KR810001613B1 - 습식 산화장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

습식 산화장치

제1도는 종래의 습식산화 장치의 공정도로서 시스템으로부터 액체유동을 조절하는 밸브가 액체수준에 따라 위치된다.

제2도는 본 발명을 설명하는 공정도

제3,4도 및 5도는 제2도에 유사한 도면이나 이의 변형된 것을 나타내는 도면

본 발명은 습식산화 시스템으로부터 에너지를 회수하는 장치에 관한 것이다.

습식산화는 공지된 기술이며 상업적으로 실시되고 있다. 예를 들면 미국특허 제2665249, 2824058, 2903425와 2944396호가 있다. 습식산화 시스템에 의하여 유용한 에너지를 생성하는 시스템들이 특허되어 상업적으로 활용되고 있다.

제1도를 참조하면, 이는 현재까지 상업적으로 실시되고 있는 습식산화시스템의 종래실예에 대한 공정도이다. 일반적으로 이와 같은 시스한에서의 연료는 물에 분산된 폐기물에 따르는 것으로 강조된다. 폐기물류의 처리가 중요시되며 에너지 생성은 2차적이거나 또는 부수적인 것이라고 강조되어 왔다. 이것은 습식산화 단위의 제1목적이 폐기물 처리와 공해물질의 제거인 폐기물 처리과정에서는 타당하다. 그러나 예컨대 고형 폐기물 또는 찌꺼기, 저급의 연료 또는 높은 수분함량을 갖거나(갈탄이나 이탄과 같이) 높은 회분이나 황 함량을 가져서 종래 연소방법에서 문제점을 야기시키는 연료등의 연소할 수 있는 물질들이 존재하며, 이에 대하여는 습식산화가 유리하게 이용될 수 있고, 이를 위하여 변조, 개량된 습식산화 시스템과 에너지 회수에 적당한 장치가 사용될 수 있다. 이와 같은 연료의 다른 실예로서는 목재 폐기물, 폐기물오니 만 바이오메스라고 알려진 연료의 모든 범위가 포함된다. 본 발명은 이와 같은 시스템에 대한 요구로부터 나온 것이다.

본 발명에 의하면 습식산화 방법으로부터 에너지를 회수하는 방법이 제공되는 바, 이 방법은 가연성물질과 물과 유리산소를 함유하는 개스로 구성된 액류를 반응기에 연속적으로 도입하는 단계와, 물질을 연소시키는 단계와, 이로서 생성된 증기를 함유하는 기류를 제거하는 단계와, 에너지원(原)으로서 상기 액류를 이용하는 단계와, 반응 기내에 최대액체 수준을 유지하는 단계와 상기 최대 수준을 유지하기 위하여 액류를 제거할 필요가 없도록 충분한 증발열을 공급하기 위하여 반응기내에 공급되는 가연성 물질, 액체, 개스의 량을 조달하는 단계로 구성된다.

습식산화 방법과 장치에는 반응기, 반응기내에 물을 계속 도입하는 장치, 반응기내의 물에 산소를 생성하는 개스와 함께 연료를 계속 주입하는 장치, 공급하는 수량을 조절함으로써 반응기와 반응기에 연결되어 있는 분리기내에 일정액체 수준을 유지하며 또 반응기내에 유입된 수분을 증발시키기 위하여 연료의 연소열량을 조절하는 장치등을 포함한다.

현재까지 건조되었거나 시도된 습식공기 산화 시스템에 있어서는 본 발명과는 달리 상당한 양의 물이 반응 대역에서 액체로 제거되며 시스템으로부터 배출된 물의 양을 조절함으로써 액체수준이 유지된다. 이것은 제1도에 도시되었으며 시스템에서부터의 액류를 조절하는 밸브가 액체수준에 따라 위치되었다.

본 발명을 첨부도면을 참조하여 설명하고자 한다.

본 발명을 첨부도면을 참조하여 설명하고자 한다.

본 발명은 제2도에 예시되어 있다. 연소될 수 있는 연료치를 갖는 물질을 뜻하는 연료는 관(12)에서 반응용기(10)에 주입된다. 이 용기는 물로 거의 가득 채워져 있고 그의 수준이 유지된다. 물과 공기는 각각 관(14)와 관(16)에서 반응용기에 도입되고, 이 용기는 물에 분산 또는 용해된 연료가 습식산하 현상에 의하여 연소될 수 있는 압력과 온도로서 유지된다. 순수 산소나 또는 산소함유 개스를 공기대신 대치시킬 수 있다.

본 발명에는 종래의 습식산화 시스템으로부터 구별되는 현저한 두 특징이 있는데, 이는 다음과 같다.

