KR20080063838A - 고품질의 합성 기체를 발생시키기 위해 높은 온도 및 외부전력 공급으로 바이오매스와 유기 폐기물을 기체화하는장치 - Google Patents

고품질의 합성 기체를 발생시키기 위해 높은 온도 및 외부전력 공급으로 바이오매스와 유기 폐기물을 기체화하는장치

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KR20080063838A
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꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄
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Abstract

본 발명은, 상기 재료의 흐름을 주입하고 적어도 하나의 플라즈마 소스를 배치시키는 개구부(12, 12', 13, 13', 14)를 구비하며, 상기 재료의 흐름의 균질한 혼합물을 위한 영역(300)과 적어도 하나의 플라즈마 제트(200, 200')를 형성하며, 처리되는 재료 및 플라즈마를 혼합하는 체임버(1); 및
상기 체임버의 개구부와 축방향으로의 연장부와 연결되며, 상기 재료와 상기 플라즈마의 혼합물의 반응을 위한 영역(5a, 5b);을 구비하는 재료의 기체화 장치에 관한 것이다.

Description

고품질의 합성 기체를 발생시키기 위해 높은 온도 및 외부 전력 공급으로 바이오매스와 유기 폐기물을 기체화하는 장치{Device for gasifying biomass and organic wastes at a high temperature and with an external power supply for generating a high-quality synthesis gas}
본 발명은 매우 낮은 불순물 및 수소와 일산화 탄소가 많은 고품질의 합성 기체 생산을 위해 미리 처리되거나(pretreated) 처리되지 않은 바이오매스(biomass), 및/또는 고체 및/또는 액체 및/또는 기체 유기 폐기물(gaseous organic waste)을 기체화(gasification)하는 장치에 관한 것이다.
수많은 과정들은 전환 가능한(convertible) 기체를 발생시키기 위해 바이오매스와 유기 폐기물 에너지 전환(conversion)을 필요로 한다. 상기 기체는 하류의(downstream) 동시 발생(co-generation) 과정에 넣거나, 만약 상기 기체의 품질이 그것을 허용한다면, 예를 들면, 연료 합성(특히, 피셔-트로프쉬(Fischer-Tropsch) 타입)과 같은 화학적인 과정에서 반응물(reactant)로서 제공되는데 이용될 수 있다.
많은 간행물들은 합성된 기체를 발생시키는 다양한 바이오매스 기체화 기술을 설명한다.
그러므로, 동일한 또는 반대 방향으로(co- or counter-current) 그리고 가압된(pressurized) 또는 가압되지 않은(non-pressurized) 고정된(fixed) 반응 기구들(bed reactors)이 알려져 있다. 다음의 특허들은 예로서 설명된다: 미국 특허 제4643109호(US 4643109), 제5645615호(US 5645615), 또는 제4187672호(US 4187672). 많은 대체안들은 상기 타입의 장치에서 실행되는 탄소 전하(charge)의 전환 레벨(level)을 증가시킨다는 점에서 관찰되었다. 그러나, 상기 기술들은 상기 전환을 최적화시킬 수 없으며, 특히 메탄(methane) 및 타르(tars)와 같은 더 무거운 유기물들의 형성을 최소화할 수 없다.
또 다른 예는 영국 특허 제2160219호(GB 2160219)에서 제공된다.
상기 문건은 석탄 또는 토탄(peat)과 같은, 탄소 재료로부터 CO2 및 H2로 주로 이루어진 뜨거운 기체를 생산하기 위해 플라즈마 토치(plasma torch)를 실행하는 기체화 과정을 설명한다. 상기 탄소 재료는 분말 형태로, 산화제와 동시에, 연소 체임버(chamber)에 도입된다. 상기 탄소 재료는 상기 플라즈마 흐름(plasma flow)에 집중된 전하(charge)를 분사(injection)하는 모드에 대응하는 상기 플라즈마 발생기 주변에 배열된 고리 모양의 도관(annular conduit)에 의해, 또는 상기 플라즈마 흐름에 대한 전하의 측면 분사 모드에 대응하는 분무기(sprayer)에 의해, 상기 기체화 체임버에 도입된다. 상기 문건에서, 상기 기체화 체임버는 실린더 형태를 갖는다.
고체 탄소 재료 배드(bed)로 채워진 탱크는 상기 기체화 체임버의 그것과 거 의 수직한 축을 갖는다. 그것은 상기 기체화 체임버로부터 나오는 기체 혼합물의 CO2 및H2O 구성물을 감소시킨다.
영국 특허 제2160219호(GB 2160219)에 제시된 상기 장치의 단점은 상기 과정과 관련된 상기 장치의 현저한 열 관성(thermal inertia)이다. 상기 전체 장치는 많은 양의 내화 재료(refractory material)로 단열되어야 하며, 상기 내화 재료는 아주 큰 추가적인 비용을 야기하며, 상기 장치의 크기를 증가시킨다. 상기 장치는 또한 상당한 관성을 가지며, 상기 플라즈마 토치의 큰 유연성과 상기 반응 영역들의 매우 현저한 관성은 서로 구별된다.
또한, 매우 높은 점도를 갖는 플라즈마 흐름이 상기 분사된 재료를 투과하지 못하거나 거의 투과하지 못하는 것과 같이, 상기 플라즈마 흐름과 상기 재료 사이의 혼합은 상기 기체화 체임버의 실린더 형태에서 매우 제한된다. 매우 높은 온도를 가지며(상기 플라즈마의 평균 온도보다 더 늪은 온도, 즉 비-전이된(non-transferred) 아크 플라즈마 토치들에서 5000K 이상의 더 높은 온도, 상기 결과는 사익 토치 내부 중심에 있는 전기 아크로 상기 기체를 가열함으로써 야기된다), 그러므로 매우 높은 점도를 갖는, 상기 플라즈마 흐름의 중심축 부분이, 종래에 알려진 기체화 체임버 형태에서, 상기 분사된 재료에 도달하기 어렵게 되는 것으로 남겨져 있는 한, 상기 혼합물은 더욱더 불완전하다.
또한, 상술된 상기 반응기의 외삽법(extrapolation)은 특정 크기와 특정 처리 능력을 넘어서 제한된다. 특히, 상기 기체들을 위한 열점들(hot spots) 또는 통로들의 존재(occurrence)는 특정 크기를 넘는 불리한 제한들을 구성하며, 상기 크기는 수 많은 파라미터들에 의존하며, 특히 처리되는 전하의 특성(the charge to be treated)에 의존한다.
가압되거나 되지 않는, 재순환 루프를 통합하거나 하지 않는, 유체화된 반응기들이 또한 알려져 있다. 예를 들면, 미국 출원 제2004/0045279호(US 2004/0045279)는 상기 기체화 영역과 연소 영역 사이를 구별하는 상기 시스템을 나타내며, 상기 기체화에서 발생되는 탄소 전하 및/또는 상기 기체의 일부분은 흡열성의(endothermal) 상기 기체화에 요구되는 에너지를 제공하는데 이용된다.
상기 타입의 기술에 대응하는 대부분의 과정들은, 특히 기체화되는 상기 재료들 중 재(ash) 내용물에 따른, 상기 반응기의 가능한 응집 작용(agglomeration)에 관한 온도 제한(~1000℃)을 갖는다. 다른 문제점은 열 전달 유체(heat carrier fluid) 또는 유체화 작용제의 재순환용 시스템의 부식이다. 그것들의 바이오매스 공급 시스템 때문에, 그러므로 상기 과정들은 압력 제한을 받는다. 또한 그것들의 제한된 작용 온도는 수소와 일산화 탄소의 최적 발생에 적합하지 않다. 수소와 일산화 탄소의 형성을 촉진하기 위해 사익 온도를 증가시키는 것이 필요하다. 미국 특허 제6808543호(US 6808543)에 설명된 것과 같이, 다른 기술들이 제안되었지만, 그것들은 효능에 관하여 여전히 제한이 있다. 또한, 처리되는 전하의 유체화를 불가능하게 만드는 재 응집 작용 현상을 제어하기 위해, 상기 타입의 반응기는 보통 온도, 즉 재의 용융점 이하의 온도에서, 작동한다. 실제로 상기 온도에서의 상기 과정 조건은 상기 타입의 반응기에 의해 발생되는 상기 합성 기체의 제한된 품질에 이른다.
