KR101745040B1 - 연료 분사기를 사용하는 기화 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

챔버 주위에 배치되는 인클로저를 갖는 기화기를 포함하는 시스템이 제공되며, 인클로저는 상부벽, 바닥벽 및 상기 상부벽과 바닥벽 사이에 있는 측벽을 포함한다. 기화기는 또한 바닥벽에 배치되는 출구, 상부벽에 배치되는 제 1 분사기, 측벽에 배치되는 제 2 분사기를 포함하며, 제 1 및 제 2 분사기는 연료, 산소 또는 이들의 조합물을 챔버 내로 분사하도록 되어 있다.

Description

연료 분사기를 사용하는 기화 시스템 및 방법{GASIFICATION SYSTEM AND METHOD USING FUEL INJECTORS}
본 명세서에 개시되어 있는 주제는 공급 원료의 기화, 보다 구체적으로는, 공급 원료를 기화기 내로 분사하는 것에 관한 것이다.
통합형 기화 복합 사이클(Integrated Gasification Combined Cycle(IGCC)) 발전소는 석탄과 같은 탄화수소 공급 원료부터 에너지를 비교적 청정하게 또한 효율적으로 발생시킬 수 있다. IGCC 기술은 탄화수소 공급 원료를 기화기 안에서 증기와 반응시켜 일산화탄소(CO)와 수소(H2)의 가스 혼합물, 즉 합성 가스로 전환시킬 수 있다. 기화기의 내부 챔버를 통한 유동의 혼합도, 체류 시간 및 균일성은 종종 기화 성능(예컨대, 탄소 전환 효율 및 석탄 처리 용량)에 영향을 주게 된다. 불행하게도, 종래의 기화기에서는 종종 유동의 혼합, 체류 시간 및/또는 균일성이 불량한데, 그리 하여 기화기와 전체 IGCC 발전소의 성능이 나쁘게 된다.
본 발명은 기화기 및 전체 IGCC 발전소의 성능을 개선할 수 있는 기화 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
원래 청구된 발명과 범위적으로 동등한 어떤 실시 형태들이 이하에 요약되어 있다. 이들 실시 형태는 청구된 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니며, 본 발명의 가능한 형태의 간단한 요약만 제공하기 위한 것이다. 사실, 본 발명은 아래에 제시된 실시 형태들과 유사하거나 상이할 수 있는 다양한 형태도 포함할 수 있다.
제 1 실시 형태에서, 시스템은 기화기를 포함하며, 이 기화기는 챔버 주위에 배치되는 인클로저를 포함하고, 이 인클로저는 상부벽, 바닥벽 및 이들 상부벽과 바닥벽 사이에 있는 측벽을 포함한다. 상기 기화기는 또한 상기 바닥벽에 배치되는 출구, 상기 상부벽에 배치되는 제 1 분사기, 및 상기 측벽에 배치되는 제 2 분사기를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 분사기는 연료, 산소 또는 이들의 조합물을 상기 챔버 내로 분사하도록 되어 있다.
제 2 실시 형태에서, 시스템은 기화기를 포함하며, 이 기화기는 기화 챔버 주위에 배치되는 인클로저 및 이 인클로저에 결합되는 출구를 포함하고, 이 출구는 하류 방향으로의 배출을 위한 출구 축선을 포함한다. 상기 기화기는 또한 인클로저에 결합되는 제 1 분사기를 포함하며, 상기 제 1 분사기는 유체를 기화 챔버 내로 분사하기 위한 제 1 분사 축선을 포함하며, 이 제 1 분사 축선은 출구 축선에 수직하지 않으며, 제 1 분사기는 출구로부터 멀리 상류 방향으로 배향되어 있고, 상기 유체는 연료, 산소 또는 이들의 조합물을 포함한다.
제 3 실시 형테에서, 시스템은 기다란 인클로저를 포함하는 기화기를 포함하며, 상기 인클로저는 제 1 단부, 이 제 1 단부의 반대쪽에 있는 제 2 단부 및 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 있는 중간부를 갖는다. 제 1 분사기가 상기 제 1 단부에 결합되며, 제 2 분사기가 상기 중간부에 결합되며, 그리고 출구가 상기 제 2 단부에 결합된다. 상기 출구는 제 1 분사기로부터 길이 방향으로 제 1 거리만큼 오프셋되어 있고, 제 2 분사기는 제 1 분사기로부터 길이 방향으로 제 2 거리만큼 오프셋되어 있으며, 제 2 거리는 제 1 거리의 대략 50% 내지 대략 75% 이다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 양태 및 이점들은 첨부 도면을 참조하는 이하의 상세한 설명을 통해 더 잘 이해할 수 있을 것이며, 도면에서 유사한 기호는 그 도면 전체에 결쳐 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 독특한 구성의 연료 분사기들을 구비하는 기화기를 갖는 통합형 기화 복합 사이클(IGCC) 발전소의 일 실시 형태의 개략적인 블럭도,
도 2는 상부 분사기와 두개의 측면 분사기를 포함하는 도 1의 기화기의 일 실시 형태의 측단면도,
도 3은 경사진 측면 분사기를 포함하는 도 2의 기화기의 일 실시 형태의 측단면도,
도 4는 추가적인 경사진 측면 분사기를 포함하는 도 3의 기화기의 일 실시 형태의 측단면도,
도 5는 경사진 측면 분사기를 포함하는 도 1의 기화기의 일 실시 형태의 측단면도,
도 6은 기화 챔버의 둘레 주위에 배치되는 복수의 분사기를 포함하는 도 1의 기화기의 일 실시 형태의 상단면도.
이하, 본 발명의 하나 이상의 특정 실시 형태를 설명한다. 이들 실시 형태의 간명한 설명을 제공하기 위해, 실제 실시의 모든 요소들이 명세서에 기재되어 있지는 않을 수도 있다. 엔지니어링 또는 설계 프로젝트에서와 같은 이러한 실제 실시의 개발시에, 실시 마다 변할 수 있는 개발자의 특정 목표(시스템 관련 또는 사업 관련 구속 요건에의 부합과 같은)를 이루기 위해 많은 실시 특유의 결정이 내려져야 함을 알아야 한다. 더욱이, 이러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소비적인 것일 수 있는데, 하지만 그럼에도 본 개시의 이익을 얻는 통상적인 기술을 가진 사람들에게는 설계하고 제작하며 제조하는 것은 일상적인 것이 될 것임을 알아야 한다.
본 발명의 다양한 실시 형태의 요소를 소개할 때, "단수" 표현, "그" 및 "상기" 라는 표현은 그 요소가 하나 이상 있음을 의미하는 것이다. "포함한다" 및 "갖는다" 라는 표현은 포괄적인 것으로, 열거된 요소 외의 추가적인 요소가 있을 수 있음을 의미한다.
아래에서 설명하는 바와 같이, 개시되어 있는 실시 형태는 독특하게 배향되어 연료, 산소 또는 이들의 조합물을 기화 챔버 내로 분사하도록 되어 있는 하나 이상의 분사기를 갖는 다분사기 기화기를 포함할 수 있다. 개시되어 있는 실시 형태의 분사기의 독특한 배향은 기화 챔버 전체에 걸쳐 유동의 혼합, 체류 시간 및 균일성을 증가시켜 기화기의 성능(예컨대, 탄소 전환 및 석탄 처리 용량)을 증가시키도록 되어 있다. 예컨대, 분사기들의 독특한 배향은 횡유동 및/또는 대향 유동을 제공하여 기화 챔버 안에서 난류를 증가시키도록 되어 있을 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 분사기들은 기화 챔버를 형성하는 인클로저의 둘레(예컨대, 벽)를 따르는 다양한 위치에 배치될 수 있다. 예컨대, 분사기는 기화기의 출구를 향하는 하류 유동 방향에 대해 횡방향으로 그리고/또는 그 하류 유동 방향과 평행한 방향으로 유동을 분사할 수 있다. 횡유동은 하류 유동 방향에 대해 상류 및/또는 하류로 각도를 이룰 수 있다. 예컨대, 횡유동은 하류 유동 방향에 대해 0 도 보다 크고 90 도 보다 작은 각도를 이룰 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 기화기는 이 기화기의 출구로부터 상류에서 상이한 축선 방향, 반경 방향 및/또는 원주 방향 위치에 있는 하나 이상의 분사기를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 인클로저는 출구에 대해 제 1 상류 위치(예컨대, 인클로저의 상부)에 있는 제 1 세트의 분사기, 출구에 대해 제 2 상류 위치(예컨대, 인클로저의 중간부)에 있는 제 2 세트의 분사기, 및 출구에 대해 제 3 상류 위치(예컨대, 인클로저의 하부)에 있는 제 3 세트의 분사기 등을 가질 수 있다. 각 세트의 분사기들은 상이한 원주 방향 위치에 있는 또한 상이한 분사 각도를 갖는 하나 이상의 분사기(예컨대, 연료 및/또는 산소 분사기)를 포함할 수 있다. 예컨대, 각 세트에 있는 복수의 분사기들은 인클로저의 측벽 주위에 원주 방향으로 서로 이격되어(예컨대, 동일하거나 또는 그렇지 않은 간격으로) 있을 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 상기 각도는 분사기의 분사 축선과 출구를 향하는 하류 유동 방향에 수직한 평면(예컨대, 출구 축선에 수직한 평면) 사이에서 규정될 수 있다.
