KR102267343B1 - 직접 연소식 가열 방법 및 그의 실행을 위한 설비 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직접 연소식 가열 방법 및 그를 실행하기 위한 설비에 관한 것이다. 상기 방법에 따르면, 산화제를 사용해 연료를 연소시키는 것에 의해 발생된 열을 사용하여 노(300)에서 적재물이 가열되며; 발생된 연기가 노(300)로부터 배출되되, 상기 배출 연기(301)는 잔류 열 에너지를 함유하고; 잔류 열 에너지가 배출 연기(301)로부터 회수되어, 합성가스가 생성되는 합성 반응기(100)로 도입되며; 합성가스의 일부 이상이 적재물을 가열하기 위하여 노(300)에서 연소된다.

Description

직접 연소식 가열 방법 및 그의 실행을 위한 설비 {DIRECT-FIRED HEATING METHOD AND FACILITY FOR IMPLEMENTING SAME}
본 발명은 공급원료가 노에 도입된 후, 노에서 연료를 연소시키는 것에 의해 가열되는 산업용 가열 공정에 관한 것이다.
이와 같은 산업용 가열 공정은 예를 들어 하기를 들 수 있다:
- 예를 들면 유리의 용융과 같은 유리화(vitrification),
- 예를 들면 금속의 이차 용융과 같은 금속의 용융, 및
- 금속의 재가열.
상기 가열 공정은 연속식 또는 회분식일 수 있다.
산업용 가열 공정은 일반적으로 천연 가스, 연료유 또는 석탄과 같은 화석 기원의 연료에 의존한다.
연소는 공기를 사용하는 연소, 또는 산소가 보강된 공기 또는 실질적으로 순수한 산소와 같이 공기의 것에 비해 더 큰 산소 함량을 가지는 산화제를 사용하는 연소일 수 있다. 공기에 비해 산소가 더 풍부한 산화제를 사용하는 연소는 옥시-연소(oxy-combustion)라는 명칭으로 알려져 있다.
옥시-연소는 공기 연소로도 알려져 있는 공기를 사용하는 연소 대비 하기의 수많은 장점들을 갖는다:
- NOx 배출의 감소,
- 발생되는 연도 기체 부피의 감소,
- 연료 소비, 및 또한 그에 따른 화석 기원 CO2 배출의 감소.
그러나, 연소에 의해 발생되는 연도 기체로부터의 열의 회수에 의해 연소 공기의 예비가열을 가능케 하는 공기 연소 공정과 옥시-연소가 비교되는 경우, 이와 같은 연료 소비의 감소는 제한적이다.
옥시-연소의 경제적 효율을 향상시키기 위하여, 하기에 의해 더욱 더 연료 소비를 감소시키려는 시도들이 이루어지고 있다:
- 옥시-연료 버너의 유형 및 설계,
- 특히 노 유출구에서의 연도 기체의 온도를 낮추는 것, 열 손실의 감소 등을 가능케 하는 연소 챔버의 설계,
- 발생된 연도 기체로부터의 열의 회수에 의한 산화제 및/또는 연료의 예비가열.
그러나, 이러한 기술들은 상대적으로 빠르게 한도에 도달해서, 옥시-연소를 사용하는 가장 효율적인 공정과 예비가열된 공기를 사용하는 가장 효율적인 연소 공정 사이의 차이는 작게 유지되고 있다. 이는 산업용 가열 공정에서의 옥시-연소의 시장을 제한한다.
US-A-20090011290호는 열화학적 회수 방법에 대해 기술하고 있다. 이 방법에 따르면, 연소 노로부터 생성된 연도 기체의 일부가 연료의 재형성을 위한 반응물로 사용된다. 재형성된 연료는 연소 노에서 연소된다. 재형성을 위한 반응물로 사용되기 전에, 노로부터 생성된 연도 기체는 연소 노로의 그의 도입 상류의 열회수기(recuperator)에서의 연소 산화제 및 재형성 연료의 예비가열을 위한 열-교환 유체로 사용된다.
열회수기에서의 연료 및 연료 산화제의 예비가열을 위한 연도 기체의 이와 같은 사용은 연도 기체에 열회수기 벽에 침착될 수 있는 오염물 (응축가능 물질)이 적은 경우에만 산업용 플랜트에서 가능하다.
EP-A-1　143　200호는 흡열 화학 반응으로부터 생성된 합성 생성물, 예컨대 합성 가스 또는 합성가스의 연료로서의 사용이 이루어지는, 유리 용융 노와 같은 노에서의 연소 방법에 대해 개시하고 있다. 상기 합성 생성물의 생성은 교대로 작동되며 합성 생성물이 연료로 사용되는 노가 아닌 다른 공급원으로부터 오는 연도 기체에 의해 가열되는 2개의 재생기에서 이루어진다.
이는 유리 용융 노로부터 생성된 연도 기체에는 응축가능 물질이 많이 적재되어 있기 때문이다. 연도 기체의 상기 다른 공급원은 상대적으로 깨끗한 연도 기체를 산출하는 산업 소재지상의 또 다른 플랜트, 또는 2개 재생기의 가열을 위한 고온 연도 기체의 생성을 위하여 특별하게 제공되는 공기를 사용하는 연료 연소용 플랜트일 수 있다.
첫 번째 시나리오는 노 가까이에 상대적으로 깨끗한 연도 기체를 산출하는 플랜트가 존재하는 경우에만 생각될 수 있는데, 이와 같은 경우, 노에서의 연소 방법의 사용이 이와 같은 다른 플랜트의 동시 작동에 따라 좌우되게 된다. 두 번째 시나리오는 추가적인 연소 플랜트의 구축 및 작동을 필요로 하는데, 이는 특히 고가이다.
상기 방법이 추가적인 외부 열 에너지 공급원에 따라 좌우되는 한, 어떠한 경우에도, EP-A-1　143　200호에 기술되어 있는 방법은 노의 에너지 균형을 크게 개선하지는 못한다.
본 발명은 고온 산업 가열 공정에서 연료 소비를 감소시키고 화석 기원 CO2의 배출을 감소시키기 위한 기술이라는 맥락으로 이루어진다. 본 발명의 목표는 상기한 공지의 방법들과 연관되어 있는 문제점들을 적어도 부분적으로 극복하는 것이다.
