KR20160055240A

KR20160055240A - 응집체 형성을 감소시키기 위한 열 분해 프로세스

Info

Publication number: KR20160055240A
Application number: KR1020167009539A
Authority: KR
Inventors: 킴 카를로 에스 옥페미아; 피터 심슨 벨
Original assignee: 이네오스 바이오 에스에이
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2014-09-16
Publication date: 2016-05-17
Also published as: AU2014321482B2; EP3046996B1; RU2670890C2; KR102339203B1; US20150076411A1; BR112016004743B1; RU2016110463A; AU2019201333A1; BR112016004743A2; MY193325A; EP3495453A1; EP3495453B1; AU2019201333B2; ES2720508T3; JP6623160B2; RU2016110463A3; JP2020073652A; EP3046996A1; KR20210013658A; CA2922763A1

Abstract

프로세스는 탄소질 재료 공급원료의 열 분해 중 응집체 형성을 감소시키기 위해 제공된다. 비촉매 열 분해 프로세스는 일반적으로 고체 공급원료를 열 분해 유닛에 제공하는 단계, 및 이동 기기로 상기 공급원료를 상기 열 분해 유닛 내 적어도 하나의 가스화 구역을 통하여 이동시키는 단계를 포함한다. 프로세스는 산소 및 선택적으로 부가적 가스를 상기 가스화 구역에 제공하는 단계를 포함한다. 일 양태에서, 프로세스는 공급원료를 가스화 구역을 통하여 이동시키는 단계, 및 재료 베드 내 임의의 지점에서 약 2300 ℉ 를 초과하지 않는 재료 베드 온도를 유지하고 약 500 ℉ ~ 약 2000 ℉ 의 재료 베드 온도를 유지하기에 효과적인 속도로 산소를 가스화 구역으로 제공하는 단계를 포함한다.

Description

응집체 형성을 감소시키기 위한 열 분해 프로세스{THERMAL DECOMPOSITION PROCESS FOR REDUCING AGGLOMERATE FORMATION}

본 출원은 2013 년 9 월 17 일에 출원된 U.S. 가출원 제 61/878,940 호의 이익을 주장하고, 상기 가출원은 전부 본원에 참조로 통합된다.

프로세스는 탄소질 재료 공급원료의 열 분해 중 응집체 형성을 감소시키기 위해 제공한다. 보다 구체적으로, 프로세스는, 산소 분산을 개선함으로써, 산소 양 및 공급 원료 재료의 체재 시간을 제어함으로써 응집체 형성을 감소시키기에 효과적이다.

종종 가스화로 지칭되는 열 분해 프로세스들은, 도시 고형 폐기물 (MSW) 또는 석탄과 같은 탄소질 공급원료를 가연성 가스로 변환하기에 효과적인 프로세스들을 포함한다. 가스는 전기, 스팀을 발생시키는데 사용될 수 있거나 화학물질들 및 액체 연료들을 생성하는 기본 원료로서 사용될 수 있다.

열 분해 프로세스는, 제어된 그리고/또는 제한된 양의 산소 및 선택적으로 스팀과 함께 탄소질 공급원료를 가열된 챔버 (가스화기) 로 공급하는 것을 포함한다. C0₂, H₂0, SO_x, 및 NO_x 를 생성하도록 과잉 산소로 작용하는 소각 또는 연소와 달리, 열 분해 프로세스들은 CO 및 H₂ 를 포함하는 원료 (raw) 가스 조성물을 생성한다. 보다 구체적으로, 열 분해 프로세스는, WO 2009/154788 에 기술한 대로 일산화탄소 생성을 촉진하도록 아화학량론적 (sub-stoichiometric) 양의 산소가 가스화 프로세스로 공급되는 탄소질 재료의 부분 산화 또는 고갈 공기 산화를 포함한다. 가스화 프로세스의 성공은 생성된 신가스 (syngas) 의 품질에 크게 의존한다. 일산화탄소 (CO) 및 수소 (H₂) 의 증가된 함량은 생성된 신가스에서 바람직하다.

열 분해 프로세스를 달성하는 수단은 다양한 방식으로 달라지지만, 여러 가지 중요한 공학 인자들, 즉 가스화기 내 대기 (산소 또는 공기 또는 스팀 함량의 레벨); 가스화기의 설계; 내부 및 외부 가열 수단; 및 프로세스를 위한 작동 온도에 의존한다. 생성물 가스의 품질에 영향을 미치는 인자들은, 공급원료 조성, 제조 및 입도; 가스화기 가열 속도 (heating rate); 체재 시간; 건조 또는 슬러리 공급 시스템 채용 여부, 공급원료-반응물 유동 기하학적 구조, 건조 회분 또는 슬래그 미네랄 제거 시스템의 설계를 포함한 플랜트 구성; 직접적 또는 간접적 열 발생 및 전달 방법 사용 여부; 및 신가스 정화 시스템을 포함한다. 가스화는 보통 진공 하에 대기압 또는 약 100 atm 까지의 압력에서 약 650 ℃ ~ 1200 ℃ 범위의 온도에서 수행된다.

공급원료가 열 분해 프로세스에서 가열됨에 따라, 공급원료 내 탄소질 재료들은 CO, C0₂ 및 H₂ 로 변환된다. 임의의 미변환 탄소질 재료 또는 미변환 탄소와 함께 공급원료 내 미네랄 물질은 회분을 형성한다. 고온 (> 1,200 ℃) 에서 작동하는 가스화기들에서 또는 고온 구역을 갖는 시스템들에서, 무기 미네랄 물질은 슬래그로 불리는 용융된 유리와 같은 물질을 형성하도록 융해되거나 유리화된다.

회분 (예컨대 탄소 함량) 의 양과 조성은 회분의 처리 뿐만 아니라 분해 프로세스의 원활한 실행에 영향을 미칠 수 있다. 가스화기에서 회분의 용융 및 응집은, 가스화기의 부분적 또는 완전한 막힘을 유발할 수 있는 슬래깅 및 클링커 (clinker) 형성을 유발할 수도 있다.

프로세스는, 탄소질 재료 공급원료의 열 분해 중 응집체 형성을 감소시킴으로써 향상된 가스화기 성능을 제공한다. 가스화기에서 감소된 응집체 형성은 더 긴 가스화기 실행 시간 및 더 용이한 가스화기 청소를 제공한다. 프로세스는 후속 신가스 발효에 유용한 신가스 품질을 유지하면서 응집체 형성을 감소시킨다.

비촉매 열 분해 프로세스는 일반적으로 고체 공급원료를 열 분해 유닛에 제공하는 단계, 및 이동 기기로 상기 공급원료를 상기 열 분해 유닛 내 적어도 하나의 가스화 구역을 통하여 이동시키는 단계를 포함한다. 프로세스는 산소 및 선택적으로 부가적 가스를 상기 가스화 구역에 제공하는 단계를 포함한다. 일 양태에서, 프로세스는 공급원료를 가스화 구역을 통하여 이동시키는 단계, 재료 베드 내 임의의 지점에서 약 2300 ℉ 를 초과하지 않는 재료 베드 온도를 유지하고 약 500 ℉ ~ 약 2000 ℉ 의 재료 베드 온도를 유지하기에 효과적인 속도들 (rates) 로 산소를 가스화 구역으로 제공하는 단계를 포함한다.

다른 양태에서, 비촉매 열 분해 프로세스는 일반적으로 고체 공급원료를 열 분해 유닛에 제공하는 단계, 및 적어도 하나의 전달 램으로 상기 공급원료를 상기 열 분해 유닛 내 적어도 하나의 가스화 구역을 통하여 이동시키는 단계를 포함한다. 프로세스는 약 0.25 시간 ~ 약 3 시간의 가스화 구역에서 공급원료의 체류 시간을 제공하기에 효과적인 속도로 전달 램을 이동시키는 단계를 포함한다. 일 양태에서, 프로세스는 약 0.5 ~ 약 1.5 lb-mol/hr-ft²의 속도로 산소 및 선택적으로, 부가적 가스를 전달 램의 면에 제공하는 단계를 포함한다. 프로세스가 부가적 가스의 사용을 포함할 때, 전달 램의 면에 제공되는 산소 및 부가적 가스는 약 3:1 ~ 약 1:2 의 중량비로 존재한다.

다른 양태에서, 열 분해 프로세스는 공급원료를 적어도 하나의 가스화 구역으로부터 적어도 하나의 연소 구역으로 이동시키는 단계, 및 적어도 하나의 회분 램으로 공급원료를 적어도 하나의 연소 구역을 통하여 이동시키는 단계를 추가로 포함한다. 적어도 하나의 회분 램은 약 0.5 시간 ~ 약 10 시간의 연소 구역에서 공급원료의 체류 시간을 제공하기에 효과적인 속도로 이동된다. 프로세스는 신가스를 형성하도록 적어도 하나의 가스화 구역 및 적어도 하나의 연소 구역으로부터 타르 파괴 구역으로 가스를 운반하는 단계를 포함한다. 열 분해 프로세스는 약 20 몰% 이상의 CO 함량을 가지는 신가스를 제공하고 적어도 0.75 의 CO/C0₂ 비율을 가지는 신가스를 제공하기에 효과적이다.

프로세스의 여러 양태들의 상기 및 다른 양태들, 특징들과 장점들은 다음 도면들로부터 더 분명해질 것이다.

도 1 은 가스화 구역 및 연소 구역을 포함하는 열 분해 장치의 개략도이다.
도 2 는 가스화 구역 및 연소 구역을 포함하는 열 분해 장치의 양태의 개략도로, 가스화 구역은 4 개의 섹션들 또는 노들 (hearths) 을 포함한다.
도 3 은 가스화 구역, 연소 구역 및 타르 감소 구역을 포함하는 열 분해 장치의 양태의 개략도로, 가스화 구역은 5 개의 섹션들 또는 노들을 포함한다.
도 4a 는 전달 램의 측면도를 도시하고 도 4b 는 전달 램의 면의 정면도를 도시한다.
도 5 는 열 분해 유닛을 통한 재료 흐름을 도시한다.
도 6 은 전달 램의 사시도를 보여준다.
도 7 은 다른 소스들로부터 유래된 신가스 조성을 보여준다.

대응하는 도면 부호들은 여러 도면들에 걸쳐 대응하는 구성요소들을 나타낸다. 당업자들은, 도면들의 요소들이 단순성과 명료성을 위해 예시되고 반드시 일정한 비율로 도시될 필요가 없음을 알 것이다. 예를 들어, 본원의 프로세스와 장치의 다양한 양태들의 이해를 돕기 위해 도면들에서 일부 요소들의 치수들은 다른 요소들에 대해 과장될 수도 있다. 또, 상업적으로 실현 가능한 양태들에서 유용하거나 필요한 일반적이고 잘 알려진 요소들은, 이런 다양한 양태들의 덜 차단된 시야를 가능하게 하도록 종종 도시되지 않는다.