예컨대, 제 1 세트의 분사기는 상기 평면에 대한 제 1 각도에서 제 1 분사 축선을 따라 유동을 분사하도록 될 수 있다. 일 실시 형태에서, 상기 제 1 각도는 상기 평면에 수직이며(즉, 90 도), 출구를 향하는 하류 유동 방향을 따라 하류 방향으로 배향된다. 그러나, 제 1 각도는 대략 45 내지 90, 60 내지 90, 70 내지 90 또는 80 내지 90 도일 수 있다. 제 2 세트의 분사기는 상기 평면에 대한 제 2 각도에서 제 2 분사 축선을 따라 유동을 분사하도록 될 수 있다. 일 실시 형태에서, 제 2 각도는 0 도 보다 크고 90 도 보다는 작으며, 하류 유동 방향에 대해 상류 방향으로 출구로부터 멀리 배향되어 있다. 다른 실시 형태에서, 제 2 각도는 0 보다 크고 90 도 보다는 작으며, 하류 유동 방향을 따라 출구를 향해 하류 방향으로 배향된다. 어느 실시 형태에서도, 상기 제 2 각도는 상류 및/또는 하류 방향으로 대략 5 내지 85, 10 내지 80, 20 내지 70, 30 내지 60, 40 내지 50, 15 내지 60, 15 내지 45 또는 20 내지 40 도일 수 있다. 제 3 세트의 분사기들은 상기 평면에 대한 제 3 각도에서 제 3 분사 축선을 따라 유동을 분사하도록 될 수 있다. 일 실시 형태에서, 제 3 각도는 0 보다 크고 90 도 보다는 작으며, 하류 유동 방향에 대해 상류 방향으로 출구로부터 멀리 배향된다. 다른 실시 형태에서, 제 3 각도는 0 보다 크고 90 도 보다는 작으며, 하류 유동 방향을 따라 출구를 향해 하류 방향으로 배향된다. 어느 실시 형태에서도, 제 3 각도는 상류 및/또는 하류 방향으로 대략 5 내지 85, 10 내지 80, 20 내지 70, 30 내지 60, 40 내지 50, 15 내지 60, 15 내지 45 또는 20 내지 40 도일 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 제 2 및 제 3 각도 모두는 상류 또는 하류로 향하거나 또는 서로 반대 방향으로(즉, 서로 반대되는 상류 및 하류로) 향할 수 있다. 그러나, 개시되어 있는 실시 형태에서는 어떤 적절한 수와 배열의 분사기라도 사용될 수 있다.
여기에 도시되어 있고 설명되는 다분사기 기화기는 최종 합성 가스가 기화기의 바닥부에 있는 출구를 통해 그 기화기로부터 배출되도록 구성되어 있다. 그러나, 개시되어 있는 실시 형태는 출구가 바닥벽에 있지 않는 다른 다양한 종류의 기화기에도 사용될 수 있다. 구체적으로, 개시되어 있는 실시 형태는 기화 챔버를 통과하는 유동의 방향이 기화기를 통해 위쪽이 되는 동반 유동 기화기와 관련하여 사용될 수도 있다. 이들 시스템에서, 최종 합성 가스는 기화기의 상부벽에 또는 그 근처에 있는 출구에서 나가며, 용융 슬래그는 바닥벽을 통해 나갈 수 있다. 개시되어 있는 실시 형태는 또한 유동층 기화기에도 사용될 수 있다. 마찬가지로, 이러한 장치의 출구는 기화기의 상부벽 근처에 위치될 수 있는데, 왜냐하면 유동 방향이 대체로 위쪽이기 때문이다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은 합성 가스로 작동될 수 있는 통합형 기화 복합 사이클(IGCC) 시스템(100)의 일 실시 형태를 나타내는 다이어그램이다. IGCC 시스템(100)의 요소들은 고체 공급물과 같은 연료원(102)을 포함할 수 있는데, 이 연료원은 IGCC를 위한 에너지원으로서 이용될 수 있다. 연료원(102)은 석탄, 석유 코크, 바이오매스, 목재계 재료, 농업 폐기물, 타르, 코크 오븐 가스 및 아스팔트 또는 탄소를 함유하는 다른 것을 포함할 수 있다.
상기 연료원(102)의 고체 연료는 공급 원료 준비부(104)에 전달될 수 있다. 이 공급 원료 준비부(104)는 공급 원료를 발생시키기 위해 연료원(102)을 자르거나, 분쇄하거나, 잘게 자르거나, 분말화하거나, 연탄화하거나 또는 펠릿화하여 예컨대 그 연료원(102)의 크기나 형상을 다시 잡을 수 있다. 추가적으로, 공급 원료 준비부(104)에 있는 연료원(102)에 물 또는 다른 적절한 액체를 추가하여 슬러리 공급 원료를 생성할 수 있다. 다른 실시 형태에서는 액체가 연료원에 추가되지 않고 그래서 건식 공급 원료가 얻어진다.
공급 원료는 공급 원료 준비부(104)로부터 기화기(106)에 전달될 수 있다. 아래에서 자세히 설명하는 바와 같이, 기화기의 어떤 실시 형태는 그 기화기의 출구쪽으로 향하는 하류 유동 방향에 대해 횡으로 배향되는(예컨대, 상류 및 하류로 각도를 이루는) 복수의 분사기(예컨대, 산소 및 연료 분사기)를 포함한다. 기화기(106)는 공급 원료를 합성 가스, 예컨대 일산화탄소와 수소의 조합물로 전환시킬 수 있다. 이 전환은 사용되는 기화기(106)의 종류에 따라 높은 압력(예컨대, 대략 20 내지 85 bar) 및 높은 온도(예컨대, 대략 700 내지 1600 ℃) 에서 제어된 양의 증기와 산소를 공급 원료에 가하여 이루어질 수 있다. 기화 공정은 공급 원료가 열분해 공정을 받는 것을 포함할 수 있으며, 그리 하여 그 공급 원료는 가열된다. 기화기(106) 내부의 온도는 공급 원료를 발생시키는데 사용되는 연료원(102)에 따라열분해 공정 중에 대략 150 내지 700 ℃ 일 수 있다. 열분해 공정 중에 공급 원료를 가열하면, 고형물(예컨대, 목탄(char)) 및 잔류 가스(예컨대, 일산화탄소, 수소 및 질소)가 발생될 수 있다. 열분해 공정에서 공급 원료로부터 남아 있는 목탄의 중량은 원래 공급 원료의 중량의 대략 30%까지만 일 수 있다.
