KR101934688B1 - 신가스에서 타르를 제거하는 방법과 장치 - Google Patents

신가스에서 타르를 제거하는 방법과 장치 Download PDF

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Abstract

타르 함유 신가스에서 타르의 함량을 저감시키는 방법과 장치가 제공된다. 이 방법은 제 1 반응 구역에서 타르 함유 신가스와 분자 산소 함유 가스를 접촉시켜 가스 혼합물을 생성하는 단계를 포함한다. 가스 혼합물은 약 0.5 ~ 약 5 초의 접촉 시간 동안 약 900℃ ~ 약 2000℃ 의 온도에서 유지되는 열처리 구역을 통과한다. 이러한 양태에서, 타르의 적어도 일부는 적어도 부분 산화 및/또는 분해되어 고온 신가스를 생성한다.

Description

신가스에서 타르를 제거하는 방법과 장치 {APPARATUS AND METHODS FOR TAR REMOVAL FROM SYNGAS}
본 출원은, 2011년 4월 6일에 모두 출원된 미국 가출원 제 61/516,646 호, 제 61/516,704 호 및 제 61/516,667 호의 이익을 주장하고, 이들 문헌은 그 전부를 본원에 참조로 원용한다.
탄소질 재료를 가스화하여 일산화탄소 및 수소를 포함하는 발생기 (producer) 가스, 합성 가스 (synthesis gas) 또는 신가스 (syngas) 를 생성하는 장치 및 방법이 제공된다. 보다 자세하게는, 이러한 장치와 방법은 발생기 가스, 합성 가스 또는 신가스를 조절하고 또한 타르 함유 신가스 중 타르의 함량을 저감시키는데 효과적이다.
산소 결핍 조건에서 탄소질 재료의 가스화는 타르를 포함하는 신가스 (또한 합성 가스로도 알려져 있음; 또한 발생기 가스로도 알려짐) 를 발생시킨다. 신가스내에 타르가 존재한다는 것은 가스화 공정에서 하류측 공정들 및 장비의 막힘, 파울링을 유발하는 주요한 기술적 장애이다. 응축 타르는 가스 세척 장비를 현저하게 파울링할 수 있고, 프라임 무버 (prime movers) 에 유입하는 액체 타르 액적은 신가스의 최종 사용시의 작동을 방해한다. 신가스내의 타르는 또한 폐수 관리에 큰 영향을 줄 수 있다. 예를 들어 종래의 수계 가스 세척 시스템들에서, 타르 및 응축된 물이 혼합되면, 종종 비용을 유발하고 또한 어려운 수처리 문제를 유발할 수 있다. 하류측 공정들 및 장비에 수용가능한 신가스를 형성하기 위해서 이 신가스의 타르 함량을 저감시켜야 한다. 타르를 저감시키거나 또는 제거하는 여러 가지 방법들은 물리적 처리 및 화학적 처리 둘 다를 포함하는 공개된 종래 기술에 개시되어 있다. 타르 제거를 위한 물리적 처리로서는 필터의 사용 및 정전식 타르 제거를 포함한다. 화학적 처리로서는 촉매 방법 및 비촉매 방법 둘 다를 포함한다. 신가스의 타르 함량을 저감시키는 일 방법으로는, 타르에 부분 산화 및 열 분해 중 하나 또는 둘 다를 가하는 열적 파괴가 있다. 예를 들어 "연료 가스의 부분 연소를 통한 타르 저감" (Houben, M.P, Lange, H.C. de & Steenhoven, A.A. van, Fuel, vol. 84, pp 817-824, 2005) 및 "부분 산화에 의한 타르 제거에 대한 수소 영향의 분석" (Hoeven, T.A. van der, Lange, H.C. de & Steenhoven, A.A. van, Fuel, vol. 85, pp 1101-1110, 2005) 을 참조하면 된다.
이러한 방법에서, 가스화기 유닛으로부터 생성된 타르 함유 신가스는, 산소 함유 가스가 첨가되는 처리 구역 또는 유닛을 통과한다. 타르 분해 및/또는 부분 산화를 수행하기 위해서 상기 유닛에서는 고온이 유지된다. 그리하여, James T. Cobb, Jr. ("바이오매스 가스화에 의한 신가스의 생성" James T. Cobb, Jr., Proceedings of 2007 Spring National AlChE Meeting, Houston, Texas, 4월 22일-26일, 2007) 는 Consutech 가스화기 (BRI Energy LLC) 를 개시하고, 이의 제 1 단계는 산소 농후 공기를 사용하여 950℉ 에서 가스화기로서 작동하는 표준 단계-화격자 연소기 (종종 MSW 소각로로서 사용됨) 이다. 제 2 단계는 2000 ~ 2250℉ 에서 작동하고 타르를 분해하는데 최소한의 산소를 사용하는 열처리기이다.
WO 2009/154788 에는 제 1 단계로부터의 가스 생성물을 제 2 단계로 이동시키는 2 단계 가스화기가 개시되어 있다. 제 1 단계로부터의 가스 스트림에 포함된 타르의 부분 산화 및 분해의 하나 이상을 실시하기 위해서, 온도를 약 1750 ~ 약 2250℉ 까지 상승시키도록 순수 산소가 제 2 단계로 도입된다.
전술한 열처리 방법은 소형의 유닛에서 신가스 중 타르 함량을 저감시키는데 효과적인 것으로 나타났다. 대형 유닛들에서 효과적인 타르 제거를 실시하기 위해서는 이러한 열처리 공정을 확장하기 위한 지식을 개선할 필요가 있다.
