KR20030087061A - 기체화 장치를 이용한 블랙 워터 재생 순환 루프의 용도 - Google Patents

기체화 장치를 이용한 블랙 워터 재생 순환 루프의 용도 Download PDF

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Abstract

본 발명은 급랭 기체화 반응기로부터 생성된 원료 합성가스 세정 폐수, 또는 블랙 워터를 처리하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 기화 장치에서 사용되는 적어도 일부의 조절자(moderator)를 취합할 수 있는 재순환 루프에서의 블랙 워터의 재순환에 관한 것이다. 블랙 워터에 대하여 재순환 루프를 사용하면 고압 증기 원료가 불충분할 경우와 같은 상황에서 기체화 장치를 작동시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 기체화 장치의 계속적인 운영을 가능하게 하면서 블랙 워터 처리 시스템의 서비스 및 유지보수를 수행할 수 있게 한다.

Description

기체화 장치를 이용한 블랙 워터 재생 순환 루프의 용도{BLACK WATER RECYCLE CIRCULATION LOOP USE WITH A GASIFIER}
탄화수소 물질을 합성가스로 기체화하는 방법 및 이점들이 산업 전반에 걸쳐 일반적으로 잘 알려져 있다. 고온의 기체화 방법에 있어서, 합성가스는 석탄, 잔류 석유, 목재, 역청사(tar sand), 혈암유(shale oil)와 같은 연소 가능한 유기 연료, 및 도시, 농촌 또는 산업 폐기물로부터 생성될 수 있다. 기체화 단계 이전에, 이와 같은 연소 가능한 유기 연료들은 일반적으로 물과 혼합되어 슬러리(slurry) 또는 에멀젼(emulsion)을 형성한다. 이후, 슬러리 형태의 고형 연소 가능한 유기 연료를 기체화 반응기에서 공기 또는 산소와 같은 활성산소 함유 기체, 및 물 또는 증기와 같은 조절자(moderator)와 반응시켜 합성가스를 수득한다.
기체화 반응기의 반응 영역에서, 연소 가능한 유기 연료는 선택적으로 증기 또는 물과 같은 온도 조절자(moderator)의 존재하에, 자유 산소 함유 기체와 접촉된다. 반응영역에서, 내용물은 약 1,700℉(930℃) 내지 약 3,000℉(1650℃), 및 보다 일반적으로는 약 2,000℉(1100℃) 내지 약 2,800℉(1540℃)의 온도에 일반적으로 도달할 것이다. 압력은 일반적으로 약 1 기압(100 kPa) 내지 약 250 기압(25,000 kPa), 보다 일반적으로는 약 15 기압(1500 kPa) 내지 약 150 기압(15000 kPa)일 것이다.
일반적인 기체화 방법에 있어서, 합성 가스는 실질적으로 수소, 일산화탄소, 및 물, 이산화탄소, 황화수소, 황화카보닐, 암모니아 및 질소와 같은 적은 양의 불순물을 포함할 것이다. 합성 가스는 다운스트림 공정에 사용되기 이전에 불순물을 제거하거나 또는 그 양을 실질적으로 감소시키기 위하여 일반적으로 처리된다.
이와 같은 용도의 한 예로는 통합 기체화 결합 사이클(IGCC) 동력 발생 시스템이 있다. 전 세계에 걸쳐서, 이와 같은 시스템은 연료원(source)의 기체화로부터 동력을 발생시키기 위하여 사용된다. 이와 같은 시스템에 있어서, H2, CO, CO2및 H2O를 함유한 미가공 합성 가스(synthesis gas) 또는 합성가스(syngas) 스트림은 일반적으로 증기수(steam water)와 같은 온도 조절자의 존재하에, 급랭 기체화 반응기(quench gasification reactor)에서 자유-산소 함유 기체를 사용하여 탄화수소 원료를 부분 산화 반응시켜 생성된다.
급랭 공정은 고형물, 수용성 화합물 및 부분 수용성 화합물을 포함한 넓은 범위의 오염물질들에 대하여 처리되어져야 하는, 종종 "블랙 워터(black water)"로 불려지는 폐수를 발생시킨다. 블랙 워터를 처리하는 기존의 처리방법들은 처리비용이 비싸며, 이 때문에 대부분의 폐수 처리 시스템들은 단지 하루 발생 폐수량 정도를 저장하고 처리하도록 설계되어 있다. 이러하여, 상기 폐수 처리 시스템에 중대한 보수 사항이 발생하게 되면 전체 기체화 공정이 중단되어야 된다. 이와 같은 이유로, 상기 폐수 처리 시스템을 유지 보수하는 기간중에, 기체화 시스템을 계속적으로 운영할 수 있는 시스템이 요구되고 있다.
