KR20090040406A - 플라즈마 토치 가열을 사용하는 가스 재구성 시스템 - Google Patents

플라즈마 토치 가열을 사용하는 가스 재구성 시스템 Download PDF

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KR20090040406A
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마가렛 스웨인
안드레아스 트산가리스
케네스 크레이그 캠벨
더글라스 마이클 피스비
마오 페이 쿠이
알리스데어 알란 맥린
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플라스코에너지 아이피 홀딩스, 에스.엘., 빌바오, 샤프하우젠 브랜치
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Abstract

본 발명은 가스화 반응으로부터의 입력 가스를 재구성된 가스로 재구성하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 가스 재구성 챔버, 하나 이상의 플라즈마 토치, 하나 이상의 산소 공급원(들) 입력부 및 제어 시스템을 지니는 가스 재구성 시스템이 제공되며, 이로써 가스화 반응으로부터의 입력 가스가 요망되는 조성의 가스로 변환될 수 있게 한다.

Description

플라즈마 토치 가열을 사용하는 가스 재구성 시스템 {A GAS REFORMULATING SYSTEM USING PLASMA TORCH HEAT}
본 발명은 탄소함유 공급원료 가스화 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 플라즈마 토치 가열을 사용하는 가스 정제 시스템에 관한 것이다.
가스화는 탄소함유 공급원료, 예를 들어 도시 고체 폐기물(municipal solid waste: MSW) 또는 석탄을 가연성 가스로 변환시킬 수 있는 공정이다. 이러한 가스는 전기, 스팀을 생성시키기 위해 사용되거나 화학물질 및 액체 연료를 생성하기 위한 기초 원료로서 사용될 수 있다. 이러한 가스의 가능한 용도는, 내부 공정 및/또는 다른 외부 목적을 위한 스팀의 생산, 또는 스팀 터빈을 통한 전기의 생성을 위한 보일러에서의 연소; 전기의 생산을 위한 가스 터빈 또는 가스 엔진에서의 직접적 연소; 연료전지; 메탄올 및 다른 액체 연료의 생산; 화학물질, 예를 들어 플라스틱 및 비료의 생산을 위한 추가 공급원료로서의 용도; 별도의 산업적 연료 가스로서 수소와 일산화탄소의 추출; 및 다른 산업적 용도를 포함한다. 일반적으로, 가스화 공정은 제어되고/거나 제한된 양의 산소 및 임의로 스팀과 함께 탄소함유 공급원료을 가열된 챔버(가스화기)로 공급하는 것을 포함한다. 과량의 산소로 작 업하여 CO2, H2O, SOx, 및 NOx를 생산하는 소각 또는 연소와 대조적으로, 가스화 공정은 CO, H2, H2S, 및 NH3을 포함하는 미가공 가스 조성물을 생산한다. 정화(clean-up) 후에, 관심 있는 주요 가스화 생산물은 H2 및 CO이다. 유용한 공급원료은 임의의 도시 폐기물, 산업적 활동에 의해 생성되는 폐기물 및 생물의학적 폐기물, 하수, 슬러지, 석탄, 중유, 석유 코크스, 중질 정제 잔여물(heavy refinery residual), 정제 폐기물, 탄화수소 오염된 토양, 바이오매스 및 농업 폐기물, 타이어 및 다른 유해 폐기물을 포함할 수 있다. 공급원료의 기원에 따라, 휘발성 물질은 H2O, H2, N2, O2, CO2, CO, CH4, H2S, NH3, C2H6, 불포화 탄화수소, 예를 들어 아세틸렌, 올레핀, 방향족, 타르, 탄화수소 액체(오일) 및 챠르(char)(카본 블랙 및 애쉬(ash))을 포함할 수 있다.
공급원료이 가열되는 경우, 물이 첫 번째로 방출되는 성분이다. 건조 공급원료의 온도가 증가함에 따라, 열분해가 발생된다. 열분해 동안 공급원료이 열적으로 분해되어서 타르, 페놀 및 가벼운 휘발성 탄화수소 가스를 방출시키며, 공급원료은 챠르로 변환된다.
챠르는 유기 및 무기 물질로 구성되는 잔여 고체를 포함한다. 열분해 후, 챠르는 건조 공급원료보다 더 높은 농도의 탄소를 가지고, 활성화된 탄소의 공급원으로서 제공될 수 있다. 고온(>1,200℃)에서 작동하는 가스화기에서 또는 고온 영역을 가지는 시스템에서, 무기 미네랄 물질은 융합되거나 유리화되어서 슬래그로 불리는 용융된 유리와 같은 물질을 형성한다.
슬래그가 융합되고 유리화된 상태에 있기 때문에, 일반적으로 이는 유해하지 않은 것으로 알려져 있으며 유해하지 않은 물질로서 매립지에 폐기되거나 광석, 노반(road-bed) 또는 다른 건축재료로서 판매될 수 있다. 가열 공정에서의 극심한 연료 소비 및 유용한 합성가스 및 고체 물질로 변환될 수 있는 재료를 잔여 폐기물로서 처리하는 추가 낭비 때문에, 소각에 의해 폐기물을 폐기하는 것은 덜 바람직하게 된다.
가스화 공정을 달성하는 수단은 여러 방식으로 다양하지만, 4가지 주요 공학적 요소에 좌우된다: 가스화기내의 대기(산소의 수준 또는 공기 또는 스팀 함유물); 가스화기의 설계; 내부 및 외부 가열 수단; 및 공정을 위한 작업 온도. 생성 가스의 질에 영향을 주는 요소들은, 공급원료 조성, 제조 및 입자 크기; 가스화기 가열 속도; 체류 시간; 건조 또는 슬러리 공급 시스템, 공급원료-반응 흐름 기하구조, 건조 애쉬 또는 슬래그 미네랄 제거 시스템의 설계를 이용하는지 여부를 포함하는 공장 배열; 직접 또는 간접 열 생성 및 전달 방법을 사용하는지 여부; 및 합성가스 정화 시스템을 포함한다. 가스화는 약 650℃ 내지 1200℃의 범위의 온도에서 그리고 진공 또는 대기압 또는 약 100 기압 이하의 압력에서 일반적으로 수행된다.
가스화 공정에 의해 생산되는 열을 포획하고, 이러한 열을 이용하여 전기를 생성하기 위해 제안된 다수의 시스템이 존재하는데, 이는 일반적으로 복합 순환 시스템(combined cycle system)으로 알려져 있다.
이러한 공정에 의해 그리고 가스화 시스템 전반에 걸쳐 생산되는 상당량의 재생가능한 현열(sensible heat)과 커플링되는 생성 가스에서의 에너지는 이러한 공정을 구동하기에 충분한 전기를 일반적으로 생산할 수 있고, 이로써 지역 전기 소비의 비용을 줄일 수 있다. 1 톤의 탄소함유 공급원료을 가스화하기 위해 요구되는 전력의 양은 공급원료의 화학 조성에 직접적으로 좌우된다.
가스화 공정에서 생성되는 가스가 "낮은 질" 탄소함유 공급원료을 사용하여 저온 가스화기에서 생성되는 경향이 있는 가스 종류과 같은 광범위하게 다양한 휘발성 물질을 포함하는 경우, 이는 일반적으로 오프-가스(off-gas)로 지칭된다. 공급원료의 특성 및 가스화기에서의 조건이 CO 및 H2가 두드러진 화학 종인 가스를 생성하는 경우, 이러한 가스는 합성가스로 지칭된다. 몇몇 가스화 설비는 가스 질 컨디셔닝(conditioning) 시스템을 통해 냉각 및 세정 전에, 미가공 오프-가스 또는 미가공 합성가스를 보다 한정된 가스 조성으로 변환시키는 기술을 이용한다.
플라즈마 가열 기술을 활용하여 물질을 가스화하는 것은 수년 동안 사용되어 온 기술이다. 플라즈마는 고온 발광성 가스이며, 이는 부분적으로 또는 전체적으로 이온화되어 있고, 가스 원자, 가스 이온 및 전자로 구성되어 있다. 플라즈마는 임의의 가스를 사용하여 이러한 방식으로 생성될 수 있다. 이는 플라즈마에서의 화학 반응에 대해 탁월한 제어를 제공하는데, 이는 가스가 중성(예를 들어, 아르곤, 헬륨, 네온), 환원성(예를 들어, 산소, 메탄, 암모니아, 일산화탄소), 또는 산화성(예를 들어, 공기, 산소, 일산화탄소)일 수 있기 때문이다. 벌크 상에서, 플라즈마는 전기적으로 중성이다.
몇몇 가스화 시스템은 플라즈마 가열을 이용하여, 가스화 공정을 높은 온도에서 구동하고/거나 다른 입력물 또는 반응물을 부가하거나 부가하지 않으며 더 긴 사슬 휘발성물질 및 타르를 더 작은 분자로 변환하거나, 재구성하거나 개질시킴으로써 오프가스/합성 가스를 정제한다. 가스 분자가 플라즈마 열과 접촉하게 되는 경우에, 이들은 이들의 구성 원자로 분해된다. 다수의 이러한 원자들은 다른 입력 분자와 반응하여 새로운 분자를 형성하며, 나머지는 유사 원자(like atom)와 재조합될 수 있다. 플라즈마 열과의 접촉하는 분자의 온도가 감소함에 따라, 모든 원자가 완전히 재조합된다. 입력 가스가 화학양론적으로 제어될 수 있기 때문에, 출력 가스가 제어되어, 예를 들어, 상당한 수준의 일산화탄소 및 미량 수준의 이산화탄소를 생성할 수 있다.
플라즈마 가열로 달성될 수 있는 매우 높은 온도(3000 내지 7000℃)는 고온 가스화 공정을 가능하게 하며, 여기서 임의의 형태 또는 조합된 형태의 액체, 가스 및 고체를 포함하는 처음 받아들여진 상태(as-received condition)의 폐기물을 포함하는 실질적으로 임의의 입력 공급원료이 수용될 수 있다. 플라즈마 기술은 주요 가스화 챔버 내에 위치하여 모든 반응이 동시에 일어나게(고온 가스화) 할 수 있거나, 시스템 내에 위치하여 이들이 순차적으로 일어나게(고온 정제를 사용하는 저온 가스화) 할 수 있거나, 이의 조합일 수 있다.
탄소함유 공급원료의 가스화 동안 생성되는 가스는 일반적으로 매우 고온이지만, 소량의 원하지 않는 화합물을 함유할 수 있어서 이를 사용가능한 생성물로 변환하기 위한 추가 처리를 요구할 수 있다. 탄소함유 물질이 가스 상태로 변환되 는 경우, 금속, 황 화합물 및 애쉬와 같은 바람직하지 않은 물질이 가스로부터 제거될 수 있다. 예를 들어, 건조 여과 시스템 및 습윤 스크러버(scrubber)가 미립자 물질 및 산성 가스를 가스화 동안 생성된 가스로부터 제거하기 위해 종종 사용된다. 가스화 공정 동안 생산된 가스를 처리하기 위한 시스템을 포함하는 다수의 가스화 시스템이 개발되어 왔다.
이러한 요인들은 예를 들어 미국 특허 번호 6,686,556, 6,630,113, 6,380,507; 6,215,678, 5,666,891, 5,798,497, 5,756,957, 및 미국 특허 출원 번호 2004/0251241, 2002/0144981에 기재되어 있는 여러 상이한 시스템의 설계에서 고려되었다. 미국 특허 번호 4,141,694; 4,181,504; 4,208,191; 4,410,336; 4,472,172; 4,606,799; 5,331,906; 5,486,269, 및 6,200,430를 포함하는, 다양한 분야에 사용되는 합성 가스를 생산하기 위한 다양한 석탄 가스화 기술에 관한 다수의 특허가 또한 존재한다.
미국 특허 번호 6,810,821에는 이산화탄소와 산소의 혼합물을 포함하고 질소를 배제시킨 작업 가스를 사용하는, 플라즈마 토치를 사용하여 폐기물 처리 시스템의 가스 부산물을 처리하기 위한 장치 및 방법이 기재되어 있다. 질소를 배제시키는 것은 고온에서 공기 플라즈마 작업 가스 중의 질소와 용기/반응기 중의 산소 및 탄화수소의 반응으로 인해 생성되는 질소 산화물 및 수소 시안화물이 형성되는 것을 방지해준다.
미국 특허 번호 5,785,923에는 휘발성 물질을 파괴시키기 위해 플라즈마 토치와 같은 입력 가스 토치 히터를 지닌 입력 가스 수용 챔버를 포함하는 연속 공급 물질 용융을 위한 장치가 기재되어 있다.
종래 시스템 및 공정은 연속적으로 변화한다는 점을 기초로 다뤄져야 하는 문제를 적절히 해결하지 못했다. 이러한 유형의 가스화 시스템의 일부는 가스화 반응으로부터 유용한 가스를 생성시키는 공정을 조정하기 위한 수단을 기재하고 있다. 따라서, 공정 및/또는 전체적 공정을 구성하는 단계의 전체 효능을 최대화하는 방식으로 탄소함유 공급원료을 효율적으로 가스화할 수 있는 시스템을 제공하는 것은 당업계에서 큰 진보일 것이다.
