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KR101717863B1 - 연소를 위한 오염된 저등급 석탄의 용도 - Google Patents

연소를 위한 오염된 저등급 석탄의 용도 Download PDF

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KR101717863B1
KR101717863B1 KR1020157011469A KR20157011469A KR101717863B1 KR 101717863 B1 KR101717863 B1 KR 101717863B1 KR 1020157011469 A KR1020157011469 A KR 1020157011469A KR 20157011469 A KR20157011469 A KR 20157011469A KR 101717863 B1 KR101717863 B1 KR 101717863B1
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케네스 피. 케클러
얼 티. 로빈슨
파타히 케이. 라만
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그레이트포인트 에너지, 인크.
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Abstract

본 발명은 일반적으로, 스팀을 생성하고, 바람직하게는 전기를 열병합발전시키기 위해 유동화 연료 연소기에서 연소를 위한 무기 나트륨 및/또는 염소 오염된 저등급 석탄 공급원료를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

연소를 위한 오염된 저등급 석탄의 용도 {USE OF CONTAMINATED LOW-RANK COAL FOR COMBUSTION}
본 발명은 일반적으로, 스팀을 생성하고, 바람직하게는 전기를 열병합발전시키기 위해 유동화 연료 연소기에서 연소를 위한 무기 나트륨 및/또는 염소 오염된 저등급 석탄 공급원료를 제조하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 이러한 시나리오에서 방법의 연소 (및 임의적인 전기) 생성 섹션으로부터의 저압 스팀을 방법의 공급원료 가공 섹션과 통합시킴으로써, 뿐만 아니라 방법 전체에서 물 회수 및 재순환을 통합시킴으로써 최적의 물 사용량 및 증가된 효율을 제공한다.
석탄은 오랫동안 연소를 위한 연료로서 사용되어 왔다. 현재, 이러한 석탄은 전형적으로 유동화 연료 연소기, 예컨대 순환 유동층 연소기 ("CFB") 및 미분탄 보일러 ("PCB")에서 가압된 공기 및 산소를 사용하여 연소된다. CFB는 일반적으로 약 760℃ 내지 약 930℃의 비교적 중간 온도에서 작동하고, 전형적으로 약 3000 마이크로미터 내지 약 6000 마이크로미터 범위의 dp(50)을 갖는 "보다 조대한" 연료 입자를 이용한다. PCB는 약 1300℃ 내지 약 1700℃의 보다 높은 온도에서 작동하고, 전형적으로 약 100 내지 약 200 마이크로미터 범위의 dp(50)을 갖는 "보다 미세한" 연료 입자를 이용한다.
연소는 전기를 생성하기 위해 터빈을 구동하는 것을 비롯한 다양한 용도를 위한 스팀 (예를 들어, 스팀 보일러)을 생성하는데 사용될 수 있는 열 에너지를 발생한다. 연소는 또한 전기를 생성하기 위해 터빈을 구동하는데 사용될 수 있는 고온의 가스를 생산한다. 열병합발전 설비는 연소의 에너지 방출을 보다 효율적으로 이용하기 위해 전기 및 스팀 둘 다가 제조되는 것이며, 여기서 스팀은 종종 추가의 전기 생성을 위해 스팀 터빈을 구동하는데 사용된다.
그러나, 다수의 석탄은 오염 및 물리적 특성으로 인해 이러한 사용에 경제적으로 실행불가능하다. 예를 들어, 상당한 양의 불순물, 예컨대 나트륨 및 염소 (예를 들어, NaCl)를 함유하는 석탄은 실제로 이러한 성분의 고도의 부식성 및 오손 특성으로 인해 연소 방법에서 사용불가능할 수 있으며, 따라서 이러한 불순물을 제거하기 위한 전처리를 필요로 한다. 이러한 석탄의 연소로부터의 가스상 유출물 스트림은, 특히 석탄이 연소 이전에 충분히 세정되지 않는 경우에 또한 문제가 될 수 있다. 예를 들어, 문헌 [Tillman, Duong, Figueroa and Miller, "Chlorine in Solid Fuels Fired in Pulverized Coal Boilers - Sources, Forms, Reactions, and Consequences: A Literature Review", Foster Wheeler AG, Presented at Fuel Quality Conference, Banff, Canada, September 28-October 3, 2008]을 참조한다.
세척이 이러한 석탄을 세정하기 위한 시도에 사용될 수 있지만, 세척은 지구의 많은 지역, 특히 담수를 구하기 힘든 지역 (예를 들어, 건조 지대)에서 경제적으로 실행할 수 없는 다량의 담수를 필요로 한다. 추가로, 세척은 다수의 폐수 문제를 만든다.
전형적으로 이러한 전처리의 추가는 나트륨 및/또는 염소 오염된 석탄의 사용을 경제적으로 실행불가능하게 만든다. 따라서, 담수 사용량을 최소화하면서, 적어도 무기 나트륨 및/또는 염소 함량의 실질적인 부분을 제거하기 위해 이들 오염된 석탄을 보다 효율적으로 전처리하는 방식을 찾는 것이 바람직할 것이다.
"저등급" 석탄은 전형적으로 무광택 토상 외관을 갖는 보다 무른 이쇄성 물질이다. 이들은 비교적 보다 높은 수분 수준 및 비교적 보다 낮은 탄소 함량, 및 이에 따른 보다 낮은 에너지 함량을 특징으로 한다. 저등급 석탄의 예는 토탄, 갈탄 및 아역청탄을 포함한다. "고등급" 석탄의 예는 역청탄 및 무연탄을 포함한다.
저등급 석탄의 사용은 이들의 비교적 낮은 발열량 이외에도 다른 결점을 갖는다. 예를 들어, 이러한 석탄의 이쇄성은 공급원료 제조 (분쇄 및 다른 가공)에서 및 이러한 석탄의 연소에서 높은 미세물 손실로 이어질 수 있다. 이러한 미세물은 관리되거나 또는 심지어 폐기되어야 하며, 이는 통상적으로 이러한 석탄의 사용에 대한 경제성 및 효율성 단점 (경제성 및 가공성 저해요소)를 의미한다. 매우 고도의 이쇄성 석탄, 예컨대 갈탄의 경우에, 이러한 미세물 손실은 원래 물질의 50%에 근접하거나 또는 심지어 초과할 수 있다. 즉, 저등급 석탄의 가공 및 사용은 채굴된 저등급 석탄에서 물질 백분율의 탄소 함량의 손실 (또는 덜 바람직한 사용)을 초래할 수 있다.
따라서, 나트륨 및/또는 염소로 오염된 저등급 석탄은 일반적으로 경제적으로 임의의 목적에 대해 부적합한 것으로 간주된다.
