KR20240024218A - 테일 가스 및 연도 가스 성분의 회수 및 재사용을 위한 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
카본 블랙을 제조하는 방법은, 연소 구역과 반응 구역 그리고 그 사이에 공급원료 주입 구역을 갖는 카본 블랙 반응기에서, 적은 양의 질소를 함유하는 산화 가스 혼합물 중에서 연료를 연소시킴으로써 발생된 연소 가스의 존재 하에 적어도 하나의 탄화수소 공급원료의 일부를 카본 블랙으로 전환시켜 카본 블랙이 고온 가스에 의해 운반되는 생성물 스트림을 형성하는 것을 포함한다. 카본 블랙은 고온 가스로부터 분리되고, 이어서 처리되어 이산화탄소가 많고 질소가 적은 연도 가스를 생성하며, 이 중 적어도 일부는 연소 구역, 반응 구역, 및 공급원료 주입 구역 중 적어도 하나로 다시 향하게 된다.
Description
1. 발명의 분야.
본 발명은 카본 블랙 제조 및 테일 가스 연소 공정에서 생성된 테일 가스 및 연도 가스의 성분을 회수 및 재사용하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
2. 관련 기술분야의 설명.
탄소질 연료 및 기타 유기 물질은 매우 다양한 산업 공정에서 연소된다. 퍼니스 반응기, 연소 기관, 연소실, 보일러, 퍼니스, 가열기, 고온 가스 발생기, 버너, 폐기물 소각로 등이 탄소질 연료를 연소시키는 데 사용된다. 이러한 연소 설비는 에너지를 내거나, 폐기물 및 부산물 물질을 소각하거나, 또는 둘 다를 위해 사용될 수 있다. 예를 들어 퍼니스 또는 보일러 내의 일반적인 연소 공정 동안에, 탄화수소 공급원료 또는 연료는 산소 또는 다른 산화 가스의 존재 하에 연소되고, 연소 배기 가스의 흐름이 생성된다. 카본 블랙 제조, 정유소 작업, 또는 석유화학 작업과 같은 일부 산업에서, 1차 공정 유닛에서 발생된 배기 가스는 에너지 생성 또는 열 회수를 위해 가열기 또는 보일러로 전달된다. 이러한 작업은 배출물을 발생시킬 수 있고, 이것은 임의의 적용가능한 공기 품질 관리 또는 요건의 대상일 수 있다.
예를 들어, 퍼니스 카본 블랙 제조 공정은 일반적으로 버너 또는 연소실에 이어 반응기를 갖는 퍼니스 반응기를 이용한다. 연소 연료 공급물 스트림, 일반적으로 천연 가스 등과 같은 탄화수소 가스 스트림 등은 공기, 산소 또는 산소 농축 공기와 같은 산화제 공급물 가스 스트림과 함께 버너 부분에서 연소되어 고온 연소 가스를 생성한 다음, 퍼니스의 반응기 부분으로 전달된다. 반응기에서, 탄화수소 공급원료는 고온 연소 가스에 노출된다. 공급원료의 일부는 연소되고, 한편 나머지는 분해되어 카본 블랙, 수소, 일산화탄소, 및 기타 가스 생성물을 형성한다. 반응 생성물은 일반적으로 물로 켄칭되고, 생성되는 생성물 스트림, 카본 블랙과 테일 가스의 혼합물은 냉각되고, 백 집진기(bag collector) 또는 기타 필터 시스템으로 운반되고, 그 결과 카본 블랙 함유물은 테일 가스로부터 분리된다. 회수된 카본 블랙은 일반적으로, 예컨대, 예를 들어 분쇄 및 습식 펠릿화에 의해 시장성이 있는 제품으로 완성된다. 펠릿화로부터의 물은 일반적으로 가스, 오일, 테일 가스와 같은 공정 가스, 또는 이들의 조합을 연료로 할 수 있는, 건조기에 의해 제거된다. 이어서, 건조된 펠릿은 건조기로부터 벌크 저장소 또는 기타 취급소로 운반될 수 있다. 건조기는 또한 가스 배출물을 발생시킬 수 있다. 카본 블랙 퍼니스 공정에서 배출물의 주요 공급원은 일반적으로 테일 가스로부터이다. 직접 통기 외에, 테일 가스 배출물은 플레어(flare)를 사용하여 배출되었다. 테일 가스는 가연성 가스 성분을 함유할 수 있다. 이러한 테일 가스는 유리하게 연소되어 상기에 기술된 바와 같이 건조기를 위해 또는 다른 용도를 위해 열을 발생시킬 수 있다. 연소 이후에, 생성되는 연도 가스는 일반적으로 이산화탄소, 물, 질소, 산소, 및 다른 종을 포함할 수 있다. 이산화탄소는 연도 가스로부터 분리되고 온실 가스 배출을 줄이기 위해 격리될 수 있다. 그러나, 테일 가스 및 연도 가스에 존재하는 다양한 가스 종을 보다 효율적으로 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 연도 가스의 임의의 배출 전에 온실 가스 분리 공정의 효율을 향상시키기 위해 연도 가스에서 이산화탄소의 농도를 증가시키는 것이 바람직하다.
발명의 요약
한 측면에서, 카본 블랙을 제조하는 방법은 연소 구역, 연소 구역 하류의 적어도 하나의 공급원료 주입 구역, 및 제1 공급원료 주입 구역 하류의 적어도 하나의 반응 구역을 포함하는 카본 블랙 반응기에서, 20-85 부피% 이산화탄소, 15-80 부피% 산소, 30 부피% 이하의 물 및 35 부피% 이하의 질소를 포함하는 산화 가스 혼합물 중에서 연료를 연소시킴으로써 연소 구역에서 발생된 연소 가스의 존재 하에 반응 구역(들)에서 탄화수소 공급원료를 카본 블랙으로 전환시켜 카본 블랙, 이산화탄소, 일산화탄소, 수증기 및 수소를 포함하는 제1 생성물 스트림을 형성하는 단계로서, 여기서 연료는 탄화수소 공급원료의 일부이거나 또는 별도의 연료 공급원이고, 여기서 탄화수소 공급원료의 적어도 일부는 적어도 하나의 공급원료 주입 구역에서 연소 가스와 접촉하는 것인 단계를 포함한다. 방법은 제1 생성물 스트림에 물을 첨가하여 전환을 적어도 부분적으로 중단시키고 카본 블랙, 이산화탄소, 일산화탄소, 수소, 및 수증기를 포함하는 제2 생성물 스트림을 형성하는 단계, 제2 생성물 스트림으로부터 카본 블랙을 제거하여 테일 가스를 형성하는 단계, 테일 가스의 적어도 일부에서 일산화탄소 및 수소 함량을 감소시켜 연도 가스를 생성하는 단계, 테일 가스의 적어도 일부에서 일산화탄소 및 수소 함량을 감소시켜 40 부피% 이하의 질소를 포함하는 연도 가스를 생성하는 단계, 및 연도 가스의 적어도 제1 부분을 연소 구역, 적어도 하나의 공급원료 주입 구역 및 적어도 하나의 반응 구역 중 적어도 하나로 안내하는 단계를 추가로 포함한다.
제1 생성물 스트림은 황-함유 종을 추가로 포함할 수 있고, 물을 제거하는 것은 연도 가스의 제1 부분, 연도 가스의 제2 부분, 또는 둘 다로부터 황-함유 종의 적어도 일부를 제거하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 감소시키는 것은 테일 가스를 연소시키는 것, 테일 가스로부터 수소의 적어도 일부를 분리 및 회수하는 것, 또는 둘 다를 포함할 수 있다. 제1 생성물 스트림 및 제2 생성물 스트림은 각각 일산화탄소를 함유할 수 있고, 감소시키는 것은 분리 및 회수 이후에 테일 가스를 연소시키는 것을 추가로 포함할 수 있다. 방법은 수소를 제거하기 전에 테일 가스로부터 물을 제거하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 방법은 연소 구역으로 테일 가스의 적어도 일부를 안내하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 방법은 테일 가스의 적어도 일부를 안내하기 전에 테일 가스로부터 물을 제거하는 것을 추가로 포함할 수 있으며, 제거된 물은 단계 (b)에서 사용되도록 안내될 수 있다.
방법은 안내하기 전에 연도 가스의 제1 부분을 산화 시약과 조합하는 것을 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 산화 가스 혼합물은 조합된 연도 가스의 제1 부분과 산화 시약을 포함하고, 조합된 연도 가스의 제1 부분과 산화 시약은 연소 구역, 반응 구역, 또는 둘 다로 안내될 수 있다. 방법은 조합하기 전에 연도 가스의 제1 부분을 가열하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 방법은 조합된 연도 가스의 제1 부분과 산화 시약을 가열하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 방법은 안내하기 전에 연도 가스의 제1 부분을 가열하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 방법은 안내하기 전에 연도 가스의 제1 부분을 탄화수소 공급원료와 조합하는 것을 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 조합된 연도 가스와 탄화수소 공급원료는 적어도 하나의 공급원료 주입 구역으로 안내된다. 방법은 조합된 연도 가스의 제1 부분과 탄화수소 공급원료를 가열하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 방법은 고온 연도 가스를 형성하기 위해 연도 가스의 제1 부분을 가열하는 것 및 안내하기 전에 고온 연도 가스를 탄화수소 공급원료와 조합하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 방법은 연도 가스의 제1 부분을 마이크로파, 플라즈마, 및 저항 가열 요소로부터 선택되는 에너지 공급원으로 가열하는 것을 추가로 포함할 수 있다.
방법은 35 부피% 이하의 물을 포함하는 탈수된 연도 가스를 생성하기 위해 연도 가스의 제1 부분으로부터 물을 제거하는 것을 추가로 포함할 수 있고, 제거된 물이, 단계 (b)에서 사용되도록 안내될 수 있다. 방법은 카본 블랙의 일부를 액체와 조합하고 카본 블랙 비드를 형성하고 카본 블랙 비드를 건조시켜 물 함량을 1 wt% 이하로 감소시킴으로써 카본 블랙의 적어도 일부를 펠릿화하는 것을 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 건조시키는 것은 탈수된 연도 가스를 가열하고 카본 블랙 비드를 가열된 탈수된 연도 가스와 접촉시키는 것을 포함한다. 방법은 탈수된 연도 가스의 일부를 전향시키고 전향된 탈수된 연도 가스로부터 이산화탄소의 적어도 일부를 제거하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 방법은 전향된 탈수된 연도 가스로부터 제거된 이산화탄소를 응축 및 저장하는 것 중 하나 또는 둘 다를 추가로 포함할 수 있다.
연도 가스가 탈수되는 경우, 방법은 액체 산소를 증발할 수 있게 함으로써 산화 가스를 제공하는 것을 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 방법은 탈수된 연도 가스로부터 액체 산소로 열 에너지를 전달하는 것을 추가로 포함한다. 카본 블랙을 제거하는 것은 제2 생성물 스트림을 카본 블랙 및 테일 가스로 분리하는 필터를 통해 제2 생성물 스트림을 통과시키는 것을 포함할 수 있으며, 여기서 방법은 탈수된 연도 가스를 사용하여 필터로부터 고체 미립자를 퍼지하는 것을 추가로 포함한다. 카본 블랙을 제거하는 것은 사이클론 분리기를 통해 제2 생성물 스트림을 통과시키는 것을 포함할 수 있고, 방법은 탈수된 연도 가스의 일부를 이용하여 사이클론 분리기에서 테일 가스 및 카본 블랙을 분리하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 방법은 탈수된 연도 가스의 적어도 일부를 압축하는 것을 추가로 포함할 수 있고, 카본 블랙을 제거하는 것은 필터를 통해 제2 생성물 스트림을 통과시키는 것, 및 임의로 압축된 탈수된 연도 가스를 사용하여 필터를 세정하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 감소시키는 것은 버너에서 테일 가스를 연소시키는 것을 포함할 수 있고, 방법은 압축된 탈수된 연도 가스를 사용하여 버너를 세정하는 것을 추가로 포함할 수 있다.
물을 첨가하는 것은 전환을 중단시키기 위해 제1 생성물 스트림에 연도 가스의 제1 부분의 적어도 일부를 첨가하는 것을 추가로 포함할 수 있다.
또 다른 측면에서, 카본 블랙은 상기 약술된 방법 단계들의 임의의 조합 또는 부분 조합을 사용하여 형성된다.
또 다른 측면에서, 카본 블랙을 제조하기 위한 장치는 산화 가스 혼합물 및 연료를 연소시켜 가열된 가스 스트림을 생성하기 위한 연소 구역, 가열된 가스 스트림에 탄화수소 공급원료를 주입하여 생성물 스트림을 형성하기 위한 제1 공급원료 주입 구역, 생성물 스트림에 카본 블랙이 형성되는 제1 반응 구역, 제1 켄칭 인젝터, 및 제1 켄칭 인젝터로부터 생성물 스트림으로 주입된 켄칭 유체로 카본 블랙이 적어도 부분적으로 켄칭되는 제1 켄칭 구역을 포함하는 카본 블랙 반응기를 포함한다. 장치는 카본 블랙이 생성물 스트림으로부터 분리되어 테일 가스를 형성하는, 제1 켄칭 구역과 유체 소통되는 분리기, 추가의 산화 가스로 테일 가스를 연소시켜 고온 연도 가스를 형성하도록 구성된 열 산화기, 및 고온 연도 가스로부터 열 에너지를 제거하여 냉각된 연도 가스를 형성하는 제1 연도 가스 열 교환기를 추가로 포함한다. 출구는 연소 구역, 제1 공급원료 주입 구역, 및 제1 반응 구역 중 적어도 하나와 유체 소통되고 그 상류에 있다.