발명의 요약
본 발명은 급랭 기체화 반응기로부터 생성된 원료 합성가스 세정 폐수, 또는 블랙 워터를 처리하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 기화 장치에서 사용되는 적어도 일부의 조절자(moderator)를 취합할 수 있는 재순환 루프에서의 블랙 워터의 재순환에 관한 것이다. 블랙 워터에 대하여 재순환 루프를 사용하면 고압 증기 원료가 불충분할 경우와 같은 상황에서 기체화 장치를 작동시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 기체화 장치의 계속적인 작동을 가능하게 하면서 블랙 워터 처리 시스템의 서비스 및 유지보수를 수행할 수 있게 한다.
본 발명의 또 다른 측면으로는 폐수를 기체화 장치의 업스트림 위치로 재순환시킴으로써 급랭 기체화 반응기로부터 폐수를 처리하는 것이다. 이와 같은 실시예에 있어서, 폐수는 기체화 단계로 역 재순환되며, 이 단계에서 블랙 워터와 어떠한 탄소 성분이 액체 또는 분쇄 고형 연소 가능한 유기 물질과 혼합되어 슬러리를 형성한다. 이후, 슬러리는 기체화 장치로 공급되고, 이 기체화 장치에서 슬러리는 폐수에 포함되어 있는 어떠한 탄소, 및 연소 가능한 유기 연료를 합성 가스로 전환시키도록 고온 및 고압하에 산소 및 선택적으로 첨가된 증기와 반응한다.
본 발명의 이와 같은 특징들은 하기의 본 발명의 실시예에서 보다 상세하게 기술될 것이다.
도면의 간단한 설명
도 1은 도식적인 형태로 본 발명의 실시예를 도시하고 있다. 특히, 본 도면은 블랙 워터의 기체화 장치로의 역 재순환을 도시하고 있다.
도 2는 도식적인 형태의 본 발명의 실시예를 도시하고 있다. 특히, 본 도면은 기체화 장치로부터 분리될 수 있는 루프 내부에서 블랙 워터의 역 재순환을 도시하고 있다.
본 발명은 급랭 기체화 반응기로부터 생성된 원료 합성가스 세정 폐수, 또는 블랙 워터를 처리하는 방법에 관한 것이다.
하기의 용어 및 구문들은 본 명세서에서 사용되고 있으며, 하기의 의미를 갖는다.
"연소 가능한 유기 연료"는 석탄, 잔류 석유, 목재, 역청사(tar sand), 혈암유(shale oil)와 같은 어떠한 연소 가능한 유기 연료, 및 도시, 농촌 또는 산업 폐기물로 정의된다. 이와 같은 정의의 범위는 합성 가스를 생성시키는 기체화 공정에 사용될 수 있는 어떠한 연소 가능한 유기 연료들을 포함하는 것이다.
"프로세스 워터(process water)"는 탄화수소 합성 반응기로부터 폐수 이외의 슬러리를 제조하기 위하여 사용되는 어떠한 물로 정의된다. 이와 같은 "프로세스워터"의 범위는 물이 주성분인 어떠한 물질의 조성물을 포함하는 것이다.
"슬러리(slurry)"는 고형의 연소 가능한 유기 연료 및 물의 조합으로 정의되며, 여기서 상기 물은 탄화수소 합성 반응기로부터의 프로세스 워터 또는 폐수이다. 본 기술분야에 알려진 다수의 슬러리를 생성 방법중 일부를 기술하고 있는 미합중국 특허번호 제4,887,383호, 제4,722,740호, 제4,477,259호 및 제4,242,098호를 참조하라. 상기 참조 특허들의 전체 내용은 본 발명의 인용문헌으로 포함되어 있다.
"기체화하기(gasifying)" 또는 "기체화(gasification)"는 다양한 탄소질 함유 연료들이 상승 반응 온도 및 압력하에서 부분 산화에 의해 합성가스로 전환될 수 있는 방법으로 정의된다. 일반적인 기체화 방법에 있어서, 탄소질 함유 연료는 선택적으로 증기와 같은 온도 조절자의 존재하에, 공기 또는 산소와 같은 자유 산소 함유 기체와 접촉된다. 반응 영역에서, 상기 내용물은 약 1,700℉(930℃) 내지 약 3,000℉(1650℃), 및 보다 일반적으로는 약 2,000℉(1100℃) 내지 약 2,800℉(1540℃)의 온도에 일반적으로 도달할 것이다. 압력은 일반적으로 약 1 기압(100 kPa) 내지 약 250 기압(25,000 kPa), 보다 일반적으로는 약 15 기압(1500 kPa) 내지 약 150 기압(15000 kPa)일 것이다. 부분 산화 연소장치 어셈블리를 기술하고 있는 미합중국 특허번호 제3,945,942호를 참조하라. 유기 물질의 기체화 방법 및 장치를 기술하고 있는 미합중국 특허번호 제 5,656,044호를 참조하라. 공지 기술로 알려져 있는 많은 기체화 방법중 일부를 기술하고 있는 미합중국 특허번호 제 5,435,940호, 5,345,756호, 4,851,013호 및 4,159,238호를 참조하라. 상기 참조 특허들의 전체 내용은 본 발명의 인용문헌으로 포함되어 있다.
