KR101275436B1 - Production of activated char using hot gas - Google Patents

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로렌스 이. 3세 불
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마크 케이. 와이즈
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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

산소-연료, 산소 농축 공기-연료 또는 공기-연소 버너를 사용하여 고온으로 예열된 기체 혼합물을 사용하여 탄소질 공급원료를 탈휘발 및 부분 산화시킴으로써 활성 탄소를 이용하는 용도에 사용될 수 있는 잔류 활성탄을 생성한다. 고온 기체 및 분쇄된 탄소질 공급원료의 사용은 장치를 최소화하므로, 활성 탄소가 사용 장소 또는 그 가까이에서 제조되는 것, 예를 들어 연소가스로 스트림으로부터 수은 방출을 감소시키기 위해 사용되는 유틸리티 보일러 또는 그 가까이에서의 활성 탄소 제조를 허용한다. By devolatilizing and partially oxidizing the carbonaceous feedstock using a gas mixture preheated to high temperature using an oxygen-fuel, oxygen enriched air-fuel or air-burner burner to produce residual activated carbon that can be used for use with activated carbon do. The use of hot gases and pulverized carbonaceous feedstock minimizes the device, so that activated carbon is produced at or near the point of use, for example utility boilers or the like used to reduce mercury emissions from the stream as combustion gases Allow the production of activated carbon at close range.

활성탄, 고온 기체, 현지 제조, 수은 제거 Activated Carbon, Hot Gas, On-Site Manufacturing, Mercury Removal

Description

고온 기체를 이용한 활성탄 제조{PRODUCTION OF ACTIVATED CHAR USING HOT GAS}Manufacture of Activated Carbon Using Hot Gas {PRODUCTION OF ACTIVATED CHAR USING HOT GAS}

본 발명은 일반적으로 최종 사용 장소에서 또는 그의 가까이에서 활성탄(activated char)을 제조할 수 있도록 하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. The present invention generally relates to methods and systems that enable the production of activated charcoal at or near the end use site.

활성 탄소는 기체 또는 액체 스트림으로부터 오염 물질을 제거하기 위한 공업적 공정에서 흡착제로서 널리 사용된다. 예를 들어, 분말 활성 탄소(PAC)를 미립자 조절 장치 상류의 연소가스에 주입하여 연소가스로부터 오염물질을 제거함으로써 화석 연료 연소 발전소에 대해 계류중인 수은 방출 한계를 만족시키려는 시도가 연구되고 있다. Activated carbon is widely used as an adsorbent in industrial processes for removing contaminants from gas or liquid streams. Attempts have been made, for example, to meet pending mercury emission limits for fossil fuel-fired power plants by injecting powdered activated carbon (PAC) into the combustion gas upstream of the particulate control device to remove contaminants from the combustion gas.

연소 공정의 연소가스 스트림으로부터 수은을 제거하는 것은 매우 중요하다. 인체에 대한 수은의 독성은 오래 전부터 알려져 있다. 수은 노출의 파괴적인 효과의 예는, 아세트알데히드 제조의 유기 수은 부생성물이 그 지역의 만(灣)에 방출되어 어류에 의해 섭취 및 대사된 1950년대 일본 미나마타에서 발생하였다. 그 만의 어류 소비에 의해 지역 집단에 신경학적 손상 및 기형아 출산이 널리 퍼진 것이 보고되었다. It is very important to remove mercury from the flue gas stream of the combustion process. Mercury toxicity to humans has long been known. An example of the destructive effects of mercury exposure occurred in Minamata, Japan, in the 1950s, when organic mercury by-products of acetaldehyde production were released into bays in the area and consumed and metabolized by fish. It has been reported that neurologic damage and birth defects have become widespread in local populations due to its fish consumption.

다양한 연소 공정에 사용되는 석탄은 전형적으로 약 0.1 ppm의 수은을 함유 한다. 미국에서만도 매년 약 50톤의 수은이 배출가스 중에 증기로서 방출된다. 그러한 수은은 화학적 및 생물학적 과정을 통해 어류내에 수천배로 농축되어 인간 식품 공급물에 위험한 수준으로 유입될 수 있다. 2000년 12월, 환경보호국(Environmental Protection Agency; EPA)은 석탄 연소 발전소로부터의 수은 방출을 조절할 필요가 있다는 규제 결정을 내렸다. Coal used in various combustion processes typically contains about 0.1 ppm of mercury. In the United States alone, about 50 tonnes of mercury are released as steam in the exhaust each year. Such mercury can be concentrated thousands of times in fish through chemical and biological processes and enter dangerous levels in human food supplies. In December 2000, the Environmental Protection Agency (EPA) made a regulatory decision that it needed to regulate the release of mercury from coal-fired power plants.

그러나 흡착제 사용의 한 가지 장벽은 PAC의 제조 및 그의 최종 사용 장소까지 운반하는 것 모두 고가라는 점이다. PAC는 전형적으로 처음에는 흡착 특성을 갖지 않는 탄소질 출발 물질, 예컨대 석탄, 목재, 바이오매스 물질, 견과의 껍질(예, 호두 껍질, 야자나무 열매) 또는 견과의 겉껍질(예, 코코넛)로부터 제조된다. 탄소질 출발 물질은, 회전 가마에서 공급원료를 열분해하고 활성 매질 (즉, 스팀)로 탄소를 활성화하고 생성된 차르(char)를 분쇄 또는 미분화하는 것을 포함하는 에너지 및 자본 집약적 공정에 의해 보다 높은 흡착 특성을 지니는 PAC 물질로 전환된다. 이어서, 활성화된 탄소 물질은 그의 최종 사용 장소, 예컨대 석탄 연소 발전소까지 운반되어야 한다. However, one barrier to the use of adsorbents is that both the manufacture of the PAC and its transport to its end use site are expensive. PACs are typically prepared from carbonaceous starting materials that do not initially have adsorptive properties, such as coal, wood, biomass materials, shells of nuts (eg walnut shells, palm fruits) or shells of nuts (eg coconuts) do. Carbonaceous starting materials are adsorbed higher by energy and capital intensive processes, including pyrolysis of the feedstock in a rotary kiln, activating carbon with an active medium (i.e. steam) and pulverizing or micronizing the resulting chars. Converted to PAC material with properties. The activated carbon material must then be transported to its final place of use, such as a coal fired power plant.

PAC를 최종 사용 장소 가까이에서 제조하려는 시도가 있어 왔다. 예를 들어, 수은 조절용 차르를 제조하기 위한 연소 공정의 사용이 특허문헌에 논의되었다. 미국 특허 제6,451,094 B1호(창(Chang) 등)는 공급원료(feedstock)를 고온 연소가스에 주입하여 공급원료를 계내 활성화시키는 것을 기재하였다.Attempts have been made to manufacture PACs near their final place of use. For example, the use of combustion processes to make mercury control chars has been discussed in the patent literature. U. S. Patent No. 6,451, 094 B1 (Chang et al.) Describes injecting feedstock into hot combustion gases to activate the feedstock in situ.

미국 특허 제6,595,147호(텔러(Teller) 등)은 연소가스가 아직 자원 회수 장치 내에 있는 동안에, 물질을 탈휘발시켜 활성탄을 계내 형성하기에 충분한 온도에 서, 탄소질 차르를 연소가스에 첨가하는 것에 관한 것이다. U.S. Patent No. 6,595,147 (Teller et al.) Discloses adding carbonaceous char to combustion gas at a temperature sufficient to devolatilize the material and form activated carbon in situ while the combustion gas is still in the resource recovery system. It is about.

석탄 연소 공정의 연소가스로부터 수은을 포획하기 위해 비산회(fly ash)에서 발견되는 탄소를 사용하려는 시도가 또한 이루어졌다. 미국 특허 제5,787,823호(놀리즈(Knowles))는 통상적인 미립자 제어 장치(PCD)의 집진기(cyclone) 상류에서 탄소 함유 비산회를 포획하는 방법을 제안하였다. 이어서, 포획된 물질을 덕트에 주입하여 수은을 포획한다. 미국 특허 제6,027,551호(황(Hwang) 등)는 통상적인 PCD에서 포획된 비산회로부터 탄소를 분리하고, 탄소 농축 부분을 수은 흡착제로서 주입하는 것을 교시한다 Attempts have also been made to use the carbon found in fly ash to capture mercury from the combustion gases of the coal combustion process. U.S. Patent 5,787,823 (Knowles) has proposed a method for capturing carbon-containing fly ash upstream of the cyclone of a conventional particulate control device (PCD). The captured material is then injected into the duct to capture mercury. US Patent No. 6,027,551 (Hwang et al.) Teaches separating carbon from fly ash captured in conventional PCD and injecting the carbon enriched portion as a mercury sorbent.

미국 특허 제6,521,021 B1호(펜린(Pennline) 등)은 보일러 연소 대역으로부터 부분 산화 석탄을 제거하는 것을 교시한다. 분리한 석탄을 보다 하류에서 수은 흡착제로서 주입한다. U. S. Patent No. 6,521, 021 B1 (Pennline et al.) Teaches the removal of partially oxidized coal from a boiler combustion zone. The separated coal is injected further downstream as a mercury sorbent.

라니어(Lanier) 등(미국 특허 제6,726,888 B2호)는 NOx 방출 및 수은 제거용 천연 비산회 특성이 모두 조절되도록 하는 연소 공정의 조절을 제안하였다. Lanier et al. (US Pat. No. 6,726,888 B2) proposed a control of the combustion process such that both the natural fly ash characteristics for NO x emissions and mercury removal are controlled.

일반적인 보일러 운용의 제약과 천연 잔류 탄소는 그것이 보일러를 통해 이동함에 따라 활성이 감소한다는 사실 둘다로부터, 분리된 활성 탄소 제조 공정이 의도된 특정 최종 용도에 알맞은 특성을 갖는 활성 탄소를 생성할 수 있는 보다 나은 기회를 제공할 수 있다. 따라서, 광범위한 공정에 적합한 활성 탄소의 현지(onsite) 제조를 위한 시스템 및 방법을 제공하여 활성 탄소 제조 사용의 비용 및 효율을 개선하는 것이 바람직할 것이다. From both the constraints of general boiler operation and the fact that natural residual carbon decreases as it moves through the boiler, a separate activated carbon manufacturing process is more capable of producing activated carbon with properties suitable for the intended end use. Can provide better opportunities. Accordingly, it would be desirable to provide a system and method for onsite production of activated carbon suitable for a wide range of processes to improve the cost and efficiency of using activated carbon production.

발명의 간단한 요약Brief summary of the invention

본 발명은 활성탄이 그의 사용 장소에서 또는 그 가까이에서 제조될 수 있도록 충분히 유연하고 효율적인 활성탄 제조 방법 및 시스템을 제공한다. 본원에 제공되는 방법 및 시스템은 다른 배열로 사용될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명은 상술한 것과 같이 활성탄을 제조하여 다수의 유틸리티 등을 지원하는 중앙 설비에 구현될 수 있다. 다른 구현양태에서, 본 발명은 그 자신의 플랜트에 활성탄을 지원하고 잉여 활성탄을 다른 장소로 운반하는 유틸리티에 사용될 수 있다. The present invention provides a method and system for producing activated carbon that is sufficiently flexible and efficient so that activated carbon can be produced at or near its place of use. The methods and systems provided herein may be used in other arrangements. For example, the present invention can be implemented in a central facility that supports a number of utilities and the like by producing activated carbon as described above. In other embodiments, the present invention can be used in utilities that support activated carbon in their own plants and deliver surplus activated carbon to other locations.

