KR100334197B1 - 부분산화동력시스템 - Google Patents

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Abstract

기계 동력, 전기 동력을 발생시켜 환경적으로 안전한 연도 가스를 생산하기 위하여 가스 터빈에서 연료로 사용되는 실질적으로 H2+ CO로 이루어진 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스가 염소 및 유황을 함유하는 불순물을 갖는 액상 탄화수소계 또는 고형 탄소질 연료를 부분 산화하여서 얻는다. 원 연료 가스를 기류 A와 B로 분할하고, 건조한 질소가스와 간접적인 열 교환에 의해 원 연료 가스의 기류 A를 냉각하여 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 생성물 기류와의 간접적인 열 교환에 의해 원 연료 가스의 기류 B를 별개로 냉각한다. 원 연료 가스 기류 A와 B로부터 HCI과 입자 물질이 제거되고, 원 연료 가스 기류 A와 B가 함께 혼합되어진 후, 추가로 냉각되고, 유황을 함유는 가스의 제거가 행해지게 된다.
이 방법에 의하면, 원 연료 가스 중의 부식성 성분에 의해서 금속성 열 교환기에 대해 손상이 방지된다. 이 한 구현예에서, 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스가 가습되어지고, 가스 터빈에서 연소되어 환경을 오염시킴이 없이 동력과 효율을 증대시키게 된다.

Description

부분 산화 동력 시스템
본 발명은 유황 및 염소를 함유하는 액상 탄화수소계 또는 고형 탄소질 연료를 부분 산화시켜서 연료 가스를 제조하는 것에 관한 것으로 이 연료 가스를 정제하고, 연소 터빈에서 연소시킴으로써 동력과 환경적으로 안전한 연도(煙道) 가스를 제조할 수 있는 연료 가스의 제조에 관한 것이다.
공동 양도된 미국특허 제 3,868,817호에는 건조 중량으로 몰 비가 적어도 0.30인 연료 가스를 CO2를 많이 함유하는 온도 조절제의 존재하에 부분 산화시켜서 제조하는 것에 대해 기재되어 있다. 그 다음 주가 공정으로는 연료 가스를 연소 터빈에서 연소시키고 있다. 비교적 높은 수증기/연료의 중랑 비를 적용한 탄화수소계연료를 부분 산화시키는 것에 의해 연료 가스를 제조하는 것이 공동 양도된 미국 특허 제 3,688,438호에 기재되어 있으나, 그 다음의 촉매 메탄화 공정은 기재되어 있지 않다. 공동 양도된 미국 특허 제 4,075,831호에는 정제 및 가습(加濕)된 연료 가스가 가스 터빈에서 연소되어 기계적인 작동과 전기적인 에너지를 생성하는 것에 대해 언급되어 있다. 미국 특허 제 4,537,023호에는 공기와 수증기의 혼합물이 연료에 혼합되고 연소되어 가스 터빈을 구동시키고 있다.
하지만, 이러한 종래 기술들은 본 발명에서와 같이 복사 냉각기에서 염소 및 유황을 함유하는 원 연료 가스를 냉각하고, 상기 원 연료 가스를 두개의 기류 A와 B로 분할시키는 공정; 상기 원 연료 가스 기류 A을 질소 가스 기류와 간접적으로 열 교환시켜 추가로 냉각시키는 공정; 원 연료 가스 기류 B을 청정한 염소와 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 기류와 간접적으로 열 교환시켜 추가로 냉각시키는 공정; 상기 두 원 연료 가스의 기류에서 HCI 및 입자 물질을 제거하고 이들을 서로 혼합하는 공정; 상기 혼합된 기류에서 유황을 함유하는 가스를 제거하여 H2+ CO로 이루어진 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 기류를 생성시키는 공정을 제공하는 본 발명을 교시하거나 시사하고 있지 못하다.
또한, 종래 기술에서는 공기에 의해서 연소가 일어나고, 부수적으로 질소 원자를 함유하지만 염소 또는 유황 가스 또는 NOx 가스는 함유하지 않는 연도 가스를 생성시키는 가스 터빈의 연소실로 가습되고 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스를 도입하는 공정에 대해서는 제공하고 있지 못하다. 대기의 오염 없이동력과 효율을 증가시켜야 한다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 다음과 같은 공정에 의해, 유황과 염소를 함유하는 액상 탄화수소계 또는 고형 탄소질 연료를 부분 산화시키고, 터보 연소실에서 상기 연료 가스를 연소시키는 것에 의해 염소와 유황을 함유하는 부식성 증기를 함유하지 않는 연료 가스를 제조하는 것에 대한 것이다.
(1) 하강류 수직형 자연류 가스 발생 장치의 반응 영역에서 1800℉ 내지 3000℉의 범위, H2O의 이슬점 보다도 높은 온도 및 약 1기압 내지 250 기압의 압력에서 온도 조절제의 존재 하에 부분 산화에 의해서 유리 산소를 함유하는 가스의 기류를 염소 및 유황을 함유하는 액상 탄차수소계 또는 고형 탄소질 연료 기류와 반응시켜서 용융 슬랙과 입자 물질을 동반함과 동시에 H2, CO, CO2, H2O, H2S, COS, HCI, CH4, N2및 Ar을 함유하는 원 연료 가스 기류를 생성하되 상기 반응 영역에서의 온도는 H2O의 이슬점 이상으로 하는 공정;
(2) 상기 공정(1)으로부터의 원 연료 가스 기류를 보일러 순환수와 간접적으로 열 교환시키는 것에 의해 약 1500℉ 내지 1000℉의 범위에서 H2O의 이슬점 이상의 온도로 냉각시키고, 상기 슬랙을 분리하는 공정;
(3) 상기 공정(2)으로부터의 슬랙을 함유하지 않는 원 연료 가스 기류를 별개의 가스 기류 A와 B로 분할시키고, 원 연료 가스 기류 A와 B를 각각 보일러 순환수와 간접적으로 열 교환시키는 것에 의해 1000℉ 내지 600℉의 범위에서 H2O의 이슬점 이상의 온도로 냉각시켜 수증기를 생성하는 공정;
(4) 상기 공정(3)으로부터의 원 연료 가스 기류 A와 간접적으로 열 교환시켜 주변 온도 내지 400℉의 온도 범위에서 건조 질소 가스를 통과시키고, 이것에 의해 질소 가스 기류를 약 400℉ 내지 800℉의 범위의 온도로 가열하는 동안에 상기 원 연료 가스 기류 A를 약 600℉ 내지 300℉의 범위와 상기 원 연료가스 기류 A 중의 H2O 이슬점 이상의 온도로 냉각시키는 공정;
(5) 상기 공정(4)에서 냉각된 원 연료 가스 A의 기류를 물로 세정해서 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스의 기류를 생성하는 공정;
(6) 상기 공정(3)의 원 연료 가스 기류 B를 공정(12)에서 나오는 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스 기류와 간접적으로 열 교환시키는 것에 의해 약 600℉ 내지 300℉의 범위와 상기 원 연료 가스 기류 B중의 H2O의 이슬점 이상의 온도로 추가 냉각시키는 것에 의해 상기 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스 기류를 약 400℉ 내지 800℉의 범위의 온도로 가열시키는 공정;
(7) 상기 공정(6)에서 냉각시킨 원 연료 가스 B의 냉각 기류를 물로 세정해서 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스의 기류를 생성하는 공정;
(8) 상기 공정(5) 및 (7)의 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스 A 및 B를 혼합시키는 공정;
(9) 약 250℉내지 500℉의 온도를 가지는 상기 공정(8)의 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스의 혼합 기류를 약 90℉ 내지 120℉의 범위의 온도를 가지는 공정(11)의 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스 기류와 간접적으로 열 교환시켜서 약 200℉ 내지 400℉의 범위의 온도로 냉각시키는 공정;
(10) 상기 공정(9)의 원 연료 가스의 혼합 기류를 보일러 순환수 및/또는 적어도 1개 이상의 열 교환기 중의 냉수에 의해서 간접적으로 열교환시켜서 약 90℉ 내지 120℉의 범위의 온도로 추가 냉각시키는 공정;
(11) 산 가스 제거 영역 중에서 상기 공정(1O)의 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스의 혼합 기류로부터 유황을 함유하는 가스를 실질적으로 완전하게 제거하는 공정;
(12) 상기 공정(9)의 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스 기류를 수증기와 간접적으로 열 교환시켜서 약 250℉ 내지 400℉의 범위의 온도로 가열시키는 공정;
(13) 다음의 기류 즉, (a) 공기의 기류, (b) 상기 공정(4)에서 가열된 질소 가스의 기류 및 (c) 상기 공정(6)에서 가열된 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 기류 중 적어도 일부를 가스 터빈의 연소 영역으로 도입시키는 공정; 및
(14) 상기 연소 영역에서 상기 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 기류를 연소시켜서 HCI, 유황을 함유하는 가스 및 NOx를 실질적으로 함유하지 않는 연도 가스를 생성하고, 이 연도 가스를 팽창 터빈에 통과시켜서 동력과 고열 폐 가스를 생성하고, 상기 고열 폐가스를 보일러 공급수에 간접적으로 열 교환시켜서 수증기를 생성시키고, 상기 수증기를 증기 터빈에 통과시켜서 동력을 발생시키는 공정으로 구성된다.