본 발명은 특히 직접 연소식(direct-fired) 가열 공정에 관한 것이다.
본 발명의 방법에 따르면, 가열하고자 하는 공급원료가 노에 도입된다. 연료는 노에서 산화제를 사용해 연소시킨다. 이와 같은 연소에 의해 발생된 열에 의해 공급원료가 노(300)에서 가열되며, 가열된 공급원료는 노로부터 방출된다. 연소에 의해 발생되는 연도 기체 역시 노로부터 방출되는데, 이렇게 방출된 연도 기체는 노에서 공급원료에 의해 흡수되지 않은 잔류 열 에너지를 함유하고 있다.
상기 방법에 따르면, 합성 반응기에서 합성가스도 생성되는데, 이는 한편으로는 탄소-기재 물질을, 다른 한편으로는 스팀(102) 및/또는 CO2를 포함한 반응물들 사이의 흡열 화학 반응에 의해 달성된다. 이와 같은 목적으로, 합성 반응기는 반응물들이 도입되며 흡열 화학 반응이 이루어지고 생성된 합성가스가 추출되는 하나 이상의 반응 영역을 포함한다.
본 발명에 따르면, 방출된 연도 기체로부터 잔류 열 에너지가 회수되고, 회수된 잔류 열 에너지 중 적어도 일부가 합성 반응기에 도입되며, 거기에서 그와 같은 회수된 잔류 열 에너지 중 적어도 일부는 상기 언급된 흡열 화학 반응에 의해 소비된다.
반응에 의해 생성된 합성가스 중 적어도 일부는 노로 도입되는데, 이에 따라 노에서 연소되는 연료 중 적어도 일부는 합성 반응기로부터 생성된 합성가스이다.
따라서, 본 발명은 연도 기체와 함께 노로부터 방출된 잔류 에너지 중 적어도 일부를 회수하는 것에 의해, 회수된 잔류 에너지 중 적어도 일부를 합성가스의 합성에서 사용하는 것에 의해, 그리고 생성된 합성가스 중 적어도 일부를 노에서의 열 발생에 연료로 사용하는 것에 의해 공정의 에너지 효율을 향상시키는 것을 가능케 한다.
구체적인 실시양태에 따르면, 상기 합성 반응기는 하나 이상의 반응 영역뿐만 아니라, 회수된 잔류 에너지 중 적어도 일부가 도입되는 하나 이상의 가열 챔버도 포함한다.
이와 같은 경우, 상기 하나 이상의 가열 챔버는 회수된 열 에너지가 가열 챔버로부터 반응 영역을 분리하는 격벽을 통하여 가열 챔버로부터 반응 영역으로 전파되도록 하나 이상의 반응 영역과 관련하여 위치된다.
각 반응 영역은 예를 들면 이웃하는 가열 챔버에 의해 둘러싸여 있거나, 또는 2개의 이웃하는 가열 챔버들 사이에 수용되어 있다. 유리한 실시양태에 따르면, 합성 반응기(100)는 가열 챔버 후 이어지는 반응 영역 후 이어지는 가열 챔버 등으로 교호하는 가열 챔버 및 반응 영역들을 포함하는 층상(lamellar) 구조를 갖는다. 이러한 경우, 상기 가열 챔버 및 상기 반응 영역들은 2개의 연속 판들 사이에 위치된다.
특히 유리한 실시양태에 따르면, 반응기에서 생성된 합성가스에서 추가적인 열 에너지 회수가 수행된다.
이를 위하여, 합성 반응 종료시에 수득되는 고온의 합성가스는 합성 반응기 내부에 위치되어 있는 추가 가열 챔버로 지칭되는 가열 챔버에서 순환됨으로써, 생성된 합성가스로부터의 열 중 적어도 일부가 하나 이상의 반응 영역으로 전달된다. 상기 전달 역시 추가 가열 챔버와 하나 이상의 반응 영역을 분리하는 격벽을 통하여 수행된다.
본 발명의 이와 같은 실시양태는 합성가스가 노에서 연료로서 사용되기 전에 합성가스로부터 물이 추출되는 경우 (하기 참조)에 특히 유용하다.
구체적인 실시양태에 따르면, 열 에너지는 방출된 연도 기체의 하나 이상의 스트림을 열 에너지 공급원(들)으로서 상기 하나 이상의 챔버에 도입하는 것에 의해, 하나 이상의 가열 챔버로 도입된다.
이와 같은 실시양태는 방출된 연도 기체가 먼지를 적게 함유하거나 함유하지 않고, 가열 챔버 내부에 침착될 수 있거나 챔버(들)에서 우세한 온도에서 특히 반응 영역(들)과의 격벽에 응축될 수 있는 휘발성 물질을 적게 함유하거나 함유하지 않는 경우에 특히 유용하다.
원칙적으로, 가열 챔버(들)로의 하나 이상의 방출 연도 기체 스트림의 도입 전에 고온에서 방출된 연도 기체로부터 먼지를 제거하는 것이 생각될 수 있으나, 그와 같은 먼지-제거 공정은 일반적으로 고가이다.
본 발명의 일 실시양태에 따르면, 열 에너지는 열-교환 유체와의 열 교환에 의해, 방출된 연도 기체로부터 회수된다.
따라서, 회수된 잔류 열 에너지를 함유하는 가열된 열-교환 유체를 수득하기 위하여, 열-교환 유체와의 열 교환에 의해, 잔류 열 에너지가 노에서 방출된 연도 기체로부터 회수된다. 상기 가열된 열-교환 유체의 일부 이상은 이후 합성 반응기로 도입되어, 흡열 화학 반응을 위한 열 에너지 공급원으로 사용된다. 이와 같은 경우, 열 에너지는 유리하게는 가열된 열-교환 유체 중 적어도 일부를 하나 이상의 가열 챔버로 도입하는 것에 의해, 하나 이상의 가열 챔버로 도입된다.
