KR102203125B1 - 단계식 가스화에서의 제 2 단 가스화기 - Google Patents

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Abstract

단계식 가스화 통합 공정(SGIP) 유동 체계의 제 2 단 가스화 유닛 및 작동 방법들이 넓은 범위의 저 반응성 연료들을 가스화하는 것을 개시한다. 층 내의 재 용융 온도들에 근접한 고온들에서 작동하는 제 2 단 가스화 유닛의 포함은 유닛 구성들, 작동 상태들 및 역청탄 및 무연탄, 석유 잔류물들 및 코크스와 같은 저 반응성 재료를 위한 95% 초과의 전체 탄소 변환율을 달성하기 위한 방법들에서 충분한 융통성을 제공한다.

Description

단계식 가스화에서의 제 2 단 가스화기{SECOND STAGE GASIFIER IN STAGED GASIFICATION}
관련 출원들에 대한 상호-참조
본 출원은 2012년 12월 10일에 출원된 미국 가 출원 번호 61/735,134호의 이익을 주장하고 이 가 출원의 전체 내용들 및 요지는 인용에 의해 본원에 포함된다.
정부 지원 연구 또는 개발에 관한 진술
본 발명은 미국 에너지부에 의해 수여된 합의/계약 제 DE-NT0000749호 하에서 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에서 특정 권리들을 갖는다.
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 유동 층(bed)들 내에 저 반응성 석탄들을 포함하는 다양한 탄소질 연료들의 가스화를 용이하게 하기 위한 공정, 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 철, 나트륨 또는 칼륨과 같은 더 높은 퍼센티지의 재(ash) 및 오염 성분들을 함유하는 연료들을 취급할 수 있다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 단계식 유동 층 가스화 공정에서 제 2 단(the second stage) 가스화 유닛에 관한 것으로, 상기 공정은 거의 모든 탄소질 재료들을 가스화할 수 있고 고 탄소 변환율들을 달성할 수 있고 다단 유동 층 합성 가스 냉각기, 저온 사이클론 및 방벽 필터를 포함하는 종래의 공정으로 생성할 수 있는 것보다 낮은 농도들의 오염 성분들을 갖는 무-타르(tar-free) 및 무분진(dust free) 합성 가스(syngas)를 생성할 수 있다.
가스화 기술은 상이한 등급들의 석탄, 석유 잔류물들 및 코크스와 같은 탄소질 자원들을 합성 가스로 효과적으로 변환하기 위한 효율적 공정이다. 합성 가스는 거의 0의 오염 배출물들을 생성할 뿐만 아니라 이산화 탄소를 효과적으로 포획하는 IGCC 공정들에서 이의 연소를 통해 파워(power)를 발생시키고/발생시키거나, 오일 정제 및 석탄 액화 공정들에서 이용을 위해 합성 가스를 전환시킴으로써 수소를 생성하는, 하류 화학 합성을 포함하는 다수의 적용들에서 사용될 수 있다.
종래의 가스화 공정들은 매우 다양한 탄소질 자원들을 처리하는데 있어서 상당한 한계들을 갖는다. 예를 들면, 연행 흐름 가스화기들은 높은 재 함량 또는 높은 재 용융 온도들과 같은 특성들을 가지는 저 반응성 연료들을 처리하기에는 경제적으로 적합하지 않다. 유동 층 가스화기들은 정상적으로 이 가스화기들의 고 반응성에 의해 갈탄 및 아역청탄들과 같은 낮은 등급 석탄들에 대해 설계된다. 유동 층 가스화기들은 고 탄소 변환들을 하는 역청탄 및 무연탄과 같은 고 등급 석탄들을 가스화하는데 어려움들이 있다. 또한, 유동 층 가스화기들은 합성 가스 내에서 타르를 발생시킬 수 있고 고 메탄 함량을 가질 수 있는데, 타르 및 메탄 성분 둘다 하류 공정들에 의해 화학 제품들을 합성하기 위한 합성 가스 이용을 상당히 감소시킨다. 저 탄소 변환 및 합성 가스 내의 타르 및 메탄의 형성 둘다는 높은 등급의 석탄들 및 다른 저 반응성 연료들을 가스화할 때 유동 층 가스화기에 대한 매우 부정적인 성능 인자들이다.
유동 층 가스화기들의 한계들에 대한 기본적 이유는 공정이 가스화기 내에 클링커 및 응집물(총괄하여 때때로 본 명세서에서 "클링커들(clinkers)"로서 지칭됨) 형성을 회피하여야 한다. 형성되면, 클링커들은 매우 짧은 시간 내에 가스화기를 약화시켜 장기간의 고장을 초래할 수 있다. 클링커 형성을 회피하기 위해, 가스화기 작동 온도는 초기 재 변형 온도보다 실질적으로 낮아야 하는데, 이는 입자 표면 온도가 차르(char) 입자 표면 상의 부분 산화에 의해 전체 벌크 온도보다 실질적으로 더 높기 때문이다. 상황을 악화시키는 것은 상기 층 탄소 함량이 석탄의 저 반응성에 의해 고 등급 석탄들을 가스화할 때 상당이 더 높아진다는 사실이다. 가스화기 내로 주입되는 산화제(공기, 부화 공기 또는 산소)는 작은 용적 공간에서 바로 소모되고 클링커 형성을 촉진하는 국부적 고온점들을 생성할 것이다. 따라서, 유동 층 가스화기가 역청탄을 가스화하기 위해 사용될 때, 작동 온도는 초기 재 변형 온도보다 상당히 더 낮다. 석탄의 저 반응성과 함께 이 같은 낮은 작동 온도는 낮은 탄소 변환, 합성 가스 내의 타르 형성 및 더 높은 메탄 함량을 초래한다.
유동 층 가스화기의 종래의 한계들을 회피하기 위한 하나의 방법은 단계식 접근을 이용하는 것이다. 예를 들면, 미국 특허 제 6,063,355호에 개시된 에바라 공정(Ebara Process)는 다양한 유형들의 폐기물 쓰레기로부터 합성 가스를 발생시키기 위한 2단(two-stage) 접근 방법을 교시한다. 에바라 공정은 버너를 구비한 제 2 단의 종래 연행 흐름(entrained flow) 가스화기보다 상당히 낮은 온도에서 작동하는 제 1 단 유동 층 가스화기를 가지며, 비교적 낮은 용량을 갖는다. 100 내지 300 톤/일(tons/day) 범위의 비교적 낮은 용량을 가지는 에바라 공정은 약 580 ℃에서 작동하는 제 1 단 유동 층 가스화기 및 약 1300 ℃에서 작동하는 제 2 단 연행 흐름 가스화기를 갖는다. 이러한 방식으로, 단계식 에바라 공정은 연료 공급 관련 문제들을 최소화하고 유동 층 가스화기의 저부로부터 유용한 페기물들을 복귀시키기 위한 유리한 상태들을 제공하는 본질적으로 낮은 제 1 단 온도에서 폐기 연료를 가스화한다. 제 2 단계에서, 에바라 공정은 제 1 단계로부터 합성 가스 내의 변환되지 않은 차르, 타르 및 유기물들을 추가로 조절한다.
그러나, 에바라 공정은 단지 다른 연행 흐름 가스화기와 같이 역청탄들 및 높은 재 함량을 갖는 다른 저 반응성 연료들을 효율적으로 처리할 수 없는데, 이는 제 2 단 가스화기가 종래의 연행 흐름 가스화기들에 설명된 동일한 단점들을 가지고 작동하기 때문이다 - 제 2 단 가스화기는 훨씬 더 높은 온도 및 산소 소모를 요구하며 이에 따라 또한 공지된 중수 및 폐수 문제들인 더 짧은 내화 수명을 제공한다.
또한, 특히 기상이 매우 낮은 농도의 분진(dust)을 운반할 때, 에바라 공정에서 사용된 제 2 단 가스화기에서와 같이 연행 흐름 가스화기들에서 혼합 효과가 매우 저급하다는 것이 주지되어 있다. 저급한 혼합 및 반응 크기의 일 예는 유동 층 가스화기의 프리보드 구역(freeboard region)이다. 비교적 긴 체류 시간들에 불구하고, 제한된 화학적 반응도들이 유동 층 반응로의 프리보드 구역에서 발생한다. 대부분의 반응들은 반응로의 밀집된 유동 층 구역에서 발생한다. 동일한 것이 연행 흐름 가스화기에 대해 언급될 수 있다. 더 큰 처리량들을 위한 가스화기의 크기에서의 증가에 의해, 가스와 고형물(solid)들 사이의 저급한 혼합은 탄소 변환에서의 점진적 악화를 초래한다.
저급한 혼합의 효과는 석탄 및 산소 모두가 최고 온도 버너 선단부 구역에 집중되는 종래의 연행 흐름 가스화기에 의한 것보다 에바라 공정의 제 2 단 가스화기에 의해 더욱 더 두드러진다. 연료 입자들의 단지 작은 부분들은 화염(flame) 구역을 벗어나고 이에 따라 결코 다른 변환 기회를 갖지 못한다. 이에 반해, 차르 입자들 및 타르 증기들은 에바라 공정의 소용돌이 유형의 제 2 단 연행 흐름 가스화기의 저급한 혼합에 의해 비교적 저온 벽 구역에 축적되는 경향이 있다. 산소 주입 구역에서 비 정상적으로 더 높은 온도는 증가된 산소 소모 및 더 짧은 내화 수명을 희생하여 에바라 공정의 제 2 단 가스화기 내의 전체 온도를 증가시킬 수 있다.
본질적으로 제 2 단 가스화기로서 작용하는 유동 층 가스화기의 종래의 한계들을 회피하기 위한 다른 방법들이 제안되었다. 하나의 이 같은 예는 제 2 단 냉각기의 하부 입구 섹션에서 산소 주입 방법을 교시하며 여기서 작동 온도는 약 400 내지 500 ℃인 미국 특허 제 4,412,848호에 개시된다. 미국 특허 제 4,412,848호는 열 전달 매체 입자 표면들 상의 타르 퇴적을 감소시키는 것을 취지로 한다. 입구 섹션을 제외하고, 전체 냉각기 층 온도는 합성 가스 성분(일산화 탄소, 수소 등)의 연소 온도 아래인 단지 약 250 내지 300 ℃이어서 상당한 안전 인식이 상승한다. 또한, 이 같은 저온 부분 산화는 탄소 변환을 눈에 띄게 향상시키지 않는다. 저 반응성 석탄들에 대해, 클링커 형성을 제한/회피하도록 약 1000 ℃로 작동되는 경우 제 1 단 가스화기에서의 탄소 변환율은 80% 미만일 것이며 이에 따라 제 2 단계는 탄소 변환을 증가시키기 위해 훨씬 더 높은 온도들로 작동되어야 한다.
합성 가스 스트림에서 차르 입자 및 타르의 변환을 향상시키기 위한 다른 시도는 유동 층 가스화기 바로 위의 프리보드 구역으로 산소를 직접 주입하는 것이며, 예를 들면 1930년대 이후의 공지된 윙클러(Winkler) 가스화기에서 실시된 것으로서, http://www.fischer-tropsch.org/primary_documents/gvt_reports/BIOS/333/BIOS_333_toc.htm 참조. 프리보드 온도를 증가시키기 위해 산소가 가스화기로 직접 주입되기 때문에, 구현 비용이 낮다. 그러나, 단지 최고 40,000 ppmw(part per million by weight) 분진 만을 운반하는 가스 유동들에 의해 용기 내의 전체 혼합 및 온도 균일도가 저급하다. 개선들에 불구하고, 윙클러 가스화기 프리보드 구역으로의 산소 주입의 효과는 여전히 저 탄소 변환을 초래한다.
본 발명에 인용에 의해 포함된, US 특허 출원 일련번호 13/936,457호는 2 단 가스화 공정을 개시하여 재 함량이 높은 역청탄 및 세미(semi)-무연탄들 그리고 추가의 처리를 위한 무 타르 합성 가스의 발생 및 95% 초과의 탄소 변환율을 갖는 다른 저 반응성 연료들을 효과적으로 가스화한다. 저 반응성을 가진 탄소 소스들을 변환하도록, 제 2 단 유동 층 가스화 유닛은 1100 내지 1400 ℃ 범위의 온도로 작동할 것을 요구한다. 이러한 높은 가스화기 출구 온도들에서, 합성 가스를 효과적이고 효율적으로 냉각하는 것과 관련된 비용들이 과제가 된다. 본 발명에 인용에 의해 포함된, US 특허 출원 일련번호 제 14/010,381호는 다단 순환 유동 층 합성 가스 냉각기에서 고온 합성 가스를 냉각하기 위한 장치 및 방법을 제시한다.
종래의 방벽 필터와 함께, 이러한 두 개의 혁신적인 시스템들의 조합의 잠재적으로 유익한 이용은 여전히 넓고 다양한 탄소 소스들을 가스화하도록 가스화 공정을 구성하고 작동하는데 있어서 도전들을 야기한다.
위에서 언급된 작동성, 효율 및 비용 문제들을 극복하기 위해, 다양한 탄소질 재료들을 가스화할 수 있는 통합형 및 단계식 가스화 공정이 매우 바람직하다. 본 발명의 의도는 이 같은 산업적 요구를 위해 제공하는 것이다.
바람직한 형태로 간단히 설명하면, 본 발명은 석탄들, 석유 코크스, 정제 공장 잔류물들 및 도시 폐기물과 같은 다양한 탄소질 재료들을 가스화할 수 있는 비용 효율적이고 에너지 효과적인 통합형 및 단계식 가스화 공정을 용이하게 하는 고온의 제 2 단 가스화 유닛을 포함한다.
