KR101382513B1 - 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 제어 시스템 - Google Patents

탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 제어 시스템 Download PDF

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안드레아스 트산가리스
케네스 크레이그 캠벨
더글라스 마이클 피스비
알리스데어 알란 맥린
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플라스코에너지 아이피 홀딩스, 에스.엘., 빌바오, 샤프하우젠 브랜치
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Abstract

본 발명은 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키는 제어 시스템을 제공한다. 특히, 본 발명의 제어 시스템은 하나 이상의 다운스트림 적용에 사용될 수 있는 가스로 그러한 공급원료를 전환시키는 가스화 시스템에서 및/또는 그에 의해서 실행된 하나 이상의 공정을 제어하는데 사용되게 구성되도록 설계된다. 개시된 제어 시스템의 상이한 구체예에 의해서 제어 가능한 가스화 공정은 다양한 조합으로 전환기, 잔류물 컨디셔너, 환열기 및/또는 열교환기 시스템, 하아 이상의 가스 컨디셔너, 가스 균질화 시스템 및 하나 이상의 다운스트림 적용품을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 전체 가스화 공정과 연관된 다양한 지역, 구역 및/또는 전체 공정을 작동적으로 제어하며, 그에 의해서, 선택된 결과를 위한 이들 공정에 영향을 주도록 구성된 그들의 다양한 제어 파라미터를 조절한다. 다양한 감지 엘리먼트 및 응답 엘리먼트가 제어된 시스템의 전체에 걸쳐서 분포되고, 다양한 공정, 반응물 및/또는 생성물 특성을 획득하고, 이들 특성을 요구된 결과를 달성하는데 도움이 되는 적합한 특성 범위와 비교하고, 하나 이상의 제어 가능한 공정 디바이스를 통해서 진행중인 공정중 하나 이상에 변화를 실행함으로써 응답하도록 사용된다.

Description

탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 제어 시스템 {A CONTROL SYSTEM FOR THE CONVERSION OF A CARBONACEOUS FEEDSTOCK INTO GAS}
본 발명은 제어 시스템, 특히 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 제어 시스템에 관한 것이다.
가스화는 탄소함유 공급원료, 예를 들어 도시 고체 폐기물(municipal solid waste: MSW) 또는 석탄을 가연성 가스로 변환시킬 수 있는 공정이다. 이러한 가스는 전기, 스팀을 생성시키기 위해 사용되거나 화학물질 및 액체 연료를 생성하기 위한 기초 원료로서 사용될 수 있다.
이러한 가스의 가능한 용도는, 내부 공정 및/또는 다른 외부 목적을 위한 스팀의 생산, 또는 스팀 터빈을 통한 전기의 생성을 위한 보일러에서의 연소; 전기의 생산을 위한 가스 터빈 또는 가스 엔진에서의 직접적 연소; 연료전지; 메탄올 및 다른 액체 연료의 생산; 화학물질, 예를 들어 플라스틱 및 비료의 생산을 위한 추가 공급원료로서의 용도; 별도의 산업적 연료 가스로서 수소와 일산화탄소의 추출; 및 다른 산업적 용도를 포함한다.
일반적으로, 가스화 공정은 제어되고/거나 제한된 양의 산소 및 임의로 스팀과 함께 탄소함유 공급원료을 가열된 챔버(가스화기)로 공급하는 것을 포함한다. 과량의 산소로 작업하여 CO2, H2O, SOx, 및 NOx를 생산하는 소각 또는 연소와 대조적으로, 가스화 공정은 CO, H2, H2S, 및 NH3을 포함하는 미가공 가스 조성물을 생산한다. 정화(clean-up) 후에, 관심 있는 주요 가스화 생산물은 H2 및 CO이다.
유용한 공급원료은 임의의 도시 폐기물, 산업적 활동에 의해 생성되는 폐기물 및 생물의학적 폐기물, 하수, 슬러지, 석탄, 중유, 석유 코크스, 중질 정제 잔여물(heavy refinery residual), 정제 폐기물, 탄화수소 오염된 토양, 바이오매스 및 농업 폐기물, 타이어 및 다른 유해 폐기물을 포함할 수 있다. 공급원료의 기원에 따라, 휘발성 물질은 H2O, H2, N2, O2, CO2, CO, CH4, H2S, NH3, C2H6, 불포화 탄화수소, 예를 들어 아세틸렌, 올레핀, 방향족, 타르, 탄화수소 액체(오일) 및 챠르(char)(카본 블랙 및 애쉬(ash))을 포함할 수 있다.
공급원료이 가열되는 경우, 물이 첫 번째로 방출되는 성분이다. 건조 공급원료의 온도가 증가함에 따라, 열분해가 발생된다. 열분해 동안 공급원료이 열적으로 분해되어서 타르, 페놀 및 가벼운 휘발성 탄화수소 가스를 방출시키며, 공급원료은 챠르로 변환된다.
챠르는 유기 및 무기 물질로 구성되는 잔여 고체를 포함한다. 열분해 후, 챠르는 건조 공급원료보다 더 높은 농도의 탄소를 가지고, 활성화된 탄소의 공급원으로서 제공될 수 있다. 고온(>1,200℃)에서 작동하는 가스화기에서 또는 고온 영역을 가지는 시스템에서, 무기 미네랄 물질은 융합되거나 유리화되어서 슬래그로 불리는 용융된 유리와 같은 물질을 형성한다.
슬래그가 융합되고 유리화된 상태에 있기 때문에, 일반적으로 이는 유해하지 않은 것으로 알려져 있으며 유해하지 않은 물질로서 매립지에 폐기되거나 광석, 노반(road-bed) 또는 다른 건축재료로서 판매될 수 있다. 가열 공정에서의 극심한 연료 소비 및 유용한 합성가스 및 고체 물질로 변환될 수 있는 재료를 잔여 폐기물로서 처리하는 추가 낭비 때문에, 소각에 의해 폐기물을 폐기하는 것은 덜 바람직하게 된다.
가스화 공정을 달성하는 수단은 여러 방식으로 다양하지만, 4가지 주요 공학적 엘리먼트에 좌우된다: 가스화기내의 대기(산소의 수준 또는 공기 또는 스팀 함유물); 가스화기의 설계; 내부 및 외부 가열 수단; 및 공정을 위한 작업 온도. 생성 가스의 질에 영향을 주는 요소들은, 공급원료 조성, 제조 및 입자 크기; 가스화기 가열 속도; 체류 시간; 건조 또는 슬러리 공급 시스템, 공급원료-반응 흐름 기하구조, 건조 애쉬 또는 슬래그 미네랄 제거 시스템의 설계를 이용하는지 여부를 포함하는 공장 배열; 직접 또는 간접 열 생성 및 전달 방법을 사용하는지 여부; 및 합성가스 정화 시스템을 포함한다. 가스화는 약 650℃ 내지 1200℃의 범위의 온도에서 그리고 진공 또는 대기압 또는 약 100 기압 이하의 압력에서 일반적으로 수행된다.
가스화 공정에 의해 생산되는 열을 포획하고, 이러한 열을 이용하여 전기를 생성하기 위해 제안된 다수의 시스템이 존재하는데, 이는 일반적으로 복합 순환 시스템(combined cycle system)으로 알려져 있다.
이러한 공정에 의해 그리고 가스화 시스템 전반에 걸쳐 생산되는 상당량의 재생가능한 현열(sensible heat)과 커플링되는 생성 가스에서의 에너지는 이러한 공정을 구동하기에 충분한 전기를 일반적으로 생산할 수 있고, 이로써 지역 전기 소비의 비용을 줄일 수 있다. 1 톤의 탄소함유 공급원료을 가스화하기 위해 요구되는 전력의 양은 공급원료의 화학 조성에 직접적으로 좌우된다.
가스화 공정에서 생성되는 가스가 "낮은 질" 탄소함유 공급원료을 사용하여 저온 가스화기에서 생성되는 경향이 있는 가스 종류과 같은 광범위하게 다양한 휘발성 물질을 포함하는 경우, 이는 일반적으로 오프-가스(off-gas)로 지칭된다. 공급원료의 특성 및 가스화기에서의 조건이 CO 및 H2가 두드러진 화학 종인 가스를 생성하는 경우, 이러한 가스는 합성가스로 지칭된다. 몇몇 가스화 설비는 가스 질 컨디셔닝(conditioning) 시스템을 통해 냉각 및 세정 전에, 미가공 오프-가스 또는 미가공 합성가스를 보다 한정된 가스 조성으로 변환시키는 기술을 이용한다.
플라즈마 가열 기술을 활용하여 물질을 가스화하는 것은 수년 동안 사용되어 온 기술이다. 플라즈마는 고온 발광성 가스이며, 이는 부분적으로 또는 전체적으로 이온화되어 있고, 가스 원자, 가스 이온 및 전자로 구성되어 있다. 플라즈마는 임의의 가스를 사용하여 이러한 방식으로 생성될 수 있다. 이는 플라즈마에서의 화학 반응에 대해 탁월한 제어를 제공하는데, 이는 가스가 중성(예를 들어, 아르곤, 헬륨, 네온), 환원성(예를 들어, 산소, 메탄, 암모니아, 일산화탄소), 또는 산화성(예를 들어, 공기, 산소, 일산화탄소)일 수 있기 때문이다. 벌크 상에서, 플라즈마는 전기적으로 중성이다.
몇몇 가스화 시스템은 플라즈마 가열을 이용하여, 가스화 공정을 높은 온도에서 구동하고/거나 다른 입력물 또는 반응물을 부가하거나 부가하지 않으며 더 긴 사슬 휘발성물질 및 타르를 더 작은 분자로 변환하거나, 재구성하거나 개질시킴으로써 오프가스/합성 가스를 정제한다. 가스 분자가 플라즈마 가열과 접촉하게 되는 경우에, 이들은 이들의 구성 원자로 분해된다. 다수의 이러한 원자들은 다른 입력 분자와 반응하여 새로운 분자를 형성하며, 나머지는 유사 원자(like atom)와 재조합될 수 있다. 플라즈마 가열과의 접촉하는 분자의 온도가 감소함에 따라, 모든 원자가 완전히 재조합된다. 입력 가스가 화학양론적으로 제어될 수 있기 때문에, 출력 가스가 제어되어, 예를 들어, 상당한 수준의 일산화탄소 및 미량 수준의 이산화탄소를 생성할 수 있다.
플라즈마 가열로 달성될 수 있는 매우 높은 온도(3000 내지 7000℃)는 고온 가스화 공정을 가능하게 하며, 여기서 임의의 형태 또는 조합된 형태의 액체, 가스 및 고체를 포함하는 처음 받아들여진 상태(as-received condition)의 폐기물을 포함하는 실질적으로 임의의 입력 공급원료이 수용될 수 있다. 플라즈마 기술은 주요 가스화 챔버 내에 위치하여 모든 반응이 동시에 일어나게(고온 가스화) 할 수 있거나, 시스템 내에 위치하여 이들이 순차적으로 일어나게(고온 정제를 사용하는 저온 가스화) 할 수 있거나, 이의 조합일 수 있다.
탄소함유 공급원료의 가스화 동안 생성되는 가스는 일반적으로 매우 고온이지만, 소량의 원하지 않는 화합물을 함유할 수 있어서 이를 사용가능한 생성물로 변환하기 위한 추가 처리를 요구할 수 있다. 탄소함유 물질이 가스 상태로 변환되 는 경우, 금속, 황 화합물 및 애쉬와 같은 바람직하지 않은 물질이 가스로부터 제거될 수 있다. 예를 들어, 건조 여과 시스템 및 습윤 스크러버(scrubber)가 미립자 물질 및 산성 가스를 가스화 동안 생성된 가스로부터 제거하기 위해 종종 사용된다. 가스화 공정 동안 생산된 가스를 처리하기 위한 시스템을 포함하는 다수의 가스화 시스템이 개발되어 왔다.
이러한 요인들은 예를 들어 미국 특허 번호 6,686,556, 6,630,113, 6,380,507; 6,215,678, 5,666,891, 5,798,497, 5,756,957, 및 미국 특허 출원 번호 2004/0251241, 2002/0144981에 기재되어 있는 여러 상이한 시스템의 설계에서 고려되었다. 미국 특허 번호 4,141,694; 4,181,504; 4,208,191; 4,410,336; 4,472,172; 4,606,799; 5,331,906; 5,486,269, 및 6,200,430를 포함하는, 다양한 분야에 사용되는 합성 가스를 생산하기 위한 다양한 석탄 가스화 기술에 관한 다수의 특허가 또한 존재한다.
종래 시스템 및 공정은, 연속적으로 변화한다는 것에 근거하여 다루어져야 한다는 문제점을 적절히 해결하지 못했다. 이러한 유형의 몇몇 가스화 시스템은 가스화 반응으로부터 유용한 가스를 생성시키는 공정을 조정하기 위한 수단을 기재하고 있다. 따라서, 공정 및/또는 전체적 공정을 구성하는 단계의 전체 효능을 최대화하는 방식으로 탄소함유 공급원료를 효율적으로 가스화할 수 있는 시스템을 제공하는 것은 당업계에서 큰 진보일 것이다.
그러므로, 공지된 제어 시스템의 결점 중 일부를 극복하는, 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 제어 시스템이 필요하다.
상기 배경 기술의 내용은 본 출원인이 본 발명과 관련이 있는 것으로 여기는 공지의 정보를 제공할 목적으로 제시된 것이다. 상술된 어떠한 정보도 본 발명에 대한 선행 기술을 구성한다는 것에 대해 어떠한 승인이 필수적으로 요구되지도 않으며, 그와 같이 해석되지도 않아야 한다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 제어 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 일 양태에 따르면, 탄소함유 공급원료를 선택된 다운스트림 적용에 사용하기에 적합한 가스로 전환시키기 위한 가스화 공정을 제어하는 데 사용하기 위한 제어 시스템으로서, 가스의 하나 이상의 특성을 감지하기 위한 하나 이상의 감지 엘리먼트; 상기 감지된 하나 이상의 특성의 대표적인 특성 값에 액세싱(accessing)하여, 상기 특성 값을 선택된 다운스트림 적용에 적합한 것으로서 가스를 특징화하는데 정의된 그러한 값의 소정 범위와 비교하고, 상기 소정 범위내에서 상기 특성 값을 유지하는 데 도움을 주는 하나 이상의 공정 제어 파라미터를 연산하기 위해, 상기 하나 이상의 감지 엘리먼트에 소통되는 하나 이상의 연산 플랫폼(computing platform); 및 공정에 영향을 미치는 작동가능한 하나 이상의 공정 디바이스에 작동적으로 연결됨으로써 상기 하나 이상의 가스 특성을 조절하고, 상기 하나 이상의 연산된 공정 제어 파라미터에 액세싱하여, 이에 따라 상기 하나 이상의 공정 디바이스를 작동시키기 위한, 상기 하나 이상의 연산 플랫폼에 소통되는 다수 개의 응답 엘리먼트를 포함하는 제어 시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 탄소함유 공급원료의 가스로의 전환을 제어하는 방법으로서, 공급원료를 가스로 전환시키기 위한, 공급원료 입력부, 하나 이상의 첨가제 입력부 및 하나 이상의 열원 및 출력부를 포함하는 전환기를 제공하고; 상기 출력부로부터의 다운스트림의 가스의 하나 이상의 특성을 감지하여 이의 대표적인 값을 선택된 다운스트림 적용에 대해 적합한 것으로서 가스를 특징화하기 위해 정의된 값의 소정 범위와 비교하고; 상기 소정 범위내 특성 값을 유지하는 데 도움이 되는 하나 이상의 공정 제어 파라미터를 연산하고; 이에 따라 하나 이상의 상기 공급원료 입력부, 상기 하나 이상의 첨가제 입력부 및 상기 하나 이상의 열원을 작동시키는 것을 포함하는 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 탄소함유 공급원료의 가스로의 전환을 제어하는 방법으로서, 공급원료를 가스로 전환시키기 위한, 공급원료 입력부, 하나 이상의 첨가제 입력부 및 하나 이상의 열원 및 출력부를 포함하는 전환기를 제공하고; 가스 조성, 가스 흐름, 및 가스 압력 중 하나 또는 그 초과를 감지하여 이의 대표적인 값을 각각의 이러한 값의 소정 범위와 비교하고; 상기 나타난 값 중 하나 또는 그 초과가 상기 각각의 소정 범위를 벗어난 경우, 그 편차에 대해 신속하게 응답하도록 상기 하나 이상의 첨가제 입력부를 통해 첨가제 입력 속도을 조절하고; 상기 편차에 대해 보다 오랜 기간 반응하도록 상기 공급원료 입력부를 통해 공급원료 입력 속도를 조절하는 것을 포함하는 방법이 제공된다.
본 발명의 상기 특징 및 그 밖의 특징은 첨부되는 도면을 참조하여 하기 상세한 설명에서 보다 명백하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 한 가지 구체예에 따른 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 시스템에 의해 실행되는 가스화 공정을 제어하기 위한 제어 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 한 가지 구체예에 따른 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 시스템을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 한 가지 구체예에 따른 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 시스템을 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 한 가지 구체예에 따른 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 시스템을 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 한 가지 구체예에 따른 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 시스템을 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 한 가지 구체예에 따른 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 시스템을 도시한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 한 가지 구체예에 따른 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 시스템에 의해 제공되는 생성물에 대한 여러 다운스트림 적용을 도시한 개략도이다.
도 8은 본 발명의 한 가지 구체예에 따른 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 시스템에 의해 제공되는 생성물에 대한 여러 다운스트림 적용을 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 한 가지 구체예에 따른 탄소함유 공급원료를 가스로 전환 시키기 위한 시스템에 의해 제공되는 생성물에 대한 여러 다운스트림 적용을 도시한 개략도이다.
도 10은 본 발명의 한 가지 구체예에 따른 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 시스템에 의해 제공되는 생성물에 대한 여러 다운스트림 적용을 도시한 개략도이다.
도 11은 본 발명의 한 가지 구체예에 따른 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 가스화 공정을 제어하기 위한 제어 시스템의 사용을 도시한 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 한 가지 구체예에 따른 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 가스화 공정을 제어하기 위한 제어 시스템의 연산 플랫폼, 및 이의 예시적인 구성요소의 개략도이다.
도 13은 본 발명의 한 가지 구체예에 따른, 중앙집중 제어 시스템의 개략도이다.
도 14는 본 발명의 한 가지 구체예에 따른, 적어도 부분적으로 분포된 제어 시스템의 개략도이다.
도 15는 본 발명의 한 가지 구체예에 따른, 그 안에서 이행되는 하나 이상의 공정을 제어하기 위한 제어 시스템에 의해 각각이 가스화 시스템으로부터 수신되고, 이러한 시스템으로 전송되는, 예시적인 감지 신호 및 응답 신호를 도시한 개략도이다.
도 16은 본 발명의 여러 예시적 구체예에 따른, 여러 가능한 다운스트림 적 용와 함께, 탄소함유 공급원료를 특정 조성의 가스로 전환시키기 위한 시스템의 여러 디바이스, 모듈(module) 및 서브시스템에 대한 집적화된 시스템 제어 시스템의 예시적인 감지 및 응답 액세스(access) 지점을 도시한 개략도이다.
도 17은 본 발명의 한 가지 구체예에 따른, 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 시스템의 전환기로의 입력을 제어하기 위한 제어 시스템을 도시한 개략도이다.
도 18은 도 14의 제어 시스템에 의해 실행된 예시적인 제어 순서(sequence)를 도시한 개략도이다.
도 19는 본 발명의 한 가지 구체예에 따른, 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 전환기의 개략도이다.
도 20은 본 발명의 한 가지 구체예에 따른, 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 전환기의 개략도이다.
도 21은 본 발명의 한 가지 구체예에 따른, 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 전환기의 개략도이다.
도 22는 본 발명의 한 가지 구체예에 따른, 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 전환기의 개략도이다.
도 23은 본 발명의 한 가지 구체예에 따른, 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 전환기의 개략도이다.
도 24는 본 발명의 한 가지 구체예에 따른, 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 가스화 공정의 열 회수 서브시스템(subsystem)을 도시한 개략도이 다.
도 25는 본 발명의 한 가지 구체예에 따른, 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 가스화 공정의 열 회수 서브시스템을 도시한 개략도이다.
도 26은 본 발명의 한 가지 구체예에 따른, 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 가스화 공정의 열 회수 서브시스템을 도시한 개략도이다.
도 27은 본 발명의 한 가지 구체예에 따른, 제어 시스템에 의해 제어되는 예시적인 가스화 시스템의 가스화기의 상이한 영역을 보여주는 흐름도이다.
도 28은 도 27의 가스화기의 영역 1, 2 및 3에서 일어나는 가스화 공정을 나타낸다.
도 29는 다운스트림 가스 엔진과 일체화된, 본 발명의 한 가지 구체예에 따른 예시적인 가스 컨디셔닝 시스템(gas conditioning system)이 통합된 저온 가스화 설비의 개략적인 공정 흐름도이다.
도 30은 본 발명의 예시적 구체예에 따른, 전체 가스화 시스템에 대한 사이트 레이아웃(site layout)이다.
도 31은 도시 고체 폐기물용 저장 빌딩의 레이아웃을 나타내는 개략도이다.
도 32는 공급원료 입력부, 가스 배출구, 잔류물 배출구, 캐리어-램 엔클로져(carrier-ram enclosure) 및 액세스 포트를 자세히 나타내는 가스화기의 한 가지 구체예의 투시도이다.
도 33은 공기 박스(air box), 잔류물 캔 및 먼지 수집기를 자세히 나타내는 도 32에 도시된 가스화기의 투시도이다.
도 34는 공급원료 입력부, 가스 배출구, 잔류물 배출구, 횡방향 전송 수단, 열전쌍 및 액세스 포트를 자세히 나타내는, 도 32 및 도 33에서 도시된 가스화기를 통한 중앙의 종단면도이다.
도 35는 공기 박스, 캐리어-램 핑거(finger), 잔류물 추출기 스크류 및 단계 C의 엣지를 자세히 나타내는 확대 단면도이다.
도 36은 내화물을 자세히 나타내는 도 32 및 33의 가스화기의 단면도이다.
도 37은 도 32 내지 36에 도시된 가스화기의 단계 A 및 B의 공기 박스 어셈블리를 자세히 도시한 것이다.
도 38은 도 32 내지 36에 도시된 가스화기의 단계 C의 공기 박스의 단면도를 도시한 것이다.
도 39는 공기 박스를 자세히 나타내는 도 32 내지 36에 도시된 가스화기의 단면도를 도시한 것이다.
도 40은 도 32 내지 36에 도시된 가스화기의 다중-핑거 캐리어-램의 더스트 시일(dust seal)을 자세히 나타낸 것이다.
도 41은 더스트 푸시어(dust pusher), 더스트 캔(dust can) 부착, 셔터, 작동 핸들 및 연쇄 메커니즘을 자세히 나타내는 도 32 내지 36에 도시된 가스화기의 한 가지 구체예의 더스트 제거 시스템을 도시한 것이다.
도 42는 캐리어-램 구조를 자세히 나타내는 도 32 내지 36에 도시된 가스화기의 캐리어-램 엔클로져를 자세히 나타낸 것이다.
도 43은 본 발명의 한 가지 구체예에서 레벨 스위치 위치를 자세히 나타내는 도면이다.
도 44는 가스화기, 가스 재구성 챔버 및 잔류물 컨디셔닝 챔버의 셋업(setup)을 도시한 것이다.
도 45는 가스화기, 가스 재구성 챔버 및 잔류물 컨디셔닝 챔버의 셋업의 단면도이다.
도 46은 가스 재구성 챔버의 개략도이다.
도 47은 상기 재구성 챔버의 내벽의 도면이다.
도 48은 토치, 및 공기 및 스팀 노즐의 위치를 보여주는 재구성 챔버의 하향도이다.
도 49는 재구성 챔버 둘레의 소용돌이 입구의 배열을 도시한 것이다.
도 50은 재구성 챔버 상의 플라즈마 토치의 부착을 도시한 것이다.
도 51A는 도 46의 재구성 챔버의 단면도이다.
도 51B는 도 46의 재구성 챔버를 포함하는 본 발명의 가스 재구성 시스템을 포함하는 가스화기내 공기-흐름을 나타내는 도면이다.
도 51C는 공기 입력부로부터 공기를 도 46의 재구성 챔버에 주입하는 것과 그 안의 공기 흐름에 대한 효과를 도시한 것이다.
도 52는 잔류물 컨디셔닝 시스템의 기능 블록도이다.
도 53은 잔류물 컨디셔닝 시스템의 실질적인 수행 및 이것의 가스화기 및 백하우스 필터(baghouse filter)로의 연결을 도시한 도면이다.
도 54는 잔류물 컨디셔닝 챔버의 단면도이다.
도 55는 잔류물 컨디셔닝 챔버의 또 다른 도면이다.
도 56은 잔류물 컨디셔닝 챔버 및 유리화된 슬래그를 슬래그 스톡파일(stockpile)에 전달하는데 사용되는 컨베이어가 있는 켄칭 탱크(quench tank)의 도면이다.
도 57은 또 다른 각도로부터의 전체 잔류물 컨디셔닝 시스템을 도시한 것이며, 또한 잔류물 컨디셔닝 챔버용으로 사용된 지지 구조물을 도시한 것이다.
도 58은 잔류물 컨디셔닝 챔버와 함께 잔류물 가스 컨디셔닝 시스템의 배열을 도시한 것이다.
도 59는 전체 시스템, 특히 가스 컨디셔닝 시스템(GCS)의 공정 흐름도이다.
도 60은 본 발명의 구체예에 따른 합성가스 조절 시스템에 통합된 가스 컨디셔닝 시스템의 셋업을 도시한 것이다.
도 61은 열교환기를 보다 자세히 도시한 것이며, 열교환기에 입력되는 공기를 제어하는 데 사용되는 공정 공기 송풍기를 도시한 것이다.
도 62는 탄소가 저장 호퍼에서 유지되어 회전 스크류에 의해 합성가스 스트림에 공급되고, 탄소가 가스 스트림 롤(roll)에서 백하우스로 운반되지 않도록 합성가스 스트림 파이프가 각이 져 있는 건식 분사 시스템을 도시한 것이다.
도 63은 백하우스가 결합된 건식 분사 시스템의 예시적인 개략도이다.
도 64는 HCl 스크러버(scrubber) 및 관련된 구성요소의 예시적인 개략도이다.
도 65는 가스 컨디셔닝 시스템으로부터 폐수를 수거하고 저장하기 위한 시스 템을 도시한 것이다.
도 66는 본 발명의 한 가지 구체예에 따른, 티오팍-계열 바이오리액터( Thiopaq-based bioreactor)를 사용하는 H2S 제거 공정의 공정 흐름도이다.
도 67은 본 발명의 한 가지 구체예에 따른 가스 균질화 시스템을 도시한 것이며, 여기서 가스는 단일 공급원으로부터 단일 균질화 챔버로 전달된 후, 각각이 자체의 가스/액체 분리기 및 가열기를 지닌 다수의 엔진으로 전달된다.
도 68은 본 발명의 한 가지 구체예에 따른 고정 용적 균질화 챔버를 도시한 것이다.
도 69는 가스화 시스템 및 이에 따른 제어 시스템의 고급 개략도이다.
도 70은 도 69의 가스화 및 제어 시스템의 또 다른 개략도이다.
도 71은 도 69 및 70의 가스화 시스템을 제어하기 위한 제어 도식의 흐름도이다.
도 72는 도 69 및 70의 가스화 시스템을 제어하기 위한 또 다른 제어 도식의 흐름도이며, 여기서 상기 시스템은 추가로 이의 가스화 공정에서 공정 첨가제 증기를 사용하기에 적합한다.
도 73은 본 발명의 추가의 예시적 구체예에 따른, 가스화 공정을 제어하기 위한 또 다른 제어 도식의 흐름도이다.
도 74는 본 발명의 추가의 예시적 구체예에 따른, 가스화 공정을 제어하기 위한 또 다른 제어 도식의 흐름도이다.
도 75는 본 발명의 추가의 예시적 구체예에 따른, 가스화 공정을 제어하기 위한 또 다른 제어 도식의 흐름도이다.
다르게 정의되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 당업자들에게 보편적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
본원에서 사용되는 용어 "약"은 명목 값(nominal value)으로부터 +/- 10% 변동을 나타낸다. 이러한 변동은 구체적으로 언급되거나 되지 않거나 간에 본원에서 제시된 임의의 소정의 값에 항상 포함되는 것으로 이해해야 한다.
본원에서 사용되는, 용어 "탄소함유 공급원료(carbonaceous feedstock)" 및 "공급원료"는 본 발명의 가스화 공정에서 가스화에 적합한 임의의 탄소함유 물질일 수 있으며, 임의의 폐기물, 석탄(화력발전 생성장치에 사용하기에 적합하지 않은 저급의 고유황 석탄 포함), 석유 코크스, 중유, 바이오매스(biomass), 하수 슬러지, 펄프 및 제지공장으로부터의 슬러지 및 농업 폐기물을 포함할 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 가스화에 적합한 폐기 물질은 도시 폐기물, 산업 활성에 의해 생성된 폐기물(페인트 슬러지, 오프-스펙(off-spec) 페인트 생성물, 사용된 흡수제), 자동차 플러프(fluff), 사용된 타이어 및 생물의학적 폐기물, 재순환에 부적합한 임의의 탄소함유 물질(재순환 불가능한 플라스틱, 오수, 슬러지, 석탄, 중유, 석유 코크스, 중질 정제 잔여물, 정제 폐기물, 탄화수소 오염된 고형 폐기물 및 바이오매스 포함), 농업 폐기물, 타이어, 유해 폐기물, 산업 폐기물 및 바이오매스와 같은 위험 및 비위험 폐기물 모두를 포함한다. 가스화에 유용한 바이오매스의 예로는 폐목재 또는 새로운 목재, 과일, 야채 및 곡물 가공으로부터의 잔류물, 제지공장 잔류물, 짚, 풀 및 퇴비를 포함하나, 이로 제한되는 것은 아니다.
본원에 사용된 용어 "감지 엘리먼트"란 공정, 공정 장치, 공정 입력물 또는 공정 출력물의 특성을 감지하도록 구성된 시스템의 임의의 엘리먼트를 지칭하는 것으로 규정되며, 여기서 상기 특성은 시스템의 하나 이상의 지역(local), 구역(regional) 및/또는 전체(global) 공정을 모니터링하고, 조절하고/하거나 제어하는 데에 사용가능한 특성값에 의해 표현될 수 있다. 가스화 시스템과 관련하여 고려되는 감지 엘리먼트로는 비제한적으로 시스템내의 임의의 주어진 시점 및 시스템내에 사용된 임의의 공정 장치의 임의의 동작 특성에서 물질 위치 및/또는 배치 뿐만 아니라 공정, 유체 및/또는 물질 온도, 압력, 흐름, 조성 및/또는 그 밖의 이와 같은 특성을 감지하기 위한 센서, 검출기, 모니터, 분석기 또는 이들의 임의의 조합물이 있을 수 있다. 감지 엘리먼트의 상기 예는 이들 각각이 가스화 시스템과 관련하여 관계가 있다고 하더라도 본원의 기재내용과 관련해서는 특별히 관계가 있지 않을 수 있고, 이에 따라 본원에서 감지 엘리먼트로서 확인된 엘리먼트는 이러한 예를 고려하여 제한되고/되거나 부적절하게 해석되지 않아야 하는 것으로 당업자에게 인식될 것이다.
본원에 사용된 용어 "응답 엘리먼트"는 하나 이상의 미리정해지고, 연산되고, 고정되고/되거나 조정가능한 제어 파라미터에 따라 이와 작동적으로 결합된 공정 장치를 동작시키기 위해 감지된 특성에 응답하도록 구성된 시스템의 임의의 엘리먼트를 지칭하도록 규정되며, 여기서 하나 이상의 제어 파라미터는 요망되는 공정 결과를 제공하도록 한정된다. 가스화 시스템과 관련하여 고려되는 응답 엘리먼트로는 비제한적으로 정적이고, 미리설정되고/되거나 동적으로 가변적인 드라이버(driver), 전원 및 하나 이상의 제어 파라미터를 기초로 하여 장치에 기계적, 전기적, 자기적, 공압적, 수압적 또는 이들이 조합된 형태일 수 있는 작용을 제공하도록 구성될 수 있는 임의의 다른 엘리먼트가 있을 수 있다. 가스화 시스템과 관련하여 고려되고 하나 이상의 응답 엘리먼트가 작동적으로 결합될 수 있는 공정 장치로는 비제한적으로 물질 및/또는 공급원료 입력 수단, 플라즈마 열원과 같은 가열원, 첨가제 입력 수단, 다양한 가스 송풍기 및/또는 그 밖의 이와 같은 가스 순환 장치, 다양한 가스 흐름 및/또는 압력 조절기, 및 가스화 시스템내에서 임의의 지역, 구역 및/또는 전체 공정에 영향을 미치도록 동작할 수 있는 다른 공정 장치가 있을 수 있다. 응답 엘리먼트의 상기 예는 이들 각각이 가스화 시스템과 관련하여 관계가 있다고 하더라도 본원의 기재내용과 관련해서는 특별히 관계가 있지 않을 수 있고, 이에 따라 본원에서 응답 엘리먼트로서 확인된 엘리먼트는 이러한 예를 고려하여 제한되고/되거나 부적절하게 해석되지 않아야 하는 것으로 당업자에게 인식될 것이다.
본원에서 사용되는 용어 "실시간"은 작동과 관련된 시스템 또는 공정, 또는 이의 특징의 현재 또는 현상태를 실질적으로 반영하는 임의의 작용을 정의하기 위해 사용된다. 실시간 작용은 공정, 반복, 측정, 연산, 응답(response), 반응(reaction), 데이터의 획득, 획득된 데이터에 대한 디바이스의 작동, 및 시스템내에서 수행되는 그 밖의 다른 작용 또는 그 안에서 수행되는 소정의 공정을 포함하나, 이로 제한되는 것은 아니다. 상대적으로 느린 가변 공정 또는 특징과 관련된 실시간은 상대적으로 빠른 가변 공정 또는 특징과 관련된 또 다른 동등한 실시간 작용(예를 들어, 1ms, 10ms, 100ms, 1s)보다 훨씬 더 긴 시간 구간 또는 기간(예를 들어, 초, 분, 시간 등)내에서 수행될 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "연속적"은 규칙적인 기준 또는 소정의 속도 또는 빈도로 이행되는 임의의 작용을 정의하기 위해 사용된다. 연속 작용은 공정, 반복, 측정, 연산, 응답(response), 반응(reaction), 감지 엘리먼트를 통한 데이터의 획득, 획득된 데이터에 응답하는 디바이스의 작동, 및 시스템 내에서 또는 그 안에서 이행되는 소정의 공정과 함께 이행되는 그 밖의 이러한 작용을 포함하나, 이로 제한되는 것은 아니다. 상대적으로 느린 가변 공정 또는 특징과 관련된 연속 작용은 상대적으로 빠른 가변 공정 또는 특징과 관련된 또 다른 동등한 연속 작용(예를 들어, 1 KHz, 100Hz, 10Hz, 1Hz)보다 훨씬 더 느린 속도 또는 빈도(예를들어, 1회/초, 1회/분, 1회/시간 등)로 수행될 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "반응 물질"은 공급원료 또는 부분적으로 또는 완전히 처리된 공급원료를 의미할 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "생성 가스의 조성"은 가스내 화학 종의 전체 조성을 나타낸다. 그러나, 실질적으로, 상기 용어는 일반적으로 다운스트림 적용에 대부분 관련되어 있는 화학종 및 화학 성분의 농도를 표현하는 데 사용될 것이다. 예를 들어, 가스 터빈에 바람직한 가스 조성은 일반적으로 합성 가스 중의 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 물 및/또는 수소의 양에 대해 기술될 것이다. 또한, 화학적 조성은 결여되어 있는 특정 화학 종, 즉, "H2S 비함유"와 같은 다운스트림 적용에 전달하기에 바람직하지 않을 수 있는 화학종으로서 구분될 수 있다. 합성가스의 화학적 조성은 합성가스를 생성하는 데 사용된 공급원료의 조성 및 가스화 공정, 가스 세정 및 컨디셔닝이 수행되는 방식에 따라 광범위하게 달라질 수 있다. 문맥에 따라, 당업자들에게는 가스의 조성이 미량 원소를 고려할 것인지 안할 것인지가 자명할 것이다.
본원에서 사용되는 용어 "가스의 특성"은 화학적 조성, 온도, 압력, 유속, 색상, 냄새 등을 포함할 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아닌 가스의 화학적 및/또는 물리적 특성을 나타낸다.
본원에서 사용되는 용어 "오프-가스(off-gas)"는 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 경탄화수소 및 오염화 미립 물질, 예컨대, 그을음 및 카본 블랙을 포함할 수 있는 탄소함유 공급원소의 가스화에 의해 생성된 휘발성 분자를 포함한다.
본원에서 사용되는 용어 "합성가스"는 주로 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 가스화 공정의 가스 생성물이다. 합성가스는 오프-가스로부터 유래되거나, 전환기에서의 조건이 이러한 가스 조성을 형성할 수 있게 하는 경우, 가스화 공정으로부터 직접 생성될 수도 있다.
본 발명의 목적상, 용어 합성가스는 가스화 공정의 산물을 나타내며, 일산화탄소, 수소 및 이산화탄소 뿐만 아니라 메탄 및 물과 같은 그 밖의 가스 성분을 포함할 수 있다.
본 발명은 탄소함유 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 제어 시스템을 제공한다. 특히, 제어 시스템은 하나 이상의 다운스트림 적용을 위해 사용될 수 있는, 공급원료를 가스로 전환시키기 위한 가스화 시스템내 및/또는 시스템에 의해 수행되는 하나 이상의 공정, 또는 이의 하나 이상의 구성요소를 제어하는 데 사용하기 위해 구성될 수 있도록 설계된다. 단지 예시로서 제공되는 것이지 하기 기재의 일반적 범위 및 특성을 제한하려는 것은 아닌 도 1의 예시적 구체예를 참조하면, 기재된 제어 시스템의 상이한 구체예에 의해 제어될 수 있는 가스화 공정은 전환기(110), 잔류물 컨디셔너(410), 환열기 및/또는 열교환기 시스템(510), 하나 이상의 가스 컨디셔너(610), 가스 균질화 시스템(710) 및 하나 이상의 다운스트림 적용의 다양한 조합을 포함할 수 있다. 이러한 구성요소 및 서브시스템의 예는 본 발명의 제어 시스템에 의해 제어될 수 있는 가스화 시스템의 예시적 구체예를 도시한, 도 1 내지 10을 참조로 하여 하기에서 보다 자세히 기술될 것이다.
제어 시스템은 전체 가스화 공정에 관련된 여러 지역(logal), 구역(regional) 및/또는 전체(global) 공정을 작동적으로 제어함으로써 선택된 결과에 대해 이들 공정에 영향을 미치게 되어 있는 이의 다양한 제어 파라미터를 조절한다. 그러므로, 여러 감지 엘리먼트 및 응답 엘리먼트는 제어된 시스템을 통해, 또는 하나 이상의 이들의 구성요소와 관련하여 분포되어, 여러 공정, 반응물질 및/또는 생성물 특성을 획득하는 데 사용되어, 이러한 특성을, 목적하는 결과를 달성하는 데 도움이 되는 이러한 특성의 적합한 범위와 비교하고, 하나 이상의 제어가능한 공정 디바이스를 통해 하나 이상의 진행 중인 공정에서의 변화를 실행시킴으로써 응답한다.
한 가지 구체예에서, 제어 시스템은 탄소함유 공급원료를 선택된 다운스트림 적용에 사용하기에 적합한 가스로 전환시키기 위한 가스화 공정을 제어하는 데 사용된다. 일 실시예에서, 가스화 공정은 이의 생성 가스가 연속 방식으로 및/또는 즉석 사용을 위한 실시간으로 사용될 수 있도록 제어된다. 따라서, 제어 시스템은 예를 들어, 다운스트림 적용에 사용되어야 하는 하나 이상의 가스의 특성을 감지하기 위한 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 하나 이상의 연산 플랫폼이, 감지된 특성(들)을 나타내는 특징적 값을 액세싱하기 위해 이러한 감지 엘리먼트에 소통되며, 특성 값(들)을 선택된 다운스트림 적용에 적합한 것으로서 가스를 특징화하기 위해 정의된 이러한 값의 소정 범위와 비교하고, 특성 값을 이러한 소정의 범위로 유지하는 데 도움을 주는 하나 이상의 공정 제어 파라미터를 연산하도록 구성된다. 이에 따라, 다수의 응답 엘리먼트는 공정에 영향을 미쳐서, 가스의 감지된 특성을 조절하도록 작동할 수 있는 하나 이상의 공정 디바이스에 작동적으로 연결되고, 연산된 공정 제어 파라미터(들)을 액세싱하고, 이에 따라 공정 디바이스(들)를 작동시키기 위한 연산 플랫폼(들)에 소통가능하게 연결된다.
예를 들어, 제어 시스템은 탄소함유 공급원료의 다운스트림 적용(들)에 적합한 하나 이상의 특성을 지닌 가스로의 전환을 제어하도록 구성될 수 있으며, 여기서, 생성 가스는 가스 터빈에서 연소를 통해 전기 생성에 사용하거나, 연료 전지 적용에 사용하도록 의도된다. 이러한 적용에서, 각각의 에너지 생성장치에서 연료로서 매우 효과적으로 사용될 수 있는 생성물을 수득하는 것이 바람직하다. 다르게는, 생성 가스가 추가의 화학 공정에서 공급원료로서 사용되는 경우, 조성은 특정 합성 적용에 가장 유용할 것이다.
한 가지 구체예에서, 제어 시스템은 반응 설정점을 실질적으로 유지하기 위해 공정 에너지의 피드백, 피드포워드 및/또는 예측 제어를 제공함으로써 가스화 공정이 특정 조성을 갖는 가스를 생성하는 최적의 반응 조건 하에서 수행되도록 한다. 예를 들어, 공급원료의 가스로의 전환에 대한 전체 에너지는 적합하게 구성된 가스화 시스템을 사용하여 측정되고 달성될 수 있으며, 여기서 여러 공정 특성이 평가되어, 실제 전체 에너지의 측정에 영향을 미치도록 제어가능하게 조절될 수 있다. 이러한 특성으로는, 공급원료의 발열량 및/또는 조성, 생성 가스의 특성(예를 들어, 발열량, 온도, 압력, 유속, 조성, 탄소 함량 등), 이러한 특성에 허용되는 변동 정도, 및 출력 값에 대한 입력 비용을 포함하나, 이로 제한되는 것은 아니다. 열원 전력, 첨가제 공급 속도(s)(예를 들어, 산소, 증기 등), 공급원료 공급 속도(들)(예를 들어, 하나 이상의 별개의 및/또는 혼합된 공급물), 가스 및/또는 시스템 압력/흐름 조절기(예를 들어, 송풍기, 릴리프(relief) 및/또는 제어 밸브, 플레어(flare) 등) 등을 포함할 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아닌 다양한 제어 파라미터에 대한 연속 및/또는 실시간 조절이, 실제 전체 에너지가 평가되고 설계 명세서에 따라 최적화되는 방식으로 실행될 수 있다.
다르게는, 또는 이에 더하여, 제어 시스템은 적합한 작동을 보장하기 위해, 그리고, 임의로 이로써 실행된 공정(들)이 이와 같은 표준이 적용되는 경우에 규제 표준내에 있도록 보장하기 위해 가스화 시스템의 여러 구성요소의 작동을 모니터링하도록 구성될 수 있다.
한 가지 구체예에 따르면, 제어 시스템은 추가로 가스화 시스템의 전체 에너지 효과를 모니터링하고 제어하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 공급원료의 전환을 위한 가스화 시스템은, 예를 들어 실행된 하나 이상의 공정을 최적화함으로써, 또는 다시 이러한 공정에 의해 생성된 폐열의 재환열을 증가시킴으로써 에너지 효과를 감소시키거나, 다시 최소화되도록 작동될 수 있다. 다르게는, 또는 이에 추가하여, 제어 시스템은 이러한 특성이 다운스트림 사용에 적합할 뿐만 아니라 효율적이고/이거나 최적화된 사용을 위해 실질적으로 최적화되도록 제어된 공정(들)을 통해 생성된 생성 가스의 조성 및/또는 그 밖의 특성(예를 들어, 온도, 압력, 흐름 등)을 조절하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 생성 가스가 전기 생성을 위한 소정 타입의 가스 엔진을 구동시키기 위해 사용되는 한 가지 구체예에서, 생성 가스의 특성은 이러한 특성이 그와 같은 엔진에 대한 최적의 입력 특성과 가장 잘 맞도록 조절될 수 있다.
한 가지 구체예에서, 제어 시스템은 가스화 공정을 조절하여 여러 구성요소에서의 반응물 및/또는 생성물 체류 시간과 관련하거나 전체 가스화 공정의 여러 공정과 관련한 제약 또는 성능 가이드라인이 부합되고/되거나 최적화되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도시 폐기물이 공급원료로서 사용되는 한 가지 구체예에서, 전 처리 및/또는 저장 단계에서 폐기물의 최대 체류 시간이 고려되도록 이러한 폐기물의 가스화 공정을 조절하는 것이 중요한 것으로 간주될 수 있다. 예를 들어, 폐기물 및/또는 그 밖의 공급원료가 주기적으로 또는 진행 중에 제어되는 시스템 설비에 운송될 수 있으며, 여기서 이러한 공급원료의 처리는 이의 공급과다(예를 들어, 증가된 전처리 체류 시간)를 피하도록 하면서, 연속 작동(예를 들어, 감소되거나 피해진 다운-횟수)를 허용하도록 제어되어야 한다. 이러한 예에서, 소정의 공급원료의 처리 속도는 이러한 공급원료의 운반 속도와 실질적으로 맞춰짐으로써 저장 또는 전처리 단계에서 운반된 공급원료의 실질적으로 일정한 체류시간(예를 들어, 시간수, 일수, 주수 등)을 허용하도록 제어될 수 있다.
유사하게, 가스화 시스템의 전환기내 공급원료의 체류 시간은 자원을 고갈시키지 않고, 이로써 다운스트림 공정 및/또는 적용을 과도하게 축소시키고/제한하지 않고, 충분히 처리되도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 소정의 전환기 구성은 적합한 공급원료 처리가 달성되는 비교적 안정한 체류 시간(예를 들어, 분, 시간 등)을 허용할 수 있다. 전환기의 다운스트림 구성요소는 이에 대한 적합한 체류 시간이 또한 실질적으로 고려되도록 동등하게 제어될 수 있다. 예를 들어, 열교환 시스템, 컨디셔닝 시스템 및/또는 균질화 시스템을 통한 스팀화 가스는 소정의 가스 흐름 및/또는 체류 시간에 대한 그러한 구성요소에 의해 최상으로 처리될 수 있다. 유사하게, 가스 흐름 및/또는 체류 시간에서의 변동이 이러한 시스템 구성요소의 다양한 엘리먼트를 제어함으로써 해결되고 보상될 수 있다.
