KR20090019816A - 가스 조절 시스템 - Google Patents

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KR20090019816A
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gcs
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syngas
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안드레아스 창가리스
마가렛 스웨인
더글라스 마이클 피즈비
스콧 더글라스 바샴
아쉬쉬 초탈리야
파스칼 보니 마르소
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플라스코에너지 아이피 홀딩스, 에스.엘., 빌바오, 샤프하우젠 브랜치
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Abstract

본 발명은 저온 가스화 시스템으로부터의 주입 가스를 요망되는 특징의 배출 가스로 처리하기 위한 가스 조절 시스템을 제공한다. 이러한 시스템은 두개의 스테이지 공정을 포함한다: 건조상으로 중금속 및 미립자 물질을 분리하는 제 1 스테이지, 및 산성 가스, 및/또는 다른 오염물을 제거하는 추가 가공 단계를 포함하는 제 2 스테이지. 임의적 공정은 가스 조절 시스템을 통과함에 따라 주입 가스의 습도 및 온도를 조절하는 것을 포함한다. 가공 단계의 존재 및 순서는 주입 가스의 조성, 다운스트림 적용을 위한 배출 가스의 요망되는 조성, 및 효율 및 폐기물 최소화에 의해 결정된다.

Description

가스 조절 시스템{A GAS CONDITIONING SYSTEM}
본 발명은 가스 정화 및 가공의 분야에 관한 것이며, 특히 저온 가스화 시스템으로부터 생성되는 주입 가스로부터 미립자 물질 및 표적화된 화학종의 분리에 관한 것이다.
가스화는 탄소함유 공급물, 예를 들어 도시 고체 폐기물(municipal solid waste: MSW) 또는 석탄을 가연성 가스로 전환시킬 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 공급물로서의 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 공급물을 가열된 챔버(가스화기)로 공급하는 것을 포함한다. 과 량의 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, 고려되는 주요 가스화 생산물은 H2 및 CO이다.
유용한 공급물은 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. 공급물의 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))를 포함할 수 있다.
공급물이 가열되는 경우, 물이 첫 번째로 방출되는 성분이다. 건조 공급물의 온도가 증가함에 따라, 열분해가 발생된다. 열분해 동안 공급물이 열적으로 분해되어서 타르, 페놀 및 가벼운 휘발성 탄화수소 가스를 방출시키며, 공급물은 챠르로 전환된다.
챠르는 유기 및 무기 물질로 구성되는 잔여 고체를 포함한다. 열분해 후, 챠르는 건조 공급물보다 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 요소에 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, 공급물 조성, 제조 및 입자 크기; 가스화기 가열 속도; 체류 시간; 건조 또는 슬러리 공급 시스템, 공급물-반응 흐름 기하구조, 건조 애쉬 또는 슬래그 미네랄 제거 시스템의 설계를 이용하는지 여부를 포함하는 플랜트 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 포집하고, 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 공급물을 가스화하기 위해 요구되는 전력의 양은 공급물의 화학 조성에 직접적으로 좌우된다.
가스화 공정에서 생성되는 가스가 "낮은 질" 탄소함유 공급물을 사용하여 저온 가스화기에서 생성되는 경향이 있는 가스 종류과 같은 광범위하게 다양한 휘발성 물질을 포함하는 경우, 이는 일반적으로 방출가스(off-gas)로 지칭된다. 공급물의 특성 및 가스화기에서의 조건이 CO 및 H2가 두드러진 화학 종인 가스를 생성하는 경우, 이러한 가스는 합성가스로 지칭된다. 몇몇 가스화 설비는 가스 질 조절(conditioning) 시스템을 통해 냉각 및 세정 전에, 미가공 방출가스 또는 미가공 합성가스를 보다 한정된 가스 조성으로 전환시키는 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 온도 에서 구동하고/거나 다른 입력물 또는 반응물을 부가하거나 부가하지 않으며 더 긴 사슬 휘발성물질 및 타르를 더 작은 분자로 변환하거나, 재구성하거나 개질시킴으로써 방출가스/합성가스를 정제한다. 가스 분자가 플라즈마 열과 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 열과의 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 공급물이 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 공급물의 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 변환되는 경우, 금속, 황 화합물 및 재와 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 합성가스를 생산하기 위한 다양한 석탄 가스화 기술에 관한 다수의 특허가 또한 존재한다.
종래 시스템 및 공정은 연속적으로 변화한다는 점을 기초로 다뤄져야 하는 문제를 적절히 해결하지 못했다. 이러한 유형의 가스화 시스템의 일부는 가스화 반응으로부터 유용한 가스를 생성시키는 공정을 조정하기 위한 수단을 기재하고 있다. 따라서, 공정 및/또는 전체적 공정을 구성하는 단계의 전체 효능을 최대화하는 방식으로 탄소함유 공급물을 효율적으로 가스화할 수 있는 시스템을 제공하는 것은 당업계에서 큰 진보일 것이다.
가스화 반응기로부터 생성된 가스는 카드뮴, 수은 및 납과 같은 중금속 오염물을 포함할 수 있다. 이들 중금속은 배출 제한을 가지므로, 다운스트림 적용에 가스를 보내기 전에 이들 중금속에 대한 배출 제한에 맞추어 중금속은 가스로부터 분리되어야 한다. 중금속에 대한 배출 제한의 예들은 다음과 같다:
표 1: 중금속에 대한 배출 제한
중금속 배출 제한
카드뮴 14 ㎕/Rm3
납 142 ㎕/Rm3
수은 20 ㎕/Rm3
석탄 가스화로부터 얻어진 원료 가스의 조성은 변환기가 작동됨에 따른 조건에 의존하여 변한다. 원료 가스에서 통상적인 성분은 가연물 (CO 및 H2), 비-가연물 (CO2, N2 및 H2O), 공기 오염물 (중금속, NOx, H2S, HCl, 타르), 및 비말 동반된 고체를 포함한다. 연소, 전기의 생성, 또는 다른 적용을 위한 생성물 가스의 사용 이전에, 생성물 가스는 적용을 위해 바람직한 특징을 갖는 가스를 생성하기 위해 처리되거나 정제되어야만 한다. 이러한 처리 또는 정제는 일반적으로 생성물 가스로부터 중금속 및 산성 가스의 제거를 포함한다.
가스가 가스화 시스템에서 도시의 고체 폐기물 (MSW)의 변환으로부터 생성될 때 가스는 가연물 및 비-가연물 부분 모두에서 금속 및 금속 화합물을 포함한다. 일반적으로, 폐기물에서 납 농도는 카드뮴 및 수은보다 100배 더 높다. 다양한 잔여물 사이에서 중금속의 분포는 MSW 조성, 금속 및 그들의 금속 화합물의 물리화학적 특성 및 가스화 공정 작동 조건에 의존한다.
높은 증기압 (낮은 끓는점)을 갖는 금속 화합물은 증발 후 쉽게 대기로 진입하고 생성물 가스에서 주로 발견된다. 독성 중금속 증기는 금속 구성요소의 휘발화에 이은 증기의 응축으로부터 유래된다. MSW의 각 로드(load)가 이전의 것과 다 르기 때문에, 가스화 공정에서 정확한 중금속 농도를 아는 것은 거의 불가능하다. 가스화 공정으로부터 생성된 가스에서 평균 중금속 농도의 추정을 아래에 나타내었다.
표 2: 합성가스에서 중금속 농도의 추정
중금속 합성가스에서 농도
카드뮴 2.9-3.9 mg/Nm3
납 106-147 mg/Nm3
수은 1.3-1.7 mg/Nm3
가스화 시스템에 의해 생성된 가스 정제를 위한 가스 조절 시스템이 기재되었다. 미국 특허 출원 번호 20040251241은 혼합된 가스 흐름으로부터 산성 가스를 제거하는데 사용될 수 있는 통상적인 가스 정제 기술의 사용을 기재하고 있다.
미국 특허 출원 번호 20040031450은 쉽게 제거하기 위해 연소 흐름 내에 포함된 입자의 응집을 초래하는 음향 압력파를 사용하는 가스화 시스템을 기재한다. 일 구체예에서, 황 포집제가 연소 생성물 흐름으로부터 황을 제거할 뿐만 아니라 입자 응집을 촉진 하기 위해 유동 채널내로 주입된다.
미국 특허 출원 번호 20040220285는 가스화 바이오매스에 대한 방법 및 시스템을 기재한다. 얻어진 합성가스는 둘 모두 오일이 공급되는 포화 디바이스 및 흡수 디바이스를 통해 통과된다. 이러한 방식으로, 합성가스는 오일로 세척되고 타르는 그것으로부터 실질적으로 제거된다.
미국 특허 출원 번호 20040247509는 합성가스로부터 적어도 일부분의 오염물 예컨대 할라이드, 황, 미립자, 수은 및 다른 것들을 제거하기 위해 고온 (약 1,200℉ 내지 약 300℉)에서 사용하기 위한 가스 정제 시스템을 기재한다. 가스 정제 시스템은 합성가스로부터 할라이드, 미립자, 및 황을 제거하기 위한 일련의 연결된 하나 이상의 필터 용기를 포함할 수 있으며, 제 1 온도 및 압력에서 가스를 수용하고 시스템을 통한 가스 흐름처럼 합성가스의 온도를 낮추는 것에 의해 작동된다. 제 1 필터 용기에 의해 제거된 입자는 그들이 챠르 입자 및 흡착제 입자로 분리될 수 있는 수집 호퍼로 보내어질 수 있다. 챠르 입자는 가스화기로 회귀될 수 있으며 할라이드를 가진 흡착제는 제 1 필터 용기로 들어가는 가스에 그것을 첨가함에 의해 처리되거나 재순환될 수 있다. 가스화기로 챠르 입자의 회귀는 챠르 입자의 첨가를 위한 추가적인 전용 주입구를 필요로 할 것이다. 가스 정화 시스템은 연료 전지 전원 생성, IGCC 전원 생성, 및 화학물질 합성과 같이 정제된 합성가스가 요구되는 응용에 사용될 수 있다.
이러한 배경 정보는 본 발명에 가능한 관련되도록 출원인에 의해 믿어지는 공지된 정보를 만들려는 목적으로 제공된다. 본 발명에 대한 종전 기술을 구성하는 임의의 이전의 정보는 승인이 필요한 것으로 의도되지 않으며 해석되어야 하는 것도 아니다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 가스 조절 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 일 양태에 따르면, 조절된 가스를 제공하기 위해 가스화 시스템 내에 하나 이상의 위치로부터 주입 가스를 조절하기 위한 가스 조절 시스템이 제공되며, 상기 가스 조절 시스템은 하기를 포함한다: (a) 조절된 가스 및 제거된 미립자 물질을 제공하기 위해 제 1 조절 스테이지 내에서 주입 가스로부터 미립자 물질을 제거하기 위한 하나 이상의 입자 제거 유닛을 포함하는 제 1 가스 조절기; (b) 2차 가스 및 고체 폐기물을 생성하기 위해 상기 제거된 미립자 물질을 받고 처리하기 위한 고체 잔여물 조절기; 및 (c) 상기 고체 잔여물 조절기와 효과적으로 결합된 제 2 가스 조절기로서, 상기 제 2 가스 조절기는 부분적으로 조절된 2차 가스를 제공하기 위해 상기 2차 가스로부터 미립자 물질을 제거하기 위한 가스 냉각기 및 하나 이상의 추가의 입자 제거 유닛을 포함하고, 상기 제 2 가스 조절기는 하나 이상의 추가의 입자 제거 유닛으로 2차 가스가 들어가기 이전에 냉각을 위해 상기 가스 냉각기를 통해 상기 2차 가스가 통과하고 추가의 처리를 위해 제 1 가스 조절기로 상기 부분적으로 조절된 2차 가스가 통과하도록 배열된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 가스화 시스템 내에 하나 이상의 위치로부터 주입 가스로부터 조절된 가스를 제공하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은 하기 단계들을 포함한다: (a) 조절된 가스 및 제거된 미립자 물질을 제공하기 위해 제 1 조절 스테이지 내의 제 1 가스 조절기에서 상기 주입 가스로부터 미립자 물질을 제거하는 단계; (b) 고체 폐기물 및 2차 가스를 생성하기 위해 고체 잔여물 조절기로 제거된 미립자 물질을 전달하고 제거된 미립자 물질을 용융하는 단계; (c) 부분적으로 조절된 2차 가스를 제공하기 위해 상기 2차 가스로부터 냉각 및 미립자 물질 제거에 의해 제 2 가스 조절기에서 상기 2차 가스를 조절하는 단계; 및 (d) 추가의 조절을 위해 상기 제 1 가스 조절기로 상기 부분적으로 조절된 2차 가스를 전달하는 단계.
도면의 간단한 설명
본 발명의 이들 및 다른 특징들은 첨부된 도면을 참조로 하여 아래의 발명의 상세한 설명에서 보다 명백하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 가스 조절 시스템 (GCS)의 공정 흐름 다이아그램을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 GCS의 공정 흐름 다이아그램을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 구체예에 따른 GCS의 공정 흐름 다이아그램을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 구체예에 따른 GCS의 공정 흐름 다이아그램을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 구체예에 따른 GCS의 공정 흐름 다이아그램을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 구체예에 따른 GCS의 공정 흐름 다이아그램을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 구체예에 따른 GCS의 공정 흐름 다이아그램을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 구체예에 따른 GCS에 의해 수행되는 가공 단계들의 공정 흐름 다이아그램을 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 구체예에 따른 GCS에 의해 수행되는 가공 단계들의 공정 흐름 다이아그램을 도시한 것이다.
도 10은 다운스트림 적용 (가스 엔진)과 통합되고, 본 발명의 일 구체예에 따른 예시적인 GCS 시스템을 포함하는 저온 가스화 설비의 개략적 공정 흐름 다이아그램을 도시한 것이다.
도 11은 다운스트림 적용 (가스 엔진)과 통합되고, 본 발명의 일 구체예에 따른 예시적인 GCS 시스템을 포함하는 저온 가스화 설비의 개략적 공정 흐름 다이아그램을 택일적으로 도시한 것이다.
도 12는 입자 제거 수단과 조합된 건조식 주입 시스템을 보여주는, 본 발명의 구체예에 따른 GCS의 일부분의 예시적인 개략도를 나타낸 것이다.
도 13은 HCl 스크러버 및 결합된 성분을 보여주는, 본 발명의 구체예에 따른 GCS의 일부분의 예시적인 개략도를 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명에 따른, GCS로부터 폐수를 수집하고 저장하기 위한 시스템을 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 일 구체예에 따른 티오팍 (Thiopaq)을 사용하는 H2S 제거 공정의 공정 흐름 다이아그램을 도시한 것이다.
도 16은 합성가스 조절 시스템과 통합된 일 구체예에 따른 GCS를 도시한 것이다.
도 17은 본 발명의 일 구체예에 따른 GCS를 도시한 것이다.
도 18은 본 발명의 일 구체예에 따른 GCS를 포함하는 도시 고체 폐기물 가스화 플랜트에 대한 고수준 공정 조절 개략도를 도시한 것이다.
도 19는 다운스트림 적용 (가스 엔진)과 통합되고, 본 발명의 일 구체예에 따른 예시적인 GCS 시스템을 포함하는 저온 가스화 설비의 개략적 공정 흐름 다이아그램을 도시한 것이다.
도 20은 다운스트림 적용 (가스 엔진)과 통합되고, 본 발명의 일 구체예에 따른 예시적인 GCS 시스템을 포함하는 저온 가스화 설비의 개략적 공정 흐름 다이아그램을 택일적으로 도시한 것이다.
도 21은 본 발명의 일 구체예에서 GCS로 통합될 수 있는 고체 잔여물 조절 챔버의 개략적인 대표도이다.
도 22는 본 발명의 일 구체예에서 GCS로 통합될 수 있는 잔여물 조절 챔버의 개략적인 대표도이며, 챔버는 GCS 및 가스화기의 백하우스 (baghouse) 필터와 간접적으로 통해 있다.
도 23은 본 발명의 일 구체예에서 GCS로 통합에 적당한 고체 잔여물 조절기의 S-분출 타입 슬래그 배출구의 부분적인 단면도를 도시한 것이다.
도 24는 본 발명의 일 구체예에서 GCS로 통합에 적당한 잔여물 조절 챔버의 기울어질 수 있는 (tiltable) 슬래그 도가니 (crucible)의 부분적인 단면도를 도시한 것이다.
도 25 A 내지 D는 본 발명의 다양일 구체예에서 GCS로 통합에 적당한 잔여물 조절 챔버에서 사용될 수 있는 다양한 슬래그 배출구의 부분적인 단면도를 도시한 것이다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 가스화 설비 내에 하나 이상의 위치에서 생성되는 조절 가스에 대한 2-스테이지 가스 조절 시스템(GCS)을 제공한다. 조절 공정의 처음 스테이지 (스테이지 1)는 변환기에 의해 생성되는 가스로부터 미립자 물질의 건조 상 분리를 포함하며 두 번째 스테이지 (스테이지 2)의 조절 공정은 요구되고/거나 특정된 가스 특성에 맞는 조절된 가스를 제공하기 위해 하나 이상의 추가의 가공 단계를 포함한다. 가스가 하나 이상의 위치에서 생성되는 설비에서, 가스 조절 공정은 분리되고/거나 조합된 공정 흐름을 포함한다. GCS는 조절 공정을 조절하고 최적화하기 위한 조절 시스템을 추가로 포함한다.
본 발명의 일 구체예에서, GCS는 두 개의 통합된 서브시스템을 포함한다: 변환기 가스 조절기 (GC) 및 고체 잔여물 가스 조절기 (GC). 변환기 GC는 주 가스화 챔버(들) (또는 "변환기(들)")에서 하나 이상의 포인트로부터 발산하는 가스를 처리한다. 고체 잔여물 GC는 변환기로부터 및, 임의적으로, 변환기 GC로부터 수집된 고체 잔여물의 용융으로부터 발산하는 가스를 처리한다.
특정 구체예에서, GCS에 의해 조절되는 스테이지 1은 미립자 물질이 용융하는 고체 잔여물 조절기 내로 이 스테이지 동안 분리된 미립자 물질을 통과시키는 것을 추가로 포함한다. 이 구체예에 따르면, 고체 잔여물 용융 단계로부터 생성된 가스는 다음에 고체 잔여물 GC를 통해 통과된다. 고체 잔여물 조절기는 변환기 GC로부터 단지 미립자 물질만을 수용하는 전용 고체 잔여물 조절기가 될 수 있거나, 변환기 GC로부터 및 변환기로부터 미립자 물질을 받는 고체 잔여물 조절기와 공유될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, 건조 스테이지 1 조절 공정에서 미립자 물질의 제거 및 적어도 일부의 중금속 오염물 및 스테이지 1 공정으로부터 생성된 미립자 물질의 추가적인 가공은 변환기 내로 공급되는 공급 원료의 퍼센트 또는 무게에 작은 부분이 되도록 조절 공정 동안 생성된 해로운 폐기물의 양을 감소시킨다.
[정의]
달리 정의하지 않는 한, 여기서 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 당업계에서 통상의 기술을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
여기서 사용된 바와 같은, 용어 "부분적으로 조절된 가스"는 본 발명의 가스 조절 시스템 (GCS)의 스테이지 1을 통해 처리되는 가스를 나타낸다.
여기서 사용된 바와 같은, 용어 "오염물"은 물질, 예컨대 화합물, 원소, 분자, 또는 분자의 조합까지를 나타내며, 주입 가스에 존재하지만 최종 조절된 가스에서는 요망되지 않는 미립자 물질을 포함한다. 오염물은 고체, 액체 또는 가스형태가 될 수 있다. 예를 들어, 주입 가스가 가스화 시스템 또는 변환기에서 가스 생성물 내로 탄소를 포함하는 공급 원료의 변환으로부터 생성되는 합성가스인 경우, 주입 가스는 오염물 예컨대 황, 할라이드 종, 슬래그 및 챠르 미립자, 질소 종(예컨대 암모니아 및 시안화수소), 및 중금속(예컨대 수은, 비소, 및 셀레늄)을 포함할 수 있다.
여기서 사용된 바와 같은, 용어 "약"은 기재된 값으로부터 약 +/-10% 변화를 나타낸다.
여기서 사용된 바와 같은, 용어 "제 2 가스 흐름"은 상기 고체 잔여물 조절기에서 처리되는 물질 (예를 들어, 변환기 가스 조절기로부터 변환된 미립자 물질 및 중금속을 포함)로부터 고체 잔여물 조절기에서 생성되는 가스를 나타낸다.
주입 가스로부터 오염물의 분리에 관한 여기서 사용된 바와 같은, 용어 "고체 상" 및 "건조 상"은 물 또는 임의의 수용액의 첨가없이 수행되는 분리를 나타내며 오염물은 본질적으로 건조 또는 고체 형태로 주입가스로부터 분리된다.
주입가스로부터 오염물 또는 중금속/미립자 물질의 분리와 관련하여 본원에서 사용된 "습윤 상"이라는 용어는 물 또는 수용액을 첨가시켜 수행된 분리를 언급한다. 분리는 물 또는 수용액으로의 중금속/미립자 물질을 포함하는 오염물의 분리를 초래한다.
가스 조절 시스템(GCS)
본 발명은 2-단계 조절 공정에서 가스를 조절하는 가스 조절 시스템(GCS)을 제공하며 요망되는 다운스트림 적용을 위해 적합한 조성을 지니는 최종 조절된 가스를 제공한다. 스테이지 1은 하나 이상의 초기 건조/고형물 상 분리 단계를 포함하고, 이어서 스테이지 2는 하나 이상의 추가의 가공 단계를 포함한다. 일반적으로, 건조/고형물 상 분리 단계에서, 실질적인 부분의 미립자 물질 및 대부분의 중금속 오염물이 제거된다. 스테이지 2에서, 추가량의 미립자 물질 및 중금속 오염물 뿐 아니라 가스에 존재하는 임의의 다른 오염물이 제거된다. 따라서, GCS는 가공 단계를 수행하고, 주입가스로부터 미립자 물질, 산 가스 및/또는 중금속을 분리시키고, 임의로 가스가 GCS를 통과함에 따라 가스의 습도 및 온도를 조정하는 다양한 구성요소를 포함한다. GCS는 전체적인 조절 공정을 제어하고 최적화하기 위한 제어 시스템을 추가로 포함한다.
GCS는 가스화 시스템내에 있는 하나 이상의 위치로부터 직접 또는 간접적으로 주입가스를 수용하고 스테이지 1 및 스테이지 2 공정을 통해 이것을 처리함으로써 요망되는 조성을 지니는 조절된 가스를 생성한다. GCS는, 예를 들어 내연 기관, 스팀-주입된 가스 터빈, 연소 터빈 기관, 및 연료 전지 기술을 포함하는 다운스트림 적용에 연료원으로서 사용하기에 적합하고; 에탄올, 메탄올 및 탄화수소와 같은 화학제품, 및 수소, 일산화탄소, 메탄과 같은 가스의 합성에 적합한 조절된 가스를 생성하도록 구성될 수 있다.
일 구체예에서, GCS의 구성요소 및 각 가공 단계의 순서는 처리되고/거나 처분되어야 하는 위험한 폐기물의 발생을 최소화하도록 선택된다. 가공 단계의 실재 및 차례는, 예를 들어 주입가스의 조성 및 선택된 다운스트림 적용에 요구되는 조절된 가스의 조성에 기초하여 선택될 수 있다.
GCS는 임의의 가스화 시설에 혼입될 수 있으며, 여기서 조절이 요구되는 가스가 가스화 시스템의 하나 이상의 지점에서 생성된다. 상기 언급된 대로, 일 구체예에서, GCS는 두 통합된 서브시스템: 변환기(Converter) GC 및 고체 잔여물(Solid Residue) GC를 포함한다. 고체 잔여물 GC는 변환기 GC와 동일하거나 유사한 가공 단계를 이용하여 고체 잔여물로부터의 가스 발산을 처리하며, 즉 스테이지 1 가공이 가스로부터 대부분의 미립자 물질 및 중금속의 적어도 일부를 제거하고 스테이지 2 가공이 다운스트림 가스 품질 사양을 충족하는 조절된 가스를 제공한다.
상기 구체예에 따르면, 변환기 GC 및 고체 잔여물 GC는 동시에 작동할 수 있고, 여기서 두 서브시스템 모두는 스테이지 1 및 스테이지 2 공정 둘 모두를 수행할 수 있거나, 두 서브시스템이 수렴적인 방식으로 작동할 수 있는데, 이 때 이들은 스테이지 2 가공을 위한 구성요소의 일부 또는 전부를 공유한다. 두 서브시스템이 수렴적인 방식으로 작동하는 본 발명의 일 구체예가 도 2에 도시되며 실시예 1에 상세하게 개시되어 있다.
일부 구체예에서, 스테이지 1에서 분리된 미립자 물질을 추가로 가공함으로써, 처리되어야 하는 위험한 물질의 양을 감소시킬 수 있다. 도 1은 본 발명의 특정 구체예를 도시하며, 여기서 스테이지 1은 변환기 GCS 스테이지 1 가공(135)의 미립자 및 중금속 제거 단계로부터의 고형 물질을 고체 잔여물 조절 챔버(165)로 옮기는 것을 추가로 포함하고, 상기 챔버(165)에서 고형 물질을 용융시켜 불활성 슬래그(166) 내에 포획시킨다. 용융 단계로부터의 가스를, 이후에, 가스 냉각기(170) 및 중금속 및 미립자 물질 제거기(185)를 포함하는 고체 잔여물 GCS(19)를 통해 통과시킨다. 미립자 물질 제거 이전에 활성탄 및/또는 다른 흡수제를 (172)에서 임의로 첨가시킬 수 있다. 부분적으로 조절된 가스를 스테이지 1 가공(135) 이전에 (129)에서, 또는 스테이지 1 가공(135) 이후에 (131)에서, 스테이지 2 가공(141)을 위해 변환기 GCS(28)로 돌려보낸다. 대안적으로, 일 구체예에서, 고체 잔여물 GC(19)는 병렬의 스테이지 2 가공을 위한 구성요소를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, GCS에 의해 생성된 위험한 폐기물의 양은 사용된 탄소함유 공급물 중량의 약 5% 미만이다. 일 구체예에서, 생성된 위험한 폐기물의 양은 사용된 탄소함유 공급물 중량의 약 2% 미만이다. 일 구체예에서, 생성된 위험한 폐기물의 양은 사용된 탄소함유 공급물 중량의 약 1% 미만이다. 일 구체예에서, 생성된 위험한 폐기물의 양은 사용된 탄소함유 공급물 1톤에 대해 약 1 kg 내지 약 5 kg이다. 일 구체예에서, 생성된 위험한 폐기물의 양은 사용된 탄소함유 공급물 1톤에 대해 약 1 kg 내지 약 3 kg이다. 일 구체예에서, 생성된 위험한 폐기물의 양은 사용된 탄소함유 공급물 1톤에 대해 약 1 kg 내지 약 2 kg이다.
본 발명의 GCS의 다양한 비제한적인 구체예가 도 1 내지 9에 도시되며 하기 실시예 1-11, 13 및 14에 개시되어 있다.
GCS는 고온 가스화 시스템 또는 저온 가스화 시스템으로 사용하기 위해 구성될 수 있다. 고온 가스화 시스템으로 사용하기 위해 구성된 GCS의 일 구체예가 도 3에 도시되며 하기 실시예 3에 개시되어 있다. 고온에서 작동할 수 있는 GCS, 예를 들어 오염물이 700℃를 초과하는 온도에서 제거되는 GCS가, 대용량 적용이 요구되는 경우에 유용할 수 있다.
GCS는, 하나 이상의 가공 단계가 고온의 주입가스를 이용하고, 후속적인 단계가 보다 낮은 온도에서 수행되도록 구성될 수 있다. 고온에서 하나 이상의 가공 단계를 수행하도록 구성된 GCS의 일 구체예가 도 6에 도시되며 하기 실시예 6에 개시되어 있다.
본 발명의 일 구체예에서, GCS는 저온 가스화 시스템으로 사용하기 위해 구성된다. 본 발명의 일 구체예에서, 스테이지 1에서 GCS에 적용된 제1 가공 단계는 약 750℃ 미만에서 일어난다. 일 구체예에서, 스테이지 1의 제1 가공 단계가 약 700℃ 미만에서 일어난다. 일 구체예에서, 스테이지 1의 제1 가공 단계가 약 600℃ 미만에서 일어난다. 일 구체예에서, 스테이지 1의 제1 가공 단계가 약 500℃ 미만에서 일어난다. 일 구체예에서, 스테이지 1의 제1 가공 단계가 약 400℃ 미만에서 일어난다. 일 구체예에서, 스테이지 1의 제1 가공 단계가 약 300℃ 미만에서 일어난다. 일 구체예에서, 스테이지 1의 제1 가공 단계가 약 275℃ 미만에서 일어난다. 일 구체예에서, 스테이지 1의 제1 가공 단계가 약 260℃ 미만에서 일어난다.
일 구체예에서, GCS에 적용된 스테이지 1 및 스테이지 2 공정의 대부분, 즉 절반을 넘는 부분이 저온, 예를 들어 약 750℃ 이하에서 일어난다. 일 구체예에서, 스테이지 1 및 스테이지 2 공정의 대부분이 약 700℃ 미만에서 일어난다. 일 구체예에서, 스테이지 1 및 스테이지 2 공정의 대부분이 약 400℃ 미만에서 일어난다. 일 구체예에서, 스테이지 1 및 스테이지 2 공정의 대부분이 약 300℃ 미만에서 일어난다. 일 구체예에서, 스테이지 1 및 스테이지 2 공정의 대부분이 약 275℃ 미만에서 일어난다. 일 구체예에서, 스테이지 1 및 스테이지 2 공정의 대부분이 약 260℃ 미만에서 일어난다. 일 구체예에서, 스테이지 1 및 스테이지 2 공정의 대부분이 약 240℃ 미만에서 일어난다. 일 구체예에서, 스테이지 1 및 스테이지 2 공정의 대부분이 약 200℃ 미만에서 일어난다. 일 구체예에서, 스테이지 1 및 스테이지 2 공정의 대부분이 약 100℃ 미만에서 일어난다.
일 구체예에서, GCS는 대기압에 근접한 압력에서 구동된다.
[주입가스]
일반적으로, GCS는 도시의 고형 페기물, 석탄, 바이오매스 등을 포함하나 이로 제한되지 않는 탄소함유 공급물을 가스화 시스템(또는 "변환기")에서 가스 생성물로 전환시켜 생성된 가스인 주입가스의 조절을 위해 구성된다. 통상적으로, 가스화 시스템에서 나오는 가스의 주된 구성성분은 일산화탄소, 질소, 이산화탄소, 수소 및 물이다. 매우 적은 양의 메탄, 에틸렌, 염화수소 및 황화수소도 존재할 수 있다.
상이한 화학적 성분의 정확한 비율은 사용된 공급원료의 유형에 의존적이다. 예를 들어, 석탄(일반적으로, 도시의 고형 폐기물에 비해 탄소함유 공급물의 비교적 단조로운 조성물인 것으로 여겨진다)으로부터 특정 세트의 작동 조건하에 생성된 가스는 26%의 일산화탄소, 11.5%의 이산화탄소, 28%의 수소 및 약 31%의 수증기를 산출할 수 있다. 또 다른 세트의 작동 조건하에 서브-역청질 석탄(23.1 MJ/kg- 25.1% 수분 함량)의 가스화는 18.2%, 6.9%, 17.8% 및 15.1%의 일산화탄소, 이산화탄소, 수소 및 물을 각각 산출한다. 당 분야에 공지된 대로, 토탄에서 아탄(수분 약 70%, 에너지 함량 약 8-10 MJ/kg) 내지 흑탄(수분 약 3%, 에너지 함량 약 24-28 MJ/kg) 내지 무연탄(사실상 수분 없음, 에너지 함량 약 32 MJ/kg 이하)에 이르는 여러 상이한 유형의 석탄이 존재하고, 이들 각각은 생성물 가스에서 실질적인 가변성을 나타낼 수 있다.
