KR20090012255A - 가스 발생 시스템 및 그 이용 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 발생 시스템 및 그 사용에 관한 것이며, 상기 가스 발생 시스템은 가스 발생 반응기 (43) 및 합성 가스 냉각 용기 (44) 를 포함하고, 가스 발생 반응기 (43) 는 압력을 대기 압력보다 더 높게 유지하는 압력 쉘; 압력 쉘의 하부에 위치되는 슬래그 욕; 작업 동안에 합성 가스가 형성되는 가스 발생실 (47) 을 규정하며 압력 쉘 내에 배치되는 가스화 벽을 포함하며, 상기 가스화 벽의 개방 하단부는 슬래그 욕와 유체 연통되고 상기 가스화 벽의 개방 상단부는 연결 도관 (51) 을 경유하여 합성 가스 냉각 용기와 유체 연통되며, 상기 합성 가스 냉각 용기 (44) 는 뜨거운 합성 가스를 위한 입구, 냉각된 합성 가스를 위한 출구 (49), 및 사용시에 액체 물을 가스 발생 반응기에 형성되는 뜨거운 합성 가스와 직접 접촉시키기 위한 수단 (46) 을 포함한다.

가스 발생 반응기, 압력 쉘, 슬래그 욕, 가스화 벽, 합성 가스 냉각 용기, 연결 도관, 주입 수단, 냉각 수단, 부분 산화 연소기, 습식 가스 세정기, 미립화 가스

Description

가스 발생 시스템 및 그 이용 {GASIFICATION SYSTEM AND ITS USE}

본 발명은 산소 함유 스트림을 사용하여 탄소 함유 스트림으로부터 일산화탄소 및 수소를 포함하는 혼합물을 준비하기 위한 향상된 가스 발생 시스템에 관한 것이다. 가스 발생 시스템은 가스 발생 반응기 및 합성 가스 냉각 용기를 포함한다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 시스템에서 일산화탄소 및 수소를 포함하는 혼합물을 준비하기 위한 공정에 관한 것이다.

합성 가스를 생산하는 방법이 관습으로부터 잘 알려져 있다. 합성 가스를 생산하는 방법의 예가 EP-A-400740 호에 기재되어 있다. 일반적으로, 석탄, 갈탄, 토탄, 목재, 코크스, 그을음, 또는 다른 가스, 액체 또는 고체 연료 또는 그 혼합물과 같은 탄소 함유 스트림은 실질적으로 순수한 산소 또는(선택적으로 산소가 풍부한) 공기 등과 같은 산소 함유 가스를 사용하여 가스 발생 반응기 내에서 부분적으로 연소되고, 이에 의해 a.o. 합성 가스(CO 및 H₂), CO₂ 및 슬래그를 얻는다. 부분적 연소 동안 형성된 슬래그는 밑으로 떨어져 반응기 바닥에 또는 그 부근에 위치된 출구를 통해 배출된다.

EP-A-400740 호의 반응기 내의 뜨거운 생성물 가스는 위쪽으로 흐른다. 이 뜨거운 생성물 가스, 즉 미정제 합성 가스는 보통 냉각되면 그 점착성을 잃는 점착질 입자를 포함한다. 미정제 합성 가스 내의 이 점착질 입자는 미정제 합성 가스가 더 처리되는 가스 발생 반응기의 하류에서 문제점을 야기할 수 있다. 이는, 예를 들어 열 교환 표면, 벽, 밸브 또는 출구에 점착질 입자가 바람직하지 않게 퇴적되어 공정에 나쁜 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 게다가 그러한 퇴적물은 제거되기 어렵다.

그러므로, 미정제 합성 가스는 퀀칭부에서 퀀칭(quench)된다. 그러한 퀀칭부에서, 퀀칭 가스가 이를 냉각시키기 위해 위쪽으로 시프트하는 미정제 합성 가스 안으로 주입된다.

WO-A-2004/005438 호는 가스 발생 반응기 및 합성 가스 냉각 용기를 포함하는 가스 발생 시스템을 기재한다. 이 공보는 가스 발생 연소실 및 이 연소실의 열린 상단부에 유체 연결되는 관부를 기재한다. 연소실 및 관부는 모두 압력 쉘 내에 각각 위치되어 상기 압력 쉘과 연소실 및 관부 사이에 환상 공간을 규정한다. 관부에서, 퀀칭 가스는 뜨거운 합성 가스 내로 주입된다. 이 공보는 또한 서로 상하로 위치된 열 교환 가열 표면의 3개의 제방(bank)이 제공되어 있는 별도의 냉각 용기를 기재한다.

US-A-5803937 호는 하나의 압력 용기 내의 가스 발생 반응기 및 합성 가스 냉각기를 기재한다. 이 반응기에서 관부는 연소실의 열린 상단부에 유체 연결된다. 관부의 상단부에서, 가스는 180°로 방향 전환되어 관부와 압력 쉘의 벽 사이의 환형 공간을 통해 아래쪽으로 흐른다. 상기 환형 공간에는 열 교환 표 면이 뜨거운 가스를 냉각시키기 위해 존재한다.