발명의 개요
본 발명의 목적은 플라즈마 토치 가열을 사용하는 가스 정제 시스템을 제공하는 데에 있다. 본 발명의 일면에 따르면, 가스화 반응으로부터의 입력 가스를 소정의 화학 조성을 지닌 재구성된 가스로 재구성하기 위한 시스템이 제공되는데, 이러한 시스템은 제 1 단부 및 제 2 단부를 지닌 내화물-라이닝된(refractory-lined) 원통형 챔버로서, 챔버의 제 1 단부에 위치하거나 제 1 단부 근처에 위치하며 입력 가스를 수용하기 위한 입력부; 챔버의 제 2 단부에 위치하거나 제 2 단부 근처에 위치하며 재구성된 가스를 방출하기 위한 출력부; 챔버와 유체 소통하는 하나 이상의 산소 공급원(들) 입력부를 포함하는 챔버; 및 하나 이상의 플라즈마 토치를 포함하며, 여기서 상기 플라즈마 토치(들)은 챔버를 가열하고, 이에 따라 입력 가스가 재구성된 가스로 변환된다.
본 발명의 또 다른 일면에 따르면, 입력 가스를 내화물-라이닝된 챔버의 유입구에 전달하는 단계; 산소 공급원을 챔버내로 주입하는 단계; 하나 이상의 플라즈마 토치를 사용하여 챔버를 토치 가열하는 단계, 및 이로써 재구성된 가스를 생성시키는 단계를 포함하여 가스화 반응으로부터의 입력 가스를 재구성된 가스로 재구성하는 방법이 제공된다.
본 발명은 탄소함유 공급원료의 가스화로부터 유래된 입력 가스를 소정의 화학 조성을 지닌 재구성된 가스로 재구성하기 위한 가스 재구성 시스템을 제공한다. 특히, 가스 재구성 시스템은 플라즈마 토치로부터의 토치 열을 사용하여 가스 분자를 분해시킴으로써 이러한 분자가 에너지 생성과 같은 다운스트림 적용을 위해 유용한 보다 작은 분자로 재조합될 수 있게 한다. 또한, 본 발명의 시스템은 가스 혼합 수단, 공정 첨가제 수단, 및 하나 이상의 센서, 하나 이상의 공정 이펙터(effector) 및 재구성 반응을 모니터링하고/하거나 조절하기 위한 연산(computing) 수단을 지닌 제어 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 특징 및 그 밖의 특징은 첨부된 도면을 참조로 하는 하기 상세한 설명에서 보다 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 구체예에 따른 가스 재구성 시스템의 개략도이다.
도 2는 가스화기와 결합된 본 발명의 가스 재구성 시스템의 한 가지 구체예의 개략도이다.
도 3은 2개의 가스화기와 결합된 본 발명의 가스 재구성 시스템의 한 가지 구체예의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 구체예에 따른 가스 재구성 챔버의 개략도이다.
도 5는 가스 재구성 챔버의 한 가지 구체예의 개략도이다.
도 6A 및 6B는 가스 재구성 챔버의 한 가지 구체예에서의 배플(baffle)의 배열을 도시한다. 도 6A는 브릿지 월(bridge wall) 배플을 포함하는 가스 재구성 챔버내의 기류를 도시하는 도면이다. 도 6B는 터뷸레이터(turbulator) 또는 쵸크 링(choke ring) 배플을 포함하는 가스 재구성 챔버내의 기류를 도시하는 도면이다.
도 7A는 A형 노즐로부터의 기류를 도시하는 도면이다. 도 7B는 B형 노즐로부터의 기류를 도시하는 도면이다.
도 8은 한 가지 구체예의 유입구 및 플라즈마 토치 포트(plasma torch port)의 배향을 도시하는 개략도이다.
도 9A는 도 5의 가스 재구성 챔버의 단면도이다. 도 9B는 도 5의 가스 재구성 챔버를 포함하는 본 발명의 가스 재구성 시스템을 포함하는 가스화기내의 기류를 도시하는 도면이다. 도 9C는 도 5의 챔버에서의 공기 입력부로부터 챔버내로의 공기의 주입 및 기류에 대한 이의 효과를 도시한다.
도 10은 가스 재구성 시스템의 한 가지 구체예와 결합된 수송 반응기의 개략도이다.
도 11은 가스 재구성 시스템의 한 가지 구체예와 각각 결합된 2개의 동반 흐름(entrained flow) 가스화기의 개략도이다.
도 12는 가스 재구성 시스템의 한 가지 구체예와 각각 결합된 2개의 고정상(fixed bed) 가스화기의 개략도이다.
도 13은 가스 재구성 시스템의 한 가지 구체예와 결합된 사이클론(cyclonic) 가스화기의 개략도이다.
도 14는 도 5의 가스 재구성 챔버를 포함하는 가스 재구성 시스템의 한 가지 구체예를 포함하는 수평 배향된 가스화기의 개략도이다.
도 15는 도 14의 가스화기와 가스 재구성 시스템을 달리 바라본 도면이다.
도 16은 도 14의 가스화기와 가스 재구성 시스템의 단면도이다.
도 17은 공기 박스(air box), 캐리어 램 핑거(carrier ram finger), 애쉬 추출 스크루 및 단계 C의 톱니형 에지가 상세히 묘사되어 있는 도 14에 도시된 가스화기의 확대 단면도를 도시한다.
도 18은 도 14에 도시된 가스화기의 캐리어 램 엔클로저(carrier ram enclosure)가 상세히 묘사된 도면이다.
도 19는 내화 지지체가 상세히 묘사되어 있는 도 5의 가스 재구성 챔버의 단면도이다.
도 20은 본 발명의 구체예에 따른 토치 장착 시스템이 상세히 묘사되어 있는 실시예 1의 가스 재구성 시스템의 일부의 개략도이다.
발명의 상세한 설명
달리 정의되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술 및 학술 용어는 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 지닌다.
본원에 사용된 용어 "감지 엘리먼트"란 공정, 공정 장치, 공정 입력물 또는 공정 출력물의 특성을 감지하도록 구성된 시스템의 임의의 엘리먼트를 지칭하는 것 으로 규정되며, 여기서 상기 특성은 시스템의 하나 이상의 지역(local), 구역(regional) 및/또는 전체(global) 공정을 모니터링하고, 조절하고/하거나 제어하는 데에 사용가능한 특성값에 의해 표현될 수 있다. 가스화 시스템과 관련하여 고려되는 감지 엘리먼트로는 비제한적으로 시스템내의 임의의 주어진 시점 및 시스템내에 사용된 임의의 공정 장치의 임의의 동작 특성에서 물질 위치 및/또는 배치뿐만 아니라 공정, 유체 및/또는 물질 온도, 압력, 흐름, 조성 및/또는 그 밖의 이와 같은 특성을 감지하기 위한 센서, 검출기, 모니터, 분석기 또는 이들의 임의의 조합물이 있을 수 있다. 감지 엘리먼트의 상기 예는 이들 각각이 가스화 시스템과 관련하여 관계가 있다고 하더라도 본원의 기재내용과 관련해서는 특별히 관계가 있지 않을 수 있고, 이에 따라 본원에서 감지 엘리먼트로서 확인된 엘리먼트는 이러한 예를 고려하여 제한되고/되거나 부적절하게 해석되지 않아야 하는 것으로 당업자에게 인식될 것이다.
본원에 사용된 용어 "응답 엘리먼트"는 하나 이상의 미리정해지고, 연산되고, 고정되고/되거나 조정가능한 제어 파라미터에 따라 이와 작동적으로 결합된 공정 장치를 동작시키기 위해 감지된 특성에 응답하도록 구성된 시스템의 임의의 엘리먼트를 지칭하도록 규정되며, 여기서 하나 이상의 제어 파라미터는 요망되는 공정 결과를 제공하도록 한정된다. 가스화 시스템과 관련하여 고려되는 응답 엘리먼트로는 비제한적으로 정적이고, 미리설정되고/되거나 동적으로 가변적인 드라이버(driver), 전원 및 하나 이상의 제어 파라미터를 기초로 하여 장치에 기계적, 전기적, 자기적, 공압적, 수압적 또는 이들이 조합된 형태일 수 있는 작용을 제공하 도록 구성될 수 있는 임의의 다른 엘리먼트가 있을 수 있다. 가스화 시스템과 관련하여 고려되고 하나 이상의 응답 엘리먼트가 작동적으로 결합될 수 있는 공정 장치로는 비제한적으로 물질 및/또는 공급원료 입력 수단, 플라즈마 가열원과 같은 가열원, 첨가제 입력 수단, 다양한 가스 송풍기 및/또는 그 밖의 이와 같은 가스 순환 장치, 다양한 가스 흐름 및/또는 압력 조절기, 및 가스화 시스템내에서 임의의 지역, 구역 및/또는 전체 공정에 영향을 미치도록 동작할 수 있는 다른 공정 장치가 있을 수 있다. 응답 엘리먼트의 상기 예는 이들 각각이 가스화 시스템과 관련하여 관계가 있다고 하더라도 본원의 기재내용과 관련해서는 특별히 관계가 있지 않을 수 있고, 이에 따라 본원에서 응답 엘리먼트로서 확인된 엘리먼트는 이러한 예를 고려하여 제한되고/되거나 부적절하게 해석되지 않아야 하는 것으로 당업자에게 인식될 것이다.
시스템의 개관
도 1을 참조하면, 본 발명은 하나 이상의 입력 가스 유입구 (3004), 하나 이상의 재구성된 가스 유출구 (3006), 하나 이상의 플라즈마 토치 (3008), 하나 이상의 산소 공급원(들) 입력부 (3010) 및 제어 시스템을 지닌 가스 재구성 챔버 (3002)를 포함하는 가스 재구성 시스템 (GRS) (3000)을 제공한다.
본 발명은 탄소함유 공급원료의 가스화 동안 생성되는 수트(soot) 및 카본 블랙과 같은 오염성 미립자 물질 및 예를 들어 일산화탄소, 수소, 경질 탄화수소, 및 이산화탄소를 포함할 수 있는 휘발성 분자를 포함하는 미가공 입력 가스를 변환시키기 위한 GRS를 제공한다. 이러한 GRS는 공정을 내포하고 이를 제어하기 위한 밀폐된 환경을 제공한다. 이는 플라즈마 토치 가열을 이용하여 휘발성 분자를 이의 구성 원소로 분해시키는데, 이어서 이러한 구성 원소는 소정의 화학 조성을 지닌 재구성된 가스로서 재조합된다. 공기 및/또는 산소 및 임의로 스팀과 같은 공정 첨가제가 재조합을 위해 필요한 분자 종을 제공하기 위해 사용된다. 또한, 플라즈마 토치 가열은 다른 것들 중에서 파라핀, 타르, 염화 화합물과 같은 원하지 않는 물질을 제거하는데, 이는 이러한 원하지 않는 물질을 H2 및 CO와 같은 작은 분자로 분해시키고 변환시킴으로써 이루어진다. GRS는 공정을 조절함으로써 공정이 최적화될 수 있게 하는 제어 시스템을 추가로 포함한다.
GRS는 가스화 반응으로부터의 입력 가스를, 화학적 구성이 다운스트림을 고려하여 바람직한 비율 및 조성으로 보다 작은 분자를 포함하는 소정의 조성을 지닌 가스로 변환시킬 수 있도록 설계된다.
가스 재구성 시스템 (GRS)
도 1을 참조하면, GRS (3000)은 하나 이상의 투여 가스 유입구(들) (3004), 하나 이상의 재구성된 가스 유출구(들) (3006), 하나 이상의 플라즈마 토치(들) (3008), 하나 이상의 산소 공급원(들) 입력부(들) (3010) 및 제어 시스템을 지닌 가스 재구성 챔버 (3002)를 포함한다.
GRS의 다운스트림에는 가스 재구성 챔버의 압력을 요망되는 압력, 예를 들어 약 0 내지 -5 mbar의 압력으로 유지시키기 위해 가스 재구성 챔버와 가스 소통하는 유도 송풍기가 제공될 수 있다.
도 2를 참조하면, 한 가지 구체예에서, GRS (3000)가 가스화기 (2000)에 직접 결합되어 가스 재구성 챔버 (3002)가 가스화기 (2000)와 가스 소통하게 되도록 설계된다. 따라서, 가스 재구성 챔버 (3002)는 가스화기 (2000)로부터 직접적으로 입력 가스를 수용한다. 이러한 구체예에서, GRS (3000)는 가스 재구성 챔버 (3002)를 가스화기 (2000)에 결합시키기 위해 설치 플랜지(mounting flange) (3014) 또는 컨넥터(connector)를 추가로 포함할 수 있다. 유지 또는 보수를 용이하게 하기 위해, GRS (3000)는 GRS (3000)가 필요에 따라 분리될 수 있도록 임의로 가스화기 (2000)에 가역적으로 결합될 수 있다.
도 3에 도시된 한 가지 구체예에서, GRS (3000)는 배관 (3009) 또는 적절한 도관을 통해 하나 이상의 저장 탱크(들) 또는 하나 이상의 가스화기(들) (2000)로부터 입력 가스를 수용하는 독립 유닛이다. 이러한 독립 유닛의 경우, GRS는 적절한 지지 구조물을 추가로 포함할 수 있다.