가스가 탄소함유 공급물의 가스화에 의해 생성되는 경우, 다운스트림 적용에서의 가스의 정상적이고 안전한 이용에 적합하지 않은 특정량의 오염물이 존재한다. 따라서, 일 구체예에서, 본 발명의 GCS는 가스화 변환기 내에 생성된 가스를 미립자 물질, 산과 같은 원치 않는 화학적 오염물, 독성 오염물(수은, 카드뮴 등) 및 다른 물질의 양이 실제로 감소된 가스로 전환시키는데 이용된다. 이러한 불순물들의 효과적인 제거는 가스를 다운스트림 적용에 사용하기에 적합하게 만들 것이다. 일부 구체예에서, 주입가스가 순수하고 건조되는 것이 요망된다.
스테이지 1: 미립자 물질 및 중금속의 건조 상 제거
GCS의 스테이지 1은 주입가스로부터 미립자 물질의 대부분 및 중금속의 적어도 일부를 제거하는 하나 이상의 건조 또는 고형물 상 가공 단계를 충족하는 구성요소를 포함한다. 적합한 고형물 상 가공 단계가 당 분야에 공지되어 있고, 이러한 단계를 수행하기에 적합한 수단의 비제한적인 예가 하기에 개시되어 있다. 일 구체예에서, 주입가스로부터의 중금속의 일부 및 대부분의 미립자 물질이 건조 또는 고형물 형태로 주입가스로부터 제거된다.
예를 들어, 중금속 제거는 당 분야에 공지된 하나 이상의 고형물 상 분리 구성요소를 이용하여 달성될 수 있다. 이러한 고형물 상 분리 구성요소의 비제한적인 구체예로는 건조 주입 시스템, 미립자 제거 유닛, 활성탄 여과 구성요소, 및 전문 흡수제, 예컨대 제올라이트 및 나노구조와의 접촉을 허용하는 구성요소가 있다. 선택된 대표적인 실시예가 하기에 추가로 상세하게 개시되어 있다. 당 분야에 공지된 대로, 이러한 미립자 분리 구성요소를 이용하여 고형물/건조 상, 예를 들어 당 분야에 공지된 건조 주입 공정, 활성탄 여과, 건조 세척, 다양한 입자 제거 가공 단계 및 다른 건조 또는 고형물 상 가공 단계에서 미립자 물질/중금속을 제거 또는 분리할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, GCS의 스테이지 1은 하나 이상의 입자 제거 유닛을 포함한다. 또 다른 구체예에서, GCS의 스테이지 1은 하나 이상의 입자 제거 유닛 및 건조 또는 고형물 상 가공 단계를 수행하기 위한 하나 이상의 다른 구성요소를 포함한다. 일 구체예에서, GCS의 스테이지 1은 건조 주입 시스템 및 하나 이상의 입자 제거 유닛을 포함한다. 도 12는 본 발명의 일 구체예에 따른 GCS의 스테이지 1을 도시하며, 여기서 스테이지 1은 건조 주입 시스템(271) 및 미립자 제거용 백하우스(230)를 포함한다. 백하우스에 제거된 고체 잔여물을 고체 잔여물 조절기로 옮긴다.
주입가스가 플라스마 가스화 변환기에서 나온 합성가스인 구체예에서, 합성가스는 변환기 내 표면 속도에 기초하여 상당량의 미립자 물질을 지닐 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 구체예에 따른 GCS는 가스화 시스템을 떠나는 합성가스에 동반되어질 수 있는 미립자 물질을 제거하기 위한 입자 제거 유닛(들)을 포함한다. 석탄이 플라스마 가스화 변환기에서 공급원료로서 이용되는 일 구체예에서, GCS는 하나 이상의 입자 제거 유닛을 포함한다.
적합한 스테이지 1 가공 단계의 선택은, 예를 들어 주입가스의 조성, 주입가스의 온도, 최종 조절된 가스의 요망되는 조성, 조성 가스의 최종 용도 뿐만 아니라 비용 참작과 장비 이용도에 기초하여 당업자에 의해 용이하게 결정될 수 있다. GCS의 스테이지 1은 요망되는 경우, 예를 들어 주입가스가 고온이고 선택된 스테이지 1 공정이 저온에서 최적으로 작동하는 경우, 하나 이상의 가스 냉각기를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.
상기 언급된 대로, GCS의 스테이지 1은 주입가스에 존재하는 대부분의 미립자 물질 및 중금속 오염물의 적어도 일부의 제거를 제공한다. 일 구체예에서, 주입가스에 존재하는 미립자 물질의 적어도 약 70%가 스테이지 1에서 제거된다. 일 구체예에서, 주입가스에 존재하는 미립자 물질의 적어도 약 80%가 스테이지 1에서 제거된다. 일 구체예에서, 주입가스에 존재하는 미립자 물질의 적어도 약 90%가 스테이지 1에서 제거된다. 일 구체예에서, 주입가스에 존재하는 미립자 물질의 적어도 약 95%가 스테이지 1에서 제거된다. 일 구체예에서, 주입가스에 존재하는 미립자 물질의 적어도 약 98%가 스테이지 1에서 제거된다. 일 구체예에서, 주입가스에 존재하는 미립자 물질의 적어도 약 99%가 스테이지 1에서 제거된다. 일 구체예에서, 주입가스에 존재하는 미립자 물질의 99.5%가 스테이지 1에서 제거된다.
일 구체예에서, 주입가스에 존재하는 중금속 오염물의 적어도 약 50%가 스테이지 1에서 제거된다. 일 구체예에서, 주입가스에 존재하는 중금속 오염물의 적어도 약 60%가 스테이지 1에서 제거된다. 일 구체예에서, 주입가스에 존재하는 중금속 오염물의 적어도 약 70%가 스테이지 1에서 제거된다. 일 구체예에서, 주입가스에 존재하는 중금속 오염물의 적어도 약 80%가 스테이지 1에서 제거된다. 일 구체예에서, 주입가스에 존재하는 중금속 오염물의 약 90%가 스테이지 1에서 제거된다.
[건조 주입]
건조 주입 공정은 당 분야에 공지되어 있고 일반적으로 계산된 량의 적합한 흡수제를 이용하며, 흡수제는 충분한 체류 시간을 지니는 가스 스트림으로 주입되어 미세 중금속 입자 및 증기가 흡수제의 표면 위에 흡착될 수 있다. 흡수제 상에 흡착된 중금속을 하기 개시된 것들과 같은 입자 제거에 의해 포획하여, 건조/고형물 상에 있는 중금속/미립자 물질을 제거하고 이것이 주입가스를 따라 GCS를 통해 이동하는 것을 막을 수 있다. 본 발명의 일 구체예에서, 적합한 흡수제 상에 흡착된 중금속 입자는 백하우스 필터를 이용하여 포획된다.
적합한 흡수제의 예로는 활성탄; 요오드, 황 또는 다른 종이 주입된 촉진된-활성탄; 형석; 석회; 아연-기재 흡수제; 나트륨-기재 흡수제; 산화금속 기재 흡수제; 및 당 분야에 공지된, 수은, 비소, 셀렌 등과 같은 중금속을 효과적으로 제거할 수 있는 다른 물리적 및 화학적 흡수제가 있으나 이로 제한되지 않는다. 흡수제의 메시 크기는 최대 크기인 약 60 메시 크기 내지 최소 크기인 약 325 메시 크기로 다양할 수 있다.
주입은 일반적으로 포트, 노즐 또는 튜브와 같은 흡수제 투입 수단을 통해 이루어지며 중력, 고정된 호퍼 또는 스크류 컨베이어에 의해 달성될 수 있다. 본 발명은 또한 흡수제가 GCS를 구성하는 파이프내에, 예를 들어 입자 제거 수단에 이르는 파이프에 제공될 수 있어서 주입가스가 파이프를 통과함에 따라 주입가스와 혼합될 수 있다고 고려한다. 당 분야에 공지된 다른 방법도 포함된다.
흡수제는 하나 이상의 보유 컨테이너에 저장될 수 있고 이로부터 흡수제(들)가 투입 수단으로 전달된다. 흡수제 로딩 컨테이너는 GCS의 일부일 수 있거나 GCS의 외부에 존재할 수 있다.
GCS는 다수의 흡수제 투입 수단 또는 단일 흡수제 투입 수단을 포함할 수 있다. 다수의 흡수제 투입 수단을 포함하는 구체예에서, 동일한 양의 흡수제가 각 투입 수단에 가해지거나 투입 수단의 서브세트에 각각 가해질 수 있다. 대안적으로, 상이한 양의 흡수제가 각 투입 수단에 가해지거나 투입 수단의 서브세트에 각각 가해질 수 있다. 유사하게, 동일한 흡수제가 각 투입 수단에 가해지거나 투입 수단의 서브세트에 각각 가해질 수 있다. 대안적으로, 상이한 흡수제가 각 투입 수단에 가해지거나 투입 수단의 서브세트에 각각 가해질 수 있다. 예를 들어, 주입가스로부터 오염물을 제거할 목적으로 형석 및 활성탄 둘 모두를 흡수제로서 이용하는 것과 같은 경제적이고 기술적인 방법의 경우, 각 투입 수단에 상이한 비율의 흡수제가 가해질 수 있다. 이 경우, 형석을 이용한 타르의 제거는 활성탄이 수은을 제거하는데 보다 효과적이 되게 할 수 있다. 사용되는 흡수제(들)의 양 및 유형의 결정은 주입가스에 존재하는 오염물 및 요망되는 산출 가스의 구성에 기초하여 당업자에 의해 용이하게 결정될 수 있다.
상기 언급된 대로, 흡수제의 다양한 조합물이 건조 주입에 의해 주입가스로 주입될 수 있고 적합한 조합물이, 예를 들어 주입가스의 조성에 기초하여 당업자에 의해 용이하게 결정될 수 있다. 예를 들어, 활성탄은 주입가스에 존재하는 수은이 비-원소 형태인 경우에 유용하고; 형석은 타르를 함유하는 주입가스에 대해 유용할 수 있다; 형석과 활성탄의 조합물.
일 구체예에서, 형석을 주입가스에 주입한다. 일 구체예에서, 활성탄을 주입가스에 주입한다. 일 구체예에서, 형석을 입자 제거 수단에 대한 예비-코팅으로서 이용한다. 일 구체예에서, 활성탄을 주입가스에 주입하고, 입자 제거 수단을 형석으로 예비코팅한다. 일 구체예에서, 형석을 시스템에 연속하여 주입한다.
[활성탄 여과]
활성탄 필터 층 또는 유동 층를 적용하는 활성탄 여과를 주입가스로부터 미립자 물질 또는 중금속을 제거하는데 이용할 수 있다. 주입가스를 가스 스트림으로부터 중금속(주로 수은)을 흡착시키는 활성탄 층를 통해 통과시킬 수 있다.
당 분야에 공지된 대로, 탄소 층 필터의 효율 및/또는 효력은 주입가스의 특성, 예를 들어 주입가스의 온도 및/또는 습도에 따라 변화된다. 통상적으로, 탄소 층 필터는 저온, 예를 들어 약 70℃ 미만에서, 및/또는 주입가스의 상대 습도가 약 60% 미만인 경우에 더욱 효과적이다. 따라서, 탄소 층 필터가 적용된 본 발명의 일 구체예에서, 주입가스는 필터 층를 통과하기에 앞서 냉각 및/또는 습도 제어 가공 단계에 제공된다.
당 분야에 공지된 대로, 다량의 미립자 물질을 제거하기 위해 활성탄 층를 이용하는 것은, 미립자 물질을 낮은 유동 영역에 집중시킬 수 있고 미립자 물질이 탄소 층를 채움에 따라 압력 강하 변화가 일어날 수 있으므로 다른 공정에 비해 덜 효과적일 수 있다. 이에 의해, 본 발명의 일 구체예에서, 활성탄 층를, 주입가스가 활성탄 층에 유입되기 전에 주입가스로부터 중금속 및/또는 미립자의 제거를 촉진할 수 있는 또 다른 건조 가공 단계와 함께 스테이지 1 가공에서 이용한다. 본 발명의 또 다른 구체예에서, 활성탄 층를 하기 기술된 대로, 스테이지 2 가공에 이용한다.
[건조 세척]
건조 세척은 건조 상에서 수행되는 또 다른 가공 단계가며, 황, 및 임의로 미립자 물질 및 소량의 수은을 주입가스로부터 제거하는 가공 단계가다.
건조 세척 공정에서, 알칼리 흡수제의 입자를 가스에 주입시켜 건조 고형물을 부산물로서 생성한다. 건조 세척 공정에 적용된 흡수제는 "단류-조작(once through)" 또는 재생성을 특징으로 할 수 있다. 건조 스크러버 시스템은 분무 드라이어, 순환 분무 드라이어 및 건조 주입 시스템의 세 부류로 분류될 수 있다.
분무 드라이어에서, 알칼리 흡수제, 예컨대 석회 또는 나트륨 기재 흡수제의 슬러리를 주입가스로 분무(atomize)시켜 오염물을 흡착시킨다. 날재를 포함하는 생성된 건조 물질을 정전 침전기 또는 패브릭 필터와 같은 다운스트림 입자 제거 수단에 의해 수집한다. 분무 드라이어는 일반적으로 약 70 내지 약 95%의 SO2 제거 효율을 위해 고안된다.
순환 분무 스크러버는 수화된 석회와 같은 흡수제를 주입가스와 접촉시키기 위해 동반(entrained) 유동 층 반응기를 이용한다. 반응기에서 일어나는 강한 가스-고형물 혼합이 가스 중 산화황과 건조 석회 입자의 반응을 촉진시킨다. 반응 생성물(칼슘 설파이트/설페이트), 미반응된 석회 및 날재의 혼합물을 다운스트림 입자 제거 수단으로 운반한다. 물 분무를 따로따로 유동 층로 도입시켜 성능을 향상시키고, 예를 들어 석회의 표면 수분 함량을 최적화시킴에 의해 최소의 석회를 이용하여 SO2 포획을 최대화한다. 순환 분무 스크러버는 약 90%를 초과하는 제거 효율을 제공할 수 있다.
건조 세척은 상기 개시된 것들과 같은 건조 주입 공정도 이용할 수 있으며, 이는 건조 흡수제, 예컨대 소다 재, 석회 또는 석회석을 주입가스에 주입하고 후속하여 다운스트림 입자 제거 수단에 오염물-적재 흡수제를 수집하는 것을 포함한다. 건조 주입 시스템은 통상적으로 50-70%의 제거 효율을 지닌다.
[입자 제거 유닛 및 공정]
일 구체예에서, 본 발명의 GCS는 주입가스로부터 미립자 물질을 제거하도록 작용하는 하나 이상의 입자 제거 유닛을 포함한다. 입자 제거 유닛은 수은 원소와 같은 중금속도 주입가스로부터 제거할 수 있다. 건조 주입이 GCS에 적용되는 구체예에서, 하나 이상의 입자 제거 유닛이 주입가스로부터 오염물-적재 흡수제를 제거하는데에도 이용된다. 적합한 입자 제거 유닛의 예로는 사이클론 분리기 또는 필터, 고온 세라믹 필터, 무빙 층 과립상 필터, 백하우스 필터, 및 정전 침전기(ESP)가 있으나 이로 제한되지 않는다. 본 발명의 일 구체예에서, GCS는 사이클론 필터, 고온 세라믹 필터 및 백하우스 필터로부터 선택된 하나 이상의 입자 제거 유닛을 포함한다. 일 구체예에서, GCS는 10 g/Nm3의 미립자 로딩을 지니는 주입가스로부터 미립자 물질을 99.9%의 효율로 제거할 수 있는 입자 제거 유닛을 포함한다.
당 분야에 공지된 대로, 입자 제거 유닛의 선택은, 예를 들어 주입가스의 온도, 제거되는 미립자 물질의 크기 및, 적용가능한 경우, 가스 스트림으로 주입되는 흡수제의 유형에 의존적일 것이다. 적합한 입자 제거 유닛이 당업자에 의해 용이하게 선택될 수 있다.
상기 언급된 대로, 입자 제거 유닛은 제거되는 미립자의 크기에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 일 구체예에서, GCS는 굵은 입자(즉, 크기가 약 10 미크론을 초과하는 것들)를 제거하기 위한 사이클론 분리기 또는 필터를 포함한다. 주입가스의 온도가 비교적 높은, 예를 들어 약 700℃를 초과하는 또 다른 구체예에서, GCS는 사이클론 필터를 포함한다. 실례를 목적으로, 다양한 입자 크기에서 고온 사이클론의 분리 효율은 하기와 같다: 2.5 ㎛에서 17.0%, 3.0 ㎛에서 39.3%, 3.5 ㎛에서 62.0%, 4.0 ㎛에서 79.0%, 6.0 ㎛에서 93.7%, 및 11.0 ㎛에서 98.5%.
본 발명의 또 다른 구체예에서, GCS는 더 작거나 더 미세한 입자, 예를 들어 약 1 ㎛ 미만의 것들을 제거하기 위해 ESP 또는 백하우스 필터를 포함한다. 당 분야에 공지된 대로, ESP는 정전기장에 의해 유도되므로, 산소 함량이 높은 가스 스트림에 이용될 때, 산소 함량이 지정 수준에 도달하는 경우에 전류를 흐르게 하는(trip) 제어 메커니즘을 포함하여야 한다.
백하우스 필터와 같은 클로쓰(cloth) 수집기는 적용되는 필터 유형에 따라서, 약 0.01 미크론에 드는(down to) 크기의 입자를 수집할 수 있다. 백하우스 필터는 통상적으로 패브릭 필터, 셀룰로오스 필터 또는 유기 중합체-기재 필터이다. 백하우스 환경에 이용될 수 있는 필터의 다른 예로는 라이닝되고 라이닝되지 않은 섬유유리 백, 테플론 라이닝된 백 및 P84 현무암 백이 있으나 이로 제한되지 않는다. 적합한 필터는, 예컨대 주입가스의 온도, 백하우스 및 주입가스 중의 수분 수준, 주입가스 중 입자의 정전특성, 필터의 산 및/또는 알칼리 화학 내성, 필터 케익을 방출시키는 필터 능력, 필터 투과성 및 입자의 크기 중 하나 이상을 고려하여 당업자에 의해 용이하게 선택될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, GCS는 백하우스 필터를 포함하며, 백하우스로 유입되는 가스의 온도가 약 180℃ 내지 약 280℃이 되도록 구성된다. 당 분야에 공지된 대로, 고온에서 백하우스 필터를 작동시키는 것은, 필터를 메우고 효율을 감소시키는 주입가스 중 타르의 위험성을 감소시킬 수 있다. 더 높은 온도는 백하우스 필터에 의한 입자 제거의 효율을 감소시킬 수 있으며, 예를 들어 작동 온도를 200℃에서 260℃로 증가시키면 입자 제거 효율이 99.9%에서 99.5%까지 감소된다. 따라서, GCS를 구성하는 백하우스 필터에 대해 더 높은 작동 온도를 선택할 때, GCS는 남아 있는 미립자를 포획하기 위해 스테이지 1 또는 스테이지 2에 추가의 다운스트림 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 습윤 스크러버 및 활성탄 비즈를 기타 오염물에 더하여 미립자 제거를 위해 포함시킬 수 있다. GCS가 백하우스 필터를 포함하는 본 발명의 일 구체예에서, GCS는 백하우스에 유입되는 가스의 온도가 약 250℃ 내지 약 260℃가 되도록 구성된다. GCS가 백하우스 필터를 포함하는 또 다른 구체예에서, GCS는 백하우스에 유입되는 가스의 온도가 약 190℃ 내지 약 210℃가 되도록 구성된다.
본 발명의 일 구체예에서, GCS의 스테이지 1은 미립자 물질을 제거하기 위한 하나의 입자 제거 유닛을 포함한다. 본 발명의 일 구체예에서, GCS의 스테이지 1은 미립자 물질을 제거하기 위한 2개의 입자 제거 유닛을 포함한다. 본 발명의 일 구체예에서, GCS의 스테이지 1은 굵은 입자를 제거하기 위한 제1 입자 제거 유닛 및 더 작거나 더 미세한 입자를 제거하기 위한 제2 입자 제거 유닛을 포함한다. 본 발명의 일 구체예에서, GCS의 스테이지 1은 제1 입자 제거 유닛으로서 사이클론 필터를 포함하고, 이것은 크기가 약 5미크론 보다 큰 입자 내지 약 10미크론까지의 입자를 제거할 수 있다. 본 발명의 일 구체예에서, GCS의 스테이지 1은 백하우스 필터를 제1 입자 제거 유닛으로서 포함한다. 본 발명의 일 구체예에서, GCS의 스테이지 1은 백하우스 필터를 제2 입자 제거 유닛으로서 포함한다.
[임의적인 가스 냉각기]
상기 언급된 대로, 주어진 입자 제거 유닛의 성능은 주입가스의 온도에 의해 영향을 받을 수 있다. 이에 의해, 적용되는 특정 입자 제거 유닛에 따라서, 가스 냉각 시스템을 이용하여 주입가스가 입자 제거 유닛에 들어가기 전에 주입가스를 냉각시킬 수 있다. 예를 들어, 당 분야에 공지된 대로, 주입가스의 냉각은 백하우스 유형 필터가 미립자 제거를 위해 사용될 때, 백하우스 유형 필터가 종종 아주 높은 온도에 견딜 수 없기 때문에 특히 중요할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따라서, GCS는 주입가스를 GCS에 유입시키기 전에 가스 냉각기를 통해 통과시킴에 의해 온도가 감소된 주입가스를 처리하도록 구성된다. 본 발명의 또 다른 구체예에서, GCS는 스테이지 1 가공에 들어가기 전에 주입가스의 온도를 감소시키기 위한 하나 이상의 가스 냉각기를 포함한다. 또 다른 구체예에서, GCS의 스테이지 1은 주입가스의 온도가 GCS의 외부에서 가스 냉각기에 의해 먼저 감소된 다음 GCS를 구성하는 가스 냉각기에 의해 추가로 감소된 주입가스를 처리하도록 구성된다. GCS에 포함되기에 적합한 가스 냉각기가 당 분야에 공지되어 있고, 열 교환기, 켄쳐(quencher) 등을 포함하나 이로 제한되지 않는다. 가스 냉각기에 대한 다른 옵션이 하기 "부가 옵션" 섹션에 개시되어 있다.
[고체 잔여물 조절기]
GCS는 임의적으로 스테이지 1 공정 동안 생산된 고체 잔여물을 수용하고 용융시키기 위한 고체 잔여물 조절기를 포함할 수 있다. 잔여물 조절기는 단지 GCS의 스테이지 1 공정으로부터 고체 잔여물을 수용하는 제공된 잔여물 조절기일 수 있거나, 예를 들어 가스화 시스템의 다른 구성요소와 공유될 수 있다. 일 구체예에서, 고체 잔여물 조절기는 가스화기와 공유되며, 따라서, GCS의 스테이지 1 공정 및 가스화기에서 이루어지는 가스화 반응 모두로부터 고체 잔여물을 수용한다.
고체 잔여물 조절 공정은 조밀한 고체로 냉각하는 유리질 물질을 형성시키기 위해 조절기에서의 잔여물의 온도를 잔여물을 용해시키기에 요구되는 수준으로 상승시키므로써 수행된다. 고온은 또한 잔여물 중의 탄소를 발열량을 갖는 잔여물 가스로 변환시킨다. 그러므로, 고체 잔여물 조절기는 고체 잔여물을 용융시키기 위한 적합한 열원, 예를 들어 열 램프, 줄 가열기 또는 플라즈마 열을 포함한다. 일 구체예에서, 고체 잔여물 조절기는 플라즈마 열원, 예를 들어 하나 이상의 플라즈마 토치를 포함한다.
고체 잔여물 조절기는 i) 고체 잔여물을 수용하고, ii) 용융된 슬래그 물질 및 발열량을 갖는 가스 생성물을 형성시키기 위해 고체 잔여물을 가열하고, iii) 용융된 슬래그 및 가스 생성물을 배출시키기 위해 개조된 조절 챔버를 포함한다. 따라서, 고체 잔여물 조절 챔버는 고체 잔여물 주입구, 가스 유출구, 슬래그 유출구, 및 열원을 지닌 내화재-라인닝된 챔버를 포함한다. 고체 잔여물 조절 챔버는 또한 임의적으로 하나 이상의 공기 및/또는 스팀 주입구를 포함한다.
예를 들어 약 1200℃ 내지 약 1800℃의 온도에서 용융된 슬래그는 조절(또는 잔여물) 챔버로부터 주기적으로 또는 연속적으로 배출될 수 있으며, 이후에 냉각되어 고체 슬래그 물질을 형성한다. 이러한 슬래그 물질은 매립지 처리를 위해 의도될 수 있거나 추가로 통상적인 용도를 위해 골재로 깨뜨릴 수 있다. 대안적으로는, 용융된 슬래그는 잉곳(ingot), 벽돌 타일 또는 유사한 건축 재료를 형성시키기 위해 용기내에 부어질 수 있다. 얻어진 슬래그 물질은 또한 콘크리트에서, 경량 골재 또는 광물면의 생산에서, 폼 유리의 제작에서, 또는 패킹 물질의 개발에서 보충적 시멘트화 물질로서 사용될 수 있다. 얻어진 슬래그 물질의 조성은 슬래그의 융점 및/또는 기타 성질을 변화시키기 위한 공정 첨가제의 첨가를 통해 조절될 수 있다. 이러한 고체 공정 첨가제는 실리카, 알루미나, 석회 또는 철을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 그러므로, 고체 잔여물 조절기는 용융된 슬래그를 이의 고체 형태로 냉각시키기 위한 서브시스템과 작동되게 결합된다. 슬래그 냉각 시스템은 적절한 경우 제공되어, 요망되는 포맷으로 냉각된 슬래그 생성물을 제공한다.
일 구체예에서, 잔여물 조절 챔버는, 잔여물 조절 공정이 효율적으로 수행되고, 및 순전히 잔여물의 완전한 조절을 달성하도록 최소량의 에너지를 사용하도록 디자인된다. 따라서, 효과적인 열 이동, 적절한 가열 온도, 체류시간, 용융된 슬래그 흐름, 주입 잔여물 부피 및 조성, 및 챔버의 크기 및 절연성과 같은 인자들은 잔여물 조절 챔버를 디자인할 때 고려된다. 챔버는 또한 잔여물 조절 공정이 안전한 방식으로 수행되도록 디자인된다. 따라서, 이러한 시스템은 외부 환경으로부터 잔여물 조절 환경을 분리시키도록 디자인된다.
잔여물 조절 챔버에는 열원, 예를 들어 플라즈마 열원이 제공되며, 이는 잔여물을, 임의의 나머지 휘발성 물질 및 탄소를 발열량을 갖는 가스 생성물로 변환시키고 잔여물을 용융시키고 균질화시키기 위해 요구되는 온도를 가열하여 챔버로부터 흘러나가기에 충분한 온도에서 용융된 슬래그를 제공하기 위해 요구되는 온도를 충족한다. 챔버는 또한 플라즈마 가스와 잔여물 사이에 고도로 효율적인 열 이동을 확보하고, 생성물 가스에 의해 손실되는 폐열의 양을 최소화하도록 디자인된다. 그러므로, 일 구체예에서, 사용되는 플라즈마 열원의 타입, 뿐만 아니라 플라즈마 가열 수단의 위치 및 방향은 잔여물 조절 챔버의 디자인에서 고려되는 추가 인자들이다.
잔여물 조절 챔버는 또한 잔여물을, 잔여물 체류시간이 용융 및 균질화를 위한 적절한 온도까지 올리고, 탄소를 가스 생성물로 전부 변환시키도록 디자인된다. 따라서, 챔버에는 열원에 의해 가열되는 동안 잔여물을 축적하는 저장소가 제공된다. 이러한 저장소는 또한 조절 공정 동안 고체 및 용융된 물질을 혼합할 수 있다. 충분한 체류시간 및 적절한 혼합은 조절 공정이 완전히 수행되고 얻어진 슬래그 및 가스 생성물이 요망되는 조성을 갖도록 한다.
챔버는 용융된 슬래그 물질의 연속적 또는 간헐적 배출을 위해 디자인된다. 연속적 슬래그 제거는 조절 공정이 지속적으로 수행되게 하며, 여기서 조절된 잔여물은 연속적으로 주입되고 주기적인 슬래그 제거에 대한 방해 없이 플라즈마 열에 의해 가공될 수 있다.
일 구체예에서, 연속적 슬래그 배출은, 특정 수준을 초과할 때까지 슬래그 풀을 축적할 수 있는 위어(weir)에 의해 한쪽면에 결합된 저장소를 이용하여 달성되며, 이러한 지점에서 용융된 슬래그는 위어 위 및 챔버 밖으로 진행한다. 도 21에 도시된 구체예에서, 잔여물(4010)은 조절 챔버(4020)의 상부에 위치한 잔여물 주입구(4012)를 통해 저장소(4060)으로 떨어지며, 여기서 플라즈마 토치 플럼(plume)(4036)에 의해 조절된다. 용융된 물질은 풀(4044)이 위어의 상부에 도달할 때까지 위어(4162)에 의해 저장소(4060)에 고정된다. 이후에, 추가 잔여물이 시스템에 들어가고 조절됨에 따라, 상응하는 양의 용융된 물질은 챔버로부터 슬래그 유출구(4042)를 통해 위어에서 넘친다. 잔여물 가스 생성물(4954)은 가스 유출구(4052)에 의해 챔버에서 배출된다.
조절된 잔여물이 상당한 양이 금속을 함유하고, 잔여물 조절 챔버가 위어에 의해 결합된 저장소를 포함하는 경우, 금속은 이의 보다 높은 용융 온도 및 밀도로 인해, 통상적으로 이들이 제거되는 시간 까지 저장소에 축적된다. 따라서, 본 발명의 일 구체예에서, 저장소에는 임의적으로 금속 탭 포트가 제공되며, 이에 의해 탭 포트는 산소 랜스(lance)로부터의 열을 이용하여 주기적으로 제거될 수 있는 연질 내화성 페이스트와 연결된다. 탭 포트가 개방되고 챔버 온도가 축적된 금속을 용융시키기에 충분히 상승되자 마자, 용융된 금속은 저장소의 바닥으로부터 배출된다.
일 구체예에서, 저장소에는 또한 용융된 슬래그의 연속적 배출을 위해 개조된 슬래그 유출구가 제공될 수 있다. 일 구체예에서, 저장소는 또한 간헐적 슬래그 제거를 제공할 수 있으며, 여기서 저장소는 용융된 슬래그가 배출되는 지점에서, 조절 공정이 완료될 때까지 용융된 물질의 축적을 가능하도록 디자인된다.
예를 들어, 일 구체예에서, 도 23에 도시된 바와 같이, 용융된 슬래그는 S-트랩 유출구(4142)를 통해 배출된다. 이러한 구체예에서, 유출구(4142)가 임의적으로 완전한 슬래그 추출 기간내내 개방되게 하기에 충분히 높은 유출구(4142)에서 용융된 슬래그의 온도를 유지시키기 위해 유출구(4142)에 또는 이의 부근에 위치한 버너(4138) 또는 다른 가열 수단을 포함할 수 있다. 이러한 구체예는 또한 슬래그 풀(4144)의 수준이 사전결정된 수준 미만으로 진행하지 않게 하며, 이에 의해 외부 환경과의 가스상 접촉을 방지하기 위해 밀봉된 용융 환경을 유지하게 한다.
도 24는 티핑(tipping) 메카니즘에 의해 저장소로부터 용융된 슬래그를 조절가능하게 배출하기 위해 제공될 수 있는 일 구체예를 도시한 것이다. 이러한 구체예에서, 잔여물 조절 챔버(4320)는 저장소(4360), 배수구(4342), 평형추(4368) 및 도가니(4362)를 기울기 위한 메카니즘으로서 제공된 레버 암(4364)을 포함하는 기울일 수 있는 도가니(4362)를 갖는다.
도 25A 내지 D는 저장소 또는 챔버에서 적절하게 개조된 유출구를 통해 용융된 슬래그의 조절된 배출을 위해 제공될 수 있는 상이한 디자인 옵션의 일부를 개략적으로 도시한 것이다. 용융된 슬래그 배출은 용융된 슬래그의 수준이 유출구의 상부 아래까지 도달하지 않도록 조절되어, 외부 대기로부터의 가스가 내부 용융 영역에 들어가지 않도록 할 수 있다.