상기 방법 및 시스템은 기체 혼합물을 산소-연료, 산소 농축 공기-연료 또는 공기-연료 버너를 사용하여 고온으로 예열하여 고온 기체 스트림을 형성하는 것을 포함한다. 이 고온 기체 스트림을 탄소질 공급원료(즉, 탄소질 원료 물질)와 혼합 및 반응시켜 탄소질 공급원료를 탈휘발 및 부분 연소시킴으로써, 활성 탄소를 사용하는 다양한 용도에 구현될 수 있는 잔류 활성탄이 생성되도록 한다.The method and system include preheating the gas mixture to high temperature using an oxygen-fuel, oxygen enriched air-fuel or air-fuel burner to form a hot gas stream. This hot gas stream is mixed and reacted with a carbonaceous feedstock (ie, a carbonaceous raw material) to devolatilize and partially burn the carbonaceous feedstock, producing residual activated carbon that can be implemented in a variety of applications using activated carbon. Be sure to

고온 기체 및 분쇄된 탄소질 공급원료의 사용은 장치를 최소화하므로, 예를 들어 연소가스로부터 유틸리티 보일러 수은 방출을 감소시키기 위한 활성 탄소를 그의 사용 장소에서 또는 그 가까이에서 제조할 수 있게 한다. The use of hot gases and pulverized carbonaceous feedstock minimizes the apparatus, thus enabling the production of activated carbon at or near its place of use, for example, to reduce utility boiler mercury emissions from combustion gases.

본 발명은 최종 사용 장소에서 또는 그 가까이에서 활성탄을 제조하기 위한 방법을 포함한다. 고온(바람직하게는 약 2,000 내지 3,000℉)의 산화성 기체 스트림은 분쇄 또는 미분화된 탄소질 공급원료와 혼합 및 반응하여 동일 탄소질 공급원료로 제조한 분말 활성 탄소와 유사한 흡착 특성을 갖는 분말 활성탄을 생성한다. 별법으로, 불활성 기체를 가열하여 공급원료의 열분해에 사용할 수 있다. 또 다른 별법으로, 산소와 연료의 비율을 조정함으로써, 고온 기체 스트림이 임의의 바람직한 산소 함량을 갖거나 또는 산소를 전혀 갖지 않게 할 수 있다(예, CO2 및/또는 H2O). 그것은 강하게 산화성이거나, 온화한 산화성이거나, 또는 심지어 환원성일 수도 있다. 예를 들어 탄소질 공급원료의 열처리를 위한 열원은 본 발명에 사용하기 적합할 수 있다. 당업자는 상기 흡착 특성이 사용되는 공급원료에 따라 달라짐을 알 것이다. 당업자는 또한 활성탄의 흡착 특성이 어떤 용도에는 충분할 수 있으나, 다른 용도를 위해서는 활성탄을 변경할 필요가 있음을 알 것이다. The present invention includes a method for producing activated carbon at or near the end of use. The oxidizing gas stream at high temperature (preferably about 2,000 to 3,000 ° F.) mixes and reacts with the milled or micronized carbonaceous feedstock to produce powdered activated carbon having adsorption characteristics similar to powdered activated carbon made from the same carbonaceous feedstock. do. Alternatively, the inert gas can be heated and used for pyrolysis of the feedstock. Alternatively, by adjusting the ratio of oxygen to fuel, the hot gas stream may have any desired oxygen content or no oxygen at all (eg CO 2 and / or H 2 O). It may be strongly oxidizing, mild oxidizing, or even reducing. For example, a heat source for heat treatment of carbonaceous feedstock may be suitable for use in the present invention. Those skilled in the art will appreciate that the adsorption properties depend on the feedstock used. Those skilled in the art will also appreciate that although the adsorption properties of activated carbon may be sufficient for some applications, it may be necessary to modify the activated carbon for other applications.

따라서, 본 발명은 활성탄을 최종 사용 장소에서 또는 그 가까이에서 제조할 수 있는 능력, 대형 회전 가마 공정에 비해 비용이 낮고 보다 효율적인 활성탄의 제조 방법, 및 주어진 설비의 주 연소 공정에 사용되는 연료와 상이할 수도 있는 활성탄 제조용 탄소질 공급원료를 사용할 수 있는 선택의 자유를 포함하나 이에 한정되지는 않는 몇몇 이점을 제공한다. 결국, 본 발명은 최종 사용 지점에서 또는 그 가까이에서 특정 용도를 위해 활성탄 특성을 변경할 수 있는 유연성을 제공한다. Thus, the present invention differs from the ability to produce activated carbon at or near the end of use, a method for producing activated carbon which is less expensive and more efficient than large rotary kiln processes, and the fuel used in the main combustion process of a given plant. It offers several advantages, including but not limited to the freedom of choice to use carbonaceous feedstock for the production of activated carbon. As a result, the present invention provides the flexibility to modify the activated carbon properties for a particular application at or near the end point of use.

본 발명에 따라 생성된 활성탄의 표면적은 현지 시중에서 입수가능한 PAC의 표면적보다 낮을 수 있고, 일부 경우 상당히 낮을 수 있다. 그러나 본원에 제공된 효율적이고 유연한 방법으로 인해, 전체적인 경제성 면에서는, 심지어 현재 시중에서 입수가능한 PAC에 비해 보다 활성화된 차르가 필요할 수 있는 상황에서도, 본 발명에 따라 생성된 활성탄의 사용이 여전히 유리할 수 있다. The surface area of the activated carbon produced according to the invention may be lower than the surface area of PACs available locally and in some cases may be significantly lower. However, due to the efficient and flexible methods provided herein, the use of activated carbon produced in accordance with the present invention may still be advantageous in terms of overall economics, even in situations where a more activated char may be needed compared to currently available PACs. .

스팀, 산소, 또는 기체 혼합물을 포함할 수 있는 고온 기체 스트림은 기체 스트림을 산소-연료, 산소 농축 공기-연료 또는 공기-연료 버너로 예열하여 고온 기체 혼합물을 생성함으로써 제조한다. 고온 기체로부터의 심한 난류는 탄소질 공급원료와 고온 기체를 신속하게 혼합하는 역할을 한다. 본 발명의 바람직한 실시양태에서, 고온 기체의 상승된 온도 및 산소 농도는 탄소질 공급원료의 신속한 점화, 탈휘발 및 부분 산화를 유발한다. Hot gas streams, which may include steam, oxygen, or gas mixtures, are prepared by preheating the gas stream with an oxygen-fuel, oxygen enriched air-fuel, or air-fuel burner to produce a hot gas mixture. Severe turbulence from hot gases serves to rapidly mix the carbonaceous feedstock with the hot gases. In a preferred embodiment of the invention, the elevated temperature and oxygen concentration of the hot gas cause rapid ignition, devolatilization and partial oxidation of the carbonaceous feedstock.

상승된 온도 및 높은 산소 농도는 둘다 탄소질 연료의 탈휘발 속도를 상당히 증가시키는 것으로 나타났으므로, 산화성 기체의 사용은 활성 탄소 물질을 생성하는데 필요한 체류 시간을 감소시킨다. 결국, 활성 탄소 제조에 전형적으로 사용되는 대형 회전 가마를 대신하여 소형 반응기를 사용할 수 잇다. 또한, 이 방법에 따라 발생되는 부생성물(예, CO 및 H2)은 주 보일러의 연료 또는 재연소 연료로서 사용할 수 있다. Elevated temperatures and high oxygen concentrations both have been shown to significantly increase the devolatilization rate of carbonaceous fuels, so the use of oxidizing gases reduces the residence time required to produce activated carbon materials. Consequently, small reactors can be used in place of the large rotary kilns typically used for making activated carbon. In addition, the by-products produced by this method (eg CO and H 2 ) can be used as fuel for the main boiler or as reburn fuel.

본 발명은 주 연소 공정으로부터 활성탄 제조를 분리시킴으로서 특정 용도에 요망되는 특성(예, 흡착성)을 갖는 활성탄을 제조하는 것을 가능하게 하는 방법 및 시스템을 제공한다. 예를 들어(제한적인 것은 아님) 본 발명은 연소가스 스트림 중의 수은 제거를 위한 미분화 연료 연소 유틸리티용 활성탄의 현지(또는 최종 사용 장소에 가까운 곳) 제조를 가능하게 한다. 별법으로 또는 추가적으로, 본 발명은 활성탄의 제조를, 탄화수소 및 다른 오염 물질을 제거하기 위한 폐수 처리용 고정층 장치에서의 용도에 최적화할 수 있게 한다. 본 발명의 또 다른 이점은 부분 산화 연료를 고온 기체 버너로 재순환하거나 또는 이를 공정의 일부일 수도 그렇지 않을 수도 있는 보일러에서 연소함으로써 공정에 유용한 연료로서 사용할 수 있는 점이다. 예를 들어, 기체 생성물을 NOx 조절을 위한 재연소 연료로서 보일러에 보낼 수 있다. The present invention provides a method and system that makes it possible to produce activated carbon having the desired properties (eg, adsorptive) for a particular application by separating activated carbon production from the main combustion process. For example, but not by way of limitation, the present invention enables the on-site (or close to end use) production of activated carbon for the removal of mercury from flue gas streams. Alternatively or additionally, the present invention enables the production of activated carbon to be optimized for use in fixed bed apparatus for wastewater treatment to remove hydrocarbons and other contaminants. Another advantage of the present invention is that it can be used as a useful fuel for the process by recycling the partial oxidation fuel to a hot gas burner or burning it in a boiler which may or may not be part of the process. For example, gaseous products can be sent to the boiler as reburn fuel for NO x control.

상기 논의한 바와 같이, 본 발명에 따라 사용되는 고온 산소 또는 고온 기체 버너는 현지 활성탄 제조를 가능케 한다. 상기 버너에 의해 달성되는 고온과 양호한 혼합의 조합은 (특히 현재 PAC 제조에 사용되는 회전 가마에 비해) 비교적 작고 간단한 공정 설비에서 활성탄 제조를 가능케 한다. 또한, 전형적으로 별도의 활성화 단계를 필요로 하는 회전 가마 공정과 반대로, 본 발명의 활성탄의 활성화는 공정의 결과로서 일어난다. As discussed above, the hot oxygen or hot gas burners used in accordance with the present invention enable local activated carbon production. The combination of high temperature and good mixing achieved by the burners enables the production of activated carbon in relatively small and simple process equipment (particularly in comparison with rotary kilns currently used for PAC production). Also, in contrast to the rotary kiln process, which typically requires a separate activation step, activation of the activated carbon of the present invention takes place as a result of the process.

따라서, 본 발명은 제조 효율 및 다목적성(versatility)을 둘다 개선할 뿐 아니라 운반의 필요성을 최소화함으로써, 최종 사용자에 대한 활성탄 단가를 상당히 감소시킬 수 있다. Thus, the present invention not only improves both manufacturing efficiency and versatility, but also minimizes the need for transportation, thereby significantly reducing the cost of activated carbon for the end user.

