KR20170002516U - 합성가스 냉각 어셈블리 - Google Patents

Abstract

석탄, 중질의 석유 잔류물 및/또는 다른 가스화 반응기(1)에 의해 생산된 뜨거운 합성가스를 냉각시키기 위한 합성가스 냉각기(SGC) 어셈블리(10)는 SSH 오염 및 합성가스 유동(F) 난류를 감소시킴으로써 SSH 성능을 최적화하고 안정화시키기 위해 합성가스 냉각 채널(11) 내에서 또 다른 열 교환기(15)의 하류에 배열되는 증기 슈퍼 가열기(SSH, 16)를 포함한다.

Description

합성가스 냉각 어셈블리{SYNGAS COOLING ASSEMBLY}

본 실용신안은 합성가스 냉각 어셈블리에 관한 것이다.

합성가스는 용어 합성 가스의 통상적으로 사용된 약어이고 그리고 일반적으로 적어도, 수소 (H₂) 및 일산화탄소 (CO)의 혼합물을 포함한다. 합성가스는 가스화 반응기 내 고온에서 석탄, 무거운 석유 잔류물, 바이오매스 및/또는 또 다른 탄소계 공급원료를 부분적으로 산화함에 의해 생산될 수 있다.

가스화 반응기를 떠날 때, 합성가스는 1300 내지 1600℃ 사이의 온도를 가질 수 있다.

합성가스는 그 뒤에 700 내지 1000℃ 사이의 온도로 켄칭될 수 있고 그리고 그 다음 증기 슈퍼 가열기 및 몇 개의 물 증발기 열 교환기를 포함하는 합성가스 냉각기 (SGC)에서 전형적으로 350℃ 이하의 온도로 더 냉각될 수 있다.

이러한 합성가스 냉각기 (SGCs), 또는 합성가스 냉각 어셈블리는, 예를 들면, 국제 특허 출원 WO2011/089140, WO2011/003889, WO2012/028550 및 WO2013/041543로부터 공지된다.

공지된 합성가스 냉각기 (SGCs)는 SSH로도 또한 공지된 증기 슈퍼 가열기 열 교환기, 및 물이 증발되고, 증발기로 공지되고, 합성가스의 흐르는 방향으로 볼 때 상기 증기 슈퍼 가열기(SSH) 열 교환기의 다운스트림에 배치된 1종 이상의 열 교환기(H₂O-Evap)를 포함한다.

이들 선행기술 참조로부터 공지된 종래의 합성가스 냉각기 (SGC) 디자인에 있어서, 슈퍼 가열기 (SSH)는 합성가스 흐름 방향으로 볼 때, SGC의 유입구에 직접적으로 위치된다.

대부분의 종래의 석탄 및 다른 탄소계 공급 가스화 설비에서 a.o. SGC의 유입구에서 오염 및 흐름 이상분포 때문에 SSH는 기대 이하 성능을 수행한다.

증기 슈퍼 가열기 (SSH)는 일반적으로 포화된 증기에 의해 공급된다. 포화 온도는 드럼 압력 수준에 의해 좌우되고 그리고 전형적으로 대략 275℃이다. 포화된 증기은 전형적으로 약 400℃인 특정 온도까지 SSH에서 과열된다. 고압 고온 증기은 상이한 적용 예컨대 증기 터빈 전력 생산 및/또는 가공 적용에 사용될 수 있다.

일부 적용에 있어 연료절약기라고 불리는 증발기의 다운스트림에 설치된 열교환기의 또 다른 세트가 있을 수 있다. 연료절약기는 다른 열 교환기와 유사한 가열 표면 입체배치를 갖지만 과냉각된 물로 공급된다. 고압 펌프로부터 나오는 급수는 연료절약기에서 예비가열되고 그런 다음 이것은 냉각수와 증기 공급 및 재-순환 드럼으로 공급되어 이를 통해 냉각수와 포화된 것이 SSH 및 다른 열교환기에 공급된다. 연료절약기를 설치함에 의해, 열효율이 실질적으로 증가될 수 있다. 그러나, 합성가스 내 높은 산 이슬점 때문에 합성가스 냉각기 (SGC) 내 연료절약기를 설치하는 것은 실행가능하지 않을 수 있다.

