KR20170082479A - 증기를 사용하여 고체 원료를 건조시키는 방법 및 장치 - Google Patents

증기를 사용하여 고체 원료를 건조시키는 방법 및 장치 Download PDF

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KR20170082479A
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조지 프레드릭 프레이
까르틱 수브라만얀
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

증기(12)는 가스화기(26)로 전달되기 전에 원료(16)를 건조시키기 위해 사용될 수 있다. 증기(12) 공급물은 원료 건조기(18)와 같은 실시예로 전달될 수 있다. 증기(12)로부터의 열은 그 다음에 원료(16) 내로 전달되어 원료(16) 건조에 사용될 수 있다. 증기(12) 압력은 75 내지 900파운드/in2의 압력을 포함할 수 있다.

Description

증기를 사용하여 고체 원료를 건조시키는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DRYING SOLID FEEDSTOCK USING STEAM}
본 명세서에 개시된 주제는 원료 처리에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명의 개시된 실시예는 다양한 발전소 구성요소로부터의 증기를 사용하여 원료를 건조시키는 것에 관한 것이다.
석탄 또는 석유와 같은 화석 연료는 전기, 화학 물질, 합성 연료의 생산에 사용하기 위해, 또는 다양한 다른 적용을 위해 가스화될 수 있다. 가스화는 매우 높은 온도에서 탄소 함유 연료와 한정된 산소가 불완전 연소하여 일산화탄소 및 수소를 포함하는 연료인 합성 가스를 생산하는 것을 포함하며, 이것은 원래 상태의 연료보다 더 높은 효율 및 더 청정한 배출을 가능하게 한다.
여러 탄소 함유 연료는 다양한 결과로 가스화될 수 있다. 즉, 더 낮은 수분 함량값은 일반적으로 연료가 더 용이하게 연소될 수 있고 더 효율적으로 가스화되는 것을 나타낸다. 물질의 수분 함량값은 물질 안에 존재하는 물의 양의 척도이다. 예를 들어, 석유를 분류하는 것으로부터 생산된 펫코크(petcoke)는 상대적으로 수분 함량이 낮고, 따라서 용이하게 가스화된다. 그와 대조적으로, 저등급 석탄 및 바이오매스(biomass)는 수분 함량이 높을 수 있으며, 따라서 가스화되기 어렵다. 몇몇 경우에, 옥수수대 및 스위치그래스(switchgrass)와 같은 바이오매스는 연료를 가스화하는 것이 너무 비효율적으로 될 정도의 많은 수분을 포함할 수 있다. 추가로, 연료 내의 높은 수분은 유동성을 저하시키고, 취급 및 운반 동안 잦은 막힘(plugging)을 유발한다. 가능한 불편함은 백하우스(baghouse)의 눌어붙음 및 노즐의 브릿징(bridging)을 포함한다. 연료가 확실하게 반응로에 운반될 수 있도록 충분한 수분이 제거되어야 한다. 연료 내의 수분은 가열을 통해 제거될 수 있다. 그러나, 연료를 가열하기 위해 필요한 에너지는 비용이 엄청나다.
따라서, 저등급 석탄 및 바이오매스를 비롯한 고체 연료를 더 효율적으로 건조시키기 위한 방법 및 시스템을 개발하는 것이 바람직할 수 있다.
원래 청구된 본 발명과 범위에서 상응하는 소정 실시예가 아래에 요약되어 있다. 이들 실시예는 청구된 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것이 아니고, 오히려 이들 실시예는 본 발명의 가능한 형태의 간단한 요약을 제공하고자 할 뿐이다. 정말로, 본 발명은 아래에 기재된 실시예와 유사하거나 상이할 수 있는 다양한 형태를 포괄할 수 있다.
제 1 실시예에서, 시스템은 지금까지 압력이 대략 75 내지 900파운드/in2인 것으로 이해되는 증기로부터 가스화기의 상류에 위치된 고체 원료로 열을 전달할 수 있는 열교환기를 포함한다.
제 2 실시예에서, 시스템은 증기로부터 가스화기의 상류에 위치된 고체 원료로 열을 전달하는 원료 건조기를 포함한다.
제 3 실시예에서, 방법은 가스화기 구성요소로부터 증기를 받아들이는 단계와, 증기로부터 원료로 열을 전달하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이들 특징 및 다른 특징, 실시 형태 및 이점이 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명을 읽고 더 잘 이해될 것이며, 첨부 도면에서 유사한 참조부호는 도면 전체에 걸쳐 유사한 부품을 나타낸다.
도 1은 중간 유체를 사용하지 않고 증기를 사용하여 고체 연료 원료를 건조시키는 고체 원료 건조기 시스템의 실시예의 블록 다이어그램,
도 2는 중간 열전달 매체(예를 들어, 가스)를 통해 중간 압력 증기를 사용하여 고체 연료 원료를 간접적으로 건조시키는 고체 원료 건조기 시스템의 실시예의 블록 다이어그램,
도 3은 중간 압력 증기를 사용하여 고체 연료 원료를 건조시키는 가스화 복합 발전(integrated gasification combined cycle)(IGCC) 발전소의 실시예의 블록 다이어그램,
도 4는 황 회수 유닛 및 원료 분쇄기/건조기를 포함하는 도 3에 도시된 IGCC 발전소의 고체 원료 처리 섹션의 실시예의 블록 다이어그램,
도 5는 물-가스 시프트 반응기 및 원료 분쇄기/건조기를 포함하는 도 3에 도시된 IGCC 발전소의 고체 원료 처리 섹션의 실시예의 블록 다이어그램.
본 발명의 하나 이상의 구체적인 실시예가 아래에 설명될 것이다. 이들 실시예의 간명한 설명을 제공하기 위한 노력으로, 실제 구현예의 모든 특징이 명세서에 설명되지 않을 수 있다. 그러한 모든 실제 구현예의 개발에 있어서, 임의의 엔지니어링 또는 디자인 프로젝트에서와 같이, 구현예마다 다를 수 있는 시스템-관련 및 사업-관련 제약에 순응하는 것과 같은 개발자의 특정 목표를 달성하기 위해 수많은 구현예-특정 결정이 이루어져야 한다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 그러한 개발 노력은 복잡하고 시간이 걸릴 수 있으나, 그럼에도 불구하고 본 발명의 도움을 받은 당업자에게는 일상적인 설계, 제작 및 제조의 착수일 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
본 발명의 다양한 실시예의 요소를 소개할 때, "단수 형태" 및 "상기"는 하나 이상의 요소가 있음을 의미하고자 한다. 용어 "포함하는" 및 "갖는"은 포괄적인 것으로 의도되며, 기재된 요소 이외에 추가의 요소가 있을 수 있다는 것을 의미한다.
개시된 실시예는 바이오매스 및 저등급 석탄과 같은 고 수분 함량 원료를 비롯한 고체 연료 원료를 건조시키기 위한 시스템 및 방법을 포함한다. 고체 연료 원료는 열을 가하는 것에 의한 증발을 통해 수분을 제거할 수 있다. 불행하게도, 고체 연료 원료의 건조는 고체 원료 유량 및 필요한 건조량에 따라서 대략 5천만 내지 1억btu/hr를 사용할 수 있다. 또한, 고 수분 함량 원료의 건조는, 에너지 입력이 필요 건조량에 비례하기 때문에, 추가의 에너지를 사용한다. 개시된 실시예는 출구측 발전소 구성요소로부터의 에너지원을 재사용함으로써 고 수분 함량 원료를 비롯한 원료를 더 효율적으로 건조시키기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로, 증기는 IGCC 발전소의 출구측 구성요소(예를 들어, 황 회수 유닛 및 물-가스 시프트 반응기)로부터 재사용될 수 있고, 원료의 건조를 위한 열을 제공하기 위해 방향전환될 수 있다. 증기는 건조를 위해 충분한 열에너지를 포함하고 있고, 열에너지는 그렇지 않으면 폐기될 것이기 때문에, 중간 압력 증기는 원료 건조 작업에서 사용하기에 이상적일 수 있다. 예를 들어, 황 회수 유닛 및 물-가스 시프트 반응기와 같은 대부분의 기존 중간 압력 증기원은 그렇지 않으면 다른 발전소 구성요소에서의 사용을 위해 중간 압력 증기를 저압 증기(예를 들어, 75PSIG 미만의 증기)로 낮아지게 할 것이다.
