KR20110000555A - 플라즈마 용융을 이용한 다중구역 탄소 변환 시스템 - Google Patents
플라즈마 용융을 이용한 다중구역 탄소 변환 시스템 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20110000555A KR20110000555A KR1020107021532A KR20107021532A KR20110000555A KR 20110000555 A KR20110000555 A KR 20110000555A KR 1020107021532 A KR1020107021532 A KR 1020107021532A KR 20107021532 A KR20107021532 A KR 20107021532A KR 20110000555 A KR20110000555 A KR 20110000555A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- zone
- slag
- carbon
- chamber
- converter
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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
-
- 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
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Business, Economics & Management (AREA)
- Emergency Management (AREA)
- Gasification And Melting Of Waste (AREA)
- Furnace Details (AREA)
Abstract
플라즈마 열의 적용에 의해 재를 용융 슬래그로 용용하고 및/또는 글래그를 용융 상태로 유지하기 위한 슬래그 구역과 소통하는 탄소 변환 구역을 구비한 챔버를 포함하는 가공 공급원료를 합성가스 및 슬래그로 변환하기 위한 다중구역 탄소 변환기가 제공된다. 상기 탄소 변환 구역 및 상기 슬래그 구역은 상기 두 개의 구역 사이의 재료의 이동을 억제하거나 제한하기 위한 방해 장치를 포함하는 구역간 구역에 의해 분리되어 있다. 상기 구역간 구역은 또한 상기 슬래그 구역으로부터의 플라즈마 열의 전도에 영향을 줌으로써 상기 재를 용융 슬래그로 1차적으로 용융하는 작용을 할 수도 있다.
Description
본 발명은 탄소질 공급원료 가스화 분야에 관한 것으로서, 특히 다중구역 탄소 변환기에 관한 것이다.
가스화는 도시 고형 폐기물(MSW) 또는 석탄 등의 탄소질 공급원료를 연소성 가스로 변환하는 공정이다. 이 가스는 전기 또는 증기를 생산하거나, 각종 화학품 및 액체연료 생산의 기본 원료로 사용될 수 있다.
이 가스는 다음 용도로 사용될 수 있다: 내부 가공 및/또는 기타 외부적 용도의 증기의 생산 또는 증기 터빈을 이용한 발전을 위한 보일러 내부의 연소, 전기 생산용 가스 터빈 또는 가스 엔진 내부의 직접 연소, 연료 전지, 메탄올 및 기타 액체연료의 생산, 합성수지 및 비료 등 화학품의 생산을 위한 추가 공급원료, 산업용 개별 연료 가스로서의 수소 및 일산화탄소의 추출, 기타 산업적 응용.
일반적으로 가스화 공정은 가열된 챔버(가스화기)에 제어 및/또는 제한된 양의 산소 및 선택적으로는 증기와 함께 탄소질 공급원료를 투입하는 것으로 이루어진다. 잉여 공기에 의해 CO2, H2O, SOx 및 NOx가 생성되는 소각 또는 연소와는 대조적으로, 가스화 공정에서는 CO, H2, H2S 및 NH3로 구성된 생가스 합성물이 생성된다. 정화를 거친 후 생산되는 유익한 주요 가스화 생성물은 H2 및 CO이다.
가스화 공정에 사용될 수 있는 공급원료에는 모든 종류의 도시 폐기물, 산업 활동에 의해 생성되는 폐기물 및 생물의학 폐기물, 오니, 석탄, 중유, 석유코크스, 중잔유(重殘油), 정유 폐기물, 탄화수소 오염물, 바이오매스, 농업 폐기물, 타이어, 기타 유해성 폐기물 등이 포함될 수 있다. 공급원료의 공급원에 따라, 휘발성 물질에는 H2O, H2, N2, O2, CO2, CO, CH4, H2S, NH3 및 C2H6, 그리고 아세틸렌, 올레핀, 방향성, 타르, 액상 탄화수소(오일), 탄화물질(탄소검정 및 재) 등의 불포화 탄화수소가 포함될 수 있다.
공급원료가 가열되면 가장 먼저 방출되는 성분은 물이다. 건조된 공급원료의 온도가 상승하면서 열분해가 발생한다. 열분해가 진행되면 공급원료가 열분해되어 타르와 페놀이 방출되며, 공급원료가 탄화물질로 변환되면서 가벼운 휘발성의 탄화수소 기체가 방출된다.
탄화물질에는 각종 유기물 및 무기물로 구성된 고형 잔류물이 함유되어 있다. 열분해를 거친 탄화물질은 건조된 공급원료보다 탄소 농도가 높기 때문에 활성탄소원이 될 수 있다. 고온(>1,200℃)에서 작동하는 가스화기 또는 고온 구역이 있는 시스템에서는, 무기 광물질이 녹거나 유리화되어 녹은 유리 같은 '슬래그'라는 물질이 생성된다.
슬래그는 유리화된 상태이므로 비유해성이며, 비유해성 물질로 매립 처분하거나 광물, 도로포장재 또는 기타 건축재료로 판매할 수 있다. 따라서, 폐기물을 소각에 의해 처분하는 것은 더욱더 바람직하지 않다고 하겠다. 가열 공정에서 연료가 극심하게 낭비될 뿐만 아니라, 유용한 합성가스 및 고형물로 변환될 수 있는 물질을 잔류 폐기물로 처분하는 것은 더 큰 낭비이기 때문이다.
본 발명의 목적의 하나는 가공 공급원료를 합성가스 및 슬래그로 변환하는 다중구역 탄소 변환기를 제공하는 것이다. 본 발명의 한 측면에 따라, 다중구역 탄소 변환기가 제공되며 그 구성은 다음과 같다: 1) 1개 이상의 가공 공급원료 투입구가 장치된 탄소 변환 구역, 2) 1개 이상의 합성가스 배출구, 3) 플라즈마 열원 및 슬래그 배출구가 장치된, 재를 용융하고/용융하거나 슬래그를 용융 상태로 유지하는 슬래그 구역과 소통하는 열풍 투입구. 탄소 변환 구역과 슬래그 구역은 이 두 구역 사이의 재료의 유동을 제한 또는 제어하는 방해 장치가 포함된 구역간 구역에 의해 분리되어 있다.
본 발명의 한 측면에 따라, 가공 공급원료를 합성가스 및 슬래그로 변환하는 다중구역 탄소 변환기가 제공되며 그 구성은 다음과 같다: 1) 탄소 변환 구역과 슬래그 구역이 구역간 구역에 의해 분리되어 있는, 슬래그 구역과 소통하는 탄소 변환 구역이 포함된 챔버, 2) 공급원으로부터 가공 공급원료가 유입되는 가공 공급원료 투입구, 합성가스 배출구 및 열풍 투입구가 포함된 탄소 변환 구역, 3) 구역간 구역을 부분적 또는 간헐적으로 차단함으로써 탄소 변환 구역과 슬래그 구역 사이의 재료의 유동을 제한하는 방해 장치, 또는 선택적으로 1차적 재 용융을 위한 열전도 요소가 포함된 구역간 구역, 4) 플라즈마 열원 및 슬래그 배출구가 포함된 슬래그 구역. 이와 같은 구조에서, 가공 공급원료는 탄소 변환 구역에서 합성가스 및 재로 변환되며, 재는 플라즈마 열원의 열에 의해 구역간 구역 및/또는 슬래그 구역에서 용융 슬래그로 변환된다.
이제부터 첨부한 도면을 참조하고 예를 사용하여 본 발명의 구현에 대해 기술하겠다.
도 1은 다중구역 탄소 변환기의 여러 구역을 대략적으로 나타낸 공정 계통도로서, 재를 용융하고/용융하거나 슬래그를 용융 상태로 유지하는 슬래그 구역과 소통하는 탄소 변환 구역을 나타낸 것이다.
도 2는 탄소질 공급원료 가스화기와 결합되어 재를 용융하고/용융하거나 슬래그를 용융 상태로 유지하는 슬래그 구역과 소통하는 탄소 변환 구역이 포함된 다중구역 탄소 변환기의 투입구를 나타낸 공정 계통도이다.
도 3은 다중구역 탄소 변환기를 대략적으로 나타낸 계통도로서, 탄소 변환 구역, 구역간 구역 및 슬래그 구역의 일반적 특징을 나타낸 것이다.
도 4는 주 가스화 챔버와 연관된 다중구역 탄소 변환기의 한 구현을 나타낸 계통도이다.
도 5는 방해 장치 교체를 용이하게 하고 다수의 방해 장치 설정을 가능하게 하는 다중구역 탄소 변환기의 플랜지 챔버 구조를 나타낸 것이다.
도 6은 방해 장치가 다수의 세라믹 볼로 이루어진 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 부분적 세로단면도이다.
도 7은 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 구역간 구역 및 슬래그 구역의 부분적 세로단면도로서, 돔형 톱니형 방해 장치를 세부적으로 나타낸 것이다.
도 8(A)는 다중구역 탄소 변환기의 부분적 세로단면도로서 처리 공기가 유입되는 각종 포트, 시동 버너 포트, 고온 가스 발생기에서 발생한 가스가 유입되는 포트, 슬래그 배출구, 방해 장치 등을 세부적으로 나타낸 것이다. 8(B)는 8(A)에 나타낸 구현의 A-A레벨 단면도이다. 8(C)는 방해 장치 및 지지 쐐기의 상면도이다.
도 9는 방해 장치가 서로 맞물린 일련의 벽돌로 이루어진 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 단면도이다.
도 10은 그레이트(grate)로 이루어진 방해 장치를 나타낸 것이다.
도 11은 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 구역간 구역 및 슬래그 구역을 나타낸 세로단면도이다.
도 12는 방해 장치가 이동식 그레이트로 이루어진 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 세로단면도이다. 도 12(A) 및 (B)는 이동식 그레이트의 구조를 세부적으로 나타낸 것이다.
도 13(A)는 산소 및/또는 공기 투입구(O), 탄소 투입구(C), 플라즈마 토치 포트(P), 가스 버너 포트(G) 등, 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 슬래그 구역에 장치된 각종 포트를 세부적으로 나타낸 단면도이다. 13(B)는 13(A)에 나타낸 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 부분적 세로단면도이다.
도 14는 도 13(B)를 확대한 것이다.
도 15는 2구역 탄소 변환기의 한 구현의 부분적 세로단면도로서, 플라즈마열 편향 장치가 장치된 슬래그 구역을 세부적으로 나타낸 것이다.
도 16은 슬래그 풀을 형성하여 슬래그 혼합을 촉진하는 둑(weir)이 슬래그 구역에 장치된 다중구역 탄소 변환기의 한 변형을 나타낸 것이다.
도 17은 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 부분적 세로단면도로서, 물 분무기 및 드래그 체인이 포함된 슬래그 냉각 시스템의 한 구현을 세부적으로 나타낸 것이다.
도 18은 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 원근도로서, 가공 공급원료 투입구 및 각종 포트를 나타낸 것이다.
도 19는 도 18에 나타낸 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 또 다른 원근도로서, 가공 공급원료 투입구, 합성가스 배출구, 플라즈마 토치 등을 나타낸 것이다.
도 20은 도 18 및 19에 나타낸 다중구역 탄소 변환기의 세로단면도로서, 탄소 변환 구역과 슬래그 구역 사이의 방해 장치를 나타낸 것이다.
도 21은 도 18 내지 20에 나타낸 다중구역 탄소 변환기의 탄소 변환 구역과 슬래그 구역 사이의 방해 장치를 나타낸 것이다.
도 22는 도 18 내지 21에 나타낸 다중구역 탄소 변환기의 공기통의 단면도이다.
도 23은 도 18 내지 22에 나타낸 다중구역 탄소 변환기의 토치 부분의 단면도로서, 서로 엇갈리게 배열된 공기 투입구와 플라즈마 토치를 세부적으로 나타낸 것이다.
도 24는 도 18 내지 23에 나타낸 다중구역 탄소 변환기의 버너 부분 단면도이다.
도 25는 도 18 내지 23에 나타낸 다중구역 탄소 변환기를 다양한 각도로 나타낸 것이다.
도 26은 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 원근도로서, 그레이트 방해 장치가 포함된 가공 공급원료 투입구 및 각종 포트를 세부적으로 나타낸 것이다.
도 27은 방해 장치가 서로 맞물린 일련의 벽돌로 이루어진 다중구역 탄소 변환기의 한 구현을 나타낸 것이다.
도 28은 방해 장치가 수직형 그레이트로 이루어진 다중구역 탄소 변환기의 한 구현을 나타낸 것이다.
