KR20110112818A

KR20110112818A - 가스화 슬래그 생성물 처리 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20110112818A
Application number: KR1020117016951A
Authority: KR
Inventors: 알버트 씨. 창; 맥스 더블유. 톰슨; 릭 큐. 호나커
Original assignee: 코노코 필립스 컴퍼니
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2010-01-06
Publication date: 2011-10-13
Also published as: US9074149B2; CA2746195C; CN105331391A; CA2746195A1; US20100181537A1; WO2010090784A2; KR101614570B1; WO2010090784A3; CN102292419A

Abstract

본 발명은 가스화 공정으로부터의 슬래그 생성물의 품질을 개선하여 저탄소의 시장성있는 응집 생성물을 생성하기 위한 방법 및 시스템을 개시한다. 본 발명의 방법 및 시스템은 선택적인 결합해제기 및 탈수 장치와 함께 간섭-베드 침전조를 채용한다. 가스화 공정으로부터의 슬래그 슬러리 스트림은 탈수되고 고체 함량은 간섭-베드 침전조에 이송되기 전에 탈수기를 통해서 5% 미만으로부터 30% 이상으로 증가되며, 탄소 함량은 70% 정도에서 5% 미만으로 감소된다. 탄소 함량이 높은 입자는 중력 침전조로 이송되어 농축된 후 가스화 반응기로 순환된다.

Description

가스화 슬래그 생성물 처리 방법 및 시스템{METHODS AND SYSTEMS FOR TREATING A GASIFICATION SLAG PRODUCT}

(관련 출원에 대한 상호 참조)

본 출원은, 2009년 1월 21일자로 출원되고 발명의 명칭이 "가스화 슬래그 생성물 품질 개선 시스템 및 방법(A SYSTEM AND A PROCESS FOR IMPROVED GASIFICATION SLAG PRODUCT QUALITY)"이며 그 전체가 본 명세서에 원용되는 미국 가출원 제61/146189호에 대해 우선권을 주장하는 국제 출원이다.

본 발명은 일반적으로 가스화 슬래그 생성물의 품질을 개선하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 탄소질 원료를 합성 가스와 같은 바람직한 가스상 생성물로 변환하는 가스화 공정에 의해 생성되는 슬래그 생성물의 품질을 개선하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

가스화의 생성물은 주로 일산화탄소와 수소를 포함하는 반응 가스이다. 이 가스는 연료 가스로 사용될 수 있거나, 또는 합성 오일과 같은 다른 생성물로 화학적으로 변환될 수 있다. 가스화 중에, 석탄(coal)의 무기적 부분은 유리질 슬래그 부산물을 형성하며, 이는 노벽과 접촉하는 용융되거나 부분-융해된 입자를 포함하고, 노의 바닥 구멍 또는 출탕 구멍(taphole)을 향해서 하향 유동되며, 이후 노를 빠져나간다. 이후 슬래그는 수조 내로 낙하되고, 수조에서 급냉, 응고되어 입자상 응집물로 분쇄된다. 통상, 슬래그는 수조로부터 슬러리로서 제거된다.

흔히, 가스화 공정의 부산물로서 생성되는 슬래그는 잔류 탄소 함량이 높다는 큰 이유로 인해 시장 기대를 충족하지 못한다. 슬래그의 탄소 함량은 보통 20 내지 30%이고, 때로는 70% 정도로 높은 반면에, 슬래그가 시장성이 있으려면 5% 미만일 것이 요구된다. 탄소 함량이 낮은 슬래그는 도로나 건설 충진재, 콘크리트 믹스, 지붕널용 응집체로서, 샌드블라스팅 거친가루(grit)로서 또는 기타 용도에 사용될 수 있다.

슬래그 품질을 개선하고 그 시장성을 증대시키기 위해 미국 특허 제7328805호(본 명세서에 원용됨)에 개시된 스크리닝 기술과 같은 다양한 처리 방법이 제안되었다. 그러나, 일부 슬래그 생성물은 탄소 함량을 나타내는 특정 사이즈 분획(fraction)을 드러내지 못할 수 있으며, 이러한 슬래그에 대해 상기 스크리닝 방법은 유익하지 않다.

따라서, 결과적인 슬래그 생성물이 시장성을 갖도록 탄소질 원료의 가스화 중에 생성되는 슬래그 생성물의 품질을 개선시킬 수 있는 새로운 기술이 필요하다.

본 발명은 가스화 공정으로부터 유래되는 슬래그 생성물의 품질을 개선시키는 신규 방법 및 시스템을 개시한다. 이를 달성하기 위해, 선택적인 탈수 및 물순환 유닛(water recycling unit)과 함께 간섭-베드 침전조(hindered-bed settler)가 채용된다. 간섭-베드 침전조는 탄소와 같은 가벼운 고체 입자를 "부유(float)"시켜 재(ash)와 같은 농밀한 입자로부터 분리시키기 위해 대향류 물세척 칼럼을 채용한다. 상기 유닛의 작동은 업-쓰러스트(up-thrust)를 생성하기 위해 많은 양의 세척수 유동을 필요로 하지 않는다. 입자가 간섭-베드 침전조에서 보다 타이트하게 함께 충전(pack)되어 입자 사이에 높은 상방-유동 속도를 발생시키고 그로인해 물 소비가 감소되도록 고체 함량이 높은 슬러리 공급 스트림 또는 건조한 고체 공급물이 바람직하다. 정미 물 사용 및 배출을 최소화하기 위해서는 세척수를 수집, 클리닝, 및 순환하기 위한 시스템이 필요하다.

