KR20110000554A - 가공 공급원료/탄화물질 변환 및 가스 재구성을 이용한 가스화 시스템 - Google Patents

가공 공급원료/탄화물질 변환 및 가스 재구성을 이용한 가스화 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20110000554A
KR20110000554A KR20107021454A KR20107021454A KR20110000554A KR 20110000554 A KR20110000554 A KR 20110000554A KR 20107021454 A KR20107021454 A KR 20107021454A KR 20107021454 A KR20107021454 A KR 20107021454A KR 20110000554 A KR20110000554 A KR 20110000554A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
chamber
gas
feedstock
primary
syngas
Prior art date
Application number
KR20107021454A
Other languages
English (en)
Inventor
안드레아스 트산가리스
마크 베이컨
Original Assignee
플라스코에너지 아이피 홀딩스, 에스.엘., 빌바오, 샤프하우젠 브랜치
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 플라스코에너지 아이피 홀딩스, 에스.엘., 빌바오, 샤프하우젠 브랜치 filed Critical 플라스코에너지 아이피 홀딩스, 에스.엘., 빌바오, 샤프하우젠 브랜치
Priority claimed from PCT/CA2008/000355 external-priority patent/WO2008104058A1/en
Publication of KR20110000554A publication Critical patent/KR20110000554A/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62D—CHEMICAL MEANS FOR EXTINGUISHING FIRES OR FOR COMBATING OR PROTECTING AGAINST HARMFUL CHEMICAL AGENTS; CHEMICAL MATERIALS FOR USE IN BREATHING APPARATUS
    • A62D3/00—Processes for making harmful chemical substances harmless or less harmful, by effecting a chemical change in the substances
    • A62D3/40—Processes for making harmful chemical substances harmless or less harmful, by effecting a chemical change in the substances by heating to effect chemical change, e.g. pyrolysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/40—Carbon monoxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/38—Multi-hearth arrangements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/30—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies
    • Y02W10/37—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies using solar energy

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Emergency Management (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Gasification And Melting Of Waste (AREA)

Abstract

본 발명은 탄소질 공급원료의 합성가스 및 슬래그로의 완전 변환을 위해 설계된 시스템을 제공한다. 본 시스템에는 1차 챔버 가스(오프가스)가 생성되는 공급원료를 휘발시키는 1차 챔버, 가공 공급원료를 2차 챔버 가스(합성가스) 및 잔류물로 추가 변환하는 2차 챔버, 1개 이상의 챔버 내에서 생성된 가스를 처리하는 가스 재구성 구역, 잔류물을 유리화하는 용융 챔버 등이 포함된다. 1차 챔버에는 공급원료의 탄소 함량을 조절하기 위한 직접 또는 간접 공급원료 첨가 기능이 포함된다.
또한 본 시스템에는 가스화 시스템과 병용되어 공정의 여러 단계를 감시 및 조절함으로써 탄소질 공급원료가 합성가스 생성물로 효율적으로 완전하게 변환되도록 하는 제어 시스템이 포함된다.