도 29는 방해 장치가 톱니형 돔으로 이루어진 다중구역 탄소 변환기의 한 구현을 나타낸 것이다.
도 30은 다중구역 탄소 변환기의 또 다른 구현을 세부적으로 나타낸 것이다.
도 31a 및 31b는 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 공기 유동을 나타낸 것이다.
도 32는 다중구역 탄소 변환기의 또 다른 구현을 세부적으로 나타낸 것이다.
도 33은 다중구역 탄소 변환기의 또 다른 구현을 세부적으로 나타낸 것이다.
도 1은 다중구역 탄소 변환기의 여러 구역을 대략적으로 나타낸 공정 계통도로서, 재를 용융하고/용융하거나 슬래그를 용융 상태로 유지하는 슬래그 구역과 소통하는 탄소 변환 구역을 나타낸 것이다.
도 2는 탄소질 공급원료 가스화기와 결합되어 재를 용융하고/용융하거나 슬래그를 용융 상태로 유지하는 슬래그 구역과 소통하는 탄소 변환 구역이 포함된 다중구역 탄소 변환기의 투입구를 나타낸 공정 계통도이다.
도 3은 다중구역 탄소 변환기를 대략적으로 나타낸 계통도로서, 탄소 변환 구역, 구역간 구역 및 슬래그 구역의 일반적 특징을 나타낸 것이다.
도 4는 주 가스화 챔버와 연관된 다중구역 탄소 변환기의 한 구현을 나타낸 계통도이다.
도 5는 방해 장치 교체를 용이하게 하고 다수의 방해 장치 설정을 가능하게 하는 다중구역 탄소 변환기의 플랜지 챔버 구조를 나타낸 것이다.
도 6은 방해 장치가 다수의 세라믹 볼로 이루어진 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 부분적 세로단면도이다.
도 7은 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 구역간 구역 및 슬래그 구역의 부분적 세로단면도로서, 돔형 톱니형 방해 장치를 세부적으로 나타낸 것이다.
도 8(A)는 다중구역 탄소 변환기의 부분적 세로단면도로서 처리 공기가 유입되는 각종 포트, 시동 버너 포트, 고온 가스 발생기에서 발생한 가스가 유입되는 포트, 슬래그 배출구, 방해 장치 등을 세부적으로 나타낸 것이다. 8(B)는 8(A)에 나타낸 구현의 A-A레벨 단면도이다. 8(C)는 방해 장치 및 지지 쐐기의 상면도이다.
도 9는 방해 장치가 서로 맞물린 일련의 벽돌로 이루어진 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 단면도이다.
도 10은 그레이트(grate)로 이루어진 방해 장치를 나타낸 것이다.
도 11은 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 구역간 구역 및 슬래그 구역을 나타낸 세로단면도이다.
도 12는 방해 장치가 이동식 그레이트로 이루어진 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 세로단면도이다. 도 12(A) 및 (B)는 이동식 그레이트의 구조를 세부적으로 나타낸 것이다.
도 13(A)는 산소 및/또는 공기 투입구(O), 탄소 투입구(C), 플라즈마 토치 포트(P), 가스 버너 포트(G) 등, 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 슬래그 구역에 장치된 각종 포트를 세부적으로 나타낸 단면도이다. 13(B)는 13(A)에 나타낸 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 부분적 세로단면도이다.
도 14는 도 13(B)를 확대한 것이다.
도 15는 2구역 탄소 변환기의 한 구현의 부분적 세로단면도로서, 플라즈마열 편향 장치가 장치된 슬래그 구역을 세부적으로 나타낸 것이다.
도 16은 슬래그 풀을 형성하여 슬래그 혼합을 촉진하는 둑(weir)이 슬래그 구역에 장치된 다중구역 탄소 변환기의 한 변형을 나타낸 것이다.
도 17은 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 부분적 세로단면도로서, 물 분무기 및 드래그 체인이 포함된 슬래그 냉각 시스템의 한 구현을 세부적으로 나타낸 것이다.
도 18은 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 원근도로서, 가공 공급원료 투입구 및 각종 포트를 나타낸 것이다.
도 19는 도 18에 나타낸 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 또 다른 원근도로서, 가공 공급원료 투입구, 합성가스 배출구, 플라즈마 토치 등을 나타낸 것이다.
도 20은 도 18 및 19에 나타낸 다중구역 탄소 변환기의 세로단면도로서, 탄소 변환 구역과 슬래그 구역 사이의 방해 장치를 나타낸 것이다.
도 21은 도 18 내지 20에 나타낸 다중구역 탄소 변환기의 탄소 변환 구역과 슬래그 구역 사이의 방해 장치를 나타낸 것이다.
도 22는 도 18 내지 21에 나타낸 다중구역 탄소 변환기의 공기통의 단면도이다.
도 23은 도 18 내지 22에 나타낸 다중구역 탄소 변환기의 토치 부분의 단면도로서, 서로 엇갈리게 배열된 공기 투입구와 플라즈마 토치를 세부적으로 나타낸 것이다.
도 24는 도 18 내지 23에 나타낸 다중구역 탄소 변환기의 버너 부분 단면도이다.
도 25는 도 18 내지 23에 나타낸 다중구역 탄소 변환기를 다양한 각도로 나타낸 것이다.
도 26은 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 원근도로서, 그레이트 방해 장치가 포함된 가공 공급원료 투입구 및 각종 포트를 세부적으로 나타낸 것이다.
도 27은 방해 장치가 서로 맞물린 일련의 벽돌로 이루어진 다중구역 탄소 변환기의 한 구현을 나타낸 것이다.
도 28은 방해 장치가 수직형 그레이트로 이루어진 다중구역 탄소 변환기의 한 구현을 나타낸 것이다.
도 29는 방해 장치가 톱니형 돔으로 이루어진 다중구역 탄소 변환기의 한 구현을 나타낸 것이다.
도 30은 다중구역 탄소 변환기의 또 다른 구현을 세부적으로 나타낸 것이다.
도 31a 및 31b는 다중구역 탄소 변환기의 한 구현의 공기 유동을 나타낸 것이다.
도 32는 다중구역 탄소 변환기의 또 다른 구현을 세부적으로 나타낸 것이다.
도 33은 다중구역 탄소 변환기의 또 다른 구현을 세부적으로 나타낸 것이다.
정의
여기 사용된 모든 기술용어 및 과학용어는 달리 정의되지 않은 한 본 발명이 속하는 기술분야의 일반적 기술 소유자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
여기서 사용된 '가공 공급원료'라는 용어에는 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 포함된다.
여기서 사용된 '합성가스'라는 용어는 탄소 함유 연료가 발열량을 가진 가스 생성물로 변환되는 가스화 공정에 의해 발생하는 일산화탄소 및 수소가 다양한 비율로 혼합된 가스 혼합물을 뜻한다. 합성가스는 주로 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소로 구성되어 있으며 에너지 밀도가 천연가스의 절반 미만 수준이다. 합성가스는 연소성이며, 흔히 연료원으로 쓰이거나 다른 화학 물질의 생성 매개물로 쓰인다.
'가공 합성가스'란 플라즈마열 가스 정련 또는 재구성 시스템에 의해 재구성 또는 정련된 합성가스를 말한다.
여기서 사용된 '감지부'라는 용어는 공정, 공정 장치, 공정 입력 및 출력 등의 특성을 감지하도록 설정된 시스템의 한 요소를 뜻하며, 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.
여기서 사용된 '감응부'라는 용어는 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.
시스템 개요
도 1을 참조하여, 본 발명은 가공 공급원료를 합성가스 및 비활성 슬래그로 변환하는 다중구역 탄소 변환기를 제공한다. 다중구역 탄소 변환기는 가공 공급원료가 투입되는 1개 이상의 투입구가 장치된, 내화 라이닝 처리된 다중구역 챔버, 1개 이상의 가스 배출구, 슬래그 배출구, 가공 공급원료의 합성가스 및 재로의 변환을 촉진하는 열풍 투입구, 재를 슬래그로 용융하는 데 필요한 열을 공급하는 플라즈마 열원, 그리고 선택적으로 증기 또는 공정 첨가물 투입구 등으로 구성된다. 선택적으로, 가공 공급원료는 변환기에 투입되기 전에 예비 처리 단계를 거친다(균질화, 분쇄, 파쇄 및/또는 미분). 특히, 다중구역 탄소 변환기에는 사실상의 무탄소 고형 잔류물을 용융 슬래그로 용융하고/용융하거나 슬래그를 용융 상태로 유지하는 2차 구역 또는 슬래그 구역과 소통하는 1차 구역 또는 탄소 변환 구역이 포함된다. 탄소 변환 구역과 슬래그 구역은 이 두 구역 사이의 재료의 유동을 제한 또는 제어하며, 몇몇 구현에서는 사실상의 무탄소 고형 잔류물(재)을 용융 슬래그로 1차적으로 용융하기도 하는 방해 장치가 포함된 구역간 구역에 의해 분리되어 있다.
선택적으로, 본 다중구역 탄소 변환기는 탄소질 공급원료에서 가공 공급원료를 생성시키는 시스템과 병용될 수 있다. 예를 들어, 다중구역 탄소 변환기(10)는 저온 가스화기(15)로부터 가공 공급원료를 수취할 수 있다(도 2 및 4 참조). 이와 같은 설정에서는, 가스화 공정의 제3단계(탄소 변환 단계)가 사실상 다중구역 탄소 변환기 내에서 완료되다는 점에서 다중구역 탄소 변환기는 가스화기의 연장으로 간주될 수 있다.
일반적으로, 탄소질 공급원료의 가스화는 건조, 휘발, 탄화물질-재(또는 탄소) 변환 등의 세 단계로 세분될 수 있다.
I단계: 재료의 건조
가스화 공정의 첫 번째 단계는 주로 25 내지 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 내지 700℃에서 발생하는 휘발이다. 이 온도에서도 약간의 건조(잔여 건조) 및 탄소 변환(탄화물질의 합성가스로의 변환)이 발생할 수 있다.
III
단계: 탄화물질-재(
char
-
to
-
ash
) 변환
가스화 공정의 세 번째 단계는 600 내지 1000℃의 온도범위에서 발생하는 탄소 변환 단계이다. 이 온도에서도 약간의 휘발(잔여 휘발)이 발생한다. 이 단계 후의 주요 생성물은 사실상의 무탄소 고형 잔류물(재)와 합성가스이다. 재의 응집을 방지하려면, 이 구역의 최고 온도가 약 950℃를 초과하지 않아야 한다.
가스화 공정에서 목표 합성가스 생성물의 생산량을 증가시키려면, 탄소질 공급원료의 목표 가스 생성물로의 변환을 극대화해야 한다. 따라서 다중구역 탄소 변환기는 가공 공급원료에 잔류하는 탄소가 합성가스로 완전히 변환되도록 하는 한편 합성가스 및 슬래그 생성물을 회수하는 시스템을 제공한다. 따라서 다중구역 탄소 변환기는 또한 열풍(및 선택적으로는 증기 및/또는 고탄소 가스 및/또는 탄소 등의 공정 첨가물)을 투입함으로써 탄소의 목표 합성가스 생성물로의 변환을 촉진할 수도 있다. 다중구역 탄소 변환기는 또한 플라즈마열을 사용하여 잔류 무기물(재)의 유리화 물질 또는 슬래그로의 완전 변환을 촉진할 수도 있다.
다중구역 탄소 변환기에는 1개 이상의 가공 공급원료 투입구, 합성가스 배출구, 열풍 투입구, 슬래그 배출구, 1개 이상의 플라즈마 열원(플라즈마 토치 등) 포트, 그리고 선택적으로 1개 이상의 공정 첨가물 투입구 또는 포트 등으로 구성된 다중구역 내화 라이닝 챔버가 포함된다. 다중구역 탄소 변환기에는 또한 운전인자를 감시하고 변환기 내 운전 조건을 조절함으로써 변환 반응을 최적화하는 제어 서브시스템이 선택적으로 포함된다. 감지부와 감응부는 변환기 내에서 통합되어 있으며, 감응부는 감지부에서 취득된 데이터에 따라 변환기 내의 운전 조건을 조절한다.
다중구역 탄소 변환기에는 고형 잔류물(재)을 용융하고/용융하거나 슬래그를 용융 상태로 유지하는 2차 구역 또는 슬래그 구역과 소통하는 1차 구역 또는 탄소 변환 구역이 포함된다. 탄소 변환 구역과 슬래그 구역은 이 두 구역 사이의 재료의 유동을 유도 및/또는 제한하는 방해 장치가 포함된 구역간 구역에 의해 분리되어 있다. 선택적으로, 구역간 구역은 사실상의 무탄소 고형 잔류물(재)을 용융 슬래그로 1차적으로 용융하고/용융하거나 공기 분산 및/또는 혼합을 촉진할 수도 있다.