예시적인 실시예에서, 본 발명은 제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 형성하는 제 1 단 가스화 유닛을 갖는 저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정에 유용한 제 2 단 가스화 유닛이며, 상기 제 2 단 가스화 유닛은 제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림으로 변환하는 것을 증진하기 위한 작동 특성들을 가지며 상기 원하지 않는 종들의 제 2 단 농도는 상기 원하지 않는 종들의 제 1 단 농도 미만이고 상기 제 2 단 난류 유동 층 기화기는 층(bed) 재료 구역에 층 재료, 층 재료 구역 위의 프리보드 구역, 및 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림용 출구를 포함하는 고온의 제 2 단 난류 유동 층 가스화기, 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림 온도를 조절하기 위한 합성 가스 조절 장치(STD), 및 STD를 통해 유동하는 제 2 단 난류 유동 층 가스화기로부터 층 재료의 적어도 일 부분을 제 2 단 난류 유동 층 가스화기로 복귀시키는 층 재료 복귀부를 포함하며, 여기서 제 2 단 가스화기의 제 1 작동 특성은 제 2 단 가스화기가 대략 1100 내지 1400℃의 범위에서 작동하여 95% 초과의 전체 탄소 변환율을 달성하고 저 반응성 연료들로부터 제 2 단 합성 가스 스트림을 생성한다.
제 2 단 가스화기의 제 2 작동 특성은 제 2 단 가스화기가 대략 3 내지 12 ft/s의 가스 표면 속도로 작동되는 것일 수 있고, 제 2 단 가스화기의 제 3 작동 특성은 제 2 단 가스화기가 대략 30 내지 1000 psia의 압력 범위 내에서 작동되는 것일 수 있다.
제 2 단 가스화기가 작동 특성들로 작동될 수 있는 제 2 단 가스화기의 설계는 95% 초과의 전체 탄소 변환율을 달성하고 저 반응성 연료들로부터 무 타르 및 무분진 둘다의 제 2 단 합성 가스 스트림을 생성한다.
제 2 단 난류 유동 층 가스화기는 제 2 단 난류 유동 층 가스화기로의 제 1 단 합성 가스 스트림의 도입을 위한 제 2 단 난류 유동 층 가스화기의 층 재료 구역에서 합성 가스 입구들을 가질 수 있고, 제 1 단 합성 가스 스트림은 제 2 단 난류 유동 층 가스화기로 상이한 높이들에서 접선 방향으로 유입하여 제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 제 2 단 난류 유동 층 가스화기의 층 재료 전반에 걸쳐서 분배한 고르게 혼합된 난류 유동 층을 형성한다. 제 2 단 난류 유동 층 가스화기는 산화제와 증기 혼합물 스트림의 도입을 위한 제 2 단 난류 유동 층 가스화기의 층 재료 구역 내의 산화제와 증기 혼합물 스트림 입구를 가질 수 있다. 제 2 단 난류 유동 층 가스화기는 산화제와 증기 혼합물 스트림의 도입을 위한 제 2 단 난류 유동 층 가스화기의 프리보드 구역 내의 산화제와 증기 혼합물 스트림 입구들을 가질 수 있다.
제 2 단 가스화기 유닛은 산화제와 증기 혼합물 스트림의 도입을 위한 제 2 단 난류 유동 층 가스화기의 층 재료 구역의 내화성 레이어(layer) 내에 매립된 분배기 조립체를 더 포함할 수 있다.
층 재료 구역의 높이는 대략 10 내지 15 피트의 범위 내에 있을 수 있고 프리보드 구역의 높이는 대략 10 내지 20 피트의 범위 내에 있을 수 있다.
제 2 단 난류 유동 층 가스화기는 특정 재 무기물들과 관련된 오염 문제들을 최소화하도록 하나 또는 둘 이상의 흡착제들의 도입을 위해 제 2 단 난류 유동 층 가스화기의 프리보드 구역 내에 하나 이상의 흡착제 입구를 가질 수 있다.
층 재료 복귀부는 사이클론, 다이플레그(dipleg), 및 L자형 레그 기구를 포함할 수 있다.
층 재료는 대략 100 내지 200 미크론의 크기 범위를 갖는 불활성 입자들을 포함할 수 있다.
다른 예시적인 실시예에서, 본 발명은 저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정의 제 1 단 가스화 유닛에 의해 형성된 제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 제어하는 공정이며, 상기 공정은 작동 특성들을 갖는 고온의 제 2 단 난류 유동 층 가스화기에서 제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림으로 변환하는 단계로서, 상기 제 2 단 기화기의 제 1 작동 특성은 대략 1100 내지 1400 ℃의 범위에서 제 2 단 난류 유동 층 가스화기를 작동하고, 제 2 단 난류 유동 층 가스화기는 베드 재료 구역 내에 베드 재료, 베드 재료 구역 위의 프리보드 구역, 및 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림을 위한 출구를 포함하며, 원하지 않는 종들의 제 2 단 농도는 원하지 않은 종들의 제 1 단 농도 미만인, 단계, 합성 가스 조절 장치(STD)에서 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림 온도를 조절하는 단계, 및 STD를 통하여 유동하는 제 2 단 난류 유동 층 가스화기로부터 층 재료의 적어도 일 부분을 제 2 단 난류 유동 층 가스화기로 복귀시키는 단계를 포함한다.
상기 공정은 대략 최고 45wt%의 재 함량을 포함하는 탄소질 재료를 가스화하는 합성 가스로의 대략 95% 초과의 탄소 변환율을 달성할 수 있다. 상기 공정은 저 반응성 탄소질 재료들을 가스화하는 합성 가스로의 대략 95% 초과의 탄소 변환율을 달성할 수 있다. 상기 공정은 가스화 저 반응성 역청탄들을 가스화하는 합성 가스로의 대략 98% 초과의 탄소 변환율을 달성할 수 있다. 상기 공정은 저 반응성 연료들로부터 무 타르의 제 2 단 합성 가스 스트림을 생성할 수 있다.
상기 공정은 제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 제 2 단 난류 유동 층 가스화기의 층 재료 전반에 걸쳐서 분배한 고르게 혼합된 유동 층을 형성하도록 상이한 높이들에서 접선 방향으로 제 2 단 난류 유동 층 가스화기 내로 제 1 단 합성 가스 스트림을 도입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 공정은 제 2 단 난류 유동 층 가스화기의 프리보드 구역에 하나 이상의 흡착제를 도입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 예시적인 실시예에서, 본 발명은 저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정의 제 1 단 가스화 유닛에 의해 형성된 제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 제어하는 공정이고, 상기 공정은 고온 제 2 단 난류 유동 층 가스화기에서 제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림으로 변환하는 단계로서, 상기 제 2 단 난류 유동 층 가스화기는 층 재료 구역 내의 층 재료 , 층 재료 구역 위의 프리보드 구역, 및 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림을 위한 출구를 포함하며, 원하지 않는 종들의 제 2 단 농도가 원하지 않는 종들의 제 1 단 농도보다 낮은, 변환 단계, 대략 1100 내지 1400 ℃의 범위 내에서 고온의 제 2 단 난류 유동 층 가스화기를 작동하는 단계, 대략 3 내지 12ft/s의 표면 속도 범위로 고온의 제 2 단 난류 유동 층 가스화기를 작동하는 단계, 대략 30 내지 1000 psia의 범위에서 고온의 제 2 단 난류 유동 층 가스화기를 작동하는 단계, 합성 가스 조절 장치(STD)에서 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림 온도를 조절하는 단계, 및 STD를 통하여 유동하는 제 2 단 난류 유동 층 가스화기로부터 층 재료의 적어도 일 부분을 제 2 단 난류 유동 층 가스화기로 복귀시키는 단계를 포함하며, 여기서 상기 공정은 저 반응성 연료들을 가스화하는 합성 가스로의 대략 95% 초과의 탄소 변환을 달성한다.
다른 예시적인 실시예에서, 본 발명은 재 함량을 갖는 저 반응성 탄소질 연료를 위한 가스화기 시스템이며, 이 시스템은 제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 생성하기 위해 탄소질 재료들과 산화제를 조합하는 제 1 단 가스화 유닛, 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성가스 스트림의 변환을 증진하기 위한 작동 특성들을 갖는 고온의 제 2 단 난류 유동 층 가스화기로서, 상기 원하지 않는 종들의 상기 제 2 단 농도가 상기 원하지 않는 종들의 제 1 단 농도보다 낮으며, 상기 제 2 단 난류 유동 층 기화기는 베드 재료 구역 내에 베드 재료, 상기 베드 재료 구역위의 프리보드 구역, 및 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림을 위한 출구를 포함하는, 고온의 제 2 단 난류 유동 층 가스화기, 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림 온도를 조절하기 위한 합성 가스 조절 장치(STD), 및 층 재료의 적어도 일 부분을 STD를 통해 유동하는 제 2 단 난류 유동 층 가스화기로부터 제 2 단 난류 유동 층 가스화기로 복귀시키는 층 재료 복귀부를 포함하며, 여기서 제 2 단 가스화기의 제 1 작동 특성은 제 2 단 가스화기가 대략 1100 내지 1400 ℃의 범위에서 작동하여 95% 초과의 전체 탄소 변환율을 달성하고 저 반응성 연료들로부터 제 2 단 합성 가스 스트림을 생산한다.
원하지 않는 종들은 특히 차르 탄소, 타르, 및 재 미세물들을 포함할 수 있다.
다른 예시적인 실시예에서, 본 발명은 저 반응성 연료들로부터 합성 가스를 발생시키기 위한 공정이며, 이 공정은 제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 생성하기 위해 제 1 유닛에서 저 반응성 연료들과 산화제를 조합하는 단계, 층 재료를 가지는 제 2 단 난류 유동 층 가스화기인 제 2 유닛에서 제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림으로 변환하는 단계, 제 2 단 난류 유동 층 가스화기를 대략 1100 내지 1400 ℃의 범위에서 작동시키는 단계, 제 3 유닛에서 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림을 템퍼링하는 단계, 및 유동하는 층 재료의 적어도 일 부분을 제 3 유닛을 통하여 제 2 유닛으로 복귀시키는 단계를 포함하며, 상기 원하지 않는 종의 제 2 단 농도는 상기 원하지 않는 종들의 제 1 단 농도보다 낮다.
상기 공정은 대략 45wt% 까지의 재 함량을 포함하는 탄소질 재료를 가스화하는 합성 가스로의 대략 95% 초과의 탄소 변환율을 달성할 수 있다.
상기 공정은 무연탄, 석유 코크스 및 정제 공장 잔류물들 유형 연료들 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 탄소질 재료들을 가스화하는 합성 가스로의 대략 95% 초과의 탄소 변환율을 달성할 수 있다.
상기 공정은 공기, 부화 공기 및 산소 중 하나를 포함하는 산화제에 의해 저 반응성 역청탄 유형 연료들을 포함하는 가스화 탄소질 재료들을 가스화하는 합성 가스로의 대략 98% 초과의 탄소 변환율을 달성할 수 있다.
상기 공정은 600 MWe까지 생성할 수 있고 운반 가능한 크기의 제 2 단 가스화기의 단일 유닛을 포함한다.
상기 제 1 단 합성 가스 스트림은 대략 0 내지 50 미크론의 범위의 미세한 연행 입자들을 포함할 수 있으며 제 2 유닛의 층 재료 내의 차르 탄소 변환 및 층 재료로부터 제 2 유닛의 프리보드 구역 내로 변환되지 않은 차르 탄소 및 더 미세한 재 입자들의 이동시, 층 재료는 대략 1 wt% 미만의 차르 탄소 및 대략 5 wt% 미만의 미세한 재를 포함할 수 있다.
상기 공정은 대략 최고 1400 ℃의 층 재료 온도를 가지는, 재의 재 융합 온도 미만의 대략 50 ℃ 내지 100 ℃로 제 2 유닛을 작동하는 단계, 및 응집물 및 클링커 형성을 방지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
제 2 단 합성 가스 스트림은 바람직하게는 무-타르이며 대략 0.25 내지 0.5 mole %의 범위의 메탄 함량을 갖는다.
저 반응성 역청탄 가스화를 위해, 산소 소모는 바람직하게는 낮으며 1000 scm의 생성된 일산화탄소 및 수소 당 350 내지 400 scm의 범위 내에 있다. 또한, 석탄 소모는 바람직하게는 낮으며 1000 scm의 생성된 일산화탄소 및 수소 당 500 내지 550 kg의 건조 석탄의 범위 내에 있다. 또한, 증기 소모는 바람직하게는 낮으며 0.25 내지 0.35 증기-대-석탄 질량 비율의 범위 내에 있고 배출하는 합성 가스의 하위 발열량이 8.5 내지 10 MJ/scm의 범위 내에 있다.
이에 따라, 본 발명은 제 2 단 가스화기로서 유동 층을 사용하며, 저 반응성 연료들에 대해 95% 초과의 탄소 변환율을 달성하도록 공정 내에 유동 층들을 사용하며, 고온들에서 제 2 단 유동 층을 작동하기 위한 수단들 및 방법들을 제공한다는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 제 2 단 유동 층 가스화 유닛은 대략 95% 초과의 탄소 변환율을 달성하도록 대략 최고 1400 ℃의 범위에서 작동될 수 있다.