"합성 가스(synthesis gas)"(합성가스(syngas)도 상호교환가능하게 사용됨)는 물, 이산화탄소, 황화수소, 황화카보닐, 암모니아 및 질소와 같은 불순물이 적은 양으로 존재하고, 실질적으로 수소 및 일산화탄소로 이루어진 기체 혼합물로 정의된다. 주성분이 수소와 일산화탄소라는 가정하에, 불순물을 제거하거나 이의 양을 감소시키기 위하여 처리된 어떠한 합성 가스도 이와 같은 정의의 범위내에 포함된다.
본 발명에 있어서, 탄소질 함유 연료는 기체화 반응기로 공급하기 위하여 일차로 수득되고 제조된다. 탄소질 함유 연료는 합성 가스를 생성시키는 기체화 방법에 공급원료로 사용될 수 있는 어떠한 고형, 액체형 또는 기체형 연소 가능한 유기물질이다. 기체화 방법의 공급원료는 일반적으로 탄화수소 물질, 즉, 하나 이상의 물질, 일반적으로 유기물이며, 이는 기체화 반응에 수소 및 탄소원을 제공한다. 탄화수소 물질은 기체상, 액체상 또는 고체상일 수 있거나, 또는, 이의 조합형태로서, 예를 들면, 유동 상태의 고형-액체형 조성물일 수 있다.
공급물 제조단계는 주어진 조성물 및 공급원료의 물리적 성질을 고려할 때 필수적이지 않을 수 있다. 일반적으로, 고형 탄소질 함유 연료는 기체화 장치로 공급되기 이전에 오일 또는 물과 함께 액화될 필요성이 있을 것이다. 액체상 또는 기체상 탄소질 함유 연료들은 기체화 장치에 직접 공급되는 것이 적당할 수 있지만, 공급물에 존재할 수 있는 어떠한 불순물을 제거하기 위하여 예비처리될 수 있다.
다양한 공급원료들을 기술하기 위하여 본 명세서에 사용된 액체 탄화수소 연료라는 용어는 펌핑 가능한 액체 탄화수소 물질 및 고형 탄소질 함유 물질의 펌핑 가능한 액체 슬러리, 및 이의 혼합물을 포함한다. 예를 들면, 고형 탄소질 함유 연료의 펌핑 가능한 수용성 슬러리가 공급원료로 적당하다. 사실, 실질적으로 어떠한 연소가능한 탄소-함유 액체 유기물질 또는 이의 슬러리들이 "액체 탄화수소" 용어의 정의에 포함될 수 있다. 예를 들면,
(1) 물, 액상 이산화탄소, 액상 탄화수소 연료, 및 이의 혼합물과 같은 기화가능한 액상 담체에 존재하는 석탄, 미립자 탄소, 석유 코크, 농축 하수 슬러지, 및 이의 혼합물과 같은 고형 탄소질 함유 연료의 펌핑 가능한 슬러리들이 존재하고;
(2) 기체화 장치에 적당한 액상 탄화수소 연료 공급원료가 액화 석유가스, 석유 증류물 및 잔류물, 가솔린, 나프타, 케로신(kerosine), 원유, 아스팔트, 가스 오일, 잔류 오일, 역청사 오일 및 혈암유, 석탄 유래 오일, 방향족 탄화수소 (벤젠, 톨루엔, 크실렌 분획과 같은), 석탄 타르, 유체-촉매-분해(cracking) 작용으로 수득된 순환 가스 오일, 코커(coker) 가스 오일의 푸르푸랄(furfural) 추출물, 및 이의 혼합물과 같은 다양한 물질들을 포함하고;
(3) 탄수화물, 셀룰로오스 물질, 알데히드, 유기산, 알코올, 케톤, 산화 연료 오일, 폐액, 산화 탄화수소 유기물질을 포함하는 화학 공정의 부산물, 및 이의 혼합물을 포함하는 산화 탄화수소 유기물질들이 액체 탄화수소 용어의 정의에 포함된다.
부분 산화 기체화 장치에서 단독으로 발화될 수 있거나 액상 탄화수소 연료와 함께 발화될 수 있는 기체상 탄화수소 연료는 증발 액상 천연 가스, 정제 오프-가스(off-gas), C1-C4탄화수소 가스, 및 화학공정으로부터 수득된 폐탄소-함유 기체를 포함한다.
