KR20150068318A - 직접 냉각에 의한 연속적인 슬래그 취급을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

직접 냉각에 의한 연속적인 슬래그 취급을 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20150068318A
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휘트니 톨버트 노리스
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Abstract

시스템은 가스와 슬래그 혼합물을 연속적으로 수용하도록 구성된 켄치 챔버(quench chamber)와 켄치 챔버에 커플링된 하류 단부 부분을 포함한다. 켄치 챔버는 켄치액을 통해 혼합물 내의 슬래그로부터 가스를 연속적으로 분리하도록 구성된 켄치 섬프(sump)를 포함한다. 하류 단부 부분은 슬래그 슬러리를 감압 시스템으로 연속적으로 이송하도록 구성된다. 하류 단부 부분은 냉각 유체를 사용하여 슬래그 슬러리를 직접 냉각하도록 구성되고, 슬래그 슬러리는 분리된 슬래그와 냉각 유체의 적어도 일부를 포함한다.

Description

직접 냉각에 의한 연속적인 슬래그 취급을 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTINUOUS SLAG HANDLING WITH DIRECT COOLING}
본 발명은 미국 에너지국과 체결된 계약 DE-FE0007859 하에서 정부 지원에 의해 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대해서 소정 권리를 갖는다.
본 명세서에 개시된 보호 대상은 슬래그 취급 시스템, 보다 구체적으로는 연속적인 슬래그 취급 시스템에 관한 것이다.
산업 공정은, 각각의 공정을 통과하도록 고체 입자를 이송하기 위해 액체(예컨대, 물) 내에 현탁되는 고체 입자의 슬러리 또는 유체 혼합물을 활용할 수 있다. 예컨대, 부분 산화 시스템이 산소 포함 환경에서 탄소 함유 화합물을 부분 산화시켜, 다양한 생성물과 부산물을 생성할 수 있다. 예컨대, 기화 장치는 탄소질 재료를 합성 가스 또는 또는 신가스(syngas)라고 칭하는 일산화탄소와 수소의 유용한 혼합물로 변환시킬 수 있다. 애쉬(ash) 함유 탄소질 재료의 경우, 결과적인 합성 가스는 중량의 애쉬나 용융 슬래그와 같은 덜 바람직한 성분도 또한 포함할 수 있으며, 이러한 성분은 생성된 유용한 합성 가스와 함께 기화 장치로부터 제거될 수 있다. 따라서, 기화 장치의 반응에서 생성되는 용융 슬래그 부산물은, 용융 슬래그를 고화시키고 슬러리를 형성하기 위해 기화 장치 켄치액(quench liquid) 내로 안내될 수 있다. 일반적으로, 이러한 슬러리는 고온 및 고압으로 기화 장치로부터 방출된다. 기화 장치로부터 방출되는 슬러리는 슬러리의 폐기 또는 추가의 처리를 가능하게 하도록 감압된다. 불행하게도, 기화 장치로부터 방출된 후의 슬러리의 온도를 줄이는 열교환 장치는 복잡한 유로를 가질 수 있고, 비교적 큰 풋프린트(foot print)를 가질 수 있으며, 슬래그 축적으로 인한 부식이나 막힘에 취약할 수 있다.
본래 청구되는 본 발명의 범위에 상응하는 소정 실시예들이 아래에 요약된다. 이들 실시예는 청구되는 발명의 범위를 제한하도록 의도되는 것이 아니라, 오히려 이들 실시예는 단지 본 발명의 가능한 형태에 관한 간략한 개요를 제공하는 것으로 의도된다. 사실상, 본 발명은 아래에서 설명되는 실시예와 유사하거나 다를 수 있는 다양한 형태를 망라할 수 있다.
제1 실시예에서, 시스템은 가스와 슬래그의 혼합물을 연속적으로 수용하도록 구성된 켄치 챔버(quench chamber)와 켄치 챔버에 커플링되는 하류 단부 부분을 포함한다. 켄치 챔버는 켄치액을 통해 혼합물 내의 슬래그로부터 가스를 연속적으로 분리하도록 구성된 켄치 섬프(sump)를 포함한다. 하류 단부 부분은 슬래그 슬러리를 감압 시스템으로 연속적으로 이송하도록 구성된다. 하류 단부 부분은 냉각 유체를 사용하여 슬래그 슬러리를 직접 냉각하도록 구성된 냉각 시스템을 포함하고, 슬래그 슬러리는 분리된 슬래그와 냉각 유체의 적어도 일부를 포함한다.
제2 실시예에서, 시스템은 탄소질 원료를 가스와 슬래그의 혼합물로 반응시키도록 구성된 기화 장치를 포함한다. 기화 장치는 켄치액을 통해 혼합물 내의 슬래그로부터 가스를 연속적으로 분리하도록 구성된 켄치 섬프를 포함하고, 켄치액은 제1 유량으로 켄치 섬프를 통해 흐르도록 되어 있다. 기화 장치는 또한 냉각 시스템과 컨트롤러를 갖는 기화 장치의 하류 단부 부분을 포함한다. 하류 단부 부분은 슬래그 슬러리를 제1 유량의 대략 15 % 이하인 제3 유량으로 감압 시스템으로 연속적으로 이송하도록 구성되고, 하류 단부 부분은 슬래그 슬러리를 냉각하기 위해 냉각 유체를 제2 유량으로 추가하도록 구성되며, 슬래그 슬러리는 슬래그와 냉각 유체를 포함한다.
제3 실시예에서, 방법은 가스로부터 슬래그를 분리하는 것, 기화 장치의 하류 단부 부분으로 냉각 유체를 분배하는 것, 슬래그 및 냉각 유체로부터 냉각된 슬래그 슬러리를 형성하는 것, 및 냉각된 슬래그 슬러리를 하류 단부 부분의 출구를 통해 거의 연속적으로 이송하는 것을 포함한다. 슬래그의 온도는 대략 175 ℃를 상회하고, 냉각 유체는 슬래그의 온도를 대략 70 ℃ 미만으로 낮추도록 이루어진다.
본 발명의 이들 및 다른 피쳐, 양태 및 장점은 첨부도면을 참고로 하여 아래의 상세한 설명을 읽어보면 보다 잘 이해될 것이며, 첨부도면 전반에 걸쳐 유사한 도면부호는 유사한 부품을 나타낸다.
도 1은 슬래그 연속 제거 시스템의 실시예의 개략도.
도 2는 직접 냉각 시스템을 갖는 기화 장치의 실시예의 개략도.
도 3은 도 2의 선 3-3을 따라 취한 직접 냉각 시스템의 실시예의 단면도.
도 4는 실시예에 따른, 슬러리를 연속적으로 취급하는 방법을 예시하는 흐름도.