도 25A는 저장소/챔버의 바닥 가까이의 측벽에 유출구(4542)를 갖는 저장소 또는 챔버를 도시한 것이다. 유출구(4542)는 유출구(4542) 주변 영역에 내화재의 온도를 조절할 수 있는 내화재에 밀봉된 유도 가열기(4538)에 의해 둘러 싸여진다. 슬래그를 용융된 상태로 유지시키기 위한 충분한 온도의 증가는 유출구(4542)를 통해 슬래그를 흐르게 할 수 있다. 슬래그 풀(4544)의 수준이 요망되는 수준에 도달할 때, 유도 가열기(4538)는 꺼지고, 슬래그는 유출구(4542)에서 고형화된다.
도 25B는 유출구(4442)가 연질 내화재 페이스트(4444)와 "연결"된 일 구체예를 도시한 것이다. 산소 랜스(4438)는 용융된 슬래그를 유출시킬 수 있는 연질 내화재 페이스트(444)로 홀을 "연소"시키기에 적합한 위치에 제공된다. 흐름은 내화재 또는 다른 적합한 물질을 유출구(4442)로 다시 배치시키므로써 정지된다.
도 25C는 유출구(4742)가 이동가능한 수냉각된 플러그(4744)에 의해 커버되는 일 구체예를 도시한 것이다. 플러그(4744)는 닫힌 위치에서 개방 위치로 이동가능하며, 이에 의해 용융된 슬래그를 유출구(4742)를 통해 배출시킬 수 있도록 유출구(4742)를 노출시킨다. 용융된 물지른 수냉각 효과 때문에 플러그(4744)의 매끄러운 표면에 접착하지 않는다.
도 25C는 유출구(4642)가 웨지(wedge)-타입 디바이스(4644)에 의해 연결된 일 구체예를 도시한 것이다. "웨지"는 용융된 슬래그의 배출을 조절하기 위해 요구되는 경우 유출구(4642)를 안으로 또는 밖으로 밀어넣는다.
잔여물을 용융시키고, 특히 존재할 수 있는 임의의 금속을 용융시키기 위해 필요한 매우 높은 온도로 인해, 잔여물 조절 챔버는 매우 엄격한 작업적 요구를 수행하는 내화재 물질로 라이닝된다. 잔여물 조절 챔버의 디자인을 위한 적절한 물질의 선택은 여러 기준, 예를 들어 통상적인 잔여물-조절 공정 동안 달성되는 작동 온도, 열적 쇼크에 대한 저항, 및 조절 공정 동안 발생되는 용융된 슬래그 및/또는 가열된 가스로 인한 마모 및 침식/부식에 대한 저항에 따라 이루어진다.
내부 내화재는 높은 작동 온도에 대한 저항 이외에, 슬래그 수라인(waterline)에서 특히 부식 및 침식에 대한 매우 높은 저항을 갖는 내부 라이닝을 제공하도록 선택된다. 내부 내화재 물질의 다공도 및 슬래그 습식성은 용융된 슬래그의 가열된 면으로의 관통에 대한 저항을 지니도록 고려되어야 한다. 물질은 또한, 내화재 물질과 수소의 제 2 반응이 최소화되도록 선택되며, 이에 의해 내화재의 보전의 가능한 손실 및 생성물 가스의 오염을 방지한다.
잔여물 조절 챔버는 통상적으로 적절한 경우 물질의 다중층으로 제작된다. 예를 들어, 챔버의 외부층 또는 쉘은 통상적으로 강철이다. 더욱이, 강철 케이싱의 온도를 감소시키기 위해 내부 내화재 층과 외부 강철 쉘 사이에 하나 이상의 절연층을 제공하는 것이 유익할 수 있다. 제 2 층(예를 들어, 절연 내화벽돌층)이 제공되는 경우, 또한 수소와 반응하지 않는 물질을 선택하는 것이 필수적일 수 있다. 슬래그 저장소의 외부 표면 주변의 절연 보드는 또한 강철 케이싱의 온도를 감소시키기 위해 제공될 수 있다. 크랙없이 내화재의 팽창을 위한 룸(room)이 요구될 때, 가압성 물질, 예를 들어 세라믹 블랭킷은 강철 쉘에 대해 사용될 수 있다. 절연 물질은 이러한 문제와 관련있는 경우, 산 가스 응결을 방지하기에 충분히 높지만, 외부 쉘의 보전을 손상시킬 정도로 높지 않는 쉘 온도를 제공하도록 선택된다.
그러므로, 내화재 물질은 매우 높은 온도(예를 들어, 약 1100℃ 내지 1800℃의 온도) 비-가압 반응을 위한 챔버에서 사용하기에 적합한 당해 분야에 공지된 통상적인 내화재 물질 중 하나 또는 이의 조합일 수 있다. 이러한 내화재 물질의 예는 고온 발화 세라믹(예를 들어, 알루미늄 옥사이드, 알루미늄 니트리드, 알루미늄 실리케이트, 보론 니트리드, 크롬 옥사이드, 지르코늄 포스페이트), 유리 세라믹 및 본래 실리카, 알루미나 및 티타니아를 함유한 높은 알루미나 벽돌을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
엄격한 작동 조건으로 인해, 저장소 내화재는 주기적 관리를 요구할 것으로 인식된다. 따라서, 일 구체예에서, 잔여물 조절 챔버는 분리가능한 상부 및 하부로 제공되며, 여기서 챔버 하부(여기서 저장소가 위치됨)는 챔버 상부로부터 제거가능하다. 일 구체예에서, 챔버는, 하부가 관리를 촉진하기 위해 상부로부터 떨어지도록 지지 구조로부터 매달린다. 챔버 상부와 시스템의 업스트림 또는 다운스트림 구성요소 사이에 임의의 연결을 방해하지 않고 하부를 제거하기 위한 이러한 구체예가 제공된다.
잔여물 조절 챔버는 또한 임의적으로 요망될 수 있는 추가 구조적 구성요소 또는 기기를 수용하기 위한 하나 이상의 포트를 포함할 수 있다. 챔버는 또한 세척/세정, 관리, 및 수리를 위해 챔버에 주입 또는 액세스를 위한 서비스 포트를 포함할 수 있다. 이러한 포트는 당해 분야에 공지되어 있으며, 다양한 크기의 밀봉가능한 포트 홀을 포함할 수 있다. 일 구체예에서, 포트는 차단물의 형성을 위해 슬래그 유출구를 모니터함을 포함하는, 잔여물 가공의 양태의 작동자 전체 시야를 유지하기 위해 밀폐된 회로 텔레비젼을 임의적으로 포함하는 뷰포트(viewport)일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, GCS에 의해 이루어진 고체 잔여물 조절기는 단지 변환기 GC에서 스테이지 1 공정으로부터의 고체 잔여물을 수용하도록 배열된다. 다른 구체예에서, GCS에 의해 이루어진 고체 잔여물 조절기는 변환기 GC에서의 스테이지 1 공정으로부터의 고체 잔여물 및 GCS에서 조절되는 주입가스를 발생시키는 변환기로부터의 고체 잔여물을 수용하도록 배열된다.
도 22는 고체 잔여물 조절 챔버(4520)가 조절되는 잔여물의 두가지 소스에 간접적으로 연결되는 본 발명의 일 구체예에서의 고체 잔여물 조절기를 도시한 것으며, 여기서 하나의 소스는 GCS의 스테이지 1의 백하우스 필터(6030)이며, 다른 하나의 소스는 탄소 함유 공급물 가스화기(2000)이다.
스테이지 2: 추가 가공
GCS의 스테이지 2는 추가적인 양의 미립자 물질 및 중금속 오염물, 및 임의적은 주입가스에 존재하는 다른 오염물을 제거하는 추가 가공 단계를 수행하기 위한 하나 이상의 구성요소를 포함한다. 스테이지 2 공정은 스테이지 1에 기술된 건조상 분리 단계, 및/또는 습식 가공 단계를 포함한 다른 분리 단계를 포함할 수 있다. 스테이지 2에서 수행될 수 있는 다른 가공 단계의 비제한적인 예는 산성 가스, 중금속 및 미립자 물질, 및 기타 오염물, 예를 들어, 디옥신, 푸란, CO2 및 암모니아를 제거하는 공정을 포함한다. 당해 분야에 공지된 바와 같이, 다양한 습식 스크러버(예를 들어, 벤튜리 스크러버 및 임핀제트 스크러버), 클로라이드 가드 층, 습식 ESP 등을 포함한 다양한 구성요소는 이러한 공정을 수행하기 위해 사용될 수 있다. 스테이지 2는 또한 냉각 유닛 및/또는 습도 조절기, 뿐만 아니라 주입가스가 시스템을 통해 이동하게 하기 위한 가스 이동 유닛을 포함할 수 있다. 스테이지 1에 이미 기술된 것 이외의 스테이지 2 가공 단계의 예는 하기에 기술된다.
[산성 가스 제거]
GCS에서 가공되는 주입가스는 오염물로서 산성 가스, 예를 들어 HCl 및 H2S를 포함할 수 있다. 예를 들어, 가스화 변환기에서 생성된 합성가스는 이러한 산성 가스를 함유한다. 합성가스에서 이러한 산성 가스의 농도는 가스화 공정에서 사용되는 탄소 함유 공급물에 따라, HCl에 대해 약 0.05 내지 약 0.5%, H2S에 대해 약 100 ppm 내지 약 1000 ppm일 수 있다. 주입가스에서 HCl 및 H2S의 양은 당해 분야에 공지된 바에 따라 계산될 수 있다. 일 구체에에서, GCS는 약 0.178 %의 HCl 및 약 666 ppm (0.07%)의 H2S를 포함하는 주입가스를 처리하도록 배열된다. 일 구체예에서, GCS는 약 5 ppm HCl 및 약 21 ppm H2S의 HCl 및 H2S에 대한 캐나다 배출 제한을 충족하도록 주입가스를 처리하기 위해 배열된다. 따라서, 일 구체예에서, GCS는 GCS에서 배출된 조절된 가스가 약 20 ppm 내지 약 5 ppm HCl 및 약 30 ppm 내지 약 20 ppm H2S을 함유하도록 배열된다.
산성 가스 제거 또는 분리는 건식 세척 또는 습식 세척 공정에 의해 달성될 수 있다. 건식 세척 공정은 일반적으로 습식 세척 공정에 비해 덜 효율적이다. 그러나, 건식 세척 공정, 예를 들어 스테이지 1 공정에 대해 상기 기술된 것은 GCS의 구체예에 대해 선택될 수 있으며, 여기서 예를 들어 건식 세척 공정으로부터 얻어진 폐수 스트림이 위험한 물질로서 처리될 필요가 있는 경우에 용이한 조작이 요구된다.
습식 세척 공정은 가스의 서브 냉각을 돕는 낮은 압력 강하를 지닌 열 전달 및 물질 이동을 위한 거대한 접촉면적을 제공하는 습식 패킹된 컬럼 또는 타워를 사용한다. 습식 스크러버의 원리는 가스와 세척 용액 간의 친밀한 접촉을 유도하기 위해 거대한 습식된 표면적을 제공하는 패킹된 구조를 통해 가스를 통과시키므로써 가스로부터 오염물을 제거하는 것이다. 오염물은 세척 용액에 흡수되거나 이와 반응된다. 산성 가스의 제거를 위해, 알칼리 용액은 세척 용액으로서 사용된다. 통상적으로, 나트륨 히드록사이드는 습식 세척을 위해 사용되는 알칼리 용액이다. 그러나, H2S 제거는 제거 단계에서 높은 pH 알칼리 용액의 사용을 요구한다. CO2가 주입가스에 존재하는 경우, 알칼리 용액에 대한 이의 친화력은 주입가스로부터 CO2의 제거를 초래하며, 이는 요망되지 않을 수 있으며, 다운스트림 적용에 따라 배출 가스는 사용된다. 따라서, 산성 가스의 제거를 위해 선택된 공정은 조절된 가스의 최종 사용에 따를 것이다.
상술된 건조 및 습식 세척 공정이외에, 가스로부터 HCl 증기를 제거하기 위한 다수의 가공 단계는 당해 분야에 공지되어 있다. 이러한 가공 단계의 비제한적인 예는, 활성탄소 또는 알루미나 상에 HCl의 흡착, 알칼리 또는 알칼리토 카르보네이트 또는 옥사이드와의 반응, 클로라이드 가드의 사용, 및 고온 흡착제, 예를 들어 알칼리 및 알칼리토 화합물, 소르타이트(shortite)(Na2CO3. 2CaCO3) 및 트로나(trona)(Na2CO3.NaHCO3.2H2O), Li2CO3 및 Na2CO3의 공융 용융물, 및 연통 가스 흡착제, 예를 들어, 알칼리화된 알루미나의 사용을 포함한다. 일 구체예에서, GCS의 스테이지 2는 알칼리 용액을 이용하여 주입가스로부터 HCl의 제거를 위한 HCl 스크러버를 포함한다.
일 구체예에서, GCS는 주입가스로부터 산성 가스를 분리시키는 것과 동시에 잔류하는 미립자 물질의 제거를 제공한다(예를 들어, HCl 스크러버 단계 동안에 HCl의 세척 동안). GCS의 이러한 구체예의 스테이지 1이 백하우스 또는 기타 미세한 미립자 제거 유닛을 포함하지 않는 경우, 얻어진 액체 폐기물 스트림은 위험한 미립자 제거를 위한 수처리를 요구할 것이다.
H2S는 상기에서 개략된 습식 및 건식 세척 공정을 포함한 당해 분야에 공지된 여러 공정을 이용하여 주입가스로부터 제거될 수 있다. 적합한 방법은 예를 들어, NaOH 또는 트리아진으로의 습식 흡수, 수파트리트(Sufatreat)로의 건조 흡착, 생물학적 공정, 예를 들어 티오파크(Thiopaq®) 스크러버의 이용, 또는 액체 산화환원(낮은 CAT)를 포함한 선택적 산화를 포함한다. 물리적 용매 공정은 또한 주입가스로부터 H2S를 분리하기 위해 사용될 수 있다. 사용될 수 있는 이러한 물리적 용매의 비제한적인 예는 폴리에틸렌 글리콜 유도체, 예를 들어, 셀렉솔(Selexol®); 플루오르(fluor) 용매, 예를 들어 무수 프로필렌 카르보네이트; 렉티솔 공정에서 사용되는 메탄올을 포함한다.
일 구체예에서, H2S는 티오파크 스크러버를 이용하여 합성 가스로부터 제거된다. 티오파크 스크러버는, 황화수소(H2S)를 흡수하기 위해 주입가스가 습식 스크러버에서 온화한 알칼리 용액(8.5 내지 9 pH)으로 처리되는 2 단계 공정의 사용을 포함한다. H2S 함유 스크러버 액체는 바이오반응기에 공급되며, 여기서 술피드는 생물학적 공정에 의해 황 원소로 변환되어, 공정에서 스크러버 액체를 재생시키고, 스크러버로 바이오반응기 유출물을 재순환되게 할 수 있다.
일 구체예에서, GCS의 H2S 제거 효율은 시스템에 잔류하고 가스 엔진과 같은 다운스트림 적용에서 사용되는 배출 가스가 SO2 배출을 약 10 ppm 내지 약 30 ppm 미만으로 생성시키도록 한다. 일 구체예에서, H2S 제거 효율은 시스템에 잔류하고 가스 엔진과 같은 다운스트림 적용에서 사용되는 배출 가스가 SO2 배출을 15 ppm 미만으로 생성시키도록 한다. 일 구체예에서, H2S 제거 시스템은 약 20 ppm의 H2S 농도를 갖는 배출 가스를 생성시키도록 디자인된다.
[중금속/미립자 물질 제거]
스테이지 1 공정에서 사용하기에 적합한 공정 및 입자 제거 유닛은 또한 스테이지 2 공정에서 사용될 수 있으며, 상기에 기술되어 있다. 일 구체예에서, GCS는 스테이지 2에서 입자 제거 유닛으로서 탄소층 필터 또는 수은 연마기를 포함한다.
당해 분야에 공지된 바와 같이, 50% 초과의 상대 습도(R.H.)에서, 물은 탄소층 필터의 탄소 상에 흡착하기 시작할 것이며, 이는 제거 성능에 영향을 미친다. 그러나, 이는 층 깊이를 증가시키므로써 보정될 수 있다. 탄소층 필터는 또한, 보다 낮은 성능이 허용될 때, 보다 높은 상대 습도, 예를 들어 ~70% R.H 내지 100% R.H.에서 사용되는데, 이러한 성능 효과는 단지 조절된 가스에서 요망되는 최종 수은 함량이 0.001 내지 0.01 ug/Nm3 수은 범위일 때 나타나기 때문이다. 예를 들어, 약 19ug/Nm3의 수은 농도가 허용될 때, 보다 높은 R.H. 범위가 사용될 수 있다.
일 구체예에서, GCS는 수은의 제거를 위한 최종 연마 디바이스로서 활성탄소 필터를 사용한다. 일 구체예에서, 7 내지 8 인치의 워터 컬럼(Water Column) 압력 강하를 갖는 활성탄소 필터는 약 99.8% 수은 제거를 달성하기 위해 사용된다. 당업자에게 자명한 바와 같이, 미립자 물질은 또한 임의의 업스트림 입자 제거 유닛에 의해 포집되지 않는 소량의 작은 입자(<lμm)의 탄소필터 층에 의해 추출될 수 있다. GCS의 스테이지 2에서 포집되는 미립자 물질은 물에 또는 소비된 탄소 제거와 함께 배치될 수 있다.
일 구체예에서, 활성탄소층 필터는 또한 폐수로부터의 중금속 제거를 위해 사용된다.
산 세척 시스템은 또한 중금속을 포집하기 위한 효과적인 기술일 수 있다. 이는 낮은 pH(대기 1-2) 용액 순환으로 패킹된 컬럼을 통해 중금속을 함유한 가스의 통과를 요구한다. 중금속 및 중금속 화합물은 산과 반응하여 이의 안정한 화합물을 형성한다. 이리한 기술과 관련하여, 순환 용액에서의 중금속 농도는 증가할 것이며, 얻어진 폐수의 처리가 요구될 수 있다. 일 구체예에서, GCS는 중금속을 제거하기 위한 산 세척 시스템을 포함한다. 산 세척 시스템의 예는 패킹된 타워, 분모 타워, 및 트레이 타워, 임핀제트 시스템, 주입가스로부터의 오염물을 모두 제거할 수 있는 포말 분무 시스템을 포함한다.
[디옥신 및 푸란 제거]
디옥신 및 푸란은 폐기물의 열처리와 관련된 가장 요망되지 않고 독성인 화합물 중 일부이다. 이러한 화합물을 형성시키기 위하여, 하기 모든 조건은 250-350℃의 온도 범위, 산소, 플라이애쉬 중의 탄소(특히 가스가 층을 통과하는 경우 촉매로서 작용함) 및 적절한 체류시간으로 존재한다. 본 발명의 GCS는 이들의 형성에 대한 가능성을 제거하거나 감소시키도록 배열된다. 다양한 단계들은 디옥신 및 푸란 형성을 위한 요망되는 조건의 발생을 최소화시키도록 할 수 있다. 예를 들어, 켄칭 단계는 켄쳐(quencher) 또는 분무 건조기 흡수재에서 수행되어 상기 온도 범위, 산소 및/또는 플라이애쉬의 존재를 통한 가스의 수득이 최소화될 수 있을 때 빠른 켄칭을 확보할 수 있다.
주입가스가 디옥신 및 푸란을 포함하는 구체예에서, GCS는 탄소 표면에 흡착되는 가스에 존재하는 디옥신 및 푸란을 초래할 것이다. 탄소는 이후 적합한 입자 제거에 의해 제거될 수 있다. 일 구체예에서, GCS는 디옥신/푸란 형성의 가능성을 최소화하기 위해 관련된 온도 범위에서 체류시간을 감소시키는 분무 건조기 흡수재를 포함한다.
[이산화탄소 및 암모니아의 제거]
GCS는 임의적으로, 이산화탄소 및/또는 암모니아의 제거가 요구되는 경우 이산화탄소 및/또는 암모니아의 제거를 위한 구성요소를 임의적으로 포함할 수 있다. 적합한 구성요소는 당해 분야에 공지되어 있다. 또한 당해 분야에 공지된 바와 같이, 암모니아는 HCl 제거 단계 동안 주입가스로부터 제거될 수 있다.
공정을 위한 추가적인 옵션
[냉각 유닛 및 습도 조절기]
냉각 유닛 및/또는 습도 조절기는 임의적으로 스테이지 1 (상술된 바와 같이) 또는 스테이지 2의 일부로서 GCS에 포함될 수 있다. 적합한 구성요소는 당해 분야에 공지되어 있으며, 증발 냉각 타워, 가스 냉각기, 냉동기, 복열장치, 열교환기, 간접 공기-대-가스 열교환기, 및 열회수 스트림 발생기(HRSG)를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 복열장치 및 HRSG는 가스를 냉각시키기 위해 사용될 수 있으며 그 동안 증발 냉각 타워, 가스 냉각기, 및 냉동기에 의해 이루어지는 열을 발산시키는 대신에 열을 사용한다. HRSG의 사용은 가스의 보다 느린 냉각을 초래하며, 이는 상술된 바와 같이, 디옥신 및 푸란의 생성을 위해 필수적으로 동시에 존재하는 4개의 조건 중 하나이다. 따라서, HRSG가 사용되는 구체예에서, 다른 조건(플라이애쉬 존재 및 체류시간)을 도입할 가능성을 방지하기 위해 더욱 주의롭게 실행된다(예를 들어 낮은 산소 농도를 확보하기 위함).
서리제거기/재가열기는 당해 분야에 공지된 바와 같이 수분 제거 및/또는 응축의 방지를 위해 GCS에 도입될 수 있다. 열 교환기는 최종 조절된 가스를 요망되는 다운스트림 적용을 위한 요망되는 온도 또는 상대습도로 재가열하기 위해 포함될 수 있다. 압축기는 또한 최종 조절된 가스를 요망되는 요망되는 다운 스트림 적용을 위한 요망되는 압력으로 압축시키기 위해 임의적으로 포함될 수 있다.
GCS가 플라즈마 가스화 시스템과 통합된 일 구체예에서, 증발 냉각 타워(건조 켄칭)는 가스화 시스템으로부터 GCS로 들어가는 합성가스를 냉각시키기 위해 사용될 수 있다. 일 구체예에서, GCS는 합성가스의 온도를 단열 포화에 의해 약 1000℃에서 약 150-200℃로 냉각시키기 위해 스테이지 1에서 증발 냉각 타워를 도입하며, 이는 조절된 방식으로 물을 가스 스트림에 직접 주입함을 포함한다. 증발 냉각 공정은 건조 켄칭 공정이며, 냉각된 가스가 습식화되지 않는, 즉 냉각된 가스의 상대 습도가 냉각된 온도에서 100% 미만이 되도록 모너터될 수 있다. 본 발명의 일 구체예에서, GCS는 GCS에 공급된 합성가스를 약 740℃에서 약 150-200℃로 냉각시키는 스테이지 1에서 증발 냉각 타워 또는 건조 켄칭을 포함한다.
일 구체예에서, 가스 냉각기는 GCS의 스테이지 2에 포함될 수 있다. 가스 냉각기(수냉각)는 가스 이동 유닛(하기 나타냄)을 통해 가압되고 동시에 가열되는 주입가스를 냉각시키는 기능을 한다. 일 구체예에서, 가스 냉각기는 가스를 약 35℃로 냉각시킨다.
일 구체예에서, GCS는 습도 조절기를 포함한다. 습도 조절기는 배출 가스의 습도가 요망되는 다운스트림 적용을 위해 적절하도록 하는 기능을 한다. 예를 들어, 습도 조절기는 가스 스트림을 냉각시키고 이에 따라 가스 스트림으로부터 일부 물을 응축시키기 위한 냉동기를 포함할 수 있다. 이러한 물은 가스/액체 분리기에 의해 제거될 수 있다. 일 구체예에서, GCS는 26℃에서 약 80%의 습도를 제공하기 위해 컨티셔닝된 가스의 처리를 위한 습도 조절기를 포함한다. 일 구체예에서, GCS는 먼저 조절된 가스를 대략 26℃로 냉각시키고 이후 가스를 40℃로 재가열하도록 배열된다. 조절된 가스는 이후 저장될 수 있다.
[가스 이동 유닛]
일 구체예에서, GCS는 GCS 내내 가스에 대한 구동력을 제공하는 하나 이상의 가스 이동 유닛을 포함한다. GCS가 플라즈마 가스화 시스템과 통합되는 일 구체예에서, GCS는 가스화 시스템의 배출구에서 GCS의 배출구로 주입가스를 이동시킬 수 있는 가스 이동 유닛을 포함한다.
적합한 가스 이동 유닛은 당해 분야에 공지되어 있으며, 예를 들어 공정 가스 송풍기, 압력 송풍기, 진공 펌프, 포지티브 치환 회전 송풍기, 왕복 압출기, 및 회전 스크류 압축기 등을 포함한다. 당해 분야에 또한 공지된 바와 같이, 사용되는 가스 이동 유닛(들)의 선택은 예를 들어 시스템에서 유닛(들)의 위치, 가스 이동 유닛을 통해 이동하는 주입가스의 온도, 및/또는 가스 이동 유닛의 존재가 예를 들어 역압 또는 흡입으로 인해, 시스템의 근위 구성요소의 작동에 영향을 미칠지의 여부를 기초로 할 수 있다.
압력 송풍기는 원심 펌프와 유사하지만, 가스 적용을 위해 디자인된 것이다. 송풍기의 날은 회전하며, 이에 의해 공기를 송풍기의 중앙으로 빨아들이고, 보다 높은 압력에서 방사 방향으로 공기를 방출시킨다. 송풍기는 디바이이스를 가로지르는 압력이 높게 증가하게 하기 위하여 공기의 포지티브 치환에 대해 허용하도록 송풍기의 날이 외부 케이싱에 도달하는 높은 압력을 위해 디자인될 수 있다.
진공 펌프는 업스트림 압력이 진공이고, 가스가 규칙적 송풍기 방향으로 흐루지 않게 작동하는 것을 제외하고 송풍기와 유사하게 디자인된다. 그러므로, 진공 펌프는 큰 부피의 공간(이는 진공하에서 가스이며, 따라서 소량의 실제 가스임)을 포집하고 내부 스크롤이 회전함에 따라 보다 높은 압력으로 이의 스크롤 사이의 공간을 가압하기 위해 디자인된다. 진공 펌프는 펌프를 가로지르는 높은 압력 증가(높은 전력 소비)로 인해 단지 진공 대기에서 작동할 수 있으며(약간 포지티브 압력으로), 보다 높은 압력에서 스크롤 상에서 저항한다.
포지티브 치환 회전 송풍기는 하기와 같이 작동한다. 이중의, 송풍기의 도 8 형태의 추진체가 회전함에 따라, 주입구에서 고정된 양의 가스(또는 공기)는 추진체와 케이싱 부분 사이에 트랩핑된다. 각 회전과 관련하여, 4개의 이러한 가스의 "포켓"이 트랩핑되고, 이후 압력이 시스템에 존재함에 대해 배출되게 한다. 이러한 포켓 각각이 방출될 때, 펄스가 발생되며, 이는 송풍기 및 다운스트림 시스템에 특정 쇼크 하중을 제공한다. 이는 포켓 중의 가스를 내부 "제트"에 의해 배출 조건으로 서서히 가압시킬 수 있으며, 이는 장치 상에 펄스화 및 쇼크 하중을 현저하게 감소시킨다.
왕복 압축기는 포지티브 치환 기계로서, 이의 부피를 감소시키므로써 공기의 압력을 증가시킴을 의미한다. 압려과 부피의 관계는 당해 분야에 공지되어 있다. 왕복 압축기는 클랭크샤프트, 연결봉, 및 피스톤을 포함한다. 단일-스테이지 및 2-스테이지 왕복 압축기는 상업적으로 입수가능하다. 단일-스테이지 압축기는 일반적으로 70 psig 내지 100 psig의 범위의 압력에 대해 사용된다. 2-스테이지 압축기는 일반적으로 100 psig 내지 250 psig의 범위의 보다 높은 압력에 대해 사용된다.
회전 스크류 압축기는 하기와 같이 작동한다. 스크류가 회전함에 따라, 흡입 공기는 회전기 로브(lobe)와 공기단부 케이싱 사이의 감소하는 공극에서, 최종 압력이 도달되고 공기가 배출될 때까지 가압된다.
일 구체예에서, GCS는 가스 이동 유닛으로서 공정 가스 송풍기를 포함한다. 일 구체예에서, GCS는 송풍기를 통과하는 가스를 추가적으로 가압하는 가스 이동 유닛을 포함한다.
GCS내에서 가스 이동 유닛의 최적의 배치는 당업자에 의해 결정될 수 있다. 일 구체예에서, 가스 이동 유닛은 GCS의 하나 이상의 가공 단계의 효율을 증가시키기 위하여 배치된다. 예를 들어, 일 구체예에서, 가스 이동 유닛은 수은 제거를 최적화하기 위해 수은 연마기와 같은 중금속 연마기의 업스트림에 배치되며, 이는 압력하에서 가장 효율적으로 일어나고, 또한 감소된 크기 수은 연마기 용기가 사용될 수 있기 때문이다. GCS가 플라즈마 가스화 변환기와 통합되는 구체예에서, 가스 이동 수단은 가스 냉각기의 GCS 다운스트림에 도입된다. 일 구체예에서, 가스 이동 유닛은 가스 냉각기의 업스트림에 GCS내에 위치된다.
[폐기물 생성물의 관리]
GCS는 필요한 경우, 폐기물 생성물의 가공을 위한 구성요소를 임의적으로 포함할 수 있다. 대안적으로는 GCS에 의해 생성된 폐기물 생성물은 수집되고 필요한 경우, GCS의 외부에서 가공될 수 있다.
예를 들어, 산성 가스 분리 단계로부터 회수된 염산은 시장성이 높은 가치를 갖는다. 염소의 양이 상업적으로 현저한 크기인 경우, 염소는 당해분야에 공지된 기술을 이용하여 재생될 수 있다. GCS가 비용을 정당화하기 위해 상당한 양의 황 화합물을 생산하는 일 구체예에서, 황 회수 시스템은 황 화합물이 안정하게 되는 온도에 도달하는 위치에서 GCS의 통로를 따라 위치된다. 황 회수 시스템의 타입 및 크기는 주입가스 중의 황의 예상되는 양에 따른다. 적합한 황 회수 시스템은 당해 분야에 공지되어 있다. 예를 들어, 많은 양의 황을 함유한 주입가스에 대해, 제 2 스테이지 액체 세척 공정은 가스로부터 황 화합물을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 아민 스크러버는 주로 수소, 일산화탄소 및 불활성 가스를 포함하는 가스 스트림에 잔류하는 주입가스 스트림으로부터 황화수소 및 이산화탄소를 제거하기 위해 사용될 수 있다. 기대되는 양의 황이 명확하게 낮은 경우, 석탄의 낮은 황 등급으로부터 발생된 주입가스에 대해 예상되는 바와 같이, 철 파일링(filing) 기술은 철 술피드를 생산하기 위한 철 원소와 황을 반응시키기 위해 사용될 수 있다. 이는 도관에서의 구획과 회수 구획 간에 철 펠렛을 순환시키므로써 수행될 수 있다.
본 발명은 또한 주입가스로부터 회수된 황이 회수되고 배치될 수 있는 것을 고려한다. 예를 들어, 황이 바이오매스를 지닌 제한된 중금속을 포함하는 경우, 펼쳐진 농지에 대해 유용할 수 있다. 황이 고려되는 중금속을 갖는 경우, 술페이트로 변환되고, 중금속의 제거 및 술페이트 염으로서 액체 폐기물 형태, 또는 폐수의 처리를 위해 처리될 수 있다. 정부 환경 규제가 티오바실러스 박테리아와의 접촉에 기인한 황의 추가적 처리를 요구하는 경우, 처리된 황은 처분 전에 살균될 수 있다. 대안적인 살균 수단은 살균제, 예를 들어 표백제의 첨가 또는 UV 조사로의 처리를 포함한다.
본 발명의 일 구체예에서, GCS는, GCS에 의해 발생된 폐수가 단지 염 황 원소 및 바이오매스를 포함하도록 배열되며, 이는 폐수 하수구에 배치될 수 있다. 정부 규제에 의해 요구되는 경우, 폐수는 하수에 배출되기 전에 열 및 체류시간을 이용하여 살균될 수 있다.