US-A-4836146 호는 가스 발생 반응기 및 WO-A-2004/005438 호에서와 같은 합성 가스 냉각 용기를 포함하는 고체 미립자를 위한 가스 발생 시스템을 기재한다. 이 공보에서 별도의 냉각 용기 내에 존재하는 열 교환 표면의 두드림을 제어하기 위한 방법 및 장치가 설명된다. 열 교환기의 표면에 퇴적물이 축적되는 것을 피하기 위해 두드림이 요구된다.

앞에서 논의한 가스 발생 반응기들의 공통점은, 상기 반응기 내에 존재하는 가스 발생 연소기에 대하여 생성된 합성 가스가 실질적으로 위쪽으로 흐르고 슬래그는 실질적으로 아래쪽으로 흐른다는 것이다. 따라서, 모든 이들 반응기는 슬래그를 위한 출구를 가지며, 이 출구는 합성 가스를 위한 출구와는 별개이다. 이는 예를 들어 EP-A-926441 호에 기재된 바와 같은 가스 발생 반응기의 종류와는 대조적인 것으로, 이 가스 발생 반응기에서는 슬래그 및 합성 가스가 아래쪽으로 흐르며 슬래그의 출구 및 합성 가스의 출구 모두가 반응기의 하단부에 위치된다.

본 발명은 슬래그가 아래쪽으로 흐르며 반응기의 바닥에서 방출되고, 합성 가스는 위쪽으로 흐르고 상기 반응기의 상단부에서 방출되는 유형의 향상된 반응기에 관한 것이다.

WO-A-2004/005438 호 및 US-A-4836146 호의 합성 가스 냉각기 및 또한 US-A-5803937 호의 장치의 문제점은 열 교환 표면이 상기 장치의 설계에 큰 복잡함을 준다는 것이다. 더우기 두드림과 같은 광범위한 조치가 퇴적물이 열 교환기 표면에 축적되는 것을 피하기 위해 요구된다. 다른 문제점은 열 교환 표면이 예를 들어 높은 알칼리 함량을 갖는 공급 재료에 기인한 오염을 받기가 더욱 쉽다는 것이다. 따라서 더욱 간단한 가스 발생 시스템을 제공하려는 요구와 함께 고알칼리 공급 원료를 처리하려는 요구가 존재한다. 이러한 그리고 다른 목적은 아래 설명되는 바와 같은 반응기로 성취된다.

가스 발생 반응기 및 합성 가스 냉각 용기를 포함하는 가스 발생 시스템에 있어서,

가스 발생 반응기는

- 압력을 대기 압력보다 더 높게 유지하는 압력 쉘;

- 압력 쉘의 하부에 위치되는 슬래그 욕(bath);

- 작업 동안에 합성 가스가 형성되는 가스 발생실을 규정하며 압력 쉘 내에 배치되는 가스화 벽을 포함하며, 상기 가스화 벽의 개방 하단부는 슬래그 욕와 유체 연통되고 상기 가스화 벽의 개방 상단부는 연결 도관을 경유하여 합성 가스 냉각 용기와 유체 연통되며,

상기 합성 가스 냉각 용기는 뜨거운 합성 가스를 위한 입구, 냉각된 합성 가스를 위한 출구, 및 사용시에 액체 물을 가스 발생 반응기에 형성되는 뜨거운 합성 가스와 직접 접촉시키기 위한 수단을 포함하는 가스 발생 시스템을 제공한다.

출원인은 본 발명에 따른 반응기를 사용함으로써 복잡한 열 교환 표면의 사용을 피할 수 있다는 것을 발견하였다. 다른 이점은 고알칼리 공급 원료가 더욱 용이하게 처리될 수 있다는 점이다. 다른 이점 및 바람직한 실시형태가 이후에 언급될 것이다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 가스 발생 시스템에서 고체 탄소 함유 공급물의 부분 산화에 의해 일산화탄소와 수소를 포함하는 혼합물을 준비하는 공정에 관한 것이다. 가스 발생실에서, 고체 탄소 함유 공급물이 산소 함유 가스로 부분적으로 산화되어 1200 및 1800℃ 사이의 온도 및 20 및 100바 사이의 압력을 가지면서 위쪽으로 이동하는 가스 혼합물을 형성하며, 가스 또는 액체인 냉각 매체를 주입하여 상기 가스 혼합물을 연결 도관에서 500 및 900℃ 사이의 온도로 냉각시키고, 이어서 합성 가스 냉각 용기에서 가스를 물에 접촉시켜 500℃ 아래로 더 냉각시킨다.

미정제 합성 가스는 매우 효율적으로 냉각되어, 그 결과 가스 발생 반응기의 하류에서 점착질 입자가 퇴적되는 위험이 감소됨을 발견하였다.

본 발명에 따른 가스 발생 반응기에서 또는 본 발명에 따른 시스템에서, 고체의 탄소 함유 공급물의 부분 산화에 의해 일산화탄소와 수소를 포함하는 혼합물을 준비하는데 본 발명에 따른 가스 발생 반응기가 적합하게 사용된다. 그러한 공정에서, 고체의 탄소 함유 공급물은 가스 발생실 내에서 산소 함유 기체로 부분적으로 산화되어 1200 ~ 1800℃ 의 온도, 바람직하게는 1400 ~ 1800℃ 의 온도를 가지면서 위쪽으로 이동하는 가스 혼합물을 형성한다. 이 혼합물은 바람직하게는 제 1 냉각 단계에서 냉각된다. 별도의 냉각 용기에서, 가스는 바람직하게는 500℃ 아래로 더 냉각된다.