아래에서, 본 발명의 하나 이상의 특정 실시예를 설명하겠다. 이들 실시예를 정확하게 설명하기 위한 노력의 일환으로, 본 명세서에서는 실제 구현예의 모든 피쳐(feature)를 설명하지 않을 수도 있다. 임의의 기술 공학 또는 설계 프로젝트에서와 같은 임의의 상기한 실제 구현예의 전개에 있어서, 다수의 구현에 관련된 고유한 결정은 구현 시마다 달라질 수 있는 시스템 관련 및 사업 관련 제약 준수와 같은 개발자의 특정 목표를 달성하도록 이루어져야만 한다는 것을 이해해야만 한다. 더욱이, 그러한 개별 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고, 본 개시의 이점을 취하는 당업자에게 있어서 설계, 제작 및 제조에 관한 일상적인 업무일 것이다.
본 발명의 다양한 실시예의 요소를 소개할 때, 단일 형태는 하나 이상의 요소라는 것을 의미하는 것으로 의도된다. "이루어지는", "포함하는" 및 "갖는"이라는 용어는 포괄적인 것이며, 열거된 요소 의외에 추가의 요소가 있을 수 있다는 것을 의미하는 것으로 의도된다.
다양한 산업 공정은 슬러리의 취급을 수반한다. 슬러리는 물과 같은 유체 내에 분산되는 미립자 고체를 포함할 수 있다. 소정 경우에, 슬러리는 제1 위치 또는 용기로부터 제2 위치로 이송된다. 슬러리는 제2 위치로의 이송 중에 감압 및/또는 냉각될 수 있다. 예컨대, 부분 산화 시스템(예컨대, 기화 장치)의 반응 챔버는 탄소질 원료(예컨대, 석탄 또는 바이오매스(biomass)와 같은 탄소질 미립자 고체의 슬러리, 미립자 고체의 공압식 이송 스트림, 액체, 가스 또는 이들의 임의의 조합물)와 산화제(예컨대, 고순도 산소)를 수용할 수 있다. 몇몇 실시에에서, 반응 챔버는 슬러리에 기여하는 물(예컨대, 물 스프레이 또는 스팀)을 수용할 수 있다. 원료, 산화제, 그리고 몇몇 경우에는 물의 부분 산화는 유용한 가스상 생성물과 애쉬 또는 용융 금속 부산물을 생성할 수 있다. 예컨대, 기화 장치는 원료, 산소 및 물을 수용하여, 합성 가스(synthetic gas 또는 syngas) 또는 용융 슬래그를 수용할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 용융 슬래그는 기화 장치를 통해 물과 같은 켄치액 내로 흘러 슬래그 슬러리를 형성할 수 있다. 기화 장치로부터 방출되는 슬래그 슬러리는 대략 1,000 내지 10,000 킬로파스칼(kPa)의 높은 게이지 압력일 수 있다. 기화 장치 내의 슬래그 슬러리는 대략 80 내지 250 ℃(예컨대, 175 내지 475 °F), 대략 100 내지 225 ℃(예컨대, 212 내지 440 °F), 또는 대략 150 내지 200 ℃(예컨대, 300 내지 400 °F) 이상의 온도일 수 있다. 슬래그 슬러리는 추가 처리되거나 폐기되기 전에 보다 낮은 압력(예컨대, 대기압)으로 감압될 수 있다. 고온의 슬래그 슬러리의 감압은 증기 플래시(vapor flash)를 유발할 수 있으며, 이때 슬래그 슬러리에 있는 액체(예컨대, 물)의 적어도 일부가 증발한다. 아래에서 설명되는 개시된 실시예는 슬러리가 감압되었을 때에 증기 플래시의 발생을 실질적으로 줄이는 온도로 슬래그 슬러리를 냉각한다. 예컨대, 개시된 실시예는 슬래그 슬러리를 대략 70 ℃(예컨대, 160 °F) 미만으로 냉각할 수 있다. 슬래그 슬러리는 열교환기 또는 기화 장치의 보다 저온의 하류 없이도 냉각될 수 있다. 슬래그 슬러리는 냉각 유체(예컨대, 물)에 의해 감압 시스템의 상류에서 냉각된다. 냉각 유체는 슬래그 슬러리의 게이지 압력보다 크거나 이 게이지 압력과 대략 동일한 게이지 압력으로 슬래그 슬러리 내로 주입될 수 있다.
개시된 실시예는 배치식 공정보다는 연속 공정으로 슬래그 슬러리를 이송한다. 이해할 수 있다시피, 연속 공정은 배치식 공종(예컨대, 로크 호퍼)보다 적은 수직 공간을 점유할 수 있고, 배치식 공정보다 낮은 비용이 들 수 있다. 몇몇 실시예에서, 연속 공정은 배치식 공정보다 적은 물을 활용할 수 있다. 더욱이, 아래에서 상세히 설명하겠지만 연속 공정에 관한 실시예는 배치식 공정에 비해 슬래그 슬러리 내의 물의 양(예컨대, 냉각 유체)의 제어를 증대시킬 수 있다. 이에 따라, 개시된 실시예는 슬래그 슬러리를 연속적으로 제거하고 압력을 줄이는 감압 시스템(예컨대, 액체 팽창 시스템)을 채용하고, 이와 동시에 보다 적은 공간을 차지한다. 몇몇 실시예에서, 감압 시스템은 팽창 터빈 등을 통해 출력을 생성한다. 이에 따라, 소정 실시예들은 슬러리 감압 시스템 또는 보다 일반적으로는 슬러리 취급 시스템이라고 칭할 수 있다.
전술한 사항을 염두에 두고, 도 1은 슬래그 연속 제거 시스템(10)의 실시예의 개략도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 슬래그 연속 제거 시스템(10)은 기화 장치(12)와 같은 부분 산화 시스템, 슬래그 슬러리(14), 감압 시스템(16)[예컨대, 액체 팽창 시스템, 하나 이상의 팽창 터빈, 하나 이상의 원심 펌프, 하나 이상의 왕복 운동 디바이스, 하나 이상의 오리피스 플레이트 또는 하나 이상의 감압 밸브(let down valve)], 및 컨트롤러(18)를 포함할 수 있다.
