KR20140110872A - 작동 매체로서 합성 가스를 사용하는 반류 가스화 공정 - Google Patents

작동 매체로서 합성 가스를 사용하는 반류 가스화 공정 Download PDF

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Abstract

본 발명은 환원 구역(12)과 산화 구역(6)을 구비한 수직의 공정 챔버 내에서 탄소-풍부 물질(A)을 연속적으로 가스화하기 위해 사용되는 방법으로써, 상기 환원 구역 내에서 하소된 탄소-풍부 물질이 산소-함유 가스(8)로 산화하며, 상기 가스 반응 생성물(15)은 수직의 공정 챔버의 상부면에서 배출되며, 상기 공정 챔버는 자체로 산화하지 않는 벌크 재료(3)가 이를 통하여 상부에서 바닥까지 연속적으로 유동하는 수직의 샤프트 노의 형태로 구성되며, 상기 탄소-풍부 물질은 상기 수직의 공정 챔버로 도입되기 전에 벌크 재료에 첨가되는 자열 방법이다. 본 발명에 의하면, 반류 가스화의 에너지 효율에 해로운 영향을 미치지 않고도 최소 분획의 불활성 가스를 포함하는 고품질 합성 가스를 생산하기 위하여, 일산화탄소-함유 가스가 냉각 가스(10)로서 수직 샤프트 노의 하단부의 냉각 구역(11)으로 도입된다.

Description

작동 매체로서 합성 가스를 사용하는 반류 가스화 공정{COUNTERCURRENT GASIFICATION USING SYNTHESIS GAS AS THE WORKING MEDIUM}
본 발명은 환원 구역과 산화 구역을 구비한 수직의 공정 챔버에서 탄소-풍부 물질을 연속적으로 가스화하기 위한 자열 공정(autothermal process)에 관한 것으로, 상기 환원 구역에서 하소된 탄소-풍부 물질은 산소-함유 가스에 의해 산화되고, 가스 반응 생성물은 수직의 공정 챔버 상부에서 배출되며, 상기 수직의 공정 챔버는 수직의 샤프트 노의 형태로 구현되며, 자체로 산화하지 않는 벌크 재료가 이를 통하여 상부에서 바닥까지 연속적으로 유동하며, 상기 탄소-풍부 물질은 수직의 공정 챔버에 도입되기 전에 벌크 재료에 첨가된다.
상기 방법은 이미 공지되어 있으며, 예를 들어 생성된 공정 가스(resultant process gas)가 가스화 장치의 바닥을 향하여 이동 중인 석탄 생성물 또는 바이오매스(biomass)의 주위로 유동하는 반류 가스화 장치 내에서 실행된다. 생성된 공정 가스는 즉시 연소되거나 또는 화학 합성을 위해 사용될 수 있다. 상기 기재된 방법의 단점은, 공급된 탄소-풍부 물질 때문에 상기 방법이 자열식으로 실행될 수 있음에도 불구하고 공급된 특정 탄소-풍부 물질에 극도로 의존하여, 상기 방법의 제어가 어렵다는 점이다. 상기 방법은 불소- 및 염소-함유 플라스틱, 오염된 폐기물 등과 같은 오염된 탄소-풍부 물질에는 전혀 적합하지 않다.
낮은 샤프트 전기로(electric low-shaft furnace) 내의 잔여물(residue) 및 폐기물을 사용하는 것은 이미 공지되어 있고; 이 노에서 탄화칼슘, 페로실리콘, 페로크로뮴 등이 매우 고온에서 에너지를 더욱 절약하는 방식으로 생성될 수 있다. 그러나, 상기 방법은 자열식으로 동작되지 않고; 대신, 필요한 고온을 생성하기 위해 자가-연소(self-burning) 또는 자가-베이킹(self-baking) 전극에 의한 상당한 에너지 투입이 필요하다. 상기 방법 중 하나는 예를 들어 독일 특허 문헌 DE 10 2006 023 259 A1에 기재되어 있으며, 상기 물질의 생산과 직접 관련된다.
상기 기재된 타입의 방법은 오스트리아 특허 문헌 AT 387 786 B에서 공지되었으며, 자체로 산화하지 않는 순환되는 벌크 재료의 사용에 관해 기재한다.
