KR20110093784A - 바람직하게는 이산화규소 및/또는 규소를 생성하기 위한 시스템과의 에너지 협력으로 카본 블랙을 생성하기 위한 에너지 효율적 시스템 - Google Patents

바람직하게는 이산화규소 및/또는 규소를 생성하기 위한 시스템과의 에너지 협력으로 카본 블랙을 생성하기 위한 에너지 효율적 시스템 Download PDF

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디트마르 베버스
페터 나글러
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Abstract

본 발명은 전기 에너지 생성을 위한 에너지-열 또는 열적 열-생성 플랜트를 연결하여 탄소 화합물, 예컨대 카본 블랙, 그라파이트의 공학적 생성으로부터 또는 당 열분해로부터 폐열 및 잔류 기체를 사용하기 위한, 특히 용융 퍼니스를 작동시키기 위한 및/또는 흡열 공정에 폐열을 사용하기 위한 보다 더 에너지 효율적인 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 폐열의 용도에 관한 것이다.

Description

바람직하게는 이산화규소 및/또는 규소를 생성하기 위한 시스템과의 에너지 협력으로 카본 블랙을 생성하기 위한 에너지 효율적 시스템{ENERGY-EFFICIENT SYSTEM FOR GENERATING CARBON BLACK, PREFERABLY IN ENERGETIC COOPERATION WITH SYSTEMS FOR GENERATING SILICON DIOXIDE AND/OR SILICON}
본 발명은 전기 에너지의 생성을 위한, 특히 용융 퍼니스의 작동을 위한 및/또는 흡열 과정에서의 폐열의 사용을 위한 조합된 열 및 전력 시스템 또는 열 전력 플랜트에 의하여 탄소 화합물, 예컨대 카본 블랙, 그라파이트의 공업적 생성으로부터 또는 당 열분해로부터 폐열 및 잔류 기체를 사용하기 위한 보다 더 에너지 효율적인 플랜트 및 해당 폐열의 용도를 제공한다.
본 발명의 플랜트는 규소 제조에서의 상당한 공정 집적화를 달성할 수 있으며, 이에 의하여 기후에 유해한 이산화탄소 및/또는 일산화탄소를 크게 감소시키고, 전기 에너지에 대한 수요를 크게 감소시킨다. 게다가, 라이트 아크 오븐내에서 이산화규소가 규소로 환원시 형성되는 규소 산화물의 재순환은 종합 공정에 사용되는 규소의 질량 균형을 상당히 개선시킬 수 있다.
오늘날까지는 폐열, 즉 카본 블랙의 제조에서 얻은 열 에너지는 기타의 공정에 기술적으로 그리고 경제적으로 실행 가능한 방식으로 사용될 수는 없었다. 카본 블랙 공정의 폐열은 현재 통상적으로 동일한 공정에서 반응물, 예컨대 연소를 위한 공기 및 오일을 예열시키는데 사용된다. 따라서, 규소 제조의 폐열은 특히 고온 공정 기체의 형태로 또한 오늘날까지 그저 공기를 사용하여 급냉되었으며, 고온 기체 필터를 통과하여 이산화규소를 제거하여 왔다. 이들 공정에서 얻은 테일 기체는 전력으로 변환된다. 기타의 공정에서 에너지를 절약하기 위하여 카본 블랙 또는 규소 생산으로부터의 상당량의 열 에너지를 사용하는 것은 오늘날까지 가능하지는 않았다. 특히 태양전지용 규소의 생산 또는 그밖에 반도체 규소의 생산에 적절한 고 순도 카본 블랙 또는 규소 생산의 경우에서, 과도한 열 에너지의 변환은 고 순도 생성물의 제조를 위한 특정 작동의 공간적 분리에 대한 요구로 인하여 상상도 하지 못한 일이었다. 생성물의 특정 순도에 대한 이례적으로 높은 요구 및 교차 오염의 가능성은 단정적으로 이러한 가능성으로부터 배제되었다.
카본 블랙의 공지의 제조 방법은 기체 블랙 공정이며[DRP 29261, DEC 2931907, DEC 671739, Carbon Black, Prof. Donnet, 1993 by MARCEL DEKKER, INC, New York, page 57 ff.], 여기서 오일 증기가 채워진 수소 함유 운반 기체는 과량의 공기 중에서 다수의 출구 오리피스에서 연소된다. 화염은 물-냉각된 롤러에 충돌하여 연소 반응을 중지시킨다. 화염중에 형성된 검댕의 일부가 롤러에 침전되어 이를 벗겨낸다. 오프가스 스트림중에 잔존하는 검댕은 필터에서 제거된다. 추가로 채널 블랙 공정이 공지되어 있으며[Carbon Black, Prof. Donnet, 1993 by MARCEL DEKKER, INC, New York, page 57 ff.], 여기서 복수의 천연 기체가 공급된 작은 화염은 물 냉각된 철 채널에 대하여 연소된다. 철 채널에 부착된 검댕은 벗겨지며, 깔때기에서 수집된다.
언급한 공정은 특히 고온 증기를 포함한 200℃ 미만의 온도의 고온 잔류 기체 형태로 다량의 폐열을 발생시킨다. 퍼니스 블랙 공정에서는 테일 기체가 잔류 기체로서 형성된다.
오늘날까지, 폐열은 예를 들면 응축기에 의하여 기체로부터 부분적으로 제거되어 왔으며, 그후 기체는 세정되고, 대기 중으로 날아가버린다. 제거된 폐열은 오늘날까지 광범위하게 사용되지는 않았다.
카본 블랙의 미립자 구조로 인하여, 기타의 플랜트 부분이 카본 블랙으로 오염되는 것은 배제될 수 없다. 이러한 이유로, 이와 같은 유형의 플랜트는 마찬가지로 고 순도 화합물의 제조에 사용되어 왔던 다른 플랜트와 하나의 제조 위치에서 조합되지 않았었다.
다른 한편으로, 예를 들면 규소 산화물, 특히 이산화규소, 예컨대 이온 교환기에 의하여 정제된 침전된 실리카 또는 실리카 제조에서의 건조 단계는 습한 규소 산화물을 건조시키기 위하여 특히 다량의 에너지의 공급을 필요로 한다.
본 발명은 에너지 효율적인 플랜트를 개발하며, 카본 블랙, 특히 이산화규소의 제조에서 열 에너지의 효율적인 사용을 제공하는 것을 목적으로 한다. 추가로, 본 발명은 규소 제조에서 종합 공정 및 종합 사용을 위하여 열 에너지를 높은 효율로 사용할 수 있는 종합 플랜트를 개발하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적은 본 발명의 플랜트에 의하여, 특히 종합 플랜트 또는 그밖에 플랜트 부품에 의하여 달성되며, 독립 청구항의 특징에 해당하는 본 발명의 용도, 종속 청구항 및 상세한 설명은 바람직한 실시태양을 개시한다.
본 발명은 탄소 함유 화합물의 열 변환을 위한 반응기(4.1)를 갖는 종합 플랜트(2)를 제공하며, 상기 반응기는 조합된 열 및 전력 시스템(5.1)에 연결되며, 이에 의한 열 변환으로부터 폐열(5.3)의 일부분이 배출되며, 폐열의 나머지 부분은 전기 에너지(5.2)로 변환되며, 배출된 폐열(5.3)은 규소 산화물의 제조를 위한 공정에, 특히 이산화규소의 제조를 위한 공정 단계에, 장치(7.1)에 사용된다. 규소 산화물, 특히 이산화규소, 예컨대 장치(7.1)에서 이온 교환기에 의하여 정제된 침전된 실리카 또는 실리카 겔을 건조시키기 위하여 및/또는 침전된 실리카 또는 실리카 겔을 형성하기 위한 침전 용기의 가열 또는 온도 조절을 위하여 폐열을 간접적으로 또는 직접적으로 사용하는 것이 특히 바람직하며; 폐열(5.3)은 특히 열 교환기(8)에 의하여, 바람직하게는 2차 사이클로 전달된다. 바람직한 대체예에서, 과열된 증기(5.3)를 사용한 SiO2의 직접 건조는 도 2b 또는 도 2c에 도시된 바와 같이 실시될 수 있다. 하기에 설명한 바와 같이, 접촉 건조기를 작동시키기 위하여 저온 증기(5.3)를 사용할 수 있다.