(1) 반응 기내의 연소열은 반응기에 공급된 모든 물을 증발시키기에 충분하도록 조절된다.

(2) 이 시스템은 반응기에 공급된 물의 양을 조절함으로써 반응기내의 액체수준을 일정하게 유지하여 조절된다.

제2조를 참조하면, 번호(18)은 출구(20)내의 배출 가스내의 산소를 측정하는 기구를 나타내며: 번호(22)는 밸브의 가압상향류를 조정하는 밸브이다. 종래 산화 시스템에서와 같이 연료와 공기는 기구(18)에 의하여 측정된 잔유산소의 양을 일정하게 유지시키도록 조절된다. 밸브(22)는 시스템을 일정하게 예정된 압력으로 유지하도록 작동된다. 시스템의 압력과 온도는 비응축된 개스와 함께 반응기로부터 배출되는 수증기의 양을 결정한다. 감시기(24)에 의하여 반응 기내의 액체수준을 측정하고 예컨대 펌프(26)를 통하여 도입된 물의 양을 조정함으로써 상기수준을 이 시스템을 연속적으로 조작할 수 있을 것이다.

반응기(10)내의 액체수준의 자동조절은, 반응기(10)내의 액체가 감시기(24)의 수준에 도달했을 때, 반응기에 액류를 공급하는 관(14)내의 밸브를 잠그거나 펌프(26)의 작용을 정지시키도록 하는 감시기(24)에 연결된 계전기에 의하여 조절될 수 있다. 반응기내의 연소량은 공급된 모든 물을 증발시키기에 필요한 열을 충분히 공급하여야 한다. 공급된 연료물질의 최소 요구농도는 약 900 BTU/갈론에 대용됨을 알수 있으며, 이때 1갈론은 연료내의 물과 연료에 의하여 또한 별도로 공급된 물을 합친 것이다.

제2도에서 연료의 물은 별도로 반응기에 주입되는 것으로 도시되어 있다. 연료와 물은 반응로 외부에서 혼합되어 함께 주입될 수 있으나 도시된 방법이 바람직한 방법이다. 취급을 용이하도록 슬러리를 형성하기 위하여 연료를 약간의 물과 혼합하는 것이 필요하거나 바람직할 수도 있으며, 이 경우 이와 같은 목적에는 최소량의 물을 사용하여야 하며, 조절을 목적으로 별도로 잔여량의 물을 주입한다.

반응 용기로부터 배출되는 비-응축성 개스와 증기는 공지된 방법에 의하여 유용한 에너지를 공급하는 데 이용될 수 있다. 제2도에는 터어빈-발생기가 도시되어 있다. 동력발생 싸이클의 효율은 제1도의 종래시스템보다 본 발명에 의하여 증진될 것이다. 왜냐하면 반응단위로부터 배출되는 액류내에 열배제가 없기 때문이다. 예컨대, 다시 제1도를 참조하면 시스템으로부터 배출되는 가열된 액체는, 폐열로서 효율의 손실을 나타내는 상당한 양의 에너지를 함유하고 있다.

본 분야의 숙련자는 대부분의 응용에 있어서 상기 시스템의 결점을 깨달을 것이다. 연료는 대단히 순수한 것일지라도 항상 무기물을 함유하고 있다. 제2도에 도시한 시스템에서 이들 화합물은 반응용기내에 형성될 것이다. 이 시스템은 물기물이 형성되도록 한 다음 주기적으로 시스템을 중단하여 이들 무기물을 모두 배출하고, 다시 새로운 물로서 재출발되는 방식으로 조작될 것이다. 실제로 회분식 조작이 가능하며 어떤 경우에는 이롭기도 하다. 반응용기는 예정된 양의 연료로 채워진다. 이 용기는 예정 조절된 수준까지 반응기를 채우도록 물을 도입함으로써 밀폐된다. 다음에 반응기에 열을 공급하고 어떤 온도에서 산소함유개스가 도입되어 연료를 산화시켜 연소열을 방출한다. 용기로부터 개스가 연속적으로 방출되어 수증기를 제거한다. 이와 같이 제거된 수증기는 예정된 지점에 액수준을 유지시키도록 수용액이나 슬러리 또는 물을 도입시킴으로써 대치된다. 실질적으로 모든 연료가 산화되었을 때 산소함유개스는 정지되고, 반응기는 감압, 배출된 다음 싸이클이 반복된다. 에너지생서기구에 연속적으로 유동개스를 공급하기 위하여는, 반응기 하나가 장입될때 다른 반응기가 가동되도록 둘 또는 그 이상의 반응기를 마련한다. 이와 같은 불연속 시스템은 본 발명의 새로운 특징을 만족시킨다. 즉 시스템의 공급된 실질적인 모든 양의 물을 증발시키고 시스템에 가해진 물의 양을 조절함으로써 수준 조절을 수행하는 것이다. 대부분의 경우에는 통상적인 증기 보일러에서 실시되고 있는 바와 같이 연료를 연속적으로 주입하고, 연속적이거나 단속적으로 보일러 물을 배출시키는 것이 실제적이고 경제적이다.

