KR101775608B1 - 탄소질 물질로부터의 스팀의 발생 방법 - Google Patents

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Abstract

스팀을 발생시키는 시스템 및 방법은, 석탄의 연속 공급을 제공하는 단계, 상기 석탄을 제1 가공 챔버에서 산소 및 물의 존재하에 연소시켜 제1 생성물 가스 스트림을 제공하는 단계, 제1 열 회수 스팀 발생기에서 상기 제1 생성물 가스 스트림으로부터 열을 회수하여 제1 스팀 산출물을 제조하는 단계, 상기 제1 생성물 가스 스트림을 제2 가공 챔버에서 산소 및 물의 존재하에 가공하여 제2 생성물 가스 스트림을 제조하는 단계, 제2 열 회수 스팀 발생기에서 상기 제2 생성물 가스 스트림으로부터 열을 회수하여 제2 스팀 산출물을 제조하는 단계, 및 상기 제1 스팀 산출물과 상기 제2 스팀 산출물을 합하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 상기 합한 스팀 산출물은 스팀 터빈을 구동시키는데 사용되고, 상기 터빈은 발전기에 결합된다.

Description

탄소질 물질로부터의 스팀의 발생 방법 {GENERATING STEAM FROM CARBONACEOUS MATERIAL}
관련 출원
본 출원은 2010년 1월 21일에 제출된 미국 가특허 출원 제61/297,251호, 2010년 1월 21일에 제출된 미국 가특허 출원 제61/297,256호, 및 2010년 5월 3일에 제출된 미국 가특허 출원 제61/330,729호를 우선권으로 주장하며, 상기 가특허 출원의 전체 내용을 본 명세서에 참고로서 인용한다.
기술분야
본 발명은 전기 발생 및 기타 용도를 위한 탄소질 물질의 연소 및 가공으로부터 형성되는 스팀의 발생 방법에 관한 것이다.
석탄의 사용으로 인한 심각한 문제에도 불구하고, 석탄은 값이 싸고 풍부하여 당장 에너지 자원으로서 중단되지는 않을 것이다. 환경정책연구센터(Pew Center for Global Climate Change)에 따르면, 지금 세계적으로 온실 가스 배출량의 대략 20%는 주로 전기 생산을 위한 석탄의 사용으로 비롯된 것이다. 특히 미국, 중국 및 인도와 같이 대량의 매장량을 갖는 나라에서의 에너지 수요의 증가로 인해 석탄의 소비가 계속 증가될 것이다(http://www.pewclimate.org/global-warming-basics/coalfacts.cfm 참조).
오일 및 천연 가스에서 MMBtu당 6 내지 12달러와 비교하여, 석탄은 MMBtu당 1 내지 2달러의 비용으로 유용한 에너지를 제공할 수 있고, 석탄 가격은 비교적 안정적이다. 현재 소비율과 현행 기술 및 토지 이용 제한하에, 미국 석탄 매장량은 250년 이상 동안 잘 유지될 것이다. 비록 석탄은 다른 대체 에너지보다 오염 유발도가 높고 탄소 배출량이 많지만, 석탄은 매우 저렴해서 오염 방지에 많은 돈을 사용할 수 있고 따라서 석탄의 경쟁력은 여전히 유지될 수 있다.
석탄은 미국의 에너지 요구를 충족시키는데 있어서 주요한 역할을 하고 있고 앞으로 수십 년 동안에도 계속 그러할 것이다. 미국에서 생산되는 전기의 약 50%가 석탄에서 나온다. 미국의 석탄 화력 발전소는 300GW가 넘는 발전 용량을 갖지만, 미국의 석탄 화력 발전소의 약 3분의 1은 1970년 이전에 건설되었고, 그 나머지 대부분은 1970년부터 1989년 사이에 건설되었다. 12개의 석탄 화력 발전소만이 1990년 이후에 건설되었다.
석탄 화력 발전소로부터의 온실 가스 배출량은 상당하며 급속하게 증가하고 있다. 미국의 석탄 화력 발전소에서 년간 20억 톤에 가까운 CO2가 생성될 것으로 추산되었다. 미국에서 현재 총 온실 가스 배출량의 27%인 석탄 화력 발전소로부터의 온실 가스 배출량은 2025년까지는 1/3이 증가할 것으로 예상된다.
바람직한 양태는, 석탄의 연속 공급을 제공하는 단계, 상기 석탄을 제1 가공 챔버에서 산소 및 물의 존재하에 연소시켜, 제1 생성물 가스 스트림을 형성하는 단계, 제1 열 회수 스팀 발생기(HRSG: heat recovery steam generator)에서 상기 제1 생성물 가스 스트림으로부터 열을 회수하여 제1 스팀 산출물을 제조하는 단계, 상기 제1 생성물 가스 스트림을 제2 가공 챔버에서 산소 및 물의 존재하에 가공하여, 무기, 유기 및 미립자 오염물이 실질적으로 없는 제2 생성물 가스 스트림을 제조하는 단계, 제2 열 회수 스팀 발생기(HRSG)에서 상기 제2 생성물 가스 스트림으로부터 열을 회수하여 제2 스팀 산출물을 제조하는 단계, 및 상기 제1 스팀 산출물과 상기 제2 스팀 산출물을 합하는 단계를 포함하는, 스팀 발생 방법의 제공에 관한 것이다. 바람직한 양태에서, 상기 합한 스팀 산출물은 스팀 터빈을 구동시키는데 사용된다. 특정 바람직한 양태에서, 상기 스팀 터빈은 전기를 생산하기 위한 발전기와 작동적으로 결합한다. 바람직한 양태에서, 상기 방법은 제2 생성물 가스 스트림의 온도를 감소시키는 단계, 습식 세정(wet scrubbing)에 의해 제2 생성물 가스 스트림을 처리하는 단계, 제2 생성물 가스 스트림으로부터 황을 분리시켜 집진장치(baghouse)에서 황을 수거하는 단계, 이산화탄소 회수 시스템을 사용하는 단계, 및 실질적으로 오염물이 없는 처리된 가스 스트림을 방출하는 단계 중 하나 이상을 추가로 포함한다.
상기 방법의 다른 양태는 고온 폐가스의 연속 스트림을 제공하는 단계, 제1 열 회수 스팀 발생기(HRSG)에서 상기 고온 폐가스 스트림으로부터 열을 회수하여 제1 스팀 산출물을 형성하는 단계, 상기 고온 폐가스 스트림을 제1 가공 챔버에서 산소 및 물의 존재하에 가공하여 생성물 가스 스트림을 제조하는 단계, 제2 열 회수 스팀 발생기(HRSG)에서 제1 생성물 가스 스트림으로부터 열을 회수하여 제2 스팀 산출물을 제조하는 단계, 및 상기 제1 스팀 산출물과 상기 제2 스팀 산출물을 합하는 단계를 포함한다. 바람직한 양태에서, 상기 합한 스팀 산출물은 스팀 터빈을 구동시키는데 사용된다. 특정 바람직한 양태에서, 스팀 터빈은 전기를 생산하기 위해 발전기와 작동적으로 결합한다. 바람직한 양태에서, 상기 방법은 생성물 가스 스트림의 온도를 감소시키는 단계, 상기 생성물 가스 스트림을 습식 세정에 의해 처리하는 단계, 황을 제2 생성물 가스 스트림으로부터 분리시켜 집진장치에서 상기 황을 수거하는 단계, 및 실질적으로 오염물이 없는 처리된 가스 스트림을 방출하는 단계를 추가로 포함한다.
특정 양태는 스팀 발생용 시스템의 제공에 관한 것으로, 상기 시스템은 적어도 하나의 플라즈마 아크 토치를 갖는 제1 가공 챔버를 포함하고, 상기 제1 가공 챔버는 연속 탄소질 물질 공급물, 처리 가스 공급원 및 물 공급원에 작동적으로 연결되고(operatively connected), 상기 제1 가공 챔버는 스팀 터빈에 유체 연결된(fluidly connected) 제1 열 회수 스팀 발생기에 유체 연결된다. 특정 양태에서, 상기 시스템은 적어도 하나의 플라즈마 아크 토치를 갖는 제2 가공 챔버를 추가로 포함하며, 상기 제2 가공 챔버는 제1 열 회수 스팀 발생기, 처리 가스 공급원 및 물 공급원에 유체 연결되고, 상기 제2 가공 챔버는 스팀 터빈에 유체 연결된 제2 열 회수 스팀 발생기에 유체 연결된다. 일부 양태에서, 탄소질 물질은 고온 폐가스이다. 일부 양태에서, 탄소질 물질은 석탄, 오일, 천연 가스, 및 오일 셰일, 바이오매스, 코크, 석유 코크, 숯, 타르, 목재 폐기물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 프로판, 부탄 및 에탄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 양태에서, 제2 열 회수 스팀 발생기는 켄칭 챔버(quench chamber), 습식 스크러버(wet scrubber), 집진장치 또는 이산화탄소 제거 시스템 중의 적어도 하나에 유체 연결된다.
