KR20130115084A - 연소된 탄소질 물질로부터 ｃｏ₂를 재이용하는 방법 - Google Patents

연소된 탄소질 물질로부터 ｃｏ₂를 재이용하는 방법 Download PDF

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KR20130115084A
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gas
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게오프레이 히르슨
거스 에프. 쇼우스
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파워다인, 인코포레이티드
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Abstract

증기 발생 시스템은 하나 이상의 처리 챔버들에 석탄 물질을 공급한다. 각 처리 챔버는 물과 처리 가스가 존재하는 물질을 극히 높은 온도로 가열하는 플라즈마 아크 토치를 포함한다. 부생 가스 스트림은 각 처리 챔버로부터 열 회수 증기 발생기(HRSG)로 전달된다. 각 HRSG는 증기 터빈을 구동하도록 사용되는 증기를 발생시킨다. 처리 챔버들과 HRSG들은 부생 가스 스트림이 처리 챔버로부터, HRSG들로, 다른 처리 챔버 및 다른 HRSG 등으로 이동하도록 유체적으로 연결된다. 임의의 HRSG 내에, 또는 최종 HRSG 후에, 부생 가스에 있는 물은 처리 챔버들 중 임의의 것으로 다시 보내질 수 있는 액상의 물로 응축할 수 있다. 부가하여, 최종 HRSG로부터의 CO2는 챔버들에서 추가의 반응을 촉진하도록 처리 챔버들 중 임의의 것으로 다시 보내질 수 있다.

Description

연소된 탄소질 물질로부터 ＣＯ₂를 재이용하는 방법{METHOD FOR REUTILIZING ＣＯ₂ FROM COMBUSTED CARBONACEOUS MATERIAL}
관련출원
본 출원은 그 전체 내용이 참조에 의해 본원에 통합되는 2010년 5월 3일자 출원된 미국 임시특허출원 제61/330,729호에 대해 우선권을 주장한다.
본 발명은 전기 발전 및 다른 용도를 위하여 탄소질 물질(carbonaceous material)의 연소 및 처리로부터 초래되는 증기의 발생에 관한 것이다.
그 사용에 의해 유발되는 심각한 문제에도 불구하고, 석탄은 저렴하고 풍부하며, 에너지 소스로서 빠른 시일 내에 포기되지 않을 것이다. 퓨 지구기후변화센터(Pew Center for Global Climate Change)에 따라서, 주로 전기 발전을 위한 석탄 사용은 지금 국제 온실가스 배출의 대략 20%를 설명한다. 증가하는 에너지 수요는 특히 미국, 중국 및 인도같은 대량의 매장량을 가진 국가들에서 석탄 소비를 계속 끌어올릴 것이다(http://www.pewclimate.org/global-warming-basics/coalfacts.cfm).
석탄은 석유 및 천연가스를 위한 MMBtu당 $6 내지 $12와 비교하여 MMBtu당 $1 내지 $2의 비용으로 유용한 에너지를 제공할 수 있으며, 석탄 가격은 비교적 안정적이다. 현재의 소비율 및 현재의 기술 및 토지 이용 규제에서, 미국 석탄 매장량은 250년 이상 지속할 것이다. 비록 석탄이 다른 에너지 대체물보다 높은 오염 및 많은 탄소 집약적일지라도, 석탄은, 오염 제어에 아주 조금 지불하고 여전히 석탄의 경쟁적 위치를 유지할 수 있을 정도로 비싸지 않다.
석탄은 미국의 에너지 요구를 충족하는데 주요 역할을 담당하고 있으며, 다음의 수십 년 동안에도 계속 그렇게 할 가능성이 있다. 미국에서 발전되는 전기의 약 50%가 석탄으로부터 만들어진다. 미국의 무연탄 화력발전소는 300 GW 이상의 용량을 가지지만, 미국 무연탄 화력발전소의 대략 1/3이 1970년대 초기에 건조되었으며, 나머지 대부분은 1970-1989에 건조되었다. 단지 12기의 무연탄 화력발전소만이 1990년 이후에 미국에서 건조되었다.
무연탄 화력 발전소로부터 온실 가스 방출은 상당하고 급격히 증가하고 있다. 미국은 무연탄 화력 발전소로부터 연간 20억톤에 가까운 CO2를 생산하는 것으로 평가되었다. 현재 전체 미국 방출물의 27%인 무연탄 화력 발전소로부터의 온실 가스 방출은 2025년까지 3배까지 증가할 것으로 예상하고 있다.
본 발명은 전기 발전 및 다른 용도를 위하여 탄소질 물질의 연소 및 처리로부터 기인하는 증기의 발생을 목적으로 한다.
증기를 발생시키는 방법은, 석탄의 연속적인 공급을 제공하는 단계, 제 1 부생 가스 스트림(product gas stream)을 제공하도록 산소와 물이 존재하는 주 처리 챔버에서 석탄을 연소시키는 단계, 제 1 증기 출력물을 만들도록 제 1 열회수 증기 발생기(heat recovery steam generator, HRSG)에서 제 1 부생 가스 스트림으로부터 열을 회수하는 단계, 실질적으로 무기물, 유기물 및 입자 오염물이 없는 제 2 부생 가스 스트림을 제공하도록 산소와 물이 존재하는 2차 처리 챔버에서 제 1 부생 가스 스트림을 처리하는 단계, 제 2 증기 출력물을 만들도록 제 2 열 회수 증기 발생기(HRSG)에서 제 2 부생 가스 스트림으로부터 열을 회수하는 단계, 및 제 1 증기 출력물과 제 2 증기 출력물을 결합하는 단계를 포함한다. 결합된 증기 출력물은 증기 터빈을 구동하도록 사용될 수 있다. 특정 실시예들에서, 증기 터빈은 전기를 생산하도록 발전기에 작동식으로(operatively) 결합된다. 특정 실시예들에서, 상기 방법은 제 2 부생 가스 스트림의 온도를 강하시키는 단계, 습식 스크러빙에 의해 제 2 부생 가스 스트림을 처리하는 단계, 제 2 부생 가스 스트림으로부터 황을 분리하고 집진 장치로 황을 수집하는 단계, 이산화탄소 회수 시스템을 사용하는 단계, 및 실질적으로 오염물이 없는 처리된 처리 가스 스트림을 배출하는 단계 중 적어도 하나를 추가로 포함한다.
상기 방법의 다른 실시예들은, 폐열 가스(thermal waste gas)의 연속적인 스트림을 제공하는 단계, 제 1 스트림 출력물을 만들도록 제 1 열회수 증기 발생기(HRSG)에서 폐열 가스 스트림으로부터 열을 회수하는 단계, 부생 가스 스트림을 만들도록 산소와 물이 존재하는 주 처리 챔버에서 폐열 가스 스트림을 처리하는 단계, 제 2 증기 출력물을 만들도록 제 2 열회수 증기 발생기(HRSG)에서 제 1 부생 가스 스트림으로부터 열을 회수하는 단계, 및 제 1 증기 출력물과 제 2 증기 출력물을 결합하는 단계를 포함한다. 특정 실시예에서, 결합된 증기 출력물은 증기 터빈을 구동하도록 사용된다. 특정 실시예들에서, 증기 터빈은 전기를 생산하도록 발전기에 작동식으로 결합된다. 특정 실시예들에서, 상기 방법은 부생 가스 스트림의 온도를 강하시키는 단계, 습식 스크러빙에 의해 부생 가스 스트림을 처리하는 단계, 제 2 부생 가스 스트림으로부터 황을 분리하고 집진 장치로 황을 수집하는 단계, 및 실질적으로 오염물이 없는 처리 가스 스트림을 배출하는 단계를 추가로 포함한다.
특정 실시예들은, 적어도 하나의 플라즈마 아크 토치(plasma arc torch)를 가지며 연속적인 탄소질 물질 공급부, 처리 가스 소스(treatment gas source) 및 물 소스(water source)에 작동식으로 연결되는 주 처리 챔버를 포함하는, 증기를 발생시키기 위한 시스템을 제공하며, 주 처리 챔버는 증기 터빈에 유체적으로(fluidly) 연결되는 제 1 열회수 증기 발생기에 유체적으로 연결된다. 특정 실시예들에서, 상기 시스템은 적어도 하나의 플라즈마 아크 토치를 가지며 제 1 열회수 증기 발생기, 처리 가스 소스 및 물 소스에 유체적으로 연결되는 2차 처리 챔버를 추가로 포함하며, 2차 처리 챔버는 증기 터빈에 유체적으로 연결되는 제 2 열회수 증기 발생기에 유체적으로 연결된다. 일부 실시예들에서, 탄소질 물질은 폐열 가스이다. 일부 실시예들에서, 탄소질 물질은 석탄, 석유, 천연 가스, 및 오일 셰일, 바이오매스, 코크스, 석유 코크스, 숯, 타르, 폐목재, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 프로판, 부탄, 및 에탄으로부터 선택된다. 일부 실시예들에서, 제 2 열회수 증기 발생기는 ?칭 챔버(quench chamber), 습식 스크러버, 집진 장치 또는 이산화탄소 제거 시스템에 유체적으로 연결된다.
시스템의 다른 실시예들은, 습식 스크러버와 유체 연결되는 입구 및 한쪽이 집진 장치와 유체 연결되고 다른 한쪽이 주 처리 챔버와 유체 연결되는 2개의 출구들을 가진 프로그램 가능한 2-웨이 밸브를 포함하며, 상기 2-웨이 밸브는 습식 스크러버의 용출물(effluent)로부터 주 처리 챔버로 이산화탄소의 적어도 일부를 복귀시키도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 처리 파라미터들은 다수의 모니터들에 의해 모니터되고, 각각의 상기 모니터들은 처리 파라미터에 관련된 데이터를 프로세서에 제공한다. 특정 실시예들에서, 처리 파라미터들은 온도, 압력, 및 이산화탄소 함유량을 포함한다. 특정 실시예들에서, 프로세서는 제어 메커니즘을 거쳐 작동 메커니즘을 통해 프로그램 가능한 2-웨이 밸브를 제어한다. 특정 실시예들에서, 프로세서는 프로세서가 따르도록 컴퓨터 판독 가능한 명령을 수용하는 텐저블 메모리(tangible memory)를 포함한다.
특정 실시예들에서, 시스템은 습식 스크러버와 유체 연결되는 입구를 구비한 제 2 프로그램 가능한 2-웨이 밸브를 추가로 포함한다. 특정 실시예들에서, 시스템은 2개의 열회수 증기 발생기들 중 하나와 유체 연결되는 입구를 구비한 제 2 프로그램 가능한 2-웨이 밸브를 추가로 포함한다. 특정 실시예들에서, 제 2 프로그램 가능한 2-웨이 밸브는 2개의 출구를 포함하고, 한쪽의 출구는 폐수 처리 및/또는 배출 설비와 유체 연결되고, 다른 한쪽은 주 처리 챔버 또는 주 처리 챔버 물 소스와 유체 연결된다. 일부 실시예들에서, 처리 파라미터들은 다수의 모니터들에 의해 모니터되며, 상기 각각의 모니터들은 처리 파라미터에 관련된 데이터를 프로세스에 제공한다. 특정 실시예들에서, 처리 파라미터들은 온도, 및 주 처리 챔버 물 소스로부터의 물 유량을 포함한다. 특정 실시예들에서, 프로세서는 제 2 제어 메커니즘을 거쳐 제 2 작동 메커니즘을 통하여 제 2 프로그램 가능한 2-웨이 밸브를 제어한다.
