KR20080028409A - 석탄을 특정 조성의 가스로 변환하기 위한 시스템 - Google Patents

석탄을 특정 조성의 가스로 변환하기 위한 시스템 Download PDF

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안드레아스 트산가리스
케네스 시. 캠벨
디. 마이클 피스비
케 리
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Abstract

본 발명은 통합된 제어 서브시스템을 구비한 석탄 기화 시스템을 제공한다. 이 장치는, 다양한 조합으로서, 하나 이상의 처리 영역과 하나 이상의 플라즈마 열원을 갖는 가스화 반응기 용기(또는 변환기), 고체 잔여물 취급 서브시스템, 가스 품질 조절 서브시스템, 및 석탄에서 에너지로의 변환의 전체 에너지 관리하고 기화 공정의 모든 측면을 최적의 설정 포인트로 유지하기 위한 집적된 제어 서브시스템을 일반적으로 포함한다. 상기 가스화 시스템은 또한 선택적으로, 열 회수 서브시스템 및/또는 제품 가스 조절 서브시스템을 임의로 포함할 수 있다.
Figure P1020087000181
석탄, 가스화 시스템, 고체 잔여물, 가스, 열 회수, 열원, 조절기, 연산 수단, 통합된 제어 시스템

Description

석탄을 특정 조성의 가스로 변환하기 위한 시스템 {A SYSTEM FOR THE CONVERSION OF COAL TO A GAS OF A SPECIFIED COMPOSITION}
본 발명은 석탄의 가스화에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 석탄을 특정 조성을 가지는 가스로 변환하기 위한 공정 및 장치에 관한 것이다.
여러 가지 등급의 석탄(coal of varying grades)은 가스화를 위한 주요 공급원료로서 사용될 수 있다. 이는 고유황 성분을 가지는 배출물의 형성 때문에 석탄 화력 발전소에서 이용하기에 적절하지 않은 저 등급의 고유황 석탄을 포함한다. 석탄이 채굴, 분류 및 세척된 후 남아 있는 폐기 석탄 입자 및 슬릿(slit)은 또한 가스화를 위해 유용하다. 석탄은 통상적으로 산소 및 스팀으로 가스화되어 일산화탄소, 수소, 이산화탄소, 기상 황 화합물 및 입자상를 포함하는 소위 "합성 가스(synthesis gas)"를 생성한다. 가스화 단계는 통상적으로 약 650℃ 내지 1200℃의 범위 내의 온도에서, 대기압, 또는 더욱 통상적으로 약 20 내지 100 기압의 높은 압력에서 수행된다.
몇 가지 상이한 타입의 석탄이 있으며, 그 각각은 지질학적 역사로부터 초래되는 상이한 특성을 보여준다. 석탄 개발의 정도는 석탄의 "등급(rank)"으로서 지칭된다. 토탄(peat)은 석탄 형성 환경의 성장 존(growing zone)의 바로 아래 배치 되는 식물성 재료의 층이다. 식물성 재료는 변화를 거의 나타내지 않으며 살아 있는 식물의 뿌리를 포함한다. 갈탄(lignite)은 지질학적으로 매우 젊다(40,000년 미만). 갈탄은 부드러운 섬유질일 수 있으며 많은 양의 수분(통상적으로 약 70%)을 가지며 낮은 에너지 함유량(8 내지 10 MJ/kg)을 가진다. 아역청탄(sub-bituminous coal)은 그것의 특성이 갈탄의 특성으로부터 역청탄의 특성의 범위에 있으며 스팀-전기 발전을 위한 연료로서 주로 이용된다. 그것은 상기 범위의 하부 엔드에서 흐리고 어두운 갈색 내지 검정색, 연하고 푸석푸석할 수 있으며, 상부 엔드에서 밝고 새까맣고 단단하며 상대적으로 강할 수 있다. 아역청탄은 20 내지 30 중량 퍼센트의 고유 수분(inherent moisture)을 포함한다. 아역청탄의 열 함유량은 습윤 상태의 무광물 기준(moist, mineral-matter-free basis)으로 20 내지 28 MJ/kg의 범위에 있다. 검은 석탄은 육천오백만년 내지 일억오백만년, 최고 이억육천만년 경과된 것이다. 이들은 더 단단하고, 더 윤이 나고, 3% 미만의 수분을 가지며 약 24 내지 28 MJ/kg까지의 에너지 함유량을 가질 수 있다. 무연탄은 실제로 수분을 가지지 않으며 매우 낮은 휘발성분을 가져서, 거의 또는 전혀 연기를 발생하지 않고 연소된다. 최고 약 32MJ/kg의 에너지 함유량을 가진다.
합성 가스는 1917년에 개발된 하버 보쉬 프로세스(Harber Bosch Process)에 따라 생산된다. 이러한 프로세스는 수소 및 일산화탄소를 생산하기 위해 일차 반응에서 탄소, 예를 들면 석탄과 스팀이 반응하는 기본 개질 반응(basic reforming reaction)에 기초하여 작동한다. 합성 가스의 수소/일산화탄소 비율은 공급되는 석탄의 성질에 따라 폭 넓게 변화된다. 그러나, 메탄 1몰이 스팀으로 개질되면, 수소가 풍부하며, 예를 들면 수소 3몰 및 일산화탄소 1몰, 즉 수소/일산화탄소 비율이 3/1인 합성 가스를 생성할 수 있다. 물 가스 시프트 반응으로 알려진 경쟁적 2차 반응이 발생하며, 이 경쟁적 2차 반응에서, 일산화탄소가 스팀과 반응하여 이산화탄소 및 부가 수소를 형성한다. 고온 및 저압이 1차 반응에 유리하기 때문에, 이러한 물 가스 전이 반응은 2차 반응이다.
석탄이 종종 황 화합물을 포함하기 때문에, 청정 제품 연료 가스를 생산하기 위하여 석탄의 가스화를 위한 프로세스가 시도되었으며, 이 프로세스에서 유황이 예를 들면 전기를 발생시키기 위한 가스 터빈에서 이용되기 전에 제품 연료 가스로부터 제거된다. 또한, 가스화 존으로부터의 가스는 정화되어 석탄 분진 및 비산 회분(ash) 및 또한 다른 많은 불순물, 예를 들면, 증발된 회분, 알칼리, 등이 제거될 수 있다.
플라즈마 토치 기술(plasma torch technology)은 석탄 가스화 프로세스에 사용되고 있다. 플라즈마 토치 기술은 실질적으로, 새로운 플라즈마 발생기가 지구의 대기로 다시 투입되는 우주선에 의해 경험되는 매우 높은 온도 상태를 시뮬레이션하기 위하여 개발된, 1960년대에 개발되었다. 연소 버너 화염과 달리, 플라즈마 아크 토치는 산소의 부재 하에서 작동될 수 있다. 플라즈마 아크 토치는 작업 가스의 전기적 분해 및 이온화에 의해 생성되어, 플라즈마 아크 중앙선에서 고온을 형성한다. 상업적으로 이용가능한 플라즈마 토치는 적용시 유지되는 기간 동안 적절하게 고온을 생성할 수 있어, 출력이 약 100 kW 내지 6 MW 이상의 크기에서 이용가능하다.
플라즈마는 적어도 부분적으로 이온화되는 고온 발광 가스이고, 가스 원자, 가스 이온, 및 전자로 형성된다. 플라즈마는 이러한 방식으로 임의의 가스로 제조될 수 있다. 이는, 가스가 중성(예를 들면, 아르곤, 헬륨, 네온), 환원성(예를 들면, 수소, 메탄, 암모니아, 일산화탄소), 또는 산화성(예를 들면, 산소, 이산화탄소)일 때, 플라즈마 내에서의 화학 반응에 대한 우수한 제어를 제공한다. 벌크 상태에서, 플라즈마는 전기적으로 중성이다. 열적 플라즈마는 가스가 전기 아크를 통과하도록 함으로써 생성될 수 있다. 전기 아크는 아크가 통과하는 마이크로초 내에 매우 높은 온도로 저항 및 방사 가열에 의해 가스를 급속도로 가열하게 된다. 통상적인 플라즈마 토크는 작업 가스가 통과하는 긴 튜브로 이루어지고 전극이 튜브 내에 동축선으로 중앙에 배치된다. 하나의 타입의 이 같은 토치에서, 높은 직류 전압이 애노드로서 중앙 전극의 단부와 캐소드로서 외부 전극 사이의 갭에 걸쳐 인가된다. 애노드와 캐소드 사이의 갭 내의 가스를 통하여 유동하는 전류는 이온화 가스 분자로 이루어지는 고온의 전자기파 에너지의 아크를 형성한다. 임의의 가스 또는 공기를 포함하는 가스들의 혼합물이 플라즈마 토치를 통과할 수 있다.
또한 미국 특허 제 4,141,694호, 4,181,504호, 4,208,191호, 4,410,336호, 4,472,172호, 4,606,799호, 5,331,906호, 5,486,269호, 및 6,200,430호를 포함하여 다양한 용도에서 이용하기 위한 합성 가스의 제조를 위한 석탄의 가스화를 위한 상이한 가스에 관련된 다수의 특허가 있다.
석탄의 가스화 동안 제조되는 가스는 보통 매우 온도가 높고 불순물이 많아서, 이 가스를 이용가능한 제품으로 변환하기 위하여 추가 처리가 요구된다. 예를 들면, 습식 스크러버(scrubber) 및 건식 여과 시스템은 종종 가스화 동안 제조되는 가스로부터 입자상 및 산성 가스를 제거하기 위하여 이용된다. 가스화 프로세스 동안 제조되는 가스를 처리하기 위한 시스템을 포함하는, 다수의 가스화 시스템이 개발되었다.
진보된 연료 전지 기술과 탄소의 가스화를 위한 시스템의 통합은 다양한 석탄 연료 품질에 적용가능한 융통성 있고, 견고하고, 연속적으로 작동하는 개질 시스템을 요구한다. 플라즈마 기술과 결합하는 가스화 시스템은 높은 황 함유량을 가지는 석탄을 포함하여 매우 다양한 석탄 공급을 수용할 수 있는 잠재성을 제공한다. 반응 용기 내의 부분 산화 조건들의 통합에 의해 반응 용기 내의 에너지 요구를 최소화하면서 연료 가스 조성을 최적화함으로써 최상의 가스화 구성을 제공할 것으로 기대된다.
합성 가스(syngas)는 연료 전지 또는 화학적 공급원료와 같은 화학 분야 또는 전기 형태의 에너지로의 가스의 변환과 같은 다양한 분야를 위해 이용될 수 있다. 합성 가스를 전기로 직접적으로 전환하기 위해 이용되는 장비는 현재 가스 터빈 및 가스 엔진을 포함한다. 이러한 기계는 매우 엄격한 특성의 범위 내에서 기능하도록 설계되고, 종종 가스 특성의 변화에 매우 민감하다. 엔진 작동 효율에 영향을 미치는 외에, 가스 특성의 변동이 엔진 작동에 부정적 영향을 가질 수 있다. 예를 들면, 가스 특성에서의 변화는 엔진 내의 윤활 오일의 부식 방지 특성에 영향을 미칠 수 있고, 또한 그것은 방출, 효율, 노크 및 연소 안정성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 이러한 합성 가스-이용 기계는 가스의 특성이 특정 한계 내 에서 유지될 때 매우 효과적으로 작동한다.
이러한 배경 정보는 본 발명과 관련될 수 있다고 출원인이 믿고 있는 공지된 정보를 만들기 위한 목적으로 제공된다. 앞의 정보의 어떤 것도 본 발명에 대해 종래 기술을 구성하는 것으로 의도되지 않을 뿐만 아니라 해석되지 않는다.
본 발명의 목적은 석탄을 특정 조성의 가스로 변환하기 위한 시스템을 제공하기 위한 것으로, 이 시스템은 하나 이상의 처리 존, 하나 이상의 플라즈마 열원을 포함하는 가스화 반응 용기; 석탄을 조정가능한 석탄 공급 속도로 가스화 반응 용기에 첨가하기 위한 하나 이상의 석탄 투입 수단, 조정가능한 프로세스 첨가물(additive) 공급 속도로 가스화 반응 용기로 프로세스 첨가물을 첨가하기 위한 하나 이상의 프로세스 첨가물 투입 수단, 및 유출 가스를 위한 하나 이상의 출구, 고체 잔류물 처리 서브시스템; 가스 품질 제어 서브시스템; 데이터를 생성하는 하나 이상의 시스템 매개변수를 측정하기 위한 시스템 모니터링 수단, 시스템 모니터링 수단에 의해 생성되는 데이터를 수집하여 분석하기 위한 연산 수단, 및 시스템 전체에 걸쳐 위치되는 하나 이상의 시스템 조절기를 변화시키기 위해 적절한 신호를 송신하는 출력 수단을 포함하는 통합된 제어 시스템을 포함하며, 상기 제어 시스템은 하나 이상의 시스템 매개변수를 모니터링하여 신호를 적절한 시스템 조절기로 송신하여 하나 이상의 조절기를 변화시킴으로써 특정 조성의 제품 가스를 생산한다.
본 발명의 일 실시예에서, 가스화 시스템이 또한 선택적으로 열 회수 서브시스템 및/또는 제품 가스 조절 서브시스템을 포함한다.
첨부된 도면이 참조되는 아래의 상세한 설명에 의해 본 발명의 이러한 및 다른 특징이 더욱 명백하게 된다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 다양한 예시적인 실시예에 따라 석탄을 특정 조성의 가스로 변환하기 위한 시스템을 도시하는 개략도이며,
도 5 내지 도 10은 도 1 내지 도 4의 시스템을 위한 다양한 하류 장치를 도시하는 개략도이며,
도 11은 도 1 내지 도 10의 시스템과 이 시스템에 작동방식으로 결합되는 통합된 시스템 제어 서브시스템 사이의 정보 흐름을 모니터링 및 조절하는 흐름도이며,
도 12는 도 11의 통합된 시스템 제어 서브시스템을 도시하는 개략도이며,
도 13은 도 11의 통합된 시스템 제어 서브시스템에 의해 각각 도 1 내지 도 10의 시스템으로 전달되고 이 시스템으로부터 수신되는 신호들을 모니터링하고 조절하는 예시적인 실시예의 개략도이며,
도 14는 도 1 내지 도 10의 시스템의 다양한 장치, 모듈 및 서브시스템으로 도 11의 통합된 시스템 제어 서브시스템을 모니터링하고 조절하는 액세스 포인트의 예시적인 실시예의 개략도이며,
도 15 및 도 16은 도 1 내지 도 10의 시스템의 플라즈마 가스화 용기로의 투입을 제어하기 위한 도 11 내지 도 14의 통합된 시스템 제어 서브시스템의 예시적 인 실시예를 도시하는 개략도이며,
도 17 내지 도 19는 도 1 내지 도 10의 시스템과 함께 이용하기 위한 다양한 동반된 유동 플라즈마 가스화 용기를 도시하는 개략도이며,
도 20 및 도 21은 도 1 내지 도 10의 시스템과 함께 이용하기 위한 다양한 유동화 유동 플라즈마 가스화 용기를 도시하는 개략도이며,
도 22 및 도 23은 도 1 내지 도 10의 시스템과 함께 이용하기 위한 그레이트 옵션을 가지는 이동상 유동 플라즈마 가스화 용기를 도시하는 개략도이며,
도 24는 도 1 내지 도 10의 시스템과 함게 이용하기 위한 전형적인 열 회수 서브시스템을 도시하는 개략도이며,
도 25는 도 24의 가스 대 가스 열 교환기를 더 상세하게 도시한 도면이며,
도 26은 도 24의 열 회수 스팀 발생기를 더 상세하게 도시한 도면이며,
도 27은 도 1 내지 도 10, 및 특히 도 2의 열 회수 스팀 발생 시스템으로부터 배출되는 스팀/물을 처리하기 위한 선택적인 스팀/물 처리 서브시스템을 도시하는 개략도이며,
도 28은 선택적으로 도 11 내지 도 16의 통합된 제어 서브시스템과 함께 이용되는, 플라즈마 가스화 프로세스 시뮬레이션 및 시스템 매개변수 최적화 및 모델링 수단의 다양한 데이터 입력 및 출력을 보여주는 도면이며,
도 29 및 도 30은 도 1 내지 도 10의 시스템과 함께 이용하기 위한 추가의 예시적인 열 회수 서브시스템을 도시하는 개략도이다.
다르게 정의되지 않으면, 본 명세서에서 이용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 당업자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서에서 이용된 바와 같이, 용어 "약(about)"은 공칭값으로부터 +/- 10% 변동을 지칭한다. 이 같은 변동은 특별히 지칭되는지 여부에 관계없이 본 명세서에서 제공된 임의의 주어진 값에 포함되는 것으로 이해해야 한다.
본 발명의 목적에 있어서, 용어 "합성 가스"("syngas" 또는 "synthesis gas")는 가스화 프로세스의 생성물을 지칭하며, 메탄 및 물과 같은 다른 가스 조성에 부가하여, 일산화탄소, 수소, 및 이산화탄소를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 이용된 바와 같이, 용어 "공급원료(feedstocks)"는 임의의 등급의 석탄(석탄 화력 발전기에서 사용하기에 적절하지 않은 저등급의 고유황 석탄을 포함하여)을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
용어 "고체 잔류물(solid residue)"은 석탄 가스화의 고체 부산물을 의미한다. 이러한 고체 잔류물은 일반적으로, 실리콘, 알루미늄, 철 및 칼슘 산화물과 같은 탄소질의 재료에 존재하는 무기, 불연소성 재료를 포함한다. 고체 잔류물의 예는 숯, 회분, 및 슬래그를 포함한다.
"슬래그(slag)"는 탄소질의 재료에 존재하는 무기, 불연소성 재료로 이루어지는 비-여과성, 비-위험성의 유리와 같은 재료를 의미한다. 고온 상태(1300℃ 내지 1800℃)에서 광물질은 융용된다. 용융된 슬래그는 급랭(quenching) 또는 냉각될 때 유리질 물질을 형성한다. 이러한 재료는 다수의 상업적 이용에 적절하다.
본 명세서에서 이용된 바와 같이, 용어 "교환-공기"는 본 발명에 따라 가스-공기 열 교환기를 이용하여 고온 제품 가스로부터 현열(sensible heat)을 이용하여 가열된 후의 공기를 지칭한다.
도 1 내지 도 10을 참조하면, 본 발명은 일반적으로 도면부호 "10"을 이용하여 지칭되는 석탄 가스화 시스템을 제공하며, 이 시스템은 통합된 제어 서브시스템(200)을 구비하며, 이 서브시스템의 전형적인 일 실시예가 도 11 내지 도 16에 개략적으로 도시되어 있다. 상기 시스템은 일반적으로, 다양한 조합으로, 하나 이상의 처리 존 및 도면부호 "15"의 하나 이상의 플라즈마 열원을 가지는 가스화 반응기 용기(14)(또는 변환기), 고체 잔류물 취급 서브시스템(16), 가스 품질 제어 서브시스템(20), 및 최적 설정점(도 11 내지 도 16에 도시된)에서 가스화 프로세스의 모든 양태를 유지하고, 석탄의 에너지로의 변환의 전체 에너지를 관리하기 위한 통합된 제어 서브시스템(200)을 포함한다. 가스화 시스템은 또한 최적으로 열 회수 서브시스템(18) 및/또는 제품 가스 조절 서브시스템(22)(예를 들면, 도 1의 실시예에서와 같은 균질화 챔버(25), 도 1 및 도 2의 실시예에서와 같은 가스 압축기(21), 및/또는 도 4의 실시예에서와 같은 가스 저장 장치(23), 등)을 포함할 수 있다.
통합된 제어 서브시스템(200)을 구비한 석탄 가스화 시스템(10)의 다양한 실시예는 석탄을 특정 조성의 가스로 변환한다. 특히, 본 발명은 석탄을 하류 장치(downstream application)를 위한 적절한 조성을 가지는 제품 가스로 효율적인 변환을 허용하는 시스템이 제공된다. 예를 들면, 제품 가스가 가스 터빈(즉, 도 1 내지 도 7의 도면부호 "24") 내의 연소를 통한 전기의 발생에서의 이용, 또는 연료 전지 장치(즉, 도 4 및 도 6 내지 도 10의 도면부호 "26")에서의 이용이 의도되는 경우, 각각의 에너지 발생기에서 연료로서 이용될 수 있는 제품을 얻는 것이 바람직하다. 이와 달리, 제품 가스가 추가의 화학적 프로세스(즉, 도 4 내의 옵션(28))에서의 연료공급으로서 이용하기 위한 것인 경우, 상기 성분은 특별한 합성 용도로 가장 유용할 것이다.
도 11 내지 도 16을 참조하면, 통합된 제어 서브시스템(200)은 하나 이상의 시스템 매개변수(예를 들면, 가스 조성(%CO, %CO2, %H2, 등), 가스 온도, 가스 유량 등)를 측정하고, 측정 시스템 매개변수 값으로부터 데이터를 생성하기 위한 시스템 모니터링 수단(202)뿐만 아니라 시스템 모니터링 수단(202)으로부터 발생된 테이터를 수집하고 분석하여 하나 이상의 시스템 조절기(206)(즉, 도 15 및 도 16의 예시적인 조절기(206-1, 206-2, 206-3 및 206-4)로 적절한 신호를 출력하기 위한 연산 수단(computing means)(204)(도 16에서 전형적인 로직 박스(30, 32 및 34)에 의해 개략적으로 도시됨)을 포함한다. 통합된 제어 서브시스템(200)은 석탄의 에너지로의 변환의 에너제틱스(energetics)를 관리하여 모니터링 수단(202)을 통하여 하나 이상의 시스템 매개변수를 모니터링하고, 반응 설정점을 유지하기 위하여 요구되는 바와 같이 조정하기 위해, 적절한 시스템 조절기(206)로 신호를 송신함으로써, 최적 설정점으로 프로세스를 유지한다. 시스템(100)의 다양한 실시예에 따른 제어 서브시스템(200)을 이용하여 특정 유동 및 조성을 가지는 제품 가스의 제조할 수 있다.
도 12를 참조하면, 통합된 제어 서브시스템(200), 및 특히 이의 연산 수단(204)은 일반적으로 하나 이상의 프로세서(208), 다양한 모니터링 수단(202)으로부터 실행중인 시스템 매개변수 값을 수용하기 위한 하나 이상의 모니터 투입부(210), 및 다양한 조절 수단(206)으로 새로운 또는 업데이트된 시스템 매개변수 값을 통신하기 위한 하나 이상의 조절기 출력부(212)로 이루어진다. 연산 수단(204)은 또한 그 안에 다양한 소정의 및/또는 재조절된 시스템 매개변수, 세트 또는 선호 시스템 작동 범위, 시스템 모니터링 및 제어 소프트웨어, 작동 데이터 등을 저장하기 위한 하나 이상의 로컬 및/또는 원격 저장 장치(214)(예를 들면, ROM, RAM, 제거가능한 매체, 로컬 및/또는 네트워크 액세스 매체, 등)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 연산 수단(204)은 또한 도 28에 예시적으로 제시된, 직접 또는 다양한 데이터 저장 장치에 의해 플라즈마 가스화 프로세스 시뮬레이션 데이터 및/또는 시스템 매개변수 최적화 및 모델링 수단(216)으로의 액세스를 가질 수 있다. 또한, 연산 수단(204)은 제어 수단(200)(시스템 업그레이드, 보수, 변형, 새로운 시스템 모듈 및/또는 장비로의 적용 등)으로 관리 액세스를 제공하기 위한 하나 이상의 그래피컬 유저 인터페이스 및 입력 주변장치(218)뿐만 아니라 외부 소스(예를 들면, 모뎀, 네트워크 커넥션, 프린터 등)과의 정보 및 데이터를 통신하기 위한 다양한 출력 주변장치(220)를 구비할 수 있다.