특정 양태는, 탄소질 물질의 연속 공급을 제공하는 단계; 상기 탄소질 물질을, 적어도 하나의 플라즈마 아크 토치를 갖는 제1 가공 챔버에서 산소 및 물의 존재하에 연소시켜, 제1 생성물 가스 스트림을 형성하는 단계; 제1 열 회수 스팀 발생기에서 상기 제1 생성물 가스 스트림으로부터 열을 회수하여 제1 스팀 산출물을 제조하는 단계; 상기 제1 생성물 가스 스트림을, 적어도 하나의 플라즈마 아크 토치를 갖는 제2 가공 챔버에서 산소 및 물의 존재하에 가공하여, 일산화탄소 및 수소가 실질적으로 없는 제2 생성물 가스 스트림을 제조하는 단계; 제2 열 회수 스팀 발생기에서 상기 제2 생성물 가스 스트림으로부터 열을 회수하여 제2 스팀 산출물을 형성하는 단계; 및 상기 제1 스팀 산출물과 상기 제2 스팀 산출물을 사용하는 단계를 포함하는 스팀 발생 방법의 제공에 관한 것이다. 전형적으로, 상기 방법은 상기 제1 스팀 산출물과 상기 제2 스팀 산출물을 사용하여 스팀 터번을 작동시키는 단계를 포함한다. 바람직한 양태에서, 상기 제1 스팀 산출물과 상기 제2 스팀 산출물은 발전기에 작동적으로 연결된 스팀 터빈을 작동시켜 전기를 생산한다.
바람직한 양태에서, 상기 방법은 상기 제2 생성물 가스를 켄칭시키는 단계, 습식 스크러버에 의해 상기 제2 생성물 가스를 가공하는 하는 단계, 상기 제2 생성물 가스를 집진장치로 가공하는 단계, 및 제2 생성물 가스를 이산화탄소 제거 시스템에서 가공하는 단계 중의 하나 이상을 포함한다.
본 발명의 상기 및 기타 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면에 도시된 바와 같은 본 발명의 바람직한 양태의 하기 더욱 상세한 특정 기술 내용으로부터 명백해지며, 도면에서 동일 참조 번호는 다른 도면들에서도 동일 부품을 지칭한다. 도면은 반드시 크기의 비율에 따라 도시된 것은 아니며, 대신에 본 발명의 원리의 설명에 중점을 둔다.
도 1은 2개의 열 회수 스팀 발생기("HRSG")를 갖는 본 발명에 따른 시스템의 예시적인 양태를 나타낸 흐름도이다.
도 2는 발전기(110), 켄칭 챔버(50), 습식 스크러버(60), 집진장치(70) 및 CO2 제거 시스템(120)을 추가로 포함하는, 도 1의 시스템의 대안적인 예시적 양태를 나타낸 흐름도이다.
도 3은 흡수 보일러(15)를 추가로 포함하는 도 2의 시스템의 대안적인 예시적 양태를 나타낸 흐름도이다.
도 4는 집진장치(70)가 습식 스크러버(60)의 상향에 있는 도 2의 시스템의 대안적인 예시적 양태를 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 시스템의 하나의 예시적인 2개의 HRSG의 기본 양태의 상키도(Sankey diagram)를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 시스템의 또 다른 예시적인 2개의 HRSG 양태의 상키도를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 시스템의 또 다른 예시적인 2개의 HRSG 양태의 상키도를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 시스템의 또 다른 예시적인 2개의 HRSG 양태의 상키도를 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 시스템의 또 다른 예시적인 2개의 HRSG 양태의 상키도를 도시한다.
도 10은 고온 폐가스 스트림을 처리하는데 유용한 시스템의 대안적인 예시적 양태를 나타낸 흐름도이다.
도 11a 및 11b는 비-이송식 플라즈마 아크 토치(300) 및 이송식 플라즈마 아크 토치(350)의 계통도이다.
도 12는 이송식 플라즈마 아크 토치(350) 및 원심분리기(400)를 갖는 가공 챔버의 계통도이다.
도 13은 본 발명에 따라 제1 가공 챔버 및 제2 가공 챔버 및 2개의 HRSG를 갖는 수직 가공 챔버 레이아웃(layout) 양태의 계통도이다.
도 14a, 14b 및 14c는 본 발명에 따라 제1 가공 챔버 및 제2 가공 챔버 및 2개의 HRSG를 갖는 수평 가공 챔버 레이아웃 양태의 계통도로서, 도 14a는 모듈형 플라즈마-아크 원심분리 처리(PACT: plasma-arc centrifugal treatment) 시스템을 나타낸 단면도(도 14a), 종단면도(도 14b) 및 다수의 모듈형 PACT를 나타낸 단면도(도 14c)를 도시한다.
본 발명은 전기 발생 및 다른 용도를 위해 석탄으로부터 스팀을 발생하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본 명세서에서 사용된 용어 "석탄"은 적절한 탄소 밀도의 임의의 탄소질 원료, 예를 들어 목재 조각 또는 유기 폐기물을 의미하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용된 용어 "탄소질 물질"은 연료, 즉 에너지를 생산하기 위해 연소될 수 있는 물질로서 사용하기에 적합한 임의의 고체, 액체 또는 가스상 탄소-함유 물질을 의미한다. 이러한 용어의 범위 내에는 석탄, 오일, 천연 가스, 및 오일 셰일, 바이오매스, 즉 연료로서 사용된 식물재 및 동물 폐기물, 코크, 석유 코크("펫코크(petcoak)"), 숯, 타르, 목재 폐기물, 고온 폐가스, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 프로판, 부탄, 에탄 등을 비롯한 화석 연료가 포함된다. 특정 바람직한 양태에서, 석탄은 역청탄이다.
본 발명의 시스템 및 방법에 따라, 석탄은 산소 및 물의 존재하에 연소되어 고온 생성물 가스 스트림을 생성시키고, 이로부터 열을 추출하여, 전기 생산용 발전기에 작동적으로 연결된 터빈을 구동시키는 용도를 포함하지만 이것으로 한정되지 않는 용도를 위한 스팀을 생산한다. 열이 추출된 후, 생성물 가스 스트림은 오염물의 대부분을 제거하기 위해 처리된다. 이러한 처리로 인해 환경 보호청("EPA": Environmental Protection Agency) 배출 규정에 부합되는 "깨끗한" 이산화탄소 스트림이 생산되며, 이것은 EPA 승인된 격리 등을 위해 예를 들어 화학 공정에서 사용될 수 있다.
기술된 장치 및 작동 방법은, 스팀을 발생하도록 생산된 열의 직접적이고 효과적인 이용을 위해 매우 높은 온도에서 연소할 수 있게 하고, 연소 생성물의 가공은, 연소시의 비친환경적 부산물에 대해 효과적이고 편리하게 관리할 수 있게 한다.
상기 방법은 석탄을 연속으로 공급하는 단계, 가스 반응물의 순환을 제공하는 제1 가공 챔버(PPC: primary processing chamber)에서 상기 석탄을 연소시키는 단계, 연소의 결과 발생된 열을 열 회수 스팀 발생기(HRSG)에서 회수하여 고압 스팀을 생성하는 단계를 포함한다. 석탄의 완전 연소는, 고온 플라즈마 반응기에서 상기 석탄을 산소 및 물과 조합하여 달성된다.
합성 가스("신가스(syngas)")를 제조하기 위해 석탄을 가스화하는 공정이 공지되어 있다. 이러한 가스화 공정의 목적은 석탄 출발 물질에 대해 신가스의 칼로리 함유량을 증가시키거나 또는 적어도 유지시키는데 있다. 이어서, 신가스는 전기 발생용 터빈을 구동시키기 위해 스팀을 발생하도록 연소된다. 그러나, 본 발명의 방법에서, 석탄의 연소로부터 형성된 생성물 가스를 산소와 물의 존재하에 연소시키는 대신에, 생성물 가스로부터의 열은 물을 스팀으로 전환시키는데 사용되고, 이어서 일부 바람직한 양태에서 상기 열은 발전기에 작동적으로 결합된 터빈을 구동시켜 전기를 생산하는데 사용된다.
상기 방법의 양태에서는 생성물 가스 스트림을 순차적으로 통과시키는 다수의 스테이지(stage)들을 포함할 수 있는데, 각각의 스테이지는 가공 챔버 또는 반응기 및 열 회수 스팀 발생기(HRSG)를 포함하며, 상기 HRSG는 가공 챔버에 비하여 다운스트림이다. 최종(가장 먼 다운스트림) HRSG로부터의 생성물 가스 산출물은, 필요한 경우, 켄칭, 습식 세정 및 집진장치 여과를 포함하는 추가의 단계들을 통해 가공되어, 편리한 관리를 위해 적합한 가스 스트림을 산출한다. 본 발명의 방법의 실시를 위한 장비는 몇몇 공급자들로부터 시판되는 것을 이용할 수 있다. 바람직한 양태에서, 적합한 가공 챔버 또는 반응기는 리텍 시스템스, 엘엘씨(Retech Systems LLC)(미국 캘리포니아주 유카이아 소재)에서 제작한 플라즈마-아크 원심분리 처리("PACT") 시스템이고, 적합한 열 회수 스팀 발생기(HRSG) 시스템은 엔이엠 스탠다드 파셀(NEM Standard Fasel)(네덜란드 헹겔로 소재)에서 제작한 것이다.