가스 재구성 챔버
도 1 내지 4를 참조하면, 가스 재구성 챔버 (3002)는 하나 이상의 입력 가스 유입구 (3004), 하나 이상의 재구성된 가스 유출구 (3006), 히터(heater)를 위한 하나 이상의 포트 (3016) 및 산소 공급원(들) 입력을 위한 하나 이상의 포트를 지닌다.
입력 가스는 챔버 (3002)내의 하나 이상의 입력 가스 유입구(들) (3004)을 통해 플라즈마-토치 가열되는 가스 재구성 챔버 (3002)로 유입하고, 임의로 가스 혼합기 (3012)에 의해 혼합된다. 하나 이상의 입력부(들) (3010)이 제공되며, 이 를 통해 산소 공급원(들)이 가스 재구성 챔버 (3002)내로 주입된다. 하나 이상의 재구성된 가스 유출구 (3006)는 재구성된 가스가 GRS (300)로부터 배출되어 추가 정제 또는 저장 시설에서의 저장과 같은 다운스트림 공정에 전달될 수 있게 한다.
설계 목적
가스 재구성 챔버 (3002)는 입력 가스가 재구성된 가스로 재구성되게 하는 데에 필요한 체류 시간을 제공하기에 충분한 내부 용적을 지니는 챔버이다.
따라서, 가스 재구성 챔버를 설계함에 있어서, 필요한 가스 체류 시간이 고려될 수 있다. 가스 체류 시간은 가스 재구성 챔버 용적과 기하구조, 가스 유속, 가스가 이동하는 거리 및/또는 챔버를 통한 가스의 경로 (즉, 직선형 경로 또는 소용돌이형, 사이클론형, 나선형 또는 그 밖의 비선형 경로)의 함수이다. 따라서, 가스 재구성 챔버는 챔버를 통한 가스의 유동 역학이 적절한 가스 체류 시간을 가능하게 하는 방식으로 형상화되고 크기가 정해져야 한다. 가스 체류 시간은 가스 재구성 챔버를 통한 가스의 소용돌이식 흐름을 촉진시키는 공기 젯(air jet)의 사용에 의해 변형될 수 있는데, 이 경우 가스의 경로가 비선형적이므로 보다 긴 체류 시간을 지닌다.
한 가지 구체예에서, 가스 체류 시간은 약 0.5 내지 약 2.0초이다. 한 가지 구체예에서, 가스 체류 시간은 약 0.75 내지 약 1.5초이다. 또 다른 구체예에서, 가스 체류 시간은 약 1 내지 약 1.25초이다. 또 다른 구체예에서, 가스 체류 시간은 약 1.2초이다.
가스 재구성 챔버의 특정 설계가 요구되는 화학적 재구성이 일어날 수 있게 하기 위한 공정 입력물의 적절한 혼합 및 적절한 조건 형성을 촉진시킴을 보장하기 위해 GRS의 흐름 모델링(modeling)이 수행될 수 있다.
형상 및 배향
가스 재구성 챔버 (3002)는 입력 가스가 재구성된 가스로 충분히 재구성될 수 있게 하는 적절한 체류 시간을 가능하게 하는 한 임의의 형상일 수 있다. 가스 재구성 챔버 (3002)는 입력 가스의 적절한 혼합이 일어나고 요망되는 체류 시간이 유지되는 한 다양한 위치로 배치될 수 있다.
가스 재구성 챔버는 실질적으로 수직으로, 실질적으로 수평으로 또는 각을 이루며 배향될 수 있고, 약 2:1 내지 약 6:1의 광범위한 길이 대 직경 비를 지닌다. 한 가지 구체예에서, 가스 재구성 챔버 (3002)의 길이 대 직경 비는 3:1이다.
한 가지 구체예에서, 가스 재구성 챔버 (3002)는 제 1 (업스트림) 단부 및 제 2 (다운스트림) 단부를 포함하는 직선관형 또는 벤츄리형 구조이고, 실질적으로 수직인 위치 또는 실질적으로 수평인 위치로 배향된다.
한 가지 구체예에서, 가스 재구성 챔버 (3002)는 실질적으로 수평으로 또는 실질적으로 수직으로 위치되고, 입력 가스에서 탄화수소 유기 화합물의 크래킹을 완결하기에 충분한 가스 체류 시간을 가능하게 하도록 설계된 용적, 및/또는 가스 속도가 최적 범위에 있음을 보장하도록 설계된 길이/직경 비를 지닌다.
GRS (3202)가 가스화기에 결합되도록 구성된 도 5에 도시된 한 가지 구체예에서, 가스 재구성 챔버 (3202)는 가스화기 (2000)와의 직접적 가스 소통을 위한 개방된 저부 (업스트림) 단부 (3204) 및 챔버의 상부 (다운스트림) 단부의 근처에 있거나 이러한 단부에 있는 하나의 재구성된 가스 유출구 (3206)를 지닌 직선형이고 실질적으로 수직인 내화물-라이닝되고 캡핑(capping)된 원통형 구조물이다. 원통형 챔버는 내화물-라이닝된 실린더의 상부 (다운스트림) 단부를 내화물-라이닝된 리드(lid) (3203)로 캡핑시킴으로써 형성된다. 유지 또는 보수를 용이하게 하기 위해, 리드는 실린더에 분리가능하게 밀봉된다.
가스 재구성 챔버의 벽은 내화물질로 라이닝될 수 있고/있거나 워터 쟈켓(water jacket)은 스팀의 냉각 및/또는 생성 또는 사용가능한 토치 열의 회수를 위해 가스 재구성 챔버를 캡슐화할 수 있다.
가스 재구성 챔버는 열 회수를 위한 냉각 메커니즘과 함께 다수의 벽을 지닐 수 있고, 가스 재구성 시스템은 고압/고온 스팀 생성을 위한 열교환기 또는 그 밖의 열 회수 능력을 또한 포함할 수 있다.
임의로, 가스 재구성 챔버는 하나 이상의 챔버를 포함할 수 있고, 수직으로 또는 수평으로 배향될 수 있고, 가스의 역혼합(back mixing) 및 난류를 촉진하기 위해 배플과 같은 내부 부품을 지닐 수 있다.
가스 재구성 챔버는 임의로 고형 미립자 물질을 위한 수집기를 지닐 수 있는데, 이러한 고형 미립자 물질은 수집되어 임의로 추가 처리를 위해 가스화기내로 공급되거나 추가 처리를 위해 고형 잔류물 컨디셔닝 챔버와 같은 가스화 시스템의 고형 잔류물 구획내로 공급될 수 있다.
고형 미립자 물질을 위한 수집기는 당 분야에 공지되어 있고, 비제한적으로 원심분리기, 관성 충돌(inertial impingement) 배플, 필터 등을 포함한다.
GRS가 가스화기에 직접 결합되어 있는 구체예에서, 고형 미립자 수집기는 필요하거나 불필요할 수 있는데, 이는 형성된 미립자가 부분적으로 가스화기내로 바로 다시 떨어질 수 있기 때문이다.
GRS (3000)로부터 배출되는 재구성된 가스의 온도는 약 400℃ 내지 1000℃ 이상이다. 온도는 열을 회수하고 재구성된 가스를 냉각시키기 위해 사용되는 다운스트림 열교환 시스템에 의해 임의로 감소될 수 있다. 다운스트림 적용 또는 부품에 의해 요구되는 경우, 냉각된 재구성된 가스 및 새로 생성된 재구성된 가스가 혼합되도록 가스 재구성 챔버 (3002)의 상부에 냉각된 재구성된 가스를 재순환시킴으로써 재구성된 가스의 배출 온도가 감소될 수 있다. 따라서, 가스 재구성 챔버 (3002)는 냉각된 재구성된 가스를 새로 형성된 고온의 재구성된 가스내로 주입시키기 위해 챔버의 다운스트림 단부 근처에 임의로 유입구를 포함할 수 있다.
물질
가스 재구성 챔버는 일반적으로 요구되는 가스 체류 시간 동안 적절한 양의 가스를 수용하도록 하는 치수의 내부 용적을 지닌 내화물-라이닝된 챔버이거나 고온을 견딜 수 있도록 다른 방식으로 제조된다.
고온 (예를 들어, 약 1200℃ 이하)의 가압되지 않은 챔버에서 사용하기에 적합한 통상적인 내화 물질은 당업자에게 널리 공지되어 있다. 적합한 내화 물질의 예로는 비제한적으로 고온 소성 세라믹, 즉, 알루미늄 옥사이드, 알루미늄 니트라이드, 알루미늄 실리케이트 보론 니트라이드, 지르코늄 포스페이트, 유리 세라믹 및 주로 실리카, 알루미나, 크로미아 및 티타니아를 함유하는 고알루미나 벽 돌(high alumina brick), 세라믹 블랭킷(blancket) 및 단일 내화벽돌(firebrick)이 있다. 보다 견고한 내화 물질이 필요한 경우, Didier Didoflo 89CR 및 Radex Compacflo V253과 같은 물질이 사용될 수 있다.
한 가지 구체예에서, 내화물은 가스 재구성 챔버에 존재하는 고온, 부식 및 침식에 저항하도록 내부에 고밀도층을 지닌 다중층 설계일 수 있다. 고밀도층의 외부에는 저항 특성이 보다 낮지만 절연 인자는 보다 높은 저밀도 물질이 존재한다. 임의로, 이러한 층의 외부에는 사용될 수 있는 매우 높은 절연 인자를 지닌 매우 저밀도의 발포판(foam board) 물질이 존재하는데, 이는 이것이 가스 재구성 챔버내에 존재할 수 있는 침식성 환경에 노출되지 않기 때문이다. 다중층 설계는 고형 내화물과 용기 쉘(shell) 사이의 차등 팽창을 가능하게 하는 연한 층(compliant layer)을 제공하기 위해 발포판과 세라믹 블랭킷 물질인 용기 쉘 사이에 임의로 외부층을 추가로 포함할 수 있다. 다중층 내화물에 사용하기에 적합한 물질은 당 분야에 널리 공지되어 있다.
한 가지 구체예에서, 다중층 내화물은 내화물의 수직 팽창을 가능하게 하도록 비-압축 가능한 내화물의 압축 가능한 내화물 분리 부분의 단편을 추가로 포함할 수 있다. 압축 가능한 층은 연장가능한 고밀도 내화물을 중첩시킴으로써 임의로 침식으로부터 보호될 수 있다.
한 가지 구체예에서, 다중층 내화물은 내부 배향된 크로미아층; 중간 알루미나층 및 외부 인스보드(insboard)층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 구체예에서, 가스 재구성 챔버는 처리 동안 형성된 중간체 화학 성분으로부터의 화학 반응에 영향받지 않으며 프로세싱 토치 열의 최대 보유를 보장하기 위해 전체 가스 재구성 챔버 전반에 걸쳐 특별히 선택된 내화 라이닝의 약 17 인치 이하 또는 이 보다 긴 층을 포함한다.
가스 재구성 챔버의 저부 섹션의 내화 라이닝은 마모되고 열화되기 더욱 쉬울 수 있는데, 이는 이것이 플라즈마 토치 가열의 동작원(operating source)으로부터의 보다 높은 온도를 견뎌내야 하기 때문이다. 따라서, 한 가지 구체예에서, 하부 섹션의 내화물은 가스 재구성 챔버 벽 및 상부상의 내화물 보다 내구성이 있는 "핫 페이스(hot face)" 내화물을 포함하도록 설계된다. 예를 들어, 벽 및 상부상의 내화물은 DIDIER RK30 벽돌로 제조될 수 있고, 하부 섹션에 대한 상이한 "핫 페이스" 내화물은 RADEX COMPAC-FLO V253으로 제조될 수 있다.
가스 재구성 챔버가 내화물-라이닝된 구체예에서, 가스 재구성 챔버의 벽은 임의로 내화물 라이닝 또는 내화물 앵커(anchor)에 대한 지지체를 포함할 수 있다.
가스 유입구 및 유출구
가스 재구성 챔버 (3002)는 처리용 챔버내로 입력 가스를 공급하기 위한 하나 이상의 입력 가스 유입구 (3004) 및 재구성 반응에서 생성된 재구성된 가스를 다운 스트림 처리부 또는 저장소로 전달하기 위한 하나 이상의 재구성된 가스 유출구 또는 포트 (3006)을 포함한다. 입력 가스를 위한 유입구(들)은 제 1 또는 업스트림 단부에 위치한다. 유입구는 개구를 포함하거나, 또한 가스 재구성 챔버내로의 입력 가스의 흐름을 제어하기 위한 장치 및/또는 입력 가스를 가스 재구성 챔버내로 주입하기 위한 장치를 포함할 수 있다.
한 가지 구체예에서, 입력 가스를 가스 재구성 챔버로 전달하기 위한 하나 이상의 입력 가스 유입구 (3004)가 병류(concurrent), 역류(countercurrent), 방사(radial), 접선(tangential) 또는 그 밖의 공급원료 흐름 방향을 촉진하는 방식으로 포함될 수 있다.
한 가지 구체예에서, 증가하는 콘모양(conical shape)을 지닌 하나의 입력 가스 유입구가 제공된다.