도 3은 다중구역 탄소 변환기(10)의 한 구현을 나타낸 계통도이다. 다중구역 탄소 변환기(10)에는 가공 공급원료에 함유된 미반응 탄소가 열풍 투입(35)에 의해 합성가스로 변환되는 내화 라이닝 챔버(15)의 탄소 변환 구역(11)으로 가공 공급원료가 유입되는 가공 공급원료 투입구가 포함된다. 사실상의 무탄소 고형 잔류물(재)은 구역간 구역 및/또는 슬래그 구역에서 직접 투사 또는 간접 투사(열전도 요소를 통해) 플라즈마열에 의해 용융 슬래그 물질로 변환된다. 선택적으로, 구역간 구역의 방해 장치는 플라즈마 열원의 열을 고형 잔류물(재)로 전도함으로써 1차적 용융에 영향을 주는 열전도 요소로 작용한다. 구역간 구역에는 플라즈마열을 효율적으로 전도하기 위한 추가적 열전도 요소가 포함될 수도 있다. 용융 슬래그 물질은 다중구역 탄소 변환기의 슬래그 구역에서 배출되어, 선택적인 슬래그 냉각 서브시스템으로 이송되어 냉각된다. 변환기에서 배출된 합성가스는 선택적으로 주 가스화 챔버로 회송되어, 주 가스화 공정의 가스 생성물과 결합되거나 추가적인 하위 공정으로 투입되고/투입되거나 저장통에 저장된다.
다중구역 탄소 변환기에 투입되는 가공 공급원료는 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 등, 그 공급원이 다양할 수 있다.
다중구역 탄소 변환기는 탄소 변환 및 사실상의 무탄소 고형 잔류물(재)의 용융을 순차적으로 추진함으로써 합성가스 및 슬래그의 생산을 촉진한다. 이는 사실상의 무탄소 고형 잔류물(재)이 더 높은 온도범위에 노출되기 전에 특정 온도범위에서 탄소 변환이 발생하도록 함으로써 이루어진다. 다중구역 탄소 변환기는 용융물에 잔류하는 탄소를 최소화하거나 제거한다.
특히, 탄소 변환 공정은 가공 공급원료에 적정량의 산소를 공급하여, 가공 공급원료가 탄소 변환 구역의 특정 환경에 노출되어 가공 공급원료에 함유된 탄소가 합성가스로 변환되는 데 필요한 수준으로 가공 공급원료의 온도를 높임으로써 이루어진다. 변환 공정에서 생성된 합성가스는 가스 배출구를 통해 챔버로부터 배출된다.
생성된 합성가스에는 중금속 및 각종 입자상 오염물질이 함유되어 있을 수 있다. 따라서, 본 발명의 한 구현에서, 다중구역 탄소 변환기에는 하위 공정에 필요한 잔류 가스를 냉각 및 조절하는 가스 조절 서브시스템이 선택적으로 추가될 수 있다. 또는, 다중구역 탄소 변환기를 하위의 가스 조절 및/또는 가스 저장 시스템과 연결할 수도 있다.
가공 공급원료의 공급원은 저온 또는 고온 가스화기 또는 열분해기, 잔류물이 저장되는 호퍼, 가스 조절 시스템 내에 장치된 입자상 물질 분리기(집진 필터, 사이클론 등) 등이 될 수 있다. 다중구역 탄소 변환기는 가공 공급원료의 공급원과 직접 또는 간접 연결될 수 있다. 당해 기술분야의 기술인은 알고 있겠듯, 시스템의 요건 및 제거할 부산물의 종류에 따라, 가공 공급원료는 적절하게 조정된 배출구 및/또는 이송 장치를 통해 가공 공급원료의 공급원으로부터 챔버의 가공 공급원료 투입구로 지속적 또는 간헐적으로 이송될 수 있다. 선택적으로, 가공 공급원료는 챔버에 투입되기 전에 예비 처리될 수 있다. 예비 처리에는 균질화, 분쇄, 미분, 파쇄, 공급원 분리, 자기적 금속 제거 등이 포함될 수 있다.
용융 슬래그는 예를 들어 약 1200℃ 내지 약 1800℃의 온도에서 다중구역 탄소 변환기로부터 지속적으로 배출되어, 냉각에 의해 고형 슬래그 물질을 형성할 수 있다. 이러한 슬래그 물질은 매립 처분하거나 추가 분쇄하여 일반적 용도의 골재로 만들 수 있다. 또는, 용융 슬래그는 용기에 부어 잉곳(ingot), 벽돌 타일, 또는 기타 유사한 건축재료로 성형할 수도 있다. 또한 공정에서 생성된 슬래그는 경량 골재 또는 광물면 생산, 발포 유리 제조, 또는 포장재 개발 등에서 콘크리트 보조 접합제로 사용할 수도 있다.
따라서, 다중구역 탄소 변환기에는 용융 슬래그를 고형물로 냉각하는 서브시스템이 포함될 수 있다. 슬래그 냉각 서브시스템은 냉각된 슬래그 생성물을 원하는 형태로 만드는 데 적합하도록 설정된다.
다중구역 탄소 변환기에는 또한 탄소 변환 및 용융 공정을 관리하는 제어 시스템이 포함된다. 특히 다중구역 탄소 변환기에는, 시스템 운전인자를 감시하는 감지부와 시스템 내 운전 조건을 조절함으로써 변환 공정을 관리하는 감응부로 구성되어, 감응부가 감지부에서 취득된 데이터에 따라 시스템 내 운전 조건을 조절함으로써 효율적이고 완전한 탄소 변환 및 용융을 촉진하는 제어 서브시스템이 포함된다. 조절 가능한 운전인자에는 플라즈마 열전달율(출력) 및 열전달 위치, 가공 공급원료 공급 속도, 공기 및/또는 증기 및/또는 고탄소 가스 및/또는 탄소 함유 가스 공급, 및/또는 탄소 공급 등이 포함된다.
다중구역 탄소 변환기
이제 도 3을 참조하여, 다중구역 탄소 변환기(10)에는 제1단부(또는 가공 공급원료 투입 단부) 및 제2단부(또는 슬래그 배출 단부)가 장치된 내화 라이닝 챔버(15)가 포함된다. 또한 다중구역 탄소 변환기에는 가공 공급원료 투입구, 합성가스 배출구(25) 및 슬래그 배출구(30), 플라즈마 열원(40), 열풍 투입구(35), 1개 이상의 첨가물 투입구(미도시) 등이 포함되며, 선택적으로 제어 시스템이 포함된다.
도 4는 주 가스화 챔버와 연관된 대표적 다중구역 탄소 변환기의 계통도이다. 다중구역 탄소 변환기(10)에는 가공 공급원료가 열풍 공급(35)에 의해 합성가스 생성물 및 사실상의 무탄소 고형 잔류물(재)로 변환되는 탄소 변환 구역(11)과으로 가공 공급원료가 유입되는 가공 공급원료 투입구(20)가 포함된다. 합성가스 생성물은 합성가스 배출구(25)를 통해 배출된다. 고형 잔류물(재)은 구역간 구역(12) 및/또는 슬래그 구역(13)에서 직접 투사 또는 간접 투사(열전도 요소를 통해) 플라즈마열에 의해 슬래그로 용융된다. 용융 슬래그 물질은 슬래그 구역에서 배출되어, 선택적인 슬래그 냉각 서브시스템으로 이송되어 냉각된다. 챔버에서 배출된 합성가스는 선택적으로 주 가스화 챔버로 회송되어, 주 가스화 공정의 가스 생성물과 결합되거나 하위 공정 및/또는 저장 시스템으로 이송된다.
챔버
설계 고려 사항
다중구역 탄소 변환기의 챔버는 가공 공급원료가 합성가스로 변환되고, 합성가스가 냉각, 정련 또는 기타 하위 공정으로 이송되고, 재가 슬래그로 처리되는 데 필요한 밀폐 및 절연된 공간을 제공하도록 설계되어 있다. 챔버의 구조는 이 두 구역의 형성을 촉진하며 각 구역의 특정 요건을 반영한다. 선택적으로 이 구조는 점검, 유지관리 및 수리를 위해 다중구역 탄소 변환기의 내부에 접근할 수 있는 접근점을 제공할 수도 있다. 도 5를 참조하여, 본 챔버는 개별적 구역, 구역간 구역 또는 개별적 구역의 부분을 쉽게 교체할 수 있도록 플랜지가 장착된 선택적 챔버이다.
다중구역 탄소 변환기에는 탄소 변환 구역, 구역간 구역, 슬래그 구역 등이 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 조정되어 있다. 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, 플라즈마열원 및 선택적인 1개 이상의 공정 첨가물 투입구로 구성된, 내화 라이닝 처리가 되었고 일반적으로 수직형인 단일 챔버 내에 들어 있다. 슬래그 구역은 탄소 변환에 의해 생성된 사실상의 무탄소 고형 잔류물을 조절하여 용융 슬래그 물질을 형성하거나(선택적으로는 이와 동시에 잔류 탄소를 가스로 변환하고) 용융 슬래그를 용융 상태로 유지하고 용융 슬래그 및 가스 생성물(적합할 경우)을 배출하는 데 필요한 열을 투입하도록 설계되어 있다. 선택적으로, 용융 슬래그의 고형화를 촉진하는 슬래그 냉각 서브시스템이 슬래그 구역에 포함되거나 슬래그 구역과 연결될 수 있다. 따라서, 2구역 탄소 변환기의 챔버는 가공 공급원료 투입구, 열풍 투입구, 가스 배출구, 슬래그 배출구, 플라즈마 열원, 그리고 선택적으로 1개 이상의 공정 첨가물 투입구 드이 포함된, 일반적으로 수직형인 내화 라이닝 챔버이다.
각 개별적 구역의 크기를 결정할 때 각 개별적 구역의 기능을 고려할 수 있다. 탄소 변환 구역에서는 최대한 많은 양의 탄소가 기체상으로 변환된다. 슬래그 구역은 재를 완전히 용융하는 기능을 한다. 탄소 변환 구역의 크기는 탄소의 대부분이 변환되게 하면서도 동작온도가 최대치로 유지되는 아화학량론적 환경에 있는 공기 유량에 의해 결정된다. 단면적은 운전 조건이 유동화 대신 고정층 모드로 유지되는 데 필요한 공탑속도에 의해 결정된다. 슬래그 구역의 크기는 플라즈마 열원의 열 공급에 의해 재가 용융되도록 고온을 유지하기 위한 열균형 계산에 의해 결정된다.
다중구역 탄소 변환 챔버는 최소한의 에너지를 사용하여 탄소 변환 및 재 처리가 효율적으로 완전하게 이루어지도록 설계된다. 따라서, 챔버를 설계할 때 효율적인 열전도, 적정 열온도, 체류 시간, 용융 슬래그 유량, 투입 잔류물의 양 및 구성, 챔버의 크기 및 절연 등의 요소가 고려된다. 따라서, 다중구역 탄소 변환기는 가공 환경을 외부 환경으로부터 분리하도록 설계된다. 일반적으로, 챔버의 설계에서 가공 공급원료 투입구에 인접한 상위 단부는 탄소 변환 공정에 적합하도록 특정적으로 조정되고, 슬래그 배출구에 인접한 단부는 용융 공정에 적합하도록 특정적으로 조정된다.
또는, 탄소 변환 구역을 중앙에 배치하고 슬래그 구역은 탄소 변환 구역 주변에 배치할 수도 있다. 이와 같은 구현에서, 탄소 변환 구역과 슬래그 구역의 분리는 경사 바닥을 사용하여 탄소 변환 구역을 슬래그 구역보다 높은 위치에 배치함으로써 이루어질 수 있다.
선택적으로, 다중구역 탄소 변환 챔버의 구조는 탄소 변환 구역과 슬래그 구역의 분리가 촉진되거나 용이하게 되도록 설계된다. 따라서, 본 발명의 한 구현에서 구역간 구역은 챔버의 협착부를 형성한다(도 20 참조).
재료
다중구역 탄소 변환 챔버는 필요한 고형물 체류 시간에 대해 적절한 양의 재료를 수용할 수 있는 크기의 내부 용적을 가진 내화 라이닝 챔버이다.