Description

가공 공급원료/탄화물질 변환 및 가스 재구성을 이용한 가스화 시스템{GASIFICATION SYSTEM WITH PROCESSED FEEDSTOCK/CHAR CONVERSION AND GAS REFORMULATION}
본 발명은 가스화 분야에 관한 것으로서, 특히 전기 생산용 탄소질 공급원료 가스화 시스템에 관한 것이다.
가스화는 '탄소질 공급원료'라고 불리는 탄소 기반 공급원료로부터 연소성 가스 또는 합성가스(H2, CO, CO2, CH4 등)를 생산할 수 있는 공정이다. 이 가스는 발전에 사용되거나 각종 화학품 및 액체연료 생산의 기본 원료로 사용될 수 있다. 이 공정은 발전에 사용되거나 각종 화학품 및 수송 연료 제조업체의 기본 원료로 사용될 수 있는 가스를 생산할 수 있다.
특히 이 가스는 다음 용도로 사용될 수 있다: 내부 가공 및/또는 기타 외부적 용도의 증기를 생산하기 위한 보일러 내부의 연소, 증기 터빈을 이용한 발전, 전기 생산용 가스 터빈 또는 가스 엔진 내부의 직접 연소, 연료전지, 메탄올 및 기타 액체연료의 생산, 합성수지 및 비료 등 화학품의 생산을 위한 추가 공급원료, 산업용 개별 연료 가스로서의 수소 및 일산화탄소의 추출, 기타 필요에 따른 산업용 열 수요.
가스화는 소각 또는 연소 공정이 아니다. 소각 공정 및 연소 공정은 잉여 산소로 탄소질 공급원료를 열파괴하여 CO2, H2O, SO2, NO2 및 열을 생산하는 공정이다. 소각은 또한 대부분의 경우 수거 및 처리되어 유해 폐기물로 처분되어야 하는 저회(底灰)와 비회(飛灰)를 생산한다. 그 반면에 가스화 공정은 산소 없이, 또는 한정량의 산소로써 H2, CO, H2S 및 NH2로 구성된 미가공 가스 합성물을 생산하는 공정이다. 정화 공정을 거친 후의 주요 가스화 생성물은 H2 및 CO이다.
잉여 공기에 의해 투입 재료가 에너지 및 재로 변환되는 소각과는 대조적으로, 가스화는 제어된 조건 하에서 탄소질 공급원료가 가열됨으로써 탄소질 재료가 고에너지 연료로 변환된다. 가스화 공정은 연소가 직접적으로 발생하지 않도록 변환을 억제한다. 가스화 공정은 산소 공급이 제어된 상태의(일반적으로 완전연소에 이론적으로 필요한 O2의 35% 이하) 아화학량론적 조건에서 이루어지므로, 가스화는 재료 재활용 또는 에너지 회수를 위해 추가적으로 처리될 수 있는 가치 있는 중간생성물로 탄소질 공급원료를 변환할 수 있다. 몇몇 가스화 공정은 또한 간접 가열을 이용함으로써 가스화 반응기 내에서의 탄소질 공급원료의 연소를 방지하며, 질소 및 잉여 CO2에 의한 가스 생성물의 희석을 방지한다.
일반적으로 이러한 가스화 공정은 제어 및 제한된 양의 산소 및 증기와 함께 탄소 함유 재료를 가열된 챔버(가스화 반응기)에 투입하는 것으로 이루어진다. 가스화 반응기 내의 조건에 의해 생성된 높은 동작온도에서는 열에너지 및 부분산화에 의해 화학결합이 붕괴되며, 무기 광물질이 녹거나 유리화되어 녹은 유리 같은 '슬래그'라는 물질이 생성된다.
도시 고형 폐기물, 유해성 폐기물 등 외에도 다양한 등급의 석탄이 공급원료로 사용될 수 있다. 황 함량이 높은 배출가스가 생성되기 때문에 석탄 화력발전용으로 부적합한 저급 고유황 석탄도 여기에 포함된다. 석탄을 채취, 분류 및 세척한 후 남는 석탄 찌꺼기 및 가루도 가스화에 사용될 수 있다. 석탄은 산소 및 증기로 가스화하여 일산화탄소, 수소, 이산화탄소, 황화합물 가스 및 미립자 등이 함유된 이른바 '합성가스'를 생산할 수 있다. 가스화 공정은 일반적으로 650℃ - 1200℃의 온도와 대기압, 또는 보다 일반적으로는 약 20 - 100기압의 고압에서 이루어진다.
석탄에는 여러 종류가 있으며, 각각 지질학적 역사에 기인하는 상이한 성질을 가지고 있다. 석탄의 발달의 정도를 석탄의 '등위'라고 한다. 이탄은 석탄 형성 환경의 생장대 바로 밑에 있는 식물성 물질의 층이다. 이 식물성 물질은 교번을 거의 나타내지 않으며 살아 있는 식물의 뿌리가 들어 있다. 아탄은 지질학적 연령이 매우 낮다(40,000년 미만). 부드럽고 섬유질이며, 수분을 많이 함유하고 있고(일반적으로 약 70%) 에너지 함량이 적다(8 - 10 MJ/kg). 흑탄은 지질학적 연령이 6천5백만 년에서 1억5백만 년 사이이며, 많게는 2억6천만 년에 이른다. 다른 종류보다 단단하고 광택이 많이 나며, 수분 함량이 3% 미만이고 에너지 함량이 최고 약 24 - 28MJ/kg에 이른다. 무연탄은 수분이 거의 없고 휘발성 물질의 함량이 매우 적기 때문에 탈 때 연기가 전혀 또는 거의 나지 않는다. 에너지 함량은 최고 약 32MJ/kg에 이른다.
석탄은 흔히 황화합물이 함유되어 있기 때문에 석탄을 가스화하여 깨끗한 연료 가스를 생산하는, 즉 가스 터빈을 이용한 발전 등에 연료 가스로 사용하기 전에 황을 제거하는 공정을 개발하기 위한 시도가 많이 이루어져왔다. 또한 가스화 공정에서 발생하는 가스는 정화함으로써 석탄 가루 및 비회뿐만 아니라 기화된 재, 알칼리 등 각종 불순물을 제거할 수 있다.
현재 미국 특허 4141694, 4181504, 4208191, 4410336, 4472172, 4606799, 5331906, 5486269, 6200430 등, 다양한 용도로 응용할 수 있는 합성가스의 생산을 위한 다양한 석탄 가스화 기술과 연관된 다수의 특허가 있다.
합성가스의 생산을 위한 가스화 공정에서 공급원료로 사용하기에 적합한 바이오매스는 여러 종류가 있다. 예를 들어, 가스화에 적합한 바이오매스로는 펄프 및 폐지, 분쇄 나무껍질, 나뭇조각, 톱밥 등의 목재물, 하수 오물 및 오니(汚泥), 음식물 쓰레기, 식물성 물질, 볏짚, 농축산업 폐기물, 셀룰로오스형 산업 폐기물(건축 폐기물 등) 등이 있다. 사실 현재 이용되고 있는 바이오매스는 에너지원 또는 산업용 원료로 활용할 수 있는 생물 물질에 국한된다. 바이오매스는 태양에너지에 의해, 그리고 공기, 물, 흙 또는 유사한 천연물질의 작용에 의해 생산되므로 무한 생산이 가능하며, 따라서 합성가스 생산을 위한 가스화 공정에 사용할 수 있는 무한 탄소원이 된다.
현재 미국 특허 6948436, 6987792, 6923004, 6991769, 6808543, 6830597, 6680137, 6685754, 6615748, 6032456, 5425792, 4699632 등, 다양한 용도로 응용할 수 있는 합성가스의 생산을 위한 다양한 바이오매스 가스화 기술과 연관된 다수의 특허가 있다.
플라즈마 토치 기술도 석탄 및 바이오매스 가스화 공정에 채택되어왔다. 플라즈마 아크 토치는 플라즈마 아크 중심선에 고온을 발생시키기 위해 동작 가스의 전기해리 및 전리에 의해 생성된다. 상용화된 플라즈마 토치는 장시간 동안 적용점에 충분히 높은 불꽃 온도를 발생시킬 수 있으며, 약 100 kW에서 6 MW 이상까지 다양한 출력 크기가 시판되고 있다.
플라즈마는 최소한 부분적으로 해리된 고온 발광 가스로서 가스 원자, 가스 이온 및 전자로 구성되어 있다. 플라즈마는 이런 방식을 사용하여 모든 종류의 가스로 생산할 수 있다. 중성 가스(아르곤, 헬륨, 네온 등), 환원성 가스(수소, 메탄, 암모니아, 일산화탄소 등) 또는 산화성 가스(산소, 질소, 이산화탄소 등) 중 어느 것이라도 사용할 수 있으므로 플라즈마의 화학반응을 제어하기가 용이하다. 벌크 상태의 플라즈마는 전기적으로 중성이다. 열플라즈마는 가스를 전기 아크 속으로 통과시킴으로써 생산할 수 있다. 전기 아크는 가스가 아크를 통과하는 몇 마이크로초 내에 급속도로 저항가열 및 복사가열에 의해 가스를 매우 높은 온도로 가열한다. 전형적인 플라즈마 토치는 동작 가스가 통과하는, 동축선상에 전극이 장치된 세관(細管)이 들어 있다. 이런 종류의 토치에서는 양극이 되는 중앙 전극 단말과 음극이 되는 외부 전극 사이의 간격을 통해 고전압 직류가 가해진다. 양극과 음극 사이의 간격에 충전되어 있는 가스에 전류가 흐르면 해리된 가스 분자로 구성된 고온의 전자파 에너지 아크가 형성된다. 어떤 종류의 가스, 또는 공기 등의 가스 화합물이라도 플라즈마 토치 내부로 통과시킬 수 있다.
석탄 및 바이오매스의 가스화에 의해 생성된 기체를 '합성가스'라고 하며, 이 가스에는 일산화탄소, 수소, 이산화탄소, 황화합물 가스 및 미립자 등이 함유되어 있다. 일반적으로 가스화 공정은 650℃ - 1200℃의 온도와 대기압, 또는 보다 일반적으로는 약 20 - 100기압의 고압에서 이루어진다.
고온 가스화 공정에는 일반적으로 탄소가 1300F (700℃) 이상의 온도에서 공기, 산소, 증기, 일산화탄소, 또는 이들 가스의 화합물과 반응하여 가스 생성물이 생성되는 과정이 포함된다. 탄소질 물질이 기체 상태로 변환되면 황화합물 및 재 등의 바람직하지 않은 물질은 가스에서 제거할 수 있다. 이 공정에서 생성되는 물질은 탄화수소 기체(합성가스), 탄화수소 액체(오일), 가공 공급원료/탄화물질(탄소검정 및 재), 열, 슬래그 등이다.
고온 가스화의 부산물은 증발하지 않는 각종 무기물질로 이루어졌으며 비가용성, 비유해성 물질인 슬래그이다. 이 광물질은 고온에서 녹아 용융 슬래그로 제거된다. 용융 슬래그는 냉각되면 유리질 물질이 되며 건축재로 사용하기에 적합하다. 예를 들어, 이 물질은 분쇄하고 아스팔트와 혼합하여 도로 포장 등에 사용할 수 있다. 또는 콘크리트 블록의 재료로 사용되는 소각재 대용품으로 활용함으로써 콘크리트 블록의 수분 흡수를 최소화할 수 있다. 더 나아가, 이 물질은 고형화 처리하여 보건 위험이나 환경 위험 없이 폐기처분할 수 있는 최종 형태로 만들 수도 있다.
공정의 화학 작용
가스화(탄소질 공급원료가 오프가스로 변환된 다음 합성가스로 변환되는 과정)는 고온 또는 저온, 고압 또는 저압에서 이루어질 수 있으며 한 단계에서, 또는 특정 반응이 다른 반응보다 선호되도록 여러 단계가 어느 정도 각각 분리된 공정에서 이루어질 수 있다. 석탄이 가스화 반응기를 통과할 때 물리적, 화학적 및 열적 작용이 반응기의 설계와 석탄의 구성에 따라 연속적 또는 동시적으로 발생할 수 있다.
공급원료가 가열되어 그 온도가 상승할 때 건조가 발생하며, 이때 가장 먼저 방출되는 성분은 물이다.
건조된 공급원료의 온도가 상승하면서 열분해가 발생한다. 열분해가 진행되면 석탄과 바이오매스가 열분해되어 타르와 페놀이 방출되며, 석탄이 탄화물질로 변환되면서 가벼운 휘발성의 탄화수소 기체가 방출된다. 가공 공급원료/탄화물질에는 각종 유기물 및 무기물로 구성된 잔류 고형물이 함유되어 있다. 공급원료의 공급원에 따라 휘발성 물질에는 H2O, H2, N2, O2, CO2, CO, CH4, H2S, NH3 및 C2H6, 그리고 아세틸렌, 올레핀, 방향성, 타르 등의 불포화 탄화수소가 미량 포함될 수 있다. 탄소질 물질이 기체 상태로 변환되면 황화합물 및 재 등의 바람직하지 않은 물질을 가스에서 제거할 수 있다.
가스화 생성물은 가공 공급원료/탄화물질에 함유된 탄소와 용기 내의 증기, CO2 및 H2 사이의 화학반응, 그리고 각종 가스 생성물 사이의 화학반응의 소산물이다. 가스화 반응은 열에 의해 이루어진다(열분해). 이 공정에서는 전기 또는 화석연료(프로판 등)를 첨가하여 반응 챔버를 가열하거나, 발열성 가스화 반응을 촉진하는 반응물질로서 공기를 첨가하는 방식으로 열을 공급할 수 있다. 몇몇 가스화 공정은 또한 간접 가열을 이용함으로써 가스화 반응기 내에서의 석탄의 연소를 방지하며, 질소 및 잉여 CO2에 의한 가스 생성물의 희석을 방지한다.
이 배경 정보는 출원인이 본 발명과 연관이 있을 수 있다고 생각하는 정보를 알릴 목적으로 제공하는 것이다. 그러나 전술한 정보 중 현재의 발명에 반하여 선행 기술에 속하는 부분이 있다고 인정하는 것은 아니며 그렇게 해석되어서도 안된다.
본 발명은 탄소질 공급원료가 합성가스 및 슬래그로 완전히 변환되도록 설계된 시스템을 제공한다. 본 시스템은 공급원료가 휘발되어 1차 챔버 가스(오프가스)가 생성되는 1차 챔버, 가공 공급원료가 2차 챔버 가스(합성가스) 및 잔류물로 추가 변환되는 2차 챔버, 1개 이상의 챔버 내에서 생성된 가스가 처리되는 가스 재구성 구역, 잔류물이 유리화되는 용융 챔버 등으로 구성된다. 1차 챔버에는 공급원료의 탄소 함량을 조절하기 위한 직접 또는 간접 공급원료 첨가 기능이 포함된다.
본 시스템에는 또한 탄소질 공급원료가 합성가스 생성물로 효율적으로 완전하게 변환되도록 공정의 각 단계를 감시 및 제어하는 가스화 시스템용 제어 시스템이 포함된다. 또한 이 제어 시스템은 그 구성이 일정하거나 규정된 합성가스 생성물의 생산을 제어한다. 이 제어 시스템은 시스템 내의 각종 운전인자에 관한 데이터를 감시 및 취득하는 1개 이상의 감지부와 시스템 내의 운전 조건을 조절하는 1개 이상의 감응부로 구성된다. 감지부 및 감응부는 시스템 내에서 일체화되어 있으며, 감응부는 감지부에서 취득된 데이터에 따라 시스템 내의 운전 조건을 조절한다.
본 발명의 목적의 하나는 가공 공급원료/탄화물질 변환과 가스 재구성을 이용한 가스화 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 한 측면에 따라, 탄소질 공급원료를 합성가스 및 슬래그로 변환하는 다중 챔버 시스템이 제공되며 그 구성은 다음과 같다: 1) 탄소질 공급원료가 가공 공급원료/탄화물질 및 1차 챔버 가스로 변환되는 1개 이상의 1차 챔버 (각 챔버는 공급원료 투입구, 1차 공기 공급 장치, 선택적 공정 첨가물 투입구, 1차 챔버 가스 배출구, 가공 공급원료/탄화물질 배출구 등으로 구성됨), 2) 가공 공급원료/탄화물질이 잔류물 및 2차 챔버 가스로 변환되는 1개 이상의 2차 챔버 (각 챔버는 최소 1개의 1차 챔버로부터 가공 공급원료/탄화물질이 유입되는 가공 공급원료/탄화물질 투입구, 2차 공기 공급 장치, 선택적 공정 첨가물 투입구, 2차 챔버 가스 배출구, 잔류물 배출구 등으로 구성됨), 3) 1개 이상의 가스 재구성 챔버 (각 챔버에는 유입된 1차 챔버 가스 및 2차 챔버 가스의 합성가스로의 변환을 위해 최소 1개의 1차 챔버 및 2차 챔버 가스 배출구와 원활하게 소통하며 선택적 공정 첨가물 투입구, 합성가스 배출구, 1개 이상의 재구성 열원 등으로 구성된 가스 재구성 구역이 포함됨), 4) 2차 챔버로부터 유입된 잔류물을 슬래그로 변환하는 1개 이상의 용융 챔버 (각 챔버는 2차 챔버의 잔류물 배출구와 소통하는 잔류물 투입구, 1개 이상의 용융 열원, 슬래그 배출구 등으로 구성됨), 및 5) 시스템 운전을 제어하는 제어 시스템.
본 발명의 또 다른 측면에 따라, 탄소질 공급원료를 합성가스 및 잔류물로 변환하는 다중 챔버 시스템이 제공되며 그 구성은 다음과 같다: 1) 탄소질 공급원료를 가공 공급원료/탄화물질 및 1차 챔버 가스로 변환하는 1개 이상의 1차 챔버 (각 챔버는 공급원료 투입구, 1차 챔버 가스 배출구, 1차 공기 공급 장치, 가공 공급원료/탄화물질 배출구 등으로 구성됨), 2) 가공 공급원료/탄화물질을 잔류물 및 2차 챔버 가스로 변환하는 1개 이상의 2차 챔버 (각 챔버는 최소 1개의 1차 챔버로부터 가공 공급원료/탄화물질이 유입되는 가공 공급원료/탄화물질 투입구, 2차 챔버 가스 배출구, 2차 공기 공급 장치, 잔류물 배출구 등으로 구성됨), 3) 유입된 1차 챔버 가스 및 2차 챔버 가스의 합성가스로의 변환을 위해 최소 1개의 1차 챔버 및 2차 챔버 가스 배출구와 원활하게 소통하며 합성가스 배출구, 1개 이상의 재구성 열원 등으로 구성된, 최소 1개의 1차 챔버에 포함된 가스 재구성 구역, 4) 2차 챔버로부터 유입된 잔류물을 슬래그로 변환하는 1개 이상의 용융 챔버 (각 챔버는 2차 챔버의 잔류물 배출구와 소통하는 잔류물 투입구, 1개 이상의 용융 열원, 슬래그 배출구 등으로 구성됨), 및 5) 시스템 운전을 제어하는 제어 시스템.
본 발명의 또 다른 측면에 따라, 탄소질 공급원료를 합성가스 및 잔류물로 변환하는 다중 챔버 시스템이 제공되며 그 구성은 다음과 같다: 1) 탄소질 공급원료를 가공 공급원료/탄화물질 및 1차 챔버 가스로 변환하는 1개 이상의 1차 챔버 (각 챔버는 공급원료 투입구, 1차 챔버 가스 배출구, 1차 공기 공급 장치, 가공 공급원료/탄화물질 배출구 등으로 구성됨), 2) 가공 공급원료/탄화물질을 잔류물 및 2차 챔버 가스로 변환하는 1개 이상의 2차 챔버 (각 챔버는 가공 공급원료/탄화물질 배출구를 통해 최소 1개의 1차 챔버로부터 가공 공급원료/탄화물질이 유입되는 가공 공급원료/탄화물질 투입구, 2차 챔버 가스 배출구, 2차 공기 공급 장치, 잔류물 배출구 등으로 구성됨), 3) 유입된 1차 챔버 가스 및 2차 챔버 가스의 합성가스로의 변환을 위해 최소 1개의 1차 챔버 및 2차 챔버 가스 배출구와 원활하게 소통하며 합성가스 배출구, 1개 이상의 재구성 열원 등으로 구성된, 최소 1개의 2차 챔버에 포함된 가스 재구성 구역, 4) 2차 챔버로부터 유입된 잔류물을 슬래그로 변환하는 1개 이상의 용융 챔버 (각 챔버는 2차 챔버의 잔류물 배출구와 소통하는 잔류물 투입구, 1개 이상의 용융 열원, 슬래그 배출구 등으로 구성됨), 및 5) 시스템 운전을 제어하는 제어 시스템.
이제부터 첨부한 도를 참조하고 예를 사용하여 본 발명의 구현예에 대해 기술하겠다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따라 다중 챔버 탄소질 공급원료 가스화 시스템의 일 구현예을 나타낸 계통도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따라 회전팔 고형물 제거 장치가 장치된 챔버의 단면을 나타낸 계통도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따라 도 2의 회전팔 고형물 제거 장치의 상면을 나타낸 계통도이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따라 축출 나사 고형물 제거 장치가 장치된 챔버를 나타낸 투시단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따라, 고형물의 직하를 방지하기 위해 고형 잔류물 배출구를 주 처리 챔버의 바깥쪽으로 옮긴 축출 나사 기반의 고형물 제거 장치를 이용하는 변형 챔버의 단면을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따라 푸셔램(pusher ram) 고형물 제거 장치가 장치된 챔버를 나타낸 투시단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따라 푸셔램 기반의 고형물 제거 장치가 장치된 챔버를 나타낸 투시단면도이다.
도 8 은 본 발명의 일 구현예에 따라 푸셔램 기반의 고형물 제거 장치를 사용하는 변형 챔버의 단면을 나타낸 것이다.
도 9는 수평형 1차 챔버의 일 구현예을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 구현예에 따라 분류층 변환 챔버를 나타낸 계통도이다.
도 11은 본 발명의 일 구현예에 따라 유동층 변환 챔버를 나타낸 계통도이다.
도 12는 본 발명의 일 구현예에 따라 이동층 변환 챔버를 나타낸 계통도이다.
도 13A 및 13B는 본 발명의 일 구현예에 따라 이동층 변환 챔버에 사용될 수 있는 회전 그레이트(rotating grate)의 구현예을 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 일 구현예에 따라 이동층 변환 챔버와 고형 잔류물 처리 챔버 및 가스 재구성 챔버 사이의 관계를 나타낸 계통도이다.
도 15는 고정층 탄화물질 변환 챔버와 플라즈마 가열식 잔류물 처리 챔버 사이의 관계를 나타낸 단면도이다.
도 16(A-F)는 본 발명의 구현예에 따라 고정층 탄화물질 변환 챔버에 사용될 수 있는 다양한 방해 장치를 나타낸 것이다.
도 17은 본 발명의 일 구현예에 따라 열회수 서브시스템을 이용하여 가스 정화 챔버에서 생성된 합성가스로부터 열을 회수하는 과정을 나타낸 계통도이다.
도 18-21은 2종의 공급원료를 가스화하는 시설의 각종 기능블록 공정이 다양한 방식으로 결합된 것을 나타낸 도식으로서 '1'는 기능블록 1 (휘발 챔버), '2'는 기능블록 2 (탄화물질 변환 챔버), '3'는 기능블록 3 (고형 잔류물 처리 챔버), '4'는 기능블록 4 (가스 재구성 시스템)를 나타낸다.
도 22는 본 발명의 일 구현예에 따라 하위 가스 엔진과 결합된 범례적 가스 조절 시스템을 사용하는 저온 가스화 시설의 공정계통도이다.
도 23은 도시 고형 폐기물 저장 건물의 설계를 나타낸 것이다. 도 23(A)는 폐기물 처리 시스템을 나타낸 것이다. 도 23(B)는 합성수지 처리 시스템의 계통도이다.
도 24는 가스화기의 일 구현예의 투시도로서 공급원료 투입구, 가스 배출구, 잔류물 배출구, 캐리어램 인클로저(carrier-ram enclosure), 접근 포트 등을 세부적으로 나타낸 것이다.
도 25는 도 24에 예시된 가스화기의 측면도로서 공기통, 잔류물통, 집진기 등을 세부적으로 나타낸 것이다.
도 26은 도 24 및 25에 예시된 가스화기의 중앙 세로단면도로서 공급원료 투입구, 가스 배출구, 잔류물 배출구, 횡이송 장치, 열전대, 접근 포트 등을 세부적으로 나타낸 것이다.
도 27은 C 단계의 공기통, 캐리어램 핑거(carrier-ram finger), 잔류물 축출 나사, 톱니형 에지 등을 세부적으로 나타낸 확대단면도이다.
도 28은 도 24 및 25의 가스화기의 단면도로서 내화 구조물을 세부적으로 나타낸 것이다.
도 29는 도 24-28에 예시된 가스화기의 A 및 B 단계의 공기통 어셈블리를 세부적으로 나타낸 것이다.
도 30은 도 24-28에 예시된 가스화기의 C 단계의 단면도이다.
도 31은 도 24-28에 예시된 가스화기의 단면도로서 공기통을 세부적으로 나타낸 것이다.
도 32는 도 24-28에 예시된 가스화기의 멀티핑거(multi-finger) 캐리어램의 분진 차단 장치를 세부적으로 나타낸 것이다.
도 33은 도 24-28에 예시된 가스화기의 일 구현예의 분진 제거 장치를 나타낸 것으로서 분진축출기, 집진통 연결부, 셔터, 작동 핸들, 체인 장치 등을 세부적으로 보여준다.
도 34는 도 24-28에 예시된 가스화기의 캐리어램 인클로저를 나타낸 것으로서 캐리어램 구조를 세부적으로 보여준다.
도 35는 본 발명의 일 구현예의 수준 스위치 위치를 세부적으로 나타낸 것이다.
도 36은 다중구역 탄소변환기의 일 구현예의 투시도로서 가공 공급원료 투입구 및 각종 포트를 세부적으로 나타낸 것이다.
도 37(A)는 다중구역 탄소변환기의 일 구현예의 부분적 세로단면도로서 각종 처리공기용 포트, 점화 버너 포트, 고온 가스 생성기에서 유입되는 가스의 전용 포트, 슬래그 배출구, 방해 장치 등을 세부적으로 나타낸 것이다. 도 37(B)는 도 37(A)에 예시된 구현예의 A-A레벨 단면도이다. 도 37(C)는 방해 장치 및 지지 쐐기의 상면도이다.
도 38은 도 36의 다중구역 탄소변환기의 토치 부분의 단면도로서 방향이 서로 엇갈리게 배열된 다수의 공기 투입구와 플라즈마 토치를 세부적으로 나타낸 것이다.
도 39는 도 36의 다중구역 탄소변환기의 버너 부분의 단면도이다.
도 40은 가스 재구성 챔버의 계통도이다.
도 41은 가스 재구성 챔버의 내벽을 나타낸 것이다.
도 42는 가스 재구성 챔버의 전면을 나타낸 것으로서 토치, 공기 및 스팀 노즐의 위치를 보여준다.
도 43은 가스 재구성 챔버 둘레의 소용돌이형 유입구의 배치를 나타낸 것이다.
도 44는 가스 재구성 챔버에 장착된 플라즈마 토치를 나타낸 것이다.
도 45(A)는 도 40의 가스 재구성 챔버의 단면도이다. 도 45(B)는 도 40의 가스 재구성 챔버가 포함된 본 발명의 가스 재구성 시스템이 포함된 가스화기의 내부 공기 흐름을 나타낸 것이다. 도 45(C)는 공기 공급 장치로부터 가스 재구성 챔버로 공기가 투입되는 과정과 이에 의해 내부 공기 흐름에 미치는 영향을 나타낸 것이다.
도 46은 잔류물 처리 시스템의 기능블록을 나타낸 것이다.
도 47은 전체 시스템의 공정계통도로서 특히 가스 조절 시스템(GCS)에 초점을 맞춘 것이다.
도 48은 열교환기를 보다 세부적으로 나타낸 것으로서 열교환기로 유입되는 공기의 양을 제어하는 처리송풍기를 보여준다.
도 49는 저장 호퍼에 든 활성탄소 또는 기타 흡착제가 회전 나사에 의해 합성가스 유체로 공급되는 건식 투입 시스템을 나타낸 것이다. 합성가스 유체 파이프는 가스 유체에 섞여 들어가지 않은 탄소가 집진기로 유입될 수 있는 각도로 장치되어 있다.
도 50은 건식 투입 시스템과 집진기 사이의 관계를 나타낸 범례적 계통도이다.
도 51은 HCl 정화기 및 관련 구성요소를 나타낸 범례적 계통도이다.
도 52는 가스 조절 시스템에서 배출된 폐수를 수거 및 저장하는 시스템을 나타낸 것이다.
도 53은 본 발명의 일 구현예에 따라 티오파크(Thiopaq) 기반 생물반응기를 사용한 H2S 제거 공정을 나타낸 공정계통도이다.
도 54는 본 발명의 일 구현예에 따라, 가스가 단일 공급원으로부터 단일 균질화 챔버로 공급되고, 이어 각각 자체적 기체/액체 분리기 및 가열기가 장치된 다수의 엔진으로 공급되는 가스 균질화 시스템을 나타낸 것이다.
도 55는 본 발명의 일 구현예에 따라 정량 균질화 챔버를 나타낸 것이다.
도 56은 가스화 시스템 및 그 제어 시스템을 나타낸 상위 계통도이다.
도 57은 도 56의 가스화 시스템 및 그 제어 시스템을 또 다른 도식으로 나타낸 것이다.
도 58은 도 56 및 57의 가스화 시스템을 제어하는 제어 시스템을 나타낸 공정계통도이다.
도 59는 도 56 및 57의 가스화 시스템을 제어하는 또 다른 제어 시스템을 나타낸 공정계통도로서 가스화 공정에 공정 첨가물 증기가 사용될 수 있도록 변형된 것이다.
도 60은 예 2에 기술된 상위 요소를 나타낸 계통도이다.
도 61은 예 3에 기술된 상위 요소를 나타낸 계통도이다.
여기 사용된 모든 기술용어 및 과학용어는 달리 정의되지 않은 한 본 발명이 속하는 기술분야의 일반적 기술 소유자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
정의
본 발명의 목적상 '합성가스'란 가스화 공정의 생성물을 말하며 일산화탄소, 수소 및 이산화탄소를 비롯하여 메탄 등의 기타 기체 성분과 물이 이에 포함될 수 있다.
여기서 동일한 의미로 사용되는 '탄소질 공급원료'와 '공급원료'는 가스화 공정에서 사용될 수 있는 탄소질 물질을 말한다. 적합한 공급원료의 예는 1) 석탄, 바이오매스, 도시 고형 폐기물(MSW) 등의 유해성 및 비유해성 폐기물, 2) 산업활동에 의해 생성되는 폐기물, 3) 생물의학 폐기물, 4) 재활용이 불가능한 합성수지 등, 재활용에 부적합한 탄소질 물질, 5) 오니, 6) 중유(重油), 7) 석유코크스, 8) 중잔유(重殘油), 9) 정유 폐기물, 10) 탄화수소 오염 고형물, 11) 농업 폐기물, 12) 이러한 물질의 혼합물 등이다. 공급원료는 전기한 공급원료 중 두 가지 이상이 특정 혼합비에 따라 혼합된 것이 될 수도 있다.
'석탄'는 모든 등급 또는 등위의 석탄을 말한다. 여기에는 황 함량이 높은 배출가스가 생성되기 때문에 석탄 화력발전용으로 부적합한 저급 고유황 석탄도 포함된다.
'바이오매스'란 펄프 및 폐지, 분쇄 나무껍질, 나뭇조각, 톱밥 등의 목재물, 하수 오물 및 오니, 음식물 쓰레기, 식물성 물질, 볏짚, 거름 등의 농축산업 폐기물, 셀룰로오스형 산업 폐기물(건축 폐기물 등), 폐목재, 생목재, 과일 찌꺼기, 채소 및 곡물 찌꺼기, 풀 등 모든 종류의 유기물질을 말한다.
'1차 공급원료'란 본 시스템에서 가스화 공정을 거치는 주요 탄소질 공급원료를 말한다. 한 가지의 공급원료만 가스화될 경우에는 당해 공급원료가 1차 공급원료가 된다. 두 가지 이상의 공급원료가 가스화될 경우에는 두 가지 중 구성비가 더 높은 것이 1차 공급원료가 된다.
'2차 공급원료'란 1차 공급원료와 다른 것으로서 1차 공급원료와 함께 가스화 공정을 거치는 보조 탄소질 공급원료를 말한다. 2차 공급원료는 가스화되는 1차 공급원료의 탄소 함량을 조절하기 위한 공정 첨가물이 될 수도 있다.
'가공 공급원료' 또는 '가공 공급원료/탄화물질'에는 한 가지 이상의 탄화물질, 고정탄소 및 재 성분이 함유된 저휘발성 및 초저휘발성 공급원료, 탄소질 공급원료 가스화 또는 열분해 공정의 부산물, 탄소질 공급원료의 불완전연소에 의해 생성된 물질, 플라즈마 토치의 열원 공급에 의해 가스 조절 및/또는 정화 시스템에서 수거되는 고형물 등이 포함될 수 있다.
'1차 챔버'란 탄소질 공급원료가 유입되는 곳으로서 주요 공정이 건조 및 휘발, 즉 가스화 공정의 I단계 및 II단계인 챔버를 말한다.
'2차 챔버'란 1차 챔버로부터 가공 공급원료가 유입되는 곳으로서 탄소 변환 공정이 사실상 완료되는 챔버를 말한다.
'1차 챔버 가스'란 1차 챔버에서 생성된 기체를 말한다. 이 기체에는 공급원료의 성분 중 휘발된 물질, 공급원료에 수분이 함유되어 있을 경우 수증기, 소량의 탄소 변환 가스 생성물 등이 포함된다.
'2차 챔버 가스'란 2차 챔버에서 생성된 기체를 말한다. 이 기체에는 탄소 변환 반응에 의한 생성물을 비롯하여 휘발 단계 후 가공 공급원료/탄화물질에 잔류하는 휘발성 성분이 포함된다. '합성가스'로 불리기도 한다.
'가공 합성가스'란 가스 재구성 구역에서 재구성되는 오프가스 또는 합성가스를 말한다.
'가스 재구성 구역'란 오프가스 및/또는 합성가스가 각종 성분으로 분해되어 일산화탄소 및 수소 등의 목표 생성물로 재구성되는 구역을 말한다. 이 구역은 1차 챔버, 2차 챔버, 가스 재구성 전용 챔버, 또는 이러한 챔버가 결합된 것의 내부에 설치될 수 있다.
'제어가능 고형물 제거 장치'란 제어가 가능한 방식으로 챔버로부터 고형물을 제거하는 1개 이상의 장치를 말한다. 이러한 장치의 예는 회전팔, 회전휠, 회전패들, 이동 선반, 푸셔램, 나사, 컨베이어, 또는 이러한 장치가 결합된 것 등이다.
'감지부'란 공정, 공정 장치, 공정 입력 및 출력 등의 특성을 감지하도록 설정된 시스템의 한 요소를 말하며, 여기서 특성이란 시스템 내의 1개 이상의 국소적, 구역적 및/또는 전반적 공정의 감시, 조절 및/또는 제어에 사용될 수 있는 특성값으로 나타낼 수 있는 것을 말한다. 가스화 시스템에 사용될 수 있는 감지부에는 공정, 유체 및/또는 재료 온도, 압력, 유량, 구성 및/또는 기타 이와 같은 특성뿐만 아니라 시스템 내 특정 지점의 재료 위치 및/또는 배치, 시스템 내에서 사용되는 공정 장치의 동작 특성 등을 감지하는 센서, 디텍터, 모니터, 분석기, 또는 이러한 장치가 결합된 것 등이 포함될 수 있다. 당해 기술분야의 일반적 기술 소유자는 이와 같은 감지부의 예가 일반적인 가스화 시스템과 관련하여서는 적합할지라도 본 발명과 관련하여서는 특정적으로 적합하지 않을 수도 있음을 이해할 것이며, 따라서 여기서 감지부로 명시된 요소는 이와 같은 예에 국한되거나 이와 같은 예에 비추어 부적절하게 해석되어서는 안된다.
'감응부'란 사전에 결정, 계산 및 고정되었거나 조절 가능한 1개 이상의 제어인자에 따라 당해 공정 장치가 정상적으로 작동하도록 하기 위해 감지된 특성에 대해 감응하도록 설정된 시스템의 한 요소를 말하며, 여기서 1개 이상의 제어인자란 소기의 공정 성과를 제공할 수 있도록 설정된 것을 말한다. 가스화 시스템에 사용될 수 있는 감응부에는 사전설정된 정적 드라이버 및/또는 동적 가변 드라이버, 동력원, 그리고 1개 이상의 제어인자를 기반으로 한 장치에 대해 기계적, 전기적, 자기적, 공압적 또는 유압적 작용, 또는 이와 같은 작용이 다중적으로 결합된 작용을 하도록 설정할 수 있는 기타 요소 등이 포함될 수 있다. 가스화 시스템에 사용될 수 있으며 1개 이상의 감지부와 연결되어 작동할 수 있는 공정 장치에는 재료 및/또는 공급원료 투입 장치, 플라즈마 열원 등의 열원, 첨가물 투입 장치, 각종 가스 송풍기 및/또는 기타 가스 순환 장치, 각종 가스 유량 및/또는 압력 조절기, 기타 가스화 시스템 내의 국소적, 구역적 및/또는 전반적 공정에 영향을 주도록 작동시킬 수 있는 각종 공정 장치 등이 포함될 수 있다. 당해 기술분야의 일반적 기술 소유자는 이와 같은 감응부의 예가 일반적인 가스화 시스템과 관련하여서는 적합할지라도 본 발명과 관련하여서는 특정적으로 적합하지 않을 수도 있음을 이해할 것이며, 따라서 여기서 감응부로 명시된 요소는 이와 같은 예에 국한되거나 이와 같은 예에 비추어 부적절하게 해석되어서는 안된다.
여기서 사용된 '약'란 명목값의 +/-10%를 말한다. 이 편차는 그 표시 여부와 무관하게 여기 예시된 수치에 포함되어 있다.
개요
본 발명은 탄소질 공급원료를 합성가스 및 슬래그로 완전히 변환하는 시스템을 제공한다. 본 시스템은 공급원료가 휘발되어 오프가스가 생성되는 1차 챔버, 가공 공급원료가 합성가스 및 고형 잔류물로 추가 변환되는 2차 챔버, 1개 이상의 챔버 내에서 생성된 가스가 처리되는 가스 재구성 구역, 고형 잔류물이 유리화되는 용융 챔버 등으로 구성된다. 1차 챔버에는 주 공급원료의 탄소 함량을 조절하기 위한 직접 또는 간접 공급원료 첨가 기능이 포함된다.
본 시스템에는 또한 탄소질 공급원료가 합성가스 생성물로 효율적으로 완전하게 변환되도록 공정의 각 단계를 감시 및 제어하는 가스화 시스템용 제어 시스템이 포함된다. 또한 이 제어 시스템은 그 구성이 일정하거나 규정된 합성가스 생성물의 생산을 제어한다. 이 제어 시스템은 시스템 내의 운전인자에 관한 데이터를 감시 및 취득하는 1개 이상의 감지부와 시스템 내의 운전 조건을 조절하는 1개 이상의 감응부로 구성된다. 감지부 및 감응부는 시스템 내에서 일체화되어 있으며, 감응부는 감지부에서 취득된 데이터에 따라 시스템 내의 운전 조건을 조절한다.
본 탄소질 공급원료 가스화 시스템은 선행 기술을 사용한 기존의 가스화 시스템에서 일반적으로 요구되는 것보다 낮은 온도에서 가스화 공정이 이루어질 수 있도록 한다. 잔류 수분을 제거하여 공급원료의 휘발성 성분이 신속하게 효율적으로 휘발되도록 하기 위해, 공급원료가 1차 챔버에서 비교적 낮은 온도(약 800℃ 미만)로 가열된다. 이 공정에서 생성된 가공 공급원료(탄화물질)가 능동적 또는 수동적으로 2차 챔버로 이송되어 더 높은 온도(약 1000-1200℃)로 가열되며, 이에 의해 탄소 변환 효율이 높아지고 가공 공급원료/탄화물질이 가스 생성물 및 재로 완전하게 변환된다. 또한 2차 챔버에는 효율적이고 완전한 탄소 변환을 위해 충분한 체류 시간을 확보하기 위한 장치도 포함된다.
본 다중 챔버 시스템의 가스화 공정에 적합한 공급원료는 예를 들어 MSW, 석탄, 바이오매스, 또는 이러한 물질이 혼합된 것 등, 탄소가 함유된 모든 종류의 물질이다. 본 시스템은 가스화되는 공급원료의 요건에 따라 조정될 수 있다. 예를 들어, 유리탄소 함량이 높은 공급원료의 가스화에 주로 사용되는 가스화 시스템은 탄소 함량이 비교적 낮은 공급원료의 가스화에 사용되는 시스템에 필요한 것보다 크기가 더 큰 2차 챔버가 필요할 수 있다. 또는, 휘발성 혼합물의 함량이 높은 공급원료의 가스화에 주로 사용되는 시스템에서 휘발 단계를 위한 챔버는 휘발성 성분 함량이 비교적 낮은 동일한 양의 공급원료의 휘발에 필요한 것보다 크기가 더 클 수 있다.
본 시스템은 또한 1차 및 2차 공급원료가 특정 혼합비로 혼합된 것의 가스화에 적합하도록 조정될 수 있다. 2차 공급원료는 탄소 함량을 조절함으로써 최종 가스 생성물의 균일성을 유지하기 위한, 1차 공급원료의 탄소 함량을 조절하는 공정 첨가물 역할을 한다. 예를 들어, 바이오매스나 MSW 등 탄소 함량이 비교적 낮은 공급원료를 가스화할 경우, 공급원료의 탄소 함량을 높이기 위해 석탄이나 합성수지 등 탄소 함량이 높은 2차 공급원료를 고탄소 공정 첨가물로 사용할 수 있다. 또는, 탄소 함량이 높은 공급원료(석탄 등)를 주 공급원료로 사용할 경우 필요에 따라 높은 탄소 함량을 상쇄하기 위해 탄소 함량이 비교적 낮은 2차 공급원료(바이오매스 등)를 사용할 수 있다.
이와 같은 두 가지 공급원료는 미리 혼합한 다음에 공용 공급원료 투입구를 통해 1차 챔버에 투입할 수도 있고, 1차 및 2차 공급원료 전용 투입구를 통해 각각 따로 1차 챔버에 투입할 수도 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 가공 공급원료/탄화물질 변환 단계 및 휘발 단계에서 생성된 가스 생성물은 가스 재구성 구역으로 이송되어 플라즈마 등의 열원에 의해 추가로 가열되며(선택적으로는 증기가 첨가된 상태에서), 그 결과로서 고온 합성가스 생성물로 구성된 일반적인 기체 유체가 생성된다. 본 발명의 일 구현예에서, 1차 챔버에서 생성된 오프가스만 가스 재구성 구역으로 이송된다.
이후 이 고온 합성가스 생성물은 냉각 단계를 거쳐 추가 정화 및 조절 단계로 투입된다. 본 발명의 일 구현예에서, 냉각 단계는 가스화 공정 또는 하위 응용 공정에서 사용할 수 있도록 고온 합성가스로부터 선택적으로 열을 회수하는 열회수 서브시스템에서 이루어진다. 이와 같은 구현예에서는 시스템 내 다른 구역에서 사용할 수 있도록 현열(顯熱)을 유체로 전도하는 열교환기가 열회수 서브시스템에 포함될 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서, 열회수 서브시스템은 고온 합성가스로부터 현열을 회수하여 주변 공기로 전도함으로써 열풍을 생산하는 합성가스-공기 열교환기(복열기라고도 함)이다. 이와 같은 구현예에서는 열풍이 1차 및/또는 2차 챔버로 선택적으로 이송되어, 최소한 가스화 공정의 1개 이상의 단계의 구동에 필요한 열의 일부를 공급한다. 열회수 서브시스템에는 열회수 증기발생기가 선택적으로 포함되며, 이 증기발생기는 예를 들어 증기 터빈의 구동에 사용되거나 가스화 반응에서 공정 첨가물로 사용될 수 있다.
고온 합성가스는 충분한 냉각을 거친 후 선택적으로 가스 품질 조절 서브시스템(GQCS)으로 이송되어 입자상 물질, 중금속, 황화합물 등의 오염물질이 제거된다. 이 조절 단계를 거친 합성가스는 하위 응용 공정에서 사용되기 전에 선택적으로 가스 조절 및/또는 균질화 서브시스템으로 이송된다.
가공 공급원료/탄화물질이 가스로 변환된 후 남은 고형 잔류물(재)은 선택적으로 2차 챔버에서 고형 잔류물 처리 챔버로 이송되며, 여기서 플라즈마 열원에 의해 가열되어 유리화된 비가용성 슬래그로 용융/유리화 및 변환된다.
도 1은 다중 챔버 탄소질 공급원료 가스화 시스템의 일 구현예을 나타낸 것이다. 본 구현예에서는 공급원료와 열풍이 1차 챔버에 투입되어 공급원료가 건조 및 휘발 단계를 거친다. 여기서 생성된 탄화물질이 2차 챔버로 이송되어 열풍에 의해 추가 가열된다(선택적으로는 증기 첨가물이 첨가된 상태에서). 탄화물질에 함유된 탄소가 가스 생성물로 변환되고, 잔류물인 재는 플라스마 가열 슬래그 챔버로 이송되어 용융 및 유리화 과정을 거친다. 이 두 단계에서 생성된 가스 생성물은 가스 재구성 챔버로 이송되어 플라즈마 가열 과정을 거친다(선택적으로는 고온 합성가스 생성물의 생산을 위한 공기 및/또는 증기 등의 공정 첨가물이 첨가된 상태에서). 고온 합성가스는 합성가스로부터 현열을 제거하는 열교환기를 통과한다. 냉각된 합성가스는 열회수 증기발생기 또는 건식 소화 단계와 같은 추가 냉각 시스템으로 이송된다. 열회수 증기발생기를 사용하여 합성가스를 냉각시킬 경우, 이때 생성된 증기 생성물은 발전용 증기 터빈에서처럼 하위 응용 공정에서 사용될 수 있다. 그런 다음 추가 냉각된 합성가스에 활성탄소가 투입되고, 이것은 예를 들어 집진 필터를 통과하는 등, 입자상 물질을 제거하는 여과 단계를 거친다. 합성가스 생성물로부터 제거된 입자상 물질은 슬래그 침벼로 이송되어 공급원료 가스화의 재 생성물과 함께 플라즈마 용융 단계를 거친다. 여과된 합성가스 생성물은 하위 응용 공정에서 사용되기 전에 추가적인 정화 및 조절 단계를 거친다.
본 시스템에는 또한 시스템 내의 각종 운전인자를 감시하고 가스화 공정의 다양한 운전 조건을 조절하는 제어 시스템이 선택적으로 포함된다. 제어 시스템은 가스화 공정의 각 단계를 거치는 재료의 이동을 능동적으로 제어한다. 예를 들어, 제어 시스템은 1차 챔버에서 제거되어 2차 챔버로 이송되는 고형물(탄화물질)의 양과 속도를 조절한다. 제어 시스템은 또한 선택적으로는 2차 챔버의 바닥에서 고형 잔류물(재)이 제거되는 속도를 조절한다. 따라서 제어 시스템은 예를 들어 시스템 내의 재료의 이동을 조절하는 고형물 제거 장치를 조절한다고 할 수 있다. 횡이송 장치로 구성된 수평형 1차 챔버가 가스화 시스템에 포함될 경우, 제어 시스템은 또한 재료가 1차 챔버를 효율적으로 통과할 수 있도록 하기 위해 횡이송 장치의 작동을 제어한다. 시스템의 각 단계를 통과하는 재료의 이동을 제어함으로써 공급원료 가스화 공정의 다양한 단계를 최적화할 수 있다.
제어 시스템은 또한 탄소질 공급원료의 합성가스 변환 반응이 완전하고 효율적으로 이루어질 수 있도록 하기 위해 필요할 경우 1개 이상의 1차 및 2차 공급원료 공급 속도, 열풍 공급량 및 공급 위치, 플라즈마 열원의 출력 및 위치, 공정 첨가물의 공급량 및 종류 등을 제어한다. 1차 및 2차 공급원료 공급과 더불어 열풍 및 선택적 증기 공정 첨가물 공급을 제어함으로써 공급원료를 일정하거나 규정된 합성가스 생성물로 변환하는 데 필요한 화학종을 확보할 수 있다.
본 제어 시스템은 필요에 따라 시스템 내에 장치된 감지부를 이용하여 온도, 압력, 합성가스 구성 등의 인자를 측정함으로써 취득한 정보에 따라 상기의 각종 인자를 제어한다.
따라서 본 발명은 현재 당해 기술분야에 알려진 단일 단계 가스화 시스템보다 성능이 우수한 다중 챔버 탄소질 공급원료 가스화 시스템이다. 예를 들어, 다중 챔버 시스템은 초기의 저온 단계에서의 고활성 물질(휘발성 물질)의 열분해 및 가스화가 신속하기 때문에 생산성이 더 높으며, 예를 들어 가공 공급원료/탄화물질 변환 단계를 위한 이동층 또는 유동층 챔버의 병합 등 다양한 설계가 가능하므로 고온 2차 챔버 작동 모드의 유연성이 월등하다. 예를 들어 1차 챔버에서의 건조/휘발이 완전하게 이루어지도록 하거나 2차 챔버에서의 탄소 변환을 최적화하기 위해, 가스화 공정의 각 단계에서의 재료의 체류 시간도 제어할 수 있다. 다중 챔버 시스템은 또한 연료 유연성과 공급원료 공급 용이성도 월등하다.
가스화의 각 단계가 각각 전용 챔버에서 이루어지므로, 인접 단계에 의해 설정되는 제한 또는 금지 요건으로 인한 방해 없이 각 단계에 대한 운전인자가 특정 단계에 대해 최적화되도록 여러 가지 단계를 따로 분리하는 것이 가능하다. 다중 챔버 시스템은 또한 1차 및 2차 챔버에 제어된 양의 공기를 공급하므로 이들 챔버의 동작온도를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 증기, 공기, 고탄소/저탄소 2차 공급원료 등의 선택적 공정 첨가물을 사용함으로써 합성가스 생성물(또는 냉가스 효율)의 구성을 최적화할 수 있는 가능성(진입점)이 더 많다.
따라서 본 발명은 가스화 공정의 각 단계에서의 재료의 체류 시간을 제어함으로써 공급원료의 가스 생성물 및 슬래그로의 변환을 최적화할 수 있는 장치를 이용한 다중 챔버 시스템이 채택된 가스화 시스템을 제공한다. 일반적으로, 본 발명은 건조, 휘발 및 탄화물질-재 변환을 순차적으로 추진함으로써, 그리고 플라즈마열 등의 열을 사용하여 고온 합성가스 생성물을 생성시키는 가스화 단계에서 생성된 가스 생성물을 재구성함으로써 최적화되는, 탄소질 공급원료의 합성가스 변환 공정을 제공한다. 본 발명의 일 구현예에서, 생성된 재는 고형 잔류물 처리 챔버에서 슬래그로 변환된다.
재료는 능동적 또는 수동적 이송 장치에 의해 각종 챔버를 통과하면서 다양한 등급의 건조, 휘발 및 탄화물질-재 변환을 거친다. 이런 식으로 가스화 시스템의 재료는 근본적으로 각각 가스화 공정의 특정 단계를 추진하는 온도범위가 설정된 일련의 구역을 통과한다. 반응물질 더미 내에서는 모든 단계가 어느 정도 동시적 및 지속적으로 발생하지만 주어진 온도범위 하에서는 특정 단계가 선호된다는 것을 당해 기술분야의 기술 소유자는 쉽게 이해할 것이다. 또한 구역의 수는 기술적(記述的) 목적상 필요에 따라 많을 수도 있고 적을 수도 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 그러나 이해를 돕기 위해 가스화 공정의 세 단계를 아래와 같이 보다 상세하게 기술하는 바이다.
I단계: 재료의 건조
가스화 공정의 첫 번째 단계는 주로 25-400℃에서 발생하는 건조이다. 이러한 저온에서도 약간의 휘발과 약간의 탄소-재 변환이 발생할 수 있다.
II 단계: 재료의 휘발
가스화 공정의 두 번째 단계는 주로 400-700℃에서 발생하는 휘발이다. 이 온도에서도 약간의 건조(잔여 건조) 및 탄소 변환이 발생할 수 있다.
III 단계: 탄화물질- 재 변환
가스화 공정의 세 번째 단계는 600-1000℃의 온도범위에서 발생하며 약간의 휘발(잔여 휘발)이 병행되는 탄소 변환이다. 이 단계 후의 주요 생성물은 고형 잔류물(재)과 탄소 변환의 가스 생성물이다.
1차 챔버
1차 챔버의 주 기능은 공급원료를 건조하고 탄소질 공급원료의 휘발성 성분을 휘발시키는 것이다. 따라서 1차 챔버는 예열된 공기 등의 저품질 열을 사용하여 비교적 낮은 처리온도에서 신속하고 경제적으로 공급원료 유체의 수분 및 휘발성 물질을 제거하는 데 사용된다. 본 발명의 일 구현예에서, 이 단계에서 사용되는 공기는 챔버로 유입되기 전에 합성가스로부터 회수된 현열을 이용하는 열교환에 의해 예열된다. 이후 남은 가공 공급원료/탄화물질(수분 및 휘발성 물질이 대부분 제거된 것)은 수동적 이송(중력에 의한 이송 등), 또는 가스화 공정의 다음 단계로의 재료의 이송을 제어하는 능동적 이송에 의해 2차 챔버로 이송된다.
본 발명에 따라, 1차 챔버는 가스화될 1차 공급원료가 투입되는 공급원료 투입구가 장치된 챔버이다. 본 발명의 일 구현예에서, 2차 첨가 공급원료는 1차 챔버에 투입되기 전에 1차 공급원료와 결합된다. 본 발명의 일 구현예에서, 2차 첨가 공급원료는 2차 공급원료 투입구를 통해 1차 챔버에 투입된다.
1차 챔버에는 또한 건조 및 휘발 단계의 추진에 필요한 열풍이 공급되는 열풍 투입구, 1차 챔버에서 생성된 각종 가스가 배출되는 1차 챔버 가스 배출구, 생성된 잔류물/가공 공급원료/탄화물질이 2차 챔버로 이송되기 전에 1차 챔버에서 배출되는 잔류물/가공 공급원료/탄화물질 배출구 등이 포함된다. 1차 챔버에서 생성된 각종 가스('1차 챔버 가스 생성물'이라고 칭함)에는 공급원료의 휘발된 성분, 수증기(공급원료에 수분이 함유되어 있을 경우), 소량의 탄소 변환 가스 생성물 등이 포함된다.
본 시스템은 또한 수종의 공급원료가 필요에 따라 특정 혼합비로 혼합된 것의 가스화에 적합하도록 조정될 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서, 공급원료 혼합물은 1차 및 2차 공급원료의 혼합물이다. 본 발명의 일 구현예에서, 2차 공급원료는 가스화되는 1차 공급원료의 탄소 함량을 조절하기 위한 공정 첨가물로서 공급된다. 예를 들어, 바이오매스 또는 MSW 등의 비교적 탄소 함량이 낮은 1차 공급원료의 탄소 함량을 보충하기 위해 석탄 또는 합성수지 등의 고탄소 공급원료를 사용할 수 있다. 또는, 필요할 경우 고탄소 1차 공급원료의 탄소 함량을 줄이기 위해 탄소 함량이 비교적 낮은 2차 공급원료를 사용할 수 있다.
1차 및 2차 공급원료가 가스화되는 본 발명의 일 구현예에서, 두 가지 공급원료는 공용 공급원료 투입구를 통해 1차 챔버에 투입되기 전에 혼합된다.
1차 및 2차 공급원료가 가스화되는 본 발명의 일 구현예에서, 각각의 공급원료는 1차 및 2차 전용 공급원료 투입구를 통해 1차 챔버에 각각 따로 투입된다.