이들 예시적인 발전소 구성요소(예를 들어, 물-가스 시프트 반응기, 황 회수 유닛)는 중간 압력(medium pressure)(MP) 증기를 발생시키는 온도에서의 작동을 필요로 하며, 연료 건조 공정은 동일 온도에서 작동될 수 있다. 생산된 MP 증기는 직접 발전할 잠재력이지만, 한정된 양은 이것을 비용이 아주 비싸게 만든다. 연료 건조시, 더 높은 온도(예를 들어, 고압 증기)를 사용하는 것은 그 에너지가 다른 곳에서 더 잘 사용될 수 있기 때문에 손실이 클 수 있으며, 더 낮은 온도(예를 들어, 저압 증기)를 사용하는 것은 예를 들어 열교환기에서의 열집중(thermal pinch)으로 인해 과도하게 큰 설비를 필요로 할 수 있다. 추가로, 낮은 온도는 원하는 수준으로 건조된 연료로 귀착되지 않을 수 있다. 따라서, 전술한 증기-발생 구성요소의 통합은 더 높은 전체 발전소 효율로 귀착될 수 있다. 본 발명의 실시예는 중간 압력 증기를 저압 증기로 변환할 수 있지만, 변환 동안 그렇지 않으면 손실될 에너지를 사용하고 그 에너지를 원료의 건조에 적용할 수 있다. 중간 압력 증기를 낮추는 대신에 방향전환시킴으로써, IGCC 발전소는 출구측 발전소 구성요소에 대한 최소의 변경으로 더 높은 에너지 효율로 작동 가능할 수 있다.
도 1은 고체 원료 건조기(18) 내에서 고체 원료(16)를 건조시키기 위해 IGCC 구성요소(14)로부터의 중간 압력 증기(12)를 직접 사용할 수 있는 고체 원료 준비 시스템(10)의 예시적인 실시예의 블록 다이어그램이다. IGCC 구성요소(14)는 예를 들어 황 회수 유닛(64) 또는 물-가스 시프트 반응기(58)와 같이 중간 압력 증기(12)를 생산하는 임의의 발전소 구성요소를 포함할 수 있다. 소정 실시예에서, IGCC 구성요소(14)로부터의 중간 압력 증기(12)는 온도가 대략 320℉ 내지 534℉일 수 있고, 압력이 대략 75PSIG 내지 900PSIG일 수 있다. 예를 들어, 중간 압력 증기(12)는 온도가 대략 450℉ 내지 520℉이고, 압력이 대략 400PSIG 내지 800PSIG이거나, 또는 평균값이 대략 489℉/600PSIG일 수 있다. 소정 실시예에서, 중간 압력 증기는 압력이 IGCC 구성요소에 의해 생산된 증기의 압력의 40% 내지 100%일 수 있다. 고체 원료(16)는 고등급 석탄, 펫코크(petcoke), 저등급 석탄, 바이오매스(biomass)[예를 들어, 옥수수 껍질, 옥수수 속대, 벼 껍질, 사탕수수 찌꺼기, 스위치그래스(switchgrass)] 등을 포함할 수 있다. 고체 원료(16) 내의 수분 함량은 대략 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 또는 90%보다 적어도 높을 수 있다.
일 실시예에서, 제어기(28)에 의해 제어되는 축축한 원료 전달 시스템(20)을 사용함으로써 축축한 고체 원료(16)가 고체 원료 건조기(18)에 전달될 수 있다. 축축한 원료 전달 시스템(20)은 예를 들어 포시메트릭 펌프(posimetric pump), 컨베이어 벨트, 펌프, 엘리베이터, 스크류 공급 장치 등을 사용함으로써 축축한 원료를 전달하도록 최적화될 수 있다. 고체 원료(16)를 건조시키기 위해 소정 실시예가 고체 원료 건조기(18)에 의해 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 원료 건조기(18)는 제어기(28)에 의해 제어될 수 있으며, 다른 것 중에서도 건조 챔버, 분쇄기, 펌프, 폐쇄 통로, 튜브 세트, 중공형 벽 및 회전 건조기와 같은 폐쇄 용기를 포함할 수 있다. 건조기(18)는 또한 증기가 고체 원료로 열을 전달하게 하도록 설계된 하나 이상의 통로뿐만 아니라, 고체 원료로부터의 수분 제거 후에 증기를 통기시키기 위해 사용되는 통기구도 포함할 수 있다. 건조기(18)는 증기가 건조기(18) 안으로 유동하게 하는 열교환기(22)에 결합된 입구를 포함할 수 있다. 증기가 건조기를 떠나게 하는 출구가 또한 건조기(18)에 결합될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 건조기(18)를 떠나는 증기는 예를 들어 증기를 건조기(18) 및/또는 열교환기(22) 안으로 보냄으로써 재순환 및 재사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 증기는 다른 IGCC 구성요소(14)로 보내질 수 있다.
고체 원료(16)는 건조 전에 또는 건조 동안 몇몇 공정을 경험할 수 있으며, 예를 들어 고체 원료(16)는 조각나거나, 분쇄되거나 그리고/또는 분말로 만들어질 수 있다. 제어기(28)는 중간 압력 증기(12)의 공급을 열교환기(22)(예를 들어, 핀 및 튜브 열교환기) 안으로 지향시킴으로써 건조 공정을 제어할 수 있다. 열교환기(22)로부터의 열은 예를 들어 밀폐 용기를 둘러싼 방사 파이프로 증기를 보냄으로써 중간 압력 증기(12)로부터의 열에너지를 고체 원료(16)를 둘러싼 폐쇄 용기 안으로 전달할 수 있다. 열에너지는 그 다음에 고체 원료(16) 내의 수분 안으로 전달될 수 있으며, 이것에 의해 고체 원료(16)로부터 수분을 증발시킨다.
다른 실시예에서, 고체 원료 건조기(18)는 다른 것 중에서도 통(vat) 또는 저장 통(storage bin)과 같은 개방 용기를 포함할 수 있다. 고체 원료(16)를 둘러싼 개방 용기는 제어기(28)에 의해 제어된 중간 압력 증기(12)의 공급으로부터 열에너지를 수집할 수 있다. 고체 원료(16)를 둘러싼 개방 용기는 열에너지를 고체 원료(16) 안으로 전달하고, 유사한 증발 방법을 사용하여 고체 원료(16)로부터 수분을 제거할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 고체 원료 건조기(18)는 건조를 위해 고체 원료(16)를 둘러싸고 그리고/또는 에워싸도록 사용될 수 있는 개방 용기 및 폐쇄 용기의 결합을 포함할 수 있다. 증기의 열에너지를 사용하여 고체를 건조시킬 수 있는 임의의 실시예가 사용될 수 있다. 추가로, 기계적 혼합/분쇄 장치가 열의 전달에 도움이 될 수 있다. 혼합 기기 내에 MP 증기를 통과시킴으로써 또는 연료를 공압식으로 포화시키는 중간 가스를 가열함으로써 열이 간접적으로 전달될 수 있다.