타르 함유 신가스에서 타르의 함량을 저감하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 제 1 반응 구역에서 상기 타르 함유 신가스와 분자 산소 함유 가스를 접촉시켜 가스 혼합물을 생성하는 단계를 포함한다. 상기 가스 혼합물은 약 0.5 ~ 약 5 초의 접촉 시간 동안 약 900℃ ~ 약 2000℃ 의 온도에서 유지되는 열처리 구역을 통과한다. 이러한 양태에 있어서, 상기 타르의 적어도 일부는 적어도 부분 산화 및/또는 분해되어 고온 신가스를 생성한다. 상기 제 1 반응 구역으로부터의 상기 가스 혼합물은 표면상에 충돌됨으로써 유동 방향을 변경한다.
일 양태에 있어서, 상기 제 1 반응 구역의 출구에서 상기 타르 함유 신가스 산소 혼합물의 유동의 선형 속도는 약 5 미터/초보다 크다. 상기 고온 신가스의 적어도 일부는 상기 제 1 반응 구역안으로 도입될 수 있다. 다른 양태에 있어서, 상기 열처리 구역의 높이에 대한 선형 속도의 비는 약 0.3:12.5 ~ 약 2.0:2.5 이다. 일 양태에 있어서, 상기 열처리 구역은, (a) 적은 타르 함유 가스 혼합물을 생성하도록 상기 가스 혼합물에 포함된 타르의 열처리에 효과적인 제 1 열처리 구역과, (b) 고온 신가스를 생성하도록 상기 적은 타르 함유 가스 혼합물에 포함된 타르의 열처리에 효과적인 제 2 열처리 구역을 포함한다.
타르 함유 신가스에서 타르 함량을 저감시켜 고온 신가스를 생성하는데 효과적인 타르 제거 장치가 제공된다. 타르 제거 장치는, (a) 분자 산소가 도입되고 또한 상기 타르 함유 신가스와 혼합되어 가스 혼합물을 생성하는 제 1 반응 구역과, (b) 상기 가스 혼합물에 포함된 타르의 열처리를 위한 열처리 구역을 포함한다. 상기 제 1 반응 구역으로부터의 상기 가스 혼합물은 표면상에 충돌됨으로써 유동 방향을 변경한다. 상기 열처리 구역에는 약 0.5 ~ 약 5 초의 접촉 시간을 제공한다. 일 양태에 있어서, 상기 제 1 반응 구역은 상기 제 1 반응 구역의 출구에서 약 5 미터/초보다 큰 상기 타르 함유 신가스 산소 혼합물의 유동의 선형 속도를 제공한다. 다른 양태에서, 상기 타르 제거 장치의 상기 열처리 구역은: (a) 적은 타르 함유 가스 혼합물을 생성하도록 상기 가스 혼합물에 포함된 타르를 열처리하는 제 1 열처리 구역과; (b) 고온 신가스를 생성하도록 상기 적은 타르 함유 가스 혼합물에 포함된 타르를 열처리하는 제 2 열처리 구역을 포함한다. 상기 타르 제거 장치는 약 2 초 미만으로 표면에 충돌하는 제 1 반응 구역으로부터 가스 혼합물을 제공하는데 효과적이다.
(a) 탄소질 재료가 분자 산소, 선택적으로 하나 이상의 증기 및 이산화탄소와 접촉하여 타르 함유 신가스를 생성하는 가스화 구역; (b) 상기 분자 산소가 도입되어 상기 타르 함유 신가스와 혼합되어 가스 혼합물을 생성하는 제 1 반응 구역; 및 (c) 상기 타르 함유 신가스 산소 혼합물에 포함된 타르를 열처리하는 열처리 구역을 포함하는 신가스 생성 장치가 제공된다. 상기 제 1 반응 구역으로부터의 상기 타르 함유 신가스 산소 혼합물은 표면상에 충돌됨으로써 유동 방향을 변경하고, 상기 열처리 구역은 약 0.5 ~ 약 5 초의 접촉 시간을 제공한다.
타르 함유 신가스에서 타르의 함량을 저감하는 방법이 제공된다. 상기 방법은: 제 1 반응 구역에서 상기 타르 함유 신가스와 분자 산소 함유 가스를 접촉시켜 가스 혼합물을 생성하는 단계와; 신가스의 타르 함량을 적어도 약 10% 저감시키는데 효과적인 온도와 시간에서 열처리 구역을 통하여 상기 가스 혼합물을 통과시키는 단계를 포함한다. 상기 제 1 반응 구역으로부터의 상기 가스 혼합물은 표면상에 충돌됨으로써 유동 방향을 변경한다.
상기 양태와 다른 양태 또한 본 방법의 여러 가지 양태의 특징과 장점은 이하 도면으로부터 보다 명백할 것이다.