그리고, 연소 공정이 기화기(106)에서 일어날 수 있다. 연소는 목탄과 잔류 가스에 산소를 공급하는 것을 포함한다. 목탄과 잔류 가스가 그 산소와 반응하여 이산화탄소와 일산화탄소를 형성하는데, 이는 다음 기화 반응을 위한 열을 제공하게 된다. 연소 공정 중의 온도는 대략 700 ℃ 내지 1600 ℃ 일 수 있다. 다음, 기화 단계 중에 증기가 기화기(106) 내로 공급될 수 있다. 대략 800 ℃ 내지 1100 ℃의 온도에서 목탄은 이산화탄소 및 증기와 반응하여 일산화탄소와 수소를 생성할 수 있다. 본질적으로, 기화기는 증기와 산소를 이용하여 공급 원료의 일부를 "연소"시켜 일산화탄소와 에너지를 생성하고, 이에 의해 제 2 반응이 일어나 다른 공급 원료가 수소 및 추가적인 이산화탄소로 전환된다.
이렇게 해서, 최종 가스가 기화기(106)에 의해 만들어진다. 이 최종 가스는 대략 85%의 일산화탄소 및 수소 그리고 CH4, HCl, HF, COS, NH3, HCN 및 H2S를 포함할 수 있다(공급 원료의 황 함량에 기초함). 이 최종 가스는 더러운 합성 가스라고 할 수 있다. 기화기(106)는 습한 재(ash) 물질일 수 있는 슬래그(108)와 같은 폐기물을 또한 발생시킬 수 있다. 이 슬래그(108)는 기화기(106)에서 제거되어 예컨대 도로 건설 재료 또는 다른 건축 자재로서 처리될 수 있다. 더러운 합성 가스를 정화하기 위해 가스 정화부(110)를 이용할 수 있다. 이 가스 정화부(110)는 더러운 합성 가스를 스크러빙(scrubbing)하여 그 더러운 합성 가스로부터 HCl, HF, COS, HCN 및 H2S 를 제거할 수 있으며, 이는 예컨대 황 처리기(112)에서의 산성 가스 제거 공정에 의해 그 황 처리기(112)에서 황(111)을 분리하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 상기 가스 정화부(110)는 물 처리부(114)를 통해 더러운 합성 가스로부터 염(113)을 분리할 수 있으며, 상기 물 처리부는 물 정화 기술을 이용하여 더러운 합성 가스로부터 유용한 염(113)을 발생시킬 수 있다. 이어서, 가스 정화부(110)에서 생긴 가스는 깨끗한 가스, 예컨대 NH3(암모니아) 및 CH4(메탄)을 포함할 수 있다.
가스 처리기(116)를 이용하여, 암모니아와 메탄과 같은 깨끗한 합성 가스 및 메탄올 또는 다른 잔류 화학 물질로부터 잔류 가스 성분(117)을 제거할 수 있다. 그러나, 깨끗한 합성 가스로부터 잔류 가스 성분(117)을 제거하는 것은 선택적인 데, 왜냐하면 잔류 가스 성분(117), 예컨대 테일(tail) 가스를 함유할 때도 상기 깨끗한 합성 가스가 연료로 이용될 수 있기 때문이다. 이때, 깨끗한 합성 가스는 대략 3%의 CO, 대략 55%의 H2, 그리고 대략 40%의 CO2 를 포함할 수 있으며, H2S 는 실질적으로 없다. 이 깨끗한 합성 가스는 가스 터빈 엔진(118)의 연소기(120)(예컨대, 연소실)에 가연성 연료로서 전달될 수 있다.
상기 IGCC 시스템(100)은 공기 분리부(ASU)(122)를 더 포함할 수 있다. ASU(122)는 예컨대 증류 기술로 공기를 성분 가스로 분리할 수 있다. ASU(122)는 보충 공기 압축기(123)로부터 그에 전달되는 공기에서 산소를 분리할 수 있으며, ASU(122)는 그 분리된 산소를 기화기(106)에 전달할 수 있다. 추가적으로, ASU(122)는 분리된 질소를 희박 질소(DGAN) 압축기(124)에 전달할 수 있다.
합성 가스의 적절한 연소를 방해하지 않도록 DGAN 압축기(124)는 ASU(122)로부터 받은 질소를 적어도 연소기(120)내의 압력 수준과 동등한 압력 수준으로 압축할 수 있다. 따라서, 일단 DGAN 압축기(124)가 질소를 적합한 수준으로 적절하게 압축하면, 그 DGAN 압축기(124)는 압축 질소를 가스 터빈 엔진(118)의 연소기(120)에 전달할 수 있다.
전술한 바와 같이, 압축 질소는 DGAN 압축기(124)로부터 가스 터빈 엔진(118)의 연소기(120)에 전달될 수 있다. 가스 터빈 엔진(118)은 연소기(120) 뿐만 아니라 터빈(130), 구동축(131)과 압축기(132)도 포함한다. 연소기(120)는 합성 가스와 같은 연료를 받을 수 있는데, 이 연료는 연료 노즐로부터 가압하에 분사될 수 있다. 이 연료는 DGAN 압축기(124)에서 오는 압축 질소 뿐만 아니라 압축 공기와도 혼합될 수 있고, 연소기(120) 내부에서 연소된다. 이 연소에 의해 고온의 가압된 배기 가스가 생성될 수 있다.
연소기(120)는 배기 가스를 터빈(130)의 배기 출구쪽으로 보낼 수 있다. 연소기(120)에서 나온 배기 가스가 터빈(130)을 통과하면서, 그 배기 가스는 터빈(130)의 터빈 블레이드에 힘을 가하여 가스 터빈 엔진(118)의 축선을 따라 구동축(131)을 회전시킨다. 도시되어 있는 바와 같이, 구동축(131)은 압축기(132)를 포함하여 가스 터빈 엔진(118)의 다양한 구성 요소에 연결되어 있다.
구동축(131)은 터빈(130)을 압축기(132)에 연결하여 로터를 형성할 수 있다. 압축기(132)는 구동축(131)에 결합된 블레이드를 포함할 수 있다. 따라서, 터빈(130)의 터빈 블레이드가 회전하면, 터빈(130)을 압축기(132)에 연결하는 구동축(131)이 압축기(132)내의 블레이드를 회전시키게 된다. 압축기(132)에 있는 블레이드가 이렇게 회전함으로써, 압축기(132)는 이 압축기(132)의 공기 흡입구를 통해 유입된 공기를 압축시킨다. 그리고 나서, 압축 공기는 연소기(120)에 공급되어 연료 및 압축 질소와 혼합되어 더 높은 효율의 연소가 일어날 수 있게 된다. 구동축(131)은 또한 부하(134)에도 연결될 수 있는데, 이 부하는 예컨대 발전소에서 전력을 생산하기 위한 발전기와 같은 정치 부하일 수 있다. 사실, 부하(134)는 가스 터빈 엔진(118)의 회전 출력으로 동력을 공급받는 어떠한 적절한 장치일 수도 있다.
IGCC 시스템(100)은 또한 증기 터빈 엔진(136) 및 열회수 증기 발생(HRSG) 시스템(138)을 포함할 수 있다. 증기 터빈 엔진(136)은 제 2 부하(140)를 구동시킬 수 있다. 이 제 2 부하(140) 역시 전력을 발생시키는 발전기일 수 있다. 그러나, 제 1 부하(134) 및 제 2 부하(140) 둘다는 가스 터빈 엔진(118)과 증기 터빈 엔진(136)으로 구동될 수 있는 다른 종류의 부하일 수도 있다. 추가적으로, 도시된 실시 형태에서 보는 바와 같이, 가스 터빈 엔진(118)과 증기 터빈 엔진(136)은 별개의 부하(134, 140)를 구동시킬 수 있지만, 가스 터빈 엔진(118)과 증기 터빈 엔진(136)은 직렬식으로 이용되어 단일 축을 통해 단일 부하를 구동시킬 수도 있다. 가스 터빈 엔진(118) 뿐만 아니라 증기 터빈 엔진(136)의 특정 구성이 실시 특유적일 수 있으며, 어떠한 부분의 조합도 포함할 수 있다.