간섭-베드 침전조는 혈암으로부터의 분탄 분리, 모래로부터 석탄의 분리 등을 위해서 뿐만 아니라 모래 산업 및 광물 산업에서 널리 사용되어 왔다. 간섭-베드 침전조는 시중에서 구입할 수 있으며, 구입 가격이 비교적 저렴하다. 그러나, 이러한 장치는 가스화 공정과 함께 또는 가스화 슬래그 생성물의 업그레이드와 함께 사용되고 있지 않다. 본 발명은 간섭 베드 침전조를 가스화 시스템과 함께 사용하는 것 이상을 포함하고 있음에 유의하는 것이 중요하다. 본 발명의 추가 이점은 탄소 함량이 높은 슬래그 입자를 분리하고 이들 슬래그 입자를 가스화 반응기에 연료로서 복귀시킴으로써 가스화 공정의 전체 탄소 변환 효율을 증가시키는 것을 포함한다. 또한, 본 발명은 간섭-베드 침전조에 사용된 물을 순환시킴으로써 비용을 절감하고 환경 영향을 감소시킨다.

본 발명의 특정 실시예는 가스화 장치로부터의 슬래그 생성물의 품질을 개선하기 위한 시스템을 제공한다. 이 시스템은 일반적으로, 슬래그 생성물을 유동화(fluidize)시켜 탄소 입자를 함유하는 오버플로우 스트림과 언더플로우 스트림으로 분리하기 위한 간섭-베드 침전조; 오버플로우 스트림을 탄소 스트림과 세척수로 분리하기 위한 중력 침전조; 및 세척수를 순환시키기 위한 순환수 탱크를 포함한다. 순환수 탱크 내의 세척수는 간섭-베드 침전조로 순환 복귀되고, 탄소 스트림은 가스화 장치로 순환 복귀된다. 간섭-베드 침전조는 수직 섹션; 원추형 섹션; 그 사이의 분배기; 및 상기 원추형 섹션의 바닥에 있는 개구를 더 포함할 수 있다. 이 설계에서, 슬래그 생성물은 분배기에 의해 분배된 세척수의 상방 상승에 의해 수직 섹션에서 유동화되며, 따라서 (1) 수직 섹션의 상부에서의 오버플로우 스트림 및 (2) 원추형 섹션의 저부에서의 언더플로우 스트림으로 분리된다. 무거운 고체는 언더플로우로부터 침전되고 간섭-베드 침전조로부터 유출 오리피스를 통해서 제거된다. 이 시스템에서, 언더플로우 스트림 중의 슬래그 입자는 오버플로우 스트림 중의 슬래그 입자보다 낮은 탄소 함량을 가지며, 바람직하게는 5% 미만의 탄소 함량을 갖는다. 따라서, 언더플로우 스트림 중의 슬래그 입자는 시장에서 생존할 수 있는 생성물을 만들어낸다. 간섭-베드 침전조는 추가로 원추형 섹션의 바닥에 출탕 구멍을 포함할 수 있다. 중력 침전조는 시판되는 경사판 라멜라(lamella: 층판) 침전조 또는 농축조/정화조 유닛일 수 있지만, 이것에 한정되지는 않는다.

본 발명의 특정 실시예는 가스화 반응기에 의해 생성되는 슬래그 생성물의 품질을 개선하기 위한 시스템을 제공한다. 이 시스템은 일반적으로, 슬래그 생성물을 농축된 슬래그 스트림과 제1 오버플로우 스트림으로 농축하기 위한 탈수기; 농축된 슬래그 스트림을 유동화시켜 탄소 입자를 함유하는 제2 오버플로우 스트림과 언더플로우 스트림으로 분리하기 위한 간섭-베드 침전조; 제1 및 제2 오버플로우 스트림을 탄소 스트림과 세척수로 분리하기 위한 중력 침전조; 및 중력 침전조로부터의 세척수를 저장하기 위한 순환수 탱크를 포함한다. 탄소 스트림은 가스화 반응기로 순환 복귀되고, 순환수 탱크 내의 세척수는 간섭-베드 침전조로 순환 복귀된다. 이 시스템에서, 탈수기는 슬래그 생성물을 농축된 슬래그 스트림과 제1 오버플로우 스트림으로 침전 및 농축하기 위한 결합해제기 용기; 상기 결합해제기 용기에 걸쳐서 슬래그를 균일하게 분배하기 위한 유동 분배기; 및 상기 결합해제기 용기로부터 제1 오버플로우 스트림을 제거하기 위한 오버플로우 장벽(weir)을 포함하는 결합해제기(disengager)일 수 있다. 농축된 슬래그 스트림은 간섭-베드 침전조에 보내진다. 간섭-베드 침전조 내의 언더플로우 스트림은 5% 미만의 탄소 함량을 갖는다. 탈수기는 또한, 고체를 침강시킬 수 있는 개방 침강조; 고체를 제거 및 탈수하기 위한 수송 나선체(spiral); 및 슬래그를 개방 침강조 내에 균일하게 분산시키기 위한 공급 분배기를 포함하는 나선형 탈수기일 수 있다. 이러한 설계에서, 고체는 수송 나선체에 의해 연속적으로 제거되고, 간섭-베드 침전조로 보내지기 전에 수송 나선체의 상측 부분에서 배수(drainage)에 의해 탈수된다.

