KR102495318B1 - 공급 물질의 가스화 및/또는 용융을 위한 반응기 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소질 공급원료 물질을 가스화하기 위한 방법 및 반응기에 관한 것이다. 상기 방법은 탄소질 공급원료 물질을 반응기의 열분해 구역으로 초크 공급하여 배출층을 형성하는 단계; 배출층을 가열함으로써 공급원료의 열분해를 개시하여 열분해 생성물을 형성하는 단계; 저위 상부 산화 구역을 제공하는 단계; 열분해 생성물을 가스화하여 탄화물층을 형성하는 단계; 열 에너지를 상부 환원 구역에서 화학 에너지로 변환하는 단계; 저위 산화 구역을 제공하는 단계; 하부 산화 구역에서 금속 슬래그 및/또는 슬래그 용융물을 수집하는 단계; 및 적어도 1300 ℃의 온도 및 ≥ 5, 보다 바람직하게는 ≥15의 CO/CO2 비율을 갖는 고온 환원 가스를 배출하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 물질을 가스화 및/또는 용융시키기 위한 방법 및 반응기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 모든 폐기물, 예를 들어 가정 폐기물, 중고 타이어, 유해 폐기물, 석면, 병원 폐기물, 석탄 또는 석탄 가루를 예로 들 수 있으나 이에 한정되지 않는 거의 물질 및/또는 에너지 회수에 관한 것이다. 상기 반응기 및 방법은 또한 임의 조성의 공급 물질의 가스화 및 용융 또는 폐기물 및/또는 석탄의 사용을 통한 에너지 생성에 적합하다.
지금까지 상당 기간동안 다양한 유형의 폐기물 및 기타 물질의 열 처리를 위한 해결책이 모색되었다. 연소 공정 외에도 다양한 가스화 공정이 알려져 있으며, 그 주요 목적은 환경에 오염 물질을 낮게 배출하면서 결과를 달성하고 공급 물질뿐만 아니라 공정에서 생성되는 가스를 처리하는 비용을 줄이는 것이다. 그러나, 알려진 공정은 마스터하기 어려운 복잡한 기술과 처리할 공급 물질 또는 폐기물에 대한 높은 폐기 처리 비용이 특징이다.
예를 들어, EP 1 261 827 B1호는 공급 물질의 가스화 및/또는 용융을 위한 반응기를 개시한다. 이 반응기는 기존에 빈번히 사용된 순환 가스 공정의 접근 방식을 따르지 않는다. 대조적으로, 개시된 반응기는 병류 원리에 따라 작동한다. 기존의 재순환 가스 관리를 완전히 제거함으로써 열분해 생성물의 응축 및 원치 않는 침착물 형성과 관련된 많은 문제를 방지할 수 있다. 또한, EP 1 261 827 B1호는 벌크 물질 (벌크 컬럼)의 충격과 같은 가열로 인해 이미 반응기 상부에서 공급 물질의 부분적인 응집이 일어나고, 이에 따라 반응기의 내벽 부착을 크게 차단시키는 것에 대해 개시한다. EP 1 261 827 B1호에서는 추출 전에 모든 가스가 통과하는 두 개의 주입 수단 사이에 환원 섹션이 형성되어 있어 이를 상당히 환원시키는 것으로 기술되어 있다.
EP 1 261 827 B1호에 개시된 반응기는 공급 물질을 상당히 환원시키지만, 반응기에서 배출되는 가스는 반응기의 출구 온도로 인해 환원 용융을 위한 야금 반응기에서 사용하기 위해 추가 가열 없이는 사용할 수 없다.
발명의 목적
따라서, 본 발명의 목적은 상기 언급된 단점을 적어도 부분적으로 극복하고/거나, 물질을 가스화 및/또는 용융시키기 위한 기존 반응기 및 방법에 대한 유용한 대안이 될, 물질을 가스화 및/또는 용융시키기 위한 신규 반응기 및 방법을 제공하는 것이다.
발명의 요약
본 발명의 제1 양태에 따라, 반응기를 사용하여 고온 환원 가스를 생성하기 위해 탄소질 공급원료 물질을 가스화하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:
- 슬루스 (sluice)를 통해 탄소질 공급원료 물질을 공급하여 반응기의 열분해 구역에 배출층 (discharge bed)을 형성하는 단계;
- 열분해 구역에서 배출층을 가열하여 탄소질 공급원료 물질에서 열분해를 개시하고 열분해 생성물을 형성하는 단계;
- 적어도 800 ℃의 온도에서 산소 공급원을 열분해 구역 아래 위치에서 반응기에 공급함으로써 반응기에 저위 고온 상부 산화 구역을 제공하는 단계;
- 열분해 생성물 및 존재하는 경우 열분해되지 않은 잔류 탄소질 공급원료 물질을 고온 상부 산화 구역에서 가스화하여 반응기의 상부 환원 구역에 탄화물층을 형성하는 단계 - 상기 상부 환원 구역은 고온 상부 산화 구역 아래에 위치함;
- 상부 환원 구역에서 열 에너지를 화학 에너지로 변환시키는 단계;
- 적어도 800 ℃의 온도에서 산소 공급원을 반응기의 하부 환원 구역 아래 위치에서 반응기에 공급함으로써 반응기에 저위 고온 하부 산화 구역을 제공하는 단계;
- 하부 산화 구역에 존재하는 임의의 금속 및/또는 슬래그 용융물을 수집하는 단계;
- 하부 산화 구역에 존재하는 금속 및/또는 슬래그 용융물을 제거하는 단계; 및
- 상부 환원 구역에서 발생하는 온도가 적어도 1300 ℃이고 CO/CO2 비가 5 이상인 고온 환원 가스를 배출 반응기의 상부 환원 구역과 하부 환원 구역 사이에 위치해 있는 반응기의 가스 출구 섹션에 배치된 가스 출구를 통해 배출하는 단계.
산소 공급원은 공기 또는 순산소 (pure oxygen)일 수 있다.
하부 산화 구역에 존재하는 금속 및/또는 슬래그 용융물은 금속 및/또는 슬래그 용융물을 탬핑하여 하부 산화 구역으로부터 제거될 수 있다.
고온 환원 가스는 ≥15의 CO/CO2 비를 갖도록 배출된다.
방법은 탄소질 공급원료 물질에서 열분해를 시작하고 열분해 생성물을 형성하기 위해 열분해 구역에 고온 가스 (예를 들어, 버너 또는 노즐을 통해 공급되는 예열된 공기 또는 연소 가스)를 제공하는 추가 단계를 포함할 수 있다.
열분해 구역의 배출층을 적어도 700 ℃의 온도까지 점진적으로 가열하도록 제공되며, 온도는 탄소질 공급원료 물질과 열분해 생성물의 분해를 방지하기 위해 점차적으로 증가된다. 유리하게는, 이는 미세 또는 분말 탄소질 공급원료 물질, 열분해 생성물 및 반응기를 막히게 할 수 있는 탄화물의 형성을 방지한다. 따라서, 미세 또는 분말 탄소질 공급원료 물질, 열분해 생성물 및 탄화물이 형성되는 경우보다 낮은 압력에서 방법 및 반응기가 작동될 수 있다. 예를 들어, 방법 및 반응기는 50 kPa의 압력에서 실행 및/또는 작동될 수 있다.
고온 가스의 체적 유량은 열분해 구역의 배출층을 점진적으로 가열하도록 제어될 수 있다.
상기 방법은 탄소질 공급원료 물질을 반응기에 초크 공급 (choke-feeding)하기 전에 탄소질 공급원료 물질을 건조시키는 추가 단계를 포함할 수 있다.
하부 산화 구역으로의 산소 공급원의 체적 유량은 하부 산화 구역에서 미세 탄화물의 축적을 방지하도록 제어될 수 있다. 하부 산화 구역에서 미세 탄화물의 소비를 증가시키기 위해, 하부 산화 구역으로의 산소 공급원의 체적 유량을 증가시킬 수 있다.
방법은 반응기의 완충 구역에서 탄소질 공급원료 물질을 예열 및 사전 건조하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 완충 구역은 반응기의 열분해 구역 위에 위치한다.
열분해 영역에 탄소질 공급원료 물질을 공급함으로써, 배출콘을 갖는 배출층이 형성될 수 있고 열분해 영역의 단면이 완충 구역의 단면에 대해 확대될 수 있다.
상기 방법은 반응기의 중간 구역에서 탄소질 공급원료 물질을 열분해 및 건조하는 추가 단계를 포함하며, 상기 중간 구역은 열분해 구역 아래에 위치하도록 제공된다.