상기 시스템(100)은 또한 HRSG(138)를 포함할 수 있다. 가스 터빈 엔진(118)에서 나오는 가열된 배기 가스는 HRSG(138) 내로 전달되어 물을 가열하고 증기 터빈 엔진(136)에 동력을 공급하기 위해 사용되는 증기를 생성하는데 사용될 수 있다. 예컨대 증기 터빈 엔진(136)의 저압부에서 나오는 배출물은 응축기(142)에 보내질 수 있다. 이 응축기(142)는 가열된 물을 냉수와 교환하기 위해 냉각탑(128)을 이용할 수 있다. 이 냉각탑(128)은 차가운 물을 응축기(142)에 제공하여, 증기 터빈 엔진(136)으로부터 응축기(142)에 전달되는 증기를 응축시키는 것을 돕는 작용을 한다. 그리고 응축기(142)에서 나온 응축물은 HRSG(138)에 보내질 수 있다. 다시, 가스 터빈 엔진(118)에서 나온 배출물이 또한 HRSG(138)에 보내져 응축기(142)에서 온 물을 가열하여 증기를 생성할 수 있다.
IGCC 시스템(100)과 같은 복합 사이클 시스템에서, 뜨거운 배출물이 가스 터빈 엔진(118)으로부터 유동하여 HRSG(138)에 전달될 수 있으며, 여기서 고압, 고온의 증기를 발생시키는데 사용될 수 있다. HRSG(138)에 의해 생성된 증기는 그런 다음 발전을 위해 증기 터빈 엔진(136)을 통과할 수 있다. 또한, 생성된 증기는 기화기(106)와 같은 증기가 사용될 수 있는 다른 공정에도 공급될 수 있다. 가스 터빈 엔진(118)의 발생 사이클은 종종 "톱핑(topping) 사이클" 이라고 하며, 증기 터빈 엔진(136)의 발생 사이클은 종종 "보텀밍(bottoming) 사이클" 이라고 한다. 도 1에 도시된 바와 같이 이들 두 사이클을 복합하여, IGCC 시스템(100)은 두 사이클에서 더 큰 효율을 얻을 수 있다. 특히, 톱핑 사이클에서 생기는 배출열을 잡아 보텀밍 사이클에서 사용되는 증기를 발생시키는데 사용할 수 있다.
도 2는 도 1의 IGCC 시스템(100)에 사용되는 기화기(106)의 일 실시 형태의 측단면도이다. 기화기(106)는 축방향 축선 또는 축선 방향(150), 반경 방향 축선 또는 반경 방향(152) 및 원주 방향 축선 또는 원주 방향(154)을 갖는다. 기화기(106)는 이 기화기(106)을 위한 하우징 또는 외부 케이싱으로서 기능하는 인클로저(156)를 포함한다. 이 인클로저(156)는 제 1 단부(158) 및 제 2 단부(160)을 포함한다. 인클로저(156)에 있어서 축선 방향으로 제 1 단부(158)와 제 2 단부(160) 사이에 있는 부분으로 중간부(162)가 규정된다. 제 1 단부(158) 및 제 2 단부(160)는 돔형 상부벽(164) 및 삼각형(예컨대, 원추형) 바닥벽(166)을 각각 갖는다. 축방향 축선(150)에 평행한 측벽(168)(예컨대, 환형 측벽)은 상부벽(164)과 바닥벽(166) 사이의 중간부(162)에 배치된다.
도시된 실시 형태는 인클로저(156) 내부에 동심으로 배치되는 열방벽(170)을 포함한다. 열방벽(170)과 인클로저(156)는 기화기(106)의 외부(174)를 그 기화기(106)의 내부(176)로부터 분리시키는 벽 어셈블리(172)를 형성한다. 내부(176)는 기화 챔버(178)를 포함하는데, 이 기화 챔버 안에서 도 1과 관련하여 전술한 바와 같이 열분해, 연소, 기화 또는 이들의 조합이 일어날 수 있다. 벽 어셈블리(172)는 기화 중에 열전달 및 내부(176)로부터 외부(174)로의 가스 성분의 누출을 막도록 구성되어 있다. 추가적으로, 열방벽(170)은 인클로저(156)의 표면 온도를 원하는 온도 범위 내로 유지하도록 구성될 수 있다. 따라서, 열방벽(170)은 수동 차폐, 능동 냉각 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예컨대, 열방벽(170)이 수동 열 차폐부인 실시 형태에서, 그 열방벽은 대략 500℃, 1000℃, 1500℃ 또는 심지어 2000℃ 까지 또는 그 이상의 온도에 견딜 수 있는 다양한 내화재로 만들어질 수 있다. 즉, 열방벽(170)은 이러한 고온에 노출되더라도 소정의 물리적 및 화학적 특성을 유지할 수 있다면 어떤 재료로도 만들어질 수 있다. 열방벽(170)용으로 사용되는 적절한 내화재는 세라믹(예컨대, 점토 또는 미네랄), 금속(예컨대, 티타늄, 텅스텐), 서멧(즉, 세라믹과 금속의 복합 재료) 또는 다른 내화재(예컨대, 실리카, 알루미늄 산화물)를 포함할 수 있다. 다른 예를 들면, 어떤 실시 형태는 열방벽(170)의 일 구성 요소로서 능동 열 냉각 시스템을 사용할 수 있다. 이러한 실시 형태에서는 냉각관이 온도 저하 목적으로 사용될 수 있다. 즉, 냉각제(예컨대, 냉수)가 하나 이상의 관을 통해 순환되어 인클로저(156)의 표면 온도를 낮출 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 기화기(106)는 기화 챔버(178) 주위에 배치되는 복수의 분사기를 포함할 수 있다. 이들 분사기는 연료, 산소(예컨대, 공기) 또는 연료와 산소의 혼합물을 기화 챔버(178) 내로 분사하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 분사기는 석탄, 석유 또는 바이오매스와 같은 탄소질 재료의 형태로 된 연료를 분사할 수 있다. 사실, 분사기는 기화를 통해 합성 가스를 생성하는데 적합하다면 어떠한 재료(예컨대, 목재와 같은 유기 재료 또는 플라스틱 폐기물)라도 분사할 수 있다. 다른 예를 들면, 분사기는 제어된 양의 산소 및/또는 증기를 단독으로 또는 적절한 연료와 함께 분사할 수도 있다. 용도에 따라, 기화기(106)는 기화 챔버(178) 주위에 배치되는 대략 1개 내지 100개의 그러한 분사기를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시 형태에 따르면, 어떤 적절한 수의 또는 배열의 복수의 분사기라도 기화기(106)에 사용될 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 기화기(106)는 축선(150, 152, 154)에 대해 상이한 축선 방향, 반경 방향 및/또는 원주 방향 위치에 있는 하나 이상의 분사기를 포함할 수 있다. 도 2에 도시되어 있는 실시 형태에서, 제 1 분사기(180)(또는 제 1 세트의 복수 분사기)가 인클로저(156)의 제 1 단부(158)의 상부벽(164)에 배치되어 있다. 제 2 분사기(182) 및 제 3 분사기(184)(제 2 세트의 복수 분사기)가 인클로저(156)의 중간부(162)의 측벽(168)에서 직경 방향으로 서로 대향하여 배치되어 있다. 즉, 제 2 분사기(182)와 제 3 분사기(184)는 제 1 분사기(180)로부터 같은 반경 방향 거리를 두고 위치하되, 기화기(106)의 길이 방향 축선(186)의 양 반대쪽에 배치된다. 제 1 분사기(180)는 출구(187)로부터 길이 방향으로 제 1 거리(188) 만큼 오프셋(offset)되어 있다. 제 2 분사기(182)는 제 1 분사기(180)로부터 제 2 거리(189) 만큼 오프셋되어 있다. 어떤 실시 형태에서는, 제 2 거리(189)는 제 1 거리(188)의 대략 25 내지 75, 25 내지 50 또는 50 내지 75%(예컨대, 제 1 거리의 대략 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70 또는 75%)일 수 있다. 마찬가지로, 제 3 분사기(184) 역시 제 1 분사기(180)로부터 길이 방향으로 거리(189) 만큼 오프셋되어 있을 수 있다,
도 2에 도시되어 있는 실시 형태에서, 두 분사기(182, 184)는 기화기(106)의 측벽(168)에 배치된다. 그러나, 다른 실시 형태에서는, 어떤 수의 분사기라도 기화기(106)의 측벽(168)의 둘레 주위에 원주 방향(예컨대, 원주 방향(154))으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 분사기들은 둘레 주위에 원주 방향으로 등 간격으로 서로 이격되어 있거나(예컨대, 대략 10, 20, 30, 40 또는 50 도 마다 분사기 1개) 또는 둘레 주위에 상이한 간격으로 서로 이격되어 있을 수 있다. 앞에서 언급한 바와 같이, 분사기(180, 182, 184)는 연료, 산소(예컨대, 공기) 또는 이들의 조합물을 기화 챔버(178) 내로 분사하도록 구성되어 있다. 따라서, 제 1 분사기(180)는 이 제 1 분사기(180)에서 시작하는 유동의 일반적인 방향을 결정하는 제 1 분사 축선(190)을 포함한다. 마찬가지로, 제 2 분사기(182) 및 제 3 분사기(184)는 제 2 분사기(182) 및 제 3 분사기(184)에서 각각 시작하는 유동의 방향을 결정하는 제 2 분사 축선(191) 및 제 3 분사 축선(192)을 포함한다.