본 발명의 제어 시스템은 실질적으로 비균질 특성 및/또는 조성의 공급원료를 효과적으로 전환시켜 다운스트림 적용에 도움이 되는 실질적으로 안정한 특성을 갖는 가스를 생성시키는 데 사용될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 제어 시스템에 의해 제어된 가스화 시스템의 특별한 구성에 의존하여, 공급원료 특성의 변동성이 예를 들어 장기간 공정 가변성을 4배 이상 감소시키는, 이러한 시스템의 연속 및/또는 실시간 제어를 통해 약화해질 수 있다. 대안적 구체예에서, 공급원료 특성의 변동성은 장기간 공정 가변성을 약 4배 감소시키는 이러한 시스템의 연속 및/또는 실시간 제어를 통해 약화될 수 있다. 대안적 구체예에서, 공급원료 특성의 변동성은 장기간 공정 가변성을 약 3.5배 감소시키는 이러한 시스템의 연속 및/또는 실시간 제어를 통해 약화될 수 있다. 대안적 구체예에서, 공급원료 특성의 변동성은 장기간 공정 가변성을 약 3배 감소시키는 이러한 시스템의 연속 및/또는 실시간 제어를 통해 약화될 수 있다. 대안적 구체예에서, 공급원료 특성의 변동성은 장기간 공정 가변성을 약 2.5배 감소시키는 이러한 시스템의 연속 및/또는 실시간 제어를 통해 약화될 수 있다. 대안적 구체예에서, 공급원료 특성의 변동성은 장기간 공정 가변성을 약 2배 감소시키는 이러한 시스템의 연속 및/또는 실시간 제어를 통해 약화될 수 있다. 대안적 구체예에서, 공급원료 특성의 변동성은 장기간 공정 가변성을 약 1.5배 감소시키는 이러한 시스템의 연속 및/또는 실시간 제어를 통해 약화될 수 있다.
또한, 본 발명의 제어 시스템에 의해 제어되는 가스화 시스템의 특별한 구성에 의존하여, 공급원료 특성의 변동성은 예를 들어 단기간 공정 가변성을 2.5배 이상 감소시키는, 이러한 시스템의 연속 및/또는 실시간 제어를 통해 약화될 수 있다. 대안적 구체예에서, 공급원료 특성의 변동성은 단기간 공정 가변성을 약 2.5배 감소시키는 이러한 시스템의 연속 및/또는 실시간 제어를 통해 약화될 수 있다. 대안적 구체예에서, 공급원료 특성의 변동성은 단기간 공정 가변성을 약 2배 감소시키는 이러한 시스템의 연속 및/또는 실시간 제어를 통해 약화될 수 있다. 대안적 구체예에서, 공급원료 특성의 변동성은 단기간 공정 가변성을 약 1.5배 감소시키는 이러한 시스템의 연속 및/또는 실시간 제어를 통해 약화될 수 있다.
당업자들은 여러 구체예에서, 가스화 시스템 및 제어 시스템이 많은 독립적이고/이거나 결합된 다운스트림 적용을 갖는 다수의 처리 시스템에 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 제어 시스템은 여러 구체예에서, 또한 연속 및/또는 실시간 방식으로 공정의 여러 측면을 동시에 제어할 수 있다.
제어 시스템 구조
도 13 및 14와 관련하면, 제어 시스템은 가까운 장래에 적용하기에 적합한 어느 한 타입의 제어 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템은 실질적으로 집중형 제어 시스템(예를 들어, 도 13 참조), 분산형 제어 시스템(예를 들어, 도 14 참조), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 집중형 제어 시스템은 일반적으로 제어된 공정과 관련된 여러 특성을 각각 감지하고, 이에 대해, 제어된 공정에 직접적으로 또는 간접적으로 영향을 미치도록 되어 있는 하나 이상의 제어가능한 공정 디바이스를 통해 응답하도록 구성된 여러 지역(local) 및/또는 원격 감지 디바이스 및 응답 엘리먼트와 소통하도록 구성된 중앙제어기를 포함할 수 있다. 집중형 구조를 이용하여, 대부분의 연산은 집중형 프로세서 또는 프로세서들을 통해 중앙에서 이행됨으로써, 공정의 제어를 이행하기 위해 필요한 대부분의 하드웨어 및/또는 소프트웨어가 동일 위치에 위치한다.
분산형 제어 시스템은 일반적으로 지역(local) 및/또는 구역(regional) 특성을 모니터링하기 위한 각각의 감지 및 응답 엘리먼트와 각각 소통하고, 지역 공정 또는 서브-공정에 영향을 미치도록 구성된 지역 및/또는 구역 공정 디바이스를 통해 응답할 수 있는, 두개 이상의 분산된 제어기를 포함한다. 또한, 다양한 네트워크 구조를 통해 분산된 제어기 간에 소통이 이루어질 수 있으며, 여기서 제 1 제어기를 통해 감지된 특성은 이에 응답하기 위한 제 2 제어기로 소통될 수 있으며, 여기서 이러한 원위 응답은 제 1 위치에서 감지된 특성에 대한 효과를 가질 수 있다. 예를 들어, 다운스트림 생성 가스의 특성은 다운스트림 모니터링 디바이스에 의해 감지되어, 업스트림 제어기에 의해 제어되는 전환기와 관련된 제어 파라미터를 조절함으로써 조절될 수 있다. 분산 구조에 있어서, 제어 하드웨어 및/또는 소프트웨어는 또한 제어기들 사이에 분포되며, 여기서, 동일하지만, 모듈식으로 구성된 제어 방식이 각각의 제어기에 대해 실행되거나, 다양한 협동형 모듈식 제어 방식이 각각의 제어기에 대해 실행될 수 있다.
다르게는, 제어 시스템은 분리되어 있으나, 소통적으로 연결된, 지역, 구역 및/또는 전체(global) 제어 서브시스템으로 나뉠 수 있다. 이러한 구조는 소정의 공정 또는 일련의 상호관련된 공정이 일어나도록 하고, 다른 지역 제어 서브시스템과의 최소한의 상호작용으로 지역적으로 제어되게 할 수 있다. 이후, 전체 주 제어 시스템은 전체 결과에 대해 지역 공정에 필요한 조절을 지시하는 각각의 관련 지역 제어 서브시스템과 소통할 수 있다.
본 발명의 제어 시스템은 상기 구조중 어느 하나, 또는 본 명세서의 일반적인 범위 및 특성 내에 있는 것으로 간주되는 당해 보편적으로 공지되어 있는 그 밖의 구조 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
제어 시스템은 반응 조건을 제어하고, 탄소함유 공급원의 출력 가스로의 전환의 화학반응 및/또는 에너지를 관리하기 위한 응답 엘리먼트를 포함한다. 또한, 제어 시스템은 이상적이거나, 최적이거나 최적이 아니거나 간에 가스화 반응 조건을 유지하기 위한 작동 조건을 결정하고 유지할 수 있다. 이상적인 작동 조건의 결정은 탄소함유 공급원료의 조성 및 생성 가스의 특정된 특성과 같은 인자를 포함하는 공정의 전체 에너지에 의존한다. 공급원료의 조성은 실질적으로 균질하거나 완전히 비균질한 범위일 수 있다. 공급원료의 조성이 달라지는 경우, 특정 제어 파라미터는 응답 엘리먼트를 통해 이상적인 작동 조건을 유지하기 위해 연속적인 조절을 필요로 할 수 있다.
제어 시스템은 다수의 응답 엘리먼트를 포함할 수 있으며, 이들 각각은 전용 임무, 예를 들어, 첨가제 중 어느 하나의 유속 제어, 가스화 시스템의 하나 이상의 열원 중 어느 하나의 위치 또는 파워 출력의 제어, 또는 부산물의 출력 제어를 수행하도록 설계될 수 있다. 제어 시스템은 처리 시스템을 추가로 포함할 수 있다(예를 들어, 도 12 참조). 한 가지 구체예에서, 처리 시스템은 다수의 하위-처리 시스템을 포함할 수 있다.
도 12를 참조하면, 제어 시스템은 일반적으로 하나 이상의 중심, 네트워크 및/또는 분산 프로세서(812), 여러 감지 엘리먼트로부터 현상태 감지된 특성을 수용하기 위한 하나 이상의 입력부(814), 및 여러 응답 엘리먼트에 대해 신규 또는 최신의 제어 파라미터와 소통하기 위한 하나 이상의 출력부(816)를 포함한다. 제어 시스템의 하나 이상의 연산 플랫폼은 또한 그 안에 다양한 설정된 및/또는 재조절된 제어 파라미터, 설정되거나 바람직한 시스템 및 공정의 특징적 작동 범위, 시스템 모니터링 및 제어 소프트웨어, 작동 데이터 등을 저장하기 위한 하나 이상의 지역 및/또는 원격 컴퓨터 판독가능 매체(818)(예를 들어, ROM, RAM, 분리가능 매체, 지역 및/또는 네트워크 액세스 매체 등)을 포함할 수 있다. 임의로, 연산 플랫폼은 또한 직접적으로 또는 여러 데이터 저장 디바이스를 통해 플라즈마 가스화 공정 시뮬레이션 데이터(820) 및/또는 시스템 파라미터 최적화 및 모델링 수단으로의 액세스를 가질 수 있으며, 일 예시적 구체예가 미국 특허 제 6,817,388호에 기술되어 있으며, 당업자들은 이를 본 내용에 용이하게 적용할 수 있음을 인지할 것이다. 또한, 연산 플랫폼은 제어 시스템에 관리 액세스를 제공하기 위한 하나 이상의 임의의 그래픽 유저 인터페이스(graphical user interface) 및 입력 주변장치(822)(시스템 업그레이드, 관리, 변경, 새로운 시스템 모듈 및/또는 장비로의 적응화 등) 뿐만 아니라 외부 소스와 데이터 및 정보를 소통하기 위한 다양한 선택적 출력 주변장치(예를 들어, 824)(모뎀, 네트워크 커넥션, 프린터 등)가 구비될 수 있다.
상기 도면에 도시된 바와 같이, 제어 시스템은 설정된 가스화 시스템의 현재 실행을 반영하도록 정의된 여러 시스템 및/또는 공정 연산을 상호작용에 의해 수행함으로써 추가로 향상될 수 있다. 이러한 연산은 여러 시스템 및/또는 공정 모델로부터 유래될 수 있으며, 여기서 공정 및 시스템 특성 및 제어 파라미터의 시뮬레이션은 그와 같이 모델링된 공정 또는 서브시스템을 제어하는 예측 및/또는 보정 방식으로 사용될 수 있다. 미국 특허 6,817,388호는 여러 작동 파라미터를 정의하기 위한 제어 시스템과 함께 사용될 수 있는 이러한 시스템 모델의 예 및 시스템의 여러 공정들을 수행함에 있어서 출발점으로서 사용하기 위한, 이에 근거한 예측된 결과를 제공한다. 한 가지 구체예에서, 이러한 모델 및 그 밖의 이러한 모델은 진행중인 것에 근거하여 다양한 시스템 작동 범위 및/또는 시스템의 파라미터를 재평가하고/하거나 업데이트하기 위해 비정규적으로 또는 규칙적으로 사용된다. 한 가지 구체예에서, NRC, PLASCO 및/또는 PLASCO/HYSYS 시뮬레이션 플랫폼이 사용되며, 입력물, 폐기물 타입, 입력물의 화학적 조성, 열적-화학적 특성, 수분 함량, 공급 속도, 공정 첨가제(들) 등의 임의의 조합으로서 고려할 수 있다. 또한, 상기 모델은 예를 들어, 장소 및 공급원료 타입 세부사항, 에너지 회수율의 최대화, 방출물의 최소화, 자본 및 비용의 최소화 등을 고려하는 여러 임의의 상호작용성 공정 최적화를 제공할 수 있다. 궁극적으로, 선택된 모델 옵션에 근거하여, 상기 모델은 이후, 예를 들어, 여러 작동상 특성, 달성가능한 출력, 시스템 디자인 특성, 생성 가스 특성, 방출 수준, 회수가능한 에너지, 회수가능한 부산물 및 최적의 낮은 비용 설계를 제공할 수 있다. 여러 예시적 대표예가 당업자에게 자명한, 본 문맥에 용이하게 적용할 수 있는 미국 특허 제 6,817,388호에 제시되어 있다.
처리 시스템 및 하위 처리 시스템 중 어느 하나는 하드웨어 만을 포함하거나, 하드웨어와 소프트웨어의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 임의의 하위 처리 시스템은 비례(P), 적분(I), 또는 미분(D) 제어기 중 하나 이상의 임의의 조합, 예를 들어, P-제어기, I-제어기, PI-제어기, PD 제어기, PID 제어기 등을 포함할 수 있다. P, I, 및 D 제어기의 이상적인 조합의 선택은 가스화 시스템의 반응 공정 일부의 동력 및 지연 시간, 및 조합이 제어하고자 하는 작동 조건의 범위, 및 조합 제어기의 동력 및 지연 시간에 의존한다.
조합 제어기의 설계에서 중요한 일면은 초기 값에서 특정 값으로 각각의 제어 변수 또는 제어 파라미터를 조절하는 경우, 유예 시간 동안 진동이 거의 없는 것과 짧은 유예 기간일 수 있다. 이러한 조합은 감지 엘리먼트를 통해 특성 값을 지속적으로 모니터하고, 이를 특정 값과 비교하여 각각의 제어 엘리먼트에 영향을 미치게 함으로써, 응답 엘리먼트를 통해 적합하게 조절하여 관찰된 값과 특정 값 간의 차이를 감소시킬 수 있는 아날로그 하드웨어 형태로 이행될 수 있다는 것은 당업자들에게 자명할 것이다.
또한, 당업자들에게는, 그러한 조합이 혼합형 디지털 하드웨어 소프트웨어 환경에서도 실행될 수 있음이 자명할 것이다. 추가적으로 임의적 샘플링, 데이터 획득, 및 디지털 처리에 대한 관련 효과는 당업자들에게 널리 알려져 있다. P, I, D 조합 제어는 피드포워드(feed forward) 및 피드백(feedback) 제어 방식으로 실행될 수 있다.
교정 또는 피드백 제어시, 적합한 감지 엘리먼트(들)를 통해 모니터링된 제어 파라미터 또는 제어 변수의 값은 특정 값 또는 범위와 비교된다. 제어 시그날은 두 값 간의 편차에 근거하여 결정되어 편차를 감소시키기 위해 제어 엘리먼트에 제공된다. 예를 들어, 출력 가스가 소정의 H2:CO 비를 초과할 경우, 피드백 제어 수단은 H2:CO 비를 특정된 값으로 되돌리기 위해 추가의 산소 양을 증가시키는 것과 같이, 입력 변수중 하나에 대한 적합한 조절을 결정할 수 있다. 적합한 응답 엘리먼트를 통한 제어 파라미터 또는 제어 변수에 대한 변화에 영향을 미치는 지연 시간은 때로는 루프 타임(loop time)으로 불린다. 예를 들어, 플라즈마 열원(들)의 파워, 시스템내 압력, 탄소 풍부 첨가제 입력 속도, 또는 산소 또는 스팀 유속을 조절하기 위해 루프 타임은 예를 들어, 약 30초 내지 약 60초에 이를 수 있다.
한 가지 구체예에서, 생성 가스 조성은 상기 기술된 피드백 제어 방식에서 비교를 위해 사용되는 특정 값이며, 이에 따라 생성 가스에서 CO 및 H2의 양의 고정 값(또는 값의 범위)이 특정된다. 또 다른 구체예에서, 특정된 값은 생성 가스 발열량(예를 들어, 저발열량(LHV)) 에 대한 고정 값(또는 값의 범위)이다.
피드백 제어는 모델 예측이 만족스러운 경우 또는 직접적인 모니터링을 요구하는 임의의 수의 제어 변수 및 제어 파라미터에 대해 사용될 수 있다. 그 자체로 피드백 제어 방식에 사용되게 하는 가스화 시스템의 제어 변수 및 제어 파라미터는 다수 존재한다. 피드백 방식은 직접적으로 또는 간접적으로 감지되고/되거나 감지된 값으로부터 유도될 수 있는 시스템 및/또는 공정 특성에 대한 제어 시스템의 측면에서 효과적으로 실행될 수 있어, 이러한 특성에 영향을 미치도록 적용되는 하나 이상의 공정 디바이스를 작동시키기 위한 조절된 제어 파라미터를 사용하는 응답 작용을 통해 제어될 수 있다.
종래의 피드백 또는 응답 제어 시스템은 추가로 적응형 및/또는 예측형 구성요소를 포함하도록 될 수 있으며, 여기서 소정 조건에 대한 반응이 모델링되고/되거나 이미 모니터링된 반응에 따라 맞추어져 보완 작용으로 잠재적인 오버슈트(overshoot)를 제한하면서 감지된 특성에 대한 반응적 응답을 제공할 수 있다. 예를 들어, 소정의 시스템 구성을 위해 제공된 수집 및/또는 기록 데이터는 선행반응이 모니터링되고, 바람직한 결과를 제공하도록 조절된 최적의 값으로부터의 소정 범위내에 있는 것으로 감지된 시스템 및/또는 공정 특성에 대한 응답을 조절하기 위해 협력하여 사용될 수 있다. 이러한 적응형 및/또는 예측형 제어 방식은 당해 널리 공지되어 있으며, 그 자체로 본 기재의 일반적인 범위 및 특성으로부터 벗어나지 않는 것으로 간주된다.
피드 포워드(feed forward) 제어는 모니터링 없이 제어 변수 및 제어 파라미터에 영향을 미치는 입력 파라미터를 처리한다. 가스화 시스템은 예를 들어, 하나 이상의 플라즈마 열원 중 하나에 공급되는 전력의 양과 같은 다수의 제어 파라미터에 대해 피드 포워드 제어를 사용할 수 있다. 플라즈마 열원의 아크(arc)의 파워 출력은 여러 상이한 방식으로, 예를 들어, 아크를 유지하기 위해 토치(torch)에 제공되는 전류를 펄스 조절함으로써, 전극 사이의 거리를 다르게 함으로써, 토치 전류를 한정함으로써, 또는 플라즈마의 조성, 방향 또는 위치에 영향을 미침으로써 제어될 수 있다.
예를 들어, 가스 또는 액체 변형으로 또는 분무되거나 그렇지 않다면 노즐을 통해 분사될 수 있는 분무된 형태로 전환기에 제공될 수 있는 첨가제의 공급 속도는 피드 포워드 방식으로 특정 제어 엘리먼트를 사용하여 제어될 수 있다. 그러나, 첨가제의 온도 또는 압력의 효과적인 제어는 모니터링 및 폐쇄형 루프 피드백 제어를 필요로 할 수 있다.
퍼지 논리 제어(fuzzy logic control) 뿐만 아니라 다른 타입의 제어는 피드 포워드 및 피드백 제어 방식으로 동등하게 사용될 수 있다. 이러한 타입의 제어는 플라즈마 재구성 반응 동태(dynamics)가 모델링되고, 특정 결과에 영향을 미치는 입력 변수 또는 입력 파라미터를 변환시키는 방법을 예측하도록 시뮬레이팅되는 방식으로 전통적인 P, I, D 조합 제어로부터 실질적으로 벗어날 수 있다. 퍼지 논리 제어는 단지 보통 시스템의 작동 조건 또는 반응 동태(일반적으로 시스템 동태)의 모호하거나 경험적인 기재를 필요로 한다. 퍼지 논리 제어 및 그 밖의 타입의 논리의 양상 및 실행 고려사항은 당업자들에게 널리 공지되어 있다.
본 발명의 상기 구체예는 예시적인 것이 많은 방법으로 달라질 수 있는 것으로 이해해야 할 것이다. 이러한 현재 또는 미래의 변형은 본 발명의 사상 및 범주로터 벗어나지 않는 것으로 간주되며, 당업자들에게 자명할 것인 이러한 모든 변형은 하기 청구의 범위의 범위내에 포함되는 것으로 의도된다.
공정 제어 개요
상기 제시된 바와 같이, 제어 시스템은 하나 이상의 공정 및/또는 시스템 특성(예를 들어, 가스 조성(%CO, %CO2, %H2, 등), 가스 온도, 가스 유속 등)을 감지하고, 감지된 특성으로부터 특정 값을 생성하기 위한 감지 엘리먼트 뿐만 아니라 감지 엘리먼트로부터 생성된 값(들)을 수집하고, 출력 제어 파라미터에 따라 하나 이상의 공정 디바이스를 제어하기 위해 구성된 하나 이상의 응답 엘리먼트에 대해 적합한 제어 파라미터를 출력하기 위한 하나 이상의 연산 플랫폼을 포함한다.
한 가지 구체예에서, 제어 시스템은, 전환기로부터 그리고 임의로 가스화 시스템을 통해 가스 흐름 및 가스 조성이 상이한 타입의 공급원료의 조성 또는 동일 타입의 공급 원료의 공급원에서의 임의의 본래의 가변성에 무관하게 생성 가스 또는 시스템 부산물(통상의 슬래그, 가스 회수, 스팀 생성 등)을 최적으로 생성되게 하는 미리정해진 허용치 내에 존재하도록 보장한다. 이에 따라, 제어 시스템은 인식하여 이러한 가변성을 보상하도록 필요한 조절을 한다. 온도, 유속 및 조성과 같은 생성 가스의 파라미터가 모니터링되고, 관련된 공정 디바이스 제어 파라미터가 합성 가스의 최종 용도에 의해 정해지는 소정 허용치내에서 생성 가스의 특성을 유지하도록 달라진다(예를 들어, 적합한 응답 엘리먼트를 통해).
한 가지 구체예에서, 본 발명의 제어 시스템은 생성 가스의 유속, 온도 및 조성 중 하나 이상이 모니터링되고, 탄소함유 공급원료 입력 속도, 산소 입력 속도, 스팀 입력 속도, 탄소 풍부 첨가제 입력 속도 및 플라즈마 열원에 공급되는 파워의 양 중 하나 이상에 대해 교정이 이루어지는 교정 피드백을 제공한다. 조절은 생성 가스의 유속, 온도 및/또는 조성에서 측정된 변화에 근거하여 이러한 것들이 허용되는 범위내에 있도록 보장한다. 일반적으로, 생성 가스의 유속, 온도 및/또는 조성에 대한 범위는 특정 다운스트림 적용을 위한 가스를 최적화하도록 선택된다.
한 가지 구체예에서, 본 발명의 제어 시스템은 가스화 공정을 구동시키고, 공급원료의 조성이 본래 가변성을 나타낸다고 하더라도, 공정으로부터 가스 흐름 및 조성이 허용되는 범위내에 있도록 보장하기 위해, 플라즈마 가열의 제어가능성을 동시에 이용한다. 또 다른 구체예에서, 제어 시스템은 단위 시간당 처리된 탄소의 총량이 가능한한 일정하게 유지되도록 하고, 단위 시간 당 전환기에 유입되고 유출되는 총 열이 공정 한계치내에 유지되도록 보장하기 위해 플라즈마 가열을 이용한다. 다른 구체예에서, 제어 시스템은 예를 들어, 흐름/압력 변동 및/또는 생성 가스 발열량(들)에서의 변동에 응답하기 위해 공기 및/또는 스팀 입력을 조절하는 것과 같은 조절을 할 수 있다. 또한, 제어 시스템은 예를 들어, 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같은 고형 잔류물 컨디셔너, 전환기 가스 컨디셔너, 열교환기 및/또는 균질화 시스템 중 어느 하나를 통해 발생하는 공정을 모니터링하고/하거나 조절하도록 구성될 수 있다.
예시로서 제공되며, 일반적으로 본 명세서의 일반적인 범위 및 특성을 제한하는 것을 의미하는 것은 아닌, 도 1의 예시적 구체예를 참조하면, 본 발명에 의해 제어되는 가스화 공정은 일반적으로 하나 이상의 처리 구역 및 하나 이상의 열원을 포함하는 전환기(110)에서 일어나며, 열원은 몇몇 구체예에서 하나 이상의 플라즈마 열원(도 1의 플라즈마 열원(112)와 같이)을 포함할 수 있다. 전환기(110)은 또한 일반적으로 단일 공급원료(예를 들어, 도시 고체 폐물(MSW) 입력부(114)에서와 같은 MSW, 고함량 탄소 공급원료(HCF) 입력부(116)에서와 같은 HCF, 석탄, 플라스틱, 액체 폐기물, 위험 폐기물 등), 별도의 공급원료, 및/또는 혼합된 공급원료를 포함할 수 있는 공급원료를 전환기(110)에 입력시킬 수 있는 하나 이상의 공급원료 공급 메커니즘 및/또는 디바이스, 뿐만 아니라 하나 이상의 공정 첨가제, 예컨대, 스팀, 산화제 및/또는 탄소 풍부 물질 첨가제(후자는 임의로 2차 공급원료로서 제공된다)를 첨가하기 위한 수단을 포함한다. 가스 생성물은 하나 이상의 출력 가스 출구를 통해 전환기(110)에서 배출된다. 하기에서 추가로 기술되는 바와 같이 전환기(110)는 단일 구역 및/또는 챔버 전환기(예를 들어, 도 19 내지 22 참조), 또는 다중-영역 및/또는 전환기를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 가스화 및 재구성 공정이 각각 이행되는 가스화기 및 재구성장치(reformer)를 포함한다(도 23 참조). 이러한 구성 및 그 밖의 전환기 구성은 이러한 전환기의 여러 예시적 구체예를 제공하는 도 19 내지 23, 및 실시예 1의 도 32 내지 51을 참조하여 하기에서 보다 자세히 기술될 것이다.
한 가지 구체예에서, 전환기(110)로부터의 생성 가스의 조성 및 흐름은 반응 환경을 제어함으로써 미리정해진 허용치내에서 제어된다. 온도는 전환기(110)로 주입되는 공급원료가 가능한 안정한 환경에 접하도록 대기압에서 제어된다. 제어 시스템은 전환기(11)로 공급되는 공급원료, 스팀, 산소 및/또는 탄소 풍부 물질의 양을 제어하기 위한 수단을 제공할 수 있다. 선택된 반응 설정점(set point) 또는 범위를 유지하도록 조절될 수 있는 작동 파라미터는 공급원료 공급 속도, 첨가제 공급 속도, 특정 압력을 유지하기 위한 인덕션 송풍기(induction blower)에 대한 파워, 및 플라즈마 열원(예를 들어, 플라즈마 열원(112))에 대한 전력 및 플라즈마 열원의 위치를 포함하나, 이로 제한되는 것은 아니다. 이러한 제어 측면은 각각의 파라미터와 관련하여 추가로 논의될 것이다.
한 가지 구체예에서, 첨가제, 예컨대 스팀 및/또는 산소 및/또는 탄소 풍부 물질의 입력과 함께 플라즈마 가열의 적용(예를 들어, 플라즈마 토치 등과 같은 플라즈마 열원을 통해)은 흐름, 온도, 압력 및 조성과 같은 가스 특성을 제어하는 데 도움을 준다. 가스화 시스템은 또한 공급원료를 가스화하는 데 요구되는 고온 열을 제공하고, 이로써 생성된 오프-가스를 재구성하고/하거나, 부산물 재를 용융시키고, 이를 통상적인 값을 갖는 가스상 생성물로 전환시키기 위해 플라즈마 가열을 이용할 수 있다.
본 발명에 의해 제어되는 가스화 공정은 가스화 공정의 고형 부산물의 관리 및 제어 처리를 위한 수단을 추가로 포함할 수 있다. 특히, 가스화 시스템은 공급원료의 에너지 전환 공정으로부터 초래된 고형 부산물 또는 잔류물을 침출능이 낮은 유리화된, 균질한 물질로 전환시키기 위한 고형 잔류물 컨디셔너(410)를 포함할 수 있다. 가스화 공정의 고형 부산물은 챠르, 애쉬, 슬래그 또는 이들의 소정의 조합물의 형태를 취할 수 있다.
예시적으로, 고형 잔류물 컨디셔너(410)는 고형 잔류물 컨디셔닝 챔버 또는 구역, 플라즈마 가열 수단(예를 들어, 플라즈마 열원(118)) 또는 충분히 높은 온도를 제공하도록 적용되는 그 밖의 가열 수단, 슬래그 출력 수단, 및 제어 수단(이는 가스화 시스템의 전체 제어 시스템에 작동적으로 연결될 수 있다)을 포함하고, 이로써 플라즈마 가열이 고형물을 용융시키고, 블렌딩하고, 화학적으로 반응되게 하여, 조밀한 실리콘금속성(silicometallic) 유리질 물질을 형성시키는 데 사용되며, 이러한 물질은 상기 챔버 또는 영역으로부터 부어졌을 때, 조밀한 비침출성 실리콘금속성 고형 슬래그로 냉각된다. 특히, 본원에 기술된 제어 시스템은 플라즈마 가열 속도 및 고형 잔류물 입력 속도를 조절하여 완전한 용융 및 균질화를 촉진시킴으로써, SRC로 실행되는 공정을 최적화는 데 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 의해 제어되는 가스화 공정은 고온 생성 가스로부터의 열을 회수하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 이러한 열 회복은 다양한 열교환기, 예컨대 가스 대 가스 열교환기(예를 들어, 환열기(510))에 의해 이행될 수 있으며, 이에 따라 고온 생성 가스는 공기 또는 그 밖의 산화제, 예컨대 산소 또는 산소 풍부 공기를 가열하는 데 사용될 수 있으며, 이는 이후 임의로 가스 공정에 대한 열을 제공하는 데 사용될 수 있다. 또한, 회수된 열은 예를 들어, 공업용 가열 장치에 사용될 수 있다. 임의로, 하나 이상의 스팀 생성 열 교환기가 가스화 공정의 일부로서 제어되어, 예를 들어 가스화 및/또는 재구성 반응(들)에서 첨가제로서 사용될 수 있는 스팀을 생성하거나 예를 들어 전기를 생성하는 스팀 터빈을 구동시킬 수 있다.
또한, 도 24 및 25에 도시된 바와 같이, 열교환기는 또한 다양한 그 밖의 시스템 구성요소 및 공정으로부터, 예컨대 플라즈마 열원 냉각 공정, 슬래그 냉각 및 처리 공정, 전환기 가스 컨디셔너 냉각 공정 등을 통해 열을 작동적으로 추출하는 추가의 열교환기를 포함할 수 있다. 본 발명의 제어 시스템은 또한 열 회수 시스템을 제어하기 위한 제어 서브시스템을 포함하여, 가스화 시스템 전반을 통해 에너지 전달을 최적화할 수 있으며, 제어 서브시스템은 시스템의 전체 제어 시스템에 작동적으로 결합될 수 있다(예를 들어, 도 15 및 16 참조).
본 발명에 의해 제어되는 가스화 공정은 다운스트림 사용을 위한 가스화 공정에의해 생성된 생성 가스를 컨디셔닝하기 위해, 추가로 전환기 가스 컨디셔너 GCS-(예를 들어, 도 1 내지 10, 및 실시예 1의 도 29, 59 내지 66 참조), 또는 그 밖의 이러한 가스 컨디셔닝 수단을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 생성 가스는 전환기 가스 컨디셔너(도 1의 전환기 가스 컨디셔너(610))로 유도될 수 있으며, 생성 가스는 상기 논의된 잔류물 전환기에서의 잔류물의 처리로부터 생성된 가스일 수 있고, 이는 다운스트림 사용에 대해 적합한 출력 가스를 생성하기 위해 특정 순서의 처리 단계로 처리된다. 한 가지 구체예에서, 전환기 가스 컨디셔너는 예를 들어, 합성 가스로부터의 미립 물질(예를 들어, 백하우스(baghouse) 또는 사이클론(cyclone) 등을 통해), 산성 가스(HCl, H2S), 및/또는 중금속의 제거, 또는 가스화 시스템을 통과함에 따라 가스의 습도 및 온도를 조절하는 것을 포함할 수 있는 처리 단계를 수행하는 구성요소를 포함한다. 처리 단계의 존재 및 순서는 다운스트림 적용을 위한 출력 가스의 특정 조성 및 합성 가스의 조성에 의해 결정된다. 또한, 가스 컨디셔닝 시스템은 전환기 가스 컨디셔너 공정을 최적화하기 위해, 전체 제어 시스템에 작동적으로 연결될 수 있는 제어 시스템을 포함할 수 있다(예를 들어, 도 15 및 16 참조).
본 발명에 의해 제어되는 가스화 공정은 생성 가스의 적어도 제 1 수준의 균질화를 제공하기 위한 가스 균질화 시스템(예를 들어, 도 1의 균질화 시스템(710))을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 균질화 시스템내에서 생성 가스를 소정의 체류 시간으로 처리함으로써, 가스의 다양한 특성이 적어도 부분적으로 균질화되어 이러한 특성의 변동성을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 생성 가스의 화학적 조성 뿐만 아니라 그 밖의 특성, 예컨대, 흐름, 압력, 및/또는 온도가 균질화 시스템에 의해 적어도 부분적으로 안정화되어 다운스트림 요건에 부합할 수 있다. 따라서, 균질화 시스템은 다운스트림 적용(들), 가스 터빈 또는 엔진, 연료 전지 적용 등에 대해 가스 특성의 안정성 증가를 촉진시키는 데 사용될 수 있다.
한 가지 구체예에서, 가스화 시스템의 균질화 시스템은 가스의 충분히 일관된 출력 조성, 압력, 온도 및/또는 흐름을 달성하기에 충분한 가스 체류 시간을 수용하도록 설계된 치수를 갖는 가스 균질화 챔버 또는 유사물을 제공한다. 일반적으로, 균질화 시스템의 특성은 다운스트림 적용(들)의 요건에 따라, 그리고, 제어 시스템이 이러한 의도로 설계되는 경우, 생성 가스 특성에서의 변동을 줄이기 위한 제어 시스템의 용량과 관련하여 설계될 것이다.
도 5 내지 10을 살펴보면, 당업자들은 본 발명의 제어 시스템이 다수의 독립적 및/또는 조합된 다운스트림 적용을 갖는 다수의 에너지 생성 및 전환 시스템에 사용될 수 있는 다수의 가스화 공정을 제어하는 데 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 도 5의 예시적 구체예에서, 가스화복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle(IGCC)) 시스템은, 하나 이상의 스팀 터빈에 사용하기 위해, 하나 이상의 가스 터빈에 사용하기 위한 합성 가스, 및 하나 이상의 증기 생성기 열 교환기를 통해 가스 터빈과 관련된 합성가스 및 출력 가스 둘 모두를 냉각시켜 생성된 증기를 제공함으로써 출력 에너지(예를 들어, 전기)를 생성하도록 제어되어 사용될 수 있다.
도 6의 예시적 구체예에서, 제어 시스템은 가스화복합발전(IGCC) 시스템을 고형 산화물 연료 전지 시스템과 결합한 가스화 시스템을 제어하는 데 사용될 수 있으며, 고형 산화물 연료 전지 시스템은 합성 가스의 수소 풍부 부산물을 사용하여 에너지(예를 들어, 전기)를 생성한다.
도 7의 예시적 구체예에서, 제어 시스템은 가스화복합발전(IGCC) 시스템을 용융 카보네이트 연료 전지 시스템과 결합한 가스화 시스템을 제어하는 데 사용될 수 있으며, 카보네이트 연료 전지 시스템은 도 6에서와 같이 합성 가스의 수소 풍부 부산물을 사용하여 에너지(예를 들어, 전기)를 생성한다.
도 8의 예시적 구체예에서, 제어 시스템은 도 6에서와 같이 고형 산화물 연료 전지 시스템을 합성가스 및 연료 전지 출력물(들)로부터의 열을 회복시키는 하나 이상의 스팀 생성기 열교환기에 의해 생성된 스팀에 의해 활성화되는 하나 이상의 스팀 터빈과 결합한 가스화 시스템을 제어하는 데 사용될 수 있다.
도 9의 예시적 구체예에서, 물-가스 변환 전환기는 도 8의 구체예에 첨가되어 고형 산화물 연료 전지 시스템에 사용되는 수소 풍부 합성가스를 제공한다.
도 10의 예시적 구체예에서, 도 9의 고형 산화물 연료 전지 시스템은 용융 카보네이트 연료 전지 시스템에 의해 교체된다.
본 발명의 제어 시스템의 여러 구체예에 의해 제어될 수 있는 가스화 시스템의 상기 예시적 구체예는 제한적인 것으로 의도되지 않음이 당업자들에게 자명할 것이므로, 당업자들은 본 명세서의 일반적인 범위 및 사상에서 벗어나지 않고, 기술된 제어 시스템에 적용될 수 있는 그 밖의 이러한 시스템 구성 및 조합이 제공될 수 있음을 이해할 것이다.
도 15 및 16을 참조하면, 상기 논의된 바와 같이, 제어 시스템(800)은 소정의 가스화 시스템(10)을 통해 일체화되어 감지 엘리먼트(202)를 통해 여러 시스템 공정 또는 생성물 특성을 모니터링하고, 응답 엘리먼트(206)를 통해 에너지를 관리하고 특정 허용치 내에서 공정의 각각의 일면을 유지하도록 파라미터를 조절하기 위해 다양한 변형을 이행할 수 있다. 하기에서 보다 자세히 논의될 이러한 파라미터는 플라즈마 전환기(100), 고형 잔류물 컨디셔너(400), 플라즈마 열원(들)(150) 및 슬래그 처리 열원(들)(450), 열교환기(예를 들어, 가스 대 공기 열교환기(500) 및/또는 스팀 생성기 열교환기(599)) 및 이와 관련된 첨가제 입력부, 제 1 및/또는 제 2 공급원료 입력부(예를 들어, 탄소 풍부 첨가제(HCF)), 전환기 가스 컨디셔너(600), 균질화 시스템(700) 및 가스화 시스템의 임의의 다른 처리 엘리먼트 또는 모듈중 하나 또는 그 초과와 관련된 공정으로부터 유래될 수 있다.
또한, 다양한 지역 및/또는 원격 저장 디바이스를 통해 제어 시스템의 하나 이상의 연산 플랫폼으로, 다수의 소정의 및/또는 재조절된 시스템 파라미터, 시스템 작동 범위, 시스템 모니터링 및 제어 소프트웨어, 작동 데이터, 및 임의의 플라즈마 가스화 공정 시뮬레이션 데이터 및/또는 시스템 파라미터 최적화 및 모델링 수단으로, 이러한 파라미터 및 액세스로 액세싱하는 경우, 제어 시스템은 시스템 출력을 최적화하기 위해 가스화 시스템과 추가로 작용할 수 있다.
도 1의 예시적 구체예는 단지 예시로서 제공되는 것이며, 본 명세서의 일반적인 범위 및 특성을 제한하려는 것은 아니다.
생성 가스의 조성
본 발명의 제어 시스템은 소정의 범위내에서 생성 가스의 하나 이상의 특성을 감지하고, 비교하고, 유지하기 위해 사용될 수 있다. 앞서 논의된 바와 같이, 생성 가스가 전기 생성에 사용되고자 할 경우, 에너지 생성기에 동력을 공급하는 연료로서 사용될 수 있는 생성물을 수득하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제어 시스템에 의해 제어되는 가스화 공정에 사용하기에 쉬운 전환기에서 배출되는 생산 가스의 주 성분은 일반적으로 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 증기 및 질소(산소-풍부 공기, 산소 등을 사용하는 경우, 보다 적은 양의 질소가 존재한다)이다. 또한, 훨씬 더 적은 양의 메탄, 아세틸렌 및 황화수소가 존재할 수 있다. 생산 가스 중 일산화탄소 또는 이산화탄소의 비율은 전환기로 공급되는 산소의 양에 의존한다. 예를 들어, 일산화탄소는 산소 흐름이 탄소의 이산화탄소로의 화학량론적 전환을 방해하도록 제어되는 경우에 생성되고, 이에 따라 그러한 공정은 주로 일산화탄소를 생성하기 위해 작동된다.
생성 합성 가스의 조성은 예를 들어, 적용된 플라즈마 가열, 산소 및/또는 스팀 및/또는 탄소 풍부 첨가제 간의 균형을 조절함으로써 특정 장치(예를 들어, 가스 터빈 및/또는 전기 생성을 위한 연료 전지 적용)에 대해 최적화될 수 있다. 가스화 공정 동안에 산화제 및/또는 스팀 첨가제의 첨가는 전환 화학반응에 영향을 미치기 때문에, 본 발명의 제어 시스템이 합성가스 조성을 모니터링하기 위해 감지 엘리먼트를 제공하는 것이 바람직하다. 반응물질의 입력은 예를 들어 응답 엘리먼트를 통해 달라져 선택된 다운스트림 적용(들)에 적합한 소정의 범위 내에서 합성 가스의 특성 값을 유지시킨다.
단지 예시로서 제공되는 것이며, 본 명세서의 일반적인 범위 및 특성을 제한하려는 것은 아닌 도 1의 예시적 구체예를 참조하면, 생성 가스의 모니터링은 다양한 감지 엘리먼트, 예컨대 가스 조성 감지 엘리먼트(예를 들어, 분석기(801)), 가스 흐름 감지 엘리먼트(예를 들어, 흐름 감지 엘리먼트(802, 803, 및 804)), 가스 압력 감지 엘리먼트(예를 들어, 압력 감지 엘리먼트(805, 806, 807, 및 808)), 가스 온도 감지 엘리먼트(예를 들어, 온도 감지 엘리먼트(809, 810, 및 811)), 및 가스 불투명도 감지 엘리먼트를 사용하여 달성될 수 있다. 가스 조성 감지 엘리먼트(예를 들어, 가스 분석기(801))는 합성 가스 중의 수소, 일산화탄소 및/또는 이산화탄소 함량을 측정하는 데 사용될 수 있으며, 이러한 값은 여러 제어 단계에서 이용될 수 있다(예를 들어, 도 18 및 71 내지 75의 예시적 구체예 참조). 생성 가스의 조성은 일반적으로 가스가 냉각된 후에, 그리고, 컨디셔닝 단계가 진행되어 미립 물질을 제거한 후에 측정되지만, 측정은 공정 중 임의의 시점에 이루어질 수 있다.
생성 가스는 당해 기술자에게 널리 공지되어 있는 방법을 사용하여 샘플링되고, 분석될 수 있다. 생성 가스의 화학적 조성을 측정하는 데 사용될 수 있는 한 방법은 가스 크로마토그래피(GC) 분석을 통해서이다. 이러한 분석을 위한 샘플 지점은 시스템 전반을 통해 위치될 수 있다. 한 가지 구체예에서, 가스 조성은 가스의 적외선 스펙트럼을 측정하는 푸리에 트랜스폼 인프라레드(Fourier Transform Infrared:FTIR) 분석장치를 사용하여 측정된다.
한 가지 구체예에서, 생성 가스의 특성, 예컨대, 온도, 유속 및 조성은 전환기의 출구에 위치한 감지 엘리먼트를 통해 모니터링될 수 있다. 또 다른 구체예에서, 샘플링 포트가 생성 가스 취급 시스템의 임의의 위치에서 설치될 수 있다. 앞서 논의된 바와 같이, 응답 엘리먼트는 선택된 다운스트림 적용(들)에 대해 적합한 소정의 범위내에서 생성 가스의 특성 값을 유지시키기 위해 반응물의 입력을 달리하기 위해 제공된다.
본 발명의 일면은 출구 스트림의 조성을 측정하고, 이에 따라 공정을 조절함으로써 가스화 공정 동안에 너무 많거나 너무 적은 산소가 첨가되는 지를 결정하는 데에 있다. 한 가지 구체예에서, 분석기, 센서 또는 일산화탄소 스트림 내의 그 밖의 이러한 감지 엘리먼트는 이산화탄소 또는 그 밖의 적합한 기준 산소 풍부 물질의 농도와 같은 관련 특성 값을 검출한다.
대부분의 일산화탄소가 생성되고 있는 지를 측정하기 위해 다른 기술이 사용될 수 있음은 자명할 것이다. 일 대안에서, 본 발명의 제어 시스템은 이산화탄소 대 일산화탄소의 비를 측정하고 분석할 수 있다. 또 다른 대안에서, 제어 시스템은 플라즈마 생성기의 다운트스림에서 탄소의 양 및 산소의 양을 측정하는 센서를 이용하여, 이들 특성 값을 소정 범위와 비교하고, 소정 범위내 특성 값을 유지하는 데 도움이 되는 하나 이상의 공정 제어 파라미터를 연산하고, 실시간으로 응답 엘리먼트를 작동시켜 공정에 영향을 미치고, 특성 값을 조절한다. 한 가지 구체예에서, CO 및 H2의 값이 측정되어 표적 값 또는 범위와 비교된다. 또 다른 구체예에서, 생성 가스 발열량(예를 들어, LHV)이 하기 기재되는 바와 같이, 측정되어 표적 값 또는 범위와 비교된다.
당업자들은 상기 또는 그 밖의 그러한 감지 엘리먼트를 통해 제시된 시스템을 통해 수행될 수 있는 상기 및 그 밖의 그러한 생성 가스 특성의 측정이 응답 엘리먼트를 통해 관련된 적합한 소정 범위내로 생성 가스의 특성 값을 유지시키기 위해 진행중인 과정을 모니터링하고 조절하는 데 사용될 수 있음을 이해할 것이며, 이에 따라 상기 기재되고, 첨부되는 도면에 도시된 예시적 시스템 및 제어 시스템 구성에 의해 제시된 예에 의해 제한되지 않아야 한다.
시스템내 여러 위치에서의 온도
본 발명의 한 가지 구체예에서는, 시스템 전반에 위치한 지점에서 온도를 모니터하는, 감지 엘리먼트에서와 같은, 수단(예를 들어, 온도 감지 엘리먼트(809, 810, 811))이 제공되며, 여기서 이러한 데이터는 연속적으로 또는 단속적으로 획득된다. 예를 들어, 본 발명의 제어 시스템으로 사용하기에 쉬운 전환기에서의 온도를 모니터링하기 위한 감지 엘리먼트는 전환기의 외측벽, 또는 전환기의 상부, 중간부 및 저부에서의 내화물 내측에 위치할 수 있다.
생성 가스의 온도를 모니터링하기 위한 감지 엘리먼트는 생성 가스 출구 뿐만 아니라 생성 가스 컨디셔닝 시스템 전반의 여러 지점(예를 들어, 전환기 가스 컨디셔너 내)에 위치할 수 있다. 전환기 둘레의 임계 지점에서 온도를 모니터링하기 위해 다수의 열전쌍이 사용될 수 있다.