상기 방법은 반응기의 적어도 하나의 가스 출구로부터 반응기의 병류 섹션에서 생성된 적어도 1300 ℃의 온도를 갖는 고온 환원 가스를 배출하는 또 다른 단계를 포함할 수 있으며, 상기 병류 섹션은 다음을 포함할 수 있다:
- o 반응기의 공급 구역;
o 반응기의 완충 구역;
o 반응기의 열분해 구역; 및
o 반응기의 중간 구역을 포함하는,
반응기의 플레넘 구역;
- 반응기의 상부 산화 구역; 및
- 반응기의 상부 환원 구역.
상기 방법은 반응기의 가스 출구 섹션에 위치한 가스 출구를 통해 반응기의 역류 섹션에서 생성된 적어도 1300 ℃의 온도를 갖는 고온 환원 가스를 배출하는 단계를 포함하도록 제공되며, 역류 섹션은 반응기의 하부 산화 구역 및 하부 환원 구역을 포함할 수 있다.
상부 산화 구역 부피 대 플레넘 구역 부피의 부피비는 1:N 부피 단위의 비율일 수 있으며, 여기서 4 ≤ N ≤ 20이다.
상부 산화 구역 부피 대 상부 환원 구역과 플레넘 구역 부피의 총 부피의 부피비는 1:N 부피 단위의 비율일 수 있으며, 여기서 7 ≤ N ≤ 25이다.
역류 섹션 부피 대 반응기의 총 부피의 부피비는 1:N 부피 단위의 비율일 수 있으며, 여기서 1 ≤ N ≤ 10이다.
중간 구역 아래에 적어도 800 ℃의 고온 산소 및/또는 공기를 공급함으로써 라이닝의 특정 영역에서 1800 ℃ 이상의 온도와 층에서 2000 ℃ 내지 4000 ℃의 온도를 갖는 고온 상부 산화 구역이 생성된다. 열분해 생성물 및 공급원료 물질의 일부는 이 고온 상부 산화 구역에서 연소, 크랙 및/또는 용융되기 때문에 아직 전환되지 않은 공급원료 물질의 추가 코킹이 발생한다. 후속 상부 환원 구역에서 열 에너지는 화학 에너지로 변환된다. 열 에너지에서 화학 에너지의 변환은 부분적으로 CO2를 CO로 환원시킴으로써 달성된다. 여기서 가스 출구의 CO/CO2 가스 부피비는 10보다 크거나 심지어 15보다 클 수도 있다. 예를 들어, CO/CO2 가스 부피비는 10 내지 1000, 15 내지 10000, 심지어 15 내지 107 (실질적으로 CO2 없음)일 수 있다.
가스는 병류 섹션에서 공급 구역으로부터 가스 출구로 병류로 흐를 수 있다.
1800 ℃ 내지 4000 ℃의 온도를 갖는 고온 구역은 또한 적어도 1000 ℃의 고온 산소 및/또는 공기를 제공함으로써 원추형 하부 산화 구역에서 생성될 수 있다. 금속 및/또는 슬래그 용융물은 또한 이 하부 배열된 고온 하부 산화 구역에서 수집될 수 있다. 이러한 슬래그 용융물 및/또는 금속 용융물은 필요에 따라 태핑 (예를 들면, 주형)을 통해 제거되거나 연속적으로 유출될 수 있다 (예를 들면, 슬래그 과립화). 원추형 하부 산화 구역 및 원추형 하부 환원 구역에서, 가스 출구 방향으로 위쪽으로 (역류로) 흐르는 온도가 1000 ℃ 이상에서 최대 2000 ℃인 고온 가스가 생성될 수도 있다. 열 에너지는 또한 부분적으로 CO2를 CO로 환원함으로써 더 낮은 환원 구역에서 화학 에너지로 변환될 수 있다. 이는 가스 출구에 도달했을 때 CO/CO2 가스 부피비가 10보다 크거나 심지너는 15보다 크도록 보장한다. 예를 들어, CO/CO2 가스 부피비는 10 내지 1000, 바람직하게는 15 내지 10000, 특히 바람직하게는 15 내지 107 (실질적으로 CO2 없음)이다. 병류 섹션으로부터의 (위에서 아래로) 가스와 역류 섹션으로부터의 (아래에서 위로) 가스는 적어도 하나의 가스 출구를 통해 가스 출구 섹션으로부터 배출된다. 병류 섹션으로부터의 가스와 역류 섹션으로부터의 가스의 온도는 1500 ℃ 내지 1750 ℃, 바람직하게는 1600 ℃ 내지 1750 ℃이다.
본 발명에 필수적인 방법 단계는 유리하게는 병류 섹션에서 생성된 가스 및 역류 섹션에서 생성된 가스를 흡입에 의해 배출함으로써 추가로 전개될 수 있다. 이를 위해 가스 흡입 수단이 사용될 수 있다. 흡입은 반응기에서 음압을 생성할 수 있다. 반응기에서 음압을 사용하면 가스화 장치가 열릴 때 공기가 흡입될 수 있지만 가스가 빠져 나갈 수 없기 때문에 작동 동안 반응기를 유지하게 할 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 따라, 탄소질 공급원료 물질을 가스화하는 방법에 사용하기 위한, 다음을 포함하는 반응기가 제공된다:
- 다음을 포함하는 병류 섹션:
o · 공급 물질이 공급 구역을 통해 위에서 반응기로 도입되는, 슬루스가 있는 공급 구역
· 완충 구역;
· 단면 확대를 제공하면서 완충 구역의 저부에 인접한 내화성 라이닝 열분해 구역; 및
· 열분해 구역의 저부에 인접한 내화성 라이닝 중간 구역을 포함하는
플레넘 구역;
o 중간 구역의 저부에 인접하고 적어도 하나의 평면에 송풍구를 포함하는 내화성 라이닝 상부 산화 구역; 및
o 상부 산화 구역의 저부에 인접한 내화성 라이닝 상부 환원 구역;
- 적어도 하나의 가스 출구를 포함하는 내화성 라이닝 가스 출구 섹션; 및
- o 상기 가스 출구 섹션에 인접한 원추형 하부 환원 구역; 및
o 원추형 하부 환원 구역에 인접하고 적어도 하나의 송풍구 및 태핑을 포함하는 원추형 하부 산화 구역을 포함하는
내화성 라이닝 역류 섹션,
여기서 내화성 라이닝 상부 산화 구역 부피 대 플레넘 구역 부피의 부피비는 1:N 부피 단위의 비율이며, 여기서 4 ≤ N ≤ 20이다.
내화성 라이닝 상부 산화 구역 부피 대 내화성 라이닝 상부 환원 구역 부피와 플레넘 구역 부피의 총 부피의 부피비는 1:N 부피 단위의 비율일 수 있으며, 여기서 7 ≤ N ≤ 25이다.
내화성 라이닝 역류 섹션 부피 대 반응기의 총 부피의 부피비는 1:N 부피 단위의 비율일 수 있으며, 여기서 1 ≤ N ≤ 10이다.
반응기의 적어도 하나의 내화성 라이닝 부분이 상하로 배열된 적어도 2 개의 라이닝 섹션으로 구성되며, 상하로 배열된 라이닝 섹션 사이에 제혀 (tongue-and-groove) 연결이 형성되고, 라이닝 섹션 중 하나는 반응기 내부를 향하는 측면에 홈이 있고 다른 라이닝 섹션에는 반응기 내부를 향하는 측면에 텅이 있으며, 여기서 제혀 연결은 홈과 텅 사이에 온도 의존성 갭 개구를 가지고 있다.
원주형 수냉식 콘솔이 적어도 두 라이닝 섹션 사이에 배치되어 있다.
상부 라이닝 섹션은 홈을 가질 수 있고 하부 라이닝 섹션은 텅을 가질 수 있다.
적어도 2 개의 라이닝 섹션은 하나의 내화 내부 라이닝과 내부 내화성 라이닝을 둘러싸는 외부 라이닝을 가질 수 있다.
내부 내화성 라이닝은 소성 벽돌 또는 모놀리식 라이닝으로 만들어진 라이닝일 수 있다.
원주형 수냉식 콘솔은 흑철강 (black steel) 또는 스테인리스강으로 구성될 수 있다.
내화성 라이닝 상부 산화 구역 및/또는 내화성 라이닝 원추형 하부 산화 구역의 송풍구는 세라믹으로 구성될 수 있다.
대안적인 구체예에서, 내화성 라이닝 상부 산화 구역 및/또는 내화성 라이닝 원추형 하부 산화 구역의 송풍구는 구리 또는 강철로 구성될 수 있으며, 내부 세라믹 파이프는 각각의 송풍구에 배열되고, 압축성 및 온도 저항 층이 세라믹 내부 파이프와 각 송풍구 사이에 배치된다.
