KR101960578B1 - 탄소 캐리어를 기화시키기 위한 그리고 생성된 가스를 추가 가공하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

탄소 캐리어를 기화시키기 위한 그리고 생성된 가스를 추가 가공하기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 탄소 캐리어를 기화시키기 위한 그리고 생성된 가스를 추가 가공하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 경우에는, 기화기에 탄소 캐리어가 공급되고, 산화제의 유입에 의해서 탄소 캐리어가 기화된다. 생성된 가스는 기화기의 돔(dome)으로부터 밖으로 안내되고, 고온의 가스는 선철(pig iron)을 형성하는 동안에 또는 합성 가스를 제조하기 위한 냉각 및 세척 후에 환원제로서 사용된다. 기화기 내에서는 재생 탄소 캐리어, 석유 코크스(petroleum cokes), 재활용 플라스틱, 폐고무(waste rubber) 및/또는 석탄으로부터, 산화제의 첨가하에 일산화탄소 및 수소를 함유하는 가스가 제조된다. 기화기를 가열 및 가동시키기 위하여, 산소를 함유하는 고온의 연소 가스가 사용된다. 본 발명은 또한 관련 시스템과도 관련이 있다.

Description

탄소 캐리어를 기화시키기 위한 그리고 생성된 가스를 추가 가공하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR GASIFYING CARBON CARRIERS AND FURTHER TREATING THE PRODUCED GASES}
본 발명은, 산화제로써 탄소 캐리어를 기화시키기 위한 그리고 생성된 가스를 추가 가공하기 위한 방법에 관한 것이며, 이 경우에는 탄소 캐리어가 기화기에 공급되고, 산화제의 유입에 의해서 기화되며, 생성된 가스는 기화기의 돔(dome)으로부터 밖으로 안내되고, 냉각되며, 그리고 고온의 가스는 선철(pig iron)을 형성하는 동안에 또는 합성 가스를 제조하기 위한 냉각 및 세척 후에 환원제로서 사용되며, 이 경우 탄소 캐리어로서는 구워진(torrefied) 목재 생성물, 건조된 목재, 석유 코크스(petroleum cokes), 염소(chlor)가 없는 재활용 플라스틱, 폐 고무 및/또는 석탄이 사용되고, 산화제의 첨가하에 일산화탄소 및 수소를 함유하는 가스가 제조되며, 그리고 이 경우에는 산소를 함유하는 고온의 연소 가스가 기화기를 가열 및 가동시키기 위해 사용된다.
("Lurgi-공정, SASOL 남아프리카"와 같은) 기화 시스템에서는, 석탄이 기화기의 헤드를 통해서 첨가되고, 산소-증기-혼합물이 회전 화격자(rotation grate)를 통해 기화기의 하단부에 공급된다. 이 시스템은 25 barg의 압력하에서 작동한다. 탄재(coal ash)는 회전 화격자로부터 연속적으로 배출되고, 잠금 시스템(locking system)을 통해서 방출되며, 생 가스(raw gas)는 기화기의 헤드로부터 유출된다. 기화기는 2중 재킷(jacket) 용기로서 구현되어 있고, 중간 공간은 기화기의 내부 공간과 동일한 압력하에 있는 냉각수로써 채워져 있다. 기화기의 열 손실은, 산소에 첨가되고 산화제로서 사용되는 증기를 형성하기 위해 이용된다. 기화기 헤드 내의 온도가 대략 300℃로 매우 낮음으로써, 가스는 매우 많은 양의 타르(tar), 페놀, 먼지 및 다른 불순물을 함유한다. 생 가스는 먼저 간접 열교환기 내에서 냉각되고, 그 다음에 습식 세정기 내에서 세척 및 냉각된다. 가스의 추가 세척은 화학적으로 -40℃에서, 메틸알코올과 물로 이루어진 혼합물로써 이루어진다. 이때에는, 황화수소 및 다른 불순물 이외에 가스의 이산화탄소 함량도 강하게 줄어든다. 이와 같은 가스 세정을 위한 비용은 과도하며, 환경의 오염은, 이와 같은 시스템이 다만 남아프리카에서 정책적인 격리(political isolation)의 시간 동안에만 설치될 정도로 크다. 세척된 가스의 분석은 석탄의 조성에 의존하고, 다음과 같은 전형적인 값들을 갖는다: H2 55 용적-%, CO 33 용적-%, CO2 6 용적-%, 나머지 N2 및 다른 가스들.
공정 용수(process water)의 매우 폭넓은 처리 이외에, 세정수(elutriated water)는 또한 생물학적으로도 추후 처리되어야만 하는데, 그 이유는 이 세정수가 다량의 타르 및 페놀 이외에 다양한 다른 독성의 그리고 환경에 문제를 일으키는 물질들을 함유하기 때문이다. 남아프리카에서 Lurgi-방법이 계속 개발되었지만, 또 다른 시스템들이 설치되지는 않았다.