한 가지 구체예에서, 유입구는 가스 재구성 챔버의 개방된 제 1 단부을 포함함으로써, 가스화기와 직접 가스 소통하게 된다.
가스화기 및 GRS가 직접 결합된 구체예에서, GRS에 결합되는 가스화기상의 결합 부위는 가스 흐름을 최적화하고/하거나 가스 재구성 챔버로 유입되기 전에 입력 가스의 혼합을 최대화하도록 전략적으로 위치할 수 있다.
한 가지 구체예에서, 가스 재구성 챔버는 가스화기의 중심에 위치함으로써 가스 재구성 챔버로 유입되기 전에 입력 가스의 혼합을 최적화시킨다.
한 가지 구체예에서, 유입구는 가스 재구성 챔버의 폐쇄된 제 1 (업스트림) 단부에 위치한 개구를 포함한다. 이러한 구체예는 탄소함유 공급원료의 가스화 동안 생성된 휘발성물질을 챔버내로 전달하기 위해 입력 가스 유입 포트를 사용한다.
한 가지 구체예에서, 유입구는 제 1 (업스트림) 단부 근처에 있는 가스 재구성 챔버의 벽에 하나 이상의 개구를 포함한다.
도 3을 참조하면, 가스 재구성 챔버 (3000)가 하나 이상의 가스화기 (2000)에 연결된 구체예에서, 가스 재구성 챔버 (3002)의 하나 이상의 유입구가 공통의 개구를 통해 하나 이상의 가스화기 (2000)와 직접 소통하게 될 수 있거나 배관 (3009) 또는 적절한 도관을 통해 가스화기 (2000)에 연결될 수 있다.
재구성 반응에서 생성되는 재구성된 가스는 하나 이상의 재구성된 가스 유출구 (3006)를 통해 가스 재구성 챔버로부터 배출된다.
가스 재구성 챔버에서 생성되는 재구성된 가스를 위한 하나 이상의 유출구 (3006)는 제 2 또는 다운스트림 단부에 위치하거나 이러한 단부 근처에 위치한다. 유출구는 개구를 포함하거나, 또한 가스 재구성 챔버로부터 재구성된 가스의 흐름을 제어하기 위한 장치를 포함할 수 있다.
한 가지 구체예에서, 유출구는 가스 재구성 챔버의 개방된 제 2 (다운스트림) 단부를 포함한다.
한 가지 구체예에서, 유출구는 가스 재구성 챔버의 폐쇄된 제 2 (다운스트림) 단부에 위치한 하나 이상의 개구를 포함한다.
한 가지 구체예에서, 유출구는 제 2 (다운스트림) 단부 근처에 있는 가스 재구성 챔버의 벽에 개구를 포함한다.
포트
가스 재구성 챔버는 히터를 위한 하나 이상의 포트, 하나 이상의 공정 첨가제 포트, 및 임의로 하나 이상의 액세스(access) 포트, 관찰 포트 및/또는 계측(instrumentation) 포트를 포함하는 다양한 포트를 포함한다.
히터 포트는 플라즈마 토치를 포함하는 주 가열원 및 임의의 2차 가열원에 대한 포트를 포함한다.
한 가지 구체예에서, 가스 재구성 챔버는 플라즈마 토치 (3016)를 장착하기 위한 하나 이상의 포트(들)을 포함한다.
한 가지 구체예에서, 가스 재구성 챔버 (3002)는 플라즈마 토치 (3016)를 장착하기 위한 2개 이상의 포트를 포함한다.
한 가지 구체예에서, 가스 재구성 챔버는 플라즈마 토치를 장착하기 위한 3개 이상의 포트를 포함한다.
한 가지 구체예에서, 가스 재구성 챔버는 플라즈마 토치를 장착하기 위한 4개 이상의 포트를 포함한다.
한 가지 구체예에서, 가스 재구성 챔버의 원주를 따라 정반대의 장소에 위치한 플라즈마 토치를 위한 2개의 포트가 제공된다.
한 가지 구체예에서, 2개의 플라즈마 토치를 접선방향으로 장착하기 위한 2개의 포트가 제공된다.
한 가지 구체예에서, 접선방향으로 장착된 플라즈마 토치를 위한 포트가 플라즈마 토치 열에 최대로 노출시키기 위해 공기 유입구 위쪽에 위치한다.
임의로, 플라즈마 토치를 장착시키기 위한 포트는 가스 재구성 챔버로부터의 플라즈마 토치(들)의 삽입 및 분리를 용이하게 하기 위해 활주식 장착 메커니즘이 피팅될 수 있고, 플라즈마 토치(들)의 탈착(retraction) 후에 포트를 밀봉하기 위한 자동 게이트 밸브를 포함할 수 있다.
임의로, 공정 첨가제, 예를 들어 이산화탄소, 다른 탄화수소 또는 추가의 가스가 가스 재구성 챔버내로 주입될 수 있게 하기 위해 하나 이상의 공정 첨가제 포 트(들) 또는 유입구(들)이 포함된다. 임의로, 품질 표준을 충족시키지 못하는 재구성된 가스가 추가의 처리를 위해 가스 재구성 챔버내로 재순환될 수 있게 하기 위해 포트 또는 유입구가 제공된다. 포트 또는 유입구는 가스 재구성 챔버내의 물질의 난류 혼합을 촉진시키기 위해 다양한 각도 및/또는 장소에 위치할 수 있다.
공정 온도, 압력, 가스 조성 및 관심있는 다른 상태의 측정을 가능하게 하기 위해 하나 이상의 포트가 포함될 수 있다.
또한, 가스 재구성 챔버 (3002)는 가스 재구성 챔버의 예비가열 또는 토치 가열을 보조하기 위한 제 2 토치 가열원을 위한 하나 이상의 포트를 추가로 포함할 수 있다.
임의로, 가스 재구성 챔버 (3002)의 하나 이상의 포트 또는 유입구를 밀봉하기 위해 플러그, 커버, 밸브 및/또는 게이트가 제공된다. 적절한 플러그, 커버, 밸브 및/또는 게이트는 당 분야에 공지되어 있고, 수동 조작되거나 자동인 것들을 포함할 수 있다. 포트는 밀봉 글랜드(gland)와 같은 적절한 밀봉부를 추가로 포함할 수 있다.
산소 공급원(들) 포트
상기 언급된 바와 같이, GRS는 산소 공급원(들)에 대한 하나 이상의 입력부를 포함하며, 산소 공급원(들)은 용이하게 이해되는 바와 같이 산소, 산소 풍부 공기, 공기, 산화 매질, 스팀 및 다른 산소 공급원을 포함한다. 따라서, 가스 변환 챔버는 산소 공급원(들) 입력을 위한 하나 이상의 포트를 포함한다.
한 가지 구체예에서, 가스 재구성 챔버는 공기 및/또는 산소 입력을 위한 하 나 이상의 포트(들) 및 임의로 스팀 입력을 위한 하나 이상의 포트를 포함한다.
한 가지 구체예에서, 가스 재구성 챔버 (3002)는 하나 이상의 산소 공급원(들) 포트(들)을 포함한다. 한 가지 구체예에서, 가스 재구성 챔버는 2개 이상의 산소 공급원(들) 포트를 포함한다. 한 가지 구체예에서, 가스 재구성 챔버는 4개 이상의 산소 공급원(들) 포트를 포함한다. 한 가지 구체예에서, 가스 재구성 챔버는 6개 이상의 산소 공급원(들) 포트를 포함한다. 한 가지 구체예에서, 가스 재구성 챔버의 원주 둘레에 3개의 층으로 배열된 9개의 산소 공급원(들) 포트가 제공된다. 산소 공급원(들) 포트는 산소 공급원(들)과 입력 가스의 충분한 혼합을 제공하는 한 다양한 배열로 존재할 수 있다.
가스 혼합기
가스 재구성 챔버 (3002)는 입력 가스가 더욱 균일한 조성 및/또는 온도를 지니도록 입력 가스를 혼합하고/하거나 입력 가스와 공정 첨가제 또는 산소 공급원(들)를 혼합하기 위해 입력 가스 유입구에서 또는 이러한 유입구 근처에 하나 이상의 추가적 또는 보충적 가스 혼합기를 임의적으로 추가로 포함할 수 있다. 혼합기는 소량의 공기를 입력 가스에 주입하여 입력 가스 스트림에서 소용돌이 운동 또는 난류를 생성시킴으로써 입력 가스를 혼합시키는 하나 이상의 공기 젯 (공기 소용돌이 젯(air swirl jet))을 입력 가스 유입구에 또는 이러한 유입구 근처에 포함할 수 있다.
한 가지 구체예에서, 혼합기는 소량의 공기를 입력 가스에 주입하여 입력 가스 스트림에서 소용돌이 운동 또는 난류를 생성시켜서 주입된 공기의 속도를 이용 함으로써 입력 가스를 혼합시키는 2개 이상의 공기 소용돌이 젯을 입력 가스 유입구에 또는 이러한 유입구 근처에 포함한다.
한 가지 구체예에서, 혼합기는 소량의 공기를 입력 가스에 주입하여 입력 가스 스트림에서 소용돌이 운동 또는 난류를 생성시킴으로써 입력 가스를 혼합시키는 3개 이상의 공기 소용돌이 젯을 유입구에 또는 이러한 유입구 근처에 포함한다.
한 가지 구체예에서, 혼합기는 소량의 공기를 입력 가스에 주입하여 입력 가스 스트림에서 소용돌이 운동 또는 난류를 생성시킴으로써 입력 가스를 혼합시키는 4개 이상의 공기 소용돌이 젯을 유입구에 또는 이러한 유입구 근처에 포함한다. 공기 소용돌이 젯의 수는 설계된 공기 흐름 및 배출 속도를 기초로 하여 실질적으로 최대 혼합 및 소용돌이를 제공함으로써 젯이 챔버의 중심으로 침투할 수 있도록 설계될 수 있다.
입력 가스에서 난류를 생성시킴으로써 입력 가스의 혼합을 유도하기 위해 배플이 또한 사용될 수 있다. 배플은 정상 흐름 패턴에 대한 기계적 장애물이다. 배플은 가스 재구성 챔버 단면의 섹션을 차단하는 작용을 함으로써 흐름 속도의 신속한 증가 및 배플의 다운스트림측상의 상응하는 신속한 감소를 일으킨다. 이는 고수준의 난류를 발생시키고, 지역 혼합을 가속시킨다.
배플은 가스 재구성 챔버내의 다양한 위치에 위치될 수 있다. 배플 배열은 본 기술분야에 공지되어 있으며, 이로 한정되는 것은 아니지만, 크로스 바 배플(cross bar baffle), 브릿지 월 배플(bridge wall baffle)(도 6A), 쵸크 링 배플(choke ring baffle)(도 6B) 배열 들을 포함한다. 따라서, 한 가지 구체예에서, 가스 혼합기가 배플이다.
산소 공급원(들)
상기 주지된 바와 같이, GRS는 하나 이상의 산소 공급원(들) 입력부를 포함하며, 산소 공급원(들)은 이로 한정되는 것은 아니지만, 산소, 산소-풍부한 공기, 공기, 산화 매질 및 스팀을 포함할 수 있다.
한 가지 구체예에서, 하나 이상의 산소 공급원(들) 입력부(들)은 하나 이상의 공기 및/또는 산소 및 임의의 하나 이상의 스팀 입력부(들)을 포함한다.
한 가지 구체예에서, 공기 및/또는 산소 및 스팀 입력부는 고온 내성 분무 노즐 또는 젯(jet)을 포함한다. 적절한 공기 노즐이 본 기술분야에서 공지되어 있으며, 시판중인 형태를 포함할 수 있다. 단일 형태의 노즐 또는 다중의 상이한 형태의 노즐이 GRS에 사용될 수 있다. 예시적인 노즐은 도 7에 예시된 바와 같은 A형 노즐 및 B형 노즐을 포함한다. 노즐의 형태는 기능적 요건을 기준으로 하여 선택될 수 있으며, 예를 들어, A형 노즐은 요구된 소용돌이를 발생시키기 위해서 기류의 방향을 변화시키기 위해 선택되고, B형 노즐은 특정의 투과, 및 최대의 혼합을 달성하기 위한 높은 기류 속도를 생성시키기 위해서 선택된다.
노즐은 공기를 요구된 각으로 유도할 수 있는데, 이러한 요구된 각은 가스를 혼합하기에 효과적인 각이다. 한 가지 구체예에서, 공기 젯은 접선방향으로 정위된다. 한 가지 구체예에서, 각을 이룬 분출은 입력 노즐의 팁에 반사기를 지녀서 입력 파이프 및 플랜지가 가스 재구성 챔버와 사각이 되게 함으로써 달성된다.