일 실시예에서, 제어기(28)는 원료 건조기(18)로 전달되는 열, 건조 원료 컨베이어(24)(예를 들어, 가스-혼입 고체 컨베이어) 및 가스화기(26)의 작동 특성을 조정(예를 들어, 증가 또는 감소)할 수 있다. 예를 들어, 제어기(28)는 열교환기(22)를 통한 중간 압력 증기(12)의 유량을 증가 또는 감소시키거나, 여러 중간 압력 증기(예를 들어, 상이한 온도)를 생산하는 2개 이상의 상이한 IGCC 구성요소(14) 사이에서 선택적으로 변화를 주거나, 원료 건조기(18) 내에서의 고체 원료(16)의 체류 시간을 증가 또는 감소시키거나, 가스화기(26)의 상류의 원료(16)의 수분 정도를 변화시키기 위해 고체 원료(16)의 분쇄를 조정할 수 있다. 제어기(28)는 IGCC 구성요소(14), 중간 압력 증기(12), 고체 원료(16), 원료 건조기(18), 건조 원료 컨베이어(24) 및 가스화기(26)와 관련된 다양한 센서 피드백(feedback)을 수신할 수 있다. 예를 들어, 센서 피드백은 원료(16)의 온도, 압력, 수분 함량 및 다른 특성뿐만 아니라, 가스화기(26)의 작동 특성(예를 들어, 온도 및 압력)도 포함할 수 있다. 만약 수분 함량이 만족스러운 수준이 아니면, 제어기(28)는 하나 이상의 파라미터를 조정하여 고체 원료(16)의 수분 함량을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 여러 가스화기 유형이 상이한 수분 수준을 포함하는 연료를 사용 가능할 수 있으며, 예를 들어 소정의 상승 기류(updraft) 가스화기가 대략 5, 10, 20, 30, 40, 50 또는 60% 미만의 수분 함량의 연료를 사용 가능할 수 있다. 따라서, 고체 원료(16)는 건조하고 가스화기(26)의 유형에 따라 여러 수분 수준에서 운반될 준비가 되어 있는 것으로 고려된다.
일 실시예에서, 중간 압력 증기(12) 내의 열에너지의 대부분은 열교환기(22)에 의해 전달되어 고체 원료(16)를 건조시키기 위해 사용될 수 있다. 증기 응축물은 (예를 들어, 다른 발전소 구성요소를 위한 급수로서 또는 고압 냉각 매체로서) 추가로 재사용될 수 있다. 증발된 수분을 갖는 운반 가스는 수분이 제거된 후에 재사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 중간 압력 증기(12) 내의 일부의 열에너지만이 열교환기(22)에 의해 전달되어 고체 원료(16)를 건조시키기 위해 사용될 수 있으며, 이것은 다른 시스템 구성요소에서의 사용을 위한 열에너지를 포함할 수 있는 저압 증기로 귀착된다. 예를 들어 LP 플래시 드럼(flash drum)의 사용 후에 생산된 저압 증기는 (예를 들어, 저압 터빈에 의한 사용을 위한 증기로서) 다른 발전소 구성요소로 추가로 지향될 수 있다.
도 2를 참조하면, 도면은 고체 원료 건조기(18) 내에서 고체 원료(16)를 건조시키기 위해 IGCC 구성요소(14)로부터의 중간 압력 증기(12)를 간접적으로 사용할 수 있는 고체 원료 준비 시스템(30)의 예시적인 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 중간 압력 증기(12)의 공급은, 제어기(28)에 의해 또한 제어되는 중간 열 전달 매체[예를 들어, 가스(32)]의 공급을 가열하도록 제어기(28)에 의해 제어될 수 있다. 가스(32)는 질소, 공기 또는 임의의 다른 불활성 가스와 같은 임의의 적합한 가스를 포함할 수 있다. 이해하는 바와 같이, 질소 및 공기는 IGCC 내에서 용이하게 입수 가능할 수 있으며, 따라서 시스템(30)을 위해 특히 유용하다.
가스(32)는 열교환기(34)를 사용함으로써 중간 압력 증기(12)의 온도(예를 들어, 310℉ 내지 524℉)의 대략 5 내지 20℉ 내(예를 들어, 10℉)까지 가열될 수 있다. 결과적인 고온 가스(32)는 그 다음에 고체 원료(16)를 건조시키기 위해 그리고 원료(16)를 가스화기(26)로 운반하기 위해 고체 원료 건조기(18)에 의해 사용될 수 있다. 고온 가스(32)는 사실상 수분이 없을 수 있고 따라서 고체 원료(16)를 건조시키기 위해 더 간단하고 덜 비싼 실시예를 사용할 수 있기 때문에, 중간 열에너지 매체로서 고온 가스(32)의 사용은 유용할 수 있다. 예를 들어, 시스템(30)은 열교환기로 또는 열교환기 없이 원료 건조기(18)를 통과하여 그리고/또는 그 둘레에 가스(32)를 직접 유동시킬 수 있다. 즉, 가열된 가스(32)로부터 축축한 원료(16)로 직접, 또는 원료 건조기(18)의 하우징 상으로 직접 열교환이 일어날 수 있다. 일 실시예에서, 고온 가스(32)는 통상적으로 고체 원료(16)를 건조시키기 위해 고체 원료 건조기(18)에 의해 고체 원료(16) 상으로 직접 보내질 수 있는 질소를 포함한다. 다른 실시예에서, 고온 가스(32)는 통상적으로 고체 원료(16)를 건조시키기 위해 고체 원료 건조기(18)에 의해 고체 원료(16) 상으로 직접 보내질 수 있는 건조하고 산소가 감소된 공기(즉, 대략 89%의 질소 및 11%의 산소)를 포함할 수 있다.
시스템(30)은 또한 원료 건조기(18)로부터 제거된 수증기 중 일부를 재사용할 수 있다. 예를 들어, 수집된 물이 급수로서 IGCC 구성요소(14)에 의해 사용될 수 있거나, 수집된 물이 열교환기(34)와 함께 사용을 위해 재가열될 수 있다. 어느 한쪽의 경우에, 중간 압력 증기(12)는 중간 열 전달 매체, 예를 들어 가스(32) 안으로 열을 전달한다.
고체 원료(16) 건조시 사용을 위해 고온 가스(32)로부터의 열에너지를 전달하기 위해 열교환기(36)가 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 열교환기(36)는 핀 및 튜브 열교환기, 원료 건조기(18)의 둘레 또는 그것을 통과하여 연장하는 튜브, 또는 원료 건조기(18)의 유지 영역의 둘레에 가스(32)를 유동시키기 위한 중공형 벽을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 원료 건조기(18)는 제어기(28)에 의해 제어될 수 있으며, 다른 것 중에서도 건조 챔버, 분쇄기, 펌프, 통로 및 회전 건조기와 같은 폐쇄 용기를 포함할 수 있다. 건조기(18)는 또한 증기(12) 또는 가스(32)가 고체 원료로 열을 전달하게 하도록 설계된 하나 이상의 통로뿐만 아니라, 고체 원료로부터 수분을 제거한 후에 증기(12) 또는 가스(32)를 통기시키기 위해 사용되는 통기구도 포함할 수 있다. 건조기(18)는 증기(12) 또는 가스(32)가 건조기(18) 안으로 유동하게 하는 열교환기(36)에 결합된 입구를 포함할 수 있다. 증기(12) 또는 가스(32)가 건조기를 떠나게 하기 위해 출구가 또한 건조기(18)에 결합될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 건조기(18)를 떠나는 증기(12) 또는 가스(32)는 예를 들어 증기(12) 또는 가스(32)를 건조기(18) 및/또는 열교환기(34, 36) 안으로 다시 보냄으로써 재순환 및 재사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 증기(12) 또는 가스(32)는 다른 발전소 구성요소로 보내질 수 있다. 제어기(28)는 고체 원료(16)를 건조시키기 위해 예를 들어 회전 건조기를 작동시킬 수 있다. 열교환기(36)로부터의 열은 중간 압력 증기(12)로부터의 열에너지를 고체 원료(16)를 둘러싼 폐쇄 용기로 열에너지를 전달할 수 있다. 열에너지는 그 다음에 고체 원료(16) 내의 물 안으로 전달될 수 있고, 이것에 의해 고체 원료(16)로부터 물을 증발시킨다.