일반적으로 다중구역 탄소 변환 챔버는 공정에 적합한 정도의 다중 재료층으로 제작된다. 예를 들어, 챔버의 외부층 또는 외피는 일반적으로 강철이다. 강철 외피의 온도를 낮추기 위해, 안쪽의 내화층과 바깥쪽의 강철 외피 사이에 1개 이상의 절연층을 설치하는 것이 유용할 수 있다. 또한 슬래그 저장통의 외면에 절연판을 설치하여 강철 외피의 온도를 낮출 수도 있다. 선택적으로, 세라믹 블랭킷을 절연체로 사용할 수 있다. 내화 구조물이 깨지지 않고 팽창할 수 있는 여유가 필요할 경우에는 강철 외피에 대해 세라믹 블랭킷 등의 압축성 재료를 사용할 수 있다. 절연재로는 산성 가스의 응축을 방지할 수 있을 만큼(그러한 문제가 발생할 수 있을 경우) 높은 외피 온도를 제공하는 것을 선택해야 하나, 외피의 건전성을 저해할 만큼 높은 온도는 허용될 수 없다.
내화 구조물은 고온 및 부식성 가스로부터 챔버를 보호하며, 공정에서 발생하는 열의 불필요한 손실을 최소화한다. 내화재로는 당해 기술분야의 기술인들에게 잘 알려져 있고 약 1100℃ 내지 1800℃의 고온 비가압식 반응에 사용하기에 적합한 재래식 내화재를 사용할 수 있다.내화 시스템을 선택할 때 고려해야 할 요소에는 내부 온도, 마식, 침식 및 부식, 목표 열보존/외피 온도 제한, 내화 구조물의 목표 수명 등이 포함된다. 적합한 내화재의 예는 고온 제조 세라믹 물질(산화알루미늄, 질화알루미늄, 규산알루미늄, 질화붕소, 인산지르코늄 등), 유리세라믹 물질, 그리고 실리카, 알루미나 및 티타니아가 주성분인 고알루미나 벽돌 등이다. 선택적으로, 챔버를 부식성 가스로부터 보호하기 위해 챔버는 부분적 또는 전체적으로 보호 피막으로 라이닝 처리되어 있다. 이와 같은 피막은 당해 기술분야에 이미 알려져 있으며, 따라서 당해 기술분야의 기술인은 시스템의 요건에 대해 적합한 피막이 어떤 것인지 쉽게 판단할 수 있고 Sauereisen 고온 피막 No. 49를 포함시킬 것이다.
본 발명의 한 구현에서, 내화 구조물은 고온, 마식, 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. 선택적으로, 이 층의 바깥쪽은 마식 및 부식에 노출되지 않으므로 절연성이 매우 강한 초저밀도 폼보드 재료가 사용된다. 다층 내화 구조물에 사용하기에 적합한 재료는 당해 기술분야에 잘 알려져 있다.
본 발명의 한 구현에서, 다층 내화 구조물은 안쪽의 크롬층, 중간의 알루미나층, 그리고 바깥쪽의 절연판층으로 구성되어 있다.
선택적으로, 각 개별적 구역은 챔버 내 해당 구역 내의 환경에 적합하도록 특정적으로 조정될 수 있다. 예를 들어, 가공 온도가 다른 지점보다 높은 챔버의 바닥 부분에는 더 두꺼운 내화 구조물이 사용될 수 있다. 또한 슬래그 구역의 내화 구조물은 더 높은 온도에 견디도록 조정될 수 있으며, 슬래그가 내화 구조물에 침투하는 것을 억제함으로써 내화 구조물의 부식을 억제하도록 설계될 수 있다.
챔버의 내벽에는 선택적으로 내화 라이닝 또는 내화 앵커를 지지하는 지지물이 사용될 수 있다. 적합한 내화 지지물 및 내화 앵커는 당해 기술분야에 이미 알려져 있다.
혹독한 운전 조건으로 인하여, 내화 구조물은 정기적인 유지보수가 필요할 수 있다. 따라서, 본 발명의 한 구현에서, 챔버의 하부(저장통이 있는 곳)를 상부로부터 분리할 수 있도록 챔버에 플랜지가 장착되어 있다. 본 발명의 한 구현에서, 유지보수를 위해 챔버의 하부를 상부로부터 분리할 수 있도록 챔버가 지지 구조물로부터 이탈되어 있다. 이 구현에서는 챔버 상부와 시스템의 상위/하위 구성요소 사이의 연결을 저해하지 않고 챔버 하부를 제거할 수 있다.
탄소 변환 구역
탄소 변환 공정은 가공 공급원료를 탄소 변환 구역의 특정 환경에 노출시켜 가공 공급원료에 함유된 탄소가 합성가스로 변환하는 데 필요한 수준으로 가공 공급원료의 온도를 높임으로써 이루어진다. 변환 공정에서 생성된 합성가스는 가스 배출구를 통해 챔버에서 배출된다. 본 발명의 한 구현에서, 합성가스는 가스화 챔버로 회송되어, 주 가스화 공정에서 생성된 각종 가스와 결합된다.
도 4를 참조하여, 탄소 변환 구역(11)에는 가공 공급원료가 유입되는 1개 이상의 투입구(20)와 1개 이상의 합성가스 배출구(25)가 포함되며, 탄소 변환 구역(11)은 구역간 구역(12)을 통해 슬래그 구역(13)과 소통한다.
탄소 변환 구역(11)에는 잔류 휘발성 물질 및 탄소가 합성가스로 변환되는 데 필요한 온도를 공급하는 열풍 투입구(35)가 장치되어 있다. 탄소 변환 챔버는 또한 가스 생성물을 통해 손실되는 현열의 양을 최소화하기 위해 잔류물이 열풍에 고효율적으로 노출되도록 설계되어 있다. 따라서, 열풍 투입구의 위치 및 방향은 탄소 변환 구역의 설계에서 고려해야 할 추가적 요소이다.
가공 공급원료 투입구
다중구역 탄소 변환기에는 변환기 챔버의 가공 공급원료 투입구와 연관된 가공 공급원료 투입구가 포함된다. 가공 공급원료 투입구는 가공 공급원료가 챔버의 탄소 변환 구역에 유입되도록 조정되어 있다. 챔버에 유입되는 가공 공급원료의 공급은 수동적(중력에 의한 유입)일 수도 있고 능동적일 수 있다. 선택적으로, 가공 공급원료 투입구는 가공 공급원료를 공급원으로부터 변환기 챔버의 투입구로 능동적으로 이송한다. 적합한 능동적 이송 장치는 당해 기술분야에 알려져 있으며 이중 봉쇄 호퍼, 나사 컨베이어, 드래그 체인, 공압식 푸셔(pusher) 및 기타 당해 기술분야에 알려져 있는 장치가 이에 포함된다.
챔버에 투입되는 가공 공급원료는 단일 공급원 또는 다수의 공급원으로부터 공급될 수 있다. 가공 공급원료의 공급원에는 저온 또는 고온 가스화기, 가스화 공정의 잔류물이 저장되는 호퍼, 상위의 가스 조절 시스템(집진 필터, 사이클론에서 발생하는 비회(飛灰) 등) 등이 포함될 수 있다.
가공 공급원료가 2개 이상의 공급 유체를 통해 공급되거나 2개 이상의 공급원으로부터 공급될 경우, 각각의 유체가 가공 공급원료 전용 투입구를 통해 챔버에 투입될 수도 있고 하나로 결합되어 투입될 수도 있다. 후자의 구현에서는 모든 가공 공급원료가 투입되는 단일 가공 공급원료 투입구가 장치되어 있다. 따라서, 챔버에는 공통 투입구 또는 다수의 투입구가 포함될 수 있다.
가공 공급원료의 공급원은 다중구역 탄소 변환기 챔버와 직접적으로 소통할 수 있다(즉, 각각의 가공 공급원료가 공급원으로부터 챔버로 직접 투입된다). 또는, 공급원이 챔버와 간접적으로 소통하여, 잔류물이 컨베이어 시스템을 통해 공급원으로부터 챔버로 이송될 수도 있다.
다중구역 탄소 변환기 챔버가 가공 공급원료 공급원과 간접적으로 연결되어 있을 경우, 가공 공급원료 공급 시스템에는 가공 공급원료를 공급원으로부터 챔버로 이송하는 1개 이상의 이송 장치가 포함된다. 예를 들어, 가공 공급원료 공급 시스템에는 단일 나사 컨베이어 또는 일련의 나사 컨베이어, 벨트, 램, 플라우(plow), 회전팔, 이동식 그레이트(grate), 푸셔램(pusher ram) 등이 포함될 수 있다.
다중구역 탄소 변환기 챔버에는 가공 공급원료 공급 시스템과 연관된 공기차단기가 선택적으로 장치된다. 이 선택적인 공기차단기는 가공 공급원료 공급원(및 과잉 공기 공급을 방지하는 주변 공기)과 챔버 내부 사이의 장애물 역할을 하도록 배치될 수 있다.
가공 공급원료 공급 시스템에는 가공 공급원료 공급 속도를 제어하여 탄소 변환과 잔류물의 용융 및 균질화를 최적화하는 제어 장치가 선택적으로 포함된다.
가공 공급원료 공급 시스템에는 예비 처리 모듈이 선택적으로 포함되거나, 가공 공급원료 공급 시스템이 예비 처리 모듈과 선택적으로 연결된다. 예비 처리에는 분쇄, 미분, 균질화 등, 가공 공급원료 입자의 크기를 균일화하거나 줄이는 처리가 포함된다. 적합한 분쇄기, 미분기 및 균질화기는 당해 기술분야에 알려져 있다.
탄소 변환 구역 가열 시스템
탄소 변환 공정에는 열이 필요하다. 열 첨가는 가공 공급원료의 부분적 산화에 의해 직접적으로(즉, 공급 공기 중의 산소가 가공 공급원료에 함유된 탄소 및 휘발성 물질과 결합되어 발생하는 발열 반응에 의해), 또는 당해 기술분야에 알려져 있는 1개 이상의 열원의 사용에 의해 간접적으로 이루어질 수 있다.
가공 공급원료에 함유된 미반응 탄소의 변환에 필요한 열은 열풍 공급에 의해 이루어진다(최소한 부분적으로).
열풍은 예를 들어 당해 기술분야에 알려져 있는 공기통, 공기가열기 또는 열교환기에 의해 공급될 수 있다.
본 발명의 한 구현에서, 열풍은 구역간 구역에 인접한 투입구가 장치된 공기 공급 및 배급 시스템에 의해 탄소 변환 구역으로 투입된다. 적합한 공기 공급 및 배급 시스템은 당해 기술분야에 알려져 있으며, 챔버 내벽의 타공구를 통하거나 공기 노즐 또는 스파저(sparger)를 통해 열풍이 빠져나갈 수 있는, 각 단계마다 장치된 공기통이 포함된다.
경우에 따라 필요할 수 있는 추가적 또는 보조적 가열은 가스 버너 등, 당해 기술분야에 알려져 있는 1개 이상의 가열 장치에 의해 제공될 수 있다.
본 발명의 한 구현에서, 순환 열사(熱沙)가 추가적 열원으로 사용될 수 있다.
본 발명의 한 구현에서, 전기 가열기 또는 전기 가열 요소가 추가적 열원으로 사용될 수 있다.
다중구역 탄소 변환기의 초기 시동을 촉진하기 위해, 예를 들어 천연가스, 오일/가스 또는 프로판 버너 등, 챔버를 예열하기 위한 각종 재래식 버너를 수용할 수 있는 크기의 접근 포트가 챔버에 포함될 수 있다. 또한 목재/바이오매스 공급원, 엔진 배기가스, 전기 가열기 등을 사용하여 챔버를 예열할 수도 있다.
공정 첨가물 투입구
가공 공급원료의 합성가스로의 효율적 변환을 촉진하기 위해, 선택적으로 공정 첨가물을 탄소 변환 구역에 첨가할 수 있다. 가공 공급원료의 가스 생성물 및/또는 비유해성 합성물로의 변환이 극대화되기에 충분한 유리산소 및 유리수소를 공급하기 위해, 증기 공급을 사용할 수 있다. 탄소의 연료 가스로의 변환을 극대화(유리탄소의 최소화)하고 최적의 처리 온도를 유지하는 한편 열 공급 비용을 최소화하는 화학작용의 균형을 지원하기 위해, 공기 공급을 사용할 수 있다. 또한 산소 및/또는 오존은 공정 첨가물 포트를 통해 탄소 변환 구역에 투입될 수 있다.
선택적으로, 탄소 변환 공정을 최적화하고, 그럼으로써 배출가스의 질을 향상시키기 위해, 기타 첨가물을 사용할 수도 있다.
