KR20110094016A - 생 합성가스를 생성하기 위한 반응기에 연료를 공급하는 방법 및 시설 - Google Patents

생 합성가스를 생성하기 위한 반응기에 연료를 공급하는 방법 및 시설 Download PDF

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Abstract

생 합성가스를 생성하기 위한 반응기 (32) 에 연료 (3) 를 공급하기 위한 방법을 이용해, 라인에 따른 압력 가스화 시설에의 연료 공급은 생가스 안으로의 질소 투입이 최소화되거나 또는 완전히 저지되도록 형성되어야 한다. 이는 - 저장 용기 (2) 안의 연료를 비활성화 및 이완시키기 위해, - 락 용기 (5) 들의 내용물을 이완 및 유동화시키기 위해, - 락 용기 (5) 들로부터의 락 가스로서, - 수용 용기 (29) 안에서 이완 및 유동화시키기 위해, 또한 - 시설 부품들 사이에서, 그리고 수용 용기 (25) 로부터 가스화 반응기 (32) 로 연료를 공급하기 위해, 주로 CO2 로 구성된 가스 (H2, CO, N2, 탄화수소 등등과 같은 혼합물을 가진 95 Vol,-% 초과 CO2) 가 이용됨으로써 달성된다.

Description

생 합성가스를 생성하기 위한 반응기에 연료를 공급하는 방법 및 시설 {PROCESS AND PLANT FOR SUPPLYING A REACTOR FOR GENERATING CRUDE SYNTHESIS GAS}
본 발명은 미세한 알갱이형 내지 가루형 연료로부터 생 합성가스를 생성하기 위한 반응기에 연료를 공급하기 위한 방법 및 시설에 관한 것이다.
이러한 유형의 가스화 시설에게 상응하는 연료를 공급하는 것이 여러 가지 구현형태로 공지되어 있으며, 즉 출원인의 사전 공개되지 않은 출원, 즉 DE 10 2008 050 075 는 이송에 대해 다루고 있고, 상기 이송은 향상된 시설 가용성을 보장하고 있으며, 그곳에서는 운반의 자기 자신의 특별한 방식, 즉 운반 경로들 및 운반 기술의 특별한 구현형태가 단지 부차적으로만 역할을 한다.
공개 문헌 10 2007 020 332 A 또는 10 2007 020 333 A 로부터는, 1 개 또는 2 개의 CO2 가스로 이루어진 혼합물을 가진 운반, 또는 순수 CO2 를 이용한 운반이 공지되어 있으며, 이때 한 경우에는 제 2 가스가 제공되어야 하고, 즉 N2 가 제공되어야 하며, 반면 다른 경우에는 순 CO2 는 항상 온도들이 2상 범위에 대한 한계의 위에 유지되어야 한다는 단점을 가진다. CO2 가스를 이용한 운반은 예컨대 WO 2008/025556 A 로부터 공지되어 있다.
예컨대, 공지의 해결책의 그 밖의 단점들은 순 CO2 의 이용을 위해 이용되는 가열된 관 라인들의 중요한 길이에 있어서, 락 용기들과 필요 팽창 사이에서 가열이 너무 적고, 따라서 CO2 의 2상 상태가 확실하게 저지될 수 없다는 것이다. 이 경우, 이슬점 아래에서의 먼지 함유 가스의 다방 (polytropic) 냉각을 저지하기 위해, 다단 팽창 장치의 팽창이 수행되어야 한다.
CO2 의 2상 상태보다 더 문제가 되는 것은, 락 용기 안에서 고체로부터 락 가스 (lock gas) 안으로 확산되는 습기로부터의 얼음생성이다. 특히 낮은 온도들, 예컨대 0℃ 훨씬 아래의 온도는 팽창의 마지막 단계에서 발생하며, 이때 얼음이 형성될 수 있다.