소금이나 녹은(molten) 금속욕(metal bath)에 의해 주로 구성된 반응 매개물(medium)을 갖는 반응기들은 또한 알려져 있다.
미국 특허 제6110239호(US 6110239)에 설명된 것과 같이, 상기 장치들은, 탄소 전하를 일산화 탄소 및 수소로 주로 구성된 기체들로 변환시키는 상기 금속욕들의 능력을 이용한다. 그럼에도 불구하고, 상기 타입의 과정은 비싸고 관리하는데 어려운 내화 재료들의 이행을 필요로 한다. 또한, 상기 타입의 반응기들은 시작과 중단에 열 관성(thermal inertia)을 가지며, 상기 과정을 사용하는데 매우 불리한 사용상 사전 주의사항을 갖는다.
미국 특허 제5620487호(US 5620487)와 미국 특허 제4680035호(US 4680035)에 설명된 것들과 같은, 압력 흐름 반응기들은 고정된 그리고 유체화된 반응기들의 사용 제한을 극복하는 해결책들을 제공한다. 상기 장치들은 일반적으로, 반응기에 들어갈 때 충분한 전환 비율을 보장하기 위해, 처리되는 전하(고체로 들어오는 재료의 입자 크기와 같은)의 준비를 제어하는 것을 필요로 한다. 상기 반응기에서의 온도의 관리 및 제어, 그리고 내화 재료들의 선택에 특히 주의를 기울어야 한다.
미국 특허 제5968212호(US 5968212) 또는 독일 특허 제4446803호(DE 4446803)는 상기 열적 제한을 고려하기 위해, 이중으로 구성되는 내화 영역들과 냉각 영역들을 관리할 수 있다.
기술들 사이의 상기 구별은 별도로 하고, 상기 알려진 과정들은 두 개의 주요 카테고리, 즉 자열(autothermal) 장치들(즉, 흡열성인 그것들의 전환을 보장하 기 위해 상기 바이오매스 및/또는 유기 폐기물의 가열 파워(heating power)을 이용하는 것들)과 소위 알로써멀(allothermal) 과정들(즉, 전환을 보장하기 위해 상기 바이오매스에 의해 구성되는 상기 시스템 외측의 에너지를 사용하는 과정들로서 정의됨)로 분류될 수 있다.
알로써멀 과정들은 일산화 탄소 및 수소의 생산을 증가시킬 수 있다.
소위 알로써멀 기체화 과정들은 천연가스(natural gas)와 같은 연료나 전기를 사용할 수 있다.
만약 그것이, 적어도 일부분에서, 에너지 소스로서의 전기(비용 요소는 별도로 하고, 온실 기체 방출들의 최소화는 결정적인 요소가 될 수 있다)를 적절히 사용된다면, 두 개의 가열 도구들이 파악될 수 있는데, 즉 전기 아크(arc), 및 전이된 또는 비-전이된 아크를 갖는 플라즈마 토치로 파악될 수 있다.
그러므로, 상기 가열 도구들 사용에 기초하는 많은 장치들이 제안되었다. 예로서, 미국 특허 제6173002호(US 6173002) 및 미국 특허 제5544597호(US 5544597)는 각각 상기 전기 아크 및 상기 플라즈마 토치를 인용한다.
상기 장치들의 주된 단점들 중 하나는, 실제 반응물로서 합성 기체를 이용하는 화학적인 과정은 공급하기에 불충분하여, 상기 기체화 반응기의 방출구(outlet)에서 보통의 기체 품질을 지속한다는 것이다. 상기 제한은 상기 아크의 레벨에서 또는 상기 토치에 의해 발생되는 플라즈마 매개물과 상기 바이오매스 및/또는 상기 유기 폐기물의 충분한 접촉을 확보하기가 어렵기 때문이다.
보다 명확하게, 상기 접촉은 전환되는 전체 흐름을 포함하지 않으며 충분히 효과적이기 위해 상기 플라즈마 기체 매개물을 갖는 충분한 혼합물을 구성하지 않는다.
현존하는 모든 기술들은 그것들의 사용 및/또는 그것들의 가능성 제한에 관한 수많은 제약을 포함한다.
종합적으로, 현재 알려진 상기 장치들이 문제점은 다음과 같다.
- 낮은 재료 수율(수소 및 일산화 탄소)
- 생산된 합성 기체의 희석(질소)을 방지하기 위한 산소와 같은 값비싼 반응제 사용의 필요
- 발생된 합성 기체(타르, 등)에서 상기 바이오매스 또는 유기 폐기물의 분해로 나온 생성물의 상당량의 존재(substantial presence). 하류의 화학적 과정(예를 들면, 피셔-트로프크 과정과 같은)에 대한 합성 반응물로서 사용하기에는 상기 기체 혼합물의 품질은 낮다.
- H2/CO 비율의 제어에 관한 낮은 정도(latitude)
- 특히, 시작과 중단 단계에서의 어려운 실행
- 이용된(wear) 상기 내화 재료에 의한 상기 합성 기체의 오염
- 복잡한 제어
- 상기 기체화 반응기를 보호하는데 필요한 많은 양의 내화 성분
- 충분한 수명/가격 비율을 달성하기 위해 상기 내화 재료의 선택에 관한 제약, 상기 선택은 상기 재(ash) 구성(composition) 및 상기 반응기 제어 모드(열적 순환의 빈도)에 의존한다.
- 압력, 상기 전환에 요구되는 높은 반응 매개물 부피하에서 작동하는데 대한 어려움, 상기 전환은 불리한 반응기 크기(열 균형 및/또는 상기 반응기를 싸는데 필요한 내화 재료에 대해)를 야기한다.
- 그리고, 기체(상기 바이오매스 및/또는 유기 폐기물의 사전 처리로부터 잠정적으로 기인될 수 있음)뿐만 아니라 응축된 상태를 전환하기 위한 적은 유연성.
본 발명은 종래기술의 장치들에서 나타내는 몇몇 또는 모든 문제점들을 극복할 수 있다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 본 발명은, 고품질의 합성 기체를 발생시키기 위해서, 열적 플라즈마에 의한 재료의 기체화 장치에 관한 것으로서, 처리되는 전하를 갖는 적어도 하나의 플라즈마 제트(plasma jet)의 균질한 혼합을 가능하게 하는 수단 또는 혼합 체임버를 구비한다. 플라즈마/재료 혼합물 생산의 어려움(실제로, 특히, 상기 플라즈마 제트의 높은 점성)을 고려하기 위해, 본 발명은 상기 플라즈마 매개물에서 처리되는 재료의 가장 통로 및 침투(penetration)를 확보하는 수단을 실행한다(implement).
상기 재료의 분사는 상기 플라즈마 매개물(균질화되는 처리되는 재료 및 플라즈마의 혼합물)로 균질화되는 영역에서 실행된다. 상기 플라즈마 흐름 또는 흐름들에 침투하기 위해(복수 개의 토치들의 경우), 상기 분사는 상기 플라즈마 제트에 관하여 실행된다.
예를 들면, 처리되는 재료의 전체 흐름은 상기 플라즈마 제트(들)의 "레벨에서" 분사된다.
또한, 상기 재료의 잔류 시간을 제어하기 위해, 상기 분사기(또는 분사기들)의 방출구에서의 하나 또는 그 이상의 분사 궤적들(trajectories)은, 직선 또는 소용돌이(vortex)(또는 이들의 조합)일 수 있다.
본 발명에 따른, 상기 재료를 분사하는 과정은, 그러므로 종래기술의 과정들, 특히 영국 특허 제2160219호(GB 2160219)에 설명된 과정들과 근본적으로 다르다.