따라서, 다양한 연소 방법에서 나트륨 및/또는 염소 오염된 저등급 석탄 물질의 공급원료 가공 및 궁극적인 전환 둘 다에서 담수 요구량을 감소시키거나 또는 심지어 제거하고, 뿐만 아니라 미세물 손실을 잠재적으로 감소시키면서, 나트륨 및/또는 염소 오염된 저등급 석탄을 연소 사용에 보다 경제적으로 실행가능하게 만들기 위해 이러한 석탄을 효율적으로 가공하는 방식을 찾는 것이 바람직할 것이다.
제1 측면에서, 본 발명은
(a) 초기 오염물 함량을 포함하는 미가공 저등급 석탄 공급원료를 제공하며, 여기서 초기 오염물 함량은
(1) 미가공 저등급 석탄 공급원료의 건조 중량을 기준으로 하여 적어도 약 0.1 중량%의 초기 무기 염소 함량, 또는
(2) 미가공 저등급 석탄 공급원료의 건조 중량을 기준으로 하여 적어도 약 0.1 중량%의 초기 무기 나트륨 함량, 또는
(3) (1) 및 (2) 둘 다
를 포함하는 것인 단계;
(b) 미가공 저등급 석탄 공급원료를 분쇄하여 분쇄된 저등급 석탄 공급원료를 생산하는 단계;
(c) 분쇄된 저등급 석탄 공급원료를 수성 세척 스트림으로 세척하여 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 및 폐수 스트림을 생성하며, 여기서 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료는
(1) 초기 무기 염소 함량의 약 50 중량% 미만, 그러나 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료의 건조 중량을 기준으로 하여 약 0.1 중량% 이하의 세척된 무기 염소 함량, 및
(2) 초기 무기 나트륨 함량의 약 50 중량% 미만, 그러나 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료의 건조 중량을 기준으로 하여 약 0.1 중량% 이하의 세척된 무기 나트륨 함량
을 갖는 것인 단계;
(d) 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료를 열 건조 유닛 내에서 건조 가스 스트림 및 열 에너지와 접촉시켜 감소된-수분의 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 및 수분 회수 스트림을 생성하며, 여기서 열 에너지의 적어도 일부는 약 10 psig (약 170 kPa 절대압) 내지 약 50 psig (약 446 kPa 절대압)의 압력에서 보다 낮은-압력 스팀 스트림에 의해 제공되고, 여기서 감소된-수분의 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료는 감소된-수분의 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료의 총 중량을 기준으로 하여 약 40 중량% 이하의 수분 함량으로 자유 유동성인 단계;
(e) 감소된-수분의 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 및 산소-함유 가스 스트림을 연소기에 공급하는 단계;
(f) 연소기 내의 감소된-수분의 저등급 석탄 공급원료를 산소와 연소시켜 스팀, 이산화탄소 및 열 에너지를 포함하는 연소 가스 스트림을 생성하는 단계;
(g) 적어도 약 150 psig (적어도 약 1136 kPa 절대압)의 압력에서 보다 높은-압력 스팀 스트림을 생성함으로써 연소 가스 스트림으로부터 열 에너지를 회수하는 단계;
(h) 보다 높은-압력 스팀 스트림의 적어도 일부를 전환시켜 보다 낮은-압력 스팀 스트림을 생성하는 단계;
(i) 단계 (d)로부터의 수분 회수 스트림의 적어도 일부를 응축시켜 응축된 수분 스트림을 생성하는 단계;
(j) 세척 단계 (c)로부터의 폐수 스트림을 처리하여 회수된 물 스트림을 생성하는 단계; 및
(k) (1) 응축된 수분 스트림의 적어도 일부, 또는 (2) 회수된 물 스트림의 적어도 일부, 또는 (3) (1) 및 (2) 둘 다를 세척 단계 (c)로 재순환시키며, 여기서 수성 세척 스트림은 응축된 수분 스트림 및 회수된 물 스트림의 재순환된 부분을 적어도 부분적으로 포함하는 것인 단계
를 포함하는, 미립자 저등급 석탄 공급원료로부터 스팀을 생성하는 방법을 제공한다.
세척 단계 (c)는 (1) 분쇄 단계 (b)와 동시에 및 일부로서, 또는 (2) 분쇄 단계 (b)에 후속으로, 또는 (3) (1) 및 (2) 둘 다로서, 그러나 임의의 경우에 "건조" 단계 (d) 이전에 발생할 수 있다.
하나의 옵션에서, 전기는 전기 발생기에 연결된 터빈을 통해 (발생기를 구동하는 터빈에 의해 생성된 기계적 에너지를 사용하여) 열 회수 단계 (g) 이전에 또는 후속으로 연소 가스 스트림을 유동시킴으로써 생성된다.
또 다른 옵션에서, 전기는 전기 발생기에 연결된 터빈을 통해 (발생기를 구동하는 터빈에 의해 생성된 기계적 에너지를 사용하여) 보다 높은-압력 스팀 스트림을 유동시킴으로써 생성된다.
또 다른 옵션에서, 연소 가스 및 보다 높은-압력 스팀 스트림 둘 다로부터의 전기 에너지의 열병합발전이 존재한다.
또 다른 옵션에서, 미가공 저등급 석탄 공급원료는 초기 수분 함량을 갖고, 감소된-수분의 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료의 수분 함량은 미가공 저등급 석탄 공급원료의 초기 수분 함량 (총 중량/중량 기준) 미만이다.
또 하나의 옵션에서, 물은 연소 가스에서 스팀의 적어도 일부를 응축시킴으로써 연소 가스로부터 회수될 수 있다. 축합은, 예를 들어 연소 가스로부터의 열 회수의 일부로서 및/또는 이에 후속으로 방법으로부터의 연소 가스의 배출 이전에 발생할 수 있다. 임의의 회수된 물은 폐수 처리로 보내지고/거나 다르게는 방법으로 다시 재순환될 수 있다.
공급원료 건조를 위한 스팀 생성 및 재순환의 결과로서, 및 공급원료 건조로부터 세척 단계로의 수분 스트림의 재순환의 결과로서, 본 발명은 스팀 (및 바람직하게는 전기)이 생성되는 연소 방법에서 무기 염소 및/또는 무기 나트륨 오염된 저등급 석탄의 증가된 효율 및 경제적 사용에 대한 잠재성을 제공한다.