장치는 황-종 스크러버 및 물 응축기를 포함하는 스크러버 냉각기를 추가로 포함할 수 있다. 스크러버 냉각기는 냉각된 연도 가스의 적어도 일부로부터 황-함유 종 및 물을 제거하여, 탈수된 연도 가스를 생성하는 것이며, 탈수된 연도 가스가 배출되는 출구를 포함한다. 스크러버 냉각기의 출구는 또한 가열기와 유체 소통될 수 있다. 장치는 가열된 탈수된 연도 가스의 적어도 일부를 수용하도록 구성된 카본 블랙 펠릿화기를 추가로 포함할 수 있으며, 이는 이어서 펠릿화기에서 형성된 카본 블랙 펠릿을 건조시킨다. 분리기는 백 필터를 포함할 수 있고, 장치는 탈수된 연도 가스의 적어도 일부를 안내하여 백 필터로부터 미립자 고체를 주기적으로 퍼지하도록 작동가능할 수 있다. 장치는 탈수된 연도 가스에 존재하는 이산화탄소의 적어도 일부를 제거하도록 작동가능한 탄소 포획 시스템을 추가로 포함할 수 있다.
열 교환기는 고온 연도 가스로부터의 열 에너지가 물로 전달되는 보일러일 수 있다. 장치는 출구로부터 연도 가스를 수용하고 압축된 연도 가스를 배출하도록 구성된 압축기를 추가로 포함할 수 있다. 장치는 연소 구역으로 테일 가스의 적어도 일부를 안내하도록 구성될 수 있다. 장치는 테일 가스로부터 물을 제거하도록 구성된 연소 구역 상류의 응축기를 추가로 포함할 수 있다. 장치는 테일 가스로부터 수소를 제거하도록 구성된 연소 구역 상류의 수소 제거 장치를 추가로 포함할 수 있다. 장치는 제2 켄칭 인젝터, 및 제2 켄칭 인젝터로부터 생성물 스트림으로 주입된 켄칭 유체에 의해, 적어도 부분적으로 켄칭된 카본 블랙이 추가로 켄칭되는 제2 켄칭 구역을 추가로 포함할 수 있다.
장치는 연도 가스의 적어도 일부를 가열하기 위해 출구와 연소 구역 및 제1 반응 구역 중 적어도 하나 사이에 배치된 가열기를 추가로 포함할 수 있다. 가열기는 마이크로파 공급원, 플라즈마 공급원, 또는 저항 가열 요소를 포함한다. 장치는 제1 켄칭 구역으로부터 생성물 스트림을 수용하는 열 교환기를 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 열 교환기는 생성물 스트림의 열을 연도 가스의 적어도 일부와 교환시켜 연도 가스의 일부를 400 내지 950℃의 온도로 가열하도록 작동가능하다.
장치는 연도 가스의 적어도 일부를 추가의 산화 가스와 조합하고 조합된 연도 가스와 추가의 산화 가스를 열 산화기로 안내하도록 구성될 수 있다. 연소 구역, 제1 반응 구역, 또는 둘 다는 결과적으로 냉각된 연도 가스의 질량의 일부와 산화 시약의 혼합물을 포함하는, 산화 가스 혼합물을 수용하도록 구성될 수 있다. 즉, 냉각된 연도 가스의 일부는, 예를 들어, 황 및/또는 함유 종의 제거, 수증기의 제거, 가열, 압축, 또는 이들 중 하나 초과에 의해 추가로 처리될 수 있고, 이어서 냉각된 연도 가스의 처리된 일부는 산화 시약과 조합된다.
상기 일반적인 설명 및 하기 상세한 설명은 모두 단지 예시 및 설명을 위한 것이며 청구된 바와 같이 본 발명의 추가 설명을 제공하기 위한 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 도면의 여러 숫자를 참조하여 설명되며, 여기서,
도 1은 다양한 예시적인 실시양태에 따른 카본 블랙 제조 공정의 작동을 보여주는 개략도이다.
도 2는 다양한 예시적인 실시양태에 따른 카본 블랙 제조 공정의 작동을 보여주는 개략도이다.
도 3은 다양한 예시적인 실시양태에 따른 카본 블랙 제조 공정의 작동을 보여주는 개략도이다.
도 4는 예시적인 실시양태에 따른 카본 블랙 제조 공정으로부터의 테일 가스를 탈수된 연도 가스로 전환하는 예시적인 공정을 보여주는 개략도이다.
도 5는 다양한 예시적인 실시양태에 따른 카본 블랙 제조 공정의 작동을 보여주는 개략도이다.
도 6은 다양한 예시적인 실시양태에 따른 카본 블랙 제조 공정의 작동을 보여주는 개략도이다.
도 7은 다양한 예시적인 실시양태에 따른 카본 블랙 제조 공정의 작동을 보여주는 개략도이다.
도 8은 다양한 예시적인 실시양태에 따른 카본 블랙 제조 공정의 작동을 보여주는 개략도이다.
도 9는 비교 실시예에 따른 카본 블랙 제조 공정의 작동을 보여주는 개략도이다.
도 10은 예시적인 실시양태에 따른 카본 블랙 제조 공정의 작동을 보여주는 개략도이다.
도 1은 다양한 예시적인 실시양태에 따른 카본 블랙 제조 공정의 작동을 보여주는 개략도이다.
도 2는 다양한 예시적인 실시양태에 따른 카본 블랙 제조 공정의 작동을 보여주는 개략도이다.
도 3은 다양한 예시적인 실시양태에 따른 카본 블랙 제조 공정의 작동을 보여주는 개략도이다.
도 4는 예시적인 실시양태에 따른 카본 블랙 제조 공정으로부터의 테일 가스를 탈수된 연도 가스로 전환하는 예시적인 공정을 보여주는 개략도이다.
도 5는 다양한 예시적인 실시양태에 따른 카본 블랙 제조 공정의 작동을 보여주는 개략도이다.
도 6은 다양한 예시적인 실시양태에 따른 카본 블랙 제조 공정의 작동을 보여주는 개략도이다.
도 7은 다양한 예시적인 실시양태에 따른 카본 블랙 제조 공정의 작동을 보여주는 개략도이다.
도 8은 다양한 예시적인 실시양태에 따른 카본 블랙 제조 공정의 작동을 보여주는 개략도이다.
도 9는 비교 실시예에 따른 카본 블랙 제조 공정의 작동을 보여주는 개략도이다.
도 10은 예시적인 실시양태에 따른 카본 블랙 제조 공정의 작동을 보여주는 개략도이다.
발명의 상세한 설명
한 실시양태에서, 카본 블랙을 제조하는 방법은 연소 구역, 연소 구역 하류의 적어도 하나의 공급원료 주입 구역, 및 제1 공급원료 주입 구역 하류의 적어도 하나의 반응 구역을 갖는 카본 블랙 반응기에서, 20-85 부피% 이산화탄소, 15-80 부피% 산소, 30 부피% 이하의 물 및 35 부피% 이하의 질소를 포함하는 산화 가스 혼합물 중에서 연료를 연소시킴으로써 연소 구역에서 발생된 연소 가스의 존재 하에 반응 구역(들)에서 탄화수소 공급원료를 카본 블랙으로 전환시켜 카본 블랙, 이산화탄소, 일산화탄소, 수소, 및 수증기를 포함하는 제1 생성물 스트림을 형성하는 것을 포함하며, 여기서 연료는 탄화수소 공급원료의 일부이거나 또는 별도의 연료 공급원, 예를 들어 버너 연료(24)이다. 전환을 실질적으로 중단시키고 카본 블랙, 이산화탄소, 일산화탄소, 수소, 및 수증기를 포함하는 제2 생성물 스트림을 형성하기 위해 제1 생성물 스트림에 물을 첨가한다. 제2 생성물 스트림으로부터 카본 블랙을 제거하여 테일 가스를 형성하고, 일산화탄소 및 수소와 같은 산화성 종을 산화시키고 임의로 제거하도록 처리하여 40 부피% 이하의 질소를 포함하는 연도 가스를 생성하고, 연도 가스의 적어도 일부를 연소 구역, 적어도 하나의 공급원료 주입 구역 및 적어도 하나의 반응 구역 중 적어도 하나로 안내한다. 연도 가스는 SOx, NOx, 및 수증기의 농도를 감소시켜 탈수된 연도 가스를 생성하도록 임의로 처리될 수 있다.
다양한 실시양태 및 구현의 방법 및 장치는 통상의 기술자에게 공지된 임의의 퍼니스 카본 블랙 반응기를 변경하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 이들 방법 및 장치는 미국 특허 번호 3,922,335; 4,383,973; 5,190,739; 5,877,250; 5,904,762; 6,153,684; 6,156,837; 6,403,695; 6,485,693; 7,829,057; 8,871,173; 및 10,829,642 (이들 전부의 전체 내용은 참고로 포함됨)에 기술된 것과 같은 퍼니스 카본 블랙 반응기를 변경하는 데 사용될 수 있다. 도 1에 도시된 예시적인 실시양태에서, 카본 블랙은 연소 구역(12), 공급원료 주입 구역(14), 반응 구역(16) 및 공정 용수(22)를 위한 제1 인젝터(20) 다음에 오는 제1 켄칭 구역(18)을 포함하는 퍼니스 카본 블랙 반응기(10)에서 제조된다. 공정 용수(22)를 제1 인젝터(20) 및 임의의 후속 인젝터(들)를 통해 펌핑할 수 있거나 또는 벤투리 믹서를 거쳐 하나 이상의 인젝터를 통해 주입할 수 있다. 카본 블랙을 제조하기 위해, 액체 또는 기체 버너 연료(24)와 산화 시약(26) 및 하기 기술된 다른 가스를 포함하는 적합한 산화 가스 혼합물을 반응시킴으로써 연소 구역(12)에서 고온 연소 가스를 생성한다. 산화 가스 혼합물의 성분 중 적어도 일부는 제1 산화 가스 입구(27)를 통해 연소 구역(12)에 들어가고, 버너 연료(24)는 연료 입구(25)를 통해 연소 구역(12)에 들어간다. 고온 연소 가스 스트림은 연소 구역(12)으로부터 공급원료 주입 구역(14)을 통해 하류로 흐른다.
카본 블랙 생성 공급원료를 방사상으로, 축방향으로 또는 둘 다로 공급원료 주입 구역(14)에 도입할 수 있다. 카본 블랙 생성 공급원료를 일반적으로 도입 전에 가열한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 카본 블랙 생성 공급원료(28)를 공급원료 가열기(70)에서 가열하여 가열된 공급원료(31)를 형성한다. 방사상으로 주입되는 가열된 공급원료(31)를 공급원료 주입 구역(14)의 원주부 주위에 배치된 복수의 공급원료 입구로부터 주입할 수 있고 연소 구역(12)에서 반응 구역(16)으로 이동하는 고온 연소 가스 스트림에 대해 가로 방향으로 주입한다. 도입 시, 가열된 공급원료(31)는 고온 연소 가스 스트림과 혼합되어 생성물 스트림을 형성하고, 여기서 카본 블랙 생성 공급원료가 열분해되고 카본 블랙이 반응 구역(16)에서 형성된다.
임의로, 그리고 도 1에 도시된 바와 같이, 산화 시약(26)을 포함하는 추가의 산화 가스 혼합물을 2차 산화 스트림으로서 2차 산화 가스 입구(29)를 통해 반응 구역(16)에 공급한다. 생성물 스트림 중 카본 블랙은 각각 하나 이상의 인젝터, 예를 들어, 제1 인젝터(20)에 의해 공급되는, 하나 이상의 켄칭 구역, 예를 들어, 제1 켄칭 구역(18)에서 켄칭될 수 있다. 다양한 구역의 유용한 직경 및 길이 및 다양한 인젝터를 통해 주입되는 물의 양은 참고로 포함되는 상기-표시된 특허를 참조하여 선택될 수 있다. 카본 블랙의 최종 모폴로지에 미치는 이들 파라미터의 영향은 통상의 기술자에 의해 잘 이해되고 본원의 다양한 실시양태의 작동을 변경시키지 않는다. 각각의 후속 반응 구역에서 추가의 카본 블랙 생성 공급원료의 주입으로, 반응이 부분적으로 켄칭되는 켄칭 구역에 의해 임의로 분리된 2개 이상의 반응 구역을 이용하는 구성과 같은 대안적인 카본 블랙 반응기 구성이 또한 가능하다 (도 1a). 대안적으로 또는 추가적으로, 추가의 공급원료(28) 또는 가열된 공급원료(31)를 공정 용수(22)와의 반응을 먼저 켄칭하지 않고 반응 구역(16)으로 주입할 수 있다 (도 1b).
