KR20030094306A

KR20030094306A - 석탄 연소로부터의 이산화황 방출의 감소

Info

Publication number: KR20030094306A
Application number: KR10-2003-7012644A
Authority: KR
Inventors: 홀콤로버트알
Original assignee: 에스지티 홀딩스 엘엘씨
Priority date: 2001-03-28
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2003-12-11
Also published as: AU2002254490B2; WO2002079356A1; UA78508C2; PL364430A1; CA2442600A1; RU2003131405A; WO2002079356A9; US7374590B2; EP1385925A1; ZA200308347B; RU2280677C2; MXPA03008940A; US20040154220A1; CN1507487A; NZ529171A; JP2004536163A; EP1385925A4

Abstract

석탄 내에 트래핑된 주변 유체를 제거함으로써, 석탄의 일부를 파쇄시키기에 충분한 감압의 가압 탱크 (16) 에 석탄을 위치시키는 것을 포함하여 연소될 때, 이산화황 방출 감소를 위한 고유황 석탄의 처리방법. 상기 파쇄된 석탄을 도관 (21) 을 통해 탄산칼슘으로 과포화된 수성 실리카 콜로이드 조성물과 접촉시키고, 석탄과의 접촉으로부터의 수성 조성물의 대부분을 제거한다. 상기 제 1 단계에서 생성된 석탄의 파쇄부에 탄산칼슘이 들어가기에 충분한 시간 동안, 이산화탄소 분위기 하에서, 상기 수성 조성물로 처리한 석탄을 가압 탱크 (16) 으로 가압한다.

Description

석탄 연소로부터의 이산화황 방출의 감소 {REDUCING SULFUR DIOXIDE EMISSIONS FROM COAL COMBUSTION}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 특허 출원은, 본원에 그 전제가 참고로 반영되어 있는, 2001 년 3 월 28 일에 출원되고, 제목이 "Apparatus and Process for Treating Coal which is High in Sulfur such that it will Burn in a High Temperature Furnace with Greatly Reduced Emissions of Sulfur Dioxide (SO₂), Nitrous Oxide and Mercury (황이 많은 석탄을 고온의 용광로에서 연소되도록 하여, 이산화황 (SO₂), 아산화질소 및 수은의 방출을 크게 감소시키는 장치 및 처리 방법)" 인, Holcomb 의 미국 가출원 제 60/＿ 에 대한 우선권을 주장한다.

석탄은 세상에서 가장 풍부한 연료원 중 하나이다. 석탄은 전형적으로는 화석화된 식물질로부터 형성된, 암갈색 내지 검은색의 흑연-형 물질로서 발견된다. 석탄은 일반적으로는 일부 유기 및 무기 화합물과 조합된 비결정질 탄소를 포함한다. 석탄의 품질 및 유형은 고품질 무연탄 (anthracite) (즉, 휘발성 불순물이 거의 없고, 탄소 함량이 높고, 깨끗한 불꽃으로 연소함) 내지 역청 (bituminous) (즉, 휘발성 불순물의 % 가 높고, 그을린 불꽃으로 연소함) 내지 갈탄 (lignite) (즉, 역청질 석탄보다 더 연질이고, 탄소로 완전히 전환되지 않은 식물질을 함유하고, 매우 그을린 불꽃으로 연소함) 으로 다양하다. 석탄은 세계 도처의 석탄 공장 (coal-fired plant) 에서 연소되어 전기 형태의 에너지를 생산한다. 수년에 걸쳐, 석탄 내의 특정 불순물이 석탄 연소 도중에 생성되는 방출물 유형에 상당한 영향을 줄 수 있다는 것이 인식되어 왔다. 특히 문제되는 불순물은 황이다. 황은 극미량 내지 수 중량% (예를 들어, 7 중량%) 로 석탄 내에 존재할 수 있다. 황은 다양한 형태, 예를 들어, 유기 황, 황철광성 (pyritic) 황, 또는 황산염 황으로 석탄에서 발견될 수 있다. 황을 함유하는 석탄을 연소시킬 때, 전형적으로는 이산화황 (SO₂) 가 연소 가스로 대기 중에 방출된다. 대기 중의 SO₂의 존재는, SO₂및 물로부터 형성되는 황산 또는 아황산으로부터 초래되는 산성비 형성으로 연결된다. 산성비는 다양한 방식으로 환경에 손상을 입힐 수 있고, 미국에서는, 환경청 (Environment Protection Agency: EPA) 이 석탄 공장으로부터의 SO₂방출을 제한하는, 석탄 연소에 대한 표준을 세웠다.

석탄은 미국에서 국토의 많은 면적에서 생산되지만, 쉽게 채굴되는 (따라서, 저렴한) 다량의 석탄은 종종 높은 수준의 황을 함유하고, 그 결과 연소 가스 중의 SO₂의 수치는 EPA 에 의해 허용되는 것 보다 더 커지게 된다. 따라서, 석탄 공장은 종종 공장으로부터 먼 거리에 위치할 수 있는 광산으로부터 보다 고품질의 석탄을 매수하고, 상당한 운송 및 기타 비용을 들여야 한다. 상당분의 기술이 시간지 지남에 따라 개발되어, 고유황(high sulfur) 석탄의 연소로부터의 연소 가스 중의 SO₂의 양을 감소시켜 왔다. 이 기술은 연소전 도중, 연소 도중, 및 연소후 도중의, 석탄에 대한 처리를 포함한다. 그러나, 이같은 처리는 일반적으로는 SO₂방출을 감소시키는 효능과 경제적인 실행가능성의 만족스러운 조합을 달성하지 못했다.

이러한 배경기술에 대하여, 본 발명을 발전시킬 필요성이 대두되었다.

발명의 개요

본 발명의 한가지 측면은, 석탄 연소시 이산화황의 방출을 감소시키기 위한, 고유황 석탄을 처리하는 방법이다. 상기 방법은 하기를 포함한다:

(a) 석탄 내에 트래핑된 주변 유체를 제거함으로써, 석탄의 일부를 파쇄시키기에 충분한 감압 환경에 석탄을 위치시킴,

(b) 파쇄된 석탄을, 탄산칼슘으로 과포화된 수성 실리카 콜로이드 조성물과 접촉시킴,

(c) 석탄과의 접촉으로부터의 수성 조성물의 대부분을 제거함, 및

(d) 단계 (a) 에서 생성된 석탄의 파쇄부에 탄산칼슘이 들어가기에 충분한 시간 동안, 이산화탄소 분위기 하에서 수성 조성물로 처리한 석탄을 가압함.

본 발명의 또다른 측면은, 고유황 석탄이며, 상기 석탄은 진공 파쇄되어, 약0.5 중량% 이상의 황을 함유하고, 0.5 이상의 Ca:S 몰비를 제공하기에 충분한 양으로, 석탄의 파쇄부 내에 매장된 탄산칼슘을 추가로 함유한다.

본 발명의 또다른 측면은, 연소로부터 이산화황 내용물 방출을 감소시키면서, 고유황 석탄을 연소시키는 것으로부터 에너지를 생성하는 방법이며, 상기 방법은 진공 파쇄된 석탄에서 파쇄부 내에 탄산 칼슘을 침적시키고, 생성된 탄산칼슘 함유 고유황 석탄을 고온에서 연소시키는 것을 포함한다.

또한 본 발명의 또다른 측면은, 고유황 석탄의 연소 결과로서 생성된 황산 칼슘의 양을 증가시키는 한 편, 동시에 그러한 연소로부터 이산화항 방출을 감소시키는 방법이며, 이러한 방법은 탄산칼슘이 석탄의 파쇄부 내에 침적된 진공 파쇄된 고유황 석탄을 연소시키고, 그러한 연소의 결과로서 생성된 황산칼슘을 회수하는 것을 포함한다.

본 발명의 추가의 측면은, 처리된 석탄을 연소시킬 때, 이산화황 방출을 감소시키기위해 고유황 석탄을 처리하는데 적합한 수성 조성물이다. 상기 조성물은 알칼리성 수성 실리카 콜로이드 조성물로 함침된 탄산칼슘의 초포화(supersaturated) 용액을 포함한다.

또한, 본 발명의 추가의 측면은 처리된 석탄을 연소시킬 때, 연소 생성물의 이산화황 함량을 감소시키기 위해 고유황 석탄을 처리하는데 적합한 수성 조성물의 제조 방법이며, 상기 방법은 칼슘 이온이 실리카 유래의 콜로이드성 입자에 삽입되는데 충분한 조건 하에, 탄산 칼슘을 강한 수성 알칼리, 콜로이드성 실리카 조성물에 용해시켜, 탄산칼슘의 초포화 용액을 형성하도록 하는 것을 포함한다.

본 발명의 최종 측면은 고유황 석탄을 가압 하에 수성 조성물로 처리하기 위한 장치이며, 상기 장치는 하기를 포함한다:

석탄을 홀딩하기에 적합한 가압가능한 용기,

수성 조성물이 상기 용기로 주입되어 석탄과 접촉하도록 하는 제 1 주입구,

상기 용기로부터 수성 조성물을 제거하는 기계장치,

대기압보다 높은 압력 하에, 이산화탄소가 상기 용기로 주입되도록 하는 제 1 주입구,

제 1 주입구와 연결된 가압된 이산화탄소의 원(source), 및

상기 용기로부터 석탄을 제거하는 출구.