도 1 은 타르 함유 신가스 중 타르 함량을 저감시키는 타르 저감 장치의 개략도로서, 제 1 반응 구역과 열처리 구역을 포함하는 장치의 일 양태를 도시하는 도면,
도 2 는 타르 함유 신가스 중 타르 함량을 저감시키는 타르 저감 장치의 개략도로서, 제 1 반응 구역 및 열처리 구역 Ⅰ과 열처리 구역 Ⅱ 를 가진 열처리 구역을 포함하는 장치의 일 양태를 도시하는 도면,
도 3 은 타르 함유 신가스 중 타르 함량을 저감시키는 가스화 장치의 개략도로서, 가스화 구역, 제 1 반응 구역 및 열처리 구역 Ⅰ과 열처리 구역 Ⅱ 를 가진 열처리 구역을 포함하는 장치의 일 양태를 도시하는 도면,
도 4 는 제 1 반응 구역의 형상이 원통형인 제 1 반응 구역의 양태들의 측평면도로서, 도 4 의 (Ⅰ) & 도 4 의 (Ⅱ) 는 제 1 반응 구역이 수직하고 또한 분자 산소를 위한 가스 입구가 수평선에 대하여 각을 이루어 경사진 제 1 반응 구역의 양태들의 측면도를 나타내고, 도 4 의 (Ⅲ) & 도 4 의 (Ⅳ) 는 제 1 반응 구역이 수직하고 또한 분자 산소를 위한 가스 입구가 단면과 가스 입구의 축선의 교차 지점을 통하여 그려진 대각선에 대하여 각을 이루어 경사진 제 1 반응 구역의 양태들의 평면도 또는 단면도,
도 5 는 제 1 반응 구역이 8 개의 가스 입구 노즐들이 분자 산소를 도입하도록 부착된 수직 원통형 용기인 제 1 반응 구역의 일 양태의 측평면도, 및
도 6 은 제 1 반응 구역의 양태들의 측면도로서, 도 6 의 (Ⅰ) & 도 6 의 (Ⅱ) 는 제 1 반응 구역이 수직선에 대하여 각을 이루어 경사진 제 1 반응 구역의 양태들의 측면도.
대응하는 참조 부호들은 수개의 도면에 걸쳐 대응하는 부품들을 나타낸다. 당업자는 도면의 요소들이 간단함과 명료함을 위해 도시되고 반드시 일정한 비율로 도시되지 않았다는 것을 인지할 것이다. 예컨대, 도면의 일부 요소들의 치수는 본 발명의 프로세스 및 장치의 여러 양태의 이해를 돕기 위해 다른 요소들에 비해 과장될 수도 있다. 또한, 상업적으로 가능한 양태에 유용하거나 필수적인 통상의 그러나 잘 알고 있는 요소들은 이들 여러 양태의 방해를 덜 받고서 보는 것을 용이하게 하기 위해 흔히 도시되지 않는다.
정의
달리 정의되지 않는 한, 본 발명의 개시를 위해 본 명세서에서 사용되는 이하의 용어들은 이하의 의미로서 정의되고, 아래에 정의된 정의의 단일 또는 복수의 형태를 포함할 수 있다;
임의의 양을 수식하는 "약" 이라는 용어는, 예컨대 연구실, 파일럿 플랜트 또는 제조 설비에서 실제 조건에 마주치는 양의 변형을 일컫는다. 예컨대, "약" 으로 수식될 때의 양 또는 혼합물에 기용된 측정치 또는 성분의 양은 제조 플랜트 또는 연구실에서 실험 조건의 측정에 전형적으로 기용되는 주의의 정도 및 변형을 포함한다. 예컨대, "약" 으로 수식될 때의 제품의 성분의 양은 플랜트 또는 연구실에서의 복수 실험의 배치들 (batches) 간의 변형 및 분석 방법에서의 고유한 변형을 포함한다. "약" 으로 수식되거나 그렇지 않던 간에, 양은 그 양의 등가를 포함한다. 여기에서 언급되고 "약" 으로 수식되는 임의의 양은 본 발명의 개시에서 "약" 으로 수식되지 않은 양으로서 또한 기용될 수 있다.
여기에 사용된 "탄소질 재료" 는 석유화학제품 및 석탄과 같은 탄소 풍부 재료를 일컫는다. 그러나, 본 명세서에서, 탄소질 재료는, 고체이던, 액체이던, 가스이던 또는 플라즈마 상태이던, 임의의 탄소 재료를 포함한다. 탄소질 재료로 고려될 수 있는 여러 가지의 항목들 중, 본 발명의 개시는 이하의 것을 중시한다: 탄소질 재료, 탄소질 액체 제품, 탄소질 공업 액체 리사이클, 탄소질 도시 고형 폐기물 (MSW 또는 msw), 탄소질 도시 폐기물, 탄소질 농업 재료, 탄소질 임업 재료, 탄소질 목재 폐기물, 탄소질 건축 재료, 탄소질 식물성 재료, 탄소질 공업 폐기물, 탄소질 발효 폐기물, 탄소질 석유화학제품 부산물, 탄소질 알코올 생성 부산물, 탄소질 석탄, 타이어, 플라스틱, 폐기 플라스틱, 코크스 오븐 타르, 파이버소프트 (fibersoft), 리그닌 (lignin), 흑액, 폴리머, 폐기 폴리머, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PETA), 폴리스티렌 (PS), 오수 슬러지, 가축 배설물, 작물 잔해, 에너지 작물, 임업 가공 잔해, 목재 가공 잔해, 축산 폐기물, 가금 폐기물, 식품 가공 잔해, 발효 프로세스 폐기물, 에탄올 부산물, 스펜트 그레인 (spent grain), 스펜트 마이크로오거니즘, 또는 이들의 조합.
"파이버소프트" 는 여러 가지 물질의 연화 및 농축의 결과로서 생성되는 타입의 탄소질 재료를 의미한다; 일 예에서 탄소질 재료는 여러 가지 물질의 스팀 멸균을 통해 생성된다. 다른 예에서, 파이버소프트는 섬유상의 걸쭉한 재료를 초래하는 도시적, 공업적, 상업적 및 의료 폐기물의 스팀 멸균을 포함할 수 있다.
"도시 고형 폐기물" 또는 "MSW" 또는 "msw" 이라는 용어는, 가정의, 상업적, 공업적 및/또는 잔류 폐기물을 포함할 수도 있는 폐기물을 의미한다.