다른 실시예에서, 고체 원료 건조기(18)는 다른 것 중에서도 통(vat) 또는 저장 통(storage bin)과 같은 개방 용기를 포함할 수 있다. 개방 용기는 고체 원료(16)를 둘러쌀 수 있으며, 이것은 중간 압력 증기(12)로부터 열에너지를 받아들일 수 있고 고체 원료(16)로부터 수분을 제거하기 위해 유사한 증발 방법을 사용할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 고체 원료 건조기(18)는 건조를 위해 고체 원료(16)를 둘러싸고 에워싸기 위해 사용될 수 있는 개방 용기 및 폐쇄 용기의 결합을 포함할 수 있다. 증기 내의 열에너지를 사용하여 고체를 건조시킬 수 있는 실시예가 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 제어기(28)는 열교환기(36)로 전달된 열, 건조 원료 컨베이어(24)의 속도 및 가스화기(26)의 작동 특성을 조정(예를 들어, 증가 또는 감소)할 수 있다. 예를 들어, 제어기(28)는 열교환기(34)를 통한 중간 압력 증기(12)의 유량을 증가 또는 감소시키거나, 여러 중간 압력 증기(예를 들어, 상이한 온도)를 생산하는 2개 이상의 상이한 IGCC 구성요소(14) 사이에서 선택적으로 변화를 주거나, 원료 건조기(18) 내에서의 고체 원료(16)의 체류 시간을 증가 또는 감소시키거나, 가스화기(26)의 상류의 원료(16)의 수분 정도를 변화시키기 위해 고체 원료(16)의 분쇄를 조정할 수 있다. 제어기(28)는 IGCC 구성요소(14), 중간 압력 증기(12), 고온 가스(32), 고체 원료(16), 원료 건조기(18) 및 가스화기(26)와 관련된 다양한 센서 피드백을 수신할 수 있다. 예를 들어, 센서 피드백은 원료(16)의 온도, 압력, 수분 함량 및 다른 특성뿐만 아니라, 가스화기(26)의 작동 특성(예를 들어, 온도 및 압력)도 포함할 수 있다. 만약 수분 함량이 만족스러운 수준이 아니면, 제어기(28)는 하나 이상의 파라미터를 조정하여 고체 원료(16)의 수분 함량을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 여러 가스화기 유형이 상이한 수분 수준을 포함하는 연료를 사용 가능할 수 있으며, 예를 들어 소정의 상승 기류 가스화기가 대략 5, 10, 20, 30, 40, 50 또는 60% 미만의 수분 함량의 연료를 사용 가능할 수 있다. 따라서, 고체 원료(16)는 건조하고 가스화기(26)의 유형에 따라 여러 수분 수준에서 운반될 준비가 되어 있는 것으로 고려된다.
일 실시예에서, 중간 압력 증기(12) 내의 열에너지의 대부분은 열교환기(22)에 의해 전달되어 고체 원료(16)를 건조시키기 위해 사용될 수 있다. 증기 응축물은 (예를 들어, 다른 발전소 구성요소를 위한 급수로서) 추가로 재사용될 수 있다. 증발된 수분을 갖는 운반 가스는 수분이 제거 및/또는 통기된 후에 재사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 중간 압력 증기(12) 내의 일부의 열에너지만이 열교환기(36)에 의해 전달되어 고체 원료(16)를 건조시키기 위해 사용될 수 있으며, 이것은 일부 열에너지를 포함할 수 있는 저압 증기로 귀착된다. 저압 증기는 (예를 들어, 저압 터빈에 의한 사용을 위한 증기로서) 다른 발전소 구성요소로 추가로 지향될 수 있다.
도 3은 연료원(52)을 건조시키기 위한 중간 압력 증기(12)를 생산하는 구성요소를 구비한 가스화 복합 발전(integrated gasification combined cycle)(IGCC) 시스템(50)의 실시예의 블록 다이어그램이다. 연료원(52)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 고체 원료(16), 또는 가스화기(26)의 상류를 건조 또는 사전가열하는 것으로부터 이익을 얻는 임의의 다른 적합한 연료원을 포함할 수 있다. 따라서, 연료원(52)은 고체 원료(예를 들어, 참조부호 16), 액체 원료 또는 이것의 일부 조합을 포함할 수 있다. 연료원(52)은 석탄, 펫코크, 바이오매스, 목재계 물질, 농업 폐기물, 타르, 코크 오븐 가스(coke oven gas), 아스팔트 또는 다른 탄소 함유 품목을 포함할 수 있다.
연료원(52)은 원료 준비 유닛(54)으로 보내질 수 있다. 원료 준비 유닛(54)은 도 1 및 도 2를 참조하여 위에서 설명된 바와 같은 원료 건조기(예를 들어, 참조번호 18)를 포함할 수 있다. 따라서, 소정 실시예에서, 원료 준비 유닛(54)은 IGCC 시스템(50) 내의 하나 이상의 구성요소에서 기원하는 중간 압력 증기(12)로부터의 열을 사용하여 연료원(52)을 건조 및/또는 사전가열할 수 있다. 원료 준비 유닛(54)에 의해 준비된 원료는 가스화기(26)로 보내질 수 있다. 가스화기(26)는 원료를 일산화탄소 및 수소의 결합과 같은 합성 가스로 변환시킬 수 있다. 이 변환은 사용된 가스화기(26)의 유형에 따라 상승된 압력 및 온도에서 원료를 제어된 양의 임의의 조정자 및 산소에 노출시킴으로써 성취될 수 있다. 열분해 공정 동안 원료의 가열은 고체(예를 들어, 숯) 및 잔류 가스(예를 들어, 일산화탄소, 수소 및 질소)를 발생시킬 수 있다. 열분해 공정으로부터 원료로부터 잔존하는 숯은 무게가 최대 원래 원료의 중량의 대략 30%일 뿐이다.
가스화기(26) 내에서의 연소 반응은 산소를 숯 및 잔류 가스에 도입하는 것을 포함할 수 있다. 숯 및 잔류 가스는 산소와 반응하여 이산화탄소 및 일산화탄소를 형성할 수 있으며, 이것은 후속 가스화 반응을 위한 열을 제공한다. 연소 공정 동안 온도는 대략 2200℉ 내지 대략 2700℉의 범위일 수 있다. 추가로, 증기가 가스화기(26) 내로 도입될 수 있다. 가스화기(26)는 증기 및 한정된 산소를 사용하여 원료의 일부가 연소되어 일산화탄소 및 에너지를 생산하게 하고, 이것은 원료를 수소 및 추가의 이산화탄소로 추가로 변환시키는 제 2 반응을 추진할 수 있다.
이 방식으로, 결과로서 생기는 가스가 가스화기(26)에 의해 제조될 수 있다. 결과로서 생기는 가스는 대략 85%의 일산화탄소 및 수소뿐만 아니라, (원료의 황 함량에 기초하여) CH4, HCl, HF, COS, NH3, HCN 및 H2S도 포함할 수 있다. 이 결과로서 생기는 가스는 "생 합성 가스(raw syngas)"로 불릴 수 있다. 가스화기(26)는 또한 습식 애시(ash) 물질일 수 있는 슬래그(56)와 같은 폐기물을 생산할 수 있다.