본 발명의 시스템 및 방법의 바람직한 양태에서는 배치식 대신에 연속 스트림으로 석탄을 가공하고, 스팀 터빈을 구동시키는 스팀을 생산하도록 산소 및 물의 존재하에 석탄을 연소시켜 생성된 가스로부터 열을 효과적으로 추출하고, 유사한 전력 수준을 달성하기 위해 다른 화력 발전소보다 약 50% 더 적은 석탄을 필요로 하며, 가스 스트림으로부터 오염물을 효과적으로 제거하고, EPA 승인된 격리를 위해 준비된 깨끗한 이산화탄소 스트림을 생산 및 포획할 수 있다.
이제, 상기 시스템 및 방법의 양태는 도면들을 참조로 하여 기술될 것이다. 도 1은 전력 발생 구획 B 및 가스 오염제가 구획 C에 작동적으로 연결된 연소 구획 A를 포함하는 하나의 예시적인 시스템 1을 설명하는 흐름도이다.
도시된 바와 같이, 연소 구획 A는 제1 가공 챔버(10)("PPC 10"), 제1 열 회수 스팀 발생기(20)("제1 HRSG 20"), 제2 가공 챔버(secondary processing chamber)(30)("SPC 30"), 제2 HRSG(40)를 포함한다. 바람직한 양태에서, 가스 오염제거 구획 C는 켄칭 챔버(50), 습식 스크러버(60), 집진장치(70) 및 CO2 제거 시스템(120) 중의 하나 이상을 포함하며, 이들은 모두 유체 연결되어 있다. 처리 가스(예를 들면, O2)의 공급원(80, 90), 및 물의 공급원(85, 86) 둘 다는 각각의 제1 가공 챔버 및 제2 가공 챔버(10, 30)에 각각 유체 연결되어 있다. 처리 가스(80) 및 처리 가스(90)는 동일하거나 상이할 수 있다. 특정 바람직한 양태에서, 처리 가스(80) 및 처리 가스(90)는 93 내지 95% 산소 및 5 내지 7% 아르곤을 포함한다.
PPC(10)는 연속 석탄 공급물(75) 뿐만 아니라 처리 가스 투입물(80) 및 물 투입물(85), 및 슬래그 및 가스용 배출구(16 및 18)를 각각 수용한다. PPC(10)는 산소 및 물의 존재하에 석탄의 연소가 실시되는 가공 조건(즉, 온도, 압력, 부식 등)에 견딜 수 있다. 하나의 예시적인 시스템은 적어도 하나의 플라즈마 아크 토치를 포함하는, 미국 캘리포니아주 유카이아 소재의 리텍 시스템스, 엘엘씨로부터 시판되는 플라즈마 아크 원심분리 처리(PACT) 시스템이다. 용이한 설명을 위해, 용어 "토치" 또는 "토치들"은 이후 플라즈마 아크 토치들을 지칭하는데 사용될 것이다. 상기 토치들은 약 10,000℉ 내지 약 20,000℉(약 5,540℃ 내지 약 11,080℃) 또는 그 이상까지의 온도 범위에 도달할 수 있다.
도 11a 및 11b에 도시된 바와 같이, 구조 및 작동 방식이 상이한 2가지 유형의 플라즈마 토치가 있다. 첫째, 이송된 아크 토치는 작업편(work piece)들을 가열시키는데 효과적이며 토치와 작업편(용융된 슬래그) 사이에서 아크를 인출하여 작동시키며, 작업편은 캐소드로서 작용한다. 둘째, 비-이송된 아크 토치는 특히 가스를 가열시키는데 효과적이다. 비-이송된 아크 토치에서, 토치는 애노드 및 캐소드 둘 다를 수용하고 캐소드는 애노드의 다운스트림에 있다. 작동시, 아크는 토치 내로 인출되며, 전극들이 토치의 내부에 있다 할지라도, 플라즈마는, 토치를 통한 높은 가스 흐름 때문에 토치의 단부를 넘어 확장된다. 하나의 예시적인 PACT 시스템은 가스 역류 칼라(gas backflow collar)를 구비한 하나 이상의 비-이송 아크 플라즈마 토치를 포함한다.
바람직한 양태에서, 상기 방법은 석탄을 PPC(10)로 연속으로 도입하고, 동시에 석탄의 완전 연소를 확실히 하기 위해, 처리 가스(80)를 소정의 유량 및 농도에서 챔버(10)에 공급하고, 이 동안에 토치가 상기 챔버에 함유된 석탄 및 처리 가스 둘 다를 가열시키는 것을 포함한다. 공급물을 공급하고 공정을 연속으로 작동시키는 능력은, 산출된 전력의 연속성 및 효율 둘 다를 개선시키는 중요한 요소이다.
본 발명의 방법의 양태에서, 토치는 석탄과 접촉하고, 석탄의 자발적인 연소를 유도하기에 충분한 온도인 약 10,000℉(약 5,540℃)에서 작동하며, 이 온도에서 모든 원소들은 이들의 분자 상태를 유지한다. PPC(10)에서의 온도는 석탄으로부터의 최소의 에너지 투입에 의해 유지될 수 있다.
임의로, PPC(10)에 공급된 산소의 농도는, CO+CO2에 대한 CO의 비를, 그을음의 형성을 방지하거나 최소로 하는 목적하는 범위, 예를 들어 약 20% 내지 약 45%로 조절하고 유지하는데 사용될 수 있다. 또한 임의로, PPC(10)로부터 방출된 가스의 온도를 바람직한 온도 범위, 예를 들어 약 2,000℉(약 1,100℃) 내지 약 2,400℉(약 1,300℃) 또는 그 이상으로, 즉 다운스트림 장비가 견딜 수 있는 가장 높은 온도의 실질적인 한계까지 유지하기 위해, 물(85)을 가스 흐름에 첨가할 수 있다.
PPC(10)에서 석탄이 연소하는 동안, 석탄의 "회분" 성분의 약 90%가 토치에 의해 유리질 슬래그(88)로 용융되며, 나머지는 가스 스트림에 포획된 무기 미립자가 된다. 회분 연소 생성물은 이것이 용융될 때까지 전기 전도될 수 없다. 필요한 용융을 수행하기 위해, 작업편이 용융되고 전도될 때까지 이중 방식 플라즈마 토치가 처음에는 비-이송 아크 방식으로 작동하고, 이어서 비-이송식으로 대체될 수 있다. 플라즈마 가스는 소용돌이를 형성하도록 접선방향으로 도입되어 상기 유동을 안정화시킬 수 있다.
바람직한 양태에서, PPC(10)은 석탄 공급물(75), 처리 가스(80) 및 물(85)을 혼합시켜 완전 연소를 촉진하도록 구성된다. 회분의 연소로부터 형성된 슬래그는 용융되어 PPC(10)의 저부에서 수거되고, 이것은 도가니로서 작용한다. 바람직한 양태에서, 도가니는 원심분리기에서 회전한다. 이러한 회전은, 토치로부터의 열을 용융된 슬래그에 걸쳐 분배시키고, 원심분리력에 의해, 용융된 슬래그를 회전축으로부터 멀리 유지시키는 작용을 한다. 도가니의 회전은, 상기 도가니의 회전을 느리게 함으로써 도가니의 저부로부터 슬래그가 제거될 수 있게 한다. 충분한 슬래그가 가공 챔버에 축적되는 경우, 상기 슬래그는 제거되고 냉각되어, 폐기되거나 또는 건축재로서 사용되기에 편리한 형상으로 고화된다. 상기 슬래그에 존재하는 임의의 중금속은 침출-저항성 유리질 슬래그에 포획된다. 슬래그 금형 및 그 안의 슬래그를 제거하기 위해 에어 락(air lock)이 사용될 수 있다.
PPC(10)에서 석탄이 연소하는 동안, 특정 화학물질 및 오염물이 존재하거나 형성될 수 있다. 바람직한 경우 또는 필요한 경우, PPC로부터 오염물의 방출을 방지하기 위해 PPC(10)는 예를 들어 약 25 내지 50mbar의 부압에서 유지될 수 있다. 따라서, 고온 가스 스트림에는 예를 들어 가스, 예컨대 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 수소(H2) 및 이들의 조합물 뿐만 아니라, 독성 및/또는 환경적으로 해로운 화합물, 예컨대 산화질소("NOx"), 산화황("SOx"), 다이옥신, 폴리염화 디벤조다이옥신("다이옥신류"), 다이옥신-유사 화합물("DLC"), 폴리염화 디벤조푸란("푸란류"), 폴리염화 비페닐("PCB"), 휘발성 유기 화합물("VOC"), 산(예를 들면, 염산(HCl), 질산(HNO3), 황산(H2SO4) 등) 및 이들의 조합물이 포함될 수 있다. 연소 동안에 형성된 이러한 화학물질 및 오염물 대부분은, 형성된 후, 제1 가공 챔버(10)에서의 전형적인 2초의 체류 시간 동안에 파쇄된다.