특히 문제가 되는 것은 중력 흐름에 기초를 둔, 압력하의 슬러싱 (sluicing) 이며, 상기 슬러싱은 작동 신뢰성이 충분치 않다고 증명되었다. 여러 가지 많은 시도에도 불구하고, 벌크재 안의 내부 응력이 충분히 낮게 유지되도록 용기 텐셔닝의 공정을 신중히 실행하는 것이 특히 어려운 것으로 밝혀졌다. 많은 경우에서, 벌크재는, 뒤따라 수용 용기로의 중력 흐름이 발생하지 않도록 또는 단지 불충분히 발생하도록 국부적으로 압축된다. 이 이외에, 중력 흐름에 기초를 둔 슬러싱 시스템은 일반적으로 비용이 많이 드며, 그리고 큰 높이로 설계되어야 하는데, 왜냐하면 용기들 (상기 용기들 사이에서 운반이 수행되어야 한다) 의 포개어진 구조가 필요하기 때문이다.
가스화 시설 안에서 고체 운반을 위해 필요한 이완 및 유동화, 락 용기의 텐셔닝, 운반, 그리고 충분히 공기 분해 시설로부터 제공되어 있는 질소를 갖고 압력하의 도우징 (dosing) 이 실행되는 것이 또한 공지되어 있다. 질소의 사용은 검증되어 있고, 가능한 한 완성 단계에 들어섰다. 가스화 시설의 목적이 추후에 여러 가지 화학적 합성을 실행하기 위한 합성가스를 생산하는 것이라면, 합성가스 안에서의 질소 부분은 매우 바람직하지 않으며, 그리고 게다가 대개의 경우, 각각의 합성에 좌우되는 한계값들에 제한되어 있다.
본 발명의 목적은, 관련된 단점들을 상응하여 감소시키기 위해, 라인에 따른 압력 가스화 시설에의 연료 공급을 생 가스 안으로의 질소 투입이 최소화되거나 또는 완전히 저지되도록 형성하는 것이다.
이 목적은, 도입부에 언급된 유형의 방법에 있어서, 본 발명에 따르면,
- 저장 용기 안의 연료를 비활성화 및 이완시키기 위해,
- 락 용기들의 내용물을 이완 및 유동화시키기 위해,
- 락 용기들로부터의 락 가스로서,
- 수용 용기 안에서 이완 및 유동화시키기 위해, 또한
- 시설 부품들 사이에서, 그리고 수용 용기로부터 가스화 반응기로 연료를 공급하기 위해, 주로 CO2 로 구성된 가스 (H2, CO, N2, 탄화수소 등등과 같은 혼합물을 가진 95 Vol.-% 초과 CO2) 가 이용됨으로써 달성된다.
상응하는 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 또한 시설을 제공하며, 상기 시설은 주로 CO2 로 구성된 가스의 이송부, 즉
- CO2 가스에 의해 저장 용기 안의 연료를 비활성화 및 이완시키기 위한 라인들,
- 락 용기들의 내용물을 이완 및 유동화시키기 위한 CO2 가스를 공급하기 위한, 또한 락 가스로서 제공하기 위한 라인들,
- 수용 용기 안에서 이완 및 유동화시키기 위한 CO2 가스를 공급하기 위한 라인, 및
- 수용 용기로부터 가스화 반응기로의 운반 가스로서의 CO2 가스를 공급하기 위한 라인이 제공되어 있음으로써 그 탁월함을 나타낸다.
본 발명의 그 밖의 구현형태들은 종속항들에 나타나 있다.
이하, 본 발명에 따른 방법 또는 본 발명에 따른 시설의 작용 방식을, 상기 시설을 개략적으로 보이고 있는 단 하나의 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도면은 본 발명에 따른 방법 또는 본 발명에 따른 시설의 작용 방식을 개략적으로 보이고 있다.