도 10에 도시된 일 구체예에서, GCS의 스테이지 1로부터 미립자 물질 및 중금속(고체)은 이들이 용융되는 고체 잔여물 조절기(1065)로 향하게 된다. 고체 잔여물 조절기에서 용융된 고체는 도로 골재 및 빌딩 재료 적용을 위해 사용될 수 있거나, 이들은 융화될 수 있으며, 즉 실리카와 혼합되고 처리를 위한 유리에 캡슐화될 수 있다. 이러한 작동을 수행하기 위한 과정은 당해 분야에 공저되어 있다. 일부 구체예에서, 플랜트 고려사항 및 국부적 규제에 따라, 가스 세정 시스템으로부터의 고체는 안전한 처리를 위한 오프-사이트(off-site)로 보내어질 수 있다.
GCS 가공 단계의 디자인
[병렬 공정]
상술된 바와 같이, 일 구체예에서, GCS는 가공 단계를 병렬로 수행한다. 이러한 구체예에서, GCS는 변환기 GC, 고체 잔여물 조절기 및 고체 잔여물 GC를 포함한다. 변환기 GC 및 고체 잔여물 GC 각각은 스테이지 1 및 스테이지 2 공정을 병렬로 수행한다. 고체 잔여물 조절기는 변환기 GC 스테이지 1 공정으로부터의 고체 잔여물을 수용하고, 임의적으로 GCS에 대한 주입가스를 제공하는 변환기로부터의 고체 잔여물을 수용한다. 고체 잔여물 조절기는 고체 잔여물을 용융시키고, 제 2 가스 스트림을 생성시키며, 이는 고체 잔여물 GC를 통해 처리된다.
[수렴 공정]
일 구체예에서, GCS는 변환기 GC, 고체 잔여물 조절기 및 고체 잔여물 GC를 포함하며, 변환기 GC 및 고체 잔여물 GC는 하기와 같이 수렴 공정 단계를 수행한다. 고체 잔여물 조절기는 변환기 GC 스테이지 1 공정으로부터의 및 임의적으로 GCS를 대한 주입가스를 제공하는 변환기로부터의 고체 잔여물을 수용한다. 고체 잔여물 조절기는 고체 잔여물을 용융시키고, 제 2 가스 스트림을 생성시키며, 이는 고체 잔여물 GC에 의해 스테이지 1을 통해 처리된다. 고체 잔여물 GC로부터의 부분적으로 조절된 가스는 이후 변환기 GC의 추가 가공 단계 (스테이지 2)를 통해거나 변환기 GC의 건조상 분리 단계(스테이지 1) 및 추가 가공 단계(스테이지 2) 모두를 통해 처리될 수 있다.
일 구체예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 변환기 가스 조절기(4)는 저온 가스화기(또는 "변환기")로부터 주입가스를 수용하고, 스테이지 1에서 주입가스로부터 분리된 중금속 및 미립자 물질은 고체 잔여물 조절기(265)로 전향되며, 이는 제 2 가스 스트림으로 변환된다. 이러한 제 2 가스 스트림은 고체 잔여물 GC(5)에서 스테이지 1 건조상 분리 단계를 통해 처리되고, 이후 스테이지 1 이전에 변환기 GC(4)로 공급된다. 일 구체예에서, 제 2 가스 스트림은 고체 잔여물 GC(5)에서 스테이지 1 건조상 분리 단계를 통해 처리되고, 이후 스테이지 1 건조상 분리 단계 후에 변환기 GC(4)로 공급되고, 제 2 가스 스트림은 변환기 GC(4)의 스테이지 2 추가 가공 단계에서 처리된다.
[선형 공정]
일 구체예에서, GCS는 저온 가스화기가 스테이지 1 및 스테이지 2 공정을 통해 처리되는 주입 합성가스를 발생시키는 선형 가공 순서를 수행한다. 주입가스는 저온 가스화기에서 발생된다. 이러한 구체예에서, 하나 이상의 건조/고체 스테이지 분리 단계 (스테이지 1)는 수행되고 이후 하나 이상의 추가 가공 단계 (스테이지 2)가 수행된다. 예를 들어, 도 3을 참고로 하여, 하기 가공 단계는, 저온 가스화기를 포함한 변환기(51)로부터의 주입가스가 열 교환기(310)에서 냉각된 후에 GCS(6)에 의해 수행된다: 1)미립자 물질은 사이클론 필터(330)에서 제거된다(스테이지 1 건조상 분리); 2) 산성 가스 (HCl)는 이후 클로라이트(chlorite) 가드 층(340)을 이용하여 주입가스로부터 분리된다; 3) H2S는 흡착제(360)를 이용하여 주입가스로부터 제거된다; 4) 세라믹 필터(361)를 이용하여 미립자 물질을 분리시키는 최종 단계가 수행된다. 임의적 단계로서, 배출 가스는 이후 저장 탱크에 저장된다.
공정의 조절
본 발명의 일 구체예에서, 제어 시스템은 본원에 기술된 다양한 시스템 및/또는 서브시스템에서 및/또는 이에 의해 실행되는 하나 이상의 공정을 조절하고/거나 이러한 공정에 영향을 미치는 본원에서 고려되는 하나 이상의 공정 디바이스의 조절을 제공하기 위해 제공될 수 있다. 일반적으로, 제어 시스템은 제공된 시스템, 서브시스템 또는 이의 구성요소와 관련되고/거나 시스템내에서 실행된 하나 이상의 글로벌 공정, 예를 들어 가스화 시스템과 관련된 다양한 지방적 및/또는 지역적 공정을 본 발명의 다양한 구체예가 작동될 수 있는 것 내에 또는 이와 협력하여 작동적으로 조절될 수 있으며, 이에 의해 규정된 결과를 위해 이러한 공정에 영향을 미치도록 개조된 이의 다양한 조절 파라미터를 조절할 수 있다. 그러므로, 여러 감지 구성요소 및 반응 구성요소는 조절된 시스템(들)에, 또는 하나 이상의 이의 구성요소와 관련하여 분포될 수 있으며, 다양한 공정, 반응물 및/또는 생성물 특징을 확득하기 위해 사용되고, 이러한 특징을 요망되는 결과를 달성하기 위해 유도되는 이러한 특징의 적합한 범위와 비교하며, 하나 이상의 제어가능한 공정 디바이스에 의해 하나 이상의 개시되는 공정의 변화를 수행하므로써 반응할 수 있다.
제어 시스템은 일반적으로, 예를 들어 시스템과 관련된 하나 이상의 특징, 본원에서 수행되는 공정(들), 이를 위해 제공된 주입물(들), 및/또는 이에 의해 발생된 배출물(들)을 감지하기 위한 하나 이상의 감지 구성요소를 포함한다. 하나 이상의 컴퓨팅 플랫폼은 감지된 특징(들)에 대표적인 특징 수치를 액세스하기 위해 이러한 감지 구성요소에 소통적으로 연결되며, 사전결정된 범위의 이러한 수치와 특징 수치(들)을 비교하여 선택된 작동적 및/또는 다운스트림 결과를 위해 적합한 이러한 특징을 분석하고, 특징 수치를 이러한 사전결정된 범위로 유지시키기 위해 도움이 되는 하나 이상의 조절 파라미터를 컴퓨터화하도록 배열된다. 다수의 반응 구성요소는 따라서 시스템, 공정, 주입물 및/또는 배출물에 영향을 미치도록 작동가능한 하나 이상의 공정 디바이스에 작동되게 연결될 수 있으며, 이에 의해 감지된 특징을 조절하며, 컴퓨터화된 공정 조절 파라미터(들)을 액세스하고 이에 따라 공정 디바이스(들)을 작동시키기 위해 컴퓨터화된 플랫폼(들)에 소통적으로 연결된다.
일 구체예에서, 제어 시스템은 이와 관련하여 수행된 하나 이상의 공정의 효율을 증진시키기 위해, 다양한 시스템, 공정, 주입물 및/또는 탄소함유 공급물의 가스로의 변환과 관련된 배출물의 피드백, 피드포워드, 및/또는 예측적 조절을 제공한다. 예를 들어, 다양한 공정 특징은 평가될 수 있으며, 이러한 공정에 영향을 미치도록 조절가능하게 조정되며, 이는 공급물의 발열량 및/또는 조성, 생성물 가스의 특징(예를 들아, 발열량, 온도, 압력, 흐름, 조성, 탄소 함량, 등), 이러한 특징을 위해 허용된 변형의 정도, 및 주입물의 비용 대 배출물의 가치를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 열원 파워, 첨가제 공급 속도(들)(예를 들어, 산소, 산화제, 스팀, 등), 공급물 공급 속도(들)(예를 들어, 하나 이상의 별도의 및/또는 혼합된 공급물), 가스 및/또는 시스템 압력.흐름 조절기(예를 들어, 송풍기, 경감 및/또는 조절 밸브, 플레어 등), 등을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는 다양한 조절 인자에 대한 연속 및/또는 실시간 조정은 이에 의해 하나 이상의 공정-관련 특징이 디자인 및/또는 다운스트림 사양에 따라 평가되고 최적화될 수 있는 방식으로 실행될 수 있다.
대안적으로 또는 이에 추가하여, 제어 시스템은 적절한 작동을 보장하고, 임의적으로 공정(들)이 이에 의해 이러한 기준이 적용될 때 규제 기준내에서 실행되게 하기 위해, 제공된 시스템의 다양한 구성요소의 작동을 모니터하기 위해 배열될 수 있다.
일 구체예에 따라, 제어 시스템은 추가로 제공된 시스템의 전체 강력한 영향을 모니터하고 조절하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 제공된 시스템은 이의 강력한 영향이 예를 들어 이에 의해 실행된 하나 이상의 공정들을 최적화하거나 다시 이러한 공정에 의해 발생된 에너지(예를 들어, 폐열)의 회복을 증가시키므로써 감소되거나 다시 최소화되도록 작동될 수 있다. 대안적으로, 또는 이에 추가하여, 제어 시스템은 이러한 특징이 다운스트림 사용을 위해 적합하며 실질적으로 효율적이고/거나 최적의 사용을 위해 최적화되도록 조절된 공정(들)에 의해 발생된 생성물 가스의 조성 및/또는 다른 특징(예를 들어, 온도, 압력, 흐름 등)을 조정하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 생성물 가스가 전기 생산을 위한 제공된 타입의 가스 엔진을 구동시키기 위해 사용되는 구체예에서, 생성물 가스의 특징은 이들의 특징이 이러한 엔진에 대한 최적의 주입물 특징과 가장 잘 매칭되도록 조정될 수 있다.
일 구체예에서, 제어 시스템은 다양한 구성요소에서 반응물 및/또는 생성물 체류시간과 관련하여, 또는 전체 공정의 다양한 공정과 관련하여 제한 또는 성능 가이드라인이 충족되고/거나 이를 위해 최적화되게 제공된 공정을 조정하기 위해 배열될 수 있다. 예를 들어, 업스트림 공정 속도는 하나 이상의 후속 다운스트림 공정과 실질적으로 매칭시키기 위해 조절될 수 있다.
또한, 제어 시스템은 여러 구체예에서, 연속 및/또는 실시간 방식으로 여러 양태의 제공된 공정의 순차적 및/또는 동시 제어를 위해 개조될 수 있다.
일반적으로, 제어 시스템은 수작업으로 적용하기 위해 적합한 임의의 타입의 제어 시스템 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템은 중앙집중 제어 시스템, 분포된 제어 시스템, 또는 이의 조합을 포함할 수 있다. 중압집중 제어 시스템은 일반적으로 다양한 지방적 및/또는 원격 감지 디바이스와 소통하기 위해 배열된 중앙 제어기 및 제어된 공정과 관련하여 다양한 특징을 각각 감지하고 제어된 공정에 직접 또는 간접적으로 영향을 미치도록 개조된 하나 이상의 제어가능한 공정 디바이스에 의해 이에 반응하도록 배열된 반응 구성요소를 포함할 것이다. 중앙집중 구조를 이용하여, 대부분의 컴퓨터화는 중앙집중 프로세서 또는 프로세서들에 의해 중앙집중적으로 실행되어, 공정의 제어를 실행하기 위한 대부분의 필수적인 하드웨어 및/또는 소프트웨어는 동일한 위치에 위치되도록 한다.
분포된 제어 시스템은 일반적으로 개개의 센서와 각각 소통할 수 있는 두개 이상의 분포된 제어기 및 지방적 및/또는 지역적 특징을 모니터하고 지방적 공정 또는 서브-공정에 영향을 미치도록 배열된 국수 및/또는 지역적 공정 디바이스에 의해 이에 반응하는 반응 구성요소를 포함할 것이다. 소통은 또한 다양한 네트워크 배열에 의해 분포된 제어기들 간에 이루어질 수 있으며, 여기서 제 1 제어기에 의해 감지된 특징은 이에 반응하기 위한 제 2 제어기로 전달될 수 있으며, 이러한 원위 반응은 제 1 위치에서 감지된 특징에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 다운스트림 생성물 가스의 특징은 다운스트림 모니터링 디바이스에 의해 감지되고, 업스트림 제어기에 의해 조절된 변환기와 관련된 제어 파라미터를 조절하여 조정될 수 있다. 분포된 구조에서, 제어 하드웨어 및/또는 소프트웨어는 또한 제어기 간에 분포되며, 여기서 동일하지만 모듈로 배열된 제어식은 각 제어기에서 실행될 수 있거나, 다양한 협조적 모듈 제어식은 개개의 제어기에서 실행될 수 있다.
대안적으로는, 제어 시스템은 별도의 소통적으로 연결된 지방적, 지역적 및/또는 글로벌 제어 서브시스템으로 다시 나누어질 수 있다. 이러한 구조는 제공된 공정, 일련의 상호관련된 공정을 다른 지방적 제어 서브시스템과 최소로 상호작용하면서 지방적적으로 수행되고 제어될 수 있게 한다. 글로벌 마스터 제어 시스템은 이후 개개 지방적 제어 서브시스템과 소통하여 글로벌 결과를 위한 지방적 공정에 대한 필수적인 조정을 지시할 수 있다.
본 발명의 제어 시스템은 임의의 상기 구조, 또는 당해 분야에 통상적으로 공지된 임의의 다른 구조를 사용할 수 있으며, 이는 본 발명의 일반적인 범위 및 특성내에 존재하는 것으로 고려된다. 예를 들어, 본 발명의 문맥내에서 조절되고 실행되는 공정은 적용가능한 경우, 관련된 업스트림 또는 다운스트림 공정을 위해 사용된 임의의 중앙 및/또는 원격 제어 시스템에 대한 임의적 외부 소통과 함께 제공된 지방적적 환경에서 제어될 수 있다. 대안적으로는, 제어 시스템은 지역적 및/또는 글로벌 공정을 협동적으로 제어하기 위해 디자인된 지역적 및/또는 글로벌 제어 시스템의 서브-구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 모듈 제어 시스템은 제어 모듈이 시스템의 여러 서브-구성요소를 상호작용적으로 제어하면서 지역적 및/또는 글로벌 제어를 위해 필요한 경우 모듈간 소통을 제공하도록 디자인될 수 있다.
제어 시스템은 일반적으로 하나 이상의 중앙, 네트워크된 및/또는 분포된 프로세서, 다양한 감지 구성요소로부터 현재 감지된 특징을 수용하기 위한 하나 이상의 입력물 및 다양한 반응 구성요소에 새로운 또는 업데이트된 조절 파라미터를 전달하기 위한 하나 이상의 출력물을 포함한다. 제어 시스템의 하나 이상의 컴퓨팅 파라미터는 또한 이에 다양한 사전결정되고/거나 재조정된 제어 파라미터, 세트 또는 바람직한 시스템 및 공정 특징 작동 범위, 시스템 모니터링 및 제어 소프트웨어, 작동 데이타 등을 저장하기 위한 하나 이상의 지방적 및/또는 원격 컴퓨터 해독가능한 매체(예를 들어, ROM, RAM, 제거가능한 매체, 지방적 및/또는 네트워크 액세스 매체 등)을 포함할 수 있다. 임의적으로, 컴퓨팅 플랫폼은 또한 시뮬레이션 데이타 및/또는 시스템 파라미터 최적화 및 모델링 수단을 처리하기 위해, 직접적으로 또는 다양한 데이타 저장 디바이스에 의해 액세스할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 플랫폼에는 제어 시스템에 대한 관리 액세스(새로운 시스템 모듈 및/또는 장치 등에 대한 시스템 업그래이드, 관리, 변형, 개조), 뿐만 아니라 외부 소스(예를 들어, 모뎀, 네트워크 연결, 프린터 등)와 데이타 및 정보 소통하기 위한 다양한 임의의 출력 주변장치를 제공하기 위해 하나 이상의 임의적 그래프 사용자 인터페이스 및 입력 주변장치가 장착될 수 있다.
프로세싱 시스템 및 서브-프로세싱 시스템 중 임의의 하나는 배터적으로 하드웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 임의의 서브-프로세싱 시스템은 하나 이상의 비례적 (P), 통합 (I) 또는 차별적 (D) 제어기의 임의의 조합, 예를 들어, P-제어기, I-제어기, Pi-제어기, PD-제어기 PID 제어기 등을 포함할 수 있다. P, I 및 D 제어기의 조합의 이상적인 선택은 가스화 시스템의 반응 공정 일부 및 조합이 제어되게 의도되는 작동 조건의 범위의 동력학 및 지연 시간, 및 조합 제어기의 동력학 및 지연 시간에 따르는 것으로 당업자에게 인식될 것이다. 이러한 조합은 감지 구성요소에 의해 특징의 수치를 연속적으로 모니터할 수 있는 아날로그 하드와이어드 형태로 실행될 수 있으며, 관출된 수치와 특정된 수치간의 차이를 감소시키기 위해, 반응 구성요소에 의해 적절히 조정하여 개개 조절 구성요소에 영향을 미치게 하기 위해 이를 특정된 수치와 비교할 수 있는 것으로 당업자에게 인식될 것이다. 또한 조합이 혼합된 디지털 하드웨어 소프트웨어 환경에서 실행될 수 있음이 당업자에게 인식될 것이다. 추가적인 임의의 샘플링, 데이타 획득, 및 디지털 처리의 관련효과는 당업자에게 널리 공지되어 있다. P, I, D 조합 조절은 히드포워드 및 피드백 제어식에서 실행될 수 있다.
보정 또는 피드백에서, 적절한 감지 구성요소에 의해 모니터된 조절 파라미터 수치의 조절 또는 변수 조절은 특정된 수치 또는 범위와 비교된다. 조절 신호는 두개의 수치 사이의 편차를 기초로 하여 결정되고, 편차를 감소시키기 위해 조절 구성요소에 제공된다. 통상적인 피드백 또는 반응적 제어 시스템이 추가로 개조적 및/또는 예측적 구성요소를 포함하도록 개조될 수 있다는 것으로 인식될 것이며, 여기서, 제공된 조건에 대한 반응은 보정적 작용에서 가능한 오버슛(overshoot)를 제한하는 동안 감지된 특징에 대한 반응적 반응을 제공하기 위해 모델링되고/거나 이전에 모니터된 반응에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 제공된 시스템 배열에 대해 제공된 획득되고/거나 역사적 데이타는 종래 반응이 요망되는 결과를 제공하기 위해 모니터되고 조절되는 최적의 수치로부터 제공된 범위내로 감지되는 시스템 및/또는 공정 특징에 대한 반응을 조정하기 위해 협력적으로 사용되 수 있다. 이러한 개조 및/또는 예측적 제어식은 당업 분양에 널리 공지되어 있으며, 이와 같이, 본 발명의 일반적인 범위 및 특성을 벗어나는 것으로 고려되지 않는다.
본 발명에 따른 GCS는 주입 합성가스의 요망되는 화학적 및 물리적 조성을 갖는 조절된 가스로의 가공 동안에 특정된 범위의 변화성 내에서 반응 조건에 대한 세트 포인트를 유지하기 위한 제어 시스템을 포함한다. 이러한 제어 시스템은 자동화가능하며, 다양한 가스 조절 시스템에 적용가능하게 되도록 배열될 수 있다.
일 구체예에서, 제어 시스템이 요망되는 작동적 범위를 벗어나는 GCS의 공정에서 효율성 또는 대체적 기능 부족의 감소를 감지하는 경우, 제어 시스템은 백업 공정, 플레어 스택, 연소 챔버 또는 백업 GCS로 가스 스트림의 전환을 가능하게 하도록 배열될 수 있다. 그러나, 당해 분야에 공지된 바와 같이, 예를 들어, 가스 스트림에서 HCl 및/또는 H2S의 수준이 허용가능한 배출 제한을 초과하는 경우, 가스 스트림은 플레어 스택으로 전환되지 않으며, 따라서 HCl 및/또는 H2S의 수준을 개질시킬 수 있는 백업 공정으로 전환될 수 있다.
본 발명의 제어 시스템은 하기를 포함한다: 공정 모니터링 서브시스템 및 공정 제어 서브시스템. 공정 모니터링 서브시스템은 GCS를 통한 가스 스트림의 화학적 조성, 가스 흐름 속도, 압력, 열적 파라미터 등 중 하나 이상을 분석하도록 배열되는 하나 이상의 감지 구성요소를 포함한다. 공정 제어 서브시스템은 공정 모니터링 서브시스템의 감지 구성요소에 의해 감지되는 공정 특징에 대해 응하여 작동하는 하나 이상의 반응 구성요소, 뿐만 아니라 통합된 공정 제어 서브시스템으로서 배열되는 다른 정보 모니터링 구성요소를 포함한다.
일 구체예에서, 제어 시스템은 GCS의 가공 단계를 미세 조정하기 위한 수단을 제공할 수 있으며, 따라서 주입가스의 가공을 위한 요망되는 최적의 조건으로부터 경향을 실질적으로 최소화하기 위한 수단을 제공할 수 있다. GCS의 작동적 구성요소 및 공정 단계를 모니터하고 요망되는 경우 이들을 개질시킬 수 있는 컴퓨터 프로세서에서 실시간 적용 구동에 의해 조절되는 단일 통합된 제어 시스템을 가지므로써, 제어 시스템은 안전한 방식으로 조절된 가스의 실질적으로 최적 및 연속적 발생을 확보할 수 있고, GCS의 실질적으로 효과적이고 자체 유지하는 작동을 확보할 수 있다.
공정 제어 서브시스템은 가공 주입가스의 효율 및 조절된 가스의 얻어진 특징, 예를 들어 이의 조성을 최적화하기 위해 GCS내에서 조건을 조정하기 위한 반응 구성요소를 포함한다. 반응물에 대해 진행하는 조정(예를 들어, 활성탄소 주입, HCl 스크러버에 대한 pH 조절, H2S 시스템 최적화를 위해 요구되는 반응물)은 이러한 공정을 디자인 사양에 따라 효율적으로 처리되고 최적화되게 할 수 있는 방식으로 실행될 수 있다. GCS의 효율에 영향을 미치는 일부 인자는 공기 흐름 속도(산화환원), 가소재 추가 속도 (pH), H2S 제거 시스템의 바이오반응기로의 전도성 (누출), 및 수은 연마기(중금속 제거 시스템)에서의 압력이다. 공정 모니터링 서브시스템은 예를 들어, GCS내의 다양한 포인트에서 가스의 온도, 압력, 흐름-속도, 조성 등을 포함한 파라미터를 측정하기 위한 하나 이상의 감지 구성요소를 포함한다. 감지 구성요소는 실시간으로 이러한 파라미터를 측정하고, 예를 들어, GCS의 작동이 개질을 요구하는지를 결정하기 위해 수집된 데이타를 사용할 수 있다. 예를 들어, 감지 구성요소는 GCS로 주입되는 활성탄소에 대한 요구사항을 초래할 수 있는 특정 조건을 검출할 수 있거나, HCl 스크러버의 pH는 조정될 필요가 있거나, H2S 제거 시스템의 바이오반응기로의 공기 흐름은 조정될 필요가 있거나, H2S 제거 시스템의 pH 또는 전도성은 조정될 필요가 있다. 감지된 정보를 기초로 하여 공정 모니터링 서브시스템에 의해 결정되는 이러한 요망되는 조정은 공정 제어 서브시스템에 의해 가능하게 될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, 공정 모니터링 서브시스템은 조절된 가스 배출을 모니터하고 사전결정된 파라미터 또는 조절된 가스 목표를 기초로 하여 배열된 감지 수단을 도입하며, 이는 GCS내에 작동 조건을 공정 제어 서브시스템의 반응 구성요소에 의해 밀접하게 조절됨을 촉진시키며, 이에 의해 에너지 요구사항, 온도, 압력 또는 다른 조절된 가스 요구사항의 측면에서 하나 이상의 다운스트림 적용의 가스 주입 요구사항을 충족할 수 있는 적합한 조절된 가스 조성을 달성한다.
[제어 소자]
상기 정의되고 기술된 바와 같은 본 발명에서 고려되는 감지 소자는 센서, 검출기, 분석기, 서머커플, 압력 변환기, 화학 분석기 등을 포함하나, 이에 제한되지는 않고, 당업자는 특정한 특성과 관련된 정보를 수집할 수 있는 감지 소자의 포맷을 용이하게 이해할 것이다.
상기 정의되고 기술된 바와 같은, 본 발명의 상황에서 고려되는 반응 소자는 공정과 관련하여 제공된 제어 파라미터의 조정에 의해 제공된, 공정에 영향을 미치도록 형성된 공정-관련 장치에 작동적으로 커플링된 다양한 제어 소자를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 예를 들어, 하나 이상의 반응 소자를 통한 본 발명의 상황에서 실시가능한 공정 장치는 필터링 시스템이 활성화되는 지의 여부를 결정하기 위해 모니터되는 특정 물질을 포함하나, 이에 제한되지는 않고; 가스 온도는 공정 공기의 흐름을 조정하기 위해 GCS의 주입구에서 모니터되고; 압력은 요망되는 압력을 유지하도록 다운스트림 송풍기를 조정하기 위해 GVS 내에서 모니터된다.
[가스 조성 모니터링]
GCS를 통한 가스 흐름의 조성을 측정하는데 사용될 수 있는 감지 소자가 당 분야에 공지되어 있고, 이는, 예를 들어 가스 모니터, 인 시츄(in situ) 가스 분석기, 인 시츄 프로브 가스 분석기, 배출 가스 분석기 등을 포함한다. 이러한 감지 소자는 주입가스, 제어된 가스 또는 투입 조성과 제어 조성 사이의 중간 상태의 가스에 존재하는 수소, 일산화탄소, 산소, H2S, 이산화탄소 등과 같은 성분의 양을 결정하는데 사용된다.
당 분야에 공지된 바와 같이, 주입가스에 존재하는 미립자 물질의 양은 주입가스의 공급원에 따라 다양할 수 있다. 예를 들어, 플라스마 가스화 공정의 분야에 공지되어 있는 바와 같이, 가스화기에서 배출되는 가스 스트림 내의 미립자 물질의 양은 가스 스트림 내의 특정 물질 또는 기타 오염물의 양과 직접적으로 관련될 수 있다. 예를 들어, 오염물은 미립자 물질에 부착되는 경향이 있고, 이는 반응 용기로부터 배출 배관을 통한 배출을 돕는다. 따라서, 주입가스 스트림 내의 미립자 물질의 양을 실질적으로 최소화시키는 것이 또한 오염물의 방출률을 최소화시킬 수 있다. 본 발명의 한 구체예에서, 가스 스트림 내의 미립자 물질량의 변화는 가스 스트림의 불투명도를 모니터하고, 공정의 위치에서의 조절 권한 제한에 따른 특정 물질 농도에 기초할 수 있는 허용가능한 수준에 대한 기준선을 확립함으로써 결정될 수 있다.
따라서, 본 발명의 한 구체예에서, GCS 내의 다양한 위치에서의 가스 내의 미립자 물질의 양은 가스 운반 장치 내에 설치되거나 가스의 불투명도의 실시간 피드백을 제공하도록 GCS 내에 배관된 하나 이상의 불투명도 모니터를 이용하여 모니터되고, 이에 의해 여과 공정의 조정의 자동화를 위한 최적의 메커니즘이 제공된다. 예를 들어, 미립자 물질의 수준을 최대 허용가능한 농도 아래로 유지시키기 위해 주입가스 스트림으로 주입되는 활성화된 탄소의 양의 조정이 이루어진다.
한 구체예에서, 불투명도 모니터의 작업을 실질적으로 최적화시키기 위해, 판독의 정확성을 보장하기 위해 센서 소자에 침착물이 생기지 않도록 유지시키는 것이 요망된다. 센서 소자 상의 침착물의 방지는, 예를 들어 침전으로부터 공수 입자를 방지하기 위한 각각의 감지 소자면에 걸친 소량의 질소의 공급; 공수 입자가 센서 소자를 드로운 패스트(drawn past)하도록 보장하기 위한 가스 처리 시스템의 부분에서의 약간 마이너스 압력의 유지 또는 용이하게 이해되는 바와 같은 기타 방법에 의해 달성될 수 있다. 한 구체예에서, 질소의 사용이 다운스트림 적용에 필요한 제어된 가스의 화학적 조성에 유해하지 않는 경우 질소가 사용된다. 당업자에게 공지되는 바와 같이, 하나 이상의 감지 소자 상의 미립자 물질의 침착을 경감시키기 위해 사용될 수 있는 가스의 기타 예는 아르곤, CO2, 또는 용이하게 이해되는 바와 같은 기타 가스를 포함할 수 있다.
온도 모니터링
본 발명의 한 구체예에서, GCS 전체에 걸쳐 위치된 하나 이상의 부위의 온도를 모니터하도록 배열된 하나 이상의 감지 소자가 제공되고, 여기서 주기적, 간헐적 또는 연속적인 방식으로 데이터가 획득될 수 있다. 당 분야에 공지된 바와 같이, GCS를 통한 가스 흐름의 온도를 모니터할 수 있는 감지 소자는 서머커플, 광온도계 및 압력 게이지를 포함한다. 본 발명의 한 구체예에서, 온도를 모니터하기 위한 감지 소자는 필요에 따라 GCS 내의 위치에 설치된 서머커플이다. 한 구체예에서, 온도를 모니터하기 위한 감지 소자는 광온도계이다. 적절한 광온도계는 당분야에 공지되어 있고, 광온도계의 비제한적인 예는 서모웰(thermowell)이다. 한 구체예에서, 다수의 서머커플 및 압력 게이지는 GCS 전체에 걸친 임계점에서의 온도를 모니터하기 위해 사용될 수 있다.
가스 스트림의 온도를 모니터하기 위한 감지 소자는 GCS 전체에 걸쳐 위치될 수 있고, 예를 들어 GCS로의 합성가스의 진입, GCS로부터의 제어된 가수의 배출 전의 위치뿐만 아니라 GCS 전체에 걸친 다양한 위치에 위치될 수 있다.
압력 모니터링
본 발명의 한 구체예에서, GCS 내의 압력을 모니터하기 위한 감지 소자가 제공되고, 여기서 지속적, 간헐적, 주기적 또는 실시간 방식으로 데이터가 획득된다. 한 구체예에서, 압력을 모니터하기 위한 감지 소자는 GCS 전체에 걸쳐 위치된 압력 전달장치 및/또는 압력 게이지와 같은 압력 센서를 포함한다.
압력 센서를 위한 적절한 위치는, 예를 들어 GCS로의 주입가스의 진입 전의 복열장치의 배출 지점, 출구 송풍기, 또는 집진기와 같은 입자 제거 단위 또는 탄소 필터 베드에 걸쳐 압력이 측정될 수 있는 위치이다. 한 구체예에서, 압력을 모니터하기 위한 감지 소자는 HCl 스크러버 또는 H2S 스크러버와 같은 산성 가스 제거 시스템에 걸쳐 위치된다. 압력을 모니터하기 위한 감지 소자는 또한 고형 잔기 제어기에 위치될 수 있다.
한 구체예에서, 압력을 모니터하기 위한 감지 소자는 GCS에 통합된 변환기의 수직 벽 상에 위치된다. GCS 내에서의 특정 공정의 효율은 GCS 내의 압력에 좌우될 수 있다. 예를 들어, 수은 연마제는 GCS가 진공이 아닌 압력하에 있는 경우 개선된다. 시스템의 압력과 관련된 데이터는 중금속 연마제와 같은 압력 의존성 공정에 대한 조정이 필요한 지의 여부에 따라, 예를 들어 실시간 방식으로 결정하는 피드백 제어 시스템에 의해 사용된다.