용어 "신가스" ("syngas" 또는 "synthesis gas") 는 다양한 양의 일산화 탄소 및 수소를 포함하는 가스 혼합물에 주어진 명칭인 신가스가다.
"신가스 (syngas) 또는 합성 가스 (synthesis gas)" 라는 용어는, 변하는 양의 일산화탄소 및 수소를 함유하는 가스 혼합물에 주어진 명칭인 합성 가스를 의미한다. 생성 방법의 예는, 수소를 생성하기 위한 탄화수소 또는 천연가스의 스팀 개질, 몇몇 타입의 폐기물-에너지화 (waste-to-energy) 가스화 설비에서의 석탄의 가스화를 포함한다. 명칭은 합성 천연가스 (SNG) 의 생성 및 암모니아 또는 메탄올의 생성을 위한 중간물로서의 사용으로부터 유래한다. 신가스는 피셔-트롭시 (Fischer-Tropsch) 합성 및 이전의 모빌 메탄올-가솔린 프로세스를 통해 연료 또는 윤활제로서 사용하기 위한 합성 석유의 생성에 있어서 중간물로서의 사용을 포함한다. 신가스는 수소, 일산화탄소 및 약간의 이산화탄소로 주로 이루어지고, 천연가스의 에너지 밀도 (즉, BTU 함량) 의 절반 미만을 갖는다. 신가스는 가연성이고, 다른 화학물질의 생성을 위한 중간물로서 또는 연료원으로서 종종 사용된다.
"톤" 은 U.S. 숏 톤 (short ton), 즉 약 907.2 kg (2000 lbs) 를 일컫는다.
여기에 사용된 바와 같이, "타르" 라는 용어는, 제한없이, 탄화수소 및 그 유도체를 일반적으로 포함하는 가스상 타르, 액체 타르, 고체 타르, 타르-형성 물질 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 타르를 측정하는데 활용될 수도 있는 다수의 잘 알려진 타르 측정 방법이 존재한다. 하나의 큰 군의 기술은 액체에 근거한 분석 방법 또는 검출기와 연결된 가스 상 (phase) 크로마토그래피를 포함한다. 타르 측정의 경우의 가장 흔한 검출기는 화염-이온화 검출기 (FID) 및 질량 분석계이다. 다른 군의 기술은 스펙트럼의 검출 및 분석을 포함하는 분광계 방법을 포함한다. 이는 예컨대 적외선, 자외선 (UV) 또는 발광 분광분석법 및 LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) 기술이다. 연소 가스의 모니터링을 위한 다른 기술은 FTIR (Fourier Transform InfraRed) 이다. 예컨대 WO2006015660, WO03060480 및 U.S. 특허 번호 5,984,998 과 같은 갖가지 문헌이 이러한 기술을 언급하고 있다.
타르의 연속적인 모니터링을 허용하는 다른 공지의 전자 방법들이 존재한다. 이들 기술은 전기화학 셀을 갖는 검출기 및 반도체를 갖는 센서를 포함한다. 타르 측정을 위해 여러 가지의 중량측정 기술이 활용될 수도 있다. 일 양태에서, 타르의 양은 탄소의 등가 ppm 으로서 표현될 수도 있다. 이 양태에서, 탄화수소는 벤젠 또는 알코올, 즉 메탄올일 수도 있다. 이 양태에서, 타르의 저감 함량은 약 10 ppm 미만의 벤젠에 대응하는 타르 농도 당량 또는 타르 당량을 의미한다.
이하의 설명은 제한적인 의미로 취해지는 것은 아니며, 단지 예시적인 실시형태들의 일반적인 원리를 설명하기 위한 목적이다. 본 발명의 범위는 청구범위와 관련하여 결정되어야 한다.
타르 함량을 저감시키도록 타르 함유 신가스를 처리하는 장치와 방법이 제공된다. 다른 양태에 있어서, 타르 함유 신가스를 생성하고 또한 그 후 이 타르 함유 신가스를 열처리하도록 탄소질 재료를 가스화하는 장치와 방법이 제공된다. 본 개시의 장치의 다양한 양태들이 도 1 내지 도 3 에 도시되어 있다.
도 1 은 타르 함유 신가스의 타르 함량을 저감시키는 타르 저감 장치 (10) 의 일 양태의 개략도이다. 도 1 에서는 제 1 반응 구역 (200) 과 열처리 구역 (300) 을 포함하는 장치의 일 양태를 도시한다. 이하, 도 1 을 참조하면, 타르 함유 신가스 (150) 와 분자 산소 함유 가스 (250) 는 상기 제 1 반응 구역안으로 도입된다. 제 1 반응 구역에서 가스 혼합물 (타르 함유 신가스와 분자 산소의 혼합물) 이 생성되어 열처리 구역 (도면에 비도시) 에 유입된다. 고온 신가스 (450) 의 스트림은 열처리 구역으로부터 제거된다.
도 2 는 타르 함유 신가스의 타르 함량을 저감시키는 타르 저감 장치 (11) 의 일 양태의 개략도이다. 도 2 는 제 1 반응 구역 (200) 과, 열처리 구역 Ⅰ(300) 및 열처리 구역 Ⅱ (400) 을 가지는 열처리 구역을 포함하는 상기 장치의 일 양태를 나타낸다. 이하, 도 2 를 참조하면, 타르 함유 신가스 (150) 및 분자 산소 함유 가스 (250) 는 상기 제 1 반응 구역안으로 도입된다. 제 1 반응 구역에서 가스 혼합물 (타르 함유 신가스와 분자 산소의 혼합물) 이 생성되어 열처리 구역 Ⅰ(도면에 비도시) 에 유입된다. 열처리된 가스 혼합물은 열처리 구역 Ⅰ 으로부터 배출되고 또한 열처리 구역 Ⅱ 에 유입된다. 고온 신가스 (450) 의 스트림은 열처리 구역 Ⅱ 으로부터 제거된다.