공급물 제조단계 이후, 사용된다면, 탄소질 함유 연료는 기체화 반응기, 또는 기체화 장치로 이송된다. 기체화 장치에서, 탄소질 함유 연료는 활성 자유 산소-함유 기체와 반응한다. 본 명세서에 사용된 자유 산소 함유 기체는 공기, 산소가 풍부한 공기, 즉 21 몰% 이상의 O2및 실질적으로 순수한 산소, 즉, 약 90 몰% 이상의 산소(잔류물은 일반적으로 N2및 기체를 소량으로 포함함)를 의미한다. 실질적으로 순수한 산소가 바람직하며, 공기 분리 유닛(ASU)에 의해 수득된다. 탄화수소 물질의 부분 산화는 바람직하게는 증기와 같은 온도 조절자의 존재하에 기체화 영역에서 완성되어 고온의 합성가스(synthesis gas) 또는 합성가스(syngas)를 수득한다. 본 명세서에 걸쳐 합성가스(synthesis gas) 또는 합성가스(syngas)는 상호 교환가능하게 사용될 수 있고, 이렇게 사용된다.
기체 발생장치의 반응 영역에서 온도를 조절하기 위한 온도 조절자에 대한 필요성은 공급원료의 탄소 대 수소 비율 및 산화제 스트림의 산소 함량에 일반적으로 의존한다. 온도 조절자는 일반적으로 실질적으로 순수한 산소를 갖는 액상 탄화수소 연료와 함께 사용된다. 바람직한 온도 조절자는 물 또는 증기이다. 반응물 스트림 둘중 하나 또는 모두와의 혼합물에서 온도 조절자로서 증기를 주입할 수 있다. 다른 방법으로는, 공급물 주입장치에서 별개의 도관을 경유하여 기체 발생장치의 반응 영역으로 온도 조절자를 주입할 수 있다. 기타의 온도 조절자로는 CO2풍부 기체, 질소 및 재순환 합성 가스를 포함한다.
기체화 반응기는 일반적으로 내화물 라인 처리된 수직 원통형 강철 압력 용기로 구성된 반응 영역, 및 미합중국 특허번호 제 2,809,104호에 도시된 것과 같은 급랭 드럼을 포함하며, 상기 미합중국 특허는 인용문헌으로 본 명세서에 포함되어 있다. 본 명세서에 인용문헌으로 포함된 미합중국 특허번호 제2,928,460에 도시된 것과 같은 공급물 주입장치는 공급물 스트림을 반응 영역으로 주입하기 위하여 사용될 수 있다.
기체화 장치의 반응영역에서, 내용물은 약 1,700℉(927℃) 내지 약 3,000℉(1649℃), 및 보다 일반적으로는 약 2,000℉(1093℃) 내지 약 2,800℉(1538℃)의 온도에 일반적으로 도달할 것이다. 압력은 일반적으로 약 1 기압(101 kPa) 내지 약 250 기압(25331 kPa), 보다 일반적으로는 약 15 기압(1520 kPa) 내지 약 150 기압(15,199 kPa), 및 더욱 일반적으로는 약 60기압(6080 kPa) 내지 약 80 기압(8106 kPa)일 것이다. 부분 산화 공급물 주입장치 어셈블리를 기술하고 있는 미합중국 특허번호 제 3,945,942호를 참조하라. 유기 물질의 기체화 방법 및 장치를 기술한 미합중국 특허번호 제 5,656,044호를 참조하라. 또한, 공지 분야에서 알려진 많은 기체화 방법중 일부를 기술하고 있는 미합중국 특허번호 제 5,435,940호, 제 4,851,013호 및 제 4,159,238호를 참조하라. 상기 특허들의 전체 내용은 참조문헌으로 본 명세서에 포함되어 있다.
고온 기체화 공정 생성 합성 가스(synthesis gas) 또는 합성가스(syngas)는 일산화탄소 및 수소를 포함한다. 이와 같은 합성 가스에서 종종 발견되는 기타 물질들은 황화수소, 이산화탄소, 암모니아, 시안화물, 및 탄소 및 미량 금속형태의 미립자를 포함한다. 공급물중의 불순물 함량은 공급물 형태, 사용된 특정 기체화 공정 및 운영 조건에 의해 결정된다.
