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KR19990022338A - 염소 및/또는 수분 함유 연료 및 폐기물의 효과적인 이용 - Google Patents

염소 및/또는 수분 함유 연료 및 폐기물의 효과적인 이용 Download PDF

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KR19990022338A
KR19990022338A KR1019970708818A KR19970708818A KR19990022338A KR 19990022338 A KR19990022338 A KR 19990022338A KR 1019970708818 A KR1019970708818 A KR 1019970708818A KR 19970708818 A KR19970708818 A KR 19970708818A KR 19990022338 A KR19990022338 A KR 19990022338A
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KR
South Korea
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slurry
fuel
char
water
carbonaceous
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Abandoned
Application number
KR1019970708818A
Other languages
English (en)
Inventor
노먼 엘. 디킨슨
로버트 지. 머레이
마이클 케이. 클로스키
Original Assignee
에너테크 엔바이론먼탈, 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에너테크 엔바이론먼탈, 인코포레이티드 filed Critical 에너테크 엔바이론먼탈, 인코포레이티드
Publication of KR19990022338A publication Critical patent/KR19990022338A/ko
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Abstract

본 발명은 처리가능한 점도의 물에 저급 연료, 탄소성 폐기물 또는 이들의 혼합물 및 슬러리를 제공하므로서 연료 형성을 강화하고, 에너지 함량을 증가시키며, 도시 고형물 쓰레기(MSW), 폐기물 유도 연료(RDF) 및 하수 슬러지와 같은 탄소성 폐기물 및/또는 저급 석탄의 불순물의 수준을 낮추는 방법에 관한 것이다. 원료 슬러지는 심한 물리적 및 분자적 재배열이 발생하여 저급 석탄 또는 탄소성 폐기물에 결합된 산소의 상당한 부분이 이산화탄소(147)로 분리되는 온도로 일반적으로 알칼리(109)의 존재하에서 가압(118) 가열된다. 이러한 조건에서 원료 슬러리(103)에 있는 고형물 입자는 그들의 섬유성 및 친수성을 많이 잃게 되어 보다 작은 입자의 챠르로 분쇄되므로서 극적으로 개선된 유동성, 즉, 처리가능한 점도에서 훨씬 높은 고형물 농축(또는 에너지 밀도)을 이룰 수 있는 슬러리가 된다.

Description

염소 및/또는 수분 함유 연료 및 폐기물의 효과적인 이용
발명의 배경
본 발명은 에너지 보호, 폐기물 처리 및 대기 상태와 관련된 국가적인 문제에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 불순물(상세하게는 수분, 염소, 황, 재 및 독성금속), 이질적인 특성, 낮은 열효율 및 곤란한 취급성 때문에 사용되지 않거나 사용중에 있지 않은 잠재적인 자국의 에너지원의 환경적으로 확실한 이용에 관한 것이다.
다양한 셀룰로오스성, 생물성 및 유기성 생성물, 부산물 및 폐기물(탄소질성 폐기물)은 화석연료가 아니라 토탄 보다 연대 및 순위에 있어서도 보다 낮은 것으로 간주될 수 있다. 낮은 순위의 화석연료와 비교할 때 그들은 보다 낮은 탄소 및 보다 많은 산소를 함유한다. 이들중에는 도시형 고형물 쓰레기(MSW) 및 재생 가능한 물질을 제거하므로서 MSW로 부터 생성된 무가치한 연료(RDF)가 있다. 이들에 나무 또는 셀룰로오스성 생성물 및 농업 부산물(사탕수수 깍지, 왕겨, 밀짚, 과수원의 가지친 나무 등) 및 임업 부산물(나무 쓰레기, 톱밥, 나무껍질, 나뭇잎 등) 그리고 그들에 기초한 산업 부산물이 추가될 수 있다. 대부분은 섬유질로서 일반적으로 거의 물과 연관되어 있다. 생물 자원인 것으로 간주되지는 않지만 유사한 폐기물로는 펄프, 종이 같은 산업 폐수 처리 슬러지, 잉크 제거 기계 슬러지, 하수 슬러지, 가축 퇴비, 산업 쓰레기, 건축 및 해체 쓰레기, 혼합된 플라스틱 또는 자동차 강판 잔재(ASR)를 포함한다.
탄소질성 폐기물, 특히 MSW, RDF 및 슬러지들은 그들의 물리적 형태에 의해 대부분 매우 처리 곤란하게된 연료들이다. 조각들은 크기와 형태에 있어서 매우 다양할 뿐만 아니라 수분 함량, 가소성, 밀도 및 점화의 용이성에 있어서 완전히 다르다. 따라서, 종래 기술에 있어서의 연소는 복잡한 취급성, 구형 급탄기 또는 이동 격자, 과량 공기의 많은 요구, 광범위한 대기 오염 제어 장치, 빈약한 제어성 및 매우 적은 연료 다양성에 의해 문제가 되는데 이들 모두 엄격한 연도 가스 방출 규약을 맞추는데 어려움을 갖게 한다.
에너지 시장에서 컴파운딩 석탄의 고체 형태의 문제점은 그것의 불순도이다. 전체적으로 1990년의 크린 에어 액트 어멘드먼트(Clean Air Act Amendments, CAAA)는 189개의 비규정 위험 대기 오염 물질(HAPs)을 확인했는데 미국 환경 보호국(EPA)은 공중 위생 우려를 정하도록 특성화하여 적절한 규정을 개발하여야 한다. 이러한 HAPs로는 미량 금속 : 안티몬, 비소, 베릴륨, 카드뮴, 크로뮴, 코발트, 구리, 납, 망간, 수은 니켈 및 셀레늄을 포함한다.
탄소질성 폐기물, 특히 MSW를 에너지로 전환시키는 것은 불순물에 의해 방해를 받는다. 수분 함량이 높고 극히 가변적이다. 재함량도 매우 높을 수 있다. 독성의 납, 카드뮴, 수은 및 다른 중금속은 연도 가스에 포함되어 있는데 가스세정기, 필터 및 다른 정교한 대기 오염 제어 시스템에 의해 조절되어야 한다. PVC와 같은 염소화 플라스틱으로부터 생성되는 염소는 MSW 또는 RDF에서 평균 약 0.5%이지만 1.8%까지 높아질 수 있다. 이것은 보일러 튜브의 부식을 발생시키고 알칼리 가스세정기가 필요하게 하며 다이옥신, 퓨란 및 다른 해로운 대기 오염 물질을 형성시키는데 일조를 한다. 염소는 가장 큰 주목을 받고 있지만 탄소질성 폐기물도 보다 적은 양의 다른 할로겐 들을 함유할 수 있다. 연소재는 종종 EPA의 독성 특성 여과 공정(TCLP) 시험을 기초로 할 때 해로운 물질로 분류된다. 해로운 재는 유리화로 알려진 공정인, 용융점 이상으로 그것을 가열하므로서 TCLP 시험을 통과하게 될 수 있다고 문헌은 기술하고 있다.
많은 버려진 폐기물은 현재 환경적으로 만족스럽지 않은 것으로 간주되는 상태하에서 부패되고 있다. 그러한 구형의 쓰레기장 및 매립지를 개선해야 한다는 공공의 압력이 증가되고 있다. 잠재적인 위험, 부담 및 강제적인 밀폐후 유지 이외에 많은 재생 가능한 물질 및 잠재적인 에너지가 매장되어 경제적인 회수 수단을 기다리고 있다.
발전 설비들 및 산업 보일러들은 효율적으로 석탄과 함께 RDF를 연소시킨다(일반적으로 동시 점화(co-firing)로 칭해짐). 1990년의 CAAA는 보일러에 연료 투입의 30% 이하가 보일러를 폐기물 소각로로 재분류하지 않고 탄소성 폐기물일 것을 허용하고 있다. 보다 낮은 SO2방출이 운동량을 제공했지만 보다 많은 황 연료를 갖는 동시 점화 저황 탄소성 폐기물은 증가된 고형물 취급 비용, 증가된 과량의 공기 요구량, 보다 높은 HCl, CO, NOX및 염소화 유기성 물질 방출, 보일러에서의 증가된 슬래그 형성 보다 높은 비산재 저항력을 포함하는 몇몇 단점을 갖는다. 또한, 상업적 동시 점화는 화격자(grate) 및 사이클론 보일러에 제한된다. 석탄으로 부터의 황산화물이 염소 함유 탄소성 폐기물로부터의 다이옥신의 형성을 억제한다는 몇몇 증거 및 통상적인 방법으로 석탄에 대해서 1990년 CAAA를 달성하는데의 고비용 때문에 동시 점화에 있어서 관심이 부활되었다.
본 발명자들 및 기업가들은 수분과 산소가 가열에 의해 유도되는 다양한 탄화 및 열분해 공정에 의한 저급 석탄의 수분/열량의 결점에 착안했다. 열량은 개선되었지만 생성물은 먼지와 자연발화에 의해 문제가 생기는 경향이 있다. 복합 유기 화학 물질로 심하게 오염된 제거 수분은 난해한 처리 문제가 있다(예를 들면, 미국 특허 제 5,000,099호에 기술됨). 이러한 탄화 공정은 고체 연료로서의 원료물질 및 생성물을 이송, 크러싱, 스크리닝, 가열, 냉각 등의 단계로 상당한 비용의 소모와 오염 및 손실을 이루면서 취급 처리한다.
더 디파트먼트 오브 에너지(DOE)와 개인 기업가들은 검열 형태의 페널티를 청원했는데 이것은 고체 연료가 액체 연료인 석유 및 가스에 비해 부담을 갖는다. 그러한 시도 중 하나는 석유에 대해 설계된 보일러 및 용광로에서 성공적으로 점화된 소위 석탄-물-연료(CWF) 또는 석탄-물-혼합물(CWM)이라 불리는, 석탄을 액체 슬러리 연료로 전환하는 프로그램을 포함한다. 특별히 제조된 CWFs는 실험적인 디젤 엔진 및 가스터빈 연소기에서 점화되었다. 본 출원의 시점에서 세계 유가는 이렇게 기술적으로 가능한 대체가 경제적인 면에서 불가능하게 낮다.
액체 CWFs(슬러리)는 분쇄 석탄 및 석유에 대해 설계된 보일러에서 성공적으로 점화되었지만 탄소성 폐기물은 이러한 방법으로 점화되지 않았는데 이는 주입 가능하도록 하기 위해서 그 슬러리들이 양(어떤 경우에는 음의)의 에너지 값을 갖도록 희석되기 때문이다. 고급 석탄, 무연탄 및 역청질(bituminous)은 연마되어 50% 이상의 주입 가능한 고체 농도로 슬러리화 될 수 있다. 급수가 떨어지면 슬러리화 가능성이 악화된다. 저급 연료 또는 탄소성 폐기물의 빈약한 슬러리 특성은 그들의 섬유질 및 친수성 특성과 관련되어 있다. 그러나, 미국 특허 제 4,380,960호에서 지적된 바와 같이 친수성 연료의 슬러리는 물리적 및 분자적 재배열이 발생하고 이산화탄소와 물이 분리되므로서 최대 주입 가능한 농도가 상당히 증가된 저 친수성 및 저 섬유성 연료 (챠르(char))가 되는 온도로 가열 농축될 수 있다. 이러한 공정은 슬러리 탄화라 칭한다.
도시 고체 폐기물, 그것으로부터 유도된 연료 및 많은 다른 고수분 함유 폐기물은 냄새 또는 다른 악화 없이 저장 가능한 시간을 제한하는 미생물을 함유한다. 벌크 및 이종과 함께 부패성은 그들을 에너지로 (비효율적으로) 전달시키기 위한 거의 특수화된 보일러를 필요로 한다. 그러한 폐기물의 발생 및/또는 퇴적은 종종 흐트러지기 때문에 주어진 지역 내에서 그러한 고가의 전환을 정당화하기에는 불충분하다(단 하나의 다른 선택은 매립이다).
발명의 요약
고체-수분 함유 슬러리 연료 연소의 열효율은 슬러리의 Btu/lb(㎉/㎏)으로 표현되는 연료의 열효율 또는 에너지 밀도의 작용이다. 건조성에 기초한 열량은 약간 다양하지만 에너지 밀도의 주측정 인자는 슬러리에 있는 고체 연료 입자의 농축이다. 다시말하면, 그것은 물 함량에 대하여 반비례한다. 이러한 농축은 점도에 의해 제한되는데 이것은 슬러리가 주입, 가열, 조절되어 연소 공기로 분산될 수 있도록 충분히 낮은 것이 필요하다. 점도 구속물(restraint)은 고급 석탄에 대하여 내성이 있어서 첨가제 없이는 약 49% 이상, 첨가제와 함께면 약 70% 이하의 농축을 허용한다. 급수가 저하하면 처리 가능한 농도에서의 슬러리 농축 또는 에너지 밀도는 악화되어 그들을 점점 가치 없는 연료로 만든다.
또한, 저급 석탄 및 탄소성 폐기물의 이용은 물 이외의 다른 불순물, 특히 황, 염소, 질소, 독성 금속 및 소듐, 포타슘 등과 같은 슬래그 형성 양이온에 의해 감소된다. 황의 영향은 상기한 관련 특허들에 기술된 방법에 의해 개선된다. 본 발명 역시 황과 질소를 감소시키고 특히 물, 염소, 독성 금속 및 슬래그 형성 양이온과 음이온의 감소를 제기한다.
본 발명자들은 형태, 벌크, 장소, 계절성, 부패성, 저열량 수분 및/또는 오염물에 의해 통상의 연소로는 바람직하지 않은 연료인 다수의 저급 석탄 및 탄소성 폐기물이 유용하고 무균이며 고에너지 밀도의 슬러리 연료로 전환될 수 있음을 발견했다. 본 발명자들은 또한 부식, 슬래그 형성 및/또는 독성 방출에 의해 이용을 저해할 수 있는 양의 소듐, 포타슘, 칼슘, 황, 염소, 질소, 중금속, 다른 양이온 및 음이온 불순물 및 다른 용해성 화합물이 동시에 매우 감소될 수 있음을 발견했다.