PPC(10)에서의 석탄의 연소 후에, 형성된 가스 스트림 O는 제1 HRSG(20)로 방출된다. HRSG는 눈에 띄는 분해의 위험성 없이 PPC로부터 고온 가스 스트림을 수취할 수 있다. 즉, HRSG는 고온 가스의 접촉 시에 수반될 수 있는 온도, 압력, 부식성 화학물질 등에 견딜 수 있다. 승온에 견디는 것을 돕기 위해, HRSG 부위들을 세라믹으로 라이닝(lining)하는 것이 유리할 수 있다. 하나의 예시적인 HRSG는 NEM(네덜란드 라이덴 소재)에 의해 제작된 열 회수 보일러이다. 제1 HRSG(20)는 제1 온도 T1에서 PPC(10)로부터 방출된 오염물 함유 가스 스트림 O(이후, "가스 스트림 O")을 수취하기 위한 주입구(22), 및 T1보다 낮은 온도 T2에서 SPC(30)로 가스 스트림 O를 방출하기 위한 배출구(24)를 포함한다. 제1 HRSG(20)에서, 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 나중의 전기 생산에 사용하기 위해 열 교환기를 사용하여 가스 스트림 O로부터 열을 추출한다. 제1 HRSG에서 교환에 이용될 수 있는 열의 양은, 시스템의 구성, PPC(10)의 크기, 석탄 투입율, 및 PPC(10)에서의 가공 조건을 포함하지만 이것으로 한정되지 않는 여러 인자들에 좌우될 수 있다.
PPC(10)와 같이 SPC(30)은 수반되는 가공 조건(즉, 온도, 압력, 부식 등)에 견딜 수 있고, 추가로, PPC(10)에서 석탄의 연소 후에 잔존하는 임의의 오염물을 제거하도록 조정된다. 가스 스트림 P를 처리하기 위한 이러한 시스템의 하나의 예가 위에서 논의된 PACT 시스템이다.
SPC(30)는 PPC(10)와 동일한 방식으로 작동한다. 가스 스트림 P가 제1 HRSG(20)의 배출구(24)로부터 챔버 주입구(22)로 유동하고 토치가 가스를 가열시키는 한편, 처리 가스(90) 및 임의로 물(95)은 소정의 유량 및 농도로 SPC(30)에 동시에 공급된다. 2초의 SPC 체류 시간이, 연소를 완결시키기에 충분한 것으로 추산된다. SPC(30)에서 물을 가스 스트림에 첨가는 것은, SPC(30)에서의 가스의 온도를 유지 및/또는 조절하는데 사용될 수 있다. 일부 양태에서, 약 2,400℉ 내지 약 2,900℉(약 1,300℃ 내지 약 1,600℃)의 온도를 유지시키는 것이 바람직할 수 있다.
SPC(30)에서, 처리 가스(90)는 폐 스트림 중의 특정 오염물들과 반응하여, 가스 스트림 P에 현탁된 다이옥신류, 푸란류, 대부분의 NOx 및 대부분의 미립자체(예를 들면, 회분)가 제거된 처리 가스 스트림 Q 뿐만 아니라 비독성 반응 생성물 및/또는 부산물을 생성할 수 있다. 아래의 실시예 1 내지 5를 참조할 수 있다. 예를 들어, SPC(30)에서의 처리 동안, 가스 스트림 P 중의 잔존하는 임의의 일산화탄소 및 수소는 이산화탄소 및 수증기로 전환된다. 아래의 표 3 내지 5, 표 7 및 표 8에서 가스 스트림 P 및 Q의 화학 조성을 비교할 수 있다. 이러한 전환은 가스에 있는 잔여 화학 에너지의 방출을 동반하며, 이것은 산소를 가스에 첨가함으로써 도움받을 수 있다. CO의 자동 점화 온도는 약 1,100℉(약 593℃)이다. 따라서, 연소를 개시시키기 위해 SPC(30)에서 스파크 또는 불꽃(flame)을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 비-이송된 플라즈마 토치가 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다.
SPC(30)에서의 처리 후에, 온도 T3에서 처리된 가스 Q는 제2 HRSG(40)의 주입구(42)로 방출된다. 제2 SPC(30)의 배출구(34)에 유체 연결되며, HRSG(40)는, 처리된 가스 스트림 Q를 수취하고, 처리된 가스 스트림 R을 T3보다 더 낮은 제4 온도 T4에서 켄칭 챔버(50)의 주입구(52)로 방출하도록 조정된다. PPC(10)와 유사하게, 시스템의 구성, PACT 시스템의 크기, 석탄 투입율, 및 SPC(30)에서의 가공 조건을 포함하지만 이것으로 제한되지 않는 여러 인자들에 따라 제2 HRSG에서의 교환에 이용될 수 있는 열의 양은 가변적일 수 있다.
임의로, 가스 스트림 R로부터 임의의 잔류 폐열을 포획하기 위해, 하나 이상의 추가의 HRSG(도시되지 않음)를 HRSG(20, 40)와 순차적으로 사용할 수 있다. 임의로, 상기 시스템은 제1 HRSG(20)와 순차적으로 사용되는 하나 이상의 HRSG(도시되지 않음)를 포함할 수 있으며, 이들 모두는, HRSG에서 열을 가스 스트림으로부터 물 순환으로 전달하는 동일한 기능을 수행한다. 다수의 HRSG를 사용하는 양태에서, 열은 가스 스트림을 따라 상이한 지점들에서 추출될 수 있다. 예를 들어, 상기 시스템은 2개의 HRSG(20, 40)를 포함하며; 가스 스트림 O가 PPC(10)로부터 방출될 때, 가스 스트림 O로부터 제1 HRSG(20)가 열을 추출한다. 이 지점 O에서, 가스 스트림은 몇몇 부식성 및 독성 오염물들을 함유하며, 아래의 실시예 1 내지 5를 참조할 수 있다. 가스 스트림 Q가 SPC(30)로부터 방출될 때, 제2 HRSG(40)가 가스 스트림 Q로부터 열을 추출한다.
다수의 HRSG 양태에서 사용되는 HRSG들은 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, HRSG(20, 40)는 처리되는 부식성 및 독성 성분들의 밀도가 서로 크게 상이할 수 있고, HRSG들은 이러한 차이를 견디기 위해 상이한 구조를 가질 수 있다. 가공 챔버의 작동 온도가 최대 온도를 초과할 때에도 HRSG는 순응할 수 있으며, 도 2는, 흡수 보일러(15)와 같은 추가의 히트 싱크(heat sink)가 도입되어, 제1 가공 챔버(10)와 HRSG(20) 사이에서 가스 스트림으로부터 열을 추출할 수 있는 양태를 예시한다. 임의의 추가의 HRSG들로부터 형성된 가스 스트림은, 필요한 경우, 위치에 따라 SPC(30) 또는 켄칭 챔버(50)로 방출된다. 추가의 가공 챔버 및 추가의 열 교환기는 직렬로 또는 병렬로 부가될 수 있다.
도 2 내지 4에 도시된 바와 같이, 특정 양태에서, 상기 시스템 및 방법은 생성물 가스를 오염제거하고 전력을 발생시키기 위한 성분을 추가로 포함한다. 전력 발생 구획 B는 전기 발생용 발전기(110)에 작동적으로 연결된 스팀 터빈(100)을 포함한다. 제1 및 제2 HRSG(20, 40)는, 석탄 처리 시스템 A에 대한 유체 연결(fluid connection)과는 별도로, 스팀 터빈(100)을 통해 전력 발생 구획 B에 유체 연결된다. 제1 및 제2 HRSG는, 열을, 구획 A의 가스 스트림 O 및 Q로부터 구획 B의 물 공급기(27, 47)로 전달하여, 스팀 발생기(100)에 유체 연결된 스팀 공급원(29, 49)을 위한 스팀을 형성한다. 본 발명을 수행하기 위한 적합한 장비 및 시스템은 몇몇 제조자로부터 시판되는 것을 이용할 수 있다.
켄칭 챔버(50)에서, 필요한 경우, 처리된 가스 스트림 R의 온도는, 오염물의 재형성을 방지하기에 충분히 낮은 온도로, 및 습식 스크러버(60) 및/또는 집진장치(70)에 대한 손상을 방지하기에 적합한 범위로 추가로 감소된다. 켄칭 챔버(50)에서, 가스 스트림에 물 스프레이를 추가하여, 온도를 대략 280℉까지 또는 포화 온도 바로 위의 온도까지 빠르게 도달시킨다. 도 9 및 실시예 5는 켄칭 챔버가 없는 양태를 예시한다.