다른 구현예로서, 상기 공정(12) 전에 청정한 염소와 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 기류는 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스 A와 B의 혼합 기류와 간접적으로 열 교환되는 것에 의해 예열된 물에 의해서 포화되어진다. 이 경우에, 청정한 염소와 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 가습된 기류는 비교적 건조한 기류(13)(c)를 대신해서 상기 공정(14)에 있는 연소 영역에서 연소된다.
이하 본 발명을 첨부한 도면에 의거 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
제 1도에 표시한 도면은, 공정의 바람직한 구현예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
제 2도는 제 1도의 " C" - " C" 의 부위를 제 2도의 " D" - " D" 로 대체하여 물로 포화된 청정한 염소와 유황을 함유하지 않는 연료 가스를 위해 제공된 공정의 구현예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
유황과 염소 불순물을 함유하고 있는 액상 탄화수소계나 고형 탄소질 연료가 통상적인 부분 산화 공정의 공급 연료로서 사용되며, 원 연료 가스는 약 1800℉ 내지 3000℉의 온도 범위에서 생성되고, 다음과 같은 가스들의 혼합물로 이루어진다: H2, CO, CO2, H2O, H2S, COS, HCI, CH4, N2및 Ar. 원 연료 가스에 있는 수분은 냉각 교환 매체에 의해 이슬점 이하로 냉각이 된다면, 연료 가스에서 염화수소를 흡수하여 부식성 분무상(mist)을 만들게 된다는 것을 예측 불가능하게 알아내었다. 이러한 부식성 분무상은 원료 가스 기류를 냉각시키기 위해서 사용되는 열 교환기내에서 금속 부분을 손상시키게 된다. 이러한 문제는 다른 것과 마찬가지로 다음과 같은 본 발명의 방법에 의해 해결되었다.
즉, 유황을 약 0.2 내지 10중량%(건조중량기준), 염소를 약 0.001 내지 2.0중량%(건조중량기준)를 함유하고 있는 액상 탄화수소계 또는 고형 탄소질 연료 공급 원료가 유리 산소를 함유하는 가스, 바람직하기로는 실질적으로 순수한 산소와 온도 조절제와 함께 부분 산화 반응을 하여 원 연료 가스를 생성하게 된다. 바람직하기로는 이 반응은 촉매 없이 진행된다.
공급 기류는 통상적인 버너에 의해서 통상적인 자연류 부분 산화 가스 발생기의 반응 영역으로 도입된다. 이 가스 발생기는 내화성 재료가 내장되어 있는 수직형 원통상 강철제 압력 용기이다. 대표적인 부분 산화 가스 발생기는 제 1도에서 볼 수 있으며, 공동 양도된 미국특허 제 2,818,326과 제 3,544,291호에 기재되어 있다. 버너는 중앙의 수직 축을 따라서 가스 발생기의 상부에 위치하고 있다. 버너로는 공동 양도된 미국 특허 제 2,928,460호, 제 3,847,564호, 제 3,874,592호에 나타낸 바와 같이 선단 분무형; 공동 양도된 미국 특허 제 3,874,592호, 제 4,351,645호 및 제 4,364,744호에 기재되어 있는 바와 같이 예비 혼합형 및 이들을 조합한 것이 적당하다. 이들 미국 특허는 참고로 기재한 것이다.
버너를 통해서 동시적으로 통과하는 온도 조절제와 임의로 혼합된 산화제가 적어도 한 개의 기류, 예를 들면 2개의 기류이어도 좋다. 예를 들어, 공동 양도된 미국 특허 제 3,874,592호에 나타낸 바와 같은 두 기류의 버너는 간격을 두고 있는동심 동축의 도관에 의해 감싸여진 중앙 도관을 가지며, 그 사이에 환상의 통로를 겸비하고 있다. 온도 조절제와 임의로 배합된 산화제의 기류는 중심 도관 또는 환상 통로에 연결되어서 이 통로를 통과하게 되며, 그리고, 온도 조절제와 임의로 배합된 연료 기류는 나머지 통로와 연결되어서 이 통로를 통과하게 된다. 또 다른 예에서, 공동 양도된 미국 특허 제 3,847,564호에 나타난 바와 같이, 3개의 기류 버너는 중심 도관을 2개의 간격을 갖는 동심 동축 도관에 의해 감싸여져 있어 그 사이에서 중간 및 환상 통로를 제공하게 된다. 온도 조절제와 임의로 혼합된 산화제의 별개 기류는 중앙 도관과 외측 환상 통로에 연결되어서 이 통로를 통과하게 된다. 온도 조절제와 임의로 혼합된 연료의 기류는 중간 통로에 연결되어서 이 통로를 통과하게 된다.
본 발명의 방법에서, 공급 원료로서 사용되는 액상 탄화수소계 또는 고형 탄소질 원 연료는 유황과 염소의 불순물을 포함한다. 유황은 약 0.2 내지 1O.0중량%(건조중량기준)의 범위로 철, 아연, 구리-철 및 납의 황화물; 칼슘, 바륨, 철, 나트륨 및 알루미늄의 황산염의 형태로 존재한다. 염소는 약 10 내지 20,000 ppm(건조중량기준)의 범위로, 나트륨, 칼륨 및 마그네슘의 염화물의 형태로 존재한다.
여기에서 사용되는 고형 탄소질 연료는 무연탄, 역청탄, 아역청탄, 석탄으로부터의 코우크스; 갈탄; 석탄 액화로부터 발생된 잔류물; 혈암유; 타르 샌드; 석유 코우크스; 아스팔트; 핏치; 입자 탄소; 유연; 농축 하수 슬럿지; 및 이들의 혼합물을 포함한다. 고형 탄소질 연료는 그 입자 크기가 ASTM E11-70 쉐이브 디시그네이션 스텐다드(SDS) 1.4 mm 얼터네이티브 No. 14를 100% 통과할 수 있도록 그리고ASTM E11-70 쉐이브 디시그네이션 스텐다드(SDS) 0.425 mm(얼터네이티브 No. 40)을 적어도 80%가 통과할 수 있도록 분쇄할 수 있다.
고형 탄소질 연료는 가스상 담체, 예를 들면 수증기, N2, CO2, 연료 가스 중에 함유된 건조 공급 재료로서, 또는 고형 함량이 약 25 내지 80중량%, 바람직하기로는 45 내지 70중량%인 펌프 이송 가능한 슬러리로서 가스 발생기에 도입될 수 있다. 고형 탄소질 연료를 위한 적당한 액상 담체는 물, 액상 탄화수소계 연료 또는 이들의 혼합물이 있다.
여기서 사용되는 액상 탄화수소계 연료는 액화석유가스, 석유 증류물 및 잔류물, 가솔린, 나프타, 등유, 원유, 아스팔트, 가스 오일, 잔류 오일, 타르-샌드 오일, 쉘 오일, 석탄으로부터의 오일, 방향족 탄화수소(예를 들면, 벤젠, 톨루엔, 크실렌 분류물), 콜타르, 유동 접촉 분해 조작으로부터의 사이클 가스오일, 코카 가스 오일의 퓨푸랄 추출물, 및 이들의 혼합물과 같은 여러 가지 액상 탄화수소계 재료를 포함한다. 액상 탄화수소계 연료의 정의에 포함되는 것들로는, 탄수화물, 셀룰로스계 물질, 알데하이드류, 유기산류, 알코올류, 케톤류를 포함하는 산소화된 탄화수소계 유기물질, 산소화 연료유, 폐액류, 유화 중유, 및 산소화된 탄화수소계 유기물질을 포함하는 화학공정에서의 부산물 및 이들의 혼합물들이 있다.