DE 10 2007 062 414.1-24에서는 탄소-풍부 물질의 가스화를 위한 상기 기재한 타입의 공정이 기재되어 있는데, 이는 반류 가스화 장치를 사용하여 매우 다양한 탄소 함유물을 합성 가스로 전환하는 것에 대해 제안한다. 이 공정은 순환 과정에서 운반되는 벌크 재료를 반응 이동층으로 사용하고; 바람직하게는, 알칼리성 물질, 특히 산화 칼슘(CaO)을 미세 재료(fine material)로 첨가하거나, 또는 심지어 모든 벌크 재료에 CaO가 포함된다. 이 공정의 추가적인 필수 특징은 냉각 구역의 발달로서, 상기 냉각 구역에서는 순화 과정에서 운반되는 벌크 재료가 냉각되는 동안, 공기 및/또는 물과 같은 필수 가스화 매체가 에너지 효율적 방식으로 예열된다. 그 결과 매우 높은 에너지 효율이 달성될 수 있으나; 단지 공기만 사용하는 경우, 모든 벌크 물질을 적절히 냉각시키기 위해 상기 방법에 충분한 양의 냉각 가스를 제공할 수 있다. 그러나, 특히 벌크 물질의 유리한 순환으로 냉각 구역을 광범위하게 냉각할 필요가 있으며, 이는 그 이후에는 오염된 미세 물질의 분리 및 플라스틱과 같은 탄소-풍부 물질과의 재혼합만이 단지 논리적으로 가능하기 때문이다. 그 이후 필요하다면 공기 중 높은 비율의 질소를 불활성 가스 성분으로서 합성 가스로 도입하여, 합성 가스의 칼로리 값을 크게 감소시키고 합성 조물질 또는 에너지 운반체로서 이의 사용을 제한한다. 이는 소위 약한 가스(weak gas)를 생성하여, 에너지 운반체로서 사용시 단지 화염 온도만을 감소시킬 수 있고, 동시에 상당히 많은 양의 가스 때문에 통상 파이프라인 및 버너 시스템의 기하학적 구조의 확장도 또한 필요하다.
따라서, 본 발명은 상기에 기재된 타입의 방법을 개선하여, 최소의 불활성 가스 성분을 갖는 고품질의 합성 가스를, 반류 가스화 공정의 에너지 효율에 불리한 영향을 주지 않고 생산할 수 있는 것을 목적으로 한다.
본 목적은 냉각 가스로서 일산화탄소-함유 가스를 수직 샤프트 노의 하단부의 냉각 구역 내로 도입함으로써, 상기 정의한 타입의 방법으로 얻어진다.
냉각 매체로서의 일산화탄소-함유 가스, 특히 합성 가스를 사용하여, 냉각 구역 내에서 벌크 물질을 효율적으로 냉각시킬 수 있다는 것이 입증되었다. 배출된 가스 반응 생성물(gaseous reaction product)이 합성 가스로서 사용되어, 본 방법에서 합성 가스의 내부적인 부분 순환이 실시될 수 있다. 합성 가스 내에 통상 존재하는 이산화 탄소의 비율은, 반류 가스화 장치의 환원 구역 내에서 탄소와 새로 접촉한 결과, 순환시 상당히 감소할 수 있다는 점에서 특히 유리하다는 것이 증명되었으며, 이는 이산화 탄소의 적어도 일부가 부다 반응(Boudouard reaction)에 의해 일산화 탄소로 다시 전환되기 때문이다.
본 발명의 추가적 실시 형태는 또한 열탄소 공정(carbothermal process), 예컨대 조 철 생산(crude iron production)용 고로(blast furnace) 또는 석탄의 코크스 공정(coking process)에서 나온 공정 가스의 적어도 일부를, 냉각 가스로서 사용하는 것을 포함할 수 있다. 전열 공정(electrothermic process), 예컨대 탄화 칼슘(calcium carbide) 생산용의 낮은 샤프트 전기로에서 나온 공정 가스도 또한 사용할 수 있다.
바람직하게는, 수직의 공정 챔버 내의 벌크 재료는 그 입자 크기가 최대 30cm에 이른다. 상기 입자 크기를 갖는 이동 중 계속적으로 유지되는 안정한 벌크층은, 쉽게 수득할 수 있고, 동시에 가스의 반류에 적합한 가스 투과성도 갖는 것으로 입증되었다.
상기 방법의 구체예로서, 수직의 공정 챔버 내의 벌크 물질은 전부 또는 일부가 알칼리성 물질, 예컨대 조대 산화 칼슘(coarse calcium oxide)을 포함하며, 및/또는 예를 들어 조대 산화칼슘 또는 분말화된 산화칼슘 및/또는 수산화 칼슘은 이들 알칼리성 물질과 혼합되도록 제공된다.
이들 물질은 조대 형태(coarse form)로서 이동층 반응기(moving-bed reactor)가 적합한 가스 투과성을 갖게 하며, 이들 물질은 또한 오염 물질, 예컨대 황, 할로겐 또는 중금속과의 결합에 적합하다. 미세 입자의 실시 형태 또는 분말화된 실시 형태는, 상당히 넓은 반응 표면적을 얻을 수 있고 오염 물질 결합제로서 알칼리성 물질도 또한 가스 상에서 사용가능하기 때문에, 특히 바람직하다.