특정 실시예들은, 탄소질 물질의 연속 공급을 제공하고, 제 1 부생 가스 스트림을 만들도록 산소와 물이 존재하고, 적어도 하나의 플라즈마 아크 토치를 가지는 제 1 처리 챔버에서 탄소질 물질을 연소시키는 단계; 제 1 증기 출력물을 만들도록 제 1 열회수 증기 발생기에서 제 1 부생 가스 스트림으로부터 열을 회수하는 단계; 실질적으로 일산화탄소와 수소가 없는 제 2 부생 가스 스트림을 제공하도록 산소와 물이 존재하고, 적어도 하나의 플라즈마 아크 토치를 가지는 2차 처리 챔버에서 제 1 부생 가스 스트림을 처리하고, 제 2 증기 출력물을 만들도록 제 2 열회수 증기 발생기에서 제 2 부생 가스 스트림으로부터 열을 회수하는 단계; 및 제 1 증기 출력물과 제 2 증기 출력물을 사용하는 단계를 포함하는 증기 발생 방법을 제공한다. 전형적으로, 상기 방법은 증기 터빈을 동작시키도록 제 1 증기 출력물과 제 2 증기 출력물을 사용하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 제 1 증기 출력물과 제 2 증기 출력물은 전기를 생산하도록 발전기에 작동식으로 연결되는 증기 터빈을 동작시킨다.
특정 실시예들에서, 상기 방법은 제 2 부생 가스를 냉각하는(quenching) 단계, 습식 스크러버로 제 2 부생 가스를 처리하는 단계, 집진 장치로 제 2 부생 가스를 처리하는 단계, 및 이산화탄소 제거 시스템으로 제 2 부생 가스를 처리하는 단계 중 하나 이상을 포함한다.
일부 실시예들에서, 상기 방법은, 제 2 부생 가스에 있는 이산화탄소의 적어도 일부를 프로그램 가능한 2-웨이 밸브를 통해 주 처리 챔버로 전환하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시예들에서, 프로그램 가능한 2-웨이 밸브는 프로세서에 의해 작동되는 제어 메커니즘을 통한 처리 제어 하에 있다. 일부 실시예들에서, 프로세서는 프로세서가 따르도록 컴퓨터 판독 가능한 명령을 수용하는 텐저블 메모리를 포함한다. 일부 실시예들에서, 처리 제어는 적어도 부분적으로 다수의 모니터들에 의해 프로세서에 공급되는 제어에 기초하며, 각각의 상기 모니터는 다수의 처리 파라미터들 중 적어도 하나에 관련된 데이터를 제공한다. 일부 실시예들에서, 처리 파라미터들은 압력, 온도, 및 부생 가스에서의 이산화탄소 함유량을 포함한다.
특정 실시예들에서, 상기 방법은, 제 2 부생 가스에 있는 물의 적어도 일부를 제 2 프로그램 가능한 2-웨이 밸브를 통하여 주 처리 챔버 또는 주 처리 챔버 물 소스로 전환하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시예들에서, 상기 방법은 2개의 열회수 증기 발생기들 중 어느 하나로부터 제 2 프로그램 가능한 2-웨이 밸브를 통하여 주 처리 챔버 또는 주 처리 챔버 물 소스로 물의 적어도 일부를 전환하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시예들에서, 제 2 프로그램 가능한 2-웨이 밸브는 프로세서에 의해 작동되는 제 2 제어 메커니즘을 통한 처리 제어 하에 있다. 일부 실시예들에서, 처리 제어는 적어도 부분적으로 다수의 모니터들에 의해 프로세서에 공급되는 제어에 기초하며, 각각의 상기 모니터는 다수의 처리 파라미터들 중 적어도 하나에 관련된 데이터를 제공한다. 일부 실시예들에서, 처리 파라미터들은 압력, 온도, 및 물 소스로부터 주 처리 챔버로의 물 유량을 포함한다.
본 발명의 상기 및 다른 목적들, 특징들, 및 이점들은 첨부된 도면에 도시된 바와 같은 본 발명의 다양한 실시예들의 다음의 더욱 특정한 설명으로부터 명백하게 되며, 도면에서, 동일한 도면 부호는 다른 도면들 전체에 걸쳐서 동일한 부분을 인용한다. 도면들은 반드시 축척으로 도시되지 않으며, 대신에 본 발명의 원리의 도시를 강조한다.
도 1은 2개의 열회수 증기 발생기(HRSG)들을 가지는 본 발명에 따른 시스템의 예시적인 실시예를 도시한 흐름도.
도 2a 내지 도 2c는 발전기, ?칭 챔버, 습식 스크러버, 이산화탄소 재활용 시스템 및 물 재활용 시스템을 추가로 포함하는 도 1의 시스템의 대안적인 예시적 실시예의 흐름도.
도 3은 흡수 보일러를 추가로 포함하는 도 2a 및 도 2b의 시스템의 대안적인 예시적 실시예를 도시하는 흐름도.
도 4는 집진 장치가 습식 스크러버의 상류에 있는 도 2a 내지 도 2c의 시스템들의 대안적인 예시적 실시예를 도시한 흐름도.
도 5는 본 발명에 따른 시스템의 하나의 예시적인 기본 2-HRSG 실시예에 대한 산키 다이어그램(Sankey diagram)을 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 시스템의 또 다른 예시적인 2-HRSG 실시예에 대한 산키 다이어그램을 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 시스템의 또 다른 예시적인 2-HRSG 실시예에 대한 산키 다이어그램을 도시한 도면.
도 8은 본 발명에 따른 시스템의 또 다른 예시적인 2-HRSG 실시예에 대한 산키 다이어그램을 도시한 도면.
도 9는 본 발명에 따른 시스템의 또 다른 예시적인 2-HRSG 실시예에 대한 산키 다이어그램을 도시한 도면.
도 10은 폐열 가스 스트림을 처리하는데 유용한 시스템의 대안적인 예시적 실시예를 도시한 흐름도.
도 11a 및 도 11b는 비이송형 모드 플라즈마 아크 토치 및 이송형 모드 플라즈마 아크 토치의 개략도.
도 12는 이송형 모드 플라즈마 아크 토치 및 원심력을 가지는 처리 챔버의 개략도.
도 13은 본 발명에 따른 주 및 2차 처리 챔버들과 2개의 HRSG들을 가지는 수직 처리 챔버 레이아웃의 실시예의 개략도.
도 14a, 도 14b 및 도 14c는, 본 발명에 따른 주 및 2차 처리 챔버들과 2개의 HRSG들을 가지는 수평 처리 챔버 레이아웃의 실시예를 단면도로 도시한 개략도로서, 도 14a는 모듈러 플라즈마 아크 원심 처리 시스템(modular plasma-arc centrifugal treatment system, PACT)을 구비한 단면도, 도 14b는 종방향 단면도, 도 14c는 다수의 모듈러 PACT들을 구비한 단면도.
본 발명은 전기의 발전 및 다른 용도들을 위하여 석탄으로부터 증기를 발생시키기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명에서 사용되는 바와 같은 용어 "석탄"은 적절한 석탄 밀도(carbon density)의 우드칩 또는 유기 폐기물과 같은 임의의 탄소질 피드스톡(carbonaceous feedstock)을 지칭하도록 의도된다. 본 발명에서 사용되는 바와 같은, 용어 "탄소질 물질"은 연료로서 사용하는데 적합한 임의의 고체, 액체 또는 가스상 탄소 함유 물질, 즉 에너지는 생산하도록 연소될 수 있는 물질을 지칭한다. 석탄, 석유, 천연가스 및 오일 셰일 포함하는 화석 연료, 바이오매스, 즉 연료로서 사용되는 식물성 물질 및 동물성 폐기물, 코크스, 석유 코크스("펫코크스(petcoke)"), 숯, 타르, 목재 폐기물, 폐열 가스, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 프로판, 부탄, 에탄 등이 이러한 용어의 범위에 내에 포함된다. 특정 실시예들에서, 석탄은 역청탄이다.
본 발명은 기술된 특정 방법론, 시스템들 및 물질들이 변할 수 있음에 따라서 이러한 것들로 한정되지 않는다. 또한, 본 발명에서 사용된 용어는 단지 특정 형태 또는 실시예들을 설명하는 목적을 위한 것이며, 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 예를 들어, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 단수 표현은 그 내용이 달리 명확히 지시되지 않으면 복수물을 포함한다. 본 발명에서 사용된 바와 같은 용어 "포함하는"은 "구비하는"을 의미하도록 의도되지만 이에 한정되지 않는다. 달리 정의되지 않으면, 본 발명에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 통상 당업자에 의해 이해되는 바와 같은 동일한 의미를 가진다.
본 발명의 시스템 및 방법에 따라서, 석탄은 고온의 부생 가스 스트림을 발생시키도록 산소와 물이 있는데서 연소되고, 전기의 생산을 위해 발전기에 작동식으로 링크된 터빈을 구동하는 것을 포함하지만 이에 한정되지 않는 용도를 위해 증기를 만들도록 고온의 부생 가스 스트림으로부터 열이 추출된다. 열이 추출된 후에, 부생 가스 스트림은 대부분의 오염물을 제거하도록 처리된다. 이러한 처리는, 환경보호청(Environmental Protection Agency, "EPA") 배출 규제에 부합하고 예를 들어 EPA 인가 시퀘스트레이션(EPA approved sequestration) 등을 위해 사용될 수 있는 "청정한" 이산화탄소 스트림을 만든다.
개시된 동작 장치 및 방법은 증기를 발생시키도록 생산된 열의 직접적이고 효율적인 이용을 위하여 매우 높은 온도에서 연소를 가능하게 하고, 연소 생성물의 처리는 연소의 환경 비친화성 부산물의 효율적이고 편리한 관리를 가능하게 한다.
방법은 석탄의 연속적인 공급을 제공하는 단계, 가스 반응물의 순환을 제공하는 주 처리 챔버(primary processing chamber, PPC)에서 석탄을 연소시키는 단계, 고압 증기를 만들도록 열 회수 증기 발생기(HRSG)에서 연소의 결과인 열을 회수하는 단계를 포함한다. 석탄의 완전 연소는 고온 플라즈마 반응기에서 산소 및 물과 석탄을 결합하는 것에 의해 달성된다.
합성 가스("syngas")를 만들도록 석탄을 가스화하는 처리는 공지되어 있다. 이러한 가스화 처리의 목적은 석탄 개시 물질에 대한 합성 가스의 칼로리 함유량을 증가시키거나 또는 적어도 유지하는 것이다. 합성 가스는 그런 다음 전기 발전을 위해 터빈을 구동하는 증기를 발생시키기 위해 연소된다. 그러나, 본 발명의 방법에서, 산소와 물이 있는데서 석탄의 연소로부터 초래되는 부생 가스를 연소시키는 대신에, 부생 가스로부터의 열이 물을 증기로 변환하도록 사용되며, 증기는 차례로 일부 실시예들에서 전기를 생산하도록 발전기에 작동식으로 링크된 터빈을 구동하도록 사용된다.
방법의 실시예들은 부생 가스 스트림이 연속적으로 통과하는 다수의 스테이지들을 포함할 수 있으며, 각 스테이지는 처리 챔버 또는 반응기 및 열 회수 증기 발생기(HRSG)를 포함하고, HRSG는 처리 챔버에 대하여 하류측에 있다. 최종(최원거리 하류측) HRSG로부터의 부생 가스 출력물은 필요에 따라서 냉각, 습식 스크러빙, 및 집진 장치 여과를 포함하는 추가의 단계들을 통해 처리되고, 이러한 것은 편리한 관리에 적절한 가스 스트림을 초래한다. 개시된 방법의 실시를 위한 설비는 다수의 공급자들로부터 상업적으로 이용 가능하다. 특정 실시예들에서, 적절한 처리 챔버 또는 반응기는 Retech Systems LLC (미국 캘리포니아, Ukiah 소재)에 의해 만들어진 플라즈마-아크 원심 처리("PACT") 시스템이며, 적절한 열 회수 증기 발생기(HRSG)는 NEM Standard Fasel (네덜란드 Hengelo에 소재) 및/또는 다른 공급자들에 의해 만들어진다.