본 발명 및 그 이점의 보다 완전한 이해를 위해서는, 첨부한 도면과 조합된 하기 상세한 설명을 참조하기 바란다.For a more complete understanding of the present invention and its advantages, reference is made to the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 한 실시양태에 따른 활성 탄소 제조 장치의 개략도를 예시한다. 1 illustrates a schematic diagram of an apparatus for producing activated carbon according to one embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 별법의 실시양태에 따른 활성 탄소 제조 장치의 개략도를 예시한다. 2 illustrates a schematic diagram of an activated carbon production apparatus according to an alternative embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시양태에 따른 활성 탄소 제조 장치의 개략도를 예시한다.3 illustrates a schematic diagram of an activated carbon production apparatus according to another embodiment of the present invention.

동일한 도면 부호는 도면 중 몇몇 도에서 동일한 부분을 가리킨다. Like reference numerals refer to like parts in some of the drawings.

본 발명은 활성탄의 최종 사용 장소에서 또는 그 가까이에서 활성탄을 제조하기 위한 방법 및 시스템을 제공한다. 이러한 방법 및 시스템은 산소-연료, 산소 농축 공기-연료 또는 공기-연료 버너를 사용하여 기체 혼합물을 고온으로 예열하여 고온 기체 스트림을 형성하는 것을 포함한다. 고온 기체 스트림을 탄소질 공급원료(즉, 탄소질 원료 물질)와 혼합 및 반응시켜 탄소질 공급원료를 탈휘발 및 부분 연소시킴으로써, 활성 탄소를 사용하는 용도에 구현될 수 있는 잔류 활성탄이 생성되도록 한다.The present invention provides a method and system for producing activated carbon at or near the end use site of activated carbon. Such methods and systems include preheating the gas mixture to high temperature using an oxygen-fuel, oxygen enriched air-fuel or air-fuel burner to form a hot gas stream. The hot gas stream is mixed and reacted with the carbonaceous feedstock (ie, carbonaceous raw material) to devolatilize and partially burn the carbonaceous feedstock to produce residual activated carbon that can be implemented for use with activated carbon. .

고온 기체 및 분쇄된 탄소질 공급원료의 사용은 장치를 최소화하므로, 예를 들어 연소가스로부터 유틸리티 보일러 수은 방출을 감소시키기 위한 활성 탄소를 그의 사용 장소에서 또는 그 가까이에서 제조할 수 있게 한다.The use of hot gases and pulverized carbonaceous feedstock minimizes the apparatus, thus enabling the production of activated carbon at or near its place of use, for example, to reduce utility boiler mercury emissions from combustion gases.

본 발명은 최종 사용 장소에서 또는 그 가까이에서 활성탄을 제조하기 위한 방법을 포함한다. 고온(바람직하게는 약 2,000 내지 3,000℉)의 산화성 기체 스트림은 분쇄 또는 미분화된 탄소질 공급원료와 혼합 및 반응하여 회전 가마 공정과 같은 전형적인 방법으로부터 동일 탄소질 공급원료로 제조한 활성탄과 유사한 흡착 특성을 갖는 분말 활성탄을 생성한다. 당업자는 이러한 흡착 특성이 사용되는 공급원료에 따라 달라짐을 알 것이다. 당업자는 또한 활성탄의 흡착 특성이 어떤 용도에는 충분할 수 있으나, 다른 용도를 위해서는 활성탄을 변경할 필요가 있음을 알 것이다. The present invention includes a method for producing activated carbon at or near the end of use. High temperature (preferably about 2,000 to 3,000 ° F) oxidizing gas streams are mixed and reacted with pulverized or micronized carbonaceous feedstock to achieve similar adsorption characteristics as activated carbon prepared from the same carbonaceous feedstock from typical methods such as rotary kiln processes. Produce powdered activated carbon having Those skilled in the art will appreciate that this adsorption characteristic depends on the feedstock used. Those skilled in the art will also appreciate that although the adsorption properties of activated carbon may be sufficient for some applications, it may be necessary to modify the activated carbon for other applications.

따라서, 본 발명은 활성탄을 최종 사용 장소에서 또는 그 가까이에서 제조할 수 있는 능력, 대형 회전 가마 공정에 비해 비용이 낮고 보다 효율적인 활성탄의 제조 방법, 및 주어진 설비의 주 연소 공정에 사용되는 석탄과 상이할 수도 있는 활성탄 제조용 탄소질 공급원료를 사용할 수 있는 선택의 자유를 포함하나 이에 한정되지는 않는 몇몇 이점을 제공한다. 결국, 본 발명은 최종 사용 지점에서 또는 그 가까이에서 특정 용도를 위해 활성탄 특성을 변경할 수 있는 유연성을 제공한다. Thus, the present invention differs from the ability to produce activated carbon at or near the end of use, a method for producing activated carbon, which is less expensive and more efficient than large rotary kiln processes, and coal used in the main combustion process of a given plant. It offers several advantages, including but not limited to the freedom of choice to use carbonaceous feedstock for the production of activated carbon. As a result, the present invention provides the flexibility to modify the activated carbon properties for a particular application at or near the end point of use.

스팀, 산소, 또는 기체 혼합물을 포함할 수 있는 고온 기체 스트림은 기체 스트림을 산소-연료, 산소 농축 공기-연료 또는 공기-연료 버너로 예열하여 고온 기체 혼합물을 생성함으로써 제조한다. 이어서 기체 혼합물을 탄소질 공급원료와 신속하게 혼합한다. 본 발명의 바람직한 실시양태에서, 고온 기체의 상승된 온도 및 산소 농도는 탄소질 공급원료의 신속한 점화, 탈휘발 및 부분 산화를 유발한다. Hot gas streams, which may include steam, oxygen, or gas mixtures, are prepared by preheating the gas stream with an oxygen-fuel, oxygen enriched air-fuel, or air-fuel burner to produce a hot gas mixture. The gas mixture is then rapidly mixed with the carbonaceous feedstock. In a preferred embodiment of the invention, the elevated temperature and oxygen concentration of the hot gas cause rapid ignition, devolatilization and partial oxidation of the carbonaceous feedstock.

상승된 온도 및 높은 산소 농도는 둘다 탄소질 연료의 탈휘발 속도를 상당히 증가시키는 것으로 나타났으므로, 고온의 산화성 기체의 사용은 활성 탄소 물질을 생성하는데 필요한 체류 시간을 감소시킨다. 결국, 활성 탄소 제조에 전형적으로 사용되는 대형 회전 가마를 대신하여 소형 반응기를 사용할 수 있다. 또한, 이 방법에 따라 발생되는 부생성물(예, CO 및 H2)은 주 보일러의 연료 또는 재연소 연료로서 사용할 수 있다. Elevated temperatures and high oxygen concentrations have both been shown to significantly increase the devolatilization rate of carbonaceous fuels, so the use of hot oxidizing gases reduces the residence time required to produce activated carbon materials. Consequently, small reactors can be used in place of the large rotary kilns typically used for making activated carbon. In addition, the by-products produced by this method (eg CO and H 2 ) can be used as fuel for the main boiler or as reburn fuel.

따라서, 본 발명은 주 연소 공정으로부터 활성탄 제조를 분리시킴으로써 특정 용도에 요망되는 특성(예, 흡착성)을 갖는 활성탄을 제조하는 것을 가능하게 하는 방법 및 시스템을 제공한다. 예를 들어(제한적인 것은 아님) 본 발명은 연소가스 스트림 중의 수은 제거를 위한 미분화 연료 연소 유틸리티용 활성탄의 제조를 가능하게 한다. 별법으로 또는 추가적으로, 본 발명은 활성탄의 제조를, 탄화수소, 물 및 다른 오염 물질을 제거하기 위한 폐수 처리용 고정층 장치에서의 용도에 최적화할 수 있게 한다. 본 발명의 또 다른 이점은 부분 산화 기체를 고온 기체 버너로 재순환하거나 또는 이를 공정의 일부일 수도 그렇지 않을 수도 있는 보일러에서 연소함으로써 공정에 유용한 연료로서 부분 산화 기체를 사용할 수 있다는 점이다. 예를 들어, 기체 생성물을 NOx 제어를 위한 재연소 연료로서 보일러에 보낼 수 있다. Accordingly, the present invention provides a method and system that makes it possible to produce activated carbon having the desired properties (eg, adsorption) for a particular application by separating activated carbon production from the main combustion process. For example, but not by way of limitation, the invention enables the production of activated carbon for micronized fuel combustion utilities for mercury removal in flue gas streams. Alternatively or additionally, the present invention enables the production of activated carbon to be optimized for use in fixed bed apparatus for wastewater treatment to remove hydrocarbons, water and other contaminants. Another advantage of the present invention is that the partial oxidizing gas can be used as a fuel useful for the process by recycling the partial oxidizing gas to a hot gas burner or burning it in a boiler which may or may not be part of the process. For example, gaseous products can be sent to the boiler as reburn fuel for NO x control.

상기 논의한 바와 같이, 본 발명에 따라 사용되는 고온 산소 또는 고온 기체 버너는 현지 활성탄 제조를 가능케 한다. 상기 버너에 의해 달성되는 고온과 양호한 혼합의 조합은 (특히 현재 PAC 제조에 사용되는 회전 가마에 비해) 매우 작고, 비교적 간단한 공정 장비에서 활성탄 제조를 가능케 한다. 또한, 전형적으로 별도의 활성화 단계를 필요로 하는 회전 가마 공정과 반대로, 본 발명의 활성탄의 활성화는 공정의 결과로서 일어난다. As discussed above, the hot oxygen or hot gas burners used in accordance with the present invention enable local activated carbon production. The combination of high temperature and good mixing achieved by the burners allows for the production of activated carbon in very small, relatively simple process equipment (particularly in comparison with rotary kilns currently used for PAC production). Also, in contrast to the rotary kiln process, which typically requires a separate activation step, activation of the activated carbon of the present invention takes place as a result of the process.

따라서, 본 발명은 제조 효율 및 다목적성을 둘 다 개선할 뿐 아니라 운반의 필요성을 최소화함으로써, 최종 사용자의 활성탄 비용을 상당히 감소시킬 수 있다. Thus, the present invention not only improves both manufacturing efficiency and versatility, but also minimizes the need for transportation, thereby significantly reducing the cost of activated carbon for the end user.

상기 논의한 바와 같이, 본 발명은 넓은 범위의 공업 공정에 적합한 활성탄을 제조하기 위해 사용할 수 있다. 따라서 특정 용도의 활성탄을 제조하기 위한 최적의 구성은 최종 용도 및 바람직한 차르 특성에 강하게 의존한다. 예시를 위하여, 고온 기체 대 탄소질 공급원료의 비율, 체류 시간, 고온 기체의 온도 및 공정의 첨가제는 의도된 활성탄의 최종 용도 및 경제적 요인을 기준으로 결정할 수 있다.As discussed above, the present invention can be used to produce activated carbon suitable for a wide range of industrial processes. The optimal configuration for producing activated carbon for a particular use is thus strongly dependent on the end use and the desired char properties. For illustrative purposes, the ratio of hot gas to carbonaceous feedstock, residence time, temperature of hot gas and additives in the process can be determined based on the intended use of the activated carbon and economic factors.

도 1을 참조하면, 본 발명의 한 실시양태에 따른 활성 탄소 제조 장치의 개략도를 나타내었다.Referring to FIG. 1, a schematic diagram of an activated carbon production apparatus according to one embodiment of the present invention is shown.