부분 산화 시스템 또는 기화 장치(12)는 반응 챔버(20), 켄치 챔버(22) 및 하류 단부 부분(62)을 더 포함할 수 있다. 보호 배리어(24)가 반응 챔버(20)를 에워쌀 수 있고, 물리적 배리어, 열적 배리어, 화학적 배리어 또는 이들의 임의의 조합체로서 작용할 수 있다. 보호 배리어(24)를 위해 사용 가능한 재료의 예로는 제한하는 것은 아니지만, 내화성 재료, 비금속 재료, 세라믹 및 크롬, 알루미늄, 실리콘, 마그네슘, 철, 티타늄, 지르코늄 및 칼슘의 산화물이 있다. 추가로, 보호 배리어(24)를 위해 사용되는 재료는 벽돌 형태의 주조 가능 내화재, 코팅, 금속벽 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 일반적으로, 반응 챔버(20)는 부분 산화 화학 반응이 일어나도록 제어되는 환경을 제공할 수 있다. 부분 산화 화학 반응은 연료 또는 탄화수소가 발열 반응으로 산소와 혼합될 때 발생하여, 가스상 생성물과 부산물을 생성할 수 있다. 예컨대, 탄소질 원료(26)가 산소(28)와 함께 반응 챔버(20)에 도입되어 미처리 합성 가스(30)와 용융 슬래그(32)를 생성할 수 있다. 탄소질 원료(26)는 바이오 연료나 화석 연료와 같은 재료를 포함할 수 있고, 고체, 액체, 가스, 슬러리 또는 이들의 임의의 조합물 형태일 수 있다. 반응 챔버(20)에 도입되는 산소(28)는 공기 또는 산소 농후 공기로 대체되거나 보충된다. 소정 실시예에서, 선택적 슬래그 슬러리화제(slag slurrying agent)(34)도 또한 반응 챔버(20)에 추가될 수 있다. 슬래그 슬러리화제(34)는 슬래그 슬러리(14)의 점도를 적절한 범위 내로 유지하기 위해 사용될 수 있고, 이에 따라 슬래그 연속 제거 시스템(10)을 통한 슬래그 슬러리(14)의 이송에 기여할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 선택적 조절자(36)(예컨대, 물 또는 스팀)도 또한 반응 챔버(20) 내로 유입될 수 있다. 반응 챔버(20) 내에서의 화학 반응은 활용되는 탄소질 원료(26)를 기화 장치(12)의 타입에 따라 상승된 게이지 압력[예컨대 대략 2,000 내지 10,000 KpA 또는 3,000 내지 8,500 kPa] 및 온도(예컨대, 대략 1,100 ℃ 내지 1,500 ℃)의 스팀 및 산소와 접촉시키는 것에 의해 달성될 수 있다. 이들 조건 하에서 그리고 탄소질 원료(26) 내의 애쉬의 조성에 따라, 애쉬는 용융 상태일 수 있으며, 이때의 애쉬는 용융 애쉬 또는 용융 슬래그(32)로 칭한다.
부분 산화 시스템 또는 기화 장치(12)의 켄치 챔버(22)는 미처리 합성 가스(30) 및 용융 슬래그(32)가 보호 배리어(24)의 저부 단부(38)(또는 스로트)를 통해 반응 챔버(20)를 빠져나올 때에 미처리 합성 가스(30) 및 용융 슬래그(32)를 수용할 수 있다. 미처리 합성 가스(30)와 용융 슬래그(32)는 고압 및 고온으로 켄치 챔버(22)에 진입한다. 일반적으로, 켄치 챔버(22)는 미처리 합성 가스(30)의 온도를 낮추고 미처리 합성 가스(30)로부터 용융 슬래그(32)를 분리시키는 데 사용될 수 있고, 켄치 챔버(22)는 용융 슬래그(32)를 적어도 부분적으로 고화시키기 위해 용융 슬래그(32)를 켄칭하는 데 사용될 수 있다. 소정 실시예에서는, 보호 배리어(24)의 저부 단부(38)에 배치되는 켄치 링(40)이 켄치액(42)을 켄치 챔버(22)에 제공하도록 구성된다. 캔치액(42)은 라인(46)을 거쳐 켄치 유입구(44)를 통해 켄치 링(40) 내로 안내될 수 있다. 일반적으로, 켄치액(42)은 켄치 링(40)을 통해 침적관(47)의 내면을 따라 하향으로 그리고 켄치 챔버 섬프(48)로 흐를 수 있다. 컨트롤러(18)는 켄치 유입구(44)를 통해 켄치액(42)의 유량을 제어할 수 있다. 예컨대, 컨트롤러(18)는 켄치액(42)의 유량이 대략 분당 4,000 내지 10,000 리터(LPM)[예컨대, 대략 분당 1,050 내지 2,640 갤론(GPM)], 대략 5,000 내지 9,000 LPM(예컨대, 대략 1,320 내지 2,375 GPM) 또는 대략 6,000 내지 8,000 LPM(예컨대, 대략 1,585 내지 2,110 GPM)가 되도록 제어할 수 있다.
미처리 합성 가스(30)와 용융 슬래그(32)는 또한 보호 배리어(24)의 저부 단부(38)를 통해 그리고 침적관(47)의 내면을 따라 켄치 챔버 섬프(48)로 흐를 수 있다. 미처리 합성 가스(30)가 켄치 챔버 섬프(48)에 있는 켄치액(42) 풀을 통과하고, 용융 슬래그(32)가 고화되며, 합성 가스로부터 분리될 때, 합성 가스는 냉각 되고 켄칭되며, 이어서 합성 가스는 화살표 52로 예시한 바와 같이 합성 가스 유출구(50)를 통해 켄치 챔버(22)를 빠져나간다. 합성 가스(54)는 가스 처리 시스템(56)에서의 추가 처리를 위해 합성 가스 유출구(50)를 통해 빠져나가고, 상기 가스 처리 시스템에서 산성 가스, 미립자 등을 제거하도록 추가 처리되어 처리된 합성 가스를 형성할 수 있다. 고화된 슬래그(58)는 켄치 챔버 섬프(48)의 저부에 축적될 수 있으며, 슬래그 슬러리(14)로서 기화 장치(12)로부터 연속적으로 제거될 수 있다. 소정 실시예에서, 켄치액(42)의 일부도 또한 처리를 위해 켄치 유출구(60)를 통해 켄치 챔버 섬프(48)로부터 연속적으로 제거될 수 있다. 예컨대, 폐수 처리 시스템에서 켄치액(42)으로부터 미립자, 그을음, 슬래그 및 다른 물질이 제거될 수 있고, 처리된 켄치액(42)은 켄치 유입구(44)를 통해 켄치 챔버 섬프(48)로 복귀될 수 있다. 상기한 실시예에서, 제거된 켄치액(42)은 슬래그 슬러리(14)와 유사한 속성을 가질 수 있고, 이에 따라 슬래그 슬러리(14)를 위한 감압 시스템(16)과는 별개의 또는 이 감압 시스템과 공유되는 액체 팽창 시스템을 사용하여 이송 및 감압될 수 있다.
슬래그 슬러리(14)는 켄치액(42) 내에 현탁되는 다양한 고체 성분을 가질 수 있으며, 이러한 고체 성분은 제한하는 것은 아니지만, 연료(예컨대, 석탄), 건조 골탄, 촉매, 플라스틱, 화학물, 미네랄 및/또는 다른 생성물을 포함한다. 기화 장치(12)의 하류 단부 부분(62)에 진입하는 슬래그 슬러리(14)는 고압 및 고온을 가질 수 있다. 예컨대, 슬래그 슬러리(14)의 게이지 압력은 대략 1,000 내지 10,000 kPa, 2000 내지 9000 kPa 또는 3000 내지 8000 kPa일 수 있고, 슬래그 슬러리(14)의 온도는 대략 150 내지 350 ℃(예컨대, 300 내지 660 °F), 200 내지 300 ℃(예컨대, 390 내지 570 °F), 또는 225 내지 275 ℃(예컨대, 435 내지 525 °F) 이상일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하류 단부 부분(62)은 켄치 챔버(22)보다 좁다.