본 발명의 시스템들과 방법들의 다양한 실시예들은 일괄식 대신에 연속 스트림으로 석탄을 처리하고, 증기 터빈을 구동하도록 증기를 생성하기 위해 산소와 물이 있는데서 석탄의 연소에 의해 만들어진 가스로부터 열을 효율적으로 추출하고, 유사한 전력 레벨을 달성하도록 다른 무연탄 화력발전소보다 약 50% 적은 석탄을 요구하며; 가스 스트림들로부터 오염물을 효율적으로 제거하고, EPA 인가 시퀘스트레이션을 위한 청정한 이산화탄소 스트림을 만들고 포획한다.
시스템과 방법의 실시예들은 도면을 참조하여 지금 기술된다. 도 1은 전력 발전 섹션(B)과 가스 오염 제거 섹션(C)에 작동식으로 연결된 연소 섹션(A)을 포함하는 하나의 예시적인 시스템(1)을 도시한다.
도시된 바와 같이, 연소 섹션(A)은 주 처리 챔버(10,"PPC(10)"), 제 1 열 회수 증기 발생기(20, "제 1 HRSG(20)"), 2차 처리 챔버(30, "SPC(30)"), 제 2 HRSG(40)를 포함한다. 특정 실시예들에서, 가스 오염 제거 섹션(C)은 하나 이상의 다음의 구성 요소들을 포함한다: ?칭 챔버(50), 집진 장치(70), 습식 스크러버(60), 및 CO2 제거 시스템(120)을 포함하며, 이것들 모두는 유체적으로 연결된다. 처리 가스(80, 90)(O2와 같은)의 소스, 및 물(85, 86)의 소스는 모두 각각의 주 및 2차 처리 챔버(10, 30)에 각각 유체적으로 연결된다. 처리 가스(80)와 처리 가스(90)는 동일하거나 또는 다를 수 있다. 특정 실시예들에서, 처리 가스(80)와 처리 가스(90)는 93-95% 산소와 5-7% 아르곤을 포함한다.
PPC(10)는 연속적인 석탄 공급(75) 뿐만 아니라 처리 가스 입력(80) 및 물 출력(85), 및 슬래그와 가스를 위한 출구(16, 18)들을 수용한다. PPC(10)는 처리 조건(즉, 온도, 압력, 부식 등)들에 견딜 수 있으며, 처리 조건 하에서, 산소와 물이 있는데서 석탄의 연소가 발생한다. 하나의 예시적인 시스템은 미국 캘리포니아, Ukiah에 소재한 Retech Systems, LLC로부터 이용 가능한 플라즈마 아크 원심 처리(PACT) 시스템이다. 설명의 용이를 위하여, 용어 "토치" 또는 "토치들"은 이후에 플라즈마 아크 토치들로 인용하도록 사용될 것이다. 토치들은 약 10,000℉ 내지 약 20,000℉(약 5,540℃ 내지 약 11,080℃) 이상까지의 온도 범위에 도달할 수 있다. 다양한 실시예들에서, PPC는 챔버에서 토치에 연소 물질의 분배를 촉진하도록 회전할 수 있다.
도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 그 구조 및 동작 모드가 상이한 두 형태의 플라즈마 토치들이 있다. 제 1, 이송형 아크 토치는 처리물을 가열하는데 효과적이며, 음극으로서 작용하는 처리물과 함께 토치와 처리물(용융 슬래그) 사이로 아크를 흡인하는 것에 의해 동작한다. 제 2, 비이송형 아크 토치는 특히 가스를 가열하는데 효과적이다. 비이송형 아크 토치들에서, 토치는 양극과 음극을 수용하고, 음극은 양극의 하류측에 있다. 동작시에, 아크는 토치 내로 흡인되고, 플라즈마는 전극들이 토치 내부에 있을지라도 토치를 통과하는 높은 가스 유동의 결과로서 토치의 단부를 지나서 연장한다. 하나의 예시적인 PACT 시스템은 가스 역류 칼라들이 끼워진 하나 이상의 비이송형 아크 플라즈마 토치를 포함한다.
특정 실시예들에서, 방법은 PPC(10) 내로 석탄을 연속적으로 도입하는 단계를 포함하고, 석탄의 완전 연소를 보장하도록 소정 유량 및 농도로 처리 가스(80)가 동시에 챔버(10)로 공급되는 한편, 챔버는 회전하고 토치들이 챔버에 수용된 석탄과 처리 가스를 모두 가열한다. 공급 및 상기 처리를 연속적으로 동작시키는 능력은 중요한 사실이며, 출력 전력의 효율 및 연속성을 모두 개선한다.
본 방법의 실시예들에서, 토치들은 석탄을 접촉하고, 석탄의 순간적인 연소를 유도하는데 충분한 온도에서 동작되며, 이 온도는 약 10,000℉(약 5,540℃)이며, 이 온도에서 모든 원소들은 분자 상태를 취한다. PPC(10)에서의 온도는 석탄으로부터 최소 에너지 입력에 의해 지속될 수 있다.
선택적으로, PPC(10)로 공급되는 산소의 농도는 예를 들어 약 20% 내지 약 45%의 바람직한 범위에서 CO 대 CO+CO2의 비를 조정하고 유지하도록 사용될 수 있으며, 이는 매연의 형성을 방지하거나 또는 최소화한다. 또한 선택적으로, 물(85)은 예를 들어 약 2,000℉(약 1,100℃) 내지 약 2,400℉(약 1,300℃) 이상, 또는 하류측 설비가 견딜 수 있는 가장 높은 온도의 실제 제한까지 바람직한 온도 범위 내에서 PPC(10)로부터 배출된 가스의 온도를 유지하도록 가스 흐름에 추가될 수 있다.
PPC(10)에서 석탄의 연소 동안, 석탄의 약 90%의 재 성분이 토치들에 의해 유리형 슬래그(88;glassy slag)로 용융되고, 나머지는 가스 스트림에 혼입된 무기물 입자로 된다. 재 연소 생성물은 용융될 때까지 전기 전도성이 아닐 수 있다. 필요한 용융을 실행하도록, 이중 모드 플라즈마 토치는 처리물이 용융되어 전도성일 때까지 초기에 비이송형 아크 모드로 동작되고, 그런 다음 비이송형 모드로 전환된다. 플라즈마 가스는 와류를 만들도록 접선으로 도입될 수 있으며, 이에 의해 유동을 안정화한다.
특정 실시예들에서, PPC(10)는 완전 연소를 촉진하도록 석탄 공급(75), 처리 가스(80) 및 물(85)의 혼합물을 만들도록 구성된다. 재의 연소로부터 초래되는 슬래그는 용융되고, 도가니로서 작용하는 PPC(10)의 저부에서 수집된다. 특정 실시예들에서, 도가니는 원심으로서, 원심으로, 또는 원심에 의해 회전된다. 이러한 회전은 용융된 슬래그 위에 토치로부터의 열을 분배하고, 원심력에 의해 회전축으로부터 멀리 용융된 슬래그를 홀딩하도록 기여한다. 도가니의 회전은 그 회전을 느리게 하는 것에 의해 슬래그가 도가니의 저부로부터 제거되는 것을 허용한다. 충분한 슬래그가 처리 챔버에 축적되었을 때, 슬래그는 제거되고 냉각되며 처분 또는 건축재로서 사용에 편리한 형상으로 응고하는 것이 허용된다. 슬래그에 존재하는 임의의 중금속은 내침출 유리형 슬래그(leach-resistant glassy slag)로 고정된다. 에어록(air lock)은 슬래그 몰드 및 그 안의 슬래그를 제거하도록 사용될 수 있다.
PPC(10)에서 석탄의 연소 동안, 특정 화학물 및 오염물들이 존재할 수 있거나 또는 형성될 수 있다. 원하거나 필요하다면, PPC(10)는 PPC로부터 오염물의 방출을 방지하도록 예를 들어 약 25 내지 50 mbar의 부압으로 유지될 수 있다. 따라서, 고온 가스 스트림은 예를 들어 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 수소(H2), 및 이러한 것들의 결합물; 뿐만 아니라 질소산화물("NOx"), 황화산화물("SOx"), 다이옥신, 폴리염화디벤조다이옥신("다이옥신"), 다이옥신형 화합물("DLC"), 폴리염화 디벤조퓨란("퓨란(furan)"), 폴리염화비페닐("PCB"), 휘발성 유기 화합물("VOC") 산(예를 들어, 염산(HC1), 질산(HNO3), 황산(H2SO4) 등), 및 이러한 것들의 결합물을 포함할 수 있다. 연소 동안 형성되는 이러한 화학물과 오염물의 대부분은 주 처리 챔버(10)에서 전형적으로 2초의 잔류 시간 동안의 형성 후에 파괴된다.
PPC(10)에서 석탄의 연소 후에, 결과적인 가스 스트림(O)은 제 1 HRSG(20) 내로 방출된다. 생성된 가스는 PPC로부터 대기중으로 발산되지 않으나, 대신에 모든 가스는 HRSG로 전달된다. HRSG들은 상당한 저하를 겪지 않고 PPC들로부터 고온 가스 스트림을 수용할 수 있다. 즉, HRSG들은 이것들이 고온 가스를 접촉할 때 받을 수 있는 온도, 압력, 부식성 화학물에 견딜 수 있다. 상승된 온도를 수용하는 것을 돕도록, 세라믹으로 HRSG들의 부분들을 덧대는 것이 유익할 수 있다. 하나의 예시적인 HRSG는 NEM(네덜란드, Leiden에 소재)에 의해 제조된 열회수 보일러이다. 제 1 HRSG(20)는 제 1 온도(T1)에서 PPC(10)로부터 방출된 오염물 함유 가스 스트림(O, 이후에 "가스 스트림(O)")을 수용하기 위한 입구(22)와, T1보다 낮은 온도(T2)에서 SPC(30) 내로 가스 스트림(O)을 배출하기 위한 출구(24)를 구비한다. 제 1 HRSG(20)에서, 열은 이후에 보다 상세하게 기술되는 전기 생산시에 추후에 사용하기 위한 열교환기를 사용하여 가스 스트림(O)으로부터 추출된다. 제 1 HRSG에서 교환을 위해 이용 가능한 열의 양은 시스템의 구성, PPC(10)의 크기, 석탄 입력의 속도, 및 PPC(10)에서의 처리 조건을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 인자들에 따라서 변할 수 있다.
PPC(10)처럼, SPC(30)는 이것이 겪는 처리 조건(즉, 온도, 압력, 부식 등)에 견딜 수 있으며, 또한 PPC(10)에서의 석탄의 연소 후에 남아있는 어떠한 오염물도 제거하는데 적합하다. 가스 스트림(P)을 처리하기 위한 이러한 시스템의 한 예는 상기된 바와 같은 PACT 시스템이다.
SPC(30)는 PPC(10)와 동일한 방식으로 동작된다. 처리 가스(90)와 선택적으로 물(95)은 소정 유량 및 농도로 SPC(30)로 동시에 공급되는 한편, 가스 스트림(P)은 제 1 HRSG(20)의 출구(24)로부터 챔버 입구(32) 내로 유동하고, 토치들은 가스를 가열한다. 2초의 SPC 잔류 시간은 연소의 완료를 위해 충분한 것으로 평가된다. SPC(30)에서 가스 스트림에 대한 물의 추가는 SPC(30)에서 가스의 온도를 유지 및/또는 제어하도록 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 약 2,400℉ 내지 약 2,900℉(약 1,300℃ 내지 약 1,600℃)의 온도를 유지하는 것이 바람직할 수 있다.