두 가지 공급원료의 혼합물이 가스화되는 본 발명의 일 구현예에서, 두 가지 공급원료는 교대로 1차 챔버에 투입된다.
두 가지 공급원료가 가스화되는 본 발명의 일 구현예에서, 각 공급원료는 각각의 1차 챔버에서 따로따로 초기 휘발 단계를 거치며, 각각의 가공 공급원료/탄화물질 생성물은 공용의 2차 챔버에서 결합되어 가스 생성물 및 재로 변환된다.
본 발명의 일 구현예에서, 1차 챔버의 공급원료 투입구와 관련하여 투입 공급원료의 물리적 특성에 적합하도록 조정된 재료 공급 서브시스템이 시스템에 포함된다. 예를 들어 오거, 램, 공급 호퍼, 로터리 밸브, 중력 이용 공급 장치 등은 공급원료의 공급을 용이하게 하기 위해 시스템에 응용할 수 있는 공급 시스템이다.
본 발명의 일 구현예에서, 재료 공급 서브시스템에는 1차 챔버 공급원료 투입구에 직접 공급함으로써 입자상 물질 공급 기능을 제공하는 오거가 포함된다.
본 발명의 일 구현예에서, 1차 챔버에 장착된 재료 공급 서브시스템은 장방형의 공급 호퍼와 유압보조식 램으로 구성될 수 있다. 공급기의 리밋 스위치는 램 행정 1회당 챔버에 공급되는 공급원료의 양이 제어될 수 있도록 램의 행정 거리를 제어한다.
공급원료가 1차 챔버에 공급되기 전에 공급 시스템의 공급원료를 조절하는 예비 조절 공정을 이용할 수도 있다. 본 발명의 일 구현예에서, 공급원료가 1차 챔버에 공급되기 전에 입자 크기를 조절하기 위해 공급원료를 적절한 상태로 준비한다. 본 발명의 일 구현예에서, 공급원료는 1차 챔버에 공급되기 전에 과다한 수분을 제거하기 위한 예비 건조 단계를 거친다.
본 발명에 따라, 열풍 공급은 건조 및 휘발 공정에 필요한 열을 공급한다. 이에 따라, 공급원료가 충분히 가열되어 건조되고 휘발 성분이 휘발되도록, 챔버 내에서 공급원료가 열풍에 최적 노출되기에 적합한 위치에 열풍 투입구가 배치되어 있다. 본 발명의 일 구현예에서, 열풍이 최적의 노출을 위해 재료 더미의 내부 및 외부로 공급되도록, 챔버 하단과 인접한 내벽에 다수의 열풍 투입구가 배치되어 있다. 본 발명의 일 구현예에서, 열풍이 재료 더미에 투입되어 재료 더미 속을 통과하도록, 챔버의 바닥에 다수의 열풍 투입구가 배치되어 있다. 본 발명의 일 구현예에서, 챔버의 내벽 및 바닥에 다수의 열풍 투입구가 배치되어 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 각 공정의 추진에 사용되는 열풍은 탄소질 공급원료 가스화의 고온 합성가스 생성물로부터 회수된 현열을 이용하는 열교환기에 의해 예열된다.
가스화 시스템의 최초 시동을 용이하게 하기 위해, 챔버의 예열을 위해 천연가스 또는 프로판 버너 등의 다양한 재래식 버너를 사용할 수 있는 크기의 접근 포트가 챔버에 포함될 수 있다.
1차 챔버의 형태 및 크기는 저온 가스화 공정에 적합하다면 어떤 것이라도 좋다.
본 발명의 일 구현예에서, 챔버는 상단 부근에 공급원료 투입구가 있고 하단 부근에 가공 공급원료/탄화물질 배출구가 장치된 수직형 챔버이다. 이와 같은 구현예에서는, 공급원료가 위에서 투입되어 더미로 쌓이면서 건조 및 휘발 공정을 추진하는 열풍에 의해 가열된다. 공급원료는 수분 및 휘발성 물질이 제거되면서 점진적으로 탄화물질로 변환된다. 이 가공 공급원료/탄화물질은 1차 챔버 하단에 위치한 가공 공급원료/탄화물질 배출구를 통해 능동적 또는 수동적으로 2차 챔버로 이송된다.
본 발명의 일 구현예에서, 공급원료 더미는 고형물의 기계적 혼합 또는 챔버 내에서의 능동적 이동 없이 열풍의 작용에 의해 가공 공급원료/탄화물질로 점진적으로 변환되며, 가공 공급원료/탄화물질 생성물은 1차 챔버와 2차 챔버 사이의 구멍을 통해 1차 챔버에서 2차 챔버로 수동적으로 투하된다.
본 발명의 일 구현예에서, 재료가 중력에 의해 가공 공급원료/탄화물질 배출구 쪽으로 수동적으로 이송되도록, 챔버의 하단이 가공 공급원료/탄화물질 배출구를 향해 점진적으로 아래쪽으로 기울어져 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 공급원료가 열풍의 최적 노출을 위해 수평으로 회전하는 회전패들, 회전휠, 회전팔 등의 장치에 의한 기계적 혼합 공정을 거친다. 이와 같은 혼합 장치는 가공 공급원료/탄화물질을 가공 공급원료/탄화물질 배출구 쪽으로 제어가능한 방식으로 능동적으로 이송하는 기능을 할 수도 있다.
가공 공급원료/탄화물질의 가공 공급원료/탄화물질 배출구 쪽으로의 이동과 1차 챔버로부터의 배출을 제어함으로써, 공급원료가 2차 챔버로 이송되기 전에 수분 및 휘발성 물질이 제거되도록 챔버 내에서의 체류 시간을 최적화할 수 있다. 재료가 1차 챔버에서 배출되어 2차 챔버로 유입되는 속도는 제어가능한 고형물 제거 장치에 의해 조절된다. 고형물 제거 장치는 당해 기술분야에 알려진 다양한 장치 중 하나가 될 수 있다. 그 예는 나사, 푸셔램, 수평형 회전패들, 수평형 회전팔, 수평형 회전휠 등이다.
본 발명의 일 구현예에서, 고형물 제거 장치는 가공 공급원료/탄화물질을 가공 공급원료/탄화물질 배출구 쪽으로 이송하는 동시에 챔버로부터 배출하는, 가느다란 바퀴살이 달린 회전패들이다. 도 2는 작은 가공 공급원료/탄화물질 배출구(70)를 통해 가공 공급원료/탄화물질을 챔버(20)로부터 배출하는 회전패들(81)이 1차 챔버(20) 하단에 장치된 고형물 제거 장치를 사용하는, 본 발명의 일 구현예을 나타낸 것이다. 부분적으로 가공 공급원료/탄화물질이 직하에 의해 가공 공급원료/탄화물질 배출구(70)를 통과하는 것을 방지하기 위해, 가공 공급원료/탄화물질 배출구(70) 위에 장애물(82)이 장치되어 있다. 선택적으로는 리밋 스위치를 사용하여 회전패들의 회전 속도를 제어하고, 그로써 잔류물 제거 속도를 제어할 수 있다. 도 3은 도 2에 나타낸 회전팔 고형물 제거 장치의 상면도로서, 장애물(82)과 가공 공급원료/탄화물질 배출구(70) 사이의 관계를 나타낸 것이다.
본 발명의 일 구현예에서, 고형물 제거 장치는 가공 공급원료/탄화물질을 챔버로부터 배출하는 일련의 나사이다. 이와 같은 구현예에서는, 가공 공급원료/가공 공급원료/탄화물질이 나사 쪽을 향하도록, 챔버 내벽의 하단부가 선택적으로 챔버 하단의 나사 쪽으로 기울어져 있다. 도 4는 가공 공급원료/탄화물질을 챔버(20)로부터 배출하는 일련의 축출 나사(83)가 1차 챔버(20) 하단에 장치된 고형물 제거 장치를 사용하는, 본 발명의 일 구현예을 나타낸 것이다. 일련의 축출 나사의 모서리의 선택적 톱니 구조는 가공 공급원료/탄화물질 배출구(70)에 잼을 일으킬 수 있는 덩어리를 분쇄한다. 부분적으로 가공 공급원료/탄화물질이 직하에 의해 가공 공급원료/탄화물질 배출구(70)를 통과하는 것을 방지하기 위해 장애물(82)이 장치되어 있다. 도 5에 나타낸 구현예에서 보듯, 잔류물 배출구(70)가 처리 챔버(20) 바깥쪽에 위치할 경우에는 장애물이 불필요하다. 선택적으로는 리밋 스위치를 사용하여 나사의 속도를 제어하고, 그로써 잔류물 제거 속도를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 고형물 제거 장치는 가공 공급원료/탄화물질을 가공 공급원료/탄화물질 배출구 쪽으로 이송하는 동시에 챔버로부터 배출하는 1개의 가느다란 램이다. 이와 같은 구현예에서는, 가공 공급원료/탄화물질이 램 쪽을 향함으로써 배출구 공간이 확보되도록, 램의 반대쪽 측면의 하단 부분이 기울어져 있다. 도 6 및 7은 작은 가공 공급원료/탄화물질 배출구(70)를 통해 가공 공급원료/탄화물질을 챔버(20)로부터 배출하는 1개의 가느다란 푸셔램(85)이 1차 챔버(20)에 장치된 고형물 제거 장치를 사용하는 본 발명의 구현예을 나타낸 것이다. 도 8에 나타나 있듯, 장애물(82)은 가공 공급원료/탄화물질 배출구(70)의 위치에 따라 필요할 수도 있고 불필요할 수도 있다. 선택적으로는 리밋 스위치를 사용하여 푸셔램의 길이를 제어하고, 그로써 행정 1회당 이송되는 가공 공급원료/탄화물질의 양을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 1차 챔버는 챔버의 한쪽 끝에 공급원료 투입구가 있고 챔버의 반대쪽 끝에 가공 공급원료/탄화물질 배출구가 장치된 수평형 챔버이다. 공급원료가 수평형 1차 챔버의 한쪽 끝에서 반대쪽 끝으로 이동하면서 수분 및 휘발성 물질이 제거되어 가공 공급원료/탄화물질을 형성한다. 이와 같은 구현예에서는, 챔버를 통해 고형물질을 공급원료 투입구 끝으로부터 가공 공급원료/탄화물질 배출구 끝 쪽으로 횡이송하는 1개 이상의 장치가 챔버에 선택적으로 포함된다. 1개 이상의 횡이송 장치를 사용하여 1차 챔버를 통한 재료의 횡이동을 제어하면, 가스화 공정 중 1차 챔버에서 이루어지는 건조 및 휘발 단계에서의 재료의 체류 시간을 제어함으로써 건조 및 휘발 단계를 최적화할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 횡이송 장치는 재료의 대부분이 1차 챔버를 통과하도록 강제이송하는 1개 이상의 푸셔램이다. 본 발명의 일 구현예에서, 횡이송 장치는 이동 선반/플랫폼으로서 재료의 대부분이 선반 위에 놓여 챔버를 통과하며, 재료의 일부도 이동 선반/플랫폼의 앞모서리에 의해 강제이송될 수 있다. 선반/플랫폼형 횡이송 장치에 의한 횡이송 제어는 운동 속도, 각 횡이송 장치가 운동하는 거리, 다수의 횡이송 장치가 상관관계 하에 운동하는 순서 등을 변화시킴으로써 이루어질 수 있다. 1개 이상의 횡이송 장치는 통합적으로 작동할 수도 있고, 각각의 횡이송 장치가 독립적으로 작동할 수도 있다. 재료 이송 및 재료 더미 높이의 제어를 최적화하기 위해, 각각의 횡이송 장치가 각각 다른 속도, 운동 거리 및 진동수로 독립적으로 작동하도록 할 수 있다.
도 9A는 계단식 바닥 수평형 1차 챔버의 계통도로서, 화살표는 고형물의 챔버 내 횡이동을 나타낸다. 도 9B는 경사 바닥 수평형 1차 챔버의 계통도로서, 화살표는 고형물의 챔버 내 횡이동을 나타낸다.
본 발명의 일 구현예에서, 횡이송 장치는 1개 이상의 나사의 회전에 의해 재료가 가공 공급원료/탄화물질 배출구 쪽으로 횡이송되는, 1차 챔버의 하단을 따라 장치된 나사 장치이다. 나사형 횡이송 장치에 의한 횡이송 제어는 나사의 회전 속도를 변화시킴으로써 이루어질 수 있다.
당해 기술분야의 기술인은 공급원료의 1차 챔버 내 이송에 추가되는 나사 또는 램 등의 횡이송 장치는 또한 가공 공급원료/탄화물질 생성물을 가공 공급원료/탄화물질 배출구 밖으로 배출하도록 설정할 수도 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다.
2차 챔버
2차 챔버는 1차 챔버로부터 유입된 가공 공급원료/탄화물질을 2차 챔버 가스 생성물 및 재로 변환하는 데 사용된다. 가공 공급원료/탄화물질은 1차 챔버에서 사용된 것보다 더 높은 온도로 2차 챔버에서 가열된다. 예를 들어, 재료의 회용융점에 따라 1000℃ (또는 그 이상)의 고온이 적용될 수도 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 2차 챔버는 1차 챔버로부터 가공 공급원료/탄화물질이 유입되는, 2차 챔버 상단 부근에 위치한 가공 공급원료/탄화물질 유입구, 1개 이상의 열풍 투입구, 가스 배출구, 고형 잔류물(재) 배출구, 1개 이상의 선택적 공정 첨가물(증기 등) 투입구, 2차 챔버에서의 가공 공급원료/탄화물질의 체류 시간을 제어하는 선택적 장치 등으로 구성된다. 본 발명의 일 구현예에서, 챔버 하단 부근에 1개 이상의 공기 유입구가 장치되어 있다.
2차 챔버에서 생성된 각종 가스(2차 챔버 가스 생성물)에는 탄소 변환 반응 생성물뿐만 아니라 휘발 단계 후 가공 공급원료/탄화물질 생성물에 잔류하는 휘발 성분이 함유되어 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 2차 챔버는 수직형 챔버이다. 본 시스템에 사용하기에 적합한 것으로 알려진 수직형 챔버의 예는 이동층 가스화기, 고정층 가스화기, 분류층 가스화기, 유동층 가스화기 등이다. 열풍을 사용하여 가공 공급원료/탄화물질을 가스 생성물 및 재로 변환하는 구현예에서는, 가공 공급원료/탄화물질이 열풍에 최적 노출되도록 하고 열풍이 처리 구역 전역에 고루 공급되도록 배치된 열풍 투입구가 가스화기에 포함된다.
2차 챔버에는 열풍뿐만 아니라 가공 공급원료/탄화물질의 재 및 목표 가스 생성물로의 변환에 필요한 각종 공정 첨가물에 가공 공급원료/탄화물질이 효율적으로 노출되도록 하는 기계적 혼합 장치가 선택적으로 포함된다. 기계적 혼합 장치는 또한 가스 편류 및 재료의 응집을 방지할 수도 있다.
가공 공급원료/탄화물질이 가능한 최고 온도에 2차 챔버로 유입될 때 가장 효율적인 공정이 이루어지며 최대한의 CO 및 H2와 최소한의 CO2 및 H2O가 생성된다. 처리 온도는 CO 및 H2 산출량을 극대화하는 한편 가공 공급원료/탄화물질의 온도를 그 용융점 이하로 유지할 수 있는 범위 내에서 최고로 설정한다. 본 발명의 일 구현예에서, 가공 공급원료/탄화물질이 1차 챔버로부터 직접 유입되며, 이에 따라 재료의 이송 시 열손실이 최소화된다.
1차 챔버에서와 마찬가지로, 가공 공급원료/탄화물질은 열풍 투입구를 통해 유입된 열풍에 의해 최소한 부분적으로 가열된다. 본 발명의 일 구현예에서, 합성가스로부터 회수된 현열을 이용하는 열교환에 의해 공기가 예열된다. 열풍 투입구는 열풍이 처리 구역 전역에 고루 공급되도록 챔버 내부 및 주변에 전략적으로 배치되어 있다.
가공 공급원료/탄화물질 변환 공정에 필요한 열은 또한 탄화물질의 부분적 산화에 의해 부분적으로 공급된다. 열풍 공급은 현열을 공급할 뿐만 아니라 탄소를 CO 및 약간의 CO2로 변환하는 데 필요한 산소를 공급한다. O2에 대한 탄소의 반응은 그 결과가 CO의 생성이건 CO2의 생성이건 발열이다. 따라서 이 발열 반응은 탄화물질-재 변환에 필요한 열의 일부를 공급해준다. 따라서 탄화물질-재 변환은 부분적으로 자가추진식이지만, 이러한 반응은 비정상상태 반응으로 이어져 제어되지 않은 온도 상승(재의 용융점에 접근하는 등)을 초래할 수 있으며, 그로 인하여 2차 챔버에서 원치 않는 슬래그 형성이 발생할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서, 그러한 제어되지 않은 온도 상승을 방지하기 위해 2차 챔버에 공급되는 열풍의 양이 제어된다.
본 발명의 일 구현예에서, 최대한의 탄소를 화학열로 변환하는 한편 처리 온도가 본 챔버의 주요 목표(가공 공급원료/탄화물질의 가스 생성물 및 재로의 변환)에 유해한 수준으로 상승하는 것을 방지하기 위해 2차 챔버에 증기 첨가물이 투입된다. 이에 따라 2차 챔버에는 또한 가공 공급원료/탄화물질에 함유된 탄소가 가스 생성물로 효율적으로 변환되는 것을 촉진하기 위해 추가적 공정 첨가물을 투입할 수 있는 공정 첨가물(증기) 투입구가 선택적으로 포함될 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서, 증기가 고온 구역에 공급되도록 전략적으로 배치된 다수의 증기 투입구가 2차 챔버에 포함된다.
따라서 공정 첨가물의 종류와 양은 가공 공급원료/탄화물질의 2차 챔버 가스 생성물 및 재로의 변환을 최적화하는 한편 운전비용을 최소화하고 규제 당국의 배출가스 제한을 준수할 수 있도록 선정된다. 증기 공급은 가공 공급원료/탄화물질이 발열량 및 재가 함유된 2차 챔버 가스 생성물로 변환되는 것이 극대화되기에 충분한 유리산소 및 유리수소를 공급한다. 공기 공급은 탄소의 연료 가스로의 변환을 극대화(유리탄소의 최소화)하고 최적의 처리 온도를 유지하는 한편 열 공급 비용을 최소화하는 화학작용의 균형을 지원한다. 두 첨가물의 양은 처리되는 공급원료의 산출량을 바탕으로 결정되고 조절된다. 공기 공급량은 비교적 높은 열 공급 비용을 최대한 상쇄하는 한편, 공정 전반이 소각과 관련된 바람직하지 않은 공정 특성에 접근하지 않고 당해 지역의 배출가스 기준을 충족시킬 뿐만 아니라 더 높일 수 있도록 결정한다.
본 발명의 일 구현예에서, 열풍 및 증기 투입구에는 시중에서 구매할 수 있는 고온저항 분무 노즐이 포함될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 열풍 투입구는 2차 챔버의 바닥 부근에 설치되어 있다.
1차 챔버에서와 마찬가지로, 가스화기의 초기 시동을 용이하게 하기 위해, 챔버의 예열을 위해 천연가스 또는 프로판 버너 등의 다양한 재래식 버너를 사용할 수 있는 크기의 접근 포트가 챔버에 포함될 수 있다.
도 10을 참조하여, 분류층 2차 챔버(22)를 사용하는 본 발명의 일 구현예에서 열풍(및 선택적 증기) 공급은 가공 공급원료/탄화물질 공급과 비례하여 병류를 이루어 유동한다. 이때 가공 공급원료/탄화물질은 첨가물의 운동에 의해 최소한 부분적으로 부유하며, 이에 따라 공급물과 탄화물질 사이에 보다 균등한 접촉이 촉진된다. 반응물질이 중력에 의해 아래쪽으로, 첨가물의 유동 방향으로 이동하면서 반응이 발생한다. 2차 챔버 가스 생성물은 가스 배출구를 통해 배출되며, 남은 고형 잔류물(재)은 고형 잔류물 배출구를 통해 하단으로 배출된다.
도 11을 참조하여, 유동층 2차 챔버(24)를 사용하는 본 발명의 일 구현예에서 가공 공급원료/탄화물질은 위쪽으로 유동하는 첨가물에 의해 부유한다. 유동층에서는 첨가물이 중력을 훨씬 압도하는 속도로 2차 챔버에 유입되며, 가공 공급원료/탄화물질의 층은 훨씬 더 교란적으로 운동하여 보다 균일한 반응 구역을 형성하고, 가공 공급원료/탄화물질이 사실상 고형물일 수 있음에도 불구하고 난류 유체와 유사하게 유동한다. 열풍 및 증기 첨가물은 하단으로부터 2차 챔버에 유입되어 탄화물질에 역류를 가한다. 남은 고형 잔류물(재)은 고형 잔류물 배출구를 통해 배출되며, 2차 챔버 가스 생성물은 상단의 가스 배출구를 통해 2차 챔버로부터 배출된다.
도 12를 참조하여, 이동층 2차 챔버(26)를 사용하는 본 발명의 일 구현예에서 챔버(26)는 2차 챔버 상단과 인접한 공급원료 투입구, 다수의 열풍 투입구, 가스 배출구, 고형 잔류물 배출구, 2차 챔버 하단의 능동적으로 제어되는 회전 그레이트 등으로 구성된다. 2차 챔버에 증기를 첨가하기 위해 공정 첨가물 투입구도 선택적으로 장치된다. 또한 처리 챔버 내에서의 첨가물과 가공 공급원료/탄화물질의 상호작용을 촉진하기 위해 혼합 장치(27)를 사용할 수도 있다. 남은 고형 잔류물(재)은 고형 잔류물 배출구를 통해 배출되며, 2차 챔버 가스 생성물은 상단의 가스 배출구를 통해 2차 챔버로부터 배출된다. 도 13A 및 13B는 본 발명의 여러 가지 구현예에 따라, 이동층 2차 챔버에 사용할 수 있는 회전 그레이트의 구현예을 나타낸 것이다.
도 14는 이동층 변환 챔버와 고형 잔류물 처리 챔버 및 가스 재구성 챔버 사이의 상관관계의 일 구현예을 나타낸 계통도이다. 도해로 나타낸 본 구현예에서, 변환 챔버는 가공 공급원료/탄화물질 투입구, 열풍 투입구, 외장형 모터 어셈블리가 장착된 교반기, 플라즈마 가열 고형 잔류물 처리 챔버와 소통하는 고형 잔류물 배출구, 플라즈마 가스 재구성 챔버와 소통하는 2차 챔버 가스 생성물 배출구 등으로 구성된다. 가스 재구성 챔버는 또한 휘발 챔버로부터 1차 챔버 가스 생성물을 수취하여 플라즈마열로 혼합 가스 생성물을 합성가스로 변환한다. 탄화물질 변환 챔버에는 탄소 변환 구역으로부터 고형 잔류물 처리 챔버로 유입되는 재료의 유입량을 조절하는 회전 그레이트가 포함된다. 고형 잔류물은 고형 잔류물 처리 챔버로 유입되며, 플라즈마 열원에 의해 가열되어 유리화 및 혼합된다.
본 발명의 일 구현예에서, 2차 챔버는 고정층 챔버이다. 고정층 시스템에서는 가공 공급원료/탄화물질이 상단으로부터 챔버에 유입되어, 열풍 및 선택적 증기(또는 기타 첨가물)가 유입되는 표면 위에 안착한다. 가스 공급은 하단으로부터 역류 형태로 유입되어 가공 공급원료/탄화물질의 층을 통과한다. 남은 고형 잔류물(재)은 고형 잔류물 배출구를 통해 배출되며, 2차 챔버 가스 생성물은 상단의 가스 배출구를 통해 2차 챔버로부터 배출된다.
본 발명에 따라, 2차 챔버에는 2차 챔버에서의 가공 공급원료/탄화물질의 체류 시간을 제어하는 장치가 선택적으로 포함된다. 2차 챔버에서의 가공 공급원료/탄화물질의 체류 시간을 제어함으로써 탄화물질, 열풍 및 선택적 증기의 최적 혼합을 위한 충분한 시간을 확보할 수 있으며, 가공 공급원료/탄화물질의 2차 챔버 가스 생성물 및 재로의 변환을 극대화할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 고정층 2차 챔버에서의 가공 공급원료/탄화물질의 체류 시간을 제어하는 장치는 고형물을 제어가능한 방식으로 챔버 밖으로 배출하기에 적합한 메커니즘에 의해 제공된다. 이와 같은 구현예에서는, 가공 공급원료/탄화물질이 2차 챔버 가스 생성물 및 재로 변환되기에 충분한 체류 시간 동안 챔버에 체류했을 경우, 재 생성물이 챔버 밖으로 능동적으로 배출된다. 이와 같은 메커니즘에는 가공 공급원료/탄화물질을 1차 챔버 밖으로 능동적으로 배출하는 데 사용할 수 있는 제어가능 고형물 제거 장치가 포함된다. 이에 따라, 2차 챔버에서의 가공 공급원료/탄화물질의 체류 시간을 제어하는 장치에는 나사, 푸셔램, 수평형 회전패들, 수평형 회전팔, 수평형 회전휠 등이 포함될 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서, 2차 챔버에서의 가공 공급원료/탄화물질의 체류 시간을 제어하는 장치는 도 2 - 9에 나타낸 각종 고형물 제거 장치 중 하나이다.
도 15는 회전휠 고형물 제거 장치가 포함된 고정층 2차 챔버의 일 구현예의 계통도로서 2차 챔버와 고형 잔류물 처리 챔버 사이의 관계를 나타낸 것이다.
본 발명의 일 구현예에서, 재 생성물은 탄소 변환에 충분한 체류 시간이 확보될 수 있는 속도로 연속적으로 제거된다. 본 발명의 일 구현예에서, 재 생성물은 탄소 변환에 충분한 체류 시간이 확보될 때마다 간헐적으로 제거된다.
본 발명의 일 구현예에서, 2차 챔버에서의 가공 공급원료/탄화물질의 체류 시간을 제어하는 장치는 가공 공급원료/탄화물질이 챔버 밖으로 배출되는 것을 방해하여, 가공 공급원료/탄화물질이 2차 챔버 가스 생성물 및 재로 변환되기에 충분한 체류 시간 동안 고형물을 챔버 내에 억류하는 메커니즘에 의해 제공된다. 본 발명의 일 구현예에서, 가공 공급원료/탄화물질이 점진적으로 재로 변환되면서 재 생성물이 2차 챔버 밖으로 수동적으로 배출된다. 이에 따라, 2차 챔버에서의 가공 공급원료/탄화물질의 체류 시간을 제어하는 장치에는 가공 공급원료/탄화물질이 2차 챔버 밖으로 배출되기 전에 재 생성물로 변환되기에 충분한 시간 동안 가공 공급원료/탄화물질을 억류하는 방해 장치가 포함될 수 있다. 이 방해 장치는 고형 잔류물 배출구를 부분적 또는 간헐적으로 차단하거나 가공 공급원료/탄화물질이 일시적으로 축적되는 저장소를 형성함으로써 재료가 2차 챔버 밖으로 배출되는 것을 제한 또는 조절한다.
도 16을 참조하여, 방해 장치는 2차 챔버 하단에 장치되어 있으며 돔형, 피라미드형, 그레이트, 이동식 그레이트, 벽돌형 그레이트, 다수의 세라믹 볼, 다수의 관 등, 적합한 형태 또는 디자인의 물리적 장애물이 될 수 있다. 방해 장치의 형태 및 크기는 부분적으로 챔버의 형태 및 방향에 의해 결정될 수 있다.
대안적으로 사용할 수 있는 다양한 비제한식 방해 장치를 세부적으로 나타낸 도 16A - F를 참조하여, 도 16A에 나타낸 일 구현예에서 방해 장치는 쐐기형 장착 벽돌(150)에 의해 2차 챔버 하단에 장치되는 일체형 내화 돔(145)이다. 이 일체형 내화 돔은 돔의 바깥쪽 모서리와 챔버 내벽 사이에 간격(155)이 생기도록 그 크기가 설정되어 있다. 선택적으로 이 내화 돔에는 다수의 구멍(160)이 추가로 포함될 수 있다.
도 16B를 참조하여, 일체형 내화벽돌 그레이트가 방해 장치에 포함된다. 탄소 변환 챔버와 고형 잔류물 처리 챔버 사이의 소통을 위해, 내화벽돌 그레이트(245)는 각각의 벽돌 사이에 간격(255)이 설정되어 있다.
도 16C를 참조하여, 장착 링(350) 내부에 장착된 내화 라이닝 관(345)으로 제작된, 2차 챔버 하단에 장치되는 그레이트 구조물이 방해 장치에 포함된다.
도 16D에 나타낸 본 발명의 일 구현예에서, 방해 장치는 장착 벽돌에 의해 2차 챔버 하단에 장치되는 일체형 내화 피라미드(145)이다.
도 16E를 참조하여, 다수의 세라믹 볼이 방해 장치에 포함된다.
도 16F를 참조하여, 돔형 톱니바퀴가 방해 장치에 포함된다.
방해 장치 및 그와 관련된 장착 장치는 2차 챔버의 혹독한 조건에서 효과적으로 작동할 수 있어야 하며, 특히 고온에서 작동할 수 있어야 한다. 따라서 방해 장치는 고온을 견딜 수 있도록 설계된 재료로 제작된다. 선택적으로는, 방해 장치에 내화 코팅을 하거나 일체형 내화 구조물로 방해 장치를 제작할 수도 있다.
휘발 챔버 및 2차 챔버는 내화 라이닝 챔버로서, 필요한 고형물 체류 시간에 적합한 양의 재료를 수용할 수 있도록 내부 용적이 설정되어 있다. 사용되는 내화재는 당해 기술분야의 기술인들에게 잘 알려져 있고 고온(최고 약 1000℃) 비가압식 반응에 사용하기에 적합한 재래식 내화재이다. 이러한 내화재의 예는 고온 제조 세라믹 물질(산화알루미늄, 질화알루미늄, 규산알루미늄, 질화붕소, 인산지르코늄 등), 유리세라믹 물질, 그리고 실리카, 알루미나 및 티타니아가 주성분인 고알루미나 벽돌 등이다.
가공 공급원료/탄화물질 변환 단계의 재 생성물은 2차 챔버로부터 능동적으로 제거되건 수동적으로 제거되건 용융 챔버로 이송된다. 용융 챔버는 별도의 챔버가 될 수도 있고 2차 챔버의 구역적 확장이 될 수도 있다.
용융 챔버가 2차 챔버의 구역적 확장인 구현예에서, 2차 챔버에는 용융 챔버와 인접한 구역간 구역인 탄소 변환 구역이 포함된다. 탄소 변환 구역은 1) 조절할 가공 공급원료를 공급하고, 2) 가공 공급원료에 함유된 미반응 탄소를 발열량 및 사실상의 무탄소 고형 잔류물이 함유된 합성가스로 변환하는 열풍을 공급하고, 3) 증기 및/또는 고탄소 가스 등의 선택적 공정 첨가물을 공급하고, 4) 합성가스 및 고형 잔류물을 배출하도록 설정된다. 구역간 구역은 탄소 변환 구역과 용융 챔버를 분리하고 그 사이의 재료의 유동을 조절하도록 설계되어 있으며, 선택적으로는 플라즈마열의 고형 잔류물로의 전도에 영향을 줌으로써 고형 잔류물의 슬래그로의 1차적 용융을 발생시키도록 설정될 수 있다. 따라서 2차 챔버와 용융 챔버는 가공 공급원료 투입구, 열풍 투입구, 가스 배출구, 슬래그 배출구, 플라즈마 열원 및 선택적인 1개 이상의 공정 첨가물 투입구로 구성된, 내화 라이닝 처리가 되었고 일반적으로 수직형인 단일 챔버 내에 들어 있다.
용융 챔버
용융 챔버의 주 기능은 2차 챔버로부터 고형 잔류물(재)을 수취하여, 고형물을 녹이고, 혼합하고, 화학반응을 일으켜 밀도 높은 규소금속질, 유리질 물질을 형성하는 데 필요한 수준으로 고형 잔류물의 온도를 높이는 것이다. 이 챔버에서는 고형 잔류물을 유리화하고, 고형 잔류물이 챔버에서 배출된 후 냉각되어 밀도 높은 규소금속질의 비가용성 고체를 형성하기 전에 고형 잔류물을 적절하게 혼합하여 균질화하는 데 필요한 높은 처리온도(재의 성질에 따라 약 1400-1500℃)를 발생시키기 위해 플라즈마 같은 열원이 사용된다.
이에 따라, 본 발명의 시스템에는 고형 잔류물 투입구, 1개 이상의 열원, 선택적 공기 투입 장치, 슬래그 배출구 등이 장치된 용융 챔버가 선택적으로 포함된다. 고형 잔류물의 용융에 사용될 수 있는 열원은 여러 가지가 있다.
용융에 적합한 플라즈마 시스템은 극초단파 플라즈마, 유도결합 플라즈마, 전기아크 플라즈마, 열플라즈마 등 다양한 기술에 기반할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서, 플라즈마 토치 시스템이 포함된 플라즈마 시스템에 의해 열이 공급된다. 당해 기술분야에 알려진 플라즈마 토치 시스템에는 이송식 아크 토치(TAT) 및 비이송식 아크 토치(NTAT) 시스템 등이 포함된다. TAT 및 NTAT 시스템의 작동에는 양극 및 음극이 필요하다. NTAT 시스템에서는 양극 및 음극 모두 금속이지만, TAT 시스템의 경우에는 '작업물'에 따라 다르다. 일반적으로 초고온이 발생하기 때문에, 예를 들어 수냉식 급속냉각 등의 효과적인 냉각 기술이 시스템의 작동에 필요하다. 토치 시스템은 교류(AC) 모드(단상 및 다상) 및 직류(DC) 모드에서 작동하도록 설계할 수 있다.
NTAT 시스템을 사용하는 본 발명의 일 구현예에서, 2개의 자장 코일을 사용하여 아크를 회전시킬 수 있다. 당해 기술분야의 기술인은 자장 코일과 플라즈마 토치 시스템의 전극으로 사용되는 재료의 위치를 조절함으로써 토치 시스템의 작동을 변화시킬 수 있음을 쉽게 이해할 것이다. 이와 같은 토치 시스템의 전극으로 사용할 수 있는 재료는 강철, 텅스텐, 흑연, 토륨 함유 텅스텐, 구리, 구리와 Zr, Cr 또는 Ag의 합금 등이다.
당해 기술분야의 기술인은 플라즈마 토치 시스템용 운반 가스의 선택이 용융기 내의 화학반응에 영향을 끼친다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 운반 가스는 환원성이거나, 산화성이거나, 비활성일 수 있다. 토치 시스템에 사용되는 전형적인 운반 가스는 공기, 질소, 헬륨, 아르곤, 산소, 일산화탄소, 수소, 메탄 등이다.
당해 기술분야의 기술인은 용융을 위한 특정 플라즈마 토치 시스템의 선택이 다음과 같은 다양한 인자에 의해 결정된다는 것을 이해할 것이다: 전기-열 변환 효율, '작업 재료'에 대한 열전도, 전극 수명, 전극 비용, 전극 교체의 용이성, 온도 특성, 플라즈마 가스 엔탈피, 동력원 및 제어 시스템 등 보조 시스템의 설계 및 제조의 단순성, 운전자 자격 요건, 운반 가스의 종류에 관한 요건, 탈이온수의 필요, 안정성, 자본 및 운전 비용, 용융기 내에서의 이동성, 용융기 내에서 작업 재료에 근접하여 삽입될 수 있는지의 여부 등.
본 발명의 일 구현예에서, 잔류물 용융을 위한 열원은 줄(Joule) 가열부이다. 줄 가열이란 전도체 내에서 전류에 의해, 운동하는 전하입자와 원자이온의 상호작용으로 인하여 열이 발생하는 것을 말한다. 전도체 내에서 발생하는 열은 전선의 전기저항에 전류의 제곱을 곱한 값과 비례한다.
본 발명의 일 구현예에서, 잔류물 용융을 위한 열원은 1개 이상의 가스 버너 시스템이다.
가스 버너는 아세틸렌, 천연가스, 프로판 등의 기체 연료를 사용하여 화염을 발생시킨다. 선택적으로, 몇몇 가스 버너에 적합한 공기 투입구를 사용함으로써 완전 연소를 위해 연료 가스를 공기와 혼합할 수 있다. 예를 들어, 아세틸렌은 일반적으로 산소와 혼합하여 사용한다. 당해 기술분야의 기술인은 가스 버너에 적합한 가스의 선택이 목표 화염 온도 등의 다양한 인자에 의해 결정된다는 것을 이해할 것이다.
용융 슬래그는 주기적 또는 지속적으로 고형 잔류물 챔버로부터 배출될 수 있으며, 배출된 후에는 냉각되어 고형 슬래그 물질을 형성한다. 이러한 슬래그 물질은 매립 처분할 수 있다. 또는, 용융 슬래그는 용기에 부어 잉곳(ingot), 벽돌 타일, 또는 기타 유사한 건축재료로 성형할 수도 있다. 고형 생성물은 추가 분쇄하여 일반적 용도의 골재로 만들 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 고형 잔류물 처리 챔버에서 처리된 고형 잔류물에는 예를 들어 하위 가스 조절 공정에서 집진 필터로부터 수집된 고형물 등, 하위 공정으로부터 이송된 고형물이 포함된다.
고형 잔류물 처리 챔버는 고형 잔류물에 적정 온도가 가해져서 용융 및 균질화되기에 충분한 체류 시간이 확보되도록 설계되어 있다.
사용되는 열원의 종류, 위치 및 방향은 고형 잔류물 처리 챔버의 설계에서 고려해야 할 추가적 인자들이다. 열원은 고형 잔류물을 용융 및 균질화하는 데 필요한 수준으로 가열하는 데 필요한 온도를 충족시키는 한편 생성된 용융 고형 잔류물이 챔버 밖으로 배출되도록 할 수 있어야 한다.
용융 챔버의 벽은 당해 기술분야에서 잘 알려져 있고 극고온(약 1100℃ - 1800℃) 비가압식 반응에 사용하기에 적합한 재래식 내화재의 1종, 또는 2종 이상이 결합된 것으로 라이닝 처리되어 있다. 이러한 내화재의 예는 고온 제조 세라믹 물질(산화알루미늄, 질화알루미늄, 규산알루미늄, 질화붕소, 인산지르코늄 등), 유리세라믹 물질, 그리고 실리카, 알루미나 및 티타니아가 주성분인 고알루미나 벽돌 등이다.
가스 재구성 구역
가스 재구성 구역의 주 기능은 1차 챔버 가스 생성물 및 2차 챔버 가스 생성물을 합성가스로 재구성하는 것이다. 시스템의 설계에 따라, 가스 재구성 구역은 1차 챔버의 상단, 2차 챔버의 상단 내, 또는 자체적 챔버 내에 배치될 수 있다.
이에 따라, 가스 재구성 구역은 1차 챔버로부터 1차 챔버 가스 생성물(오프가스)을 수취하고, 몇몇 구현예에서는 2차 챔버로부터 2차 챔버 가스 생성물도 수취하며, 플라즈마열 등의 열을 가하여 이러한 가스를 효율적으로, 완전하게 합성가스 생성물로 변환한다. 가스 재구성 구역은 또한 미가공 가스 생성물에 함유된 오염물질(타르, 미립자 등)을 제거 또는 분해함으로써 하위 가스 품질 조절 공정에 부과되는 작업부하를 경감해준다. 합성가스의 화학적 구성을 조절할 필요가 있을 경우, 본 시스템은 공정 첨가물 투입구를 통해 공기 또는 증기 등의 공정 첨가물을 첨가함으로써 소기의 합성물이 함유된 합성가스로의 재결합에 필요한 분자종을 공급한다.
본 발명에 따라, 가스 재구성 구역은 따라서 1차 챔버(및 선택적으로는 2차 챔버)의 가스 배출구와 원활하게 소통하며 1개 이상의 열원(플라즈마열, 수소 버너 열 등), 1개 이상의 선택적 공정 첨가물 투입구, 합성가스 배출구 등으로 구성된다. 1개 이상의 공정 첨가물 투입구는 공기/산소 및/또는 증기의 재구성 구역으로의 유입을 최적화하기 위한 것이다. 플라즈마 재구성 단계에서 생성된 합성가스는 합성가스 배출구를 통해 챔버 밖으로 배출된다.
본 발명의 일 구현예에서, 가스 재구성 구역은 1차 챔버 내, 또는 1차 챔버와 인접한 챔버 내에 배치되어 있다. 즉, 두 챔버를 분리하는 도관이 없다. 이와 같은 구현예에서는 가스 재구성 단계와 휘발 단계가 단일 챔버 내의 별도의 구역에서 이루어진다. 이와 같은 구현예에서는 2차 챔버에서 생성된 2차 챔버 가스 생성물이 전용 2차 챔버 가스 배출구를 통해 이 단일 챔버로 유입된다.
재구성 반응이 발생하기 위해서는 가스 재구성 구역이 충분히 높은 온도로 가열되어야 한다. 본 발명의 일 구현예에서, 이 온도는 약 800℃ - 1200℃다. 본 발명의 또 다른 구현예에서, 이 온도는 약 950℃ - 1050℃다. 본 발명의 또 다른 구현예에서, 이 온도는 약 1000℃ - 1200℃다. 본 발명의 일 구현예에서, 재구성 챔버 내부의 동작온도는 약 1000℃다. 챔버에서 배출되는 합성가스의 온도는 약 400℃에서 1000℃ 이상이다. 뒤에 기술되어 있듯, 합성가스의 온도는 열회수 및 합성가스 냉각에 사용되는 열교환 시스템을 이용하여 낮출 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 오직 1차 챔버에서 배출된 가스만 가스 재구성 구역으로 유입된다.
본 발명의 일 구현예에서, 가스 재구성 구역은 자체적 챔버 내에 배치되어 있으며, 1차 챔버 가스 생성물 및 2차 챔버 가스 생성물은 가스 재구성 구역으로 유입되기 전에 결합되어 공용 투입구를 통해 재구성 챔버로 유입된다. 본 발명의 일 구현예에서, 1차 챔버 가스 생성물 및 2차 챔버 가스 생성물은 가스 재구성 구역으로 유입되기 전에 결합되지 않으며, 이에 따라 각각의 유입 유체가 각각 별도의 투입구를 통해 재구성 챔버로 유입된다.
일반적으로 가스 재구성 구역은 변환 반응이 발생하는 데 필요한 체류 시간을 수용하기에 충분한 내부 용적을 가진 내화 라이닝 챔버이다. 가스 재구성 구역의 형태는 각종 가스 및 선택적 공정 첨가물의 합성가스로의 화학적 변환이 충분하게 발생하도록 할 수 있는 적정 체류 시간이 확보될 수 있는 한 어떤 것이라도 무관하다. 예를 들어, 가스 재구성 구역의 형태는 직관 또는 벤투리관 형태일 수 있다. 가스 재구성 구역은 각종 가스 및 선택적 공정 첨가물의 혼합과 체류 시간이 적절하게 유지되는 한 다양한 위치에 배치될 수 있다.
1차 챔버 가스 생성물 및 2차 챔버 가스 생성물을 재구성 챔버로 공급하는 1개 이상의 투입구는 병류, 역류, 방사류, 접선류, 또는 기타 공급 유동 방향이 가능한 방식으로 병합될 수 있다. 플라즈마 가열 가스 재구성 챔버에 유입되는 각종 가스는 선택적으로 가스 혼합 장치에 의해 혼합된다. 챔버에는 1개 이상의 챔버가 포함될 수 있고, 수직형 또는 수평형일 수 있으며, 역혼합과 교란을 촉진하는 배플 등의 내부 구성요소가 있을 수 있다. 배플은 교란을 발생시킴으로써 각종 가스의 혼합을 유도한다. 배플의 배열은 당해 기술분야에서 이미 알려져 있으며 브리지 월 배플(bridge wall baffle) 배열, 초크 링 배플(choke ring baffle) 배열 등이 포함된다. 본 발명의 일 구현예에서, 소량의 공기를 가스군에 투입하여 가스 유체에 선회운동 또는 교란을 일으킴으로써 가스를 혼합하는, 투입구 또는 그 부근에 장치된 1개 이상의 공기 분사 장치가 혼합 장치에 포함될 수 있다.
가스 재구성 열은 플라즈마열 발생 시스템 또는 수소 버너 등 다수의 열원에 의해 공급될 수 있다.
가스 재구성에 적합한 플라즈마 시스템은 극초단파 플라즈마, 유도결합 플라즈마, 전기아크 플라즈마, 열플라즈마 등 다양한 기술에 기반할 수 있다. 플라즈마 열원은 비이송식 아크 AC 및 DC 플라즈마 토치, 이송식 아크 AC 및 DC 플라즈마 토치, 무전극 고주파 유도 플라즈마 가열 장치 등에서 선택할 수 있다. 플라즈마 토치에는 공기, O2, N2, Ar, CH4, C2H2, C3H6등 각종 가스가 사용되어왔다. 당해 기술분야의 기술인은 본 발명의 가스 재구성 챔버에 사용될 수 있는 플라즈마 열원의 종류를 쉽게 결정할 수 있을 것이다.
본 발명의 일 구현예에서, 재구성 열은 플라즈마 토치 시스템이 포함된 플라즈마 시스템에 의해 공급된다. 당해 기술분야에 알려진 플라즈마 토치 시스템에는 이송식 아크 토치(TAT) 및 비이송식 아크 토치(NTAT) 시스템 등이 포함된다. TAT 및 NTAT 시스템의 작동에는 양극 및 음극이 필요하다. NTAT 시스템에서는 양극 및 음극 모두 금속이지만, TAT 시스템의 경우에는 '작업물'에 따라 다르다. 일반적으로 초고온이 발생하기 때문에, 예를 들어 수냉식 급속냉각 등의 효과적인 냉각 기술이 시스템의 작동에 필요하다. 토치 시스템은 교류(AC) 모드(단상 및 다상) 및 직류(DC) 모드에서 작동하도록 설계할 수 있다.
NTAT 시스템을 사용하는 본 발명의 일 구현예에서, 2개의 자장 코일을 사용하여 아크를 회전시킬 수 있다. 당해 기술분야의 기술인은 자장 코일과 플라즈마 토치 시스템의 전극으로 사용되는 재료의 위치를 조절함으로써 토치 시스템의 작동을 변화시킬 수 있음을 쉽게 이해할 것이다. 이와 같은 토치 시스템의 전극으로 사용할 수 있는 재료는 강철, 텅스텐, 흑연, 토륨 함유 텅스텐, 구리, 구리와 Zr, Cr 또는 Ag의 합금 등이다.
당해 기술분야의 기술인은 플라즈마 토치 시스템용 운반 가스의 선택이 가스 재구성 구역 내의 화학반응에 영향을 끼친다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 운반 가스는 환원성이거나, 산화성이거나, 비활성일 수 있다. 토치 시스템에 사용되는 전형적인 운반 가스는 공기, 질소, 헬륨, 아르곤, 산소, 일산화탄소, 수소, 메탄 등이다.
당해 기술분야의 기술인은 가스 재구성을 위한 특정 플라즈마 토치 시스템의 선택이 다음과 같은 다양한 인자에 의해 결정된다는 것을 이해할 것이다: 전기-열 변환 효율, '작업 재료'에 대한 열전도, 전극 수명, 전극 비용, 전극 교체의 용이성, 온도 특성, 플라즈마 가스 엔탈피, 동력원 및 제어 시스템 등 보조 시스템의 설계 및 제조의 단순성, 운전자 자격 요건, 운반 가스의 종류에 관한 요건, 탈이온수의 필요, 안정성, 자본 및 운전 비용, 가스 재구성 챔버 내에서의 이동성, 가스 재구성 챔버 내에서 작업 재료에 근접하여 삽입될 수 있는지의 여부 등.
본 발명의 일 구현예에서, 재구성 열은 수소 버너에 의해 공급된다. 본 발명의 일 구현예에서, 재구성 열은 1개 이상의 수소 버너 및 1개 이상의 플라즈마 시스템의 결합에 의해 공급된다.
본 발명의 일 구현예에서, 수소 버너를 사용하여 산소 및 수소를 반응시킴으로써 초고온 증기(>1200℃)를 생산한다. 이 증기는 오프가스에 투입되어 타르를 분해하고 오프가스의 발열량을 증가시킬 수 있다. 이 기술은 에너지효율이 플라즈마 토치와 유사하다. 그러나 연소가 불완전하면 O2가 오프가스와 반응하여 저온 H2O & CO2가 생성될 수 있다. 따라서 뒤에 기술되어 있듯, 이 기술은 첨가물을 오프가스 유체 자체보다는 가스화기의 최하위 처리 구역에 투입하는 데 사용하는 것이 더 적절하다.
본 발명의 일 구현예에서, 수소 버너를 사용하여 고온 증기를 생산하며, 이 고온 증기는 가열된 가스 유체와 혼합되어 배급된다. 고온 증기는 1) 유입된 물이 전기분해기에서 수소 및 산소로 분해되는 1단계와 2) 생성된 산소 및 수소가 수소 버너에서 연소되어 고온 증기(최고 2500-3000℃)가 발생하는 2단계로 구성된 2단계 공정에 의해 발생시킬 수 있다. 발생한 증기의 고온으로 인하여, 증기에는 가스화기의 최종 처리 구역에서 선호되는, 탄소 변환 공정을 부분적으로 촉진하는 고반응성 유리기가 소량 함유되어 있다.
플라즈마 가스가 축류, 방사류, 접선류, 또는 기타 촉진된 유동 방향으로 유동할 수 있는, 상향 또는 하향 가스 유체를 공급하는 플라즈마 토치를 이용한 1개 이상의 플라즈마 열원을 장착하는 데 다중 포트가 사용될 수 있다.
챔버의 벽은 내화재 및/또는 반응기를 둘러싸서 냉각 및/또는 증기 발생 효과를 발할 수 있는 냉각수 재킷으로 라이닝 처리할 수 있다. 열회수를 위한 냉각 장치와 더불어 다중 벽이 포함될 수 있으며, 본 시스템에는 또한 고압/고온 증기 생산을 위한 열교환기 또는 기타 열회수 기능이 포함될 수도 있다.
열회수 서브시스템
열회수 서브시스템은 고온 합성가스 생성물로부터 현열을 효율적으로 회수하여 가스화 공정에 사용할 공기를 가열하는 공정을 용이하게 한다.
도 16은 본 발명의 열회수 서브시스템을 이용하여 가스 재구성 챔버에서 생성된 합성가스로부터 열을 회수하는 공정을 나타낸 계통도이다. 본 구현예에서, 열회수 서브시스템은 플라즈마 가스 재구성 챔버에서 생성된 합성가스의 열을 이용하여 주변 공기를 가열함으로써 열풍 및 냉각 합성가스를 공급하는 합성가스-공기 열교환기이다. 이 열풍은 휘발 및/또는 2차 챔버로 유입되어 가스화 공정을 추진하는 데 이용될 수 있다. 냉각 합성가스는 후속 가스 조절 단계에 투입될 수 있으며, 현열은 가스화 공정의 여러 단계에 사용되는 열풍으로서 회수 및 전도될 수 있다.
본 시스템에는 원통다관식 열교환기(단일 통과 직관형 및 다중 통과 U관형) 및 평판식 열교환기 등의 다양한 열교환기가 사용될 수 있다. 적합한 열교환기의 선택은 담당 기술인의 지식에 의해 결정된다.
열회수 서브시스템에는 합성가스 현열을 회수하는 열교환 장치로 합성가스가 운반되는 도관 시스템이 사용된다. 선택적으로 이 도관 시스템에는 합성가스 생성물의 유속을 제어하는, 시스템 내 전역에 배치된 1개 이상의 조절기 및/또는 송풍기가 사용된다.
본 발명의 일 구현예에서, 열회수 서브시스템은 1차 챔버 및/또는 2차 챔버로 열풍을 이송함으로써 열풍이 공기 투입구를 통해 각각의 해당 챔버에 투입되도록 하는 도관 시스템을 채택한다. 본 발명의 일 구현예에서, 휘발 및 가공 공급원료/탄화물질 변환 단계가 실행되는 데 충분한 열풍이 공급되도록 하기 위해, 1차 챔버 및 2차 챔버에 각각 공급되는 열풍의 상대적 양을 제어하는 장치가 포함된다. 이에 따라, 선택적으로 공기 도관 시스템에는 열풍의 유속 및/또는 배급을 제어하는 장치로서 필요에 따라 시스템 내 전역에 배치된 1개 이상의 조절기, 유량계 및/또는 송풍기가 사용된다. 열풍 도관에는 또한 열풍의 방향을 예를 들어 배기구 또는 선택적 추가 열교환 시스템으로 전환하는 장치가 선택적으로 포함된다.
열회수 서브시스템은 선택적으로, 합성가스의 열을 물에 전도함으로써 증기 및 냉각 합성가스를 생산하는 열교환 장치를 이용하여 고온 합성가스로부터 추가적 현열을 회수한다. 추가적 현열은 회수된 열로 증기를 발생시키는 열회수 증기발생기 또는 폐열 보일러 등의 2차 열교환 장치에 의해 합성가스로부터 회수된다. 증기는 공급원료의 합성가스 생성물로의 변환을 극대화할 수 있도록 충분한 유리산소 및 유리수소를 확보하기 위한 가스화 공정 첨가물로 사용될 수 있다. 생성된 증기는 또한 송풍기, 합성가스 송풍기 등의 회전 공정 장치의 추진에 사용될 수도 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 열회수 서브시스템에는 합성가스-공기 열교환기의 하위에 위치한 열회수 증기발생기가 포함된다. 이와 같은 구현예에서, 열회수 증기발생기는 합성가스가 관을 통해 수직 유동하고 물이 원통 쪽에서 비등하도록 설계된 원통다관식 열교환기이다.
가스 품질 조절 시스템( Gas Quality Conditioning System - GQCS )
냉각 단계를 거친 합성가스는 가스 품질 조절 서브시스템(GQCS)에서 후속적으로 가스 조절 단계에 투입된다. GQCS는 합성가스로부터 입자상 물질 및 기타 산성 가스(HCl, H2S) 등의 불순물 및/또는 중금속을 제거한다. 각 처리 단계의 유무 및 순서는 합성가스의 구성 및 합성가스에 함유된 오염물질에 의해 결정된다. 합성가스의 구성과 함유된 오염물질의 종류는 가스화되는 공급원료의 구성에 의해 부분적으로 결정된다. 예를 들어, 고유황 석탄이 1차 공급원료일 경우, 합성가스 생성물에는 하위 응용 공정에서 합성가스가 사용되기 전에 제거되어야 할 다량의 황이 함유되어 있다. 합성가스가 정화 및 조절되고 나면, 여기서 생산된 가스는 선택적으로 저장되거나 필요한 하위 응용 공정에 투입된다.
선택적 하위 요소
본 발명의 가스화 시스템을 사용하여 생산된 합성가스는 전기 생산 등의 하위 응용 공정에 사용하기에 적합하다. 따라서 본 시스템에는 이러한 응용 공정에 필요할 수 있는 하위 요소들이 선택적으로 포함된다. 본 발명의 일 구현예에서, 가스 균질화 서브시스템이 시스템에 포함된다. 이 가스 균질화 서브시스템에는 가스화 시스템에서 생산된 합성가스를 수취 및 혼합함으로써 균질화 챔버 내에서의 합성가스의 화학적 구성의 변동을 억제하는 가스 균질화 챔버가 포함된다. 압력, 온도, 유속 등 기타 가스 특성의 변동도 합성가스의 혼합 과정에서 억제된다. 가스 균질화 챔버는 가스화 공정으로부터 합성가스를 수취하여, 화학적 구성이 일정하거나 규정된 가스의 일정량이 생산되도록 하기 위한 가스의 혼합에 충분한 체류 시간 동안 합성가스를 억류하도록 설계되어 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 정화 및 조절된 합성가스가 발전 시스템에 이용되기 전에 저장되는 가스 저장 시스템이 시스템에 포함된다.
합성가스 생성물의 하위 응용 공정에는 예를 들어 가스 터빈 또는 가스 엔진 등, 전기 생산 용도가 포함된다. 합성가스는 또한 보일러에서 연소시켜 증기를 생산할 수 있으며, 이 증기는 증기 터빈 발전에 이용할 수 있다.