소정 실시예에서, 더러운 합성 가스는 고 수소 생산물을 얻기 위해 물-가스 시프트(water-gas shift)(WGS) 반응기(58)로 보내질 수 있다. WGS 반응기(58)는 일산화탄소가 물(예를 들어, 증기)과 반응하는 물-가스 시프트 반응을 수행하여, 이산화탄소 및 수소를 형성할 수 있다. 이 공정은 추가의 가스 처리를 위해 생 합성 가스 내의 일산화탄소에 대한 수소의 비(ratio)를 대략 1:1 내지 대략 3:1로 조정할 수 있다. 추가로, WGS 반응기(58)는 중간 압력 증기(12)를 발생시킬 수 있으며, 이것은 도 5에 관해서 아래에 더 상세하게 설명되는 바와 같이 원료 준비 유닛(54)에 의해 고체 원료를 건조시키기 위해 사용될 수 있다. WGS 반응기(58)는 황화물이 혼합된 WGS 반응기일 수 있으며, 즉 물-가스 시프트 반응 동안 WGS 반응기(58) 내로 공급된 생 합성 가스에 황이 존재할 수 있음을 알아야 한다.
가스 클리닝 유닛(60)이 생 합성 가스를 클리닝하기 위해 사용될 수 있다. 가스 클리닝 유닛(60)은 생 합성 가스를 세정하여 생 합성 가스로부터 HCl, HF, COS, HCN 및 H2S를 제거할 수 있으며, 이것은 산성 가스 제거 공정에 의한 H2S의 분리를 포함할 수 있다. 원소 황(62)은 H2S로부터 황 회수 유닛(64)에 의해 회수될 수 있다. 도 4에 관해서 아래에 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 황 회수 유닛(64)은 중간 압력 증기(12)를 원소 황(62)의 회수 동안 열교환기(66) 내로 방향전환시킬 수 있다. 열교환기(66)는 공기 분리 유닛(air separation unit)(ASU)(68)으로부터 기원하는 질소를 가열하고, 질소를 사용하여 원료 준비 유닛(54) 내의 연료원(52)을 건조 및/또는 사전가열할 수 있다. 원료 준비 유닛(54) 내에서 사용된 질소는 그 다음에 재사용되어 DGAN(84)으로 방향전환될 수 있다. 또한, 가스 클리닝 유닛(60)은 수처리 유닛(72)을 통해 생 합성 가스로부터 염(70)을 분리할 수 있으며, 이것은 생 합성 가스로부터 사용 가능한 염(70)을 생산하기 위해 물 정화 기술을 사용할 수 있다. 그 후에, 청정한 합성 가스가 가스 클리닝 유닛(60)으로부터 발생될 수 있다.
청정한 합성 가스로부터 암모니아 및 메탄뿐만 아니라 메탄올 또는 다른 잔류 화학물질과 같은 잔류 가스 성분(76)을 제거하기 위해 가스 프로세서(74)가 사용될 수 있다. 그러나, 청정한 합성 가스는 심지어 잔류 가스 성분(76)(예를 들어, 테일 가스)을 포함하고 있을 때에도 연료로서 사용될 수 있기 때문에, 청정한 합성 가스로부터 잔류 가스 성분(76)의 제거는 선택사항이다. 이 점에서, 청정한 합성 가스는 대략 3% 내지 40%의 CO, 최대 60%의 H2 및 대략 10% 내지 40%의 CO2를 포함할 수 있으며, H2S는 사실상 제거될 수 있다. 이 청정한 합성 가스는 연소 가능한 연료로서 가스 터빈 엔진(80)의 연소기(78)(예를 들어, 연소 챔버) 안으로 지향될 수 있다.
IGCC 시스템(50)은 예를 들어 저온 증류(cryogenic distillation) 기술을 사용하여 공기를 성분 가스로 분리하는 ASU(68)를 포함할 수 있다. ASU(68)는 추가 공기 압축기(82)로부터 그것에 공급된 공기로부터 산소를 분리시킬 수 있고, 분리된 산소를 가스화기(26)로 전달할 수 있다. 추가로, ASU(68)는 분리된 질소를 희석 질소(diluent nitrogen)(DGAN) 압축기(84)로 지향시킬 수 있다. DGAN 압축기(84)는 ASU(68)로부터 받아들인 질소를 최소한 연소기(78) 내의 압력과 동일한 압력 수준까지 압축할 수 있으며, 이것은 연소 챔버 내로 분사를 가능하게 한다. 따라서, 일단 DGAN 압축기(84)가 질소를 적정 수준까지 적절하게 압축하면, DGAN 압축기(84)는 압축된 질소를 가스 터빈 엔진(80)의 연소기(78)로 지향시킬 수 있다.
전술된 바와 같이, 압축된 질소는 DGAN 압축기(84)로부터 가스 터빈 엔진(80)의 연소기(78)로 전달될 수 있다. 가스 터빈 엔진(80)은 터빈(86), 구동 샤프트(88) 및 압축기(90)뿐만 아니라 연소기(78)도 포함할 수 있다. 연소기(78)는 연료 노즐로부터 압력 하에서 분사될 수 있는 합성 가스와 같은 연료를 받아들일 수 있다. 이 연료는 압축된 공기뿐만 아니라 DGAN 압축기(84)로부터의 압축된 질소와 혼합되어 연소기(78) 내에서 연소될 수 있다. 이 연소는 고온 압축 배기 가스를 생성할 수 있다.
연소기(78)는 배기 가스를 터빈(86)의 배기 출구를 향해 지향시킬 수 있다. 연소기(78)로부터의 배기 가스가 터빈(86)을 통과할 때, 배기 가스는 터빈(86) 내의 터빈 블레이드가 가스 터빈 엔진(80)의 축을 따라서 구동 샤프트(88)를 회전시키도록 강제할 수 있다. 도시된 바와 같이, 구동 샤프트(88)는 압축기(90)를 비롯한 가스 터빈 엔진(80)의 다양한 구성요소에 결합될 수 있다.
구동 샤프트(88)는 터빈(86)을 압축기(90)에 연결하여 로터를 형성할 수 있다. 압축기(90)는 구동 샤프트(88)에 결합된 블레이드를 포함할 수 있다. 따라서, 터빈(86) 내의 터빈 블레이드의 회전은 터빈(86)을 압축기(90)에 연결하는 구동 샤프트(88)가 압축기(90) 내에서 블레이드를 회전시키는 것을 야기할 수 있다. 압축기(90) 내의 블레이드의 회전은 압축기(90)가 압축기(90) 내의 공기 흡입구를 통해 받아들여진 공기를 압축하는 것을 야기한다. 압축 공기는 그 다음에 연소기(78)로 공급되고 연료 및 압축 질소와 혼합되어 더 높은 효율의 연소를 허용할 수 있다. 구동 샤프트(88)는 또한 발전소에서 전력을 생산하기 위해 전기 발전기와 같은 고정 부하(load)일 수 있는 부하(92)에 연결될 수 있다. 정말로, 부하(92)는 가스 터빈 엔진(80)의 회전 출력에 의해 동력을 공급받는 임의의 적합한 장치일 수 있다.