도 11 내지 도 14를 참조하면, 본 발명의 제어 서브시스템(200)는 반응 용기(14)로부터, 그리고 선택적으로 시스템(10) 전체를 통한 가스 유동 및 가스 조성 은 미리 설정된 허용오차 내에 유지되어, 상이한 등급의 석탄 또는 동일한 타입의 석탄의 소스에서 어떠한 자연적 변동성과 관계없이, 제품 가스 및 시스템 부산물(상업적 슬래그, 가스 회수, 스팀 발생, 등)의 최적 제조를 가져온다. 예를 들면, 본 기술분야의 당업자에게 널리 공지된 다수의 상이한 등급의 석탄이 있다. 단일 등급 내에서조차, 석탄은 실질적 변동성을 나타낼 수 있는 복합 재료이다. 본 발명의 제어 양태는 이 같은 변이성을 보상하기 위해 인식하고 조정될 수 있다. 온도, 유량 및 조성과 같은 제품 가스의 매개변수가 모니터링되고, 반응물은 합성 가스의 최종 용도에 의해 한정된 소정의 허용오차 내에서 제품 가스의 매개변수를 유지하도록 변동된다.
본 발명의 통합된 제어 서브시스템(200)은 교정 피드백이 제공되어 이 교정 피드백에 의해 제품 가스의 유량, 온도 및 조성 중 하나 이상이 모니터링되고 석탄 투입 속도(coal input rate), 산소 투입 속도, 스팀 주입 속도 및 플라즈마 열원에 인가되는 전력의 양 중 하나 이상이 교정된다. 조정은 제품 가스의 유량, 온도 및/또는 구성에서의 측정된 변화를 기초로 하여 이 측정된 변화가 수용가능한 범위 내에 유지되는 것을 보장하도록 한다. 대체로, 제품 가스의 유량, 온도 및/또는 조성은 특별한 하류 장치를 위해 가스를 최적화하도록 선택된다.
일 실시예에서, 본 발명의 프로세스는, 가스화 프로세스를 구동하고 석탄의 구성이 자연적 변동성을 나타내는 경우에도 프로세스로부터 가스 유동 및 조성이 수용가능한 범위 내에 유지되는 것을 보장하기 위한 플라즈마 열의 제어가능성을 동시에 이용한다. 또 다른 실시예에서, 프로세스는 단위 시간당 처리되는 탄소의 총량이, 가능하게는 일정하게 유지되도록 하고, 단위 시간당 반응 용기(14)에 대해 출입하는 모든 열이 프로세스 한계 내에서 유지되는 것을 보장하도록 플라즈마 열을 이용한다. 통합된 제어 서브시스템(200)은 또한 모니터링하도록 구성될 수 있고 및/또는 도 14에 개략적으로 도시된 바와 같은 고체 잔류물 취급 서브시스템(16), 가스 품질 제어 서브시스템(20), 열 회수 서브시스템(18) 및/또는 제품 가스 조절 서브시스템(22) 중 어느 하나를 통하여 일어나는 프로세스를 조절할 수 있다.
석탄의 가스화는 본 발명의 가스화 반응 용기(14)에서 발생하며, 이의 다양한 실시예가 도 17 내지 도 23에 도시되어 있다. 하나 이상의 처리 존 및 하나 이상의 플라즈마 열원(15)에 부가하여 가스화 반응 용기(14)는 또한 최적 설정점에서 가스화 프로세스를 유지하기 위해 요구되는 바와 같이, 도면부호 "36"의 가스화 반응 용기(14) 내로 석탄을 투입하기 위한 수단뿐만 아니라 도면부호 "38"의 스팀 또는 산화 첨가물와 같은 하나 이상의 프로세스 첨가물을 첨가하기 위한 수단을 포함한다. 가스 제품은 도면부호 "40"의 하나 이상의 배출 가스 출구를 통하여 가스화 반응 용기(14)로부터 배출된다.
일 실시예에서, 스팀 및/또는 산소와 같은 프로세스 첨가물의 투입과 관련하여, 플라즈마 열의 이용은 가스 조성을 제어하는데 도움이 된다. 시스템(10)은 또한 석탄을 가스화하고 및/또는 부산물 회분을 용융하여 부산물 회분을 상업적 가치를 가진 유리형 제품으로 변환하기 위하여 요구되는 고온의 열을 제공하기 위하여 플라즈마 열을 이용할 수 있다.
본 석탄 가스화 시스템(10)의 다양한 실시예는 또한 가스화 프로세스의 고체 부산물을 관리하기 위한 수단을 제공한다. 특히, 본 발명은 고체 부산물, 또는 잔류물을 석탄에서 에너지로의 변환 프로세스로부터 낮은 여과성을 가지는 유리화, 균질 물질로의 변환을 위한 고체 잔류물 취급 서브시스템(16)을 제공한다. 가스화 프로세스의 고체 부산물은 숯, 회분, 슬래그, 또는 이들의 몇 가지 조합의 형태를 가질 수 있다.
예시적으로, 고체 잔류물 취급 서브시스템(16)은 고체 잔류물 조절 챔버(42), 플라즈마 가열 수단(44), 슬래그 배출 수단(46), 및 제어 수단(시스템(10)의 전체 제어 서브시스템(200)에 작동가능하게 연결될 수 있는)을 포함하며, 이에 의해 플라즈마 열이 고체를 용융시키고 혼합하고 화학적으로 반응하도록 이용되어, 챔버(42)로부터 쏟아져 나올 때 농후한 비 여과성 실리코메탈릭 고체 슬래그로 냉각될 때, 조밀한 실리코메탈릭(silicometallic) 유리질 재료를 형성하도록 한다. 특히, 본 발명은 고체 잔류물 조절 챔버(conditioning chamber)를 제공하며, 이 고체 잔류물 조절 챔버에서 고체 잔류물에서 슬래그로의 변환은 완전한 용융 및 균질화를 증진하기 위하여 플라즈마 열 비율 및 고체 잔류물 투입 비율을 제어하도록 통합된 제어 서브시스템을 이용하여 최적화된다.
본 석탄 가스화 시스템(10)의 다양한 실시예는 또한 고온 제품 가스로부터 열을 회수하기 위한 수단을 제공한다. 이러한 열 회수 서브시스템(18)(예시적인 실시예가 도 24 내지 도 26, 도 29, 도 30에서 개략적으로 도시됨)은 하나 이상의 가스-공기 열 교환기(48)로 고온 제품 가스를 전달하기 위한 수단을 포함하함으로 써, 고온 제품 가스가 산소 또는 산소 부화 공기와 같은 공기 또는 다른 산화제를 가열하기 위해 이용된다. 가열 공기(또는 다른 산화제)의 형태로 회수된 열은 이어서, 선택적으로 가스화 프로세스(도 24 및 도 25 참조)로 열을 제공하기 위해 이용될 수 있어, 가스화 프로세스를 구동하기 위하여 하나 이상의 플라즈마 열원에 의해 제공되어야 하는 열의 양을 감소시킨다. 회수된 열은 또한 산업적 또는 주거용 가열 장치에서 이용될 수 있다.
선택적으로, 열 회수 서브시스템(18)은 부가적으로 하나 이상의 열 회수 스팀 발생기(HRSG)(50)를 포함하여, 예를 들면 가스화 반응(도 24 및 도 26 참조)에 프로세스 첨가물로서 이용될 수 있는 스팀을 발생시키거나, 전기를 발생시키기 위해 스팀 터빈을 구동시킬 수 있다.
또한, 도 29 및 도 30에서 볼 수 있는 바와 같이, 열 회수 서브시스템(18)은 또한 플라즈마 열원 냉각 프로세스(53), 슬래그 냉각 및 취급 프로세스(55), GQCS 냉각 프로세스(61) 등을 경유하는 것과 같이, 다양한 다른 시스템 성분 및 프로세스로부터 열을 작동적으로 추출하는 부가 열 회수 서브시스템을 포함할 수 있다. 열 회수 시스템(18)은 또한 시스템의 전체 제어 서브시스템(200)으로 작동적으로 결합될 수 있는 피드백 제어 시스템을 포함할 수 있어, 시스템(10) 전체에 걸쳐 에너지 전달을 최적화하도록 한다(예를 들면, 도 13 및 도 14 참조).
본 석탄 가스화 시스템(10)의 다양한 실시예는 가스 품질 조절 서브시스템(GQCS)(20), 또는 다른 가스 품질 조절 수단(전형적인 일 실시예는 도 1에 더 상세하게 도시됨)이 제공되어, 석탄 가스화 프로세스 제품을 특정화된 특성의 배출 가스로 변환하도록 한다. 제품 가스는 GQCS(20)로 이송되며, 이 GQCS에서 하류 장치를 위해 요구되는 특성을 가지는 배출 가스를 생산하도록 특별한 순서의 처리 단계로 처리된다. GQCS(20)는, 예를 들면 합성 가스로부터 입자상 물질(54)(예를 들면, 백하우스(baghouse) 등을 통하여), 산성 가스(예를 들면, H2S 제거 수단(56) 및 가능하게는 작은 양의 HCl을 위한 HCl 스크러버(57)와 같은 선택적 HCl 제거 수단), 및/또는 중금속(58)의 제거, 시스템을 통과하는 동안 가스의 습도 및 온도를 조절하는 것을 포함할 수 있는 처리 단계를 수행하는 구성 요소를 포함한다. 처리 단계의 존재 및 순서는 하류 장치를 위한 배출 가스의 특정 조성 및 석탄의 조성에 의해 결정된다. 가스 품질 조절 시스템(20)은 또한 통합된 제어 서브시스템을 포함할 수 있으며, 이 통합된 제어 서브시스템은 시스템(10)의 전체 통합된 제어 서브시스템(200)에 작동방식으로 연결될 수 있어, GQCS 프로세스를 최적화하도록 한다(예를 들면, 도 13 및 도 14 참조).
본 석탄 가스화 시스템(10)의 다양한 실시예는 선택적으로 도면부호 "22"의 예를 들면 제품 가스의 화학적 조성을 균질화하고 하류 요건을 충족시키기 위하여 제품 가스의 유동, 압력, 및 온도와 같은 다른 특성을 조정함으로써, 제품 가스를 조절하기 위한 수단을 제공한다. 이러한 제품 가스 조절 서브시스템(22)은 한정된 특성의 가스의 연속적이고 정상적인 흐름을 가능하게 하여 가스 터빈(24) 또는 엔진, 연료 전지 장치(26) 등과 같은 하류 장치로 전달되도록 한다.
특히, 본 발명의 제품 가스 조절 서브시스템(22)은 일치하는 출력 성분의 균 일한 가스를 얻기에 충분한 가스 체류 시간을 수용하도록 설계되는 크기를 가지는 가스 균질화 챔버(25)(도 1) 등(도 1, 도 2의 압축기(21), 도 4의 가스 저장 장치(23) 등)을 제공한다. 본 제품 가스 제어 시스템의 다른 요소는 하류 장치의 가스 성능 요구조건을 충족하도록 설계된다. 가스 조절 시스템(22)은 또한 통합 피드백 제어 시스템을 포함할 수 있으며, 이 통합 피드백 제어 시스템은 시스템(10)의 전체 통합된 제어 서브시스템(200)에 작동적으로 연결될 수 있어, 이러한 프로세스의 출력 및 에너지를 최적화하도록 한다(예를 들면, 도 13 및 도 14 참조).
도 5 내지 도 10을 참조하면, 본 기술분야의 당업자는 본 시스템(10) 및 통합된 제어 서브시스템(200)이 이들의 다양한 실시예에서 다수의 독립 및/또는 조합 하류 장치를 가지는 다수의 에너지 발생 및 변환 시스템에서 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, 도 5의 예시적인 실시예에서, 시스템(10), 통합된 가스화 조합 사이클(IGCC) 시스템인 상기 시스템(10)은, 하나 이상의 가스 터빈(24)에서 이용하기 위한 합성 가스, 및 하나 이상의 스팀 터빈(52)에서 이용하기 위한 하나 이상의 HRSG(들)(50)를 통하여 가스 터빈(24)과 관련된 합성 가스 및 배기 가스 양자를 냉각시킴으로써 발생되는 스팀의 양자를 제공함으로써 출력 에너지(예를 들면, 전기)를 생산할 수 있다.
도 6의 예시적인 실시예에서, 시스템(10)은 통합 가스화 조합 사이클(IGCC) 시스템을 고체 산화물 연료 전지 시스템(26S)과 결합하며, 고체 산화물 연료 전지 시스템은 에너지(예를 들면, 전기)를 생산하기 위하여 합성 가스의 수소 부화 부산물을 이용한다.
도 7의 예시적인 실시예에서, 시스템(10)은 통합 가스화 조합 사이클(IGCC) 시스템을 용융 카보네이트 연료 전지 시스템(26M)과 결합하며, 용융 카보네이트 연료 전지 시스템은 도 6에서와 같이, 에너지(예를 들면, 전기)를 생산하도록 합성 가스의 수소 부화 부산물을 이용한다.
도 8의 예시적인 실시예에서, 시스템(10)은 도 6에서와 같이, 고체 산화물 연료 전지 시스템(26S)을, 합성 가스 및 연료 전지 출력으로부터 열을 회수하는 하나 이상의 HRSG(50)에 의해 발생된 스팀에 의해 작동되는 하나 이상의 스팀 터빈(52)과 결합한다.
도 9의 예시적인 실시예에서, 물-가스 변화 반응기(59)는 도 8의 실시예에 부가하여 고체 산화물 연료 전지 시스템(26S)에서 이용되는 수소 부화 합성 가스를 제공하도록 한다.
도 10의 예시적인 실시예에서, 도 9의 고체 산화물 연료 전지 시스템(26S)은 용융 카보네이트 연료 전지 시스템(26M)으로 대체된다.
본 기술분야의 기술자에게 명백한 바와 같이, 시스템(10)의 상기 예시적인 실시예로 제한하려는 것은 아니며, 본 기술분야의 기술자는 이러한 다른 시스템 구성 및 조합이 본 발명의 일반적인 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않고 제공될 수 있음을 이해할 것이다.
통합된 제어 서브시스템
위에서 간단히 설명된 바와 같이, 본 시스템은 통합된 제어 서브시스템(200)을 포함한다. 제어 서브시스템(200)은, 데이터를 발생하기 위한 하나 이상의 시스 템 매개변수를 측정하기 위한 시스템 모니터링 수단(202), 시스템 모니터링 수단(202)에 의해 발생된 데이터를 수집하여 분석하기 위한 연산 수단(204)(예를 들면, 도 16의 로직 박스(30, 32, 34)), 및 시스템 전체에 걸쳐 위치하는 하나 이상의 시스템 조절기(즉, 도 15 및 도 16의 조절기(206-1, 206-2, 206-3 및 206-4))에서 변화를 일으키도록 하는 적절한 신호를 송신하기 위한 출력 수단을 포함한다. 통합된 제어 서브시스템(200)은 시스템 매개변수를 모니터링하여 적절한 시스템 조절기(206)로 신호를 송신하여 시스템 내의 측정된 매개변수와 관련하여 얻어진 데이터에 반응하여 요구되는 바와 같이 다양한 작동 매개변수 및 조건에 대한 실시간 조정을 하도록 한다. 일 실시예에서, 통합된 제어 서브시스템(200)은 석탄의 에너지로의 전환의 에너제틱스를 관리하여 반응 설정점을 유지하기 위한 피드백 제어 시스템을 제공한다. 일 실시예에서, 통합된 제어 서브시스템(200)은 석탄의 에너지로의 변환의 에너제틱스를 관리하여 반응 설정점을 유지하도록 하는 피드백 제어 시스템을 제공하여, 가스화 프로세스가 최적 반응 상태 하에서 특정 조성을 가지는 가스를 생산하기 위하여 수행되도록 한다.
석탄의 가스로의 변환의 전체 에너제틱스는 본 발명의 가스화 시스템을 이용하여 결정 및 달성될 수 있다. 네트 전체 에너제틱스의 결정에 영향을 미치는 몇몇 요소는 BTU 값 및 석탄의 조성, 제품 가스의 특정 조성, 제품 가스에 대해 허용되는 변이도, 및 투입 비용 대 출력 값이다. 반응물에 대한 진행중인 조정(예를 들면, 플라즈마 열원(15 및/또는 44)에 대한 전력, 산소 및 스팀와 같은 프로세스 첨가물(38), 석탄 내의 흡수제의 백분율)은 네트 전체 에너제틱스가 설계 사양에 따라 평가되어 최적화될 수 있는 방식으로 실행될 수 있다.
따라서, 본 발명의 제어 서브시스템(200)은 프로세스의 모든 양태를 실시간으로 제어하기 위한 수단을 제공하여, 프로세스가 효율적인 방식으로 수행되는 것을 보장하며, 에너제틱스를 관리하여 소정의 허용오차 내에서 반응 설정점을 유지한다. 따라서 실시간 제어기는 통합된 방식으로 프로세스의 모든 양태를 동시에 제어할 수 있다.
반응 용기(14)로부터 제품 가스의 조성 및 유동은 반응 환경을 제어함으로써 소정의 허용오차 내에서 제어된다. 온도는 대기 압력을 제어하여 반응 용기(14) 내로 주입되는 석탄이, 가능하게는 환경과 안정된 것으로서 만나게 되는 것을 보장하도록 한다. 본 발명의 제어 서브시스템(200)은 반응 용기(14) 내로 공급되는 석탄, 스팀 및 산소의 양을 제어하기 위한 수단을 제공한다.
반응 설정점을 유지하기 위하여 조정될 수 있는 작동 매개변수는, 석탄 공급 속도, 프로세스 첨가물 공급 속도, 특정 압력을 유도하기 위한 유도 송풍기로의 전력, 및 플라즈마 열원(예를 들면, 플라즈마 토치(15, 44))으로의 전력 및 플라즈마 열원의 위치를 포함한다. 이러한 제어 양태는 각각의 매개변수에 대해 추가로 논의된다.
특히 도 13 및 도 14를 참조하면, 위에서 간단히 설명된 바와 같이, 통합된 제어 서브시스템(200)은 시스템(10) 전체에 걸쳐 통합됨으로써, 모니터링 수단(202)을 통하여, 다양한 시스템 매개변수를 모니터링하고, 조절 수단(206)을 통하여 이러한 매개변수에 대한 다양한 변형을 실행하여, 에너제틱스를 관리하고 소 정의 허용오차 내에서 프로세스의 각각의 양태를 유지시킬 수 있다. 아래에서 더욱 상세히 설명되는 이러한 매개변수는 플라즈마 가스화 용기(14), 고체 잔류물 취급 서브시스템(16), 플라즈마 열원(15) 및 슬래그 처리 열원(44), 열 회수 서브시스템(18)(예를 들면, 가스-공기 열 교환기(48) 및/또는 HRSG(50)) 및 이와 관련된 프로세스 첨가물 투입부(38), 1차 및/또는 2차 공급원료 투입부(36, 39)(예를 들면, 탄소 부화 첨가물), GQCS(20), 균질화 챔버(25), 및 소정의 다른 처리 요소 또는 시스템(10)의 모듈 중 하나 이상과 관련된 프로세스들로부터 얻어진다.
더욱이, 이러한 매개변수에 대한 액세스 및 연산 수단(204)의 다양한 로컬 및/또는 원격 저장 장치(214)를 경유하는 다수의 소정의 및/또는 재조정된 시스템 매개변수, 시스템 작동 범위, 시스템 모니터링 및 제어 소프트웨어, 작동 데이터, 및 선택적으로 플라즈마 가스화 프로세스 시뮬레이션 데이터 및/또는 시스템 매개변수 최적화 및 모델링 수단(216)(예를 들면, 도 28 참조)으로의 액세스를 가짐으로써, 통합된 제어 서브시스템(200)은 시스템(10)과 추가로 반응하여 시스템 출력을 최적화할 수 있다.
시스템 모니터링 수단
다수의 작동 매개변수는 제어 서브시스템(200)의 시스템 모니터링 수단(202)을 이용하여 정규적으로 또는 연속적으로 모니터링되어 시스템(10)이 최적 설정점 내에서 작동되는지를 결정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 수단(202)은 실시간 기준으로 매개변수를 모니터링하도록 제공되어, 시스템(10)이 설정점의 허용된 변이성 내에서 작동되는지를 즉각적인 인디케이터가 제공한다. 모니터링되 는 매개변수는 제품 가스의 화학적 조성, 유량 및 온도, 시스템(10) 내의 다양한 지점에서의 온도, 시스템의 압력, 플라즈마 열원(15, 44)에 관련된 다양한 매개변수(즉, 전력 및/또는 위치)를 모니터링하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
매개변수는 실시간으로 모니터링되고, 결과 데이터는 예를 들면, 시스템(예를 들면, 조절 수단(206-2)을 통하여)으로 주입되는 더 많은 스팀/산소(또는 다른 산화제)가 필요한지, 석탄 투입 속도가 조정되는 것이 필요한지(예를 들면, 조절 수단(206-1)을 통하여), 또는 시스템의 소정의 부품 내의 온도 또는 압력이 조정이 요구되는지 여부를 결정하기 위하여 이용된다.
시스템 모니터링 수단은 GQCS(20), 열 회수 서브시스템(18), 고체 잔류물 취급 수단(16), 및 이러한 서브시스템이 존재하는 경우, 제품 가스 취급 서브시스템(22)의 임의의 구성요소 내에 요구되는 바에 따라 위치될 수 있다.
제품 가스의 조성
전술된 바와 같이, 제품 가스가 전기의 발생에 이용하도록 의도되는 경우, 동력 에너지 발생기로의 연료로서 이용될 수 있는 제품을 얻는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 최적 에너제틱스는 생산된 가스를 이용하여 에너지가 발생될 수 있는 효율에 의해 측정된다.
배출 가스가 반응 용기(14)로부터 나올 때 배출 가스의 주성분은 일산화탄소, 이산화탄소, 수소 및 스팀이며, 적은 양의 질소이다. 매우 적은 양의 메탄, 아세틸렌 및 황화 수소도 존재할 수 있다. 배출 가스 내의 일산화탄소 또는 이산화탄소의 비율은 반응 용기(14) 내로 공급되는 산소의 양에 의존한다. 예를 들면, 탄소의 이산화탄소로의 화학양론적 변환을 방지하도록 산소의 유동이 제어될 때 일산화탄소가 생산되고, 프로세스는 주로 일산화탄소를 생산하도록 작동된다.
제품 합성 가스의 조성은 예를 들면, 인가되는 플라즈마 열(15), 산화제 및/또는 스팀 프로세스 첨가물(38) 사이의 균형을 조정함으로써 특정 장치(예를 들면, 가스 터빈(24) 및/또는 전기 발생을 위한 연료 전지 장치(26))를 위해 최적화될 수 있다. 가스화 프로세스 동안 산화제 및/또는 스팀 프로세스 첨가물의 첨가가 변환 화학에 영향을 미치기 때문에, 모니터링 수단(202)에서와 같이, 합성 가스 조성을 모니터링하기 위한 수단을 제공하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 조절 수단(206)을 통하여, 반응물의 전술한 투입량을 변동시켜 합성 가스의 최종 용도에 의해 한정되는 소정의 허용오차 내에서 합성 가스의 매개변수를 유지하도록 한다.