제어 시스템
본 발명의 시스템에는 탄소질 공급원료가 합성가스 생성물로 효율적으로 완전하게 변환되도록 공정의 각 단계를 감시 및 제어하는 가스화 시스템용 제어 시스템이 포함된다. 또한 이 제어 시스템은 그 구성이 일정하거나 규정된 합성가스 생성물의 생산을 제어한다.
이 제어 시스템은 시스템 내의 운전인자를 실시간으로 감시하는 1개 이상의 감지부와 변환 반응의 최적화를 위해 시스템 내의 운전 조건을 조절하는 1개 이상의 감응부로 구성된다. 감지부 및 감응부는 시스템 내에서 일체화되어 있으며, 감응부는 감지부에서 취득된 데이터에 따라 시스템 내의 운전 조건을 조절한다.
본 발명의 일 구현예에서, 여기 기술된 다양한 시스템 및/또는 서브시스템에서(또는 그에 의해) 실행되는 1개 이상의 공정을 제어하거나, 이러한 공정에 영향을 줄 목적으로 고안된 1개 이상의 공정 장치를 제어하는 제어 장치가 장치될 수 있다. 일반적으로, 이 제어 시스템은 주어진 시스템, 서브시스템 또는 그 구성요소와 관련되거나, 그 내부에서(또는 그와의 공조에 의해) 본 발명의 다양일 구현예이 작동할 수 있는 가스화 시스템 등의 시스템 내에서 실행되는 1개 이상의 전반적 공정과 관련된 다양한 국소적 및/또는 구역적 공정을 효과적으로 제어할 수 있으며, 이에 따라 소기의 성과를 위해 이러한 공정들에 영향을 주도록 조절된 다양한 제어인자를 조절한다. 따라서 제어된 시스템의 전역에, 또는 1개 이상의 그 구성요소와 관련하여, 다양한 감지부 및 감응부를 배치하여 다양한 공정 특성, 반응 특성 및/또는 생성물 특성을 취득하고, 이를 목표 성과의 달성에 기여하는 특성의 적정 범위와 비교하고, 1개 이상의 제어가능 공정 장치에 의해 1개 이상의 지속적 공정에서 변화를 실행함으로써 대응하는 데 사용될 수 있다.
제어 시스템에는 일반적으로 시스템 자체, 시스템에서 실행되는 공정, 시스템에 공급되는 입력 및/또는 시스템에 의해 생성되는 출력과 관련된 1종 이상의 특성을 감지하는 1개 이상의 감지부가 포함된다. 이러한 감지부는 감지된 특성을 나타내는 특성값에의 접근을 위한 1개 이상의 전산 플랫폼과 통신적으로 연결되며, 전산 플랫폼은 선정된 운전 성과 및/또는 하위 성과에 적합한 특성의 기준을 정한, 사전설정된 값의 범위를 기준으로 당해 특성값을 비교하고, 특성값을 사전설정된 범위 내로 유지하는 데 기여하는 1개 이상의 공정 제어인자를 계산하도록 설정된다. 따라서, 시스템, 공정, 입력 및/또는 출력에 영향을 줌으로써 감지된 특성을 조절할 수 있는 1개 이상의 공정 장치에 다수의 감응부를 공정적으로 연결하고, 전산 플랫폼과 통신적으로 연결하여 계산된 공정 제어인자에 접근하고 그에 따라 공정 장치를 작동시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제어 시스템은 탄소질 공급원료의 가스로의 변환과 관련된 각종 시스템, 공정, 입력 및 출력에 대한 피드백 제어, 피드포워드 제어 및/또는 예측 제어를 제공함으로써 가스 변환과 관련되어 실행되는 1개 이상의 공정의 효율을 제고한다. 예를 들어, 공급원료의 발열량 및/또는 구성, 가스 생성물의 특성(발열량, 온도, 압력, 유량, 구성, 탄소 함량 등), 이러한 특성에 대해 허용되는 편차의 정도, 원료 투입 비용 대비 생산물의 가치 등 다양한 공정 특성을 평가하여 이들 공정에 영향을 주도록 조절할 수 있다. 열원의 출력, 첨가물 공급 속도(산소, 산화제, 증기 등), 공급원료 공급 속도(1종 이상의 단독 및/또는 혼합 공급물), 가스 및/또는 시스템 압력/유량 조절기(송풍기, 방출 및/또는 제어 밸브, 플레어 등) 등 다양한 제어인자에 대해, 설계 및/또는 하위 공정 사양에 따라 1종 이상의 공정 관련 특성을 평가 및 최적화하는 방식으로 지속적 및/또는 실시간 조절을 실행할 수 있다.
대안적 또는 추가적으로, 제어 시스템은 주어진 시스템의 다양한 구성요소의 작동을 감시하여 적절하게 작동하도록 하고, 선택적으로는 동 시스템에서 실행되는 공정(들)이 규제 기준에 부합되도록 설정할 수 있다(그러한 기준이 적용될 경우).
본 발명의 일 구현예에 따라, 제어 시스템은 주어진 시스템의 총 에너지 충격을 감시 및 제어하는 데 사용될 수도 있다. 예를 들어, 시스템에서 실행되는 1개 이상의 공정을 최적화하거나 이러한 공정에 의해 발생하는 에너지(폐열 등)의 회수를 증가시킴으로써 주어진 시스템의 에너지 충격을 감소시키거나 최소화할 수 있도록 시스템이 작동될 수 있다. 대안적 또는 추가적으로, 제어된 공정(들)에 의해 발생한 가스 생성물의 구성 및/또는 기타 특성(온도, 압력, 유량 등)이 하위 공정에 적용되기에 적합할 뿐 아니라 효율적 및/또는 최적의 사용을 위해 최적화되도록 하기 위해, 제어 시스템이 그러한 특성을 조절하도록 설정할 수도 있다. 예를 들어, 주어진 종류의 발전용 가스 엔진의 구동에 가스 생성물이 사용되는 본 발명의 일 구현예에서, 가스 생성물의 특성이 그러한 엔진에 대한 최적의 공급물 특성에 부합되도록 조절할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 주어진 공정이 다양한 구성요소에서의 반응물 및/또는 생성물의 체류 시간에 관한, 또는 공정 전반의 다양한 공정에 관한 제한 또는 성능 지침에 부합되거나 그에 대해 최적화되도록 하기 위해, 제어 시스템이 주어진 공정을 조절하도록 설정할 수 있다. 예를 들어, 1개 이상의 후속 하위 공정에 맞추어 상위 공정의 속도를 조절할 수 있다.
또한 다양일 구현예에서, 제어 시스템은 주어진 공정의 다양한 측면을 지속적 및/또는 실시간으로, 연속적 및/또는 동시적으로 제어하도록 설정할 수도 있다.
일반적으로, 제어 시스템에는 즉각적 응용에 적합한 모든 종류의 제어 시스템 구조가 포함될 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템에는 중앙집중형 제어 시스템, 분산형 제어 시스템, 또는 이 두 가지가 결합된 것이 포함될 수 있다. 중앙집중형 제어 시스템에는 일반적으로, 제어되는 공정과 유관한 다양한 특성을 감지하고, 제어되는 공정에 직접적 또는 간접적 영향을 주도록 조절된 1개 이상의 제어가능 공정 장치에 의해 그에 대해 반응하도록 설정된 다양한 국소적 및/또는 원격 감지부 및 감응부와 교신하도록 설정된 중앙 제어기가 포함된다. 중앙집중형 구조를 사용할 경우, 공정 제어에 필요한 하드웨어 및/또는 소프트웨어가 동일한 위치에 배치되도록, 대부분의 계산이 중앙 처리 장치(들)에 의해 실행된다.
분산형 제어 시스템에는 일반적으로, 각각 감지부 및 감응부와 교신하여 국소적 및/또는 구역적 특성을 감시하고, 국소적 공정 또는 하부공정에 영향을 주도록 설정된 국소적 및/또는 구역적 공정 장치에 의해 그에 대해 반응할 수 있는 2개 이상의 분산형 제어기가 포함된다. 1차 제어기에 의해 감지된 특성이 2차 제어기로 전달되어 그에 대한 반응을 일으키고, 그러한 원위 반응이 1차 제어기에서 감지된 특성에 영향을 줄 수 있는 다양한 네트워크 설정에 의해, 분산형 제어기 간에도 교신이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 하위 공정 감시 장치가 하위 가스 생성물의 특성을 감지하여, 상위 제어기에 의해 제어되는 변환기와 관련된 제어인자의 조절에 의해 동 특성을 조절할 수 있다. 분산형 구조에서는 제어 하드웨어 및/또는 소프트웨어가 제어기 간에 분산 배치되어 있기 때문에, 동일하지만 모듈 설정이 된 단일 제어 시스템이 각각의 제어기에서 실행되거나, 상호작용적인 다양한 모듈형 제어 시스템이 각각의 제어기에서 실행될 수 있다.
또는, 제어 시스템을 각각 별개이지만 상호 교신하도록 연결된 국소적, 구역적 및/또는 전반적 제어 서브시스템으로 세분할 수도 있다. 이와 같은 구조는 주어진 단일 공정 또는 일련의 상호작용 공정이 다른 국소적 제어 서브시스템과의 상호작용이 최소한으로 억제되어 국소적으로 발생하고 제어되도록 할 수 있다. 이에 따라 마스터 제어 시스템이 각각의 국소적 제어 서브시스템과 교신하여 국소적 공정에 대한 필요한 조절을 지시함으로써 전반적 성과를 실현할 수 있다.
본 발명의 제어 시스템에는 상기 구조 중 어느 것이라도 사용될 수 있으며, 본 발명의 일반적 범위 및 성격에 부합되는 것이라면 당해 기술분야에 일반적으로 알려진 기타 구조도 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명과 관련하여 제어 및 실행되는 공정은 지역적인 전용 환경에서 제어될 수 있으며, 선택적으로는 관련 상위 또는 하위 공정에 사용되는 중앙 및/또는 원격 제어 시스템과의 외부적 소통이 가능하다(해당될 경우). 또는, 본 제어 시스템에는 구역적 및/또는 전반적 공정을 협력 제어하도록 설계된 구역적 및/또는 전반적 제어 시스템의 하위 구성요소들이 포함될 수도 있다. 예를 들어, 다수의 제어 모듈이 상호작용하여 시스템의 각종 하위 구성요소를 제어하는 한편 구역적 및/또는 전반적 제어에 필요한 모듈간 교신을 제공할 수 있는 모듈형 제어 시스템을 설계할 수 있다.
일반적으로 제어 시스템에는 1개 이상의 중앙 처리 장치, 네트워크형 처리 장치 및/또는 분산형 처리 장치, 각종 감지부로부터 감지된 특성을 수신하는 1개 이상의 입력 장치, 각종 감응부에 새로운/업데이트된 제어인자를 송신하는 1개 이상의 출력 장치 등이 포함된다. 1개 이상의 제어 시스템 전산 플랫폼에는 또한 사전설정 및/또는 재조정된 각종 제어인자, 설정된/선호되는 시스템 및 공정 특성 동작 범위, 시스템 감시 및 제어 소프트웨어, 동작 데이터 등을 저장하는 1종 이상의 국소적 및/또는 원격 컴퓨터 판독 가능 매체(ROM, RAM, 이동식 매체, 로컬 및/또는 네트워크 접근 매체 등)가 포함될 수 있다. 선택적으로는, 직접적으로 또는 각종 데이터 저장 장치에 의해 시뮬레이션 데이터 및/또는 시스템 인자 최적화 및 모델링 장치를 작동하는 장치를 전산 플랫폼에 장치할 수도 있다. 또한, 제어 시스템을 관리하는 1개 이상의 선택적인 그래픽 사용자 인터페이스 및 입력 주변장치(시스템 업그레이드, 유지관리, 수정, 새로운 시스템 모듈 및/또는 장비에 대한 적응 등)를 비롯하여, 외부 소스(모뎀, 네트워크 연결, 프린터 등)와 데이터 및 정보를 송수신하는 각종 선택적 출력 주변장치를 전산 플랫폼에 장착할 수도 있다.
처리 시스템 및 모든 하위 처리 시스템은 하드웨어로만 구성되거나 하드웨어 및 소프트웨어로 구성될 수 있다. 모든 하위 처리 시스템에는 1개 이상의 비례(P), 적분(I) 또는 미분(D) 제어기가 조합된 것이 포함될 수 있다(예: 비례 제어기, 적분 제어기, 비례-적분(PI) 제어기, 비례-미분(PD) 제어기, 비례-적분-미분(PID) 제어기 등). 당해 기술분야의 기술인은 P,I 및 D의 조합의 이상적인 선택은 해당 조합이 제어할 가스화 시스템 반응 공정의 역학 및 지연 시간과 운전 조건의 범위, 그리고 해당 조합식 제어기의 역학 및 지연 시간에 의해 결정된다는 것을 이해할 것이다. 또한, 감지부에 의해 특성값을 지속적으로 감시하고 특성값을 규정값과 비교하여 해당 제어 요소에 영향을 줌으로써 감응부에 의해 관찰값과 규정값 사이의 차이를 줄이기 위한 적절한 조절이 가능한 아날로그 고정배선식으로 이와 같은 조합이 실행될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 당해 기술분야의 기술인은 또한 이와 같은 조합이 하드웨어 및 소프트웨어가 결합된 디지털 환경에서 실행될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 추가적인 임의적 표본 추출, 데이터 취득 및 디지털 처리의 관련 효과는 당해 기술분야의 기술인에게 잘 알려져 있다. P-I-D 조합 제어는 피드포워드 및 피드백 제어 시스템에서 실행될 수 있다.
보정 제어 또는 피드백 제어에서, 적절한 감지부에 의해 측정된 제어인자 또는 제어변수의 값이 규정값 또는 규정 범위와 비교된다. 이 두 값의 차이를 바탕으로 제어 신호가 결정되고, 제어 신호는 차이를 줄이기 위해 제어 요소로 전달된다. 주어진 조건에 대한 반응이 모델화된 반응 및/또는 과거에 제어된 반응에 따라 조절되어, 감지된 특성에 대한 대응적 반응을 제공하는 한편 보상 작용에서 발생할 수 있는 과잉 반응을 제한하는 조정 구성요소 및/또는 예측 구성요소가 포함되도록 재래식 피드백 제어 또는 감응 제어 시스템을 조정할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 주어진 시스템 설정을 위해 취득된 데이터 및/또는 기록된 데이터는 감지된 시스템 및/또는 공정 특성에 대한 반응이 과거에 목표 성과를 달성하기 위한 반응의 감시 및 조절의 기준이 되었던 최적값으로부터 주어진 범위 내에 속하도록 조절하는 데 협력적으로 사용될 수 있다. 이와 같은 조정 및/또는 예측 제어 시스템은 당해 기술분야에 잘 알려져 있으며, 따라서 본 발명의 일반적 범위 및 성격에서 벗어나지 않는 것으로 판단된다.
제어부
본 발명에 사용될 수 있는 감지부에는 시스템 내 여러 지점에서의 가스 유량, 온도, 압력 등의 운전인자를 감시하는 장치를 비롯, 합성가스 생성물의 화학적 구성을 분석하는 장치 등이 포함될 수 있다.
감지부에서 취득된 데이터는 가스화 공정의 효율과 합성가스 생성물의 구성을 최적화하기 위해 가스화 시스템 내의 조건 및 운전인자를 조절할 필요가 있는지 결정하는 데 사용된다. 반응물질(1차 및 2차 공급원료 공급 속도 및 공급량, 열풍 및/또는 증기의 공급 등)을 지속적으로 조절하는 한편 시스템 내 각종 구성요소 내의 온도와 압력 등 특정 운전 조건을 지속적으로 조절함으로써, 합성가스의 효율적이고 균일한 생산이 가능한 조건 하에서 본 공정을 실행시킬 수 있다.
제어 시스템은 가스화 공정의 효율을 최적화하고 가스화 공정에 의해 발생하는 환경 충격을 억제할 수 있도록 설계 및 설정할 수 있다. 또한 제어 시스템은 지속적 운전 조건 하에서 가스화 시스템을 작동시킬 수 있도록 설계할 수도 있다.
아래의 각종 운전인자는 감지부에 의해 간헐적 또는 지속적으로 감시될 수 있으며, 취득된 데이터는 시스템이 최적 설정점 내에서 작동하고 있는지, 그리고 예를 들어 토치에 의해 더 많은 출력이 공급되어야 하는지, 더 많은 공기 또는 증기가 시스템에 투입되어야 하는지, 또는 공급원료 공급 속도가 조절되어야 하는지 등을 결정하는 데 사용된다.
온도
본 발명의 일 구현예에서, 예를 들어 휘발 챔버, 가공 공급원료/탄화물질 변환 챔버, 가스 재구성 챔버 등, 필요에 따라 시스템 내 특정 지점의 온도를 감시하는 장치가 제어 시스템에 포함된다. 온도 감시 장치는 필요에 따라 시스템 내 특정 위치에 장치된 열전대 또는 광온도계가 될 수 있다.
고온 합성가스의 온도를 감시하는 장치가 플라즈마 가스 재구성 챔버의 합성가스 배출구에 장치될 수도 있다. 플라즈마 가스 재구성 공정에 의해 생성된 고온 합성가스로부터 현열을 회수하는 서브시스템(열교환기 또는 기타 유사한 기술)이 사용되는 본 발명의 일 구현예에서, 열회수 서브시스템의 특정 지점의 온도를 감시하는 장치가 사용될 수 있다. 예를 들어, 냉각액 투입구 및 배출구 또는 합성가스 투입구 및 배출구의 온도를 감시할 수 있다.
시스템 압력
본 발명의 일 구현예에서, 가스화 시스템 내 여러 위치에서의 압력을 감시하는 장치가 제어 시스템에 포함된다. 이 압력 감시 장치에는 시스템 내(예: 2차 챔버의 수직벽 또는 열교환 서브시스템 내부)에 장치된 압력변환기, 압력전송기, 압력공 등의 압력 센서가 포함될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 시스템의 각종 구성요소에서의 압력이 감시된다. 이와 같은 방식으로, 구성요소 간의 압력 강하 또는 압력 편차를 감시함으로써 공정 중에 발생하는 문제를 초기에 신속하게 찾아낼 수 있다.
가스 유속
본 발명의 일 구현예에서, 가스화 시스템 내 여러 위치에서의 가스 유속을 감시하는 장치가 제어 시스템에 포함된다. 가스 유량의 변동은 균일하지 않은 조건(토치 고장, 재료 공급의 중단 등)에 의해 발생할 수 있으므로, 가스 유량이 지속적으로 변동할 경우 문제가 해결될 때까지 시스템 가동이 중단될 수 있다.
가스 구성
본 발명의 일 구현예에서, 합성가스 생성물의 구성을 감시하는 장치가 제어 시스템에 포함된다. 가스화 공정에서 생성되는 각종 가스는 숙련 기술인에게 잘 알려진 방법으로 표본을 추출하여 분석할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 합성가스의 화학적 구성(예: 합성가스의 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소 함량)을 파악하는 데 사용되는 가스 모니터에 의해 합성가스 구성이 감시된다. 본 발명의 일 구현예에서, 기체 크로마토그래피(gas chromatography - GC) 분석에 의해 가스 합성가스 생성물의 화학적 구성이 감시된다. 이러한 분석을 위한 표본점은 시스템 내 전역에 배치될 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서, 가스의 적외선 스펙트럼을 측정하는 적외선 분광(Fourier Transform Infrared - FTIR) 분석기에 의해 가스 구성이 감시된다.
고온 가스 분석 장치가 있더라도, 가스 분석 시스템의 종류에 따라, 가스 구성을 분석하기 전에 가스를 냉각할 필요가 있을 수도 있다는 것을 당해 기술분야의 기술인은 이해할 것이다.
감응부
본 발명에 사용될 수 있는 감응부에는 주어진 제어인자의 조절에 의해 주어진 공정에 영향을 주도록 설정된 각종 공정 관련 장치와 연결된 각종 제어 요소 등이 포함될 수 있다. 예를 들어, 1개 이상의 감응부에 의해 본 발명에 사용될 수 있는 공정 장치에는 1차 및 2차 공급원료 공급 속도, 공기 및/또는 증기 공급 속도 등의 각종 운전인자와 토치 출력 및 위치 등의 운전 조건을 조절하는 장치 등이 포함될 수 있다.
플라즈마 열원
본 가스화 시스템은 가스 재구성 공정을 구동하는 한편, 고형 잔류물 처리 서브시스템이 사용될 경우 재가 슬래그로 완전히 용융 및 유리화되도록 하는 플라즈마열의 제어가능성을 이용한다.
본 발명의 일 구현예에서, 토치 또는 기타 플라즈마 열원의 출력을 조절하는 장치가 제어 시스템에 포함된다. 반응의 에너지 및/또는 온도를 관리하기 위해, 플라즈마 토치의 출력을 조절함으로써 각종 재구성 가스의 구성상의 변동 또는 증기 및 공기 공급 속도의 변동에도 불구하고 일정한 재구성 온도를 유지할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제어 시스템은 1차 챔버 가스 생성물 및 2차 챔버 가스 생성물이 가스 재구성 챔버로 유입되는 속도, 시스템 내 전략적 위치에 배치된 온도 센서에 의해 파악되는 챔버 온도 등의 측정된 인자에 따라 플라즈마 열원의 출력 등급을 관리 및 조절한다. 플라즈마 열원의 출력 등급은 챔버 내에서의 열손실을 보충하는 한편 각종 가스를 합성가스로 효율적으로 재구성하기에 충분해야 한다.
고형 잔류물 처리 서브시스템이 사용되는 구현예에서, 플라즈마 열원의 출력 및/또는 위치를 조절하는 장치가 제어 시스템에 선택적으로 포함된다. 예를 들어, 용융물의 온도가 너무 낮을 경우 제어 시스템은 플라즈마 열원의 출력 등급의 상승을 명령할 수 있으며, 그 반대로 챔버의 온도가 너무 높을 경우에는 플라즈마 열원의 출력 등급의 강하를 명령할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 토치의 출력은 고형 잔류물 공급 속도와 비례하는 수준으로 유지된다. 즉, 고형 잔류물 공급 속도가 증가하면 토치 출력도 증가한다. 또한 토치 출력은 예를 들어 온도, 열용량, 용융열 등 토치의 용융 특성과 관련하여 잔류물의 특성 및 구성의 변화에 반응하도록 설정될 수도 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 용융 챔버가 완전히 밀폐됨으로써 불완전 반응 재료 구역이 없도록 하기 위해 플라즈마 열원의 위치를 조절할 수 있다.
탄소질 공급원료 공급 속도
본 발명의 일 구현예에서, 공급원료가 설정된 열풍 공급 속도에서의 1차 챔버의 건조 및 휘발 용량을 초과하지 않는 속도로 공급되도록 하기 위해 탄소질 공급원료가 1차 챔버로 공급되는 속도를 조절하는 장치가 제어 시스템에 포함된다. 이 장치는 가공 공급원료/탄화물질이 2차 챔버로 투입되기 전에 휘발성 성분이 완전히 제거되도록 한다. 공급원료는 예를 들어 회전 나사 또는 오거 장치에 의해 지속적으로 투입될 수도 있고, 불연속적으로(예: 주기적으로 또는 임의적으로) 투입될 수도 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 가스화 공급원료의 탄소 함량을 조절하기 위한 공정 첨가물로서 2차 공급원료가 투입된다. 이와 같은 구현예에서, 공급원료의 탄소 함량을 최적화함으로써 최종 합성가스 구성을 제어하기 위해, 2차 및 1차 공급원료 공급 속도를 조절하는 장치가 제어 시스템에 사용된다.
고형물 이동 속도
제어 시스템에는 또한 가스화 공정의 여러 단계를 거치는 고형물의 이동을 제어하는 장치가 포함된다. 본 발명의 일 구현예에서, 가공 공급원료/탄화물질이 1차 챔버로부터 2차 챔버로 이송되는 속도를 조절하는 장치가 제어 시스템에 포함된다. 이와 같은 구현예에서, 공급원료의 휘발성 성분이 완전히 휘발되도록 하는 한편, 휘발 단계가 완료된 후 1차 챔버에 가공 공급원료/탄화물질이 쌓이는 것을 방지하기 위해 가공 공급원료/탄화물질 생성물의 이송 속도가 제어된다.
본 발명의 일 구현예에서, 재가 2차 챔버 밖으로 배출되는 속도를 조절함으로써 2차 챔버 내에서의 가공 공급원료/탄화물질의 체류 시간을 제어하는 장치가 제어 시스템에 포함된다.
이송 속도는 휘발 단계 또는 가공 공급원료/탄화물질 변환 단계를 적절하게 제어함으로써 불완전 휘발 또는 미변환 재료가 해당 챔버로부터 배출되는 것을 방지하기 위해 필요에 따라 조절된다.
고형물은 위에서 설명한 각종 고형물 제거 장치에 의해 연속적 또는 불연속적으로 해당 챔버로부터 배출된다. 공급원료 또는 가공 공급원료/탄화물질 투입 장치에 일련의 푸셔램이 포함되는 본 발명의 일 구현예에서, 리밋 스위치, 또는 램 행정 1회당 해당 챔버에 공급되는 재료의 양이 제어될 수 있도록 램 행정의 거리, 속도 및/또는 진동수를 제어하는 컴퓨터 제어 가변속 전동부 등의 기타 이송 제어 장치가 제어 시스템에 포함된다. 1개 이상의 나사 컨베이어가 입력 장치에 포함되는 본 발명의 일 구현예에서, 가변 주파수 전동부에 의해 컨베이어 속도를 조절함으로써 재료가 해당 챔버로 투입되는 속도를 조절할 수 있다.
수평형 1차 챔버가 사용되는 본 발명의 일 구현예에서, 1차 챔버 내에서의 1개 이상의 횡이송 장치의 운동을 조절함으로써 재료의 챔버 통과 속도를 조절하고, 그에 따라 건조 및 휘발 단계에서의 재료의 체류 시간을 조절함으로써 건조 및 휘발 단계를 최적화하는 장치가 제어 시스템에 선택적으로 포함된다.
열풍 투입구의 추가
본 발명의 일 구현예에서, 열풍이 휘발 챔버 및 2차 챔버로 투입되는 속도 및/또는 양을 조절하는 장치가 제어 시스템에 포함된다.
공정 첨가물 투입구의 추가
본 발명의 일 구현예에서, 가공 공급원료/탄화물질 변환에 의한 휘발성 물질 및 가스 생성물이 플라즈마 가스 재구성 단계에 의해 유용한 가스 생성물로 완전히 변환되도록 하기 위해, 플라즈마 가스 재구성 챔버로 투입되는 증기 및/또는 공기 공정 첨가물의 공급을 조절하는 장치가 제어 시스템에 포함된다. 본 발명의 일 구현예에서, 탄소 변환 반응에 필요한 산소 및 수소의 양이 합성가스 생성물의 화학적 구성의 최적화에 적합한 수준으로 유지되도록 하기 위해, 2차 챔버로 투입되는 증기 및/또는 공기 공정 첨가물의 공급을 조절하는 장치가 제어 시스템에 포함된다. 본 발명의 일 구현예에서, 필요한 공정 첨가물의 양 및 종류는 합성가스의 구성의 감시 및 분석에서 취득된 데이터를 바탕으로 결정된다.
시스템의 모듈성
모듈형 플랜트는 각 기능블록이 사전 건조된 구성요소로 구성된 시설로서, 이 방식을 사용하면 각 구성요소를 공장에서 건조한 후 시설 사이트로 옮겨 플랜트로 조립하는 것이 가능하다. 이와 같은 구성요소(또는 모듈)에는 정상 작동에 필요한 모든 설비 및 제어장치가 포함되며, 공장에서 출하되기 전에 시험된다. 모듈은 흔히 철골로 건조되며, 일반적으로 가스화 블록, 가스 조절 시스템 블록, 출력 블록 등의 다양한 부분으로 구성된다. 사이트에 집하된 모듈은 다른 모듈 및 제어 시스템과 연결하기만 하면 플랜트 시운전에 들어갈 수 있다. 이 방식을 사용하면 공기를 단축할 수 있을 뿐만 아니라, 현장 건축 비용이 절감되므로 비용 절감 효과도 거둘 수 있다.
모듈형 플랜트 건축에는 여러 종류가 있다. 대형 모듈형 플랜트에는 대부분의 배관이 번들화되어 소요 공간이 최소화되는 '백본(backbone)' 배관 방식이 사용된다. 모듈은 또한 운전 관점에서 직렬 또는 병렬 배치할 수도 있다. 이러한 방식에서는 유사한 작업을 수행하는 다수의 설비가 작업을 분담하거나 생산 스트림을 연속시킬 수 있다.
이와 같은 기술을 사용한 모듈형 설계의 응용의 한 예는 다중 공급원료의 가스화에 있어서 보다 많은 선택안을 제공한다. 이 기술을 사용하면 단일 고용량 시설에서 다수의 가스화 라인을 사용할 수 있다. 그리고 이에 따라 각각의 가스화 시스템이 공동으로 또는 각각 따로따로 공급원료를 가공할 수 있으며, 그 설정은 공급원료에 따라 최적화될 수 있다.
모듈형 설계를 채택하면 작업량의 증가로 인하여 확장이 필요할 경우 제2의 플랜트를 세우지 않고 이 기술을 이용하여 모듈을 교체하거나 플랜트에 모듈을 추가하는 것이 가능하다. 모듈 및 모듈형 플랜트는 다른 사이트로 이전하여 신속하게 재조립할 수 있다.
기능블록 조합
다양한 가스화 트레인(일련의 설비)의 기능들을 결합함으로써, 2개 이상의 스트림으로부터 가스 또는 재료를 취하는 다수의 기능블록에서 공통된 기능이 수행되도록 하는 것이 가능하다. 아래의 도식들은 탄소질 공급원료 가스화에 응용되는 이 개념을 나타낸 것이다.
이와 같은 트레인 간의 기능 결합은 트레인의 수 및 각 트레인당 공급원료의 종류와 상관없이 가능하지만(어느 1종의 트레인에서 혼합 공급원료가 사용될 경우에도), 다음 여러 가지 구현예에서는 2종의 트레인이 예시되어 있다. 한 스트림이 결합되어도 여전히 병렬 처리 설비 다운스트림을 선택할 수 있으며, 다수의 병렬 스트림은 동일한 가스를 처리할 경우에도 크기가 동일하지 않아도 된다.
도 18 - 21에서 GQCS는 위에 언급된 가스 조절 시스템을 말하며, 번호는 각각 1) 1차 챔버, 2) 2차 챔버, 3) 용융 챔버 및 4) 가스 재구성 챔버를 나타낸다.
도 18 - 21은 본 발명의 범위 내에 속하는 본 가스화 시스템의 다양일 구현예을 나타낸 것이다. 특히 도 18 - 21은 각각 별개의 1차 공급원료 및 2차 공급원료 공급이 최종 합성가스 생성물로 변환되는 가스화 시스템의 다양일 구현예을 나타낸다.
도 18은 1차 공급원료 및 2차 공급원료가 각각 별개의 1차 챔버에서 휘발되고, 각각의 1차 챔버에서 생성된 가공 공급원료/탄화물질이 공통의 2차 챔버에서 결합되는 구현예을 나타낸 것이다. 각각의 1차 챔버에서 생성된 1차 챔버 가스 생성물과 2차 챔버에서 생성된 2차 챔버 가스 생성물은 공통의 가스 재구성 챔버에서 결합된다.
도 19는 1차 공급원료 및 2차 공급원료가 각각 별개의 1차 챔버에서 휘발되고, 각각의 1차 챔버에서 생성된 가공 공급원료/탄화물질이 별개의 고형 잔류물 처리 챔버로 이송되는 구현예을 나타낸 것이다. 각각의 1차 챔버에서 생성된 1차 챔버 가스 생성물과 가공 공급원료/탄화물질 챔버에서 생성된 2차 챔버 가스 생성물은 공통의 가스 재구성 챔버에서 결합된다.
도 20은 1차 공급원료 및 2차 공급원료가 각각 별개의 1차 챔버에서 휘발되고, 각각의 1차 챔버에서 생성된 가공 공급원료/탄화물질이 각각의 2차 챔버로 이송되는 구현예을 나타낸 것이다. 각각 1차 및 2차 공급원료 가스화 스트림에서 생성된 1차 챔버 가스 생성물 및 2차 챔버 가스 생성물은 각각 별개의 가스 재구성 챔버에서 재구성된다.
도 21은 1차 공급원료 가스화 스트림 및 2차 공급원료 가스화 스트림이 각각 따로따로 휘발 단계, 가공 공급원료/탄화물질 가스화 단계, 고형 잔류물 처리 단계 및 가스 재구성 단계를 거치고 합성가스 생성물이 가스 품질 조절 단계 직전에 결합되는 구현예을 나타낸 것이다.
위의 몇 가지 구현예은 범례적인 것들로서 다양한 방식으로 변형될 수 있다. 그러한 현재 또는 미래의 변형은 본 발명의 근본적 개념과 범위에서 벗어난 것으로 간주될 수 없으며, 당해 기술분야의 기술인이라면 이해할 수 있듯이 그러한 모든 변형도 다음 청구항들의 범위 내에 포함된다.
본 설명서에 참조된 모든 특허, 특허 출원 발표 등의 발행물 및 데이터베이스 입력항은 그러한 각각의 특허, 발행물 및 데이터베이스 입력항이 참조용으로 사용되도록 구체적 및 개별적으로 표시된 경우와 같이 참조용으로 온전하게 구체적으로 사용되었다.
예 1:
본 예는 위에 기술된 방법 및 시스템을 사용한 제조에 적용될 수 있는 가스화 시설의 예시적 구현예을 나타낸 것이다. 본 예는 어떤 식으로든지 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
도 22 - 61을 참조하여, 본 예는 다양한 선택안을 포함하여 가스화 시설의 일 구현예의 세부를 나타낸 것이다. 본 예는 가스화 시설의 각 서브시스템의 세부를 나타내고, 이러한 세부가 어떤 방식으로 상호작용하여 도시 고형 폐기물(MSW)을 전기로 변환하는 통합 시스템으로서 작용하는지 예시한 것이다. 그러나 당해 기술분야의 기술인은 각각의 서브시스템 자체가 하나의 시스템으로 간주될 수 있음을 이해할 수 있다. 이와 같은 구현예이 포함된 서브시스템은 도시 고형 폐기물 처리 시스템, 합성수지 처리 시스템, 가스화 시스템, 2구역 탄소변환기, 가스 재구성 시스템, 열순환 시스템, 가스 조절 시스템, 가스 균질화 시스템, 제어 시스템 등이다.
도 22는 주로 MSW의 합성가스 변환 용도로 설계된 전체 시스템(120)의 기능블록 계통도로서 재구성, 조절 및 균질화된 합성가스가 발전용 가스 엔진(9260)에 이용되는 공정이 첨가된 것이다.
도시 고형 폐기물( MSW ) 처리 시스템
초기 MSW 처리 시스템(9200)은 다음과 같은 요소를 고려하도록 설계되어 있다: (1) 4일분 공급을 수용할 수 있는 저장 능력, (2) 장기 저장 및 MSW 과잉 분해 방지, (3) 부스러기 비산 방지, (4) 악취 제어, (5) 쓰레기차의 하적을 위한 접근 및 회차 공간, (6) MSW를 MSW 축적물(9202)에서 MSW 파쇄 시스템(9220)으로 운반하는 로더(9218)에 필요한 운반 거리 및 회전량의 최소화, (7) 로더(9218)와 쓰레기차 사이의 동작 방해 방지, (8) 추가적 가스화 스트림에 의한 플랜트 확장 가능성, (9) 쓰레기차의 시설 내(특히 위험 구역) 진입의 최소화, (10) 최소한의 인원에 의한 안전 운전, (11) 로더 운전자를 위한 컨베이어 공급 호퍼(9221)의 충전 수준 표시, (12) 수취된 폐기물을 처리에 적합한 크기의 입자로 분쇄하기, (13) MSW의 처리 시스템 투입 속도의 원격제어 가능성 및 합성수지 공급 속도의 독립 제어(아래 설명 참조) 등.
MSW 처리 시스템(9200)에는 MSW 저장 건물(9210), 로더(9218), MSW 파쇄 시스템(9220), 자기분리기(9230), 공급 컨베이어(9240) 등이 포함된다. 그 공급 속도가 가스화 공정에서 첨가물로 사용되는 고탄소 물질(본 예에서는 재활용이 불가능한 합성수지)의 저장, 파쇄, 축적 및 공급을 위한 별도의 시스템(9250)도 설계된다. MSW가 가스화 시스템(120)에 투입될 때까지 MSW의 저장 및 취급은 부스러기 및 악취의 제어를 위해 MSW 저장 건물(9210) 내로 제한된다.
MSW의 과잉 분해를 최소화하는 데는 선입선출(first-in-first-out - FIFO) 일정계획법이 사용된다. 선입선출은 MSW 저장 건물(9210) 양쪽 끝에 쓰레기차 및 로더(9218) 접근 구역을 설정함으로써 이루어진다. 건물 한쪽 끝에서 쓰레기차가 MSW를 하적하는 동안 MSW 저장 건물(9210)의 반대쪽 끝에서는 로더(9218)가 재료를 운반함으로써, 로더(9218)가 쓰레기차의 방해를 받지 않고 안전하게 작업할 수 있다. 로더(9218)가 재료를 MSW 축적물(9202)의 중간 지점(9203)에 되돌려 놓으면(즉, 구 재료가 모두 사용되고 나면) MSW 저장 건물(9210)의 반대편 양쪽 끝으로 작업이 옮겨간다.
MSW 저장 건물(9210)의 크기를 최소화하기 위해, 쓰레기차의 조작을 위한 공간은 MSW 저장 건물(9210) 밖에 설정된다. 이렇게 하면 출입문(9212)이 쓰레기차의 직후진 진입만 허용하면 되므로 출입문의 크기를 최소화할 수 있으며, 이에 따라 부스러기 및 악취가 빠져나가는 것을 효과적으로 제어할 수 있다. 출입문(9212)을 항상 1개만 열어 놓으면 되고, 쓰레기차가 하적 작업을 할 때만 열어 놓으면 된다. 출입문(9212)이 하루에 약 1시간만 열려 있도록 하기 위해, MSW의 수취는 일반적으로 매일 일정 시간 동안만 이루어진다.
도 23은 MSW 저장 건물(9210)의 구조를 나타낸 것이다. MSW 저장 건물(9210)은 로더(9218)가 MSW 파쇄 시스템(9220)과 연결되는 공급 컨베이어(9222)에 접근하기 위해 통행해야 하는 통로(9216)와 MSW 축적물(9202)사이에 차단벽(9214)이 설치되어 있다. 로더(9218)가 MSW 저장 건물(9210)에서 벗어나지 않고 MSW 축적물(9202)과 공급 컨베이어(9222) 사이를 오갈 수 있도록, 이 차단벽(9214)은 MSW 저장 건물(9210)의 양쪽 끝에 못미친 지점에서 끝난다. 따라서 MSW 저장 건물(9210)의 한쪽 끝에 있는 출입문(9212)은 항상 닫아 놓을 수 있으며, 반대쪽 끝은 쓰레기차가 하적 작업을 하거나, 재료를 MSW 축적물에서 파쇄 시스템으로 운반하는 로더가 합성수지를 운반하기 위해 건물 밖으로 나가야 할 때만 열어 놓을 수 있다(아래 설명 참조).
MSW 저장 건물(9210)을 도로(9204)와 인접하고 평행이 되도록 세움으로써 MSW 저장 건물(9210) 양쪽 끝에서 쓰레기차가 작업할 수 있도록 하면, 시설 내의 공간 요건 및 쓰레기차 이동이 감소된다. 이와 같은 공간 배치 설계에 의해, 쓰레기차가 시설에 진입, MSW 저장 건물(9210)에 후진 진입하여 재료를 하적한 다음 곧장 도로(9204)로 재진입할 수 있다. 공정 설비 또는 인원 가까이 접근하는 경우가 전혀 없다. 이러한 이중 도로진입점 개념은 또한 쓰레기차가 MSW 저장 건물(9210) 양쪽 끝에 접근할 수 있도록 시설 내에 추가적 도로를 건설할 필요를 배제한다.
재료를 재료 축적물에서 파쇄 시스템으로 운반하는 데는 버킷 기반의 기계식 로더( 9218)가 사용된다. 크기가 작고 기동성이 뛰어나며 작동이 용이한 스키드 스티어 로더(skid steer loader)가 사용된다. 시판되고 있는 표준형 스키드 스티어 로더는 MSW를 공급하고, 쓰레기차가 하적을 끝낸 후 MSW 축적물 바닥을 청소하고, 폐합성수지 파쇄 시스템 및 공급 재료를 처리하는 데 적합한 능력이 있다.
공급 컨베이어(9222)는 MSW 저장 건물(9210) 내부에서 MSW를 위쪽으로 운반하여 MSW 파쇄 시스템(9220) 안으로 떨어뜨린다. 컨베이어(9222)에 재료를 공급하는 공급 호퍼( 9221)는 부스러기의 비산을 방지하기 위해 MSW 저장 건물(9210) 내에 배치된다. 이 컨베이어(9222)의 홈통은 공급 호퍼(9221)의 용량과 더불어 1시간의 작동 시간 동안 충분한 재료를 담을 수 있을 만큼 깊다. MSW 저장 건물(9210) 외부로 연장된 홈통 부분은 부스러기 및 악취가 빠져나가는 것을 제어하기 위해 덮개가 씌워진다. 컨베이어(9222)는 공정 제어기에 의해 공정 수요에 맞게 원격제어된다. 로더 운전자가 호퍼(9221)의 MSW 수준을 양쪽에서 볼 수 있도록 거울이 설치된다. 재료가 없을 경우 공정 제어기에 경고 신호를 전송할 수 있도록, 홈통에 감지기가 장치된다.
MSW 파쇄 시스템(9220)은 공급 호퍼(9223), 파쇄기(9224) 및 픽업 컨베이어로 구성되며 자석식 픽업 컨베이어와 연결된다. 파쇄기(9224)는 포대 등을 파쇄하고 덩어리 크기가 큰 폐기물을 공정에 적합한 크기로 파쇄함으로써 수취된 MSW를 처리에 적합한 상태로 만든다. 수취된 MSW에는 파쇄기(9224)에 투입되기에 너무 크고 단단한 재료가 들어 있을 수 있고 그로 인하여 파쇄기의 잼이 발생할 수 있으므로, 파쇄기(9224)는 잼이 감지될 경우 자동으로 정지하고, 자동으로 역회전하여 잼을 해결한 후 재작동할 수 있도록 설정된다. 여전히 잼이 감지될 경우, 파쇄기(9224)는 정지하여 제어기에 경고 신호를 전송한다.
파쇄된 폐기물은 벨트 컨베이어에 투하되어 자석식 픽업 시스템 밑을 통과하면서 운반되고, 이어 폐기물을 1차 챔버(2200)로 이송하는 나사 컨베이어(9240)의 공급 호퍼(9239) 안으로 투하된다. 1차 챔버(2200)를 통해 과도한 양의 철금속이 투입되는 것을 방지하기 위해, 픽업 컨베이어 위에 자석식 픽업 시스템(9230)이 설치되어 파쇄된 폐기물에 들어 있을 수 있는 철금속을 제거한다. 자석에 달라붙은 철금속이 폐기물 스트림으로부터 횡적으로 분리될 수 있도록, 자석과 폐기물 사이에 비자석석 벨트가 설치되어 픽업 컨베이어의 방향과 직각으로 운동한다. 철금속은 나중에 자석으로부터 제거되어 폐기물 축적물에 투하된다.
MSW 공급 시스템은 공급 호퍼(9239)와, 파쇄된 폐기물을 MSW 파쇄 시스템(9220)에서 챔버(2202)로 운반하는 나사 컨베이어(9240)로 구성된다. 파쇄된 폐기물은 MSW 파쇄 시스템(9220)에서 공급 호퍼(9239)로 투하되며, 이 장치는 처리기에 투입될 수 있는 상태의 재료에 대해 완충 장치 역할을 한다. 호퍼에는 파쇄 시스템에서 호퍼로의 흐름을 제어하는 데 사용되는 고/저 수준 표시기가 있다. 컨베이어(9240)는 폐기물 공급 속도를 공정 수요에 맞추는 공정 제어기에 의해 제어된다. 나사 컨베이어(9240)와 일체형 공급 호퍼(9239)의 병용은 처리기에 가스 밀폐 능력을 제공한다. 공급 호퍼(9239)는 부스러기 및 악취를 제어하는 덮개가 장치된 MSW 파쇄 시스템과 연결되어 있다. 나사 컨베이어(9240)에는 파쇄된 합성수지를 수취하는 추가 투입구가 있다.
합성수지 처리 시스템
가스화 시스템(120)은 공정 첨가물로서 합성수지를 첨가할 수 있다. 합성수지는 1차 챔버( 2200)로 투입되기 전에 MSW와 별도로 처리된다. 합성수지 처리 시스템(9250)은 베일(bale) 상태로 수취된 합성수지를 저장하고, 파쇄하고, 재료 축적물(9254)에 투하하고, 독립적 제어 하에 처리기에 공급하도록 설계되어 있다. 합성수지 처리 시스템(9250)에는 합성수지 저장 건물(9255)의 저장 시설, 공급 호퍼(9251)가 장착된 파쇄기(9252), 수거 컨베이어(9253), 재료 축적물(9254) 등이 포함되며, 부스러기 제어를 위해 이 모든 것이 같은 건물(9255) 내에 배치되어 있다. 공급 컨베이어(9240)는 파쇄된 합성수지를 처리기로 운반한다.
합성수지 저장 건물(9255)은 트럭 2대분의 합성수지 베일을 저장할 수 있는 능력이 있다. 3면이 폐쇄되어 있고 1면만 개방되어 있기 때문에, 합성수지 베일을 쌓거나 제거하기 위한 접근 통로가 확보된 상태에서 재료를 건물 내에 봉쇄할 수 있다. 이 건물은 또한 파쇄기(9252)에 대한 보호와 파쇄된 재료에 대한 부스러기 제어 및 보호를 제공한다.
파쇄기는 처리 요건에 부합되는 합성수지 재료를 처리한다. 수취된 합성수지는 로더에 의해 파쇄기(9252)의 공급 호퍼(9251)에 공급된다. 파쇄된 재료는 수거 컨베이어(9253)에 투하되고, 컨베이어에 의해 위쪽으로 운반되어 재료 축적물(9254)에 투하된다.
파쇄된 합성수지는 로더에 의해 수거되어 공급 컨베이어의 공급 호퍼에 투하된다. 컨베이어가 옥외에 있으므로, 호퍼가 충전될 때 합성수지가 이탈하는 것을 최소화하기 위해 호퍼에 일체형 지붕과 위쪽으로 연장된 벽이 설치되어 있다. 합성수지가 MSW 컨베이어에 의해 1차 챔버(2200)에 투입되도록 함으로써 1차 챔버(2200)로 통하는 구멍을 줄이기 위해, 컨베이어 홈통은 MSW 컨베이어 홈통과 연결되어 있다. 컨베이어는 나사 컨베이어이며, 재료가 들어 있을 때 가스 밀폐 기능을 하도록 호퍼와 연결되어 있다. 호퍼 내에는 고/저 수준을 표시하기 위한 감지기가 장치되어 있으며, 스키드 스티어 로더 운전자가 충전 수준을 확인할 수 있도록 하기 위한 거울이 설치되어 있다. 이 컨베이어의 작동은 공정 제어기에 의해 제어된다.
변환기
변환기(1200)에는 1차 챔버(2200), 2차 챔버, 가스 재구성 시스템(3200) 등이 포함된다. 2차 챔버는 슬래그 챔버(RCC)와 직접 연결되어 있다. MSW 및 합성수지는 1차 챔버(2200)에 투입되고, 생성된 가스는 가스 재구성 시스템(3200)으로 이송되어 재구성된다. 2차 챔버에서 생성된 잔류물은 슬래그 챔버(4200)로 이송된다.
1차 챔버(2200)는 (1) 폐기물의 1차 처리에 필요한 밀폐 및 절연된 공간을 제공하고, (2) 열풍 및 증기가 1차 챔버(2200) 내에 고루 분산 투입되도록 하고, (3) 1차 챔버(2200) 내에서의 폐기물 더미의 높이 및 이동의 제어를 가능하게 하고, (4) 가스화 공정의 제어를 위한 계기를 제공하고, (5) 가스를 가스 재구성 시스템(3200)으로 이송하고, (6) 잔류물을 제거하여 2차 챔버에서 추가 처리되도록 하고, (7) 점검 및 유지관리를 위한 내부 접근점을 제공하는 등의 요건을 고려하도록 설계되어 있다.
도 26 - 29를 참조하여, 1차 챔버(2200)에는 공급원료 투입구(2204), 챔버 가열용 열풍 투입구, 공정 첨가물 증기 투입구, 가스 재구성 시스템과 직접 연결되는 가스 배출구(2206), 탄화물질 배출구(2208), 각종 점검(2220) 및 접근(2222) 포트 등이 장치된 수평형 내화 라이닝 챔버(2202)가 포함된다. 1차 챔버(2202)는 강철 용접물로서 바닥이 다수의 계단(2212, 2214, 2216)으로 이루어진 계단식 바닥이다. 1차 챔버(2200) 내에서의 재료의 횡이동에는 다수의 캐리어램(2228, 2230, 2232)이 포함된 시스템이 사용된다. 또한 열전대, 재료 높이 감지기, 압력 센서, 창문 등의 계기도 설치될 수 있다.
챔버(2202)의 내화 라이닝은 고온 및 부식성 가스로부터 챔버를 보호하며 공정의 불필요한 열손실을 최소화한다. 도 30을 참조하여, 본 내화 구조물은 안쪽의 고밀도 크롬층(2402), 중간의 고밀도 알루미나층(2404), 바깥쪽의 초저밀도 단열재(2406) 등으로 이루어진 다층 구조이다. 본 내화 구조물은 챔버의 금속 외피(2408)의 내벽을 이루고 있다. 또한 챔버(2402)는 부식성 가스로부터 챔버를 보호하는 피막으로 라이닝 처리되어 있다.
챔버(2402)의 계단식 바닥의 각 계단(2212, 2214, 2216)은 열풍이 유입되도록 바닥(2270)이 타공되어 있다. 이 통기공의 크기는 제한을 설정함으로써 폐기물이 구멍으로 빠져나가는 것을 방지할 수 있을 정도의 압력 강하를 각 구멍에 발생시키도록 설정되어 있다. 구멍에 입자가 끼는 것을 방지하기 위해, 각 구멍은 상면 쪽으로 갈수록 바깥쪽으로 점점 좁아진다.
각 계단에서의 조건은 서로 다른 정도의 건조, 휘발 및 탄소 변환에 적합하도록 설정된다. 공급원료는 공급원료 투입구(2204)를 통해 1차 챔버(2202)에 투입되어 1차 단계를 거친다. 이 단계의 목표 온도범위(재료 더미 하단에서 측정된 값)는 300 - 900℃다. 2단계는 하단의 온도범위가 400 - 950℃가 되도록 설정된다. 3단계는 온도범위가 600 - 1000℃가 되도록 설정된다.
1차 챔버(2202)를 3단계 공정으로 분리하는 계단식 바닥의 각 계단(2212, 2214, 2216)은 개별 제어가 가능한 공기 공급 장치가 각각 있다. 이 독립성은 각 단계의 타공 바닥( 2270)을 구성하는 개별 공기통(2272, 2274, 2276)을 사용함으로써 이루어진다. 1차 챔버(2200) 내에서의 재료의 이동에 사용되는 캐리어램(2228, 2230, 2232) 시스템은 제1계단 및 제2계단(2212, 2214) 밑으로부터의 접근을 방지한다. 따라서 이 두 단계를 위한 공기통(2272, 2274)은 측면에서 삽입된다. 그러나 3단계 공기통(2276)은 도 27 & 28에 나타낸 것처럼 밑에서 삽입된다.
도 31 & 32를 참조하여, 이와 같은 설계에서 공기통(2272, 2274, 2276)의 타공 상판(2302)은 비교적 얇은 판으로서, 휨 또는 좌굴을 방지하기 위해 보강살 또는 구조 지지 부재(2304)가 설치되어 있다. 공기통의 평평한 앞판 및 바닥판에 가해지는 응력을 최소화하기 위해, 두 판 사이에 다수의 타공망이 장치되어 있다. 타공망은 공기통 내에서 열팽창이 이루어지도록 하기 위해 한쪽 모서리만 부착되며, 나머지 세 모서리는 자유로이 팽창할 수 있다.
도 31에 나타냈듯, 제1계단 및 제2계단 공기통(2272, 2274)의 고정된 모서리는 송풍 파이프(2278)의 연결점이기도 하다. 따라서 연결 플랜지(2280)가 고온에 노출되며 1차 챔버( 2200)의 차가운 벽과 연결되어야 한다. 도 31에 나타냈듯, 응력을 발생시키지 않으면서 복잡한 신축이음을 사용하지 않고 이를 해결하기 위해 차열관이 사용된다. 차열관(2282)의 한쪽 끝은 뜨거운 공기통(2272) 및 파이프(2278)와 연결되고, 차열관(2282)의 반대쪽 끝은 차가운 1차 챔버(2200)와 연결된다. 차열관(2282)의 전역에 걸쳐 온도기울기가 발생하므로, 양쪽 연결부에 응력이 거의 또는 전혀 발생하지 않는다. 이 장치의 또 다른 장점은, 응력을 발생시키지 않으면서 공기통을 필요한 위치에 확고하게 설치할 수 있다는 것이다. 차열관(2282)과 공기통(2272)의 내관 사이의 공간은 단열재로 채워져서 열을 차단하는 한편 차열관 전역에서 온도기울기가 발생하도록 한다. 공기통이 1차 챔버(2202) 내의 작동 위치에 있을 때, 공기 투입구 반대쪽의 상판은 공기통보다 길게 연장되어 내화 구조물의 선반 위에 걸쳐진다. 이와 같은 구조는 작동 중에 공기통을 지지해줄 뿐만 아니라 재료가 공기통 밑으로 떨어지는 것을 방지하는 차단 장치 역할을 한다. 또한 도 33에 나타냈듯, 자유로이 움직일 수 있으므로 공기통의 팽창을 가능하게 한다.
공기통의 하면 모서리도 동일한 방식으로 설계되어 있다. 공기통의 상면 모서리는 캐리어램과 공기통 상판(3202) 사이의 탄성판 연결(2306)에 의해 연결된다.
공기통은 수평형 플랜지에 의해 열풍 공급 파이프와 연결된다. 따라서, 공기통을 제거할 때 플랜지만 제거하면 된다.
3단계 공기통(2276)은 밑에서 삽입되며, 마찬가지로 차열관에 의해 1차 챔버(2200)와 연결된다.
3단계 공기통(2276)의 모서리에 분진이 떨어지는 것을 막기 위한 밀폐는 내화 선반 밑, 2단계(2214)의 모서리에 공기통을 설치함으로써 해결된다. 아래쪽의 내화 구조물의 벽감으로부터 돌출된 신축성 밀폐물에 의해 사면이 밀폐될 수 있다. 이 밀폐물은 공기통 상면 위에 위치하여 벽과 공기통 사이를 밀폐한다. 공기통의 하면 모서리는 신축성 밀폐물에 의해 축출기 홈통의 측면과 밀폐 연결되어 분진을 차단한다. 공기통에 얇은 판금을 사용할 수 있도록, 공기통의 평평한 면 사이에 설치된 보강재 및 타공망에 의해 공기통이 강화된다.