냉각 시스템(64)은 하나 이상의 노즐(68)(예컨대, 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개 이상의 노즐)을 통해 냉각 유체(66)의 흐름을 하류 단부 부분(62)으로 조정한다. 몇몇 실시예에서, 냉각 시스템(64)은 냉각 유체를 대략 10 내지 70 ℃로 냉각하기 위해 열교환기, 증발 시스템 또는 냉매 시스템을 포함한다. 냉각 유체(66)는 대략 1,000 내지 10,000 kPa, 2,000 내지 9,000 kPa 또는 3,000 내지 8,000 kPa의 높은 게이지 압력일 수 있고, 냉각 유체(66)의 유량은 대략 1 내지 760 LPM(예컨대, 0.25 내지 200 GPM), 100 내지 475 LPM(예컨대, 26 내지 125 GPM) 또는 190 내지 380 LPM(예컨대, 50 내지 100 GPM)일 수 있다. 냉각 유체(66)의 유량은 대략 켄치 챔버(22) 내로의 켄치액(42)의 유량의 대략 15 % 미만(예컨대, 3 내지 10 %)일 수 있다. 예컨대, 켄치액(42) 유량은 대략 7570 LPM일 수 있고, 냉각 유체(66) 유량은 대략 300 LPM일 수 있으며, 슬래그(58)는 대략 75 LPM의 유량으로 기화 장치(12)의 하류 단부 부분(62)을 통해 흐를 수 있고, 슬래그 슬러리(14)[예컨대, 냉각 유체(66) 및 슬래그(58)]는 대략 375 LPM의 유량으로 하류 단부 부분(62)을 통해 흐를 수 있다. 슬래그 슬러리(14)의 유량은 켄치 챔버(22) 내로의 켄치액(42)의 유량의 대략 2 내지 15 %일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 냉각 유체(66)의 온도는 대략 10 내지 60 ℃(예컨대, 50 내지 140 °F), 20 내지 50 ℃(예컨대, 70 내지 125 °F) 또는 30 내지 40 ℃(예컨대, 85 내지 105 °F)일 수 있다. 냉각 유체(66)는 제한하는 것은 아니지만 잡배수(gray water), 보일러 급수, 보충 원수(raw makeup water), 응축액, 다른 물 스트림 또는 이들의 임의의 조합물을 포함할 수 있다.
냉각 시스템(64)은 냉각 유체(66)를 하류 단부 부분(62)으로 분배하여, 기화 장치(12)로 배출될 슬래그 슬러리(14)를 직접 냉각한다. 냉각 유체(66)의 하나 이상의 스트림(예컨대, 제트)은 슬래그 슬러리(14) 내의 슬래그(58)와 접촉하고, 이에 따라 슬래그 슬러리(14)의 온도를 감소시킨다. 켄치액(42)이 반응 챔버(20)로부터 켄치 챔버(22)에 진입하는 합성 가스(30)와 슬래그(32)를 냉각하는 동안에, 냉각 유체(66)는 주로 슬래그 슬러리(14) 내의 고화 슬래그(58)를 냉각한다. 냉각 시스템(64)은 기화 장치(12)의 하류 단부 부분(62)과 일체화될 수 있고/있거나 기화 장치(12)의 하류 단부 부분(62)에 직접 커플링될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 냉각 시스템(64)의 노즐(68)은 하류 단부 부분(62)으로부터 슬래그 슬러리(14)를 수용하는 하나 이상의 슬래그 파쇄기(crusher)들 (70) 사이에 및/또는 파쇄기들 상류에 배열될 수 있다.
이해할 수 있다시피, 슬래그 연속 제거 시스템(10)의 소정 구성은 슬래그 슬러리(14)를 위한 냉각기(72)(예컨대, 열교환기)를 포함할 수 있고/있거나, 기화 장치(12)와 감압 시스템(16)(예컨대, 하나 이상의 감압 디바이스) 사이에서 슬래그 슬러리(14)에 냉각수(74)를 분배할 수 있다. 현재 고려되는 슬래그 연속 제거 시스템(10)의 실시예는 기화 장치(12)의 하류에 점선 박스(78)로 도시한 냉각기(72) 또는 냉각수(74) 주입 없이 대략 70 ℃ 미만으로 슬래그 슬러리(14)를 냉각할 수 있다. 더욱이, 냉각 유체(66)는 슬래그 슬러리(14)가 기화 장치(12) 하류의 냉각기(72)를 통해 냉각될 때와 같이, 간접적으로라기 보다는 기화 장치(12)의 하류 단부 부분(62)에서 고화 슬래그(58)와 슬래그 슬러리(14)를 직접 냉각한다. 슬래그 연속 제거 시스템(10)으로부터의 냉각기(72)의 제거는 슬래그 연속 제거 시스템(10)의 높이 및/또는 풋프린트를 줄일 수 있다. 더욱이, 슬래그 연속 제거 시스템(10)으로부터의 냉각기(72)의 제거는 작동비 및/또는 설치비를 줄일 수 있다. 냉각기(72)의 관들은 슬래그 슬러리 흐름을 제한할 수 있는 슬래그 미립자가 축적되기 쉽고/쉽거나, 슬래그 슬러리는 냉각기(72) 내의 관을 마모시키거나 부식시킬 수 있다.
컨트롤러(18)는 슬래그 연속 제거 시스템(10) 전반에 걸쳐 배치되는 다양한 센서들로부터 신호를 수신할 수 있다. 예컨대, 유량 센서(80)는 켄치액(42), 냉각 유체(66) 및 슬래그 슬러리(14)의 유량을 측정할 수 있다. 하나 이상의 압력 센서(82) 및/또는 온도 센서(83)는 슬래그 슬러리(14)의 특징에 관한 정보, 슬래그 연속 제거 시스템(10) 내에서의 작동 조건, 슬래그 슬러리(14)의 온도, 다양한 지점에서의 슬래그 슬러리(14)의 압력 등을 제공할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 컨트롤러(18)는 슬래그 슬러리(14)가 기화 장치(12)를 빠져나갈 때, 제한하는 것은 아니지만 점도, 입자 크기 등과 같은 슬래그 슬러리(14)에 관한 추가의 센서 정보를 수신할 수 있다. 더욱이, 컨트롤러(18)는 아래에서 설명하는 바와 같은 수신된 센서 정보에 응답하여 슬래그 연속 제거 시스템(10)의 작동 조건을 조정할 수 있다.