광범위 스펙트럼의 탄소 소스들을 가스화하기 위해, 2단 가스화 시스템의 본 발명의 제 2 단은 대략 1100 내지 1400 ℃의 범위의 작동 온도로 본질적으로 정지형(순환과 대조적으로) 난류 유동 층 가스화기인 것이 필요하다. 재 융합 온도에 의해 제한되지 않으면서 이 같은 높은 온도들에서 가스화기를 작동시키기 위해, 가스화기는 비교적 낮은 온도들에서 작동하는 종래의 유동 층 가스화기가 요구하는 것보다 매우 높은 산소 소모를 요구한다. 본 발명의 제 2 단 가스화기에 대한 고 산소 유량들의 하나의 결과는 차르 탄소 입자들의 표면 온도가 재 융합 온도 위의 매우 더 높은 온도들에 도달할 수 있고 국부적 고온점들을 생성할 수 있다. 이에 따라, 클링커 형성을 초래하는 고온점들을 회피하는 것이 중요하게 된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 제 2 단 가스화 유닛 및 통합형 공정에서 이 같은 유닛을 신뢰가능하게 작동하는 방법을 제공한다.
미국 특허 출원 일련번호 제 13/936,457호의 2단 가스화 시스템에서 제 1 단은 작동 과제들을 완화하기 위해 공급 탄소질 재료에 따라 800 내지 1100 ℃ 범위의 비교적 낮은 온도에서 작동한다. 이 같은 비교적 낮은 온도들에서, 제 1 단에서의 탄소 변환이 낮다. 이에 따라, 대략 95% 초과의 전체 탄소 변환율을 달성하도록 본 발명이 이 같은 제 1 단 가스화기를 사용하는 경우, 본 발명의 제 2 가스화기는 제 1 단으로부터의 상당한 양의 차르 탄소 입자들 및 타르를 가스화하는 것이 필요하다. 제 2 단에서 차르 탄소 입자들이 더 가볍고 미세하기 때문에, 임의의 반응하지 않은 차르 탄소 입자들은 제 2 단으로부터 배출하는 합성 가스와 함께 연행되는 경향이 있다. 이 같은 연행된 미세 차르 탄소 입자들은 하류에서 효과적으로 수집될 수 있고 유익한 더 높은 탄소 변환들을 달성하도록 제 2 단으로 다시 재순환될 수 있다.
본 제 2 단 가스화 유닛은 통합된 단계식 가스화 공정에서 작동함으로써 수 많은 과제들을 극복하고, 더 차가운 무분진 및 무 타르 합성 가스를 생성한다. 본 발명은 유동 층 가스화 시스템에서 대략 95% 초과의 전체 탄소 변환율을 하는 유동 층들에서 다수의 상이한 저 반응성 탄소질 재료들의 가스화를 용이하게 한다. 바람직하게는, 제 2 단 가스화기의 작동 온도는 단지 재 융합 온도와 관계 없이 가스화기 내로 공급하는 탄소의 대략 95% 초과 변환하기 위한 필요성에 의해서만 결정된다.
본 발명은 고온의 제 2 단 가스화 유닛을 포함하는 유동 층 가스화기들의 두 개의 단들에서 저 반응성 연료들을 처리하기 위한 방법들을 더 포함한다. 단계화된 가스화 유닛들을 유동 층 합성 가스 냉각기, 대략 250 내지 400 ℃의 범위로 합성 가스 냉각기 출구 온도들에서 작동하는 저온의 제 3 단 사이클론, 세라믹/소결 금속 캔들 필터들을 구비한 미립자 제어 장치(PCD), 및 탄소 변환을 증가시키기 위해 다양한 유닛들 사이에서 고형물들을 재순환시키고 고형물들의 재고(solids inventory)를 유지하는 성능과 통합함으로써, 무분진 및 무 타르 합성 가스는 화학물들로의 추가 하류 처리 또는 파워를 발생시키기 위한 연소를 위해 생성될 수 있다.
층 내의 고 탄소 함량을 가진 클링커 형성을 초래할 수 있는 고온점들을 회피하기 위해 저 반응성 연료들에 의한 저온 작동에 의해, 본 발명의 제 1 단 순환 유동 층 가스화 유닛은 타르 및 미세한 재 및 차르 탄소 입자들을 변함없이 함유하는 합성 가스를 생성한다. 합성 가스는 추가 처리를 위해 본 발명의 고온의 제 2 단 유동 층 가스화 유닛으로 유동한다.
가스 및 층 재료는 유동 층에서 고르게 혼합되고 제 2 단에서의 이 같은 혼합은 거의 균일한 층 온도를 제공한다. 합성 가스 내의 타르 분자들은 전체 층 용적 내에 균일하게 분산되어, 다른 균일하게 분산된 산소 및 증기 혼합물 가스 스트림과 접촉하고, 층 고형물 입자들은 타르 균열을 용이하게 하는 고온 표면을 제공한다.
미세 차르 입자들은 0 내지 50 미크론 크기 범위를 가지며 난류 유동 층 작동 체제에서 유지되는 제 2 단 가스화기 층 재료 전반에 걸쳐 고르게 분산된다. 제 2 단 가스화기가 대략 1100 내지 1400 ℃의 범위에서 작동할 때, 차르가 산소, 증기 및 이산화탄소와 반응하게 되어 유용한 합성 가스 구성요소를 형성한다.
대략 95% 초과의 전체 탄소 변환율을 달성하도록, 바람직한 작동 온도는 ASTM D5341-93a 처방과 유사한 C02 반응성 테스트들로 설정될 수 있다. 최소 제 2 단 작동 온도를 예측하는 성능이 재를 슬래그화되거나 용융할 필요 없이 바람직한 탄소 변환을 달성하는 것을 가능하게 하며 이는 가스화 시스템 내의 산소 소모를 최소화한다. 바람직한 실시예에서, 본 발명은 작동 온도가 재를 용융시키기에 충분히 높아야 하며 반 결과적인 슬래그들의 점성이 특정 값(예를 들면, 250 Poise) 미만이어야 하는 종래의 연행 흐름 가스화기에 대해 상당한 장점을 갖는다. 바람직한 탄소 변환을 위해, 본 발명에 따른 제 2 단 가스화기는 적은 산소를 소비하는 연행 흐름 가스화기보다 낮은 온도에서 작동할 것이다.
바람직한 실시예에서, 제 2 단 가스화기의 작동 온도가 바람직한 탄소 변환을 달성하도록 재 변형 온도 (바로) 위에 있는 것이 요구되는 경우, 가스화기에 들어가는 미세한 재의 작은 부분 만이 층 내에 축적될 때 이 같은 작동은 층 내의 클링커들을 형성하지 않으면서 실현될 수 있다. 본 발명은 난류 유동 층에서 혼합 작용이 용융된 미세한 재 입자들을 층의 불활성 입자들 상에 코팅시킨다. 층 재료들의 부분은 주기적으로 인출되고, 냉각될 것이고 그리고 그라인딩 후, 미분 고형물들의 일 부분이 바람직한 범위 내의 입자 크기 분포를 유지하도록 층으로 다시 재순환된다.
제 2 단 가스화기의 비교적 높은 작동 온도에 의해, 합성 가스 내의 메탄 및 균열된 타르 부분들이 또한 일산화탄소 및 수소를 형성하도록 가스화 반응들을 겪게 될 것이다. 메탄 및 타르 균열 공정 동안 매연 생성을 방지하도록 뿐만 아니라 형성하는 어떠한 매연도 소멸시키도록, 산소와 함께 증기는 상이한 높이들에서 층 내로 그리고 가스화기의 프리보드 구역 내로 주입될 수 있다. 프리보드 구역 내의 증기 및 산소 주입의 바람직한 방법은 연행된 불활성 고형물 입자들이 주로 벽을 따라 하방으로 유동할 때 접선 방식(tangential)이다. 가스 상태로의 접선 방향 주입은 역류하는 불활성 고형물 입자들에 부착된 매연과 반응할 매우 좋은 기회를 제공하고, 이에 의해 탄소 변환을 더 증가시킨다.
제 1 단으로부터 미세물들(차르 및 재)이 주로 50 미크론 아래의 입자 크기를 가질 때, 이러한 입자들은 제 2 단 가스화기 내에 축적될 수 없다. 난류 유동 층 내부의 비교적 높은 내부 고형물들 순환 속도들에 의해, 고형물들 순환 속도 대 제 2 단 기화기에 유입하는 합성 가스 내의 연행된 미세물들 속도의 비는 대략 수백이 되며, 미반응 미세물들, 주로 미세한 재는 프리보드 구역으로 연행한다. 재 축적 없이, 제 2 단 가스화기 내의 층 재료는 본질적으로 매우 더 높은 재 융합 온도(이에 따라 클링커 형성이 회피됨) 및 유지를 위한 더 큰 입자 크기를 가지는 모래와 같은 바람직한 시작 층 재료가 될 것이다. 또한, 용융되는 미세한 재 입자들은 모두 동일한 벌크 층 온도에 있는 불활성 입자들 상에 코팅될 것이다.
저 반응성 연료들에 의해 거의 완전한 탄소 변환을 얻기 위해, 허용 작동 온도들은 석탄 가스화의 "3개의 T들"(온도, 난류 및 시간) 중에서 하나의 가장 중요한 요소이다. 그러나, 유동 층에서의 고온 작동은 클링커를 형성하기 쉬운데, 이는 차르 입자들의 연소가 고형물들의 벌크보다 매우 더 높은 온도를 가지기 때문이다. 이는 종래의 유동 층들이 재 융합 온도보다 매우 낮은 온도에서 작동하는 주 요인이다. 본 발명에서, 제 2 단 가스화 유닛 내의 유동 층은 층 내의 재 및 차르의 문제들과 관련된 높은 작동 온도들 주위에서 작업함으로써 고온들에서, 대략 최고 1400 ℃에서, 작동한다.
저 반응성 역청탄을 위한 제 1 단 순환 유동 층 가스화기 층 재료는 전형적으로 대략 40 중량% 차르 탄소 및 대략 60 중량% 석탄 재를 포함한다. 제 2 단 유동 층 가스화기에서, 층 내의 차르 함량은 대략 1 중량% 미만이고 미세한 재 부분은 대략 5 중량% 미만이다. 차르 탄소 및 미세한 재 둘다는 층 내에 더 축적되지 않는다. 층 내의 이러한 저 타르 탄소 및 미세한 재 부분에 의해, 제 2 단 가스화기 층은 본질적으로 대략 1700 ℃ 범위의 용융 온도들을 갖는 실리카 샌드와 같은 바람직한 굵은 재료로 제조된다. 이에 따라, 본 발명은 저 반응성 연료들로 고 탄소 변환들을 달성하도록 유동 층 원리들의 적용을 가능하게 하며, 이는 공지된 산업적 관행에서 아직 달성되지 않은 업적(feat)이다.
예시적인 실시예에서, 본 발명은 제 1 단 순환 유동 층 운반 가스화기, 다단 유동 층 합성 가스 냉각기, 저온 사이클론, PCD, 및 저온 사이클론으로부터 수집된 차르 탄소의 일 부분을 제 2 단 가스화기로 복귀시키기 위한 차르 탄소 복귀 시스템을 더 포함하는 단계화된 가스화 통합 공정(SGIP) 유동 체계에서 작동하는 저 반응성 탄소질 재료들을 위한 제 2 단 난류 유동 층 가스화 유닛을 포함한다.
SGIP 유동 체계에 있는 제 2 단 난류 유동 층 가스화 유닛은 공기, 부화 공기 또는 산소 취입 작동 모드들에서 고 탄소 변환들을 하는 저 반응성 석탄들, 석유 코크스 및 정유 잔여물들을 가스화한다.
바람직한 실시예에서, 새로운 가스 분배 시스템이 산화제 및 증기 가스 혼합물을 가스화기 내로 분배하기 위해 사용된다. 유동 층 작동시, 확실한 가스 주입 및 분배가 중요하다. 바람직한 실시예에서 분배기의 조립체는 제 2 단 가스화기 층 재료들에 의해 막히는 매우 낮은 가능성을 갖는다. 비정상적인 사건에 의해 막히는 경우조차, 본 발명의 분배기 조립체는 작동 동안 세정될 수 있다. 가스 분배기 조립체의 바람직한 실시예에서, 가스 분배기는 각각의 파이프로의 독립 가스 공급원을 구비한 동심 파이프 조립체와 연통된다. 내부 파이프를 통한 가스 유동은 고형물 입자들이 막힌 재료의 노즐을 통하여 유동하고 이 노즐을 뚫는 것을 허용하도록 역전될 수 있다.
분배기 조립체가 내화부에 매립될 때, 분배기 조립체 및 분배기 조립체로부터의 주입 포트들이 내화 물질에 의해 부식 및 과열로부터 층 재료로부터 보호된다. 동심 파이프 조립체는 단일 노즐로서 용기 외피를 통과하여 산화제와 증기 혼합물이 3개 또는 그 초과의 포트들을 통하여 유동 층 내로 분배될 수 있는 내화부 내에 매립된 가스 분배기에 연결된다. 이 같은 혁신적인 배열은 용기 외피를 관통하는 몇 개의 노즐들을 가지고 다수의 주입 포트들을 통한 가스의 분배를 용이하게 한다.
본 발명은, 실현 가능하다면, 무연탄 및 석유 코크스 타입 연료들로 대략 95%의 최소 전체 탄소 변환율 및 저 반응성 역청탄 타입 연료들로 대략 98%의 변환율을 달성할 수 있다. 대략 30 내지 1000 psia의 범위의 압력들에서 유동 층 원리들 하의 고온들에서 제 2 단을 작동시킴으로써 대략 45 중량% 까지 비교적 높은 양의 재 또는 오염성 재 무기물들을 함유하거나 저 산화제 및 증기 소모들을 하는 높은 재 융합 온도들을 가지는 연료들의 처리를 가능하게 할 수 있다.
