KR100717486B1 - 수소 황화물 자동 감시 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이산화 황화물(sulfur dioxide) 가스 스트림 내의 수소 황화물(hydrogen sulfide) 가스의 양을 측정하기 위한 장치이다. 색상계(colorimeter)는 가열된 수소 황화물 교정가스(calibration gas)의 측정된 양으로 교정되어진다. 가스 샘플(gas sample)은 일반적으로 용광로(furnace)인 자원(source)로부터 얻어지고, 측정된 양은 반응셀(reaction shell)로 조절되어지고 주입되어진다. 반응셀 내의 탐측기(probe)는 색상계와 연통한다. 색상계(colorimeter)는 수소 황화물의 양을 측정한다. 공정 논리 제어기(process logic controller)는 상기 장치와 그 내부 및 외부의 구성요소를 감시하고 작동시킨다.
황화물, 가스, 측정
Description
본 발명은 일반적으로 화학 구성물(chemical composition)의 분석에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이산화황(sulfur dioxide, SO2) 환경에서 수소황화물(hydrogen sulfide, H2S)의 농도(concentration) 또는 이산화황(SO2)의 환경에서 수증기/일산화탄소/이산화탄소/질소/산소와 이산화황(sulfur dioxide)의 조합(combination)을 측정하고 분석하기 위한 시스템에 관한 것이다.
황화물 광석(sulfide ore)의 자용재련(Flash smelting)은 차후에 포집(capture)되어지고 처리(treat)되어지는 다량의 이산화황 가스(sulfur dioxide gas)를 생성한다. 이러한 것은 종종 액상의 이산화황 및 황산(H2SO4)으로 바뀐다. 그러나, 적절한 조건 아래에서 광석(ore) 내에 함유된 황(sulfur)의 불완전한 산화와 다량의 물(H20)로 인하여, 상당한 양의 수소황화물 가스(hydrogen sulfide gas)가 형성되어질 수도 있다.
이산화황(SO2)의 존재로, 수소황화물(H2S) 가스는 공장설비, 공장의 생산 성능 그리고 액체 이산화황(SO2) 및 황산 부산물의 품질에 부정적인 영향을 주는 원소의 유황(elemental sulfur)으로 분해된다. SO2 가스의 형성에 영향을 미치는 요인(factor)은 천연가스(natural gas), 코크스(coke)의 품질 및 양, 저산소 부분압력(low oxygen partial pressure), 용광로의 본질적 디자인, 공급량(feed quality) 등을 포함한다.
H2S의 바람직하지 않은 형성을 감소시키는데 도움이 되도록, 지붕이 장착된 산소창(oxygen lance)과 하류 애프터버너(downstream afterburner)는 결과로서 생기는 H2S를 산화시키도록 플래시 용광로(flash furnace) 내에 설치되어진다. 자원(source)에 근접한 H2S의 정확한 농도(concentration)를 아는 것은, 용광로 작동자(operator)가 H2S를 산화하는데 요구되는 산소를 조정함으로써 더욱 효과적으로 H2S 산화장비를 감시하고 조절할 수 있도록 한다.
인코사(Inco Limited)의 온타리오 디비젼(쿠퍼 클리프, 온타리오)에서, 산소창(oxygen lance)은 H2S를 더욱 완전히 산화시키기 위해서 플래시 용광로(flash furnace)의 지붕에 설치되어진다. 용광로(furnace) 속으로 주입된 산소의 양을 제어하기 위해서는, H2S 분석기(analyzer)가 필요하다. 과산화(over-oxidizing), 즉 너무 많은 산소를 사용하는 것은 여러 가지 문제점을 초래한다.
예를 들면, 용광로 내에서 연도(uptake) 내의 산화물 공급농축물의 증강은 용광로가 2주마다 약 6시간 정도 중단되는 것을 필요로 하며, 따라서 상기 물질은 물리적으로 청소되어지고 제거되어질 수 있다. 또한, 다양한 공정을 위해서 순수한 산소(oxygen)를 생산하고 선별(routing)하는 것은 비싸며 다소 제한되고, 정밀한 감독을 필요로 한다. 창(lance) 속으로 실제로 도입되는 산소를 더욱 효과적으로 조절하는 것은 최고 50%까지 실질적으로 사용절약을 가져올 수 있다. 예를 들어, 산소에 대한 수요가 공급을 초과할 때, 국지적인 범위의 구리 순환(copper circuit)은 차단되어지고 생산선 손실의 결과로 된다. 다소 무계획적인 방법으로 산소를 초과공급하는 것보다는 산소의 사용을 더욱 정밀하게 감시하고 통제함으로써, 추가적인 귀중한 순수 산소가 온라인 금속 생산과 같은 더욱 긴급한 필요에 이용될 수 있다.