여기서 사용되는 유리산소를 함유하는 가스는 공기, 21 내지 95몰%의 산소, 바람직하기로는 50 내지 75몰%의 산소를 함유하는 공기와 95몰% 이상의 산소를 갖는 순수한 산소(나머지는 N2와 희유 가스)를 함유한다는 것을 의미한다. 온도 조절제와 임의로 혼합된 유리 산소를 함유하는 가스는 그의 조성에 따라 약 32℉ 내지 1500℉의 온도에서 버너로 도입될 수 있다. 공급 원료에서 탄소에 대한 산화제중의 유리산소의 원자 비는 약 0.6 내지 1.5, 바람직하기로는 0.80 내지 1.3의 범위가 바람직하다. 여기서 사용되는 산화제 공급 기류는 유리 산소를 함유하는 가스 공급 기류와 동의어이다.
가스 발생기의 반응 영역에서 온도 조절제의 사용은 일반적으로 공급 원료의 수소에 대한 탄소의 비율과 산화제 기류의 산소 함량에 따라 결정된다. 적당한 온도 조절제로는 수증기, 예를 들면, 포화 또는 과열수, 물, CO2-증강 가스, 액체 CO2, 순수한 산소를 생성하기 위해 사용된 공기 분리장치로부터의 질소 부산물, 앞에 언급한 온도 조절제의 혼합물이 포함된다. 온도 조절제는 액상 탄화수소계 연료 공급물, 유리산소를 함유하는 기류 또는 이 모두와 혼합상태로 가스 발생기로 도입될 수 있다. 다른 한편으로, 온도 조절제는 연료 버너로 안내되는 별도의 도관을 통해서 가스 발생기의 반응 영역으로 도입될 수 있다. H2O가 온도 조절제, 슬러리 매체 또는 이 모두와 같이 가스 발생기로 도입될 때, 액상 탄화수소계 연료나 고형 탄소질 연료에 대한 H2O의 중량비는 0.2 내지 5.0의 범위, 바람직하기로는 0.3 내지 1.0이 좋다. 이 범위는 다른 온도 조절제에도 적용될 수 있다.
액상 탄화수소계 연료나 고형 탄소질 연료, 물이나 다른 온도 조절제와 가스 발생기에 대한 공급 기류에서의 산소의 상대 비율은 부분 산화 가스 발생기로 공급되는 연료에서 탄소의 실질적인 부위가 전환될 수 있도록 주위 깊게 조정해야 한다. 예를 들면, 탄소 산화물에 대한 탄소의 약 70 내지 100중량%, 바람직하기로는 약 90 내지 99중량% 그리고 자기 생산 반응 영역 온도를 약 1870℉ 내지 3000℉, 바람직하기로는 약 2350℉ 내지 2900℉로 유지되도록 해야 한다. 반응 영역에서의 압력은 약 1 내지 250 기압, 바람직하기로는 약 10 내지 200기압의 범위이다. 부분 산화 가스 발생기의 반응 영역의 시간은 약 0.5 내지 20초, 보통 1.0 내지 5초의 범위이다.
부분 산화 가스 발생기를 나오는 유출 가스 기류는 공급 기류의 양과 조성에 따라 다음과 같은 몰%의 조성을 갖는다: H28.0 내지 60.0; CO 8.0 내지 70.0; CO21.0 내지 50.0, H20 2.0 내지 75.0, CH40.0 내지 30.0, H2S 0.1 내지 2.0, COS 0.05 내지 1.0, HCI 0.0002 내지 0.4, N20.0 내지 80.0 그리고 Ar 0.0 내지 2.0. 유출 가스 기류 중에 함유되어 있는 입자 물질은 입자 탄소의 약 0.5 내지 30중량%, 바람직하기로는 약 1 내지 10중량%(가스 발생기에서의 공급류 중의 탄소의 기준 중량)이다. 플라이 애쉬 입자 물질이 입자 탄소에 존재할 수 있다. 플라이 애쉬의 융점 이상의 온도에서는 용융 슬래그가 생성된다.
약 1800℉ 내지 3000℉의 온도 범위와 약 1 내지 250 기압의 압력 범위에서 비촉매성 부분 산화 가스 발생기의 반응 영역을 나오는 유출 가스 기류는 복사 냉각기를 통해서 아래 방향으로 통과한다. 이 복사 냉각기는 수직형 가스 발생기의 중앙에 플랜지되어 있는 하부 유출구에 연결되어 있는 상부 중앙에 유입구가 플랜지되어 있는 수직형 자연류 강철제 압력 용기이다. 복사 냉각기의 중앙 수직축은제 1도에 나타낸 바와 같이, 가스 발생기의 중앙 수직축의 연장선에 있다. 고열 가스 기류는 복사 냉각기에 있는 한 다발의 수직한 수냉관을 통과하게 되고, 그래서 약 1500℉ 내지 1000℉의 범위에서 가스 기류 중의 H2O의 이슬점 이상으로 냉각되게 된다.
실질적으로 함유된 모든 슬랙은 복사 냉각기 중의 연료 가스로부터 분리되어지고, 복사 냉각기 용기의 하부에 위치하는 수조로 떨어기게 된다. 여기서, " 슬랙을 함유하지 않는" 또는 " 실질적으로 슬랙을 함유하지 않는" 원 연료 가스라는 표현은 2000 ppm 이하의 슬랙과 입자 탄소를 의미한다. 주기적으로, 물과 슬랙의 슬러리는 복사 냉각기로부터 제거된다. 물은 슬랙에서 분리되고 정제되어 복사 냉각기에 있는 냉각관으로 재순환된다. 슬랙은 매립 흙으로 사용될 수 있다. 어떤 적당한 복사 냉각기가 사용될 수 있다. 복사 냉각기로는 여기서 참고로 기재하는 공동 양도된 미국 특허 제 4,377,132호와 4,936,376호에 기재되어 있다. 복사 냉각기의 하부에는 부분적으로 냉각된 원 원료 가스가 두개의 가스 기류 A와 B로 분할된다. 기류 A는 가스 발생기에서 생성된 전체 원 연료 가스의 30 내지 70부피%이며, 기류 B는 나머지이다.
열 전달 효율을 최대로 하고, 비용을 최소로 하기 위해서는 원료 가스 기류 A와 B의 부피를 같게 하는 것이 바람직하다. 각각의 가스 기류는 약 1500℉ 내지 1000℉의 범위의 온도를 갖는다. 분할된 가스 기류 A와 B의 압력은 가스 발생기에서 관로(管路) 및 장치에서의 통상의 압력 강하보다도 낮다. 예를 들어 약 10% 까지 떨어지게 된다. 원 연료 가스의 분할 기류 A는 연소 터빈으로 가는 도중에 질소 가스의 기류를 예열시키기 위하여 열의 일부를 제공하게 된다. 원 연료 가스의 기류 B는 연소 터빈으로 가는 도중에 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스를 예열시키기 위하여 열의 일부를 제공한다. 복사 냉각기로부터 원 연료 가스 기류 A는 보일러 공급 수와 간접적으로 열 교환되어 통상의 대류 냉각기를 통과하여 약 1000℉ 내지 600℉의 온도 범위, 하지만 이슬점 이상의 온도로 냉각된다. 대류 냉각기를 통과하는 연료 가스 중의 H2O를 수증기의 상태로 유지시킴으로써 HCI의 수증기가 원 연료 가스중으로 용해되어 들어가게 할 수 있는 액상의 물은 존재하지 않는다. 그로 인해 금속제의 대류 냉각기가 부식성의 염소에 의해서 침투되는 것을 방지할 수 있게 된다. 이 때, 부분적으로 냉각된 원 연료 가스 기류 A는 통상의 대류 냉각기 중의 질소 가스와의 간접적인 열 교환에 의해서 약 300℉ 내지 600℉의 온도 범위, 하지만 이슬점 이상의 온도로 추가로 냉각되게 된다.
건조 질소 가스는 약 90.0 내지 100.0몰% N2로 이루어진다. 나머지는 실질적으로 H2O와 산소로 이루어진다. 질소 가스는 주변 온도 내지 약 400℉의 범위의 온도의 위치까지 이송된다. 다른 한편으로, 질소가스와 실질적으로 순수한 산소는 통상적인 공기 분리 영역의 위치에서 생성된다. 산소는 부분 산화 가스 발생기에서 산화제로서 시스템에 사용될 수 있다. 건조 질소 가스는 연소 터빈에서 온도 조절제로서 시스템에 사용될 수 있다. 대표적인 공기 분리 장치의 설명을 위해, Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, Third Edition, Volume 7, JohnWiley & Sons, Pages 229 ∼ 231을 참고하기로 한다.