선택적으로, 고탄소 가스를 공정 첨가물로 사용할 수 있다.
따라서, 탄소 변환 구역에는 1개 이상의 공정 첨가물 투입구가 포함될 수 있다. 여기에는 증기 및/또는 공기 및/또는 고탄소 가스 투입구가 포함된다. 증기 투입구는 증기가 변환기에서 배출되기 전에 고온 구역 및 가스 생성물군에 투입되도록 전략적으로 배치될 수 있다. 공기 투입구는 공정 첨가물이 탄소 변환 구역 전역에 고루 공급되도록 챔버 내부 및 주변에 전략적으로 배치될 수 있다.
본 발명의 한 구현에서, 공정 첨가물 투입구는 구역간 구역에 인접한 지점에 배치되어 있다.
본 발명의 한 구현에서, 공정 첨가물 투입구는 첨가물이 저속으로 분산 공급되도록 한다.
열풍을 사용하여 챔버를 가열하는 구현에서는, 추가적 공기/산소 투입구가 선택적으로 장치될 수 있다.
구역간 구역
구역간 구역은 탄소 변환 구역과 슬래그 구역을 공간적으로 분리하는 역할을 하며, 선택적으로는 플라즈마열이 고형 잔류물에 효과적으로 전도되도록 함으로써 탄소 변환의 고형 잔류물(재)의 1차적 용융을 발생시킨다. 또한 구역간 구역은 두 구역 사이의 통로 또는 연결 역할을 한다. 구역간 구역에는 구역간 구역을 부분적 또는 간헐적으로 차단함으로써 탄소 변환 구역과 슬래그 구역 사이의 재료의 유동을 제한 또는 조절하고, 미변환 탄소의 과잉 이동을 방해하는 방해 장치가 포함되며, 선택적으로는 열전도 요소가 추가적으로 포함될 수 있다.
도 6을 참조하여, 본 발명의 한 구현에서, 구역간 구역은 슬래그 구역과 인접한 지점에 배치될 수 있다.
방해 장치
방해 장치는 구역간 구역을 부분적 또는 간헐적으로 차단함으로써 탄소 변환 구역과 슬래그 구역 사이의 재료의 유동을 제한 또는 조절하며, 선택적으로는 열전도를 발생시킬 수도 있다.
방해 장치는 구역간 구역 내에 장착되어 있으며 돔형, 피라미드형, 톱니형, 그레이트, 이동식 그레이트, 벽돌형 그레이트, 다수의 세라믹 볼, 다수의 관 등, 다양한 형태 또는 디자인이 있을 수 있다. 방해 장치의 형태 및 크기는 부분적으로 챔버의 형태 및 방향에 의해 결정될 수 있다.
방해 장치 및 그와 관련된 장착 장치는 다중구역 탄소 변환기 내의 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 라이닝 처리를 하거나 일체형 내화 구조물로 방해 장치를 제작할 수도 있다.
도 6 내지 10은 대안적으로 사용할 수 있는 다양한 비제한식 방해 장치를 세부적으로 나타낸 것이다.
도 6에 나타낸 본 발명의 한 구현에서, 다수의 세라믹 볼이 방해 장치에 포함된다.
도 7에 나타낸 본 발명의 한 구현에서, 톱니형 내화 돔이 방해 장치에 포함된다.
도 8에 나타낸 본 발명의 한 구현에서, 방해 장치는 쐐기형 장착 벽돌(150)에 의해 구역간 구역에 장착되는 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.
도면에 나타낸 구현에서, 선택적으로 내화 돔 상단에 장착된 직경 20 내지 100mm의 다수의 알루미나 볼 또는 세라믹 볼(165)이 하나의 층을 형성하여 열풍을 분산시키는 한편, 재가 슬래그로 1차적으로 용융되도록 플라즈마열이 재에 전도되는 것을 촉진한다. 본 구현에서, 재가 용융되면서 돔(145)의 바깥쪽 모서리와 챔버 내벽 사이의 간격(160)을 통해 구역간 구역을 통과하여 슬래그 구역으로 유입된다.
도 9를 참조하여, 일체형 내화벽돌 그레이트가 방해 장치에 포함된다. 구역간 구역을 통한 탄소 변환 구역과 슬래그 구역 사이의 소통을 위해, 내화벽돌 그레이트(245)는 각각의 벽돌 사이에 간격(255)이 설정되어 있다.
도 10을 참조하여, 장착 링(350) 내부에 장치된 내화 라이닝 관(345)으로 제작한 그레이트 구조물이 방해 장치에 포함된다.
도 12를 참조하여, 이동식 그레이트가 방해 장치에 포함된다.
열전도 요소 및 분산 요소
선택적으로, 구역간 구역에는 플라즈마열이 재로 전도되는 것을 촉진하는 열전도 또는 열분산 요소가 추가로 포함될 수 있다. 열전도 요소는 당해 기술분야에 알려져 있으며 세라믹 볼, 자갈, 벽돌 등이 포함된다.
본 발명의 한 구현에서, 내화 돔 상단에 장착되어 하나의 층을 형성하여 열풍을 분산시키는 한편, 재가 슬래그로 1차적으로 용융되도록 플라즈마열이 재에 전도되는 것을 촉진하는, 직경 20 내지 100mm의 다수의 알루미나 볼 또는 세라믹 볼(165)이 열전도 요소에 포함된다.
선택적으로, 열전도 요소가 방해 장치가 되거나 방해 장치에 포함될 수 있다.
선택적 가열 요소
선택적으로, 구역간 구역에 열원이 장치될 수 있다. 적합한 열원으로는 송풍구, 전기 가열기 또는 전기 가열 요소, 버너, 또는 플라즈마 토치 등의 플라즈마 열원이 포함된다.
구역간 구역 내, 탄소 변환 구역과 구역간 구역의 접점, 및/또는 구역간 구역과 슬래그 구역의 접점에 선택적인 플라즈마 토치가 장치될 수 있다.
선택적으로, 재에 잔류하는 탄소는 구역간 구역의 플라즈마 열원에 의해 합성가스로 변환된다.
따라서, 다양한 열원을 수용할 수 있는 크기의 접근 포트가 구역간 구역의 챔버 내벽에 포함될 수 있다.
슬래그 구역
용융 공정은 잔류물이 용융되는 데 필요한 수준으로 사실상의 무탄소 고형 잔류물의 온도를 높임으로써 이루어지며, 구역간 구역 내에서 발생한다. 용융 공정에 필요한 열은 1개 이상의 플라즈마 열원에 의해 공급된다. 이 열은 직접적으로 가해질 수도 있고 열전도 요소에 의해 간접적으로 가해질 수도 있다. 플라즈마열은 또한 열풍에 의한 탄소 변환 후 잔류물에 잔류하는 미량의 탄소를 변환하는 데 사용되기도 한다. 경우에 따라 필요할 수 있는 추가적 또는 보조적 가열은 유도 가열 또는 줄(Joule) 가열 등, 당해 기술분야에 알려져 있는 1개 이상의 가열 장치에 의해 제공될 수 있다.
슬래그 구역에는 고형 잔류물을 용융 및 균질화함으로써 용융 슬래그를 다중구역 탄소 변환기에서 흘러 나올 수 있는 온도로 유지하는 데 필요한 수준으로 재를 가열하는 데 필요한 온도를 충족시키는 플라즈마 열원이 장치되어 있다. 선택적으로, 재에 잔류하는 탄소는 합성가스로 변환된다. 슬래그 구역은 또한 플라즈마 가스와 잔류물 또는 슬래그 사이의 열전도가 고효율적으로 이루어지고, 손실되는 현열이 최소화되도록 설계되어 있다. 따라서, 플라즈마 열원의 종류와 플라즈마 가열 장치의 위치 및 방향은 슬래그 구역의 설계에서 고려해야 할 추가적 요소이다.
또한 슬래그 구역은 무기성 잔류물이 완전히 용융 및 균질화되기에 적합한 수준으로 잔류물의 온도가 높아질 수 있을 만큼 잔류물 체류 시간이 충분하도록 설계되어 있다.
도 13 및 16을 참조하여, 선택적으로 슬래그 구역에는 잔류물이 플라즈마 열원에 의해 가열되면서 축적되는 저장통이 장치된다. 저장통은 또한 처리 공정 동안 고형물 및 용융물이 혼합되도록 한다. 충분한 체류 시간과 적절한 혼합은 처리 공정이 완전하게 이루어지고 슬래그 생성물이 소기의 구성을 갖도록 해준다.
슬래그 구역은 용융 슬래그의 배출을 촉진하기 위해 슬래그 배출구 쪽을 향해 점점 좁아지거나 바닥이 경사를 이룰 수 있다.
슬래그 구역은 용융 슬래그 물질이 지속적으로 배출되도록 설계되어 있다. 지속적인 슬래그 제거는 처리 공정이 지속적으로 이루어지도록, 즉 주기적으로 공정을 중단하여 슬래그를 제거할 필요 없이 잔류물이 지속적으로 투입되어 플라즈마열에 의해 처리되도록 한다.
본 발명의 한 구현에서, 지속적인 슬래그 배출은 용융 슬래그가 둑 위로 넘쳐 챔버 밖으로 흘러 나오는 수준에 도달할 때까지 슬래그 풀이 축적되도록 하는 둑과 한쪽 면이 연결된 저장통을 사용함으로써 이루어진다.
처리되는 가공 공급원료에 상당량의 금속이 함유되어 있고, 둑과 연결된 저장통이 슬래그 구역에 장치되어 있을 경우, 각종 금속 물질은 상대적으로 높은 용융점과 밀도로 인하여 제거될 때까지 저장통에 축적된다. 따라서, 다중구역 탄소 변환기의 한 구현에서, 산소창의 열에 의해 주기적으로 구멍이 생길 수 있도록 유연한 내화 페이스트로 막혀 있는 금속 방출 포트가 저장통에 장치되어 있다. 이 방출 포트가 열리고 챔버 온도가 축적된 금속 물질을 용융할 만큼 상승하면, 용융된 금속 물질이 저장통 바닥으로부터 빠져나온다. 이 배출구는 내화 물질 또는 기타 적합한 물질로 구멍을 막음으로써 재밀봉된다.
재를 처리하고, 특히 챔버 내에 있을 수 있는 금속 물질을 용융하는 데 필요한 초고온으로 인하여, 선택적으로 슬래그 구역의 챔버 내벽과 바닥은 매우 엄격한 운전 요건에 노출되는 내화 물질로 라이닝 처리할 수도 있다. 슬래그 구역의 설계를 위한 적합한 재료의 선택은 전형적인 잔류물 처리 공정에 적용되는 운전 온도, 열충격에 대한 내성, 용융 공정에서 생성되는 용융 슬래그 및/또는 고온 가스로 인한 마식 및 침식/부식에 대한 내성 등, 여러 가지 기준에 따라 이루어진다. 슬래그 구역에 사용할 재료를 선택할 때 재료의 다공성을 고려할 수도 있다.
슬래그 구역에는 또한 선택적으로 필요할 수 있는 추가적 구조 요소 또는 기구를 수용하는 1개 이상의 포트가 포함될 수도 있다. 본 발명의 한 구현에서, 슬래그 배출구를 감시하여 폐색이 발생하지 않는지 관찰하는 등, 운전자가 재 처리의 여러 측면을 자세히 관찰할 수 있도록 하기 위한 폐쇄회로 텔레비전이 선택적으로 포함된 관찰창이 그러한 포트가 될 수 있다. 또한 슬래그 구역 챔버에는 유지관리 및 수리를 위해 챔버에 진입하거나 접근할 수 있는 점검 포트가 포함될 수도 있다. 이러한 포트는 당해 기술분야에 알려져 있으며, 다양한 크기의 밀폐형 포트홀이 포함될 수 있다.
플라즈마
열
슬래그 구역에는 탄소 변환 공정에 의해 생성된 재 물질을 변환하는 1개 이상의 플라즈마 열원이 사용된다. 플라즈마 열원은 이동형, 고정형 또는 절충형일 수 있다.
플라즈마 열원에는 장시간 동안 적용점에 충분히 높은 온도를 공급하는 다양한 상용화된 플라즈마 토치가 포함될 수 있다. 일반적으로, 그러한 플라즈마 토치의 출력은 약 100 kW에서 6 MW 이상까지 다양하다. 플라즈마 토치에는 1종의 적합한 동작 가스 또는 복수의 적합한 동작 가스가 결합된 것이 사용될 수 있다. 적합한 동작 가스에는 공기, 아르곤, 헬륨, 네온, 수소, 메탄, 암모니아, 일산화탄소, 산소, 질소, 이산화탄소 등이 포함된다. 본 발명의 한 구현에서, 플라즈마 가열 장치는 잔류물이 비활성 슬래그 생성물로 변환되는 데 필요한 약 900℃ 내지 약 1800℃의 온도를 낼 수 있도록 지속적으로 작동한다.