소정 실시예에서, 파쇄기 드라이버(84)[예컨대, 스팀 터빈, 감압 시스템(16), 모터 또는 다른 출력원]에 커플링되는 하나 이상의 슬래그 파쇄기(70)가, 슬래그가 감압 시스템(16)을 통해 안내되기 전에 슬래그 슬러리(14)를 선택적으로 수용할 수 있다. 하나 이상의 슬래그 파쇄기(70)는, 슬래그 슬러리(14) 내의 소망하는 입자 크기 분포 또는 소망하는 평균 입자 크기를 달성하기 위해 슬래그 슬러리(14) 내의 고화된 슬래그(58)를 파쇄할 수 있다. 하나 이상의 슬래그 파쇄기(70)는 하나 이상의 단으로 배열되며, 하나 이상의 슬래크 파쇄기(70)는 서로 직렬로 또는 병렬로 배열될 수 있다. 하나 이상의 슬래그 파쇄기(70)는 제한하는 것은 아니지만 회전식 스크루 파쇄기 또는 치형 로터 슬래그 파쇄기를 포함할 수 있다. 적절한 입자 크기 분포를 확립하는 것은, 슬래그 슬러리(14)가 흐르도록 하기에, 냉각 시스템(64)의 유효성을 증가시키는 데, 감압 시스템(16)을 통한 소망하는 흐름에 대해 또는 이들의 임의의 조합에 대해 유용할 수 있다. 더욱이, 하나 이상의 슬래그 파쇄기(70)는 켄치액(42) 내에 현탁되는 고체의 평균 입자 크기와 슬래그 슬러리(14)의 냉각 유체(66)를 적절한 범위로 줄일 수 있다. 소정 실시예에서, 하나 이상의 슬래그 파쇄기(70)는, 평균 입자 크기가 대략 0.5 내지 26 mm(예컨대, 0.02 내지 1.0 인치), 2 내지 8 mm(예컨대, 0.08 내지 0.31 인치) 또는 4 내지 6 mm(0.16 내지 0.24 인치)가 되도록 입자 크기를 줄일 수 있다. 일실시예에서, 평균 입자 크기는 2, 3, 4, 5 또는 6 mm 미만일 수 있다. 소정 실시예에서는, 단일 슬래그 파쇄기(70)가 이러한 평균 입자 크기를 달성하는 데 충분할 수 있고, 다른 실시예에서는 2개 이상의 슬래그 파쇄기(70)가 (예컨대, 직렬 및/또는 병렬로) 함께 이러한 평균 입자 크기를 확립하도록 기능할 수 있다. 예컨대, 제1 슬래그 파쇄기는 슬래그 슬러리(14)의 조악한 파쇄를 제공할 수 있는 한편, 제2 슬래그 파쇄기는 슬래그 슬러리(14)의 미세한 파쇄를 제공할 수 있다. 일실시예에서, 컨트롤러(18)는 슬래크 파쇄기 모터(84)를 제어하는 것에 의해 슬래그 파쇄기(70)를 제어할 수 있다. 컨트롤러(18)는 다른 센서로부터 수신된 정보에 기초하여 슬래그 파쇄기 모터(84)를 조정할 수 있다. 소정 실시예에서, 흐름 제어 밸브(86)가 슬래그 파쇄기(70) 하류에 배치되어, 액체 팽창 시스템(16)으로 흐르는 슬래그 슬러리(14)의 유량을 조정할 수 있다. 일실시예에서, 컨트롤러(18)는 유량 센서(80)로부터 슬래그 슬러리(14)의 유량에 관한 정보를 수신할 수 있다. 유량 센서(80)에 의해 수신된 정보에 응답하여, 컨트롤러(18)는 흐름 제어 밸브(86)를 조정하는 것에 의해 슬래그 슬러리(14)의 유량을 제어할 수 있다. 다른 실시예에서, 컨트롤러(18)는 다른 센서(82, 83)로부터의 신호에 기초하여 슬래그 슬러리(14)의 유량을 조정할 수 있다.
슬래그 슬러리(14)는 슬래그 슬러리(14)의 압력을 감소시키기 위해 감압 시스템(16)으로 공급될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 감압 시스템(16)은 터보기계 또는 제한하는 것은 아니지만 팽창 터빈, 포시메트릭 펌프(posimetric pump), 회전식 스크루 펌프, 개조된 원심 펌프, 왕복 운동 디바이스, 제한 오리피스, 감압 밸브 또는 이들의 읨의의 조합과 같은 팽창 기계류이다. 압력 센서("P2", 82)는 감압 시스템(16)을 빠져나가는 슬래그 슬러리(14)의 압력에 대한 정보를 제공할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 감압 시스템(16)(예컨대, 터빈)은 슬래그 슬러리(14)를 압력 센서("P1", 82)에서의 압력으로부터 감압시키면서 출력을 생성할 수 있다(예컨대, 발전기를 구동함). 예컨대, 제1 압력 센서("P1", 82)에 의해 측정된 슬래그 슬러리(14)의 제1 게이지 압력은 대략 1,000 내지 10,000 kPa, 2,000 내지 9,000 kPa이나 3,000 내지 8,000 kPa, 또는 대략 기화 장치(12)의 높은 작동 압력일 수 있다. 이와 대조적으로, 제2 압력 센서("P2", 82)로 나타내는 슬래그 슬러리(14)의 제2 게이지 압력은 대기압(0 kPa) 내지 100 kPa, 20 내지 80 kPa 또는 40 내지 60 kPa일 수 있다. 소정 실시예에서, 제2 압력은 대기압과 대략 동일하다. 슬래그 슬러리(14)는 감압 시스템(16)을 빠져나온 후에 폐기되기 전에 슬래그 슬러리(14)의 탈수 등을 위해 슬래그 처리 시스템(88)으로 더욱 하류로 이동될 수 있다.
도 2는 기화 장치(12)의 하류 단부 부분(62)의 실시예와 냉각 시스템(64)의 실시예를 예시한다. 켄칭되고 고화된 슬래그(58)는 켄치 챔버(22)로부터 하류 단부 부분(62)으로 이동될 수 있다. 하류 단부 부분(62) 내에서는, 고화된 슬래그(58)가 켄치액(42) 및 냉각 유체(66)와 함께 슬래그 슬러리(14)를 형성한다. 냉각 시스템(64)은 냉각 유체(66)(예컨대, 물)를 하류 단부 부분(62)으로 분배하는 하나 이상의 노즐 세트(100)(예컨대, 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개 또는 그 이상)를 가질 수 있고, 각각의 노즐 세트(100)는 하나 이상의 노즐(68)(예컨대, 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개 또는 그 이상)을 가질 수 있다. 예컨대, 제1 노즐 세트(102)는 2개의 노즐(68)을 가질 수 있고, 제2 노즐 세트(104)와 제3 노즐 세트(106)는 각각 4개의 노즐(68)을 가질 수 있다.