온도를 적합한 범위로 감소시킨 후, 처리된 가스 S는 켄칭 챔버(50)로부터 습식 스크러버(60)의 주입구(62)로 방출된다. 습식 스크러버(60)에서, 처리된 가스 S로부터 미량의 VOC, SOx 및 나머지 미립자체가 제거된다.
습식 스크러버(60)에서 처리된 후, 처리된 가스 U는 집진장치(70)로 방출되며, 여기서 SOx로부터의 황이 수거된다. 이후, 냉각된 H2O 및 CO2를 포함하는 "깨끗한" 가스 스트림 T가 집진장치(70)로부터 방출된다. 이어서, 물이 분리될 수 있으며, 이어서 CO2 스트림은, CO2 제거 시스템(120)에 의해, EPA 승인된 격리 또는 기타 승인된 탄소 포획 및 격리(CCS: carbon capture and sequestration) 기술을 위해 포획되고 유리될 수 있다.
상술된 바와 같이, 제1 및 제2 HRSG는 스팀 터빈(100)에 유체 연결된다. 제1, 제2 및 임의의 추가의 HRSG 각각에서 가스 스트림 O, Q로부터 추출된 열은 합해져서, 스팀 터빈(100)을 구동시키기 위한 스팀을 발생시키는데 사용된다. 터빈(100)에서 스팀의 응축 후에, 물은 HRSG의 각각에 다시 재순환되어 가스 스트림 O, Q로부터 열을 흡수한다. 바람직한 양태에서, HRSG(20) 및 HRSG(40)에 의해 생성된 스팀(29, 49)은 전력 발전기(110)를 구동시키는 스팀 터빈(100)을 구동시켜, 당업계에 널리 공지된 방식으로 전기를 발생시킨다.
상기 시스템은 상이한 공간 및/또는 가공 요건들을 수용하기 위해 도 2 내지 9에 도시된 바와 같은 다양한 장비 구성을 포함할 수 있다. 또한, 도 2와 비교하여, 도 4 또는 도 9에 도시된 바와 같이, 켄칭기, 습식 스크러버 및 집진장치의 상대적인 위치가 필요한 경우 또는 목적하는 바에 따라 변경될 수 있다.
도 5 내지 9는 도 4에 예시된 시스템을 가변 장비 및 공정 조건에 근거하여 도시한 상키도를 보여 준다. 상술된 바와 같이, 본 발명의 방법은 2개의 유체 유동을 포함하는데, 제1 유동은 PPC 및 SPC에서 발생하는 연소의 생성물을 운반하며, 제2 흐름은 HRSG 및 스팀 터빈을 통해 물을 주기적으로 순환시킨다. 실시예 1 내지 5가 아래에서 논의되고 있다. 주어진 투입 물질 및 산화제, 예를 들어 공기, 산소 또는 이들의 혼합물에 대한 연소 공정 동안 이용할 수 있는 에너지를 계산하는 등록된 에너지 밸런스 스프레드시트(미국 캘리포니아주 유카이아 소재의 리텍 시스템스, 엘엘씨)를 사용하여 예시적인 계산이 이루어졌다. 균형을 이룬 시스템은 투입 질량과 산출 질량 및 투입 에너지와 산출 에너지가 동일해야 한다.
이들 실시예에 사용된 투입 석탄 조성물은 미국 유타주 프라이스 소재의 유니온 퍼시픽 코포레이션(Union Pacific Corporation)의 덕아웃 캐년 광산(Dugout Canyon Mine)으로부터의 석탄 조성물이다. 분석치는 아래의 표 1에서 제시되어 있으며, 도 1 내지 9에서 M으로 표시된다.
Figure 112012061382759-pct00001
표 1에 제시된 분석치에는 수은의 존재는 나타나지 않는다. 그러나, 미국 에너지정보행정청(US Energy Information Administration)의 웹사이트(www.eia.doe.gov/oiaf/analysispaper/stb/)에 따르면, 석탄 중의 수은 양은 2.04 내지 63.90lbs/1조Btu까지 구역별로 다양할 수 있다. 12,000Btu/lbs에서, 이 값은 석탄 10억 파운드당 수은 24.5 내지 766파운드와 동일하다. 이러한 연구 목적 상, 상기 범위의 높은 단부 값은 추정되었다. 또한, 상기 수은은 전부 수증기로 변하여 상기 시스템 전체에 걸쳐 가스와 함께 이동하고, 오프가스 시스템의 2개 장소, 즉 켄칭 챔버(50) 및 습식 스크러버(60)에서 응축될 것으로 추정되었다. 따라서, 상기 2개 용기의 저부를 태핑(tapping)함으로써 액체 수은을 포획하고 제거할 수 있다. 켄칭 챔버(50)에서 90%가 포획되는 것으로 추정되고, 습식 스크러버(60)에서 나머지 10%가 포획되는 것으로 추정된다. 따라서, 오프가스에 남아 있는 임의의 수은은 규제 요건 아래에 있을 것이다.
실시예 1
기준 사례: PPC 의 배출구 온도( T 1 ) 및 SPC 의 배출구 온도( T 3 ) = 2400℉(1316℃)
PPC(10)의 배출구 온도(T1) 및 SPC(20)의 배출구 온도(T2)를, 이들 각각의 가공 챔버에 물 공급원(85, 86)으로부터의 물을 첨가함으로써 조절한다. 모든 투입물 및 산출물의 질량 유량(kg/h)을, 슬래그 화학 조성 N에 대해서는 표 2에, 도 5의 계통도에 나타난 지점 O, P, Q, R, S, T 및 U에서의 가스 유동의 화학 조성에 대해서는 표 3에 기재한다.
본 실시예에서, 석탄 공급물(75)은 상기 표 1에 주어진 조성 M을 갖는 석탄 18,900kg/h로서 공급된다. 제1 가공 챔버(10)에 대한 처리 가스 투입물(80)은 28,900kg/h O2이고, 제1 가공 챔버(10)에 대한 물 투입물(85)은 41,800kg/h H2O이다.
제1 가공 챔버(10)에 대한 5,000ft3(141,584ℓ) 용적의 투입물 및 제2 가공 챔버(30)에 대한 10,100ft3(286,000ℓ) 용적의 투입물이 제공될 때, 슬래그(88)는 아래의 표 2에 요약된 조성 N을 갖는다.
Figure 112012061382759-pct00002
제2 가공 챔버(30)에 대한 처리 가스 투입물(90)은 21,334kg/h O2이고, 제2 가공 챔버(30)에 대한 물 투입물(86)은 820kg/h H2O이다. 켄칭 챔버(50)에 대한 물 투입물(87)은 21,467kg/h H2O이다. 켄칭 챔버(50)의 주입구 온도(T5)는 658℉(328℃)이고, 켄칭 챔버(50)의 배출구 온도(T6)는 260℉(127℃)이다. 켄칭 챔버(50)에서의 수은 회수는 1.31×10-2kg/h이고 습식 스크러버(60)에서는 1.45×10-2kg/h이다.
하기 공정 지점에 대한 가스 흐름에서의 화학 조성의 계산된 분석치는 아래의 표 3에 제시된다.
제1 가공 챔버(10) 배출구 가스, O;
제1 HRSG(20) 배출구 가스, P;
제2 가공 챔버(30) 배출구 가스, Q;
제2 HRSG(40) 배출구 가스, R;
켄칭 챔버(50) 배출구 가스, S;
습식 스크러버(60) 배출구 가스, U;
집진장치(70) 배출구 가스, T.
Figure 112012061382759-pct00003
본 실시예의 기본 조건은, 제1 가공 챔버(10)의 배출구 온도(T1) 및 제2 가공 챔버(30)의 배출구 온도(T3)가 둘 다 2400℉(1316℃)이라는 것이다. 생성된 제1 HRSG(20)의 배출구 온도(T2) 및 형성된 제2 HRSG(40)의 배출구 온도(T4)는 둘 다 658℉(328℃)이다.
실시예 2
PPC 의 배출구 온도( T 1 ) = 2800℉(1538℃)
본 연구에서는, 제1 가공 챔버(10)의 성분들 다운스트림이 2800℉(1538℃)의 PPC의 배출구 온도(T1)에 견디고, 따라서 상기 온도를 제어하는 데에 더욱 적은 물이 요구되는 것으로 가정한다. 본 실시예는 또한, SPC(20)에서 물이 첨가되지 않으며, SPC의 배출구 온도(T3)가 단지 2568℉(1409℃)에 도달된다는 점에서, 실시예 1과는 상이하다. 모든 투입물 및 산출물의 질량 유량(kg/h)을, 슬래그 화학 조성 N에 대해서는 상기 표 2에, 도 6의 계통도에 나타난 지점 O, P, Q, R, S, T 및 U에서의 가스 흐름의 화학 조성에 대해서는 아래의 표 4에 기재한다.