제 1 단은 공급 재료에 따라 대략 60 내지 80%의 탄소 변환율을 달성하는 대략 800 내지 1100 ℃의 범위에서 작동하는 순환하는 유동 층 운반 가스화기일 수 있다. 제 1 단 가스화기에서 순환하는 층 재료는 대략 80 내지 120 미크론 범위의 중간 크기를 가질 수 있다.
제 1 단 가스화기로부터 배출되고 제 2 단 가스화기에 접선 방향으로 유입되는 합성 가스는 타르 및 연행된 차르 탄소 형태의 상당한 탄소 부분을 가질 수 있다. 또한, 제 2 단으로의 합성 가스는 또한 차르 탄소를 구비한 연행된 미세한 재 입자들 및 대략 0 내지 50 미크론 범위의 미세한 재 입자들을 함유할 수 있다.
제 2 단 가스화 유닛은 가스화기, 합성 가스 조절 장치(STD), 사이클론 및 이의 다이플레그 및 다이플레그 고형물들을 다시 가스화기로 재순환시키기 위한 L자형 레그를 포함할 수 있다.
제 2 단 가스화기는 층의 하부 부분 내로 그리고 층 위의 프리보드 구역에 부가 산화제 및 증기 주입을 하는 난류 유동 층 가스화기일 수 있다. 유동 층은 공급 재료의 재 융합 온도 아래 대략 50 ℃ 내지 100 ℃ 범위에서 그리고 대략 1400 ℃ 작동 온도까지 작동할 수 있다. 프리보드 구역은 층 온도 위로 대략 50 ℃ 내지 100 ℃ 범위에서 작동할 수 있다. 프리보드 구역은 철, 나트륨 및 칼륨과 같은 특정 재 무기물과 관련된 오염 문제들을 최소화하기 위해 주입된 석회석, 백운석 또는 고령토와 같은 흡착제들을 가질 수 있다.
제 2 단 가스화기 층 재료는 대략 100 내지 200 미크론의 범위의 실리카 샌드와 같은 불활성 고형물들로 제조될 수 있다. 제 2 단 가스화기에 유입되는 합성 가스 내에 연행된 미세물들은 변환되거나 적게 축적되면서 층 재료를 통과하고 이에 의해 클링커 형성에 대한 가능성을 최소화한다.
제 2 단 가스화기에서 가스 표면 속도는 난류 유동 체제에서 층을 유지하기 위해 대략 3 내지 12 ft/s의 범위에 있을 수 있다. 난류 유동 층을 밀집하게 유지하기 위해, 내부 고형물들 순환 용량은 밀집한 층로부터 배출하는 가스의 고형물 운반 용량보다 매우 더 높은 속도로 유지된다.
제 2 단 가스화기로부터 배출되는 합성 가스 내에 연행된 임의의 미세하게 용융된 재의 액적들은 바람직하게는 STD 냉각기 내에서 내부 순환하는 층 재료 상에 응축되고 고화되며 여기서 합성 가스 온도는 재 융합 온도 미만으로 대략 100 내지 150 ℃ 범위로 조절된다. 새로운 구성 층 재료는 STD 냉각기에 부가되고 더 크고 과도한 층 재료 입자들은 인출되고 가스화기로 다시 재순환되고 이 가스화기로부터 더 큰 층 입자들이 배출 및 방출된다.
제 2 단 가스화 유닛 내의 사이클론은 제 2 단 가스화기 및 STD 냉각기로부터 합성 가스와 함께 연행하는 층 재료의 작은 부분을 포획할 수 있고 이 포획된 고형물들은 가스화기로 다시 재순환된다. 미세한 재 및 임의의 미반응 차르 탄소는 사이클론을 통하여 하류 합성 가스 냉각기로 통과할 수 있다. 제 2 단 가스화 유닛의 사이클론의 부가는 낮은 결합 해제 높이 요건들에 의해 제 2 단 가스화기의 전체 높이를 감소시킬 수 있다.
제 2 단 가스화 유닛 내의 합성 가스는 SGIP 유동 체계에서 다단 합성 가스 냉각기 내에서 대략 250 내지 400 ℃의 범위의 온도로 냉각될 수 있다. 합성 가스는 미세한 재와 함께 미반응 탄소를 포획하기에 낮은 작동 온도에 의해 더 높은 효율을 가지고 제 3 단 냉각 사이클론으로 유동할 수 있으며 석유 코크스와 같은 변환하기 어려운 연료들을 가지고 대략 95 % 초과의 전체 탄소 변환율을 달성하도록 다시 제 2 단 가스화기로 탄소를 재순환할 수 있다.
PCD로부터 배출되는 합성 가스는 저 메탄 함량을 가지고 타르 및 분진 둘다 없으며 하류 화학물 합성 또는 파워 발새에 적합할 수 있다.
도 1은 고온의 제 2 단 유동 층 가스화 유닛을 이용하는 저 반응성 및 다른 연료들을 가스화하기 위한 단계식 가스화 통합 공정의 흐름도이다.
도 2는 합성 가스 조절 장치, 사이클론, 사이클론 다이플레그 및 고형물들을 다시 가스화기로 재순환시키기 위한 복귀 레그를 포함하는 제 2 단 가스화 유닛의 개략적인 실시예이다.
도 3은 고온의 제 2 단 유동 층 가스화기의 개략적인 실시예이다.
도 4는 제 2 단 유동 층 가스화기의 하부 섹션의 일 실시예이다.
도 5는 제 2 단 가스화기의 유체 층 섹션 내에 위치되는 산화제 및 증기 분배 노즐의 일 실시예이다.
본 발명의 다양한 실시예들의 원리들 및 특성들의 이해를 용이하게 하기 위해, 다양한 예시적인 실시예들이 이하에 설명된다. 비록 본 발명의 예시적인 실시예들이 상세하게 설명되지만, 다른 실시예들이 고려되는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명은 이후의 설명에 명시되거나 도면들에 예시된 구성요소들의 구성 및 배열의 세부 사항들로 그 범주가 제한되지는 않는다. 본 발명은 다른 실시예들을 가질 수 있고 다양한 방식들로 실시되거나 실행될 수 있다. 또한, 예시적인 실시예들의 설명에서, 구체적인 용어가 명쾌함을 위해 사용될 것이다.
명세서 및 첨부된 청구항들에서 사용될 때, 단수 형태들("a", "an" 및 "the")은 내용이 명백하게 다른 방식으로 서술되지 않는다면 복수의 대상들을 포함하는 것에 또한 반드시 주의해야 한다. 예컨대, 구성요소에 대한 참조는 복수의 구성요소들의 합성물을 또한 포함하려는 것이다. "a" 를 갖는 성분을 함유하는 합성물에 대한 참조는 언급된 성분 외에 다른 성분들을 포함하려는 것이다.
또한, 예시적인 실시예들의 설명에서, 용어가 명쾌함을 위해 사용될 것이다. 각각의 용어는 당업자에 의해 이해되는 그의 가장 넓은 의미로 고려되고 유사한 목적을 달성하기 위해 유사한 방식으로 작동하는 모든 기술적 동등물들을 포함하려는 것이다.
범위들은 본원에서 "약" 또는 "대략" 또는 "실질적으로" 하나의 특별한 값 및/또는 "약" 또는 "대략" 또는 "실질적으로" 다른 특별한 값으로서 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현될 때, 다른 예시적인 실시예들은 하나의 특별한 값으로부터 및/또는 다른 특별한 값까지 포함한다.
유사하게는, 본원에 사용될 때, "실질적으로 자유로운" 무엇, 또는 "실질적으로 순수한" 등의 특징들은 "적어도 실질적으로 자유로운" 무엇, 또는 "적어도 실질적으로 순수한", 그리고 "완전히 자유로운" 무엇, 또는 "완전히 순수한" 것 모두를 포함할 수 있다.
"포함하는(comprising)" 또는 "함유하는(containing)" 또는 "포함하는(including)"에 의해 적어도 언급된 복합물, 요소, 입자 또는 방법 단계가 합성물 또는 물품 또는 방법에 존재하지만, 다른 복합물, 재료들, 입자들, 방법 단계들이 언급된 것과 동일한 기능을 갖는다 하더라도 이러한 다른 복합물, 재료들, 입자들, 방법 단계들의 존재를 배제하지 않는 것을 의미한다.
하나 또는 그 초과의 방법 단계들의 언급은 명백하게 확인된 이러한 단계들 사이에 부가적인 방법 단계들 또는 사이에 있는 방법 단계들의 존재를 불가능하게 하지 않는 것이 또한 이해되어야 한다. 유사하게, 합성물 내의 하나 또는 그 초과의 성분들의 언급은 명백하게 확인된 이러한 성분들 외의 부가적인 성분들의 존재를 불가능하게 하지 않는 것이 또한 이해되어야 한다.
본 발명의 다양한 요소들을 구성할 때 설명된 재료들은 예시적인 것이지 제한적인 것이 아닌 것으로 의도된다. 본원에 설명된 재료들과 동일하거나 유사한 기능을 수행하는 많은 적절한 재료들이 본 발명의 범주 내에 포함되어야 한다. 본원에 설명되지 않은 이러한 다른 재료들은 예컨대 본 발명의 개발 시점 후에 개발되는 재료들을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 예시적인 실시예에서, 다양한 탄소질 물질들을 가스화하고 합성 가스에서 고정된 양의 황화수소(H2S)를 갖는 무분진 및 무 타르 합성 가스를 생성하기 위한 제 2 단 가스화 유닛 공정, 장치 및 작동 방법이 개시된다. 여기서 사용된 바와 같이, 탄소질 물질들, 또는 연료들은 많은 양의 재, 높은 재 용융 온도, 또는 오염성 재 무기물을 갖는 저 반응성을 가지는 석탄들과 같은 처리하기 어려운 연료들을 포함한다. 예를 들면, 석탄 내의 재 함량은 대략 45 중량% 만큼 높을 수 있고 재 변형 온도는 대략 1050 ℃ 미만으로부터 대략 1500 ℃ 초과의 범위에 있을 수 있다.
이 같은 연료들을 가스화하기 위해, 도 1은 SGIP 유동 체계의 제 2 단 가스화 유닛(100)을 예시한다. 도 1에 제시된 실시예에서, SGIP 유동 체계의 제 2 단 가스화 유닛을 통합하기 위한 공정, 장치 및 방법들이 재 무기물 내에 상당한 양의 오염 성분을 함유할 수 있는 저 반응성 역청탄을 가스화하기 위해 이후 설명된다. 당업자는 모두 본 개시물의 사상 내에 있는 본원에서의 교시가 구성 및 처리 상태들에서 변화를 가진 다른 탄소질 연료들에 동일하게 적용가능하다는 것을 인정할 것이다.
SGIP 구현예는 예를 들면 이로써 인용에 의해 포함되는 미국 특허 제 7,771,585호의 교시들로부터 유도되는 하나의 스테이지의 프리솔터(presalter) 사이클론만을 구비한 순환 유동 층(CFB) 가스화기를 포함한다. 제 1 단 운반 가스화기는 바람직하게는 석탄들을 가스화하기 위한 재 초기 변형 온도 미만의 적어도 대략 120 ℃ 내지 150℃에서 작동한다. 석탄에 따라, 제 1 단 운반 가스화기의 작동 온도는 일반적으로 대략 800 내지 1100 ℃의 범위에 있다. 이 같은 낮은 작동 온도들은 순환하는 층 재료가 층 내에 클링커들을 형성하는 것을 회피하도록 제 1 단 가스화기에서 필요하다.
제 1 단의 낮은 작동 온도들은 연료에 따라 대략 60 내지 80% 범위의 낮은 탄소 변환율을 초래한다. 제 1 단 운반 가스화기에서, 공급 입자 질량의 중간 크기들은 바림직하게는 대략 150 내지 300 미크론 범위에 있으며 공급 입자들은 가스화기에서 신속한 가열시뿐만 아니라 순환 층에서 대략 80 내지 120 미크론 범위의 질량 중간 크기에 도달하도록 순환의 그라인딩 효과에 의해 통합 해제한다. 정상 작동 동안, 순환하는 고형물들(층 재료)이 본질적으로 공급 석탄으로부터 유래된 재 재료이다. 정유 잔여물들과 같은 매우 적은 재를 함유하는 공급 연료들을 위해, 층 재료는 대략 80 내지 120 미크론 범위의 실리카 샌드 또는 알루미나와 같은 불활성 고형물 입자들로 구성된다.
제 1 단 내의 고형물들의 재고를 유지하도록, 순환하는 고형물들의 일 부분이 연속적으로 인출하는 것이 필요하다. 미국 특허 출원 일련번호 제 13/936,457호에서 개시된 바와 같이, 제 1 단에서 단지 하나의 사이클론의 사용 및 프리솔터 사이클론 성능의 융통성은 제 1 단 가스화기로부터 배출하는 합성 가스와 함께 대략 0 내지 50 미크론 범위의 더 미세한 입자들의 연행을 허용한다. 더 미세한 입자들의 연행에 의해, 고형물들의 재고의 임의의 감소는 유동 층 합성 가스 냉각기로부터 더 차가운 고형물들의 부가에 의해 이루어질 수 있다.