공기 및/또는 산소 입력부의 배열은 가스 재구성 챔버의 직경, 설계된 흐름 및 젯 속도를 기준으로 하여, 충분한 투과, 실질적으로 최대의 소용돌이 및 혼합이 달성될 수 있게 한다. 입력 가스를 주입된 산소 및 스팀과 충분히 혼합하고 재구성 반응이 발생하는 충분한 체류시간을 제공하는, 산소 입력부 또는 포트, 스팀 입력부 또는 포트 및 플라즈마 토치를 위한 포트의 다양한 배열이 본 발명에서 고려된다. 예를 들어, 산소 입력부 또는 포트, 스팀 입력부 또는 포트 및 플라즈마 토치를 위한 포트는 가스 재구성 챔버의 둘레를 따라서 층으로 배열될 수 있다. 이러한 배열은 플라즈마 가스, 산소 및 스팀의 접선방향 주입 및 층화된 주입을 가능하게 하며, 이는 소용돌이 운동 및 입력 가스의 산소 및 스팀과의 충분한 혼합을 유도하고, 재구성 반응이 발생하는 충분한 체류 시간을 제공한다.
공기 및/또는 산소 입력 포트가 층으로 배열되는 구체예에서, 공기 및/또는 산소 입력 포트는 임의로 혼합 효과를 실질적으로 최대화시키도록 배열될 수 있다.
한 가지 구체예에서, 모든 공기 및/또는 산소 입력 포트가 접선방향으로 정위되어서, 하부 레벨 입력 포트가 가스를 예비혼합하게 하고, 이를 토치 가열하고, 가스에서 소용돌이 운동이 시작되게 한다. 상부 레벨 공기 입력 포트는 소용돌이 운동을 가속시켜서, 재순환 와동 패턴이 전개되고 지속되게 할 수 있다.
도 9를 참조하면, 한 가지 구체예에서, 최하위 레벨의 공기 입력 포트는 4 개의 젯(3212)으로 구성되며, 이는 하부 가스화기로부터 생성된 가스를 예비혼합하고 토치 가열할 것이다. 다른 상부 두 레벨의 공기 노즐(3211)은 주 모멘텀 및 산소를 제공하여 가스를 혼합하고 소정의 온도로 토치 가열할 것이다.
스팀 입력부 또는 포트의 배열은 이들이 온도 제어에 최적화되는 용량을 제 공하는 위치에 놓이는 한 수, 레벨, 배향 및 각이 탄력적이다.
한 가지 구체예에서, 가스 재구성 챔버는 하나 이상의 스팀 입력부 또는 포트를 포함한다. 한 가지 구체예에서, 가스 재구성 챔버는 둘 이상의 스팀 입력부 또는 포트를 포함한다. 스팀 입력부 또는 포트는 이들의 배열이 입력 가스와의 충분한 혼합을 제공하는 한은 다양한 배열일 수 있다. 한 가지 구체예로, 가스 재구성 챔버의 원주 둘레에 두 층으로 배열되고 직경 위치에 정위된 두 스팀 입력 포트를 제공한다.
산소 및/또는 스팀 입력 포트는 또한 이들이 산소 및 스팀을 가스의 난류 또는 소용돌이를 촉진하는 가스 재구성 챔버의 내벽에 대해서 일정한 각도로 가스 재구성 챔버내로 주입하도록 정위될 수 있다. 그러한 각도는 챔버 직경 및 설계된 공기 입력 포트 흐름 및 속도를 기준으로 충분한 젯 투과 및 최대 혼합을 달성하도록 선택된다.
한 가지 구체예에서, 산소 및/또는 스팀 입력부는 가스 재구성 챔버의 내벽으로부터 약 50 내지 70°의 각도로 공기와 스팀을 주입한다. 한 가지 구체예에서, 산소 및 스팀 입력부는 가스 재구성 챔버의 내벽으로부터 약 55 내지 65°의 각도로 공기와 스팀을 주입한다. 한 가지 구체예에서, 산소 및 스팀 입력부는 가스 재구성 챔버의 내벽으로부터 약 60°의 각도로 산소와 스팀을 주입한다
한 가지 구체예에서, 공기 입력 포트는 이들이 모두 동일한 평면에 있게 배열되거나, 이들은 연속면에 배열될 수 있다. 공기 입력 포트의 배열은 최대의 혼합 효과를 달성하도록 설계된다. 한 가지 구체예에서, 공기 입력 포트는 하부 및 상부 레벨에 배열된다. 한 가지 구체예에서, 하부 레벨에서의 4 개의 공기 입력 포트와 상부 레벨에서 또 다른 6 개의 공기 입력 포트가 존재하며, 여기서, 3 개의 입력 포트는 다른 3 개보다 약간 더 높아서 크로스-젯 혼합 효과를 생성시켜 더 우수하게 혼합시킨다.
한 가지 구체예에서, 가스 재구성 챔버는 챔버 전체의 가스와 스팀을 충분히 혼합하는 배열인 산소 입력부, 스팀 입력 포트 및 플라즈마 토치 포트를 포함한다.
임의적으로, 공기가 각을 이루는 방향으로 챔버에 주입되어서, 공기가 챔버를 통해 통과하는 가스의 회전 또는 사이클론 운동을 발생되게 할 수 있다.
플라즈마 토치 및 이차 토치 가열 공급원
재구성 반응이 발생되게 하기 위해서, 가스 재구성 챔버(3002)는 충분히 높은 온도로 토치 가열되어야 한다. 본 기술 분야의 전문가는 재구성 반응에 충분한 온도를 용이하게 결정할 수 있다. 한 가지 구체예에서, 온도는 약 800℃ 내지 약 1200℃이다. 한 가지 구체예에서, 온도는 약 950℃ 내지 약 1050℃이다. 한 가지 구체예에서, 온도는 약 1000℃ 내지 약 1200℃이다.
따라서, GRS는 추가로 하나 이상의 비-이송식 아크 플라즈마 토치(3008)을 포함한다. 비-이송식 아크 플라즈마 토치는 본 기술분야에 공지되어 있으며, 비-이송식 아크 A.C. 및 D.C. 플라즈마 토치를 포함한다. 공기, O2, N2, Ar, CH4, C2H4 및 C3H6을 포함하지만 이로 한정되지는 않는 다양한 가스가 플라즈마 토치와 함께 사용된다. 본 기술분야의 전문가는 GRS에 사용될 수 있는 플라즈마 토치의 형태를 용이하게 결정할 수 있다.
한 가지 구체예에서, 플라즈마 토치는 하나 이상의 비-이송식 아크 A.C. 플라즈마 토치(들)이다. 한 가지 구체에에서, 플라즈마 토치는 하나 이상의 비-이속식 D.C. 플라즈마 토치(들)이다. 한 가지 구체예에서, 플라즈마 토치는 두 개의 비-이송식의 역 극성 D.C. 플라즈마 토치이다.
한 가지 구체예에서, 공기 및/또는 산소 입력방향과 동일한 소용돌이 방향을 생성시키도록 접선 방향으로 정위되는 두 플라즈마 토치가 있다. 한 가지 구체예에서, 플라즈마 토치는 각각 요구된 (부분적) 용량으로 작동하는 두 개의 300kW 플라즈마 토치이다.
한 가지 구체예에서, 가스 재구성 시스템은 하나 이상의 플라즈마 토치(들)을 포함한다. 한 가지 구체예에서, 가스 재구성 시스템은 둘 이상의 플라즈마 토치를 포함한다. 한 가지 구체예에서, 가스 재구성 시스템은 두 개의 수냉식 구리 전극, NTAT DC 플라즈마 토치를 포함한다.
한 가지 구체예에서, 플라즈마 토치 가열의 이용은 가스 재구성 챔버내로 주입된 공기 및/또는 산소의 양을 최적화함으로써 탄소 또는 다중 탄소 분자를 주로 CO 및 H2로 재구성시키는 동안에 발생되는 토치 가열의 릴리즈(lelease)를 최대로 함으로써 최소화된다.
제어 시스템
본 발명의 한 가지 구체예에서, 제어 시스템은 본원에 개시된 다양한 시스템 및/또는 서브시스템에서 및/또는 그에 의해서 수행된 하나 이상의 과정을 제어하고/거나 그러한 과정에 영향을 주는 본원에서 고려되는 하나 이상의 공정 장치를 제어하도록 제공될 수 있다. 일반적으로, 제어 시스템은 주어진 시스템, 서브시스템 또는 이의 부품과 관련되고/거나, 시스템, 예컨대, 가스화 시스템내 수행되는 하나 이상의 전체 공정과 관련되고 그러한 시스템내에서 또는 그와 협동하여 본 발명의 다양한 구체예가 작동될 수 있는 다양한 지역 및/또는 구역 공정을 작동적으로 제어하고, 그로 인해서, 소정의 결과를 위한 이들 공정에 영향을 주도록 적응된 다양한 제어 파라미터를 조절할 수 있다. 따라서 다양한 감지 엘리먼트 및 응답 엘리먼트가 제어된 시스템(들) 전체에 또는 이의 하나 이상 부품과 관련하여 분포될 수 있으며, 다양한 과정, 반응물 및 생성물 특성을 획득하고, 이들 특성을 요구된 결과를 달성하기 위한 수행성의 그러한 특성의 적합한 범위와 비교하고, 하나 이상의 제어 가능한 공정 장치를 통한 진행중의 공정에 변화를 줌으로써 반응하도록 사용될 수 있다.
제어 시스템은 일반적으로, 예를 들어, 시스템(들)에 관련된 하나 이상의 특징을 감지하는 하나 이상의 감지 엘리먼트, 그에 의해서 수행되는 과정(들), 그에 제공되는 입력(들), 및/또는 그에 의해서 생성된 출력(들)을 포함한다. 하나 이상의 연산 플랫폼은 감지된 특징(들)을 대표하는 특징 값을 입력하는 이들 감지 엘리먼트에 소통 가능하게 연결되고, 특징값(들)을 선택된 작동 및/또는 다운 스트림 결과에 적합한 이들 특징을 특성화하도록 규정된 값의 소정의 범위와 비교하고 특성값을 그러한 소정의 범위로 유지시키게 전도하는 하나 이상의 공정 제어 파라미 터를 연산하도록 구성된다. 따라서, 다수의 응답 엘리먼트가 시스템, 공정, 입력 및/또는 출력에 영향을 줌으로써 감지된 특성을 조정할 수 있게 작용 가능한 하나 이상의 공정 장치에 작동 가능하게 연결될 수 있으며, 연산된 공정 제어 파라미터(들)을 입력하고 그에 따라서 공정 장치(들)를 작동시키도록 연산 플랫폼(들)에 소통 가능하게 연결된다.
한 가지 구체예에서, 제어 시스템은 탄소성 공급원료를 가스로 전환시키는 것과 관련되는 수행되는 하나 이상의 공정의 효율을 향상시키기 위해서, 이와 연관된 다양한 시스템, 공정, 입력 및/또는 출력의 피드백, 피드포워드 및/또는 예측 제어를 제공한다. 예를 들어, 다양한 공정 특성은 평가되고 제어방식으로 조절되어서, 공급원료의 가열 값 및/또는 조성, 생성물 가스의 특성(예, 가열 값, 온도, 압력, 흐름, 조성, 탄소 함량 등), 그러한 특성에 허용되는 변화 정도, 및 입력 비용 대 출력의 가치를 포함할 수 있지만 이로 한정되는 것은 아닌 이들 공정에 영향을 줄 수 있다. 가열원 전력, 첨가제 공급율(들)(예, 산소, 산화물, 스팀 등), 공급원료 공급율(들)(예, 하나 이상의 구별된 및/또는 혼합된 공급물), 가스 및/또는 시스템 압력/흐름 조절기(예, 송풍기, 릴리프 밸브 및/또는 제어 밸브, 플래어(flare) 등), 등을 포함할 수 있지만 이로 한정되는 것이 아닌 다양한 제어 파라미터에 대한 연속적 및/또는 실시간 조절이, 하나 이상의 공정-관련된 특성이 디자인 및/또는 다운스트림 시방서(specification)에 따라서 검정되고 최적화되는 방법으로 수행될 수 있다.
대안적으로 또는 이에 추가로, 제어 시스템은 주어진 시스템의 다양한 구성 요소의 작동을 모니터링하여 적절한 작동을 보장하고, 임의로 표준이 적용되는 경우 그에 의해서 수행되는 공정이 그러한 규칙적인 표준 내에서 이루어짐을 확실하게 하도록 구성될 수 있다.
한 가지 구체예에 따르면, 제어 시스템은 추가로 주어진 시스템의 전체적인 에너지 충격을 모니터링하고 제어하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 주어진 시스템은 그의 에너지 충격이 그에 의해서 수행되는 공정중 하나 이상을 최적화시킴으로써 또는 다시 이들 공정에 의해서 생성된 에너지(예, 폐열)의 회복을 증가시킴으로써 그의 에너지 충격이 감소되거나 최소화되게 작동될 수 있다. 대안적으로 또는 이에 추가로, 제어 시스템은 제어된 공정(들)을 통해서 생성된 생성물 가스의 조성 및/또는 그 밖의 특성(예, 온도, 압력, 흐름, 등)을 조절하여 그러한 특성이 다운스트림 사용에 적합할 뿐만 아니라 충분한 및/또는 최적의 사용을 위해서 실질적으로 최적화되게 구성될 수 있다. 예를 들어, 생성물이 전기의 생산을 위해서 주어진 형태의 가스 엔진을 구동시키는데 사용되는 구체예에서, 생성물 가스의 특성은 이들 특성이 최상으로 매칭되어 그러한 엔진을 위한 입력 특성을 최적화시키게 조절될 수 있다.