버너 (1)은 다양한 방식으로 사용할 수 있으며, 버너 설계는 작동 방식에 따라 필요시 변경된다. 한 바람직한 실시양태에서, 버너 (1)은 산소-연료 버너이고 연료 (10) 및 산화제 공급원 (11)에 대해 작동하여 매우 고온의 연소가스를 생산한다. 이 실시양태에서, 산화제 (11)은 순수한 산소이다. 또 다른 실시양태에서, 버너 (1)은 산소 농축 작동 방식으로 사용된다. 보다 구체적으로, 산화제 (11)의 산소 농도는 순수한 산소보다 낮지만, 공기보다 높다 (예를 들어 약 21 내지 100% 미만의 산소 농도). 이 실시양태는 공기 중 질소의 존재로 인해 바람직하지 않을 수 있다. 고온 기체 중 N2는 탄소질 공급원료와의 반응에 대해 희석제로서 작용할 수 있고 고온 기체의 온도를 낮춘다. 또 다른 실시양태에서, 버너 (1)은 공기 버너로서 작동한다. 이 실시양태에서 산화제 (11)은 공기이다. 이 세번째 실시양태도 공기 중 N2의 존재로 인해 산소-연료만큼 바람직하지 않을 수 있다. 고온 기체 중 N2의 존재는 탄소질 공급원료와의 반응에 대해 희석제로서 작용할 수 있고 고온 기체의 온도를 낮춘다.Burner 1 can be used in a variety of ways, the burner design being changed as necessary depending on the manner of operation. In one preferred embodiment, burner 1 is an oxygen-fuel burner and operates on fuel 10 and oxidant source 11 to produce very hot combustion gases. In this embodiment, the oxidant 11 is pure oxygen. In another embodiment, the burner 1 is used in an oxygen concentration operation mode. More specifically, the oxygen concentration of the oxidant 11 is lower than pure oxygen, but higher than air (eg oxygen concentration of about 21 to less than 100%). This embodiment may be undesirable due to the presence of nitrogen in the air. N 2 in the hot gas can act as a diluent to react with the carbonaceous feedstock and lower the temperature of the hot gas. In another embodiment, the burner 1 operates as an air burner. In this embodiment the oxidant 11 is air. This third embodiment may also be as undesirable as oxygen-fuel due to the presence of N 2 in the air. The presence of N 2 in the hot gas can act as a diluent for reaction with the carbonaceous feedstock and lower the temperature of the hot gas.

연료 (10) 및 산화제 (11)은 고온 산소 버너 (1)로 공급된다. 연료 (10)로서 예시적인 연료는 천연가스(NG), 메탄, 프로판, 수소, 경유, LPG, 연료유 및 코크스 오븐 가스를 포함하나 이에 한정되지는 않는다. 연료 (10)은 액체일 수 있으나 바람직하게는 기체이다.The fuel 10 and the oxidant 11 are supplied to the hot oxygen burner 1. Exemplary fuels as fuel 10 include, but are not limited to, natural gas (NG), methane, propane, hydrogen, diesel, LPG, fuel oil, and coke oven gas. Fuel 10 may be a liquid but is preferably a gas.

일부 실시양태에서, 반응물 기체 (12)를 버너 (1)에 도입하여 산화제 (11) 및 연료 (10)과 혼합 및 반응시키는 것이 바람직할 수 있다. 반응물 기체 (12)는 스팀일 수 있으며, 일차적으로는 반응기 용기 (3)에서 탄소질 공급원료와의 적절한 반응을 위한 기체 스트림 (7)의 바람직한 조성을 얻기 위해 사용할 수 있다. 반응물 기체 (12)는 또한 반응기 용기 (3)에서 생성되는 활성탄의 특성을 개질하기 위해 사용된다. 예를 들어, 반응물 기체 (12)를 사용하여 반응 챔버 (3)에서 제조되는 생성된 활성탄의 표면적을 향상시킬 수 있다. 반응물 기체 (12)가 항상 필요한 것은 아닐 수 있음을 알 것이다.In some embodiments, it may be desirable to introduce reactant gas 12 into burner 1 to mix and react with oxidant 11 and fuel 10. Reactant gas 12 may be steam and may be used primarily to obtain the desired composition of gas stream 7 for proper reaction with carbonaceous feedstock in reactor vessel 3. Reactant gas 12 is also used to modify the characteristics of the activated carbon produced in the reactor vessel 3. For example, reactant gas 12 may be used to improve the surface area of the resulting activated carbon produced in reaction chamber 3. It will be appreciated that reactant gas 12 may not always be required.

버너 (1)이 산소-연료 또는 산소 농축 공기-연료 방식으로 사용되는 특정 실시양태에서, 버너 (1)은 그 전문이 본원에 참고로 인용된 앤더슨(Anderson)의 미국 특허 제5,266,024호에 개시된 것과 같은 고온 산소 버너로서 구성될 수 있다. 상기 고온 산소 버너는 "고온 산소(hot oxygen)"라고 공지된 고속, 고온 및 고반응성 기체 혼합물을 생산할 수 있다.In certain embodiments in which burner 1 is used in an oxy-fuel or oxygen enriched air-fuel mode, burner 1 is the same as that disclosed in Anderson, US Pat. No. 5,266,024, which is incorporated herein by reference in its entirety. It can be configured as the same hot oxygen burner. The hot oxygen burners can produce high speed, high temperature and high reactive gas mixtures known as "hot oxygen".

버너 (1)이 산소-연료 방식, 산소 농축 방식 또는 공기 방식 중 어느 방식으로 작동되는지에 관계 없이, 탄소질 공급원료 (13)을 연소 및 부분 산화시킴으로써 의도된 최종 용도를 위한 흡착 특성을 갖는 활성탄을 생성하기에 충분한 양의 산소를 기체 스트림 (7) 중에 갖는 것이 필요하다. 기체 스트림 (7)의 산화 포텐셜은 바람직한 활성탄을 생성하기 위해 탄소질 공급원료 (13)을 부분 산화시키고 완전히 연소하지는 않는 정도이다. 이에 따라 기체 스트림 (7) 중 산소의 양은 공급원료 (13)의 바람직한 반응의 양을 기준으로 조정된다. 이어서, 기체 스트림 (7) 중 적절한 양의 산소를 생성하기 위해, 산화제 (11) 및/또는 연료 (10)의 양을 조정할 수 있다. 열악한 생성물 수율을 야기하는 너무 많은 공급원료 (13) 연소를 피하기 위해 너무 많은 산소를 사용하지 않는 것이 중요하다.Regardless of whether burner 1 is operated in an oxygen-fuel mode, an oxygen enrichment method or an air mode, activated carbon with adsorption properties for the intended end use by burning and partial oxidation of the carbonaceous feedstock 13 It is necessary to have a sufficient amount of oxygen in the gas stream 7 to produce. The oxidation potential of the gas stream 7 is such that it partially oxidizes and does not completely burn the carbonaceous feedstock 13 to produce the desired activated carbon. The amount of oxygen in the gas stream 7 is thus adjusted based on the desired amount of reaction of the feedstock 13. The amount of oxidant 11 and / or fuel 10 may then be adjusted to produce an appropriate amount of oxygen in gas stream 7. It is important not to use too much oxygen to avoid burning too much feedstock 13 which results in poor product yield.

연료 (10)에 비해 과량의 산소가 스트림 (7)에 바람직할 경우(예를 들어 스팀과 같은 다른 스트림을 사용할 수 없을 때 탄소질 공급원료 (13)과의 반응을 향상시키기 위해), 버너 (1)로 공급되는 산화제 (11)의 화학량론적 비율은 연료 (10)에 비해 매우 과량일 것이다. 다른 작동 방식에서, 버너 (1)은 산소의 양이 연료 (10)에 대해 화학량론적 양에 가까운 것 내지 매우 과량인 산화제 (11)로 작동될 것이다.If excess oxygen is desired for stream 7 relative to fuel 10 (for example to enhance reaction with carbonaceous feedstock 13 when no other stream such as steam is available), burner ( The stoichiometric ratio of oxidant (11) fed to 1) will be very excess compared to fuel (10). In another mode of operation, the burner 1 will be operated with an oxidant 11 in which the amount of oxygen is close to the stoichiometric amount relative to the fuel 10 to a very excessive amount.

고온 산소 버너 (1)은 온도가 바람직하게는 800℉ 이상, 가장 바람직하게는 2,000℉ 초과인 고온 기체 스트림 (7)을 생성한다. 고온 기체 스트림 (7)의 온도는 공급원료 (13) (및 임의의 공급원료 (13) 담지 물질)과의 바람직한 반응을 유발하기에 충분히 높다. 기체 스트림 (7)은 주로 연소 생성물 (예, CO2 및 H2O), 잔류 산소, 기체 스트림 (12)로부터의 임의의 미반응물 기체, 및 공기가 산화제 (11)의 일부 또는 전부로서 사용될 경우 아마도 N2를 함유할 것이다. 일부 실시양태에서, 기체 스트림 (7)은 70 부피% 초과의 잔류 산소를 함유할 수 있고 그 나머지는 연소 생성물이다.The hot oxygen burner 1 produces a hot gas stream 7 whose temperature is preferably at least 800 ° F. and most preferably more than 2,000 ° F. The temperature of the hot gas stream 7 is high enough to cause the desired reaction with the feedstock 13 (and any feedstock 13 supported material). Gas stream 7 is mainly composed of combustion products (eg, CO 2 and H 2 O), residual oxygen, any unreacted gas from gas stream 12, and when air is used as part or all of oxidant 11 It will probably contain N 2 . In some embodiments, gas stream 7 may contain more than 70 volume percent residual oxygen and the remainder is combustion products.

도 1에 추가로 예시한 바와 같이, 분쇄 또는 미분화된 탄소질 공급원료 (13)을 혼합 구획 (2)로 공급하고 고온 기체 혼합물(7)과 혼합한다. 탄소질 공급원료 (13)은 탄소질 원료 물질, 예컨대 다양한 석탄, 석유 코크스, 바이오매스 물질 (예, 톱밥) 또는 견과의 껍질 (예, 호두 껍질, 야자나무 열매) 또는 견과의 겉껍질 (예, 코코넛)로부터 선택할 수 있다. 탄소질 공급원료 (13)은 다양한 방법에 의해 혼합 구획 (2)로 운반할 수 있다.As further illustrated in FIG. 1, milled or micronized carbonaceous feedstock 13 is fed to mixing compartment 2 and mixed with hot gas mixture 7. The carbonaceous feedstock 13 may be a carbonaceous raw material, such as various coal, petroleum coke, biomass materials (e.g. sawdust) or shells of nuts (e.g. walnut shells, palm fruits) or shells of nuts (e.g. Coconut). The carbonaceous feedstock 13 can be conveyed to the mixing section 2 by various methods.

탄소질 공급원료 (13)은 공기 또는 연소가스와 같은 캐리어 기체 중의 비말동반(entrainment)에 의해, 공기 작용에 의해, 또는 수 슬러리와 같은 슬러리로서 혼합 구획 (2)에 운반될 수 있다. 당업자는 담지 또는 운반 물질 없이 공급원료 그 자체를 공급하는 것을 포함한 다른 공급원료 (13) 운송 방법을 사용할 수도 있음을 알 것이다. 운반 스트림 중 임의의 산소는 산소 대 공급원료의 전체 비율에 고려되어야 한다(즉, 운반 스트림 중의 산소는 스트림 (7) 중 산소와 합쳐진다).The carbonaceous feedstock 13 may be conveyed to the mixing section 2 by entrainment in a carrier gas such as air or combustion gas, by air action, or as a slurry, such as a water slurry. Those skilled in the art will appreciate that other methods of transporting the feedstock 13 may be used, including feeding the feedstock itself without supporting or transporting material. Any oxygen in the carrier stream must be taken into account in the total ratio of oxygen to feedstock (ie the oxygen in the carrier stream is combined with the oxygen in stream 7).