도 3 은 타르 함유 신가스의 타르 함량을 저감시키는 가스화 장치 (12) 의 개략도이다. 도 3 은 가스화 구역 (100) 과, 제 1 반응 구역 (200) 과, 열처리 구역 Ⅰ(300) 및 열처리 구역 Ⅱ (400) 을 가진 열처리 구역을 포함하는 상기 장치의 일 양태를 도시한다.
이하, 도 3 을 참조하면, 탄소질 재료 공급부 (110) 와 분자 산소 함유 가스 (120) 는 타르 함유 신가스 (도면에 비도시) 를 생성하는 가스화 구역안으로 도입된다. 상기 타르 함유 신가스와 분자 산소 함유 가스 (250) 는 제 1 반응 구역안으로 도입된다. 제 1 반응 구역에서 가스 혼합물 (타르 함유 신가스와 분자 산소의 혼합물) 은 생성되어 열처리 구역 Ⅰ(도면에 비도시) 에 들어간다. 열처리된 가스 혼합물은 열처리 구역 Ⅰ 으로부터 배출되고 또한 열처리 구역에 유입된다.
그리하여, 타르 처리 장치는 제 1 반응 구역과 열처리 구역을 포함한다. 타르 함유 신가스 공급물은 제 1 반응 구역을 통과한다. 제 1 반응 구역은, 일단부가 열처리 구역에 부착되는 원형 또는 직사각형 단면을 포함하지만 이에 한정되지 않는 어떠한 단면의 소형 파이프부 또는 소형 용기일 수 있다. 일 양태에 있어서, 제 1 반응 구역의 단면은 원형이다. 일 양태에 있어서, 제 1 반응 구역은 수직하게 위치된다.
분자 산소 함유 가스는 제 1 반응 구역안으로 도입된다. 하나 이상의 가스 입구들 (노즐들) 은 분자 산소 함유 가스를 도입하는 제 1 반응 구역에 부착될 수 있다. 1 개 이상의 상기 노즐들은 도 4 의 (Ⅰ) & 도 4 의 (Ⅱ) 에 도시된 바와 같이 제 1 반응 구역의 축선에 수직하게 위치될 수 있다. 도 4 의 (Ⅰ) 은 분자 산소용 가스 입구가 하방 유동 방향으로 수평선에 대하여 각 (α) 을 이루어 경사진 제 1 반응 구역의 양태를 도시한다. 도 4 의 (Ⅰ) 은, 제 1 반응 구역이 수직하고 또한 분자 산소용 가스 입구가 하방 유동 방향으로 수평선에 대하여 각 (α) 을 이루어 경사진 제 1 반응 구역의 양태의 측면도를 도시한다. 도 4 의 (Ⅱ) 은 분자 산소용 가스 입구가 상방 유동 방향으로 수평선에 대하여 각 (α) 을 이루어 경사진 제 1 반응 구역의 양태를 도시한다. 도 4 의 (Ⅱ) 은, 제 1 반응 구역이 수직하고 또한 분자 산소용 가스 입구가 상방 유동 방향으로 수평선에 대하여 각 (α) 을 이루어 경사진 제 1 반응 구역의 양태의 측면도를 도시한다.
1 개 이상의 상기 노즐들은 제 1 반응 구역의 표면과 가스 입구의 축선의 교차 지점을 통하여 그려진 대각선에 경사지게 위치될 수 있고 또한 혼합 구역 내측에서 소용돌이 형성을 촉진시키도록 위치될 수 있다. 도 4 의 (Ⅲ) & 도 4 의 (Ⅳ) 각각은, 제 1 반응 구역이 수직하고 또한 분자 산소용 가스 입구가 단면과 가스 입구의 축선의 교차 지점을 통하여 그려진 대각선에 대하여 각 (β) 을 이루어 경사지는 제 1 반응 구역의 양태의 평면도 또는 단면도를 도시한다.
도 5 의 (Ⅰ) 과 도 5 의 (Ⅱ) 는 제 1 반응 구역이 8 개의 가스 입구 노즐들이 분자 산소를 도입하도록 부착된 수직 원통형 용기인 제 1 반응 구역의 양태의 측면도 및 평면도를 각각 도시한다. 노즐 각각은 가스 유동의 상방 방향으로 수평 방향에 대하여 각 (α) 을 이루어 장착된다. 노즐 각각은 이 노즐과 제 1 반응 구역의 교차 지점을 통하여 그려진 단면의 대각선에 대하여 각 (β) 을 이루어 장착된다.
다양한 양태들에 있어서, 제 1 반응 구역은 수직 방향에 대하여 각을 이루어 위치될 수 있다. 도 6 의 (Ⅰ) 및 도 6 의 (Ⅱ) 는, 제 1 반응 구역이 수직선에 대하여 각 (θ) 을 이루어 경사지는 제 1 반응 구역의 양태들의 측면도를 각각 도시한다.
