의 밸브에 의해 개폐가 조절가능하도록 하되, 반응기에 수직으로 설치되는 내관에는 각 개별 관체마다 분사구가 형성되는 구간을 서로 다르게 형성하여 반응기의 특정부위만을 선택적으로 냉각작용이 이루어지도록 하는 FT슬러리 기포탑 반응기의 반응열 제거용 다단분리형 냉각장치에 관한 것이다.
일반적으로, 석탄을 주원료로 가스화공정-->정제공정-->액화공정을 통해 최종적으로 왁스형태의 합성연료를 제조하여 화석연료의 원료로 사용할 수 있도록 하는 것이 석탄 간접 액화 시스템이다.
여기서 가스화공정은 석탄을 수소와 일산화탄소를 주로 포함하는 합성가스로 변환하는 공정이다. 그리고 정제공정은 가스화공정을 통해 제조된 합성가스를 집진 및 탈황(黃)하고, 각종 불순물을 제거하는 공정이다. 마지막에서 액화공정은 정제된 합성가스를 촉매 상에서 반응시켜 액상 합성연료로 변환하는 공정이다.
상기에서 액화공정을 수행하기 위해서는 상기 FT 슬러리 기포탑 반응기로 합성가스를 균일하게 분산시켜 FT 슬러리 기포탑 반응기의 슬러리에 함유된 철-촉매와 반응하도록 하여 합성연료를 생성한다.
이러한 FT 슬러리 기포탑 반응기는 합성가스(CO + H2)와, 철(Fe)-촉매가 반응하면 합성연료가 생성되는데 이 때 발열에 의해 FT 슬러리 기포탑 반응기 내부 온도가 상승하게 된다. 상기 반응기의 내부온도가 상승하면 메탄가스와 에탄, 프로판 등의 가스 생성물 발생이 증가하여 액체 연료와 왁스의 생성이 저하된다. 또한 반응 온도가 높게 유지되면 촉매의 비활성화가 빨리 일어나게 되어 촉매의 수명이 단축된다. 따라서 상기 FT 슬러리 기포탑 반응기의 내부 온도를 일정하게 유지하는 것이 선행되어야 한다.
상기 반응기 내부의 온도를 일정하게 유지시키기 위한 방법으로는 내부에 물 또는 스팀을 순환시키는 냉각관을 배관시키는 방법이 사용되었으나, 이러한 구조는 냉각관에 많은 량의 냉각수를 공급해야 함은 물론 물을 계속해서 순환시켜야 하기 때문에 에너지가 많이 소비되고, 냉각 효율 또한 매우 떨어지며, 그 결과 냉각관의 단면적을 늘리기 위해 관의 개수가 많아지게 된다.
이에 본 출원인은 특허등록 제0901736호에서 잠열을 이용한 냉각장치를 제시하였다. 도 7을 참조한 바와같이 출원된 냉각장치(1)는 내부에 분사관(3)이 내입된 냉각관(4)을 반응기(2)의 반응실로 유입하고, 하향으로 다수개를 연장형성하여 분사관으로 냉각수를 상측에서 하측으로 공급하면서 분사관에 형성된 분사구를 통해 공급된 냉각수를 냉각관과 분사관 사이의 공간으로 분사되도록 하고, 분사된 냉각수를 반응열을 흡수하여 스팀으로 증발되어 상측으로 배출되는 구조를 제공하였다.
그러나, 상기 등록건은 냉각수의 증발 잠열로 반응기의 내부 반응온도를 조절하는 방식이나, 연장된 냉각관의 하단을 폐구한 상태로 냉각수 공급이 하향으로 이루어짐으로 냉각수를 공급하였을 때 일부의 물은 증발하면서 반응열을 제거하지만 증발되지 않은 물은 냉각관 하부로 흐르다가 증발하기 때문에 반응기 하부의 온도 조절이 잘 이루어 지지 않는다.
또한, 반응기는 높이에 따라 합성가스와 촉매의 반응량이 다름으로 반응온도도 서로 다르게 형성하기 때문에 반응기의 길이가 긴 경우 구간별로 나누어 온도를 제어하는 것이 정밀한 온도조절을 위해 바람직하다 .