추가로, 미가공 저등급 석탄 공급원료로부터의 수분 함량의 일부는, 특히 감소된-수분의 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료의 수분 함량이 미가공 저등급 석탄 공급원료의 초기 수분 함량보다 적은 경우에 실제로 본 발명의 방법에서 회수될 수 있다. 이는 전체 방법의 담수 요구량을 감소시킨다. 실제로, 미가공 저등급 석탄 공급원료와 감소된-수분의 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 (및 연소 가스로부터의 임의적인 수분의 회수)의 수분 함량 사이의 차이에 따라, 본 발명은 담수를 구하기 힘든 곳 (예를 들어, 건조 환경)에서 석탄 연소 방법을 작동시키는데 매우 바람직한, 물 중성 또는 심지어 물 양성인 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 실시양태, 특징 및 이점은 하기 상세한 설명을 판독함으로써 통상의 기술자에 의해 보다 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 무기 나트륨 및/또는 무기 염소가 또한 감소되고 궁극적으로는 연소기에 공급되는 감소된-수분의 저등급 석탄 공급원료를 제조하기 위해 미가공 저등급 석탄 공급원료를 가공하는 본 발명의 방법의 부분 (공급원료 제조 부분)의 한 실시양태의 일반적 다이어그램이다.
도 2는 감소된-수분의 저등급 석탄 공급원료가 스팀을 생산하고 전력을 열병합발전시키기 위해 연소되는 본 발명의 방법의 부분 (연소 부분)의 한 실시양태의 일반적 다이어그램이다.
도 3은 전기의 임의적인 열병합발전과 함께 보다 높은-압력 스팀을 생산하기 위한 본 발명의 방법의 연소 부분의 또 다른 실시양태의 일반적 다이어그램이다.
본 발명은, 특정 연소 방법에 사용하기에 적합한 저등급 석탄으로부터 공급원료를 제조하고, 제조된 공급원료를 연소시켜 스팀 및 임의로 전기를 생성하고, 연소 섹션으로부터 생산된 스팀을 공급원료 제조 섹션과 통합시켜 통합된 방법에 요구되는 담수의 양을 최소화하는 (또는 심지어 제거하는) 방법에 관한 것이다. 추가 세부사항은 하기에 제공된다.
본 명세서의 문맥에서, 본원에 언급된 모든 간행물, 특허 출원, 특허 및 다른 참고문헌은, 달리 나타내지 않는 한, 마치 이것이 완전히 설명된 것처럼 모든 목적을 위해 그의 전문이 명백히 본원에 참조로 포함된다.
달리 정의되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 전문 과학 용어는 본 개시내용이 속하는 분야의 통상의 기술자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 상충되는 경우에, 정의를 비롯하여 본 명세서가 우선할 것이다.
명백히 나타낸 경우를 제외하고는, 상표는 대문자로 표기된다.
달리 언급되지 않는 한, 모든 백분율, 부, 비 등은 중량 기준이다.
달리 언급되지 않는 한, psi 단위로 표현된 압력은 게이지압이고, kPa 단위로 표현된 압력은 절대압이다. 그러나, 압력차는 절대압으로 표현된다 (예를 들어, 압력 1은 압력 2보다 25 psi 더 높다).
양, 농도, 또는 다른 값 또는 파라미터가, 범위 또는 상한값 및 하한값의 목록으로서 주어지는 경우에, 이는 이러한 범위가 개별적으로 개시되는지에 상관없이, 임의의 상한 범위 한계치 및 하한 범위 한계치의 임의의 쌍으로부터 형성된 모든 범위를 구체적으로 개시하는 것으로 이해되어야 한다. 수치값 범위가 본원에 언급되는 경우에, 달리 언급되지 않는 한, 범위는 이들의 종점, 및 범위 내의 모든 정수 및 분수를 포함하는 것으로 의도된다. 본 개시내용의 범주가, 범위를 한정할 때 언급된 특정한 값으로 제한되도록 의도되지는 않는다.
용어 "약"이 값 또는 범위의 끝값을 기재하는데 사용되는 경우에, 이러한 개시는 지칭된 구체적인 값 또는 끝값을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본원에 사용된 용어 "포함하다", "포함하는", "비롯하다", "비롯한", "갖다", "갖는" 또는 이들의 임의의 다른 변형은 비-배타적 포함을 포괄하는 것으로 의도된다. 예를 들어, 일련의 요소들을 포함하는 공정, 방법, 물품 또는 장치는 반드시 상기 요소로만 제한되지는 않으나, 이러한 공정, 방법, 물품 또는 장치에 명백하게 열거되지 않거나 내재되지 않은 다른 요소를 포함할 수 있다.
추가로, 상반되게 명백히 언급되지 않는 한, "또는" 및 "및/또는"은 포괄적인 것을 지칭하며 배타적인 것을 지칭하지 않는다. 예를 들어, 조건 A 또는 B, 또는 A 및/또는 B는 하기 중 어느 하나에 의해 충족된다: A가 참이고 (또는 존재함) 및 B가 거짓임 (또는 존재하지 않음), A가 거짓이고 (또는 존재하지 않음) 및 B가 참임 (또는 존재함), 및 A 및 B 둘 다가 참임 (또는 존재함).
본원에서 다양한 요소 및 성분을 기재하는데 단수를 사용하는 것은 단지 편의를 위한 것이며, 본 개시내용의 일반적 개념을 제공하기 위한 것이다. 이러한 기재는 하나 또는 적어도 하나를 포함하는 것으로 판독되어야 하며, 달리 의도하는 것이 명백하지 않는 한, 단수형은 또한 복수형을 포함한다.
본원에 사용된 용어 "실질적인"은, 본원에 달리 정의되지 않는 한, 언급된 물질의 약 90% 초과, 바람직하게는 언급된 물질의 약 95% 초과, 보다 바람직하게는 언급된 물질의 약 97% 초과를 의미한다. 명시되지 않는 경우에, 퍼센트는 분자 (예컨대 메탄, 이산화탄소, 일산화탄소 및 황화수소)를 언급하는 경우에는 몰 기준이고, 다른 경우에는 (예컨대 탄소 함량의 경우에) 중량 기준이다.
본원에 사용된 용어 "우세한 부분"은, 본원에 달리 정의되지 않는 한, 언급된 물질의 50% 초과를 의미한다. 명시되지 않는 경우에, 퍼센트는 분자 (예컨대 수소, 메탄, 이산화탄소, 일산화탄소 및 황화수소)를 언급하는 경우에는 몰 기준이고, 다른 경우에는 (예컨대 탄소 함량의 경우에) 중량 기준이다.
용어 "고갈된" 또는 "감소된"은 원래 존재하는 것으로부터 감소됨과 동의어이다. 예를 들어, 스트림으로부터 물질의 실질적인 부분을 제거하는 것은 상기 물질이 실질적으로 고갈된 물질-고갈 스트림을 제공할 것이다. 반대로, 용어 "풍부" 또는 "증가된"은 원래 존재하는 것보다 많아짐과 동의어이다.
본원에 사용된 용어 "탄소질"은 탄화수소와 동어의이다.
본원에 사용된 용어 "탄소질 물질"은 유기 탄화수소 함량을 함유하는 물질이다. 탄소질 물질은 본원에 정의된 바와 같은 바이오매스 또는 비-바이오매스 물질로서 분류될 수 있다.
