KR20110081186A - 고온 가스 정제 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분류층 가스화 시설에 의해 발생된 고온의 생가스를 처리하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것으로, 고온 가스가 그 밖의 사용을 위해 제공되도록 황 및 탄소 함유 화합물의 분리가 수행되어야 한다. 이는 고온 가스의 유동 경로에서 가스화기 (2) 의 하류에는 황성분 제거 장치 (7) 가 직렬로 연결되어 있으며, 상기 황성분 제거 장치의 하류에는 고체 집진기 (8, 9) 가 연결되어 있고, 상기 고체 집진기 (8, 9) 의 하류에서 가스의 부분흐름 (13) 이 워터 퀀치 (14) 를 거쳐 벤투리 세척기 (15), 생가스 냉각기 (16), 그리고 H2O 분리기 (17) 및 압축기 (18) 에 공급되며, 그의 유동 경로 (19) 가 상기 가스화기 (2) 의 하류와 상기 황성분 제거 장치의 상류 사이에 냉각되어 복귀됨으로써 달성된다.

Description

고온 가스 정제{HOT GAS PURIFICATION}
본 발명은 분류층 가스화 시설에 의해 발생된 고온의 생가스 (raw gas) 를 처리하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
탄소 함유 연료 (석탄, 바이오매스, 화학 시설로부터의 찌꺼기, 오리멀젼 (orimulsion) 등등) 의 분류층 가스화에서의 문제는 하류에 배치되어 있는 시스템 구성요소들이 염화수소 및 황화수소에 의해 부식 작용에 노출되어 있다는 것이다. 이에 대처하여, 염화수소 및 황화수소의 농도를 크게 내리고자 노력한다.
종래에는 염화수소 및 황화수소의 분리가 주로 차가운 영역에서 습식 방법으로 적합한 작용물질 (agents) 및 세척제에 의해 수행되었다. 차가운 가스 (cold gas) 영역에서의 방법의 단점은 가스 세척을 위해 가스가 냉각되어야만 한다는 것이다. 이로 인해 상당한 효율손실 및 높은 기술적 비용이 발생한다.
에너지론적 및 경제적인 면에서 볼 때, 몇몇의 공정에 있어서, 냉각을 피하기 위해 염소 및 황 함유 가스 성분들의 분리를 가능한 한 고온 범위에서 실행하는 것이 바람직하다. 즉, 고온 가스는 예컨대 철 직접환원 (iron direct reduction) 에 냉각 없이 전달될 수 있다. 예컨대, 환원가스가 보다 큰 냉각 없이 곧바로 가스 터빈에 운반되면 효율 개선이 달성될 수 있다. 이 방식이 또한 그 밖의 공정들에 응용되는 것이 가능하다.
생가스 처리는 여러 가지 구현형태로 공지되어 있다. 일례로 출원인의 DE 35 37 493 A1 을 참조하거나 또는 그 밖의 문헌들 DE 35 31 918 A1, DE 42 38 934 C2, DE 43 17 319 B4 또는 DE 690 03 183 T3 을 참조하도록 한다.
그러므로, 상기 이유들로 인해, 본 발명의 목적은 고온 가스가 그 밖의 사용을 위해 제공되도록 황 및 탄소 함유 화합물의 분리를 수행하는 것이다.
이 목적은, 도입부에 기재된 유형의 방법에 있어서, 본 발명에 따르면 고온의 생가스는 - 600℃ 보다 뜨거운 - 황성분 제거부 및 HCl 제거부에 공급되며, 그 후, 퀀치 가스-냉각 흐름 (quench gas-cooling flow) 을 형성하기 위한 부분흐름 (partial flow) 이 인출되고, 그리고 냉각, 정밀 먼지제거, 건조 및 압축 후, 분류층 가스화기의 하류에 있는 고온의 생가스 흐름에 다시 공급됨으로써 달성된다.