이 점에서, 다양한 대안적 플라즈마 기술이 슬래그 구역에 사용되기에 적합하다. 예를 들어, 적절하게 선정된 전극 재료를 사용하는 이송식 아크 토치(AC 및 DC) 및 비이송식 아크 토치가 사용될 수 있다. 또한 유도결합 플라즈마(ICP)도 사용될 수 있다. 적합한 플라즈마 열원의 선택은 당해 기술분야의 기술인의 일반적 기술력 내에 있다.
이송식 아크 토치는 전기-열 변환 효율이 더 높을 뿐만 아니라, 아크가 용융물을 직접 통과하기 때문에 고온의 플라즈마 가스와 용융되는 재료 사이의 열전도율이 더 높으므로, 비이송식 아크 토치 대신 이송식 아크 토치를 사용하면 잔류물 처리 공정의 효율을 제고할 수 있다. 이송식 아크 토치를 사용할 경우, 슬래그 구역의 외벽은 동력원과 전기적으로 연결되므로 슬래그 구역을 전기적으로 절연해야 한다.
본 발명의 한 구현에서, 플라즈마 열원은 비이송식 DC 아크 토치이다.
본 발명의 한 구현에서, 플라즈마 토치는 흑연 토치이다.
다중 탄소 변환기의 한 구현에서, 잔류물의 비활성 슬래그로의 변환이 최적화될 수 있는 위치에 1개 이상의 플라즈마 열원이 배치되어 있다. 플라즈마 열원의 위치는 잔류물 처리 챔버의 구조에 따라 결정된다. 예를 들어 단일 플라즈마 열원을 사용할 경우, 챔버 상단에 플라즈마 열원을 장착하고, 잔류물을 용융하는 한편 슬래그가 흘러 나가게 하는 데 충분한 열을 공급할 수 있도록, 챔버 바닥에 고이는 슬래그 풀과 적당한 각도를 이루는 위치에 배치할 수 있다. 본 발명의 한 구현에서, 플라즈마 열원은 챔버 상단에 수직으로 장착된 플라즈마 토치이다.
모든 플라즈마 열원은 출력이 조절될 수 있으며, 선택적으로는(이동식 열원이 사용될 경우) 위치도 조절될 수 있다. 본 발명의 한 구현에서, 플라즈마 열전달율은 잔류물 공급 속도에 따라 조절된다. 플라즈마 열전달율은 또한 잔류물 용융 온도 특성에 따라 조절될 수도 있다.
플라즈마 열원은 운전자의 재량에 의해 잔류물 공급 속도 및 용융 온도 특성에 따라 지속적 또는 비지속적으로 작동될 수 있다.
선택적으로, 플라즈마열을 편향시키거나 유도하는 편향기(61)가 슬래그 구역에 장치될 수 있다(도 15 및 16 참조).
공정 첨가물
증기, 공기, 탄소 및/또는 고탄소 가스 및/또는 고산소 가스 및/또는 소각재 등의 공정 첨가물이 선택적으로 슬래그 구역에 첨가될 수 있다. 따라서, 슬래그 구역에는 각종 투입구가 장치될 수 있으며, 슬래그 구역의 챔버에 이러한 첨가물을 위한 다수의 포트가 포함될 수 있다.
슬래그
배출구
슬래그 구역에는 슬래구 배출구가 포함된다. 슬래구 배출구에는 용융 슬래그가 배출되는 챔버에 장치된 배출구가 포함된다. 용융 슬래그 풀이 중력에 의해 챔버에서 흘러 나오는 것을 촉진하기 위해, 슬래그 배출구는 보통 챔버 바닥 또는 그 부근에 설치된다. 슬래그 배출구에는 또한 용융 슬래그가 냉각되어 고형화되는 것을 촉진하는 슬래그 냉각 서브시스템이 선택적으로 포함된다. 이러한 냉각 서브시스템에는 예를 들어 냉각수 풀 또는 분무기가 포함될 수 있다.
용융 슬래그는 처리 공정이 진행되는 동안 지속적으로 배출될 수 있다. 용융 슬래그는 당해 기술분야의 기술인이 이해할 수 있는 다양한 방식으로 냉각 및 수거되어 밀도 높은 비가용성의 고형 슬래그를 형성할 수 있다.
선택적으로, 플라즈마열에 의해 재가 처리될 때 생성되는 용융 슬래그가 저장통에 축적된다. 이 용융 슬래그는 지속적으로 배출된다. 즉, 저장통에 축적된 용융 슬래그의 용적이 증가하면 둑 위를 지나 배출구를 통해 처리 챔버로부터 배출된다.
지속적인 배출 장치의 구현은 특히 지속적으로 작동하도록 설계된 시스템에 적합하다.
본 발명의 한 구현에서, 슬래그 배출 장치에는 또한 용융 슬래그를 냉각하여 고형 슬래그 생성물을 생성시키는 슬래그 냉각 서브시스템이 포함된다. 본 발명의 한 구현에서, 용융 슬래그는 냉각수조(78)로 투입된다. 냉각수조는 슬래그를 냉각하여 슬래그가 콘크리트 제조 또는 도로공사 등의 상업적 용도에 적합한 알갱이로 부서지게 하는 효율적인 시스템이 된다. 또한 냉각수조는 슬래그 챔버 하단으로부터 아래쪽의 냉각수조 속으로 뻗어 외부의 각종 가스가 잔류물 처리 챔버에 유입되는 것을 방지하는 장애물 역할을 하는 차열관의 형태로 주변환경에 대한 밀폐 장치가 될 수도 있다. 고형 슬래그 생성물은 컨베이어 시스템에 의해 냉각수조로부터 제거될 수 있다. 또는, 슬래그 냉각 서브시스템에는 냉각수 분무기가 포함될 수도 있다.
슬래그 냉각 서브시스템의 한 구현에서, 용융 슬래그는 벽이 두꺼운 강철 수거 용기에 투하되어 냉각된다. 슬래그 냉각 서브시스템의 한 구현에서, 용융 슬래그는 주변환경에 대해 밀폐된 규사층 또는 주형에 의해 수취되어 소규모 처리 공정 또는 특정 인자의 시험(그러한 시험이 실시될 경우)에 적합한 고형 슬래그로 성형된다. 소형 주형은 예열된 오븐에서 온도가 조절될 수 있다.
슬래그 냉각 서브시스템의 한 구현에서, 용융 슬래그는 유리솜 등의 상업적 제품으로 변환된다.
제어
다중구역 탄소 변환기의 한 구현에서, 다중구역 탄소 변환기 내에서, 또는 다중구역 탄소 변환기에 의해 실행되는 1종 이상의 공정을 제어하기 위해 제어 시스템이 사용될 수 있다. 일반적으로, 가공 공급원료가 합성가스 생성물로 효율적으로 완전히 변환되고, 고형 잔류물(재)이 슬래그로 효율적으로 용융되도록 하기 위해, 제어 시스템은 다양한 공정을 감시 및 조절한다.
제어 시스템에는 시스템의 각종 운전인자를 실시간으로 감시하는 1개 이상의 감지부와 시스템 내의 운전 조건을 조절함으로써 변환 반응을 최적화하는 1개 이상의 감응부가 포함된다. 감지부 및 감응부는 시스템 내에서 일체화되어 있으며, 감응부는 감지부에서 취득된 데이터에 따라 시스템 내의 운전 조건을 조절한다.
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 다중구역 탄소 변환기 내의 조건 및 운전인자를 조절할 필요가 있는지 결정하는 데 사용된다. 반응물질(가공 공급원료 공급 속도, 열풍 및/또는 증기의 공급 등)을 지속적으로 조절하는 한편 시스템 내 각종 구성요소 내의 압력 등 특정 운전 조건을 지속적으로 조절함으로써, 합성가스의 효율적이고 균일한 생산이 가능한 조건 하에서 본 공정을 실행시킬 수 있다.
제어 시스템은 탄소 변환 공정의 효율을 최적화하고 탄소 변환 공정에 의해 발생하는 환경 충격을 억제할 수 있도록 설계 및 설정할 수 있다. 또한 제어 시스템은 지속적 운전 조건 하에서 다중구역 탄소 변환기를 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 가공 공급원료 공급 속도가 조절되어야 하는지 등을 결정하는 데 사용된다.
온도
본 발명의 한 구현에서, 예를 들어 탄소 변환 구역, 구역간 구역, 슬래그 구역 등, 필요에 따라 다중구역 탄소 변환기 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 합성가스 생성물의 온도를 감시하는 장치가 탄소 변환 구역의 합성가스 배출구에 장치될 수도 있다.
시스템 압력
본 발명의 한 구현에서, 가스화 다중구역 탄소 변환기 내 다양한 위치에서의 압력을 감시하는 장치가 제어 시스템에 포함된다. 이 압력 감시 장치에는 시스템 내(예: 챔버의 수직벽)에 장치된 압력변환기, 압력전송기, 압력공 등의 압력 센서가 포함될 수 있다.
가스 유속
본 발명의 한 구현에서, 합성가스의 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 한 구현에서, 합성가스 생성물의 구성을 감시하는 장치가 제어 시스템에 포함된다. 변환 공정에서 생성되는 각종 가스는 숙련 기술인에게 잘 알려진 방법으로 표본을 추출하여 분석할 수 있다.
본 발명의 한 구현에서, 합성가스의 화학적 구성(예: 합성가스의 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소 함량)을 파악하는 데 사용되는 가스 모니터에 의해 합성가스 구성이 감시된다. 본 발명의 한 구현에서, 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 한 구현에서, 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 알 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 가공 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 탄소 변환기는 재가 슬래그로 완전히 용융 및 유리화되도록 하는 플라즈마열의 제어가능성을 이용한다.
본 발명의 한 구현에서, 플라즈마 열원의 출력(및 선택적으로는 위치)을 조절하는 장치가 제어 시스템에 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 한 구현에서, 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 한 구현에서, 용융 챔버가 완전히 밀폐됨으로써 불완전 반응 재료 구역이 없도록 하기 위해 플라즈마 열원의 위치를 조절할 수 있다.
가공 공급원료 공급 속도
본 발명의 한 구현에서, 가공 공급원료가 탄소 변환 구역으로 공급되는 속도를 조절하는 장치가 제어 시스템에 포함된다. 가공 공급원료는 예를 들어 회전 나사 또는 오거 장치에 의해 지속적으로 투입될 수도 있고, 불연속적으로 투입될 수도 있다.
가공 공급원료 투입 장치에 일련의 푸셔램이 포함되는 각각의 경우에서, 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 포함될 경우, 가변 주파수 전동부에 의해 컨베이어 속도를 조절함으로써 재료가 탄소 변환 구역으로 투입되는 속도를 조절할 수 있다.
가공 공급원료 변환 단계를 적절하게 제어함으로써 불완전 변환 재료가 탄소 변환 구역에서 배출되는 것을 방지하기 위해, 공급 속도는 필요에 따라 조절된다.
공정 첨가물 투입
본 발명의 한 구현에서, 탄소 변환 구역 및/또는 슬래그 구역으로 투입되는 공기의 공급 속도 및/또는 양을 조절하거나, 탄소 및 증기 등의 기타 공정 첨가물의 공급을 조절하는 장치가 제어 시스템에 포함된다.
가공 공급원료 변환 온도가 최적으로 유지되도록 하기 위해, 열풍 투입구가 필요에 따라 장치될 수도 있다.
본 발명의 한 구현에서, 합성가스의 구성의 감시 및 분석에서 취득된 데이터를 바탕으로 공정 첨가물을 조절하는 장치가 제어 시스템에 포함된다. 가스 구성 데이터는 지속적으로 취득될 수 있으며, 이 데이터에 따라 공기 및 증기 등 첨가물의 공급을 실시간으로 조절할 수 있다. 공정 첨가물의 종류 및 양은 합성가스의 화학적 구성을 최적화하는 한편 규제 당국의 배출가스 제한을 준수하고 운전비용을 최소화할 수 있도록 신중하게 선정된다.
실시예
실시예
1
도 8, 11 및 18 내지 25를 참조하여, 다중구역 탄소 변환기(110)는 구역간 구역(112)에 의해 위쪽의 탄소 변환 구역(111)과 아래쪽의 슬래그 용융 구역(113)으로 구역적으로 분리되어 있다. 탄소 변환 구역(111)은 약 950℃ 내지 약 1100℃의 온도로 유지되며, 슬래그 용융 구역은 약 1350℃ 내지 약 1600℃의 온도로 유지된다.