본 발명의 기타 측면은 본 발명의 상세한 설명의 판독 시, 당업자에게 명백할 것이다.

본 발명은 일반적으로 석탄에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 발명은 석탄 연소 도중, 석탄을 처리하여 이산화황 방출을 감소시키는 것에 관한 것이다.

본 발명의 본질, 목적 및 장점을 더욱 상세히 이해하기 위해, 하기 상세한 설명에 대한 참조는 하기 도면과 관련하여 판독되어야 하며, 유사한 참조번호는 유사한 요소를 나타내며, 여기서:

도 1 은 본 발명의 구현예에 따라, Ca²⁺이온이 격리되어 있는, 실리카 콜로이드성 입자의 추정되는 구조를 제시한다.

도 2 는 본 발명의 구현예에 따라 형성된 대표적인 실리카 콜로이드성 입자와 회합된 물의 이중층을 나타낸다.

도 3 은 본 발명의 구현예에 따른 발전기를 나타낸다.

도 4 는 본 발명의 구현예에 따라, 3개의 자기 4중극 부스터(booster) 단위와 접속된 도 3 의 발전기를 나타낸다.

도 5 는 본 발명의 구현예에 따른, 자기장 및 자기장 기울기(gradient)에 따른 도 4 의 발전기의 상부 단면도이다.

도 6 은 본 발명의 구현예에 따른 예비 제조 및 처리를 통해 기동차(rail car)로부터 고유황 역청질 석탄을 취하는 방법을 나타낸다.

도 7 은 본 발명의 구현예에 따라, 처리된 석탄을 가공하고, 연소시켜, 열 에너지, 방출, 물 및 재 (석고 포함) 으로 전환시키는 스팀 설비를 나타낸다.

도 8 은 본 발명의 구현예에 따라 전력을 발생시키는데 사용될 수 있는 열 에너지를 생성하기 위해, 처리된 석탄을 연소하는 고온 노(furnace)를 나타낸다.

본 발명의 구현예들에서는 석탄의 특별한 예비 연소 처리에 의한 S0₂및 기타 유해한 연소 기체 감소를 위한 접근법을 제공한다. 석탄은, 바람직하게는 산화칼슘으로 회합된, 탄산칼슘으로 과포화된 수성 실리카 콜로이드 조성물로 처리되어, 비처리 석탄 (예를 들어, 천연 발생 석탄) 에 비해 처리된 석탄에서 칼슘 (Ca) 이 현저히 증량될 수 있다. 더욱 특별하게는, 진공이 석탄에 적용되어 석탄으로부터의 유체를 제거하고, 석탄을 파쇄할 수 있다. 이어서, 파쇄된 석탄은 이산화탄소 (CO₂) 의 압력 하에 수성 조성물과 접촉될 수 있다. 상기 공정은, 일부의 수성 조성물이 파쇄부에 침투하여 탄산칼슘이 파쇄부 내로 결정화되어 석탄을 더욱 파쇄하도록 하는 것으로 생각된다. 상기 처리된 석탄이 연소할 때, 석탄이 고온에서 연소하면서 탄산칼슘, NaHCO₃과 이산화황-황산 및/또는 황산 사이의 화학적 반응에 의해 황은 CaSO₄및 Na₂SO₄로 변환된다. 장점은, 석탄이 적은 이산화황 (SO₂) 을 방출하면서 연소한다는 점이다. 또한, 더 적은 질소 산화물 (NO_x), 수은 (Hg), 일산화탄소 (CO), 이산화탄소 (CO₂) 및 탄화수소 (HC) 방출의 증거가 있다. 동시에, 연소 방출의 질이 개선되며, 연소 공정의 고체 부생성물이 개질되어, 수집될 수 있는 유용한 고체의 양이 증가한다. 특히, 재는 시멘트 제조에 유용한 성분 (CaSO₄) 을 제공한다.

본 발명의 한 구현예는, 석탄 연소시 이산화황 방출을 감소시키기 위해 석탄 처리 공정이다. 제 1 단계에서, 석탄 내에 트래핑된 주변 유체를 제거하여 일부의 석탄을 파쇄하기에 충분하게 감압시킨 환경에 석탄은 둔다. 제 2 단계에서, 상기 석탄을 탄산칼슘으로 과포화된 수성 실리카 콜로이드 조성물과 접촉시킨다. 제 3 단계에서, 상기 수성 조성물을 석탄과의 접촉으로부터 제거한다. 제 4 단계에서, 상기 제 1 단계에서 생성된 석탄의 파쇄부에 탄산칼슘이 들어가기에 충분한 시간 동안 이산화탄소 분위기 하에서 석탄을 가압한다.

상기 공정으로 처리될 수 있는 석탄의 유형은, 처리하지 않고 연소되는 경우 바람직하지 않거나 또는 위법적인 수준의 SO₂를 생성하는, 바람직하지 않은 수준의황을 함유한 임의의 석탄이다. 따라서, 석탄은 약 0.2 중량% 내지 7 중량% 초과의 함량으로 황을 함유하는 무연탄, 역청탄 또는 갈탄일 수 있다. 특정 응용에 대해서, 0.5 중량% 이상의 황을 함유하는 석탄은 고유황(high sulfur) 석탄으로 간주될 수 있다. 석탄의 밀도는 종종 석탄의 유형에 의존적이며, 전형적으로는 약 1.2 g/㎤ 내지 2.3 g/㎤ (예를 들어, 액체 변위 (liquid displacement) 로 측정되는 투명 밀도) 이다. 감압 단계에서 처리되는 석탄의 크기는 대부분의 광산에서 나오는 크기, 예를 들어 약 2 인치의 최대 횡단면 및 약 1/4 인치 미만의 높이를 가진 불규칙한 유형이다. 대형 스토커 버너 (large stoker burner) 용으로 가용한 크기는 약 3/4 내지 1 인치이며, 소형 스토커 버너 (small stoker burner) 용으로 가용한 크기는 약 1/2 인치 미만이다. 따라서, 석탄이 연소될 곳 또는 채굴 부위 바로 근처의 가공 플랜트에서 상기 공정이 이용될 수 있다. 원하는 경우, 석탄은 감압 전에, 그의 크기를, 예를 들어 크러쉬 (crushing), 분쇄 (grinding) 또는 미분화 (pulverizing) 함으로써 약 5 cm 미만, 예를 들어 3 cm 인 입자의 분말로 감소시킬 수 있으며, 특정 응용에서는 50 ㎛ 내지 300 ㎛ 또는 50 ㎛ 내지 100 ㎛ 인 크기가 바람직하다. 석탄의 상기 크기의 감소는 감압 및 수성 조성물에 노출될 수 있는 표면적을 증가시키고, 석탄 가공에 필요한 시간을 감소시킬 수 있다. 원하는 경우, 크기가 감소된 석탄은 액체 (예를 들어, 물) 과 혼합되어 슬러리를 형성할 수 있다. 특정 응용에서, 감압 전에, 예를 들어 석탄을 분말화된 형태의 산화칼슘과 혼합함으로써, 석탄을 산화칼슘과 접촉시키는 것이 바람직하다. 석탄과 산화칼슘과의 접촉은 추가적인 SO₂방출의 감소를 제공한다.

상기 논의된 제 1 단계에서, 석탄은 밀봉 및 감압될 수 있는 용기에 넣는다. 감압은 석탄에 트래핑되어 있는 기체 또는 액체인 유체를 제거하기에 충분하다. 이는 석탄 파쇄, 예를 들어, 석탄 내에 작은 틈 (crack), 흠집 (crack), 또는 통로 (channel) 의 형태로 파쇄를 초래하는 것으로 여겨진다. 대안적으로 또는 이에 관련하여, 감압 은 석탄 내 기존 파쇄부 내에 트래핑된, 기체 또는 액체인 유체 제거를 제공할 수 있다. 감압 또는 기존의 것에 의해 생성된 파쇄부는 전형적으로는 연장되어, 상호 연결되거나 또는 일반적으로 비슷한 방향으로 멀리 떨어질 수 있다. 파쇄부는, 탄산칼슘으로 과포화된 충분한 양의 수성 조성물이 파쇄부에 침투하기에 적절한 갯수 및 횡단면 크기여야 한다. 예를 들어, 감압으로 횡단면 크기가 0.01 ㎛ 내지 1 ㎛ 의 범위인 석탄에서 여러 개의 파쇄부를 형성할 수 있다. 석탄은 공정에서의 보조를 위해 가열될 수 있지만, 감압은 일반적으로 상온에서 일어난다. 압력은 사용되는 진공 펌프의 강도에 따라, 주변 압력, 대기압 이하, 예를 들어 대기압의 약 10 배 이하로 감압될 수 있다. 일반적으로, 석탄이 감압되는 시간은 전형적으로는 1 시간 미만, 예를 들어 약 15 분 미만이며, 다수의 응용에서는 약 3 내지 10 분이면 충분하다.