제품 가스의 모니터링은 가스 모니터 및 가스 유량계와 같은 다양한 모니터링 수단(202)을 이용하여 달성될 수 있다. 가스 모니터는 합성 가스의 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소 함량을 결정하기 위하여 이용될 수 있으며, 이의 값은 도 16의 전형적인 로직 박스(30 및 32)에 의해 예시적으로 도시된 바와 같이 다양한 제어 단계에서 이용가능하다. 제품 가스의 조성은 일반적으로 가스가 냉각된 후 및 가스가 입자상 물질을 제거하기 위하여 조절 단계를 겪은 후 측정된다.
제품 가스는 샘플링되어 기술자에게 널리 공지된 방법을 이용하여 분석된다. 제품 가스의 화학적 조성을 결정하기 위하여 이용될 수 있는 하나의 방법은 가스 크로마토그래피(GC) 분석을 통하는 것이다. 이러한 분석을 위한 샘플 포인트는 시스템의 도처에 위치될 수 있다. 일 실시예에서, 가스 조성은 가스의 적외선 스펙 트럼을 측정하는 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분석기를 이용하여 측정된다.
일 실시예에서, 온도, 유량, 및 조성과 같은 제품 가스의 매개변수는 반응 용기(14)의 축방향 출구 벤트(vent)(40)에 위치하는 모니터링 수단(202)을 통하여 모니터링될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 샘플링 포트는 또한 제품 가스 취급 시스템의 임의의 위치에 설치될 수 있다. 전술된 바와 같이, 조절 수단(206)은 제품 가스의 최종 용도에 의해 정의된 바와 같은 소정의 허용오차 내에 제품 가스의 매개변수를 유지하기 위하여 반응물의 투입을 변화시키기 위하여 제공된다.
본 발명의 하나의 양태는, 유출 스트립의 조성을 결정하고 이에 따라 프로세스를 조절함으로써 가스화 프로세스 동안 과다하거나 과소한 산소가 첨가되는지를 결정하는 단계로 이루어진다. 바람직한 일 실시예에서, 일산화 탄소 스트림에서 분석기, 센서 또는 다른 이 같은 모니터링 수단(202)은 이산화탄소 또는 다른 적절한 기준 산소 부화 재료의 존재 및 농도를 탐지한다.
주로 일산화탄소가 생산되었는지를 결정하기 위하여 다른 기술이 이용될 수 있다. 하나의 대안적 실시예에서, 일산화탄소에 대한 이산화탄소의 비율이 결정될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 플라즈마 발생기의 하류부의 탄소의 양 및 산소의 양을 결정하기 위하여 센서가 제공될 수 있어, 일산화탄소 및 이산화탄소의 비율을 계산하여 이에 따라 프로세스 조절을 한다. 일 실시예에서, CO 및 H2의 값이 측정되어 목표 값 또는 범위와 비교된다. 또 다른 실시예에서, 제품 가스값이 측정되어 목표 값 또는 범위와 비교된다.
본원 발명의 기술분야의 기술자는 상기 또는 다른 모니터링 수단(202)을 통하여 시스템(10)의 주어진 실시예 전체에 걸쳐 수행될 수 있는, 이러한 및 다른 이같은 제품 가스 조성 측정이, 프로세스 출력 및 효율을 최대화하기 위해 진행하는 프로세스를 조절 수단(206)을 통하여 모니터링 및 조절하도록 이용될 수 있으며, 첨부된 도면에 도시된 제어 서브시스템 구성 및 도시된 실시예에 의해 제공되고 위에 열거된 예에 의해 제한되지 않아야 한다.
시스템의 다양한 위치에서의 온도
본 발명의 일 실시예에서, 시스템(10) 전체에 결쳐 위치된 장소에서의 온도를 모니터링하기 위한, 모니터링 수단(202)에서와 같이, 수단이 제공되며, 이러한 데이터는 연속적이거나 단속적인 원리로 얻어진다. 반응 용기(114) 내의 온도를 모니터링하기 위한 모니터링 수단(202)은 반응 용기(14)의 외부벽 상에, 또는 상부에서 내화물질 내부, 반응 용기의 중간 및 바닥에 위치할 수 있다.
제품 가스의 온도를 모니터링하기 위한 모니터링 수단(202)은 제품 가스 출구(40) 뿐만 아니라 제품 가스 조절 시스템(예를 들련, GQCS(20) 내에)의 도처 다양한 장소에 위치할 수 있다. 다수의 열전대는 수용 용기(14) 주위의 임계점에서 온도를 모티터링하기 위해 이용될 수 있다.
가스화 프로세스에 의해 제조되는 감지되는 열을 회수하기 위한 시스템이 도면부호 "18"에서와 같이 적용되는 경우, 또한 열 회수 시스템(예를 들면, 냉매 유체 입구 및 출구에서)에서의 지점에서 온도를 모니터링하기 위한 모니터링 수단(202)이 통합될 수도 있다. 일 실시예에서, 가스-공기 열 교환기(48)나, 열 회 수 스팀 발생기(50)(HRSG) 또는 양자는 가스화 프로세스에 의해 생산되는 고온 가스로부터 열을 회수하기 위하여 이용된다. 열 교환기를 적용하는 실시예에서, 온도 전달장치는 예를 들면 제품 가스의 온도를 측정하기 위해 열 교환기 입구 및 출구에 위치할 수 있다. 온도 전달장치는 또한 열 교환기에서 가열 후 냉매의 온도를 측정하기 위해 제공된다.
온도 측정은 제품 가스가 각각의 열 교환기로 투입될 때 제품 가스의 온도가 상기 장치의 이상적인 작동 온도를 초과하지 않는 것을 보장하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에서, 가스-공기 열 교환기(48)용 설계 온도가 1050℃인 경우, 열 교환기(48)로 투입 가스 스트림 상의 온도 전달장치가 시스템을 통한 냉각 공기 유량 및 플라즈마 열 전력 모두를 조절하기 위해 이용될 수 있어, 최적 제품 가스 온도를 유지하도록 한다. 또한, 제품 가스 배출 온도의 측정은 최적의 현열량이 모든 열 회수 스테이지에서 제품 가스로부터 회수되는 것을 보장하도록 사용될 수 있다.
열 교환 공기의 온도를 측정하기 위해 공기 출구 스트림에 설치된 온도 전달장치는 프로세스 공기가 가스화 프로세스에서 이용하기에 적절한 온도로 가열되는 것을 보장하는 상태 하에서 프로세스가 수행되는 것을 보장한다. 일 실시예에서, 냉각제 공기 유출 온도는 예를 들면, 약 625℃이며 따라서 공기 유출 스트림 상에 설치된 온도 전달장치는, 플라즈마 가스화 용기(14)(예를 들면, 도 15 및 도 16의 조절 수단(206-4))에서 토치 전력 및 시스템을 통한 공기 유량 중 어느 하나 또는 모두에 대한 조정이 최적 제품 가스 투입 온도를 유지하기 위하여 이루어질 수 있 는지를 결정하기 위하여 이용되는 데이터를 제공하며, 이 데이터는 냉각제 공기의 온도를 제어하기 위하여 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 제어 방법은 최적 냉각제 공기 출력 온도에 대한 고정된 설정점, 예를 들면, 약 600℃뿐만 아니라 HRSG 가스 배출 공기에 대한 고정된 값, 예를 들면, 약 235℃로 설정된다. 따라서, 이러한 실시예에 따라, 제품 가스 유동이 감소될 때, 가스-공기 열 교환기(48)의 출구에서 제품 가스 온도는 더 낮아져서, HRSG 가스 배출 온도가 또한 고정 값으로 설정되기 때문에 감소된 스팀 제조를 초래한다.
시스템을 통한 공기유동이 감소될 때에도 동일한 개념이 적용된다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 배출 냉각제 공기 온도는 고정되어 유지되고 따라서 가스-공기 열 교환기(48)에 대한 배출 제품 가스 온도가 상승하여, 이에 따라 HRSG(50)에서 더 많은 스팀이 생산된다. 그러나, 시스템을 통한 공기유동이 감소될 때, 제품 가스 유동도 결과적으로 감소되어, HRSG(50)에 대한 증가된 투입 온도는 단지 일시적으로 높게 된다. 예를 들면, 공기유동이 50%로 감소되면, HRSQ(50)가 일시적으로 볼 수 있는 최대 투입 가스 온도는 약 800℃이며, 이는 열 교환기 설계의 온도 한계 내에 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 온도를 모니터링하기 위한 모니터링 수단(202)은 요구되는 바와 같이 시스템(10) 내의 장소에 설치되는 열전대에 의해 제공된다. 이러한 온도 측정은 위에서 설명된 바와 같이, 도 16의 예시적인 로직 박스(34)에 의해 예시적으로 설명된 바와 같이, 통합된 제어 서브시스템(200)에 의해 사용될 수 있다. 본 기술분야의 기술자는 상기 또는 다른 모니터링 수단(202)에 의해, 시스템(10)의 주어진 실시예를 통하여 수행되는 다른 타입의 온도 측정을 모니터링하여 조절 수단(206)을 통하여 진행하는 프로세스를 최대 프로세스 출력 및 효율로 조절하기 위하여 이용될 수 있음을 이해할 것이며, 첨부된 도면에서 도시된 예시적인 시스템 및 제어 수단 구성에 의해 제공되고 위에서 열거된 예에 의해 제한되지 않아야 한다.
시스템의 압력
본 발명의 일 실시예에서, 반응 용기(14) 내부뿐만 아니라 전체 시스템(10)에 걸친 압력을 모니터링하기 위한 모니터링 수단(202)이 제공되며, 이러한 데이터는 연속적 또는 단속적으로로 얻어진다. 추가 실시예에서, 압력 모니터링 수단(202)은 예를 들면 수직 용기 벽에 위치하는 압력 변환기와 같은 압력 센서를 포함한다. 시스템(10)의 압력에 관련된 데이터는 실시간 기준으로 플라즈마 열원 전력 또는 석탄의 첨가 비율과 같은 매개변수에 대한 조절이 요구되는지(예를 들면, 도 15 및 도 16의 조절 수단(206-1 및 206-4)을 통하여)를 결정하기 위하여 제어 서브시스템(200)에 의해 이용된다.
가스화되는 석탄의 양의 변이성은 급속한 가스화를 초래할 수 있어, 반응 용기(14) 내의 압력에서의 상당한 변화를 초래한다. 예를 들면, 증가된 석탄의 양이 반응 용기(14)로 도입되는 경우, 용기(14) 내의 압력이 상당히 증가하게 된다. 이러한 일 예에서 연속 원리로 압력을 모니터링하기 위해 모니터링 수단(202)을 가지는 것이 유용하여, 시스템 압력을 감소시키기 위해 조절 수단(206)을 통하여, 매개 변수(예를 들면, 유도 송풍기의 속도)에 대한 요구된 데이터를 실시간으로 조절할 수 있다.
추가적인 실시예에서, 예를 들면, 다수의 압력 모니터링 수단(202)을 통하여 전체 시스템(10)에 걸쳐 미분 압력(differential pressure)의 연속적인 판독이 제공된다. 이러한 방식으로, 각각의 개별 구성요소에 대한 압력 강하는, 처리중에 대두되는 개선 문제점을 신속하게 지적하도록 모니터링될 수 있다. 본 기술분야의 기술자는 상기 및 다른 시스템 압력 모니터링 및 제어 수단이 시스템(10)의 다양한 실시예를 통해 상기 또는 다른 모니터링 수단(202)을 통하여, 모니터링하고 조절 수단(206)을 통하여 프로세스 출력 및 효율을 최대화하기 위한 진행중인 프로세스를 조절하기 위해 이용될 수 있음을 이해할 것이며, 첨부된 도면에 도시된 제어 서브시스템 형상 및 예시적인 시스템에 의해 제공되고 위에서 열거된 예에 의해 제한되지 않아야 한다.
가스 유량
본 발명의 일 실시예에서, 시스템(10)을 통하여 위치하는 장소에서 제품 가스 유량을 모니터링하기 위해 모니터링 수단(202)이 제공되며, 이러한 데이터는 연속적 또는 단속적으로 얻어진다.
시스템의 상이한 부품을 통한 가스 유량은 특별한 부품 내의 가스의 체류 시간에 영향을 미친다. 가스화 반응 용기(14)의 개질 영역을 통한 가스의 유량이 너무 빠른 경우, 가스 조성이 평형에 도달하기에 충분한 시간이 아닐 수 있어, 최적이 아닌 가스화 프로세스를 초래한다. 본 기술분야의 기술자는, 이러한 및 다른 가스 유동 모니터링 및 제어 수단이 상기 또는 다른 모니터링 수단(202)을 통하여 모니터링하고 조절 수단(206)을 통하여 도 11 내지 도 16에 도시된 전형적인 제어 서브시스템(200)과 같은, 통합된 제어 서브시스템을 경유한 프로세스 출력 및 효율을 최대화하도록 현 프로세스를 조절하기 위하여 시스템(10)의 다양한 실시예 전부에 걸쳐 이용될 수 있음을 이해할 것이다.
연산 수단
제어 서브시스템(200)은 반응 상태를 제어하고 석탄의 배출 가스로의 변환의 에너제틱스 및 화학반응을 관리하기 위한 수단을 포함한다. 또한, 제어 서브시스템(200)은 이상적, 최적 또는 그렇지 않은 가스화 반응 상태를 유지하기 위하여 작동 상태를 결정 및 유지할 수 있다. 이상적인 작동 상태의 결정은, 석탄의 조성 및 제품 가스의 특정 성분과 같은 요소를 포함하여 프로세스의 전체 에너제틱스에 의존한다. 석탄의 조성은 균질하거나 소정의 정도로 변동될 수 있다. 석탄의 조성이 변동될 때, 소정의 시스템 매개변수는 이상적인 작동 상태를 유지하기 위하여 조절 수단(206)을 통하여 연속적 또는 정기적 조정을 필요로 할 수 있다.
통합된 제어 서브시스템(200)은 다수의 요소를 포함할 수 있으며, 이들 각각은 전용 작업, 예를 들면 첨가물들 중 하나의 유량의 제어, 가스화 시스템의 하나 이상의 플라즈마 열원(예를 들면, 18, 44) 중 하나의 위치 또는 전력 출력의 제어, 또는 부산물의 회수의 제어를 실행하도록 설계될 수 있다. 제어 서브시스템(200)은 연산 수단(204)의 프로세서(208)에서와 같이 처리 시스템을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 처리 시스템(204)은 다수의 서브-처리 시스템을 포함할 수 있다. 각각의 서브-처리 시스템은 하나 이상의 양태의 플라즈마 개질 반응을 모방할 수 있는 반응 모델을 구현하도록 구성될 수 있다. 각각의 반응 모델은 자체 모델 입력 및 모델 출력 매개변수를 가지며, 모델 입력 매개변수에 대한 변화의 효과로서 모델 출력 매개변수의 변화를 연산하기 위하여 이용될 수 있다. 각각의 반응 모델은 시스템의 어떠한 제어 요소에도 영향을 미치기 전에 가스 시스템의 작동 상태에 대한 변화를 예견하도록 도와주기 위한 평가를 수행하기 위해 이용될 수 있다. 각각의 반응 모델이 시뮬레이션된 예측이 (실제) 플라즈마 개질 시스템의 프로세스를 충분히 정확히 모방하는 작동 상태의 소정의 범위 내에서만 이용 될 수 있다는 것을 알아야 한다.
처리 시스템은 가스화 시스템의 반응 프로세스의 완전한 모델 또는 부분적 모델로 추가로 구성될 수 있다. 완전한 모델에 의해 토핑된(topped) 특별한 모델은 매우 복잡할 수 있고 작동 상태의 증가되는 개수로의 변화를 예측하기 위해 이용될 수 있거나 모델이 충분히 정확하거나 명백한 작동 상태의 범위를 확대하기 위해 이용될 수 있다. 반응 프로세스의 상세한 설명의 레벨의 요약 및 완성도가 높을수록, 처리 시스템의 예측이 더 유력하게 된다. 그러나, 완전한 모델의 복잡성을 증가시키면, 가스화 시스템의 작동 상태상의 예측되는 소정의 효과에 대한 모델의 활용도에 영향을 미칠 수 있다. 이들의 유용성은 더 짧은 기간 또는 작은 매개변수 변화에 대한 예측 효과에 제한될 수 있다.
도 28은 이러한 시스템 모델의 전형적인 일 실시예를 제공하고, 이는 시스템(10)의 다양한 프로세스를 실시하기 위한 시작점으로서 이용하기 위한 다양한 작 동 매개변수를 한정하고, 그것에 기초한 예견된 결과를 한정하기 위해 통합된 제어 서브시스템(200)과 함께 이용될 수 있다. 일 실시예에서, 이러한 및 다른 모델은 진행 기준으로 시스템(10)의 매개변수 및/또는 다양한 시스템 작동 범위를 간헐적 또는 정기적으로 재평가 및/또는 업데이트하기 위해 이용된다. 일 실시예에서, NCR HYSYS 시뮬레이션 플랫폼이 사용되어, 투입 화학적 조성, 열화학적 특성, 수분 함량, 공급 속도, 프로세스 첨가물, 등의 임의의 조합을 입력으로 간주할 수 있다. 상기 모델은 또한, 예를 들면 장소 및 석탄 타입 특성, 에너지 회수의 최대화, 방출물 최소화, 투자 및 비용의 최소화 등을 고려하도록 다양한 선택적 상호 반응 프로세스 최적화를 제공할 수 있다. 결국, 선택된 모델 옵션을 기초로 하여, 모델은 예를 들면, 다양한 작동 특성, 달성가능한 작업 처리량, 시스템 설계 특성, 제품 가스 특성, 방출 레벨, 회수가능한 에너지, 회수가능한 부산물 및 최적 저비용 설계를 제공할 수 있다.
각각의 반응 모델은 하드웨어에서 또는 소프트웨어 및 하드웨어의 임의의 조합에서 배타적으로 구현될 수 있다. 도 28에 도시된 바와 같이, 반응 모델은 알고리즘, 방식 또는 처리 시스템에 의해 처리될 수 있는 방식 세트의 임의의 조합을 이용하여 설명될 수 있다. 반응 모델이 하드웨어에서 배타적으로 실시되는 경우, 그것은 처리 시스템의 통합 부분이 될 수 있다.
처리 시스템 및 서브 처리 시스템들 중 일부는 배타적인 하드웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 서브 처리 시스템은 어느 것이나 하나 이상의 비례(P), 적분(I), 또는 미분(D) 제어기, 예를 들면 P-제어기, I-제어기, PI-제어기, PD 제어기, PID 제어기 등의 임의의 조합을 포함할 수 있다. P, I, 및 D 제어기의 조합의 이상적인 선택은, 가스화 시스템의 반응 프로세스의 일 부분의 지연 시간 및 다이나믹스(dynamics) 및 조합이 조합 제어기의 지연된 시간 및 다이나믹스를 제어하기 위하여 의도되는 작동 상태에 의존한다는 사실을 당업자는 명백히 알 것이다.
조합 제어기의 설계에서의 중요한 양태는 초기로부터 특정 값으로 각각의 제어 변수 또는 제어 매개변수를 조정할 때 짧은 경과 기간(transient period) 및 경과 시간 동안 작은 진동(oscillation)일 수 있다. 이러한 조합은 모니터링 수단(202)을 통하여 제어 변수 또는 제어 매개변수의 값을 연속적으로 모니터링될 수 있는 아날로그 하드웨어 형태로 실시될 수 있으며 조절 수단(204)을 통하여 제어 변수 또는 제어 매개변수의 값을 특정 값과 비교하여 적절한 조정을 할 수 있도록 각각의 제어 요소에 영향을 미칠 수 있어, 관측치와 측정치 사이의 차이를 감소시킬 것이라는 사실이 본 기술분야의 기술자에게 명백할 것이다.
또한, 혼합된 디지탈 하드웨어 소프트웨어 환경에서 조합이 실시될 수 있다는 것이 본 기술분야의 기술자에게 명백할 것이다. 부가적인 임의의 샘플링, 데이터 획득, 및 디지털 처리의 관련된 효과는 당업자에게 잘 알려져 있으며, P,I,D 조합 제어는 전방 공급 및 피드백 제어 스킴에서 구현될 수 있다.
교정 제어
교정 또는 피드백 제어에서, 적절한 모니터링 수단(202)을 통하여 모니터링되는, 제어 매개변수 또는 제어 변수의 값이 특정 값과 비교된다. 제어 신호는 두 개의 값 사이의 편차를 기초로 하여 결정되고, 상기 편차를 감소시키기 위해 제어 요소에 제공된다. 예를 들면, 유출 가스가 소정의 H2 : CO 비율을 초과할 때, 연산 수단(204)에서와 같이, 피드백 제어 수단은 H2 : CO 비율을 특정한 값으로 복귀시키기 위해 첨가 산소의 양을 증가시키는 것과 같이, 투입 변수들 중 하나로 적절한 조절을 결정할 수 있다. 적절한 조절 수단(206)을 통하여 제어 매개변수 또는 제어 변수에 대한 변화에 영향을 주는 지연 시간은 때때로 루프 시간(loop time)이라고 지칭된다. 예를 들면, 플라즈마 열원의 전력, 시스템 내의 압력, 산소 또는 스팀 유량을 조정하기 위한 루프 시간은 30 내지 60초일 수 있다.
일 실시예에서, 제품 가스 조성은 위에서 설명된 피드백 제어 스킴에서의 비교를 위해 이용되는 특정 값이어서, 제품 가스의 CO 및 H2의 양의 고정 값(또는 값의 범위)이 특정된다. 또 다른 실시예에서, 특정 값은 제품 가스 가열 값에 대한 고정 값(또는 값의 범위)이다.
피드백 제어는 직접 모니터링이 필요하거나 모델 예측이 충족되는 모든 제어 변수 및 제어 매개변수에 대해 요구된다. 자체적으로 피드백 제어 스킴에서 이용되도록 제공되는 가스화 시스템(10)의 다수의 제어 변수 및 제어 매개변수가 있다. 피드백 스킴은 직접 감지되고 제어될 수 있으며 이들의 제어가 실제 목적을 위해 다른 제어 변수 또는 제어 매개변수에 의존하지 않는 제어 변수 또는 제어 매개변수에 대해 제어 서브시스템(200)의 양태에서 효과적으로 구현될 수 있다.
전방 공급 제어( Feed forward control )
전방 공급 제어 프로세스는 모니터링하지 않고 제어 변수 및 제어 매개변수에 영향을 미치기 위해 매개변수를 입력한다. 가스화 시스템은 하나 이상의 플라즈마 열원(14, 44)들 중 하나에 공급되는 전력의 양과 같은 다수의 제어 매개 변수에 대한 전방 공급 제어를 이용할 수 있다. 플라즈마 열원(15, 44)의 아크의 전력 출력은 다양하고 상이한 방식으로 제어될 수 있으며, 예를 들면, 아크를 유지하기 위해 토치로 공급되는 전류를 펄스 변조하거나, 전극들 사이의 거리를 변경하거나, 토치 전류를 제한하거나, 또는 플라즈마의 성분, 배향 또는 위치에 영향을 미침으로써 제어될 수 있다.