내화성 라이닝 상부 산화 구역은 5 ° 내지 30 °의 원뿔각을 가질 수 있다.
내화성 라이닝 상부 환원 구역은 내화성 라이닝 가스 출구 섹션이 단면 확대를 제공하면서 내화성 라이닝 상부 환원 구역의 저부에 인접하도록 내화성 라이닝 가스 출구 섹션 위에 배열될 수 있다.
내화성 라이닝 상부 환원 구역의 일부는 내화성 라이닝 가스 출구 섹션에 배열될 수 있고, 내화성 라이닝 가스 출구 섹션은 내화성 라이닝 상부 환원 구역에 대해 단면 확대를 가질 수 있다.
내화성 라이닝 원추형 하부 환원 구역 및 내화성 라이닝 원추형 하부 산화 구역은 50 ° 내지 70 °의 원뿔각을 가질 수 있다.
가스 공급 수단이 내화성 라이닝 열분해 구역의 단면 확대 영역에 배치될 수 있다.
내화성 라이닝 상부 산화 영역의 송풍구가 복수의 평면에 배열될 수 있다.
내화성 라이닝 원추형 하부 환원 구역의 추가 평면에 배열되는 적어도 하나의 추가 송풍구 또는 내화성 라이닝 원추형 하부 환원 구역의 추가 평면에 배열되는 하나의 추가 송풍구 및 내화성 라이닝 상부 환원 구역에 배열되는 적어도 하나의 추가 송풍구가 제공된다.
적어도 하나의 추가 송풍구가 내화성 라이닝 원추형 하부 산화 구역의 추가 평면에 배열될 수 있다.
1500 ℃ 초과, 예를 들어, 1600 ℃ 내지 1750 ℃ 온도의 고온 가스가 가스 출구로부터 배출될 수 있도록 하기 위해서, 벌크 물질 (또는 층)의 주변 영역에 1800 ℃ 초과, 벌크 물질 (또는 층)의 중심에 2000 ℃ 내지 4000 ℃의 온도가 적어도 내화성 라이닝 상부 산화 영역에서 도달할 수 있도록 반응기가 설계된다. 이러한 높은 온도로 인해 내화성 라이닝 (예를 들면, 벽돌 라이닝)이 축 방향, 접선 방향 및 반경 방향으로 라이닝 미터당 최대 20 mm까지 확장되어 라이닝에 응력이 발생하여 반응기의 외부 강철 쉘에 방사형 방향으로 영향을 미칠 수 있다.
반응기의 안정성이 이러한 고온 및 그에 따른 라이닝 응력에 의해 손상되지 않도록, 본 발명에 따라 반응기의 적어도 하나의 내화성 라이닝 부분은 상하로 배열된 적어도 2 개의 라이닝 섹션으로 구성된다. 적어도 하나의 내화성 라이닝 부분은 내화성 라이닝 열분해 구역, 내화성 라이닝 완충 구역, 내화성 라이닝 상부 산화 구역, 내화성 라이닝 상부 환원 구역, 내화성 라이닝 가스 출구 섹션, 내화성 라이닝 역류 섹션, 또는 이들의 조합일 수 있다.
여기서 반응기의 내화성 라이닝은 2 내지 4 높이 미터마다 추가 라이닝 섹션을 갖는 것이 구상될 수 있다.
가스 출구 온도가 1500 ℃ 내지 1600 ℃인 반응기의 경우, 내화성 라이닝에 3 내지 4 높이 미터마다 추가 라이닝 섹션이 제공될 수 있다. 가스 출구 온도가 1600 ℃ 및 1750 ℃인 반응기의 경우 내화성 라이닝에 2 내지 3 높이 미터마다 추가 라이닝 섹션이 제공될 수 있다.
라이닝된 상부 산화 구역과 라이닝된 하부 산화 구역에서 특히 높은 온도 (1800 ℃ 내지 4000 ℃의 온도)가 발생하기 때문에, 정확히 하나의 라이닝 섹션이 라이닝된 상부 산화 구역 및 라이닝된 하부 산화 구역 각각에 배열되는 방식으로 상하로 배열된 라이닝 섹션이 배열되는 것이 제공될 수 있다. 또, 추가 라이닝 섹션이 산화 구역 아래·위에 배열되는 것이 제공될 수 있다. 이는 고온 산화 구역이 각각 하나의 라이닝 섹션으로만 구성되도록 보장하며, 각 라이닝 섹션은 각각의 추가 라이닝 섹션의 방향으로 확장될 수 있으므로 이러한 구역에서는 상기 고온에서 손상될 수 있는 추가 콘솔이나 다른 고정 장치가 필요치 않다.
고온 가스나 고온이 적어도 두 라이닝 섹션 사이의 영역을 통해 외부로 계속 빠져 나가지 않도록 하기 위해, 상하로 배열된 내화성 라이닝 섹션 사이에 제혀 연결이 형성되고, 여기서 내화성 라이닝 섹션 중 하나는 반응기 내부를 향하는 측면에 홈을 갖고, 다른 라이닝 섹션은 반응기 내부를 향하는 측면에 텅을 갖는 것이 또한 제공된다. 제혀 연결은 반응기가 정지된 상태에서도 홈의 텅이 포지티브 잠금 방식으로 배열되어 텅의 수직 외벽이 홈의 수직벽에 연결되지만 홈과 텅 사이에 수직 갭 개구부가 남아 있도록 설계된다. 이것은 갭 개구에도 불구하고 반응기의 시동 또는 고 가열 중에 가스가 빠져 나갈 수 없도록 보장하는 데 유리하다. 또, 홈과 텅 사이의 갭 개구는 온도 의존성 갭 개구인 것이 제공될 수 있다. 홈과 텅 사이의 온도 의존성 갭 개구는 예를 들어 50 mm일 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 라이닝은 고온에서 확장될 수 있으며, 여기서 텅은 제혀 연결로 인해 홈으로 확장될 수 있다.
또한, 반응기의 가열 및 냉각 동안 내화성 라이닝을 유지하고 라이닝을 안정화시키기 위한 원주형 수냉식 콘솔이 상하로 배열된 적어도 두 라이닝 섹션 사이에 배열되는 것이 제공된다. 이러한 원주형 수냉식 콘솔은 용접 이음새없이 정사각형 또는 직사각형 단면의 중공 원통형 파이프를 구부려서 생성할 수 있다. 여기서 수냉식 콘솔은 연결 플랜지를 통해 공급되는 2 m/s 내지 25 m/s의 냉각수의 유속에 의해 달성되는 높은 열 흐름을 갖는 것이 유리하게 제공될 수 있다. 냉각수의 이러한 높은 유속은 온도가 높은 (>1500 ℃) 영역에 배치되는 경우 원주형 콘솔의 열적 및 기계적 안정성을 유지하는 데 유리하다.
적어도 2 개의 중첩된 제혀 내화성 라이닝 섹션 및 원주형 수냉식 콘솔의 전술한 배열이 병류 섹션 및/또는 가스 출구 섹션 및/또는 역류 섹션에 배열될 수 있다. 각 섹션은 또한 제혀 연결 및 원주형 수냉식 콘솔과 함께 상하로 배열된 두 개의 내화성 라이닝 섹션의 여러 배열을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 반응기의 병류 섹션은 부분적으로 라이닝된 플레넘 구역, 라이닝된 상부 산화 구역 및 라이닝된 상부 환원 구역을 포함한다.
부분적으로 라이닝된 플레넘 구역은 적어도 하나의 슬루스가 있는 공급 구역, 완충 구역, 라이닝된 열분해 구역 및 라이닝된 중간 구역을 포함한다.
슬루스가 있는 공급 구역을 통해 폐기물, 독성 또는 생물학적 폐기물, 물, 중고 타이어, 바이오매스, 목재, 석탄, 자동차 파쇄 잔여물, 골재 등과 같은 공급 물질이 위에서 반응기로 공급될 수 있다. 슬루스는 제어되지 않은 주변 공기의 유입과 반응기로부터 가스 배출을 최대한 방지한다. 슬루스에는 유압, 공압 또는 전기 작동식 해치가 있을 수 있다. 이들 해치는 바람직하게는 반응기에서 의도하지 않은 과압이 있는 경우 해치가 추가로 닫히고 가스가 의도하지 않게 빠져 나가지 않도록 설계될 수 있다.
플레넘 구역은 또한 공급 물질 부피를 완충하고 사전 건조하기 위한 완충 구역을 포함한다. 완충 구역의 온도는 바람직하게는 조정 가능하다. 예를 들어, 폐기물의 사전 건조를 위해 약 100 ℃ 내지 200 ℃의 설정 온도가 제공될 수 있다.
또한, 내화성 라이닝 열분해 구역이 플레넘 구역에 제공되며, 이는 바람직하게는 급격한 단면 확대를 생성함으로써 완충 구역의 저부에 연결된다. 바람직하게는, 단면은 적어도 2 배 증가한다. 단면 확대는 공급 물질의 강하 속도가 감소하고 반응기의 가스 공간 내에 벌크 물질로 만들어진 원뿔 모양의 배출 면적 (방출 원뿔)이 형성되도록 한다. 배출콘은 (완충 구역으로부터) 사전 건조된 공급 물질과 함께 중앙에 공급된다.
고온 가스 (예를 들면, 연소 가스, 일시적으로 저장되거나 재순환된 과잉 가스 또는 연소에 의해 제공되는 불활성 연소 가스)는 버너, 노즐, 벽 개구부 또는 기타 장치를 통해 내화성 라이닝 열분해 구역의 배출콘에 공급될 수 있다. 층은 표면에서 고온 가스에 의해 충격 가열되어 공급 물질이 라이닝 (예를 들면, 벽돌 라이닝 또는 캐스터블 라이닝)과 달라붙는 것을 가능한 방지한다. 예를 들어, 층에서 방사상으로 향하는 버너 수단에 의해 충격 가열을 달성할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 충격 가열은 또한 불꽃이 회전하는 링 모양의 채널 수단에 의해 달성될 수도 있다. 이러한 회전은 고온 가스를 배출콘에 접선 방향으로 분출시켜 연소시킴으로써 구조상으로 달성될 수 있다.
플레넘 구역은 또한 내화성 라이닝 열분해 구역 아래에 인접하여 위치한 내화성 라이닝 중간 구역을 포함한다. 중간 구역에서, 열분해 구역으로부터의 열과 아래 내화성 라이닝 상부 산화 구역으로부터의 폐열이 공급 물질의 최종 건조 및 완전 열분해를 위해 사용된다. 유리하게는 중간 구역이 라이닝된 (예를 들어, 벽돌 라이닝 또는 캐스터블 라이닝된) 강철 쉘을 포함하고, 라이너는 다른 구역과 유사한 두께를 가질 수 있는 것이 제공될 수 있다. 이 구체예는 고온이 중간 구역에서도 발생할 수 있으므로 반응기의 시운전 (시동)을 단순화한다. 중간 구역의 하부 영역에 테이퍼형 단면을 제공하여 공급 물질이 강하 속도를 변화시키는 것이 유리할 수 있다.
구역적 내화성 라이닝 병류 섹션의 내화성 라이닝 중간 구역 아래에는 송풍구가 배열된 라이닝된 상부 산화 구역이 있다. 이 송풍구는 적어도 한 레벨 (반응기 저부에서 높이 또는 수직 거리)에 배치된다. 위에서 설명한 바와 같이 반응기에는 원주형 수냉식 콘솔과 상하로 배열되고 제혀 연결이 있는 두 개의 라이닝 섹션이 있기 때문에 반응기의 안정성을 손상시키지 않고 적어도 1000 ℃의 고온 산소 및/또는 공기를 제공함으로써 내화성 라이닝 영역의 상부 산화 영역의 온도를 1800 ℃ 이상으로 높일 수 있고 벌크 물질 (층) 중심의 온도를 2000 ℃ 내지 4000 ℃의 값으로 증가시킬 수 있다.
모든 물질은 이 고온 온도에 의해 일산화탄소 (CO), 수소 (H2), 물 (H20), 이산화탄소 (CO2), 황화수소 (H2S), 암모니아 (NH3), 이산화질소 (NO2) 또는 이산화황 (SO2)과 같은 무기 가스, 액체 금속 또는 액체 슬래그, 코크스 또는 탄소 (C)로 전환될 수 있다.
상부 산화 구역 아래에 라이닝된 상부 환원 구역이 라이닝된 병류 섹션에 배열되어 실질적으로 유기 성분이 유입되지 않는다.
라이닝된 상부 환원 구역이 상부 산화 구역과 비교하여 단면 확대를 갖는 것이 유리하게 제공될 수 있으며, 이는 공급 물질의 강하 속도를 변화시키고 동일한 수준에서 체류 시간을 증가시킨다. 라이닝된 상부 환원 구역에서, 가스는 코크스 고정층을 통해 병류로 흐르고 열 에너지는 화학 에너지로 변환되어 일산화탄소 (CO)와 수소 (H2)를 생성한다. 특히 이산화탄소 (CO2)는 일산화탄소 (CO)로, 물 (H2O)은 수소 (H2)로 전환되어 층에 함유된 탄소가 추가 기화된다. CO2에서 CO로의 환원은 CO/CO2 가스 부피비가 10보다 크거나 심지어는 15보다 큰 방식으로 반응기에서 달성될 수 있다. 예를 들어, CO/CO2 가스 부피비는 10 내지 1000, 바람직하게는 15 내지 10000, 특히 바람직하게는 15 내지 107 (본질적으로 CO2 없음)이다.
상부 환원 구역을 통과할 때 가스는 동시에 예를 들어 약 1000 ℃ 내지 약 1600 ℃의 온도로 냉각된다. 모든 물질 흐름은 반드시 상부 산화 구역을 통해 흐르고 되돌아갈 수 없기 때문에, 상부 환원 구역을 통과한 후 산화 구역 위의 미반응 물질과 더 이상 접촉이 없다. 이러한 방식으로 완전히 깨끗하게 크래킹 및/또는 용융된 무기 물질만이 새로운 오염없이 가스 출구 섹션에 도달한다.
모든 물질 흐름은 반드시 상부 산화 구역을 통해 흐르고 되돌아갈 수 없기 때문에, 상부 환원 구역을 통과한 후 산화 구역 위의 미반응 물질과 더 이상 접촉이 없다. 이러한 방식으로 완전히 깨끗하게 크래킹 및/또는 용융된 무기 물질만이 라이닝된 가스 출구 섹션에서 새로운 오염없이 가스 출구 섹션에 도달한다. 상부 산화 구역의 가스는 라이닝된 상부 환원 구역을 통과하면서 냉각된다. 라이닝된 상부 산화 구역에서 생성된 가스가 너무 뜨거워서 상부 환원 구역을 통과하면서 1500 ℃에서 1750 ℃ 사이의 온도로 냉각되며, 냉각 후 이러한 고온 가스가 가스 출구에 도달하는 것이 제공될 수 있다.
가스 출구 섹션이 적어도 하나의 가스 출구를 포함하는 것이 제공된다. 여러 개 (예를 들어 4 개)의 가스 출구가 완전히 둥근, 바람직하게는 방사상으로 분포되어 있는 것도 구상할 수 있다.
라이닝된 가스 출구 섹션 아래에는 실질적으로 원추형의 라이닝 역류 섹션이 있다. 이것은 원추형 하부 산화 영역으로부터의 가스의 열 에너지를 화학 에너지 (주로 CO)로 변환하고 역류를 생성하기 위한 원추형 하부 환원 영역을 포함한다. 이 원추형 하부 환원 구역은 라이닝된 가스 출구 섹션에 연결된다. 원추형 하부 환원 영역 아래에는 원뿔의 절단 끝이 아래쪽을 향하게 원추형 하부 산화 영역이 배열된다. 원추형 하부 산화 구역에서 잔류 코크스 물질은 가스로 변환된다. 원추형 하부 산화 구역에서 적어도 하나의 송풍구가 적어도 하나의 평면에 배열되며, 이를 통해 적어도 1000 ℃의 고온 공기 및/또는 산소가 도입될 수 있으며, 이는 다시 하부 산화 구역 층에 1800 ℃ 내지 4000 ℃의 온도를 야기한다. 이러한 높은 온도로 인해 슬래그와 금속이 수집 및 배출을 위해 적어도 하나의 탭핑을 통해 액체 형태로 누출될 수 있다.
생성된 가스는 원추형 하부 환원 영역을 통해 가스 출구 섹션으로 역류로 흐르며, 여기서 가스는 약 1500 ℃ 내지 약 1750 ℃의 온도로 냉각된다. 여기서는 하부 산화 구역에서 생성된 가스가 너무 뜨거워서 하부 환원 구역을 통과하면서 가스가 1500 ℃에서 1750 ℃ 사이 또는 1600 ℃에서 1750 ℃ 사이의 온도로 냉각되고 가스 출구 환원 구역을 통해 배출되는 것이 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 반응기는 역류 섹션에 환원 구역과 병류 섹션에 상부 환원 구역을 모두 가지고 있기 때문에, 총 환원 구역 부피 (상단 및 원추형 하부 환원 구역의 부피의 합)는 공지 반응기의 하나의 환원 구역보다 상당히 클 수 있다. 일례로, EP 1 261 827 B1호가 참조되며, 여기서 가스 출구 섹션의 영역에는 환원 영역만이 배치되어 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 반응기는 단순하고 저렴하며 환경 친화적인 물질 및/또는 공급 물질의 에너지 사용을 달성한다. 또한, 본원에 기술된 반응기를 사용하면 화학 물질 및 열 에너지의 용량 및 수율을 증가시킬 수 있다.
반응기의 일 구체예에서 상부 라이닝 섹션이 홈을 갖고 하부 라이닝 섹션이 텅을 갖는 것이 제공된다.
이로 인해 고온에 노출될 때 라이닝이 위로 확장될 수 있다.
반응기의 추가 구체예는 적어도 2 개의 라이닝 섹션이 각각 적어도 하나의 내화성 내부 라이닝 및 내화성 내부 라이닝을 둘러싸는 외부 라이닝을 포함하며, 여기서 내화성 내부 라이닝은 소성 벽돌 또는 모놀리식 (예를 들면, 캐스터블) 라이닝으로 만들어진 벽돌 라이닝인 것을 제공한다.
또한, 내화성 내부 라이닝 및 외부 라이닝을 포함하는 라이닝 섹션이 안정화 강철 쉘에 배열된 것이 제공될 수 있다.
적어도 하나의 추가 절연층이 외부 라이닝과 강철 쉘 사이에 배열되는 것이 또한 유리할 수 있다. 추가 절연층은 판지, 고온 펠트 또는 고온 폼으로 구성될 수 있다.
이 구체예는 강철 쉘이 더 잘 절연되도록 보장한다. 예를 들어, 추가 절연층은 추가 절연층이 없는 반응기에 비해 강철 쉘을 통한 열 손실을 2% 이상 향상시키고 그 결과 강철 쉘의 외부 온도도 감소되도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 이 설계는 반응기 작동 중에 강철 쉘의 외부 온도가 60 ℃ 미만으로 유지되도록 하여 접촉 보호 수단이 필요하지 않다. 또, 절연층은 내부 라이닝 및/또는 외부 라이닝의 가능한 방사상 열 팽창을 보상하기 위해 사용될 수 있다.
내화성 내부 라이닝의 마모를 줄이기 위해 내부 라이닝이 스피넬 커런덤, 크롬 커런덤 또는 카바이드로 구성된 벽돌로 구성될 수 있는 것이 또한 제공될 수 있다. 이들 스톤의 열전도율이 > 3 W/mK인 것이 또한 제공될 수 있다.
또한 반응기의 고온 영역 (온도 > 1500 ℃)에 있는 벽돌을 슬래그 동결에 의해 화학적 및/또는 열적 조건으로부터 보호할 수 있는 것이 제공될 수 있다.
이러한 슬래그 동결을 가능하게 하기 위해, 외부 라이닝은 열 전도성 물질로 구성될 수 있으며, 이에 의해 냉각 매체 (예를 들면, 냉각수를 갖는 파이프 코일)에서 내부 라이닝으로 충분한 열 전달이 달성될 수 있다.
여기서 외부 라이닝은 버블 내화물 (예를 들면, 기포 알루미니아)로 형성되고, 기포 내화물은 주조될 수 있으며, 이에 의해 냉각 매체 (예를 들면, 냉각수가있는 파이프 코일)와 내부 라이닝 사이에 양의 연결이 달성될 수 있는 것이 구상될 수 있다. 반응기의 고온 영역 (온도 > 1500 ℃)의 경우 버블 내화물이 스피넬 커런덤 또는 알루미늄 커런덤으로 구성되어 있을 수도 있다. 대안적으로, 외부 라이닝이 안정성이 높으나 이로 인해 절연 특성이 떨어지는 자유 유동 주조 매스로 구성될 수 있는 것이 구상될 수 있다.
덜 고온인 영역 (온도 < 1500 ℃)의 경우, 외부 라이닝은 열 손실을 줄이기 위해 열전도율이 1 W/mK 미만인 주조 절연 버블 내화물로 만들어질 수 있다. 이러한 설계는 더 고온인 영역에서 더 열전도성인 물질에 의해 슬래그 퍼 (slag fur) 형성이 선호되고 덜 고온인 영역에서 덜 전도성인 물질에 의해 열 손실이 감소하도록 보장한다. 이것은 덜 고온 영역이 더 고온 영역보다 반응기의 훨씬 더 큰 영역을 커버하기 때문에 특히 유리하다.
본 발명의 또 다른 유리한 구체예는 원주형 수냉식 콘솔이 흑철강 또는 스테인리스강으로 제조된다는 것이다.
흑철강이 사용되는지 스테인리스강이 사용되는지의 여부는 반응기의 용도 및 작동에 좌우된다. 흑철강은 스테인리스강보다 저렴하고 열전도율이 높다. 그러나 스테인리스강은 흑철강보다 열 및 화학적으로 더 안정적이다. 유한 요소 열 시뮬레이션이 의도한 응용에 어떤 물질를 사용해야 하는지 결정하는 데 도움이 될 수 있다.
본 발명의 일 구체예는 (상부 및 원추형 하부 산화 구역의) 송풍구가 구리 또는 강철로 만들어지는 것을 제공한다. 또한, 송풍구 중 하나가 세라믹 내부 파이프를 갖거나,일부 각 송풍구가 각각의 세라믹 내부 파이프를 갖거나, 각각의 송풍구가 각각의 세라믹 내부 파이프를 갖는 것이 제공될 수 있다. 송풍구 (세라믹 내부 파이프 포함)의 이러한 구체예는 산소 및/또는 공기를 가하여 송풍구를 금속 용융으로부터 보호할 수 있고 산소 및/또는 공기도 예열 (예를 들면, > 1000 ℃까지)할 수 있는 것이 가능하다. 세라믹 내부 파이프와 송풍구 사이에 압축성 및 내열성 층이 배치되어 열에 의해 유도된 기계적 응력이 보상될 수 있는 것도 유리할 수 있다. 이 압축성 및 내열성 층은 예를 들어 고온 펠트, 고온 판지 또는 고온 폼으로 구성된다.
본 발명의 대안적인 구체예는 (상부 및 원추형 하부 산화 구역의) 송풍구가 전적으로 세라믹으로 제조될 수 있는 것을 제공한다. 예를 들어, 이 구체예를 통해 세라믹은 금속보다 높은 온도를 견딜 수 있기 때문에, 산화 구역은 온도가 1000 ℃를 넘는 고온 공기 및/또는 산소의 공급으로 2000 ℃를 넘는 층 온도로 작동될 수 있는 것이 이루어질 수 있다.
당연히 필요한 금속 송풍구의 냉각이 세라믹으로 만들어진 송풍구에 반드시 필요하지 않으므로 열 손실을 5% 이상 줄일 수 있다. 열전도율이 좋은 세라믹 (예를 들면, 85 W/mK의 실리콘 카바이드)과 슬래그 동결에 이어, 절연 세라믹 (예를 들면, 4 W/mK 미만의 스피넬 커런덤)의 조합에 의해 냉각없이 용융으로 인한 화학적 부하와 높은 열 응력이 이들 송풍구에서 달성될 수 있다.
또한, 라이닝된 상부 산화 구역의 원뿔각 (α)이 5 ° 내지 30 °인 것이 반응기에 유리할 수 있다.
상부 산화 구역의 이러한 원추형 형상은 슬래그의 일부가 라이닝의 표면에 남아있는 것이 유리하게 달성될 수 있게 하여, 이 영역에서 슬래그 퍼의 형성이 달성된다.
반응기의 추가 구체예에 대해, 라이닝된 상부 환원 구역이 가스 출구 섹션 위에 배열되도록 의도되며, 여기서 가스 출구 섹션은 단면 확대를 생성함으로써 라이닝된 상부 환원 구역의 하부에 인접한다. 여기에서 단면 확대는 급격한 (abrupt) 것이 구상될 수 있다.
바람직하게는, 가스 출구 섹션의 단면적은 상부 환원 구역의 단면적의 적어도 두 배만큼 증가한다.
이 구체예는 층이 원추형으로 넓어져 층의 표면적 또는 배출 면적을 증가시키도록 보장한다. 층의 표면 또는 배출 면적은 기본적으로 잘린 원추형 디자인의 외부 표면에 상응한다.
일 구체예는 단면 확대로 층의 배출 면적이 상부 환원 구역의 단면적보다 적어도 3 배 더 커지도록 하는 것을 제공한다. 또, 단면 확대는 층의 배출 면적이 상부 환원 구역의 단면적보다 적어도 7 배 또는 심지어 적어도 9 배일 정도로 클 수 있다.
본 구체예 또는 추가 구체예에 대해, 가스 출구 섹션의 단면 확대가 층의 배출 면적이 상부 산화 구역의 단면적의 적어도 5 배만큼 증가하도록 제공될 수 있다. 또, 단면 확대는 층의 배출 면적이 상부 산화 구역의 단면적보다 적어도 9 배일 정도로 클 수 있다.
위에서 언급한 구체예들의 이점은 (기체 출구를 통한) 가스 유속이 층의 증가된 배출 면적에 비례하여 감소하여 (공지 반응기에 비해) 층로부터의 가루 연행이 최소로 감소될 수 있다는 것이다.
대안적으로, 병류 섹션에 배열된 라이닝된 상부 환원 구역의 적어도 일부가 가스 유출 섹션에 배열되거나 삽입된 반응기가 제공될 수 있다.
이 구체예는 또한 상부 환원 구역보다 더 큰 단면을 갖는 가스 출구 섹션을 제공할 수 있다.
이 구체예에서, 상부 환원 구역의 일부로 병류 섹션이 가스 출구 섹션에 도입되거나 부분적으로 삽입된다. 예를 들어, 상부 환원 영역의 라이닝 (예를 들면, 벽돌 라이닝 또는 캐스터블 라이닝)이 가스 출구 섹션으로 돌출된다. 가스 출구 섹션은 상부 환원 영역보다 더 큰 단면적을 가지고 있고 적어도 하나의 가스 출구는 가스 출구 섹션의 가장자리 부분에 위치하므로, 병류 섹션에서 생성된 가스는 가스 출구에 도달하기 위해 가스 출구 섹션까지 확장된 라이닝 (예를 들면, 벽돌 라이닝 또는 캐스터블 라이닝)을 우회해야 하며, 따라서 더 적은 가루가 가루 분리에 진입한다. 이 구체예는 반응기의 전체 높이가 감소되는 것을 허용하는 동시에 적어도 하나의 가스 출구를 달성하기 위해 가스 및 연행된 가루가 추가로 위로 유동해야 하기 때문에 가루 분리가 개선될 수 있다.
또한 가스 출구 섹션까지 연장되는 상부 환원 구역의 라이닝 (예를 들어, 벽돌 라이닝 또는 캐스터블 라이닝)이 중공 원통형 형상으로 형성되는 것이 제공될 수 있다. 중공 원통형 형상은 높은 열 및 그에 따른 기계적 응력에 대해 수냉으로 보호되는 양쪽에 라이닝된 강철 홀더 구조로 만들어질 수 있다.
본 발명의 추가 구체예에서, 상부 산화 구역 부피 대 플레넘 구역 부피의 부피비는 1:N 부피 단위의 비율이고, 여기서 N은 4 이상 (≥)이고 20 이하 (≤)인 것이 제공될 수 있다.
따라서, 상부 산화 구역 부피는 이전에 알려진 반응기에 비해 몇 배 더 크므로 훨씬 더 높은 용량이 달성될 수 있다. 여기서 5 ≤ N ≤ 15 또는 심지어 6 ≤ N ≤ 11인 것도 구상할 수 있다.
반응기 구체예에서, 상부 산화 구역 부피 대 상부 환원 구역 부피와 플레넘 구역 부피의 총 부피의 부피비는 1:N 부피 단위의 비율이며, 여기서 N은 7 이상 (≥) 25 이하 (≤)인 수이다.
추가 구체예는 상부 산화 구역 부피 대 상부 환원 구역 부피와 플레넘 구역 부피의 총 부피의 부피비가 1:N 부피 단위의 비율이며, 여기서 8 ≤ N ≤ 15 또는 심지어 9 ≤ N ≤ 14인 것이 제공된다.
반응기의 이러한 구체예는 반응기의 가상의 동일한 높이로 더 큰 용량이 달성된다는 점에서 유리하다. 이것은 산화 부피에 비해 플레넘 구역 부피가 알려진 반응기에서보다 작은 비율을 갖기 때문에 가능하다.
반응기의 추가 구체예는 역류 섹션 부피 대 반응기의 총 부피의 부피비가 1:N 부피 단위의 비율이고, 여기서 N은 1 내지 10 (1 ≤ N ≤ 10)의 수인 것이 제공된다. 여기에서 2 ≤ N ≤ 7 또는 심지어 3 ≤ N ≤ 5일 수도 있다.
가스 출구 구역과 역류 구역의 단면 확대로 인해 원추형 하부 환원 구역의 배출콘 면적도 확대되어 더 작은 가스 흐름 속도가 층에서 흘러 더 적은 가루가 유입된다.
반응기의 또 다른 유리한 구체예는 원추형 하부 환원 구역의 원뿔각 및 원추형 하부 산화 영역의 원뿔각이 50 ° 내지 70 °라는 것이다. 이 구체예로 인해, 벽이 수평으로부터 약 50 °내지 70 °, 바람직하게는 약. 60 °의 각도 또는 수직으로부터 20 ° 내지 40 ° 각도로 이어지기 때문에 원추형 하부 산화 영역과 원추형 하부 환원 영역에서 충분히 높은 온도로 액체 상태로 유지되는 슬래그가 더 잘 배출된다.
반응기의 추가 구체예는 가스 공급 수단이 열분해 구역의 단면 확대 영역에 배열되도록 제공한다. 이 구체예는 고온 가스 (예를 들어, 예열된 공기 또는 연소 가스)가 배출콘에 공급되는 것을 보장한다.
본 발명의 일 구체예에서, 상부 산화 구역의 송풍구가 여러 레벨 (높이)로 배열되는 것도 제공된다. 이는 층의 균일한 가열로 가스의 더 나은 분배가 달성되기 때문에 특히 유리하다. 또한, 이 구체예는 라이닝 (예를 들면, 벽돌 라이닝 또는 캐스터블 라이닝)의 국부적인 과열이 가능한 방지되도록 보장한다.
반응기의 또 다른 유리한 구체예는 적어도 하나의 송풍구가 원추형 하부 환원 구역의 레벨 (높이)에 배열된다는 것이다.
추가 송풍구는 정의된 방식으로 공기 및/또는 산소를 추가로 공급하여 CO2가 생성되지 않고 거의 독점적으로 CO만을 생성한다. 또한, 이 구체예를 통해 처리량을 증가시킬 수 있다. 또, 이 구체예는 가스의 품질을 손상시키지 않고 1500 ℃ 이상의 가스 출구에서 가스 출구 온도의 증가 및 처리량 증가를 가능하게 한다.
화학 에너지보다 열 에너지를 선호하는 응용의 경우 적어도 하나의 추가 송풍구가 상부 환원 구역에 배열되는 것이 더 유리할 수 있다. 이 구체예를 통해, CO를 CO2로, H2를 H2O로 산화시킴으로써 화학적 에너지 (CO, H2)가 열 에너지로 되돌아가는 것이 유리하게 달성될 수 있다.
추가 구체예는 적어도 하나의 다른 송풍구가 원추형 하부 산화 구역의 추가 레벨 (높이)에 배열되도록 제공한다. 그 다음 레벨의 송풍구는 바람직하게는 탭핑 위에 위치한다.
태핑 위에 송풍구를 배치함으로써, 용융물로 액체가 흘러내리도록 하는 영역에서 열이 발생하기 때문에 태핑 영역에서 용융이 촉진될 수 있다. 동시에, 태핑 위의 송풍구 배열은 태핑의 반대쪽에 원하는 고화된 용융물 (예를 들면, 벽돌 라이닝으로서 라이닝을 보호하는 소위 슬래그 동결)이 액화되지 않고 따라서 흐르지 않도록 보장한다.
본 발명의 제3 측면에 따르면, 1500 ℃ 내지 1750 ℃의 온도 및 ≥15 CO/CO2 비율을 갖는 가스를 제공하기 위한 본 발명의 제2 측면에 따른 반응기의 용도가 제공되며, 여기서 가스는 환원 용융을 위해 야금 반응기로 도입된다. 가스는 바람직하게는 1600 ℃ 내지 1750 ℃의 온도를 갖는다. 또한, 환원 용융을 위해 야금 반응기로 가스를 도입할 수 있다. 환원 용융을 위해 야금 반응기에 도입된 가스의 CO/CO2 가스 부피비는 10 이상 또는 심지어는 15 이상일 수 있다. 예를 들어, CO/CO2 가스 부피비는 10 내지 1000, 바람직하게는 15 내지 10000, 특히 바람직하게는 15 내지 107 (본질적으로 CO2 없음)이다.
본 발명의 제4 측면에 따르면, 본 발명의 제2 측면에 따른 반응기 및 환원 용융을 위해 반응기에 연결된 야금 반응기를 포함하는 시스템이 제공된다. 여기서 반응기는 위에서 설명한 공정으로 작동하여 환원 용융을 위한 반응기와 야금 반응기 사이의 영역 (연결 부분)에서 CO/CO2 가스 부피비가 10보다 크거나 심지어는 15보다 큰 것이 구상될 수 있다. 예를 들어, CO/CO2 가스 부피비는 10 내지 1000, 바람직하게는 15 내지 10000, 특히 바람직하게는 15 내지 107 (본질적으로 CO2 없음)이다.
환원 용융을 위한 야금 반응기는 광석으로부터 금속을 환원시킬 수 있는 임의의 반응기 또는 용광로일 수 있다.
본 발명의 제5 측면에 따르면, 금속성 공급원료 물질의 제련 공정에 고온 가스를 제공하기 위한 본 발명의 제2 측면에 따른 반응기의 용도가 제공된다. 금속성 공급원료 물질의 제련 공정은 출원인 African Rainbow Minerals Limited에 의한 "Process for the smelting of a metalliferous feedstock material" 명칭의 네덜란드 우선권주장 특허 출원 번호 2023109에 설명된 공정일 수 있다.
본 발명의 제6 측면에 따르면, 본 발명의 제1 측면에 따른 방법에서 본 발명의 제2 측면에 따른 반응기의 용도가 제공된다.
추가 이점, 세부 사항 및 개발은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다음 설명으로부터 알 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 반응기의 간략 단면도를 도시한다.
도 2는 2 개의 라이닝 섹션 및 제혀 연결부를 갖는 본 발명에 따른 반응기의 간략 횡단면도의 절결부를 도시한다.
도 3은 2 개의 라이닝 섹션 사이와 제혀 연결 영역에 배치될 수 있는 원주형 수냉식 콘솔의 사시도를 보여준다.
도 2는 2 개의 라이닝 섹션 및 제혀 연결부를 갖는 본 발명에 따른 반응기의 간략 횡단면도의 절결부를 도시한다.
도 3은 2 개의 라이닝 섹션 사이와 제혀 연결 영역에 배치될 수 있는 원주형 수냉식 콘솔의 사시도를 보여준다.
도면의 상세한 설명
도면에서 같은 번호의 요소는 동일하거나, 또는 동일한 기능을 수행한다. 기능이 동일한 경우 이전에 논의된 요소가 이후 도면에서 반드시 논의되는 것은 아니다.
다음으로, 도 1은 본 발명에 따른 실질적으로 원통형인 반응기 (100)를 설명한다. 반응기의 세부 사항에 대한 설명과 관련하여, 가스 출구에서 1500 ℃ 이상의 가스 온도 발생과 공급 물질 처리 중에 일어나는 방법 단계가 또한 특정된다.
다른 공급 물질을 사용하여 반응기 및/또는 방법을 변형하는 것이 유용할 수 있다. 일반적으로, 비유기 공급 물질의 가스화/용융 중에 더 높은 에너지 값을 갖는 공급 물질 (예를 들면, 유기 폐기물, 오염된 폐 목재, 자동차 타이어 등)을 첨가하여 상이한 공급 물질 (예를 들면, 저급 석탄)을 결합할 수도 있다.
도 1에 도시된 반응기 (100)는 다음 3 개의 섹션을 갖는다: 부분적으로 라이닝된 병류 섹션 (110), 내화성 라이닝 가스 출구 섹션 (120) 및 내화성 라이닝 역류 섹션 (130). 병류 섹션 (110), 가스 출구 섹션 (120) 및 역류 섹션 (130)은 상호 실질적으로 동심원으로 배열된다 (반응기의 중심을 실질적으로 통과하는 수직 점선으로 표시). 도시된 바와 같이, 여러 개의 원주형 수냉식 콘솔 (400)이 병류 섹션 (110) 및 역류 섹션 (130)에 도시되어 있다. 원주형 수냉식 콘솔 (400)은 제혀 연결 영역 (미도시)에서 상하로 배열된 (미도시) 적어도 2 개의 내화성 라이닝 섹션 사이에 배열된다. 병류 섹션에 라이닝되지 않은 플레넘 구역 (111), 내화성 라이닝 상부 산화 구역 (116) 및 내화성 라이닝 상부 환원 구역 (118)이 배열된다. 플레넘 구역 (111)은 슬루스 (112)가 있는 공급 구역을 포함하고, 이에 의해 폐기물, 물, 자동차 타이어, 첨가제 또는 기타 공급 물질과 같은 공급 물질이 공급 구역을 통해 위에서 반응기로 공급된다. 고체 물질의 흐름은 위에서 아래로 점선 화살표로 표시된다. 공급 물질 부피를 완충 및 사전 건조하기 위해 하류 완충 구역이 완충 구역의 저부에 인접하여 단면 확대를 생성하는 열분해 구역 (114) 아래에 배열된다. 열분해 구역 (114)에서, 배출콘이 공급 물질 (사선으로 표시됨; 114와 119 사이)으로부터 형성될 수 있다. 따라서 열분해는 층 표면에서 발생할 수 있다. 열분해 구역은 또한 연소 가스 또는 기타 저산소 가스 (예를 들면, N2 또는 CO2)로 불활성화될 수도 있으므로 슬루스 (112)로 이동하는 가연성 가스가 안전하게 연소된다. 열분해 구역 (114) 아래에는 최종 건조 및 완전 열분해를 위해 설치된 라이닝된 중간 구역 (115)이 있다. 내화성 라이닝 상부 산화 구역 (116)은 내화성 라이닝 중간 구역 (115)에 인접하여 있으며, 여기서 상부 산화 구역 (116)에서 송풍구가 도시된 바와 같이 복수의 평면에서 원주형으로 배열된다. 송풍구 (117)를 통해 적어도 1000 ℃의 고온 산소 및/또는 공기가 공급되어 1800 ℃ 이상에서 최대 4000 ℃까지 온도가 상승하여 모든 물질이 무기 가스, 액체 금속, 코크스, 탄소 및/또는 또는 미네랄 슬래그로 전환된다. 라이닝된 상부 산화 구역 (116)에 인접하고 실질적으로 후속 라이닝된 가스 출구 섹션 (120) 위에 배열된 내화성 라이닝 상부 환원 구역 (118)에서, 열 에너지의 화학적 에너지로의 흡열 변환이 일어난다. 동시에, 위에서 아래로 플레넘 구역으로부터 상부 내화성 라이닝 환원 구역 (118)까지 생성되는 가스 병류 (위에서 아래로 이어지는 점선 화살표로 표시됨)가 생성되어 내화성 라이닝 가스 출구 섹션 (120)으로 도입된다.
도시된 바와 같이, 내화성 라이닝 가스 출구 섹션 (120)이 내화성 라이닝 상부 환원 구역 (118)에 연결되어 단면 확대를 형성한다. 생성된 가스는 적어도 하나의 가스 출구 (121)를 통해 가스 출구 섹션 (120)에서 - 대략적으로 층에 교차 흐름으로 배출된다 (왼쪽에서 오른쪽으로 이어지는 점선 화살표로 표시됨). 예를 들어, 4 개 이상의 가스 출구 (121)가 원주 주위에 방사상으로 분포되어 (미도시), 병류 섹션 및 역류 섹션에서 생성된 가스가 직교류에서 방사상으로 전환될 수 있도록 제공될 수 있다. 배출된 가스는 CO/CO2 기체 부피비가 10 내지 1000, 바람직하게는 15 내지 10000, 특히 바람직하게는 15 내지 107 (본질적으로는 CO2 없음)이다.
가스 출구 섹션 아래에는 내화성 라이닝 원추형 하부 환원 구역 (138)이 있다. 내화성 라이닝 원추형 하부 환원 구역 (138)에서 열 에너지의 화학적 에너지로의 전환이 또한 일어난다.
라이닝된 원추형 하부 환원 구역 아래에는 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 송풍구 (137) 및 태핑 (131)이 배열된 라이닝된 원추형 하부 산화 구역 (136)이 있다. 송풍구 (137)는 적어도 1000 ℃의 고온 공기 및/또는 산소를 도입하여 남아 있는 코크 물질을 산화시키고 용융물이 고화되는 것을 방지한다. 금속 용융물 및 슬래그 용융물의 수집 및 배출은 태핑 (131)에서 일어난다.
원추형 하부 산화 구역 및 원추형 하부 환원 구역에서 생성된 가스는 또한 층을 통한 고체 흐름 (아래에서 위로 점선 화살표로 표시됨)과 함께 내화성 라이닝 가스 출구 섹션 (120)으로 역류로 흐르고, 적어도 하나의 가스 출구 섹션 (121)를 통해 배출된다.
본 발명에 따른 반응기는 예를 들어 다음과 같은 내부 부피를 가질 수 있다:
| 반응기 | 실시예 1 [㎥] |
실시예 2 [㎥] |
| 병류 섹션: 슬루스가 있는 공급 구역 완충 구역 열분해 구역 중간 구역 상부 산화 구역 상부 환원 구역 |
19.80 2.70 4.00 4.70 4.00 1.50 2.80 |
118.70 3.20 6.00 41.60 20.40 9.90 37.70 |
| 가스 출구 섹션: | 3.20 | 32.20 |
| 역류 섹션: | 6.80 | 59.50 |
도 2는 2 개의 라이닝된 섹션 (200, 300) 및 원주형 제혀 연결을 갖는 본 발명에 따른 반응기의 내화성 라이닝 중간 구역 (115)의 간략 횡단면도의 절개부를 도시한다. 라이닝된 중간 구역 (115)에 대한 예로서 도시된 바와 같이, 상호 라이닝된 부분은 또한 원주형 제혀 연결을 갖는 적어도 2 개의 라이닝된 섹션 (200, 300)을 가질 수 있으며, 반응기의 이 라이닝된 부분은 상하로 배열된 적어도 2 개의 라이닝된 섹션 (200, 300)을 갖는다. 적어도 2 개의 라이닝된 섹션 (200, 300)은 각각 적어도 하나의 내부 내화 라이너 (202, 302) 및 내부 내화 라이너를 둘러싸는 외부 라이너 (203, 303)를 포함한다. 내부 내화성 라이너 (202, 302)는 소성 벽돌로 만들어진 라이너 또는 모놀리식 (예를 들어, 주조) 라이너인 것이 구상될 수 있다. 도 2에 추가 도시된 바와 같이, 상하로 배열된 라이닝 섹션 (200, 300) 사이에 제혀 연결이 형성되고, 라이닝 섹션 중 하나 (200)는 반응기 내부를 향하는 측면에 홈 (201)을 갖고 다른 라이닝 섹션 (300)은 반응기 내부를 향하는 측면에 텅 (301)을 갖는다. 여기에 도시된 바와 같이, 상부 라이닝 섹션 (200)에는 홈 (201)이 있고 하부 라이닝 섹션 (300)에는 텅 (301)이 있는 것이 제공될 수 있다. 또한, 제혀 연결은 홈 (201)과 텅 (301) 사이에 (수직) 온도 의존성 갭 개구부 (400)를 갖는다. 추가로 도시된 바와 같이, 원주형 수냉식 콘솔 (400)이 상하로 배열된 적어도 2 개의 라이닝 섹션 (200, 300) 사이에 배열된다.
벽돌 라이닝을 유지하고 반응기의 고온 가열 및 냉각 동안 벽돌 라이닝을 안정화시키기 위한 원주형 수냉식 콘솔 (400)이 도 3의 사시도에 도시되어 있다. 이 원주형 수냉식 콘솔 (400)은 용접 이음새없이 정사각형 또는 직사각형 단면이 있는 중공 원통형 파이프를 구부려서 제조되며 흑철강으로 만들어진다. 냉각수는 도시된 바와 같이 연결 플랜지 (401)에 의해 수냉식 콘솔 (400)로 공급되고 배수될 수 있다.
Claims (36)
- - 슬루스 (sluice)를 통해 탄소질 공급원료 물질을 초크 공급 (choke-feeding)하여 반응기의 열분해 구역에 배출층을 형성하는 단계;
- 열분해 구역에서의 배출층을 가열하여 탄소질 공급원료 물질에서 열분해를 개시하고 열분해 생성물을 형성하는 단계;
- 적어도 800 ℃의 온도에서 산소 공급원을 열분해 구역 아래 위치에서 반응기에 공급함으로써 반응기에 저위 고온 상부 산화 구역을 제공하는 단계;
- 열분해 생성물 및 열분해되지 않은 잔류 탄소질 공급원료 물질을 고온 상부 산화 구역에서 가스화하여 반응기의 상부 환원 구역에 탄화물층을 형성하는 단계 - 상기 상부 환원 구역은 고온 상부 산화 구역 아래에 위치함;
- 상부 환원 구역에서 열 에너지를 화학 에너지로 변환시키는 단계;
- 적어도 800 ℃의 온도에서 산소 공급원을 반응기의 하부 환원 구역 아래 위치에서 반응기에 공급함으로써 반응기에 저위 고온 하부 산화 구역을 제공하는 단계;
- 하부 산화 구역에 존재하는 임의의 금속 및/또는 슬래그 용융물을 수집하는 단계;
- 하부 산화 구역에 존재하는 금속 및/또는 슬래그 용융물을 제거하는 단계; 및
- 상부 환원 구역에서 발생하는 온도가 적어도 1300 ℃이고 CO/CO2 비가 5 이상인 고온 환원 가스를 반응기의 상부 환원 구역과 하부 환원 구역 사이에 위치해 있는 반응기의 가스 출구 섹션에 배치된 가스 출구를 통해 배출하는 단계를 포함하는,
반응기를 사용하여 탄소질 공급원료 물질을 가스화하여 고온 환원 가스를 생성하는 방법. - 제1항에 있어서, 배출되는 고온 환원 가스는 ≥15의 CO/CO2 비율을 갖는 방법.
- 제1항에 있어서, 열분해 구역에서의 배출층의 가열은 적어도 700 ℃의 온도로 점진적으로 수행되고, 온도는 탄소질 공급원료 물질과 열분해 생성물의 분해를 방지하기 위해 점진적으로 증가되는 방법.
- 제1항에 있어서, 열분해 구역에서의 배출층을 가열하여 탄소질 공급원료 물질에서 열분해를 개시하고 열분해 생성물이 형성되도록 하기 위해 열분해 구역에 고온 가스를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
- 제4항에 있어서, 열분해 구역의 배출층을 적어도 700 ℃의 온도로 점진적으로 가열하기 위해 열분해 구역으로 공급되는 고온 가스의 체적 유량을 제어하는 단계를 포함하고, 여기서 온도는 탄소질 공급원료 물질과 열분해 생성물의 분해를 방지하기 위해 점진적으로 증가하는 방법.
- 제1항에 있어서, 탄소질 공급원료 물질을 반응기에 초크 공급하기 전에 탄소질 공급원료 물질을 건조시키는 단계를 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 반응기의 완충 구역에서 탄소질 공급원료 물질을 예열 및 사전 건조하는 단계를 포함하고, 상기 완충 구역은 반응기의 열분해 구역 위에 위치하는 방법.
- 제7항에 있어서, 열분해 구역에 탄소질 공급원료 물질을 공급함으로써, 배출콘을 갖는 배출층이 형성되고, 상기 열분해 구역의 단면이 완충 구역의 단면에 대해 확대된 방법.
- 제1항에 있어서, 반응기의 중간 구역에서 탄소질 공급원료 물질을 열분해 및 건조시키는 단계를 포함하고, 상기 중간 구역은 열분해 구역 아래에 위치하는 방법.
- 제9항에 있어서, 반응기의 병류 섹션에서 생성된 적어도 1300 ℃의 온도를 갖는 고온 환원 가스를 반응기의 적어도 하나의 가스 출구로부터 배출하는 단계를 포함하고, 상기 병류 섹션은
- o 반응기의 공급 구역;
o 반응기의 완충 구역;
o 반응기의 열분해 구역; 및
o 반응기의 중간 구역을 포함하는,
반응기의 플레넘 구역
- 반응기의 상부 산화 구역; 및
- 반응기의 상부 환원 구역을 포함하는,
방법. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 반응기의 역류 섹션에서 생성된 적어도 1300 ℃의 온도를 갖는 고온 환원 가스를 반응기의 가스 출구 섹션에 위치한 가스 출구를 통해 배출하는 단계를 포함하고, 상기 역류 섹션은 반응기의 하부 산화 구역 및 하부 환원 구역을 포함하는 방법.
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