도 8, 11 및 18 내지 25를 참조하여, 도면에 예시된 구현에서 다중구역 탄소 변환기(110)에는 수직형 내화 라이닝 챔버(115)가 포함되며, 이 챔버는 가공 공급원료 투입구(120), 가스 배출구(125), 슬래그 배출구(130), 그리고 공기통(135) 및 플라즈마 토치(140)가 포함된 구역별 가열 시스템(2개 온도구역이 설정될 수 있는 시스템)으로 구성되어 있다. 필요할 경우, 투입된 재료의 크기를 균질화하는 그라인더(미도시)가 가공 공급원료 투입구에 선택적으로 장치될 수 있다.
이 챔버(115)는 내화 라이닝 처리된 원통형의 강철 용접물로서 덮개가 있으며, 가장 폭이 넓은 지점의 길이:직경 비율이 약 3.6:1이다. 챔버의 직경은 구역간 구역의 목 부분에서 좁아지며 슬래그 배출구 쪽으로 내려가면서 점점 더 좁아진다. 구역간 구역 내의 구성요소를 포함한 구성요소들을 용이하게 교체할 수 있도록, 이 챔버는 여러 부분으로 구성되어 있다.
본 내화 구조물은 3개 층으로 구성되어 있으며, 내층은 고온에 견디는 크롬-알루미나 내화물이고 중간층 및 외층은 각각 Plicast 절연 내화물 및 절연판이다. 챔버의 하부는 더 높은 동작온도로 인하여 내화물의 두께가 더 두껍다(190mm Shamrock 493, 115mm Plicast LWI-28, 76 mm Insboard 2300HD, 25mm Durablanket가 적용됨). 내화 구조물 상단은 190mm Plicast Hymor 2800, 114mm IFB 및 100 mm Legrit super lite CD로 구성되어 있다.
도 22를 참조하여, 이 구역의 하단에 인접한 지점에 위치한 공기통(135)을 통해 탄소 변환 구역에 열풍이 공급된다. 공기통에 공급되는 공기의 공급량은 변환 공정의 조절을 위해 제어될 수 있다. 공기 유속은 공급량:공기 비율 및 운전온도의 변화에 의해 제어된다. 선택적으로, 증기 투입 포트(136)를 통해 탄소 변환 구역에 증기가 투입될 수 있다.
도 21을 참조하여, 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 8 및 11을 참조하여, 물리적 방해 장치에는 4개의 쐐기형 내화벽돌(150)에 의해 구역간 구역에 장착된 일체형 블록성형 내화 돔(145)이 포함된다. 이 내화 돔은 다중구역 탄소 변환기 내벽과 돔 사이에 간격(155) 또는 공간이 생김으로써 재료가 양 구역 사이에서 유동할 수 있도록 그 크기가 설정되어 있다. 이 간격은 용융 슬래그가 통과할 수 있도록 그 크기가 설정되어 있다. 선택적으로, 내화 돔에는 다수의 구멍(151)이 있을 수 있다.
내화 돔 상단에 장착된 직경 20 내지 100mm의 다수의 알루미나 또는 세라믹 볼(165)은 하나의 층을 형성하여 열풍을 분산시키는 한편, 구역간 구역에서 재가 슬래그로 1차적으로 용융되도록 플라즈마열이 재에 전도되는 것을 촉진한다. 본 구현에서, 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 버너(139)가 장착되는 버너 포트, 열풍 및 탄소 및/또는 소각재 등의 각종 공정 첨가물이 투입되는 포트 등, 각종 포트가 포함된다. 도 23을 참조하여, 슬래그 용융 구역에는 플라즈마 토치(140)와, 공압식 컨베이어 가스 및 열풍 투입 노즐과 서로 엇갈리게 배치된 공기 노즐(141)이 장치되어 있다. 열풍, 탄소 및/또는 소각재 및 플라즈마 토치는 고온 가스 발생기(HGG)를 형성하여 고온 가스(>1600℃)로 재의 용융을 촉진한다. 플라즈마 토치는 출력이 300kW이고, 수냉식이며, 구리 전극을 사용한 NTAT, DC 플라즈마 토치이다. 선택적으로, 탄소 투입구 또는 공기 노즐에 의해 탄소 및/또는 소각재가 투입될 수 있다. 도 24를 참조하여, 슬래그 구역 챔버에는 또한 시동용 버너(139)가 장착되는 포트가 포함된다.
도 25를 참조하여, 용융 슬래그는 슬래그 구역에서 배출된 후 냉각수 분무기를 통과하여 알갱이로 고형화된다. 고형화된 슬래그는 드래그 체인 어셈블리(114)를 통해 제거된다.
플라즈마 토치(140)는 토치(140)를 슬래그 용융 구역으로 밀어넣거나 슬래그 용융 구역으로부터 빼낼 수 있는 슬라이딩 장치 위에 장착되어 있다. 선택적으로, 더 높은 열을 가하도록 토치를 더 가까이 배치할 수도 있다. 토치(140)는 밀폐 마개에 의해 챔버와 밀폐 연결된다. 이 마개는 게이트 밸브(3209)와 밀폐 연결되며, 게이트 밸브는 챔버 상부에 장착 및 밀폐 연결된다. 토치(140)를 제거하려면 슬라이딩 장치를 사용하여 챔버(115)에서 빼내면 된다. 안전을 위해, 슬라이드의 초기 운동에 의해 고전압의 토치 전원이 차단된다. 게이트 밸브는 토치(140)가 게이트 밸브 뒤로 후퇴하여 냉각제의 순환이 중단되면 자동으로 닫힌다. 토치(140)에서 호스 및 케이블을 분리하고 게이트 밸브에서 마개를 제거한 다음, 호이스트를 사용하여 토치(140)를 들어낸다.
토치(140)의 교체는 위 절차의 역순으로 이루어진다. 슬라이딩 장치는 토치(140) 삽입 깊이의 변경이 허용되도록 조절할 수 있다.
공정이 자동으로 진행되도록, 게이트 밸브는 기계적으로 작동된다. 냉각 시스템이 고장날 경우 토치가 자동으로 철수되도록 하는 데에는 공압 액추에이터(pneumatic actuator)가 사용된다. 전력 공급이 중단될 경우에도 동력이 공급되도록 하기 위해, 공압 액추에이터의 작동을 위한 압축공기는 전용 공기저장통으로부터 공급된다. 이 공기저장통은 게이트 밸브용 공기도 공급한다. 고전압의 토치 연결부에의 접근을 방지하는 추가 안전장치로서, 전기적으로 연동된 덮개가 사용된다.
각 구역 내의 온도가 사전설정된 온도로 유지되고, 사전설정된 온도 이하로 떨어질 경우 플라즈마 토치 또는 공기 투입을 위한 동력이 증가하도록, 탄소 변환기 내 다양한 지점에 열전대가 장치되어 있다.
실시예
2
다중구역 탄소 변환기의 일반적 구조 및 설계는 위에 설명한 것과 같다. 즉, 탄소 변환 구역 및 슬래그 구역이 예 1에 기술된 것과 사실상 동일하다. 도 10 및 26을 참조하여, 도면에 예시된 구현에서 다중구역 탄소 변환기(310)에는 수직형 내화 라이닝 챔버(315)가 포함되며, 이 챔버는 가공 공급원료 투입구(미도시), 가스 배출구(325), 슬래그 배출구(330), 그리고 공기 투입구(미도시) 및 플라즈마 토치(340)가 포함된 구역별 가열 시스템(2개 온도구역이 설정될 수 있는 시스템)으로 구성되어 있다.
도 10 및 26을 참조하여, 구역간 구역에는 탄소 변환 구역으로부터 슬래그 구역으로의 재료의 유동을 제어하기 위한 물리적 방해 장치가 포함된다. 본 구현에서, 물리적 방해 장치에는 장착 링(350) 내부에 장착된, 사실상 서로 평행을 이루는 일련의 내화 라이닝 관(345)이 포함된다. 이 일련의 관은 서로 인접한 관 사이에 간격(355)이 생기도록 장착되어 있다. 선택적으로, 방해 장치 상단에 장착된 직경 20 내지 100mm의 다수의 알루미나 볼 또는 세라믹 볼이 하나의 층을 형성하여 열풍을 분산시키는 한편, 구역간 구역에서 재가 슬래그로 1차적으로 용융되도록 플라즈마열이 재에 전도되는 것을 촉진한다.
사실상 서로 평행을 이루는 일련의 내화 라이닝 관(345)의 상면의 타공구를 통해 열풍이 탄소 변환 구역으로 유입된다.
실시예
3
다중구역 탄소 변환기의 일반적 구조 및 설계는 위에 설명한 것과 같다. 즉, 탄소 변환 구역 및 슬래그 구역이 예 1에 기술된 것과 사실상 동일하다. 도 27을 참조하여, 도면에 예시된 구현에서 다중구역 탄소 변환기(210)에는 수직형 내화 라이닝 챔버(315)가 포함되며, 이 챔버는 가공 공급원료 투입구(미도시), 합성가스 배출구(미도시), 슬래그 배출구(230), 그리고 공기 투입구(미도시) 및 플라즈마 토치(240)가 포함된 구역별 가열 시스템(2개 온도구역이 설정될 수 있는 시스템)으로 구성되어 있다.
도 27을 참조하여, 구역간 구역에는 탄소 변환 구역으로부터 슬래그 구역으로의 재료의 유동을 제어하기 위한 물리적 방해 장치가 포함된다. 본 구현에서, 물리적 방해 장치에는 서로 맞물린 일련의 내화 벽돌(245)이 포함된다. 이 일련의 벽돌은 서로 인접한 벽돌 사이에 간격(255)이 생기도록 장착부(250) 위에 장착되어 있다.
실시예
4
도 28을 참조하여, 도면에 예시된 구현에서 다중구역 탄소 변환기(부분적으로 도시)에는 수직형 내화 라이닝 챔버(415)가 포함되며, 이 챔버는 가공 공급원료 투입구(미도시), 합성가스 배출구(미도시), 슬래그 배출구(430), 그리고 공기 투입구(435), 플라즈마 토치(440) 및 선택적인 출강구(446)가 포함된 구역별 가열 시스템(2개 온도구역이 설정될 수 있는 시스템)으로 구성되어 있다.
도 28을 참조하여, 탄소 변환 구역은 중앙에 설치되어 있고 슬래그 구역은 챔버의 주변부를 향하도록 설치되어 있다. 탄소 변환 구역이 슬래그 구역의 상위에 위치함으로써 두 구역 간의 재료의 단향적 유동이 촉진되도록, 챔버의 바닥이 경사를 이루고 있다. 이 두 구역은 구역간 구역에 의해 분리되어 있다. 구역간 구역에는 탄소 변환 구역으로부터 슬래그 구역으로의 재료의 유동을 제어하기 위한 물리적 방해 장치가 포함된다. 본 구현에서, 물리적 방해 장치에는 사실상 수직형이고 사실상 서로 평행을 이루는 일련의 내화 라이닝 타공관(445)이 포함된다. 이 타공관의 구멍을 통해 탄소 변환 구역에 열풍이 유입되어 가공 공급원료 더미의 중심에 투입됨으로써 가공 공급원료에 함유된 탄소가 변환 및 가열된다. 하단에서 공기가 나오면서 약간 가열되며 타공관은 냉각된다. 공기가 슬래그 구역의 공기 투입구(441)를 통해 타공관 외부에 투사되어 타공관 외면을 고온으로 유지함으로써 슬래그가 냉각되는 것을 방지한다.
슬래그 구역의 경사 바닥은 잔류물이 용융 슬래그로 용융되도록 플라즈마 토치가 있는 챔버 측면 쪽으로 흐르게 한다. 배출된 슬래그는 냉각수 분무기를 거쳐 아래쪽의 호퍼에 투하된다.
실시예
5
다중구역 탄소 변환기의 일반적 구조 및 설계는 위에 설명한 것과 같다. 즉, 탄소 변환 구역 및 슬래그 구역이 예 1에 기술된 것과 사실상 동일하다. 탄소 변환 구역의 일부, 구역간 구역 및 슬래그 구역을 나타낸 도 29를 참조하여, 다중구역 탄소 변환기(510)에는 수직형 내화 라이닝 챔버(515)가 포함되며, 이 챔버는 가공 공급원료 투입구(미도시), 합성가스 배출구(미도시), 슬래그 배출구(530), 그리고 공기 투입구(미도시) 및 플라즈마 토치(540)가 포함된 구역별 가열 시스템(2개 온도구역이 설정될 수 있는 시스템)으로 구성되어 있다.