가스화 공정에 의해 생성된 감지가능한 열을 회수하기 위한 시스템(예컨대 열교환기 또는 유사 기술)이 사용되는 경우, 열 회수 시스템의 지점에서(예를 들어, 냉각제 유체 유입구 및 출구에서) 온도를 모니터링하기 위한 감지 엘리먼트가 혼입될 수 있다. 한 가지 구체예에서, 가스 대 공기 열교환기, 스팀 생성 열교환기 또는 이 둘 모두는 가스화 공정에 의해 생성된 고온 가스로부터의 열을 회수하는 데 사용된다. 열교환기를 사용하는 구체예에서, 온도 전송기가 예를 들어, 열교환기 입구 및 출구에서 생성 가스의 온도를 측정하기 위해 위치한다. 온도 전송기는 또한 열교환기에 가열 후 냉각제의 온도를 측정하기 위해 제공될 수 있다.
이러한 온도 측정은 생성 가스가 각각의 열교환기에 유입됨에 따라 그것의 온도가 그러한 디바이스의 적합한 작동 온도 또는 온도 범위내에 있도록 보장하기 위해 제어 시스템에 의해 사용될 수 있다. 예를 들어, 한 가지 구체예에서, 가스 대 공기 열교환기에 대한 설계 온도가 1050℃인 경우, 열교환기로의 유입 가스 스트림 상의 온도 전송기는 최적의 생성 가스 온도를 유지하기 위해 상기 시스템을 통한 냉각제 공기 흐름 및 플라즈마 열원 파워 둘 모두를 제어하는 데 사용될 수 있다. 추가로, 생성 가스 출구 온도의 측정은 감지가능한 열의 최적 양이 모든 열 회수 단계에서 생성 가스로부터 회수되었음을 보장하는 데 유용할 수 있다.
가열된 교환-공기의 온도를 측정하기 위해 공기 출구 스트림 상에 설치된 온도 전송기는, 공정 공기가 가스화 공정에 사용하기에 적합한 온도로 가열되도록 하는 조건 하에서 공정이 수행되도록 한다. 한 가지 구체예에서, 냉각제 공기 출구 온도는 예를 들어, 약 625℃이며, 이에 따라 공기 출구 스트림 상에 설치된 온도 전송기는 최적 생성 가스 도입 온도를 유지시키기 위해 시스템을 통한 공기 흐름 및 플라즈마 전환기에서의 토치 파워 중 하나 또는 둘 모두에 대한 조절이 이루어져야 하는 지를 결정하는 데 사용되는 데이터를 제공할 것이며, 이는 나아가 냉각제 공기의 온도를 제어하는 데 사용될 수 있다. 공정의 임의의 서브시스템에서의 온도 조절이 그러한 특정 서브시스템을 최적화하기 위해서뿐만 아니라 다운스트림 적용(들)의 요건을 고려하여 측정될 것임이 당업자들에게 자명할 것이다. 예를 들어, 전반적 요건이 특정 지역 및/또는 구역 공정을 제어하는 경우에 고려될 수 있다.
본 발명의 제어 시스템과 함께 사용되는 가스화 시스템이 스팀 생성기 열교환기를 포함하는 한 가지 구체예에 따르면, 제어 전략은 최적의 냉각제 공기 출력 온도에 대한 고정 설정점, 예를 들어 약 600℃뿐만 아니라 스팀 생성기 열교환기 가스 출구 온도에 대한 고정 값, 예를 들어, 약 235℃를 설정하는 것이다. 그러므로, 이러한 구체예에 따르면, 생성 가스 흐름이 감소되는 경우, 가스 대 공기 열교환기의 출구에서 생성 가스 온도는 보다 냉각되어, 스팀 생성기 열교환기 가스 출구 온도 또한 고정된 값으로 설정되기 때문에 증기 생성을 감소시키는 결과를 초래한다.
시스템을 통한 공기 흐름이 감소되는 경우에도 동일 개념이 적용된다. 본 발명의 한 가지 구체예에 따르면, 출구 냉각제 공기 온도가 고정된 채로 있고, 이에 따라 가스 대 공기 열 교환기에 대한 출구 생성 가스 온도는 보다 높아지며, 따라서 스팀 생성기 열교환기에서 보다 많은 스팀이 생성된다. 그러나, 시스템을 통한 공기흐름이 감소되는 경우, 생성 가스 흐름은 결과적으로 또한 감소될 것이고, 이에 따라 스팀 생성기 열교환기에 대한 증가된 입구 온도는 순간적으로만 높아질 것이다. 예를 들어, 공기 흐름이 50%로 감소되는 경우, 스팀 생성기 열 교환기가 일시적으로 보이게 되는 최대 입구 가스 온도는 대략 800℃이며, 이는 열교환기 설계의 온도 한계치내에 있는 것이다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 온도를 모니터링하기 위한 감지 엘리먼트는 필요에 따라 시스템의 위치에서 설치된 열전쌍에 의해 제공된다. 이후, 이러한 온도 측정은 상기 기술된 바와 같이, 제어 시스템에 의해 사용될 수 있다. 당업자들은 시스템의 제시된 구체예에 대해 상기 또는 그 밖의 이러한 감지 엘리먼트를 통해 수행된 다른 타입의 온도 측정이 응답 엘리먼트를 통해 진행중인 공정을 모니터링하고 조절하는데 사용되어 선택된 다운스트림 적용(들)에 사용하기에 적합한 생성 가스를 생성하고, 임의로 공정 출력 및 효율을 최대화시킬 수 있음을 이해할 것이며, 이에 따라 상기 기재되고, 첨부되는 도면에 도시된 예시적 시스템 및 제어 시스템 구성에 의해 제시된 예에 의해 제한되지 않아야 한다.
시스템의 압력
본 발명의 한 가지 구체예에서, 전환기내뿐만 아니라 본 발명의 제어 시스템과 함께 사용하기에 쉬운 가스화 시스템 전반을 통해 압력을 모니터링하기 위한 감지 엘리먼트가 구비되며, 여기서 데이터는 연속적으로 또는 단속적으로 획득된다. 추가의 구체예에서, 이러한 압력 감지 엘리먼트(예를 들어, 도 1의 압력 감지 엘리먼트(805, 806, 807 및 808))는 예를 들어, 수직 전환기 벽 상에 위치한 압력 변환기와 같은 압력 센서를 포함한다. 시스템의 압력과 관련된 데이터는 실시간 기준으로 하여 플라즈마 열원 파워 또는 공급원료 또는 첨가제의 부가율과 같은 파라미터에 대한 조절이 필요한 지를 결정하기 위해 제어 시스템에 의해 사용된다.
가스화되는 공급원료 양의 가변성은 신속한 가스화를 유도하여 전환기내 압력을 상당히 변화시킨다. 예를 들어, 증가된 양의 공급원료가 전환기에 도입되는 경우, 전환기내 압력은 급격히 증가할 것으로 보인다. 이러한 예에서, 연속적으로 압력을 모니터링하는 감지 엘리먼트를 갖춤으로써, 실시간으로 응답 엘리먼트를 통해 공정 제어 파라미터(예를 들어, 인덕션 송풍기의 속도)를 조절하여 시스템 압력(예를 들어, 전환기내에서, 그리고 환열기 입력부에서 측정된 바와 같은)을 감소시키는 데 요구되는 데이터를 제공한다. 또 다른 임의의 압력 감지 엘리먼트(예를 들어, 도 1의 압력 감지 엘리먼트(807))는 고형 잔류물 컨디셔너와 함께 사용될 수 있어, 고형 잔류물 컨디셔너 가스를 고형 잔류물 컨디셔너로부터 합성 가스 컨디셔너로 유도하는 제어 밸브에 작동적으로 연결될 수 있다. 또 다른 임의의 압력 감지 엘리먼트(예를 들어, 도 1의 압력 감지 엘리먼트(808))은 균질화 시스템에 구비되어, 플레어 스택(flare stack)을 통한 합성가스의 방출을 위한 제어 밸브에 작동적으로 연결될 뿐만 아니라 예를 들어, 전환기로의 첨가제 입력 흐름을 증가시켜 가스 엔진의 연속 작동을 유지시키기 위한 제어 밸브에 작동적으로 연결될 수 있다. 또한, 흐름 감지 엘리먼트(도 1의 흐름 감지 엘리먼트(802, 803, 및 804))는 시스템 전반을 통해(예를 들어 균질화 시스템으로의 합성가스 흐름을 검출하기 위해) 예를 들어 전환기로의 공급원료 및 첨가제 입력 속도를 조절하기 위해 사용될 수 있다.
추가의 구체예에서, 완전한 시스템 전반을 통한 시차 압력의 연속 판독은 예를 들어, 다수의 압력 감지 엘리먼트를 통해 제공된다. 이러한 방식으로, 각각의 개별 부품에 대한 압력 강하가 모니터링되어 처리 동안에 발생하는 문제점을 신속하게 정확하게 지적할 수 있다. 당업자들은 상기 및 그 밖의 이러한 시스템 압력 모니터링 및 제어 수단이 상기 또는 그 밖의 이러한 감지 엘리먼트를 통한 여러 시스템 구체예 전반에, 응답 엘리먼트를 통해 진행중인 공정을 모니터링하고 조절하는데 사용되어 선택된 다운스트림 적용(들)에 사용하기에 적합한 생성 가스를 생성하고, 임의로 공정 출력 및 효율을 최대화시킬 수 있음을 이해할 것이며, 이에 따라 상기 기재되고, 첨부되는 도면에 도시된 예시적 시스템 및 제어 시스템 구성에 의해 제시된 예에 의해 제한되지 않아야 한다.
가스 유속
한 가지 구체예에서, 제어 시스템은 본 발명과 함께 사용하기에 쉬운 시스템 전반을 통해 위치한 자리에서 생성 가스 흐름을 모니터링하기 위한 감지 엘리먼트(예를 들어, 도 1의 흐름 감지 엘리먼트(802, 803, 및 804)를 포함하며, 여기서 이러한 데이터는 연속적으로 또는 단속적으로 획득된다.
시스템의 상이한 구성요소를 통한 가스 유속은 특정 구성요소에서의 가스의 체류 시간에 영향을 미칠 것이다. 전환기의 재구성 영역을 통한 가스의 유속이 지나치게 빠를 경우, 평형에 도달하는 가스 성분에 대한 시간이 충분하지 않을 수 있어, 비-최적(non-optimum) 의 가스화 공정을 초래한다. 흐름 감지 엘리먼트는 예를 들어 전환기로 유입되는 공급원료 및 첨가제 입력 속도를 조절하기 위해 균질화 시스템/저장 탱크(예를 들어, 도 1의 유속 감지 엘리먼트(803))로의 합성가스 흐름을 검출하는 데 사용될 수 있다. 본 시스템의 여러 구체예를 통해 배치되는 상기 및 그 밖의 이러한 가스 흐름 모니터링 및 제어 수단은 응답 엘리먼트를 통해 진행중인 공정을 모니터링하고 조절하는데 사용되어 선택된 다운스트림 적용(들)에 사용하기에 적합한 생성 가스를 생성하고, 임의로 공정 출력 및 효율을 최대화시킬 수 있다.
공정 전환기
일반적으로, 본 발명의 제어 시스템과 함께 사용하기 쉬운 전환기는 가스화기 및 재구성장치(reformer)를 형성하는 하나 이상의 처리 구역 및/또는 챔버를 포함할 수 있다. 가스화기 및 재구성장치는 동일하거나 상이한 방향일 수 있는, 동일하거나 별개의 챔버 및/또는 구역내에 존재할 수 있다. 또한, 전환기는 추가의 공정 디바이스, 예컨대, 도시 고체 폐기물(MSW), 고함량 탄소 공급원료, MSW 및 HCF 함께, 또는 석탄을 포함하는 공급원료에 대한 공급원료 입력 수단을 포함할 수 있다. 그 밖의 추가의 공정 디바이스로는, 선택된 다운스트림 적용(들)에 적합한 각각의 범위내에서 생성 가스의 하나 이상의 특성 값을 유지시키는 데 요구되는, 스팀, 산소, 공기, 산소 풍부 공기, 산화제 및 탄소 풍부 첨가제(후자는 임의로 제 2 공급원료로서 제공될 수 있다)를 포함하나 이로 제한되지 않는 하나 이상의 첨가제를 부가하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 또한, 전환기는 제어 시스템의 응답 엘리먼트에 의해 결합되고 임의로 작동적으로 제어되는 하나 이상의 플라즈마 열원 및/또는 그 밖의 열원을 포함할 수 있다. 또한, 전환기는 가스 출력 및 애쉬 제거를 위한 수단을 구비할 수 있다. 전환기에는 공정의 여러 특성을 감지하기 위한 여러 감지 수단(즉, 센서), 예컨대, 열전쌍, 물질 높이 검출기, 압력 센서 등이 장착될 수 있다. 본 발명의 제어 시스템은 공급원료 입력, 첨가제 입력, 플라즈마 토치 파워, 폐기물 축적 높이 및 전환기를 통한 폐기물의 이동을 포함하나, 이로 제한되는 것은 아닌, 전환기 공정의 다양한 측면을 제어가능하도록 한다.
전환기는 광범위한 길이 대 직경비를 가질 수 있으며, 수직 또는 수평으로 배향될 수 있다. 전환기는 하나 이상의 가스 출력 수단뿐만 아니라 고형 잔류물(예를 들어, 챠르, 애쉬, 슬래그 또는 이들의 소정의 조합물)을 제거하는 수단을 지닐 것이며, 몇몇 구체예에서는 잔류물이 중력 흐름을 사용하여 제거되도록 챔버의 저부를 따라 소정 위치에서 배치된 출구를 포함한다. 한 가지 구체예에서, 전환기는 전환기의 저부로부터 고형 잔류물을 제거하기 위한 물리적인 전달 수단을 이용할 것이다. 예를 들어, 애쉬 부산물을 고형 잔류물 컨디셔너로 운반하기 위해 고온 스크류가 사용될 수 있다. 슬래그를 처리하고 취급하기 위한 수단은 하기에서 보다 자세히 논의될 것이다. 슬래그 또한 가스화가 일어나는 동일한 챔버(도 19 내지 22)에서, 또는 도 23의 고형 잔류물 컨디셔너에서와 같이 별도의 챔버에서 처리될 수 있다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 하나 이상의 플라즈마 열원은 공급원료의 가스로의 전환 공정을 보조한다. 한 가지 구체예에서, 하나 이상의 플라즈마 열원의 사용은 스팀 및/또는 산소 첨가제의 입력과 함께 가스 조성을 제어하는 것을 도와준다. 또한, 플라즈마 열원은 가스화 공정에 의해 생성된 오프-가스를 성분 요소로의 완전한(또는 거의 완전한) 전환을 보장하여, 이러한 성분 요소를 특정 조성을 갖는 생성 가스로 재구성시키는 데 사용될 수 있다(예를 들어, 가스화기로부터 차별되거나 가스화기내 통합된 재구성장치내에서). 이러한 재구성은 가스화와 동일한 구역 또는 챔버에서, 또는 본원에서 재구성장치로서 언급되는 전환기내 별도의 구역 또는 챔버에서 일어날 수 있다. 이후 생성 가스는 하나 이상의 출력 가스 출구를 통해 전환기에서 배출된다.
탄소함유 공급원료의 가스화(즉, 탄소함유 공급원료의 합성가스로의 실질적인 전환)는 전환기에서 일어나며, 고온 또는 저온에서, 고압 또는 저압에서 진행될 수 있다. 다수의 반응이 탄소함유 공급원료를 합성가스 생성물로 전환시키는 공정에서 일어난다. 탄소함유 공급원료가 전환기에서 가스화됨에 따라, 가스화에 요구되는 물리적, 화학적 및 열적 공정이 전환기 설계에 따라 순차적으로 또는 동시에 일어날 수 있다.
전환기에서, 탄소함유 공급원료는 열처리됨으로써, 이러한 공급원료가 건조되어 임의의 잔류 수분을 제거한다. 건조된 공급원료의 온도가 높아짐에 따라, 열분해가 일어난다. 열분해 동안, 휘발성 성분은 휘발되고, 공급원료가 열적으로 분해되어 예를 들어, 타르, 페놀 및 가벼운 휘발성 탄화수소 가스가 방출되고, 공급원료는 챠르로 전환된다. 챠르는 유기 및 무기 물질로 이루어진 잔류 고형물을 포함한다.
형성된 챠르는 추가로 가스 성분으로 완전히 전환되어, 차후에 슬래그로 전환되는 재를 남기도록 추가로 가열될 수 있다. 한 가지 구체예에서, 탄소함유 공급원료의 가스화는 일어날 수 있는 연소의 양의 최소화하기 위해, 조절된 양의 산소의 존재 하에서, 임의로 본 발명의 제어 시스템의 제어 하에서 발생한다.
건조, 휘발 및 챠르의 재로의 전환 단계의 결합된 생성물은 중간 오프-가스 생성물을 제공한다. 중간 오프-가스는 일반적으로 탄소함유 공급원료를 합성가스로 추가로 전환시키기 위해, 하나 이상의 플라즈마 열원에 의해, 그리고 공기 및 스팀과 같은, 조절된 양의 첨가제의 존재 하에서 추가로 가열 처리될 수 있다. 이러한 단계는 또한 재구성 단계로서 언급되며, 가스화와 동일하거나 별개의 챔버(예를 들어, 통합된 또는 별개의 가스화기/재구성장치)내에서 일어날 수 있다.
하나 이상의 플라즈마 열원은 모든 반응이 동시에 일어나도록 배치되거나, 순차적으로 일어나도록 전환기에서 배치될 수 있다. 어느 한 구성에서, 열분해 공정의 온도는 전환기에서의 플라즈마 열원의 포함으로 인해 상승된다.
가스화 반응은 열에 의해 유도되며, 이는 전환기를 가열시키기 위해 전기 및/또는 화석 연료 기재(예를 들어, 프로판) 가열 수단에 의해 또는 발열 가스화 반응을 유도하기 위해 반응물로서 공기를 첨가함으로써 연료 공급될 수 있으며, 이것이 반응에 열을 제공한다. 또한, 일부 가스화 공정은 간접 열교환을 사용하여 전환기에서의 공급 물질의 연소를 피하고, 질소 및 과잉의 CO2에 의한 생성 가스의 희석을 피한다.
전환기의 설계는 단일 단계 또는 다단계 전환 공정을 가능하게 할 수 있다. 여러 예시적인 전환기 설계가, 당업자들에게 자명한 것으로서 본 명세서에 용이하게 적용될 수 있는 국제 출원 번호 WO/2006/128285 및 WO/2006/128286에 제공된다. 일례로서, 전환기는 공급원료를 합성가스로 전환시키기 위한 공정이 단일 단계 공정으로 일어날 수 있도록 설계된다. 즉, 가스화(공급원료가 오프-가스로) 및 재구성(오프-가스가 합성가스로) 단계 둘 모두가 일반적으로 시스템내 단일 구역에서 일어난다. 공급원료를 합성가스로 전환시키기 위한 공정이 하나 초과의 구역에서 일어나도록 전환기가 설계된 또 다른 예에서, 공정은 하나의 챔버내 하나 초과의 구역(예를 들어, 도 20 및 22의 구체예는 다중 구역, 단일 챔버 전환기를 나타내는 것으로 해석될 수 있다)에서 일어나거나, 별도의 챔버(예를 들어, 도 23의 구체예) 또는 이들의 소정의 조합에서 일어나며, 이러한 구역은 서로 유체 소통된다.
전환기는 임의로, 산소, 공기, 산소 풍부 공기, 스팀 또는 그 밖의 가스화 공정에 유용한 가스와 같은 가스를 전환기로 첨가하기 위해 구비될 수 있는, 하나 이상의 공정 디바이스, 예컨대, 첨가제 입력 수단을 포함한다. 첨가제 입력 수단은 또한 제 2 공급원료 입력 수단(예를 들어, 도 19 내지 23은, 제 1 공급원료 입력 수단 및 임의의 제 2 공급원료 입력 수단을 조합한 것을 도시한 혼합된 공급원료 입력 수단을 포함하는 공정 디바이스를 정의하고 있다)을 통해 구비될 수 있는 탄소 풍부 첨가제를 전환기에 첨가하기 위한 수단을 제공할 수 있다. 따라서, 첨가제 입력 수단은 공기(또는 산소) 입력 포트 및/또는 증기 입력 포트 및/또는 탄소 풍부 물질 입력 포트를 포함할 수 있으며, 탄소 풍부 물질 입력 포트는 선택적인 제 2 (또는 혼합된) 공급원료를 통해 임의로 구비된다. 이러한 입력 포트는 전환기 전반에 첨가제를 적절히 분포시키기 위해 전환기에 위치한다. 첨가제의 첨가는 하기에서 보다 자세히 논의될 것이다.
탄소 풍부 첨가제(또는 제 2 공급원료)는 가스화 공정에 이용될 수 있는 탄소의 양을 증가시키기 위해 가스화가 진행되는 공급원에 첨가될 수 있는 탄소 공급원인 임의의 물질일 수 있다. 가스화되는 공급원료를 탄소 풍부 물질로 보충하는 것은 특정 조성을 갖는 생성 가스의 형성을 확실하게 도와준다. 가스화 공정에 사용될 수 있는 탄소 풍부 첨가제의 예로는 타이어, 플라스틱, 고등급 석탄 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.
도 23의 예시적 구체예를 참조하면, 이에 도시된 전환기는 각각의 구역에서, 건조, 휘발 및 챠르의 재로의 전환(또는 탄소로의 전환)을 순차적으로 촉진시킴으로써 탄소함유 공급원료로부터 최적의 가스 분자 추출을 제공하는 세개의 가스화 구역으로 분할된 수평 배향 전환기를 포함한다. 이는, 공급원료의 건조가 소정 온도 범위(예를 들어, 300 내지 900℃)에서 물질이 제 2 구역으로 전달되기 전에 제 1 구역에서 일어나도록 함으로써 달성되며, 제 2 구역에서의 휘발은 또 다른 온도 범위(예를 들어, 400 내지 950℃)에서, 물질이 제 3구역으로 전달되기 전에 일어나며, 제 3구역에서의 챠르의 재로의 전환(또는 탄소로의 전환)은 또 다른 온도 범위(예를 들어, 600 내지 1000℃)에서 일어난다. 각각의 단계에서 일어나는 주 공정이 도 27 및 28에 일반적으로 도시되어 있으며, 하기 실시예 1에서 보다 자세히 기술되어 있다.
상기 세개의 구역은 도 27 및 28에 개략적으로 도시되어 있으며, 이들 도면에서 예시적 반응비는, 건조 공정이 휘발 공정 및 탄소 전환 공정에 비해 매우 우세한 제 1구역으로부터 진행함에 따라 도시된 것이며, 제 2 구역에서 휘발 공정이 우세하고, 제 3 구역에서, 물질은 실질적으로 완전히 건조되고, 탄소 전환 공정이 우세하다.
가스화 공정의 수평적 확장은 도 23의 전환기의 특징에서 공급원료 물질의 특성에 반응하여 하나 이상의 가스화 공정을 지역적으로 촉진시킴으로써 가스화 공정의 최적화를 허용한다. 그러므로, 당업자들에게는 상기 전환기가 사용된 공급원료의 특성에 따라 2, 3, 4 이상의 단계로 분리될 수 있음이 자명할 것이다. 그러나, 도 23의 전환기로 제시된 예시적 구체예가 3단계로 기술적으로 제한되지 않는다.
한 가지 구체예에서, 가스화 공정의 특정 단계(건조, 휘발, 챠르의 재로의 전환)를 용이하게 하기 위해 전환기를 통해 물질을 전달시키는 수단이 구비된다. 가스화 공정을 제어할 수 있기 위해, 전환기를 통해 물질 전달을 제어하기 위한 수단 또한 구비될 수 있다. 이러한 전환기를 통한 물질의 전달은 하나 이상의 물질 전달 유닛을 사용함으로써 달성될 수 있다. 이는 물질 전달 수단으로 전달 속도, 각 물질 전달 수단이 전달하는 거리, 및 다수의 물질 전달 수단이 서로 연관되어 전달하는 순서를 달리함으로써 달성된다. 하나 이상의 물질 전달 수단이 협력하여 작동하거나, 개별적 물질 전달 수단이 독립적으로 작동할 수 있다. 물질의 유속 제어, 챔버에서의 총 체류 시간 및 파일 높이의 제어를 최적화하기 위해, 개별 물질 전달 수단이 상이한 속도로, 상이한 전달 거리로, 그리고 상이한 전달 빈도로 개별적으로 전달될 수 있다. 물질 전달 수단은 전환기의 엄격한 조건에서 효과적으로 작동할 수 있어야 하고, 특히 고온에서 작동할 수 있어야 한다. 이러한 물질 전달 수단은 오제(auger), 선반, 플랫폼, 램, 및 당업자들에게 자명한 그 밖의 이러한 수단을 포함할 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.
여러 예시적 물질 전달 수단이 국제 출원 번호 WO/2006/128285 및 WO/2006/128286에 제시되어 있으며, 본 명세서에 용이하게 적용될 수 있으며, 이는 당업자들에게 자명하다. 예를 들어, 횡방향 전달 유닛, 모터 수단 및 액튜에이터(actuator)를 포함하는 횡방향 전달 수단에서, 개개의 횡방향 전달 유닛은 전달 엘리먼트 및 가이드 엘리먼트를 포함한다. 응답 엘리먼트는 모터, 유압장치 및 공압장치와 같은 당해 공지되어 있는 임의의 수단을 통해 전달 수단을 작동시킬 수 있다.
한 가지 구체예에서, 물질 전달 시스템은, 전환기의 적합한 스테이지에서 적절한 처리가 이루어져, 소비된 잔류물이 전환기의 고형 물질 출구로 전달되도록 전환기를 따라 MSW를 전달시키기 위해 구비된다. 각 스테이지에서 파일의 높이 또한 전환기에서의 총 체류 시간과 마찬가지로 제어될 수 있다. 이러한 기능은 각 스테이지의 바닥에서 캐리어 램의 시스템에 의해 제어된다. 각각의 캐리어 램은 그러한 스테이지의 전체 또는 부분 길이를 이동할 수 있으며, 그 속도 또한 가변적이다. 이는 물질 파일 높이 및 체류 시간을 조절할 수 있는 능력을 제공하며, 또한, 스테이지가 필요에 따라 완전히 소거될 수 있다. 캐리어 램은 단일 캐리어 램 또는 다중 핑거일 수 있다. 캐리어 램을 전달시키기 위한 파워는 기어박스(gearbox) 및 롤러 체인 시스템을 통해 캐리어 램을 구동시키는 전기 모터에 의해 제공될 수 있다. 모터는 개시 및 중지 상태, 전달 속도 및 전달 빈도를 명령할 수 있는 제어 시스템에 의해 제어될 수 있다. 각각의 캐리어 램은 독립적으로 제어될 수 있다. 한 가지 구체예에서, 롤러 체인이 사용된다. 롤러 체인은 고강도를 제공하고, 엄격한 의무 환경을 견딘다. 한 가지 구체예에서, 캐리어 캠을 각지게 배열되도록 하기 위해 정밀 가이드(precision guide)가 사용될 수 있다. 또 다른 구체예에서는, 캐리어 램당 두개의 사슬을 사용함으로써 정밀 가이드를 필요로 하지 않고 캐리어 램을 각지게 배열하도록 하는 수단이 제공된다. 캐리어 램이 후퇴되는 경우, 캐리어 램의 상부의 상의 물질이 뒤로 당겨지는 것을 피하기 위해, 제어 시스템은 특이적인 캐리어 램 전달 순서로 프로그래밍될 수 있다. 예를 들어, 가장 하부의 캐리어 램이 제일 먼저 연장되고, 중간 캐리어 램이 이후, 연장되어 물질을 가장 하부의 캐리어 램 상으로 밀어내어 캐리어 램 전달에 의해 생성된 공극을 충전시키고; 이후 가장 하부의 캐리어 램이 철회되고, 이후 상부 캐리어 램이 연장되어 중간 캐리어 램의 배면의 공극의 충전시키고, 이후 중간 캐리어 램이 철회되고; 공급 포트로부터 떨어지는 새로운 물질은 상부 캐리어 램 상의 임의의 공극을 충전하고, 상부 캐리어 램이 철회된다. 이러한 모든 동작은 시스템 계측장치 데이터에 응답하여 제어 시스템에 의해 자동적으로 제어될 수 있다.
한 가지 구체예에서, 전환기에 대한 온도 모니터링은 열전쌍과 같은 센서를 사용하여 달성된다. 온도는 각 스테이지를 따른 지점에서, 그리고 각 스테이지의 여러 높이에서 모니털링될 수 있다. 모니터링은 작업 동안에 대체될 필요가 있는 열전쌍을 사용하여 달성된다. 이를 공정의 중단 없이 달성하기 위해, 각 열전쌍이 단부가 밀봉된 튜브를 통해 전환기에 삽입될 수 있고, 이후, 전환기 쉘로 밀봉된다. 이러한 설계는 밀봉 튜브보다 더 긴 가요성 와이어 열전쌍을 사용하도록 하여 열전쌍의 연결부(온도 감지 지점)가 밀봉된 튜브의 단부에 대해 가압되어 온도 변화에 대해 정확하고 신속하게 반응시킨다. 이러한 밀봉된 튜브는 전환기에 대해 밀봉되어, 압축선(compression gland)에 의해 제자리에 기계적으로 고정되며, 이것은 또한 전환기로의 돌출 조절을 수용할 수 있다. 온도 측정이 물질 파일내에서 요구되는 경우, 밀봉된 튜브는 전달이 요구되는 경우, MSW의 파일 보유를 초래할 수 있다. 이러한 문제를 피하기 위해, 밀봉된 튜브의 말단이 편향기(deflector)로 고정될 수 있어 MSW가 열전쌍 튜브에 의해 차단되지 않도록 한다.
전환기는 당해 공지된 다수의 전환기 중 어느 하나에 근거할 수 있다. 당해 공지된 전환기의 예로는 분류층(entrained flow) 전환기, 이동층 전환기, 유동층 전환기, 및 로터리 킬른(rotary kiln) 전환기를 포함하나, 이로 제한되는 것은 아니며, 각각은 고형물, 미립물질, 슬러리, 액체, 가스 또는 이들의 임의의 조합물의 형태의 공급원료를 공급원료 입력 수단을 통해 수용하도록 되어 있다. 공급원료는 하나 이상의 유입구를 통해 입력되며, 이러한 유입구는 공급원료의 생성 가스로의 완전하고 효율적인 전환을 위한 가열에 대해 최적으로 노출되도록 배치된다.
본 발명의 한 가지 구체예에 따르면, 전환기 벽은 내화 물질로 라이닝된다. 내화 물질은 고온(예를 들어, 약 1100℃ 내지 1400℃의 온도) 비가압 반응에 대해 전환기에서 사용하기에 적합한, 당해 공지된 종래의 내화 물질 중 어느 하나, 또는 이러한 물질의 조합물일 수 있다. 전환기 구성, 배치 등과 함께 여러 예시적 전환기가 국제 출원 번호 WO/2006/128285 및 WO/2006/128286에 제시되어 있으며, 본 명세서에 용이하게 적용될 수 있으며, 이는 당업자들에게 자명하다.
당업자들은 하나 이상의 플라즈마 열원을 이동시킴으로써, 그 밖의 플라즈마 열원, 그 밖의 열원 등을 부가함으로써, 예시된 전환기가 본 발명의 일반적인 범위 및 특성에서 벗어나지 않고 단일 또는 다수 구역 전환기로서 작동될 수 있음을 이해할 것이다. 추가로, 본 제어 시스템은 상기 전환기 형태 중 어느 하나 또는 다른 그러한 전환기 형태로 이행될 수 있음을 이해해야 할 것이다. 사실상, 이러한 공정이 단일 또는 다수의 챔버내 단일 구역에서 일어나든지 다수 구역에서 일어나든 간에, 소정 타입의 전환기내에서 이행된 가스화 및/또는 재구성 공정과 관련된 하나 이상의 직접적인 또는 간접적인 공정 특성을 모니터링 함으로써, 제어 시스템이 감지 엘리먼트를 통해 진행중인 공정을 모니터링하고 조절하는 데 사용되어, 응답 엘리먼트를 통해 공정 출력 및 효율을 최대화시킬 수 있다. 제어 시스템은 직접 제어를 통해, 또는 제어 시스템이 제어에 대한 서브시스템을 포함하는 모듈러 제어를 통해 이행될 수 있다.
당업자들은 상기 기재가 다수의 예시적 전환기 타입, 형태, 및 이에 대해 사용되는 물질을 제공하고 있지만, 본 발명의 일반적인 범위 및 특성을 벗어나지 않고 다른 전환기 타입, 형태 및/또는 물질이 사용될 수 있음을 또한 이해할 것이다.
가열 수단
탄소함유 공급원료를 생성 가스로 전환시키기 위한 공정은, 오프-가스가 선택된 다운스트림 적용(들)에 사용하기에 적합한 생성 가스로 실질적으로 전환하도록 본 발명의 제어 시스템에 의해 제어될 수 있는 하나 이상의 플라즈마 가열 수단을 사용한다. 플라즈마 가열 수단은 또한 초기 가스화 공정을 구동시키기 위해 탄소함유 공급원료를 가열하기 위해 임의로 구비될 수 있다.
한 가지 구체예에서, 하나 이상의 플라즈마 열원이 오프-가스의 적합한 생성 가스로의 전환을 최적화시키기 위해 배치된다. 하나 이상의 플라즈마 열원의 위치는 가스화 공정의 설계에 따라, 예를 들어, 공정이 1 스테이지 또는 2 스테이지 가스화 공정을 사용하는 지, 하나 이상의 전환기가 존재하는 지, 재구성장치가 통합되거나 별도로 존재하는 지, 또는 전환기 수평 및/또는 수직으로 배향되는 지에 따라 선택된다.
적용 지점에서 연장된 기간 동안 적합하게 높은 온도를 낼 수 있는 여러 통상적으로 입수될 수 있는 플라즈마 열원이 공정에 사용될 수 있다. 일반적으로, 이러한 플라즈마 열원은 오프-가스를 합성가스 생성물로 전환시키는 데 요구되는, 예를 들어, 약 900℃ 내지 1100℃ 초과의 온도를 생성하는 출력으로 약 100kW 내지 6MW 초과의 크기가 이용될 수 있다.
이러한 예로는 유도 결합 플라즈마 토치(ICP), 이행형 아크(transferred arc) 및 비이행형(non-transferred) 아크 토치(둘 모두 AC 및 DC)를 포함할 수 있다. 적합한 플라즈마 가열 수단의 선택은 당업자들의 통상의 기술 범위내에 있다.
한 가지 구체예에서, 플라즈마 열원은 하나 이상의 공기/산소 및/또는 스팀 유입 포트에 인접하여 위치함으로써 공기/산소 및/또는 스팀 첨가제가 플라즈마 열원의 플라즈마 방출 경로로 분사된다.
추가의 구체예에서, 플라즈마 열원은 이동가능하거나 고정되거나, 이것의 임의의 조합일 수 있으며, 임의로 그 위치 및/또는 방향을 조절하기 위해 본 발명의 제어 시스템에 의해 작동될 수 있다.
한 가지 구체예에서, 가스화 공정은 플라즈마 열원은 제어성을 이용하여 전환 공정을 유도하고, 전환기로부터의 가스 흐름 및 가스 조성이 소정 범위내에 있도록 한다. 플라즈마 열원의 제어는 또는 상이한 탄소함유 공급원료 공급원의 조성 또는 동일 타입의 공급원료의 공급원에서의 임의의 본래의 가변성과 무관하게, 생성 가스의 효율적인 생성을 보조할 수 있다.
한 가지 구체예에서, 본 발명의 제어 시스템은 플라즈마 열원의 파워를 조절하여 실제 반응의 전체 에너지를 관리하기 위한 응답 엘리먼트를 포함한다. 반응의 에너지를 관리하기 위해, 플라즈마 열원에 대한 파워는 공급원료의 조성 및 스팀, 공기/산화제 및 탄소 풍부 첨가제의 상응하는 유속에서의 임의의 변동에도 불구하고 일정한 가스화 시스템 온도를 유지하기 위해 제어될 수 있다.
한 가지 구체예에서, 제어 시스템은 탄소함유 공급원료 및 첨가제가 전환기로 도입되는 유속뿐만 아니라, 시스템의 통해 전략적 위치에 위치한 온도 감지 엘리먼트, 및 그 밖의 이러한 감지 엘리먼트(예를 들어, 도 1의 온도 감지 엘리먼트(809, 810, 및 811))에 의해 측정되는 시스템의 온도와 같은 파라미터에 대해 플라즈마 열원의 파워 등급을 제어한다. 플라즈마 열원의 파워 등급은 예를 들어, 전환기에서의 열손실을 보상하고, 첨가되는 공급원료를 효율적으로 처리하기에 충분해야 한다.
예를 들어, 전환기의 온도가 지나치게 높은 경우, 제어 시스템은 플라즈마 열원의 파워 등급을 낮출 것을 명령할 수 있으며(예를 들어 도 18 및 71 내지 75); 반대로, 용용물의 온도가 지나치게 낮을 경우, 제어 시스템은 플라즈마 열원의 파워 등급을 높일 것을 명령할 수 있다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 제어 시스템은 토치의 위를 제어하여, 최적의 고온 처리 구역의 유지를 보장할 뿐만 아니라 전체 전환기 주변에 유리한 가스 흐름 패턴을 유도하기 위해 응답 엘리먼트를 포함한다.
하나 이상의 플라즈마 열원은 또한 하기 논의되는 바와 같이 가스화 공정의 고형 잔류물의 완전한 처리를 보장하기 위해 임의로 구비된다. 일부 구체예에서, 전환기는 가스화가 플라즈마 열원의 부재 하에 일어나는 별개의 가스화기 영역 및 플라즈마 가열이 가스 재구성에 사용되는 별개의 재구성장치 영역을 포함한다.
공급원료 입력 수단
도 1 내지 4, 및 19 내지 24와 관련하면, 가스화 공정은 임의로 본 발명의 제어 시스템의 제어 하에서 탄소함유 공급원료(예를 들어, 석탄, 도시 폐기물 및/또는 고함량 탄소 혼합 공급원료를 포함할 수 있다)를 전환기에 입력하기 위한, 입력 수단에서와 같은 수단을 포함한다. 고함량 탄소 공급원료는 임의로 제 2 공급원료 입력 수단을 통해, 또는 하기 기술되는 부가적 입력 수단을 통해 첨가제로서 입력될 수 있다. 입력 수단은 공급원료가 가스화 열원에 최적으로 노출되도록 전환기의 적합한 위치에 배치되도록 위치한다.
한 가지 구체예에서, 제어 시스템은 선택된 다운스트림 적용(들)에 사용하기에 적합한 생성가스를 유지시키기 위해 공정 디바이스를 통한 공급원료의 입력 속도를 조절하기 위한 응답 엘리먼트를 포함한다. 예를 들어, 전환기로의 공급원료 부가 속도는 공급원료의 적합한 생성 가스로의 효율적인 전환을 용이하게 하도록 조절될 수 있다. 공급원료 부가 속도는, 소정 범위내에서 생성 가스의 감지된 특성을 나타내는 특성 값을 유지시키기 위해, 가스화 공정의 설계 명세서에 따라 선택된다.
한 가지 구체예에서, 제어 시스템은 선택된 다운스트림 적용(들)에 대해 요구되는 바와 같이 가스화 반응을 유지시키기 위한 최적의 속도로 공급원료가 전환기에 공급되도록 하는 입력 수단과 같은 공정 디바이스를 통해 공급 속도를 조절한다.
입력 수단의 선택은 공급물 분배, 작동 압력 및 공급원료 입자 크기에 대한 요건에 따라 이루어진다. 입력 수단은 예를 들어, 스크류 오제, 공압 전송 시스템, 플런저(plunger) 시스템, 램 시스템, 회전 밸브 시스템 또는 상부 중력 공급 시스템을 포함할 수 있다.
한 가지 구체예에서, 도시 폐기물이 가스화 공정에 대한 공급원료로서 사용될 수 있다. 도시 폐기물은 고체 또는 액체 형태로 제공될 수 있다. 고형 폐기물의 가스화를 위해, 폐기물은 고형 폐기물 유입 공급 포트를 통해 전환기에 입력될 수 있다. 또한, 전환기는 액체 폐기물의 처리를 위해 액체 폐기물 공급유입 포트를 임의로 포함하도록 설계될 수 있다.
또한, 전환기에 입력하기 전에 공급원료를 준비하기 위해 컨디셔닝 공정이 사용될 수 있다. 한 가지 구체예에서, 그 특성에 따라, 그리고 효율을 증대시키고, 적합한 생성 가스를 달성하기 위해, 공급원료는 예를 들어, 전체 용적을 감소시키거나, 세단(shredding), 미분, 전단 등에 의해 표면적 대 용적 비를 증가시키기 위해 전처리될 수 있다. 또 다른 구체예에서, 공급원료는 또한 필요에 따라 임의의 잔류 수분을 제거하기 위한 사전 건조 단계를 진행시킬 수 있다.
예를 들어, 일부 구체예에서, 본 제어 시스템과 함께 사용하기 쉬운 가스화 시스템은 도시 폐기물(MSW) 세단 시스템을 추가로 포함한다. MSW 세단 시스템은 입력 컨베이어, 세단기 및 픽 컨베이어(pick conveyor)를 포함할 수 있다. 컨베이서의 정지, 개시 및 속도는 공정 요건에 부합하도록 제어 시스템에 의해 원격 제어될 수 있다. 물질이 존재하지 않을 경우, 제어 시스템에 경보를 울리기 위한 센서가 트로프(trough)에 구비될 수 있다. 세단기는 잼(jam)이 감지되는 경우 자동적으로 중지하고, 잼을 소거하도록 자동적으로 후진된 후, 다시 개시된다. 한 가지 구체예에서, 잼이 여전히 검출되면, 세단기는 가동 중지할 것이고, 경보 신호를 제어 시스템에 전송할 것이다. 세단된 폐기물은 임의로 세단기 시스템으로부터 공급 호퍼로 낙하될 수 있으며, 공급 호퍼는 공급할 준비가 된 물질의 완충물을 전환기로 제공한다. 상기 호퍼에는 세단 시스템으로부터 호퍼로의 흐름을 제어하는 데 사용될 수 있는 고수위 및 저수위 표시기와 같은 센서가 구비될 수 있다. 컨베이어는 폐기물 공급 속도를 공정 요건에 부합하도록 맞추기 위해 임의로 제어 시스템의 제어 하에 있을 수 있다. 일부 구체예에서, MSW 공급 컨베이어가 전환기에 대한 제 2 입력 지점에 대한 필요성을 피하면서 요구되는 가스 품질에 부합하기 위해 고함량 또는 저함량 탄소 입력에 대한 공정 요건에 신속하게 반응할 수 있는 고함량 탄소 공급원료(예를 들어, 세단된 플라스틱)을 수용하도록 추가적으로 입력될 수 있다.
일부 구체예에서, 본 제어 시스템과 함께 사용하기에 쉬운 가스화 시스템은 고함량 탄소 공급원료 및/또는 첨가제로서 플라스틱을 준비하기 위한 플라스틱 취급 시스템을 추가로 포함한다. 도시 재생 프로그램은 매립지에 보내져야 하는 최근 다량의 비재생 플라스틱 물질을 형성하는 데, 예를 들어, 이러한 물질은 가스화 공정의 고함량 탄소 물질 요건에 부합할 수 있다. 플라스틱 등은 전환기에 입력되기 전에 임의로 세단될 수 있다. 플라스틱 시스템은 입수된 그대로의 플라스틱을 저장하고, 이를 세단하고, 스톡파일에 비축하고, 이를 임의로 독립적인 제어 하에 두고, 전환기에 공급하도록 설계될 수 있다. 플라스틱 시스템은 저장 설비, 입력 호퍼를 갖는 세단기, 테이크-어웨이 컨베이어(take-away conveyor) 및 스톡파일을 포함할 수 있다. 또한, 공급 컨베이어는 세단된 플라스틱을 전환기에 입력시키기 위해 사용될 수 있다. 수위 검출기가 고 및 저 상태를 표시하기 위해 호퍼에 위치할 수 있다. 이러한 컨베이어의 동작은 제어 시스템의 제어 하에 있을 수 있다. 플라스틱 취급 시스템의 제어는 본 발명의 제어 시스템이 제어에 대해 서브시스템을 포함하는 모듈러 제어를 통해 또는 직접 제어를 통해 이행될 수 있다.
첨가제 입력 수단
도 1 내지 4, 및 도 19 내지 20과 관련하면, 첨가제는 탄소함유 공급원료의 적합한 생성 가스로의 효율적인 전환을 용이하게 하기 위해 전환기에(예를 들어, 첨가제 포트를 통해) 임의로 첨가될 수 있다. 첨가제의 타입 및 양은 규제 당국의 방출량 한계치를 고수하고, 작업 비용을 최소화하면서 탄소함유 공급원료의 전환을 최적화하도록 신중히 선택될 수 있다. 또한, 입력 폐기물의 분해 엘리먼트의 연료 가스 및/또는 비유해 화합물로의 전환을 최대화하기 위해 충분한 유리 산소 및 수소를 증진시키는 것을 돕기 위해 스팀 입력이 사용될 수 있다. 연료 가스로의 탄소 전환을 최대화하고(유리 탄소 최소화), 최적의 처리 온도를 유지하기 위한 화학적 균형화 처리를 하면서, 플라즈마 가열 입력의 상대적으로 높은 비용을 최소화시키는 것을 돕기 위해서는 공기/산화제 입력이 사용될 수 있다. 또한, 부가 및/또는 보충 공급원료로서 제공될 수 있는 탄소 풍부 첨가제가 가스화가 진행되는 공급원료의 탄소 함량을 보충하기 위해 첨가될 수 있다. 각각의 첨가제의 양은 선택된 다운스트림 적용(들)에 대해 성립되고 제어된다. 일부 구체예에서, 산화제 주입량은 상대적으로 높은 비용의 플라즈마 아크 입력 가열을 최대로 교체하도록 하면서 전체 공정이 연소와 관련된 임의의 바람직하지 않을 수 있는 공정 특성에 접근하지 않도록 하고, 지역 구역의 방출량 표준에 부합하고 보다 우수하도록 신중하게 정해질 수 있다.
전기 에너지 생성을 목적으로 하는 구체예에 있어서, 높은 연료 값(예를 들어, 가스의 고발열량(HHV) 및/또는 저발열량(LHV)에 의해 측정됨)을 갖는 가스를 생성하는 데 유리하다. 고품질 연료 가스의 생성은 예를 들어, 전환 공정의 여러 단계에서 첨가되는 첨가제의 양을 제어함으로써, 반응 조건을 제어하여 달성될 수 있다.
그러므로, 전환기는 다수의 첨가제 입력 포트를 포함할 수 있으며, 이러한 포트는 산소, 공기, 산소 풍부 공기, 스팀 또는 가스화 공정에 유용한 그 밖의 가스와 같은 가스의 첨가를 위해 제공될 수 있다. 첨가제 입력 수단은 공기 입력 포트 및 스팀 입력 포트를 포함할 수 있다. 이러한 포트는 전환기를 통해 첨가제를 최적으로 분포시키기 위해 전환기내에 위치할 수 있다. 스팀 입력 포트는 전략적으로 증기를 고온 처리 구역으로, 그리고 전환기로부터 출력 전의 생성 가스 매스로 유도하도록 위치할 수 있다. 공기/산화제 입력 포트는 전략적으로 전환기내에 그리고 주변에 위치하여 첨가제의 처리 구역으로의 수렴을 증진시킬 수 있다.