하기 상세한 설명은 제한적인 의미로 받아들여져서는 안되고, 단지 예시적 실시형태들의 일반적인 원리를 설명하기 위한 것이다. 본 발명의 범위는 청구 범위를 참조하여 정해져야 한다.

정의

달리 정의되지 않는 한, 본 개시를 위해 본 명세서 전체에서 사용된 바와 같은 하기 용어들은 다음과 같이 정의되고 이하 정의된 단수 또는 복수 형태의 정의를 포함할 수 있다:

임의의 양을 수식하는 용어 "약" 은 실제 조건, 예컨대, 실험실, 파일럿 플랜트, 또는 생산 시설에서 직면하는 양의 변화를 나타낸다. 예를 들어, "약" 으로 수식될 때 혼합물 또는 분량에서 이용된 성분 또는 측정 양은 생산 플랜트 또는 실험실에서의 실험 조건에서 측정시 전형적으로 이용되는 변화 및 주의 정도를 포함한다. 예를 들어, "약" 으로 수식될 때 생성물 구성요소의 양은, 플랜트 또는 실험실에서 다수의 실험시 배치들 (batches) 사이 변화와 분석 방법에서 고유한 변화를 포함한다. "약" 으로 수식 여부에 관계없이, 양은 그 양에 등가물을 포함한다. 본원에서 기술되고 "약" 으로 수식되는 임의의 분량은 "약" 으로 수식되지 않는 양으로서 본 개시에서 또한 이용될 수 있다.

본원에 사용된 바와 같은 "탄소질 재료" 는 석탄 및 석유화학 제품과 같은 탄소 풍부 재료를 지칭한다. 하지만, 본 명세서에서, 탄소질 재료는 고체, 액체, 가스, 또는 플라즈마 상태 여부에 관계없이 임의의 탄소 재료를 포함한다. 탄소질 재료로 간주될 수 있는 다수의 품목들 중에서, 본 개시는 탄소질 재료, 탄소질 액체 생성물, 탄소질 산업용 액체 재순환물, 탄소질 도시 고형 폐기물 (MSW 또는 msw), 탄소질 도시 폐기물, 탄소질 농업 재료, 탄소질 임업 재료, 탄소질 우드 폐기물, 탄소질 건축 재료, 탄소질 식물 재료, 탄소질 산업용 폐기물, 탄소질 발효 폐기물, 탄소질 석유화학 부산물들, 탄소질 알콜 생성 부산물들, 탄소질 석탄, 타이어들, 플라스틱, 폐 플라스틱, 코크스 오븐 타르, 파이버소프트, 리그닌, 흑액, 중합체들, 폐 중합체들, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PETA), 폴리스티렌 (PS), 하수 슬러지, 동물 폐기물, 작물 잔류물들, 에너지 작물들, 숲 가공 잔류물들, 우드 가공 잔류물들, 축산 폐기물들, 가금류 폐기물들, 식품 가공 잔류물들, 발효 프로세스 폐기물들, 에탄올 부산물들, 소비된 그레인, 소비된 미생물들, 또는 이들의 조합물들을 고려한다.

용어 "파이버소프트 (fibersoft 또는 Fibersoft)" 또는 "파이브로소프트 (fibrosoft 또는 fibrousoft)" 는, 다양한 물질들의 연화 및 농축 결과로서 생성되는 일종의 탄소질 재료를 의미하고; 일 예에서 탄소질 재료는 다양한 물질들의 스팀 오토클레이빙을 통하여 생성된다. 다른 예에서, 파이버소프트는 섬유성 머시 (mushy) 재료를 유발하는 도시용, 산업용, 상업용, 및 의료용 폐기물의 스팀 오토클레이빙을 포함할 수 있다 .

용어 "도시 고형 폐기물" 또는 "MSW" 또는 "msw" 는 가정용, 상업용, 산업용 및/또는 잔류 폐기물을 포함할 수도 있는 폐기물을 의미한다.

용어 "신가스" 또는 "합성 가스" 는, 가변량의 일산화탄소와 수소를 함유하는 가스 혼합물에 주어진 이름인 합성 가스를 의미한다. 제조 방법들의 예들은, 수소를 생성하는 천연 가스 또는 탄화수소의 스팀 개질 (reforming), 일부 유형의 폐기물-에너지 가스화 시설에서 석탄의 가스화를 포함한다. 이름은 합성 천연 가스 (SNG) 생성시, 암모니아 또는 메탄올을 생성하기 위한 중간체들로서 용도에서 비롯된다. 신가스는 가연성이고 종종 연료 소스로서 또는 다른 화학물질들을 생성하기 위한 중간체로서 사용된다.

"톤" (Ton 또는 ton) 은 U.S. 의 쇼트 톤 (short ton), 즉 약 907.2 ㎏ (2000 lbs) 을 지칭한다.

탄소 및 수소 이외에, 공급원료들은 공급원료의 완전 또는 부분 연소 중 분리되는, 종종 용어 "회분" 으로 지칭되는, 임의의 분량의 무기 불연성 재료를 포함할 것이다. 임의의 온도에서, 회분은 응집체들 또는 "슬래그" 를 형성하도록 융해할 수도 있다. 슬래그를 형성하는 프로세스는 "슬래깅" 으로 지칭된다.

가스화기 설계 및 작동

이하, 도 1 을 참조하면, 열 분해 장치 (10) 는 가스화 구역 (103) 및 연소 구역 (200) 을 포함한다. 가스화 구역은 가스 (예컨대, 산소 함유 가스, 스팀, 이산화탄소) 를 부가하기 위한 하나의 입구, 입구 (102) 를 포함할 수도 있고 연소 구역은 가스를 부가하기 위한 하나의 입구, 입구 (202) 를 포함할 수도 있다. 가스화 구역 (103) 은 탄소질 재료 공급원료 (101) 를 수용한다. 전달 램 (710) 은 공급원료의 재료 베드를 열 분해 장치를 통하여 이동시킨다. 전달 램 면 (715) 은 가스 (예컨대, 산소 함유 가스, 스팀, 이산화탄소) 를 수용하고 가스가 그 면에서 나갈 수 있도록 허용할 수도 있다.

고체 회분 (205) 의 스트림은 연소 구역 (200) 으로부터 제거될 수도 있다. 회분 전달 램 (720) 은 가스화기 밖으로 회분을 이동시킬 수도 있다. 회분 전달 램 면 (725) 은 가스 (예컨대, 산소 함유 가스, 스팀, 이산화탄소) 를 수용하고 가스가 그 면에서 나갈 수 있도록 허용할 수도 있다. 원료 신가스 (105) 의 스트림이 가스화 구역 (103) 으로부터 제거될 수도 있다.

이하, 도 2 를 참조하면, 가스화 장치 (11) 는 가스화 구역 (113) 및 연소 구역 (230) 을 포함한다. 이 양태에서 나타낸 것처럼, 가스화 구역 (113) 은 4 개의 가스화 노들, 노-Ⅰ (310), 노-Ⅱ (320), 노-Ⅲ (330), 및 노-Ⅳ (340) 를 포함한다. 다른 양태들에서, 가스화 구역은 1 ~ 10 개의 노들을 포함할 수도 있다. 가스화 노들 중 하나 이상은 전달 램 (710) 을 포함할 수도 있다. 전달 램 면 (715) 은 가스를 수용하고 가스가 그 면에서 나갈 수 있도록 허용할 수도 있다.

각각의 가스화 노는 가스를 부가하기 위한 하나의 입구, 노-Ⅰ 로의 가스 입구 (111), 노-Ⅱ 로의 가스 입구 (121), 노-Ⅲ 으로의 가스 입구 (131), 및 노-Ⅳ 로의 가스 입구 (141) 를 포함한다. 연소 구역은 가스를 부가하기 위한 하나의 입구, 즉 가스 입구 (202) 를 포함한다. 탄소질 재료 공급원료 (101) 는 가스화 구역 (113) 의 노-Ⅰ (진입 노) 로 부가될 수 있다. 고체 회분 (205) 의 스트림은 연소 구역 (230) 으로부터 제거될 수 있다. 회분 전달 램 (720) 은 가스화기 밖으로 회분을 이동시키는데 이용될 수도 있다. 회분 전달 램 면 (725) 은 가스를 수용하고 가스가 그 면에서 나갈 수 있도록 허용할 수도 있다. 원료 신가스 (105) 의 스트림이 가스화 구역 (113) 으로부터 제거될 수 있다.

이하, 도 3 을 참조하면, 가스화 장치 (13) 는, 가스화 구역 (143), 연소 구역 (500), 연결 구역 또는 스로트 (300; throat) 및 타르 감소 구역 (400) 을 포함한다. 가스화 구역 (143) 은 5 개의 가스화 노들, 즉 노-Ⅰ (110), 노-Ⅱ (120), 노-Ⅲ (130), 노-Ⅳ (140), 및 노-V (150) 를 포함한다. 각각의 가스화 노는 가스를 부가하기 위한 하나의 입구, 즉 노-Ⅰ 로의 가스 입구 (611), 노-Ⅱ 로의 가스 입구 (621), 노-Ⅲ 으로의 가스 입구 (631), 노-Ⅳ 로의 가스 입구 (641) 및 노-V 로의 가스 입구 (651) 를 포함한다. 연소 구역은 가스를 부가하기 위한 하나의 입구, 가스 입구 (202) 를 포함한다. 연결 구역 또는 스로트 (300) 는 가스를 부가하기 위한 하나의 입구, 가스 입구 (301) 를 포함한다.

탄소질 재료 공급물 (101) 은 가스화 구역 (143) 의 노-Ⅰ (진입 노) 로 부가될 수 있다. 가스화 노들 중 하나 이상은 전달 램 (710) 을 포함할 수도 있다. 전달 램 면 (715) 은 가스를 수용하고 가스가 그 면에서 나갈 수 있도록 허용할 수도 있다. 고체 회분 (205) 의 스트림은 연소 구역 (500) 으로부터 제거될 수 있다. 회분 전달 램 (720) 은 가스화기 밖으로 회분을 이동시키는데 이용될 수도 있다. 회분 전달 램 면 (725) 은 가스를 수용하고 가스가 그 면에서 나갈 수 있도록 허용할 수도 있다. 고온 신가스 (405) 의 스트림은 타르 감소 구역 (400) 으로부터 제거될 수 있다.

회분 램의 보다 상세한 측면도는 도 4a 에 도시된다. 가스화 구역 (103) 은 전달 램 (710) 을 포함할 수도 있다. 공급 노 (820) 로부터 공급 재료는 전달 램 면 (715) 과 접촉한다. 포커 로드 (800) 는 전달 램 면 (715) 으로부터 이격되어 공급 재료로 연장된다. 포커 로드는 전달 램 면 (715) 전방에서 재료에 보이드 (void) 를 형성할 수도 있다. 포커 로드들 (800) 하부에 도입된 가스는 가스 확산 경로 (803) 에서 재료를 통하여 확산할 수도 있다.