부분 산화 가스 발생장치의 내화물 라인처리 반응 영역에서 배출되는 고온 원료 유출 합성가스 스트림은 반응 영역과 실질적으로 동일한 온도 및 압력하에서 라인중에서 약간 정상적이지 않은 방울형태로, 본 명세서에 포함된, 공동양도 미합중국 특허번호 제2,896,927호에 기술된 바와 같은 급랭 드럼 또는 탱크의 바닥에 포함된 워터풀로 직접 주입된다. 급랭 드럼은 기체 발생장치의 반응 영역 아래에 위치되고, 상기 급랭 드럼이 수용하는 원료 합성가스 스트림은 실질적으로 모든 회성분(ash) 및/또는 슬래그 및 기체 발생장치의 반응 영역에서 배출되는 미립자 탄소 그을음을 전달한다. 물을 통해 거품을 일으키고 있는 많은 양의 기체에 의해 유발된 냉각 드럼의 난류(turbulent) 조건은 물이 유출 기체로부터 유래된 많은 양의 고형물들을 세정시키는데 도움을 준다. 대량의 증기가 냉각 용기 및 포화 기체 스트림에서 발생된다. 원료 기체 스트림은 급랭 드럼에서 냉각되어지고, 약 350℉ 내지 600℉(약 175℃ 내지 315℃), 바람직하게는 약 450℉ 내지 550℉(약 230℃ 내지 290℃) 온도 및 약 500 내지 2500 psia, 바람직하게는 약 1000 psia 압력하에서 방출된다. 즉, 고형물, 미립자 탄소 그을음 및 기타 수용성 및 불용성 물질들로 오염된 상당량의 폐수가 급랭 드럼에서 수행되는 급랭 공정을 통해 발생된다.
하류 촉매층의 막힘 및/또는 추후 기체 전화 단계에서 사용될 수 있는 액상 용매 흡착제의 오염을 방지하기 위하여, 급랭 드럼에서 배출되는 냉각 및 부분 정화 합성가스 스트림이 또 다른 기체 정화 영역에서 고온의 세정수와 접촉시켜 추가로 세척된다. 이와 같은 기체 정화 영역은 본 명세서에 인용문헌으로 포함된, 공동양도 미합중국 특허번호 제 3,524,630호에 도시 및 설명된 것과 같은 공지의 오리피스(orifice), 공지의 벤추리(venturi) 세정제 및 스프레이, 및 본 명세서에 참고문헌으로 포함된 공동양도 미합중국 특허번호 제 3,232,727호에 도시 및 기술된 것과 같은 기체 세정 챔버를 포함할 수 있다. 기체 세정 챔버에서, 원료 합성가스 스트림은 본 명세서에 기술된 고온 순환 농축물 및 가공수를 함유한 세정수로 세정된다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서, 기체화 장치와 연관된 급랭 탱크에서 배출되는 기체 스트림은 세정되고, 예를 들면 벤추리 세정제와 같은 세정수와 밀접하게 접촉된다. 그러나, 기체 세정 영역에서 벤추리 세정제를 사용하는 것은 선택적 사항이다. 합성가스는 기체 세정 챔버의 바닥에 포함된 기체 세정수 풀(pool)을 통과한다. 이후, 세정 기체는 세정 챔버의 상부에 위치한 충진 구획 또는 트레이를 통과하며, 상기 세정 챔버에서 농축물, 즉 하류방향으로 유동하는 세정수와 접촉된다.
합성가스는 선택적으로 추가의 냉각 및 세정 기술을 포함한 세정 조작으로 처리될 수 있으며, 상기 합성가스는 세정장치(scrubber)로 주입되고, 추가로 합성가스를 냉각시키고 합성가스로부터 미립자 및 이온 성분들을 제거시키는 물 스프레이와 접촉된다. 이후, 초기에 냉각된 기체는 합성 가스로 사용되기전에 기체가 탈황화되도록 처리된다.
합성가스는 동력 발생용, 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 조작에서 탄화수소의 합성용, 또는 많은 수의 기타 상이한 화학공정에서 공급원료 기체로의 사용을 위한 연료 가스로 사용될 수 있다. 당업자는 석유화학 산업에서 합성가스의 가치와 용도를 이해하여야 한다.
상기에 기술된 합성가스 발생 및 세정 절차를 사용하는데 있어서, 세정 합성 스트림의 고형 입자의 양이 약 3 ppm 이하, 바람직하게는 약 1 ppm 이하와 같은 매우 낮은 수준으로 감소된다. 그러나, 또한, 이는 고형물, 탄화수소, 및 기타 다양한 물질들로 오염되고, 종종 "블랙 워터"로 불려지는 상당량의 폐수를 발생시킨다. 세정수 조절에 기인하여, 이와 같은 물은 방출되기 전에 반드시 처리되어져야 한다. 정화, 생물반응기 처리, 여과, 원심분리, 화학 처리 및 기타의 이와 같은 기술과 같은 공지의 처리 방법은 운용 비용이 상당히 추가된다. 또한, 많은 공장들은 기체화 반응기를 중단시키기전에 하루 이하의 이와 같은 폐수를 저장할 수 있는 용량만을 가지고 있다. 즉, 폐수 처리 시스템에 사소한 유지 보수를 위하여 전체 시스템을 중단시켜야 한다.