따라서, 대부분의 종래의 SGC에서, 급수는 냉각수 및 증기 공급 및 재-순환 드럼에 직접적으로 공급된다. 일반적으로, 가스화 설비 입체배치에 의존하여, SGC 및 드럼은 일 초과의 물/증기 압력 수준을 가질 수 있다. 그와 같은 경우에 SGC 및 드럼 디자인 및 가열 표면 배열은 실질적으로 단일 압력 수준 배열에 대한 것에 유사하다. 일 초과 물/증기 압력 수준이 석탄 가스화 사업에 아주 일반적이지 않기 때문에 본 명세서에서는 단일 압력 수준 배열에 대해서만 언급될 것이다.

SSH에 의해 방출된 과열된 증기은 전력을 발생하기 위해 증기 터빈에 공급될 수 있다. 그와 같은 경우에 슈퍼 가열기(SSH)를 이탈하는 과열된 증기의 질량 유량, 압력 및 온도는 설계자에 의해 예측 가능하고 보장되어 질 필요가 있다. 이 보장은 대부분의 경우 계약 의무의 일부이며, 증기 질량 유량 및 온도에서 부족분에 따라 좌우되는 손실을 일소하는 것이다. 이 부족분에 대한 주요한 이유는 증기 파워 출력이 증기 질량 유량 및 온도를 감소시킴으로써 저하된다는 것이다. 만일 증기 온도가 특정 수준 이하로 떨어지면 그런 다음 증기 터빈이 바이패스되어야 하고, 따라서, 이것은 이동될 것이다. 이것은 증기 터빈의 신뢰성이 SSH 성능에 좌우되고 그래서 예기치 못한 SSH 기대 이하 성능이 유의미한 작동의 손실을 야기할 수 있다는 것을 의미한다. 현존하는 합성가스 냉각 어셈블리에 대해, 가장 어려운 과제는 때로는 SSH 설계자에 의해 보장되어 진 SSH 유출구에서 예정된 증기 온도에 도달하는 것이다.

아래에 기재되어 있는 SSH의 설계에 관련한 세 가지 문제가 있다:

I) 상이한 석탄 가스화 설비에 의해 생산된 합성가스 스트림 내 석탄 비산회 조성물의 오염 거동은 상이하고 가스화된 석탄의 조성물 및 가스화 시설 작동 조건에 좌우된다.

II) 비산회는 보다 낮은 합성가스 온도에 비하여 고온에서 아주 점착성이다. 종래의 SSH는 가장 높은 합성가스 온도 구역에 위치되고 따라서 유의미한 비산회 침착이 일어나기 쉽다.

III) 합성가스 흐름 불량-분포는 SSH 유입구에서 최악인데, 이는 이것이 상향으로 기울어진 고온 합성가스 이송관과 수직 하향으로 배향된 SGC 채널 사이의 교차점의 예리한 굴곡부 바로 하향으로 위치하기 때문이다.

US2009/0151250은 합성가스로부터 열을 회수하고 이들로부터 전력을 생산하는 시스템을 개시한다. 상기 시스템은 연속적으로 배열된 세 개 또는 그 이상의 열 교환기 또는 열 교환 구역을 포함하는 냉각기를 포함한다. 라인을 통한 원료 합성가스는 제1 열 교환기에서 간접적인 열 교환에 의해 냉각된다. 또 다른 라인을 통한 제1 열교환기를 빠져나가는 냉각된 원료 합성가스는 제2 열 교환기에서 간접적인 열 교환에 의해 추가로 냉각될 수 있다. 더욱 또 다른 라인을 통해 제2 열교환기를 빠져나가는 냉각된 원료 합성가스는 제3 열 교환기("제3 구역")에서 간접적인 열 교환에 의해 추가로 냉각될 수 있다.

US2009/0151250의 시스템은 비교적 소규모의 가스화 시스템에 대한 것이다. 상기 시스템은 폐기물을 처리하기 위해 설계되었다. 공급원료는 둘 이상의 중합체, 바이오매스 유도 물질 또는 제조 공정으로부터의 부산물의 혼합물이나 조합을 포함한다. 공급원료는 하나 이상의 폐기된 소비자 제품과 조합된 1종 이상의 탄소계 물질을 포함할 수 있다. 상기 소규모는 라인을 통해 연결된, 별도의 열 교환기 단위의 사용을 가능하게 한다. 제3 열교환 기는 "연료절약기"이다. 어느 하나 또는 모든 열 교환기는 쉘-및-튜브 유형 열 교환기일 수 있다. 과열된 증기의 적어도 일부는 전력을 생산하기 위해 하나 이상의 증기 터빈에 직접적으로 공급될 수 있다.