고체의 탄소 함유 공급물은 산소 함유 기체로 부분적으로 산화된다. 바람직한 탄소 함유 공급물은 고체의, 고탄소 함유 공급 원료이며, 더 바람직하게는 자연적으로 발생하는 석탄 또는 합성(석유) 코크스, 더 가장 바람직하게는 석탄으로 실질적으로(즉, 90중량% 초과) 구성된다. 적합한 석탄은 아탄, 유연탄, 아역청탄, 무연탄, 및 갈탄을 포함한다.

일반적으로, 이러한 소위 가스 발생은 높은 온도에서 촉매 없이 탄소 함유 공급물을 한정된 양의 산소로 부분적으로 연소시킴으로써 수행된다. 더욱 신속하고 완전한 가스 발생을 달성하기 위해, 석탄이 초기에 미세한 석탄 미립자로 분쇄되는 것이 바람직하다. 미세한 미립자라는 용어는, 재료의 적어도 약 90중량%가 90μm 보다 작고 수분 함량이 전형적으로 2 ~ 8중량%, 바람직하게는 약 5중량% 보다 적도록 하는 입자 크기 분포를 갖는 적어도 분쇄된 미립자를 포함하는 것을 뜻한다. 가스 발생은 바람직하게는 산소 및 선택적으로 일부 증기의 존재하에 수행되며, 산소의 순도는 바람직하게는 적어도 약 90부피% 이고, 질소, 이산화탄소 및 아르곤은 불순물로서 허용된다. 공기 분리 유닛(ASU)에 의해 준비되는 것과 같은 실질적으로 순수한 산소가 바람직하다. 산소는 일부 증기를 함유할 수 있다. 증기는 가스 발생 반응에서 조절 가스(moderator gas)로서 작용한다. 산소와 증기 사이의 비는 바람직하게는 산소의 부피부당 증기의 0 내지 0.3 부피부이다. 사용되는 산소는 바람직하게는 석탄과 접촉되기 전에 바람직하게는 약 200 내지 500℃ 의 온도로 가열된다.

석탄이 사용되는 경우와 같이 탄소 함유 공급물의 물 함량이 너무 높으면, 공급물은 사용 전에 건조되는 것이 바람직하다.

부분 산화 반응은, 본 발명에 따른 반응기의 가스 발생실에 존재하는 것과 같은 적합한 연소기에서 탄소 함유 공급물의 미세한 미립자 및 캐리어 가스의 건조한 혼합물을 산소로 연소시킴으로써 바람직하게 수행된다. 적합한 연소기의 예가 US-A-48887962, US-A-4523529 및 US-A-4510874 에 기재되어 있다. 가스 발생실에는 바람직하게는 1쌍 이상의 부분 산화 연소기가 제공되며, 이 연소기에는 고체 탄소 함유 공급물을 위한 공급 수단 및 산소를 위한 공급 수단이 제공된다. 한쌍의 연소기는 여기서 수평으로 그리고 직경 방향으로 가스 발생실 안으로 향해있는 두 연소기를 의미한다. 이리하여, 한쌍의 두 연소기는 동일한 수평 위치에서 실질적으로 반대 방향으로 위치된다. 반응기에는 1~5 쌍의 그러한 연소기가 제공된다. 쌍의 수의 상한은 반응기의 크기에 의존할 것이다. 연소기의 발화 방향은 예를 들어 EP-A-400740 에 기재된 바와 같이 약간 접선 방향일 수 있다.

건조한 고체 공급물을 연소기에 전달하기 위한 적합한 캐리어 가스의 예는 증기, 질소, 합성 가스 및 이산화탄소이다. 합성 가스가 특히 동력 발생을 위해 그리고 암모니아를 만들기 위한 공급 원료로서 사용될 때 질소가 바람직하게 사용된다. 합성 가스가 하류 시프트 반응에 영향받을 때 이산화탄소가 바람직하게 사용된다. 시프트된 합성 가스는 예를 들어 수소화 메탄올 및/또는 디메틸 에테르를 준비하기 위해 또는 피셔-트롭스(Fischer-Tropsch) 합성의 공급물 가스로서 사용될 수 있다.

가스 발생 반응기로부터 방출되는 합성 가스는 적어도 H₂, CO, 및 CO₂ 를 포함한다. 특히 메탄올 형성 반응을 위한 합성 가스 조성의 적절성은 합성 가스의 화학양론수(stoichiometric number) (SN) 로서 표현되며, 이에 의해 몰 함량 [H₂], [CO], 및 [CO₂]로 표현되는데, SN = ([H₂]-[CO₂])/([CO]+[CO₂]) 로 표현된다. 탄소 함유 공급물의 가스 발생에 의해 생성되는 합성 가스의 화학양론수는 메탄올 형성 반응에서 메탄올을 형성하기 위한 약 2.05 의 요망되는 비보다 더 낮음이 발견되었다. 물 시프트 반응을 수행함으로써 그리고 이산화탄소의 일부분을 분리함으로써, SN 수는 개선될 수 있다. 바람직하게는 메탄올 합성 오프가스로부터 분리된 수소가 SN 을 증가시키기 위해 합성 가스에 첨가될 수 있다.