한 구체예에서, 완전한 시스템 전체에 걸친 차별적 압력의 연속적인 판독이 제공된다. 이러한 방식에서, 실질적으로 신속하게 발달하는 핀포인트(pinpoint) 또는 주입가스 스트림의 공정 동안 GCS 내에서의 실질적 문제에 대해 GCS의 각각의 개별적 공정 소자에 걸친 압력 하락이 모니터될 수 있다.
유속 모니터링
본 발명의 한 구체예에서, GCS 전체에 걸쳐 위치된 위치에서 가스 유속의 속도를 모니터하기 위한 감지 소자가 제공되고, 여기서 연속적, 간헐적 또는 주기적 방식으로 데이터가 획득된다. 가스 흐름의 속도를 모니터하기 위한 감지 소자는 가스 흐름 계량기 등을 포함한다. 한 구체예에서, 가스 흐름의 속도는 하나의 감지 소자를 이용하여 모니터된다. 또 다른 구체예에서, 이중 시스템이 백업 GCS로 제공되는 경우, 가스 흐름의 속도를 모니터하기 위한 제 2의 감지 소자가 백업 GCS에 제공된다.
예를 들어, 공급물의 비-균일한 특정 및 공정 공기 송풍기, 토치 물 누출, 제어 밸브, 폐기물 공급 속도 및/또는 집진기 백펄스(backpulse)와 같은 지지 장비의 정지와 같은 가능한 고장으로 인해 합성가스 생성은 불균일할 수 있다. 이러한 변화는 GCS 내의 온도 및 압력 뿐만 아니라 특히 가스 흐름 및 조성을 관찰함으로써 모니터될 수 있다. 발생한 변동은 합성가스 송풍기, 제어 밸브, 폐기물 공급 속도, 및/또는 집진기 백펄스, 각각의 단계로 운반되는 공기의 양의 적절한 제어, 및 예를 들어 MSW 및 HCF 첨가의 속도(및 비)를 변화시킴으로써 정정될 수 있다.
[가스 이동 유닛]
제어 시스템에는 또한 가스 이동 유닛이 통합될 수 있다. 가스 이동 유닛은 GCS를 통해 주입가스를 이동시키는 속도를 조정함으로써 제어될 수 있다. 한 구체예에서, GCS에 내연 엔진을 가동시키기 위한 에너지를 생성시키는 저온 가스화기 시스템이 통합되는 경우, 변환기 내의 압력을 제어하기 위해 가스 이동 유닛이 가스를 이동시키는 속도가 제어된다.
[선택적 수동 제어]
GCS는 자동화된 제어 시스템에 대한 백업으로서 수동 샘플 추출 및/또는 제어 시스템을 임의로 포함할 수 있다. 예를 들어, GCS 내의 주입가스 스트림은 주입가스 스트림의 화학 조성을 결정하기 위해, 샘플 채취되고 가스 크로마토그래피(GC)에 의해 분석될 수 있다. 한 구체예에서, 이러한 분석을 위한 샘플 위치는 GCS 전체에 걸쳐 분포된다. 한 구체예에서, 주입가스 스트림은 단계 1과 단계 2 공정 사이, 더욱 특히 미립자 물질 및 중금속이 제거되는 단계와 HCl이 제거되는 단계 사이의 위치에서 샘플 채취된다. 또 다른 구체예에서, 합성가스 스트림은 단계 2에서 합성가스 스트림이 HCl 스크러버에서 배출된 직후 샘플 채취된다. 또 다른 구체예에서, 합성가스는 H2S 스크러버에서 배출된 직후 샘플 채취된다.
한 대안적 수동 제어 단계에서, 공급물 내의 중금속 또는 수은 함량이 측정될 수 있고, GCS로 주입된 적절한 양의 탄소가 공급물의 중금속 함량에 따라 미리 조절될 수 있다.
H2S 스크러버에서 배출되는 H2S의 농도가 또한 당 분야에 공지된 바와 같이 측정되고, 제어될 수 있다. 예를 들어, H2S 스크러버에서 배출되는 H2S의 농도는 H2S 스크러버에 대한 적절한 파라미터를 조정함으로써 변경될 수 있다. 대안적으로, 스크러버에서 배출되는 H2S의 농도는, 예를 들어 공급물 내의 HCF에서 타이어 함량을 감소시킴으로써 시스템으로 공급되는 황의 양을 낮춤으로써 변경될 수 있다.
당업자는 제어 시스템에 추가의 감지 소자 및 반응 소자가 적절하게 포함될 수 있음을 이해할 것이다.
가스화 설비로의 GCS의 통합
한 구체예에서, GCS가 가스화 시스템에 통합된다. 본 발명의 한 구체예에서 가스화 설비로 통합된 GCS의 개략적 도표가 도 10에 개략적으로 제시된다. 상기 가스화 시스템 또는 변환기로부터 생성된 생성 가스는 GCS를 통해 처리되어 요망되는 세트의 특성을 지니는 배출 합성가스를 생성시킬 수 있다. 상기에 언급한 바와 같이, 요망되는 세트의 특성은 배출 합성가스가 사용되는 요망되는 다운스트림 적용에 좌우된다. 가스화 변환기로부터 생성된 합성가스 생성물은 하나 이상의 가스 운반 수단을 통해 GCS로 이동된다.
가스 이동 수단은 당 분야에 공지되어 있고, 적절한 가스 이동 수단은 당업자에 의해 용이하게 확인될 수 있다. 적절한 가스 이동 수단의 비제한적인 예는 파이프, 관 및 도관을 포함한다. 한 구체예에서, GCS가 플라스마 가스화 변환기에 통합되는 경우, 유도 팬을 이용한 진공 배출이 플라스마 가스화 변환기의 배출 가스 출구(들)을 통해 플라스마 가스화 변환기로부터 고온의 합성가스 생성물을 연속적으로 회수하기 위해 사용된다.
GCS에 대한 제어 시스템은 GCS를 통한 가스의 공정을 처리하기 위한 설비 제어 시스템과는 독립적으로 작용할 수 있다. 대안적으로, GCS에 대한 제어 시스템은 전체 설비에 대한 제어 시스템으로 통합될 수 있다.
배출 가스를 위한 다운스트림 적용
GCS에 의해 생성된 조절된 가스는 다운스트림 적용에 사용될 수 있다. 이러한 다운스트림 적용의 예는 내연 엔진, 연료전지 기술, 연소터빈 엔진, 전기 및 합성 연료의 폴리제너레이션(polygeneration), 및 화학적 합성을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 GCS에 의해 생성된 조절된 가스는 또한 플라스틱 및 비료 산업에 사용될 수 있다.
선택된 기술은 하기에 기술된다.
연소터빈 엔진
연소터빈 엔진은 공기(O2)와 CO 및 H2를 조합시켜, CO2, H2O 및 에너지를 발생시킨다. 에너지는 열 및 압력의 형태를 갖는다. 가스가 연소 공정 동안 팽창하기 때문에, 축방향 흐름 공기 압축기 및 발생기에 대해 구동시키기 위한 다중 스테이지 파워를 가로질러 팽창하여 전기를 생산한다. 연료 전지는 연소 터빈의 압축비와 대략 균등한 압력에서 연소가 발생함에 따라 가스 터빈을 공급하기 위하여 가압되어야 한다.
합성가스가 하나 이상의 연소터빈 엔진으로 전달되는 경우, 합성가스는 엔진에 전달되기 전에 압축되거나 전체 가스화 공정이 전달을 위해 충분한 압력하에서 작동될 것이다. 일 구체예에서, 이러한 압력은 특정 엔진의 압축비에 따라 100-600 psig의 범위일 것이다. 일 구체예에서, 압력은 20 내지 80 bar의 범위일 것이다. 일 구체예에서, 압력은 36 bar이다.
가스 터빈 연료 시스템에 들어가기 전에, 가압된 건조 생성물 가스는 추가로 가공 장치 및 배관에서 얻어질 수 있는 임의의 소량의 미립자를 수집하기 위해 추가로 여과될 수 있다.
사전-가열 시스템은, 요망되는 경우, 냉각되고 압축된 연료 가스를 사전-가열하기 위해 이용될 수 있다. 일 구체예에서, 사전-가열 단계는 가스의 상대 습도를 80% 미만으로 감소시키기에 충분한 온도 증가를 초래한다. 일 구체예에서, 사전-가열 단계는 연소터빈 엔지을 통과할 때 수분의 응축을 감소시키기에 충분한 온도 증가를 초래한다. 사전-가열 시스템은 가스화 공정을 벗어난 후 가스가 냉각될 때 업스트림에서, 또는 터빈으로부터 회수될 때 다운스트림에서, 시스템에서의 그밖의 어딘가에 위치된 가스 냉각 시스템으로부터 폐열을 사용하기 위해 배열될 수 있다. 사전-가열은 가스 냉각 시스템이 연료 가스를 스크러버에 의해 요구되는 온도로 냉각시키는 경우 유용할 수 있으며, 이러한 온도는 연소 챔버로 도입되는 세정된 연료 가스에 대한 요망되는 온도 미만이다. 스팀 주입은 또한 NOx 형성을 조절하기 위한 일부 연소 터빈에서 사용될 수 있고, 건조 배출 기술에 대한 대체물을 구성할 수 있다.
내연 엔진
에너지는 압축기, 연소기 및 가스 터빈이 내연 엔진에 의해 대체되는 것을 제외하고 상기에서 논의된 것과 유사한 공정을 사용하여 생성될 수 있다. 내연 엔진은 특히 소규모 가스화 전기변환 유닛에 대해 압축-가스 터빈에 비해 보다 용이하게 사용될 수 있고 이보다 더욱 비용 효율적일 수 있다. 공기 및 보조 연료는 연료 가스의 조성을 기초로 하여 사전결정된 방식으로 내연 엔진에 공급될 수 있다.
가스화 시스템에 대한 환경 친화적 저배출 내연 엔진-발생기 시스템은 효율 및 오염물질 감소를 크게 개선시키기 위해 제공될 수 있다. 불꽃 점화 내연 엔진은 이러한 엔진이 매우 작은 유닛에 대해 보다 덜 비싸고 터빈을 개시하고 정지시키는데 보다 용이하다는 장점이 있다. 요망되는 수준의 전력의 생산을 촉진시키기 위하여, 특히 시동(startup)을 거는 동안, 보조 전력, 예를 들어 수소-풍부 가스, 프로판, 천연 가스 또는 디젤 연료는 내연 엔진에 공력을 공급하기 위하여 사용될 수 있다. 보조 연료의 양은 가스화되는 탄소 공급물질의 가열 수치 및 전체 가스화 시스템에 대한 전력 요구사항에 따라 변경될 수 있다.
특히 분포된 전력 발생 시스템의 문맥에서, 전기를 발생시키기 위한 내연 엔진의 사용은 이미 성숙된 기술을 나타낸다. 디젤 엔진이 대부분의 이러한 시장에 진출하고 있지만, 다른 타입의 내연 엔진은 이러한 시스템에 의해 생성된 합성가스를 진행시키기 위해 용이하게 개조될 수 있다.
내연 엔진에서 사용하기에 적합한 GCS로부터의 배출 합성가스는 제한된 농도의 HCl 및 H2S를 함유한다. 일 구체예에서, 배출 합성가스는 10 ppm 미만의 HCl을 포함한다. 일 구체예에서, 배출 합성가스는 7 ppm 미만의 HCl을 포함한다. 일 구체예에서, 배출 합성가스는 5 ppm 미만의 HCl을 포함한다. 일 구체예에서, 배출 합성가스는 3 ppm 미만의 HCl을 포함한다. 일 구체예에서, 배출 합성가스는 30 ppm 미만의 H2S를 포함한다. 일 구체예에서, 배출 합성가스는 25 ppm 미만의 H2S를 포함한다. 일 구체예에서, 배출 합성가스는 20 ppm 미만의 H2S를 포함한다. 일 구체예에서, 배출 합성가스는 10 ppm 미만의 H2S를 포함한다.
연료 전지 기술
플라즈마 변환기로부터의 합성가스는 비교적 높은 온도(SOFC, 1000℃; MCFC 650℃)에서 오염물, 예를 들어 PM, HCL 및 H2S를 제거한 후에, 고온 연료 전지 (SOFC 또는 MCFC)로 공급될 수 있다. 더욱 엄격한 오염물 제한은 연료 전지 성능의 퇴화를 방지하기 위해 충족되어야 한다. GCS 배열은 연료 전지 작동 조건을 고정시키기 위해 다양하게 요구된다. 합성가스 및 산화제 조성물은 또한 고온 연료 전지의 효율 또는 배출을 최적화하기 위해 조절되어야 한다.
용융된 카르보네이트 연료 전지 (MCFC)는 LiAlO2 세라믹 매트릭스에서 안정화된 알칼리 (Li, Na, 및 K) 카르보네이트의 조합인 전해질을 함유한다. 가스상 주입 연료 혼합물은 전체 탄화수소에 대한 제한으로, 특히 적재량, 황(H2S의 형태), 암모니아, 및 할로겐(예를 들어, HCl)을 제한하면서 일산화탄소, 수소, 메탄, 및 탄화수소를 함유한다. 약 1200℉(650℃)의 작동 온도에서, 염 혼합물은 액체이며 양호한 이온성 전도체이다.
MCFC에 대한 애노드 공정은 수소와 전해질로부터의 카르보네이트 이온(CO3 -) 간의 반응을 포함하며, 이는 애노드로 전자를 배출하는 동안 물과 이산화탄소(CO2)를 생성시킨다. 캐소드 공정은 캐소드로부터의 전자와 함께 산소와 산화제 스트림으로부터 CO2를 조합하여, 카르보네이트 이온을 생성시키며, 이는 전해질로 들어간다. 연료 가스 중의 CO2 함량이 불충한 경우, CO2는 배출 스트림으로부터 재순환될 수 있다. MCFC는 온도에 있어서 과도한 열을 생성시키며, 이는 추가 전기를 발생시키기 위해 터빈에 공급될 수 있는 고압 스팀을 생성시키는데 사용하기에 충분히 높다. 합쳐진 사이클 작동(스팀 터빈 전력 발생 및 연료 전지 전력 발생)에서, 60% 초과의 전기적 효율은 발달된 MCFC 시스템에 대해 예측된다.
고체 산화물 연료 전지 (SOFC)는 액체 대신에 강성의 세라믹 전해질을 사용하고, 1,000℃(약 1,800℉) 이하의 온도에서 작동한다. 이러한 타입의 연료 전지에서, 지르코늄 옥사이드 및 칼슘 옥사이드의 혼합물은 결정 격자를 형성하지만, 다른 옥사이드 조합이 또한 전해질로서 사용된다. 고체 전해질은 양면에 한정된 다공성 전극 재료로 코팅된다. 비교적 높은 작동 온도에서, 산소 이온(네가티브 전하를 가짐)은 결정 격자를 통해 이동한다.
수소 및 일산화탄소를 함유한 연료 가스는, 네가티브로 하전된 산소 이온의 흐름이 연료를 산화시키기 위해 전해질을 가로질러 이동하는 동안 애노드를 통과한다. 산소는 캐소드에서 대개 공기로부터 공급된다. 애노드에서 발생된 전자는 캐소드로 외부 로드(load)를 통해 이동하여, 전기 전류를 수반하는 회로를 완성시킨다.
발생 효율은 약 60% 이하의 범위일 수 있다. 용융된 카르보네이트 연료 전지와 같이, 고체 옥사이드 전지는 공간 가열 및 냉각을 위한 스팀을 발생시키기 위해 폐열을 사용하여 조합된 열 및 전력 적용인 "폐열발전(co-generation)" 또는 전기를 더욱 발생시키기 위해 스팀 터빈을 구동시키는데 사용하기 위한 기회를 제공하는 높은 작동 온도를 요구한다.
(고온) 연료 전지는 수소(주로 SOFC에서) 및 GCS에 의해 제공된 합성가스로부터의 일산화탄소를 소비한다. 연료 가스에 함유된 메탄은 고온 연료 전지에서 부분적으로 재형성되어, 다시 수소 및 일산화탄소를 초래한다. 연료 전지에서 배출되는 가스 혼합물은 거의 유용한 양의 메탄 및 일산화탄소 가스를 포함할 것이다. 이러한 가열된 가스는 조정 시스템으로 다시 향하게 되거나 보다 큰 열교환기로 전향될 수 있으며, 이는 변환기에서 사용되는 스팀의 생산을 위해 사용될 수 있다.
대안적으로는, 가열되었지만 세정된 합성가스는 합성 가스를 두개의 별도의 가스 스트림으로 분리하기 위해 고온 수소막 여과 시스템으로 주입될 수 있다. 하나의 스트림은 순소한 수소 및 다른 순수한 일산화탄소(CO)로 이루어진다. 일산화탄소는 이산화탄소(CO2)의 회수 및 스팀에서 이의 잠재적 에너지의 변환을 촉진시키기 위하여 가스-연소 보일러에서 연소될 수 있거나, 압축기로 이동되고 용기에 채워질 수 있다. 수소(H2)는 연료 전지에서 에너지로 변환될 수 있거나, 압축기로 이동된 후 용기 홀딩 및/또는 흑연 나노-섬유 저장 매체 또는 무수 알루미늄 저장 매체로 공급되어 H2가 안전하게 저장되고 이동될 수 있도록 한다.
수소 공급라인은 이들에 대한 연료 공급으로서 고온 수소막 여과 시스템에서 연료 전지 스택(stack)으로 제공될 수 있다. 이러한 시스템의 연료 전지 스택은 전기를 생산하기 위해 애노드에서 수소 가스를 사용하고 캐소드에서 CO2를 사용하는 용융된 카르보네이트 타입이다. 합성가스에 존재하는 일산화탄소는 여분의 수소뿐만 아니라, 스팀, 이산화탄소 또는 물을 생성시키기 위해 재생될 수 있는 열(1500℉ 이하)을 생성시킨다.
일산화탄소 라인은 일산화탄소를 향하게 하기 위해 고온 수소막 여과 시스템에서 통상적인 가스-연소 보일러로 제공될 수 있다. 가스-연소 보일러는 CO를 연소시켜, CO2 및 가스화 시스템템에 의해 제조된 CO의 잠재적 에너지 수치가 더욱 비용 효율적으로 회수될 수 있도록 한다.
일부 업스트림 가스화 시스템은 보일러로의 하나 초과의 연료 또는 공급물의 주입을 위해 디자인될 수 있으며, 이에 의해 요구되거나 요망되는 경우 증가된 양의 전력 발생을 위한 융통성을 제공한다. 추가적인 연료원의 예로는 천연 가스뿐만 아니라 유기 폐기물(또한 바이오가스로 칭함)의 혐기성 소화로부터 얻어진 가스를 포함한다.
선택된 특정 전력 발생 디바이스에 따라, 전기적 발생기의 효율을 최대화하기 위해, 가스화 시스템에서 발생된 합성가스 이외에, 다른 타입의 연료를 포함하는 것이 유익할 수 있다. 임의적 연료로 지시되는 이러한 추가적인 연료는 천연 가스, 오일, 및 다른 통상적인 탄화수소-계열 연료를 포함할 수 있다. 임의적 연료는 대부분의 BTU 또는 전기적 발생기에 의해 소비된 에너지를 제공하는 것으로 의도되지 않지만, 대신에 이들이 시스템의 전체 효율을 향상시킬 때에만 포함되는 것으로 인식될 것이다.
대안적인 배열은 질소의 옥사이드, 일산화탄소 또는 비연소된 탄화수소의 배출이 매우 크게 감소되면서 CO2 및 H2O의 생산과 함께, 용융된 카르보네이트 연료 전지의 사용을 허용하는 가스화 시스템을 사용한다. 일산화탄소를 사용하기 위한 가스 연소 보일러를 사용하는 대신에, 일산화탄소는 수소와 함께 연료 전지에 공급된다. 이러한 연료 전지는 용융된 카르보네이트 또는 다른 타입의 연료 전지일 수 있으며, 이는 가치있는 연료로서 일산화탄소를 소비한다.
냉각된 순수한 수소는 양성자 교환막 연료전지 (PEMFC) 스택에서 사용하기에 이상적이다. 다른 연료 전지에서와 같이, 연료의 화학적 에너지는 전기로 직접 변환된다. 전기는 하기 전기화학적 반응에 의해 발생된다:
애노드: 2H2 => 4H+ + 4e-
캐소드: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
이러한 반응은 저온(<100℃)에서 일어나고, 애노드의 백금 촉매층에서 수소를 전자 및 포지티브 하전된 수소 이온(양성자)으로 분할하며, 양성자 교환막(전해질)을 통해 양성자를 통과시키고, 캐소드 촉매에서 이의 전기화학적 산화를 포함한다. 전해질(고체 폴리머막)은 물로 포화되어야 하며, 결론적으로 애노드와 캐소드 스트림의 수분의 조심스런 조절이 요구된다. 더욱이, 애노드 상의 소량의 CO(1 ppm 초과) 및 H2S 독성 촉매는 수소의 순도에 대해 엄격한 요구사항을 제공한다. 다른 타입의 연료 전지와 비교하여, PEMFC는 제공된 부피 및 중량에 대해 보다 큰 전력을 발생시키고, 빠른 개시를 허용한다. PEMFC 스택의 현재 효율은 35-45%의 수치에 도달한다.
시스템은 또한 합성가스의 높은 연소 온도로부터의 중요한 내부 구성요소의 손상없이 질소의 옥사이드의 배출이 매우 감소된 전기를 발생시키기 위한 수소가스 구동된 터빈의 사용을 허용하도록 디자인될 수 있다. 고온 수소막으로부터의 수소는 에너지를 기계적 힘으로 변환시키고 전기를 제공하는 발생기를 구동시키기 위해, 탈이온수가 가스 터빈(또는 대안적으로 내연 엔진)에서 연소되기 전에 첨가되는 살충제 수 주입 시스템에 주입될 수 있다. 물은 내부 온도를 제한하며, 이에 의해 중요한 내부 구성요소에 대한 열 손상을 방지한다. 또한, 살충제 수 주입 시스템은 이러한 대체 연료가 정량으로 용이하게 이용될 수 없는 위치 및/또는 시간에 작동 가능하게 한다. 또한, 관개 살충제의 사용은 합성가스 및/또는 대체 연료 혼합물의 고온의 연소에 의해 야기돈 질소 산화물 배출을 현저하게 낮춘다.
당해 분야에 공지된 바와 같이, 연료 전지에서 사용되는 합성가스에 대한 요망되는 특징은 하기 표 3에 나타내 바와 같이, 사용되는 연료 전지의 타입에 따라 변할 수 있다.
표 3: 일반적인 연료 전지 특징
Figure 112008083675607-PCT00001
a: 구조에 따라 변경가능, 대개 <100 ppm
b: 순수한 수소 및 산소를 주로 사용하기 위해 디자인됨
c: 전체 CO+CO2 농도 <50 ppm이 요구됨, 전지는 특히 CO2에 민감함
d: 주로 희석액으로서 제공함; 낮은 농도가 바람직함
e: 가스화를 위해 통상적인 범위내에서 제한되지 않음
f: 희석으로 인해 연료 스택 영향 경제성에서 보다 높은 농도
따라서, 연료 전지가 SOFC인 일 구체예에서, 배출 합성가스 중의 HCl의 함량은 1 ppm 미만이며, 황 함량은 1 ppm 미만이며, 탄화수소 함량은 10% 미만일 것이다.
연료 전지가 MCFC인 일 구체예에서, 합성가스 중 HCl의 함량은 0.5 ppm이며, 황 함량은 0.5 ppm 미만이며, 탄화수소 함량은 10% 미만일 것이다.
본원에 기술된 본 발명의 보다 양호한 이해를 제공하기 위하여, 하기 실시예가 기재된다. 이러한 실시예들은 본 발명의 예시적인 구체예를 기술하기 위해 의도된 것으로 임의의 방식으로 본 발명의 범위를 제한하려 의도된 것은 아니다.
실시예
실시예 1: 가스 엔진에서 사용하기에 적합한 조절된 가스의 생산을 위한 GCS
하기 실시예는 가스 엔지에서 사용하기에 적합한 조절된 가스를 생성시키기 위해 배열된 GCS를 기술한다. GCS는 하기 공정 작업을 포함한다:
스테이지 1 공정:
1. 증발 냉각 (켄칭)
2. 건조 주입 시스템
3. 미립자 물질/중금속 제거
4. 고체 잔여물 가스 조절기 및 관련된 고체 잔여물 GC의 고체 잔여물의 처리
스테이지 2 공정:
5. HCl 스크러버
6. 공정 가스 송풍기
7. 가스 냉각기
8. 수은 연마제
9. 황 제거
상기 공정 작업에 의해 생산된 조절된 가스를 저장하고 이후 사용하기 전에 가열한다.
상기 공정 작업을 도 2에 나타내었으며, 하기에 기술한다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, GCS는 수렴 공정 단계를 이용하며, 고체 잔여물 가스 조절기(5)와 통합된 변환기 가스 조절기(4), 뿐만 아니라 고체 잔여물 조절기(265)를 포함한다. 변환기(50)로부터 배출되는 합성가스(주입 가스)를 GCS에 공급하기 전에 열교환기(210)를 이용하여 대략 1000℃에서 740℃로 냉각시킨다.
GCS를 통한 가공으로부터 얻어진 배출 가스는 17 mg/N㎥ 미만의 미립자 물질, 5 ppm 미만의 HCl, 및 10 ppm 미만의 H2S를 함유한다.
스테이지 1(STAGE ONE)
주입 가스 미립자 및 중금속 적재량(주로 중금속을 지닌 플라이-애쉬(fly-ash)은 하기와 같다:
디자인 가스 유속 - 9500 N㎥/시간
먼지 적재량 - 7.4 g/ N㎥
카드뮴 - 2.9 mg/ N㎥
납 - 106.0 mg/ N㎥
수은 - 1.3 mg/ N㎥
보증된 스테이지 1 배출 가스 사양:
미립자 물질 - 11mg/ N㎥ (약 99.9% 제거)
카드뮴 - 15㎍/ N㎥ (약 99.65% 제거)
납 - 159 ㎍/ N㎥ (약 99.9% 제거)
수은 - 190 ㎍/ N㎥ (약 90% 제거)
(1) 증발 냉각(220)
열교환기(210)에서 초기 냉각 후에, 주입 합성가스를 추가로 합성가스 온도를 효과적으로 낮추고 응축을 방지하는 건조 켄칭으로 냉각시킨다. 증발 냉각을 증발 냉각 타워(220)(건조 켄칭)으로 수행하여 합성 가스 온도를 약 260℃(150℃ 내지 300℃ 범위)로 낮춘다. 이를 조절된 방식(단열 포화)으로 물을 가스 스트림으로 직접 주입하여 달성한다. 이는 건조 켄칭(dry quench)이며, 존재하는 가스에 물이 존재하지 않음을 확인하기 위한 조절이며, 그러므로 존재하는 가스 온도에서의 상대 습도는 100% 미만이다.
(2) 건조 주입 시스템(271)
가스 스트림이 증발 냉각 타워(220)에 존재한 직후에, 활성탄소를 이후 가스 스트림 내부에 직접 주입하여 가스 스트림으로부터 중금속을 제거한다. 활성탄소를 호퍼에 저장하고, 가스 스트림에 기압으로 주입한다. 탄소주입은 대부분의 중금속을 포집하며, 소비된 탄소 과립을 백하우스(230)로 수집하고, 다음 단계에 기술된 추가 에너지 회수를 위해 고체 잔여물 조절기(265)로 다시 재순환시킨다. 활성탄소를, 미세한 중금속 입자(카드뮴, 납, 수은)가 활성탄소 표면 상에 흡착되기에 충분한 체류 시간으로 가스에 주입한다.
(3) 미립자 물질 제거
표면에 중금속을 지닌 활성탄소 및 미립자 물질을 이후 매우 높은 효율을 갖는 백하우스(230)에서 주입 합성가스로부터 제거하여, 지역적 금속 배출 제한을 충족하는 배출 가스를 제공하고, 다운스트림 가스 오염물 제거 서브시스템 및 조절된 가스를 사용할 가스 엔진을 보호한다.
미립자 물질 제거는 하기와 같이 진행된다. 백하우스(230)에서, 필터 케이크를 섬유 필터 상에서 미립자 물질과 함께 형성시킨다. 이러한 필터 케이크는 백하우스(230) 작업의 미립자 제거 효율을 개선시킨다. 백하우스(230)는 라이닝된 섬유유리 백(bag), 비-라이닝된 섬유유리 백, 또는 P84 현무암 백을 이용하며, 200℃ 내지 260℃의 온도에서 작동된다. 따라서 백하우스는 99.9% 미립자 물질 제거 효율을 위해 디자인된다. 카드뮴 및 납과 같은 중금속은 이러한 온도에서 미립자 형태이며, 백하우스에서 매오 높은 수집효율로 수집된다. 질소의 펄스 제트를 이용하여, 백을 가로지르는 압력 하강이 특정 세트 한계로 증가할 때 백을 세척시킨다. 공기 및 합성가스가 폭발성 혼합물을 형성하기 때문에 안정상의 이유로 본 구체예에서 질소는 펄스화 가스이다.
백하우스는 실린더형 필터를 사용하는데, 이는 통상적으로 임의의 추가 지지체를 요구하지 않는다. 백하우스 자체는 실린더형이거나 직사각형일 수 있다.
작동 파라미터 셋업은 임의의 수증기 응축을 막는다. 특정 시약, 예를 들어 장석은 백하우스를 보호하기 위해 고분자량 탄화수소 화합물(타르)을 흡착시키는데 사용될 수 있다. 스테이지 1 공정에 존재하는 가스를 이후 스테이지 2 공정을 통해 가공한다.
(4) 고체 잔여물 가스 조절기(265) 및 관련된 고체 잔여물 GC(5)에서 미립자 물질의 가공
변환기 가스 조절기(4)에 존재하는 중금속으로 오염된 고체 잔여물의 양은 많으며, 이에 따라 고체 잔여물을 슬래그로 변환시키기 위한 고체 잔여물 조절기(265)로 보내어진다. 고체 잔여물 조절기(265)에서 생성된 가스를 이후 간접 공기-대-가스 열교환기(270)에서의 냉각에 의한 중금속의 제거 및 작은 백하우스 필터(285)에서 미립자 물질 및 중금속의 제거를 위한 고체 잔여물 가스 조절기(5)에서 처리한다. 작은 백하우스 필터(285)는 고체 잔여물 조절기(265)로부터 가스를 처리하기 위해 제공된다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 고체 잔여물 가스 조절기(5)에 의해 수행된 추가 단계들은 가스 냉각기(29)을 사용하여 추가로 가스를 냉각시키고, 탄소층(295)에서 중금속 및 미립자 물질을 제거함을 포함한다. 가공된 제 2 합성가스 스트림을 이후 변환기 가스 조절기(4)로 역으로 향하게 하여 백하우스 필터 단계(230) 이전에 주입 합성가스 스트림으로 역으로 공급한다.
고체 잔여물 가스 조절기(5)의 작은 백하우스(285)로부터 제거된 고체 잔여물의 양은 변환기 가스 조절기(4)에서 백하우스(230)로부터 제거된 양보다 현저하게 적다. 작은 백하우스(285)는 중금속에 대한 퍼징으로서 작용한다. 고체 잔여물 가스 조절기(5)로부터 퍼징된 중금속의 양은 MSW 공급물 조성에 따라 변경된다. 일반적으로, 단지 주기적 퍼징은 중금속이 특정된 한계까지 축적될 때 요구된다. 작은 백하우스(285)에서 위험한 폐기물 처리로의 퍼징에 대한 대체물로서, 작은 백하우스로부터의 고체 잔여물은 용융을 위한 고체 잔여물 조절기(265)로 역으로 재순환될 수 있다.