석탄으로부터 가스를 형성하는 경우에는 산업적으로 두 가지 방법이 보급되어 있지만, 이들 방법에서는 가스가 부수적인 생성물이고, 선철이 주요 생성물이다. 산업적으로 코렉스(Corex)-방법 및 파이넥스(Finex)-방법으로서 공지되어 있는 두 가지 방법에서는, 탄소 캐리어에 의해서 제공되는 열 에너지 중에 60%를 초과하는 열 에너지가 선철 및 슬래그(slag)를 형성하기 위해서 소비되고, 40% 미만의 열 에너지가 가스 내에서 회수된다. 두 가지 방법에서, 이 시스템의 핵심 장치는 용융 기화기이다. 실제로는, 다만, 용융 기화기로부터 나오는 먼지 제거된 고온의 가스가 환원제로서 사용되는, 철 산화물을 해면철(sponge iron)로 환원시키기 위한 반응기만 상이하다. 코렉스-방법에서는 철 산화물의 환원이 환원 덕트(reduction duct) 내에서 이루어지고, 파이넥스-방법에서는 유동층(fluidized bed) 반응기 내에서 이루어진다. 이와 같은 유형의 방법들은 예를 들어 특허 DE 36 28 102 A1호 및 EP 699 107 A1호에 공지되어 있다. 두 가지 방법에서는, 환원제, 주로 기화기의 헤드를 통해서 장입된(charged) 석탄 및 성형탄(coal briquette)을 기화시키기 위하여 그리고 환원된 철 및 - 슬래그 형성제(부가물)를 포함한 - 기화될 수 없는 모든 성분을 용융시키기 위해서 필요한 열을 제공하기 위하여, 산화제로서의 산소가 노즐을 통해 용융 기화기 내부로 유입된다. 생성된 돔 가스는, 고온의 가스 사이클론 내에서의 예비 냉각 및 먼지 제거 후에, 코렉스-방법에서는 환원 장치 내부로 도입되며, 파이넥스-방법에서는 하나의 캐스케이드(cascade) 내에 배치된 3개의 유동층 반응기 중 최하부 유동층 반응기 내부로 도입되고, 그곳에서 철 산화물을 해면철로 환원시키기 위한 환원제로서 이용된다. 두 가지 방법에서는, 용융 기화기가 용광로의 하부의 기능을 담당하고, 환원 오븐 또는 유동층 반응기가 용광로의 상부의 기능을 담당한다.
EP-A-00 14 488호, DE-PS 24 23 951.8호, DE-PS 25 49 784.1호, DE-PS 31 12 708.8호 및 DE-PS 30 42 142에는, 유동층-가스 발생기 내에서 석탄을 기화시키기 위한 다수의 방법이 또한 공지되어 있다. 이들 모든 방법에서는, 매우 복잡한 공정 및 장치적으로 매우 비싼 시스템이 사용된다. 기술적으로 어렵게만 해결될 수 있는 다양한 문제점들로 인해 포기되었던, 가스를 제조하기 위한 더욱 간단한 기화 방법들을 개발하려는 시도들이 있었다.
본 발명은, 전술된 단점들 및 어려움을 피하는 것을 목적으로 하며, 선철을 형성할 때뿐만 아니라 화학 산업에서 합성 가스를 발생할 때에 그리고 가스- 및 증기력 발전소에서 전력을 발생할 때에도 사용할 수 있는, 주로 낮은 재(ash) 비율을 갖는 재생적인 다른 탄소 캐리어로부터 그리고 석탄으로부터 가스를 제조하기 위한 새롭고 간단한 방법 및 장치를 개발하려는 과제를 설정한다.
더 나아가, 선철을 형성할 때 화석 탄소 캐리어의 일부분은 재생 탄소 캐리어로 그리고 재활용 플라스틱 및 폐 고무로 대체될 수 있어야만 하며, 이로부터는 경제적인 장점들 이외에 몇몇 기술적인 장점들도 나타난다.
본 발명의 또 다른 한 과제는, 재생 탄소 캐리어의 열 에너지가 전력을 발생하기 위한 경우에 비해 더욱 우수하게 이용됨으로써, 이산화탄소에 의한 환경 오염이 감소되는 방법 및 시스템을 개발하는 것이었다. 생성된 가스를 세척하기 위한 및 공정 용수를 처리하기 위한, 그리고 다양한 독성 물질들에 의한 환경 오염을 막기 위한 비용도 대폭 감소 되어야만 하고, 예컨대 코렉스-방법 및 파이넥스-방법 또는 용광로에 따른 선철 형성과 같은 대등한 방법들을 위한 수준까지 도달해야만 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 청구항 1에 따른 방법이 규정되어 있으며, 이 방법은 본 발명에 따라, 기화기 내에서 재생적인 다른 탄소 캐리어로부터, 산소 및 증기로 이루어지고 조절된(controlled) 상태로 혼합되어 기화기의 다양한 영역에 공급되는 산화제의 첨가하에, 일산화탄소 및 수소를 함유하는 가스가 제조되는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 재생 탄소 캐리어에는 또한 석유 코크스, 재활용 플라스틱 또는 폐 고무와 같은 다른 탄소 캐리어도 혼합될 수 있다. 이 방법의 한 특별한 변형예에서는, 석탄도 탄소 캐리어로서 사용될 수 있다.