본 발명의 한 실시형태에서, 뜨거운 합성 가스는 별도의 냉각 용기에 들어가기 전에 제 1 냉각 단계에서 500 ~ 900℃ 의 온도로 우선 냉각된다. 이 제 1 냉각 단계는 뜨거운 합성 가스 내에 존재하는 비가스 성분의 응결 온도 아래의 가스 온도를 얻는데 바람직하다. 뜨거운 합성 가스에 있는 비가스 성분의 응결 온도는 탄소 함유 공급물에 의존할 것이며 석탄형 공급 원료에 대해 보통 600 ~ 1200℃ 그리고 더욱 특히 500 ~ 1000℃ 이다. 제 1 냉각 단계는 가스 발생실 및 냉각 용기를 유체 연결하는 연결 도관에서 바람직하게 수행된다. 퀀칭 가스를 주입함으로서 냉각이 수행될 수 있다. 가스 퀀칭으로의 냉각은 잘 알려져 있으며, 예를 들어 EP-A-416242, EP-A-662506 및 WO-A-2004/005438 에 기재되어 있다. 적합한 퀀칭 가스의 예는 재순환 합성 가스 및 증기이다.

더 바람직하게는 이 제 1 냉각 및/또는 냉각 용기에서 수행되는 냉각은 아래 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 액체 액적의 안개를 가스 흐름에 주입함으로써 수행된다. 안개의 더 큰 냉각 능력 때문에 가스 퀀칭에 비해 액체 안개의 사용이 유리하다.

상기 액체는 미립화되기 위해 적합한 점성을 갖는 어떤 액체라도 될 수 있다. 주입되는 액체의 비제한적인 예는 탄화수소 액체, 폐스트림 등이다. 바람직하게는 액체는 적어도 50%의 물을 포함한다. 가장 바람직하게는 액체는 실질적으로 물로 구성된다(즉, 95부피% 초과). 바람직한 실시형태에서, 가능한 하류 합성 가스 세정기에서 얻어지는 것과 같은, 검은 물이라고도 하는 폐수가 상기 액체로서 사용된다. 더욱 더 바람직하게는 선택적인 하류 물 시프트 반응기의 공정 응축물이 상기 액체로서 사용된다.

뜨거운 합성 가스는 가스 발생실 내에서 직접 얻어지는 것과 같은 가스 혼합물을 의미한다.

용어 '안개(mist)'는 액체가 작은 액적의 형태로 주입되는 것을 의미한다. 물이 상기 액체로서 사용되면, 바람직하게는 80% 이상, 더 바람직하게는 90% 이상의 물이 액체 상태에 있게 된다.

바람직하게는 주입되는 안개는 주입 지점의 압력 조건에서 포점보다 최대 50℃ 낮은, 특히 최대 15℃, 더욱 바람직하게는 최대 10℃ 낮은 온도를 갖는다. 이를 위해, 주입되는 액체가 물이면, 이는 90℃ 이상, 바람직하게는 150℃ 이상, 더욱 바람직하게는 200℃ 내지 230℃의 온도를 보통 갖는다. 상기 온도는 가스 발생 반응기의 작동 압력, 즉 아래에서 보다 자세히 설명되는 미정제 합성의 압력에 명백하게 의존할 것이다. 이로써, 냉점(cold spots)이 피해지면서 주입되는 안개의 신속한 증발이 얻어진다. 그 결과 가스 발생 반응기에서 염화 암모늄 퇴적물 및 재의 국부적 부착의 위험이 감소된다.

또한, 안개가 50 내지 200μm의 직경, 바람직하게는 100 내지 150μm의 직경을 갖는 액적을 포함하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 주입되는 액체의 적어도 80부피%는 지시된 크기를 갖는 액적의 형태이다.

뜨거운 합성 가스의 퀀칭을 강화하기 위해, 바람직하게는 30-90 m/s, 바람직하게는 40-60 m/s 의 속도로 안개가 주입된다.

가스 발생 반응기 내에 존재하는 미정제 합성 가스의 압력보다 적어도 10 바(bar) 높은, 바람직하게는 20 내지 60 바 높은, 더 바람직하게는 약 40 바 높은 주입 압력으로 안개가 주입되는 것이 바람직하다. 안개가 미정제 합성 가스의 압력보다 10 바 미만으로 높은 주입 압력으로 주입되면, 안개의 액적은 너무 커질 수 있다. 이는 미립화 가스를 사용함으로써 적어도 부분적으로 상쇄될 수 있으며, 이 미립화 가스는 예를 들어 N₂, CO₂, 증기 또는 합성 가스, 더 바람직하게는 증기 또는 합성 가스일 수 있다. 미립화 가스를 사용하면 주입 압력과 미정제 합성 가스의 압력 사이의 차가 5 ~ 20 바의 압력 차로 감소될 수 있는 추가적인 이점을 얻는다.