열풍 파이프는 파이프 연결을 해체한 후 3단계 공기통(2276)을 제거할 수 있도록 하기 위해 수직으로 연결된다.
도 37을 참조하여, MSW가 1차 챔버(2200) 내에서 횡적으로 이동하면서 3개 계단(2212, 2214 & 2216)에서 각각 적절하게 처리되고, 처리된 잔류물이 잔류물 배출구(2208)로 이송되도록 하기 위해, 일련의 캐리어램(2228, 2230, 2232) 시스템이 사용된다. 각 단계마다 각각의 캐리어램이 장치되어 있다. 캐리어램은 각 단계에서의 재료 더미의 높이 및 1차 챔버에서의 총 체류 시간을 제어한다. 각 캐리어램은 해당 단계의 전장 또는 그 일부에 걸쳐 변속적으로 운동할 수 있다. 따라서, 필요할 경우 해당 단계를 완전히 제거할 수도 있다.
각 캐리어램에는 외장 가이드부, 선택적 가이드부 연결 부재가 달린 캐리어램, 외장 구동 시스템, 외장 제어 시스템 등이 포함된다. 캐리어램 구조에는 공기통의 통기공을 통과하는 공기의 흐름에 캐리어램의 작동이 방해가 되지 않도록 통기공이 배열되도록 하는 다수의 핑거가 포함된다.
멀티핑거 캐리어램 구조에서, 캐리어램은 캐리어램의 몸체에 다수의 핑거가 장착된 구조물로서, 각 핑거는 위치에 따라 그 폭이 다르다. 멀티핑거 캐리어램 구조의 핑거 사이의 간격은 반응물질 입자가 끼어 막히는 것을 방지하도록 설정된다. 각 핑거는 폭이 약 2-3인치, 두께가 약 0.5-1인치이며 핑거 사이의 간격은 약 0.5-2인치이다.
공기통의 통기공은 통기공을 통과하는 공기의 흐름에 캐리어램의 작동이 방해가 되지 않도록 배열된다. 예를 들어, 통기공이 가열된 상태에서는 서로 간격을 유지하며 핑거 사이에(간격 내에) 화살표 형태로 배열된다. 또는, 공기의 균등 분산이 극대화되도록(즉, 바닥에서 공기가 전혀 공급되지 않는 곳이 최소화되도록), 일부는 닫히지 않고 일부는 닫히는 절충형으로 배열될 수도 있다. 통기공의 배열 방식을 선택할 때 고려해야 할 요소는 1) 재료의 층을 유동화할 수 있는 고속을 방지하고, 2) 공기가 내화벽을 따라 흐르지 않도록, 통기공이 챔버 내벽 및 양단에 너무 근접하지 않게 하고, 3) 공정이 동역학적으로 적절하게 이루어지도록, 통기공 사이의 간격이 대략 공급원료의 입자 공칭치수(2")보다 크지 않도록 하는 것 등이다.
멀티핑거 캐리어램은 각 핑거의 끝이 공기통 상면의 기복과 보다 정밀하게 들어맞도록 하는 자체적 유연성을 가질 수 있다. 이는 핑거를 압박하지 않는 숄더 볼트를 사용하여 핑거를 캐리어램 메인 캐리지에 장착함으로써 가능하다. 이 개념은 또한 핑거의 손쉬운 교체를 가능하게 한다.
캐리어램 핑거의 끝은 캐리어램과 공기통의 상대적 위치가 변할 경우(예를 들어 팽창에 의해) 핑거의 끝이 공기통 상단에 닿도록 하기 위해 구부러져 있다. 이와 같은 구조는 또한 통기공이 캐리어램에 의해 닫힘으로써 발생하는, 공정에 미치는 해로운 영향을 최소화한다. 공기가 캐리어램과 공기통 사이의 간격을 통해 지속적으로 유동한다.
도 33을 참조하여, 가이드부에는 프레임 위에 장착된 1쌍의 수평 연장 트랙(2240)이 포함된다. 각 트랙의 단면은 L자형이다. 운동 요소에는 캐리어램 몸체(2326)와 1개 이상의 길다란 장방형 캐리어램 핑거(2328)가 포함되며, 핑거는 챔버 내벽의 밀폐 가능한 구멍을 드나들 수 있는 크기이다.
캐리어램 핑거는 고온에서 사용하기에 적합한 재료로 제조되었다. 이러한 재료는 당해 기술분야의 기술인에게 잘 알려져 있으며 스테인리스강, 연강, 부분적 또는 전체적으로 내화 피막을 입힌 연강 등이 포함될 수 있다. 선택적으로, 특정 캐리어램 핑거 또는 모든 캐리어램 핑거에 부분적 또는 전체적으로 내화 피막을 입힐 수 있다. 선택적으로, 챔버(2202) 외부에서 캐리어램 핑거 내부를 순환하는 유체(공기 또는 물)를 이용하여 캐리어램 핑거 내부를 냉각시킬 수도 있다.
공정에 방해가 되거나 폭발성 대기를 형성할 수 있는 제어되지 않은 공기가 1차 챔버(2200)에 유입되는 것을 방지하기 위해, 캐리어램 핑거는 챔버 내벽과 밀폐 연결되도록 조정되어 있다. 또한 유해한 독성 가연성 가스가 1차 챔버(2202)에서 빠져나가는 것도 방지해야 하며, 부스러기가 과다하게 빠져나가는 것도 방지해야 한다. 가스가 대기로 빠져나가는 것은 캐리어램 장치를 밀폐된 통 안에 장치함으로써 방지할 수 있다. 이 통은 통 안에서 폭발성 가스 혼합물이 형성되는 것을 방지하는 질소 제거 장치가 있다. 도 34에 나타냈듯, 캐리어램의 각 핑거의 각 표면을 누르는 연성 스트립(2308)을 사용하여, 캐리어램의 각 핑거에 부스러기 밀폐 및 한정적 가스 밀폐 기능을 부여한다. 또는, 패킹 마개를 사용하여 각 핑거에 가스 및 부스러기 밀폐 기능을 부여할 수도 있다.
이와 같은 밀폐 설계는 각 캐리어램 핑거에 효과적인 가스 및 부스러기 밀폐 기능을 부여하는 한편 캐리어램의 수직 및 수평 운동을 허용한다. 캐리어램의 수직 및 수평 운동에 방해가 되지 않으면서 캐리어램과의 접촉 및 캐리어램 상하면의 밀폐물과의 접촉을 유지하도록 해야 하는 핑거 측면의 밀폐가 가장 어려운 부분이었다. 부스러기의 누출은 밀폐통의 창문을 통해 감시할 수 있으며, 부스러기가 과다하게 쌓일 경우 분진 제거 장치가 제공된다. 도 35에 나타냈듯, 분진 제거는 캐리어램의 밀폐 기능을 저해하지 않고 이루어질 수 있다.
도 35를 참조하여, 분진 제거 장치(2310)에는 셔터(2316)와 집진통(2332) 연결부(2318)가 장착된 분진 배출구(2314)가 장치된 금속 트레이(2312)와 수동식 체인(2320) 구동 분진축출기( 2322)가 포함된다. 작동 핸들(2324)을 작동하면 분진이 분진축출기(2322)에 의해 분진 배출구(2314)로 축출된다.
도 36을 참조하여, 캐리어램(2228, 2230, 2232)의 작동에 필요한 동력은 기어박스 및 롤러 체인 시스템을 통해 캐리어램을 구동하는 전동기에 의해 공급된다. 간략하게 설명하자면, 캐리어램이 트랙을 따라 운동하게 하는 동력은 전동기 출력축(2258)을 전진 또는 후진시킴으로써 캐리어램의 전진 및 후퇴가 제어된 속도로 이루어지도록 하는 외장 가변속 전동기(2256)에 의해 공급된다. 위치 센서(2269)는 캐리어램 위치 정보를 제어 시스템으로 전송한다. 선택적으로, 전동기에는 또한 기어박스가 포함될 수도 있다. 전동기 출력축에는 2개의 구동 스프로킷(2260)이 장착되어 있다. 액슬(2264)에 장착된 구동 스프로킷(2260) 및 이에 각각 상응하는 피구동 스프로킷(2262)은 브래킷(2268)에 의해 긴 장방형 블록(2244)에 고정되는 체인부(2266)와 맞물려 작동한다.
전동기는 시작 및 중단 위치, 운동 속도 및 진동수를 명령할 수 있는 시스템 전반 제어 장치에 의해 제어된다. 각 캐리어램은 개별적으로 제어될 수 있다. 이를 위해 강도가 높고 혹독한 작업 환경에 잘 견디는 롤러 체인이 사용된다. 각각의 캐리어램에 2개의 체인을 사용함으로써, 정밀 가이드를 사용하지 않고도 캐리어램의 각도를 정렬할 수 있다. 캐리어램이 후퇴할 때 캐리어램 상단에 놓인 재료가 뒤로 밀려나는 경향이 있다. 이 문제는 캐리어램이 다음과 같이 순차적으로 작동하도록 함으로써 해결할 수 있다: 1) 맨먼저 하단 캐리어램(2232)이 전진한다, 2) 중간 캐리어램(2230)이 전진하여 재료를 하단 캐리어램(2232)으로 밀어냄으로써, 하단 캐리어램의 운동에 의해 생긴 공백을 메운다, 3) 하단 캐리어램(2232)이 후퇴한다, 4) 상단 캐리어램(2228)이 전진하여 중간 캐리어램(2230) 뒤쪽의 공백을 메운다, 5) 중간 캐리어램(2230)이 후퇴한다, 6) 공급 포트로부터 투하된 새 재료가 상단 캐리어램(2228) 상의 공백을 메우고 상단 캐리어램(2228)이 후퇴한다. 이 모든 운동은 시스템 제어 장치가 시스템 계측 데이터에 반응함으로써 개별적으로 자동 제어된다.
도 36 및 37을 참조하여, 아래와 같이 요약된 시차식 캐리어램 순차 제어법을 사용하여 캐리어램의 운동을 촉진한다:
- 캐리어램 C(2232)가 고정된 거리(조절 가능한 설정점이 있는)를 운동하여 계단 C(2216)에 포켓을 형성한다.
- 캐리어램 C(2232)가 유발 거리(조절 가능한 설정점이 있는)를 지나자마자 캐리어램 B(2230)가 후속 작동하여 재료를 밀어냄으로써(운반함으로써), 계단 C(2230)의 시작점의 포켓을 즉시 메운다. 피드백 제어가 수준 스위치 C(2217)를 차단하거나, 수준 스위치가 이미 차단되었을 경우 최소 설정점 거리를 차단하거나, 수준 스위치의 차단이 발생하지 않을 경우 최대 설정점 거리를 차단하는 데 필요한 정도의 행정 거리를 가한다. 캐리어램 B(2230)가 계단 C(2216)의 시작점의 포켓을 메우는 동시에 계단 B(2230)의 시작점에 포켓을 형성한다.
- 캐리어램 B(2228)가 유발 거리를 지나자마자 캐리어램 A(2228)가 후속 작동하여 재료를 밀어냄으로써(운반함으로써), 계단 B(2214)의 시작점의 포켓을 즉시 메운다. 피드백 제어가 수준 스위치 B(2215)를 차단하거나, 수준 스위치가 이미 차단되었을 경우 최소 설정점 거리를 차단하거나, 수준 스위치의 차단이 발생하지 않을 경우 최대 설정점 거리를 차단하는 데 필요한 정도의 행정 거리를 가한다. 캐리어램 A(2228)가 계단 B(2214)의 시작점의 포켓을 메우는 동시에 계단 A(2212)의 시작점에 포켓을 형성한다. 이는 통상적으로 공급기의 작동을 유발하여, 수준 스위치 A(2213)가 다시 차단될 때까지 1차 챔버(2200)가 충전되도록 한다.
모든 캐리어램은 동시에 '홈' 위치로 되돌아간다.
한쪽 끝에 맨홀을 장치함으로써 1차 챔버(2200)에 접근점이 구축된다. 이 접근점은 작동 중에는 내화 라이닝 처리된 밀폐 가능 덮개에 의해 폐쇄된다. 3단계 공기통(2276)을 제거함으로써 추가 접근점이 구축될 수도 있다.
이 단계 후에 남은 탄화물질은 1차 챔버(2200)에서 제거되어 2차 챔버로 이송되어야 한다. 재료가 1차 챔버(2200) 내에서 처리 및 운반될 때 재료 더미 내에서 발생한 열이 용융을 발생시킬 수 있으며, 그로 인하여 각종 고형물이 녹아 응집될 수 있다. 응집된 고형물은 투하 포트형 배출구에 잼을 발생시키는 것으로 밝혀졌다. 고형물의 응집에 의해 1차 챔버(2200)의 배출구에 잼이 발생하지 않도록 하기 위해, 나사 컨베이어(2209)를 사용하여 1차 챔버(2200)에서 탄화물질을 축출한다.
캐리어램의 운동은 탄화물질을 축출 나사(2209) 쪽으로 밀어내며, 축출 나사는 탄화물질을 챔버(2202)로부터 밀어내어 컨베이어 시스템에 투입한다. 축출 나사(2209)의 회전은 탄화물질이 컨베이어 시스템에 투입되기 전에 덩어리를 분쇄한다. 이 분쇄 작용은 축출 나사의 산에 톱니를 냄으로써 촉진할 수 있다.
공정 제어의 실행을 위해, 1차 챔버(2202) 내에서 각종 인자가 감시되어야 한다. 예를 들어, 각 단계의 수평선 상의 다양한 지점과 각 단계의 다양한 높이에서 온도가 감시되어야 한다. 이것은 공정이 진행되는 중에 교체되어야 하는 경향이 있는 열전대를 사용함으로써 가능하다. 공정을 중단하지 않고 열전대를 교체하려면, 챔버 외벽과 밀폐 연결된 단부 밀폐관을 통해 각 열전대를 1차 챔버(2202)에 삽입한다. 이와 같은 구조에서는, 온도 변화에 대한 정확하고 신속한 반응을 위해 열전대의 연결점(온도 감지점)이 밀폐관의 단부에 밀착되도록 밀폐관보다 길게 만든, 신축적인 와이어 열전대를 사용할 수 있다. 밀폐관은 1차 챔버(2202)와 밀폐 연결되고, 챔버(2202) 내로 돌출되도록 조정할 수 있는 압축 마개에 의해 기계적으로 고정된다. MSW 더미 내의 온도를 측정할 경우, MSW 더미가 계속 이동해야 하는데 밀폐관 때문에 뒤로 밀려나 있을 수가 있다. 이 문제를 방지하기 위해, MSW 더미가 열전대관에 의해 차단되는 것을 방지하는 편향 장치가 밀폐관의 단부에 장치된다.
1차 챔버에서 나온 잔류물은 구역간 구역(112)에 의해 상부의 탄소 변환 구역(111)과 하부의 슬래그 용융 구역(113)으로 분리되어 있는 2구역 탄소변환기(110)로 이송된다. 탄소 변환 구역(111)의 온도는 약 950℃ - 약 1000℃로 유지되며, 슬래그 용융 구역의 온도는 약 1350℃ - 약 1800℃로 유지된다.
도 38 - 41을 참조하여, 도에 나타낸 구현예에서 2구역 탄소변환기(110)에는 수직형 내화 라이닝 챔버(115)가 포함되며, 이 챔버는 탄화물질 투입구(120), 가스 배출구(125), 슬래그 배출구(130), 그리고 공기통(135) 및 플라즈마 토치(140)가 장치된 구역별 가열 시스템(2개 온도 구역이 설정될 수 있는 시스템)으로 구성되어 있다. 필요할 경우, 투입 재료의 크기의 균일화를 위해 탄화물질 투입구에 선택적으로 그라인더(도에 나타내지 않음)가 장치될 수 있다.
이 챔버(115)는 내화 라이닝 처리된 원통형의 강철 용접물로서 덮개가 있다. 챔버의 직경은 구역간 구역에서 좁아지며 슬래그 배출구 쪽으로 내려가면서 점점 더 좁아진다. 구역간 구역 내의 구성요소를 포함한 구성요소들을 용이하게 교체할 수 있도록, 이 챔버는 여러 부분으로 구성되어 있다.
도 38 - 41을 참조하여, 열풍은 이 구역의 하단 부근에 위치한 공기통(135)을 통해 탄소 변환 구역으로 투입된다. 공기통에 공급되는 공기의 양을 제어할 수 있기 때문에 변환 공정의 조절이 가능하다. 선택적으로, 증기 투입 포트(136)를 통해 탄소 변환 구역에 증기가 투입될 수 있다.
탄소 변환 구역(111)은 좁아진 구역간 구역(112) 쪽으로 내려가면서 점점 더 좁아진다. 구역간 구역에는 탄소 변환 구역으로부터 슬래그 구역으로의 재료의 유동을 유도하기 위한 물리적 방해 장치(145)가 포함된다. 도 39A-C를 참조하여, 물리적 방해 장치에는 4개의 쐐기형 내화벽돌(150)에 의해 구역간 구역에 장착된 일체형 블록성형 내화 돔(145)이 포함된다. 이 내화 돔은 2구역 탄소 변환기 내벽과 돔 사이에 간격(155) 또는 공간이 생김으로써 재료가 양 구역 사이에서 유동할 수 있도록 그 크기가 설정되어 있다. 내화 돔 상단에 장착된 직경 20 - 100mm의 다수의 알루미나 볼(165)은 하나의 층을 형성하여 열풍을 분산시키는 한편, 구역간 구역에서 재가 슬래그로 1차적으로 용융되도록 플라즈마열이 재에 전도되는 것을 촉진한다. 본 구현예에서, 재가 용융되면서 돔의 바깥쪽 모서리와 챔버 내벽 사이의 간격(155)을 통해 구역간 구역을 통과하여 슬래그 구역으로 유입된다.
슬래그 구역(113)은 구역간 구역의 하위에 배치되어 있다. 슬래그 구역(113)은 원뿔형의 단일 슬래그 배출구(130)가 장치된 내화 라이닝 실린더이다.
슬래그 구역에는 플라즈마 토치 포트, 챔버 예열용 버너가 장착되는 버너 포트, 열풍 및 탄소 등의 각종 공정 첨가물이 투입되는 포트 등, 각종 포트가 포함된다. 도 40을 참조하여, 슬래그 용융 구역에는 플라즈마 토치(140) 및 비스듬히 장착된 공기 노즐이 장치되어 있다. 선택적으로, 탄소 투입구를 통해 탄소가 투입될 수도 있다.
가스화 공정 후에 남는 잔류물은 처분하기 전에 비활성이자 사용될 수 있는 상태로 만들어야 한다. 이는 잔류물을 2차 챔버로부터 플라즈마 기반 슬래그 챔버(RCC) (4220)로 축출하여 용융에 의해 비활성 슬래그(4202)로 만들고, 냉각탱크(4240)를 사용하여 이 용융 슬래그(4202)를 냉각하고 작은 알갱이로 분쇄한 후, 최종적으로 사이트에서 제거될 수 있는 상태의 슬래그 축적물(4204)로 이송하는 일련의 공정에 의해 이루어진다. 최종 부산물은 도로포장 또는 콘크리트 제조 용도에 적합하다.
용융 슬래그가 냉각탱크(4240)에 투하되면 냉각되어 작은 알갱이로 분쇄된다. 이후 슬래그 컨베이어가 알갱이 상태의 슬래그를 냉각탱크(4240)에서 제거하여, 처분 또는 추가적 사용을 위해 슬래그 축적물(4204)에 투하한다. 슬래그 투하 포트는, 상단이 RCC(4220)와 밀폐 연결되어 있고 하단 모서리가 냉각제에 잠겨 있는 차열관으로 구성된, 배수 트랩에 의해 주변환경으로부터 밀폐되어 있다.
가스 재구성 시스템
1차 및 2차 챔버에서 생성된 각종 가스는 가스 재구성 시스템(GRS) (3200)으로 유입된다. GRS(3200)는 (1) 필요한 가스 재구성 체류 시간에 필요한 용적을 제공하고, (2) 열보존 및 외부 강철 용기의 보호를 위한 절연을 제공하고, (3) 공기 및 증기 첨가를 위한 투입구를 제공하고, (4) 각종 가스의 혼합이 이루어지게 하고, (5) 플라즈마 토치(3208)를 사용하여 각종 가스를 고온으로 처리하고, (6) 공정 제어 및 플라즈마 토치의 성능 제고를 위해 가스 구성을 감시하는 계기를 제공하고, (7) 가공처리된 가스를 하위의 열교환기(5200)로 배출하는 등의 다양한 요건을 충족시키도록 설계되어 있다.
가스 재구성 시스템(GRS) (3200)은 처리공기, 증기, 플라즈마 토치(3208) 및 토치 취급 장치, 계기, 합성가스 생성물의 배출 등에 대한 장착 및 연결 기능이 있는 밀폐 환경을 제공한다. 도 42에 나타냈듯, GRS(3200)에는 장착 플랜지(3214)에 의해 1차 챔버(2200)와 연결되는 원뿔형의 단일 오프가스 배출구(3202)가 장치된, 거의 수직으로 장착된 실린더형 또는 파이프형 내화 라이닝 재구성 챔버(3202)가 포함된다. GRS(3200)는 길이:직경 비율이 약 3:1이다. GRS(3200) 내의 체류 시간은 1.2초이다. GRS(3200)에는 또한 방향이 서로 엇갈리게 배치된 3열의 공기 노즐, 방향이 서로 엇갈리게 배치된 2개의 플라즈마 토치(3208), 6개의 열전대 포트, 2개의 버너 포트, 2개의 압력 전달 포트 및 다수의 스페어 포트가 포함된다. 플라즈마 토치(3208)에 의해 GRS(3200)에서 발생한 고온은 오프가스의 분자가 각각의 구성원소로 분리되었다가 다시 결합되어 합성가스를 형성하게 한다. 고온의 생합성가스는 합성가스 배출구(3206)를 통해 GRS(3200) 밖으로 배출된다.
도 43을 참조하여, 앞서 언급되었듯이 GRS(3200)에는 내화 라이닝 지지물이 사용된다. 내화 구조물의 주요 지지물은 GRS(3200) 내벽에 장착된 일련의 선반(3222)이다. 운전 중에 이 선반(3222)은 재구성 챔버(3202) 외벽보다 훨씬 높은 온도에 노출된다. 따라서 차등 팽창을 허용하는 한편 GRS(3200)로의 전도에 의한 열손실을 방지할 필요가 있다. 또한 선반(3222)은 내화 구조물의 상당한 중량을 지탱할 수 있어야 한다. 이와 같은 요건은 팽창을 허용하기 위한 팽창 간격에 의해 선반(3222)을 여러 단위로 분리함으로써 충족시킬 수 있었다. 또한 선반(3222)과 벽 사이에도 열전도를 방지하기 위한 간격이 있다. 내화 구조물의 중량을 지탱할 수 있도록, 도 43에 나타냈듯 각 단위의 선반은 벽에 용접된 다수의 이음판(3224)에 의해 지지된다. 이음판(3224)이 선반에 용접되어 있을 경우, 선반(3222)이 그 길이를 따라 팽창하면 이음판(3224)에 응력이 발생하여 파손될 수 있다. 그러나 용접하지 않고 선반(3222)을 이음판(3224) 위에 올려놓기만 하면 선반(3222)이 자유로이 팽창할 수 있다. 선반이 제 위치에 고정되어 있도록 하기 위해, 팽창 정도가 약한 중앙 이음판(3224)에만 선반을 용접하며, 그것도 바깥쪽 부분만 용접한다. 이로써 이음판(3224)에 발생하는 응력과 선반(3222)의 좌굴을 최소화할 수 있다.
재구성 챔버(3202) 상단에 내화 라이닝 처리된 덮개(3203)를 씌움으로써 밀폐 공간이 형성된다. GRS(3200) 내벽은 정제되지 않은 오프가스에 의한 부식을 방지하기 위해 고온저항성 피막으로 코팅되어 있다. 챔버 외벽은 내화 기능 고장 또는 기타 원인에 의한 핫 스팟(hot spot)이 나타나 보일 수 있도록 감온변색 페인트로 도색한다.
본 구현예에 사용된 내화 구조물은 GRS(3200) 내의 고온, 침식 및 부식에 저항하는 고밀도 층이 내벽을 이루고 있는 다층 구조이다. 이 고밀도 재료층의 바깥쪽에는 저항 특성은 더 약하지만 절연성이 더 강한 저밀도 재료층이 있다. 그리고 이 층의 바깥쪽은 마식 및 침식에 노출되지 않으므로 절연성이 매우 강한 초저밀도 폼보드 재료가 사용된다. 폼보드와 강철 챔버 외벽 사이의 층은 일체형 내화 구조물과 외벽 사이의 차등 팽창을 가능하게 하는 세라믹 블랭킷 재료로 이루어져 있다. 비압축성 내화층들을 서로 분리하는 압축성 내화층에 의해 내화 구조물의 수직 팽창이 이루어진다. 압축성 내화층의 침식은 겹쳐지지만 신장성이 있는 고밀도 내화층에 의해 방지된다.
도 44, 45 및 47에 나타냈듯, 아래쪽의 4개 분사구, 위쪽의 6개 분사구(교차분사 혼합 효과에 의해 혼합 효율을 높이기 위해 3개가 다른 3개보다 약간 위쪽에 배치됨)가 포함된 3열의 공기 노즐에 의해 오프가스 유체에 공기가 분사된다. 분사 노즐 끝에 장착된 편향 장치에 의해 이루어지는 GRS(3200) 내로의 공기의 각도 분사는 또한 공기 투입 파이프 및 플랜지가 재구성 챔버(3202)와 직각을 이루도록 하면서 혼합 효율을 높인다. GRS(3200) 내에서의 가스 혼합 효율의 향상은 합성가스 재구성 효율을 높인다. 이는 처리공기의 유속을 이용하여 재구성 챔버(3202) 하부에 소용돌이를 일으킴으로써 이루어진다. 오프가스 유체에 소용돌이 또는 교란을 일으킴으로써 오프가스를 혼합하고 GRS(3200) 내에 재순환 소용돌이 패턴을 창출하기 위해, 소용돌이 포트(3212)를 통해 오프가스 유체에 공기가 투입된다.
앞서 언급되었듯, GRS(3200)에는 또한 도 46에 나타냈듯 슬라이딩 장치 위에 방향이 서로 엇갈리게 장착된 다수의 300kW, 수냉식, 구리 전극, NTAT, DC 플라즈마 토치(3208)가 포함된다. 이들 DC 플라즈마 토치(3208)는 DC 전원에 의해 동력이 공급된다. 합성가스의 온도가 약 1000℃로 유지되도록 하기 위해, GRS(3200) 내 다양한 지점에 열전대가 배치되어 있다.
플라즈마 토치(3208)는 정기적인 유지관리를 필요로 하며, 공정 진행 중에 교체될 수 있도록 하는 것이 가장 바람직하다. 앞서 언급되었듯, 이는 공정에 1개의 토치만 필요하지만 GRS(3200) 내에 2개의 토치(3208)를 장치함으로써 가능하다. 플라즈마 토치(3208)의 제거 및 교체는 GRS(3200)에 고온의 독성 가연성 가스가 있는 상태에서 실시해야 한다. 또한 토치 냉각 시스템이 고장났을 경우에는 GRS(3200)의 열로부터 토치(3208)를 보호하기 위해 토치(3208)를 제거해야 한다.
이와 같은 문제는 토치(3208)를 재구성 챔버(3202) 내외로 이동시킬 수 있는 슬라이딩 장치 위에 토치(3208)를 장착함으로써 해결할 수 있다. 토치(3208)는 밀폐 마개에 의해 재구성 챔버와 밀폐 연결된다. 이 마개는 게이트 밸브(3209)와 밀폐 연결되며, 게이트 밸브는 챔버 상부에 장착 및 밀폐 연결된다. 토치(3208)를 제거하려면 슬라이딩 장치를 사용하여 재구성 챔버(3202)에서 빼내면 된다. 안전을 위해, 슬라이드의 초기 운동에 의해 고전압의 토치 전원이 차단된다. 게이트 밸브(3209)는 토치(3208)가 게이트 밸브(3209) 뒤로 후퇴하여 냉각제의 순환이 중단되면 자동으로 닫힌다. 토치(3208)에서 호스 및 케이블을 분리하고 게이트 밸브(3209)에서 마개를 제거한 다음, 호이스트를 사용하여 토치(3208)를 들어낸다.
토치(3208)의 교체는 위 절차의 역순으로 이루어진다. 슬라이딩 장치는 토치(3208) 삽입 깊이의 변경이 허용되도록 조절할 수 있다.
간편성과 안전을 위해, 상기의 모든 작동은 게이트 밸브(3209)의 폐쇄를 제외하고 수동으로 이루어진다. 공정이 자동으로 진행되도록, 게이트 밸브(3209)는 기계적으로 작동된다. 냉각 시스템이 고장날 경우 토치가 자동으로 철수되도록 하는 데에는 공압 액추에이터(pneumatic actuator) (3210)가 사용된다. 전력 공급이 중단될 경우에도 동력이 공급되도록 하기 위해, 공압 액추에이터(3210)의 작동을 위한 압축공기는 전용 공기저장통으로부터 공급된다. 이 공기저장통은 게이트 밸브(3209)용 공기도 공급한다. 고전압의 토치 연결부에의 접근을 방지하는 추가 안전장치로서, 전기적으로 연동된 덮개가 사용된다.
도 50을 참조하여, 변환기(1200)에서 배출된 생합성가스는 열 재순환 시스템을 통과한다. 본 구현예에서 열 재순환 시스템은 합성가스 유체로부터 공기 유체로 열이 전도되는 합성가스-공기 열교환기(HX) (5200)에 의해 이루어진다. 이로써 합성가스가 냉각되고, 뜨거워진 공기 유체는 처리공기로서 변환기(1200)로 되돌아간다. 이후 냉각된 합성가스는 가스 조절 시스템(GCS) (6200)으로 유입되어 추가 냉각되면서 입자상 물질, 금속 및 산성 가스가 차례로 제거된다. 이와 같이 정화 및 조절된 합성가스(소기의 수분이 함유된)는 SRS(7200)를 거쳐, 전기가 발생하는 가스 엔진(9260)으로 투입된다. 표 1은 변환기(1200) 및 RCS(4200) 공정 이후의 시스템의 주요 구성요소의 기능을 합성가스 처리 공정의 순서에 따라 요약한 것이다.
변환기(1200) 및 RCS(4200) 공정 이후 단계
서브시스템 또는 설비 주 기능
열교환기 5200 합성가스 냉각 및 현열 회수
증발냉각기 6210 집진 여과 공정 전 합성가스 추가 냉각
건식 투입 시스템 6220 중금속 흡수
집진기 6230 미립자 또는 분진 수거
HCL 정화기 6240 HCl 제거 및 합성가스 냉각/조절
탄소 필터층 6260 추가적 수은 제거
H2S 제거 시스템 6270 H2S 제거 및 황원소 회수
RGCS 4250 RCC 오프가스 정화 및 냉각
합성가스 저장통 7230 합성가스 저장 및 균질화
냉각기 7210; 기체/액체 분리기 7220 습도 조절
가스 엔진 9260 발전용 주 구동기
소각탑 9299 시동 중 합성가스 소각
합성가스-공기 열교환기
GRS(3200)에서 배출되는 합성가스 생성물의 온도는 약 900℃ - 1100℃다. 이 합성가스로부터 열에너지를 회수하기 위해, GRS(3200)에서 배출되는 생합성가스는 원통다관식 합성가스-공기 열교환기(HX) (5200)로 이송된다. 공기는 상온, 즉 약 -30 - 약 40 ℃에서 HX(5200)에 투입된다. 공기는 송풍기(5210)에 의해 순환되며 1000 Nm3/hr - 5150 Nm3/hr(일반적으로 약 4300 Nm3/hr)의 속도로 HX(5200)에 투입된다.
도 50을 참조하여, 합성가스는 관을 통해 수직으로 유동하고, 공기는 챔버 벽을 통해 시계 반대방향으로 유동한다. 합성가스의 온도는 1000 ℃에서500℃ - 800℃로 강하하고(이상적으로는 약 740℃), 공기의 온도는 상온에서 500℃ - 625℃ (이상적으로는 약 600℃)로 상승한다. 도 22를 참조하여, 가열된 교환공기는 재순환을 위해 변환기(1200)로 되돌아간다.
HX(5200)는 입자상 물질이 많이 함유된 합성가스에 적합하도록 설계되어 있다. 합성가스 및 공기의 유동 방향은 입자상 물질에 의한 축적 또는 침식이 발생할 수 있는 구역이 최소화되도록 설정된다. 또한 가스 유속은 침식이 최소화되는 한편 자동 청소가 가능한 속도로 설정된다.
공기와 합성가스 사이의 현저한 온도차로 인하여, HX(5200)의 각 관(5220)에는 각각의 주름통이 장착되어 있다. 이는 관이 파열되는 것을 방지하는 데 필수적이다. 관이 파열되면 공기가 합성가스 혼합물에 유입되기 때문에 극히 위험할 수 있다. 어느 한 관이 막혀서 다른 관들과 함께 팽창/수축하지 않게 되면 관이 파열될 수 있다.
가스-공기 열교환기(5200)의 가스 배출구통 위에 다수의 온도전송기가 장치되어 있다. 이 장치는 공기가 누출되어 합성가스에 유입될 경우 연소로 인하여 발생할 수 있는 온도 상승을 감지하는 데 사용된다. 이와 같은 경우에는 송풍기(5210)가 자동으로 닫힌다.
HX(5210)의 가스관에 사용되는 재료는 합성가스의 황 함량과 고온에서의 그 반응으로 인하여 부식이 발생하지 않도록 신중하게 선택해야 한다. 본 구현예에서는 625강(Alloy 625)이 선택되었다.
가스 조절 시스템( GCS )
일반적으로 가스 조절 시스템(GCS) (6200)이란 열교환기(5200)에 의해 생성된 생합성가스를 최하위 공정에 적합한 형태로 변환하는 일련의 단계를 말한다. 본 구현예에서, GCS(6200)는 2개 주요 단계로 나뉠 수 있다. 1단계는 (1) 증발냉각기(건식 냉각기) (6210), (2) 건식 투입 시스템(6220) 및 (3) 집진 필터(특정 물질/중금속 제거에 사용됨) (6230)로 이루어진다. 2단계는 (4) HCl 정화기(6240), (5) 합성가스(처리가스) 송풍기(6250), (6) 탄소 필터층(수은 제거기) (6260), (7) H2S (황) 제거 시스템(6270) 및 (8) 냉각기(7210) 및 기체/액체 분리기(7220)를 사용한 습도 제어로 이루어진다.
GCS(6200) 공정 전의 열교환기(5200)는 때로 GCS(6200) 공정 1단계의 일부로 간주된다. 일반적으로 합성가스(처리가스) 송풍기(6250)에는 때로 GCS(6200) 공정 2단계에서 별도로 언급되는 가스 냉각기(6252)가 포함된다. 또한 GCS(6200) 공정 2단계의 일부로서 여기 언급된 습도 제어는 흔히 GCS(6200) 공정의 하위 공정인 SRS(7200) 공정의 일부로 간주된다.
도 49는 본 시스템에서 실행되는 GCS(6200) 공정의 블록 계통도이다. 또한 이것은 GCS(6200) 공정이 선택적인 잔류 가스 조절 시스템(RGCS) (4250)과 통합되는 수렴 과정을 예시한 것이다.
열교환기(5200)에서의 1차 냉각을 거친 후, 투입 합성가스는 합성가스의 온도를 낮추는 한편 응축을 방지하는 건식 냉각(6210)에 의해 추가 냉각된다. 이 공정은 증발 냉각탑(일명 '건식 냉각기') (6210)을 사용하여 제어된 방식(단열포화)으로 가스 유체에 물을 직접분사함으로써 이루어진다. 이때 물은 합성가스 유체와 같은 방향으로 분사되기 전에 원자화된다. 냉각기 내에 액체가 없으므로, 이 공정은 '건식 냉각'이라고 불리기도 한다. 물이 증발하면서 합성가스로부터 현열을 흡수하여 합성가스의 온도를 740℃에서 150℃ - 300℃ (일반적으로 약 250℃)로 떨어뜨린다. 배출되는 가스에 수분이 남아 있지 않도록, 제어 장치가 추가된다. 따라서 배출 가스 온도에서의 상대습도는 여전히 100% 미만이다.
도 51 및 52를 참조하여, 일단 증발 냉각탑(6210)에서 가스 유체가 배출되면 호퍼에 저장되어 있는 활성탄소가 공압에 의해 가스 유체에 투입된다. 활성탄소는 공극률이 매우 높기 때문에 수은, 다이옥신 등의 대형 분자종의 표면 흡수에 기여한다. 따라서 가스 유체에 함유된 중금속 및 기타 오염물질이 활성탄소 표면에 대부분 흡수된다. 소모된 탄소 입자는 집진기(6230)에 의해 수거되어, 다음 단계에서 기술된 바와 같이 추가 에너지 회수를 위해 RCS(4200)로 재순환된다. 흡수가 효율적으로 이루어지려면 이 단계에서의 합성가스의 체류 시간이 충분하도록 설정되어야 한다. 본 건식 투입 단계(6220)에서는 활성탄소 대신, 또는 활성탄소에 추가로 장석, 석회, 기타 흡수성 물질 등의 다른 재료를 사용하여, 합성가스 유체를 차단하지 않고 합성가스 유체에 함유된 중금속 및 타르를 제거할 수도 있다.
도 52를 참조하여, 입자상 물질과 표면에 중금속이 달라붙어 있는 활성탄소가 집진기(6230)에서 극히 효율적으로 합성가스 유체에서 제거된다. 운전인자는 수증기의 응축을 방지하도록 설정된다. 합성가스에서 제거된 모든 입자상 물질은 집진기(6230)의 효율을 더 높여주는 필터 케이크를 형성한다. 따라서 새로 개발된 코팅되지 않은 백필터는 제거 효율이 99.5%지만, 본 집진기(6230)는 일반적으로 99.9 %의 입자상 물질 제거 효율을 내도록 설계되어 있다. 본 집진기(6230)에는 라이닝 처리된 유리섬유 필터백, 라이닝 처리되지 않은 유리섬유 필터백 또는 P84 현무암 필터백이 사용되며, 200℃ - 260℃의 온도에서 작동된다.
집진기(6230) 내의 압력이 설정된 특정 한계까지 떨어지면, 질소 펄스제트(pulse-jet)를 사용하여 필터백을 청소한다. 안전상의 이유로 공기보다 질소가 선호된다. 필터백 외면에서 떨어지는 잔류물은 하부 호퍼에 수집되어, 추가 변환 또는 처분을 위해 슬래그 챔버( 4200)로 이송된다. 집진기(6230)를 보호하기 위해 고분자중량 탄화수소 합성물(타르)을 흡수하는 데에는 특수 시약이 사용될 수 있다. 도 52는 집진기의 계통도이다. 본 집진기는 지지물이 필요 없는 원통형 필터를 사용한다.
집진기(6230)의 전형적인 운전 사양은 다음과 같다(중금속이 함유된 비회가 공급 재료일 경우):
설정 가스 유속 9500 Nm3/hr
분진 부하 7.4 g/Nm3
카드뮴 2.9 mg/ Nm3
납 106.0 mg/Nm3
수은 1.3mg/ Nm3
보증된 여과 시스템 배출:
입자상 물질 11mg/Nm3 (제거율 약 99.9%)
카드뮴 15㎍/Nm3 (제거율 약 99.65%)
납 159 ㎍/Nm3 (제거율 약 99.9%)
수은 190 ㎍/Nm3 (제거율 약 90%)
집진기(6230)에서 배출되는 중금속 오염 잔류물은 양이 많다. 따라서 이 잔류물은 유리질 슬래그(4203)로의 변환을 위해 플라즈마 기반 RCC(4220)로 이송된다. 도 49를 참조하여, RCC(4220)에서 생성된 2차 가스 유체는 선택적으로 별도의 잔류 가스 조절기(RGCS) (4250)에서 처리되며, 다음과 같은 1단계 공정에 따라 이루어진다: 간접 공기-가스 열교환기(4252)에서의 냉각과 이후 소형 집진기(4254)에서의 입자상 물질 및 중금속 제거. 소형 집진기(4254)는 RCC(4220)에서 생성된 2차 가스 유체의 처리에 전용된다. 도 49에 나타냈듯, RGCS(4250)에 의해 이루어지는 추가 단계에는 가스 냉각기(4256)에 의한 추가적 가스 냉각, 그리고 탄소층(4258)에 함유된 중금속 및 입자상 물질 제거가 포함된다. 도 22를 참조하여, 처리된 2차 합성가스 유체는 GCS(6200)로 회송되어 다시 1차 투입 합성가스 유체에 투입된 후 집진 필터(6230)를 거치게 된다.
RGCS(4250)의 집진기(4254)에서 배출되는 잔류물은 GCS(6200)의 집진기(6230)에 비해 현저하게 적다. 소형 집진기(4254)는 중금속 제거 장치 역할을 한다. RGCS(4250)에서 제거되는 중금속의 양은 MSW 공급의 구성에 따라 다르다. 중금속의 축적이 특정 한계에 도달할 경우, 정기적으로 이 물질을 제거하여 유해 폐기물 처리장으로 운반해야 한다.
다음은 RGCS 집진기(4254)의 전형적인 설계 사양이다(중금속이 함유된 비회가 공급 재료일 경우):
설정 가스 유속 150 Nm3/hr
분진 부하 50g/Nm3
카드뮴 440mg/ Nm3
납 16.6 mg/Nm3
수은 175mg/ Nm3
보증된 여과 시스템 배출:
입자상 물질 10mg/Nm3 (제거율 약 99.99%)
카드뮴 13㎍/Nm3 (제거율 약 99.997%)
납 166 ㎍/Nm3 (제거율 약 99.999%)
수은 175 ㎍/Nm3 (제거율 약 99.9%)
GCS(6200)에는 직접 및 간접 피드백 시스템 또는 감시 시스템이 포함될 수 있다. 본 구현예에서는, GCS 및 RGCS 집진 필터 모두 필터백 파열을 알려주는 분진 센서가 배출구에 장착되어 있다(직접 감시). 필터백 파열이 발생하면 유지보수를 위해 시스템이 중단된다. 선택적으로, HCl 정화기(6240) 내의 물 유체를 분석하여 입자상 물질 제거 효율을 확인할 수 있다.
도 53을 참조하여, 집진기(6230)에서 배출되는, 입자상 물질이 제거된 합성가스 유체는 재순환하는 알칼리성 용액에 의해 충전탑에서 정화됨으로써 HCl이 제거된다. 이 HCl 정화기(6240)는 또한 가스가 약 35℃로 냉각되기에 충분한 접촉 구역을 제공한다. 알칼리성 용액으로부터 금속, HCN, 암모니아 등의 잠재적인 가용성 물 오염물질을 제거하는 데에는 탄소층 필터(6260)가 사용된다. HCl 정화기(6240)는 HCl 배출물의 농도를 약 5ppm으로 유지하도록 설정되어 있다. 도 54에 나타냈듯, 배출 폐수는 처분을 위해 폐수 저장통(6244)으로 운반된다.
금속학적 고려에 의해, HCl 정화기(6240)는 가스 송풍기(6250)의 상위에 배치되어 있다. 도 53은 열교환기(6242) 등의 관련 구성요소를 포함한 HCl 정화기(6240)의 계통도를 예시한 것이다. 도 54는 GCS(6200)에서 배출된 폐수를 수거 및 저장하는 예시적 시스템을 나타낸 것이다. 폐수로부터 타르 및 중금속을 제거하기 위해, 폐수 배출구에 탄소층이 첨가되어 있다. HCl 정화기(6240)의 전형적인 사양은 다음과 같다:
설정 가스 유속 9500 Nm3/hr
정상 투입 / HCl 정화기 최대 부하 0.16 % / 0.29 %
HCl 배출 농도 5 ppm
HCl 제거 공정 후, 변환기(1200)에서 하위의 가스 엔진(9260)에 이르기까지 시스템 전역(120)의 가스에 추진력을 부여하는 가스 송풍기(6250)가 사용된다. 송풍기(6250)는 압력 하에서의 수은 제거 효율이 더 높은 수은 제거기(6260)의 상위에 배치되어 있다. 이와 같은 배치는 또한 수은 제거기(6260)의 크기를 줄여준다. 도 22는 처리가스 송풍기(6250)를 포함한 가스화 시스템 전체의 계통도이다.
송풍기는 모든 상위 챔버의 설정 압력 강하를 이용하도록 설계되어 있다. 송풍기(6250)는 또한 압력 손실이 발생하는 하위 설비의 HC(7230)에서의 최종 압력이 2.1 - 3.0 psig(일반적으로 2.5psig)가 되도록 하는 데 필요한 압력을 제공하도록 설계되어 있다. 가스가 송풍기(6250)를 통과하면서 압축될 때 온도가 약 77℃로 상승한다. H2S 제거 시스템(6270)의 최고 동작온도는 약 40℃이므로, 내장형 가스 냉각기(6252)를 사용하여 온도를 35℃로 떨어뜨린다.
합성가스 유체에 잔류하는 중금속에 대한 최종 제거 장치로서 탄소층 필터(6260)가 사용된다. 시스템이 진공 상태일 때보다 압력 하에 있을 때, 온도가 낮을 때, 가스가 포화 상태일 때, 그리고 탄소의 질을 저하시키는 HCl이 제거되어 있을 때 탄소층 필터(6260)의 효율이 향상된다. 이 공정은 또한 합성가스 유체에 함유된 다이옥신 등의 기타 유기 오염물질을 흡수할 수 있다. 탄소층 필터(6260)는 수은 제거 효율이 99% 이상이 되도록 설계되어 있다.
이 시스템의 성능은 정기적으로 가스를 분석하여 수은 함량을 확인함으로써 측정된다. 탄소 공급 속도를 조절하고 제거기(6260) 내의 압력 강하를 감시함으로써, 그리고 표본 추출에 의해 탄소층 효율을 분석함으로써 수정을 가할 수 있다.
탄소층 필터(6260)의 전형적인 사양은 다음과 같다:
설정 가스 유속 9500 Nm3/hr
정상/최대 수은 부하 190 ㎍/Nm3 / 1.3mg/Nm3
탄소층 수명 3-5 years
보증된 수은 탄소층 배출 19 ㎍/Nm3 (99%)
H2S 제거 시스템(6270)은 캐나다 온타리오 주 환경부의 A7 지침에 명시된, 가스 엔진에서 연소되는 합성가스는 SO2 배출이 15ppm 미만이어야 한다는 SO2 배출 제한에 입각한 것이다. H2S 제거 시스템(6270)은 배출 가스의 H2S 농도가 약 20ppm이 되도록 설계된 것이다. 도 55는 H2S 제거 시스템(6270)을 세부적으로 나타낸 것이다.
H2S 제거 시스템(6270)을 위해 Shell Paques Biological 기술이 선정되었다. 이 기술은 다음과 같은 두 단계로 이루어져 있다: 1) 탄소층 필터(6260)를 거친 합성가스가 정화기(6272)를 통과하면서 알칼리성 용액의 재순환에 의해 H2S가 제거된다. 2) 황이 함유된 용액이 생물반응기(6274)로 이송되어 알칼리성이 재생되고, 황화물이 황원소로 산화되고, 황이 여과되고, 황 및 배출물이 규제 요건에 부합되도록 소독된다. 본 H2S 제거 시스템(6270)은 H2S 배출 농도가 20ppm이 되도록 설계되어 있다.
공기에 의한 산화에 의해 황화물을 황원소로 변환하는 생물반응기(6274)에는 티오바실러스(Thiobacillus)균이 사용된다. 생물반응기로 공급되는 공기의 유속을 제어하는 제어 시스템에 의해 시스템 내의 황 함량이 유지된다. 생물반응기(6274)의 반류는 압력여과기(6276)에 의해 여과된다. 압력여과기(6276)에서 나온 여과물은 다시 공정으로 회송되고, 이 여과물 중의 소량의 유체는 액상 배출물 유체로서 이송된다. 고체 배출물(약간의 바이오매스가 함유된 황)과 액체 배출물(황산염, 탄산염 및 약간의 바이오매스)의 두 가지 배출물이 있다. 이 두 가지 유체 모두 소독된 후에 최종 처분 단계로 이송된다.
H2S 제거 시스템(6270)의 전형적인 사양은 다음과 같다:
설정 가스 유속 8500 Nm3/hr
정상 / 최대 H2S 부하 353 ppm/666 ppm
당해 시스템에 대해 보증된 H2S 배출 20ppm
H2S 제거 공정 후, 합성가스에 함유된 수분을 응축하여 가스 엔진(9260)에서 사용되기에 적합한 온도로 재가열하는 데 냉각기(7210)가 사용된다. 냉각기(7210)는 가스를 35℃에서 26℃로 보조냉각한다. 투입 가스 유체에서 응축된 물은 기체/액체 분리기(7220)에 의해 제거된다. 이는 가스가 가스 저장 시스템을 거쳐 가스 엔진(9260)으로 이송되기 전에 일단 40℃(엔진 요건)로 재가열되면 상대습도가 80%가 되도록 해준다.
다음 표는 GCS(6200) 전체의 주요 사양을 나타낸 것이다.
냉각탑 6210 2초의 체류 시간에 가스를 740℃에서 200℃로 냉각
건식 투입 6220 90 % 수은 제거 효율
집진 필터 6230 99.9 % 입자상 물질 제거 효율
99.65% 카드뮴 제거 효율
99.9% 납 제거 효율
HCl 정화기 6240 99.8 % HCl 제거 효율
가스 송풍기 6250 누출 제로 밀폐형 로터리 송풍기
가스 냉각기 6252 0.5 MBtu/hr 냉각 부하
탄소층 필터 6260 99 % 수은 제거 효율
H2S 정화기 6270 정화기 배출구에서의 H2S - 20 ppm
생물반응기 6274 최대 재생 효율, 최소 배출
압력여과기 6276 황 제거 용량 2일
균질화 챔버 7230 가스 저장 용량 2분
위에서 언급되었듯, GCS(6200)는 입력가스를 소기의 특성을 가진 출력가스로 변환한다. 도 49는 가스화 시스템(120) 및 하위 공정과 통합된 이 GCS(6200)의 공정도를 나타낸 것이다. 여기서, RCS(4200)에서 생성된 2차 가스 유체는 GCS (6200)으로 투입된다.
잔류 가스 조절기( RGCS )
앞서 언급되었듯, 활성탄소 및 금속이 함유되어 있을 수 있는 GCS 집진기(6230) 내의 잔류물은 질소에 의해 정기적으로 정화되어 RCC(4220)로 운반된 후, RCC(4220)에서 유리화된다. RCC(4220)에서 나오는 가스는 잔류 가스 조절기 (RGCS) (4250) 집진기(4254)를 통과하여 입자상 물질이 제거되고 열교환기(4256)에 의해 냉각된 후 활성탄소층(4258)에 유입된다. 집진기(4254)도 시스템 전역의 압력 강하에 따라 정기적으로 청소된다. RGCS 집진기(4254)에 수거된 잔류물은 적절한 방법으로 처분된다. 2차 가스 유체로서 RGCS(4250)에서 배출되는 연소성 가스는 회수된 에너지의 활용을 위해 중앙 GCS(6200)로 회송된다.
합성가스 조절 시스템
GCS(6200)에서 정화 및 냉각된 합성가스는 가스 조절 시스템으로 유입된다. 본 예에서, 가스 조절 시스템은 하위 가스 엔진(9260)으로 유동하는 합성가스의 질이 일정하게 유지될 수 있도록 설계된 합성가스 조절 시스템(SRS) (7200)이다. SRS(7200)는 가스 구성(주로 저발열량 - LHV) 및 압력의 단기적 변동을 제거하는 작용을 한다. 하위 가스 엔진(9260)은 합성가스의 저발열량 또는 압력의 단기적 변동에도 지속적으로 작동하여 전기를 생산하지만, 불완전 연소 또는 부적합 연료-공기 비율로 인하여 배출 가스 한도에서 벗어날 수 있다.
도 56을 참조하여, SRS(7200)에는 냉각기(7210), 기체/액체 분리기(7220), 균질화 챔버(HC) (7230) 등이 포함된다. 엔진 온도 요건을 충족시키기 위해, 가스가 가스 엔진(9260)으로 투입되기 전에 가스 저장 시스템 배출구에서 가열된다.
균질화 챔버(HC)에는 고정용량 HC와 가변용량 HC의 두 종류가 있다. 일반적으로 후자는 유량 및 압력 변동을 억제하는 데 더 유용하고, 전자는 LHV 변동을 억제하는 데 더 유용하다. 본 응용에서는 MSW 공급원료의 성격 때문에 LHV 변동이 더 현저하다. 고정용량 HC는 또한 건조 및 유지관리의 측면에서 일반적으로 가변용량 HC보다 안정적이다.
도 57은 본 구현예에서 사용된 균질화 챔버(HC) (7230)의 계통도이다. 약 2분간 합성가스 유체를 보유할 수 있도록 설계되어 있다. 이 보유 시간은 약 1% LHV 변동/30초의 가스 엔진 보증 LHV 변동 기준에 부합된다. 가스 분석기(8130)의 체류 시간은 일반적으로 약 30초이다(분석 및 피드백 포함). 최대 LHV 변동은 일반적으로 약 10%이다. 따라서 이를 평균하여 3%의 LHV 변동값을 내려면 >1.5분간의 저장이 필요하다. 2분간 저장은 약간의 여유를 허용한다.
하위 가스 엔진(9260)의 연료 사양을 충족시키기 위해, HC(7230)는 2.2 - 3.0 psig의 범위에서 작동된다. 배출 가스 압력은 압력 제어 밸브에 의해 일정하게 유지된다. HC(7230)는 5psig의 최고 압력에 적합하도록 설계되어 있으며, 비정상적인 과압 문제를 해결하기 위한 방출 밸브가 설치되어 있다.
HC(7230)의 2분간의 보유 시간은 또한 압력 변동을 억제하는 데 충분한 저장 용량을 제공한다. 본 설계에서, 가스 엔진(9260)에 대한 압력 변동 허용치는 0.145 PSI/sec이다. 하위의 가스 엔진(9260)이 정상적으로 작동하지 않을 경우, 공정의 속도를 완화하거나 잉여 가스를 연소시킬 시간을 확보해주는 완충 장치가 필요할 수도 있다(제어 시스템 반응 시간 및 30-35초 가스 체류 시간에 따라).
HC(7230)에 투입되는 합성가스의 유속은 일반적으로 ~ 8400 Nm3/hr이다. 따라서, 2분간의 보유 시간을 위해서는 HC의 용량이 약 280 m3가 되어야 한다.
합성가스에 함유된 수분은 부분적으로 응축하므로, HC(7230)의 설계에 하단 배수구가 포함되어 있다. HC(7230)의 배수를 돕기 위해, 하단부는 평평하지 않고 테두리가 달린 원뿔형이 되도록 의도적으로 설계되었다. 방열/단열 배수관에 의해 배수 플랜지가 형성되어 있다. HC(7230) 내의 물은 하단 배수구를 통해 중력배수되어야 하므로, HC(7230)가 약간 위쪽에 배치되어 있다.
HC(7230)는 다음 설정 요건에 부합되도록 설계되어 있다.
정상 / 최대 입력 온도 35℃ / 40℃
정상 / 최대 운전압력 1.2 psig / 3.0 psig
정상 / 최대 입력가스 유속 7000 Nm3/hr / 8400 Nm3/hr
정상 / 최대 출력가스 유속 7000 Nm3/hr / 8400 Nm3/hr
상대습도 60% - 100%
저장 용적 290 m3
기계적 설정 온도 -40℃ - 50℃
기계적 설정 압력 5.0 psig
HC(7230)에 사용되는 재료는 위의 기계적 구조 요건 및 아래의 일반적 가스 구성을 고려해야 한다. 물, HCl 및 H2S 때문에 특히 부식을 고려해야 한다.
N2 47.09%
CO2 7.44%
H2S 20 ppm
H2O 3.43%
CO 18.88%
H2 21.13%
CH4 0.03%
HCl 5 ppm