예를 들면, 가스 또는 액체 변형 또는 미분화 형태로 가스화 반응기 용기(14)로 제공될 수 있거나 분무되거나 노즐을 통하여 주입될 수 있는 첨가물의 공급 비율은 전방 공급 방식으로 소정의 제어 요소로 제어될 수 있다. 그러나, 첨가물의 온도 또는 압력의 효과적인 제어는 모니터링 및 폐쇄 루프 후방 공급 제어를 필요로 할 수 있다.
퍼지 로직 제어 및 다른 타입의 제어
퍼지 로직 제어뿐만 아니라 다른 타입의 제어는 전방 공급 및 피드백 제어 스킴에서 동일하게 이용될 수 있다. 이러한 타입의 제어는 특정 성과에 영향을 미치기 위하여 플라즈마 개질 반응 다이나믹스가 투입 변수 또는 투입 매개변수가 변화되는 방식을 예측하도록 모델링되고 시뮬레이션되는 방식으로 전통적인 P, I, D 조합 제어로부터 실질적으로 벗어날 수 있다. 퍼지 로직 제어는 통상적으로 반응 다이나믹스(대체로 시스템 다이나믹스) 또는 시스템의 작동 상태의 애매하거나 경 험적인 설명만을 요구한다. 다른 타입의 제어 및 퍼지 로직의 양태 및 실시 고려 또한 본 기술분야의 기술자에게 잘 알려져 있다.
본 발명의 전술한 실시예는 예시적이며 다수의 방식으로 변형될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 이와 같은 현재 또는 미래의 변형은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는 것으로 이해되어야 하며, 모든 이와 같은 변형이 본 기술분야의 기술자들에게 명백한 바와 같이 후술되는 청구범위의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
본 시스템과 함께 이용하기 위한 가스화 반응 용기
도 1 내지 도 4, 도 17 내지 도 23을 참조하면, 본 발명의 석탄 가스화 시스템(10)은 도면부호 "15"의 하나 이상의 플라즈마 열원 및 하나 이상의 처리 존을 가지는 가스화 반응 용기(14)를 포함한다. 가스화 반응 용기(14)는 또한, 최적 설정점으로 가스화 프로세스를 유지하기 위해 요구되는 바와 같이, 도면부호 "36"의 석탄을 반응 용기 내로 투입하기 위한 수단뿐만 아니라 스팀 또는 산소/산화제 첨가물과 같은 하나 이상의 프로세스 첨가물을 첨가하기 위한 수단을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 하나 이상의 플라즈마 열원(15)이 석탄에서 가스로의 변환 프로세스를 보조한다. 특히, 스팀 및/또는 산소 프로세스 첨가물(38)의 투입과 관련하여, 하나 이상의 플라즈마 열원(15)의 이용은 가스 조성을 제어하는데 도움이 된다. 플라즈마 열은 또한 구성 요소 내로 가스화 프로세스에 의해 생산되는 오프가스(offgas)의 완전한 변환을 보장하여, 이들 구성 요소의 특정 조성을 가지는 제품 가스로의 개질을 허용한다. 제품 가스는 이어서 하나 이상의 배출 가스 출구(40)를 통하여 가스화 반응 용기(14)로부터 배출될 수 있다.
석탄의 가스화(즉, 석탄의 합성 가스로의 완전한 변환)는 가스화 반응 용기(14) 내에서 발생하여, 고온 또는 저온, 또는 고압 또는 저압에서 처리될 수 있다. 다수의 반응은 석탄을 합성 가스 제품으로 변환시키는 프로세스에서 발생한다. 석탄이 반응 용기에서 가스화되기 때문에, 가스화에 요구되는 물리적, 화학적, 및 열적 프로세스는 반응기 설계에 따라 순차적으로 또는 동시에 발생할 수 있다.
가스화 반응 용기(14)에서, 석탄은 가열되고, 그 결과 석탄이 건조되어 모든 잔류 수분이 제거된다. 건조 석탄의 온도가 증가할 때, 열분해가 발생한다. 열분해 동안, 석탄은 열적으로 분해되어 타르, 페놀, 및 약한 휘발성 탄화수소 가스를 방출하면서 석탄은 숯으로 변환된다. 숯은 유기 및 무기 재료로 이루어지는 잔류 고체를 포함한다.
얻어지는 숯은 기체 성분으로 완전히 변환되도록 추가로 가열될 수 있으며, 남아 있는 회분 부산물은 나중에 슬래그로 변환된다. 일 실시예에서, 석탄의 가스화는 제어된 양의 산소의 존재 하에서 발생되며, 발생될 수 있는 연소의 양이 최소화되도록 한다.
건조, 휘발 및 숯에서 회분으로의 변환 단계의 조합된 제품은 중간 오프가스 제품을 제공한다. 이러한 중간 오프가스는 통상적으로 하나 이상의 플라즈마 열원에 의해 추가로 가열될 수 있으며, 제어된 양의 스팀의 존재 하에, 석탄의 합성 가스로의 변환을 완결시킨다. 이러한 최종 단계는 또한 개질 단계라 지칭된다.
하나 이상의 플라즈마 열원은 모든 반응이 동시에 일어나도록 위치설정되거나, 모든 반응이 순차적으로 발생하도록 반응 용기 내에 위치설정될 수 있다. 어떠한 구성에서도, 반응기 내에 플라즈마 열원이 포함됨으로 인해 열분해 프로세스의 온도가 상승된다.
반응 챔버를 가열하기 위해 전기 또는 화석 연료(예를 들면, 프로판)를 추가하거나, 또는 가스화 반응에 열을 제공하는, 발열성 가스화 반응을 구동하기 위하여 반응물로서 공기를 추가함으로써 연료 공급이 될 수 있는, 가스화 반응은 열에 의해 구동된다. 일부 가스화 프로세스는 또한 간접 가열을 이용하여 가스 반응기 내에서 공급 재료의 연소를 회피하고, 질소 및 과잉 CO2에 의한 제품 가스의 희석을 회피한다.
가스화 반응 용기(14)는 본 기술분야에서 공지된 다수의 표준 반응 중 하나를 기초로 할 수 있다. 본 기술분야에서 공지된 반응 용기의 예는 동반되는 유동 반응기 용기(도 17 내지 도 19), 이동상 반응기(도 22 및 도 23), 유동상 반응기(도 20 및 도 21), 및 로터리 킬른 반응기(도시안됨)를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니며, 이들 각각은 도면부호 " 36 "의 석탄 투입 수단을 통하여 석탄을 수용하도록 되어있다. 석탄은 석탄을 제품 가스로의 완전하고 효과적인 변환을 위해 가열에 대한 최적 노출을 제공하도록 배치되어 있는 하나 이상의 입구를 통하여 도입된다.
일 실시예에서, 가스화 반응 용기(14)는 대기 압력에서 또는 대기 압력 근처 에서 작동하도록 설계된다. 또 다른 실시예에서, 반응 용기는 가압 상태 하에서 작동되어, 가스화 반응은 2 내지 10 atm 사이의 압력에서 수행된다. 또 다른 실시예에서, 반응 용기은 고압에서 작동하여 가스화 반응이 최고 30 atm의 압력에서 수행된다.
가스화 반응 용기(14)는 넓은 범위의 길이 대 직경 비율을 가질 수 있으며 수직 또는 수평으로 배향될 수 있다. 가스화 반응 용기는 하나 이상의 가스 유출 수단(40) 뿐만 아니라 일반적으로 잔류물이 중력 유동을 이용하여 제거되도록 챔버(예를 들면, 슬래그 챔버(42))의 바닥을 따라 배치되는 출구인, 고체 잔류물(예를 들면, 숯, 회분, 슬래그 또는 이들의 몇 가지 조합)(16)을 제거하기 위한 수단을 가진다. 일 실시예에서, 가스화 반응 용기는 물리적 전달 수단을 이용하여 고체 잔류물을 용기의 바닥으로부터 제거한다. 예를 들면, 고온 스크류(예를 들면, 도 20의 요소(60))는 회분 부산물을 슬래그 처리 챔버(42) 내로 운반하는 데 이용될 수 있다. 슬래그를 처리 및 취급하기 위한 수단은 나중에 더욱 상세하게 설명된다. 슬래그는 동일한 챔버에서 처리될 수 있으며 이 챔버에서 가스화가 발생되거나(도 16 내지 도 19), 도 20의 슬래그 챔버(42)에서와 같이 개별 챔버에서 가스화가 발생된다.
본 발명에 따르면, 석탄을 합성 가스 생성물로 변환하기 위한 모든 단계들은 단일 챔버형 반응 용기 내에서 실시된다.
일부 가스화 반응 용기(14)는, 석탄을 합성 가스로 변환하기 위한 프로세스가 단일-스테이지 프로세스에서 실시되도록 구성된다. 즉, 석탄을 합성 가스로 변 환하는 모든 단계들이 일반적으로 하나의 용기 내의 단일 영역 내에서 일어난다. 그러한 일 실시예에서, 단일 스테이지 프로세스가 반응 용기(14) 내의 하나의 영역 내에서 일어난다는 것을 이해할 수 있을 것이며, 이때 모든 가스화 단계가 동일한 영역 내에서 일어난다. 그러한 경우에, 가스화 반응 용기(14)로부터 배출되는 생성 가스가 합성 가스 생성물일 것이다.
다른 가스화 반응 용기(14)는, 석탄을 합성 가스로 변환하는 프로세스가 챔버내의 하나 이상의 영역에서 일어나도록 디자인된다. 즉, 가스화 단계 및 개질(reformation) 단계가 서로 어느 정도 분리되고 용기 내의 서로 상이한 영역 내에서 일어난다.
본 발명의 일 실시예에서, 변환 프로세스는 2 스테이지, 즉 석탄에서 오프가스로의 스테이지에 이어서 오프가스에서 합성 가스(개질)로의 스테이지에서 일어난다. 그러한 2 스테이지 프로세스에서, 단일 챔버형 반응 용기 내에서 둘 이상의 구분된 영역(가스화 단계를 위한 제 1 영역 및 개질 단계를 위한 제 2 영역)이 필요하다는 것을 이해할 것이다.
다중-영역 가스화 반응 용기에서, 제 1, 또는 일차 영역이 석탄을 건조 석탄으로 가열하고, 석탄으로부터 휘발성 성분을 추출하며, 선택적으로 얻어지는 석탄을 기상 생성물 및 회분으로 변환시켜 오프가스 생성물을 생성하기 위해 이용되며, 제 2 영역은 오프가스가 합성 가스 생성물로 완전히 변환될 수 있도록 플라즈마 열을 인가하는 데 이용된다. 석탄을 가스화하고 오프가스를 합성 가스로 변환하기 위해서 둘 이상의 구분된 영역들이 이용되는 경우에, 가스화 반응 용기의 최종 영 역을 빠져나가는 생성 가스는 합성 가스이다.
일 실시예에서, 석탄의 가스화를 위해 필요한 열은, 가열된 공기에 의해서 제공된다. 그러한 실시예에서, 가스화 반응 용기(14)는 가열된 공기를 가스화 영역으로 도입하기 위한 하나 이상의 가열 공기 투입 수단을 포함한다. 가열 공기 투입 수단은 교환 공기 입구를 포함한다. 이러한 입구는 반응 용기 내에 위치되어 반응기 전체에 걸쳐 가열 공기를 분배하여 석탄으로부터 기상 생성물로의 변환을 개시하고 구동시킨다.
도 22 및 도 23을 참조하면, 도시된 반응 용기(14)는 다수 영역 용기를 둘러싸는 것으로 간주될 수 있으며, 이때 가스화 프로세스는 제 1 영역(66) 내에서 이루어지고, 개질 프로세스는 용기(14)의 제 2 영역(68) 내에서 이루어진다. 예시적으로, 제 1 영역에서 가스화 프로세스를 개시하는 데 필요한 열은, 도 23의 실시예에서 열 공급원(70)에 의해서, 그리고 도 22의 실시예에서 대안적인 열 공급원(예를 들어, 가열된 공기 등)에 의해서 제공된다. 이들 양 실시예에서, 플라즈마 열 공급원(72)이 제 2 영역 내에서 사용되어, 가스 출력부(40)를 통한 후속 처리를 위해서, 특정 배출 가스 조성에 따라서, 생성된 가스의 특성을 업그레이드시킨다.
다시 도 17 내지 도 23을 참조하면, 당업자는 하나 이상의 플라즈마 열 공급원(15)을 이동시킴으로써, 다른 플라즈마 열 공급원, 기타 열 공급원 등을 추가함으로써, 본원 발명의 일반적인 사상 및 범위 내에서, 도시된 용기(14)가 단일 또는 다수 영역 반응 용기(14)로서 작동될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 본원 발명의 집적된 제어 서브시스템(200)을 포함하는 석탄 가스화 시스템(10)이 전술한 또는 기타 가스화 용기 구성들 중 어느 것과도 함께 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 사실상, 이들 프로세스들이 단일 챔버 반응 용기 내의 단일 영역 또는 다수 영역에서 일어나건 간에, 주어진 타입의 반응 용기 내에서 이루어지는 가스화 및/또는 개질 프로세스와 관련된 하나 이상의 직접적인 또는 간접적인 프로세스 매개변수들을 모니터링함으로써, 본 발명의 시스템(10)의 제어 서브시스템(200)을 이용하여 그리고 모니터링 수단(202)을 통하여 진행 프로세스를 모니터링하고 조정할 수 있으며, 또한 조절 수단(206)을 이용하여 프로세스 출력 및 효율을 최대화할 수 있다.
또한, 다시 도 17 내지 도 23을 참조하면, 가스화 반응 용기는 하나 이상의 프로세스 첨가물 투입 수단(38)을 선택적으로 포함하며, 상기 투입 수단은 산소, 공기, 산소-부화 공기, 스팀 또는 가스화 프로세스에 유용한 기타 가스와 같은 가스를 가스화 반응 용기 내로 첨가하기 위해 제공된다. 프로세스 첨가물 투입 수단은 공기(또는 산소) 투입 포트, 스팀 주입 포트 및/또는 흡수제 포트를 포함할 수 있다. 이들 포트들은 반응 용기(14) 내에 위치되어 용기 전체에 걸쳐 프로세스 첨가물들을 최적으로 분배시킨다. 구체적인 프로세스 첨가물들의 첨가에 대해서는 후술한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따라, 가스화 반응 용기 벽은 내화 물질로 라이닝된다. 내화 물질은 당업계에 공지된 종래의 내화재 중 하나 또는 조합된 내화제일 수 있으며, 그러한 내화재는 고온(예를 들어, 약 1100℃ 내지 1400℃의 온도)의 비가압 반응을 위한 용기에 사용하기에 적합한 것이다. 그러한 내화 물질의 비 제한적인 예를 들면, 고온 연소(fired) 세라믹(예를 들어, 산화알루미늄, 질화알루미늄, 규산알루미늄, 질화붕소, 인산지르코늄), 유리 세라믹, 크로미아 내화재 및 알루미나, 티타니아 및/또는 크로미아를 함유하는 고 알루미나 내화재를 포함한다.
당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 특정 영역의 온도 및 내식성 요건에 따라서, 가스화 반응 용기의 여러 영역들이 서로 다른 내화 물질로 라이닝될 수 있다. 예를 들어, 슬래깅(slagging)이 존재한다면, 비-습윤 내화 재료를 사용하는 것이 유리할 것이다.
당업자는, 이상과 같이 다수의 반응 용기 타입, 그 구성 및 이용된 물질의 예가 설명되었지만, 다른 반응 용기 타입, 그 구성 및 이용 물질도 본 발명의 전체적인 사상 및 범위 내에서 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
플라즈마 가열 수단
도 1 내지 도 4 그리고 도 17 내지 도 23을 참조하면, 본 발명의 시스템은 가스화 프로세스에 의해 생성된 오프가스를 특정 조성의 생성물 가스로 완전히 변환시키기 위해서 하나 이상의 플라즈마 가열 수단(15)을 채용한다. 선택적으로, 플라즈마 가열 수단(15)은 또한 석탄을 가열하여 초기 가스화 프로세스를 구동하기 위해 제공된다.
본 발명의 일 실시예에서, 하나 이상의 플라즈마 열 공급원(15)이 배치되어 오프가스의 특정 생성물 가스로의 변환을 최적화한다. 하나 이상의 플라즈마 열 공급원의 위치가 가스화 시스템의 다자인에 따라서, 예를 들어 시스템이 1 스테이지 또는 2 스테이지 가스화 프로세스인지의 여부에 따라서 선택된다. 예를 들어, 1 스테이지 가스화 프로세스를 채용하는 일 실시예에서는, 플라즈마 열 공급원이 오프가스 투입구에 대한 상대적인 위치에 배치될 수 있고, 오프가스 투입구의 방향을 향할 수 있다. 1 스테이지 가스화 프로세스를 채용하는 다른 실시예에서, 하나 이상의 플라즈마 열 공급원(15)이 가스화 반응 용기의 중심을 향해 연장될 수 있다. 모든 경우에, 플라즈마 열 공급원의 위치는, 시스템의 요건에 따라서, 그리고 오프가스를 특정 생성물 가스로 최적 변환시키도록 선택될 수 있다.
하나 이상의 플라즈마 열 공급원이 이용될 때, 열 공급원의 위치가 또한 둘 이상의 열 공급원 간의 충돌이 없도록, 예를 들어 하나의 열 공급원이 다른 열 공급원으로부터의 열을 지향(direct)시키지 않도록, 또는 하나의 플라즈마 열 공급원으로부터 다른 플라즈마 열 공급원으로의 아크 발생(arcing)이 없도록 선택된다.
또한, 플라즈마 플룸(plume)과 반응 용기 벽이 충돌하는 것을 피하고, 그에 따라 "열점(hot spot)"이 형성되지 않도록, 하나 이상의 플라즈마 열 공급원이 선택된다.
적용 시점에서 지속되는 시간 동안 적절한 고온을 형성할 수 있는 다양한 상업적 플라즈마 열 공급원이 이러한 시스템에 사용될 수 있을 것이다. 일반적으로, 그러한 플라즈마 열 공급원은 약 100 kW로부터 6 MW 이상의 출력 전력 규모로 이용될 수 있다. 플라즈마 열 공급원, 또는 토치(torch)가 적절한 작업 가스들 중 하나 또는 그 조합을 이용할 수 있다. 적합한 작업 가스의 비제한적인 예를 들면, 공기, 아르콘, 헬륨, 네온, 수소, 메탄, 암모니아, 일산화탄소, 산소, 질소 및 이산화탄소를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서, 오프가스를 합성 가스 생성물로 변환하기 위해서, 필요에 따라, 플라즈마 가열 수단은 연속적으로 작동되어 약 900℃ 내지 약 1100℃ 이상의 온도를 생성할 수 있다.
이와 관련하여, 수많은 대안적인 플라즈마 토치 기술이 본 발명의 시스템에 적절히 이용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 유도결합 플라즈마 토치(ICP)가 이용될 수 있을 것이다. 또한, 적절히 선택된 전극 물질을 이용하는, 전달된 아크 및 전달되지 않은 아크(non-transfered arc) 토치(AC 및 DC 모두)가 이용될 수도 있을 것이다. 전극 물질은, 비제한적인 예를 들면, 구리 및 그 합금, 스테인리스 스틸 및 텅스텐으로부터 선택될 수 있다. 또한, 흑연 토치가 이용될 수도 있다. 적절한 플라즈마 가열 수단의 선택은 당업자의 일상적인 작업에 포함된다.
일 실시예에서, 공기/산소 및/또는 스팀 첨가물이 플라즈마 열 공급원(15)의 플라즈마 방출 경로 내로 주입되도록, 플라즈마 열 공급원(15)은 하나 이상의 공기/산소 및/또는 스팀 주입 포트(38)에 인접하여 위치된다.
추가적인 실싱예에서, 플라즈마 열 공급원(15)은 이동가능형, 고정형 또는 이들의 임의의 조합형일 수 있다.
본 발명의 프로세스는 변환 프로세스를 구동하기 위해 플라즈마 열의 제어가능성을 이용하고, 변환기로부터의 가스 유동 및 가스 조성물이 미리 규정된 엄격한 공차 내에서 유지될 수 있게 한다. 플라즈마 열의 제어는 또한, 다양한 석탄 공급원의 조성 또는 동일한 타입의 석탄 공급원에서의 자연적인 변동성에 관계없이, 생성 가스의 효율적인 제조를 보조한다.
일 실시예에서, 제어 서브시스템(200)은 플라즈마 열 공급원(15)의 전력을 조정하여 반응의 총체적 에너제틱스가 얻어질 수 있게 하고, 최적의 설정점를 유지하는 조절 수단(206)을 포함한다. 반응 에너지 운영을 위해서, 플라즈마 열 공급원(15)으로의 전력을 조절하여 석탄 조성의 변화, 그리고 대응하는 스팀 및 공기/산화제의 공급 속도의 변화에도 불구하고 일정한 가스화 시스템 온도를 유지할 수 있다.
제어 서브시스템(200)은 시스템(10)을 통해 전략적 위치에 배치되는 다른 모니터링 수단(202) 및 온도 센서에 의해서 결정되는 시스템의 온도, 및 석탄 및 프로세스 첨가물이 가스화 반응 용기(14) 내로 도입되는 속도와 같은 측정된 매개변수에 상대적인 플라즈마 열 공급원(15)의 정격 전력(power rating)을 제어한다. 플라즈마 열 공급원(15)의 정격 전력은, 예를 들어, 가스화 반응 용기(14) 내의 열 손실을 충분히 보상할 수 있어야 하고, 첨가된 석탄을 효율적으로 충분히 처리할 수 있어야 한다.
예를 들어, 반응 용기(14)의 온도가 너무 높을 때, 제어 서브시스템(200)은 (예를 들어, 도 15 및 도 16의 조절 수단(206-4)을 통해서) 플라즈마 열 공급원(15)의 정격 전력의 강하를 명령할 수 있을 것이며; 반대로, 용융체 온도가 너무 낮을 때, 제어 서브시스템(200)은 플라즈마 열 공급원(15)의 정격 전력의 증대를 명령할 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어 서브시스템(200)은, 토치의 위치를 제어하여 최적의 고온 처리 영역의 유지 및 전체 반응 용기(14) 주변의 바람직한 가스 유동 패턴을 유도하기 위한 조절 수단(206)을 포함한다.
하나 이상의 플라즈마 열 공급원(44)이 또한 선택적으로 제공되어, 후술하는 바와 같이, 가스화 프로세스의 고체 잔류물의 처리를 완결할 수 있게 보장한다.
석탄 투입 수단
도 1 내지 도 4, 그리고 도 17 내지 도 23을 참조하면, 본 발명은 투입 수단(36)으로서 석탄을 가스화 반응 용기(14)로 도입하기 위한 수단을 포함한다. 투입 수단(36)은 석탄이 반응 용기 내의 적절한 위치에 퇴적되어 가스화 열 공급원에 대해 최적으로 노출시키도록 배치된다.
일 실시예에서, 투입 수단(36)은 또한, 최적의 설정점(setting point)에서 가스화 반응을 유지하기 위한 최적의 속도로 석탄이 가스화 반응 용기(14) 내로 공급될 수 있도록 그 공급 속도를 조절하는 조절 수단(206)을 구비한다.
일 실시예에서, 제어 서브시스템(200)은 반응의 총체적 에너제틱스가 얻어지도록 석탄 투입 속도를 조정한다. 예를 들어, 가스화 반응 용기(14)로의 석탄 첨가 속도느를 조정하여 석탄의 생성물 가스로의 효과적인 변환을 촉진할 수 있다. 석탄 첨가 속도는, 시스템(10)의 설계 규격에 따라 시스템의 전체 에너지를 관리하도록 선택되고, 동시에 반응 설정점을 특정의 공차 내로 유지한다.