첨가제 입력 포트 또한 탄소 풍부 물질의 첨가를 위한 입력 포트를 포함할 수 있으며, 이러한 물질은 또한 부가적 및/또는 보충적 공급원료 입력 수단을 통해 부가될 수 있다. 본 발명의 가스화 공정에 유용한 공급원료는 가능하게는 임의의 탄소함유 물질일 수 있으며, 그 자체로 본래 탄소 함량이 매우 가변적일 수 있다. 본 발명의 한 가지 구체예에서, 상기 시스템은 가스화가 진행되는 공급원료의 탄소 함량을 보충하기 위한 탄소 풍부 공급원료를 첨가하기 위해, 탄소 풍부 첨가제 전용 포트와 같은 수단을 제공한다. 탄소 풍부 물질은 임의로 전환기에 첨가되기 전에 공급원료와 사전 혼합됨으로써 첨가될 수 있다(혼합된 공급원료 입력). 높은 탄소 함량을 갖는 공급원료의 제공은 생성 가스에서의 탄소 균형(carbon balance)을 증가시킨다.
한 가지 구체예에서, 제어 시스템은 선택된 다운스트림 적용(들)에 적합한 것으로서 생성 가스를 특징화하기 위해 정의된 각각의 소정 범위내에서 감지된 특성의 하나 이상의 특성 값을 유지하도록 반응 물질을 조절하기 위해 응답 엘리먼트와 같은 공정 디바이스를 통해 탄소 풍부 공급원료의 첨가를 제어하는 수단을 포함한다. 예를 들어, 첨가제는 공급원료의 적합한 생성 가스로의 효율적인 전환을 용이하게 하기 위해 전환기에 첨가될 수 있다. 첨가제의 타입 및 양은 상기 언급된 목적의 적합 생성 가스에 대해 신중하게 선택될 수 있다. 본 발명의 또 다른 구체예에서, 제어 시스템은 적합한 생성 가스의 생성을 유지하도록 첨가제의 첨가를 제어하는 응답 엘리먼트를 포함한다. 제어 시스템의 또 다른 구체예에서, 응답 엘리먼트는 적합한 생성 가스의 생성을 유지하도록 두개 이상의 첨가제의 첨가를 제어하기 위해 제공된다. 또 다른 구체예에서, 응답 엘리먼트는 적합한 생성 가스의 생성을 유지하도록 세개 이상의 첨가제의 첨가를 제어하기 위해 제공된다.
원(one) 스테이지(stage) 공정을 포함하는, 즉, 가스화 및 재구성 단계 둘 모두가 단이 챔버 전환기에서 일어나는 구체예에서, 첨가제의 처리 구역으로의 충분한 수렴을 보장하기 위해 전환기 내에, 그리고 그 주변에 첨가제 입력 포트를 전략적으로 배치하는 것이 유리할 수 있다. 공정이 투(two) 스테이지로 일어나는, 즉, 가스화 및 재구성이 시스템내 별개의 영역에서 일어나는 구체예에서는, 플라즈마 열원에 의한 재구성이 일어나는 영역에 근접하여 특정 첨가제 포트(예를 들어, 스팀 입력)를 배치하는 것이 유리할 수 있다.
추가의 구체예에서, 제어 시스템은 여러 감지 엘리먼트 및 연산 수단을 통해, 생성 가스의 특성을 모니터링하고 분석함으로써 얻은 데이터에 기초하여 첨가제 입력을 조절하기 위한 응답 엘리먼트를 포함하며, 이에 의해 이러한 데이터는 공급원료의 조성을 추정하는 데 사용된다. 생성 가스 특성 데이터는 연속적으로 얻어질 수 있으며, 이로써 공기, 스팀 및/또는 탄소 풍부 첨가제와 같은 첨가제 입력에 대한 조절이 실시간으로 이루어지도록 한다. 생성 가스 특성 데이터는 또한 단속적으로 얻어지고/지거나 분석될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 제어 시스템은 다운스트림 적용(들)에 적합한 것으로 생성 가스를 특징화하기 위해 정의된 특성 값의 소정 범위에 따라, 여러 감지 엘리먼트에 의해 모니터링된 특성 값에 기초하여 첨가제를 시스템에 입력시키기 위한 응답 엘리먼트와 같은 수단을 포함한다. 예를 들어, 가스 센서가 지나치게 많은 이산화탄소를 검출한 경우, 제어 시스템은 산화제의 전환기로의 전달을 감소시켜 이산화탄소 생성을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 공정은 이산화탄소보다는 대체로 일산화탄소를 생성하도록 조절된다. 이러한 구체예에서, 일산화탄소의 생성을 촉진시키기 위해, 시스템은 센서, 분석기, 또는 가스 출력 스트림에서 산소의 양을 측정하기 위한 그 밖의 감지 엘리먼트를 포함할 것이다. 스팀 또는 공기/산화제 입력으로부터 특정 범위(공급원료 입력과 같은 그 밖의 입력물의 조성 및 속도에 의존하여)의 산소 입력이 가스화 공정에 사용되는 경우, 생성 가스는 주로 일산화탄소가 될 것이다. 산소가 너무 적게 존재할 경우, 상당량의 원소 탄소 또는 카본 블랙이 형성될 수 있고, 이는 결국에는 전환기로부터 다운스트림의 장비를 플로깅시킬 수 있다. 지나치게 많은 산소가 시스템에 존재할 경우, 너무 많은 일산화탄소가 생성될 것이고, 이는 공정의 목적이 연료 가스를 생성하는 경우라면 바람직하지 않을 수 있다. 시스템에서 너무 많은 이산화탄소에 반응하여, 주입된 임의의 스팀 또는 공기/산화제는 제어 시스템으로부터의 적합한 신호에 의해 감소되거나 제거될 수 있다(참조예: 도 1, 18, 및 71 내지 75).
한 가지 구체예에서, 합성가스 연료값 측정 모듈은 저발열량 LHV = c1*[H2] +c2*[CO]를 연산할 수 있으며, 여기에서, c1 및 c2는 상수이고, [H2] 및 [CO]는 합성가스 분석기로부터 얻어진다. 모듈은 예를 들어, 총 MSW + HCF 공급 속도를 협동적으로 제어하기 위한 연료: 공기 비 제어기 및 임의로 MSW/HCF 비 제어기 및 캐리어 램 시퀀스 제어기에 작동적으로 결합될 수 있다. 한 가지 구체예에서, 다운스트림 적용에 대한 적합한 범위내에서, 또는 다시 생성 가스의 에너지 효율 및/또는 소비율을 증가시키는 데 도움이 되는 범위내에서 합성 가스 조성을 얻기 위해 시스템으로 입력하기 위한 공기 첨가제의 양을 결정하기 위해, 제어 시스템은 LHV에 대해 획득한 특성 값(예를 들어, 합성가스의 [H2] 및 [CO]의 분석으로부터)에 기초하여 제어 파라미터를 연산하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 온도 및 압력 상수를 설정함으로써, 또는 바람직한 설정점(set point)에서 전체 시스템 파라미터는, 공기 입력 파라미터가 형태 [LHV] = a[공기]의 선형 연산법(여기에서, a는 특정 시스템 설계 및 바람직한 출력 특성에 대한 실험 상수이다)을 사용하여 충분히 정확하게 추정될 수 있도록 실험적으로 연산될 수 있다.
또 다른 구체예에서, 다운스트림 적용에 대한 적합한 범위내의, 또는 생성 가스의 에너지 효능 및/또는 소비율을 증가시키는 데 도움이 되는 범위내의 합성 가스 조성을 얻기 위해 시스템으로 입력하기 위한 공기 첨가제 및 스팀 첨가제의 양을 측정하기 위해, 제어 시스템은 [H2] 및 [CO]에 대해 획득된 특성 값을 기초하여 제어 파라미터를 연산하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 온도 및 압력 상수를 설정함으로써, 또는 목적하는 설정점에서, 전체 시스템 파라미터는 공기 및 스팀 입력 파라미터가 하기 형태의 선형 연산법을 사용하여 충분히 정확하게 추정될 수 있도록 실험적으로 정의될 수 있다:
Figure 112008084070911-pct00001
상기 식에서, a, b, c 및 d는 특정 시스템 설계 및 바람직한 출력 특성에 대한 실험 상수이다. 당업자들은, 선형 시스템으로 단순화되었지만, 이러한 구체예가 추가의 특성 값을 포함하도록 확대될 수 있으며, 이에 따라 추가적 제어 파라미터의 선형 연산법을 제공할 수 있음을 인지할 것이다. 보다 엄격한 다운스트림 적용에 대한 공정 변동성을 더욱 제한하기 위해 요구되는 제어 파라미터의 연산법을 개선하기 위해 보다 고급 명령의 연산법이 고려될 수도 있다.
전환기내에서 탄소함유 공급원료의 연료 가스로의 전환은 흡열 반응이다. 즉, 적합한 연료 가스 생성물로 재형성시킬 수 있도록 반응물질에 에너지가 제공될 필요가 있다. 본 발명의 한 가지 구체예에서, 가스화 공정에 요구되는 소정 비율의 에너지는 전환기내 초기 가스 생성물 또는 탄소함유 공급원료의 일부가 산화함으로써 제공된다.
전환기로의 산화제의 입력은 전환기내에 부분적인 산화 조건을 만든다. 부분적 산화 하에서, 공급원료 중 탄소는 완전한 산화를 이루기 위해 요구되는 화학량론적 산소보다 적은 양과 반응한다. 이에 따라, 이용가능한 산소의 제한된 양을 사용하여, 고형 탄소는 일산화탄소 및 소량의 이산화탄소로 전화되고, 이로써 탄소를 가스 형태로 제공한다.
이러한 산화는 또한 열적 에너지를 유리시킴으로써, 플라즈마 가열에 의해 전환기에 입력될 필요가 있는 에너지의 양을 감소시킨다. 나아가, 이러한 증가된 열적 에너지는 플라즈마 열원에 의해 소비되는 전력의 양을 감소시켜 전환기내 특정 반응 조건을 생성시킨다. 따라서, 전력 생성 디바이스(예를 들어, 연료 전지 적용, 가스 터빈 등)에서 연료 가스를 전력으로 전환시킴으로써 생성된 보다 높은 비율의 전기가 사용자에게 제공되거나 전력으로서 전파될 수 있는 데, 그 이유는 플라즈마 열원이 산화제 첨가를 사용한 시스템에서 이러한 전력 생성 디바이스로부터 전기를 덜 요구하기 때문이다.
그러므로, 첨가제로서 산화제 입력의 사용은 탄소의 연료 가스의 전환을 최대화시키는 것을 보조하며, 상대적으로 높은 비용의 플라즈마 입력 가열을 최소화면서 필요에 따라 최적의 처리 온도를 유지하는 것을 도와준다. 산화제 주입량은 가스 형태의 탄소(CO 및 CO2)를 최대로 제거하도록 신중하게 정해질 수 있다. 동시에, 탄소의 가스화 반응(산소와 함께)은 발열반응이기 때문에, 상당량의 열이 생성된다. 이는 상대적으로 높은 비용의 플라즈마 입력 가열에 대한 필요성을 최소화하면서, 전체 공정이 연소와 관련된 임의의 바람직하지 않을 수 있는 공정 특성에 접근하지 않도록 도와준다.
부분적인 산화 존재이 존재하는 경우, 전화기내 연료 가스가 보다 덜 생성될 것이지만(왜냐하면, 연료 가스 또는 공급원료 중 일부가 산화되어 열 에너지를 유리시킴으로써, 전력 생성 디바이스에 대해 보다 적은 연료 가스가 이용될 수 있기 때문에), 플라즈마 열원(들)에 의한 전기 소비의 감소는 전기 에너지 생성에서의 가능한 소실을 상쇄시킨다. 본 발명의 한 가지 구체예에서, 제어 시스템은 공정으로부터의 전반적인 에너지 생성을 고려하면서, 다운스트림 적용(들)에 적합한 생성 가스에 대해 정의된 소정 범위 내에서 감지된 특성의 하나 이상의 특성 값을 유지하기 위해 첨가제의 첨가를 조절하는 수단을 포함한다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 산화제 첨가제는 공기, 산소, 산소 풍부 공기, 스팀 또는 이산화탄소로부터 선택된다. 산화 첨가제로서 이산화탄소를 사용하는 구체예에서, 이산화탄소는 생성 가스로부터 회수되어 첨가제 스트림으로 재순환될 수 있다.
일부 구체예에서, 공기 공급 시스템은 가스화 공정이 일어나는 영역에 걸쳐 매우 균일하게 분포되어야 하는 공정 공기를 공급한다. 한 가지 구체예에서, 가열된 공기는 천공된 바닥을 통해 입력된다. 처리 동안에 공기 구멍의 봉쇄를 피하기 위해, 공기 구멍 크기는 폐기물 입자가 구멍에 유입되지 않기에 충분한 제한과 이에 따른 각 구멍에 걸쳐 압력 강하를 형성되도록 선택될 수 있다. 또한, 상기 구멍은 구멍에서의 입자가 점착되는 것을 방지하기 위해 상부면을 향해 외측으로 테이퍼링(tapering)될 수 있다. 멀티-스테이지 수평 설계의 예가 본원에서 제공되었지만, 수평 방향 또한 포함된다. 멀티-스테이지 가스화 형태에서, 각 스테이지에서의 흐름은 독립적인 제어 하에 있을 수 있다. 이러한 예의 한 가지 구체예에서는, 각 레벨에 대해 독립적으로 제어될 수 있는 공기 공급으로의 세개의 처리 스테이지가 존재한다. 천공된 바닥을 통한 독립적인 공기 공급 및 분배는, 한 가지 구체예에서 각 스테이지에서 바닥을 형성하는 별도의 공기 박스에 의해 달성된다.
적합한 산화 첨가제의 선택은 전환 공정의 경제적 목적에 따라 이루어질 수 있다. 예를 들어, 경제적 목적이 전기 생성인 경우, 산화 첨가제는 소정의 에너지 생성 기술에 대한 적합한 출력 가스 생성을 제공하도록 선택될 수 있다. 생성 가스로부터 에너지를 생성시키는 가스 엔진을 사용하는 이러한 시스템에 있어서, 보다 높은 비율의 질소가 생성 가스 조성에서 허용될 수 있다. 이러한 시스템에서, 공기는 허용가능한 산화제 첨가제일 수 있다. 그러나, 에너지를 생성시키는 가스 터빈을 사용하는 이러한 시스템에 있어서, 생성 가스는 사용 전에 압축이 이루어져야 한다. 이러한 구체예에서, 생성 가스 중 보다 높은 비율의 질소는 생성 가스를 압축하는 것과 관련된 에너지 비용을 증가시킬 것이며, 소정 비율은 에너지 생성에 기여하지 않는다. 그러므로, 특정 구체예에서, 산소 또는 산소 풍부 공기와 같은 보다 낮은 비율의 질소를 함유하는 산화제를 사용하는 것이 유리할 수 있다.
가스화 공정에 의해 생성된 연료 가스를 사용하여 전기 에너지의 생성을 최대화하고자 하는 본 발명의 한 가지 구체예에서는, 전환기에서 발생하는 연료 가스의 산화를 최소화시키는 것이 유리할 수 있다. 부분적 산화 조건으로 인한 연료 가스 생성에서의 임의의 감소를 상쇄시키기 위해, 스팀이 또한 산화 첨가제로서 사용될 수 있다. 첨가제로서 스팀 입력의 사용은 충분한 유리 산소 및 수소의 촉진을 도와 입력 공급원료의 분해된 엘리먼트를 연료 가스 및/또는 비유해성 화합물로의 전환을 최대화시킬 수 있다.
목적이 전기 에너지 생성인 구체예에서는, 고연료 값을 갖는 가스를 생성하는 것이 유리하다. 스팀의 존재하에서 탄소함유 공급원료의 가스화는 주로 수소 및 일산화탄소로 구성된 합성가스를 생성한다. 당업자들은 연료 가스 생성물 중의 수소 및 일산화탄소의 상대적 비율이 전환기에 상이한 양의 첨가제, 즉, 공기, 산소, 산소 풍부 공기, 그 밖의 산화제, 스팀 등을 입력시킴으로써 조절될 수 있음을 인지할 것이다.
스팀 입력 포트는 전략적으로 증기를 고온 처리 구역 및/또는 전환기로부터의 출력 전에 생성 가스 매스로 유도하도록 배치될 수 있다.
고형 잔류물 컨디셔너
실시예 1의 도 1 내지 4, 19 내지 23 및 52 내지 58과 관련하면, 본 발명의 제어 시스템과 함께 사용하기 쉬운 탄소함유 공급원료 가스화 시스템은 또한 공급원료의 에너지로의 전환 공정으로부터 초래된 고형 부산물, 또는 그 밖의 다양한 상태의 잔류물을 침출능이 낮은 유리화된 균질한 물질로 전환시키기 위한 고형 잔류물 컨디셔너와 같은 가스화 공정의 고형 부산물을 처리하는 수단을 제공할 수 있다.
본 발명의 제어 시스템은 완전한 용융 및 균질화를 촉진시키기 위해 플라즈마 가열 속도 및 고형 잔류물 입력 속도를 제어함으로써 고형 잔류물의 슬래그로의 전환을 최적화시킬 수 있다. 한 가지 구체예에서, 고형 잔류물 컨디셔너는 고형 잔류물 유입구, 플라즈마 가열 수단, 슬래그 출구, 임의로 하나 이상의 포트, 및 슬래그를 최종 형태로 냉각시키고, 고형화시키기 위한 다운스트림 냉각 수단을 포함한다. 본 발명의 제어 시스템은 또한, 고형 잔류물 컨디셔너를 통해 온도 및 압력을 모니터링하기 위한 감지 엘리먼트, 고형 잔류물의 슬래그로의 효율적인 전환을 조절하는 응답 엘리먼트, 및 예를 들어, 공정 디바이스를 통해 플라즈마 열원에 대한 파워 및 고형 잔류물 입력 속도와 같은 작동 파라미터를 제어하기 위한 수단을 제공할 수 있다.
고형 잔류물 컨디셔너는 탄소함유 공급원료를 상이한 형태의 에너지로 전환시키는 임의의 공정으로부터 나오는 고형 잔류물을 처리하는데 사용될 수 있다. 이러한 고형 잔류물은 일반적으로 과립 상태로 존재하며, 전환기 및 임의로 전환기 가스 컨디셔너와 같은 하나 이상의 공급원으로부터 나올 수 있다. 모든 공급원으로부터의 고형 잔류물은 고형물을, 냉각되고 고화되는 경우에 매우 낮은 침출능을 나타내는 유리화된 균질한 물질로 전환시키는 데 요구되는 온도로 가열될 수 있다. 그러므로, 고형 잔류물 컨디셔너는, 고형 잔류물이 고형 잔류물을 용융시키고 균질화시키기에 충분한 온도까지 이르게 되도록 보장한다. 또한, 고형 잔류물 컨디셔너는, 슬래그 중의 오염화 물질(즉, 중금속)의 포획 뿐만 아니라 깨끗하고, 균질한(그리고, 가능하게는 상업적으로 가치있는) 슬래그 생성물의 형성을 촉진한다.
고형 잔류물을 실질적으로 완전히 처리하기 위해, 고형 잔류물 컨디셔너는 고형 잔류물 컨디셔너에서의 충분한 체류 시간을 제공하도록 설계될 수 있다. 한 가지 구체예에서, 시스템은 10분 이상의 체류 시간을 제공한다. 또 다른 구체예에서, 고형 잔류물 컨디셔너는 1시간 이하의 체류 시간을 제공한다. 또 다른 구체예에서, 고형 잔류물 컨디셔너는 2시간 이하의 체류 시간을 제공한다.
챠르, 애쉬, 슬래그 또는 이들의 소정 조합물의 형태를 취할 수 있는 고형 잔류물은 시스템의 요건 및 제거되는 부산물의 타입에 따라, 당업자들에게 알려져 있는 바와 같이 적합하게 변형된 출구 및 운반 수단을 통해 하나 이상의 업스트림 공정으로부터 연속적으로 또는 단속적으로 제거될 것이다. 한 가지 구체예에서, 고형 잔류물은 호퍼 및 운반 스크류의 시스템을 통해 고형 잔류물 컨디셔너로 밀려 유입된다.
고형 잔류물은 예를 들어, 회전 스크류 또는 오제(auger) 메카니즘을 사용함으로써 연속 방식으로 부가될 수 있다. 예를 들어, 한 가지 구체예에서, 재를 고형 잔류물 컨디셔너에 운반하기 위해 스크류 컨베이어가 사용된다.
다르게는, 고형 잔류물은 불연속 형태로 부가될 수 있다. 한 가지 구체예에서, 고형 잔류물 컨디셔너에 부착된, 고형 잔류물 입력 수단은 운반 또는 캐리어 램 시스템으로 이루어질 수 있다. 이러한 한 가지 구체예에서, 리미트 스위치(limit switch)가 제어 시스템에 의해 사용되어, 각각의 스트로크(stroke)로 전환기에 공급되는 물질의 양이 제어될 수 있도록 캐리어 램 스트로크의 길이를 제어할 수 있다.
본 발명의 제어 시스템은 추가로 고형 잔류물의 입력 속도를 제어하여 고형 잔류물 물질을 적합하게 용융시키고 균질화시키는 제어 수단을 포함할 수 있다.
한 가지 구체예에서는, 재를 슬래그로 가열하여 용융시키기 위해 플라즈마 열원이 사용된다. 예를 들어, 약 1300℃ 내지 약 1700℃의 온도에서 용융된 슬래그는 고형 잔류물 컨디셔너로부터 주기적으로 또는 연속적으로 배출되고, 이후에 냉각되어 고형 슬래그 물질을 형성한다. 이러한 슬래그 물질은 매립 처분될 수 있다. 다르게는, 용융된 슬래그는 주형(ingot), 벽돌 타일 또는 예를 들어, 도로 충진 또는 콘크리트 제조에 사용하기 위한 유사한 구조 물질을 형성할 수 있다. 고형 생성물은 추가로 통상적인 용도로 응집물로 파괴될 수 있다.
그러므로, 고형 잔류물 컨디셔너는 임의로 제어 시스템의 제어 하에 슬래그 출력 수단을 포함하며, 이를 통해 한 가지 구체예에서는 용융된 슬래그가 고형 잔류물 컨디셔너로부터 배출된다. 상기 출력 수단은 슬래그 출력 포트를 포함할 수 있으며, 이는 일반적으로 전환기로부터의 용융한 슬래그 풀(pool)의 본래 흐름을 용이하게 하기 위해 전환기 저부에 또는 그 근처에 위치한다. 용융된 슬래그가 고형 잔류물 컨디셔너로부터 흘러나가는 속도는 여러 방식으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 한 가지 구체예에서, 플라즈마 가열 수단에 가장 인접한 지점과 출구 지점 사이의 온도 차가 예를 들어, 전환기에서 풀링(pooling)되는 고형 잔류 물질의 용적을 조절함으로써 용융된 슬래그의 재고형화 시간을 제어하기 위해 조절될 수 있다.
슬래그 출력 수단은 고형 잔류물 컨디셔너를 밀폐된 상태로 유지시킴으로써 가열 요건을 최소화시키도록 추가로 적합될 수 있다. 한 가지 구체예에서, 출력 수단은 붓기 스파우트(pour spout) 또는 S-트랩을 포함한다.
앞서 논의된 바와 같이, 용융 슬래그의 온도를 유지하고 슬래그 출구 포트가 완전한 슬래그 추출 기간을 통해 개방된 채로 남아있음을 보장하기 위해 하나 이상의 플라즈마 열원의 플룸(plume)을 슬래그 출구 포트에 위치하거나 슬래그 출구 포트 주위에 위치한 슬래그 푸울(pool)쪽으로 향하게 하는 것이 또한 유리할 수 있다. 또한, 이러한 관행은 일부 불완전하게 처리된 물질이 슬래그 추출 동안 고형 잔류물 컨디셔너로부터 우연히 벗어날 수 있는 가능성을 방지하기 위해 슬래그를 가능한 한 균질하게 유지시키는 것을 보조한다.
용융 슬래그는 다수의 다양한 방법으로 고형 잔류물 컨디셔너로부터 추출될 수 있다. 예를 들어, 슬래그는 처리 기간의 종료시에 배치 붓기(batch pour)에 의해 추출될 수 있거나 전체 처리 기간 전반에 걸쳐 연속 붓기에 의해 추출될 수 있다. 슬래그가 어느 하나의 붓기 방법으로부터 수조내로 부어질 수 있고, 여기서 물은 외부 환경 및 가스화 시스템 사이에서 밀봉부로서 작용한다. 또한, 슬래그는 분리용 카트내로, 규사(silica sand)층내로 또는 주형내로 낙하될 수 있다.
고형 잔류물 컨디셔너의 벽은 극히 고온 (예를 들어, 약 1300℃ 내지 1800℃의 온도)의 비가압 반응을 위해 전환기에 사용하기에 적합한 당 분야에 공지된 통상적인 내화 물질 중 하나 또는 이의 조합물일 수 있는 내화 물질로 라이닝되어 있다. 이러한 내화 물질의 예로는 비제한적으로 크로미아 내화물 및 알루미나, 티타니아 및/또는 크로미아를 함유하는 고알루미나(high alumina) 내화물이 있다.
고형 잔류물 컨디셔너의 물리적 설계 특성은 다수의 인자에 의해 결정될 수 있다. 이러한 인자로는 예를 들어 처리하고자 하는 고형 잔류물의 입력물의 조성, 부피 및 조작 특성, 효율적인 열 전달, 적절한 온도, 용융 슬래그 흐름, 고형 잔류물을 용융시키고 균질화시키기 위해 고형 잔류물이 적절한 온도가 되게 함을 보장하기에 필요한 체류 시간, 및 사용된 플라즈마 가열 수단의 유형 뿐만 아니라 플라즈마 가열 수단의 위치 및 배향이 있을 수 있다.
본 발명의 제어 시스템은 고형 잔류물 컨디셔너 전체에 걸친 장소에서 온도 및 임의로 압력을 모니터링하기 위해 감지 엘리먼트를 제공함으로써 고형 잔류물의 슬래그로의 효율적인 전환을 조절할 수 있는데, 이러한 데이터는 연속적으로 또는 간헐적으로 획득된다. 컨디셔너에서 온도를 모니터링하기 위한 감지 엘리먼트는 예를 들어 컨디셔너의 외벽상에 위치하거나 컨디셔너의 상부, 중간부 및 저부의 내화물 내부에 위치할 수 있다. 또한, 본 발명의 제어 시스템은 예를 들어 플라즈마 열원에 대한 파워 및 고형 잔류물 입력 속도를 제어하기 위해 공정 장치에 작동적으로 결합된 응답 엘리먼트를 제공한다.
예를 들어, 용용물의 온도가 너무 높은 경우, 제어 시스템은 플라즈마 열원의 파워 정격의 감소를 명령할 수 있고, 반대로 용융물의 온도가 너무 낮은 경우, 제어 시스템은 플라즈마 열원의 파워 정격의 증가를 명령할 수 있다. 고형 잔류물 컨디셔너의 제어는 제어 시스템의 직접 제어를 통해 실행되거나 제어 시스템이 제어 서브시스템을 포함하는 모듈식 제어를 통해 실행될 수 있다.
한 가지 구체예에서, 고형 잔류물 컨디셔너는 열을 회수하기 위한 수단 (예를 들어, 도 24 및 25의 플라즈마 열원 냉각 수단 및 슬래그 냉각 수단)을 또한 포함할 수 있고, 이러한 수단은 발생된 폐열량을 감소시킬 수 있다. 이러한 열 회수 수단으로는 예를 들어 열교환기가 있을 수 있다. 이러한 구체예에서, 제어 시스템은 열교환기의 조작 조건을 추가로 제어할 수 있다. 열교환기는 예를 들어 다수의 온도 센서, 흐름 제어 수단, 및 그 밖의 이러한 모니터링 및 응답 엘리먼트를 지닐 수 있다.
한 가지 구체예에서, 고형 잔류물은 1차 전환기로부터 추출되어, 고온 용융 챔버내로 공급되고, 켄치 탱크(quench tank)에서 냉각되고 과립으로 분쇄되고, 장소로부터 분리될 준비가 된 스톡파일로 전달된다. 또 다른 구체예에서, 스크류형 컨베이어에 의해 전환기로부터 고형 잔류물을 추출하는 고형 잔류물 공급 시스템이 제공된다. 이는 임의의 응집된 물질을 파괴시키기 위해 스크류 날개(screw flight)상에 톱니모양 에지를 지닐 수 있다. 그 후, 고형 잔류물은 컨베이어 시스템에 의해 슬래그 용융 챔버로 전달될 수 있다. 추가의 고형 잔류물 공급원이 또한 제공될 수 있다. 고형 잔류물 컨디셔너 휴지시간(downtime) 동안 가스화가 계속 일어나도록 하기 위해, 고형 잔류물이 방향전환되어 이후 고형 잔류물 컨디셔너 공급 시스템내로 재도입될 수 있다.
한 가지 구체예에서, 공급 시스템으로부터 수용된 고형 잔류물은 용융 도가니(crucible)내로 전달되고, 플라즈마 토치를 사용하여 용융된다. 용융 슬래그가 도가니내에서 상승함에 따라, 이는 위어(weir)에 도달하고 위어를 넘어 흘러서 켄치 탱크내로 낙하된다.
고형 잔류물 컨디셔너에서 생성된 가스는 전환기에서 생성된 가스와 유사하게 처리될 수 있다 (예를 들어, 동일하거나 대체적인 다운스트림 적용에서의 다운스트림 사용을 위해). MSW 취급 시스템 스테이지 동안 분리되지 않은 임의의 금속은 슬래그 도가니에 전달될 수 있고 슬래그 정상 유리화 온도에서 반드시 용융되는 것은 아니며, 이로써 도가니가 금속으로 막히게 될 수 있는데, 이는 이러한 금속이 용융 슬래그 보다 높은 밀도를 지니기 때문이다. 이에 대처하기 위해, 일부 구체예에서 임의의 금속을 용융시키기 위해 챔버 온도가 주기적으로 상승될 수 있고, 용융 금속이 분리를 위해 도가니의 저부로부터 태핑(tapping)될 수 있다. 고형 잔류물 그리고 특히 고형 잔류물 중의 금속을 용융시키는 데에 필요한 매우 높은 온도로 인해, 내화물은 매우 엄격한 조작 요구사항의 적용을 받는다. 이는 고온 이외에 침식 및 부식, 특히 슬래그 워터라인(waterline)에서의 침식 및 부식을 포함한다. 내화물은 열, 침식 및 부식에 대해 매우 높은 내성을 지닌 내부 라이닝을 제공하도록 선택될 수 있다. 그 후, 라이닝 외부의 내화물층이 보다 큰 절연을 위해 선택될 수 있다.
일부 구체예에서, 고형 잔류물은 전환기 및 가스 컨디셔너 둘 모두로부터 고형 잔류물 컨디셔너에 제공될 수 있는데, 이의 배합물은 추가의 컨디셔닝, 균질화 및 다운스트림 사용을 위해 컨디셔닝되고 전환기 합성가스로와 배합되는 합성 가스 및 고형 생성물 (예를 들어, 유리화 슬래그)를 생성시키도록 컨디셔닝될 수 있다. 고형 잔류물 처리를 제어하는 경우, 용융 조작을 위한 적절한 온도를 유지시키기 위해 플라즈마 토치의 파워가 필요에 따라 조정될 수 있다. 슬래그 챔버는 다양한 온도 감지 엘리먼트 및 압력 감지 엘리먼트를 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 다운 스트림 진공 생성기 (합성가스 송풍기)에 의해 분리되고 있는 가스의 흐름을 제한하기 위해 가스 유출구 라인에 제어 밸브가 제공될 수 있다. 플라즈마 토치의 용융 속도의 성능내에서 허용되는 온도 제어를 보장하고 용융되지 않은 물질로 인한 슬래그 챔버내의 높은 레벨을 방지하기 위해 필요에 따라 고형 잔류물 컨디셔너에 대한 공급 속도가 조정될 수 있다.
열교환기
이제 도 1 내지 4 및 24 내지 26을 참조하면, 본 발명의 제어 시스템과 함께 사용될 수 있는 탄소함유 공급원료 가스화 시스템은 열교환기를 통해 고온 생성물 가스로부터 열을 회수하기 위한 수단을 또한 제공할 수 있다. 열교환기는 하나 이상의 가스 대 공기 열교환기를 포함할 수 있고, 이로써 고온 생성물 가스가 가열된 교환-공기를 제공하도록 사용된다. 그 후, 도 26에 상세히 예시된 바와 같이 가스화 공정에 열을 제공하기 위해 회수된 열 (가열된 교환-공기 형태)이 임의로 사용될 수 있고, 이로써 가스화 공정을 구동시키는 데에 필요한 하나 이상의 플라즈마 열원에 의해 제공되어야 하는 열의 양을 감소시킨다. 회수된 열은 또한 산업 또는 주택 난방용으로 사용될 수 있다. 한 가지 예에서, 합성가스 온도는 약 1000℃에서 약 740℃로 감소하며, 공기 온도를 주위 온도에서 약 600℃로 증가시킨다.
또 다른 구체예에서, 가스 대 공기 열교환기가 산소 또는 산소 풍부 공기와 같은 산화제를 가열시키기 위해 사용되고, 이는 이후 가스화 공정에 열을 제공하기 위해 임의로 사용될 수 있다.
플레이트(plate)형 열교환기 뿐만 아니라 직선형의 단일-경로 설계 및 U자 튜브형의 다중 경로 설계 둘 모두를 지닌 쉘(shell) 및 튜브 열교환기를 포함하는 다양한 부류의 가스 대 공기 열교환기가 사용될 수 있다. 한 가지 구체예에서, 생성물 가스는 튜브 내부에서 유동하고, 공정 공기는 가스 대 공기 열교환기의 쉘 측부상에서 역류로 유동한다. 열교환기의 설계는 튜브 파열을 방지하기 위해 벨로우(bellow)와 같은 수단을 또한 고려할 수 있다. 적절한 열교환기를 선택하는 것은 당업자의 지식에 속한다.
튜브 누출로부터의 위험 잠재성을 최소화하기 위해, 가스화 시스템은 가스 대 공기 열교환기의 생성물 가스 유출구와 결합된 하나 이상의 개별적 온도 감지 엘리먼트를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 온도 감지 엘리먼트는 합성가스 도관내로의 교환-공기 누출이 있는 경우 연소로부터 초래된 온도 상승을 검출하도록 위치할 수 있다. 이러한 온도 상승의 검출은 열 회수 시스템을 통해 냉각 공기를 이동시키는 유도 공기 송풍기의 자동 셧다운(shut down)을 달성하기 위해 이용될 수 있다. 또한, 튜브가 막히기 시작하고 있다는 표시로서 소정의 하한이 이용될 수 있고, 이는 일부 구체예에서 시스템이 정비를 위해 셧다운되어야 함을 나타내기 위해 이용될 수 있다. 열교환기는 본 발명의 제어 시스템의 직접 제어를 받고/받고나 모듈식 제어 서브시스템의 제어를 받을 수 있다.
임의로, 열교환기는 스팀을 발생시키기 위해 하나 이상의 스팀 발생 열교환기를 추가로 포함하며, 이러한 스팀은 스팀 터빈을 구동시키거나 유도 송풍기와 같은 회전 공정 장비를 구동시키기 위해 도 26에 상세히 예시된 바와 같이 가스화 반응에서 첨가제로서 사용될 수 있다. 생성물 가스로부터의 열은 스팀을 발생시키기 위해 스팀 발생 열교환기 (예를 들어, 도 2, 3 및 25를 참조), 폐열 보일러 (예를 들어, 도 26 참조) 등과 같은 열교환 수단을 사용하여 물을 가열하기 위해 사용된다. 한 가지 구체예에서, 생성물 가스로부터의 열을 사용하여 생성된 스팀은 과열된 스팀이다.
특히 도 26을 참조하면, 가스 대 공기 열교환기와 스팀 발생 열교환기 사이의 관계가 본 발명의 한 가지 구체예에 따라 도시되어 있다. 충분한 유리 산소 및 수소를 보장하는 것을 도와서 공급원료의 합성가스 생성물로의 전환을 최대화하기 위해 교환-스팀이 가스화 공정 동안 스팀 첨가제로서 또한 사용될 수 있다.
전환 공정내에서 사용되지 않거나 회전 공정 장비를 구동시키는 데에 사용되지 않은 스팀은 다른 상업적 목적, 예를 들어 스팀 터빈의 사용을 통한 전기의 생성을 위해 또는 지역 난방용으로 사용될 수 있거나 이를 위해 지역의 산업적 고객들에게 공급될 수 있거나 타르 샌드(tar sand)로부터의 오일의 추출을 개선시키기 위해 사용될 수 있다.
임의적 스팀 발생 열교환기
도 2를 참조하면, 한 가지 구체예에서, 다양한 스팀 터빈 (예를 들어, 합성가스를 냉각시키는 데에 사용되는 스팀 발생 열교환기에 의해 발생된 스팀으로부터 동작되는 스팀 터빈, 가스 터빈/엔진 및 이에 의해 발생된 배출 가스를 냉각시키는 데에 사용되는 스팀 발생 열교환기에 의해 발생된 스팀으로부터 동작되는 스팀 터빈, 또는 이들의 임의의 조합물)의 출력으로부터 회수된 스팀이 본 발명의 제어 시스템에 의해 또한 제어될 수 있는 추가의 열교환기를 통해 냉각되고, 냉각탑 펌프(cooling tower pump) 등에 의해 공급된다. 한 가지 구체예에서, 교환기로부터의 배출시에, 적절한 화학물질과 함께 연수원(soft water source)에 의해 공급된 냉각된 스팀/물은 이로부터 공기 및 과량의 산소를 분리하기 위해 탈기기(deaerator)를 통해 펌핑된 후, 배출 가스 스팀 발생 열교환기, 합성가스 스팀 발생 열교환기 등의 보일러 공급수로 다시 처리된다.
본 발명의 제어 시스템은 일부 구체예에서 시스템 전체에 걸쳐 에너지의 전달을 최적화시킴으로써 공급원료 대 에너지 전환의 에너지학을 관리하기 위해 사용될 수 있다. 공급원료 대 에너지 전환의 에너지학은 열교환기를 사용하여 최적화될 수 있는데, 이는 회수된 현열을 다시 가스화 공정으로 재순환시키는 것이 공급원료를 건조시키고 휘발시키는 단계를 위해 외부 공급원로부터 필요한 에너지 입력량을 감소시키기 때문이다. 또한, 회수된 현열은 지정된 합성가스 품질을 달성하는 데에 필요한 플라즈마 가열량을 최소화시키는 작용을 할 수 있다. 따라서, 본 발명은 탄소함유 공급원료의 효율적인 가스화를 가능하게 하며, 여기서 가스화 가열원은 생성물 가스로부터 회수된 현열을 사용하여 가열된 공기에 의해 임의로 보충된다.
효율을 최적화시키기 위해, 제어 시스템은 열교환기 공정이 수행되는 조건을 제어하기 위한 수단을 또한 임의로 제공한다. 이러한 제어 수단은 시스템 전체에 걸친 지정된 장소에서의 온도 및 가스 유속을 포함하지만 이에 제한되지 않은 하나 이상의 파라미터를 모니터링하고 이에 따라 조작 조건을 조정함으로써 시스템을 규정된 파라미터내에서 유지시키기 위해 제공된다. 응답 엘리먼트를 통해 제어 수단에 의해 조정될 수 있는 조작 조건의 예로는 교환-공기 유속, 생성물 가스 유속, 공급원료 입력 속도, 스팀과 같은 첨가제의 입력 속도 및 플라즈마 열원에 대한 파워가 있다.
예를 들어, 온도 전송기 (및 그 밖의 이러한 감지 엘리먼트)와 같은 센서가 본 발명에 사용될 수 있는 가스화 시스템 전체에 걸쳐 지정된 장소에 설치될 수 있다. 온도 전송기는 예를 들어 가스 대 공기 열교환기 유입구 및 유출구에서의 생성물 가스의 온도 뿐만 아니라 스팀 발생 열교환기 유입구 및 유출구에서의 생성물 가스의 온도를 측정하도록 위치할 수 있다. 온도 전송기는 가스 대 공기 열교환기에서의 가열 후에 공정 공기의 온도를 측정할 뿐만 아니라 스팀 발생 열교환기로부터 배출시에 스팀의 온도를 측정하기 위해 또한 제공될 수 있다.
이러한 온도 측정치는 각각의 열교환기로 진입시의 합성가스의 온도가 상기 장치의 이상적인 동작 온도를 초과하지 않음을 보장하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 가스 대 공기 열교환기에 대한 설계 온도가 1050℃인 경우, 시스템 및 플라즈마 가열 파워를 통한 교환-공기 유속 둘 모두를 제어하여 최적 합성가스 온도를 유지하기 위해 열교환기로의 유입 가스 스트림에 대한 온도 전송기가 사용될 수 있다. 또한, 생성물 가스 배출 온도의 측정치는 최적량의 현열이 둘 모두의 열 회수 스테이지에서 생성물 가스로부터 회수됨을 보장하는 데에 유용할 수 있다.
한 가지 구체예에서, 가열된 교환-공기의 온도를 측정하도록 공기 유출 스트림에 대해 설치된 온도 전송기와 같은 온도 감지 엘리먼트는 공정 공기가 가스화 공정에서 사용하기에 적절한 온도로 가열됨을 보장하는 조건하에서 공정이 수행됨을 보장하는 것을 돕는다. 한 가지 구체예에서, 교환-공기 유출구 온도는 예를 들어 약 600℃이므로, 플라즈마 재구성 챔버내의 플라즈마 열원 파워 및 시스템을 통한 공기 유속 중 하나 또는 둘 모두를 제어하여 최적의 합성가스 입력 온도를 유지하기 위해 공기 유출 스트림에 대해 설치된 온도 전송기가 사용되며, 이는 또한 가열된 교환-공기의 온도를 제어하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 한 가지 구체예에 따르면, 제어 전략은 최적 가열된 교환-공기 출력 온도에 대한 고정된 설정점, 예를 들어 약 600℃뿐만 아니라 스팀 발생 열교환기 가스 배출 온도에 대한 고정값, 예를 들어 약 235℃를 설정한다. 따라서, 이러한 구체예에 따르면, 합성가스 흐름이 감소된 경우, 가스 대 공기 열교환기의 배출 가스 온도가 차가워져서 감소된 스팀 생성을 초래하는데, 이는 스팀 발생 열교환기 가스 배출 온도가 또한 고정값으로 설정되기 때문이다.
동일한 개념이 시스템을 통한 공기흐름이 감소된 경우에 적용된다. 본 발명의 한 가지 구체예에 따르면, 배출 교환-공기 온도가 고정된 상태로 유지되므로, 가스 대 공기 열교환기에 대한 배출 생성물 가스 온도가 뜨거워져서 스팀 발생 열교환기에서 보다 많은 스팀을 생성시킨다. 그러나, 시스템을 통한 공기흐름이 감소된 경우, 결과적으로 생성물 가스 흐름이 또한 감소되므로, 스팀 발생 열교환기에 대한 증가된 유입구 온도는 순간적으로 높을 뿐이다. 예를 들어, 공기흐름이 50%로 감소된 경우, 스팀 발생 열교환기 (50)가 순간적으로 나타내는 최대 유입구 가스 온도는 약 800℃이며, 이는 열교환기 설계의 온도 한계내에 속한다.
또한, 일부 구체예에서, 가스화 공정에 필요한 양 보다 많은 공기가 예열된 경우 본 발명의 제어 시스템은 공정 공기를 대기로 배출시키도록 자동 밸브를 제어하기 위해 임의로 응답 엘리먼트를 제공한다. 예를 들어, 일부 경우, 장비 고려사항으로 인해 공정에 필요한 양 보다 많은 가스를 가열할 필요가 있다 (예를 들어, 셧다운 절차를 개시시키는 경우). 이러한 경우, 과량의 교환-공기가 필요에 따라 배출될 수 있다.
도 24 및 25를 참조하면, 상기 기재된 열교환기는 후속 미립자 여과 및 가스 컨디셔닝 단계, 즉, 전환기 가스 컨디셔너 (예를 들어, 전환기 가스 컨디셔너 냉각 수단)와 관련된 단계를 위해 필요에 따라 생성물 가스의 냉각을 또한 제공할 뿐만 아니라 플라즈마 열원 (예를 들어, 열원 냉각 수단), 슬래그 취급 및 처리 수단 (예를 들어, 슬래그 냉각 수단) 등의 냉각을 제공할 수 있다.
전환기 가스 컨디셔너
이제 도 1 내지 4를 참조하면, 본 발명의 제어 시스템은 가스화 공정의 생성물을 지정된 특성을 지닌 출력 가스로 전환시키기 위해 전환기 가스 컨디셔너 또는 다른 이러한 가스 컨디셔닝 수단을 임의로 제공하는 가스화 시스템과 사용될 수 있다. 생성물 가스가 전환기 가스 컨디셔너를 통과하면 생성물 가스가 화학물질 및 미립자 오염물질이 없는 상태에 가까워져서 이러한 가스가 에너지 발생 시스템 또는 화학물질의 제조에 사용될 수 있음을 보장하는 것을 돕는다.
한 가지 구체예에서, 생성물 가스는 전환기 가스 컨디셔너로 유도되고, 여기서 다운스트림 적용를 위해 필요한 특성을 지닌 출력 가스를 생성시키기 위해 특정 순서의 처리 단계를 거친다. 전환기 가스 컨디셔너는 처리 단계를 수행하는 구성요소를 포함하는데, 이러한 처리 단계로는 비제한적으로 합성 가스로부터의 미립자 물질, 산 가스 (HCl, H2S) 및/또는 중금속의 제거 또는 시스템을 통과하는 가스의 습도와 온도 조정이 있을 수 있다. 필요한 처리 단계의 존재 및 순서는 다운스트림 적용를 위한 출력 가스의 지정된 조성 및 합성 가스의 조성에 의해 결정된다. 전환기 가스 컨디셔너 공정의 최적화는 본 발명의 제어 시스템의 사용을 통해 또한 달성될 수 있다.
한 가지 구체예에서, 가스화 시스템의 유도 팬(induction fan)의 진공 추출 조건하에서, 고온 생성물 가스가 가스화 시스템의 배출 가스 유출구(들)를 통해 가스화 시스템으로부터 연속적으로 배출된다. 가스를 전환기로부터 전환기 가스 컨디셔너로 전달하기 위해 파이프 또는 다른 도관과 같은 가스 전달 수단이 사용된다.