발명자가 아는 한도 내에서는, 40-60%의 SO2 가스 환경에서 H2S의 백만 레벨당 부분(parts per million, ppm)을 측정할 수 있는 상업적으로 이용가능한 온-스트림(on-stream) 분석기는 없다. 고체상태의 반도체 기술 또는 초산연 용액(lead acetate solution)이 스며든 회전 테이프(rotating tape)를 사용하는 페이퍼 밀 스택(paper mill stack) 내에서 사용하기 위한 H2S 탐지기/분석기가 있지만, 불행하게도 상기 장치는 높은 부식성의 SO2 환경에서는 사용하기 어렵다.
따라서, 용광로 작동자(furnace operator)는 SO2 가스가 은질산염(AgNO3)이 주입된 막(membrane)을 통과하여 지나가는 약간 조잡한 수동 스테인(stain) 테스트를 사용하였다. 가스 내에 존재하는 H2S는, 어둠레벨(darkness level)이 가스 내의 H2S 농도에 해당하는 어두운 황화은(Ag2S) 점(spot)을 형성한다. 경험이 풍부한 작동자는 SO2 가스의 흐름을 주의깊게 시간을 맞추고 통제함으로써 SO2 가스 흐름 내에 함유된 H2S의 양을 개략적으로 추산할 수 있다.
상기에서 기술된 바와 같이, 상기와 같은 개략적인 측정 요법은 아쉬운 점이 많다. SO2 가스 흐름 내의 H2S의 양을 정확하게 측정하기 위한 간단하고 강력한 장치와 방법에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명에 따라서 자동 H2S 스테인 테스트 분석기(stain test analyzer)가 제공되어진다. 측정된 부피의 견본 처리가스(process gas)는 측정된 부피의 AgNO3 용액 속으로 주입되어진다. 용액의 결과적인 색상은 작동자(operator) 또는/및 후속의 산소 주입 제어장치(oxygen injection control device)에서 읽혀지는 측정을 결과적으로 제공하는 색상계(colorimeter)에 의해서 분석되어진다.
본 발명에 따라서 자동 H2S 스테인 테스트 분석기(stain test analyzer)가 제공되어진다. 측정된 부피의 견본 처리가스(process gas)는 측정된 부피의 AgNO3 용액 속으로 주입되어진다. 용액의 결과적인 색상은 작동자(operator) 또는/및 후속의 산소 주입 제어장치(oxygen injection control device)에서 읽혀지는 측정을 결과적으로 제공하는 색상계(colorimeter)에 의해서 분석되어진다.
도 1은 본 발명의 실시예를 도시하는 개략도
도 2는 H2S 농도를 표시하는 그래프.
도 3은 용광로 상태의 함수로서 H2S 농도를 표시하는 그래프
도 4는 H2S 농도를 표시하는 그래프.
도 5는 용광로 상태의 함수로서 H2S 농도를 표시하는 그래프
도 1은 수소 황화물 감시 시스템(10)을 개략적으로 도시하고 있다.
상기 시스템(10)은 비록 제한되지 않고 변동하는 진공레벨(vacuum level) 아래에 있으나, 상기 시스템(10)은 통상 약 100 ml/min 까지 물(H2O)의 연속적인 흐름의 샘플공정가스(process gas) 내의 수분과 함께 작동하도록 설계되어진다. 상기 시스템(10)은 연속적으로 작동하며, 선택된 주기적인 간격에서 백만분의 1단위("ppm")로 분석을 제공한다. 판독비율(판독속도, read-out rate)은 조절할 수 있으나, 매 2.5분마다 ppm 분석을 제공하는 것이 선호되어진다.
시스템(10)은 짝을 이루는 샘플 조절 시스템(sample conditioning system, 12)과 H2S 분석기 섹션(analyzer section, 14)을 포함한다.
비제한적인 설명의 편의를 위해서, 시스템(10)은 샘플 조절 시스템(12)과 수소 황화물 분석기 섹션(14)으로 임의적으로 나누어진다. 그러나, 다음의 설명에서 명백하게 되는 바와 같이, 이러한 임의적인 구조는 시스템(10)의 물리적 제한을 의미하는 것은 아니다. 구성요소의 다양한 조합이 서로 다른 물리적 치환(physical permutation)으로 배열되어질 수도 있다.