전체적으로 1 로 표시되어 있는 시설 안에서, 가루형 연료 (3) 는 저장 용기 (2) 안에 임시로 저장되며, 그리고 그곳으로부터 연결 라인 (4) 을 통해 락 용기 (5) 들에게 넘겨진다. 연료를 저장 용기 (2) 로부터 수용할 수 있기 위해, 락 용기 (5) 들의 압력은 우선 상기 저장 용기의 압력레벨로 감소되어야 한다. 상기 락 용기들로부터 흘러나오는 가스 (6) 는 우선 가열되며 (7), 그 후 먼지가 제거되고 (8), 그리고 그 후에 비로소 팽창된다. 상기 락의 팽창시, 가스는 등엔트로피 또는 다방 팽창으로 인해 분명히 냉각되며, 이로 인해 석탄의 잔여 수분으로부터 유래하는 수증기의 얼음생성, 및 CO2 의 응축은 공정을 방해할 수 있다. 이 이외에, 상기 락 용기는 주기적으로 저온에 맞서야 하며, 이로 인해 용기벽은 기계적으로 부하를 받고, 이는 주기적인 과정에 있어서 재료의 피로를 초래한다. 이를 저지하기 위해, 상기 락 용기는 외부로부터 전기적으로 가열되거나 또는 매체를 갖고 가열된다.
이에 반해, 가열된 상기 가스는 어려움 없이 먼지가 제거되며, 그리고 계속해서 팽창될 수 있다. 높아진 압력하에 열교환은 매우 집중적이며, 따라서 비교적 작은 열교환기로 충분하다. 가열된, 그리고 먼지가 제거된 가스 (9) 로 우선 MP 버퍼 용기 (10) 가 중간 압력레벨 (MP) 에서 채워지며, 다음 팽창 단계에서는 LP 버퍼 용기 (11) 가 보다 낮은 압력레벨에서 채워지고, 그리고 가스의 나머지는 팽창되며 (12), 그리고 통상적으로 대기 안으로 방출되고, 즉 곧장 또는 필터를 통해 (상기 필터를 이용해 가스의 고체 함량이 계속 감소될 수 있다) 방출된다. LP 버퍼 용기 (11) 로부터의 가스는 상기 저장 용기의 비활성화 (15) 및 유동화 (16) 를 위해 사용된다. 선택 사양적으로, 가스의 일부 (17) 는 보다 낮은 압력레벨에서 그 밖의 적용을 위해, 예컨대 그라인딩 밀 (grinding mill) 의 비활성화를 위해 사용될 수도 있다. MP 버퍼 용기 (10) 안에 저장된 가스는 락 용기 (20) 들을 부분적으로 텐셔닝하기 위해 사용되며, 나머지는 예컨대 바람직하게는 생 가스 (crude gas) 로부터 분리된 석탄회를 처리하기 위해 사용될 수 있고, 이로 인해 비활성 가스에 대한 수요, 및 대기 안으로의 CO2 방출이 더욱 분명히 감소될 수 있다.
락 용기 (5) 들이 연료를 낮은 압력레벨에서 수용한 후, MP 재순환 가스 (20) 를 갖고 부분적인 텐셔닝이 수행된다. 슬러싱을 위해 필요한 압력레벨은 주로 이산화탄소로 구성된 가스 (22) 의 그 밖의 공급을 통해 달성된다. 그 후에야 비로소 락 용기 (5) 로부터 수용 용기 (29) 안으로의 가루형 연료의 운반이 발생한다. 이를 위해, 이완 (loosening) 및 유동화 가스 (23) 가 첨가되며, 따라서 연료는 연결 라인 (26) 을 통해 운반되고, 그리고 운반 라인 (28) 안으로의 결합 요소 (27) 를 통해 운반되며, 그리고 그곳으로부터 밀집상 흐름 수송 (dense phase flow conveyance) 당 운반 가스 (24) 의 그 밖의 첨가하에 수용 용기 (29) 로 운반된다. 락 용기 (5) 들은 시간적으로 오프셋되어 연료를 운반하기 위해 이용되며, 따라서 수용 용기 (29) 에의 준 연속적인 (quasi-continuous) 연료공급이 발생한다. 연료와 함께 상기 수용 용기 안으로 들어온 상기 운반 가스는 상기 수용 용기로부터 배출되며 (36), 그리고 예컨대 필터 (13) 안에서 먼지가 제거되고, 그리고 다른 팽창 가스들과 함께 주변으로 방출된다.