또한, 가스 발생 반응기로부터 멀어지는 방향으로 안개가 주입되는 것, 또는 미정제 합성 가스의 흐름 방향으로 안개가 주입되는 것이, 더 바람직하게는 일정 각도 하에 주입되는 것이 특히 적합하다는 것이 발견되었다. 이로써, 연결 도관의 벽에의 국부적인 퇴적을 가져올 수 있는 무효 공간이 발생하지 않거나 거의 발생하지 않는다. 연결 도관 또는 냉각 용기의 길이방향 축선에 수직인 평면에 대하여, 바람직하게는 30-60°사이의 각도, 더욱 바람직하게는 약 45°의 각도하에 뜨거운 합성 가스의 흐름 방향으로 연결 도관의 벽으로부터 또는 냉각 용기의 벽으로부터 안개가 주입된다. 대안적으로, 냉각 용기에서의 안개의 주입은 합성 가스의 흐름 경로와 같은 방향, 적합하게는 아래쪽으로의 방향으로 안개를 주입함으로써 수행될 수 있다.

다른 바람직한 실시형태에 따르면, 주입되는 안개는 차폐 유체에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸여진다. 차폐 유체는 어떠한 적합한 유체일 수 있지만, 바람직하게는 N₂ 및 CO₂ 와 같은 비활성 기체, 합성 가스, 증기 및 그의 조합으로 구성된 그룹에서 선택된다.

특히 바람직한 실시형태에 따르면, 냉각 용기를 떠나는 미정제 합성 가스가 적어도 40부피%의 H₂O, 바람직하게는 40 내지 60부피%의 H₂O, 더 바람직하게는 45 내지 55부피%의 H₂O를 포함하도록 주입되는 안개의 양이 선택된다.

다른 바람직한 실시형태에서, 소위 오버퀀칭을 수행하고자 한다면, 미정제 합성 가스에 대해 추가되는 물의 양은 상기 바람직한 범위보다 더 높다. 오버퀀칭형 공정에서, 추가되는 물의 양은, 바람직하게는 냉각 용기에 추가되는 양은 모든 액체 물이 증발되지는 않고 일부의 액체 물이 냉각된 미정제 합성 가스에 남도록 결정된다. 그러한 공정은 하류 건조 고형물 제거 시스템이 생략될 수 있기 때문에 유리하다. 그러한 공정에서, 냉각 용기를 떠나는 미정제 합성 가스는 물로 포화된다. 미정제 합성 가스 및 물 주입의 중량비는 1:1 내지 1:4 일 수 있다.

오버퀀칭형 공정 조건은, 합성 가스의 흐름 경로 안으로 많은 양의 물을 주입함으로써, 냉각 용기의 하단부에 위치된 물 욕(bath)에 합성 가스의 흐름을 통과시킴으로써 또는 이러한 조치의 조합으로써 성취될 수 있다.

이와 함께 선택적인 하류 물 시프트 전환 단계에서 증기를 더 추가하지 않아도 되거나 또는 상당히 적게 추가하면 되므로 자본이 실질적으로 낮추어질 수 있다는 것이 발견되었다. 여기서의 자본은 증기 보일러를 위한 자본을 의미한다.

본 발명의 바람직한 방법에서, 퀀칭부를 떠나는 합성 가스나 그의 일부, 및 특히 물로 포화되어 있는 합성 가스는 바람직하게는 시프트 전환되어, 이에 의해 물의 적어도 일부가 CO 와 반응하여 CO₂ 및 H₂를 생성하고 이에 의해 시프트 전환된 합성 가스 스트림을 얻는다. 시프트 전환기가 의미하는 것에 관해서는 당업자가 용이하게 이해할 것이므로 추가로 설명하지 않는다. 바람직하게는, 열 교환기에서 미정제 합성 가스가 미정제 합성 가스를 시프트 전환하기 전에, 시프트 전환된 합성 가스 스트림에 대해 가열된다. 이로써 본 방법의 에너지 소비가 더욱 감소된다. 이와 관련하여, 본 발명의 공정에서 액체를 안개로서 주입하여 사용하기 전에 액체가 가열되는 것이 또한 바람직하다. 바람직하게는 이 액체의 가열은 시프트 전환된 합성 가스 스트림에 대한 간접적인 열 교환에 의해 수행된다.

합성 가스의 일부에 물 시프트 반응을 시켜 CO 고갈된 스트림을 얻고 합성 가스의 다른 부분과 함께 물 시프트 유닛을 바이패싱하게 하고 CO 고갈된 스트림 및 바이패스 스트림을 결합함으로써 어떠한 원하는 H₂/CO 의 몰비가 얻어질 수 있다. 바이패스 및 시프트 공급물의 비를 선택함으로써 바람직한 하류 공정을 위해 가장 바라는 비를 달성할 수 있다.

도 1 은 일산화탄소와 수소를 포함하는 정제된 혼합물을 준비하기 위한 시스템의 공정 개요를 개략적으로 보여준다.

도 2 는 반응기 용기 및 냉각 용기로 구성되는 바람직한 가스 발생 시스템의 길이 방향 횡단면을 개략적으로 보여준다.

도 3 은 냉각 용기의 가능한 추가 실시형태를 개략적으로 보여준다.

본 발명은 이제 첨부된 비제한적인 도면을 참조하여 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명될 것이다. 아래에 사용된 같은 참조 번호는 유사한 구성 요소를 가리킨다.