시스템(10)의 “심장부”는 색상계(colorimeter, 18)와 연통하는 반응셀(reaction cell, 16)을 이용한다. 다시 색상계(18)는 적절하게 구성된 공정 논리 컨트롤러("PLC")(20)와 통신하고 정보와 지시를 교환한다.
색상계(또는 크로노미터, chromometer, 18)는 용액 내의 알려진 농도의 색을 비교함으로써 상기 용액 내의 선택된 구성요소의 농도를 측정하는 장치이다. 도시된 실시예에서, PLC(20)은 알렌 브래들리 마이크로로직스(Allen Bradley MicrologixTM) 1200 모델이며, 색상계(18)는 브링크만(BrinkmannTM) PC 910 모델이다. 따라서, 다르거나 또는 동일한 제조자가 만든 유수한 구성요소가 마찬가지로 사용되어질 수도 있다.
색상계(또는 크로노미터, chromometer, 18)는 용액 내의 알려진 농도의 색을 비교함으로써 상기 용액 내의 선택된 구성요소의 농도를 측정하는 장치이다. 도시된 실시예에서, PLC(20)은 알렌 브래들리 마이크로로직스(Allen Bradley MicrologixTM) 1200 모델이며, 색상계(18)는 브링크만(BrinkmannTM) PC 910 모델이다. 따라서, 다르거나 또는 동일한 제조자가 만든 유수한 구성요소가 마찬가지로 사용되어질 수도 있다.
반응셀(reaction cell, 16) 내에서 발생하는 기초적인 화학반응은 다음과 같다.
불수용성 침전 은 황화물(silver sulfide)은 미세해서 용액 내에서 균일하게 분포되어진다. 용액의 암도(darkness)(흡광도, absorbance)는 수소 황화물 농도에 직접적으로 비례한다.
색상계(18)는 2센티미터 길이의 탐측기(probe, 22)와 (도시되지 않은) 420 nm 필터(filter)를 포함한다.
시스템(10)의 바람직하게 짧은 샘플링 시간(sampling time)과 AgNO3 용액의 높은 산성으로 인해서, 반응셀(16)은 어떠한 Ag2S 또는 Ag2SO3 잔여물을 남기지 않는다.
용광로 샘플 자원 포트(furnace sample source port, 24)로부터 샘플링 되어지는 공정가스(process gas)는 가스 펌프(gas pump, 26)에 의해서 흡입되어지고, 가스 필터(gas filter)/콘덴서(condenser)(28)로 방출되어진다. 가스 필터/콘덴서(28)는 가스로부터 액체를 흡입하는 내부 집진장치(internal impinger)를 포함한다. 농축물(condensate)은 농축물 구멍통(condensate sump, 30)로 향하게 된다. 그곳으로 유입되는 갇힌 가스들은 배출구(drain, 68)에서 차후의 조작(handling)을 위한 처리를 위해 후방으로 나가게 된다.
용광로 샘플 자원 포트(furnace sample source port, 24)로부터 샘플링 되어지는 공정가스(process gas)는 가스 펌프(gas pump, 26)에 의해서 흡입되어지고, 가스 필터(gas filter)/콘덴서(condenser)(28)로 방출되어진다. 가스 필터/콘덴서(28)는 가스로부터 액체를 흡입하는 내부 집진장치(internal impinger)를 포함한다. 농축물(condensate)은 농축물 구멍통(condensate sump, 30)로 향하게 된다. 그곳으로 유입되는 갇힌 가스들은 배출구(drain, 68)에서 차후의 조작(handling)을 위한 처리를 위해 후방으로 나가게 된다.
샘플 공정가스(process gas)는 필터/콘덴서(28)로부터 나오고, 히터(heater, 32)에 의해서 가열되어진다. 가스 바이패스 폐기 게이트(gas bypass waste gate, 34)는 샘플 공정가스를 배출구(68) 또는 고정밀 가스 흐름 제어기(high precision gas flow control, 36)(AEM 시스템, 모델 135, 고정밀 샘플 압력[흐름] 제어기)로 보내며, 상기 고정밀 가스 흐름 제어기는 반응셀(16) 또는 배출구(68)로 가는 정확한 양의 가스를 측정한다. 고정밀 흐름 제어기(36) 다음의 솔레노이드 밸브(solenoid valve, 38)는 측정되는 간격에서 반응셀(16)과 배출구(68) 사이에서 가스 흐름을 전환(switch)시킨다. 과도한 가스는 밸브를 통해서 배출구(68)로 보내진다.
