KR20090009950A - 가스 균질화 시스템 - Google Patents

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안드레아스 창가리스
마가렛 스웨인
더글라스 마이클 피즈비
스콧 더글라스 바샴
니푼 소니
파스칼 보니 마르소
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플라스코에너지 아이피 홀딩스, 에스.엘., 빌바오, 샤프하우젠 브랜치
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Abstract

가스 균질화를 위한 시스템 및 프로세스가 개시되어 있다. 이는 가스 생성 구역에서의 어플리케이션 및 하류 어플리케이션에서 전류로의 변환을 갖는다. 이 균질화 시스템은 가스 특성(조성, 유동, 압력, 온도)에서의 변화를 최소화하고, 이에 의해 하류 기계류로 일관된 품질의 안정적인 흐름을 제공한다. 이 균질화 시스템은 특정 단부 어플리케이션을 위한 출력 가스 흐름을 최적화하거나 또는 상이한 입력 공급 원료를 위한 출력 가스 흐름을 최적화하도록 조정될 수 있다. 이는 프로세스를 가격 효율적인 상태로 유지시키면서 전체 변환 효율이 최대화되는 것을 보장한다. 이러한 균일하고 안정적인 출력 가스 흐름은 전류의 생성(예를 들어 내연기관 및 연소 터빈 엔진을 이용하여), 화학적 합성(예를 들어 에탄올, 메탄올, 수소, 메탄, 일산화탄소, 탄화수소와 같은 화합물로 된), 연료 전지 기술 및 다생산 프로세스(전류 및 합성 연료의 공동 생산을 초래하는 프로세스)의 넓은 구역에서 넓은 범위의 어플리케이션을 갖는다.

Description

가스 균질화 시스템 {GAS HOMOGENIZATION SYSTEM}
본 발명은 다운스트림 어플리케이션에서의 가스 생산 및 에너지로의 전환과 관련된다. 특히 본 발명은 실질적으로 일관된 특징을 지니는 가스의 지속적 흐름을 생성해내는 데 유용한 가스 균질화 시스템과 관련이 있다.
가스화는 탄소 함유 공급물, 예를 들어 도시 고체 폐기물(municipal solid waste: MSW) 또는 석탄을 가연성 가스로 전환을 가능하게 하는 공정이다. 이 가스는 전기, 증기를 생성하는 데 사용되거나 기초 원자재로서 화학물질이나 액체 연료를 생산하는 데 사용될 수 있다.
이 가스를 이용할 수 있는 방법은 다음과 같다. 내부 공정 및/또는 기타 외부 목적용의 증기 생산, 또는 증기 터빈을 통해 전기를 생성하기 위한 보일러에서의 연소, 전기 생산을 위해 가스 터빈 또는 가스 엔진에서 직접적으로 이루어지는 연소, 연료전지, 메타놀 및 그외 액체 연료의 생산, 플라스틱, 비료 등 화학물질 생산의 공급원료, 개별 산업용 연료 가스로서 수소 및 일산화탄소의 추출, 그외 산업용 어플리케이션.
일반적으로 가스화 공정은 통제 및/또는 한정된 양의 산소, 선택적 증기와 함께 탄소질의 공급원료를 가열된 챔버 (가스화 장치)에 공급하는 것으로 이루어진 다. 과도한 산소로 CO2, H2O, SOX, NOX를 생산하는 소각 혹은 연소와는 대조적으로 가스화 공정은 CO, H2, H2S, NH3을 포함하는 가스 혼합물을 생산하다. 정화 후 중요한 의미를 지니는 가스화 산물은 H2, CO이다.
유용한 공급원료에는 모든 도시 폐기물, 산업활동으로 인해 발생한 폐기물, 생물의학 폐기물, 하수, 슬러지, 석탄, 중유, 석유코크스, 비중이 큰 정제 잔여물, 정제 폐기물, 탄화수소 오염 토양, 바이오매스, 농업 폐기물, 타이어 및 기타 유해 폐기물이 포함될 수 있다. 공급원료의 출처에 따라 휘발성 물질에는 H2O, H2, N2, O2, CO2, CO, CH4, H2S, NH3, C2H6과 아세틸렌, 올레핀, 방향족 화합물, 타르, 탄화수소 액 (기름), 석탄 (카본 블랙과 재)과 같은 불포화 탄화수소가 포함될 수 있다.
공급원료가 가열되면 물이 가장 먼저 방출된다. 건조한 공급원료의 온도가 올라감에 따라 열분해가 일어난다. 열분해 동안 공급원료는 열에 의해 분해되면서 타르, 페놀, 가벼운 휘발성 탄화수소 가스를 방출하며 석탄으로 변환된다.
석탄은 유기물과 무기물로 구성된 잔여 고체로 이루어진다. 열분해 후 석탄은 건조한 공급원료보다 카본의 농도가 높아지며 활성탄의 원료 역할도 할 수 있다. 고온(>1,200℃)에서 작동하는 가스화 장치나 고온 구역이 있는 시스템 안에서 무기 광물질은 용해 혹은 용화되어 슬래그라고 하는 녹은 유리 같은 물질을 형성한다.
슬래그는 용해, 융화된 상태이기 때문에 대개 무해하며 쓰레기 매립지에 무해물질로 처리하거나 광석, 포장재료, 기타 건축재로 판매할 수 있다. 폐기물질의 소각처리는 가열 과정에서 연료가 대단히 낭비되고 유용한 합성가스 및 고체 물질로 변환될 수 있는 물질을 잔여 폐기물로 처리하는 낭비가 일어나기 때문에 바람직하지 못하다.
가스화 과정의 방법은 매우 다양하지만 다음과 같은 네 가지 주요 엔지니어링 요소에 따라 달라진다. 가스화 장치 내 공기 (산소 또는 공기 또는 증기 함량 수준), 가스화 장치 설계, 내부 및 외부 가열 수단, 과정의 조작 온도. 생성 가스의 질에 영향을 미치는 요소에는 공급원료 구성, 조제품 및 입자 크기, 가스화 장치 가열율, 체류시간, 장치에 건조 공급 시스템 혹은 슬러리 공급 시스템이 장착되었는지 여부, 공급물 반응물 흐름 구조, 건조 재 혹은 슬래그 광물 제거 시스템 설계 등 장치 배열, 장치가 직접 혹은 간접 열 발생, 이전 방법을 사용하는지 여부, 합성가스 정화 시스템 등이 포함된다. 가스화는 보통 약 650℃에서 1200℃ 범위의 온도와 진공 혹은 약 100기압까지의 기압에서 실행된다.
가스화 과정에서 생긴 열을 잡아 이 열을 이용하여 전기를 만드는 시스템은 매우 많으며 일반적으로 복합발전시스템이라 알려져 있다.
이 과정과 가스화 시스템 전체에서 만들어지는 상당한 양의 회수가능 현열과 함께 생성 가스의 에너지는 일반적으로 이 과정을 수행할 충분한 양의 전기를 생성해내기 때문에 지역 전기 소비 비용을 줄여준다. 탄소질 공급원료 1톤을 가스화하는 데 필요한 전력량은 공급원료의 화학적 구성에 따라 직접적으로 달라진다.
가스화 과정에서 생성되는 가스가 "저질"의 탄소질 공급원료를 이용하여 낮은 온도의 가스화 장치에서 생성되는 경향이 있는 가스처럼 매우 다양한 휘발성 물질을 포함하고 있는 경우 일반적으로 오프가스라 일컬어진다. 공급원료의 특징과 가스화 장치 내 조건으로 인해 주로 CO와 H2로 이루어진 가스가 발생한 경우 이 가스를 합성가스라 일컫는다. 몇몇 가스화 시설에서는 가스 품질 조절 시스템을 통한 냉각 및 정화 이전에 미가공 오프가스나 미가공 합성가스를 보다 정제된 가스 혼합물로 변환시키는 기술을 사용하고 있다.
물질 가스화를 위한 플라즈마 가열 기술 이용은 여러 해 동안 상업적으로 이용되어 왔다. 플라즈마는 최소한 부분적으로나마 이온화되고 가스 원자, 가스 이온, 전자로 이루어진 고온의 발광 가스이다. 이러한 방식을 이용하면 어떠한 가스로도 플라즈마를 만들 수 있다. 이 가스는 중성 (예, 아르곤, 헬륨, 네온), 환원성 (예, 수소, 메탄, 암모니아, 일산화탄소), 산화성 (예, 산소, 이산화탄소)일 수 있기 때문에 이는 플라즈마에서의 화학 반응을 매우 잘 통제할 수 있게 한다. 벌크 상태에서 플라즈마는 전기적으로 중성이다.
몇몇 가스화 시스템은 고온에서 가스화 과정이 이루어지도록 하기 위해 그리고/또는 보다 긴 체인의 휘발성 물질과 타르를 가스 분자가 플라즈마와 접촉할 때 구성 원자로 해리되는 기타 투입물 혹은 반응물을 첨가 혹은 비첨가하여 작은 분자로 변환하거나 재구성, 재편성함으로써 오프가스/합성가스를 정제하기 위해 플라즈마 열을 사용한다. 많은 이러한 원자가 기타 투입 분자와 반응하여 새로운 분자를 형성하는 동안 다른 원자들은 재결합될 수 있다. 플라즈마 열과 접촉한 분자의 온도가 떨어짐에 따라 모든 원자는 완전히 재결합된다. 투입 가스를 화학량적으로 통제할 수 있기 때문에 산출 가스는 예를 들어 상당한 량의 일산화탄소 및 미량의 이산화탄소를 생산하도록 통제될 수 있다.
플라즈마 열로 도달할 수 있는 매우 높은 온도 (3000~7000℃)로 인해 모든 형태 혹은 혼합된 액체, 가스, 고체 형태의 폐기물을 수거 상태 그대로 사실상 모든 종류의 투입 공급물로 이용할 수 있는 고온의 가스화 과정이 가능하다. 플라즈마 기술을 주요 가스화 챔버 내에 위치시켜 모든 반응이 동시에 일어나도록 할 수도 있고 (고온 가스화), 시스템 내에 위치시켜 반응이 순차적으로 일어나도록 할 수도 있으며 (고온 정제과정을 갖는 저온 가스화) 혹은 이 둘을 혼합한 형태도 가능하다.
탄소 함유 공급물의 가스화가 일어나는 동안 생성된 가스는 대개 매우 뜨겁지만 불필요한 혼합물질을 소량 함유할 수 있어 이를 사용가능한 생성물질로 변환시키기 위한 추가 처리가 필요하다. 일단 탄소질 물질이 가스 상태로 변하면 금속, 황 혼합물, 재와 같은 바람직하지 못한 물질은 가스로부터 제거될 수 있다. 예를 들어 건식여과 시스템과 습식 백하우스가 가스화 과정 동안 만들어진 가스로부터 미립자 물질과 산성 가스를 제거하기 위해 종종 사용된다. 가스화 과정 동안 생성된 가스를 처리하기 위한 시스템이 포함된 가스화 시스템이 다수 개발되어왔다.
이러한 요소들은 다양한 상이한 시스템에서의 설계를 고려할 것이고, 이는 예를 들어 미국 특허 제 6,656,556호, 6,630,113호, 6,380,507호; 6,215,678호, 5,666,891호, 5,798,497호, 5,756,957호, 및 미국 특허출원 제 2004/0251241호, 2002/0144981호에서 개시되어 있다. 또한, 다양한 어플리케이션에서 이용되는 합성 가스의 생산을 위한 석탄의 가스화를 위한 서로 다른 기술에 관련된 다수의 특허가 있는데, 이는 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 포함한다.
이전의 시스템과 과정은 지속적으로 변화하면서 다루어져야 하는 문제들을 적절히 해결하지 못했다. 이들 유형의 가스화 시스템 중 몇몇은 가스화 반응으로부터 유용한 가스를 생성해내는 과정을 조정하는 방법을 설명한다. 따라서 가스화 과정 및/또는 전체 과정을 포함하는 단계들의 효율성을 극대화하는 방식으로 탄소 함유 공급물를 효율적으로 가스화하는 시스템을 제공한다면 기술에 있어 상당한 진보가 될 것이다.
위에서 언급한 바와 같이 가스화 시스템에서 나온 가스는 전기의 형태로 가스를 에너지로 변환시키는 등의 다양한 응용방법이나 연료전지 또는 화학적 공급물와 같은 화학적 응용방법으로 이용될 수 있다. 가스를 전기로 직접 변환시키는 데 사용되는 장치는 현재 가스 터빈과 가스 엔진으로 구성된다. 이러한 기계는 매우 한정된 범위의 특성 내에서만 작동하도록 설계되어 있으며 특정 가스 특성의 변화에 매우 민감한 경우가 많다. 가스 특성의 편차는 엔진 작동 효율성에만 영향을 미치는 것이 아니라 엔진 작동에도 부정적 영향을 끼칠 수 있다. 예를 들어 가스 특성의 변화는 엔진의 유지보수 요구사항을 늘릴 뿐만 아니라 배기물질, 효율성, 노킹 및 연소 안정성에도 영향을 미칠 수 있다. 따라서 이러한 가스 사용 기계는 가스의 특성이 특정 한계 내에서 유지될 때 가장 효율적으로 작동한다.
화학적 구성, 유량, 온도, 압력, 상대습도 등 가스화 시스템에서 만들어진 가스의 특성은 공급물의 구성과 예를 들어 가스화 과정 동안에 생기는 반응 상황 등이 다르기 때문에 시간에 따라 달라진다. 매 분마다 변화하는 가스의 특성도 있고 매 초마다 변화하는 특성도 있다. 일관적 특성을 지닌 가스의 지속적 흐름은 가스 구성이 균질할 수 있도록 가스를 완전히 혼합하고 온도, 압력, 유량 등의 그 외 특성을 조정할 때만 생산된다.
미국 특허 제6,398,921호는 내연기관의 발전용도로 이용되는 연료 가스의 생산 가스화 과정을 설명한다. 엔진에 연료를 공급하기에 앞서 이 연료 가스는 정화, 압축되어 한정된 서지 저장용 탱크에 저장된다. 이 연료 가스는 엔진에 필요한 주입 압력으로는 조절되지만 그외 특성, 즉 구성면에서는 아무런 조절을 받지 않는다. 따라서 가스 특성 (구성, 유량, 압력, 온도)의 변화를 최소화하여 다운스트림 기계에서 필요한 일관된 특질의 지속적 가스 흐름이 일어날 수 있도록 하는 가스 균질화 시스템의 필요성은 여전히 남아있다.
이 배경 기술은 본 발명에 가능한 관련성을 갖는 것으로서 출원인에 의해 공지된 정보라고 믿어지는 것을 제공하기 위함이다. 어떠한 허가도 의도적으로 필요하지 아니하고 해석될 필요도 없으며, 이전 정보의 어떤 것도 본 발명에 반하는 배경 기술을 구성하는 것은 아니다.
본 발명은 투입 가스의 화학적 구성을 균질하게 하고 가스의 유량, 압력, 온도와 같은 기타 특징을 조정하여 조절된 가스를 만들어 냄으로써 하류 요구사항을 충족시키는 가스 균질화 시스템을 제공한다. 본 시스템은 정의된 특징을 지닌 가스가 지속적, 일관적으로 하류 어플리케이션, 즉 예를 들어 가스 터빈, 엔진, 기타 적절한 어플리케이션에 전달될 수 있도록 한다.
특히 본 발명의 가스 균질화 시스템은 일관적인 배출 구성을 지닌 균질 가스를 얻기에 충분한 가스 체류시간이 이루어질 수 있도록 설계된 부피의 가스 균질화 챔버를 제공한다. 가스 균질화 시스템의 그 외 요소는 조절된 가스가 하류 어플리케이션의 성능 요건을 충족시킬 수 있도록 설계, 구성되었다. 이 시스템은 에너지와 프로세스 산출물을 최적화하기 위한 피드백 통제 시스템도 포함할 수 있다.
본 발명의 목표는 가스 균질화 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 견지에 따라 가스의 특징을 조절하기 위해 가스 입구, 가스 출구로 된 균질화 챔버, 하나 이상의 가스 특징을 모니터하기 위해 균질화 챔버에 합해진 하나 이상의 감지 요소, 하나 이상의 가스 특징 변화에 영향을 미치기 위해 균질화 챔버에 합해진 하나 이상의 반응 요소, 하나 이상의 가스 특징을 조정하기 위해 하나 이상의 반응 소자와 효과적으로 연결된 하나 이상의 프로세스 소자로 이루어진 가스 균질화 시스템이 제공되며 균질화 챔버 내부는 하나 이상의 가스 특징을 모니터 및 조절할 수 있도록 충분한 체류시간이 이루어지게 설계되었다.
본 발명의 또 다른 견지에 따라 가스 특징을 조절하기 위해 가스 입구, 가스 출구로 된 균질화 챔버, 하나 이상의 입구 도관, 가스의 화학적 구성, 온도, 유량, 압력 파라미터 관련 데이터를 모니터하기 위한 하나 이상의 감지 요소로 된 균질화 챔버 가스 입구와 유체로 연결된 가스 입구 메커니즘, 안정된 가스를 하류 어플리케이션의 출구로 향하게 하기 위해 균질화 챔버의 가스 출구와 유체로 연결된 조절 가스 출구 메커니즘, 하나 이상의 출구 도관으로 이루어진 출구 메커니즘, 가스의 화학적 구성, 온도, 유량, 압력 파라미터를 조절하기 위해 시스템에 합해진 하나 이상의 프로세스 소자, 시스템에 영향을 미쳐 가스의 화학적 구성, 온도, 유량, 압력 파라미터를 최적화하기 위한 하나 이상의 프로세스 소자와 효과적으로 합해진 하나 이상의 반응 요소로 된 가스 균질화 시스템을 제공하며 균질화 챔버 내부는 가스의 구성, 온도, 유량, 압력을 모니터 및 조절할 수 있도록 충분한 체류시간이 이루어지게 설계되었다.
본 발명의 견지에 따라 가스 균질화 시스템을 사용하여 투입 가스를 조절된 가스로 변환시키는 프로세스가 제공되며 이 프로세스는 투입 가스 제공, 하나 이상의 감지 요소를 통해 시스템 내에서 화학적 구성, 온도, 유량, 압력에 대한 가스 모니터, 가스의 화학적 구성, 온도, 유량 및/또는 압력 파라미터를 최적화하는 하나 이상의 프로세스 소자를 조정하기 위한 하나 이상의 반응 소자에 대한 지시를 제공하여 하류 어플리케이션의 요구사항을 만족시키는 조절된 가스를 생산하는 단계로 구성된 프로세스이다.
본 발명의 이러한 그리고 다른 특징들은 이하의 상세한 설명에서 첨부된 도면을 참고하여 더욱 분명하게 나타날 것이다.
도 1A는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 균질화 시스템의 예시이고, 이 경우 가스는 단일 소스로부터 단일 균질화 챔버로 전달되며 이후 가스 컨디셔닝 스키드에 의해 단일 엔진으로 전달된다.
도 1B는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 균질화 시스템을 도시하고, 이 경우 가스는 단일 소스로부터 단일 균질화 챔버로 전달되며 이후 히터, 필터, 및 압력 조절기 밸브에 의해 단일 엔진으로 전달된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 균질화 시스템을 도시하고, 이 경우 가스는 단일 소스로부터 단일 균질화 챔버로 전달되며 이후 히터 및 다수의 필터, 및 압력 조절 밸브에 의해 다수의 엔진으로 전달된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 균질화 시스템을 도시하고, 이 경우 가스는 단일 소스로부터 단일 균질화 챔버로 전달되며 이후 다중 엔진으로 전달되고, 각각의 엔진은 자체 가스 컨디셔닝 스키드를 갖는다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 균질화 시스템을 도시하고, 이 경우 가스는 다수의 소스로부터 단일 균질화 챔버로 전달되며 이후 다수의 엔진으로 전달되고, 각각의 엔진은 자체 가스 컨디셔닝 스키드를 갖는다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 균질화 시스템을 도시하고, 이 경우 가스는 두 개의 평행 스트림으로부터 다수의 엔진으로 전달되며, 각각의 스트림 은 단일 균질화 챔버로 전달되는 가스의 단일 소스를 포함한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 일정한 부피의 균질화 챔버를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 부피 균질화 챔버의 설계 및 기능성을 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 용기 및 압축기 조합으로서 구성된 균질화 챔버를 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 멤브레인 가스 홀더로서 구성된 균질화 챔버를 도시한다.
도 10A는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡착 유형 가스 홀더로서 구성된 균질화 챔버를 도시한다.
도 10B는 흡습 물질의 설계를 도시하는 흡착 유형 가스 홀더의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 언더그라운드 일정한 부피의 큰 지름 파이프로 구성된 균질화 챔버를 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 평행하게 배열된 다수의 일정한 부피의 균질화 챔버를 도시한다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스/액체 분리기를 도시한다.
도 14A는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 블로우어로서 구성된 드래프트 유도 장치를 도시한다.
도 14B는 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 펌프로서 구성된 드래프트 유도 장치를 도시한다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 프로세스의 흐름도이다.
도 16A-D는 본 발명의 실시예에 따른 압력 조절 장치를 도시한다.
도 17A-D는 본 발명의 실시예에 따른 유동 조절 장치를 제공한다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 밸브를 제공한다.
도 19A-K는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 발신기를 위한 장착 및 브래킷 장치를 도시한다.
도 20A는 본 발명의 일 실시예에 따른 축방향 유동 압축기를 도시한다.
도 20B는 본 발명의 일 실시예에 따른 상호 압축기를 도시한다.
도 20C는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 스크류 압축기를 도시한다.
도 20D는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 스테이지 원심 압축기를 도시한다.
도 20E는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 개의 스테이지 원심 압축기를 도시한다.
도 21A는 본 발명의 일 실시예에 따른 1.5"x2" 내지 3"x4의 경감 밸브 메커니즘을 도시한다.
도 21B는 본 발명의 일 실시예에 따른 4"x6" 내지 12"x16"의 경감 밸브 메커니즘을 도시한다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합된 가스화 조합 사이클(IGCC) 전력 플랜트 및 액체 상 메탄올 프로세스(LPMEOHe) 반응기를 조합하는 일체화된 시스템의 흐름도이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체화된 시스템의 흐름도이고, 이 경우 통합된 가스화 조합 사이클(IGCC) 전력 플랜트 및 피셔 트롭쉬(F-T) 액체 공동 생산이 이용된다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 일정 부피 균질화 챔버를 도시한다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 컨디셔닝 시스템(GCS) 및 가스 저장 탱크를 도시한다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 도시 고형 폐기물(MSW) 플라즈마 가스화 플랜트의 흐름도이다.
정의
여기서 이용된 것과 같은, "약"이란 용어는 언급된 값으로부터 대략 +/- 10%의 변화를 지칭한다.
"가스의 조성"이란 용어는 가스 내에 화학 종의 전체 조성을 지칭한다. 그러나, 실제로 이 용어는 하류 어플리케이션과 가장 관련있는 화학 성분의 종 및 농도를 표현하는데 일반적으로 이용된다. 예를 들면, 가스 터빈에 바람직한 가스 조성은 그 합성 가스에서 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 물 및/또는 수소의 양에 의해 일반적으로 설명될 것이다. 또한, 화학 조성은 특정 화학 종이 없는 것으로서 도 표현될 수 있는데, 즉 "H2S가 없는" 가스와 같은 하류 어플리케이션으로 전달되는 것이 바람직하지 않은 종과 같은 것이다. 가스의 화학 조성은 가스화 프로세스, 가스 클린업 및 컨디셔닝이 수행되는 방식 및 가스를 생성하는데 이용되는 피드백의 조성에 따라 크게 변할 수 있다. 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자(이하 '당업자')에게 명백한 이러한 내용에 따라, 가스의 조성은 미세 원소를 고려하거나 고려하지 않을 것이다.
"가스의 특성"이란 용어는 가스의 관련 화학적 및 물리적 품질을 지칭하고, 이는 화학 조성, 온도, 압력, 유동 속도 등을 포함하는 의미이다. 이에 따라, 당업자는 색, 냄새 등을 포함할 수 있다고 이해할 수 있다.
LHV는 낮은 가열값을 의미한다.
HHV는 높은 가열값을 의미한다.
여기서 이용되는, "감지 요소"란 용어는 프로세스, 프로세스 소자, 프로세스 입력 또는 프로세스 출력의 특성을 감지하도록 구성된 시스템의 어떠한 요소를 의미하는 것으로 정의되고, 이 경우 이러한 특성은 시스템의 하나 이상의 국부적, 지역적 및/또는 전체적인 프로세스를 모니터, 조절, 및/또는 제어하는데 이용가능한 특성값에 의해 표시될 수 있다. 가스화 시스템의 문구에서 고려되는 감지 요소는, 이 시스템 내에서 이용되는 프로세스 소자의 작동 특성 및 시스템 내의 어떤 주어 진 포인트에서 물질 위치 및/또는 배치뿐만 아니라 프로세스, 유체 및/또는 물질 온도, 압력, 유동, 조성 및/또는 다른 특성을 감지하기 위한 센서, 탐지기, 모니터, 분석기, 및 이의 조합을 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다. 가스화 시스템이란 문구 내에서 각각 관련되지만, 당업자는 감지 요소의 상기 예는 본 명세서의 문구 내에서 특히 관련될 수 없다는 것을 이해할 것이고, 이와 같은 여기서 감지 요소로서 확인된 요소는 이러한 예의 관점에서 제한되고 및/또는 부적절하게 해석되어서는 안된다.