도 4b 는 전달 램 (710) 의 정면도를 도시한다. 전달 램 (710) 은 전달 램 면 (715) 및 전달 램 면 (715) 으로부터 이격되게 연장되는 포커 로드들 (800) 을 포함한다. 이 양태에서, 전달 램 (715) 은 약 1 개 ~ 약 10 개의 포커 로드들 (800) 을 포함할 수도 있고, 다른 양태에서, 약 2 개 ~ 약 8 개의 포커 로드들을 포함할 수도 있고, 다른 양태에서 약 3 개 ~ 약 6 개의 포커 로드들을 포함할 수도 있고, 다른 양태에서 약 4 개 ~ 약 5 개의 포커 로드들을 포함할 수도 있다. 다른 양태에서, 전달 램 면 (715) 은 일반적으로 각각의 포커 로드 (800) 아래에 위치한 가스 노즐들 (810) 을 포함할 수도 있다.

도 5 는 열 분해 유닛 (15) 의 보다 상세한 양태들을 도시한다. 이 양태에서, 공급원료 재료 (101) 는 공급 노 (820) 로 이동한 후 가스화 구역 (103) 의 메인 노로 이동한다. 전달 램 (710) 은 재료를 가스화 구역 (103) 을 통하여 이동시킨다. 포커 로드 (800) 는 전달 램 (710) 으로부터 재료로 연장될 수도 있다. 재료는 회분 섬프 (850) 로 이동한다. 고체 회분 (205) 은 회분 전달 램 (720) 에 의해 회분 수용기 (860) 로 운반된다. 일 양태에서, 공급원료 재료 (101) 는 열 분해 유닛 (15) 을 통하여 재료 경로 (840) 를 따른다. 다른 양태에서, 가스 (900) 는 전달 램 (710) 및/또는 회분 전달 램 (720) 에 공급될 수도 있다. 원료 신가스 (105) 의 스트림은 가스화 구역 (103) 으로부터 제거될 수도 있다.

일 양태에서, 이동 기기는 약 0.25 시간 ~ 약 3 시간, 다른 양태에서는, 약 0.25 ~ 약 2 시간, 다른 양태에서는, 약 0.25 시간 ~ 약 1.5 시간, 다른 양태에서는, 약 0.5 ~ 약 1.25 시간, 다른 양태에서는, 약 0.75 ~ 약 1 시간의 가스화 구역 (103) 에서 공급원료 재료 (101) 의 체류 시간을 제공하기에 효과적인 속도로 이동된다. 이동 기기는, 예를 들어, 전달 램, 스크류 피드 (screw feed), 및 이들의 조합체들을 포함할 수도 있다. 도 5 에 도시된 대로, 전달 기기는 전달 램 (710) 이다.

전달 램의 사시도는 도 6 에 도시된다. 도시된 대로, 전달 램 (710) 은 전달 램 면 (715) 으로부터 이격되게 연장되고 공급원료 재료로 연장되는 포커 로드들 (800) 을 포함한다. 포커 로드들 (800) 은 공급원료 재료에서 유효 가스 확산 면적을 조성하기에 효과적이다. 유효 가스 확산 면적은 다음 수학식에 따라 결정될 수도 있다.

유효 가스 확산 면적 = (A₁ +A₂ +A₃) x (포커 로드들 개수)

여기에서 A₁ = (H_ROD) x (L_ROD)

A₂ = (H_ROD) x (L_ROD)

A₃ = (H_ROD) x (L_ROD) - 1/2(πD² _ROD/4)

이 수학식에서 H_ROD 는 전달 램의 면의 바닥으로부터 포커 로드의 중점까지 측정된 포커 로드의 높이이고, L_ROD 는 포커 로드의 길이이다.

이 양태에서, 프로세스는 약 0.1 ft² ~ 약 0.4 ft², 다른 양태에서는, 약 0.125 ft² ~ 약 0.375 ft², 다른 양태에서는, 약 0.15 ft² ~ 약 0.35 ft², 다른 양태에서는 약 0.2 ft² ~ 약 0.3 ft² 의 단일 포커 로드 (A₁ + A₂ + A₃) 에 대한 유효 가스 확산 면적을 제공하기에 효과적이다.

공급원료: 프로세스에 따라, 가스화기로 제공되는 공급원료 재료는 가스화기 내부에 이동 재료 베드를 형성한다. 재료 베드의 온도는 슬래깅을 발생시킨다. 이 양태에서, 프로세스는 재료 베드 내 임의의 지점에서 약 2300 ℉ 를 초과하지 않는 재료 베드 온도를 유지하기에 효과적이고, 다른 양태에서, 재료 베드 온도는 약 2200 ℉ 를 초과하지 않고, 다른 양태에서는, 약 2100 ℉, 다른 양태에서는, 약 2000 ℉, 다른 양태에서는, 약 1900 ℉, 다른 양태에서는, 약 1800 ℉, 다른 양태에서는, 약 1700 ℉, 다른 양태에서는, 약 1600 ℉, 다른 양태에서는, 약 1500 ℉ 를 초과하지 않고, 다른 양태에서는, 재료 베드 온도는 약 1400 ℉ 를 초과하지 않는다. 온도는, 예를 들어, 재료 베드로 삽입되는 열전대들의 사용을 포함한 임의의 공지된 방법들에 의해 측정될 수도 있다. 미가공 신가스 온도는 스로트 섹션 (예를 들어, 도 3 에서 300) 에서 측정될 수도 있다.

다양한 양태들에서, 재료 베드는 온도를 가지고 미가공 신가스는 다음과 같은 온도들을 가질 수도 있다.

재료 베드 온도 미가공 신가스 온도

약 500 ℉ ~ 약 2000 ℉ 약 400 ℉ ~ 약 1600 ℉

약 500 ℉ ~ 약 1700 ℉ 약 400 ℉ ~ 약 1400 ℉

약 600 ℉ ~ 약 1500 ℉ 약 500 ℉ ~ 약 1250 ℉

약 700 ℉ ~ 약 1250 ℉ 약 600 ℉ ~ 약 1000 ℉

약 800 ℉ ~ 약 1000 ℉ 약 650 ℉ ~ 약 850 ℉

약 850 ℉ ~ 약 950 ℉ 약 700 ℉ ~ 약 800 ℉.

다른 양태에서, 재료 베드는 약 800 ℉ ~ 약 1000 ℉, 다른 양태에서, 약 850 ℉ ~ 약 950 ℉, 다른 양태에서, 약 875 ℉ ~ 약 925 ℉, 다른 양태에서, 약 900 ℉ 의 평균 온도를 갖는다. 재료 베드 전체에 걸쳐 온도 변화는 약 300 ℉ 미만, 다른 양태에서, 약 250 ℉ 미만, 다른 양태에서, 약 200 ℉ 미만, 다른 양태에서, 약 150 ℉ 미만, 다른 양태에서, 약 100 ℉ 미만이다. 평균 온도는 하기에 나타낸 재료 베드 내 로케이션들에서 재료 베드 온도를 측정한 후 이 온도를 평균함으로써 결정될 수도 있다.

전달 램 전방의 약 2 인치에서 1 개 ~ 6 개의 로케이션들;

전달 램 전방의 약 14 인치에서 1 개 ~ 6 개의 로케이션들;

전달 램 전방의 약 20 인치에서 1 개 ~ 6 개의 로케이션들;

전달 램 전방의 약 26 인치에서 1 개 ~ 6 개의 로케이션들; 및

전달 램 전방의 약 32 인치에서 1 개 ~ 6 개의 로케이션들.

공급원료/산소: 탄소질 재료 공급물이 가스화기로 도입된다. 제 1 산소 분자 함유 가스가 가스화 구역으로 공급되어서 탄소질 재료 공급물은 탄소질 재료의 화학적 변형을 개시하고 용이하게 하도록 산소 분자로 처리된다. 탄소질 재료 공급물의 일부는 가스화되어 제 1 가스 생성물을 생성한다. 가스화기로 산소의 공급은, 탄소질 재료로부터 일산화탄소의 형성을 우선적으로 촉진하도록 제어된다. 일산화탄소의 생성을 촉진하도록 아화학량론적 양의 산소가 공급된다. 일 양태에서, 산소는 약 0.5 ~ 약 1.5 lb-mol/hr-ft², 다른 양태에서, 약 0.75 ~ 약 1.25 lb-mol/hr-ft² 의 속도로 가스화 구역에 제공된다.

다른 양태에서, 산소는 약 0.1 ~ 약 0.5, 다른 양태에서, 약 0.2 ~ 약 0.4 의 0₂/면적:탄소 비율을 제공하기에 효과적인 속도로 가스화 구역에 제공된다. 이 양태에서, 효과적인 비율은 다음 파라미터들에 따라 결정되었다.

전달 램마다 4 개의 가스 노즐들 포함.

로드 직경은 0.125 ft 이었음.

로드 고도 (elevation) 는 0.167 ft 이었음.

고체 공급은 80 lbs/hr 이었음.

탄소 % 중량은 40.1, 또는 32.08 lbs/hr, 또는 2.673 (lb-mol hr) 이었음.

부가적 가스: 바람직하지 못한 고온 스폿들은, 탄소질 재료 공급물에서 산소 분자 함유 가스의 불균등한 분포로 인해, 가스화 구역과 연소 구역 중 하나 이상에서의 열 분해 유닛, 또는 그 안에 포함된 노들에서 형성될 수도 있다. 이것은 생성된 원료 신가스의 불량한 품질을 유발할 수도 있다. 고온 스폿들은 또한 회분의 국부적인 용융을 유발할 수 있다. 가스화 구역 및/또는 연소 구역에 한 가지 이상의 부가적 가스를 제공함으로써 고온 스폿들의 형성이 감소되거나 방지될 수 있다. 이 양태에서, 부가적 가스는 C0₂, 스팀, 질소, 메탄, 및 이들의 혼합물들을 포함할 수도 있다. 산소와 부가적 가스는 약 3:1 ~ 약 1:2 의 중량비, 다른 양태에서, 약 3:2 ~ 약 1:1 의 중량비로 제공된다.

일 양태에서, 바람직하지 못한 고온 스폿들을 방지하기 위해서, 탄소질 재료 공급물은 가스화 구역에서 산소 분자와 함께 스팀으로 처리될 수도 있다. 탄소질 재료 공급물은 가스화 구역에서 산소 분자와 함께 C0₂ 가스로 처리될 수도 있다. 탄소질 재료 공급물은 연소 구역에서 산소 분자와 함께 스팀으로 처리될 수도 있다. 탄소질 재료 공급물은 연소 구역에서 산소 분자와 함께 C0₂ 가스로 처리될 수도 있다. 따라서, 제 1 산소 분자-함유 가스는 스팀 및 이산화탄소 가스 중 하나 이상을 포함할 수도 있고 제 2 산소 분자-함유 가스는 스팀 및 이산화탄소 가스 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.