1차 전환기 가스 컨디셔너 및 2차 전환기 가스 컨디셔너와 같은 하나 이상의 전환기 가스 컨디셔너가 사용될 수 있다는 것이 또한 고려된다. 이러한 경우, 2차 전환기 가스 컨디셔너는 1차 전환기 가스 컨디셔너에서 가스 스트림으로부터 제거되는 미립자 물질 및 중금속과 같은 물질을 처리하기 위해 사용될 수 있다. 전환기 가스 컨디셔너로부터의 출력 가스는 가스 저장 탱크에 저장될 수 있거나 (예를 들어, 도 3 참조), 균질화 시스템과 같은 추가의 처리 수단을 통해 공급되거나 (예를 들어, 도 1 및 4 참조), 의도된 다운 스트림 적용에 직접 공급될 수 있다 (예를 들어, 도 2 참조).
상기 논의된 바와 같이, 이와 같은 컨디셔닝 단계 전에 고온 생성물 가스를 냉각시키기 위한 수단을 제공하는 것이 유리하다. 이러한 냉각 단계는 시스템내의 열 민감성 구성요소에 대한 손상을 방지하기 위해 필요할 수 있다. 한 가지 구체예에서, 냉각 단계는 열교환기에 의해 수행되며, 이로써 생성물 가스로부터 회수된 열이 또한 임의로 회수되어 가스화 공정에서 사용되도록 재순환될 수 있다 (예를 들어, 도 1, 4 및 26 참조).
또 다른 구체예에서, 먼저 가스화 시스템으로부터의 가스가 켄처(quencher) (예를 들어, 도 1 및 4 참조)와 같은 증발기에서의 직접 수분 증발에 의해 냉각된다. 또 다른 구체예에서, 증발식 냉각탑 (예를 들어, 도 4 참조)이 가스화 시스템으로부터 전환기 가스 컨디셔너로 진입하는 합성가스를 냉각시키기 위해 사용될 수 있다. 증발식 냉각탑은 합성가스의 온도를 약 740℃에서 약 150 내지 200℃로 냉각시킬 수 있다. 이러한 공정은 물을 제어된 방식으로 가스 스트림내로 직접 주입하는 것을 포함하는 단열 포화를 이용하여 달성될 수 있다. 증발 냉각 공정은 건식 켄치 공정이고, 이러한 공정은 냉각된 가스가 습윤되지 않음을 보장하도록, 즉, 냉각된 가스의 상대 습도가 냉각된 온도에서 여전히 100% 미만임을 보장하도록 본 발명의 제어 시스템에 의해 모니터되고 제어될 수 있다.
상기 언급된 바와 같이, 전환기 가스 컨디셔너는 임의로 냉각된 가스로부터의 미립자 물질 뿐만 아니라 생성물 가스의 다운스트림 적용에 적합치 않은 가스 오염물질을 제거하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 미립자 제거 시스템은 전환기로부터 배출되는 연료 가스에 동반될 수 있는 미립자를 제거하기 위해 포함될 수 있다. 미립자 및 분진 제거 시스템 (54)이 널리 이용될 수 있고, 이러한 시스템은 예를 들어 가스 컨디셔닝 분야의 종사자에게 널리 공지된 고온 (세라믹) 필터, 사이클론 분리기 (예를 들어, 도 7 참조), 벤츄리 스크러버(venturi scrubber) (예를 들어, 도 7 참조), 전기필터(electrofilter), 캔들 필터(candle filter), 교차흐름 필터(crossflow filter), 입상 필터(granular filter), 물 스크러버(water scrubber) 또는 패브릭 백하우스 필터(fabric baghouse filter) (예를 들어, 도 4 참조) 등을 포함할 수 있다. 대안적인 구체예는 대안적인 가스 세정 장치의 특성을 보다 효율적으로 이용하기 위해 상이한 정도의 다양한 가스 클린-업(clean-up) 단계를 사용할 수 있다. 본 발명과 관련하여 용이하게 적용가능한 다양한 예시적 구체예가 국제 출원 번호 WO/2006/128285 및 WO/2006/128286에 제공되어 있는데, 이는 당업자에게 명백한 것이다.
또한, 생성물 가스로부터 수은 또는 다른 중금속을 제거하기 위한 수단이 제공될 수 있다. 예를 들어, 건식 주입 시스템은 미세한 중금속 입자 및 퓸(fume)이 활성 탄소에 흡착될 수 있기에 충분한 체류 시간으로 가스 스트림에 주입되는 계산된 양의 활성 탄소를 이용한다. 활성 탄소상에 흡착된 중금속은 예를 들어 백하우스 필터 또는 습윤 ESP 시스템에 포획될 수 있다.
한 가지 구체예에서, 전환기 가스 컨디셔너는 중금속을 제거하기 위해 임의로 산 스크러빙 시스템을 포함한다. 예를 들어, 이러한 시스템은 중금속을 함유하는 가스가 낮은 pH (일반적으로 1 내지 2) 용액 순환을 지닌 충전 컬럼을 통과하게 할 필요가 있을 수 있다. 산 가스 제거는 건식 스크러빙 또는 습식 스크러빙에 의해 달성될 수 있다. 건식 스크러빙의 주요 구성요소는 예를 들어 분무 건조 흡수기 및 백하우스 여과 전의 소다회(soda ash) 또는 석회 분말 주입일 수 있다.
한 가지 구체예에서, 수은 제거 수단은 활성 탄소 수은 폴리셔(polisher)에 의해 제공된다 (예를 들어, 도 4 참조). 활성 탄소 필터층이 중금속에 대한 최종 폴리싱(polishing) 장치로서 사용될 수 있다.
시장적 가치를 지닐 수 있는 황 또는 황산 및 염산 (염화 탄화수소로부터의)을 회수하기 위해 산 회수 서브시스템이 임의로 전환기 가스 컨디셔너에 커플링될 수 있다. 산 제거 시스템은 스크러버 시스템 (예를 들어, HCl 스크러버), 산 제거 시스템, 및 황 및/또는 산 제거 시스템과 관련된 다른 통상적인 장비를 포함할 수 있다.
또 다른 구체예에서, 습도 제어 수단이 제공될 수 있다. 습도 제거 수단은 출력 가스의 습도가 필요한 다운스트림 적용를 위해 적절함을 보장하는 기능을 한다. 예를 들어, 습도 제어 수단은 가스 스트림을 냉각시키기 위해 칠러(chiller)를 포함할 수 있고, 이로써 가스 스트림으로부터 약간의 물을 응축시킬 수 있다. 이러한 물은 가스/액체 분리기에 의해 분리될 수 있다.
또 다른 구체예에서, 가스 처리 시스템은 이산화탄소 및/또는 암모니아 및/또는 염소 및/또는 원소 황을 회수하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 적절한 수단은 당 분야에 공지되어 있고, 다양한 예시적 구체예가 국제 출원 번호 WO/2006/128285 및 WO/2006/128286에 제공되어 있다.
한 가지 구체예에서, 제어 시스템은 전환기 가스 컨디셔너의 공정에서 효율의 감소 또는 또 다른 기능 결함을 감지하여 가스 스트림을 백업(backup) 공정 또는 백업 컨디셔닝 시스템으로 전환시킬 수 있다. 또 다른 구체예에서, 제어 시스템은 전환기 가스 컨디셔너의 단계들을 미세조정하고 최적 조건으로부터의 최소 드리프트(drift)를 제공하기 위한 수단을 제공할 수 있다.
본 발명의 제어 시스템은 전환기 가스 컨디셔너를 통한 가스 스트림의 화학 조성, 가스 흐름 및 공정의 열적 파라미터를 분석하기 위한 감지 엘리먼트; 및 처리 효율 및 출력 가스 조성을 최적화시키기 위해 전환기 가스 컨디셔너내의 상태를 조정하기 위한 응답 엘리먼트를 포함할 수 있다. 반응물에 대해 진행중인 조정 (예를 들어, 충분한 체류 시간을 수반하는 활성 탄소 주입, HCl 스크러버를 위한 pH 제어)은 이러한 공정이 효율적으로 수행되고 설계 사양에 따라 최적화될 수 있게 하는 방식으로 수행될 수 있다.
균질화 시스템
본 발명의 가스화 시스템은, 예를 들어 생성물 가스의 화학 조성물을 적어도 부분적으로 균질화시키고 생성물 가스의 흐름, 압력 및 온도와 같은 다른 특성을 조정하여 다운스트림 요건을 충족시킴으로써 생성물 가스를 조절하기 위한 수단을 또한 임의로 제공한다.
당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 가스화 공정은 조성, 온도 또는 유속이 변동하는 가스를 생성시킬 수 있다. 생성물 가스 특성의 변동을 감소시키기 위해, 감소된 변동을 지닌 가스를 다운스트림 장비에 전달하는 데에 유용한 포획 수단 형태의 균질화 시스템이 임의로 제공된다.
한 가지 구체예에서, 본 발명은 가스화 공정의 가스 생성물을 수집하고 균질화 시스템 등에서 가스 조성 화학의 변동을 약화시키는 균질화 시스템을 제공한다. 흐름, 온도 및 압력과 같은 가스의 특성을 조정하는 것을 돕기 위해 시스템의 다른 엘리먼트가 임의로 사용될 수 있다.
특히, 균질화 시스템은 비교적 균질한 가스를 수득하는 것을 보조하기에 충분한 체류 시간에 적합하도록 설계된 치수를 지닌 가스 균질화 시스템 (예를 들어, 도 1 및 4, 및 실시예 1의 도 60, 67 및 68 참조) 등을 제공한다. 균질화 시스템의 다른 엘리먼트는 다운스트림 적용(들)의 가스 성능 요건을 충족시키는 것을 보조하도록 설계될 수 있다. 상기 기재된 바와 같이, 균질화 시스템에 진입하기 전에 생성물 가스의 다양한 특성을 능동적으로 제어하여 가스가 이로부터의 출력시에 다운스트림 적용(들)을 위해 적절한 특성(들)을 지니게 하기 위해 제어 시스템이 사용될 수 있다.
균질화 시스템에 진입하는 생성물 가스의 조성은 가스화 공정에서 측정된다. 가스화 공정 동안 제어 시스템에 의해 이루어지는 조정은 생성물 가스가 특정 다운스트림 적용(들) (예를 들어, 전기 생산을 위한 가스 터빈 또는 연료 전지 적용)을 위해 최적화될 수 있게 한다. 따라서, 생성물 가스의 조성은 가스화 공정의 사용되는 다양한 유형의 공급원료 및 첨가제에 따라 특수한 에너지 생산 기술을 위해 (예를 들어, 특정 가스 엔진 또는 가스 터빈을 위해) 그리고 최상의 전체 전환 효율을 위해 동작 파라미터를 조정함으로써 맞추어질 수 있다.
가스화 시스템으로부터 배출되는 생성물 가스는 표적 조성의 규정된 범위내에 존재할 수 있지만, 시간이 지남에 따라 생성물 가스는 공급원료 조성 및 공급 속도와 같은 가스화 공정의 가변성뿐만 아니라 공기흐름 및 온도 변동으로 인해 이의 특성이 변동할 수 있다.
생성물 가스의 조성의 제어와 유사하게, 가스의 파라미터를 최종 용도에 적합한 소정의 범위이내로 유지시키기 위해 생성물 가스의 유속 및 온도가 예를 들어 감지 엘리먼트를 통해 모니터링되고, 예를 들어 응답 엘리먼트를 통해 제어 시스템에 의해 제어될 수 있다. 제어 시스템에 의해 이루어지는 조정은 생성물 가스가 다운스트림 적용(들)에 적합함을 보장하기 위해 균질화 시스템의 체류 시간을 고려할 수 있다. 균질화 시스템은 생성물 가스의 유속 및 온도의 잔류 변동을 약화시키는 것을 돕는다. 유속의 경우, 이러한 변동은 초(second) 간격으로 일어날 수 있고, 온도의 경우에는 분(minute) 간격으로 일어날 수 있다.
균질화 시스템은 생성물 가스 유입 수단, 균질화된 가스 유출 수단 및 임의로 비상용 배출 포트를 지닌 하나 이상의 가스 균질화 챔버 등을 포함한다.
균질화 시스템은 가스화 시스템으로부터 생성된 생성물 가스를 수용하고, 생성물의 가스의 혼합을 촉진하여 균질화 시스템에서 생성물 가스의 화학 조성의 임의의 잔류 변동을 약화시킨다. 그 밖의 가스 특성, 예를 들어 압력, 온도 및 유속의 잔류 변동은 생성물 가스의 혼합 동안 또한 감소될 수 있다.
균질화 시스템의 치수는 업스트림 가스화 시스템의 성능 특성 및 다운스트림 기계장치의 요건에 따라 설계되는데, 가능한 한 챔버의 크기를 최소화시키도록 설계된다. 균질화 시스템은 가스화 공정으로부터 생성물 가스를 수용하여, 잔류 변동을 약화시키기 위해 가스의 충분한 혼합을 가능하게 하는 일정한 체류 시간 동안 가스를 보유하도록 설계된다.
체류 시간은 생성물 가스가 다운스트림 장비로 유도되기 전에 균질화 시스템에 머무르는 시간이다. 체류 시간은 가스화 반응의 변동에서 잔류 변화를 바로잡아서 소정의 범위(들)에 속하는 가스 조성을 달성하기 위해 본 발명의 제어를 받는 관련 가스화 시스템의 응답 시간에 비례하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 가스는 이의 특성이 특정 다운스트림 적용(들)을 위해 허용될 뿐만 아니라 제어 시스템이 가스화 공정에 임의의 조정을 가하여 편차를 바로잡게 하기 위해 허용되는 소정의 범위에 속하는 지의 여부를 결정하기에 충분히 긴 시간 동안 균질화 시스템에 보유된다.
또한, 균질화 시스템에서 생성물의 체류 시간은 생성물 가스 특성의 잔류 변화량에 의해 측정될 수 있다. 즉, 생성물 가스 특성의 잔류 변화가 작을 수록, 잔류 변화를 바로잡기 위해 균질화 시스템에서 필요한 체류 시간이 보다 짧아진다.
본 발명의 제어 시스템은 주어진 체류 시간의 균질화 시스템을 사용하는 경우 생성물 가스가 다운스트림 적용(들)의 명세를 충족시키는 안정화된 특성을 지니도록 가스화 공정을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 전형적으로, 기계 제조업자는 특정 기계장치에 의해 허용되는 요건 및 허용한계를 제공하며, 이는 당업자에게 공지되어 있다.
이제 본 발명은 특정 실시예를 참조로 하여 설명될 것이다. 하기 실시예는 본 발명의 구체예를 설명하고자 하는 것이며 본 발명을 임의의 방식으로 제한하고자 하는 것이 아님을 이해하여야 한다.
실시예 1
이러한 실시예에서, 도 27 내지 72를 참조하면, 다양한 옵션을 포함하는 본 발명의 한 가지 예시적 구체예의 세부사항이 제공되어 있다. 이러한 실시예는 본 발명의 제어 시스템과 함께 사용될 수 있는 가스화 시스템의 각각의 서브시스템에 대한 세부사항을 제공하며, 이러한 세부사항이 어떻게 함께 작용하여 도시 고체 폐기물 (MSW)을 전기로 전환시키기 위한 일체형 시스템으로서 기능하는 지를 예증한다. 본 실시예에서 논의된 서브시스템은 도시 고체 폐기물 취급 시스템; 플라스틱 취급 시스템; 횡방향(lateral) 이동 유닛 시스템을 지닌 수평 배향된 가스화기; 가스 재구성 시스템; 열 재순환 시스템; 가스 컨디셔닝 시스템; 잔류물 컨디셔닝 시스템 및 가스 균질화 시스템이다.
도 1은 주로 MSW를 합성가스로 전환시키도록 설계되며, 재구성되고, 컨디셔닝되고, 균질화된 합성가스를 가스 엔진에서 사용하여 전기를 생산하는 것과 관련된, 본 발명의 제어 시스템과 함께 사용될 수 있는 전체 가스화 시스템 (120)의 기능적 블록 다이어그램 개략도를 도시한다.
도시 고체 폐기물 (MSW) 취급 시스템
최초의 MSW 취급 시스템 (9200)은 (a) 4일의 공급에 대한 저장 능력; (b) MSW의 긴 보유 기간 및 과도한 분해의 회피; (c) 파편 날림 방지; (d) 악취 제어; (e) 쓰레기수거 트럭의 언로딩(unloading)를 위한 접근 및 회전 공간; (f) MSW를 MSW 스톡파일 (9202)로부터 MSW 세단 시스템 (9220)으로 수송하는 로더(loader) (9218)에 의해 요구되는 운전 거리(driving distance) 및 전환량(amount of turning)의 최소화; (g) 로더 (9218)와 쓰레거수거 트럭 간의 동작 간섭의 회피; (h) 플랜트 확장을 대비한 추가의 가스화 스트림의 가능성; (i) 시설, 특히 위험 영역으로의 트럭의 최소 침입; (j) 최소 인력에 의한 안전한 조작; (k) 로더 조작자에 대한 컨베이어 입력 호퍼(hopper) (9242)내의 충전 레벨의 표시; (l) 수용당시 상태(as-received)의 폐기물을 처리에 적합한 입자 크기로 세단하는 것; 및 (m) 처리기내로의 MSW 유속의 원격 제어가능성 및 플라스틱 공급 속도의 독립적 제어 (하기 기술됨)를 고려하여 설계된다.
MSW 취급 시스템 (9200)은 MSW 저장 빌딩 (9210), 로더 (9218), MSW 세단 시스템 (9220), 자성 분리기 (9230) 및 공급물 컨베이어 (9240)을 포함한다. 별도의 시스템 (9250)이 고탄소함량 물질(high carbon material) (본 실시예에서 재순환되지 않는 플라스틱)을 저장하고, 세단하고, 스톡파일링하고 공급하기 위해 또한 설계되는데, 이의 공급속도는 가스화 공정에서 첨가제로서 사용된다. 도 30은 전체 시스템 부지의 종합적 배치를 도시한다. MSW의 모든 저장 및 취급은 이것이 가스화 시스템 (120)내로 공급될 때까지 파편 및 악취를 봉쇄하기 위해 MSW 저장 빌딩 (9210)에서 국한된다.
선입선출(first-in-first-out, FIFO) 스케쥴링(scheduling) 방법을 사용하여 MSW의 과도한 분해를 최소화시킨다. FIFO는 MSW 저장 빌딩 (9210)의 양 단부에서 트럭과 로더 (9218)에 접근할 수 있게 됨으로써 가능해진다. 재료가 MSW 저장 빌딩 (9210)의 다른쪽 단부에서 로더 (9218)에 의해 이동되고 있는 동안 MSW가 빌딩의 한쪽 단부에서 트럭으로부터 언로딩됨으로써, 또한 로더 (9218)가 트럭에 의한 간섭없이 안전하게 동작할 수 있게 한다. 로더 (9218)가 재료를 MSW 스톡파일 (9202)의 거의 중간지점으로 다시 이동시킨 경우, 즉, "구(old)" 재료가 모두 사용된 경우, 작업이 MSW 저장 빌딩 (9210)의 반대쪽 단부로 바뀌어진다.
MSW 저장 빌딩 (9210)의 크기를 최소화시키기 위해, 쓰레기수거 트럭를 기동시키기 위한 공간은 MSW 저장 빌딩 (9210)의 외부에 존재한다. 이는 또한 필요한 문 (9212)의 크기를 최소화시키는데, 그 이유는 파편 및 악취의 누출을 가장 잘 제어하도록 단지 트럭이 후진으로 직진하여 들어오게 할 필요가 있기 때문이다. 단지 하나의 문 (9212)이 언제든지 그리고 트럭이 실제로 언로딩하는 경우에만 개방될 필요가 있다. MSW의 수령은 문 (9212)이 단지 하루에 약 1시간 동안 개방되도록 일반적으로 하루에 한 번의 기간 동안 일어난다.
도 31은 MSW 저장 빌딩 (9210)의 배치를 도시한다. MSW 저장 빌딩 (9210)은 로더 (9218)가 구동되어 MSW 세단 시스템 (9220)의 입력 컨베이어 (9222)에 접근해야 하는 경우 MSW 스톡파일 (9202)을 통로 (9216)와 분리시키기 위해 벙커 벽(bunker wall) (9214)을 지닌다. 벙커 벽 (9214)은 MSW 저장 빌딩 (9210)의 단부에 못미치게 이어져서 로더 (9218)가 MSW 저장 빌딩 (9210)을 이탈함이 없이 MSW 스톡파일 (9202)로부터 입력 컨베이어 (9222)로 이동할 수 있게 한다. 따라서, MSW 저장 빌딩 (9210)의 한쪽 단부의 문 (9212)은 항상 폐쇄된 상태로 유지될 수 있고, 다른쪽 단부는 트럭이 언로딩하거나 재료를 스톡파일로부터 세단 시스템으로 전달하기 위한 로더 (하기 기술됨)가 플라스틱을 옮기기 위해 출차할 필요가 있는 경우에만 개방된다.
MSW 저장 빌딩 (9210)이 도로 (9204)에 인접하고 이와 나란히 위치하게 하고 트럭이 MSW 저장 빌딩 (9210)의 양 단부에서 기동될 수 있게 함으로써, 도 28에 도시된 바와 같이 시설내에서의 공간 요건 및 트럭 이동 둘 모두가 감소된다. 공간 배치 설계는 트럭이 시설내로 진입하고, MSW 저장 빌딩 (9210)내로 후진으로 들어가고, 로드(load)를 투하하고, 도로 (9204)상으로 바로 재진입할 수 있게 한다. 상기 트럭이 공정 장비 또는 인력 중 어느 하나에 근접하는 경우는 전혀 없다. 2개의 도로 입구 개념은 트럭이 MSW 저장 빌딩 (9210)의 양 단부에 접근할 수 있도록 시설내의 또 다른 차도의 필요성을 또한 방지한다.
기계화된 버킷-기반(bucket-based) 로더 (9218)가 재료를 스톡파일로부터 세단 시스템으로 전달하기 위해 사용된다. 스키드 스티어 로더(skid steer loader) 설계가 이의 소형 크기, 기동성, 조작 용이성 등으로 인해 사용된다. 시판되는 표준 스키드 스티어는 MSW를 공급하고, 트럭이 언로딩된 후 스톡파일 바닥을 청소하고, 또한 폐플라스틱 시스템 세단기 및 공정 공급물을 취급하기 위해 적절한 능력을 지닌다.
MSW 세단 시스템은 입력 컨베이어 (9222), 세단기, 픽 컨베이어(pick conveyor) 및 자성 픽업(pick-up) 컨베이어로 구성된다. 입력 컨베이어 (9222)는 MSW를 MSW 저장 빌딩 (9210) 내부로부터 상향으로 수송하여 이를 세단기내로 낙하시킨다. 이러한 컨베이어를 위한 공급 호퍼는 파편이 외부로 날리지 않도록 전적으로 MSW 저장 빌딩 (9210) 내부에 위치한다. 컨베이어는 공급 호퍼의 능력과 결합하여 한 번의 작업 시간 동안 충분한 재료를 보유하는 깊은 트로프(trough)를 지닌다. MSW 저장 빌딩 (9210)의 외부에 있는 트로프의 부분은 파편 및 악취의 누출을 제어하도록 커버되어 있다. 컨베이어는 공정 요구사항에 부합하도록 공정 제어기에 의해 원격 제어된다. 로더 조작자가 한쪽 측부로부터 호퍼내의 MSW의 레벨을 관찰할 수 있도록 거울이 제공된다. 트로프에 제공된 검출기는 재료가 없다는 경보를 공정 제어기에 전달한다.
세단기는 임의의 백(bag)을 파쇄시키고 거대한 폐기물 조각을 처리될 수 있는 크기로 절단함으로써 수용당시 상태의 MSW가 처리에 적합함을 보장한다. 수용된 MSW는 세단기가 취급하기에 너무 크고 단단한 재료를 포함하여 세단기를 잼(jam) 상태가 되게 할 수 있으므로, 세단기는 잼이 감지된 경우 자동적으로 정지하고, 자동적으로 역회전하여 잼을 풀고, 그 후, 재개시되도록 설비된다. 잼이 여전히 검출되는 경우, 세단기가 셧다운되고 제어기에 경고 신호를 보낸다.
세단된 폐기물은 벨트 컨베이어상으로 낙하되어 자성 픽업 시스템하에서 수송된 후, 폐기물을 가스화기 (2200)내로 공급하는 스크류 컨베이어의 공급 호퍼내로 낙하된다.
가스화기 (2200)를 통한 과량의 철 금속의 우연한 공급을 방지하기 위해, 자성 픽업이 픽 컨베이어 위쪽에 위치하며, 이는 세단된 폐기물에 존재할 수 있는 철 금속을 끌어당긴다. 비자성 벨트가 자석과 폐기물 사이에서 픽 컨베이어의 방향을 가로질러 가동됨으로써 자석에 끌어당겨진 철 금속이 폐기물 스트림으로부터 횡방향으로 이동하게 된다. 철 금속은 이후에 자석으로부터 분리되어 처분을 위해 파일(pile)상으로 낙하된다.
MSW 공급 시스템은 세단된 폐기물을 세단기 시스템으로부터 가스화 챔버 (2202)로 수송하기 위해 호퍼 및 스크류 컨베이어로 구성된다. 세단된 폐기물은 세단기 시스템으로부터 공급 호퍼내로 낙하되며, 이는 처리기내로 공급되도록 준비된 재료의 완충물을 제공한다. 호퍼는 세단 시스템으로부터 호퍼내로의 흐름을 제어하기 위해 사용되는 하이(high) 및 로우(low) 레벨 표시기를 지닌다. 컨베이어는 공정 요구사항을 충족시키기 위해 폐기물 공급 속도와 부합하도록 공정 제어기의 제어를 받는다. 일체형 공급 호퍼를 지닌 스크류 컨베이어를 사용하는 것은 처리기에 대한 가스 밀봉을 또한 제공한다. 입력 호퍼는 파편 및 악취를 제어하기 위해 커버를 지닌 세단기 시스템에 연결된다. MSW 공급 컨베이어는 세단된 플라스틱을 수용하기 위한 추가의 입구를 지닌다.
플라스틱 취급 시스템
가스화 시스템 (120)은 공정 첨가제로서의 플라스틱의 첨가를 제공한다. 플라스틱은 가스화기 (2200)에 공급되기 전에 MSW와 별개로 취급된다. 플라스틱을 취급하기 위한 시스템은 플라스틱의 수용당시 상태의 베일(bale)에 대한 저장을 제공하고, 이를 세단하고, 이를 스톡파일에 넣고, 이를 독립적인 제어하에 처리기내로 공급하도록 설계된다. 이러한 시스템은 저장 시설, 입력 호퍼를 지닌 세단기, 테이크-어웨이(take-away) 컨베이어 및 스톡파일을 포함하며, 이들 모두는 파편을 제어하기 위해 공동 빌딩에 위치한다. 공급 컨베이어는 세단된 플라스틱을 처리기내로 이동시킨다.
플라스틱 저장 빌딩은 트럭 2대 로드의 플라스틱 베일을 저장하는 용량을 지닌다. 이는 3개의 측부가 폐쇄되고 1개의 측부가 개방됨으로써, 재료의 격납과 베일의 적층 및 분리를 위한 접근을 제공한다. 빌딩은 또한 세단 시스템에 대한 보호 및 파편 제어 및 세단된 재료에 대한 보호를 또한 제공한다.
세단기는 플라스틱 재료가 공정 요건을 충족하는 것을 용이하게 한다. 수용당시 상태의 플라스틱이 로더에 의해 세단기의 공급 호퍼내로 로딩된다. 세단된 재료는 벨트 컨베이어상으로 낙하되고, 상기 컨베이어는 이를 상향으로 수송하여 스톡파일내로 낙하시킨다.
세단된 플라스틱은 로더에 의해 픽업되고, 공급 컨베이어의 입력 호퍼내로 낙하하게 된다. 컨베이어가 외부에 있는 경우, 호퍼는 호퍼의 충전 동안 플라스틱의 누출을 최소화하기 위해 일체형 지붕 및 상향으로 이어진 벽을 포함한다. 컨베이어 트로프는 MSW 컨베이어의 트로프에 대해 밀봉되는데, 이는 가스화기 (2200)내로의 개구를 감소시키기 위해 플라스틱이 MSW 컨베이어를 통해 가스화기 (2200)내로 도입되게 한다. 컨베이어는 이것이 재료를 함유하는 경우 가스 밀봉을 제공하도록 호퍼가 밀봉되어 있는 스크류 컨베이어이다. 검출기는 하이 및 로우 레벨을 표시하도록 호퍼내에 위치하고, 거울은 충전 레벨을 모니터링하도록 스키드 스티어 조작자를 위해 제공된다. 이러한 컨베이어의 운동은 공정 제어기의 제어를 받는 다.
전환기
전환기 (1200)는 가스화기 (2200) 및 가스 재구성 시스템 (GRS) (3200)을 포함한다. MSW 및 플라스틱은 가스화기 (2200)내로 공급되고, 생성된 가스는 GRS (3200)로 보내지며, 여기서 재구성된다. 가스화기 (2200)로부터의 임의의 생성된 잔류물은 잔류물 컨디셔닝 시스템 (4200)으로 보내진다.
가스화기 (2200)는, (a) 폐기물의 1차적 처리를 위한 밀봉되고 절연된 공간을 제공하고; (b) 가스화기 (2200) 전체에 걸쳐 제어되고 분포된 방식으로 열기 및 스팀을 도입하고; (c) 가스화기 (2200)를 통한 폐기물 파일의 높이 및 이동의 제어를 가능하게 하고; (d) 가스화기 공정을 제어하기 위한 계측장치를 제공하고; (e) 가스를 GRS (3200)로 전달하고; (f) 추가의 처리를 위해 잔류물을 분리하고; (g) 검사 및 정비를 위해 내부에 접근할 수 있도록 하는 요건을 고려하여 설계된다.
도 32 내지 35를 참조하면, 가스화기 (2200)는 공급원료 입력부 (2204), 가스화기 챔버를 가열시키기 위해 사용되는 열기를 위한 입력부, 공정 첨가제로서 작용하는 스팀을 위한 입력부, GRS가 직접 커플링되어 있고 중심부에 위치한 가스 유출구 (2206), 잔류물 유출구 (2208) 및 다양한 서비스(service) (2220) 및 접근 (2222) 포트를 지닌 수평 배향된 내화물-라이닝된 가스화 챔버 (2202)를 포함한다. 가스화 챔버 (2202)는 다수의 플로어 단계(floor step) (2212, 2214, 2216)를 지닌 단계식 플로어를 지닌 강 웰딩(steel welding)으로서 제조된다. 캐리어 램(carrier ram) (2228, 2230, 2232)을 포함하는 시스템은 가스화기 (2200)를 통한 재료의 횡방향 이동을 용이하게 하도록 사용된다. 열전쌍, 재료 높이 검출기, 압력 센서 및 보임창(viewport)와 같은 계측장치의 설치가 또한 제공된다.
가스화 챔버 (2202)의 내화물 라이닝은 챔버를 고온, 침식성 가스로부터 보호하고, 또한 공정으로부터의 불필요한 열손실을 최소화시킨다. 도 36을 참조하면, 내화물은 내부상의 고밀도 크로미아층 (2402), 중간의 고밀도 알루미나층 (2404) 및 외부의 아주 저밀도 인설보드(insulboard) 물질 (2406)을 지닌 다중층 설계이다. 내화물은 가스화 챔버의 금속 쉘(shell) (2408)을 라이닝한다. 가스화 챔버 (2402)는 침식성 가스로부터 이를 추가로 보호하기 위해 막으로 추가로 라이닝된다.
가스화 챔버 (2402)의 단계식 플로어의 각각의 단계 (2212, 2214 및 2216)는 천공된 플로어(2270)을 지니며, 이를 통해서 가열된 공기가 도입된다. 공기 구멍 크기는, 그러한 크기가 제한부(restriction)를 생성시킴으로써 폐기물 재료가 구멍에 진입하는 것을 방지하기에 충분하게 각각의 구멍을 가로지른 압력 강하를 생성시키도록 선택된다. 구멍은 입자가 구멍에 걸리지 않게 되도록 상부면을 향해 외측으로 테이퍼링된다.
도 27 및 28을 참조하면, 3개의 개별적 단계에서의 조건이 다양한 건조, 휘발 및 탄소 전환 정도에 대해 설계된다. 공급원료는 가스화기 챔버 (2202)내로 도입되는데, 공급원료 입력부 (2204)를 통해 제 1 스테이지(stage)상으로 도입된다. 이러한 스테이지를 위한 표적 온도 범위 (재료 파일의 저부에서 측정됨)는 300 내지 900℃이다. 스테이지 II는 400 내지 950℃의 저부 온도 범위를 지니도록 설계 된다. 스테이지 III는 600 내지 1000℃의 온도 범위를 지니도록 설계된다.
가스화 챔버 (2202)를 3개의 처리 스테이지로 분리하는 단계식 플로어의 3개의 단계 (2212, 2214 & 2216)는 이들 자체의 독립적으로 제어가능한 공기 공급 메커니즘을 지닌다. 독립성은 각각의 스테이지에서 천공된 플로어 (2270)를 형성하는 공기 박스(airbox) (2272, 2274 및 2276)를 사용함으로써 달성된다. 가스화 챔버 (2202)에서 재료의 이동을 위해 사용되는 캐리어 램 (2228, 2230 & 2232) 시스템은 하부로부터 단계 1 & 2 (2212 & 2214)로 접근하는 것을 방지한다. 따라서, 이러한 스테이지의 경우, 공기 박스 (2272 & 2274)는 측부로부터 삽입된다. 그러나, 제 3 스테이지 공기 박스 (2276)는 도 33 & 34에 도시된 바와 같이 하부로부터 삽입된다.
이러한 설계에서 그리고 도 37 & 38을 참조하면 공기 박스 (2272, 2274, 2276)의 천공된 상부 플레이트 (2302)는 비교적 얇은 시트(sheet)이며, 휨(bending) 및 버클링(buckling)을 방지하기 위해 경화 리브(stiffening rib) 또는 구조 지지 부재 (2304)를 지닌다. 박스의 평평한 전면 및 저부 시트상의 스트레스를 최소화하기 위해, 천공된 웹이 두 시트 사이에 부착된다. 박스에서 열팽창이 가능해지도록, 박스는 하나의 에지만이 부착되고 나머지 3개의 에지는 팽창되도록 부착되지 않는다.
도 37에 도시된 바와 같이, 단계 1 & 2 공기 박스 (2272 및 2274)의 고정된 에지는 또한 입력 공기 배관 (2278)의 연결 지점이다. 따라서, 연결 플랜지(flange) (2280)는 고온으로 존재하고, 이는 가스화기 (2200)의 차가운 벽에 대 해 밀봉되어야 한다. 스트레스를 발생시키지 않고 팽창 이음쇠(expansion joint)를 사용하지 않으며 이를 달성하기 위해 슈라우드(shroud)가 사용된다. 고온 공기 박스 (2272) 및 파이프 (2278)는 슈라우드 (2282)의 한쪽 단부에 부착되고, 슈라우드 (2282)의 다른쪽 단부는 차가운 가스화기 (2200)에 연결된다. 온도 구배가 슈라우드 (2282)의 길이에 걸쳐 일어나므로, 연결부에서 스트레스는 거의 없거나 전혀 없다. 이러한 배열의 다른 이점은 스트레스를 야기하지 않으며 공기 박스를 필요한 위치에 단단히 고정시킨다는 것이다. 슈라우드 (2282)와 공기 박스 (272)의 내부 도관 사이의 공간은 열을 보유하고 온도 구배가 슈라우드에 걸쳐 일어남을 보장하도록 절연물로 충전된다. 공기 박스가 가스화 챔버 (2202)에서 이의 동작 위치에 존재하는 경우, 공기 연결부의 반대쪽에 있는 상부 플레이트는 공기 박스를 지나서 전진하여 내화물의 선반상에 놓여진다. 이는 동작 동안 공기 박스에 대한 지지부를 제공하고, 또한 재료가 공기 박스 아래로 떨어지는 것을 방지하기 위한 밀봉부로서 작용한다. 이는 또한 자유로운 이동을 가능하게 하여, 도 39에 도시된 바와 같이 공기 박스가 팽창될 수 있게 한다.
공기 박스의 다운스트림 에지가 또한 동일한 방식으로 처리된다. 공기 박스의 업스트림 에지는 공기 박스 (2302)의 상부 플레이트와 캐리어 램 사이에서 탄성 시트 밀봉부 (2306)로 밀봉된다.
공기 박스는 수평 플랜지를 사용하여 열기 공급 배관에 연결된다. 따라서, 공기 박스를 분리하기 위해 단지 플랜지가 해체되어야 한다.
제 3 스테이지 공기 박스 (2276)는 하부로부터 삽입되고, 또한 가스화기 (2200)에 대해 박스를 밀봉시키고 위치시키기 위해 슈라우드 개념을 이용한다.
제 3 스테이지 공기 박스 (2276)의 에지 주변으로 떨어지는 분진에 대한 밀봉은 이를 제 2 스테이지 (2214)의 에지에서 내화물 레지(ledge)의 아래에 위치시킴으로써 달성된다. 측부는 내화물 측부의 리세스(recess) 아래로부터 돌출하는 가요성 밀봉부에 의해 밀봉될 수 있다. 공기 박스의 다운스트림 에지는 가요성 밀봉부를 사용하여 추출기 트로프의 측부에 대해 분진 밀봉된다. 박스는 박스에 대해 얇은 시트 금속을 사용할 수 있도록 공기 박스의 평평한 면들 사이에서 경화제(stiffener) 및 천공된 웹으로 보강된다.
열기 파이프 연결부는 파이프 연결부를 해체시킨 후 제 3 스테이지 공기 박스 (2276)의 분리를 가능하게 하도록 수직형이다.
도 42를 참조하면, MSW가 3개의 단계 (2212, 2214 & 2216) 각각에서 적절한 처리를 위해 가스화기 (2200)를 따라 횡방향으로 이동하고 소모된 잔류물이 잔류물 유출구 (2208)로 이동됨을 보장하도록 일련의 캐리어 램 (2228, 2230, 2232) 시스템이 사용된다. 3개의 스테이지 플로어 각각은 그 자체의 캐리어 램에 의해 서비싱(servicing)된다. 캐리어 램은 각각의 스테이지에서의 파일의 높이뿐만 아니라 가스화 챔버내의 전체 체류 시간 둘 모두를 제어한다. 각각의 캐리어 램은 가변 속도로 그러한 단계의 전체 또는 부분 길이에 걸쳐 이동할 수 있다. 따라서, 스테이지는 필요한 경우 또한 완전히 청소될 수 있다.
각각의 캐리어 램은 외부 장착된 가이드부, 임의의 가이드부 결합 부재를 지닌 캐리어 램, 외부 장착된 구동 시스템 및 외부 장착된 제어 시스템을 포함한다. 캐리어 램 설계는 캐리어 램의 동작이 공기-구멍을 통과하는 공기를 간섭하지 않도록 공기-박스 공기-구멍 패턴이 배열되게 할 수 있는 다중 핑거(finger)를 포함한다.
다중 핑거 캐리어 램 설계에서, 캐리어 램은 핑거가 캐리어 램의 보디(body)에 부착된 구조물이며, 개개의 핑거는 장소에 따라 상이한 폭을 지닌다. 다중 핑거 캐리어 램 설계에서 핑거 사이의 갭은 반응물 재료의 입자가 브릿징(bridging)되는 것을 방지하도록 선택된다. 개개의 핑거는 폭이 약 2 내지 약 3 인치이고 두께가 약 0.5 내지 약 1 인치이며, 갭은 폭이 약 0.5 내지 약 2 인치이다.
공기 박스 공기 구멍 패턴은 캐리어 램의 동작이 공기 구멍을 통과하는 공기를 간섭하지 않도록 배열된다. 예를 들어, 공기 구멍의 패턴은 가열된 경우 공기 구멍이 핑거 사이에 (갭에) 존재하고 서로에 대해 옵셋되는 화살표 패턴으로 존재하도록 형성될 수 있다. 대안적으로, 공기 구멍 패턴은 또한 일부 구멍이 커버되지 않고 나머지 구멍은 커버되어 있는 하이브리드일 수 있어서, 공기의 균일한 분포가 최대화된다 (즉, 공기 입력이 전혀 없는 플로어의 영역이 최소화됨). 공기 구멍의 패턴을 선택하는 경우, 고려할 인자는 층을 유동화시키는 높은 속도를 회피하고, 내화물 벽에서 공기의 채널링이 회피되도록 구멍이 가스화기 벽 및 단부에 너무 근접하지 않게 하고, 구멍 간의 간격이 허용되는 속도론을 보장하도록 단지 대략 공칭(nominal) 공급 입자 크기 (2") 임을 보장하는 것을 포함한다.
다중-핑거 캐리어 램은 각각의 핑거의 첨단이 공기 박스 상부면의 임의의 기복(undulation)에 더욱 근접하여 순응할 수 있도록 독립적인 가요성 빌트- 인(built-in)을 지닐 수 있다. 이러한 순응성은 핑거상에서는 조여지지 않는 핑거 숄더 볼트(shoulder bolt)를 사용하여 핑거를 캐리어 램 주요 캐리지(carriage)에 부착시킴으로써 제공되었다. 이러한 개념은 또한 핑거의 용이한 교체를 가능하게 한다.
캐리어 램 핑거의 단부는 캐리어 램과 공기 박스의 상대 위치가 변화하는 (예를 들어, 팽창으로 인해) 경우 첨단이 공기의 상부와 접촉하는 것을 보장하도록 아래로 구부러진다. 이러한 특성은 또한 공기 구멍이 캐리어 램에 의해 커버됨으로 인해 공정에 대한 임의의 유해 효과를 또한 감소시키고, 공기는 캐리어 램가 공기 박스 사이의 갭을 통해 계속 유동한다.
도 39를 참조하면, 가이드부는 프레임상에 장착된 한쌍의 전반적으로 수평이고 전반적으로 평행한 기다란 트랙(track) (2240 (a), 2240 (b))을 포함한다. 각각의 트랙은 실질적으로 L형 단면을 지닌다. 이동 엘리먼트는 캐리어 램 보디 (2326) 및 가스화 챔버 벽내의 상응하는 밀봉가능성 개구를 통해 활주하도록 크기가 형성되는 하나 이상의 기다랗고 실질적으로 직사각형인 캐리어 램 핑거 (2328)를 포함한다.
캐리어 램 핑거는 고온에서 사용하기에 적합한 물질로 구성된다. 이러한 물질은 당업자에게 널리 공지되어 있고, 이의 예로는 스테인레스 스틸, 연강 또는 내화물로 부분 보호되거나 완전히 보호된 연강이 있을 수 있다. 임의로, 특정한 개개의 캐리어 램 핑거 또는 모든 캐리어 램 핑거가 내화물로 부분 커버되거나 완전히 커버될 수 있다. 임의로, 가스화 챔버 (2202)의 외부로부터 캐리어 램 핑거 내 로 순환되는 유체 (공기 또는 물)에 의해 냉각이 캐리어 램 핑거내에서 제공될 수 있다.
캐리어 램 핑거는 공정을 간섭하거나 폭발성 대기를 생성시킬 수 있는 제어되지 않은 공기가 가스화기 (2200)에 진입하지 못하도록 가스화 챔버와 밀봉식으로 결합하도록 형성된다. 가스화 챔버 (2202)로부터의 유해한 독성이고 가연성인 가스의 누출 및 파편의 과도한 누출을 회피하는 것이 또한 필요하다. 대기로의 가스 누출은 밀봉된 박스에 캐리어 램 메커니즘을 격납함으로써 방지된다. 이러한 박스는 박스내에 폭발성 가스 혼합물이 형성되는 것을 방지하기 위해 질소 퍼지 시설을 지닌다. 파편 밀봉 및 제한된 가스 밀봉이 도 40에 도시된 바와 같이 캐리어 램의 각각의 핑거의 각각의 표면을 누르는 가요성 스트립 (2308)을 사용하여 캐리어 램의 각각의 핑거에 대해 제공된다. 대안적으로, 밀봉은 각각의 핑거에 대한 가스 및 파편 밀봉을 제공하는 패킹 글랜드(packing gland) 밀봉일 수 있다.
이러한 밀봉의 설계는 각각의 캐리어 램 핑거에 대한 양호한 가스 및 파편 밀봉을 제공하며 캐리어 램의 수직 및 횡방향 이동을 허용한다. 핑거의 측부에서의 밀봉이 최대 난제인데, 이는 이러한 밀봉이 캐리어 램의 수직 및 횡방향 이동에 순응하며 캐리어 램과 캐리어 램의 상부 및 하부 표면의 밀봉과 근접 접촉 상태를 유지해야 하기 때문이다. 파편의 누출은 밀봉된 박스내의 윈도우에 의해 모니터링될 수 있고, 파편 축적이 과도해지는 경우 분진 제거 시설이 제공된다. 이러한 제거는 도 41에 도시된 바와 같이 캐리어 램 박스의 밀봉 완전성을 파괴하지 않으며 달성될 수 있다.
분진 제거 시설 (2310)은 셔터(shutter) (2316) 및 분진 캔(dust can) (2332)에 대한 부착 부위 (2318)가 설비된 분진 유출구 (2314), 및 수동 조작되는 체인(chain) (2320) 구동되는 분진 푸셔(pusher) (2322)를 지닌 금속 트레이(tray) (2312) 포함한다. 조작 핸들(operator handle) (2324)이 사용되는 경우 분진은 푸셔 (2322)에 의해 분진 유출구 (2314)로 밀려간다.
캐리어 램 (228, 2230 & 2232)을 이동시키기 위한 파워는 기어박스 및 롤러 체인 시스템을 통해 캐리어 램을 구동시키는 전기 모터에 의해 제공된다. 요약하면, 트랙을 따라 캐리어 램을 추진시키기 위한 파워는 모터 출력 샤프트 (2258)를 전방 또는 후방으로 선택적으로 구동시켜서 제어된 속도로 캐리어 램의 전진 및 후퇴를 가능하게 하는 외부 장착된 전기 가변 속도 모터 (2256)에 의해 공급된다. 위치 센서(들) (2269)은 캐리어 램 위치 정보를 제어 시스템에 전송한다. 임의로, 모터는 기어 박스를 추가로 포함할 수 있다. 2개의 드라이버 스프로켓 기어(driver sprocket gear) (2260)가 모터 출력 샤프트상에 장착된다. 드라이버 스프로켓 (2260) 및 차축(axle) (2264)상에 장착된 상응하게 구동되는 스프로켓 (2262)은 브래킷(bracket) (2268)에 의해 기다란 직사각형 블록 (2244)에 고정된 체인 부재 (2266)와 작동적으로 맞물린다.