도 1 을 참고한다. 도 1 은 합성 가스를 생산하는 시스템 (1) 을 개략적 으로 보여준다. 가스 발생 반응기 (2) 에서 탄소 함유 스트림 및 산소 함유 스트림은 라인 (3), (4) 을 각각 경유하여 가스 발생실 (2) 에 공급될 수 있다. 가스 발생실 (2) 에서, 미정제 합성 가스 및 슬래그가 얻어진다. 이를 위해, 보통 수개의 연소기(미도시)가 가스 발생실 (2) 에 존재한다. 보통, 가스 발생실 (2) 에서의 부분 산화는 1200 내지 1800℃, 바람직하게는 1400 및 1800℃ 사이 범위의 온도에서 그리고 1 내지 200바, 바람직하게는 20 및 100바 사이, 더 바람직하게는 40 및 70바 사이 범위의 압력에서 수행된다.

생성된 미정제 합성 가스는 연결 도관 (5) 을 경유하여 냉각 용기 (9) 에 공급된다. 연결 도관 (5) 에는 안개 형태의 물 (17) 이 주입되며, 이에 의해 합성 가스가 500℃ 아래로, 예를 들어 약 400℃로 냉각된다.

바람직한 공급물의 대부분에 존재하는 재(ash) 성분은 이 온도들에서 가스 발생실 (2) 내에서 소위 액체 슬래그를 형성할 것이다. 이 슬래그는 바람직하게는 가스 발생실 (2) 의 벽의 내측에 층을 형성할 것이며, 이에 의해 절연 층을 형성한다. 슬래그가 한편으로 그러한 보호 층을 생성하고 다른 한편으로는 선택적인 다음 공정을 위해 낮은 위치의 슬래그 출구 (7) 쪽으로 흐를 수 있도록 온도 조건이 선택된다.

도 1 의 실시형태에 보여지듯이, 부분적으로 냉각된 합성 가스 (8) 는 냉각 용기 (9) 안으로 들어간다. 냉각 용기 (9) 에서, 물로 포화된 합성 가스 (10) 를 얻기 위해 합성 가스 (8) 는 오버퀀칭 공정 모드에서 물 (6) 과 접촉된다.

물로 포화된 합성 가스 (10) 는 직접 습식 가스 세정기 (11) 에 공급되며 이 어서 라인 (12) 을 경유하여 시프트 전환기 (13) 에 공급되어 CO₂ 및 H₂ 를 생성하기 위해 적어도 물의 일부를 CO와 반응시키고, 이에 의해 라인 (14) 에서 시프트 전환된 가스 스트림을 얻는다. 세정된 가스 (21) 의 일부는 시프트 전환기 (13) 를 바이패스할 수 있다. 이 가스 및 스트림 (20) 은, 선택적으로 두 스트림이 추가 가스 처리(미도시)를 받은 후에 결합될 수 있다. 습식 가스 세정기 (11) 및 시프트 전환기 (13) 는 이미 그 자체가 알려져 있으므로, 여기서 더 상세히 설명하지 않는다. 가스 세정기 (11) 로부터 나온 폐수는 라인 (22) 을 경유하여 제거되어 라인 (23) 을 경유하여 가스 세정기 (11) 로 선택적이고 부분적으로 재순환된다.

가스 세정기 (11) 로부터 나온 폐수인 검은 물의 일부는 라인 (17) 또는 (6) 을 경유하여 주입되는 액체 물로서 바람직하게 사용될 수 있다. 비오버퀀칭 모드에서 합성 가스 (10) 는 건조 고형물 제거 유닛에 적절히 공급되어 적어도 부분적으로 건조 재를 제거한다. 바람직한 고형물 제거 유닛은 예를 들어 EP-A-551951 및 EP-A-1499418 에 기재되어 있는 사이클론 또는 필터 유닛이다.

라인 (12) 내의 미정제 합성 가스가 시프트 전환기 (13) 를 떠나는 라인 (14) 의 시프트 전환 합성 가스에 대하여 열 교환기 (15) 에서 가열되면, 추가적인 향상이 성취된다.

또한 본 발명에 따르면, 열 교환기 (15) 를 떠나는 라인 (16) 의 스트림에 포함된 에너지가 제 1 또는 제 2 냉각 단계에 사용되기 전에 라인 (17) 의 물을 데 우는데 사용되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 라인 (17) 의 스트림과의 간접적인 열 교환을 위해 라인 (16) 의 스트림이 간접 열 교환기 (19) 에 공급될 수 있다.

도 1 의 실시형태에 보여지듯이, 라인 (14) 의 스트림은 라인 (16) 을 경유하여 간접 열 교환기 (19) 에 들어가기 전에 우선 열 교환기 (15) 에 공급된다. 그러나, 당업자는 원한다면 열 교환기 (15) 는 없어도 되거나, 또는 필요하다면, 라인 (14) 의 스트림이 열 교환기 (15) 에서의 열 교환 이전에 우선 간접 열 교환기 (19) 로 공급될 수도 있음을 쉽게 이해할 것이다.

라인 (20) 에서 간접 열 교환기 (19) 를 떠나는 CO 고갈된 합성 가스는, 필요하다면 추가 열 회수 및 가스 처리를 위해 더 처리될 수 있다.