본 발명의 특정 실시예는 가스화 장치로부터의 슬래그 생성물의 품질을 개선하기 위한 방법을 제공한다. 이 방법은 슬래그를 간섭-베드 침전조에서 유동화시켜 탄소 입자를 함유하는 오버플로우 스트림과 언더플로우 스트림으로 분리하는 단계; 상기 오버플로우 스트림을 중력 침전조에서 탄소 스트림과 세척수로 분리하는 단계; 상기 세척수를 순환수 탱크로 이송하는 단계; 상기 순환수 탱크로부터의 물을 간섭-베드 침전조에서 재사용하기 위해 순환시키는 단계; 및 상기 탄소 스트림을 가스화 반응기로 순환 복귀시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 특정 실시예는 가스화 장치로부터의 슬래그 생성물의 품질을 개선하기 위한 방법을 제공한다. 이 방법은 탈수기에서 슬래그 생성물을 농축된 슬래그 스트림과 제1 오버플로우 스트림으로 농축하는 단계; 농축된 슬래그 스트림을 간섭-베드 침전조에서 유동화시키고, 상기 스트림을 탄소 입자를 함유하는 제2 오버플로우 스트림과 언더플로우 스트림으로 분리하는 단계; 상기 제1 및 제2 오버플로우 스트림을 중력 침전조를 사용하여 탄소 스트림과 세척수로 분리하는 단계; 상기 중력 침전조로부터의 세척수를 순환수 탱크로 이송하는 단계; 상기 탄소 스트림을 가스화 반응기로 순환 복귀시키는 단계; 및 상기 순환수 탱크로부터의 물을 간섭-베드 침전조에서 재사용하기 위해 순환시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예에 대한 보다 상세한 설명을 위해, 이제 첨부도면을 참조한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 개략도이다.

본 발명의 다양한 실시예의 하기 상세한 설명은 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 도시하는 첨부도면을 참조한다. 이들 실시예는 본 발명의 태양을 당업자가 실시할 수 있을 정도로 충분히 상세하게 설명하기 위한 것이다. 다른 실시예가 이용될 수 있으며, 본 발명의 범위 내에서 변경이 이루어질 수 있다. 따라서, 이하의 상세한 설명은 발명의 범위를 특정하게 개시된 실시예로만 한정시키려는 것이 아니다. 본 발명의 진정한 범위는 청구범위 및 이러한 청구범위가 부여하는 균등물의 전체 범위에 의해서만 한정된다.

도 1에 도시된 일 실시예에 따르면, 슬래깅 가스화 장치에서 생성되는 슬래그에 대한 슬래그 취급, 선광, 탄소 회수/농축/순환 공정 및 시스템이 도시되어 있다. 도 1을 더 참조하면, 상기 시스템은 주로 간섭-베드 침전조[이하, HBS(hinder-bed settler)](40)를 포함하며, 이 HBS는 고체가 침전, 수집되고 원추형 섹션(110) 바닥의 개구(120)를 통해서 제거되기 위한 원추형 섹션(110)을 갖는 HBS 수직 용기(100), 및 세척수를 공급하고 공급되는 세척수를 균일하게 분배하기 위해 상기 수직 섹션(100)의 하부와 간섭-베드 침전조(40)의 원추형 섹션(110) 위에 위치하는 분배기(130)를 포함한다. HBS는 대부분 고밀도 입자를 포함하는 입자의 유동층을 통한 상이한 침전 속도로 인해 고체 입자의 밀도 편석(segregation)을 달성한다. HBS(40)의 수직 섹션(100)은 수직 섹션(100)의 바닥에 주입되는 물의 상방 상승에 의해 무거운 입자가 유동화되는 분급 칼럼(elutriation column)을 더 포함한다. 유동화된 베드는 분급 칼럼의 높이를 따라서 유동층이 형성되며, 분리는 기본적으로 간섭 침전 조건에서 발생한다. 유동층보다 높은 밀도를 갖는 입자는 언더플로우에 직속되는 반면, 베드를 관통할 수 없는 가벼운 물질은 오버플로우에 직속된다. 고체 함량이 높은 슬러리 공급 스트림(20)은 입자가 유동층에서 보다 타이트하게 함께 충전되어 입자들 사이에 높은 상방-유동 속도를 발생시키므로 HBS(40)에 의해 선호된다. 고체 함량이 높은 슬러리 공급 스트림은 분리에 필요한 상방-유동 속도를 유지하기 위해 물 주입을 덜 필요로 하며, 이는 또한 물 소비를 감소시킨다. HBS(40)로부터, HBS(40)에서 슬래그 슬러리 스트림(20)으로부터 분리 및 "부유"되는 가볍고 작은 입자(탄소 입자를 포함)와 세척수는 HBS(40)의 상부에 위치한 출구(70)로부터 철회된다. 출구(70)로부터의 스트림은 도관을 통해서 중력 침전조로 수송되며, 중력 침전조는 예를 들어 경사판 라멜라 침전조(80) 또는 농축조/정화조(도시되지 않음)지만 이것에 한정되지는 않는다. 이들 형태의 중력 침전조는 당업계에 공지되어 있고, 탄소-농후 입자를 농축 및 회수하는 작용을 하며, 상기 입자는 나중에 가스화 반응기(10)로 순환 복귀된다. 라멜라 침전조(80)를 빠져나가는 물은 HBS(40)에서의 추가 분급 사이클을 위한 세척수로서 사용되기 위해 도관을 거쳐서 순환수 탱크(90)로 수송된다. 도 1에 도시된 본 실시예에 따르면, 슬래그 슬러리 입력 스트림(20)의 전체 탄소 함량은 30% 초과에서 5% 미만으로 감소되며, 따라서 저탄소의 시장성있는 응집물을 생성한다.