도시된 실시 형태에서, 제 1 분사 축선(190)은 축방향 축선(150)에 평행하고 기화기(106)의 반경 방향 축선(152)에는 수직하다. 다시 말해, 제 1 분사 축선(190)은 길이 방향 축선(186)에 평행하다. 이러한 특징은, 사용 중에 제 1 분사기(180)에서 나오는 유체 유동이 기화 챔버(178)를 통해 화살표(194)로 표시된 바와 같은 대체로 아래쪽 방향(예컨대, 하류 유동 방향)으로 향하게 되는 효과를 갖는다. 어떤 실시 형태에서, 제 1 분사 축선(190)은 대략 0 내지 45 도, 0 내지 30 도, 0 내지 20 도 또는 0 내지 10 도의 각도로 길이 방향 축선(186)으로부터 멀리 향할 수 있다. 또한, 제 1 분사기(180)의 어떤 실시 형태는 발산형 스프레이를 제공할 수 있는데, 예컨대 제 1 분사기(180)에서 시작하는 유체 유동은 참조 번호 "196"으로 표시된 바와 같이 대체로 아래쪽 방향(예컨대, 하류 유동 방향)으로 측벽(168) 쪽으로 외향 발산할 수 있다.
도 2의 실시 형태에 있는 제 2 분사 축선(191)은 반경 방향 축선(152)에 평행하고 기화기(106)의 축방향 축선(150)에는 수직하다. 이러한 특징은, 사용 중에 제 2 분사기(182)에서 나오는 유체 유동이 대체로 횡방향으로 기화 챔버(178) 내로 향하게 되는 효과를 갖는다. 그러나, 제 2 분사기(182)에서 시작하는 유체 유동은 참조 번호 "198"로 표시된 바와 같이 상부벽(164) 및 바닥벽(166) 쪽으로 외향 발산할 수 있다. 유사하게, 제 3 분사 축선(192) 역시 반경 방향 축선(152)에 평행하고 기화기(106)의 축방향 축선(150)에는 수직하다. 그러므로 전과 같이, 제 3 분사기(184)에서 나오는 유체 유동은 대체로 횡방향으로 기화 챔버(178) 내로 향하게 되는데, 하지만 유체는 또한 참조 번호 "200"으로 표시된 바와 같은 경로를 따라 유동할 수 있다. 또한, 제 2 분사기(182)와 제 3 분사기(184)는 대체로 서로를 향해 배향되므로, 제 2 분사기(182)에서 나오는 유동 경로와 제 3 분사기(184)에서 나오는 유동 경로는 기화기(106)의 반경 방향 축선(152)을 따라 대체로 수렴 방향으로 향하게 된다. 다시 말해, 제 2 및 제 3 분사기(182, 184)는 제 1 분사기(180)와는 다른 축선 방향 위치에서 서로를 향해 (예컨대, 축선(186)을 향해) 수렴하는 대향 유동을 제공하도록 배향된다.
작동 중에, 상기 분사기(180, 182, 184)는 연료와 산소(예컨대, 공기)를 기화 챔버(178) 내로 분사한다. 예컨대, 제 1 분사기(180)는 산소(예컨대, 공기)를 분사할 수 있고, 반면 제 2 및 제 3 분사기(182, 184)는 연료를 분사하며, 그 반대도 가능하다. 다른 예를 들면, 모든 세 분사기(180, 182, 184)는 동일한 또는 상이한 비의 연료/산소 혼합물을 분사할 수 있다. 분사 후에, 기화기(106)는 증기와 산소를 이용하여 연료의 일부를 연소시켜 일산화탄소와 에너지를 생성하게 된다. 이리 하여 제 2 반응이 일어나 다른 연료가 수소 및 추가적인 이산화탄소로 전환된다. 이러한 반응의 전환 효율과 혼합 유효성은 여기서 개시하는 실시 형태로 최적화될 수 있다. 예컨대, 유체가 출구(187) 쪽으로 하류로 이동함에 따라 분사기(180)에서 나온 유체 유동이 분사기(182, 184)에서 나온 유체 유동과 만나 혼합될 때 난류가 발생된다. 전술한 특징은 전통적인 시스템과 비교하여 체류 시간을 증가시키는 효과를 또한 가질 수 있다. 추가적으로, 기화기(106)에 복수의 분사기가 포함되면, 단일 분사기 기화 시스템에 비해 두드러진 효과가 얻어질 수 있다. 예컨대, 복수의 분사기가 사용되면, 기화기(160)의 석탄 처리 용량이 증가되고, 그리 하여 전통적인 시스템 보다 더 많은 양의 유용한 생성물이 발생된다. 이러한 증가가 가능한 이유는, 각각의 분사기가 매일 대략 1000톤의 석탄을 처리할 수 있을 때 기화기(106)는 매일 적어도 대략 3000, 4000, 5000 톤 이상의 석탄을 처리할 수 있기 때문이다. 예컨대, 도 2에 도시되어 있는 기화기(106)는 3개의 분사기를 가지므로 매일 대략 3000 톤의 석탄을 처리할 수 있다. 난류가 증가되어 혼합이 개선됨으로써, 기화기(106)는 최적의 탄소 전환 성능을 유지하면서 이 연료 증가를 처리할 수 있다.
여기에 도시되어 있고 설명되는 기화기(106)의 실시 형태에서, 최종 합성 가스는 대체로 출구 축선(204)으로 규정되는 경로를 따라 출구(187)를 통해 기화기(106)에서 나가게 된다. 즉, 합성 가스는 기화기(106)의 바닥벽(166)에 있는 일 지점을 통해 그 기화기(106)에서 나가게 된다. 그러나, 여기서 개시되는 다중 분사기 기화기 설계는 출구가 바닥벽에 있지 않는 다른 다양한 기화 시스템에도 사용될 수 있음을 유의해야 한다. 개시되어 있는 실시 형태는 동반 유동 기화기와 함께 사용될 수 있다. 이러한 실시 형태에서, 기화 챔버(178)를 통과하는 유동의 방향은 기화기(106)를 통해 위쪽으로, 즉 화살표(194)의 반대 방향일 수 있다. 이들 시스템에서, 최종 합성 가스는 기화기(106)의 상부벽(164)에 또는 그 근처에 있는 출구에서 나갈 수 있으며, 반면 용융 슬래그는 바닥벽(166)을 통해 나갈 수 있다. 다른 예를 들면, 개시되어 있는 실시 형태는 유동층 기화기에 사용될 수 있다. 마찬가지로, 유동 방향이 대체로 위쪽이므로 이러한 장치의 출구는 기화기(106)의 상부벽(164) 근처에 위치될 수 있다.