본 발명에 따라, 가스 배출구에 설치된 파이프 열교환기 내에서 가스는, 이 가스와 함께 안내되는 반죽 형태의 회분이 응고될 정도까지 냉각되며, 이로써 후속 장치들에서 침전물의 형성이 피해진다.
본 발명에 따라, 시스템을 가열 및 가동시키기 위하여, 산소를 함유하는 고온의 연소 가스가 기화기 내부로 유입된다. 이와 같은 산소 함량이 낮은 가스를 유입시킴으로써, 연소 가능한 가스는 기화기 내에 존재하는 경우 조절된 상태로 연소 되고, 이로써 가스 폭발의 모든 위험이 저지된다. 안정화 챔버 내에서 탄소 캐리어의 점화 온도에 도달한 경우에 비로소, 산화제가 기화기에 공급되고 시스템이 가동된다.
본 발명에 따라, 합성 가스를 제조하기 위해 가스를 사용하는 경우에는 다만 재생 탄소 캐리어만 사용되는 것이 제공되어 있다. 다른 탄소 캐리어를 혼합하는 경우에는, 가스를 세척 및 처리하기 위한 비용이 훨씬 더 많이 소요되고, 공정도 더욱 복잡하다. 바람직하게는 구워진 목재 칩(chip) 또는 목재 펠릿(pellet), 건조된 목재, 생물질(biomass), 코코넛 껍질이 사용된다. 구워진 재료 및/또는 건조된 탄소 캐리어는 칩 및/또는 펠릿의 형태로 기화기에 공급된다. 그럼으로써, 차르층(char bed) 내에서 생성된 가스의 흐름이 수월해지고, 기포의 형성 및 차르층로부터 나오는 가스의 분출 형태의 버블링(bubbling)이 피해진다. 이 방법이 제공해주는 경제적인 장점들을 최적으로 이용하기 위하여, 합성 가스를 제조하기 위해 가스를 사용하는 경우에, 가스는 제2 열교환기 내에서 냉각되고, - 2개의 열교환기 내에서 방출되는 - 가스의 감지할 수 있는 열은 증기 발생을 위해 사용되며, 증기는 전력을 발생하기 위한 발전소에서 사용된다. 열교환기 내에서의 냉각, 습식 세정기 내에서의 세척, 및 이산화탄소도 감소 되는 PSA(Pressure Swing Adsorption)-시스템 내에서 다양한 불순물로부터 가스를 추가로 세척한 후에, 이 세척된 가스는 다양한 화학 약품을 제조하기 위한 그리고/또는 가스- 및 증기력 발전소에서 전력을 발생하기 위한 합성 가스로서 사용된다.
가스정화기으로부터 나오는 이산화탄소가 풍부한 폐가스(waste gas)는 부분 양의 돔 가스를 혼합한 후에 연소 되고, 연소 가스는 목재 칩을 굽기 위해 그리고/또는 건조하기 위해 삽입되는, 발전소로부터 나오는 폐가스를 조절(conditioning)하기 위해서 사용된다. 폐가스는 또한 부분적으로는 기화기의 바닥 영역에 산화제로서 공급될 수도 있다.
방법의 본 발명에 따른 또 다른 한 바람직한 변형예에 따라, 재생 탄소 캐리어 외에 재 함량이 낮은 다른 탄소 캐리어도 가스를 제조하기 위해 사용된다. 탄소 캐리어의 기화로부터 남아 있는 회분은 또한 가스와 함께 배출된다. 하지만, 탄소 캐리어와 함께 유입되는 축적된 무기 금속 성분 및 작은 재 덩어리 및 조각(flake)을 배출할 수 있기 위하여 배출장치가 제공되어 있다. 다른 탄소 캐리어는, 가스가 선철을 제조할 때 환원제로서 사용되고 그렇지 않은 경우에는 가스의 세척 및 처리를 위한 비용이 지나치게 높아지는 경우에만 재생 탄소 캐리어에 혼합되어야 한다. 그 경우에는 석유 코크스, 재활용 플라스틱 및 폐 고무와 같이 황 또는 염소 함량이 더 높은 탄소 캐리어가 사용될 수 있다. 하지만, 석유 코크스의 사용을 제한하는 이유는 이 석유 코크스의 높은 황 함량 때문이다. 석유 코크스의 매우 높은 발열량(heating value) 및 낮은 가격이라는 장점으로 인해, 발열량이 낮은 재생 탄소 캐리어를 사용하는 경우에 석유 코크스를 혼합하는 것은 경제적인 장점을 유도한다. 석유 코크스 또는 석탄과 같이 황 함량이 더 높은 탄소 캐리어를 사용하는 경우에는, 탈황제(desulfurization agent)가 기화기에 공급된다. 재활용 플라스틱을 제한하는 이유는 이 재활용 플라스틱의 염소 함량 때문이다.