여기서, "반응 요소"란 용어는 감지된 특성에 반응하도록 구성된 시스템의 어떠한 요소를 설명하는 것으로 정의되고, 이에 의해 하나 이상의 예정된, 계산된, 정해진, 및/또는 조정 가능한 제어 파라미터에 따라 함께 기능적으로 연관된 프로세스 소자를 작동시키며, 이 경우 하나 이상의 제어 파라미터는 바람직한 프로세스 결과를 제공하도록 형성된다. 가스화 시스템이란 문구 내에서 고려되는 반응 요소는, 하나 이상의 제어 파라미터에 기초한 소자에 대해 기계적, 전기적, 자기적, 공압식, 유압식 또는 이의 조합일 수 있는 정적, 미리 설정된 및/또는 역학적으로 변화 가능한 드라이버, 전력 소스, 및 작용을 주도록 구성된 어떠한 다른 요소를 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 하나 이상의 반응 요소가 기능적으로 연결될 수 있고 가스화 시스템의 문구 내에서 고려되는 프로세스 소자는 물질 및/또는 피드백 입력 수단, 플라즈마 가열 소스와 같은 가열 소스, 첨가 입력 수단, 다양한 가스 블로우어(blower) 및/또는 다른 가스 순환 소자, 다양한 가스 유동 및/또는 압력 조절기, 및 가스화 시스템 내의 국부적, 지역적 및/또는 전체적 프로세 스에 영향을 미치도록 작동 가능한 다른 프로세스 소자를 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 가스화 시스템의 문구 내에서 각각 관련되지만, 상기의 반응 요소의 예들은 본 명세서의 문구 내에서 특히 관련이 없을 수도 있다는 것을 당업자는 이해할 것이고 이와 같이 반응 요소로서 여기서 확인된 요소들은 이러한 예의 관점에서 제한되고 및/또는 부적절하게 해석되어서는 안된다.
다르게 정의되지 아니하였다면, 여기서 이용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 이 발명이 속한 당업자에게 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다.
개요
본 발명은 하류 어플리케이션의 요구사항을 맞추기 위해 유동 속도, 압력 및 온도와 같은 가스 특성을 조정하기 위한 그리고 가스의 화학 조성을 균질화하기 위한 균질화 시스템을 제공한다. 조절된 가스라고 불리는 결과적인 배출 가스는 실질적으로 연속적이고 일정하며 하류 어플리케이션에 적절한 실질적으로 잘 제어된 특성을 갖는다.
본 발명은 다양한 크기 및 형태의 하나 이상의 챔버를 포함하는 시스템을 제공하고, 이 챔버의 주요한 목적은 가스의 조성의 균질화를 이루어 예를 들어 관련 화학 성분의 조성에서의 변동을 감소시킴에 의해 가스의 일정한 배출 흐름을 얻는 것이다. 배출 가스에서 화학 성분의 농도는 관련된 화학 성분을 허용할 수 있는 범위 내에서만 변할 것이다. 챔버의 형태는 고정된 또는 떠있는 지붕을 가진 표준 가스 저장 탱크로부터 아래로 넓은 지름 파이프까지의 범위에 있을 수 있다. 균질화 챔버를 위한 중요한 고려사항은 그 부피인데, 이 부피는 화학 성분의 충분한 균질화를 가능하게 하는 임계 체류 시간을 얻는 것을 보장할 것이다. 다른 고려 사항은 압력 및 온도(특히 환경적) 요구사항을 포함한다.
가스 엔진 및 가스 터빈과 같은 하류 어플리케이션은 가스 압력 및 하위 가열값(lower heating value, LHV)과 같은 가스 특성의 제한된 전체 변화 및 변화의 제한된 속도를 견딜 수 있고, 그 외부에서 이 어플리케이션의 성능, 신뢰도 또는 방출이 영향을 받을 수 있다. 따라서, 어플리케이션 선능을 최적하하도록 가능한 많은 변화를 안정화시키는 것이 유리하다. 본 발명의 시스템은 조절된 가스를 전달하는 능력을 제공하고, 이 조절된 가스는 어플리케이션에 의해 허용된 속도 및 범위 내에서 변하고 이에 의해 가스 품질은 시스템이 가능한 실질적으로 가장 비용 절감적인 방식으로 에너지를 만들 수 있는 범위에 있게 된다. 따라서, 일 실시예에서, 본 발명의 조절된 가스는, 그 가스 내에서 가스 LHV 및 압력의 변화 속도와 LHV 및 압력의 전체 변화가 하류 어플리케이션의 허용 한계 내에 있게 되는 가스이다.
가스 균질화 시스템과 관련된 구성요소 및 프로세스를 정의하기에 앞서, 입력 가스 및 조절된 가스 특성의 간략한 개요가 이하에서 제공된다.
입력 가스 특성
본 발명의 균질화 시스템으로 들어갈 가스의 조성은 가스화 프로세스에 의해 결정된다. 가스화 프로세스 동안 이루어지는 조정은 가스가 특정 마지막-어플리케이션(예를 들어 전기 생성을 위한 가스 터빈)에 최적화되게 하는 것을 가능하게 하거나 또는 예를 들어 석탄 또는 도시 고체 폐기물(MSW)과 같은 서로 다른 탄소의 소스와 같은 상이한 공급 원료로부터의 가스 생성에 최적화되게 하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 가스의 조성은 특별한 에너지 생성 기술을 위해(예를 들어 특정의 가스 엔진 또는 가스 터빈을 위해), 그리고 가스화 프로세스의 작동 파라미터를 조정함에 의해 이용된 공급 원료의 상이한 형태에 따라 최고의 전체 변환 효율을 위해 맞추어질 수 있다.
시스템으로 들어가는 가스는 가스화 시스템으로부터 유도될 수 있다. 적절한 입력 가스의 예는 가스화 장치, 가스 컨디셔닝 시스템(GCS), 고체 잔류물 가스 컨디셔너, 및 이와 유사한 것으로부터 유도된 것을 포함한다. 일 실시예에서, 입력 가스는 이용된 활성화 탄소, HCl 스크러버(scrubber), 또는 H2S 스크러버로부터 유도된 정화 가스이다.
가스화 시스템을 떠나는 이 가스는 타겟 조성의 정해진 범위 내에 있을 수 있지만, 시간에 따라 가스는 공급 원료 조성 및 주입 속도와 같은 가스화 프로세서에서의 변화, 에어 유동 및 온도에서의 변동에 의해 그 특성이 변할 수 있다.
조성 및 변화
일반적으로 가스화 시스템을 떠나는 가스의 주요 구성요소는 일산화탄소, 질 소, 이산화탄소, 수소 및 물인 경향이 있다. 또한, 메탄, 에틸렌, 염산 및 황산의 매우 적은 양이 존재할 수도 있다.
상이한 화학 성분의 정확한 비율은 공급되는 공급 원료의 형태에 따라 다르다. 예를 들면, 석탄(도시 고체 폐기물과 비교하여 탄소질 공급 원료의 비교적 균등한 조성으로 일반적으로 인식되어 있음)으로 만들어진 가스는 특별히 설정된 작동 조건 하에서 약 26% 일산화탄소, 약 11.5% 이산화탄소, 약 28% 수소 및 약 31% 수증기를 만든다. 하위-역청질 탄소(sub-bituminous coal)(약 23.1MJ/kg-25.1% 수분 함유물에 적절한 조성을 가짐)의 가스화는 다른 설정된 작동 조건 하에서 각각 약 18.2%, 약 6.9%, 약 17.8% 및 약 15.1%의 일산화탄소, 이산화 탄소, 수소 및 물을 만든다. 사실 다양한 상이한 석탄이 있고 이 석탄은 이로부터 만들어지는 가스의 실질적인 변화를 각각 나타낼 수 있는데, 이러한 석탄은 토탄(peat)으로부터 갈탄(lignite)(약 8-10MJ/kg의 에너지 함유량, 약 70%의 수분), 블랙 석탄(black coal)(약 24-28MJ/kg의 에너지 함유량, 약 3%의 수분), 무연탄(시각적으로 수분이 없고 약 32MJ/kg에 이르는 에너지 함유량)에 이른다.
압력 및 온도
가스 조성의 제어와 유사하게, 가스의 압력 및 온도는 가스화 시스템에서 모니터되고 제어될 수 있으며 이에 의해 하류 어플리케이션에 의해 규정된 허용 한계 내에서 이러한 파라미터를 유지시킨다. 그러나 이러한 제어에도 불구하고, 가스의 압력 및 온도 모두에서의 변동은 일반적으로 시간이 지남에 따라 일어날 것이다. 압력의 경우에, 변동은 초당 일어날 수 있고; 온도의 경우에는 분당 일어날 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 압력 변화 한계는 약 0.145psi/초 미만으로 선택된다.
조절된 가스 특성
상기에서 언급된 것처럼, 본 발명의 가스 균질화 시스템을 빠져나가는 조절된 가스는 거의 안정화된 특성을 갖고, 이 특성은 하류 어플리케이션의 구체적 요구사항을 만족시킨다. 일반적으로, 기계 제작자는 특별한 기계류에 의해 허용되는 허용사항 및 요구사항을 제공할 것이고, 가스 엔진 또는 가스 터빈에 대한 이러한 가스 파라미터들은 당업자에게 알려져 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 가스 엔진은 조절된 가스 조성 LHV에 약 30초에서 약 1%의 변화를 최대로 갖도록 요구할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 조절된 가스는 웨버 지수(Wobbe Index)(T(degrees R)/sq.rt(특정 중력)으로서 정의됨)가 터빈 엔진용 설계값의 +/- 4%에 있도록 요구한다. 또한, 터빈 엔진은 약 475 psig의 최소 압력 및 약 300Btu/scf의 최소 LHV를 요구할 수도 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 엔진은 이슬점 온도 플러스 약 20℉과 동일하거나 이보다 큰 조절된 가스 온도를 요구할 것이고, 이 경우 상대 습도는 약 80%의 최대값에 있다.
가스 균질화 시스템
상기에서 언급된 것처럼, 본 발명은 균질화 챔버에서 가스 조성의 화학량론 에서의 변동을 감소시키고 가스를 수집하는 시스템을 제공한다. 이 시스템의 다른 요소는 선택적으로 유동 속도, 습도, 온도, 및 압력과 같은 가스의 특성이 하류 어플리케이션에 수용 가능한 범위에 있도록 조정한다. 이에 의해 이 시스템은 가스의 특성을 조절하여 가스 엔진 또는 가스 터빈과 같은 하류 어플리케이션으로의 전달을 위한 거의 일정한 특성을 갖는 가스의 연속적 흐름을 만든다. 또한, 이 시스템은 프로세스의 출력 및 에너지론을 최적화하는 피드백 제어 시스템을 포함할 수 있다.
도 1A는 조절된 가스의 생산을 위해 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 가스 균질화 시스템(1)을 도시한다. 가스 균질화 시스템(1)은 냉각기(10); 가스/액체 분리기(12); 균질화 챔버(14); 가스 균질화 챔버(14)에 연결된 안전 밸브(relief valve; 16) 및 압력 제어 밸브(18); 가스/액체 분리기(22) 및 히터(24)를 포함한 가스 컨디셔닝 스키드(20); 필터(26); 및 압력 조절 밸브(28)를 포함한다. 조절된 가스는 이후에 적절한 도관을 통해 엔진(30)으로 향할 수 있다.
도 1A에서 화살표에 의해 표시된 것처럼, 가스는 냉각기(10)에서 균질화 시스템(1)으로 들어가고, 이 경우 가스의 온도는 적절하게 조정된다. 이후 가스는 적절한 도관 수단에 의해 분리기(12)로 전달되고, 여기서 가스의 습도가 조절된다. 이후, 가스는 가스 입구 도관 수단에 의해 균질화 챔버(14)로 들어간다. 일단 균질화 챔버(14)로 들어가면, 가스는 혼합되거나 또는 블렌드되어 안정화된 조성을 갖는 가스가 된다. 혼합 또는 블렌드 가스의 가스 유동 속도 및 압력은 균질화 챔버로부터 혼합 또는 블렌드 가스의 배출시 추가적으로 조절된다. 이후 적절한 도 관 수단이 혼합 또는 블렌드 가스를 가스 컨디셔닝 스키드(20)로 운반하고, 여기서 혼합 또는 블렌드 가스의 온도 및 습도의 조절이 수행된다. 적절한 도관 수단에 의해 운반된 혼합 또는 블렌드 가스는 이후 필터되고(26) 압력 조절된다(28). 결과적인 조절된 가스는 이제 하류 어플리케이션에 대한 바람직한 요구사항들을 충족시키고 적절한 도관 수단을 통해 엔진(30)으로 향할 수 있다.
일반적으로, 가스는 생성됨에 따라 가스화 프로세스로부터 균질화 챔버로 운송될 것이다. 균일한 입력 가스 유동 속도를 보장하기 위해, 드래프트 유도 소자가 이용될 수도 있다. 유사하게, 입력 가스 흐름의 가스 조성, 유동 속도, 온도 및 압력과 같은 인자들이 타겟 특성의 원하는 범위 내에서 일치하는 것을 보장하기 위해, 입력 가스는 당업자에 알려진 모니터링 시스템에 의해 균질화 이전에 모니터될 수 있다. 이러한 인자의 분석의 결과가 주어지고, 이후 가스는 균질화 챔버로 향할 수 있다.
도 1B는 조절된 가스의 생산을 위해 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 균질화 시스템(100)을 도시한다. 가스 균질화 시스템(100)은 냉각기(110); 가스/액체 분리기(112); 안전 밸브(116) 및 압력 제어 밸브(118)가 연결된 균질화 챔버(114); 히터(124); 필터(126); 및 압력 조절 밸브(128)를 포함한다. 조절된 가스는 이후 적절한 도관을 통해 엔진(130)으로 향할 수 있다.
도 2는 조절된 가스의 생산을 위해 구성된 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 가스 균질화 시스템(200)을 도시한다. 이 가스 균질화 시스템(200)은 냉각기(210); 가스/액체 분리기(212); 안전 밸브(216) 및 압력 제어 밸브(218)가 연결 된 균질화 챔버(214); 히터(224); 필터(232); 일련의 필터(226); 및 일련의 압력 조절 밸브(228)를 포함한다. 따라서, 가스는 단일 소스로부터 유도되고 조절된 가스는 단일 균질화 챔버(214)에 의해 일련의 엔진(230)으로 전달된다.
도 3은 조절된 가스의 생산을 위해 구성된 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 가스 균질화 시스템(300)을 도시한다. 이 가스 균질화 시스템(300)은 냉각기(310); 가스/액체 분리기(312); 안전 밸브(316) 및 압력 제어 밸브(318)가 연결된 균질화 챔버(314); 각각이 가스/액체 분리기(322) 및 히터(324)를 포함하는 일련의 가스 컨디셔닝 스키드(320); 일련의 필터(326); 및 일련의 압력 조절 밸브(328)를 포함하는 일련의 가스 컨디셔닝 스키드(320)를 포함한다. 따라서, 조절된 가스는 단일 균질화 챔버(314) 및 일련의 가스 컨디셔닝 스키드(320)에 의해 단일 소스로부터 일련의 엔진(330)으로 전달된다.
도 4는 조절된 가스의 생산을 위해 구성된 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 가스 균질화 시스템(400)을 도시한다. 이 가스 균질화 시스템(400)은 일련의 냉각기(410)와 단일 균질화 챔버(414)로 주입하는 일련의 가스/액체 분리기(412); 각각이 가스/액체 분리기(422) 및 히터(424)를 포함하는 일련의 가스 컨디셔닝 스키드(420); 일련의 필터(426); 및 일련의 압력 조절 밸브(428)를 포함한다. 따라서, 조절된 가스는 다수의 가스 소스로부터 생성되고 단일 균질화 챔버(414)에 의해 일련의 엔진(430)으로 전달된다.
도 5는 조절된 가스의 생산을 위해 구성된 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 가스 균질화 시스템(500)을 도시한다. 이 가스 균질화 시스템(500)은 각각의 흐름이 냉각기(510), 가스/액체 분리기(512), 균질화 챔버(514), 히터(524) 및 필터(532)를 포함하는 두 개의 흐름 구성요소(500a, 500b)를 포함한다. 두 흐름(500a, 500b)으로부터의 조절된 가스는 조합되고 일련의 필터(526)에 의해 그리고 일련의 압력 조절 밸브(528)에 의해 일련의 엔진(530)으로 전달된다.
상기 도면들은 가스 균질화 시스템의 예시적 구성에 관련된 것이고 따라서 어떠한 방식으로든지 본 발명의 범위를 제한하려고 하는 의도는 아니다. 당업자에게 명백한 것처럼, 가스 균질화 시스템의 다른 적절한 구성이 하류 어플리케이션의 요구사항을 만족시키는 조절된 가스를 만드는데 이용될 것이다. 따라서, 이러한 구성은 여기서만 고려되는 것이다.
1) 균질화 챔버
이미 언급된 것처럼, 본 발명의 가스 균질화 시스템은 가스화 시스템으로부터 만들어진 가스를 받고 가스의 혼합 또는 블렌딩을 촉진하여 균질화 챔버 내의 가스의 화학적 조성에서의 변동을 감소시킨다. 압력, 온도 및 유동 속도와 같은 다른 가스 특성에서의 변동도 가스의 혼합 동안 감소될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 챔버의 치수는 하류 어플리케이션의 요구사항 및 상류의 가스화 시스템의 성능 특성에 따라 설계되고, 가능한 크게 챔버의 크기를 실질적으로 최소화하는 것이 목적이다. 가스 균질화 챔버는 가스화 프로세스로부터 가스를 수용하고 일정한 체류 시간 동안 가스를 유지시키도록 설계되고 이에 의해 실질적으로 일정한 화학 조성을 가진 가스의 부피를 얻고 방해 및/또는 변동을 누그러뜨리기 위해 가스의 충분한 혼합 또는 블렌딩을 가능하게 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 균질화 챔버의 치수는 총 시스템 반응 시간에 기초하여 계산될 수 있고, 이 시스템 반응 시간은 컨버터 및 분석기 샘플 프로브 사이의 프로세스 체류 시간 플러스 플랜트 제어 시스템(PCS)으로의 분석 및 전송 시간, 샘플 시스템을 위한 총 시스템 반응 시간을 포함한다.
체류 시간
체류 시간은 하류 어플리케이션으로 향하기 이전에 균질화 챔버에 가스가 남아 있는 평균 시간의 양이다. 체류 시간은 관련된 가스화 시스템의 반응 시간에 거의 비례하고 이에 의해 가스화 반응에서의 변동의 변화 속도의 효과를 감소시키며 이로써 수용된 허용값 내에 있는 가스 특성을 얻는다. 예를 들면, 가스 조성은 이 조성이 특별한 하류 어플리케이션에 허용되는 가스 조성 허용도 내에 있는지를 결정하고 편차를 조정하기 위해 가스화 프로세스에 어떠한 조정을 만들기에 충분히 긴 균질화 챔버에서 유지된다. 이러한 방법으로, 이 시스템은 가스 특성에서의 변화 속도에 영향을 미칠 수 있고, 이에 의해 빠른 프로세스 래그(lag)로의 상류 제어는 하류 어플리케이션의 특별한 사항들을 충족시킬 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 체류 시간은 30초당 하부 가열값(LHV)에서의 약 1% 최대 변화 및 약 0.145psi/초의 압력에서의 최대 변화에 의해 결정된다.
균질화 챔버에서의 가스의 체류 시간은 가스 특성에서의 변화의 양에 의해 결정된다. 즉, 가스 특성에서의 변화가 작을수록, 이러한 변화를 교정하기 위해 균질화 챔버에서 필요한 체류 시간이 더 짧아진다.
본 발명의 상이한 실시예에 따르면, 체류 시간은 약 1분 미만으로부터 약 20분까지 변할 수 있다. 일 실시예에서, 체류 시간은 약 15 내지 약 20분의 범위에 있다. 일 실시예에서, 체류 시간은 약 10 내지 약 15분의 범위에 있다. 일 실시예에서, 체류 시간은 약 5 내지 약 10분의 범위에 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 체류 시간은 약 3 내지 약 5분의 범위에 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 체류 시간은 약 1 내지 약 3분의 범위에 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 체류 시간은 약 1분 미만의 양으로부터의 범위에 있다.
일 실시예에서 체류 시간은 약 20분이다. 일 실시예에서 체류 시간은 약 18분이다. 일 실시예에서 체류 시간은 약 15분이다. 일 실시예에서 체류 시간은 약 13분이다. 일 실시예에서 체류 시간은 약 10분이다. 일 실시예에서 체류 시간은 약 8분이다. 일 실시예에서 체류 시간은 약 6분이다. 일 실시예에서 체류 시간은 약 4분이다. 일 실시예에서 체류 시간은 약 3분이다. 일 실시예에서 체류 시간은 약 2분이다. 일 실시예에서 체류 시간은 약 1분이다. 일 실시예에서 체류 시간은 약 1분 미만이다.
부피 용량
이미 언급된 것처럼, 균질화 챔버의 부피 용량은 공급 원료의 불균일성에 의해 기대되는 특별한 하류 어플리케이션 및 변동에 요구되는 체류 시간과 관련이 있 다. 본 발명의 일 실시예에서, 변화 가능한 가스 부피는 약 0-290m3의 범위에 있다. 일 실시예에서, 변화 가능한 가스 부피는 약 0-1760m3의 범위에 있다. 일 실시예에서, 변화 가능한 가스 부피는 약 0-2050m3의 범위에 있다. 일 실시예에서, 변화 가능한 가스 부피는 약 0-30,000m3의 범위에 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 균질화 챔버는 약 290m3의 최대 용량을 갖는다. 일 실시예에서 균질화 챔버는 약 1800m3의 최대 용량을 갖는다. 본 발명의 일 실시예에서, 균질화 챔버는 약 2300m3의 최대 용량을 갖는다. 본 발명의 일 실시예에서, 균질화 챔버는 약 30,000m3의 최대 용량을 갖는다.
저압 및 고압 챔버 /시스템의 설계 압력 및 가능성
선택된 하류 어플리케이션은 균질화 챔버의 작동 압력에 직접 영향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 가스 엔진은 약 1.2-3.0psig의 가스 압력을 필요로 할 것이고 가스 터빈은 약 250-600psig의 가스 압력을 필요로 할 것이다. 상응하게 균질화 챔버의 기계적 설계 압력이 계산되고 이에 의해 선택된 어플리케이션에 대한 필요한 작동 압력을 수용한다. 일 실시예에서, 균질화 챔버는 가스 엔진용 가스 압력을 유지하기에 적절한 기계적 설계 압력을 갖는다. 일 실시예에서, 균질화 챔버는 가스 터빈용 가스 압력을 유지하기에 적절한 기계적 설계 압력을 갖는다. 일 실시예에서, 균질화 챔버는 약 5.0psig의 기계적 설계 압력을 갖는다. 본 발명의 일 실시예에서, 균질화 챔버는 약 10.0psig의 기계적 설계 압력을 갖는다. 본 발명의 일 실시예에서, 균질화 챔버는 약 25.0psig의 기계적 설계 압력을 갖는다. 본 발명의 일 실시예에서, 균질화 챔버는 약 100 내지 약 600psig의 범위의 기계적 설계 압력을 갖는다.
또한, 당업자는 가스 엔진과 같은 하류 어플리케이션의 요구사항을 만족시키기 위해 하부 압력 시스템은 가스 터빈과 같은 다른 어플리케이션을 위한 것보다 더욱 유리할 것이라는 것을 이해할 수 있고, 이 경우 더 높은 압력 가스 흐름이 더욱 적절할 것이다.
설계 온도
균질화 챔버는 기계적 설계 온도 허용도를 갖고, 이 허용도는 하류 어플리케이션의 특별한 내용(specification) 및 함유된 가스를 수용한다. 일반적으로, 이러한 온도는 약 -40℃ 내지 약 300℃의 범위에 있을 것이다. 본 발명의 일 실시예에서 챔버의 기계적 설계 온도는 약 -37℃ 내지 약 93℃의 범위에 있다.
균질화 챔버의 유형 및 형태
당업자는 균질화 챔버가 상기에서 설명된 균질화 시스템의 기능적 요구사항들이 만족되도록 제공된 다양한 형태로 형성될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 당업자는 챔버의 형태 및 크기가 상기에서 언급된 것과 같은 특별한 설계에 필 요한 가스 처리량 및 체류 시간에 의존할 것이라는 것을 이해할 것이다. 비용 및 유지는 균질화 챔버의 유형을 선택하는데 있어서 추가적인 고려사항이다.
상이한 유형의 균질화 챔버는 가스 계량기, 가스 홀더, 변화 가능한 부피 및 고정된 부피의 탱크로서 표준 연료 탱크 및 서지(surge) 탱크를 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 균질화 챔버는 표준 연료 탱크이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 균질화 챔버는 서지 탱크와 같은 고정된 부피의 탱크이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 균질화 챔버는 변화 가능한 부피 탱크이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 균질화 챔버는 가스 계량기 또는 가스 홀더이다.
도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 균질화 챔버(614)는 고정된 부피의 탱크(600), 가스 입구(640), 가스 출구(642), 안전 가스 출구(relief gas outlet; 644), 배수관(646), 하나 이상의 압력/온도 노즐(648) 및 하나 이상의 레벨 스위치 노즐(650)을 포함한다. 탱크(600)의 배수관(646)은 원뿔형 바닥부 배수 시스템(647)의 특징을 가지고, 이는 투입 히터(immersion heater)와 같은 절연 수단 또는 다른 적절한 수단과 연합될 수 있고(associated with), 이에 의해 추운 날씨에서 응축물이 어는 것을 방지한다. 선택적으로, 탱크(600)는 핀(fin) 또는 배플(baffle)을 포함하고, 이에 의해 가스의 혼합을 촉진시키며, 이 경우 탱크의 선택, 형태, 숫자 및 위치는 당업자에게 이해될 것이다.
도 7을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 균질화 챔버(714)가 설명될 것이다. 균질화 챔버(714)(떠 있는(floating) 지붕의 균질화 챔버로서도 알려짐) 는 압력에서의 작은 변동을 수용할 수 있다. 균질화 챔버(714)는 피스톤(752)에 연결된 다이어프램(753)과 가스 입구(751)를 갖는 변화 가능한 부피의 탱크(700)를 포함하고, 피스톤은 탱크 부피를 증가시키거나 또는 감소시키는데 함께 작용한다.