혼합 또는 기체화 체임버는, 예를 들면, 상기 체임버에서 처리되는 재료 및 플라즈마의 효과적인 균질화을 이루기 위해 그리고 열 손실들을 최소화하기 위해, 구형 또는 알 형태(ovoid)가 바람직하다.
상기 형태는 실린더 형태에서 얻어지는 것보다 더 좋은 균질화가 이루어진다.
종래 기술의 구조들과 비교하여, 본 발명에 따른 장치는 플라즈마 반응 매개물을 최적화하고 탄소 전하를 전환하는데 필요한 잔류 시간을 감소시킨다. 그러므로, 상기 플라즈마 제트의 반응성(주변(local) 온도 레벨이 매우 높고, 해리되고(dissociated) 이온화된 분자들이 존재함)이 상기 변환에 이용되는 한, 상기 벽들에서의 손실들은 상기 혼합 영역에서 받아들여질 수 있다. 상기 기술적인 수준에서, 본 발명에 따른 장치는 종래 기술의 장치들에 관한 감소된 크기 및 양의 내화 재료를 갖는 반응 영역을 제안한다.
본 발명의 장치의 장점들 중 하나는 상기 장치에 의해 발생되는 잔류물의 부피가 종래 기술에서 설명된 상치들에 의해 발생된 것보다 더 작거나 동등하다. 또한, 상기 잔류물은 그것의 원위치에서 유리화(vitrification) 때문에 불활성화되며, 그러므로 부차적인 이용 또는 값싼 처분(disposal)이 가능하다.
본 발명은 또한 두 개의 주된 서브어셈블리들(subassemblies), 혼합 서브어셈블리 또는 수단(또한, 부분적으로, 상기 전하의 사전 처리 또는 그것의 예열(preheating)을 확실하게 함) 및 반응 서브어셈블리 또는 수단의, 조합을 제안한다.
상기 혼합 수단은 적어도 하나의 플라즈마 제트를 형성하기 위해 재료의 흐름을 분사하는 수단을 배치시키며 적어도 하나의 플라즈마 소스(source)를 배치시키는 수단을 구비하며, 상기 재료와 적어도 하나의 플라즈마 제트의 흐름을 균일하게 혼합하는 영역을 형성한다.
상기 혼합물의 흐름의 방향에서, 상기 혼합 영역의 하부(downstream)에 배치되는 수단은 상기 재료와 상기 플라즈마의 혼합물의 반응 영역을 형성한다.
그러므로, 상기 반응기는 혼합 체임버 및 반응 영역 또는 체임버로 이루어진다. 메탄이나 타르와 같은 원치 않는 종(species)의 형성을 야기할 수 있는 조밀한 온도 기울기(gradients)의 출현을 방지하기 위해, 동작중에, 상기 플라즈마는 상기 혼합 체임버의 부피 대부분을 차지하며 플라즈마/ 뜨거운 기체들/ 뜨거운 입자들은, 상기 변환 동안에, 제한된 상기 반응 영역을 이동한다.
특정 실시예에 따라, 수단은 상기 반응 영역에서 상기 온도를 감지하거나 모니터할 수 있으며, 상기 반응 영역에서 상기 온도에 따라 상기 혼합 영역과 상기 반응 영역의 내부 벽을 위한 보호층을 형성하기 위해, 상기 온도의 측정은, 상기 혼합 영역에서, 생산물의 분사를 제어하는데 이용될 수 있다.
본 발명은 또한 고품질의 합성 기체를 발생시키기 위해서, 열 플라즈마에 의해, 재료를 기체화하는 장치에 관한 것이며,
- 상기 재료의 흐름을 주입하고 적어도 하나의 플라즈마 소스를 배치시키는 개구부를 구비하고, 상기 재료의 흐름의 균질한 혼합물을 위한 영역과 적어도 하나의 플라즈마 제트를 형성하며, 처리되는 재료 및 플라즈마를 혼합하는 체임버,
- 상기 체임버의 개구부와 상기 개구부에서 축방향으로의 연장부와 연결되며, 상기 재료와 상기 플라즈마의 혼합물의 반응을 위한 영역,
- 상기 반응 영역에서 온도를 측정하는 수단,
- 상기 혼합 영역에서, 상기 반응 영역에서 측정되는 상기 온도에 따라 상기 반응 영역 및 상기 혼합 영역의 내부 벽을 위한 보호층을 형성할 수 있는 적어도 하나의 생산물의 분사를 제어하는 수단을 구비한다.
본 발명은 상기 혼합 영역 및 상기 반응 영역의 상기 벽들을 위한 종래의 값비싼 내화 재료들의 사용을 최소화하거나 회피하는 장치를 생산할 수 있다. 실제로, 적절하고 제어되는 보호층의 형성은 특정 내화 재료들을 이용하지 않고 상기 벽에서의 열 손실과 벽 부식을 감소시킬 수 있다.
화학 반응들을 실행하기 위해 상기 반응 영역은 충분한 잔류 시간을 처리되는 전하에 주는 형태 및 부피를 갖는다. 상기 반응 영역은 또한 상기 변환들에서 기인하는 상기 기체 흐름의 증가를 고려한다. 상기 혼합 영역 및 반응 영역은 크기가 감소된 대상물인 것이 바람직하다. 냉각된 벽은 또한 상기 과정에서 매우 낮은 관성과 향상된 안전 조건들을 보장할 수 있다.
상기 반응 영역 및/또는 상기 혼합 영역의 벽은 금속 내화 재료로 구성되거나 이루어질 수 있다.
상기 혼합 영역은, 이미 설명된 것과 같이, 특정 형태, 특히 구형 또는 알 형태, 특히 상기 혼합 영역의 부피와 상기 외부와의 열 교환을 최소화하는데 적절한 체임버를 구비할 수 있다.
상기 반응 영역의 방출구는, 상기 합성 기체들을 고정시키기 위해, 압력 해제(release)를 만드는, 수단, 예를 들면, 노즐(nozzle)을 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 장치는, 처리되는 재료의 혼합물의 흐름을 상기 반응 영역에 향하게 하기 위해 배열된, 적어도 두 개의 플라즈마 소스들을 구비하는 것이 바람직하다.
일 실시예에 따른 장치는 상기 기체화 작용(기체들의 재순환)에서 기인하는 적어도 하나의 기체를 적어도 부분적으로 적어도 하나의 플라즈마 소스에 공급하는 수단을 또한 구비할 수 있다.
수단은 상기 혼합 및/또는 상기 반응 영역을 냉각시키는 것을 구비할 수 있다.
상기 혼합 영역 및/또는 상기 반응 영역은 보호층, 예를 들면 내화 재료를 구성하는 재료로 또한 코팅될 수 있다.
상기 합성 기체를 정화 및/또는 클리닝(cleaning)하는 수단은 상기 반응 여역의 방출구에 배치될 수 있다.
상기 정화 및/또는 클리닝 수단은 프리 소킹(pre-soaking) 영역을 구비할 수 있다.
상기 수단은 응축된(condensable) 재료들을 포획하는 수단을 구비할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 재료 정화 장치는 단계들에 배열되는 제1 및 적어도 하나의 제2 기체화 장치를 구비하며, 상기 장치들의 적어도 하나는 본 발명에 따르는 장치이다.
본 발명은 또한 재료를 기체화하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은,
- 상기 재료와 적어도 하나의 플라즈마 제트를, 상기 재료와 상기 플라즈마 제트가 만나고 균일하게 혼합되는 혼합 영역에 분사하는 단계,
- 상기 재료 및 상기 플라즈마의 반응 개시하는 단계, 그 후 상기 혼합 영역의 하류에 배치되는 반응 영역에서 상기 반응을 실제로 유지하는 사전 주의사항을 구비한다.
온도는 상기 반응 영역에서 측정될 수 있다. 상기 반응 영역에서 상기 온도에 따라, 상기 혼합 및 반응 영역의 내부 벽을 위한 보호층을 형성하기 위해, 상기 혼합 영역에서, 생산물의 분사를 제어할 수 있다.