열처리 구역은 원형, 정사각형, 직사각형 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 어떠한 단면의 용기이다. 일 양태에 있어서, 열처리 구역은 실질적으로 수직하게 위치된다. 일 양태에 있어서, 열처리 구역은 실질적으로 수평하게 위치된다. 일 양태에 있어서, 열처리 구역은 수평 방향에 대하여 각을 이루어 위치된다. 일 양태에 있어서, 열처리 구역은 다중 부분들 또는 하위 구역들을 포함한다. 일 양태에 있어서, 열처리 구역은 2 개의 부분들 또는 하위 구역들: 열처리 구역 Ⅰ 및 열처리 구역 Ⅱ 을 포함한다. 일 양태에 있어서, 열처리 구역 Ⅰ 은 수평하다. 일 양태에 있어서, 열처리 구역 Ⅰ 은 수직하다. 일 양태에 있어서, 열처리 구역 Ⅱ 은 수평하다. 일 양태에 있어서, 열처리 구역 Ⅱ 은 수직하다. 일 양태에 있어서, 열전달 구역 Ⅰ 은 수평 방향에 대하여 각을 이루어 위치된다. 일 양태에 있어서, 열전달 구역 Ⅱ 은 수평 방향에 대하여 각을 이루어 위치된다. 일 양태에 있어서, 열전달 구역 Ⅰ 은 수직 방향에 대하여 각을 이루어 위치된다. 일 양태에 있어서, 열전달 구역 Ⅱ 은 수직 방향에 대하여 각을 이루어 위치된다.
일 양태에 있어서, 타르 함유 신가스는, 하나 이상의 분해 및 부분 산화에 의해 타르를 파괴하도록 열처리 구역에서 열처리를 받게 되고, 상기 타르 함유 신가스는 열처리 구역에 도입되기 전에 분자 산소 함유 가스와 혼합된다. 타르 함유 신가스가 상기 열처리 구역안으로 도입되는 제 1 반응 구역에서 혼합이 실시된다. 열처리 구역에서의 열처리 효과 (effectiveness) 는 혼합의 효과에 따를 수 있다. 열처리 효과는 열처리 구역에 유입하는 가스 혼합물 (타르 함유 신가스 산소 혼합물) 의 특정 최소 선형 속도를 얻음으로써 개선될 수 있다. 열처리 효과는 열처리 구역에 유입할 때 가스 혼합물의 유동 방향을 변경함으로써 개선될 수 있다. 열처리 효과는 열처리 구역에 유입할 때 표면과의 충돌에 의해 개선될 수 있다. 열처리 효과는 표면과의 충돌에 의해 열처리 구역에 유입하는 가스 혼합물의 유동 방향을 변경함으로써 개선될 수 있다. 일 양태에 있어서, 열처리 효과는 열처리 구역의 표면에서 제 1 반응 구역으로부터의 가스 혼합물의 충돌에 의해 개선될 수 있다.
일 양태에 있어서, 제 1 반응 구역의 출구에서 가스 혼합물의 선형 속도는 적어도 5 미터/초이다. 일 양태에 있어서, 가스 혼합물의 선형 속도는 적어도 10 미터/초이다. 일 양태에 있어서, 가스 혼합물의 선형 속도는 적어도 15 미터/초이다. 일 양태에 있어서, 가스 혼합물의 선형 속도는 적어도 20 미터/초이다. 일 양태에 있어서, 가스 혼합물의 선형 속도는 적어도 25 미터/초이다. 일 양태에 있어서, 가스 혼합물의 선형 속도는 적어도 50 미터/초이다. 열처리 구역의 높이는 약 1 미터 ~ 약 15 미터의 범위일 수 있다. 다른 양태에 있어서, 열처리 구역의 높이에 대한 선형 속도의 비는 약 0.3:12.5 ~ 약 2.0:2.5 이다. 다양한 양태들에 있어서, 열처리 구역의 높이에 대한 선형 속도의 비는 0.3:12.5, 0.4:10.0, 0.5:7.5, 0.6:6.25, 0.8:5.0, 1.0:4.0, 1.25:3.75, 1.5:3.3, 1.7:3.0 및 2.0:2.5 로부터 선택될 수 있다. 선형 속도는 제 1 반응 구역의 출구에서 측정된다. 열처리 구역이 정사각형 또는 직사각형이면, 높이는 내측 높이이다. 열처리 구역이 원형이면, 높이는 내경이다. 다른 양태에 있어서, 제 1 반응 구역으로부터의 가스 혼합물은 약 2 초 미만, 다른 양태에 있어서 약 1 초 미만, 다른 양태에 있어서 약 0.5 초 미만, 다른 양태에 있어서 약 0.1 초 미만으로 표면과 충돌한다.
열처리 성능과 혼합에 영향을 줄 수 있는 요인들로서는, 제 1 반응 구역에 의해 제공된 혼합 길이 (예를 들어, 제 1 반응 구역의 높이), 제 1 반응 구역의 형상과 단면적, 타르 함유 신가스에 대한 분자 산소 함유 가스의 비, 산소 입구의 하류측 제 1 반응 구역의 직경에 대한 길이의 비를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 분자 산소 함유 가스를 도입하는 가스 입구들 (노즐들) 의 개수와 배향은 혼합에 영향을 줄 수 있다. 배플들 또는 부동의 혼합기들 등의 제 1 반응 구역 내측에 혼합 장치들을 삽입함으로써 혼합이 또한 개선될 수 있다. 열처리의 성능과 혼합은 제 1 반응 구역 또는 열처리 구역을 통하여 가스의 유량을 증가시킴으로써 개선될 수 있다. 예를 들어, 일 양태에 있어서, 열처리 성능은 열처리 구역으로부터 배출되는 신가스 (고온 신가스) 의 일부를 재순환시킴으로써 향상될 수 있다. 다른 양태에 있어서, 열처리의 성능은 하나 이상의 공급원으로부터 타르 함유 원료 신가스를 하나의 제 1 반응 구역 및 하나의 열처리 구역을 통하여 공급함으로써 개선될 수 있다. 일 양태에 있어서, 열처리의 성능은 하나 이상의 가스화기로부터 타르 함유 원료 신가스를 하나의 제 1 반응 구역 및 하나의 열처리 구역을 통하여 공급함으로써 개선될 수 있다.