제 1 및 제 2 단 가스화기들 둘다는 파워 발생을 위한 공기 취입 가스화 모드 또는 하류의 화학물 합성을 위한 산소 취입 가스화 모드에서 작동할 수 있다. 또한 공정은 파워 발생의 경제성들을 개선하기 위해 또는 암모니아 생산 공정을 위해 합성 가스 내의 적절한 질소 대 수소 비율을 제공하기 위해 부하 공기 모드에서 작동될 수 있다.
산화제(예를 들면, 공기, 산소 및/또는 부하 공기)는 공급 연료 특성들에 따라 대략 12 내지 50 ft/s 범위의 표면 가스 속도로 유지되는 제 1 단 운반 가스화기 라이저의 하부 부분에 도입된다. 제 1 단 운반 가스화기에서 클링커 형성 및 응집을 초래하는 고온점들을 제거하지 않는 경우, 상이한 높이들에 산화제 분포와 조합된 이 같은 가소 속도들 및 대략 800 내지 1100 ℃의 범위의 낮은 가스화 온도들에서 작동이 최소화된다.
저 반응성 연료들을 위한 석탄 변환이 운동학적으로 제어될 때, 전체 가스화기 높이는 비교적 낮으며 단지 하나의 단 사이클론에 의해, 제 1 단 운반 가스화기와 관련된 자본 비는 다수의 사이클론들을 구비한 단지 하나의 단에서 고 반응성 연료들을 처리하는 CFB 가스화기들 구비한 것보다 2단 가스화 시스템에서 매우 적다.
변환되지 않은 차르 탄소 입자들을 포함하는 연행된 더 미세한 입자들로 제 1 단 운반 가스화기로부터 배출하는 합성 가스는 대략 3 내지 12 ft/s의 표면 가스 속도의 범위에서 작동하는 난류 유동 층 제 2 단 가스화기(150)를 포함하는 도 2에서 도시된 제 2 단 고온 가스화 유닛(100)으로 유입된다. 유닛(100)은 STD(110), 사이클론(120) 및 이의 다이플레그(130), 및 비 기계적-L자형 밸브(140)를 더 포함하여 사이클론에 의해 수집된 고형물들을 제 2 단 가스화기(150)로 다시 재순환한다.
제 2 단 가스화기의 세부가 도 3 내지 도 5에 도시된다. 도 3 및 도 4를 특히 참조하면, 합성 가스 스트림(161)은 가스화기의 하부 섹션(160)에서 상이한 높이들에 위치된 다수의 하방으로 기울어진 노즐들을 통하여 제 2 단 가스화기로 접선 방향으로 유입한다. 가스화기의 하부 부분에서의 온도는 스트림(166 및 167)들을 통하여 상이한 높이들에서 부가 산화제 및 증기 주입에 의해 재 용융 온도보다 대략 50 내지 100 ℃ 낮은 범위로 유지된다. 제 2 단 가스화기에 유입하는 더 미세한 차르가 큰 표면적을 가지고 제 1 단 가스화기의 배출 온도(전형적으로 저 반응성 역청탄에 대해 전형적으로 대략 1000 ℃)에 있을 때, 차르 미세물들이 대략 1100 내지 1400 ℃의 범위 내에 있는 제 2 단 가스화기의 더 높은 작동 온도로 급속하게 가열된다. 차르 미세물들의 대 부분은 부분적으로 기상 제품들로 산화된다. 제 2 단 가스화기에 유입하는 상당한 양들의 타르가 기상 제품들로 변환된다.
제 2 단 가스화기 층 재료는 대략 100 내지 200 미크론의 크기 범위에서 실리카 모래 또는 알루미나와 같은 불활성 고형물 입자들을 포함한다. 제 1 단 가스화기로부터 합성 가스와 함께 제 2 단 가스화기에 유입하는 더 미세한 재 입자들은 전형적으로 일반적으로 대략 50 미크론의 상부 크기를 가지는 대략 10 미크론의 질량 평균 직경을 갖는다. 이 같은 더 미세한 재 입자들은 합성 가스 유동에 의해 연행된, 제 2 단 가스화기 층 재료를 통과하고 궁극적으로 하류의 분진 여과 유닛에 의한 최종적인 포획을 위해 스트림(121)(도 2)을 통하여 제 2 단 가스화 유닛으로부터 나온다.
도 3에 도시된 제 2 단 가스화기의 상부 섹션(180)의 유동 층 수준(181) 위의 프리보드 구역(182)으로의 변환되지 않은 탄소의 연행 및 상승된 온도에서의 작동에 의해, 층 내의 전체 탄소 함량은 대략 1 중량% 미만, 더 바람직하게는 대략 0.5 중량% 미만이 될 것이다. 층 내에 균일하게 분포된 이 같은 저 탄소 함량이 높은 작동 온도들에서 발생할 수 있는 클링커 형성을 최소화/회피한다. 또한, 대략 95% 이상의 전체 탄소 변환율을 달성하기에 필요한 층 온도 초과의 대략 50 ℃ 내지 100 ℃ 범위의 온도를 유지하는 동안 프리보드 구역 내의 노즐(184)을 통한 스트림(166)과 함께 산화제 및 증기 주입은 합성 가스 내의 거의 모두 남아 있는 타르 및 미세한 차르 입자들을 유용한 합성 가스 성분들로 변환한다. 프리보드 구역 내의 이 같은 산화제 및 증기 주입은 매우 낮은 반응성을 갖는 연료들에 대해 특히 유용하다.
도 3 내지 도 4에 도시된 제 2 단 가스화기(160)의 하부 섹션은 상이한 방위들로 합성 가스 입구 노즐들 바로 위에 위치된 분배기 조립체(170)를 통하여 주입되는 주 산화제와 증기 혼합물 스트림(166)과 90도 방위로 두 개의 상이한 높이들에 접선 방향의 합성 가스 입구 노즐(161)들을 갖는다. 탄소 변환을 증가시키고 산화제와 증기 혼합물을 더 균일하게 분배하기 위해, 부가 분배기 조립체(170)들이 도 3에 도시된 바와 같이 층에서 더 높은 높이에 위치된다. 도 5를 참조하면, 각각의 분배기 조립체(170)는 다수의 포트(173, 174, 및 175)들을 포함하며 이 포트들을 통하여 산화제와 증기 혼합물 스트림(166)이 가스화기 내로 주입되어 분배될 수 있다. 포트(173 내지 175)들이 내화부 내에 매립된다. 스트림(166)은 내부 파이프(172)를 통하여 뿐만 아니라 주위 파이프(171)를 통하여 유동한다. 포트들로의 대부분의 스트림(166) 유동은 내부 파이프(172)를 통과하는 작은 퍼지 유동과 함께 외부 파이프(171)를 통과한다. 외부 파이프(171)가 비정상 사건 동안 층 고형물들을 축적하여 포트들을 막는 경향이 있는 경우, 내부 파이프(172)를 통한 유동은 외부 파이프(171)를 통한 가스 유동을 유지하는 동안 반대로 될 수 있다. 이 같은 방법은 축적된 고형물들을 제거하는 수단을 제공하며 가스 유동이 포트들을 통하여 유지되는 것을 보장한다. 분배기 조립체의 내부 및 외부 파이프들 둘다는 높은 가스화기 온도들로부터 파이프 재료를 보호하는 절연 내화부 내에 매립된다.
도 5에 개시된 노즐과 산화제와 증기 혼합물 주입 배열체는 용기 외피를 관통하는 노즐들의 개수를 줄이면서 동시에 다수의 포트들을 통한 산화제와 증기 혼합물 스트림을 분배하는 목적을 달성한다. 이 같은 분배는 과도한 산화제 농도를 갖는 국부적인 고온점들에 의해 클링커 형성을 최소화/회피하기 위해 중요하다. 또한, 분배 배열체는 내화부 온전성을 상당히 개선하고 제조 비용을 줄인다. 비록 분배기 조립체(170)와 연통되는 단지 3개의 포트들만이 도 5에 도시되었지만, 유동 분야의 당업자는 바람직한 정도의 가스 분배를 달성하기 위해 각각의 분배기 조립체 내의 포트들의 개수를 부가하거나 빼는 것을 이해할 것이다. 가스화기 용량의 증가에 의해, 가스 분배기 조립체(170)들의 개수가 증가할 것이고, (각각의 조립체에서 173 내지 175와 같은) 포트들의 개수가 또한 증가할 것이다.
유동 층 내로의 가스의 분배 분야의 당업자는 도 5에 도시된 예시적인 가스 분배기 조립체의 장점들을 인정할 것이다. 대규모의 종래 유동 층들은 유동 층의 작동 상태들에 종속되는 층의 하부 섹션 내의 다양한 유형들의 분배 그리드 배열에 종속한다. 미국 특허 제 4,429,471호에서, 예를 들면 버블 캡 유형의 가스 분배기의 변형이 개시되었다. 구성 재료들이 연장된 기간들 동안 대략 1100 내지 1400 ℃ 범위의 작동 온도에 노출될 수 없기 때문에 이러한 유형들의 분배기들이 본 발명의 제 2 단 가스화기에 사용될 수 없다는 것이 명확하다. 다른 통상적으로 사용되는 분배기는 미국 특허 제 5,014,632호에 개시된 바와 같이 플레넘으로부터 층을 분리하기 위해 플레이트를 구비한 플레넘을 포함한다. 층 고형물들이 플레넘 내로 누출되는 것을 방지하기 위한 다양한 노력들에도 불구하고, 누출은 그럼에도 불구하고 일반적으로 발생하는데, 이는 플레넘 압력이 어디서든 균일하고 분배기 판 위의 주어진 횡단면에 걸친 유동 층 압력이 상당히 다르기 때문이다. 층의 중심이 벽 구역보다 약간 낮은 압력을 갖기 때문에, 고형물들은 벽 구역 근처의 노즐들로부터 플레넘 내로 누출된다. 미국 특허 제 4,532,108호는 내화부 내측에 주입 노즐을 설치하는 방법을 개시한다. 노즐들 모두가 상방으로 향할 때 이 같은 노즐들은 고형물들을 누출하기 쉽다. 유동 또는 이동에서의 어떠한 전복도 고형물들이 누출되어 노즐을 채우는 것을 유발할 것이다. 막힌 노즐들은 높은 고형물 온도들에 의해 파손되는 경향이 있다.
대조적으로, 도 5의 분배기 조립체(170)는 막히는 가능성을 최소화하는데, 이는 분배기 조립체 밖의 포트(173 내지 175)들이 모두 하방으로 기울어져서 중력에 의해 고형물들이 상방으로 유동하는 것을 어렵게 하기 때문이다. 또한, 내부의 더 작은 직경의 파이프(172) 내의 가스 압력이 외부 파이프(171)에서 보다 훨씬 더 높을 수 있다. 독립 가스 공급원들은 동심 파이프들 내의 압력이 가스화기 압력보다 상당히 더 높은 것을 보장한다. 부가 포트들이 가스화기의 크기 및 용량에 따라 필요한 만큼 부가될 수 있다. 부가 포트들에 의해, 가스화기 내의 내부 압력이 높이에 따라 상이함에 따라, 포트 직경들이 포트들 모두를 통하여 일정한 가스 속도를 제공하기 위한 크기를 가질 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 가스화기(160)의 하부 섹션은 또한 고형물들의 배출 노즐 근처의 임의의 잔류 차르 탄소의 부분적 산화를 보장하도록 합성 가스 입구 노즐들의 하부 높이 아래 중앙 및 부가 산화제 및 증기 혼합물 스트림(166) 주입 노즐(167)들을 갖는다. 가스화기에 수평 방향으로 유입하는 단지 하나의 노즐(167)이 도시되지만, 당업자는 다수 노즐(167)들이 상이한 높이들 및 방위들에서 가스화기의 기울어진 하부 섹션 상에 설치될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이 같은 노즐들 및 중앙 노즐을 통하여 그리고 가스화기의 상부 높이들에서 다수의 가스 분배기 조립체(170)와 조합하여 층 내로 산화제와 증기 가스 혼합물 주입은 산화제 및 증기가 층 도처에 균일하게 분배되는 것을 보장한다.
바람직한 일 실시예에서, 가스화기의 기울어진 하부 섹션 내의 분위기는 스트림(162)을 통하여 방출되는 저부의 재 내의 저 탄소 함량을 보장하기 위해 약간 산소 부화 상태이다. 미세한 용융 재 액적들의 응축 및 층 재료들과의 후속하는 반응에 의한 과잉 층 재료, 응집된 고형물들 또는 더 큰 입자들이 스트림(162)으로서 인출된다. 공기가 잘 통하는 유동 층에 의해, 이 같이 더 큰 입자들은 가라앉아서 저부 배출부 근처에 축적되고 고형물들의 배출은 기울어진 내화부 섹션에 의해 더 용이하게 된다. 또한, 층 재료가 배출되는 것을 방지하기 위해, 방출 노즐의 목부는 대략 15 내지 35 ft/s 범위의 목부 속도로 통기될 수 있다. 내화부(168 및 169)의 두 개의 레이어(layer)들을 가지는 가스화기가 도시된다. 레이어(168)는 높은 가스화기 온도로부터 탄소 강 외피를 절연한다. 탄소 강 외피는 산로(acid dew) 응축 및 관련된 부식을 최소화/방지하기 위해 대략 120 내지 150 ℃의 온도 범위로 유지된다. 절연 레이어(168)가 부드럽기 때문에, 절연 레이어는 부식 억제 내화 레이어(169)로 보호된다.