처리되는 상기 재료는 적어도 부분적으로 고체 및/또는 액체 및/또는 기체일 수 있다. 그것은, 예를 들면, 고체 바이오매스 및/또는 유기 폐기물 및/또는 액체 잔류물 및/또는 기체일 수 있다. 상기 재료는 열분해(pyrolysis) 및/또는 기체화 처리로부터 부분적으로 나오거나, 예를 들면 본 발명에 따라서는 다른 알려진 타입의 과정들로부터 나올 수 있다.
상기 플라즈마 제트(들)는 적어도 하나의 비-전이된 아크 토치에 의해 형성될 수 있다.
적어도 하나의 플라즈마 토치는 기체화 과정, 예를 들면 본 발명에 따른 과정에 의해 얻어지는 적어도 하나의 기체에 의해 부분적으로 공급될 수 있다.
상기 혼합 영역의 내부 벽을 위한 보호층을 형성하기 위한 생산물은, 예를 들면, 산화물 또는 탄화물을 구비할 수 있다.
상기 반응은 상기 혼합 영역에서 개시되며 플라즈마 기체들의 해리(dissociation)에 의해 촉진된다.
재료와 플라즈마의 혼합물을 상기 반응 영역으로 향하게 하기 위해, 적어도 두 개의 플라즈마 제트들이 이용될 수 있다.
상기 혼합 영역의 방출구에서의 평균 온도는 1000℃와 2000℃ 사이일 수 있으며, 상기 제트의 주변 온도는 예를 들면 3000K와 8000K 사이에 있을 수 있다. 상기 반응 영역의 온도는 또한 1000℃와 2000℃사이 이다.
본 발명에 따른 기체화 작용은 공기 및/또는 산소 및/또는 증기 및/또는 이산화 탄소 및/또는 메탄 또는 상기 다른 종류의 조합을 구비하는 반응물 기체를 첨가하여 실행될 수 있다.
그러므로 본 발명에 따른 장치의 다양한 작동 모드들에 관하여 다양한 적용들이 가능하다.
본 발명에 따른 장치 및 방법은 외부 전력 시스템으로 수소 및 일산화 탄소의 생산을 두 배(종래의 FICFB 과정에 비교하여)로 할 수 있다. 상기 기술은 또한 산소 기체화와 관련된 이산화 탄소 및 증기의 형성을 방지할 수 있다.
본 발명은 바이오매브 및/또는 유기 폐기물에서 기체 생산물의 생산을 가능하게 하며, 상기 생산물은 1mg/Nm3 이하, 및 0.5mg/Nm3 또는 0.1 mg/Nm3 이하의 유기 오염물들(특히 타르(tars))의 농도를 갖는다. 상기 정화 수준은 합성을 할 목적으로, 특히 연료 합성을 목적으로 그것이 이용되게 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 장치를 나타낸다.
도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 장치의 반응 영역의 대안예를 나타낸다.
도 3은 비대칭 구성의, 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 나타낸다.
도 4는 엇갈리는(staggered) 구성의 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 나타낸다.
본 발명의 제1 실시예는 도 1과 관련하여 설명될 것이다.
본 발명에 따른 장치는 처리되는 재료를 하나 또는 그 이상의 플라즈마 발생(plasma-generating) 장치(2, 2')의 흐름(들)(또는 제트들(200, 200')과 혼합하기 위한 영역을 형성하는, 제1 서브어셈블리(subassembly)(1), 또는 제1 수단을 구비한다.
처리되는 재료는 고채, 액체, 또는 기체일 수 있다. 예를 들면, 그것은 미세하게 분할된 고체 바이오매스 및/또는 열분해 생산물 및또는 유기 폐기물(organic waste) 및/또는 액체 잔여물(liquid residue) 및/또는 기체이다. 상기 재료(특히 기체의 경우)는, 적어도 부분에서, 처리되는 상기 재료의 처리에서 오거나 부산물일 수 있다. 이것은 기체가 재순환되어(recycles) 도 1의 화살표들(210 및 210')에 의해 표시되는 플라즈마 발생기들(2 및 2')을 공급하는 경우이다. 기체의 재순환은 또한 현 과정의 하류 단계(step downstream)에서 올 수 있다(예를 들면, 피셔-트로프쉬(Fischer-Tropsch)에서 헤드 가스들(head gases)의 재순환의 경우).
개구부들(13, 13')은 처리되는 재료의 흐름을 분사(injection) 수단(130, 130')을 이용하여 분사하는 것이 가능하다. 그것들의 온도와 제어된 흐름을 전하는 그들의 능력은, 상기 장치에 부과는 조선들에 적합한 압력에서, 고려될 것이다. 일 예로서, 상기 분사 수단은, 액체 공급의 경우에, 가압(pressurization)을 가능하게 하는 분무기(fogger) 또는 스트레이트 노즐(straight nozzzle)을 구비할 수 있다. 다른 예로서, 변환되는 고체의 겨우에, 가압된 기압 전송 수단(pressurized pneumatic transport means)을 이용하는 것이 가능하다.
상기 분사 수단은 처리되는 물질의 분사 궤적들(trajectories)을 생산하는 것이 가능하며, 상기 궤적들은 직선이거나, 소용돌이(vortex)이거나, 나선형이거나, 직선과 회전의 움직임의 조합에서 기인하는 상기 물질의 분사 궤적들이다.
바람직하게는 비-전이된 아크(non-transferred arc)를 갖는 하나 또는 그 이 상의 플라즈마 토치들(plasma torches)(2, 2')은, 후자(latter)에 플라즈마를 주입할 수 있도록 상기 체임버(chamber)에 배열된다.
상기 토치들은 본 발명에 따른 처리에서 직접적으로 기인하는(가능한 처리 및/또는 재생 후) 기체 및/또는 그것(재순환하는)과 결합되는 하류 과정(process downstream)에서 기인하는 기체와 작용한다. 또한, 이전의 기체들과 선택적으로 혼합하여, 선택된 반응물(H2O 및/또는 CO2 및/또는 O2 및/또는 특히 공기)을 이용하는 것이 가능하며 그래서 본 발명에 의해 발생되는 상기 기체의 혼합에 관한 용인성(acceptability)과 상기 과정(재료 밸런스와 에너지 밸런스와 특히 관련됨)의 수익성(profitability)의 다양한 기준(criteria) 사이에서 만족스러운 절충안(satisfactory compromise)가 발견된다.
특히, 일 예로서, 적어도 하나의 상기 토치들의 공급은, 상기 장치의 방출구(outlet)에서, 본 발명에 따른 처리(점선을 갖는 화살표(210 및 210')에 의해 표시되는)에 의해서, 또는 피셔-트로프쉬(Fischer-Tropsch) 반응(특히 메탄(methane)으로 구성되는)에서 기인하는 소위 "헤드(head)" 기체에 의해서 얻어진, 합성 기체 흐름의 작은 부분을 가질 수 있다.
상기 토치들의 용인성에 따라, 스팀(steam)의 형태, 또는 액체의 형태인 물을 선택하는 것이 또한 가능하다.
바람직하게는, 상기 토치(들)(2, 2')은 비-전이 아크 타입이다. 실제로 상기 토치의 타입은 상기 토치 외측에 카운터-전극(counter-electrode)을 요구하지 않으며 그러므로 혼합된 서브어셈블리(subassembly) 내측에 개재함(intervention) 없이 대체될 수 있다. 상기 플라즈마 제트(jet)의 레벨(level)에서의 온도는 수천 도(2000℃ 내지 3000℃ 또는 그 이상)이다.
상기 플라즈마 소스(들)(source(s)) 및 하나 또는 그 이상의 분사기들은 처리되는 재료와 상기 반응 영역을 향하는 플라즈마의 혼합의 흐름에 향하도록(direct) 배열될 수 있다.