고온 연소 가스 스트림을 생성하기 위해 연소 구역(12)에서 산화 가스 혼합물과 반응시키는데 사용하기 적합한 연료 중에는 임의의 용이한 가연성 가스, 증기, 및/또는 액체 스트림, 예컨대 천연 가스, 석탄 가스, 바이오매스 가스, 바이오매스 액체, 화학 공정 부산물 스트림으로부터 생성된 액체 연료, 수소, 일산화탄소, 메탄, 아세틸렌, 알콜, 케로센, 또는 2 MJ/N㎥ 초과의 저위 발열량 (LHV)을 갖는 임의의 가스가 포함된다. 이들의 조합을 또한 사용할 수 있다. 그러나, 고 함량의 탄소-함유 성분, 및, 특히 탄화수소를 갖는 연료를 이용하는 것이 일반적으로 바람직하다. 예를 들어, 하기에 나열된 임의의 카본 블랙-생성 공급원료를 또한 버너 연료(24)로서 사용할 수 있다. 버너 연료(24)를 그의 주변 온도에서 (즉, 임의의 가열 또는 냉각 없이) 800℃까지 임의의 온도에서 연소 구역(12)으로 주입할 수 있다. 고온 연소 가스의 발생을 촉진하기 위해, 산화 시약(26), 산화 시약(26)을 포함하는 산화 가스 혼합물, 또는 산화 가스 혼합물의 다른 성분을 혼합 전에 또는 후에, 예를 들어, 400-950℃의 온도로 예열할 수 있다. 예를 들어, 도 3에서, 산화 시약(26)을 열 교환기(85)에서 가열한다.
본 발명에 의해 사용될 수 있는 카본 블랙-생성 공급원료는 카본 블랙 제조에 유용한 임의의 탄화수소 기체, 액체 또는 오일 공급원료를 포함할 수 있다. 적합한 액체 공급원료는, 예를 들어, 불포화 탄화수소, 포화 탄화수소, 올레핀, 방향족 화합물, 및 다른 탄화수소, 예컨대 바이오매스-유래 액체, 디캔트 오일, 콜 타르 유래 액체, 아스팔텐 함유 오일, 케로센, 나프탈렌, 테르펜, 에틸렌 타르, 크래커 잔류물, 재활용 물질로부터 생산된 오일, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일반적으로, 적어도 60 wt% 탄소 함량을 갖는 임의의 탄화수소-함유 액체를 이용할 수 있다. 적합한 기체 공급원료는, 예를 들어, 천연 가스, 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 및 기타 C4-C6 탄화수소 가스를 포함한다. 사용 전에 황 또는 다른 바람직하지 않은 종을 제거하기 위해 통상의 기술자에게 공지된 기술을 사용하여 임의의 이들 공급원료를 처리할 수 있다. 카본 블랙-생성 공급원료(28)를 그의 주변 온도에서 (즉, 임의의 가열 또는 냉각 없이) 액체 공급원료의 경우 500℃까지 또는 기체 공급원료의 경우 900℃까지 임의의 온도에서 상기에서 논의된 바와 같이 공급원료 주입 구역(14) 또는 후속 주입 구역(들)으로 주입할 수 있다.
또한, 기술된 공정 계획 및 방법을 위한 임의의 공급원료는 기존의 카본 블랙을 제조하는 데 일반적으로 사용되는 추가의 재료 또는 조성물을 함유할 수 있다. 본 발명의 방법은 주기율표의 적어도 하나의 IA족 및/또는 IIA족 원소 (또는 그의 이온)이거나 또는 이를 함유하는 적어도 하나의 물질을 도입하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 적어도 하나의 IA족 및/또는 IIA족 원소 (또는 그의 이온)를 함유하는 물질은 적어도 하나의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 함유한다. 예는 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 프란슘, 칼슘, 바륨, 스트론튬, 또는 라듐, 또는 그의 조합을 포함한다. 이들 성분 중 하나 이상의 임의의 혼합물이 물질에 존재할 수 있다. 물질은 고체, 용액, 분산액, 가스, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 동일한 또는 상이한 IA족 및/또는 IIA족 금속 (또는 그의 이온)을 갖는 하나 초과의 물질을 사용할 수 있다. 여러 물질을 사용하는 경우, 물질을 함께, 별도로, 순차적으로, 또는 상이한 반응 위치에 첨가할 수 있다. 본 발명의 목적을 위해, 물질은 금속 (또는 금속 이온) 그 자체, 이들 원소 중 하나 이상을 함유하는 염을 포함하여, 이들 원소 중 하나 이상을 함유하는 화합물 등일 수 있다. 물질은 카본 블랙 생성물을 형성하도록 진행 중인 반응에 금속 또는 금속 이온을 도입하는 것이 가능할 수 있다. 본 발명의 목적을 위해, 적어도 하나의 IA족 및/또는 IIA 금속 (또는 그의 이온)을 함유하는 물질은 사용되는 경우, 반응기에 임의의 시점에, 예를 들어, 완전한 켄칭 전에 도입할 수 있다. IA족 및/또는 IIA족 금속 (또는 그의 이온) 함유 물질의 양은 사용되는 경우, 카본 블랙 생성물이 형성될 수 있는 한 임의의 양일 수 있다. 카본 블랙 생성 공급원료를 도입하는 것과 동일한 방식으로 물질을 첨가할 수 있다. 물질을 기체, 액체, 또는 고체, 또는 이들의 임의의 조합으로서 첨가할 수 있다. 물질을 한 시점 또는 여러 시점에 첨가할 수 있고 단일 스트림 또는 복수의 스트림으로서 첨가할 수 있다. 물질을 그의 도입 전에 또는 동안에 공급원료, 연료, 및/또는 산화제와 혼합할 수 있다.
카본 블랙 이외에, 생성물 스트림은 이산화탄소, 일산화탄소, 수소, 및 수증기를 함유한다. 켄칭 전에 수증기가 존재하고 생성물 스트림은 켄칭의 결과로서 보다 습해진다. 또한, 생성물 스트림은 일부 질소, 아세틸렌, SOx, NOx, 및 퍼니스 카본 블랙 제조 공정 동안에 일반적으로 생성되는 다른 종을 포함할 수 있다. 켄칭 이후에, 고온 카본 블랙을 함유하는 생성물 스트림은 하나 이상의 열 교환기, 예를 들어, 열 교환기(30)를 통과할 수 있다. 그것에 의해 추출된 열의 사용은 하기에서 보다 상세하게 논의한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 열 교환기(30)는 생성물 스트림으로부터 가스로 열을 전달하지만, 열 교환기(30) 및 임의의 후속 열 교환기(들)는 또한 고온 생성물 스트림으로부터 액체로 열을 전달하는 보일러 또는 다른 열 교환기일 수 있다. 생성물 스트림이 열 교환기(들)를 통과한 후, 냉각 구역 인젝터(34)에 의해 공정 용수(22)가 공급되는 냉각 구역(32)은 하기에 기술된 임의의 분리 및 냉각 단계 전에 생성물 스트림의 온도를 제어할 수 있는 추가의 기회를 제공할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 유사한 냉각 구역이 특정 열 교환기 앞에 위치하여 열 교환기에 들어가는 생성물 스트림의 온도를 제어할 수 있다.
생성물 스트림이 켄칭된 후, 이는 분리기(36)로서 도 1에 표시된, 카본 블랙이 회수되는 임의의 통상적인 분리 및 냉각 단계로 하류로 통과한다. 분리기(36)는 백 필터, 세라믹 필터, 사이클론 분리기, 가스 스트림으로부터 미립자를 분리하기 위한 통상의 기술자에게 공지된 기타 장치, 또는 이들 중 둘 이상의 조합과 같은 장치를 포함할 수 있다. 켄칭된 생성물 스트림의 분리로 2개의 생성물 스트림, 카본 블랙(37) 및 테일 가스(38)가 생성된다. 통상의 기술자는 소량의 테일 가스가 카본 블랙(37)의 스트림에 존재할 수 있고 그 반대의 경우도 가능하다는 것을 인식할 것이다.
카본 블랙(37)은 임의의 통상적인 카본 블랙일 수 있다. 예를 들어, 카본 블랙(37)은 ASTM D-1765에 따른 N-시리즈 카본 블랙 중 임의의 것, 예를 들어, N100, N200, N300, N500, N600, N700, N800, 또는 N900 시리즈 카본 블랙일 수 있다. ASTM N-시리즈 카본 블랙의 보다 특정한 예는 N110, N121, N134, N 220, N231, N234, N299, N326, N330, N339, N347, N351, N358, N375, N550, N660, N683, N762, N765, N774, 또는 N990 카본 블랙을 포함한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 본원에서 제공된 실시양태에 따라 제조된 카본 블랙은 30 내지 450 mL/100g, 예를 들어, 30 내지 100 mL/100g, 100 mL/100g 내지 200 mL/100g, 200 mL/100g 내지 300 mL/100g, 또는 300 mL/100g 내지 450 mL/100g의 카본 블랙에 대한 오일 흡착수 (OAN, ASTM D-6556)에 의해 주어지는 바와 같은 구조를 가질 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 그리고 상기에 제공된 임의의 구조 값과 조합하여, 카본 블랙은 5 내지 1800 ㎡/g, 예를 들어, 8 ㎡/g 내지 150 ㎡/g, 150 ㎡/g 내지 350 ㎡/g, 350 ㎡/g 내지 600 ㎡/g, 600 ㎡/g 내지 900 ㎡/g, 900 ㎡/g 내지 1300, 또는 1300 ㎡/g 내지 1800 ㎡/g의 표면적 (BET 표면적, ASTM D-2414)을 가질 수 있다. 카본 블랙은 카본 블랙이, 예를 들어, 안료, 강화제, 충전제, 및/또는 열 및/또는 전기 전도체로서 활용되는 것인 임의의 최종-용도 적용에 사용될 수 있고 엘라스토머, 플라스틱, 중합체, 토너, 잉크, 배터리, 접착제, 코팅 등에 유용할 수 있다.
도 1에 도시된 실시양태에서, 테일 가스(38)는 열 산화기(40)로 진행하고, 여기서 산화 시약(26)과 동일한 또는 상이한 조성일 수 있는, 산화 시약(26A)을 포함하는 산화 가스 혼합물로 연소되어, 고온 연도 가스(42)를 생성한다. 열 산화기(40)는 통상의 기술자에게 공지된 임의의 기술, 예를 들어, 직접 연소식 열 산화기, 연소기, 소각로를 이용할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 테일 가스(38)의 일부는 플레어로 향하고 결과적인 연소로부터 에너지를 회수하지 않고 연소될 수 있다. 고온 연도 가스(42)의 에너지를 사용하여 다양한 단위 공정에서 열을 제공할 수 있다. 도 1에서는, 에너지를 사용하여 보일러(44)의 물을 가열한다. 생성된 증기(45)를 사용하여 터빈을 구동하거나, 전기를 생성하거나, 또는 임의의 다른 산업 공정을 위해 증기열 또는 증기를 제공할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 고온 연도 가스(42)는 열 교환기를 통과할 수 있고, 여기서 고온 연도 가스(42)로부터의 열을 사용하여 액체 또는 기체, 예를 들어, 공급원료(28), 산화 시약(26), 또는 산화 가스 혼합물을 가열하고/거나, 카본 블랙 분말(37)로 만든 카본 블랙 펠릿을 건조시킨다. 도 1에 도시된 바와 같이, 보일러(44)에서 나오는 냉각된 연도 가스(46)는 SOx 및/또는 NOx가 제거되는 스크러버(47)로 진행한다. SOx 제거는 통상의 기술자에게 공지된 임의의 방법을 통해 달성될 수 있다. 단독으로 또는 서로 조합하여 사용될 수 있는 예시적인 SOx 제거 방법은 해수 또는 석회석, 석회, 또는 다른 알칼리성 흡수제의 수성 슬러리를 사용한 습식 스크러빙, 흡착제와 냉각된 연도 가스(46)의 혼합물의 분무-건조, 분말 소석회와 같은 흡착제 물질을 냉각된 연도 가스(46)의 스트림에 주입하는 건식 흡착제 주입 공정, 및 내용이 본원에 참고로 포함되는 US5108731에 기술된 것과 같은 습식 황산 공정을 포함한다. 예시적인 NOx 제거 공정은 냉각된 연도 가스(46) 스트림에 암모니아 또는 우레아의 주입 및 전체 내용이 본원에 참고로 포함되는 US9192891에 기술된 방법을 포함하나 이에 제한되지 않는, 통상의 기술자에게 공지된 선택적 촉매 반응기 (SCR) 공정을 포함한다. 스크러버(47)에 대안적으로 또는 추가적으로, '891 특허에 기술된 방법을 포함하나 이에 제한되지 않는 선택적 비-촉매 반응기 (SNCR) 공정을 사용하여 고온 연도 가스(42)로부터 NOx를 제거할 수 있다. SCR 및 SNCR 공정은 통상의 기술자에게 친숙한 특정 온도 범위 (일반적으로 각각 275-500℃ 및 900-1050℃)에서 가장 효율적으로 작동하기 때문에, 이들 공정은 열 산화기와 스크러버(47) 사이의 공정 중 임의의 적합한 지점에 위치할 수 있다. 예를 들어, SNCR(43)은 열 산화기(40)와 보일러(44) 사이에 위치할 수 있으며, SOx 제거만 스크러버(47)에서 발생한다 (도 3). 대안적으로 또는 추가적으로, 일련의 보일러 및/또는 다른 열 교환기가 보일러(44)를 대체할 수 있으며, 여기서 적절한 SCR 및/또는 선태적 비촉매 반응기 (SNCR) 공정이 단계식 열 회수 시스템 앞에 또는 사이에 적절한 위치에 통합된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 내용이 본원에 참고로 포함되는, EP2561921에 기술된 것과 같은 촉매 공정, 또는 할도 톱소(Haldor Topsoe)로부터 상업적으로 입수가능한 SNOX™ 공정과 같은 공정을 또한 이용할 수 있다. 스프레이 타워, 트레이 또는 플레이트 타워, 또는 스크러빙 화학물질과 스크러빙되는 가스, 예를 들어, 냉각된 연도 가스(46) 사이의 접촉을 향상시키는 세라믹 또는 스테인리스 스틸과 같은 패킹 재료의 층을 포함하는, 스크러버를 작동하기 위한 통상의 기술자에게 공지된 임의의 장치를 이용할 수 있다.