산화 칼슘이 사용되는 경우, 유기 재료의 가스화 공정에서 촉매 작용을 할 수 있는 것이 그 장점이다. 이 촉매 작용은 가스화 또는 코크스 공정에서 발생하는 오일 또는 타르-유사(tar-like) 생성물을 최소한으로 감소시키며, 동시에 저온에서 열 분해가 뒤따라서, 합성 가스 수율을 상당히 증가시킨다.
수직의 공정 챔버는 산화 구역에 근접한 백업 노(backup furnace)를 구비하며, 또한 상기 백업 노가 연료 및 산화 가스에 의해 버너 랜스를 통하여 동작되는 경우도 유리하다.
상기 백업 노는 한편에서는 공정이 동작되는 경우에 사용되며, 다른 한편에서는 표준 동작에서 이동층 반응기의 샤프트 내에 산화 구역을 국소적으로 고정화할 수 있도록 한다. 산화 가스가 공기 및/또는 산소의 형태로 랜스 내의 연료에 대해 화학양론적으로 또는 심지어 초 화학양론적으로(superstoichiometrically) 영향을 받을 수 있도록 조절할 수 있다. 그 결과로, 가스화 공정에 필요한 산화 가스의 양에 대한 전체적인 정량은 랜스를 통하여 실시될 수 있다.
상류의 이동-층 반응기 내에서 필요한 산화 가스 양은, 공기 및/또는 공업 산소(technical oxygen)를 첨가함으로써 영향을 받을 수 있고; 그 공기 또는 산소의 양은 가스화의 전체 단계에서 총 람다가 < 1, 바람직하게는 < 0.7, 더욱 바람직하게는 < 0.5가 되도록 조절된다. 공기에 대한 산화 가스 양 중의 산소의 비율이 증가함에 따라서, 반응기 내에서 전체 가스 수율(throughput)이 감소할 수 있고, 폐쇄 순환 과정에서는 심지어 질소 풍부 환경도 두려워할 필요가 없다.
수증기 및 산화 칼슘 및/또는 탄산 칼슘 및/또는 수산화 칼슘의 존재 하에서의 산화 칼슘의 촉매화 작용에 의한 가스 반응 생성물인 오일 및 타르-함유 분해 생성물(cleavage product)의 형성을 최대한 감소시키기 위해서, 칼슘-촉매화 재형성은 400℃ 초과에서 수직의 공정 챔버 및/또는 배출된 가스 반응 생성물의 가스상에서 실시될 수 있다. 공정에서, 생성되는 상당량의 오일- 및/또는 타르-함유 분해 생성물(사슬 길이가 > C4 임)은 일산화 탄소, 이산화 탄소 및 수소로 변환된다. 필요한 수증기는 의도적으로 수직의 공정 챔버(vm)에서 및/또는 환원 구역 위쪽의 가스상으로 계량화되어 주입될 수 있다. 수증기가 유기 물질의 잔여 수분으로부터 그 자리에서 제공되는(in - situ) 실시 형태도 또한 유리하다. 이 경우, 심지어 수분의 계량화를 전체적으로 생략할 수도 있다.
배출된 가스 반응 생성물의 적어도 일부는, 바람직하게는 냉각 구역으로 돌아가기 전에, 열 교환기를 통하여 냉각된다. 바람직하게는, 냉각되기 전에 물리적 분리 방법, 예컨대 필터 시스템을 통하여 분진(dust)을 분리한다. 냉각 구역에 도입되기 전에 의도적으로 열을 회수하는 것은 시스템의 전체 효율을 개선하며, 공정의 전체적인 최적화를 위한 추가의 방법이다.
공업 산소가 사용되는 경우, 이들은 이후 바람직하게는 전류로 동작하는 물리적인 분리 방법, 예컨대 증류 공기 분해(distillative air decomposition), 압력-변화 흡착(pressure change absorption) 또는 멤브레인 분리법에 의해 공기로부터 분리되며, 바람직하게는 일시적으로 액체 상태로 저장된다. 대안적으로는, 공업 산소도 또한 전기화학적 방법, 바람직하게는 물 및/또는 이산화탄소의 전기 분해에 의해 얻을 수 있고, 이후 바람직하게는 액체 상태로 일시적으로 다시 저장된다.
바람직하게는, 물리적 분리 공정에 의해 공기로부터 공업 산소 이외에도 공업 질소를 동시에 얻을 수 있으며, 질소는 바람직하게는 탱크 용기 내에 액체 상태로 저장된다.
선택된 분리 방법에 따라서, 공기로부터 공업 산소를 생산할 때 공업 질소도 또한 생산할 수 있고, 이는 탱크 용기 내에 액체 상태로 일시적으로 저장된다; 다른 방법으로, 공업 수소 및/또는 탄소도 또한 얻을 수 있으며, 물 및/또는 이산화 탄소의 전기 분해의 경우와 동일하게 수소가 다시 가스 형태로 일시적으로 보관될 수 있으며, 탄소는 고체 형태로 일시적으로 저장될 수 있다.