도 8을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 균질화 챔버(814)가 설명될 것이다. 균질화 챔버(814)(압력 용기로도 알려짐)는 가스 출구(854) 및 가스 입구(856)를 포함한다. 가스 입구는 압축기(858)에 연결되고, 이 압축기는 압력 용기(800)에서 저장 이전에 가스를 압축하는 기능을 한다. 당업자는 가스가 압력 용기에서 저장 이전에 압축되기 때문에 압력 용기가 전통적인 낮은 압력의 탱크보다 작을 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다.
도 9를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 균질화 챔버(914)는 내부 멤브레인(960) 및 외부 멤브레인(962)에 의해 형성되고 가스 입구(968) 및 가스 출구(970)에 연결된 가스 홀딩 챔버(900)를 포함한다. 가스가 홀딩 챔버(900)를 빠져나갈 때, 외부 멤브레인(962)에 결합된 블로우어(964)는 멤브레인들 사이의 영역(965)에 팽창을 제공한다. 가스가 홀딩 챔버(900)에 첨가될 때, 조절기(967)는 팽창된 영역(965)의 압력을 조정한다.
도 10A를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 균질화 챔버(1014)가 설명될 것이다. 이 실시예에서, 균질화 챔버(1014)는 가스 입구(1072) 및 가스 출구(1074)를 갖는 일정한 부피의 탱크(1000)를 포함하는 흡착 유형의 가스 홀더이다. 일반적으로, 가스 흡착 홀더는 전통적인 낮은 압력 저장 탱크보다 적은 공간 을 차지하는데, 그 이유는 흡습제의 고밀도 저장 때문이다. 도 10b는 가스 분자를 흡수하는 작용을 하는 탱크(1000)의 단면도를 도시한다.
도 11을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 균질화 챔버(1114)가 설명될 것이다. 이 실시예에서, 균질화 챔버는 필요한 체류 시간을 제공하는 크기의 지름을 갖는 파이프이다. 고정 부피의 파이프(1100)는 가스 입구 수단(1180) 및 가스 출구 수단(1182)을 포함한다. 균질화 챔버의 이 실시예는 가스를 균질화하기 위한 최소 체류 시간을 필요로하는 어플리케이션에 특히 적절할 수 있다.
일반적으로, 본 발명의 균질화 챔버는 그라운드 위에 위치할 것이다. 그러나, 심미적 이유로 또는 연료의 그라운드 위의 함유를 허용하지 않는 관할의 경우에는 균질화 챔버가 언더그라운드에 위치할 수 있도록 고려된다. 따라서, 일 실시예에서, 균질화 챔버가 언더그라운드에 있다. 일 실시예에서 균질화 챔버는 그라운드 위에 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 균질화 챔버는 그 일부분이 언더그라운드에 있도록 위치한다.
본 발명의 균질화 챔버는 하나 이상의 챔버를 갖는 균질화 시스템으로서 구성될 수도 있고 또는 평행하게 유체적으로 상호 연결된 하나 이상의 단일 균질화 챔버로서 구성될 수도 있다. 도 12는 평행하게 설치된 다수의 고정 부피의 균질화 챔버를 도시하고, 각각의 균질화 챔버(1214)는 단일 가스 입구 매니폴드(manifold)(1290) 및 단일 가스 출구 매니폴드(1292)에 연결된다. 당업자는 도 12에서 이용된 고정된 부피의 균질화 챔버의 각각이 예를 들어 압력 용기, 이중 멤브레인 가스 홀더, 다중 흡착 유형 가스 홀더 등과 같은 것 중 하나로서 독립적으 로 선택될 수 있다고 쉽게 이해할 것이고, 전체 시스템을 위한 단일 가스 입구 및 단일 가스 출구가 제공된다. 당업자는 주어진 목적을 위한 이러한 설계의 적절성을 확인할 수 있을 것이다.
재료
가스화 시스템으로부터의 가스는 매우 유독성이고 가연성일 수 있으며, 대부분의 경우에 극단적인 온도 변화, 비, 태양, 눈, 바람 등과 같은 다양한 환경 조건들에 노출된 외부에 포함될 것이다. 따라서, 균질화 챔버는 적절하게 안전한 재료로 제작될 것이다. 재료의 제한 없는 예는 플라스틱(PVC), 강, 파이버 글라스(fiberglass) 강화된 프라스틱 또는 강과 같은 복합 재료, 및 강 합금을 포함한다. 이러한 재료의 조합을 포함하는 가스 균질화 챔버가 고려될 수도 있고, 적절한 내부 코팅을 포함하는 금속도 고려될 수 있다. 예를 들면 코팅된 금속은 이러한 코팅에 의해 제공된 추가적인 환경적 보호에 의해 언더그라운드에 위치한 챔버들에 유용할 수 있다. 또한, 코팅된 금속은 행정 규율을 만족시키는 것이 필요할 수 있다.
균질화 챔버 내에서의 가스 모니터링
당업자는 입구 가스의 가스 특성은 가스 균질화 프로세스 동안 모니터될 것이고 이에 의해 가스가 하류 요구사항을 만족시키는지를 결정하고 어떠한 조정이 이러한 요구사항을 만족시키는데 필요한지를 결정한다는 것을 이해할 것이다. 가 스 특성의 모니터링은 균질화 챔버로의 가스 전달 이전에 또는 균질화 챔버 내에서 일어날 수 있다. 가스 모니터링 설비는 감지 요소, 반응 요소, 및 가스의 조성, 유동 속도, 온도 및 압력을 모니터하고 및/또는 조절할 수 있는 형태를 취할 수 있다.
가스 특성의 모니터링은 프로세스 제어 시스템의 일부일 수 있다(도 15 및 이하에서 제공되는 제어 시스템 섹션을 보라). 따라서, 본 발명의 일 실시예에서, 피드백 루프가 구현될 수 있고, 이 경우 만들어진 가스는 실시간으로 분석되고 가스화 시스템의 작동은 필요한 조정사항들을 만들도록 그에 따라 조정된다.
일 실시예에서, 균질화 챔버는 가스 조성, 온도, 유동 속도 및 압력과 같은 가스 특성들을 분석하기 위한 하나 이상의 감지 요소를 포함하고, 각각의 감지 요소의 구성은 당업자에 의해 쉽게 이해될 것이다. 예를 들면, 온도는 열전쌍(thermocouple) 또는 다른 온도 센서 포맷(format)을 이용하여 측정될 수 있고; 압력은 절대 압력 센서, 게이지 압력 센서, 진공 압력 센서, 압력차 센서, 또는 다른 압력 센서를 이용하여 측정될 수 있으며; 유동 속도는 유량계 또는 다른 유동 속도 센서를 이용하여 측정될 수 있고; 가스 조성은 음향 성질(acoustic properties)에 기초한 가스 조성 센서 또는 쉽게 이해될 수 있는 다른 가스 조성 센서를 이용하여 측정될 수 있다.
일 실시예에서, 특별한 감지 요소는 가스의 다중 특성들을 측정하도록 구성될 수 있고, 이 경우 센서의 이러한 유형은 당업자에게 쉽게 이해될 것이다.
일 실시예에서, 균질화 챔버는 가스 조성, 온도, 유동 속도 및 압력과 같은 가스 특성들을 조절하도록 하나 이상의 반응 요소로의 전송을 위한 명령을 생성하도록 구성된 하나 이상의 제어기를 추가로 포함한다. 상기에서 정의되고 설명된 것과 같은 본 명세서 내에서 고려되는 반응 요소는 거기에 관련된 주어진 제어 파라미터의 조정에 의해 주어진 프로세스에 영향을 미치도록 구성된 프로세스-관련 소자에 기능적으로 연결된 다양한 제어 요소를 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 하나 이상의 반응 요소를 통해 본 발명의 명세서 내에서 작동 가능한 프로세스 소자는 유동 밸브, 압력 밸브, 히터, 블로우어 등을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에서, 피드백 루프와 관련된 피드백 주파수는 이러한 파라미터가 시스템 내에서 조정될 수 있는 가능한 속도 및 제어기에 의해 설정된 파라미터에 직접 의존할 수 있다. 피드백 주파수는 모니터되는 조건에 따라 변화 가능할 수 있거나 또는 피드백 주파수는 고정된 주파수 또는 랜덤 주파수일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 다수의 감지 요소가 균질화 챔버 내에 위치하고 이에 의해 챔버 내의 상이한 위치에서의 가스 특성 샘플링의 능력을 제공하며, 이로써 내부에서 가스의 균질성을 평가하기 위한 수단을 제공한다. 또한, 하나 이상의 여분의(redundant) 감지 요소가 균질화 챔버 내에 위치할 수 있고 이에 의해 예를 들어 고장 탐지와 같은 하나 이상의 감지 요소의 정확한 작동을 보장한다. 또한, 일 실시예에서, 둘 이상의 감지 요소가 동일한 파라미터를 평가하는데 이용되고, 이 파라미터의 측정값은 둘 이상의 감지 요소에 의해 결정된 표시값(readings) 사이의 상관 관계로서 정의된다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어기는 균질화 챔버에 결합된 하나 이상의 감지 요소에 기능적으로 결합되고 이에 의해 가스에 관련된 하나 이상의 파라미터의 수정을 위한 제어 명령을 결정한다. 예를 들면, 제어기는 다양한 유형의 계산 소자, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 마이크로제어기 또는 다른 계산 소자 포맷 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 이들은 제어기에 기능적으로 연결된 주변 소자로부터 파라미터들을 모니터하는 주변 입력/출력 소자 및 중앙 처리 유닛(CPU)을 포함한다. 예를 들면, 주변 소자는 하나 이상의 감지 요소 및/또는 하나 이상의 반응 요소를 포함할 수 있다. 이러한 입력/출력 소자는 CPU가 제어기에 기능적으로 연결된 주변 소자와 통신하고 제어하는 것을 가능하게 할 수 있다. 제어기는 메모리 소자에 기능적으로 연결될 수 있다. 예를 들면, 메모리 소자는 제어기에 일체화될 수 있거나 또는 적절한 통신 링크를 통해 계산 소자에 연결된 메모리 소자일 수 있다. 메모리 소자는 전자적으로 지울 수 있는 프로그램 가능한 리드 온리 메모리(EEPROM), 전자적으로 프로그램 가능한 리드 온리 메모리(EPROM), 비휘발성 랜덤 액세스 메모리(NVRAM), 리드 온리 메모리(ROM), 프로그램 가능한 리드 온리 메모리(PROM), 플래쉬 메모리 또는 데이터 저장을 위한 다른 비휘발성 메모리로서 구성될 수 있다. 메모리는 예를 들어 프로그램 코드, 소프트웨어, 마이크로코드 또는 펌웨어(firmware)와 같은 제어 명령 및 데이터를 저장하는데 이용될 수 있고, 이들은 CPU에 의해 실행 또는 처리를 위해 제공될 수 있으며 제어기에 결합되고 균질화 챔버에 결합된 하나 이상의 감지 요소를 모니터하거나 또는 제어하기 위한 것이다. 선택적으로, 제어기는 제어기에 결합된 반응 요소를 제어하기 위해 사용자 특화된 작동 조건을 제어 신호로 변환하는 수단을 제공한다. 제어기는 사용자 인터페이스에 의해 사용자 특화된 명령을 받을 수 있는데, 이러한 인터페이스는 예를 들어 키보드, 터치패드, 터치 스크린, 콘솔, 시각적 또는 청각적 입력 소자와 같은 것이고 이는 당업자에게 잘 알려져 있다.
제어 시스템
본 발명의 일 실시예에서, 도 15에서 도시된 것과 같은 제어 시스템은, 이러한 프로세스에 영향을 미치도록 여기서 고려되는 하나 이상의 프로세스 소자의 제어를 제공하고 및/또는 다양한 시스템 및/또는 여기서 개시된 하위 시스템에 의해 및/또는 그 내부에서 실행되는 하나 이상의 프로세스를 제어하기 위해 제공될 수 있다. 일반적으로, 제어 시스템은 가스화 시스템과 같은 시스템 내에서 실행되는 하나 이상의 전체적인 프로세스와 관련된 및/또는 주어진 시스템, 하위 시스템 또는 그 구성요소와 관련된 다양한 국부적 및/또는 지역적 프로세스를 기능적으로 제어할 수 있고, 이 시스템 내부에서 또는 이 시스템과 협력하여 본 발명의 다양한 실시예가 작동될 수 있으며 이에 의해 정해진 결과에 대해 이러한 프로세스에 영향을 미치도록 이루어진 다양한 제어 파라미터들을 조정한다. 다양한 감지 요소 및 반응 요소가 제어된 시스템(들)을 통해 분포될 수 있고, 또는 그 하나 이상의 구성요소와 관련하여 다양한 프로세스, 반응물 및/또는 생성물 특성을 얻고 이러한 특성들을 원하는 결과를 얻는데 이바지하는 이러한 특성의 적절한 범위에 비교하며 하나 이상의 제어 가능한 프로세스 소자를 통해 진행 중인 하나 이상의 프로세스에서의 변화를 실행함에 의해 반응하는데 이용된다.
제어 시스템은 시스템, 그 내부에서 실행되는 프로세스, 이를 위해 제공된 입력 및/또는 이에 의해 생성된 출력과 관계된 하나 이상의 특성을 감지하기 위한 하나 이상의 감지 요소를 일반적으로 포함한다. 하나 이상의 계산 플랫폼은 감지된 특성(들)을 대표하는 특성값에 액세스하기 위한 이러한 감지 요소와 통신적으로 링크되고, 특성값(들)을 선택된 작동적 및/또는 하류 결과에 적절한 이러한 특성들을 특징화하도록 정해진 이러한 값의 예정된 범위와 비교하도록 구성되며, 이러한 예정된 범위로 특성값을 유지시키는데 이바지하는 하나 이상의 프로세스 제어 파라미터를 계산하도록 구성된다. 따라서, 다수의 반응 요소는 시스템, 프로세스, 입력 및/또는 출력에 영향을 미치고 이에 의해 감지된 특성을 조정하도록 작동 가능한 하나 이상의 프로세스 소자에 기능적으로 링크될 수 있고, 계산된 프로세스 제어 파라미터(들)에 액세스하기 위한 그리고 이와 함께 프로세스 소자(들)을 작동시키기 위한 계산 플랫폼(들)에 통신적으로 링크될 수 있다.
일 실시예에서, 제어 시스템은 가스로의 탄소질 공급 원료의 변환과 관련된 다양한 시스템, 프로세스, 입력 및/또는 출력의 피드백, 피드포워드(feedforward) 및/또는 예측적 제어를 제공하고, 이에 의해 이에 관련되어 실행되는 하나 이상의 프로세스의 효율을 촉진시킨다. 예를 들면, 다양한 프로세스 특성은 이러한 프로세스에 영향을 미치도록 제어 가능하게 조정되고 평가될 수 있으며, 이러한 프로세스는 공급 원료의 가열값 및/또는 조성, 생성물 가스의 특성(예를 들어 가열값, 온 도, 압력, 유동, 조성, 탄소 함유량 등), 이러한 특성에 허용된 변화의 정도, 및 출력 값에 대한 입력의 비용을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 다양한 제어 파라미터에 대한 연속적 및/또는 실시간 조정은 하나 이상의 프로세스 관련 특성이 설계 및/또는 하류 특별한 내용에 따라 액세스되고 최적화되는 방식으로 실행될 수 있고, 이 경우 다양한 제어 파라미터는 열 소스 파워, 첨가물 주입 속도(예를 들어 산소, 산화제, 스팀(steam), 등), 공급 원료 주입 속도(예를 들어 하나 이상의 별개의 및/또는 혼합된 주입), 가스 및/또는 시스템 압력/유동 조절기(예를 들어 블로우어, 안전 및/또는 제어 밸브, 플레어(flare) 등), 및 이와 유사한 것을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
대안적으로 또는 추가적으로 제어 시스템은 적절한 작동을 보장하기 위해, 또는 선택적으로 이러한 기준이 적용될 때 이에 의해 실행되는 프로세스가 규율적인 기준 내에 있는 것을 보장하기 위해, 주어진 시스템의 다양한 구성요소의 작동을 모니터하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어 시스템은 주어진 시스템의 총 에너지적 영향을 모니터하고 제어하는데 이용될 수 있다. 예를 들면, 주어진 시스템은 그 에너지적 영향이 감소되고 또는 예를 들어 이에 의해 실행되는 하나 이상의 프로세스를 최적화함에 의해 최소화되거나 또는 이러한 프로세스에 의해 생성된 에너지의 회복(예를 들어 폐기물 열)을 증가시킴에 의해 최소화될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 제어 시스템은 제어된 프로세스(들)을 통해 생성된 생성물 가스의 조성 및/또는 다른 특성(예를 들어 온도, 압력, 유동 동)을 조정하도록 구성될 수 있고, 이에 의해 이러한 특성들은 하류 이용에 적절할 뿐만 아니라 효과적 및/또는 최적 이용을 위해 실질적으로 최적화된다. 예를 들면, 생성물 가스가 전기의 생성을 위한 주어진 유형의 가스 엔진을 구동하는데 이용되는 실시예에서, 이러한 특성들이 이러한 엔진에 대해 최적의 입력 특성과 가장 잘 조화를 이루도록 생성물 가스의 특성이 조정될 수 있다.
일 실시예에서, 제어 시스템은 주어진 프로세스를 조정하도록 구성될 수 있고, 이에 의해 다양한 구성요소에서 반응물 및/또는 생성물 체류 시간과 관련된 또는 전체 프로세스의 다양한 프로세스와 관련된 제한 또는 성능 가이드라인이 충족되고 및/또는 최적화된다. 예를 들면, 상류 프로세스 속도는 하나 이상의 이후의 하류 프로세스와 실질적으로 조화되도록 제어될 수 있다.
또한, 다양한 실시예에서, 제어 시스템은 연속적 및/또는 실시간 방식으로 주어진 프로세스의 다양한 태양의 순차적 및/또는 동시적 제어에 이용될 수 있다.
일반적으로 제어 시스템은 가까이에 어플리케이션에 적절한 제어 시스템 아키텍쳐의 어떠한 유형을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제어 시스템은 실질적으로 중심화된 제어 시스템, 분포된 제어 시스템 또는 이의 조합을 포함할 수 있다. 중심화된 제어 시스템은 제어된 프로세스와 관련된 다양한 특성들을 각각 감지하고 제어된 프로세스에 직접 또는 간접적으로 영향을 미치도록 이루어진 하나 이상의 제어 가능한 프로세스 소자를 통해 이에 반응하도록 구성된 다양한 국부적 및/또는 원격 감지 소자 및 반응 요소와 통신하도록 구성된 중앙 제어기를 일반적으로 포함 할 것이다. 중심화된 아키텍쳐를 이용하여, 대부분의 계산이 중심화된 프로세서 또는 프로세서를 통해 중심적으로 실행되고 이에 의해 이러한 프로세스의 제어를 수행하기 위한 필요한 하드웨어 및/또는 소프트웨어의 대부분이 동일한 위치에 위치한다.
분포된 제어 시스템은 일반적으로 둘 이상의 분포된 제어기를 포함할 것이고, 이 제어기는 각각 국부적 및/또는 지역적 특성을 모니터하기 위한 각각의 감지 및 반응 요소와 통신할 수 있고 국부적 프로세스 또는 하위 프로세스에 영향을 미치도록 구성된 국부적 및/또는 지역적 프로세스를 통해 이에 반응할 수 있다. 또한, 다양한 네트워크 구성을 통해 분포된 제어기들 사이에서 통신이 일어날 수 있고, 이 경우 제 1 제어기를 통해 감지된 특성은 거기서의 반응을 위해 제 2 제어기로 통신될 수 있고, 이 경우 이러한 말단 반응(distal response)은 제 1 위치에서 감지된 특성에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 하류 생성물 가스의 특성은 하류 모니터링 소자에 의해 감지될 수 있고, 상류 제어기에 의해 제어된 컨버터와 결합된 제어 파라미터를 조정함에 의해 조정될 수 있다. 분포된 아키텍쳐에서, 제어 하드웨어 및/또는 소프트웨어는 제어기 사이에 분포하고, 이 경우 동일하지만 모듈적으로 구성된 제어 스킴(scheme)은 각각의 제어기 상에서 실행될 수 있으며 또는 다양한 상호 작동하는 모듈형 제어 스킴이 각각의 제어기 상에서 실행될 수 있다.
대안적으로, 제어 시스템은 개별적으로 국부적, 지역적 및/또는 전체적 제어 하위 시스템에 통신적으로 연결되도록 하위 분할될 수 있다. 이러한 아키텍쳐는 주어진 프로세스 또는 상호 연관된 일련의 프로세스가 국부적으로 다른 국부적 제어 하위 시스템과 최소 상호작용을 하면서 일어나고 제어될 수 있게 할 수 있다. 전체적 마스터(master) 제어 시스템은 이후 각각의 국부적 하위시스템과 통신할 수 있고 이에 의해 전체적 결과를 위한 국부적 프로세스에 필요한 조정을 향하게 한다.
본 발명의 제어 시스템은 상기 아키텍쳐 또는 다른 이 기술분야에서 일반적으로 공지된 다른 아키텍쳐 중 하나를 이용할 수 있고, 이는 본 명세서의 일반적 범위 및 사상 내에 있는 것으로 간주된다. 예를 들면, 본 발명 내에서 실행되고 제어되는 프로세스는 전용의 국부적 환경에서 제어될 수 있고, 이 경우 이용 가능할 때 관련된 상류 또는 하류 프로세스에 이용되는 중앙의 및/또는 원격 제어 시스템과 선택적 외부 통신한다. 대안적으로, 제어 시스템은 지역적 및/또는 전체적 프로세스를 상호 협력적으로 제어하도록 설계된 지역적 및/또는 전체적 제어 시스템의 하위 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들면, 모듈형 제어 시스템은 제어 모듈이 시스템의 다양한 하위 구성요소들을 쌍방향으로 제어하도록 설계되면서, 지역적 및/또는 전체적 제어를 위해 필요한 상호 모듈형 통신을 제공한다.
제어 시스템은 일반적으로 하나 이상의 중앙의, 네트워크된 및/또는 분포된 프로세서, 다양한 감지 요소로부터 현재 감지된 특징을 받는 하나 이상의 입력, 새로운 혹은 업데이트된 제어 파라미터를 다양한 반응 요소로 통신하기 위한 하나 이상의 출력으로 구성된다. 하나 이상의 제어 시스템 연산 플랫폼은 하나 이상의 지역적 및/또는 원격 컴퓨터 인식 가능 미디어 (예. ROM, RAM, 이동식 미디어, 지역 적 및/또는 네트워크 접근 미디어 등)를 포함하여 여러 미리 결정된 및/또는 재조정된 제어 파라미터, 세트 또는 우선 시스템과 프로세스 특징 작동 범위, 시스템 모니터링 및 제어 소프트웨어, 작동 데이터 등을 저장한다. 선택적으로 연산 플랫폼은 직접적으로 혹은 다양한 저장 소자를 통해 프로세스 시뮬레이션 데이터 및/또는 시스템 파라미터 최적화, 모델링 수단으로 접근할 수 있다. 또한 연산 플랫폼에는 하나 이상의 선택적 그래픽 사용자 인터페이스와 입력 주변장치가 장착되어 제어 시스템에 관리 접근 (시스템 업그레이드, 유지보수, 수정, 새로운 시스템 모듈 및/또는 장치 등으로의 개조)을 제공할 뿐만 아니라 다양한 선택적 출력 주변장치도 장착되어 데이터와 정보를 외부 소스 (예. 모뎀, 네트워크 연결, 프린터 등)와 통신할 수 있다.
프로세싱 시스템과 모든 서브 프로세싱 시스템은 배타적으로 하드웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합을 포함할 수 있다. 모든 서브 프로세싱 시스템은 비례의 (P), 통합의 (I) 또는 차별적인 (D) 제어기 등을 포함하지 않거나 여럿 포함할 수 있으며, 즉 예를 들어 P-제어기, I-제어기, PI-제어기, PD 제어기, PID 제어기 등이 있을 수 있다. 당업자는 P, I, D 제어기의 이상적 조합 선택이 가스화 시스템 반응 프로세스 부분의 역학관계와 지연 시간, 조합이 제어되는 작동 상황 범위, 조합 제어기의 역학관계 및 지연 시간에 따라 달라짐을 분명히 알 수 있다. 당업자는 이러한 조합이 감지 요소를 통해 지속적으로 특성값을 모니터하고 이를 특정값과 비교하여 각각의 제어 요소에 영향을 미쳐 반응 요소를 통해 적절한 조정을 하고 관찰된 값과 특정값 간의 차이를 줄일 수 있는 아날로그 하드웨어 내장 형 태로 실행될 수 있음을 분명히 알 수 있다. 나아가 당업자는 이러한 조합이 혼합 디지털 하드웨어, 소프트웨어 환경에서도 실행될 수 있음을 분명히 알 수 있다. 추가적인 임의 샘플링, 데이터 취득, 디지털 프로세싱의 상대적 영향은 당업자라면 누구나 잘 알고 있다. P, I, D 조합 제어는 피드 포워드 스킴과 피드백 제어 스킴에서 실행될 수 있다.
수정 또는 피드백 제어에서 적절한 감지 요소를 통해 모니터 되는 제어 파라미터 또는 제어 변수 값은 특정 값 또는 범위와 비교된다. 제어 신호는 이 두 값의 편차에 따라 결정되며 이 편차를 줄이기 위해 제어 요소로 제공된다. 기존의 피드백 또는 반응 제어 시스템을 개조하여 적응성 및/또는 예측성 성분을 포함시킬 수 있으며 이를 통해 특정 상황에 대한 반응을 모델화된 및/또는 이전에 모니터된 반응에 맞추어 감지된 특징에 반응적 대응을 제공하며 보정 활동의 잠재적 과도함을 제한할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 특정 시스템 구성에 대해 획득한 및/또는 기존의 데이터를 협력적으로 이용하여 이전 반응을 모니터하고 바람직한 결과를 제공하도록 조정된 최적 값으로부터 정해진 범위 내에 감지된 프로세스 특징 및/또는 시스템에 대한 반응을 조정할 수 있다. 이러한 적응성 및/또는 예측성 제어 스킴은 본 기술 분야에 잘 알려져 있으며 이것만으로는 제시된 명세의 일반적 범위 및 속성에서 벗어난 것으로 간주 되지 않는다.