산화 시약(26) 및 산화 시약(26A)이 공기를 포함할 수 있지만, 산화 시약은 바람직하게는 공기 중에 발견되는 것과 같은 상당한 양의 질소를 포함하지 않는다. 예를 들어, 산화 시약(26) 및/또는 산화 시약(26A)은 80-100 부피% 산소, 예를 들어 90-100 부피% 산소를 포함할 수 있다. 이러한 산소는 압축된 산소 또는 보다 바람직하게는 증발하는 것이 허용되는 액화 산소일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 산화 시약(26) 및/또는 산화 시약(26A)은 극저온 공기 분리 공정과 같은 압력 스윙 흡착 또는 통상의 기술자에게 공지된 다른 방법을 사용하여 공기 또는 다른 가스로부터 생성되어 산소 가스 농도를 증가시킬 수 있다. 이러한 공정은 산화 시약(26) 및/또는 산화 시약(26A)에 소량의 질소, 아르곤, 또는 다른 가스를 남길 수 있다. 일부 실시양태에서, 산화 시약(26)은 40 부피% 이하의 질소, 예를 들어, 2 부피% - 30 부피%, 3 부피% - 20 부피%, 또는 5 부피% - 10 부피% 질소를 포함한다. 산화 시약(26) 및/또는 산화 시약(26A)에 사용된 질소가 적을수록, 생성되는 탈수된 연도 가스(48)가 이산화탄소에 더 많이 농축될 것이다. 퍼니스 카본 블랙 반응기(10)를 통한 연도 가스의 재순환은 산화 시약(26) 및/또는 산화 시약(26A)을 위한 희석제로서, 예를 들어, 산화 가스 혼합물의 일부로서, 공기 또는 다른 외부에서 제공된 가스를 사용하는 것을 부분적으로 또는 완전히 배제할 수 있어, 시스템 내 질소의 사용을 더욱 감소시킬 수 있다.
카본 블랙 반응기(10)에 사용되는 산화 시약(26)은 테일 가스(38)를 처리하기 위해 하류 공정에 사용되는 산화 시약과 상이할 수 있다. 예를 들어, 공기 또는 가압 공기일 수 있는 대체 산화 시약(26A)을 사용하여 열 산화기(40)에 공급할 수 있다 (도 2 참조). 대안적으로 또는 추가적으로, 대체 산화 시약(26A)을 테일 가스 버너(60) 또는 열 산화기(40) 중 하나 또는 둘 다에 사용할 수 있다 (도 2).
대안적으로 또는 추가적으로, 별도의 공급원으로부터의 추가의 이산화탄소를 연소 구역(12) 및/또는 반응 구역(16)으로 안내될 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소(108)를 연소 구역(12) 및/또는 반응 구역(16)으로 안내하기 전에 산화 시약(26) (도 5) 또는 탈수된 연도 가스(48) (도 6 참조)와 조합할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 산화 가스 혼합물의 하나 이상의 성분과는 별도로, 연소 구역(12) (도 2), 반응 구역(16), 또는 둘 다로 안내될 수 있다.
한 대안적인 실시양태에서, 테일 가스(38)는 테일 가스(38)가 처리되고 그 안의 에너지가 활용되는 여러 병렬 공정으로 안내될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 테일 가스(38)는 3개의 스트림(38A, 38B, 및 38C)으로 분할된다. 스트림(38A)은 산화 시약(26A)을 탈수된 연도 가스(48)와 조합함으로써 형성된 산화 가스 혼합물과 함께 연소되도록 테일 가스 버너(60)로 향한다. 테일 가스 버너(60)로부터, 고온 연도 가스(42A)는 카본 블랙(37)의 간접 건조를 위해 건조기(62)로 향한다. 이어서 고온 연도 가스(42A)는 보일러(44)로 향한다. 스트림(38B)은 산화 시약(26A)을 탈수된 연도 가스(48)와 조합함으로써 형성된 산화 가스 혼합물의 도움으로 연소되도록 공급원료 가열기(70)의 소성 박스(68)로 향한다. 생성되는 고온 가스는 공급원료 가열기(70)로 향하고, 여기서 공급원료(28)는 원하는 온도로 예열된 다음, 가열된 공급원료(31)로서 공급원료 주입 구역(14)으로 공급된다 (도 1). 스트림(38C)은 열 산화기(40)로 향한다. 건조기(62)로부터의 고온 연도 가스 스트림(42A), 공급원료 가열기(70)로부터의 고온 연도 가스 스트림(42B) 및 열 산화기(40)로부터의 고온 연도 가스(42)는 조합되어 보일러(44)로 공급될 수 있으며, 이로부터 냉각된 연도 가스(46)는 스크러버(47)로 진행한다.
이전 단위 공정으로부터 생성된 임의의 수증기 함량, 예를 들어, 40-50 부피%를 가질 수 있는, 스크러버(47)에서 나오는 스크러빙된 연도 가스(46A)는 이어서 가스 건조기(49)에서 탈수된다. 가스 건조기(49)는 직접 및 간접 방법을 모두 포함하여, 가스를 탈수하기 위해 통상의 기술자에게 공지된 장치를 사용할 수 있다. 직접 방법은 냉각 스크러버 또는 벤투리 믹서 및 스크럽 탱크에서 스크러빙된 연도 가스(46A)와 접촉하는 냉각수의 사용을 포함한다. 대안적으로, 물, 암모니아, 글리콜 등과 같은 냉각 시약을 사용하여 열 교환기에서 스크러빙된 연도 가스(46A)를 탈수할 수 있으며, 냉각 시약은 응축기를 통해 재순환되어 스크러빙된 연도 가스(46A)로부터 전달된 열을 제거한다. 냉각된 물(50)은 폐수(51)로서 배출될 수 있고/거나 공정 용수(22)의 적어도 일부로서 사용하기 위해 재순환될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 가스 건조기(49)로부터의 물은 배출 또는 재순환 전에 먼저 냉각기(54)에서 냉각되고, 생성된 냉각된 물(50)의 일부는 가스 건조기(49)로 향해 스크러빙된 연도 가스(46A)를 탈수시킨다. 도 1은 또한 공정 용수(22)를 형성하기 위해 냉각된 물(50)과 조합된 생활 용수 공급물(23)을 도시한다. 대안적으로, 모든 공정 용수(22)는 생활 용수 공급물(23)로부터 구성될 수 있다. 가스 건조기(49)로부터의 배출 시, 생성된 탈수된 연도 가스(48)는 35 부피% 이하의 수증기, 예를 들어, 30 부피% 이하의 수증기, 25 부피% 이하의 수증기, 20 부피% 이하의 수증기, 또는 2 부피% 수증기 내지 15 부피% 수증기를 가질 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 탈수된 연도 가스(48)는 수증기의 양을 2 부피% 이하, 예를 들어, 1 부피% 이하, 0.5% 이하, 또는 0.2 부피% 내지 1.5 부피%가 되게 하기 위해 건조제가 적재된 용기(들) 위에서 흡착/탈착과 같은 통상의 기술자에게 공지된 다른 방법에 의해 추가로 건조될 수 있다. 탈수된 연도 가스(48)는 40 부피% 이하의 질소, 예를 들어, 30 부피% 이하의 질소, 20 부피% 이하의 질소, 15 부피% 이하의 질소, 10 부피% 이하의 질소, 5 부피% 이하의 질소, 3 부피% 이하의 질소, 1 부피% 이하의 질소, 0.5 부피% 이하의 질소, 또는 0.1 부피% 이하의 질소를 가질 수 있다. 탈수된 연도 가스(48)는 1000 ppm 이하의 일산화탄소, 예를 들어, 800 ppm 이하의 또는 500 ppm 이하의 일산화탄소를 가질 수 있다. 탈수된 연도 가스(48)는 15 부피% 이하의 산소, 예를 들어, 0.5 부피% 내지 12 부피%, 1 부피% 내지 10 부피%, 2 부피% 내지 7 부피%, 0.2 부피% 내지 5 부피%, 3 부피% 이하의 또는 2 부피% 이하의 산소를 가질 수 있다. 탈수된 연도 가스(48)는 적어도 30 부피% 이산화탄소, 예를 들어, 40 부피% 내지 99 부피%, 50 부피% 내지 98 부피%, 60 부피% 내지 95 부피%, 적어도 70 부피%, 적어도 80 부피%, 적어도 90 부피% 또는 적어도 95 부피% 이산화탄소를 가질 수 있다.
탈수된 연도 가스(48)는 퍼니스 카본 블랙 반응기(10)의 여러 단위 공정 및 생성된 카본 블랙 및 다른 부산물의 하류 처리에 사용될 수 있다. 예를 들어, 버너 연료(24)가 연소 구역(12)에서 연소되는 산화 가스 혼합물의 일부를 형성할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 산화 시약(26) 및/또는 산화 시약(26A)을 위한 희석제로서 사용하여 상기 기술된 바와 같이 열 산화기(40), 연소 구역(12)에 도입되는 산화 가스 혼합물, 또는 반응 구역(16) 또는 후속 반응 구역(들)에 도입되는 2차 산화 스트림을 형성할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 탈수된 연도 가스(48)의 적어도 일부를 가압할 수 있다. 후속 단위 공정을 위한 원하는 압력에 따라, 예를 들어, 열 교환기(30) 또는 퍼니스 카본 블랙 반응기(10) 및 그의 하류 공정과 연관된 다른 열 교환기에서 가열하기 전에 탈수된 연도 가스(48)를 가압하는 것이 유리할 수 있다. 한 실시양태에서, 임의의 탈수된 연도 가스(48)가 2차 산화 가스 입구(29)로 전향된 후에 (도 1에 도시된 바와 같음) 또는 전에 (도 5에 도시된 바와 같음) 펌프 또는 압축기(82)를 열 교환기(30)의 상류에 배치할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 탈수된 연도 가스(48)는 2차 산화 스트림에서 추가 가열 없이 사용되지만 압축기(82) 및 열 교환기(30)를 통과하여 가열된 압축된 탈수된 연도 가스(56)가 되고, 이것은 연소 구역(12)에 도입하기 위해 산화 시약(26)과 조합된다. 대안적으로, 탈수된 연도 가스(48)는 2차 산화 스트림에 사용되기 전에 가열 및/또는 압축될 수 있고/거나 연소 구역(12)에 도입되기 전에 가열되지 않을 수도 있다 (도 3).
대안적으로 또는 추가적으로, 탈수된 연도 가스(48)는 산화 시약(26)과 조합될 수 있고 생성된 산화 가스 혼합물은 상기 기술된 바와 같이 연소 구역(12), 반응 구역(16), 또는 후속 반응 구역(들)에 도입하기 전에 가열될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 압축된 탈수된 연도 가스(57)는 열 교환기(85)에서 가열되고 반응 구역(16)에 도입된다. 탈수된 연도 가스(48)가 가열 및/또는 압축되든 또는 되지 않든, 산화 시약(26)과 먼저 혼합되지 않고 반응 구역(16) (또는 상기 기술된 바와 같은 후속 반응 구역(들)) 또는 연소 구역(12)에 직접 도입될 수 있고; 이러한 실시양태에서, 산화 가스 혼합물이, 예를 들어, 연소 구역(12) 또는 반응 구역(16)에서 형성된다. 예를 들어, 도 3에서, 탈수된 연도 가스(48)는 제2 산화 가스 입구(27A)를 통해 연소 구역(12)으로 주입되고 압축된 가열된 탈수된 연도 가스(56)는 2차 산화 가스 보조 입구(29A)를 통해 반응 구역(16)으로 주입된다. 임의의 이들 실시양태에서, 탈수된 연도 가스(48)는 단독으로 또는 산화 시약(26)과의 혼합물로 400 내지 950℃의 온도가 되게 할 수 있다. 한 대안적인 실시양태에서, 탈수된 연도 가스(48)는 제한된 양의 산화 시약(26)과 조합되고, 가열된 다음, 추가의 산화 시약과 조합된다. 산화 시약(26)의 양은 산소와 같은 특정 산화 시약의 인화성을 고려하여 가열기에서 안전하게 수용될 수 있는 양으로 제한될 수 있다.