본 발명에 따라, 산화제가 다수의 랜스(lance)를 통해서 차르층의 전체 용적에 걸쳐 분배되는 것이 제공되어 있다. 그럼으로써, 차르층의 더 큰 영역이 과열될 수 없는 상황 그리고 더 큰 덩어리가 형성될 수 없는 상황에 도달하게 된다. 산화제를 차르층의 전체 용적에 걸쳐 분배하는 것은, 기화기의 하부를 원뿔 모양으로 구현함으로써 그리고 랜스를 차르층 또는 기화기의 다양한 높이에 설치함으로서 달성된다.
차르층의 더 큰 영역에서 과열을 피하기 위하여, 이미 가스 제거된 차르 입자가 기화되는 차르층의 하부 영역 및 중간 영역에는, 산소/증기-혼합물이 라인(line) 및 다양한 높이에 설치된 랜스를 통해서 공급되며, 기화 이외에 탄소 캐리어의 건조 및 가스 제거도 이루어지는 차르층의 상부 영역에서는 다만 산화제로서의 산소만 혼합된다. 기화기의 다양한 영역에 공급되는 산화제의 부분 양 및 이 산화제의 조성은 탄소 캐리어의 발열량, 조성 및 습도에 따라서 설정된다. 탄소 캐리어의 발열량이 낮아질수록 그리고 습기 함량이 높아질수록, 산화제-혼합물 내에서의 산소 비율은 그만큼 더 높아지고, 그 역도 성립된다.
본 발명에 따라, 차르층의 다양한 영역에 공급되는 산화제의 부분 양 및 이 산화제의 조성은, 차르층 내의 온도가 재의 용융 온도 아래에 놓이도록 설정된다. 그렇게 함으로써 그리고 산화제를 우수하게 분배함으로써, 더 큰 재 덩어리의 형성이 피해진다. 산소를 유입시킴으로써 그리고 기화기의 안정화 챔버 내의 더 높은 온도에 의해서, 가스가 기화를 떠나기 전에 더 많은 탄화수소 및 타르가 분해된다. 그와 동시에, 가스와 함께 차르층로부터 배출된 차르 입자가 기화됨으로써, 결과적으로 실제로는 다만 회분만이 기화기로부터 나오는 가스와 함께 배출된다.
본 발명에 따라, 돔 가스의 이산화탄소 함량 및 돔 온도가 돔 가스의 사용에 따라 설정되는 것이 소개되었다. 이와 같은 설정은, 개별 탄소 캐리어의 비율 및 탄소 캐리어-혼합물 내에 있는 하부 입자 비율을 설정함으로써 그리고 증기에 대한 산소의 비율 및 기화기의 다양한 영역에 대한 산화제의 개별 부분 양의 비율을 설정함으로써 달성된다.
합성 가스를 제조하기 위해 가스를 사용하는 경우에는, 높은 이산화탄소 함량 및 높은 돔 온도가 설정된다. 이와 같은 사실은, 돔 가스의 낮은 타르 함량, 및 기화기로부터 나오는 가스와 함께 배출되는 회분에서 무시할 수 있을 정도의 탄소 비율을 보증해준다. 이산화탄소 함량 및 돔 온도를 위해 더 높은 값을 설정하는 공정은, 더 낮은 비율의 산화제를 차르층로 공급함으로써 그리고 더 높은 비율의 산화제를 기화기의 안정화 챔버로 공급함으로써 이루어진다.
선철을 형성할 때 가스를 환원제로서 사용하는 경우에는, 기화기로부터 나오는 가스와 함께 배출되는 입자가 또한 탄소를 함유하도록 하기 위하여, 더 낮은 이산화탄소 함량 및 낮은 돔 온도가 설정된다. 이와 같은 작동 상황은 더 많은 산화제를 차르층에 공급함으로써 그리고 더 적은 산화제를 기화기의 안정화 챔버에 공급함으로써 달성된다. 가스와 함께 안내되는 탄소 함유 입자는, 선철을 형성하는 환원 반응기로 가스가 공급되기 전에, 고온의 공기 또는 산소를 유입시킴으로써 기화되며, 이로 인해 추가의 환원 가스가 발생 되고, 가스가 가열된다. 더 낮은 돔 온도에서 돔 가스의 이산화탄소 함량을 낮게 설정하기 위해서는, 더 높은 비율의 에너지가 풍부한 탄소 캐리어가 탄소 캐리어-혼합물 내에서 필요하다. 이 목적을 위해서는 석유 코크스가 특히 적합하다.