도 2에 도시된 실시예는 슬래깅 가스화 반응기(10)에서 생성되는 슬래그를 위한 슬래그 취급, 선광, 탄소 회수/농축/순환 및 물 회수/순환 공정 및 시스템을 도시한다. 도 2를 더 참조하면, 상기 시스템은 주로 탈수기를 포함하며, 탈수기는 예를 들어 결합해제기(30) 및 HBS(40)이지만 이것에 한정되지는 않는다. 결합해제기(30)는 하향 유동하는 용기의 단면적에 걸쳐서 공급 유동을 균일하게 분배하기 위해 용기(160)의 상측 부분에 유동 분배기(170)를 갖는 용기(160)를 포함한다. 결합해제기는 용기(160)의 상부에 오버플로우 장벽(180)을 더 포함한다. 도 1에서와 같이, 도 2에 도시된 실시예에서의 HBS(40)도 고체가 침전, 수집되고 원추형 섹션(110) 바닥의 개구(120)를 통해서 제거되기 위한 원추형 섹션(110)을 갖는 수직 용기(100), 및 세척수를 공급하고 공급되는 세척수를 균일하게 분배하기 위해 상기 수직 섹션(100)의 하부와 HBS(40)의 원추형 섹션(110) 위에 위치하는 분배기(130)를 포함한다. 도 1에 도시하듯이, HBS는 대부분 고밀도 입자를 포함하는 입자의 유동층을 통한 상이한 침전 속도로 인해 고체 입자의 밀도 편석을 달성한다. 도 1에 도시하듯이, HBS의 수직 섹션(100)은 칼럼의 바닥에 주입되는 물의 상방 상승에 의해 무거운 입자가 유동화되는 분급 칼럼을 더 포함한다. 분급 칼럼의 높이를 따라서 유동층이 형성되며, 분리는 기본적으로 간섭 침전 조건에서 발생한다. 유동층보다 높은 밀도를 갖는 입자는 언더플로우를 향해 하방 이동하고, 베드를 관통할 수 없는 가벼운 입자는 오버플로우를 향해 상방 이동한다. 도 2에 도시된 실시예에서, HBS(40)는 HBS(40) 상류의 결합해제기(30)와 연관하여 작동한다. 고체 함량이 높은 슬러리 공급 스트림(20)은 입자가 유동층에서 보다 타이트하게 함께 충전되어 입자들 사이에 높은 상방-유동 속도를 발생시키므로 HBS(40)에 의해 선호된다. 고체 함량이 높은 슬러리 공급 스트림은 분리에 필요한 상방-유동 속도를 유지하기 위해 물 주입을 덜 필요로 하며, 이는 또한 물 소비를 감소시킨다. 본 실시예에서 설명되는 결합해제기(30)는 HBS의 연장이며, 이는 슬러리 공급물을 농축시키는 작용을 한다. 결합해제기(30)는 HBS보다 단면적이 크며, HBS 위에 위치한다. 결합해제기 원추형 섹션(50)은 결합해제기(30)와 HBS(40) 사이에서 이행되며, 이들 두 유닛을 연결한다. 가스화 장치(10)로부터의 슬래그 슬러리 스트림(20)은 체적이 크지만[예를 들면, 분당 1000 갤런(1000 gpm)] 매우 낮은 고체 함량(예를 들면, 1 내지 5중량%)을 갖는다. 슬래그 슬러리 스트림(20)은 결합해제기(30)에서 탈기(de-gas)되며, 가스는 결합해제기(30) 상부의 증기 공간에 수집된 후 플레어(flare)로 보내진다. 가벼운 입자의 일부와 대부분의 물은 결합해제기 오버헤드 장벽 출구(60)로 넘쳐흐를 수 있다. 결합해제기(30)의 직경 및 높이는, 재 함량이 높은 입자가 난류에 의해 오버플로우로 운반되는 것을 방지하도록 또한 이들 입자가 침전되어 아래에서 HBS(40)에 진입하기 위해 적절한 시간을 갖도록 설계된다. HBS로부터, 세척수와 가볍고 작은 입자(탄소 입자를 포함)는 슬래그 슬러리 스트림(20)의 상부로 상승할 때 분리되며, 이들 입자는 출구(70)[결합해제기(30)의 하부 및 HBS(40) 위에 위치함]로부터 철회된다. 오버플로우 장벽 출구(60) 및 출구(70)로부터의 조합된 스트림은 탄소-농후 입자를 농축 및 회수하기 위해 중력 침전조에 도입되며, 중력 침전조는 예를 들어 경사판 라멜라 침전조(80) 또는 농축조/정화조(도시되지 않음)지만 이것에 한정되지는 않는다. 이들 입자는 이후 가스화 반응기(10)로 순환 복귀된다. 라멜라 침전조(80)를 빠져나가는 물은 먼저 순환수 탱크(90)로 이송되고, 이후 HBS(40)에서 세척수로서 재사용된다. 이 시스템에 의하면, 슬래그 슬러리 스트림(20)은 간섭-베드 침전조(40)가 요구하는 세척수의 품질이 최소화되도록 소정의 고체 함량 퍼센트로 농축된다. 도 2에 도시된 실시예에 따르면, 가스화 장치(10)로부터의 슬래그 슬러리 스트림(20)은 탈수되고, 고체 함량은 HBS(40)에 도입되기 전에 결합해제기(30)를 통해서 5% 미만에서 대략 30%(중량)로 증가된다. HBS에서, 탄소 함량은 이후 30% 초과에서 5% 미만으로 감소되며, 따라서 저탄소의 시장성있는 응집물을 생성한다.