SPC(30)에서, 처리 가스(90)는 처리된 가스 스트림(Q)을 만들도록 폐기물 스트림에 있는 특정 오염물들과 반응할 수 있으며, 이로부터, 다이옥신, 퓨란, NOx의 대부분, 및 가스 스트림(P)에 현탁된 입자 물질(예를 들어, 재)의 대부분뿐만 아니라 비유독성 반응 생성물 및/또는 부산물이 제거되었다(아래의 예 1-5 참조). 예를 들어, SPC(30)에서의 처리 동안, 가스 스트림(P)에 있는 임의의 잔류 일산화탄소와 수소는 이산화탄소와 수증기로 변환된다. 다음에 표 3 내지 표 5, 표 7 및 표 8에서 가스 스트림(P, Q)들의 화학적 조성이 비교된다. 이러한 변환은 가스에 저장된 나머지 화학 에너지의 방출에 의해 달성되며, 가스에 산소의 추가에 의해 도움을 받을 수 있다. CO를 위한 자동 점화 온도는 약 1,100℉ (약 593℃)이다. 그러므로, 연소를 개시하도록 SPC(30)에서 스파크 또는 화염을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 비이송형 플라즈마 토치가 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다.
SPC(30)에서 처리 후에, 처리된 가스(Q)는 온도(T3)에서 제 2 HRSG(40)의 입구(42) 내로 배출된다. 제 2 HRSG(40)는 SPC(30)의 출구(34)에 유체적으로 연결되고, 처리된 가스 스트림(Q)을 수용하고 처리된 가스(R)를 T3보다 낮은 제 4 온도(T4)에서 ?칭 챔버(50)의 입구(52) 내로 배출하는데 적합하다. PPC(10)와 유사하고, 시스템의 구성, PACT의 크기, 석탄 입력 속도, 및 SPC(30)에서의 처리 조건을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 인자들에 따라서, 제 2 HRSG에서 교환을 위해 이용 가능한 열의 양은 변할 수 있다.
선택적으로, 하나 이상의 추가 HRSG들(도시되지 않음)은 가스 스트림(R)으로부터 어떠한 잔류 폐열도 포획하도록 HRSG(20, 40)들과 함께 연속적으로 사용될 수 있다. 선택적으로, 시스템은 주 HRSG(20)와 함께 연속적으로 사용되는 하나 이상의 HRSG들(도시되지 않음)을 포함할 수 있으며, 이것들 모두는 가스 스트림으로부터 HRSG에서 순환하는 물로 열을 전달하는 동일한 기능을 수행한다. 다수의 HRSG들을 채택하는 실시예들에서, 열은 가스 스트림을 따르는 상이한 지점들에서 추출될 수 있다. 예를 들어, 시스템은 2개의 HRSG(20, 40)들을 포함하며; 제 1 HRSG(20)는 가스 스트림(O)이 PPC(10)로부터 배출됨으로써 이 가스 스트림으로부터 열을 추출한다. 이러한 지점(O)에서, 가스 스트림은 일부 부식 및 유독성 오염물을 함유한다(다음의 표 1 내지 표 5 참조). 제 2 HRSG(40)는 가스 스트림(Q)이 SPC(30)로부터 배출됨으로써 이 가스 스트림으로부터 열을 추출한다.
다중-HRSG 실시예에서 채택된 HRSG들은 서로 다를 수 있다. 예를 들어, HRSG(20, 40)들은 이것들이 겪을 수 있는 부식 및 유독 성분들의 밀도에 있어서 상당히 다를 수 있으며, HRSG들은 이러한 차이에 견디도록 상이한 구조를 가질 수 있다. 처리 챔버의 동작 온도가 HRSG가 수용할 수 있는 최대 온도를 초과할 때, 도 3은 흡수 보일러와 같은 추가의 히트 싱크가 주 처리 챔버(10)와 HRSG(20) 사이에서 가스 스트림으로부터 열을 추출하도록 도입될 수 있는 실시예를 도시한다. 임의의 추가 HRSG들로부터 초래되는 가스 스트림은 필요하면 그 위치에 따라서 SPC(30) 또는 ?칭 챔버(50) 내로 배출된다. 추가의 처리 챔버들과 추가의 열교환기들은 직렬 또는 병렬로 추가될 수 있다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 특정 실시예들에서, 시스템과 방법은 부생 가스에서 오염물을 제거하고 전기를 발전시키기 위한 구성 요소들을 추가로 포함한다. 전력 발전 섹션(B)은 전기 발전을 위하여 발전기(110)에 작동식으로 연결된 증기 터빈(100)을 포함한다. 제 1 및 제 2 HRSG(20, 40)들은 석탄 처리 시스템(A)에 대한 유체 연결과 별개로 증기 터빈(100)을 통해 전력 발전 섹션(B)에 유체적으로 연결된다. 제 1 및 제 2 HRSG들은 섹션(A)의 가스 스트림(O, Q)들로부터 섹션(B)의 물 공급부(27, 47)들로 열을 전달하고, 증기 발생기(100)에 유체적으로 연결된 증기 소스(29, 49)들을 위한 증기를 만든다. 개시된 방법을 실시하기 위한 적절한 설비 및 시스템들은 다수의 제조자들로부터 이용 가능하다.
?칭 챔버(50)에서, 필요하다면, 처리된 가스 스트림(R)의 온도는, 오염물의 개질(re-formation)을 방지하도록 충분히 낮은 온도로 그리고 습식 스크러버(60) 및/또는 집진 장치(70)에 대한 손상을 방지하도록 적절한 범위로 더욱 강하된다. ?칭 챔버(50)에서, 물 분사는 대략 280℉, 또는 포화 온도 바로 위로 온도를 급격히 낮추도록 가스 스트림에 추가된다. 도 9와 예 5는 ?칭 챔버가 없는 실시예를 도시한다.
적절한 범위로 온도의 강하 후에, 처리된 가스(S)는 ?칭 챔버(50)로부터 습식 스크러버(60)의 입구(62) 내로 배출된다. 습식 스크러버(60)에서, 극소량의 VOC들, SOx 및 잔류 입자 물질은 처리된 가스(S)로부터 제거된다.
습식 스크러버(60)에서 처리 후에, 처리된 가스(U)는 집진 장치(70) 내로 배출되고, 집진 장치에서, SOx로부터 황이 수집된다. 그런 후에, 냉각된 H2O 및 CO2를 포함하는 "청정한" 가스 스트림(T)은 집진 장치(70)로부터 배출된다. 물은 그런 다음 CO2 스트림으로부터 분리될 수 있으며, 나머지 CO2는 CO2 제거 시스템(120)에 의해 EPA 인가 시퀘스트레이션 또는 다른 인가 탄소 포획 및 시퀘스트레이션(carbon capture and sequestration, CCS) 기술에 의해 포획되고 격리될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 도 4에 도시된 바와 같이, ?칭 챔버로부터 배출된 처리된 가스(S)는 먼저 집진 장치(70)로 보내지고 그런 후에 습식 스크러버(60)로 보내진다.
도 2b는 물과 CO2가 별개의 경로들을 주 처리 챔버(10)로 통해 복귀될 수 있는 실시예를 예시한다. 이 실시예에서, 습식 스크러버(60)의 온도는 가스 스트림(U)에 있는 수증기가 액체로 응축되도록 충분히 낮게 유지된다. 프로그램 가능한 2-웨이 분배 밸브(67)는 주 처리 챔버(10) 또는 그 물 소스(85) 또는 폐수 처리 및/또는 배출 설비(68)로 액상의 물을 다시 보낼 수 있다. 주 처리 챔버로 다시 보내진 물은 챔버에서 가스 유동에 추가된 물(85)을 보충하도록 사용될 수 있으며, 이에 의해, 주 챔버를 떠나는 가스 유동(O)을 냉각하는데 필요한 외부 공급수의 양을 감소시킨다. 복귀된 물이 습식 스크러버에 의한 응축을 통해 증류됨에 따라서, 복귀된 물은 소스(85)로부터의 물보다 적게 잠재적 부식성 불순물을 함유한다. 이러한 것은 증기 발생 시스템의 상류측 구성 요소들 상의 화학적 마모를 감소시키는 잠재적인 이점을 가진다.
도 2c는 주 처리 챔버에서 빠져나가는 가스 유동(O)으로부터의 물이 HRSG(20)에서 액체로 응축할 수 있는 또 다른 실시예를 도시한다. 이러한 응축 단계는 주 처리 챔버로부터 응축 지점으로 용출 가스(effluent gas)를 냉각하도록 가스 유동(O)으로부터 열교환기의 입구(26)에서 물로 충분히 열전달할 수 있다. 이 실시예에서, 2-웨이 밸브(67)는 HRSG(20)로부터 물 유동과 관련될 수 있다. 도 2b에 도시된 단계들과 유사하게, 액상의 물은 그런 다음 주 처리 챔버 또는 그 물 공급부, 또는 별개의 폐수 홀딩 섹션(68)으로 복귀될 수 있다. 유사한 응축 단계가 HRSG(40)에서 일어날 수 있고, 액상의 물이 제어 가능한 2-웨이 밸브(67)의 수단에 의해 처리 챔버(10) 또는 폐수 홀딩 섹션(68)으로 복귀되는 것이 이해된다.
도 2b 및 도 2c에는 도면 부호 120에서 이후의 CO2 제거를 위해 집진 장치(70)로 또는 주 처리 챔버(10)와 같은 처리 챔버들로 CO2를 선택적으로 보낼 수 있는 프로그램 가능한 2-웨이 분배 밸브(77)가 도시된다. 주 처리 챔버로 복귀되는 CO2는 챔버의 압력을 증가시키고 CO/(CO + CO2) 비율을 감소시키는 것에 의해 연소 처리의 효율을 개선하고, 이에 의해 매연 형성을 감소시킨다.
도 2b 및 도 2c는 두 2-웨이 밸브(67, 77)들이 각각 제어 메커니즘(69, 79)을 통해 자동화 제어 시스템(도시되지 않음)에 의한 처리 제어 하에 있는 것을 추가로 예시한다. 가장 기본적인 디자인에서, 이러한 자동화 제어 시스템은 (a) 온도, 압력, 입력 및 출력 물질 조성을 포함하지만 이에 한정되지 않는 처리 파라미터들을 측정하는 하나 또는 일련의 모니터들로서, 각각의 모니터는 그 측정된 파라미터와 관련된 데이터를 공급하는 모니터들, (b) 모니터들로부터 데이터를 수신하고, 파라미터 모니터들로부터의 데이터 값들을 일부 일련의 최적의 값들에 비교하는 프로세서, (c) 프로세서가 따르도록 컴퓨터 판독 가능한 명령을 수용하는 텐저블 메모리, 및 (d) 측정된 처리 파라미터들을 변경할 수 있는 시스템 구성 요소들을 제어하는 작동 메커니즘을 포함한다. 예를 들어, 프로세서는 주 챔버 모니터로부터 압력 데이터를 수신할 수 있으며, 챔버에서의 압력이 임계값 아래인 것을 지시하는 데이터를 수신하는 것에 응답하여, 프로세서는 밸브가 그 챔버로 물 및/또는 이산화탄소를 보내도록 적절한 밸브 액튜에이터에 명령을 보낼 수 있다.