이러한 중요한 주장은 저급 연료, 탄소성 폐기물 또는 이들의 혼합물을 처리 가능한 점도의 물에 있는 슬러리로 제공하는 것에 기인한다. 이 슬러리는 일반적으로 알칼리의 존재하에서 가압하에 가열되는 것을 의미하는, 많은 부분의 이산화탄소와 같은 결합 산소의 분리로 특징되는 물리적, 분자적 재배열이 발생하는 온도로 탄소화된다. 이러한 재배열을 위해 필요한 온도는 공급 슬러리의 특성에 좌우되지만 일반적으로 430-700。F(220-370℃)이다. 필요한 압력은 최대 온도에서의 물의 증기압 플러스 이산화탄소 및 존재하는 다른 개스의 부분 압력의 작용이다. 이러한 조건에서 공급 슬러리에 있는 고체 입자들은 그들의 섬유성 및 친수성 특성을 대부분 잃어버리게 되고 보다 작은 입자의 챠르으로 부서지므로서 매우 개선된 유동력의 슬러리 즉, 처리 가능한 점도에서 훨씬 높은 농축 및 에너지 밀도를 가질 수 있는 슬러리가 된다.
또한, 적극적인 가수분해 조건이 없는 유기적으로 결합된 염소(PVC와 같은 안정한 폴리머들로부터서도 나오는) 및 황과 다른 음이온들은 알칼리와 반응하여 수성상으로 용해된다. 소듐 및 포타슘과 같은 미리 결합된 양이온들은 수성 용해에 가깝게 된다. 물리적 및 분자적 재배열은 공급 슬러리에 남아 있는 대부분의 어떤 독성 금속이 과열된 물에 용해되거나 현탁될 기회를 제공한다. 미세 입자 크기 및 수성 슬러리 형태 뿐만 아니라 상승된 온도는 산업 및 연구적인 화학의 많은 경험이 바람직하지 않은 불순물(아직 확인되지 않은 것들을 포함하여)에 효과가 있게 한다. 예를 들면, 하나 이상의 불순물을 용해, 추출, 침전 또는 중성화시키는데 특이적인, 산, 알칼리, 과산화물 및 격리제를 포함하는 제제들이 가열 및/또는 챠르 농축 전, 중 및/또는 후에 첨가될 수 있다.
하수 슬러지와 같은 어떤 저급 석탄 및 탄소성 폐기물은 이미 슬러리 형태로 있기 때문에 추가의 공정이 요구되지 않는다. 퇴비와 같은 다른 것들은 반 고형물일 수 있으며 추가의 물, 폐수 또는 다른 슬러리와 혼합되었을 때 슬러리화될 수 있다. 원치 않는 미세 석탄의 생성 및 미세하게 분할되고 일반적으로 이미 적셔져 있는 과거 생성물의 많은 수지 작업(back log)은 저급 석탄의 거의 이미 생긴 원천이다. 고형이며 비교적 건조한 경우에는 저급 석탄 및 탄소성 폐기물을 조각내고 썰은 다음 연마, 펄핑하거나/또는 다른 통상적인 크기를 감소시키는 방법을 행하고 물, 폐수 및/또는 다른 슬러리와 혼합하여 처리 가능한 슬러리로 제조한다.
공급 물질이 밀도, 다른 물리적 특성 및/또는 화학적 특성에 기초하여 분리될 수 있는 다소의 무기물질을 함유하는 경우에는 적절한 분리가 수행된다. MSW의 경우에 미국 특허 제 4,624,417호(간지(Gangi))는 탄소성 슬러리를 적절한 점도로 예비적으로 농축하는 것을 포함하는, 조밀한 부스러기, 철, 유리 및 비철금속을 슬러리화 및 분리하는 적절한 방법(습식원 회수)을 기술하고 있다. 미국 특허 제 4,561,860호(굴리(Gulley))는 슬러리 탄화를 위해 적절한 점도의 공급 물질을 형성하도록 물과 혼합될 수 있는 고체 RDF를 생성하기 위하여 파쇄; 체, 지그 및 진동 스크린; 및 자석, 와상 전류 및 공기 분류 분류기를 통하여 MSW로부터 무기물을 제거하기 위한 적절한 방법(건식원 회수)을 기술하고 있다. 석탄으로부터 무기물을 분리하기 위한 방법 및 장치(습식 및 건식 처리)를 기술하고 있는 많은 선행 기술이 있다.
저급 석탄 또는 탄소성 폐기물이 다소의 할로겐, 황 및/또는 다른 산형성 음이온을 함유하고 있을 때는 알칼리가 (이미 존재하고 있지 않은 경우에) 슬러리 탄화 전, 중 및/또는 바로 직후에 첨가된다. 슬러리가 혼합재로 탄화되었을 때는 어떤 저급 석탄에서 자연적으로 발생하는 알칼리라 첨가되는 양이 감소되거나 불필요하게 한다. MSW, RDF, 다른 탄소성 폐기물 및 석탄은 염소 및 다른 할로겐(슬러리가 탄화되었을 때 할로겐 산을 형성할 수 있는)을 함유하고 많은 수의 연료 및 폐기물은 알칼린 원소, 소듐, 칼슘 마그네슘 및 포타슘을 함유하고 있기 때문에 그들은 슬러리 탄화를 통하여 동시 처리되기에 자연적으로 적합하게 된다. 일정하고 고에너지 밀도의 슬러리 연료들로 돌아갈 뿐만 아니라 그들의 화학적 불술물도 서로 중성화되는 경향이 있다. 저황 유기성 폐기물의 동시 처리가 비 콤플리먼트(compliant) 및 고황 화석 연료를 포함시키도록 확장하여 화석 연료 단독보다는 낮은 SO2방출(단위 유니트 에너지를 기초로)을 갖는 챠르 슬러리를 생성하는 것이 가장 논리적이다.
반응기 유출물로부터 유입액으로 열을 전달하는 통상의 방법은 열교환 표면을 통하여 간접적인 열전달을 하는 것이다. 본 발명자들은 대기압 비등점 이상의 온도에서 가압된 수성 유출물의 열은 단계들에서의 유출물 압력을 감소시키고 이어서 낮아진 압력에서 그것으로부터의 증기를 플래싱(flashing)하므로서 점성 유입액으로 경제적으로 교환될 수 있다는 것을 발견했다. 이러한 각 플러쉬로부터의 증기는 점점 낮아지는 압력으로 유입액에 직접 혼합된다. 이러한 발견은 악화되는 경향이 있으며/또는 간접적인 열 교환율이 낮은, 가압된 점성의 슬러리에 특히 적용 가능하다.
통상적인 기술에서 저급 석탄 및 탄소성 폐기물체 있어서 충분히 낮은 주입 점성은 슬러리에 추가의 물을 첨가하므로서 발생되는데 이것은 펌프 및 다른 하류 장치의 크기 및 비용을 매우 증가시키고 처리수 및 제거된 챠르 슬러리 물의 처리를 요구한다. 본 발명자들은 또다른 것으로서 극히 높아진 고형물을 갖는 탄소성 슬러리가 가변 피치의 두 개의 기계적 회전 스크류를 사용하여 액체 및 탄소성 고체의 향류(counter current) 흐름에서 가열 및 처리될 수 있음을 발견했다. 이 발견에서 보다 높은 함량의 고체를 갖는 탄소성 슬러리가 시스템에서 가열될 수 있다. 이것은 처리 장치의 요구되는 용량 및 처리 열 요구량을 감소시키고, 생성된 챠르 슬러리를 농축할 필요를 감소 또는 제거하며/ 또는 제거된 챠르 슬러리 물의 처리를 감소 및/또는 제거한다.
공정의 결과물인 챠르 슬러리에 기본적으로 해로운 용해 염 및/또는 다른 물질이 없다면 이것은 원심분리, 필터, 증발기 및/또는 다른 적절한 탈수 장치 그리고/또는 희석된 챠르 슬러리를 또다른 고체 화석연료와 혼합하므로서 저장, 이송 및 최종의 연소 또는 다른 사용에 적당한 최대 점도로 농축될 수 있다. 한편, 챠르 슬러리가 작업 곤란성을 야기하고 그리고/또는 사용되었을 때 오염 물질의 방출을 가져오는 다소의 용해 염 및/또는 미네랄을 함유할 경우에는 고형의 챠르는 수성상으로부터 완전히 분리되어 청정수에서 최대의 처리 가능한 점도로 재슬러리화 된다. 또한, 습기 함유 챠르를 재슬러리화 전에 청정수로 세척하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 습기 함유 챠르는 예를 들면, 연료 슬러리를 형성하도록 디젤유와 같은 액체 탄화수소 생성물로 재슬러리화 될 수 있다. 고 에너지 슬러리가 바람직한 형태이지만 고급 고체 연료 제품을 형성하기 위해 고형의 챠르를 탈수, 건조 및 펠렛화 하는 것도 가능하다.
챠르 슬러리로부터 제거된 수분은 용해 및 현탁된 종(species)들을 함유할 수 있다. 이렇게 제거된 수분의 대부분은 공급 물질을 위한 슬러리 물로서 재사용되는 것이 바람직하다. 이러한 재순환된 물에 있는, 용해되고 현탁된 종들의 축적으로 인하여 일부가 공정으로부터 퍼지되어 재순환 물로서의 재사용 및/또는 배출전에 통상의 방법으로 처리될 수 있다. 어떤 상황에서는 챠르 생성물을 위한 슬러리화 매체로서 제거되고, 재순환되거나 처리된 물을 재사용하는 것이 바람직하고, 따라서, 어떤 용해되고 현탁된 유기물들은 슬러리 연료와 함께 산화되어 어떤 용해되고 현탁된 유기물들은 연소재로 남는다.
탄환반응은 입자 크기를 감소시키지만 연마, 전단에 의해 그리고/또는 특별히 설계된, 동시 압력과 입자 크기 감소 장치 또는 마찰마모기(attrifors)를 사용하는 것에 의한 추가의 크기 감소는 종종 보다 높은 고체 증량 및 에너지 밀도를 허용한다. 연마성은 탄소성 원료보다 훨씬 개선된다. 일부 챠르의 선택적인 크기 감소는 종종 바이-모달(bi-modal) 입자 크기 분포로 인한 추가의 개선을 가져온다. 슬러리 동시 탄화 및 농축 후 다른 원료의 혼합물은 종종 특정 점도에서 그 중 하나의 슬러리 단독보다 높은 에너지 밀도를 나타낸다. CWFs의 기술 분야에 알려진 점도 개선 첨가제 중 하나 이상을 첨가하는 것이 생성 슬러리의 에너지 밀도를 최대화하기 위한 조건이다.
본 발명의 챠르 슬러리는 보일러, 가마, 소각로, 용광로, 디젤엔진 또는 가스 터빈에서 증기, 열 및/또는 전기 발생을 위한 연료로서 사용되는 것이 바람직하다.보일러는 연료용 기름 및/또는 분쇄 석탄 버너용으로 설계된 것들을 포함하여 어떤 형태(가압 또는 기본적으로 대기압)라도 무방하다. 많은 경우에서 그자체로서 또는 농축된 슬러리로서의 챠르는 가스를 합성하기 위한 개스화용 탄소 및 수소의 반응원, 메탄올, 초산 등과 같은 저분자량 유기물에 대한 촉매적 또는 생화학적 반응, 가수 분해, 재형성, 액화 또는 카본 블랙, 활성 탄소 등의 제조를 위한 원료로서 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른, 상대적으로 청정하고 무균성이며 비부식성인 챠르 슬러리는 후사용을 위한 저장 및/또는 사용 지점으로의 이송이 편리하고 저렴하게 이루어질 수 있다. 비산된 저급 연료로부터의 열 에너지는 예를 들면 상대적으로 많은 수의 장소로부터 챠르 슬러리를 점화할 수 있도록 전략적으로 위치된 열 및/또는 전력 발생 시설에서 효율적이며 집중적인 사용을 위해 이용 가능하게 된다. 또한, 챠르 슬러리는 예를 들면 슬러리가 쉽게 저장되고 열량에 비해 비교적 소량인 반면에 저급 연료 처리 시설에서도 연속적으로 작업할 수 있기 때문에 피크 전력 요구시와같이 필요한 때 사용될 수 있다.
또한, 챠르 슬러리의 사용은 열 생성에만 제한되지 않는다. 챠르는 연소 가스로 변환될 수 있는데 이것은 하나 이상의 사용지점으로 더 이송될 수 있고, 그들은 저분자량 유기 화합물을 생성하도록 액상산화될 수 있으며, 그들은 활성탄소, 카본 블랙, 탄소 섬유 또는 인조보석으로 변환될 수 있는데 모든 장소가 저급 연료가 제조되는 장소로 물리적으로 구속되는 것은 아니다.
챠르 슬러리가 그때까지 해로운 재를 제공하는 다량의 독성 금속을 함유하는 경우에는 챠르 슬러리 연료의 일차 연소 온도가 대부분 재성분의 용융점 이상으로 조정되어 재입자가 개스상에서 잠시 동안 현탁된 상태를 유지하는 용융 입자로 변환될 수 있다. 온도는 공기 추가, 재순환 가스, 열 전도에 의해 감소되므로 용융 입자는 재고형화되어 TCLP과 테스트를 통과하는 유리화(vitrified) 비산재로 된다.
본 발명은 탄소성 폐기물, 특히 MSW, RDF 및 하수 슬러지와 석탄을 동시 점화하는 새로운 차원을 제공한다. 염기성 연료의 비율은 초과의 슬래그화, 부식 또는 역 연도 가스 방출에 대한 고려 없이도 황과 질소 산화물 방출 목표를 충족하도록 조정될 수 있다. 챠르 슬러리 연료는 우수한 균일성을 가져서 동시 점화를 위해 필요한 과량의 공기가 최소화되고 보다 정밀하게 조절될 수 있도록 한다. 또한, 슬러리화 된 연료는 연료용 기름 및/또는 분쇄 석탄(PC)이 사용되는 것과 유사한 버너를 통하여 점화될 수 있고, 따라서 구형의 비효율적인 급탄기 또는 이동 화격자 보일러로만 제한되지 않는다.