타르의 하나 이상의 부분 산화 및 분해를 실시하기 위해서, 열처리 구역은 약 900℃ ~ 약 2000℃ 의 온도에 유지된다. 일 양태에 있어서, 온도는 약 1000℃ ~ 약 1700℃ 이다. 일 양태에 있어서, 온도는 약 1100℃ ~ 약 1500℃ 이다. 일 양태에 있어서, 온도는 약 1200℃ ~ 약 1250℃ 이다.
타르의 하나 이상의 부분 산화 및 분해를 효과적으로 실시하기 위해서, 열처리 구역에서의 접촉 시간은 약 0.5 ~ 약 5 초이다. 이러한 양태들에 있어서, 이 공정은 신가스의 타르 함량을 적어도 약 10% 저감시키는데 효과적이다.
분자 산소 함유 가스는 공기를 포함할 수 있다. 분자 산소 함유 가스는 산소 농후 공기를 포함할 수 있다. 분자 산소 함유 가스는 순수 산소를 포함할 수 있다. 타르 저감 구역에 첨가되는 분자 산소의 전체 양은 건조 베이스의 건식 탄소질 재료의 톤당 약 0 ~ 약 100 lb-몰의 범위일 수 있다.
본 개시의 가스화 구역은 이동층, 고정층, 유동층, 혼입 유동, 역류 ("상향 드래프트"), 병류 ("하향 드래프트"), 역류 고정층, 병류 고정층, 역류 이동층, 병류 이동층 교차 트래프트, 하이브리드, 교차 유동, 교차 유동 이동층, 이들의 일부, 또는 이들의 조합 등이지만 이에 한정되지 않는 선행 기술에 개시된 어떠한 가스화 장비일 수 있다. 일 양태에 있어서, 가스화 구역은 교차 유동 이동층 유닛이다. 일 양태에 있어서, 가스화 구역은 상기 탄소질 재료와 분자 산소 함유 가스, 선택적으로 하나 이상의 증기와 CO2 를 접촉시켜 상기 탄소질 재료를 가스화하고 또한 타르 함유 신가스를 생성하는 2 개 이상의 유닛들, 부분들 또는 노들을 포함한다. 다양한 양태들에 있어서, 가스화 구역은 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10 개의 유닛들, 부분들, 또는 노들을 포함한다.
분자 산소 함유 가스를 도입하는 가스 입구들은 가스화 구역 또는 내부에 포함된 1 개 이상의 부분들, 유닛들 또는 노들에 부착될 수 있다. 증기 또는 CO2 는, 선택적으로 1 개 이상의 분자 산소 입구들을 통하여 도입될 수도 있다. 일 양태에 있어서, 1 개 이상의 분자 산소 함유 가스, 증기 및 CO2 는 가스화 구역 또는 내부에 포함된 1 개 이상의 노들, 부분들 또는 유닛들에 부착된 가스 입구들을 통하여 도입될 수 있다. 일 양태에 있어서, 하나 이상의 분자 산소 함유 가스, 증기 및 CO2 는 가스화 구역 또는 내부에 포함된 1 개 이상의 노들, 부분들 또는 유닛들에 부착된 가스 입구들에 공급되기 전에 예비 혼합된다.
탄소질 재료 공급물은 가스화 구역에서 도입된다. 분자 산소 함유 가스는 가스화 구역에 공급된다. 그리하여, 탄소질 재료 공급물은 탄소질 재료의 화학적 변태 (transformation) 를 개시하고 촉진시키도록 분자 산소로 처리된다. 탄소질 재료 공급물은 가스화 구역에서 가스화되어 타르 함유 신가스를 생성한다. 탄소질 재료로부터 일산화탄소의 형성을 우선적으로 개선시키도록 가스화 장치로의 산소 공급이 제어된다. 산소의 근사 화학량론적 (sub-stoichiometric) 양은 일산화탄소의 생성을 향상시키도록 공급된다. 타르 함유 신가스의 스트림은 가스화 구역으로부터 제거된다.
가스화 구역에서 탄소질 재료의 가스화를 향상시키기 위해서 충분히 높은 온도가 얻어진다. 하지만, 이 온도는 탄소질 재료 공급물에 포함된 비탄소질 미네랄 물질이 가스화 구역 내측에서 용융되지 않도록 충분히 낮게 유지된다. 즉, 가스화 구역의 어떠한 부분에서의 온도는 상기 비탄소질 미네랄 물질을 포함하는 회분 (ash) 의 용융 온도를 초과하지 않을 수 있다. 통상적으로, 800℃ 를 초과하지 않는 온도는 가스화 구역 뿐만 아니라 연소 구역에 유지된다. 일 양태에 있어서, 가스화 구역에서의 온도는 250℃ ~ 800℃ 범위로 유지된다. 그리하여, 상기 비탄소질 미네랄 물질을 포함하는 고형 회분은 가스화 구역에 축적되고, 고형 회분의 스트림은 가스화 구역에서 제거된다. 다양한 양태에 있어서, 가스화 구역의 온도는 250℃ ~ 800℃ 범위, 450℃ ~ 800℃ 범위, 650℃ ~ 800℃ 범위일 수 있다.