이렇게 함으로써 액류를 배출하게 되는 것이다. 이와 같은 액류의 배출은 실제적인 목적으로만 행하는 것이고 이상적인 것으로는 시스템으로부터 액류의 배출이 없는 것이다. 보일러물이 배출은 연료가 이상적인 것이 못되고 무기 오염물을 함유하는 때에믄 필요한 것이다. 제3도와 제4도는 반응 용기의 저부에 부착된 보일러 물의 배출관을 나타내고 있다. 어떤 경우에는 제3도와 제4도에 도시한 바와 같이 반응 용기의 저부 대신상부로부터 보일러물의 배출이 이뤄지는 것이 바람직하다. 이와 같은 경우는 예컨대 반응기에 연료를 공급하는 연료의 회분이 바닥에 가라앉지 않고 반응기의 상부로 떠올라 오는 경향이 있을 때이다.

용기의 상부로부터 배출시키는 배열은 여러 가지가 가능하다. 이런 방식의 한예가 제5도에 도시되어 있다. 제5도는 상부에 분리기를 갖고 있는 반응기를 도시한 것이다. 소량의 잔류유치는 반응기의 상부로 떠올라온 회분과 함께 분리기로 유동한 다음 분리기의 저부로 부터 제거된다. 이와 같은 반응기에서는 제5도의 X에서와 같이 반응기의 저부에서 배출이 이뤄진다. 공정자체는 이와 같은 배열에 의하여 영향을 받지 않음을 알 수 있다. 실질적으로 모든 양의 물은 증발되고 기류와 함께 반응기로부터 제거된다. 유체수준, 즉 이 경우에 있어서 분리기내이 유체수준은 시스템의 공급된 물의 양을 조절함으로써 유지된다. 이 공정도는 종래방법인 제1도의 것에 유사하지만 이의 공정과 제어는 서로 상이하여서 본 발명에 의한 신규한 것이다.

본 발명 공정의 제1목적은 유용한 에너지을 공급하는 것이며 이를 행하는 한가지 방편, 즉 터빈-발생기에 폐기를 보내는 것이 제2도에 도시되어 있으며, 여기에서는 폐기가 터어빈(28)을 통과하여 이 터어빈은 발생기(30)와 공기압축기(32)를 구동시킬 수 있으며 특히 판(15)에 유용하다.

본 발명에 있어서는 습식 산화단위로부터 배출되는 기류가 유기증기를 다량 함유하고 있으며 이들 유기물이 증기상에서 산화되게함으로써, 동력생성 싸이클의 효율을 공지된 바와 같이 개량시키는 터어빈발생기에-대하여 초과 가열된 기류를 공급한다.

제3도는 이상의 과정이 수행되는 방법을 도시하고 있다. 공기는 반응 용기(10)로 가는 부분으로 분리되며 여분은 본 방법의 바람직한 구체예인 관(36)을 통하여 증기상 산화기(34)전방에서 상류에 도입된다. 공기는 반응기에 모두 도입되며, 반응기에서 소모되지 않은 산소는 증기상 산화기에서 이용될 것이나, 도시된 장치가 바람직한 것이다. 왜냐하면 이것이 편리한 제어기구를 제공하기 때문이다. 공기와 연료의 비율을 배출 개스내의 산소에 따라 조정하고 반응 기내의 유체수준을 앞에서와 같은 유지함으로써 만일에 공기유동의 일부가 반응기로 들어가고 잔여 부분이 증기상산화기로 들어가도록 공기 유동이 분리되면 반응 용기에 공급된 공기양이 더욱 작아져서 상기 용기내에서 보다 적은 산화가 일어날 것이며, 습식산화단위에서 경험한 바에 따라 반응기를 이탈하여 나가는 증기상의 유기물질이 증가될 것이다. 증기상에서 이와 같이 증가된 양의 유기물질은 증기상 산화기에서 산화되어 상기 산화기로부터 배출되는 온도가 상승되게 할 것이다. 이와 유사한 방법으로 보다 많은 양의 공기가 반응 용기로 들어가고, 보다 적은 양의 공기가 증기상 산화기에 들어가도록 공기를 분리시킴으로써 증기상 산화기로부터 온도를 강하시킬 수 있다.