따라서, 필요한 만큼의 냉각수만 분사됨은 물론 다양한 반응온도에 대응하여 적절한 온도를 유지시킬 수 있는 장치에 대한 연구가 필요하다.
이에 본 발명에 따른 FT 슬러리 기포탑 반응기의 반응열 제거용 다단분리형 냉각장치는,
FT슬러리 기포탑 반응기의 내부를 가스분산판에 의해 상부 반응실과 하부 도입실로 구획하고, 상기 구획된 반응기에는 다관으로 된 내관을 갖는 이중관인 냉각관을 배관하되, 상기 냉각관은 반응실 상부 덮개에 수평설치되어 이송관을 유입시키는 제1냉각관과, 도입실에 수평설치되어 스팀을 배출하는 제2냉각관과, 상기 제1냉각관과 제2냉각관을 연통시키도록 가스분산판을 삽통하여 수직설치되고 내부에 형성된 다관형태의 내관에는 다수의 분사구가 형성된 다수의 제3냉각관으로 구성함으로써 반응실 측벽을 통한 냉각관의 유입없이 배관되어 설치 및 유지보수를 용이하게 하였으며; 제2냉각관 내의 이송관을 외부로 연장시켜 냉각수저장탱크와 연결하고, 상기 냉각수저장탱크에 저장된 냉각수는 순환펌프에 의해 펌핑되어 반응기로 재공급되도록 함으로써 분사하고 남은 냉각수를 즉시 회수하여 냉각수의 정체로 인한 과냉각을 방지하여 온도조절이 용이하게 이루어지도록 한 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 제3냉각관 내의 각 개별 내관은 서로 다른 높이를 갖는 구간에서 분사구가 형성되도록 하고, 각 내관은 별도의 밸브에 의해 조절되게 하여 냉각수 분사량을 선택적으로 조절가능하게 함으로써, 반응기 내부를 높이에 따라 선택적으로 온도조절이 가능하게 한 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 FT 슬러리 기포탑 반응기의 반응열 제거용 다단분리형 냉각장치는,
통체의 본체와, 상기 본체의 상하부에 각각 결합되는 상하부덮개로 구성되는 반응기를 수직설치하고, 상기 반응기의 내부에는 가스분산판을 설치하여 내부공간을 하부 도입실과 상부 반응실로 구획하고, 구획된 공간에는 냉각관을 배관하여 상기 냉각관에 의해 석탄 가스화기에서 생성된 합성가스를 공급받아 촉매와 반응시킬 때 발생되는 반응열의 온도를 제어하도록 한 FT 슬러리 기포탑 반응기의 반응열 제거용 다단분리형 냉각장치에 있어서, 상기 반응기의 상부덮개 내에 수평 배관되는 제1냉각관과; 상기 반응기의 도입실에 수평배관되고 일단이 외부로 표출되며 표출된 단부에 배출구가 형성되어 상변화된 스팀을 배출하도록 하는 제2냉각관과; 상기 제1냉각관과 제2냉각관을 수직으로 연결하는 다수의 제3냉각관과; 상기 제1 내지 제3냉각관의 내부에 2 내지 5개의 관체가 각각 개별적으로 배관되고, 상기 제3냉각관 내부에 배관되는 관체에는 다수의 분사구가 형성되데, 상기 분사구는 인접된 다른 관체와 서로 다른 높이를 갖는 구간에서 형성되어 냉각수를 분사해 분사된 냉각수가 주위열을 흡수해 스팀으로 상변화되게 하는 내관;을 포함하여 구성된다.
도 1은 본 발명에 따른 FT 슬러리 기포탑 반응기의 반응열 제거용 다단분리형 냉각장치를 도시한 구성도.
도 2와 도 3은 도 1의 A부분 확대도와, B-B 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제1 및 2내각관의 배관상태를 도시한 개략도.
도 5와 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다단분리형 냉각장치를 도시한 구성도.