전류에 의한 물리적인 분리 방법 및/또는 전기화학적 방법을 실시할 수 있는 능력 때문에, 본 방법의 바람직한 구체예에서는 풍력 발전 및/또는 태양광 발전에 의한 기후-의존적 전력 생산으로 생산된 잉여 전류(excess current)로부터 전류를 얻는 것이 가능하며, 이는 분리된 물질이 본 발명의 실시를 위해 액체, 기체 또는 고체 형태로 저장 탱크 내에 일시적으로 용이하게 저장되어, 국가 및/또는 전세계적 에너지 개념 체계에서 일시적으로 발생하는 에너지 오버행(energy overhang)을 잘 보충할 수 있기 때문이다.
상기에서 기재한 질소는, 또한 공업 산소를 얻는 공정에 의해서도 얻어지는데, 공정의 개시 및 중단의 목적 및/또는 가스 임펄스(gas impulse)에 의한 필터 시스템의 청소를 위해 불활성화 가스로서 사용될 수 있으나, 다른 산업적 사용 맥락으로도 사용가능하다고 이해된다.
배출된 가스 반응 생성물의 적어도 일부는 희석 가스로서 버너 랜스를 통하여 산화 구역 내로 도입되고, 상기 버너 랜스를 통하여 희석 가스로 되돌림된 가스 반응 생성물의 품질은 바람직하게는 수직의 공정 챔버의 산화 구역 내의 온도를 통하여 구동 변수(as actuating variable)로서 조절된다. 냉각 구역 내로 되돌림된 냉각 가스로서의 가스 반응 생성물의 품질은, 수직의 공정 챔버의 하부 배출구에서 벌크 물질의 온도에 의해 조절된다.
가스 반응 생성물은 바람직하게는 가스 압축기에 의해 수직의 공정 챔버로부터 배출되며, 상기 가스 압축기는 이후 가스 반응 생성물의 적어도 일부를 수직의 공정 챔버의 산화 구역 및/또는 냉각 구역으로 되돌리고 및/또는 가스 반응 생성물을 추가로 하류의 설비 및/또는 가스 버퍼 용기로 운반하기 위해 사용되며, 상기 가스 반응 생성물은 예를 들어 상기 가스 버퍼 용기로부터 추가의 압축기를 통하여 추가로 되돌려진다.
장기간에 걸친 공정 도중 오염물이 증가하는 것을 방지하기 위하여, 벌크 재료는 냉각 구역을 떠난 후 물리적 분리법, 바람직하게는 스크리닝(screening) 및/또는 시프팅(sifting)에 의해 다양한 입자 분획물로 분리되고, 결합된 오염물을 함유하는 미세 분획물의 적어도 일부는 공정으로부터 외부로 전달되는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 방법의 하나의 실시 형태를 첨부된 도면을 참고로 하여 더욱 상세히 설명할 것이다.
도 1은 본 발명의 방법의 바람직한 실시 형태를 일 실시예로서 도시한 것으로, 이는 상기 방법을 설명할 의도이며, 이에 제한되지 않는다.
30cm 미만의 입자 크기를 갖는 조대 형태의 탄소-풍부 물질(A)들의 혼합물은, 상부로부터 수직의 슈트(shute)를 통하여, 수직의 공정 챔버로 실시되는 반류 가스화 장치(countercurrent gasifier)로 전달된다. 조대 벌크 재료(coarse bulk material)(3), 예컨대 조대 산화 칼슘은 반류 가스화 장치(2)에 도입되기 전에 상기 탄소-풍부 물질들과 함께 혼합된다. 알칼리성 물질(4), 바람직하게는 미립자(fine-granular) 산화 칼슘은, 유기 재료 중에 포함된 오염물질, 예컨대 염소 및 중금속과 추후 결합하기 위해, 반류 가스화 장치(2)에 도입되기 전에 이동하는 벌크 재료층 내로 혼합된다.
탄소-풍부 물질, 조대 산화 칼슘 및 알칼리성 물질의 혼합물은 중력에 의하여 수직의 공정 챔버(2)의 상부에서 바닥까지 유동한다. 반류 가스화 장치는 중간 부분에 버너 랜스(5)를 구비하며, 상기 랜스는 수직의 공정 챔버 내에서의 일정-부하 연소(constant-loading firing) 및 정지된 산화 구역의 형성(stationary development of an oxidation zone)을 제공한다. 이들 버너 랜스는 화석 연료(7) 및 산소-함유 가스에 의해 동작될 수 있다. 화석 연료를 대체하여, 반류 가스화 장치(9)에서 나온 합성 가스를 또한 사용할 수도 있다.