모터는 개시 및 정지 위치, 이동 속도 및 이동 빈도를 명령할 수 있는 전체 시스템 제어 수단에 의해 제어된다. 각각의 캐리어 램은 독립적으로 제어될 수 있다. 롤러 체인이 이러한 실행을 위해 사용되는데, 이는 이것이 높은 강도를 제공하고 극심한 작업 환경(duty environment)을 견뎌내기 때문이다. 캐리어 램 당 2 개의 체인을 사용하는 것은 정밀 가이드에 대한 필요없이 캐리어 램을 각을 이루며 정렬된 상태로 유지하는 수단을 제공한다. 캐리어 램이 후퇴하는 경우 캐리어 램의 상부상의 재료가 뒤로 끌어당겨지는 경향이 존재한다. 이는 캐리어 램을 순서화(sequencing)시킴으로써 대응할 수 있는데, 여기서 하부 캐리어 램 (2232)이 먼저 전진하고; 그 후, 중간 캐리어 램 (2230)이 전진하고, 이는 재료를 하부 캐리어 램 (2232)상으로 밀어 내려서 그러한 캐리어 램 이동에 의해 생성되는 공극을 충전시키고; 그 후, 하부 캐리어 램 (2232)이 후퇴하고; 그 후, 상부 캐리어 램 (2228)이 전진하여 중간 캐리어 램 (2230)의 후면에 있는 공극을 충전시키고; 그 후, 중간 캐리어 램 (2230)이 후퇴하고; 공급 포트로부터 낙하되는 새로운 재료가 상부 캐리어 램 (2228)상의 임의의 공극을 충전시키고 상부 캐리어 램 (2228)이 후퇴한다. 이러한 모든 운동은 시스템 계측장치 데이터에 응답하여 시스템 제어 수단에 의해 자동적으로 그리고 독립적으로 제어된다.
도 43을 참조하면, 스태거드(staggered) 캐리어 램 순서 제어 전략이 하기 요약되는 바와 같이 캐리어 램의 이동을 촉진하도록 수행되었다:
캐리어 램 C (2232)는 고정된 거리 (조정가능한 설정점을 지님)를 이동하여 단계 C (2216)의 개시부에서 포켓(pocket)을 생성시키고;
캐리어 램 C (2232)가 트리거(trigger) 거리 (트리거 거리는 조정가능한 설정점을 지님)를 이동한 직후 캐리어 램 B (2230)이 뒤따르고, 캐리어 램 B는 재료를 밀고/운반하여 단계 C (2216)의 개시부에서 포켓을 즉시 충전시킨다. 피드백 제어는 레벨 스위치 C (2217)를 차단하는 데에 필요한 만큼 멀리 스트로 킹(stroking)하거나, 이미 차단된 경우 최소 설정점 거리만큼 스트로킹하거나, 차단이 일어나지 않은 경우 최대 설정점 거리 만큼 스트로킹하는 것이다. 캐리어 램 B (2230)가 단계 C (2216)의 개시부에서 포켓을 채우는 것과 동시에, 이는 단계 B (2230)의 개시부에 포켓을 생성시키고;
캐리어 램 B (2230)가 트리거 거리를 이동한 직후 캐리어 램 A (2228)이 뒤따른다. 캐리어 램 A (2228)는 재료를 밀고/운반하여 단계 B (2214)의 개시부에서 포켓을 즉시 충전시킨다. 피드백 제어는 레벨 스위치 B (2215)를 차단하는 데에 필요한 만큼 멀리 스트로킹(stroking)하거나, 이미 차단된 경우 최소 설정점 거리만큼 스트로킹하거나, 차단이 일어나지 않은 경우 최대 설정점 거리 만큼 스트로킹하는 것이다. 캐리어 램 A (2228)가 단계 B (2214)의 개시부에서 포켓을 채우는 것과 동시에, 이는 또한 단계 A (2212)의 개시부에 포켓을 생성시킨다. 전형적으로 이는 레벨 스위치 A (2213)가 다시 차단될 때까지 공급기가 동작하여 가스화기 (2200)를 충전시키는 것을 촉발시키고;
모든 캐리어 램은 동시에 초기 위치(home position)로 복귀한다.
한쪽 단부에서 맨홀(manhole)을 사용하여 가스화기 (2200)에 접근부(access)가 제공된다. 동작 동안에, 이는 밀봉가능한 내화물-라이닝된 커버를 사용하여 폐쇄된다. 제 3 스테이지 공기-박스 (2276)를 분리함으로써 추가의 접근부가 또한 가능하다.
가스화 후에 남아있는 잔류물 (예를 들어, 챠르 또는 애쉬)가 가스화기 (2200)로부터 분리되어 잔류물 컨디셔닝 시스템(RCS) (4220)으로 이동되어야 한다. 재료가 가스화기 (2200)에서 처리되어 이동하는 경우, 파일내에서 발생된 열은 용융을 초래할 수 있고, 이는 잔류물의 응집을 일으킨다. 응집된 잔류물은 낙하 포트 유형 배출구에서 재밍(jamming)을 일으키는 것으로 밝혀졌다. 임의의 응집물이 가스화 챔버 (2202)의 배출구에서 재밍을 생성시키지 않음을 보장하기 위해, 스크류 컨베이어 (2209)가 사용되어 가스화 챔버 (2202)로부터 잔류물을 추출한다. 캐리어 램 운동은 잔류물을 추출기 스크류 (2209)내로 밀어넣고, 이는 잔류물을 가스화 챔버 (2202) 밖으로 밀어내어 이를 잔류물 컨베이어 시스템내로 공급한다. 추출기 스크류 (2209)의 회전은 잔류물이 컨베이어 시스템내로 공급되기 전에 응집물을 파괴시킨다. 이러한 파괴 작용은 추출기 스크류 날개의 에지상에 톱니모양을 형성시킴으로써 향상된다.
공정 제어를 실행하기 위해, 다양한 파라미터가 가스화 챔버 (2202)내에서 모니터링되어야 한다. 예를 들어, 온도가 각각의 스테이지에 걸친 다양한 지점에서 그리고 각각의 스테이지의 다양한 높이에서 모니터링될 필요가 있다. 이는 열전쌍을 사용하여 달성되는데, 상기 열전쌍은 동작 동안에 교체를 필요로 하는 경향이 있다. 공정을 셧다운시키지 않으며 이를 달성하기 위해, 각각의 열전쌍은 밀봉된 단부 튜브를 통해 가스화 챔버 (2202)내로 삽입되며, 상기 단부 튜브는 이후 용기 쉘에 대해 밀봉된다. 이러한 설계는 온도 변화에 대한 정확하고 신속한 응답을 보증하기 위해 열전쌍의 접점 (온도 감지 지점)이 밀봉된 튜브의 단부를 누르게 되도록 밀봉 튜브 보다 길게 획득되는 가요성 와이어 열전쌍을 사용하는 것을 가능하게 한다. 밀봉된 튜브는 가스화 챔버 (2202)에 대해 밀봉되고 컴프레션 글랜 드(compression gland)에 의해 기계적으로 적소에 고정되며, 이는 또한 가스화 챔버 (2202)내로의 돌출 조정을 수용할 수 있다. MSW 파일내에서의 온도 측정의 경우, 밀봉된 튜브는 파일의 이동이 필요한 경우 파일이 억류되게 할 수 있다. 이러한 문제를 회피하기 위해, 밀봉된 튜브의 단부에는 MSW 파일이 열전쌍 튜브에 의해 차단되지 못하게 하는 디플렉터(deflector)가 갖추어져 있다.
그 후, 가스화기 (2200)에서 생성된 오프-가스(off-gas)가 가스 재구성 시스템(GRS) (3200)내로 이동한다. GRS (3200)는, (a) 요망되는 가스 정제 체류 시간 동안 필요한 용적을 제공하고; (b) 열 보존을 위한 절연 및 외부 강 용기의 보호를 제공하고; (c) 공기와 스팀의 첨가를 위한 유입구를 제공하고; (d) 가스의 혼합을 가능하게 하고; (e) 플라즈마 토치 (3208)를 사용하여 고온에서 가스를 처리하고; (f) 공정 제어 및 플라즈마 토치 (3208)의 향상된 성능을 위해 가스 조성을 모니터링하기 위한 계측장치를 제공하고; (g) 처리된 가스를 다운스트림 열교환기 (5200)로 출력하는 광범위한 요건을 만족시키도록 설계된다.
가스 재구성 시스템(GRS) (3200)은 공정 공기, 스팀, 플라즈마 토치 (3208) 및 토치 취급 메커니즘, 계측장치 및 출력 합성가스의 배기를 위한 장착 및 연결 장치와 함께 밀폐된 환경을 제공한다. 도 46에 도시된 바와 같이, GRS (3200)는 가스화기 (3202)가 장착 플랜지 (3214)를 통해 연결된 하나의 원추형 오프-가스 유입구 (3204)를 지닌 실질적으로 수직 장착된 내화물-라이닝된 원통형 또는 파이프형 재구성 챔버 (3202)를 포함한다. GRS (3200)는 약 3:1의 길이 대 직경 비를 지닌다. GRS (3200)는 3가지 레벨의 접선방향으로 위치한 공기 노즐, 2개의 접선방 향으로 위치한 플라즈마 토치 (3208), 6개의 열전쌍 포트, 2개의 버너(burner) 포트, 2개의 압력 전송 포트 및 수 개의 여분 포트를 추가로 포함한다. 플라즈마 토치 (3208)에 의해 GRS (3200)에서 발생되는 고온은 오프-가스내의 분자가 이의 구성 원소로 분해된 후, 함께 조합되어 합성가스를 형성하는 것을 보장한다. 고온 미정제 합성가스는 합성가스 유출구 (3206)를 통해 GRS (3200)로부터 배출된다.
앞서 언급한 바와 같이, GRS (3200)은 내화물 라이닝에 대한 지지부를 포함한다. 내화물에 대한 주요 지지 장치는 GRS (3200)의 내부 주위의 일련의 선반 (3222)이다. 동작 동안, 이러한 선반 (3222)은 재구성 챔버 (3202)의 쉘 보다 현저히 높은 온도로 존재한다. 따라서, GRS (3200)로 전도시킴으로써 임의의 열 낭비를 회피하고, 차등 팽창을 허용하게 할 필요가 있다. 또한, 선반 (3222)은 내화물의 상당한 중량을 지지할 수 있어야 한다. 이러한 요건은 팽창을 허용하도록 선반 (3222)이 세그먼트(segment) 사이에서 팽창 갭으로 세그먼트화되게 함으로써 충족되었다. 또한, 열 전달을 방지하기 위해 선반 (3222)과 벽 사이에 갭이 존재한다. 내화물의 중량을 지탱하기 위해, 각각의 선반 세그먼트는 도 47에 도시된 바와 같이 벽에 웰딩된 다수의 거싯(gusset)에 의해 지지된다. 선반 (3222)의 길이에 걸쳐 선반에서 일어나는 팽창은 스트레스를 생성시키고, 선반이 거싯에 웰딩된 경우 거싯의 파손을 일으킬 것이다. 그러나, 선반 (3222)이 웰딩없이 거싯에 놓여있게 함으로써, 선반 (3222)은 자유롭게 팽창하게 된다. 세그먼트를 이의 정확한 위치에 고정시키기 위해, 이는 팽창이 적은 중심 거싯에만 웰딩된 후, 단지 외부 부분만이 웰딩된다. 이는 거싯상의 임의의 스트레스 및 선반 (3222)의 잠재적 버 클링을 최소화시킨다.
재구성 챔버 (3202)의 상부는 내화물-라이닝된 리드(lid) (3203)로 캡핑되어, 밀봉된 엔클로저(enclosure)를 생성시킨다. 전체 GRS (3200)는 비정제된 오프-가스에 의한 침식을 방지하기 위해 고온 저항성 막으로 내부적으로 코팅된다. 내화물 파손 또는 다른 원인으로 인한 핫 스폿(hot spot)을 밝혀내기 위해 GRS는 외부 표면상에서 써모-크롬(thermo-chromic) 페인트로 페인팅된다.
GRS (3200)에 존재하는 고온, 부식 및 침식에 저항하도록 내부에 고밀도층을 지닌 다중층 설계일 수 있다. 고밀도 물질의 외부에는 저항 특성이 보다 낮지만 절연 인자는 보다 높은 저밀도 물질이 존재한다. 이러한 층의 외부에는 매우 높은 절연 인자를 지닌 매우 저밀도의 발포판(foam board) 물질이 사용되는데, 이는 이것이 침식 마손에 노출되지 않기 때문이다. 발포판과 용기 강 쉘(vessel steel shell) 사이의 외부층은 세라믹 블랭킷 재료이어서 연한 층을 제공하여 고형 내화물과 용기 쉘 사이에서 차등 팽창되게 한다. 내화물의 수직 팽창은 비-압축가능한 내화물의 압축가능한 내화물층 분리 부분에 의해서 제공된다. 압축가능한 층은 오버랩핑(overlapping)되지만 연장가능한 고밀도 내화물에 의해 부식으로부터 보호된다.
도 48 & 49에 도시된 바와 같이, 공기는 3가지 레벨의 공기 노즐에 의해 오프-가스 스트림내로 주입되는데, 상기 공기 노즐은 하부 레벨에 4개의 젯을 포함하고 상부 레벨에 추가의 6개의 젯을 포함하며, 여기서 3개의 젯은 나머지 3개 보다 약간 더 높아서 크로스-젯(cross-jet) 혼합 효과를 생성시켜 우수한 혼합을 달성한 다. 입력 노즐의 첨단에서 디플렉터를 사용하여 달성되는 GRS (3200)내로의 공기의 각을 이룬 송풍이 또한 우수한 혼합을 일으키며, 유입 파이프와 플랜지가 재구성 챔버 (3202)와 수평을 이루게 할 수 있다. GRS (3200)에서 가스의 개선된 혼합은 합성가스의 최적 정제를 가능하게 한다. 이는 공정 공기 속도를 사용함으로써 재구성 챔버 (3202)의 기부에서 소용돌이(swirling) 작용을 유도시킴으로써 달성된다. 공기는 소용돌이 포트 (3212)를 통해 오프-가스 스트림내로 주입되어 오프-가스 스트림에서 소용돌이 운동 또는 난류를 발생시킴으로써, 오프-가스를 혼합하고 GRS (3200)내에서 재순환 와동 패턴을 생성시킨다.
앞서 언급된 바와 같이, GRS (3200)는 또한 두 개의 접선방향으로 장착된 300kW 수냉식 구리 전극, NTAT, 활주 메카니즘 상에 장착된 DC 플라즈마 토치 (3208)를 포함한다. DC 플라즈마 토치 (3208)는 DC 파워 공급기로부터 파워를 공급받는다. 열전쌍은 합성가스의 온도가 약 1000℃로 유지됨을 보장하도록 GRS (3200)내의 다양한 장소에 위치한다.
플라즈마 토치 (3208)는 주기적 정비를 필요로 하고, 공정이 진행되고 있는 동안 이러한 토치가 교체될 수 있는 것이 가장 바람직하다. 앞서 언급한 바와 같이, 이러한 실행은 동작을 위해 엄격히 단지 1개가 필요한 경우 GRS (3200)에서 2개의 토치 (3208)를 사용한다. 플라즈마 토치 (3208)의 분리 및 교체는 GRS (3200)내의 고온의 독성이고 가연성인 가스의 존재하에서 수행되어야 한다. 또한, 토치 (3208)는 또한 GRS (3200)내의 열로부터 이를 보호하기 위해 토치 냉각 시스템의 고장시에 분리될 필요가 있다.
이러한 난제는 토치 (3208)를 재구성 챔버의 안팎으로 이동시킬 수 있는 활주 메커니즘상에 토치 (3208)를 장착시킴으로써 충족된다. 토치 (3208)는 밀봉 글랜드에 의해 재구성 챔버 (3202)에 대해 밀봉된다. 이러한 글랜드는 게이트 밸브에 대해 밀봉되고, 이어서 이는 용기에 장착되고 용기에 대해 밀봉된다. 토치 (3208)를 분리하기 위해, 이는 활주 메커니즘에 의해 재구성 챔버 (3202)로부터 끌어당겨진다. 슬라이드(slide)의 최초 이동은 안전을 위해서 고압 토치 파워 공급기를 무력화시킨다. 게이트 밸브는 토치(3208)가 밸브를 지나 후퇴되는 경우에 자동적으로 차단되고 냉각제 순환이 정지된다. 호스 및 케이블이 토치(3208)로부터 해체되고, 글랜드가 게이트 밸브로부터 방출되고 토치(3208)가 호이스트에 의해서 들어올려진다.
토치(3208)의 교체는 상기 과정의 역으로 수행되며; 활주 메카니즘이 토치(3208)의 삽입 깊이가 변화되게 조정될 수 있다. 간편함과 안전성을 위해, 게이트 밸브의 폐쇄를 제외한 상기 모든 조작이 수작업으로 수행된다. 게이트 밸브는 조작이 자동적으로 이루어지도록 기계적으로 동작한다. 공기 작동기(pneumatic actuator)가 사용되어 냉각 시스템 고장시에 토치를 자동적으로 후퇴시킨다. 작동기를 동작시키는 압축된 공기는 전용 공기 저장기로부터 공급되어 파워 장애시에도 항상 파워가 이용될 수 있게 한다. 동일한 공기 저장기가 공기를 게이트 밸브에 제공한다. 전기적으로 상호연결된 커버가 고압 토치 연결부에 대한 접근을 방지함으로써 추가의 안전 장치로서 사용된다.
잔류물 컨디셔닝 시스템
가스화 후에 남아있는 잔류물은 처분 전에 비활성이고 사용가능해지도록 되어야 한다. 이는 이러한 잔류물을 가스화기 (2200)로부터 플라즈마 기반 잔류물 컨디셔닝 챔버(RCC) (4220)내로 추출하고, 이를 용융시키고, 비활성의 유리질 슬래그 (4203)가 되게 하고, 현장으로부터 제거될 준비가 된 슬래그 스톡파일 (4204)로 옮겨지기 전에 켄처 탱크(quencher tank) (4240)를 사용하여 슬래그 (4203)를 냉각시키고 과립으로 분쇄시킴으로써 수행된다. 최종 부산물은 도로 충전재(road fill)로서 사용하기 위해 또는 콘크리트 제조를 위해 적합하다.
앞서 언급한 바와 같이, 가스화기 (2200)로부터 잔류물의 이동은 파일내에서 발생된 열로 인해 야기되는 응집에 대한 잠재성에 의해 복잡해진다. 이러한 문제는 가스화기 (2200)의 유출구 단부에서 스크류형 컨베이어 (2209)를 사용함으로써 해결된다. 컨베이어는 임의의 응집된 재료를 붕괴시키기 위해 스크류 날개상에 톱니모양의 에지를 지닌다.
그 후, 잔류물은 일련의 스크류 컨베이어를 포함하는 주요 컨베이어 (4210) 시스템에 의해 RCC (4220)로 전달된다. 이러한 컨베이어 시스템 (4210)은 또한 GCS 백하우스 필터 (6230)로부터 잔류물을 다운스트림쪽으로 전달하고, 이를 RCC (4220)상으로 이동시킨다. RCC (4220)에 대한 진입 포트의 수를 최소화시키기 위해, RCC (4220)로 도입되기 전에 모든 공급원으로부터의 잔류물이 합쳐진다. 이는 다수의 공급물 공급원에 부응하기 위해 RCC (4220)를 증대시키는 것을 방지한다. 추가의 잔류물 공급원이 또한 제공되어야 할 수 있다. 가스화가 RCC (4220) 휴지시간 동안 계속되도록 하기 위해, 잔류물이 방향전환될 수 있다. 이러한 경우, 잔 류물은 RCC 공급 시스템내로 재도입되어야 한다. 잔류물 컨디셔닝 시스템의 전체 개략도는 도 52에 도시되어 있다.
도 54에 도시된 바와 같이, 잔류물은 RCC (4220)내로 낙하되어, 저장기에 축적되고, 플라즈마 토치 (4230)에 의해 가열되는데, 저장기의 깊이는 위어(weir) (4224)의 높이에 의해 결정된다. 용융 슬래그의 레벨이 저장기 (4222)내에서 상승되는 경우, 이는 위어 (4224)를 넘어 흘러서 켄치 탱크 (4240)내로 낙하된다. 물 탱크 (4240)는 RCC (4220)가 대기에 대해 밀봉됨을 보장한다. MSW 취급 시스템 스테이지 동안 분리되지 않은 임의의 금속이 RCC (4220)로 전달되며, 이는 반드시 슬래그의 정상 유리화 온도에서 용융될 필요는 없다. 이로써 도가니가 금속으로 막히게 될 수 있는데, 이는 이러한 금속이 용융 슬래그 보다 높은 밀도를 지니기 때문이다. 이를 방지하기 위해, 임의의 금속을 용융시키기 위해 RCC 온도가 주기적으로 상승되고, 용융 금속이 도가니의 저부로부터 태핑된다.
잔류물, 특히 그 안의 구성 금속을 용융시키는 데에 필요한 매우 높은 온도로 인해, 내화물은 매우 극심한 작업 요구사항의 적용을 받는다. 이는 고온 이외에 침식 및 부식, 특히 슬래그 워터라인에서의 침식 및 부식을 포함한다. 또한, 내화물은 열을 보존하기 위해 양호한 절연을 제공해야 하고, RCC (4220)는 가능한 한 소형이어야 한다. 내화물은 열, 침식 및 부식에 대해 매우 높은 내성을 지닌 내부 라이닝을 제공하도록 선택된다. 그 후, 라이닝 외부의 내화물층이 보다 큰 절연을 위해 선택된다.
특히 도가니 내화물이 주기적 정비를 필요로 할 것으로 예상된다. 이를 가 능하게 하기 위해, 도가니를 지닌 RCC의 저부는 RCC에 대한 임의의 연결부를 교란시키지 않으며 분리될 수 있다. 이는 도 57에 도시된 바와 같이 RCC를 구조물상에 고정시키기 보다는 이의 지지 구조물 (4270)에 매달리게 함으로써 달성된다. 따라서, 도가니를 지닌 RCC의 하부는 임의의 연결부를 해체할 필요없이 상부와 떨어질 수 있다. 또한, 전체 RCC는 연결부를 해체하고 하강시킴으로써 분리될 수 있다. 이는 방해가 안되도록 컨베이어 (4260)와 배관을 들어올릴 필요가 없게 한다.
용융 슬래그가 켄치 탱크 (4240)내로 낙하되는 경우, 이는 냉각되고 과립 형태로 분쇄된다. 그 후, 슬래그 컨베이어 (4260)는 켄치 (4240)로부터 과립 슬래그 (4203)를 분리하여 도 56에 도시된 바와 같이 이를 처분 또는 추가 사용을 위해 스톡파일 (4204)내로 넣는다. 슬래그 낙하 포트는 물 트랩(water trap)에 의해 환경에 대해 밀봉되며, 상기 물 트랩은 상부에서 RCC (4220)에 대해 밀봉된 슈라우드로 구성되고 이의 하부 에지가 켄치 매질에 잠겨있다. 동일한 켄치 매질이 RCC (4220)로부터 슬래그 컨베이어 (4260)를 밀봉한다.
RCC (4220)에서 생성된 가스는 전환기 (1200)에서 생성된 가스와 유사하게 처리된다. 잔류 가스는 가스 유출구 (4228)를 통해 RCC (4220)로부터 배출되고, 잔류 가스 컨디셔너 (RGCS) (4250)로 유도된다. 이는 미립자 및 중금속 오염물을 분리하는 백하우스 필터 (4254)를 통과하기 전에 간접 공기 대 가스 열 교환기 (4252)에서 예비냉각 단계를 거친다. 그 후, 잔류 가스는 제 2 열교환기 (4256)를 사용하여 냉각된 후, 중금속 및 미립자 물질의 추가 분리를 위해 활성 탄소층 (4258)을 통과한다. 세정되고 컨디셔닝된 잔류 가스는 전환기 (1200)로부터의 합 성가스 스트림과 함께 다시 공급되기 위해 다운스트림 GCS (6200)로 다시 방향전환된다.
미가공 합성가스는 전환기 (1200)로부터 배출되고, 합성가스 대 공기 열교환기(HX) (5200)을 통과하며, 여기서 열이 합성가스 스트림으로부터 공기 스트림으로 전달된다. 따라서, 생성된 고온 공기 스트림이 공정 공기로서 전환기 (1200)에 다시 공급되는 동안 합성가스가 냉각된다. 그 후, 냉각된 합성가스가 가스 컨디셔닝 시스템(GCS) (6200)내로 유동하며, 여기서 합성가스가 추가로 냉각되고, 미립자, 금속 및 산 가스가 순차적으로 세정된다. 세정되고 컨디셔닝된 합성가스 (요망되는 습도를 지님)는 합성가스 HC (7230)에 저장된 후, 전기가 발생되는 가스 엔진 (9260)으로 공급된다. 전환기 (1200) 및 RCS (4200) 후의 시스템내의 주요 구성요소 (장비)의 기능이 합성가스가 처리되는 순서로 표 1에 약술되어 있다.
표 1 전환기 (1200) 및 RCS (4200) 후의 단계
서브시스템 또는 장비 주요 기능
열교환기 (5200) 합성가스 냉각 및 현열 회수
증발 냉각기 (6210) 백하우스에 앞서 합성가스의 추가 냉 각
건식 주입 시스템 (6220) 중금속 흡착
백하우스 (6230) 입자 또는 분진 수집
HCL 스크러버 (6240) HCl 분리 및 합성가스 냉각/컨디셔닝
탄소 필터층 (6260) 추가의 수은 분리
H2S 분리 시스템 (6270) H2S 분리 및 원소 황 회수
RGCS (4250) RCC 오프-가스 세정 및 냉각
합성가스 저장소 (7230) 합성가스 저장 및 균질화
칠러(7210);가스/액체 분리기(7220) 습도 제어
가스 엔진 (9260) 전기발생을 위한 1차 구동장치
플래어 스택(Flare Stack) (9299) 시동 동안 합성가스 연소
합성가스 대 공기 열교환기 (환열기(recuperator))
GRS (3200)로부터 배출되는 출력 합성가스는 약 900℃ 내지 1100℃의 온도로 존재한다. 합성가스내의 열에너지를 회수하기 위해, GRS (3200)으로부터 배출되는 미가공 합성가스가 쉘-튜브형 합성가스 대 공기 열교환기(HX) (5200)로 보내진다. 공기는 주위 온도, 즉, 약 -30℃ 내지 약 40℃에서 HX (5200)에 진입한다. 공기는 공기 송풍기 (5210)를 사용하여 순환되고, 1000 Nm3/hr 내지 5150 Nm3/hr의 속도, 전형적으로 약 4300 Nm3/hr의 속도로 HX (5200)에 진입한다.
합성가스는 튜브 측부 (5202)를 통해 수직으로 유동하고, 공기는 쉘 측부 (5206)를 통해 반시계방향으로 유동한다. 합성가스 온도는 1000℃에서 500℃ 내지 800℃ (바람직하게는 약 740℃)로 감소되고, 공기 온도는 주위 온도에서 500℃ 내지 625℃ (바람직하게는 약 600℃)로 증가된다. 가열된 교환-공기는 가스화를 위해 전환기 (1200)내로 다시 재순환된다.
HX (5200)는 특히 합성가스내의 높은 레벨의 미립자에 대해 설계된다. 합성 가스 및 공기의 유동 방향은 미립자 물질로부터의 축적 또는 부식이 일어날 수 있는 영역을 최소화시키도록 설계된다. 또한, 가스 속도는 자체 세정을 위해 충분히 높지만 부식을 최소화시키도록 설계된다.
공기와 합성가스의 상당한 온도 차이로 인해서, HX(5200)내의 각각의 튜브(5220)는 이의 각각의 팽창 벨로우(5222)를 지닌다. 이는 공기가 합성가스 혼합물에 유입되기 때문에 극히 위험할 수 있는 튜브 파괴를 피하는데 필수적이다. 튜브 파괴의 가능성은 단일 튜브가 플러깅되고 그로 인해서 나머지 튜브 번들(tube bundle)과 함께 더 이상 팽창/수축하지 않는 경우에 높다.
다수의 온도 전송기(temperature transmettier)가 가스-대-공기 열-교환기(5200)의 가스 출구 박스상에 설치된다. 이들은 합성가스내로 공기가 유출되는 경우의 연소에 기인하여 발생하는 어떠한 가능한 온도 상승을 검출하는데 사용된다. 공기 송풍기(5210)은 그러한 경우에 자동으로 차단된다.
HX (5210)내의 가스 튜브를 위한 재료는 높은 온도에서의 합성가스중의 황 함량 및 이의 반응에 대한 우려에 기인하여, 부식이 문제가 되지 않도록 주위해서 선택되어야 한다. 본 발명의 실행에서는, 합금(625)이 선택되었다.
가스 컨디셔닝 시스템(Gas Conditioning System (GCS))
일반적으로, 가스 컨디셔닝 시스템(GCS)(6200)은 열 교환기(5200) 후에 얻은 미정제 합성가스를 다운스트림 단부 적용에 적합한 형태로 전환시키는 일련의 단계를 나타낸다. 본 발명의 실시에서는, GCS(6200)는 두 개의 주 스테이지로 분할될 수 있다. 스테이지 1은 (a) 증발 냉각기(건식 켄칭)(6210); (b) 건식 주입 시스 템(6220); 및 (c) 백하우스 필터(baghouse filter)(미립자 물질/중금속 제거를 위해서 사용)(6230)으로 구성되어 있다. 스테이지 2는 (d) HCl 스크러버(6240); (E)합성가스(공정 가스) 송풍기(6250); (f) 탄소 필터층(수은 폴리셔)(6260); (g) H2S(황) 제거 시스템(6270); 및 (h) 칠러(7210) 및 가스/액체 분리기(7220)을 사용한 습도 제어수단으로 구성된다.
GCS(6200) 전의 열 교환기(5200)는 때로는 GCS(6200)의 스테이지 1의 일부로서 여겨진다. 합성가스(공정 가스) 송풍기(6250)는 전형적으로는 가스 냉각기(6252)를 포함하며, 이러한 냉각기는 때로는 GCS(6200)의 스테이지 2에서 별도로 언급된다. 또한, GCS(6200)의 스테이지 2의 일부로서 본원에서 언급된 습도 조절기는 종종 GCS(6200)에 대해서 더 다운스트림에 있는 합성 가스 조절 시스템(7200)의 일부로서 여겨진다.
도 59는 본 발명 시스템에서 실시되는 GCS(6200)의 블록 다이아그램이다. 이는 GCS(6200)이 RGCS(4250)과 통합되는 수렴공정의 한 예이다. 도 60은 GCS의 설계도이다.
열 교환기(5200)에서의 초기 냉각 후에, 입력 합성 가스는 추가로 건식 켄칭에 의해서 냉각되고, 이러한 켄칭은 합성 가스 온도 아래로 냉각시키며 또한 응축을 방지한다. 이는 물을 제어된 방법(단열 포화)으로 가스 스트림내로 직접 주입함으로써 증발 냉각 타워('건식 켄칭'으로도 공지됨)(6210)를 이용함으로써 달성된다. 물은 합성 가스 스트림내로 동시에 스프레이되기 전에 분사된다. 냉각에 물 이 존재하지 않기 때문에, 이러한 공정을 건식 켄칭이라 칭한다. 물이 증발되는 경우, 이는 합성가스로부터 감지 가능한 열을 흡수하여 이의 온도를 740℃에서 150℃ 내지 300℃(전형적으로는 약 250℃)로 저하시킨다. 물이 배출 가스에 존재하지 않도록 하는 제어가 추가된다. 따라서, 배출 가스 온도에서의 상대 습도는 100% 미만이다.
가스 스트림이 증발 냉각 타워(6210)을 빠져나가면, 호퍼(hopper)내에 저장된 활성탄이 가스 스트림내로 공압식으로 주입된다. 활성탄은 아주 높은 다공성, 즉, 큰 분자종, 예컨대, 수은 및 다이옥신의 표면 흡착에 도움이 되는 특성을 지닌다. 따라서, 가스 스트림중의 대부분의 중금속(카드뮴, 납, 수은 등) 및 그 밖의 오염물이 활성탄 표면상에 흡착된다. 소모된 탄소 과립은 백하우스(6230)에 의해서 수집되고 다음 단계에서 기재된 바와 같은 추가의 에너지 회수를 위해서 RCS(4200)에 재순환된다. 충분히 흡착시키기 위해서, 합성 가스가 이러한 스테이지에서 충분한 체류 시간을 지니도록 하는 것이 필요한다. 그 밖의 재료, 예컨대, 장석, 석회 및 다른 흡착제가 이러한 건식 주입 스테이지(6220)에서 활성탄 대신 사용되거나, 이에 추가로 사용되어 합성 가스 스트림을 차단하지 않으면서 합성 가스 스트림중의 중금속 및 타르(tar)를 포획할 수 있다.
미립자 물질 및 표면상에 중금속이 있는 활성탄은 이어서 아주 높은 효율로 백하우스(6230)중의 합성 가스 스트림으로부터 제거된다. 작동 파라미터는 어떠한 수증기 응축을 피하도록 조절된다. 합성 가스 스트림으로부터 제거된 모든 미립자 물질은 필터 케이크를 형성하고, 이는 백하우스(6230)의 효율을 더 향상시킨다. 그래서 새로운 비코팅된 백이 99.5%의 제거 효율을 지니지만, 백하우스(6230)는 전형적으로는 99.9% 미립자 물질 제거 효율로 설계된다. 백하우스(6230)는 라이닝된 유리섬유 백, 비라이닝된 유리 섬유 백 또는 P84 현무암 백을 사용하며 200℃ 내지 260℃의 온도에서 작동된다.
백하우스(6230)을 가로지른 압력 강하가 특정의 설정 한계로 증가하는 경우, 질소 펄스-젯(pulse-jet)이 사용되어 백을 세정시킨다. 질소가 안정상 공기보다 바람직하다. 백의 외부 표면으로부터 떨어지는 잔류물은 바닥 호퍼내에 수집되고 추가의 전환 또는 배출을 위해서 잔류물 컨디셔너(4200)에 보내진다. 특정의 시약이 사용되어 고분자량 탄화수소 화합물(타르)를 흡착하여 백하우스(6230)를 보호할 수 있다. 도 63 및 도 62는 각각 백하우스의 개략적인 디자인을 도시하고 있다.
백하우스는 지지체를 요하지 않는 실린더형 필터를 사용한다.
백하우스(6230)(입력물이 중금속을 함유한 플라이-애쉬(fly-ash)임을 가정)의 전형적인 작동 명세는 다음과 같다:
설계 가스 유속 - 9500Nm3/hr
분진 로딩 - 7.4 g/Nm3
카드뮴 - 2.9 mg/ Nm3
납 - 106.0 mg/Nm3
수은 - 1.3mg/ Nm3
보장된 여과 시스템 유출물:
미립자 물질 - 11mg/Nm3 (약 99.9% 제거)
카드뮴 - 15μg/Nm3 (약 99.65% 제거)
납 - 159 μg/Nm3 (약 99.9% 제거)
수은 - 190 μg/Nm3 (약 90% 제거)
백하우스(6230)를 빠져나가는 중금속으로 오염된 잔류물의 양은 크다. 따라서, 도 59에 도시된 바와 같이, 이러한 잔류물은 유리질 슬래그(4203)으로의 전환을 위해서 플라즈마-기재 RCC(4220)로 보내진다. RCC(4220)에서 생성된 이차 가스 스트림이 이어서 하기 스테이지 1 과정으로 별도의 잔류물 컨디셔너(RGCS)(4250)에서 처리된다: 직접적인 공기-대-가스 열교환기(4252)에서의 냉각 및 더 작은 백 하우스(4254)에서의 미립자 물질 및 중금속의 제거. 더 작은 백하우스(4254)는 RCC(4220)중에서 생성된 이차 가스 스트림을 처리하는데 제공된다. 도 59에 도시된 바와 같이, RGCS(4250)에 의해서 수행된 추가의 단계는 가스 냉각기(4256)을 추가로 사용한 가스의 냉각 및 탄소 층(4258)에서의 중금속 및 미립자 물질의 제거를 포함한다. 처리된 이차 합성 가스 스트림은 이어서 GCS(6200)으로 되돌려져서 백하우스 필터(6230) 전에 일차 유입 합성가스 스트림내로 피드백된다.
RGCS(4250)의 백-하우스(4254)로부터 제거된 잔류물의 양은 GCS(6200)내의 백하우스(62300에 비해서 현저하게 적다. 작은 백하우스(4254)는 중금속을 위한 퍼지(purge)로서 작용한다. RGCS(4250)으로부터 퍼징되는 중금속의 양은 MSW 공급물 조성에 따라서 다양할 것이다. 중금속이 특정된 한계를 형성하는 때에, 주기적인 퍼지가 이들 재료를 유해 폐기물 배출구로 이동시키는데 요구된다.
유입물이 중금속을 함유한 플라이-애쉬임을 가정하는 경우, 더 작은 RGCS 백 하우스(4254)에 대한 전형적인 설계 명세는 이하와 같다:
설계 가스 유속 - 150 Nm3/hr
분진 로딩 - 50g/Nm3
카드뮴 - 440mg/ Nm3
납 - 16.6 mg/Nm3
수은 - 175mg/ Nm3
보장된 여과 시스템 유출물:
미립자 물질 - 10mg/Nm3 (약 99.99% 제거)
카드뮴 - 13μg/Nm3 (약 99.997% 제거)
납 - 166 μg/Nm3 (약 99.999% 제거)
수은 - 175 μg/Nm3 (약 99.9% 제거)
GCS(6200)는 직간접적인 피드백 또는 모니터링 시스템을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시에서, GCS 및 RGCS 백하우스 필터 둘 모두는 출구상에 분진 센서(직접 모니터링)를 지녀서 백 파괴를 알려준다. 백 파괴가 발생되면, 시스템은 정비를 위해서 정지된다. 임의로, HCl 스크러버(6240)중의 물 스트림은 시작시에 분석되어 미립자 물질 제거 효율이 확인될 수 있다.
백하우스(6230)으로부터 빠져나오는 무미립자 합성가스 스트림은 재-순환 알칼리 용액을 사용함으로써 패킹 타워에서 스크러빙되어 어떠한 존재하는 HCl이 제거된다. 이러한 HCl 스크러버(6240)은 또한 충분한 접촉 면적을 제공하여 가스를 약 35℃로 냉각시킨다. 탄소 층 필터(6260)는 잠재적인 가용성 물 오염물, 예컨 대, 금속, HCN, 암모니아 등으로부터 액체 용액을 분리하기 위해서 사용된다. HCl 스크러버(6240)는 출력 HCl 농도를 약 5ppm으로 유지시키도록 설계된다. 폐수 유출 스트림은 폐기를 위한 폐수 저장 탱크(6244)에 보내진다.
금속성을 고려하여, HCl 스크러버(6240)는 가스 송풍기(6250)의 업스트림에 위치한다. 관련된 구성요소, 예컨대, 열 교환기(6242)를 포함하는 HCl 스크러버(6240)의 예시적인 개략적 다이아그램이 도 64에 도시되어 있다. 도 65에서는 GCS(6200)으로부터의 폐수를 수집하고 저장하는 예시적인 시스템을 도시하고 있다. 탄소 층(6245)이 물 배출부에 첨가되어 폐수로부터 타르와 중금속을 제거한다. HCl 스크러버(6240)에 대한 전형적인 명세는 다음과 같다:
설계 가스 유속 - 9500 Nm3/hr
정상 유입구/스크러버에 대한 최대 HCl 로딩 - 0.16 % / 0.29 %
HCl 유출 농도 - 5 ppm
HCl 제거 후에, 가스 송풍기(6250)가 사용되고, 이는 전체 시스템(120)을 통한 전환기(1200)로부터 다운스트림 가스 엔진(9260)으로의 가스의 구동력을 제공한다. 송풍기(6250)는 수은 폴리셔(6260)의 다운스트림에 위치하여, 수은 폴리셔가 압력하에 더 우수한 수은 제거 효능을 지닌다. 이러한 구성은 또한 수은 폴리셔(6260)의 크기를 작게한다. 도 29는 전체 시스템(120) 및 공정 가스 송풍기(6250)의 위치에 대한 개략도를 나타내고 있다.
송풍기(6250)는 모든 업스트림 용기 설계 압력 강하를 이용하여 설계된다. 이는 또한 다운스트림 장치 압력에 요구된 압력이 손실되어 HC (7230)내에 약 2.1 내지 3.0psig(전형적으로는 2.5psig)의 최종 압력을 지니도록 설계된다. 가스가 송풍기(6250)을 통해 통과하는 경우에 가압됨에 따라서, 이의 온도는 약 77℃로 상승한다. 내장 가스 냉각기(6252)가 온도를 다시 35℃로 냉각시키는데 사용된다. H2S 제거 시스템(6270)의 최대 작동 온도는 약 40℃이다.
탄소 층 필터(6260)는 합성 가스 스트림에 유지되는 어떠한 중금속에 대한 최종 폴리싱 장치로서 사용된다. 이의 효율은 시스템이 진공 대신 압력하에 있으며, 낮은 온도에 있고, 가스가 포화되는 때에 및 HCl이 제거되서 탄소를 열화시키지 않는 때에 개선된다. 이러한 공정은 또한 그 밖의 유기 오염물, 예컨대, 존재하는 경우의 합성 가스 스트림으로부터의 디옥신을 흡착할 수 있다. 탄소 층 필터(6260)는 99% 이상의 수은 제거 효율로 설계된다. 이러한 시스템의 성능은 가스를 수은에 대해서 주기적으로 분석함으로써 측정된다. 보정은 탄소 공급 속도를 변화시키고, 폴리셔(6260)을 가로지른 압력 강하를 모니터링함으써, 및 샘플링을 통한 탄소 층 효율을 분석함으로써 수행될 수 있다.
탄소 층 필터(6260)에 대한 전형적인 명세는 다음과 같다:
설계 가스 유속 - 9500Nm3/hr
정상/최대 수은 로딩 - 190 μg/Nm3 / 1.3mg/Nm3
탄소 층 수명 - 3 내지 5년
보장된 수은 탄소 층 유출 - 19 μg/Nm3 (99%)
H2S 제거 시스템(6270)은 캐나다 온타리오의 미니스트리 오브 엔바이런먼 트(Ministry of Environment)의 A7 가이드 라인에 개괄된 SO2 방출 한계를 기초로 하며, 이러한 가이드 라인은 가스 엔진에서 연소되는 합성가스는 15ppm 미만의 SO2 를 생성시킴을 설명하고 있다. H2S 제거 시스템은 약 20ppm의 출력 H2S 농도로 설계된다. 도 66은 H2S 제거 시스템(6270)의 상세사항을 나타내고 있다.
쉘 파크스 바이오로지컬(Shell Paques Biological) 기술이 H2S 제거(6270)를 위해서 선택된다. 이러한 기술은 두 단계로 이루어진다: 첫 번째로, 탄소 층 필터(6260)로부터의 합성 가스가 스크러버(6272)를 통해서 통과하고, H2S가 알칼리 용액의 재순환에 의해서 합성 가스로부터 제거된다. 다음으로, 황 함유 용액이 알칼리성의 재생, 황화물의 원소 황으로의 산화, 황의 여과, 황의 무균화(sterilization) 및 규정 요건을 충족시키기 위한 배출 스트림(bleed stream)을 위해서 바이오리액터(6274)에 보내진다. H2S 제거 시스템(6270)이 20ppm H2S 유출물 농도로 설계된다.
티오바실러스 박테리아(Thiobacillus bacteria)가 바이오리액터(6274)에서 사용되어 황화물을 공기에 의한 산화에 의해서 원소 황으로 전환시킨다. 제어 시스템(8200)은 바이오리액터내로의 공기 유속을 시스템내에 황이 유지되도록 제어한다. 바이오리액터(6274)의 슬립 스트림(slip stream)은 여과 프레스(filter press: 6276)를 사용함으로써 여과된다. 여과 프레스(6276)로부터의 여액은 공정으로 다시 보내지며, 이러한 여액으로부터의 소량의 스트림이 액체 블리드 스트림 으로서 보내진다. 두 배출원, 즉, 고형 배출물인 약간의 바이오매스를 함유한 황, 및 액체 배출물인 황산염을 함유한 물이 있다. 두 스트림 모두 최종 처리 전에 무균화된다.
H2S 제거 시스템(6270)에 대한 전형적인 명세는 다음과 같다:
설계 가스 유속 - 8500 Nm3/hr
정상 / 최대 H2S 로딩 - 353 ppm/666 ppm
시스템에 대한 보장된 H2S 유출물 - 20ppm
H2S 제거후에, 칠러(7210)가 사용되어 합성가스로부터의 물을 응축시키고, 이를 가스 엔진(9260)에서 사용하기에 적합한 온도로 재가열한다. 칠러(7210)는 가스를 35℃에서 26℃로 서브-냉각시킨다. 유입 가스 스트림으로부터 응축된 물은 가스/액체 분리기(7220)에 의해서 제거된다. 이러한 구성은 가스가 가스 엔진(9260)으로 보내지기 전의 가스 저장후에 40℃(엔진 요건)로 재가열되는 경우에 80%의 상대습도를 지니게 한다.
하기 표는 전체 GCS(6200)의 주요 명세를 기재하고 있다:
켄칭 타워(6210) 2 초 체류시간내에 740℃에서 200℃로 가스를 켄칭
건식 주입(6220) 90% 수은 제거 효율
백 하우스 필터(6230) 99.9% 미립자 제거 효율
99.65% 카드뮴 제거 효율
99.9% 납 제거 효율
HCl 스크러버(6240) 99.8% HCl 제거 효율
가스 송풍기(6250) 제로 누출 밀봉 회전 송풍기
가스 냉각기(6252) 0.5MBtu/hr 냉각 로드(load)
탄소 층 필터(6260) 99% 수은 제거 효율
H2S 스크러버(6270) 스크러버 유출물에서의 H2S - 20ppm
바이오리액터(6274) 최대 재생 효율, 최소 배출
필터 프레스(6276) 2일 황 제거 용량
균질화 챔버(7230) 2 분 가스 저장 용량
상기 주지된 바와 같이, GCS(6200)는 유입 가스를 요구된 특성의 유출 가스로 전환시킨다. 도 59는 플라즈마 가스화 시스템 및 다운스트림 부품과 통합되는 이러한 GCS 시스템의 개괄적인 공정 흐름도를 도시하고 있다. 여기서, RCS(4200)에서 생성된 이차 가스 스트림이 GCS(6200)로 공급된다.