따라서, 본 발명의 목적은 수입 연료에 대한 국가의 의존을 감소시키는 것이다. 본 발명은 하기의 보다 특징적인 목적을 포함한다: 저급 연료 및 탄소성 폐기물로부터 열과 전력을 얻는 개선된 수단을 제공한다; 통상의 석탄 처리 방법에 비해 작은 연료 입자의 경제적인 이용을 제공한다; 오손 및 슬래깅을 감소시키기 위하여 연료재의 연화점을 상승시킨다; MSW, RDF 또는 하수 슬러지와 같은 비정형의 고체 연료를 균일한 액체 연료로 전환시킨다; 저장 및 사용지점으로의 이송을 용이하게 하기 위해 벌크성 연료를 콤팩트하게 변환시킨다; 부패 가능한 연료를 악화 없이 저장 가능한 무균의 것으로 변환시킨다; 수분 및/또는 염소가 있는 연료의 이용 경제성을 개선시킨다; 할로겐산 가스, 할로겐-유기 오염 물질 및/또는 독성 금속을 대기로 배출하는 것을 개선한다; 잠재적으로 해로운 재를 효율적으로 그리고 연속적으로 유리화한다; MSW, RDF, 하수 슬러지 및 다른 탄소성 폐기물을 보다 우수하게 처리하며 매립되는 폐기물의 양을 최소화한다; 매립시에 잠재적인 독성 금속을 배제시킨다; 재생된 오염 탄소성 폐기물의 안전하고 경제적인 처리를 통하여 기존 매립지의 개선을 용이하게 한다; 다른 방식으로 처리 어려운 연료를 동시 점화 시킨다. 추가 목적은 첨부 도면 및 그 설명을 고려할 때 명백해 질 것이다.
도 1은 희석 슬러리화 된 저급 석탄 및/또는 탄소성 폐기물이 가압하에서 간접적인 교환에 의해 가열되어 고에너지 밀도의 저염소 챠르 슬러리 연료로 변환되는 실시예의 개략도이다.
도 2는 희석 슬러리화된 저급 석탄 및/또는 탄소성 폐기물이 단계들에서 증기로 가압 및 직접 예열되고 챠르 슬러리 생성물로부터 상응하는 단계에서 플래쉬되어 고에너지 밀도의 저염소 챠르 슬러리 연료로 변환되는 실시예의 개략도이다.
도 3은 비스코스성 슬러리화 저급 석탄 및/또는 탄소성 폐기물이 유체 및 탄소성 고체의 역류 흐름과 함께 이중 기계 스크류 반응기에서 가압, 가열 및 이송되어 고에너지 밀도의 저염소 챠르 슬러리 연료로 변환되는 실시예의 개략도이다.
도 4는 도 3의 4-4선에 따른 개략적인 단면 평면도이다.
도 1에 도시된 실시예는 물보다 무거운 비연소물 및/또는 부식 및/또는 공기 오염 결과를 갖는 염소와 같은 하나 이상의 음이온 및/또는 연소 온도 및/또는 공기 오염 결과에서 슬래깅하는데 도움을 주는 하나 이상의 양이온을 함유하는 탄소성 폐기물 및/또는 저급 석탄에 대한 본 발명의 작동을 나타낸 것이다. 거리에서의 재생 및/또는 정당한 것으로 간주되는 예비 분리에 의해 조절되거나 그리고/또는 기존 매립지로부터 재생될 수 있는 도시형 고체 폐기물(MSW)이 설명의 목적으로 사용되었다.
탄소성 폐기물이 이송수단(101)에 의해 장치로 투입된다. 보충수, 폐수 및/또는 다른 슬러리들(원 하수 슬러지와 같은)이 필요할 경우 라인(102)을 통하여 유입된다. 탄소성 폐기물은 파쇄되어 상기한, 동시 계류중인 모출원의 도 1과 관련하여 보다 상세히 기술된 습식 리소스 리커버리(wet Resource Recovery, RR)일 수 있는, 슬러리 제조부(103)에서 재생 및 보충수와 혼합된다. 슬러리 제조부(103)에서 무거운 부스러기 및 흙은 가라앉게 되고 탄소성 물질은 물보다 무거운 유리 및 다른 무기물이 그것과 분리되도록 분산된다. 제거된 물질은 도관(104)을 거쳐 장치에서 나간다. 슬러리 제조부(103)는 물보다 덜 농밀한 성분들을 분리하도록 장치될 수 있는데, 그 성분들은 다른 도관(도시되지 않음)을 통하여 슬러리 제조부에서 제거될 수 있다.
탄소성 슬러리는 기본적으로 펌핑가능한 탄소성 슬러리를 형성하도록 대부분의 물을 분리하는 일차 농축장치(105) (리프팅 스크류 또는 다른 통상의 탈수 장치)로 흐른다. 분리된 물은 일차 재순환 펌프(106) 및 라인(107)을 거쳐 슬러리 제조부(103)로 복귀한다. 슬러리 제조부(103)의 장치는 MSW와의 혼합물로 또는 간헐적인 기간동안 개별적으로 발명의 배경에 기술된 저급 석탄 및/또는 다른 탄소성 폐기물을 수용할 수 있다.
라인(108)에 의해 슬러리 제조부를 떠나는 현재 비스코스성인 탄소성 슬러리는 라인(109)으로 부터의 알칼리 용액 또는 슬러리와 합해진다. 알칼리는 탄소성 슬러리에 있는 산형성 음이온의 최소한 화학적 당량인 양으로 첨가된다. 알칼리는 산형성 음이온의 방출 및 중성화를 돕는 우수한 제제이다. 그러나, 어떤 경우에는 슬래그 형성제 및 잠재적으로 독성 금속을 포함하는 양이온의 제거가 먼저 발생할 수 있다. 그러한 경우에는 제한되지는 않지만 특정 산 및 킬레이트화제를 포함하는, 그러한 원소에 대해 효과적인 안정화제를 라인(109)을 통해 보충하거나 알칼리 첨가 대신에 대체할 수 있다.
그러나, 어떤 쉽게 가수분해된 폐기물에 있어서, 슬러리 탄화전에 첨가된 알칼리는 고체챠르의 소모로 용해성 유기생성물의 증가를 가져와서 어떤 경우에는 라인(109)으로의 알칼리 첨가를 감소 또는 제거하고 슬러리 탄화에 이어지는 또는 그 중에 하나 이상의 지점에서 산성 생성물을 중화하는 것이 바람직하게한다.
펌프와 같은 이송 장치(110)은 가스-슬러리 믹서(111)를 통하여 탄소성 슬러리를 배출하는데 충분한 압력을 제공하는데 믹서에서 슬러리는 라인(112)으로 부터의 증기-탄화가스 혼합물 및/또는 다른 고온 유체(도시되지 않음)와 접촉한다. 증기-가스 혼합물은 슬러리에 열을 직접 전달하여 그 온도를 증가시킨다. 가열된 슬러리와 비농축된 가스는 함께 서지탱크(sugetank, 113)로 흐르는데 여기에서 가스와 잔존 증기가 분리되어 라인(114)을 통하여 장치로부터 배출된다. 주로 이산화탄소인 배출가스는 열량을 가져서 일반적으로 용광로, 보일러 또는 플레어(flare)(도시되지 않음)로 전도된다. 또한, 가스와 잔존 증기는 현저하고도 잠재성인 열을 더 이용하기 위한 장치(도시되지 않음)로 전도될 수 있다. 탱크(117)는 가열수단을 포함할 수 있고 현저한 열을 보존하도록 절연될 수 있으며, 그리고/또는 하나 이상의 믹서 및/또는 슬러리 특성의 일정성을 유지하는데 도움을 주기 위해 펌프로의 재순환 라인(도시되지 않음)이 제공될 수 있다.
슬러리 제조부(103)와 나란히 또는 별도로 이송수단(101)에 의해 들어가는 것과 함께 슬러리탄화 또는 동시-슬러리 탄화되도록 화석연료 또는 탄소성 폐기물용으로 자리잡은 다른 형태의 하나 이상의 제조부(도시되지 않음)가 있을 수 있다. 예를들면, 저급석탄, 고급석탄, 다른 화석연료 및/또는 제조 및/또는 재생된 석탄 미립자들은 적절한 원료 슬러리를 제조하기 위해서 선행기술에서 잘 알려진 바와 같이 선탄(coal prep) 및/또는 연마 및 습식 정력될 수 있다. 통상의 리소스 리커버리의 생성인 고체 RDF는 단순히 연마되어 보충수 또는 재순환 수에서 분산될 수 있다. 나무 폐기물은 파쇄되어 철의 자력 분리후 펄프화될 수 있다. 하수 슬러지 또는 에멀젼과 같은 다른 폐기물 및/또는 화석연료는 수분함량의 조정만이 요구된다. 고급석탄, 특히 염소 및/또는 슬래그 형성제를 함유하는 것들도 유사하게 처리되지만 때때로 그러한 석탄 슬러리가 슬러리 탄화장치를 거치지 않고 생성 챠르 및/또는 슬러리와 혼합되는 것이 잇점이 있다. 적정하게 되었을 때 턴소성 슬러리는 이러한 서비스를 위해 설계된 하이드로클론(들)에 의해 거친입자 제거(de-gritted)될 수 있다. 무기물의 분리를 위해 실질적으로 보충의 탄소성 슬러리를 희석하는 것이 필요한 경우에 세척된 슬러리는 탈수장치를 사용하거나 이에 상당하는 단계를 가질 수 있다.
슬러리 탄화 또는 동시 슬러리 탄화되도록 하기 위하여, 선택적으로 제조된 탄소성 슬러리는 라인(115) 또는 제조부(103)와 장치(110) 사이의 라인(도시되지 않음)을 거쳐 직접 충전될 수 있다. 선택적으로 제조된 탄소성 슬러리는 라인(116)을 거쳐 탱크(113)에 추가되거나 라인(117)을 거쳐 고압충전장치(118)의 흡입라인에 추가될 수 있다. 고압충전장치(118)는 펌프, 추출기, 스크류 또는 통상의 다른 가압장치 중 하나일 수 있는데 일렬로 또는 나란히 배치된 단일 또는 복수장치일 수 있다. 혼합장치(도시되지 않음)는 충전장치(118)로의 흡입라인에 도입될 수 있다. 또한, 기본적으로 건조하거나 반-고형인 저급석탄, 탄소성 폐기물, 고급석탄 및/또는 다른 화석연료가 추가의 도관(도시되지 않음)을 거쳐 탱크로 직접 첨가될 수 있다. 충전장치(118)는 탱크(113)(어떤 경우에는 라인(117))로부터의 탄소성 슬러리를 빨아내서 그것이 이어지는 가압장치를 통하여 이동하도록 충분한 압력을 제공하며 그것을 가열할 때 기본적으로 액상으로 유지시킨다.
탄소성 슬러리는 장치(118)에서 저온 열 교환기(119)의 차가운 쪽으로 흐르는데 여기에서 슬러리는 라인(125)으로 부터의 챠르 슬러리 온도에 접근하는 온도로 간접적으로 가열된다. 열 교환기(119)로부터 부분적으로 가열된 탄소성 슬러리는 고온 열 교환기(120)의 차가운쪽으로 흐르는데 여기에서 슬러리는 라인(123)으로 부터의 챠르 슬러리온도에 접근하는 온도로 간접적으로 가열된다. 열 교환기(119,120)는 각각 일렬 또는 평행하게 배치된 단일 또는 다수 열 교환기 유니트로 이루어진다. 또한, 가열된 탄소성 고형물로부터 슬러리 물의 일부를 분리하는 장치는 임의적으로 열교환기들(119,120) 사이에 위치될 수 있다. 그러한 경우에 분리된 물은 현저한 열을 재생하기 위하여 적절한 열 교환기(도시되지 않음)로 흐르는 반면에 부분적으로 탈수된 슬러리는 열 교환기(120)로 흐른다.
고온의 탄소성 슬러리는 열 교환기(120)에서 보충을 위해 또는 열교환기(119,120)로부터의 열 교환에 대한 선택적인 것으로서 제공된 가열기(121)로 흐른다. 또한, 가열기(121)는 슬러리 탄화반응에 적절한 온도로 탄소성 슬러리의 온도를 증가시키는데 요구되는 열의 균형을 공급하므로서 간접적인 열 교환의 전도불능 및 열손실을 보충하도록 제공된다. 가열기(121)에서 필수적인 열은 증기(도 2와 관련하여 기술된, 퍼지의 용해성 유기성분의 습식산화로 부터의 가스와 혼합된 증기를 포함하여), 다우섬(Dowtherm)과 같은 열전달 유체, 점화가열기, 전기저항부품, 고온 연도 가스 또는 터빈 배기물에 의해 가열된 코일 및/또는 다른 적절한 열원에서와 같이 간접적으로 전달된다. 선택적으로, 열은 고압증기(도 2에서와 같이 퍼지의 습식산화로 부터의 증기를 포함하는)를 주입하고, 가압버너로부터의 고온연도가스를 주입하며, 그리고/또는 소량의 공기 또는 산소함유가스를 주입하므로서 가열기(121)에 있는 탄소성 슬러리로 직접 공급될 수 있다.
물리적 배치에 따라, 가열기(121)와 열 교환기(120)의 고온측 입구 사이에 파이프를 설치하는 것은 슬러리 탄화 반응이 완료되기에 충분한 시간을 제공할 수 있다. 특정 탄소성 슬러리가 제공된 것보다 상승된 온도에서 더 많은 시간을 요구할 경우에는 확대된 구역 또는 반응기(122)가 추가의 반응시간을 부여하도록 삽입될 수 있다. 가열기(121)에 의한 탄소성 슬러리로의 에너지 입력에 대한 선택적 및/또는 보충적인 것으로서 반응기(122)가 쟈켓화되어 고온 유체에 의해 간접적으로 가열되거나 고온 유체가 추가의 열 에너지를 제공하도록 고온 탄소성 슬러리와 함께 반응기로 주입될 수 있다. 또한, 라인(147)은 슬러리 탄화 반응의 평형이 챠르 생성물 쪽으로 이동될 수 있도록 형성된 반응기로부터의 탄화가스를 제거하도록 제공될 수 있다. 라인(147)을 거쳐 제거된 가스는 고온으로서 많은 증기를 함유한다. 열 경제학의 관점에서 이렇게 많은 화학적이고 현저하며 잠재적인 열은 열교환기(도시되지 않음) 또는 믹서(111)에서와 같이 탄소성 슬러리와의 간접 접촉에 의해 일반적으로 회수된다.
라인(109)을 거치는 알칼리 첨가에 선택적 및/또는 보충적인 것으로서 알칼 리가 커넥터(124)에 의해 반응구역(122)에서 떠나는 라인 또는 반응기(122)로 들어가는 라인(도시되지 않음)으로 주입될 수 있다. 이제 점성이 매우 감소된 희석 챠르 슬러리 및 탄화반응에 의해 방출된 (또는 가열제의 주입에 의해 변성된)가스는 라인(123)을 통하여 고온 열 교환기(120)의 고온측으로 흐르는데 여기에서 그들은 저온 교환기(119)에서 부분적 가열된 탄소성 슬러리에 간접적으로 열을 공급한다. 교환기(120)에서 열 전달에 의해 냉각된 챠르 슬러리 및 탄화가스는 라인(125)을 거쳐 저온 교환기(119)의 고온측으로 흐른다. 또한, 교환기(119)로부터 냉각된 챠르 슬러리는 간접적 열 교환 및/또는 물, 공기 및/또는 다른 냉각 유체(도시되지 않음)와의 직접 접촉에 의해 추가 냉각(열 교환기(119,120)에서의 냉각에 대한 선택적인 것으로서)될 수 있다. 라인(109 및/또는 124)을 거치는 일칼리 첨가에 추가 및/또는 보충적인 것으로서 알칼리가 연결부(126)에 의해 라인(125)으로 주입될 수 있다.