노에서 생성된 연도 기체에는 종종 먼지, 및/또는 "응축 범위"로 지칭되며 일반적으로 600℃ 내지 800℃, 특히 600℃ 내지 700℃인 범위의 온도에서 응축될 수 있는 휘발성 물질이 적재되어 있다. 상기 먼지 및/또는 응축가능 물질은 노에서 이루어지는 연소로부터, 특히 합성가스가 연소되는 유일한 연료가 아닌 경우에 초래될 수 있다. 연도 기체에 존재하는 상기 먼지 및/또는 응축가능 물질은 예를 들면 노에서 가열되거나 용융시키고자 하는 공급원료 중 일부의 비말동반 또는 휘발화와 같은 다른 기원을 가질 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 열 에너지 회수 단계는 적어도 제1 연도 기체 온도 범위에서의 일차 회수 단계, 및 제2 온도 범위에서의 이차 회수 단계를 포함한다.
이 경우, 제1 온도 범위는 해당 온도에서 연도 기체에 존재하는 휘발성 물질의 응축이 존재하지 않도록 선택된다. 따라서, 노에서 생성된 연도 기체에 상기에서 정의된 바와 같은 휘발성 물질이 적재되어 있는 경우, 응축 범위를 초과하는 범위가 제1 온도 범위로 선택된다.
일차와 이차 회수 단계 사이에, 연도 기체는 먼지, 및/또는 제2 온도 범위의 온도에서 응축될 수 있는 휘발성 물질의 제거를 포함하는 세척 작업에 적용된다.
이 단계에서 연도 기체가 부분적으로 냉각된다는 사실로 인하여, 이와 같은 세척 작업은 감소된 비용으로 가능하다.
연도 기체가 상기에서 정의된 바와 같은 휘발성 물질을 함유하고 있는 경우, 해당 제2 범위가 응축 범위와 중복되거나 그것 미만이라 할지라도, 상기 세척 단계는 제2 온도 범위에서의 연도 기체로부터의 열 에너지의 추가적인 효율적 회수를 가능케 한다.
이에 따라, 본 발명은 상기 방출 연도 기체에 먼지 및/또는 응축가능 물질이 적재되어 있다 할지라도, 노로부터 방출된 연도 기체에 존재하는 열 에너지의 효과적이고 지속적인 회수를 가능케 한다. 일차 및/또는 이차 회수 단계 동안의 잔류 열 에너지 회수는 특히 상기한 바와 같이 방출된 연도 기체와 열-교환 유체 사이의 열 교환에 의해 수행될 수 있고/거나, 회수된 잔류 에너지의 흡열 화학 반응으로의 전달은 역시 상기한 바와 같이 하나 이상의 가열 챔버에 의해 수행될 수 있다. 구체적인 실시양태에 따르면, 하나의 동일한 열-교환 유체가 일차 및 이차 회수 단계에 사용된다.
이와 같은 경우, 열-교환 유체는 바람직하게는 부분적으로 이차 회수 단계의 단계에서, 다시 말하자면 연도 기체의 제2 온도 범위에서 연도 기체와의 열 교환에 의해 가열된다. 이와 같은 이차 회수 단계에서 부분적으로 가열된 열-교환 유체는 이후 일차 회수 단계에서, 다시 말하자면 제2 범위를 초과하는 연도 기체의 제1 온도 범위에서 연도 기체와의 열 교환에 의해 가열된다.
흡열 화학 반응의 반응물들 중 탄소-기재 물질은 유리하게는 기체성 탄소-기재 물질, 바람직하게는 천연 가스 또는 메탄이다.
예를 들면 천연 가스와 같은 이와 같은 탄소-기재 물질은 유리하게는 흡열 화학 반응 상류에서 수소처리(hydrotreating) 단계에 적용된다. 보통:
Figure 112016006898372-pct00001
촉매촉진 수소화 반응기에서 H2가 탄소-기재 물질에 도입됨으로써, 탄소-기재 물질에 존재하는 S를 H2S로 전환시킴은 물론, 탄소-기재 물질에 존재할 가능성이 있는 Cl을 HCl로 전환시키며, 불포화 탄소-기재 화합물을 포화 탄소-기재 화합물로 전환시키고,
Figure 112016006898372-pct00002
그렇게 형성된 H2S 및 HCl은 이후 탄소-기재 물질로부터 분리된다.
탄소-기재 물질로부터 형성된 H2S 및 HCl의 분리는 바람직하게는 흡착에 의해 수행된다. 구체적으로, H2S는 산화 아연의 상에서, 그리고 탄소-기재 물질에 Cl이 존재할 경우, HCl은 칼륨-기재 흡착제의 상에서 흡착하는 것이 가능하다. 주어진 포화 수준이 달성되는 경우, 흡착제의 상은 교체되어, 새로운 흡착제 상으로 대체된다.
천연 가스의 경우, 탄소-기재 물질은 특정 반응기에서 이루어지며 중질 탄화수소(2개를 초과하는 탄소 원자를 함유함)를 제거하는 것을 목표로 하는 예비 "선개질(prereforming)" 단계에 적용될 수도 있다.
이와 같은 단계는 합성 반응기에서의 해당 탄화수소의 열 크래킹에 의한 있을 수 있는 고체 탄소 형성 문제를 방지하기 위하여, 합성 반응기 상류에서 수행될 수 있다. 교대로 작동하는 2개의 합성 반응기에서 합성가스를 생성시키는 것 역시 가능하다.
바람직한 실시양태에 따르면, 연료의 일부 이상, 사실상 거의 전부는 산소-풍부 산화제를 사용해 노에서 연소시킨다. "산소-풍부 산화제"라는 용어는 공기의 산소 함량을 초과하는 산소 함량을 가지는 산화제를 의미하는 것으로 이해된다. 바람직하게는, 산소-풍부 산화제는 80 부피% 이상, 더욱 바람직하게는 90 부피% 이상, 더욱 더 바람직하게는 95 부피% 이상, 사실상 거의 99 부피% 이상, 및 100 부피%까지의 산소 함량을 나타낸다.