분류층 가스화기에 있어서, 반응 구역에서는 1200 와 1600 ℃ 사이의 온도들이 발생한다. 이 온도범위에서, 남아 있는 슬래그 입자들은 액체 상태이며 및/또는 끈적거리고, 그렇기 때문에 오염을 저지하기 위해 고체 상태로 전환되어야 한다. 하류에 배치되어 있는 시스템 부품들 안에서의 침전 또는 막힘을 저지하기 위해, 그리고 이상적인 온도대역 (temperature window) 안에서 흡착제들 (sorbents) 을 이용한 염소 및 황 함유 화합물 제거의 장점을 이용하기 위해, 고온의 환원가스 (reduction gas) 를 가스화 공정으로부터의 재순환된 생가스에 의해 냉각시키는 것이 의미가 있다.
냉각을 위한 재순환된 생가스는 퀀치 가스 공정으로부터 유래하며, 상기 퀀치 가스 공정에서 상기 생가스는 특히 냉각되고, 그리고 먼지가 제거된다. 상기 퀀치 가스 공정에서, 생가스의 부분흐름은 워터 퀀치 (water quench) 안의 물에 의해 냉각되며, 그리고 부분적으로 HCl 가 제거된다. 냉각된, HCl 함유량이 보다 적은 상기 생가스로부터 아직 계속해서 먼지가 정밀하게 제거되어야 한다. 정밀한 먼지제거를 위해 벤투리 세척기가 이용된다. 냉각된, 그리고 나머지 먼지가 제거된 상기 생가스는 아직 물을 포함하고 있다. 상기 생가스 안에 존재하는 물은 농축되어야 한다. 이를 위해 상기 생가스는 열교환기 표면들을 통해 냉각되며, 그리고 농축되는 물은 분리기들을 통해 분리된다. 상기 생가스는 또한 생가스 압축기를 수단으로 하여 가스화 압력으로 압축되어야 한다.
상기 압축 후 흡착제가 생가스 흐름 안으로 도입될 수 있다. 냉각된, 압축된 상기 생가스는 이제 가스화 공정의 반응 구역으로부터의 생가스 흐름을 냉각시키기 위해 사용될 수 있다. 이 이외에, 얻어진 퀀치 가스 흐름을 그 밖의 압축 후, 먼지 및 황 함유 화합물을 거르기 위한 필터 요소들 (filter elements) 의 조합된 클리닝 (cleaning) 을 위해 사용하는 것이 유리하다.
본 발명에 따른 방법의 장점은, 이 가스의 너무 심한 냉각이 저지되고, 이 경우 부분흐름의 재순환과 함께 본 발명에 따른 방법의 최적의 제어가 가능하다는 것이다.
본 발명의 구현형태들은 종속항들에 나타나 있다. 이에 따르면, 예컨대, 상기 고온의 생가스에는, 황성분 제거 및/또는 HCl 제거를 위해 흡착제들이 공급될 수 있다.
이 흡착제는 예컨대 산화칼슘 또는 석회석일 수 있지만 탄산칼슘, 수산화칼슘이 이용될 수도 있다. 본 발명의 그 밖의 구현형태에 따르면, 흡착제들 (첨가제들) 은 재순환된 퀀치 가스 흐름에 및/또는 분류층 가스화기에 및/또는 연료에 및/또는 먼지 제거 전에 및/또는 먼지 제거 후에 첨가된다.
이 경우, 일반적으로 이러한 유형의 흡착제의 첨가, 또는 첨가 장소는 이용된 시스템의 유형 및 또는 이용된 첨가제의 유형에 따른다.
본 발명의 바람직한 개선형태에 따르면, 상기 분기된 (branched) 퀀치 가스 흐름은 발생된 고온의 생가스로 공급되기 전에 워터 퀀치, 벤투리 세척기, 생가스 냉각기를 거쳐 H2O 분리기 및 생가스 압축기에 공급되며, 이때 또한, 재순환된 퀀치 가스 흐름의 일부는 그 밖의 생가스 압축 (raw gas compression) 을 거쳐 클리닝 가스로서 캔들 필터 (candle filter) 에 공급될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 그 밖의 구현형태에 따르면, 발생된 고온의 생가스 흐름은 원심 분리기 (cyclone separator) 및/또는 캔들 필터를 통해 정제되며, 상기 원심 분리기 및/또는 상기 캔들 필터는 상기 황성분 제거부의 상류에 또는 하류에 배치되어 있다.