IGCC 시스템(50)은 또한 증기 터빈 엔진(94) 및 열 회수 증기 발생(heat recovery steam generation)(HRSG) 시스템(96)을 포함할 수 있다. 증기 터빈 엔진(94)은 전력을 발생시키기 위한 전기 발전기와 같은 제 2 부하(98)를 구동할 수 있다. 그러나, 제 1 및 제 2 부하(92, 98) 둘 모두는 가스 터빈 엔진(80) 및 증기 터빈 엔진(94)에 의해 각각 구동될 수 있는 다른 유형의 부하일 수 있다. 추가로, 비록 가스 터빈 엔진(80) 및 증기 터빈 엔진(94)은 예시된 실시예에 도시된 바와 같이 별개의 부하(92, 98)를 구동할 수 있지만, 가스 터빈 엔진(80) 및 증기 터빈 엔진(94)은 또한 단일 샤프트를 통해 단일 부하를 구동하도록 직렬식으로 사용될 수 있다. 가스 터빈 엔진(80)뿐만 아니라 증기 터빈 엔진(94)의 구체적인 구성은 구현-특정적일 수 있으며 섹션들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
가스 터빈 엔진(80)으로부터의 가열된 배기 가스는 HRSG(96) 내로 지향되고 물을 가열하여 증기 터빈 엔진(94)에 동력을 공급하기 위해 사용되는 증기를 생산하기 위해 사용될 수 있다. 증기 터빈 엔진(94)으로부터의 배기는 응축기(100) 내로 지향될 수 있다. 응축기(100)는 냉각 타워(102)를 사용하여 증기 터빈(94) 배출로부터의 증기를 완전히 응축시킬 수 있다. 특히, 냉각 타워(102)는 응축기(100)에 냉각수를 제공하여 증기 터빈 엔진(94)으로부터 응축기(100) 내로 지향된 증기를 응축시키는 것에 도움을 줄 수 있다. 응축기(100)로부터의 응축물은 이번에는 HRSG(96) 내로 방향전환될 수 있다. 다시, 가스 터빈 엔진(80)으로부터의 배기는 또한 HRSG(96) 내로 방향전환되어 응축기(100)로부터의 물을 가열하여 증기를 생산할 수 있다.
그러한 것으로서, IGCC 시스템(50)과 같은 복합 사이클 시스템에서, 고온 배기가 가스 터빈 엔진(80)으로부터 HRSG(96)로 유동할 수 있으며, HRSG(96)에서 고온 배기는 고압, 고온 증기를 발생시키기 위해 사용될 수 있다. HRSG(96)에 의해 생산된 증기는 그 다음에 발전을 위해 증기 터빈 엔진(94)을 통과할 수 있다. 추가로, IGCC 시스템(50) 내에서 생산된 증기는 또한 임의의 다른 공정으로 공급될 수 있으며, 임의의 다른 공정에서 증기는 연료원(52)을 건조 및/또는 사전가열하기 위해 원료 준비 유닛(54)으로 사용될 수 있다.
도 1 내지 도 3에 관해서 전술된 바와 같이, WGS 반응기(58) 및 황 회수 유닛(64)과 같은 다양한 IGCC 시스템(50)이 연료원(52)[예를 들어, 고체 원료(16)]을 건조 및/또는 사전가열하기 위한 중간 압력 증기(12)를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 도 4는 도 3에 도시된 IGCC 시스템(50)의 실시예의 섹션(110)을 도시하는 것으로서, 고체 원료(16)를 건조시키기 위해 사용될 수 있는 중간 압력 증기(12)의 공급원으로서 황 회수 유닛(64)을 보여준다. 더 구체적으로, 도 4는 가스화기(26) 내의 연료로서 최초에 건조한 고체를 사용할 수 있는 시스템의 실시예를 도시하며, 이것은 그 다음에 생 합성 가스를 생산할 수 있다. 생 합성 가스는 그 다음에 합성 가스 가스 클리닝 유닛(60) 내로 공급될 수 있으며, 합성 가스 가스 클리닝 유닛(60)은 생 합성 가스를 냉각시키고, 산성 제거 공정을 통해 H2S를 제거하여, 청정한 합성 가스를 생산할 수 있다. H2S는 그 다음에 원소 황으로의 H2S의 변환을 위해 황 회수 유닛(64)으로 보내질 수 있다. 황 회수 유닛(64)은 예를 들어 클라우스 유닛(Claus unit) 및/또는 테일 가스 유닛으로의 급수로서 보일러 급수(boiler feed water)(BFW)(114)를 사용함으로써 중간 압력 증기(12)를 발생시킨다. 클라우스 반응과 같은 황 회수 반응은 발열 반응이고, 황 회수 유닛(64)으로부터 소정 범위의 중간 압력 증기(12)(예를 들어, 대략 450℉ 내지 520℉이고 압력이 대략 400PSIG 내지 800PSIG인 증기)를 생산하는 데에 매우 적합할 수 있다. 따라서, 황 회수 유닛(64)은 황 회수 반응으로부터의 열을 보일러 급수(114)로 전달하는 다양한 열교환기를 포함할 수 있으며, 이것에 의해 중간 압력 증기(12)를 생산한다.
황 회수 유닛(64)에 의해 생산된 중간 압력 증기(12)는 그 다음에 고체 원료(16)를 건조 및/또는 사전가열하는 데에 사용하기 위해 열교환기(66)로 지향될 수 있다. 이해하는 바와 같이, 중간 압력 증기(12)는 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 중간 열 전달 매체[예를 들어, 가스(32)]에 의해 간접적으로, 또는 도 1에 도시된 바와 같이 고체 원료(16)와 직접 접촉하는 열교환기(예를 들어, 참조번호 22)를 통해 더 직접적으로 고체 원료(16)로 열을 전달하기 위해 사용될 수 있다. 도 4의 도시된 실시예에서, 열교환기(66)로부터의 고온 가스(32)는 고체 원료 건조기 구성요소[예를 들어, 분쇄기(116)] 내로 공급될 수 있으며, 이것은 고체 원료(16)를 분쇄하고 또한 고체 원료(16)로부터 수분을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 고온 가스(32)는 다른 것 중에서도 공기 분리 유닛(68)(도 3에 도시됨)에 의해 생산된 질소, 공기, 이산화탄소(CO2) 또는 과열된 증기를 포함할 수 있다.
고온 가스(32)는 분쇄기(116) 내로 들어갈 수 있으며, 직접 접촉 또는 열 전달 매체를 통해 고체 원료(16) 내로 열에너지를 전달할 수 있다. 예를 들어, 소정 실시예에서, 분쇄기(116)는 고온 가스(32)가 고체 원료(16) 위를 직접적으로 유동하고, 고체 원료(16)로부터 수분을 직접 고온 가스(32) 내로 증발시키는 것을 가능하게 할 수 있다. 추가의 예로서, 분쇄기(116)는 분쇄 챔버를 직접 통과하거나 그 둘레를 지나는 하나 이상의 폐쇄 통로(예를 들어, 챔버, 펌프, 튜브, 중공형 벽 등)를 포함할 수 있으며, 이것에 의해 폐쇄 통로의 벽을 통한 열 전달을 가능하게 하면서 가스(32)를 고체 원료(16)로부터 격리시킨다. 그러한 실시예에서, 고온 가스(32)는 고체 원료(16)로부터 수분을 수집하지 않고, 오히려 고체 원료(16)로의 열 전달이 분리 제거를 위해 수분의 증발을 야기한다. 예를 들어, 별개의 가스 유동(예를 들어, 공기 유동)이 분쇄기(116) 그리고 따라서 고체 원료(16)로부터 수분을 몰아낼 수 있다.