조합된 열 및 전력 시스템(5.2)으로부터 얻은 전기 에너지는 금속 화합물의 환원을 위한 반응기(6.1)의 에너지 공급, 이산화규소의 제조, 더욱 바람직하게는 침전된 실리카, 건식 실리카 또는 실리카 겔의 제조에 사용될 수 있으며 및/또는, 바람직하게는 장치(7.1)에서 건조에 및/또는 침전중 온도 조절에 사용될 수 있다. 마찬가지로, 발열성 산화물, 예를 들면 건식 실리카의 제조에서 장치의 작동을 위하여 전기 에너지를 사용할 수 있다. 하나의 가능한 변형예에서, 전기 에너지는 이들 공정에서 HCl을 회수하기 위하여 탈착에 사용될 수 있다. 종합 플랜트는 규소 산화물 및 카본 블랙 제조가 하나의 위치에서 제공되도록 하며 그리고 적절할 경우 금속 화합물의 환원을 위한 반응기(6.1)가 전력 네트워크를 통하여 또다른 위치에서 제공되도록 한다.
조합된 열 및 전력 시스템의 경우, 당업자에게 충분하게 널리 공지된 장치(5.1) 또는 플랜트(5.1)를 사용할 수 있다. 조합된 열 및 전력 시스템은 열 전력 플랜트의 순수한 전력 생성보다 효율이 상당히 더 우수하다. 특히 바람직한 경우에서 조합된 열 및 전력 시스템의 종합 효율은 90%에 이를 수 있다. 본 발명에 의하면, 조합된 열 및 전력 시스템은 단지 전력 및 열뿐 아니라, 전적으로 전력 또는 열로 작동될 수 있다. 조합된 열 및 전력 시스템은 일반적으로 증기 터빈을 구동시키는 고온 증기로 작동되며, 이에 의하여 전력이 생성된다. 예를 들면 장치(7.1)에서 온도 조절 또는 규소 산화물을 건조시키기 위하여 증기의 배출 및 열 교환기에, 바람직하게는 이산화규소의 제조 공정에 공급하는 것은 일반적으로 최종 터빈 단계의 업스트림으로 실시된다. 본 발명의 플랜트에서, 배출은 최종 터빈 단계의 다운스트림으로 실시되는 것이 또한 적절하다. 통상적으로, 예를 들면 침전 용기의 온도는 조절되거나 또는 규소 산화물, 예컨대 침전된 실리카 또는 실리카 겔은 열 교환기에 의하여, 즉 2차 사이클에 의하여 건조된다. 마찬가지로, 상기 기재한 바와 같이 건조를 위하여 폐열을 직접 사용할 수 있다. 조합된 열 및 전력 시스템은 카본 블랙 제조로부터, 예컨대 바람직하게는 급냉 구역 또는 다른 고온 반응기 부분의 다운스트림으로, 예를 들면 열 교환기를 통하여 또는, 공정 증기의 직접 사용 및/또는 테일 기체의 연소로부터 폐열을 인출할 수 있으며, 이는 차례로 증기를 생성하는 작용을 할 수 있다. 조합된 열 및 전력 시스템을 증기로 작동시키는 것이 바람직하다. 테일 기체는 기타의 물질 중에서도 증기, 수소, 질소, Cx, 일산화탄소, 아르곤, 황화수소, 메탄, 에탄, 에텐, 에틴, 아미드, 질소 함유 화합물, 금속 산화물, 예컨대 알루미늄 산화물 및/또는 이산화탄소를 포함한다. 조합된 열 및 전력 시스템은 바람직하게는 역압 작동으로 작업되는 것이 바람직하며, 그 결과 증기 사이클 공정에서는 열 손실이 발생하지 않게 된다. 그래서, 일반적으로 새로운 냉각수를 필요로 하지 않게 된다.
본 발명에 의하면, (5.1)에서 테일 기체의 연소로부터의 폐열 및/또는 연소 공기의 예열 구역의 운반 기체 다운스트림은 폐열(5.3)로서 사용될 수 있다. 더욱 바람직하게는, (4.1)로부터 또는 (5.1)을 통한 과열된 증기(5.3)는 또한 도 2b 및 도 2c에서 도시한 바와 같이, 특히 이산화규소, 예컨대 실리카 겔 또는 침전된 실리카의 직접 건조를 위하여 이산화규소의 제조 공정에 직접 사용할 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 접촉 건조기[장치(7.1)], 예를 들면 플레이트 건조기 또는 바람직하게는 회전 튜브 건조기를 작동시키기 위하여 저온 증기를 사용할 수 있다. (5.1)로부터 얻은 스트림은 또한 이산화규소를 건조시키기 위하여 1차 건조기, 특히 분무탑 건조기 또는 스핀 플래쉬 건조기를 작동시키는데 사용될 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 카본 블랙 제조 및, 규소 산화물, 특히 침전된 실리카 또는 실리카 겔의 제조를 하나의 제조 위치에서 또는 그밖에 조합된 플랜트에서 제공할 수 있는데, 이는 반응기(6.1)에서 규소, 특히 태양전지용 규소의 제조를 위한 규소 산화물 및 카본 블랙의 가능한 교차 오염이 이와 같은 종합 공정에 중요하지 않기 때문이다. 이러한 조합은 오늘날까지는 상상할 수 없었으며, 이는 이산화규소로의 카본 블랙의 오염 또는 카본 블랙으로의 이산화규소의 오염이 배제되어야만 하기 때문이다. 열분해된 탄수화물 및/또는 카본 블랙 및 규소 산화물, 특히 이산화규소로부터 규소를 생성하기 위한 기본 공정에서, 규소 산화물은 반응기(6.1)에서 규소로 환원되며, 그리하여 고 순도 카본 블랙, 고 순도 열분해된 탄수화물 또는 고 순도 이산화규소의 교차 오염은 이와 같은 특정 적용에 문제가 되지 않는다.
마찬가지로 바람직하게는, 개개의 플랜트 부분으로부터의 폐열 또는 그밖에 카본 블랙 제조로부터 테일 기체 연소로부터의 폐열은 열 교환기(8)에 의하여 2차 사이클을 통하여 사용되어 고 순도 카본 블랙, 탄소 함유 화합물 또는 고 순도 규소 산화물, 특히 이산화규소가 기타의 불순물, 예컨대 기타의 금속으로 오염되는 것을 방지한다.