사이클론 다이플레그(130) 및 비 기계적 L자형 밸브(140)로부터의 재순환 고형물들은 제 2 단 가스화기에 스트림(141)으로서 유입되고 중앙 제트(도 4)를 통하여 층 재료와 혼합된다. 재순환 고형물들이 본질적으로 어떠한 차르 탄소 없는 층 재료이기 때문에, 도 2의 L자형 레그(140)는 가스화기 내로의 고형물들의 유동을 보조하기 위하여 산화제와 증기 혼합물로 통기될 수 있다.
합성 가스 공급 스트림들의 접선 방향 입구, 140을 통한 재순환 고형물들의 스트림 및 가스화기의 하부의 기울어진 섹션에 있는 노즐(167)들을 통한 산화제 및 증기 혼합 주입에 의해 구역(164) 내의 층의 충분한 내부 난류 혼합에 부가하여, 대략 10 내지 15 피트의 범위의 유동 층 수준은 제 2 단에 유입하는 차르의 상당한 부분을 부분적으로 산화시키기 위해 그리고 또한 차르 가스화 반응들을 증진하기 위해 필요한 체류 시간들을 제공하기 위해 유지된다. 제 2 단 가스화기 내의 고형물들의 수준 위의 프리보드 높이는 대략 10 내지 20 피트의 범위 내에 있다.
프리보드 높이가 배출하는 합성 가스로부터 층 재료의 총 결합 해제를 위해 충분하지 않기 때문에, 제 2 단 가스화 유닛에서 도 2에 도시된 바와 같은 사이클론(120)은 합성 가스와 함께 연행하는 층 재료의 작은 부분을 포획하여 재순환하기 위해 제공된다. 대략 3 내지 6 ft/s의 범위의 하부 작동 가스 속도들에서, 포획되어 제 2 단 가스화기 내의 고형물들의 재고들로 다시 재순환되는 층 재료의 비율은 통상적으로 대략 0.2 내지 0.7 범위에 있다. 이러한 비율은 비교적 낮은 작동 온도들에서 가스화를 위한 큰 고형물들 순환 속도들에 의존하는 제 1 단 운반 가스화기에서 100 초과의 유사한 비율에 비해 비교적 작다. 제 2 단 사이클론(120)의 부가는 결합 해제 높이 및 이에 따라 제 2 단 가스화기의 전체 높이를 상당히 감소시키고, 시스템 내의 고형물들의 재고를 유지하기 위한 수단을 제공한다. 사이클론으로의 입구 스트림의 미세한 재 및 변환되지 않는 차르 탄소는 하류 유닛들에서 냉각 및 여과를 위해 합성 가스와 함께 사이클론으로부터 배출된다.
도 3의 제 2 단 가스화기(150)의 구역(164, 165, 및 182)들에서 높이를 따라 바람직한 온도 및 온도 프로파일들은 배출 섹션 내의 관통 노즐(167)들, 하부 및 상부 층 섹션들에서 분배기 조립체(170)들 및 가스화기의 프리보드 구역의 노즐(184)에 유입하는 산화제와 증기 혼합물(166)의 양을 제어함으로써 유지될 수 있다. 다른 섹션들에 비해 가스화기의 임의의 하나의 섹션에 대한 산화제 요건들이 낮은 경우, 상기 섹션에 대한 가스 스트림의 증기-대-산소 비율은 노즐(또는 포트)를 통한 일정한 가스 속도를 유지하기 위해 증가될 수 있다. 산화제와 증기 혼합물 유동은 가스화기를 통한 합성 가스 유동에 비해 대략 10% 미만이다. 결과적으로, 층 재료의 유동 및 난류 혼합은 가스화기에 유입하는 합성 가스 스트림(161)으로 달성된다. 층 내의 잔류 차르 탄소 함량의 대략 1 중량% 미만, 층 내의 미세한 재 함량의 대략 5 중량% 미만의 가스화기의 상이한 구역에서의 노즐들 및 포트들을 통한 산화제와 증기 혼합물의 분배 및 가스화기에 유입하는 합성 가스 스트림에 의한 층의 난류 혼합은 심지어 대략 1100 내지 1400 ℃ 범위로 작동하는 유동 층에 의해 클링커 형성을 방지한다.
대략 800 내지 1100 ℃로 도 3의 제 2 단 가스화기(150)에 유입하는 합성 가스 스트림은 주 성분으로서 일산화탄소, 수소, 이산화탄소, 습기, 및 메탄을 포함한다. 상당한 양의 탄소는 증기 형태의 타르 및 고형물 형태의 차르 탄소로서 합성 가스 내에 존재한다. 차르 및 타르 성분 부분들은 유용한 합성 가스 성분들로 변환될 것이 필요하다. 이 같은 변환은 대략 1100 내지 1400 ℃ 범위의 상승된 작동 온도들에서만 실행가능하다. 제 2 단 가스화기 내의 다양한 위치들에 산화제와 증기 혼합물 스트림(166)을 주입함으로써, 합성 가스 온도는 차르 및 타르 성분들의 부분적인 산화를 통하여, 그리고 또한 합성 가스 성분들의 작은 부분의 산화를 통하여 바람직한 상승된 작동 온도로 증가된다. 대략 1100 내지 1400 ℃ 범위의 상승된 작동 온도는 타르 및 차르 가스화 반응들의 열적 균열 및 타르 균열로부터 초래하는 탄화수소들의 증기 재형성을 상당히 증진시킨다. 상승된 온도들에 의한 더 빠른 동특성에 의해, 부분 산화, 균열, 가스화 및 재형성 반응들은 더 높은 작동 온도들을 얻기 위해 초기에 소모된 완전 산화보다 더욱 더 유용한 합성 가스 성분들을 생성한다. 상승된 온도 작동은 또한 증기 재형성을 통하여 합성 가스 내의 메탄 부분을 감소시킨다. 가스화기 내의 다양한 반응들과 관계없이, 제 2 단 가스화 유닛의 출구에서의 합성 가스 조성은 재료 및 에너지 균형들 및 이동 반응 평형에 의해 용이하게 결정될 수 있다. 이에 따라, 제 1 단에 대한 공급 연료의 대략 95% 초과의 탄소가 유용한 합성 가스 성분들로 변환된다.
석회석 또는 백운석과 같은 흡착제 재료는 제 2 단 가스화기의 프리보드 구역(182)에 스트림(183)을 통해 주입될 수 있다. 철과 같은 상당한 양으로 존재하는 재 무기물이 오염을 유발할 수 있으면, 충분한 양의 석회석 또는 백운석은 철-대-칼슘 비율을 대략 0.3 미만으로 감소시키기 위해 첨가되어 오염 가능성들을 최소화한다. 석회석 흡착제는 또한 합성 가스 내의 황 성분들을 부분적으로 포획하고, 이 같은 포획은 하류의 산성 가스 제거 유닛의 자본 비용 및 작동 에너지 비용 둘다를 감소시킨다.
고령토와 같은 다른 흡착제들은 스트림(183)을 통해 첨가될 수 있어 오염성 재 무기물들이 석탄 재 내에 상당한 양들로 존재할 때 오염성 재 무기물들의 나트륨 및 칼륨과 반응한다.
더 높은 차르 탄소 및 타르 변환들을 달성하도록, 프리보드 구역(182) 온도는 재 융합 온도와 관계없이 층 온도 초과의 적어도 대략 50 ℃이다. 이 같은 고온들에서의 작동은 국부적 온도 편차들에 의해 미세한 용융 재 액적들의 작은 부분을 형성하는 경향이 있다. 흡착제 주입 스트림(183)은 응축, 반응 및 고형화를 통하여 미세한 용융 재 액적들의 일 부분을 포획할 수 있다.
프리보드 구역이 대략 95% 초과의 전체 탄소 변환율을 달성하도록 저 반응성 연료들에 대한 재 용융 온도 근처에서 또는 초과하여 작동하는 것이 필요할 수 있기 때문에, 미세 용융 재 액적들은 도 3의 스트림(185)으로서 제 2 단 가스화기로부터 배출되는 합성 가스와 함께 연행될 수 있다. 도 2의 제 2 단 가스화 유닛 공정 내의 STD(110)에 의해, 미세 용융 재 액적들이 응축되어 STD 냉각기 내의 비교적 더 차가운 내부 순환 입자들 상에 고형화될 것이다. STD 냉각기는 석탄 재 초기 연화 온도에 따라 대략 100 내지 150 ℃ 범위의 합성 가스를 냉각하고, 추가 재 입자 연화 및 사이클론 벽으로의 고착을 제한/방지한다. STD 냉각기는 연화되는 오염성 재 입자들의 제거에 따라 하류의 다단 합성 가스 냉각기의 성능을 증가시킨다. 바람직한 경우, STD 냉각기 내의 부가 열 전달 표면들에 의해, 하류의 다단 합성 가스 냉각기 상의 냉각 부하가 감소될 수 있다.
제 2 단 가스화기(150)의 상부 부분으로부터 배출되는 연행된 미세물들을 구비한 합성 가스 스트림(185)은 분출 층를 형성하도록 냉각기로 내로 분사된 합성 가스와 함께 L자형 레그 배열체(111)를 통하여 STD 냉각기(110)에 유입한다. 냉각기의 저부에서 이 같은 입구의 L자형 레그 배열체는 이동 또는 차단 동안 냉각기 내의 층 수준(199) 및 고형물들의 재고를 유지한다.
도 2에 도시된 바와 같이, STD 냉각기는 분출된 제트 작용으로부터 역류하는 고형물들과의 접촉을 유지하는 열 전달 표면(113)을 갖는다. 이는 냉각기 튜브가 합성 가스와 직접 접촉하지 않기 때문에 열 전달 표면들의 부식뿐만 아니라 오염을 최소화/제거한다. STD 냉각기가 대략 100 내지 150 ℃ 범위로 합성 가스 온도를 낮추기 때문에, 이 같은 냉각은 냉각수 스트림(114)과의 최소 열 전달 표면(113)으로 달성된다. STD 냉각기는 또한 관성 분리를 통하여 층 고형물들의 연행을 최소화하는 도립형 모자 배열체(115)를 갖는다.
층 재료 상의 미세 용융 재 액적들의 응축 및 고형화에 대해, 내부 순환하는 더 큰 입자들 또는 과잉 층 재료는 다른 L자형 레그 배열에 의해 냉각기로부터 스트림(117)을 통하여 제 2 단 가스화기로 주기적으로 또는 연속적으로 제거될 수 있다. 필요한 경우 스트림(117)으로서의 입자들의 유동은 불활성 가스(118)로 고형물들의 스트림을 통기시킴으로써 용이하게 된다. 입자 스트림(117)은 사이클론 다이플레그(130)로부터의 고형물들과 혼합되어 140개의 L자형 레그를 통하여 가스화기로 다시 재순환된다. 층 재료 상의 응축된 재 입자들 중 일부가 느슨하게 결속되기 때문에, 느슨한 응집물이 제 2 단 가스화기 또는 STD 냉각기에서 마모되며, 미세한 재가 스트림(112)을 통하여 합성 가스와 함께 냉각기로부터 배출된다. 남아있는 더 큰 마모되지 않은 입자들은 스트림(162)을 통하여 제 2 단 가스화기로부터 방출될 수 있다.
STD 냉각기의 층 수준(119) 및 고형물들의 재고가 도 2에 도시된 바와 같이 스트림(116)을 통하여 필요한 만큼, 구성하는 층 재료를 첨가함으로써 유지된다. 제 2 단 가스화기(150) 내의 고형물들의 재고는 또한 스트림(116)을 통하여 구성하는 층 재료를 STD 냉각기에 첨가되고 제 2 단 가스화기로의 STD 냉각기 내의 과잉 고형물들이 스트림(117)을 통하여 사이클론 다이플레그(130)로 이동시킴으로써 그리고 L자형 레그(140) 내의 고형물들을 통기시킴으로써 필요한 만큼 유지될 수 있다. 스트림(116)을 통하여 구성하는 층 재료의 첨가, 배출부(162)를 통한 더 큰 입자들의 제거 및 하나의 용기로부터 다른 용기로 과잉 재고의 이동에 의해, 층 재료 재고들이 111, 117 및 사이클론(120) 및 이의 다이플레그(130)를 통하여 상호 연결될 때, 층 재료 재고들은 가스화기 및 STD 냉각기 둘다에 용이하게 유지될 수 있다.
STD 냉각기(110)는 유입하는 합성 가스 및 연행된 재료들의 스트림(185) 온도를 냉각기에 유입하는 합성 가스 스트림 내의 임의의 미세한 용융 재 액적들을 응축하고 고형화하기에 충분한 대략 100 내지 150 ℃의 범위로 조절한다. STD 냉각기로부터 배출되는 합성 가스 스트림(112)은 미세한 재 및 임의의 남아 있는 변환되지 않은 차르 탄소와 함께 층 재료의 작은 부분을 연행한다. 합성 가스 내의 층 재료 부분이 미세한 재 및 임의의 변환되지 않은 차르 탄소보다 더 많이 굵을 때, 도 2의 제 2 단 사이클론(120)은 더 굵은 부분을 포획하고 고형물들을 L자형 레그(140) 및 다이플레그(130)를 통하여 제 2 단 가스화기(150)로 다시 재순환시킨다. 포획되고 가스화기(150) 내의 고형물들의 재고로 다시 재순환하는 더 굵은 고체들의 비율이 작기 때문에, 대략 100 내지 150 ℃의 냉각기 연행 고형물들의 재순환은 본질적으로 가스화기 내의 층 온도에 영향을 미치지 않는다.