투입 수단(36)의 선택은 공급 분산, 운전 압력 및 석탄 입자 크기에 대한 요건에 따라 이루어진다. 투입 수단(36)이 스크류 오거(screw auger), 공압식 이송 시스템, 플런저 시스템, 램(ram) 시스템, 회전 밸브 시스템, 또는 상부 중력 공급 시스템을 포함할 수 있다.
반응 용기로의 도입에 앞서서, 석탄을 준비하기 위한 조절 프로세스를 또한 이용할 수 있다. 예를 들어, 석탄은 요구되는 고속 반응을 제공하는 크기로 분쇄될l수 있다. 일반적으로, 석탄은 0.75 인치 또는 그 미만의 입자 크기가 되어야 한다. 선택적으로, 석탄은 예열기를 통해서 공급될 수 있으며, 그러한 예열기내에서 반응 용기로 공급되기에 앞서서 가열된다. 그러한 예열된 분쇄 석탄이 가열 석탄 라인을 통해 반응 용기로 공급될 수 있다.
프로세스 첨가물 투입 수단
도 1 내지 도 4, 그리고 도 17 내지 도 23을 참조하면, 석탄이 생성물 가스로 효율적으로 변화되는 것을 촉진하기 위해, 프로세스 첨가물을 반응 용기(14)로 선택적으로 첨가할 수 있다. 관련 규정에 따른 방출 한계를 준수하고 운전 비용을 최소화하면서 석탄 변환을 최적화할 수 있도록 프로세스 첨가물의 타입 및 양이 매우 신중하게 선택된다. 스팀 주입은 충분한 자유 산소 및 수소를 보장하여, 투입 폐기물의 분해된 원소가 연료 가스 및/또는 무해한 화합물로 변환되는 것을 최대화시킨다. 공기/산화제 투입은 처리 화학물질 균형을 보조하여 탄소가 연료 가스로 변환되는 것을 최대화시키고 최적의 처리 온도를 유지하며, 동시에 비교적 고비용인 플라즈마 아아크 투입 열을 최소화시킨다. 양 첨가물의 양은 처리되는 폐기물에 대한 배출물에 의해 규정되는 바에 따라 설정되고 매우 엄격하게 제어된다. 산화제 주입량을 매우 조심스럽게 설정하여 비교적 고비용인 플라즈마 아아크 투입 열과 최대로 상쇄될 수 있게 하는 한편, 전체 프로세스가 연소와 관련된 바람직하지 못한 프로세스 특성들에 접근하지 못하게 하며, 동시에 국부적인 지역의 방출 표준을 충족시키고 개선시킨다.
대상물로서 전기 에너지를 생산하는 실시예의 경우에, 높은 연료 가치(fuel value)을 가지는 가스를 생성하는 것이 유리하다. 고품질 연료 가스의 생산은 반응 조건의 제어에 의해서, 예를 들어 변환 프로세스의 여러 단계들에서 첨가되는 프로세스 첨가물들의 양을 제어함으로써 달성될 수 있다.
그에 따라, 가스화 반응 용기(14)는 다수의 프로세스 첨가물 투입 포트(38)를 포함할 수 있으며, 상기 투입 포트는 산소, 공기, 산소-부화 공기, 스팀 또는 기타 가스화 프로세스에 유용한 가스와 같은 가스의 첨가를 위해서 제공된다. 프로세스 첨가물 투입 포트(38)는 공기 투입 포트 및 스팀 주입 포트를 포함할 수 있다. 이러한 포트들은 반응 용기(14)를 통해서 프로세스 첨가물을 최적으로 분산시키도록 반응 용기 내에 배치된다. 스팀 주입 포트는 반응 용기로부터 배출되기에 앞서서 생성물 가스 매스(mass) 내로 그리고 고온 처리 영역 내와 그 주위로 스팀이 이송되도록 전략적으로 위치될 수 있다. 공기/산화제 투입 포트가 반응 용기 내에 그리고 그 주위에 전략적으로 배치되어, 프로세스 첨가물의 처리 영역 내로의 충진 커버리지(fill coverage)를 보장할 수 있다.
일 실시예에서, 제어 서브시스템(200)은 반응의 총체적 에너지가 얻어질 수 있도록 반응제를 조정하기 위한 조절 수단(206)을 포함한다. 예를 들어, 프로세스 첨가물을 반응 용기(14)에 첨가하여, 석탄의 생성물 가스로의 변환을 촉진할 수 있다. 프로세스 첨가물의 타입 및 양을 매우 신중하게 선택하여, 시스템의 설계 규격에 따라 시스템의 총체적 에너지를 얻을 수 있게 하는 한편, 반응 설정점이 특정 공차 내에서 유지되게 한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 제어 서브시스템(200)은 최적의 반응 설정점을 유지하기 위해 프로세스 첨가물의 첨가를 제어하기 위한 조절 수단(206)을 포함한다. 제어 서브시스템(200)의 다른 실시예에서, 조절 수단(206)은 반응 설정점 유지를 위해 2종 이상의 프로세스 첨가물을 첨가하는 것을 제어한다. 또 다른 실시예에서, 반응 설정점를 유지하기 위해 3종 이상의 프로세스 첨가물의 첨가를 제어하는 조절 수단(206)이 제공된다.
1 스테이지 프로세스를 포함하는 실시예, 즉 가스화 및 개질 단계들 모두가 단일 챔버 가스화 반응 용기(14) 내에서 이루어지는 실시예에서, 처리 영역 내로의 프로세스 첨가물들의 완전한 커버리지가 보장되도록 가스화 반응 용기(14) 내에 그리고 그 주위에 첨가물 투입 포트들을 전략적으로 위치시키는 것이 유리하다. 프로세스가 2 스테이지에서 일어나는 실시예, 즉 가스화 및 개질이 시스템 내의 분리된 영역에서 이루어지는 실시예에서, 플라즈마 토치, 또는 기타 플라즈마 열 공급원(15)에 의한 개질이 이루어지는 영역에 인접하여 특정 첨가물 포트(예를 들어, 스팀 주입구)를 위치시키는 것이 유리할 것이다.
추가적인 실시예에서, 제어 서브시스템(200)은, 다양한 모니터링 수단(202) 및 연산 수단(204)을 통해 생성물 가스의 조성을 모니터링하고 분석하여 얻어진 데이터를 기초로 첨가물 투입을 조정하기 위한 조절 수단(206)을 포함하며, 그에 따라 이들 데이터들은 공급원료의 조성을 평가하는데 이용된다. 생성물 가스 조성 데이터는 연속적으로 또는 간헐적으로 얻어질 수 있을 것이며, 그에 따라 공기, 스팀 및 탄소-부화 첨가물와 같은 첨가물 투입에 대해 실시간 기준으로(예를 들어, 도 15 및 도 16의 조절 수단(206-1, 206-2, 206-3)을 통해서) 조정 할 수 있다. 생성물 가스 조성 데이터는 또한 간헐적으로 획득될 수도 있다.
본 발명의 제어 서브시스템(200)은, 여러 모니터링 수단(202)에 의해 모니터링된 특정 생성물 가스의 농도가 미리 규정된 목표 레벨에 따른 최적 레벨이 있지 않을 때, 시스템 내로 첨가물을 도입하기 위한 조절 수단(206)과 같은 수단을 포함한다. 예를 들어, 가스 센서가 과다한 이산화탄소를 탐지한 경우에, (예를 들어, 도 15 및 도 16의 조절 수단(206-3)을 통해서) 제어 서브시스템(200)은 변환기로의 산화제 공급을 감소시켜 이산화탄소의 생성을 감소시킬 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 이산화탄소가 아닌 대부분 일산화탄소를 주로 생성하도록 프로세스가 조정된다. 그러한 실시예에서 일산화탄소의 생성을 위해서, 시스템은 센서, 분석기 또는 기타 가스 배출 스트림 내의 산소량을 결정하기 위한 모니터링 수단(202) 등을 포함할 것이다. 가스화 프로세스에서 스팀 또는 공기/산화제 투입으로부터의 정확한 산소량이 사용된다면, 생성물 가스는 주로 일산화탄소일 것이다. 만약, 산소가 너무 적다면, 상당량의 원소 상태의 탄소 또는 카본 블랙이 형성되고, 최종적으로 반응 용기의 하류 설비를 막게(plug up)될 것이다. 만약, 시스템 내에 너무 많은 산소가 있다면, 본질적으로 가치가 없는 너무 많은 이산화탄소가 생성될 것이고, 이는 프로세스의 목적이 연료 가스를 생성하기 위한 것이라면 바람직하지 못할 것이다. 시스템 내의 너무 많은 이산화탄소에 응답하여, 제어 서브시스템(200)으로부터의 적절한 신호에 의해서(예를 들어, 도 15 및 도 16의 조절 수단(206-2 및/또는 206-3)을 통해서), 주입되는 모든 스팀 또는 공기/산화제가 감소되거나 제거된다.
가스화 반응 용기(14) 내에서 석탄을 연료 가스 변환하는 것은 흡열 반응이다. 즉, 반응물을 특정 연료 가스 생성물로 개질하기 위해서는 반응물에 에너지를 제공하여야 한다. 본 발명의 일 실시예에서, 가스화 프로세스에서 필요한 에너지의 일부는 반응 용기(14) 내의 초기 기체 생성물 또는 석탄의 일부의 산화에 의해서 제공된다.
산화제를 반응 용기(14) 내로 도입하는 것은, 반응 용기(14) 내에 부분적 산화 조건을 생성한다. 부분적 산화에서, 석탄 내의 탄소는 완전한 산화에 필요한 화학량론적 산소량보다 적은 량의 산소 상태에서 반응한다. 제한된 양의 산소만이 이용가능한 상태에서, 고체 탄소는 일산화탄소로 변환되고 적은 양이 이산화탄소로 변환될 것이며, 그에 따라 기체 형태로 탄소를 제공할 것이다.
그러한 산화는 또한 열 에너지를 방출하고, 그에 따라 플라즈마 열에 의해 가스화 반응 용기 내로 공급할 필요가 있는 에너지의 양을 감소시킬 수 있다. 다시, 이러한 증대된 열 에너지는 반응 용기(14) 내의 특정 반응 조건을 생성하기 위해서 플라즈마 열 공급원(15)에 의해서 소비되는 전력을 감소시킨다. 따라서, 발전 설비(예를 들어, 연료 전지 용도(26), 가스 터빈(24) 등)에서 연료 가스를 전력으로 변환함으로써 생성되는 전기의 상당 비율이 사용자에게 제공될 수 있고 또는 전력으로 수출될 수 있는데, 이는 산화제의 첨가를 채용하고 있는 시스템 내에서는 플라즈마 열 공급원(15)이 그러한 발전 설비로부터 적은 전기만을 필요로 하기 때문이다.
산화제의 이용은 프로세스 첨가물로서 투입되고 그에 따라 탄소의 연료가스 로의 변환을 최대화하는 것을 보조하여, 비교적 고가인 플라즈마 아아크 투입 열을 최소화하면서 최적의 처리 온도를 유지할 수 있게 한다. 탄소를 기체 상태(CO 및 CO2)로 최대로 제거할 수 있도록 산화제 주입량을 매우 주의깊게 설정된다. 동시에, 탄소 반응(산소와 조합)의 가스화가 발열 반응이기 때문에, 상당량의 열이 생성된다. 이는, 비교적 고가인 플라즈마 아크 투입 열에 대한 필요성을 최소화하고, 전체 프로세스가 연소와 관련한 바람직하지 못한 프로세스 특성에 접근하지 않게 한다. 본 발명의 일 실시예에서, 산화제는 공기이다.
부분적 산화 조건이 존재하는 경우에(석탄 또는 연료 가스의 일부가 산화되고 열을 방출하고, 그에 따라 보다 적은 연료 가스가 발전 설비에 이용될 수 있기 때문에), 비록 적은 연료 가스가 반응 용기 내에 생성되지만, 플라즈마 열 공급원에 의한 전기 소비 감소는 전기 에너지 생산에서 일어날 수 있는 손실을 상쇄시킨다. 본 발명의 일 실시예에서, 제어 서브시스템(200)은 최적 반응 설정점을 유지하기 위해 프로세스 첨가물의 첨가를 조정하는 수단을 포함한다(예를 들어, 도 15 및 도 16의 조절 수단(206-2, 206-3)).
본 발명의 일 실시예에서, 산화제 첨가물은 공기, 산소, 산소-부화 공기, 스팀 또는 이산화탄소로부터 선택된다. 산화제 프로세스 첨가물로서 이산화탄소를 이용하는 실시예에서, 이산화탄소는 생성물 가스로부터 회수되어 프로세스 첨가물 스트림 내로 재순환될 수 있을 것이다.
적절한 산화성 첨가물의 선택은 변환 프로세스의 경제적인 목적에 따라 이루 어질 것이다. 예를 들어, 경제적 목적이 발전이라면, 산화 첨가물는 주어진 에너지 발생 기술에 맞는 최적의 배출 가스 조성을 제공하도록 선택될 것이다. 생성 가스로부터 에너지를 생성하기 위해 가스 엔진을 채용하는 시스템의 경우에, 생성물 가스 조성에서 보다 높은 질소 비율도 허용될 수 있을 것이다. 그러한 시스템에서, 공기가 산화제 첨가물로서 허용될 수 있을 것이다. 그러나, 에너지 생성을 위해 가스 터빈(24)을 채용하는 시스템의 경우에는, 생성물 가스는 사용 전에 반드시 압축처리되어야 한다. 그러한 실시예에서, 생성물 가스 내의 보다 높은 질소 비율로 인해 생성물 가스 압축과 관련한 증대된 에너지 비용이 유발될 것이고, 그중 일부는 에너지 생성에 기여하지 않는다. 그에 따라, 특정 실시예에서, 적은 비율의 질소를 포함하는 산화제, 예를 들어 산소 또는 산소-부화된 공기를 이용하는 것이 바람직하다.
가스화 프로세스에 의해서 생성된 연료 가스를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 것을 최대화하고자 하는 본 발명의 실시예들에서, 가스화 반응 용기 내에서 발생되는 연료 가스의 산화를 최소화하는 것이 바람직하다. 부분적인 산화 조건으로 인한 연료 가스의 생성이 감소되는 것을 상쇄시키기 위해, 스팀을 산화 첨가물로 이용할 수도 있을 것이다. 프로세스 첨가물로서 스팀 주입을 이용함으로써, 충분한 유리 산소 및 수소가 투입 석탄의 분해된 원소가 연료 가스 및/또는 무해한 화합물로 변환되는 것을 최대화할 수 있다.
전기 에너지 생성을 목적으로 하는 실시예들의 경우에, 높은 연료 가치를 가지는 가스를 생성하는 것이 바람직하다. 프로세스 첨가물로서 스팀을 이용하는 것 이 당업계에 공지되어 있다. 스팀의 존재 하에서 석탄을 가스화하는 것은 주로 수소 및 일산화탄소로 이루어진 합성 가스를 생성한다. 화학분야의 당업자는, 변환기 내로 상이한 양의 프로세스 첨가물을 도입함으로써 연료 가스 생성물 내의 수소 및 일산화탄소의 상대적인 비율을 조작할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
스팀 주입 포트는 반응 용기(14)로부터 배출되기에 앞서서 생성물 가스 매스로 및/또는 고온 프로세스 영역 내로 스팀을 보내도록 전략적으로 배치될 수 있을 것이다.
일 실시예에서, 가스화 반응 용기(14)에 흡수제를 첨가하기 위한 수단이 제공된다. 석탄은 황 화합물을 포함하기 때문에, 석탄의 가스화될 때, 그 석탄으로부터 방출되는 황을 흡수하기 위해서, 석탄과 함께 흡수제(예를 들어, 과립형 석회석 또는 돌로마이트)를 반응 용기(14) 내로 공급한다. 흡수제는 반응 용기(14)로 추가하기에 앞서서 석탄과 미리 혼합되어 첨가될 수 있고, 또는 전용된 흡수제 포트를 통해 첨가될 수도 있다. 통합식 제어 서브시스템(200)을 이용하여, 그리고 적절한 모니터링 수단(202) 및 조절 수단(206)을 통해서, 반응 용기(14)에서의 흡수제 사용을 모니터링 및 조정할 수 있다.
고체 잔류물 취급 서브시스템
도 1 내지 도 4 그리고 도 17 내지 도 23을 참조하면, 석탄 가스화 시스템은 또한 가스화 프로세스의 고체 부산물을 취급하기 위한 수단을 제공한다. 특히, 본 발명은 석탄-에너지 변환 프로세스로부터 생성된 고체 부산물, 또는 잔류물을 유리화된, 낮은 침출도(leachalility)의 균질한 물질로 변환시키기 위한 고체 잔류물 취급 서브시스템(16)을 제공한다.
특히, 본 발명은 고체 잔류물 취급 서브시스템(16)을 제공하며, 상기 고체 잔류물 취급 서브시스템에서 고체 잔류물로부터 슬래그로의 변환은 플라즈마 가열 속도 및 고체 잔류물 투입 속도를 제어하여 완전한 용융 및 균질화를 촉진함으로써 최적화된다. 일 실시예에서, 고체 잔류물 취급 서브시스템은 고체 잔류물 투입구를 가지는 고체 잔류물 조절 챔버(42)(또는 슬래그 챔버), 플라즈마 가열 수단, 슬래그 배출구, 선택적으로 하나 이상의 포트, 그리고 슬래그를 최종 형태로 냉각 및 응고시키기 위한 하류의 냉각 수단을 포함한다. 본 발명의 통합식 제어 서브시스템(200)은 또한, 고체 잔류물 취급 서브시스템(16)을 통해 온도 및 압력을 모니터링하는 모니터링 수단(202)을 제공함으로써, 그리고 고체 잔류물 투입 속도 및 플라즈마 열 공급원(44)에 대한 전력과 같은 운전 매개변수들을 제어하는 수단을 제공함으로써, 고체 잔류물이 슬래그로 효율적으로 변환되도록 조정하는 조절 수단(206)을 포함한다.
본 발명의 고체 잔류물 취급 서브시스템(16)은 석탄을 여러 가지 형태의 에너지로 변환시키는 임의 프로세스로부터 생성되는 고체 잔류물 스트림을 처리하도록 적용시킬 수 있다. 통상적으로, 이러한 고체 잔류물은 과립 상태이고 가스화 반응 용기(14) 그리고 선택적으로 가스 품질 조절 서브시스템(20)과 같은 하나 이상의 공급원으로부터 생성된다. 모든 경우에, 고체 잔류물은 고체를 유리질화된 균질한 물질로 변환하는 데 필요한 온도로 가열되며, 상기 유리질화된 균질한 물질은 냉각되고 응고되었을 때 극히 낮은 침출도를 나타낸다.
그에 따라, 고체 잔류물 취급 서브시스템(16)은, 고체 잔류물을 용융시키고 균질화시키는 적정 온도에 고체 잔류물이 도달될 수 있게 한다. 고체 잔류물 취급 서브시스템(16)은 또한 슬래그 내에 오염 고체(즉, 중금속)이 포획되는 것을 촉진하고, 청정하고 균질한 (그리고 잠재적인 상업적 가치를 가지는) 슬래그 생성물이 형성될 수 있게 촉진한다.
고체 잔류물의 완전한 처리를 보장하기 위해, 고체 잔류물 취급 서브시스템(16)은 슬래그 챔버(42) 내에서 충분한 체류 시간을 제공하도록 설계된다. 일 실시예에서, 시스템(16)은 10분 이상의 체류 시간을 제공한다. 다른 실시예에서, 고체 잔류물 취급 서브시스템(16)은 1시간까지의 체류 시간을 제공한다. 또 다른 실시예에서, 고체 잔류물 취급 서브시스템(16)은 2시간까지의 체류 시간을 제공한다.
시스템의 요건 및 제거될 부산물의 타입에 따라서, 당업자에게 공지된 바와 같이, 숯, 회분, 슬래그, 또는 그들의 일부의 조합 형태일 수 있는 고체 잔류물은 적절한 배출구 및 이송 수단을 통해서, 하나 이상의 상류 프로세스로부터 연속적으로 또는 간헐적으로 제거될 것이다. 일 실시예에서, 고체 잔류물은 호퍼와 이송 스크류로 이루어진 시스템을 통해서 슬래그 챔버(42) 내로 가압될 것이다.
고체 잔류물은 연속적인 방식으로, 예를 들어, 회전 스크류 또는 오거 메카니즘에 의해서 첨가될 수 있다. 예를 들어, 도 20에 도시된 실시예에서, 스크류 컨베이어(60)를 이용하여 회분을 슬래그 챔버(42)로 이송한다.
대안적으로, 고체 잔류물을 불연속적인 방식으로 첨가할 수 있다. 본 발명 의 일 실시예에서, 고체 잔류물 조절 챔버에 부착된 고체 잔류물 투입 수단이, 이송 램들의 시스템으로 구성될 수 있다. 그러한 실시예에서, 램의 길이 행정을 제어하여 각 행정에 의해 용기 내로 공급되는 물질의 양을 제어할 수 있도록 하는 한계 스위치가 채용된다.
고체 잔류물 투입 수단은 또한, 고체 잔류물의 투입 속도를 제어하여 고체 잔류물 물질의 최적의 용융 및 균질화가 얻어질 수 있도록 하는 제어 수단을 포함한다.
일 실시예에서, 플라즈마 열 공급원(15)을 이용하여 회분을 가열하여 슬래그로 용융시킨다. 용융된 슬래그는, 예를 들어 약 1300℃ 내지 약 1700℃의 온도에서, 슬래그 챔버(42)로부터 주기적으로 또는 연속적으로 배출되고, 그 후 냉각되어 고체 슬래그 물질을 형성한다. 그러한 슬래그 물질은 매립 폐기되도록 할 수 있다. 대안적으로, 용융 슬래그를 용기에 주입하여 잉곳(ingot), 브릭 타일(brick tile) 또는 유사한 구조재로 성형할 수도 있다. 고체 생성물은 더 분쇄하여 통상적인 용도를 위한 골재를 형성할 수도 있다.
따라서, 고체 잔류물 취급 서브시스템(16)은 슬래그 배출 수단을 포함하며, 그러한 슬래그 배출 수단을 통해 용융 슬래그가 슬래그 챔버(42)로부터 배출된다. 배출 수단은 슬래그 배출 포트(46)를 포함할 수 있으며, 그러한 포트는 통상적으로 챔버(42)의 바닥에 또는 그 바닥에 인접하여 배치되어 챔버의 용융 슬래그 풀(pool)로부터 자연적인 유동이 일어나기 용이하게 한다. 용융 슬래그가 슬래그 챔버로부터 배출되는 속도는 당업자들에게 공지된 다양한 방식으로 제어될 수 있 다. 예를 들어, 일 실시예에서, 플라즈마 가열 수단에 가장 근접한 지점과 배출 지점 사이의 온도 편차를 조정하여, 예를 들어 챔버 내의 풀에 허용된 고체 잔류물 물질의 체적 조정을 통해서, 용융 슬래그의 재-응고 시간을 제어할 수 있다.
슬래그 배출 수단은 또한 슬래그 챔버(42)를 밀봉 상태로 유지함으로써 가열 요건을 최소화시키도록 적용될 수 있다. 일 실시예에서, 배출 수단은 주입용 스파우트(pour spout) 또는 S-트랩(trap)을 포함한다.