본 발명은 추가로 종합 플랜트, 예컨대 0a 또는 0b를 제공하며, 여기서 탄소 함유 화합물의 열 변환을 위한 반응기(4.1)가 조합된 열 및 전력 시스템(5.1)에 연결되며, 이에 의하여 (4.1)에서의 열 변환으로부터의 폐열(5.3)의 일부분이 배출될 수 있으며, 폐열의 나머지 부분은 전기 에너지(5.2)로 변환될 수 있으며, 배출된 폐열(5.3)은 장치(7.1)에, 특히 이산화규소의 제조 공정에 사용된다. 장치(7.1)는 이산화규소의 제조를 위한 플랜트의 부분이 될 수 있다. 폐열(5.3) 또는 폐열 스트림(5.3)은 침전 용기의 온도 조절을 위한 및/또는, 규소 산화물, 특히 이산화규소, 예컨대 이온 교환기에 의하여 정제된 침전된 실리카, 실리카 겔 또는 실리카의 건조를 위한 장치(7.1)에 사용될 수 있는 것이 바람직하다. 배출된 폐열은 특히 직접 사용되거나(도 2b/도 2c 참조) 또는 도 4a 및 도 4b에서와 같이 열 교환기(8)에 의하여 사용되며, 금속 화합물의 환원을 위한 반응기(6.1)의 에너지 공급을 위한 전기 에너지(5.2) 또는 이산화규소의 제조 공정에서, 특히 장치(7.1)의 경우 그리고 적절할 경우 반응기(6.1)로부터의 폐열(6.2)은 추가로 장치(7.1)에서 이산화규소의 제조, 예를 들면 규소 산화물의 건조 또는 온도 조절을 위한 공정에서 금속 화합물의 환원에 사용될 수 있다. 대체예에서, 조합된 열 및 전력 시스템은 또한 순수하게 전력 또는 열로 작동될 수 있다.
에너지 균형을 추가로 최적화하기 위하여, 장치(7.1)내의 금속 화합물의 환원을 위한 반응기의 폐열(6.2)을 사용할 경우 바람직하며, 보다 특히 폐열(6.2)을 열 교환기(8)에 의하여 반응기(6.1)로부터 장치(7.1)로 전달된다. 이는 폐열, 특히 반응기(6.1)의 폐열 스트림(6.2)에 의하여 장치(7.1)에 연결됨으로써 실시될 수 있다.
게다가 금속 화합물의 환원을 위한 반응기(6.1)로부터의 고온 공정 기체는 탄소의 열 변환을 위하여 고온 기체 라인(6.3)을 통하여 반응기(4.1)에 투입되는 것이 바람직하다. 특히 고온 공정 기체를 반응기(6.1)로부터 반응기(4.1)로 전달하기 위하여, 고온 기체 라인(6.3)은 금속 화합물의 환원을 위한 반응기(6.1) 및 탄소의 열 변환을 위한 반응기(4.1)를 연결하는 것이 바람직하다.
추가로 또는 대안으로, 금속 화합물의 환원을 위한 반응기(6.1)로부터의 고온 공정 기체는 고온 기체 라인(6.3)을 통하여 조합된 열 및 전력 시스템(5.1)으로 또는 열 전력 플랜트(5.1)로 통과될 수 있다. 특히 상승하는 증기를 위하여 고온 공정 기체를 반응기(6.1)로부터 (5.1)로 전달하기 위하여, 고온 기체 라인(6.3)은 금속 화합물의 환원을 위한 반응기(6.1)를 조합된 열 및 전력 시스템(5.1) 또는 열 전력 플랜트(5.1)와 연결하는 것이 바람직하다. 이러한 디자인의 플랜트는 예를 들면 모든 가능한 종합 플랜트 또는 플랜트 부품을 위하여 도 4c에서 플랜트(0c)로 도시된다.
본 발명에 의하면, 플랜트(0a, 0b 또는 1c)의 고온 기체 라인(6.3)은 규소의 제조에서 형성되는 고온 공정 기체의 기체상 규소 산화물의 응축을 실질적으로 방지하도록 설계된다. 고온 공정 기체는 통상적으로 일산화탄소, 규소 산화물 및/또는 이산화탄소를 포함한다. 규소 산화물의 응축은 상당한 폭발 위험성을 지닌다. 그러므로, 고온 기체 라인은 이의 내부면에 "블랭킷팅(blanketing)"을 제공하여 고온 기체 라인의 내부면에서의 응축을 감소, 바람직하게는 방지하게 된다. "블랭킷팅"에 대한 대안으로, 고온 기체 라인은 트레이스 가열이 장착될 수 있거나 및/또는 표면에 걸쳐, 특히 반응성 온도 증가를 위하여, 바람직하게는 벽면 부위에서 온도 조절을 위한 공기 기체 공급물을 가질 수 있다. (6.1)에서의 용융 규소로의 환원 단계로부터 반응기(4.1)로의 고온 공정 기체의 재순환은 규소의 수율을 20 몰% 이하만큼 향상시킬 수 있는데, 이는 형성된 기체상 규소 산화물이 공정중에 잔존하기 때문이다. 본 발명의 플랜트에 의하여, 종합 공정은 심지어 사용한 규소 산화물과 관련하여 규소의 수율을 증가시킬 수 있다. 고온 기체에 투입된 발열성으로 인하여, 카본 블랙 제조에서의 천연 기체의 양도 또한 동시에 감소된다.
블랭킷팅은 예를 들면 와류의 생성에 의하여 달성될 수 있다. 반응기(4.1)로 전달되는 고온 공정 기체의 하나의 추가의 성분은 일산화탄소이다. 기본 공정에서, 카본 블랙의 제조를 위하여 또는 탄수화물의 열분해를 위하여 규소 산화물을 반응기에 투입하는 것은, 반응 생성물이 규소의 제조에 사용되는 경우 중단되지 않는다. 게다가, 고온 기체 라인을 통하여 고온 공정 기체중의 일산화탄소를 반응기(4.1)에 투입하는 것은 카본 블랙 미정제 물질 또는 탄수화물 함유 화합물의 연소 또는 열 분해에서의 고온 기체의 평형이 존재하는 이로운 이동을 가능케 한다. 본 발명의 플랜트내에서 가능한 공정 영역은 규소의 제조를 위한 종합 공정에서 탄소 산화물, 특히 이산화탄소 레벨의 상당한 감소를 수반한다.
스트림(7.2)은 개략적인 면에서 장치(7.1), 예를 들면 침전 용기 또는 이산화규소를 건조시키기 위한 반응기로부터 생성물을 반응기(6.1)에 직접적으로 또는 간접적으로 전달하는 스트림을 나타낸다. (7.1)로부터의 직접적인 생성물은 또한, 간접적인 생성물을 반응기(6.1)에 공급하기 이전에 추가의 가공 단계, 예컨대 건조, 분쇄, 과립화, 정제화, 변환 또는, 카본 블랙, 탄수화물 또는 탄수화물-함유 화합물과의 혼합 또는 기타의 가공 또는 공정 단계로 이송될 수 있다.
하나의 대체예에서, 본 발명은 플랜트 부품인 본 발명의 플랜트(1a)에 탄소 함유 화합물의 열 변환을 위한 반응기(4.1)를 제공하며, 반응기는 조합된 열 및 전력 시스템(5.1)에 연결되며, 이에 의하여 열 변환으로부터의 폐열(5.3)의 일부분을 배출시키거나 및/또는 폐열의 나머지 부분을 기계적 또는 전기 에너지(5.2)로 변환시키거나 또는, 상기 반응기(4.1)는 열 전력 플랜트(5.1)에 연결되며, 이에 의하여 폐열을 기계적 또는 전기 에너지(5.2)로 변환시킨다. 생성된 전기 에너지는 퍼블릭 그리드(public grid) 시스템에 공급될 수 있거나 또는 내부 전력 공급에 사용될 수 있거나 또는, 본 발명에 의하면 규소 제조에서의 라이트 아크 퍼니스를 작동시키기 위하여 또는 규소 산화물, 바람직하게는 침전된 실리카 또는 건식 실리카 또는 실리카 겔의 제조를 위하여 그리고, 침전된 실리카 및 실리카 겔의 경우, 더욱 바람직하게는 침전 용기의 건조 또는 가열을 위하여 사용될 수 있다.