도 3은 가스화 반응기에서 생성되는 슬래그의 슬래그 취급, 선광, 탄소 회수/농축/순환, 및 물 회수/순환을 위한 본 발명의 대체 실시예를 도시한다. 도 3에 도시된 시스템은 주로 나선형 탈수기(30') 및 간섭-베드 침전조(40)를 포함한다. 나선형 탈수기(30')는 고체를 침강시키기 위한 개방 침강조(300)와, 침전된 생성물을 제거 및 탈수하기 위한 수송 나선체(320)를 필수적으로 포함한다. 침강조(300)는 고체의 침전 및 나선체에 의한 제거를 용이하게 하기 위해 원추형 바닥을 갖고 성형된다. 유입 유동은 공급 분배기(310)를 통해서 균일하게 분산된다. 거친 고체는 침전되고, 수송 나선체(320)에 의해 연속적으로 제거된다. 이후 고체는 나선체의 상측 부분에서 중력 배수에 의해 탈수되며, 이후 관통 출구(50')에서 배출되어, 아래의 HBS(40) 내로 낙하한다. HBS는 고체가 침전, 수집되고 원추형 섹션 바닥의 개구를 통해서 제거되기 위한 원추형 저부(110)를 갖는 수직 용기(100), 및 세척수를 공급하고 공급되는 세척수를 균일하게 분배하기 위해 상기 수직 섹션(100)의 하부와 HBS(40)의 원추형 섹션(110) 위에 위치하는 분배기(130)를 포함한다. 본 실시예의 HBS는 도 1 및 도 2에 도시된 실시예와 유사하게 기능한다. 도 3에 도시된 실시예에서, HBS(40)는 HBS(40) 상류의 나선형 탈수기(30')와 같은 농축기와 연관하여 작동한다. 고체 함량이 높은 슬러리 공급 스트림은 분리에 필요한 상방-유동 속도를 유지하기 위해 물 주입을 덜 필요로 하고 그로인해 물 소비가 감소되므로, 고체 함량이 높은 슬러리 공급 스트림 또는 건조한 고체 공급물이 바람직하다. 나선형 탈수기(30')로부터 배출되는 탈수된 고체는 HBS(40)를 위한 이상적인 원료이다. 가스화 장치(10)로부터의 슬래그 슬러리 스트림(20)은 체적이 크지만(예를 들면, 1000 gpm) 매우 낮은 고체 함량(예를 들면, 1 내지 5중량%)을 갖는다. 슬래그 슬러리 스트림(20)은 나선형 탈수기(30')에서 탈기되며, 오프가스(offgas)는 나선형 탈수기(30') 상부의 폐쇄된 증기 공간에 수집된 후 플레어로 보내진다. 가벼운 입자의 일부와 대부분의 물은 출구(60')로 유동할 수 있는 반면, 고체의 대부분은 침전되고 나선형 탈수기(30')의 출구(50')를 통해서 HBS(40)에 공급된다. 출구(60')로부터의 물은 중력 침전조에 도입되며, 중력 침전조는 예를 들어 경사판 라멜라 침전조(80) 또는 농축조/정화조지만 이것에 한정되지는 않는다. 이 단계는 중력 침전조의 바닥 근처의 출구로부터 빠져나가는 탄소-농후 입자를 농축 및 회수하는 작용을 하며, 상기 입자는 이후 도관을 통해서 가스화 장치(10)로 복귀 이송된다. 라멜라 침전조(80)를 빠져나가는 물은 HBS용 세척수로서 재사용되기 위해 순환수 탱크(90)에 유입된다.

이 시스템을 사용하여, 슬래그 슬러리 스트림(20)은 HBS(40)가 요구하는 세척수의 양이 최소화되도록 본질적으로 건조한 고체로 농축된다. 도 3에 도시된 실시예에 따르면, 가스화 장치(10)로부터의 슬래그 슬러리 스트림(20)은 탈수되고, 고체 함량은 나선형 탈수기(30')를 빠져나갈 때 5% 미만에서 70% 이상으로 증가한다. HBS는 이후 이들 탈수된 고체를 탄소 함량이 30% 초과에서 5% 미만으로 감소되도록 처리하며, 이렇게 해서 저탄소의 시장성있는 응집물이 생성된다.

도 3에 도시된 나선형 탈수기(30')는 다른 탈수 장치(예를 들면, 탈수 스크린 또는 액체원심분리기)에 의해 초래되는 폐색 및 부식 문제를 경감하고, 또한 수분이 과도하지 않은 고체 스트림을 송출한다. 나선형 탈수기는 통상, 연속적이고 완전 자동화된 작동을 제공한다.