복수 개의 토치들의 사용은 상기 장치 내부에 더 큰 파워를 생산하고/하거나 상기 혼합 영역의 하류에 배치되는 반응 영역(5a, 5a')의 XX' 축에 관한 대칭을 이용하는 것이 가능하다. 상기 반응 영역은 소정의 변환 레벨을 달성하기 위해 전하(charge)가 전화되는 충분한 체류 시간을 제공하는 것이 가능하다. 상기 대칭은 혼합 현상들의 복잡성을 제어하고 상기 벽들에서 상기 플라즈마 흐름들의 열적 충돌을 최소화하는 것을 가능하게 한다. 선택적으로 그것은 플라즈마 기체와 처리되는 흐름의 혼합의 최적화를 야기하는 흡입구(inlet) 파라미터들을 간소화하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 그것은 상기 흐름들의 균질화에 기여하기 때문에, 상기 시스템의 비대칭이 금지되어서는 안 된다.
플라즈마 소스들의 배열과 수단(1)은 상기 토치(들)에 의해 이동되는 상기 플라즈마 흐름을 새 방향으로 돌리게 하는 것이 가능하며 그래서 플라즈마 기체와 처리되는 재료의 혼합은 일반적으로, 분사 서브어셈블리의 방출구에서, 반응 영역(5a, 5b)의 세로 축(XX')을 따른다.
대칭은 또한 비대칭적인 마모(wear asymmetries), 특히 부식의 동일하지 않 는 배분 및/또는 플라즈마 기체들의 흐름에 종속되는 영역(1)의 내부 벽들에서의 마모 현상들을 제한하는 것을 가능하게 한다.
계속해서 최적화된 작동을 가능하게 하기 위해, 복수 개의 토치들을 수용할 수 있는 장치를 제공할 수 있으며, 절연(insulation) 수단은 흡입구들(12, 12') 중 하나를 절연시키는 것을 가능하게 한다. 상기 구성은 다른 토치들의 작동이 혼합 서브어셈블리(1)로 도입되게 하는(leading into) 동안에 토치를 유지할 수 있다.
혼합 영역(1)은 상기 반응 영역의 제1 부분(5a) 하류로 이어진다. 상기 혼합 영역의 방출구(15)는 반응 영역(5)으로 이어지며, 상기 반응 영역은, 예를 들면, 상기 토치들(복수 개의 토치들이 사용되는 경우)의 플라즈마 제트들(200, 200')의 합류에서 통상 야기되는 상기 플라즈마 흐름에서 나오는 축(XX')을 가진다. 다른 실시예들에서, 상기 축(XX')은 처리되는 흐름을 제공하기 위해 상기 장치(들)의 그것에서 떨어져 있을 수 있으며: 이것은 특히 도 2의 예에서 도시된 바와 같이, 플라즈마 토치만을 사용하는 구성인 경우이다.
예를 들면, 고온계 타입의 수단(50)은 상기 반응 영역(5)에서 온도를 측정하고 감지하는 것을 가능하게 한다.
혼합 영역(1)에서 생산물(4), 예를 들면 산소(특히, 예를 들면, Mgo 및/또는 FeO 및/또는 CaO 및/또는 Al2O3 및/또는 SiO2)의 분사를 위한 수단(140)을 제어하기 위해, 반응 영역(5a)의 온도에 따라 혼합 영역(1) 과 반응 영역(5a)의 내부 벽,에 보호층을 형성하기 위해, 예를 들면, 상기 온도 측정은 전자 장치 또는 상기 목적 을 위해 프로그램된 마이크로컴퓨터(52)의 제어 하에 사용된다. 화살표(55)는 상기 제어를 나타낸다.
상기 제어는 특히 상기 흐름 비율 또는 처리되는 전하의 특성의 변동이 있는 경우 또는 변환되는 전하를 구성하는 재(ash)의 용융 온도와 상기 장치의 목표 온도 사이의 조화(corrrespondence)가 부족한 경우에 이용될 수 있다. 상기 장치에 인가되는 전력을 적응시키는 것(adaptation)은 또 다른 제어 수단일 수 있다.
상기 분사가 없는 경우, 본래의 침전물(natural deposit)은 재를 포함하는 전하의 경우에 특히, 상기 장치의 내부 벽들을 형성할 수 있다.
상기 영역(5a)에서 온도 저하는 서브어셈블리들(1 및 5a, 5b)의 내부 벽 상의 침전물 두께의 증가를 야기한다. 상기 저하는 교대로 상기 침전물 두께의 감소를 야기할 수 있으며, 그런 조건이 주어지면 후자의 용융 온도는 동일한 조성에서 고정된다.
상기 상호 작용을 제거하기 위해, 상술한 모드와 제어에 따라, 상기 침전물의 용융 온도를 조절하기 위한 생산물을 분사는 것이 바람직하다. 상기 침전물은 체임버(1) 영역 및 영역(5a, 5b)의 절연을 증가시키며 열 손실을 방지한다.
영역들(1 및 5a, 5b)의 내부 벽들을 위한 보호층은 또한 부식에 대비한 보호를 제공할 수 있다.
수단(1)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 계면들 또는 개구들(openings) 또는 구멍들(apertures)(12, 12', 13, 13', 14)을 구비한 체임버의 형태를 가질 수 있으며, 하나 또는 그 이상의 토치들(2, 2')에 의해 전달되는 처리 재료의 흐름 및 하 나 또는 그 이상의 플라즈마 흐름들(200, 200')을 가둘 수 있다.
상기 수단 또는 체임버(1)는, 재료(3, 3')의 공급을 균일하게 하기 위해, 최급되는 재료의 흐름과 플라즈마 제트(들)(200, 200') 사이의 광학 접촉을 달성하는 것이 가능하다. 특히, 상기 체임버의 형태는, 상기 플라즈마 토치들에 의해 발생되는 제트들(200, 200')의 부피에서, 처리되고/되거나 변환되는 재료(3, 3')에 가장 밀접한 접촉(intimate contact)을 제공할 수 있다. 상기 밀접한 접촉은 처리되는 재료의 강제적인 분사로 이어지며, 플라즈마제트(들)(200, 200')로 향하게 된다. 그러므로, 분사는 혼합 체임버에서 제공되며, 상기 토치에 의해 발생되는 이온화된 매개물에서 상기 재료의 궤적을 부과한다(상기 토치의 온도 및 조성, 및 열 전도 특성(축 및 방사상으로 비균질적인)은 그것을 반응적인 매개물로 만든다).
수단(1)은 또한 처리되는 재료의 부유(suspension)를 통한 플라즈마 기체(제트들(200. 200'))의 흐름에 의해 그리고 상기 재료를 갖는 플라즈마 제트(들)(200. 200')의 합류에 의해 발생되는 난류(turbulence) 때문에 처리되는 재료와 플라즈마 기체의 혼합을 균일하게 만들 수 있다.
또한, 상기 균일화는 통과하는 단면(상기 토치(들)의 단면 사이)의 증가에 의해 강화되며 이것은 상기 플라즈마 기체의 흐름 속도 기울기(flow speed gradients)의 균일화를 가능하게 한다.
생성된 상기 혼합물이 상기 반응 영역 또는 하류에 위치한 서브어셈블리(5a, 5b)에 들어가기 전에, 처리되는 재료(3, 3')의 흐름과 플라즈마 제트(들)(200, 200')의 흐름(들)은 동일한 합류 영역(300)에서 만나게 되어 상기 두 개의 흐름들 의 혼합이 강제된다. 이것은 또한 플라즈마 체임버(1)에서의 반응 개시가 된다.
상기 플라즈마 매개물의 분해 동력학은 광학적인 수단에 의해 측정되거나 모니터될 수 있다. 상기 수단은, 예를 들면, 상기 플라즈마 매개물에서 입자들의 밀도를 고려할 수 있다.