하나의 가능한 변형예에서, 전기 에너지는 건식 실리카의 제조 공정에, 예를 들면 이들 공정에서의 HCl 회수를 위한 탈착에 사용될 수 있다. 배출된 폐열은 구역 가열 그리드에 공급될 수 있으며, 바람직하게는 규소 제조에서의 추가의 사용을 위하여, 열 교환기를 통하여, 이산화규소의 제조를 위한 공정에, 예컨대 규소 산화물, 특히 이산화규소의 온도 조절 또는 건조를 위한 공정에 폐열을 사용한다.
탄소 함유 화합물의 열 변환을 위한 반응기는 예를 들면 탄화규소-함유 탄소 및 또는 추가로 당업자에게 익숙한 해당 화합물을 비롯한 카본 블랙, 그라파이트, 탄소 또는 일반적으로 탄소 매트릭스를 포함하는 화합물의 제조를 위한 모든 반응기를 포함한다. 본 발명에 의하면, 탄소 함유 화합물의 열 변환을 위한 반응기(4.1)는 카본 블랙의 제조를 위한 또는 탄수화물의 연소 및/또는 열분해, 예를 들면 당의 열분해를 위한, 임의로 이산화규소의 존재하에서, 탄소-함유 매트릭스의 제조를 위한, 예를 들면 고 순도 규소 산화물의 존재하에서의 반응기 또는 퍼니스이다. 카본 블랙의 제조를 위한 통상의 반응기는 1,200℃ 내지 2,200℃ 이상의 공정 온도에서 연소 챔버내에서 작동된다. 카본 블랙의 제조를 위한 최적의 공지된 공정은 램프 블랙 공정, 퍼니스 블랙 공정, 기체 블랙 공정 및 램프 블랙, 아세틸렌 블랙 또는 열 블랙 공정이다. 따라서, 반응기(4.1)는 언급한 공정의 성능을 위하여 설계되는 것이 바람직하다. 본 발명의 플랜트의 경우, 카본 블랙의 제조를 위하여 또는 탄소 함유 화합물의 열 변환을 위하여 당업계에서 공지된 반응기를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 반응기는 당업자에게 충분히 널리 공지되어 있다.
통상의 반응기 유형은 일반적으로 카본 블랙 제조에 적절한 모든 퍼니스를 포함한다. 이들은 차례로 다양한 버너 기술로 장착될 수 있다. 이의 일례로는 훨스(Huels) 라이트 아크 퍼니스(라이트 퍼니스)를 들 수 있다. 버너 선택의 경우, 화염 또는 과잉 화염에서 고온을 얻느냐의 여부가 중요하다. 반응기는 통합 연소 공기 송풍기를 갖는 기체 버너, 와류 처리된 공기 스트림을 위한 기체 버너, 주변 랜스를 통한 기체 분출을 갖는 조합 기체 버너, 고속 버너, 쇼페(Schoppe) 충격 버너, 평행 확산 버너, 조합된 오일-기체 버너, 푸셔 퍼니스 버너, 오일 증발 버너, 공기 또는 증기 분무화 버너, 플랫 화염 버너, 기체 연료를 사용하는 자켓 제트 파이프 및 모든 버너 및, 임의로 이산화규소의 존재하에서 카본 블랙의 제조 또는 탄수화물의 열분해, 예를 들면 당의 열분해에 적절한 반응기와 같은 버너 유닛을 포함할 수 있다. 반응기(4.1)는 전체 반응기 또는 그밖의 반응기의 부분로서 해석되며; 예를 들면 반응기는 반응 챔버, 연소 구역, 혼합 구역, 반응 구역 및/또는 급냉 구역을 포함한다. 본 발명에 의하면, 환열기, 예를 들면 스틸 튜브의 고리를 갖는 제트 환열기가 급냉 구역에 사용된다.
추가의 대체예의 실시태양은 플랜트 부품으로서 본 발명의 플랜트(1b 또는 1b.1)가 탄소 함유 화합물의 열 변환을 위한 반응기(4.1)를 포함하며, 상기 반응기는 조합된 열 및 전력 시스템(5.1)에 연결될 수 있으며, 이에 의하여 열 변환으로부터의 폐열(5.3)의 일부분이 배출될 수 있거나 및/또는 폐열의 나머지 부분은 기계적 또는 전기 에너지(5.2)로 변환될 수 있거나 또는, 상기 반응기(4.1)는 열 전력 플랜트(5.1)에 연결되며, 이에 의하여 폐열은 기계적 또는 전기 에너지(5.2)로 변환되며, 전기 에너지(5.2)는 금속 화합물의 환원을 위한 반응기(6.1), 특히 라이트 아크 퍼니스(6.1), 전기 용융 퍼니스, 열 반응기, 유도 퍼니스, 용융 반응기 또는 퍼니스의 에너지 공급에, 바람직하게는 규소의 제조를 위하여 또는 그밖의 이산화규소의 제조에서의 장치(7.1)의 에너지 공급을 위하여, 예를 들면 침전 용기의 온도 조절을 위하여, 규소 산화물, 예컨대 SiO2의 건조를 위하여 또는 그밖에 건식 실리카의 제조 공정에서의 장치 작동에 사용되는 조합에 관한 것이다.
당업자는 또한 전적으로 폐열(5.3) 또는 전기 에너지(5.2) 또는 임의의 혼합된 형태가 사용되도록 하는 방식으로 (5.1)이 작동될 수 있다는 것을 숙지할 것이다. 이러한 경우에서, 배출된 폐열(5.3)은 장치(7.1)로 이동되며, 폐열(5.3)은 특히 열 교환기(8)에 의하여 전달되거나 또는 과열된 증기로서 직접 사용되며(도 2b 및 도 2c); 장치(7.1)는 규소 산화물을 생성하기 위한 플랜트의 부분인 것이 바람직하다.
본 발명의 플랜트의 모든 변형예에서, 생성된 카본 블랙, 열분해된 탄수화물은 (4.2)를 통하여 간접적으로 또는 라이트 아크 퍼니스(6.1)에 직접적으로 공급될 수 있다. "간접적으로"라는 것은 반응기(4.1)내에서 생성된 화합물이 반응기(6.1)에 공급되기 이전에 여전히 추가로 가공될 수 있다는 것을 의미한다. 절대적이지는 않지만, 예를 들면 카본 블랙 또는 탄소 함유 화합물을 펠릿 또는 브리켓으로 만들 수 있다.
본 발명에 의하면, 플랜트(1c 및 0b)에 대한 예로서 제시한 바와 같이, 플랜트가 공급 라인(6.3)을 통하여 금속 화합물의 환원을 위한 반응기(6.1)로부터 탄소의 열 변환을 위한 반응기(4.1)로 고온 공정 기체의 공급 라인(6.3)을 갖는 경우 특히 바람직하다. 바람직한 구조에서, 플랜트, 특히 종합 플랜트(0a)는 이산화규소를 제조하기 위하여, 예를 들면 장치(7.1)내에서의 이산화규소의 건조에서 또는 침전 용기의 열 조절을 위한 공정에서 금속 화합물의 환원을 위한 반응기(6.1)의 폐열(6.2)을 사용하며; 폐열(6.2)은 특히 열 교환기(8)를 통하여 반응기(6.1)로부터 장치(7.1)로 전달된다.
장치(7.1)는 모든 플랜트에서 SiO2의 겔 형성 또는 침전을 위한 침전 용기 또는 그밖에 건조기, 터널 퍼니스, 회전 튜브 퍼니스, 회전 그리드 퍼니스, 유동층, 회전 테이블 퍼니스, 순환 유동층 장치, 연속 퍼니스 및/또는 열분해를 위한 퍼니스가 될 수 있다. 예를 들면, 물을 사용한 급냉에 의하여, (4.1)의 폐열로부터 또는 (4.1)로부터의 테일 기체의 연소를 통하여, 이산화규소를 건조시키기 위하여 (4.1)에서 간접적으로 또는 직접적으로 얻은 과열된 증기(5.3)를 직접 사용하는 것이 바람직하다(도 2b 및 도 2c).