석탄(coal)을 감압시키고, 이어서 용해된 탄산칼슘을 파쇄부에 주입하기에 충분한 시간 동안 탄산칼슘으로 과포화된 수성 실리카 콜로이드 조성물과 접촉시킨다. 이는 탄산칼슘을 석탄과 밀접하게 회합시키고, 또한 상기 파쇄부 내에서 탄산칼슘의 결정화를 통한 석탄의 파쇄를 초래하는 것으로 여겨진다. 석탄의 파편화를 강화하기 위하여, 수성 조성물은 또한 산화칼슘을 포함하는 것이 요구될 수 있다. 상기 접촉 단계는, 상승된 온도가 사용될 수 있을지라도, 용이한 처리를 위해서 대기 온도에서 수행된다. 일반적으로, 사용되는 수성 조성물의 양은 석탄 100 파운드 당 약 5 갤런 내지 약 20 갤런, 또는 그 이상일 것이다. 경제적인 규모에서, 석탄 100 파운드 당 약 10 갤런이 전형적으로는 사용될 것이다. 수성 조성물은 용기내 석탄 상에 분무될 수 있거나 부어질 수 있고, 석탄은 상기 수성 조성물내에서 침지(예컨대, 완전 침지)될 수 있다. 원하는 경우, 석탄을 진탕 또는 교반시켜, 수성 조성물과 긴밀하게 혼합시킬 수 있다. 일반적으로, 대기 온도 및 대기압 하에서 수성 조성물을 석탄에 첨가하기 위해서는 단지 몇 분의 시간만이 요구된다. 수성 조성물에 관한 다른 상세한 설명은 하기에서 언급될 것이다.

수성 조성물을 충분한 시간 동안 석탄과 접촉시키고, 수성 조성물의 일부가 석탄의 파쇄부에 존재하기에 충분한 시간 동안, 석탄이 위치된 용기를 가스, 바람직하게는 이산화탄소로 가압하여, 파쇄부 내에 용해된 탄산칼슘의 결정화를 개시하고, 석탄을 더욱 파쇄시킨다. 바람직하게는, 수성 조성물을 가압 단계 전에 석탄과의 접촉으로부터 제거한다. 특히, 석탄이 침투되지 않은 잔존 부분 (예컨대, 70% 내지 90%) 의 수성 조성물은, 각종 방법, 예컨대 석탄을 여과하는 방법 또는 용기로부터의 수성 조성물의 잔존 부분을 메시 또는 체를 통하도록 간단하게 흘리는 방법에 의해서 제거될 수 있다.

일반적으로, 가압 단계는 대기 온도 및 제곱 인치 당 50 파운드 (psi) 를 초과하는, 바람직하게는 100 psi를 초과하는 압력에서 수행될 것이다. 압력이 300 psi를 초과할 수 있지만, 300 psi 이하가 대부분의 적용에 요구된다는 증거가 제안되었다. 가압은 전형적으로는 1 시간 이하, 일반적으로는 약 20 내지 45 분 동안 수행될 것이다. 가압이 종료된 후, 석탄을 연소시키거나 석탄으로부터 에너지를 추출하기 위한 임의의 통상적인 방법에 따라 다르게 처리될 수 있다. 원하는 경우, 석탄은 예를 들어 석탄을 분말 입자로 파쇄, 연마 또는 분쇄하는 방법에 의한 처리 후에 크기가 감소될 수 있다. 일부 적용을 위해서, 석탄은 상기 언급된 동일한 방법을 통해 재처리될 수 있다. 특히, 상기 단계가 두 번 이상 반복될 수 있지만, 일반적으로 2 회 이하의 주기가 SO₂방출의 감소에 대해 만족스러운 결과를 위해 요구된다. 바람직하게는, 여액은 이후의 주기에 다시 사용되고, 새로운 수성 조성물이 하기에서 언급된 바와 같은 수성 조성물 대 석탄의 목적하는 비율을 제공하기 위해 첨가된다. 시간 및 비용을 고려하면, 2회의 주기로 석탄으로의 탄산칼슘의 충분한 주입을 제공한다.

상기 공정에 따라 처리된 석탄은, 석탄을 고온에서 연소시킬 경우, SO₂의 방출이 목적하는 수준으로 감소되도록 하기 위해, 그에 회합된 탄산칼슘을 갖는다. 특히, 상기 처리된 석탄은 처리된 석탄에서 발견된 Ca 대 S 의 몰비가 전형적으로 0.5 이상, 바람직하게는 1 이상 (예컨대, 1 내지 4)이 되도록 탄산칼슘 함량을 가질 수 있다. 상기 탄산칼슘 함량은 비처리 석탄과 비교하여 약 5% 이상, 예컨대 20% 초과, 종종 관찰되기로는 60% 내지 100% 로 SO₂방출을 감소시킬 수 있다. 석탄내에 함유된 황은 탄산칼슘과 반응하여, 황산 칼슘을 생성함으로써, SO₂의 형성을 감소 또는 제거시키는 것으로 여겨진다. 생성되는 황산 칼슘은 CaSO₄??2H₂O (석고)의 형태이다. 처리된 석탄을 포함하는 탄산칼슘의 중량% 는 전형적으로는 Ca 대 S 의 요구되는 몰비가 성취되도록 비처리 석탄 중의 황의 중량%에 따라 다양하게 한다. 또한, 연소되는 50% 이하의 석탄 중의 황은 비산 재(fly ash) 중에 잔존할 수 있지만, SO₂로서 방출되지는 않는다. 따라서, 1 미만 (예컨대, 0.5) 의 Ca 대 S 의 몰비가 일부 적용을 위해 적합할 수 있다.

본 발명의 또다른 구현예는 이후에 설명되는 방법에서 나온다. 상기 구현예는 석탄 파쇄부 내 침적된 탄산칼슘을 갖는 파쇄된 석탄이다. 미리 존재하거나 감압으로 생성되는 파쇄부는 전형적으로 신장되어 있고, 내부에서 연결되거나 일반적으로 평행 방식으로 공간적으로 떨어져 있을 수 있고, 0.01 ㎛ 내지 1 ㎛ 의 단면적을 가질 수 있다. 석탄은 상기 논의된 방법에 따라 제조될 수 있고, S 에 대한 Ca 의 몰비가 전형적으로 0.5 이상이 되도록 석탄의 파쇄부 내에 침적된 탄산칼슘을 함유한다. 또한, 석탄은 파쇄부 내에 실리카 약 0.15 중량% 내지 2.5 중량% 를 함유할 수 있다. 석탄은 또한 파쇄부 내에 침적된 산화칼슘을 추가로 함유할 수 있고, 상기 산화칼슘은 S 에 대한 Ca 의 목적 몰비를 수득하는데 기여할 것이다. 앞서 논의된 바와 같이, 상기 방법에 의해 처리될 수 있는 석탄의 유형은 처리 없이 연소되는 경우 바람직하지 않거나 불법적인 수준의 SO₂를 만들, 바람직하지 않은 수준의 황을 갖는 임의 석탄이며, 약 0.2 중량% 내지 7 중량% 의 황 함량을 가질 수 있다. 처리되는 석탄의 크기는 약 2 인치 미만으로 약 1/4 인치 미만이거나, 예를 들어 석탄의 분쇄, 연마 또는 분말화에 의해 약 5 cm 미만의 크기를 갖는 입자의 분말, 예컨대 3 cm 미만으로 감소된 크기를 가질 수 있으며, 특정한 적용을 위해서는 50 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위의 크기가 바람직하다.

본 발명의 또다른 구현예는 상기 연소로부터 방출물의 이산화황 함량을 감소시키면서 석탄의 연소로부터 에너지를 생성시키는 방법이다. 상기 방법은 석탄 중 파쇄부 내에 탄산칼슘을 침적시키고, 고온에서 탄산칼슘 함유 석탄을 연소시켜 에너지를 생성시키는 것을 함유한다. 특히, 탄산칼슘은 탄산칼슘 함유 석탄이 석탄의 파쇄부 내에 침적된 탄산칼슘을 함유하도록, 탄산칼슘이 과포화된 수성 실리카 콜로이드성 조성물을 이용하여, 앞서 논의된 방법에 따라 석탄 중 파쇄부 내에 침적될 수 있다. 탄산칼슘 함유 석탄은 다양한 종래 기법을 함유하는 다양한 기법에 따라 연소되어 에너지를 생성시킬 수 있다. 예를 들어, 탄산칼슘 함유 석탄은 고정층 연소 (예컨대 언더피드 스토커 발화법, 트래벌링 그레이트 스토커 발화법 또는 스프레더 스토커 발화법), 현탁 발화 (예컨대 분말화 연료 발화 또는 입자 주입법), 유동층 연소 (예컨대 순환 유동층 연소 또는 가압 유동층 연소), 전기의 마그네토히드로다이나믹 생성 등에 따라 연소될 수 있다. 탄산칼슘 함유 석탄을 연소시키기 위해 선택된 특정 기법 및 장치는 발화 단계와 관련된 하나이상의 하기 특징에 영향을 미칠 수 있다: (1) 연소 도중의 온도 (예컨대 약 1800 °F 내지 약 4000 °F); (2) 탄산칼슘의 침적 후 탄산칼슘 함유 석탄이 습식형으로 사용되는지 또는 먼저 건조되는지 여부; (3) 사용되는 탄산칼슘 함유 석탄의 크기; 및 (4) 생성될 수 있는 에너지의 양. 예를 들어, 탄산칼슘 함유 석탄은 약 1 인치 미만의 입자 크기를 가질 수 있고, 약 2400 °F 내지 약 2600 °F 에서 스토커 가열로 중에 연소된다. 또다른 예로서, 탄산칼슘 함유 석탄은 약 300 ㎛ 미만의 입자 크기로 분말화될 수 있고, 이를 가열로 내로 취입하고, 산소원과 혼합하여 혼합물을 현탁 발화에 따라 점화시킴으로써 약 3200 °F 내지 약 3700 °F (예컨대 약 3500 °F) 에서 연소된다.