본 가스 엔진(9260)에서는 입력 가스가 특정 상대습도에서 특정 구성 범위 내로 유지되어야 한다. 따라서 H2S 제거기(6270)에서 배출된 정화 가스는 냉각기(7210)에 의해 35℃에서 26℃로 보조냉각된다. 가스 유체의 응축에 의해 생성된 물은 기체/액체 분리기(7220)에 의해 제거된다. 이는 합성가스가 일단 40℃로 재가열되면(가스 엔진(9260)에 대한 일반적 요건) 상대습도가 80%가 되도록 해준다.
아래 사양과 같은 모든 설비 및 배관을 통해 적절한 흡입을 제공함으로써 시스템으로부터 합성가스를 배출하는 데 가스 송풍기(6250)가 사용된다. 본 송풍기 설계는 바람직한 엔지니어링 방식뿐만 아니라 적용되는 모든 주 및 국가 규정, 표준 및 OSHA 지침에 입각한 것이다. 송풍기(6250)의 작동은 약 600볼트 3상 60Hz에서 이루어졌다.
본 가스 송풍기(6250)는 다음 기능 요건에 부합되도록 설계되었다.
정상 입력가스 온도 35℃
정상 가스 흡입 압력 -1.0 psig
정상 가스 유속 7200 Nm3/hr
최고 가스 유속 9300 Nm3/hr
최고 가스 흡입 온도 40℃
정상 배출 압력 3.0 psig
정상 배출 온도(가스 냉각기 후) <35℃
기계적 구조 압력 5.0 psig
송풍구에서의 가스의 상대습도 100 %
가스 분자 중량 23.3
냉각수 공급 온도(가스 생성물 냉각기) 29.5℃
허용가능한 최고 가스 배출 온도(가스 생성물 냉각기 후) 40℃
부하조정비 10%
전형적인 가스 구성(습식)은 다음과 같다.
CH4 0.03%
CO 18.4%
CO2 7.38%
H2 20.59%
정상 / 최대 H2S 354 / 666 ppm
H2O 5.74%
정상 / 최대 HCl 5 ppm / 100 ppm
N2 47.85%
합성가스는 가연성이고 공기와 혼합되면 폭발성 물질을 형성하므로, 송풍기(6250)는 대기로부터의 공기 유입이 거의 또는 전혀 발생하지 않고 가스의 대기 누출이 거의 또는 전혀 발생하지 않도록 설정된다. 모든 유지관리용 용액, 즉 밀폐부 청소는 질소로 하며 누출 방지 축봉이 사용된다. 양방향으로의 누출을 감지하기 위해 고성능 누출 감지 시스템이 사용된다.
송풍기(6250)는 폭발성 가스가 존재할 수 있는 환경에서 작동하므로, 합성가스 배관 상부 또는 약 2m 거리 내에 장착되는 모든 계기 및 전기장치는 1종 2구역에 분류되도록 설계되어 있다.
안정성을 확보하기 위해, 오류를 신속하게 파악하고 수정할 수 있는, 점검 및 유지관리를 위한 적절한 접근점이 제공된다. 송풍기(6250)는 지속적으로(연중무휴 하루 24시간) 가동될 수 있으므로, 공정 안정화 중에는 운전이 빈번하게 시작/중단되는 것이 일반적이다.
건조 재료는 설정 조건 및 가스 구성에 입각하여 선택되었다. 예를 들어, 전기회로판, 커넥터 및 외장 부품은 오물, 습기 및 화학물질에 의해 발생할 수 있는 문제를 최소화하기 위해 코팅되거나 다른 방식으로 보호 처리되었다. 제어판 및 스위치는 견고하게 제작되었으며, 작업용 장갑을 낀 인원에 의해 작동되도록 설계되었다.
일반적으로, 전동기 제어에는 유동 범위가 10% - 100%인 가변속 구동기(VSD)가 사용된다. 과전압 및 과부하 보호 장치가 포함되어 있다. 전동기 상태, 온/오프 작동 및 변속은 분산제어 시스템 (DCS)에 의해 원격 감시 및 제어된다.
조절된 가스가 HC(7230)에서 배출된 후에는 엔진 요건에 따라 가열되어 가스 엔진(9260)으로 이송된다.
가스 엔진
용량이 각각 1MW인 5개의 GE Jenbacher 왕복운동 가스 엔진(9260)에 의해 전기가 생산된다. 따라서 총 발전 용량은 5 MW이다. 선택적으로, 전반적 요건에 따라 이 5개의 가스 엔진(9260) 중 어느 것이라도 끌 수 있다. 본 가스 엔진(9260)은 저발열량 또는 중발열량 합성가스를 고효율적으로 연소시킬 수 있으며 배출 가스가 적다. 그러나 비교적 낮은 가스 발열량(천연가스 등의 연료에 비해) 때문에 본 가스 엔진(9260)은 최고 효율 작동점에서 약 700kW의 전기를 생산하도록 출력이 낮추어졌다. 선택적으로, 본 하위 공정은 가스 엔진(9260)이 한 개 더 추가되어 총 6개가 되도록 확장될 수 있다.
소각탑
시동, 중단 및 공정 안정화 단계에서 합성가스를 연소시키는 데에는 밀폐형 소각탑(9299)이 사용된다. 일단 공정이 안정되면 소각탑(9299)은 비상용으로만 사용된다. 본 소각탑(9299)은 99.99%의 파괴효율을 내도록 설계되어 있다.
제어 시스템
본 구현예에서, 본 예의 가스화 시스템 (120)에는 다양한 독립적 및 상호작용적 국소적, 구역적 및 전반적 공정이 포함될 수 있는 가스화 공정을 제어하는 통합 제어 시스템이 포함된다. 이 제어 시스템은 소기의 전공정 및 후공정 성과를 위해 다양한 공정을 개선하고 최적화할 수 있도록 설정될 수 있다.
전공정-후공정 제어 시스템은 예를 들어 MSW의 가스화에 적합하도록 설정된 시스템에서 공급원료가 일정하게 처리되도록 하는 한편 이런 종류의 시스템에 대한 규제 기준에 부합되도록 설정될 수 있다. 이와 같은 전공정-후공정 제어 시스템은, 특정적으로 설계 및/또는 실행되거나 대규모 제어 시스템의 약식형 또는 보조 시스템의 일부로서 설계된 시스템의 목표 성과를 달성하도록(예를 들어 공정의 시동 또는 중단 시에, 또는 여러 가지 비정상적 상황 또는 비상 상황을 억제하도록) 최적화될 수 있다.
전공정-후공정 제어 시스템에는 선정된 하위 공정(즉 하위 가스 엔진(9260)에 의한 발전)을 위한 가스 생성물의 질 또는 특성의 최적화가 포함될 수 있다. 이 제어 시스템은 이와 같은 후공정 성과를 최적화하도록 설정될 수 있을 뿐만 아니라, 시스템이 규제 기준에 따라(규제 기준이 적용될 경우) 적절하고 지속적으로 작동할 수 있도록 전공정 특성을 감시 및 조절할 수도 있다.
본 제어 시스템은 또한 '전공정 및 후공정 성과의 결합' 또는 '가스화 시스템 (120) 내 특정 지점에서의 성과'라고 정의될 수 있는, 보완적 효과를 제공하도록 설정될 수 있다.
본 구현예에서, 제어 시스템은 가스화 공정의 시동 시 전공정-후공정 제어 시스템으로서 작동하고, 시동 시의 초기 교란이 충분히 약화되면 후공정-전공정 제어 시스템으로서 작동하도록 설계되어 있다. 본 예에서, 제어 시스템은 공급원료를 선정된 하위 공정에 적합한 가스(즉, 가스 엔진(9260)에서 발전용으로 사용되기에 적합한 가스)로 변환하기 위해 가스화 시스템(120)을 제어하는 데 사용된다. 일반적으로, 이 제어 시스템에는 가스화 시스템(120)의 여러 가지 특성을 감지하는 1개 이상의 감지부, 감지된 특성을 나타내는 특성값을 하위 공정에 적합한 사전설정 범위 내로 유지하는 데 기여하는 1개 이상의 공정 제어인자를 계산하는 1개 이상의 전산 플랫폼, 그리고 이러한 인자에 따라 가스화 시스템(120)의 각종 처리 장치를 작동시키는 1개 이상의 감응부가 포함된다.
예를 들어, 1개 이상의 감지부는 공정 내 여러 지점에서의 합성가스의 특성을 감지하기 위해 가스화 시스템(120) 내 곳곳에 설치될 수 있다. 이러한 감지부와 통신적으로 연결된 1개 이상의 전산 플랫폼은 감지된 특성을 나타내는 특성값에 접근하고, 선정된 하위 공정에 적합한 가스 생성물을 나타내도록 정의된 그러한 값의 사전설정 범위에 당해 특성값을 비교하고, 이러한 특성값을 사전설정 범위 내로 유지하는 데 기여하는 1개 이상의 공정 제어인자를 계산하도록 설정될 수 있다. 공정에 영향을 줌으로써 1가지 이상의 가스 생성물 특성을 조절하는 가스화 시스템의 1개 이상의 처리 장치 및/또는 모듈과 연결된 다수의 감응부는 1개 이상의 계산된 공정 제어인자에 접근할 수 있도록1개 이상의 전산 플랫폼과 통신적으로 연결되고, 그러한 제어인자에 따라 1개 이상의 처리 장치를 작동시키도록 설정될 수 있다.
본 제어 시스템은 또한 향상된 전공정 성과(예를 들어 투입 공급원료의 소모 및 변환 비율의 향상 또는 균일화)를 달성하도록, 또는 시동, 중단 및/또는 비상 공정의 일부로서 설정되거나, 전공정 효과와 후공정 효과 사이의 사전설정된 균형이 이루어질 수 있게(예를 들어 공급원료의 변환에 의해 선정된 하위 공정에 적합한 가스 생성물이 생성되도록 하는 한편 변환기의 공급원료 처리량이 극대화되도록) 가스화 시스템(120) 공정을 실행하도록 설정될 수 있다. 대안적 또는 추가적 시스템 제고에는 예를 들어 시스템의 에너지 충격을 최소화함으로써 선정된 하위 공정을 통해 에너지 생산을 극대화하거나, 소모성 가스 생성물, 화학 합성물, 잔류물, 기타 유사한 물질 등 추가적 또는 대안적 하위 생성물의 생산을 선호하도록 하기 위한 시스템 에너지 소모의 최적화 등이 포함될 수 있다.
도 58은 제어 대상 공정이 상기의 가스화 시스템(120)에 의해 이루어지는, 본 예에 대한 고급 공정 제어 계통도이다. 도 59는 범례적 특성 및 그와 관련된 감지부를 나타내기 위해 도 22의 가스화 시스템(120) 및 제어시스템을 다른 방식으로 나타낸 것이다. 위에 기술되었듯, 본 가스화 시스템(120)에는 1종 이상의 공급원료 (MSW 및 합성수지 등)를 합성가스 및 잔류 생성물로 변환하는, 본 예에 따라 1차 챔버, 2차 챔버 및 GRS(3200)로 구성된 변환기(120)가 포함된다. 또한 본 변환 시스템(120)에는 슬래그 챔버(RCS) (4200), 그리고 합성가스로부터 열을 회수하고 이 열을 이용하여(본 예에서) 변환기(1200)에 사용되는 공기 첨가물을 가열하는 데 기여하는 열교환기(5200)가 포함된다. 또한 합성가스를 조절(냉각, 정화 및/또는 정제)하는 가스 조절 시스템(GCS) (6200)도 제공되며, 하위 공정에서 사용될 수 있도록 합성가스를 최소한 부분적으로 균질화하는 SRS(7200)도 제공된다. 도에 나타냈듯이, 적절하게 조절되고 변환기 합성가스와 결합되어 추가적 조절, 균질화 및 하위 공정에 사용되는 고형 생성물(유리화된 슬래그(4203) 등) 및 합성가스를 생산하도록 설정되는 변환기(1200) 및 GCS(6200)로부터 RCS(4200)로 잔류물이 공급될 수 있다.
도 58 및 59에 나타냈듯, 다양한 감지부 및 감응부가 가스화 시스템(120)에 다양한 수준의 제어를 제공하도록 설정된다. 위에서 설명했듯, 예를 들어 공정의 일부 및/또는 그 서브시스템에 영향을 줌으로써 시스템의 전반적 성능에 영향이 거의 또는 전혀 미치지 않도록 하기 위해, 국소적 및/또는 구역적 시스템 제어를 위한 특정 제어 요소가 사용될 수 있다. 예를 들어, GCS(6200)는 하위 공정에서의 사용을 위한 합성가스의 조절 및 처리, 그 실행 및 편차의 흡수를 담당하지만 가스화 시스템(120)의 전반적 성능 및 생성물 생산성에는 거의 영향을 주지 않을 수 있다.
한편, 예를 들어 공정 및/또는 가스화 시스템(120) 전반에 상당한 영향을 주도록 하기 위해, 구역적 및/또는 전반적 시스템 제어를 위한 특정 제어 요소가 사용될 수 있다. 예를 들어, MSW 취급 시스템(9200) 및/또는 합성수지 취급 장치(9250)에 의한 공급원료 투입의 변화는 하위 공정의 가스 생성물에 큰 영향을 주어, 가스 구성 및/또는 유량의 변화를 일으킬 뿐만 아니라 변환기(1200) 내 국소적 공정에 영향을 줄 수 있다. 또한 첨가물 투입 속도의 변화도, 전반적인 변화이건 변환기(1200)의 여러 부분에 대한 개별적인 변화이건, 하위 공정의 가스 생성물에 큰 영향을 주어, 가스 구성 및 유량의 변화를 일으킬 수 있다. 변환기(1200) 내의 반응물질 이송 순서, 공기 유체 분산 조절, 플라즈마 열원 출력 변동, 기타 유사한 요소 등의 다른 여러 가지 제어된 작동도 가스 생성물의 특성에 영향을 줄 수 있으며, 따라서 그러한 특성을 제어하는 데 사용되거나 하위 공정에 미치는 영향을 억제하기 위한 다른 장치에서 사용될 수 있다.
도 58 및 59에 나타냈듯, 본 예에서는 가스화 공정의 다양한 국소적, 구역적 및 전반적 특성을 제어하는 데 각종 감지부가 사용된다. 예를 들어, 가스화 시스템(120)에는 공정 내 다양한 지점의 공정 온도를 감지하는 각종 온도 감지부가 포함된다. 도 58에 나타냈듯, 플라즈마 열원(3208) 및 RCS(4200)의 슬래그 용융 공정과 연관되어, 변환기(1200) 내의 온도 변화를 감지하는 데 1개 이상의 온도 감지부가 사용된다. 예를 들어, 1차 챔버(2200)의 1단계, 2단계 및 3단계(도 59 참조) 내에서 발생하는 공정과 연관된 T1, T2 및 T3 온도를 각각 감지하는 데 개별 감지부(일반적으로 도 58의 온도전송기 및 온도표시기 제어로 나타냄)가 사용될 수 있다. GRS(3200)의 재구성 공정, 특히 플라즈마 열원(3208)의 출력과 연관된 T4 온도(도 59 참조)를 감지하는 데 추가 온도 감지부(8104)가 사용될 수 있다. 본 예에서, 온도가 슬래그 챔버 플라즈마 열원(4230)의 출력과 적어도 부분적 연관이 있는 RCC(4220)(도 59의 T5 온도 참조) 내의 온도를 감지하는 데에도 온도 감지부(8106)가 사용된다. 또한 여러 가지 국소적, 구역적 및/또는 전반적 공정을 위해 변환기(1200) 하위 공정의 다양한 지점에서도 기타 온도 감지부가 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 열전도가 적절하게 이루어져서 충분히 가열된 공기 첨가물이 변환기(1200)에 투입되도록 하기 위해, 온도 감지부는 열교환기(5200)와 병용될 수 있다. 또한, 예를 들어 GCS(6200)에서 조절된 가스가 특정 하위 공정에 사용되기에 너무 뜨겁지 않도록 하기 위해, 온도 모니터는 GCS(6200)와 병용될 수도 있다. 당해 기술분야의 기술인은 이 외 기타 여러 가지 예를 쉽게 이해할 것이다.
본 가스화 시스템(120)에는 또한 가스화 시스템(120) 내 곳곳에 배치된 각종 압력 감지부가 포함된다. 예를 들어, 변환기(1200)(도 59의 예에서 특히 GRS(3200)와 연관된 것으로 나타냄) 내 압력을 감지하는 데 압력 감지부(도 58에서 압력전송기 및 압력표시기 제어(8110)로 나타냄)가 사용되며, 변환기(1200) 내의 전반적 압력이 대기압 미만으로 유지되도록 속도 표시기 제어, 가변진동수 구동기 및 전동기 어셈블리를 통해 송풍기(6500)와 연관되어 작동한다. 본 특정적 예에서는, 본 발명의 일 구현예에서 변환기(1200) 내의 압력이 약 20Hz의 진동수로 유지되도록 지속적으로 감시 및 조절된다. 또 다른 구현예에서는, 운전 요건에 따라 송풍기가 약 20Hz 이상의 진동수로 유지된다. 송풍기의 진동수가 20Hz 미만이 되어야 할 경우에는 일시적으로 오버라이드 밸브가 사용될 수 있다. 압력 감지부(8116)는 열교환기(5200)에 유입되는 공기의 압력을 감시하는 데에도 사용되며, 압력 조절을 위해 속도 표시기 제어, 가변진동수 구동기 및 전동기 어셈블리(8120)를 통해 송풍기(6500)와 연관되어 작동한다. 합성가스 송풍기의 속도가 송풍기의 최저 작동 주파수 미만으로 떨어질 경우 압력을 오버라이드하여 조절하는 데에는 압력 제어 밸브(8115)가 사용된다.
예를 들어 시동 및/또는 비상 공정 중에 발생하는 과잉 압력으로 인한, 소각탑(9229)을 통한 합성가스의 제어 방출 또는 비상 방출을 위해, SRS(7200)에 또 다른 압력 감지부(8114)가 사용되며 제어 밸브 (7500) 와 연관되어 작동한다. 또한, 예를 들어 가스 엔진(9260)의 지속적 작동을 유지하기에 부족한 합성가스가 SRS(7200)에 공급될 경우 변환기(1200)에 유입되는 공정 투입 재료의 유량을 증가시키기 위해, 이 압력 감지부(8114)는 유량전송기 및 제어표시기(8124)를 통해 제어 밸브와 연결되어 작동한다. 다음에 더 상세하게 설명하겠지만, 이와 같은 구조는 제어 시스템이 후공정-전공정 제어 방식에 따라 작동할 경우에 특히 유용하다. 도 44에 나타냈듯, 각 공정 단계에서 사전설정된 온도범위가 사실상 그대로 유지되도록 하기 위한 사전설정된 비율에 따라 상대유량이 결정되는, 1차 챔버(2200)의 1단계, 2단계 및 3단계로 유입되는 공기 첨가물 유량(F1, F2 및 F3)과 GRS(3200)로 유입되는 공기 첨가물 유량(F4)을 조절하는 데 공기 유량 감지부(8124) 및 제어 밸브(8122)가 사용된다. 예를 들어, T1, T2 및 T3 상대온도를 각각 약 300-600 ℃, 500-900 ℃ 및 600-1000 ℃의 범위 내로 유지하거나, 선택적으로는 각각 약 500-600 ℃, 700-800 ℃ 및 800-900 ℃의 범위 내로 유지하기 위해(특히 아래 기술했듯이 용적 증가로 인한 연소 증가를 보상하기 위해 추가 공급원료가 투입될 경우), 약 36:18:6:40의 F1:F2:F3:F4 비율이 사용될 수 있다.
본 시스템(120)에는 또한 시스템(120) 내 곳곳에 배치되어 작동하는 각종 유량 감지부가 포함된다. 예를 들어, 변환기(1200)에 유입되는 공기 첨가물의 공급 속도에 감지부(8124)가 연관되어 있으며, 예를 들어 감지부(8114)에 의해 감지된 SRS(7200) 내의 압력 강하에 반응하여 공기 첨가물의 유량을 조절하도록 제어 밸브(8122)와 연결되어 작동한다. 또한 SRS(7200)에 유입되는 합성가스의 유량을 감지하는 데 유량 감지부(8126)가 사용되며, 여기서 감지된 값은 유량의 감소에 대한 신속한 반응으로서 공기 첨가물 공급 속도를 조절하는 한편, 예를 들어 현재 설정되어 있는 연료-공기 비율(현재 적용 중인 (MSW+합성수지):총 공기 첨가물 공급량 비율)에 따라, 장기적 안정화를 위해 MSW 및/또는 합성수지 투입 장치(9200, 9250)를 통해 공급원료 공급 속도를 조절하는 데 사용된다. 아래 설명했듯이, 이와 같은 구조는 시스템이 후공정-전공정 제어 방식에 따라 작동할 경우에 특히 유용하다. 본 예에서, 공기-연료 비율은 일반적으로 약 0 - 4kg/kg로 유지되며, 정상 운전 중에는 일반적으로 약 1.5kg/kg로 유지된다. 또한, 아래 설명했듯이 유량 감지부(8128)는 예를 들어 시동, 비상 및/또는 전공정-후공정 제어 중에 소각탑(9299)으로 유입되는 잉여 가스의 유량을 감시하는 데에도 사용될 수 있다.
도 43 및 44 역시 SRS(7200)에 유입되는 합성가스의 구성을 분석하는, 합성가스 구성 분석을 사용하여 합성가스의 연료 가치와 탄소 함량을 판정하고 연료:공기 비율 및 MSW:합성수지 비율을 조절하여 MSW 및 합성수지의 각각의 공급 속도를 조절하는 데 기여하도록 설정되는 제어 시스템인 가스 분석기(8130)를 나타낸 것이다. 아래 더 상세하게 설명했듯이, 이 기능은 제어 시스템이 후공정-전공정 제어 방식에 따라 작동할 경우에 특히 유용하다.
도 58 및 59에 나타내지는 않았지만 1차 챔버(2200)의 범례적 구현예을 참조하여 위에 기술했듯, 1차 챔버(2200) 내 다양한 위치, 즉 1단계, 2단계 및 3단계(2212, 2214 & 2216)에서의 반응물질의 높이를 감지하도록 설정되는 각종 감지부가 포함된다. 이 감지부들은 캐리어램(2228, 2230 & 2232) 등의 횡이송 장치의 운동을 조절함으로써 1차 챔버(2200) 내의 처리 효율을 높이는 데 사용될 수 있다. 이와 같은 예에서, 소기의 공급원료 공급 속도의 변화는 캐리어램 순서 제어기에 전송되어야 하므로, 캐리어램 순서 제어기는 실제 공급원료 공급 속도의 계산에 영향을 준다. 즉, 캐리어램 순서 제어기는 공급원료 공급 속도를 조절하는 데 사용될 수 있고, 캐리어램 순서 제어기와 교신하는 제어 시스템은 하위 공정에서 캐리어램 순서의 변화에 의해 발생하는 변화를 보상하는 데(예: 감지된 다양한 반응물질 분포로 인하여 발생하는 문제를 해결하는 데) 사용될 수 있다.
도 45는 제어 흐름 계통도로서 감지된 다양한 특성값, 본 예의 제어 시스템에 사용되는 각종 제어기(감응부 등) 및 운전인자, 그리고 공급원료의 적절하고 효율적인 처리를 촉진하는 데 기여하는 이들 사이의 상호작용을 나타낸 것이다. 이 도면에서:
1. 변환기 고형물 수준 감지 모듈(8250)은 이송 장치(들)(8254)의 운동을 제어하도록 설정되는 이송 장치 제어기(8252)를 협력적으로 제어함으로써 총 MSW+HCF 공급 속도(8256)를 협력적으로 제어하도록 설정된다.
2. 합성가스(가스 생성물) 탄소 함량 감지 모듈(8258)(예: 가스 분석기(8130)에서 파생된 것)은 MSW/HCF 분리기(8262)를 협력적으로 제어하도록 설정되는 MSW:HCF 비율 제어기(8260)와 연결되어 각각의 MSW 및 HCF 공급 속도(8264 & 8266)를 제어한다.
3. 합성가스(가스 생성물) 연료 가치 판정 모듈(8258)(예: LHV = c1*[H2] + c2*[CO] - c1 및 c2는 상수, [H2] 및 [CO]는 합성가스 분석기(8130)에서 생성된 것)은 연료:공기 비율 제어기(8270)와 연결되어 MSW/HCF 분리기(8262)로 유입되는 MSW+HCF의 공급 속도(8256)와 이송 장치 제어기(8252)를 협력적으로 제어한다.
4. 합성가스 유량 감지 모듈(8272)은 총 공기 유량(8276)을 제어하는 총 공기 유량 제어기(8274)와 연결되어 총 MSW+HCF 공급 속도(8256)를 협력적으로 제어한다.
5. 공정 온도 감지 모듈(8278)은 온도 제어기(들)(8280)와(과) 연결되어 공기 유체 분산(8282)(예: 도 2의 F1, F2, F3 및 F4) 및 플라즈마열(8284)(예: PHS(1002)를 통해)을 제어한다.
이와 같은 설정에서, 가스화 시스템(120)에 공급되는 공기 첨가물의 양을 결정함으로써 하위 공정에 적합한 범위, 또는 에너지효율의 향상 및/또는 가스 생성물 소모의 증가에 기여하는 범위 내에 속하는 합성가스 구성을 얻기 위해서는, 취득된 LHV의 특성값(예: 합성가스 중 [H2] 및 [CO]의 분석에서 취득된 것)을 바탕으로 제어인자를 계산하도록 제어 시스템을 설정할 수 있다. 예를 들어, 온도 및 압력 상수를 설정함으로써, 또는 목표 설정점으로 설정함으로써, 아래 식과 같은 선형 계산을 사용하여 공기 공급 인자를 충분히 정확하게 예측할 수 있도록 전반적인 시스템 인자를 경험적으로 설정할 수 있다.
Figure pct00001
a는 특정 시스템 설계 및 소기의 출력 특성을 위한 경험상수이다. 이 방법을 사용하여, 본 예의 가스화 시스템(120)이 규제 기준에 부합되는 한편 공정 효율 및 일관성이 최적화되도록 효율적 및 지속적으로 운전될 수 있다는 것이 입증되었다.
도 46은 대안적인 제어 흐름 계통도로서, 감지된 다양한 특성값, 약간 수정된 제어 시스템 설정에 의해 사용될 수 있는 각종 제어기(감응부 등) 및 운전인자, 그리고 공급원료의 적절하고 효율적인 처리를 촉진하는 데 기여하는 이들 사이의 상호작용을 나타낸 것이다.
이 도면에서:
1. 변환기 고형물 수준 감지 모듈(8350)은 이송 장치(들)(8354)의 운동을 제어하도록 설정되는 이송 장치 제어기(8352)를 협력적으로 제어함으로써 총 MSW+HCF 공급 속도(8356)를 협력적으로 제어하도록 설정된다.
2. 합성가스(가스 생성물) 탄소 함량 감지 모듈(8358)(예: 가스 분석기(8130)에서 파생된 것)은 MSW/HCF 분리기(8362)를 협력적으로 제어하도록 설정되는 MSW:HCF 비율 제어기(8360)와 연결되어 각각의 MSW 및 HCF 공급 속도(8364 & 8366)를 제어한다.
3. 합성가스(가스 생성물) [H2] 함량 감지 모듈(8367)(예: 가스 분석기(8130)에서 파생된 것)은 총 MSW+HCF 공급 속도(8356)를 협력적으로 제어하는 연료:공기 비율 제어기(8370)와 연결되어 이송 장치 제어기, MSW/HCF 분리기(8362), 증기 유량 계산 및 총 공기 유량을 협력적으로 제어한다.
4. 합성가스(가스 생성물) [CO] 함량 감지 모듈(8369)(예: 가스 분석기(8130)에서 파생된 것)은 증기 유량 계산을 협력적으로 제어하는 연료:증기 비율 제어기(8371)와 연결되어 증기 첨가 속도를 제어한다(주의: 증기 첨가물 투입 장치를 변환기(1200)(도 1 & 2에 나타내지 않음)와 연결함으로써 공기 첨가물을 보완하여 합성가스의 화학적 구성의 정련에 기여하도록 할 수 있음).
5. 합성가스 유량 감지 모듈(8372)은 총 공기 유량(8376)을 제어하는 총 공기 유량 제어기(8374)와 연결되어 총 MSW+HCF 공급 속도(8356)를 협력적으로 제어한다.
6. 공정 온도 감지 모듈(8378)은 온도 제어기(8380)와 연결되어 공기 유체 분산(8382)(예: 도 44의 F1, F2, F3 및 F4) 및 플라즈마열(8384)(예: PHS(1002)를 통해)을 제어한다.
이와 같은 설정에서, 가스화 시스템(120)에 공급되는 공기 첨가물 및 증기 첨가물의 양을 결정함으로써 하위 공정에 적합한 범위, 또는 에너지효율의 향상 및/또는 가스 생성물 소모의 증가에 기여하는 범위 내에 속하는 합성가스 구성을 얻기 위해서는, 취득된 [H2] 및 [CO]의 특성값을 바탕으로 제어인자를 계산하도록 제어 시스템을 설정할 수 있다. 예를 들어, 온도 및 압력 상수를 설정함으로써, 또는 목표 설정점으로 설정함으로써, 아래 식과 같은 선형 계산을 사용하여 공기 및 증기 공급 인자를 충분히 정확하게 예측할 수 있도록 전반적인 시스템 인자를 경험적으로 설정할 수 있다.
Figure pct00002
a, b, c, 및 d는 특정 시스템 설계 및 소기의 출력 특성을 위한 경험상수이다. 당해 기술분야의 기술인은 위의 예가 선형계로 단순화되었지만 추가적인 특성값이 포함되어 추가 제어인자의 선형 계산이 이루어지도록 확장될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 보다 엄격한 하위 공정을 위해 공정 변동을 더욱더 제한하는 데 필요할 경우, 고차 계산을 사용하여 제어인자를 더 정확하게 계산할 수도 있다. 그러나 위 방법을 사용하여, 본 예의 가스화 시스템(120)이 규제 기준에 부합되는 한편 공정 효율 및 일관성이 최적화되도록 효율적 및 지속적으로 운전될 수 있다는 것이 입증되었다.
일반적으로 제어 시스템의 각종 제어기는 절대값 및 상대값이 포함될 수 있는 각각의 값이 조절되도록 병렬식으로 작동한다는 것을(제어기 일부 또는 전부가 순차적으로 작동하는 것도 가능하지만) 이해할 것이다.
위에서 설명했듯, 본 예에서는 MSW 공급 속도가 고정된 상태에서 변환기(1200)가 작동하는 시스템(120) 시동 시에 전공정-후공정(또는 공급주도형) 제어법이 사용된다. 이 제어 방식을 사용하여, 가스화 시스템(120)은 공정 변동이 가스 엔진(9260) 및 소각탑(9299) 등의 하위 설비에 의해 흡수되도록 한다. 이에 따라 작은 잉여 합성가스 버퍼가 생성되고, 작은 지속적 화염이 이용된다. 이 정상적인 양을 초과하는 잉여 합성가스는 화염으로 운반될 수 있으며, 이에 따라 소각되는 양이 증가한다. 생성되는 합성가스가 부족할 경우에는 버퍼가 소비되며, 결과적으로 발전기 출력을 낮추거나(발전기는 조절가능한 출력 설정점에 의해 50 - 100%의 출력 범위에서 작동될 수 있다), 아래 설명했듯이 제어 시스템에 의해 추가적인 시스템 조절이 실행되어야 할 수도 있다. 이 제어 방식은 특히 시동 및 시운전 단계에 유용하다.
이 전공정-후공정 제어 방식의 주요 공정 제어 목표에는 HC(7230) 내 압력의 안정, 생성되는 합성가스의 구성의 안정, 1차 챔버(2202) 내 재료 더미의 높이의 제어, 챔버(2202) 내 온도의 안정, 재구성 챔버(3202) 내 온도의 제어, 변환기 공정 압력의 제어 등이다.
GE/Jenbacher 가스 엔진(9260)을 사용할 경우, 가스 생성물의 최저 압력은 약 150 mbar (2.18 psig), 최고 압력은 약 200 mbar (2.90 psig), 연료 가스 압력의 허용 변동폭은 약 +/- 10% (+/- 17.5 mbar, +/- 0.25 psi), 최고 가스 생성물 압력 변동률은 약 10 mbar/s (0.145 psi/s)이다. 가스 엔진(9260)에는 공급 압력의 작은 교란을 처리할 수 있는 투입조절기가 장착되어 있으며, 배관 및 HC에서의 정체는 그러한 변화를 억제하는 효과를 발한다. 그러나 제어 시스템은 적절한 압력 수준을 유지하기 위해 고속 작동 제어 시스템을 사용한다. 위에 언급되었듯, 이 제어 방식에 의해 제어되는 변환기(1200)는 지속적으로 소각되는 작은 잉여 합성가스 버퍼가 생성되기에 충분한 MSW 공급 속도에서 작동한다. 따라서 HC(7230) 압력 제어는 HC(7230)에서 소각탑(9299)에 이르는 선상의 압력 제어 밸브들이 HC 압력을 적절한 범위 내로 유지하는 데 필요한 만큼 조절되는 단순한 압력 제어 시스템이 된다.
일반적으로 제어 시스템은 생성되는 합성가스의 구성을 안정시키는 작용을 한다. 가스 엔진(9260)은 변화율이 과도하지 않을 경우 폭넓은 연료 가치 범위 내에서 작동할 수 있다. 본 예와 관련된 저발열량(LHV)에 대한 허용가능 변화율은 30초당 합성가스 LHV 변동률 1% 미만이다. 수소 기반 연료로서는 수소 함량이 15%에 불과한 이 연료 가스가 적절하며, LHV는 적게는 50 btu/scf (1.86 MJ/Nm3)에 불과할 수 있다. 시스템 용적 및 HC(7230)는 합성가스 생산이 약 2분간 지속되도록 함으로써 LHV 변화율의 안정화에 기여한다.
본 제어 방식에서, 가스 생성물의 구성은 HC(7230)의 투입구 또는 그 부근에 설치된 가스 분석기(8130)에 의해 측정될 수 있다. 제어 시스템은 이 측정을 바탕으로 가스의 연료 가치가 안정되도록 하기 위해 연료:공기 비율을 조절할 수 있다(즉, 공기 첨가물 공급 속도에 비례하여 MSW 공급 속도를 약간 증가/감소시킨다). 공기 첨가에 비례하여 MSW 또는 합성수지 공급을 증가시키면 가스의 연료 가치가 향상된다. 그러나 이와 같은 제어 방식은 가스화 시스템(120)의 전반적 실행에 따라 비교적 감응 시간이 길 수 있으며, 따라서 단기적 변동에 감응하기보다는 장기적 변동을 방지하도록 설정될 수 있다.
합성수지 공급은 그 자체만으로는 훨씬 더 풍부한 연료원이지만(LHV가 MSW의 약 2배임) 일반적으로 MSW와 약 1:20의 비율(0 - 14%)로 첨가되기 때문에, 본 예에 따라, 시스템에 첨가되는 연료로서 주 연료가 아니다. 가스화 시스템(120)에 너무 많은 합성수지를 첨가하는 것은 비경제적일 수 있으므로, 합성수지는 1차적 제어로서보다는 일종의 조절 장치로서 사용될 수 있다. 일반적으로, 합성수지 공급량은 가스화 시스템(120)에서 배출되는 합성가스의 총 탄소 함량(가스 분석기(8130)에 의해 측정되는)을 안정시키기 위해 선택적으로 조절되는 비율에 따라 총 공급원료 공급량과 비례한다. 이는 따라서 MSW 연료 가치의 변동을 억제하는 효과를 낼 수 있다.
추가로, 반응물질 더미 수준 제어 시스템을 사용하여 변환기(1200) 내의 재료 더미 높이를 안정적으로 유지하는 데 기여하도록 할 수 있다. 안정 수준 제어는 저수준에서 발생할 수 있는, 처리 공기 분사에 의해 생성된 물질의 유동화를 방지할 수 있으며, 고수준에서 발생할 수 있는, 제한된 공기 유량으로 인한 재료 더미 내 온도 분산의 불량을 방지할 수 있다. 안정 수준의 유지는 또한 변환기 체류 시간을 일정하게 유지해줄 수도 있다. 1차 챔버(2202) 내의 일련의 수준 스위치는 예를 들어 재료 더미의 깊이를 측정하는 데 사용될 수 있다. 본 예에 사용된 각종 수준 스위치에는 변환기의 한쪽 면에 발신기, 반대쪽 면에 수신기가 부착되어 있고 변환기(1200) 내 해당 지점의 재료의 유무를 감지하는 극초단파 장치 등이 포함될 수 있다. 1차 챔버(2202) 내의 장치는 일반적으로 재료 공급 속도 및 캐리어램 운동을 제어하며, 좁게는 변환 효율을 제어한다.
본 예에서, 3단계 캐리어램(들)은 고정된 행정 거리 및 진동수로 운동하여 1차 챔버(2200)로부터 탄화물질을 배출함으로써 변환기의 처리량을 설정한다. 이에 이어 2단계 캐리어램(들)은 재료를 3단계로 축출하여 3단계의 시작 단계 수준 스위치 상태를 '완전가동(full)'로 변경하는 데 필요한 거리만큼 운동한다. 이에 이어 1단계 캐리어램(들)은 재료를 2단계로 축출하여 2단계의 시작 단계 수준 스위치 상태를 '완전가동(full)'로 변경하는 데 필요한 거리만큼 운동한다. 이후 모든 캐리어램은 동시에 후퇴하며, 사전설정된 딜레이가 실행된 후 이와 같은 순서가 반복된다. 추가적 설정을 통해, 연속적 행정 거리의 변화를 수준 스위치에 의해 요구되는 정도의 미만으로 제한함으로써 캐리어램에 의한 과잉 교란을 방지할 수도 있다. 캐리어램은 변환기 하단의 과열을 방지하기 위해 수시로 작동될 수 있다. 또한, 적체된 재료가 각 단계의 단부 부근에 축적되어 응집되는 것을 방지하기 위해, 캐리어램 행정 거리가 각 단계 단부까지 미치는 완전 연장이 간헐적으로 이루어지도록 설정할 수도 있다. 당해 기술분야의 기술인은 본 구현예의 일반적 범위 및 성격에서 벗어나지 않는 범위 내에서 기타의 캐리어램 순서를 고려할 수도 있음을 이해할 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따라, 변환 효율을 최적화하기 위해 재료가 최대한 오랫동안 최대한 높은 온도로 유지된다. 온도 상한선은 표면 면적을 감소시킴에 따라 변환 효율을 떨어뜨리고, 재료 더미 내의 공기 유체가 응집된 덩어리 주변으로 전향되게 함으로써 온도 문제를 악화시켜 응집 현상을 가속화하고, 캐리어램의 정상 작동을 방해하고, 잔류물 제거 나사(2209)의 잼으로 인하여 시스템 중단을 일으킬 수 있는 재료의 용융 및 응집(클링커 형성)이 발생하기 시작하는 온도의 미만으로 설정된다. 또 다른 종류의 응집(이 경우에는 합성수지가 녹아서 재료의 다른 부분에 대해 응집 물질로 작용하는 현상)이 발생하는 것을 방지하기 위해 재료 더미 내의 온도 분포도 제어할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 재료 더미 내의 온도 제어는 해당 단계(연소)로 유입되는 처리 공기의 유량을 변경함으로써 이루어진다. 예를 들어, 최하위 챔버의 각 단계로 유입되는 처리 공기의 유량은 각 단계의 온도를 안정시키는 제어 시스템에 의해 조절될 수 있다. 추가적인 캐리어램 행정을 이용한 온도 제어를 통해서도 핫 스팟을 처리할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서, 각 단계의 공기 유량은 사실상 일정한 온도 및 단계간 온도 비율이 유지되도록 사전설정된다. 예를 들어, 총 공기 유량의 약 36%는 1단계로, 약 18%는 2단계로, 약 6%는 3단계로, 그리고 그 나머지(총 공기 유량의 40%)는 GRS로 투입될 수 있다. 또는, 이와 같은 공기 유입 비율을 극적으로 변경함으로써 1차 및 2차 챔버 및/또는 GRS(3200)의 각 단계 내에서 이루어지는 온도 및 처리 공정을 조절할 수도 있다.
플라즈마 열원의 출력(플라즈마 토치 출력)을 조절함으로써 GRS(3200)의 배출 온도(재구성 챔버의 출력)를 약 1000℃의 설정점에 안정시킬 수도 있다. 이 방법은 1차 챔버(2202) 내에서 형성되는 타르 및 그을음이 완전히 분해되도록 하는 데 사용될 수 있다. 재구성 챔버(3202)에 투입되는 처리 공기도 합성가스의 연소에 의해 열에너지를 방출함으로써 열부하의 일부로 작용할 수 있다. 따라서, 처리 공기 유속을 조절함으로써 토치 출력을 양호한 작동 범위 내에 유지하도록 제어 시스템을 설정할 수 있다.
또한, 균질화 서브시스템 투입구에 인접한 합성가스 송풍기(6250)의 속도를 조절함으로써 변환기 압력을 안정화할 수 있다. 송풍기의 최소 작동 진동수에 미달하는 속도에서는, 2차 제어가 개입되어 재순환 밸브를 대신 조절할 수 있다. 일단 재순환 밸브가 다시 완전히 닫히면 다시 1차 제어가 작동한다. 일반적으로, 시스템 내 압력을 감시하고(예를 들어 진동수를 약 20Hz로 유지), 제어 시스템과 연결되어 시스템 압력을 목표값 범위 내로 유지하는 해당 감응부(8113)를 통해 송풍기 속도를 조절하도록 설정된 제어 시스템에 의해 압력 센서(8110)가 송풍기(6250)와 연결되어 있다.
잔류물 용융 공정 또한 2차 챔버 배출구와 직접 연결된 슬래그 챔버 내의 연속적 공정을 통해 이루어진다. 또한 집진기(6230)에서 배출되는 소량의 입자상 물질 유체가 공기 노즐 또는 전용 포트를 통해 슬래그 챔버로 투입되어 추가적으로 처리될 수도 있다.
RCS(4200)는 300 kw 플라즈마 토치(4230) 및 용융 슬래그 배출구(4226)가 장착된 소형 내화 라이닝 슬래그 용융 챔버(RCC) (4220)이다. 본 예에서, 잔류물은 RCC(4220)로 직접 투하되어 플라즈마 토치의 화염(4230)에 의해 용융된다.
잔류물 처리의 제어에서, 플라즈마 토치(4230)의 출력은 용융 공정에 적합한 온도의 유지에 필요한 정도로 조절될 수 있다. RCC(4220) 온도 계기(온도 감지부(8106) 등)에는 측정 대상 표면의 표면온도를 측정하는 2개의 광온도계(OT), 용융풀(melt pool) 상부의 세라믹 온도계 보호관 내에 장착된 3개의 증기 공간 열전대, 금속 외벽에 장착된 5개의 외벽 장착 열전대 등이 포함될 수 있다. 또한 RCC(4220)에는 RCC(4220) 내부의 처리 압력을 측정하는 압력 전송기(압력 감지부(8112) 등)가 포함될 수 있다.
여기서 고려된 용융 온도 제어법의 하나는 광온도계 온도를 직접 측정하는 것이다. 대부분의 MSW 성분의 용융 온도를 상회하는 것으로 알려진 1400 - 1800℃ 범위 내의 설정점이 제어기에 입력된다. 이후 이 설정점에 부합되도록 토치 출력이 조절된다.
일반적으로, 수준은 직접적으로 측정되지 않고 광온도계 온도 및 증기 공간 열전대에 의해 추정된다. 온도가 온도 설정점 미만으로 떨어질 경우, 용융되지 않은 재료 및 연동 장치를 사용하여 잔류물 공급 속도를 일시적으로 늦추거나 마지막 수단으로 RCS(4200)의 작동을 중단해야 한다. 재료의 유속은 예를 들어 가변진동수 구동기(VFD) 등의 구동 전동기에 의해 RCC 공급 나사 컨베이어를 조절함으로써 제어할 수 있다. 공급 속도는 온도 제어가 플라즈마 토치(4230)의 용융 속도 능력 내에서 이루어지도록 하고, 용융되지 않은 재료로 인한 RCC(4220) 내의 고수준을 방지하는 데 필요한 정도로 조절할 수 있다. 일반적으로, 2차 챔버에는 약간의 잔류물 보유 능력이 있지만, 지속적인 운전은 안정된 잔류물 생산에 부합되는 적절한 용융 능력을 가진 RCC(4220)에 달려 있다.
RCC(4220) 내의 압력은 챔버 내 증기 공간과 연결된 압력 전송기(8112 요소)에 의해 감시될 수 있다. 일반적으로, RCC(4220)의 작동 압력은 나사 컨베이어를 양방향으로 통과하는 가스 유체(고형 잔류물 입자의 유체)에 최소한의 추진력이 적용되도록 2차 챔버의 작동 압력과 맞물려 있다. 가스 배출 공정에는 하위의 진공생성기(합성가스 송풍기)에 의해 제거되는 가스의 유량을 제한할 수 있는 제어 밸브(8134)가 장착되어 있다. DCS PID 제어기는 소기의 작동 압력의 달성에 필요한 밸브 위치를 계산한다.
시동 단계를 지나면, 가스화 시스템(120) 후공정의 가스 엔진(9260)에 의해 공정이 추진되는 단계에서 후공정-전공정 제어 또는 수요주도형 제어가 사용될 수 있다. 가스 엔진(9260)은 연료 가스의 에너지 함량과 생산되는 전력에 따라 특정한 시간당 용적의 연료를 소비한다. 따라서 본 제어 시스템의 고수준 목표는 적절한 양의 MSW/합성수지가 가스화 시스템(120)에 공급되어 적정 에너지가 함유된 합성가스로 변환되도록 함으로써, 발전기가 항상 전출력으로 작동하게 하는 한편, 합성가스의 연소가 억제되거나 아예 방지되어 MSW 톤당 생산되는 전력이 향상 및 최적화되도록 합성가스 생산과 합성가스 소비의 비율을 적절하게 조절하는 것이다.
일반적으로, 위에 설명한 전공정-후공정 제어 구조에는 하위 후공정-전공정 제어 구조가 포함된다. 예를 들어, 합성가스의 연소를 억제하는 한편 MSW 톤당 생산되는 전력 또는 기타의 소비되는 공급원료의 양을 증가시키기 위해 제어 시스템이 어떤 방식으로 추가적으로 조정되더라도, 위의 구조에서 열거된 공정 제어 목표의 대부분이 사실상 그대로 유지된다. 공정 제어를 향상시키고 하위 공정의 공정 효율 및 효용을 제고하기 위해, 생산되는 합성가스의 유량은 가스 엔진(9260)에 의해 소비되는 연료와 사실상 비례하도록 설정된다. 이에 따라, 가스화 시스템(120)에서 생성된 잉여 가스 생성물의 연소 또는 기타 방식의 처리가 억제되며, 하위 공정의 작동을 유지하는 데 필요한 가스 생산이 불충분할 가능성이 줄어든다. 따라서 개념적으로 본 제어 시스템은 하위 공정(가스 엔진/가스 발생기 등)에 의해 공정 전체가 추진되도록 하는 후공정-전공정 제어(또는 수요주도형 제어)가 된다.
일반적으로, 변환기(1200)에서 배출되는 합성가스의 유량을 단시간에 안정시키기 위해, 변환기(1200)에 유입되는 공기 첨가물의 유량을 조절함으로써, 일반적으로 공급원료 품질의 편차(공급원료 습도 및/또는 발열량의 편차 등)로 인하여 발생하는 가스 유량의 변동에 신속하게 대응할 수 있다. 일반적으로, 공기 유량의 조절에 의한 효과는 시스템 내에서 음속으로 파급된다. 그 반면에, MSW 및/또는 합성수지 공급 속도는 시스템 출력(합성가스 유량)에 상당한 영향을 줄 수 있지만, 변환기(1200) 내 체류 시간이 비교적 긴(본 예의 경우 최고 45분 이상) 공급원료의 경우에는 그러한 조절과 관련된 시스템 반응 시간이 약 10 - 15분이 되며, 이 시간은 단기적으로 적시에 가스 생성물에 영향을 줌으로써 바람직하지 않은 운전 조건(연소된 잉여 가스, 최적 운전에 불충분한 가스 공급, 지속적 운전에 불충분한 가스 공급 등)을 방지하기에는 불충분할 수 있다. 공기 유량의 증가보다 반응이 더 느리긴 하지만, MSW 공급 속도의 증가는 MSW에 함유된 수분이 약 2-3분만에 증기를 생성시킬 수 있으므로 합성수지 공급 속도의 증가보다 더 빠른 반응을 일으킬 수 있다.
따라서, 일반적으로 총 공기 유량을 조절하는 것은 압력을 조절하고 그에 따라 하위 공정에 대한 공급 속도 요건을 충족시키는 가장 효과가 빠른 제어법이다. 또한, 변환기(1200) 내의 대량의 재료 때문에, 최하위 챔버에 공기 또는 기타 첨가물을 첨가한다고 해서 가스가 비례적으로 희석되지는 않는다. 첨가된 공기가 재료 더미 속으로 더한층 파고들어서 위쪽의 재료와 반응한다. 역으로, 공기를 더 적게 투입한다고 해서 가스의 밀도가 높아지는 것은 아니나, 결과적으로 온도가 떨어짐으로써 반응률/합성가스 유량이 감소된다.
따라서, 도 60에 나타냈듯이 총 공기 유량은 일반적으로 재료 공급 속도(MSW + 합성수지)와 비례하며, 이에 따라 첨가물 공급의 증가는 공급원료 투입 속도의 증가를 발생시킨다. 따라서, 제어 시스템은 공기 유량 증가의 효과는 즉시 나타나고 첨가물 공급의 효과는 관찰을 통해 합성가스 유량의 안정화를 위한 보다 장기적인 솔루션을 제공하도록 설정된다. MSW/합성수지 공급 속도 증가와 그에 의한 합성가스 유량 증가 사이의 무효시간(dead time)을 메우기 위한 시스템 역학에 따라 일시적으로 발전기 출력을 줄이는 것도 고려할 수 있지만, 이는 비정상적인 공급원료 상태에 직면하지 않는 한 불필요하거나 예상할 필요가 없는 조치이다. 본 예에서는 하위 공정에 적합한 가스 특성을 유지하기 위해 공기 유량의 조절(가장 효과가 빠른 제어법) 및 연료:공기 비율 및 총 연료 비율의 조절(둘 다 장기적 감응임)이 선호되지만, MSW:합성수지 공급 비율의 제어는 불필요하긴 하나 장기적 변동성의 제어를 위한 추가적 제어로 작용할 수 있다.
본 예에서, MSW의 수분 함량은 일반적으로 0 - 80%, 발열량은 약 3000 - 33000kJ/kg이며, HC의 체류 시간은 2분, 압력은 일반적으로 약 210 mbar이다. 약 150 mbar의 엔진에 대한 최조 공급 압력을 초과하지 않는 범위 내에서 약 +/- 60 mbar의 편차가 있을 수 있다. 제어 시스템이 없을 경우 압력이 최고 약 1000 mbar 변동할 수 있으므로, 가스 엔진(9260)이 목표대로 일정한 부하를 유지하며 작동하도록 하기 위해 장기적 유량 변동은 제어 시스템에 의해 최고 4배(또는 75%) 감소된다. 또한, 제어 시스템이 없을 경우 변환기 가스의 압력 변동은 약 25 mbar/s에 이를 수 있으며, 이는 본 예의 가스 엔진에 대한 최대 압력인 약 10 mbar/s의 약 2.5배이다. 따라서 본 발명의 제어 시스템은 단기적 공정 변동을 최소한 2.5배(60%), 장기적 공정 변동을 약 4배(75%) 감소시킬 수 있다. 본 예에서 HC(7230)의 사용은 단기적 변동을 감소시키는 데 기여할 수 있다.
예 2:
가스화 시설의 구조 및 설계는 도시 고형 폐기물(MSW) 처리 시스템, 합성수지 처리 시스템, 가스 재구성 시스템(GRS), 합성가스-공기 열교환기, 가스 조절 시스템(GCS), 합성가스 조절 시스템, 가스 엔진 및 소각탑이 예 1에 기술된 것과 사실상 동일하다는 점에서 위에 기술된 바와 같다.
도 62를 참조하여, MSW 및 합성수지가 공급원료 투입구(2204) 및 2구역 탄소 변환 시스템과 소통하는 배출구가 장치된 회전로 1차 챔버(당해 기술분야에 알려져 있는 것과 같은)(2200)에 투입된다. 처리된 공급원료(탄화물질)와 가스 생성물이 회전로에서 배출되어 2구역 탄소 변환 시스템으로 유입된다. 탄화물질에 함유된 비반응 탄소는 탄소 변환 시스템의 탄소 변환 구역에서 가스 생성물로 변환되어 회전로 1차 챔버에서 생성된 가스와 결합된다. 혼합된 각종 가스는 가스 배출구를 통해 2구역 탄소 변환 시스템에서 배출되어, 선택적으로 1개 이상의 플라즈마 열원(3208)이 장착된 도관을 거쳐 가스 재구성 시스템(GRS)(3200)으로 유입된다(위에 설명했듯이). 사실상의 무탄소 고형 잔류물(재)은 2구역 탄소 변환기의 슬래그 구역(113) 내에서 플라즈마 열원에 노출되어 용융된 후 변환기에서 배출된다.
예 3:
가스화 시설의 구조 및 설계는 아래 설명된 가스화기를 제외하고 예 1의 것과 동일하다.
도 63을 참조하여, 1차 챔버(2200)에는 공급원료 투입구(2204)가 장치된 수평형 내화 라이닝 챔버(2202), 가스 배출구(2206), 탄화물질 배출구(2208), 각종 유지관리 포트(2220) 및 접근 포트(2222) 등이 포함된다. 1차 챔버(2202)는 경사 바닥이 있는 내화 라이닝 강철 용접물이다.
탄화물질 배출구에는 1차 챔버에서 탄화물질을 빼내어 2구역 탄소 변환 시스템으로 직접 투입하는 축출 나사가 포함된 탄화물질 축출기가 장치되어 있다.
본 내화 구조물은 고온, 마식, 침식 및 부식에 견디는 안쪽의 고밀도 크롬층, 내열성 및 절연성이 중급인 중간의 고밀도 알루미나층, 그리고 마식 또는 침식에 노출되지 않기 때문에 사용할 수 있는, 절연성이 매우 높은 바깥쪽의 초저밀도 절연판으로 이루어진 다층 구조이다. 본 내화 구조물은 챔버의 금속 외피의 내벽을 이루고 있다.
바닥은 열풍이 유입되도록 부분적으로 타공되어 있다(2270). 공정 진행 중에 통기공이 막히는 것을 방지하기 위해, 이 통기공의 크기는 제한을 설정함으로써 각 구멍에 압력 강하를 발생시키도록 설정되어 있다. 이 압력 강하는 폐기물 입자가 구멍을 통해 빠져나가는 것을 방지하기에 충분하다. 구멍에 입자가 끼는 것을 방지하기 위해, 각 구멍은 상면 쪽으로 갈수록 바깥쪽으로 점점 좁아진다. 또한, 횡이송 장치의 운동은 구멍을 막고 있는 물질을 제거할 수 있다.
재료가 바닥을 따라 이동하는 것은 횡이송 장치에 의해 촉진된다. 횡이송 장치에는 드래그 체인 또는 컨베이어 시스템이 포함될 수 있다. 드래그 체인 또는 컨베이어 시스템에 사용되는 동력은 기어박스 및 롤러 체인 시스템을 통해 램을 구동하는 외장형 전동기에 의해 공급된다(예 1에서 설명했듯). 전동기는 시작 및 중단 위치, 운동 속도 및 진동수를 명령할 수 있는 전반적 제어 시스템에 의해 제어된다.