저온 증기(5.3)를 사용하는 것은, 접촉 건조기(7.1), 예를 들면 플레이트 건조기 또는 더욱 바람직하게는 회전 튜브 건조기의 작동을 들 수 있다. (5.1)을 통하여 얻은 스트림(5.2)은 1차 건조기를 작동시키기 위하여 직접적으로 사용할 수 있다. 이는 분무탑 건조기 또는 스핀 플래쉬 건조기인 것이 바람직하다. 상기 제시한 것은 예로서만 이해되어야만 하며, 또한 기타의 통상의 건조기를 사용하는 것도 가능하다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.
반응기(4.1) 또는 반응기(6.1)의 경우, 예를 들면 반응 구역, 고온 반응기 부분, (4.1)에서 물을 사용하여 급냉시켜 발생한 증기로부터 생성된 폐열의 전부 또는 그밖의 이의 일부분, 또는 그밖에 반응 생성물, 예컨대 기체 또는 기타의 스트림의 폐열은 사용된 폐열로서 본 발명에 의하여 간주되어야 한다. 본 발명에 의하면, 잔류 기체(테일 기체)는 특히 연소되며, 형성된 폐열은 본 발명의 플랜트에 사용된다.
플랜트는 바람직하게는 연속적으로, 24 시간, 1주당 7 일간 작동하여 폐열을 직접적으로 또는 열 교환기(8)를 통하여, 연속 순환 공정으로, 특히 1차 및/또는 2차 사이클을 통하여 사용되도록 한다. 그래서, 건조된 이산화규소 1 ㎏당 달성할 수 있는 에너지 절감은 0.01 내지 10 kWh, 바람직하게는 2 내지 6 kWh, 더욱 바람직하게는 약 2 kWh일 수 있다. 특정 경우에서 달성된 에너지 균형은 잔류 수분 함유량 및 사용된 건조기 장치 및 또한 추가의 공정 변수에 따라 달라질 수 있어서 언급된 수치는 단지 안내용 수치인 것으로 간주되어야 한다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 이산화규소의 제조 공정을 비롯한, 이산화규소 1 ㎏당 용융 규소로의 환원의 경우 카본 블랙 1 ㎏당 약 0.01 내지 10 kWh, 바람직하게는 0.1 내지 5 kWh의 전기 에너지 사용의 경우에서, 절감 가능성은 1 내지 10 kWh, 특히 4 내지 9 kWh이다. 약 1 ㎏의 용융 규소 제조의 경우, 에너지 절감은 5 kWh 내지 20 kWh로 증가될 수 있으며; 보다 구체적으로 이산화규소 및 카본 블랙 제조 및 규소로의 전환을 포함하는 종합 공정을 고려하면, 거의 17 kWh일 수 있다.
추가의 바람직한 실시태양에서, 폐열(6.2)은 장치(7.1)를 위한 이산화규소의 제조, 바람직하게는 이산화규소, 특히 침전된 실리카 또는 실리카 겔 또는, 이온 교환기에 의하여 정제된 침전된 실리카 또는 실리카 겔의 열 처리 또는 건조를 위한 공정에서 폐열(5.3)과 함께 사용될 수 있다. 하나 이상의 열 교환기(8)를 통하여 실리카를 건조시키기 위하여 폐열(6.2 및/또는 5.3)을 사용하는 것이 바람직하다. 장치(7.1)는 모든 플랜트에서 이산화규소의 제조를 위한 플랜트의 부품이 될 수 있다.
열 교환기(8)를 사용하여 이산화규소, 특히 고 순도 이산화규소의 오염을 방지하는 것이 바람직하다. 이러한 열 교환기에서, 2차 사이클에 의하여 반응기(6.1)로부터의 폐열은 이산화규소의 제조, 예컨대 이산화규소의 건조 또는 침전 용기의 온도 조절을 위한 공정에 사용된다. 통상적으로, 열 교환기에서 및/또는 폐열의 투입구 및 출구에서, 사용한 매체는 당업자에게 충분히 널리 공지된 통상의 냉각 유체 또는 기타의 매체인 물이다.
적절한 플랜트(3)는 또한 장치(7.1)내의 이산화규소의 제조를 위한 공정에서의 금속 화합물(5.3)의 환원을 위하여, 보다 구체적으로 이산화규소를 건조시키기 위한 건조기(7.1) 또는 침전 용기(7.1)의 온도 조절을 위하여 반응기(6.1)로부터의 폐열(6.2)을 단독으로 사용하는 것을 고려하며; 플랜트(3)는 보다 구체적으로 플랜트(1a)에 연결될 수 있으며; 폐열(6.2)은 반응기(6.1)로부터 장치(7.1)로 열 교환기(8)에 의하여 통과되는 것이 바람직하다.
특히 반응기, 침전 용기 및/또는 건조기가 될 수 있는 장치(7.1)는 단지 규소 산화물의 제조를 위한 종합 플랜트 또는 플랜트 부품의 한 부분이 되며, 추가의 플랜트 또는 장치에 업스트림 및/또는 다운스트림으로 연결시키거나 또는 연결시킬 수 있어서 예를 들면 오염된 실리케이트로부터 고 순도 이산화규소를 생성할 수 있다는 것은 명백하다.
보다 구체적으로, 모든 플랜트에서의 공급 라인(7.2)은 또한 반응기로의 직접 또는 간접 공급 라인이거나 또는 반응기(6.1)로의 스트림으로서 간주된다. 예를 들면, (7.1)에서 건조된 이산화규소는 또한, 반응기(6.1)에 공급되기 이전에, 추가의 가공 단계로 처리될 수 있다. 이는 분쇄, 배합되거나, 브리켓으로 만든다. 이러한 단계에서 또한 (5.2)에 의하여 전기 에너지 흐름을 사용하는 것도 가능하다.
본 발명에 의하면, 반응기(4.1)의 폐열은 탄소 함유 화합물의 열 변환에 사용되어 특히 조합된 열 및 전력 시스템 또는 열 전력 플랜트에 의하여 전기 에너지를 생성한다. 폐열은 또한 테일 기체의 폐열 및, 테일 기체의 연소에 의하여 발생하는 폐열인 것으로 간주한다. 이산화규소의 제조를 위한 공정에서, 예컨대 온도 조절 또는 건조를 위하여 폐열이 전적으로 또는 부분적으로, 특히 직접적으로 또는 간접적으로 사용될 경우 특히 바람직하다. (4.1) 및/또는 (5.1)로부터의 과열된 증기는 건조 또는 온도 조절을 위하여 (7.1)에 사용될 수 있는 것이 바람직하다(도 2b/도 2c).
본 발명에 의한 폐열의 조합된 사용은 오늘날까지 당업자에 의하여서는 상상할 수 없었는데, 이는 가능한 교차 오염이 공정 영역내에서 상당한 문제를 야기하기 때문이다. 고 순도 규소의 제조를 위하여, 수성계내에서 또는 수성계로부터 정제된 이산화규소 및, 카본 블랙 또는 열분해된 탄수화물을 조합하여 사용할 때만이 폐열 또는 열 에너지의 조합된 상승적 사용을 가능케 한다.