본 발명에 따른 방법을 특히 경제적으로 설계하기 위해, 흡착제로서 산화칼슘 또는 석회석이 이용될 수 있으며, 상기 흡착제는 그의 분리능력 저하시 대체되고, 또는 수증기가 첨가된 연도가스 (flue gas) 를 수단으로 하여 재생되며 및/또는 그 밖의 흡착제들, 예컨대 철광석 등등이 이용된다.
본 발명은 또한 상기 청구 내용 중 어느 하나에 따른 방법을 실행하기 위한 시스템에 관한 것으로, 상기 시스템은, 고온 가스의 유동 경로 (flow path) 에서 가스화기의 하류에는 황성분 제거 장치가 직렬로 연결되어 있으며, 상기 황성분 제거 장치의 하류에는 고체 집진기가 연결되어 있고, 상기 고체 집진기의 하류에서 가스의 부분흐름은 워터 퀀치를 거쳐 벤투리 세척기, 생가스 냉각기, 그리고 H2O 분리기 및 압축기에 공급되며, 그의 유동 경로는 상기 가스화기의 하류와 상기 황성분 제거 장치의 상류 사이에 냉각되어 복귀됨으로써 그 탁월함을 나타낸다.
약간 변경된 시스템 구현형태에서는, 본 발명에 따르면, 고온 가스의 유동 경로에서 가스화기의 하류에는 고체 집진기가 직렬로 연결되어 있으며, 상기 고체 집진기에는 황성분 제거 장치 및 그 밖의 고체 집진기가 뒤따르고, 상기 고체 집진기의 하류에서 가스의 부분흐름은 워터 퀀치를 거쳐 벤투리 세척기, 생가스 냉각기, 그리고 H2O 분리기 및 압축기에 공급되며, 그의 유동 경로는 상기 가스화기의 하류와 상기 황성분 제거 장치의 상류 사이에 냉각되어 복귀된다.
그 밖의 바람직한 구현형태에 따르면, 냉각된 부분 가스 흐름으로부터, 주 가스 흐름으로 공급되기 전에 가스 압축기를 갖고 그 밖의 부분흐름이 인출되며, 상기 부분흐름은 캔들 필터로서 형성된 고체 집진기를 주 가스 흐름에서 클리닝한다.
이 경우, 가스화기에 연료 및 산소 이외에 첨가제 공급도 할당되어 있으면 및/또는 냉각된 부분 가스 흐름의 복귀 라인에 첨가제 공급이 할당되어 있으면 바람직할 수 있다.
첨가제 공급은 변경된 시스템 구현형태에서 상기 원심 분리기와 상기 황성분 제거 장치 사이에 제공될 수 있다.
본 발명의 그 밖의 특징들, 상세 내용 및 장점들은 하기의 설명 및 도면을 참조로 나타나 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 시스템의 개략적인 접속도를 나타내는 도면이다.
도 2 는 변경된 개략적인 접속도를 나타내는 도면이다.
도 1 과 관련하여, 전체적으로 1 로 표시되어 있는 본 발명에 따른 시스템은 가스화기 (2) 를 구비하며, 상기 가스화기 (2) 에는 연료 (3), 산소 (4) 및 경우에 따라서는 첨가제 (5) 가 공급되고, 이는 도면에 상징적으로만 표시되어 있다. 상기 가스화기로부터 - 이는 파선 화살표에 의해 도시되어 있다 - 슬래그 (6) 가 배출된다.