따라서, 본 발명에 따른 방법은 산소-풍부 공기를 산화제로 사용하는 공정; 옥시부스팅(oxyboosting)을 사용하는 공정, 다시 말하자면 노에서 연료의 연소에 의해 발생된 열 중 25 % 이상, 그러나 100 % 미만이 80 부피% 이상의 산소 함량을 가지는 산화제를 사용하는 연소에 의해 발생되는 공정; 혼합 공기-산소 연소 공정, 다시 말하자면 연료의 연소에 의해 발생된 열 중 25 % 이상이 80 부피% 이상의 산소 함량을 가지는 산화제를 사용하는 노에서의 연소에 의해 발생되며 나머지는 산화제로서 공기를 사용하는 연소에 의해 발생되는 공정; 또는 또한 완전-산소 공정, 다시 말하자면 노에서의 연소에 의해 발생되는 모든 열이 80 부피% 이상의 산소 함량을 가지는 산화제를 사용하여 발생되는 공정일 수 있다.
상기 노는 재가열 노 또는 용융 노일 수 있다. 노는 구체적으로 예를 들면 하기의 구조들 중 1종 이상을 포함하는 유리 용융 노와 같은 유리화 노일 수 있다: 융용 챔버, 제련 챔버 및 유리 공급기. 상기 용융 챔버는 용융 구역과 제련 구역을 통합한 용융-제련 챔버일 수도 있다.
노는 또한 예를 들면 알루미늄, 납 등과 같은 금속의 이차 용융을 위한 노와 같이 금속의 용융을 위한 노일 수 있다.
상기 흡열 화학 반응은 통상적으로 SMR (스팀 메탄 재형성) 또는 DMR (건조 메탄 재형성) 또는 이들 둘의 혼합이다.
일 실시양태에 따르면, 방출된 연도 기체의 일부 이상은 사실상 회수 단계에서 수득된 세척된 연도 기체의 것이라 할지라도 합성가스의 생성을 위한 단계의 흡열 화학 공정에서 반응물로 사용된다.
이는 이러한 세척된 연도 기체가 CO2 및 스팀을 함유하고 있으며, 그에 따라 흡열 화학 반응에서 반응물로 사용될 수 있기 때문이다.
방법이 이차 회수 단계를 포함하는 경우, 연도 기체로부터의 열 에너지는 유리하게는 적어도 일차 회수 단계의 단계에서, 그리고 바람직하게는 일차 및 이차 회수 단계의 단계에서 열-교환 유체와의 열 교환에 의해 회수된다. 연도 기체와 열-교환 유체 사이의 열 교환은 유리하게는 하나 이상의 열회수기에 의해 수행된다.
따라서 유용하게는, 일차 회수 단계 단계에서의 연도 기체와 열-교환 유체 사이의 열 교환을 위한 제1 열회수기, 및 이와 같은 이차 회수 단계 단계에서의 이와 같은 열 교환을 위한 제2 열회수기의 사용이 이루어지게 된다.
바람직한 열-교환 유체는 공기, 질소 및 스팀이다.
열-교환 유체가 스팀인 경우, 회수 단계에서 가열된 열-교환 유체 중 일 이상, 다시 말하자면 그렇게 회수 단계에서 가열된 스팀을 합성가스의 생성을 위한 흡열 화학 공정의 반응물로 사용하는 것이 가능하다.
열-교환 유체는 예를 들면 열-교환 유체로서의 공기와 함께 개방 회로에서 사용될 수 있거나, 또는 열-교환 유체가 스팀인 경우, 그것은 이후 반응물로 사용된다. 열-교환 유체는 폐쇄 회로에서 사용될 수도 있다.
이와 같은 경우, 열-교환 유체 중 적어도 일부는 흡열 화학 반응에서 그것이 열 에너지 공급원으로 사용된 후, 회수 단계로 복귀된다.
방출된 연도 기체로부터 회수된 열 에너지가 흡열 화학 반응에 의해 소비되는 열 에너지에 비해 더 큰 경우, 회수된 잉여 열 에너지는 흡열 화학 반응/합성 반응기와 병행하여 또는 그의 하류에서 다른 목적으로 사용될 수 있다.
따라서, 탄소-기재 물질이 흡열 화학 반응에서 반응물로서 사용되기 전에 탄소-기재 물질을 예비가열하는 데에 회수된 열 에너지 중 일부를 사용하는 것이 가능하다.
또 다른 가능성은 스팀이 흡열 화학 반응에서 반응물로서 사용되기 전에 스팀을 발생시키고/거나 과열시키는 데에 회수된 열 에너지 중 일부를 사용하는 것, 및/또는 CO2가 흡열 화학 반응에서 반응물로서 사용되기 전에 CO2를 예비가열하는 데에 회수된 열 에너지 중 일부를 사용하는 것이다.
회수된 열 에너지 중 일부는 산화제가 연료의 연소에 사용되기 전에 상류에서 산화제를 예비가열하는 데에 사용될 수도 있다.
유리하게는, 합성가스가 노에서 연료로서 사용되기 전에, 합성가스로부터 응축에 의해 물이 추출된다.
본 발명은 상기한 실시양태들 중 어느 하나에 따른 방법의 실행에 적합한 가열 플랜트에 관한 것이기도 하다.
상기 플랜트는 특히 하기의 장비 항목들을 포함한다:
- 합성가스의 합성을 위한 반응기,
- 산화제를 사용하는 연료의 연소를 위한 하나 이상의 버너, 및 연도 기체를 위한 하나 이상의 유출구가 제공된 노,
- 연도 기체와 열-교환 유체 사이의 열 교환에 의한 열 에너지의 회수를 위한 것으로서, 가열된 열-교환 유체를 위한 유출구를 포함하는 플랜트.
본 발명에 따르면, 상기 장비 항목들은 본 발명에 따른 방법의 실행을 가능케 하도록 연결된다. 이는 특히 하기임을 의미한다:
- 반응기에서 생성된 합성가스가 노의 하나 이상의 버너에 연료로서 제공될 수 있도록, 합성 반응기가 노에 연결됨,
- 노로부터 생성된 연도 기체가 상기 회수 플랜트에 제공될 수 있도록, 노로부터의 연도 기체를 위한 유출구가 열 에너지의 회수를 위한 플랜트에 연결됨,
- 가열된 열-교환 유체 중 적어도 일부가 합성 반응기에 제공될 수 있도록, 열 에너지의 회수를 위한 플랜트로부터의 가열된 열-교환 유체를 위한 유출구가 합성가스의 합성을 위한 반응기에 연결됨.