한 가지 구체예에서, 제어 시스템은, 다양한 구성요소에서의 반응물 및/또는 생성물 체류 시간과 관련하여, 또는 전체 공정의 다양한 공정들과 관련하여 제한 또는 실행 가이드라인이 부합되게 하고/거나 최적화되게 주어진 공정을 조절하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 업스트림 공정 속도는 하나 이상의 후속된 다운스트림 공정과 실질적으로 매칭되도록 제어될 수 있다.
추가로, 제어 시스템은, 다양한 구체예에서, 연속적으로 및/또는 실시간 방법으로 주어진 공정의 다양한 특징의 연속적 및/또는 동시 제어에 적합하게 구성될 수 있다.
일반적으로, 제어 시스템은 수작업에 적합한 어떠한 형태의 제어 시스템 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템은 실질적으로 집중된 제어 시스템, 분산형 제어 시스템, 또는 이의 조합을 포함할 수 있다. 집중형 제어 시스템은 일반적으로는 다양한 지역 및/또는 원격 감지 장치와 소통하도록 구성된 중심 제어기 및 제어된 과정에 관한 다양한 특성을 각각 감지하고 제어된 공정에 직접적으로 또는 간접적으로 영향을 주도록 구성된 하나 이상의 제어 가능한 공정 장치를 통해서 그에 대해 응답하도록 구성된 응답 엘리먼트를 포함한다. 집중형 구성을 이용하면, 대부분의 연산이 집중형 프로세서 또는 프로세서들을 통해서 수행되어서, 공정의 제어를 수행하는 대부분의 필요한 하드웨어 및/또는 소프트웨어가 동일한 위치에 놓이게 한다.
분산형 제어 시스템은 일반적으로는 둘 이상의 분산된 제어기를 포함할 것이며, 이러한 제어기는 지역 및/또는 구역 특성을 모니터링하는 각각의 감지 및 반응 엘리먼트와 각각 소통하고 지역 공정 또는 서브-공정에 영향을 주도록 구성된 지역 및/또는 구역 공정 장치를 통해서 그에 응답할 수 있다. 소통은 또한 다양한 네트워크 구성을 통해서 분산된 제어기들 사이에 수행될 수 있으며, 여기서, 첫 번째 제어기를 통해서 감지된 특성이 두 번째 제어기에서의 반응을 위해서 두 번째 제어기에 전달될 수 있으며, 그러한 말단 반응은 첫 번째 위치에서 감지된 특성에 충격 을 줄 수 있다. 예를 들어, 다운스트림 생성물 가스의 특성은 다운스트림 모니터링 장치에 의해서 감지될 수 있으며, 업스트림 제어기에 의해서 제어되는 전환기와 연관된 제어 파라미터를 조정함으로써 조정될 수 있다. 분산형 구성에서, 제어 하드웨어 및/또는 소프트웨어가 또한 제어기들 사이에 분포될 수 있으며, 여기서, 동일하지만 모듈 방식으로 구성된 제어 설계가 각각의 제어기상에서 수행될 수 있거나, 다양한 협동 모듈러 제어 설계가 각각의 제어기에서 수행될 수 있다.
대안적으로, 제어 시스템은 별도로 구성되지만 여전히 소통관계로 연결된 지역, 구역 및/또는 전체 제어 서브시스템으로 세분될 수 있다. 그러한 구성은 주어진 공정, 또는 일련의 상호관련된 공정이 다른 지역 제어 시스템과 최소의 상호작용을 하면서 지역적으로 수행되고 제어되게 할 수 있다. 이어서, 전체 마스터 제어 시스템은 각각의 지역 제어 서브시스템과 소통하여 필요한 조정값을 전체 결과를 위한 지역 공정에 유도한다.
본 발명의 제어 시스템은 어떠한 상기 구성, 또는 본원의 개시사항의 일반적인 범위 및 특징내에 있는 것으로 사료되는 본 기술분야에 일반적으로 공지된 어떠한 그 밖의 구성을 이용할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 개념내에서 제어되고 수행되는 공정은, 적용 가능한 경우, 관련된 업스트림 공정 또는 다운스트림 공정을 위해서 사용된 어떠한 중심 및/또는 원격 제어 시스템에 대한 임의의 외부 소통관계가 있는, 세분된 지역 환경에서 제어될 수 있다. 대안적으로, 제어 시스템은 구역 및/또는 전체 공정을 협동 제어하도록 설계된 구역 및/또는 전체 제어 시스템의 서브-구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 모듈러 제어 시스템은 제어 모듈 이 시스템의 다양한 서브-구성요소를 상호작용식으로 제어하면서 구역 및/또는 전체 제어에 요구되는 인터-모듈 소통을 제공하게 설계될 수 있다.
제어 시스템은 일반적으로 하나 이상의 중심, 네트워크된 및/또는 분산된 프로세서, 다양한 감지 엘리먼트로부터의 현재 감지된 특성을 수용하는 하나 이상의 입력부, 및 새로운 또는 최신 제어 파라미터를 다양한 응답 엘리먼트에 전달하는 하나 이상의 출력부를 포함한다. 제어 시스템의 하나 이상의 연산 플랫폼은 또한, 다양한 소정의 및/또는 재조정된 제어 파라미터, 설정된 또는 바람직한 시스템 및 공정 특성 작동 범위, 시스템 모니터링 및 제어 소프트웨어, 및 작동 데이터 등을 저장하는, 하나 이상의 지역 및/또는 원격 컴퓨더 판독 가능한 매체(예, ROM, RAM, 제거 가능한 매체, 지역 및/또는 네트워크 액세스 매체, 등)를 포함할 수 있다. 임의적으로는, 연산 플랫폼은 또한 직접적으로 또는 다양한 데이터 저장 장치를 통해서 액세스하여 시뮬레이션 데이터 및/또는 시스템 파라미터 최적화 및 모델링 수단을 처리할 수 있다. 또한, 연산 플랫폼은 제어 시스템에 대한 관리자 접근을 위한 하나 이상의 임의의 그래픽 유져 인터페이스 및 입력 주변장치(시스템 업그레이드, 유지, 변경, 새로운 시스템 모뮬 및/또는 설비에 대한 적용, 등)뿐만 아니라 외부 공급원과의 데이터 및 정보 소통을 위한 다양한 임의의 출력 주변장치(예, 모뎀, 네트워크 연결, 프린터, 등)가 장착될 수 있다.
처리 시스템 및 서브-처리 시스템중 어느 하나는 배타적인 하드웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 어떠한 조합을 포함할 수 있다. 서브-처리 시스템중 어느 것은 비례(P), 적분(I) 또는 미분(D) 제어기의 어떠한 조합, 예를 들어, P-제어기, I-제어기, PI-제어기, PD 제어기, PID 제어기 등을 포함할 수 있다. 본 기술 분야의 전문가에게는, P, I, 및 D 제어기 조합의 이상적인 선택이 가스화 시스템의 반응 과정 일부의 역학 및 지연시간 및 조합을 하여 제어하고자 하는 작동 조건의 범위, 및 조합 제어기의 역학 및 지연 시간에 좌우된다는 것이 자명할 것이다. 본 기술 분야의 전문가에게는, 이들 조합이 감지 엘리먼트를 통해서 특성 값을 연속적으로 모니터링하고, 이를 특정된 값과 비교하여 응답 엘리먼트를 통해서 충분히 조정하도록 각각의 제어 엘리먼트에 영향을 주고 관찰된 값과 특정된 값 사이의 차이를 감소시킬 수 있는 아날로그 하드웨어 내장형으로 수행될 수 있다는 것이 자명할 것이다. 본 기술 분야의 전문가에게는 조합이 혼합된 디지탈 하드웨어 소프트웨어 환경에서 수행될 수 있다는 것이 자명할 것이다. 추가의 자유재량 샘플링, 데이터 획득, 및 디지털 처리의 관련 효과가 본 기술분야의 전문가에게는 공지되어 있다. P, I, D 조합 제어는 공급 포워드 및 피드백 제어 설계로 수행될 수 있다.
교정 또는 피드백 제어의 경우, 적절한 감지 엘리먼트를 통해 모니터된 제어 파라미터 또는 제어 변수의 값이 특정된 값 또는 범위와 비교된다. 제어 시그날은 두 값 사이의 편차를 근거로 하여 결정되고 편차를 감소시키기 위해서 제어 엘리먼트에 제공된다. 통상의 피드백 또는 감응 제어 시스템은 적응 및/또는 예측 구성요소를 포함하도록 추가로 개조될 수 있음을 인지할 수 있을 것이며, 여기서, 주어진 조건에 대한 응답은 감지된 특성에 응답하면서 보상 작용에서 잠재적인 오버슛을 제한하도록 모델화된 및/또는 이전에 모니터링된 반응에 따라서 가공될 수 있다. 예를 들어, 획득된 및/또는 주어진 시스템 구성을 위해서 제공된 시계열 데이 터(historical data)가 최적의 값으로부터 주어진 범위내에 있는 것으로 감지되는 시스템 및/또는 처리 특성에 대한 응답을 조정하도록 협동적으로 사용될 수 있으며, 여기서, 상기 최적의 값을 위해서, 이전의 응답은 요구된 결과를 제공하도록 모니터링되고 조정된다. 그러한 적응 및/또는 예측 제어 설계는 본 기술분야에 공지되어 있으며, 그러므로, 본원의 개시사항의 일반적인 범위 및 특성을 벗어나는 것으로 여겨지지 않는다.
제어 엘리먼트
상기 정의되고 설명된 본 발명의 개념내의 감지 엘리먼트는 생성물 가스의 가스 화학 조성, 유속 및 온도를 모니터링하는 엘리먼트, 온도를 모니터링하는 엘리먼트, 압력을 모니터링하는 엘리먼트, 생성물 가스의 불투명도를 모니터링하는 엘리먼트 및 토치와 관련된 다양한 파라미터(즉, 토치 파워 및 위치)를 모니터링하는 엘리먼트를 포함할 수 있지만 이로 한정되지는 않는다.
모니터링된 파라미터
가스화 기술은 일반적으로 생성물 가스의 H2:CO 비가 다운스트림 적용에서 최적의 H2:CO 비가 되게 하면서 약 6:1 만큼 높은 것으로부터 약 1:1 만큼 낮은 것까지 다양한 생성물 가스를 생성시킨다. 한 가지 구체예에서, 생성되는 H2:CO 비는 1.1-1.2:1이다. 한 가지 구체예에서, 생성되는 H2:CO 비는 1.1:1이다.
재구성된 가스의 생성 H2:CO 비는 가스화되는 공급원료의 처리 온도, 수분 함량 및 상대적인 C,H 함량 뿐만 아니라 보충 탄소 공급물의 양에 대한 작동 시나리오(열분해 또는 충분한 O2/공기의 의해)에 의존한다.
상기 인자중 하나 이상을 고려하면, 본 발명의 제어 시스템은 적용된 플라즈마 토치 가열, 공기 및/또는 산소, 탄소 및 스팀 사이의 균형을 조절하여 재구성된 가스 조성이 특정의 다운스트림 적용에 최적이 되게 함으로써 가능한 H2:CO 비의 범위에 걸쳐서 재구성된 가스의 조성을 조절한다.
많은 작동 파라미터가 최적의 설정점내에서 시스템이 작동하는지를 측정하도록 규칙적으로 또는 연속적으로 모니터링될 수 있다. 모니터링되는 파라미터는 생성물 가스의 화학적 조성, 유속 및 온도, 시스템내 다양한 지점에서의 온도, 시스템의 압력, 토치와 관련된 다양한 파라미터(즉, 토치 파워 및 위치)를 포함할 수 있지만 이로 한정되는 것은 아니고, 이러한 데이터는 시스템 파라미터에 대한 조정이 필요한지를 결정하는데 사용된다.
재구성된 가스의 조성 및 불투명도
생성물 가스는 전문가에게는 공지된 방법으로 샘플링되고 분석될 수 있다. 생성물 가스의 화학적 조성을 측정할 수 있는 한 가지 방법은 가스 크로마토그래피(GC) 분석을 통해서 이루어진다. 이들 분석을 위한 샘플링 지점은 시스템 전체에 걸쳐 위치될 수 있다. 한 가지 구체예에서, 가스 조성은 가스의 적외선 스펙트럼을 측정하는 푸리에 트랜스폼 인프라레드(Fourier Transform Infrared: FTIR) 분석기를 사용함으로써 측정된다.
본 발명의 일부는 너무 많거나 너무 적은 산소가 출구 스트림에 존재하는지를 측정하고, 그에 따라서 공정을 조정한다. 한 가지 구체예에서, 일산화탄소 스트림에서의 분석기 또는 센서는 이산화탄소 또는 다른 적합한 기준 산소 풍부한 물질의 존재 및 농도를 검출한다. 한 가지 구체예에서, 산소는 직접적으로 측정된다.
한 가지 구체예에서, 센서는 일산화탄소, 수소, 탄화수소 및 이산화탄소에 대한 재구성된 가스의 조성을 분석하고, 분석된 데이터로부터 제어기가 산소 및/또는 스팀 유입구에 신호를 보내서 가스 재구성 챔버에 주입되는 산소 및/또는 스팀의 양을 제어하고/거나 신호를 플라즈마 토치에 보낸다.