1200 내지 1600℃ 의 온도를 가진 상기 가스화기를 떠나가는 가스는 퀀치 가스 흐름 (19) 을 갖고 약 800℃ 로 냉각되며, 그리고 황성분 제거 장치에 공급되고, 상기 황성분 제거 장치는 가스 안내 과정시 8 로 표시되어 있는 원심 분리기와 캔들 필터 (9) 에 작용하며, 먼지 배출 또는 소모된 첨가제의 배출은 이 시스템 부품들에서 파선으로 도시되어 있고, 10 및 11 로 표시되어 있다.
결국, 고온의 유용가스 (useful gas) 는 상기 시스템을 떠나가며, 이는 상자 모양 기호 (12) 로 암시되어 있다.
캔들 필터 (9) 의 하류에는 라인 (13) 이 암시되어 있으며, 상기 라인을 통해 고온 가스의 일부는 워터 퀀치 (14) 에 공급되고, 그곳으로부터 벤투리 세척기 (15) 에 공급되며, 결국 생가스 냉각기 (16) 에 공급되고, H2O 분리기 (17) 가 뒤따르며, 그리고 생가스 압축기 (18) 에 공급되며, 이렇게 압축되고 냉각된 가스 부분 흐름은 라인 (19) 을 통해 가스화기 (2) 와 황성분 제거 장치 (7) 사이의 주 가스 흐름에 온도를 조절하기 위해 공급된다.
결국, 첨가제가 라인 (19) 의 이 마지막 위치에서 첨가될 수 있음이 (이는 점선 화살표 (20) 로 암시되어 있다) 도 1 에 또한 암시되어 있다.
도 2 에 따른 실시예에서, 차이는 본질적으로 가스화기 (2) 의 하류에 우선 원심 분리기 (8) 로서 형성된 고체 집진기가 연결되어 있고, 상기 고체 집진기에 황성분 제거 장치 (7) 가 뒤따른다는 것이며, 도 2 에서의 모든 그 밖의 시스템 요소들은 도 1 에서와 동일한 참조부호를 지니고 있다. 첨가제를 첨가할 수 있는 가능성은 도 2 에 점선 화살표 (21) 로 도시되어 있으며, 이 경우 공급은 원심 분리기 (8) 와 황성분 제거 장치 (7) 사이에서 수행된다.
상기 두 접속에서 공통적인 것은, 복귀된 냉각된 가스의 부분흐름이 라인 (22) 을 통해 생가스 압축기 (23) 에 공급될 수 있다는 것이며, 상기 라인은 예컨대 캔들 필터 (9) 를 위한 클리닝 가스를 제공하고, 이는 파선으로 된 라인 (22a) 으로 도시되어 있다.
1 : 시스템 2 : 가스화기
3 : 연료 공급 4 : 산소 첨가
5 : 첨가제 첨가 6 : 슬래그 배출
7 : 황성분 제거 8 : 원심 분리기
9 : 캔들 필터 10 : 고체 배출
11 : 고체 배출 12 : 유용가스
13 : 라인 14 : 워터 퀀치
15 : 벤투리 세척기 16 : 생가스 냉각
17 : H2O 분리 18 : 생가스 압축
19 : 라인 20 : 첨가제 첨가
21 : 첨가제 첨가 22 : 라인
22a : 라인 23 : 생가스 압축기

Claims (14)

  1. 분류층 가스화 시설에 의해 발생된 고온의 생가스를 처리하기 위한 방법에 있어서,
    상기 고온의 생가스는 - 600℃ 보다 뜨거운 - 황성분 제거부 및 HCl 제거부에 공급되며, 그 후, 퀀치 가스-냉각 흐름을 형성하기 위한 부분흐름이 인출되고, 그리고 냉각, 정밀 먼지제거, 건조 및 압축 후, 상기 분류층 가스화기의 하류에 있는 고온의 생가스 흐름에 다시 공급되는 것을 특징으로 하는, 분류층 가스화 시설에 의해 발생된 고온의 생가스를 처리하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고온의 생가스 흐름에는, 황성분 제거 및/또는 HCl 제거를 위해 흡착제들이 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 흡착제들 (첨가제들) 은 재순환된 퀀치 가스 흐름에 및/또는 분류층 가스화기에 및/또는 연료에 및/또는 먼지 제거 전에 및/또는 먼지 제거 후에 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 분기된 퀀치 가스 흐름은 발생된 고온의 생가스로 공급되기 전에 워터 퀀치, 벤투리 세척기, 생가스 냉각기를 거쳐 H2O 분리기 및 생가스 압축기에 안내되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 재순환된 퀀치 가스 흐름의 일부는 그 밖의 생가스 