바람직한 실시양태에 따르면, 상기 회수 플랜트는 열 에너지를 회수하기 위한 제1 장비 항목, 및 열 에너지를 회수하기 위한 제2 장비 항목을 포함한다. 상기 제1 및 제2 장비 항목은 바람직하게는 상기한 바와 같은 열 교환기이다. 다음에, 노로부터 생성된 제1 장비 항목으로부터 생성된 연도 기체가 상기 제1 장비 항목에 제공될 수 있도록, 노로부터의 연도 기체를 위한 유출구는 열 에너지를 회수하기 위한 제1 장비 항목에 연결된다. 제1 장비 항목으로부터 생성된 연도 기체가 세척 플랜트에 제공될 수 있도록, 제1 장비 항목은 유리하게는 연도 기체를 세척하기 위한 플랜트에 연결된다.
세척 플랜트로부터 생성된 세척된 연도 기체가 상기 제2 회수 장비 항목에 제공될 수 있도록, 상기 세척 플랜트는 차례로 열 에너지를 회수하기 위한 제2 장비 항목에 연결된다.
열 에너지의 회수를 위한 플랜트는 바람직하게는 열-교환 유체와의 열 교환에 의한 연도 기체로부터의 열 에너지의 회수를 가능케 하는 하나 이상의 열 교환기를 포함한다.
본 발명에 따른 플랜트는 본 발명에 따른 가열 방법의 실시양태들 중 어느 하나의 실행을 위하여 변경될 수 있다. 따라서, 연료 산화제를 사용하는 연료의 연소를 위하여, 노는 하나 이상의 연료 공급원, 특히 적어도 연료 합성가스의 공급원으로서의 합성 반응기뿐만 아니라, 하나 이상의 산화제 공급원에도 연결된다.
유리한 실시양태에 따르면, 노는 공기의 산소 함량에 비해 더 큰 산소 함량을 가지는 산화제의 하나 이상의 공급원에 연결된다. 상기 산화제는 노의 하나 이상의 버너에 연료 산화제로서 제공된다. 유용하게는, 상기 산화제는 O2 80 부피% 초과, 바람직하게는 O2 90 부피% 초과, 더욱 바람직하게는 O2 95 부피% 초과, 더욱 더 바람직하게는 O2 99 부피% 초과의 산소 함량을 나타낸다.
[ 실시예 ]
하기의 비교 실시예에서는, SMR에 의한 합성가스의 합성에 탄소-기재 물질로서 천연 가스를 사용하는 본 발명에 따른 가열 방법/플랜트의 도식적 표현인 도면을 참조하여, 본 발명 및 그의 장점을 더욱 상세하게 기술한다. 더 구체적으로, 도면은 유리 용융 노의 가열에 특히 적합한 본 발명에 따른 방법/플랜트를 도시한다.
실시예에 따르면, 예비가열된 천연 가스(101)와 스팀(102) 사이의 흡열 촉매촉진 반응에 의해 합성 반응기(100)에서 합성가스가 합성되는데, 이들 2종의 반응물들은 반응기(100)의 유입구에서 300℃ 이상, 더욱 특히는 325℃의 온도를 갖는다.
반응기(100)에서 촉매촉진 SMR에 의해 생성되며 주로 H2 및 CO로 구성되는 합성가스(110)는 이후 합성가스(110)가 연료로 작용하는 노(300) (미도시)로 송부된다. 노(300)에서는, 이와 같은 연소에 의해 발생된 열 에너지가 유리화가능 물질의 용융에 사용된다. 하기 표 1에서는, 그에 따라 천연 가스로부터 생성된 합성가스의 조성 및 NCV (순 열량 값)를 제시하며, 생성된 합성가스 1 Nm3의 NCV를 합성가스 1 Nm3 생성에 소비되는 천연 가스 (CH4) 0.209 Nm3의 NCV와 비교한다.
Figure 112016006898372-pct00003
반응기(100)에서 생성된 합성가스(110)는 바로 노(300)로 송부될 수 있거나, 또는 도시되어 있는 경우에서와 같이, 그것이 연료로 사용되기 전에, 먼저 합성가스에 존재하는 스팀의 적어도 부분적인 응축 단계에 적용될 수 있다.
이는 합성가스의 NCV를 증가시키는 것, 및 노 대기 중 수분 함량을 조절하는 것 (감소시키는 것)을 가능케 한다. 이와 같은 응축은 응축기(200)에서 이루어진다. 회수된 물(201)은 예를 들면 반응기(100) 상류에서의 스팀(102)의 생성에 사용될 수 있다. 바람직하게는, 물의 응축 에너지는 회수된다. 따라서, 냉각수(202)를 응축기(200)에서의 스팀의 응축에 사용하고, 응축기(200)로부터 생성된 가열된 물/스팀(203)을 반응기(100) 상류에서의 스팀(102)의 생성에, 또는 더 일반적으로는 열 에너지의 공급원으로 사용하는 것이 가능하다.
응축기(200)로부터 생성된 건조 합성가스(210)는 이후 노(300)로 송부되며, 거기에서 건조 합성가스(210)는 연료로 사용된다.
도시되어 있는 경우에서, 합성가스는 노(300)에서 사용되는 유일한 연료이다. 상기 노는 완전-산소 노로서, 다시 말하자면 노에서 사용되는 유일한 연료 산화제가 80 부피% 내지 100 부피%의 산소 함량을 가지는 산화제이다.
또 다른 실시양태에 따르면, 합성가스는 또 다른 연료와의 조합으로서 사용될 수 있다.
유사하게, 노는 한편으로는 상기에서 정의된 바와 같은 옥시-연소를 다른 한편으로 산소가 더 적은 예를 들면 공기와 같은 산화제와 조합할 수도 있다.