Claims (49)

  1. 탄화질 공급원료를 합성가스 및 슬래그로 변환하는 다중 챔버 시스템으로서,
    상기 시스템은,
    탄소질 공급원료가 가공 공급원료/탄화물질 및 1차 챔버 가스로 변환되는 1개 이상의 1차 챔버로서, 각각의 1차 챔버는 공급원료 투입구, 1차 공기 공급 장치, 선택적 공정 첨가물 투입구, 1차 챔버 가스 배출구 및 가공 공급원료/탄화물질 배출구를 포함하는, 1차 챔버;
    가공 공급원료/탄화물질이 잔류물 및 2차 챔버 가스로 변환되는 1개 이상의 2차 챔버로서, 각각의 2차 챔버는 최소 1개의 1차 챔버로부터 가공 공급원료/탄화물질이 유입되는 가공 공급원료/탄화물질 투입구, 2차 공기 공급 장치, 선택적 공정 첨가물 투입구, 2차 챔버 가스 배출구 및 잔류물 배출구를 포함하는, 2차 챔버;
    1개 이상의 가스 재구성 챔버로서, 각각의 챔버는 유입된 1차 챔버 가스 및/또는 2차 챔버 가스의 합성가스로의 변환을 위해 최소 1개의 1차 챔버 및 2차 챔버 가스 배출구와 유체 소통하며, 선택적 공정 첨가물 투입구, 합성가스 배출구 및 1개 이상의 재구성 열원을 포함하는 가스 재구성 구역을 포함하는, 가스 재구성 챔버;
    2차 챔버로부터 유입된 잔류물을 슬래그로 변환하는 1개 이상의 용융 챔버로서, 각각의 챔버는 2차 챔버의 잔류물 배출구와 소통하는 잔류물 투입구, 1개 이상의 용융 열원 및 슬래그 배출구를 포함하는, 용융 챔버; 및
    시스템 운전을 제어하는 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 재구성 열원 중 최소 1개는 플라즈마 시스템인 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 재구성 열원 중 최소 1개는 수소 버너인 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한항에 있어서, 상기 공급원료 투입구는 1차 및 2차 공급원료 투입구를 포함하며, 상기 2차 공급원료 투입구는 공급원료 첨가물 투입을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한항에 있어서, 상기 1차 투입 장치 및 2차 공기 투입 장치 중 최소 1개에 합성가스-공기 열교환기로부터 열풍이 유입되는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한항에 있어서, 상기 1차 공기 투입 장치 및 2차 공기 투입 장치가 열풍 투입구 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한항에 있어서, 상기 1차 및 2차 챔버 중 최소 1개는 해당 챔버 내 체류 시간을 제어하는 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 체류 시간 제어 장치는 제어가능 고형물 제거 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제어가능 고형물 제거 장치는 회전팔, 푸셔램(pusher ram) 또는 일련의 나사를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  10. 제10항에 있어서, 상기 용융 열원 중 최소 1개는 플라즈마 시스템, 가스 버너 또는 줄(Joule) 가열부인 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  11. 제1항 내지 제11항 중 어느 한항에 있어서, 상기 탄소질 공급원료는 석탄, 바이오매스, 또는 이 둘의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 바이오매스는 셀룰로오스 물질인 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  13. 제13항에 있어서, 상기 셀룰로오스 물질은 스위치그래스(switchgrass)인 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  14. 제1항 내지 제14항 중 어느 한항에 있어서, 상기 1차 챔버 중 최소 1개가 수평형이고 상기의 2차 챔버 중 최소 1개가 수직형인 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  15. 제1항 내지 제15항 중 어느 한항에 있어서, 상기 1차 챔버 중 최소 1개는 제어가능 고형물 제거 장치로서 1개 이상의 횡이송 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  16. 제1항 내지 제16항 중 어느 한항에 있어서,
    상기 제어 시스템은
    시스템 내 운전인자를 감시하고 관련 데이터를 취득하는 1개 이상의 감지부, 및
    시스템 내 운전인자를 조절하는 1개 이상의 감응부를 포함하며,
    상기 제어 시스템에서 감지부와 감응부는 시스템 내에 통합되어 있으며, 상기 감응부는 상기 감지부로부터 취득된 데이터에 따라 시스템 내의 운전 조건을 조절하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  17. 탄화질 공급원료를 합성가스 및 슬래그로 변환하는 다중 챔버 시스템으로서,
    상기 시스템은
    탄소질 공급원료가 가공 공급원료/탄화물질 및 1차 챔버 가스로 변환되는 1개 이상의 1차 챔버로서, 각각의 챔버는 공급원료 투입구, 1차 공기 공급 장치, 1차 챔버 가스 배출구 및 가공 공급원료/탄화물질 배출구를 포함하는, 1차 챔버;
    가공 공급원료/탄화물질이 잔류물 및 2차 챔버 가스로 변환되는 1개 이상의 2차 챔버로서, 각각의 챔버는 최소 1개의 1차 챔버로부터 가공 공급원료/탄화물질이 유입되는 가공 공급원료/탄화물질 투입구, 2차 공기 공급 장치, 2차 챔버 가스 배출구 및 잔류물 배출구을 포함하는, 2차 챔버;
    2차 챔버로부터 유입되는 잔류물을 슬래그로 변환하는 1개 이상의 용융 챔버로서, 각각의 챔버는 2차 챔버의 잔류물 배출구와 소통하는 잔류물 투입구, 1개 이상의 용융 열원 및 슬래그 배출구를 포함하는, 용융 챔버; 및
    시스템 운전을 제어하는 제어 시스템을 포함하며,
    상기 최소 1개의 1차 챔버는, 유입된 1차 챔버 가스 및/또는 2차 챔버 가스의 가공 합성가스로의 변환을 위해, 최소 1개의 1차 챔버와 2차 챔버 가스 배출구와 유체 소통하는 가스 재구성 구역을 포함하며, 상기 가스 재구성 구역은 합성가스 배출구 및 1개 이상의 재구성 열원을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 재구성 열원 중 최소 1개는 플라즈마 시스템인 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  19. 제17항에 있어서, 상기 재구성 열원 중 최소 1개는 수소 버너인 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한항에 있어서, 상기 공급원료 투입구는 1차 및 2차 공급원료 투입구를 포함하며, 공급원료 첨가물의 투입을 위해 2차 공급원료 투입구가 사용되는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  21. 제17항 내지 제20항 중 어느 한항에 있어서, 상기 1차 투입 장치 및 2차 공기 투입 장치 중 최소 1개에 합성가스-공기 열교환기로부터 열풍이 유입되는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  22. 제17항 내지 제21항 중 어느 한항에 있어서, 상기 1차 공기 투입 장치 및 2차 공기 투입 장치는 열풍 투입구인 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  23. 제17항 내지 제22항 중 어느 한항에 있어서, 상기 1차 및 2차 챔버 중 최소 1개에 해당 챔버 내 체류 시간을 제어하는 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 체류 시간 제어 장치는 제어가능 고형물 제거 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 상기 제어가능 고형물 제거 장치는 회전팔, 푸셔램 또는 일련의 나사를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 상기 용융 열원 중 최소 1개는 플라즈마 시스템, 가스 버너 또는 줄(Joule) 가열부인 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  27. 제17항 내지 제26항 중 어느 한항에 있어서, 상기 탄소질 공급원료는 석탄, 바이오매스, 또는 이들 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  28. 제27항에 있어서, 상기 바이오매스는 셀룰로오스 물질인 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  29. 제28항에 있어서, 상기 셀룰로오스 물질은 스위치그래스(switchgrass)인 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  30. 제17항 내지 제29항 중 어느 한항에 있어서, 상기 1차 챔버 중 최소 1개가 수평형이고 상기의 2차 챔버 중 최소 1개가 수직형인 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  31. 제17항 내지 제30항 중 어느 한항에 있어서, 상기 1차 챔버 중 최소 1개는 제어가능 고형물 제거 장치로서 1개 이상의 횡이송 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  32. 제17항 내지 제31항 중 어느 한항에 있어서,
    상기 제어 시스템은
    시스템 내 운전인자를 감시하고 관련 데이터를 취득하는 1개 이상의 감지부, 및
    시스템 내 운전인자를 조절하는 1개 이상의 감응부를 포함하며,
    상기 감지부와 상기 감응부는 상기 제어 시스템 내에 통합되어 있으며, 상기 감응부는 상기 감지부에서 취득된 데이터에 따라 시스템 내의 운전 조건을 조절하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  33. 탄화질 공급원료를 합성가스 및 슬래그로 변환하는 다중 챔버 시스템으로서,
    상기 시스템은
    탄소질 공급원료가 가공 공급원료/탄화물질 및 1차 챔버 가스로 변환되는 1개 이상의 1차 챔버로서, 각각의 챔버는 공급원료 투입구, 1차 공기 공급 장치, 1차 챔버 가스 배출구 및 가공 공급원료/탄화물질 배출구를 포함하는, 1차 챔버;
    가공 공급원료/탄화물질이 잔류물 및 2차 챔버 가스로 변환되는 1개 이상의 2차 챔버로서, 각각의 챔버는 최소 1개의 1차 챔버로부터 가공 공급원료/탄화물질 배출구를 통해 가공 공급원료/탄화물질이 유입되는 가공 공급원료/탄화물질 투입구, 2차 공기 공급 장치, 2차 챔버 가스 배출구 및 잔류물 배출구를 포함하는, 2차 챔버;
    2차 챔버로부터 유입된 잔류물을 슬래그로 변환하는 1개 이상의 용융 챔버로서, 각각의 챔버는 2차 챔버의 잔류물 배출구와 소통하는 잔류물 투입구, 1개 이상의 용융 열원 및 슬래그 배출구를 포함하는 용융 챔버; 및
    시스템 운전을 제어하는 제어 시스템을 포함하며,
    상기 최소 1개의 2차 챔버는, 유입된 1차 챔버 가스 및/또는 2차 챔버 가스의 가공 합성가스로의 변환을 위해, 최소 1개의 1차 챔버와 2차 챔버 가스 배출구와 유체 소통하는 가스 재구성 구역을 포함하며, 상기 가스 재구성 구역은 합성가스 배출구 및 1개 이상의 재구성 열원을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  34. 제33항에 있어서, 상기 열원 중 최소 1개는 플라즈마 시스템인 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  35. 제34항에 있어서, 상기 열원 중 최소 1개는 수소 버너인 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  36. 제33항 내지 제35항 중 어느 한항에 있어서, 상기 공급원료 투입구는 1차 및 2차 공급원료 투입구를 포함하며, 공급원료 첨가물 투입을 위해 상기 2차 공급원료 투입구가 사용되는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  37. 제33항 내지 제36항 중 어느 한항에 있어서, 상기 1차 투입 장치 및 2차 공기 투입 장치 중 최소 1개에 합성가스-공기 열교환기로부터 열풍이 유입되는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  38. 제33항 내지 제37항 중 어느 한항에 있어서, 상기 1차 공기 투입 장치 및 2차 공기 투입 장치는 열풍 투입구인 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  39. 제33항 내지 제48항 중 어느 한항에 있어서, 상기 1차 및 2차 챔버 중 최소 1개는 해당 챔버 내 체류 시간을 제어하는 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  40. 제39항에 있어서, 상기 체류 시간 제어 장치는 제어가능 고형물 제거 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  41. 제40항에 있어서, 상기 제어가능 고형물 제거 장치는 회전팔, 푸셔램 또는 일련의 나사를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  42. 제41항에 있어서, 상기 용융 열원 중 최소 1개는 플라즈마 시스템, 가스 버너 또는 줄(Joule) 가열부인 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  43. 제33항 내지 제42항 중 어느 한항에 있어서, 상기 탄소질 공급원료는 석탄, 바이오매스, 또는 이들 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  44. 제43항에 있어서, 상기 바이오매스는 셀룰로오스 물질인 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  45. 제44항에 있어서, 상기 셀룰로오스 물질은 스위치그래스(switchgrass)인 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  46. 제33항 내지 제45항 중 어느 한항에 있어서, 상기 1차 챔버 중 최소 1개는 수평형이고 상기의 2차 챔버 중 최소 1개는 수직형인 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  47. 제33항 내지 제46항 중 어느 한항에 있어서, 상기 1차 챔버 중 최소 1개는 제어가능 고형물 제거 장치로서 1개 이상의 횡이송 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  48. 제33항 내지 제47항 중 어느 한항에 있어서, 상기 제어 시스템은
    시스템 내 운전인자를 감시하고 관련 데이터를 취득하는 1개 이상의 감지부, 및
    시스템 내 운전인자를 조절하는 1개 이상의 감응부를 포함하며,
    상기 감지부와 상기 감응부는 상기 제어 시스템내에 통합되어 있으며, 상기 감응부는 상기 감지부에서 취득된 데이터에 따라 시스템 내의 운전 조건을 조절하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버 시스템.
  49. 제1항, 제17항 또는 제33항 중 어느 한항에 따른 시스템을 사용하여 탄소질 공급원료를 합성가스로 변환하는 공정으로서,
    상기 공정은,
    1차 챔버에 탄소질 공급원료를 투입하는 단계;
    1차 챔버에 열풍 및 선택적으로 공정 첨가물을 투입하여, 탄소질 공급원료를 가공 공급원료/탄화물질 및 1차 챔버 가스로 변환하는 단계;
    상기 가공 공급원료/탄화물질을 2차 챔버로 이송하는 단계;
    상기 2차 챔버에 열풍 및 선택적으로 공정 첨가물을 투입하여, 가공 공급원료/탄화물질을 2차 챔버 가스 및 잔류물로 변환하는 단계;
    상기 1차 챔버에서 생성된 1차 챔버 가스와 상기 2차 챔버에서 생성된 2차 챔버 가스를 가스 재구성 구역으로 이송하는 단계;
    1개 이상의 재구성 열원의 열에 의해 1차 및/또는 2차 챔버 가스를 가공 합성가스로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
KR20107021454A 2008-02-27 2008-02-27 가공 공급원료/탄화물질 변환 및 가스 재구성을 이용한 가스화 시스템 KR20110000554A (ko)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/CA2008/000355 WO2008104058A1 (en) 2007-02-27 2008-02-27 Gasification system with processed feedstock/char conversion and gas reformulation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20110000554A true KR20110000554A (ko) 2011-01-03