도 3은 도 2의 선 3-3을 따라 취한 제1 노즐 세트(102)의 실시예의 단면도를 예시한다. 각각의 노즐 세트(100)의 노즐(68)은 기화 장치(12)의 하류 단부 부분(62)의 벽(108)을 통해 연장될 수 있다. 각각의 노즐(68)은 제1 접선 방향(112)이나 제2 접선 방향(114) 또는 이들의 임의의 조합으로 하류 단부 부분(62)의 중심(110)을 향해 배향될 수 있다. 예컨대, 제1 노즐(116)은 중심(110)을 향해 배향될 수 있고, 제2 노즐(118)은 제1 접선 방향(112)으로 배향될 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 반시계 방향 소용돌이를 유도하기 위해, 노즐 세트(100)의 하나 이상의 노즐(68)이 벽(108)을 통과하여 중심(110)으로 연장되어 중심(110)으로부터 반경 방향(120)으로 벽(108)을 향해 배향될 수 있고, 반시계 방향 소용돌이를 유도하기 위해 제3 노즐(116)이 제2 접선 방향으로 배향될 수 있다. 하나 이상의 노즐(68) 각각은 슬래그 슬러리(14) 흐름에 침투하는 제트 또는 스트림에 냉각 유체(66)를 분배할 수 있고, 이에 따라 냉각 유체(66)가 슬래그 슬러리(14)에 있는 슬래그(58)와 직접 인터페이싱하고 접촉하는 것이 가능하다. 몇몇 실시예에서는, 하나 이상의 노즐(68)이 스트림(예컨대, 제트), 시트(예컨대, 수직 시트, 수평 시트, 경사 시트)나 원추 또는 이들의 임의의 조합으로서 슬래그 슬러리(14) 내로 분배될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시한 하나 이상의 노즐 세트(100)는 하나 이상의 노즐(68)의 다양한 배열을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 각각의 노즐 세트(100)에 있는 노즐(68)의 배열은 중심(110) 둘레에서 회전 대칭일 수 있고, 이에 따라 냉각 시스템(64)이 슬래그 슬러리(14)를 거의 균일한 온도(예컨대, 50 내지 95 ℃ 미만, 대략 60 내지 80 ℃ 미만 또는 대략70 ℃ 미만)로 냉각하는 것이 가능하다. 예컨대, 제2 노즐(118)은 도 3에 도시한 바와 같이 제1 노즐(116)로부터 대략 180°이격될 수 있다. 이해할 수 있다시피, 여기에서 노즐(68)의 배열을 설명하는 데 사용되는 "대략"이라는 용어는 10°이하 이내일 수 있다. 하나 이상의 노즐 세트(100)의 다른 배열은 제한하는 것은 아니지만, 도 3에 예시한 바와 같이 노즐들이 서로 대략 90°[예컨대, 제1 노즐(116), 제3 노즐(120), 제2 노즐(118), 제4 노즐(122)]만큼 또는 대략 60° [예컨대, 제4 노즐(122), 제5 노즐(124) 및 제6 노즐(126)]만큼 이격된 배열을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 슬래그 슬러리(14)의 다른 부분들을 냉각하도록 노즐(68)이 냉각 유체(66)을 분배하는 것을 가능하게 하기 위해 노즐(68)이 중심(110) 주위에서 둘레 방향으로 오프셋되도록 다수의 노즐 세트(100)가 벽(108) 상에 배열될 수 있다. 예컨대, 제1 노즐 세트(102)는 제1 지점(128)에서 시작하여 서로 대략 90°이격된 4개의 노즐(68)을 가질 수 있고, 제2 노즐 세트(104)는 제2 지점(130)에서 시작하여 서로 대략 90°이격된 4개의 노즐(68)을 가질 수 있다.
이제 도 2를 참고하면, 각각의 노즐 세트(100)는 냉각 유체(66)(예컨대, 물)를 하류 단부 부분(62)으로 분배한다(예컨대, 주입한다). 냉각 유체(66)는 슬래그 슬러리(14)의 게이지 압력보다 크거나 이 압력과 대략 동일한(예컨대, 10 % 이하 이내) 비교적 높은 게이지 압력(예컨대, 대략 1,000 내지 10,000 kPa)으로 분배될 수 있고, 이에 따라 냉각 유체(66)가 슬래그 슬러리(14) 내로 반경방향으로 흐르는 것이 가능하다. 몇몇 실시예에서, 냉각 유체(66)의 거의 모두(예컨대, 75 % 초과)가 슬래그 슬러리(14)를 냉각하고, 합성가스 유출구(50)나 켄치액 유출구(60)보다는 하류 단부 부분(62)의 출구(132)를 통해 흐를 수 있다. 따라서, 냉각 유체(66)는 주로 켄치 챔버(22) 하류의 슬래그 슬러리(14)를 냉각한다.
몇몇 실시예에서, 하류 단부 부분(62)은 소망하는 평균 입자 크기를 확립하기 우해 하나 이상의 슬래그 파쇄기(70)를 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 제1 슬래그 파쇄기(134)는 슬래그 슬러시(14)의 조악한 파쇄를 제공할 수 있는 반면, 제2 슬래그 파쇄기(136)는 슬래그 슬러리(14)의 보다 미세한 파쇄를 제공할 수 있다. 각각의 슬래그 파쇄기(70)는 슬래그 슬러리(14) 내의 고화된 슬래그(58)를 분쇄하는 하나 이상의 요소(138)를 포함할 수 있지만, 다른 타입의 슬래그 파쇄기가 단독으로 또는 요소(138)를 갖는 슬래그 파쇄기(70)와 함께 사용될 수 있다. 추가로 또는 하류 단부 부분(62)의 하나 이상의 파쇄기(70)에 대한 대안으로, 몇몇 실시예는 출구(132) 하류에 하나 이상의 슬래그 파쇄기(70)를 포함할 수 있다.
하나 이상의 노즐 세트(100)는 하류 단부 부분(62)의 하나 이상의 슬래그 파쇄기(70) 사이에 배열될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 노즐 세트(100)[예컨대, 제2 노즐 세트(104)]는 제1 파쇄기(134)와 제2 슬래그 파쇄기(134, 136) 사이에 배치된다. 추가로 또는 대안으로서, 노즐 세트(100)[예컨대, 제1 노즐 세트(102)]는 슬래그 파쇄기(70) 상류에 배치될 수 있고/있거나 노즐 세트(100)[예컨대, 제3 노즐 세트(106)]는 슬래그 파쇄기(70) 하류에 배치될 수 있다. 냉각 시스템(64)은 하나 이상의 노즐 세트(100)로의 냉각 유체의 분배를 제어하기 위해 하나 이상의 흐름 제어 밸브 및/또는 매니폴드를 포함할 수 있다. 냉각 시스템(64)은 각각의 노즐 세트(100)에 대한 냉각 유체(66)의 흐름을 별도로 제어할 수 있다. 예컨대, 냉각 시스템(64)은 더 많은 냉각 유체(66)를 제2 또는 제3 노즐 세트(104, 106)으로 지향시키고, 제1 노즐 세트(102)에는 더 적은 냉각 유체(66)를 지향시킬 수 있다. 몇몇 실시예에서, 냉각 시스템(64)은 개별 노즐 세트(100)의 각각의 노즐(68)로의 냉각 유체(66)의 흐름을 별도로 제어할 수 있다. 예컨대, 냉각 시스템(64)은 슬래그 연속 제거 시스템(10)의 고온 구성요소에 근접한 노즐(68)로는 더 많은 냉각 유체(66)를 지향히킬 수 있고, 저온 외부 주위 환경에 근접한 노즐(68)로는 보다 적은 유체(66)를 지향시킬 수 있다.