선철을 형성할 때 가스를 환원제로서 사용하는 경우에는, 본 발명에 따라, 가스 내에 존재하는 기화되지 않은 차르 입자를 기화시키고 타르를 분해하기 위하여, 가스에 고온의 공기 또는 산소를 공급하는 것이 제공되었다. 이와 같은 공급 과정은, 용광로의 경우에는 가스가 다수의 랜스를 통해 노즐 조립체(nozzle holder) 위에서 용광로 내부로 유입되기 전에 이루어지고, 코렉스-시스템의 경우에는 환원 덕트용 환원 가스를 혼합하기 전에 이루어지며, 그리고 파이넥스-시스템의 경우에는 제2 및 제3 유동층 반응기용 환원 가스를 혼합하기 전에 이루어진다. 가스에 공급되는 고온의 공기 또는 산소의 양은, 이 가스가 선철 생산기의 환원 장치에 공급되기 전에, 거의 모든 차르 입자가 기화되도록 설정된다. 차르 입자의 기화에 의해서는, 추가 양의 환원 가스 및 추가의 열이 생성되고, 차르 입자들 중에 다만 재만이 먼지로서 남는다. 환원 가스 내에 있는 적은 먼지는 환원 반응기의 더욱 안정적인 작동을 유도한다. 재생 탄소 캐리어, 석유 코크스, 재활용 플라스틱, 폐 고무로부터 생성되는 가스를 첨가함으로써, 코크스 및 석탄의 소비는 선철 톤당 10%만큼 줄어들 수 있다. 그럼으로써, 경제적인 장점들 이외에, 화석 연료로부터 생성되는 이산화탄소의 비 배출(specific yield)도 현저하게 줄어든다. 재활용 플라스틱의 처리도 용광로 내부로 유입시키는 경우보다 훨씬 더 간단해지고 저렴해진다.
본 발명에 따른 또 다른 한 방법 변형예에 따라, 가스가 추가 압축 없이 곧바로 연소 터빈에 공급될 수 있도록 하기 위하여, 이 가스가 전력을 발생하기 위한 가스- 및 증기 발전소에서 사용되면, 기화기는 30 barg까지의 압력하에서 작동된다. 더 작고 더 값비싼 기화기 및 다른 장치들을 사용하고, 가스 압축용 압축기를 포기하는 것은, 소형이고 콤팩트하며 고성능이고 더 저렴한 전력 형성 시스템의 구성 가능하게 한다.
대형 가스- 및 증기 발전소를 건설하는 경우에는, 재생 탄소 캐리어의 공급 및 운송의 문제점을 피하기 위하여, 탄소 캐리어-혼합물 내에서의 석탄 비율이 100%까지 증가 될 수 있다. 하지만, 이 경우에는 계속해서 재를 배출하고 기화기에 탈황제를 첨가하는 것이 필요하다.
본 발명에 따라, 기화기는 더 큰 출력 범위 안에서 일정한 압력하에 작동된다. 기화기의 열 출력의 변경은, 산화제를 개별 랜스 또는 랜스 그룹으로 공급하기 위한 차단 밸브를 개방 및 폐쇄함으로써 이루어진다. 그럼으로써, 다만 기화기에 공급된 양의 산화제 및 탄소 캐리어만 단계적으로 변경되고, 압력 이외에 다른 모든 공정 매개 변수(process parameter)는 실제로 변경 없이 유지된다. 하지만, 기화기 출력과 거의 무관한 기화기의 열 손실에 적합하게 되기 위해서는, 다만 산화제의 양만 작동 중에 있는 랜스에 맞추어, 즉 기화기의 출력에 맞추어 약간 조절되면 된다. 이와 같은 운전 방식은 작동과 관련된 특별히 경제적인 장점들을 야기한다. 시스템이 고압용으로 설계된 경우 그리고 가스 압축용 압축기가 없는 시스템을 작동시키기 위해 설계된 경우에, 이와 같은 설비는 또한 기화기의 출력이 25%까지 감소된 경우에도 동일한 압력하에서 작동될 수 있다. 시스템의 더욱 높은 이용 가능성 및 시장 수요에 대한 성능의 더욱 신속한 적응 이외에, 일정한 작동 압력 및 가스 압력을 유지하는 것은, 이 시스템이 더 낮은 압력용으로 설계된 경우에 가스 압축용 압축기를 위해서도 작동과 관련된 큰 장점을 야기한다. 이와 같은 작동 방식의 또 다른 한 가지 장점은, 시스템의 출력이 신속하고도 조절 가능하게 변경됨으로써, 이 방법이 풍력 에너지 및 태양 에너지로부터 전력을 발생시키기 위한 보완책으로서 적합하다는 것이다. 시장에서 이용할 수 있는 다른 방법들은 이와 같은 장점들을 제공해주지 않는다.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하기 위한 시스템은, 적재- 및 장입 시스템을 통해 탄소 캐리어가 공급되고 라인을 통해 산화제가 공급되는 기화기를 구비하며, 이 경우 생성된 가스는 기화기의 돔으로부터 라인을 통해 밖으로 안내되고, 냉각되며, 선철을 형성할 때에 환원제로서 사용되거나, 냉각 및 세척 후에 합성 가스를 제조하기 위해 사용된다. 다양한 조성의 산화제는 조절된 상태로 차르층의 다양한 영역에 그리고 기화기의 안정화 챔버로 공급된다. 파이프 열교환기 내에서의 냉각 후에, 가스는 선철 형성-시스템에 공급되고, 환원 가스로서 사용되거나, 이 가스가 합성 가스로서 사용되기 전에 추가의 냉각 및 세척 공정을 거친다. 탄소를 함유하는 차르 입자를 기화시키기 위하여, 가스를 선철 형성-시스템의 반응기로 공급하기 전에, 이 가스에 고온의 공기 또는 산소가 첨가된다. 더 나아가서는, 시스템 가동시에 발생할 수 있는 가스 폭발을 피하기 위하여, 설비를 가열 및 가동시키기 위해 버너가 제공되어 있다.