분자 산소를 공급하기 위해서, 상기 분자 산소 함유 가스는 공기를 포함할 수 있다. 분자 산소를 공급하기 위해서, 상기 분자 산소 함유 가스는 농후 공기를 포함할 수 있다. 분자 산소를 공급하기 위해서, 상기 분자 산소 함유 가스는 순수 산소를 포함할 수 있다.
상기 분자 산소 함유 가스를 통하여 가스화 구역에 도입된 분자 산소의 전체 양은 건조 베이스의 탄소질 재료의 톤당 약 0 ~ 약 50 lb-몰 범위일 수 있다. 가스화 구역에 도입된 상기 증기의 전체 양은, 건조 베이스의 탄소질 재료 공급물의 톤당 약 0 ~ 약 100 lb-몰 범위, 다른 양태에 있어서 건조 베이스의 탄소질 재료 공급물의 톤당 약 0 ~ 약 50 lb-몰 범위일 수 있다. 가스화 구역에 도입된 이산화탄소 가스의 전체 양은 건조 베이스의 탄소질 재료 공급물의 톤당 약 0 ~ 약 50 lb-몰 범위일 수 있다. 일 양태에 있어서, 증기 및 이산화탄소 가스 둘다는 가스화 구역으로 도입된다. 일 양태에 있어서, 하나 이상의 증기 및 이산화탄소 가스는 산소를 공급하는 1 개 이상의 라인으로 주입되어 분배 노즐 바로 이전에 산소 라인에서 혼합된다.
가스화 구역에 공급된 탄소질 재료는, 탄소질 재료, 탄소질 액체 제품, 탄소질 공업 액체 리사이클, 탄소질 도시 고형 폐기물 (MSW 또는 msw), 탄소질 도시 폐기물, 탄소질 농업 재료, 탄소질 임업 재료, 탄소질 목재 폐기물, 탄소질 건축 재료, 탄소질 식물성 재료, 탄소질 공업 폐기물, 탄소질 발효 폐기물, 탄소질 석유화학제품 부산물, 탄소질 알코올 생성 부산물, 탄소질 석탄, 타이어, 플라스틱, 폐기 플라스틱, 코크스 오븐 타르, 파이버소프트, 리그닌, 흑액, 폴리머, 폐기 폴리머, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PETA), 폴리스티렌 (PS), 오수 슬러지, 가축 배설물, 작물 잔해, 에너지 작물, 임업 가공 잔해, 목재 가공 잔해, 축산 폐기물, 가금 폐기물, 식품 가공 잔해, 발효 프로세스 폐기물, 에탄올 부산물, 스펜트 그레인, 스펜트 마이크로오거니즘, 또는 이들의 조합으로부터 선택된 것을 포함할 수 있다.
본 개시의 일 양태에 있어서, 가스화 구역에 공급된 탄소질 재료는, 탄소질 재료, 탄소질 액체 제품, 탄소질 공업 액체 리사이클, 탄소질 도시 고형 폐기물 (MSW 또는 msw), 탄소질 도시 폐기물, 탄소질 농업 재료, 탄소질 임업 재료, 탄소질 목재 폐기물, 탄소질 건축 재료, 탄소질 식물성 재료, 탄소질 공업 폐기물, 탄소질 발효 폐기물, 탄소질 석유화학제품 부산물, 탄소질 알코올 생성 부산물, 탄소질 석탄, 타이어, 플라스틱, 폐기 플라스틱, 코크스 오븐 타르, 파이버소프트, 리그닌, 흑액, 폴리머, 폐기 폴리머, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PETA), 폴리스티렌 (PS), 오수 슬러지, 가축 배설물, 작물 잔해, 에너지 작물, 임업 가공 잔해, 목재 가공 잔해, 축산 폐기물, 가금 폐기물, 식품 가공 잔해, 발효 프로세스 폐기물, 에탄올 부산물, 스펜트 그레인, 스펜트 마이크로오거니즘, 또는 이들의 조합으로부터 선택된 다수의 탄소질 재료를 포함한다.
본원은 특정 실시형태들, 실시예 및 이들의 적용에 의해 설명되었지만, 청구범위에 기재된 본원의 범위를 벗어나지 않는 한 당업자에 의해 다양한 수정 및 변경을 할 수 있다.

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  8. 고온 신가스를 생성하는 방법으로서,
    가스화 구역에서 분자 산소 함유 가스, 선택적으로 하나 이상의 증기 및 이산화탄소에 의해 탄소질 재료를 처리하여 타르 함유 신가스를 생성하는 단계,
    제 1 반응 구역을 통하여 상기 타르 함유 신가스와 분자 산소 함유 가스를 통과시켜 가스 혼합물을 생성하고, 상기 제 1 반응 구역의 출구에서 상기 타르 함유 신가스 산소 혼합물의 유동의 선형 속도는 5 미터/초보다 큰 단계, 및
    0.5 ~ 5 초 범위의 접촉 시간 동안 900℃ ~ 2000℃ 의 온도에서 유지되는 열처리 구역을 통하여 상기 가스 혼합물을 통과시키는 단계로서, 상기 타르의 적어도 일부는 하나 이상의 부분 산화 및 분해되어 고온 신가스를 생성하는, 상기 가스 혼합물을 통과시키는 단계를 포함하고,
    상기 가스 혼합물은 상기 제 1 반응 구역으로부터 상기 열처리 구역에 유입될 때 유동 방향을 변경하고,
    상기 열처리 구역의 높이 (meters) 에 대한 선형 속도(meters/second)의 비는 0.3:12.5 ~ 2.0:2.5 인, 고온 신가스를 생성하는 방법.
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