도 3 내지 도 5는 도 1의 IGCC 시스템(100)에 사용되는 기화기(106)의 추가적인 실시 형태의 측단면도이다. 도시되어 있는 각 도는 본 발명의 실시 형태에 따른 분사기들의 상이한 배치를 보여준다. 도 3에 도시되어 있는 실시 형태는 제 1 분사기(180), 제 2 분사기(182) 및 제 3 분사기(184)를 포함한다. 전과 같이, 제 1 분사 축선(190)은 축방향 축선(150)에 평행한 기화기(106)의 길이 방향 축선(186)을 따라 배치된다. 즉, 제 1 분사 축선(190)은 출구 축선(204)에 평행하다. 도 2에 도시되어 있는 실시 형태에서, 제 2 분사 축선(191) 및 제 3 분사 축선(192)은 제 1 분사 축선(190)에 수직하다. 대조적으로, 도 3의 실시 형태에서는, 제 2 및 제 3 분사 축선(191, 192)은 제 1 분사 축선(190), 출구 축선(204) 및 길이 방향 축선(186)에 수직하지 않다. 예컨대, 제 2 분사 축선(191)은 출구 축선(204), 제 1 분사 축선(190) 및 길이 방향 축선(186)에 수직한 평면(215)에 대해 제 1 각도(214)로 배향되어 있다. 즉, 제 2 분사 축선(191)은 반경 방향 축선(152)에 평행한 평면(215)에 대해 각도(214)로 배향되어 있다. 유사하게, 제 3 분사 축선(192)는 출구 축선(204), 제 1 분사 축선(190) 및 길이 방향 축선(186)에 수직한 평면(215)에 대해 제 2 각도(216)로 배향되어 있다. 어떤 실시 형태에서, 제 1 각도(214), 제 2 각도(216) 또는 둘다는, 대체로 출구(187)를 향하는 아래쪽 방향(194)(예컨대, 하류 유동 방향)의 반대 방향인 상류 방향으로 대략 5 내지 85, 10 내지 80, 20 내지 70, 30 내지 60, 40 내지 50, 15 내지 60, 15 내지 45 또는 20 내지 40 도일 수 있다. 예컨대, 일 실시 형태에서, 제 1 각도(214)와 제 2 각도(216)는 대략 30도일 수 있고, 따라서 제 2 분사기(182) 및 제 3 분사기(184)는 상류로 각도를 이루는 방향으로 배향된다. 도시된 실시 형태에서, 제 1 각도(214) 및 제 2 각도(216)는 대략 동일하다. 그러나, 다른 실시 형태에서, 제 1 각도(214)와 제 2 각도(216)는 동일하지 않을 수 있다. 예컨대, 제 1 각도(214)는 대략 10도이고 제 2 각도(216)는 대략 40도일 수 있으며, 따라서 제 3 분사기(184)에서 나오는 유체 유동은 제 2 분사기(182)에서 나오는 유체 유동이 기화 챔버(178)에 충돌하는 곳의 상류의 지점에서 그 기화 챔버(178)에 충돌하게 된다.
제 2 분사 축선(191)이 각도(214)로 배향되므로, 제 2 분사기(182)에서 나오는 유체 유동은 작업중에 대체로 각도를 이루는 방향으로 상류로 기화 챔버(178) 내로 향하게 된다. 그러나, 제 2 분사기(182)에서 시작하는 유체 유동은 참조 번호 "198"로 표시된 바와 같이 분사 축선(191)으로부터 외향 발산할 수 있다(예컨대, 발산형 스프레이). 유사하게, 제 3 분사 축선(192)은 대체로 각도를 이루는 방향으로 상류로 기화 챔버(178) 내로 향하게 된다. 그러므로, 전과 같이, 제 3 분사기(184)에서 나오는 유체 유동은 대체로 각도를 이루는 방향으로 상류로 기화 챔버(178) 내로 향하게 되며, 하지만 유체는 참조 번호 "200"으로 표시된 바와 같이 발산할 수도 있다(예컨대, 발산형 스프레이). 도시된 실시 형태에서, 제 2 분사기(182) 및 제 3 분사기(184)는 대략 동일한 각도로 배향되며(즉, 제 1 각도(214)는 제 2 각도(216)와 대략 동일하다), 제 2 분사기(182)로부터의 유동 경로와 제 3 분사기(184)로부터의 유동 경로는 대체로 수렴 방향으로 향한다. 따라서, 제 2 분사기(182)에서 나오는 유동과 제 3 분사기(184)에서 나오는 유동은 두 유동 경로가 기화 챔버(178) 안에서 교차할 때 난류를 생성할 수 있다. 제 2 분사기(182)에서 나오는 유체 유동과 제 3 분사기(184)에서 나오는 유체 유동이 제 1 분사기(180)에서 나오는 유체 유동과 수렴할 때, 추가적인 난류가 생성될 수 있다. 구체적으로, 제 1 분사기(180)에서 나오는 유체 유동은 하류로 출구(187) 쪽으로 향하고, 제 2 및 제 3 분사기(182, 184)에서 나오는 유체 유동은 제 1 분사기(180)에서 나오는 유동과 반대인 유동으로 출구(187)로부터 멀리 상류로 향하게 된다. 그래서, 제 2 및 제 3 분사기(182, 184)는 축선(186, 190, 204)에 대해 횡방향으로 또한 제 1 분사기(180)에서 나오는 유체 유동과는 반대 방향으로 유체 유동을 분사하게 된다. 앞에서 언급한 바와 같이, 이러한 난류로 인해 기화기(106)는 전통적인 단일 분사기 기화 시스템에 비해 더 많은 양의 연료를 처리할 수 있게 된다.
본 발명의 실시 형태에 따르면 어떤 수의 분사기도 도 3의 기화기(106) 안에 포함될 수 있음을 유의해야 한다. 예컨대, 어떤 실시 형태에서, 복수의 기울어진 분사기들이 인클로저(156)의 측벽(168) 주위에 서로 이격되어 있을 수 있다. 즉, 복수의 분사기(예컨대, 2 내지 100, 5 내지 50 또는 10 내지 25 개의 분사기)가 출구 축선(204)에 수직한 평면(215)에 대해 소정의 각도로 배향될 수 있고 또한 측벽(168)의 둘레 주위에 원주 방향(예컨대, 원주 방향(154))으로 서로 오프셋되어 있을 수 있다. 이러한 실시 형태에서, 상기 각도는 복수의 분사기 각각에 대해 동일하거나 다를 수 있다. 에컨대, 분사기의 각도는 기화 챔버(178)에 들어가는 유체 유동이 증가된 양의 난류를 발생시켜 챔버(178) 안에서 혼합을 증가시키도록 설정될 수 있다.
도 4는 도 3에 나타나 있는 기화기(106)의 다른 실시 형태의 측단면도이다. 전과 같이, 기화기(106)는 제 1 분사기(180), 제 2 분사기(182) 및 제 3 분사기(184)를 포함한다. 그러나, 도 3의 실시 형태와는 대조적으로, 도 4의 기화기(106)는 또한 제 4 분사기(226)와 제 5 분사기(228)를 포함한다. 제 4 분사기(226) 및 제 5 분사기(228)는, 제 4 분사기(226)와 제 5 분사기(228)에서 각각 시작하는 유체 유동의 일반적인 방향을 결정하는 제 4 분사 축선(230) 및 제 5 분사 축선(232)을 갖는다. 전술한 바와 같이, 제 1 분사 축선(190)은 기화기(106)의 길이 방향 축선(186)에 평행하다. 이 실시 형태에서, 제 4 및 제 5 분사 축선(230, 232)는 제 1 분사 축선(190), 출구 축선(204) 및 길이 방향 축선(186)에 수직하지 않다. 예컨대, 제 4 분사 축선(230)은 출구 축선(204), 제 1 분사 축선(190) 및 길이 방향 축선(186)에 수직한 평면(215)에 대해 제 3 각도(234)로 배향되어 있다. 유사하게, 제 5 분사 축선(232)은 출구 축선(204), 제 1 분사 축선(190) 및 길이 방향 축선(186)에 수직한 평면(215)에 대해 제 4 각도(236)로 배향되어 있다.