본 발명은 블랙 워터가 순환 루프를 통과하는 순환 루프를 사용하여 위와 같은 문제점을 해결하였다. 또한, 적어도 일부의 조절자 물을 블랙 워터의 순환 루프로부터 끌어낼 수 있다고 예상된다. 이와 같은 실시예에 있어서, 블랙 워터를 조절자 원료(source)로 사용하는 것은 조절자로서 고압 증기에 대한 기화장치의 요구조건을 실질적으로 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 개략적인 형태로 도시하고 있다. 급랭 드럼(3)을 구비한 급랭 기체화 반응기(2)는 산소가 풍부한 공급물 스트림(8) 및 조절자(10)의 존재하에 탄화수소 원료(6)를 부분 산화시켜 합성 가스(4)를 생성한다. 합성 가스는 급랭 드럼(3)에서 냉각되고, 기체화 반응으로 발생된 슬래그(slag)는 슬래그 처리 시스템(미도시)에 의해 수집 및 처리된다. 급랭수가 미세 탄소 고형물, 및 물에 현탁되어 있는 기타 미립자 물질, 수용성 화합물 등으로 오염됨에 따라, 기체화 장치로부터 제거되어 블랙 워터 저장 탱크(12)로 전송된다. 블랙 워터가 축적됨에 따라, 정화, 생물반응기 처리, 여과, 원심분리, 화학 처리 및 공지의 기타 블랙 워터 처리 방법을 포함할 수 있는 공지의 수처리 시설로 전송된다. 현탁 고형물의 침전을 방지하기 위하여, 블랙 워터를 재순환 루프에 통과시킨다. 재순환 루프는 수동 차단 밸브(16)를 통하여 재순환 밸브(18) 또는 자동 차단 밸브(20)로 블랙 워터를 펌프시키는 순환 블랙 워터 펌프(14)로 구성된다. 블랙 워터용 재순환 루프는 재순환 밸브(18)를 개방하여 블랙 워터를 블랙 워터 탱크(12)로 회귀시킴으로서 완성된다. 기체화 장치로 되돌아가는 블랙 워터는 탄화수소 슬러리 공급물의 액체부로 사용될 수 있거나, 또는 추가의 조절자 원료(source)로 사용될 수 있다. 이와 같은 실시예에 있어서, 블랙 워터는 조절자 원료로 사용되며, 조절자의 주요 원료(이 경우 고압 증기)에 대한 품질 및 양에 대한 요구사항들이 상당히 감소된다. 즉, 기체화 장치는 조절자의 주요 원료(이 경우 고압 증기)가 능력이 없을 경우에도 계속 작동할 수 있다. 또한, 만일 블랙 워터 조절자의 양의 적당하게 조절되도록 자동 차단 밸브의 시간조절을 주의 깊게 제어한다면, 기체화 장치가 블랙워터상에서 시동될 수 있다는 것으로 이해되어야 한다. 다른 상황에 있어서, 기체화 장치로 재순환되어질 수 있는 블랙 워터의 양이 제한될 것이고, 이로서 신선한 공급수(22)의 대체 원료가 자동 차단 밸브의 상류로 포함될 것이다. 만일 블랙 워터 및 증기의 용적이 충분하지 않거나 또는 능력이 없을 경우, 대체 공급수 원료를 사용하여 기체화 장치를 시동하고 작동시키는 것이 가능하다.
당업자라면 도 1에 도시된 배치가 블랙 워터의 재순환이 어떠한 현탁 입자들의 침전을 방지하게 하는 방식으로 작동할 수 있다는 것으로 이해하여야 한다. 또한, 기체화 장치를 시동하기 이전에 폐쇄 루프 시스템에서 블랙 워터를 재순환시켜 블랙 워터 처리 시스템을 가압할 수 있다는 것으로 이해하여야 한다. 즉, 상기 배치가 현재 사용되는 공지의 방법보다 더욱 안정한 조건하에서 온라인으로 기체화 장치를 가동시킬 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 증기 원료가 기체화 장치의 작동을 유지시킬 정도로 충분하기만 하면, 재순환 블랙 워터 펌프에서 유지 보수가 가능하다. 이는 상기 구성이 재순환 블랙 워터 펌프의 이중 분리를 제공하기 때문에 가능하다. 이는 기체화 장치가 중단될 필요성이 있는 현재의 공지 기술과 현저히 다르다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예를 개략적인 형태로 도시하고 있다. 특히, 도 2는 기체화 장치로부터 분리될 수 있는 루프 안에서 블랙 워터의 역 재순환을 도시하고 있다. 동일한 기능적 역할을 갖는 항목들은 도 1에서 부여된 번호와 동일한 참조번호가 도 2에서도 부여된다는 것을 주지하여야 한다.