그러나, 상기에 기재된 특징은 US2009/0151250의 시스템이 훨씬 더 큰 규모를 처리 및 냉각하는, 보다 높은 처리량 석탄 가스화 시스템에 대해서는 부적절하게 만든다. 본 명세서에서 보다 높은 처리량은, 예를 들면, 80 내지 90kg/s의 합성가스 처리량의 정도로 되는 것을 의미한다. 소규모는 10kg/s 또는 그 미만의 합성가스 정도이다. US2009/0151250 시스템의 공급원료는 전형적으로 가스화 반응기로부터 제거되는 타르를 생성하고, 반면에 합성가스는 재가 상대적으로 낮다. 다른 한편으로 석탄 가스화 상기에서 기재된 바와 같이 재 관련된 문제를 가진다. 개별적인 열 교환기를 연결하는 라인뿐만 아니라 쉘-및-튜브 열 교환기는 석탄 가스화와 관련된 점착성 재 문제로 기인하여 막히게 된다.

비산회 입자의 침착에 의한 오염되는 경향이 적고 그리고 보다 균일한 합성가스 흐름 분포를 취하고 그렇게 함으로써 SSH 성능을 개선시키고 안정화시키는 증기 슈퍼 가열기 (SSH)를 갖는 개선된 합성가스 냉각 어셈블리에 대한 필요성이 존재한다.

본 실용신안의 요약

본 개시내용은 가스화 반응기에 의해 생산된, 재를 포함하는 뜨거운 합성가스를 냉각하기 위한 합성가스 냉각 어셈블리를 제공하고, 상기 어셈블리는 다음을 포함한다:

합성가스 냉각 채널;

상기 합성가스 냉각 채널 내부에 배열된 제1 열 교환기; 및

상기 합성가스 냉각 채널의 내부에 상기 제1 열 교환기의 하향으로 배열된 증기 슈퍼 가열기 (SSH) 열 교환기.

상기 뜨거운 합성가스는 상기 가스화 반응기 내에서 석탄, 무거운 석유 잔류물 및/또는 탄소계 공급물을 함유하는 바이오매스를 부분적으로 연소함에 의해 생성될 수 있다. 뜨거운 합성가스는 반응기로부터 상향으로 기울어진 뜨거운 합성가스 이송관을 통해 실질적으로 수직으로 배향된 관형 합성가스 냉각 채널의 최상부 말단 안으로 흐를 수 있다. SSH 및 다른 열 교환기가 합성가스를 전형적으로 700℃ 이상 온도로부터 전형적으로 350℃ 이하 온도로 냉각한다. 본 명세서에서 증기 슈퍼 가열기 (SSH) 열 교환기는 과열된 상태인 포화된 증기를 도입함에 의해 합성가스를 냉각할 수 있으며 그리고 다른 열 교환기 중 적어도 1종은 물 증발에 의해 합성가스를 냉각할 수 있다.

또 다른 열 교환기의 하향으로 증기 슈퍼 가열기 (SSH)의 배열의 이점은 다음과 같다:

I) SSH에 의해 생산된 과열된 증기의 온도는 보다 안정하고 그리고 보다 높은 정확도로 예측될 수 있다.

II) 증기 슈퍼 가열기 (SSH)를, H₂0-EVAP 다발로 또한 확인된 작은 증발기 열 교환기의 하향한 위치로 재배치함에 의해, SSH에 유입되는 합성가스 흐름이 상당하게 보다 균일해 질 것이다. 이 재배치는 가스 리버스 챔버 (GRC)의 교차점 바로 하향으로 강한 와류와 관련하여 매우 중요하다. 열 전달 상관관계 및 열적 디자인 소프트웨어에서 증기 슈퍼 가열기(SSH) 하향으로 합성가스 흐름은 균일한 것으로 추정된다. 다른 열 교환기의 상향으로 SSH의 종래의 위치는 따라서 이론적 계산에서 불확실성을 가져온다.