본 발명의 또다른 구현예는 고유황 석탄의 연소 결과 생성되는 황산칼슘의 양을 증가시키면서 동시에 상기 연소로부터 방출되는 이산화황을 감소시키는 방법이다. 상기 방법은 석탄 중 파쇄부 내에 침적된 탄산칼슘을 갖는 석탄을 연소하고, 상기 연소 결과 생성되는 황산칼슘을 회수하는 것을 포함한다. 탄산칼슘은 탄산칼륨이 과포화된 수성 실리카 콜로이드성 조성물을 이용하여 앞서 논의된 방법에 따라 파쇄부 내에 침적될 수 있고, 석탄은 앞서 논의된 바와 같이 다양한 기법에 따라 연소될 수 있다. 석탄 연소에 사용되는 기법에 따라, 하나 이상의 다양한 연소 산물, 예컨대 비산 재, 바닥 재, 보일러 슬래그 및 연관 기체 탈황 물질이 생성될 수 있다. 상기 연소 산물은 예를 들어 시멘트, 콘크리트, 세라믹, 플라스틱 충전제, 금속 매트릭스 조성물 및 탄소 흡착제와 같은 다양한 적용에서의 용도를 가질 수 있다. 예를 들어, 본 구현예에 따른 석탄의 연소로부터 발생하는 비산 재는 시멘트의 생산에 이용될 수 있다. 특히, 석탄 중에 함유되는 황은 파쇄부 내에 침적된 탄산칼슘과 반응하여 황산칼슘을 생성한다. 앞서 논의된 바와 같이, 생성되는 황산칼슘은 전형적으로 비산회로 남아있는 석고 (CaSO₄.2H₂O) 의 형태이다. 상기 비산회는 그대로 사용될 수 있거나, 당분야에 공지된 하나 이상의 분리 공정을 사용하여 시멘트 (예컨대 포틀랜드 (Portland) 시멘트) 성분으로서 사용하기 위해 CaSO₄.2H₂O 를 추출하는데 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 구현예는 처리된 석탄이 연소되는 경우 이산화황 방출을 감소시키는 고유황 석탄 처리에 적합한 수성 조성물이다. 수성 조성물은 수성 실리카 조성물과 통합되고, 임의로 산화 칼슘과 연합된 탄산칼슘의 과포화 용액을 함유한다. 특히, 상기 수성 조성물은 약 2 % w/v 내지 40 % w/v 나트륨 실리케이트 또는 실리카, 약 15 w/v 내지 40 % w/v 탄산 칼슘, 및 약 1.5 % w/v 내지 4.0 % w/v 의 산화 칼슘을 함유할 수 있다. 여기 사용된 것과 같은, 1 % w/v 의 물질은 조성물 100 ㎖ 당 물질 1 mg 에 균등한 조성물 중의 물질 농도를 나타낸다. 본 발명의 다른 구현예는 처리된 석탄이 연소되는 경우 이산화황 방출을 감소시키는 고유황 석탄 처리에 적합한 수성 조성물의 제조방법으로, 상기 방법은 실리카 유도된 콜로이드성 입자들 내로 칼슘 이온을 통합시켜 하전된 콜로이드성 입자를 형성하기에 충분한 조건 하에서 강알칼리성의 수성 실리카 콜로이드 조성물 중에 탄산 칼슘에 용해시키는 것을 포함한다. 설명의 용이성을 위하여, 이들 두 구현예들을 함께 설명할 것이다.

실리카는 이산화규소 (SiO₂) 로서도 알려져 있으며, 유리 형태 (예로서, 모래) 또는 기타 산화물들과 조합되어 실리케이트 형태로 지표의 거의 60 % 를 구성한다. 실리카는 인간이 소량 섭취시 (SiO₂또는 실리케이트로서) 임의의 현저한 독성을 갖지 않는 것으로 알려져 있으며, 미합중국 전역의 대부분의 공공용수 시스템의 음용수에서 일반적으로 발견된다. 본 발명의 본 구현예에 유용한 조성물의 기초는 알칼리성, 수성 실리카 콜로이드 조성물의 제조이며, 이는 분산액 또는 콜로이드성 현탁액으로서 언급될 수 있다.

상기 수성 조성물은 미립자 실리카를, 고염기성인 (즉, 10 이상, 바람직하게는 12 이상, 보다 바람직하게는 13.5 이상의 pH) 수용액을 제공하기 위하여 수 중에 강염기를 용해시킴으로써 제조된 고도의 알칼리 수에 용해시킴으로써 제조된다. 강염기는 전형적으로 알칼리 금속 수산화물, 예로서 수산화나트륨 또는 수산화 칼륨이며, 바람직하게는 수산화칼륨이다. 3 몰 이상의 양을 사용하여 알칼리성 수용액이 제조되며, 이러한 양을 사용하여 바람직한 수준으로 pH 를 유지한다. 실리카의 용해도 (안정한 콜로이드성 조성물을 형성하는 능력)는 온도 증가에 따라 증가되기 때문에, 상기 알칼리성 용액을 상온 이상의 온도로, 용액의 비등점을 포함하여 비등점까지 가열하는 것이 바람직하다. 상기 온도가 사용될 수 있지만, 가압 용기가 필요하기 때문에 이는 일반적으로 바람직하지 못하다. 실리카를 수산화나트륨을 사용하여 알칼리성으로 된 물에 용해시키는 경우, 나트륨 실리케이트 용액이 형성되는 것으로 생각된다. 상기 조성물은 나트륨 및 실리카 사이의비율의 변화에 따라 변화될 것이며, 밀도 또한 변화될 것이다. Na₂O 대 SiO₂의 비가 클수록 용액의 알칼리도 및 점착성 (tacky)도 더 커진다. 대안적으로, 고체 나트륨 실리케이트를 물에 용해시킴에 의해 동일한 목적을 달성할 수 있다. 수많은 수성 나트륨 실리케이트 콜로이드성 조성물들은 약 20 % 내지 약 50 % w/v 으로 상업적으로 입수가능하다. "달걀 보존제"로서 공지된 한 잘 알려진 용액이 있으며, 이는 본 방법에 의해 제조될 수 있으며, 약 40 % w/v 의 Na₂Si₃O₇(상업적으로 입수가능한 나트륨 실리케이트의 건조 형태)를 함유하는 것으로 계산된다. 상업적으로 입수가능한 표준 나트륨 실리케이트는 27 % w/v 나트륨 실리케이트인 것이다.

어떤 특정 이론에 의해 구속하고자 하는 것은 아니지만, 실리카 용해의 화학은 하기 등식으로서 예측될 수 있다.

일단 알칼리성의, 실리카 콜로이드 조성물을 제조한 후에는, 알칼리 토탄산염, 바람직하게는 탄산 칼슘을 상기 혼합물에, 바람직하게는 미세하게 분할된 분말로서 첨가한다. 탄산 칼슘의 첨가는 콜로이드 구조 내로 통합된 칼슘 이온(Ca⁺²)을 갖는 안정한 콜로이드성 조성물을 형성하는 것을 보조하는 것으로 생각된다. 또한, 산화 칼슘도 바람직하게 첨가되며, 이는 이후에 상기 논의된 공정에서 고압 CO₂분위기 하에서 파쇄된 석탄들 내에서 CaCO₃로 전환된다. 탄산 칼슘 (및 산화 칼슘)을 통하여 Ca⁺²의 공급원의 첨가는 하기와 같이 가시화될 수 있는 Si(OH)₄의 중합을 이끌 것이다.

이는, 예를 들면 도 1 에서 볼 수 있듯이, Ca⁺²이온이 격리된 콜로이드 입자를 생성하는 것으로 여겨진다. 도 1 에서, 사용된 염기가 K⁺이온을 제공하는 수산화칼륨인 것임에 주목해야 한다. 본 구현예에 따라 형성된 콜로이드는 공지의 콜로이드 시스템보다 더 견고하게 결합되고, 더 폭넓게 분지된 것으로 여겨진다. 또한, 도 2는 본 공정에 따라 형성된 전형적인 실리카 콜로이드 입자에 수반되는 전형적인 물의 이중층을 나타내는 것으로 여겨진다. 도 2 에서 볼 수 있듯이, 실리카 콜로이드 입자는 순 음전하를 가지며, 주위의 물 중 하전된 이온에 의해 둘러싸여 있다. 실리카 콜로이드 입자의 고체 표면에 가장 가까운 스턴 층 (Stern layer)에서는, 하전된 이온은 대부분 양성으로 하전되고, 음성 하전된 실리카 콜로이드 입자에 유인되는 Ca⁺²이온을 포함할 수 있다. 하나 이상의 Ca⁺²이온이 실리카 콜로이드 입자의 내부에 포함될 수 있음을 인지해야 한다.