온도 및 압력 모니터들은 주 및 2차 처리 챔버에 위치될 수 있다. 소스(85, 86)들로부터 주 및 2차 처리 챔버들에 각각 추가되는 물의 체적이 또한 모니터될 수 있다. 다양한 시스템 구성 요소들로부터 유동하는 가스들(주 챔버로부터 용출물(O), 2차 처리 챔버로부터의 용출물(Q), ?칭 챔버로부터의 용출물(S), 습식 스크러버로부터의 용출물(U), 집진 장치로부터의 용출물(T)을 포함하는)의 조성이 또한 모니터될 수 있다. 이러한 모니터링은 주 및 2차 챔버들 내로 각각 도입되는 처리 가스(80 또는 90)의 양을 조정하는데 유용할 수 있다. 부가하여, 두 처리 챔버(10, 30)들에서 연소 처리에 의해 발생된 압력이 또한 모니터될 수 있다. 2개의 처리 챔버들에서의 반응 혼합물 조성 및 압력은 제어 시스템의 작동 메커니즘에 의해 작동식으로 제어된 제어 메커니즘(79)을 거쳐 주 챔버로 복귀되는 C02의 양을 조정하도록 제어 시스템으로 값들을 제공할 수 있다. 복귀된 C02의 양은 연소 압력 또는 CO/(CO + CO2) 비율을 최적화도록 사용될 수 있다. 부가하여, 처리 챔버들에서 모니터된 온도는 물 소스(85 또는 86)로부터, 또는 제어 시스템의 작동 메커니즘에 의해 또한 작동식으로 제어되는 제어 메커니즘(69)을 통해 2-웨이 밸브(67)를 통해 복귀되는 물로부터 챔버들 내로 분사되는 물의 양을 조정하도록 사용될 수 있다.
상기된 바와 같이, 주 및 2차 HRSG들은 증기 터빈(100)에 유체적으로 연결된다. 각각의 주 및 2차 및 임의의 추가 HRGS들에서의 가스 스트림(O, Q)들로부터 추출된 열은 증기 터빈(100)을 구동하는 증기를 발생시키도록 결합되고 사용된다. 터빈(100)에서 증기의 응축 후에, 물은 가스 스트림(O, Q)들로부터 열을 흡수하도록 각각의 HRSG들로 다시 순환된다. 특정 실시예들에서, HRSG(20) 및 HRSG(40)에 의해 만들어진 증기(29, 49)는 증기 터빈(100)을 구동하고, 터빈은 종래에 널리 공지된 방식으로 전기를 발전시키도록 발전소의 발전기(110)를 구동한다.
시스템은 상이한 공간 및/또는 처리 필요 조건을 수용하도록 도 2 내지 도 9에 도시된 바와 같이 다양한 설비 구성을 포함할 수 있다. 부가하여, 도 2와 비교되는 도 4 또는 도 9에 도시된 바와 같이 ?칭 챔버, 습식 스크러버, 및 집진 장치의 상대 위치들은 필요 또는 요구에 따라서 변경될 수 있다.
도 5 내지 도 9는 가변적인 설비 및 처리 조건들에 기초하여 도 4에 도시된 시스템의 산키 다이어그램을 도시한다. 상기된 바와 같이, 본 방법은 2개의 유체 유동을 포함하며, 제 1 유동은 PPC 및 SPC에서 일어나는 연소의 생성물을 운반하고, 제 2 유동은 HRSG와 증기 터빈을 통하여 주기적인 물의 순환이다. 예 1 내지 예 5가 다음에 기술된다. 예시적인 계산치들은 주어진 입력 물질과 공기, 산소 또는 그 혼합물과 같은 산화제에 대한 연소 처리 동안 이용 가능한 에너지를 계산하는 독자적 에너지 균형 전표(proprietary energy balance spreadsheet, Retech Systems LLC, 미국 캘리포니아, Ukiah 소재)를 사용하여 만들어졌다. 균형화된 시스템은 동일한 입력 및 출력 질량 및 입력 및 출력 에너지를 가져야만 한다.
이러한 예들에서 사용된 입력 석탄 조성은 미국 유타, Price에 소재한 Union Pacific Corporation's Dugout Canyon Mine으로부터의 석탄 조성이다. 다음의 표 1에 그 분석이 제공되고, 도 1 내지 도 9에서 M으로 지시된다.
입력 석탄의 화학적 조성(M)
Dugout Canyon Mine, 미국, Utah주, Price
(http;//www.uprr.com/customers/energy/coal/utah/soldier.shtml)
총 % 재 % lb/hr ㎏/hr
탄소 72.20 30083 13646
수소 5.00 2083 945
산소 10.30 4292 1947
질소 1.40 583 465
황 0.48 200 91
재 10.62
실리카 6.55 61.7 2730 1238
알루미나 1.75 16.5 730 331
티타니아 0.06 0.6 27 12
산화철 0.32 3.0 133 60
석회 0.82 7.7 341 155
마그네시아 0.18 1.7 75 34
산화포타슘 0.10 0.9 40 18
산화나트륨 0.08 0.8 35 16
삼산화황 0.53 5.0 221 100
오산화인 0.07 0.7 31 14
미확인 0.15 1.4 62 28
합계 100.00 41,667 18,900
표 1에 제공된 분석은 수은의 존재를 지시하지 않는다. 그러나, 미국 에너지 관리청 웹사이트(www.eia.doe.gov/oiaf/analysispaper/stb/)에 따르면, 석탄에 있는 수은 레벨은 2.04 내지 63.90 lb/trillion Btu의 영역까지 변할 수 있다. 12,000 Btu/lb에서, 이러한 것은 석탄의 10억 파운드당 24.5 내지 766 lb의 수은과 같다는 것을 나타낸다. 이러한 연구의 목적을 위하여, 상기 범위의 상한이 가정되었다. 이러한 수은의 전부가 증기로 전환하고 시스템을 통해 가스와 함께 진행하고 오프가스 시스템에 있는 2개의 위치, ?칭 챔버(50)와, 습식 스크러버(60)에서 응축되는 것이 또한 가정되었다. 액상의 수은은 그런 다음 포획되고 2개의 용기들의 저부를 두드리는 것에 의해 제거될 수 있다. 90%는 ?칭 챔버(50)에서 포획되고 나머지 l0%는 스크러버(60)에서 포획되는 것으로 가정된다. 그러므로, 오프가스 시스템에 잔류하는 어떠한 수은도 관련 규정 하에 있게 된다.
예 1
기본( baseline ) 케이스: PPC 의 출구 온도( T 1 ) 및 SPC 의 출구 온도( T 3 ), 양자 모두 = 2400℉ (1316℃)
PPC(10)의 출구 온도(T1)와 SPC(30)의 출구 온도(T2)는 물 소스(85, 86)들로부터 각각의 처리 챔버들로 물을 추가하는 것에 의해 제어된다. 모든 입력 및 출력물의 시간당 질량 유량(mass flow rate, ㎏/h)은 슬래그 화학적 조성(N)에 대해 표 2에, 그리고 도 5의 개략도에 지시된 지점(O, P, Q, R, S, T, 및 U)들에서 가스 유동의 화학적 조성에 대해 표 3에 도시된다.
이 예에서, 석탄 공급(75)은 위의 표 1에 주어진 조성(M)을 가지는 석탄의 18,900 ㎏/h으로서 취해진다. 주 처리 챔버(10)로의 처리 가스(80) 입력은 28,900 ㎏/h O2이며, 주 처리 챔버(10)로의 물(85) 입력은 41,800 ㎏/h H20이다.
체적 5,000 ft3 (141,584 ℓ)의 주 처리 챔버(10)에 대해 그리고 체적 10,100 ft3 (286,000ℓ)의 2차 처리 챔버(30)에 대해 이러한 입력들이 주어지면, 슬래그(88)는 다음의 표 2에 요약된 조성(N)을 가진다.
슬래그 화학적 조성(N), ㎏/h
실리카 1,110
마그네시아 30.7
석회 139
산화철 54.2
알루미나 298
그 밖의 다른 것 170
2차 처리 챔버(30)로의 처리 가스 입력(90)은 21,334 ㎏/h O2이고, 2차 처리 챔버(30)로의 물 입력(86)은 820 ㎏/h H2O이다. ?칭 챔버(50)로의 물 입력(87)은 21,467 ㎏/h H2O이다. ?칭 챔버(50) 입구 온도(T5)는 658℉ (328℃)이고, ?칭 챔버(50)의 출구 온도(T6)는 260℉ (127℃)이다. ?칭 챔버(50)에서의 수은 회수는 1.3 lxlO-2 ㎏/h이고, 습식 스크러버(60)에서는 1.45 x10-2 ㎏/h이다.
가스 유동의 화학적 조성의 계산된 분석은 처리의 다음의 지점들에 대해 다음의 표 3에 제공된다:
주 처리 챔버(10) 배출 가스, O;
제 1 HRSG(20) 배출 가스, P;
2차 처리 챔버(30) 배출 가스, Q;
제 2 HRSG(40) 배출 가스, R;
?칭 챔버(50) 배출 가스, S;
습식 스크러버(60), U;
집진 장치(70) 배출 가스, T.
가스 화학적 조성, ㎏/h
O P Q R S T U
CO2 3.22xlO4 4.90xlO4 5.00xlO4 5.00xlO4 5.00xlO4 5.00xlO4 5.00xlO4
CO 1.13xlO4 6.00xlO4 0 0 0 0 0
O2 0 0 8.24xlO3 8.20xlO3 8.20xlO3 8.20xlO3 8.20xlO3
N2 1.24xlO3 1.24xlO3 1.24xlO3 1.24xlO3 1.24xlO3 1.24xlO3 1.24xlO3
H2O 4.20xlO4 3.51xlO4 5.03xlO4 5.03xlO4 7.18xlO4 7.18xlO4 1.67xlO3
SOx 1.79xlO2 1.81xlO2 1.82xlO2 2.26xlO2 2.27xlO2 2.27xlO2 2.27xlO1
H2 8.36xlO2 1.61xlO2 0 0 0 0 0
Hg 1.45x10-2 1.45x10-2 1.45x10-2 1.45x10-2 1.45x10-2 1.45x10-2 0
무기물부 2.01x102 2.01x102 2.01x102 2.01x102 2.01x102 2.01x102 1.005
NOx 1.94x10-3 0 15.60 1.55x10-3 3.00x10-5 3.00x10-5 3.00x10-5
이 예의 기본 조건은 주 처리 챔버(10)의 온도(T1)와 2차 처리 챔버(30)의 온도(T3)들이 모두 2400℉ (1316℃)로 동일하다는 것이다. 제 1 HRSG(20)(T2)와 제 2 HRSG(40)(T4)의 결과적인 출구 온도들은 모두 658℉ (328℃)이다.
예 2
PPC의 출구 온도(T 2 ) = 2800℉ (1538℃)
이러한 연구는 주 처리 챔버(10)의 구성 요소 하류측이 2800℉ (1538℃)의 PPC의 출구 온도(T1)를 허용할 수 있고; 그러므로 보다 적은 물이 온도를 제어하도록 요구되는 것을 가정한다. 이 예는 또한 물이 SPC(20)에 추가되지 않고; SPC의 출구 온도(T3)가 단지 2568℉ (1409℃)에 도달한다는 점에서 예 1과 다르다. 모든 입력물과 출력물의 시간당 질량 유량(㎏/h)은 슬래그 화학적 조성(N)에 대해 위의 표 2에, 그리고 도 6의 개략도에 지시된 지점(O, P, Q, R, S, T, 및 U)들에서 가스 유동의 화학적 조성에 대해 다음의 표 4에 나타낸다.