고체 잔여물 조절기 백하우스(285)에 대한 디자인 사양:
주입 가스 미립자 및 중금속 적재량(주로 중금속을 지닌 플라이 애쉬)
디자인 가스 유속 - 150 N㎥/시간
먼지 적재량 - 50 g/ N㎥
카드뮴 - 440 mg/ N㎥
납 - 16.6 g/ N㎥
수은 - 175 mg/ N㎥
보증된 배출:
미립자 물질 - lOmg/ N㎥ (99.99% 제거)
카드뮴 - 13㎍/N㎥ (99.997% 제거)
납 - 166 ㎍/ N㎥ (99.999% 제거)
수은 - 175 ㎍/ N㎥ (99.9% 제거)
변환기 가스 조절기 백하우스(230) 및 고체 잔여물 가스 조절기 백하우스(285) 둘모두는 백 파열을 알리기 위한 배출구 상에 먼지 센서를 갖는다(직접 피드백 또는 모니터링). 백 파열이 발생하는 경우, 시스템은 유지를 위한 정지될 수 있다.
스테이지 2
(5) HCl 제거
미립자 물질을 변환기 가스 조절기(4)에서 합성가스로부터 제거한 후에, HCl 스크러버(240)를 HCl 제거를 위해 사용한다. HCl 스크러버(240)는 송풍기의 야금적 고려사항에 대해 가스 이동 수단 또는 공정 가스 송풍기(245)의 업스트림에 위치된다. HCl 스크러버(240)는도 13에 나타낸 바와 같이 관련된 열교환기(241)를 포함할 수 있다. 도 13에 나타낸 바와 같이, HCl 스크러버(240)는 패킹된 타워로서, 여기서 가스 스트림 중의 거의 모든 HCl은 재순환 알칼리 용액, 도시된 바와 같이, NaOH와 반응할 것이다. 열교환기(241)는 시스템의 온도를 조절한다. 패킹된 타워는 또한 기스를 약 35℃로 냉각시키기 위해 충분한 접촉 면적을 제공한다. 탄소층 필터(242)를 사용하여 액체 용액으로부터 잠재적 가용성 물 오염물, 예를 들어 중금속, HCN, 아모니아, 타르 등을 분리시킨다. HCl 스크러버(240)는 5 ppm HCl 배출 농도에 대해 디자인된다. 이는 다운스트림 적용의 엔진 배기가스로부터의 HCl 배출을 2 ppm 이하로 감소시킨다. 폐수 유출 스트림을 처리를 위한 폐수 저장 탱크로 보낸다. 도 14는 GCS로부터의 폐수를 수집하고 저장하기 위한 대표적인 시스템을 나타낸 것으로서, 여기서 폐수는 HCl 스크러버(240) 및/또는 하수구 구멍(70)에서의 다른 업스트림 공정으로부터 수집되고, 이후 폐수 홀딩 탱크(72)에 공급된다. 폐수 펌프(74)를 사용하여 폐수를 홀딩 탱크에서 하수구로 또는 떨어진 곳으로 이동시키기 위한 트럭으로 이동시킨다.
디자인 가스 유속 - 9500 N㎥/시간
스크러버에 일반적인 주입/최대 HCl 적재량 - 0.16 % / 0.29 %
HCl 배출 농도 - 5 ppm
HCl 스크러버(240)에서의 물 스트림을 분석하여 미립자 물질 제거 효율을 확인한다.
(6) 공정 가스 송풍기
HCl을 주입 합성가스로부터 제거한 후에, 가스 송풍기(245)를 이러한 포인트에서 사용하여 변환기(50)의 배출구에서 다운스트림 적용의 엔진으로의 공정에 걸쳐 가스에 대한 구동력을 제공한다. 이는 수은 연마제(250)의 업스트림에 위치되며, 이는 연마제(250)가 압력하에서 보다 양호한 수은 제거 효율을 가지기 때문이다. 이는 또한 수은 연마제 용기의 크기를 감소시킬 수 있다.
송풍기(245)는 모든 업스트림 용기 디자인 압력 강하를 이용하여 디자인된다. 또한 이는 가스 저장 탱크(또는 "균질화 챔버")에서 ~2.5 psig의 최종 압력을 갖기 위해 다운스트림 장치 압력 손실에 대해 요구되는 압력을 제공하도록 디자인된다.
(7) 가스 냉각기
가스가 송풍기(245)를 통해 가압될 때, 이의 온도는 약 77℃로 상승한다. 주입 가스가 가스 냉각기(246)를 통과할 때, 주입 가스의 온도는 35℃로 다시 감소된다. 이는 다운스트림 H2S 제거 시스템(260)의 작동을 위해 요구된다. H2S 시스템 최대 디자인 온도는 40℃이다.
(8) 수은 연마제
탄소층 필터(250)는 주입 합성가스 스트림에 잔류하는 임의의 중금속에 대한 최종 연마 디바이스로서 사용된다. 탄소층 효율은 시스템이 진공 대신 압력하에서, 보다 낮은 온도에 있고, 가스가 포화되고 HCl이 탄소를 악화시키지 않도록 가스로부터 제거될 때 개선된다. 이러한 추가적인 금속 제거 단계는 또한 시스템에서 금속을 조절함에 있어서 융통성을 제공한다.
수은 연마제의 성능은 수은에 대한 가스를 분석하므로써 측정된다. 모니터링은 온-라인일 필요가 없으며 단순하게 스냅(snap) 샘플링에 의한 주기적인 검사를 수반할 수 있다. 보정은 탄소 공급속도를 변경하고 연마제(250)를 가로지르는 압력 강하를 모니터링하므로써 이루어지며, 샘플링에 의해 탄소층 효율을 분석하므로써 이루어진다.
탄소층 필터는 99% 이상의 수은 제거 효율에 대해 디자인된다.
디자인 가스 유속 - 9500 N㎥/시간
일반적인/최대 수은 적재량 - 190 ㎍/N㎥ / 1.3mg/N㎥
탄소층 수명 - 3-5 년
보증된 수은 탄소층 배출 - 19 ㎍/N㎥ (99%)
(9) 황 제거
추가적인 중금속이 수은 연마제(250)에서 제거된 후에, 주입 가스 중의 황은 H2S 제거 시스템(260)을 이용하여 제거된다. H2S 제거 시스템(260)은 A7 가이드 라인( Ministry of Environment, Ontario, Canada)에 개략된 SO2 배출 제한을 기초로 한다. H2S 제거 효율은 GCS에 존재하고 가스 엔진에서 연소된 가스가 15 ppm 미만의 SO2 배출을 형성하게 할 것이다. H2S 제거 시스템(260)은 20 ppm H2S 배출 농도(H2S 시스템의 배출)에 대해 디자인된다. 도 15는 적합한 H2S 제거 시스템(260) 및 쉘 파크(Shell paques) 기술을 이용한 관련된 구성요소의 대표적인 개략적 다이아그램을 나타낸 것이다. 파크는 두개의 단계 공정을 갖는다: (1) H2S 접촉기(80)에서 가스 스트림으로부터의 H2S 제거, 및 (2) 황 회수, 즉 이는 술파이드의 황 원소로의 산화, 황의 여과, 황 및 규제 요구사항을 충족시키기 위한 유출 스트림의 소독을 위한 바이오-반응기(82)를 포함한다.
탄소층 필터(250)로부터의 주입 가스는 H2S 접촉기(80)를 통과하며, 여기서 H2S는 알칼리 용액을 재순환시키므로써 합성가스로부터 제거된다. 스크러버로부터의 술파이드 함유 용액은 알칼리성의 재생을 위한 바이오-반응기(82)로 보내어진다.
바이오-반응기에서, 티오바실러스(Thiobacillus) 박테리아는 공기와의 산화에 의해 술파이드를 황 원소로 변환시킨다. 조절 시스템은 시스템에서 황 재고를 유지시키기 위하여 바이오-반응기(82)로의 공기 유속을 조절한다. 바이오-반응기(82)의 슬립스트림은 필터 프레스로 여과된다. 필터-플레스로부터의 여과물은 다시 공정으로 보내어지며, 이러한 여과물로부터의 작은 스트림은 액체 유출 스트림으로서 보내어진다.
이는 두가지의 유출물 소스를 갖는다; 하나의 고체 유출물 - 일부 바이오매스를 지닌 황, 및 하나의 액체 배출물 - 술페이트, 카르보네이트 및 일부 바이오매스를 지닌 물. 두가지 스트림은 최종 처리 전에 소독된다.
디자인 가스 유속 - 8500 N㎥/시간
일반적인/최대 H2S 적재량 - 353 ppm/666 ppm
H2S 제거 시스템 이후 요구되는 성능 보증:
시스템에 대한 보증된 H2S 배출 - 20ppm
가스 저장 및 가스 가열
세척되고 냉각된 배출 합성가스는 저장을 위한 가스 저장 탱크로 이동된다. 가스 저장 탱크의 목적은 이의 조성(가열 수치-LHV) 및 이의 압력을 균질화하기 위한 것이다.
가스 엔진 디자인은 주입 가스가 사용전에 특정된 상대 습도에서 특정 조성 범위를 가짐을 요구하며, 가스는 합성가스로부터 물을 응축시키기 위한 냉동기로 통과되고, 35℃에서 26℃로 가스를 서브-냉각시킬 수 있다. 주입 가스 스트림으로부터 응축된 물은 가스/액체 분리기에 의해 제거된다. 이는 엔진으로 보내어지기 전의 가스 저장 후에 40℃(엔진 요구사항)로 재가열되자 마자 가스가 80%의 상대 습도를 갖도록 한다.
상술된 GCS는 하기 사양을 갖는다:
표 4: GCS 사양
Figure 112008083675607-PCT00002
본 실시예에서 기술된 GCS에 공급된 주입 가스의 가스 조성 및 상태 및 GCS를 통한 가공으로부터 얻어진 조절된 가스는 표 5에 나타낸다:
표 5: GCS 전 및 후에 가스 조성 및 상태
Figure 112008083675607-PCT00003
실시예 2: 수렴 공정 단계를 포함한 GCS의 개요
하기 실시예는 도 9에 나타낸 바와 같이 수렴 공정 단계를 포함한 GCS의 개요를 제공한다. 본 실시예에서, GCS는 변환기 가스 조절기(2) 및 고체 잔여물 가스 조절기(3)를 포함하며, 여기서 고체 잔여물 조절기(165)에서 발생된 제 2 가스 스트림은 고체 잔여물 가스 조절기(3)에서 가공되어 변환기 가스 조절기(2)로 공급된다. 본 실시예에서, 주입 가스는 GCS에 들어가기 전에, 예를 들어 복열장치에서 이미 냉각된다.
스테이지 1 공정
활성탄소(171)는 주입 합성가스 스트림에 주입되고, 미립자 물질 및 중금속은 입자 제거 유닛(13)을 이용하여 주입 가스로부터 제거된다. 주입 가스로부터 제거된 미립자 물질 및 중금속은 수집되고, 고체 잔여물 및 제 2 가스 스트림으로 변환되는 고체 잔여물 조절기(165)로 옮겨진다.
제 2 가스 스트림은 이후 고체 잔여물 열교환기(170)로 들어가고, 여기서 냉각된다. 후속 단계에서, 활성탄소(172)는 제 2 가스 스트림으로 주입되고, 제 2 가스 스트림 중의 중금속 또는 미립자 물질은 입자 제거 유닛(185)을 이용하여 제 2 가스 스트림으로부터 분리된다. 제 2 가스 스트림은 이후 변환기 가스 조절기(2)로 다시 향하게 되고, 여기서 이는 이에 들어가고 변환기 가스 조절기(2)의 입자 제거 유닛(130) 이후의 주입 가스 스트림과 조합된다.
스테이지 2 공정
도 9를 참조하여, 미립자 물질 및 중금속은 주입 가스 스트림으로부터 제거되자 마자, 고체 잔여물 가스 조절기(3)로부터의 제 2 가스 스트림과 조합된 주입 가스 스트림은 이후 HCl 제거 시스템(140)으로 향하게 되고, 여기서 산성 가스는 주입 가스로부터 분리된다. 탄소 공급물이 사용되어 저온 가스화기에서 합성가스를 생성시키는 경우 합성가스에 존재하는 HCl은 염소화된 탄화수소를 포함한다.
HCl 제거 시스템(140)에서 시스템의 다음 공정으로 주입 합성가스의 이동을 돕기 위하여, 가스 이동 유닛(145), 예를 들어 송풍기 또는 다른 적합한 유닛이 사용된다. 본 실시예에서, GCS에서의 임의적 다음 단계는 중금속 연마제(150)에서 중금속을 제거하는 것이다. 고체 잔여물 가스 조절기(3)에서 제 2 합성가스 스트림으로부터 제거된 중금속 및 미립자과 함께, 본 단계에서 제거된 중금속 및 미립자 물질은 처리를 위한 조절된 매립지로 보내어진다.
도 9에 나타낸 다음 공정은 또한 임의적이고, 주입 합성가스로부터 황(160)을 제거한다. 변환기에서 합성가스를 생성시키기 위해 사용된 탄소 공급물이 높은 황 함량을 갖는 석탄인 경우 황산이 존재한다. 제거된 황은 수집되고 상업적 분야에서 사용된다. 배출 합성가스는 다운스트림 적용으로 공급된다. 이러한 단계로부터 생성된 황은 상업적 분야에서 사용하기 위해 또는 처리를 위해 추가 가공될 수 있다.
실시예 3: 고온 가스 조절을 위한 GCS의 개요
본 실시예는 고온 가스 조절을 위한 GCS를 기술하며, 선형 공정 순서의 예를 제공한다. 이러한 GCS에 의해 수행된 가공 단계의 개요는 도 3에 나타내었다. 대용량 적용에서, 전체 열효율을 개선시키기 위해, 합성가스는 760℃의 온도에서 세정될 수 있다. 변환기(51)에 존재하는 합성가스는 열교환기(310)에서 대략 760℃로 냉각된다. 이러한 냉각된 합성가스(주입 합성가스)는 이후 GCS(6)로 들어간다. 미립자 물질 및 중금속은 이후 사이클론 분리기 또는 필터(330)에서 주입 합성가스로부터 제거된다(스테이지 1 공정). 하기 스테이지 2 공정은 이후 수행된다. 클로라이드 가드층(340)(Nahcolite)는 HCl을 제거하고, 이후 흡착에 의한 H2S 제거(360)를 위해 사용된다. 마지막으로, 세라믹 필터(362)는 조절된 합성가스의 저장 전에, 가열된 주입 합성가스에서 임의의 미립자를 제거하기 위해 사용된다.
본 실시예에 따른 GCS는 소량의 액체 폐기물(가능하게는 적어도 실시예 1, 및 3 내지 7에 기술된 실시예)을 발생시키지만, 산성 가스 제거를 위해 사용된 흡착제가 재생되는 경우에서도 배출된 고체 폐기물의 양을 증가시킬 수 있다.
실시예 4: 활성탄소 주입 단계를 지니지 않은 GCS의 개요
본 실시예는 도 4에 나타낸 바와 같은 GCS에 의해 수행된 가공 단계의 개요를 기술한 것으로서, 여기서 활성탄소는 시스템에 주입되지 않는다. 본 실시예는 수렴 공정 순서를 도입한다.
변환기(52)로부터의 주입 가스는 열교환기(410)으로 냉각되고, 이후 변환기 가스 조절기(8)로 들어가며, 여기서 미립자 물질은 백하우스(430)를 사용하여 주입 가스 스트림으로부터 제거된다. 백하우스(430)로부터 수집된 미립자 물질은 제 2 가스 스트림 및 고체 잔여물을 생성시키기 위해 고체 잔여물 조절기(465)로 보내어진다. 제 2 가스 스트림은 이후 고체 잔여물 가스 조절기(7)에서 가공된다. 고체 잔여물 가스 조절기(7)는 간접 공기-대-가스 열교환기(470)에서 제 2 가스 스트림을 냉각시키고 백하우스(485)에서 제 2 가스 스트림으로부터 미립자 물질을 제거하는 스테이지 1 가공 단계를 수행한다. 임의적 단계는 가스 냉각(490) 및 탄소층(495)에서의 중금속 및 미립자 물질의 제거를 포함한다. 제 2 가스 스트림은 이후 백하우스(430) 이전에 변환기 가스 조절기(8)로 다시 공급되고 이후 백하우스(430)을 통해 흐른다. 주입 가스는 이후 HCl 스크러버(440)에서 산성 가스 제거, 이후 수은 연마제(450)에서 중금속 및 미립자 물질의 제거, 및 H2S 스크러버(460)에서 황 제거의 스테이지 2 가공 단계에서 가공된다.
실시예 1에 나타낸 GCS와 본 실시예에서 기술된 GCS 간의 차이는 하기를 포함한다:
● 상당한 부분의 중금속은 백하우스(430)를 통과하고, 후속 서브시스템에서 액체 스트림에 부분적으로 흡착되며, 탄소층(450)에 실질적으로 포집된다. 수성 스트림 중의 중금속 적재량은 실시예 1에 기술된 GCS에 대해 관찰된 것 보다 높다.
● 미립자 물질 적재량은 백하우스(430) 이전에 감소한다.
● 백하우스(430)으로부터의 고체(애쉬)의 양은 실시예 1에 기술된 GCS에서 보다 적다.
본 실시예에서 기술된 본 GCS로부터 얻어진 액체 스트림(폐수)은 실시예 1에 기술된 GCS와 비교하여 이에 더욱 많은 오염물, 예를 들어 중금속을 가지며, 따라서 이러한 액체 스트림 또는 폐수가 위험한 폐기물로서 분류되고 폐수에 대해 탄소 필터의 사용을 요구할 수 있는 가능성을 증가시키며, 이는 시스템의 비용을 증가시킬 수 있다. 본 실시예에서, 다운스트림 탄소층의 수명은 보다 높은 중금속 적재량으로 인해 짧을 수 있으며, 보다 많은 소비된 탄소가 발생될 것이며, 이는 또한 재생이 요구되지 않는 경우 위험한 폐기물로 분류될 것이다.
실시예 5: 냉각된 합성가스의 일부가 재활용되는 GCS의 개요
GCS를 통해 가공된 냉각된 가스의 일부가 시스템을 통해 재활용되는 GCS에 의해 수행된 가공 단계의 개요는 도 5에 나타낸다. 이러한 GCS는 선형 공정 순서의 예를 제공한다.
스테이지 1 공정
주입 가스는 변환기(53)에 존재하고 열교환기(510)에서 냉각된 합성가스이다. 이러한 주입 가스는 이후 GCS(10)에 들어가고, 실시예 1에 기술된 건조 켄칭기(520)에서 냉각된다. 탄소(571)는 주입 합성가스 스트림에 주입되고, 중금속 및 미립자 물질은 백하우스 필터(530)에서 제거된다. 백하우스(530)에 존재하는 합성가스는 두개의 스트림으로 분할된다. 하나의 스트림에서, 합성가스의 30%는 송풍기(545)의 사용에 의해 복열장치(510)(건조 켄칭(520) 전)의 배출구로 다시 재순환된다. 본 실시예에서, 건조 켄칭 타워의 비용 및 크기, 및 소비된 물의 양은 최소화될 수 있다. 다른 스트림에서, 백하우스(530)에 존재하는 합성가스는 스테이지 2 공정을 통해 가공되며, 여기서 HCl은 HCl 스크러버(540)에서 제거되고, 탄소층(550)에서 중금속 및 미립자 물질이 제거되고, 마지막으로 H2S 제거(560)가 이루어진다.
본 실시예에서, 액체 폐기물은 실시예 1에 기술된 GCS에서 보다 적게 발생되며, 발생된 고체 폐기물의 양은 대략 실시예 1에서 발생된 것과 동일하다.
실시예 6: 미립자 물질이 고온에서 주입 합성가스로부터 제거되는 GCS의 개요
미립자 물질이 고온의 스테이지 1 공정에서 주입 가스로부터 제거되는 GCS의 예는 도 6에 도시되어 있으며, 고온 필터(입자 분리기)(605), 예를 들어 사이클론이 합성가스로부터 굵은 입자를 제거하기 위해 사용되는 실시예 1에 기술된 GCS와 상이하다. 이는 백하우스(630) 이전에 합성가스 중의 미립자 물질 적재량을 현저하게 감소시킨다. 나머지 미세한 입자는 백하우스(630)에 의해 수집된다. 본 실시예에서, 고체 잔여물 가스 조절기(9)를 통해 가공된 제 2 가스 스트림은 열교환기(610) 이전에 변환기 가스 조절기(12)에 다시 공급된다.
본 실시예에서, 변환기(54)로부터의 주입 합성가스는 사이클론 필터(605)에서 고온(스테이지 1 공정)에서 미립자 물질을 제거하기 위해 가공된다. 사이클론 필터(605)로부터의 합성가스는 열교환기(610)에서의 냉각, 및 백하우스 필터(630)에서 미립자 물질 및 중금속의 제거의 스테이지 1 공정에서 추가로 가공된 후 스테이지 2 공정을 통해 처리될 수 있거나, 사이클론 필터(605)로부터의 합성가스는 가스 저장 전에 HCl 제거(640), 탄소층에서 중금속 및 미립자 제거(650), 및 H2S 제거(660)의 스테이지 2 공정으로 직접 공급될 수 있다. 본 실시에에서, HCl 스크러버(640)으로부터 발생된 폐 스트림은 중금속 및 미립자 물질을 제거하기 위해 탄소층(642)를 통한 여과에 의해 처리된다.
변환기 가스 조절기(12)의 백하우스(630)로부터의 미립자 물질 또는 애쉬는 고체 잔여물 조절기(665)에서 가열되어 고체 물질 및 제 2 가스 스트림을 생산한다. 제 2 가스 스트림은 간접 공기-대-가스 열교환기(670)에서의 냉각, 이후 백하우스(685)에서 미립자 물질 및 중금속의 제거를 포함하는 스테이지 1 가공 단계에 의해 가공된다. 추가의 임의적 단계는 가스 냉각기(690)에서 제 2 가스 스트림의 냉각 및 탄소층(695)에서 중금속 및 미립자 물질의 제거를 포함한다. 제 2 가스 스트림은 이후 열교환기(610)에서의 가스의 냉각 이전에 변환기 가스 조절기(12)로 다시 공급된다.
본 실시예에서, 액체 폐 스트림 및 고체 폐 배출물 모두의 양은 실시예 1에 기술된 GCS의 것과 현저하게 상이하지 않다. 그러나, 백하우스 필터의 수명은 연장된다.
실시예 7: 미립자 물질의 제거를 위한 백하우스 필터를 포함하지 않은 GCS의 개요
미립자 물질이 백하우스 필터 이외의 입자 제거 유닛을 사용하여 주입 가스 스트림으로부터 제거하는 GCS의 예는 하기에 기술되어 있으며 도 7에 도시되어 있다. 이러한 GCS는 선형 공정 순서의 예를 제공한다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 주입 가스는 변환기(55)에서 생성되고, 열교환기(710)에서 냉각된다. 주입 가스는 이후 GCS(14)로 들어간다. 본 실시예에서, 백하우스는 GCS의 스테이지 1 공정에 도입되지 않았지만, 고온 필터(705)(사이클론 또는 세라믹)는 합성가스가 물 스크러버(740)에서의 습식 켄칭을 포함하는 스테이지 2 공정을 통해 가공되기 전에 미립자의 일부 또는 대부분을 제거하기 위해 사용된다. 미립자 물질, NH3, HCN, HCl, 타르 및 금속을 포함할 수 있는 오염물은 액체 중에서 흡착되고, 폐수 처리 설비에서 처리된다. 주입 가스가 물 스크러버(740)를 통해 가공된 후에, 황은 H2S 제거 시스템(760)에서 제거되며, 중금속 및 미립자 물질은 수은 연마제(750)에서 제거된다.
본 실시예에서, 대량의, 상술된 오염물을 함유한 액체 폐기물이 발생될 것이며, 이러한 양의 액체 폐기물은 처리 전에 엄격한 처리를 요구할 것이다. 고체 폐기물(분리된 애쉬)은 중금속, 유기물 및 다른 무기물 종류를 함유할 수 있으며, 따라서 위험한 폐기물로서 분류될 것이며, 이는 적절한 처리 과정을 요구할 것이다. 임의적 공정으로서, 고체 폐기물이 고체 잔여물 조절기로 다시 공급되는 경우, 고체 폐기물은 먼저 탈수 및 건조를 요구할 것이며, 이는 GCS의 작동 비용을 추가할 것이다.
실시예 8: 조절 가스가 다운스트림 적용에서 에너지 발생을 위해 사용되지 않는 GCS의 개요
도 8은 배출 가스가 다운스트림 적용에서 에너지의 발생을 위해 사용되지 않은 GCS의 예를 도시한 것이다. 본 실시예에서의 GCS(16)는 중금속 및 미립자 물질이 사이클론 필터(830)에서 주입 합성가스로부터 제거되는 스테이지 1 공정, 이후 벤투리 스크러버(842), 임핀제트 스크러버(844), 응축기, 백하우스 필터(830), 오리피스를 이용한 스테이지 2 가공 단계를 통해 주입 가스를 배기가스 매카니즘으로 루트화를 제공한다. 본원에 기술된 GCS는 선형 공정의 예를 제공한다.
실시예 9: GCS를 포함한 도시 고체 폐기물 가스화 플랜트
GCS는 플라즈마 가스화 시스템 및/또는 다운스트림 적용과 통합될 수 있다. 도 10은 가스 엔진을 포함한 다운스트림 적용과 통합된 대표적인 GCS를 포함하는 도시 고체 폐기물 가스화 플랜트의 전체 공정 흐름 다이아그램을 도시한 것이다. 본 실시예에서, 고체 잔여물 가스 조절기(11)는 백하우스(1085) 이후에 가스 냉각기(1090) 및 활성탄소층(1095)을 포함하고, 백하우스(1030) 이전에 변환기 가스 조절기(18)로 다시 공급한다.
본 실시예에서, 그리고 도 10에 나타낸 GCS를 참고로 하여, 플라즈마 가스화 시스템의 변환기(56)로부터의 주입 가스는 복열장치(1010)에서 냉각된 후 건조 켄칭 공정에서의 추가 냉각(1020), 주입 가스 스트림에 활성탄소(1071)의 첨가, 백하우스(1030)에서 미립자 물질 및 중금속의 제거의 스테이지 1 공정에서 변환기 가스 조절기(18)를 통해 가공된다. 주입 가스는 이후 HCl 스크러버에서 HCl 제거(1040), 수은 연마제(1050)에서 중금속 및 미립자 물질의 제거 및 H2S 제거 시스템에서 H2S 제거(1060)을 포함한 스테이지 2 공정을 통해 가공된다. 변환기 가스 조절기(18)의 백하우스(1030)에서 수집된 물질은 고체 잔여물 조절기(1065)로 보내어지며, 여기서 이는 고체 잔여물 및 제 2 가스 스트림으로 변환된다. 고체 잔여물 조절기(1065)에서 발생된 제 2 가스 스트림은 간접 공기-대-가스 열교환기에서의 냉각(1070), 백하우스에서의 미립자 물질 제거(1085), 이후 가스 냉각기에서의 냉각(1090) 및 활성탄소 층에서 추가 중금속 물질 및 미립자 물질 제거(1095)의 스테이지 1 공정을 통해 고체 잔여물 가스 조절기(11)에서 가공된다. 제 2 가스 스트림은 이후 변환기 가스 조절기(18)로 공급되고, 여기서 변환기 가스 조절기(18)의 백하우스(1030)으로 주입 가스 스트림을 주입하기 전에 주입 가스 스트림과 조합된다. 주입 가스 스트림은 이후 변환기 가스 조절기(18)의 나머지 스테이지 1 및 스테이지 2 가공 단계를 통해 가공된다.
공정의 추가적인 설명은 하기와 같이 기술된다:
공정 개요
원료 합성가스는 변환기(56)에 존재하고, 복열장치(1010)을 통과한다. 복열장치(1010)는 가스를 냉각시키고 현열은 변환기(56)에 도입된 공정 공기를 사전가열시키기 위해 사용된다. 냉각된 합성가스는 이후 GCS로 흐르고, 여기서 합성가스는 추가로 냉각되고 미립자, 금속 및 산성 가스를 순차적으로 제거한다. 본 실시예에서의 GCS는 변환기 가스 조절기(18) 및 고체 잔여물 가스 조절기(11)를 포함한다. 세정되고 조절된 합성가스(요망되는 수분을 갖는 배출 가스)는 가스 엔지(1063)에 공급되기 전에 합성가스 저장 탱크(1062)에 저장되며, 이로부터 전기가 발생된다. 시스템의 주요 구성요소(장치)의 기능은 하기 섹션에서 기술하며(참조, 표 6), 이후 합성가스가 처리되는 순서를 기술한다. MSW 가스화 플랜트의 장치 도면 및 공정 다이아그램은 도 16 및 10에 각각 나타내었다.
표 6: 서브시스템의 주요 기능
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복열장치
합성가스 현열을 회수하기 위하여, 정제 챔버로부터 배출되는 원료 합성가스는 복열장치(1010)라 칭하는 셀-튜브 타입 열교환기를 사용하여 공기에 의해 냉각된다. 합성가스는 튜브 측면을 통해 흐르고, 공기는 쉘 측면을 통과한다. 공기온도가 주변온도에서 600℃로 증가하는 동안 합성가스 온도는 1000℃에서 738℃로 감소한다. 주입 합성가스는 이후 변환기 가스 조절기(18)로 들어간다.
증발 냉각기(스테이지 1 공정)
증발 냉각기는 변환기 가스 조절기(18)의 제 1 단계를 수행한다. 증발 냉각기(1020)는 조절된 방식(단열 포화)으로 물의 직접 주입에 의해 합성가스 온도를 250℃로 떨어뜨린다. 이러한 공정은 또한 냉각 중에 액체가 존재하지 않는 건조 켄칭이라 불리운다. 물은 분무화되고 합성가스 스트림으로 동시에 분사된다. 물이 증발될 때, 합성가스로부터 현열을 흡수하고, 백하우스에 공급되기 전에 합성가스 온도를 대략 250℃로 감소시킨다.
건조 주입 시스템 (스테이지 1 공정)
건조 주입 시스템(1071)은 활성탄소를 주입 합성가스 스트림에 주입한다. 활성탄소는 매우 높은 다공성을 가지며, 이의 특징은 거대한 분자 종, 예를 들어 수은 및 디옥신의 표면 흡착에 도움이 된다. 호퍼에 저장된 활성탄소는 주입 가스 스트림에 기압으로 주입되고 백하우스(1030)에 포집된다. 이러한 방식으로, 금속 및 다른 오염물은 가스 스트림으로부터 분리된다. 대안적으로는, 다른 물질, 예를 들어, 장석, 석회, 및 다른 흡착제는 가스 스트림에 주입되어 이를 블로킹하지 않고 주입 합성가스 스트림에서 발견된 중금속 및 타르를 조절하고 포집할 수 있다.
백하우스 (스테이지 1 공정)
표면에 중금속을 지닌 미립자 물질 및 활성탄소는 백하우스(1030)에서 합성가스로부터 제거된다. 백하우스(1030)에서, 필터 케이크는 미립자 물질로 형성된다. 이러한 필터 케이크는 백하우스의 미립자 제거 효율을 향상시킨다. 중금속, 예를 들어 카드뮴 및 납은 이러한 온도에서 미립자 형태이며, 또한 매우 높은 수집 효율로 백하우스에서 수집된다. 백하우스(1030)를 가로지르는 압력 강하가 특정 세트 한계로 증가할 때, 질소 펄스-제트는 백을 세척하기 위해 사용된다. 백의 외측 표면에서 떨어지는 고체는 바닥 호퍼에 수집되고 추가 변환 또는 처리를 위한 고체 잔여물 조절기(1065)로 보내어진다(참조, 하기 고체 잔여물 가스 조절기 단계).
HCl 스크러버 (스테이지 2 공정)
백하우스(1030)에 존재하는 주입 합성가스(미립자 부재)는 알칼리 용액에 의해 가스 스트림에서 HCl을 제거하기 위해 패킹된 타워의 HCl 스크러버(1040)에서 세척된다. 스크러버(1040) 내부에서, 35℃로 가스를 냉각시키기 위해 충분한 표면적을 갖는다. 배출 HCl 농도는 5 ppm 수준에 도달할 것이다. 폐수 유출 스트림은 처리를 위한 폐수 저장 탱크로 보내어진다.
합성가스 송풍기 (스테이지 2 공정)
가스 송풍기(1045)는 변환기(56)의 배출구에서 엔진(1063)까지의 공정에 걸쳐 가스에 대한 구동력을 제공하기 위해 이러한 포인트에서 요구된다. 이는 연마제가 압력하에서 보다 양호한 수은 제거 효율을 가지기 때문에 수은 연마제(1050)의 업스트림에 위치된다. 송풍기(105)는 모든 업스트림 용기 디자인 압력 강하를 이용하여 디자인된다. 또한, 이는 가스 저장 탱크(1062)에서 -21 내지 3.0 psig의 최종 압력을 갖기 위해 다운스트림 장치 압력 손실에 대해 요구되는 압력을 제공하도록 디자인된다.