다음에 냉각된 원 연료 가스 흐름 A는 통상적인 가스 세정탑에서 예를 들면, 그을음과 플라이 애쉬와 같은 연행 입자 물질들을 깨끗이 세정하게 된다. 어떤 적당한 가스가 세정 수단으로서 사용될 수 있다. 예들 들면, Perry's Chemical Engineers Handbook, Fourth Edition, McGraw-Hill 1963, Pages 18-3 ∼5 에 액체-가스 트라이-형 컬럼에 대해 기재되어 있다. 참고로, 공도 양도된 미국 특허 제 3,232,728호에는 가스 세정탑에 대해 기재되어 있다. 이와 동시에 원 연료 가스 기류 A에 있는 모든 염소는 세정수에 의해 완전히 제거된다. 이와 동시에 분할된 원 연료 가스 기류 B는 상기 연소 터빈으로 가는 도중에 청정한 염소와 유황을 함유하지 않는 연료 가스를 예열하기 위해 일부의 열을 제공하게 된다. 따라서, 원 연료 가스 기류 B는 보일러 공급수와 간접적으로 열 교환하여 통상적인 대류 냉각기를 통과하게 되고, 1000℉ 내지 600℉의 온도 범위, 하지만 이슬점 이상의 온도 범위로 냉각되게 된다. 이때, 부분적으로 냉각된 원 연료 가스 기류는 600℉ 내지 300℉의 온도 범위, 하지만 이슬점 이상의 온도 범위로 상기 연소 터빈으로 가는 도중에 통상의 대류 냉각기에서 청정한 염소와 유황을 함유하지 않는 연료 가스와 간접적으로 열 교환되어 냉각된다. 다음에, 원 연료 가스 기류 B은 통상적인 가스 세정탑에서 예를 들면, 그을음과 애쉬와 같은 연행 입자 물질들을 완전히 세정하게 된다. 이와 동시에 원 연료 가스 기류 B 중의 염소는 세정수에 의해 완전하게 제거된다. 여기서, " 실질적으로 모든 염소가 세정된 원 연료 가스 기류에서 제거된다" 라는 표현이나, 이 가스 기류는 " 염소를 함유하지 않는" 이라는 표현은 물로 세정된 원 연료 가스 기류 A 및/또는 B의 염소 함량이 10 ppm 이하로 감소하는 것을 말한다. 세정수는 약 250℉ 내지 450℉의 온도 범위와 6 내지 9의 pH 범위로 유지된다. 세정수에 첨가하기 위한 적당한 염기 물질로는 NH3, NH4OH, NaOH, KOH, Na2CO3및 K2CO3로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
세정된 원 연료 가스 A와 B의 기류는 혼합되고, 원 연료 가스의 혼합물은 저온 가스 냉각 영역으로 도입되고, 약 90℉ 내지 120℉의 온도 범위로 떨어지게 된다. 저온 가스 냉각 영역은 둘 또는 그 이상의 통상적인 대류 냉각기로 이루어져 있다. 예를 들면, 3개의 대류 냉각기가 연속해서 연결되어 있다. 특히, 저온 가스 냉각 영역에서, 혼합된 세정 원 연료 가스 A와 B의 기류는 약 90℉ 내지 120℉의 범위의 온도에서 통상의 산-가스 제거 영역(AGR)을 나오는 청정한 염소와 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 기류와 간접적으로 열 교환되어 통상적인 대류 냉각기(a)를 약 250℉ 내지 500℉의 온도 범위로 통과하게 된다. 청정한 염소와 유황을 함유하지 않는 연료 가스는 통상의 대류 냉각기(a)에서 약 150℉ 내지 300℉의 온도 범위로 가열된다. 대류 냉각기(a)를 떠날 때, 세정된 유황을 함유하는 원 연료 가스 A와 B의 혼합 기류는 H2S와 COS를 제거하게 되는 통상적인 산 가스회수 영역으로 도입되기 전에 추가로 2단계로 냉각된다. 냉각 공정(1)에서 보일러 순환수와의 간접적으로 열 교환되어서 원 연료 가스 A와 B의 혼합 기류가 통상의 대류 냉각기(b) 중에서 약 120℉ 내지 250℉의 온도 범위로 추가로 냉각된다. 통상적인 대류 냉각기(c)에서, 냉각기(b)로부터의 원 연료 가스 A와 B의 혼합 기류는 냉각수와 간접적으로 열 교환되어 약 90℉ 내지 120℉의 온도 범위로 추가 냉각된다. 다음에, 통상적인 산-가스 제거영역(AGR)에서, 유황을 함유하는 가스 예를 들면, H2S와 COS가 실질적으로 완전하게 제거되어 약 90℉ 내지 120℉의 온도 범위에서 약 150 내지 300 BTU/SCF(건조중량기준)의 연소열을 갖는 청정하고 실질적으로 염소와 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 기류를 생성시킨다. 이슬점 이하의 온도에서 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스를 냉각시키고 및/또는 연료 가스를 건조제에 접촉시키는 것에 의해 AGR 영역에서 물이 제거된다. 예를 들면, 여기서 참고로 기재하는 공동 앙도된 미국 특허 제 4,052,176호에는 합성 가스로부터 유황을 함유하는 가스의 제거에 대해 기재되어 있다.
산-가스 회수 영역(AGR)에서, 냉동과 메탄올, n-메틸피롤리돈, 트리에탄올아민, 탄산 프로필렌 등의 용매 또는 아민 또는 고열 탄산 포타슘에 의한 물리적 또는 화학적 흡수를 포함하는 적당한 통상의 프로세스가 이용될 수 있다. H2S와 COS를 포함하는 용매는 질소로 인화 및 탈색 또는 다른 한편으로는 불활성 가스의 사용 없이 감압 하에서 가열 및 대류에 의해 재생시킬 수 있다. 이때, H2S와 COS는 적당한 프로세스에 의해 유황으로 전환된다. 예를 들어, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Second Edition, Volume 19 John Wiley 1969 Page 3530 에 기재되어 있는 바와 같이 H2S로부터 원소상의 S를 생성시키기 위해 클라우스 공정이 사용될 수 있다. 여기서, " 유황을 함유하는 가스가 실질적으로 모두 제거한다" 또는 " 유황을 함유하지 않는 연료 가스" 의 표현은 물로 세정된 원 연료 가스 A와 B의 유황 함량이 750 ppm 이하로 감소된 것을 의미한다.
바람직한 구현예에서, 청정한 실질적으로 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스 기류의 적어도 일부, 예를 들면, 10 내지 100부피%가 별개로 분리되어 약 400℉ 내지 800℉, 바람직하기로는 300℉ 내지 500℉의 온도 범위와 150 psig 내지 500 psig, 바람직하기로는 225 psig 내지 325 psig의 압력 하에서 연소터빈의 연소실로 도입된다. 동시에, 공기 기류가 각각 별도로 약 400℉ 내지 900℉, 바람직하기로는 700℉ 내지 800℉, 더욱 바람직하기로는 750℉의 온도와 연료 가스의 기류 압력의 ±10%의 압력 하에서 연소실로 도입된다. 동시에, 건조 질소 가스의 기류는 각각 별도로 연료 가스의 기류의 온도와 압력에 ±10%의 온도와 압력 하에서 연소실로 도입된다. 상기 공정에서, 연료 가스 기류와 건조 질소 가스 기류는 연소실로 약 800℉의 고온에서 도입될 수 있다. 이것은 연소실(수증기 사이클에 대한 열 압력을 감소시킴)에 대한 연료 입력을 감소시켜 장치를 더 효율적으로 만든다. 청정한 염소와 유황을 함유하지 않는 연료 가스 기류의 나머지 부분은 H2+ CO로 이루어져 있으며, 유기화학약품의 촉매합성에 사용될 수 있다. 이 구현예에서, 수성 가스의 접촉 전화에 의해 CO에서 CO2와 H2로 되어 H2함유량이 높은 기류가 생성된 후, 가스상 불순물이 제거된다.