반류 가스화 장치(2)로부터 나온 일산화탄소-함유 가스로서의 합성 가스(10)는, 냉각 가스로서 수직의 공정 챔버의 하단부에서 도입된다. 이 가스는 수직의 공정 챔버를 떠나기 전에 먼저 냉각 구역(11)에서 벌크 재료를 냉각하는 역할을 한다. 상기 공정에서, 합성 가스는 수직의 공정 챔버 내에서 상향 유동을 계속하는 동안 예열된다.
버너 랜스(5)는 산소-함유 가스(8)의 양이 연료(7)에 비해 초화학양론적으로 사용되도록 동작된다. 산화 구역 내에 생성된 과잉 산소 때문에, 냉각 구역(11)에서 산화 구역(6)으로 유동하는 합성 가스의 적어도 일부는 연소되어, 공정 중에서 추가로 이산화 탄소와 수증기를 형성한다. 공정 중에, 방출된 반응열에 의해 가스화 공정에 필요한 에너지를 사용할 수 있게 된다.
반류 가스화의 원칙상, 합성 가스의 연소로부터 생성된 이산화탄소 및 수증기는, 유기 재료에서 발생한 코크스와 반응 구역(12) 내에서 반응하여, 일산화 탄소 및 수증기를 형성한다.
합성 가스의 양은, 한편으로는 이동하는 벌크 재료층이 냉각 구역(11) 내에서 완전히 냉각되고 나머지 엠버(remaining ember)는 소화되며, 다른 한편으로는 필요한 공정 에너지의 가능한 최고 비율을 합성 가스에 의해 커버할 수 있도록 조절된다.
버너 랜스(5)를 통하여 도입되는 산소-함유 가스의 양은, 수직의 공정 챔버 내에서 바람직하게는 총 람다가 0.5 미만이 되도록 조절한다. 그 결과로, 초기에는 산화 구역(6)이 발달하여, 고로 가스(blast-furnace gas)의 연소성 성분 및 유기 재료의 잔여물이 산소와 반응하여 CO2 및 H2를 형성한다. 공정 챔버 내에서 위로 갈수록 산소가 점점 줄어들어 최종적으로 저온 탄화(carbonization)만 단지 발생할 수 있고, 더욱 상부로 가면 결국 모든 산소가 소모되어 완전 환원 분위기 하의 환원 구역(12)이 형성된다.
반대로, 상부에서 바닥까지 탄소-풍부 물질, 산화 칼슘 및 알칼리성 물질을 포함하는 벌크 재료 혼합물의 유동이 있는 경우, 환원 구역(12)에서는, 먼저, 사용된 가능한 수분 물질이 고유 온도(intrinsic temperature)가 100℃가 될 때까지 건조된다. 그 후, 물질의 고유 온도가 더 올라가서, 예컨대 탄소-풍부 물질에도 또한 포함된 플라스틱의 가스화 공정이 시작되고, 뒤이어 최대 500℃의 고유 온도에서 메탄, 수소 및 CO가 형성된다. 광범위한 탈가스화(degasification) 이후, 산화 구역(6)에서 고온의 가스가 발생한 결과, 재료의 고유 온도는 더욱 높아져고, 최종적으로 탄소-풍부 물질은 완전히 탈가스화되어 단지 잔여 코크스, 소위 열분해 코크스(pyrolysis coke)와 회분(ash) 성분만을 포함한다. 수직의 공정 챔버 내에서, 열분해 코크스는 벌크 재료와 함께 더욱 하부로 이동하고, 여기에서 산화 구역(6)에서 나온 CO2 성분과 함께, 800℃ 초과의 온도의 환원 구역(12) 내에서 부다 반응에 의해 적어도 일부가 CO로 변환된다. 열분해 코크스의 일부는, 고온의 가스 내에 포함된 경우와 마찬가지로, 또한 환원 구역 내에서 물-기체 반응에 의해 수증기와 반응하여, CO 및 수소를 형성한다.
열분해 코크스의 잔여물은 1800℃ 미만의 온도의의 산화 구역(6) 내에서 버너 랜스를 통하여 유입하는 산소-함유 가스에 의해 최종적으로 산화되어, 열적으로 사용된다.
이동하는 벌크 재료층은 잔여의 회분 성분과 함께 냉각 구역(11)에 도달한다.
물(13)도 또한 추가의 냉각 및 가스화 매체로서, 물 랜스(14)를 통하여 냉각 구역(11)에 계량화되어 주입될 수 있다.
수직의 공정 챔버 내에 형성된 합성 가스를 상단부에서 흡입 장치(15)로 빼내고, 수직의 공정 챔버의 상부 가스 챔버(16)에서는 바람직하게는 0 내지 -200 mbar의 약간의 음압(underpressure)이 생성된다.