본 명세서에 개시된 방법 및 시스템을 사용하여, 가스화 반응기에 의해 생성되는 슬래그 응집체의 품질은 시장성있는 생성물을 생성하도록 개선될 수 있다. 추가적인 경제적 이점은, 이 개선된 슬래그 응집체가 고비용으로 매립지에 폐기되기 보다는 영리 목적으로 판매될 수 있다는 것이다. 또한, 제안된 시스템은 연속적으로 작동함으로써 효율이 증대되고, 따라서 배치식(batch-wise) 슬래그 수집 시스템을 포함하는 현재 방법에 비해, 요구되는 조작자 주목 정도를 감소시킨다. 사용되지 않는 탄소의 퍼센트가 높은 입자의 회수 및 순환을 통해서 탄소 변환 효율도 증가되며, 따라서 가스화 공정의 변환 효율이 향상된다. 최종적으로, 본 발명은 보통, 현재 사용되는 배치식 방법에 비해 실시하기에 덜 비싸야 하며, 따라서 새로운 가스화 프로젝트의 자본 비용을 낮춘다.

<예>

하기 예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며 당업자가 본 발명을 제조 사용하도록 교시하기 위한 것이다. 이들 예는 본 발명을 제한하려는 의도가 전혀 없는 것이다.

하기 예 1 및 예 2는 9"W×9"L×30"H(22.86cm W×22.86cm L×76.2cm H)의 장방형 벤치-스케일 HBS를 사용하여 실시되었다. 사용된 가스화 슬래그 샘플은 시중의 가스화 설비로부터 획득하였다. 모든 퍼센트는 특별히 언급되지 않는 한 중량 퍼센트이다.

예 1

세척수의 대향류가 2 gpm의 속도로 HBS의 바닥으로 펌핑되는 동안, 탄소를 43.5% 함유하는 슬래그 응집물이 물과 함께 7.9% 고체 농도로 슬러리화되어 HBS에 5 gpm으로 공급되었다. 샘플을 스크리닝하지 않은 상태에서, 원천 슬래그 내의 미네랄 함량의 대략 69%가 생성물에서 회수되었으며, 이는 탄소를 3.9% 함유하였다. HBS에 추가되기 전에, 슬래그의 일부는 메쉬 스크리닝에 의해, 다수의 상이한 크기 분포(표 1, 칼럼 1 참조)를 갖는 샘플을 얻기 위해 다양한 입자 분포를 갖는 여러가지 샘플로 사이징되었다. 이들 스크리닝된 샘플의 탄소 함량은, 최저의 탄소 함량을 갖는 샘플이 65×100 메쉬를 통해서 스크리닝되었고 이 사이징된 샘플의 탄소 함량이 여전히 대략 20%라는 것을 나타낸다. 따라서, 메쉬 스크리닝 기술만으로는 임의의 샘플의 탄소 함량을 전체 탄소 함량의 5% 미만으로 충분히 감소시키지 못하였다. 그러나, 스크리닝된 샘플을 HBS에서 처리한 후, 언더플로우 분획으로부터 회수된 슬래그 응집물의 탄소 함량은 최대 응집 입자를 함유하는 하나를 제외한 모든 샘플에서 5% 미만이었다(칼럼 7).

표 1

예 2

세척수의 대향류가 1gpm의 속도로 HBS의 바닥으로 펌핑되는 동안, 탄소를 31.6% 함유하는 슬래그 응집물이 물과 함께 17.4% 고체 함량으로 슬러리화되어 HBS에 5 gpm으로 공급되었다. 원천 슬래그 내의 미네랄 함량의 대략 69%가 생성물에서 회수되었으며, 이는 탄소를 7.8% 함유하였다. 다시 원천 슬래그 내의 탄소 분포는, 최저의 탄소 함량을 갖는 스크린 사이즈가 65 내지 100 메쉬일 것이고, 탄소 함량이 여전히 15.3%일 것임을 나타낸다. 따라서, 스크리닝 기술만 사용해서는 임의의 사이즈 분획의 탄소 함량을 전체 탄소 함량의 5% 미만으로 감소시킬 수 없을 것이다.

샘플을 스크리닝하지 않은 상태에서, 원천 슬래그 내의 미네랄 함량의 대략 69%가 생성물에서 회수되었으며, 이는 탄소를 7.8% 함유하였다. 다시, 스크리닝된 샘플의 탄소 함량은, 최저의 탄소 함량을 갖는 샘플이 65×100 메쉬를 통해서 스크리닝되었으며, 이 사이징된 샘플의 탄소 함량이 여전히 대략 15.3%임을 나타낸다. 따라서, 메쉬 스크리닝 기술만으로는 임의의 샘플의 탄소 함량을 전체 탄소 함량의 5% 마만으로 성공적으로 감소시키지 못하였다. 그러나, 스크리닝된 샘플을 HBS에서 처리한 후, 언더플로우 분획으로부터 수집된 슬래그 응집물의 탄소 함량은 48×65, 65×100, 100×325 메쉬에 의해 사전 스크리닝된 분획에서 5% 미만이었다(칼럼 7).

표 2

표 3 및 표 4는 9"W×16"L×4.5ft H(22.86cm W×40.64cm L×137.16cm H)의 장방형 파일럿-스케일 HBS에서 실시된 실험을 나타낸다. 희석 슬래그 슬러리 스트림을 6"(내경)×6ft 높이[15.24cm(내경)×182.88cm 높이]의 액체원심분리기를 사용하여 농축하였다. 농축된 슬래그는 HBS에 공급되었다.