연소실 중의 청정한 염소와 유황을 함유하지 않는 연료 가스에 대한 건조 질소 가스의 부피비는 0.5 내지 2.0, 바람직하기로는 0.75 내지 1.5, 더욱 바람직하기로는 1.0이다. 연소의 완료를 위해, 연소실을 1800℉ 내지 2600℉, 바람직하기로는 2300℉의 온도와 175 psig 내지 250 psig, 좋기로는 220 psig의 압력 하에 놓는다. 실질적으로, 연도 가스 중에 염소 또는 유황을 함유하는 가스나 NOx가스들이 생성되거나 존재하지 않는다. 여기서, X는 1 내지 3의 정수이다. 여기서, " 실질적으로 없는" 및 " 실질적으로 적은량의 N0x가스" 은 20 ppm 이하, 바람직하기로는 16 내지 1O ppm, 좋기로는 10 ppm 이하를 의미한다.
연소실을 나오는 연도 가스의 기류는 동작 유체로서 동력 발생 팽창 터빈을 통과하게 된다. 예를 들면, 변속 구동을 통해서 팽창 터빈의 축에 연결되고 그로 인해 구동하는 것이 적어도 하나의 발전기 및/또는 적어도 하나의 터보 압축기이면 좋다. 연도 가스에 보조적인 양의 건조 질소를 추가하면 연도 가스의 질량 유량이 증가된다. 약 1200℉ 내지 800℉의 온도 범위에서 팽창 터빈을 나오는 연도 가스의 가열은 통상적인 열 회수 수증기 발생기(HRSG)에서 회수된다. 냉각된 비독성 연도 가스는 환경을 오염시킴이 없이 연도 가스로서 배출된다.
본 발명의 한 구현예는 증기 터빈을 이용한 동력 공동 발생 형태를 포함한다. 보일러 공급수는 팽창된 연도 가스와 간접적으로 열 교환되어 HRSG의 코일을 통과한다. 약 1000 psig 내지 2000 psig의 압력을 갖는 수증기가 생성되고, 동작 유체로서 팽창 터빈을 통과한다. 팽창 터빈은 회전식의 기계적 및/또는 전기적 장치, 예를 들면 압축기, 펌프 또는 발전기를 구동시킨다. 소비된 수증기는 응축기로 도입되어 여기서 완전히 응축된다. 응축액은 보급된 보일러 공급수와 혼합되어서 펌프에 의해 다시 HRSG로 보내진다.
또 다른 구현예에서, 제 2도에 나타낸 바와 같이, 약 90℉ 내지 120℉의 온도에서 산 가스 제거 영역을 나오는 청정한 염소와 유황을 함유하지 않는 연료 가스 기류는 통상적인 물 포화기 중에서 고온수로 포화되어 H2O 5 내지 15중량%를 갖는 연료 가스를 제공하게 된다. 가습된 청정한 염소와 유황을 함유하지 않는 연료 가스를 가스 터빈의 연소실에서 공기로 연소시킬 때, 연도 가스 중의 질소 산화물(NO4)이 실질적으로 감소하게 된다. 환경의 오염 없이 동력의 증대와 효율의 증대가 달성된다. 이러한 특징은 제 1도의 섹션 " C" - " C" 부분을 치환한 제 2도의 " D" - " D" 부분에서 볼 수 있다. 이러한 특징으로부터 제 1도와 제 2도에 나타낸 구현예는 실질적으로 동일하다. 제 1도와 제 2도에 나타낸 바와 같이, 약 250℉ 내지 350℉의 온도 범위에서 포화된 연료 가스 기류는 제 1도에 나타낸 바와 같은 통상적인 열 교환기에서 수증기와 간접적으로 열 교환되어 추가로 약 250℉ 내지 400℉의 온도 범위로 가열된다. 이 수증기는 그런 다음에 응축된다. 청정하게 가습된 염소와 유황을 함유하지 않는 연료 가스는 제 1도에 나타낸 바와 같이, 통상적인 열 교환기 중의 원 연료 가스 기류 B와 간접적으로 열 교환되어 약 400℉ 내지 800℉의 온도 범위에서 가열된다. 이러한 청정하게 가습된 염소와 유황을 함유하지 않는 연료 가스 기류의 적어도 일부 예를 들면, 90 내지 100부피%는 H2+ CO로 이루어져 있으며, 앞에 기재한 방식과 제 1도에 나타낸 바와 같이, 가스 터빈의 연소실 내에서 건조 N2의 존재하에 완전 연소를 위해 공기로 태워진다. 청정하게 가습된 염소와 유황을 함유하지 않는 연료 가스는 실질적으로 H2와 CO로 이루어져 있으며, 어디에든 사용될 수 있다. 예를 들어, 이 가스 기류 중에 있는 CO는 수성 가스 전화 촉매 상에서 물과 반응하여 수소양이 증가된 합성가스의 기류를 제공하게 된다. CO2는 통상의 용매를 사용하여 수성 가스 전화 가스 기류로부터 제거될 수 있다.
약 120℉ 내지 150℉의 온도 범위에서 물은 제 2도의 연료 가스 포화기로부터 펌프로 이송되고, 세정된 원 연료 가스 A와 B의 혼합 기류와 통상의 대류형 열 교환기 중에서 간접적으로 열 교환되어 약 250℉ 내지 350℉의 온도 범위까지 재가열 되지만, 상기 혼합류는 약 250℉ 내지 500℉의 온도 범위로 포화기의 가열기(a)로 들어와서 약 200℉ 내지 400℉의 온도 범위까지 냉각되어진다. 대류 냉각기(b) 중에는 보일러 공급수와 간접적으로 열 교환되어 세정된 원 연료 가스 A와 B의 혼합 기류가 약 120℉ 내지 250℉의 온도 범위로 냉각되어진 후, 대류 냉각기(c) 중에서 냉각수와 간접적으로 열 교환에 의해 약 90℉ 내지 120℉의 온도 범위로 냉각된다.
세정된 원 연료 가스 A와 B의 혼합 기류로부터 H2S와 COS가 제거되어 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스 기류가 생성되고 이 기류는 앞에 기재한 바와 같이 물로 포화된다.
제 1도 및 제 2도에 본 발명의 2가지 구현예를 상세하게 나타낸 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 보다 충분히 이해할 수 있을 것이다. 도면 중 제 1도는 본 발명의 공정의 바람직한 구현예를 나타낸 것이나, 이 도면은 예시한 연속적인 방법을 기술한 특정의 장치 또는 재료를 한정하고자 하는 것은 아니다.
제 1도의 도면에 나타난 바와 같이 내열 재료가 내장된 수직형 자연류 비접촉 연료 가스 발생기(1)는 축 방향으로 배열된 상류 플랜지부 입구 포트(2)와 하류 플랜지부 출구 포트(3)를 갖고 있다. 가스 발생기(1)의 중앙 장축과 일직선으로 정렬된 중앙 통로(5)를 갖는 환형 버너(4)는 입구 포트(2)에 세워져 있다. 중앙 통로(5)는 유리 산소를 함유하는 가스, 예를 들면, 라인(7)에서 실질적으로 순수한 산소 기류에 연결된 상류 선단(6)을 가진다. 예를 들면, 공기는 통상의 공기 분리 유니트(도면에 도시하지 않음) 중에서 라인(7) 중의 실질적으로 순수한 산소와 라인(10) 중의 건조 질소 가스로 분리 될 수 있다. 라인(11) 중의 고형 탄소질 연료의 펌프 이송 가능한 수성 슬러리는 본 구현예에서는 약 62 내지 66중량%의 범위의 고형분 함유량, 약 2 내지 3중량%의 유황 함유량(건조 기준) 및 약 0.1중량%의 염소 함유량(건조 기준)을 가지는 피츠버그(Pittsburg) No. 8 석탄의 수성 슬러리가 버너의 입구(15)를 통해 통과하고, 동심의 환상 통로(16)를 통해 아래로 들어간다. 버너(4)의 하류 팁으로부터 나오는 두 공급 기류는 서로 충돌하여 분무화되고, 반응 영역(17)에서 부분 산화에 의해 반응하여 연료 가스를 생성시킨다.