본 실시예에서, 석탄 공급물(75)은 상기 표 1에 주어진 조성 M을 갖는 석탄 18,900kg/h로서 공급된다. 제1 가공 챔버(10)에 대한 처리 가스 투입물(80)은 28,900kg/h O2이고, 제1 가공 챔버(10)에 대한 물 투입물(85)은 34,800kg/h H2O로 감소된다. 제1 가공 챔버(10)는 5,000ft3(141,584ℓ) 용적을 갖고, 제2 가공 챔버(30)는 10,100ft3(286,000ℓ) 용적을 갖는다. 슬래그(88)는 상기 표 2에 요약된 조성 N을 갖는다.
제2 가공 챔버(30)에 대한 처리 가스 투입물(90)은 20,800kg/h O2이고, 제2 가공 챔버(30)에 대한 물 투입물(86)은 0kg/h H2O이다. 켄칭 챔버(50)에 대한 물 투입물(87)은 19,500kg/h H2O이다. 켄칭 챔버(50)의 주입구 온도(T5)는 658℉(328℃)이고, 켄칭 챔버(50)의 배출구 온도(T6)는 260℉(127℃)이다. 켄칭 챔버(50)에서의 수은 회수는 1.31×10-2kg/h이고 습식 스크러버(60)에서는 1.45×10-2kg/h이다.
실시예 1에서와 같이, 공정 지점 O, P, Q, R, S, U 및 T에 대한 가스 흐름에서의 화학 조성의 계산된 분석치는 아래의 표 4에 제시된다.
Figure 112012061382759-pct00004
본 실시예의 기본 조건은, 제1 가공 챔버(10)의 배출구 온도(T1)가 2800℉(1538℃)이라는 것이다. 형성된 제1 HRSG(20)의 배출구 온도(T2) 및 형성된 제2 HRSG(20)의 배출구 온도(T4)는 둘 다 658℉(328℃)이다.
실시예 3
급속 켄칭
본 연구에서는, 다이옥신류 및 푸란류의 형성을 방지하는데 가스의 급속 켄칭(rapid quenching)이 요구되는 경우에 예견되는 성능, 염소가 석탄 공급물에 존재하는 경우에 요구될 수 있는 단계를 조사한다. 모든 투입물 및 산출물의 질량 유량(kg/h)을, 슬래그 화학 조성 N에 대해서는 상기 표 2에, 도 7의 계통도에 나타난 지점 O, P, Q, R, S, T 및 U에서의 가스 흐름의 화학 조성에 대해서는 아래의 표 5에 기재된다.
본 실시예에서, 석탄 공급물(75)은 상기 표 1에 주어진 조성 M을 갖는 석탄 18,900kg/h로서 공급된다. 제1 가공 챔버(10)에 대한 처리 가스 투입물(80)은 28,900kg/h O2이고, 제1 가공 챔버(10)에 대한 물 투입물(85)은 41,800kg/h H2O이다. 제1 가공 챔버(10)는 5,000ft3(141,584ℓ) 용적을 갖고, 제2 가공 챔버(30)는 10,100ft3(286,000ℓ) 용적을 갖는다. 슬래그(88)는 상기 표 2에 요약된 조성 N을 갖는다.
제2 가공 챔버(30)에 대한 처리 가스 투입물(90)은 20,800kg/h O2이고, 제2 가공 챔버(30)에 대한 물 투입물(86)은 0kg/h H2O이다. 켄칭 챔버(50)에 대한 물 투입물(87)은 19,500kg/h H2O이다. 켄칭 챔버(50)의 주입구 온도(T5)는 658℉(328℃)이고, 켄칭 챔버(50)의 배출구 온도(T6)는 260℉(127℃)이다. 켄칭 챔버(50)에서의 수은 회수는 1.31×10-2kg/h이고 습식 스크러버(60)에서는 1.45×10-2kg/h이다.
실시예 1에서와 같이 공정 지점 O, P, Q, R, S, U 및 T에 대한 가스 흐름에서의 화학 조성의 계산된 분석치는 아래의 표 5에 제시된다.
Figure 112012061382759-pct00005
본 실시예의 기본 조건은, 제1 가공 챔버(10)의 배출구 온도(T1)가 2800℉(1538℃)이라는 것이다. 형성된 제1 HRSG(20)의 배출구 온도(T2) 및 형성된 제2 HRSG(20)의 배출구 온도(T4)는 둘 다 658℉(328℃)이다.
실시예 4
소규모의 ( PACT -8) 크기 시스템
본 연구에서는, 약 1,000kg/h의 석탄 공급물을 수용할 수 있는 소규모 시스템인 대략 PACT-8(미국 캘리포니아주 유카이아 소재의 리텍 시스템스, 엘엘씨) 크기의 예견되는 성능을 조사한다. 모든 투입물 및 산출물의 질량 유량(kg/h)을, 슬래그 화학 조성 N에 대해서는 아래의 표 6에, 도 8의 계통도에 나타난 지점 O, P, Q, R, S, T 및 U에서의 가스 흐름의 화학 조성에 대해서는 아래의 표 7에 기재한다.
본 실시예에서, 석탄 공급물(75)은 상기 표 1에 주어진 조성 M을 갖는 석탄 1,000kg/h로서 공급된다. 제1 가공 챔버(10)에 대한 처리 가스 투입물(80)은 1,470kg/h O2이고, 제1 가공 챔버(10)에 대한 물 투입물(85)은 1,900kg/h H2O이다. 제1 가공 챔버(10)는 265ft3(7503ℓ) 용적을 갖고, 제2 가공 챔버(30)는 500ft3(14158ℓ) 용적을 갖는다. 슬래그(88)는 표 6에 요약된 조성 N을 갖는다.
Figure 112012061382759-pct00006
제2 가공 챔버(30)에 대한 처리 가스 투입물(90)은 1,170kg/h O2이고, 제2 가공 챔버(30)에 대한 물 투입물(86)은 0kg/h H2O이다. 켄칭 챔버(50)에 대한 물 투입물(87)은 1,108kg/h H2O이다. 켄칭 챔버(50) 주입구 온도(T5)는 658℉(328℃)이고, 켄칭 챔버(50) 배출구 온도(T6)는 260℉(127℃)이다. 켄칭 챔버(50)에서의 수은 회수는 6.9×10-3kg/h이고 습식 스크러버(60)에서는 7.7×10-4kg/h이다.
실시예 1에서와 같이 공정 지점 O, P, Q, R, S, U 및 T에 대한 가스 흐름에서의 화학 조성의 계산된 분석치는 아래의 표 7에 제시된다.
Figure 112012061382759-pct00007
본 실시예에서의 소규모의 PPC(10) 및 SPC(30)는 더욱 낮은 T1 2400℉(1316℃) 및 T3 2012℉(1100℃) 값과 연관이 있었다. 형성된 제1 HRSG(20)의 배출구 온도(T2) 및 형성된 제2 HRSG(20)의 배출구 온도(T4)는 둘 다 658℉(328℃)이다.
실시예 5
배출구 온도, HRSG 1( T 2 ) = HRSG 2( T 4 ) = 260℉(127℃)
본 연구에서는, HRSG 둘 다의 배출구 온도가 260℉(127℃)이고, T3만이 단지 2568℉(1409℃)에 이르는 것으로 가정한다. 모든 투입물 및 산출물의 질량 유량(kg/h)을, 슬래그 화학 조성 N에 대해서는 상기 표 2에, 도 9의 계통도에 나타난 지점 O, P, Q, R, S, T 및 U에서의 가스 흐름의 화학 조성에 대해서는 상기 표 4에 기재한다.
실시예 1에서와 같이, 석탄 공급물(75)은 상기 표 1에 주어진 조성 M을 갖는 석탄 18,900kg/h로서 공급된다. 제1 가공 챔버(10)에 대한 처리 가스 투입물(80)은 28,900kg/h O2이지만, 제1 가공 챔버(10)에 대한 물 투입물(85)은 41,000kg/h H2O으로 감소된다. 제1 가공 챔버(10)는 5,000ft3(141,584ℓ) 용적을 갖고, 제2 가공 챔버(30)는 10,100ft3(286,000ℓ) 용적을 갖는다. 슬래그(88)는 상기 표 2에 요약된 조성 N을 갖는다.
제2 가공 챔버(30)에 대한 처리 가스 투입물(90)은 21,300kg/h O2이고, 제2 가공 챔버(30)에 대한 물 투입물(86)은 0kg/h H2O이다. 켄칭 챔버(50)는 생략된다. 제2 HRSG에서의 수은 회수는 1.31×10-2kg/h이고 습식 스크러버(60)에서는 1.45×10-2kg/h이다.
실시예 1에서와 같이 공정 지점 O, P, Q, R, S, U 및 T에 대한 가스 흐름에서의 화학 조성의 계산된 분석치는 아래의 표 8에 제시된다.