도 2에 있어서, 급랭 기체화 반응기(2)는 산소가 풍부한 공급물 스트림(8)및 조절자(10)의 존재하에 탄화수소 원료(6)를 부분 산화시켜 합성가스를 생성시킨다. 합성 가스는 급랭 드럼(3)에서 급랭되고, 기체화 반응에서 발생되는 슬래그(slag)는 슬래그 처리 시스템(미도시)에서 수집 및 처리된다. 급랭수가 미세 탄소 고형물, 및 물에 현탁되어 있는 기타 미립자 물질, 수용성 화합물 등으로 오염됨에 따라, 기체화 장치로부터 제거되어 블랙 워터 저장 탱크(12)로 전송된다. 블랙 워터가 축적됨에 따라, 정화, 생물반응기 처리, 여과, 원심분리, 화학 처리 및 공지의 기타 블랙 워터 처리 방법을 포함할 수 있는 공지의 수처리 시설로 전송된다. 현탁 고형물의 침전을 방지하기 위하여, 블랙 워터를 재순환 루프에 통과시킨다. 재순환 루프는 일차 수동 차단 밸브(16)를 통하여 재순환 밸브(18) 또는 이차 수동 차단 밸브(24)로 블랙 워터를 펌프시키는 순환 블랙 워터 펌프(14)로 구성된다. 블랙 워터용 재순환 루프는 재순환 밸브(18)를 개방하여 적어도 일부의 블랙 워터를 블랙 워터 탱크(12)로 회귀시킴으로서 완성된다. 이렇게, 상기 재순환 루프는 일차 수동 차단 밸브(16)를 개방시키고, 이차 수동 차단 밸브(24)를 폐쇄시키고, 및 재순환 밸브(18)를 개방시키고, 블랙 워터의 폐쇄 루프 재순환을 설정할 수 있다.
바람직한 경우, 상기 이차 수동 차단 밸브가 개방되어, 자동 차단 밸브(20)을 경유하여 블랙 워터가 기체화 장치로 순환되는 것을 가능하게 한다. 기체화 장치로 되돌아가는 블랙 워터는 탄화수소 슬러리 공급물의 액체부로 사용될 수 있거나, 또는 추가의 조절자 원료(source)로 사용될 수 있다. 이와 같은 실시예에 있어서, 블랙 워터는 조절자 원료로 사용되며, 조절자의 주요 원료(이 경우 고압 증기)에 대한 품질 및 양에 대한 요구사항들이 상당히 감소된다. 그러므로, 기체화 장치는 조절자의 주요 원료(이 경우 고압 증기)가 능력이 없을 경우에도 계속 작동할 수 있다. 또한, 만일 블랙 워터 조절자의 양이 적당하도록 자동 차단 밸브의 시간조절을 주의 깊게 제어한다면, 기체화 장치가 블랙워터상에서 시동될 수 있다는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 당업자라면 기체화 장치가 블랙 워터 시스템과 독립적으로 작동될 수 있다는 것을 주지하여야 한다. 즉, 대체 공급수 원료가 기체화 장치에 의해 요구되는 조절자 물을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 이것은 기체화 장치를 시동하거나 중단하는 동안에, 또는 블랙 워터 처리 시스템의 유지보수가 요구될 경우에 유리할 수 있다. 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 재순환 블랙 워터 펌프가 이중 분리를 통하여 기체화 장치로부터 분리될 수 있으며, 상기 이중 분리는 기체화 장치가 작동중에 블랙 워터 펌프의 유지보수를 가능하게 한다. 기체화 장치로 역 재순환될 수 있는 블랙 워터의 양은 제한될 수 있으며, 이로서 신선한 공급수(2)의 대체 원료와 균형을 맞출 수 있다는 것을 주지하여야 한다.
당업자라면 블랙 워터 순환 시스템을 분리하는 능력이 기체화 장치의 유지 보수 목적 및 작동 모두에게 중요하다는 것을 이해하여야 한다. 상기에서 주지된 바와 같이, 블랙 워터 재순환 시스템이 분리될 수 있기 때문에, 시스템상의 유지 보수는 기체화 장치를 중단시키지 않으면서 수행될 수 있다. 이와 같은 작동에 대한 유일한 실질적인 제한은 어떠한 발생된 블랙 워터의 저장 및/또는 처리능력이다. 또한, 상기 실시예는 대체 공급수 원료상에서 기체화 장치의 시동을 가능하게 하며, 이후 압력하에서 온라인으로 블랙 워터를 처리한다. 이것은 블랙 워터 재순환 루프를 재순환시키고, 이로서 압력이 가해지기 때문에 가능하다. 본 발명의 또 다른 이점은 폐쇄 루프 시스템에서 블랙워터의 연속적인 재순환을 가능하게 한다는 점이다. 이것은 블랙 워터의 기체화 장치로의 재순환이 바람직하지 않은 시간동안 블랙 워터내 어떠한 현탁 고형물질의 침전을 억제시킨다. 예를 들면, 기체화 장치가 작동하지 않는 경우이다.