한 가지 구체예에서, 하나 이상의 최적의 불투명도 모니더가 시스템 내에 설치되어 불투명도의 실시간 피드백을 제공함으로써, 공정 추가적 입력량, 주로 스팀의 자동화를 위한 임의의 메카니즘을 제공하여 미립자 물질의 레벨을 최대 허용 가능한 농도 미만으로 유지시킨다.
시스템중의 다양한 위치에서의 온도
한 가지 구체예에서, 재구성된 가스의 온도 및 시스템 전체에 걸친 부위에서의 온도를 모니터링하는 수단이 제공되며, 여기서, 그러한 데이터는 연속적인 방법으로 획득된다. 챔버의 온도를 모니터링하는 수단은, 예를 들어, 챔버의 외벽에, 또는 챔버의 상부, 중간 및 하부의 내화물 내부에 위치할 수 있다. 추가적으로, 재구성된 가스의 출구 온도를 모니터링하는 센서가 제공된다.
한 가지 구체예에서, 온도를 모니터링하는 수단이 요구된 시스템내의 위치에 설치된 열전쌍에 의해서 제공된다.
시스템의 압력
한 가지 구체예에서, 반응 용기 내의 압력을 모니터링하는 수단이 제공되며, 여기서, 그러한 데이터는 연속적인 실시간 방법으로 획득된다. 추가의 구체예에서, 이들 압력 모니터링 수단은 압력 센서, 예컨대, 압력 변환기 또는 반응 용기, 예를 들어, 반응 용기의 수직벽상의 어느 부위에 위치된 압력 탭(pressure tap)을 포함한다.
가스 흐름의 속도
한 가지 구체예에서, 시스템 전체에 걸쳐 위치한 부위에서의 생성물 가스 흐름의 속도를 모니터링하는 수단이 제공되며, 여기서, 그러한 데이터는 연속적인 방법으로 획득된다.
가스 흐름에서의 변동은 불균일 상태(전극 변화를 대한 토치 오작동 또는 고장 또는 그 밖의 지지 설비의 오작동)의 결과를 초래할 수 있다. 가스 흐름에서의 일시적인 변동은 송풍기 속도, 공급재료 속도, 이차 공급원료, 공기, 스팀, 및 토치 파워의 피드백 제어에 의해서 교정될 수 있다. 가스 흐름에서의 변동이 지속되는 경우, 시스템은 문제가 해결될 때까지 차단될 수 있다.
공정 첨가제의 첨가
한 가지 구체예에서, 제어 시스템은 어떠한 공정 첨가제를 포함한 반응물을 조절하는 응답 엘리먼트를 포함하여 재구성된 가스에 대한 입력 가스의 화학적 재구성를 관리한다. 예를 들어, 공정 첨가제는 챔버에 공급되어 다양한 요구의 화학 적 조성의 재구성된 가스로 특정의 화학 조성의 입력 가스의 충분한 재구성을 촉진시킬 수 있다.
한 가지 구체예에서, 센서가 재구성된 가스중의 과량의 이산화탄소를 검출하면, 스팀 및/또는 산소 주입이 감소된다.
상기 정의되고 설명된 본 발명의 개념내에서의 응답 엘리먼트는 주어진 공정과 연관된 주어진 제어 파라미터의 조정에 의해서 주어진 공정에 영향을 주도록 구성된 공정-관련 장치에 작동적으로 결합된 다양한 제어 엘리먼트를 포함할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 하나 이상의 응답 엘리먼트를 통해서 본 발명의 개념 내에서 작동 가능한 공정 장치는 산소 공급원(들) 입력 및 플라즈마 토치 가열을 조절하는 엘리먼트를 포함할 수 있지만 이로 한정되지는 않는다.
토치에 대한 파워 조절(토치 가열)
본 발명의 공정은 플라즈마 토치 가열의 조절 가능성을 이용하여 반응을 유도한다. 개질 챔버내로의 공정 공기의 첨가는 재구성된 가스의 연소에 의한 토치 가열 에너지를 방출시킴으로써 토치 가열 로딩의 일부를 동반한다. 공정 공기의 유속은 토치 파워가 양호한 작동 범위에 유지되게 조절된다.
플라즈마 토치 파워는 설계 설정 점에서 재구성된 가스 출구 온도를 안정화시키도록 조절된다. 한 가지 구체예에서, 가스화기에서 형성된 타르와 슈트(soot)가 완전히 분해되게 하기 위해서, 설계 설정 점은 약 1000℃이다.
시스템내의 압력 조절
한 가지 구체예에서, 제어 시스템은 챔버의 내부압을 제어하는 응답 엘리먼 트를 포함한다. 한 가지 구체예에서, 내부압은 음의 압력, 즉, 대기압 보다 약간 낮은 압력으로 유지된다. 예를 들어, 반응기의 압력은 약 1 내지 3mbar 진공으로 유지될 수 있다. 한 가지 구체예에서, 시스템의 압력은 양의 압력으로 유지된다.
내부압을 조절하는 수단의 예시적인 구체예는 GRS와 가스 소통관계에 있는 유도 송풍기에 의해서 제공된다. 사용되는 유도 송풍기는 시스템을 음의 압력으로 유지시킨다. 양의 압력이 유지되는 시스템에서는, 송풍기가 음의 압력 케이스 보다 더 낮은 RPM에서 작동하도록 명령되거나, 콤프레셔가 사용될 수 있다.
시스템 전체에 걸쳐 위치된 압력 센서에 의해서 획득된 데이터에 대한 응답으로, 유도 송풍기의 속도는 시스템내의 압력이 증가(그리하여 팬(fan)의 속도가 증가) 또는 감소(그리하여 팬의 속도가 감소)하는지에 따라서 조절될 것이다. 또한, 본 발명에 따르면, 시스템은 대기압에 비해서 약간 음의 압력하에 유지되어 가스가 환경으로 방출되는 것을 방지할 수 있다.
압력은 재구성된 가스 송풍기 속도를 조절함으로써 안정화될 수 있다. 임의적으로는, 송풍기의 최소 작동 미만의 속도에서, 이차 제어가 재순환 밸브 보다 우선되고 대신 그를 조절한다. 재순환 밸브가 완전히 폐쇄되면, 일차 제어가 다시 연결된다.
GRS을 사용한 가스화기
본 발명은 다양한 형태의 가스화기와 함께 사용되고 하나 이상의 가스화기와 함께 사용되도록 적용된다. 가스화기는 탄소성 공급원료를 입력 가스 생성물로 전환시킨다. 공급원료 가스화의 스테이지는 i) 공급원료를 건조시켜 잔류 수분을 제 거하고; ii) 건조된 공급원료의 휘발성 성분을 휘발시켜 챠르 중간체를 생성시키고, iii) 챠르를 입력 가스 및 애쉬로 재구성시킴을 포함한다. 따라서, 가스화 과정의 가스 생성물은 휘발성 성분 및 입력 가스를 포함하며, 이는 본 발명의 플라즈마 재구성 단계에 가해져서 미가공 재구성 가스 생성물을 생성시킨다.
일반적으로, 가스화기는 하나 이상의 공급원료 유입구를 지닌 내화물-라이닝된 챔버, 토치 가열 수단, 하나 이상의 임의의 공정 첨가제 유입구, 가스 유출구, 및 임의의 고형 잔류물 또는 슬래그 유출 또는 제거 시스템을 포함한다.
가스화 공정은 실시예 아래에서 기재한 가스화기를 포함한 다양하게 상이한 가스화기 또는 본 기술분야에서 공지된 다양한 표준 가스화기에서 수행될 수 있다. 본 기술분야에 공지된 가스화기의 예는 동반 흐름 반응기 용기, 유동상 반응기, 및 회전 킬른 반응기를 포함하지만 이로 한정되는 것은 아니며, 이들 각각은 고형물, 미립자, 슬러리, 액체, 가스, 또는 이의 조합의 형태로 공급원료를 허용하도록 구성된다. 가스화기는 광범위한 범위의 길이-대-직경 비를 지닐 수 있으며, 수직 또는 수평중 어느 하나로 배향될 수 있다.
한 가지 구체예에서, 본 발명에 사용하기 위한 가스화기는 수송 반응기 가스화기 (3401) (도 10)이며, 이는 가스 스트림중에 공급원료를 동반하고 이를 가스화 영역을 통해서 재순환시켜 공급원료가 입력 가스로 최대로 재구성되게 한다. GRS (3000) 은 가스 출구에서 수송 반응기 가스화기에 직접적으로 결합될 수 있다.
한 가지 구체예에서, 본 발명과 함께 사용되는 가스화기는 동반 흐름 가스화기 (3402A, 3402B) (도 11)이다. 동반 흐름 가스화기에 대한 GRS (3000)의 결합은 반응이 완료되는 체류 시간을 증가시키고, 이차의 높은 온도 영역을 가하여 추가로 가스 품질이 보장되게 할 것이다.
한 가지 구체예에서, 본 발명과 함께 사용되는 가스화기는 고정상 가스화기 (3403A, 3403B) (도 12)이다. 고정상 가스화기는 다중 설계되어 가스화(및 열분해)를 위한 파일(pile)의 흐름 및 특성을 제어할 수 있다. GRS (3000)은 입력 가스 유출구에 결합되어 가스가 더 간단한 가스 분자로 완전히 반응하게 한다.
한 가지 구체예에서, 본 발명과 함께 사용되는 가스화기는 사이클론 가스화기 3404 (도 13)이다.
실시예
도 14 내지 도 18은 도 5에 도시된 가스 재구성 챔버를 포함하는 GRS의 구체예를 통합하고 있는 변환기를 도시하고 있다.
가스화기 (2200)은 공급원료 입력 (2204), 가스 유출구 (2206) 및 고형 잔류물 유출구 2208을 지니는 내화물-라이닝된 수평-방향 단계식-플로어 가스화 챔버 (2202)를 포함한다. 가스화 챔버 (2202)는 다수의 플로어 레벨 (2212, 2214, 2216)을 지니는 단계식 플로어를 지닌 내화물-라이닝된 강 용접물이다.
고형 잔류물 유출구에는 가스화기에서 애쉬를 배출시켜 이를 애쉬 수송 시스템으로 공급하는 추출 스크류 2209를 포함하는 애쉬 추출기가 구비되어 있다.
각각의 단계는 천공된 플로어(2270)을 지니며, 이를 통해서 가열된 공기가 도입될 수 있다. 처리 동안 공기 구멍의 폐쇄를 방지하기 위해서, 공기 구멍 크기는 그러한 크기가 제한부(restriction)를 생성시키고, 그에 따라서 각각의 구멍을 가로지른 압력 강하를 유발시키도록 선택된다. 이러한 압력 강하는 구멍에 진입되는 폐 입자를 억제하기에 충분하다.
각각의 레벨 또는 단계에 대한 공기 공급물은 독립적으로 제어 가능하다. 청공된 플로어(2270)를 통한 독립적인 공기 공급 및 분배는 각각의 단계의 플로어를 형성하는 별도의 공기 박스(2272, 2274, 2276)에 의해서 달성된다.
단계들을 통한 이동은 일련의 다중 핑거 캐리어 램(multiple-finger carrier ram: 2228, 2230, 2232)에 의해서 용이하게 되고, 각각의 단계의 플로어는 단일의 다중-핑거 캐리어 램에 의해서 공급받는다. 일련의 캐리어 램은 추가로 각각의 단계의 파일의 높이 및 가스화 챔버에서의 반응물의 전체 체류시간을 제어할 수 있게 한다. 각각의 램은 가변적인 속도로 단계의 전체 또는 부분 길이에 걸쳐서 이동할 수 있다.
각각의 램 유닛은 외부 장착된 가이드부, 임의의 가이드부 결합 부재를 지닌 다중 핑거 램, 외부 장착된 구동 시스템 및 외부 장착된 제어 수단을 포함한다. 가이드부는 프레임상에 장착된 한쌍의 일반적으로 수평이며 일반적으로 평행한 기다란 트랙(2240(a), 2240(b))(도시되지 않음)을 포함한다. 트랙의 각각은 실질적으로 L-형 단면을 지닌다. 램은 램 보디(2326), 및 챔버 벽내의 대응되는 밀봉 가능한 구멍을 통해서 활주 운동할 수 있는 크기의 일련의 기다란 실질적으로 사각의 램 핑거(2328)를 포함한다.
램을 트랙을 따라서 추진시키는 파워는 외부 장착된 전기 변속 모터(2256)에 의해서 공급되고, 그러한 모터는 전후 방향으로 선택적으로 모터 출력 샤프 트(2258)를 구동시켜 제어된 속도로 램을 전진시키고 후퇴시킬 수 있다. 위치 센서(2269)는 램 위치 정보를 제어 시스템에 전달한다. 임의적으로는, 모터가 추가로 기어 박스를 포함할 수 있다. 두 개의 드라이버 스프로켓 기어(driver sprocket gear: 2260)가 모터 출력 샤프트상에 장착된다. 드라이버 스프로켓(2260) 및 액슬(axle: 2264)에 장착된 대응 구동된 스프로켓(2262)은 브라켓(2268)에 의해서 기다란 사각 블록(2244)에 고정되는 체인 부재(2266)와 작동적으로 맞물려 돌아간다.