고온 가스(32)가 고체 원료(16)로 직접 또는 간접적으로 열을 전달할 때, 가스(32)는 냉각되고 재순환 또는 대기로의 배출을 위해 냉각된 가스(32)로서 분쇄기(116)로부터 빠져나간다. 만약 냉각된 가스(32)가 재순환된다면, 응축기(118)가 가스(32)에 축적되었을지도 모르는 수분을 응축하기 위해 사용될 수 있고, 녹 아웃(Knock out)(KO) 드럼(120)이 가스(32)로부터의 응축된 수분을 수집하기 위해 사용될 수 있다. 냉각된 가스(23)는 그 다음에 열교환기(66)에 의한 사용을 위해 다시 재순환될 수 있다. 중간 압력 증기(12)가 열교환기(66) 내에서 가스(32)로 열을 전달할 때, 증기(12) 내의 수분은 응축되어 응축물을 생산할 수 있다. 응축물 및/또는 저압 증기는 보일러, HRSG(96) 또는 증기 터빈(94)과 같은 다른 IGCC 시스템(50) 구성요소로 보내질 수 있다. 건조 공정으로부터 유래하는 건조한 고체 원료(16)는 그 다음에 가스화 연료로서 사용을 위해 건조 원료 컨베이어(24)에 의해 가스화기(26) 안으로 운반될 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 IGCC 시스템(50)의 실시예의 섹션(130)의 다이어그램으로서, 연료[예를 들어, 고체 원료(16)]를 건조 및/또는 사전가열하는 데에 사용될 수 있는 중간 압력 증기(12)의 공급원으로서 WGS 반응기(58)를 예시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 가스화기(26)는 고체 원료(16)를 받아들여 가스화하여 생 합성 가스를 생산한다. 생 합성 가스는 WGS 반응기(58) 내로 유동하며, 이것은 더 높은 수소 생산물을 얻기 위해 합성 가스 내의 수소 및 일산화탄소의 비를 대략 3:1의 비로 조정할 수 있다. 물-가스 시프트 반응은 일산화탄소(CO)를 물(예를 들어, 증기)과 반응시켜 이산화탄소(CO2) 및 수소를 형성하는 발열 반응이다. 생 합성 가스는 그 다음에 가스 클리닝 유닛(60) 내로 유동하며, 이것은 생 합성 가스를 냉각하고 이산화탄소 및 황화수소(H2S)를 분리하여 청정한 합성 가스를 발생시킨다. 소정 실시예에서, 분리된 이산화탄소는 이산화탄소 금속 이온 봉쇄(sequestration), 증대된 오일 회수 또는 다른 적용을 위해 사용될 수 있다. 황화수소는 원소 황(62)의 회수를 위해 황 회수 유닛(64)으로 흐른다.
도시된 실시예에서, 물-가스 시프트 반응은 특히 소정 범위의 중간 압력 증기(12)(예를 들어, 대략 450℉ 내지 520℉이고 압력이 대략 400PSIG 내지 800PSIG인 증기)를 생산하기에 매우 적합한 발열 반응이다. 따라서, 냉각 목적을 위해 물-가스 시프트 반응으로부터 급수(114)로 열이 전달될 때, 도시된 WGS 반응기(58)는 급수[예를 들어, 보일러 급수(114)]로부터 중간 압력 증기(12)를 발생시킬 수 있다. 소정 실시예에서, 보일러 급수(114)는 WGS 반응기(58) 내측의 열교환기(예를 들어, 냉각 코일)를 통과한다. 그러나, 임의의 적합한 열 전달 매체가 물-가스 시프트 반응으로부터 급수(114)로 열을 전달하여 WGS 반응기(58)를 냉각하고 중간 압력 증기(12)를 발생시키기 위해 사용될 수 있다.
WGS 반응기(58)에 의해 생산된 중간 압력 증기(12)는 그 다음에 고체 원료(16)를 건조 및/또는 사전가열하는 데에 사용하기 위해 열교환기(66)로 지향될 수 있다. 이해하는 바와 같이, 중간 압력 증기(12)는 도 2, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 중간 열 전달 매체[예를 들어, 가스(32)]에 의해 간접적으로, 또는 도 1에 도시된 바와 같이 고체 원료(16)와 직접 접촉하는 열교환기(예를 들어, 참조번호 22)를 통해 고체 원료(16)로 열을 전달하기 위해 사용될 수 있다. 도시된 실시예에서, 열교환기(66)로부터의 고온 가스(32)는 고체 원료 건조기 구성요소[예를 들어, 분쇄기(116)] 내로 공급될 수 있으며, 이것은 고체 원료(16)를 분쇄하고 또한 고체 원료(16)로부터 수분을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 고온 가스(32)는 다른 것 중에서도 공기 분리 유닛(68)(도 3에 도시됨)에 의해 생산된 질소, 공기, 이산화탄소(CO2) 및 과열된 증기를 포함할 수 있다.
고온 가스(32)는 분쇄기(116) 내로 들어갈 수 있으며, 직접 접촉 또는 열 전달 매체를 통해 고체 원료(16) 내로 열에너지를 전달할 수 있다. 예를 들어, 소정 실시예에서, 분쇄기(116)는 고온 가스(32)가 고체 원료(16) 위를 직접적으로 유동하고, 고체 원료(16)로부터 수분을 직접 고온 가스(32) 내로 증발시키는 것을 가능하게 할 수 있다. 추가의 예로서, 분쇄기(116)는 분쇄 챔버를 직접 통과하거나 그 둘레를 지나는 하나 이상의 폐쇄 통로(예를 들어, 튜브, 중공형 벽 등)를 포함할 수 있으며, 이것에 의해 폐쇄 통로의 벽을 통한 열 전달을 가능하게 하면서 가스(32)를 고체 원료(16)로부터 격리시킨다. 그러한 실시예에서, 고온 가스(32)는 고체 원료(16)로부터 수분을 수집하지 않고, 오히려 고체 원료(16)로의 열 전달이 고온 가스(32)로부터의 제거 분리를 위해 수분의 증발을 야기한다. 예를 들어, 별개의 가스 유동(예를 들어, 공기 유동)이 분쇄기(116) 그리고 따라서 고체 원료(16)로부터 수분을 몰아낼 수 있다.
고온 가스(32)가 고체 원료(16)로 직접 또는 간접적으로 열을 전달할 때, 가스(32)는 냉각되고 재순환 또는 대기로의 배출을 위해 냉각된 가스(32)로서 분쇄기(116)로부터 빠져나간다. 만약 냉각된 가스(32)가 재순환된다면, 응축기(118)가 가스(32)에 축적되었을지도 모르는 수분을 응축하기 위해 사용될 수 있고, 녹 아웃(KO) 드럼(120)이 가스(32)로부터의 응축된 수분을 수집하기 위해 사용될 수 있다. 냉각된 가스(23)는 그 다음에 열교환기(66)에 의한 사용을 위해 다시 재순환될 수 있다. 중간 압력 증기(12)가 열교환기(66) 내에서 가스(32)로 열을 전달할 때, 증기(12) 내의 수분은 응축되어 응축물 및/또는 저압 증기를 생산할 수 있다. 응축물 및/또는 저압 증기는 보일러, HRSG(96) 또는 증기 터빈(94)과 같은 다른 IGCC 시스템(50) 구성요소로 보내질 수 있다. 건조 공정으로부터 유래하는 건조한 고체 원료(16)는 그 다음에 가스화 연료로서 사용을 위해 건조 원료 컨베이어(24)에 의해 가스화기(26) 안으로 운반될 수 있다.
도 5의 WGS 반응기(58)로부터 나오는 중간 압력 증기(12) 공급 라인과 도 4의 황 회수 유닛(64)이 결합되어 단일의 중간 압력 증기(12) 공급 라인을 형성할 수 있음을 이해하여야 한다. 유사하게, 중간 압력 증기(12)를 발생시키는 다른 IGCC 시스템 구성요소가 단일의 중간 압력 증기(12) 공급 라인으로 추가 및 결합된 중간 압력 증기(12) 공급 라인을 구비할 수 있다. 이 단일의 중간 압력 증기(12) 공급 라인은 그 다음에 연료원[예를 들어, 고체 원료(16)]을 건조 및/또는 사전가열하기 위해 전술된 실시예에 의해 사용될 수 있다. 중간 압력 증기(12)의 공급원이 상이한 중간 압력 증기(예를 들어, 상이한 압력 및 온도의 증기)를 제공하도록 독립적으로 선택 가능할 수 있음을 또한 이해하여야 한다. 예를 들어, 도 5의 WGS 반응기(58)에 의해 제공된 중간 압력 증기(12)는 황 회수 유닛(64)에 의해 제공된 중간 압력 증기(12)와 압력 및 온도가 상이할 수 있다. 중간 압력 증기(12) 공급원(58, 64) 둘 모두뿐만 아니라 다른 중간 압력 증기(12) 공급원이 그 다음에 독립적으로 중간 압력 증기(12)를 제공할 수 있다.