III) SSH의 기대 이하 성능을 야기하는 주요 인자 중 하나는 오염이다. 현행 입체배치에서 SSH는 뜨거운 합성가스 흐름에 직면하는 수평 튜브를 갖는 제1 가열 요소이다. 따라서, 이것은 또한 국부 재순환/역류의 관점에서 비산회가 침강을 시작하는 첫번째 위치이다. s H₂O-EVAP 열 교환기 다발은 SSH보다 오염 및 부분 막힘에 덜 민감하므로 SSH에 도입되기 전에 H₂O-EVAP 열 교환기 다발을 통해 처음으로 합성가스를 흐르게하는 것이 보다 덜 위험하다. 제1 H₂O-EVAP 열 교환기 다발의 임의의 기대 이하 성능은 SSH의 하향 흐름의 다른 H₂O-EVAP 열 교환기 다발(들)에 의해 보상된다.

IV) 합성가스 냉각기의 유입구에서 합성가스 온도는 전형적으로 700℃ 이상으로 매우 높다. 따라서, 비산회는 그것의 가장 큰 점성 상태로 된다. 이 위치에서 부분 봉쇄를 야기하는 높은 오염의 위험이 따라서 높다. 제1 H₂O-EVAP 열 교환기 하향흐름에 SSH를 재배치함에 의해, 합성가스 온도가 보다 낮기 때문에 SSH 오염의 위험은 적을 것이다.

상기에 부가하여, 본 개시내용의 어셈블리는 80 내지 90kg/s 또는 그 이상의 합성가스 처리량의 정도로, 높은 처리량 합성가스의 효율적인 냉각을 가능하게 한다. 감소된 오염은 유지를 위한 가동중지시간을 제한하고, 따라서 또한 운영 비용을 절감한다.

본 실용신안에 따른 시스템의 이들 및 다른 특징 및 이점은 첨부되는 도면 및 첨부되는 청구항과 요약에서 묘사된 구현예의 하기 상세한 설명을 읽을 때 명백해질 것이다.

이제 구현예는 첨부되는 개략적인 도면을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이며 여기서 상응하는 참조 기호는 대응하는 부분을 나타내고, 그리고 여기서:
도 1은 본 실용신안에 따른 합성가스 냉각기 어셈블리가 구비된 가스화 반응기를 도시하고; 그리고
도 2는 선행기술 합성가스 냉각기 어셈블리를 도시한다.

묘사된 구현예의 상세한 설명

도 1은 신가스로도 공지된 합성 가스를 생산하기 위해, 석탄, 무거운 석유 잔류물, 및/또는 바이오매스와 같은 탄소계 공급물의 부분 연소를 위한 가스화 반응기(1)를 도시한다.

가스화 반응기(1)는 냉각된 막 벽을 갖는 반응기 챔버를 포함한다. 반응기(1)의 하부 말단을 통해 뜨거운 점성 슬래그가 슬래그 수집 배쓰 (도시되지 않음) 안으로 떨어진다. 반응기(1)의 상부 말단을 통해 수소 (H₂) 및 일산화탄소 (CO)를 포함하는 뜨거운 합성가스는 뜨거운 합성가스 켄치 파이프(2) 안으로 통기된다. 반응기(1), 슬래그 수집 배쓰(4) 및 뜨거운 합성가스 켄치 파이프(5)는 압력 용기 내에 싸여 진다 (도시되지 않음).

켄치 파이프(2)는 기울어진 뜨거운 합성가스 이송관(5)에 연결되어, 합성가스 냉각기 유출구로 하향하는 냉각된 합성가스의 일부를 재순환함에 의해 합성가스를 냉각한다. 켄치 합성가스는 도면에서 도시되지 않은 재순환 압축기에 의해 켄치 파이프로 도입된다. 재순환된 합성가스와 기화장치로부터 나온 합성가스를 혼합함에 의해 합성가스 온도는 예를 들면 1600℃ 내지 900℃로 강하한다. 켄칭된 합성가스는 그런 다음 가스 리버스 챔버 (GRC)(40)를 포함하는 폐쇄된 돔 형상화된 캡(12) 및 깔때기-형상화된 하부 말단(13)을 갖는 실질적으로 수직으로 배향된 관형 합성가스 냉각기 채널(11)의 상부 안으로 흐르고, 냉각된 합성가스를 냉각된 합성가스 배출 도관(14)으로 배출한다. 기울어진 뜨거운 합성가스 이송관(5)는 합성가스 냉각기 채널(11)의 수직 배향에 대해 90도보다 작은 예각으로 배열된다. 예각은 약 30 내지 60도 범위, 예를 들면 45도 정도일 수 있다.