가스 흐름 매개변수들은 시스템 압력 게이지(system pressure gauge, 40)와 샘플 압력 게이지(sample pressure gauge, 42)에 의해서 측정되어진다. 흐름비율(flow rate, 흐름속도)과 공정교정(process calibration)은 감지기(detector, 44)(AEM 시스템, 모델 136, 낮은 흐름 알람 출력을 가진 샘플 흐름 디스플레이)에 의해서 측정되어진다. 모든 다른 관련 구성요소 뿐만 아니라 감지기(detector, 44)도 당해업계에 알려진 공식으로 공정작동과 안전 고려사항을 위해서 PLC(20)에 전기적으로 연결되어진다. 일부 통신라인(communication line)들은 실선으로 도시되어지고 다른 것은 점선으로 도시되어지며, 일부는 단순성을 위해서 도시되어지는 않았다.
AgNO3 용액은 펌프(pump, 48)를 통해서 AgNO3 자원(source, 46, 공급원)으로부터 반응셀(16)로 공급되어진다. 이와 유사하게, 반응셀(16)로부터 폐기용액(waste solution)은 폐기펌프(waste pump, 50)에 의해서 흡입되어져서, 폐기용액 구멍통(waste solution sump, 52) 속으로 보내진다.
교정(calibration) 목적을 위한 50 ppm의 H2S 가스 자원(source, 공급원)은 탱크(tank, 54) 내에 저장되어진다. H2S 교정가스(calibration gas)는 히터(32)를 통과하게 되고, 공정가스와 동일한 경로를 지나며, 높은 정밀도 가스 흐름 제어기(gas flow control, 36)를 통과하고 솔레노이드 밸브(solenoid valve, 38)를 통해서 반응셀(16) 속으로 간다. 공정가스와 과도한 H2S 가스는 압력차 때문에 폐기 게이트(waste gate, 34)에 의해서 외부로 배출되어진다.
교정버튼(calibration button, 62C)이 눌러지면, 밸브(56)는 H2S 가스가 (PLC(20)로부터 제어된) 시간측정 순서로 흐르도록 한다. 다음으로 H2S 가스는 시스템이 교정되도록 흐르고 제거된다. 흐름 감지기(flow detector, 64)는 탱크(54)로부터 교정 가스 흐름율을 표시한다.
쿨러(cooler, 58)는 분석기(14)의 구성요소를 위한 냉각을 제공하며, 먼지를 (도시되지 않은) 시스템 엔클로져(enclosure) 외부에 유지시키기 위해서 양압(positive pressure)을 제공한다. 쿨러(58)는 PLC(20), 색상계(18), 전자장치 등뿐만 아니라 가스펌프(gas pump, 26), AgNo3 펌프(48) 그리고 폐기펌프(waste pump, 50)를 냉각한다.
교정버튼(calibration button, 62C)이 눌러지면, 밸브(56)는 H2S 가스가 (PLC(20)로부터 제어된) 시간측정 순서로 흐르도록 한다. 다음으로 H2S 가스는 시스템이 교정되도록 흐르고 제거된다. 흐름 감지기(flow detector, 64)는 탱크(54)로부터 교정 가스 흐름율을 표시한다.
쿨러(cooler, 58)는 분석기(14)의 구성요소를 위한 냉각을 제공하며, 먼지를 (도시되지 않은) 시스템 엔클로져(enclosure) 외부에 유지시키기 위해서 양압(positive pressure)을 제공한다. 쿨러(58)는 PLC(20), 색상계(18), 전자장치 등뿐만 아니라 가스펌프(gas pump, 26), AgNo3 펌프(48) 그리고 폐기펌프(waste pump, 50)를 냉각한다.
일련의 색깔로 구분된 경고(warning) 및 상태 라이트(light, 60A,60B,60C)는 작동자에게 정보를 제공한다.
푸시 버튼 패널(push button panel, 62)(62A,62B,62C)은 작동자가 시스템을 시작/가공하고, 멈추고, 조정하도록 한다. 라이트(light, 60)와 패널(62)은 PLC(20)와 전기적으로 소통한다.
PLC(20)는 모니터(monitor, 66)와 소통하며, 선택된 매개변수들을 디스플레이 한다. 실제로, 상기에서 언급한 바와 같이, 모든 제어요소, 밸브, 기구 및 펌프들은 PLC(20)와 전기적으로 연결되어진다.
푸시 버튼 패널(push button panel, 62)(62A,62B,62C)은 작동자가 시스템을 시작/가공하고, 멈추고, 조정하도록 한다. 라이트(light, 60)와 패널(62)은 PLC(20)와 전기적으로 소통한다.
PLC(20)는 모니터(monitor, 66)와 소통하며, 선택된 매개변수들을 디스플레이 한다. 실제로, 상기에서 언급한 바와 같이, 모든 제어요소, 밸브, 기구 및 펌프들은 PLC(20)와 전기적으로 연결되어진다.