도 4 및 도 5는 또한 연료원(52)[예를 들어, 고체 원료(16)]으로의 열 전달을 증가 또는 감소시키기 위해 제공될 수 있는 제어기(28)를 도시한다. 제어기(28)는 기계 판독 가능한 매체 또는 메모리 상에 인코딩된 하드웨어 및/또는 로직(logic), 프로세서 등을 포함할 수 있다. 제어기(28)는 중간 압력 증기(12)로부터 가스(32)로의 열 전달, 가스(32)로부터 고체 원료(16)로의 열 전달, 건조 원료 컨베이어(24)(예를 들어, 가스-혼입된 고체 컨베이어)의 속도 및 가스화기(26)의 작동 특성을 조정(예를 들어, 증가 또는 감소)할 수 있다. 특히, 제어기(28)는 열교환기(66)를 통한 중간 압력 증기(12) 및 가스(32)의 유량을 증가 또는 감소시키거나, 여러 중간 압력 증기(예를 들어, 상이한 온도)를 생산하는 2개 이상의 상이한 IGCC 구성요소(14) 사이에서 선택적으로 변화를 주거나, 분쇄기(116) 내에서의 고체 원료(16)의 체류 시간을 증가 또는 감소시키거나, 가스화기(26)의 상류의 원료(16)의 수분 정도를 변화시키기 위해 고체 원료(16)의 분쇄를 조정할 수 있다. 제어기(28)는 IGCC 구성요소[예를 들어, WGS 반응기(58) 또는 황 회수 유닛(64)], 중간 압력 증기(12), 고체 원료(16), 분쇄기(116) 및 가스화기(26)와 관련된 다양한 센서 피드백을 수신할 수 있다. 예를 들어, 센서 피드백은 원료(16)의 온도, 압력, 수분 함량 및 다른 특성뿐만 아니라, 가스화기(26)의 작동 특성(예를 들어, 온도 및 압력)도 포함할 수 있다. 만약 수분 함량이 만족스러운 수준이 아니면, 제어기(28)는 하나 이상의 파라미터를 조정하여 고체 원료(16)의 수분 함량을 증가 또는 감소시킬 수 있다.
본 발명의 기술적 효과는 출구측 발전소 구성요소로부터의 에너지를 재사용함으로써 고체 원료를 건조시키는 시스템 및 방법을 제공하는 것을 포함한다. 특히, 전술한 바와 같이, 중간 압력 증기는 물-가스 시프트 반응기 및/또는 황 회수 유닛과 같은 출구측 발전소 구성요소로부터 방향전환되어 고체 원료를 건조하기 위해 사용될 수 있다. 개시된 실시예는 새로운 설치의 일부일 수 있거나, 대안적으로, 기존의 고체 연료 준비 시스템에 대한 개량 추가로서 구현될 수 있다. 추가로, 개시된 실시예는 고체 공급물을 건조시키기 위해 증기를 사용하는 임의의 다른 응용에 적용될 수 있다.
본 명세서는 최선의 형태를 비롯한 본 발명을 개시하기 위해, 그리고 또한 장치 또는 시스템을 제조 및 사용하는 것과 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 비롯하여 당업자가 본 발명을 실시하는 것을 가능하게 하기 위해 예를 사용한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구의 범위에 의해 한정되며, 당업자가 생각하는 다른 예를 포함할 수 있다. 그러한 다른 예는, 만약 청구의 범위의 내용과 다르지 않은 구성 요소를 갖는다면, 또는 만약 청구의 범위의 내용과 실질적인 차이가 없는 동등한 구성 요소를 포함한다면, 청구의 범위의 범위 내인 것으로 의도된다.
10 : 원료 준비 시스템 12 : 중간 압력 증기
14 : 가스화 복합 발전(IGCC) 구성요소 16 : 원료
18 : 원료 건조기 20 : 원료 전달 시스템
22 : 열교환기 24 : 건조 원료 컨베이어
26 : 가스화기 28 : 제어기
30 : 원료 준비 시스템 32 : 가스
34 : 열교환기 36 : 열교환기
50 : IGCC 시스템 52 : 연료원
54 : 원료 준비 유닛 56 : 슬래그
58 : 물-가스 시프트 반응기 60 : 가스 클리닝 유닛
62 : 황 64 : 황 회수 유닛(SRU)
66 : 열교환기 68 : 공기 분리 유닛(ASU)
70 : 염 72 : 수처리 유닛
74 : 가스 프로세서 76 : 가스 성분
78 : 연소기 80 : 가스 터빈 엔진
82 : 추가 공기 압축기 84 : 희석 질소 압축기(DGAN)
86 : 터빈 88 : 구동 샤프트
90 : 압축기 92 : 부하
94 : 증기 터빈 엔진
96 : 열 회수 증기 발생(HRSG) 시스템 98 : 제 2 부하
100 : 응축기 102 : 냉각 타워
110 : 섹션 114 : 급수
116 : 분쇄기 118 : 응축기
120 : 녹 아웃(KO) 드럼 130 : 섹션

Claims (3)

  1. 시스템에 있어서,
    20%보다 많은 수분 함량을 가지는 슬러리가 아닌(non-slurry) 고체 원료 공급부(54)와;
    상기 고체 원료 공급부(54)로부터 슬러리가 아닌 고체 원료(16)를 받아들이도록 구성된 가스화기(26)와;
    중간 압력 증기(12)를 생산하도록 구성된 발전소 구성요소(14)와;
    상기 발전소 구성요소(14)로부터 상기 중간 압력 증기를 직접 수용하도록 유체 도관을 이용하여 상기 발전소 구성요소에 유동 가능하게 결합된 제 1 열교환기(22)와;
    상기 발전소 구성요소에 통신 방식으로(communicatively) 결합되고, 상기 중간 압력 증기가 상기 발전소 구성요소를 떠날 때 75 내지 900 파운드/in2의 압력을 갖도록 상기 유체 도관을 이용한 상기 발전소 구성요소로부터 상기 제 1 열교환기로의 상기 중간 압력 증기의 직접 이동을 제어하도록 프로그램된 제어기(28)를 포함하고,
    상기 제 1 열교환기는, 상기 가스화기에 의해 수용되기 전에 상기 중간 압력 증기로부터 상기 슬러리가 아닌 고체 원료로 열을 직접 전달하고 상기 슬러리가 아닌 고체 원료를 건조하여 5%보다 적은 수분 함량을 가지게 하도록 구성되고, 상기 제어기는, 상기 중간 압력 증기가 상기 제 1 열교환기에 들어가기 전에 75 내지 900 파운드/in2의 증기 압력이 떨어지지 않도록 상기 발전소 구성요소를 제어하도록 프로그램되어 있고,
    상기 발전소 구성요소는, 가스화 복합 발전(integrated gasification combined cycle)(IGCC) 발전소 내에 배치되는 황 회수 유닛, 시프트 반응기, 또는 이들의 조합을 포함하고, 상기 발전소 구성요소는 상기 가스화기로부터 하류에 배치되는
    시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기에 의해 제어되는 상기 중간 압력 증기(12)는 상기 발전소 구성요소를 떠날 때 온도가 320 내지 534℉인
    시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기에 의해 제어되는 상기 중간 압력 증기(12)는 상기 발전소 구성요소를 떠날 때 압력이 400 내지 800 파운드/in2이고, 온도가 450 내지 520℉인
    시스템.
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