연소 구역: 일 양태에서, 고체 회분을 제거하기 위해서 하나 이상의 전달 램들 (회분 제거 램들) 이 연소 구역에서 사용된다. 연소 구역 밖으로 고체 회분을 제거하기 위해서 여러 가지 방법들이 이용될 수 있다. 일 양태에서, 연소 구역으로 공기 누출을 최소화하고, 바람직하게 회피하도록 시일로서 물을 사용해, 회분 제거 램이 고체 회분을 워터 풀 (pool) 로 밀어넣는 워터 시일 (water seal) 이 사용된다. 축축한 회분은 그 후 컨베이어 벨트를 사용해 물 밖으로 이동된다. 다른 양태에서, 연소 구역으로 공기 누출을 최소화하고, 바람직하게 회피하도록 회분은 로크-호퍼 (lock-hopper) 시스템을 통하여 제거된다. 예를 들어 상부 회분 도어 및 하부 회분 도어를 포함하는 이중 회분 도어들이 시일을 제공하는데 사용될 수 있다. 일 양태에서, 시일을 제공하기 위해서 하부 회분 도어를 폐쇄된 채로 유지하면서, 상부 회분 도어는 개방되어서 회분이 냉각될 수 있는 미연소 구역으로 회분이 낙하될 수 있도록 허용한다. 회분을 제거하기 위해서, 상부 회분 도어가 먼저 시일을 제공하도록 폐쇄되고 그 후 하부 회분 도어는 개방되고 회분 제거 램은 가스화기 밖으로 냉각된 회분을 밀어준다. 이 방법은 건조 회분을 제거하고 회분의 이러한 직접 사용 전 건조가 요구되지 않으므로 회분이 임의의 직접 사용을 갖는다면 유리할 수 있다. 일 양태에서, 공급원료는 약 0.5 시간 ~ 약 10 시간, 다른 양태에서, 약 0.5 시간 ~ 약 8 시간, 다른 양태에서, 약 0.5 시간 ~ 약 7 시간, 다른 양태에서, 약 0.5 시간 ~ 약 6 시간, 다른 양태에서, 약 0.5 시간 ~ 약 5 시간, 다른 양태에서, 약 1 시간 ~ 약 4 시간, 다른 양태에서, 약 2 시간 ~ 약 3 시간의 연소 구역에서 공급원료의 체류 시간을 제공하기에 효과적인 속도로 연소 구역을 통하여 이동된다.

일산화탄소 (CO) 와 이산화탄소 (C0₂) 를 포함할 수도 있는 원료 신가스가 생성된다. 원료 신가스에 더 많은 CO 와 더 적은 C0₂ 를 가지는 것이 바람직하다. 일 양태에서, 상기 원료 신가스에서 CO/C0₂ 몰 비는 약 0.75 보다 크다. 일 양태에서, 상기 원료 신가스에서 CO/C0₂ 몰 비는 약 1.0 보다 크다. 일 양태에서, 상기 원료 신가스에서 CO/C0₂ 몰 비는 약 1.5 보다 크다. 고온 신가스는 일산화탄소 (CO) 와 이산화탄소 (CO₂) 를 포함할 수 있다. 고온 신가스에 더 많은 CO 및 더 적은 CO₂ 를 가지는 것이 바람직하다. 일 양태에서, 상기 고온 신가스에서 CO/C0₂ 몰 비는 약 0.75 보다 크다. 일 양태에서, 상기 고온 신가스에서 CO/C0₂ 몰 비는 약 1.0 보다 크다. 일 양태에서, 상기 고온 신가스에서 CO/C0₂ 몰 비는 약 1.5 보다 크다.

비탄소질 미네랄 물질을 함유하는 것 이외에, 고체 회분은 미변환 탄소 또는 미변환 탄소질 물질을 포함할 수도 있다. 일 양태에서, 상기 고체 회분의 탄소 함량은 약 10 중량% 미만이다. 일 양태에서, 고체 회분의 탄소 함량은 5 중량% 미만이다. 일 양태에서, 고체 회분의 탄소 함량 대 탄소질 재료 공급물의 탄소 함량의 비율은 약 0.1 미만이다. 일 양태에서, 고체 회분의 탄소 함량 대 탄소질 재료 공급물의 탄소 함량의 비율은 약 0.01 미만이다.

회분의 탄소 함량 및 탄소질 재료 공급물의 탄소 함량은 탄소 또는 탄소를 함유한 화학물질을 나타낸다. 이 양태에서, 탄소 함량을 측정하는데 다수의 공지된 기술들이 이용될 수도 있다. 탄소를 측정하는데 사용될 수도 있는 기술들의 일부 예들은 열작 감량 (LOI) 테스트들, 열중량 분석 (TGA), 레이저 프로브 기반 광학적 방법들, 마이크로파 조사를 이용한 방법들, 핵 자기 공명 (NMR) 을 이용한 방법들, 및 다양한 ASTM 방법들 (예를 들어 ASTM D6316 참조) 을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.

실시예들

실시예 1: 재료 베드 온도 프로파일에 대한 산소 노즐 로케이션의 영향

열 분해 유닛은 노스웨스트 아칸소주 오크 우드를 사용해 작동되었다. 가스 노즐들이 푸시 로드 바로 아래에 위치한 경우 그리고 가스 노즐들이 푸시 로드들 사이에 위치한 경우 베드 온도들이 모니터링되었다.

결과는 다음과 같았다:

실시예 2: MSW-유래 재료 소스의 열 분해 (시험 1)

MSW 재료 소스는 팜비치 재생 에너지 설비 1 (PBREF 1) 로부터 이용되었다. 이것은, 전기를 발생시키고 폐기물 스트림으로부터 금속을 회수하면서, 플로리다 주 팜비치 군에서 폐기물 양을 줄이도록 설계된 폐기물 (EfW) 설비로부터의 쓰레기-유래 연료 에너지이었다. 이 MSW-유래 재료는 ASTM E 856 에 대하여 RDF-2 로서 분류될 수도 있다.

원료 MSW-유래 재료: 물리적 특성화를 위해 벌크 로트 (bulk lot) 로부터 그래브 (grab) 샘플들을 취하였다. 샘플 스크리닝 결과들은, 재료가 일반적으로 2" 크기보다 더 크도록 51% 중량 분획물이 2" 스크린에 의해 보유되는 것을 나타내었다. 약 10% 중량 분획물은 ¼" 스크린을 통과하였고 상당량의 작고/미세한 미립자들이 있음을 나타낸다. 다음 표는 상대적 분율을 나타낸다.

RDF 입도 분포 (비고: 퍼센트는 젖은 상태를 기준으로 함)

하기 표에 나타낸 것처럼, 2" 메시 스크린을 이용한 스크리닝으로부터 보유되는 분획물은 대략 41 중량% 의 종이와 판지, 15 중량% 의 바이오매스, 35 중량% 의 플라스틱, 5 중량% 의 고무와 라텍스, 및 1 중량% 의 스티로폼이었다.

2-인치 크기의 분류

분쇄 및 건조된 MSW-유래 재료: 입도 및 조성을 위해 2 개의 5-갤런 샘플들을 취하여 분석되었다. 분쇄 및 건조 후 입도 분포가 하기에 나타나 있다. 2 인치 공칭 크기보다 큰 재료 피스들은 20 중량% 이었다. 1 인치 ~ 2 인치 크기의 분획물이 28 중량% 를 차지하는 최고 퍼센트를 가졌고 25 중량% 를 차지하는 ½ 인치 ~ l 인치 분획물이 뒤따랐다. ¼ 인치 ~ ½ 인치 분획물은 약 12 중량% 이었고 < l/4 인치 분획물은 15 중량% 이었다.

분쇄 후 MSW 입도 분포 (비고: 퍼센트는 젖은 상태를 기준으로 함)

1 인치 ~ 2 인치 분획물들과 > 2 인치 분획물의 수동 분류에 대한 결과가 하기 표에 나타나 있다. 1 인치 ~ 2 인치 크기의 분획물과 비교해 >2 인치 크기 분획물에서 다량의 플라스틱 재료가 있었다. 생원성 (biogenic) 소스들로부터 발생할 수 있는 성분들은 분쇄 및 건조된 재료의 약 51 중량% 를 차지하였다. 알루미늄 캔들, 플레이트들, 프레임들, 유리, 및 다른 무기 피스들과 같은 분산된 물체들은 폐기물과 혼합되어 있었지만 일반적으로 훨씬 더 작은 중량 분량으로 발견되었다.

상이한 크기 분획물들의 조성

INPB 멀치 (mulch) 및 NWA 오크 우드의 특성과 비교되는 PBREF 로부터의 MSW 재료의 특성이 하기 표에 나타나 있다. MSW 재료의 발열량 (8,110 BTU/lb) 은 INPB 멀치의 발열량 (7,562 BTU/lb) 와 NWA 오크 우드의 발열량 (8,427 BTU/lb) 사이에 있었다. 회분 함량은 매우 높아서 건조 질량의 약 25% 를 차지하였다. MSW 재료의 휘발성 물질 함량은 NWA 오크 우드 및 INPB 멀치의 휘발성 물질 함량보다 상대적으로 낮았고: MSW 의 63.3 중량% 에 비해 NWA 오크 우드는 86.2 중량% 이었고 INPB 멀치 재료는 69.0 % 이었다. MSW 재료는 Cl 및 S 가 많았고 각각 1.0 중량% 및 0.3 중량% 로 측정되었다. Cl 은 NWA 오크 우드의 것보다 100 배 초과하였고 INPB 멀치의 것의 5 배에 근접하였다. S 함량은 NWA 오크 우드 것의 약 25 배이었고 INPB 멀치의 것의 2 배이었다. MSW 및 INPB 멀치에서 칼륨 및 Na 레벨들은 꽤 비슷하였지만 N_Kjeldahl 은 MSW-유래 재료에서 2 배보다 많았다.

INPB 멀치 및 NWA 오크와 비교한 MSW (PBREF) 의 특성

MSW-유래 재료 냄새 분석: 전형적으로 감지된 냄새와 연관된 화합물들은, MSW-유래 재료의 건조로부터 냄새 배출 레벨들을 측정하기 위해서 식별 및 정량화되었다. 건조기 배출 공기는 매우 낮은 냄새 역치들을 갖는 화합물들에 대해 샘플링되고 분석되었다. 타겟 화합물 리스트들은 아민, 카르복실산, 환원된 황 화합물들과 악취 및 휘발성 유기 화합물들 (VOCs) 을 포함한다.