버너 (1)로부터 생산되고 혼합 구획 (2)로 공급되는 기체 스트림 (7)의 속도는 공급원료 (13)이 혼합기(2)에 공급되는 방식(예, 캐리어 기체 중의 비말동반, 공기작용에 의한 공급, 슬러리로서 공급)에 관계 없이, 탄소질 공급원료 (13)을 임의의 운반 물질과 함께 기체 스트림 (7) 중에 비말동반되도록 충분히 빠르다.The velocity of the gas stream 7 produced from the burner 1 and fed to the mixing compartment 2 is such that the feedstock 13 is fed to the mixer 2 (eg entrainment in the carrier gas, by aerodynamic action). Regardless of the feed, feed as slurry), the carbonaceous feedstock 13 is sufficiently fast to entrain in the gas stream 7 with any carrier material.

당업자는 본 발명에 따라 제조된 활성 탄소의 최종 용도를 포함한 다양한 기준에 기초하여 탄소질 공급원료 (13)을 선택할 수 있음을 알 것이다. 예를 들어, 활성 탄소를 분산상 포획 방식(예, 연소가스 스트림 중의 수은 포획)으로 사용하는 용도에서는 특정한 미분된 석탄을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 반대로, 활성 탄소가 팩킹된 층 (예, 기체 또는 액체 스트림으로부터 탄화수소 및 다른 오염물질을 제거하기 위한 폐수 처리용 고정층 장치)에 사용되는 용도에서는 분쇄된 석탄을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.Those skilled in the art will appreciate that the carbonaceous feedstock 13 can be selected based on various criteria, including the end use of the activated carbon produced according to the present invention. For example, in applications where activated carbon is used in a dispersed phase capture mode (eg, mercury capture in a flue gas stream), it may be desirable to use certain finely divided coal. Conversely, it may be desirable to use pulverized coal in applications where activated carbon is used in packed beds (eg, fixed bed apparatus for wastewater treatment to remove hydrocarbons and other contaminants from gas or liquid streams).

마찬가지로 당업자는 (본원에서 논의한) 반응기 용기 (3) 내의 체류 시간이 공급원료 (13)의 선택에 의해 영향을 받을 것임을 알 것이다. 예를 들어, 분 단위일 수 있는 분쇄된 공급원료의 체류 시간에 비해, 분산상 흡착 방식을 위한 미분된 공급원료의 체류 시간은 초 단위일 수 있다. 따라서 탄소질 공급원료 (13)은 최종 용도 및 장치 설계에 따라 바람직한 크기로 분쇄 또는 미분한다.Those skilled in the art will likewise appreciate that the residence time in the reactor vessel 3 (discussed herein) will be influenced by the choice of the feedstock 13. For example, compared to the residence time of the milled feedstock, which may be in minutes, the residence time of the finely divided feedstock for the dispersed phase adsorption mode may be in seconds. The carbonaceous feedstock 13 is thus ground or finely ground to the desired size depending on the end use and the device design.

일부 실시양태에서, 탄소질 공급원료 (13)을 도핑제로 예비처리하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 탄소질 공급원료 (13)을 혼합 구획 (2)로 도입하기 전에 할라이드 염(예, NaBr, KBr)으로 할라이드 염이 탄소질 공급원료 (13) 중에 분산되도록 예비처리할 수 있다. 이는 활성 탄소가 연소가스 스트림으로부터의 수은 포획 및 제거를 위해 사용되는 용도에 이로울 수 있다. 할라이드 염(예, KBr)은 이러한 유형의 용도에서 활성탄 특성을 개선할 수 있다. 이러한 처리의 바람직한 예는 치엔-청 차오(Chien-Chung Chao) 등에게 공동 소유되어 있는 "Catalytic Adsorbents For Mercury Removal From Flue Gas and Methods of Manufacture Therefor"라는 명칭으로 2005년 3월 14일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/078,509호 및 치엔-청 차오 등에게 공동 소유되어 있는 "Catalytic Adsorbents For Mercury Removal From Flue Gas and Methods of Manufacture Therefor"라는 명칭으로 2005년 9월 12일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/224,149호에서 찾아볼 수 있으며, 이들은 그 전문이 본원에 참고로 인용된다.In some embodiments, it may be desirable to pretreat the carbonaceous feedstock 13 with a dopant. For example, the halide salts (eg, NaBr, KBr) can be pretreated so that the halide salts are dispersed in the carbonaceous feedstock 13 before introducing the carbonaceous feedstock 13 into the mixing compartment 2. This may be advantageous for applications where activated carbon is used for the capture and removal of mercury from flue gas streams. Halide salts (eg KBr) can improve activated carbon properties in this type of use. A preferred example of such a treatment is the United States, filed March 14, 2005, entitled "Catalytic Adsorbents For Mercury Removal From Flue Gas and Methods of Manufacture Therefor," which is co-owned by Chien-Chung Chao et al. US Patent Application No. 11, filed September 12, 2005, entitled "Catalytic Adsorbents For Mercury Removal From Flue Gas and Methods of Manufacture Therefor," jointly owned by Patent Application No. 11 / 078,509 and Chien-Cheng Chao et al. / 224,149, which are hereby incorporated by reference in their entirety.

따라서 합쳐진 스트림 (8)은 공급원료 (13) 및 고온 반응물 기체(7)의 혼합물을 함유한다. 스트림 (8)은 반응기 용기 (3)으로 도입된다. 반응기 용기 (3)은 필요에 따라 물로 냉각되는 내화성 라이닝 파이프(lined pipe)일 수 있다. 별법으로, 물 분무를 사용하여 반응기 내의 온도를 제어할 수 있다.The combined stream 8 thus contains a mixture of feedstock 13 and hot reactant gas 7. Stream 8 is introduced into reactor vessel 3. The reactor vessel 3 may be a refractory lined pipe which is cooled with water as needed. Alternatively, water spray can be used to control the temperature in the reactor.

또한 도 1에 나타낸 바와 같이, 다른 첨가제 유체, 고체 또는 기체 (14b)를 반응기 용기 (3)에 첨가할 수 있다. 전형적인 첨가제 (14b)는 스팀, N2, 물, 및/또는 활성탄의 의도된 용도를 위한 특정 활성을 갖는 물질(들)을 포함할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 스트림 (14b)를 사용하여 반응기(3) 내부의 온도를 조정하고/거나 반응기(3) 내부의 반응을 위한 스팀을 제공할 수 있다. 첨가제 (14b) 대신에 또는 첨가제 (14b)에 더하여, 첨가제 유체, 기체 또는 고체(예, 석회) (14a)를 반응기 용기 (3)으로 주입 전의 스트림 (8)과 혼합할 수도 있다.As also shown in FIG. 1, other additive fluids, solids or gases 14b may be added to the reactor vessel 3. Typical additives 14b may include, but are not limited to, substance (s) having specific activity for the intended use of steam, N 2 , water, and / or activated carbon. For example, stream 14b may be used to adjust the temperature inside reactor 3 and / or provide steam for the reaction inside reactor 3. Instead of or in addition to additive 14b, additive fluid, gas or solid (eg lime) 14a may be mixed with stream 8 before injection into reactor vessel 3.

상기 논의한 바와 같이, 반응기 용기 (3) 내의 물질은 탈휘발 및 부분 산화를 일으켜, 부분 산화 기체(예, CO 및 H2) 및 활성탄을 함유하는 생성물 스트림을 생성한다. 부분 산화 기체 및 활성탄은 스트림 (9)로서 반응기 용기 (3)에서 배출된다.As discussed above, the material in reactor vessel 3 causes devolatilization and partial oxidation to produce a product stream containing partial oxidizing gases (eg CO and H 2 ) and activated carbon. Partial oxidizing gas and activated carbon are withdrawn from the reactor vessel 3 as stream 9.

당업자는 체류 시간, 기체 스트림 (7) 중 탄소질 공급원료에 대한 잔류 산소의 비율, 및 반응기 용기 (3)의 온도가 탄소질 공급원료 (13) 및 활성탄의 바람직한 특성에 기초하여 제어됨을 알 것이다. 예를 들어, 체류 시간이 너무 길거나, 공급원료에 대한 고온 산소의 비율이 너무 높으면, 너무 많은 공급원료가 소비될 것이다. 이는 감소된 생성물(즉, 활성탄) 수율을 야기할 수 있다. 체류 시간 또는 반응 온도가 너무 낮으면, 탈휘발 및 활성이 불완전하여 생성물(즉, 활성탄) 품질이 감소할 수 있다.Those skilled in the art will appreciate that the residence time, the ratio of residual oxygen to the carbonaceous feedstock in the gas stream (7), and the temperature of the reactor vessel (3) are controlled based on the desired properties of the carbonaceous feedstock (13) and activated carbon. . For example, if the residence time is too long, or if the ratio of hot oxygen to feedstock is too high, too much feedstock will be consumed. This can lead to reduced product (ie activated carbon) yields. If the residence time or reaction temperature is too low, the devolatilization and activity may be incomplete, resulting in reduced product (ie activated carbon) quality.

반응기 용기 (3)에서 배출되는 부분 산화 기체 및 활성탄 혼합물 (9)를 켄칭 매질 (15)로 켄칭하여 생성물을 냉각시킨다. 일부 실시양태에서, 활성탄과 혼합되는 켄칭 매질 (15) 중에 첨가제(예, 연소가스 스트림으로부터의 수은 제거에 사용되는 활성탄을 위한 할라이드 염(예, KBr))를 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 처리의 바람직한 예는 치엔-청 차오 등에게 공동 소유되어 있는 "Catalytic Adsorbents For Mercury Removal From Flue Gas and Methods of Manufacture Therefor"라는 명칭으로 2005년 3월 14일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/078,509호 및 치엔-청 차오 등에게 공동 소유되어 있는 "Catalytic Adsorbents For Mercury Removal From Flue Gas and Methods of Manufacture Therefor"라는 명칭으로 2005년 9월 12일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/224,149호에서 찾을 수 있으며, 이들은 그 전문이 본원에 참고로 인용된다.The partial oxidizing gas and activated carbon mixture 9 exiting the reactor vessel 3 is quenched with a quenching medium 15 to cool the product. In some embodiments, it may be desirable to include additives (eg, halide salts for activated carbon (eg KBr) for use in removing mercury from the flue gas stream) in the quenching medium 15 mixed with the activated carbon. A preferred example of such a treatment is US Patent Application No. 11 / 078,509, filed March 14, 2005, entitled "Catalytic Adsorbents For Mercury Removal From Flue Gas and Methods of Manufacture Therefor," which is co-owned by Chien-Cheng Chao et al. No. 11 / 224,149, filed Sep. 12, 2005, entitled " Catalytic Adsorbents For Mercury Removal From Flue Gas and Methods of Manufacture Therefor, " co-owned by Hu and Chien-Cheng Chao et al. Which are hereby incorporated by reference in their entirety.

켄칭 매질은 바람직한 첨가제를 함유하는 물방울의 안개, 또는 질소와 같은 기체일 수 있다.The quench medium may be a mist of water droplets containing the desired additives, or a gas such as nitrogen.