가스화 공정 동안, 사용된 물질의 품질에 따라서, 상당한 비율의 가스 상태의 산성 할로겐-함유 가스 또는 할로겐이 발생할 수 있다. 따라서 알칼리성 물질(4)이 수직의 공정 챔버로 도입되기 전에 이동 중인 벌크 물질과 혼합된다면 유리해진다. 금속 산화물, 금속 수산화물 또는 금속 탄화물이 특히 상기에 적합하고; 미립자의 산화 칼슘을 사용하는 것이 특히 바람직하며, 이는 산화칼슘이 반응성 및 넓은 표면적 때문에 형성된 가스 상태의 할로겐 화합물 또는 할로겐과 자발적으로 반응하여 공정 중에서 고체 염을 형성하고, 상기 고체염은 흡입 장치로 빼낸 합성 가스와 함께 수직의 공정 챔버로부터 매우 우세하게 배출되기 때문이다. 또한 염소, 염화 수소 또는 심지어 휘발성 중금속과 같은 다른 오염물들도 매우 효과적으로 산화 칼슘에 결합되어, 동일한 방식으로 공정에서 배출된다.
흡입 장치로 빼낸 합성 가스는 할로겐의 고체염, 미립자의 알칼리성 물질, 추가의 오염 물질 및 불활성 입자를 필수적으로 포함하는 분진을 함유한다. 분진을 함유하는 합성 가스는, 수증기와 미립자 산화 칼슘의 존재하에서 400℃ 초과의 온도에서 수직의 공정 챔버의 가스 챔버(16)에서 또는 상기 수직의 공정 챔버를 떠난 후 흡입 장치(15)에서 처리될 수 있다. 이 온도는 산소-함유 가스(8)의 양을 적절히 조절하거나, 또는 산화 구역(6) 내의 버너 랜스(5)의 가열 용량(heat capacity)에 의해 확립될 수 있다. 그러나 연료와 산소 함유 가스 또는 심지어 과량의 산소-함유 가스에 의해 화학양론적으로 가동되는 버너 랜스(7)를 통하여, 합성 가스로 직접 연소하는 것이 특히 유리하다. 수증기 및 산화 칼슘의 존재하에서의 이러한 후열 처리(thermal posttreatment)는, 산화 칼슘의 촉매 작용에 의해, 합성 가스 내에 여전히 약간 존재하는 오일 및 타르를 분해하도록 보장한다.
합성 가스 함유 분진은 이후 고온 가스 필터링(18)에 의해 300℃ 초과의 온도에서는 분진을 포함하지 않는다. 할로겐-함유 필터 분진(19)은 공정 외부로 전달된다. 본 공정의 바람직한 실시 형태에서, 필터 분진의 적어도 일부는 미립자 알칼리성 물질의 형태인 벌크 재료(4)와 다시 혼합되고, 이로 인하여 필터 분진의 부분적인 순환 운동을 달성할 수 있다.
생성되는 합성 가스(9)는 실제로 할로겐을 함유하지 않는다. 이는 가스 냉각기(20)에 의해 냉각되고, 응축물(condensate)을 포함하지 않는다. 발생된 응축물(21)의 적어도 일부는 물 랜스(14)를 통하여 수직의 공정 챔버 내의 냉각 매체 및 가스화 매체로 재사용될 수 있다.
가스 냉각기 내에서 냉각되는 합성 가스는 흡입 장치(15)에서 가스 압축기(22)에 의해 반류 가스화 장치(2)로부터 배출되어, 가스 필터(18) 및 가스 냉각기(20)를 통하여 흡입된 후, 추가의 열 또는 물질 이용(23)을 위하여 전달된다.
가스 압축기(22)는 또한 선택적으로 냉각 구역(11) 내의 냉각 가스로서 사용하기 위한 합성 가스(10)의 부분 흐름을 운반하기 위하여 사용될 수도 있다. 본 방법의 이러한 실시 형태는 필요하다면 냉각 가스 압축기가 생략될 수 있으므로 특히 유리하다.
국소 조건 및 합성 가스의 추가 사용 형태에 따라서, 합성가스를 가스 저장 용기(24)로 운반하는 것이 유리할 수도 있다. 거기로부터, 합성 가스를 추후 사용(25)을 위해 인출할 수 있다. 또한 냉각 구역(11) 내의 냉각 가스로서 사용하기 위해, 부분 합성 가스 스트림(27)을 추가의 가스 압축기(26)로 정량하는 것도 옵션이 될 수 있다.
수직의 공정 챔버의 하단부에서 나온 벌크 재료 혼합물(28)은, 조대 입자의 벌크 물질, 회분 잔여물 및 미립자의 산화 칼슘을 필수적으로 포함한다.