[실시예 1]

제3도에 도시한 장치는 800psig에서 조작하는 것으로 가정한다. 공급된 공기의 70%가 반응기로 들어가고, 나머지 30%는 증기 산화기(34)로 들어간다고 가정한다. 반응기로부터 배출되는 개스내에는 증기상 산화기로 들어가는 공기(즉 공급된 전체양의 공기) 1ιb 당 0.74ιb의 수증기가 존재할 것이며, 증기상 산화기 외부온도는 1030℉에 달할 것이다. 터어빈의 효율이 80%라면, 상기 터어빈으로부터 나오는 폐기는 263℉의 온도가 되어 공기 1ιb 당 450 BTU의 엔탈피(enthlpy)감소가 일어나게 된다. 압축기가 효율이 78%인 4단계 기구라면 압축공기 1ιb 당 213 BTU가 공급되어야 하며, 도시된 기계의 순배출력은 1ιb 공기당 237 BUT가 될 것이다. 예를 들어 만약 이 단위에 발열량이 7000 BTU/ιb 인 연료를 500 TPD 공급한다면 발생기 샤프트로 향한 터어빈의 순배출력은 약 21000Hp가 될 것이다.

에너지를 기계적인 힘 대신에 열로서 회수하는 것이 바람직하다면 제4도에 따르는 장치가 이용될 수 있다. 제4도에 있어서는 장치(44)가 기류로부터 열을 제거시키는 열교환기이다. 반응기로부터 나온 개스는 가열에 직접 사용될 수 있으나 이 개스는 약간의 산소를 함유하는 비응축성 증기의 혼합물이다. 이 거스는 어느정도 부식성이며 취급하기 곤란하다. 반응기로부터 나온 개스를 물이나 또는 기타 열전도 매체를 가열시키는데 사용하는 것이 더욱 편리하고 실제적이다. 열이 깨스로부터 제거됨에 따라 개스 내의 수증기는 액체로 응축한다. 제4도는 이와 같은 액체가 되는 두개의 다른 과정을 나타내고 있다. 이 액체는(45)로 도시한 바와 같이 시스템으로부터 배출될 수 있거나 또는 재순환 펌프(46)에 의하여 반응기에 재순환될 수 있다.

제4도에는 열이 개스로부터 방출되는 열교환기가 반응기 내부의 유체 수준아래 위치되어 있다. 그러나 열전도율과 부식성 기체는 도시된 위치에 대하여 부적당하다. 열교환기는 또한 반응 용기내의 둥근개스 공간내에도 위치될 수 있다. 용축된 증기와 액체로서 반응기에 회수되면 결과적으로 반응기에 공급되는 물의 공급량이 감소될 것이다. 이렇게 하여도 제어는 전과 같이 반응기에 공급되는 물의 양을 조절하는 데에 따라 영향을 받는다. 그리고 터어빈의 온도는 반응기와 증기상 산화기 사이의 공기 배분비율에 의하여 조정된다.

발생 또는 회수된 기계적인 힘의 양은 공지된 방법에 따라 증기상 산화에서 방출된 열을 조절함으로써 또는 제4도에 있는 열교환 장치에 의하여 개스로부터 배출된 열의 양을 조정함으로 조절할 수 있다. 제4도에서 모타-발생기의 표시를 한 전기기구는 상태에 따라 여분의 전기출력이나 입력을 갖게된다. 팽창기에 의하여 생성된 힘이 압축기에 의하여 요구되는 힘과 균형을 이루면 여분의 전기 입력이나 출력은 존재하지 않게 된다.

제4도의 장치를 특수하게 이용하는 곳은 증기가 열교환기에서 발생되는 곳일 것이다. 보일러 공급수가 열교환기에 공급되면 전체장치는 보일러내에 포함된다. 동력이 발생하여 증기와 힘이 생성되면, 공업용의 증기와 힘을 발생시키는데 이용되는 정도에까지 이룰 수 있다. 고압의 초 가열된 증기가 생성되는 종래 보일러와 유사하게 상기증기는 ＂톱핑 터어빈＂(Topping turbine)을 통과하여 전기력을 발생시키고, 터어빈으로부터 나오는 폐기는 공정가열이나 다른 공장증 거의 필요한 곳에 이용된다.