가스 (36) 를 낮은 압력하에 작동하는 필터 안에서 먼지제거시키고, 그리고 상기 버퍼 용기들에게 공급하는 것도 가능하다. 수용 용기 (29) 를 가압하기 위해, 예컨대 단기적으로 락 용기 (5) 들의 전환 동안, 또는 시설의 시동 과정 동안 가스 (25) 를 첨가하는 것이 필요할 수 있다.
수용 용기 (29) 는 영구적으로 작동압력에 있으며, 그리고 가스화 반응기 (32) 의 버너 (31) 들에게 연속적으로 연료를 공급한다 (30). 상기 수용 용기로부터의 운반은 이완 및 유동화 가스 (37) 의 첨가를 통해, 그리고 버너 라인 (30) 안으로의 그 밖의 운반 가스 (38) 의 첨가를 통해 수행된다.
가스화 시설 안의, 주로 이산화탄소로 구성되는 가스 (21) 는 일반적으로 하류에 접속된 가스세척으로부터 얻어지기 때문에, 전체 시설의 시동 작동을 위해 질소의 사용이 제공되어 있으며, 상기 질소는 이 목적을 위해 예컨대 간단히 제공될 수 있다. 상기 가스세척에서 이산화탄소가 분리되도록 작동이 개시되자마자, 그 밖의 정상 작동을 위해 이산화탄소 함유 가스로의 전환이 수행된다.
상기 가스세척에서 얻어진 이산화탄소 함유 가스는 일반적으로 적은 비율의 성분들, 예컨대 일산화탄소, 황화수소, 탄화수소 등등을 포함한다. 슬러싱을 위해 사용된 가스의 부분들이 주변으로 방출되기 때문에 - 도 1 의 예에서의 실시에서 흐름들 (33, 34, 경우에 따라서는 36) - 상기 이산화탄소 함유 가스를 사전에 세척하는 것이 필요하며, 따라서 허용 방출 한계값들이 초과되지 않는다.
용제 (메타놀, MDEa 등등) 에 기초를 둔 상기 가스세척에서 얻어진 가스는 주 성분 CO2 이외에 예컨대 다른 성분들의 다음과 같은 부피비: CO < 1%, H2 < 1%, N2 < 1% 및 소량의 메탄, 황화수소, 아르곤 및 이용된 용제를 포함한다. 극저온 액상 질소 세척이 가스세척을 위해 이용되면, 질소 비율은 훨씬 높으며, 예컨대 15% vol 이다.
높은 CO 비율은 환경에 유해하다. 방출되는 CO량을 제한하기 위해, 가스 세척을 그 밖의 분리 컬럼 (separation column) 들로 확대시키고, 그리고 오염된 CO2 를 2 개의 분획으로 분리시키는 것이 바람직하다. 적은 CO 비율, 예컨대 < 100 ppmv 을 가진 분획은 슬러싱을 위해 이용되고, 그리고 그 후 방출되며, 그리고 높은 CO 비율을 가진 분획은 처리되거나 또는 복귀된다.