결합된 오염 물질 및 회분을 제거하기 위하여, 벌크 재료 혼합물(28)의 스크리닝(29)을 실시하는 것이 특히 바람직하며; 조대 분획물(30)은 바람직하게는 반류 가스화 장치(2)에서 벌크 재료(3)로 재사용된다.
미세 스크리닝 분획물(31)은 회분 잔여물, 결합된 오염 물질 및 미립자 산화칼슘을 포함한다.
여기에서, 바람직한 공정의 실시 형태에서는, 미세 스크리닝 분획물이 미립자의 알칼리성 물질로서 적어도 일부가 다시 벌크 재료(3)와 혼합되고, 이로 인하여 미세 스크리닝 분획물의 부분 순환 모드를 얻는 것도 가능하다.
상기 공정의 특히 바람직한 실시 형태는 산소-함유 가스(8)로서 공업 산소를 사용하는 단계도 포함한다. 그 결과로, 칼로리값이 특히 높은 합성 가스가 생성될 수 있다. 공업 산소의 산화시 발생하는 화염 온도를 낮추기 위하여, 가스 압축기(22) 및/또는 추가의 가스 압축기(26)로 직접 버너 랜스로의 부가 합성 가스(32)를 희석 가스(32)로서 계량화하여 주입하는 것이 유리할 수 있다.

Claims (27)

  1. 환원 구역(12) 및 산화 구역(6)을 구비한 수직의 공정 챔버(2) 내에서 탄소-풍부 물질(A)을 연속 가스화하기 위한 자열 공정(autothermal process)으로서,
    상기 환원 구역에서 하소된 탄소-풍부 물질이 산소-함유 가스(8)에 의해 산화되고,
    가스 반응 생성물(15)은 수직의 공정 챔버 상부로부터 배출되고,
    상기 수직의 공정 챔버는 수직의 샤프트 노의 형태로 구현되어, 자체로 산화하지 않는 벌크 재료(3)가 이를 통하여 상부에서 바닥까지 연속적으로 유동하며,
    상기 탄소-풍부 물질은 수직의 공정 챔버로 도입되기 전에 상기 벌크 재료에 첨가되고,
    냉각 가스(10)로서 일산화탄소-함유 가스가 수직의 샤프트 노의 하단부의 냉각 구역(11)으로 도입되는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 가스로서, 일산화 탄소를 함유하는 배출된 가스 반응 생성물의 적어도 일부가 냉각 구역(11)으로 도입되는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수직의 공정 챔버(2) 내의 벌크 재료(3)는 그 입자가 최대 30cm인 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 수직의 공정 챔버(2) 내의 벌크 재료(3)는 전부 또는 일부가 알칼리성 물질, 예컨대 조대 산화 칼슘을 포함하며, 및/또는 예컨대 조대 산화칼슘 및 특히 바람직하게는 분말화된 산화 칼슘 및/또는 수산화 칼슘은 상기 알칼리성 물질(4)과 함께 혼합되는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 수직의 공정 챔버(2) 및/또는 배출되는 가스 반응 생성물(15)의 가스상에서, 수증기 및 산화칼슘 및/또는 탄산 칼슘 및/또는 수산화칼슘의 존재 하에, 상당한 비율의 생성되는 오일- 및/또는 타르-함유 분해 생성물(사슬 길이가 C4를 초과함)의 칼슘 촉매 하에서의 일산화탄소, 이산화 탄소 및 수소로의 재형성이 400℃ 초과의 온도에서 실시되는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    수직의 공정 챔버(2)는 산화 구역(6)에 근접한 백업 노를 구비하며, 상기 백업 노는 연료(7) 및 산소-함유 가스(8)를 갖는 버너 랜스를 통하여 동작되는 것을 특징을 하는 자열 공정.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    산화 가스로서 공기 및/또는 공업 산소를 첨가하여 수직의 공정 챔버 내에서 가스화를 실시하고, 상기 공기 또는 산소의 양을 상기 가스화의 모든 단계에 걸쳐 총 람다가 1 미만, 바람직하게는 0/7 미만, 및 특히 바람직하게는 0.5 미만으로 나오도록 조정하는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    배출된 가스 반응 생성물(15)의 적어도 일부는 냉각 구역(11)으로 되돌아가기 전에 열 교환기(20)를 통해 냉각되는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  9. 제 8 항에 있어서,
    배출된 가스 반응 생성물(15)은 열 교환기(20)에 의해 냉각되기 전에, 먼저 물리적 분리 공정, 바람직하게는 필터 시스템(18)을 통해 분진이 제거되는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    산소 함유 가스(8)로서, 공업 산소 및/또는 공업 산소가 풍부한 공기를 사용하는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  11. 제 10 항에 있어서,
    산소 함유 가스(8)를 위한 공업 산소는, 바람직하게는 전류로 동작되는 물리적 분리 공정, 예컨대 증류 공기 분해(distillated air decomposition), 압력-변화 흡착(alternating-pressure adsorption) 또는 멤브레인 분리 공정에 의해 공기로부터 분리되고, 바람직하게는 일시적으로 액체 형태로 저장되는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  12. 제 10 항에 있어서,