압축된 탈수된 연도 가스(57)는 퍼니스 카본 블랙 반응기(10)의 임의의 공정 또는 압축된 가스를 필요로 하는 다양한 도면에 도시된 연관된 하류 공정을 지지하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 압축된 탈수된 연도 가스(57)는 카본 블랙 반응기(10)의 사이트 글라스 또는 파일럿 버너를 냉각하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 보일러(44) 및/또는 열 산화기(40)의 그을음을 불어내는데 사용될 수 있다. 압축된 탈수된 연도 가스(57)는 스크러버(47)에서 SCR 촉매의 그을음을 불어내는데 사용될 수 있다. 증가된 이산화탄소 농도는 또한, 바람직하게는 압축된 탈수된 연도 가스(57)로의 압축 이후에 탈수된 연도 가스(48)가 분리기(36)를 세정하기 위한 공정 가스로서 (도 5), 예를 들어, 특히 백 필터 또는 다른 유사한 장치가 사용되는 경우 퍼지/역류 가스로서, 또는 분리기(36)에 사용된 사이클론 장치에 사용될 수 있게 한다. 탈수된 연도 가스의 증가된 이산화탄소 농도는 공기가 고온 분리기(36)에 사용되는 경우 존재할 연소의 위험을 감소시킨다.
대안적으로 또는 추가적으로, 탈수된 연도 가스(48)는 카본 블랙을 추가로 처리하는 데 사용될 수 있다. 카본 블랙은 먼지를 줄이고 취급을 용이하게 하기 위해 흔히 펠릿으로 압축된다. 상대적으로 플러피(fluffy) 카본 블랙의 취급 특성을 향상시키기 위해, 건조한 상태로 또는 액체 펠릿화 보조제의 도움으로 펠릿을 생산하도록 다양한 기계적 공정에 의해 종종 응집된다. 일반적으로 카본 블랙 입자는 약한 힘에 의해 함께 유지된다. 카본 블랙 펠릿을 생산하기 위해 카본 블랙의 펠릿화 방법은 관련 기술분야에 공지되어 있다. 예를 들어, 글랙스너(Glaxner)의 미국 특허 번호 2,065,371은 플러피 카본 블랙 및 물과 같은 액체를 조합하고 일반적으로 구형 카본 블랙 비드가 형성될 때까지 교반하는 습식 펠릿화 공정을 기술한다. 일반적인 카본 블랙 펠릿은 크기가 약 1 밀리미터이다. 물 이외에, 매우 다양한 결합제 첨가제가 플러피 카본 블랙의 펠릿 취급 특성을 더욱 향상시키기 위해 습식 펠릿화 공정에 유용한 것으로 알려져 있다. 이러한 첨가제는 흡습성 유기 액체, 예컨대 에틸렌 글리콜, 탄수화물 (예를 들어, 설탕, 당밀, 가용성 전분, 당류, 리그닌 유도체), 로진, 술포네이트 및 술페이트 음이온성 계면활성제, 지방 아민 에톡실레이트 비이온성 계면활성제, 리그노 술포산 나트륨, 실란, 수크로스, 알킬 숙신이미드, 알킬화 숙신산 에스테르, 및 폴리에틸렌 옥시드-코-폴리디메틸 실록산 계면활성제를 포함하나 이에 제한되지는 않는다. 이어서 비드를 건조시켜 물 함량을 1% 이하로 줄여 카본 블랙 펠릿을 형성한다. 탈수된 연도 가스(48)는 가열되고 건조기에서 직접 접촉을 통해 카본 블랙 펠릿을 건조시키는데 사용될 수 있다. 탈수된 연도 가스(48)는 열 교환기(30)에서 또는 하기 기술된 바와 같이 대체 가열 방법을 사용하여 가열될 수 있다. 예를 들어, 도 3에서, 카본 블랙(37)은 펠릿화기(87)에서 처리된 다음 건조기(62)에서 가열된 압축된 탈수된 연도 가스(56)와 접촉하여 건조된 카본 블랙 펠릿(37A)을 형성한다. 가열된 압축된 탈수된 연도 가스(56)의 낮은 인화성 및 낮은 반응성 때문에 직접 접촉이 가능한 반면, 고온 공기는 더 높은 산소 함량을 갖고 가연성 고온 카본 블랙과 직접 접촉시킨 경우 안전 위험을 초래할 수 있으며, 테일 가스 인화성은 고온 테일 가스가 카본 블랙 펠릿과 접촉하는 건조기로 공기가 누출되면 안전 위험을 초래할 수 있다. 공기 또는 테일 가스의 반응성은 품질에 불리할 수 있는 카본 블랙 특성에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 도 4에서, 건조기(62)는 카본 블랙(37)의 펠릿과 고온 연도 가스(42A) 사이의 간접 접촉에 의해 작동한다. 예를 들어, 고온 연도 가스(42A)는 고온 연도 가스(42A)로부터 카본 블랙(37)을 분리하는 파이프 또는 다른 인클로저 주위의 재킷을 통과할 수 있다.
탈수된 연도 가스(48)의 높아진 이산화탄소 농도는 퍼니스 카본 블랙 반응기(10)의 작동 및 카본 블랙 및 다른 부산물을 수집하기 위한 하류 공정에 여러 이점을 제공한다. 한 실시양태에서, 탈수된 연도 가스(48)의 적어도 일부는 탄소 포획 시스템, 예를 들어 탄소 포획 시스템(52)으로 전향될 수 있다. 탈수된 연도 가스(48) 내 이산화탄소의 증가된 부분 압력은 탄소 포획 시스템(52)의 효율을 향상시킬 수 있다. 탄소 포획 시스템(52)은 통상의 기술자에게 공지된 임의의 이산화탄소 분리, 활용, 격리 및/또는 저장 시스템, 예를 들어, 물리적 흡착 기반 공정 (예를 들어, 활성탄, 메탄올, 글리콜, 또는 이산화탄소와의 반 데르 발스 상호작용에 관여할 수 있는 다른 용매를 사용함), 화학적 흡수 공정 (예를 들어, 아민-계 용매, 탄산칼륨 또는 탄산나트륨과 같은 무기 알칼리성 용액, 또는 이산화탄소와 약한 화학 결합을 형성할 수 있고 쉽게 재생될 수 있는 다른 화학물질을 이용함), 및/또는 막 분리 공정 (예를 들어, 세라믹 또는 제올라이트 막을 사용함)을 포함할 수 있다. 물리적 흡착 공정은 열 스윙 흡착, 압력 스윙 흡착, 및 부분 압력 스윙 흡착을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 이산화탄소 분리는 또한, 예를 들어, 물을 제거하기 위해 칠러, 압력 스윙 흡착, 또는 다른 적합한 공정을 사용한 다음 산소 및 아르곤과 같은 더 낮은 비점 가스를 제거하면서 이산화탄소를 응축시키는 것에 의해 건조 공정을 포함할 수 있다. 이산화탄소 분리 공정은 또한 산소, 예를 들어, 열 산화기(40)에서 소비되지 않았던 과잉 산소를 제거할 수 있다. 분리 이후에, 이산화탄소(90) (도 6)는 지하 염분 대수층 또는 다른 탄소 격리 대수층에 주입될 수 있으며, 다른 나머지 가스 (주로 물 및 산소, 소량의 질소 및 다른 가스 포함)(92)는 배출된다. 통상의 기술자에게 공지된 다른 이산화탄소 저장 방법이 또한 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 이산화탄소는 석유 회수 증진, 발효 및 기타 생물학적 공정 촉진, 건축 자재의 제조, 소화기, 음료 생산, 온실-기반 농업, 및 공정 가스로서 이산화탄소를 이용하거나 또는 원료로서 이를 사용하는 기타 제조 및 산업 공정과 같은 산업 및/또는 상업 공정에 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 예를 들어, 산화 시약(26)으로서 사용하도록 지정된 액체 산소는 이산화탄소로부터 열을 제거하고 액화시키기 위해 저온 저장소로서 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 농축된 이산화탄소 스트림과 액체 산소 사이의 열 교환은 산화 시약(26)으로서 사용하기 위해 액체 산소의 증발을 돕도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 이산화탄소 분리 이후에 이산화탄소 농축 스트림에 남아 있는 제한된 양의 열 에너지조차도 활용될 수 있다. 탈수된 연도 가스(48)에서의 이산화탄소의 증가된 농도는 탄소 포획 공정 전에 또는 동안에 탈수된 연도 가스(48)로부터 분리되어야 하는 다른 가스의 양을 감소시킨다. 따라서, 탈수된 연도 가스(48)에서의 이산화탄소의 농도가 높을수록 탄소 포획 시스템(52)의 구성요소의 필요한 크기를 감소시킬 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 냉각된 연도 가스(46)의 적어도 일부는 조합된 연도 가스 스트림이 본원에 기술된 다양한 연소 공정에 사용되기 전에 전향되고 탈수된 연도 가스(48)와 블렌딩될 수 있다. 예를 들어, 도 7에서, 냉각된 연도 가스(46)의 일부는 가스 건조기(49A)로 전향되어 물을 제거한 다음, 냉각기(54A)에서 냉각되어 냉각된 물(50A)을 생성한다. 냉각된 물(50A)은 냉각된 물(50)이 가스 건조기(49)로 재순환되는 것과 동일한 방식으로 가스 건조기(49A)로 재순환될 수 있거나 또는 공정 용수(22)의 일부로서 사용될 수 있다. 도 7에서, 냉각된 물(50A)은 폐수(51)와 블렌딩되고 배출된다. 가스 건조기(49A)에서 나온 건조된, 냉각된 연도 가스는 바람직하게는 탈수된 연도 가스(48)와 조합되어 연도 가스 혼합물(118)을 형성하기 전에 가열기(116)에서 200℃ 초과로 가열되어 재순환된 연도 가스(120)를 형성한다. 연도 가스 혼합물(118)은 탈수된 연도 가스(48)와 동일한 방식으로 본원에 기술된 임의의 연소 공정에서 또는 퍼니스 카본 블랙 반응기(10)에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 연도 가스 혼합물(118)은, 예를 들어, 열 교환기(30 및/또는 85)에서의 추가적인 가열 전에 또는 후에 (또는 가열 없이) 산화 시약(26)과 조합될 수 있고, 연소 구역(12) 및/또는 반응 구역(16)에 주입될 수 있거나 또는 산화 시약(26)과는 별도로 연소 구역(12) 및/또는 반응 구역(16)에 주입될 수 있다.
탈수된 연도 가스(48)의 경우, 연도 가스 혼합물(118)은 원하는 압력을 달성하기 위해 압축될 수 있다. 예를 들어, 도 7에서, 연도 가스 혼합물(118)은 압축기(82)에서 가압되어 압축된 연도 가스 혼합물(123)을 생성하고, 이것은 카본 블랙 생성 공급원료(28)와 조합되고 공급원료 가열기(30)로 향하고 산화 시약(26)과 또한 조합되고 반응 구역(16)으로 향한다. 압축된 연도 가스 혼합물(123)은 또한 열 교환기(30)를 통과하고, 생성된 가열된 압축된 연도 가스 혼합물(124)은 산화 시약(26)과 조합되고 연소 구역(12)으로 향한다. 특정 실시양태에서는, 냉각된 연도 가스(46)를 탈수할 필요가 없으며, 이 경우 가열기(116)를 또한 생략할 수 있다. 전향될 수 있는 냉각된 연도 가스(46)의 양은 냉각된 연도 가스(46)가 탈수된 연도 가스(48)와 조합되기 전에 탈수되는지 여부 (이는 수증기의 부분 압력을 변화시킬 것임), 탄소 포획 시스템(52)으로 전향되는 탈수된 연도 가스(48)의 양, 산화 시약(26) 및 산화 시약(26A)의 조성, 및 산화 가스 혼합물의 원하는 조성에 따라 달라진다. 그러나, 냉각된 연도 가스(46)의 일부의 전향은 스크러버(47) 및 가스 건조기(49)에 필요한 크기를 감소시킬 것이다. 특정 실시양태에서, 고온 연도 가스(42)는 보일러(44) 전에 SNCR(43)을 통과할 수 있어, 전향되는 냉각된 연도 가스(46)에서의 NOx의 양을 감소시킬 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 탈수된 연도 가스(48) 또는 연도 가스 혼합물(118)은 상기에 기술된 바와 같이 공급원료 주입 구역(14) 또는 후속 공급원료 주입 구역(들)에서 카본 블랙 생성 공급원료의 주입을 위한 무화 가스로서 사용될 수 있다 (도 1). 추가의 공급원료가 반응 구역(16)과 같은 하나 이상의 반응 구역(들)에 주입되는 실시양태에서, 탈수된 연도 가스(48) 또는 연도 가스 혼합물(118)은 무화 가스로서 추가로 사용될 수 있다. 이들 실시양태 중 어느 하나에서, 탈수된 연도 가스(48) 또는 연도 가스 혼합물(118)을 예열하는 것이 바람직할 수 있다. 도 2에서, 탈수된 연도 가스(48)의 일부는 열 교환기(30)를 통과하여 가열된 탈수된 연도 가스(58)를 형성하고, 이것은 산화 시약(26)과 조합되고 연소 구역(12)에 주입된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 탈수된 연도 가스(48)는 공급원료(28)와 조합될 수 있고 혼합물은 열 교환기, 예를 들어, 열 교환기(70)를 통과할 수 있다 (도 3). 도 2에서, 가열된 탈수된 연도 가스(58)는 카본 블랙 생성 공급원료(28)와 조합되고 생성된 혼합물은 공급원료 주입 구역(14)으로 향한다. 연도 가스 혼합물(118)은 임의의 이들 실시양태에서 탈수된 연도 가스(48)와 동일한 방식으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 7에서, 연도 가스 혼합물(118)은 압축되어 압축된 연도 가스 혼합물(123)을 형성하고, 이것은 산화 시약(26)과 조합되어 산화 가스 혼합물을 형성한다. 압축된 연도 가스 혼합물(123)은 또한 열 교환기(30)에서 가열되어 가열된 압축된 연도 가스 혼합물(124)을 형성하고, 이것은 산화 시약(26)과 조합되고 반응 구역(16)으로 향한다.