본 발명에 따라, 열교환기는 파이프 열교환기로서 구현되며, 이 경우 냉각 파이프는 둘러싸인 벽의 내부 면에 설치된다. 이와 같은 열교환기의 주요 과제는, 뒤에 접속된 파이프 라인 및 장치 내에서의 침전을 피하기 위하여, 가스와 함께 배출되는 반죽 형태의 회분을 냉각 및 응고시키는 것이다. 이와 같은 열교환기는, 크기가 더 작은 침전물이 온도 충격에 의해서 물이 냉각된 벽으로부터 떨어져 나가도록 구현되어 있다.
본 발명은, 이하의 상세한 설명부에서 한 바람직한 실시예를 참조하여 그리고 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 시스템의 개략도이다.
기화기(1)에 탄소 캐리어를 첨가하는 공정은, 기화기(1)의 측벽에 설치된 적재- 및 장입 시스템(2) 및 라인(3)을 통해서 이루어진다. 탄소 캐리어를 차르층 가까이에 첨가하면, 탄소 캐리어의 장입시에 와류를 형성하는 작은 입자들이 기화되기 위하여 안정화 챔버 내에 충분히 오랫동안 체류한다는 장점이 있다. 산화제의 공급은 라인(9,10,11)을 통해서 이루어지고, 생성된 가스는 중앙에 배치된 배기구와 라인(12)을 통해 배출된다. 중앙에 배치된 배기구로 인해 기화기(1)의 안정화 챔버를 통한 가스의 흐름이 균형을 이룬다. 가스와 가스에 실린 회분들은 열교환기(13)에서 냉각되며, 이때 하류부에 침전될 수 있는 반죽 형태의 회분들이 굳어진다. 열교환기(13)의 벽에 들러붙어있고 온도충격에 노출된 더 작은 침전물은 수냉된 벽으로부터 떨어져 나간다. 냉각된 가스는 라인(14)과 라인(15,20,23,26)을 통해 선철 생산공장에 공급되거나, 라인(14)과 라인(28)을 통해서 골재와 라인들로 이루어진 가스 정화처리 공장에 공급된다.
탄소 캐리어로는 기본적으로 재 함량이 아주 낮은 탄소 캐리어가 사용된다. 등록된 탄소 캐리어의 유기 성분들이 기화된 후에는, 기화기(1)로부터 용광로 가스와 함께 배출된 미세한 재입자들만이 남아 습식세정기(30) 세척된다. 따라서, 먼지를 분리하하고 기화기(1)로부터 재를 계속 홀딩하기 위한 고온 가스 사이클론이 불필요하다. 그러나, 탄소 캐리어에 의해 첨가되어 축적되는 무기 금속 성분들과 작은 재 응집물들과 조각들을 주기적으로 배출하기 위해 배출장치(11)를 배치한다. 이 배출장치(11)는 산화제를 기화기(1)의 바닥쪽으로 유도하는 역할도 한다. 본 실시예에서는, 따라서, 탄소 캐리어의 사용은 재생용으로만 그리고 재 함량이 낮은 다른 탄소 캐리어로만 제한된다.
산화제는 산소와 증기의 혼합물과, 경우에 따라서는 이산화탄소가 풍부한 가스를 포함한다. 별도의 라인(9,10,11)을 통해 공급되는 이런 산화제는 일부는 혼합되고 일부는 별도로 차르층 안과 위로 주입된다.