도 7은 종래의 FT 슬러리 기포탑 반응기의 반응열 제거용 냉각관을 도시한 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 냉각장치
20 : 반응기
21 : 본체 22 : 상부덮개 23 : 하부덮개
24 : 가스분산판 25 : 반응실 26 : 도입실
30 : 냉각관
31 : 제1냉각관 32 : 제2냉각관 33 : 제3냉각관
34 : 주관 35 : 보조관
311 : 유입구 321 : 배출구
40 : 내관
41 : 제1내관 42 : 제2내관 43 : 제3내관
401 : 분사구
50 : 순환관
60 : 냉각수저장탱크
70 : 펌프
80 : 밸브
이하에서는 본 발명에 따른 FT 슬러리 기포탑 반응기의 반응열 제거용 다단분리형 냉각장치에 관하여 첨부되어진 도면과 함께 더불어 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 FT 슬러리 기포탑 반응기의 반응열 제거용 다단분리형 냉각장치를 도시한 구성도이고, 도 2와 도 3은 도 1의 A부분 확대도와, B-B단면을 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제1 및 2내각관의 배관상태를 도시한 개략도이다.
도시된 바와같이 본 발명에 따른 FT 슬러리 기포탑 반응기의 반응열 제거용 다단분리형 냉각장치(10)는 석탄가스화 장치에서 합성가스를 공급받아 촉매와 반응시켜 합성연료를 생성하고 이 과정에서 반응열이 발생된 반응기 내의 온도를 제어할 수 있도록 한 장치이다.
여기서 상기 반응기(20)는 통체의 본체(21)와, 상기 본체의 상하부에 각각 결합되는 상하부 덮개(22,23)로 구성되고, 상기 하부덮개(23)와 본체(21) 사이에 가스분산판(24)을 설치하여 내부공간을 하부 도입실(26)과 상부 반응실(25)로 구획하였다. 이러한 구조에서 상기 도입실(26)에는 석탄 가스화기에서 생성된 합성가스를 공급하여 합성가스가 가스분산판을 통해 상부의 반응실로 분산공급하도록 하고, 상기 반응실에는 촉매가 적재되어 있어 공급되는 합성가스와 반응이 이루어지도록 한다.
또한, 상기 반응기(20)에는 냉각장치(10)를 설치하여 합성가스와 촉매의 반응에서 생성된 반응열을 제거해 합성연료 생성에 적합한 온도를 유지하도록 한다.
상기 냉각장치(10)는 내부에 내관(40)을 갖는 이중관 형태의 냉각관(30)을 반응기 내에 배관하여 구성된다. 상기 냉각관(30)은 반응기의 상부덮개(22)에 수평으로 배관되는 제1냉각관(31)과, 상기 반응기의 도입실(26)에 수평배관되고 일단은 외부로 표출되며 표출된 단부에 배출구(321)가 형성되어 냉각수가 상변화된 스팀을 배출하도록 하는 제2냉각관(32)과, 상기 제1냉각관과 제2냉각관을 수직으로 연결하는 다수의 제3냉각관(33)으로 이루어진다.
상기 제1냉각관(31)과 제2냉각관(32)은 수직설치된 반응기 단면에 넓게 분포되도록 배관된다. 즉, 상기 제1냉각관(31)과 제2냉각관(32)은 외부로부터 반응기 내부로 삽통 또는 반응기 내부에서 외부로 배출되는 주관(34)과, 상기 주관과 연통되고 반응기 단면에 넓게 분포되는 보조관(35)으로 구성되며, 상기 보조관(35)은 도 4에 도시된 형태인 원으로 하거나, 격자 또는 다수의 동심원등 다양한 형태로 형성할 수 있다. 상기 제1냉각관(31)의 외부로 표출된 단부에는 유입구(311)가 형성되어 냉각수의 유입이 이루어지도록 하고, 상기 제2냉각관(32)의 단부에 형성된 배출구(321)는 냉각과정시 발생된 스팀을 배출하도록 한다.
또한, 제3냉각관(33)은 반응기의 상측에 설치된 제1냉각관과 하측에 설치된 제2냉각관을 서로 연통시키는 것으로, 도 4에 도시된 바와같이 다수개를 수직설치하고 이 들을 서로 일정간격으로 배관하여 반응기 내의 온도조절이 용이하게 하는 것이 바람직하다.