대안적으로 또는 추가적으로, 탈수된 연도 가스(48) 및/또는 연도 가스 혼합물(118)의 높아진 이산화탄소 함량은 탈수된 연도 가스(48) 및/또는 연도 가스 혼합물(118)을 원하는 대로, 예를 들어, 연소 구역(12) 또는 반응 구역(16)에 주입하기 전에, 산화 시약(26)과 혼합하기 전에, 또는 카본 블랙 생성 공급원료(28)를 위한 무화 가스로서 사용하기 전에 가열하기 위한 추가의 기술을 가능하게 한다. 이것은 카본 블랙 생성 공급원료(28) 또는 산화 시약(26)을 가열하기 위한 연소 기술에 대한 필요성을 줄이거나 또는 없앨 수 있다. 탈수된 연도 가스(48) 및 연도 가스 혼합물(118)의 낮은 탄화수소 및 제한된 산화 함량 때문에, 이들은 연소 방법뿐만 아니라 저항 가열 요소, 마이크로파, 또는 열 플라즈마, 예를 들어, 직접 아크 플라즈마와 같은 전기 구동식 방법에 의해 가열될 수 있다. 예를 들어, 탈수된 연도 가스(48) 및 연도 가스 혼합물(118)은 압축 유무에 상관없이, 상승된 온도에서 에너지를 공급할 수 있는 전기 구동식 가열 요소로 직접 가열될 수 있다. 바람직하게는, 가열 요소는 지르코니아, 탄화몰리브데넘, 탄화규소, 및 통상의 기술자에게 공지된 그러한 다른 재료와 같은 내식성 및 내고온성 재료로 제조된다. 마찬가지로, 마이크로파 또는 전류가 탈수된 연도 가스(48) 또는 연도 가스 혼합물(118)을 통과할 수 있다. 전류는 플라즈마를 생성하고; 마이크로파 가열은 마이크로파 에너지에 따라 플라즈마를 또한 생성할 수 있다.
또한, 캐리어 가스 또는 산화 가스 혼합물의 일부로서 탈수된 연도 가스(48) 또는 연도 가스 혼합물(118)을 사용하면 산소의 원하는 양에 비례하여 연소 구역(12)으로 전달되는 가스의 양을 잠재적으로 감소시킨다. 공기는 약 21 부피% 산소에 불과하지만, 압축 및/또는 가열 유무에 상관없이, 탈수된 연도 가스(48) 또는 연도 가스 혼합물(118)로 제조된 합성 가스, 및 정제된 (예를 들어, 압축된 또는 액화된/증발된) 산소는 임의의 비율의 산소를 가질 수 있어, 필요한 가스의 총량을 줄이고 본질적으로 생성물 스트림의 카본 블랙 함량을 농축시킬 수 있다. 카본 블랙 생성물을 운반하는 데 사용되는 가스의 감소된 양은 주어진 부피의 생성물 스트림에 대해 더 많은 카본 블랙이 제조될 수 있게 하여 반응기 처리량을 증가시킬 수 있다. 또한, 공기와 비교하여 탈수된 연도 가스(48) 또는 연도 가스 혼합물(118)의 높아진 이산화탄소 함량은 주어진 양의 카본 블랙 생성 공급원료로부터 제조될 수 있는 카본 블랙의 양 (수율 효율)을 증가시킬 수 있다.
버너 연료(24)가 연소되는 산화 가스 혼합물은 20-85 부피% 이산화탄소, 15-80 부피% 산소, 30 부피% 이하의 수증기, 및 35 부피% 이하의 질소를 포함할 수 있다. 소량의 다른 물질, 예컨대 아르곤, NOx, SOx, CO, 및 압축된 산소, 압축된 질소, 연도 가스, 및 공기에서 일반적으로 발견되는 다른 성분이 또한 존재할 수 있다. 예를 들어, 산화 가스 혼합물은 30 -80 부피%, 40-75 부피%, 45-70 부피%, 또는 50-60 부피% 이산화탄소를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 산화 가스 혼합물은 20-70 부피% 또는 25-60 부피% 또는 30-50 부피% 산소를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 산화 가스 혼합물은 0.1-20 부피%, 0.5-15 부피%, 1-10 부피%, 또는 2-5 부피% 물을 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 산화 가스 혼합물은 2 부피% - 35 부피% 질소, 4 부피% - 25 부피% 질소, 5 부피% - 15 부피%, 또는 10 부피% 이하의 질소를 포함할 수 있다.
냉각된 연도 가스(46)의 적어도 일부가 재순환되는 경우, 탈수된 연도 가스(48)는 퍼니스 카본 블랙 반응기(10)로 재순환될 필요가 없다. 오히려, 탈수된 연도 가스(48)는 탄소 포획 시스템(52)으로 안내될 수 있으며, 일부는 상기에 기술된 바와 같이 공정 가스로서 사용하기 위해, 예를 들어 분리기(36) 등에서, 스크러버(47)를 세정하기 위해, 사이트 글라스를 냉각하기 위해, 카본 블랙 펠릿을 건조시키기 위해 임의로 전향된다 (도 8). 도 8에 도시된 바와 같이, 냉각된 연도 가스(46)는 전혀 건조 및 재가열되지 않고 탈수된 연도 가스(48) 또는 연도 가스 혼합물(118)과 동일한 방식으로 연소 구역(12), 반응 구역(16), 및 열 산화기(40)로 직접 재순환된다. 마찬가지로, 냉각된 연도 가스(46)는 테일 가스 버너(60)의 산화 시약(26A) 또는 공급원료 가열기(70)의 산화 시약(26)을 위한 희석제 또는 캐리어로서 사용될 수 있다. 냉각된 연도 가스(46)는 가열되고, 가압되고, 산화 시약(26)과 조합되거나 또는 탈수된 연도 가스(48) 및 연도 가스 혼합물(118)에 대해 상기 기술된 바와 같은 동일한 방식으로 연소 구역(12) 및/또는 반응 구역(16)에 개별적으로 주입될 수 있다. 예를 들어, 도 8에서, 냉각된 연도 가스(46)는 압축기(82)에서 가압된다. 생성된 압축된 냉각된 연도 가스(93)는 공급원료(28)와 조합되고 공급원료 가열기(70)로 향하고 또한 산화 시약(26)과 조합되고 연소 구역(12)으로 향한다. 압축된 냉각된 연도 가스(93)는 열 교환기(30)에서 가열되고 생성된 가열된 압축된 냉각된 연도 가스(94)는 산화 시약(26)과 조합되고 반응 구역(16)으로 향한다.
저-질소 산화 가스 혼합물의 사용은 또한 테일 가스(38)의 보다 유익한 사용을 가능하게 한다. 예를 들어, 질소의 감소된 농도는 또한 테일 가스(38)에서의 수소의 비율을 증가시킨다. 대안적으로 또는 추가적으로, 테일 가스(38)의 적어도 일부는 탈수된 테일 가스를 생성하기 위해 연도 가스를 탈수하는 상기 기술된 방법과 같은 통상의 기술자에게 공지된 방법을 사용하여 테일 가스 처리기(100)에서 탈수될 수 있다 (도 6). 생성된 액체 물(102)은 공정 용수(22), 폐수(51)로 안내하거나, 또는 가스 건조기(49) (및 냉각된 연도 가스(46)가 탈수되고 재순환되는 실시양태에서는 가스 건조기(49A))에서 사용하기 위해 냉각된 물(50)과 조합될 수 있다.
수소는 수소 투과성 막, 압력 스윙 흡착, 및 다른 스윙 방법을 포함하여, 통상의 기술자에게 공지된 임의의 방법을 사용하여 탈수하기 전에 또는 후에 테일 가스 처리기(100)에서 테일 가스로부터 임의로 제거될 수 있다. 생성된 수소(104)는 로켓 연료로서, 전기를 생성하기 위한 연료 전지에서 (예를 들어, 제로-배출 차량용), 화석 연료를 위한 수소화탈황 공정에서, 암모니아를 생산하기 위한 하버-보슈(Haber-Bosch) 공정에서, 다양한 광석에서 텅스텐 및 구리와 같은 금속을 회수하기 위한, 식품에 사용하기 위해 오일 및 지방을 수소화하기 위한, 메탄올 및 과산화수소와 같은 화학물질을 생성하기 위한 환원제로서, 그리고 다른 산업 공정에서를 포함하여 다양한 용도를 위해 재활용될 수 있다. 탈수 및 임의적인 수소 제거 이후에, 처리된 테일 가스(106)는, 예를 들어, 테일 가스 버너(60), 소성 박스(68), 또는 열 산화기(40)와 유사한 장치에서 연소될 수 있다. 테일 가스(38)로부터 수소가 제거되는 실시양태에서, 처리된 테일 가스(106)에서의 1차 가연성 가스는 일산화탄소일 것이며, 테일 가스를 연소시키는 데 필요한 산화제, 예를 들어, 산화 시약(26A)의 양을 추가로 감소시킬 것이다.
대안적으로 또는 추가적으로, 생성된 테일 가스와 비교하여 카본 블랙 반응기(10)에서 공기의 사용으로 테일 가스(38)에서의 수소 및 일산화탄소의 증가된 농도는 탈수 이후에 테일 가스(38)를 특히 버너 연료(24)의 적어도 일부로서 재사용하기 적합하게 만든다 (도 6). 예를 들어, 탈수된 테일 가스의 적어도 일부는 연소 구역(12)으로 다시 안내될 수 있으며, 임의의 나머지 탈수된 테일 가스는 일산화탄소의 연소 또는 기타 산화 또는 제거 이전에 수소를 처리하도록 임의로 처리된다. 대안적으로, 테일 가스(38)의 적어도 일부는 탈수 없이 및/또는 수소 제거 없이 연소 구역(12)으로 직접 재순환될 수 있다. 탈수된 테일 가스가 임의적인 수소 제거 이후에, 여전히 (임의의 잔류 수소 이외에) 일산화탄소를 함유하고 있기 때문에, 여전히 유리하게는 연소 구역(12)으로 다시 안내될 수 있다. 탈수 및 수소 제거 중 하나 이상의 유무에 상관 없이, 테일 가스(38)의 적어도 일부가 연소 구역(12)으로 재순환되는 임의의 실시양태에서, 더 적은 부피의 가스가 처리되고 있기 때문에 감소된 양의 산화 시약(26A)이 열 산화기(40)에 필요하다. 또한, 테일 가스의 재순환은 더 적은 양의 연도 가스가 스크러버(47)에서 처리되게 한다. 도 6은 테일 가스 버너(60), 소성 박스(68), 및 열 산화기(40)로 테일 가스(38)를 전향하는 것과 별개인 테일 가스 처리기(100)를 도시한다. 그러나, 탈수하고 심지어 테일 가스(38)로부터 수소를 제거하고 테일 가스 버너(60), 소성 박스(68), 및 열 산화기(40)에서 처리된 테일 가스(106)를 이용하는 것이 바람직할 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 테일 가스(38)의 적어도 일부는 가압될 수 있다. 압축된 테일 가스를 사용하는 장비는 테일 가스의 부피가 더 적기 때문에 더 높은 압력에서 작동될 수 있거나 또는 더 소형일 수 있거나, 또는 둘 다일 수 있다. 예를 들어, 열 산화기(40)의 압축기(112) (도 5)로부터의 압축된 테일 가스의 사용은 고온 연도 가스(42) 및 결과적으로 탈수된 연도 가스(48)에 대한 더 높은 압력을 초래할 것이다. 대안적으로 또는 추가적으로, 연소 구역(12)으로 안내될 테일 가스(38)의 그 일부는 압축될 수 있다. 압축 전에 테일 가스(38)의 전부 또는 일부를 탈수하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 테일 가스(38)는 먼저 테일 가스 처리기(100)에서 처리되어 압축기(110) (도 6)에 대해 도시된 바와 같이 압축 전에 수증기 및 임의로 수소 함량을 감소시킬 수 있다. 테일 가스(38)는 또한 압축기(112)로 안내하기 전에 유사하게 처리될 수 있다
실시예
두 가지 일반적인 카본 블랙 생성물 등급 생산 공정을 실험적 퍼니스 작동 파라미터, 카본 블랙 생성물 수율 상관관계 등을 기반으로 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션된 두 가지 유형의 CB 등급은 반강화 등급의 ASTM N-500 및 600 시리즈 카본 블랙 (저 표면적, 또는 LS 카본 블랙) 및 강화 등급의 ASTM N-100 내지 300 시리즈 카본 블랙 (고 표면적, 또는 HS 카본 블랙)을 포함한다.
시뮬레이션된 모든 생산 공정에 대해, 유사한 공급원료 및 천연 가스 연료를 사용한다. 이들의 특성은 각각 표 1 및 표 2에 나타낼 수 있다.