통상적인 방사 냉각기(18)는 상류 중앙 플랜지부 입구(19), 하류 중앙 플랜지부 출구(20), 수직 수관 다발(21), 라인(23) 중의 보일러 공급수를 수관 다발(21)의 바닥으로 도입시키는 플랜지부 입구(22), 라인(25)을 경유해서 원통형 수관 다발(21)의 정상을 통해서 기류가 나오게 되는 플랜지부 출구(24), 부분적으로 냉각된 원 연료 가스의 분할된 기류(A) 및 (B)가 각기 라인(28 및 29)을 통해 나가게 되는 플랜지부 출구(26 및 27)로 이루어진다. 연료 가스 발생기(1)의 플랜지부 출구 포트(3)와 방사 냉각기(18)의 플랜기부 입구 포트(19)는 가스 발생기(1)와 냉각기(18)의 중앙 축을 따라 연결된다. 반응 영역(17) 중에서 생성된 연료가스는 원통형 내화 재료가 내장된 라인 연결 통로(30)를 통해 자유롭게 아래로 통과하고, 수직관 다발(21)을 통해 통과하는 보일러 공급수와 간접적인 방사 열교환에 의해 냉각된다. 프루스토-코니칼(Frusto-conical) 형 배플(baffles)(31)은 부분적으로 냉각된 연료 가스를 출구(26 및 27)를 통해 밖으로 보내게 된다. 슬래그 및 애쉬는 방사 냉각기(18)의 바닥에서 냉각수의 풀(32)에 수집된다. 통상적인 록-호퍼(도시하지 않음)의 수단에 의해 슬래그, 애쉬 및 물은 출구(20), 라인(33), 밸브(34) 및 라인(35)을 통해 주기적으로 제거된다.
라인(28)에서 부분적으로 냉각된 원 연료 가스의 분할 기류(A)는 라인(41)을 통해 냉각기(40)로 들어가고, 라인(42)을 통해 수증기로 나가서 보일러 공급수와 간접적으로 열 교환되어 냉각된다. 라인(45)으로부터 건조 질소 가스와의 사이에서 간접적인 열 교환에 의해 통상의 냉각기(44) 중에서 라인(43) 중의 원 연료 가스의 추가적인 냉각이 일어난다. 가열된 건조 질소 가스는 라인(46)을 통해 냉각기(44)를 떠나고, 조절 밸트(47), 라인(48)을 통과하고, 연소실(50)로 각기 도입된다. 라인(10)으로부터 건조 질소 가스는 라인(51), 밸브(52), 라인(53 및 45)을 통해 냉각기(44)로 도입된다. 대체로, 라인(10)으로부터 건조 질소 가스는 라인(54), 밸브(55), 라인(56)을 통과하고, 라인(58)을 통해 도입되고, 라인(59)을 통해 나오는 수증기에 의해 간접적인 열 교환으로 대류 열 교환기(57)에서 가열된다. 건조 질소 가스는 라인(60, 45)과 냉각기(44)를 통과한다.
냉각된 원 연료 가스(A)는 라인(65)을 통해 냉각기(44)를 떠나고 물로 세정하는 물 세정기(66)로 도입된다. 세정된 물은 라인(67)의 통로로 세정기(66)의 정상으로 도입된다. 물, 입자 물질 및 HCI의 분산액은 저부 라인(68)을 통해 세정기(66)를 떠나고, 통상의 수 재생 영역(도시하지 않음)으로 보내진다. 라인(69)을 통해 세정기(66)의 위로 나오는 청정한 염소를 함유하지 않은 연료 가스(A)의 기류는 다음의 방식으로 유도되는 라인(71)으로부터 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스(B)의 기류에 의해 라인(70)에서 혼합된다. 라인(29)에서 부분적으로 냉각된 원 연료 가스의 분할 기류(B)는 라인(73)을 통해 냉각기(72)로 도입되고, 라인(74)을 통해 수증기로 나와서 보일러 공급수에 의해 간접적으로 열 교환되어 대류 냉각기(72)에서 냉각된다. 라인(77)을 통해 냉각기(76)로 도입되고, 라인(78)을 통해 높은 온도로 나오는 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스와 간접적으로 열 교환되어 대류 냉각기(76)에서 라인(75)중의 원 연료 가스(B)의 추가적인 냉각이 행해진다. 라인(85)을 경유해서 냉각기(76)로부터 나오는 냉각된 원 연료 가스(B)는 세정기(86)로 도입되어 거기서 물로 세정되고 염소를 함유하는 물질과 입자 물질은 실질적으로 모두 제거된다. 물은 세정기(86)의 정상에서 라인(87)을 통해 도입되고, 저부의 라인(88)을 통해 나온다. 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스는 세정기(86)를 나와서 위 방향의 라인(71)으로부터 "C"-"C"블럭에 도입된다. 제 1도의 블록 "C"-"C"에서, 라인(69)으로부터 청정한염소를 함유하지 않는 연료 가스의 기류(A)와 라인(71)으로부터의 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스의 기류(B)로부터 된 라인(70) 중의 연료 가스 혼합물이 냉각 및 탈황된다.
따라서, 라인(70) 중의 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스 혼합물은 직렬로 연속된 다수의 통상적인 대류 냉각기 중에서 간접적인 열 교환에 보다 낮은 온도로 서서히 냉각된다. 예를 들면, 냉각기(a)에서 청정한 염소를 함유하지 않는 연로 가스 혼합물(A+B)은 라인(90)에서 산 가스 제거 영역(AGR)을 나오는 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스에 의해 간접적으로 열 교환되어서 통과한다. 라인(91) 중의 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 기류는 열 교환기(a)에서 가열되어진 후, 블록 "C"-"C"를 나와서 가열기(92)로 도입된다. 수증기는 라인(93)을 통해 대류 가열기(92)로 도입되고, 라인(94)을 통해서 나온다. 냉각기(76) 중에서 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 이 기류를 추가로 가열하고 연소실(50)로 도입하는 것은 앞에서 기재하였다.
라인(94)을 통해서 열 교환기(a)를 나오는 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스 기류는 라인(95)을 통해 냉각기(b)로 도입되고 라인(96)으로부터 나오는 순환 보일러 수와 간접적인 열 교환에 의해 대류 냉각기(b) 중에서 추가로 냉각된다. 라인(97)을 통해 열 교환기(b)를 나오는 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스는 라인(98)을 통해 냉각기(c)로 도입되고, 라인(99)을 통해 나오는 냉각수에 의해 간접적인 열 교환에 의해 대류 냉각기(c)에서 추가로 냉각된다. 라인(100) 중의청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스 중 H2S 및 COS 등의 유황을 함유하는 가스의 실질적인 모든 것은 통상적인 산 가스 제거 영역(AGR)(110)에서 제거된다. 유황을 함유하는 가스는 용매에 의해서 제거되어 라인(111), 밸브(112) 및 라인(113)을 따라서 통상의 유황 회수 영역으로 보내진다. 라인(78) 중의 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 적어도 일부는 조절 밸브(113)를 통과하고, 연소실(50)로 라인(114)을 통해 각기 도입된다. 실질적으로 H2및 CO로 이루어진 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않은 연료 가스의 잔류물은 라인(115), 밸브(116) 및 라인(117)을 통과하여 보일러 또는 로에서 완전 연소를 위한 가스 연료, H2증강 가스로의 전화, 유기 합성 및 환원가스 등의 다른 용도에 이용된다.
공기는 라인(118), 조절 밸브(119) 및 라인(120)을 통과해서 연소실(50)로 도입된다. 가스상 연료는 라인(121) 중에서 연도 가스를 생성시키기 위하여 연소실(50) 중에서 건조 질소의 존재 하에서 연소된다. 연도 가스는 동작 유체로서 팽창 터빈(122)을 통과한다. 회전 샤프트(123)는 발전기(124)를 구동시킨다. 라인(125) 중에서 열이 있는 터빈 배 가스는 통상의 열 회수 수증기 발생기(126)를 통과한다. 이때, 코일(127) 중에서 간접적인 열 교환에 의해서 라인(128)으로부터의 보일러 공급수는 라인(129) 중의 수증기로 전환된다. 이 수증기는 증기 터빈(130)에서 동작 유체이다. 회전 샤프트(131)는 터빈(130)에 의해 구동되어지고 다시 발전기(132)를 회전시킨다. 폐 증기는 라인(133)을 통해서 나온다.
제 2도에 나타난 바와 같은 본 발명의 방법의 다른 구현예에 있어서, 블록"D"-"D"에서 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스 기류(A와 B)의 혼합류는 산 가스 회수 영역(AGR)에서 탈황된다. 이어서, AGR을 떠난 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 기류는 물로 포화되고 가열되어 라인(191) 중에서 약 5 내지 15중량%의 수분을 함유하는 연료 가스 기류를 공급한다. 이 두 번째 구현예에서, 제 2도의 블록 "D"-"D"는 제 1도의 블록 "C"-"C"를 치환한 것이다. 연료 가스에 물을 포화시키고, 열 교환기(a)의 냉매를 바꾸는 것 이외에는 제 2도의 제 2의 구현예의 다른 특징은 전부 제 1도에서 나타난 것과 실질적으로 동일하다. 라인(191)에서 블록 "D"-"D"를 나오는 물이 포화된 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않은 연료 가스 기류는 첫번째 구현예의 블록 "C"-"C"에서 생성되는 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않은 연료 가스 기류(91) 대신에 제 1도에 나타낸 대류 가열기(92)로 도입된다.