열 교환기(119)에서 적절한 온도로 냉각된 챠르 슬러리는 탄화가스와 함께 라인(127)을 거쳐 혼합물의 압력을 감소시키는 압력 감소 장치(128)로 흐른다. 장치(128)는 챠르 슬러리의 팽창시 발생된 유동 에너지를 이용하여 챠르 입자 크기 감소기로도 작용할 수 있다. 압력의 감소는 탄화 가스의 양을 팽창시키고, 혼합물이 가스-슬러리 분리기(129)로 흐를 때 슬러리로부터 증발된 물과 함께 증기의 포화를 증가시킨다. 분리기(129)에서 가스와 증기는 분리되어 상기한 바와 같이 라인(112)을 거쳐 믹서(111)로 흐른다.
희석 챠르 슬러리는 분리기(129)에서 라인(130)을 거쳐 챠르 농축 장치(131)로 흐른다. 농축기(131)는 원심분리기로 도시되었지만 증발기, 여과기 또는 도관(133)으로 배출되는 수분 함유 챠르으로부터, 라인(132)에 의해 떠나는 슬러리 물을 분리하는 다른 적절한 장치일 수 있다. 농축기(131)는 수분 함유 챠르를 배출 전에 라인(134)으로부터의 세척 및/또는 재순환수로 세척하도록 장착되는데 세척물은 라인(132)에서 재순환수와 합해진다.
세척물을 포함하는 재순환수는 재순환 드럼(135)에 채워지는데 그곳으로부터 재순환수는 제 2 재순환수 펌프(136)에 의해 라인(137)을 거쳐 슬러리 제조부(103)로 펌핑된다. 그러나, 일반적으로 용해성이며 현탁된 화합물이 너무 축적되는 것을 피하기 위하여 흐름조절장치(138)를 통하게 하므로서 용액 퍼지를 회수하는 것이 필요하다. 이 퍼지는 수 처리 기술에서 알려진 방법 또는 미국 특허 제 4,898,107호에 기술된 방법으로 배출전에 처리될 수 있다. 선택적으로, 퍼지는 도 2와 관련하여 기술된 바와 같이 라인(123)에 있는 고온 챠르 슬러리와 분리되어 가열기(121)에 열을 직접 또는 간접적으로 공급하기 위한 고압 증기를 제공하고 바닷물과 같은 염을 제거하도록 습식 산화된다. 또다른 것으로서 라인(137)에 있는 재순환수는 제조부(103)에 재사용하기 전에 용해되어 현탁된 물질(도시되지 않음)을 제거 또는 감소시키도록 통상의 폐수 처리 방법으로 처리될 수 있다.
도관(133)을 통하여 떨어진 수분함유 챠르는 믹서(139)에서 라인(134)으로부터의 세척 및/또는 재순환수와 혼합되는데 비율은 특정 점도의 챠르 슬러리 생성물이 제조되도록 조절된다. 생성 연료는 라인(140)을 거쳐 입자 사이징(sizing)장치(141)로 흐르는데 여기에서 소정의 직경보다 큰 입자가 분리되어 도관(142)을 거쳐 크기 감소 장치(143)로 (필요한 경우 물의 도움으로) 흐르는데 이곳에서 입자 크기가 감소된 슬러리는 재순환 슬러리 펌프(144)에 의해 장치(141)로 복귀한다. 이러한 크기 감소 순환에 의해 슬러리에 있는 챠르 입자의 최대 크기는 소정 크기 범위 내로 되는데 슬러리는 도관(145)을 거쳐 저장 탱크(146)로 배출된다. 여기에서 슬러리가 후 사용 또는 판매를 위해 축적된다. 탱크(146)는 그 성분 함량을 일정한 상태로 유지하기 위해 믹서 또는 순환기(도시되지 않음)와 함께 장착되는 것이 바람직하다. 원할 경우 고급 석탄, 오리멀젼 및/또는 디젤유와 같은 액체 연료를 포함하는 화석 연료(건조, 반 고형 및/또는 이미 만족스러운 에너지 밀도를 갖는 슬러리)가 탱크(146)에서 생성된 챠르 슬러리와 혼합될 수 있는데 이것은 슬러리 탄화를 위한 순환을 갖지 않는다.
생성된 챠르 슬러리는 현지에서 또는 발전시설 또는 챠르 입자 가공 시설과 같은 사용지점(152)으로 파이프라인, 트럭, 선박 등으로 그것을 이송하는 후사용을 위해 탱크(146)에 저장된다.
기술된 입자 사이징은 어떤 경우에 크기가 큰 입자의 통과를 방지하고 명세에 따라 감소시키는 단일 전원 정류 장치에 조합될 수 있다. 한편, 선택된 크기 범위로 재연마하는 것은 때때로 최적의 입자 크기 분포를 확고히 하기에 바람직하여 최대 고체 충전을 허용하고 소정의 점도로 최대 에너지 밀도를 생산하게 한다.
슬러리 제조부(103)에서 수행된 밀도 분리로 인하여 무기불순물이 이미 감소되었음에도 불구하고 슬러리 탄화반응 및/또는 이어지는 기계적 정류로 인한 심한 입자크기 감소는 어떤 경우에 하아드로클론, 공기 부유 또는 디-그리팅을 위해 통상적으로 사용된 형태의 다른 장치에 의해 반응기의 하류 그리고 바람직하게는 분리장치(131)의 상류 지점에서 분리(밀도, 다른 물리적 및/또는 화학적 특성에 의해)될 수 있는 추가적인 무기 물질을 없앨 수 있다.
챠르 슬러리에 하류 장치를 혼잡하게 할 수 있는 큰 입자가 없다면 입자 사이징 순환로(141-144)는 없앨 수 있다. 원료가 많은 양의 추출 가능한 음이온 또는 양이온을 함유하고 있지 않은 경우에는 챠르 슬러리가 기본적으로 완전히 분리되어 청정수에서 재슬러리되기 보다는 소정의 점도로 단순히 농축될 수 있다. 선택적으로 입자 사이징 순환로(141-144)는 챠르 농축 장치(131)의 상류에 위치될 수 있다.
실시예 1
도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따라서 미네소타, 씨프 리버스 폴스(Thief Rivers Falls, Minnesota)에 있는 건식 리소스 리커버리 시설에서 제조된 압축 RDF를 1/8인치(0.3㎝)입자 크기로 파쇄하고 소듐 하이드록사이드와 혼합하고 물로 300cP(100㎐ 감소)의 점도를 갖는 7.2wt.%농도로 슬러리화 했다. 원료 RDF 슬러리는 36.2wt.%의 건성 산소함량과 함께 560Btu/lb 슬러리의 보다 높은 열량 (310㎉/㎏ 슬러리)을 가졌다.
원료 RDF 슬러리는 원심분리기 및 호스 다이아프렘 펌프를 사용하여 연속적인 625lb/시간 (285㎏/hr) 시험 시설에 가압 충전시켰다. 슬러리를 세 개의 전기 다우섬 유체 가열기로 예열하고 그 압력 및 온도를 반응기에서 유지시켰다. 반응기로부터 챠르 슬러리를 냉각하고 플래싱하여 압력을 대기압으로 하였다. 플래쉬된 증기와 가스는 수냉 응축기에서 더 냉각되어 응축불가능한 가스는 플레어되고 응축물은 저장 탱크로 펌핑된다. 가압 해제된 챠르 슬러리는 필터프레스에서 탈수되고 그 입자는 마모기에서 감소되었다.
실험 시설 시험 조건으로 챠르 생성물을 얻어서 이 생성물을 물로 500cP의 명목상 점도(100㎐ 감소), 6600Btu/lb 슬러리의 열량(3,670㎉/㎏ 슬러리) 및 13.9wt.%의 건조 산소 함량을 갖는 51.8wt.% 총 고형물로 재구성했다. 동시에 이 시험 조건은 94%를 초과하는 염소 추출을 이루었는데 이것은 필터 프레스에서 세척하므로서 더 증가되었다. 또한, 분석된 질소, 황, 티타늄, 칼슘, 소듐, 포타슘 및 미량 금속인 수은, 안티몬, 비소, 카드뮴, 납, 코발트, 구리, 망간 및 아연은 챠르 생성물에서 매우 감소했다.
이러한 결과를 토대로, 본 발명의 도 1 실시예와 일치하는 500톤/일의 MSW(주성분으로서 수용된)의 작동을 컴퓨터 시뮬레이트화 했다. 기설정된 실시에 따라 장치의 크기도 만들었고 비용도 예상했다. 설치 비용도 마찬가지로 컴퓨터화했다. 3690만 달러의 총 자본금이 15% 우발적 사고 준비금을 포함하여 습식 리소스 리커버리를 갖는 통합 시스템에 대하여 계산되었다. 첫 해 작업 및 유지 비용은 자본금, 채무이자 및 감가 상각을 포함하여 1140만 달러인 것으로 예상되었다. 이것은 회수된 재생물 또는 생성 연료 슬러리의 판매에 대한 대변 없이 MSW의 69 달러/톤에 해당한다. 연료가 1.95달러/백만 Btu의 판매가를 갖는다고 예상하면 순작업비는 MSW 톤당 42달러로 감소된다.
시험 시설 실험 및 상업적인 시뮬레이션의 상세한 사항은 도시 고체 폐기물 처리 및 매립 마니닝의 혁신적 기술이라는 제목의 보고서로 U.S. EPA에 보고되었다.
도 2는 저급 석탄 및/또는 탄소성 폐기물 처리와 관련한 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 것이다. 이 실시예는 도 1에 도시되어 설명된 몇몇 특징을 사용한다. 도 1의 제조단계는 알칼리 또는 용해제의 첨가, 무기물의 제거, 함수량의 조정, 입자 크기의 감소 및/또는 탄소성 폐기물, 저급 석탄, 다른 화석 연료 및 이들의 혼합물의 혼합을 포함한다.
도 2에서, 제조된 비스코스성 탄소성 슬러리는 라인(201)을 통하여 장치로 충전된다. 탄소성 슬러리는 가스-슬러리 믹서(202)로 흘러서 여기에서 라인(203)으로부터의 증기-가스 혼합물 및/또는 다른 고온 유체(도시되지 않음)와 접촉한다. 증기-가스 혼합물은 슬러리에 열을 직접 전달하여 그것의 온도를 증가시킨다. 예열된 슬러리는 제 1단계 액체 가압장치(204)로 흐른다. 장치(204)는 두 개의 흐름이 제 2믹서(206)에서 합쳐지는 라인(205)에 있는 플래시 증기-가스 압력 아래로 슬러리의 압력을 증가시킨다. 어떤 비응축 가스와 응축 증기는 희석되어 슬러리의 온도를 상승시키는데 이것은 제 2 가압 장치(207)로 흐른다. 장치(207)는 두 개의 흐름이 제 3믹서(209)에서 합쳐질 수 있는 라인(208)의 플래쉬 증기-가스 압력보다 아래로 슬러리의 압력을 증가시킨다. 어떤 비응축 가스 및 응축 증기는 더 희석되어 슬러리의 압력을 증가시키는데 이것은 제 3 가압 장치(210)로 흐른다. 장치(210)는 두 개의 흐름이 제 4 믹서 (212)에서 합쳐질 수 있는 라인(211)의 플래쉬 증기-가스 압력보다 아래로 슬러리의 압력을 더 증가시킨다. 어떤 비응축 가스 및 응축 증기는 더 희석되어 슬러리의 온도를 증가시키는데 이것은 제 4 가압 장치(213)로 흐른다. 장치(213)는 두 개의 흐름이 제 5 믹서(215)에서 합쳐질 수 있는 라인(214)의 플래쉬 증기-가스 압력보다 아래로 슬러리의 압력을 더 증가시킨다. 어떤 비응축 가스 및 믹서(215)에서 응축된 증기는 더 희석되어 슬러리 탄화 반응에 바람직하게 슬러리의 온도를 상승시킨다.
고온 탄소성 슬러리는 장치(202)로부터 믹서(215)를 통하는 직접적인 가열에 대한 보충 또는 선택적인 것으로 제공된 가열기(216)로 믹서(215)로부터 흐른다. 가열기(216)에서 필수적인 열은 외부원으로부터의 증기, 다우섬과 같은 열전달 유체, 점화가열기, 전기 저항 부품, 고온 연도 가스 또는 터빈 배기물에 의해 가열된 코일 및/또는 다른 통상적인 열원에서와 같이 간접적으로 전달된다. 선택적으로, 열은 외부원으로부터의 고압 증기 주입, 가압 버너로부터의 고온 연도 가스 주입 및/또는 소량의 공기 또는 산소 함유 가스의 주입을 통하여 가열기(216)에 의해 탄소성 슬러리로 직접 공급될 수 있다.
가압 장치(204,207,210 및 230)가 상세하게 도시되어 설명되었지만 그들중 둘 이상은 단일 장치의 개별적인 부품을 포함할 수 있으며 공유전원에 의해 구동될 수 있다. 또한, 장치는 도시되어 설명된 4개의 가압장치보다 많게 또는 적게 구성될 수 있다. 가압 장치는 펌프, 추출기, 스크류, 다른 통상의 가압 장치 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.
비응축 가스는 믹서들(202,206,209,212 및/또는 215) (도시되지 않음) 바로 다음에서 주 흐름에서 분리 제거될 수 있다. 제거된 비응축 가스는 어떤 남아 있는 화학적, 현저하고/또는 잠재적인 열을 이용하기 위하여 용광로, 보일러 및/또는 다른 장치(도시되지 않음)로 안내될 수 있다. 또한, 가열된 슬러리는 가압장치(204,205) 사이에서 처리가능한 점도로 탈수(도시하지 않음)될 수 있다. 제거된 수분은 현저한 열을 이용하기 위하여 장치로 안내되고/또는 제조부로 재순환(도시되지 않음)될 수 있다.