도 2에 도시된 제 2 단 유동 층 가스화기(150)는 본질적으로 고정된 난류 유동 층일 수 있거나 상당한 고형물들의 순환이 가스화기 내의 표면 가스 속도에 종속될 수 있다. 제 2 단 사이클론(120)의 포함은 제 2 단 가스화기(150)의 전체 높이를 층 재료의 대략 10 내지 15 피트로부터 그리고 프리보드 구역의 대략 15 내지 20 피트로부터 대략 40 피트 미만으로 감소시킨다. 실시예에서 제 2 단 사이클론 없이, 프리보드 구역이 배출하는 합성 가스로부터 층 재료의 총 결합 분리를 달성하고 이에 따라 가스화기 내에 층 재료의 재고를 유지하도록 상당히 더 클 것이 필요하기 때문에 가스화기의 전체 높이가 훨씬 더 클 것이다.
도 1의 SGIP 유동 체계의 통합 공정에서 다단 유동 층 합성 가스 냉각기를 결합함으로서, 냉각기는 합성 가스를 대략 1000 ℃ 초과의 온도로 취급할 수 있어, 합성 가스가 열 전달 표면들과 직접 접촉하지 않을 때 연관(fire tube) 열 교환기의 한계들을 극복한다. 도 1에 도시된 SGIP 유동 체계에서, 대략 250 내지 400 ℃의 범위의 냉각기로부터의 합성 가스는 "차가운" 제 3 단 사이클론으로 유동한다(용어 "차가운(cold)"은 여기서 다단 합성 가스 냉각기의 하류의 장비 및 공정들에 인용되고, 용어 "뜨거운(hot)"은 냉각기의 상류에 인용할 것이고; 제 1 및 제 2 단 가스 사이클론들은 각각 제 1 단 순환 유동 층 운반 가스화기 루프 및 제 2 단 가스화 유닛으로 구성된다). 상대적인 냉각기 온도들에서 작동하는 제 3 사이클론의 효율은 '뜨거운' 사이클론들보다 상당히 더 높다. 필요할 때, 제 3 단 사이클론으로부터 미세한 고형물들의 스트림은 다시 제 2 단 가스화기의 입구로 재순환될 수 있어 바람직한 전체 탄소 변환을 달성한다. 공정에서 미세물들의 축적을 회피하도록, 퍼지 스트림은 사이클론 미세물들을 방출하고 최종 처분 전에 냉각 및 감압을 위한 PCD 미세물들과 방출 스트림을 조합한다.
제 2 단 가스화 유닛 및 SGIP 유동 체계는 공기-, 부화 공기-, 및 산소-취입 모드들을 작동시킬 수 있다. 공기-취입 및 부화 공기-취입 모드들은 파워 발생에 유리하다. 역청탄의 약 5000 톤/일을 소비하는 최대 대략 600 MWe의 대형 파워 발생 유닛들은 공장에서 제조될 수 있고 다수의 평행한 제 1- 및 제 2-단 가스화기의 필요성 없이 설치 및 더 높은 압력으로 작동을 위한 장소로 운반될 수 있다.
개시된 제 2 단 가스화 유닛 및 SGIP 유동 체계는 중합체들을 포함하는 다수의 상이한 화학물들로 하류 합성을 위한 합성 가스를 발생하기 위한 산소-취입 모드에서 작동할 수 있다. 탄소 변환을 개선하기 위한 제 2 단 가스화 유닛의 첨가는 산소 소모가 낮을 때 저 반응성 역청탄 가스화로부터 생성된 1000 scm(standard cubic meters)의 일산화탄소 및 수소 당 대략 350 내지 400 scm의 범위에서 다른 가스화 공정들에 비해 특히 유리하다. 석탄 소모가 1000 scm의 생성된 일산화탄소 및 수소 당 건조 석탄의 대략 500 내지 550 kg의 범위에서 또한 낮다. 하위 발열량은 대략 0.25 내지 0.35 증기-대-석탄 질량 비율의 범위에서 저 증기 소모에 의해 합성 가스의 대략 8.5 내지 10 MJ/scm의 범위 내에 있다. 낮은 탄소 변환 외에, 전형적인 유동 층 가스화기들이 작동 온도로 제한될 때 전형적인 유동 층 가스화기들이 상당한 양들의 메탄을 생성하다. 메탄은 일산화탄소 및 수소로부터 화학물들을 합성하기에 유용하지 않다. 본원의 제 2 단 가스화기의 더 높은 작동 온도들에 의해, 합성 가스의 메탄 함량은 대략 0.25 내지 0.5 몰 퍼센트의 범위에서 낮다.
탄소질 소스 재료 및 하류 공정 요건들에 따라 대략 30 내지 1000 psia의 범위에서, 도 1의 SGIP 유동 체계 및 도 2의 제 2 단 가스화 유닛은 넓은 범위의 압력들에 걸쳐 작동할 수 있다. 제 2 단 가스화 유닛 및 통합 공정은 공급 재료로서 저 반응성 역청탄이 주로 설명된다. 다른 공급 원료 재료를 가스화하기 위해 그리고 공기, 부화 공기 및 산소로 다른 작동 모드들로 작동하기 위해, 당업자는 개시된 통합 공정 체계의 사상 내에서 적절한 가스화기 구성들 및 작동을 위한 상태들을 선택할 수 있다.
다양한 특성들 및 장점들은 구조 및 기능의 세부 사항들과 함께, 전술된 설명에서 제시된다. 본 발명이 수 개의 형태들로 개시되지만, 특히 부분들의 형상, 크기 및 배열의 문제들에서 다수의 수정들, 첨가들, 및 삭제들이 본 발명의 사상 및 범위 및 다음의 청구항들에서 제시된 바와 같은 균등예들로부터 벗어남이 없이 본 발명에서 이루어질 수 있다는 것이 당업자들에게 명백하다. 따라서, 본 명세서에 첨부된 청구항들의 폭 및 범위 내에 있을 때 본원의 사상들에 의해 제안될 수 있는 바와 같이 다른 수정예들 또는 실시예들이 특별히 보유된다.

Claims (50)

  1. 제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 형성하는 제 1 단 가스화 유닛을 가지는 저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정에 유용한 제 2 단 가스화 유닛으로서, 상기 제 2 단 가스화 유닛은,
    제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림의 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림으로의 변환을 증진하기 위하여 1100℃ 내지 1400℃의 온도 범위의 제 1 작동 특성으로 작동하는 고온의 제 2 단 난류 유동 층(bed) 가스화기로서, 원하지 않는 종들의 제 2 단 농도가 원하지 않는 종들의 제 1 단 농도 미만인, 고온의 제 2 단 난류 유동 층(bed) 가스화기;
    제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림 온도를 조절하기 위한 합성 가스 조절 장치(syngas temperament device; STD); 및
    상기 STD를 통하여 유동하는 상기 제 2 단 난류 유동 층 가스화기로부터의 층 재료의 적어도 일 부분을 제 2 단 난류 유동 층 가스화기로 복귀시키는 층 재료 복귀부;를 포함하며,
    상기 제 2 단 난류 유동 층 가스화기는:
    층 재료 구역 내의 층 재료;
    상기 층 재료 구역 위의 프리보드 구역(freeboard region); 및
    상기 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 상기 제 2 단 합성 가스 스트림용 출구;를 포함하며,
    상기 제 2 단 가스화기는 95% 초과의 전체 탄소 변환율을 달성하고 저 반응성 연료들로부터의 제 2 단 합성 가스 스트림을 생성하는,
    저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정에 유용한 제 2 단 가스화 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 단 난류 유동 층 가스화기는, 상기 제 1 단 합성 가스 스트림의 상기 제 2 단 난류 유동 층 가스화기로의 도입을 위해 상기 제 2 단 난류 유동 층 가스화기의 층 재료 구역에 합성 가스 입구들을 가지며,
    상기 제 1 단 합성 가스 스트림은 상이한 높이들에서 상기 제 2 단 난류 유동 층 가스화기에 접선 방향으로 유입하여 제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 상기 제 2 단 난류 유동 층 가스화기의 층 재료 전반에 걸쳐서 분배한 균일 혼합된 난류 유동 층을 형성하는,
    저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정에 유용한 제 2 단 가스화 유닛.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 단 난류 유동 층 가스화기는 산화제와 증기 혼합물 스트림의 도입을 위해 상기 제 2 단 난류 유동 층 가스화기의 층 재료 구역에 산화제와 증기 혼합물 스트림 입구들을 갖는,
    저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정에 유용한 제 2 단 가스화 유닛.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 단 난류 유동 층 가스화기는 산화제와 증기 혼합물 스트림의 도입을 위해 상기 제 2 단 난류 유동 층 가스화기의 상기 프리보드 구역에 산화제와 증기 혼합물 스트림 입구들을 갖는,
    저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정에 유용한 제 2 단 가스화 유닛.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    산화제와 증기 혼합물 스트림의 도입을 위해 상기 제 2 단 난류 유동 층 가스화기의 층 재료 구역의 내화성 레이어(layer) 내에 매립된 분배기 조립체를 더 포함하는,
    저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정에 유용한 제 2 단 가스화 유닛.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 층 재료 구역의 높이는 10 내지 15 피트(feet)의 범위에 있고, 상기 프리보드 구역의 높이는 10 내지 20 피트의 범위에 있는,
    저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정에 유용한 제 2 단 가스화 유닛.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 단 난류 유동 층 가스화기는 특정 재 무기물들과 관련된 오염 문제들을 최소화하기 위한 하나 또는 둘 이상의 흡착제들의 도입을 위해 상기 제 2 단 난류 유동 층 가스화기의 프리보드 구역에 하나 이상의 흡착제 입구를 가지며,
    상기 층 재료 복귀부는:
    사이클론;
    다이플레그; 및
    L자형 레그 기구를 포함하는,
    저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정에 유용한 제 2 단 가스화 유닛.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 층 재료는 100 내지 200 미크론의 크기 범위를 가지는 불활성 입자들을 포함하는,
    저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정에 유용한 제 2 단 가스화 유닛.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 단 가스화기의 제 2 작동 특성은 상기 제 2 단 가스화기가 3 내지 12 ft/s의 가스 표면 속도 범위에서 작동하는 것이고, 상기 제 2 단 가스화기의 제 3 작동 특성은 제 2 단 가스화기가 30 내지 1000 psia의 압력 범위에서 작동하는 것인,
    저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정에 유용한 제 2 단 가스화 유닛.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 단 가스화기의 작동 특성들은 95% 초과의 전체 탄소 변환율을 달성하고 저 반응성 연료들로부터 무 타르 및 무분진 둘다의 제 2 단 합성 가스 스트림을 생성하는데 도움을 주는,
    저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정에 유용한 제 2 단 가스화 유닛.
  11. 저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정의 제 1 단 가스화 유닛에 의해 형성된 제 1 단 농도의 원하지 않는 종을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 조절하는 공정으로서, 상기 공정은,
    고온의 제 2 단 난류 유동 층(bed) 가스화기를 1100℃내지 1400℃의 온도 범위의 제 1 작동 특성으로 작동시키는 단계;
    제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을, 작동 특성들을 가지는 상기 고온의 제 2 단 난류 유동 층 가스화기에서 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림으로 변환하는 단계로서, 상기 제 2 단 난류 유동 층 가스화기는 층 재료 구역의 층 재료, 층 재료 구역 위의 프리보드 구역, 및 상기 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림용 출구를 포함하며, 상기 원하지 않는 종들의 제 2 단 농도는 상기 원하지 않는 종들의 제 1 단 농도 미만인, 단계;
    합성 가스 조절 장치(STD)에서 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림 온도를 조절하는 단계;
    상기 STD를 통하여 유동하는 상기 제 2 단 난류 유동 층 가스화기로부터의 층 재료의 적어도 일 부분을 제 2 단 난류 유동 층 가스화기로 복귀시키는 단계; 및
    제 1 단 합성 가스 스트림에서 95% 초과의 탄소를 변환하는 단계;를 포함하는,
    저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정의 제 1 단 가스화 유닛에 의해 형성된 제 1 단 농도의 원하지 않는 종을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 조절하는 공정.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 상기 제 2 단 난류 유동 층 가스화기의 층 재료 전반에 걸쳐서 분배한 균일 혼합된 유동 층을 형성하도록, 제 1 단 합성 가스 스트림을 상이한 높이들에서 상기 제 2 단 난류 유동 층 가스화기 내로 접선 방향으로 도입하는 단계를 더 포함하는,
    저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정의 제 1 단 가스화 유닛에 의해 형성된 제 1 단 농도의 원하지 않는 종을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 조절하는 공정.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 공정은, 탄소질 재료들을 포함하는 저 반응성 연료들을 가스화하는 합성 가스로의, 95% 초과의 탄소 변환율을 달성하는,
    저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정의 제 1 단 가스화 유닛에 의해 형성된 제 1 단 농도의 원하지 않는 종을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 조절하는 공정.
  14. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 단 난류 유동 층 가스화기의 프리보드 구역에 하나 이상의 흡착제를 도입하는 단계를 더 포함하며,
    상기 공정은 저 반응성 연료들로부터 무-타르(tar-free)의 제 2 단 합성 가스 스트림을 생성하는,
    저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정의 제 1 단 가스화 유닛에 의해 형성된 제 1 단 농도의 원하지 않는 종을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 조절하는 공정.
  15. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 공정은, 저 반응성 역청탄들을 포함하는 저 반응성 연료들을 가스화하는 합성 가스로의, 98% 초과의 탄소 변환율을 달성하는,
    저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정의 제 1 단 가스화 유닛에 의해 형성된 제 1 단 농도의 원하지 않는 종을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 조절하는 공정.