본 발명의 수성 조성물의 제조 중에, 상기 조성물은 바람직하게는 실리카 콜로이드 입자 상의 정전기 전하를 증가시키도록 처리된다. 이는, 도 3 및 4 에 나타낸 발전기를 사용하여 수행된다. 더 상세한 사항은, 전문이 본원에 참조문헌으로서 도입된 Holcomb에 2000년 12월 26일에 허여되고 2001년 10월 4일에 US 201/0027219 호로 공개된 미국 특허 출원 제 09/749,243 호, 및 Holcomb 에게 1996년 7월 16일에 허여된 미국 특허 제 5,537,363 호에 개시되어 있다. 상기 문헌 및 본원에서의 크기 및 부피는 예시적인 목적일 뿐이며, 제한적이지 않다. 발전기의 기능은, 용기 3 에 위치한 수성 조성물 5 를 끌어올리는 펌프 1 을 포함하고, 수성 조성물 5 가 도관 2 및 이어서 펌프 1 을 통과하게 한다. 펌프 1 은 펌프 및 파이프의 크기에 의존하는 속도를 낸다. 이는 약 분 당 1 갤런 (gpm) 내지 약 100 gpm (예를 들면, 더 작은 시스템에서는 약 4 gpm 내지 약 10 gpm)일 수 있고, 압력은 약 10 psi 일 수 있다. 상술한 압력 및 속도 하에서 수성 조성물 5 는 도관 6 을 통해 흘러서, 하나 이상의 동심관 (concentric conduit) (예를 들면, 도관 13)에 의해 둘러싸인 도관 7 로 들어간다. 도 2 에 나타난 바와 같이, 수성 조성물 5 는 도관 7 을 통해 흘러서, 구멍 8 을 통과하여 도관 13 (예를 들면, 1 인치 파이프)으로 배출된다. 수성 조성물 5 는 이어서 도관 13 을 통해 반대 방향으로 흐르고, 구멍 9 를 통해 배출되고, 다시 도관 14 (예를 들면, 1.5 인치 파이프)를 통해 역방향으로 흐른다. 수성 조성물 5 는 구멍 10 을 통해 도관 14 를 빠져나와 도관 15 로 흐르고, 챔버 11 로 들어가고, 도관 12 를 통해 흘러서, 도관 4 를 통해 용기 3 으로 운송된다.

충분한 길이의 시간 동안 충분한 속도로의 역류장치를 통한 흐름은, 역류 하전 효과(counter current charge effect)로 인해 본 발명의 본 구현예에 따른 바람직한 조성물을 생성시킨다. 상기 역류 하전 효과는 자기장 기울기를 생성시키고, 이는 다시 발전기의 동심관 내에서 역류 공정 중에 움직이는 실리카 콜로이드 입자 상에 정전기 전하를 축적시키는 것으로 여겨진다. 상기 정전기 전하의 축적은 보다 안정하고 보다 큰 실리카 콜로이드 입자에 따르는 것으로 여겨지며, 이는 다시, 예를 들면 보다 많은 양의 Ca⁺²이온을 격리시킴으로써, 보다 많은 양의 탄산칼슘이 수성 조성물 중에 혼입되게 할 수 있다. 바람직하게는, 하나 이상의 자기 부스터(booster) 단위를 사용하여, 여러 개의 쌍방향 자기장을 생성시킴으로써, 상기 역류 하전 효과를 증강시킨다. 도 4 는, 도 3 에 나타난 발전기와 함께 사용할 수 있는 자기 부스터 단위의 기능 및 위치를 도시한다. 도 4 의 자기 부스터 단위 (단위 A, B 및 C)가 첨가되면, 정전기 전하가 실리카 콜로이드 입자 상에 훨씬 빠르게 축적되는 것으로 관찰되었다. 도 4 에는 3 개의 자기 부스터 단위가 나타나 있지만, 구체적 용도에 따라 이보다 많거나 적은 단위가 사용될 수 있음이 인지되어야 한다. 통상, 2 개의 인접한 자기 부스터 단위 (예를 들면, 단위 A 및 B)가 충분한 간격으로 떨어져 있어, 각각의 단위에 의해 생성되는 자기장 사이의 상호작용을 감소시키는 것이 바람직하다.

도 5 의 상부는, 도 4 에 나타난 동심관의 상부 단면도를 도시한다. 도 5 에서 볼 수 있듯이, 자기 부스터 단위 (예를 들면, 단위 A)는 다수의 자석 (예를 들면, 전자석)을 포함한다. 여기서, 4 개의 자석이 면상으로 배열되어 있고, 상기 면 내에서 사변형 (예를 들면, 직사각형 또는 정사각형)의 꼭지점을 형성한다. 인접한 자석의 극은 도 5 에 나타난 "+" 및 "-" 부호로 표시된 바와 같이 반대 방향으로 배향된다. 도 5 의 하부에 나타난 바와 같이, 상기 4 개의 자석의 배열은 z 축을 따라 자기장에 대한 다수의 기울기를 생성시킨다 (즉, 면 밖으로 뻗어나간, 축을 따르는 자기장의 구성요소가 도 5 의 상부에 나타난다). 여기서, 자석의 면으로부터 약 1 인치 위에 위치한 선 A-A'를 따르는, z 축의 자기장에 대한 측정을 나타낸다. 기울기는 x 축 및 y 축의 자기장 (즉, 선 A-A' 및 B-B'를 따르는 자기장의 구성요소)에 대해서도 존재할 수 있다. 이러한 다수의 기울기는, 발전기가 수성 조성물을 계속해서 처리할 동안 실리카 콜로이드 입자 상에 상당한 정전기 전하가 축적되게 한다. 수성 조성물을 도 4 에 나타난 발전기로 처리함으로써, 약 1 ㎛ 내지 약 200 ㎛의 범위, 통상 약 1 ㎛ 내지 약 150 ㎛, 또는 약 1 ㎛ 내지 약 110 ㎛의 범위의 크기를 갖는 실리카 콜로이드 입자를 제조할 수 있다. 실리카 콜로이드 입자는 약 - 밀리볼트 (㎷) 내지 약 -75 ㎷ 초과의 범위, 통상 약 -30 ㎷ 내지 약 -50 또는 -60 ㎷의 범위의 제타 포텐셜(zeta potential)을 가질 수 있다. 당업자는, 제타 포텐셜이 콜로이드 입자가 나타내는 정전기 전하를 나타내고, 보다 큰 정도의 제타 포텐셜은 (예를 들면, 입자간 척력의 결과로서) 통상 더욱 안정한 콜로이드 시스템에 상응하는 것임을 이해할 것이다.

본 발명의 또 하나의 구현예는 가압하 수성 조성물로 고함황 석탄을 처리하는 장치이다. 이 장치는 석탄을 유지하기에 적합한 가압가능한 용기, 수성 조성물이 용기로 진입하여 석탄과 접촉가능케하는 제 1 유입구, 상기 용기로부터 수성 조성물을 제거하는 메카니즘, 이산화탄소가 대기압보다 높은 압력하 용기로 진입하는 것을 가능케하는 제 1 유입구, 제 1 유입구에 연결된 가압된 이산화탄소 원 및 용기로부터 석탄을 제거하는 배출구로 구성된다.

본 발명의 상기 구현예는 도 6 에 나타낸 시퀀스의 전체적 검토에서 볼 수있다. 석탄은 트레인 카 (102) 를 통해 증기 제너레이터 플랜트로 옮겨져 제어탑 (100) 하의 석탄 호퍼 (103) 에 부어진다. 이와 달리, 석탄은 상기 제너레이터 플랜트 대신 석탄장에서 처리할 수 있다. 이어서, 석탄을 컨베이어 벨트 (104)에 공급하여 도관 (106) 을 통해 석탄 파쇄기 (108) 및 (109)로 이송시킨다. 저품질의 불량품 및 찌꺼기는 도관 (106) 및 (107)을 통해 불량 파일 (111) 및 (112) 로 이송시킨다. 석탄은 직경 1-2mm 크기의 입자로 분쇄한후 파쇄기로부터 방출시킨다. 석탄은 컨베이어 (110)으로 떨어트리며, 이는 석탄을 도관 (114) 에 부은후 도관 (113) 및 (114a) 에 붓는다. 도관 (114a)는 석탄을 호퍼 (115) 로 운반하며, 이는 압력 해치를 통해 석탄을 가압 탱크 (16)으로 붓는다. 압력 해치는 호퍼 (115)하 및 가압 탱크 (16)과 배출구 도관 (18) 의 연결부에서 밀폐된다. 석탄은 호퍼 (115) 을 통해 탱크 (16) 으로 공급되기 때문에, 아우저 (17) 은 탱크 (16) 이 약 45°이하까지 기울어지는 동안 탱크 (16) 의 원위의 부분에 석탄을 밀어넣는다. 탱크 (16) 은 밀봉되고, (23) 에 위치한 진공 펌프로 진공 (물의 약 26" 내지 30") 을 20 분간 적용하고, 탱크 (16) 을 중립 위치로 내린다. 빌딩 (27) 에서 합성될 수도 있는 본 발명의 수성 조성물은 도관 (35) 를 통해 저장 탱크 (24)로 퍼낸후, 도관 (21) 을 통해 도관 (34) 를 경유하여 퍼내어, 밸브를 진공으로 개방시키는 경우 탱크 (16)으로 빨아들인다. 실리카 콜로이드성 입자, 이온화 탄산칼슘, 산화칼슘 및 물을 함유하는 수성 조성물을 석탄의 공기를 빼낸 기공으로 빨아들인다. 계가 평형된 후, 수성 조성물의 나머지 부분을 제거하고, 밸브를 열어 탱크 (26) 으로부터 이산화탄소가 제어기 (23)을 통해도관 (36) 을 경유하여 흐르도록한 후, 도관 (21) 을 통해 흐르로록 한다. 약 100-300psi 의 압력을 1 시간이하(예컨대 5-40 분)동안 유지시킨후 방출시킨다. 이산화탄소 압력은 증가된 이탄산염 이온 하중을 석탄의 기공으로 밀어넣는다. 이러한 이탄산염의 증가된 이용가능성은 석탄의 기공에서 CaCO₃의 결정화를 유발하여 석탄을 분쇄시키며, 탄산칼슘 및 산화칼슘의 침투에 좀더 많고 큰 기공이 이용될 수 있도록 만든다. 이점에서 상기 공정은 바람직하게는 1 내지 2 회 반복하여 탄산 칼슘 실리카의 석탄으로의 통합을 최대화시킨다. 일단 완전히 가공처리되면, 생성된 석탄은 아우저(17) 로 도관 (18) 를 통해 처리된 석탄을 "Live Pile"(31) 로 운반하는 벨트 (30) 로 밀어낸다.