도 1 에 도시되어 있는 본 발명의 바람직한 실시는, 슬러싱을 위해, 락 용기 텐셔닝을 위해, 락 용기로부터 수용 용기로의 고체 운반을 위해, 그리고 수용 용기 안에서의 가압을 위해 사용되는 이산화탄소 함유 가스 (21) 와, 버너들로의 연료 운반을 위해 사용되는 이산화탄소 함유 가스 (25) 간의 분리를 보이고 있다. 가스 흐름 (21) 을 위해, 상기 언급된 세척은 방출 한계값들과 관련하여 필요한데, 왜냐하면 가스의 대부분이 주변으로 방출되기 때문이다. 하지만, 이완 및 유동화 (37) 를 위해, 그리고 운반 가스 (38) 를 위해, 세척되지 않은 가스도 사용될 수 있는데, 왜냐하면 이 가스는 연료와 함께 버너들을 통해 가스화기 안에 도달하고, 그리고 그곳에서 높은 온도들에서 진행되는 반응들에 참여하기 때문이다.
도 1 에는 일례로 본 발명의 바람직한 구현형태가 도시되어 있다. 그 밖의 바람직한 변형들도 가능하며, 예컨대 단 하나의 버퍼 용기를 이용하는 것도 가능하다. 이는 그 밖의 소비자들이 MP 재순환 가스 (19) 를 필요로 하지 않으면, 예컨대 가스화 반응기의 구현형태를 근거로 석탄회 처리가 제공될 필요가 없으면 바람직할 수 있다.
도 1 에 도시되어 있는, 저장 용기 (2), 락 용기 (5) 들, 및 운반 라인 (28) 의 실시형태는 원칙적인 진행을 보이기 위해 사용되는 일례이다. 락 용기들의 개수가 더 많을 수도 있다. 또한, 락 용기들은 다수의 운반 라인을 통해 수용 용기 (29) 에게 연료를 공급한다.
1 : 시설
2 : 저장 용기
3 : 연료
4 : 연결 라인
5 : 락 용기
6 : 팽창되어야 하는 가스
7 ; 열교환기
8 : 필터
9 : 가열된, 그리고 먼지가 제거된, 팽창되어야 하는 가스
10 : MP 버퍼 용기
11 : LP 버퍼 용기
12 : 팽창 가스
13 : 필터
14 : LP 재순환 가스
15 : 비활성화를 위한 LP 재순환 가스
16 : 이완 및 유동화를 위한 LP 재순환 가스
17 : 소비자들로의 LP 재순환 가스
18 : MP 재순환 가스
19 : 소비자들로의 MP 재순환 가스
20 : 락 용기들로의 MP 재순환 가스
21 : 가스
22 : 텐셔닝 가스
23 : 이완 및 유동화를 위한 가스
24 : 운반 가스
25 : 이완 및 유동화를 위한 가스
26 : 연결 라인
27 : 결합 요소
28 : 운반 라인
29 : 수용 용기
30 : 버너 라인
31 : 버너
32 : 가스화 반응기
33 : 대기로 방출되는 가스
34 : 대기로 방출되는 가스
35 : 가스
36 : 가스
37 : 이완 및 유동화를 위한 가스
38 : 운반 가스

Claims (18)

  1. 락 용기 (5) 들 및 적어도 하나의 수용 용기 (29) 의 중간 접속하에 저장 용기 (2) 로부터의 연료 (3) 를 생 합성가스를 생성하기 위한 반응기 (32) 에 공급하기 위한 방법에 있어서,
    - 저장 용기 (2) 안의 연료를 비활성화 및 이완시키기 위해,
    - 락 용기 (5) 들의 내용물을 이완 및 유동화시키기 위해,
    - 락 용기 (5) 들로부터의 락 가스로서,
    - 수용 용기 (29) 안에서 이완 및 유동화시키기 위해, 또한
    - 시설 부품들 사이에서, 그리고 수용 용기 (29) 로부터 가스화 반응기 (32) 로 연료를 공급하기 위해, 주로 CO2 로 구성된 가스 (H2, CO, N2, 탄화수소 등등과 같은 혼합물을 가진 95 Vol.-% 초과 CO2) 가 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 락 용기 (5) 의 압력레벨을 저장 용기 (2) 의 압력레벨로 내림으로써 배출된 가스는 열교환기 (7) 를 통해 안내되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    열교환기 (7) 를 떠나가는 가스는 필터 (8) 를 통해 안내되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    가열된, 그리고 먼지가 제거된 CO2 가스는 MP (medium pressure)-버퍼 용기에 공급되며, 그리고 그곳에서, 원하는 중간 압력레벨로 데려가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    가열된, 그리고 먼지가 제거된 CO2 가스는 LP (low pressure)-버퍼 용기 (11) 에 공급되며, 그리고 그곳에서, 원하는 낮은 압력레벨로 데려가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    가열된, 그리고 