본원에 사용된 용어 "바이오매스"는 식물계 바이오매스 및 동물계 바이오매스를 비롯한, 최근의 (예를 들어, 지난 100년 내의) 살아있는 유기체로부터 유래된 탄소질 물질을 지칭한다. 명확하게 하기 위해, 바이오매스는 화석계 탄소질 물질, 예컨대 석탄을 포함하지 않는다. 예를 들어, US2009/0217575A1, US2009/0229182A1 및 US2009/0217587A1을 참조한다.
본원에 사용된 용어 "식물계 바이오매스"는 녹색 식물, 작물, 조류 및 나무, 예컨대 비제한적으로 단수수, 바가스, 사탕수수, 대나무, 잡종 포플러, 잡종 버드나무, 자귀나무, 유칼립투스, 알팔파, 클로버, 기름 야자, 스위치그래스, 수단그래스, 기장, 자트로파 및 억새 (예를 들어, 미스칸투스 x 기간테우스(Miscanthus x giganteus))로부터 유래된 물질을 의미한다. 바이오매스는 농업 재배, 가공 및/또는 분해로부터의 폐기물, 예컨대 옥수수 속대 및 껍질, 옥수수 대, 짚, 견과 껍질, 식물성 오일, 카놀라 오일, 평지씨 오일, 바이오디젤, 목피, 목편, 톱밥 및 정원 폐기물을 추가로 포함한다.
본원에 사용된 용어 "동물계 바이오매스"는 동물 사육 및/또는 이용으로부터 생성된 폐기물을 의미한다. 예를 들어, 바이오매스는 가축 사육 및 가공으로부터의 폐기물, 예컨대 동물 퇴비, 구아노, 가금류 깔짚, 동물 지방 및 도시 고형 폐기물 (예를 들어, 하수오물)을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.
본원에 사용된 용어 "비-바이오매스"는, 본원에 정의된 바와 같은 용어 "바이오매스"에 포괄되지 않는 탄소질 물질을 의미한다. 예를 들어, 비-바이오매스는 무연탄, 역청탄, 아역청탄, 갈탄, 석유 코크스, 아스팔텐, 액체 석유 잔사 또는 그의 혼합물을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 예를 들어, US2009/0166588A1, US2009/0165379A1, US2009/0165380A1, US2009/0165361A1, US2009/0217590A1 및 US2009/0217586A1을 참조한다.
"액체 중질 탄화수소 물질"은 주위 조건에서 유동성이거나, 또는 승온 조건에서 유동성이 될 수 있는 점성 액체 또는 반고체 물질이다. 이들 물질은 전형적으로 탄화수소 물질, 예컨대 원유의 가공으로부터의 잔사이다. 예를 들어, 원유의 정제에서의 제1 단계는 통상적으로 탄화수소의 복합적 혼합물을 다양한 휘발성 물질의 분획으로 분리하기 위한 증류이다. 보다 높은 온도는 열 분해로 이어질 수 있기 때문에, 전형적인 제1-단계 증류는 대기압에서 가열하여 약 650℉ (약 343℃)의 실제 온도를 초과하지 않으면서 가능한 많은 탄화수소 함량을 증발시키는 것을 필요로 한다. 대기압에서 증류되지 않은 분획은 통상적으로 "상압 석유 잔사"로 지칭된다. 분획은 최대 약 650℉ (약 343℃)의 실제 온도에서 훨씬 많은 물질이 증발될 수 있도록 진공 하에 추가로 증류될 수 있다. 남아있는 증류불가능한 액체는 "감압 석유 잔사"로 지칭된다. 상압 석유 잔사 및 감압 석유 잔사는 둘 다 본 발명의 목적을 위한 액체 중질 탄화수소 물질로 고려된다.
액체 중질 탄화수소 물질의 비제한적 예는 감압 잔유; 상압 잔유; 중질 및 잔사 석유 원유; 피치, 아스팔트 및 역청 (자연 발생 뿐만 아니라 석유 정제 방법으로부터 생성된 것); 타르 샌드 오일; 셰일 오일; 촉매 크래킹 방법으로부터의 탑저물; 석탄 액화 탑저물; 및 상당량의 중질 또는 점성 물질, 예컨대 석유 왁스 분획을 함유하는 다른 탄화수소 공급스트림을 포함한다.
본원에 사용된 용어 "아스팔텐"은 실온에서 방향족 탄소질 고체이고, 예를 들어 원유 및 원유 타르 샌드의 가공으로부터 유래될 수 있다. 아스팔텐은 또한 액체 중질 탄화수소 공급원료로 고려될 수 있다.
액체 중질 탄화수소 물질은 본래 소량의 고체 탄소질 물질, 예컨대 석유 코크스 및/또는 고체 아스팔텐을 함유할 수 있으며, 이는 일반적으로 액체 중질 탄화수소 매트릭스 내에 분산되고, 본 발명의 방법을 위한 공급 조건으로서 이용되는 승온 조건에서 고체로 남아있다.
본원에 사용된 용어 "석유 코크스" 및 "펫코크"는 (i) 석유 가공에서 수득되는 고-비점 탄화수소 분획의 고체 열 분해 생성물 (중질 잔사 - "잔유 펫코크"); 및 (ii) 가공 타르 샌드의 고체 열 분해 생성물 (역청질 샌드 또는 오일 샌드 - "타르 샌드 펫코크") 둘 다를 포함한다. 이러한 탄화 생성물은, 예를 들어 미처리, 하소, 니들 및 유동층 펫코크를 포함한다.
잔유 펫코크는 또한, 예를 들어 중질 잔사 원유 (예컨대 액체 석유 잔사)를 고품위화하는데 사용되는 코킹 방법에 의해 원유로부터 유래될 수 있으며, 펫코크는 소량의 성분으로서의 회분을, 코크스의 중량을 기준으로 하여 전형적으로 약 1.0 중량% 이하, 보다 전형적으로 약 0.5 중량% 이하로 함유한다. 전형적으로, 이러한 저회분 코크스 중의 회분은 주로 니켈 및 바나듐과 같은 금속을 포함한다.
타르 샌드 펫코크는, 예를 들어 오일 샌드를 고품위화하는데 사용되는 코킹 방법에 의해 오일 샌드로부터 유래될 수 있다. 타르 샌드 펫코크는 소량의 성분으로서의 회분을, 타르 샌드 펫코크의 전체 중량을 기준으로 하여 전형적으로 약 2 중량% 내지 약 12 중량% 범위, 보다 전형적으로 약 4 중량% 내지 약 12 중량% 범위로 함유한다. 전형적으로, 이러한 고회분 코크스 중의 회분은 주로 실리카 및/또는 알루미나와 같은 물질을 포함한다.