분석 결과들은, 냄새가 부분적으로 식물 성분들의 분해에 의해 발생된 카르복실산의 존재에 기인한 것임을 나타내었다. 낮은 레벨들의 아세트산, 부티르산, 카프로산, 및 카프릴산이 존재하는 것으로 발견되었다. 아민, 암모니아, 및 환원된 황 화합물들은 검출되지 않았지만 미량의 탄화수소, 알콜, 케톤, 및 아세트알데히드가 확인되었다.

파일럿 플랜트 시험: MSW-유래 재료로 전이: 파일럿 테스트는 MSW 에서 프로세스로 천천히 이동시키고 그것을 NWA 오크 우드 칩들과 배합함으로써 시작되었다.

25 중량%, 50 중량%, 75 중량%, 그 후 100 중량% MSW 대 우드 칩 배합 비율들이 사용되었다. 분쇄기 호퍼 (Komar Quad Shear Shredder Model QR2224-30, Komar Industries, Inc., Groveport, Ohio) 에서 적정량의 MSW 와 우드 칩들을 혼합함으로써 배합이 이루어졌다.

25 중량% RDF - 75 % 우드칩들에서, 배합된 공급원료의 운반은, 건조기 출구가 막히는 몇 가지 예들을 제외하고는 꽤 지속적이었다. 이런 경우에, 건조기의 배출 개구는 재료를 낙하시킬 수 있도록 수동으로 치워져야 한다.

50 중량% MSW - 50 % 우드칩 배합물로 전이 후 막힘 빈도가 증가되었다. 이것은 공급물 흐름에서 추후 브레이크 (breaks) 로 인한 가스화기 작동의 짧은 불안정 기간을 유발하였지만 큰 작동상의 문제는 없었다.

75 중량% MSW - 25 % 우드칩들에서, 증가된 운반 문제의 발생에 직면하였다. 건조기 배출 출구는, 증가된 재료 막힘율 때문에 계속 치워져야 했다. 컨베이어 #4 는, 길고 비틀린 알루미늄 피스가 막고 그 결과 컨베이어 벨트와 컨베이어 커버 사이 영역을 재료가 채우기 때문에 작동되지 않았다. 고체 공급물 흐름에서 지속적인 브레이크로 인해 가스화기를 안정화시키는 것은 매우 어려웠다.

이 문제점들을 해결하기 위해서 운반 시스템에 변경이 이루어졌다. 공급원료 건조기 출구는, 재료가 배출 출구의 상단측에 끼이는 것을 방지하도록 개구를 6 인치만큼 올려줌으로써 확대되었다. 건조기 벨트 상의 재료 높이는, 또한, 재료가 배출 출구를 통하여 제한없이 이동하도록 보장하기 위해서 몇 인치 낮게 설정되었다. 컨베이어 #4 의 벨트와 커버 사이 거리는 커버 높이를 4 인치만큼 올려줌으로써 증가되었다.

공급원료로서 100 % MSW-유래 재료를 사용한 파일럿 테스트는 이 테스트 실행 기간 중 직면하게 되는 큰 작동상의 문제점 없이 성공적으로 실행되었다. (ⅰ) 드래프트, 베드 높이, 및 재료 응집도에 의해 영향을 받는 가스화기 작동 안정성, 및 (ⅱ) 신가스 품질을 기반으로 작동 파라미터들의 최상의 조합을 찾기 위해서 테스트 실행 기간 내 여러 가지 조절이 이루어졌다. 작동 파라미터들은 고체 공급률, 전달 램 로드들/"포커들" 의 길이, 전달 램 스트로크 길이, 전달 램 스트로크 간격, 회분 램 스트로크 간격, 0₂ 유량, 및 C0₂ 유량을 포함하였다.

전달 램 로드/"포커" 길이 - 12" 대신에 4" 의 로드 길이를 사용하면 (0₂ 노즐들이 로드들 아래에 배치됨) 더 양호한 신가스 품질을 유발하였다. 12" 로드 길이에서, 피크 평균 CO 는 약 25 % 이었고 반면에 4" 로드 길이에서, 피크 평균 CO 는 약 34 % 이었다. H₂ 농도에서 큰 차이는 관찰되지 않았다. 신가스 품질에 대한 영향은, 짧은 냉각된 로드에 비해 긴 냉각된 로드 (더 큰 표면적) 의 사용으로 인한 더 높은 열 손실에 의해 설명될 수 있다.

전달 램 스트로크 길이 - 파일럿 관찰은, (전달 램 노즐들에서 1:1 의 C0₂:O₂ 흐름과 조합하여) 전달 램을 적어도 7" 스트로크하면 메인 노에서 큰 응집체들의 형성을 막는 것을 보여주었다. 이런 큰 응집체들은 가스화기 하부 챔버를 통한 재료 흐름을 막는 것으로 알려져 있다. 램 스트로크들 사이에서 응집체 형성 길이보다 더 길게 램을 스트로크하는 것은 응집체 피스들 사이에서 "브레이크" 를 유발하는 것 같았다. '브레이크' 에 의해 초래되는 불연속성이 큰 응집체 형성을 막는 것 같았다.

전달 램 스트로크 간격 - 전달 램을 11 분마다 스트로크하는 것은 가스화기 메인 노를 (노 플로어로부터 가스화기 천장까지 거리에 대한 베드의 높이) 최대 30 % ~ 40 % 로 유지하여, 높은 가동률 (utilization) 을 보장하는데 만족스러운 것으로 발견되었다. 빈번한 스트로킹은, 가스화기를 통하여 비교적 더 연속적인 고체 흐름을 유도함으로써 신가스 품질의 안정성을 개선하는 것을 돕는 것으로 또한 발견되었다.

C0₂ 유량 - 베드 온도 측정 결과는, 전달 램 노즐들에서 1:1 의 C0₂ 대 0₂ 유동 비를 사용함으로써 MSW-유래 재료의 회분 융해 온도 (2,200 ℉) 미만으로 램 전방의 온도가 유지될 수 있음을 보여주었다. 이 유동 비를 사용하면 (크기 및 경도를 기반으로) 응집 심각도를 감소시키는 것을 돕는 것 같았다. 더 낮은 CO₂ 대 0₂ 유동 비의 사용은 전달 램의 바로 전방 영역에서 2,200 ℉ 를 초과하는 온도를 발생시켰다.

가스화기 작동 안정성 및 신가스 품질을 기반으로 몇 가지 바람직한 작동 파라미터들의 예들이 하기에 요약된다.

다른 공급원료 재료들에 대해 말하면, 가스화기 메인 노를 (노 플로어로부터 가스화기 하부 챔버 천장까지 퍼센트 거리를 기반으로) 최대 30 % ~ 40 % 로 유지하는 것이 가장 안정적인 가스화기 작동을 제공하는 것으로 발견되었다. 회분 섬프 내 재료를 낮게, 바람직하게 (섬프의 전체 높이를 기준으로) 30 % ~ 50 % 로 유지하는 것은 회분 섬프 내 응집 심각도를 최소화하였다 (즉, 더 작고 더 적은 수의 응집체 피스들).

100 % MSW-유래 재료를 가스화할 때 추정된 가스화기 공급물 가동률은 하기에 나타낸 수학식을 사용해 계산되었다. 가동률은, 변환되어 가스 스트림의 부분으로서 가스화기 하부 챔버를 이탈하는 공급물 중 총 비회분 성분들의 퍼센트로서 지칭된다. 가동률은, 공급물 중 무시해도 좋을 정도의 양의 회분 성분들이 가스 생성물 스트림으로 이동하는 것으로 가정하면 하기 수학식을 사용해 계산되었다.

수힉식에서, F - 가스화기로의 평균 공급률

A - 공급물 중 퍼센트 회분

R - 평균 잔류율 (가스화기로부터 제거된 잔류물)

하기 표는 MSW 파일럿 실행시 공급물 가동률 (비회분 분획물 기반) 을 보여준다. 계산에 사용된 회분 퍼센트는, 전체 질량 밸런스와 더욱 일치하는 것으로 보이는 가스화기 잔류물 근사 분석으로부터의 결과로부터 얻어졌다. 결과는, 가동률이 비교적 높다는 (98 %) 것을 보여준다.

퍼센트 고체 공급물 가동률

신가스 조성: 건조 상태를 기반으로, 100 % MSW-유래 재료를 가스화한 신가스의 평균 조성은 34 몰% CO, 15 몰% H₂, 38 몰% C0₂, 및 14 몰% N₂ 이였다 (작동 파라미터들의 최상의 조합을 기반으로 함). 이것은, 최상의 평균 신가스 조성이 단지 19 몰% CO 와 10 몰% H₂ 인 MSW 에서 초기 파일럿 실행에 비해 크게 개선되었다. 전달 램 노즐들의 구성 변경 (즉, '로드들 사이 노즐' 대신에 '로드 하부 노즐' 구성) 은, 공급물로서 MSW-유래 재료를 사용할 때 작동성 및 가스화 안정성에 대해 상당한 긍정적인 영향을 나타내었고, 결과적으로, 생성물 신가스 품질을 크게 개선하였다.

도 7 은, MSW-유래 재료로부터의 신가스가 NWA 오크 우드를 가스화한 신가스가 어떻게 비교되는지 보여주고, 양자의 데이터 세트는 변경된 전달 램 노즐 구성을 사용해 얻어졌고 또한 INPD 멀치와 어떻게 비교되는지 보여준다. 두 재료로부터 신가스의 CO 농도는 꽤 비슷하였다 (MSW 보다 NWA 오크 우드에서 약 13 % 더 높음). 이것은, MSW 가 NWA 오크 우드보다 약간 낮은 발열량을 가지는 (8,110 BTU/lb 대 8,447 BTU/lb) 두 재료의 특징과 일치하는 것 같았다. NWA 오크로부터 신가스 중 H₂ 레벨은 MSW 로부터 신가스의 H₂ 레벨보다 39 % 더 높았다.

H₂S, COS, HC1, 및 HCN 은 모두 MSW 로부터 신가스에서 검출되었다. 하기 표는, 이 레벨이 건조 솔잎 멀치 및 오크 우드로부터의 신가스에서 발견되는 레벨과 어떻게 비교되는지 보여준다. 습식 스크러버 시스템은 건식 스크러빙된 신가스에서 NH₃ 를 효과적으로 제거하는 것 같았다. NH₃ 은 급냉수 (quench water) 에서 높은 레벨로 검출되었고 습식 스크러빙된 신가스에서는 검출되지 않았음에 주목한다. 한편, 습식 스크러버 시스템에서 HCl 및 HCN 의 제거는 제한되는 것처럼 보였다.

신가스 성분들

급냉수 중 성분들

유기 화합물들은 MSW 로부터의 신가스에서 실험적으로 식별되었다. NWA 오크 우드 칩들을 가스화한 신가스와 유사하게, MSW 로부터 처리된 신가스는 미량의 탄화수소 화합물들을 가지고 있었다. 매우 다양한 화합물들이 신가스로부터 습식 스크러버 물로 스트리핑되는 것으로 실험적으로 확인되었다.