이 예에서, 석탄 공급(75)은 위의 표 1에 주어진 조성(M)을 가지는 석탄의 18,900 ㎏/h으로서 취해진다. 주 처리 챔버(10)로의 처리 가스(80) 입력은 28,900 ㎏/h O2이고, 주 처리 챔버(10)로의 물(85) 입력은 34,800 ㎏/h H2O로 감소된다. 주 처리 챔버(10)는 체적 5,000 ft3 (141,584ℓ)을 가지며, 2차 처리 챔버(30)는 체적 10,100 ft3 (286,000ℓ)을 가진다. 슬래그(88)는 위의 표 2에 요약된 조성(N)을 가진다.
2차 처리 챔버(30)로의 처리 가스(90) 입력은 20,800 ㎏/h O2이고, 2차 처리 챔버(30)로의 물(86) 입력은 0 ㎏/h H2O이다. ?칭 챔버(50)로의 물(87) 입력은 19,500 ㎏/h H2O이다. ?칭 챔버(50) 입구 온도(T5)는 658℉ (328℃)이고, ?칭 챔버(50) 출구 온도(T6)는 260℉ (127℃)이다. ?칭 챔버(50)에서의 수은 회수는 1.31 x10-2 ㎏/h이고, 습식 스크러버(60)의 수은 회수는 1.45 x10-2 ㎏/h이다.
가스 유동의 화학적 조성의 계산된 분석은 처리의 예 1에서와 같이 처리 지점(O, P, Q, R, S, U, 및 T)들에 대해 다음의 표 4에 제공된다.
가스 화학적 조성, ㎏/h
O P Q R S T U
CO2 2.95xlO4 4.90xlO4 5.00xlO4 5.00xlO4 5.00xlO4 5.00xlO4 5.00xlO4
CO 1.30xlO4 7.19xlO4 0 0 0 0 0
O2 0 0 7.68xlO3 7.64xlO3 7.64xlO3 7.64xlO3 7.64xlO3
N2 1.24xlO3 1.24xlO3 1.24xlO3 1.28xlO3 1.28xlO3 1.28xlO3 1.28xlO3
H2O 3.70xlO4 2.91xlO4 5.03xlO4 4.33xlO4 6.29xlO4 6.29xlO4 1.67xlO3
SOx 1.79xlO2 1.81xlO2 1.82xlO2 2.26xlO2 2.27xlO2 2.27xlO2 2.27xlO1
H2 7.10xlO2 1.60xlO3 0 0 0 0 0
Hg 1.45x10-2 1.45x10-2 1.45x10-2 1.45x10-2 1.45x10-3 1.45x10-3 0
무기물부 2.01x102 2.01x102 2.01x102 2.01x102 2.01x102 2.01x102 1.005
NOx 4.6x10-2 0 22.4 1.53x10-3 3.00x10-5 3.00x10-5 3.00x10-5
이 예의 기본 조건은 주 처리 챔버(10)의 온도(T1)가 2800℉ (1538℃)라는 것이다. 제 1 HRSG(20)(T2)와 제 2 HRSG(40)(T4)의 결과적인 출구 온도들은 모두 658℉ (328℃)이다.
예 3
급속 냉각
이러한 연구는 다이옥신 또는 퓨란의 형성을 방지하도록 가스의 급속 냉각이 요구되면 예상되는 성능을 검사하며, 이 단계는 염소가 석탄 공급에 존재하면 요구될 가능성이 있다. 모든 입력물과 출력물의 시간당 질량 유량(㎏/h)은 슬래그 화학적 조성(N)에 대해 위의 표 2에, 그리고 도 7의 개략도에 지시된 지점(O, P, Q, R, S, T, 및 U)들에서 가스 유동의 화학적 조성에 대해 다음의 표 5에 나타낸다.
이 예에서, 석탄 공급(75)은 위의 표 1에 주어진 조성(M)을 가지는 석탄의 18,900 ㎏/h으로서 취해진다. 주 처리 챔버(10)로의 처리 가스(80) 입력은 28,900 ㎏/h O2이고, 주 처리 챔버(10)로의 물(85) 입력은 41,800 ㎏/h H2O이다. 주 처리 챔버(10)는 체적 5,000 ft3 (141,584ℓ)을 가지며, 2차 처리 챔버(30)는 체적 10,100 ft3 (286,000ℓ)을 가진다. 슬래그(88)는 위의 표 2에 요약된 조성(N)을 가진다.
2차 처리 챔버(30)로의 처리 가스(90) 입력은 20,800 ㎏/h O2이고, 2차 처리 챔버(30)로의 물(86) 입력은 0 ㎏/h H2O이다. ?칭 챔버(50)로의 물(87) 입력은 19,500 ㎏/h H2O이다. ?칭 챔버(50) 입구 온도(T5)는 658℉ (328℃)이고, ?칭 챔버(50) 출구 온도(T6)는 260℉ (127℃)이다. ?칭 챔버(50)에서의 수은 회수는 1.31 x10-2 ㎏/h이고, 습식 스크러버(60)의 수은 회수는 1.45 x10-2 ㎏/h이다.
가스 유동의 화학적 조성의 계산된 분석은 처리의 예 1에서와 같이 처리 지점(O, P, Q, R, S, U, 및 T)들에 대해 다음의 표 5에 제공된다.
가스 화학적 조성, ㎏/h
O P Q R S T U
CO2 2.95xlO4 4.90xlO4 5.00xlO4 5.00xlO4 5.00xlO4 5.00xlO4 5.00xlO4
CO 1.30xlO4 7.19xlO2 0 0 0 0 0
O2 0 0 7.68xlO3 7.64xlO3 7.64xlO3 7.64xlO3 7.64xlO3
N2 1.24xlO3 1.24xlO3 1.24xlO3 1.28xlO3 1.28xlO3 1.28xlO3 1.28xlO3
H2O 3.70xlO4 2.91xlO4 5.03xlO4 4.33xlO4 6.29xlO4 6.29xlO4 1.67xlO3
SOx 1.79xlO2 1.81xlO2 1.82xlO2 2.26xlO2 2.27xlO2 2.27xlO2 2.27xlO1
H2 7.10xlO2 1.60xlO3 0 0 0 0 0
Hg 1.45x10-2 1.45x10-2 1.45x10-2 1.45x10-2 1.45x10-3 1.45x10-3 0
무기물부 2.01x102 2.01x102 2.01x102 2.01x102 2.01x102 2.01x102 1.005
NOx 4.6x10-2 0 22.4 1.53x10-3 3.00x10-5 3.00x10-5 3.00x10-5
이 예의 기본 조건은 주 처리 챔버(10)의 온도(T1)가 2800℉ (1538℃)라는 것이다. 제 1 HRSG(20)(T2)와 제 2 HRSG(40)(T4)의 결과적인 출구 온도들은 모두 658℉ (328℃)이다.
예 4
보다 작은 (PACT-8) 크기 시스템
이러한 연구는 약 1,000 ㎏/hr의 석탄 공급을 수용할 수 있는 보다 작은 크기의 시스템, 대략 ACT-8 (Retech Systems LLC, 미국 캘리포니아, Ukiah 소재)의 크기의 예상되는 성능을 검사한다. 모든 입력물과 출력물의 시간당 질량 유량(㎏/h)은 슬래그 화학적 조성(N)에 대해 아래의 표 6에, 그리고 도 8의 개략도에 지시된 지점(O, P, Q, R, S, T, 및 U)들에서 가스 유동의 화학적 조성에 대해 다음의 표 7에 나타낸다.
이 예에서, 석탄 공급(75)은 위의 표 1에 주어진 조성(M)을 가지는 석탄의 1,000 ㎏/h으로서 취해진다. 주 처리 챔버(10)로의 처리 가스(80) 입력은 1,470 ㎏/h O2이고, 주 처리 챔버(10)로의 물(85) 입력은 1,900 ㎏/h H2O이다. 주 처리 챔버(10)는 체적 265 ft3 (7,503ℓ)을 가지며, 2차 처리 챔버(30)는 체적 500 ft3 (14,158ℓ)을 가진다. 슬래그(88)는 위의 표 6에 요약된 조성(N)을 가진다.
슬래그 화학적 조성(N), ㎏/h
실리카 59
마그네시아 1.63
석회 7.36
산화철 2.87
알루미나 15.8
그 밖의 다른 것 8.98
2차 처리 챔버(30)로의 처리 가스(90) 입력은 1,170 ㎏/h O2이고, 2차 처리 챔버(30)로의 물(86) 입력은 0 ㎏/h H2O이다. ?칭 챔버(50)로의 물(87) 입력은 1,108 ㎏/h H2O이다. ?칭 챔버(50) 입구 온도(T5)는 658℉ (328℃)이고, ?칭 챔버(50) 출구 온도(T6)는 260℉ (127℃)이다. ?칭 챔버(50)에서의 수은 회수는 6.9 x10-3 ㎏/h이고, 습식 스크러버(60)의 수은 회수는 7.7 x10-4 ㎏/h이다.
가스 유동의 화학적 조성의 계산된 분석은 처리의 예 1에서와 같이 처리 지점(O, P, Q, R, S, U, 및 T)들에 대해 다음의 표 7에 제공된다.
가스 화학적 조성, ㎏/h
O P Q R S T U
CO2 1.66xlO3 2.59xlO3 2.64xlO3 2.54xlO3 2.54xlO3 2.54xlO3 2.54xlO3
CO 6.25xlO2 3.66xlO1 0 0 0 0 0
O2 0 0 4.74xlO2 4.73xlO2 4.73xlO2 3.46xlO3 3.46xlO3
N2 7.97xlO2 7.97xlO2 7.97xlO2 7.97xlO2 7.97xlO2 7.97xlO2 7.97xlO2
H2O 1.98xlO3 1.6xlO3 2.35xlO3 2.36xlO3 3.46xlO3 3.46xlO3 3.46xlO3
SOx 9.49xlO0 9.59xlO0 9.62xlO0 1.2xlO0 1.2xlO0 1.2xlO0 1.2xlO0
H2 4.22xlO1 8.4xlO2 0 0 0 0 0
Hg 7.67x10-3 7.67x10-3 7.67x10-3 7.67x10-3 7.7x10-4 7.7x10-4 7.7x10-4
무기물부 1.06x101 1.06x101 1.06x101 1.06x101 1.06x101 1.06x101 1.06x101
NOx 3x10-4 0 1.03x100 3x10-4 3x10-4 3x10-4 3x10-4
이 예에서 PPC(10)와 SPC(30)의 보다 작은 크기는 보다 낮은 값의 T1, 2400℉ (1316℃) 및 T3 2012℉ (1100℃)와 관련되었다. 제 1 HRSG(20)(T2)와 제 2 HRSG(40)(T4)의 결과적인 출구 온도들은 모두 658℉ (328℃)이다.
예 5
HRSG1 ( T 2 )의 출구 온도 = HRSG2 ( T 4 )의 출구 온도 = 260℉ (127℃)
이러한 연구는 두 HRSG들로부터 출구 온도들이 260℉ (127℃)이고, T3가 단지 2568℉ (1409℃)에 도달하는 것을 가정한다. 모든 입력물과 출력물의 시간당 질량 유량(㎏/h)은 슬래그 화학적 조성(N)에 대해 위의 표 2에, 그리고 도 9의 개략도에 지시된 지점(O, P, Q, R, S, T, 및 U)들에서 가스 유동의 화학적 조성에 대해 다음의 표 4에 나타낸다.
예 1에서와 같이, 석탄 공급(75)은 위의 표 1에 주어진 조성(M)을 가지는 석탄의 18,900 ㎏/h으로서 취해진다. 주 처리 챔버(10)로의 처리 가스(80) 입력은 28,900 ㎏/h O2이고, 주 처리 챔버(10)로의 물(85) 입력은 41,000 ㎏/h H2O로 감소된다. 주 처리 챔버(10)는 체적 5,000 ft3 (141,584ℓ)을 가지며, 2차 처리 챔버(30)는 체적 10,100 ft3 (260,500ℓ)을 가진다. 슬래그(88)는 위의 표 2에 요약된 조성(N)을 가진다.