처리된 석탄은 벨트 (32) 상의 "Live Pile" 로부터 컨베이어 (33)으로 방출된다. 처리된 석탄은 약 2400℉ 내지 약 2600℉ 의 온도에서 스토커 버너에서 스토커 석탄으로서 태우거나, 미분쇄하여 약 3200℉ 내지 약 3700℉ 의 온도에서 블로워 노에서 태워질 수 있다. 도 7 에서 보는 바와 같이, 처리된 석탄은 노로 운반되어 태워진다. 뜨거운 석탄은 물을 가열하여 증기로 만들어, 터빈을 구동시킨다. 이어서 터빈은 전송 라인을 통해 전력을 송전하는 전력 제너레이터를 구동시킨다. 이와 달리, 도 8 에 나타낸 바와 같이, 처리된 석탄은 도 6 의 컨베이어 (33) 과 이어진, 컨베이어 (201) 를 통해 석탄 벙커 (210)으로 전달된다. 석탄은 수요에 따라 스케일 (209) 통해 계량하여 분쇄기 (207) 로 보내 분말화된 석탄을 생산한다. 상기 분말화된 석탄은 석탄 분진 에어 라인 (207)를통과하여 연료 주입 노즐 (203) 을 통해 노(204) 로 넣어진다. 상기 분말화된 석탄은 노 (204) 로 송취되어, 약 3500℉ 에서 타는 강렬한 소용돌이 화염으로 발화된다. 탈때, 탄산칼슘, 산화칼슘, 물 및 이산화황이 강렬한 열의 존재하 반응하여 더 많은 양의 석고 (CaSO₄.2H₂O) 및 석회를 재에 남긴다. 증가된 석고는 재를 시멘트용으로 증가된 가치가 있는 것으로 만들며, 이는 애쉬 빈(206) 으로부터 상기의 용도를 위해 제거된다. 따라서, 고유황 석탄은 연소 생성물의 향상된 품질과 더불어 상당히 감소된 발산으로 태워질 수 있다. 또한 생성된 재는 특히 미소구로서 고품질의 실리케이트를 갖는 것으로 생각된다. 이러한 미소구 실리케이트는, 예컨대, 절연 페인트용으로 유용한 높은 절연 특성을 갖는다.

하기의 실시예는 본 발명의 특정 양태를 설명하기 위해 기재하는 것이며, 당업자에게 본 발명을 서술하는 것이다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 이해하고 실시하는데 유용한 특정한 방법론을 제공하는 것이기 때문에, 본 발명을 한정하는 것으로 해석해서는 안된다.

실시예 I

본 실시예는 연소전의 석탄을 처리하는데 유용한 본 발명의 수성 조성물의 제조 방법을 설명하는 것이다. 양호한 품질의 물 5 갤런을 용기에 넣는다. 전기 발전기 (상기 미국 특허 출원 제 09/749,243 호 참조) 를 통해 4.5 내지 5 gpm 및 20 lbs/in²으로 1 시간 동안 물을 순환시키고 버린다. 소듐 실리케이트 5 리터를 발전기에 넣고, 4.5 내지 5 gpm 으로 계속 가동시킨다. 이 실리케이트는 농도가 NaOH 4.0 몰중 27 % w/v 이다. 소듐 실리케이트를 모두 시스템에 넣은 후, 발전기를 1 시간 동안 계속 가동시킨다. 서서히, 탄산칼슘 615 그램을 슬러리로 혼합물에 20 분간 첨가한다. 발전기를 상기와 동일한 조건하에서 추가로 1 시간 동안 가동시킨다. 이 시점에서의 pH 는 10.0 을 초과한다. 산화칼슘 (CaO) 500 그램을 서서히 첨가하고, 용액을 발전기를 통해 4.5 내지 5 gpm 으로 계속 가동시킨다. 용액을 추가로 1 시간 동안 발전기를 통해 계속 가동시킨다. 이 시점에서의 물질은 회색 및 약간 흐리고, 매우 조밀한 콜로이드이다.

실시예 II

본 실시예는 본 발명의 대표적인 수성 조성물 및 이의 제조 방법을 설명하는 것이다. "발전기" 로는, 2000 년 12 월 26 일 출원되어, 2001 년 10 월 4 일 US 2001/0027219 로 공개된 미국 특허 출원 제 09/749,243 호 (Holcomb) 에 기재된 장치가 언급된다. 발전기는 150 갤런 용량 및 약 90-100 갤런/분 (gpm) 의 유속을 가진다. 최종 조성물은 약 40,000 ppm 또는 4 % w/v 의 소듐 실리케이트 농도를 나타낸다.

물 (pH 8.13) 42 갤런을 발전기에 첨가하고, 발전기를 통해 20 분간 순환시킨다. 소듐 실리케이트 (27 % w/v 농도) 8 갤런을 발전기에 첨가하고, 45 분간 순환시킨다. 이로써 pH 12.20 의 소듐 실리케이트 용액 총 50 갤런이 산출된다.

NaOH (수산화나트륨) 펠렛 14.6 lb 를 발전기로부터의 용액 5 갤런에 용해시키고, 수득되는 용액을 발전기에 다시 첨가한다. 물 2.5 갤런을 발전기에 첨가하고, 90 분간 순환시켜 pH 13.84 의 조성물을 산출한다.

용액 20 갤런을 발전기 탱크에서 용기에 펌핑하고, 탄산칼슘 51.3 lb 를 용해시킨다. 수득되는 용액을 발전기에 20 분간 서서히 다시 첨가한다. 조성물을 20 분간 순환시키면, pH 13.88 을 나타낸다. 다시, 발전기로부터 용액 20 갤런을 회수하고, 추가의 탄산칼슘 51.3 lbs 를 용해시킨다. 수득되는 조성물을 발전기에 20 분간 미터링한다 (pH 13.91). 추가로 20 분간 순환시켜 pH 13.92 의 조성물을 산출한다.

수득되는 용액 10 갤런을 발전기로부터 회수하고, 산화칼슘 5.5 lbs 를 용기에 첨가하여 슬러리를 수득하고, 이를 발전기에 10 분간 다시 첨가한다. 수득되는 조성물을 30 분간 순환시킨다 (pH 13.98).

순환 조성물 20 갤런을 혼합 배럴에 첨가하고, 염화암모늄 1.0 Kg 을 혼합하면서 서서히 첨가한다. 이 조성물을 10 분간 발전기에 다시 첨가하고, 발전기에서 30 분간 순환시킨다 (pH 13.93).

수득되는 조성물 55 갤런을 적절한 용기, 또는 본원에서 논의된 방법에서 석탄을 처리하는데 이후에 사용될 용기에 넣는다. 수득되는 조성물의 농도는 물보다 더 점성이고, 묽은 밀크 쉐이크와 비슷한 점도를 가지는 것으로 나타난다.

실시예 III

이 실시예는 석탄 처리를 위한 본 발명의 방법을 수행하기 위한 대표적인 설명을 제공한다.

파쇄된 석탄을 작은 스토커 크기(약 1/2 인치 미만)까지 체질하였고, 중량은 100 파운드였으며, 50 갤런의 통에 넣은 후, 통을 밀봉하고, 10 분동안 회전시켜 석탄을 배합하였다. 석탄을 8 파운드 증가시 무작위 방식으로 제거한 후, 다음의 두 교대 용기에 넣었다: (a) 대조군 50 파운드, 및 (b) 처리군 50 파운드.

5 파운드의 산화 칼슘을 50 파운드의 석탄 샘플 (b) 와 혼합한 후, 압력 챔버의 샘플 호퍼에 넣었고, 상기 호퍼를 압력 챔버에 넣었다. 압력문을 닫고, 단단하게 밀봉하였다. 진공을 만들고 (물의 29"-30"), 45 분 동안 상기 범위를 유지하였다.

실시예 II 에서 제조된 4 갤런의 조성물 샘플을 진공의 샘플 호퍼 안으로 넣고, 계가 10 분 동안 평형을 유지하도록 하였다. 챔버 안으로 CO₂를 블리딩하여 진공을 반전시켰다.