가스화기와 하류 덕팅, 파이핑, 및 장비의 검사: 가스화기의 명백한 손상은 관찰되지 않았다. 전달 램 면과 대체로 로드들의 베이스에서 약간의 스케일링 (경화된 타르처럼 보임) 이 있었지만 이 침적물들은 세정하는 동안 쉽게 떼어졌다. 전달 램 금속 표면들과 용접부들은 어떠한 냉각수 누출 조짐도 없이 온전한 것 같았다. 모든 산소 노즐들은 깨끗하였다.

덕팅 및 하류 장비를 따라 심각한 막힘은 발견되지 않았다. 가스화기 상부 챔버로부터 신가스 냉각기까지 덕팅은 깨끗하였다. 수평 덕트의 내부 라이닝에 미립자 침적물들이 존재하였지만 침적된 양적인 면에서 특이한 점은 없었다. 조성 분석들은, 침적물이 매우 복잡한 혼합물이라는 것을 보여주었다. 상당한 상들은 28 % 의 무수 CaS0₄, 23 % 의 NaCl (또한 6% KC1), 18 % 의 아연 염, K₂ZnCl₄,및 15 % 의 내화벽돌 관련 Ca-Al-Si 미네랄을 포함하였다.

신가스 냉각기 튜브들 전부 (총 4 개) 깨끗하였다. 입구 면에 약간의 그을음과 결정성 침적물들이 있었지만 매우 적었다. 냉 가스 재순환 라인의 내부면들은 그을음으로 덮여있었고 일부 결정성 재료로 적층되어 있었다. 침적물은 몇 퍼센트의 NaCl 뿐만 아니라 61 % 의 NH₄C1 및 36 % 의 철 염, (NH₄)₂FeCl₅, H₂0 를 함유하는 것으로 발견되었다. 일부 비정질 함량이 있을지라도 다른 결정 상들은 없었다. 관찰된 부가적 원소들 (예컨대, 황) 은 비정질 상일 수도 있다.

실시예 3: MSW-유래 재료 소스의 열 분해 (시험 2)

(ⅰ) 파일럿 테스트 시험 1 에서 발견된 최적 세트의 작동 파라미터들 사용으로 인한 결과 반복성을 결정하고 (ⅱ) 더 긴 실행 시간 (7 일) 동안 프로세스의 안정성을 평가하도록 PBREF 로부터 MSW-유래 재료에서 제 2 파일럿 시험이 수행되었다.

실시예 둘 다 주로 종이, 판지, 플라스틱, 및 바이오매스로 이루어지므로, 실시예 2 에서 받아들여져서 사용된 MSW 재료와 이 실시예에서 사용된 PBREF 로부터의 제 2 배치의 MSW 재료 사이에 큰 차이점은 관찰되지 않았다.

RDF ASTM 카테고리: PBREF 로부터의 MSW-유래 재료는 ASTM E 856 적용가능한 카테고리들을 기반으로 한 RDF-2 재료인 것으로 간주된다. PBREF 로부터의 MSW-유래 재료는 ASTM E 856 적용가능한 카테고리들을 기반으로 한 RDF-2 재료인 것으로 간주된다.

입도 분포 (PSD): 파일럿 플랜트 가스화기로 유입되는 재료의 입도 분포를 평가하기 위해서 총 여섯 (6) 개의 5-갤런 샘플들이 수집되었다. 공급 호퍼 안으로 떨어져 고체 공급물 건조기 뒤에 있는 가스화기까지 이동하는 재료로부터, 파일럿 플랜트 직원들에 의해, 각각의 샘플 체적이 수집되었다. 입자들은 5 퍼센트 수분 (평균 2.3 중량%) 미만이도록 건조되었다. 샘플 체적은 가스화기로 공급률을 크게 저해하지 않도록 일정 기간 동안 수집되었다.

제 2 배치의 MSW-유래 재료의 입도 분포는 하기 표에 나타나 있다. 2 인치 공칭 크기보다 큰 재료 피스들은 19 중량% 이었다. 조합된 ½ 인치 ~ 1 인치 및 1 인치 ~ 2 인치 크기 분획물들이 분쇄 및 건조된 재료의 1/2 을 차지하였고, 각각의 분획물은 25 중량% 이었다. ¼ 인치 ~ ½ 인치의 분획물은 약 16 중량% 이었고 < ¼ 인치의 분획물은 15 중량% 이었다. 이 결과는 제 1 파일럿 시험에서 사용된 재료의 입도 분포 결과와 매우 비슷하였다.

성분들 및 생원성 분획물의 분류: 1 인치 입도보다 큰 분쇄 및 건조된 재료의 생원성 분획물은 EN 15440 표준에 따라 수동 분류 방법을 사용해 결정되었다. 입도 분포 평가로부터 부 샘플들은 생원성, 비생원성이며 불활성인 분획물들 (금속, 암석 등) 을 평가하는데 사용되었다. 체별 (sieving) 후, 2 인치보다 큰 입자들 및 1 ~ 2 인치 입자들은 각각 수동으로 육안으로 평가되었다.

플라스틱 입자들은, 어떤 상이한 유형들의 플라스틱인지에 따라서 분리되었다. 가능한 경우, 입자들은 기본 재료 유형으로 수동 분리되었다. 플라스틱의 유형을 결정하기 위해서 플라스틱 입자들에 대한 추가 분석적 평가가 수행되지 않았다. 직물들은 천연 (카프탄/울/가죽) 인 것으로 보이는 것과 천연 (카프탄/울/가죽) 인 것으로 보이는 것과 합성 (카펫, 폴리에스테르 등) 인 것으로 보이는 것으로 분리되었다.

하기 표는, 분쇄 및 건조된 MSW-유래 재료에서 분류가능한 성분들의 정량적 비교를 보여준다 (실시예 1 의 MSW 와 비교되는 실시예 2 의 MSW). 결과는, PBREF 로부터 2 개의 별개 배치들의 MSW-유래 재료가 꽤 유사했음을 보여준다. 실시예 2 에서 사용된 MSW 의 특징들과 일치하게, 실시예 3 에서 사용된 MSW 는 더 많은 플라스틱이 > 2 인치 분획물에서 발견되었고 더 많은 종이와 판지 성분들이 1 인치 ~ 2 인치 크기의 분획물에서 발견되었음을 보여주었다.

실시예 3 에서 사용된 MSW 의 전체 생원성 분획물 (생원성 소스들 - 바이오매스/우드, 종이와 판지, 및 직물로부터 비롯될 수 있는 성분들의 중량 퍼센트를 기반으로 함) 은, 1 인치 ~ 2 인치 크기 범위에 대해서는 약 61 중량% 이었고 2 인치 이상의 분획물에 대해서는 34 중량% 이었고, 이것은 실시예 2 에서 사용된 MSW 에서 발견되는 생원성 분획물과 꽤 유사하다.

MSW-유래 재료의 특성: 실시예 2 에서 사용된 것과 비교해 실시예 3 에서 사용된 MSW-유래 재료의 특성은 하기 표에 나타나 있다. C, H, O, N, 및 S 함량은 건조된 무회분 기준으로 매우 유사하였다. C 함량은 실시예 2 에 대해 약 52.5 중량% 이었고 실시예 1 에 대해 약 53.6 % 이었다. H 함량은 실시예 2 에 대해 7.5 % 이었고 실시예 1 에 대해 약 7.2 % 이었다. O 함량은 실시예 2 에 대해 37.6 % 이었고 실시예 1 에 대해 약 36.1 % 이었다. N 함량은 시험 2 에 대해 1.1 % 이었고 실시예 1 에 대해 약 1.4 % 이었다. 황 함량은 두 시험 모두에 대해 약 0.4 % 이었다. 유일한 예외는 Cl 함량이었고 제 2 시험에서 사용된 재료는 실시예 2 에서 사용된 MSW 에서 재료의 1/2 미만을 가지는 것처럼 보였다.

외부 실험실 분석을 위해 취한 그래브 샘플들을 기반으로, 실시예 3 에서 사용된 MSW 의 회분 함량은 실시예 2 에서 사용된 MSW 의 회분 함량보다 낮았고, 각각 15 중량% 대 25 중량% 이었다. 이것은, 대부분, 파일럿 시험들에서 사용된 2 개의 별개 배치들의 MSW 사이 휘발성 물질 함량, 고정 탄소 함량, 및 발열량 (건조 상태 기준) 차이를 설명할 수도 있다.

가스화기 작동: 실시예 3 에서 사용된 가스화기 작동 파라미터들은, 실시예 2 에서 테스트들로부터 식별된 (가스화기 작동 안정성 및 신가스 품질을 기반으로) 파라미터들의 최상의 조합을 기반으로 하였다. 이 가스화기 작동 파라미터들은 하기 표에 나타나 있다.

가스화기 작동 파라미터들

이 시험은 8 일의 연속 실행 후 끝났다. 가스화기 하류에서 약간의 유동 제한이 있는 것처럼 보이는 뒷부분을 제외하고는 테스트 지속기간 동안 큰 작동상 문제점에 직면하지 않았다. 하류 장비의 시험 후 평가는, 백하우스 (baghouse) 바로 앞에 세워진 신가스-중탄산염 혼합기가 유동 제한을 유발하기에 충분한 레벨로 재료를 축적하였음을 보여주었다. 혼합기를 통과하는 가스 속도는 너무 낮아서 미립자들을 혼합기 용기 밖으로 백하우스 유닛 안으로 운반하지 못하였다. 축적된 재료는 중탄산염과 그을음의 조합물인 것처럼 보였다.

재료 응집은 가스화기 하부 챔버 내부에서 관찰되었지만 그것은 어떠한 브리징 (bridging) 또는 막힘을 일으킬 정도로 심각하지 않았다. 응집은 메인 노와 회분 섬프 양자에서 관찰되었다. 적어도 7" 의 전달 램 스트로크를 유지하는 것은 응집된 재료 형성 길이를 제한하기에 충분한 것으로 보였다.

공급물 가동률: 하기 표는 제 2 파일럿 시험에서 달성된 공급물 가동률 (비회분 분획물 기반) 을 보여준다. 계산에 사용된 회분 퍼센트는, 고체 공급물 분석 대신에 가스화기 잔류물 근사 분석으로부터의 결과로부터 얻어졌는데, 왜냐하면 그것이 전체 질량 밸런스와 더 일치하기 때문이다. 결과는, 가동률이 비교적 높다는 것을 보여준다. 고체 공급물의 비회분 성분의 대략 98 % 가 가스화되었다.

퍼센트 고체 공급물 가동률

신가스 조성; 건조한 상태를 기준으로, 100 % MSW-유래 재료의 가스화로부터의 신가스의 7 일 평균 조성은 32 몰% 의 CO, 14 몰% 의 H₂, 36 몰% 의 C0₂ 및 18 몰% 의 N₂ 이었다. 실시예 2 로부터의 신가스 조성 결과는 실시예 2 로부터의 최상의 결과 크게 다르지 않았다.