이어서 냉각된 혼합물(21)을 집진기(또는 다른 미립자 수집 장치)(4)에서 분리할 수 있다. 집진기(4)는, 예를 들어 직접 주입 사용 방식에서, 항상 필요하지는 않을 수 있다(예를 들어 도 3 참조).The cooled mixture 21 can then be separated in the dust collector (or other particulate collection device) 4. The dust collector 4 may not always be necessary, for example in a direct injection use manner (see eg FIG. 3).

이어서 집진기(4)에서 배출되는 부분 산화 기체 (16)(예, 일산화탄소 및 수소)의 일부 또는 전부를 재연소 연료 (18a)로서 보일러(5)에 공급하거나, 연료 (18b)로서 보일러의 연소 대역으로 되돌릴 수 있다. 부분 산화 기체 (16)을 재연소 연료 (18a) 및/또는 연료 (18b)로서 사용하는 것과 달리 또는 그와 함께, 부분 산화 기체 (16)의 일부 또는 전부를 버너 (1)에서 버너 연료 (19)로서 사용할 수 있다.Subsequently, some or all of the partial oxidizing gas 16 (eg, carbon monoxide and hydrogen) discharged from the dust collector 4 is supplied to the boiler 5 as the reburn fuel 18a, or the combustion zone of the boiler as the fuel 18b. Can be reversed. Unlike or in combination with using the partial oxidizing gas 16 as the reburn fuel 18a and / or the fuel 18b, some or all of the partial oxidizing gas 16 is removed from the burner 1 in the burner fuel 19 Can be used as).

본 발명에 따라 제조되는 활성탄은 스트림 (17)로서 집진기(4)에서 배출되고 그의 의도된 최종 용도를 위해 가공된다. 활성탄이 예를 들어 연소가스 스트림 중 수은을 포획하기 위해 사용되는 경우, 스트림 (17)은 캐리어 기체와 비말동반되어(나타내지 않음), 온도가 수은 포획을 위한 바람직한 범위 이내인 위치에서 연소가스 내로 주입된다. 이어서 활성탄을 수은 제어를 위한 통상적인 PAC 주입과 유사한 미립자 제어 장치(PCD) (6)(예, 전기집진장치 또는 필터 직물)에서 비산회와 함께 수집한다. 별법으로서, 비산회의 탄소 함량이 비산회를 시멘트 성분으로서 판매할 수 없을 정도로 소실되지 않도록, 활성탄을 PCD의 하류에 주입할 수 있다. 다른 실시양태에서, 스트림 (17) 중 활성탄을 그의 의도된 최종 용도(예, 폐수 처리용 고정층)로 수송한다.Activated carbon produced according to the invention is discharged from the dust collector 4 as stream 17 and processed for its intended end use. If activated carbon is used, for example, to capture mercury in the flue gas stream, stream 17 is entrained (not shown) with the carrier gas, injected into the flue gas at a location where the temperature is within the desired range for mercury capture. do. Activated carbon is then collected with fly ash in a particulate control device (PCD) 6 (eg, an electrostatic precipitator or filter fabric) similar to conventional PAC injection for mercury control. Alternatively, activated carbon can be injected downstream of the PCD so that the carbon content of the fly ash is not lost such that it cannot be sold as a cement component. In other embodiments, activated carbon in stream 17 is transported to its intended end use (eg, fixed bed for wastewater treatment).

도 1에 예시된 실시양태는, 많은 공정 단계가 실제 공정 설비에 조합될 수 있도록 변경될 수 있다. 예를 들어(제한적인 것은 아님), 본 발명에 따라 활성탄을 제조하기 위한 실험실-규모 시스템을 도 2에 개략적으로 나타내었다.The embodiment illustrated in FIG. 1 can be modified such that many process steps can be combined in an actual process facility. For example (but not by way of limitation), a laboratory-scale system for producing activated carbon according to the invention is shown schematically in FIG. 2.

상기 실시양태에서, 버너 (1) 및 반응기 (3)가 공정 설비 내에 조합된다. 실험은 탄소질 공급원료 (13)(이 예에서는 석탄)가 혼합 구획 (2)에 있는 동안(도 2에 나타내지 않음) 점화되는 것을 나타내며, 이는 점화가 극도로 빠름을 나타낸다. 혼합 구획 (2)는 내화성 라이닝 파이프인 반응기 용기 (3)에 부착된다. 반응기(3)의 설계는 적절한 반응 구역 (3) 내 체류 시간을 고려하여 조정될 수 있다. 첨가제 유체 또는 기체 (14), 예컨대 물 또는 스팀은, 버너 (1)의 고온 산소 노즐 상류에서의 혼합 또는 (도 2에서 나타낸 바와 같이) 반응기 용기 (3)에서의 혼합을 포함하여, 상기 실시양태의 어디에서나 혼합될 수 있다.In this embodiment, the burner 1 and the reactor 3 are combined in the process equipment. The experiment shows that the carbonaceous feedstock 13 (coal in this example) is ignited while in the mixing compartment 2 (not shown in FIG. 2), which indicates that the ignition is extremely fast. The mixing section 2 is attached to the reactor vessel 3, which is a fire resistant lining pipe. The design of the reactor 3 can be adjusted taking into account the residence time in the appropriate reaction zone 3. The additive fluid or gas 14, such as water or steam, comprises mixing upstream of the hot oxygen nozzle of the burner 1 or mixing in the reactor vessel 3 (as shown in FIG. 2), in the above embodiment. Can be blended anywhere in.

도 2에 추가로 나타낸 바와 같이, 스트림 (9)는 반응 구역(3)에서 생성되는 차르 이외에 CO, H2, CO2 및 N2 (예를 들어, 스트림 (9)에서 기체 건조 중량으로 약 40% CO, 20% H2, 20% CO2 및 20% N2)를 함유할 수 있다.As further shown in FIG. 2, stream (9), in addition to the char produced in the reaction zone (3), is approximately 40 by weight of gas dry weight in CO, H 2 , CO 2 and N 2 (eg, stream 9). % CO, 20% H 2 , 20% CO 2 and 20% N 2 ).

질소 (15)를 사용하여 집진기 (4)로 보내어지는 생성물을 켄칭한다. 켄칭 매질로서 질소 (15)의 사용은 스트림 (9)의 조성이 변경되지 않도록 냉각관으로 대체할 수 있다. 별법으로, 스팀을 켄칭 매질 (15)로서 사용할 수 있다. 이러한 경우, 집진기에 유입되는 수소 및 이산화탄소의 농도는 스트림 (9)과 다르게 변경될 수 있다.Nitrogen (15) is used to quench the product sent to the dust collector (4). The use of nitrogen 15 as the quenching medium can be replaced with a cooling tube so that the composition of the stream 9 does not change. Alternatively, steam can be used as the quenching medium 15. In this case, the concentrations of hydrogen and carbon dioxide entering the dust collector can be changed differently from stream (9).

집진기(4)는 스테인리스 강으로 제조할 수 있다. 연소성 기체는 천연가스 화염을 사용하여 타오르게 할 수 있다. 질소(22)를 이덕터(eductor) 기체로서 사용하여 기체를 집진기 밖으로 배출시킨다. 따라서 기체(24)에는 질소의 농도가 높다. 도 2에 나타내어진 버너(26)을 기체(24)를 연소시키기 위한 안전 예방책으로 사용한다. 나타낸 바와 같이, 기체는 천연가스-산소 화염을 통과할 수 있다.The dust collector 4 may be made of stainless steel. Combustible gases can be flared using a natural gas flame. Nitrogen 22 is used as the eductor gas to vent the gas out of the precipitator. Therefore, the gas 24 has a high concentration of nitrogen. The burner 26 shown in FIG. 2 is used as a safety precaution for burning the gas 24. As shown, the gas may pass through a natural gas-oxygen flame.

도 2에서 또한 나타낸 바와 같이, 활성탄(17)을 집진기(4)로부터 수집하고, 도 1을 참조하여 상기 논의한 바와 같이 추가로 처리하여 사용할 수 있다.As also shown in FIG. 2, activated carbon 17 can be collected from the dust collector 4 and further processed and used as discussed above with reference to FIG. 1.

도 1은 산화제 (11)를 가열하기 위한 연료 (10)의 전부는 아닐지라도 그 일부를 대체하기 위한 버너 (1)의 연료로서 고온 부분 산화 기체 (19)의 용도를 예시한다. 본 발명의 또 다른 구성은 도 3에 나타나있다. 이 예시적 실시양태에서, 반응기 용기 (3)으로부터의 생성물 (9)는 연소가스 (20)으로부터의 수은 제거를 위해 연소가스 (20)으로 직접 주입할 수 있다. 스트림 (9)를 수은 제거 이외의 직접 주입 방식을 위해 사용할 수 있다는 것을 알 것이다. 도 3에 또한 나타낸 바와 같이, 스트림 (9)는 상기 논의한 바와 같이 스트림 (15)를 사용하여 켄칭할 수 있다.1 illustrates the use of the hot partial oxidizing gas 19 as the fuel of the burner 1 to replace some, if not all, of the fuel 10 for heating the oxidant 11. Another configuration of the present invention is shown in FIG. In this exemplary embodiment, the product 9 from the reactor vessel 3 can be injected directly into the combustion gas 20 for mercury removal from the combustion gas 20. It will be appreciated that stream 9 can be used for a direct injection scheme other than mercury removal. As also shown in FIG. 3, stream 9 may be quenched using stream 15 as discussed above.

도 3에서 예시한 실시양태에서 부분 산화 기체는 연소되지 않는다. 따라서, 반응기(3)에서 형성되는 활성탄 및 부분 산화 기체를 함께 연소가스 (20)으로 주입한다. 집진기이 사용되지 않는 경우, (활성탄 및 부분 산화 기체를 함유하는) 스트림 (9)의 주입 지점은 집진기이 사용되는 경우의 구성에 비해, 연소가스 (20)의 보다 상류일 것이다. 이는 부분 산화 기체를 완전히 연소시키는데 필요한 추가의 시간 때문이다. 연소가스(20)의 추가 체류 시간 및 온도는 일산화탄소의 연소(즉, 완전 연소)을 허용한다. 보다 구체적으로, 도 3에 나타낸 구성의 주입 지점에서의 연소가스의 온도는 도 1의 주입 지점의 약 600℉와 대조적으로 약 2,000℉일 수 있다.In the embodiment illustrated in FIG. 3, the partial oxidizing gas is not combusted. Thus, the activated carbon and the partial oxidizing gas formed in the reactor 3 are injected together into the combustion gas 20. If no dust collector is used, the injection point of the stream 9 (containing activated carbon and partial oxidizing gas) will be more upstream of the combustion gas 20 compared to the configuration where the dust collector is used. This is due to the additional time required to completely burn the partial oxidizing gas. The additional residence time and temperature of the flue gas 20 allows the combustion of carbon monoxide (ie complete combustion). More specifically, the temperature of the flue gas at the injection point of the configuration shown in FIG. 3 may be about 2,000 ° F. in contrast to about 600 ° F. at the injection point of FIG. 1.