시스템(10)의 작동은 다음과 같다.
먼저, 시스템(10)은 전원이 켜져야만 하고, 콜드 스타트(cold start)로부터 교정(calibrate) 되어져야만 한다.
먼저, 시스템(10)은 전원이 켜져야만 하고, 콜드 스타트(cold start)로부터 교정(calibrate) 되어져야만 한다.
작동자는 패널(62) 상의 스타트 버튼(62A)을 누르고, 샘플 조절 모듈(12) 전기장치와 히터(32)의 전원을 켠다. 가스 흐름 제어기(36)와 솔레노이드 밸브(38)는 가동되고, 가스 진공 펌프(26)가 움직이기 시작한다. 이제 샘플 조절 모듈(12)은 자원포트(source port, 24)로부터 샘플 공정가스를 얻고, 이는 분석을 위해 분석기 섹션(14)으로 조절된다. 시스템(10) 전원을 켜는 동안, 교정버튼(62C)을 누름으로써 가스 흐름 제어기(36)를 위하여 (도시되지 않은) 니들밸브(needle valve)를 통해서 반응셀(16)로의 흐름비율의 교정이 설정되도록, 한 사이클(사이클=2.5분) 동안 시스템(10)을 교정모드(calibration mode)에 둔다.
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교정 사이클(calibration cycle):
1. 작동자가 교정버튼(62C)을 누르고 관련된 교정 라이트(60C)를 켜서 교정 루틴(calibration routine)이 활성화 되어지는 것을 표시한다. 선택적으로 대부분의 작동뿐만 아니라 상기 단계는 자동화되어질 수도 있다.
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2. 폐기펌프(waste pump, 50)가 시동되고, 반응셀(16) 내에 있을 수도 있는 폐기용액(waste solution)을 제거한다.
3. AgNO3 용액 펌프(solution pump, 48)는 작동을 개시하고, 반응셀(cell, 16) 내에 약 4 ml의 부피를 생성하도록 약 25초 동안 반응셀(16)을 채운다. 이러한 것은 색상계 탐측기(probe, 22)를 커버한다.
4. 색상계(18)는 가동되어지고, 판독시 영점조정(zero drift)을 보장하도록 교정가스의 제 1 버블(bubble) 상에 영점으로 둘 준비를 한다(색상계(18)는 반응셀(16) 내의 용액의 흡광도(absorbance)를 측정한다).
5. 색상계(18)가 영점이 되기 전에 교정 솔레노이드 밸브(56)가 약 3초동안 열리도록, 색상계(18)가 약 10초 동안 가동되고 영점조절이 된다. 탱크(54)로부터의 교정가스(calibration gas)는 시스템(12) 전체를 흐르고, 압력차에 따라서 SO2 공정가스(process gas)를 외부로 나가게 한다. 공정가스는 5/psi(34.5 kPa)와 15/psi(103.4 kPa) 사이에서 진행되고, 교정가스(calibration gas)는 시스템 압력 게이지(40) 상에 표시되는 가장 큰 공정가스 압력보다 더 높은 압력에서 진행된다. 이러한 기술은 교정표준(calibration standard)에 따른다.
6. 건조한 50 ppm H2S 교정가스(나머지는 질소)는 히터(32)에 의해서 가열되어지고, 제어기(controller, 36)에 의해서 반응셀(16)로 도입되어지고, 그 후 색상계(18)가 자체로 영점이 됨에 따라서 솔레노이드 밸브(38)에 의해서 반응셀로 도입되어진다. 가스는 약 44초 동안 반응셀(16) 속으로 흐르고, 압력차 원리(differential pressure principle)로 작동되는 고정밀 가스 흐름 제어기(high precision gas flow controller, 36)는 흐름을 제어한다.
7. 약 44초 이후에, 솔레노이드 밸브(38)는 반응셀(16)로 가는 가스흐름을 멈추고, 반응셀(16) 내의 H2S의 농도를 표시하는 신호는 PLC(20)에 의해서 포착되어지고, 조절되어지며, 다음으로 그래픽적으로 표시(display)되어지는 디지털 제어 시스템(digital control system, 66)과 같은 시각 디스플레이로 보내지고, 작동자가 제어룸에서 기록된 데이터를 볼 수 있도록 한다.
8. 폐기펌프(waste pump, 50)는 가동되고, 작동자가 교정루틴을 다시 진행할 것인지 아닌지를 결정할 수 있는 시간에 반응셀(16)은 배출(drain)된다.