2) 가스 입구 메커니즘 및 상류 성분
하나 이상의 도관으로 구성된 입구 수단는 가스를 가스화 시스템에서 균질화 챔버로 이동하는 데 사용된다. 위에서 언급한 바와 같이 시스템의 상류 성분은 선택적으로 하나 이상의 냉각계, 가스/액체 분리기, 유도 드래프트 소자, 가스 모니터링, 시스템으로 이루어지며 이는 온도, 압력 제어기, 제어 밸브를 포함할 수 있다.
도관
가스는 가스를 미리 정해진 온도와 압력에 이동시키도록 설계된 도관을 통해 가스화 시스템으로부터 본 발명의 균질화 챔버로 이동한다. 당업자는 이러한 도관이 튜브, 파이프, 호스 등의 형태를 띨 수 있다는 사실을 잘 인식할 것이다.
도 1과 관련하여 본 발명의 실시예에 따라 가스는 단일 가스화 시스템으로부터 나오는 단일 도관을 사용한 단일 균질화 챔버로 이동된다. 도 4, 5와 관련하여 본 발명의 실시예에 따라 가스는 하나 이상의 가스화 시스템으로부터 나오는 다중 도관을 사용하여 하나 이상의 균질화 챔버로 이동될 수도 있다. 본 발명의 한 실시예에서 다중 가스 도관은 다중 가스화 시스템으로부터 다중 균질화 챔버로 가스를 전달한다.
냉각계와 가스/액체 분리기
당업자는 하나 이상의 냉각계와 하나 이상의 가스/액체 분리기를 본 문서에 설명된 가스 균질화 시스템으로 결합시켜야 할 때를 식별할 수 있을 것이다. 냉각계 시스템은 본 기술에서 잘 알려져 있으며 쉘, 튜브 또는 플레이트, 프레임 열 교 환기나 기타 온도 수정 소자를 포함할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 이러한 시스템은 냉각수, 냉수 및/또는 기타 적합한 액체와 같은 여러 냉각액을 채택할 수 있다. 가스/액체 분리기도 도 13에 묘사된 저장소 유형의 분리기 등과 같이 본 기술에서 잘 알려져 있다.
유도 드래프트 소자
가스는 대개 생성되면서 가스화 시스템으로부터 추출되기 때문에 가스 흐름은 대개 일정하지 않다. 가스화 시스템이 대기압보다 낮은 압력에서 작동될 때 유도 드래프트 소자는 균질화 챔버를 통해 가스를 운반할 수 있다. 유도 드래프트 소자는 균질화 챔버 이전 어느 곳에나 위치할 수 있다. 본 분야에서 이해되고 있는 바와 같이 적절한 드래프트 소자는 송풍기 팬, 진공 펌프 또는 기타 적절한 흐름 유도 소자를 포함할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 도 14A와 같은 압력 송풍기는 송풍기의 블레이드가 송풍기 가운데로 공기를 빨아들여 증가된 압력으로 방사상으로 공기를 배출한다는 면에서 원심성 펌프와 유사하다. 다른 실시예에서 도 14B에 나타난 진공 펌프는 송풍기와 유사하게 설계되었으나 상류 압력이 실질적으로 진공일 때에만 작동할 수 있다.
균질화 챔버 앞의 가스 모니터링 시스템
앞서 말한 바와 같이 투입 가스의 특징은 균질화 챔버 내 혹은 투입 이전에 모니터될 수 있다. 한 실시예에서 모니터링 시스템은 입구 수단의 부분일 수 있으며 가스 특징을 상세하게 평가할 수 있는 하나 이상의 감지 요소와 같은 자동 장치 로 구성될 수 있다. 예를 들어 이러한 특징에는 지속적인 가스 압력과 온도 모니터링, 지속적인 산출 가스 유량 및 구성 모니터링이 포함될 수 있다. 당업자는 가스와 관련하여 위에 제시된 정보를 수집하는 데 필요한 샘플링 소자를 쉽게 이해할 것이다. 예를 들어 온도는 열전기쌍 또는 기타 온도 센서 포맷을 사용하여 측정될 수 있고 압력은 절대 압력 센서, 게이지 압력 센서, 진공 압력 센서, 차동 압력 센서 또는 기타 압력 센서를 사용하여 측정될 수 있으며 유량은 유속계나 기타 유량 센서를 사용하여 측정될 수 있고 가스 구성은 음파 속성을 기초로 한 가스 구성 센서나 쉽게 이해할 수 있는 기타 가스 구성 센서를 사용하여 측정될 수 있다.
한 실시예에서 특정 감지 요소는 가스의 여러 특징을 측정하도록 구성될 수 있으며 이러한 유형의 감지 요소는 당업자라면 누구나 쉽게 이해할 수 있다.
나아가 한 실시예에서 모니터링 시스템은 프로세스 제어 시스템 (위에 제공된 제어 시스템 부분 참조)의 통합된 온라인 부분으로 피드백 시스템에 기능적으로 연결된 가스 분석을 위한 수단를 포함할 수 있다. 이러한 통합된 온라인 가스 분석에 의해 제공되는 이점은 프로세스 제어의 보다 우수한 조율 능력과 다양한 가스 어플리케이션의 강화된 제어 및 균질화 능력이다.
가스 모니터링 시스템은 가스 특징을 모니터하여 가스 구성, 유량, 압력 또는 온도와 같은 특징에 조정이 필요할 때를 결정하기 위한 감지 요소로 구성된다. 여러 유형의 이러한 감지 요소는 상업적으로 쉽게 이용가능하며 유속계, 열전기쌍, 속도계, 고온계, 가스 센서, 가스 분석기 또는 기타 검출 및 측정 소자를 포함하나 이에 한정되지는 않는다.
예를 들어 한 실시예에서 일단 가스 압력과 같은 특징을 조정해야할 필요성이 검출되면 반응 요소로 흐름 밸브를 조정하라는 신호가 보내지고 그 결과 균질화 챔버로 들어가는 가스 유량이 증가하거나 감소한다. 반응 요소로 신호를 생성, 전달하는 다양한 유형의 신호 수단가 사용될 수 있다. 예를 들어 신호는 라디오 전달, IR 전달, 블루투스 전달, 유무선 전달 또는 쉽게 이해될 수 있는 그 외 전달 기술을 사용하여 전달될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에서 제어기는 가스 생성과 관련된 하나 이상의 파라미터의 수정을 위한 제어 지시사항을 결정하기 위해 균질화 챔버에 도달하기 이전 가스 샘플링과 관련된 하나 이상의 감지 요소 및 반응 요소와 기능적으로 연결될 수 있다. 예를 들어 제어기는 하나 이상의 다양한 연산 소자, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 마이크로제어기 또는 중앙 프로세싱 유닛 (CPU)와 주변 입력/산출 소자를 포함한 그외 연산 소자 포맷으로 구성될 수 있으며 이는 기능적으로 제어기와 연결된 주변 소자로부터 나오는 파라미터를 모니터하기 위한 것이다. 예를 들어 이 주변 소자에는 하나 이상의 감지 요소 및/또는 하나 이상의 반응 요소가 포함될 수 있다. 이러한 입력/산출 소자는 또한 CPU가 제어기와 기능적으로 연결된 주변 소자와 통신하고 이를 제어할 수 있도록 한다. 제어기는 메모리 소자와 기능적으로 연결될 수 있다. 예를 들어 메모리 소자는 제어기에 통합되거나 적절한 통신 연결을 통해 연산 소자와 연결될 수 있다. 메모리 소자는 전자적으로 지울 수 있고 프로그램 가능한 리드 온리 메모리(EEPROM; electonically erasable programmable read only memory), 전자적으로 프로그램 가능한 리드 온리 메모리(EPROM; electronically programmable read only memory), 비휘발성 랜덤 액세스 메모리(NVRAM; Non-volatile random access memory), 리드 온리 메모리(ROM; read-only memory), 프로그램 가능한 리드 온리 메모리(PROM; programmable read-only memory), 플래시 메모리 또는 기타 데이터를 저장하기 위한 비휘발성 메모리로 구성될 수 있다. 메모리는 데이터를 저장하고 지시, 즉 예를 들어 프로그램 코드, 소프트웨어, 마이크로코드 또는 펌웨어 등의 지시를 제어하여 하나 이상의 감지 요소를 모티터 또는 제어할 수 있으며 이는 균질화 챔버와 연관되고 제어기와 연결되었으며 실행 또는 프로세싱을 위해 CPU에 의해 제공될 수 있다. 기능적으로 제어기는 또한 사용자 지정 작동 조건을 제어 신호로 전환시켜 제어기에 연결된 반응 요소를 제어하는 수단를 제공한다. 제어기는 사용자 인터페이스, 즉 예를 들어 키보드, 터치패드, 터치스크린, 콘솔, 당업자들이 잘 알고 있는 시각 혹은 음향 입력 소자를 통해 사용자 지정 명령을 받을 수 있다.
가스 모니터링 시스템은 조절된 가스 생산을 제어하는 데 사용되어 하류 어플리케이션의 일반적 기준을 만족시킬 수 있다. 그렇지 못한 경우 가스화 프로세스에 적절한 조정을 하여 가스가 기준을 만족시킬 수 있도록 할 수 있다. 대안적으로 또는 가스 모니터링 장치와 관련하여 가스 입구 수단는 기준을 만족시키지 못하는 가스, 즉 하류 어플리케이션의 요건을 충족시키지 못하는 가스를 방출하는 우회기 출구로 이루어질 수 있다. 이 방법으로 기준을 만족시키지 못하는 가스는 이 가스를 연소실 또는 소각로, 즉 예를 들어 도 1-5에 나타난 플레어 스택으로 향하게 하는 우회기를 통해 버려질 수 있다. 따라서 가스 구성이 하류 어플리케이션 요건으로부터 과도하게 벗어나는 경우 가스를 우회시킬 수 있다. 한 실시예에서 본 발명의 입구 수단는 가스 모니터링 장치를 포함한다. 한 실시예에서 입구 수단는 우회기와 협력하여 기능하는 가스 모니터링 장치를 포함한다.
압력 제어 시스템
발명의 실시예에서 가스 입구 수단는 나아가 균질화 챔버로 들어가는 가스의 유량을 제어하여 챔버 내 가스 압력을 제어하는 메커니즘으로 구성될 수 있다. 이러한 압력 제어 서브시스템은 본 기술에서 알려진 기존의 밸브 또는 차단 시스템으로 구성될 수 있다. 압력 조절 소자의 몇몇 제한 없는 예가 도 16A-D에 나타나 있다. 압력 제어 시스템은 모니터링 시스템으로부터 나온 신호에 반응하고 가스 유량을 제어할 뿐만 아니라 가스의 방향을 적절하게 정할 수 있다. 한 실시예에서 압력 제어 시스템은 밸브를 포함하고 있으며 이 밸브를 통해 기준을 충족시키는 가스와 충족시키지 못하는 가스는 균질화 챔버와 연소실 또는 소각로로 보내지거나 각각 따로 가스화 시스템의 가스화 장치로 보내질 수 있다.
당업자가 이해하고 있는 바와 같이 가스 흐름을 제어하는 적합한 밸브가 바람직하다. 도 17A-D와 도 18은 흐름 조절 소자와 제어 밸브의 제한 없는 예를 각각 제공한다. 이러한 흐름 조절 소자와 밸브는 최소 약 10%에서 100%까지 가스 유량을 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 가스 유량은 제어기를 통해 모니터, 조정된다. 예를 들어 발명의 한 실시예에서 시스템의 압력이 100%까지 증가하면 압력 제어 메커니즘은 가스 송풍기에 신호를 보내 송풍기의 분 당회전수 (RPM)을 필요에 따라 조정하여 압력을 줄일 수 있다.
가스 균질화 시스템과 함께 사용하기 위해 소자에 고정된 압력 전달장치 또한 본 문서에서 고려되었고 이는 쉽게 상업적으로 구할 수 있다. 이러한 장치의 제한 없는 예는 도 19A-K에 제공되었다.
3) 조절된 가스 출구 메커니즘과 하류 성분
가스 균질화 시스템은 조절된 가스를 균질화 챔버로부터 하류 어플리케이션 (예. 가스 엔진 또는 가스 터빈)으로 보내기 위한 출구 수단도 포함한다. 출구 수단는 조절된 가스를 균질화 챔버로부터 하류 어플리케이션으로 전달하는 하나 이상의 도관으로 구성된다. 시스템은 선택적으로 온도, 압력 제어 메커니즘을 포함하는 가스 모니터링 시스템을 포함할 수 있다.
출구 도관
조절된 가스는 미리 정해진 온도와 압력에서 가스를 이동할 수 있도록 설계된 조절된 가스 도관을 통해 균질화 챔버로부터 하류 어플리케이션으로 보내진다. 당업자는 이러한 도관이 튜브, 파이프, 호스 등의 형태를 띨 수 있음을 이해할 것이다.
도 1과 관련하여 발명의 한 실시예에 따라 조절된 가스는 단일 도관을 사용한 단일 균질화 챔버로부터 하류 어플리케이션으로 보내진다. 도 2, 3, 4와 관련하여 발명의 다른 실시예에 따라 조절된 가스는 또한 다중 도관을 사용하여 단일 균질화 챔버로부터 다중 하류 어플리케이션으로 보내질 수 있다.
발명의 한 실시예에서 각각 상응하는 도관을 지닌 다중 균질화 챔버는 조절된 가스를 공통된 하류 어플리케이션으로 동시에 공급할 수 있다. 발명의 한 실시예에서 출구 수단는 조절된 가스를 다중 균질화 챔버로부터 다중 하류 어플리케이션으로 전달하는 다중 조절된 가스 도관을 포함한다.
조절된 가스의 재순환도 본 문서에서 고려되었다. 예를 들어 균질화 챔버에서 나온 조절된 가스를 쉽게 이해될 수 있는 적절한 도관 시스템을 사용하여 완전한 가스화 시스템의 여러 적절한 상류 장소에 있는 시스템으로 다시 들어가게 할 수 있다.
가스 모니터링 시스템
이미 언급한 바와 같이 모니터링 시스템은 가스가 균질화 챔버로 들어가기 전이나 균질화 챔버에 체류하고 있는 동안 가스를 모니터/제어하는 데 사용된다. 마찬가지로 모니터링 시스템은 조절된 가스가 하류 어플리케이션으로 전달되기 전 가스를 모니터하는 데 사용될 수 있다. 이는 특징을 확인, 제어하는 역할을 할 수 있다.
이 때문에 조절된 가스 출구 수단는 선택적으로 나아가 하나 이상의 감지 요소, 반응 요소 및/또는 조절된 가스의 특징 (즉, 구성, 압력, 유량, 온도) 전부 또는 일부를 모니터 및 조절하는 제어 소자로 구성될 수 있다. 예를 들어 제어기는 피드백 루프를 통해 작동될 수 있으며 이곳에서 조절된 가스는 실시간으로 분석되 고 시스템에 대한 관련 조정이 이루어진다. 발명의 한 실시예에서 감지 요소는 조절된 가스의 압력과 유량을 분석하고 제어기로 분석된 데이터로부터 신호가 전달되어 조절된 가스의 흐름을 늦추거나 균질화 챔버로부터 과도한 가스를 태운다. 한 실시예에서 감지 요소는 조절된 가스의 온도를 분석하고 제어기는 히터 및/또는 냉각계로 신호를 보내 조절된 가스의 온도를 하류 어플리케이션에 적합한 온도로 조정한다.
앞서 언급한 바와 같이 가스 모니터링 시스템은 그와 연결된 하나 이상의 제어기로 구성될 수 있다. 한 실시예에서 제어기는 균질화 챔버 내 가스를 평가하는 가스 모니터링 시스템과 연결되어 있고 다른 제어기는 균질화 챔버에 도달하기 전 가스를 평가하는 가스 모니터링 시스템과 연결되어 있다. 이러한 구성에서 이 두 개의 제어기는 독립적으로 작동하며 연결된 하나 이상의 반응 요소에 지시사항을 제공하여 모니터 되는 두 장소에서 가스의 상태를 변경할 수 있다. 한 실시예에서 이 두 개의 제어기는 종속 구성으로 작동하며 이 구성에서 마스터 제어기는 기능적으로 이 두 제어기와 연결되고 두 제어기에 지시사항을 제공하여 모니터되는 장소에서 가스 특징의 조정이 보다 효율적, 합리적으로 이루어지게 한다.
발명의 한 실시예에서 가스 모니터링 시스템은 균질화 챔버 내 가스를 평가하는 가스 모니터링 시스템 및 균질화 챔버에 도달하기 전 가스를 평가하는 가스 모니터링 시스템과 관련하여 기능적으로 하나 이상의 감지 요소 및 반응 요소와 연결된 단일 제어기로 구성된다. 이 구성은 또한 모니터된 장소의 가스 특징을 효율적, 합리적으로 조정할 수단을 제공할 수 있으나 이 단일 제어 구성에서 감지 요소 및 반응 요소와의 기능적 연결은 마스터 제어기 및 종속 제어기 구성에 비해 복잡할 수 있다.
흐름 및 압력 조절
조절된 가스 출구 수단은 나아가 균질화 챔버로부터 하류 어플리케이션으로 유량을 제어하는 수단으로 구성될 수 있다. 입구 수단의 기능적인 제어 시스템과 교번적으로 또는 관련하여 작동하며 균질화 챔버의 압력은 제어될 수 있다. 출구 수단의 압력 제어는 본 기술분야에서 잘 알려진 기존의 밸브 또는 차단 시스템으로 구성될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 흐름 및 압력 제어 시스템은 조절된 가스가 균질화 챔버 밖으로 나갈 때 가스의 특징을 모니터하기 위해 채택된 모니터링 시스템으로부터 나오는 신호에 반응한다. 예를 들어 제어 시스템은 하나 이상의 반응 요소를 통해 가스 유량 및 압력을 제어하기 위해 조정된 압력 조절기 밸브로 구성될 수 있다.
히터 및 가스/액체 분리기
조절된 가스 출구 수단은 나아가 조절된 가스가 균질화 챔버 밖으로 나갈 때 조절된 가스를 가열하는 수단을 포함할 수 있다. 당업자는 또한 가스/액체 분리기를 발명의 시스템으로 결합하는 것이 이득이 된다는 것을 이해할 것이다.
가스 온도 및 습도와 관련하여 하류 어플리케이션의 기능적 요구사항으로 조절된 가스가 하류 어플리케이션으로 이동하기 전 충족해야 하는 목표 온도가 결정 될 것이다. 예를 들어 가스 엔진이 효율적으로 작동하려면 대개 약 40℃ 이하의 온도와 80% 이하의 상대습도가 필요하다. 도 13은 저장소 유형의 가스/액체 분리기의 실시예를 보여준다. 이 시스템과 함께 사용하기 위한 히터의 제한 없는 예는 쉘, 튜브, 전기, 글리콜 온수기 등이 포함된다. 당업자는 시스템에 채택된 히터와 분리기가 상업적으로 쉽게 이용할 수 있음을 이해하고 있을 것이다.
필터
대개 가스 엔진, 가스 터빈 등의 하류 어플리케이션은 가스 생산 프로세스 중 가스로 들어갈 수 있는 미량의 성분에 민감하다. 이러한 점에서 시스템은 적절한 크기의 구멍을 지닌 하나 이상의 필터를 포함하여 가스 유량에 필터가 미칠 수 있는 영향은 실질적으로 제한하면서 이러한 잠재적으로 방해가 될 수 있는 오염원을 걸러낼 수 있다. 한 실시예에서 필터는 엔진의 공통 헤더와 연결되어 있다. 한 실시예에서 각각의 엔진 가스 트레인에는 독자적인 필터가 있다.
한 실시예에서 위에서 언급한 두 필터링 접근방식이 모두 사용되었고 두 단계 필터링 프로세스로 구성될 수 있다.
압력 조절 밸브
조절된 가스 출구 소자는 나아가 조절된 가스가 하류 어플리케이션으로 전달되기 전 가스의 압력을 제어하기 위한 압력 조절 밸브 소자로 구성될 수 있다.
가스 압축기
당업자는 하류 어플리케이션이 조절된 가스에 요구되는 구체적인 가스 특징을 결정한다는 사실을 이해할 것이다. 예를 들어 가스 엔진의 효율적 작동을 위해 조절된 가스 압력은 가스 터빈의 압력과는 다를 것이다. 앞서 언급한 바와 같이 가스 터빈은 상대적으로 높은 가스 압력을 필요로 한다. 따라서 높은 가스 압력을 필요로 하는 실시예에서 가스 가압을 위한 수단이 균질화 챔버에 포함될 수 있다. 가스 가압 소자는 본 기술분야에 잘 알려져 있으며 표 20 A, B, C, D, E에 각각 나타나 있는 축류 압축기, 왕복 압축기, 로터리 압축기, 원심 압축기 등의 다양한 설계로 된 가스 압축기가 포함될 수 있다. 다른 실행은 대각 압축기 또는 혼류 압축기, 스크롤 압축기나 그외 당업자라면 누구나 잘 알고 있는 가스 가압 소자가 포함된다.
4) 제어 밸브가 있는 비상 출구 포트
압력 제어 시스템은 추가로 제어 밸브가 있는 비상 출구 포트를 하나 이상 포함할 수 있다. 유량을 충분히 신속하게 줄일 수 없는 경우, 즉 예를 들어 상류 기능불량이나 하류 가스 엔진 불능 등이 일어난 경우 비상 제어 밸브를 열어 비상 출구 포트를 통해 가스를 방출할 수 있다. 두 개의 제한 없는 안전 밸브의 예가 21A와 B에 각각 나타나 있다.
비상 밸브는 가스 압력에 상당한 변화 (약 <1%)가 일어나지 않도록 신속하게 열릴 수 있다. 당업자는 비상 출구 포트와 이에 상응하는 밸브가 발명의 균질화 시스템 어느 곳에나 위치할 수 있음을 이해할 것이다. 한 실시예에서 비상 포트는 균질화 챔버 내에 위치한다. 한 실시예에서 비상 포트는 입구 수단 내에 위치한다. 한 실시예에서 비상 포트는 출구 수단 내에 위치한다.
가스 균질화 시스템의 어셈블리
가스 균질화 시스템의 어셈블리에는 다양한 잠금 수단, 연결 수단, 받침 및/또는 리프팅 수단, 기초 및/또는 고정 수단, 접지 손잡이 수단 등이 필요할 수 있다. 당업자는 이러한 수단을 상업적으로 쉽게 구할 수 있다는 것을 잘 알고 설치 방법을 숙지하고 있을 것이다.
하류 어플리케이션
본 발명에 따른 시스템은 실질적으로 정의된 특징을 지닌 지속적인 가스 흐름을 생성하기 위해 구성되었다. 이 조절된 가스는 하나 이상의 하류 어플리케이션으로 전달되며 그 결과 이러한 하나 이상의 하류 어플리케이션의 용도로 사용된다. 예를 들어 하류 어플리케이션은 가스 터빈, 연소 엔진 또는 기타 작동에 조절된 가스가 필요한 적절한 어플리케이션일 수 있다.
연소 터빈 엔진
발명의 한 실시예에서 하류 어플리케이션은 O2를 CO, H2와 결합하여 CO2와 H2O를 만들어내는 연소 터빈 엔진이며 여기에서 에너지는 열과 압력의 형태를 띤다. 연소 프로세스 동안 가스가 팽창할 때 가스는 여러 단계를 거치며 전력 터빈을 팽창시켜 축류 흐름 공기 압축기와 발전기가 전기를 생성할 수 있게 한다. 연소 터빈의 압축률과 비슷한 압력에서 연소가 일어나기 때문에 연료 가스, 즉 조절된 가스는 가스 터빈에 연료를 공급하기에 충분한 수준으로 가압되어야 한다.
조절된 가스는 하나 이상의 연소 터빈 엔진으로 전달될 수 있으며 엔진으로 전달되기 이전에 조절된 가스를 압축할 수 있거나 엔진 가스화 프로세스는 필요한 압력에서 조절된 가스를 전달하기에 충분하도록 미리 정해진 압력에서 작동될 수 있다. 조절된 가스의 압력은 특정 연소 터빈 엔진의 압축률에 따라 약 100-600 psig 범위에 있을 수 있다.
한 실시예에서 조절된 가스를 연소 터빈 엔진의 연료 시스템에 들어가기 전 필터로 걸러 시스템과 연결된 프로세싱 장치와 파이프에서 가려낼 수 있는 소량의 입자 물질을 모을 수 있다.
한 실시예에서 예열 시스템이 채택되어 필요한 경우 냉각, 압축된 연료 가스를 예열할 수 있다. 예열 시스템은 시스템 내 위치한 가스 냉각 시스템에서 나온 폐열을 이용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어 폐열은 시스템의 상류, 즉 예를 들어 가스가 가스화 프로세스를 지난 후 냉각될 때 추출될 수 있다. 폐열은 시스템의 하류에서도 추출할 수 있으며 터빈으로부터 회수할 수도 있다. 한 실시예에서 폐열은 시스템의 상류, 하류 모두로부터 추출되었다.
한 실시예에서 조절된 가스의 예열은 가스 냉각 시스템이 조절된 가스를 스크러버에서 필요한 온도로 냉각하는 데 사용될 수 있으며 이 온도는 연소 터빈 엔진의 연소 챔버로 들어가는 연료가스인 정화, 조절된 가스에 바람직한 온도보다 낮다. 한 실시예에서 증기 주입은 NOX 형성 제어를 위해 연소 터빈 엔진과 연결하여 사용될 수 있으며 이러한 구성은 건식 방사 기술의 대안이 될 수 있다.