표 1. CB 생산 공정 시뮬레이션에 사용되는 천연 가스 연료 특성
표 2. CB 생산 공정 시뮬레이션에 사용되는 공급원료 특성
비교 실시예 1: LS (저 표면적) 카본 블랙 제조
본 실시예에서, 도 9에 도시된 퍼니스 카본 블랙 반응기(10)를 사용하여 카본 블랙 생성물을 제조한다. 천연 가스는 공기 송풍기(128)를 통해 공급된 연소 공기(126)로 연소되는 버너 연료(24)로서 사용된다. 예열된 연소 공기(126)는 연소 구역(12)에서 천연 가스를 연소시켜 1차 화염을 형성하고 연소 구역(12)에서 공급원료 주입 구역(14)으로 통과하는 가스 (1차 화염 가스(130))를 생성한다. 표 2에 나열된 디캔트 오일인 공급원료(28)는 240℃로 예열된 다음, 공급원료 주입 구역(14)의 하나 이상의 노즐을 통해 1차 화염에 주입되어 고온 부산물 가스 스트림에 비말 동반된 원하는 카본 블랙 생성물을 함유하는 고온 연기 스트림을 생성한다. 물은 공급원료 주입 구역(14)의 약 10-15 m 하류에 있는 제1 스테이지 인젝터(들)(20)를 통해 안내되어 반응을 종결하고, 이어서 켄칭된 반응기 생성물 스트림은 열 교환기(30)를 통과하여 주변 공기를 예열하여 연소 공기(126)를 생성한다. 냉각된 반응기 생성물 스트림은 냉각 구역(32)에서 약 230℃로 추가로 냉각되고 백 필터(36A)로 전달되어 고체 카본 블랙(37)을 분리해 내고 테일 가스(138)를 생성한다. 상당한 발열량을 갖는 테일 가스(138)는 산화제로서 공기(126A)를 사용하여 열 산화기(40)에서 연소되어 공정 가열 및/또는 증기 생산용 열 회수를 위한 열 (본 실시예의 모델에서는 약 29 MW)을 생성한다. 테일 가스(138)의 연소는 해당되는 환경 규제를 충족하기 위해 휘발성 유기 화합물의 파괴를 완료하고 동시에 고온 연도 가스(142)에서의 과잉 산소 농도를 최소화하여 열 효율을 최대화하고/거나 연도 가스 유량을 최소화하여, 스크러빙된 연도 가스(146A)를 탈수하고 탈수된 연도 가스(148)를 형성하기 위해 약 17.6 MW의 냉각 듀티를 갖는 가스 건조기(49)를 포함하여, 하류 공기 오염 제어 유닛, 예를 들어, SNCR (미도시) 및/또는 스크러버(47)에 대한 설계 용량을 감소시키도록 제어된다. 스트림(148)은 격리, 석유 회수 증진 또는 다른 활용을 위해 CO2를 포획하기 위해 CO2 포획 유닛(52)으로 안내된다.
표 3은 이 공정 이후의 LS 등급 카본 블랙 제조를 위한 주요 공정 파라미터를 요약한 것이다.
표 3 실시예 1에 대한 주요 공정 파라미터
표 3 (계속됨)
표 3 (계속됨)
표 4: 비교 실시예 1에 대한 몇몇 주요 가스 스트림의 조성 및 특성
본 비교 실시예에서, CO2 포획 유닛에서 처리되어야 하는 49,429 N㎥/h의 탈수된 연도 가스(148)가 있을 것이다. 이 가스 스트림은 8.06 부피%의 CO2를 함유한다 (표 4).
실시예 2: 본 발명의 예시적인 실시양태에 따른 LS (저 표면적) 카본 블랙 제조
본 실시예에서, 비교 실시예 1에 사용된 것과 유사한 구성을 갖지만 도 10에 도시된 바와 같은 연도 가스 재순환을 이용하는 퍼니스 탄소 반응기(10)를 사용하여 카본 블랙 생성물을 제조한다. 천연 가스는 산화 시약(26)으로서 산소 스트림과 탈수된 연도 가스(48A)의 혼합물로 형성된 산화 가스 혼합물로 연소되는 버너 연료(24)로서 사용된다. 본 실시예에서, 산소 스트림은 3 부피%의 N2 및 97 부피%의 O2를 함유한다. 산화 가스 혼합물에서의 산소 및 탈수된 연도 가스의 비는 비교 실시예 1에 사용된 것에 가까운 1차 화염 온도를 목표로 하도록 조정된다. 탈수된 연도 가스(48A)의 유량은 실시예 1에 대한 것에 가까운 1차 화염(131)의 스트림 유량을 목표로 하도록 조정된다.
생성된 테일 가스(38)는 또한 탈수된 연도 가스(48B)와 혼합된 산소의 산화 시약(26A) (97 부피%의 O2 및 3 부피% N2)으로 연소되어 고온 연도 가스(42)에서 원하는 화염 온도 및 과잉 산소 농도 수준을 목표로 하고 약 28.6 MW의 열 에너지를 생성한다. 비교 실시예 1과 유사하게, 테일 가스(38)의 연소로부터의 고온 연도 가스(42)는 보일러(44)에서 냉각되어 증기(45)를 생성할 것이다. NOx 및 SOx를 원하는 허용 수준까지 제거한 후, 스크러빙된 연도 가스(46A)는 40℃ (탈수를 위한 냉각 듀티 ~19.9 MW)에서 탈수된다. 생성된 탈수된 연도 가스(48)의 슬립 스트림은 다시 부분적으로 (48A) 재순환되어 산소와 혼합하여 산화 가스 혼합물을 형성하고 버너에 들어가기 전에 열 교환기(30)에서 원하는 온도로 예열된다. 스트림(48B)은 탈수된 연도 가스(48)의 슬립 스트림이며, 이것은 다시 재순환되어 열 산화기(40)용 산화제로서 사용되는 산화 시약(26A)과 혼합된다. 탈수된 연도 가스(48)의 나머지는 CO2 제거를 위해 CO2 포획 유닛(52)으로 안내된다. 본 실시예에 대한 주요 파라미터는 하기 표 5에 요약되어 있다.
표 5 - 실시예 2에 대한 주요 공정 파라미터
표 5 (계속됨)
표 5 (계속됨)
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표 6: 실시예 2에 대한 몇몇 주요 가스 스트림의 조성 및 특성
본 실시예에서, CO2 포획 유닛에서 처리되어야 하는 4,697 N㎥/h의 탈수된 연도 가스가 있을 것이다. 이 가스 스트림은 84.86 부피%의 CO2를 함유한다 (표 6).
비교 실시예 3: HS (고 표면적) 카본 블랙 제조
본 비교 실시예 3에서, 실시예 1에 기술된 바와 같은 통상적인 레시피를 사용하지만 약 1-10 m의 켄칭 길이를 갖는 고 표면적 등급 카본 블랙을 제조한다. 카본 블랙 생성물 처리, 테일 가스 연소, 에너지 회수 및 연도 가스 처리는 일반적으로 실시예 1에 나와 있는 것과 같은 동일한 프로토콜을 따른다. 본 실시예에 대한 주요 공정 파라미터는 하기 표 7에 요약되어 있다. 테일 가스(138)의 연소는 약 36.9 MW의 열 에너지를 발생시키고, 스크러빙된 연도 가스(146A)를 탈수하기 위해 약 25.6 MW의 냉각 듀티를 필요로 한다.
표 7: 실시예 3에 대한 주요 공정 파라미터
표 7 (계속됨)
표 7 (계속됨)
표 8: 비교 실시예 3에 대한 몇몇 주요 가스 스트림의 조성 및 특성
본 비교 실시예에서, CO2 포획 유닛에서 처리되어야 하는 60,588 N㎥/h의 탈수된 연도 가스가 있을 것이다. 이 가스 스트림은 10.18 부피%의 CO2를 함유한다 (표 8).
실시예 4: 예시적인 실시양태에 따른 HS (고 표면적) 카본 블랙 제조
본 실시예 4에서, 실시예 2에 기술된 것과 유사한 방법을 사용하지만 1-10 m의 켄칭 길이를 갖는 고 표면적 등급 카본 블랙을 제조한다. 카본 블랙 생성물 처리, 테일 가스 연소, 에너지 회수 및 연도 가스 처리는 일반적으로 실시예 2에 나와 있는 것과 같은 동일한 프로토콜을 따른다. 본 실시예에 대한 주요 공정 파라미터는 하기 표 9에 요약되어 있다. 테일 가스(38)의 연소는 약 39.3 MW의 열 에너지를 발생시키고, 스크러빙된 연도 가스(46A)를 탈수하기 위해 약 27.1 MW의 냉각 듀티를 필요로 한다.
표 9: 실시예 4에 대한 주요 공정 파라미터
표 9 (계속됨)
표 9 (계속됨)
표 9 (계속됨)
표 10 실시예 4에 대한 몇몇 주요 가스 스트림의 조성 및 특성
본 실시예에서, CO2 포획 유닛에서 처리되어야 하는 7,410 N㎥/h의 탈수된 연도 가스가 있을 것이다. 이 가스 스트림은 85.08 부피%의 CO2를 함유한다 (표 10).
실시예 5: 예시적인 실시양태에 따른 HS (고 표면적) 카본 블랙 제조
본 실시예 5에서, 실시예 4에서와 같은 동일한 장치를 사용하여 고 표면적 등급 카본 블랙을 제조한다. 순수한 산소 대신에, 산소 농축 공기 (40 부피% O2 및 60 부피% N2를 함유함)를 열 산화기(40)의 산화 시약(26A)으로서 사용한다. 산화 시약(26)은 3 부피% N2 및 97 부피% O2를 함유한다. 카본 블랙 생성물 처리, 테일 가스 연소, 에너지 회수 및 연도 가스 처리는 일반적으로 실시예 2에 나와 있는 것과 같은 동일한 프로토콜을 따른다. 본 실시예에 대한 주요 공정 파라미터는 하기 표 11에 요약되어 있다. 테일 가스(38)의 연소는 약 39 MW의 열 에너지를 발생시키고, 스크러빙된 연도 가스(46A)를 탈수하기 위해 약 29 MW의 냉각 듀티를 필요로 한다.
표 11: 실시예 5에 대한 주요 공정 파라미터
표 11 (계속됨)
표 11 (계속됨)
표 11 (계속됨)
표 12 실시예 5에 대한 몇몇 주요 가스 스트림의 조성 및 특성
실시예 6: 예시적인 실시양태에 따른 HS (고 표면적) 카본 블랙 제조
본 실시예 6에서, 실시예 4에서와 같은 동일한 장치를 사용하여 고 표면적 등급 카본 블랙을 제조한다. 실시예 4에서와 같이 본 실시예에서도 산화 시약(26) 및 산화 시약(26A)에 대해 유사한 조성 (3부피% N2 및 97부피% O2)을 사용한다. 본 실시예는 55℃에서 탈수된 탈수된 연도 가스(48)에서 더 높은 수분 함량의 영향을 보여준다. 본 실시예에 대한 주요 공정 파라미터는 하기 표 13에 요약되어 있다. 테일 가스(38)의 연소는 약 41 MW의 열 에너지를 발생시키고, 스크러빙된 연도 가스(46A)를 탈수하기 위해 약 29 MW의 냉각 듀티를 필요로 한다.
표 13: 실시예 6에 대한 주요 공정 파라미터
표 13 (계속됨)
표 13 (계속됨)
표 13 (계속됨)
표 14 실시예 6에 대한 몇몇 주요 가스 스트림의 조성 및 특성
실시예 7: 예시적인 실시양태에 따른 LS (저 표면적) 카본 블랙 제조
본 실시예 7에서, 실시예 2에서와 같은 동일한 장치를 사용하여 저 표면적 등급 카본 블랙을 제조한다. 순수한 산소 대신에, 산화 시약(26)으로서 공기를 사용한다. 산화 시약(26A)은 3 부피% N2 및 97부피% O2를 함유한다. 카본 블랙 생성물 처리, 테일 가스 연소, 에너지 회수 및 연도 가스 처리는 일반적으로 실시예 2에 나와 있는 것과 같은 동일한 프로토콜을 따른다. 본 실시예에 대한 주요 공정 파라미터는 하기 표 15에 요약되어 있다. 테일 가스(38)의 연소는 약 28 MW의 열 에너지를 발생시키고, 스크러빙된 연도 가스(46A)를 탈수하기 위해 약 19 MW의 냉각 듀티를 필요로 한다.
표 15: 실시예 7에 대한 주요 공정 파라미터
표 15 (계속됨)
표 15 (계속됨)
표 15 (계속됨)
표 16 실시예 7에 대한 몇몇 주요 가스 스트림의 조성 및 특성
본 발명의 바람직한 실시양태의 상기 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 본 발명을 개시된 정확한 형태로 제한하거나 철저하게 하려는 의도는 없다. 수정 및 변형은 상기 교시내용에 비추어 가능하고, 또는 본 발명의 실시로부터 획득될 수 있다. 통상의 기술자는 매우 다양한 대안적 시스템 구성이 본원에 기술되고 도면에 개략적으로 도시된 다양한 실시양태에 의해 제공된다는 것을 알 것이다. 숙련된 기술자는 본 개시내용의 이점을 이용하여 본 발명의 다양한 실시양태에 따른 퍼니스 카본 블랙 반응기의 원하는 작동을 위한 구성 및 공정 파라미터를 쉽게 조정할 수 있을 것으로 예상된다. 실시양태는 통상의 기술자가 본 발명을 다양한 실시양태에서 그리고 고려되는 특정 용도에 적합한 다양한 변형과 함께 활용할 수 있도록 본 발명의 원리 및 그의 실제 적용을 설명하기 위해 선택되고 기술되었다. 본 발명의 범위는 본원에 첨부된 청구범위, 및 그의 등가물에 의해 정의되도록 의도된다.