석유 코크스는 석유 코크스의 총 중량을 기준으로 하여 적어도 약 70 중량% 탄소, 적어도 약 80 중량% 탄소, 또는 적어도 약 90 중량% 탄소를 포함할 수 있다. 전형적으로, 석유 코크스는 석유 코크스의 중량을 기준으로 하여 약 20 중량% 미만의 무기 화합물을 포함한다.
본원에 사용된 용어 "석탄"은 토탄, 갈탄, 아역청탄, 역청탄, 무연탄 또는 그의 혼합물을 의미한다. 특정 실시양태에서, 석탄은 총 석탄 중량을 기준으로 하여 약 85 중량% 미만, 또는 약 80 중량% 미만, 또는 약 75 중량% 미만, 또는 약 70 중량% 미만, 또는 약 65 중량% 미만, 또는 약 60 중량% 미만, 또는 약 55 중량% 미만, 또는 약 50 중량% 미만의 탄소 함량을 갖는다. 다른 실시양태에서, 석탄은 총 석탄 중량을 기준으로 하여 약 85 중량% 이하, 또는 약 80 중량% 이하, 또는 약 75 중량% 이하 범위의 탄소 함량을 갖는다. 유용한 석탄의 예는 일리노이(Illinois) #6, 피츠버그(Pittsburgh) #8, 뷸라(Beulah) (ND), 유타 블라인드 캐년(Utah Blind Canyon), 및 파우더 리버 베이신(Powder River Basin) (PRB) 석탄을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 무연탄, 역청탄, 아역청탄 및 갈탄은 각각 건량 기준으로 석탄의 총 중량의 약 10 중량%, 약 5 내지 약 7 중량%, 약 4 내지 약 8 중량%, 및 약 9 내지 약 11 중량%의 회분을 함유할 수 있다. 그러나, 임의의 특정한 석탄 공급원의 회분 함량은 석탄의 등급 및 공급원에 따라 달라질 것이며, 이는 통상의 기술자에게 친숙하다. 예를 들어, 문헌 ["Coal Data: A Reference", Energy Information Administration, Office of Coal, Nuclear, Electric and Alternate Fuels, U.S. Department of Energy, DOE/EIA-0064(93), February 1995]을 참조한다.
석탄의 연소로부터 생산된 회분은 전형적으로 통상의 기술자에게 친숙한 바와 같이 비산 회분 및 바닥 회분 둘 다를 포함한다. 역청탄으로부터의 비산 회분은 비산 회분의 총 중량을 기준으로 하여 약 20 내지 약 60 중량% 실리카 및 약 5 내지 약 35 중량% 알루미나를 포함할 수 있다. 아역청탄으로부터의 비산 회분은 비산 회분의 총 중량을 기준으로 하여 약 40 내지 약 60 중량% 실리카 및 약 20 내지 약 30 중량% 알루미나를 포함할 수 있다. 갈탄으로부터의 비산 회분은 비산 회분의 총 중량을 기준으로 하여 약 15 내지 약 45 중량% 실리카 및 약 20 내지 약 25 중량% 알루미나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 문헌 [Meyers, et al. "Fly Ash. A Highway Construction Material," Federal Highway Administration, Report No. FHWA-IP-76-16, Washington, DC, 1976]을 참조한다.
역청탄으로부터의 바닥 회분은 바닥 회분의 총 중량을 기준으로 하여 약 40 내지 약 60 중량% 실리카 및 약 20 내지 약 30 중량% 알루미나를 포함할 수 있다. 아역청탄으로부터의 바닥 회분은 바닥 회분의 총 중량을 기준으로 하여 약 40 내지 약 50 중량% 실리카 및 약 15 내지 약 25 중량% 알루미나를 포함할 수 있다. 갈탄으로부터의 바닥 회분은 바닥 회분의 총 중량을 기준으로 하여 약 30 내지 약 80 중량% 실리카 및 약 10 내지 약 20 중량% 알루미나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 문헌 [Moulton, Lyle K. "Bottom Ash and Boiler Slag," Proceedings of the Third International Ash Utilization Symposium, U.S. Bureau of Mines, Information Circular No. 8640, Washington, DC, 1973]을 참조한다.
메탄과 같은 물질은 그의 기원에 따라 상기 정의 하의 바이오매스 또는 비-바이오매스일 수 있다.
"비-가스상" 물질은 실질적으로 주위 조건에서 액체, 반고체, 고체 또는 혼합물이다. 예를 들어, 석탄, 펫코크, 아스팔텐 및 액체 석유 잔사는 비-가스상 물질인 반면에, 메탄 및 천연 가스는 가스상 물질이다.
용어 "유닛"은 유닛 작업을 지칭한다. 하나 초과의 "유닛"이 존재하는 것으로 기재되는 경우에, 이들 유닛은 달리 언급되지 않는 한 병렬 방식으로 작동된다. 그러나, 단일 "유닛"은 맥락에 따라서는 직렬 또는 병렬의 하나 초과의 유닛을 포함할 수 있다. 예를 들어, 사이클론 유닛은 내부 사이클론에 이어서 직렬로 외부 사이클론을 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 펠릿화 유닛은 제1 입자 크기/입자 밀도로 펠릿화하기 위한 제1 펠릿화기에 이어서 직렬로 제2 입자 크기/입자 밀도로 펠릿화하기 위한 제2 펠릿화기를 포함할 수 있다.
본원에 사용된 용어 "자유-유동성" 입자는 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 널리 이해되는 바와 같이 입자가 수분 함량으로 인해 물질적으로 응집되지 않는 것 (예를 들어, 물질적으로 결집하거나, 뭉치거나, 덩어리지지 않음)을 의미한다. 자유-유동성 입자는 "건조"할 필요는 없지만, 바람직하게는 입자의 수분 함량은 최소량의 (또는 전혀 없는) 표면 수분이 되도록 실질적으로 내부에 함유된다.
본 발명의 문맥의 용어 "과열 스팀"은 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 같이 이용되는 조건 하에 비-응축성인 스팀 스트림을 지칭한다.
본 발명의 문맥의 용어 "건조 포화 스팀" 또는 "건조 스팀"은 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 같이 비-응축성인 약간 과열된 포화 스팀을 지칭한다.
용어 "HGI"는 ASTM D409/D409M-11ae1에 따라 측정된 바와 같은 하드그로브 분쇄 지수(Hardgrove Grinding Index)를 지칭한다.
용어 "dp(50)"은 ASTM D4749-87(2007)에 따라 측정된 바와 같은 입자 크기 분포의 평균 입자 크기를 지칭한다.
본원에 기재된 것과 유사하거나 동등한 방법 및 물질이 본 개시내용의 실시 또는 시험에서 사용될 수 있지만, 적합한 방법 및 물질은 본원에 기재된다. 따라서, 본원의 물질, 방법 및 예는 단지 예시적인 것일 뿐이고, 구체적으로 언급된 경우를 제외하고는 제한하려는 의도가 아니다.