단계-플로어 가스화기에서, 개별적인 단계의 조건은 상이한 정도의 건조, 휘발 및 탄소 재구성을 위해서 최적화된다.
공급원료가 공급원료 입력부(421)를 통해서 첫 번째 단계상으로 챔버에 도입된다. 이러한 단계를 위한 정상적인 온도 범위(재료 파일의 바닥에서 측정)는 300 내지 900℃에 있다. 여기서 주요 공정은 일부의 휘발 및 탄소 전환과 함께 건조 공정이다.
단계 II는 400 내지 950℃의 바닥 온도 범위를 지니도록 설계된다. 주된 공정은 약간(잔류물)의 건조 작동뿐만 아니라 실질적인 양의 탄소 전환과 함께 휘발공정이다.
단계 III 온도 범위는 600 내지 1000℃에 놓인다. 단계 III에서 주된 공정은 더 적은 양(잔류물)의 휘발과 함께 탄소 전환 공정이다.
고형물 공급 재료가 챔버를 통해서 진행함에 따라서 이는 그 질량 및 부피를을 손실하고 그 휘발물 분획이 휘발하여 입력 가스를 형성하고 생성되는 챠르가 반 응하여 추가의 입력 가스 및 애쉬를 형성한다.
정제되지 않은 입력 가스는 가스화기(2200)의 가스 유출구(2206)를 통해서 GRS(3200)내로 배출되고, 그러한 GRS는 설치 플랜지(3214)를 통해서 가스화기에 밀봉하게하게 결합되며, 그러한 플랜지는 가스화기 가스 유출구를 GRS의 단일의 콘모양 입력 가스 유입구에 연결시킨다. 공기는 소용돌이 포트 (3212)를 통해서 입력 가스 스트림내로 주입되어 입력 가스 스트림중에 소용돌이 운동 또는 난류를 발생시켜서, 입력 가스를 혼합하고 GRS 내에 재순환 와동 패턴을 생성시킨다. GRS 내의 가스의 체류시간은 약 1.2초이다.
도 5를 참조하면, GRS는 약 3:1의 길이-대-직경 비를 지닌 실질적으로 수직으로 장착된 내화물-라이닝된 실린더형 챔버 및 장착 플랜지(3214)를 통해서 가스화기가 연결되는 단일의 콘형 입력 가스 유입구를 포함한다. 챔버는 내화물-라이닝된 리드(3203)으로 캡핑되어 밀봉된 가스 재구성 챔버(3202)를 생성시킨다.
가스 재구성 챔버는 히터(3216)를 위한 하나 이상의 포트, 하나 이상의 산소 공급원(3210)을 위한 하나 이상의 포트, 및 임의로 하나 이상의 액세스 또는 관찰 포트(3326) 및/또는 계측 포트(3226)를 포함한 다양한 포트를 포함한다. 추가로, 가스 재구성 챔버는 리프팅 포인트(lifting point: 3230)가 장착되어 있다.
챔버의 벽에 사용되는 내화물은 챔버에 존재하는 높은 온도, 부식 및 침식에 견디는 내부상의 고밀도층, 낮은 내성을 지니지만 높은 절연인자를 지니는 중간의 저밀도 재료층 및 아주 높은 절연 인자를 지니는 외부의 아주 저밀도 발포판 층의 다중층 디자인이다. 발포판과 용기 강 쉘(vessel steel shell) 사이의 외부층이 세라믹 블랭킷 재료이어서 연한 층이 고형 내화물과 용기 쉘 사이에서 차등 팽창되게 한다. 내화물의 수직 팽창은 비-압축 가능한 내화물의 압축 가능한 내화층 분리 부분에 의해서 제공된다. 압축 가능한 층은 연장가능한 고밀도 내화물을 중첩시킴으로써 침식으로부터 보호된다.
도 19에 따르면, 가스 재구성 챔버는 추가로 일련의 원주 연장 선반(shelve: 3220)를 포함하는 내화물 지지 시스템을 포함한다. 각각의 선반은 단편화되고 갭을 포함하여 팽창이 가능하다. 각각의 선반 단편 (3222)은 일련의 지지 브래킷(3224)
이러한 GRS의 구체예에서, 하나 이상의 산소 공급원(들)의 위한 하나 이상의 입력부는 공기 및 스팀 입력부를 포함한다.
GRS는 추가로 3개의 레벨의 접선방향으로 정위된 공기 노즐, 두 개의 접선방향으로 위치된 플라즈마 토치, 여섯 개의 열전쌍 포트, 두 개의 버너 포트, 두 개의 압력 전송기 포트 및 여러 개의 스페어 포트를 포함한다.
도 9를 참조하면, 공기는 하부 레벨(3212)에서의 4 개의 젯과 상부 레벨(3211)에서의 또 다른 여섯 개의 젯을 포함하는 세 개의 레벨의 공기노즐에 의해서 가스 스트림내로 주입되고, 여기서, 상기 여섯 개의 젯중 세 개의 젯은 다른 세개의 젯 보다 약간 높아서 크로스-젯 혼합 효과를 생성시키고 우수하게 혼합한다.
GRS는 추가로 두 개의 접선방향으로 장착된 300kW 수냉식 구리 전극, NTAT, 활주 메카니즘 상에 장착된 DC 플라즈마 토치를 포함한다. 두 플라즈마 토치가 공기 노즐 위에 위치하여 플라즈마 토치 가열(참조, 도 9, 3216)에 대한 최대의 노출 을 제공한다.
플라즈마 파워 공급기는 각각의 플라즈마 토치에 대한 3 상 AC 파워를 DC 파워로 전환시킨다. 중간 단계로서, 유닛은 먼저 3상 AC 입력을 단일의 고주파 상으로 전환시킨다. 이는 쵸퍼부에서의 고른 DC 출력을 우수하게 선형화시킨다. 유닛은 출력 DC 전압이 안정한 DC 전류를 유지하도록 변동되게 한다.
각각의 플라즈마 토치(3208)는 토치(3208)를 가스 재구성 챔버 내로 및 그로부터 이동시킬 수 있는 활주 메카니즘상에 장착된다. 토치(3208)는 밀봉 글랜드(gland)에 의해서 가스 재구성 챔버(3202)에 밀봉된다. 이러한 글랜드는 게이트 벨브에 대해서 밀봉되며, 이는 이어서 용기상에 장착되고 밀봉된다. 토치(3208)를 제거하기 위해서, 이는 활주 메카니즘에 의해서 재구성 챔버(3202)로부터 밀린다. 슬라이드의 초기 이동은 안전을 위해서 고압 토치 파워 공급을 불가능하게 한다. 게이트 밸브는 토치(3208)이 밸브를 지나 후퇴되는 경우에 자동적으로 차단되고 냉매 순환이 정지된다. 호스 및 케이블이 토치(3208)로부터 단절되고, 글랜드가 게이트 밸브로부터 방출되고 토치(3208)가 호이스트에 의해서 이동된다.
토치(3208)의 대체는 상기 과정의 역으로 수행되며; 슬라이드 메카니즘이 토치(3208)의 삽입 깊이가 변화되게 조절될 수 있다. 게이트 밸브는 기계적으로 작동하여 작동이 자동화되게 한다. 공기 작동기(3233)이 사용되어 냉각 시스템의 고장시에 토치를 자동적으로 후퇴시킨다. 작동기를 작동시키는 압축된 공기는 전용 공기 저장기로부터 공급되어 전원 고장시에도 항상 파워가 공급되게 한다. 동일한 공기 저장기가 공기를 게이트 밸브(3234)에 제공한다. 전기적으로 상호연결된 커 버가 고압 토치 연결에 대한 접근을 방지함으로써 추가의 안전을 위해서 사용된다.
열전쌍은 가스 재구성 챔버와 함께 다양한 위치에 정위되어 GRS 내의 재구성된 가스의 온도가 약 1000℃에서 유지되게 하고, 이러한 온도 미만으로 떨어지면 플라즈마 토치 또는 공기 주입에 대한 파워가 증가하게 한다.
본 구체예에서, 각 단계에서의 기류는 단계들 사이의 실질적으로 일정한 온도 범위 및 비율을 유지하도록 미리 설정된다. 예를 들어, 전체 기류중 약 36%가 단계 A로 유도될 수 있으며, 약 18%가 단계 B로 및 약 6%가 단계 C로 유도되고, 나머지는 부착된 GRS로 유도된다(예, 전체 기류의 40%). 대안적으로 공기 입력 비는 역학적으로 변화되어 가스화기 및/똔느 GRS의 각 단계내에서 발생되는 온도 및 공정을 조절할 수 있다.
가스 재구성 챔버내의 가스 혼합물내의 분자는 플라즈마 아크 영역내에서 이들의 구성 원소로 분해되고, 이어서 재구성된 가스로 재형성된다. 고온의 미정제 재구성된 가스가 재구성 가스 유출구(3206)를 통해서 GRS로부터 배출된다.
본 발명이 기재되어 있지만, 동일한 사항이 다양하게 변화될 수 있다는 것이 자명할 것이다. 그러한 변화는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나는 것이 아니며, 모든 그러한 변화는 본 기술분야의 전문가에게는 첨부된 청구범위의 범위내에 포함되는 것으로 여겨진다는 것이 자명할 것이다.

Claims (9)

  1. a) 제 1 단부 및 제 2 단부를 지니는 내화물-라이닝된(refractory-lined) 원통형 챔버로서,
    챔버의 제 1 단부에 위치하거나 제 1 단부 근처에 위치하며 입력 가스를 수용하기 위한 입력부; 상기 챔버의 제 2 단부에 위치하거나 제 2 단부 근처에 위치하며 재구성된 가스를 방출하기 위한 출력부; 상기 챔버와 유체 소통하는 하나 이상의 산소 공급원(들) 입력부를 포함하는 챔버; 및
    (b) 하나 이상의 플라즈마 토치를 포함하는, 가스화 반응으로부터의 입력 가스를 소정의 화학 조성을 지닌 재구성된 가스로 재구성하기 위한 시스템으로서, 상기 플라즈마 토치(들)이 상기 챔버를 가열함으로써 입력 가스가 재구성된 가스로 변환되는 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 산소 공급원(들)이 하나 이상의 산소 입력부(들) 및 임의로 하나 이상의 스팀 입력부(들)인 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 산소 입력부 및 상기 스팀 입력부가 상기 챔버와 유체 소통하는 토치 가열 저항성 분무 노즐을 포함하는 것인 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 배출 가스의 함유물을 분석하고 흐름을 측정하기 위 한 센서, 및 상기 센서로부터 데이터를 수용하고 산소와 스팀의 주입을 제어하기 위한 공정 제어기를 추가로 포함하는 장치.
  5. (a) 입력 가스를 내화물-라이닝된 챔버의 유입구에 전달하는 단계;
    (b) 산소 공급원을 상기 챔버내로 주입하는 단계;
    (c) 하나 이상의 플라즈마 토치를 사용하여 상기 챔버를 토치 가열함으로써 재구성된 가스를 생성시키는 단계; 및
    (d) 상기 재구성된 가스를 상기 챔버로부터 분리하는 단계를 포함하여, 가스화반응으로부터의 입력 가스를 재구성된 가스로 재구성하는 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 입력 가스를 예비혼합하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 재구성된 가스의 함유물을 분석하는 단계 및 상기 분석 단계를 기초로 하여 산소 및/또는 스팀의 상기 주입을 제어하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 산소 공급원이 공기, 산소 풍부 공기 및 산소로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  9. 가스 재구성 시스템과 가스 소통하는 수평 배향된 가스화기를 포함하는, 공급원료을 재구성된 가스로 변환시키는 변환기로서,
    상기 수평 배향된 가스화기는,
    하나 이상의 공급원료 입력부, 하나 이상의 가스 유출구 및 애쉬 유출구를 지니는 수평 배향된 가스화 챔버;
    챔버 가열 시스템;
    처리 동안 가스화 챔버를 통해 물질을 이동시키기 위한 하나 이상의 측방향 전달(lateral transfer) 유닛; 및
    하나 이상의 측방향 전달 유닛의 이동을 제어하기 위한 제어 시스템을 포함하고;
    상기 가스 재구성 시스템은,
    제 1 단부 및 제 2 단부를 지니는 내화물-라이닝된 원통형 챔버를 포함하고,
    상기 원통형 챔버는,
    원통형 챔버의 제 1 단부에 위치하거나 제 1 단부 근처에 위치하며 가스화기의 하나 이상의 가스 유출구로부터 가스를 수용하기 위한 입력부;
    상기 챔버의 제 2 단부에 위치하거나 제 2 단부 근처에 위치하며 재구성된 가스를 방출하기 위한 출력부;
    원통형 챔버와 유체 소통하는 하나 이상의 산소 공급원(들) 입력부;
    원통형 챔버를 가열하기 위한 하나 이상의 플라즈마 토치를 포함하며;
    공급원료의 가스화로부터의 가스가 원통형 챔버로 유입되고, 상기 하나 이상 의 산소 공급원(들)과 혼합되고, 하나 이상의 플라즈마 토치에 의해 가열됨으로써 재구성된 가스를 생성시키는, 공급원료을 재구성된 가스로 변환시키는 변환기.
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