본 발명의 상기 실시예에 도시된 바와 같이, 기체화 반응기로부터의 폐수는 재순환 루프에서 재순환될 수 있어서, 적어도 일부의 폐수가 기체화 반응기로 전송될 수 있고, 이로서 조절자로 사용될 수 있다. 이와 같이 함으로써, 많은 방법 및 경제적인 이점들이 실현될 수 있다. 첫 번째로, 및 아마도 가장 중요한 것으로는, 폐수가 부정적인 환경 영향을 주지 않고 처리될 수 있다는 것이다. 전통적인 수처리 시설과 연관된 대형 자본 및 운영비용들이, 만일 제거되지 않는다면, 철저하게 감소될 수 있다. 또한, 조절자 원료로서 고압 증기에 대한 현장의 요구조건들도 실질적으로 감소될 수 있고, 기체화 장치의 작동 신뢰성도 향상될 수 있다.
본 발명의 장치, 조성물 및 방법들이 바람직한 실시예에서 기술되어 있지만, 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변형들이 본 명세서에 기술된 방법에 적용될 수 있다는 것은 당업자에게는 자명할 것이다. 당업자에게 자명한 모든 이와 같은 치환 및 변형들은 본 발명의 범위 및 사상의 범주안에 있을 것이다.

Claims (21)

  1. (a) 일부 블랙 워터를 처리하는 단계;
    (b) 재순환 루프(loop)의 일부 블랙 워터를 재순환시키는 단계;
    (c) 기체화 유닛의 일부 블랙 워터를 사용하는 단계
    를 포함하되, 상기 재순환 루프가 기체화 유닛으로부터 분리될 수 있는 것을 특징으로 하는 저장 탱크의 블랙 워터(black water)를 처리하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 블랙 워터가 정화, 생물반응기 처리, 여과, 원심분리 및 화학 처리로 이루어진 군에서 선택된 하나의 방법으로 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 일부 블랙 워터의 재순환은 배관을 통하여 저장탱크로부터 일부 블랙 워터를 펌핑하고, 다시 저장 탱크로 되돌아가는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 일부 블랙 워터가 기체화 유닛에서 조절자(moderator)로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 일부 블랙 워터가 탄화수소 공급원료 슬러리의 액체부로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 블랙 워터가 기체화 유닛에서 사용되기전에 프로세스 워터 스트림이 상기 블랙 워터와 결합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 기체화 유닛이 상기 블랙 워터를 사용하여 시동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 재순환 루프가 기체화 유닛에서 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. (a) 탄화수소를 산소가 풍부한 스트림 및 조절자(moderator)의 존재하에 부분적으로 산화시켜 합성가스(syngas)를 생성시키는 단계-상기 부분 산화 공정이 기체화 유닛에서 일어남;
    (b) 상기 합성가스를 급랭 드럼(drum)에서 급랭수(quench water)를 사용하여 급랭시켜 블랙 워터를 생성시키는 단계;
    (c) 상기 급랭 드럼에서 블랙 워터를 제거하는 단계;
    (d) 일부 블랙 워터를 블랙 워터 저장 탱크로 이송하는 단계;
    (e) 일부 블랙 워터를 처리하는 단계; 및
    (f) 재순환 루프를 통하여 블랙 워터 저장 탱크의 일부 블랙 워터를 펌핑하는 단계
    를 포함하되, 상기 재순환 루프가 기체화 유닛에서 분리될 수 있는 것을 특징으로 하는 기체화 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 일부 블랙 워터가 기체화 유닛으로 이송되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 일부 블랙 워터가 기체화 유닛에서 조절자(moderator)로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 일부의 블랙 워터가 기체화 유닛으로 공급되는 탄화수소 공급원료 슬러리의 액체부로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 10항에 있어서, 상기 블랙 워터가 기체화 유닛에 사용되기 이전에 프로세스 워터 스트림이 상기 블랙 워터와 결합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 10항에 있어서, 상기 블랙 워터가 기체화 유닛으로 이송되기 이전에 재순환 루프에서 가압되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 9항에 있어서, 기체화 유닛으로 전달되는 상기 일부 블랙 워터가 프로세스 워터 스트림과 결합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 9항에 있어서, 상기 재순환 루프가 블랙 워터 펌프, 상기 블랙 워터 펌프 하류에 위치한 수동 차단 밸브, 및 블랙 워터 저장 탱크로 되돌아 유동할 수 있게 하는 재순환 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 9항에 있어서, 상기 블랙 워터가 정화, 생물반응기 처리, 여과, 원심분리 및 화학 처리로 이루어진 군에서 선택된 하나의 방법으로 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 9항에 있어서, 상기 재순환 루프가 기체화 유닛에서 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 9항에 있어서, 기체화 장치(gasifier)가 재순환 루프와 독립적으로 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 19항에 있어서, 프로세스 워터 스트림이 조절자(moderator)로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 9항에 있어서, 기체화 유닛이 블랙 워터를 사용하여 시동되는 것을 특징으로 하는 방법.
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KR20150019897A (ko) * 2013-08-16 2015-02-25 한국전력공사 계면활성제를 이용한 합성가스 내 불순물 제거장치 및 방법

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