Family

ID=42983331

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR20107021454A KR20110000554A (ko) 2008-02-27 2008-02-27 가공 공급원료/탄화물질 변환 및 가스 재구성을 이용한 가스화 시스템

Country Status (3)

Country Link
KR (1) KR20110000554A (ko)
AU (1) AU2008221197B9 (ko)
HK (1) HK1157852A1 (ko)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101697291B1 (ko) * 2015-09-18 2017-01-17 엄환섭 전자파 고온 복합 가스화 장치와 방법
WO2019245156A1 (ko) * 2018-06-21 2019-12-26 한국전기연구원 다기능 축열 열전하이브리드 발전장치
KR20190143801A (ko) * 2018-06-21 2019-12-31 한국전기연구원 다기능 축열 열전하이브리드 발전장치
WO2020205392A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-08 Eastman Chemical Company Gasification of size reduced textiles and solid fossil fuels
WO2020205394A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-08 Eastman Chemical Company Gasification of densified textiles and solid fossil fuels
WO2020205396A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-08 Eastman Chemical Company Campaigning gasification of textiles and plastics and solid fossil fuels to produce organic compounds
WO2020205405A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-08 Eastman Chemical Company Campaigning gasification of textiles and plastics and solid fossil fuels
WO2020205410A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-08 Eastman Chemical Company Gasification of size reduced textiles and solid fossil fuels to produce organic compounds
WO2020205403A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-08 Eastman Chemical Company Gasification of densified textiles and solid fossil fuels to produce organic compounds
US11939406B2 (en) 2019-03-29 2024-03-26 Eastman Chemical Company Polymers, articles, and chemicals made from densified textile derived syngas

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110240386B (zh) * 2019-07-11 2023-11-17 中国科学院城市环境研究所 一种秸秆与污泥协同处理的装置及其方法
CN111872046A (zh) * 2020-07-29 2020-11-03 山东百川同创能源有限公司 一种生活垃圾燃料化同质化处理工艺、系统及应用
CN113508892B (zh) * 2021-07-14 2023-03-07 广西鑫和源环境技术服务有限公司 一种果蔬垃圾处理方法
CN113671930B (zh) * 2021-07-15 2022-10-11 浙江零跑科技股份有限公司 一种基于前馈补偿的行车中驱动故障误检复位系统及方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL1007710C2 (nl) * 1997-12-05 1999-06-08 Gibros Pec Bv Werkwijze voor het verwerken van afval- respectievelijk biomassamateriaal.
CA2501841C (en) * 2004-03-23 2012-07-10 Central Research Institute Of Electric Power Industry Carbonization and gasification of biomass and power generation system
CA2569009A1 (en) * 2004-06-01 2005-12-15 Japan Science And Technology Agency Solid-fuel gasification system

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101697291B1 (ko) * 2015-09-18 2017-01-17 엄환섭 전자파 고온 복합 가스화 장치와 방법
WO2019245156A1 (ko) * 2018-06-21 2019-12-26 한국전기연구원 다기능 축열 열전하이브리드 발전장치
KR20190143801A (ko) * 2018-06-21 2019-12-31 한국전기연구원 다기능 축열 열전하이브리드 발전장치
WO2020205392A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-08 Eastman Chemical Company Gasification of size reduced textiles and solid fossil fuels
WO2020205394A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-08 Eastman Chemical Company Gasification of densified textiles and solid fossil fuels
WO2020205396A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-08 Eastman Chemical Company Campaigning gasification of textiles and plastics and solid fossil fuels to produce organic compounds
WO2020205405A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-08 Eastman Chemical Company Campaigning gasification of textiles and plastics and solid fossil fuels
WO2020205410A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-08 Eastman Chemical Company Gasification of size reduced textiles and solid fossil fuels to produce organic compounds
WO2020205403A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-08 Eastman Chemical Company Gasification of densified textiles and solid fossil fuels to produce organic compounds
US11939406B2 (en) 2019-03-29 2024-03-26 Eastman Chemical Company Polymers, articles, and chemicals made from densified textile derived syngas

Also Published As

Publication number Publication date
HK1157852A1 (en) 2012-07-06
AU2008221197A1 (en) 2008-09-04
AU2008221197B2 (en) 2013-12-05
AU2008221197A8 (en) 2010-11-04
AU2008221197B9 (en) 2014-07-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8690975B2 (en) Gasification system with processed feedstock/char conversion and gas reformulation
US9321640B2 (en) Gasification system with processed feedstock/char conversion and gas reformulation
US8306665B2 (en) Control system for the conversion of carbonaceous feedstock into gas
KR20110000554A (ko) 가공 공급원료/탄화물질 변환 및 가스 재구성을 이용한 가스화 시스템
US9109172B2 (en) Low temperature gasification facility with a horizontally oriented gasifier
CA2651449C (en) A gasification facility with a horizontal gasifier and a plasma reformer
CA2651338C (en) A control system for the conversion of a carbonaceous feedstock into gas

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right