이산화규소의 제조를 위한 공정에서, 바람직하게는 규소의 제조를 위한 건식 실리카의 제조를 위한 퍼니스, 건조기, 예컨대 1차 건조기 또는, 침전 용기의 온도 조절 또는, 전기 전력으로 작동하는 기타의 공정 단계의 작동을 위한 공정에서 금속 화합물의 환원을 위한 반응기(6.1)를 작동시키거나 또는 장치(7.1)를 작동시키기 위하여 얻은 전기 에너지를 사용할 수 있는 것이 바람직하다. 개시부에서 설명한 바와 같이, 카본 블랙 제조, 규소 산화물의 제조 및/또는 이산화규소의 환원을 포함한 종합 공정의 에너지 균형은 당업계에서 공지된 플랜트 및 공지된 사용에 비하여 상당히 개선되었다.
예를 들면, 이산화규소 공정의 에너지 균형은 특히 에너지 집약적 단계, 예를 들면 침전 용기의 가열 또는 이산화규소의 건조 단계에서 그리고 또한 에너지를 공급하여야만 하는 추가의 공정 단계에서 상당히 개선될 수 있는 것이 바람직하다. 조합된 공정 영역, 폐열의 체계적 사용, 가연성 잔류 기체 및/또는 (6.1)로부터 고온 기체의 재순환은 종래의 공지된 공정에 비하여 개선된 에너지 균형으로 플랜트내의 모든 회로가 작동되도록 한다. 예를 들면, 일산화탄소 및 규소 산화물, 특히 기체상 SiO를 포함하는 고온 기체를 반응기(4.1)로 재순환시키는 것은 공정을 강화시키며; 보다 구체적으로 카본 블랙의 제조 공정중 탄소 산화물 COx의 형성은 종합적 균형을 저하시킬 수 있다. 본 발명의 종합 플랜트 또는 그밖에 부품 플랜트에서의 종합 공정은 특히 이산화규소 및 탄소, 예컨대 카본 블랙 또는 열분해된 당을 포함하는 화합물로부터 규소 제조에서의 종합 공정에 대하여 형성된 이산화탄소 및/또는 일산화탄소를 상당히 감소시킨다.
본 발명에 의하면, 특히 고온 기체 라인(6.3)을 통하여 반응기(6.1)로부터 반응기(4.1)로 투입되도록 하여 반응기(6.1)로부터의 고온 공정 기체는 반응기(4.1)에서의 금속 화합물의 환원에 추가로 사용되어 반응기(4.1)에서 탄소를 열 변환시킨다.
마찬가지로, 본 발명에 의하면, 반응기(6.1)로부터의 고온 공정 기체는 보다 구체적으로 고온 기체 라인(6.3)을 통하여 반응기(6.1)로부터 (5.1)로 투입시켜 조합된 열 및 전력 시스템(5.1) 또는 열 전력 플랜트(5.1)에서 금속 화합물의 환원에 사용되어 증기를 상승시키거나 및/또는 에너지를 생성할 수 있다.
발명의 추가의 측면에 의하면, 반응기(6.1)의 폐열은 이산화규소의 제조를 위한 공정, 특히 장치(7.1), 예컨대 열 처리 용기 또는 건조기에서 금속 불순물의 환원에 사용될 수 있다. 게다가, 반응기(4.1 및/또는 6.1) 및 장치(7.1)는 일반적으로 특정의 공정 라인을 위한 플랜트, 즉 (7.1)의 부분, 예를 들면 이산화규소 생성의 부분이 되며, (4.1)은 카본 블랙 또는 열분해된 탄수화물 등의 제조를 위한 플랜트의 부분이 되며, (6.1)은 추가의 공정 단계의 업스트림 및/또는 다운스트림으로 태양전지용 규소의 제조를 위한 플랜트의 부분이 될 수 있다.
각각의 경우에서 특정의 공정 단계에서 하나의 반응기 대신에, 언급한 플랜트는 또한 복수의 반응기를 가질 수 있다는 것은 당업자에게 명백하며; 이는 특히 종합 공정의 연속 및/또는 균질한 그리고 중단 없는 성능을 가능케 할 수 있다. 반응기는 연속적으로 또는 그밖에 회분식으로 작동할 수 있다.
일반적으로, 탄소의 열 변환을 위한, 특히 플랜트내에 혼입된 카본 블랙의 제조를 위한 반응기(4.1)는 언급한 특허에 기재된 바와 유사한 설계를 갖는 반응기일 수 있는 것이 바람직하다. 개시된 문헌에 관하여, 미국 특허 제5,651,945호, 미국 특허 제6,391,274 B1호, 유럽 특허 공고 공보 제0 184 819 B1호, 유럽 특허 공고 공보 제0 209 908 B1호, 유럽 특허 공고 공보 제0 232 461 B1호, 유럽 특허 공개 공보 제0 102 072 A2호, 유럽 특허 공개 공보 제1 236 509 A1호, 유럽 특허 공개 공보 제0 206 315 A1호, 유럽 특허 공개 공보 제0 136 629 A2호, 미국 특허 제4,970,059호 및 미국 특허 제4,904,454호에서 언급한 반응기 및 이의 작동 유형을 참고로 인용한다.
하기의 도면은 본 발명을 이러한 예로서 한정하지 않으면서 본 발명의 플랜트를 구체적으로 예시한다.
[부호의 설명]
0a, 0b, 0c, 1a, 1b, 1c, 2, 2a, 2b, 2c, 3: 대체예의 플랜트 또는 플랜트 조합, 종합 플랜트.
4.1: 탄소 함유 화합물의 열 변환을 위한 반응기, 예를 들면 임의로 이산화규소의 존재하에서 카본 블랙의 제조 또는 탄수화물의 열분해, 예컨대 당의 열분해를 위한 반응기.
5.1: 조합된 열 및 전력 시스템, 열 전력 플랜트.
6.1: 반응기, 예를 들면 전기 용융 퍼니스, 유도 퍼니스, 라이트 아크 퍼니스.
7.1: 예를 들면 건조 단계에서 이산화규소의 제조에 사용하기 위한 장치, 바람직하게는 건조기, 예를 들면 유동층 반응기 또는 기재의 건조를 위한 기타의 반응기, 건식 실리카의 제조를 위한 공정에서의 장치, 반응기 또는 그밖에 침전 용기.
8: 열 교환기; 바람직하게는 2차 사이클을 가지며, 폐열(열 에너지)을 (4.1) 및/또는 (6.1)에서 공정으로부터 인출시키도록 할 수 있으며, 흡열 공정, 특히 건조를 위하여 (7.1)에 열 에너지를 공급할 수 있다.
4.2: 또한 추가의 공정, 예컨대 브리켓으로 미리 처리할 수 있는 (4.1)로부터 생성물을 반응기(6.1)로 간접적으로 또는 직접적으로 공급할 수 있는 스트림, 예를 들면 공급 라인(들).
5.2: 전기 에너지 흐름, 예를 들면 전기 에너지의 전도를 위한 라인.
6.2: (7.1)에서 (6.1)로부터 폐열을 바람직하게는 2차 사이클로서 사용하기 위한, 특히 열 교환기(8)가 부착된 열 에너지 흐름, 예를 들면 라인(들).
7.2: (7.1)로부터의 생성물을 반응기(6.1)에 간접적으로 또는 직접적으로 전달할 수 있으며, 간접적인 생성물을 반응기(6.1)에 공급하기 이전에, (7.1)로부터의 직접적인 생성물을 또한 추가의 가공, 예컨대 건조, 분쇄, 과립화, 정제화, 반응 또는, 카본 블랙, 탄수화물 또는 탄수화물-함유 화합물과의 혼합 또는 기타의 가공 또는 공정 단계에 공급할 수 있는 스트림, 예를 들면 공급 라인(들) 및 임의로 제조 단계.
5.3: (5.1)을 통하여 배출되는 (4.1)로부터의 폐열을 (7.1)에서 건조 또는 온도 조절에 사용하기 위하여, 예를 들면 임의로 열 교환기(8)가 부착된 튜브를 통하여 사용되는 과열된 증기 또는 저온 증기와 같은 열 에너지 흐름 또는 에너지 흐름.