분석기(14)의 교정을 조절하기 위해서, (도시되지 않은) 니들밸브(needle valve)는 가스 흐름 컨트롤러(36)의 출구의 압력을 제어하도록 조절되어진다. 이것은 반응셀(16)로 흐름을 바꾸며, 반응셀(16) 내의 H2S의 농도를 바꾼다. 농도(concentration)에 있어서의 변화는 선형 관계에 의해 흡광도(absorbance)에 직접적으로 관계가 있다. H2S와 흡광도 사이의 관계는 0.800A의 흡광도(200 ppm H2S를 표시)까지는 선형이다.
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공정가스 테스트 사이클(test cycle):
공정가스 테스트 사이클은 용광로(furnace, 24)로부터의 공정가스 샘플이 교정가스 대신에 반응셀(16)(교정가스와 실질적으로 동일한 튜브(tubing)를 통해서)로 흐르는 것을 제외하고는 상기 교정사이클과 유사하다.
1. 폐기펌프(waste pump, 50)는 반응셀(16) 내에 있을 수도 있는 모든 폐기용액을 제거한다.
2. AgNO3 용액 펌프(solution pump, 48)는 가동되고 반응셀(16) 내에 약 4 ml 부피를 생성하도록 약 25초 동안 반응셀(16)을 채운다. 이것은 색상계 탐측기(probe, 22)를 커버한다.
3. 색상계(18)는 가동되어지고, 판독시 영점조정(zero drift)을 보장하도록 샘플 공정가스의 제 1 버블(bubble)이 영점이 되게 한다.
4. 공정가스 샘플은 샘플 조절 시스템(sample conditioning system, 12)으로 오는 5/psi(34.5 kPa)와 15 psi(103.4 kPa) 사이에서 일반적으로 변동하며, 어떠한 입자물질이 튜브 또는 다른 어떤 분석기 부분 내에서 침전되지 않도록 지속된다.
또한, 가스를 계속 흐르게 하는 것은 전체 시스템이 정상상태 조건(steady-state condition)에서 작동하도록 한다. 만일 가스 내에 농축물(condensate)이 있으면, 약 100 ml/min 액체물까지 대부분의 수분과 함께 필터/콘덴서(28)(집진장치 설계)에 의해서 외부로 배출된다. 이것은 농축물로부터 가스를 분리하며, 여기서 농축물은 콘덴서(28)의 바닥에서 외부로 제거되어지고, 가스는 히터(32)를 통해서 고정밀 가스 흐름 제어기(high precision gas flow control, 36) 위로 진행된다.
또한, 가스를 계속 흐르게 하는 것은 전체 시스템이 정상상태 조건(steady-state condition)에서 작동하도록 한다. 만일 가스 내에 농축물(condensate)이 있으면, 약 100 ml/min 액체물까지 대부분의 수분과 함께 필터/콘덴서(28)(집진장치 설계)에 의해서 외부로 배출된다. 이것은 농축물로부터 가스를 분리하며, 여기서 농축물은 콘덴서(28)의 바닥에서 외부로 제거되어지고, 가스는 히터(32)를 통해서 고정밀 가스 흐름 제어기(high precision gas flow control, 36) 위로 진행된다.
5. 공정가스는 가스단계(gas phase) 내의 잔여수분을 유지하도록 히터(32)에 의해서 가열되어지고, 색상계(18)가 영점이 되도록 밸브(38)에 의해서 반응셀(16)로 도입되어진다. 상기 가스는 약 44초 동안 반응셀 속으로 흐르고, 압력차 원리(differential pressure principle)로 작동되는 고정밀 가스 흐름 제어기(high precision gas flow controller, 36)는 흐름을 제어한다.
6. 약 44초 이후에, 솔레노이드(38)는 반응셀(16)로 가는 가스흐름을 멈추고, 용액은 평형상태(equilibrium)에 도달하도록 된다. 평형상태에 도달한 후, 반응셀(16) 내의 ppm H2S를 나타내는 탐측기(probe, 22)에 의해서 생성된 4-20 mA의 신호는 신호제어(signal conditioning)를 위하여 PLC(20)으로 보내지고, 다음으로 그래픽적으로 표시(display)되어지는 디지털 제어 시스템(digital control system, 66)과 같은 시각 디스플레이로 보내지고, 작동자가 제어룸 내에서 기록된 데이터를 볼 수 있도록 한다. 이러한 정보는 자동 산소 주입기 제어기로 보내질 수 있다.
7. 폐기펌프(waste pump, 50)는 이어서 켜지고, 다음으로 반응셀(16)이 방출되어지며 미리 결정된 비율로 사이클이 반복된다.