2차 처리 챔버(30)로의 처리 가스(90) 입력은 21,300 ㎏/h O2이고, 2차 처리 챔버(30)로의 물(86) 입력은 0 ㎏/h H2O이다. ?칭 챔버(50)는 제거된다. 제 2 HRSG에서의 수은 회수는 1.31 x10-2 ㎏/h이고, 습식 스크러버(60)의 수은 회수는 1.45 x10-2 ㎏/h이다.
가스 유동의 화학적 조성의 계산된 분석은 처리의 예 1에서와 같이 처리 지점(O, P, Q, R, S, U, 및 T)들에 대해 다음의 표 8에 제공된다.
가스 화학적 조성, ㎏/h
O P Q R T U
CO2 3.22xlO4 4.90xlO4 5.00xlO4 5.00xlO4 5.00xlO4 5.00xlO4
CO 1.13xlO4 6xlO2 0 0 0 0
O2 0 0 8.17xlO3 8.13xlO3 8.13xlO3 8.13xlO3
N2 1.24xlO3 1.24xlO3 1.23xlO3 1.24xlO3 1.24xlO3 1.24xlO3
H2O 4.20xlO4 3.48xlO4 4.95xlO4 4.95xlO4 4.95xlO4 1.67xlO3
SOx 1.79xlO2 1.81xlO2 1.82xlO2 2.27xlO2 2.27xlO2 2.27xlO1
H2 8.36xlO2 1.65xlO3 0 0 0 0
Hg 1.45x10-2 1.45x10-2 1.45x10-2 1.45x10-2 1.45x10-3 0
무기물부 2.01x102 2.01x102 2.01x102 2.01x102 2.01x100 1.005
NOx 1.94x10-3 0 9.06 4x10-5 4x10-5 4x10-5
기본 에너지-균형 계산은 HRSG들로 들어가는 가스를 위한 바람직한 온도는 약 2,000℉ 내지 약 2900℉(약 1,100℃ 내지 약 1,600℃)의 범위일 수 있으며, HRSG들을 빠져가나는 가스를 위한 바람직한 온도는 약 258℉ 내지 약 1500℉ (약 120℃ 내지 약 860℃)의 범위일 수 있다.
대안적인 실시예에서, PPC(10)로부터의 가스 출력물은 터빈 내로 직접 배출될 수 있으며, 터빈은 HRSG들이 수용할 수 있는 DSH도로 가스의 온도를 강하시킴이 없이 산화 후에 초래되는 온도인, 예를 들어 약 10,000℉(약 5,540℃)의 가스를 수용하는데 적합하다.
예 6
폐열 가스 처리
본 발명은 발전소, 제조업체, 산업 설비, 발전소, 발전기, 제강소를 포함하지만 이에 한정되지 않는 특정 산업 처리, 발전소, 발전기, 소각로, 화학 공장 설비, 매립지, 메탄 변환 발전소에 대한 폐기물로로부터 초래되는 폐가스 스트림으로부터 에너지를 발생시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 이러한 폐가스 스트림은 예를 들어 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 수소(H2), 및 이러한 것들의 결합물; 및 추가적으로 질소산화물("NOx"), 황화산화물("SOx"), 다이옥신, 폴리염화디벤조다이옥신("다이옥신"), 다이옥신형 화합물("DLC"), 폴리염화 디벤조퓨란("퓨란"), 폴리염화비페닐("PCB"), 산(예를 들어, 염산(HC1), 질산(HNO3), 황산(H2SO4) 등)과 같은 유독성 및/또는 환경 유해 화합물과 같은 가스를 포함할 수 있다.
도 10은 전기 발전 섹션(B)에 작동식으로 연결된 가스 처리 섹션(A)을 포함하는, 본 발명에 따른 하나의 예시적인 시스템 및 방법을 도시하는 흐름도이다. 도시된 바와 같이, 가스 처리 섹션(A)은 모두 유체적으로 연결되는, 제 1 열 회수 증기 발생기(20, "제 1 HRSG"), 주 처리 챔버(10), 제 2 HRSG(40), ?칭 챔버(50), 습식 스크러버(60), 및 집진 장치(70)를 포함한다. O2와 같은 처리 가스(80)의 소스는 주 처리 챔버(10)에 유체적으로 연결된다. 개시된 방법을 수행하는 적절한 설비 및 시스템은 다수의 제조자들로부터 이용 가능하다.
전기 발전 섹션(B)은 전기를 발전시키기 위한 발전기(110)에 작동식으로 연결된 증기 터빈(100)을 포함한다. 제 1 및 제 2 HRSG(20, 40)들은 석탄 처리 시스템에 대한 유체 연결과는 별개로, 증기 터빈(100)을 통해 전기 발전 섹션(B)에 유체적으로 연결된다.
본 발명에서, 오염물 함유 가스 소스(130)로부터의 오염물 함유 가스 스트림(O)은 제 1 HRSG(20) 내로 연속적으로 도입된다. 제 1 HRSG(20)는 제 1 온도(T1)에서 가스 스트림(O)을 수용하기 위한 입구(22), T1보다 낮은 온도(T2)에서 주 처리 챔버(10) 내로 가스 스트림(P)을 배출하기 위한 출구(24)를 포함한다. 제 1 HRSG(20)에서, 열은 에너지 생산에서 추후에 사용하기 위하여 가스 스트림(O)으로부터 추출되며, 이러한 것은 다음에 보다 상세하게 설명된다.
선택적으로, 하나 이상의 추가 HRSG들(도시되지 않음)은 제 1 HRSG(20)로부터 임의의 잔류 폐열을 이용하도록 제 1 HRSG(20)과 연속적으로 사용될 수 있으며, 임의의 추가의 HRSG들로부터 초래되는 가스 스트림은 주 처리 챔버(10) 내로 배출된다.
주 처리 챔버(10)는 오염물과 입자들의 대부분이 가스 스트림으로부터 제거되도록 가스 스트림(P)을 처리할 수 있다. 따라서, 주 처리 챔버(10)는 처리 조건(즉, 온도, 압력, 부식 등)에 견딜 수 있으며, 이 처리 조건 하에서 이러한 처리가 일어난다. 특정 실시예들에서, PPC(10)는 완전 연소를 촉진하기 위하여 석탄 공급(75), 처리 가스(80) 및 물(85)의 혼합을 만들도록 구성된다. 하나의 예시적인 시스템은 가스 역류 칼라들이 끼워진 하나 이상의 비이송형 아크 플라즈마 토치를 포함하는, 미국 캘리포니아, Ukiah에 소재한 Retech Systems, LLC로부터 이용 가능한 플라즈마 원심 처리(PACT) 시스템이다. 비이송형 아크 플라즈마 토치들은 토치 내부에 2개의 전극들을 수용하고, 플라즈마는 전극들이 토치 내부에 있을지라도 토치를 통과하는 높은 가스 유동의 결과로서 토치의 단부를 지나서 연장한다. 설명의 용이를 위해, 용어 "토치" 또는 "토치들"은 이후에 비이송형 아크 플라즈마 토치들을 이용하도록 사용될 것이다. 도 11a 및 도 11b는 비이송형 모드 플라즈마 아크 토치(300)와 이송형 모드 플라즈마 아크 토치(350)의 개략도이다.
도 11a 및 도 11b는 비이송형 플라즈마 아크 토치(300)와 이송형 플라즈마 아크 토치(350)의 개략도이다. 도 11a는 전방 전극(310), 후방 전극(312), 절연체(318), 아크 가스 공급부(320), 및 플라즈마 가스(330)를 도시한다. 도 11b는 전극(314), 노즐(360), 절연체(318), 와류 링(316), 아크 가스 공급부(320) 및 전기 주위에 유지되는 용융부(370)를 접촉하는 플라즈마 가스(330)를 도시한다.
본 방법에 따라서, 가스 스트림(P)은 주 처리 챔버(10) 내로 연속적으로 도입되고, 처리 가스(80)는 동시에 소정 유량 및 농도로 주 처리 챔버(10)로 처리되는 한편, 토치들은 챔버에 수용된 폐가스 스트림과 처리 가스를 가열한다. 주 처리 챔버(10)에서, 처리 가스(80)는 처리된 가스 스트림(Q)을 만들도록 폐가스 스트림에 있는 특정 오염물들과 반응할 수 있으며, 이로부터, 또한 비유독성 반응 생성물 및/또는 부산물을 포함하는, 다이옥신, 퓨란, 대부분의 NOx, 가스 스트림(P)에 현탁된 대부분의 입자 물질(예를 들어, 재)가 제거되었다. 예를 들어, 주 처리 챔버(10)에서의 처리 동안, CO와 H2는 산화되어서, 처리된 가스 스트림은 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)을 포함한다.
주 처리 챔버(10)에서의 처리 후에, 처리된 가스(Q)는 온도(T3)에서 제 2 HRSG(40) 내로 배출된다. 제 2 HRSG(40)는 주 처리 챔버(10)의 출구에 유체적으로 연결되고, 처리된 가스 스트림(Q)을 수용하고 제 3 온도(T3)보다 낮은 제 4 온도(T4)에서 ?칭 챔버(50) 내로 배출되는데 적합하다.
?칭 챔버(50)에서, 처리된 가스 스트림(R)의 온도는 오염물의 개질을 방지하도록 충분히 낮은 온도로 그리고 습식 스크러버(60) 및/또는 집진 장치(70)에 대한 손상을 방지하도록 적절한 범위로 더욱 강하된다. 적절한 범위로 온도의 강하 후에, 처리된 가스(S)는 ?칭 챔버(50)로부터 습식 스크러버(60)로 배출된다. 습식 스크러버(60)에서, 극소량의 VOC들, SOx 및 잔류 입자 물질은 처리된 가스(S)로부터 제거되고, 처리된 가스(U)는 집진 장치(70) 내로 배출되며, 집진 장치에서, SOx로부터 황이 수집된다.
그런 후에, 냉각된 H2O 및 CO2를 포함하는 "청정한" 가스 스트림(T)은 시스템(A)으로부터 배출된다. 물은 그런 다음 분리될 수 있으며, CO2 스트림은 CO2 제거 시스템(120)에서 CO2 제거를 위하여 EPA 인가 시퀘스트레이션 또는 다른 인가 탄소 포획 및 시퀘스트레이션(CCS) 기술에 의해 포획되고 격리될 수 있다.
도 12는 이송형 모드 플라즈마 아크 토치(350)와 원심부(400)를 도시하는 주 처리 챔버의 실시예의 특정 특징들의 개략도이다. 이송형 모드 플라즈마 아크 토치(350)는 수냉 전극(315), 노즐(360), 와류 플라즈마 가스(334), 및 플라즈마 토치 종단(336)을 포함한다. 슬래그 조(372, slag bath)는 원심부(400)의 회전에 의해 원심 플로어(420)에 있는 슬래그 출구(16)로부터 떨어져 유지된다.
도 13은 입구(22)와 출구(24)를 가지는 제 1 HRSG(20), 입구(32)와 출구(34)를 가지는 2차 처리 유닛(30), 입구(42)와 출구(44)를 가지는 제 2 HRSG(40)와 유체 소통하는 제 1 처리 챔버(10)를 도시하는 수직 실시예의 도면이다. 주 처리 챔버(10)는 슬래그 출구(16), 가스 출구(18), 이송형 모드 플라즈마 아크 토치(350) 및 원심부(400)를 가진다. 슬래그 수집 컨테이너(89)는 슬래그 출구(16) 밑에 위치될 수 있다.