6.3: 고온 기체 라인.
도 1a, 도 1b, 도 1b.1 및 도 1c는 카본 블랙의 제조용 반응기와, 조합된 열 및 전력 시스템, 임의로 태양전지용 규소의 제조용 반응기의 대체예의 플랜트 조합 또는 부품 조합을 도시한다. 도 2, 도 2a, 도 2b 및 도 2c는 조합된 열 및 전력 시스템(5.1, 5.3 또는 5.2)에 의한 이산화규소의 제조에서의 열 처리 단계 또는 건조 단계가 카본 블랙 제조(4.1)로부터 에너지 형태로 폐열을 사용하는 본 발명의 플랜트 조합을 도시한다. 도 2c에 의하면, 급냉 구역으로부터의 증기는 과열된 증기로서 (5.1)을 통하여 (7.1)로 투입될 수 있다. 도 3은 이산화규소의 제조에서 규소의 제조용 용융 퍼니스로부터의 폐열의 사용을 도시한다. 도 4a, 도 4b 및 도 4c는 각각 이산화규소 제조 및 카본 블랙 제조로부터 제조 단계를 사용한 규소 제조의 가능한 종합 플랜트(0a, 0b 또는 0c)를 도시한다.
도 1a는 탄소 함유 화합물의 열 변환을 위한 반응기(4.1)를 갖는 플랜트(1a)를 도시하며, 상기 반응기는 조합된 열 및 전력 시스템(5.1)에 연결되며, 이에 의하여 열 변환의 폐열(5.3)의 일부분이 배출되며, 나머지 부분은 기계적 또는 전기 에너지(5.2)로 변환된다. 라인(5.3)을 사용하여 배출된 열을 인출시킨다. 공정 영역에 의하면, 폐열의 전부 또는 폐열의 일부분은 장치(7.1)의 온도 조절 또는 에너지 생성에 사용될 수 있다. 침전 용기의 온도를 조절하기 위하여 또는 그밖에 건조기(7.1)를 작동시키기 위하여 폐열을 사용할 수 있다. 생성된 전기 에너지는 (5.2)를 통하여 전달될 수 있다. 전기 에너지는 퍼블릭 그리드 시스템에 공급될 수 있거나 또는 이산화규소의 제조를 위한 공정에서 또는 전기 퍼니스, 예를 들면 라이트 아크 퍼니스(6.1)에서 규소 제조를 위한 종합 공정에 직접적으로 사용될 수 있다. 플랜트(1b)에 의하면, (5.1)은 전적으로 전력 생성을 위하여 사용될 수 있으며, 이 경우 스트림은 또한 (7.1) 또는 기타의 플랜트 부분의 작동에 사용될 수 있다. 도 1c는 플랜트(1a)와 반응기(6.1)의 조합을 나타낸다. 플랜트(1c)는 종합 플랜트의 부분이 될 수 있으며, 추가로 (4.1) 및 (6.1) 사이에 고온 기체 라인(6.3)을 갖는다.
플랜트(2 및 2a)는 조합된 열 및 전력 시스템(5.1)을 통하여 특히 규소, 특히 태양전지용 규소의 제조에 적절한 이산화규소의 제조를 위한 공정에서 생성된 전기 에너지(5.2) 및 폐열(5.3)의 사용을 가능케 하는 본 발명의 조합을 구성한다. 대체예로는 열 교환기가 (7.1)에 사용되지 않은 플랜트(2b 및 2c)로 도시된다. 이러한 공정은 과열된 증기를 사용하여 직접적으로 작동된다.
종합 플랜트인 플랜트(0a, 0b 및 0c)는 마찬가지로 규소, 특히 태양전지용 규소의 제조를 위한 종합 플랜트의 부분인 본 발명의 플랜트를 도시하며, 여기서 반응기(4.1 및 6.1)로부터의 폐열을 이산화규소의 제조에, 예를 들면 습식 화학 공정, 예컨대 워터글래스로부터의 실리카의 침전 또는 그밖에 이온 교환 컬럼에 의한 워터글래스의 정제로부터의 장치(7.1), 예를 들면 침전 용기 또는 건조기에 사용된다. 열 교환기(8)는 임의의 사항이다. 플랜트(0c)에서는 고온 기체 스트림(6.3)을 다시 (5.1)로 통과시키고, 플랜트(0b)에서는 (4.1)로 통과시킨다. (6.3)은 또한 (5.1) 및 (4.1)로 전달될 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다.
도 0b 또는 도 0c에서 개략적으로 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 대체예의 플랜트 및 이의 에너지 및 스트림은 이하에서 상세하게 설명될 것이다.
이들 대체예에서, (5.1)에서 얻은 전기 에너지(5.2)는 (7.1)의 작동에 사용되는 반면, 반응기(6.1)에는 추가의 전력이 공급된다. (4.1)로부터 진행되어, 버너에는 천연 기체가 제공되어 2,000℃ 이하의 필수 온도를 달성할 수 있다. 약 1 ㎏의 카본 블랙을 생성하기 위하여, 오늘날 약 2 kWh를 구성하는 약 0.2 ㎏의 천연 기체가 필요하였다. 초크를 통하여 약 15 kWh/㎏을 구성하는 추가의 1.5 ㎏의 피드스톡을 공급한다. 추가의 공정 단계에서, 공기를 카본 블랙 반응기에 투입하고; 특히 급냉 구역의 연소 공기를 예열시키기 위하여, 카본 블랙 제조에서 진행되는 반응을 물로 급냉시킨다. 생성된 카본 블랙 1 ㎏당, 에너지 함유량은 약 1 내지 10 kWh/㎏의 카본 블랙, 바람직하게는 약 5 kWh/㎏ 이하의 카본 블랙인 테일 기체를 얻었다. 이러한 테일 기체는 (5.1)에서 연소를 통하여 사용되어 증기를 상승시키고, 이를 (7.1)로 전달하여 예를 들면 여기서 SiO2를 건조시키는데 사용될 수 있다. 이러한 증기의 에너지 함유량은 약 1 내지 8 kWh, 바람직하게는 4 kWh 이하일 수 있다. (7.1)의 에너지 요구량을 예시하기 위하여, 1 ㎏의 건조된 이산화규소당 2 내지 5 ㎏의 물, 통상적으로 약 4 ㎏의 물이 증발되어야 하는 것을 고려하여야 한다. (7.1)로부터의 증발된 물은 여열로서 온실의 작동에 사용될 수 있거나 또는 그밖에 지붕을 통하여 방출된다. 바람직한 대체예는 에너지 생성을 위하여 증기를 사용하는 것을 고려한다. 사용 가능한 응축열 이외에 약 102℃에서 약 4 ㎏의 증기의 에너지 함유량은 약 4 kWh의 범위내에 있다. 보고된 모든 kWh의 경우, kWh의 단위로 보고된 수치의 ±50% 이상의 넓은 편차를 고려하여야만 하는데, 특정의 스트림 및 에너지 흐름의 에너지 균형이 서로 영향을 미치기 때문이다. 게다가, 당업자는 복잡한 공정 네트워크에서 단지 근사치로 측정될 수 있다는 것을 숙지할 것이다.