저등급 석탄 공급원료
본 발명은 부분적으로 미가공 저등급 석탄 공급원료를 가공하여 연소 적용에 적합한 가공된 저등급 석탄 공급원료를 형성하는 다양한 방법에 관한 것이다.
단계 (a)에서 미가공 저등급 석탄 공급원료가 제공된다.
용어 "저등급 석탄"은 일반적으로 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해된다. 저등급 석탄은 전형적인 아역청탄, 뿐만 아니라 갈탄 및 토탄을 포함한다. 저등급 석탄은 일반적으로 고등급 역청탄 및 무연탄보다 "덜 오래된" 석탄인 것으로 간주되고, 이러한 고등급 석탄보다 낮은 입자 밀도, 높은 기공률, 낮은 고정된 탄소 함량, 높은 수분 함량, 높은 휘발성 물질 함량, 및 많은 경우에 높은 무기 회분 함량을 갖는 경향이 있다.
한 실시양태에서, 미가공 저등급 석탄 공급원료는 약 25 중량% 이상의 고유 (총) 수분 함량 (ASTM D7582-10e1에 따라 측정된 바와 같음), 약 6500 kcal/kg (건량 기준) 이하의 발열량 (ASTM D5865-11a에 따라 측정된 바와 같음), 및 약 45 중량% 이하의 고정된 탄소 함량 (ASTM D7582-10e1에 따라 측정된 바와 같음)을 갖는다.
전형적으로, 미가공 저등급 미립자 석탄 공급원료는 약 50 이상의 HGI를 가질 것이다. 본 발명에 사용하기 위한 저등급 석탄의 한 실시양태는 약 70 이상, 또는 약 70 내지 약 130의 HGI를 갖는 미가공 석탄이다. 한 실시양태에서, 저등급 석탄은 갈탄이다.
전형적으로, 본 발명의 방법에 사용하기 위한 미가공 미립자 저등급 석탄 공급원료는 실질적으로 저등급 석탄, 또는 단지 저등급 석탄일 것이다. 2종 이상의 상이한 저등급 석탄의 혼합물이 또한 사용될 수 있다.
본 발명에 사용하기에 적합한 미가공 저등급 석탄 공급원료 (단일 또는 혼합물)는 초기 수분 함량을 보유할 것이다. 미가공 저등급 석탄 공급원료의 초기 (고유) 수분 함량은, 바람직하게는 석탄의 고유 물 함량의 일부가 건조 단계 (d)의 결과로서 회수되도록 충분히 높다. 즉, 건조 단계로부터의 "가공된" 석탄의 수분 함량은, 가공 단계로 들어가는 미가공 저등급 석탄의 고유 수분 함량보다 적어야 한다. 한 실시양태에서, 미가공 저등급 석탄 공급원료의 초기 수분 함량은 미가공 저등급 석탄 공급원료의 총 중량을 기준으로 하여 적어도 약 25 중량%, 또는 적어도 약 30 중량%, 또는 적어도 약 35 중량%, 또는 적어도 약 40 중량%이다.
본 발명에 사용하기에 적합한 미가공 저등급 석탄 공급원료 (단일 또는 혼합물)는 또한 초기 오염물 함량을 보유한다. 미가공 저등급 석탄 공급원료의 오염물 함량은 염소 성분 또는 나트륨 성분 또는 둘 다를 갖는다.
염소 성분은 미가공 저등급 석탄 공급원료의 건조 중량을 기준으로 하여 적어도 약 0.1 중량%, 또는 적어도 약 0.2 중량%, 또는 적어도 약 0.25 중량%의 초기 무기 염소 함량이다. 바람직하게는, 석탄은 또한 미가공 저등급 석탄 공급원료의 건조 중량을 기준으로 하여 약 0.25 중량% 미만, 또는 약 0.2 중량% 미만, 또는 약 0.15 중량% 미만, 또는 약 0.1 중량% 미만의 초기 유기 염소 함량을 가져야 한다.
나트륨 성분은 미가공 저등급 석탄 공급원료의 건조 중량을 기준으로 하여 적어도 약 0.1 중량%, 또는 적어도 약 0.2 중량%, 또는 적어도 약 0.25 중량%의 초기 무기 나트륨 함량이다.
전형적으로, 무기 염소 성분이 존재하는 경우에 관련 무기 나트륨 성분이 또한 존재하며, 따라서 무기 염소는 종종 "염 염소"로 지칭된다.
나트륨 및 염소 함량과 관련된 "무기"는 일반적으로 하기에 추가로 상술된 바와 같이 나트륨 및 염소가 물에 용해될 수 있도록 (및 따라서 잠재적으로 세척에 의해 제거될 수 있도록) 유기 결합을 통해 석탄 매트릭스 내에 결합되지 않은 것을 의미한다.
석탄의 나트륨 함량은 ASTM D4326-11에 따라 결정된다. 본 발명의 문맥에서, "무기 나트륨 함량"은 이 ASTM 방법에 따라 측정된 석탄 샘플의 나트륨 함량이다 (모든 이렇게 측정된 나트륨이 본 발명의 목적을 위한 무기인 것으로 간주됨).
석탄의 염소 함량은 ASTM D4208-13에 따라 결정된다. 본 발명의 문맥에서, "총 염소 함량"은 ASTM 표준에 따라 미가공 (미세척된) 석탄 샘플에 대해 측정된 염소 함량이다. "유기 염소 함량"은 ASTM 표준에 따라 물-세척된 석탄 샘플에 대해 측정된 염소 함량이다 (즉, 물 세척을 통해 용이하게 제거되지 않은 염소의 양). 본 발명의 문맥에서의 "무기 염소 함량"은 "총 염소 함량"과 "유기 염소 함량" 사이의 차이다.
정의를 위해서, 유기 염소 함량을 측정하기 위한 석탄 샘플의 물 세척은 하기 절차를 통해 수행된다:
(1) 1200g DDI (증류된 탈이온) 물을 2개의 2L 에를렌마이어(Erlenmeyer) 플라스크 각각에 첨가하는 단계;
(2) 200g의 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 (ASTM D4208-13에 따라)를 각 플라스크에 첨가하는 단계;
(3) 각 플라스크를 300 내지 450 rpm의 속도를 사용하여 실온에서 30분 동안 교반하는 단계 (모든 고체가 물에 잘 혼합되는 것을 보장함);
(4) 두 배치를 진공 흡인을 위해 설치된 부흐너 깔때기에 붓는 단계;
(5) 진공 흡인을 시작하고, 3개의 400ml 분취액의 DDI 물로 헹구어 필터 케이크를 생성하는 단계;
(6) 필터 케이크가 "건조"될 때까지 진공 흡인을 지속하는 단계 (흡인으로부터 점적하는 것을 실질적으로 중지함); 이어서
(7) 진공 흡인을 중단하고, 남아있는 필터 케이크를 수집하는 단계.