탄소 필터층 (스테이지 2 공정)
합성가스 압력은 송풍기(1045)에 의해 상승되고, 가스 스트림에서 중금속에 대한 최종 연마 디바이스로서 사용되는 탄소층 필터(1050) 이전에 수냉각 열교환기(1046)에 의해 추가로 냉각된다. 또한, 이는 존재하는 경우 가스 스트림으로부터의 다른 유기 오염물, 예를 들어 디옥신을 흡수할 수 있다. 탄소층 필터(1050)는 99.0% 이상의 수은 제거 효율을 위해 디자인된다.
H 2 S 제거 시스템 (스테이지 2 공정)
주입 가스 스트림이 탄소 필터층을 통과한 후에, H2S 제거(1060)는 쉘 파그(Shell Paques) 생물학적 기술을 이용하여 수행된다. 탄소층 필터(1050)으로부터의 주입 합성가스는 스크러버를 통과하며, 여기서 H2S는 알칼리 용액을 재순환시키므로써 합성가스로부터 제거된다. 이후, 스크러버로부터의 술피드 함유 용액은 이후 알칼리성의 재생을 위해 바이오반응기로 보내어진다. 황 재생은 술피드의 황 원소로의 산화, 이후 황의 여과, 규제 요구사항을 충족하기 위한 황 및 유출 스트림 배출물의 소독를 위한 바이오-반응기에서 일어난다. H2S 제거 시스테(1060)은 20 ppm H2S 배출 농도를 위해 디자인된다. 주입이스가 H2S 제거 시스템(1060)에 들어가자 마자, 다른 구성요소들 중에서 냉동기, 가스/액체 분리기 및 균질화 챔버를 포함하는 합성가스 조정 시스템으로 향한다.
고체 잔여물 가스 조절기 (스테이지 1 공정)
변환기 가스 조절기 백하우스(1030)에 포집된 물질(이는 활성탄소 및 금속을 함유할 수 있음)은 질소에 의해 주기적으로 퍼징되고 고체 잔여물 조절기(1065)로 운반되며, 여기서 물질은 용화된다. 고체 잔여물 조절기(1065)로부터 얻어진 제 2 가스 스트림은 고체 잔여물 가스 조절기(11)에 들어가고, 여기서 이는 가스 냉각기(1970)에서 냉각된다. 제 2 가스 스트림은 고체 잔여물 가스 조절기 백하우스(1085)을 통해 향하게 되어 미립자를 제거하고 중금속이 제거되는 활성탄소층(1095)에 들어가기 전에 열교환기(1090)에 의해 냉각된다. 고체 잔여물 가스 조절기(11)의 백하우스(1085)는 또한 시스템을 가로질리는 압력 강하를 기초로 하여 주기적으로 퍼징된다. 고체 잔여물 가스 조절기 백하우스(1085)에서 수집된 고체 잔여물을 적절한 수단으로 처리된다. 고체 잔여물 가스 조절기(11)로부터 배출되는 연소가능한 가스(제 2 가스 스트림)는 변환기 가스 조절기(18)로 다시 보내어져서 회수된 에너지를 전부 사용한다.
합성가스 조정 시스템
GCS에 배출된 배출 가스는 가스 엔진을 위한 연료로서 사용하기 전에 합성가스 조정 시스템(1062)에 저장된다. 가스 엔진 디자인은 합성가스가 특정된 상대 습도에서 특정 조성 범위임을 요구한다. 그러므로, 세정된 합성가스가 H2S 스크러버(1060)에서 배출되자 마자, 냉동기를 이용하여 35℃에서 26℃로 서브-냉각된다. 이는 가스 스트림으로부터의 일부 물을 응축시킨다. 이러한 물은 가스/액체 분리기에 의해 제거된다. 이는 배출 가스가 엔진에 전력을 전달하기 위해 사용되는 상황에서 엔진으로 보내어지기 전 가스 저장 후에 40℃(엔진 요구사항)로 재가열되지 마자 80%의 상대 습도를 가지게 한다. 세정되고 냉각된 가스는 공정 작동으로부터 배출물을 대략 2분간 홀딩시키기 위해 디자인된 균질화 챔버에 들어가며, 따라서 가스의 "풍부함"의 임의의 변형을 배합하여, 엔진으로흐르는 고도로 일정한 가스 품질(조정된 가스)을 달성한다. 균질화 챔버는 가스 엔진 연료 사양을 충족시키기 위해 2.2 내지 3.0 psig에서 작동된다. 조정된 가스가 균질화 챔버에서 배출되지 마자, 엔진 요구사항으로 가열되고 가스 엔진(1063)으로 향하게 된다.
가스 엔진
5개의 GE 젠바쳐(Jenbacher) 가스 엔진 세트(1063)는 플랜트 스케일을 기초로 한 전기를 생성시키기 위해 사용된다. 젠바쳐 가스 엔진은 왕복식 엔진 타입이다. 이는 높은 효율 및 낮은 배출을 갖는 낮은 또는 중간의 발열량 합성가스를 연소시킬 수 있다. 각 가스 엔진은 1.0 MW 전기를 갖는다. 따라서, 전기 발생의 전체 용량은 5 MW이다. 그러나, 비교적 낮은 가스 발열량(천연가스와 같은 연료와 비교하여)으로 인해, 엔진은 이들의 가장 효율적인 작동 포인트에서 대략 700 kW로 작동시키기 위해 출력을 내려서 사용된다.
플레어 스택
밀봉된 플레어-스택(1064)은 개시, 정지 및 공정 안정화 상태 동안 합성가스를 발화시키기 위해 사용된다. 공정이 안정화되자 마자, 플레어 스택(1064)은 단지 응급 목적을 위해 사용될 것이다. 플레어 스택(1064)은 99.99% 파괴 효율을 달성할 것이다.
실시예 10: GCS를 포함한 도시 고체 폐기물 가스화 플랜트
도 11은 고체 잔여물 조절기(1065)에서 발생된 제 2 가스 스트림이 고체 잔여물 가스 조절기(13)에서 가공되고 변환기 가스 조절기(20)의 백하우스(1030)에서 미립자 물질 및 중금속을 제거하는 스테이지 1 분리 단계 후 변환기 가스 조절기(20)에 공급되고, 이후 변환기 가스 조절기(20)의 스테이지 2를 통해 가공되는 것을 제외하고, 실시예 9에 기술된 것과 유사한 GCS를 포함한 도시 고체 폐기물 가스화 플랜트의 예를 도시한 것이다.
실시예 11: 건조 스크러버 및 백하우스가 미립자 물질을 제거하기 위해 사용되는 GCS의 개요
하기는 도 17에 도시된 바와 같이 대표적인 가스 조절 시스템을 기술한 것이며, 여기서 건조 스크러버 및 백하우스는 주입 가스로부터 미립자 물질을 제거하기 위해 사용된다.
도 17에 도시된 바와 같이, 변환기로부터의 주입 가스는 먼저 GCS에 들어가기 전에 열교환기(1710)에서 냉각된다. 본 실시예에서의 GCS는 건조 활성탄소 및 나트륨 비카르보네이트를 도관 및 백하우스(1730)으로 주입하기 위한 필수적인 장치를 포함한다. 건식 세척(1715)(스테이지 1 공정) 및 백하우스에서의 미립자 물질 제거(1730)(스테이지 1 공정) 후의 주입 가스는 도 17에 도시된 바와 같이 주로 패킹된 타워 이후 교차 흐름 챔버(1760)에 서 습식 세척(1740)(스테이지 2 공정)으로 보내어진다.
건식 세척 시스템(1715)에서, 분말화되고 건조된 활성탄소 및 나트륨 비카르보네이트를 함유한 시약은 벌크 백 배출기에서 저장된다. 조정된 양의 이러한 시약은 백하우스 필터(1730)의 업스트림의 기압 운반 시스템을 통해 도관으로 주입된다. 활성탄소는 주입 가스 스트림에서 중금속을 흡착시키고, 백하우스(1715)로 다른 미립자와 함께 운반된다. 미립자는 필터 백의 외부에 수집되고, 얻어진 먼지 케이크는 추가로 주입 가스 스트림을 여과한다. 각 섬유 필터 구획으로부터 배출된 주입 가스는 추가로 세정되고 HCl이 주입이스로부터 제거되는 패킹된 층 스크러버(습식 세척 흡수재(1740)) 및 H2S가 주입 가스로부터 제거되는 교차 흐름 챔버(1760)에서 서브-냉각된다.
장치의 기능적 및 기술적 요구사항
상기 기술된 장치의 기능적 및 기술적 요구사항은 하기와 같다:
켄칭 반응기(분무 건조 흡수재)
켄칭 반응기 또는 건조 스크러버(1715)는 반대 전류 흐름 배열 상에서 작동한다: 가열된 합성가스는 패킹된 타워 용액 산화 탱크로부터 알칼리 요액을 냉각시키므로써 켄칭된다. 켄칭 반응기(1715)에서, 주입 가스에 존재하는 HCl의 일부는 알칼리 용액에 흡수되고, 염은 침전되고, 백하우스 필터(1730)에서 제거된다.
시약 및 활성탄소 첨가
시약 및 활성탄소는 오버해드 실로스(silos)로부터의 주입 가스 스트림에 첨가된다. 스크류 공급기 및 회전 공급기는 백하우스 필터(1730)에 도달하기 전에 이러한 물질을 혼합(주입이스와 반응)을 위한 혼합 도관에 공급한다.
백하우스 필터
3:1 공기 대 직물 비의 60% 용량을 각각 갖는 두개의 백하우스 필터(1730)는 임의의 원치않는 정지를 방지하기 위해 사용된다. 하나의 백하우스를 유지하는 동안, 다른 백하우스는 백을 손상시키지 않고 플랜트 처리량을 감소시키지 않으면서 보다 높은 공기 대 직물 비율을 갖는 전체 작업량을 가질 수 있다. 각 백하우스는 유지하는 동안 분리를 위한 분리 밸브를 갖는다.
가열 시스템은 백하우스 및 바닥 호퍼 온도를 모든 시점에서 가스 이슬점을 초과하게 유지하기 위해 제공된다. 적절한 단열은 복사열을 손실시키지 않도록 제공된다.
백하우스 필터(1730)는 질소로 필터를 가로지르는 압력 강하를 기초로 하여 간헐적으로 세정된다(펄스 제트 타입 백하우스).
패킹된 타워 (흡수재)
백하우스 필터(1730)로부터의 가스는 반대전류 흐름 패킹된 층 흡수재 또는 습식 세척 흡수재(1740)에서 흡수된다. 패킹된 층 흡수재(1740)는 열전달 및 질량 전달을 위해 충분한 접촉 면적 및 시간을 제공한다. 8.5 내지 9.5 pH를 갖는 나트륨 카르보네이트의 알칼리 용액은 산성 가스를 세정하기 위해 재순환된다.
교차 흐름 챔버
주입 가스 스트림에서의 이산화탄소는 산성이며, 보다 높은 pH(11.2-11.8)에서 알칼리 용액에 대한 친화력을 갖는다. 그러나, H2S는 낮은 pH에서 보다 높은 효율로 흡수되지 않는다. H2S 흡수와 나트륨 카르보네이트 소비 간에 균형을 유지하기 위하여, 교차 흐름 챔버(1760)의 개념이 채택된다. 교차 흐름 챔버(1760)에서, 높은 pH의 나트륨 카르보네이트 용액은 주입 가스와 교차 흐름 패턴으로 분무되어 접촉 시간을 감소시키고, 이에 따라 CO2와의 반응을 감소시킨다.
나트륨 카르보네이트 용액은 배치 제조 탱크에서 제조되며, 여기서 나트륨 카르보네이트는 적절한 비율로 물과 혼합되어 불포화된 나트륨 카르보네이트 용액을 제조한다. 이러한 용액은 교차 흐름 챔버에 용액을 제공하는 높은 pH 공급물 탱크에 공급된다.
열교환기
하나가 6.0 MBTU/시간 (냉각 매질로서 냉각수를 지님), 및 다른 하나가 2 MBTU/시간 (여름 동안, 냉각 매질로서 서브-냉각된 물을 지님)을 갖는 두개의 열교환기는 재순환 용액으로부터 열을 제거한다.
산화 탱크
나트륨 카르보네이트로 수소 술피드의 세척은 나트륨 술피드를 생산한다. 이러한 술피드는 별도의 산화 탱크(1750)에서 이를 공기로 산화시키므로써 술페이트로서 더욱 안정한 형태로 변환된다. 활성탄소는 이러한 반응을 위한 촉매로서 첨가된다.
액체 폐기물 및 고체 폐기물 유출의 측면에서, 실시예 11에 기술된 GCS는 실시예 1에 기술된 구체예와 비교하여 약간 높은 고체 폐기물 유출 및 액체 폐기물 유출을 가질 수 있다.
실시예 12: GCS를 포함한 도시 고체 폐기물 (MSW) 플랜트의 고수준 공정 조절
본 실시예는 GCS를 포함한 MSW 플랜트에 대한 고수준의 조절 전략의 설명을 제공한다. 고수준 공정 조절은 GCS의 구성요소의 조절을 포함한다. 2 시기 방법은 MSW 플라즈마 가스화 플랜트에 대한 공정 조절 전략의 개발 및 실행과 관련하여 사용된다:
시기 1: 개시 및 주문(commissioning) 동안의 작동
개시 및 주문에 대해, 간단한 프론트-대-백(front-to-back)(또는 공급-구동된) 조절 전략이 사용되는데, 여기서 변환기는 MSW의 고정된 공급 속도로 구동되며, 공정 변동은 다운스트림 장치에 의해 흡수된다(엔진/발생기 및 플레어).
플랜트는 과도한 합성가스 생산의 작은 완충제와 함께 작동되며, 이는 작은 연속 플레어를 요구한다. 이러한 일반적인 양을 넘는 합성가스 생산은 완충제로 먼저 침식되는 플레어되고(flared) 부족한 합성가스 생산을 증가시키지만, 실질적으로 발생기 전력 출출을 감소되게 할 수 있다(발생기는 조절가능한 전력 세트 포인트에 의해 50 내지 100% 전력 출력으로 작동될 수 있다).
이러한 조절식의 이익은 하기와 같다:
이는 덜 복잡하다. 이는 플랜트를 개시하고 주문하고, 이후 더욱 정교한 조절을 실행하기 위한 작동 데이타를 사용하기 위한 능력을 개선시킨다. 이는 플랜트의 하나의 섹션을 지닌 문제점이 나머지 플랜트에 보다 덜 떨어지게 하도록 전면-단부로부터 후면-단부를 분리시킨다. 이는 가동시간을 증가시키고, 공정의 각 부분을 중재하고 최적화하는 능력을 개선시킨다. 작은 연속 플레어는 플레어가 정지/개시 모드에서 작동하는 경우 일어날 수 있는 플레어 스택에서 큰 시각적인 프레임의 위험을 제거한다.
시기 2: 장기간 작동 전략
MSW 플랜트에 대한 장기간 조절 전략은 백-대-프론트 조절(또는 수요-구동된 조절)을 달성하기 위한 것이며, 여기서 시스템의 후면-단부에서의 가스 엔진/발생기는 공정을 구동시킨다. 가스 엔진은 연료 가스의 에너지 함유량 및 발생되는 전력에 따라 연료의 특정 부피/시간을 소비한다. 그러므로, 조절 시스템의 높은 수준의 목적은 적절한 MSW/HCF 공급물이 시스템에 들어가고 적절한 에너지 함량의 합성가스로 변환시켜 모든 시점에서 저네 전력으로 발생기를 구동시키기 위한 것이며, 합성가스의 플레어링(flaring)이 제거되고 소비된 MSW 1톤 당 생성된 전력이 최적화되도록 합성가스 소비에 대한 합성가스 생산을 정확하게 매칭한다.
시기 2 작동에 대한 고수준 공정 조절식은 도 18에 도시되어 있다. 시기 1 작동은 도시된 조절식의 서브-세트이다.
시기 1 작동 - 주요한 공정 조절 목적:
a) 합성가스 저장 탱크에서 압력을 안정화시킴.
b) 발생되는 합성가스의 조성을 안정화시킴.
c) 변환기 주 챔버에서 물질의 파일 높이를 조절함.
d) 변환기 주챔버에서의 온도를 안정화시킴.
e) 변환기 정제 챔버에서의 온도를 조절함.
f) 변환기 공정 압력을 조절함.
각 목적의 설명
a) 합성가스 저장 탱크에서 압력을 안정화시킴.
GE/Jenbacher 가스 엔진은 공급 압력을 변화시키지 않는다. 사양은 하기와 같다: 최소 압력 = 150 mbar (2.18 psig); 최대 압력 = 200 mbar (2.90 psig); 연료 가스 압력의 허용된 변동 = +/- 10% (+/- 17.5 mbar, +/- 0.25 psi); 가스 압력 변동의 최대 속도 = 10 mbar/초 (0.145 psi/초). 엔진은 공급 압력에서 작은 장애, 및 배관에서의 정지를 조작할 수 있는 주입구 조절기를 가지며, 균질화 챔버는 다소 이러한 변경을 약하게 작용하지만, 이는 변환기 상에서 조절 루프를 가장 빠르게 작동시킬 필요성을 존재하게 한다.
초기 시기 1 압력 조절 전략은 커버터가 과도한 합성가스 생산의 작은 완충제를 발생시키기에 충분한 MSW 공급 속도로 구동되는 작동 전제를 기초로 하며, 이는 연속적으로 플레어된다. 그러므로, 균질화 챔버 압력 조절은 간단한 압력 조절 루프이며, 여기서 합성가스 저장 탱크에서 플레어로의 라인에서의 압력 조절 밸브는 요망되는 세트 포인트에서 챔버 압력을 유지시키기 위해 요망됨에 따라 조절된다.
b) 발생되는 합성가스의 조성을 안정화시킴.
가스 엔진은 광범위한 연료 수치에 대해 작동할 수 있으며, 단 변경 속도가 과도하지 않아야 한다. 보다 낮은 발열량에 대한 허용가능한 변경 속도는 합성가스 LHV/30 초에서 <1% 변동이다. H2 계열 연료에 대해, 연료 가스는 15% H2로 적은 것이 적절하며, LHV는 50 btu/scf (1.86 MJ/N㎥)로 낮다. 참고로, 생성된 합성가스에 대한 통상적인 LHV는 4.0 - 4.5 MJ/N㎥ 범위이다. 시스템 부피 및 균질화 챔버는 합성가스 생산 중 약 2 분의 혼합을 제공하므로써 변경 속도를 안정화시키는 임무를 크게 단순화시킨다.
가스 조성은 균질화 챔버의 주입구에 설치된 가스 분석기에 의해 측정된다. 이러한 측정을 기초로 하여, 조절기는 가스 연료 수치를 안정화시키기 위해 연료-대-공기 비율을 조절할 것이다(즉, MSW 공급 속도를 조금 증가/감소시킴). 공기 첨가에 대한 MSW 또는 HCF 공급물의 증가는 가스의 연료 수치를 증가시킨다. 이러한 조절 작용은 사시랑 오랜 반응 시간을 가지기 때문에, 단기간 변경에 반응하는 것이 아닌 장기간 이동을 방지하기 위해 조정된다.
HCF가 자체적으로 보다 풍부한 (~2x LHV) 연료 소스인 한, 이는 통상적으로 MSW와 1:20의 비율로 첨가되며, 그러므로 시스템에 첨가되는 연료의 측면에서 지배적인 플레이어가 아니다. 이는 시스템에 너무 많은 HCF를 첨가하기에 비경제적이다. 그러므로, HCF는 트림(trim)으로서 사용되고, 제 1 조절로서 사용되지 않는다. HCF는 가스 분석기에 의해 측정된 바와 가이, 합성가스에서 시스템에 배출되는 전체 C를 안정화시키기 위해 조절된 비율을 갖는 전체 공급물에 대해 비율적이다. 이는 MSW 연료 수치의 변동을 완충시킨다.
c) 변환기 주 챔버에서 물질의 파일 높이를 조절함.
수준 조절 시스템은 변환기 내측에 안정한 파일 높이를 유지하기 위해 요구된다. 적합한 수준 조절은 낮은 수준에서 일어나는 공정 공기 주입으로부터 물질의 흐름화를 방지하고 고수준으로 일어나는 제한된 공기흐름으로 인해 파일을 통해 불량한 온도 분포를 방지하기 위해 필요한다. 안정한 수준을 유지하는 것은 또한 일정한 변환기 체류 시간을 유지한다.
변환기 주챔버에서 일련의 수준 스위치는 파일 깊이를 측정한다. 수준 스위치는 용기의 한쪽면에 방사체, 및 다른 한쪽면에 수용체를 지닌 마이크로파 디바이스이며, 이는 변환기 내측의 한 지점에서 고체 물질의 존재 또는 부재를 검출한다.
용기에서의 목록은 공급 속도 및 램 운동의 기능(및 보다 적은 정도의 변환 효율)의 기능이다. 스테이지 3 램은 용기로부터 애쉬를 배출하기 위해 고정된 스트로크 길이 및 회수를 이동시키므로써 변환기 처리량을 셋팅한다. 스테이트 2 램은 후속하며 스테이지 3으로 물질을 보내기 위해 필요하는 한 이동시키고, 스테이지 3 스테이지의 개시 수준 스위치 상태를 "풀(full)"로 변경시킨다. 모든 램은 이후 동시에 회수되며, 전체 순서가 반복되기 전에 예정된 지연이 실행된다. 추가적인 배열은 과량의 램-유도된 장애를 방지하기 위해 수준 스위치에 의해 요구되는 것 보다 적게 보존적 스트로크 길리의 변경을 제한하는데 사용될 수 있다.
램은 변환기의 바닥에서 과도한-온도 조건을 방지하기 위하여 종종 실재로 이동시킨다. 또한, 각 스테이지의 말단으로의 전체 연장 램 스트로크는 정체된 물질을 스테이지의 말단 가까이에 세워지고 응집하는 것으로부터 방지하기 위해 가끔씩 발생하도록 프로그램화되게 할 수 있다.
d) 변환기 주챔버에서의 온도를 안정화시킴.
최고의 가능한 변환 효율을 얻기 위하여, 물질은 가능한한 긴 시간 동안 가능한 한 높은 온도에서 유지된다. 그러나, 온도는 너무 높아지게 되거나 물질은 용융 및 응집(클링커 형태)되기 시작할 것이며, 이는 1) 이용가능한 표면적을 감소시키고, 이에 따라 변환 효율을 감소시키고, 2) 파일에서의 공기흐름을 응집 덩어리 주변으로 전향시켜 온도 문제를 악화시키고, 응집 형성을 가속시키며, 3) 램의 정상 작동을 방해하고, 4) 애쉬 제거 스크류의 막힘으로 기인한 잠재적으로 시스템을 정지시킨다.
파일을 통한 온도 분포는 또한 이러한 경우에 플라스틱 용융물을 형성하는 것으로부터 제 2 부류의 응집을 방지하고 나머지 물질에 대한 결합제로서 작용하기 위해 조절될 것이다.
파일내에서의 온도 조절은 공정 공기의 흐름을 제공된 스테이지로 변경시키므로써 달성된다(즉, 더욱 연소 또는 보다 덜 연소). 바닥 챔버에서 각 스테이지에 제공되는 공정 공기 흐름은 각 스테이지에서의 온도를 안정화시키기 위해 조정될 것이다. 추가의 램 스트로크를 사용하는 온도 조절은 또한 가열 스폿을 파괴하는데 필수적일 수 있다.
e) 변환기 정제 챔버에서의 온도를 조절함.
플라즈마 토치 파워는 디자인 세트 포인트에서 정제 챔버 배출구 온도(1000℃)를 안정화시키기 위해 조정된다. 이는 주챔버에서 형성된 타르 및 그을음이 전부 분해되도록 한다. 공정 공기의 정제 챔버로의 첨가는 또한 열 에너지를 합성가스의 연소로 배출하므로써 열 적재량의 일부를 갖는다. 공정 공기의 유속은 양호한 작동 범위에서 토치 파워를 유지시키기 위해 조정된다.
f) 변환기 공정 압력을 조절함.
변환기 압력은 합성가스 송풍기의 속도를 조절하므로써 안정화된다. 송풍기의 최소 작동 횟수 미만의 속도에서, 제 2 조절은 우선되고 대신에 재순화 밸브를 조절한다. 재순환 밸브가 전부 닫혀지게 돌려지자 마자, 제 1 조절은 다시 관여된다. 이러한 조절의 추가 설명은 하기에서 발견된다.
시기 2 공정 조절 목적:
시기 2 작동에 대해, 상기 기술된 공정 조절 목적 모두가 유지된다. 그러나, 중요한 새로운 요구사항은 합성가스의 플레어링을 제거하고 소비된 MSW 1톤 당 생성된 전력의 양을 최적화하기 위한 것이다. 이는 생성된 합성가스의 흐름이 엔진에 의해 소비되는 연료를 정확하게 매칭해야 함을 요구한다. 그러므로, 백-대-프론트 조절(또는 수요-구동된 조절)은 실행되어야 하며, 여기서 시스템의 후면-단부에서 가스 엔진/발생기가 공정을 구동한다.
변환기로부터의 합성가스 흐름을 안정화시키기 위해, 변환기로의 공정 공기흐름은 증가된다. 시스템에 MSW 또는 HCF 첨가 속도의 조절은 실질적으로 합성가스 흐름을 변경시키지만, 45+ 분 체류 시간 및 물질 투여 시점에서 일어나지 않는 현저한 가스화 반응과 관련하여, 이러한 조절로 인해 빠른 반응의 변경이 이루어지지 않는다(이는 상당한 반응이 약 15분에 이루어질 수 있는 것으로 예상된다). 전체 공기흐름의 조절은 압력을 조절하기 위한 가장 빠른 가능한 작동 루프를 제공한다. 단기간에, 변환기에 물질의 큰 목록으로 인해, 바닥 챔버에 보다 많은 공기의 첨가는 가스를 반드시 비율적으로 희석시키지 않는다. 추가적인 공기는 파일로 추가로 관통하며, 물질과 보다 많이 반응한다. 반대로, 보다 적은 공기의 첨가는 즉시 가스를 풍부하게 하지만, 실질적으로 온도를 감소시키고, 반응속도/합성가스 흐름을 감소시킨다.
전체 공기흐름은 물질 공급 속도(MSW+HCF)에 비례하며, 따라서 공기 흐름을 증가시키는 수단은 물질 공급 속도를 상승시키기 위한 것이다. 조절기 조절은 증가딘 공기의 효과가 즉시 나타나도록 세팅된다. 공급 속도에 대한 조절기 조절은 보다 느려지지만, 추가 공급물은 실질적을 안정화 합성가스 흐름에서 상승하고, 안정화 합성가스 흐르에 보다 장기간 용액을 제공한다. 임의적으로, 임시적으로 감소하는 발생기 전력 출력은 시스템 동력학에 따라 요구되어, MSW/HCF 공급 속도 증가와 증가된 합성 가스 흐름의 나타남 사이에 부동 시간을 브릿징한다.
GCS내에서의 조절 구성요소는 도 18을 참조로 하여 하기와 같이 기술된다. 본원에서 논의되는 GCS내의 조절 구성요소는 MSW 플랜트를 통해 조절 구성요소와 통합하여 시스템의 효율적인 작동을 확보한다. 도 18을 참조로하여, 온도 감지 구서요소(8106)는 고체 잔여물 조절기(4220)내의 온도를 감지하기 위해 제공되며, 여기서 이러한 온도는 고체 잔여물 조절기 플라즈마 열원(4230)의 출력 전력과 적어도 부분적으로 관련이 있다. 다른 온도 감지 구성요소는 상이한 국부, 지역적 및/또는 세계적 공정에 관여하기 위한 변환기(1200)의 다운스트림에서의 다양한 포인트에서 사용될 수 있는 것으로 인식될 것이다. 예로서, 온도 모니터는 또한 가스를 조절할 수 있도록 GCS와 관련될 수 있으며, 이에 의해 예를 들어 제공된 서브-공정에 대해 너무 가열되지 않는다. 다른 이러한 실시예는 당업자에게 자명하게 될 수 있다.
고체 잔여물 조절기내의 잔여물 가공을 조절하기 위하여, 플라즈마 토치(4230)의 파워는 용융 작동을 위해 적합한 온도를 유지하기 위해 필요한 경우 조절될 수 있다. 고체 잔여물 가스 조절기(4220) 온도 설비(에를 들어, 온도 감지 구성요소((8106))는 예를 들어, 이들이 목표로 하는 표면의 온도를 측정하는 두개의 광학적 온도계(OT's), 용융 풀 위의 세라믹 3개의 서모 웰(thermo well)에 탑재된 3개의 진공 공간 서모커플, 및 외부 금속 쉘 상에 탑재된 5개의 외부 스킨 탑재 서머커플을 포함할 수 있다. 고체 잔여물 가스 조절기 (4220)는 또한 고체 잔여물 가스 조절기(4220) 내부에 공정 압력을 측정하기 위한 압력 전달장치(예를 들어, 압력 감지 구성요소(8112))를 포함할 수 있다.
고체 잔여물 가스 조절기(4220)에서의 압력은 용기(예를 들어, 구성요소(8112))의 진공 공간내로 탭핑된 압력 전달장치에 의해 모니터될 수 있다. 일반적으로, 고체 잔여물 가스 조절기(4220)의 작동 압력은 각 방향으로(단지 고체 잔여물 입자의 흐름) 스크류 콘베이어를 통한 가스의 흐름을 위한 최소의 구동력을 갖도록 변환기 가스화 챔버의 것과 다소 매칭된다. 조절 밸브(예를 들어, 밸브(8134))는 다운스트림 진공 생성기(합성가스 송풍기)에 의해 제거되는 가스의 흐름을 제한할 수 있는 가스 배출구 라인에 제공된다. DCS PID 제어기는 요망되는 작동 압력을 달성하기 위해 필요로 한 밸브 위치를 계산한다.
변환기 압력 및 GCS를 통한 압력은 합성가스 송풍기(6250)의 속도를 조절하므로써 안정화될 수 있다. 송풍기의 최소 작동 횟수 미만의 속도에서, 제 2 조절은 우선할 수 있고 대신에 재순환 밸브를 조절할 수 있다. 재순환 밸브가 전부 회전하여 닫혀지자 마자, 제 1 조절은 다시 이루어진다. 일반적으로, 압력 센서(8110)는 조절 시스템에 의해 송풍기(6250)에 작동가능하게 결합되며, 이는 예를 들어, 약 20Hz의 빈도에서 시스템내에 압력을 모니터하고, 요망되는 범위의 수치내에 시스템 압력을 유지시키기 위하여 이에 작동가능하게 결합된 적절한 반응 구성요소(8113)에 의해 송풍기 속도를 조절하도록 배열된다.
실시예 13: GCS를 포함한 도시 고체 폐기물 가스화 플랜트
도 19는 가스 엔진을 포함한 다운스트림 적용과 통합된 대표적인 GCS를 포함한 도시 고체 폐기물 가스화 플랜트의 개요 공정 흐름 다이어그램을 도시한 것이다. 본 실시예에서, 고체 잔여물 가스 조절기(15)는 백하우스(1985) 이후에 가스 냉각기 또는 활성탄소 층을 포함하지 않는다. 제 2 가스 스트림은, 고체 잔여물 가스 조절기(15)를 통해 가공되자 마자, 백하우스(1930) 이전에 변환기 가스 조절기(24)에 공급된다.
본 실시예에서, 플라즈마 가스화 시스템의 변환기(58)로부터의 주입 가스는 복열장치(1910)에서 냉각되고 이후 건조 켄칭 공정(1920)에서의 추가 냉각, 주입 가스 스트림에 활성탄소(1971)의 첨가, 및 백하우스(1930)에서 미립자 물질 및 중금속의 제거의 스테이지 1 공정에서 변환기 가스 조절기(24)를 통해 가공된다. 주입 가스는 이후 HCl 스크러버(1940)에서 HCl 제거, 가스 송풍기(1945) 및 냉각기(1946)를 통한 가스의 가공, 수은 연마제(1950)에서 중금속 및 미립자 물질의 제거 및 H2S 제거 시스템(1960)에서 H2S 제거를 포함하는 스테이지 2 공정을 통해 가공된다.