바람직하게는, 상기 체임버는 또한 열적 흐름에서의 가능한 변화를 유지하는 것을 가능하게 한다. 상기 변화들은 상기 체임버의 내부 벽에서 나타날 수 있으며, 처리되는 재료의 흐름의 제공의 이질성 및/또는 불연속성, 또는 상기 시스템의 자발적인 중단, 또는 그것의 재시작 때문일 수 있다. 완전한 장치의 비유용성의 시간(연간 비유용성 시간은 바람직하게 10%이하임)을 최소화하기 위해, 상기 자발적인 중단은 상대적으로 빠른 동역학을 갖는다. 또한, 예를 들면, 가열 시스템(heating systems) 상의 순환 유지(rotating maintenance)의 경우에 하나 또는 그 이상의 플라즈마 토치들(2, 2')의 중단은 발생할 수 있다. 그러므로 상기 체임버는 바람직하게 그것의 내부 표면(100) 상에서 기대되는 열적 흐름에서 변화를 유지하는 재료로 만들어진다. 예를 들면, 그것은 냉각된 내화강(refractory steel)과 같은 금속 내화 재료(metal refractory material)로 만들어진다. 벽돌 또는 콘크리트와 같은 종래의 내화 재료로 만들어진 체임버는 과도하게 높은 생산 비용(주기적인 교체의 필요성 때문)과 과도하게 높은 열적 관성(thermal inertia)을 가지며, 상기 시스템을 빠르게 중단시키거나 재가동시키는 것이 불가능하다.
체임버(1)는 냉각 수단을 구비할 수 있다. 바람직하게는, 상기 수단은 상 기 체임버 주위에 배열된다. 예를 들면, 그것들은 냉각재(41), 예를 들면, 가압 경수(pressurized water)를 순환시키는 이중 케이스(casing)(40)를 구비한다.
아래에서 설명한 바와 같이, 상기 냉각 수단은 또한 상기 반응 영역, 및 특히 상기 영역의 부분(5a)을 냉각하는데 이용될 수 있다.
필요에 따라, 바람직하게는 상기 구조는 보완적인 내화 재료(예를 들면, 실리콘 탄화물(silicon carbide)(SiC))로 외장될 수 있으나, 상기 시스템이 작동할 때, 상기 벽을 보호하는 침전물의 존재 때문에 제한된 두께로 외장된다. 상기 보완적인 외장(sheath)은 본질적이며 갑작스런 열적인 변화들을 흡수할 수 있다.
상기 체임버의 내부와 주변 대기 사이의 교환 표면으로서, 열 손실과 비례하는 상기 표면은, 가능한한 작게 또는 최소한으로 선택되는 것이 바람직하며 그래서 상기 장치의 열 손실(체임버(1) 레벨에서의 손실을 포함함)은 주입된 파워의 15%(및 10%)에 지나지 않는다. 구 형태 또는 알 형태(ovoid shape)(도 1의 경우)는 상기 사시도로부터 최적이다. 이하에서 설명하는 바와 같이, 도 3에서, 상기 구형 또는 상기 알 형태의 지름 또는 최대 크기는, 예를 들면, 수백 mm로, 예를 들면 몇 메가 와트(megawatts)의 파워에 대해 200mm와 400mm 또는 200mm 사이이다.
본 발명은 압력하에서 작동될 수 있다. 이것은 체임버(1)의 부피(산업용으로 얻을 수 있으며 산업용에 맞는 상기 부피는 위에서 주어진 지름에 대한 표시(indications)를 기초로 계산될 수 있다)를 축소시킬 수 있으며, 그러므로 그것의 열 손실을 감소시키며, 가압된 합성 기체(예를 들면, 대략 30바(bars)의 압력에서 작동하는 피셔-트로프쉬 합성 과정에서)를 실행하는 하류 과정과 함께하는 경 우에 가능한 가압 단계를 줄이는 것이 가능하다.
공급 수단은 상기 체임버의 다양한 분사구(12, 12', 13. 13', 14)에 착상되는 것이 바람직하며 상기 토치에 의해 전달되는 상기 플라즈마 흐름으로 처리되는 상기 흐름(또는 복수 개의 토치들을 사용함으로써 기인하는 일반적인 흐름)의 입사각(angle of incidence)은 상기 서브어셈블리의 성능을 최대화할 수 있다. 특히, 일 예로서, 가능한 구성은 도 1에 도시된다: 상기 공급 장치들과 상기 토치들은 동일한 평면에 배치되며 공급 시스템들과 토치들 사이의 각도는 모두 대략 30°이다.
혼합 서브어셈블리에 이르는 개구부(14)는 화합물(화합물들의 혼합)이 처리되는 전하와 섞이게 하는 할 수 있는 수단(140)을 위치시킬 수 있으며, 화합물은 상기 내부 벽 또는 상기 분사 서브어셈블리, 및 상기 반응 서브어셈블리의 내부 벽(5a 및/또는 5b)에서 보호 필름(또는 층)의 형성을 가능하게 하는 물리 화학적인 특성을 갖는다. 상기 수단(40)은, 상술한 바와 같이, 상기 서브어셈블리 또는 반응 매개물(5)의 온도에 기초하여 지시하는 피드백 제어로 제어될 수 있다. 상기 화합물의 첨가는, 전하의 특성이 그것을 충분한 조건에서, 예를 들면, 처리되는 상기 흐름을 구성하는 상기 재가 기화 반응 장치에서 사용되어야할 만큼의 용융 온도를 가지지 않는 한, 처리될 수 없도록 하는 경우에 특히 적합하다.
반응 수단(5, 5b) 도는 상기 반응 영역은 혼합 영역(1)에 직접적으로 인접해 있다. 후자 영역의 방출구(15)는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 반응 영역(5a)의 흡입구에서 종료된다.
상술한 바와 같이, 상기 반응은 이미 영역(1)에서 개시될 수 있다. 그러나 상기 재료와 상기 플라즈마 사이의 반응의 필수적인 부분은 상기 재료가 동일한 영역(1)에서 보다 더 오랜 시간 동안 머무는 상기 제2 영역(5a, 5b)에서 발생한다. 다시 말하면, 상기 영역은 처리되는 상기 흐름의 변환을 향상시킬 수 있으며, 상기 흐름은 혼합 서브어셈블리(1)에서 시작된다. 이것을 하기 위해, 제1 반응 영역(5a) 보다 충분히 더 큰 제2 반응 부피(5b)(예를 들면 10n배 더 큰, 여기서 n은 1보다 크거나 같은)가 제1 부피(5a)에 부착될 수 있다. 상기 제2 부피는 상기 반응 영역을 연장시켜 원하는 체류 시간을 얻을 수 있다.
처리되거나 변환되는 재료의 흐름의 특성에 따라, 상기 반응 서브어셈블리 또는 상기 반응 영역(5a, 5b)은 복수 개의 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 그것은 압력 흐름 반응기, 또는 자동 도가니(autocrucible) 반응기, 또는 싸이클론 반응기를 구비한다.
종래의 내화 재료는, 상기 반응 서브어셈블리에 가능한 한 적게 사용되는 것이 바람직하며, 금속 내화 재료가 바람직하다. 상기 반응 영역은 처리되는 전하의 처리로부터 잔류 침전물을 형성하고, 보호되는 상기 금속 내화 재료를 보존하기 위해 냉각될 수 있다. 고체 껍질(crust) 또는 상기 침전물로부터 기인하는 측은 열 보호 및 부식 보호 두께를 형성한다. 상기 냉각은 이중 케이스(40, 41)와 상술한 바와 같은 상기 영역(1)에 대한 유체 순환(42)으로 달성될 수 있다.
반응 영역(5a, 5b)의 냉각은 충분한 열 손실을 야기한다. 실제로, 상기 냉각은 처리되는 재료의 유동(fluxes)으로부터, 상술한 바와 같이 단열(heat insulation)과 부식 보호를 제공하는 보호층 또는 껍질을 형성하기 위한 수단으로써 작용한다.
상기 메카니즘은 상기 침전 현상의 이용없이 더 많은 양의 내화 재료를 사용하는 것을 실질적으로 제한한다.