H₂S, COS, HCl, 및 HCN 은 모두, 실시예 2 의 결과와 일치하게, 급냉 후 신가스에서 검출되었다. 일반적으로, 실시예 3 에서 검출되지 않은 HCl 을 제외하고 실시예 2 에 비해 실시예 3 에서 레벨들이 더 높았다. NH₃ 은 급냉된 신가스에서 검출되지 않았으므로 습식 스크러버에서 효과적으로 제거된 것으로 보였다.

신가스에서 전체 HCN 중 일부는 습식 스크러버 시스템에서 제거되었다. 급냉수 HCN 농도는 9.79 ㎍/㎖ 이었다.

유기 화합물들은, 또한, 2 메틸-1-프로펜 및 벤젠을 포함한, 실시예 3 에서 신가스에 존재하는 것으로 실험적으로 확인되었다. 구체적으로 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 및 크실렌 (BTEX) 이 정량화되었다. 벤젠은 852 ppbv 이었고 톨루엔과 크실렌은 검출되지 않았다. 에틸렌은 12.9 ppm 으로 검출되었다. 신가스로부터 아세트알데히드, 헥산, 벤젠, 크실렌, 및 메틸에틸 벤젠을 포함하는 습식 스크러버 물로 스트리핑된 것으로 매우 다양한 화합물들이 실험적으로 확인되었다.

가스화기와 하류 덕팅, 파이핑, 및 장비의 검사: 가스화기의 명백한 손상은 관찰되지 않았다. 전달 램 면과 로드들의 베이스에서 스케일링 (경화된 타르처럼 보임) 이 있었지만 이 침적물들은 세정하는 동안 쉽게 떼어졌다. 전달 램 금속 표면들과 용접부들은 어떠한 냉각수 누출 조짐도 없이 온전한 것 같았다. 모든 산소 노즐들은 깨끗하였다. 상부 챔버로부터 신가스 냉각기의 입구까지 덕팅을 따라 막힘은 발견되지 않았다. 신가스 냉각기까지 수평 덕트는 깨끗하였지만 세라믹 라이닝에 약간의 황색의 침적물들이 있었다. 침적물들은, CaSO₄, NaCl, KC1, 아연 염, K₂ZnCl₄, 내화벽돌 관련 Ca-Al-Si 미네랄로 이루어진, 실시예 1 에서 덕팅을 라이닝하는 것으로 발견되는 동일한 복잡한 혼합물인 것으로 보였다.

신가스 냉각기 튜브들은, 위의 덕트로부터 떨어진 '플레이크 (flake)' 로 덮여있는 것으로 보이는 하나를 제외하고는 깨끗하였다. 이것은 시험 실행의 뒷부분 중 발생한 유동 문제점에 기여할 수도 있다. 이 문제점은, 신가스 냉각기 입구 바로 위에 있는 냉 가스 재순환 지점의 로케이션과 연관되는 것 같았다. 신가스 냉각기의 입구 면에 약간의 그을음과 결정성 침적물들이 있었다. 침적물의 두께는 우드 실행에서 발견되는 것과 같이 가스화 시험 기간을 대표하는 것처럼 보였다.

백하우스 셀 플레이트, 커버 플레이트 및 출구 스풀의 내부면들 대부분은 결정성 침적물로 덮여있었다. 조성 분석은, 침적물이 거의 전부 미량의 Fe 산화물과 NH₄Cl 이라는 것을 보여주었다. 백하우스 하류에서 NH₄Cl 의 존재는, HCl 이 건식 스크러버 시스템에 의해 효과적으로 제거되지 않았음을 나타내었다. 이것은, 낮은 가스 스트림 속도 때문에 혼합기 용기의 바닥에 대부분 바로 침강하는 경향이 있고 백하우스로 운반되지 않았으므로 중탄산나트륨이 신가스와 충분히 접촉하지 않았다는 사실과 관련된 것 같다.

발효에 대한 MSW 신가스의 영향: RDF 신가스로 전환 전 우드칩 신가스에서 정상 상태 발효기가 설정되었다. MSW 가스 발효 동안 (-200 시간), 발효기는 수소 변환과 에탄올 생성 모두 초기 감소를 보였고, 그 후 낮은 에탄올 생산성 (시작점에서보다 10 % 낮음) 으로 안정화되었고, 끝으로 발효기는 점차 백 업을 완전히 개선하였다. 종점에서 핵심 성능 지표들 (가스 변환, 에탄올 생산성, 특정 수소 흡수율) 은 시작점과 큰 차이를 보이지 않았다.

실시예 4: RDF 유형 재료에 대한 슬래깅 가능성 평가

공급원료는 배치로 고밀도화 엔지니어링된 연료 (dPEF) 펠릿들 (Lundell Enterprises, Inc.) 및 노스웨스트 아칸소주 우드 칩들 (WC) 을 80:20 중량비로 혼합하고 쓰레기 유래 연료 (RDF) 를 만들기 위해서 혼합물을 분쇄기로 통과시킴으로써 제조되었다.

조성은 하기 성분들을 포함하였다:

공급원료 재료는 다음 개시 파라미터들에 따라 가스화기로 공급되었다.

가스화기의 작동 파라미터들은 가변되었고 가스화기의 육안 검사는 다음과 같은 결과들을 제공하였다.

실시예 5: 공급원료 재료의 가스화

공급원료

다음과 같은 공급원료들이 사용되었다:

JBT: 20 % 우드, 40 % 판지, 40 % 업무용 종이의 배합물 (건조 중량 기준)

VES: 80 % 연료 큐브들 (Lundell Enterprises), 20 % 우드의 배합물 (건조 중량 기준)

JBT 는 두 가지 배합물들 A 및 B 로 제조되었다. JBT 혼합물 A 는 미세 입자들을 제거하기 위해서 스크리닝된 우드를 포함하였다. 스크리닝은 3/8 인치 트래멜 (trammel) 스크린을 사용해 수행되었다. JBT 혼합물 B 는 스크리닝되지 않은 마쇄 (ground) 우드를 포함하였다. 두 혼합물 모두 우드 입도를 높이도록 우드 칩들 (하드우드) 을 포함하였다.

VES 혼합물은 분쇄된 프로세스 엔지니어링된 연료 큐브들을 사용해 제조되었다. 분쇄된 엔지니어링된 연료 큐브들 (80 %) 은 그 후 스크리닝되지 않은 마쇄 우드 (20 %) 와 혼합되었다. 우드 입도를 높이도록 우드 칩들이 부가되었다.

공급원료 조성은 다음과 같았다:

각각의 공급원료 성분들에 대해 분석이 수행되었다. 결과는 다음과 같았다:

공급원료 배합물의 계산된 분석은 다음과 같았다:

가스화기 작동

각각의 공급원료에 대해, 정상 베드 높이를 유지하고 CO 조성을 최적화하도록 가스화기가 작동되었다.

JBT-A: 가스화기로 공급률은 처음에 약 80 lbs/hr 로 설정되었다. 전달 램 면에서 산소 유동은 16 lbs/hr 로 설정되었고 스로트 산소는 약 33 lbs/hr 이었다. 처음에 회분 섬프에서 산소 유동은 제공되지 않았다. 전달 램은 25 분마다 6 인치만큼 스트로크하도록 설정되었다.

가스화기 작동 파라미터들은 가스화기에서 정상 신가스 조성 및 정상 재료 베드를 달성하도록 조절되었다. 8 분마다 10 인치의 전달 램 스트로크와 전달 램 면에서 18 lbs/hr 및 회분 섬프에서 12 lbs/hr 의 산소 유동 설정은 안정적인 작동을 제공하였다.

테스트 초기 스테이지들 동안, 슬래그의 큰 피스들 일부가 가스화기 잔류물에서 발견되었다. 이 슬래깅을 감소시키도록, 전달 램 면에서 산소와 8 lb/hr 의 CO₂ 가 공급되었다. C0₂ 부가 후 슬래그 양은 감소되었다. 형성된 슬래그 분량은 가스화기에서 어떠한 문제점도 유발하지 않았다.

JBT-B: 가스화기로 공급률은 처음에 약 80 lbs/hr 로 설정되었다. 전달 램 면에서 산소 유동은 18 lbs/hr 로 설정되었고 스로트 산소는 약 42 lbs/hr 이었다. 처음에 회분 섬프에서 산소 유동은 제공되지 않았다. 전달 램은 25 분마다 10 인치만큼 스트로크하도록 설정되었다.

가스화기 작동 파라미터들은 가스화기에서 정상 신가스 조성 및 정상 재료 베드를 달성하도록 조절되었다. 10 분마다 10 인치의 전달 램 스트로크와 전달 램 면에서 18 lbs/hr 및 회분 섬프에서 10 lbs/hr 의 산소 유동 설정은 안정적인 작동을 제공하였다.

미세분들은 가스화기 작동에 어떠한 유해한 영향도 미치지 않았다. JBT-A (미세분들 없음) 및 JBT-B (미세분들 있음) 를 사용할 때 재료 베드 사이에서 분명한 차이는 없었다.

VES: 가스화기로 공급률은 처음에 약 80 lbs/hr 로 설정되었다. 전달 램 면에서 산소 유동과 이산화탄소 유동은 처음에 18 lbs/hr 및 8 lbs/hr 로 각각 설정되었다. 스로트로 산소 유동은 약 40 lbs/hr 이었고 회분 섬프 (회분 램 면) 로 산소 유동은 처음에 10 lbs/hr 로 설정되었다. 전달 램은 25 분마다 10 인치만큼 스트로크하도록 설정되었다.

가스화기 작동 중, 슬래그는 메인 노 상에 (가장 바깥쪽 베드 포커들 내) 형성되는 경향이 있다. 전달 램에 의해 가압된 슬래그는 회분 섬프 위로 연장되었고 재료가 섬프로 떨어지는 것을 방지하여서, 재료의 불균등한 분포를 유발한다.

가스화기 작동 중, 슬래그의 큰 피스들은 회분 램을 방해하였고 정방향 또는 역방향 운동을 막았다. 전달 램 및 회분 램으로 이산화탄소 유동은 각각 16 lbs/hr 및 8 lbs/hr 로 증가되었지만, C0₂ 증가는 슬래깅을 방지하기에 충분하지 않았다.

공급원료 재료들 각각에 대한 산소와 C0₂ 유동 설정은 다음과 같이 요약될 수 있다:

공급원료 재료들 각각에 대한 가스화기 설정은 다음과 같이 요약될 수 있다:

신가스 조성은 공급원료 재료들 각각에 대해 다음과 같았다. (결과는 여과, 습식 스크러빙 및 건조 후, 그리고 시스템 청소에 사용된 질소 퍼지 수정 후 신가스 조성을 반영함)

가스화기 공급물 가동률의 추정값은 다음 수학식을 사용해 계산되었다.