변환기 가스 조절기(24)의 백하우스(1930)에서 수집된 물질은 고체 잔여물과 제 2 가스 스트림으로 변환되는 고체 잔여물 조절기(1965)로 보내어진다. 고체 잔여물 조절기(1965)에서 발생된 제 2 가스 스트림은 고체 잔여물 가스 조절기(15)에서, 가스 냉각기(1970)에서의 냉각, 활성탄소 첨가(1972), 및 백하우스(1085)에서 미립자 물질의 후속 제거의 스테이지 1 공정을 통해 가공된다. 제 2 가스 스트림은 이후 변환기 가스 조절기(24)의 백하우스(1930)로 주입 가스 스트림의 주입 전에 주입 가스 스트림과 조합되는 변환기 가스 조절기(24)에 공급된다. 주입 가스 스트림은 이후 변환기 가스 조절기(24)의 나머지 스테이지 1 및 스테이지 2 공정 단계를 통해 가공된다.
공정의 추가 설명은 하기에 기술된다.
공정 개요
원료 합성가스는 커버터(58)에서 배출되고, 복열장치(1910)을 통과한다. 복열장치(1910)는 가스를 냉각시키고, 현열은 변환기(58)에 도입된 공정 공기를 사전가열시키기 위해 사용된다. 냉각된 합성가스는 이후 GCS로 흐르며, 여기서 합성가스는 추가로 냉각되고 미립자, 금속 및 산성 가스가 제거된다. 본 실시예에서의 GCS는 변환기 가스 조절기(24) 및 고체 잔여물 가스 조절기(15)를 포함한다. 배출가스, 세척되고 조절된 합성가스(요망되는 습도를 가짐)는 가스 엔지(1963)에 공급되기 전에 합성가스 저장 탱크(1962)에 저장되며, 이로부터 전기가 발생된다. 시스템에서 주요 구성요소(장치)의 기능은 하기 섹션(참조, 표 7)에 기술되어 있으며, 이후 합성가스가 가공되는 순서가 기술되어 있다. MSW 가스화 플랜트의 공정 다이아그램은 도 19에 도시되어 있다.
표 7: 서브시스템의 주요 기능
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복열장치
합성가스 현열을 회수하기 위하여, 정제 챔버로부터 배출되는 원료 합성가스는 복열장치(1910)이라 칭하는 셀-튜브 타입 열교환기를 사용하여 공기에 의해 냉각된다. 합성가스는 튜브 측면을 통해 흐르고, 공기는 쉘 측면을 통과한다. 공기온도가 주변온도에서 600℃로 증가하는 동안 합성가스 온도는 1000℃에서 738℃로 감소한다. 주입 합성가스는 이후 변환기 가스 조절기(24)로 들어간다.
증발 냉각기(스테이지 1 공정)
증발 냉각기는 변환기 가스 조절기(24)의 제 1 단계를 수행한다. 증발 냉각기(1020)는 조절된 방식(단열 포화)으로 물의 직접 주입에 의해 합성가스 온도를 250℃로 떨어뜨린다. 이러한 공정은 또한 냉각 중에 액체가 존재하지 않는 건조 켄칭이라 불리운다. 물은 분무화되고 합성가스 스트림으로 동시에 분사된다. 물이 증발될 때, 합성가스로부터 현열을 흡수하고, 백하우스에 공급되기 전에 합성가스 온도를 대략 250℃로 감소시킨다.
건조 주입 시스템 (스테이지 1 공정)
건조 주입 시스템(1971)은 활성탄소를 주입 합성가스 스트림에 주입한다. 활성탄소는 매우 높은 다공성을 가지며, 이의 특징은 거대한 분자 종, 예를 들어 수은 및 디옥신의 표면 흡착에 도움이 된다. 호퍼에 저장된 활성탄소는 주입 가스 스트림에 기압으로 주입되고 백하우스(1930)에 포집된다. 이러한 방식으로, 금속 및 다른 오염물은 가스 스트림으로부터 분리된다. 대안적으로는, 다른 물질, 예를 들어, 장석, 석회, 및 다른 흡착제는 가스 스트림에 주입되어 이를 블로킹하지 않고 주입 합성가스 스트림에서 발견된 중금속 및 타르를 조절하고 포집할 수 있다.
백하우스 (스테이지 1 공정)
표면에 중금속을 지닌 미립자 물질 및 활성탄소는 백하우스(1930)에서 합성가스로부터 제거된다. 백하우스(1930)에서, 필터 케이크는 미립자 물질로 형성된다. 이러한 필터 케이크는 백하우스의 미립자 제거 효율을 향상시킨다. 중금속, 예를 들어 카드뮴 및 납은 이러한 온도에서 미립자 형태이며, 또한 매우 높은 수집 효율로 백하우스에서 수집된다. 백하우스(1930)를 가로지르는 압력 강하가 특정 세트 한계로 증가할 때, 질소 펄스-제트는 백을 세척하기 위해 사용된다. 백의 외측 표면에서 떨어지는 고체는 바닥 호퍼에 수집되고 추가 변환 또는 처리를 위한 고체 잔여물 조절기(1965)로 보내어진다(참조, 하기 고체 잔여물 가스 조절기 단계).
HCl 스크러버 (스테이지 2 공정)
백하우스(1930)에 존재하는 주입 합성가스(미립자 부재)는 알칼리 용액에 의해 가스 스트림에서 HCl을 제거하기 위해 패킹된 타워의 HCl 스크러버(1940)에서 세척된다. 스크러버(1940) 내부에서, 35℃로 가스를 냉각시키기 위해 충분한 표면적을 갖는다. 배출 HCl 농도는 5 ppm 수준에 도달할 것이다. 폐수 유출 스트림은 처리를 위한 폐수 저장 탱크로 보내어진다.
합성가스 송풍기 (스테이지 2 공정)
가스 송풍기(1945)는 변환기(58)의 배출구에서 엔진(1963)까지의 공정에 걸쳐 가스에 대한 구동력을 제공하기 위해 이러한 포인트에서 요구된다. 이는 연마제가 압력하에서 보다 양호한 수은 제거 효율을 가지기 때문에 수은 연마제(1050)의 업스트림에 위치된다. 송풍기(1945)는 모든 업스트림 용기 디자인 압력 강하를 이용하여 디자인된다. 또한, 이는 가스 저장 탱크(1962)에서 -21 내지 3.0 psig의 최종 압력을 갖기 위해 다운스트림 장치 압력 손실에 대해 요구되는 압력을 제공하도록 디자인된다.
탄소 필터층 (스테이지 2 공정)
합성가스 압력은 송풍기(1945)에 의해 상승되고, 가스 스트림에서 중금속에 대한 최종 연마 디바이스로서 사용되는 탄소층 필터(1950) 이전에 수냉각 열교환기(1946)에 의해 추가로 냉각된다. 또한, 이는 존재하는 경우 가스 스트림으로부터의 다른 유기 오염물, 예를 들어 디옥신을 흡수할 수 있다. 탄소층 필터(1950)는 99.0% 이상의 수은 제거 효율을 위해 디자인된다.
H 2 S 제거 시스템 (스테이지 2 공정)
주입 가스 스트림이 탄소 필터층을 통과한 후에, H2S 제거(1960)는 쉘 파그 생물학적 기술을 이용하여 수행된다. 탄소층 필터(1950)으로부터의 주입 합성가스는 스크러버를 통과하며, 여기서 H2S는 알칼리 용액을 재순환시키므로써 합성가스로부터 제거된다. 이후, 스크러버로부터의 술피드 함유 용액은 이후 알칼리성의 재생을 위해 바이오반응기로 보내어진다. 황 재생은 술피드의 황 원소로의 산화, 이후 황의 여과, 규제 요구사항을 충족하기 위한 황 및 유출 스트림 배출물의 소독를 위한 바이오-반응기에서 일어난다. H2S 제거 시스테(1960)은 20 ppm H2S 배출 농도를 위해 디자인된다. 주입이스가 H2S 제거 시스템(1960)에 들어가자 마자, 다른 구성요소들 중에서 냉동기, 가스/액체 분리기 및 균질화 챔버를 포함하는 합성가스 조정 시스템으로 향한다.
고체 잔여물 가스 조절기 (스테이지 1 공정)
변환기 가스 조절기 백하우스(1930)에 포집된 물질(이는 활성탄소 및 금속을 함유할 수 있음)은 질소에 의해 주기적으로 퍼징되고 고체 잔여물 조절기(1965)로 운반되며, 여기서 물질은 용화된다. 고체 잔여물 조절기(1965)로부터 얻어진 제 2 가스 스트림은 고체 잔여물 가스 조절기(15)에 들어가고, 여기서 이는 가스 냉각기(1970)에서 냉각된다. 활성탄소(1972)는 냉각된 가스로 주입되고, 이후 미립자를 제거하기 위하여 고체 잔여물 가스 조절기 백하우스(1985)를 통해 향하게 된다. 고체 잔여물 가스 조절기(15)의 백하우스(1985)는 또한 시스템을 가로질리는 압력 강하를 기초로 하여 주기적으로 퍼징된다. 고체 잔여물 가스 조절기 백하우스(1985)에서 수집된 고체 잔여물을 적절한 수단으로 처리된다. 고체 잔여물 가스 조절기(15)로부터 배출되는 연소가능한 가스(제 2 가스 스트림)는 변환기 가스 조절기(24)로 다시 보내어져서 회수된 에너지를 전부 사용하며, 여기서 이는 백하우스(1930)에서 중금속 및 미립자 물질 제거 전에 이러한 시스템에 공급된다.
합성가스 조정 시스템
GCS에 배출된 배출 가스는 가스 엔진을 위한 연료로서 사용하기 전에 합성가스 조정 시스템(1962)에 저장된다. 가스 엔진 디자인은 합성가스가 특정된 상대 습도에서 특정 조성 범위임을 요구한다. 그러므로, 세정된 합성가스가 H2S 스크러버(1960)에서 배출되자 마자, 냉동기를 이용하여 35℃에서 26℃로 서브-냉각된다. 이는 가스 스트림으로부터의 일부 물을 응축시킨다. 이러한 물은 가스/액체 분리기에 의해 제거된다. 이는 배출 가스가 엔진에 전력을 전달하기 위해 사용되는 상황에서 엔진으로 보내어지기 전 가스 저장 후에 40℃(엔진 요구사항)로 재가열되지 마자 80%의 상대 습도를 가지게 한다. 세정되고 냉각된 가스는 공정 작동으로부터 배출물을 대략 2분간 홀딩시키기 위해 디자인된 균질화 챔버에 들어가며, 따라서 가스의 "풍부함"의 임의의 변형을 배합하여, 엔진으로흐르는 고도로 일정한 가스 품질(조정된 가스)을 달성한다. 균질화 챔버는 가스 엔진 연료 사양을 충족시키기 위해 2.2 내지 3.0 psig에서 작동된다. 조정된 가스가 균질화 챔버에서 배출되지 마자, 엔진 요구사항으로 가열되고 가스 엔진(1963)으로 향하게 된다.
가스 엔진
5개의 GE 젠바쳐(Jenbacher) 가스 엔진 세트(1963)는 플랜트 스케일을 기초로 한 전기를 생성시키기 위해 사용된다. 젠바쳐 가스 엔진은 왕복식 엔진 타입이다. 이는 높은 효율 및 낮은 배출을 갖는 낮은 또는 중간의 발열량 합성가스를 연소시킬 수 있다. 각 가스 엔진은 1.0 MW 전기를 갖는다. 따라서, 전기 발생의 전체 용량은 5 MW이다. 그러나, 비교적 낮은 가스 발열량(천연가스와 같은 연료와 비교하여)으로 인해, 엔진은 이들의 가장 효율적인 작동 포인트에서 대략 700 kW로 작동시키기 위해 출력을 내려서 사용된다.
플레어 스택
밀봉된 플레어-스택(1964)은 개시, 정지 및 공정 안정화 상태 동안 합성가스를 발화시키기 위해 사용된다. 공정이 안정화되자 마자, 플레어 스택(1964)은 단지 응급 목적을 위해 사용될 것이다. 플레어 스택(1964)은 99.99% 파괴 효율을 달성할 것이다.
실시예 14: GCS를 포함한 도시 고체 폐기물 가스화 플랜트
도 20은 고체 잔여물 조절기(1965)에서 발생되고 고체 잔여물 가스 조절기(17)에서 가공된 제 2 가스 스트림이 변환기 가스 조절기(26)의 백하우스(1930)에서 미립자 물질 및 중금속을 제거하는 스테이지 1 공정 단계 후 변환기 가스 조절기(26)로 공급되는 것을 제외하고, 실시예 13에 기술된 것과 유사한 도시 고체 폐기물 가스화 플랜트의 예를 도시한 것이다. 주입 가스 스트림은 이후 변환기 가스 조절기(26)의 스테이지 2를 통해 가공된다.
실시예 15: 증발 냉각 타워, 백하우스 필터, HCl 스크러버, 및 탄소층 필터에 대한 사양
실시예 1에 기술된 GCS에서 사용될 수 있는 증발 냉각 타워, 백하우스 필터, HCl 스크러버 및 탄소층 필터의 예는 하기에 제공된다.
증발 냉각 타워
열교환기 또는 복열장치로부터의 증발 냉각 타워 주입 가스는 가스-고체 여과 시스템(백하우스)에 들어가기 전에 냉각된다. 이러한 냉각은 백하우스로 진행하는 물(액체)의 양을 최소화하기 위해 증발 냉각(건조 바닥 켄칭)에 의해 달성된다.
여분의 물 공급 시스템은 백하우스의 디자인 온도를 결코 초과하지 않는 켄칭 타워에서 배출된 합성가스의 온도를 확보하기 위해 디자인된다. 켄칭 수는 35℃에서 HCl 스크러버로부터 제공된다. 켄칭 타워는 온도가 -40℃ 내지 35℃인 야외에 위치된다. 표 8은 켄칭 타워에 대한 디자인 사양을 기술한 것이다.
표 8: 켄칭 타워의 사양
Figure 112008083675607-PCT00006
켄칭타워의 선택된 구성요소:
1. 260℃로 합성가스의 요망되는 냉각을 달성하기 위한 켄칭 타워.
2. 펌프 고장의 경우에 가스를 냉각시키기 위한 응급 물 시스템.
3. 켄칭 타워의 작동을 위해 요구되는 접합 박스 및 모든 밸브에 배선된 SMART 전달장치 또는 4-20 mA 시그날을 구비한 모든 기기.
가스-고체 여과 시스템 (백하우스 필터):
표 9는백하우스 필터를 통해 흐르는 합성가스의 특징의 설명을 제공한다. 표 10은 백하우스 필터를 통해 흐르는 합성가스의 조성을 나타낸 것이다.
표 9: 백하우스 필터를 통한 흐르는 합성 가스의 특징:
Figure 112008083675607-PCT00007
표 10: 백하우스 필터를 통해 흐르는 합성가스의 가스 조성
Figure 112008083675607-PCT00008
백하우스 필터 중의 주입 가스 미립자 및 중금속 적재량(주로 중금속을 지닌 플라이-애쉬)는 하기와 같다:
먼지 적재량 7.4 g/N㎥
카드뮴 2.9 mg/ N㎥
납 106 mg/ N㎥
수은 1.3 mg/ N㎥
여과 시스템 후 요구되는 성능 보증
보증된 여과 시스템 배출구
미립자 물질 11 mg/ N㎥ (99.9% 제거)
카드뮴 15 ㎍/ N㎥ (99.65% 제거)
납 159 ㎍/ N㎥ (99.9% 제거)
수은 190 ㎍/ N㎥ (90% 제거)
백하우스 여과 시스템의 선택된 구성요소:
1. 100% 용량으로 작동하는 단일 여과 유닛.
2. 제한된 공간 엔트리 규제 및 최고의 협정을 충족하기 위한 이중 분리에 대한 규정. 허용가능한 실시예는 0 누출 분리 댐퍼(damper, 총 두개) 및 공정으로부터 모듈을 분리하기 위해 블랭킹 플레이트를 도관에 삽입하기 위한 규정을 포함한다.
3. 통상적인 공급 포인트에 대해 다양한 질소를 지닌 질소 송풍 역시스템.
4. 적어도 260℃의 온도 저항을 갖는 고품질의 산성 저항, 마모 저항 필터.
5. 시스템의 작동을 위해 요구되는 4-20 mA 신호/ 또는 SMART 전달장치 (접합 박스에 선으로 연결됨)를 구비한 모든 기기. DCS가 제공됨.
6. 먼지 누출 검출기(각 모듈에 대해 별도).
7. 0 누출 고체 배출을 갖는 각 모듈에 대한 별도의 호퍼(회전 밸브 또는 균등물).
8. 레이더(ladder)사닥리, 유닛 모두에 대해 요구되는 액세스/관리 플렛폼을 포함한 모든 구조 강철.
9. 0 누출 회전 밸브(호퍼는 1.5 수퍼 색(super sack)의 용량을 가질 것임)를 구비한 활성탄소 주입 시스템, 요망되는 기기를 갖는 호퍼에 대한 백 비로딩 시스템.
10. 여과 시스템은 온도가 -40℃ 내지 35℃인 외부에 위치할 것이다.
HCl 스크러버
HCl 스크러버는 표 11에 도시된 바와 같이 HCl 스크러버를 통해 흐르는 합성가스의 특징을 제공하기 위해 디자인된다.
표 11: HCl 스크러버를 통해 흐르는 합성가스의 특징
Figure 112008083675607-PCT00009
적합한 HCl 배출 농도는 5 ppm이다.
HCl 스크러버의 구성요소:
1. HCl의 요망되는 제거 효율을 달성하기 위한 FRP(섬유유리 강화된 플라스틱, 또는 균등물) 패킹된 타워.
2. 35℃ 미만으로 가스 온도를 유지시키기 위해 재순환 액체 스트림을 냉각시키는 열교환기(플레이트 및 프레임 -티탄). 냉각수는 공급되고 회수됨. 모든 조절은 시스템 작동을 위해 요구된다.
3. 전도도 계측기, pH 제어 시스템, 스크러버 시스템을 위한 수준 조절, 두개의 복열장치 펌프(온라인 스페어).
4. 기기(4-20 mA 출력 신호), 스크러버 작동을 위해 요구되는 밸브, 펌프 모두는 스키드 탑재되며, 기기는 접합 박스에 선으로 연결된다. DCS가 제공됨.
5. 펌프 및 열교환기는 컬럼에 직접 인접한 건축물 내부에 위치될 것이다; 그러나 컬럼은 외부에 위치될 것이다.
6. 235℃(디자인 260℃)에서 HCl 스크러머 물질 요구사항으로 가스를 냉각시키기 위한 습식 켄칭.
7. 순환 펌프 (모두) 고장의 경우에 가스를 냉각시키기 위한 응급 수 시스템.
8. 컬럼/플랫폼 지지체, 펌프 및 연교환기 스키드 및 배관 지지체에 대해 요구되는 모든 구조적 강철.
9. 송풍기 흡입을 위한 스크러버 배출구 가스 파이프.
탄소층 필터
탄소층 필터는 생성물 가스 송풍기 이후에 위치되며, 이를 통해 흐르는 합성가스의 하기 특징을 조절하기 위해 디자인된다. 이러한 특징은 표 12에 요약되었다.
표 12: 탄소층 필터를 통해 흐르는 합성가스의 특징
Figure 112008083675607-PCT00010
보증된 수은 탄소층 배출구 19 ㎍/ N㎥ (99.0%)
탄소 필터층의 구성요소
1. 제 1 탄소 충전물을 지닌 FRP 탄소층 필터 용기.
2. 용기 지지체, 검사/관리 플랫폼, 및 앞으로 탄소 충전을 위한 공급물을 위해 요구되는 구조적 강철.
3. 탄소층 필터의 작동을 위해 요구되는 모든 부속품.
모든 기기에는 가스화 제어 시스템와 인터페이스로 연결하는 능력을 갖는다. 모터 구동 장치는 온/오프 제어, 고정가능한 오프 버튼 및 장치를 공정 제어 시스템에 의해 작동되게 할 수 있는 상태 라인이 제공된다.
실시예 16: H 2 S 제거 시스템의 사양
하기 실시예는 실시예 1에서 기술된 GCS에서 수행될 수 있는 H2S 제거 시스템의 설명을 제공한다. H2S 제거 시스템은 표 13에 도시된 바와 같이, 이를 통해 흐르는 합성가스의 특징을 조절하기 위해 디자인된다. H2S 제거 시스템을 통해 흐르는 합성가스의 조성은 표 14에 나타내었다.
표 13: H 2 S 제거 시스템을 통해 흐르는 합성가스의 특징
Figure 112008083675607-PCT00011
표 14: H 2 S 제거 시스템을 통해 흐르는 합성가스의 조성
Figure 112008083675607-PCT00012
정상 주입구 가스 미립자 및 중금속 적재량 데이타(중금속을 지닌 주로 플라이-애쉬)는 하기에 기술되어 있다.
먼지 적재량 17 mg/N㎥
카드뮴 14 ㎍/ N㎥
납 142 ㎍/ N㎥
수은 20 ㎍/ N㎥
시스템에 대한 보증된 H2S 배출구 20ppm
고장 조건 동안 업스트림 시스템 고장에 기인한 먼지 및 중금속 적재량은 하기와 같다.
먼지 적재량 - 1 g/ N㎥
카드뮴 - 1.3 mg/ N㎥
납 - 20 mg/ N㎥
수은 - 510 ㎍/ N㎥
업셋 조건 동안에, 먼지 및 중금속의 존재는 거품화를 야기시킬 수 있으며, 거품방지제의 주입에 의해 처리되는 것으로 이해된다. 효과적인 거품방지 시스템이 사용된다.
구성요소의 리스트
1. 패킹된 컬럼의 작동을 위해 요구되는 모든 관련된 부속품을 구비한 H2S 스크러버(접촉기), 모드 기기(온라인 스페어)를 구비한 컬럼 복열장치 펌프, 스크러버 작동 및 분리를 위해 요구되는 콘트롤(pH, 수준 및 전도성 제어기) 및 밸브(조절 및 수동).
2. 요망되는 경우, 임의의 가스 누출을 방지하기 위한 자동화 액체 밀봉(액체 수준)을 구비한 주입구 및 배출구 가스-액체 분리기.
3. 연속 동작 및 공정의 분리를 위한 부속품, 배관, 밸브 및 콘트롤 모두를 구비한 요구되는 영양분 탱크 및 여과물 탱크.
4. 시스템의 연속 동작을 위해 요구되는 완전한 제어 시스템을 구비한 바이오-반응기. 온라인 스페어, 기기 및 ORP 제어기, 레벨 제어기 및 공정의 동작 및 격리를 위해 요구되는 밸브(조절 및 수동)를 포함한 콘트롤을 구비한 공기 송풍기.
5. 습식 슬러리로부터 황 제거를 위한 플레이트 및 프레임 또는 균등 필터 프레스. 필터는 두개의 세정/필터 세척 간에 2일 동안 연속적으로 작동시킬 수 있다. 공정의 동작 및 격리를 위해 요구되는 밸브를 구비한 모든 기기.
6. 여과물 펌프의 동작 및 격리를 위해 요구되는 온라인 스페어, 모든 제어 밸브 및 수동 밸브를 구비한 여과물 펌프.
7. 환경보호청 규제, 및 모든 지역적 및 지방 규제를 충족시키기 위한 여과 전에 용액의 살균을 위한 미래의 규정을 충족하기 위한 유출수의 처리를 위해 요구되는 완전한 시스템.
8. 시스템의 동작을 위해 요구되는 4-20 mA 신호(접합 박스에 선으로 연결됨)를 갖는 모든 기기. DCS가 또한 포함된다.
콘트롤 인터페이스
DCS는 전체 공정 제어를 위해 사용된다. 임의적으로, 필드버스 기초 프로토콜을 구비한 선택 전달장치는 DCS와 용이한 통합을 위해 사용된다.
실시예 17: 생성물 가스 송풍기의 특징 및 디자인
하기는 플라즈마 가스화 시스템으로부터 합성가스를 회수하고 GCS를 통해 이를 이동시키기 위해 사용될 수 있는 생성물 가스 송풍기(가스 냉각기를 구비함)의 대표적인 설명이다. 송풍기는 하기에 나타낸 사양에 따른 모든 장치 및 배관을 통해 적절한 흡입을 제공한다.
기능적 사양
생성물 가스 송풍기에 대한 기능적 사양은 하기에 기술된다. 합성가스는 가연성이고 공기와의 폭발성 혼합물을 생성시킬 것이며, 이에 따라 모든 서비스 유체, 즉 밀봉 퍼징은 질소로 이루어진다. 송풍기는 10% 내지 100%의 흐름 범위내에서 관통 가변성 속도 드라이브(VSD)로 작동된다. 표 15 및 16은 가스 송풍기에 대한 디자인 사양을 나타낸다.
표 15: 가스 송풍기의 사양
Figure 112008083675607-PCT00013
참조: 송풍기의 흡입 및 배출을 통한 압력 강하는 송풍기의 정적 압력에 포함되지 않는다.
표 16: 습식 기준으로, 가스 송풍기를 통해 흐르는 평균 가스 조성물
Figure 112008083675607-PCT00014
송풍기는 (폭발성 혼합물을 형성시킬 수 있는) 대기로부터의 공기 흡입 또는 대기로의 가스 누출(합성가스는 독성이고 가연성임)이 존재하지 않도록 디자인된다. 송풍기는 매우 양호한 샤프트 밀봉재(0% 누출)를 가지며, 양 방향의 누출에 대한 발달된 누출 검출 시스템을 갖는다.
사용될 수 있는 구성요소
하기는 생성물 가스 송풍기와 사용될 수 있는 구성요소의 리스트이다.
1. 합성가스 송풍기, 모터는 방폭발성이다. 송풍기 샤프트 밀봉재는 0 누출이다(누출되지 않음).
2. 생성물 가스 냉각기 - 공급물의 공급기 범위는 단지 가시 냉각기일 것이다.
3. 모터를 지닌 보조 오일 펌프, 모두는 송풍기 보조 시스템을 위한 기기를 요구한다.
4. 모든 기기 및 콘트롤(즉, 저압 및 고압 오일 스위치, 고방출 압력 및 온도 스위치, 시차 온도 및 압력 스위치, 배출 압력 게이지, 배출 온도 게이지, 오일 압력 및 온도 게이지). 모든 기기는 통상적인 방폭발성 접합 박스에 유선으로 연결된다. VFD는 송풍기의 업스트림에 설치된 압력 전달장치에 의해 조절될 것이다.
5. 0 누출 배출 체크 밸브.
6. 과도한 압력/진공/차단 배출(PRV 및 재순환 라인과 같은 시스템)로부터 송풍기를 보호하기 위한 장치 안전 시스템.
송풍기는 폭발성 가스가 업셋 조건에서 존재할 수 있는 환경에서 작업하기 위해 디자인된다.
송풍기는 연속적으로 작동되지만(일일에 24 시간/일주일에 7일), 공정 안정화 동안 송풍기의 빈번한 개시/정지 작동을 변경시킨다. 가스 송풍기는 빈번한 개시/정지 동안에도 높은 신뢰도로 작동될 수 있다.
콘트롤 인터페이스
모터 제어, 모터 과-전압, 과하중 보호 등을 위한 가변성 속도 드라이브가 제공될 것이다. 모터 상태, 온/오프 작동, 속도 변경은 DCS를 통해 원격적으로 작동되고 모니터될 것이다.
본 발명이 특정 구체적인 구체예를 참고로 하여 기술되어 있지만, 이의 다양한 변형예는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 당업자에게 자명하게 될 것이다. 당업자에게 자명한 이러한 모든 변형예는 하기 청구범위내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (15)

  1. a. 조절된 가스(conditioned gas) 및 제거된 미립자 물질을 제공하기 위해 제 1 조절 스테이지(conditioning stage)에서 주입 가스로부터의 미립자 물질을 제거하기 위한 하나 이상의 입자 제거 유닛을 포함하는 제 1 가스 조절기(conditioner);
    b. 제 2 가스 및 고체 폐기물을 생성시키기 위해 상기 제거된 미립자 물질을 수용하고 가공하기 위한 고체 잔여물 조절기; 및
    c. 상기 고체 잔여물 조절기와 작동되게 결합된 제 2 가스 조절기로서, 상기 제 2 가스 조절기는 부분적으로 조절된 제 2 가스를 제공하기 위해 상기 제 2 가스로부터 미립자 물질을 제거하기 위한 하나의 가스 냉각기 및 하나 이상의 추가 입자 제거 유닛을 포함하며, 상기 제 2 가스 조절기는 하나 이상의 추가 입자 제거 유닛에 진입하기 전에 제 2 가스를 냉각을 위한 상기 가스 냉각기로 통과시키고 상기 부분적으로 조절된 제 2 가스를 추가 가공을 위한 제 1 가스 조절기로 통과시키도록 배열되는 제 2 가스 조절기를 포함하는, 조절된 가스를 제공하기 위해 가스화 시스템내에 하나 이상의 위치로부터 주입 가스를 조절하기 위한 가스 조절 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 가스 조절기가 주입 가스로부터 추가 오염물을 제거하기 위해 제 2 조절 스테이지에서 주입 가스의 추가 조절을 수행하기 위한 상기 하나 이상의 입자 제거 유닛의 다운스트림에 하나 이상의 구성요소를 추가로 포 함하는 가스 조절 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 하나 이상의 위치가 가스화기인 가스 조절 시스템.
  4. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 가스 조절기가 상기 제 1 조절 스테이지에서 건조상 가공 단계를 수행하기 위한 하나 이상의 다른 구성요소를 추가적으로 포함하는 가스 조절 시스템.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 입자 제거 유닛 중 하나가 백하우스 필터(baghouse filter)인 가스 조절 시스템.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 건조상 가공 단계를 수행하기 위한 상기 구성요소가 건조 주입 시스템인 가스 조절 시스템.
  7. 제 2항에 있어서, 상기 하나 이상의 구성요소가 산성 가스 제거를 위한 하나 이상의 구성요소를 포함하는 가스 조절 시스템.
  8. 제 7항에 있어서, 산성 가스 제거를 위한 상기 하나 이상의 구성요소가 HCl 스크러버(scrubber)를 포함하는 가스 조절 시스템.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 산성 가스 제거를 위한 상기 하나 이상의 구성요소가 H2S 제거 시스템을 포함하는 가스 조절 시스템.
  10. 제 2항에 있어서, 상기 하나 이상의 구성요소가 입자 제거 유닛을 포함하는 가스 조절 시스템.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 입자 제거 유닛이 활성 탄소 수은 연마제인 가스 조절 시스템.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변환기 가스 조절기가 가스 조절 시스템을 통해 주입 가스를 이동시키기 위한 송풍기를 추가로 포함하는 가스 조절 시스템.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 가스 조절기가 상기 하나 이상의 입자 제거 유닛의 업스트림에 냉각 유닛을 추가로 포함하는 가스 조절 시스템.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 가스 조절기가 하나 이상의 추가 입자 제거 유닛의 다운스트림에 냉각 유닛을 추가로 포함하고, 상 기 냉각 유닛의 다운스트림에 활성 탄소층을 추가로 포함하는 가스 조절 시스템.
  15. a. 제 1 조절 스테이지에서의 제 1 가스 조절기에서 상기 주입 가스로부터 미립자 물질을 제거하여 조절된 가스 및 제거된 미립자 물질을 제공하는 단계;
    b. 제거된 미립자 물질을 고체 잔여물 조절기로 이동시키고 제거된 미립자 물질을 용융시켜 고체 폐기물 및 제 2 가스를 생성시키는 단계;
    c. 상기 2차 가스를 냉각시키고, 이로부터 미립자 물질을 제거하므로써 제 2 가스 조절기에서 상기 제 2 가스를 조절하여 부분적으로 조절된 제 2 가스를 제공하는 단계; 및
    d. 추가 조절을 위한 상기 제 1 가스 조절기로 상기 부분적으로 조절된 제 2 가스를 이동시키는 단계를 포함하여,
    가스화 시스템내의 하나 이상의 위치로부터 주입 가스로부터의 조절된 가스를 제공하는 방법.
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