다음으로 상기 제1 내지 제3냉각관(31,32,33)의 내부에는 다수개의 내관(40)이 배관되며, 상기 제3냉각관(33) 내부에 위치하는 내관에는 분사구(401)가 형성되어 내관 내부로 흐르는 냉각수가 분사구를 통해 분사되도록 한다. 바람직하게는 상기 냉각관 내의 설치되는 내관의 수는 2 내지 5개로 형성하여 반응기 구간을 다단으로 세분화하여 냉각수의 분사가 이루어지도록 하는 것이다. 여기서 상기 내관의 수는 반응기의 길이가 길어질수록 배관되는 수를 증가시켜 세분화가 가능하도록 한것이나, 내관의 수가 상기 5개를 초과할 경우 냉각수 분사각이 다른 내관에 의해 제약을 받아 냉각수의 고른 분사가 어려움으로 상기 범위 내로 분사하도록 하는 것이 바람직하다.
실시일예를 도시한 도1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 상기 내관(40)은 도시된 바와같이 제1 내지 3 내관(41,42,43) 등 3개 관체로 형성하였다. 상기 제1내관(41)은 제1 내지 3 냉각관의 내부에 배관되어 하나의 유로로 연통되어 있고, 제2내관(42) 및 제3내관(33)도 제1내관과 동일하게 제1 내지 3 냉각관의 내부에 서로 독립된 유로로써 배관된다. 또한, 상기 내관(40)은 제3냉각관(33) 내부에 위치하는 관체에 다수의 분사구(401)가 형성되어 내관 내부로 흐르는 냉각수의 분사가 이루어지도록 한다.
여기서 도 3을 참조한 바와같이 상기 서로 다른 유로를 갖는 3개의 관체 뭉치인 내관(40) 직경은 냉각관(30)의 내부 직경의 1/2보다 작게 형성하여 내관과 냉각관 사이에 갭이 충분히 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 갭은 후술되는 분사구에 의해 냉각수가 분사될 수 있는 공간으로 활용되거나, 상변화된 스팀을 배출하는 공간으로써 활용된다.
또한, 상기 제 1 내지 제3 내관(41,42,43)에 형성된 분사구(401)는 인접된 다른 관체와 서로 다른 높이를 갖는 구간에서 형성되도록 할 수 있다. 이는 냉각수가 다수의 분사구(401)를 순차적으로 통과하면서 냉각수의 일부를 분사하기 때문에 점진적으로 내관으로 흐르는 냉각수의 량이 줄어들어 분사압력도 낮아지게 된다. 따라서, 처음 분사되는 분사구의 냉각수 분사량과 마지막으로 분사되는 냉각수의 분사량이 달라짐에 따라 발생될 수 있는 온도조절의 미차를 방지하기 위해 본 발명은 각 내관에 형성되는 분사구 위치를 달리 형성하여 구간별로 최대한 동일한 냉각수 분사가 이루어지게 함으로써 분사량 감소에 따른 온도 차이를 최소화 한 것이다.
예컨대 도 1을 참조한 바와같이 내관(40,41,42,43)을 3개로 형성할 경우에는 제1내관(41)은 도면의 a구간에 분사구를 형성하고, 제2내관(42)은 도면의 b구간에서 분사구를 형성하고, 제3내관(43)은 도면의 c구간에서 분사구를 형성하여 각 구간에서 동일한 압력으로 분사가 이루어지게 할 수 있다. 물론 상기 내관(40)의 수를 증가시켜 분사구 형성 구간을 더욱 세분화하여 다단으로 분리가 이루어지게 할 수 있다.
또한, 상기 내관(40)은 냉각수가 반응기로 유입되는 제1냉각관(31) 내의 내관 직경보다 분사구를 통해 분사가 이루어진 후의 냉각수가 배출되는 제2냉각관(32) 내의 내관 직경을 더 작게 형성할 수 있다. 이 때 상기 제3냉각관 내의 내관은 분사구형성이 시작된 부분은 제1냉각관 내의 내관직경과 동일하게 형성하고, 분사구가 형성이 끝나는 지점은 제2냉각관 내의 내관지경과 동일하게 형성하며, 분사구가 형성된 내관의 직경은 점진적으로 작게 형성되게 할 수 있다. 이와같이 내관 직경의 변화는 분사구를 통해 배출되는 냉각수의 량만큼 직경을 작게 형성되도록 하여 분사로 소실된 냉각수에 의해 다음 분사구의 분사압력 저하를 방지할 수 있는 것이다.