물리적 배치에 따라 가열기(216)와 가스 슬러리 분리기(220) 사이에 파이프를 설치하는 것은 슬러리 탄화 반응이 완료되기에 충분한 시간을 제공할 수 있다. 특정 탄소성 슬러리가 제공된 것보다 상승된 온도에서 더 많은 시간을 요구할 경우에 확대된 구역 또는 반응기(217)가 추가의 반응 시간을 부여하도록 삽입될 수 있다. 반응기(217)는 방출된 탄화가스를 분리하여 라인(도시되지 않음)을 거쳐 제거하도록 장착될 수 있다. 가열기(216)에 대한 선택적 및/또는 보충적인 것으로서 반응기가 쟈켓화되어 고온 유체에 의해 간접적으로 가열되거나 고온 유체가 추가의 열에너지를 제공하도록 고온 탄소성 슬러리를 유지하는 반응기로 주입될 수 있다(도시되지 않음).
어떤 쉽게 가수분해된 탄소성 폐기물에 있어서 슬러리 탄화전에 첨가된 알칼리는 고체 챠르의 소모로 용해성 유기 생성물의 증가를 가져와서 제조부에서 알칼리 첨가를 감소 또는 제거하고 슬러리 탄화 후 또는 그 중에 하나 이상의 지점에서 산성 생성물을 중성화시키는 것이 바람직하도록 할 수 있다. 슬러리 탄화 생성물 라인(218)을 거쳐 반응기(217)를 떠나므로 선택적인 연결부(219)는 알칼리 용액 또는 슬러리의 주입을 허용하고 또는 알칼리가 반응기(217)로 들어가는 라인(도시되지 않음)으로 주입될 수 있다.
라인(218)은 도시되었지만 반드시 플래쉬 탱크형일 필요는 없는 가스-액체 분리기(220)로 배출한다. 분리기(220)에서 슬러리 탄화에서 형성되고 주입된(그리고/또는 이어서 설명되는 용해성 유기 생성물의 습식 산화에 의해 생성된) 가스를 포함하는 가스는 분리되어 라인(221)을 통하여 장치로부터 배출된다. 라인(221)에 있는 가스는 고온으로서 많은 증기를 함유한다. 열 경제학의 관점에서 이렇게 많은 화학적이고 현저하며 잠재적인 열은 열 교환기(도시되지 않음) 또는 라인(201)에서와 같이 탄소성 슬러리와의 직접적인 접촉(도시되지 않음)에 의해 회수된다. 이러한 흐름으로부터 응축가능한 증기는 상대적으로 순수한 물의 잠재적으로 가치 있는 근원을 나타낸다.
분리기(220)로부터의 챠르 슬러리는 라인(222)을 거쳐 제 1단계 액체-고체 분리기(223)로 흐르는데 그곳으로부터 넘치는 것은 제 2단계 액체-고체 분리기(224)로 흐른다. 분리기(223,224)는 필수적이지는 않지만 하이드론 형태로 도시되었다. 단계의 수 뿐만 아니라 단계들 사이의 흐름 배치는 물론 필요할 경우 변경될 수 있다. 가능한 최대 범위까지 고체 챠르는 분리기(223,224)의 조합된 저류로서 순수한 재순환 수(용해된 가스를 함유할 수 있는)와 함께 배출되는데 이것은 용해성 유기 및 무기 화합물의 퍼지에 상응하는 분리기(220)로부터의 수성 액체의 일부를 순 과류로서 취하도록 작동된다.
밀도차에 기초하여 분리 장치의 과류로서 퍼지를 취하는 추가의 이유가 있다. 고체 챠르의 생산량을 최대로 하고 이산화탄소로의 가스 생성을 제한(가능한 한)하는 조건에 대하여 신중한 고려를 함에도 불구하고 슬러리 탄화는 열분해의 형태로서 이것은 소량의 기름 및/또는 타르를 가져올 수 있다. 또한, 적은, 특히 안정한 폴리머는 분해에 저항하여 남아 있을 수 있다(그러나 그 온도에서는 액체이다). 이러한 비용해성이며, 고융점의 물질은 생성물이 냉각될 때 하류 장치에서 플러깅(plugging)을 야기할 수 있다. 그러나, 물보다 덜 응축되면 그들은 퍼지를 수반하여 물 및 용해성 유기물과 함께 습식 산화에 의해 파괴되도록 보내져서 공정에 유용한 열을 발생시킨다.
분리기(224)로부터의 과류의 압력은 펌프(225)에 의해 증가되는데 이 펌프는 믹서(226)로 퍼지 흐름을 배출시키고 이 믹서에서 그것은 라인(227)으로부터의 압축된 산소 함유 가스와 혼합되어 가능한 범위까지 과류에 있는 유기물을 이산화탄소와 물로 산화시킨다. 확장된 구역 또는 반응기(228)는 소정 수준의 산화를 위한 충분한 시간을 제공하도록 삽입된다. 산화는 물의 약간이 증기로 변환되도록 혼합물의 온도를 상승시키는데 충분한 열을 방출한다.
무기 화합물이 용해 및/또는 슬러리화(염수)되는 고온 증기, 가스 및 물의 혼합물은 라인(229)을 거쳐 증기-염수 분리기(230)로 흐른다. 필수적이지는 않지만 플래쉬 탱크로 도시된 분리기(230)에서 증기와 가스는 분리되어 압력조절 장치(231) 및 라인(214)을 거쳐 믹서(215)에서 예열 슬러리(상기 설명한)와 합쳐져서 그것을 가열하도록 떠난다. 분리기(230)에서 분리된 염수는 압력감소 장치(232)를 거쳐 공정을 떠난다. 이것 역시 적절한 열 전달 장치에서 회수되어 배출을 위해 처리되어야 하는 현저한 고수준의 열을 함유한다.
라인(227)으로부터 주입된 산화제가 공기라면 분리기(230)를 떠나는 증기삼은 다소의 질소를 함유하는데 이것은 반응기(217)를 통하여 분리기(227)로 충분히 가열된 슬러리를 수반한다. 발생된 산화의 질소 및 슬러리 탄화 가스에 추가된 이러한 질소의 부분 압력은 물의 포화 압력보다 다소 높은 압력이 가압장치(213)에서 분리기(220,230) 사이에 유지되는 것이 요구된다. 또한, 가스 포화의 증기로서 열의 손실은 산화제가 상업적인 산소일 경우 더 크다. 산화제의 선택은 일반적으로 지역 경제, 특히 구매하는 산소의 값에 의해 결정된다.
하아드로클론(223, 224)의 저류는 라인(233)을 거쳐 압력감소 장치(234)로 흐른다. 장치(234)를 통한 압력의 감소는 혼합물이 제 1단계 챠르 슬러리 분리기(235)로 흐르기 때문에 일부의 챠르 슬러리 물( 및 가능하게는 가스들)은 증기 및 가스로 플래쉬하게 한다. 분리기(235)에서 증기는 액체 슬러리로부터 분리되어 상기한 바와 같이 라인(211)을 거쳐 믹서(222)로 흐른다. 물 일부의 플래쉬에 의해 부분적으로 냉각 및 농축된 슬러리는 분리기(235)의 하부로부터 제 2 압력감소 장치(236)로 흐른다.
장치(236)를 통한 압력의 감소는 혼합물이 제 2단계 챠르 슬러리 분리기(237)로 흐르기 때문에 챠르 슬러리 물(가능하게는 용해된 가스)의 다른 일부가 증기 및 가스로서 플래쉬되게 한다. 분리기(237)에서 증기는 액체 슬러리로부터 분리되어 상기한 바와 같이 라인(208)을 통하여 믹서(209)로 흐른다. 물 일부의 플래쉬에 의해 부분적으로 냉각 및 농축된 슬러리는 분리기(237)의 하부로부터 제 3 압력 감소 장치(238)로 흐른다.
장치(238)를 통한 압력의 감소는 혼합물이 제 3단계 챠르 슬러리 분리기(239)로 흐르기 때문에 챠르 슬러리 물(가능하게는 용해된 가스)의 또다른 일부가 증기로 플래쉬되게 한다. 분리기(239)에서 증기는 액체 슬러리로부터 분리되어 상기한 바와 같이 라인(205)을 거쳐 믹서(206)로 흐른다. 물 일부의 플래쉬에 의해 대기 비등점의 약간 위로만 냉각되어 농축된 슬러리는 분리기(239)의 하부로부터 어큐뮬레이터(240)로 흐르는데 그곳으로부터 추가적인 소량의 증기가 방출되어 챠르 슬러리를 대기 비등점으로 냉각시킨다. 어큐뮬레이터(240)로부터의 증기는 상기한 바와 같이 라인(201)을 거쳐 믹서(202)로 들어오는 탄소성 슬러리에 혼합되도록 라인(203)을 거쳐 안내된다.
챠르 슬러리 분리기(235,237,239)는 필수적이지는 않지만 플래쉬 탱크로 도시되었다. 그들의 하부 연결부에는 적절한 슬러리 레벨을 유지하여 증기가 이 방향으로 나가는 것을 막기 위하여 밀폐 폿트(도시되지 않음)가 장착될 수 있다.
많은 수분과 용해된 화합물이 장치(223,224,235,237,239,240)에 있는 챠르 슬러리로부터 제거되었지만 챠르 슬러리를 소정의 점도로 더 농축할 필요가 있을 수 있다. 그럴 경우, 희석 챠르 슬러리는 분리기(240)로부터 라인(241)을 통하여 챠르 농축 장치(242)로 흐른다. 장치(242)는 원심분리기로 도시되었지만 도관(244)으로 배출되는 함습 챠르와 라인(243)으로 떠나는 슬러리 물을 분리하는 증발기, 필터 또는 다른 통상의 장치도 될 수 있다. 장치(242)는 배출 전에 라인(245)으로부터의 청정수 및/또는 재순환 수로 함습 챠르를 세척하도록 장착될 수 있는데 세척물은 라인(243)에 있는 재순환 수와 합해진다.
세척물을 포함하는 재순환 수는 재순환 드럼(246)에 축적되는데 그것으로부터 다시 재순환 수 펌프(247)에 의해 라인(248)을 거쳐 슬러리 제조부 또는 재순환 수 처리기(도시되지 않음)로 펌핑된다. 물 재고를 조절하고/또는 용해 현탁된 화합물의 과량 축적을 피하기 위하여 장치(232)로부터 제거된 염수 슬러리에 추가로 흐름 조절 장치(249)를 통하여 용액 퍼지를 빼내는 것이 필요할 수 있다. 이러한 퍼지는 수처리 기술에서 잘 알려진 방법으로 또는 미국 특허제 4,898,107호에 기술된 방법으로 배출 전에 처리될 수 있다. 라인(248)으로부터의 재순환 수는 제조부(도시되지 않음)에서 재사용하기 전에 용해되어 현탁된 물질을 제거 및 감소시키기 위하여 통상의 폐수 처리 방법으로 처리될 수 있다.
도관(244)을 통하여 떨어지는 함습 챠르는 믹서(250)에서 라인(245)으로부터의 청정 및/또는 재순환 수와 혼합되는데 그 비율은 정해진 점도의 챠르 슬러리 생성물을 제조하도록 조절된다. 장치(233,235,237)의 작동으로부터 기인하는 팽창 및 높은 점도는 입자의 많은 파쇄를 가져올 수 있다. 그럼에도 불구하고, 추가적인 입자 크기 감소를 제공하는 것이 필요할 수 있다. 그럴 경우, 생성 연료는 라인(251)을 통하여 입자 사이징 장치(252)로 흐르는데 여기에서 소정의 크기보다 더 큰 입자들은 분리되어 도관(253)을 거쳐 크기 감소 장치(254)로 (필요할 경우 물의 도움으로) 흐르고 이곳으로부터 감소된 크기의 입자 슬러리가 재순환 슬러리 펌프(255)에 의해 장치(252)로 복귀한다. 이러한 크기 감소 순환에 의해 챠르 슬러리에 있는 챠르 입자의 최대 크기는 소정의 범위 내로 유지되고 그것은 도관(256)을 거쳐 생성물 저장 탱크(257)로 배출되고 여기에서 후사용 및 판매를 위해 축적된다. 탱크(257)에는 믹서(들)이 장착될 수 있거나 그 내부는 일정한 상태로 유지하기 위하여 재순환될 수 있다(도시되지 않음). 고급 석탄, 오리멀젼 및/또는 다른 화석 연료(건성, 반고형 및/또는 이미 만족스러운 에너지 밀도를 갖는 슬러리)를 혼합하는 것이 바람직할 경우 슬러리 탄화를 피해서 탱크(257)에서 처럼 생성 챠르 슬러리와 혼합하는 것이 가능하다.
도 2에 도시된 상기 입자 사이징 장치(252-255)는 어떤 경우에 과크기 입자의 통과를 방지하고 설명서에 따른 크기로 감소시키는 단일 전원 정류 장치에 조합될 수 있다. 한편, 선택된 크기 범위의 재연마는 종종 최대 고체 충전을 허용하고 소정의 점도로 최대 에너지 밀도를 생산하는 최적 입자크기 분포를 고정시키기에 적합할 수 있다.
슬러리 제조부(도시되지 않음)에서 수행된 밀도 분리로 인하여 무기 불순물이 이미 감소 되었음에도 불구하고 슬러리 탄화 반응 및/또는 이어지는 기계적 정류로 인한 심한 입자 크기 감소는 어떤 경우에, 공기 부유 또는 디-그리팅을 위해 통상적으로 사용된 형태의 하아드로클론과 같은 다른 장치에 의해 반응기의 하류 그리고 바람직하게는 분리장치(131)의 상류 지점에서 분리(밀도, 다른 물리적 및/또는 화학적 특성에 의해)될 수 있는 추가적인 무기 물질을 없앨 수 있다.
챠르 슬러리에 하류장치를 막히게 할 수 있는 큰 입자가 없다면 입자 사이징 순환로(252-255)는 없앨 수 있다. 원료가 많은 양의 추출가능한 음이온 또는 양이온을 함유하고 있지 않은 경우에는 챠르 슬러리가 기본적으로 완전히 분리되어 청정수에서 재슬러리화 되기 보다는 소정의 점도로 단순히 농축될 수 있다. 선택적으로 입자 사이징 순환로(252-255)는 챠르 농축장치(242)의 상류에 위치될 수 있다.