실험적 및 실제 가동 시험은 시스템(10)의 유효성을 보여준다.
실험적 및 실제 가동 시험은 시스템(10)의 유효성을 보여준다.
도 2와 도 3은 시스템(10)에 의해서 수집된 H2S 데이터와 그리고 H2S 형성에 기여하는 플래시 용광로 상태(flash furnace condition)를 각각 도시한다. 상기 데이터는 연속하는 3일의 기간(일자 "A", "A+1", 그리고 "A+2")에 걸쳐서 수집되어진다.
도 2의 수직 스파이크(vertical spike)는 공정가스 스트림 샘플 내의 H2S의 존재를 나타낸다. 각각의 스파이크(spike)는 측정된 기간과 흐름비율(flow rate)을 위해 공정가스 샘플 스트림 내에 놓이는 AgNO3가 스며든 페이퍼(paper)를 이용하는 종래의 “패치(patch)”테스트와 상관되고 이와 일치한다.
시스템(10) 그래프(도 2) 상에서 스파이크가 더 높을수록, AgNO3 페이퍼 상의 패치(patch)는 더 어두워진다.
도 3은 2일("A"와 "A+1")의 간격동안 인코 리미티드 온타리오 디비젼 넘버 2 플래시 용광로(flash furnace) 내의 실제 작동조건(도 2와 같이)을 도시한다. 그래프는 애프터버너(afterburner)와 지붕창(roof lance)에 대한 총 산소가 제로(0)인 것을 나타낸다. 이러한 것은 시스템(10)에 의해 탐지된 H2S 가스 내에 스파이크(spike)가 생기도록 한다. 용광로 연도(furnace uptake) 내의 산소의 결핍은 H2S 가스가 비산화되어 용광로를 나오도록 한다. 용광로 상태는 H2S 가스를 판독하는 시스템(10)을 지원한다.
도 3에서 도시된 다음의 심벌들은 다음과 같이 정의되어진다.
△은 (그래프에 맞추도록) 석유 코크스(petroleum coke)의 1000배 톤/시간(hour)을 나타낸다.
○은 (그래프에 맞추도록) 자연가스(natural gas, 천연가스)/10을 나타낸다.
□은 백만분에 대한 부분(parts per million, ppm)으로 시스템(10)에 의해서 측정되어 판독되는 필터 플랜트 H2S를 나타낸다.
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◇은 (그래프에 맞추도록) 건조 고체 차지(dry solid charge)("DSC")의 1000배 톤/시간(hour)으로 나누어지는 두 개 지붕창(roof lance)을 통해서 용광로(furnace) 속으로 들어가는 전체 톤/시간(hour)의 산소를 표시한다.
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도 4 및 도 5는 도 2와 도 3에서 도시된 것보다 약 1개월 후의 플래시 용광로(flash furnace) 내의 상태를 도시하고 있다. 도 4는 연속된 3일간(B, B+1, B+2)을 도시한다. 해당 용광로 작동상태는 단일 (두번째)날("B+1") 동안 도 5에서 도시되어진다.
도 4에서 도시된 데이터는 시스템(10)에 의해서 탐지된 H2S이다. 도 5는 용광로에서 애프터버너(afterburner)와 창(lance)에 대한 총 산소가 감소되고 천연가스(natural gas)의 양이 증가되는 것을 도시한다. 이것은 시스템(10)에 의해 탐지된 것과 같이 H2S 가스의 스파이크(spike)가 생기도록 한다.
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도 2 내지 도 5는 공정가스(process gas) 내의 H2S 레벨이 자동 연속적 기반(automatic continuous basis) 상에서 정확하게 감시되어질 수 있다는 것을 나타낸다. 종래의 통상적인 탐지공정(detection process)은 노동집약적 수동 배치 기술(manual batch technique)인 반면에, 본 발명의 시스템(10)은 효율적이다.
상기한 내용은 습기 기반 분석(wet basis analysis)에 본질적으로 관련이 있다. 선택적으로, 샘플 조절 시스템(sample conditioning system, 12)은 고장 또는 유지보수의 경우에 바이패스(bypass, 72)에 의해서 우회(bypass)되어질 수도 있다. 상기 바이패스(72)는 펌프(48,50)와 건조 크리스탈(drying crystal)에 유사한 바이패스 (세번째) 펌프를 포함한다. 바이패스 펌프는 가스펌프(26)를 닫고 가스샘플을 흡입하고, 건조 크리스탈을 통해서 상기 가스샘플을 보내고 그후 반응셀(16)로 보낸다.