Figure 112012061382759-pct00008
기준 에너지-밸런스 계산값은, HRSG에 주입되는 가스의 목적하는 온도가 약 2,000℉ 내지 약 2,900℉(약 1,100℃ 내지 약 1,600℃) 범위일 수 있으며, HRSG에서 유출되는 가스의 목적하는 온도가 약 258℉ 내지 약 1500℉(약 120℃ 내지 약 860℃) 범위일 수 있음을 나타낸다.
또 다른 양태에서, PPC(10)로부터의 가스 산출물은, HRSG를 수용할 수 있는 온도로 가스의 온도를 감소시키지 않고 산화 후에 형성된 온도, 예를 들어 약 10,000℉(약 5,540℃)에서 가스를 수취하도록 조정된 터빈으로 직접 방출될 수 있다.
실시예 6
고온 폐가스 의 처리
본 발명은 가스상 폐스트림, 예를 들어 발전소, 산업 제조업체, 산업 설비, 발전소 폐기물, 발전기, 제강 공장, 소각로, 공장, 매립지, 메탄 전환 공장, 매립지 소각로, 굴뚝, 의료 폐기물 설비 등을 포함하지만 이것으로 한정되지 않는 특정 산업 공정으로부터 형성된 가스상 폐 스트림으로부터 에너지를 발생시키는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 이러한 가스상 폐 스트림은 예를 들어 가스, 예컨대 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 수소(H2) 및 이들의 조합물; 추가로 독성 및/또는 환경적으로 해로운 화합물, 예컨대 산화질소("NOx"), 산화황("SOx"), 다이옥신, 폴리염화 디벤조다이옥신("다이옥신류"), 다이옥신-유사 화합물("DLC"), 폴리염화 디벤조푸란("푸란류"), 폴리염화 비페닐("PCB"), 산(예를 들면, 염산(HCl), 질산(HNO3), 황산(H2SO4) 등], 및 이들의 조합물을 포함할 수 있다.
도 10은 전력 발생 구획 B에 작동적으로 연결된 가스 처리 구획 A를 포함하는 본 발명에 따른 하나의 예시적인 시스템 및 방법을 도시한 흐름도이다. 도시된 바와 같이, 가스 처리 구획 A는 제1 열 회수 스팀 발생기(20)("제1 HRSG"), 제1 가공 챔버(10), 제2 HRSG(40), 켄칭 챔버(50), 습식 스크러버(60) 및 집진장치(70)를 포함하는데, 이들은 모두 유체 연결된다. 처리 가스, 예를 들어 O2 공급원(80)은 제1 가공 챔버(10)에 유체 연결된다. 본 발명의 방법을 수행하기 위한 적합한 장비 및 시스템은 몇몇 제조업자로부터 시판되는 것을 이용할 수 있다.
전력 발생 구획 B는 전기 발생용 발전기(110)에 작동적으로 연결된 스팀 터빈(100)을 포함한다. 제1 및 제2 HRSG(20, 40)는, 석탄 처리 시스템에 대한 유체 연결과는 별도로, 스팀 터빈(100)을 통해 전력 발생 구획 B에 유체 연결된다.
본 발명의 방법에서, 오염물 함유 가스 공급원(130)으로부터의 오염물 함유 가스 스트림 O는 제1 HRSG(20)로 연속으로 도입된다. 제1 HRSG(20)는 제1 온도 T1에서 가스 스트림 O를 수취하기 위한 주입구(22), 및 T1보다 낮은 온도 T2에서 제1 가공 챔버(10)로 가스 스트림 P를 방출하기 위한 배출구(24)를 포함한다. 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 제1 HRSG(20)에서, 나중에 에너지 생산에서 사용하기 위해 가스 스트림 O로부터 열을 추출한다.
임의로, 하나 이상의 추가의 HRSG(도시되지 않음)가, 제1 HRSG(20)로부터의 임의의 잔여 폐열을 활용하기 위해 제1 HRSG(20)와 순차적으로 사용될 수 있고, 임의의 추가의 HRSG로부터 형성된 가스 스트림은 제1 가공 챔버(10)로 방출된다.
제1 가공 챔버(10)는 가스 스트림 P를 처리하여, 이로부터 대부분의 오염물 및 미립자를 제거할 수 있다. 따라서, 제1 가공 챔버(10)는 처리되는 공정 조건(즉, 온도, 압력, 부식 등)에 견딜 수 있다. 바람직한 양태에서, PPC(10)는 완전 연소를 촉진하기 위해 석탄 공급물(75), 처리 가스(80) 및 물(85)의 혼합물을 형성하도록 구성된다. 하나의 예시적인 시스템은 가스 역류 칼라를 구비한 하나 이상의 비-이송 아크 플라즈마 토치를 포함하는, 미국 캘리포니아주 유카이아 소재의 리텍 시스템스, 엘엘씨로부터 시판되는 플라즈마 아크 원심분리 처리(PACT) 시스템이다. 비-이송 아크 플라즈마 토치는 토치 내부에 2개의 전극을 수용하며, 플라즈마는 전극이 토치의 내부에 있다고 할지라도 토치를 통한 높은 가스 흐름 때문에 토치의 단부를 넘어서 확장된다. 용이한 설명을 위해, 용어 "토치" 또는 "토치들"은 이후 비-이송 아크 플라즈마 토치들을 지칭하는데 사용될 것이다. 도 11a 및 11b는 비-이송식 플라즈마 아크 토치(300) 및 이송식 플라즈마 아크 토치(350)의 계통도이다.
도 11a 및 도 11b는 비-이송식 플라즈마 아크 토치(300) 및 이송식 플라즈마 아크 토치(350)의 계통도이다. 도 11a는 전방 전극(310), 후방 전극(312), 절연체(318), 아크 가스 공급구(320) 및 플라즈마 가스(330)를 보여 준다. 도 11b는 전극(314), 노즐(360), 절연체(318), 소용돌이 환(316), 아크 가스 공급구(320), 및 접지되어 있는 용융물(370)과 접촉하고 있는 플라즈마 가스(330)를 보여 준다.
본 발명에 따르면, 가스 스트림 P는 제1 가공 챔버(10)로 연속하여 도입되고, 동시에 처리 가스(80)가 소정의 유량 및 농도로 제1 가공 챔버(10)에 공급되며, 이 동안에 토치가 챔버에 함유된 가스상 폐 스트림 및 처리 가스 둘 다를 가열시킨다. 제1 가공 챔버(10)에서, 처리 가스(80)는 폐 스트림 중의 특정 오염물과 반응하여 가스 스트림 P에 현탁된 다이옥신류, 푸란류, 대부분의 NOx 및 대부분의 미립자체(예를 들면, 회분)가 제거되고 또한 비독성 반응 생성물 및/또는 부산물을 포함하는 처리된 가스 스트림 Q를 형성한다. 예를 들어, 제1 가공 챔버(10)에서의 처리 동안, CO 및 H2가 산화되어 처리된 가스 스트림은 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)을 포함한다.
제1 가공 챔버(10)에서의 처리 후에, 온도 T3에서 처리된 가스 Q는 제2 HRSG(40)로 방출된다. 제2 HRSG(40)는 제1 가공 챔버(10)의 배출구에 유체 연결되며, 처리된 가스 스트림 Q를 수취하고, 처리된 가스 스트림 R을 T3보다 더 낮은 제4 온도 T4에서 켄칭 챔버(50)로 방출하도록 조정된다.
켄칭 챔버(50)에서, 처리된 가스 스트림 R의 온도는, 오염물의 재형성을 방지하기에 충분히 낮은 온도로, 및 습식 스크러버(60) 및/또는 집진장치(70)에 대한 손상을 방지하기에 적합한 범위로 추가로 감소된다. 온도가 적합한 범위로 감소된 후, 처리된 가스 S는 켄칭 챔버(50)로부터 습식 스크러버(60)로 방출된다. 습식 스크러버(60)에서, 처리된 가스 S로부터 VOC, SOx 및 나머지 미립자체가 제거되고, 처리된 가스 U는 집진장치(70)로 방출되며, 여기서 SOx로부터 황이 수거된다.
그 후, 냉각된 H2O 및 CO2를 포함하는 "깨끗한" 가스 스트림 T는 시스템 A로부터 방출된다. 이어서, 물이 분리될 수 있으며, 이어서 CO2 스트림은, CO2 제거 시스템(120)에서 CO2의 제거를 위해 EPA 승인된 격리 또는 기타 승인된 탄소 포획 및 격리(CCS) 기술을 위해 유리될 수 있다.
도 12는 이송된 플라즈마 아크 토치(350) 및 원심분리 부위(400)를 나타낸 제1 가공 챔버의 양태의 특정 특징부의 계통도이다. 이송된 플라즈마 아크 토치(350)는 물-냉각된 전극(315), 노즐(360), 소용돌이 플라즈마 가스(334) 및 플라즈마 아크 종지부(336)를 포함한다. 슬래그 배스(slag bath)(372)는 원심분리기(400)의 회전에 의해 원심분리 플로어(420)에서의 슬래그 출구(16)로부터 떨어져서 유지된다.