내연기관
본 발명의 한 실시예에서 하류 어플리케이션은 내연기관이다. 내연기관은 압축기, 연소실, 가스 터빈이 내연기관으로 바뀌었다는 점만 빼면 앞서 설명한 프로세스와 유사한 프로세스를 이용하여 에너지를 생산할 수 있다. 내연기관은 특히 소규모 가스화 전기전환 유닛에서 터빈보다 사용하기 쉽고 비용 효율적이다. 공기 및 보조 연료는 연료 가스, 즉 조절된 가스의 구성에 따라 미리 정해진 방식으로 내연기관에 공급될 수 있다.
환경적으로 장점이 큰 가스화 시스템용 저방사 내연기관 발전기 시스템이 제공되어 효율을 크게 개선하고 오염을 막을 수 있다. 예를 들어 스파크 점화 내연기관은 매우 소규모 유닛에서 비용이 덜 들고 터빈보다 시작과 멈춤이 쉽다는 면에서 이점이 있다.
발명의 한 실시예에서 특히 시동 중에 바람직한 수준의 전력 생산을 촉진하기 위해 보조 연료가 사용되어 내연기관에 동력을 공급할 수 있으며 여기에서 보조 연료는 수소가 많이 함유된 가스, 프로판, 천연가스, 디젤 연료 등이 될 수 있다. 필요한 보조 연료의 양은 예를 들어 가스화되는 탄소 함유 공급물의 낮은 발열량과 전체 가스화 시스템의 동력 요건에 따라 달라진다.
연료 전지 기술
발명의 한 실시예에서 하류 어플리케이션은 연료 전지이다. PM, HCL, H2S 등의 오염물질을 상대적으로 높은 온도 (SOFC 약 1000℃, MCFC 약 650℃)에서 제거한 후 가스화 시스템에서 나온 가스를 가스 균질화 시스템으로 공급하여 고온의 연료전기의 요건 (예를 들어 고체 산화물 연료 전지 또는 용융 탄산염 연료 전지)을 충족시키는 조절된 가스를 생산할 수 있다. 연료 전지 성능의 하락을 막기 위해 엄격한 오염원 제한이 충족되어야 하기 때문에 상류 가스 컨디셔닝 시스템 구성은 연료 전지 조건에 맞게 달라질 수 있다. 가스와 옥시던트 구성도 효율 또는 고온 연료 전지의 산출을 최적화하기 위해 조정되어야 할 수 있다.
용융 탄산염 연료 전지 (MCFC)는 LiALO2 세라믹 매트릭스에서 안정된 알칼리 (Li, Na, K) 카르보네이트의 결합인 전해질이다. 따라서 본 발명의 한 실시예에서 가스 상태의 투입 연료 혼합물은 일산화탄소, 수소, 메탄, 탄화수소와 미립자 로딩, 서퍼 (H2S의 형태), 암모니아, 할로겐 (예. HCl)을 포함하며 총 탄화수소에 제한이 있다. 약 1200℉ (650℃)의 작동 온도에서 염류 혼합물은 액체이며 좋은 이온 전도체이다.
MCFC의 애노드 프로세스는 수소와 전해질에서 나온 카보네이트 이온(CO3 -) 간의 반응을 포함하며 이는 애노드로 전자를 방출하면서 물과 이산화탄소 (CO2)를 만들어낸다. 캐소드 프로세스는 카보네이트 이온을 만들어내기 위해 캐소드로부터 나온 전자를 지닌 옥시던트 증기로부터 CO2와 산소를 결합하며 이는 전해질로 들어간다. 연료 가스의 CO2 함량이 부족한 경우 방사 흐름으로부터 CO2를 회수할 수 있다. 발명의 한 실시예에서 MCFC는 추가 전기를 생성하기 위해 터빈으로 공급될 수 있는 고압 증기를 만들어 내는 데 사용될 만큼 충분히 높은 온도의 초과 열을 생산한다. 복합발전 작동 (증기 터빈 발전 및 연료 전지 발전)에서 약 60%를 넘는 전기 효율이 완성 MCFC 시스템을 위해 고려되었다.
고체 산화물 연료 전지 (SOFC)는 액체가 아닌 고체의 세라믹 전해질을 사용하며 약 1,000℃ (약 1,800℉) 이하의 온도에서 작동한다. 이러한 유형의 연료 전지에서 다른 옥사이드 혼합물도 전해질로 사용되지만 지르코늄 옥사이드와 칼슘 옥사이드가 결정질 격자를 형성한다. 고체 전해질은 양면이 특수 다공성 전극으로 코팅되어 있다. 상대적으로 높은 작동 온도에서 산소 이온 (음으로 대전)은 결정질 격자를 통해 이동한다.
수소와 일산화탄소를 포함한 연료 가스는 음으로 대전된 산소 이온이 전해질을 따라 이동하면서 연료를 산화시키는 동안 애노드로 보내진다. 산소는 보통 공기로부터 캐소드에 공급된다. 애노드에서 생성된 전자는 외부 로드를 통해 캐소드 로 이동하며 전류가 흐르는 회로를 완성한다.
발명의 한 실시예에서 발전 효율은 최대 60%까지의 범위 내에 있다. 용융 탄산염 연료 전지와 마찬가지로 고체 산화물 연료 전지는 "열병합 발전", 즉 폐열을 사용하여 공간 냉난방, 사업 프로세싱 또는 증기 터빈의 발전량을 늘리기 위한 증기를 만들어내는 복합 열, 전력 어플리케이션의 기회를 제공하는 고온을 필요로 할 수 있다.
(고온) 연료 전지는 수소 및 (주로 SOFC) 시스템에 의해 제공되는 가스에서 나온 일산화탄소를 소비한다. 연료 가스에 포함된 메탄은 고온의 연료 전지에서 부분적으로 재구성되어 다시 수소와 일산화탄소를 만들어낸다. 연료 전지에서 빠져나온 가스 혼합물은 여전히 유용한 양의 메탄과 일산화탄소 가스를 포함할 가능성이 있다. 이러한 고온의 가스는 본 발명의 균질화 시스템으로 보내지던가 반응 용기에서 사용될 증기 생산에 사용될 수 있는 여러 열교환기로 우회된다.
대안으로 본 발명의 한 실시예에 따라 뜨겁지만 정화된 가스를 고온의 수소 막 필터링 시스템으로 투입하여 합성 가스를 두 개의 개별 가스 흐름으로 분리할 수 있다. 한 흐름은 순수한 수소 만으로 이루어지고 다른 한 흐름은 순수한 일산화탄소 (CO)로 이루어진다. 발명의 한 실시예에서 일산화탄소는 가스 발화 보일러에서 연소되어 이산화탄소 (CO2)의 회수와 증기의 잠재 에너지 전환을 촉진하거나 압축기로 보내져 병에 밀봉될 수 있다. 발명의 한 실시예에서 수소(H2)은 연료 전지의 에너지로 전환되거나 압축기로 이동한 후 H2가 안전하게 저장 또는 이동될 수 있도록 그래파이트 나노 섬유 저장 매체 및/또는 무수 알루미늄 저장 매체가 있는 컨테이너로 공급된다.
발명의 한 실시예에서 수소 공급 라인은 고온의 수소 막 필터링 시스템에서 연료 전지 스택으로 제공될 수 있다. 이 시스템의 연료 전지 스택은 대개 애노드에서 수소 가스를, 캐소드에서 CO2를 사용하여 전기를 생산하는 용융 탄산염 유형이다. 가스 내에 존재하는 일산화탄소는 회수되어 증기, 이산화탄소, 물을 생산할 수 있는 열 (최대 약 1500℉)뿐만 아니라 여분의 수소를 생산한다.
일산화탄소 라인은 일산화탄소를 고온의 수소 막 필터링 시스템에서 기존의 가스 발화 보일러로 보내기 위해 제공될 수 있다. 가스 발화 보일러는 CO2와 가스화 시스템에서 만들어진 CO의 잠재 에너지값이 보다 비용 효율적으로 회수될 수 있도록 CO를 연소한다.
몇몇 상류 가스화 시스템은 하나 이상의 연료 또는 공급물을 보일러로 투입하여 필요한 또는 바람직한 전력 생산량을 늘리는 다용성을 제공하기 위해 설계되었다. 추가 연료 소스의 제한 없는 예로는 유기 폐기물 (바이오가스라고도 함)의 무기 소화로부터 얻은 가스뿐만 아니라 천연 가스가 포함된다.
당업자들이 숙지하고 있는 바와 같이 선택된 특정 발전 소자에 따라 전기 발전기의 효율성을 극대화하기 위해 가스화 시스템에서 생성된 가스에 더해 다른 유형의 연료를 포함하는 것도 이익이 될 수 있다. 이러한 선택적 추가 연료로는 천연 가스, 석유 및 기타 기존 탄화수소 연료가 포함될 수 있다. 선택적 연료는 발 전기가 소비하는 BTU 또는 에너지 대부분을 제공하기 위한 것이 아니며 오직 시스템의 전반적 효율을 증진시킬 수 있을 때에만 포함된다는 사실을 주지해야 한다. 따라서 추가 연료는 대개 시스템 사용에 반드시 필요하지는 않다.
본 발명의 실시예에 따른 한 대안적 구성은 용융 탄산염 연료 전지를 사용하면서 CO2와 H2O의 생산과 함께 옥사이드 니트로겐, 일산화탄소 또는 미연 탄화수소의 방출을 크게 줄일 수 있는 가스화 시스템을 채택했다. 여기에서 일산화탄소가 수소와 함께 연료 전지에 공급된다. 이러한 연료 전지는 용융 탄산염이거나 기타 유형의 연료 전지로 일산화탄소를 귀중한 연료로 소비한다.
본 발명의 일 실시예에서, 하류 어플리케이션은 냉각된 순수 수소를 이용하는 양성자 교환 멤브레인 연료 전지(PEMFC) 스택을 포함한다. 다른 연료 전지에서와 같이, 연료의 화학적 에너지는 직접 전기로 변환된다. 전기는 이하의 전기화학적 반응을 통해 생성된다:
애노드: 2H2 → 4H+ +4e-
캐소오드: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
이 반응은 일반적으로 저온(예를 들어 <100℃)에서 일어나고 애노드의 플래티늄 촉매층에서 전자 및 양으로 대전된 수소 이온(양성자)으로 수소를 쪼개는 단계와 양성자 교환 멤브레인(전해질)을 통한 양성자 통과 및 캐소오드 촉매에서 전기화학적 산화를 포함한다. 전해질(고형 폴리머 멤브레인)이 물로 포화된다면, 애 노드 및 캐소오드의 습기의 주의깊은 제어가 요구된다. 또한, 애노드 상의 H2S 촉매억제 촉매 및 CO(예를 들어 약 1ppm보다 높은 레벨)의 적은 양이 수소 순수 요구사항에 영향을 미칠 수 있다.
당업자에게 분명한 것처럼, PEMFC들은 일반적으로 연료 전지의 다른 유형 보다 주어진 부피 및 중량에 대해 더 많은 전력을 생성하고 추가적으로 빠른 시동을 가능하게 한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, PEMFC 스택의 최신 효율은 약 35-45%의 값에 도달한다.
일 실시예에서, 시스템은 전기를 생성하여 터빈을 구동하기 위해 수소 가스의 이용을 가능하게 하도록 구성된다. 이는 합성 가스의 높은 연소 온도로부터 임계 내부 구성요소에 대한 손상을 없애는 것이 가능하고 그 결과 질소 산화물의 크게 감소된 방출이 초래된다. 일 실시예에서, 고온 수소 멤브레인으로부터의 수소는 분무기 물 주입 시스템으로 투입될 수 있고, 이 경우 에너지를 기계적 힘으로 변환시키고 전기를 제공하는 발전기를 구동시키기 위해 가스 터빈 또는 내연기관에서 연소가 되기 이전에 탈이온화된 물이 첨가된다. 여기서, 물은 내부 온도를 제한하는 작용을 하고 이에 의해 임계 내부 구성요소로의 열 손상을 막는다. 또한, 이러한 대안적인 연료가 풍부한 양으로 쉽게 이용가능하지 않을 때 분무기 물 주입 시스템은 때때로 및/또는 여러 위치에서 이러한 발명을 작동시키는 것이 가능하다. 또한, 관개 분무기(irrigation fogger)의 이용은 대안적인 연료 혼합 및/또는 합성 가스의 연소의 고온에 의해 발생되는 질소 산화물 방출을 크게 낮춘다.
다생산(polygeneration)
본 발명에 따르면, 하류 어플리케이션은 다생산을 포함할 수 있다. 따라서, 가스화 시스템으로부터의 가스는 가스 균질화 시스템으로 주입될 수 있고 이에 의해 다생산에 대한 요구사항들을 만족시키는 조절된 가스를 만든다. 다생산은 전기 및 합성 연료의 공동 생산을 포함하고 이는 이하에서 더욱 자세하게 설명되며, 석타을 이용한 큰 스케일의 통합 가스화 합성 사이클(Integrated Gasification Combined Cycle; IGCC)에 이용될 수 있다. 생산된 잠재적 합성 연료는 에탄올, 메탄올, 디-메틸-에테르(DME), 및 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch)(F-T) 액체(디젤, 가솔린)를 포함한다.
i) 전기 및 메탄올의 공동 생산
본 발명의 일 실시예에서, 가스화 시스템으로부터 유도된 가스에 기초한 시스템은 전기 및 메탄올의 공동 생산을 가능하게 하고, 이는 화학물질이 공급 원료 또는 에너지 캐리어로서 이용될 수 있다. 에너지 캐리어로서, 메탄올은 다수의 잠재적인 어플리케이션을 갖는다. 메탄올(MeOH)은 잠재적으로 미래를 위한 청정 대체 연료이다. 하나의 매력적인 가능성은 자동차 어플리케이션에 대한 연료 전지에의 이용이다. 메탄올은 쉽게 수소로 형태가 바뀔 수 있고 수소보다 더욱 쉽게 저장되고 운반된다.
본 발명의 일 실시예에서, 액체 상 메탄올 프로세스(LPMEOHe)와 IGCC 전력 플랜트를 조합한 시스템 구성이 고려된다. 일반적으로 이 시스템은 반응기를 통한 단일 통과에서 더욱 높은 합성 가스 변환 레벨에 도달할 수 있고 종래의 가스 상 메탄올 생산 기술보다 저렴한 정화 비용을 갖는다. 또한, 이러한 시스템은 일산화탄소에서 풍부한 가스 혼합물로부터 그리고 가스 조성물의 넓은 범위로부터의 높은 품질의 메탄올의 생산을 가능하게 한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 22는 메탄올/전기 공동 생산 시스템의 프로세스 흐름도를 나타낸다.
ii) 전기 및 이소부탄올의 공동 생산
가솔린 첨가제로서 메틸-t-부틸 에테르(MTBE) 및 다른 제 3 알킬 에테르에 대한 요구는 이들의 생산을 위한 대안적인 경로로의 관심을 끌고 있다. 본 발명의 일 실시예에서, CO 수소 첨가를 통한 이소부탄올-메탄올 혼합물의 합성을 위한 시스템이 고려된다. 일 실시예에서, 이소부탄올 합성에서 형성된 이소부탄올/메탄올은 MTBE를 생산하기 위해 촉매와 공동으로 반응할 수 있다.
iii) 전기 및 탄화수소의 공동 생산
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스화 플랜트는 전기 및 피셔-트롭쉬(F-T) 연료 액체를 공동 생산할 수 있다. F-T 반응에서의 가스의 직접적인 프로세싱은 추가적인 단계(물-가스 시프트)에 대한 필요를 제거하고 이에 의해 H2/CO 비를 증가시킨다. 철 F-T 촉매와 같은 일정한 촉매에 의해 처리되는 고유의 물-가스 시프트 활동이 낮은 H2/CO 비율 합성 가스의 직접적인 처리를 가능하게 한다. 물-가스 시프트(WGS) 반응은 철계 촉매에 걸쳐 F-T 반응 동안 탄화수소의 생산과 동시에 일어난다. 이 두 반응은 다음과 같다:
F-TS: nCO + 2nH2 ~ (-CH2-)n + nH2O (1)
WGS: CO + H2O ~ CO2 + H2 (2)
F-T 및 WGS 반응의 상대적인 정도는 탄화 수소의 최대 생산에 대해 최적화될 필요가 있다. 일 실시예에서, F-T 반응은 가벼운 가스로부터 무거운 왁스의 범위의 다양한 탄화수소(>C2O)를 만든다. 무엇보다 깨끗한 디젤(C10-C15) 및 가솔린(C5-C12)이 얻어지고, 이는 황 또는 질소를 포함하지 않으며, 매우 낮은 함량의 방향족 화합물을 갖고 높은 세탄 숫자를 나타내며, 이 숫자는 연료 대 자동 점화의 더 높은 용량을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 23은 통합된 IGCC 및 F-T 액체 공동 생산 시스템을 도시한다.
화학적 합성
또한, 탄소질 공급 원료의 가스화로부터 얻어진 가스는 화학물질의 풍부한 소스다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스는 액체 연료로 재결합될 수 있고, 이는 높은 등급의 운송 연료를 포함하며 화학물질 및 정제 산업에서의 공급 원료로 서 차례로 작용하는 석유화학물질의 범위를 포함한다. 예를 들면, 종래의 연소와 반대로, 이산화탄소는 연료 가스의 큰 부피에서 희석화되는 것보다 농축된 흐름으로 가스화기를 빠져나간다. 이는 이산화탄소가 더욱 효과적으로 붙잡히도록 하고 이후에 상업적 목적으로 이용되거나 또는 격리되도록 한다.
상기에서 언급된 것처럼, 합성 가스는 순수 일산화탄소 및 수소의 회수를 위해 공급 원료로서뿐만 아니라 화학적 합성을 위한 빌딩 블록(building block)으로서 이용될 수 있다. 이론적인 CO:H2 비는 수소의 합성의 경우 1이고, 에탄올 생산의 경우 1이며, 메탄올 생산의 경우 0.5이고, SNG 합성의 경우 0.33이다. 이 프로세스는 1의 비율로 매우 경쟁적이지만, 비용에서의 일정한 증가로 상이한 비율을 만들도록 수정될 수도 있다. 많은 수의 생성물이 만들어질 수 있다. 주요 생성물의 제한없는 예는 이하를 포함한다:
- 에탄올(CO/H2로부터 직접 또는 메탄올로부터)
- 혼합 알콜(CO/H2로부터 직접 또는 메탄올로부터)
- 메탄올
- 메틸화를 통한 SNG
- 파라핀 및 올레핀, 디젤 및 가솔린(피셔-트롭쉬 합성)
- 벤젠, 톨루엔, 및 자일렌(메탄올로부터 모빌(Mobil) 프로세스)
- 에틸렌(메탄올로부터 모빌 프로세스)
- 에틸렌(수정된 피셔, 트롭쉬 프로세스, 즉 루케미(Ruhrchemie)를 통해 CO/H2로부터)
- 에틸렌(크래킹 프로세스를 통해 FT 파라핀으로부터)
- 분리에 의해 수소 및 일산화탄소
i) 에탄올
본 발명에 따르면, 가스로부터 에탄올의 합성을 위한 프로세스가 고려된다. 본 발명의 일 실시예에서, 이 프로세스는 상승 온도에서 특정의 촉매를 이용하는 것을 포함하는 촉매적 변환을 포함한다. 이 변환은 에탄올, 메탄올 및 다른 고차 알콜의 혼합물을 만들고, 타겟 생성물(에탄올)은 증류에 의해 95% 순도로 얻어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 프로세스는 특정의 박테리아 존재 하에서 약 37%의 온화한 온도에서 일어나는 발효 변환을 포함한다.
CO + 1/2H2O = 1/6C2H5OH + 2/3CO2
H2 + 1/3CO2 = 1/6C2H5OH + 1/2H2O
ii) 메탄올
본 발명에 따르면, 가스로부터 메탄올의 합성을 위한 프로세스가 고려된다. 본 발명의 일 실시예에서, 가스로부터의 메탄올 생산은 촉매 수소첨가 반응을 포함하고, 이 경우 일산화탄소 및 수소는 반응하여 메탄올을 형성한다. 이 반응은 메 탄올의 높은 선택도에 의해 50-100atm 및 250-300℃에서 일어나고 이 기술분야에서 공지되어 있다. 이 반응은 이하와 같다:
CO + 2H2 → CH3OH
이후 생성된 메탄올은 CO와 추가적으로 반응할 수 있고 이에 의해 아세트산 및 다양한 소비 생성물의 제작에서 이용되는 다른 파생물을 만든다. 이러한 방법으로, 합성 가스로부터 만들어진 메탄올은 차례로 다양한 다른 화학 물질을 위한 가치있는 공급 원료로서 작용한다(예를 들어 아세틱 무수물, 메틸 아세테이트, 및 디메틸 테레프탈레이트의 제조에서). 또한, 본 발명에 의해 처리되는 가스들은 플라스틱 및 비료 산업에서 이용될 수도 있다.
메탄올은 깨끗한 연소(clean burning) 액체이고 이는 자동차 및 다른 차량을 위한 연료로뿐만 아니라 전력 생성 터빈에도 이용될 수 있다.
iii) 수소
본 발명에 따르면, 가스로부터 수소의 합성을 위한 프로세스가 고려된다. 본 발명의 일 실시예에서, 수소는 두 단계로 가스로부터 상업적으로 유도될 수 있다. 이 합성 가스는 먼저 이하의 화학식에 따라 촉매적으로 변환된다: CO + H2O = CO2 + H2. 제 2 단계는 저온 분리, 압력 스윙 흡착, 또는 확산에 의해 제 1 단계로부터 생산된 수소를 정제한다.
iv) 일산화탄소
본 발명에 따르면, 가스로부터 일산화탄소의 합성을 위한 프로세스가 고려된다. 본 발명의 일 실시예에서, 일산화탄소는 분리 프로세스를 이용하여 가스로부터 상업적으로 유도될 수 있다. 분리 프로세스는 일산화탄소의 선택적 흡착 상에서 또는 저온에서 액체 상으로 일산화탄소의 응축 및 증류에 기초할 수 있다.
v) 메탄(천연 가스 또는 SNG를 대체함)
본 발명에 따르면, 가스로부터 메탄의 합성을 위한 프로세스가 고려된다. 본 발명의 일 실시예에서, 가스는 특정 촉매의 존재시 메탄으로 수소첨가화될 수 있다(CO + 3H2 = CH4 + H2O). 이 변환은 유체화된 베드 또는 액체상 프로세스에서 수행될 수 있다. 이 변환에서 이용되는 촉매는 일반적으로 메탄으로의 높은 선택성이 있고 고차 탄화수소의 오직 적은 양만이 형성된다.
vi) 탄화수소 - 피셔-트롭쉬 합성
본 발명에 따르면, 가스로부터 탄화수소를 합성하기 위한 프로세스가 고려된다. 본 발명의 일 실시예에서, 철, 코발트 또는 루테늄을 함유한 촉매와 일산화탄소의 촉매 수소첨가(hydrogenation)는 탄화수소를 만든다. 피셔-트롭쉬(F-T) 합성은 메탄으로부터 가솔린, 디젤, 왁스에 이르는 범위의 다양한 탄화수소를 제공할 수 있다.
F-T 기술은 화학 및 정제 산업에서 잘 알려진 기술이고, 석탄 가스화에 의해 만들어진 가스로부터 가솔린 및 디젤 연료를 만드는 것으로 가장 유명하다. F-T 생성물 중 프로세스 설계 차이는 주로 커스텀 촉매들(custom catalysts)의 이용, 온도 및 프로세스 압력에 대한 변화의 결과이고, 이에 의해 화학 반응을 조정하고 원하는 생성물을 만든다.
일반적으로, F-T 촉매가 한번의 통과로 단일 생성물(예를 들어 에탄올)을 만드는 것은 가능하지 않다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라서 그리고 에탄올의 수율을 높이기 위해, 압축 스테이지에서 H2 및 CO와 함께 메탄을을 재유입시키고 증류에 의해 생성물(메탄올)을 분리하는 것이 필요하다. 다양한 통과 단계가 필요하다.
여기서 설명된 발명의 더 나은 이해를 얻기 위해, 이하의 예가 설명된다. 이러한 예는 본 발명의 예시적 실시예를 설명하려는 것이고 어떠한 방법으로든지 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니다.
예
예 1
이하의 내용은 본 발명의 일 실시예에 따른 균질화 챔버의 특성을 형성한다.
일 실시예에서, 균질화 챔버는 생성물 가스의 블렌딩을 가능하게 하기에 충분한 저장을 제공하고, 이에 의해 가스 품질에서의 짧은 시간의 변화 가능성이 실 질적으로 최소화되며, 이 경우 균질화 챔버는 눈, 비, 및 바람에 노출되는 외부에 위치하게 된다.
기능적 요구사항들
입력 가스는 매우 유독성이고 가연성일 수 있으며 따라서 이하의 요구되는 경감 특징들이 균질화 챔버의 설계 동안 고려될 수 있다.
예를 들면, 균질화 챔버는 이하의 기능적 요구사항들을 충족시키도록 설계된다.
정상/최대 입구 온도 35℃/40℃
정상 작동 압력 3.0psig
정상/최대 가스 입구 유동 속도 7200Nm3/hr/9300Nm3/hr
정상/최대 가스 출구 유동 속도 7200Nm3/hr/9300Nm3/hr
상대 습도 60%-100%
탱크의 저장 부피 290m3
작동 가스 부피(범위) 0-290m3
기계적 설계 온도 -40℃ 내지 300℃
기계적 설계 압력 5.0psig
균질화 챔버 설계를 위해, 이하의 두 개의 조건이 고려되어야 한다:
(1) 입구 유동이 없는 경우의 최대 가스 배출 유동
(2) 출구 유동이 없는 경우의 최대 가스 입구 유동
저장되는 가스 조성의 일 실시예는 이하에서 정의된다:
가스 조성(v/v), 웨트 베이시스(wet basis)
CH4 0.03%
CO 18.4%
CO2 7.38%
H2 20.59%
H2S 354/666 ppm
H2O 5.74%
HCl 5ppm / 190ppm
N2 47.85%
본 발명의 실시예에서, 균질화 챔버는 이하의 개구들이 제공되도록 구성된다.