먼지가 제거된 CO2 가스는 탈기 라인 (12) 을 통해 주위 압력으로 팽창되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항, 또는 그 다음의 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    MP-버퍼 용기 (10) 로부터의 및/또는 LP-버퍼 용기 (11) 로부터의 및/또는 팽창 라인 (12) 으로부터의 가스 흐름들은 주위 압력으로의 팽창 후 대기에 곧장 또는 필터 (13) 를 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    필터 (6) 및/또는 필터 (13) 는, 주로 CO2 로 구성된 가스를 이용해 세척되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항, 또는 그 다음의 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    MP-버퍼 용기 (10) 를 떠나가는 가스의 적어도 한 부분은 락 용기 (20) 들을 텐셔닝하기 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항, 또는 그 다음의 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    MP-버퍼 용기 (10) 를 떠나가는 가스의 일부는 생 가스로부터 분리된 석탄회를 처리하기 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    락 용기 (5) 로부터 상기 수용 용기로의 연료의 공급은 밀집상 흐름 수송을 이용해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    운반 가스 (38) 및 유동화 (37) 를 위해, 방출된 가스들의 허용 CO 함량보다 높은 CO 함량을 가진 가스가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 특히 상기 항들 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한, 탄소 함유 연료 (3) 를 저장 용기 (2) 로부터 락 용기 (5) 들을 통해, 그리고 수용 용기 (29) 를 통해 가스화 반응기 (32) 로 운반하기 위한 시설에 있어서,
    주로 CO2 로 구성된 가스의 이송부 (16, 23, 37, 38), 즉
    - CO2 가스에 의해 저장 용기 (2) 안의 연료를 비활성화 및 이완시키기 위한 라인 (16) 들,
    - 락 용기 (5) 들의 내용물을 이완 및 유동화시키기 위한 CO2 가스를 공급하기 위한, 또한 락 가스로서 제공하기 위한 라인 (23) 들,
    - 수용 용기 (29) 안에서 이완 및 유동화시키기 위한 CO2 가스를 공급하기 위한 라인 (37), 및
    - 수용 용기 (29) 로부터 가스화 반응기 (32) 로의 운반 가스로서의 CO2 가스를 공급하기 위한 라인 (38) 을 특징으로 하는 시설.
  14. 제 13 항에 있어서,
    락 용기 (들) (5) 에는 가열 장치가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 시설.
  15. 제 14 항에 있어서,
    락 용기 (5) 들로부터 유래하는 가스를 가열하기 위해 열교환기 (7) 가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 시설.
  16. 제 15 항에 있어서,
    열교환기 (7) 를 떠나가는 가스에서 먼지를 제거하기 위해, 적어도 하나의 내압 먼지필터 (8) 가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 시설.
  17. 제 16 항에 있어서,
    열교환기 (7) 및/또는 먼지필터 (8) 의 하류에는 MP 버퍼 용기 및/또는 LP 버퍼 용기 및/또는 팽창 라인 (12) 이 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 시설.
  18. 제 13 항, 또는 그 다음의 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    MP 버퍼 용기 (10) 로부터 락 용기 (5) 들로의 MP 재순환 가스를 위한 공급 라인 (20) 이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 시설.
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