합성가스 냉각기 (SGC) 채널(11)에는 몇 개의 열 교환기(15-18)를 포함하는 합성가스 냉각 어셈블리(15-18)가 구비된다. 각 열 교환기는 합성가스 냉각 채널(11) 내에 상응하는 지지 프레임 (도시되지 않음)에 의해 지지된 일련의 중첩된 실질적으로 동축의 열 교환기 도관을 포함할 수 있다. 예를 들면, 열 교환기는 코일형 도관을 포함하는 몇 개의 코일형 가열 표면을 포함할 수 있다. 코일형 도관 또는 코일형 가열 표면은 코일형 가열 표면 요소로 지칭될 수 있다.

열 교환기는 또한 SSH로 확인되는 증기 슈퍼 가열기 열 교환기(16)를 포함한다. 열 교환기 또한 다수의, 예를 들면 세 개의, 다른 열 교환기(15, 17 및 18)를 포함할 수 있다. 본 어셈블리는 제1 열 교환기(15)를 포함한다. 상기 제1 열 교환기는 그 다음 SSH(16)가 따른다. SSH는 그 다음 적어도 하나의 제2 열 교환기(17, 18)가 따른다. 선택적으로, 본 시스템은 또한 열 교환기(18)의 최하부의 아래, 즉 하향으로 배열된 하나 이상의 연료절약기 (도시되지 않음)를 포함할 수 있다.

증기 슈퍼 가열기 (SSH)(16)에서 합성가스는 전형적으로 400℃ 주변 온도로 SSH 열 교환기 도관에서 포화된 증기를 가열함에 의해 냉각되고, 그렇게 함으로써 증기를 과열된 상태로 한다. 예를 들면 세 개인, 다른 열 교환기(15, 17 및 18)에서, 합성가스는 열 교환기 도관 내 물을 증발함에 의해 냉각된다. 다른 열 교환기는 따라서 또한 증발기 또는 H₂O-EVAP1, H₂O-EVAP2 및 H₂O-EVAP3로 확인된다.

SSH(16)의 열 교환기 도관은 증기 및 물 공급 및 재-순환 드럼(20)으로부터 증기 공급 도관(23)을 통해 유입하고 그리고 과열 후 도관(24)을 통해 증기 터빈 또는 처리 장비로 전달되는 포화된 증기이 공급된다. 열 교환기 도관 증발기(15, 17 및 18)는 격하 도관(21, 25 및 27)을 통해 포화된 물이 공급되고 그리고 열 교환기 튜브에서 부분 증발 후, 라이저(22, 26 및 28)에 의해, 드럼(20)으로 재순환된다. 드럼(20)에서, 증기은 물로부터 분리되고 그리고 물은 재순환 펌프 어셈블리(30)에 의해 증발기(15, 17 및 18)로 다시 재순환된다.

고압 펌프로부터 유입하는 급수는 연료절약기에서 예비가열되고 그리고 그 다음 이것은 드럼(20)으로 간다. 상기 물은 증발기 시스템에서 재순환 펌프(들)에 의해 드럼으로 재순환되어 물-증기 혼합물을 생성한다. 물과 증기의 혼합물은 드럼에서 분리된다. 포화된 증기은 분리기 및 증기 건조기를 통해 건조되고 그리고 그 다음 건조 증기은 SSH로 이동한다.

추가의 냉각수가 급수 펌프 및 급수 공급 도관(31)을 통해 드럼(20)으로 공급된다.

본 개시내용에 따르면, SSH(16)는 합성가스 유입(F)의 방향으로 볼 때 다른 열 교환기(15) 중 하나의 하향으로 배치된다. 이것은 합성가스 유입(F)이 SSH에 도달할 때 이것이 난류가 적고 그리고 적어도 일부 비산회 또는 다른 오염 발생 구성요소를 상실하여, SSH 성능이 최적화되고 안정화된다는 이점을 갖는다.