상기 반응 영역 부분(5a)은 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 발산 형태(divergent shape)를 가질 수 있다. 상기 발산 부분은 처리되는 전하의 변환에서 생산되는 기체들의 부피의 증가를 고려한다.
선택적으로, 소킹(soaking) 수단은, 처리되는 상기 흐름의 목표와 특성에 따라, 그것의 무기물 부분(fraction)의 합성 기체를 정화시키고 그것의 합성을 고정시킬 수 있다. 상기 소킹 수단 또는 서브시스템(60)은 본 발명에 보완되는 구성요소들(70)의 상류에 배치되며, 본 발명의 장치에 의해 발생되는 상기 기체의 정화 및/또는 클리링(cleaning)을 가능하게 한다.
수단(60)은, 예를 들면, 발산하는 노즐 타입의 구성요소(61) 또는 특정 "퀸치(quench)" 시스템(미국 특허 제6613127호(patent US 6613127)에서 개시된 것과 같은)을 구비하며, 상기 시스템은 압축할 수 있는 재료(특히 재)를 포착하기 위해 분무 시스템(fogging system)과 통합되거나 되지 않을 수 있다. 관성 분리기(inertial separator)(70)는 발생되는 기체의 정화 및/또는 클리링을 가능하게 한다.
토치를 갖는 본 발명의 대체안은, 간소화된 비대칭 구성에서, 도 3에 도시된다. 도 1과 동일한 참조번호들은 도 1의 구송 요소와 동일하거나 유사한 구성 요 소들을 지시하는데 사용된다. 도 3에서, 도 1의 다른 구성 요소들(처리되는 재료를 공급하는 수단(130, 130'), 보호 필름을 형성하는 화합물들을 제공하는 수단(140), 루프(210. 210'), 온도 측정 수단(50), 피트백 루프(55), 등등)은 표시되지 않지만, 상기 실시예의 부분이다.
도면에서의 바람직한 크기는 500KW 정도의 발생된 동력에 대한 정보로서 아래와 같이 제공된다.
- d1은 150mm와 200mm 사이,
- d2는 300mm와 400mm 사이,
- L1은 500mm와 3000mm 사이,
- L2는 1000mm와 5000mm 사이.
상기 토치의 체적 측정의 유동률(volumetric flow rate)은 가능한한 적은 것이 바람직하다(많은 양의 기체의 기체 사용을 제한하는 동안 충분한 가열 파워(heating power)를 보장함). 표시 도시로서, 상기 유동률은, 예를 들면, 100Nm3/h 이하의 목표값일 수 있다. 위에서 표시된 바와 같이, 상기 유동률은 상기 장치(재순환하는)에 의해 생산되는 기체로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 파워에 대해, 상기 장치는 바이오매스 유동률(건조 기준에서 표준화된)을 200kg/h 정도로 변환할 수 있다.
몇 MW의 토치 파워를 위해, 예를 들면 2MW 또는 5MW 보다 더 크게, 시간당 몇 톤의 재료, 예를 들면 5톤/시간 또는 그 이상, 예를 들면 10톤/시간 또는 그 이 상을 처리할 수 있다. 상기 장치의 크기는 위에서 제시된 상기 표시 도수들의 기준에 따라 조절된다.
종래의 제1 기체화 단계(종래의 FICFB 자열(autothermal) 과정)에서 기인하는 기체들의 후 처리(post-treatment)를 위해, 인가되는 파워는 처리되는 기체의 톤당 1MW 정도이다.
표시 도수로서, 상기 기능 서브어셈블리의 평균 온도는 대략 5000K 내지 7000K의 온도를 갖는 플라즈마 제트에 대해 대략 1300℃ 내지 1500℃일 수 있다.
도 1에 도시된 발와 같이, 두 개의 토치들을 가즌ㄴ 대칭 장치의 크기는, 표시 도수에 의해, 상기 비대칭 버전(version)(도3)에서 언급된 정도일 수 있다. 상기 경우에, 하나의 추가적인 토치가 상기 혼합 서브어셈블리를 갖추는 한, 토치들의 개수는 상기 장치에 의해 발생되는 파워에 영향을 미친다. 보다 일반적으로, 토치들의 개수는 상기 과정들(발전된 파워, 부피(bulk) 관리 및 유지, 등등)의 필수 요건들일 수 있다. 상기 실시예에서 설명된 경우들 보다 더 큰 토치들을 위해, 앞서 설명된 시스템들의 크기는 특히 상기 토치들의 단위 동력 및 질량 및 온도 흐름 제한을 고려함으로써 다시 계산될 수 있다.
다른 대체안들과 구서들이 가능하다. 예를 들면, 상기 과정에 관한 특정 제한들에 따라, 하나 또는 다중 단계(multi-staged)의 공급, 두 개 또는 세 개 또는 그 이상의 단계들을 가지며 생산하는 것이 가능하다.
도 4는 다중 단계 공급을 갖는 단일 토치 어셈블리를 나타낸다.
실제로 상기 어셈블리는 본 발명의 실시예들 중 하나에 따라 각각 생산된 두 개의 단계들(230, 250)을 구비한다. 또한 종래 기술에 따른 단계와, 하류, 본 발명에 따른 단계를 구비하는 장치를 가질 수 있다. 상기 어셈블리는 처리되는 재료의 처리 수용력을 증가시킬 수 있다. 또한, 제2 단계(250)는 제1 단계(230)에 의해 이루어지지 않는 변환 또는 처리를 종료시킬 수 있다. 각각의 단계는 처리되는 재료의 개구부(13, 13', 131, 131')를 구비한다. 도 1 또는 3의 다른 구성요소들은 도 1 또는 3의 구성을 가질 수 있다.
또한, 혼합 서브어셈블리당 토치들의 개수는 상기 서브어셈블리의 레벨에서 그것의 부피에 의해 주로 제한되며, 그러므로 상대적으로 높은 파워을 달성할 수 있다. 표시 도수에서와 같이, 대략 2MW 또는 그 이상(예를 들면 10 또는 15MW)의 파워를 갖는 토치들을 이용하는 것이 가능하다.
열역학 균형에서 벗어나는 것을 최소화하기 위해, 높은 온도 조건(예를 들면 기체화 영역(5)의 또는 상기 장치의 중심에서 평균 1200℃와 1500℃ 사이)하에서 바이오매스 및/또는 유기 폐기물을 변환할 수 있다. 상기 변환은 개구부들(3 및/또는 3' 및/또는 4)을 통해 도입되거나, 토치들(2, 2')에 의해 플라즈마 기체로 도입되는 기체화 작용제(소위 반응제)로 이루어질 수 있다. 상기 작용제는 공기, 산소, 증기, 이산화 탄소 또는 상기 기체화 장치에 일반적으로 감소된 대기(atmosphere)를 제공할 수 있는 비율로 상기 다른 종류의 조합일 수 있다.
종래의 자열 과정에 대하여, 특히 피셔-트로프쉬 과정을 통해 합성 연료를 생산하기 위한 목적의 바이오매스의 기체화인 경우에, 본 발명에 따른 알로써멀(allothermal) 과정의 장점을 평가할 수 있다. 두 개의 알로써멀 구성은 수소가 상기 장치의 레벨, 하류에서 부가되는지(H2/CO 몰랄(molar) 비율을 조절하기 위해)에 따라 고려된다.
표 I는 이용되는 상기 변환변환에 따라 얻어지는 재료 산출량(상기 연료를 생산하기 위해 필요한 건조 바이오매스에 대한 디젤(diesel) 연료 비율)을 나타낸다.
그것은 다양한 바이오매스 기체화 과정 구성에 대한 크기 정도에 있어서 재료 밸런스(상기 과정에서 사용되는 건조 바이오매스의 양에 대하여 생산되는 균등한 석유)를 비교한다. 상기 표는 본 발명에 따른 알로써멀 과정에 의해 제공된다는 장점을 나타낸다.