    산소-함유 가스를 위한 공업 산소는, 전기화학적 공정, 바람직하게는 물 및/또는 이산화 탄소의 전기 분해를 통해 수득되고, 바람직하게는 일시적으로 액체 형태로 저장되는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    가스 반응 생성물(15)의 칼로리 값은, 공업 산소와 공기의 비율을 조절함으로써, 산소-함유 가스(8)의 산소 함량에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  14. 제 11 항에 있어서,
    물리적 분리 공정에 의해, 공기로부터, 공업 산소 이외에 공업 질소가 함께 수득되고, 상기 질소는 바람직하게는 탱크 용기 내에서 액체 형태로 저장되는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  15. 제 12 항에 있어서,
    전기 분해에 의해 물 및/또는 이산화탄소로부터, 공업 산소 이외에, 공업 수소 및/또는 탄소도 함께 수득되고, 수소는 바람직하게는 압력 용기 내에서 가스 형태로 일시적으로 저장되고, 및/또는 탄소는 일시적으로 고체 형태로 저장되는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  16. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    물리적 분리 공정 및/또는 전기 분해에 의한 수득은 풍력 발전 및/또는 태양광 발전에 의한 기후-의존적 전류 생산으로부터 생산된 잉여 전류에 의해 동작되며, 상기 분리된 물질은 공정에서 사용하기 위해 저장 탱크 내에서 액체, 가스 또는 고체 형태로 버퍼-저장되는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 공정에서 수득된 질소는 개시 및 중단의 목적, 및/또는 가스 임펄스에 의한 필터 시스템의 청소를 위한 불활성화 용도로 사용되는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    배출되는 가스 반응 생성물(15)의 적어도 일부가, 희석 가스(32)로서 버너 랜스(5)를 통하여 산화 구역(6)에 도입되는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  19. 제 18 항에 있어서,
    버너 랜스(5)를 통하여 희석 가스(32)로서 되돌림 되는 가스 반응 생성물(15)의 양은, 구동 변수(actuating variable)로서 수직의 공정 챔버의 산화 구역(6) 내의 온도를 통하여 조절되는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    냉각 가스(10)로서 냉각 구역(11)으로 되돌림 되는 가스 반응 생성물의 양은, 수직의 공정 챔버의 하부 배출구(28)에서 벌크 재료의 온도를 통해 조절되는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    가스 반응 생성물은 가스 압축기(22)에 의해 수직의 공정 챔버로부터 배출되고, 그 후 수직의 공정 챔버의 산화 구역(6) 및/또는 냉각 구역(11)으로 가스 반응 생성물(15)의 적어도 일부의 되돌림, 및/또는 가스 반응 생성물을 추가로 하류에서의 사용(25) 및/또는 가스 버퍼 용기(24)로 운반하기 위해 가스 압축기가 사용되는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 가스 반응 생성물(27)의 되돌림은, 바람직하게는 가스 버퍼 용기(24)로부터 추가의 가스 압축기(26)를 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    냉각 구역(11)에서, 물(13)을 냉각 및/또는 가스화 매체로서 추가적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  24. 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    벌크 재료(28)는 냉각 구역을 떠난 후 물리적 분리법(29), 바람직하게는 스크리닝 및/또는 시프팅(sifting)에 의해 다양한 입자 분획물로 분리되고, 바람직하게는 결합된 오염물을 함유하는 미세 분획물(31)의 적어도 일부는 공정으로부터 외부로 전달되는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  25. 제 23 항에 있어서,
    물리적 분리법(29)을 사용하여 생성된 조대 분획물(30)의 적어도 일부는 상류의 이동층 반응기(2) 내에서 벌크 재료(3)로서 재사용되는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  26. 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    냉각 가스로서, 열탄소 공정에서 생성된 일산화탄소 함유 공정 가스, 예컨대 조철 생산용 고로에서 생성되는 고로 가스 및/또는 석탄의 코크스 공정에서 생성되는 코크스 가스의 적어도 일부가 냉각 구역(11)으로 도입되는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
  27. 제 1 항 내지 제 26 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    냉각 가스로서, 열탄소 공정에서 생성된 일산화탄소 함유 공정 가스, 예컨대 탄화칼슘(calcium carbide) 생산용의 낮은 샤프트 전기로에서 생성된 고로 가스의 적어도 일부가 냉각 구역(11)으로 도입되는 것을 특징으로 하는 자열 공정.
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