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바이패스 펌프는 고정밀 가스 흐름 제어기(36)가 특히 유동하는 진공상태에서와 같이 동일한 흐름 정밀도(측정된 부피)를 전달하지 않기 때문에, 이러한 바람직하지 않는 건조 분석 바이패스는 덜 정밀한 판독을 제공한다. 또한, 많은 물(농축물)이 가스 내에 존재할 때, 건조 크리스탈(drying crystal)은 빈번하게 교체되어야만 한다. 그러나, 시스템(10)과 관련 기술들은 핀치(pinch)의 연속적인 모니터링을 위하여 적합하다.
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본 발명은 법규의 규정에 따라서 설명되고, 본 발명의 특정 실시예가 도시되어지고 기술되어진다. 본 발명이 속하는 분야의 당업자들은 특허청구범위에 의해 커버되는 본 발명의 범위 내에서 변화시킬 수도 있고, 본 발명의 특정한 성질들은 다른 특성의 대응되는 사용없이도 장점적으로 사용되어질 수도 있다.
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Claims (12)
- 가스 스트림(gas stream)을 포함하는 이산화 황화물(sulfur dioxide) 내의 수소 황화물(hydrogen sulfide) 가스를 감시(monitoring)하기 위한 수소 황화물 자동 감시 장치에 있어서,상기 장치는 가스 샘플 조절 시스템(gas sample conditioning system), 관련된 색상측정 기반 수소 황화물 분석기(colorimeter-based hydrogen sulfide analyzer)를 포함하며, 상기 장치는 가스 스트림을 포함하는 이산화 황화물(sulfur dioxide)의 샘플을 수용하도록 채용되어지며,상기 가스 샘플 조절 시스템(gas sample conditioning system)은 가스 샘플 조절 시스템으로 들어오는 가스 샘플(gas sample)을 포함하는 이산화 황화물(sulfur dioxide)을 위한 포트(port)와, 가스 샘플을 포함하는 이산화 황화물을 가열하기 위한 히터(heater)와, 수소 황화물 분석기(hydrogen sulfide analyzer)로의 가스 샘플 스트림의 흐름을 조절하기 위해서 히터의 하류방향으로 배치된 가스 흐름 제어기(gas flow control)와 그리고 가스 샘플 스트림 흐름이 가스 샘플 조절 시스템을 빠져나오도록 하는 폐기 게이트(wastegate)를 포함하며,상기 가스 샘플 조절 시스템(gas sample conditioning system)은 히터(heater)와 포트(port) 사이에 배치된 가스 콘덴서(gas condenser)를 포함하며, 상기 콘덴서는 농축물 구멍통(condensate sump)에 흐름가능하게 연결되어지며,가스 흐름 제어기 하류방향의 가스 샘플 조절 시스템 속으로 수소 황화물 교정가스(calibration gas)를 도입하기 위한 수단을 더 포함하며, 수소 황화물 교정가스는 히터(heater)를 통과하는 것을 특징으로 하는 수소 황화물 자동 감시 장치
- 제 1 항에 있어서, 상기 가스 샘플 조절 시스템(gas sample conditioning system)은 포트(port)에 연결된 가스 샘플 조절 바이패스(gas sample conditioning bypass)를 포함하며, 상기 바이패스는 바이패스 펌프(bypass pump)와 건조 크리스탈(drying crystal)을 포함하고, 상기 바이패스는 색상측정 기반 수소 황화물 분석기(colorimeter-based hydrogen sulfide analyzer)에 연결되어지는 것을 특징으로 하는 수소 황화물 자동 감시 장치
- 제 1 항에 있어서, 색상측정 기반 수소 황화물 분석기 섹션(14)은 샘플 조절 시스템과 연통하는 가스 흐름(gas flow) 내에 반응셀(reaction cell, 16)과, 상기 반응셀에 연결된 색상계(colorimeter, 18)와 반응셀에 연결된 폐기용액 구멍통(waste solution sump, 52)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 황화물 자동 감시 장치
- 제 1 항에 있어서, 가스 샘플 조절 시스템과 색상측정 기반 수소 황화물 분석기와 통하고 장치를 작동시키기 위한 공정 논리 제어기(process logic control)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 황화물 자동 감시 장치
- 제 1 항에 있어서, 공정 논리 컨버터와 연통하는 제어(control)/상태(status) 패널을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 황화물 자동 감시 장치
- 제 1 항에 있어서, 장치에 의해서 측정되어지는 가스(gas)를 포함하는 이산화 황화물의 수소 황화물(hydrogen sulfide)의 내용물을 디스플레이(display)하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 황화물 자동 감시 장치
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