라인(9,10)을 통해 기화기(1)의 바닥에 산소-증기 혼합물이 산화제로서 공급되고, 필요하다면 이산화탄소가 많은 폐가스가 가스정화기(31)로부터 라인(11)을 통해 공급된다. 이산화탄소가 많은 가스는 발열량이 증가할 경우의 폭발을 피하기 위해 별도의 라인(11)과 라인(5)를 통해 기화기(1)의 바닥에만 공급된다. 일반적으로, 가스정화기(31)의 폐가스의 발열량은 더 높은 발열량을 갖는 가스의 혼합 없이는 연소되지 않을 정도로 작다. 바닥으로의 산화제의 유입은 저속으로 이루어진다. 따라서, 바닥에서는 차르층이 약간만 움직이고 재가 많아진다. 탄소 비율이 낮고 산화제가 상대적으로 저온이어서 바닥부의 온도가 낮아, 재가 응집되는 것을 피할 수 있다. 탄소 캐리어와 함께 첨가되는 모래나 철과 같이 기화되지 않고 차가운 성분들의 배출도 주기적으로 더 쉽게 이루어진다.
차르층의 하부와 중간부에는 산소-증기 혼합물이 라인(4)과 라인(5,6)을 통해 공급되고, 차르층의 상부에는 라인(7)을 통해 산소만 산화제로 공급된다. 이때문에, 차르층의 온도가 재의 용융점보다 낮고 라인(8)을 통한 산소 주입으로 차르층 상부 온도는 더 높아질 수 있다.
산화제를 2차원적은 물론 3차원적(공간적)으로도 최적으로 분배하기 위하여, 산화제를 차르층에 주입하기 위한 라인(5,6,7)은 차르층 둘레에 등간격으로 각각 다른 높이로 설치된다.
산소를 차르층 위로 주입하기 위한 라인(8)도 기화기 둘레에 균일하게 설치하여, 온도분포를 균일하게 하고, 안정화 챔버 내에서의 타르의 분해와 숯 입자들의 기화를 위한 조건을 더 개선한다.
차르층의 상부와 안정화 챔버에 공급되는 산소량은 탄소 캐리어의 발열량과 수분에 좌우되고, 이런 산소량이 산화제의 총량에 대해 소정의 비율로 라인(8)을 통해 기화기(1)의 안정화 챔버로 주입되도록 설정된다. 많은 산소량은 차르층이 설정치부도 더 차갑다는 것을 나타내는 지표이다. 이 경우, 기화기(1)의 상부로 주입될 산소량이 증가 되어야 하고, 그 반대의 경우도 성립된다.
열교환기(13)에서 냉각된 가스는 환원제로서의 라인(15,20,23 또는 26)을 통해 선철 생산기에 공급될 수 있다. 이 가스를 환원 반응기(18,21,24,27)에 주입하기 전에, 가스 내의 미기화 차르 입자들을 기화시키고 타르를 분해하기 위해 고온 공기나 산소를 이 가스에 공급한다. 용광로(18)의 경우, 다수의 라인들을 통해 노즐조립체(17) 위로 용광로에 가스가 주입되기 전에 이런 공급이 라인(16)을 통해 일어나는데, 코렉스 플랜트의 경우에는 환원 덕트(21)용 환원 가스를 혼합하기 전에 라인(19)을 통해서 이루어지며, 파이넥스 플랜트의 경우에는 제2 유동층 반응기(24) 및 제3 유동층 반응기(27)를 위한 환원 가스를 혼합하기 전에 라인(22,25)을 통해 이루어진다. 가스에 공급되는 고온 공기나 산소의 양은 가스가 선철 생산기의 환원 장치에 공급되기 전에 거의 모든 차르 입자가 기화되도록 설정된다. 차르 입자의 기화에 의해, 환원가스와 열이 더 생기고, 차르 입자들 중의 재만 먼지로 남는다. 환원가스 중의 먼지가 적을수록 환원 반응기의 동작이 더 안정화된다.
이 가스를 이용해 합성 가스를 생산할 때, 가스가 습식 세정기(30)에서 정화되기 전에 라인(28)을 통해 제2 열교환기(28)로 공급되어 냉각된다. 제2 열교환기는 파이프나 튜브 묶음 열교환기로서, 튜브들은 실질적으로 수직으로 정렬되어 있고 용광로 가스를 통해 위에서 아래로 흐르도록 한다. 이때문에, 재의 침전에 의해 냉각 튜브들이 막히지 않게 된다.
바람직하게, 습식 세정기(30)는 전방 세정기와 조절식 정밀 세정기의 2단 세정기로 구현된다. 기화기의 압력조절기능 외에, 조절식 정밀 세정기가 세척된 가스의 낮은 먼지 함량을 보증한다.
가스의 추가 정화 비용을 최소화하기 위해, 가스의 타르 함량은 가급적 낮아야 한다. 이를 위해, 높은 돔 온도, 가스의 높은 산화도 및 안정화 챔버 내에서의 가스의 충분히 긴 체류 시간을 보장하는 것이 필요하다. 그와 동시에, 용광로 가스와 함께 배출되는 입자가 유기 성분을 거의 함유하지 않고, 공정수 순환중에 축적되는 슬러지가 기화기에 공급되지 않거나 달리 활용되지 않아야 한다.
이산화탄소와 용광로 가스의 불순물을 줄이기 위해 PSA(Pressure Swing Adsorption) 설비(31)를 설치한다. 이 방법은 기존의 화학적 가스세척에 비해 설계가 간단하고 에너지소비가 적으며 활용도가 높다.