연소에 의해 발생된 연도 기체(301)는 노(300)로부터 방출된다. 그것은 도시되어 있는 예에서는 1250℃ 수준인 고온이다. 그것은 먼저 "고온 열회수기"로 지칭되는 제1 열회수기(400)로 송부된다. 이와 같은 제1 열회수기(400)에서, 연도 기체는 열-교환 유체 (도시되어 있는 경우에서는 공기)를 가열하는 데에 사용된다. 그렇게 가열된 열-교환 유체(402)의 일부 이상(404)은 반응기(100)로 송부되며, 거기에서 합성가스의 합성을 위한 흡열 화학 반응의 에너지 공급원으로 사용된다.
가열된 열-교환 유체(402)의 또 다른 일부(405)는 열을 소비하는 다른 장비 항목으로 송부된다.
도시되어 있는 경우에서, 열-교환 유체로 사용되는 공기는 제1 열회수기(400)에서 800℃의 온도로 가열된다. 제1 열회수기(400)는 연도 기체(301)에 존재하는 휘발성 물질이 상기 제1 열회수기 내부에서 응축되지 않도록 작동된다.
도시되어 있는 경우에서, 연도 기체(403)는 800℃의 온도로 제1 열회수기로부터 방출된다.
노(300)로부터 방출된 연도 기체에 입자 (먼지)가 적재되어 있는 경우, 제1 열회수기(400) 내부에서의 상기 연도 기체의 유량을 상기 제1 열회수기(400) 내부에서의 입자의 어떠한 축적도 방지하기에 충분하게 높은 수준으로 유지하기 위하여, 관리가 이루어진다.
이러한 완화된 연도 기체(403)는 세척 플랜트(500)로 송부된다. 이와 같은 플랜트에서, 상기 연도 기체(403)는 세척 처리, 다시 말하자면 먼지의 제거를 위한 처리 및/또는 응축가능 휘발성 물질의 제거 단계에 적용된다.
사용되는 세척 공정은 세척 동안의 열 에너지 손실을 제한하기 위하여, 세척 처리 동안의 연도 기체의 과도하게 큰 냉각은 방지하도록 선택된다. 예를 들면, 고온 필터에 의한 세척이 선택되게 된다.
세척된 연도 기체(501)는 "저온 열회수기"로 지칭되는 제2 열회수기(600)로 송부된다.
이와 같은 제2 열회수기에서는, 열-교환 유체(602)와의 열 교환에 의해 세척된 연도 기체(501)로부터의 잔류 에너지가 회수된다. 다음에, 냉각된 연도 기체(601)는 대기로 방출되거나 처리 및 수집되기 전에, 추출기(700)로 송부된다.
저온 열회수기(600)에서의 연도 기체의 온도에서는 응축될 수 있는 휘발성 물질이 해당 세척 단계에서 상기 연도 기체로부터 제거되는 세척 플랜트에서의 연도 기체의 세척으로 인하여, 저온 열회수기(600)를 오염시키지 않고도 연도 기체로부터 잔류 열 에너지를 회수하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명은 노(300) 유출구에서 연도 기체(301)에 존재하는 열의 최적의 회수를 가능케 한다.
도시되어 있는 경우에서, 제2 열회수기(600)를 위한 열-교환 유체(602)는 송풍기(800)에 의해 제공되는 압축 공기이다.
2개의 서로 다른 열-교환 유체(401, 602)를 제1 및 제2 열회수기(400, 600)에 사용하는 것, 및 그렇게 가열된 2개의 열-교환 유체(402, 603)를 예를 들면 합성 반응기(100)에서 본 발명에 따른 방법의 열 에너지 공급원으로 사용하는 것이 가능하다.
도시되어 있는 경우에서는, 동일한 열-교환 유체가 제1 및 제2 열회수기(400, 600)에 사용된다.
송풍기(800)에 의해 제공되는 압축 공기(602)는 먼저 저온 열회수기(600)로 송부된다. 상기 열회수기(600)에서, 공기는 세척 플랜트(500)로부터 생성된 세척된 연도 기체(501)와의 열 교환에 의해 가열된다. 도시되어 있는 경우에서는 500℃ 수준의 온도인 그렇게 가열된 공기 (열-교환 유체)(603)는 이후 고온 열회수기(400)로 도입된다.
고온 열회수기(400)에서, 제1 저온 열회수기(600)로부터 생성된 가열된 공기는 노(300)로부터 생성된 비세척 연도 기체(301)와의 열 교환에 의해 다시 가열된다. 도시되어 있는 경우에서, 고온 공기 (열-교환 유체)(402)는 대략 800℃로 고온 열회수기로부터 유출된다.
제1 열회수기(400) 및/또는 세척 플랜트(500) 유입구에서의 연도 기체 온도의 더 우수한 조절을 가능케 하기 위하여 (예를 들면 물질들의 열적 내성을 이유로, 그리고 세척을 최적화하기 위하여), 제1 열회수기 상류의 연도 기체(301)에, 및/또는 세척 플랜트(500) 상류의 연도 기체(403)에 각각 완화된 기체(901, 902)의 조절되는 유량으로의 주입을 위한 파이프가 제공된다. 완화된 기체는 예를 들면 주변 공기, 및/또는 반응기(100) 및/또는 열회수기/교환기(10, 20 또는 30) 유출구에서의 열-교환 유체(107)의 일부일 수 있다.
반응기(100) 유출구에서의 열-교환 유체(103)에 존재하는 잔류 열 에너지는 유리하게는 본 발명에 따른 방법에 사용되는 반응물들의 예비가열에 사용된다.
따라서, 도시되어 있는 경우에서, 열-교환 유체의 제1 일부(104)는 합성가스의 합성에 사용되는 스팀(102)의 생성을 위하여 열회수기/보일러(10)로 송부된다.
열-교환 유체의 제2 일부(105)는 합성가스의 합성을 위한 반응용 탄소-기재 물질 (천연 가스)의 예비가열을 위하여 열회수기(20)로 송부된다.
열-교환 유체의 제3 일부(106)는 노로 그것이 도입되기 전의 연료 산화제 (산소)의 예비가열을 위하여 제2 열회수기(30)로 송부된다.
반응기(100)로부터 생성된 열-교환 유체(103)의 일부 이상을 노(300)의 상류에서 합성가스(210)의 예비가열에 사용하는 것 역시 가능하다.