따라서, 블록 "D"-"D"에서, 라인(69) 중의 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스 기류(A)는 밸브(199) 및 라인(200)을 통과하여 제 1도의 라인(71), 밸브(202) 및 라인(203)으로부터 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스 기류(B)와 혼합된다. 그리고, 라인(201) 중의 혼합된 연료가스 기류(A+B)는 적어도 2개 이상의 대류 냉각기에서 이하의 단계적인 열 교환에 의해서 냉각된다. 따라서, 통상의 냉각기(a) 중에는 라인(201) 중의 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스의 혼합 기류는 라인(204)에서 연료 가스 냉각기(a)로 도입되고, 라인(205)에서 나오는 물과 간접적으로 열 교환되어 통과하고, 펌프(207)에 의해서 순환되어 연료 가스 포화기의 가열기(208)의 정상으로 도입된다. 포화기(208) 중 물은 저부 라인(222)을 경유해서 포화기(208)로 도입되고, 정상의 라인(191)을 통해 나오는 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않은 연료 가스의 기류와 접촉하여 이 가스에 물을 포화시킨다. 냉각된 물을 라인(206)을 경유해서 포화기(208)로부터 나온다. 순환 펌프(207)는 라인(206)으로부터 물을 펌프 이송한다. 라인(209), 밸브(210) 및 라인(211)으로부터의 보급수는 라인(204)으로부터 열 교환기(a)에서 염소를 함유하지 않는 연료 가스의 혼합 기류는 직렬로 접속시킨 대류 냉각기(b) 및 (c) 중에서 추가로 냉각되어진다. 따라서, 보일러 공급수는 라인(213)을 통해 열 교환기(b)로 도입되고, 라인(214)을 통해 수증기로 나온다. 냉각된 라인(215) 중의 염소를 함유하지 않는 연료 가스는 라인(216)을 경유해서 냉각기(c)에 도입되고, 라인(217)을 통해 온수로 나오는 냉수와 간접적인 열 교환으로 냉각기(C) 중에서 추가로 냉각된다. 유황을 함유하는 가스, 예를 들면 H2S 및 COS는 라인(218)을 경유해서 통상의 산 가스 제거 영역(AGR)(223)으로 도입하는 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스 기류로부터 실질적으로 완전하게 제거된다. H2S 및 COS는 AGR 중의 연료 가스에 접촉하는 유기 용매로부터 제거하여 라인(219), 밸브(220) 및 라인(221)을 경유해서 통상의 유황-회수 영역으로 보낸다
본 발명의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 이상에서 설명한 본 발명을 여러 가지 변경 양태로 만들 수 있을 것이다. 그러나, 본 발명은 특허청구범위에 나타낸 내용에 의해서만 한정될 것이다.
제 1도는 본 발명의 공정의 바람직한 구현예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
제 2도는 제 1도의 "C" - "C" 의 부위를 제 2도의 "D" - "D" 로 대체하여 물로 포화된 청정한 염소와 유황을 함유하지 않는 연료가스를 위해 제공된 공정의 구현예를 개략적으로 나타낸 도면이다.

Claims (16)

  1. (1) 유리 산소를 함유하는 가스의 기류를 하강류 수직형 자연류 가스 발생 장치의 반응 영역에서 온도 조절제의 존재 하에 염소 및 유황을 함유하는 액상 탄화수소계 연료 또는 고형 탄소실 연료의 기류와 부분 산화에 의해서 반응시켜서 용융 슬랙 및 입자 물질을 동반함과 동시에 H2, CO, CO2, H2O, H2S, COS, HCI, CH4, N2및 Ar로 이루어진 원 연료 가스의 기류를 생성시키되 여기서, 상기 반응 영역에서의 온도는 상기 원 연료 가스 중의 H2O의 이슬점 이상으로 하는 공정;
    (2) 상기 공정(1)의 원 연료 가스 기류를 보일러 순환수와 간접적인 열 교환에 의해서 상기 원 연료 가스 중의 H2O의 이슬점 이상의 온도로 냉각시키고, 상기 슬랙을 분리시키는 공정;
    (3) 상기 공정(2)의 슬랙을 함유하지 않는 원 연료 가스 기류를 별개의 가스 기류 A와 B로 분할시키고, 원 연료 가스 기류 A 및 B를 각각 보일러 순환수와 간접적인 열 교환에 의해서 상기 별개의 공급류 중의 H2O의 이슬점 이상의 온도로 각각 냉각시키는 것에 의해서 수증기를 생성하는 공정;
    (4) 상기 공정(3)의 원 연료 가스 기류 A와 간접적으로 열 교환시켜 질소 가스를 통과시키는 것에 의해 질소 가스 기류를 가열시킴과 동시에 상기 원 연료 가스 기류 A를 원 연료 가스 기류 A 중의 H2O의 이슬점 이상의 온도로 추가로 냉각시기는 공정;
    (5) 상기 공정(4)에서 냉각시킨 원 연료 가스 A의 기류를 물로 세정해서 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스 기류를 생성하는 공정;
    (6) 상기 공정(3)의 원 연료 가스 기류 B를 이하의 공정(12)에서 나오는 청정한 가습된 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 기류와 간접적인 열 교환에 의해서 상기 원 연료 가스 기류 B중의 H2O의 이슬점 이상의 온도로 추가로 냉각시키고, 역으로 상기 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스 기류를 가열시키는 공정;
    (7) 상기 공정(6)에서 냉각된 원 연료 가스 기류 B를 물로 세정해서 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스 기류를 생성하는 공정;
    (8) 상기 공정(5) 및 (7)의 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스 A 및 B를 각각 혼합시키는 공정;
    (9) 상기 공정(8)의 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스의 혼합 기류를 이하의 공정(11)의 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스 기류와 간접적인 열 교환에 의해 냉각시키는 공정;
    (10) 상기 공정(9)의 원 연료 가스의 혼합 기류를 보일러 순환수 및/또는 적어도 1개 이상의 열 교환기 중의 냉수와 간접적인 열 교환에 의해 추가로 냉각시키는 공정;
    (11) 산 가스 제거 영역 중에서 상기 공정(10)의 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스의 혼합 기류로부터 유황을 함유하는 가스를 실질적으로 완전하게 제거하는 공정;
    (12) 상기 공정(9)의 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스를 수증기로 간접적인 열 교환기에 의해 가열시키는 공정;
    (13) 다음의 기류 즉, (a) 공기의 기류, (b) 상기 공정(4)에서 가열된 질소 가스의 기류 및 (c) 상기 공정(6)에서 가열된 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 기류 중 적어도 일부를 가스 터빈의 연소 영역으로 도입시키는 공정; 및
    (14) 상기 연소 영역에서 상기 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 기류를 연소시켜서 HCI, 유황을 함유하는 가스 및 NOx를 실질적으로 함유하지 않는 연도 가스를 생성하고, 이 연도 가스를 팽창 터빈에 통과시켜서 동력을 발생시키는 공정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 동력의 발생 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 공정(14)에서 상기 팽창 터빈을 나오는 폐 연료 가스를 수증기로 전환되는 보일러 공급수와 간접적인 열 교환에 의해 대류 가열기를 통해서 통과시키고, 상기 기류를 증기 터빈에 통과시켜서 기계적 및 전기적인 동력을 생성하는 공정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 동력의 발생 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 공정(6)에서 가열한 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 기류의 약 10 내지 100부피%를 상기 공정(13)의 연소 영역으로도입시키고; 실질적으로 H2+ CO를 함유하는 상기 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 기류 중 나머지를 촉매적으로 반응시켜서 유기 화학약품 또는 H2가 많은 기류를 생성하는 공정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 동력의 발생 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 염소 및 유황을 함유하는 액상 탄화수소계 연료 또는 고형 탄소질 연료가 유황 약 0.2 내지 10중량%(건조 중량 기준) 및 염소 약 10 내지 20,000ppm(건조 중량 기준)을 함유하는 것을 특징으로 하는 동력의 발생 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 염소가 나트륨, 칼륨, 마그네슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택한 염화물로서 존재하고, 상기 유황이 철, 아연, 구리-철, 납 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 황화물 및/또는 칼슘, 바륨, 철, 나트륨, 알루미늄 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 황산염으로서 존재하는 