도시 및 설명의 간편성을 위하여 도 2는 3단계의 챠르 슬러리 압력 감소를 도시하고 있다. 전체 압력 감소가 분할되는 더 많은 단계들은 더 가까운 시스템이 이상적인(역으로 할 수 있는) 열교환이 이루어질수록 반응기(228) 및/또는 가열기(216)에서 발생하는 산화로부터 열이 덜 요구된다. 산화열은 수용성 유기 화합물의 생성, 원료의 작용, 탄화 온도 및 시간 및 알칼리의 선택 및 첨가 지점에 좌우된다. 일반적으로, 용해성 유기물의 최소 생성을 나타내는 고체 챠르 생성을 최대화시켜야한다. 용해성 유기물이 적으면 적을수록 더 많은 수의 플래쉬 단계들이 시스탬의 내부적 열균형(가열기(216)의 도움 없이)을 이루는데 요구된다. 이러한 숫자는 종종 3개 이상이 될 수 있다. 산화로부터 이용가능한 열은 그 압력을 조절하므로서 조정될 수 있다. 보다 높은 압력이 염수로서 거절된(증기로 덜 변환된) 물의 증가를 가져온다. 배출된 염수에 있는 물이 이상적으로 공정으로부터 자유롭게 흐르는 것을 보장하기에 충분하지만 열 및/또는 물 균형을 유지하기에 더 많은 물을 거부할 필요가 있을 수 있다. 조절의 또다른 수단은 퍼지율, 즉 펌프(225)에 대하여 하아드로클론 과류로 취해진 흐름의 비율을 변화시키는 것이다. 낮은 비율의 퍼지는 유기물 및 염의 보다 높은 농도를 가져오고 이는 역으로도 발생한다.
라인(201)에 있는 탄소성 슬러리는 비스코스성인 것으로 기술되었다. 점도는 농도의 작용이므로 얼마나 많은 물이 탄화 온도로 가열되어 냉각되어야 하는지, 다시말하면 얼마나 많은 열이 전달되어야 하는지의 측정이다. 대부분의 이러한 전달이 열교환을 통하여 발생하는 도 1과 같은 실시예에서 점도는 열전달율 및 요구도는 열전달 표면의 양을 측정하는 중요한 요인이다. 그러한 표면 설치의 양과 비용은 점도와 같이 빠르게 증가한다. 대향하는 인자들은 균형이 맞아야 한다: 점도가 높으면 높을수록 효율이 더 낮고 열전달율도 더 빈약해진다(그리고 가능하게는 부패되는 경향이 더 커진다). 따라서, 전하 점도는 크게는 경제 문제이다.
도 2에 도시된 실시예는 열교환기 없이 인/아웃, 가열/냉각 의무를 수행하므로서 도 1의 실시예에 영향을 주는 중요한 점도 구속을 피할 수 있다. 도 2 실시예에서, 슬러리 탄화에 보다 농축된 슬러리는 충전할 수 있는데 이것은 파스테 또는 슬러지의 농도를 가질 수 있다. 가열 중에 점도는 온도 및 희석 그리고 자체의 슬러리 탄화 반응에 의해 반복적으로 낮아진다는 것을 알 수 있다. 따라서, 가장 경제적인 전하 점도(농도)는 이것이 항상 그렇게 필수적이지는 않지만 자주 더 높게 된다. 고려하여야할 요인으로는 다음과 같다: 가열/냉각 의무는 단순히 물과 증기를 주위로 이동시키므로서 수행될 때는 비용이 많지 않은데 하아드로클론이 상대적으로 낮은 점동서 보다 효과적이다.
실시예 2
실시예 1에서 보고된 실험 시설 결과에 기초한 제 2 컴퓨터 시뮬레이션에서 도 2에 도시된 발명의 실시예와 같은 500톤/일의 MSW(성분으로 받은)시설이 컴퓨터에 시뮬레이트되었다. 설정된 기준에 따라 장치의 크기를 맞추고 비용을 견적했다. 설치비용도 마찬가지로 컴퓨터화되었다. 2950만 달러의 총 자본금이 15% 우발적 사고 준비금을 포함하여 습식 리소스 리커버리를 갖는 통합시스템에 대하여 계산되었다. 첫 해 작업 및 유지 비용은 자본금, 채무이자 및 감가상각을 포함하여 1050만 달러인 것으로 예상되었다. 이것은 회수된 재생물 또는 생성 연료 슬러리의 판매에 대한 대변 없이 MSW의 63달러/톤에 해당한다. 연료가 1.95달러/백만 Btu의 판매가를 갖는다고 예상하면 순 작업비는 36달러/톤 MSW로 감소한다.
시험 시설 실험 및 상업적인 시뮬레이션의 상세한 사항은 도시고체 폐기물 처리 및 매립 마이닝의 혁신적 기술이라는 제목의 보고서로 US EPA에 보고되었다.
도 3은 슬러리 가열/냉각 의무를 최소화하고 직접적으로, 즉 열전달 표면 없이 전달을 수행하는 본 발명의 또다른 실시예를 도시한 것이다. 이 실시예는 도 1에 도시되어 설명된 몇몇 특징을 사용한다. 도 1의 제조 단계는 알칼리 또는 용해제의 첨가, 무기물의 제거, 함수량의 조정, 입자 크기의 감소 및/또는 탄소성 폐기물, 저급 석탄, 다른 화석 연료 및 이들 혼합물의 혼합을 포함한다. 가장 간단한 개념으로서 도 3의 실시예는 기계적 스크류를 사용하여 탄소성 고체를 유체 압력 구배에 대항하여 이동시키는데 여기에서 탄소성 고체와 직접 접촉하는 고온 유체의 열 함량은 탄소성 고체에 전달되므로서 소정의 가열을 야기하고 슬러리 탄화 반응을 가져온다.
도 3에서, 제조된 비스코스성 탄소성 슬러리는 라인(301)을 거쳐 장치로 연속적으로 충전되고 가압장치(302)에 의해 선택된 작업 압력으로 가압된다. 가압장치는 펌프, 스크류, 추출기, 다른 통상의 가압장치 또는 이들의 조합일 수 있다. 가압 장치(302)로부터 가압된 비스코스성 슬러리는 두 개의 수직 회전 스크류(304,305)를 포함하는 가압 용기 또는 반응기(303)로 흐른다. 스크류(304,305)는 각 스크류와 인접한 용기벽 사이로의 유체 흐름을 제한하는 형태인 역회전 스크류이다. 스크류(304,305)는 용기(303) 내의 중심에 있어서 각 스크류 블레이드의 모서리가 다른 스크류의 코어에 거의 닿도록 한다. 이 스크류들은 서로 조화롭게 회전하여 스크류 플리트들(flites) 사이에 형성되 폐쇄량이 용기(303)의 보다 높은 유압 단부를 향하여 이동하도록 한다. 용기(303)는 스크류(304,305) 둘레에 있는 동축 실린더와 같은 형태로 되어 있어서 스크류 플리트와 용기벽 사이에 최소의 유격이 있도록 한다. 용기(303)와 스크류(304,305)는 도 4에 도시되었다.
상기 설명한 바와 같이, 라인(301)을 거쳐 탄소성 슬러리가 용기(303)로 충전되도록 하기 위해서는 효율적으로 가압되도록 충분히 희석되어야 한다. 장치(302)에 의해 가압되어 용기(303)로 이송되었을 때 희석 슬러리는 대부분의 이송수를 스크린(344)을 통하여 제거하므로서 농축된다. 압력조절장치(308)은 충분한 차이의 압력이 스크린(344)을 가로질러 발생하도록 작동되므로서 이송수가 용기(303)의 압력을 감소시키지 않고 제거되도록 한다. 스크린(344)을 통한 이송수의 흐름은 슬러리에 있는 탄소성 고체가 스크린의 상류측에서 농축되게 하는데 이들은 점진적으로 스크류 플리트(304,305)의 회전에 의해 상향 이송된다.
점선(306)은 농축된 슬러리의 상향 흐름으로 유체 역류의 하향흐름이 없거나 최소한으로 있는 용기(303)의 횡단구역을 나타낸다. 이러한 슬러리의 농축은 스크류 플리트 피치가 점진적으로 더 짧게 이루어져서 회전 스크류에 상향으로 힘이 가해질 때 슬러리가 기계적 작용에 의해 압착되도록 이 라인 아래에 한 구역을 제공하므로서 이루어질 수 있다. 이렇게 압착된 슬러리는 기본적으로 용기(303)의 이러한 구역에서 하향 유체 흐름을 방지한다. 구역(306) 위에 있는 스크류 플리트는 보다 큰 피치를 가져서 상향으로 이송된 탄소성 고체부분의 기계적 압력이 풀리게 하므로서 슬러리가 유체를 다시 얻도록 한다. 이렇게 더 희석된 슬러리는 유체압력구배가 상향 이송된 고체로 유체 역류의 하향흐름을 야기하도록 한다. 이러한 하향 흐름 유체는 구역(306) 아래로 흐를 수 없기 때문에 필터 스크린(345) 및 라인(309)을 통하여 용기를 나가야 한다. 조절밸브(310)는 용기(303)의 작업압력을 유지하도록 단지 충분한 물만을 제거하도록 작동된다.
탄소성 고체는 기준선(306) 위에서 약간의 물을 얻도록 되는데 그 농도는 고온의 물이 다시 하향유동되도록 낮아진다. 탄소성 고체는 스크류(304,305)에 의해 용기(303) 위로 이송되기 때문에 그들은 하향하여 흐르는 열수와 접촉하여 소정의 슬러리 탄화온도로 가열되며 하향하여 흐르는 열수의 온도에 접근한다. 용기의 양 및 스크류의 회전속도는 기본적으로 이러한 소정의 열전달을 이루기에 충분한 시간을 제공하도록 선택된다.
조건에 대한 신중한 고려에도 불구하고 슬러리탄화는 소량의 기름 및/또는 타르를 생성할 수 있는 열분해의 형태이다. 이러한 타르 및/또는 오일은 하향유동하는 물이 냉각될 때 하류의 장치를 막을 수 있는 상대적으로 고용융의 물질로서 그들은 잠재적인 재순환 수처리 비용을 대표한다. 이러한 것을 방지하기 위하여 기준선(311) 아래의 열수의 하향 유동은 열수의 일부 또는 많은 부분이 라인(312)을 거쳐 제거되도록 스크류(304,305)의 피치를 바꾸므로서 제한될 수 있다. 압력조절장치(313)는 라인(312)에서 열수의 유동 속도를 조절하고 상기 기준선(311) 위의 용기(303)의 시스템 압력을 조절한다. 스크류(304,305)와 용기(303) 사이의 제 3 필터스크린(346)은 탄소성 고체가 열수와 함께 용기(303)에서 나가는 것을 방지한다. 필터스크린은 그 위에 탄소성고체의 축적을 방지하기위해 스크류(304,305)의 플리트에 의해 닦여진다. 라인(312)을 거쳐 제거된 슬러리 물의 일부는 통상적인 방법 및/또는 도 2와 관련하여 기술된 바와 같은 습식 산화로 생성된 타르 및/또는 오일을 제거 및/또는 파괴하도록 퍼지 및/또는 처리될 수 있다. 필요한 경우, 제거되어 처리된 적절한 온도의 열수는 충분한 열, 탄소성 고체 농축 및 하향 물 유동을 제공하기 위하여 기준선(311)아래의 지점에 있는 라인(343)을 거쳐 용기(303)로 재주입될 수 있다.
기준선(311) 위에서 탄소성 고체는 약간의 물을 얻게되는데 그 농도는 열수가 다시 하향 유동될 수 있도록 낮아진다. 열 손실 및 열 교환의 전도 불능을 보충하기 위하여 열수, 고압증기 또는 다른 고온의 유체가 라인(314)을 통하여 주입된다. 또한, 용기(303)는 쟈켓화되어 라인(314)을 통한 에너지 투입(도시되지않음)을 보충하기 위해 그리고/또는 선택적인 것으로서 고온유체에 의해 간접적으로 가열될 수 있다.
두 개의 스크류를 갖는 용기에 위치되었을 때 탄소성 슬러리의 이동은 용기(303) 및 스크류(304,305)의 치수뿐만 아니라 탄소성 고체 및 슬러리 액체의 물리적 특성에도 좌우된다. 스크류(304,305)와 용기벽 사이에 기본적으로 유격이 없고 슬러리가 극히 농축되었을 경우에 장치는 추출기로서 작용하고 모든 물질은 스크류 공동(cavities)이 이동하는 방향으로 이송된다. 스크류와 용기 벽 사이에 넓은 유격이 있고 슬러리가 희석된 경우에 장치는 슬러리가 스크류 공동이 이동하는 방향의 반대방향으로 흐를 때 슬러리를 혼합한다. 이러한 두 상충하는 작용들 사이에는 특정 슬러리 특성과 조합하여 역류 유체 및 탄소성 고형물 흐름의 소정 작용을 가져오는 장치의 물리적 치수범위가 존재한다. 소정의 역류작용은 조합된 물리적 치수 및 슬러리 특성이 함습 탄소성 고체의 역 유동을 방지하기 위한 충분한 기계적 제한과 함께 용기를 통하여 함습 탄소성 고체의 연속적인 컬럼을 제공할 때, 그리고 고체에 가해지는 기계적인 힘(일반적으로 유체압력으로 측정했을 때 100psig 이하)이 제거된 물에 대하여 지수적이 아니라 비례적인 브레이크 포인트(break point) 이하로 유지될 때 발생한다.
수직 역회전 스크류 칼럼은 상향 이송되는 고체가 용기(303)의 상단에서 소정의 슬러리 탄화온도에 도달하도록 작동된다. 전력 구동 수평 회전 스크류(316)는 스크류(304,305)에 의해 상향으로 이미 이송된 탄소성 고체와 약간의 물을 용기 배출구(347)를 향하여 용기(317)(기본적으로 용기(303)와 같은 압력인)로 이송한다. 용기(317)의 용적과 스크류(316)의 회전속도는 소정의 슬러리 탄화반응이 완료되기에 충분한 시간을 제공할 수 있도록 정해진다. 열손실을 보상하고, 그리고/또는 라인(314)를 통하여 용기(303)로 투입되는 열을 보충하기 위하여 열수 및/또는 고압증기가 라인(318)을 거쳐 수평용기(317)로 주입될 수 있다. 또한, 용기(317)는 쟈켓화되어 고온유체(도시되지 않음)에 의해 간접가열될 수 있다. 특정 조건의 슬러리 탄화온도, 압력 및 원료물질 하에서는 수평용기로 부터의 탄화가스 및 증기 전부 또는 일부를 제거하는 것이 바람직하다.