- 하나의 36" 맨홀(쉘)
- 하나의 36" 맨홀(루프)
- 하나의 18" 플랜지(가스 입구용)
- 하나의 18" 플랜지(가스 출구용)
- 균질화 챔버의 상부의 4개의 1" 플랜지된 노즐
- 균질화 챔버의 상부의 2개의 3" 플랜지된 노즐
- 균질화 챔버의 상부의 2개의 4" 플랜지된 연결부
- 균질화 챔버의 상부의 2개의 6" 플랜지된 연결부
- 균질화 챔버의 바닥부의 하나의 2" 배수관(drain)
본 발명의 일 실시예에서, 균질화 챔버는 이하의 요구사항을 충족시키도록 구성된다.
1) 모든 필요한 개구, 맨홀 커버, 블랭크 플랜지의 제공
2) 유지 플랫폼 및 검사를 위한 모든 필요한 지지대, 검사를 위한 액세스 래 더의 제공
3) 균질화 챔버를 위한 필요한 그라운딩 러그(lugs) 및 리프팅 후크(lifting hooks)의 제공
본 발명의 일 실시예에서, 균질화 챔버는 이하의 환경적 조건들을 고려하여 설계된다.
평균 해수면 위의 높이 - 80m
위도 - 45˚26'N
경도 - 75˚40'W
평균 대기 압력 - 14.5psia
최대 여름 건식 벌브 온도(Maximum summer dry bulb temperature) - 38℃
설계 여름 건식 벌브 온도 - 35℃
설계 여름 습식 벌브 온도 - 29.4℃
최소 겨울 건식 벌브 온도 - -36.11℃
평균 바람 속도 - 12.8ft/sec
최대 바람 속도 - 123ft/sec
설계 바람 속도 - 100mph/160kph
주요 바람 방향 - 주로 남쪽 및 서쪽으로부터
지진 정보 - 구역 3(Zone 3)
구성 재료
구성 재료는 설계 조건 및 가스 조성에 기초한다.
신뢰성 및 유지보수성
검사 및 유지보수를 위한 적절한 액세스가 제공된다. 균질화 챔버는 매우 신뢰성 있고 이용되는 모든 가스켓 및 플랜지는 작동 동안 고장을 피하기에 적절한 기준을 갖는다.
품질 보증
제품이 모든 요구사항들을 만족시킨다는 것을 보장하는 품질 시스템이 뒤따른다.
각각의 시스템은 매우 높은 신뢰성 및 활용성을 가진 채 수십년 동안 산업 환경에서 작동 가능하다. 일 실시예에서, 시스템은 신뢰성(모든 구성요소의 적절한 디레이팅(de-rating)을 포함)을 위해 설계되고, 검사 및 테스트의 포괄적인 시스템이 인터페이스 요구사항들을 포함하여 명세서의 모든 요소와 순응하도록 표현되고 보장하도록 관리된다.
균질화 챔버는 시리얼 넘버에 의해 일반적으로 추적 가능할 것이다. 품질보증확인서(Certificate of Conformance)는 장비가 요구사항 명세서의 모든 태양을 만족시키는 것을 보장하도록 일반적으로 이용될 것이다.
모든 테스트 및 검사 데이터는 유닛 시리얼 넘버에 의해 유지된다.
예 2
이하의 내용은 본 발명의 일 실시예에 따른 균질화 챔버의 특성들을 정의한다.
본 발명의 일 실시예에서, 균질화 챔버는 가스의 블렌딩을 가능하게 하기에 충분한 저장을 제공하고 이에 의해 가스 품질 및 압력에서의 짧은 시간의 변화 가능성이 실질적으로 최소화되며, 이 경우 균질화 챔버는 눈, 비, 및 바람에 노출되는 외부에 위치하게 된다.
균질화 챔버는 콘크리트 기초를 구비한 구조 인터페이스를 지지한다. 균질화 챔버는 프리스탠딩(free-standing)이고 균질화 챔버의 치수는 기계 공학 요구사항을 충족시키도록 설계된다. 가스 균질화 챔버는 현장에서(on-site) 조립된 하나의 단일 탱크를 일반적으로 포함한다.
일 실시예에서, 일정한 물이 가스로부터 응축되고 이에 의해 바닥부 배수관 노즐이 이러한 목적을 위해 균질화 챔버의 설계에 포함된다. 균질화 챔버의 배수를 돕기 위해, 균질화 챔버의 바닥부는 평평하지 않을 것이 요구되는데, 예를 들어 균질화 챔버는 가장자리부(skirt)를 구비한 원뿔형 바닥부를 갖도록 구성된다. 일 실시예에서, 추적된/절연된 배수관 파이핑은 배수 플랜지를 형성하는데 이용된다. 균질화 챔버 중력 내의 물은 플로어 배수관으로 배수되고, 따라서 균질화 챔버는 약간 높아진다.
일 실시예에서, 균질화 챔버는 이하의 기능적 요구사항들을 충족시키도록 구 성된다.
정상/최대 입구 온도 35℃/40℃
정상/최대 작동 압력 1.2psig/3.0psig
정상/최대 가스 입구 유동 속도 7000Nm3/hr/8400Nm3/hr
정상/최대 가스 출구 유동 속도 7000Nm3/hr/8400Nm3/hr
상대 습도 60%-100%
탱크의 저장 부피 290m3
기계적 설계 온도 -40℃ 내지 50℃
기계적 설계 압력 5.0psig
일 실시예에서, 균질화 챔버의 구성 재료는 이하에서 주어진 가스 조성을 고려하며, 이 경우 HCl 및 H2S의 함유에 의해 물로부터 부식이 예상된다.
가스 조성(v/v), 웨트 베이시스(wet basis)
N2 47.09%
CO2 7.44%
H2S 20ppm
H2O 3.43%
CO 18.88%
H2 21.13%
CH4 0.03%
HCl 5ppm
본 발명의 실시예에서, 균질화 챔버는 이하의 개구들이 제공되도록 구성된다.
- 균질화 챔버의 바닥부 근처의 하나의 36" 맨홀
- 경감을 위한 상부의 하나의 6" 플랜지
- 가스 입구를 위한 쉘 상의 하나의 16" 플랜지
- 가스 출구를 위한 쉘 상의 하나의 16" 플랜지
- 쉘 상의 6개의 1" 플랜지(2 압력, 1 온도, 3 스페어)
- 균질화 챔버의 바닥부의 하나의 2" 플랜지(배수)
- 레벨 스위치를 위한 바닥부 원뿔체 상의 하나의 1" 플랜지
본 발명의 일 실시예에서, 균질화 챔버는 이하의 요구사항들을 충족시키도록 구성된다.
1) 모든 필요한 개구 및 맨홀 커버, 그리고 모든 스페어 노즐을 위한 블라인드 플랜지의 제공
2) 경감한 액세스를 가능하게 하는 균질화 챔버의 상부로의 래더(ladder)의 제공, 예를 들면 경감 밸브 및 루프에 이를 수 있는 레일링(railing)의 통합
3) 필요한 리프팅 후크 및 앵커 볼트(anchor bolts)의 제공
4) 콘크리트 링 벽의 제공
5) 필요한 경우 균질화 챔버의 내부 및 외부 코팅의 제공
6) 균질화 챔버의 바닥부의 절연 및 열 추적의 제공
7) 콘크리트 슬래브(slab)의 제공
본 발명의 일 실시예에서, 균질화 챔버는 도 24에서 정의된 명세내용에 따라 구성된다.
재료 및 구성
균질화 챔버는 거친 산업(폐기물 처리) 환경에서 작동하도록 설계되고 구성된다. 상기 언급된 것처럼, 구성 재료는 설계 조건 및 가스 조성에 기초한다. 물, HCl, H2S로부터의 부식은 구성 재료의 선택 동안 고려된다.
예 3
이하의 내용은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 블로우어를 위한 기능적 요구사항을 제공한다.
일 실시예에서, 가스 블로우어는 가스 냉각기를 포함하고 플라즈마 가스화 시스템으로부터 가스를 유출시키는데 이용된다. 가스 블로우어는 이하에서 설명된 명세내용에 의한 모든 장비 및 파이핑을 통해 적절한 흡입을 제공하도록 구성된다.
기능적 요구사항들
입력 가스는 가연성이고 공기와 함께 폭발성 혼합물을 생성할 것이고, 따라서 본 발명의 일 실시예에서 예를 들어 밀봉 정화(seal purge)와 같은 모든 서비스 유체는 질소와 함께 실행된다. 본 발명의 일 실시예에서, 블로우어는 10% 내지 100%의 유동 범위 내에 있는 변화 가능한 속도 드라이드(VSD)를 통해 작동된다.
시스템 공학은 뛰어난 공학 실습 및 이하의 모든 이용 가능한 지방의 및 국가적 코드, 표준, 및 OSHA 가이드라인으로 실행될 것이다. 블로우어는 10% 내지 100%의 유동 범위 내의 변화 가능한 속도 드라이브(VSD)를 통해 작동된다.
가스 블로우어는 예를 들어 이하의 기능적 요구사항들을 충족시키도록 설계된다.
정상 가스 입구 온도 35℃
정상 가스 흡입 압력 -1.0 psig
정상 가스 유동 속도 7200Nm3/hr
최대 가스 유동 속도 9300Nm3/hr
최대 가스 흡입 온도 40℃
정상 방출 압력 3.0psig
정상 방출 온도(가스 냉각기 이후) < 35℃
기게적 설계 압력 5.0psig
블로우어 입구에서의 가스의 상대 습도 100%
가스 분자량 23.3
냉각수 공급 온도(생성물 가스 냉각기) 29.5℃
최대 수용 가능한 가스 방출 온도 (생성물 가스 냉각기 이후) 40℃
턴 다운 비율(turn down ratio) 10%
본 발명의 일 실시예에서, 가스 블로우어에 의해 시스템을 통해 유도되는 가스 조성은 이하에서 정의된다:
가스 조성, 웨트 베이시스(v/v)
CH4 0.03%
CO 18.4%
CO2 7.38%
H2 20.59%
정상/최대 H2S 354/666 ppm
H2O 5.74%
정상/최대 HCl 5ppm/100ppm
N2 47.85%
본 발명의 일 실시예에 따라 폭발성 혼합물을 피하기 위해, 블로우어는 대기로부터의 공기 흡입이 없거나 최소화되도록 구성된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 가스는 유독성이고 가연성일 수 있기 때문에, 블로우어는 대기에 대한 가스 누수가 없거나 최소화되도록 구성된다. 본 발명의 일 실시예에서, 블로우어는 누수 없는 샤프트 밀봉을 갖는다. 일 실시예에서, 양 방향으로의 누수에 대한 진보된 누수 탐지 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에서, 가스 블로우어는 이하의 요구사항들을 충족시키도 록 구성된다.
1. 누수가 없는 블로우어 샤프트 밀봉을 구비한 폭발 방지 모터의 제공
2. 생성물 가스 냉각기의 제공
3. 1m 소음 규정 요구사항에서 80dBA을 충족시키기 위해 청각 박스를 구비한 사일런서(silencer)의 제공
4. 블로우어 및 모터를 위한 공통 베이스 플레이트의 제공
5. 모터를 구비한 보조 오일 펌프 및 블로우어 보조 시스템을 위한 모든 필요한 기계장비의 제공
6. 모든 기구 및 제어부의 제공(낮고 높은 오일 압력 스위치, 높은 방출 압력 및 온도 스위치, 상이한 온도 및 압력 스위치). 일 실시예에서 모든 스위치는 CSA 승인된 방출 압력 게이지, 방출 온도 게이지, 오일 압력 및 온도 게이지일 것이다. 일 실시예에서, 모든 기계장비(instrumentation)는 공통 폭발 방지 접합 박스에 와이어될 것이고 VFD는 블로우어의 상류에 설치된 압력 전송기에 의해 제어될 것이다.
7. 제로 누수 방출 체크 밸브의 제공
8. 블로우어의 과도한 압력/진공/차단 방출을 금하도록 장비 경감 시스템의 제공(예를 들어 PRV 및 재활용 라인과 같은 시스템).
기술적 요구사항들
일 실시예에서, 블로우어는 약 600볼트, 3상, 60Hz에서 작동하고 섹션 2의 기능적 요구사항들을 만족시킨다.
환경
생성물 가스 블로우어 및 생성물 가스 냉각기는 빌딩의 외부에 위치할 수 있고 이 경우 비, 눈 및 바람에 노출될 것이다. 따라서, 일 실시예에서, 가스 블로우어는 이하의 환경 조건들을 견디도록 구성된다.
평균 해수면 위의 높이 - 80m
위도 - 45˚24'N
경도 - 75˚40'W
평균 대기 압력 - 14.5psia
최대 여름 건식 벌브 온도 - 38℃
설계 여름 건식 벌브 온도 - 35℃
설계 여름 습식 벌브 온도 - 29.4℃
최소 겨울 건식 벌브 온도 - -36.11℃
평균 바람 속도 - 12.8ft/sec
최대 바람 속도 - 123ft/sec
설계 바람 속도 - 100mph/160kph
주요 바람 방향 - 주로 남서쪽으로부터
지진 정보 - 구역 3(Zone 3)
블로우어의 분류(class)
일 실시예에서, 블로우어는 폭발성 가스가 전복 조건에서 존재할 수 있는 환 경에서 작동하도록 구성된다. 예를 들면, 약 2미터 거리 내에 또는 가스 파이프 상에 설치된 모든 기계장비 및 전자 소자는 분류 1, 존 2에 대해 분류될 것이다.
신뢰성, 유지보수성 및 스페어(spare)
블로우어는 매우 신뢰성이 있을 것이다. 검사 및 유지보수를 위한 적절한 액세스가 제공되고, 이는 고립된 것에 대한 액세스이고 고장을 교정한다.
블로우어는 연속적으로 작동될 수 있다(24/7). 프로세스 안정화 동안 블로우어의 빈번한 시작/정지 작동이 고려된다. 가스 블로우어는 빈번한 시작/정지 동안에도 높은 신뢰성으로 작동할 수 있다.
품질 보증
생성물이 모든 요구사항을 만족시킨다는 것을 보장하는 품질 시스템이 뒤따를 것이다.
각각의 시스템은 매우 높은 신뢰성 및 활용성으로 수년 동안 산업 환경에서 작동할 수 있다. 일 실시예에서, 시스템은 신뢰성에 대해 설계되고(모든 구성요소들의 적절한 디레이팅을 포함함), 검사 및 테스트의 포괄적인 시스템이 인터페이스 요구사항들을 포함하여 명세서의 모든 요소와 순응하도록 표현되고 보장하도록 관리된다.
재료 및 구성
구성 재료는 설계 조건 및 가스 조성에 기초한다. 예를 들면, 전기 회로 보드, 커넥터 및 외부 구성요소가 코팅되거나 또는 보호되고 이에 의해 먼지, 습기 및 화학물질로부터의 잠재적인 문제점들을 최소화한다. 제어 패널 및 스위치는 강건한 구성이고 직원이 끼는 작업 장갑(personnel wearing work gloves)에 의해 작동되도록 설계된다.
제어 인터페이스
일반적으로, 모터 제어를 위한 가변성 속도 드라이브가 이용된다. 모터 과전압, 과부하 보호 등이 포함된다.
모터 상태, 온/오프 작동, 속도 변화가 DCS를 통해 원격적으로 작동되고 모니터된다.
예 4:
가스 균질화 시스템의 작업 명세내용
가스 저장 및 가스 가열
본 발명의 일 실시예에서, 세정되고 냉각된 가스가 가스 저장 탱크에 저장된다. 가스 저장 탱크의 목적은 그 조성(낮은 가열값 - LHV) 및 그 압력을 균질화하는 것이다. 가스는 엔진 온도 요구사항을 맞추기 위해 엔진 이전에 가스 저장의 출구 상에서 가열된다.
조성 - LHV
일 실시예에서, 가스 저장은 짧은 시간 히팅값 변동을 피하기 위해 더 나은 블렌딩을 가스가 갖기에 충분한 체류 시간을 제공한다. 폐기물이 변화된 조성에 의해 이는 필요하다. LHV 변동으로, 엔진은 전기를 만들고 작동할 것이나, 열등한 연소 또는 열등한 연료 대 공기비에 의해 그 문턱 방출 한계(threshold emission limits)로부터 벗어날 수 있다.
일 실시예에서, 탱크의 부피는 약 2분의 지지 시간(hold up time)에 기초한다. 2분의 지지 시간은 약 1% LHV 변동/30초의 LHV 변동 명세내용 상에 가스 엔진 보장된 기준을 충족시키도록 설계된다. 가스 분석기(가스 저장 탱크의 상류의)에 이르는 체류 시간은 일반적으로 약 30초(분석 및 피드백 포함)이다. 최대 LHV 변동은 일반적으로 약 10%이다. 따라서, 일 실시예에서, 이를 평균하고 3% LHV 변동을 얻기 위해, 1.5min 저장이 제공되고 이에 의해 가스 엔진의 상부 허용 가능한 한계를 충족시킨다. 따라서, 2min 저장이 일정한 한계(margin)에서 가능하다.
압력
일 실시예에서, 저장 탱크는 가스 엔진 연료 명세내용을 만족시키기 위해 2.5 내지 3.0psig에서 작동한다. 배출 가스 압력은 압력 제어 밸브를 이용하여 일정하게 유지된다. 일 실시예에서, 가스 탱크는 5psig의 설계 압력을 갖고, 경감 밸브는 일반적이지 않은 과압력 시나리오를 다루도록 설치된다.
상기 설명된 2분의 지지 시간은 압력 변동을 감소시키기에 충분한 저장을 제 공한다. 일 실시예에서, 엔진에 대해 허용 가능한 엔진 변동은 0.145PSI/sec이다. 가스 엔진의 하류 고장의 경우에, 버퍼가 필요할 수 있고(제어 시스템 반응 시간 및 30-35초 가스 잔류 시간에 따라) 이에 의해 프로세스를 늦추거나 또는 초과의 가스를 플레어하기 위한 시간을 제공한다.
부피 계산
일 실시예에서, 저장 탱크(26C)로 들어가는 냉각 가스 유동은 ~8400Nm3/hr이다. 이는 필요한 저장 부피의 280m3인, 2분 동안 140Nm3/min과 동일하다.
고정 부피 vs 가변 부피
일 실시예에서, 압력 변동은 프로세스에서 빠르지 않을 것이고 LHV 변동의 가능성은 폐기물의 본질에 의할 것이기 때문에, 고정 부피 탱크가 가변 부피 탱크보다 더 선택된다. 예를 들면, 가변 부피 탱크는 유동 및 압력 변동을 흡수하는데 일반적으로 더 유용하다. 그러나, 탱크가 빈다면, 이는 LHV 변동을 보상하는데 도움이 되지 않을 것이다. 한편 고정 부피는 LHV 변동을 평균화하는데 유용하다. 또한, 고정 부피는 그 구성 및 유지비용 관점에서 변동 부피보다 일반적으로 더욱 신뢰성이 있다.
예 5:
균질화 챔버를 위한 상세내용
플라즈마 가스화 프로세스로부터 생산된 가스(플라즈마 가스화 컨버터로부터)는 플랜트에서 처리될 것이고 이에 의해 산성 가스, 중금속 및 미립자 물질(particulate matter)와 같은 원하지 않는 불순물을 제거한다. 일 실시예에서, 생산된 정화되고 건조한 가스는 전력 생산을 위한 가스 엔진에서 이용될 것이다. 컨버터로부터의 가스는 가스 엔진에서의 이용 이전에 중화되고 부분적으로 탈수될 것이다. 이러한 정화되고 건조한 가스는 가스의 블렌딩을 위해 가스 균질화 챔버에서 저장될 것이고, 이에 의해 가스 품질에서의 짧은 시간의 가변성이 최소화되고 일정한 가스 유동이 가스 엔진과 같은 하류 어플리케이션에 이용 가능하다.
엔진
일 실시예에서, 탱크로의 가스 입구 유동 속도는 35C에서 8200Nm3/hr(4825SCFM)이다(1.0PSIG에서 4675ACFM Ehsms 7950Am3/hr). 본 발명의 일 실시예에서, 균질화 챔버의 저장 용량은 생산 속도의 약 15분과 동등하다.
프로세스 요구사항들
가스 유동 및 조성에서의 변동은 재료 주입 속도 및 주성에서의 변화, 컨버터 내부에서의 온도 변동 및 공기 유동 변동에 의해 주로 이루어지는 것이 기대된 다. 실험적 데이터에 기초하여, 각각의 토치(torch) 사이클은 약 3분이 될 것이다. 유동 변동 및 가스 품질의 영향 및 가스 저장의 비용을 최적화하는 것은 3-5토치 사이클(즉, 생산의 10-15분)의 가스 저장 용량을 요구한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 최대 유동 속도의 9000m3/hr을 고려할 때, 저장 탱크 최대 용량은 2300m3이고, 작동 용량은 0-2050m3일 것이다.
가스 엔진에 필요한 가스 압력은 2.2psig이고, 본 발명의 일 실시예에 따르면 가스 저장 내부에서 1.5psig(약 105mbar)의 일정한 압력을 유지하는 것이 필요하다.
일반적으로, 물 배수 시스템은 겨울에 수증기 응축을 위한 가스 저장 탱크 내부에 제공된다.
설계의 프로세스 기초
일 실시예에서, 가스는 낮은 압력에서 저장될 것이고, 이는 압력 용기 표준으로부터 저장 시스템을 제외할 것이다.
가스 조성
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스 컨디셔닝 시스템(GCS)을 빠져나가는 가스 조성은 이하와 같다:
가스 조성(웨트 베이시스)
가스 조성(웨트) %
N2 50.414
CO 17.004
H2 18.011
CO2 8.809
H2O 5.734
H2S <20ppm
가스 명세내용
하위 가연성 한계: 17.93%
상위 가연성 한계: 73.26%
명세내용 유닛 값
가스 밀도 1b/ft3 0.0536
가스 분자량 Kg/K Mole 24.2
가스 점성도 CP 0.0253
가스 온도 F 95
가스 상대 습도 % 60
물 함유량 % 3.3-5.7
본 발명의 일 실시예에서, 이하의 환경 조건들이 고려된다.
환경 데이터
평균 해수면 위로의 평균 높이: 250m
평균 대기 압력 : 14.5psia
최대 여름 건식 벌브 온도: 100.4℉
설계 여름 건식 벌브 온도: 95℉
설계 여름 습식 벌브 온도: 85℉
최소 겨울 건식 벌브 온도: -33℉
바람 데이터 - 평균 속도: 12.8ft/s
- 최대 속도: 123ft/s
- 설계 속도(to ANSI A58.1): 145ft/s
주요 바람 방향 - 주로 남서쪽으로부터
지진 설계: TBD
저장 탱크 위치 및 조건
일 실시예에서, 가스 저장소는 외부에 위치할 것이고, 이 경우 응축 환경으로 비, 눈 및 태양에 노출될 것이다.
설계 대기 온도: -40F
눈 로딩(loading)(최대 눈 깊이): 150cm
대안들:
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 5개의 대안 저장 기술 선택이 이하에서와 같이 제공된다.
1) 압력 용기에서의 저장 이후 가스의 압축;
2) 낮은 압력에서 전통적인 금속 탱크에서 가스의 저장;
3) 멤브레인 기술로부터 설계된 가스 홀더에서의 가스의 저장;
4) 가스 저장이 없음; 및
5) 건조 밀봉 가스 홀더에서 가스의 저장.
상기 저장 기술의 이용에 대한 고려 사항들이 이하에서 제공되지만, 이는 어떠한 방법으로든지 본 발명의 범위를 제한하려고 하는 의도는 아니다.
1) 가스 압축 및 저장
이러한 옵션을 면밀히 검토 후, 압축기의 작동 비용은 매우 높다. 가스 엔진은 낮은 압력에서 가스를 요구하고, 이에 의해 가스가 압축된다면, 이는 가스 엔진을 위해 이를 이용하기 이전에 압력이 줄어들 필요가 있다. 따라서, 압축 비에 기초하여 가스를 압축하는 것은 많은 작동 비용을 필요로 한다.
2) 금속 탱크에서의 저장
종래의 금속 저장은 정말 필요하지 않다면(주로 압축될 때) 낮은 압력에서 가스를 저장하는데 있어서 값비싼 방법이다. 금속 저장 탱크는 탱크의 크기에 기초하여 그 위치에서(필드 조립된) 제작되거나 또는 미리 제작된다. 일정한 어플리케이션이 큰 필요한 용량에 의해 필드 조립된(field erected) 저장 탱크를 필요로 한다. 어떠한 화재 위험을 적절하게 피하는 것이 가스를 저장하는데 매우 중요하다. 금속 저장 탱크는 다양한 종류의 금속 및 금속 합금으로 만들어진다. 이용되는 대부분의 공통 금속은 탄소강인데, 왜냐하면 탄소강은 매우 싸고 쉽게 이용 가능하며 좋은 강도를 갖기 때문이다. 그러나 부식성 유체를 위해 다양한 종류의 금속 합금이 저장되는 유체의 유형 및 조건에 따라 이용된다.
금속 저장 탱크의 이용:
(1) 액체 저장;
(2) 높은 압력에서 액체 또는 가스의 저장; 및
(3) 주로 액체 저장과 같은 일정한 어플리케이션을 위한 매우 높은 용량의 저장으로서 작거나 또는 중간의 저장.