어떤 실시 형태에서, 제 3 각도(234), 제 4 각도(236) 또는 둘다는, 대체로 출구(187)를 향하는 아래쪽 방향(194)(예컨대, 하류 유동 방향)을 따르는 하류 방향으로 대략 5 내지 85, 10 내지 80, 20 내지 70, 30 내지 60, 40 내지 50, 15 내지 60, 15 내지 45 또는 20 내지 40 도일 수 있다. 예컨대, 도 4에 도시된 실시 형태에서, 제 3 각도(234)와 제 4 각도(236)는 대략 30도이고, 따라서 제 4 분사기(226) 및 제 5 분사기(228)는 출구(187)를 향해 하류로 각도를 이루는 방향으로 배향된다. 다른 실시 형태에서, 제 3 각도(234)와 제 4 각도(236)는 동일하지 않을 수 있다. 예컨대, 제 3 각도(234)는 대략 20도이고, 제 4 각도(236)는 대략 50도일 수 있는데, 따라서 제 5 분사기(228)에서 나오는 유체 유동은 제 4 분사기(226)에서 나오는 유체 유동이 기화 챔버(178)에 충돌하는 곳의 하류의 지점에서 그 기화 챔버(178)에 충돌하게 된다. 전술한 특징은, 사용 중에 제 4 분사기(226)에서 나오는 유체 유동이 대체로 하류 방향으로 기화 챔버(178) 내로 향하게 되는 효과를 갖는다. 그러나, 제 4 분사기(226)에서 시작하는 유체 유동은 참조 번호 "238"로 표시된 바와 같이 또한 상부벽(164) 및 바닥벽(166) 쪽으로 외향 발산할 수 있다(예컨대, 발산형 스프레이). 마찬가지로, 제 5 분사기(228)에서 나오는 유체 유동 또한 출구(187)를 향해 대체로 하류 방향으로 향하게 되지만, 참조 번호 "240"으로 표시된 바와 같이 사용 중에 외향 발산할 수도 있다(예컨대, 발산형 스프레이).
기화기(106)의 작동 중에, 제 1 분사기(180)를 통해 기화 챔버(178) 내로 분사되는 유체 유동은 방향(194)으로 출구(187)를 향해 하류로 유동하게 된다. 제 1 분사기(180)에서 나오는 유동은 먼저 제 4 분사기(226) 및 제 5 분사기(228)에서 나오는 유동(예컨대, 횡방향 유동)과 수렴하여 난류를 생성하게 되는데, 이 난류에 의해 기화기(106) 안에서 연료와 공기가 혼합되고 기화 반응의 효율이 증가된다. 유동 흐름이 하류로 더 진행함에 따라, 제 2 분사기(182) 및 제 3 분사기(184)에서 나오는 유동(예컨대, 횡방향 유동)과 수렴하여 다른 난류를 생성하여 혼합이 더 이루어지게 한다. 따라서, 유체 유동이 기화기(106)의 상부벽(164)으로부터 출구(187)로 이동함에 따라, 복수의 횡방향 흐름의 수렴으로 인해 유량이 줄어들 수 있으며, 그 횡방향 흐름 중 적어도 일부는 출구(187)를 향하는 하류 유동 방향(194)에 대해(예컨대, 반대 방향으로) 상류로 향하게 된다. 이러한 특징으로 인해, 체류 시간이 증가되며 그래서 기화기(106) 내에서 높은 탄소 전환률이 유지되는 효과가 얻어진다.
어떤 실시 형태에서, 분사기(180, 182, 194, 226, 228)는 연료, 산소(예컨대, 공기) 또는 연료/산소 혼합물을 상이한 방식으로 분사할 수 있다. 예컨대, 제 1 분사기(180)는 산소(예컨대, 공기)를 분사할 수 있고, 반면 제 2, 제 3, 제 4 및 제 5 분사기(182, 184, 226, 228)는 연료를 분사할 수 있으며, 또는 그 반대도 가능하다. 다른 예를 들면, 제 1, 제 2 및 제 3 분사기(180, 182, 184)는 산소(예컨대, 공기)를 분사할 수 있고, 반면 제 4 및 제 5 분사기(226, 228)는 연료를 분사할 수 있으며, 또는 그 반대도 가능하다. 또 다른 예를 들면, 제 1, 제 4 및 제 5 분사기(180, 226, 228)는 산소(예컨대, 공기)를 분사할 수 있고, 반면 제 2 및 제 3 분사기(182, 184)는 연료를 분사할 수 있으며, 또는 그 반대도 가능하다. 또 다른 예를 들면, 분사기(180, 182, 184, 226, 228) 모두는 동일하거나 상이한 비의 연료/산소 혼합물을 분사할 수 있다. 그러나, 연료 및 산소 분사의 어떤 적절한 방식도 개시된 실시 형태의 범위에 속하는 것이다.
도 5는 도 3에 나타나 있는 기화기(106)의 다른 실시 형태의 측단면도이다. 이 실시 형태에서는 상부벽(164)에 배치되는 상단부(158)에 위치하는 분사기는 없다. 대신에, 이 실시 형태는 상류 각도(214, 216)로 각각 배향되어 있는 측면 분사기(182, 184)만 포함한다. 즉, 현재 생각하고 있는 실시 형태에서, 분사기는 기화기(106)의 측벽(168)에만 위치될 수 있다. 도시된 실시 형태에서, 두 분사기(182, 184)(또는 임의의 수의 분사기)는 출구(187)로부터 거리(250)를 두고 인클로저(156)의 측벽(168)의 주위에 원주 방향으로 서로 이격되어(예컨대, 원주 방향(154)으로 서로 이격되어) 있을 수 있다. 다른 실시 형태에서, 두개 이상의 분사기(예컨대, 대략 5, 10, 15 또는 20개의 분사기)가 출구(187)로부터 거리(250)를 두고 인클로저(156)의 원주 주위에 배치될 수 있다. 추가적으로, 복수의 분사기들들이 출구(187)로부터 다른 축선 방향 거리를 두고(예컨대, 축선 방향(150)으로 오프셋되어) 그리고/또는 길이 방향 축선(186)으로부터 반경 방향 거리를 두고(예컨대, 반경 방향(152)으로 오프셋되어) 원주 방향으로 서로 오프셋될 수 있다. 즉, 다른 실시 형태에서는, 환형으로 배열되는 하나 이상의 분사기들이 출구(187)로부터 떨어진 하나 이상의 축선 방향, 반경 방향 지점에서 위치될 수 있다.
도 6은 기화기(106)의 길이 방향 축선(186)에 수직한 평면(215)을 따라 취한 기화기(106)의 일 실시 형태의 상단면도이다. 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 기화기(106)는 환형 또는 링형으로 배열되는 분사기(258)들을 포함하며, 이들 분사기는 4개의 분사기, 즉 분사기(260), 분사기(262), 분사기(264) 및 분사기(266)를 포함한다. 어떤 실시 형태에서, 링형으로 배열되는 분사기(258)는 출구(187)로부터 어떤 축선 방향 거리에서도(예컨대, 축선 방향(150)으로 오프셋되어) 위치될 수 있다. 나타나 있는 바와 같이, 분사기(260)는 측벽(168)의 주위를 따라 분사기(262)로부터 원주 방향으로 거리(268) 만큼 오프셋되어 있다. 유사하게, 분사기(264)는 분사기(262)로부터 원주 방향으로 거리(270) 만큼 오프셋되어 있으며, 분사기(266)는 분사기(264)로부터 원주 방향으로 거리(272) 만큼 오프셋되어 있으며, 그리고 분사기(260)는 분사기(266)로부터 원주 방향으로 거리(274) 만큼 오프셋되어 있다. 어떤 수의 분사기라도 유사한 배열로 기화기(106)의 측벽(168) 주위에 서로 이격되어 있을 수 있음을 유의해야 한다. 예컨대, 추가적인 분사기들이 측벽(168)을 따라 도시된 분사기(260, 262, 264, 266) 사이에 배치될 수 있다. 다른 예를 들면, 일 분사기가 거리(268)의 대략 50%인 거리에서 분사기(260)와 분사기(262) 사이에 배치될 수 있다.