여분의 액체를 석탄에서 제거하고, 챔버를 재밀봉하였다. 공기를 제거하여 진공이 되도록 하였고, CO₂를 사용하여 압력이 300 psi (100 psi - 300 psi 의 범위)가 되도록 하였다. 압력을 30 분 동안 유지시킨 후, 배출시켰다. 상기 단계들을 두 번의 추가된 주기 동안 반복하였다.

여분의 액체를 완전 제거한 후, 석탄을 저장하고, 옮기거나 또는 연소시켰다. 석탄을 연소시키는 경우, 이산화황의 방출이 약 95% 내지 100% 까지 감소되었다. 상기 감소와 함께, NO_X의 방출은 약 40% - 60%, 일산화탄소의 방출은 40% - 80%, 탄화수소의 방출은 46% - 60%, 및 이산화탄소의 방출은 12% - 16% 감소되었음을 또한 알 수 있었다. 이러한 감소의 이유를 완전히 이해할 수는 없으나, 실리카가 어떤 유형의 촉매로 작용하여 기체의 더 완전한 연소 및 고체의 형성에 기여할 수 있다고 생각된다.

마치 각 개별 특허 출원, 특허, 공개공보, 및 기타 발행된 문헌이 참고문헌으로서 반영되도록 구체적이고 개별적으로 지적된 것과 동일한 정도로, 상기 상세한 설명에서 언급된 각각의 특허 출원, 특허, 공개공보, 및 기타 발행된 문헌들은 그 전문이 참고문헌으로서 본원에 인용되었다.

본 발명은 그 구체적인 구현예와 관련하여 설명되었지만, 당업자라면 첨부된 청구항에 의해 정의된 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변형 및 균등물의 치환이 가능함을 이해하여야 할 것이다. 또한, 특정 조건, 재료, 물질의 조성, 방법, 공정 단계 또는 단계들을 본 발명의 목적, 취지 및 범위에 적용시킨 많은 변형이 가능할 것이다. 모든 상기 변형은 첨부된 청구항의 범위 내에 있도록 의도된다. 특히, 본원에서 개시된 방법은 특정 순서로 수행된 특정 단계와 관련하여 설명되었다 하더라도, 본 발명의 교훈을 벗어나지 않으면서, 상기 단계들을 조합, 세분, 또는 재배치하여 균등한 방법을 형성할 수 있음을 이해하여야 할 것이다. 따라서, 본원에서 구체적으로 지적되지 않는 한, 공정의 순서 및 배치가 본 발명을 제한하지는 않는다.

Claims

하기를 포함하는, 석탄 연소시의 이산화황 방출 감소를 위한 고유황(high surfur) 석탄의 처리방법:

(a) 석탄 내에 트래핑된 주변 유체를 제거함으로써, 석탄의 일부를 파쇄시키기에 충분한 감압 환경에 석탄을 위치시키고,

(b) 파쇄된 석탄을, 탄산칼슘으로 과포화된 수성 실리카 콜로이드 조성물과 접촉시키고,

(c) 석탄과의 접촉으로부터의 수성 조성물의 대부분을 제거하고, 및,

(d) 단계 (a) 에서 생성된 석탄의 파쇄부에 탄산칼슘이 들어가기에 충분한 시간 동안, 이산화탄소 분위기 하에서 수성 조성물로 처리한 석탄을 가압한다.
제 1 항에 있어서, 감압이 물의 약 26" 내지 약 30"인 방법.
제 1 항에 있어서, 석탄 파쇄 이전에, 석탄을 최대 단면직경 약 5cm 미만의 크기로 줄이는 방법.
제 3 항에 있어서, 석탄을 최대 직경 약 3cm 미만의 크기로 줄이는 방법.
제 4 항에 있어서, 석탄을 약 50 마이크론 (㎛) 내지 약 4mm 의 크기로 줄이는 방법.
제 5 항에 있어서, 석탄을 약 3mm 내지 약 4mm의 크기로 줄이는 방법.
제 1 항에 있어서, 석탄 내에 트래핑된 주변 유체를 제거하는 동안, 최소치를 도달한 이후 1 시간이하로 감압을 유지하는 방법.
제 7 항에 있어서, 최소치를 도달한 이후 약 10분 내지 약 45분 동안 감압을 유지하는 방법.
제 1 항에 있어서, 이산화탄소 분위기가 실질적으로 순수한 이산화탄소인 방법.
제 1 항에 있어서, 이산화탄소 분위기가 50 psi 이상의 압력을 가지는 방법.
제 10 항에 있어서, 압력이 약 100 psi 내지 약 300 psi 인 방법.
제 1 항에 있어서, 석탄을 수성 조성물에 담가 슬러리를 형성하는 방법.
제 12 항에 있어서, 슬러리를 교반(agitate)하는 방법.
제 1 항에 있어서, 석탄에 수성 조성물을 분무함으로써 석탄과 수성 조성물을 접촉시키는 방법.
제 1 항에 있어서, 수성 조성물의 pH가 약 13.5 이상인 방법.
제 15 항에 있어서, 수성 조성물의 pH가 약 13.8 이상인 방법.
제 1 항에 있어서, 수성 조성물이 소듐 실리케이트 및 탄산칼슘을 함유하는 방법.
제 17 항에 있어서, 수성 조성물이 산화칼슘을 추가로 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서, 수성 조성물의 pH가 약 13.5 이상이며, 소듐 실리케이트, 탄산칼슘 및 산화칼슘을 포함하는 방법.
제 19 하에 있어서, 수성 조성물의 pH가 약 13.5 이상이며, 약 2%w/v 내지 40%w/v의 소듐 실리케이트, 약 15%w/v 내지 40%w/v의 탄산칼슘, 및 약 1.5%w/v 내지 4.0%w/v의 산화칼슘을 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서, 석탄이 약 0.5 중량% 초과의 황을 함유하는 방법.
제 21 항에 있어서, 석탄이 약 0.8 중량% 초과의 황을 함유하는 방법.
제 1 항에 있어서, 단계 (a), (b), 및 (c) 의 처리로부터 생성된 석탄이, 0.5 이상의 Ca:S 의 몰비가 되기에 충분한 양으로 제공되도록, 석탄 내에 침착된 충분량의 탄산칼슘을 갖는 방법.
제 1 항에 있어서, 단계 (a), (b), (c) 및 (d) 가 2 회 반복되는 방법.
제 24 항에 있어서, 단계 (a), (b), 및 (c) 의 처리로부터 생성된 석탄이, 0.5 이상의 Ca:S 의 몰비가 되기에 충분한 양으로 제공되도록, 석탄 내에 침착된 충분량의 탄산칼슘을 갖는 방법.
제 25 항에 있어서, 단계 (a) 내지 (d) 로 처리된 석탄이 실리카를 0.15 중량 % 이상의 수준으로 함유하는 방법.
제 1 항에 있어서, 단계 (b) 에서,각각의 석탄 100 파운드가 수성 조성물 약 10 내지 약 100 갤런과 접촉하는 방법.
제 1 항에 있어서, 추가로 고온에서 생성된 석탄을 연소하는 단계를 포함하며, 이러한 연소의 결과, 생성된 연소 방출물의 이산화황 함량이, 제 1 항의 방법에 따라 처리되지 않은 고유황 석탄의 연소 방출물의 이산화황 함량의 약 60 % 내지 약 100 % 미만인 방법.
제 1 항에 있어서, 단계 (a), (b), 및 (c) 의 처리로부터 생성된 석탄이, 석탄과 회합된 탄산칼슘을 약 0.5 중량 % 내지 약 1.5 중량 % 으로 갖는 방법.
제 29 항에 있어서, 생성된 석탄이, 석탄과 회합된 탄산칼슘을 약 1.0 중량% 으로 갖는 방법.
제 1 항에 있어서, 석탄을 파쇄하기 전에, 석탄을 산화칼슘과 혼합하는 방법.
제 1 항에 있어서, 파쇄된 석탄을 수성 조성물에 완전히 침지시키는 방법.
약 0.5 중량% 이상의 황을 함유하며, 0.5 이상의 Ca:S 의 몰비를 제공하기에 충분한 양으로 석탄의 파쇄부 내에 침착된 탄산칼슘을 추가로 함유하는, 진공 파쇄된 고유황 석탄.
제 33 항에 있어서, 황의 함량이 약 0.5 내지 약 7.0 중량% 이고, 석탄의 파쇄부 내에 침착된 탄산 칼슘이 약 1 내지 4 의 Ca:S 몰비를 제공하기에 충분한 양으로 존재하는 고유황 석탄.
제 33 항에 있어서, 추가로 0.15 중량 % 이상의 수준으로 존재하는 실리카를 함유하는 고유황 석탄.
제 1 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 고함량 석탄.
연소로부터 이산화황 방출을 감소시키면서 고유황 석탄을 연소하여 에너지를 생산하는 방법으로서, 진공 파쇄된 석탄에서 파쇄부 내에 탄산 칼슘을 침착시키고, 생성된 탄산 칼슘을 함유하는 고유황 석탄을 고온에서 연소시키는 것을 포함하는 방법.
제 37 항에 있어서, 0.5 중량% 이상의 황을 함유하고, 0.5 이상의 Ca:S 몰비가 되기에 충분한 양으로 석탄의 파쇄부 내에 침착된 탄산칼슘을 함유하는 방법.
제 38 항에 있어서, 석탄의 황 함량이 약 0.5 중량 % 내지 약 7.0 중량 % 이며, 탄산 칼슘은 석탄내의 프랙처에 충분량 침착되어 약 1 내지 4 의 몰비가 제공되는 방법.
제 37 항에 있어서, 탄산 칼슘이 제 1 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항의 방법에 따른 방법으로 제조된 석탄의 파쇄부 내에 침착되는 방법.
제 37 항에 있어서, 석탄이 5 센티미터 미만의 입자 크기를 갖는 방법.
제 41 항에 있어서, 석탄이 약 50 mm 내지 약 2 mm 의 입자 크기를 갖는 방법.
제 37 항에 있어서, 약 3200 ℉ 내지 약 3700 ℉ 의 온도에서 가열로에 취입하고, 이것을 산소원과 혼합하고, 혼합물을 점화하여 석탄을 분말화 및 연소시키는 방법.
제 43 항에 있어서, 온도가 약 3500 ℉ 인 방법.
석탄의 파쇄부에 탄산칼슘이 침착된 진공 파쇄된 고유황 석탄을 연소시키고, 상기 연소의 결과로서 수득되는 황산칼슘를 회수하는 것을 포함하는, 고황 석탄 연소의 결과로서 수득되는 황산칼슘의 양을 증가시키고, 동시에 연소물에서 이산화황의 방출을 감소시키는 방법.
제 45 항에 있어서, 석탄이 약 0.5 중량 % 이상의 황을 함유하고, Ca:S 몰비를 0.5 이상으로 제공하기에 충분한 양으로 석탄의 파쇄부에 침착된 탄산칼슘을 추가 함유하는 방법.
제 46 항에 있어서, 황의 함량이 약 0.5 내지 약 7 중량% 이고, 석탄의 파쇄부에 침착된 탄산칼슘이 Ca:S 몰비를 약 1 내지 4 로 제공하기에 충분한 양으로 존재하는 방법.
제 45 항에 있어서, 석탄이 추가로 0.15 중량% 수준 이상으로 존재하는 실리카를 함유하는 방법.
제 45 항에 있어서, 석탄이 5 센티미터 미만의 입자 크기를 갖는 방법.
제 49 항에 있어서, 석탄이 약 5 mm 내지 약 2mm의 입자 크기를 갖는 방법.
제 49 항에 있어서, 석탄이 1 mm 미만의 입자 크기를 갖고, 약 2400 ℉ 내지 약 2600 ℉ 에서 스토커 용광로에서 연소되는 방법.
제 45 항에 있어서, 석탄이 분말화되고, 약 3200℉ 내지 약 3700 ℉에서 이를 용광로에 넣고, 산소원으로 혼합하고, 혼합물을 발화함으로써 연소되는 방법.
수성 실리카 콜로이드 조성물으로 통합된 탄산칼슘의 과포화 용액을 포함하며, 고유황 석탄의 처리시, 처리된 석탄이 연소될 때 이산화황 방출을 감소시키기에 적당한 수성 조성물.
제 53 항에 있어서, 수성 조성물의 pH가 12 이상인 조성물.
제 54항에 있어서, 수성 조성물의 pH가 13.5 이상인 조성물.
제 54 항에 있어서, 수성 조성물의 pH가 13.5 이상이고, 소듐 실리케이트 및 탄산칼슘을 포함하는 조성물.
제 56 항에 있어서, 수성 조성물이 산화칼슘을 추가로 함유하는 조성물.
제 57 항에 있어서, 조성물이 약 2 % w/v 내지 40 % w/v 의 소듐 실리케이트, 약 15 % w/v 내지 40 % w/v 의 탄산칼슘, 및 약 1.5 % w/v 내지 4.0 % w/v 의 산화칼슘을 함유하는 수성 조성물.
제 53 항에 있어서, 수성 조성물이 고온에서 강 수성 알카리 금속 히드록사이드 용액에 실리콘 디옥사이드를 용해시키고, 생성된 혼합물에 탄산칼슘을 용해시켜 수성 조성물을 형성하는 것으로 수득되는 수성 조성물.
제 59 항에 있어서, 산화칼슘을 추가로 함유하는 수성 조성물.
제 60 항에 있어서, 알카리 금속 히드록사이드가 소듐 히드록사이드 또는 포타슘 히드록사이드이고, 약 3 몰 이상의 수준으로 조성물에 존재하는 수성 조성물.
제 61 항에 있어서, 알카리 금속 히드록사이드가 소듐 히드록사이드이고, 4 몰 이상의 수준으로 존재하는 수성 조성물.
제 53 항에 있어서, 칼슘 이온이 콜로이드 구조에 혼입된 약 1 ㎛ 내지 약 200 ㎛ 범위의 크기의 콜로이드 입자를 포함하는 수성 조성물.
제 63 항에 있어서, 콜로이드 입자가 실리콘 및 산소 기재의 폴리머 구조를 나타내는 조성물.
칼슘 이온이 실리카 유래 콜로이드 입자에 통합되어 탄산칼슘의 과포화 용액을 형성하게 하기에 충분한 조건하에서, 강 수성 알카리성 콜로이드 실리카 조성물에 탄산칼슘을 용해시키는 것을 포함하는, 처리된 석탄의 연소시 연소 산물 중 이산화 황의 함량의 감소를 위한, 고유황 석탄의 처리에 적합한 수성 조성물의 제조방법.
제 65 항에 있어서, 산화칼슘이 상기 수성 조성물 중에 함유되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 65 항에 있어서, 생성 조성물을 하나 이상의 자기장 경사 (magnetic field gradient)를 통해 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 65 항에 있어서, 생성 조성물을 복수개의 자기장 경사를 통해 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 67 항에 있어서, 자기장 경사를 지나는 유속이 약 1 ∼ 100 갤런 (gallon)/분 (gpm)인 것을 특징으로 하는 방법.
제 69 항에 있어서, 조성물의 한 일부가 조성물의 다른 일부의 흐름에 대해 역류 형식으로 흐르는 것을 특징으로 하는 방법.
제 70 항에 있어서, 역류 흐름이, 역류 흐름없이 얻어졌을 것보다 더욱 고도로 하전된 콜로이드 입자의 수집을 발생시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제 68 항에 있어서, 복수개의 자기장 기울기를 지나는 흐름이, 자기장 기울기를 통한 조성물의 흐름없이 얻어졌을 것보다 더욱 고도로 하전된 콜로이드 입자를 생성시키는 것을 특징으로 하는 방법.
고유황 석탄을 가압 하에 수성 조성물로 처리하기 위한 장치로서, 하기를 포함하는 장치:

석탄을 홀딩하기에 적합한 가압가능한 용기,

수성 조성물이 상기 용기로 주입되어 석탄과 접촉하도록 하는 제 1 주입구,

상기 용기로부터 수성 조성물을 제거하는 기계장치,

대기압보다 높은 압력 하에, 이산화탄소가 상기 용기로 주입되도록 하는 제 1 주입구,

제 1 주입구와 연결된 가압된 이산화탄소의 원(source), 및

상기 용기로부터 석탄을 제거하는 출구.
제 35 항에 있어서, 실리카가 약 0.15 중량% ∼ 약 2.5 중량% 의 수준으로 존재하는 것을 특징으로 하는 고유황 석탄.
제 33 항에 있어서, 황함량이 0.5 중량% ∼ 7.0 중량% 이고, 탄산칼슘이 약 0.5 내지 4.0 의 Ca : S 몰비를 부여하기에 충분한 수준으로 존재하고, 실리카가 약 0.15 중량% ∼ 약 2.5 중량% 의 수준으로 존재하는 것을 특징으로 하는 고유황석탄.
제 75 항에 있어서, 탄산칼슘 및 실리카가, 소듐 실리케이트 및 임의로 산화칼슘을 함유하는 과포화 탄산칼슘의 수성 콜로이드성 조성물로부터 침착되는 것을 특징으로 하는 고유황 석탄.
제 76 항에 있어서, 콜로이드성 조성물이 -40 ∼ -75 mV 의 제타 전위를 나타내는 콜로이드 입자를 함유하는 것을 특징으로 하는 고유황 석탄.
제 38 항에 있어서, 석탄이 0.15 중량% 이상의 수준으로 존재하는 실리카를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 78 항에 있어서, 실리카가 약 0.15 중량% ∼ 약 2.5 중량% 의 수준으로 석탄 중에 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 38 항에 있어서, 석탄 중의 황 함량이 0.5 중량% ∼ 7.0 중량% 이고, 탄산칼슘이 약 0.5 내지 4.0 의 Ca : S 몰비로 제공하기에 충분한 수준으로 존재하고, 실리카가 약 15 중량% ∼ 약 2.5 중량% 의 수준으로 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 80 항에 있어서, 탄산칼슘 및 실리카가, 소듐 실리케이트 및 임의로 산화칼슘을 함유하는 과포화 탄산칼슘의 수성 콜로이드성 조성물로부터 침착되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 81 항에 있어서, 콜로이드성 조성물이 -40 ∼ -75 mV 의 제타 전위를 나타내는 콜로이드 입자를 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 53 항 내지 제 64 항 중 어느 한 항에 있어서, 콜로이드 입자가 약 -40 ∼ -75 mV 의 제타 전위를 나타내는 것을 특징으로 하는 조성물.