것을 특징으로 하는 동력의 발생 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 기류 A가 상기 공정(2)의 슬랙을 함유하지 않는 원 연료 기류 30 내지 70부피%로 구성되고, 기류 B가 나머지로 구성되는 것을 특징으로 하는 동력의 발생 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 공정(5) 및 (7)의 세정수가 약 250℉ 내지 450℉ 범위의 온도이고, 약 6 내지 9 범위의 pH를 갖는 것을 특징으로 하는 동력의 발생 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 세정수에 NH3, NH40H, NaOH, KOH, Na2CO3및 K2CO3로 되는 군 중에서 선택한 염기성 물질을 첨가하는 것을 특징으로 하는 동력의 발생 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 고형 탄소질 연료가 무연탄, 역청탄, 아역청탄, 석탄 코우크스 등과 같은 석탄, 갈탄, 석탄 액화로부터 발생된 잔류물, 혈암유, 타르 샌드, 석유 코우크스, 아스팔트, 핏치, 입자 탄소, 유연, 농축 하수 슬러지 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 동력의 발생 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 액상 탄화수소계 연료는 액화석유가스, 석유 증류물 및 잔류물, 가솔린, 나프타, 등유, 원유, 아스팔트, 가스 오일, 잔류 오일, 타르-샌드 오일, 쉘 오일, 석탄에서 나온 오일, 방향족 탄화수소(예: 벤젠, 톨루엔, 및 크실렌 분류물), 콜타르, 유동 접촉 분해 조작으로부터의 사이클 가스오일, 코카 가스 오일의 퓨푸랄 추출물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 동력의 발생 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 유리 산소를 함유하는 가스가 공기, 산소가 많은 공기, 실질적으로 순수한 산소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 동력의 발생 방법.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 공정(1)에서 상기 부분 산화가 1800℉ 내지 3000℉ 범위의 온도와 1 내지 250기압 범위의 압력에서 일어나고, 상기 공정(2)에서 상기 공정(1)의 원 연료 기류를 약 1500℉ 내지 1000℉범위의 온도의 냉각시키고, 상기 공정(3)에서 각 원 연료 기류 A 및 B를 1000℉ 내지 600℉ 범위의 온도로 냉각시키고, 상기 공정(4)에서 상기 건조 질소의 기류를 주변 온도 내지 400℉ 범위의 온도에서 통과시키고 상기 원 연료 기류 A를 600℉ 내지 300℉ 범위의 온도로 추가 냉각시키는 한편 질소 기류를 400℉ 내지 800℉ 범위의 온도로 가열시키고, 상기 공정(6)에서 상기 공정(3)의 원 연료 가스 기류 B를 600℉ 내지 300℉의 온도로 냉각시킴으로써 상기 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스 기류를 약 400℉ 내지 800℉ 범위의 온도로 가열시키고, 상기 공정(9)에서, 약 250℉ 내지 500℉ 범위의 온도를 갖는 상기 공정(8)의 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스의 혼합 기류를 약 90℉ 내지 120℉ 범위의 온도를 갖는 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스 기류와 간접적인 열 교환에 의해서 약 200℉ 내지 400℉ 범위의 온도로 냉각시키고, 상기 공정(10)에서 상기 공정(9)의 원 연료 가스의 혼합기류를 약 90℉ 내지 120℉ 범위의 온도로 냉각시키고, 상기 공정(12)에서 상기 공정(9)의청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 기류를 약 250℉ 내지 400℉ 범위의 온도로 가열시키고, 상기 공정(13)에서 상기 기류(a),(b) 및 (c)를 분리 라인에 의해 가스 터빈의 연소 영역으로 분리해서 도입시키고, 상기 공정(14)에서 상기 연료 가스를 팽창 터빈에 통과시켜서 동력과 고열 폐 가스를 생성시키고, 고열 폐 가스를 보일러 공급수와 간접적으로 열 교환시키는 것에 의해 수증기를 생성시키고, 상기 수증기를 증기 터빈에 통과시켜서 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 동력의 발생 방법.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 공정(6)에서 상기 원 연료 가스 기류 B를 다음의 공정(12B)에서 나오는 물로 포화시킨 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 기류로 간접적으로 열 교환시키는 것에 의해서 냉각시키고, 상기 공정(12)가 상기 공정(11)의 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스 기류를 물로 포화시키는 공정(12A), 및 상기 공정(12A)의 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 물로 포화시킨 청정한 기류를 수증기와 간접적인 열 교환기에 의해서 약 250℉ 내지 400℉ 범위로 가열시키는 공정(12B)으로 구성되고, 상기 공정(14)에서 물로 포화시킨 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스를 상기 연소 영역에서 연소시키는 것을 특징으로 하는 동력의 발생 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 공정(14)에서 팽창 터빈을 나오는 폐 연도 가스를 수증기로 전환되는 보일러 공급수와 간접적인 열 교환에 의해 대류 가열기를 통과시키고, 상기 기류를 증기 터빈에 통과시켜서 기계적 및 전기적인 동력을 생산하는 공정으로 구성되는 것을 특징으로 동력의 발생 방법.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 공정(6)에서 가열된 물로 포화시킨 청정한 염소 및 유황을 함유하는 연료 가스 기류의 약 10 ∼ 100부피%를 상기 공정(13)에서 연소 영역으로 도입시키고, 실질적으로 H2+CO로 구성되는 상기 물로 포화시킨 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 기류 중 나머지를 촉매적으로 반응시켜 유기 화학 약품 또는 H2가 많은 기류를 생산하는 공정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 동력의 발생 방법.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 공정(1)에서 상기 부분 산화가 1800℉ 내지 3000℉ 범위의 온도와 1기압 내지 250기압 범위의 압력에서 일어나고, 상기 공정(2)에서 상기 공정(1)의 원 연료 기류를 1500℉ 내지 1000℉ 범위의 온도로 냉각시키고, 상기 공정(4)에서 상기 건조 질소의 기류를 주변 온도 내지 400℉ 범위의 온도에서 통과시킴으로써 상기 원 연료 기류 A를 600℉ 내지 300℉ 범위의 온도로 냉각시키는 한편 질소 기류를 400℉ 내지 800℉ 범위의 온도로 가열시키고, 상기 공정(6)에서 상기 공정(3)의 원 연료 기류 B를 다음의 공정(12B)을 나오는 물로 포화시킨 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 기류와 간접적인 열 교환에 의해서 600℉ 내지 300℉의 온도로 냉각시킴으로써 상기 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 기류를 400℉ 내지 800℉ 범위의 온도로 가열시키고, 상기 공정(6)에서 250℉ 내지 500℉ 범위의 온도를 갖는 상기 공정(8)의 청정한 염소를 함유하지 않는 연료 가스의 혼합 기류를 약 90℉ 내지 120℉ 범위의 온도를 갖는 상기 공정(11)의 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스 기류와 간접적인 열 교환에 의해서 약 200℉ 내지 400℉ 범위의 온도로 냉각시키고 상기 공정(10)에서 상기 공정(9)의 원 연료 가스의 혼합 기류를 약 90℉ 내지 120℉의 온도 범위로 냉각시키고, 상기 공정(12)에서 상기 공정(11)의 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스 기류를 물로 포화시키는 공정(12A) 및 상기 공정(12A)의 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스의 물로 포화시킨 청정한 기류를 수증기와 간접적인 열 교환에 의해서 약 250℉ 내지 400℉ 범위의 온도로 가열시키는 공정(12B)으로 구성되고, 상기 공정(13)에서 상기 기류(a),(b) 및 (c)를 분리라인에 의하여 상기 가스 터빈의 연소영역으로 분리해서 도입시키고, 상기 공정(14)에서 물로 포화시킨 청정한 염소 및 유황을 함유하지 않는 연료 가스를 상기 연소 영역에서 연소시켜서 실질적으로 HCI, 유황을 함유하는 가스 및 NOx를 실질적으로 함유하지 않는 연도 가스를 생성하고, 상기 연도 가스를 상기 팽창 터빈에 통과시켜서 동력과 고열 폐 가스를 생산하고, 고열 폐 가스를 사용하여 보일러 공급수와 간접적인 열 교환에 의해서 수증기를 생산하고, 이 수증기를 증기 터빈에 통과시켜서 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 동력의 발생 방법.
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