압축을 거쳐 클리닝 가스로서 캔들 필터에 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 발생된 고온의 생가스 흐름은 원심 분리기 및/또는 캔들 필터를 통해 정제되며, 상기 원심 분리기 및/또는 상기 캔들 필터는 상기 황성분 제거부의 상류에 또는 하류에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    흡착제로서 산화칼슘 또는 석회석이 이용되며, 상기 흡착제는 그의 분리능력 저하시 대체되고, 또는 수증기가 첨가된 연도가스를 수단으로 하여 재생되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    그 밖의 흡착제들, 예컨대 철광석 등등이 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 상기 항들 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한 시스템에 있어서,
    고온 가스의 유동 경로에서 가스화기 (2) 의 하류에는 황성분 제거 장치 (7) 가 직렬로 연결되어 있으며, 상기 황성분 제거 장치의 하류에는 고체 집진기 (8, 9) 가 연결되어 있고, 상기 고체 집진기 (8, 9) 의 하류에서 가스의 부분흐름 (13) 은 워터 퀀치 (14) 를 거쳐 벤투리 세척기 (15), 생가스 냉각기 (16), 그리고 H2O 분리기 (17) 및 압축기 (18) 에 공급되며, 그의 유동 경로 (19) 는 상기 가스화기 (2) 의 하류와 상기 황성분 제거 장치의 상류 사이에 냉각되어 복귀되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 상기 항들 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한 시스템에 있어서,
    고온 가스의 유동 경로에서 가스화기 (2) 의 하류에는 고체 집진기 (8) 가 연결되어 있으며, 상기 고체 집진기에는 황성분 제거 장치 (7) 및 그 밖의 고체 집진기 (9) 가 뒤따르고, 상기 고체 집진기 (8, 9) 의 하류에서 가스의 부분흐름 (13) 은 워터 퀀치 (14) 를 거쳐 벤투리 세척기 (15), 생가스 냉각기 (16), 그리고 H2O 분리기 (17) 및 압축기 (18) 에 공급되며, 그의 유동 경로 (19) 는 상기 가스화기 (2) 의 하류와 상기 황성분 제거 장치의 상류 사이에 냉각되어 복귀되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 따른 방법을 실행하기 위한 시스템에 있어서,
    냉각된 부분 가스 흐름 (19) 으로부터, 주 가스 흐름 (main gas flow) 으로 공급되기 전에 가스 압축기를 갖고 그 밖의 부분흐름 (22) 이 인출되고, 상기 부분흐름은 캔들 필터 (9) 로서 형성된 고체 집진기를 주 가스 흐름 안에서 클리닝하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제 11 항에 따른 방법을 실행하기 위한 시스템에 있어서,
    상기 가스화기 (2) 에는 연료 (3) 및 산소 (4) 이외에 첨가제 공급 (5) 도 할당되어 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제 9 항에 따른 방법을 실행하기 위한 시스템에 있어서,
    상기 냉각된 부분 가스 흐름의 복귀 라인 (19) 에는 첨가제 공급 (20) 이 할당되어 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제 9 항에 따른, 또는 그 다음의 항들 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한 시스템에 있어서,
    원심 분리기 (8) 로서 형성된 고체 집진기와 황성분 제거 장치 (7) 사이에 첨가제 공급 (21) 이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
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