이 방법은 ASTM D4208-13을 통한 분석을 위해 충분한 샘플 크기를 수집하기 위해 필요에 따라 반복된다.
우세한 양의 하나 이상의 저등급 석탄과 소량의 하나 이상의 다른 비-가스상 탄소질 공급원료와의 혼합물이 또한 사용될 수 있다. 이러한 다른 비-가스상 공급원료는, 예를 들어 고등급 석탄, 석유 코크스, 액체 석유 잔사, 아스팔텐 및 바이오매스를 포함한다. 저등급 석탄과 비-가스상 탄소질 물질의 또 다른 유형과의 조합물의 경우에, 저등급 석탄 성분으로부터의 발열량은 조합물의 우세한 부분이어야 한다. 또 다른 방식으로 표현하자면, 조합물 공급원료의 전체 발열량은 저등급 석탄 공급원으로부터 50% 초과, 또는 약 66% 초과, 또는 약 75% 초과, 또는 약 90% 초과이다.
하기에 보다 상세히 논의된 바와 같이, 특정의 다른 비-가스상 탄소질 물질을 이용하는 경우가 방법 중 다양한 다른 단계에서 첨가될 수 있다. 예를 들어, 펠릿화 작업이 존재하는 경우에, 이러한 물질은 분쇄된 저등급 석탄 공급원료, 예컨대 액체 석유 잔사, 아스팔텐 및 특정 바이오매스, 예컨대 계분의 펠릿화 (결합)를 보조하는데 사용될 수 있다. 이러한 물질은 또한 조합물 공급원료의 다른 특성, 예컨대 전체 탄소 함량, 물 함량, 회분 함량, 및 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 인식가능한 다른 특성을 변형하는데 사용될 수 있다.
미가공 저등급 석탄 공급원료는 광산으로부터 직접 제공될 수 있거나, 또는 이는 관련 기술분야에 널리 공지된 바와 같이 철도, 트럭 또는 컨베이어를 통해 수송하는데 보다 적합한 조대 분쇄에 의해 예비-가공될 수 있다.
일반적 공급원료 제조 방법 정보
단계 (a)에 제공된 미가공 저등급 석탄 공급원료는 목적하는 초기 입자 크기로 분쇄하고, 세척하고, 임의로 펠릿화하고, 건조시키고, 이어서 임의로 목적하는 최종 입자 크기로 사이징함로써 초기에 가공되며, 이의 한 실시양태는 도 1에 도시된다.
상기 실시양태에 따라, 상기 기재된 바와 같은 미가공 저등급 석탄 공급원료 (10)는 단계 (b)에서 제공되고 분쇄되어 명시된 입자 크기의 분쇄된 저등급 석탄 공급원료를 생성한다.
분쇄 단계 (b)에서, 미가공 저등급 석탄 공급원료 (10)는 관련 기술분야에 공지된 임의의 방법, 예컨대 충격 파쇄 및 습식 또는 건식 분쇄에 따라 분쇄 유닛 (110) 내에서 파쇄, 분쇄 및/또는 미분쇄되어 후속 가공에 적합한 입자 크기 분포의 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 (20)를 의도된 최종 사용을 위한 최종 입자 크기 프로파일로 산출할 수 있다.
상기에 나타낸 바와 같이, 분쇄 단계에 제공된 바와 같은 미가공 저등급 석탄 공급원료 (10)는 광산으로부터 직접 취해진 것일 수 있거나, 또는 예를 들어 조분쇄 단계에서 보다 미세하게 분쇄되도록 충분히 큰 입자 크기로 조대 파쇄함으로써 초기에 가공될 수 있다.
관련 최종-사용 기술분야의 통상의 기술자는 목적하는 최종 사용을 위한 목적하는 입자 크기 프로파일을 용이하게 결정할 수 있을 것이다. 다양한 방법은 하기에 보다 상세히 논의된 바와 같이 그의 보다 좁은 범위의 입자 크기 분포를 가질 것이다.
분쇄된 저등급 석탄 공급원료 (20)는 "조대" 및/또는 "미세" 물질을 제거함으로써 입자 크기 분포를 정밀화하기 위해 분쇄 직후에 임의로 사이징될 수 있다.
한 실시양태에서, 미가공 저등급 석탄 공급원료 (10)는 목적하는 초기 입자 크기 프로파일로 건식 분쇄된다.
또 다른 실시양태에서, 미가공 저등급 석탄 공급원료 (10)는 수성 매질의 스트림 (40)을 분쇄 방법에 첨가함으로써 습식 분쇄된다. 석탄 공급원료의 습식 분쇄에 적합한 방법의 예는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 널리 공지되어 있다.
방법의 단계 (c)에 따라, 분쇄된 저등급 석탄 공급원료는 수성 세척 스트림으로 세척된다. 이러한 세척은 습식 분쇄 방법의 통합 부분으로서 실시될 수 있으며 (세척 단계는 분쇄 단계와 동시에 발생함), 이러한 경우에 스트림 (40)은 수성 세척 스트림이다. 제거된 오염물을 함유하는 세척 스트림은 폐수 스트림 (46)으로서 배출된다.
대안적으로, 이러한 세척은 세척 유닛 (120)에서 분쇄 (및 임의적인 사이징) 단계 후에 실시될 수 있으며, 이러한 경우에 스트림 (44)은 수성 세척 스트림이다. 제거된 오염물을 함유하는 세척 스트림은 폐수 스트림 (42)으로서 배출된다.
추가로, 이러한 세척은 분쇄 방법의 일부로서 뿐만 아니라 또한 분쇄된 저등급 석탄 공급원료와 개별적으로 (임의적인 사이징 이전 또는 이후에) 실시될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 미가공 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 (20)는 세척 유닛 (120)으로 보내지고, 여기서 이는 수성 세척 스트림 (44)과 접촉되어 무기 염소 및 무기 나트륨을 비롯한 다양한 수용성 오염물을 제거하여 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 (22)를 생성한다.
세척 유닛 (120)에 사용하기에 적합한 석탄 세척 방법은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 널리 공지되어 있다. 하나의 적합한 이러한 방법은 하나 또는 일련의 진공 벨트 필터를 이용하는 것을 포함하며, 여기서 분쇄된 석탄은 수성 매질, 전형적으로 방법으로부터의 폐수 스트림의 처리로부터 (예를 들어, 폐수 스트림 (42) 및/또는 폐수 스트림 (46)의 처리로부터) 회수된 재순환 물로 분무되면서 진공 벨트 상에서 수송된다. 첨가제, 예컨대 계면활성제, 응집제 및 펠릿화 보조제는 또한 이 단계에서 적용될 수 있다. 예를 들어, 계면활성제 및 응집제는 진공 벨트 필터 및/또는 임의의 후속 탈수 단계에서 탈수하는 것을 보조하기 위해 적용될 수 있다.