상기 제1 내지 제3 내관에 형성된 다수의 분사구는 내관의 내주면으로부터 외주면으로 갈수록 점진적으로 넓게 형성되도록 하여 냉각수가 압력에 의해 넓은 범위로 분사되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 반응기 내에서 반응이 활발하게 이루어져 상대적으로 높은 열이 발산되는 부분에는 다른 부분보다 분사구의 형성간격을 좁게 형성하여 냉각수의 분사량이 증가되도록 할 수 있다.
아울러 상기 분사구(401)는 동일한 수평선상에 다수개의 분사구가 형성되도록 하거나, 도 2의 확대한 도면을 참조한 바와같이 내관(40)을 따라 나선으로 분사구(401)를 배열하여 동일 수평선상에 하나의 분사구만 형성되도록 할 수 있다. 이와같이 동일 수평선상에 하나의 분사구만 형성될 형태는 다수개의 분사구가 형성된 형태의 것보다 상대적으로 낮은 내압력에서도 분사가 용이하게 이루어질 수 있는 장점이 있다.
다음으로 도 5를 참조한 바와같이 상기 냉각장치(10)에는 분사하고 남은 잔여 냉각수를 회수하여 재공급하는 순환관(50)이 더 설치될 수 있다. 상기 순환관(50)은 반응기 외부에 배관되는 관체로 일단이 제1냉각관(31) 내의 내관과 연통되고, 타단이 제2냉각관(32) 내의 내관과 연통되어 있다. 이와같이 배관된 순환관(50)은 제1냉각관측으로 냉각수를 공급하고, 분사구를 통해 분사하고 남은 냉각수를 제2냉각관측으로부터 즉시 회수하여 다시 제1냉각관측을 통해 반응기내로 공급한다.
이러한 순환관(50)의 유로상에는 냉각수저장탱크(60)를 더 설치하여 회수된 냉각수를 임시로 저장하고, 반응기 내에서 분사되어 소모된 냉각수를 보충하게 한다. 또한 상기 순환관의 유로상에는 펌프(80)를 설치하여 펌프의 작동 정도에 따라 냉각수의 공급량 조절이 이루어지도록 할 수 있다.
아울러 상기 냉각수의 공급량 조절은 상기 펌프 이외에 밸브에 의해서도 조절이 가능하다. 상기 밸브(80)는 도 5에 도시된 바와같이 하나의 순환관(50)에 설치하여 밸브조절로 내관의 냉각수 압력을 조절하여 분사되는 냉각수의 량을 동시에 조절하도록 할 수 있다. 이때 상기 밸브는 냉각수가 유입되는 부분의 순환관에 설치될 수 있으나, 도시된 바와같이 반응기에 분사된 후 배출되는 부분에 설치되어 펌프에 의한 압력조절이 용이하게 이루어지도로록 하는 것이 바람직하다.
또한, 도 6에 도시된 바와같이 반응기 냉각관 내에 설치된 다수의 내관 각각에 밸브(80)를 장착하여 다수의 내관에서 선택적으로 냉각수 압력을 조절하여 분사되는 냉각수의 량을 서로 다르게 할 수 있다.
즉, 다수 내관(40)에는 서로 다른 높이를 갖는 구간에서 각각 분사구를 형성하고, 각 내관의 분사구가 형성된 인근에는 온도센서를 장착하여, 온도센서가 장착된 부분에서 반응온도를 측정해 측정된 값에 의해 연관된 밸브를 개방 및 닫게 함으로써 반응기 내의 온도조절이 부분적으로 이루어지게 할 수 있다.