잔류 가스 컨디셔너(Residue Gas Conditioner: RGCS)
상기 설명된 바와 같이, 활성탄과 금속을 함유할 수 있는 GCS 백 하우스(6230)로부터의 잔류물은 질소에 의해서 주기적으로 퍼징되고 RCC(4220)로 수송되며, 여기서, 유리질화된다. RCC(4220)로부터 배출되는 가스는 미립자가 제거되도록 잔류 가스 컨디셔너(RGCS)(4250) 백하우스(4254)를 통해서 유도되고, 활성탄 층(4258)에 유입되기 전에 열 교환기(4256)에 의해서 냉각된다. 백 하우스(4254)는 또한 시스템을 가로지른 압력 강하에 기초하여 주기적으로 퍼징된다. RGCS 백하우스(4254)에 수집된 잔류물은 적절한 수단에 의해서 배출된다. 이차 가스 스트림으로서 RGCS(4250)로부터 배출되는 연소 가능한 가스는 주 GCS 시스템(6200)으로 다시 보내져서 회수된 에너지를 완전히 사용한다.
합성가스 조절 시스템
GCS(6200)로부터의 세정 및 냉각된 합성가스는 다운스트림 가스 엔진(9260)으로 흐르는 합성가스가 일정한 가스 품질이 되게 설계된 합성가스 조절 시스템(SRS)(7200)으로 유입된다. SRS(7200)는 가스 구성(주로 이의 저발열량-LHV) 및 이의 압력에서의 단기 변화를 원활하게 하는 역할을 한다. 다운스트림 가스 엔진(9260)은 합성가스의 LHV 또는 압력에서의 단기 변화에도 계속 작동하여 전기를 생성시킬 것이지만, 불량한 연소 또는 불량한 연료 대 공기 비율로 인해서 이의 한계 방출 제한범위에서 벗어날 수 있다.
SRS(7200)는 칠러(7210), 가스/액체 분리기(7220) 및 균질화 챔버(HC)(7230)를 포함한다. 가스는 엔진 온도 요건에 부합하도록 가스 엔진(9260)에 유입되기 전에 가스 저장기의 출구상에서 가열된다.
두 가지 형태의 균질화 챔버(HC)가 이용될 수 있다: 고정 용적의 HC 및 가변 용적의 HC. 가변용적의 HC가 전형적으로는 흐름 및 압력 변동을 감소시키기에 더 유용하지만, 고정 용적의 HC가 LHV 변동을 감소시키기에 더 유용하다. LHV 변동이 MSW 원료의 특성으로 인해서 본 발명의 이용에서 더 중요하다. 고정된 용적의 HC는 또한 전형적으로는 그 구성 및 유지 면에서 가변 용적의 HC 보다 더 신뢰할 수 있다.
도 68은 이러한 실시에 사용된 균질화 챔버(HC)(7230)의 개략도이다. 이는 합성가스 흐름을 약 2분 동안 유지시키도록 설계된다. 이러한 유지 시간은 약 1% LHV 변동/30초의 LHV 변동 명세에 대한 가스 엔진 보장된 표준과 부합한다. 가스 분석기(8130)까지의 체류 시간은 전형적으로는 약 30초(분석 및 피드백 포함)이다. 최대 LHV 변동은 전형적으로는 약 10%이다. 따라서, 이를 평균내고 3% LHV 변동을 얻기 위해서, >1.5 분 저장이 요구된다. 2분 저장이 어떠한 한계로 허용된다.
HC(7230)는 2.2 내지 3.0psig의 범위에서 작동되어 다운스트림 가스 엔진(9260)의 연료 명세와 부합한다. 유출 가스 압력은 압력 제어 밸브를 사용함으로써 일정하게 유지된다. HC(7230)는 5psig의 최대 압력으로 설계되며, 릴리프 밸 브(relief valve)가 통상적이지 않은 과압 상황을 처리하도록 설치된다.
HC(7230)의 2 분 유지 시간은 압력 변동을 감소시키기에 충분한 저장을 제공한다. 본 발명의 설계의 경우, 가스 엔진(9260)에 대한 허용가능한 압력 변동은 0.145PSI/초이다. 가스 엔진(9260)의 다운스트림의 고장의 경우에, 버퍼(buffer)가 (제어 시스템 반응시간 및 30 내지 35초 가스 체류 시간에 따라서) 공정을 늦추고/거나 과다한 가스를 플래어링 위한 시간을 제공하도록 요구된다.
HC(7230)내로의 전형적인 합성가스 유속은 약 8400Nm3/hr이다. 따라서, 2분의 유지시간을 위해서는, HC 용적은 약 280m3이어야 한다.
HC(7230)은 고정되지 않으며 외부에 위치하고, 눈, 비 및 바람에 노출될 것이다. 따라서, HC (7230)의 치수는 기계적인 엔지니어링 요건과 부합하도록 설계된다. 이의 지지 구조물(7232)은 콘크리트 기초와 경계를 이루고 있다.
약간의 물이 합성가스로부터 응축되기 때문에, 바닥 배출 노즐이 HC(7230)의 설계에 포함된다. HC(7230)의 배출을 돕기 위해서, 이의 바닥은 평탄하지 않도록 설계되며 스커트가 있는 원뿔형 바닥으로 설계된다. 트레이싱된/단열된 배출 파이핑(Traced/insulated drain piping)이 사용되어 배출 플랜지를 형성시킨다. HC(7230)내의 물이 플로어 배출구로 중력 배출되어야 하기 때문에, HC(7230)은 약간 상승된 위치에 유지된다. HC(7230)는 하기 설계 요건과 부합하도록 설계된다.
정상/최대 유입 온도 35℃/40℃
정상/최대 작동 압력 1.2psig/3.0psig
정상/최대 가스 유입 유속 7000Nm3/hr/8400Nm3/hr
정상/최대 가스 유출 유속 7000Nm3/hr/8400Nm3/hr
상대 습도 60% 내지 100%
저장 용적 290m3
기계적인 설계 온도 -40℃ 내지 50℃
기계적인 설계 압력 5.0psig
HC(7230)에 사용되는 재료는 상기 기계적인 설계 요건 및 이하의 전형적인 가스 조성 둘 모두를 고려해야 한다. 물, HCl, 및 H2S의 존재에 기인한 부식이 특히 우려된다.
N2 47.09%
CO2 7.44%
H2S 20ppm
H2O 3.43%
CO 18.88%
H2 21.13%
CH4 0.03%
HCl 5ppm
하기 구멍이 HC(7230)에 제공된다:
접근을 위한 바닥 근처의 하나의 36" 맨홀(manhole);
릴리프를 위한 상부의 하나의 6" 플랜지;
가스 유입을 위한 쉘(shell)상의 하나의 16" 플랜지;
가스 유출을 위한 쉘(shell)상의 하나의 16" 플랜지;
쉘상의 6개의 1" 플랜지(압력을 위한 2개, 온도를 위한 1개 및 여분으로 3개);
HC의 바닥(배출)에 하나의 2" 플랜지; 및
레벨 스위치를 위한 바닥 콘(bottom cone)상의 하나의 1" 플랜지.
설계 요건을 충족시키는 것 외에, HC(7230)은 또한 이하 구성요소를 제공한다:
모든 여분 노즐을 위한 구멍, 맨홀 커버, 및 블라인드 플랜지(blind flange).
지붕 및 안전 밸브에 대한 안전한 접근을 위한 사다리(예, 레일과 함께).
요구된 운반고리 및 고정 볼트.
콘크리트 고리 벽.
요구되는 경우, HC(7230)의 내부 및 외부 코팅.
HC(7230)의 바닥의 단열 및 열 트레이싱(heat tracing).
지지를 위한 콘크리트 슬라브
가스 엔진(9260) 설계는 유입 가스가 특정된 상대 습도의 특정의 조성 범위인 것을 요한다. 따라서, H2S 스크러버(6270)를 빠져나오는 세정된 가스는 칠러(7210)를 사용함으로써 35℃에서 26℃로 서브-냉각된다. 따라서, 가스 스트림의 응축에 기인하여 형성되는 어떠한 물은 기체/액체 분리기(7220)에 의해서 제거된다. 이러한 구성은 합성가스가 가스 엔진(9260)에 전형적인 요건인 40℃로 재가열되는 경우 80%의 상대 습도를 지니게 한다.
가스 송풍기(6250)은 이하 명세와 같은 모든 장치 및 파이핑을 통해서 충분한 흡인을 제공함으로써 시스템으로부터 합성가스를 유출시키는데 사용된다. 송풍기 디자인은 양호한 엔지니어링 실행 및 모든 적용 가능한 지역 및 국가적 코드, 표준 및 OSHA 가이드라인에 주의해야 한다. 송풍기(6250)는 약 600볼트, 3상, 및 60Hz에서 작동한다.
가스 송풍기(6250)는 하기 기능적 요건에 부합되게 설계되었다.
정상 가스 유입 온도 35℃
정상 가스 흡인 압력 -1.0psig
정상 가스 유속 7200Nm3/hr
최대 가스 유속 9300Nm3/hr
최대 가스 흡인 온도 40℃
정상 배출 압력 3.0psig
정상 배출 온도(가스 냉각기 후에) <35℃
기계적인 설계 압력 5.0psig
송풍기 유닛에서의 가스의 상대 습도 100%
가스 분자량 23.3
냉각수 공급온도(생성물 가스 냉각기) 29.5℃
최대 허용 가능한 가스 배출 온도(생성물 가스 냉각기 후에) 40℃
턴다운 비(trun down ratio) 10%
배출된 전형적인 가스 조성(습윤 기준)은 다음과 같다:
CH4 0.03%
CO 18.4%
CO2 7.38%
H2 20.59%
정상/최대 H2S 354/666ppm
H2O 5.74%
정상/최대 HCl 5ppm/100ppm
N2 47.85%
합성가스는 연소 가능하며 공기에 의한 폭발성 혼합물을 생성시키기 때문에, 송풍기(6250)은 대기로부터의 공기 유입이 없거나 최소가 되게 및 대기로의 가스 누출이 없거나 최소가 되게 구성된다. 모든 작동 유체, 즉, 밀봉 퍼지가 질소에 의해서 수행되고 무누출(leak-free) 샤프트 밀봉이 이용된다. 진보된 누출 검출 시스템이 사용되어 양 방향중 어느 방향으로의 누출을 모니터링한다.
상기된 설계 기준에 추가로, 송풍기(6250)은 또한 하기 구성요소를 제공한다:
무누출 송풍기 샤프트 밀봉을 동반한 방폭 모터(explosion proof motor).
가스 냉각기(6252).
1m에서 80dBA의 노이즈 조절과 부합되게 하는 음향 박스를 지닌 방음기(silencer).
송풍기 및 모터를 위한 공통의 베이스 플레이트(base plate).
모터를 지닌 보조 오일 펌프, 및 송풍기 보조 시스템을 위한 모든 요구된 기계.
모든 계기 및 제어기(즉, 저압 및 고압 오일 스위치, 고배출 압력 및 온도 스위치, 시차 온도 및 압력 스위치). 모든 스위치는 CSA 승인된 배출 압력 게이지, 배출온도 게이지, 오일 압력 및 온도 게이지이다. 모든 계기는 공통의 방폭 연결 박스에 와이어링되고, VFD는 송풍기의 업스트림에 설치된 압력 전송기에 의해서 제어된다.
제로 누출 배출 체크 밸브.
과다한 압력/진공/차단 배출(예, PRV와 재순환 라인과 같은 시스템)을 방지하기 위한 장치 안전 시스템.
가스 송풍기(6250)는 빌딩의 외부에 위치하여 비, 눈 및 바람에 노출된다. 가스 송풍기(6250)은 다음 환경 조건에 견디도록 구성된다.
평균 수평선 위의 고도 - 80 m
위도 - 45°24' N
경도 - 75°40' W
평균 대기압 - 14.5 psia
최대 여름철 건구 온도 - 38℃
설계 여름철 건구 온도 - 35℃
설계 여름철 습구 온도 - 29.4℃
최대 겨울철 건구 온도 - 36.11℃
평균 풍속 - 12.8 ft/sec
최대 풍속 - 123 ft/sec
설계 풍속 - 100 mph/ 160 kph
우세한 풍향 - 남풍 및 서풍
지진 정보(Seismic Information) - 존 3(Zone 3)
송풍기(6250)는 폭발성 가스가 존재하는 환경에서 작동하기 때문에, 합성가스 파이프상에 또는 약 2 미터 거리내의 모든 계기 및 전자 장치는 클래스 1, 존 2의 분류(Class 1, zone 2)로 설계된다.
신뢰성을 보장하기 위해서, 검사 및 유지를 위한 적절한 접근이 이루어져서 결함부를 신속하게 분리해내고 교정하게 한다. 송풍기(6250)는 연속적으로 작동될 수 있지만(24/7), 공정 안정화가 고려되는 동안 빈번한 출발/정지 작동이 더욱 일반적이다.
구성 재료는 설계 조건 및 가스 조성을 기초로 하여 선택된다. 예를 들어, 전기 회로판, 접속기 및 외부 부품은 코팅되거나 달리 보호되어 오염, 수분 및 화학물질에 의한 잠재적인 문제를 최소로 한다. 제어 판넬 및 스위치는 작업용 장갑 을 낀 사람에 의해서 작동되도록 설계된 강한 구성이다.
일반적으로, 10% 내지 100% 흐름 범위의 변속 구동(variable speed drive: VSD)이 모터 제어를 위해서 이용된다. 과전압 및 과부하 보호가 포함된다. 모터 상태, 온/오프 작동 및 속도 변화가 모니터링되며 분산제어시스템(distributed control system: DCS)을 통해서 원격 제어된다.
조절된 가스가 HC(7230)를 빠져나오면, 엔진 요건에 맞게 가열되고 가스 엔진(9260)으로 유도된다.
가스 엔진
각각 1 MW 용량을 지닌 5 개의 왕복 GE 옌바허(GE Jenbacher) 가스 엔진(9260)을 사용하여 전기를 생산한다. 전체 발전 용량은 5 MW이다. 임의로, 가스 엔진(9260)중 어느 엔진은 전체 요건에 따라서 정지될 수 있다. 가스 엔진(9260)은 낮거나 중간 발열량의 합성가스를 고효율 및 적은 방출물로 연소시킬 수 있다. 그러나, 상대적으로 낮은 가스 발열량(천연 가스와 같은 연료에 비해서)으로 인해서, 가스 엔진(9260)은 이들의 가장 효율적인 작동점에서 700kW 정도로 작동되도록 출력이 저하된다.
플래어 스택(Flare Stack)
밀폐형 플래어 스택을 이용하여 시작, 중지 및 공정 안정화 단계 동안 합성가스를 연소시킬 것이다. 공정이 안정화되면, 플래어 스택(9299)은 비상시에만 사용될 것이다. 플래어 스택(9299)은 약 99.99%의 파괴 효율이 달성되도록 설계된다.
제어 시스템
본 발명의 실시에서, 본 실시예의 가스화 시스템(120)은 실행되는 가스화 공정을 제어하기 위한 일체형 제어 시스템을 포함하며, 이는 다양한 독립 및 상호작용 지역(local), 구역(regional) 및 전체 공정을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 요구된 프론트 엔드(front end) 및/또는 백 엔드(back end) 결과를 위한 다양한 공정을 향상시키고, 가능하게는 최적화시키도록 구성될 수 있다.
프론트-투-백 제어(front-to-back) 설계는, 예를 들어, MSW의 가스화를 위해서 구성된 시스템에서의 공급원료의 일정한 처리를 용이하게 하면서 그러한 형태의 시스템에 대한 규제적 표준과 부합되게 함을 포함할 수 있다. 그러한 프론트-투-백 제어 설계는 시스템이, 예를 들어, 공정의 시작 또는 중지시에, 더 큰 제어 시스템의 서브셋 또는 간소화된 버젼의 일부로서 특별히 설계되고/거나 실행되거나 설계되는 주어진 결과를 달성하도록 최적화되거나, 다양한 비정상 또는 비상 상황을 경감시키도록 최적화될 수 있다.
백-투-프론트 제어 설계는 선택된 다운스트림 적용에 특성 또는 생성물 가스 품질의 최적화, 즉, 다운스트림 가스 엔진(9260)을 통한 전기의 생성을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 그러한 백-엔드 결과를 최적화시키도록 구성되면서, 규제적 표준이 적용되는 경우, 프론트-엔드 특성의 모니터링 및 조절이 그러한 규제적 표준에 따라서 시스템의 적절한 및 연속적인 기능을 위해서 제공될 수 있다. 제어 시스템은 또한 프론트-엔드 및 백-엔드 결과의 조합으로서, 또는 시스템(120)내의 어떠한 지점으로부터 흐르는 결과로서 최상으로 규정될 수 있는 우수한 결과를 제 공하도록 구성될 수 있다.
이러한 실시에서, 제어 시스템은 가스화 공정의 시작시에 프론트-투-백 제어 시스템으로서 작동하고, 이어서, 초기 시작시의 혼란이 충분히 감소되는 경우에 백-투-프론트 제어 시스템으로 진행하도록 설계된다. 이러한 특정의 예에서, 제어 시스템은 공급원료를 선택된 다운스트림 적용에 적합한 가스, 즉, 전기를 생산하는 가스 엔진(9260)에 의한 소모에 적합한 가스로 전환시키기 위해서 가스화 시스템(120)을 제어하는데 사용된다. 일반적으로, 제어 시스템은 시스템(120)의 다양한 특성을 감지하는 하나 이상의 감지 엘리먼트, 다운스트림 적용에 적합한 특성값의 소정의 범위내에 감지된 특성을 대표하는 그러한 값을 유지시키는 것을 돕는 하나 이상의 공정 제어 파라미터를 연산하는 하나 이상의 연산 플랫폼, 및 이들 파라미터에 따라서 가스화 시스템(120)의 공정 디바이스를 작동시키는 하나 이상의 반응 엘리먼트를 포함한다.
예를 들어, 하나 이상의 감지 엘리먼트는 공정중의 다양한 지점에서 합성가스의 특성을 감지하도록 가스화 시스템(120) 전체에 분포될 수 있다. 이들 감지 엘리먼트에 통신 가능하게 연결된 하나 이상의 연산 플랫폼은 감지된 특성을 대표하는 특성값에 접근하고, 선택된 다운스트림 적용에 적합한 생성물 가스를 특성화시키도록 규정된 값의 소정의 범위와 그러한 특성값을 비교하고, 특성값을 그러한 소정의 범위내에 유지시키는 것을 돕는 하나 이상의 공정 제어 파라미터를 연산하도록 구성될 수 있다. 공정에 영향을 주고 그리하여 생성물 가스의 하나 이상의 특성을 조절하도록 작동할 수 있는 가스화 시스템의 하나 이상의 공정 디바이스에 작동 가능하게 연결된 다수의 반응 엘리먼트가 하나 이상의 연산된 공정 제어 파라미터에 접근하는 하나 이상의 연산 플랫폼에 통신 가능하게 연결되고, 그에 따라서 하나 이상의 공정 디바이스를 작동시키도록 구성될 수 있다.
제어 시스템은 또한 시작, 중지, 및/또는 비상 과정의 일부로서 향상된 프론트-엔드 결과, 예를 들어, 향상되거나 일정한 유입 공급원료의 소모 및 전환율을 제공하도록 구성되거나, 프론트-엔드 이익과 백-엔드 이익 사이의 소정의 균형이 이루어지게, 예를 들어, 선택된 다운스트림 적용에 적합한 생성물 가스를 생성하도록 공급원료를 전환시키면서 전환기를 통한 공급원료의 출력을 최대로 할 수 있는, 가스화 시스템(120)의 공정을 실행하도록 구성될 수 있다. 대안적인 또는 추가의 시스템 향상은, 이로 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 시스템의 에너지 충격을 최소로 하고 그리하여 선택된 다운스트림 적용을 통한 에너지 생산을 최대로 하거나, 추가의 또는 대안적인 다운스트림 생성물, 예컨대, 소모 가능한 생성물 가스(들), 화합물, 및 잔류물 등의 생산을 양호하게 하기 위해서 시스템 에너지 소모를 최적으로 하는 것을 포함한다.
고-레벨 공정 제어 개략도가 본 실시예를 위해서 도 69에 제공되고 있으며, 여기서, 제어되는 공정은 상기된 가스화 시스템(120)에 의해서 제공된다. 도 70은 예시적인 특성 및 이와 연관된 감지 엘리먼트를 확인하는 도 69의 제어 시스템 및 시스템(120)의 대안적인 도면이다. 상기된 바와 같이, 시스템(120)은 하나 이상의 공급원료(예, MSW 및 플라스틱)를 합성가스 및 잔여 생성물로 전환시키는, 본 실시예에 따른 가스화기(2200) 및 GRS(3200)를 포함하는, 전환기(1200)를 포함한다. 시스템(120)은 추가로 합성가스로부터 열을 회수하고, 본 실시예에서, 이러한 회수된 열을 전환기(1200)에서 사용된 공기 유입 첨가제를 가열하는데 사용하는 것을 돕는 열교환기(5200) 및 잔류물 컨디셔닝 시스템(RCS)을 포함한다. 합성가스를 컨디셔닝(예, 냉각, 정화 및/또는 세정)하는 가스 컨디셔닝 시스템(GCS)(6200)이 또한 제공되고, 조절 시스템(7200)이 다운스트림 사용을 위해서 합성가스를 적어도 부분적으로 균질화시키는데 사용된다. 본원에 기재된 바와 같이, 잔류물은 전환기(1200) 및 GCS(6200) 둘 모두로부터의 RCS(4200)에 제공될 수 있으며, 이의 조합물이 컨디셔닝되어 추가의 컨디셔닝, 균질화 및 다운스트림 사용을 위한 전환기 합성가스와 조합되고 컨디셔닝되는 합성가스 및 고형 생성물(예, 유리화된 슬래그(4203))을 생성시킨다.
도 69 및 도 70에서, 다양한 감지 및 반응 엘리먼트가 도시되어 있으며, 시스템(120)을 위한 다양한 제어 레벨을 제공하도록 구성되어 있다. 상기된 바와 같이, 특정의 제어 엘리먼트가 지역 및/또는 구역 시스템 제어를 위해서 사용되어 공정 및/또는 이의 서브 시스템의 일부에 영향을 줄 수 있으며, 그에 의해서, 시스템의 전체 성능에 영향을 주지 않거나 거의 영향을 주지 않을 수 있다. 예를 들어, GCS(6200)는 다운스트림 사용을 위한 합성가스의 컨디셔닝 및 제조를 위해서 제공될 수 있지만, 이의 실행 및 그에 의해서 흡수된 변화는 시스템(120)의 일반적인 성능 및 출력 생산성에 거의 영향을 주지 않을 수 있다. 다른 한편으로, 특정의 제어 엘리먼트가 구역 및/또는 전체 시스템 제어를 위해서 사용되어 공정 및/또는 시스템(120) 전체에 실질적으로 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, MSW 조작 시스 템(9200) 및/또는 플라스틱 조작 수단(9250)을 통한 공급원료 유입의 변화가 생성물 가스에 대한 상당한 다운스트림 효과를 낼 수 있는데, 즉, 조성 및/또는 흐름에서의 변화에 영향을 줄 수 있을 뿐만 아니라, 전환기(1200)내의 지역 공정에 영향을 줄 수 있다. 유사하게, 전체적이든지 전환기(1200)의 상이한 부분에 대해서 별도로든지 첨가제 입력 속도의 변화는 합성가스에, 즉, 가스 조성 및 흐름에 상당한 다운스트림 효과를 줄 수 있다. 다른 제어된 작동, 예컨대, 전환기(1200)내의 반응물 전달 순서, 공기 흐름 분배 조절, 플라즈마 열원 파워의 변화 및 그 밖의 엘리먼트가 또한 생성물 가스의 특성에 영향을 줄 수 있으며, 그로 인해서, 그러한 특성에 대한 제어수단으로 사용될 수 있거나, 다운스트림 적용에 대한 이들의 충격을 감소시키는 다른 수단에 의해서 고려될 수 있다.
도 69 및 도 70에서, 다양한 감지 엘리먼트가 도시되어 있으며, 본 실시예에서, 가스화 공정의 지역, 구역 및 전체 특성을 제어하는데 사용된다. 예를 들어, 시스템(120)은 공정 전체에 걸친 다양한 위치에서 공정 온도를 감지하는 위한 다양한 온도 감지 엘리먼트를 포함한다. 도 69에서, 하나 이상의 온도 감지 엘리먼트가 플라즈마 열원(3208)과 관련하여, 및 RCS(4200)내의 잔류물 컨디셔닝 공정과 관련하여 전환기(1200)내의 온도 변화를 각각 검출하도록 제공되고 있다. 예를 들어, 독립적인 감지 엘리먼트(일반적으로는, 도 69의 온도 전송기 및 표시기 제어(8102)에 의해서 도시됨)가 가스화기(2200)의 스테이지 1, 2 및 3내에서 수행되는 공정과 연관된 온도 T1, T2 및 T3를 감지하도록 제공될 수 있다(예, 도 70 참조). 추가의 온도 감지 엘리먼트(8104)가 GRS(3200)의 재형성 공정과 연관된, 특 히, 플라즈마 열원(3208)의 입력 파워와 연관된 온도 T4(예, 도 70 참조)를 감지하는데 사용될 수 있다. 이러한 예에서, 온도 감지 엘리먼트(8106)는 또한 RCC(4220)내의 온도(예, 도 70의 온도 T5)를 감지하도록 제공되며, 여기서, 이러한 온도는 잔류물 컨디셔너 플라즈마 열원(4230)의 출력 파워와 적어도 부분적으로 연관된다. 다른 온도 감지 엘리먼트가 상이한 지역, 구역 및/또는 전체 공정에 관여하도록 전환기(1200) 다운스트림의 다양한 지점에 사용될 수 있다. 예를 들어, 온도 감지 엘리먼트가 열교환기(5200)과 함께 사용되어 충분한 열이 전달되게 하고 충분히 가열된 공기 첨가제가 전환기(1200)에 입력되게 할 수 있다. 온도 모니터가 또한 GCS(6200)과 연관되어 가스가 컨디셔닝되게하고, 그에 의해서, 예를 들어, 주어진 서브-공정에 너무 뜨겁지 않게 할 수 있다. 다른 그러한 예는 당업자에게는 자명할 것이다.
시스템(120)은 추가로 시스템(120) 전체에 걸쳐서 작동적으로 배치된 다양한 압력 감지 엘리먼트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 압력 감지 엘리먼트(도 69에서 압력 전송기 및 표시기 제어(8110)으로 도시됨)가 전환기(1200)(특히 GRS(3200)과 관련된 도 70의 예에서 도시됨)내의 압력을 감지하도록 제공되며, 전환기(1200)내의 전체 압력을 대기압 미만으로 유지시키도록 속도 표시기 제어, 가변 주파수 구동(variable frequency drive) 및 모터 어셈블리(8113)를 통해서 송풍기(6500)와 작동적으로 연관되어 있고; 이러한 특정의 예에서, 한 가지 구체예로, 전환기(1200)내의 압력은 약 20Hz의 주파수에서 연속적으로 모니터링되고 그에 따라서 조절된다. 또 다른 구체예에서, 송풍기는 작동 요건에 따라서 약 20Hz 또는 그 이 상의 주파수에 유지되고; 송풍기 속도가 20Hz 미만으로 요구되는 경우, 보조 밸브가 일시적으로 사용될 수 있다. 압력 감지 엘리먼트(8112)가 또한 RCC(4220)과 작동 연관적으로 제공되고, RCC(4220)로부터 GCS(6200)에 이르는 제어 밸브 유도 잔류물 컨디셔너 가스에 작동적으로 연결된다. 압력 감지 엘리먼트(8116)는 열교환기(5200)에 대한 입력 공기압을 모니터링하도록 제공되고, 속도 표시기 제어, 가변 주파수 구동 및 모터 어셈블리(8120)를 통해서 압력을 조절하기 위한 송풍기에 작동적으로 연결된다. 압력 제어 밸브(8115)가 이차 제어수단으로 제공되어서, 합성가스 송풍기 속도(6250)가 송풍기의 최소 작동 주파수 미만으로 떨어지는 경우 시스템내의 압력을 오버라이딩(overriding)하고 조절한다.
또 다른 압력 감지 엘리먼트(8114)가 추가로 합성가스 조절 시스템(SRS)(7200)에 제공되며, 예를 들어, 시작 및/또는 비상 작동 동안의 과도한 압력에 기인한 플래어 스택(9299)을 통한 합성가스의 제어된 및/또는 비상 방출을 위한 제어 밸브에 작동적으로 연결된다. 이러한 압력 감지 엘리먼트(8114)는 추가로 흐름 전송기 및 제어 표시기(8124)를 통해서 제어 밸브(8122)에 작동적으로 연결되어서, 예를 들어, 불충분한 합성가스가 SRS(7200)에 제공되는 경우에 전환기(1200)에 공정 첨가제 입력 흐름을 증가시켜서 전환 가스 엔진(9260)의 연속적인 작동을 유지시킨다. 이러한 구성은 특히 제어 시스템이, 이하 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 백-투-프론트 제어 설계에 따라서 작동되는 경우에 관련되어 있다. 도 70에서, 공기 흐름 감지 엘리먼트(8124) 및 제어 밸브(8122)가 사용되어 각각의 흐름 F1, F2 및 F3에 의해서 도시된 가스화기(2200)의 스테이지 1, 2 및 3에 대한 첨가 제 공기 흐름, 및 흐름 F4에 의해서 도시된 GRS(3200)에 대한 첨가제 공기 흐름을 조절하며, 여기서, 상대적인 흐름이 공정 스테이지 각각에서 미리 설정된 온도 범위를 실질적으로 유지하도록 규정된 미리 설정된 비율에 따라서 설정됨을 주지해야 한다. 한다. 예를 들어, 약 36:18:6:40의 비율 F1:F2:F3:F4가 이용되어 상대적인 온도 T1, T2 및 T3을 각각 약 300 내지 600℃, 500 내지 900℃ 및 600 내지 1000℃의 범위내에 유지시키거나, 임의로 각각 약 500 내지 600℃, 700 내지 800℃ 및 800 내지 900℃의 범위내로 유지되며, 특히, 이하 설명된 바와 같이, 증가된 용적에 기인한 증가된 연소를 위해서 상쇄되도록 하기 위한 추가의 공급원료 입력시에, 그러한 범위내로 유지될 수 있다.
시스템(120)은 또한 시스템 (120) 전체에 작동적으로 배치된 다양한 흐름 감지 엘리먼트를 포함한다. 예를 들어, 상기된 바와 같이, 흐름 감지 엘리먼트(8124)는 전환기(1200)에 대한 공기 첨가제 입력과 연관되어 있으며, 예를 들어, 감지 엘리먼트(8114)를 통한 SRS(7200) 내의 검출된 압력 강하에 대한 응답으로, 그러한 흐름을 조절하는 제어 밸브(8122)에 작동적으로 연결되어 있다. 흐름 감지 엘리먼트(8126)는 또한 SRS(7200)에 대한 합성 가스 흐름을 검출하도록 제공되며, 그로부터 유도된 값은 흐름의 증가에 대한 신속한 반응으로 공기 첨가제 입력 속도를 조절하고, 예를 들어, 현재 규정된 연료 대 공기 비(예, 현재 이용되는 (MSW+플라스틱):(전체 첨가제 공기 입력) 비)에 따라서, 더 장시간의 안정화를 위한 각각 MSW 및/또는 플라스틱 공급 메카니즘(9200) 및 (9250)을 통해서 공급원료 입력 속도를 조절하는데 사용되고; 이는 또한 시스템이 이하 설명된 바와 같이 백-투-프론 트 제어 설계에 따라서 작동되는 경우에 특히 유용하다. 이러한 실시예에서, 공기 대 연료비는 일반적으로 약 0 내지 4kg/kg으로 유지되며, 정상 작동 동안에는 약 1.5kg/kg이다. 흐름 감지 엘리먼트(8128)가, 이하 기재된 바와 같이, 예를 들어, 시작, 비상 및/또는 프론트-투-백 제어 작동 동안에 플래어 스택(9299)에 대한 과도한 가스의 흐름을 모니터링 하도록 제공될 수 있다.
도 69 및 도 70은 또한 합성가스가 SRS(7200)에 도달함에 따라 합성가스의 조성을 분석하는 가스 분석기(8130)을 도시하고 있으며, 제어 시스템은 합성가스 연료 가치 및 탄소 함량을 측정하기 위해서 이러한 가스 조성 분석을 이용하고, 연료 대 공기 비 및 MSW 대 플라스틱 비를 각각 조절하고, 그에 의해서 MSW 및 플라스틱의 각각의 입력 속도를 조절하는데 기여하도록 구성된다. 다시 설명하면, 이러한 특성은 이하 자세히 설명된 제어 시스템의 백-투-프론트 제어 설계에 특히 유용하다.
상기 설명되었지만 도 69 및 도 70에서는 도시되지 않은 가스화기(2200)의 예시적인 구체예를 참조하면, 다양한 위치, 즉, 단계 1, 2 및 3, 즉, (2212), (2214) 및 (2216)에서 가스화기(2200)내의 반응물의 높이를 검출하도록 구성된 다양한 감지 엘리먼트를 포함한다. 이들 감지 엘리먼트는 횡 전달 수단, 예컨대, 캐리어 램(carrier ram)(2228), (2230) 및 (2232)의 운동을 제어하여 가스화기(2200)내의 효과적인 처리를 향상시키는데 사용될 수 있다. 그러한 예에서, 캐리어 램 시퀀스 제어기가 실질적인 공급원료 입력 속도의 연산에 영향을 줄 것이며, 그 이유는 요구된 공급원료 입력 속도에서의 변화가 캐리어 램 시퀀스 제어기와 소통되 어야 할 것이기 때문이다. 즉, 캐리어 램 시퀀스 제어기는 공급원료 입력 속도를 조절하는데 사용될 수 있으며, 캐리어 램 시퀀스 제어기와 소통관계에 있는 제어 시스템은 다운스트림 공정에서의 캐리어 램 시퀀스(예, 다양한 검출된 반응물 분포에 기인하여 유발된 문제를 처리)의 변화에 의해서 유도된 변화를 상쇄시키는데 사용될 수 있다.
도 71은 다양한 감지된 특성값, 본 실시예에서의 제어 시스템에 의해서 사용된 제어기(예, 반응 엘리먼트) 및 작동 파라미터, 및 그 사이에서 공급원료의 적절한 및 효율적인 처리를 촉진하는 것을 돕는 상호작용을 도시하고 있는 제어 흐름도이다. 이러한 도면에서:
전환기 고형물 레벨 검출 모듈(8250)은 전달 유닛(들)(8254)의 이동을 제어하도록 구성된 전달 유닛 제어기(8252)를 협동적으로 제어하고, 전체 MSW+HCF 공급 속도(8256)를 협동적으로 제어하게 구성되며;
합성가스(생성물 가스) 탄소 함량 검출 모듈(8258)(예, 가스 분석기(8130)으로부터 유도됨)은 각각의 MSW 및 HCF 공급속도 (8264) 및 (8266)를 제어하는 MSW/HCF 스플리터(splitter)(8262)를 협동적으로 제어하도록 구성된 MSW:HCF 비 제어기(8260)에 작동적으로 결합되고;
합성가스(생성물 가스) 연료 가치 측정 모듈(8268)(예, LHV=c1*[H2]+c2*[CO], 여기서, c1 및 c2는 상수이며, [H2] 및 [CO]는 합성가스 분석기(8130)로부터 얻는다)은 MSW/HCF 스플리터(8262) 및 전달 유닛 제어기(8252)에 유도된 전체 MSW+HCF 공급 속도(8256)를 협동적으로 제어하는 연료:공기 비 제어기(8270)에 작동적으로 결합되며;
합성가스 흐름 검출 모듈(8272)는 전체 공기 흐름(8276)을 조절하고 전체 MSW+HCF 공급 속도(8256)를 협동적으로 제어하는 전체 공기 흐름 제어기(8274)에 작동적으로 결합되고;
공정 온도 검출 모듈(8278)은 공기 흐름 분배(8282)(예, 도 28의 F1, F2, F3 및 F4) 및 플라즈마 가열(8284)(예, PHS(1002)를 통해)을 제어하는 온도 제어기(들)(8280)에 작동적으로 결합되어 있다.
이러한 구성에서, 다운스트림 적용에 적절한 범위내, 또는 에너지 효율 및/또는 생성물 가스 소모를 증가시키는 것을 돕는 범위내의 합성가스 조성을 얻기 위한 시스템(120)내로 유입되는 공기 첨가제의 양을 측정하기 위해서, 제어 시스템은 LHV(예, 합성가스의 [H2] 및 [CO]의 분석으로부터)에 대한 획득된 특성값을 기초로 제어 파라미터를 연산하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 온도 및 압력 상수를 설정함으로써 또는 소정의 설정점에서, 전체 시스템 파라미터는 실험적으로 규정되어 공기 입력 파라미터가 하기 식의 선형 연산을 이용함으로서 충분한 정확도로 산정될 수 있게 할 수 있다:
[LHV] = a[공기]
여기서, a는 특정의 시스템 디자인 및 요구된 출력 특성을 위한 실험 상수이다. 이러한 방법을 이용하면, 본 실시예의 시스템(120)이 공정 효율 및 일관성을 최적으로 하면서 규제적 표준과 부합되게 효율적으로 및 연속적으로 작동할 수 있음이 입증되었다.
도 72는 다양한 감지된 특성값, 제어 시스템(8000)의 약간 개조된 구성에 의해서 사용될 수 있는 제어기(예, 반응 엘리먼트) 및 작동 파라미터, 및 그 사이에서 공급원료의 적절한 및 효율적인 처리를 촉진하는 것을 돕는 상호작용을 도시하고 있는 대안적인 제어 흐름도이다. 이러한 도면에서:
전환기 고형물 레벨 검출 모듈(8350)은 전달 유닛(들)(8354)의 운동을 제어하도록 구성된 전달 유닛 제어기(8352)를 협동적으로 제어하고, 전체 MSW+HCF 공급 속도(8356)를 협동적으로 제어하게 구성되며;
합성가스(생성물 가스) 탄소 함량 검출 모듈(8358)(예, 가스 분석기(8130)으로부터 유도됨)은 각각의 MSW 및 HCF 공급속도 (8364) 및 (8366)를 제어하는 MSW/HCF 스플리터(splitter)(8362)를 협동적으로 제어하도록 구성된 MSW:HCF 비 제어기(8360)에 작동적으로 결합되고;
합성가스(생성물 가스) [H2] 함량 측정 모듈(8367)(예, 합성가스 분석기(8130)로부터 얻음)은 전달 유닛 제어기(8352), MSW/HCF 스플리터(8362), 스팀 흐름 계산(8390) 및 전체 공기 흐름(8376)를 협동적으로 조절하는 전체 MSW+HCF 공급 속도(8356)를 협동적으로 제어하는 연료:공기 비 제어기(8370)에 작동적으로 결합되며;
합성가스(생성물 가스) [CO] 함량 측정 모듈(8369)(예, 합성가스 분석 기(8130)로부터 얻음)은 스팀 첨가 속도(8392)를 제어하는 스팀 흐름 계산(8390)을 협동적으로 제어하는 연료:스팀 비 제어기(8371)에 작동적으로 결합되고(주의: 스팀 추가 입력 메카니즘은 전환기(1000)(도 69 및 도 70에는 도시되지 않음)에 작동적으로 결합될 수 있고, 공기 추가를 수행하고 합성가스의 화학적 조성을 정확하게 하는데 관여하도록 제공된다);
합성가스 흐름 검출 모듈(8372)는 전체 공기 흐름(8376)을 협동적으로 조절하고 전체 MSW+HCF 공급 속도(8356)를 협동적으로 제어하는 전체 공기 흐름 제어기(8374)에 작동적으로 결합되고;
공정 온도 검출 모듈(8378)은 공기 흐름 분배(8382) 및 플라즈마 가열(8384)을 제어하는 온도 제어기(8380)에 작동적으로 결합되어 있다.
이러한 구성에서, 다운스트림 적용에 적절한 범위내, 또는 에너지 효율 및/또는 생성물 가스 소모를 증가시키는 것을 돕는 범위내의 합성가스 조성을 얻기 위한 시스템(120)내로 유입되는 공기 첨가제 및 스팀 첨가제의 양을 측정하기 위해서, 제어 시스템은 [H2] 및 [CO]에 대한 획득된 특성값을 기초로 제어 파라미터를 연산하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 온도 및 압력 상수를 설정함으로써 또는 요구된 설정점에서, 전체 시스템 파라미터는 실험적으로 규정되어 공기 및 스팀 입력 파라미터가 하기 식의 선형 연산을 이용함으로서 충분한 정확도로 산정될 수 있게 할 수 있다:
Figure 112008084070911-pct00002
여기서, a, b, c 및 d는 특정의 시스템 디자인 및 요구된 출력 특성을 위한 실험 상수이다. 당업자라면 선형 시스템으로 간단히 기재되었지만, 상기된 예가 추가의 특성값을 포함하고, 그에 의해서 추가의 제어 파라미터의 선형 연산을 제공하도록 확장될 수 있다는 것을 인지할 수 있을 것이다. 더 높은 차수 연산이 또한 더 엄격한 다운스트림 적용을 위해서 공정 변동을 추가로 제한하도록 요구되는 제어 파라미터의 연산을 정확하게 하도록 고려될 수 있다. 그러나, 상기와 같은 구성을 이용하면, 본 실시예의 시스템(120)이 공정 효율 및 일관성을 최적으로 하면서 규제적 표준과 부합되게 효율적으로 및 연속적으로 작동할 수 있음이 입증되었다.
제어 시스템의 다양한 제어기는 일반적으로는 절대값(예, 전체 공기 흐름) 및 상대값(예, 공급물 대 공기 비) 둘 모두를 포함하는 이들 각각의 값을 조절하도록 동시에 작동될 수 있지만, 일부 또는 모든 제어기가 순차적으로 작동하는 것이 가능하다는 것을 인지할 수 있을 것이다.
상기된 바와 같이, 프론트-투-백 (또는 서플라이-기반(supply-driven)) 제어 방법이 시스템(120)의 시작 작동 동안 본 실시예에 사용되며, 여기서, 시스템은 전환기(1200)가 고정된 MSW 공급 속도로 가동되는 시스템이다. 이러한 제어 설계를 이용함으로써, 가스화 시스템(120)은 공정 변화가 다운스트림 장치, 예컨대, 가스 엔진(9260) 및 플래어 스택(9299)에 의해서 흡수되게 한다. 과다한 합성가스의 작은 버퍼가 생성되며, 그러므로, 작은 연속적 플래어가 이용된다. 이러한 정상적인 양을 넘는 어떠한 여분의 합성가스 생성물이 플래어로 보내져서 플래어된 양을 증가시킬 수 있다. 합성가스 생성에서의 어떠한 결함은 먼저 버퍼를 소모하고, 결국은 발전기 파워 출력이 감소되게 하거나(발전기가 조절 가능한 파워 설정점을 통해서 50 내지 100% 파워 출력으로 작동될 수 있다), 이하 기재되는 바와 같이, 추가의 시스템 조절이 제어 시스템에 의해서 실행되게 할 수 있다. 이러한 제어 설계는 특히 시작 및 작동 단계에 적합하다.
이러한 프론트-투-백 제어 설계의 주된 공정 제어 목적은 HC(7230)에서의 압력을 안정화시키고, 생성되는 합성 가스의 조성을 안정화시키고, 가스화 챔버(2202)에서의 재료의 파일 높이(pile height)를 제어하고, 가스화 챔버(2202)에서의 온도를 안정화시키고, 재구성 챔버(3202)에서의 온도를 제어하고, 전환기 공정 압력을 제어함을 포함한다. GE/예바허 가스 엔진(9260)을 사용하는 경우, 생성물 가스의 최소 압력은 약 150mbar(2.18psig)이며, 최대 압력은 약 200mbar (2.90 psig)이고, 연료 가스 압력의 허용된 변동은 약 +/- 10%(+/- 17.5mbar, +/-0.25psig)이면서 생성물 가스 압력 변동의 최대 속도는 약 10mbar/s(0.145psi/s)이다. 가스 엔진(9260)은 공급 압력에서의 약간의 교란을 처리할 수 있는 유입구 조절기를 지니며, 파이핑에서의 유지 및 HC가 이러한 변화를 다소 약화시키는 작용을 한다. 그러나, 제어 시스템은 적합한 압력 레벨을 유지시키기 위해서 작동하는 신속한 작동 제어 루프를 여전히 이용한다. 상기된 바와 같이, 이러한 제어 설계에 서의 전환기(1200)은 충분한 MSW 공급 속도로 가동하여 연속적으로 플래어링(flaring)되는 과다한 합성가스 생산의 작은 버퍼를 생성시킨다. 따라서, HC(7230) 압력 제어는 간단한 압력 제어 루프가 되고, 여기서, HC (7230)으로부터 플래어 스택(9299)까지의 라인중의 압력 제어 밸브는 HC 압력을 적합한 범위내로 유지시키는데 요구되는 대로 조절된다.
제어 시스템은 일반적으로는 생성되는 합성가스의 조성을 안정화시키도록 작용한다. 가스 엔진(9260)은 변화의 속도가 과도하지 않음을 조건으로 하여 광범위한 범위의 연료 가치에 걸쳐서 작동할 수 있다. 본 실시예에서 관련된 저위 발열량(Lower Heating Value: LHV)에 대한 변화의 허용 가능한 속도는 30초 당 합성가스 LHV에서의 1% 미만의 변동이다. 수소 기재 연료의 경우, 연료 가스는 그 자체로 15% 수소만큼 적은 것으로 충분하고, LHV는 50btu/scf(1.86MJ/Nm3)만큼 낮을 수 있다. 시스템 용적 및 HC(7230)은 약 2분의 합성가스 생성을 제공함으로써 LHV의 변화 속도를 안정화시키는데 보조한다.
이러한 제어 설계에서, 생성물 가스 조성은 HC(7230)의 유입구 또는 그 인접부에 설치된 가스 분석기(8130)에 의해서 측정될 수 있다. 이러한 측정에 근거하여, 제어 시스템은 가스 연료 가치를 안정화시키기 위해서 연료-대-공기 비(즉, 공기 첨가제 입력 공기에 상대적인 약간의 증가/감소 MSW 공급 속도)를 조절할 수 있다. 공기 첨가에 상대적인 MSW 또는 플라스틱 공급중 하나를 증가시키면 가스의 연료 가치가 증가한다. 그러나, 이러한 제어 작용은 시스템(120)의 전체 실행에 따라서 비교적 긴 반응 시간이 소요되고, 그로 인해서, 단시간 변화에 대한 반응 보다는 장시간 드리프트(drift)를 방지하도록 조정될 수 있다는 것을 인지할 수 있을 것이다.
플라스틱 공급물은 그 자체로 훨씬 풍부한 연료 공급원(예, MSW의 LHV의 약 두 배의 LHV)이지만, 전형적으로는 MSW와 함께 약 1:20(0 내지 14%)의 비로 첨가되고, 그로 인해서, 본 실시예에 따르면, 시스템에 첨가되는 연료 면에서 우세한 역할을 하지 않는다. 너무 많은 플라스틱을 시스템(120)에 첨가하는 것은 경제적이지 않을 수 있기 때문에, 플라스틱 공급물은 주요 제어수단으로서 보다는 트림(trim)으로서 사용될 수 있다. 일반적으로 플라스틱 공급물은, 가스 분석기(8130)로 측정하는 경우, 합성가스중의 시스템(120)을 빠져나가는 전체 탄소를 안정화시키도록 임의로 조절된 비율로 전체 공급물에 대해서 비율이 정해진다. 따라서, 이러한 구성은 MSW 연료 가치에서의 변동을 약화시키도록 영향을 줄 수 있다.