전술한 바와 같이, 용융 슬래그의 온도를 유지하기 위해서, 그리고 전체 슬래그 추출 기간 동안 슬래그 배출 포트(46)를 개방된 상태로 유지하기 위해서, 슬래그 배출 포트(46) 방향 또는 그 주변의 슬래그 풀 방향으로 플라즈마 열 공급원(15)의 하나 이상의 플룸을 겨냥하는 것이 바람직할 것이다. 이는, 슬래그 추출 중에 일부 불완전하게-처리된 물질이 고체 잔류물 취급 서브시스템(16)으로부터 의도하지 않게 빠져나갈 가능성으로부터 보호하기 위해, 슬래그를 가능한 한 균질하게 유지하는 것을 돕는다.
용융 슬래그는 당업자에게 공지된 다수의 방식으로 고체 잔류물 취급 서브시스템으로부터 추출될 수 있다. 예를 들어, 슬래그는 처리 기간 말기의 배치식 주입(batch pour)에 의해서, 또는 전체 처리 기간에 걸쳐서 연속적으로 추출될 수 있을 것이다. 주입 방법에 의한 슬래그는 수조(water bath) 내로 주입될 수 있고, 그러한 수조내에서 물은 외부 환경과 가스화 시스템 사이의 밀봉제로서 작용한다. 슬래그는 또한 제거를 위한 카트(cart)로, 실리카 베드(bed)로, 또는 몰드(mould) 내로 낙하시킬 수 있다.
슬래그 챔버의 벽은 매우 높은 온도(예를 들면, 약 1300℃ 내지 1800℃) 비가압 반응 동안, 챔버에서 이용하기에 적절하고 본 기술분야에서 공지된 종래의 내화성 재료 또는 내화성 재료의 조합일 수 있는 내화성 재료로 라이닝된다. 이러한 내화성 재료의 예는 크로미아 내화재(chromia refractories) 및 알루미나, 티타니아, 및/또는 크로미아를 함유하는 고 알루미나 내화재를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 슬래그 챔버를 라이닝하기 위한 적절한 재료의 선택은 이들의 화학 조성뿐만 아니라 높은 조밀도(낮은 다공도)의 미세구조에 의해, 슬래그의 부식 성질에 견딜 수 있는 능력에 따라 제조된다. 부식율은 저온 또는 감소된 중금속 오염물에 의해 감소될 수 있다. 슬래깅(slagging)이 존재하는 비-습식 내화성 재료를 선택하는 것이 유리하다.
고체 잔류물 조절 챔버는 고체 잔류물을 용융시키고 균질화하는 데 플라즈마 가스와 고체 잔류물 사이에 매우 효과적인 열 전달을 위해 설계된다. 따라서, 효율적인 열 전달, 적절한 가열 온도, 체류 시간, 융융된 슬래그 유동, 투입 고체 잔류물 용적 및 조성 등과 같은 요소가 고체 잔류물 조절 챔버를 설계할 때 고려된다.
상술된 바와 같이, 고체 잔류물 조절 챔버의 물리적 설계 특성은 다수의 요소에 의해 결정된다. 이러한 요소는 예를 들면, 처리되는 고체 잔류물의 구성 및 용적을 포함한다. 챔버 내로 투입되는 고체 잔류물은 동시에 하나의 소스(source) 이상으로부터 수집될 수 있다. 따라서, 고체 잔류물 조절 챔버의 내부 구성 및 크기는 처리할 투입 고체 잔류물의 작동 특성에 의해 결정된다.
고체 잔류물 조절 챔버의 설계시 고려되는 또 다른 요소는, 고체 잔류물이 고체 잔류물을 용융하여 균질화하기 위한 적절한 온도까지 높이는 것을 보장하기 위해 요구되는 체류 시간이다.
사용되는 플라즈마 가열 수단의 타입뿐만 아니라 플라즈마 가열 수단의 위치 및 배향은 고체 잔류물 조절 챔버의 설계시 고려되는 부가적 요소이다. 플라즈마 가열 수단은, 용융된 고체 잔류물이 챔버로부터 유출되는 것을 허용하면서, 고체 잔류물을 용융하여 균질화하기 위해 고체 잔류물을 요구되는 레벨로 가열하는 데 요구되는 온도를 충족하여야 한다.
본 발명의 제어 서브시스템(200)은 고체 잔류물 취급 서브시스템(16) 전체에 걸쳐 위치된 장소에서 온도 및 선택적인 압력을 모니터링하기 위해 모니터링 수단(202)을 제공함으로써, 고체 잔류물의 슬래그로의 효율적인 변환을 조절하며, 이러한 데이터는 연속적 또는 단속적으로 얻어진다. 챔버 내의 온도를 모니터링 하기 위한 모니터링 수단(202)은 예를 들면, 챔버의 외측벽 또는 챔버의 상부, 중간 및 바닥의 내화부 내부에 위치될 수 있다. 본 발명의 제어 서브시스템(200)은 또한 플라즈마 열원(44)으로의 전력 및 고체 잔류물 투입 속도와 같은 작동 매개변수를 제어하기 위한 조절 수단(206)을 제공한다.
예를 들면, 용융물의 온도가 너무 높을 때, 제어 서브시스템(200)은 플라즈마 열원(44)의 파워 레이팅(power rating)의 강하를 명령할 수 있으며, 역으로 용융물의 온도가 너무 낮을 때, 제어 서브시스템(200)은 플라즈마 열원(44)의 전력 레이팅의 상승을 명령할 수 있다.
일 실시예에서, 고체 잔류물 취급 서브시스템(16)은 또한 발생된 폐열의 양을 감소시킬 수 있는, 열을 회수하기 위한 수단(예를 들면, 도 29, 도 30의 플라즈마 열원 냉각 수단(53) 및 슬래그 냉각 수단(55))을 포함한다. 이러한 열 회수 수단은 예를 들면, 열 교환기를 포함할 수 있다. 이러한 일 실시예에서, 제어 시스템은 열 교환기의 작동 상태를 부가적으로 제어할 수 있다. 열 교환기는, 예를 들면 다수의 온도 센서, 유동 제어 요소, 및 다른 모니터링 및 조절 수단(202, 206)을 가질 수 있다.
슬래그 챔버는 또한 선택적으로 요구될 수 있는 부가 구조적 요소/기구를 수용하기 위한 하나 이상의 포트를 포함할 수 있다. 예를 들면, 처리의 모든 양태의 조작자의 완전한 가시성을 유지하기 위한 다수의 폐쇄 회로 텔레비젼 포트를 포함할 수 있는 관점은 차단의 형성에 대한 슬래그 배출 포트(46)의 모니터링을 포함한다. 또 다른 양태에서, 슬래그 챔버는 스크러빙/클리닝, 유지, 및 수리를 위해 챔버 내로 투입을 허용하기 위한 서비스 포트를 포함할 수 있다. 이러한 포트는 본 기술분야에 공지되어 있고 다양한 크기의 밀봉가능한 포트 구멍을 포함할 수 있다.
열 회수 서브시스템
도 1 내지 도 4, 도 24 내지 도 26, 도 29, 도 30을 참조하면, 본 발명의 석탄 가스화 시스템(10)은 또한 도면부호 "18"의 고온 제품 가스로부터 열을 회수하기 위한 수단을 제공한다. 이러한 열 회수 서브시스템(18)은 고온 제품 가스를 하나 이상의 가스-공기 열 교환기(48)로 전달하기 위한 수단을 포함하며, 고온 제품 가스는 공기를 가열하기 위해 이용된다. 회수된 열(열 교환 공기의 형태로)은 이 어서 선택적으로 도 24 및 도 25에 특별히 도시된 바와 같이, 가스화 프로세스로 열을 제공하기 위해 이용되어, 가스화 프로세스를 구동하기 위해 요구되는 하나 이상의 플라즈마 열원(15)에 의해 제공되어야 하는 열의 양을 감소시킨다. 회수된 열은 또한 산업적 또는 주거용 가열 장치에 이용될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 가스-공기 열 교환기(48)는, 이어서 선택적으로 가스화 프로세스로 열을 제공하기 위하여 이용될 수 있는, 산소 또는 산소 부화 공기와 같은 산화제를 가열하기 위해 적용된다.
둘다 직선형의 단일-패스 설계이고 U-튜브, 다중 패스 설계뿐만 아니라 판형 열 교환기인 셸 및 튜브형 열 교환기를 포함하는 상이한 부류의 가스-공기 열 교환기(48)가 본 시스템에서 이용될 수 있다. 적절한 열 교환기의 선택은 숙련된 작업자의 지식에 포함된다.
대기 공기 투입 온도 및 고온 합성 가스에서의 상당한 차이로 인해, 가스-공기 열 교환기(48) 내의 각각의 튜브는 튜브 파열을 막기 위해 개별 팽창 벨로우즈를 가지는 것이 바람직하다. 튜브 파열은 공기가 가스 혼합물로 투입되는 문제점 때문에 높은 위험을 제공한다. 튜브 파열은 단일 튜브가 막히게 되어 더 이상 튜브 묶음의 나머지와 함께 팽창/수축하지 않는 곳에서 발생할 수 있다.
튜브 누출로부터의 위험 잠재성을 최소화하기 위해, 본 발명의 시스템은 가스-공기 열 교환기(48)의 제품 가스 유출과 관련된 하나 이상의 개별 온도 전달장치를 더 포함한다. 이러한 온도 전달장치는 합성 가스 도관 내로 교환 공기가 누출된 경우 연소로부터 초래되는 온도 상승을 감지하기 위하여 위치 설정된다. 이 러한 온도 상승의 감지는, 열 회수 시스템을 통하여 냉각제 공기를 이동시키는 유도 공기 송풍기의 자동 차단을 초래한다.
가스-공기 열 교환기(48)는 셸측이 아닌 튜브 내에서 제품 가스 유동을 가지도록 설계된다. 일 실시예에서, 제품 가스는 "한번 통과(once through)" 설계로 수직으로 유동하며, 이는 입자상 물질 누적 또는 입자상 물질로부터의 부식이 발생하는 영역을 최소화한다. 일 실시예에서, 프로세스 공기는 가스-공기 열 교환기(48)의 셸측에서 향류 방식으로 유동한다.
선택적으로, 열 회수 서브시스템은 부가적으로 도면부호 "50"의 하나 이상의 열 회수 스팀 발생기를 포함하여 스팀을 발생시키며, 이 스팀은 스팀 터빈(52)을 구동시키거나, 유도 송풍기와 같은 회전하는 프로세스 장비를 구동시키기 위하여, 도 24 및 도 26에 특별히 도시된 바와 같은, 가스화 반응에서 프로세스 첨가물로서 이용될 수 있다. 제품 가스로부터의 열은 열 회수 스팀 발생기(도 1, 도 3, 도 4) 또는 폐열 보일러(도 24)와 같은, 열 교환 수단(50)을 이용하여 스팀이 발생하도록 물을 가열하기 위하여 이용된다. 일 실시예에서, 제품 가스로부터 열을 이용하여 생산된 스팀은 과열 스팀이다.
도 24 내지 도 26을 특별히 참조하면, 도면부호 "48"의 가스-공기 열 교환기와 도면부호 "50"의 열 회수 스팀 발생기 사이의 관계가 본 발명의 일 실시예에 따라 도시된다. 교환-스팀은 또한 가스화 프로세스 동안 프로세스 스팀 첨가물로서 사용될 수 있어 충분한 자유 산소 및 수소가 석탄을 합성 가스 제품으로 변환시키는 것을 최대화하도록 보장한다.
변환 프로세스 내에서 사용되지 않거나 회전하는 프로세스 장비를 구동시키기 위한 스팀은 도면번호 "52"의 스팀 터빈의 이용을 통한 전기의 발생, 또는 로컬 가열 장치(local heating applications)와 같은 다른 상업적 목적을 위해 이용될 수 있으며, 스팀은 이러한 목적을 위해 그 지역 산업체 고객에게 공급될 수 있거나 타르 샌드(tar sand)로부터 오일의 추출을 개선하는 데 이용될 수 있다.
일 실시예에서, 열 회수 스팀 발생기(또는 HRSG)(50)는 가스-공기 열 교환기(48)로부터 하류에 위치한다. 또 다른 실시예에서, 본 시스템에 적용되는 HRSG(50)는 셀 및 튜브 열 교환기이다. HRSG(50)는 합성 가스가 튜브를 통하여 수직으로 유동하고 물이 셸측에서 끓여지도록 설계된다.
가스-공기 열 교환기(48) 및 HRSG(50)는 일부 입자상 물질이 제품 가스 내에 존재한다는 이해 하에서 설계된다. 입자 크기는 통상적으로 0.5 내지 350 미크론(micron)이다. 일 실시예에서, 여기서 제품 가스 속도는 또한, 침식을 최소화하면서 튜브의 자체 세정을 위해 충분히 높은 수준으로 유지된다.
배출 제품 가스의 온도가 소정의 한계를 초과하는 경우, 이는 튜브가 막힘이 시작된다는 표시가 될 수 있고, 이때 시스템은 유지보수를 위해 셧다운되어야 한다. 열 교환기에는 필요에 따라 계기 사용, 검사 및 유지보수뿐만 아니라 도관의 수리 및/또는 세정을 위한 포트가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에서, 시스템은 단속적으로, 즉 원하는 대로 다수의 시작 및 중지 사이클로 작동된다. 따라서, 장비가 반복된 열 팽창 및 수축을 견디도록 설계되어야 하는 것이 중요하다.
고온 제품 가스로부터 회수될 수 있는 현열뿐만 아니라 열 회수 시스템에 의해 생산된 열 교환 공기 및 시스템의 양을 최대화하기 위해, 부품들 사이의 도관은 선택적으로 주위 환경으로의 열 손실을 최소화하기 위한 수단이 제공된다. 열 손실은 예를 들면 종래 기술에 공지된 절연 재료를 포함하는 도관 주위의 절연 배리어의 이용을 통하여, 또는 도관의 길이를 최소화하도록 플랜트를 설계함으로써 최소화될 수 있다.
도 2 및 도 27을 참조하면, 본 시스템(10)의 일 실시예에서, 다양한 스팀 터빈(52)(예를 들면, 합성 가스를 냉각하기 위해 이용되는 HRSG(50)에 의해 발생된 스팀으로부터 작동되는 스팀 터빈(라인(86)), 가스 터빈/엔진(24)을 냉각하기 위해 이용되는 HRSG(50)에 의해 발생된 스팀 및 이에 의해 발생되는 배기 가스로부터 작동되는 스팀 터빈(라인(88)), 또는 (이들의) 임의의 조합)의 출력으로부터 회수된 스팀은 냉각 타워 펌프 등에 의해 공급되는 부가 열 교환기(90)를 통해 냉각된다. 교환기(90)로부터 배출될 때, 냉각된 스팀/물은 적절한 화합물을 구비한 연수원(soft water source)에 의해 공급되는 기포제거기(deaerator; 92)를 통하여 펌핑되어, 이들로부터 공기 및 과잉 산소를 제거하여, 이들이 배기 가스 HRSG(50)(라인(94)), 합성 가스 HRSG(50)(라인(96)) 등의 보일러 공급수(boiler feed water)로 역으로 처리된다.
상술된 바와 같이, 본 가스화 시스템(10)은 또한 통합 제어 수단(200)을 포함하여, 시스템을 통한 에너지의 전달을 최적화하여 석탄에서 에너지로의 변환의 에너제틱스를 관리한다. 가스화 프로세스로 다시 회수된 현열의 재순환이 석탄의 건조 및 휘발 단계를 위한 외부 소스로부터 요구되는 에너지 투입량을 감소시킬 수 있으므로, 석탄에서 에너지로의 변환의 에너제틱스는 본 발명을 이용하여 최적화될 수 있다. 회수된 현열은 또한 합성 가스의 특정량을 달성하기 위해 요구되는 플라즈마 열의 양을 최소화하는 기능을 할 수 있다. 따라서, 본 발명은 석탄의 효율적인 가스화를 허용하며, 가스화 열원은 제품 가스로부터 회수된 현열을 이용하여 가열되는 공기에 의해 선택적으로 보충된다.
본 발명의 효율을 최적화하기 위해, 통합된 제어 서브시스템(200)은 또한 현 프로세스가 수행되는 상태뿐만 아니라 본 발명에 따른 시스템의 작동 상태를 조절하기 위한 수단이 제공된다. 전체 시스템 제어 수단(200)으로 통합될 수 있는 이러한 제어 수단은 하나 이상의 매개변수를 모니터링하고 이에 따라 작동 상태를 조정하도록 제공되어, 한정된 매개변수 내에서 시스템을 유지하도록 하며 상기 매개변수는 시스템의 도처의 특정 위치에서의 온도 및 가스 유량을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 조절 수단(206)을 통하여, 제어 수단에 의해 조정될 수 있는 작동 상태의 예는 하나 이상의 교환-공기 유량, 제품 가스 유량, 석탄의 투입 속도, 스팀과 같은 프로세스 첨가물의 투입 속도, 및 플라즈마 열원(15, 44)으로의 전력 등을 포함한다.
예를 들면, 온도 전달장치(및 다른 이러한 모니터링 수단(202))는 시스템(10) 전체에 걸쳐 특정 위치에 설치될 수 있다. 온도 전달장치는 예를 들면, 가스-공기 열 교환기 입구 및 출구에서 제품 가스의 온도뿐만 아니라 IRSG 입구 및 출구에서 제품 가스의 온도를 측정하도록 위치될 수 있다. 온도 전달장치는 또한 가스-공기 열 교환기(48)의 가열 후, 프로세스 공기의 온도를 측정할 뿐만 아니라, 스팀이 HRSG(50)로부터 배출될 때 스팀의 온도를 측정하기 위하여 제공될 수 있다.
이러한 온도 측정은, 합성 가스가 각각의 열 교환기로 들어갈 때 합성 가스의 온도가 상기 장치의 이상적인 작동 온도를 초과하지 않도록 보장하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들면, 가스-공기 열 교환기(48)를 위한 설계 온도가 1050 인 경우, 열 교환기로의 투입 가스 스팀 상의 온도 전달장치는 스팀을 통한 교환-공기 유량 및 플라즈마 열 전력 모두를 제어하기 위해 이용될 수 있어, 최적 합성 가스 온도를 유지하도록 한다. 또한, 제품 가스 배출 온도의 측정은 현열의 최적량이 두 가지 열 회수 스테이지에서 제품 가스로부터 회수되도록 보장하는 데 유용할 수 있다.
가열된 교환-공기의 온도를 측정하기 위해 공기 유출 스트림 상에 설치되는 온도 전달장치는 프로세스 공기가 가스화 프로세스에서 이용하기 위해 적절한 온도로 가열되는 것을 보장하는 상태 하에서 프로세스가 수행되는 것을 보장한다. 일 실시예에서, 교환-공기 유출 온도는 예를 들면, 약 600℃이고, 따라서 공기 유출 스트림에 설치된 온도 전달장치는 플라즈마 개질 챔버 내의 플라즈마 열원 전력 및 시스템을 통한 공기 유량 모두 또는 그중 하나를 제어하기 위해 이용되어, 차례로 가열된 교환 공기의 온도를 제어하기 위해 이용될 수 있는, 최적 합성 가스 투입 온도를 유지하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 제어 방법은 최적 가열 교환 공기 출력 온도를 위한 고정 설정점, 예를 들면, 약 600℃뿐만 아니라 HRSG 가스 배출 온도용 고정 값, 예를 들면 약 235℃를 설정한다. 따라서, 본 실시예에 따라, 복합 유동이 감소될 때, 가스-공기 열 교환기(48)의 배출 가스 온도는 냉각되고, HRSG 가스 배출 온도도 고정값으로 설정되기 때문에 스팀 생산이 감소된다.
시스템을 통한 공기유동이 감소될 때에도 동일한 개념이 적용된다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 배출 교환-공기 온도는 고정되어 있어, 가스-공기 열 교환기(48)용 배출 제품 가스 온도는 높기 때문에, HRSG에서 더 많은 스팀이 생산된다. 그러나, 시스템을 통한 공기유동이 감소할 때, 제품 가스도 그에 따라 감소되어, HRSG(50)에 대한 증가된 투입 온도가 일시적으로만 높다. 예를 들면, 공기유동이 50%로 감소되면, HRSG(50)가 일시적으로 볼 수 있는 최대 투입 가스 온도는 약 800℃이고 이는 열 교환기 설계의 온도 한계 내에 있다.
또한, 가스화 프로세스를 위해 요구되는 것보다 더 많은 공기가 예열되는 경우, 대기로 프로세스 가스를 방출하기 위한 자동 밸브를 제어하기 위한 조절 수단(206)이 또한 선택적으로 제공되어 전체 시스템 제어 수단(200) 내로 통합된다. 예를 들면, 일부의 경우, 장비 고려 때문에(예를 들면, 셧다운 절차를 시작할 때) 프로세스를 위해 요구되는 것 보다 더 많은 가스를 가열하기 위해 필요하다. 이러한 경우, 과잉 교환-공기는 필요에 따라 방출될 수 있다.
시스템은 하나 이상의 합성 가스 조성, 석탄 투입 속도, 및 프로세스 첨가물 투입 속도(도 15 및 16 참조)를 모니터링하기 위한 수단을 더 포함할 수 있어, 최적 처리 상태를 유지하기 위해 교정 절차를 수행하기 위해 요구될 수 있는 것으로서 부가적 정보를 제공하도록 한다. 다양한 이러한 모니터링 수단(202)은 본 기술 분야에 공지되어 있으며 본 발명의 시스템에 적용될 수 있다.
도 29 및 도 30을 참조하면, 상술된 열 회수 서브시스템(18)은 또한 후속하는 필터링 및 커디셔닝 단계, 즉 GQCS(20)(예를 들면, GQCS 냉각 수단(61))를 위해 요구되는 제품 가스의 냉각을 위해 제공될 수 있을 뿐만 아니라 플라즈마 열원(15, 44)(예를 들면, 소스 냉각 수단(53)), 슬래그 취급 및 처리 수단(예를 들면, 냉각 수단(55)), 등의 냉각을 위해 제공될 수 있다.
가스 품질 조절 서브시스템
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 석탄 가스화 시스템(10)은 또한 가스 품질 조절 서브시스템(GQCS)(20), 또는 다른 이러한 가스 조절 수단이 제공되어, 석탄 가스화 프로세스의 제품을 특정된 특성의 배출 가스로 변환하도록 한다.
GQCS(20)를 통한 제품 가스의 통과는 제품 가스가 화학물 및 입자상 오염물이 없어서 에너지 발생 시스템 내에 또는 화합물 제조에 사용될 수 있도록 보장한다. 이러한 조절 단계는 또한 목적으로서 화합물의 제조 또는 에너지의 발생을 갖지 않는 본 발명의 실시예에서 요구될 수 있다. 예를 들면, 가스 품질 조절 서브시스템(20)으로 제품 가스의 처리는 로컬 배출 표준에 엄격하게 따르면서 제품 가스가 배기 메카니즘을 통하여 배출될 수 있도록 보장할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 가스화 시스템(10)의 목적은, 재생가능한 전기 에너지의 생산을 위해 가스 터빈(24) 내로 공급하기에 적절한 특정된 특성(즉, 조성, 칼로리 가열 값, 순도 및 압력)을 구비한 연료 가스를 생산하는 것이다. 연료가 본 명세서에서 설명된 프로세스를 통하여 석탄의 열분해/가스화에 의해 발생되기 때문에, 가스 터빈의 정상 및 안전한 작동에 적절하지 않은 폐기 불순물, 입자상 물질 및/또는 산성 가스의 소정의 양이 존재하게 된다.