도 2는 증기 슈퍼 가열기 (SSH)(116)가, 물이 증발되고 따라서 또한 H₂O-EVAP1 & 2로 확인되는 두 개의 다른 열 교환기(115 및 117)의 위에 그리고 상향으로 위치되는 종래의 합성가스 냉각기 어셈블리(111)를 도시한다. 이 종래의 선행기술 합성가스 냉각기 어셈블리(111)의 약점은 뜨거운 합성가스가 화살표(120)에 의해 예시된 난류를 가지고 그리고 SSH의 튜브 표면 상에 침착된 비산회를 함유한다는 것이다.

종래의 합성가스 냉각기 어셈블리(111)를 도 1에 도시된 개선된 합성가스 냉각기(SGC) 어셈블리(11)로 전환함에 의해, 도 2에서 화살표(122)에 의해 예시된 바와 같이, 적어도 일부 난류 및 비산회가 상향 열 교환기(15)에 의해 제거되기 때문에 합성가스 유입(F)이 SSH(16)에 도달할 때 이것이 이미 일부 난류 및 비산회를 상실하여, 그렇게 함으로써 증기 슈퍼 가열기(SSH)(16)의 성능을 최적화하고 안정화한다는 것이 이해될 것이다.

본 개시내용은 상기에 기재된 이들의 구현예에 한정되지 않으며, 여기서 많은 변형이 첨부된 청구항들의 범위 내에서 고려될 수 있다. 각각의 구현예의 특징은 예를 들면 결합 될 수 있다.

Claims (5)

1. 재를 포함하고 그리고 가스화 반응기에 의해 생산된 뜨거운 합성가스를 냉각시키기 위한 합성가스 냉각 어셈블리로서,
   합성가스 냉각 채널(11);
   상기 합성가스 냉각 채널의 내부에 배열된 제1 열 교환기(15); 및
   상기 합성가스 냉각 채널의 내부에서 상기 제1 열 교환기의 하류에 배열된 증기 슈퍼 가열기(SSH) 열 교환기(16)를 포함하는, 합성가스 냉각 어셈블리.
2. 제1항에 있어서,
   - 상기 합성가스 냉각 채널은 합성가스 유동 경로의 방향으로 볼 때 수직 배향, 하향 배향을 가지고;
   - 상기 제1 열 교환기는 상기 증기 슈퍼 가열기(SSH) 열 교환기의 위쪽에 위치되고; 그리고
   - 적어도 하나의 제2 열 교환기(17, 18)는 상기 증기 슈퍼 가열기(SSH) 열 교환기(16)의 아래쪽에 위치되는, 합성가스 냉각 어셈블리.
3. 제2항에 있어서, 상기 증기 슈퍼 가열기(SSH) 열 교환기는 포화된 증기를 과열된 상태로 함에 의해 합성가스를 냉각시키도록 구성되고 그리고 상기 제1 열 교환기 및 적어도 하나의 제2 다른 열 교환기는 물 증발에 의해 상기 합성가스를 냉각시키도록 구성되는, 합성가스 냉각 어셈블리.
4. 제3항에 있어서, 증기 및 물 공급 및 재-순환 드럼(20)을 포함하고,
   상기 제1 열 교환기 및 상기 적어도 하나의 제2 열 교환기는 포화된 물을 공급하기 위한 격하 도관(downcome conduit)(21, 25, 27)을 통해 그리고 라이저(riser)(22, 26, 28)에 의해 증기 및 물 공급 및 재-순환 드럼에 연결되고; 그리고
   상기 증기 슈퍼 가열기는 포화된 증기를 공급하기 위한 증기 공급 도관 (23)을 통해 증기 및 물 공급 및 재-순환 드럼에, 그리고 과열된 증기를 전달하기 위한 도관(24)을 통해 증기 터빈 또는 처리 장비에 연결되는, 합성가스 냉각 어셈블리.
5. 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제2 열 교환기의 하류에서 합성가스 냉각 채널 내에 위치한 연료절약기 열 교환기를 포함하는, 합성가스 냉각 어셈블리.

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