  16. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    3 내지 12 ft/s의 표면 속도 범위를 포함하는 제 2 작동 특성에서 제 2 단 난류 유동 층 가스화기를 작동하는 단계를 더 포함하는,
    저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정의 제 1 단 가스화 유닛에 의해 형성된 제 1 단 농도의 원하지 않는 종을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 조절하는 공정.
  17. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    30 내지 1000 psia의 압력 범위를 포함하는 제 3 작동 특성에서 제 2 단 난류 유동 층 가스화기를 작동시키는 단계를 더 포함하는,
    저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정의 제 1 단 가스화 유닛에 의해 형성된 제 1 단 농도의 원하지 않는 종을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 조절하는 공정.
  18. 저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정의 제 1 단 가스화 유닛에 의해 형성된 제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 스트림을 조절하는 공정으로서,
    제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을, 고온의 제 2 단 난류 유동 층 가스화기에서 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림으로 변환하는 단계로서, 상기 제 2 단 난류 유동 층 가스화기는 층 재료 구역 내의 층 재료, 층 재료 구역 위의 프리보드 구역, 및 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림용 출구를 포함하며, 상기 원하지 않는 종들의 제 2 단 농도가 상기 원하지 않는 종들의 제 1 단 농도 미만인, 단계,
    1100℃ 내지 1400℃의 범위에서 고온의 제 2 단 난류 유동 층 가스화기를 작동시키는 단계,
    3 내지 12 ft/s의 표면 속도 범위로 고온의 제 2 단 난류 유동 층 가스화기를 작동시키는 단계,
    30 내지 1000 psia의 범위에서 상기 고온의 제 2 단 난류 유동 층 가스화기를 작동시키는 단계,
    합성 가스 조절 장치(STD)에서 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림 온도를 조절하는 단계, 및
    STD를 통하여 유동하는 제 2 단 난류 유동 층 가스화기로부터의 층 재료의 적어도 일 부분을 제 2 단 난류 유동 층 가스화기로 복귀시키는 단계를 포함하며,
    상기 공정은 저 반응성 연료들을 가스화하는 합성 가스로의 95% 초과의 탄소 변환율을 달성하는,
    저 반응성 연료들용 통합형 가스화 공정의 제 1 단 가스화 유닛에 의해 형성된 제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 스트림을 조절하는 공정.
  19. 재 함량을 갖는 저 반응성 탄소질 연료들을 위한 가스화 시스템으로서,
    제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 생성하기 위해 저 반응성 탄소질 연료들과 산화제를 조합하는 제 1 단 가스화 유닛;
    제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림의 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림으로의 변환을 증진하기 위한 작동 특성들을 가지는 고온의 제 2 단 난류 유동 층 가스화기로서, 원하지 않는 종들의 제 2 단 농도가 원하지 않는 종들의 제 1 단 농도 미만인, 고온의 제 2 단 난류 유동 층 가스화기;
    상기 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림 온도를 조절하기 위한 합성 가스 조절 장치(STD); 및
    STD를 통하여 유동하는 제 2 단 난류 유동 층 가스화기로부터의 층 재료의 적어도 일 부분을 제 2 단 난류 유동 층 가스화기로 복귀시키기 위한 층 재료 복귀부;를 포함하며,
    상기 제 2 단 난류 유동 층 가스화기는:
    층 재료 구역 내의 층 재료;
    상기 층 재료 구역 위의 프리보드 구역; 및
    제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림용 출구를 포함하며,
    상기 제 2 단 가스화기의 제 1 작동 특성은 1100℃ 내지 1400℃의 범위에서 작동하여 45wt% 이하의 재 함량을 갖는 저 반응성 탄소질 연료들을 가스화하는 합성 가스로의 95% 초과의 탄소 변환율을 달성하는,
    재 함량을 갖는 저 반응성 탄소질 연료들을 위한 가스화 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 원하지 않는 종들은 차르 탄소(char carbon)를 포함하는,
    재 함량을 갖는 저 반응성 탄소질 연료들을 위한 가스화 시스템.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 원하지 않는 종들은 타르(tar)를 포함하는,
    재 함량을 갖는 저 반응성 탄소질 연료들을 위한 가스화 시스템.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 원하지 않는 종들은 재 미세물(ash fine)들을 포함하는,
    재 함량을 갖는 저 반응성 탄소질 연료들을 위한 가스화 시스템.
  23. 제 19 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은, 저 반응성 역청탄들을 포함하는 저 반응성 탄소질 연료들을 가스화하는 합성 가스로의, 98% 초과의 탄소 변환율을 달성하는,
    재 함량을 갖는 저 반응성 탄소질 연료들을 위한 가스화 시스템.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 단 가스화 유닛은, 작동하는 제 1 단 가스화 유닛 온도 범위, 작동하는 제 1 단 가스화 유닛 가스의 표면 속도 범위, 및 제 1 단 가스화 유닛의 출구에서 작동하는 제 1 단 가스화 유닛의 압력 범위를 포함하는 작동 특성을 가지며,
    상기 제 2 단 난류 유동 층(bed) 가스화기는, 작동하는 제 2 단 난류 유동 층(bed) 가스화기 표면 속도 범위, 및 제 2 단 난류 유동 층 가스화기의 출구에서 작동하는 제 2 단 난류 유동 층 가스화기 압력 범위를 포함하는 부가 작동 특성들을 가지는,
    재 함량을 갖는 저 반응성 탄소질 연료들을 위한 가스화 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 작동하는 제 2 단 난류 유동 층 가스화기 가스 표면 속도 범위는 3 내지 12 ft/s이며, 상기 작동하는 제 2 단 난류 유동 층 가스화기 압력 범위는 30 내지 1000 psia인,
    재 함량을 갖는 저 반응성 탄소질 연료들을 위한 가스화 시스템.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 작동하는 제 1 단 가스화 유닛 온도 범위는 800℃ 내지 1100℃인,
    재 함량을 갖는 저 반응성 탄소질 연료들을 위한 가스화 시스템.
  27. 제 19 항 내지 제 22 항 및 제 24 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층 재료는 100 내지 200 미크론의 크기 범위를 가지는 불활성 입자들을 포함하며 재 용융 온도 초과의 용융 온도를 가지는,
    재 함량을 갖는 저 반응성 탄소질 연료들을 위한 가스화 시스템.
  28. 저 반응성 연료들로부터 합성 가스를 생성하기 위한 공정으로서,
    제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을 생성하기 위해 제 1 유닛에서 저 반응성 연료들과 산화제를 조합하는 단계,
    제 1 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 1 단 합성 가스 스트림을, 층 재료를 가지는 제 2 단 난류 유동 층 가스화기인 제 2 유닛에서 제 2 단 농도의 원하지 않는 종들을 함유하는 제 2 단 합성 가스 스트림으로 변환하는 단계로서, 상기 원하지 않는 종들의 제 2 단 농도는 상기 원하지 않는 종들의 제 1 단 농도 미만인, 단계;
    제 2 단 난류 유동 층 가스화기를 1100℃ 내지 1400℃의 범위에서 작동시키는 단계;
    용융된 재 물방울을 응축하도록 제 3 유닛에서 제 2 단 합성 가스 스트림을 조절하는 단계; 및
    제 3 유닛을 통하여 유동하는 층 재료의 적어도 일 부분을 제 2 유닛으로 복귀시키는 단계;를 포함하고,
    상기 공정은, 45wt% 이하의 재 함량을 갖는 탄소질 재료를 포함하는 저 반응성 연료들을 가스화하는 합성 가스로의, 95% 초과의 탄소 변환율을 달성하는,
    저 반응성 연료들로부터 합성 가스를 생성하기 위한 공정.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 공정은 무연탄, 석유 코크스 및 정유 잔여물 타입 연료들 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 탄소질 재료들을 포함하는 저 반응성 연료들을 가스화하는 합성 가스로의 95% 초과의 탄소 변환율을 달성하는,
    저 반응성 연료들로부터 합성 가스를 생성하기 위한 공정.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 공정은, 공기, 부화 공기 및 산소 중 하나를 포함하는 산화제를 갖는 저 반응성 역청탄 유형 연료들을 포함하는 저 반응성 연료들을 가스화하는 합성 가스로의, 98% 초과의 탄소 변환율을 달성하는,
    저 반응성 연료들로부터 합성 가스를 생성하기 위한 공정.
  31. 제 28 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 유닛을 3 내지 12 ft/s의 표면 속도 범위에서 작동시키는 단계를 더 포함하는,
    저 반응성 연료들로부터 합성 가스를 생성하기 위한 공정.
  32. 제 28 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 유닛을 30 내지 1000 psia의 압력 범위에서 작동시키는 단계를 더 포함하는,
    저 반응성 연료들로부터 합성 가스를 생성하기 위한 공정.
  33. 제 28 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공정은 600 MWe까지 생성하고 운반 가능한 크기의 제 2 단 가스화기의 단일 유닛을 포함하는,
    저 반응성 연료들로부터 합성 가스를 생성하기 위한 공정.
  34. 제 28 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층 재료 전반에 걸쳐서 상기 원하지 않는 종들을 균일하게 분배하는 상기 층 재료의 균일 혼합된 유동 층을 형성하도록, 상기 제 1 단 합성 가스 스트림을, 상기 제 2 유닛의 상이한 높이들에서 상기 제 2 유닛 내로 접선 방향으로 도입하는 단계를 더 포함하는,
    저 반응성 연료들로부터 합성 가스를 생성하기 위한 공정.
  35. 제 28 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    산화제와 증기 혼합물 스트림을 상기 제 2 유닛의 상이한 높이들에서 상기 제 2 유닛 내로 도입하는 단계를 더 포함하는,
    저 반응성 연료들로부터 합성 가스를 생성하기 위한 공정.
  36. 제 28 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 유닛의 내화성 레이어 내에 매립된 분배기 조립체와 유체 연통하는 동심 파이프 노즐을 통하여, 산화제와 증기 혼합물 스트림을 상기 제 2 유닛 내로 도입하는 단계를 더 포함하는,
    저 반응성 연료들로부터 합성 가스를 생성하기 위한 공정.
  37. 제 28 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    특정 재 무기물들과 관련된 오염 문제들을 최소화하도록 제 2 단 난류 유동 층 가스화기의 프리보드 구역으로 하나 이상의 흡착제를 도입하는 단계를 더 포함하는,
    저 반응성 연료들로부터 합성 가스를 생성하기 위한 공정.
  38. 제 28 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 단 합성 가스 스트림으로 상기 제 3 유닛에서 센터 제트(center jet)를 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제 3 유닛은 합성 가스 조절 장치(syngas temperament device; STD)를 포함하는,
    저 반응성 연료들로부터 합성 가스를 생성하기 위한 공정.
  39. 제 28 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공정은 무-타르 및 무분진(dust-free) 둘다인 합성 가스로의 95% 초과의 탄소 변환율을 달성하는,
    저 반응성 연료들로부터 합성 가스를 생성하기 위한 공정.
  40. 제 28 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층 재료는 재 용융 온도들을 초과하는 용융 온도들로 100 내지 200 미크론의 크기 범위의 불활성 입자들을 포함하는,
    저 반응성 연료들로부터 합성 가스를 생성하기 위한 공정.
  41. 제 28 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 단 합성 가스 스트림은 0 내지 50 미크론의 범위의 미세한 연행 입자(entrained particle)들을 포함하고, 제 2 유닛의 층 재료에서의 차르(char) 탄소 변환시, 그리고 층 재료로부터 제 2 유닛의 프리보드 구역으로의 미-변환 차르 탄소 및 보다 미세한 재 입자들의 연행(entrainment)시, 상기 층 재료는 1 wt% 미만의 차르 탄소 및 5 wt% 미만의 미세한 재를 함유하는,
    저 반응성 연료들로부터 합성 가스를 생성하기 위한 공정.
  42. 제 28 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    1400℃ 이하의 층 재료 온도를 갖는 제 2 단 난류 유동 층 가스화기를 재의 재 용융 온도 미만의 50℃ 내지 100℃로 작동시키는 단계 및 응집물 및 클링커 형성을 방지하는 단계를 더 포함하는,
    저 반응성 연료들로부터 합성 가스를 생성하기 위한 공정.
  43. 제 28 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 단 합성 가스 스트림은 무-타르이고 0.25 내지 0.5 mole%의 범위 내의 메탄 함량을 가지는,
    저 반응성 연료들로부터 합성 가스를 생성하기 위한 공정.
  44. 제 28 항에 있어서,
    저 반응성 역청탄 가스화를 위해, 산소 소모가 낮으며 생성된 일산화 탄소 및 수소의 1000 scm 당 350 내지 400 scm의 범위에 있는,
    저 반응성 연료들로부터 합성 가스를 생성하기 위한 공정.
  45. 제 44 항에 있어서,
    저 반응성 역청탄 가스화를 위해, 석탄 소모가 낮으며 생성된 일산화 탄소 및 수소의 1000 scm 당 500 내지 550 kg의 건조 석탄의 범위에 있는,
    저 반응성 연료들로부터 합성 가스를 생성하기 위한 공정.
  46. 제 45 항에 있어서,
    저 반응성 역청탄 가스화를 위해, 증기 소모가 낮으며 0.25 내지 0.35 증기-대-석탄 질량비의 범위에 있으며, 배출되는 합성 가스의 하위 발열량(lower heating value)은 8.5 내지 10 MJ/scm의 범위에 있는,
    저 반응성 연료들로부터 합성 가스를 생성하기 위한 공정.
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