도 29를 참조하여, 구역간 구역에는 탄소 변환 구역으로부터 슬래그 구역으로의 재료의 유동을 제어하기 위한 물리적 방해 장치가 포함된다. 본 구현에서, 물리적 방해 장치에는 톱니형 돔(545)이 포함된다.
실시예
6
다중구역 탄소 변환기의 일반적 구조 및 설계는 위에 설명한 것과 같다. 즉, 슬래그 구역의 설계는 제외하고 탄소 변환 구역 및 슬래그 구역이 예 1에 기술된 것과 사실상 동일하다. 도 30(탄소 변환 구역의 일부, 구역간 구역 및 슬래그 구역을 나타낸)을 참조하여, 슬래그 구역의 챔버에는 플라즈마 토치(640), 탄소 및/또는 소각재 투입구(642), 열풍 투입구(641) 등이 장치된 고온 가스 발생기(622)가 포함된다.
실시예
7
도 6을 참조하여, 다중구역 탄소 변환기의 일반적 구조 및 설계는 위에 설명한 것과 같다. 즉, 탄소 변환 구역 및 슬래그 구역이 예 1에 기술된 것과 사실상 동일하다. 탄소 변환 구역의 일부, 구역간 구역 및 슬래그 구역을 나타낸 도 6을 참조하여, 다중구역 탄소 변환기(610)에는 수직형 내화 라이닝 챔버(615)가 포함되며, 이 챔버는 가공 공급원료 투입구(미도시), 합성가스 배출구(미도시), 슬래그 배출구(630), 그리고 공기 투입구(미도시) 및 플라즈마 토치(640)가 포함된 구역별 가열 시스템(2개 온도구역이 설정될 수 있는 시스템)으로 구성되어 있다.
도 6을 참조하여, 구역간 구역(슬래그 구역에 인접한)에는 탄소 변환 구역으로부터 슬래그 구역으로의 재료의 유동을 제어하기 위한 물리적 방해 장치가 포함된다. 본 구현에서, 물리적 방해 장치에는 다수의 세라믹 볼(645)이 포함된다.
실시예
8
도 32를 참조하여, 다중구역 탄소 변환기의 일반적 구조 및 설계는 위에 설명한 것과 같다. 즉, 탄소 변환 구역 및 구역간 구역이 예 1에 기술된 것과 사실상 동일하다. 슬래그 구역의 바닥에는 회전식 경사 내화 테이블이 포함된다. 테이블 상판의 회전은 용융 슬래그의 배출을 촉진한다. 선택적으로, 이 테이블에는 플라즈마 열전도를 촉진하기 위한 다수의 세라믹 볼이 포함될 수 있다. 슬래그 구역의 바닥은 위로 들어올려 처리 구역으로부터 철수시킬 수 있다.
탄소 변환 구역의 일부, 구역간 구역 및 슬래그 구역을 나타낸 도 32를 참조하여, 다중구역 탄소 변환기(810)에는 수직형 내화 라이닝 챔버(815)가 포함되며, 이 챔버는 가공 공급원료 투입구(미도시), 합성가스 배출구(미도시), 슬래그 배출구(830), 그리고 공기 투입구(미도시), 플라즈마 토치(840) 및 방해 장치(845)가 포함된 구역별 가열 시스템(2개 온도구역이 설정될 수 있는 시스템)으로 구성되어 있다.
내화 라이닝 테이블 상판은 외장형 전동기(847)와 연결 작동하는 구동축(846) 위에 장착되어 있다. 슬래그 바닥 어셈블리는 청소가 용이하도록 구역간 구역 및 탄소 변환 구역으로부터 쉽게 분리할 수 있으며 레일 위에 장착된 승강식 테이블 위에 장착되어 있다. 다수의 세라믹 볼(848)은 플라즈마열의 전도를 촉진한다.
선택적으로, 용융 슬래그는 슬래그 배출구(830)에서 배출된 직후 냉각수 분무기에 의해 냉각되며, 고형화된 슬래그는 드래그 체인 위에 투하되어 제거된다.
실시예
9
탄소 변환 구역의 일부, 구역간 구역 및 슬래그 구역을 나타낸 도 33을 참조하여, 다중구역 탄소 변환기(910)에는 수직형 내화 라이닝 챔버(915)가 포함되며, 이 챔버는 가공 공급원료 투입구(미도시), 합성가스 배출구(미도시), 슬래그 배출구(930), 그리고 공기 투입구(미도시), 플라즈마 토치(940), 프로판 또는 천연가스 버너(937) 및 방해 장치(945)가 포함된 구역별 가열 시스템(2개 온도구역이 설정될 수 있는 시스템)으로 구성되어 있다.
방해 장치에는 회전식 원뿔형 내화 구조물(921)이 포함되며, 이 내화 구조물은 외장형 전동기(942)와 연결된 구동축(933)이 장치된 구동기 받침부 위에 장착되어 있다. 회전식 원뿔형 내화 구조물의 하부에는 슬래그가 챔버에서 배출되기 전에 축적되는 저장조(978)가 포함된다. 방해장치/슬래그 바닥 어셈블리는 청소가 용이하도록 구역간 구역 및 탄소 변환 구역으로부터 쉽게 분리할 수 있으며 레일 위에 장착된 승강식 테이블 위에 장착되어 있다
선택적으로, 용융 슬래그는 슬래그 배출구(930)에서 배출된 직후 냉각수 분무기에 의해 냉각되며, 고형화된 슬래그는 드래그 체인 위에 투하되어 제거된다.
실시예
10
도 12를 참조하여, 도면에 예시된 구현에서 다중구역 탄소 변환기(1010)에는 수직형 내화 라이닝 챔버(1015)가 포함되며, 이 챔버는 가공 공급원료 투입구(1020), 플라즈마 가스 정련 챔버(1066)와 소통하는 합성가스 배출구(1025), 슬래그 배출구(1030), 외장형 전동기 어셈블리(1032)가 장착된 교반기(1031), 그리고 공기 투입구(1041), 플라즈마 토치(1040)가 포함된 구역별 가열 시스템(2개 온도구역이 설정될 수 있는 시스템)으로 구성되어 있다.
구역간 구역에는 탄소 변환 구역으로부터 슬래그 구역으로의 재료의 유동을 제어하기 위한 물리적 방해 장치가 포함된다. 본 구현에서, 물리적 방해 장치에는 구역간 구역 내에 장착된 회전 그레이트(645)가 포함된다. 고형 잔류물은 구역간 구역을 통과하여 슬래그 구역 내에서 용융된다. 도 12(A) 및 (B)는 범례적 그레이트 설계를 나타낸 것이다.
Claims (12)
- 가공 공급원료를 합성가스 및 슬래그로 변환하기 위한 다중구역 탄소 변환기로서, 슬래그 구역과 소통하는 탄소 변환 구역을 포함하고, 상기 탄소 변환 구역과 상기 슬래그 구역이 구역간 구역(inter-zonal region)에 의해 분리되어 있는 챔버;
공급원으로부터 가공 공급원료를 수용하기 위한 가공 공급원료 투입구, 합성가스 배출구 및 공기 투입구를 포함하는 상기 탄소 변환 구역;
상기 구역간 구역을 부분적 또는 간헐적으로 차단함으로써 상기 탄소 변환 구역과 상기 슬래그 구역 사이의 재료의 유동을 제한하는 방해 장치를 포함하는 상기 구역간 구역; 및
플라즈마 열원 및 슬래그 배출구를 포함하는 상기 슬래그 구역을 포함하고,
상기 가공 공급원료가 상기 탄소 변환 구역에서 합성가스 및 재(ash)로 변환되며, 상기 재가 상기 플라즈마 열원으로부터 열의 적용에 의하여 상기 구역간 구역 및/또는 상기 슬래그 구역에서 용융 슬래그로 변환되는,
다중구역 탄소 변환기. - 제1항에 있어서, 상기 공기 투입구가 열풍 투입구인 다중구역 탄소 변환기.
- 제1항에 있어서, 상기 공기 투입구가 1개 이상의 공기통인 다중구역 탄소 변환기.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방해 장치가 4개의 쐐기형 내화벽돌에 의해 상기 구역간 구역에 장착된 고형의 예비-캐스트(pre-cast) 내화 돔이고, 상기 다중구역 탄소 변환기의 내벽과 상기 돔 사이에 간격 또는 공간을 제공하는 크기로 되어 있는 다중구역 탄소 변환기.
- 제4항에 있어서, 상기 챔버가 실질적으로 수직으로 배향된, 원통형 챔버이고 상기 구역간 구역이 상기 챔버의 협착부를 형성하는 다중구역 탄소 변환기.
- 제5항에 있어서, 상기 슬래그 구역이 원뿔형의 슬래그 배출구 쪽으로 점점 더 좁아지는(tapers) 다중구역 탄소 변환기.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방해 장치가 그레이트(grate)인 다중구역 탄소 변환기.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구역간 구역이 상기 슬래그 구역으로부터 상기 구역간 구역으로 플라즈마 열을 전도하기 위한 열전도 요소를 더 포함하는 다중구역 탄소 변환기.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 시스템을 더 포함하는 다중구역 탄소 변환기.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 가공 공급원료 예비-처리 모듈을 더 포함하는 다중구역 탄소 변환기.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 슬래그 냉각 모듈을 더 포함하는 다중구역 탄소 변환기.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마 열원이 플라즈마 토치인 다중구역 탄소 변환기.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/CA2008/000452 WO2008104088A1 (en) | 2007-02-27 | 2008-02-27 | A multi-zone carbon conversion system with plasma melting |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20110000555A true KR20110000555A (ko) | 2011-01-03 |
Family
ID=42983330
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020107021532A KR20110000555A (ko) | 2008-02-27 | 2008-02-27 | 플라즈마 용융을 이용한 다중구역 탄소 변환 시스템 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20110000555A (ko) |
| AU (1) | AU2008221169B2 (ko) |
| HK (1) | HK1159228A1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170190470A1 (en) * | 2014-06-22 | 2017-07-06 | Cup-It Bottle Lables Ltd. | Highly versatile label, particularly for bottles of beverages and the like |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110527559B (zh) * | 2019-09-04 | 2024-02-09 | 刘冠诚 | 一种等离子体气化熔融尾矿环保处理炉 |
| CN114324550B (zh) * | 2022-01-07 | 2023-08-29 | 中国矿业大学 | 一种煤型关键金属矿产原位开发的方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2610808A1 (en) * | 2005-06-03 | 2006-12-07 | Plasco Energy Group Inc. | A system for the conversion of coal to a gas of a specified composition |
| JP2009545636A (ja) * | 2006-06-05 | 2009-12-24 | プラスコエナジー アイピー ホールディングス、エス．エル．、ビルバオ、シャフハウゼン ブランチ | 垂直な連続処理領域を含むガス化装置 |
-
2008
- 2008-02-27 AU AU2008221169A patent/AU2008221169B2/en active Active
- 2008-02-27 KR KR1020107021532A patent/KR20110000555A/ko not_active Application Discontinuation
-
2011
- 2011-12-15 HK HK11113550.2A patent/HK1159228A1/xx unknown
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170190470A1 (en) * | 2014-06-22 | 2017-07-06 | Cup-It Bottle Lables Ltd. | Highly versatile label, particularly for bottles of beverages and the like |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| HK1159228A1 (en) | 2012-07-27 |
| AU2008221169B2 (en) | 2014-01-16 |
| AU2008221169A1 (en) | 2008-09-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2716913C (en) | A multi-zone carbon conversion system with plasma melting | |
| KR101389675B1 (ko) | 통합 처리 구역이 있는 탄소 변환 장치 | |
| US20110062013A1 (en) | Multi-Zone Carbon Conversion System with Plasma Melting | |
| US20070258869A1 (en) | Residue Conditioning System | |
| US20080104887A1 (en) | Residue conditioning system | |
| AU2006263623B2 (en) | Waste treatment process and apparatus | |
| US8438983B2 (en) | Waste treatment process and apparatus | |
| KR20110000555A (ko) | 플라즈마 용융을 이용한 다중구역 탄소 변환 시스템 | |
| US11788021B2 (en) | Reactor and process for gasifying and/or melting of feed materials | |
| EP4026885A1 (en) | Reactor and process for gasifying and/or melting of feed materials and for the production of hydrogen | |
| CA2703808A1 (en) | A residue conditioning system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |