KR20010013494A - 흑수 플래쉬와 증기 복구방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 뜨거운 흑수 슬러리를 탈가스 및 냉각시키기 위한 공정이다. 뜨거운 흑수 슬러리는 합성가스 세정기로부터 얻어진다. 용해된 가스를 흑수 슬러리로부터 분리시키기 위한 충분한 조건하에서 흑수 슬러리를 진공상태에 방치함으로써 그 흑수 슬러리가 냉각되고 탈가스 된다. 다음에, 이들 가스는 흑수 슬러리로부터 제거된다. 이들 가스는 가스화 공정에서 효과적으로 리사이클 된다.

Description

흑수 플래쉬와 증기 복구방법 및 장치{BLACK WATER FLASH AND VAPOR RECOVERY PROCESS AND APPARATUS}
합성가스는, 고체 또는 액체 탄소질의 연료가 임의의 존재하는 증기나 물속의 공기, 응축공기, 또는 산소 등의 가스와 가스화 반응장치에서 반응함으로써 생성된다. 생성된 합성가스는, 상기 가스화 동작동안 고체 또는 액체 탄소질의 연료로부터 형성되거나 방면되는 여러가지 오염물질을 제거하기 위해, 가스화 반응장치로부터 회수되어 몇가지의 세정동작이 수행된다. 상기 오염물질이 상기 가스화 동작동안 적절히 처리되지 않으면, 쉽게 환경 오염물질로 될 수 있다.
예컨대, 상기 합성가스에서 종종 발견된 물질들은 유화수소, 암모니아, 시안화물(cyanides), 페놀, 다양한 할로겐 및 금속자국 뿐만 아니라 탄소, 재(ash) 및 석탄형태의 미립자들을 포함한다. 부수적인 오염문제의 피해를 입지않고 존속 가능한 방법으로 가스화를 실현하기 위해, 상기 오염물질의 제거 및 처리가 만족스럽게 수행되어야만 한다.
가스화기로부터 합성가스가 배출됨으로써, 통상 적어도 하나의 세정장치 내로 가스가 도입되어, 응축 가능한 타르, 오일 및 유기물 등과 같은 응축물과 가스를 냉각하는 물보라와 접촉시키는 세정기술을 포함한 복합적인 냉각 및 세정동작이 수행된다. 상기 세정동작에서 사용된 물은 탄소로 오염되기 때문에, 통상 잘 알려진 "흑수(black water)"로 된다. 이러한 흑수는 또한, 용해할 수 있는 가스를 포함한다. 이러한 흑수는, 탄소함유 고체의 경사분리(decantation) 단계와, 슬러리(slurry) 내의 고체의 부분적인 응축 단계 및 유화수소, 암모니아와 같은 가스의 스트리핑(stripping) 단계를 포함하는 다수의 단계와, 페놀 및 시안화물과 같은 용해된 탄소함유 화합물과 탄소를 제거하는 단계를 수행하게 된다.
뜨거운 가스 스트림(stream)을 담금질 드럼에서 직접 물로 담금질 냉각하고 가스 세정지역에서 물로 세정함으로써, 미립자 고체, 즉 일부의 산화가스 발생기로부터 뜨거운 천연가스 스트림으로 전환된 탄소, 그을음 및 재가 제거된다. 이러한 수단에 의해, 청정한 가스 스트림과 미립자 고체, 즉 탄소와 재의 분산이 이루어진다. 이것은 미립자 고체와 가스상태의 불순물을 상기 분산으로 제거함으로써 물을 재생하는데 경제적이다. 그러나, 상기 재생동작중 시스템 내에 골치아픈 펌프가능한 수성의 에멀젼(emulsions)이 형성되므로 제거되어야만 한다. 그 다음에, 상기 재생된 물이 가스 담금질 냉각 및 세정지역에서 리사이클 된다.
종래에는 잡배수(gray water)의 재생을 위해 플래쉬 칼럼(flash column)이 이용되었다. 잡배수는 제거된 탄소와 또 다른 고체가 상당히 많은 파편을 갖고 있는 물이다. 이러한 종래의 시스템은 가스가 제거된 흑수의 대기에 의한 처리를 개시할 수 있도록 다량의 유해가스를 제거하지 못한다.
본 발명은 뜨거운 흑수 슬러리를 탈가스 및 냉각시키기 위한 공정이다. 뜨거운 흑수 슬러리는 합성가스 세정장치로부터 얻어진다. 용해된 가스를 흑수 슬러리로부터 분리시키기 위한 충분한 조건하에서 흑수 슬러리를 진공상태에 방치함으로써 그 흑수 슬러리가 냉각되고 탈가스 된다. 다음에, 이들 가스는 흑수 슬러리로부터 제거된다. 이들 가스는 가스화 공정에서 효과적으로 리사이클 된다.
본 발명은 합성가스의 세정으로부터 얻어진 흑수(black water)를 냉각 및 탈가스(degassing) 시키기 위한 것에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 공정을 도식적으로 나타낸 도면이다.
상술한 용어 "진공상태"는 대기압 보다도 낮은 압력을 의미한다. 즉, 약 101KPa 절대압력 이하이다. 진공도는 절대압력에 의해 정의된다. 즉, 0KPa의 압력이 완전한 진공이다.
상술한 용어 "가스"는 압력 및 온도조건에서 존재하는 가스상태의 미립자를 의미하고, 실온 및 고온에서도 응축할 수 있는 증기를 포함한다. 본 발명에서 사용된 용어, 수증기는 가스이다.
산소와 일산화탄소로 이루어진 혼합가스를 생성하기 위한 일부의 산화공정에 있어서, 천연처리가스 스트림은 전환된 미립자 고체, 즉 탄소와 재를 포함한다. 또한, 가스는 오염물질 가스, 특히 이산화탄소, 암모니아 및 유화수소를 포함한다. 또한, 가스는 나트륨염 및 칼슘염을 포함하는 염류를 포함한다. 오염물질 가스의 큰 파편과 미립자 고체는 물로 담금질 및 세정함으로써 제거된다. 가스화 반응장치에서 생성된 합성가스를 세정하는 공정에서, 미립자 탄소와 재를 포함하는 뜨거운 흑수 슬러리가 생성되고, 여기서 물은 이산화탄소, 유화수소, 암모니아 및 가능한 또 다른 가스를 포함하고, 용해 가능한 염류, 특히 칼슘염을 포함한다.
유화수소를 포함하는 황화물(sulfides)이 황산 제1철의 추가에 의해 고체가 되고, 그후 흑수의 고체로서 취급된다. 또한, 황화물은 휘발성가스로서 취급된다.
상기 뜨거운 흑수는 달아진 고체중량으로 약 0.3%에서 10%를 함유한다. 통상, 뜨거운 흑수 슬러리의 온도는 약 섭씨 150도에서 섭씨 300도까지이지만, 온도는 중요하지 않다.
용해된 가스, 휘발성 물질 및 수증기를 제거하기 위해 흑수 슬러리가 진공상태에서 플래슁(flashing) 된다. 진공상태에서 플래슁 할 경우, 가스와 증기를 방출하거나 뜨거운 흑수 슬러리를 남길 수 있는 조건하에서 그 뜨거운 흑수 슬러리를 진공상태로 방치한다. 일반적으로, 플래쉬 타워(flash tower)의 플레이트(plates)에 의해 얻어지거나 또는 포트(port)로부터 액체를 도입함으로써, 교반(agitation)이나 가스 액체 접촉이 충분해진다. 다음에, 수증기와 같은 증기를 포함하는 플래쉬된 가스는 진공드럼의 고요한 영역에서 슬러리로부터 중력에 의해 분리되고, 냉각 탈가스화된 슬러러가 드럼 아래로 빠져 나가는 반면 가스는 드럼 위로 빠져 나간다.