Claims (47)
- 카본 블랙을 제조하는 방법으로서,
(a) 연소 구역, 연소 구역 하류의 적어도 하나의 공급원료 주입 구역, 및 제1 공급원료 주입 구역 하류의 적어도 하나의 반응 구역을 포함하는 카본 블랙 반응기에서, 20-85 부피% 이산화탄소, 15-80 부피% 산소, 30 부피% 이하의 물 및 35 부피% 이하의 질소를 포함하는 산화 가스 혼합물 중에서 연료를 연소시킴으로써 연소 구역에서 발생된 연소 가스의 존재 하에 반응 구역(들)에서 탄화수소 공급원료를 카본 블랙으로 전환시켜 카본 블랙, 이산화탄소, 일산화탄소, 수증기 및 수소를 포함하는 제1 생성물 스트림을 형성하는 단계로서, 여기서 연료는 탄화수소 공급원료의 일부이거나 또는 별도의 연료 공급원이고, 여기서 탄화수소 공급원료의 적어도 일부는 적어도 하나의 공급원료 주입 구역에서 연소 가스와 접촉하는 것인 단계;
(b) 제1 생성물 스트림에 물을 첨가하여 전환을 적어도 부분적으로 중단시키고 카본 블랙, 이산화탄소, 일산화탄소, 수소, 및 수증기를 포함하는 제2 생성물 스트림을 형성하는 단계;
(c) 제2 생성물 스트림으로부터 카본 블랙을 제거하여 테일 가스를 형성하는 단계;
(d) 테일 가스의 적어도 일부에서 일산화탄소 및 수소 함량을 감소시켜 40 부피% 이하의 질소를 포함하는 연도 가스를 생성하는 단계; 및
(f) 연도 가스의 적어도 제1 부분을 연소 구역, 적어도 하나의 공급원료 주입 구역 및 적어도 하나의 반응 구역 중 적어도 하나로 안내하는 단계
를 포함하는 방법. - 제1항에 있어서, 제1 생성물 스트림이 황-함유 종을 추가로 포함하고, 방법이 연도 가스의 제1 부분, 연도 가스의 제2 부분, 또는 둘 다로부터 황-함유 종의 적어도 일부를 제거하는 것을 추가로 포함하는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 감소시키는 것이 테일 가스를 연소시키는 것을 포함하는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 감소시키는 것이 테일 가스로부터 수소의 적어도 일부를 분리 및 회수하는 것을 포함하는 것인 방법.
- 제4항에 있어서, 제1 생성물 스트림 및 제2 생성물 스트림 각각이 일산화탄소를 함유하고, 감소시키는 것이 분리 및 회수 이후에 테일 가스를 연소시키는 것을 추가로 포함하는 것인 방법.
- 제4항에 있어서, 수소를 제거하기 전에 테일 가스로부터 물을 제거하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제6항에 있어서, 제거된 물이, 단계 (b)에서 사용되도록 안내되는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 연소 구역으로 테일 가스의 적어도 일부를 안내하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제8항에 있어서, 테일 가스의 적어도 일부를 안내하기 전에 테일 가스로부터 물을 제거하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제9항에 있어서, 제거된 물이, 단계 (b)에서 사용되도록 안내되는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 안내하기 전에 연도 가스의 제1 부분을 산화 시약과 조합하는 것을 추가로 포함하며, 여기서 산화 가스 혼합물은 조합된 연도 가스의 제1 부분과 산화 시약을 포함하고, 여기서 조합된 연도 가스의 일부와 산화 시약은 연소 구역, 반응 구역, 또는 둘 다로 안내되는 것인 방법.
- 제11항에 있어서, 조합하기 전에 연도 가스의 제1 부분을 가열하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제11항에 있어서, 조합된 연도 가스의 제1 부분과 산화 시약을 가열하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 안내하기 전에 연도 가스의 제1 부분을 가열하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 안내하기 전에 연도 가스의 제1 부분을 탄화수소 공급원료와 조합하는 것을 추가로 포함하며, 여기서 조합된 연도 가스의 일부와 탄화수소 공급원료는 적어도 하나의 공급원료 주입 구역으로 안내되는 것인 방법.
- 제15항에 있어서, 조합된 연도 가스의 제1 부분과 탄화수소 공급원료를 가열하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제15항에 있어서, 연도 가스의 제1 부분을 가열하여 고온 연도 가스를 형성하고 안내하기 전에 고온 연도 가스를 탄화수소 공급원료와 조합하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 연도 가스의 제1 부분을 마이크로파, 플라즈마, 및 저항 가열 요소로부터 선택되는 에너지 공급원으로 가열하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 연도 가스의 제1 부분으로부터 물을 제거하여 35 부피% 이하의 물을 포함하는 탈수된 연도 가스를 생성하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제19항에 있어서, 제거된 물이, 단계 (b)에서 사용되도록 안내되는 것인 방법.
- 제19항에 있어서, 카본 블랙의 일부를 액체와 조합하고 카본 블랙 비드를 형성하고 카본 블랙 비드를 건조시켜 물 함량을 1 wt% 이하로 감소시킴으로써 카본 블랙의 적어도 일부를 펠릿화하는 것을 추가로 포함하며, 여기서 건조시키는 것은 탈수된 연도 가스를 가열하고 카본 블랙 비드를 가열된 탈수된 연도 가스와 접촉시키는 것을 포함하는 것인 방법.
- 제21항에 있어서, 액체가, 제거된 물을 포함하는 것인 방법.
- 제19항에 있어서, 탈수된 연도 가스의 일부를 전향시키고 전향된 탈수된 연도 가스로부터 이산화탄소의 적어도 일부를 제거하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제22항에 있어서, 전향된 탈수된 연도 가스로부터 제거된 이산화탄소를 응축 및 저장하는 것 중 하나 또는 둘 다를 추가로 포함하는 방법.
- 제19항에 있어서, 액체 산소를 증발할 수 있게 함으로써 산화 가스를 제공하는 것을 추가로 포함하며, 여기서 방법은 탈수된 연도 가스로부터 액체 산소로 열 에너지를 전달하는 것을 추가로 포함하는 것인 방법.
- 제19항에 있어서, 카본 블랙을 제거하는 것이, 제2 생성물 스트림을 카본 블랙 및 테일 가스로 분리하는 필터를 통해 제2 생성물 스트림을 통과시키는 것을 포함하며, 여기서 방법은 탈수된 연도 가스를 사용하여 필터로부터 고체 미립자를 퍼지하는 것을 추가로 포함하는 것인 방법.
- 제19항에 있어서, 카본 블랙을 제거하는 것이 사이클론 분리기를 통해 제2 생성물 스트림을 통과시키는 것을 포함하며, 여기서 방법은 탈수된 연도 가스의 일부를 이용하여 사이클론 분리기에서 테일 가스 및 카본 블랙을 분리하는 것을 추가로 포함하는 것인 방법.
- 제19항에 있어서, 탈수된 연도 가스의 적어도 일부를 압축하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제28항에 있어서, 카본 블랙을 제거하는 것이 필터를 통해 제2 생성물 스트림을 통과시키는 것을 포함하며, 여기서 방법은 압축된 탈수된 연도 가스를 사용하여 필터를 세정하는 것을 추가로 포함하는 것인 방법.
- 제28항에 있어서, 감소시키는 것이 버너에서 테일 가스를 연소시키는 것을 포함하며, 여기서 방법은 압축된 탈수된 연도 가스를 사용하여 버너를 세정하는 것을 추가로 포함하는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 물을 첨가하는 것이 전환을 중단시키기 위해 제1 생성물 스트림에 연도 가스의 제1 부분의 적어도 일부를 첨가하는 것을 추가로 포함하는 것인 방법.
- 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항의 방법에 의해 형성된 카본 블랙.
- 카본 블랙을 제조하기 위한 장치로서,
산화 가스 혼합물 및 연료를 연소시켜 가열된 가스 스트림을 생성하기 위한 연소 구역, 가열된 가스 스트림에 탄화수소 공급원료를 주입하여 생성물 스트림을 형성하기 위한 제1 공급원료 주입 구역, 생성물 스트림에 카본 블랙이 형성되는 제1 반응 구역, 제1 켄칭 인젝터, 및 제1 켄칭 인젝터로부터 생성물 스트림으로 주입된 켄칭 유체로 카본 블랙이 적어도 부분적으로 켄칭되는 제1 켄칭 구역을 포함하는 카본 블랙 반응기;
카본 블랙이 생성물 스트림으로부터 분리되어 테일 가스를 형성하는, 제1 켄칭 구역과 유체 소통되는 분리기;
테일 가스를 추가의 산화 가스로 연소시켜 고온 연도 가스를 형성하도록 구성된 열 산화기;
고온 연도 가스로부터 열 에너지를 제거하고 냉각된 연도 가스를 배출하기 위한 출구를 갖는 제1 연도 가스 열 교환기
를 포함하며;
여기서 출구는 연소 구역 및 제1 반응 구역으로부터 선택된 적어도 하나의 장치 요소와 유체 소통되고 그 상류에 있는 것인
장치. - 제33항에 있어서, 황-종 스크러버 및 물 응축기를 포함하는 스크러버 냉각기를 추가로 포함하며, 스크러버 냉각기는 냉각된 연도 가스의 적어도 일부로부터 황-함유 종 및 물을 제거하여, 탈수된 연도 가스를 생성하도록 구성되고, 탈수된 연도 가스가 배출되는 배출 출구를 포함하며, 여기서 배출 출구는 적어도 하나의 장치 요소와 유체 소통되는 것인 장치.
- 제34항에 있어서, 스크러버 냉각기의 배출 출구와 유체 소통되는 가열기, 및 가열기로부터 가열된 탈수된 연도 가스의 적어도 일부를 수용하도록 구성된 카본 블랙 펠릿화기를 추가로 포함하며, 여기서 가열된 탈수된 연도 가스는, 펠릿화기에서 형성된 카본 블랙 펠릿을 건조시키는 것인 장치.
- 제34항에 있어서, 분리기가 백 필터를 포함하고, 장치가 탈수된 연도 가스의 적어도 일부를 안내하여 백 필터로부터 미립자 고체를 주기적으로 퍼지하도록 작동가능한 것인 장치.
- 제34항에 있어서, 탈수된 연도 가스에 존재하는 이산화탄소의 적어도 일부를 제거하도록 작동가능한 탄소 포획 시스템을 추가로 포함하는 장치.
- 제33항에 있어서, 열 교환기가, 고온 연도 가스로부터의 열 에너지가 물로 전달되는 보일러인 장치.
- 제33항에 있어서, 출구로부터 연도 가스의 적어도 일부를 수용하고 압축된 연도 가스를 배출하도록 구성된 압축기를 추가로 포함하는 장치.
- 제33항에 있어서, 연소 구역으로 테일 가스의 적어도 일부를 안내하도록 구성된 장치.
- 제40항에 있어서, 테일 가스의 일부로부터 물을 제거하도록 구성된 연소 구역 상류의 응축기를 추가로 포함하는 장치.
- 제40항에 있어서, 테일 가스의 일부로부터 수소를 제거하도록 구성된 연소 구역 상류의 수소 제거 장치를 추가로 포함하는 장치.
- 제33항에 있어서, 제2 켄칭 인젝터, 및 제2 켄칭 인젝터로부터 생성물 스트림으로 주입된 켄칭 유체에 의해, 적어도 부분적으로 켄칭된 카본 블랙이 추가로 켄칭되는 제2 켄칭 구역을 추가로 포함하는 장치.
- 제33항에 있어서, 연도 가스의 적어도 일부를 가열하기 위해 출구와 적어도 하나의 장치 요소 사이에 배치된 가열기를 추가로 포함하며, 가열기는 마이크로파 공급원, 플라즈마 공급원, 또는 저항 가열 요소를 포함하는 것인 장치.
- 제33항에 있어서, 제1 켄칭 구역으로부터 생성물 스트림을 수용하는 열 교환기를 추가로 포함하며, 여기서 열 교환기는 생성물 스트림의 열을 냉각된 연도 가스의 적어도 일부와 교환시켜 냉각된 연도 가스의 일부를 400 내지 950℃의 온도로 가열하도록 작동가능한 것인 장치.
- 제33항에 있어서, 냉각된 연도 가스의 적어도 일부를 추가의 산화 가스와 조합하고 조합된 냉각된 연도 가스의 일부와 추가의 산화 가스를 열 산화기로 안내하도록 구성된 장치.
- 제33항에 있어서, 연소 구역, 제1 반응 구역, 및 제1 공급원료 주입 구역 중 하나 이상이 산화 가스 혼합물을 수용하도록 구성되고, 여기서 산화 가스 혼합물은 냉각된 연도 가스의 질량의 적어도 일부 및 산화 시약을 포함하는 것인 장치.
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