한편, 본 발명의 FT 슬러리 기포탑 반응기(20) 내의 냉각관(30) 배관은 도면을 참조한 바와같이 제1냉각관(31)은 촉매가 함유된 슬러리 층의 상부공간인 상부덮개(22) 내에 배관되고, 제2냉각관(32)은 하부덮개(23) 내측인 도입실(26)에 배관되도록 하여 반응실의 실질적인 반응공간에는 제3냉각관(33)만 수직 설치되도록 함으로써, 냉각관 배관이 가스유체거동에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
또한, 상기 냉각장치(10)는 반응기 내부로 냉각수를 공급하거나 배출시키기 위한 연결부분을 반응기의 본체(21)에서 이루어지지 않고 상하부 덮개(22,23)를 통해 이루어지게 함으로써 장치의 제조와 유지 및 보수가 용이하게 이루어지도록 할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 FT 슬러리 기포탑 반응기의 반응열 제거용 다단분리형 냉각장치의 작동에 관하여 첨부되어진 도면과 더불어 간단히 설명하기로 한다.
먼저 FT 슬러리 기포탑 반응기(20)의 도입실(26)로 유입된 합성가스는 가스분산판(24)을 통해 반응실(25)로 분산 공급되도록 한다. 반응실로 공급된 합성가스는 버블링형태 즉 가스유체거동에 의해 상승되면서 반응기의 유동슬러리에 함유되어 있는 촉매와 반응이 이루어지면서 합성연료를 생산한다.
이때 합성연료 생성반응은 합성가스(CO + H2)와, 철(Fe)-촉매에 의한 발열반응임으로 반응실의 온도를 상승시킨다. 이러한 반응기의 온도가 상승되면, 합성연료 생성의 바람직한 온도인 200 ~ 350℃ 정도의 범위를 벗어나게 되어 메탄가스와 이산화탄소의 발생이 증가됨으로 합성연료의 생성율이 저하된다.
따라서, FT 슬러리 기포탑 반응기에 설치된 냉각장치(10)를 통해 반응기 내의 온도를 일정하게 유지되게 함으로써 항시 최적의 합성연료 생성온도를 유지할 수 있도록 한 것이다.
이러한 냉각장치(10)는 도 5에 도시된 바와같이 냉각수는 제1냉각관(31) 내부 내관(40)을 통해 반응기 내로 유입되고, 제3냉각관(33) 내측의 내관을 통해 수직하강하여 촉매반응이 이루어지는 반응실(25)을 통과해 도입실(26)의 제2냉각관(32) 내의 내관으로 이송된다.
이 과정에서 밸브(80)를 작동하여 조이게 되면 내관(40) 내의 냉각수 압력이 증가되어 내관에 형성된 분사구(401)를 통한 냉각수의 분사량이 증가된다. 즉, 냉각수가 제3냉각관(33) 내주면과 내관(40) 외주면 사이의 공간으로 분사되고, 분사된 냉각수는 냉각관으로 전달된 열을 흡수하여 스팀으로 상변화되며, 상변화된 스팀은 제2냉각관(32)의 일단에 형성된 배출구(321)를 통해 외부로 배출된다.
여기서 상기 내관(40)은 제1 내지 제3 내관(41,42,43)의 3개의 관체로 이루어지고, 상기 제1내관(41)에 형성된 분사구는 도시된 a구간으로 분사가 이루어지고, 상기 제2내관(42)에 형성된 분사구는 도시된 b구간에 분사가 이루어지며, 상기 제3내관(43)에 형성된 분사구는 도시된 c구간에 분사가 이루어져 각 구간에서 동일한 압력으로 냉각수의 분사가 이루어질 수 있는 것이다.
또한, 상기 분사구(401)로 분사되고 남은 냉각수는 제2냉각관 내의 내관과 연통된 순환관(50)을 통해 회수되어 냉각수저장탱크(60)로 포집되며, 펌프의 펌핑에 의해 반응기(20) 내의 내관(40)으로 재공급하도록 할 수 있다.
한편, 도 6을 참조한 바와같이 각 내관에 개별적인 밸브(80)를 장착하게 될 경우 c구간의 반응열이 높아지면 c구간에 분사구가 형성된 내관의 밸브를 일부 조여 냉각수의 압력을 증가시켜 냉각수의 분사량이 증가되도록 함으로써, 각 구간별로 개별적인 냉각수 공급량을 조절할 수 있어 반응기 내의 온도를 정밀하게 조절하여 합성연료의 생성효율을 증대시킬 수 있다.