노(300)에서 제2 연료가 또한 연소되는 경우, 열-교환 유체(103)의 일부 이상은 노(300)의 상류에서 제2 연료 및/또는 합성가스(210)의 예비가열에 사용될 수 있다.
예를 들면, 교환기(20)에서 예비가열된 천연 가스의 일부를 노(300)에서 연료로 사용하는 것이 가능하다.
목표는 일반적으로 노 유출구에서 연도 기체(301)에 존재하는 열 에너지의 최대치를 회수하여 사용하는 것이다.
도시되어 있는 경우에서, 열-교환 유체는 폐쇄된 회로에서 순환하는데, 다시 말하자면 반응기(100)로부터 생성된 열-교환 유체가 열회수기(600, 400)에서 열-교환 유체(602)로 재사용된다. 개방 회로에서 열-교환 유체를 사용하는 것 역시 가능하다.
유리 용융 노에 적용된 본 발명에 따른 방법의 에너지 효율을 가장 효율적인 공지 유리 용융 공정의 에너지 효율과 비교하였다.
하기 표 2 내지 3에서:
Figure 112016006898372-pct00004
AA1: 연료 산화제로서의 새로운 재생기에 의해 예비가열된 공기와 함께 천연 가스의 연소를 사용하는 선행 기술에 따른 유리 용융 노에 관한 것임;
Figure 112016006898372-pct00005
AA2: 연료 산화제로서의 비예비가열 산소와 함께 천연 가스의 연소를 사용하는 선행 기술에 따른 유리 용융 노에 관한 것임;
Figure 112016006898372-pct00006
AA3: EP-A-0 872 690호에 기술되어 있는 바와 같은 출원사에 의해 개발된 기술에 의해 예비가열된 산소와 함께 천연 가스의 연소를 사용하는 선행 기술에 따른 유리 용융 노에 관한 것임;
Figure 112016006898372-pct00007
Inv 1: 연료 산화제로서의 예비가열된 산소와 함께 노에서의 유일한 연료로서 발생되는 합성가스의 연소를 사용하는, 유리 용융 노에서의 본 발명에 따른 방법의 실행에 관한 것임.
표 2는 노에서 연료로 사용되는 천연 가스 100 Nm3/시간의 소비에 의해 실시예 AA1에서 생성되는 것과 동일한 기술적 기여 또는 용융 과정을 위한, 본 발명에 따른 방법 (실시예 1)과 선행 기술에 따른 3종의 방법들 (AA1 내지 AA3) 사이의 비교를 제시한다.
표 3은 유리 용융 노의 동일한 영향력을 위한 본 발명에 따른 방법과 선행 기술에 따른 3종의 방법들 사이의 비교를 제시한다.
Figure 112016006898372-pct00008
Figure 112016006898372-pct00009

Claims (18)

  1. 직접 연소식 가열 방법으로서,
    상기 방법은 유리화(vitrification), 금속의 용융, 및 금속의 재가열을 위한 방법이며,
    (a) 가열하고자 하는 공급원료를 노에 도입시키고,
    (b) 노(300)에서 산화제를 사용하여 연료를 연소시켜 열 및 연도 기체를 발생시키고,
    (c) 발생된 열을 사용하여 노(300)에서 공급원료를 가열하고,
    (d) 가열된 공급원료 및 발생된 연도 기체를 노(300)로부터 방출하며, 방출된 연도 기체(301)는 잔류 열 에너지를 함유하고,
    (e) 합성 반응기(100)에서 (i) 탄소-기재 물질 및 (ii) 스팀(102) 및/또는 CO2를 포함하는 반응물들 사이의 흡열 화학 반응에 의해 합성가스(110)를 생성시키며, 합성 반응기는, 반응물이 도입되며 흡열 화학 반응이 이루어지고 생성된 합성가스가 추출되는 하나 이상의 반응 영역을 포함하는 것인,
    상기 단계 (a) 내지 (e)를 포함하고,
    Figure 112020138900311-pct00010
    노(300)로부터 방출된 연도 기체(301)로부터 잔류 열 에너지를 회수하며, 그렇게 회수된 잔류 열 에너지 중 적어도 일부가 합성 반응기(100)로 도입되어 단계 (e)의 흡열 화학 반응에 의해 소비되고,
    Figure 112020138900311-pct00011
    단계 (b)의 노에서 연소되는 연료 중 적어도 일부가 단계 (e)에서 생성된 합성가스(110, 210)인 것
    을 특징으로 하는, 직접 연소식 가열 방법.
  2. 제1항에 있어서, 합성 반응기(100)가, 상기 회수된 잔류 열 에너지 중 적어도 일부가 도입되는 하나 이상의 가열 챔버를 또한 포함하며, 상기 하나 이상의 가열 챔버는, 상기 하나 이상의 반응 영역에 대하여, 회수된 잔류 열 에너지가 상기 하나 이상의 가열 챔버와 상기 하나 이상의 반응 영역 사이의 하나 이상의 격벽을 통해 상기 하나 이상의 가열 챔버로부터 상기 하나 이상의 반응 영역에서의 흡열 화학 반응으로 전달되도록 위치된 것인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 각 반응 영역이 이웃하는 가열 챔버에 의해 둘러싸여 있거나, 또는 2개의 이웃하는 가열 챔버들 사이에 수용되어 있는 것인 방법.
  4. 제2항에 있어서, 합성 반응기(100)가 가열 챔버와 반응 영역을 교대로 포함하는 층상 구조를 가지며, 상기 가열 챔버 및 반응 영역은 2개의 연속 판들 사이에 위치된 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 방출된 연도 기체(301, 501)와 열-교환 유체(602, 401) 사이의 열 교환에 의해 잔류 열 에너지가 방출된 연도 기체(301, 501)로부터 회수됨으로써, 완화된 연도 기체(601), 및 회수된 잔류 열 에너지를 함유하는 가열된 열-교환 유체(402)가 수득되며, 회수된 잔류 열 에너지 중 적어도 일부를 단계 (e)의 흡열 화학 반응에 제공하기 위하여, 가열된 열-교환 유체(402) 중 적어도 일부를 합성 반응기(100)로 도입시키는 것인 방법.