제품 가스는 GQCS(20)로 이송되고, 여기에서 제품 가스는 하류 장치를 위해 요구되는 특성을 가지는 배출 가스를 생산하기 위하여 처리 단계의 특별한 순서로 처리된다. 위에서 간단하게 설명한 바와 같이, GQCS(20)는 처리 단계들을 수행하는 부품을 포함하며 이 처리 단계는 합성 가스로부터의 입자상 물질(54), 산성 가스(예를 들면, H2S 제거 수단(56) 및 가능하게는 적은 양의 HCl에 대해 HCl 스크러버(57)와 같은 선택적 HCl 제거 수단) 및/또는 중금속(58)의 제거, 또는 합성 가스가 시스템을 통과할 때 가스의 수분 및 온도를 조정하는 단계를 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 요구되는 처리 단계의 존재 및 순서는 합성 가스의 조성 및 하류 장치를 위한 배출 가스의 특정 성분에 의해 결정된다. 위에서 제시한 바와 같이, 시스템(10)은 또한 GQCS 프로세스를 최적화하도록 통합된 제어 서브시스템(200)을 포함한다.
일 실시예에서, 가스화 시스템의 유도 팬의 진공 추출 조건 하에서, 고온 제품 가스는 가스화 시스템의 배출 가스 출구(40)를 통하여 가스화 시스템으로부터 연속적으로 인출된다. 가스를 가스화 챔버(14)로부터 GQCS(20)로 전달하기 위해 파이프 또는 다른 도관과 같은 가스 전달 수단이 사용된다.
또한 1차 GQCS 및 2차 GQCS와 같은 하나 이상의 GQCS(20)를 사용하는 것을 생각할 수 있다. 이러한 경우, 2차 GQCS는 1차 GQCS 내의 가스 스팀으로부터 제거 되는 중금속 및 입자상 물질과 같은 프로세스 재료가 이용될 수 있다. GQCS(20)로부터의 배출 가스는 균질화 챔버(25)(도 1)와 같은 추가의 처리 수단을 통하여 공급되거나, 이와 달리 설계된 하류 장치로 직접 공급되는 가스 저장 탱크(23)(도 4)에 저장될 수 있다(즉 도 2 및 도 3).
상술된 바와 같이, 이와 같은 조절 단계 전에 고온 제품 가스를 냉각하기 위한 수단을 제공하는 것이 유리하다. 이 냉각 단계는 시스템 내의 열 감지 부품에 대한 손상을 방지하기 위해 요구될 수 있다. 일 실시예에서, 냉각 단계는 열 회수 서브시스템(18)에 의해 수행되고, 이에 의해 제품 가스로부터 회수되는 열이 또한 선택적으로 회수될 수 있으며, 가스화 프로세스에서 이용하기 위해 순환될 수 있다(도 24 내지 도 26).
또 다른 실시예에서, 가스화 시스템으로부터의 가스는 급랭기(quencher)(도시안됨)와 같은 증발기 내의 직접적인 물 증발에 의해 1차적으로 냉각된다. 또 다른 실시예에서, 증발 냉각 타워(건식 급랭)는 가스화 시스템으로부터 GQCS(20)로 투입되는 합성 가스를 냉각하기 위해 이용될 수 있다. 증발 냉각 타워는 약 740℃ 내지 약 150℃ 내지 200℃의 합성 가스의 온도로 냉각할 수 있다. 이러한 프로세스는 단열 포화(adiabatic saturation)를 이용하여 달성될 수 있으며, 이는 물의 주입을 제어된 방식으로 가스 스팀 내로 지향시키는 단계를 포함한다. 증발 냉각 공정은 건식 냉각 프로세스이며, 냉각 가스가 젖지 않는 것을 보장하기 위해 모니터링될 수 있다. 즉, 냉각 가스의 상대적인 습도는 냉각 온도에서 100% 미만으로 유지된다.
상술된 바와 같이, GQCS(20)는, 도면부호 "54"의 선택적으로 냉각된 가스로부터 입자상 물질뿐만 아니라 전기를 생산하기 위해 가스 터빈(24)에서의 연소, 또는 추가 화학적 제조 프로세스에서의 공급원료(28)와 같은 제품 가스의 하류 이용과 양립할 수 없는 가스상태의 오염물을 제거하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 입자상 물질 제거 시스템(54)은 변환기로부터 배출되는 연료 가스에 동반될 수 있는 입자상 물질을 제거하기 위하여 통합된다. 입자상 제거 시스템(54)은 널리 이용가능하며, 예를 들면 가스 조절의 실시자에게 널리 공지된 고온(세라믹) 필터, 사이클론 분리기, 벤츄리 스크러버, 전기식 필터, 캔들 필터, 교차유동 필터, 과립형 필터, 물 스크러버, 직물 백하우스 필터(fabric baghouse filter)(도 1) 등을 포함할 수 있다.
종래 기술에 공지된 바와 같이, 입자상 물질은 입자 크기에 따라 다수의 방법으로 제거될 수 있다. 예를 들면, 굵은 입자는 사이클론 분리기 또는 필터를 이용하여 제거될 수 있다. 작거나 미세한 입자는 습식 ESP 또는 백하우스 필터(도 1)를 이용하여 제거될 수 있다. 일 실시예에서, 10g/Nm3에 달하는 많은 입자상 물질을 로딩하여, 99.9% 효율을 가진 입자상 물질을 제거하는 물리적 배리어가 필요할 수 있다. 습식 ESP는 정전기장에 의해 구동되며 산소 함량이 특별한 레벨에 도달하는 경우 전류를 트립하기 위한 제어 기구 없이 높은 산소 함량의 가스 스트림으로 이용하기에 적절하지 않을 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 입자 제거 수단은 굵은 입자를 제거하기 위해 이용되고 제 2 입자 제거 수단은 더 작거나 미세한 입자를 제거하기 위하여 이용된다. 일 실시예에서, 제 1 입자 제거 수단은 크기가 5 내지 10 미크론 보다 큰 입자를 제거할 수 있는 사이클론 필터이다. 또 다른 실시예에서, 제 2 입자 제거 수단은 백하우스 필터이다.
이와 다른 실시예는 다른 가스 세정 장치의 특성을 더욱 효율적으로 이용하기 위한 다양한 가스 세정 단계의 순서를 변화시킬 수 있다. 그러나, 적용되는 특정 입자상 물질 제거 시스템에 따라, 이전에 언급된 바와 같은 입자상 물질 제거 시스템에 투입되기 전에, 반응 용기(14)로부터 나오는 연료 가스를 냉각시키는 것이 바람직할 수 있다. 백 타입 필터는 종종 셀룰로오스 또는 유기 폴리머 기재이어서 매우 높은 온도를 견딜 없기 때문에, 백 타입 필터가 입자상 제거를 위해 이용되는 경우, 연료 가스의 냉각이 특히 중요할 수 있다.
이어서, 분진은 수집되어 가스화 반응 용기로 반송되어 유해하지 않은 고체 폐기물이 가스 조절 시스템에서 생성되거나 발생되도록 한다. 이와 달리, 입자상는 슬래그 저장부(도 1 참조)로 이송되어 스크러버 고체를 여과되지 않는 슬래그로 변화시킬 수 있다. 경우에 따라서는, 플랜트 고려 및 지역 규정에 따라, 가스 세정 시스템으로부터의 고체가 안전한 폐기를 위해 부지 밖으로 보내어질 수 있다.
또한 제품 가스로부터 수은 또는 다른 중금속을 제거하기 위한 도면부호 "58"의 수단이 제공될 수 있다. 예를 들면, 건식 주입 시스템은 연산된 양의 활성 탄소(activated carbon)를 이용하며, 이 활성 탄소는 충분한 체류 시간으로 가스 스트림 내에 주입되어 미세한 중금속 입자 및 연기가 활성 탄소 표면 내에 흡수될 수 있다. 활성 탄소 상에 흡수되는 중금속은 백하우스 필터에 포획될 수 있다. 이와 달리, 습식 ESP 시스템은 활성 탄소 상에 흡수된 중금속을 포획하기 위해 이용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 활성 탄소 상에 흡수된 중금속 입자는 백하우스에 포획된다.
산 스크러빙 시스템(acid scrubbing system)도 중금속을 포획하기에 효과적인 기술이다. 이러한 시스템은 중금속을 포함하는 가스가 낮은 pH(정상적으로 1 내지 2) 용액이 순환되는 충전 컬럼을 통과하도록 한다. 중금속 및 중금속 화합물은 산과 반응하여 이들의 안정된 화합물을 형성하도록 한다. 이러한 기술로 순환 용액 내의 중금속 농도가 증가되므로, 얻어지는 폐수의 처리가 요구될 수 있다. 일 실시예에서, GQCS(20)는 중금속을 제거하기 위한 산 스크러빙 시스템을 포함한다.
일 실시예에서, 수은 제거 수단은 활성 탄소 수은 폴리셔(polisher)에 의해 제공된다. 활성 탄소 필터 베드는 중금속용 최종 폴리싱 장치로서 이용될 수 있다. 제품 가스는 가스 스트림으로부터 중금속(주로 수은)을 흡수하는 활성 탄소 베드를 통과한다. 정상적으로m 활성 탄소 필터는 수은의 99.8 내지 99.9% 이상의 제거를 달성하기 위해 이용되며, 7 내지 8 인치의 WC 압력 강하를 가진 최종 폴리싱 장치로서 이용된다.
산 회수 서브시스템(56)은 가스 조절 시스템(20)에 결합되어, 시판될 가치가 있을 수 있는 황 또는 황산(높은 황 석탄으로부터) 및 염산(염소화 탄화수소로부터)을 회수하도록 한다. 산 제거 시스템(56)은 스크러버 시스템, 산 제거 시스템, 및 황 및/또는 산 제거 시스템과 관련된 기타 종래의 장비를 포함할 수 있다.
아래의 문장은 제공되는 새로운 데이터로 대체될 수 있다.
석탄 가스화 시스템 내에 발생된 제품 가스는 HCl 및 H2S와 같은 산성 가스를 함유하게 된다. 제품 가스 내의 이러한 산성 가스의 농도는 HCl에 대해 약 0.05 내지 약 0.5 %의 범위이며, H2S에 대해 약 100 ppm 내지 약 1000 ppm의 범위이다. 일 실시예에서, HCl의 예상 농도는 약 0.178%이고 H2S의 예상 농도는 약 666 ppm(0.07%)이다. HCl의 배출 한계는 약 5 ppm이고 SO2는 약 21 ppm이다.
산성 가스 제거는 건식 스크러빙 또는 습식 스크러빙에 의해 달성될 수 있다. 건식 스크러빙의 주 구성요소는 분무 건식 흡수기 및 소다회(soda ash) 또는 백하우스 여과 전에 석회 분말 주입기(lime powder injection)이다. 정상적으로 건식 스크러빙으로 99% 이상의 산소 제거 효율을 달성하기가 어렵다.
염소의 양이 경제적으로 충분한 규모인 경우, 염소는 회수될 수 있다. 염소가 필요하지 않은 양으로 존재하는 경우, 임의의 적절한 방식(예를 들면, 물 또는 습식 스크러버, 활성 보크사이트 흡수, 등)으로 제거된다. 가스는 가스/액체 스크러버-접촉기에서 염소와 같은 성분을 제거하기 위하여 처리될 수 있다. 습식 스크러빙의 가장 큰 장점은 가스의 서브(sub) 냉각을 돕는 적은 압력 강하로 질량 전달 및 열 전달을 위한 접촉 면적이 크다는 점이다. 수산화나트륨은 습식 스크러빙을 위해 이용되는 전통적 알칼리성 용액이다. 일 실시예에서, 충전 컬럼은 산성 가스를 스크러빙하는 데 이용된다.
황 화합물은 황-산소 화합물 또는 황-수소 화합물로서, 원소 상태의 황으로서, 첫번째로 재조합되 것이다. 황 화합물의 양이 비용을 정당화하는 일 실시예에서, 도면부호 "76"의 황 회수 설비는 열교환기에 인접하고 황 화합물이 안정하게 되도록 하는 온도에 도달하는 위치에서 도관을 따라 배치된다 황 회수 설비(76)의 타입 및 크기는 투입 스트림 내 황의 기대 양(expected amount)에 의존한다.
저 황 등급의 석탄에서 예상할 수 있는 바와 같이, 황의 예측되는 양이 매우 낮은 경우, 원자 철과 황이 반응하여 황화철을 생성하도록 철 파일링 기술(iron filing technique)을 이용할 수 있다. 이는 도관 내의 구획실과 회수 구획실 사이로 철 펠릿(iron pellet)을 순환시킴으로써 달성될 수 있다.
많은 양의 황을 포함하는 석탄에 대해, 제 2 스테이지 액체 세척 프로세스가 가스로부터 황 화합물을 제거하기 위하여 이용된다. 황은 투입 스트림 내에 예상되는 황의 양에 따라, 소정의 적절한 기술에 의해 회수될 수 있다. 더 하류에서, 아민 스크러버(amine scrubber)는 주로 수소, 일산화탄소, 및 불활성 가스를 포함하는 스트림으로부터 나오는 가스 스트림으로부터 황화 수소 및 이산화탄소를 제거한다. 이러한 아민 스크러버는 종래 기술에 공지되어 있으며, 일반적으로 아민 프로세스를 포함하며 이 아민 프로세스에서 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 또는 메틸디에탄올아민의 수용액이 처리 가스로부터 H2S를 제거하기 위하여 이용된다. 황을 제거하는 그 밖의 방법은, 예를 들면, 클라우스 플랜트(Claus plant)(도 1), 레속스(Resox) 환원 프로세스, 저온 플라즈마 황화 수소 해리 프로세스, 등을 포함할 수 있다.
또한, 황의 제거를 위한 적절한 방법은, 예를 들면 NaOH 또는 트리아진(triazine)을 사용한 습식 흡수, 수파트리트(Sufatreat)를 이용한 건식 흡수, 티파크(Thipaq)와 같은 생물학적 프로세스, 또는 액체 레독스(liquid redox)(낮은 CAT)를 포함하는 선택적 산화를 포함한다. 일 실시예에서, H2S는 티파크(도 1 참조)를 이용하여 합성 가스로부터 제거된다. 티파크는 두 개의 단계 프로세스이며, 이 프로세스에서 산성 가스(sour gas)는 저농도 알칼리성 용액(8.5 내지 9 pH)으로 스트러빙되어 황이 후속적으로 회수된다(HS-는 생물학적 프로세스에 의해 원소 황으로 산화된다). 다른 방법은 이동상 티탄산아연(moving bed zinc titanate) 또는 페라이트 흡수 프로세스(ferrite adsorption process), 산화 화학 반응 프로세스(예를 들면 스트레트포트(Stretford) 및 설페록스(SulFerox)), 및 셀렉솔(Selexol) 산성 제거 프로세스를 포함할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니며, 셀렉솔 산 제거 프로세스는 고압(예를 들면, 300 내지 1000 psig)에서 물리적 용매(예를 들면, 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르)의 이용을 포함한다.
더욱이, 비록 플라즈마 가스화 상태가 다이옥신의 형성을 방해하는 것으로 알려져 있지만, 다이옥신은 촉매로서 작용하는 탄소의 존재 하에 250℃ 내지 350℃의 온도에서 형성될 수 있다. 다이옥신 형성을 추가적으로 최소화하기 위해, 합성 가스의 급랭은 급랭기 또는 분무 건조 흡수기에서 정상적으로 수행되어 신속한 급랭이 상기 온도 범위 사이에서 수행되는 것을 보장하도록 한다. 합성 가스 내로의 활성 탄소 주입에 의해 탄소 표면상의 푸란 및 다이옥신이 흡수되고, 이어서 백하우스 필터에서 제거된다.
디미스터(demister) 또는 재가열기는 또한 수분 제거 및/또는 응축의 방지를 위해 결합될 수 있다. 연료 가스를 하류의 발전 장비에 의해 요구되는 유입 온도로 재가열하기 위해 열교환기가 포함될 수 있다. 선택적으로 연료 가스를 하류의 발전 장비에 의해 요구되는 주입 온도로 압축하기 위해 압축기가 또한 포함될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 습도 제어 수단은 GQCS(20)의 일 부분일 수 있다. 습도 제어 수단의 기능은 배출 가스의 습도가 이용되는 하류 장치에 적절하게 되는 것을 보장한다. 예를 들면, 습도 제어 수단은 가스 스트림을 냉각하기 위한 냉각기를 포함하여, 가스 스트림으로부터 나오는 물의 일부를 응축할 수 있다. 이러한 물은 가스/액체 분리기에 의해 제거될 수 있다. 일 실시예에서 가스 스트림의 이러한 처리는 GQCS(20)로부터 나오는 가스 스트림이 26℃에서 약 80%의 습도를 갖는 것을 보장한다. 그런 다음, 가스는 저장될 수 있다(예를 들면, 가스 저장 장치(23) 내에).
또 다른 실시예에서, 가스 처리 서브시스템은 이산화 탄소의 회수를 위한 수단 및/또는 암모니아의 회수를 위한 수단을 포함할 수 있다. 적절한 수단이 종래기술에 공개되어 있다.
제품 가스는 또한 화학적 조성을 결정하기 위한 가스 크로마토그래피(GC)를 위해 샘플링된다. 이러한 분석을 위한 샘플 지점은 제품 가스 취급/오염물 제거 서브시스템 전체에 걸쳐 산포되어 있다.
일 실시예에서, 제어 서브시스템(200)은 GQCS(20) 내의 작동 상태를 포함하여 변환 시스템 내의 작동 상태를 조정하기 위한 수단을 포함하여, 변환 프로세스의 순수 전체 에너제틱스를 관리하고 석탄을 특별한 화학적 및 물리적 성분을 가지는 제품 가스로 변환하는 동안 변동성의 특정 범위 내에 반응 상태를 위한 설정점을 유지시킨다. 이러한 시스템은 자동화되어 다양한 가스화 시스템에 적용될 수 있다.
제어 서브시스템(200)은 아래의 기능을 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 제어 서브시스템(200)은 GQCS(20)의 프로세스에서 효율의 감소 또는 선택적인 기능적 결함을 감지하여 가스 스트림을 백업 프로세스 또는 백업 조절 시스템으로 전환할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제어 서브시스템(200)은 GQCS(20)의 단계들을 미조정하고, 최적 상태로부터 변화를 최소화하는 수단을 제공할 수 있다.
본 발명의 제어 서브시스템(200)은 GQCS(20)를 통한 가스 스트림의 화학적 조성, 프로세스의 가스 유동 및 열적 매개변수를 분석하기 위한 모니터링 수단(202), 및 배출 가스의 성분 및 처리의 효율을 최적화하도록 GQCS(20) 내의 상태를 조정하기 위한 조절 수단(206)을 포함할 수 있다. 반응물에 대해 진행중인 조정(예를 들면, 충분한 체류 시간으로 활성화된 탄소 주입, 산성 가스 스크러버를 위한 pH 제어)은 이러한 프로세스가 설계 사양에 따라 효율적이고 최적화되게 실시되는 것을 보장하는 방식으로 실행될 수 있다.
제품 가스를 조절하기 위한 서브시스템
본 발명의 석탄 가스화 시스템은 또한 선택적으로, 예를 들면, 제품 가스의 화학 성분을 균질화하고 하류의 요건을 충족하도록 제품 가스의 유동, 압력 및 온도와 같은 다른 특성을 조절함으로써 제품 가스를 조절하기 위한 수단을 제공한다. 제품가스 조절 서브시스템(22)은 가스 터빈(24) 또는 엔진과 같은, 하류 장치로 전달되는 한정된 특성의 가스의 연속적이고 정상적인 스트림을 가능하게 한다.
본 기술분야의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이, 가스화 프로세스는 조성, 온도 또는 유량이 변화하는 가스를 생산할 수 있다. 제품 가스의 특성에서의 변동을 최소화하기 위해, 일관된 특성을 가지는 제품 가스를 하류의 장비로 전달하기에 유용한 포획 수단(capturing means) 형태의 가스 조절 시스템(22)이 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 가스화 프로세스의 기상 제품(gaseous product)을 포집하여 균질화 챔버(25) 등에서 가스 조성의 화합물에서의 변동을 감쇄시키는 가스 조절 시스템(22)이 제공된다. 시스템의 다른 요소는 선택적으로 유동, 온도 및 압력과 같은 특성을 조정하여 하류 장치에서 수용가능한 범위 내에 들어가도록 한다. 이로써, 시스템은 제품 가스의 특성을 조절하여 가스 엔진 또는 가스 터빈(24)과 같은, 하류 장치로 전달하기 위한 일관된 특성을 가지는 가스의 연속 스트림을 생성하도록 한다.
특히, 본 발명의 선택적 제품 가스 조절 시스템(22)은 일관된 출력 조성의 균질한 가스를 얻기에 충분한 체류 시간을 수용하도록 설계되는 치수를 가지는, 가스 균질화 챔버(25)(도 1) 등(예를 들면, 도 1 및 도 2의 가스 압축기(21), 도 4의 가스 저장 장치(23) 등)을 제공한다. 본 발명의 가스 균질화 시스템의 다른 요소는 하류 장치의 가스 성능 요구조건을 충족하도록 설계된다. 시스템은 또한 프로세스의 출력 및 에너제틱스를 최적화하도록 제어 서브시스템(200)을 포함한다.
본 발명의 조절 시스템(22)으로 들어가는 제품 가스의 조성은 가스화 프로세스에서 결정된다. 가스화 프로세스 동안 이루어지는 조정은 제품 가스가 특정 장치(예를 들면, 가스 터빈(24) 또는 전기 발생을 위한 연료 전지 장치(26))를 위해 최소화되도록 한다. 따라서, 제품 가스의 성분은 가스화 프로세스의 작동 매개변수를 조정함으로써, 사용되는 상이한 타입의 석탄 및 프로세스 첨가물에 따라, 특정 에너지 발생 기술(예를 들면, 특정 가스 엔진 또는 가스 터빈(24)을 위한), 및 최상의 총체적 변환 효율에 맞추어질 수 있다.
가스화 시스템으로부터 나오는 제품 가스는 목표 성분의 한정된 범위 내에 있을 수 있지만, 시간이 경과됨에 따라 제품 가스는 석탄 성분 및 공급 속도뿐만 아니라 공기 유동 및 온도 변화와 같은 가스화 프로세스에서의 변화에 의해 자신의 특성을 변화시킬 수 있다.
제품 가스의 조성 제어와 유사하게, 제품 가스의 유량 및 온도는 최종 사용에 의해 한정된 소정의 허용오차 내에 가스의 매개변수를 유지하도록, 예를 들면 모니터링 수단(202)을 통하여 모니터링되고, 예를 들면, 조절 수단(206)을 통하여 가스화 시스템에서 제어될 수 있다. 이러한 제어와 상관없이, 제품 가스의 온도 및 유량에서의 변화가 시간이 경과함에 따라 발생하게 된다. 유량의 경우, 이러한 변동은 초 대 초 기준(second to second basis)으로, 그리고 온도는 분당 기준(per minute basis)으로 발생될 수 있다.
특별한 적용 장비의 요구조건을 충족하는 특정 조성을 가지는 가스로의 제품 가스의 변환은 본 발명의 조절 장치에서 이루어질 수 있다. 조절 시스템은 제품 가스 투입 수단, 조절 가스 유출 수단, 및 선택적으로 비상 배출 포트를 가지는 하나 이상의 가스 균질화 챔버(25)를 포함한다.