비교를 위해 사용되며 표 I에서 언급되는 다양한 처리들([1] 내지 [4])은 다음과 같다:
[1]: FICFB 또는 초렌(Choren) 과정,
[2]: 상기 제1 단계에서 발생되는 기체와 작용하며, 본 발명에 따른 후 처리 단계에 의해 완료되는 과정 [1]
[3]: 본 발명에 따른 과정 및 본 발명에서 상기 입력은 상기 생체량에서 직접적으로 얻어지며,
[4]: 보완적인 수소 흐름이 대략 2인 H2/CO 몰랄 비율에 대한 H2 + CO의 양을 최적화하기 위해 도입되는 과정 [3].
표 I의 값들이 제공된다(CO 및 H2에서 기체화 반응기에 대한 상기 바이오매 스의 LHV(lower heating value, 예를 들면 15 내지 20MJ/kg)에서, 상기 에너지는 바이오매스 그것 자체(재료 수확량(yield)을 절충함) 또는 외부 소스(알로써멀 과정)으로부터 나온다). 연료합성을 실행할 수 있도록, 상기 H2/CO 몰랄 비율은 대략 2가 되며, 이것은 "기체-쉬프트(gas-shift)"에 의한 조절 또는 상기 최초 시스템 외부로부터 수소 공급을 야기한다.
종래의 자열 과정 [1] Staged 알로써멀 과정[2] 본 발명에 따른 직접 알로써멀 과정 [3] 수소를 부과하는, 본 발명에 따른 알로써멀 과정 [4]
15% 20% 30% 45%
본 발명은 1mg/Nm3 이하, 및 0.5mg/Nm3 또는 0.1 mg/Nm3 이하의 유기 오염물들(특히 타르(tars))의 농도를 갖는 기체 생산물을 생산할 수 있다. 상기 마지막 순도 레벨은 합성, 특히 연료나 메탄올(methanol)의 합성에 관하여 그것이 이용될 수 있도록 한다.
마지막으로, 본 발명은 높은 온도에서 작동할 수 있으며, 다이옥신(dioxins)의 형성을, 특히 폐기물 처리의 경우에, 방지한다.
본 발명에 따른 장치는 매우 적은 내화 재료를 갖으나, 적은 손실(20% 또는 15% 또는 10% 보다 더 적은)로 작동할 수 있다.
본 발명은 매우 적은 불순물들과, 많은 양의 수소와 일산화 탄소를 구비하는, 고품질의 합성 기체를 생산할 수 있다.

Claims (32)

  1. 고품질의 합성 기체를 발생시키기 위해서, 열 플라즈마에 의해, 재료를 기체화하는 장치에 있어서,
    상기 재료의 흐름을 주입하고 적어도 하나의 플라즈마 소스를 배치시키는 개구부(12, 12', 13, 13', 14)를 구비하며, 상기 재료의 흐름의 균질한 혼합물을 위한 영역(300)과 적어도 하나의 플라즈마 제트(200, 200')를 형성하며, 처리되는 재료 및 플라즈마를 혼합하는 체임버(1); 및
    상기 체임버의 개구부와 축방향으로의 연장부와 연결되며, 상기 재료와 상기 플라즈마의 혼합물의 반응을 위한 영역(5a, 5b);을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응 영역에서 온도를 측정하는 수단(50); 및
    상기 혼합 영역(1)에서, 상기 반응 영역에서 측정되는 상기 온도에 따라 상기 반응 영역(5a, 5b) 및 상기 혼합 영역(1)의 내부 벽을 위한 보호층을 형성할 수 있는 적어도 하나의 생산물(4)의 분사를 제어하는 수단(52, 140);을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반응 영역은 상기 혼합 영역으로부터 흐르는 재료와 플라즈마의 혼합물의 온도 및 압력을 제어할 수 있는 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 영역은 사익 합성 기체를 고정하기 위해 압력 해제(pressure release)를 만드는 수단(60, 61)을 갖는 방출구를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고정 수단(60, 61)은 프리 소킹(pre-soaking) 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한에 있어서,
    상기 반응 영역의 상기 내부 벽은 보호층으로 코팅된 내화 금속 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합 영역(1)의 상기 내부 벽(100)은 보호층으로 코팅된 금속 내화 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합 영역(1)은 구형 또는 알 형태를 갖는 체임버를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 처리되는 상기 재료를 분사하는 수단(130, 130')을 더 구비하여 처리되는 상기 재료의 선형 분사 궤적들, 또는 선형 및 회전 움직임의 조합에서 기인하는 소용돌이(vortex)이나 나선형의 재료 분사 궤적들을 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 적어도 하나의 플라즈마 소스(2, 2')를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 플라즈마 소스들은 비-전이된(non-transfered) 또는 전이된 아크(arc)를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 장치는 플라즈마 및 처리되는 재료의 혼합물의 흐름을 상기 반응 영역에 향하게 하기 위해 배열된, 적어도 두 개의 플라즈마 소스들을 구비하는 것을 특 징으로 하는 장치.
  13. 제10항 또는 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 장치는 플라즈마 및 처리되는 재료의 혼합물의 흐름을 상기 반응 영역에 향하게 하기 위해 각각 배열된 하나 또는 그 이상의 플라즈마 소스들과 하나 또는 그 이상의 분사기들을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 기체화 작용으로부터 기인하는 적어도 하나의 기체를 부분적으로 적어도 하나의 플라즈마 소스에 공급하는 수단(210, 210')을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 혼합 영역 및/또는 상기 반응 영역을 냉각하는 수단(40, 41)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합 영역 및/또는 상기 반응 영역은 내화 재료로 씌워지는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 반응 영역의 방출구에서 유기물과 무기물 상태를 분리하거나 정화 및/또는 클리닝(cleaning)하는 수단(70)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 정화 및/또는 클리닝 수단(70)은 압축할 수 있는 재료들을 포획할 수 있는(capture) 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 단계들에 배열되는 제1 및 적어도 하나의 제2 기체화 장치(230, 250)를 구비하는 재료의 기체화 장치에 있어서, 상기 장치들의 적어도 하나는 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따르는 장치인 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 재료(3)의 기체화 방법에 있어서,
    상기 재료(3)와 적어도 하나의 플라즈마 제트(200, 200')를, 상기 재료와 상기 플라즈마 제트가 만나고 균일하게 혼합되는 혼합 영역(1)에 분사하는 단계; 및
    상기 재료 및 상기 플라즈마의 반응 개시하는 단계, 그 후 상기 혼합 영역의 하류에 배치되는 반응 영역(5a, 5b)에서 상기 반응을 실제로 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 반응 영역에서 온도를 측정하는 단계; 및
    상기 반응 영역의 상기 온도에 따른 상기 혼합 영역의 내부 벽을 위한 보호층을 형성하기 위해, 상기 혼합 영역에서, 생산물의 분사를 제어하는 단계;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    처리되는 상기 재료는 적어도 부분적으로 고체 및/또는 액체 및/또는 기체인 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    처리되는 상기 재료는 고체 바이오매스 및/또는 유기 폐기물 및/또는 액체 잔류물 및/또는 기체인 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제20항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료는 처리되는 재료의 처리에서 적어도 부분적으로 오는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 제트(들)는 적어도 하나의 비-전이된 아크 토치(2, 2')에 의 해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제20항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 제트(들)는 제20항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 기체화 과정에서 얻어지는 적어도 하나의 기체에 의해 적어도 부분적으로 또는 전체적으로 공급되는 적어도 하나의 토치에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제20항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합 영역의 내부 벽을 위한 보호층을 형성하는 생산물은 산화물을 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제20항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 영역은 상기 혼합 영역에서 개시되는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제20항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    재료와 플라즈마의 혼합물을 상기 반응 영역에 향하게 하기 위해, 적어도 2개의 플라즈마 제트들을 분사하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제20항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합 영역의 온도는 1000℃와 2000℃ 사이인 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제20항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 영역의 온도는 1000℃와 2000℃ 사이인 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제20항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기체화 작용은 공기 및/또는 산소 및/또는 증기 및/또는 이산화 탄소 또는 상기 다른 종류의 조합을 구비하는 반응물로 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
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