도 14a, 도 14b, 및 도 14c는 본 발명에 따른 주 및 2차 처리 챔버들 및 2개의 HRSG들을 위한 수평 처리 챔버 레이아웃의 실시예의 개략도이다. 도 14a는 주 처리 챔버(10)의 영역으로서 모듈러 PACT(500)를 가진 단면도이며; PACT(500)는 슬래그 출구(16), 원심부(400), 가스 출구(18), 및 이송형 플라즈마 아크 토치(350)를 포함한다. 슬래그 수집 컨테이너(89)는 슬래그 출구(16) 밑에 위치될 수 있다. 도 14b는 입구(22) 및 출구(24)를 가지는 제 1 HRSG(20), 입구(32)와 출구(34)를 가지는 2차 처리 유닛(30), 입구(42)와 출구(44)를 가지는 제 2 HRSG(40)와 유체 소통하는 제 1 처리 챔버(10)를 도시하는 종방향 단면도이다. 도 14c는 다수의 모듈러 PACT(500)들 과 유체 소통하는 주 처리 챔버(10)를 도시하는 개략 단면도이다.
본 발명이 몇개의 예시적인 실시예를 참조하여 기술되었지만, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 변경들이 만들어지고 등가물이 그 구성 요소들을 대체할 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다. 부가하여, 많은 변형들이 본 발명의 본질적인 범위로부터 벗어남이 없이 본 발명의 교시에 대해 특정 상황 또는 물질에 적응하도록 만들어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명을 수행하기 이하여 예측되는 최상의 모드로서 개시된 특정 실시예에 한정되지 않고, 본 발명이 첨부된 청구항들의 범위 내에 놓이는 모든 실시예를 포함하도록 의도된다.
본 명세서에 개시된 범위는 포괄적이며 결합 가능하고, "(예를 들어, 바람직하게 약 5wt% 내지 약 20wt%와 함께 "약 25wt%까지, 더욱 바람직하게 약 10wt% 내지 약 15wt%"는 범위의 끝과 모든 중간값(예를 들어 "약 5wt% 내지 약 25wt%, dir 5wt% 내지 약 15wt%)들을 포함한다. 달리 한정되지 않으면, 본 명세서에 기술된 기술적 및 과학적 용어는 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "제 1" 및 "제 2:, "주" 및 "2차" 등은 임의의 순서 또는 중요도를 인용하는 것이 아니라, 오히려 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하도록 사용되는 것이며, "단수 표현" 용어는 양의 제한을 인용하는 것이 아니라, 오히려 인용된 물품들의 적어도 하나의 존재를 인용하는 것이라는 것을 유념하여야 한다. 유사하게, 본 명세서에 사용된 용어 "저부" 및 "상부"는 달리 기술되지 않으면 단지 설명의 편의를 위한 것이고, 임의의 한 위치 또는 공간적 배향으로 한정되지 않는다는 것을 유념하여야 한다. 부가하여, 양과 관련하여 사용된 수식어 "약"은 언급된 값을 포함하고, 내용에 의해 구술된 의미를 가지는 것이다(예를 들어, 다수의 양의 측정과 관련된 에러의 정도를 포함한다).

Claims (15)

  1. 증기를 발생시키기 위한 시스템으로서,
    약 5540℃ 내지 11,080℃의 온도로 주 처리 챔버의 적어도 일부분을 가열하는 적어도 하나의 플라즈마 아크 토치(plasma arc torch)를 포함하는 상기 주 처리 챔버;
    상기 주 처리 챔버에 탄소질 물질 공급을 전달하도록 구성된 공급 소스;
    상기 주 처리 챔버에 처리 가스를 전달하도록 구성된 제 1 처리 가스 소스;
    상기 주 처리 챔버에 물을 전달하도록 구성되는 제 1 물 소스;
    상기 주 처리 챔버에 유체적으로(fluidly) 연결되고 상기 주 처리 챔버로부터 적어도 수증기를 포함하는 부생 가스 스트림을 수용하도록 구성되는 제 1 열 회수 증기 발생기;
    상기 부생 가스 스트림을 수용하고 처리하도록 구성되는 스크러버(scrubber);
    상기 부생 가스 스트림에 있는 이산화탄소의 일부를 상기 주 처리 챔버로, 상기 이산화탄소의 일부를 집진 장치(baghouse)로 선택적으로 보내도록 구성된 제 1 제어 메커니즘을 가지는 제 1 프로그램 가능한 밸브; 및
    상기 부생 가스 스트림으로부터 응축된 물의 일부를 상기 주 처리 챔버로, 상기 물의 일부를 물 설비로 선택적으로 보내도록 구성된 제 2 제어 메커니즘을 가지는 제 2 프로그램 가능한 밸브를 포함하는, 증기 발생 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 열 회수 증기 발생기로부터 상기 부생 가스 스트림을 수용하도록 구성되는 2차 처리 챔버로서, 약 5540℃ 내지 11,080℃의 온도로 상기 2차 처리 챔버의 적어도 일부분을 가열하는 적어도 하나의 플라즈마 아크 토치를 포함하는 상기 2차 처리 챔버;
    상기 2차 처리 챔버로 처리 가스를 전달하도록 구성되는 제 2 처리 가스 소스;
    상기 2차 처리 챔버로 물을 전달하도록 구성되는 제 2 물 소스; 및
    상기 2차 처리 챔버에 유체적으로 연결되고, 상기 2차 처리 챔버로부터 부생 가스 스트림을 수용하고 상기 스크러버로 상기 부생 가스 스트림을 전달하도록 구성되는 제 2 열 회수 증기 발생기를 추가로 포함하는, 증기 발생 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 열 회수 증기 발생기 및 상기 제 2 열 회수 증기 발생기에 의해 발생되는 증기를 수용하도록 구성되는 증기 터빈을 추가로 포함하는, 증기 발생 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    자동화 제어 시스템을 추가로 포함하며, 상기 자동화 제어 시스템은,
    a) 처리 파라미터를 측정하고 그 데이터를 제공하도록 각각 구성되는 다수의 모니터들;
    b) 상기 다수의 모니터들과 데이터 통신하는 프로세서; 및
    c) 상기 프로세서와 데이터 통신하는 적어도 2개의 작동 메커니즘들을 추가로 포함하며;
    상기 적어도 2개의 작동 메커니즘들 중 제 1 작동 메커니즘은 상기 제 1 프로그램 가능한 밸브의 제 1 제어 메커니즘과 통신 작동하며, 제 2 작동 메커니즘은 상기 제 2 프로그램 가능한 밸브의 제 2 제어 메커니즘과 통신 작동하는, 증기 발생 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 다수의 모니터들의 각각에 의해 제공되는 상기 데이터는 온도, 압력, 이산화탄소 조성, 물 체적, 및 가스 유동 중 적어도 하나를 포함하는, 증기 발생 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 다수의 모니터들 중 적어도 하나는 상기 주 처리 챔버와 관련된 제 1 압력 데이터를 제공하며;
    상기 다수의 모니터들 중 적어도 하나는 상기 주 처리 챔버로부터 상기 부생 가스 스트림과 관련된 이산화탄소 조성 데이터를 제공하며;
    상기 적어도 2개의 작동 메커니즘들 중 제 1 작동 메커니즘은 상기 이산화탄소 조성 데이터, 및 상기 압력 데이터 중 적어도 하나에 기초하여 상기 프로세서에 의해 적어도 부분적으로 제어되는, 증기 발생 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 다수의 모니터들 중 적어도 하나는 상기 제 1 물 소스에 의해 전달된 상기 물과 관련된 제 1 물 체적 데이터를 제공하며; 상기 다수의 모니터들 중 적어도 하나는 상기 제 2 물 소스에 의해 전달된 상기 물과 관련된 제 2 물 체적 데이터를 제공하며, 상기 다수의 모니터들 중 적어도 하나는 상기 주 처리 챔버와 관련된 온도 데이터를 제공하며;
    상기 적어도 2개의 작동 메커니즘들 중 제 2 작동 메커니즘은 상기 제 1 물 체적 데이터, 상기 제 2 물 체적 데이터, 및 상기 온도 데이터 중 적어도 하나에 기초하여 상기 프로세서에 의해서 적어도 부분적으로 제어되는, 증기 발생 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 물은 상기 습식 스크러버에서 상기 부생 가스 스트림으로부터 응축되는, 증기 발생 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 물은 상기 제 1 열 회수 증기 발생기 또는 상기 제 2 열 회수 증기 발생기에서 상기 부생 가스 스트림으로부터 응축되는, 증기 발생 시스템.
  10. 증기를 발생시키기 위한 방법으로서,
    탄소질 물질의 연속적인 공급을 제공하는 단계;
    적어도 물과 이산화탄소를 포함하는 제 1 부생 가스 스트림을 제공하도록 제 1 처리 가스와 물이 존재하고, 제 1 플라즈마 아크 토치를 가지는 제 1 처리 챔버에서 상기 탄소질 물질을 연소시키는 단계;
    제 1 증기 출력물을 만들도록 제 1 열 회수 증기 발생기에서 상기 제 1 부생 가스 스트림으로부터 열을 회수하는 단계;
    적어도 이산화탄소를 포함하고 실질적으로 일산화탄소와 수소가 없는 제 2 부생 가스 스트림을 제공하도록, 제 2 처리 가스와 물이 존재하고, 제 2 플라즈마 아크 토치를 가지는 제 2 처리 챔버에서 상기 제 1 부생 가스 스트림을 처리하는 단계;
    제 2 증기 출력물을 만들도록 제 2 열 회수 증기 발생기에서 상기 제 2 부생 가스 스트림으로부터 열을 회수하는 단계;
    상기 제 1 처리 챔버로 상기 적어도 이산화탄소의 적어도 일부를 보내는 단계; 및
    상기 제 1 처리 챔버로 상기 물의 적어도 일부를 보내는 단계를 포함하며;
    상기 제 1 플라즈마 토치와 상기 제 2 플라즈마 토치는 각각 5540℃ 내지 11,080℃의 열을 발생시키며;
    상기 이산화탄소는 제 1 제어 메커니즘을 가지는 제 1 프로그램 가능한 밸브를 통해 상기 제 1 처리 챔버로 보내지고;
    상기 물은 제 2 제어 메커니즘을 가지는 제 2 프로그램 가능한 밸브를 통해 상기 제 1 처리 챔버로 보내지는, 증기 발생 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    습식 스크러버 출력물을 제공하도록 습식 스크러버에서 상기 제 2 스트림 출력물을 처리하는 단계를 추가로 포함하는, 증기 발생 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 습식 스크러버 출력물은 적어도 물과 이산화탄소를 포함하는, 증기 발생 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    다수의 처리 파라미터들 중 적어도 하나를 측정하고 프로세서에 그 데이터를 제공하도록 각각 구성된 다수의 모니터들을 제공하는 단계; 및
    상기 다수의 모니터들에 의해 제공된 상기 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 프로세서에 의해 상기 제 1 제어 메커니즘과 상기 제 2 제어 메커니즘을 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 증기 발생 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 모니터들에 의해 측정된 상기 다수의 처리 파라미터들은 온도, 압력, 이산화탄소 조성, 물 체적, 및 가스 유동 중 적어도 하나를 포함하는, 증기 발생 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 다수의 모니터들은 상기 제 1 처리 챔버, 상기 제 1 부생 가스 스트림, 상기 제 1 열 회수 증기 발생기, 상기 제 1 증기 출력물, 상기 제 2 처리 챔버, 상기 제 2 부생 가스 스트림, 및 제 2 스트림 출력물 중 적어도 하나에서 상기 처리 파라미터들을 측정하는, 증기 발생 방법.
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