상기의 기본적인 보일러 시스템을 사용하면 공급된 연료가 높은 황분의 석탄인 경우 본 시스템으로부터 많은 이점을 얻을 수 있다. 높은 황분의 석탄은 충분히 공급되지만 이용하기는 곤란하다. 왜냐하면 이들을 연소시키면 이산화황이 대기중에 배출되기 때문이다. 높은 황분의 석탄의 본 공정에 따라 산화되면 황이 액상에 그대로 존재하게 된다는 것이 발견되었다. 황은 산화되어 산이되거나, 또는 시스템에 알카리에 가해지면 이 산이 중화되어 황은 알카리에 황산염으로서 존재하게 된다. 황은 공기를 오염시키는 이산화황으로 대기중에 배출되지 않는다. 또한 습식산화 반응에 의하여는 질소의 산화물이 생성되지 않으며, 사실상 반응기로부터는 기상으로 입자상 물질이 방출되지 않는다. 황과 질소의 산화물과 입자상 물질은 석탄연소 보일러에서 심각한 문제가 되고 있다. 습식산화 분화에 숙련된 사람이라면 기본연료로서 높은 황분의 석탄이 공급되는 시스템에서 여러 가지 고체와 수용성 폐물에 대하여 소각로로서 사용될 수 있음을 이해할 것이다.

기본연료가 종래의 보일러에서 문제점을 발생하는 높은 수분함량의 갈탄이나 이탄을 경우에 상술한 유닛은 유리하게 운전될 것이다. 같은 이유로 목재 폐기물, 오니 및 바이오메스로 알려진 염료의 모든 범위가 유닛내에서 유리하게 처리될 수 있다.

[실시예 2]

실시예 1에서와 같이 공기가 70%는 반응기로 가고 30는 증기상 산화기로 가는 제4도의 공정을 가정한다. 반응기 배출개스와 수증기가 430℉로 냉각되었다고 가정한다. 이는 공급된 공기 1ιb당 200psig의 증기 0.118ιbs를 생성시킬 것이다. 동일한 양의 공기가 이 기구에 도입됨으로 기상 산화기내의 연소열은 동일할 것이다. 그러나 증기상에는 보다 적은양의 수증기가 있으며 따라서 온도는 더욱 높게 상승하여 터어빈에 대하여 1181℉의 온도에 이르게 된다. 기계로 통과하는 건조된 공기 1ιb로부터 412BTC가 방출될 것이며, 발생기 샤프트에 대한 순출력은 1ιb 공기다 182 BTU가 될 것이다.

[실시예 3]

상기공정과 장치를 그대로 사용하되 반응기 배출개스는 410℉로 냉각된다고 가정하면 1ιb의 공기당 200psig의 증기 0.289ιbs가 발생된다. 터어빈에 대한 온도는 1,333℉가 될 것이다. 터어빈의 전체출력은 384 BTU/1ιb의 공기가 될 것이며 순출력은 155 BTU일 것이다.

본 분야의 숙련자라면 공지된 방법, 예컨대 버어빈-발생기의 배기를 공급수나 공기의 예열에 사용하는 방법등에 의하여 시스템의 효율을 증가시킬 수 있다는 것과 에너지를 보일러 물로부터 회수할 수 있다는 것을 알 것이다.

본 발명의 또다른 응용방법은 통상의 방법으로는 수용성 슬러리나 용액을 농축시키기 어렵거나 불가능한경우 이들 슬러리나 용액을 농축시키는 방편을 제공하게 된다. 제2도를 참조하면 앞의 경우 에서와 같이 고체연료를 (12)에서 주입하게 된다. 농축된 슬러리나 용액은 (14)에서 도입된다. 대부분의 물은 반응기로부터 개스와 함께 제거되고 이에 따르는 보일러물의 배출이 시스템의 생성결과가 될 것이다. 시스템의 조작과 조절은 앞에서와 같다.

Claims (1)

1. 반응기와 가연성 물질과 물을 함유하는 액류와 유리산소를 함유하는 개스를 상기 반응기에 도입시키는 장치와, 가열된 증기를 제거시키며 상기반응기 상부에 위치한 출구를 갖춘 통상의 습식산화 장치에 있어서, 상기증기출구(29)와 연결된 에너지 회수장치와, 반응기내의 가열된 증기를 제거하기 위하여 상기 반응기내 장치인출구(20) 아래에 위치한 액체수준 감시기(24)와 최대액체 수준에 도달되었을 때 상기 액류의 도입이 자동적으로 정지되도록 상기 감시기와 연결되어 액류를 조절하여 반응기에 도입하는 장치를 갖춘 것을 특징으로 하는 열회수를 위한 개스류(流)를 생성하는 습식공기 산화장치.

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