필요하다면 라인 (17) 의 가열된 스트림이 가스 세정제 (11) 에의 공급물(라인 (24))로서 부분적으로 사용될 수도 있다.

도 2 는 가스 발생 시스템의 길이방향 횡단면을 보여주며, 이는 도 1 의 시스템 (1) 의 일부일 수 있다. 도 2 는 연결 도관, 즉 이송관 (45) 에 의해 유체 연결되는 하류 냉각 용기 또는 퀀칭 용기 (44) 와 함께 WO-A-2004/005438 의 도 1 의 가스 발생 반응기 (43) 를 보여준다. 도 2 에는 가스 발생실 (47) 이 보여지며, 이는 관부 (51) 에 연결되며, 이 관부는 연결 도관에 의하여 가스 발생실 (47) 을 상부 벽부 (52) 를 경유하여 냉각 용기 (44) 의 내부에 연결한다. 관부 (51) 의 하단부에는, 주입 수단 (48) 이 액체 또는 가스 냉각 매체를 주입하기 위해 존재한다. 냉각 용기 (44) 에는 냉각된 합성 가스를 위한 출구 (49) 가 더 제공된다.

도 2 의 시스템은 WO-A-2004/005438 의 도 1 에 개시된 시스템과 다른 점은, 상기 도 1 의 냉각 용기 (3) 가 생략되고 액체 물을 추가하기 위한 수단 (46) 을 포함하는 간단한 용기에 의해 대체되어 있다는 것이다. 다른 차이점은 액체 물의 안개를 주입하는데 주입 수단 (48) 이 적합하다는 것이다.

바람직하게는 가스 발생실 (43) 의 벽 및/또는 연결 도관 (51) 의 벽에 냉각 수단이 제공된다. 바람직하게는 상기 냉각 수단은 수냉식 튜브들로 되어 있고, 더 바람직하게는 멤브레인 벽의 형태이다.

도 2 도 또한 연소기 (50) 를 보여준다. 연소기 구성은 적합하게 본 발명에 참고로 관련되어 있는 EP-A-0400740 에 기재된 것일 수 있다. 가스 발생 반응기 (43) 및 이송관 (45) 의 다른 다양한 세부사항과 냉각 용기 (44) 의 상부 설계는 바람직하게는 WO-A-2004/005438 의 도 1 의 장치에 개시되어 있는 것이다.

종래 기술 공보의 합성 가스 냉각기를 냉각 용기 (44) 로 대체함으로써 기존의 가스 발생 반응기를 개장할 때, 또는 종래 기술의 실제 가스 발생 반응기를 유지하면서 본 발명의 공정을 채택하기를 바랄 때 도 2 의 실시형태가 바람직하다.

본 발명은 따라서 바람직하게는, 냉각 용기의 뜨거운 합성 가스를 받아들이는 입구가 그 상단부에 있으며 냉각된 합성 가스의 출구가 그 하단부에 있고, 따라서 사용시 합성 가스의 실질적으로 아래쪽으로 향하는 흐름 경로가 생기고 상기 흐름 경로에는 아래쪽으로 향하는 주입 수단이 존재하고, 이 주입 수단은 물의 안개 를 주입하기에 적합한 시스템에 관한 것이다.

도 3 은 가스 발생 반응기 (43) 의 상단부 및 가스 발생실 (47) 의 상단부를 보여준다. 이 상단부는 연결 도관 (51) 에 의해 개별 냉각 용기 (53) 에 유체 연결된다. 본 발명의 공정에 따라 가스 또는 액체의 퀀칭 매체를 주입하기 위한 주입 수단 (48) 이 존재한다.

냉각 용기 (53) 에서 담금(dip) 튜브 (54) 가 합성 가스를 위한 아래쪽으로 향하는 흐름 경로를 생성하기 위해 존재한다. 담금 튜브 (54) 의 상단부에서 액체 물의 안개를 합성 가스 안으로 주입하기 위해 주입 수단 (46) 이 존재한다. 담금 튜브는 물 욕 (55) 안에 부분적으로 잠긴다. 사용시, 상기 합성 가스는 물 욕 (55) 을 통하여 담금 튜크 (54) 와 냉각 용기 (53) 의 벽 사이에 존재하는 환형 공간 (56) 으로 흐를 것이다. 이 환형 공간 (56) 으로부터 물 포화된 합성 가스는 도관 (57) 을 경유하여 상기 냉각 용기로부터 방출된다.

도 3 은 또한 물 (59) 을 재순환시키는 펌프 (58) 를 보여주며, 이 펌프는 블리드(bleed) 스트림 (60) 및 새로운 물을 위한 공급 스트림 (61) 을 제공한다.

따라서 본 발명은 또한 합성 가스 냉각 용기가 그 상단부에 제공되어 뜨거운 합성 가스를 받아들이는 개구 및 냉각된 합성 가스를 위한 출구를 가져서, 상기 개구와 출구 사이에 합성 가스를 위한 경로가 규정되며 물 욕이 합성 가스의 흐름 경로에 존재하는 시스템에 관한 것이다.

더 바람직하게는 본 발명은 액체 또는 가스인 냉각 매체를 합성 가스 안으로 주입하기 위한 주입 수단이 연결 도관에 존재하는 시스템에 관한 것이다. 더욱 바람직하게는 상기 주입 수단은 물 액적의 안개의 형태로 액체 냉각 매체를 주입하기 위한 주입 수단이다.