예 3

표 3을 참조하면, 고체를 3.2% 함유하는 희석 슬러리 스트림 중에 탄소를 87.1% 함유하는 슬래그를 74gpm으로 액체원심분리기에 공급하였다. 슬러리는 24.2gpm의 언더플로우 출력 속도에 의해 액체원심분리기의 언더플로우에서 9.2% 고체로 농축되었다. 이 유출물은 다음에, HBS의 바닥에 8.6gpm으로 유입되는 대향류 세척수와 더불어 HBS에 공급되었다. 슬래그 응집물의 고체 함량의 대략 68.6%(및 미네랄 함량의 55.6%)가 최종 생성물에서 회수되었으며, 이는 탄소를 1.5%만 함유하였다. 메쉬-스크리닝된 샘플의 처리는, 대부분의 샘플에서 탄소 함량이 5% 미만인 최종 생성물을 생성하는데 있어서 마찬가지로 성공적이었다.

표 3

예 4

고체를 2.3% 함유하는 슬러리 스트림 중에 탄소를 71.5% 함유하는 슬래그를 58.6gpm으로 액체원심분리기에 공급하였다. 슬러리는 18.0gpm의 언더플로우 출력 속도에 의해 액체원심분리기의 언더플로우에서 7.1% 고체로 농축되었다. 이는 HBS의 바닥에 14.5 gpm으로 유입되는 대향류 세척수와 더불어 HBS에 공급되었다. 원천 슬래그 응집물의 미네랄 함량의 대략 80.3%가 최종 생성물에서 회수되었으며, 이는 탄소를 3.0%만 함유하였다. 메쉬-스크리닝된 샘플의 처리는, 대부분의 샘플에서 탄소 함량이 5% 미만인 최종 생성물을 생성하는데 있어서 마찬가지로 성공적이었다.

표 4

본 발명의 범위는 본 명세서에 기재된 설명 및 예에 의해 한정되지 않고, 후술하는 청구범위에 의해서만 한정되며, 청구범위의 요지의 모든 균등물을 포함한다. 각각의 청구항 및 모든 청구항은 본 발명의 실시예로서 명세서에 포함된다. 따라서, 청구범위는 부가 설명이며, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 부가물이다.