상기 수학식에서, F = 가스화기로 평균 공급률

A = 공급물 중 퍼센트 회분

R = 평균 잔류율 (가스화기로부터 제거된 잔류물)

가동률은, 변환되어 가스로서 가스화기 하부 챔버를 이탈하는 공급물 중 전체 비회분 성분들의 퍼센트로서 지칭된다. 계산은, 공급물 중 무시해도 좋을 정도의 양의 회분 성분들이 가스 생성물 스트림과 가스화기를 이탈한다는 가정을 기반으로 한다.

각각의 공급원료에 대한 가동률은 다음과 같았다. 평균 공급률 및 평균 잔류율은 작동 데이터를 기반으로 계산되었다. 잔류물 중 비회분 성분은, 잔류물 중 전체 회분이 공급물 중 전체 회분과 등가라는 가정을 기반으로 계산되었다.

회분 밸런스는 다음과 같았다:

평균 공급률과 가스화기 잔류율은 파일럿 플랜트 작동 데이터를 기반으로 한다. 회분 데이터는 공급물 및 잔류물 샘플들의 실험실 회분 분석 결과를 기반으로 한다. 회분율은, 평균 유량을 퍼센트 회분과 곱하여 계산되었다. 회분 차이는 공급물 중 회분과 가스화기 잔류물 중 회분 사이 질량율 차이의 절대값이다.

여기에서 개시된 본 발명은 특정한 실시형태들, 실시예들 및 그것의 적용들에 의해 설명되었지만, 청구 범위에 기술한 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 본 기술분야의 당업자들에 의해 다양하게 변경 및 변화될 수 있다.

Claims

비촉매 열 분해 방법으로서,
일반적으로 고체 공급원료를 열 분해 유닛에 제공하는 단계;
이동 기기로 상기 공급원료를 상기 열 분해 유닛 내 적어도 하나의 가스화 구역을 통하여 이동시키는 단계; 및
산소 및 선택적으로 부가적 가스를 상기 가스화 구역에 제공하는 단계를 포함하고,
상기 공급원료는 상기 가스화 구역을 통하여 이동되고 재료 베드 내 임의의 지점에서 약 2300 ℉ 를 초과하지 않는 재료 베드 온도를 유지하고 약 500 ℉ ~ 약 2000 ℉ 의 재료 베드 온도를 유지하기에 효과적인 속도 (rate) 로 산소가 상기 가스화 구역으로 제공되는, 비촉매 열 분해 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 방법은 약 800 ℉ ~ 약 1000 ℉ 의 평균 재료 베드 온도 및 상기 재료 베드 전체에 걸쳐 약 300 ℉ 이하의 온도 변화를 유지하기에 효과적인, 비촉매 열 분해 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 이동 기기는 약 0.25 시간 ~ 약 3 시간의 상기 가스화 구역에서 공급원료의 체류 시간을 제공하기에 효과적인 속도로 이동되는, 비촉매 열 분해 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 이동 기기는 전달 램, 스크류 피드 (screw feed), 및 이들의 조합체들로 구성된 군에서 선택되는, 비촉매 열 분해 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 이동 기기는 전달 램인, 비촉매 열 분해 방법.
제 1 항에 있어서,
산소는 약 0.5 ~ 약 1.5 lb-mol/hr-ft²의 속도로 상기 가스화 구역에 제공되는, 비촉매 열 분해 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 부가적 가스는, C0₂, 스팀, 질소, 메탄 및 이들의 혼합물들로 구성된 군에서 선택되는, 비촉매 열 분해 방법.
제 5 항에 있어서,
산소는 상기 전달 램의 면에 제공되는, 비촉매 열 분해 방법.
제 1 항에 있어서,
약 0.1 ~ 약 0.5 의 0₂/면적:탄소 비율을 제공하기에 효과적인 속도로 상기 가스화 구역에 산소가 제공되는, 비촉매 열 분해 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 가스화 구역으로부터 적어도 하나의 연소 구역으로 공급원료를 이동시키는 단계;
적어도 하나의 회분 램으로 상기 공급원료를 상기 적어도 하나의 연소 구역을 통하여 이동시키는 단계; 및
신가스 (syngas) 를 형성하도록 상기 적어도 하나의 가스화 구역 및 상기 적어도 하나의 연소 구역으로부터 타르 파괴 구역으로 가스를 운반하는 단계를 더 포함하는, 비촉매 열 분해 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 공급원료는 약 0.5 시간 ~ 약 10 시간의 상기 연소 구역에서 공급원료의 체류 시간을 제공하기에 효과적인 속도로 상기 연소 구역을 통하여 이동되는, 비촉매 열 분해 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 방법은 약 20 몰% 이상의 CO 함량을 가지는 신가스를 제공하기에 효과적인, 비촉매 열 분해 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 방법은 적어도 0.75 의 CO/CO₂ 비율을 가지는 신가스를 제공하기에 효과적인, 비촉매 열 분해 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 공급원료는 탄소질 재료, 탄소질 액체 생성물, 탄소질 산업용 액체 재순환물, 탄소질 도시 고형 폐기물 (MSW 또는 msw), 탄소질 도시 폐기물, 탄소질 농업 재료, 탄소질 임업 재료, 탄소질 우드 폐기물, 탄소질 건축 재료, 탄소질 식물 재료, 탄소질 산업용 폐기물, 탄소질 발효 폐기물, 탄소질 석유화학 부산물들, 탄소질 알콜 생성 부산물들, 탄소질 석탄, 타이어들, 플라스틱, 폐 플라스틱, 코크스 오븐 타르, 파이버소프트 (fibersoft), 리그닌, 흑액, 중합체들, 폐 중합체들, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PETA), 폴리스티렌 (PS), 하수 슬러지, 동물 폐기물, 작물 잔류물들, 에너지 작물들, 숲 가공 잔류물들, 우드 가공 잔류물들, 축산 폐기물들, 가금류 폐기물들, 식품 가공 잔류물들, 발효 프로세스 폐기물들, 에탄올 부산물들, 소비된 그레인, 소비된 미생물들, 및 이들의 조합물들로 구성되는 군에서 선택되는, 비촉매 열 분해 방법.
비촉매 열 분해 방법으로서,
일반적으로 고체 공급원료를 열 분해 유닛에 제공하는 단계;
적어도 하나의 전달 램으로 상기 공급원료를 상기 열 분해 유닛 내 적어도 하나의 가스화 구역을 통하여 이동시키는 단계로서, 상기 전달 램은 약 0.25 시간 ~ 약 3 시간의 상기 가스화 구역에서 공급원료의 체류 시간을 제공하기에 효과적인 속도로 이동되는, 상기 공급원료를 상기 열 분해 유닛 내 적어도 하나의 가스화 구역을 통하여 이동시키는 단계; 및
약 0.5 ~ 약 1.5 lb-mol/hr-ft² 의 속도로 산소 및 선택적으로 부가적 가스를 상기 전달 램의 면에 제공하는 단계로서, 상기 부가적 가스가 제공될 때, 상기 전달 램의 상기 면에 제공되는 상기 산소 및 부가적 가스는 약 3:1 ~ 약 1:2 의 비율로 존재하는, 상기 산소 및 선택적으로 부가적 가스를 상기 전달 램의 면에 제공하는 단계를 포함하는, 비촉매 열 분해 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 부가적 가스는, C0₂, 스팀, 질소, 메탄 및 이들의 혼합물들로 구성된 군에서 선택되는, 비촉매 열 분해 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 공급원료는 상기 열 분해 유닛에서 이동 재료 베드를 형성하는, 비촉매 열 분해 방법.
제 17 항에 있어서,
상기 방법은 상기 재료 베드 내 임의의 지점에서 약 2300 ℉ 를 초과하지 않는 재료 베드 온도를 유지하기에 효과적인, 비촉매 열 분해 방법.
제 18 항에 있어서,
상기 방법은 약 500 ℉ ~ 약 2000 ℉ 의 재료 베드 온도를 유지하기에 효과적인, 비촉매 열 분해 방법.
제 17 항에 있어서,
상기 방법은 약 800 ℉ ~ 약 1000 ℉ 의 평균 재료 베드 온도 및 상기 재료 베드 전체에 걸쳐 약 300 ℉ 이하의 온도 변화를 유지하기에 효과적인, 비촉매 열 분해 방법.
제 15 항에 있어서,
약 0.1 ~ 약 0.5 의 0₂/면적:탄소 비율을 제공하기에 효과적인 속도로 상기 가스화 구역에 산소가 제공되는, 비촉매 열 분해 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 가스화 구역으로부터 적어도 하나의 연소 구역으로 공급원료를 이동시키는 단계;
적어도 하나의 회분 램으로 상기 공급원료를 상기 적어도 하나의 연소 구역을 통하여 이동시키는 단계; 및
신가스를 형성하도록 상기 적어도 하나의 가스화 구역 및 상기 적어도 하나의 연소 구역으로부터 타르 파괴 구역으로 가스를 운반하는 단계를 더 포함하는, 비촉매 열 분해 방법.
제 22 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 회분 램은 약 0.5 시간 ~ 약 10 시간의 상기 연소 구역에서 공급원료의 체류 시간을 제공하기에 효과적인 속도로 이동되는, 비촉매 열 분해 방법.
제 22 항에 있어서,
상기 방법은 약 20 몰% 이상의 CO 함량을 가지는 신가스를 제공하기에 효과적인, 비촉매 열 분해 방법.
제 22 항에 있어서,
상기 방법은 적어도 0.75 의 CO/CO₂ 비율을 가지는 신가스를 제공하기에 효과적인, 비촉매 열 분해 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 공급원료는 탄소질 재료, 탄소질 액체 생성물, 탄소질 산업용 액체 재순환물, 탄소질 도시 고형 폐기물 (MSW 또는 msw), 탄소질 도시 폐기물, 탄소질 농업 재료, 탄소질 임업 재료, 탄소질 우드 폐기물, 탄소질 건축 재료, 탄소질 식물 재료, 탄소질 산업용 폐기물, 탄소질 발효 폐기물, 탄소질 석유화학 부산물들, 탄소질 알콜 생성 부산물들, 탄소질 석탄, 타이어들, 플라스틱, 폐 플라스틱, 코크스 오븐 타르, 파이버소프트, 리그닌, 흑액, 중합체들, 폐 중합체들, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PETA), 폴리스티렌 (PS), 하수 슬러지, 동물 폐기물, 작물 잔류물들, 에너지 작물들, 숲 가공 잔류물들, 우드 가공 잔류물들, 축산 폐기물들, 가금류 폐기물들, 식품 가공 잔류물들, 발효 프로세스 폐기물들, 에탄올 부산물들, 소비된 그레인, 소비된 미생물들, 및 이들의 조합물들로 구성되는 군에서 선택되는, 비촉매 열 분해 방법.