전술한 바와 같이, 개시된 실시 형태의 복수의 분사기들은 연료, 산소 또는 이들의 조합물을 기화 챔버(178) 내로 분사하여 그 기화 챔버(178) 전체에 걸쳐 유동의 혼합, 체류 시간 및 균일성을 증가시켜 기화기(106)의 성능(예컨대, 탄소 전환 및 석탄 처리 용량)을 증가시킨다. 전술한 각 실시 형태에서, 도시된 각각의 분사기는 연료 분사, 산소 분사(예컨대, 공기 분사) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 더욱이, 도시된 각각의 분사기는 하나 이상의 별개의 분사기(예컨대, 1 내지 100 개, 5 내지 50 개 또는 10 내지 25 개)를 포함할 수 있다. 대체로, 도시된 분사기는 길이 방향 축선(186), 제 1 분사기(180)의 축선(190) 또는 출구(187)의 축선(204)에 대해 횡으로 그리고/또는 상류로 소정의 각도로 배향되는 적어도 하나 이상의 분사기를 포함한다. 다시 말해, 도시된 분사기들은 반경 방향(152)으로, 예컨대 평면(215)을 따라 또는 그에 대해 소정의 각도로 배향되는 적어도 하나 이상의 분사기를 포함한다. 예컨대, 도시된 분사기들은 복수 세트의 분사기를 포함할 수있는데, 여기서 각 세트의 분사기는 하류 유동 방향(194)에 대한 횡유동으로 평면(215)에 대해 상류 또는 하류로 각도를 이룬다. 이렇게 해서, 분사기들은 기화기(106)내에서의 연료(예컨대, 탄소 공급 원료)의 혼합과 체류 시간을 실질적으로 개선하여, 기화기(106)의 탄소 전환 효율 및 출력을 증가시킨다.
이 기재된 설명은 최선의 모드를 포함하여 본 발명을 개시하고 또한 당업자가 본 발명을 실시(어떤 장치나 시스템을 만들어 사용하고 관련 방법을 수행하는 것을 포함하여)할 수 있도록 하기 위해 실시예를 사용한다. 본 발명의 특허가능한 범위는 청구범위로 정해지며, 당업자가 생각할 수 있는 다른 실시예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 실시예가 청구 범위와 문언적으로 다르지 않는 구성 요소를 갖거나 또는 청구 범위와 문언적으로 실질적인 차이가 없는 등가적인 구성 요소를 포함한다면 그러한 실시예도 본 발명의 범위에 포함되는 것이다.

Claims (20)

  1. 기화기를 포함하는 시스템에 있어서,
    상기 기화기는,
    기화 챔버 주위에 배치되며, 상부벽, 바닥벽 및 상기 상부벽과 바닥벽 사이에 있는 측벽을 포함하는 인클로저와,
    상기 바닥벽에 배치되는 기화 챔버 출구와,
    상기 상부벽에 배치되는 제 1 분사기로서, 상기 제 1 분사기는 제 1 분사기 출구를 갖는, 상기 제 1 분사기와,
    상기 기화 챔버 주위의 상기 측벽에 배치되는 제 2 분사기를 포함하며,
    상기 제 2 분사기는 상기 제 1 분사기 출구의 하류 그리고 상기 기화 챔버 출구의 상류에 배치되는 제 2 분사기 출구를 가지고,
    각각의 상기 제 1 분사기 및 상기 제 2 분사기는 연료원, 산소원 또는 양자 모두에 작동적으로 연결되어, 연료, 산소 또는 이들의 조합물을 상기 기화 챔버 내로 분사하도록 구성되며,
    상기 제 2 분사기는 상기 기화 챔버 출구로부터 멀어져 상기 제 1 분사기를 향하는 상류 방향으로 배향되어 있고,
    제 3 분사기가 상기 기화 챔버 출구를 향해 상기 제 1 분사기로부터 멀어지는 하류 방향으로 배향되어 있고,
    상기 제 3 분사기는 상기 기화 챔버 주위의 상기 측벽에 배치되고,
    상기 제 3 분사기는 상기 제 1 분사기 출구의 하류 그리고 상기 제 2 분사기 출구의 상류에 배치되는 제 3 분사기 출구를 갖는
    시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 분사기는 제 1 분사 축선을 포함하고, 제 2 분사기는 제 2 분사 축선을 포함하며, 상기 기화 챔버 출구는 출구 축선을 포함하고, 상기 제 2 분사 축선은 제 1 분사 축선, 출구 축선 또는 이들 양 축선에 수직하지 않는
    시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 분사 축선은 상기 출구 축선에 평행한
    기화기를 포함하는 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 분사 축선은 제 1 분사 축선에 수직한 평면에 대해 소정의 각도로 배향되며, 상기 각도의 범위는 5 도 내지 80 도인
    시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 분사 축선은 제 1 분사 축선에 수직인 평면에 대해 소정의 각도로 배향되며, 상기 각도의 범위는 15 도 내지 60 도인
    시스템.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 분사기는 측벽의 둘레 주위에 원주 방향으로 서로 이격되어 있는 복수의 측면 분사기를 포함하는
    시스템.
  8. 삭제
  9. 기화기를 포함하는 시스템에 있어서,
    상기 기화기는,
    기화 챔버 주위에 배치되는 인클로저와,
    상기 인클로저에 결합되며, 하류 방향으로의 배출을 위한 출구 축선을 포함하는 기화 챔버 출구와,
    상기 기화 챔버 출구의 상류 그리고 상기 기화 챔버 주위의 상기 인클로저의 측벽에 배치되는 제 1 분사기를 포함하며,
    상기 제 1 분사기는 연료원, 산소원 또는 양자 모두에 작동적으로 연결되고,
    상기 제 1 분사기는 연료, 산소 또는 이들의 조합물을 상기 기화 챔버 내로 분사하기 위한 제 1 분사 축선을 포함하고,
    상기 제 1 분사 축선은 상기 출구 축선에 수직하지 않으며,
    상기 제 1 분사기는 상기 기화 챔버 출구로부터 멀어져 상기 인클로저의 상부벽에 위치한 제 2 분사기를 향하는 상류 방향으로 배향되어 있고,
    제 3 분사기가 상기 기화 챔버 출구를 향해 상기 제 2 분사기로부터 멀어지는 하류 방향으로 배향되어 있고,
    상기 제 3 분사기는 상기 기화 챔버 주위의 상기 측벽에 배치되고,
    상기 제 3 분사기는 제 2 분사기 출구의 하류 그리고 제 1 분사기 출구의 상류에 배치되는 제 3 분사기 출구를 갖는
    시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 분사 축선은 출구 축선에 수직한 평면에 대해 소정의 각도로 배향되며, 상기 각도의 범위는 15 도 내지 60 도인
    시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 분사기는 인클로저의 측벽 주위에 원주 방향으로 서로 이격되어 있는 복수의 측면 분사기를 포함하는
    시스템.
  12. 삭제
  13. 기화기를 포함하는 시스템에 있어서,
    상기 기화기는,
    기화 챔버 주위에 배치되는 기다란 인클로저로서, 상기 기다란 인클로저는 제 1 단부, 상기 제 1 단부의 반대쪽에 있는 제 2 단부 및 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 있는 중간부를 포함하는, 상기 기다란 인클로저와,
    상기 기화 챔버 주위의 상기 제 1 단부에 결합되는 제 1 분사기와,
    상기 제 2 단부에 배치된 기화 챔버 출구의 상류 그리고 상기 기화 챔버 주위의 상기 중간부에 결합되는 제 2 분사기와,
    상기 제 2 단부에 결합되는 기화 챔버 출구를 포함하고,
    상기 기화 챔버 출구는 제 1 분사기로부터 길이 방향으로 제 1 거리만큼 오프셋되어 있고, 상기 제 2 분사기는 제 1 분사기로부터 길이 방향으로 제 2 거리만큼 오프셋되어 있으며, 상기 제 2 거리는 제 1 거리의 50% 내지 75%이고,
    상기 제 2 분사기는 상기 기화 챔버 출구로부터 멀어져 상기 제 1 분사기를 향하는 상류 방향으로 배향되어 있고,
    제 3 분사기가 상기 기화 챔버 출구를 향해 상기 제 1 분사기로부터 멀어지는 하류 방향으로 배향되어 있고,
    상기 제 3 분사기는 상기 기화 챔버 주위의 측벽에 배치되고,
    상기 제 3 분사기는 제 1 분사기 출구의 하류 그리고 제 2 분사기 출구의 상류에 배치되는 제 3 분사기 출구를 갖는
    시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 분사기는 연료 분사기, 산소 분사기 또는 연료/산소 분사기를 포함하는
    시스템.
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