당업자는 본 발명이 청구범위에 규정된 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 방식으로 변형될 수 있음을 용이하게 이해할 것이다.

Claims (18)

1. 가스 발생 반응기 및 합성 가스 냉각 용기를 포함하는 가스 발생 시스템에 있어서,

   가스 발생 반응기는

   - 압력을 대기 압력보다 더 높게 유지하는 압력 쉘;

   - 압력 쉘의 하부에 위치되는 슬래그 욕(bath);

   - 작업 동안에 합성 가스가 형성되는 가스 발생실을 규정하며 압력 쉘 내에 배치되는 가스화 벽을 포함하며, 상기 가스화 벽의 개방 하단부는 슬래그 욕와 유체 연통되고 상기 가스화 벽의 개방 상단부는 연결 도관을 경유하여 합성 가스 냉각 용기와 유체 연통되며,

   상기 합성 가스 냉각 용기는 뜨거운 합성 가스를 위한 입구, 냉각된 합성 가스를 위한 출구, 및 사용시에 액체 물을 가스 발생 반응기에 형성되는 뜨거운 합성 가스와 직접 접촉시키기 위한 수단을 포함하는 가스 발생 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 합성 가스 냉각 용기는 그 상단부에 제공되어 뜨거운 합성 가스를 받아들이는 입구 및 그 하단부에 제공되어 냉각된 합성 가스를 위한 출구를 가지며, 사용시 실질적으로 아래쪽으로 향하는 합성 가스의 흐름 경로가 생기며, 상기 흐름 경로에는 아래쪽으로 향하는 주입 수단이 존재하고, 이 주입 수단은 물의 안개를 주입하는데 적합한 가스 발생 시스템.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 합성 가스 냉각 용기는 그 상단부에 제공되어 뜨거운 합성 가스를 받아들이는 개구 및 냉각된 합성 가스를 위한 출구를 가져, 상기 개구와 출구 사이에 합성 가스를 위한 흐름 경로가 규정되고 합성 가스의 흐름 경로에 물 욕이 존재하는 가스 발생 시스템.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 연결 도관에는 액체 또는 가스인 냉각 매체를 합성 가스 안으로 주입하기 위한 주입 수단이 존재하는 가스 발생 시스템.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 주입 수단은 액체 냉각 매체를 물 액적의 안개의 형태로 주입하기 위한 주입 수단인 가스 발생 시스템.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 연소실의 벽 및 연결 도관의 벽에 냉각 수단이 제공되는 가스 발생 시스템.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 냉각 수단은 수냉식 튜브들로 되어 있고, 바람직하게는 멤브레인 벽의 형태인 가스 발생 시스템.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 발생실에는 한 쌍 이상 의 부분 산화 연소기가 제공되며, 이 연소기에는 고체 탄소 함유 공급물을 위한 공급 수단 및 산소 함유 가스를 위한 공급 수단이 제공되는 가스 발생 시스템.
9. 제 3 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각된 합성 가스를 위한 상기 출구는 습식 가스 세정기의 입구에 유체 연결되는 가스 발생 시스템.
10. 제 9 항에 있어서, 습식 가스 세정기의 가스 출구는 물 시프트 전환기의 입구에 유체 연결되는 가스 발생 시스템.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 가스 발생 시스템에서 고체 탄소 함유 공급물의 부분 산화에 의해 일산화탄소와 수소를 포함하는 혼합물을 준비하는 공정에 있어서,

    가스 발생실에서, 고체 탄소 함유 공급물이 산소 함유 가스로 부분적으로 산화되어 1200 및 1800℃ 사이의 온도 및 20 및 100바 사이의 압력을 가지면서 위쪽으로 이동하는 가스 혼합물을 형성하며, 가스 또는 액체인 냉각 매체를 주입하여 상기 가스 혼합물을 연결 도관에서 500 및 900℃ 사이의 온도로 냉각시키고, 이어서 합성 가스 냉각 용기에서 가스를 물에 접촉시켜 500℃ 아래로 더 냉각시키는 공정.
12. 제 11 항에 있어서, 연결 도관 및/또는 합성 가스 냉각 용기에서의 상기 냉 각은 물 액적의 안개를 가스 흐름 안으로 주입시킴으로써 수행되는 공정.
13. 제 12 항에 있어서, 주입된 물 안개는 뜨거운 합성 가스의 압력에서 물의 포점(bubble point) 보다 최대 50℃ 낮은 온도를 갖는 공정.
14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 안개는 50 내지 200μm의 직경을 갖는 액적을 포함하는 공정.
15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안개는 30-100m/s 사이의 속도로 주입되는 공정.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 안개는 40-60m/s 의 속도로 주입되는 공정.
17. 제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안개는 미정제 합성 가스의 압력보다 5 ~ 20바 높은 주입 압력을 갖는 미립화 가스를 사용하여 주입되는 공정.
18. 제 12 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안개는 연결 도관 또는 냉각 용기의 길이방향 축선에 수직인 평면에 대하여 30-60°의 각도 하에 뜨거운 합성 가스의 흐름의 방향으로 연결 도관 또는 냉각 용기의 벽으로부터 주입되는 공정.

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