도 13은 주입구(22)와 배출구(24)를 갖는 제1 HRSG(20), 주입구(32)와 배출구(34)를 갖는 2차 가공 유닛(30), 및 주입구(42)와 배출구(44)를 갖는 제2 HRSG(40)와 유체 교환(fluid communication)되는, 제1 가공 챔버(10)를 나타낸 수직 양태도이다. 제1 가공 챔버(10)는 슬래그 배출구(16), 가스 배출구(18), 이송된 플라즈마 아크 토치(350) 및 원심분리 부위(400)를 갖는다. 슬래그 수거 용기(89)는 슬래그 배출구(16) 아래에 위치할 수 있다.
도 14a, 14b 및 14c는 본 발명에 따라 제1 가공 챔버 및 제2 가공 챔버 및 2개의 HRSG에 대한 수평의 가공 챔버 레이아웃 양태의 계통도이다. 도 14a는 제1 가공 챔버(10)의 하나의 구역으로서 모듈형 PACT를 나타낸 단면도이며; PACT(500)는 슬래그 배출구(16), 원심분리 부위(400), 가스 배출구(18) 및 이송된 플라즈마 아크 토치(350)를 포함한다. 슬래그 수거 용기(89)는 슬래그 배출구(16) 아래에 위치할 수 있다. 도 14b는 주입구(22)와 배출구(24)를 갖는 제1 HRSG(20), 주입구(32)와 배출구(34)를 갖는 2차 가공 유닛(30), 및 주입구(42)와 배출구(44)를 갖는 제2 HRSG(40)와 유체 교환되는, 제1 가공 챔버(10)를 나타낸 종단면도이다. 도 14c는 다수의 모듈형 PACT(500)와 유체 교환하는 제1 가공 챔버(10)을 나타낸 단면도이다.
비록 본 발명이 여러 개의 예시적인 양태에 관하여 서술하고 있지만, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고도 여러 변경이 가능하며, 등가물이 이들 요소들 대신에 대체될 수 있다는 것을 당업자들은 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 본질적인 범위를 벗어나지 않고도 특정 상황 또는 재료들을 본 발명의 교시 내용에 적합하도록 많은 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 실시하기 위해 고려된 최선 방식으로서 기술된 특정 양태로 한정되는 것이 아니라, 본 발명은 첨부된 청구범위 내에 속하는 모든 양태를 포함하는 것으로 의도된다.
본 명세서에 기술된 범위는 포괄적이고 조합가능하다(예를 들면, "약 25중량% 이하, 바람직하게는 약 5중량% 내지 약 20중량%, 및 더욱 바람직하게는 약 10중량% 내지 약 15중량%"의 범위는 상기 범위의 종점값 및 모든 중간값, 예를 들어 "약 5중량% 내지 약 25중량%, 약 5중량% 내지 약 15중량%" 등을 포함한다). 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에 사용된 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다.
본 출원 명세서에 걸쳐서 용어 "제1" 및 "제2", "제1" 및 "제2" 등은 본 명세서에서 어떤 순서 또는 중요성을 의미하는 것이 아니라, 오히려 한 요소로부터 또 다른 요소를 구별하는데 사용되며, 부정 관사("a" 및 "an")는 본 명세서에서 수량을 한정하는 것이 아니라 오히려 언급된 품목의 하나 이상의 존재를 의미함에 유념하여야 한다. 유사하게, 다르게 정의되지 않는 한, 용어 "저부" 및 "상부"는 단지 서술의 편리함을 위한 것으로 어떤 하나의 위치 또는 공간적 배향으로 한정되지 않음에 유념하여야한다. 또한, 수량과 관련하여 사용된 수식어 "약"은 지칭된 값을 포함하며, 문맥에 의해 지시되는 의미를 갖는다(예를 들면, 특정 수량의 측정과 연관된 오차도를 포함한다).

Claims (21)

  1. 스팀 발생 방법으로서,
    상기 방법은
    탄소질 물질의 연속 공급을 제공하는 단계;
    상기 탄소질 물질을 적어도 하나의 제1 플라즈마 아크 토치를 갖는 제1 가공 챔버에서 제1 처리 가스 및 물의 존재하에 연소시켜 상기 탄소질 물질의 연소로부터의 CO, CO2, H2, H2O, 및 부산물을 포함하는 제1 생성물 가스 스트림을 형성하고, 여기서 상기 제1 가공 챔버에서 상기 탄소질 물질을 연소시키는 것이 상기 제1 가공 챔버를 부압(negative pressure)에서 유지시킴을 추가로 포함하는, 단계;
    제1 열 회수 스팀 발생기에서 상기 제1 생성물 가스 스트림으로부터 열을 회수하여 제1 스팀 산출물(output)을 제조하는 단계;
    상기 제1 생성물 가스 스트림을 적어도 하나의 제2 플라즈마 아크 토치를 갖는 제2 가공 챔버에서 제2 처리 가스 및 물의 존재하에 가공하여 일산화탄소 및 수소가 없는 제2 생성물 가스 스트림을 형성하는 단계; 및
    제2 열 회수 스팀 발생기에서 상기 제2 생성물 가스 스트림으로부터 열을 회수하여 제2 스팀 산출물을 제조하는 단계
    를 포함하고, 여기서, 상기 제1 플라즈마 아크 토치 및 상기 제2 플라즈마 아크 토치 각각은 5540℃ 내지 11,080℃의 열을 발생시키는, 스팀 발생 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 스팀 산출물과 상기 제2 스팀 산출물을 사용하여 스팀 터빈을 작동시키는 단계를 추가로 포함하는, 스팀 발생 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 스팀 산출물과 상기 제2 스팀 산출물을 사용하여, 전기를 생산하기 위한 발전기에 작동적으로 연결된(operatively connected) 스팀 터빈을 작동시키는 단계를 추가로 포함하는, 스팀 발생 방법.
  4. 제1항에 있어서, 공기, 물 및 스팀 중 적어도 하나를 사용하여 상기 제2 생성물 가스 스트림을 켄칭(quenching)시키는 단계를 추가로 포함하는, 스팀 발생 방법.
  5. 제1항에 있어서, 습식 스크러버(wet scrubber)를 사용하여 상기 제2 생성물 가스 스트림을 가공하는 단계를 추가로 포함하는, 스팀 발생 방법.
  6. 제1항에 있어서, 집진장치(baghouse)를 사용하여 상기 제2 생성물 가스 스트림을 가공하는 단계를 추가로 포함하는, 스팀 발생 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2 생성물 가스 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하고 상기 제거된 이산화탄소를 냉각시키는 단계를 추가로 포함하는, 스팀 발생 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 처리 가스가 조성을 갖고, 상기 제2 처리 가스가 조성을 갖고, 상기 제1 처리 가스 조성 및 상기 제2 처리 가스 조성이 상이한, 스팀 발생 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 처리 가스 조성 및 상기 제2 처리 가스 조성이 부피를 기준으로 93% 내지 95% 산소 및 5% 내지 7% 아르곤을 포함하는, 스팀 발생 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 생성물 가스 스트림이 1000℃ 내지 1600℃의 온도를 갖고, 상기 제2 생성물 가스 스트림이 1000℃ 내지 1600℃의 온도를 갖는, 스팀 발생 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 가공 챔버 및 상기 제2 가공 챔버가 필수적으로 동일한 온도를 갖는, 스팀 발생 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 가공 챔버가 원심분리 부위를 포함하는, 스팀 발생 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 원심분리 부위가 슬래그 출구(slag exit)에 작동적으로 연결된 원심분리 플로어(floor)를 추가로 포함하는, 스팀 발생 방법.
  14. 제13항에 있어서, 슬래그 배스(slag bath)를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 스팀 발생 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 슬래그 배스를 상기 슬래그 출구로부터 제외시키기에 충분한 회전 속도로, 상기 원심분리 부위를 회전시키는 단계를 추가로 포함하는, 스팀 발생 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 원심분리 부위의 회전 속도를 느리게 하여 상기 슬래그 배스가 상기 슬래그 출구에 도입되게 하는 단계를 추가로 포함하는, 스팀 발생 방법.
  17. 제1항에 있어서, 히트 싱크(heat sink) 에서 상기 제1 생성물 가스 스트림으로부터 열을 추출하는 단계를 추가로 포함하는, 스팀 발생 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 히트 싱크가 흡수 보일러를 포함하는, 스팀 발생 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 히트 싱크로부터의 상기 제1 생성물 가스 스트림을 상기 제1 열 회수 스팀 발생기로 향하게 하는 단계를 추가로 포함하는, 스팀 발생 방법.
  20. 제1항에 있어서, 상기 탄소질 물질을 상기 제1 플라즈마 아크 토치와 접촉시키는 단계를 추가로 포함하는, 스팀 발생 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제1 생성물 가스 스트림이 일산화탄소 + 이산화탄소에 대한 일산화탄소의 비가 부피를 기준으로 20% 내지 45%인 조성을 포함하는, 스팀 발생 방법.
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