Claims

(a) 슬래그 생성물을 유동화시켜 탄소 입자를 함유하는 오버플로우 스트림과 언더플로우 스트림으로 분리하기 위한 간섭-베드 침전조;
(b) 상기 오버플로우 스트림을 탄소 스트림과 세척수로 분리하기 위한 중력 침전조; 및
(c) 상기 세척수를 순환시키기 위한 순환수 탱크를 포함하는 시스템이며,
상기 순환수 탱크 내의 상기 세척수는 상기 간섭-베드 침전조로 순환 복귀되고, 상기 탄소 스트림은 가스화 장치로 순환 복귀되는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 간섭-베드 침전조는
(a) 수직 섹션;
(b) 원추형 섹션;
(c) 그 사이의 분배기; 및
(d) 상기 원추형 섹션의 바닥에 있는 개구를 더 포함하며,
상기 슬래그 생성물은 상기 분배기에 의해 분배된 상기 세척수의 상방 상승에 의해 상기 수직 섹션에서 유동화되고, 따라서 상기 수직 섹션의 상부에서의 오버플로우 스트림 및 상기 원추형 섹션의 저부에서의 언더플로우 스트림으로 분리되며,
상기 언더플로우로부터 무거운 고체가 침전되고 이는 간섭-베드 침전조로부터 상기 개구를 통해서 제거되는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 언더플로우 스트림은 5% 미만의 탄소 함량을 갖는 시스템.
제2항에 있어서, 상기 간섭-베드 침전조는 상기 원추형 섹션의 바닥에 출탕 구멍을 더 포함하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 중력 침전조는 경사판 라멜라 침전조인 시스템.
제1항에 있어서, 상기 중력 침전조는 농축조/정화조인 시스템.
(a) 합성 가스 및 슬래그를 생성하기 위한 가스화 반응기;
(b) 상기 가스화 반응기에 의해 생성된 상기 슬래그를 농축된 슬래그 스트림과 제1 오버플로우 스트림으로 농축하기 위한 탈수기;
(c) 상기 농축된 슬래그 스트림을 유동화시켜 탄소 입자를 함유하는 제2 오버플로우 스트림과 언더플로우 스트림으로 분리하기 위한 간섭-베드 침전조;
(d) 상기 제1 및 제2 오버플로우 스트림을 탄소 스트림과 세척수로 분리하기 위한 중력 침전조; 및
(e) 상기 중력 침전조로부터 상기 세척수를 저장하기 위한 순환수 탱크를 포함하는 시스템이며,
상기 탄소 스트림은 상기 가스화 반응기로 순환 복귀되고, 상기 순환수 탱크 내의 상기 세척수는 상기 간섭-베드 침전조로 순환 복귀되는 시스템.
제7항에 있어서, 상기 탈수기는,
(a) 상기 슬래그 생성물을 농축된 슬래그 스트림과 제1 오버플로우 스트림으로 침전 및 농축하기 위한 결합해제기 용기;
(b) 상기 결합해제기 용기에 걸쳐서 상기 슬래그를 균일하게 분배하기 위한 유동 분배기; 및
(c) 상기 결합해제기 용기로부터 상기 제1 오버플로우 스트림을 제거하기 위한 오버플로우 장벽을 포함하는 결합해제기이며,
상기 농축된 슬래그 스트림은 상기 간섭-베드 침전조에 보내지는 시스템.
제7항에 있어서, 상기 간섭-베드 침전조 내의 상기 언더플로우 스트림은 5% w/v 미만의 탄소 함량을 갖는 시스템.
제7항에 있어서, 상기 탈수기는,
(a) 상기 슬래그로부터 고체를 침강시킬 수 있는 개방 침강조;
(b) 침전된 고체를 제거 및 탈수하기 위한 수송 나선체; 및
(c) 상기 슬래그를 상기 개방 침강조 내에 균일하게 분산시키기 위한 공급 분배기를 포함하는 나선형 탈수기이며,
상기 고체는 상기 수송 나선체에 의해 연속적으로 제거되고, 상기 간섭-베드 침전조로 보내지기 전에 상기 수송 나선체의 상측 부분에서 배수에 의해 탈수되는 시스템.
(a) 가스화 반응기에서 합성 가스 및 슬래그를 생성하는 단계로서, 반응기로부터 슬래그가 배출되며 이는 급냉되어 냉각된 고체상 응집 슬래그 생성물을 형성하는 단계;
(b) 상기 슬래그를 간섭-베드 침전조에서 유동화시켜 언더플로우 스트림과 탄소 입자를 함유하는 오버플로우 스트림으로 분리하는 단계;
(c) 상기 오버플로우 스트림을 중력 침전조에서 탄소 스트림과 세척수로 분리하는 단계;
(d) 상기 중력 침전조로부터의 상기 세척수를 순환수 탱크로 이송하는 단계; 및
(e) 상기 순환수 탱크로부터의 물을 상기 간섭-베드 침전조에 이송하고 상기 탄소 스트림을 상기 가스화 반응기로 순환 복귀시키는 단계를 포함하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 언더플로우 스트림은 5% 미만의 탄소 함량을 갖는 방법.
(a) 가스화 반응기에서 합성 가스 및 슬래그를 생성하는 단계로서, 반응기로부터 슬래그가 배출되며 이는 급냉되어 냉각된 고체상 응집 슬래그 생성물을 형성하는 단계;
(b) 상기 슬래그를 결합해제기 내로 수송하는 단계로서,
상기 결합해제기는 슬래그 생성물을 수반하는 가스의 적어도 일부를 제거할 수 있고,
상기 결합해제기는 재 함량이 높은 입자가 난류에 의해 오버플로우 스트림으로 이동하는 것을 방지하며,
상기 결합해제기는 상기 재 함량이 높은 입자가 침전되어 상기 결합해제기 아래에 배치되는 간섭-베드 침전조에 진입할 수 있게 하는 단계;
(c) 상기 농축된 슬래그 스트림을 간섭-베드 침전조에서 유동화 및 분리시켜 제2 오버플로우 스트림과 언더플로우 스트림을 생성하는 단계;
(d) 상기 제1 및 제2 오버플로우 스트림을 중력 침전조에서 조합하는 단계로서, 상기 중력 침전조는 조합된 오버플로우 스트림을 탄소 스트림과 세척수로 분리하는 단계;
(e) 상기 중력 침전조로부터의 상기 세척수를 순환수 탱크로 이송하는 단계; 및
(f) 상기 순환수 탱크로부터의 물을 상기 간섭-베드 침전조에 이송하고 상기 탄소 스트림을 상기 가스화 반응기로 순환 복귀시키는 단계를 포함하는 방법.
제13항에 있어서, 상기 단계(c)의 언더플로우 스트림은 5% 미만의 탄소 함량을 갖는 방법.
(a) 가스화 반응기에서 합성 가스 및 슬래그를 생성하는 단계로서, 반응기로부터 슬래그가 배출되며 이는 급냉되어 냉각된 고체상 응집 슬래그 생성물을 형성하는 단계;
(b) 상기 슬래그를 탈수기에서 농축하여 농축된 슬래그 스트림과 제1 오버플로우 스트림을 생성하는 단계;
(c) 상기 농축된 슬래그 스트림을 간섭-베드 침전조에서 유동화 및 분리시켜 제2 오버플로우 스트림과 언더플로우 스트림을 생성하는 단계로서, 상기 제2 오버플로우 스트림은 5중량%를 초과하는 탄소 함량을 갖는 단계;
(d) 상기 제1 및 제2 오버플로우 스트림을 중력 침전조에서 조합하는 단계로서, 상기 중력 침전조는 조합된 오버플로우 스트림을 탄소 스트림과 세척수로 분리하는 단계;
(e) 상기 중력 침전조로부터의 상기 세척수를 순환수 탱크로 이송하는 단계; 및
(f) 상기 순환수 탱크로부터의 물을 상기 간섭-베드 침전조에 이송하고 상기 탄소 스트림을 상기 가스화 반응기로 순환 복귀시키는 단계를 포함하는 방법.
제15항에 있어서, 상기 탈수기는 나선형 탈수기인 방법.
제15항에 있어서, 상기 단계(c)의 상기 언더플로우 스트림은 5% 미만의 탄소 함량을 갖는 방법.