실시예 1Example 1

도 2에 예시된 실험 장비를 사용하여 활성탄의 몇몇 시료를 제조하였다. 도 2를 참고하여, 천연가스를 스트림 (10)에 사용하였고, 산소를 스트림 (11)에 사용하였고, 파우더 리버 베이신(Powder River Basin) (PRB), 노쓰 다코타 갈탄(North Dakota Lignite) (NDL) 또는 유타(Utah) 석탄을 스트림 (13)에 사용하였다. 할라이드 염을 건식 또는 습식 혼합에 의해 석탄 분말에 첨가하였다.Several samples of activated carbon were prepared using the experimental equipment illustrated in FIG. 2. Referring to Figure 2, natural gas was used for stream 10, oxygen was used for stream 11, Powder River Basin (PRB), North Dakota Lignite (NDL) ) Or Utah coal was used in stream (13). The halide salt was added to the coal powder by dry or wet mixing.

표 1에 열거된 것은 활성탄의 제조에 사용되는 화학량론적 비율(SR) 및 차르의 생성된 특성이다. 비교를 위해, 노리트 아메리카 인코포레이티드(Norit America, Inc.)로부터 상업적으로 이용가능한 분말 활성 탄소인 다르코(Darco)® FGD의 특성을 또한 표 1에 열거하였다.Listed in Table 1 are the stoichiometric ratios (SR) and chars produced for the production of activated carbon. For comparison, the Nori bit of America, Inc. (Norit America, Inc.) commercially available powdered activated carbon available from the Darko (Darco) ® FGD characteristics of were also listed in Table 1.

SRHOB은 스트림 (11)로 공급되는 산소의 양을 스트림 (10)으로 공급되는 천연 가스를 완전 연소하기 위해 요구되는 산소의 양으로 나누어 계산하였다. SR반응기 용기는 반응기 용기 (3)에 주입되는 산소의 양을 스트림 (13)으로 공급되는 석탄을 완전 연소하기 위해 요구되는 산소의 양으로 나누어 계산하였다.SR HOB was calculated by dividing the amount of oxygen fed to stream 11 by the amount of oxygen required to complete combustion of the natural gas fed to stream 10. The SR reactor vessel was calculated by dividing the amount of oxygen injected into the reactor vessel 3 by the amount of oxygen required to completely burn the coal fed to the stream 13.

활성탄의 탄소 함량은 머플로(muffle furnace)를 사용하여 활성탄 시료를 건조시킨 후 건조 활성탄 시료를 점화시켜 결정하였다. 이어서 점화시킨 시료의 초기 질량과 최종 질량 사이의 차를 건조 활성탄의 초기 질량으로 나누어 탄소 함량을 계산하였다.The carbon content of the activated carbon was determined by drying the activated carbon sample using a muffle furnace and then igniting the dried activated carbon sample. The carbon content was then calculated by dividing the difference between the initial mass and the final mass of the ignited sample by the initial mass of dry activated carbon.

활성탄의 BET 표면적은 마이크로메리틱스(Micromeritics)® ASAP 2000 분석기를 사용하여 측정하였다. 원료 PRB 석탄의 BET 표면적이 5임을 유의하여야 한다.The BET surface area of activated carbon was measured using a Micromeritics ® ASAP 2000 analyzer. Note that the BET surface area of the raw PRB coal is five.

수율은 활성탄의 탄소 함량을 사용하고 스트림 (13)에 공급되는 석탄의 재(ash) 함량에 대한 물질 균형을 실행하여 계산하였다. 습윤 중량 기준의 재 함량은 PRB 석탄의 경우 4.47%이고, 노쓰 다코타 갈탄의 경우 7.4%였다. 활성탄에 의한 수은 제거는 605 MW 장치인 미국 위스콘신 플레전트 프레리 소재의 위 에너자이즈 플레전트 프레리 플랜트(We Energies' Pleasant Prairie Power Plant)에서, 또한 350 MW로 평가되는 통상적인 미분된 석탄 보일러가 있는 웨스턴 석탄-연소 유틸리티에서 전력연구소(EPRI)의 오염 제어 시스템(PoCT)을 사용하여 평가하였다. 두 플랜트는 모두 PRB 석탄을 연소시켰다. PoCT는 큰 규모의 ESP를 제1 사용지로 주입하는 것을 모의 실험하기 위해 사용되는 체류 챔버였다. 수은 제거 평가 동 안, 호스트 장소의 미립자 제어 장치의 상류에 위치한 후류(slipstream)를 추출한 후 PoCT로 주입하였다. 약 2 및 4 초의 체류 시간을 시험하고, 약 6 lb/MMacf의 활성탄 주입 속도를 사용하였다. 퍼센트 수은 제거는 수은의 주입 농도로부터 수은의 배출 농도를 뺀 후 총수를 주입 수은 농도로 나누고 100을 곱하여 계산하였다. 실험 번호 3은 수은 제거를 평가하지 않았다. 수은 제거 실험 장비의 보다 상세한 설명은 문헌[Sjostrom, et al., "Assessing Sorbents for Mercury Control in Coal-Combustion Flue Gas," Journal of the Air and Waste Management Association, Vol. 52, p. 902-911 (August 2002)]에서 찾을 수 있다.Yields were calculated using the carbon content of activated carbon and performing a mass balance on the ash content of coal fed to stream (13). The ash content on the wet weight basis was 4.47% for PRB coal and 7.4% for North Dakota lignite. Mercury removal by activated charcoal is from the Western Energies' Pleasant Prairie Power Plant, Pleasant Prairie, Wisconsin, 605 MW unit, and also Western coal with a conventional finely divided coal boiler rated at 350 MW. -The combustion utility was evaluated using the Power Research Institute (EPRI) Pollution Control System (PoCT). Both plants burned PRB coal. PoCT was a retention chamber used to simulate the injection of large scale ESP into the first site of use. During the mercury removal evaluation, a slipstream located upstream of the particulate control device at the host site was extracted and injected into the PoCT. Retention times of about 2 and 4 seconds were tested and an activated carbon injection rate of about 6 lb / MMacf was used. Percent mercury removal was calculated by subtracting the mercury emission concentration from the mercury injection concentration, then dividing the total mercury by the injection mercury concentration and multiplying by 100. Experiment number 3 did not evaluate mercury removal. A more detailed description of mercury removal experimental equipment is described in Sjostrom, et al., "Assessing Sorbents for Mercury Control in Coal-Combustion Flue Gas," Journal of the Air and Waste Management Association, Vol. 52, p. 902-911 (August 2002).

표 1의 실험 번호 1 내지 3에서 사용한 석탄은 PRB였다. 실험 번호 4에서, 건식 혼합에 의해 형성된 1 중량%의 NaBr를 갖는 PRB 석탄을 사용하였고, 실험 번호 5에서, 건식 혼합에 의해 형성된 0.5%의 NaBr를 갖는 NDL 석탄을 사용하였다. 실험 6에서, 건식 혼합에 의해 형성된 7 중량%의 KBr를 갖는 PRB 석탄을 사용하였다. 실험 7에서, 건식 혼합에 의해 형성된 7 중량%의 KBr를 갖는 PRB 석탄을 사용하였다. 실험 8에서, 건식 혼합에 의해 형성된 1 중량%의 NaBr를 갖는 유타 석탄을 사용하였다. 실험 9에서, 건식 혼합에 의해 형성된 1 중량%의 NaBr를 갖는 NDL 석탄을 사용하였다.The coal used in the experiment numbers 1-3 of Table 1 was PRB. In Experiment No. 4, PRB coal with 1% by weight of NaBr formed by dry mixing was used, and in Experiment No. 5, NDL coal with 0.5% NaBr formed by dry mixing was used. In Experiment 6, PRB coal with 7 wt% KBr formed by dry mixing was used. In Experiment 7, PRB coal with 7 wt% KBr formed by dry mixing was used. In Experiment 8, Utah coal with 1 wt.% NaBr formed by dry mixing was used. In Experiment 9, NDL coal with 1 wt.% NaBr formed by dry mixing was used.

Figure 112007073207235-pct00001
Figure 112007073207235-pct00001

표 1에서, "ND"는 측정하지 않았음을 나타낸다. 표 1에 나타낸 바와 같이, SRHOB이 감소함에 따라, SR반응기 용기는 일정한 값을 유지하지만, 표면적은 증가한다. 이는 도 2의 스트림 이탈 구획(1)의 증가된 온도 및 스팀 양의 결과라고 생각된다. 온도, 산화제의 양 및 차르의 산화제에 대한 노출 시간은 표면적 측정에서 중요한 요소이다. 일반적으로, 상기 3가지 요인 중 어느 하나가 증가하면 표면적이 증가한다.In Table 1, "ND" indicates no measurement. As shown in Table 1, as the SR HOB decreases, the SR reactor vessel remains constant, but the surface area increases. This is believed to be the result of the increased temperature and the amount of steam in the stream exit compartment 1 of FIG. 2. Temperature, amount of oxidant and exposure time of char to oxidant are important factors in surface area measurements. In general, an increase in any one of these three factors increases the surface area.

또한, SR반응기 용기가 증가하였을 경우, 수율 및 탄소 함량은 감소하였고, 표면적은 증가하고 수은 제거는 증가하였다. 수율 및 탄소 함량 감소는 더 많은 산소가 반응기 용기에 공급되고 그 결과로서 더 많은 탄소가 소비되었기 때문이라고 생각된다. 또한 SRHOB 증가로 인해 증가된 표면적에 대해 상기 주어진 설명의 결과로서 표면적이 증가하였다고 생각된다.In addition, as the SR reactor vessel increased, yield and carbon content decreased, surface area increased and mercury removal increased. The decrease in yield and carbon content is believed to be because more oxygen was supplied to the reactor vessel and as a result more carbon was consumed. It is also believed that the surface area has increased as a result of the explanation given above for the increased surface area due to the increase in SR HOB .

실험 7 내지 9에서, 스팀을 도 2의 (17)로부터의 생성물 내로 주입하였다. 스팀 활성화가 활성 탄소의 흡착 용량을 향상시킬 수 있다는 것은 당업자에게 공지되어 있다. 스팀 활성화가 모든 경우에 필요한 것은 아닐 수 있지만, 할라이드 염의 첨가를 겸비한 스팀 활성화가 실험 7 내지 9에서의 높은 수은 제거의 원인이라고 생각된다.In experiments 7-9, steam was injected into the product from FIG. 2 (17). It is known to those skilled in the art that steam activation can improve the adsorption capacity of activated carbon. Although steam activation may not be necessary in all cases, it is believed that steam activation with the addition of halide salts is responsible for the high mercury removal in Experiments 7-9.

본 발명이 유틸리티 또는 시멘트 가마와 같은 중앙 설비에서 또는 오프가스를 연소시킬 수 있는 설비에서 활성탄을 제조하기 위해 사용된다면, 부분 산화 기체는 보일러 (또는 버너)에서 사용할 수 있고 냉각된 활성탄은 다른 경우에 사용하기 위해 저장할 수 있다. 별법으로 또는 추가적으로, 활성탄을 추가로 처리하여 (즉 후처리하여) 특정 바람직한 특성 (예를 들어 표면적 증가를 위한 스팀 처리)을 달성하거나 또는 상기에서 참조한 치엔-청 차오 등에게 공동 소유되어 있는 "Catalytic Adsorbents For Mercury Removal From Flue Gas and Methods of Manufacture Therefor"라는 명칭으로 2005년 3월 14일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/078,509호 및 치엔-청 차오 등에게 공동 소유되어 있는 "Catalytic Adsorbents For Mercury Removal From Flue Gas and Methods of Manufacture Therefor"라는 명칭의 미국 특허 출원 제11/224,149호에 개시된 것과 같이 할라이드 염으로 활성탄을 도핑할 수 있다.If the present invention is used to produce activated carbon in a central plant, such as a utility or cement kiln, or in a plant that can burn offgas, the partial oxidizing gas can be used in a boiler (or burner) and the cooled activated carbon is otherwise Can be stored for use. Alternatively or additionally, further treatment of activated carbon (ie post-treatment) to achieve certain desirable properties (eg steam treatment for increasing surface area) or co-owned by Chien-Cheng Chao et al. "Catalytic Adsorbents For Mercury Removal, co-owned by US Patent Application No. 11 / 078,509 and Chien-Cheng Chao, filed March 14, 2005, entitled Adsorbents For Mercury Removal From Flue Gas and Methods of Manufacture Therefor. Activated carbon may be doped with a halide salt, as disclosed in US Patent Application No. 11 / 224,149 entitled "From Flue Gas and Methods of Manufacture There for".