금속 저장 탱크에서 가스를 저장하기 위한 일반적인 혜택:
a) 뛰어난 압력 제어, 즉 과도한 압력은 정밀하게 그리고 경감하게 다루어질 수 있다;
b) 더 적은 기계장비가 필요함;
c) 서비스용 설계라면 전체 진공 조건에 이용 가능함;
d) 넓은 온도 범위를 위한 뛰어난 옵션; 및
e) 경감 관점으로부터 더욱 신뢰성 있음.
낮은 압력에서 금속 저장의 단점:
a) 큰 부피 때문에 비쌈; 및
b) 많은 양의 가스로 탱크를 채우고 비우는 동안의 압력 변동.
압력 용기 및 금속 탱크에 일산화탄소 가스가 저장되게 하는데 필요한 일산화 탄소를 저장하기 위한 일정한 규율이 있다.
3) 가스 홀더에서의 저장(이중 멤브레인 기술)
가스 홀더는 천연 가스 및 바이오 가스를 저장하는데 일반적으로 이용된다. 가스 홀더는 일반적으로 14"WG(0.5PSIG) 미만의 매우 낮은 압력 하에서 가스의 큰 부피를 일반적으로 저장할 수 있다. 이 시스템은 두 개의 내구성 있는 멤브레인을 포함한다. 외부 멤브레인은 케이블 억제되고 고정된 위치에서 팽창되도록 남아 있다. 내부 멤브레인은 저장소의 상류로부터 생성되고 저장소의 하류로부터 방출되는 가스를 저장하거나 또는 방출할 때 자유롭게 이동한다. 공기 핸들링 시스템은 두 개의 멤브레인 사이에서 미리설정된 작동 압력을 유지한다. 이는 내부 멤브레인의 위치에 관계 없이 외부 멤브레인을 고정된 위치에 유지시킨다. 작동 압력은 설계 범위 내에서 쉽게 변할 수 있다.
가스 홀더로부터 가스를 방출하면서, 팬은 공기를 공기 챔버(두 멤브레인 사이의 공간)로 제공한다. 가스가 홀더에 첨가될 때, 조정 가능한 압력 경감 밸브는 두 멤브레인 사이의 압력을 경감시키고 이에 의해 가스 챔버가 팽창하는 것을 가능하게 한다.
이중 멤브레인 가스 홀더의 어플리케이션:
(1) 바이오가스 중간 저장; 및
(2) 혐기성 프로세스(anaerobic process)에서 메탄 슬러지(sludge) 제거.
이중 멤브레인 가스 홀더의 장점:
1) 감소된 설치 비용;
2) 가스 입력 또는 유출의 급격하게 많은 양을 쉽게 다룸; 및
3) 페인팅과 같은 규칙적인 유지보수가 필요하지 않음.
가스 홀더에서 가스 저장의 단점:
1) 높은 압력 어플리케이션에 적절하지 아니함(최대 14"W.G-0.5PSIG);
2) 고온 어플리케이션에 적절하지 아니함; 및
3) 탱크의 압력 제어를 위해 더 많은 기계 장비 및 제어를 필요로 함(더 많은 경감 밸브를 필요로함).
4) 가스가 없는 저장
가스 저장의 동기를 아는 것이 중요하다. 예를 들면 가스 엔진을 유도할 가스를 저장한다면, 주입 조성 및 유동 변화가 고려되지 않는다. 조성 변화가 어플리케이션에 대해 얼마나 많이 일어나는지, 제어 시스템이 이러한 변화에 대해 얼마나 빨리 반응할 것인지, 그리고 가스 엔진이 얼마나 많은 조성 및 유동 변화를 허용할 수 있는지 평가하는 것이 중요하다.
이전의 실험으로부터 프로세스에서 상당한 가스 조성 변화가 있을 수 있음이 발견되었다. 가스 조성 변화는 가스 엔진 수용 범위보다 크고, 따라서 균질화 챔버가 이용될 수 있다.
가스를 저장하지 않는 장점:
1) 자본 비용이 필요하지 않음; 및
2) 기계장비 비용이 필요하지 않음
가스를 저장하지 않는 단점:
1) 가스 엔진에서의 불안정한 가스 유동;
2) 가스 엔진 성능에 영향을 미치는 가스 엔진으로 들어가는 가변성 가스 조성; 및
3) 가스 엔진으로부터 고립된 가스화 프로세스를 할 수 없고 그 반대로도 같음.
일정한 어플리케이션에 대해, 가스 조성에서의 짧은 시간의 변화를 피하는 가스 저장을 갖는 것이 권장된다.
건조 밀봉 유형의 가스 저장 시스템은 일정한 가스 유동 속도 및 압력을 제공하는 것이 분명하고, 또한 필요한 작동 압력, 부피 및 온도 조건을 만족시킬 수 있다.
5) 가스 홀더에서이 저장(건조 밀봉)
건조 밀봉 유형 가스 홀더는 그 상부에서 중앙 벤트(vent)를 구비한 금속 실린더 외부이다. 쉘 내부에 다이어프램이 금속 피스톤에 연결되어 다이어프램을 윗방향으로 이동시키고, 가스 홀더로부터 가스를 유출하면서 아래로 내리고 가스 홀더를 채운다. 다이어프램은 저장되는 가스의 유형에 따라 다양한 물질로 만들어진다.
건조 밀봉 홀더의 어플리케이션:
1) 중간 가스 저장을 위한 강 산업; 및
2) 전력 생산을 위한 가스를 버퍼하기 위한 광산 및 야금 산업.
건조 밀봉 홀더의 장점:
1) 건조 밀봉 가스 홀더는 매우 큰 부피의 가스를 다룰 수 있다(30000m3까지);
2) 매우 큰 부피의 입력 및/또는 출력에 이용 가능함;
3) 비교적 높은 압력 어플리케이션에 이용 가능함(2000mmWG까지);
4) 낮은 유지보수;
5) 15 내지 20년의 서비스 수명;
6) 입력 이전에 오염된 물 제거가 없음;
7) 넓은 범위의 온도에 이용 가능함; 및
8) 가벼운 기초(lighter foundation)를 필요로 함.
건조 밀봉 홀더의 단점:
1) 매우 높은 압력 어플리케이션에 대해 적절하지 않음(2000mm WC 초과); 및
2) 작동을 위해 더 많은 기계장비가 필요함.
본 발명의 일 실시예에 따른 건조 밀봉 균질화 챔버의 기능적 설명
건조 밀봉 가스홀더는 200 큐빅미터로부터 165000 큐빅미터에 이르는 범위의 총(기하학적) 부피를 갖도록 설계되고, 15 내지 150 밀리바의 작동 압력 범위를 갖는다.
건조 밀봉 가스홀더는 부식방지 처리로 마무리되고 이에 의해 국부적인 기후 조건 및 저장 수단으로부터의 화학 작용에도 저항한다. 이러한 부식방지 처리는 밀봉 멤브레인 및 환경과 완전히 친화성(compatible)이 있다.
건조 밀봉 가스홀더는 4개의 주요 요소를 갖는다:
1. 기초;
2. 메인 탱크;
3. 피스톤; 및
4. 밀봉 멤브레인.
이러한 요소의 각각은 다양한 하위 요소 및 관련 부속물로 분할될 수 있다.
기초
콘크리트 및 하드코어 베이스는 거기에 구성되는 강 가스홀더 구조의 중량을 견디고 가스 홀더 등에 작용하는 역학적 기후 조건을 견디도록 설계된다.
메인 탱크
메인 탱크는 커스터머(customer) 및 기후적 조건에 의해 놓인 설계 요구사항을 수용하도록 설계된다.
탱크에 대해 3개의 메인 하위 요소가 있다.
탱크 바닥부
탱크 바닥부는 기초에 대해 가스 밀폐 밀봉을 형성하고 그 주변부로의 배수를 촉진하도록 "원뿔 형태로 된다(coned up)". 이 바닥부는 강 플레이트로 커버된다. 외부 환형 플레이트는 받침 스트립(backing strips)에 대해 용접된 버트(butt)이고, 충전 플레이트는 오직 상부 상에서 용접된 랩(lap)이다. 충전 플레이트는 바닥부에 용접된다.
피스톤 지지 구조
피스톤이 감압될 때 피스톤은 강 뼈대 상에 놓이고, 강 뼈대는 바닥부 플레이트에 용접된다.
탱크 쉘
탱크의 쉘은 이용자에 의해 공급되는 일반적인 데이터 및 부과된 하중을 수용하도록 설계된다. 이 쉘은 버트 용접된 설계이고, 그 하부 수직 높이의 약 40%(가스 공간으로 알려져 있음)에 대해 가스 밀폐이며, 이 포인트에 밀봉 각이 위치한다. 쉘의 나머지 상부 60%(에어 공간으로 알려져 있음)는 액세스 및 환기를 위한 다양한 구멍들을 갖는다.
쉘에 다양한 부속품이 부착된다:
계단 타워
가스 홀더의 루프으로의 외부 액세스를 위해 그리고 또한 쉘 액세스 도어를 통해 가스 홀더의 내부로의 액세스가 통합된다. 잠긴 안전 게이트는 계단의 베이스에 일반적으로 위치하고, 이에 의해 가스 홀더로의 승인되지 않은 액세스를 방지한다.
쉘 액세스 도어
적절한 지점에 위치한 도어는 외부 계단 타워로부터 가스 홀더로의 액세스를 허용한다.
쉘 벤트(shell vent)
피스톤이 올라감에 따라 에어가 가스 홀더의 내부로부터 제거되게 한다.
입구 노즐
연결 노즐은 저장된 가스가 공급 가스 메인으로부터 가스홀더로 들어가게 한다.
출구 노즐
저장된 가스의 보내는 경우, 이 노즐은 감압 동안 밀봉 멤브레인을 보호하도록 진공방지 그리드(anti-vacuum grid)로 완성된다. 작동 프로세스에 따라 입구 및 출구 노즐은 공유된 연결일 수 있다.
쉘 배수
가스 홀더 가스 공간 내의 응축물이 밀봉 포트에서 배수되는 것을 가능하게 한다.
이 밀봉 포트는 가스 홀더로 압력을 유지하도록 설계된다.
쉘 맨웨이(shell manway)
가스 공간으로의 유지보스 액세스를 위해 이용되고 - 오직 가스 홀더가 서비스 중이 아닌 경우에만 이용된다.
어싱 보스(earthing bosses)
가스 홀더가 전기적 뇌우(electrical storm) 등의 동안에 안전한 것을 보장함.
부피 경감 파이프
본질적인 고장-안전 시스템은 피스톤 펜더(fender)에 의해 일단 구동되면 과압으로부터 가스홀더를 보호하고, 부피 경감 밸브는 저장된 가스가 가스 홀더 루프 위의 안전 높이에서 대기로 빠져나가는 것을 가능하게 한다. 부피 경감 밸브가 개방됨에 따라 이들은 제한 스위치를 구동시킨다.
부피 경감 제한 스위치
제어 룸으로 신호를 보내도록 이용되고 이에 의해 부피 경감 밸브의 상태를 확인한다.
레벨 중량 시스템(level weight system)
기계적 카운터 밸런스 시스템은 피스톤 모멘트가 평형 상태에서 유지되게 하는 것을 보장한다. 가스 홀더 쉘 상에 위치한 트랙을 올라가고 내려가는 레벨 중량 시스템은 가스홀더 부피가 예정된 설정에 도달할 때 제한 스위치를 구동하여 신호를 발생시킨다.
레벨 중량 제한 스위치
제어 룸으로 신호를 보내는데 이용되어 유입 및 유출 밸브 등을 작동시킨다.
함유물 스케일
가스 홀더 내에 저장된 가스이 부피를 나타내는 페인트된 스케일이 가스홀더 쉘 상에 있다. 인접 레벨 중량 상에 페인트된 화살표는 현재 상태를 나타낸다. 또한, 쉘 액세스 도어와 관련하여 피스톤의 위치는 스케일 상애 페인트된다.
밀봉 각
각 섹션은 쉘의 내부에 용접되고, 이 경우 밀봉 멤브레인이 쉘이 부착된다.
탱크 루프
루프는 눈 및 먼지와 같은 추가적인 하중의 가능성 및 국부적 기후 조건을 견디도록 설계된다. 가스 홀더의 루프는 스러스트 래프터 방사상 구성(thrust rafter radial construction)이고 강 플레이트에 용접된 단일 측부의 랩의 커버링을 갖는다. 루프는 부착된 다양한 부속물을 갖고 이 부속물은 이하를 포함한다:
중앙 벤트
저장 부피가 변함에 따라 에어가 가스 홀더로 들어가고 빠져나가는 것을 가능하게 한다.
루프 벤트
주변부 주위의 작은 노즐은 밀봉의 설치에 이용된다.
루프 맨웨이
가스홀더가 채워질 때 피스톤 펜더 아래로의 액세스를 가능하게 한다.
원주 핸드 난간(circumferential hand railing)
루프의 외부 주위로 안전 핸드 난간
방사상 통로
계단으로부터 중앙 벤트 등으로의 액세스를 위함.
부피 경감 밸브 액츄에이터
피스톤 펜더가 일정한 레벨에 도달하면 기계적 아암(arm)이 부피 경감 밸브를 작동시킴.
레벨 중량 풀리 구조
강 구조는 레벨 중량 로프 풀리 및 로프 분리기를 장착시킨다.
하중 셀 노즐
부피 기록 목적을 위해 이용되는 하중 셀 기계장비로의 유지보수 액세스를 위해
레이더 노즐
피스톤 레벨 판독(reading) 및 부피 기록 목적을 위해 이용되는 레이더 기계장비로의 유지보수 액세스를 위해
루프 내부 조명 노즐
가스 홀더 내부 조명으로의 유지보수 액세스를 위해
피스톤
가스홀더 피스톤은 가스가 가스홀더로 들어가고 나감에 따라 쉘이 내부에서 위 아래로 움직인다. 피스톤의 중량(레벨 중량의 중량 미만) 압력을 만들고 이 압력에서 가스 홀더가 작동할 것이다. 피스톤은 동등하게 분포된 중량을 인가하도록 설계되고 이에 의해 피스톤이 언제든지 레벨에서 유지되는 것을 보장한다. 피스톤은 이하의 하위 요소로 구성된다.
피스톤 데크
외부 환형 구역은 강 섹션 레스트 블록(steel section rest block) 상에 놓인 버트-용접된 강 플레이트로 형성된다. 랩 용접된 강은 돔 프로파일로부터 플레이트를 충전하고 이에 의해 가스 압력이 그 아래의 가스 공간에서 견디도록 한다. 더 높은 압력 가스홀더를 위해, 충전 플레이트는 양 측부 상에서 랩 용접되고, 저압 가스홀더는 상부 상에서만 용접된다. 완전히 용접된 피스톤 데크는 가스 밀폐면을 형성하고, 이 면은 가스 홀더가 감압될 때 피스톤 지지 구조 상에 놓인다.
이하의 보조 아이템들은 피스톤 데크 상에서 발견될 수 있다:
피스톤 맨웨이
가스 공간으로 피스톤 아래에서 유지보수 액세스를 위해 이용됨 - 가스 홀더가 서비스 중이 아닌 경우에만 이용됨.
하중 셀 체인 리셉터클(load cell chain receptacle)
피스톤이 올라감에 따라 하중 셀 체인들을 수집하기 위한 리셉터클
피스톤 밀봉 각
환형 플레이트의 외측 상부에 용접되고, 이 각 섹션은 밀봉 멤브레인이 피스톤에 부착되는 위치이다.
레벨 중량 로프 앵커(level weight rope anchors)
레벨 중량 로프가 고정되는 연결부는 피스톤 데크의 주변부 주위로 동등하게 이격되어 있음.
피스톤 펜더
이 펜더는 강 프레임 구조이고 이 구조는 피스톤 데크 환형 플레이트에 고정되며 트접합 플레이를 위해 지지 구조로서 작용한다. 가스 홀더의 부피에 따라 쉘 액세스 도어 또는 루프 맨웨이로부터 피스톤 펜더의 상부로의 액세스가 얻어질 수 있다.
피스톤 펜더에 부착되는 아이템은 이하와 같은 것이다:
피스톤 통로
안전 핸드 레일링이 장착된 피스톤 펜더의 상부 주위의 플랫폼 - 검사 목적으로 이용됨.
피스톤 래더
피스톤 통로로부터 피스톤 데크로의 액세스를 위한 안전 루프를 구비한 가로장 래더(rung ladder).
레이더 반사기 플레이트
부피 표시 기록 및 피스톤 레벨 판독을 위해 레이더 기구로 다시 레이더 신호를 바운스(bounce) 하는데 이용됨
접합 플레이
피스톤이 작동하는 동안 움직이면서 이에 대해 롤하기 위해 밀봉 멤브레인을 위한 주위면을 형성하도록 피스톤 펜더의 외부에 고정됨.
피스톤 비틀림 링
피스톤 펜더의 베이스 주위에 비틀림 링이 있고 이 링은 가압 동안 피스톤 형태를 유지시키는 것을 돕는다. 콘크리트 발라스트(concrete ballast)가 이 비틀 림 링에 첨가될 수 있고 이에 의해 피스톤의 중량을 증가시키고 이후 비용 절감적인 방법으로 필요한 레벨로 가스홀더의 압력을 증가시킨다.
밀봉 멤브레인
밀봉은 쉘로부터 피스톤의 접합면으로 롤하고(roll) 그 반대로도 가능하며, 이에 의해 피스톤에 마찰없는 자체 중심화 설비(frictionless self-centering facility)를 제공한다. 감압 동안 밀봉은 또한 가스 밀폐 설비를 제공하고, 이 설비는 가스 배출 노즐을 막음에 의해 진공 손상으로부터 홀더를 보호한다. 가스 홀더의 작동 동안 밀봉 멤브레인은 작동 조건으로 설정된다. 이 설정은 가스홀더가 감압될 때마다 수행되어야만 한다.
기술적 상세내용
특성
작업 압력: 103mbar(±2mbar)
총 용량: 2300m3
작업 용량: 2050m3(5% 내지 95% 한계)
쉘 높이: 17185mm
내부 쉘 지름: 17000mm
피스톤 스트로크: 10200mm
네트 강 중량: 150tones
쉘 플레이트: 6 & 8 mm 두께 버트 용접됨
밀봉 각 높이: 5435mm -R.S. 섹션 바닥부로부터 제작됨
환형 열(row) 플레이트: 8mm 두께 - 받침 스트립에 버트 용접됨
충전 플레이트: 6mm 두께 - 오직 측부 상에만 랩 용접됨
루프 구조 스러스트: 래프터 유형 - R.S. 섹션으로 제작됨
환형 열 플레이트: 5mm 두께 - 랩 용접된 오직 하나의 측부
충전 플레이트: 4mm 두게 - 랩 용접된 오직 하나의 측부
피스톤 높이: 5285mm
구조: R.S. 섹션으로 제작됨, 환형 열 플레이트 8mm 두께 - 받침 지지대에 버트 용접됨
충전 데크 플레이트: 6mm 두게 - 랩 용접된 하나의 섹션
지지 구조: R.S. 섹션으로 제작됨
접합 플레이트: 4mm 두께
외부 계단: R.S. 섹션으로 제작됨
쉘 액세스 도어: 3 no. - 벨트 각 위의 다양한 위치에서
루프 주변부: R.S. 섹션으로 제작된 핸드레일
쉘 맨웨이: 2 no. 600mm 지름에 정반대로 대향함
피스톤 맨웨이: 1no. - 600mm 지름
루프 맨웨이: 2no. 600mm 지름에 정반대로 대향함
부속품들:
입구 노즐: 1 no. - 450 mm 지름
출구 노즐: 1 no. - 450mm 지름 c＼w 반-진공 그리드
쉘 벤트: 32 no.
쉘 응축물 배수관: 6no. - 50mm 지름
부피 경감: 2no. - 200mm 지름
루프 벤트: 8no. - 150mm 지름
레벨 중량 3세트 각각이 포함: 1 no. 5000kg 레벨 중량
1 no. 레벨 중량 가이드
1 no. 가드(Guard)
2 no. 레벨 중량 구조
2 no. 22mm 지름 플라스틱
투입된 로프
2 no. 케이블 도르래
4 no. 조키 풀리(jockey pulley)
한계 스위치: 4 no. - 레벨 중량 작동되고
세트 @ 5%, 10%, 90%, & 95% 피스톤 스트로크 1 no. - 부피 경감 파이프 작동됨
하중 셀 : 2 no. - c＼w 플라스틱 체인
어싱 보스: 4 no.
함유물 스케일 : 쉘의 측부 상에 페인트된 수직 스케일
예 6:
도시 고형 폐기물 가스화 플랜트
이 예는 본 발명의 일 실시예에 따른 도시 고체 폐기물(MSW) 플랜트를 제공하고, 이는 무엇보다도 가스화 시스템, 가스 컨디셔너, 및 가스 균질화 시스템을 포함한다.
프로세스 개관
가스화 시스템의 가공 이전의 가스(raw gas)는 컨버터를 빠져나가고 회복기(recuperator)(열 교환기)를 통해 통과한다. 회복기는 가스를 냉각시키고 현열이 이용되어 컨버터로 유입될 프로세스 에어를 예열한다. 이후 냉각된 가스는 가스 컨디셔닝 시스템(GCS)으로 유동하고, 여기서 가스는 추가적으로 냉각되고 입자, 금속 및 산성 가스로 순차적으로 정화된다. 이 실시예에서 GCS는 컨버터 가스 컨디셔너 및 고형 잔류물 가스 컨디셔너를 포함한다. 정화된 그리고 컨디션된 가스(원하는 습도를 가진)는 전력이 생성되는 가스 엔진으로 주입되기 이전에 가스 균질화 챔버에 저장된다. 이 시스템에서 주요 구성요소(장비)의 기능은 이하의 섹션에서 도시되고(표 1을 보라), 이후 가스가 처리되는 순서가 뒤따른다. MSW 가스화 플랜트의 장비 모습 및 프로세스 다이어그램은 도 25 및 26에서 제공된다.
표 1: 하위 시스템의 주요 기능
하위 시스템 또는 장비 주요 기능
회복기 가스를 냉각시키고 현열을 되찾음
증발성 냉각기 백하우스(baghouse) 이전에 가스의 추가적인 냉각
건식 주입 시스템 중금속 흡착
백하우스 미립자 또는 먼지 수집
HCL 스크러버 HCL 제거 및 가스 냉각/컨디셔닝
탄소 필터 베드 추가적인 수은 제거
H2S 제거 시스템 H2S 제거 및 황 원소 회수
고형 잔류물 가스 컨디셔너 슬래그 챔버 오프가스 정화 및 냉각(Slag chamber off-gas cleaning and cooling)
균질화 챔버(저장 탱크), 냉각계 및 가스/액체 분리기를 포함하는 가스 균질화 시스템 가스 저장, 균질화, 및 습도 제어
가스 엔진 전기 생성을 위한 주요 드라이버
플레어 스택(flare stack) 시동/정지/응급상황 동안 가스를 태움
회복기
가스 현열을 회복하기 위해, 리포머(reformer)로부터 빠져나가는 가공 이전의 가스가 회복기라고 불리는 쉘-튜브 유형의 열 교환기를 이용하여 에어에 의해 냉각된다. 가스는 튜브 측부를 통해 유동하고 에어는 쉘 측부를 통해 통과한다. 공기 온도를 대기 온도로부터 600℃로 올리면서 가스 온도는 1000℃로부터 738℃로 감소된다.
증발성 냉각기(스테이지 1 프로세싱)
이 시스템은 제어 방식으로 물의 직접적인 주입을 통해 가스 온도를 250℃로 떨어뜨린다(단열 포화). 또한, 이 프로세스는 건식 켄치(dry quench)라고 불리고, 이 경우 냉각에서 존재하는 액체가 없다. 물은 원자화되고(atomized) 가스 흐름으로 동시에 스프레이된다. 물이 증발될 때, 이는 가스로부터 현열을 흡수하고 가스 온도를 가스가 백하우스로 주입되기 이전에 약 250℃로 감소시킨다.
건식 주입 시스템(스테이지 1 프로세싱)
활성화 탄소는 매우 높은 다공성을 갖고, 수은 및 디옥신(dioxin)과 같은 큰 분자 종의 표면 흡착에 전도성 있는 특징을 갖는다. 호퍼(hopper)에 저장된 활성화 탄소는 입력 가스 흐름으로 공압식으로 주입되고 백하우스에서 캡쳐된다. 이러한 방식으로 금속 및 다른 오염물질은 가스 흐름으로부터 분리된다. 대안적으로 장석, 석회, 및 다른 흡착제와 같은 다른 물질들이 가스 흐름으로 주입될 수 있고 이에 의해 입력 가스 흐름에서 발견된 중금속 및 타르를 가스 흐름을 방해하지 아니한 채 제어하고 캡쳐할 수 있다.
백하우스(스테이지 1 프로세싱)
그 표면 상의 중금속을 가진 활성화 탄소 및 미립자 물질은 백하우스에서 가스로부터 제거된다. 백하우스에서, 필터 케이크(filter cake)는 미립자 물질로 형성된다. 이 필터 케이크는 백하우스의 미립자 제거 효율을 향상시킨다. 카드뮴 및 납과 같은 중금속은 이 온도에서 미립자 형태로 있고 또한 매우 높은 수집 효율로 백하우스에서 수집된다. 백하우스에 걸친 압력 강하가 일정한 설정 한계로 증가할 때, 질소 펄스-분사가 백(bag)을 정화하는데 이용될 것이다. 백의 외부면으로부터 떨어지는 고체는 바닥부 호퍼에서 수집되고 추가적인 변환 또는 처리를 위해 고형 잔류물 컨디셔너로 보내진다.