몇몇 실시예에서, 감압 시스템(16)은 제한하는 것은 아니지만 하나 이상의 오리피스 플레이트(140), 하나 이상의 감압 밸브(142), 하나 이상의 팽창 터빈(144) 또는 하나 이상의 역동작 원심 펌프 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 하나 이상의 감압 디바이스를 포함할 수 있다. 하나 이상의 감압 디바이스는 적어도 부분적으로 슬래그 슬러리(14)의 유량 및/또는 슬래그 슬러리(14) 내의 고화 슬래그(58)의 입자 크기에 기초하여 슬래그 슬러리(14)를 감압할 수 있다. 예컨대, 하나 이상의 오리피스 플레이트(140) 및/또는 하나 이상의 감압 밸브(142)는, 슬래그 슬러리(14)가 감소된 제2 유량(예컨대, 대략 300 LPM)으로 흐를 때보다 슬래그 슬러리(14)가 제1 유량(예컨대, 대략 380 LPM)으로 흐를 때 슬래그 슬러리(14)를 더 많이 감압할 수 있다. 따라서, 컨트롤러(18)는 슬래그 슬러리(14)의 감압을 제어하도록 슬래그 슬러리(14)의 유량을 제어할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 컨트롤러(18)는 냉각 시스템(64)으로부터 나오는 냉각 유체(66)의 유량을 제어하는 것을 통해 슬래그 슬러리(14)의 유량을 제어할 수 있다. 예컨대, 냉각 유체(66) 유량을 증가시키는 것은 슬래그 슬러리(14)의 유량을 증가시킬 수 있고, 감압 시스템(16)에 걸친 압력 강하를 증가시킬 수 있다. 역으로, 냉각 유체(66)의 유량을 감소시키는 것은 슬래그 슬러리(14)의 유량을 감소시킬 수 있고, 감압 시스템(16)에 걸친 압력 강하를 감소시킬 수 있다. 냉각 유체(66)의 유량을 제어하는 것은 켄치액(42)의 유량의 제어에 비해, 컨트롤러(18)가 감압 시스템(16)의 임의의 최소 유량 상세를 충족시키기 위해 슬래그 슬러리(14)의 유량의 정밀 제어를 실시하는 것을 가능하게 할 수 있다. 예컨대, 냉각 유체(66)의 유량을 약 10 %(예컨대, 380 LPM에서 340 LMP으로) 조정하는 것은 켄치액(42)의 유량을 약 10 %(예컨대, 570 LPM 에서 6800 LPM으로) 조정하는 것보다 슬래그 슬러리(14)의 유량에 영향을 덜 줄 수 있다. 추가로 또는 대안으로서, 컨트롤러(18)는 흐름 제어 밸브(86)를 제어하는 것을 통해 직접 슬래그 슬러리(14)의 유량을 제어할 수 있다.
냉각 시스템(64)으로부터의 냉각 유체(66)의 유량을 제어하는 것을 통해 슬래그 슬러리(14)의 유량을 조정하는 것은, 하류 단부 부분(62)과 감압 시스템(16) 사이에 유체를 추가하는 일 없이 냉각 시스템(64)이 감압 시스템(16)의 유량 상세를 수용하는 것을 가능하게 할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 컨트롤러(18)는 적어도 부분적으로 감압 시스템(16) 하류의 압력 센서(82)로부터의 피드백에 기초하여 슬래그 슬러리(14)의 유량 및/또는 냉각 유체(66)의 유량을 제어할 수 있다. 컨트롤러(18)는 또한 적어도 부분적으로 슬래그 슬러리(14)의 온도에 기초하여 슬래그 슬러리(14)의 유량 및/또는 냉각 유체(66)의 유량을 제어할 수 있다. 예컨대, 컨트롤러(18)는 슬래그 슬러리를 대략 50 내지 95 ℃ 미만으로, 대략 60 내지 80 ℃ 미만으로 또는 대략 70 ℃ 미만으로 냉각하기 위해 슬래그 슬러리(14)의 유량 및/또는 냉각 유체(66)의 유량을 제어할 수 있다. 이해할 수 있다시피, 컨트롤러(18)의 프로세서(146)는 냉각 유체(66)의 유량 및/또는 슬래그 슬러리(14)의 유량을 제어하기 위해 컨트롤러(18)의 메모리(148)에 저장된 명령(예컨대, 코드)을 실행할 수 있다. 따라서, 하류 단부 부분(62)에 커플링된 냉각 시스템(64)은 기화 장치(12)에서부터 감압 시스템(16)에 이르는 슬래그 슬러리(14)의 유로의 복잡성을 줄일 수 있다. 이에 따라, 냉각 유체(66)는 슬래그 슬러리(14)를 냉각하고, 증기 플래시 없이 슬래그 슬러리(14)를 충분히 감압하기 위해 슬래그 슬러리(14)의 유량을 제어하는 데 활용될 수 있다.
도 4는 슬래그 슬러리(14)를 연속적으로 취급하는 방법(180)을 예시하는 흐름도이다. 몇몇 실시예에서, 상기 방법(180)은 탄소질 연료가 기화 장치(120)에서 반응을 일으킬 때(블럭 182) 시작된다. 전술한 바와 같이, 탄소질 연료는 산화제 및 선택적인 추가의 물과 반응할 수 있다. 기화 장치(12) 내에서의 반응 시에, 연속적인 슬래그 반응 시스템(10)은 기화 장치(12)에 있는 켄치 챔버(22)에 켄치액을 제1 유량으로 추가하고(블럭 184), 가스 생성물 및 슬래그 부산물과 같은 반응된 생성물을 켄칭한다(블럭 186). 기화 장치(12)는 그 후에 슬래그로부터 가스를 분리하고(블럭 188), 가스를 가스 처리 시스템으로 이송한다(블럭 190). 전술한 바와 같이, 슬래그 연속 제거 시스템(100)은 기화 장치(12)의 하류 단부 부분(62)에 냉각 유체를 제2 유량으로 추가하고(블럭 192), 이에 따라 슬래그를 냉각하여(블럭 194) 슬래그 슬러리를 형성한다(블럭 196). 슬래그 슬러리는 대략 50 내지 95 ℃미만으로, 대략 60 내지 80 ℃ 미만으로, 또는 대략 70 ℃ 미만으로 냉각될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 슬래그 파쇄기(70)가 슬래그를 파쇄하여 슬래그 슬러리를 형성할 수 있고, 슬래그 슬러리는 슬래그, 냉각 유체의 제1 부분 및 추가된 켄치액의 제2 부분을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 냉각 유체의 제2 유량은 켄치액의 제1 유량의 대략 2 내지 15 %, 대략 3 내지 10 %, 또는 대략 3 내지 7 %일 수 있다. 슬래그 연속 제거 시스템(10)은 슬래그 슬러리를 제3 유량으로 슬래그 슬러리를 감압하는(블럭 200) 감압 시스템(16)으로 이송한다. 제3 유량은 적어도 부분적으로 제2 유량에 기초한다. 슬래그 연속 제거 시스템(10)은 슬래그 슬러리를 대략 대기압과 같은 소망하는 압력으로 감압(블럭 200)하기 위해 제3 유량을 제어할 수 있다.
본 발명의 기술적인 효과는 냉각기 또는 기화 장치의 하류 단부 부분과 감압 시스템 사이에 냉각기 및/또는 물이 추가되는 일 없이 슬래그 연속 제거 시스템을 가능하게 하는 것을 포함한다. 냉각 시스템은 기화 장치의 하류 단부 부분에서 슬래그 슬러리를 대략 50 내지 90 ℃(예컨대, 120 내지 200 °F) 미만으로, 대략 60 내지 80 ℃(예컨대, 140 내지 175 °F) 미만으로, 또는 대략 70 ℃(예컨대, 160 °F) 미만으로 냉각하기 위해 높은 게이지 압력의 냉각 유체를 분배하고, 이에 의해 감압 시스템 내에서의 증기 플래시 가능성을 줄인다. 슬래그 슬러리를 냉각하는 것뿐만 아니라, 감압 시스템으로의 슬래그 슬러리의 유량을 제어하기 위해 냉각 유체가 사용될 수 있다. 감압 시스템에 걸친 압력 강하는 적어도 부분적으로 감압 시스템을 통과하는 슬래그 슬러리의 유량에 기초할 수 있다. 따라서, 냉각 유체 유량의 제어를 통해 슬래그 슬러리의 유량을 제어하는 것은 감압 시스템에 걸친 압력 강하를 제어할 수 있다.
이러한 설명은 최상의 모드를 포함하는 본 발명을 개시하기 위해 그리고 또한 임의의 디바이스 또는 시스템을 형성하고 사용하는 것과 임의의 통합된 방법을 실시하는 것을 포함하여 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 예를 사용한다. 본 발명의 특허 받을 수 있는 범위는 청구범위에 의해 규정되며, 당업자에게 확인되는 다른 예를 포함할 수 있다. 상기한 다른 예는 청구범위의 기재와 다르지 않은 구조 요소를 포함하는 경우 또는 청구범위의 기재와 실질적인 차이가 없는 등가의 구조 요소를 포함하는 경우에 청구범위의 범주 내에 속하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 가스와 슬래그의 혼합물을 연속적으로 수용하도록 구성된 켄치 챔버(quench chamber); 및
    켄치 챔버에 커플링되는 하류 단부 부분
    을 포함하고, 상기 켄치 챔버는 켄치액을 통해 혼합물 내의 슬래그로부터 가스를 연속적으로 분리하도록 구성된 켄치 섬프(quench sump)를 포함하고,
    상기 하류 단부 부분은 슬래그 슬러리를 감압 시스템으로 연속적으로 이송하도록 구성되며, 상기 하류 단부 부분은 냉각 유체를 이용하여 슬래그 슬러리를 직접 냉각하도록 구성되는 냉각 시스템을 포함하며, 상기 슬래그 슬러리는 분리된 슬래그와 냉각 유체의 적어도 일부를 포함하는 것인 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 슬래그 슬러리를 수용하도록 구성된 하나 이상의 슬래그 파쇄기(crusher)를 포함하는 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 하나 이상의 슬래그 파쇄기 중 제1 슬래그 파쇄기와 하나 이상의 슬래그 파쇄기 중 제2 슬래그 파쇄기 사이에 적어도 부분적으로 배치되는 것인 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 하나 이상의 슬래그 파쇄기 상류에 적어도 부분적으로 배치되는 것인 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 하류 부분 단부에 커플링되는 슬래그 파쇄기를 포함하는 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 켄치 챔버에 커플링되는 리액터를 포함하며, 상기 리액터는 가스와 슬래그를 생성하기 위해 탄소질 원료를 반응시키도록 구성되는 것인 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 냉각 유체를 슬래그 슬러리에 직접 분배하도록 구성된 하나 이상의 노즐을 포함하는 것인 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 냉각 유체를 분배하도록 구성된 복수 개의 노즐 세트를 포함하고, 각각의 노즐 세트는 하나 이상의 노즐을 포함하며, 하나 이상의 노즐 각각은 각각의 노즐 세트의 하나 이상의 노즐 중 다른 노즐과 상이한 각도로, 각각의 노즐 세트의 하나 이상의 노즐 중 다른 노즐과 상이한 축방향 위치로, 각각의 노즐 세트의 하나 이상의 노즐 중 다른 노즐과 상이한 둘레 방향 위치로 또는 이들의 임의의 조합으로 냉각 유체를 분배하도록 구성되는 것인 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 슬래그를 대략 70 ℃ 미만으로 냉각하도록 구성되는 것인 시스템.
  10. 탄소질 원료를 가스와 슬래그의 혼합물로 반응시키도록 구성된 기화 장치로서, 이 기화 장치는
    켄치 섬프를 제1 유량으로 통과하여 흐르도록 된 켄치액을 통해 혼합물 내의 슬래그로부터 가스를 연속적으로 분리하도록 구성된 켄치 섬프; 및
    냉각 시스템을 포함하는 기화 장치의 하류 단부 부분으로서, 슬래그 슬러리를 제1 유량의 대략 15 % 이하인 제3 유량으로 감압 시스템으로 연속적으로 이송하도록 구성되고, 슬래그 슬러리를 냉각하기 위해 냉각 유체를 제2 유량으로 추가하도록 구성되며, 상기 슬래그 슬러리는 슬래그와 냉각 유체를 포함하는 것인 하류 단부 부분
    을 포함하는 것인 기화 장치; 및
    제2 유량을 제어하도록 구성된 컨트롤러
    를 포함하는 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 슬래그 슬러리를 연속적으로 수용하독 구성된 하나 이상의 슬래그 파쇄기를 포함하는 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 하류 단부 부분에 커플링되는 감압 시스템을 포함하고, 상기 감압 시스템은 하나 이상의 오리피스 플레이트, 하나 이상의 감압 밸브(let down valve), 하나 이상의 팽창 터빈, 하나 이상의 원심 펌프 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 컨트롤러는 감압 시스템의 소망하는 유량에 적어도 부분적으로 기초하여 제2 유량을 제어하도록 구성되는 것인 시스템.
  14. 제10항에 있어서, 상기 냉각 시스템은, 감압 시스템에서의 감압 시에 슬래그 슬러리의 기화를 줄이기 위해 슬래그 슬러리를 직접 냉각하도록 구성되는 것인 시스템.
  15. 제10항에 있어서, 상기 컨트롤러에 피드백을 제공하도록 구성된 복수 개의 센서를 포함하고, 상기 피드백은 온도 데이터, 압력 데이터, 흐름 데이터나 점도 데이터 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인 시스템.
  16. 제10항에 있어서, 상기 슬래그는 켄치액의 대략 5 % 미만을 포함하는 것인 시스템.
  17. 가스로부터 온도가 대략 175 ℃를 상회하는 슬래그를 분리하는 것;
    슬래그의 온도를 대략 70 ℃ 미만으로 감소시키도록 된 냉각 유체를 기화 장치의 하류 단부 부분으로 분배하는 것;
    슬래그와 냉각 유체로부터 냉각된 슬래그 슬러리를 형성하는 것; 및
    냉각된 슬래그 슬러리를 하류 단부 부분의 출구를 통해 거의 연속적으로 이송하는 것
    을 포함하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 냉각된 슬래그 슬러리를 형성하는 것은 슬래그를 하나 이상의 슬래그 파쇄기를 이용하여 복수 개의 입자로 파쇄하는 것을 포함하는 것인 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 냉각 유체는 상류, 하류 또는 하나 이상의 슬래그 파쇄기들 사이에서 분배되는 것인 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 가스로부터 슬래그를 분리하는 것은 켄치액을 제1 유량으로 공급하는 것을 포함하고, 상기 냉각 유체는 제2 유량으로 분배되며, 제2 유량은 제1 유량의 대략 15 % 미만인 것인 방법.
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