  6. 제2항에 있어서, 방출된 연도 기체(301, 501)와 열-교환 유체(602, 401) 사이의 열 교환에 의해 잔류 열 에너지가 방출된 연도 기체(301, 501)로부터 회수됨으로써, 완화된 연도 기체(601), 및 회수된 잔류 열 에너지를 함유하는 가열된 열-교환 유체(402)가 수득되며, 회수된 잔류 열 에너지 중 적어도 일부를 하나 이상의 격벽을 통하여 단계 (e)의 흡열 화학 반응에 제공하기 위하여, 가열된 열-교환 유체(402) 중 적어도 일부를 하나 이상의 가열 챔버로 도입시키는 것인 방법.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 방출된 연도 기체에 먼지, 및/또는 600℃ 내지 800℃의 온도에서 응축될 수 있는 휘발성 물질이 적재되어 있으며, 노(300)로부터 방출된 연도 기체(301)로부터의 잔류 열 에너지의 회수 단계가 적어도 제1 연도 기체 온도 범위에서의 일차 회수 단계, 및 상기 제1 연도 기체 온도 범위 미만인 제2 연도 기체 온도 범위에서의 이차 회수 단계를 포함하고,
    Figure 112020138900311-pct00012
    제1 온도 범위의 온도에서는 연도 기체에 존재하는 휘발성 물질이 응축되지 않고,
    Figure 112020138900311-pct00013
    일차 및 이차 회수 단계 사이에 연도 기체를 세척 작업에 적용하고, 상기 세척 작업은 먼지, 및/또는 제2 온도 범위의 온도에서 응축될 수 있는 휘발성 물질의 제거를 포함하는 것인 방법.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 방출된 연도 기체에 먼지, 및/또는 600℃ 내지 800℃의 온도에서 응축될 수 있는 휘발성 물질이 적재되어 있으며, 노(300)로부터 방출된 연도 기체(301)로부터의 잔류 열 에너지의 회수 단계가 적어도 제1 연도 기체 온도 범위에서의 일차 회수 단계, 및 상기 제1 연도 기체 온도 범위 미만인 제2 연도 기체 온도 범위에서의 이차 회수 단계를 포함하고,
    Figure 112020138900311-pct00015
    제1 온도 범위의 온도에서는 연도 기체에 존재하는 휘발성 물질이 응축되지 않고,
    Figure 112020138900311-pct00016
    일차 및 이차 회수 단계 사이에 연도 기체를 세척 작업에 적용하고, 상기 세척 작업은 먼지, 및/또는 제2 온도 범위의 온도에서 응축될 수 있는 휘발성 물질의 제거를 포함하는 것인 방법.
  9. 제7항에 있어서, 이차 회수 단계에서 연도 기체(501)와의 열 교환에 의해 열-교환 유체(602)를 부분적으로 가열하며, 일차 회수 단계에서 부분적으로 가열되는 열-교환 유체(603, 401)가 일차 회수 단계에서 연도 기체(301)와의 열 교환에 의해 가열되는 것인 방법.
  10. 제8항에 있어서, 열-교환 유체가 공기, 질소 및 스팀(102)으로부터 선택되는 것인 방법.
  11. 제9항에 있어서, 열-교환 유체가 공기, 질소 및 스팀(102)으로부터 선택되는 것인 방법.
  12. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 중 적어도 일부 또는 전부를 노(300)에서 산소-풍부 산화제를 사용하여 연소시키는 것인 방법.
  13. 제7항에 있어서, 노(300)가 유리화(vitrification) 노 또는 금속 용융용 노인 방법.
  14. 제8항에 있어서, 노(300)가 유리화 노 또는 금속 용융용 노인 방법.
  15. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 흡열 화학 반응이 SMR 또는 DMR 또는 이들 둘의 혼합인 방법.
  16. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 방출된 연도 기체로부터 회수된 열 에너지 중 일부를 하기의 목적들 중 적어도 하나 또는 여러 개를 위해 사용하는 것인 방법:
    a) 탄소-기재 물질이 흡열 화학 반응에서 반응물로서 사용되기 전에 탄소-기재 물질을 예비가열하기 위함;
    b) 스팀이 흡열 화학 반응에서 반응물로서 사용되기 전에 스팀을 발생시키고/거나 과열시키기 위함;
    c) CO2가 흡열 화학 반응에서 반응물로서 사용되기 전에 CO2를 예비가열하기 위함;
    d) 산화제가 연료의 연소에 사용되기 전에 상류에서 산화제를 예비가열하기 위함.
  17. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 합성가스가 노(300)에서 연료로서 사용되기 전에, 합성가스로부터 응축에 의해 물을 추출하는 것인 방법.
  18. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 방법의 실행에 적합한 가열 플랜트로서,
    - 가열하고자 하는 공급원료를 위한 유입구, 가열된 공급원료를 위한 유출구, 산화제를 사용하는 연료의 연소 및 공급원료 가열을 위한 열의 발생을 위한 하나 이상의 버너, 및 연도 기체를 위한 하나 이상의 유출구가 제공된 노(300),
    - 방출된 연도 기체(301)와 열-교환 유체(602) 사이의 열 교환에 의한 열 에너지의 회수를 위한 플랜트로서, 가열된 열-교환 유체를 위한 유출구를 포함하는 플랜트(400, 500, 600), 및
    - 합성가스의 합성을 위한 반응기(100)
    를 포함하며,
    - 반응기(100)에서 생성된 합성가스(210)가 노(300)의 하나 이상의 버너에 연료로서 제공될 수 있도록, 합성 반응기(100)가 노(300)에 연결되고,
    - 노(300)로부터 생성된 연도 기체(301)가 상기 회수 플랜트(400, 500, 600)에 제공될 수 있도록, 노(300)로부터의 연도 기체를 위한 유출구가 열 에너지의 회수를 위한 플랜트(400, 500, 600)에 연결되며,
    - 가열된 열-교환 유체(402) 중 적어도 일부가 합성 반응기(100)에 제공될 수 있도록, 열 에너지의 회수를 위한 플랜트(400, 500, 600)로부터의 가열된 열-교환 유체(402)를 위한 유출구가 합성가스의 합성을 위한 반응기(100)에 연결되는 것
    을 특징으로 하는, 가열 플랜트.
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