HCL 스크러버(스테이지 2 프로세싱)
백하우스로부터 빠져나온 가스(미립자가 없는)는 팩된 타워에서 스크럽되고(scrubbed) 이에 의해 알칼리 용액에 의해 가스 흐름에서 HCl을 제거한다. 스크러버 내부에서, 이는 가스를 35℃로 냉각하기에 충분한 접촉 면적을 제공한다. 출구 HCl 농도는 5ppm 레벨에 도달할 것이다. 폐기물 물 블리드 흐름(waste water bleed stream)은 처리를 위해 폐기물 물 저장 탱크로 보내진다.
가스 블로우어(스테이지 2 프로세싱)
가스 블로우어는 이 지점에서 컨버터의 출구로부터 엔진으로까지 프로세스를 통해 가스를 위한 구동력을 제공하는 것이 필요하다. 폴리셔(polisher)는 압력 하에서 더 나은 수은 제거 효율을 갖기 때문에 수은 폴리셔의 상류에 위치한다. 블로우어는 모든 상류 용기 설계 압력 강하를 이용하여 설계된다. 또한, 하류 장비 압력 손실에 대해 필요한 압력을 제공하는 것이 필요하고 이에 의해 균질화 챔버에서 ~2.1 내지 3.0psig의 최종 압력을 갖는다.
탄소 필터 베드(스테이지 2 프로세싱)
가스 압력은 블로우어에 의해 올라가고 탄소 베드 필터 이전에 물 냉각된 열 교환기에 의해 냉각되며, 이 탄소 베드 필터는 가스 흐름에서 중금속을 위한 최종 폴리싱 장치로서 이용된다. 또한, 이는 존재하는 가스 흐름으로부터 디옥신과 같 은 다른 유기 오염물질을 흡수할 수 있다. 탄소 베드 필터는 99.0%를 넘는 수은 제거 효율로 설계된다.
H2S 제거 시스템(스테이지 2 프로세싱)
쉘 파쿠스 바이오 기술(Shell Paques Biological technology)은 H2S 제거를 위해 선택된다. 먼저, 탄소 베드 필터로부터의 가스는 스크러버를 통과하고 여기서 H2S는 알칼리 용액을 재순환시킴에 의해 가스로부터 제거된다. 이후, 스크러버로부터의 황화물 함유 용액이 알칼리성의 재생을 위해 바이오 반응기(bioreactor)로 보내진다. 황 회수는 황 원소로 황화물의 산화를 위한 바이오 반응기에서 일어나고, 이후 황의 필터링, 황의 살균 및 블리드 흐름 방출이 뒤따르며 이에 의해 규정 요구사항을 충족시키게 된다. H2S 제거 시스템은 20ppm H2S 출구 농도로 설계된다. 입구 가스가 H2S 제거 시스템을 빠져나가면, 이후 이는 가스 균질화 시스템을 향하고, 이 시스템은 무엇보다 냉각계, 가스/액체 분리기 및 균질화 챔버를 포함한다.
고형 잔류물 가스 컨디셔너(스테이지 1 프로세싱)
컨버터 가스 컨디셔너 백하우스로부터의 재(활성화 탄소 및 금속을 함유할 수 있음)는 질소에 의해 주기적으로 정화되고 고형 잔류물 컨디셔너로 운반되며, 이 경우 재는 유리화된다. 고형 잔류물 컨디셔너로부터 나온 가스는 고형 잔류물 가스 컨디셔너 백하우스를 통해 미립자를 제거시키도록 나아가고 활성화 탄소 베드로 들어가기 이전에 열 교환기에 의해 냉각된다. 또한, 고형 잔류물 가스 컨디셔너의 백하우스는 시스템에 걸친 압력 강하에 기초하여 주기적으로 정화된다. 고형 잔류물 가스 컨디셔너 백하우스에서 수집된 고형 잔류물은 적절한 수단으로 처리된다. 고형 잔류물 가스 컨디셔너(보조 가스 흐름)로부터 빠져나온 연소 가능한 가스는 컨버터 가스 컨디셔너로 다시 보내지고 이에 의해 회수된 에너지를 완전히 이용한다.
가스 균질화 시스템
가스 엔진 설계는 가스가 특정 상대 습도에서 특정 조성 범위에 있을 것을 필요로 한다. 따라서, 정화된 가스가 H2S 스크러버를 빠져나가면, 이는 냉각계를 이용하여 35℃로부터 26℃로 서브 냉각된다. 이는 가스 흐름으로부터 일정한 물을 응축시킬 것이다. 이 물은 가스/액체 분리기에 의해 제거될 것이다. 이는 배출 가스가 엔진에 파워를 가하는데 이용되는 실시예에서 엔진으로 보내지기 이전에 가스 저장 이후 40℃(엔진 요구사항)로 재가열되면 가스가 80%의 상대 습도를 갖는 것을 보장한다. 이 정화되고 냉각된 가스는 프로세싱 작동으로부터 약 2분의 출력을 유지하도록 설계된 균질화 챔버(예를 들어 저장 탱크)로 들어가고, 따라서 가스의 "풍부함"에서의 변화를 블렌딩하고 이에 의해 엔진으로 유동하는 매우 일정한 가스 품질(조절된 가스)을 얻는다. 균질화 챔버는 가스 엔진 요료 상세내용을 맞추기 위해 2.2 내지 3.0psig에서 작동된다. 조절된 가스가 균질화 챔버를 빠져나가면, 이는 엔진 요구사항으로 가열되고 가스 엔진을 향한다.
가스 엔진
5개의 GE 옌바(GE Jenbacher) 가스 엔진 세트는 플랜트 스케일에 기초하여 전기를 만드는데 이용된다. 옌바 가스 엔진은 왕복 엔진 유형이다. 이는 높은 효율 및 낮은 방출을 가진 낮은 또는 중간의 가열 값의 가스를 연소시킬 수 있다. 각각의 가스 엔진은 1.0MW 용량을 갖는다. 따라서, 전기 생성의 전체 용량은 5MW이다. 그러나, 비교적 낮은 가스 가열값(천연 가스와 같은 연료와 비교할 때) 때문에 엔진은 그 최고의 효율 작동 포인트에서 700kW 주위에서 작동되도록 디레이트되었다(derated).
플레어 스택
에워싸인 플레어 스택은 시동, 정지 및 프로세스 안정화 단계 동안 가스를 태우는데 이용될 것이다. 프로세스가 안정화되었다면, 플레어 스택은 오직 응급 목적으로만 이용될 것이다. 플레어 스택은 99.99% 파괴 효율을 얻는다.
예 7
가스 균질화 시스템을 포함한 도시 고형 폐기물 시스템의 높은 레벨의 프로 세스 제어
이 예는 본 발명의 일 실시예에 따라 도시 고형 폐기물(MSW) 플랜트를 위한 제어 전략의 높은 레벨의 설명을 제공하고, 이는 무엇보다 가스화 시스템, 가스 컨디셔너 및 균질화 시스템을 포함한다. 높은 레벨의 프로세스 제어는 가스 균질화 시스템의 구성요소들의 제어를 포함한다. 두 단계 접근은 MSW 플라즈마 가스화 플랜트를 위한 프로세스 제어 전략의 실행 및 발전에 대해 이용된다.
단계 1: 시동 및 작동 동안의 작동
시동 및 작동 동안, 간단한 정방향(front-to-back)(또는 공급 구동된) 제어 전략이 이용되고 이 경우 컨버터는 MSW의 고정 주입 속도에서 작동되며 프로세스 변화는 하류 장비(엔진/발전기 및 플레어)에 의해 흡수된다. 플랜트는 초과의 가스 생산의 작은 버퍼로 작동되고, 이는 작은 연속적 플레어를 필요로 한다. 이 표준 양을 넘는 가스 생산은 플레어된 양을 증가시키고 불충분한 가스 생산은 먼저 이 버퍼를 소비하고(eat into), 감소되는 발전기 전력 출력을 궁극적으로 필요로할 수 있다(발전기는 조정 가능한 전력 설정 포인트를 통해 50-100% 전력 출력으로 작동될 수 있다).
이러한 제어 설계의 장점은 다음과 같다:
이러한 설계는 덜 복잡하다. 이는 플랜트를 시동하고 작동시키는(commission) 능력을 향상시키고 이후 더욱 복잡한 제어를 실행하기 위해 작동 데이터를 이용하는 능력을 향상시킨다. 이는 전단부로부터 후단부를 분리 시키고 이에 의해 플랜트의 하나의 섹션에서의 문제점이 플랜트의 나머지로 영향을 미치기 쉽지 않게 될 것이다. 이는 가동시간을 증가시키고 프로세스의 각각의 부분을 최적화하고 고장을 수리하는 능력을 향상시킨다. 작은 연속적인 플레어는 플레어가 정지/시작 모드에 있다면 일어날 수 있는 플레어 스택에서 큰 화염의 위험을 제거한다.
단계 2: 긴 시간 작동 전략
MSW 플랜트를 위한 긴 시간 제어 전략은 역방향(back-to-front) 제어(또는 명령 구동 제어)를 얻을 수 있고 이 경우 시스템의 후단부에서 가스 엔진/발전기는 프로세스를 구동시킨다. 가스 엔진은 생성되는 전력 및 연료 가스의 에너지 함유량에 기초하여 일정한 부피/hr으로 연료를 소비한다. 따라서 제어 시스템의 높은 레벨의 목표는 적절한 MSW/HCF 주입이 시스템으로 들어가고 항상 최고 전력에서 발전기를 작동시키기 위한 적절한 에너지 함유량의 가스로 전환시키는 것을 보장하고, 가스 생산을 가스 소비와 정밀하게 조화시킴으로써 가스의 플레어링(flaring)이 제거되고 소비된 MSW의 톤 당 만들어진 전력이 최적화된다.
단계 2 작동을 위한 높은-레벨 프로세스 제어 개요는 도 15에서 도시된다. 단계 1 작동은 도시된 제어 개요의 하위 세트이다.
단계 1
메인 프로세스 제어 목표
a) 가스 균질화 챔버(예를 들어 저장 탱크)에서 압력을 안정화시킨다.
b) 새엉된 가스의 조성을 안정화시킨다.
c) 컨버터 하위 챔버에서 물질의 파일 높이(pile height)를 제어한다.
d) 컨버터 하위 챔버에서 온도를 안정화시킨다.
e) 리포머에서 온도를 제어한다.
f) 컨버터 프로세스 압력을 제어한다.
목표의 상세한 설명
a) 가스 균질화 챔버에서 압력을 안정화시킨다.
일반적으로, 가스 엔진은 공급 압력에서의 변화를 허용하지 않는다. 옌바 엔진을 위한 상세내용은 아래와 같다:
- 최소 압력 = 약 150mbar (2.18 psig)
- 최대 압력 = 약 200mbar (2.90 psig)
- 연료 가스 압력의 허용 변동치 = +/- 10%(+/- 17.5mbar, +/-0.25psi)
- 가스 압력 변동의 최대 속도 = 약 10mbar/sec(0.145 psi/sec)
엔진은 공급 압력에서의 작은 변동을 다룰 수 있는 입구 조절기를 갖고 파이핑 및 가스 균질화 챔버에서의 유지(holdup)는 이러한 변화를 약화시키도록 작동하며, 이는 컨버터 상의 가장 빠른 작동 제어 루프로 필요에 따라 유지된다.
최초 단계 1 압력 제어 전략은 작동 전제사항에 기초할 것이고, 이 전제사항은 컨버터가 연속적으로 플레어될 초과의 가스 생산의 작은 버퍼를 생성하기에 충 분한 MSW 주입 속도로 작동할 것이라는 것이다. 따라서, 가스 균질화 챔버 압력 제어는 간단한 압력 제어 루프가 되고, 이 경우 가스 균질화 챔버로부터 플레어로의 라인에서의 압력 제어 밸브는 필요에 따라 조정되어 균질화 챔버 압력이 원하는 설정 포인트에서 유지되게 한다.
b) 생성되는 가스의 조성을 안정화시킨다.
가스 엔진은 연료값의 넓은 범위에 걸쳐 작동할 수 있고, 변화 속도가 과도하지 않게 제공된다. 일 실시예에서, LHV에 대한 변화의 허용 가능한 속도는 가스 LHV/30 sec에서 <1% 변동이다. H2 기초 연료에 대해, 연료 가스는 그 자체로 15% H2만큼 적은 것이 적절하고, LHV는 약 50btu/scf(1.86 MJ/nm3)만큼 낮을 수 있다. 일 실시예에서, 가스를 위한 LHV는 4.0-4.5MJ/nm3 범위에 있었다. 시스템 부피 및 가스 균질화 챔버는 가스 생산의 약 2분만큼의 분량의 혼합을 제공함에 의해 변화 속도를 안정화시키는 작업을 크게 단순화시킨다.
일 실시예에서, 가스 조성은 가스 균질화 챔버의 내부에 설치된 가스 분석기에 의해 측정된다. 이 측정에 기초하여 제어기는 연료 대 공기 비율을 조정할 것이고(즉, MSW 주입 속도를 약간 증가시킴/감소시킴) 이로써 가스 연료값을 안정화시킨다. 에어 첨가에 대해 MSW 또는 HCF 주입을 증가시키는 것은 가스의 연료값을 증가시킨다. 이러한 제어 작용은 상당히 긴 반응 시간을 갖기 때문에, 긴 시간 드리프트를 방해하고 짧은 시간 변화에는 반응하지 않는 것으로 조정될 것이다.
HCF가 더욱 풍부한(~2x LHV) 연료 소스 자체인 경우, MSW의 경우 1:20 비율로 첨가되고 따라서 시스템으로 첨가되는 연료의 경우 주된 플레이어(dominant player)가 없다. 너무 많은 HCF를 시스템에 첨가하는 것은 비경제적이다. 따라서, HCF는 트림(trim)으로 이용되고 주요 제어로서는 이용되지 않는다. 가스 분석기에의해 측정되는 것처럼, 가스에서 시스템을 빠져나가는 총 C를 안정화시키도록 조정된 비를 가진 총 주입으로 HCF의 비율이 맞추어진다(ratioed). 이는 MSW 연료값에서의 변동을 완충시킨다.
c) 컨버터에서 재료의 안정적인 목록( inventory )을 유지함
레벨 제어 시스템은 컨버터 내부에서 안정적인 파일 높이를 유지하는데 필요하다. 안정적인 레벨 제어는 낮은 레벨에서 일어날 수 있는 프로세스 에어 분사로부터 재료의 유체화를 막는데 필요하고, 높은 레벨에서 일어나는 제한된 에어유동에 의해 파일을 통해 열등한 온도 분포를 막는데 필요하다. 또한, 안정적인 레벨을 유지하는 것은 일정한 컨버터 체류 시간을 유지시킨다.
주요 가스화기(gasifier)에서 일련의 레벨 스위치들은 파일 깊이를 측정한다. 레벨 스위치는 컨버터의 일 측부 상에 에미터(emitter)를 구비하고 다른 측부 상에 리시버(receiver)를 구비한 마이크로웨이브 장치이고, 이는 컨버터 내부의 그 위치에서 고체 재료의 존재 또는 부재를 탐지한다.
컨버터의 목록은 주입 속도 및 램(ram) 움직임에 따른다(그리고 더 적은 정도의 변환 효율). 스테이지 3 램은 컨버터로부터의 재를 자주 방출하기 위해 고정 된 스트로크 길이에서 이동함에 의해 컨버터 처리량을 설정한다. 스테이지 2 램은 필요한 만큼 멀리 따라가고 이동하며 이에 의해 스페이지 3으로 재료를 푸쉬하고 스테이지 3 스타트-오브-스테이지 레벨 스위치 상태(Stage 3 start-of-stage level switch state)가 "풀(full)"로 변경시킨다. 스테이지 1 래믄 스테이지 2로 재료를 푸쉬하기 위해 필요한 만큼 멀리 따라가고 이동하며 스테이지 2 스타트-오브-스테이지 레벨 스위치 상태를 "풀"로 변경시킨다. 이후 램들이 동시에 철회되고, 스케쥴된 지연이 전체 순서가 반복되기 이전에 실행된다. 추가적 구성은 과도한 램-유도된 방해를 피하기 위헤 레벨 스위치에 의해 요구되는 것 미만으로 연속적 스트로크 길이에서의 변화를 제한하는데 이용된다.
램들은 적절하게 빈번히 이동되는 것이 필요하고, 이에 의해 컨버터의 바닥부에서 초과 온도 조건을 피한다. 또한, 각각의 스테이지의 단부로의 최대 연장 램 스트로크는 프로그램화될 필요가 있고 이에 의해 이 스테이지의 마지막 근처에서 정체된 재료가 쌓이고 뭉치는 것을 막는 것이 때때로 일어난다.
d) 컨버터 하부 챔버에서 온도를 안정화시킴
최고의 가능한 변환 효율을 얻기 위해, 이 재료는 가능한 긴 시간 동안 가능한 높은 온도에서 유지된다. 그러나, 온도는 너무 높에 올라갈 수 없거나 또는 이 재료는 녹고 뭉치기 시작할 것이고(클링커(clinker)를 형성함), 이는 1) 이용 가능한 표면적을 감소시키고 따라서 변환 효율을 감소시킴, 2) 파일에서의 에어유동이 덩어리의 청크(chunk) 주위로 전환되며, 온도 이슈를 악화시키고 덩어리(agglomeration)의 형성을 가속화시킴, 3) 램의 정상 작동을 방해함, 그리고 4) 재 제거 스크류의 방해에 의해 시스템이 잠재적으로 중단되게 한다.
파일을 통한 온도 분포는 제 2 종류의 덩어리가 형성되는 것을 막도록 제어될 것이고, 이 경우, 플라스틱이 녹고 재료의 나머지를 위한 바인더로서 작용한다.
파일 내부의 온도 제어는 주어진 단계로의 프로세스 에어의 유동을 변화시킴에 의해 얻어진다(즉, 다소간의 연소). 바닥부 챔버에서 각각의 스테이지로 제공된 프로세스 에어 유동은 각각의 스테이지에서 온도를 안정화시키도록 조정될 것이다. 추가적인 램 스트로크를 이용하는 온도 제어는 또한 핫 스팟(hot spots)을 브레이크업(break up)하는데 필요할 수 있다.
e) 리포머에서 온도를 제어함
플라즈마 토치 전력은 설계 설정 포인트에서 리포머 출구 온도(약 1000℃)를 안정화시키도록 조정된다. 이는 주요 가스화기에 형성된 타르 및 검댕이 완전히 분해되는 것을 보장한다. 또한, 리포머로의 프로세스 에어의 첨가는 가스 연소로 열 에너지를 방출함에 의해 열 하중의 일부를 견딘다. 프로세스 에어의 유동 속도는 좋은 작동 범위에서 토치 전력을 유지하도록 조정된다.
f) 컨버터 프로세스 압력을 제어함
컨버터 압력은 가스 블로우어의 속도를 조정함에 의해 안정화된다. 블로우 어의 최소 작동 주파수 아래의 속도에서, 보조 제어기는 오버라이드하고(override) 대신 재순환 밸브를 조정한다. 일단 재순환 밸브가 완전히 닫히도록 돌아가면, 주요 제어기가 다시 사용된다.
단계 2
단계 2 작동을 위해, 상기 리스트된 프로세스 제어 목표의 모두가 유지된다. 그러나 중요한 새로운 요구사항들은 가스의 플레어링을 제거하고 소비된 MSW의 톤당 만들어진 전력의 양을 최적화시킨다. 이는 만들어지는 가스 유동이 엔진에 의해 소비되는 연료를 정확하게 조화를 이루어야만 한다는 것을 요구한다. 따라서, 역방향 제어(또는 명령 구동 제어)가 실행되어야만 하고, 이 경우 시스템의 후단부에서 가스 엔진/발전기가 프로세스를 구동시킨다.
컨버터로부터 나오는 가스 유동을 안정화시키기 위해, 컨버터로의 프로세스 에어유동이 증가된다. 시스템에 대한 MSW 또는 HCF 첨가의 속도를 조정하는 것은 종국적으로 가스 유동을 변화시키고 약 45+ 분 체류 시간을 가지며 상당한 가스화 반응은 재료 입구의 지점에서는 일어나지 아니하고, 이러한 조정에 의해 바른 반응의 기회가 없다(상당한 반응이 약 15분 걸릴 수 있다고 기대된다). 총 에어 유동을 조정하는 것은 가장 빠른 가능한 작동 루프를 제공하여 압력을 제어한다. 짧은 기간에서, 컨버터에서의 물질의 큰 목록 때문에, 더 많은 에어를 바닥부 챔버로 첨가하는 것은 균등적으로 필요에 따라 가스를 희석화하지 못한다. 추가적인 에어는 파일로 침투하고 물질과 더 잘 반응한다. 반대로, 더 적은 에어를 첨가하는 것은 즉시 가스를 풍부하게 할 것이나 궁극적으로는 온도를 떨어뜨리고 반응 속도/가스 유동을 감소시킨다.
총 에어유동은 물질 주입 속도(MSW+HCF)에 비율이 맞추어지고, 이에 의해 에어 유동을 증가시키는 수단은 물질 주입 속도를 증가시킨다. 제어기 조정은 증가된 에어의 효과가 즉시 나타나도록 설정된다. 주입 속도를 위한 제어기 조정은 더 느려지고 추가적인 주입은 궁극적으로 가스 유동을 안정화시키는데 더 긴 시간의 용액을 제공하고 밀어넣는다. 일 실시예에서, 일시적으로 감소하는 발전기 전력 출력이 시스템 역학에 따라 필요하고 이에 의해 MSW/HCF 주입속도를 증가시키는 것과 증가된 가스 유동을 보는 것 사이의 데드 타임(dead time)을 브리지한다(bridge).

Claims (9)

  1. 가스 특성을 조절하기 위한 가스 균질화 시스템으로서,
    a) 가스 입구 및 가스 출구를 포함하는 균질화 챔버;
    b) 하나 이상의 가스 특성을 모니터하기 위한 상기 균질화 챔버와 결합된(associated with) 하나 이상의 감지 요소;
    c) 상기 하나 이상의 가스 특성의 변화에 영향을 미치기 위한 상기 균질화 챔버와 결합된 하나 이상의 반응 요소; 및
    d) 상기 하나 이상의 가스 특성을 조정하기 위한 상기 하나 이상의 반응 요소에 기능적으로(operatively) 연결된 하나 이상의 프로세스 소자를 포함하고,
    상기 균질화 챔버가 상기 하나 이상의 가스 특성의 모니터링 및 조절을 가능하게 하기에 충분한 체류 시간을 수용하도록 설계되는,
    가스 특성을 조절하기 위한 가스 균질화 시스템.
  2. 가스 특성을 조절하기 위한 가스 균질화 시스템으로서,
    a) 가스 입구 및 가스 출구를 포함하는 균질화 챔버;
    b) 상기 가스 입구와 유체 소통하는 가스 입구 메커니즘으로서, i) 하나 이상의 입구 도관; 및 ii) 가스의 화학 조성, 온도, 유동 속도 및 압력 파라미터와 관련된 데이터를 모니터링하기 위한 하나 이상의 감지 요소를 포함하는, 가스 입구 메커니즘;
    c) 안정화된 가스의 배출을 하류 어플리케이션(downstream application)으로 향하게 하기 위한 상기 가스 배출구와 유체 소통하는 조절된 가스 출구 메커니즘으로서, 하나 이상의 출구 도관을 포함하는, 가스 출구 메커니즘;
    d) 상기 가스의 화학 조성, 온도, 유동 속도, 및 압력 파라미터를 조절하기 위한 상기 시스템에 결합된 하나 이상의 프로세스 소자; 및
    e) 상기 시스템이 상기 가스의 화학 조성, 온도, 유동 속도, 및 압력 파라미터를 최적화하는데 영향을 미치기 위한 상기 하나 이상의 프로세스 소자와 기능적으로 결합된 하나 이상의 감지 요소를 포함하고,
    상기 균질화 챔버는 상기 가스 조성, 온도, 유동 속도, 및 압력의 모니터링 및 조절을 가능하게 하기에 충분한 체류 시간을 수용하도록 설계되는,
    가스 특성을 조절하기 위한 가스 균질화 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 균질화 챔버로 균일한 입력 가스 유동을 제공하기 위한 드래프트 유도 소자를 추가로 포함하는,
    가스 특성을 조절하기 위한 가스 균질화 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 균질화 챔버의 상류에서 상기 가스의 온도를 조정하기 위한 냉각기를 추가로 포함하는,
    가스 특성을 조절하기 위한 가스 균질화 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 균질화 챔버의 상류에서 상기 가스의 습도를 조정하기 위한 가스/액체 분리기를 추가로 포함하는,
    가스 특성을 조절하기 위한 가스 균질화 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 균질화 챔버의 하류에서 상기 가스의 온도 및 습도를 조정하기 위한 가스 컨디셔닝 스키드(gas conditioning skid)를 추가로 포함하는,
    가스 특성을 조절하기 위한 가스 균질화 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 균질화 챔버의 하류에서 상기 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 필터 를 추가로 포함하는,
    가스 특성을 조절하기 위한 가스 균질화 시스템.
  8. 제 2 항에 있어서,
    하나 이상의 응급 출구 포트를 추가로 포함하는,
    가스 특성을 조절하기 위한 가스 균질화 시스템.
  9. 제 2 항에 따른 가스 균질화 시스템을 이용하여 입력 가스를 조절된 가스로 변환하기 위한 방법으로서,
    a) 입력 가스를 제공하는 단계;
    b) 하나 이상의 감지 요소에 의해 화학 조성, 온도, 유동 속도, 및 압력을 위한 상기 시스템 내에서 상기 가스를 모니터하는 단계; 및
    c) 상기 가스의 화학 조성, 온도, 유동 속도 및/또는 압력 파라미터를 최적화하기 위해 하나 이상의 프로세스 소자를 조정하기 위한 하나 이상의 반응 요소에 명령을 제공하고, 이에 의해 상기 하류 어플리케이션의 요구사항을 충족시키는 조절된 가스를 만드는 단계를 포함하는,
    가스 균질화 시스템을 이용하여 입력 가스를 조절된 가스로 변환하기 위한 방법.
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