어떤 쉽게 가수분해된 탄소성 폐기물에 있어서 슬러리 탄화전에 첨가된 알칼리는 고체챠르의 소모로 용해성 유기 생성물의 증가를 가져와서 어떤 경우에는 제조부에서 알칼리 첨가를 감소 또는 제거하고 슬러리 탄화에 이어지는 또는 그 중에 하나 이상의 지점에서 산성 생성물을 중화하는 것이 바람직하게 한다.
용기(317)로부터 챠르 슬러리는 라인(321)로부터의 공급수, 공기 또는 다른 냉각 유체의 온도에 접근하는 온도까지 간접 냉각된 간접 열 교환기(320)의 냉각측으로 라인(319)를 거쳐 흐른다. 이 유체는 챠르 슬러리의 온도에 접근하는 온도로 가열되어 라인(318)을 거쳐 용기(317)로 그리고/또는 라인(314)을 거쳐 용기(303)로 열수, 고압증기 및/또는 다른 유체로서 사용하기 위해 더 가열되도록(도시되지 않음) 라인(322)을 거쳐 흐른다. 열 교환기(320)는 단일 유니트 일렬 및/또는 평행으로 배치된 복수 열교환 유니트 일 수 있다.
열교환기(320)에서 적절한 온도로 냉각된 챠르 슬러리는 탄화가스와 함께 라인(323)을 거쳐 혼합물의 압력을 감소시키는 압력감소장치(324)로 흐른다. 장치(324)는 챠르 슬러리의 팽창시 발생된 유동 에너지를 이용하여 챠르 입자크기 감소기로도 작용할 수 있다. 압력의 감소는 탄화가스의 양을 팽창시키고, 혼합물이 가스와 증기가 분리되어 라인(326)을 거쳐 배출되는 가스-슬러리 분리기(325)로 흐를 때 슬러리로부터 증발된 물과 함께 증기의 포화를 증가시킨다. 주로 이산화탄소인 배출가스는 열량을 가져서 일반적으로 용광로, 보일러 또는 플레어(도시되지 않음)로 들어가게 된다. 또한, 가스와 잔류증기는 현저하고 잠재적인 열을 더 이용하기 위해 장치(도시되지 않음)로 들어갈 수 있다.
많은 수분과 용해된 화합물이 라인(307,310,312,326)을 거쳐 탄소성 챠르 슬러리로부터 제거되었지만 탄소성 챠르 슬러리를 소정의 점도로 더 농축할 필요가 있을 수 있다. 그럴 경우, 희석 챠르 슬러리는 분리기(325)로부터 라인(327)을 통하여 챠르 농축 장치(328)로 흐른다. 장치(328)는 원심분리기로 도시되었지만 슬러리 물을 분리하는 증발기, 필터 또는 다른 통상의 장치도 될 수 있다. 분리된 물은 라인(329)으로 배출되는 반면에 함습 챠르는 도관(330)으로 배출된다. 장치(328)는 배출 전에 라인(331)으로부터의 청정수 및/또는 재순환 수로 함습 챠르를 세척하도록 장착될 수 있는데 세척물은 라인(329)에 있는 재순환 수와 합해진다.
제거된 슬러리 물은 라인(332)을 거쳐 슬러리 제조부 또는 재순환 수 처리기(도시되지 않음)로 흐른다. 용해 현탁된 화합물의 과량 축적을 피하기 위하여 라인(312)으로부터 제거된 열수에 추가로 흐름 조절 장치(333)를 통하여 용액 퍼지를 빼내는 것이 필요할 수 있다. 이러한 퍼지는 수처리 기술에서 잘 알려진 방법으로 또는 미국 특허제 4,898,107호에 기술된 방법으로 배출 전에 처리될 수 있다.
도관(330)을 통하여 떨어지는 함습 챠르는 믹서(334)에서 라인(331)으로부터의 청정 및/또는 재순환 수와 혼합되는데 그 비율은 소정의 점도를 갖는 챠르 슬러리 생성물을 제조하도록 조절된다. 압력감소장치(324)의 작동 및 스크류(304,305,316)의 연마로부터 기인하는 팽창 및 높은 점도는 입자의 많은 파쇄를 가져올 수 있다. 그럼에도 불구하고, 추가적인 입자 크기 감소를 제공하는 것이 필요할 수 있다. 그럴 경우, 생성 연료는 라인(335)을 통하여 입자 사이징 장치(336)로 흐르는데 여기에서 소정의 크기보다 더 큰 입자들은 분리되어 도관(337)을 거쳐 크기 감소 장치(338)로 (필요할 경우 물의 도움으로) 흐르고 이곳으로부터 감소된 크기의 입자 슬러리가 재순환 슬러리 펌프(339)에 의해 장치(336)로 복귀한다. 이러한 크기 감소 순환에 의해 슬러리에 있는 챠르 입자의 최대 크기는 소정의 범위 내로 유지되고 그것은 도관(340)을 거쳐 생성물 저장 탱크(341)로 배출되고 여기에서 후사용 및 판매를 위해 축적된다. 탱크(341)에는 믹서(들)이 장착될 수 있거나 그 내부를 일정한 상태로 유지하기 위하여 재순환될 수 있다(도시되지 않음). 원할 경우 고급 석탄, 오리멀젼 및/또는 다른 화석 연료(건성, 반고형 및/또는 이미 만족스러운 에너지 밀도를 갖는 슬러리)는 슬러리 탄화를 피해서 탱크(341)에서 생성 챠르 슬러리와 혼합될 수 있다.
입자 사이징 장치(336-339)는 어떤 경우에 과크기 입자의 통과를 방지하고 설명서에 따른 크기로 감소시키는 단일 전원 정류장치로 대체될 수 있다. 한편, 선택된 크기 범위의 재연마는 종종 최대 고체 충전을 허용하고 소정의 점도로 최대 에너지 밀도를 생산하는 최적 입자크기 분포를 고정시키기에 적합할 수 있다.
슬러리 제조부(도시되지 않음)에서 수행된 밀도 분리로 인하여 무기불순물이 이미 감소되었음에도 불구하고 슬러리 탄화반응 및/또는 이어지는 기계적 정류로 인한 심한 입자크기 감소는 어떤 경우에 추가의 무기물질이 없을 수 있다. 이것은 하이드로클론, 공기부유 또는 디-그리팅을 위해 통상적으로 사용된 형태의 다른 장치에 의해 용기(328)의 하류 그리고 바람직하게는 분리장치(328)의 상류 어떤 지점에서 분리(밀도, 다른 물리적 및/또는 화학적 특성에 의해)될 수 있다.
챠르 슬러리에 하류 장치를 막히게 할 수 있는 큰 입자가 없다면 입자 사이징 순환로(336-339)는 없앨 수 있다. 원료가 많은 양의 추출 가능한 음이온 또는 양이온을 함유하고 있지 않은 경우에는 챠르 슬러리가 기본적으로 완전히 분리되어 청정수에서 재슬러리화 되기 보다는 소정의 점도로 단순히 농축될 수 있다. 선택적으로 입자 사이징 순환로(336-339)는 챠르 농축 장치(328)의 상류에 위치될 수 있다.
이 경우에 간접적인 열교환 비하여 직접적인 열전달의 잇점은 열전달 표면의 제거 및 고정 상태 작업을 위해 필요한 열 에너지의 감소로 인하여 장치 가격이 저렴하다는 것이다 도 3실시예의 잇점중 하나는 용기(303)의 열 교환구역에 있는 탄소성 고체함량이 처리 열 경제학 상으로 매우 적은 영향을 주면서 효율적인 이송을 위해 최적 농도로 유지된다는 것이다.
상기 설명한 실시예에서 입증되는 바와 같이 연료연소의 전체 열효율성은 연료수분, 탄소연소, 과량의 고기, 연료 배출로 인한 연도가스 배출온도 및 와류손실, 팬, 재 취급, 공기오염조절(APC)장치의 에너지소비(압력 감소를 포함하여) 등과 같은 많은 요인에 좌우된다. 천연가스는 어떤 수분도 거의 함유하지 않으며 탄소 연소는 명목상 과량공기에서 기본적으로 100%이며, 연도가스 배출온도가 가장 낮고, 연도가스가 상대적으로 청정(재가 없으며, 낮은 NOx 및 CO 방출)하므로 최소의 와류손실만 있기 때문에 완전한 연료로 불리운다. 재가 없는 증류 연료오일은 아마 두 번째 가장 좋은 것(best)이 될 것이다. 이것은 완전연소를 위해 약간 더 많은 과량의 공기가 요구되며 일반적으로 연료 펌프의 필요성 때문에 천연 가스보다 약간 높은 와류 손실이 있다. 잔류 연료 오일과 함께 기본적으로 수분없는 탄소 연소는 알맞은 과잉 공기에서는 높지만 매연 송풍기가 요구될 수 있다. 연도가스 배출온도는 일반적으로 산의 이슬점 이상이 되어야 하고 미립자 조절장치(ESP 또는 백하우스(baghouse))가 요구되며 석회 주입 또는 제거가 요구될 수 있어서 저-중간 와류손실을 수반한다.
석탄은 재, 수분, 황 및 질소함량이 광범위하게 다양하다. 일반적으로, 그들은 중간의 과잉 공기로서 우수한 탄소연소를 얻는 분쇄석탄(pc-)버너에 의해 가장 효율적으로 연소된다. 분쇄기 및 APC 장치를 포함하는 기생손실 불순물의 함량에 따라 중간에서 높은 범위이다. 또한, pc는 연소시 보다 긴 체류시간이 요구되어 천연가스 또는 연료오일에 대해 요구되는 것보다 긴 보일러가 되게 한다. 석탄이 급탄, 진동 또는 이동 화격자상의 층에서 연소될 때 과잉공기는 수용가능한 탄소연소를 이루도록 높아야 하고 기생손실은 이에 상응하여 pc-버너에서 보다 더 높다.
이동 격자 또는 유동상으로 연소된 것 또는 RDF로서의 MSW는 가장 낮은 연소효율을 나타낸다. MSW의 높고도 가변적인 수분함량은 파쇄기, 고체 콘베이어, 연소 공기 팬, 백하우스 또는 ESP로부터의 현저히 높은 기생손실 및 산성가스, NOx, 미량 독성 금속 및 다이옥신 APC를 가지며, 수용가능한 연소를 이루도록 약 100-150%의 과잉공기를 요구한다. 효과적인 탄소연소 및 보다 엄중한 방출 조절을 위한 보다 많은 연도가스로 인하여 기생손실은 이에 상당하는 석탄 점화 보일러에서 보다 거의 두 배로 치솟는다.
본 발명에 의해 MSW 및 다른 저금 탄소성 연료와 폐기물은 재 취급량이 증가될 수밖에 없다는 것(일반적인 pc 또는 MSW에서 보다 덜 남지만)을 제외하고는 연료오일과 유사하게 점화될 수 있는 일정한 액체연료로 전환된다. 또한, 대부분의 독성금속 및 염소가 챠르 슬러리로부터 제거되어서 이들 화합물을 위한 오염조절장치를 단순화하거나 제거할 수도 있게 한다. 반응성은 거의 100%연소가 15%의 낮은 과잉 공기에서 얻어지도록 매우 높다. 현재 실시되고 있는 것과 다르게 다른 산 가스 또는 NOx APC 장치가 요구되지 않는다. 효율성 감소요인은 단지 약 50%의 수분함량이다.
본 발명의 작업성능을 측정하기 위하여 RDF, 갈탄 및 50wt% 갈탄과 50wt% RDF(건성기준) 혼합물의 샘플을 실시예 1과 2에 기술된 벤치 규모 및 연속적인 시험규모 장치에서 슬러리 탄화시켰다. 최종 비율(wt% 및 수분 없음), 열량 (수분없음 및 슬러리) 및 원료 챠르와 최종 챠르의 유동특성을 표 1에 요약하였다. 갈탄 및 갈탄/RDF 챠르는 벤치규모 장치에서 제조되었으며 RDF 챠르는 실험시설 장치로 제조되었다.
원 료RDF 원료갈탄 원료RDF/갈탄 RDF챠르 갈탄챠르 갈탄/RDF챠르
최종물 Wt.%
탄 소 43.3 61.9 54.8 63.2 66.0 67.4
수 소 5.4 4.5 5.6 7.6 4.6 5.8
질 소 0.2 0.9 0.6 0.3 0.9 0.8
황 0.1 1.8 1.0 0.1 1.5 1.1
재 15.3 10.1 8.4 17.7 10.3 9.9
산 소 35.7 20.8 29.6 11.1 16.7 15.0
염 소 ㎍/g 3000 ND 1500 460 ND 150
유동점도 CP 500 700 500 500 825 815
Wt.% 고형물 9.1 36.6 22.8 51.8 55.6 56.7
열 량(Btu/lb) 7400 10940 9790 12740 11690 12670
건성 슬러리 670 4010 2230 6600 6470 7140
각 탄소성 연료에 있어서, 탄소성 고체의 산소함량은 감소된 반면에 챠르 생성물에 있는 건성 열량은 슬러리 탄화에 의해 개선되었다. 산소는 이산화탄소 가스로서 탄소성 고체에서 제거되었다. RDF에서 산소함량은 69%(건성기준)로 감소 되었고 챠르생성물의 열량은 72%(건성기준)로 개선되었다. 또한, 챠르 슬러리의 고체 충전은 본 발명에 따라 처리되었을 때 51.8wt% 또는 원료 슬러리보다 460% 이상까지 증가되어 6600Btu/lb(건성기준)의 열량을 갖는 챠르 슬러리가 제조되도록 하였다. 갈탄/RDF 혼합물의 고체 충전은 혼합물의 바이-모달 입자 크기 분포로 인하여 성분 챠르 슬러리보다 높았다. 연마 함습 RDF 챠르의 효과를 평가하기 위한 별도의 실험에서 원래의 생성물은 49.2wt% 까지 재슬러화 될 수 있었던 반면에 연마는 같은 점도로 51.8wt%의 장전이 허용되었다.
본 발명에 따라 처리했을 때 RDF챠르의 염소농도는 원료 슬러리에 첨가된 소듐하이드록사이드(NaOH)와 함께 원료 RDF 농도로부터 85% 감소되었다. 원료 RDF 슬러리에 첨가된 석회(CaO)로 염소 농도는 91%까지 감소되었다. 별도의 실험에서 챠르 생성물은 염소가 없는 물로 세척되어 챠르 생성물의 염소함량이 더 감소 되었다. 갈탄/RDF 챠르의 염소함량은 염소와 반응하는 갈탄에서 자연적으로 발생하는 알칼리로 인하여 RDF 챠르(원료 슬러리에 첨가된 CaO 또는 NaOH와 함께)보다 낮았다.