추후의 사용 목적에 따라, 가스는 황화수소 및 할로겐 원소의 추가 정화 단계를 거친다.
가스정화기(31)의 각종 불순물과 이산화탄소가 많은 폐가스를 폐기하기 위해 버너(35)와 혼합챔버(36)가 설치된다. 따라서, 발열량이 아주 낮은 가스가 연소되고, 용광로 가스의 일부는 라인(33)을 통해 이런 폐가스에 추가되어 버너(35)에서 연소된다. 이런 고온 연소 가스는 발전소(32)나 다른 설비의 연도 가스에 혼합된 다음, 필요한 비율로 혼합 챔버(36)에서 혼합되고 설비(38)내의 건조 가스로 사용된다.
용광로 가스의 열을 2개 열교환기(13,29)에 사용해 증기를 생산하고, 이 증기는 발전소(32)에서 발전에 사용된다.
기존의 연소가스의 연소를 조절하고 기화기(1)에서의 폭발을 방지하기 위하여, 고온의 산소함유 연소 가스가 기화기(1)를 가열 및 가동하는데 사용된다.

Claims (14)

  1. 탄소 캐리어를 기화하고 생성된 가스를 후처리하기 위한 방법에 있어서:
    상기 탄소 캐리어가 기화기에 공급되고 산화제의 주입에 의해서 기화되며, 상기 생성된 가스는 기화기의 돔으로부터 배출되고 냉각과 정화 후에 합성가스로 사용되거나 사전냉각 후에 선철 생산의 환원제로 사용되며;
    재생 탄소 캐리어, 석유 코크스, 재활용 플라스틱, 폐고무 또는 석탄으로부터 일산화탄소와 수소를 함유한 가스가 생성되고;
    산화제가 차르층의 전체 용적에 걸쳐 분산되며, 산소-수증기 혼합물이 차르층의 하부영역과 중간영역의 산화제로 사용되고, 차르층의 상부영역에는 산소만 산화제로 사용되도록 산화제들이 다른 흐름을 갖도록 하여, 차르층의 하부영역과 중간영역의 온도가 재의 융점보다 낮고;
    생성된 가스가 합성가스의 처리에 사용될 때는 이산화탄소 함량과 돔 온도가 더 높게 유지되지만 선철 생산을 위한 환원가스로 사용될 때는 이산화탄소 함량과 돔 온도가 더 낮게 유지되어, 고온 공기나 산소가 선철 생산의 환원가스로 사용되기 전에 고온 가스에 첨가되며, 기화기의 가열과 가동에는 낮은 산소함유 연소가스가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 생성된 가스를 이용해 합성가스를 생산할 때, 목재로부터 구워진 재료, 건조된 목재, 생물질 또는 코코넛 껍질을 포함한 재생재료만 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 합성가스를 제조하기 위하여, 재생 탄소 캐리어 이외에 재 함량이 낮은 다른 탄소 캐리어도 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 산화제가 차르층의 전체 용적 안에 분산되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 기화 후 선철 생산의 환원제로 사용되기 전에, 고온 공기나 산소가 상기 생성된 가스에 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 생성된 가스를 가스와 증기 발전소에서 사용할 때 기화기가 30 bar까지의 압력으로 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 기화기가 성능과 무관하게 일정한 압력으로 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 적재 및 장입 시스템(2)을 통해서는 탄소 캐리어가 공급되고, 라인(9)을 통해서는 산화제가 공급되는 기화기(1)를 구비하며, 생성된 가스는 기화기(1)의 돔의 상단으로부터 라인(12)을 통해 배출되고 선철 생산시의 환원제나 냉각과 정화 후의 합성 가스 생산의 환원제로 사용되는 시스템에 있어서:
    재 배출 라인(4)과 라인들(5,6)을 통해 산소-수증기 혼합물을 다양한 조성으로 공급하고, 다양한 조성을 갖는 산화제들이 차르층의 하부영역과 중간영역에 있으며, 라인들(7,8)을 통해 차르층의 상부영역과 기화기(1)의 안정화 챔버에 공급하고, 기화기(1)의 기체 출구의 열교환기(13)가 생성된 가스를 냉각하며;
    상기 재 배출 라인(4)은 기화기(1)의 시동 중에는 차르층의 하단 구역에 고온 연소가스를 추가해 예열하고 기화기(1)의 작동중에는 산소-수증기 혼합물을 추가하는 기능을 하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 열교환기(13)가 관형 열교환기이고, 고온 가스가 냉각 튜브를 통해 상승되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 라인들(4,5,6,7,8)이 각각 다른 높이로 기화기(1)에 연결되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 생성된 가스가 선철 생산시의 환원제로 사용되기 전에, 고온 공기나 산소를 상기 생성된 가스에 공급하기 위한 적어도 하나의 라인(16,19,22,25)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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