예를 들면, 약 1 ㎏의 카본 블랙 및 3 ㎏의 이산화규소로부터 약 1 ㎏의 규소의 제조를 위하여 라이트 아크 퍼니스(6.1)를 작동시킬 경우, 약 14 kWh의 전력이 필요하다. 이는 2,000℃ 이하에서의 반응 조건하의 공급물 조성에서 오늘날 마찬가지로 600℃ 내지 700℃에서의 고온 기체로서 형성된 일산화탄소와 함께 공기로 급냉, 산화 및 여과된 기체상 규소 산화물을 형성한다. 본 발명의 플랜트에서, 이들 고온 기체는 대안으로 또는 그밖에 특히 버너 또는 초크의 구역내에서 (4.1)로 동시에 투입될 수 있다. 고온 기체는 생성된 각각의 ㎏의 규소의 경우 약 0.4 ㎏의 규소 산화물 및 약 2.3 ㎏의 일산화탄소를 가지며, 에너지 함유량은 규소 1 ㎏당 9 kWh 이하가 될 수 있다. 이러한 측정치는 약 0.5 ℓ의 오일/㎏의 카본 블랙 또는 1 내지 6 kWh/kg, 바람직하게는 5 kWh/kg 이하의 카본 블랙을 절약하도록 한다.
게다가, 이는 규소 1 ㎏당 재순환을 통하여 규소 약 0.2 ㎏을 회수할 수 있다. 이는 SiO2 출발 물질에 사용된 규소로부터 진행되는 규소 최종 생성물에 관하여 1 내지 25 중량%, 바람직하게는 5 내지 20 중량%, 더욱 바람직하게는 15 내지 22 중량%의 수율의 증가를 의미할 수 있다.
대안으로 또는 추가로, 고온 기체 스트림(6.3)은 또한 (5.1)에 투입되어 예를 들면 여기서 증기를 상승시킬 수 있으며, 이에 의하여 전력이 차례로 생성될 수 있다. 따라서, (5.1)에서, 생성된 각각의 ㎏의 규소의 경우, 1 내지 11 kWh, 특히 5 내지 10 kWh, 바람직하게는 9 kWh 이하의 열이 사용되어 증기 및/또는 전력을 생성할 수 있다. 동시에, 연행된 규소 산화물은 이산화규소로서 부착될 수 있으며 그리고, (5.1)에서의 공정 또는 이산화규소의 제조를 위한 공정에 첨가될 수 있다. 스트림 및/또는 에너지 흐름의 약술된 사용 및 본 발명의 플랜트에서의 공정 영역은 규소의 제조를 위한 종합 공정의 에너지 균형 및 동시에 규소의 수율에서의 증가를 상당히 개선시킬 수 있다.

Claims (15)

  1. 탄소 함유 화합물의 열 변환을 위한 반응기(4.1)를 포함하며, 상기 반응기(4.1)가 조합된 열 및 전력 시스템(5.1)에 연결되며, 이에 의하여 열 변환으로부터의 폐열(5.3)의 일부분이 배출되고 그리고 폐열의 나머지 부분이 기계적 또는 전기 에너지(5.2)로 변환되거나 또는, 상기 반응기(4.1)가 열 전력 플랜트(5.1)에 연결되며, 이에 의하여 폐열이 기계적 또는 전기 에너지(5.2)로 변환되는 것을 특징으로 하는 플랜트(1a).
  2. 제1항에 있어서, 배출된 폐열(5.3)이 장치(7.1)로 전달되며, 폐열(5.3)이 특히 열 교환기(8)에 의하여, 바람직하게는 2차 사이클에 의하여 장치(7.1)로 전달되며, 장치(7.1)가 바람직하게는 이산화규소를 생성하기 위한 플랜트의 부분이 되며, 장치가 더욱 바람직하게는 침전 용기, 반응기 및/또는 건조기가 되는 것을 특징으로 하는 플랜트(2).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전기 에너지(5.2)가 금속 화합물의 환원을 위한 반응기(6.1), 특히 라이트 아크 퍼니스(6.1), 바람직하게는 규소, 바람직하게는 태양전지용 규소의 제조를 위한 용융 반응기 또는 퍼니스의 에너지 공급에 사용되는 것을 특징으로 하는 플랜트(1b).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 화합물의 환원을 위한 반응기(6.1)로부터의 고온 공정 기체가 고온 기체 라인(6.3)을 통하여 탄소의 열 변환을 위한 반응기(4.1)에 및/또는 조합된 열 및 전력 시스템(5.1)에 또는 열 전력 플랜트(5.1)에 투입되는 것을 특징으로 하는 플랜트(1c).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 특히 고온 공정 기체를 반응기(6.1)로부터 반응기(4.1)로 또는 (5.1)로 전달하기 위하여, 고온 기체 라인(6.3)이 금속 화합물의 환원을 위한 반응기(6.1) 및 탄소의 열 변환을 위한 반응기(4.1)를 연결시키거나 또는, 반응기(6.1)를 조합된 열 및 전력 시스템 또는 열 전력 플랜트(5.1)와 연결시키는 것을 특징으로 하는 플랜트(1c).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 화합물의 환원을 위한 반응기(6.1)의 폐열(6.2)이 장치(7.1)에 사용되며, 폐열(6.2)이 특히 열 교환기(8)에 의하여 반응기(6.1)로부터 장치(7.1)로 전달되는 것을 특징으로 하는 플랜트(0a).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 폐열, 특히 반응기(6.1)의 폐열 스트림(6.2)이 장치(7.1)에 연결되는 것을 특징으로 하는 플랜트(0a).
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 금속 화합물의 환원을 위한 반응기(6.1)로부터의 고온 공정 기체가 고온 기체 라인(6.3)을 통하여 탄소의 열 변환을 위한 반응기(4.1)에 또는 조합된 열 및 전력 시스템(5.1)에 또는 열 전력 플랜트(5.1)에 투입되는 것을 특징으로 하는 플랜트(0b).
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서, 금속 화합물의 환원을 위한 반응기(6.1)로부터 고온 공정 기체의 투입을 위한 고온 기체 라인(6.3)이 이 반응기를, 탄소의 열 변환을 위한 반응기(4.1)에 연결시키거나 또는, 고온 기체 라인이 반응기(6.1)를 조합된 열 및 전력 시스템(5.1) 또는 열 전력 플랜트(5.1)에 연결시키는 것을 특징으로 하는 플랜트(0b).
  10. 금속 화합물(5.3)의 환원을 위한 반응기(6.1)의 폐열(6.2)이 특히 플랜트(1a)와 조합된 장치(7.1)로 전달되며, 폐열(6.2)이 바람직하게는 열 교환기(8)에 의하여 반응기(6.1)로부터 반응기(7.1)로 전달되며, 반응기(6.1)의 폐열 스트림(6.2)이 바람직하게는 장치(7.1)에 연결되는 것을 특징으로 하는 플랜트(3).
  11. 특히 조합된 열 및 전력 시스템 또는 열 전력 플랜트에 의하여 전기 에너지를 생성하기 위한 탄소 함유 화합물의 열 변환을 위한 반응기(4.1)의 폐열의 용도.
  12. 제11항에 있어서, 규소 산화물, 특히 이산화규소의 제조에서의 폐열의 용도.
  13. 제11항에 있어서, 금속 화합물의 환원을 위한 반응기(6.1)를 작동시키기 위한 또는 장치(7.1)를 작동시키기 위한 전기 에너지의 용도.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 특히 고온 기체 라인(6.3)을 통하여 반응기(6.1)로부터 반응기(4.1)로 투입시켜 반응기(4.1)내의 탄소를 열 변환시키기 위하여 반응기(4.1)내의 금속 화합물의 환원을 위한 반응기(6.1)로부터의 고온 공정 기체(6.3)의 용도 또는, 증기를 상승시키기 위한 조합된 열 및 전력 시스템(5.1) 또는 열 전력 플랜트(5.1)에서의 공정 기체(6.3)의 용도.
  15. 규소 산화물의 제조, 특히 이산화규소의 열 처리 또는 건조에서의 금속 화합물의 환원을 위한 반응기(6.1)의 폐열의 용도.
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