또한, 상기 플래슁은 반드시 수증기를 제거함으로써, 가스 스트림을 냉각한다. 냉각량은 발생된 진공량과 제거된 수증기량에 따른다. 약 52KPa의 압력의 경우, 슬러리는 약 섭씨 82도로 냉각할 수 있다.
진공이 높을수록 가스 및 증기의 제거가 더 완전해질 수 있다. 그러나, 상기 흑수 슬러리는 고압, 즉 15000KPa 절대압력 이상의 압력으로 용해된 가스를 포함한다. 따라서, 약 50KPa에서 약 100KPa 절대압력까지의 압력은 보통 가장 많은 용해된 가스를 제거하고, 약 35KPa에서 약 50KPa 절대압력까지의 압력은 보통 많은 용해된 가스를 제거하며, 약 10KPa에서 약 35KPa 절대압력까지의 압력은 본질적으로 모든 용해된 가스를 제거한다.
가스-물 접촉이 충분하고, 약 35KPa에서 약 75KPa 절대압력 사이의 진공상태가 유지되는 공정에 있어서, 결과적인 흑수 슬러리는 유화수소의 중량으로 약 10ppm(parts per million) 이하 및 산, 암모니아와 이온적으로 결합하지 않는 중량으로 약 10ppm 이하를 포함한다. 가스-물 접촉이 충분하고, 약 10KPa에서 약 35KPa 절대압력 사이의 진공상태가 유지되는 공정에 있어서, 결과적인 흑수 슬러리는 유화수소의 중량으로 약 1ppm(parts per million) 이하 및 암모니아와 이온적으로 결합하지 않는 중량으로 약 1ppm 이하를 포함한다. 물론, 보다 높은 진공상태, 즉 5KPa를 달성할 수 있지만, 그 진공상태를 달성하기 위한 비용은 보통 제거된 여분의 가스량으로 정당화 될 수 없다.
플래슁 하자마자, 흑수 슬러리가 냉각된다. 고체와 칼슘염으로 표면이 더럽혀지기 때문에, 종래의 열교환기에 의해 흑수를 쉽게 냉각시킬 수 없다. 열교환기에서 발견할 수 없는 바와 같이 본 발명의 냉각표면에는 더러운 고체 및 칼슘염이 없다. 냉각 및 탈가스화된 흑수 슬러리는 물로부터 고체를 분리시키기 위해 대기분위기중에서 더 처리될 수 있다. 저레벨의 다른 위험한 가스, 특히 유화수소는 흑수에서 안전성의 위험을 갖지 않는다.
연마제 고체로 이러한 슬러리를 다룰 수 있도록 진공드럼이 설계된다. 진공드럼의 하부 및 연결관은 고체의 축적을 방지하기 위한 충분한 각도, 즉 수평에서 적어도 약 10도정도로 기울어진다. 상기 진공드럼에 뜨거운 흑수 슬러리 입구는 노즐의 부식을 방지하기 위해 내벽과 동일한 평면에 있다.
그것은 합성가스 세정장치로 리사이클링 하기 위한 수증기를 응축하는데 효과적이다. 응축장치, 또는 열교환기 및 액체 녹아웃(knockout) 용기가 수증기를 응축하기 위해 이용된다. 응축된 물에 용해된 암모니아, 이산화탄소 및 유화수소의 양을 최소화 시키기 위해 응축이 진공상태에서 행해지는 것이 바람직하다. 또한, 응축장치에서의 짧은 상주시간은 응축된 물에 용해된 가스량을 최소화 시키는데 도움이 될 것이다. 바람직하게, 응축장치는 가스를 약 섭씨 40도 이하로 냉각시킨다.