본 발명의 다른 실시양태에서, 고온 산소 이외의 고온 기체 스트림을 생성할 수 있고 이를 탄소질 공급원료 물질을 활성화하기 위해 사용할 수 있다. 예를 들어, 스팀을 화학량론적 양에 가까운 산소-연료 버너의 생성물과 혼합하여 스팀을 극적으로 과열할 수 있다. 이어서 상기 과열 스팀을 사용하여 탄소질 공급원료와 반응시키고 이를 활성화할 것이다. 당업자는 오직 열분해 (즉, 연소 없이)가 바람직할 경우, 질소와 같은 다른 기체를 또한 석탄을 열분해 하는 것과 유사한 방식으로 과열할 수 있다는 것을 알 것이다. 상기 특정 실시양태에서, 잔류 산소는 스트림 (7) 중에 존재하지 않을 것이다 (상기 도면 참조).In another embodiment of the present invention, a hot gas stream other than hot oxygen can be produced and used to activate the carbonaceous feedstock material. For example, steam can be dramatically superheated by mixing steam with near stoichiometric amounts of oxygen-fuel burners. The superheated steam will then be used to react with and activate the carbonaceous feedstock. Those skilled in the art will appreciate that if only pyrolysis (ie without combustion) is desired, other gases such as nitrogen may also be superheated in a manner similar to pyrolysis of coal. In this particular embodiment, residual oxygen will not be present in stream 7 (see above figure).

상기 논의한 바와 같이, 본 발명은 활성탄이 그의 최종 사용 장소에서 또는 그 가까이에서 제조될 수 있도록 충분히 유연하고 효율적인 활성탄 제조 방법 및 시스템을 제공한다. 그러나, 본 발명에 따른 활성탄의 제조는 현지 제조에 한정되지 않는다는 것을 알 것이다. 본원에 제공되는 방법 및 시스템은 다른 장치에 사용될 수도 있다. 예를 들어(제한적인 것은 아님), 본 발명에 의해 제조된 활성탄은 중앙 설비에서 제조할 수 있고 다수의 유틸리티 등을 지원하기 위해 사용될 수 있다. 또 다른 전형적인 구현양태는 그 자신의 플랜트의 유틸리티에서 활성탄을 제조하고 잉여 활성탄을 다른 장소로 운반하는 것을 포함할 수 있다. 본 발명에 따라 제조되는 활성탄은 다른 용도를 위해 사용되는 PAC 생성물을 대체하기 위해 사용할 수 있다는 것을 또한 알 것이다. 따라서 본 발명은 제조 부지에 대한 다목적성 및 유연성을 제공한다.As discussed above, the present invention provides a method and system for producing activated carbon that is sufficiently flexible and efficient so that activated carbon can be produced at or near its end use location. However, it will be appreciated that the production of activated carbon according to the invention is not limited to local production. The methods and systems provided herein may be used in other devices. For example, but not by way of limitation, the activated carbon produced by the present invention can be manufactured in a central plant and used to support a number of utilities and the like. Another exemplary embodiment may include making activated carbon in the utility of its own plant and transporting the surplus activated carbon to another location. It will also be appreciated that the activated carbon produced according to the present invention can be used to replace the PAC product used for other uses. The present invention thus provides versatility and flexibility for manufacturing sites.

당업자는 상기 기재된 특정 실시양태가 본 발명의 동일한 목적을 수행하기 위한 다른 구조를 변형 또는 설계하기 위한 기초로서 용이하게 이용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한 당업자는 이러한 동등한 구성이 첨부된 청구의 범위에 설명된 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않는다는 것을 이해하여야 할 것이다.Those skilled in the art should understand that the specific embodiments described above may be readily utilized as a basis for modifying or designing other structures for carrying out the same purposes of the present invention. Those skilled in the art will also appreciate that such equivalent constructions do not depart from the spirit and scope of the invention as set forth in the appended claims.

Claims (68)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 산화제를 함유하고 800℉ 이상의 온도를 갖는 하나 이상의 기체 스트림을 생성하는 단계,Producing at least one gas stream containing an oxidant and having a temperature of at least 800 ° F., 탄소질 공급원료를 상기 하나 이상의 기체 스트림과 혼합하여, 탄소질 공급원료가 탈휘발 및 부분 산화를 일으켜 활성탄(activated char) 및 부생성물을 생성하도록 하는 단계, 및Mixing a carbonaceous feedstock with the one or more gas streams such that the carbonaceous feedstock is devolatilized and partially oxidized to produce activated chars and byproducts, and 물 방울의 안개 및 활성탄을 도핑하기 위한 도핑제를 포함하는 켄칭 매질로 분말 활성탄을 켄칭하는 단계를 포함하는 활성탄 제조 방법.Quenching powdered activated carbon with a quenching medium comprising a fog of water droplets and a dopant for doping activated carbon. 제8항에 있어서, 도핑제가 KBr인 방법.The method of claim 8, wherein the dopant is KBr. 산화제를 함유하고 800℉ 이상의 온도를 갖는 하나 이상의 기체 스트림을 생성하는 단계,Producing at least one gas stream containing an oxidant and having a temperature of at least 800 ° F., 탄소질 공급원료를 상기 하나 이상의 기체 스트림과 혼합하여, 탄소질 공급원료가 탈휘발 및 부분 산화를 일으켜 활성탄 및 부생성물을 생성하도록 하는 단계, 및 Mixing a carbonaceous feedstock with the one or more gas streams such that the carbonaceous feedstock causes devolatilization and partial oxidation to produce activated carbon and by-products, and 물 방울의 안개를 포함하는 켄칭 매질로 분말 활성탄을 켄칭하는 단계를 포함하며,Quenching the powdered activated carbon with a quenching medium comprising a mist of water drops, 활성탄을 스팀으로 추가 처리하여 그의 표면적을 증가시키는 활성탄 제조 방법.A method for producing activated carbon, wherein the activated carbon is further treated with steam to increase its surface area. 산화제를 함유하고 800℉ 이상의 온도를 갖는 하나 이상의 기체 스트림을 생성하는 단계,Producing at least one gas stream containing an oxidant and having a temperature of at least 800 ° F., 탄소질 공급원료를 상기 하나 이상의 기체 스트림과 혼합하여, 탄소질 공급원료가 탈휘발 및 부분 산화를 일으켜 활성탄 및 부생성물을 생성하도록 하는 단계, 및Mixing a carbonaceous feedstock with the one or more gas streams such that the carbonaceous feedstock causes devolatilization and partial oxidation to produce activated carbon and by-products, and 질소를 포함하는 켄칭 매질로 분말 활성탄을 켄칭하는 단계를 포함하는 활성탄 제조 방법.Quenching powdered activated carbon with a quenching medium containing nitrogen. 제11항에 있어서, 활성탄을 스팀으로 추가 처리하여 그의 표면적을 증가시키는 방법.The method of claim 11, wherein the activated carbon is further treated with steam to increase its surface area. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 산화제를 함유하고 800℉ 이상의 온도를 갖는 하나 이상의 기체 스트림을 생성하는 단계, 및Producing at least one gas stream containing an oxidant and having a temperature of at least 800 ° F., and 탄소질 공급원료를 상기 하나 이상의 기체 스트림과 혼합하여, 탄소질 공급원료가 탈휘발 및 부분 산화를 일으켜 활성탄 및 부생성물을 생성하도록 하는 단계를 포함하며,Mixing a carbonaceous feedstock with the one or more gas streams such that the carbonaceous feedstock causes devolatilization and partial oxidation to produce activated carbon and byproducts, 상기 하나 이상의 기체 스트림을 생성하는 단계는 산화제와 연료를 혼합하는 것을 포함하고, 스팀을 산화제 및 연료와 혼합하는 것을 추가로 포함하는 활성탄 제조 방법.Generating the one or more gas streams comprises mixing an oxidant and a fuel, further comprising mixing steam with the oxidant and a fuel. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 800℉ 이상의 온도를 갖는 과열(superheated) 기체 스트림을 생성하는 단계,Creating a superheated gas stream having a temperature of at least 800 ° F., 탄소질 공급원료를 상기 과열 기체 스트림과 혼합하여, 탄소질 공급원료가 탈휘발 및 부분 산화를 일으켜 활성탄 및 부생성물을 생성하도록 하는 단계, 및Mixing a carbonaceous feedstock with the superheated gas stream such that the carbonaceous feedstock causes devolatilization and partial oxidation to produce activated carbon and by-products, and 물 방울의 안개 및 활성탄을 도핑하기 위한 도핑제를 포함하는 켄칭 매질로 분말 활성탄을 켄칭하는 단계를 포함하는 활성탄 제조 방법.Quenching powdered activated carbon with a quenching medium comprising a fog of water droplets and a dopant for doping activated carbon. 제33항에 있어서, 도핑제가 KBr인 방법.The method of claim 33, wherein the dopant is KBr. 800℉ 이상의 온도를 갖는 과열 기체 스트림을 생성하는 단계, 및Generating a superheated gas stream having a temperature of at least 800 ° F, and 탄소질 공급원료를 상기 과열 기체 스트림과 혼합하여, 탄소질 공급원료가 탈휘발 및 부분 산화를 일으켜 활성탄 및 부생성물을 생성하도록 하는 단계, 및Mixing a carbonaceous feedstock with the superheated gas stream such that the carbonaceous feedstock causes devolatilization and partial oxidation to produce activated carbon and by-products, and 분말 활성탄을 켄칭 매질로 켄칭하는 단계를 포함하고,Quenching the powdered activated carbon with a quenching medium, 활성탄을 스팀으로 추가 처리하여 그의 표면적을 증가시키는 활성탄 제조 방법.A method for producing activated carbon, wherein the activated carbon is further treated with steam to increase its surface area. 800℉ 이상의 온도를 갖는 과열 기체 스트림을 생성하는 단계,Generating a superheated gas stream having a temperature of at least 800 ° F, 탄소질 공급원료를 상기 과열 기체 스트림과 혼합하여, 탄소질 공급원료가 탈휘발 및 부분 산화를 일으켜 활성탄 및 부생성물을 생성하도록 하는 단계,Mixing a carbonaceous feedstock with the superheated gas stream such that the carbonaceous feedstock is devolatilized and partially oxidized to produce activated carbon and byproducts, 질소를 포함하는 켄칭 매질로 분말 활성탄을 켄칭하는 단계를 포함하는 활성탄 제조 방법.Quenching powdered activated carbon with a quenching medium containing nitrogen. 제36항에 있어서, 활성탄을 스팀으로 추가 처리하여 그의 표면적을 증가시키는 방법.37. The method of claim 36, wherein the activated carbon is further treated with steam to increase its surface area. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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