본 발명은, 냉각관에 냉각수를 분사하는 내관을 내설하여 냉각관과 내관 사이의 공간으로 냉각수의 분사가 이루어져 분사된 냉각수가 냉각관을 통해 전달된 반응열을 흡수하여 증발되어 스팀으로의 상변화가 이루어지게 한 것이다. 이와같은 증발잠열을 이용한 상변화 방식은 기존에 냉각수만으로 냉각하던 방식보다 냉각효율을 더욱 증대시킨 것이다. 또한, 냉각수를 FT 슬러리 기포탑 반응기 내로 유입하는 내관 및 냉각관이 합성가스와 촉매와의 반응이 이루어지는 반응실 본체 부분을 피해서 가스 도입실 및 상부덮개를 통해 반응기 내부로 유입됨으로 반응실에서의 버블링 거동에 대한 저해요소를 최소화하고, 냉각관의 설치 및 유지보수가 용이하게 이루어질 수 있다.
특히 상기 냉각관 내부의 내관은 각 개별적인 밸브가 장착된 다관으로 형성하고, 각 내관에 형성되는 분사구는 서로 다른 높이를 갖는 구간에서 형성되도록 함으로서 구간별로 냉각수의 분사량을 조절하여 정밀한 온도조절이 가능하고, 분사한 냉각수 및 상변화된 스팀은 하부 배출구로 즉시 배출하도록 하여 과도한 분사로 인한 반응기의 과냉각을 방지할 수 있다.

Claims (4)

  1. 통체의 본체(21)와, 상기 본체의 상하부에 각각 결합되는 상하부덮개(22,23)로 구성되는 반응기(20)를 수직설치하고, 상기 반응기의 내부에는 가스분산판(24)을 설치하여 내부공간을 하부 도입실(26)과 상부 반응실(25)로 구획하고, 구획된 공간에는 냉각관(30)을 배관하여 상기 냉각관에 의해 석탄 가스화기에서 생성된 합성가스를 공급받아 촉매와 반응시킬 때 발생되는 반응열의 온도를 제어하도록 한 FT 슬러리 기포탑 반응기의 반응열 제거용 다단분리형 냉각장치에 있어서,
    상기 반응기의 상부덮개 내에 수평 배관되는 제1냉각관(31)과;
    상기 반응기의 도입실에 수평배관되고 일단이 외부로 표출되며 표출된 단부에 배출구(321)가 형성되어 상변화된 스팀을 배출하도록 하는 제2냉각관(32)과;
    상기 제1냉각관과 제2냉각관을 수직으로 연결하는 다수의 제3냉각관(33)과;
    상기 제1 내지 제3냉각관(31,32,33)의 내부에 2 내지 5개의 관체가 각각 개별적으로 배관되고, 상기 제3냉각관 내부에 배관되는 관체에는 다수의 분사구(401)가 형성되데, 상기 분사구는 인접된 다른 관체와 서로 다른 높이를 갖는 구간에서 형성되어 냉각수 분사가 이루어지도록 하고, 분사된 냉각수는 주위열을 흡수해 스팀으로 상변화가 이루어지는 내관(40);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 FT 슬러리 기포탑 반응기의 반응열 제거용 다단분리형 냉각장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응기(20) 외부에 배관되고, 일단이 제1냉각관(31) 내의 내관과 연통되고, 타단이 제2냉각관(32) 내의 내관에 연통되어 제2냉각관의 내관으로 배출되는 냉각수를 제1냉각관의 내관으로 재공급하는 순환관(50)과;
    상기 순환관의 유로상에 설치되는 냉각수저장탱크(60) 및 펌프(80);가 더 설치됨을 특징으로 하는 FT 슬러리 기포탑 반응기의 반응열 제거용 다단분리형 냉각장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다수 관체의 집합체인 내관은 각 관체마다 밸브(80)를 장착하여 개별적인 밸브작동에 의해 반응기 구간 별로 냉각수 압력을 조절하여 냉각수 분사량이 조절되도록 한 것을 특징으로 하는 FT슬러리 기포탑 반응기의 반응열 제거용 다단분리형 냉각장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내관(40)의 분사구(401)는 냉각수가 넓은 범위로 분사될 수 있도록 관의 내주면에서 외주면으로 갈수록 직경이 넓게 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 FT 슬러리 기포탑 반응기의 반응열 제거용 다단분리형 냉각장치.
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