또한, 반응물 파일(pile) 레벨 제어 시스템은 전환기(1200)내의 안정한 파일 높이를 유지시키는 것을 보조하도록 사용될 수 있다. 안정한 레벨 제어는 낮은 레벨로 발생할 수 있는 공정 공기 주입으로부터의 재료의 유동화를 방지할 수 있으며, 높은 레벨로 발생할 수 있는 제한된 공기흐름에 기인한 파일 전체의 불량한 온도 분포를 방지할 수 있다. 안정한 레벨을 유지시키면 일정한 전환기 체류시간을 유지시키는데 도움을 줄 수 있다. 가스화 챔버(2202)내에 일련의 레벨 수위치가 사용되어 파일 깊이를 측정할 수 있다. 본 실시예에서의 레벨 스위치는, 이로 한정되는 것은 아니지만, 전환기의 한면상의 방사기(emitter)와 다른 면상의 수신기 를 지닌 마이크로파 디바이스를 포함하며, 이는 전환기(1200)내부의 어떠한 지점에서의 재료의 존재 또는 부재를 검출한다. 가스화기(2200)에서의 재고량은 일반적으로 공급물 속도 및 캐리어 램 운동(예, 캐리어 램 운동)의 함수, 및 좀 덜한 정도로 전환 효율의 함수이다.
본 실시예에서, 스테이지 3 캐리어 램(들)은 고정된 스트로크 길이 및 주파수에서 운동하여 가스화기(2200)로부터 잔류물을 배출시킴으로써 전환기 출력을 설정한다. 스테이지 2 캐리어 램(들)은 필요한 만큼 멀리 따르고 운동하여 재료를 스테이지 3으로 밀고 스테이지 3 스타트-오브-스테이지(start-of-stage) 레벨 스위치 상태를 "풀(full)"로 변화시킨다. 스테이지 1 캐리어 램(들)은 필요한 만큼 멀리 따르고 운동하여 재료를 스테이지 2내로 밀고 스테이지 2 스타트-오브-스테이지(start-of-stage) 레벨 스위치 상태를 "풀(full)"로 변화시킨다. 모든 캐리어 램은 이어서 동시에 회수되고, 전체 시퀀스가 반복되기 전에 계획된 지연이 실행된다. 추가의 구성이 연속된 스트로크 길이에서의 변화를 레벨 스위치에 의해서 발생되는 길이보다 짧게 제한하여 과도한 캐리어 램-유도된 혼란을 피하는데 이용될 수 있다. 캐리어 램은 전환기 바닥에서의 과열상태를 방지하기 위해서 자주 이동될 수 있다. 또한, 각각의 스테이지 단부로의 전체 연장 캐리어 램 스트로크는 경우에 따라서는 스테이지의 단부 근처에서 재고 재료가 형성되고 응집되는 것을 방지하도록 프로그래밍될 수 있다. 당업자에게는, 다른 캐리어 램 시퀀스가 본 발명의 개시사항의 일반적인 범위 및 특성을 벗어나지 않으면서 본 발명에서 고려될 수 있다는 것이 자명할 것이다.
전환 효율을 최적화시키기 위해서, 본 발명의 구체예에 따르면, 재료가 가능한 한 높은 온도에서 가능한 한 장시간 동안 유지된다. 상한 온도는 이용 가능한 표면적을 감소시키고 그로 인해서 전환효율을 저하시키며, 파일에서의 공기 흐름을 응집 덩어리 주위로 돌려서 온도 문제를 악화시키고 응집물의 형성을 가속시키며, 캐리어 램의 정상적인 작동을 방해하고, 잠재적으로는, 잔류물 제거 스크류(2209)의 재밍(jamming)으로 인한 시스템 정지를 유발시키는 재료의 용융 및 응집의 발생을 피하도록 설정된다. 파일 전체에 걸친 온도 분포는 이차 응집의 형성을 방지하도록 조절될 수 있으며; 본 경우에서는, 플라스틱이 재료의 나머지를 위한 결합제로서 용융되고 작용한다.
한 가지 구체예에서, 파일 내의 온도 제어는 공정 공기의 흐름을 주어진 스테이지(즉, 더 많거나 적은 연소)로 변화시킴으로써 달성된다. 예를 들어, 바닥 챔버내의 각각의 스테이지에 제공된 공정 공기 흐름은 각각의 스테이지내의 온도를 안정화시키기 위한 제어 시스템에 의해서 조정될 수 있다. 여분의 캐리어 램 스트로크를 이용한 온도 제어는 고온점을 파괴하도록 이용될 수 있다. 한 가지 구체예에서, 각각의 스테이지에서의 공기 흐름은 스테이지 사이의 실질적으로 일정한 온도 및 온도비를 유지하도록 미리 설정된다. 예를 들어, 전체 공기 흐름의 약 36%는 스테이지 1로 유도되고, 약 18%는 스테이지 2로, 및 약 6%는 스테이지 3으로 유도될 수 있으며, 나머지는 GRS(예, 전체 공기 흐름의 40%)로 유도된다. 대안적으로, 공기 입력 비는 가스화기(2200) 및/또는 GRS(3200)의 각각의 스테이지내에서 발생되는 온도 및 공정을 조절하도록 역학적으로 변화될 수 있다.
플라즈마 열원 파워(예, 플라즈마 토치 파워)가 또한 약 1000℃의 설계 설정점에서 GRS(3200)의 출구 온도(예, 재구성 챔버 출력)를 안정화시키도록 조절될 수 있다. 이러한 구성은 가스화 챔버(2202)에서 형성된 타르 및 검댕이 완전히 분해되게 하는데 이용될 수 있다. 재구성 챔버(3202)내로의 공정 공기의 첨가는 또한 합성가스의 연소에 의한 가열 에너지를 방출시킴으로써 열 부하의 일부를 지닐 수 있다. 따라서, 제어 시스템은 공정 공기의 흐름 속도를 조절하여 토치 파워를 양호한 작동 범위에 유지시키도록 구성될 수 있다.
또한, 전환기 압력은, 도 69의 구체예에서, 균질화 서브시스템 입력부 근처에 도시된 합성가스 송풍기의 (6250) 속도를 조절함으로써 안정화될 수 있다. 송풍기의 최소 작동 주파수 미만의 속도에서, 이차 제어가 재순환 밸브를 대신 오버라이드(override)하고 조절할 수 있다. 재순환 밸브가 완전한 폐쇄로 복귀되면, 일차 제어가 재-결합된다. 일반적으로, 압력 센서(8110)가 제어 시스템을 통한 송풍기(6250)에 작동적으로 결합되며, 이는 예를 들어 약 20Hz의 주파수에서 시스템내의 압력을 모니터링하고, 그에 작동적으로 결합된 적절한 반응 엘리먼트(8113)를 통해서 송풍기 속도를 조절하여 시스템 압력을 요구된 범위의 값내로 유지시키도록 구성된다.
잔류물 용융 작동이 또한 전환기(1200)의 출구에 직접 연결되는 별도의 용기(예, RCC(4220))에서 연속적인 작동으로 수행된다. 잔류물은 가스화기(2200)의 단부에 장착된 톱니형 스크류 컨베이어(잔류물 추출 스크류) 등에 의해서 가스화 챔버(2202)로부터 제거되고, 예를 들어, 일련의 스크류 컨베이어를 통해서 RCS(4200)의 상부내로 공급된다. 백 하우스 필터(6230)로부터의 미립자의 작은 스트림이, 예를 들어, 추가의 처리를 위해서, 스크류 컨베이어를 통한 주된 잔류물 스트림과 결합될 수 있다.
RCS(4200)은 상부내로 장착된 300kW 플라즈마 토치(4230), 가스 처리 미끄럼과 연결된 공정 가스 출구(4228), 및 용융 슬래그 출구(4226)를 지닌 작은 내화성-라이닝된 잔류물 컨디셔닝 챔버(RCC)(4220)이다. 가스 처리 미끄럼을 빠져나가는 가스는 합성가스의 주된 스트림을 유입구에서의 전환기(1200)로부터 주된 백하우스(6230)으로 연결하도록 유도될 수 있거나, 대안적으로는 추가의 처리를 위해서 유도될 수 있다. 본 실시예에서, 잔류물은 RCC(4220)의 상부내로 직접적으로 떨어지며, 여기서, 플라즈마 토치 플럼(4230)과 밀접하게 접촉되어 용융된다. 용용된 슬래그는 RCC(4220)내부의 v-골 위어(vee-notch weir)(4224)에 의해서 유지된다. 추가의 잔류물 입자가 RCC(4220)내로 흐르고 용융되기 때문에, 상응하는 양의 용융된 재료가 위어(4224)를 넘어서 스크류 컨베이어와 일체형의 물-충전된 켄칭 탱크(4240)내로 떨어지고, 여기서, 작은 유리-유사 슬래그로 고형화되고 파괴되며 저장 용기로 이송된다.
잔류물 처리를 제어하는데 있어서, 플라즈마 토치(4230)의 파워는 용융 작동에 충분한 온도를 유지시키기에 요구되는 만큼 조절될 수 있다. RCC(4220) 온도 기기(예, 온도 감지 엘리먼트(8106))는, 예를 들어, 목표로 하는 표면의 표면 온도를 측정하는 두 개의 광학 온도계(OT's), 용융물 풀(melt pool) 위의 세라믹 보호관(thermo well)내에 장착된 3개의 증기 공간 열전쌍, 및 외부 금속 쉘상에 장착된 5 개의 외부 표면 장착 열전쌍을 포함할 수 있다. RCC(4220)은 또한 RCC(4220) 내부의 공정 압력를 측정하는 압력 전송기(예, 압력 감지 엘리먼트(8112))를 포함할 수 있다.
본 발명에서 고려되는 한 가지의 용융물 온도 제어 방법은 두 개의 광학 온도계에 의해서 관찰되는 델타 온도를 측정하는 것이다. 하나의 OT는 토치(4230) 아래의 용융물 풀에 겨냥되고, 다른 하나는 위어(4224) 근처의 용융물 풀에 겨냥된다. 위어(4224) 근처의 온도가 토치(4230) 아래의 온도에 비교하여 냉각되면, 토치 파워가 더 적용된다. 대안은 OT 온도를 직접적으로 이용하는 것이다. 대부분의 NSW 성분의 용융 온도 위인 것으로 공지된 1400 내지 1800℃의 범위의 설정점이 제어기내로 입력된다. 이어서, 토치 파워가 이러한 설정점과 부합하도록 요구되는 만큼 조절된다.
일반적으로, 레벨은 직접적으로 측정되지 않지만, OT 온도 및 증기 공간 열전쌍 둘 모두에 의해서 판단된다. 온도가 온도 설정점 아래로 떨어지면, 이는 비용융된 재료의 표시이며 연동장치가 잔류물의 공급 속도를 순간적으로 저하시키도록 또는 최후 수단으로 RCS(4200)을 중지시키도록 사용될 것이다. 재료 흐름 속도는, 예를 들어, 구동 모터 가변 주파수 구동(VFD's)을 통해서 RCC 공급 스크류 컨베이어 속도를 조절함으로써 제어될 수 있다. 공급 속도는 플라즈마 토치(4230)의 용융 속도의 용량 범위내에서 허용 가능한 온도 제어를 확실하게 하고, 비-용융된 재료에 기인한 RCC(4220)내의 높은 레벨을 방지하기에 요구되는 만큼 조절될 수 있다. 일반적으로 가스화 챔버(2202)내의 스테이지 3을 넘어서는 잔류물을 위한 약 간의 유지 용량이 있을 수 있지만, 지연된 작동은 잔류물의 지속적인 생성과 매칭되는 충분한 용융 용량을 지니는 RCC(4220)에 의존할 것이다.
RCC(4220)에서의 압력은 용기의 증기 공간내로 탭핑(tapping)된 압력 전송기(예, 엘리먼트 (8112))에 의해서 모니터링될 수 있다. 일반적으로, RCC(4220)의 작동 압력은 전환기 가스화 챔버(2202)의 압력과 약간 매칭되어서 어느 방향(고형 잔류물 입자만의 흐름)으로의 스크류 컨베이어를 통한 가스의 흐름을 위한 최소의 구동력이 존재하게 한다. 제어 밸브(8134)가 다운스트림 진공 생산기(합성가스 송풍기)에 의해서 제거되는 가스의 흐름을 제한할 수 있는 가스 출구 라인에 제공된다. DCS PID 제어기는 요구된 작동 압력을 달성하는데 요구되는 밸브 위치를 계산한다.
시작 단계를 지나서, 시스템(120)의 백-엔드에서의 가스 엔진(9260)이 공정을 구동시키는 경우에 백-투-프론트 제어, 또는 수요-기반 제어(demand-driven control)가 이용될 수 있다. 가스 엔진(9260)은 연료 가스(즉, 생성물 가스)의 에너지 함량 및 생성되는 전기 파워에 따라서 특정의 용적/hr의 연료를 소모한다. 따라서, 이러한 제어 시스템의 높은 레벨 목적은 충분한 MSW/플라스틱 공급물이 시스템(120)에 유입되게 하고, 충분한 에너지 함량의 합성가스로 전환시켜서 모든 시점에서 완전한 파워로 발전기가 가동되게 하면서, 합성가스 생산을 합성가스 소모에 충분히 매칭시켜서 합성가스의 플래어링이 감소되거나 제거되고, 소모된 MSW의 톤당 생성된 전기 파워가 향상되게 하고, 바람직하게는, 최적화되게 하는 것이다.
일반적으로 상기된 프론트-투-백 제어 설계는 백-투-프론트 제어 설계의 서 브-세트를 포함한다. 예를 들어, 상기 설계에 기재된 모든 공정 제어 목적은 아니지만 대부분의 공정 제어 목적이 실질적으로 유지되지만, 제어 시스템은 추가로 정교하게 되어 합성가스의 플래어링을 감소시키면서, 소모된 MSW 또는 다른 공급원료의 톤당 생산된 전력의 양을 증가시킨다. 공정의 향상된 제어를 제공하고 다운스트림 적용을 위한 향상된 공정 효율 및 이용성을 달성하기 위해서, 생성되는 합성가스의 흐름은 실질적으로 가스 엔진(9260)에 의해서 소모되는 연료에 실질적으로 매칭되며; 따라서, 이러한 구성은 시스템(120)으로부터의 과다한 생성물 가스의 플래어링 또는 달리 처리를 감소시키고, 불충분한 가스 생성 경향을 감소시켜서 다운스트림 적용의 작동을 유지시킨다. 개념적으로는, 따라서, 제어 시스템은 백-투-프론트 제어(또는 수요-기반 제어)를 실행하여 다운스트림 적용(예, 가스 엔진/발전기)이 공정을 구동하게 한다.
일반적으로, 단기간 동안의 전환기(1200)의 합성가스 흐름을 안정화시키기 위해서, 전환기(1200)내로의 공기 첨가제 입력 흐름이 조절되어 가스 흐름에서의 변동에 대한 신속한 반응을 제공할 수 있으며, 이는 일반적으로 공급원료 품질 변수에서의 변화(예, 공급원료 습도 및/또는 열량에서의 변화)에 기여한다. 일반적으로, 공기 흐름의 조절에 의해서 유도된 효과는 일반적으로, 소리의 속도로 시스템내에 전파될 것이다. 반면에, MSW 및/또는 플라스틱 공급물 속도의 조절이 시스템 출력(예, 합성가스 흐름)에 또한 상당히 영향을 미칠 수 있지만, 공급원료는 전환기(1200)내에서 비교적 긴 체류 시간(예, 본 특정의 실시예의 경우 45분 이상까지)을 지니며, 그러한 조절과 연관된 시스템 반응시간은 일반적으로는 약 10분 내 지 15분의 범위일 것이고, 이는 짧은 시간으로 인해서 바람직하지 않은 작동 조건(예, 플래어링된 과다한 가스, 최적의 작동에 불충분한 가스 공급, 연속적인 작동에 불충분한 가스 공급, 등)을 피하는 적절한 방법으로 생성물 가스를 생성하기에 충분하지 않을 수 있다. 공기 흐름의 증가에 비해 더 늦은 반응이 여전하지만, MSW 공급물 속도의 증가는 플라스틱 공급물의 증가 보다 더 빠른 반응을 유도할 수 있는데, 그 이유는 MSW의 수분 함량이 약 2 내지 3분 내에 스팀을 생성시킬 수 있기 때문이다.
따라서, 전체 공기 흐름을 조절하면, 일반적으로는 제어 압력에 대한 가장 빠른 가능한 작용 루프가 제공되고, 그에 의해서 다운스트림 적용을 위한 입력 흐름 요건을 충족시킨다. 또한, 전환기에서의 다량의 재료로 인해서, 바닥 챔버에 첨가제 공기 또는 다른 첨가제를 첨가하는 것은 반드시 가스를 그에 비례하게 희석시키지 않는다. 추가의 공기는 파일내로 추가로 침투하고, 더 높게 쌓인 재료와 반응한다. 반대로, 더 적은 공기를 첨가하는 것은 가스를 즉각적으로 풍부하게 할 것이지만, 결국에는 온도를 강하시키고 반응속도/합성가스 흐름을 감소시킬 것이다.
따라서, 전체 공기 흐름은 일반적으로 도 71에 나타낸 바와 같이 재료 공급 속도(MSW+플라스틱)에 비례하여, 그에 의해서 첨가제 입력의 증가가 공급원료 입력 속도의 증가를 초래할 것이다. 따라서, 제어 시스템은, 증가된 공기의 효과가 즉각적으로 나타나는 반면, 추가의 공급물의 효과가 결국에는 합성가스 흐름을 안정화시키는 긴 시간 해결책을 제공하도록 관찰되게 조절된다. 일시적으로 감소하는 발전기 파워 출력이 또한 시스템 역학에 따라서 고려되어 MSW/플라스틱 공급물 속도의 증가와 증가된 합성가스 흐름의 발생 사이에서 대기 시간(dead time)을 브리지(bridge)할 수 있지만, 이러한 구성은 비정상적인 공급원료 조건과 직면하지 않는 한 필요하거나 예상되지는 않을 수 있다. 공기 흐름의 조절(신속한 작용 제어 루프) 및 연료 대 공기 비 및 전체 연료 속도(둘 모두 긴 시간 반응)의 조절이 본 예에서 다운스트림 적용에 적합한 가스 특성을 유지시키는데 바람직하지만, MSW 대플라스틱 공급물 비 제어가 필요하지 않으며, 장시간 가변성을 원활하게 하는 것을 돕는데 이용된 추가의 제어수단으로서 작용할 수 있다.
본 실시예에서, MSW 수분 함량은 일반적으로는 0 내지 80%로 다양하며, 발열량은 약 3000 내지 33000kJ/kg으로 다양하고, HC는 2 분 체류 시간 및 일반적으로는 약 210mbar의 압력을 지닌다. 약 +/- 60mbar의 변화가 약 150mbar의 엔진을 위한 최초 공급 압력을 초과하지 않으면서 가능하다. 제어 시스템 없이, 압력은 약 1000mbar까지 변할 수 있으며, 그로 인해서, 장시간 흐름 변동이, 요구된 일정 부하에서 가스 엔진(9260)을 가동시키기 위해서, 제어 시스템에 의해서 4배(또는 75%)까지 실제적으로 감소된다. 또한, 전환기 가스의 압력 변동은 제어 시스템 없이 약 25mbar/s에 달할 수 있으며, 이는 본 예에서의 엔진을 위한 약 10mbar/s의 최대치(또는 약 60%)의 약 2.5배이다. 따라서, 본 발명의 제어 시스템은 단시간 공정 가변성을 2.5배(60%) 이상 및 장시간 공정 가변성을 약 4배(75%)까지 감소시킬 수 있다. 본 실시예에서의 HC (7230)의 사용은 단시간 변화를 감소시키는 것을 도울 수 있다.
따라서, 상기된 결과를 고려하면, 본 발명의 제어 시스템은 다운스트림 적용에 실질적으로 안정한 특성을 지니는 가스를 생성하도록 실질적으로 불균일한 특성 및/또는 조성의 공급원료를 효과적으로 전환시키는데 사용될 수 있음을 인지할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 제어 시스템에 의해서 제어된 가스화 시스템의 특정의 구성에 따르면, 공급원료 특성에서의 변동이, 예를 들어, 장시간 공정 가변성을 감소시키는 본 시스템의 연속적인 및/또는 실시간 제어를 통해서 4 배 이상까지 약화될 수 있다. 대안적인 구체예에서, 공급원료 특성에서의 변동은 장시간 공정 가변성을 감소시키는 본 시스템의 연속적인 및/또는 실시간 제어를 통해서 약 3 배까지 약화될 수 있다. 또 다른 대안적인 구체예에서, 공급원료 특성에서의 변동은 장시간 공정 가변성을 감소시키는 본 시스템의 연속적인 및/또는 실시간 제어를 통해서 약 2 배까지 약화될 수 있다.
실시예 2
본 실시예에서는, 실시예 1에 나타낸 시스템과 같은 가스화 시스템을 위한 대안적인 제어 설계을 나타내고 있다. 이러한 대안적인 제어 설계는 도 73에 도시되어 있으며, 제어 설계의 변수는 도 71에 도시되어 있는데, 여기서, 합성가스 압력 검출 모듈이 합성가스 흐름 검출 모듈 대신 사용된다.
실시예 3
본 실시예에서는, 실시예 1에 나타낸 시스템과 같은 가스화 시스템을 위한 대안적인 제어 설계을 나타내고 있다. 도 74는 다양한 감지된 특성값, 본 실시예의 제어 시스템(8000)에 의해서 사용된 제어기(예, 반응 엘리먼트) 및 작동 파라미 터, 및 그 사이에서 공급원료의 적절한 및 효율적인 처리를 촉진하는 것을 돕는 상호작용을 도시하고 있는 대안적인 제어 흐름도이다. 이러한 실시예에서:
전환기 고형물 레벨 검출 모듈(8550)은 전달 유닛(들)(8554)의 운동을 제어하도록 구성된 전달 유닛 제어기(8552)를 협동적으로 제어하고, 전체 MSW+HCF 공급 속도(8556)를 협동적으로 제어하게 구성되며;
합성가스(생성물 가스) 탄소 함량 검출 모듈(8558)(예, 가스 분석기로부터 유도됨)은 (각각의 MSW 및 HCF 공급속도 (8564) 및 (8566)를 제어하는) MSW/HCF 스플리터(splitter)(8562)를 제어하고 전달 유닛 제어기(8552)와 전체 공기흐름 제어기(8574) 둘 모두를 협동적으로 제어하는 전체 MSW+HCF 공급 속도(8556)을 협동적으로 제어하도록 구성된 MSW:HCF 비 제어기(8560)에 작동적으로 결합되고;
합성가스(생성물 가스) 흐름 값 검출 모듈(8572)는 전체 공기 흐름 제어기(8574)와 전체 MSW+HCF 공급 속도(8556) 둘 모두를 협동적으로 제어하는 전체 공급물 제어기(8596)에 작동적으로 결합되고;
합성가스(생성물 가스) 연료 가치 측정 모듈(8568)(예, LHV=c1*[H2]+c2*[CO], 여기서, c1 및 c2는 상수이며, [H2] 및 [CO]는 합성가스 분석기(8130)로부터 얻는다)은 전체 공기 흐름(8566)과 전체 MSW+HCF 공급 속도(8556)를 제어하는 전체 공기 흐름 제어기(8574)를 협동적으로 제어하는 연료:공기 비 제어기(8570)에 작동적으로 결합되며;
공정 온도 검출 모듈(8578)은 공기 흐름 분배(8582) 및 플라즈마 가열(8584) 을 제어하는 온도 제어기(8580)에 작동적으로 결합되어 있다.
실시예 4
본 실시예에서는, 실시예 1에 나타낸 시스템과 같은 가스화 시스템을 위한 대안적인 제어 설계을 나타내고 있다. 도 75는 다양한 감지된 특성값, 제어 시스템(8000)의 약간 변화된 구성에 의해서 사용될 수 있는 제어기(예, 반응 엘리먼트) 및 작동 파라미터, 및 그 사이에서 공급원료의 적절한 및 효율적인 처리를 촉진하는 것을 돕는 상호작용을 도시하고 있는 대안적인 제어 흐름도이다. 이러한 특성에서:
전환기 고형물 레벨 검출 모듈(8650)은 전달 유닛(들)(8654)의 운동을 제어하도록 구성된 전달 유닛 제어기(8652)를 협동적으로 제어하고, 전체 MSW+HCF 공급 속도(8656)를 협동적으로 제어하게 구성되며;
합성가스(생성물 가스) 탄소 함량 검출 모듈(8658)(예, 가스 분석기로부터 유도됨)은 각각의 MSW 및 HCF 공급속도 (8664) 및 (8666)를 제어하는 MSW/HCF 스플리터(splitter)(8662)를 협동적으로 제어하도록 구성된 MSW:HCF 비 제어기(8660)에 작동적으로 결합되고;
합성가스(생성물 가스) [H2] 함량 측정 모듈(8667)(예, 합성가스 분석기로부터 얻음)은 전달 전체 MSW+HCF 공급 속도(8656)를 협동적으로 제어하는 연료:공기 비 제어기(8370)를 협동적으로 제어하게 구성되며;
합성가스(생성물 가스) 불투명도 검출 모듈(8698)은 연료:공기 비 제어 기(8670) 및 연료:스팀 비 제어기(8671) 둘 모두를 협동적으로 제어하게 구성되고;
합성가스(생성물 가스) [CO] 함량 측정 모듈(8669)(예, 합성가스 분석기로부터 얻음)은 스팀 첨가 속도(8692)를 제어하는 스팀 흐름 계산(8690)을 협동적으로 제어하는 연료:스팀 비 제어기(8371)를 협동적으로 제어하게 구성되며;
합성가스 흐름 검출 모듈(8672)은 전체 공기 흐름(8676)을 협동적으로 조절하고 전체 MSW+HCF 공급 속도(8656)를 협동적으로 제어하는 전체 공기 흐름 제어기(8674)에 작동적으로 결합되고;
공정 온도 검출 모듈(8678)은 공기 분배(8682) 및 플라즈마 가열(8684)을 제어하는 온도 제어기(들)(8680)에 작동적으로 결합되어 있다.
실시예 5
도 17 및 도 18은 제어 시스템이 탄소함유 공급원료의 가스로의 전환을 어떻게 제어하는데 사용할 수 있는지에 대한 추가의 예를 제공하고 있다. 본 실시예에서, 물은 첨가제 입력물로서 스팀으로 예열되고, 산소는 공기 첨가제 입력물로서 예열되고, 탄소함유 공급원료는 전환을 위한 전환기내로의 공급을 위해서 예열된다. 전환기의 출력시에, 생성물 가스의 흐름 속도, 온도 및 조성이 하나 이상의 감지 엘리먼트를 사용함으로써 모니터링된다.
도 18에 도시된 바와 같이, 감지된 가스 흐름 속도, %CO 및 %CO2가 생성물 가스의 탄소함량을 산정하고, 공급원료 속도를 조절하는데 이용된다. 감지된 %H2 뿐만 아니라 감지된 %CO 및 %CO2가 추가로 요구된 가스 조성을 달성하도록 새로운 O2 및 스팀 입력 속도를 산정하는데 이용된다. 마지막으로, 감지된 가스 온도는, 요구되는 경우, 플라즈마 열원 파워를 조절하는데 이용된다.

Claims (58)

  1. 탄소 함량이 가변되는 공급원료를 일정한 특성들을 가지는 가스로 처리하는 것을 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 방법은:
    전체 공정(global processing)에 따라 탄소 함량이 가변되는 상기 공급원료를 일정한 특성을 가지는 상기 가스로 처리하기 위한 설비를 제공하는 단계 ― 여기서, 상기 설비가 하나 이상의 공급원료 입력부, 하나 이상의 첨가제 입력부 및 하나 이상의 플라즈마 열원 및 하나 이상의 출력부를 포함하고, 상기 전체 공정이 복수의 지역 공정(local processes), 또는 구역 공정(regional processes), 또는 복수의 지역 및 구역 공정을 포함함 ―;
    복수의 동작 특성들을 감지하는 단계 ― 여기서, 각각의 동작 특성은 상기 전체, 지역 및 구역 공정 중 적어도 하나의 공정을 나타냄 ―;
    하나 이상의 연산 플랫폼을 사용하여, 상기 복수의 동작 특성들을 나타내는 정보에 기초하여 하나 이상의 제어 파라미터를 생성하는 단계 ― 여기서, 상기 하나 이상의 제어 파라미터는 상기 전체, 지역 및 구역 공정의 복수의 목적 조건을 얻거나, 이에 대해 조절하거나 또는 유지시키는 데에 기여하되, 상기 하나 이상의 제어 파라미터는 상기 전체, 지역 및 구역 공정 중 둘 이상을 협력하여 제어하도록 구성됨 ―;
    상기 하나 이상의 연산 플랫폼에 통신 가능하게 연결되어 있는 복수의 응답 엘리먼트를 사용하여, 상기 하나 이상의 제어 파라미터에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 전체, 지역 및 구역 공정을 제어하는 단계; 및
    상기 복수의 동작 특성들 중 하나 이상을 수치적인 특성 값으로 나타내는 단계
    를 포함하되,
    상기 하나 이상의 제어 파라미터를 생성하는 단계는 부분적으로는, 상기 특성 값 중 하나 이상과 하나 이상의 수치적인 목적 값 또는 범위의 비교에 기초하여 상기 제어 파라미터 중 하나 이상을 연산하는 것을 포함하며 ― 여기서, 각각의 특성 값은 하나 이상의 감지 엘리먼트에 의해 직접 또는 간접적으로 제공되거나, 상기 하나 이상의 감지 엘리먼트에 의해 직접 또는 간접적으로 제공된 신호들로부터 유도되고, 또한, 상기 하나 이상의 목적 값은 각각 상기 복수의 목적 조건들 중 하나 이상과 관계됨 ―;
    상기 복수의 동작 특성은 상기 가스 중의 H2 함량, 상기 가스 중의 CO 함량을 포함하되, 상기 가스 중의 H2 함량은 특성 값 [H2]로 나타내고, 상기 가스 중의 CO 함량은 특성 값 [CO]로 나타내며, 상기 하나 이상의 제어 파라미터는 상기 설비의 가스화기 내로의 공기의 입력을 제어하기 위한 파라미터 [공기], 및 상기 가스화기 내로의 스팀의 입력을 제어하기 위한 파라미터 [스팀]을 포함하되, 상기 파라미터 [공기] 및 [스팀]은 적어도 부분적으로 다음의 관계식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법:
    Figure 112013068100081-pct00080
    여기서, a, b, c 및 d는 설비 고안 및 상기 설비의 하나 이상의 요구되는 출력 특성에 의존하는 실험 상수임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 동작 특성들은 상기 가스의 탄소 함량을 포함하되, 상기 설비는 설비 내에서의 공급원료로부터 유도된 전환기 고형물의 횡방향 이동을 용이하게 하는 하나 이상의 횡방향 전달 유닛을 포함하고, 또한, 상기 하나 이상의 제어 파라미터는 상기 하나 이상의 횡방향 전달 유닛의 이동을 제어하기 위한 파라미터를 포함하며, 상기 하나 이상의 수평 이송 유닛의 운동을 제어하기 위한 파라미터가 적어도 부분적으로는 상기 가스의 탄소 함량에 기초하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 동작 특성들은 상기 가스의 탄소 함량을 포함하되, 상기 공급원료는 탄소함유 공급원료(Carbonaceous Feedstock) 및 고탄소 공급원료(High Carbon Feedstock)을 포함하고, 상기 하나 이상의 제어 파라미터는 상기 설비 내로의 탄소함유 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 및 상기 설비 내로의 고탄소 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터를 포함하고,
    상기 탄소함유 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터 및 상기 고탄소 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터가 적어도 부분적으로는 상기 가스의 탄소 함량에 기초하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 동작 특성들은 상기 가스의 탄소 함량을 포함하되, 상기 설비는 설비 내에서의 공급원료로부터 유도된 전환기 고형물의 횡방향 이동을 용이하게 하는 하나 이상의 횡방향 전달 유닛을 포함하고, 상기 공급원료는 탄소함유 공급원료(Carbonaceous Feedstock) 및 고탄소 공급원료(High Carbon Feedstock)을 포함하고, 상기 하나 이상의 제어 파라미터는 상기 설비 내로의 탄소함유 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 상기 설비 내로의 고탄소 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 상기 하나 이상의 횡방향 전달 유닛의 이동을 제어하기 위한 파라미터, 및 상기 설비의 적어도 특정 부분을 통한 전체 기류의 제어를 위한 파라미터를 포함하고,
    상기 탄소함유 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 상기 고탄소 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 상기 하나 이상의 횡방향 전달 유닛의 이동을 제어하기 위한 파라미터, 및 상기 전체 기류의 제어를 위한 파라미터가 적어도 부분적으로는 상기 가스의 탄소 함량에 기초하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 동작 특성들은 상기 가스의 탄소 함량을 포함하되, 상기 공급원료는 탄소함유 공급원료(Carbonaceous Feedstock) 및 고탄소 공급원료(High Carbon Feedstock)을 포함하고, 상기 하나 이상의 제어 파라미터는 상기 설비 내로의 탄소함유 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 상기 설비 내로의 고탄소 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 및 상기 설비의 특정 부분으로의 스팀의 첨가 속도를 제어하기 위한 파라미터를 포함하고,
    상기 탄소함유 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 상기 고탄소 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 및 상기 스팀의 첨가 속도를 제어하기 위한 파라미터가 적어도 부분적으로는 상기 가스의 탄소 함량에 기초하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 동작 특성들은 상기 가스의 연료 값을 포함하되, 상기 공급원료는 탄소함유 공급원료(Carbonaceous Feedstock) 및 고탄소 공급원료(High Carbon Feedstock)을 포함하고, 상기 하나 이상의 제어 파라미터는 상기 설비 내로의 탄소함유 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 및 상기 설비 내로의 고탄소 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터를 포함하고,
    상기 탄소함유 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 및 상기 고탄소 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터는 적어도 부분적으로 상기 가스의 연료 값에 기초하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 동작 특성들은 상기 가스의 연료 값을 포함하되, 상기 설비는 설비 내에서의 공급원료로부터 유도된 전환기 고형물의 횡방향 이동을 용이하게 하는 하나 이상의 횡방향 전달 유닛을 포함하고, 상기 공급원료는 탄소함유 공급원료(Carbonaceous Feedstock) 및 고탄소 공급원료(High Carbon Feedstock)을 포함하고, 상기 하나 이상의 제어 파라미터는 상기 설비 내로의 탄소함유 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 상기 설비 내로의 고탄소 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 및 상기 하나 이상의 횡방향 전달 유닛의 운동을 제어하기 위한 파라미터, 및 상기 설비의 특정 부분을 통한 전체 기류를 제어하기 위한 파라미터를 포함하고,
    상기 하나 이상의 횡방향 전달 유닛의 운동을 제어하기 위한 파라미터, 상기 탄소함유 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 상기 고탄소 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 및 상기 전체 기류를 제어하기 위한 파라미터는 적어도 부분적으로는 상기 가스의 연료 값에 기초하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 설비는 설비 내에서의 공급원료로부터 유도된 전환기 고형물의 횡방향 이동을 용이하게 하는 하나 이상의 횡방향 전달 유닛을 포함하고, 상기 공급원료는 탄소함유 공급원료(Carbonaceous Feedstock) 및 고탄소 공급원료(High Carbon Feedstock)을 포함하고, 상기 하나 이상의 제어 파라미터는 상기 설비 내로의 탄소함유 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 상기 설비 내로의 고탄소 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 및 상기 하나 이상의 횡방향 전달 유닛의 운동을 제어하기 위한 파라미터, 및 상기 설비의 적어도 특정 부분으로의 스팀의 첨가 속도를 제어하기 위한 파라미터 중 하나 이상을 포함하고,
    상기 하나 이상의 횡방향 전달 유닛의 운동을 제어하기 위한 파라미터, 상기 탄소함유 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 상기 고탄소 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 및 상기 스팀의 첨가 속도를 제어하기 위한 파라미터는 적어도 부분적으로는 상기 가스의 H2 함량에 기초하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 설비는 설비 내에서의 공급원료로부터 유도된 전환기 고형물의 횡방향 이동을 용이하게 하는 하나 이상의 횡방향 전달 유닛을 포함하고, 상기 공급원료는 탄소함유 공급원료(Carbonaceous Feedstock) 및 고탄소 공급원료(High Carbon Feedstock)을 포함하고, 상기 하나 이상의 제어 파라미터는 상기 설비 내로의 탄소함유 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 상기 설비 내로의 고탄소 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 및 상기 하나 이상의 횡방향 전달 유닛의 운동을 제어하기 위한 파라미터, 및 상기 설비의 적어도 특정 부분으로의 스팀의 첨가 속도를 제어하기 위한 파라미터 중 하나 이상을 포함하고,
    상기 하나 이상의 횡방향 전달 유닛의 운동을 제어하기 위한 파라미터, 상기 탄소함유 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 상기 고탄소 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 파라미터, 및 상기 스팀의 첨가 속도를 제어하기 위한 파라미터는 적어도 부분적으로는 상기 가스의 H2 함량에 기초하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 동작 특성은 상기 가스의 가스 압력 및 상기 가스의 가스 조성 중 하나 또는 모두를 포함하고, 상기 하나 이상의 제어 파라미터는 첨가제 입력 속도의 조정을 위한 파라미터 및 공급원료 첨가 속도의 조정을 위한 파라미터 중 하나 이상을 포함하고, 상기 첨가제 입력 속도의 조정을 위한 파라미터 및 상기 공급원료 첨가 속도의 조정을 위한 파라미터가 적어도 부분적으로 상기 가스 압력 및 가스 조성 중 어느 하나 또는 모두에 기초하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 동작 특성들은 상기 가스의 가스 조성을 포함하고, 상기 하나 이상의 제어 파라미터는 첨가제 입력 속도를 제어하기 위한 파라미터를 포함하고, 상기 첨가제 입력 속도를 제어하기 위한 파라미터는 적어도 부분적으로는 상기 가스 조성에 기초하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 가스 조성은 상기 가스의 발열량을 결정하기 위해 사용되고, 상기 첨가제 입력 속도는 상기 발열량의 함수로서 조정되는 공기 첨가제 입력 속도를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 공기 첨가제 입력 속도는 상기 발열량의 선형 함수로서 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어 파라미터는 첨가제 입력 속도를 제어하기 위한 파라미터를 포함하고, 상기 첨가제 입력 속도를 제어하기 위한 파라미터는 적어도 부분적으로 상기 CO 함량 및 H2 함량 중 하나 또는 모두에 기초하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 함량이 가변되는 공급 원료는 공급원료 발열량 범위에 의해 정의되고, 상기 발열량 범위는 3000 KJ/Kg 내지 33000 KJ/Kg인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어 파라미터를 생성하는 단계는, 상기 하나 이상의 제어 파라미터 중에서 하나 이상의 선택 제어 파라미터를 결정하는 것을 포함하고 ― 여기서, 상기 하나 이상의 선택 제어 파라미터는 상기 복수의 응답 엘리먼트 중 하나 이상의 선택 응답 엘리먼트를 제어하기 위한 것임 ―,
    상기 제어하는 단계는, 적어도 부분적으로 상기 하나 이상의 연산 플랫폼을 사용하여, 적어도 부분적으로 상기 하나 이상의 선택 제어 파라미터에 기초한 하나 이상의 제어 신호를 생성하고, 상기 하나 이상의 제어 신호를 상기 하나 이상의 선택 응답 엘리먼트에 제어를 위해 제공하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 특성 값 중의 하나 이상은 상기 가스의 조성을 나타내고, 상기 제어 파라미터 중 하나 이상은 상기 전체, 지역 및 구역 공정 중 하나 이상에 대한 첨가제의 입력 속도를 조정하도록 구성되고, 상기 첨가제의 입력 속도는 적어도 부분적으로는 상기 가스 조성의 함수로서 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 특성 값 중 하나 이상은 상기 가스의 조성을 나타내고, 상기 하나 이상의 특성 값은 적어도 부분적으로는 상기 가스의 발열량의 측정을 유도하기 위해 사용되며, 상기 제어 파라미터 중 하나 이상은 상기 전체, 지역 및 구역 공정 중 하나 이상에 대한 공기 첨가제의 입력 속도를 조정하도록 구성되고, 상기 공기 첨가제의 입력 속도는 적어도 부분적으로는 상기 발열량의 함수로서 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 입력 속도는 상기 발열량의 선형 함수로서 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 특성 값 중 하나 이상은 상기 가스의 조성을 나타내며, 상기 조성은 상기 가스 중 감지된 CO 함량, 및 상기 가스 중 감지된 H2 함량을 포함하며, 상기 제어 파라미터 중 하나 이상은 상기 전체, 지역 및 구역 공정 중 하나 이상에 대한 첨가제의 입력 속도를 조정하도록 구성되고, 상기 공기 첨가제의 입력 속도는 적어도 부분적으로는 상기 가스의 감지된 CO 함량 및 상기 가스 중 감지된 H2 함량의 함수로서 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제1항에 있어서,
    공정 첨가제로서 상기 설비의 가스화기 내에 공급되는 공기의 양을 제어하기 위한 파라미터 [공기]가 하기의 방정식에 따라 상기 가스의 발열량 [HV]의 함수로서 생성되는 것을 특징으로 하는 방법:
    [HV] = [a][공기]
    상기 함수에서 [a]는 실험 상수이며, 이는 설비 고안 및 상기 설비의 하나 이상의 요구되는 출력 특성에 의존함.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 발열량은 상기 가스의 저발열량(LHV)인 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 발열량은 상기 가스의 고발열량(HHV)인 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 설비는 설비 내에서의 상기 공급원료로부터 유도된 전환기 고형물의 횡방향 이동을 용이하게 하는 하나 이상의 횡방향 전달 유닛을 포함하고, 상기 공급원료는 탄소함유 공급원료(Carbonaceous Feedstock) 및 고탄소 공급원료(High Carbon Feedstock)을 포함하고,
    상기 방법은:
    상기 설비에 작동가능하게 연결된 전환기 고형물 레벨 검출 모듈로부터의 출력을 수신하는 단계를 더 포함하되,
    상기 전환기 고형물 레벨 검출 모듈로부터의 출력의 적어도 일부가 상기 제어 파라미터 중 하나 이상의 생성을 위해 협동적으로 사용되고, 상기 제어 파라미터 중 상기 하나 이상은 상기 하나 이상의 횡방향 전달 유닛의 운동, 상기 탄소 함유 공급원료의 공급 속도, 및 고탄소 공급원료의 공급 속도를 제어를 위한 것인 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 상기 하나 이상의 횡방향 전달 유닛의 운동의 속도, 상기 탄소함유 공급원료의 공급 속도, 상기 고탄소 공급원료의 공급 속도, 상기 설비의 가스화기 내에서의 고형물의 높이 사이의 선형 관계에 기초하여 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 공급원료는 탄소함유 공급원료(Carbonaceous Feedstock) 및 고탄소 공급원료(High Carbon Feedstock)을 포함하고, 상기 설비는 상기 탄소함유 공급원료 및 고탄소 공급원료를 설비 내로 공급하는 것을 용이하게 하는 스플리터를 포함하고,
    상기 복수의 동작 특성들은 상기 가스의 탄소 함량, 및 탄소함유 공급원료:고탄소 공급원료의 비를 포함하고, 상기 하나 이상의 제어 파라미터는 상기 스플리터의 제어를 위한 파라미터, 상기 탄소함유 공급원료의 공급 속도의 제어를 위한 파라미터, 및 상기 고탄소 공급원료의 공급 속도의 제어를 위한 파라미터를 포함하고,
    상기 스플리터의 제어를 위한 파라미터, 상기 탄소함유 공급원료의 공급 속도의 제어를 위한 파라미터, 상기 고탄소 공급원료의 공급 속도의 제어를 위한 파라미터는 적어도 부분적으로 상기 가스 중의 탄소 함량에 기초하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제1항에 있어서,
    상기 공급원료는 탄소함유 공급원료(Carbonaceous Feedstock) 및 고탄소 공급원료(High Carbon Feedstock)을 포함하고, 상기 설비는 상기 설비 내에서의 공급원료로부터 유도된 전환기 고형물의 횡방향 이동을 용이하게 하는 하나 이상의 횡방향 전달 유닛, 및 상기 탄소함유 공급원료 및 고탄소 공급원료를 상기 설비 내로 공급하는 것을 용이하게 하는 스플리터를 포함하고,
    상기 복수의 동작 특성들은 상기 가스의 연료 값을 포함하고, 상기 하나 이상의 제어 파라미터는 연료:공기 비 제어기의 제어를 위한 하나 이상의 파라미터, 상기 스플리터를 향한 총 탄소함유 공급원료와 고탄소 공급원료의 공급 속도를 제어하기 위한 하나 이상의 파라미터를 포함하고, 상기 연료:공기 비 제어기가 상기 횡방향 전달 유닛 중 하나 이상의 운동의 제어를 위한 전달 유닛 제어기에 하나 이상의 제어 파라미터를 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제1항에 있어서,
    상기 공급원료는 탄소함유 공급원료(Carbonaceous Feedstock) 및 고탄소 공급원료(High Carbon Feedstock)을 포함하고, 상기 하나 이상의 제어 파라미터는 상기 탄소함유 공급원료의 공급 속도의 제어를 위한 파라미터, 및 상기 고탄소 공급원료의 공급 속도의 제어를 위한 파라미터를 포함하고,
    상기 탄소함유 공급원료의 공급 속도의 제어를 위한 파라미터, 및 상기 고탄소 공급원료의 공급 속도의 제어를 위한 파라미터는 적어도 부분적으로 상기 가스 중의 H2 함량 및 상기 가스 중의 CO 함량에 기초하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제1항에 있어서,
    상기 제어는 실시간 제어를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제1항에 있어서,
    상기 제어는 연속적인 제어를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 동작 특성들은 상기 가스의 유량, 상기 가스의 압력, 및 상기 가스의 조성 중 하나 이상을 포함하고, 상기 하나 이상의 제어 파라미터는 첨가제 입력 속도의 제어를 위한 파라미터, 공급원료 입력 속도의 제어를 위한 파라미터, 공기 대 연료의 입력비를 제어하기 위한 파라미터, 도시 고체 폐기물(municipal solid waste: MSW) 대 고함량 탄소 공급원료(HCF) 입력 비의 제어를 위한 파라미터, 및 스팀 대 연료 입력 비의 제어를 위한 파라미터 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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