본 발명에 따른 슬러리원료의 품질을 확인하기 위하여 실시예 1과 2에 기술된 실험 시설 장치에서 RDF로부터 제조된 챠르 슬러리를 650,000 Btu/시간 pc-보일러 시뮬레이터에서 연소시켰다. 또한, 상기와 같이 제조된 RDF 챠르를 7.5% 디젤유와 혼합하고 같은 시뮬레이터에서 연소시켰다. 또한, 갈탄, RDF 및 50% 갈탄과 50% RDF(건성기준)의 혼합물로부터 제조된 챠르 슬러리를 실험적인 가압 유동상 반응기에서 연소시켰다. 연소조건 및 어떤 APC 시스템도 없는 상태에서의 연도가스방출을 표 2에 요약되었다. 연도가스 방출은 건성기준으로 7% O2의 설정된 기준으로 교정했다.
연소형태 RDF 챠르 슬러리PC-석탄 RDF챠르/ 디젤슬러리PC-석탄 갈탄 챠르슬러리PFBR RDF 챠르슬러리PFBR RDF/갈탄챠르슬러리 PFBR
CO. ppm 16.3 5.3 1.2 6.9 6.7
NOX, ppm 82.2 211.1 121.3 90.9 91.0
SO2, ppm 40.4 158.4 316.6 38.1 89.4
HCl, ppm 17.0 17.0 ND 4.1 6.2
Hg, mg/dscm 0.003 0.003 ND ND ND
연소온도 1716 1970 1551 1580 1602
압력 psig 0 0 153 150 146
과임공기, % 40.3 15.0 23.3 22.2 25.9
탕소연소, % 99.9 99.9 98.5 99.0 99.5
다섯 개의 슬러리 연료 모두의 연소시 방출은 도시 쓰레기 연소기용의 신규자원 성능 기준(NSPS, Federal Register에 1994. 9. 20에 공개된) 또는 석탄보일러에 대한 1990년의 청정공기 법률개정(CAAA)와 비교했을 때 조차도 특별한 것이었다. RDF 챠르계 슬러리 연료에 대한 일산화탄소(CO)방출은 단지 15.0-40.3%의 과잉 공기만이 사용되었음에도 불구하고 NSPS 아래인 67-96%였다. 낮은 CO방출은 챠르 슬러리의 높은 반응성(고 휘발성 물질 함량 대 고정 탄소), 챠르 슬러리의 개선된 균일성 및 개선된 연료-공기 혼합으로 인하여 달성되었다. 질소 산화물(NOx)방출 역시 선택적인 비촉매성 또는 촉매성 환원없이도 NSPS보다 낮은 55%이하였다. 낮은 NOx 방출은 슬러리 연료의 개선된 균일성, 개선된 연료-공기 혼합 및 빈약-풍부의 연소공기 단계화를 통하여 달성되었다.
슬러리 탄화가 많은 중량%의 염소, 황 및 독성금속 음이온/양이온을 추출했기 때문에 RDF챠르계 슬러리 연료에 대한 HCl 방출은 산가스 제거 없이도 NSPS보다 실질적으로 낮았다. RDF 챠르계 슬러리 연료에 대하여 측정된 SO2는 NSPS를 약간 초과 했지만 이것은 CAAA하에서 석탄 점화 보일러에 대해 허여된 농도 범위내이다. 또한, 탄화된 갈탄/RDF 슬러리 혼합물에 대한 SO2방출은 갈탄 챠르 슬러리로 부터의 SO2방출보다 72% 더 낮았는데 둘 모두 CAAA의 Phase Ⅱ에 합치한다. 슬러리가 탄화되지 않으면 원료 갈탄 또는 원료 갈탄/RDF 혼합물로 부터의 SO2 방출은 CAAA의 Phase Ⅱ에 합치하지 않는다. 또한, RDF 챠르계 슬러리 연료에 대한 수은(Hg) 방출은 많은 양의 수은이 리소스 리커버리 및 슬러리 탄화시 제거되었기 때문에 NSPS보다 95%이상 더 낮았다.

Claims (24)

  1. 쉽게 이송가능하고 연소가능한 상대적으로 저급인 탄소성 연료를 처리하는, 연속적으로 작업가능한 방법에 있어서,
    연료 및 액체를 포함하는 연료 슬러리를 형성하고;
    연료 슬러리가 액체상태로 유지되도록 가압하며;
    탄소성 연료의 분자에 화학적으로 결합된 상당부분의 산소가 이산화탄소로 분리되는 온도로 연료 슬러리를 가열하므로서 연료와 방출된 가스로부터 유도된 챠르 입자를 포함하는 챠르 슬러리를 형성하고; 그리고
    추후 사용을 위해 챠르 슬러리를 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 연료 슬러리와 챠르 슬러리가 각각 물을 포함하는데 연료 슬러리에 있는 물의 양과 비교하여 챠르 슬러리에 있는 물의 양을 더 낮게하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 연료 슬러리가 할로겐을 포함하는데 용해성 할로겐염이 가열단계동안 형성되도록 할로겐 함량의 화학적 당량과 거의 동일하게 알칼리 함량을 조정하는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 챠르 슬러리로부터 물을 제거하고 그후에 챠르 입자를 최소한 부분적으로 건조시켜서 챠르입자로 펠렛을 제조하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 형성 단계가 고체 폐기물을 공급하고, 그 폐기물을 분쇄하며, 물과 혼합하여 폐기물 슬러리를 형성하고, 그 폐기물 슬러리를 밀도 분리하여 폐기물 슬러리에 존재할 수 있는 바람직하지 않은 유기물 및 무기물을 제거하며, 그후에 폐기물 슬러리로부터 물의 일부를 제거하므로서 연료 및 물을 포함하는 연료 슬러리를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 챠르 슬러리로부터 형성된 방출가스를 분리하는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 연료 슬러리를 형성하는 단계가 화석연료 및 또다른, 상대적으로 저급의 탄소성 연료를 추가하는 것을 포함하는 방법.
  8. 제 6항에 있어서, 할로겐 염 및 다른 바람직하지 않은 불순물이 거의 없는 물로 챠르 슬러리로부터 제거된 챠르 입자를 세척한 후 할로겐 염 및 다른 바람직하지 않은 불순물이 거의 없는 물로 세척된 챠르 입자를 재슬러리화 하는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제 6항에 있어서, 챠르 입자의 최소한 일부를 연마하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 연료 슬러리를 직접적으로 가열하고 챠르 슬러리를 점점더 해압하므로서 생긴 증기로부터 응결된 물로 희석하기 위하여 연료 슬러리에 증기를 가하고, 각각의 증분의 해압 단계시 증기를 회수하며, 증분적으로 연료 슬러리를 가압하고, 회수된 증기를 연료 슬러리와 증분적으로 혼합하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 형성단계가 액체에 염소를 포함하는 제 1탄소성 연료 및 알칼리를 포함하는 제 2탄소성 연료를 첨가하는 것을 포함하며, 가열단계는 염소와 알칼리를 반응시키는 것을 포함하는 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 제 1연료는 도시 고형물 쓰레기, 폐기물 유도 연료중 최소한 하나를 포함하며, 제 2연료는 농업 또는 임업 폐기물로 유도된 생물자원 연료를 포함하는 방법
  13. 제 1항에 있어서, 가열단계가 가압 연료 슬러리에 이미 가열된 유체매체를 첨가하는 것을 포함하는 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 첨가 단계가 연료 슬러리와 유체매체가 용기에서 서로 접촉하면서 역류흐름을 형성하고, 유체매체가 냉각된 후에 연료 슬러리로부터 유체매체의 최소한 일부를 추출하는 것을 포함하는 방법.
  15. 제 1항에 있어서, 슬러리의 점도는 그 온도가 증가함에 따라 감소하는데 소정의 범위내로 슬러리의 점도를 유지하면서 가열되는 액체의 양을 제한하기 위하여 슬러리로부터 액상 또는 가스상의 액체를 간헐적으로 빼내는 단계를 포함하는 방법.
  16. 쉽게 이송가능하고 연소가능한 상대적으로 저급인 탄소성 연료를 처리하는, 연속적으로 작업가능한 방법에 있어서,
    연료와 물을 포함하는 연료 슬러리를 형성하는 단계;
    반응이 챠르 슬러리를 냉각하기 위하여 이미 완료된 챠르 슬러러로부터 유도된 열과의 반응 완료전에 연료 슬러리의 온도를 상승시키는 것을 포함하는, 탄소성 연료를 연료 슬러리로부터의 물에 현탁된 챠르 입자로 변환시키기 위하여 탄소성 연료의 분자에 화학적으로 결합된 산소로부터 이산화탄소 생성 반응을 유도하는데 충분한 반응 온도로 연료 슬러리를 가열하는 단계;
    온도가 반응 온도까지 상승할 때 연료 슬러리를 액체 상태로 유지하기에 충분하게 연료 슬러리를 가압하는 단계;
    챠르 슬러리로부터 반응시 방출된 가스를 제거하는 단계;
    함습 챠르 입자를 포함하는 생성물을 형성하도록 챠르 슬러리에 존재하는 바람직하지 않은 오염물질을 포함하는 충분한 물을 제거하는 단계;
    생성물을 챠르 생성물 슬러리를 형성하도록 바람직하지 않은 오염물질이 거의 없는 물과 혼합하는 단계;
    추후 사용을 위해 챠르 생성물 슬러리를 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 쉽게 이송가능하고 연소가능한 상대적으로 저급인 탄소성 연료를 처리하는, 연속적으로 작업 가능한 방법에 있어서,
    연료와 물을 포함하는 연료 슬러리를 형성하는 단계;
    슬러리가 실질적으로 액체 상태로 유지되고, 탄소성 연료의 분자에 결합된 산소를 이산화탄소로 변환시켜 챠르 입자, 물 및 물에 있는 바람직하지 않은 오염물질을 포함하는 챠르 슬러리를 형성시키는 반응이 발생하도록 최종 온도 및 압력까지 다수의 증분으로 연료 슬러리의 압력 및 온도를 증가시키는 단계;
    챠르 슬러리에 있는 물의 약간을 증기로 변환시키기에 충분한, 다수의 증분적인 온도 및 압력 감소를 챠르 슬러리에 가하고; 챠르 슬러리에서 연료 슬러리로의 재순환 수 및 슬러리를 증분적으로 가열하기 위하여 연료 슬러리에 증기를 주입하므로서 다수의 증분으로 연료 슬러리를 가열하도록 증분적인 온도 및 압력 감소로부터의 증기를 이용하는 단계;
    기본적으로 함습 챠르 입자를 포함하는 생성물이 얻어질 때까지 바람직하지 않은 오염물질을 포함하는 물을 챠르 슬러리로부터 제거하므로서 챠르 슬러리를 농축하는 단계;
    펌핑 가능한 챠르 생성물 슬러리를 형성하도록 바람직하지 않은 오염물질이 거의 없는 물로 함습 챠르 입자를 재슬러리화 하는 단계; 및
    추후 사용을 위해 챠르 생성물 슬러리를 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 쉽게 이송가능하고 연소가능한 상대적으로 저급인 탄소성 연료를 처리하는, 연속적으로 작업가능한 방법에 있어서,
    수직의 관형인 하우징 내에 배치되어 그것에 의해 둘러 쌓인 수직으로 스크류 콘베이어를 설치하는 단계;
    슬러리가 스크류 콘베이어에 의해 상향으로 이송되도록 탄소성 연료와 일정량의 물을 포함하는 연료 슬러리를 형성하는 단계;
    연료 슬러리를 스크류 콘베이어로 상향으로 이송시키는 단계;
    연료 슬러리의 온도보다 높은 온도를 갖는 유체 매체를 제공하는 단계;
    연료 슬러리를 가열하도록 하우징을 통하여 하향으로 유체 매체를 상향으로 이송되는 연료 슬러리를 통하여 흐르게 하므로서 유체 매체와 스크류 콘베이어에 의해 상향 이송되는 연료 슬러리를 접촉시켜 이산화탄소를 분리시키고 챠르 입자 및 물을 포함하는 챠르 슬러리를 형성하는 단계;
    유체 매체가 하우징의 길이를 최소한 부분적으로 지나 이동된 후에 하우징으로부터 유체 매체를 제거하는 단계;
    함습 챠르 입자를 포함하는 생성물을 형성하도록 챠르 슬러리로부터 충분한 물을 제거하므로서 챠르 슬러리를 농축시키는 단계;
    챠르 생성물 슬러리를 형성하도록 바람직하지 않은 오염물질이 거의 없는 물로 함습 챠르 입자를 재슬러리화 하는 단계; 및
    추후 사용을 위해 챠르 생성물 슬러리를 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 18항에 있어서, 유체 매체가 기본적으로 물을 포함하는데 유체 매체가 하향 유동하도록 하는 압력 구배가 있는, 최소한 한부분의 하우징이 있도록 연료 슬러리가 하우징을 통하여 상향 이송될 때 연료 슬러리의 압력을 조절하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 제 19항에 있어서, 유체 압력 구배가 있는 하우징의 일부 위에 있는 하우징으로부터 하향 유동하는 유체 매체 중 최소한 일부를 제거하는 단계를 포함하는 방법.
  21. 제 20항에 있어서, 하우징으로부터 챠르 슬러리를 제거하며, 챠르 슬러리의 온도를 저하시키고 물을 가열하도록 챠르 슬러리에서 물로 열을 이송시키고, 하우징을 통하여 하향 유동하는 유체 매체로서 가열된 물을 이용하는 단계를 포함하는 방법.
  22. 제 18항에 있어서, 콘베이어의 날개들이 겹쳐지도록 하우징에 제 1 및 제 2의 거의 평행한 스크류 콘베이어를 위치시키고, 연료 슬러리가 하우징을 통하여 상향으로 이동하도록 콘베이어를 역회전시키는 단계를 포함하는 방법.
  23. 제 1항에 있어서, 저장 단계 후에 챠르 입자로부터 저분자량 유기물을 제조하도록 챠르 입자들을 액상 산화시키는 단계를 포함하는 방법.
  24. 제 1항에 있어서, 활성 탄소, 카본 블랙, 탄소 섬유, 합성 유전자 및 펠렛화된 챠르 입자 중 최소한 하나를 저장 단계 후 챠르 입자로부터 제조하는 단계를 포함하는 방법.
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