제품 가스 균질화 챔버(25)는 가스화 시스템으로부터 생산되는 제품 가스를 수용하여 균질화 챔버(25) 내의 제품 가스의 화학적 조성 내의 소정의 변동을 감쇄하도록 제품의 혼합을 촉진한다. 압력, 온도 및 유량과 같은, 다른 가스 특성의 변동도 제품 가스를 혼합하는 동안 감소된다.
챔버의 치수는 하류 기계의 요구조건 및 상류 가스화 시스템의 성능 특성에 따라 설계되며, 가능한 한 챔버의 치수를 최소화하는 것이 목적이다. 가스 균질화 챔버(25)는 가스화 프로세스로부터 제품 가스를 수용하도록 설계되어, 가스가 소정의 체류 시간에 대해 가스의 충분한 혼합에 의해 일관된 화학적 조성을 가진 일정 체적의 가스를 얻도록 한다.
체류 시간은 다음 장비로 향하기 전에 제품 가스가 균질화 챔버(25)에 남아 있는 시간의 양이다. 체류 시간은 수용된 허용오차 값 내에 들어가는 가스 조성을 달성하기 위하여, 가스화 반응 내의 변동의 변수를 교정하는 데 관련된 가스화 시스템의 응답 시간에 비례한다. 예를 들면, 가스 조성은 특별한 하류 장치를 위해 허용되는 가스 조성 허용오차 내에 있는지 여부를 결정할 뿐만 아니라, 편차를 교정하도록 가스화 프로세스에 대한 어떠한 조정을 하기에 충분히 긴 균질화 챔 버(25) 내에 유지된다.
또한, 균질화 챔버(25) 내의 제품 가스의 체류 시간은 제품 가스 특성에서의 변화양에 의해 결정된다. 즉, 제품 가스 특성에서의 변화가 작을 수록, 편차를 교정하기 위해 균질화 챔버(25)에서 요구되는 체류 시간이 짧아진다.
선택적 가스 조절 서브시스템(22)은 균질화 챔버(25)에서의 충분한 체류 시간을 제공하도록 설계된다. 일 실시예에서, 가스 조절 서브시스템(22)은 적어도 1초의 체류 시간을 제공한다. 또 다른 실시예에서, 가스 조절 서브시스템(22)은 2초보다 긴 체류 시간을 제공한다. 또 다른 실시예에서, 가스 조절 서브시스템(22)은 2 내지 10초의 체류 시간을 제공한다. 또 다른 실시예에서, 가스 조절 서브시스템(22)은 30초까지의 체류 시간을 제공한다.
본 발명의 선택적 조절 시스템(22)으로부터 나오는 조절 가스는 하류 장치의 사양을 충족하는 안정화된 특성을 가진다. 통상적으로, 기계 제작자는 특정 기계류에 의해 허용되는 요구조건 및 허용오차를 제공하며 그것은 본 기술분야의 기술자에게 공지되어 있다.
가스화 시스템의 이용/그 프로세스
본 발명의 시스템에 따른 시스템은, 일반적으로 가열 및 건조되어 건조된 공급원료 내의 휘발 성분이 휘발되는 가스화 반응 용기(14) 내로 석탄을 통과시키는 단계를 포함하는 석탄의 가스화 프로세스를 이용하여 석탄을 가스화한다. 본 발명의 일 실시예에서, 가열된 공기는 결과적인 숯을 기상 성분으로 완전히 변환하여 회분 부산물을 남기도록 추가로 구동하기 위해 이용된다. 조합된 제품의 건조, 휘 발 및 연소 단계는, 일산화탄소, 이산화 탄소, 수소 및 스팀을 포함하는 고온 기상 제품으로 오프가스를 변환하기 위하여 플라즈마 열원(15)으로부터의 열에 의해 추가로 처리되는 오프가스를 제공한다. 스팀 및/또는 공기/산화제 프로세스 첨가물(38)은 가스화 단계 및/또는 오프가스 변환 단계에 선택적으로 부가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 프로세스는 슬래그 제품을 형성하도록 부산물 회분을 제 2 플라즈마 열원(44)에 의한 가열로 처리하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 프로세스는, 열 교환 서브시스템(18)을 통하여 고온 제품 가스를 통과시키는 단계, 고온 가스로부터 냉각제로 열을 전달하는 단계를 더 포함한다. 일 실시예에서, 냉각제는 공기이다. 또 다른 실시예에서, 냉각제는 산소 또는 산소 부화 공기로부터 선택된 산화제이다.
본 발명의 프로세스는 선택적으로 냉각된 가스 제품을 제 2 열 교환기(18)로 통과시키는 단계, 더 냉각된 가스 제품 및 스팀을 생성하도록 물인 냉각제로 냉각 가스로부터의 열을 전달하는 단계를 선택적으로 포함한다.
본 발명의 프로세스는 예를 들면 가스화 프로세스를 구동하는 열을 생성하고 회전하는 기계류를 구동하고, 그리고 플라즈마 열원(15, 44)에 동력을 공급하기 위해 소모되는 전기의 양을 상쇄함으로써 순수 변환 효율을 최대화한다. 전기 발생의 목적을 가지는 장치에 있어서, 효율은 스팀 터빈(52)에 동력을 공급하기 위한 스팀을 발생시키기 위한 현열의 회수를 통하여 그리고 제품 가스를 이용하여 발생되는 에너지의 양(예를 들면, 가스 터빈(24)으로 동력을 공급하기 위한 또는 연료 전치 기술(26)에서)과 전체 가스화 프로세스에 의해 소모되는 에너지를 비교함으로 써 측정된다.
가스화 프로세스는 하나 이상의 석탄 투입 속도, 제품 가스 유량, 공기/산화제 및/또는 스팀 프로세스 첨가물 투입 속도, 시스템의 압력, 및 유량에서의 측정된 변화를 기초로 하는 플라즈마 열원으로 공급되는 동력의 양, 제품 가스의 온도 및/또는 조성을 조정하는 교정(또는 피드백)형 제어 단계를 더 포함할 수 있다. 피드백 제어 단계는 제품 가스의 유량, 온도 및/또는 조성이 수용가능한 범위 내에서 유지되도록 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 프로세스는 가스화 반응 용기(14)에 첨가되기 전에 석탄을 예열하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 가스화 프로세스는 석탄을 가스화하기 위해 적절한 온도로 가스화 반응 용기(14)를 가열하기 위해 가스-공기 열 교환기(48)로부터 가열된 공기 또는 다른 산화제를 이용한다. 시스템(10)의 시작 단계에서 통상적으로 이용되는, 이러한 실시예에서, 공기가 시스탬 내로 공급되고, 그 결과 공기가 플라즈마 열에 의해 가열되어 가열된 공기를 발생하기 위해 가스-공기 열 교환기(48)에 유입되는 고온 시작 가스를 제공하도록 한다. 가열된 공기는 가열된 공기 유입 수단으로 전달되어 가스화 반응 용기(14)를 가열함으로써, 전체 프로세스가 화석 연료의 이용 없이 작동될 수 있다.
본 발명은 특정 예를 참조하여 설명될 것이다. 아래의 예는 본 발명의 일 실시예를 설명하기 위한 것이지 어떠한 방식으로든 본 발명을 제한하려는 것이 아님을 이해하여야 한다.
실시예
일반적으로, 본 발명의 시스템은, 공급 원료가 가스와 반응이 일어나도록 하는 충분한 열을 받는 가스화 반응 용기(14) 내로 플라즈마 열원(15), 가열 공기 또는 적절할 수 있는 임의의 다른 열원과 같은 소스로부터의 열과 함께 석탄을 공급하는 데 사용된다.
석탄의 가열은 어떤 잔류 수분의 제거와 어떤 휘발 성분의 휘발을 초래하여 부분적으로 산화된 숯 제품을 제공한다. 부분적으로 산화된 숯 제품을 추가로 가열하는 것은 숯을 그것의 가스 조성으로 완전히 변환시키어, 회분 부산물을 남기고, 이것은 이어서 더욱 가열되어 슬래그로 변환될 수 있다.
여분의 산소는 가스화 반응 용기 내로 주입되어 일산화 탄소, 이산화 탄소 및 탄소 입자를 생성시키는 발열 반응을 개시 또는 증가시킨다. 가열된 공정 공기에 의해 선택적으로 제공된 열과 함께 발열 반응은 가스화 반응 용기(14)의 공정 온도를 상승시킨다.
일 실시예에서, 공정 온도는 보다 낮은 그리고 보다 높은 온도를 생각할 수 있지만, 약 1000 및 약 1300℃ 사이가 된다. 본 발명의 일 실시예에서, 공정은 반응 용기 내에서의 평균 가스화 온도가 약 1000℃±100℃인 것을 채용하고 있다.
개질
가스화 반응 용기(14)에 형성된 오프가스는 플라즈마 열원(15)으로 더욱 가열되고 선택적으로 스팀 처리된다. 이들 반응들은 주로 흡열 반응이다. 본 발명의 일 실시예에서, 온도는, 반응을 적절한 수준에 유지시켜 오염 제품을 최소화하면 서, 특수한 가스 제품으로의 완전한 변환을 보장하기에 충분히 높은 범위로 유지된다. 일 실시예에서, 온도 범위는 약 900℃ 내지 약 1300℃이다. 적절한 온도 범위는 당업자에 의해 용이하게 결정될 수 있다.
개질 단계에 첨가된 스팀은 특수한 조성을 갖는 가스 제품 형성을 보장하지만, 또한 그 가스의 출구 온도를 감소시키도록 작용한다. 일 실시예에서, 가스 제품의 출구 온도는 약 900℃ 및 약 1200℃ 사이로 저하된다. 다른 실시예에서, 가스 제품의 출구 온도는 약 1000℃±100℃의 평균 온도로 저하된다.
한 예시적인 실시예에서, 석탄, 산소, 스팀 및 플라즈마 열원(15)으로의 동력의 양은 출구 합성 가스, 출구 합성 가스의 출구 온도 및 출구 가스 조성의 유량의 모니터링에 근거하여 결정될 수 있다.
도 15 및 도 16을 특히 참조하면, 라인(100,102)을 통한 유출 가스의 일산화 탄소 및 이산화 탄소 유량의 수치는 라인(104)에서의 석탄의 공급율의 수치(예컨대, 조절 수단(206-1)을 통하여 얻어진)과 함께 제 1 프로세서(로직 박스(30)로 도시됨) 내로 투입된다. 제 1 프로세서(30)는 가스화 반응 용기(14)의 탄소양을 추정하고 그것에 대응하여 석탄 공급율을 조정한다.
퍼센트 일산화 탄소 및 퍼센트 이산화 탄소 수치의 척도를 제공하는 제 1 프로세서(30)로부터의 유출물은, 라인(108)을 통한 퍼센트 수소의 수치와 스팀 (즉, 조절 수단(206-2)을 경유하는) 및 라인(110)을 통한 산소(즉, 조절 수단(206-3)을 경유하는)의 수치와 함께, 라인(106)을 통하여 제 2 프로세서(로직 박스(32)로 도시됨)로 투입된다. 제 2 프로세서(32)는 특정한 가스 조성을 달성하기 위해서 새 로운 산소 및 스팀 주입을 추정한다.
제 2 프로세서(32)로부터의 유출물은 라인(114)을 경유하는 출구 가스 온도 수치를 나타내는 유입과 함께 라인(112)을 통하여 제 3 프로세서(34) 내로 투입된다. 제 3 프로세서(34)는 라인(116)을 통한 동력 출력(즉, 조절 수단(206-4)에 보내진)을 출력하는 새로운 플라즈마 열원 동력(즉, 플라즈마 토치)을 연산한다.
부산물 회분의 용융
본 발명의 일 실시예에서, 숯 연소 단계의 고체 회분 부산물은 제 2 플라즈마 열원(44)으로의 용융에 의해 더욱 가공된다. 입자들이 슬래그 풀에 동반될 때에 모든 휘발성분 및 탄소가 완전히 제거되는 것을 보장하도록 충분한 시간이 허용된다. 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 체류 시간은 입자 크기의 함수이다. 제 2 플라즈마 열원(44)에 의해 발생된 열은 슬래그를 균질화시키고, 그것을 열간 상태에서 추출되도록 한다. 플라즈마 열원(44)은 슬래그를 약 1100℃ 및 약 1600℃ 사이의 온도로 가열시킨다. 일 실시예에서, 그 온도는 약 1400℃ 내지 약 1650℃이다. 온도 프로화일의 이 조작은 열 그리고 나중에 가스화 반응 용기(14)의 저부에서 슬래그 급랭을 위한 물이 낭비되는 것을 피하도록 돕는다.
비록 본 발명이 어떤 특정한 실시예를 참조하여 기술되었지만, 그것의 다양한 변형이 이곳에 첨부된 청구범위에 나타난 본 발명의 범위를 이탈함이 없이 당업자에게 명백할 것이다.
다음의 실예들은 통합 가스화 조합 사이클(IGCC) 발전에 적절한 가열 값을 가진 합성 가스를 생성하는 두 개의 낮은 등급 석탄, 갈탄 및 아역청탄(표 1 참조) 의 가스화를 비교하도록 제공되었다.
다음의 두 실시예는 IGCC에의 사용에 적절한 합성 가스를 제공하는 데 필요한 작동 파라미터를 보여주기 위해 제공되었는데, 조합 사이클은 하나의 가스 터빈(42MW)과 하나의 스팀 터빈으로 구성된다. 본 예에서는, GE MS6001B 조합 사이클이 두 경우 모두에 대해서 목표 모델로서 선택되고, 네트 플랜트 동력 출력은 약 64MW이다. 본 실시예에 따르면, 조합 사이클의 전반적인 효율은 통상적인 석탄-화력 발전 플랜트의 효율(30-33%)보다 훨씬 높은 45% 이상에 도달될 수 있다.
가스화 반응 용기는 동반된 유동 또는 유동상 타입 반응기 중의 하나에 근거할 수 있다. 공기 분리 유니트(ASU)가 95% 산소를 주 산화제로서 공급할 것이다. 고체 잔류물은 높은 온도의 플라즈마 토치에 의해 슬래그로 전환될 것이다. 변환기로부터의 미처리(raw) 가스는 미세 입자 및 황의 제거와 같은 추가적 가스 세정 공정 전에 냉각되고 세정된다. 상기 세정되고 조절된 합성 가스는 가스 터빈 내로 공급되고 전기를 발생시키도록 연소된다. 고온의 배연 가스는 열 회수 스팀 발생기(HRSG)로 도입되는데, 그 발생기는 스팀 터빈에 스팀을 공급하여, 전기 발생 능력을 부양시킨다.
표 1. 갈탄 및 아역청탄 조성
석탄 형태 C H O N S 수분 HHV Btu/lb
갈탄 40.6% 6.9% 45.1% 0.6% 0.9% 36% 7000
아역청탄 50.5% 6.2% 35.5% 0.7% 0.3% 25% 8560
주: C, H, O,… 분획은 중량 기준임
공급원료로서의 갈탄
가스화 반응 용기는 2 atm 내지 10 atm 압력 범위 하에서 1000℃ 내지 1100℃의 온도 범위에서 작동된다. 석탄 투입율은 1309 T/day로 제어되고, 10% 수분까지 예비 건조된다. 사용된 산화제는 95% 순도 산소이고, 약 205 SCFM(463 T/day)의 산화제 투입 비율로 제공된다. 냉각 및 세정 후의 합성 가스는 9.1MJ/m3의 가열값을 갖는 35.6% H2와 31.4% CO로 구성된다. 건조 세정 합성 가스의 체적 유량은 약 47,323 m3/hr 이다. 얼마나 많은 에너지가 고체 연료로부터 합성 가스로 전달되는냐를 고려할 때에, 냉각 가스 효율은 약 85%이다.
공급원료로서 아역청탄
가스화 반응 용기는 2 atm 내지 10 atm 압력 범위 하에서 1100℃의 평균 온도에서 작동된다. 석탄 투입율은 617 T/day로 제어되고 10% 수분까지 예비 건조된다. 사용된 산화제는 95% 순도 산소이고, 약 85 SCFM(127 T/day)의 산화제 투입 비율로 제공된다. 냉각 및 세정 후의 합성 가스는 10.2 MJ/m3의 가열값을 갖는 45.0% H2와 30.5% CO로 구성된다. 건조 세정 합성 가스의 체적 유량은 약 51,400 m3/hr 이다. 가스화 시스템의 냉각 가스 효율은 약 86%이다.
표시된 바와 같이, 유사한 가열값을 갖는 가스 생성을 위한 아역청탄 및 갈탄의 가스화 비교는, 갈탄의 가스화가 산화제로서 더 많은 산소를 소비하고 가스터빈에 대해서 적은 합성 가스를 생성하고 있음을 보여주는데, 이는 동일한 양의 전기를 발생시키는 데 아역청탄보다 많은 갈탄이 필요하다는 것을 의미한다. 공급원 료로서의 갈탄의 냉각 효율은 또한 예상되는 갈탄의 그것보다 낮다. 그러나 본 실시예는 퍼센트 가스화 시스템이 낮은 등급 석탄을 IGCC 발전에 적합한 열량을 갖는 합성 가스로 전환하는 데 사용될 수 있다는 것을 보여준다.
공고된 특허 출원을 포함하는 모든 특허, 출판물 및 본 명세서에 참조된 데이터베이스 엔트리들은, 각각의 그러한 개별적인 특허, 공보 및 데이터베이스 엔트리가 특별히 그리고 개별적으로 참조로서 포함되는 것으로 나타난 것 처럼, 동일한 정도로 그 전체로서 원용되어 포함된다.

Claims (14)

  1. 석탄을 특정 조성의 가스로 변환하기 위한 시스템으로서,
    하나 이상의 처리 존(processing zone), 하나 이상의 플라즈마 열원, 조정가능한 석탄 공급 속도로 석탄을 가스화 반응 용기에 첨가하기 위한 하나 이상의 석탄 투입 수단, 조정가능한 프로세스 첨가물 공급 속도로 가스화 반응 용기에 프로세스 첨가물을 첨가하기 위한 하나 이상의 프로세스 첨가물 투입 수단, 및 유출 가스를 위한 하나 이상의 출구를 포함하는 가스화 반응 용기;
    고체 잔류물 취급 서브시스템;
    가스 품질 조절 서브시스템; 및
    데이터가 발생하도록 하나 이상의 시스템 매개변수를 측정하기 위한 시스템 모니터링 수단, 상기 시스템 모니터링 수단에 의해 발생되는 데이터를 수집하여 분석하기 위한 연산 수단, 및 상기 시스템 전체에 걸쳐 위치되는 하나 이상의 시스템 조절기를 변화시키기 위해 적절한 신호를 송신하는 출력 수단을 포함하는 통합된 제어 시스템을 포함하며,
    상기 제어 시스템은 하나 이상의 시스템 매개변수를 모니터링하여 적절한 시스템 조절기로 신호를 송신하여 상기 하나 이상의 조절기를 변화시킴으로써 특정 조성의 제품 가스를 생성하도록 하는,
    석탄을 특정 조성의 가스로 변환하기 위한 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    열 회수 시스템을 추가로 포함하고, 성가 열 회수 시스템은 하나 이상의 가스-공기 열교환기, 및 상기 제품 가스를 상기 하나 이상의 가스-공기 열 교환기로 전달하기 위한 수단을 포함하고, 상기 전달 수단은 하나 이상의 유출 가스 출구와 유체 연통되어 있는 것을 특징으로 하는, 석탄을 특정 조성의 가스로 변환하기 위한 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 열 회수 시스템은, 하나 이상의 열 회수 스팀 발생기, 및 제품 가스를 상기 하나 이상의 열 회수 스팀 발생기로 전달하기 위한 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 석탄을 특정 조성의 가스로 변환하기 위한 시스템.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 가스 품질 조절 서브시스템은 하나 이상의 입자상 물질(particulate matter) 제거 수단, 산성 가스 제거 수단, 중금속 제거 수단 및 상기 가스 품질 조절 서브시스템을 통과할 때에 가스의 습도 및 온도를 조절하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 석탄을 특정 조성의 가스로 변환하기 위한 시스템.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    제품 가스 조절 서브시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 석탄을 특정 조성의 가스로 변환하기 위한 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제품 가스 조절 서브시스템은 균질화 탱크인 것을 특징으로 하는, 석탄을 특정 조성의 가스로 변환하기 위한 시스템.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세스 첨가물 투입 수단은 하나 이상의 스팀 입구, 하나 이상의 산화제 입구 또는 그 양자인 것을 특징으로 하는, 석탄을 특정 조성의 가스로 변환하기 위한 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 산화제가 공기, 산소 또는 산소-부화 공기(oxygen-enriched air)인 것을 특징으로 하는, 석탄을 특정 조성의 가스로 변환하기 위한 시스템.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 잔류물 취급 서브시스템은 고체 잔류물 조절 챔버, 플라즈마 가열 수단 및 슬래그 유출 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 석탄을 특정 조성의 가스로 변환하기 위한 시스템.
  10. 석탄을 특정 조성을 가진 가스로 변환하기 위한 방법으로서,
    석탄 투입 속도로 석탄을 가스화 존 내로 통과시키는 단계;
    프로세스 첨가물 투입 속도로 프로세스 첨가물을 상기 가스화 존 내로 통과시키는 단계;
    석탄을 가열하여 오프가스(off-gas) 및 부산물 회분을 생성하는 단계;
    상기 오프가스를 개질 존(reforming zone)에 통과시키는 단계;
    상기 오프가스를 플라즈마 열원으로 가열시키는 단계; 및
    상기 오프가스를 합성 가스로 변환하기 위해 스팀 주입 속도로 스팀을 상기 오프가스에 첨가하는 단계를 포함하는,
    석탄을 특정 조성의 가스로 변환하기 위한 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 부산물 회분을 용융 존 내로 통과시키는 단계;
    상기 부산물 회분을 슬래그로 변환시키고 상기 슬래그를 용융 상태로 유지시키도록 부산물 회분을 슬래그 조절 플라즈마 가열원에 의해 가열시키는 단계;
    상기 용융 존에서 상기 용융 슬래그를 고갈시키는(exhausting) 단계; 및
    상기 용융 슬래그를 냉각하여 유리질 슬래그를 제공하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 석탄을 특정 조성의 가스로 변환하기 위한 방법.
  12. 제 10항 또는 11항에 있어서,
    상기 제품 가스의 조성을 모니터링하는 단계, 상기 제품 가스의 유동을 모니터링 하는 단계 및 상기 제품 가스의 온도를 모니터링하는 단계 중 하나 이상을 포함하는 교정 피드백 공정(corrective feedback procedure)을 추라고 포함하는 것을 특징으로 하는, 석탄을 특정 조성의 가스로 변환하기 위한 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 교정 피드백 공정은, 특정한 제품 가스 조성을 제공하기 위해서, 석탄 투입 속도, 산소 주입 속도 및 스팀 주입 속도 중 하나 이상을 조절하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 석탄을 특정 조성의 가스로 변환하기 위한 방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 교정 피드백 공정은, 상기 합성 가스 조성에서의 측정된 변화를 보상하기 위해서, 석탄 투입 속도, 산소 주입 속도 및 스팀 주입 속도 중 하나 이상을 조절하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 석탄을 특정 조성의 가스로 변환하기 위한 방법.
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