수증기 응축장치가 배출하는 냉각된 가스는, 질소와 같은 불활성물과 수소 및 일산화탄소 뿐만 아니라, 흡수 암모니아, 이산화탄소 및 유화수소를 포함한다. 그것은 냉각된 기본수(basic water)에서 암모니아, 이산화탄소 및 유화수소를 흡수하는데 적합하다. 기본수는 나트륨 수산화물과 같은 염기나 암모니아 농축수에 존재하는 염기를 포함할 수 있다. 물의 pH는 9 이상이 바람직하고, 11 이상이 더 바람직하며, 12 이상이 보다 더 바람직하다. 흡수하는 물과 가스는 가스 세정장치에서 밀접한 접촉을 일으킨다. 상기 가스 흡수장치는 제트 흡수장치, 트레이(tray)나 팩화 칼럼(packed column), 벤투리(venturi), 또는 산업에 이용된 또 다른 가스 흡수장치를 포함한 다양한 장치가 될 것이다. 팩킹(packing)을 갖는 카운터 유동가스 흡수타워가 바람직하다. 온도조절이 중요하고, 타워의 하부로부터 회수한 암모니아 농축수나 부식제는 타워 상부 뒤로 유체를 순환시키기 전에 유체를 냉각하기 위해 열교환기를 통과한다. 부식수의 바람직한 온도는 약 섭씨 0도에서 섭씨 40도 사이이고, 보다 바람직하게는 약 섭씨 5도에서 섭씨 30도 사이이다.
이들 가스의 흡수는 온도에 의존하기 때문에, 진공상태를 유지하는 동안 암모니아, 이산화탄소 및 유화수소가, 냉각된 부식제 또는 암모니아 농축수로 흡수되는 것이 바람직하다. 이것은, 이들 가스가 진공펌프로 통과하여 대기압이나 심지어 상승압에서도 흡수되도록 진공펌프가 기계적이면 특히 가능하다.
진공 발생방법은 중요하지 않다. 종래 수단은 제트 오리피스(orifice)와 기계적인 펌프를 포함한다.
부식제 또는 암모니아 농축수는 가스화 반응장치에서 효과적으로 리사이클 된다. 이들 가스는 약간의 유기산, 특히 포름산을 중화시킴으로써 가스화 반응장치의 pH를 완화시키는데 도움이 된다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 가스 세정용기(도시하지 않았슴)로부터 전달파이프(30)를 통해 진공 플래쉬 드럼(10) 내로 천연의 뜨거운 흑수를 도입하여 가둔다. 그 흑수를 진공상태에서 플래쉬하고, 용해된 가스와 증기를 방면하여 흑수를 냉각시킨다. 상기 흑수는 전달파이프(22)를 통해 진공 플래쉬 드럼(10)에서 다른 처리시설(도시하지 않았슴)로 빼내진다. 가스와 증기가 진공 플래쉬 드럼(10)에서 배출되어 열교환기(12)와 액체 녹아웃 용기(14)로서 도시한 응축장치를 통과한다. 상기 응축된 수증기는 펌프(24)를 통해 가스 세정용기(도시하지 않았슴)로 전달된다. 가스는 액체 녹아웃 용기(14)에서 배출되어 흡수장치(16)로 들어간다. 부식 암모니아 농축수는 순환펌프(20)를 매개로 흡수장치(16)의 하부로부터 빼내진다. 이 순환펌프(20)가 배출하는 물의 파편이 고압펌프(28)를 통해 가스화기로 보내진다. 이러한 순환펌프(20)가 배출하는 물의 파편은 냉각장치(26)로 보내져 흡수장치(16)의 상부로 되돌려진다. 새로운 부식수가 필요에 따라 첨가된다. 질소와 같은 불활성물, 일산화탄소 및 수소를 포함하는 나머지 가스는 진공 발생기(도시하지 않았슴)를 매개로 전달파이프(18)를 통해 플레어(flare; 도시하지 않았슴)로 보내진다.

Claims (17)

  1. 용해된 가스를 흑수 슬러리로부터 분리시키기 위한 충분한 조건하에서 흑수 슬러리를 진공상태에 방치하고, 상기 흑수 슬러리로부터 가스를 제거함으로써 합성가스 세정장치로부터 얻어진 흑수 슬러리를 탈가스 및 냉각시키는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 흑수 슬러리의 탈가스 및 냉각방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가스를 응축장치로 전달하고 수증기를 응축하는 단계를 더 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 흑수 슬러리의 탈가스 및 냉각방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 응축된 물을 합성가스 세정장치로 전달하는 단계를 더 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 흑수 슬러리의 탈가스 및 냉각방법.
  4. 제1항에 있어서, 암모니아, 이산화탄소 및 유화수소를 흡수하기 위한 충분한 조건하에서 상기 가스를 냉각된 기본수에 노출하는 단계를 더 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 흑수 슬러리의 탈가스 및 냉각방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 냉각된 부식제 또는 암모니아 농축수의 암모니아, 이산화탄소 및 유화수소를 흡수하는 단계는 진공상태에서 수행하는 것을 특징으로 하는 흑수 슬러리의 탈가스 및 냉각방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 냉각된 부식제 또는 암모니아 농축수의 암모니아, 이산화탄소 및 유화수소를 흡수하는 단계는 101KPa 압력보다 높거나 같은 압력에서 수행하는 것을 특징으로 하는 흑수 슬러리의 탈가스 및 냉각방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 부식제 또는 암모니아 농축수를 가스화 반응장치에서 리사이클링 하는 단계를 더 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 흑수 슬러리의 탈가스 및 냉각방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 물로부터 고체를 분리하기 위해 대기분위기 조건에서 상기 흑수를 더 처리하는 단계를 더 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 흑수 슬러리의 탈가스 및 냉각방법.
  9. 제1항에 있어서, 압력은 약 10KPa에서 75KPa 절대압력인 것을 특징으로 하는 흑수 슬러리의 탈가스 및 냉각방법.
  10. 제1항에 있어서, 압력은 약 10KPa에서 50KPa 절대압력인 것을 특징으로 하는 흑수 슬러리의 탈가스 및 냉각방법.
  11. 제1항에 있어서, 압력은 약 35KPa에서 50KPa 절대압력인 것을 특징으로 하는 흑수 슬러리의 탈가스 및 냉각방법.
  12. 제1항에 있어서, 압력은 약 10KPa에서 35KPa 절대압력인 것을 특징으로 하는 흑수 슬러리의 탈가스 및 냉각방법.
  13. 제1항에 있어서, 결과적인 흑수 슬러리는 유화수소 중량으로 약 10ppm 이하 및 프리 암모니아(free ammonia)의 중량으로 약 10ppm 이하인 것을 특징으로 하는 흑수 슬러리의 탈가스 및 냉각방법.
  14. 제1항에 있어서, 결과적인 흑수 슬러리는 유화수소 중량으로 약 1ppm 이하 및 프리 암모니아의 중량으로 약 1ppm 이하인 것을 특징으로 하는 흑수 슬러리의 탈가스 및 냉각방법.
  15. 진공 플래쉬 드럼과,
    수증기 응축장치,
    부식제 또는 암모니아수를 포함하는 흡수장치 및,
    진공 발생기를 구비하여 구성되고,
    흑수가 진공 플래쉬 챔버로 들어가고, 플래쉬된 증기가 상기 진공 플래쉬 드럼으로부터 상기 수증기 응축장치, 흡수장치 및 진공 발생기를 연속적으로 통과하는 것을 특징으로 하는 흑수를 플래슁 하고 물과 방면된 가스를 복구하기 위한 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 진공드럼의 하부 및 연결관은 고체의 축적을 방지하기 위해 수평에서 적어도 약 10도의 각도로 기울어진 것을 특징으로 하는 흑수를 플래슁 하고 물과 방면된 가스를 복구하기 위한 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 진공드럼에 흑수 입구는 노즐의 부식을 방지하기 위해 내벽과 동일한 평면에 있는 것을 특징으로 하는 흑수를 플래슁 하고 물과 방면된 가스를 복구하기 위한 장치.
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