생성된 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 (22)는 전형적으로 높은 물 함량을 갖는 습윤 필터 케이크 또는 농축된 슬러리의 형태일 것이며, 이는 전형적으로 물 함량의 일부를 제거하고 후속 가공에 적합한 물 함량을 갖는 초기 탈수된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 (34)를 생성하기 위한 초기 탈수 단계 (임의적인 탈수 유닛 (130))를 필요로 할 것이다.
상기 탈수 단계에서 습윤 석탄 필터 케이크 및 농축된 석탄 슬러리를 탈수하기에 적합한 방법 및 장비는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 널리 공지되어 있으며, 예를 들어 여과 (중력 또는 진공), 원심분리 및 유체 프레스 방법 및 장비를 포함한다. 석탄 입자에 대한 친화도를 갖는 소수성 유기 화합물 및 용매는 탈수를 촉진시키는데 사용될 수 있다.
탈수 유닛 (130)으로부터 생성된 폐수 스팀 (38)은, 예를 들어 폐수 스트림 (42) 및 (46)과 함께 처리를 위한 폐수 처리 유닛 (160)으로 보내져서 세정된 물 스트림 (54) 및 농축된 오염물 스트림 (52)을 생성할 수 있다.
폐수 처리 유닛 (160)으로부터 회수된 세정된 물 스트림 (54)은 바람직하게는 방법 중 어느 곳에서든 사용하기 위해 재순환된다. 예를 들어, 세정된 물 스트림 (54)의 전부 또는 일부는 재순환 물 스트림 (56)으로서 재순환되고, 이는 담수 스트림 (12)과 조합되어 수성 세척 스트림 (40) 및/또는 (44)로서 사용하기 위해 물 공급 스트림 (14)을 생성할 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 세정된 물 스트림 (54)의 전부 또는 일부는 하기에 보다 상세히 논의된 바와 같이 스팀을 생성하는데 사용하기 위해 방법의 연소 섹션으로 재순환될 수 있다.
농축된 오염물 스트림 (52) 중 오염물의 유형 및 양에 따라, 상기 스트림은 바람직하게는 오염 성분의 일부를 회수하기 위해 추가로 가공되거나, 또는 허용가능한 방식으로 폐기될 수 있다.
미가공 저등급 석탄 공급원료 (예를 들어, HGI)의 특성 및 목적하는 최종 사용에 따라, 후속 펠릿화 유닛 (135) 내에서 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 (22) (또는 존재하는 경우에 초기 탈수된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 (34))를 응집시켜 궁극적인 최종 사용에 적합한 입자 크기 분포의 펠릿화된 저등급 석탄 공급원료 (36)를 생성하는 것이 바람직할 수 있다. 본 발명의 목적을 위해, 응집/펠릿화는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 일반적으로 공지된 유형의, 응집시키고 입자 크기를 증가시키기 위한 펠릿화 및 단광 방법 둘 다를 지칭한다.
응집된 저등급 석탄 공급원료를 제조하는 한 특정한 방법은 이전에 포함된 US 출원 일련 번호 __/___,___ (대리인 문서 번호 FN-0073 US NP1, 발명의 명칭 " Agglomerated Particulate Low-Rank Coal Feedstock and Uses Thereof")에 개시되어 있다.
응집화가 이용되는 경우에, 다른 공급원으로부터의 적절한 입자 크기의 추가의 미세물 물질 (도시되지 않음)은 펠릿화 유닛 (135) 이전의 다양한 장소에서 방법에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 다른 석탄 및/또는 펫코크 가공 작업으로부터의 미세물 물질은 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 (22) (또는 존재하는 경우에 초기 탈수된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 (34))와 조합되어 물 함량을 변형 (예를 들어, 추가로 감소시킴)하고/거나 상기의 탄소 함량을 증가시킬 수 있다.
다양한 분류의 결합제가 전형적으로 응집 단계에 이용된다. 적합한 결합제는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 일반적으로 널리 공지되어 있으며, 유기 및 무기 결합제를 포함한다. 유기 결합제는, 예를 들어 다양한 전분, 응집제, 천연 및 합성 중합체, 바이오매스, 예컨대 계분 및 분산된/유화된 오일 물질, 예컨대 분산된 액체 석유 잔유를 포함한다. 무기 결합제는 미네랄 결합제를 포함한다.
펠릿화 단계는 목적하는 최종 사용을 위한 표적 dp(50)에 근접한 dp(50)을 갖는 습윤 응집된 저등급 석탄 입자 (36)를 생성하여야 하고, dp(50)은 하기에 논의된 바와 같은 사이징 단계에 의해 추가로 정밀화될 수 있다.
습윤 응집된 저등급 석탄 입자 (36)의 수분 함량에 따라, 상기 입자는 자유 유동성일 수 있거나 또는 아닐 수 있고/거나, 구조적으로 안정하지 않고/거나, 목적하는 최종 사용을 위해 매우 높은 수분 함량을 가질 수 있고, 임의로 탈수된 응집된 저등급 석탄 공급원료를 생성하기 위해 탈수 유닛 (도시되지 않음) 내에서 추가의 중간 탈수 단계를 통과할 필요가 있을 수 있다. 탈수 단계에서 습윤 응집된 저등급 석탄 입자 (36)를 탈수하는데 적합한 방법은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 널리 공지되어 있으며, 예를 들어 여과 (중력 또는 진공), 원심분리 및 유체 프레스를 포함한다.
방법의 단계 (d)에 따라, 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 (22) (또는 탈수 유닛 (130)이 존재하는 경우에 초기 탈수된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 (34), 또는 펠릿화 유닛 (135)이 존재하는 경우에 습윤 응집된 저등급 석탄 입자 (36))는 가스 스트림 (80)과 접촉시키고 열원으로서 보다 낮은-압력 스팀 스트림 (48)을 이용함으로써 열 건조 유닛 (140) 내에서 건조되어 감소된-수분의 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 (78), 회수 스팀 스트림 (50) 및 회수된 수분 스트림 (82)을 생성한다. 생성된 감소된-수분의 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 (78)가 자유-유동성 미립자가 되도록 충분한 수분이 제거된다. 제거에 필요한 수분의 양은 열 건조 유닛 (140)으로 들어가는 상기 물질의 조성 및 특성을 기준으로 하여 통상의 기술자에 의해 용이하게 결정될 수 있다.
본 발명에 따라, 보다 낮은-압력 스팀 스트림 (48)은 하기에 보다 상세히 논의된 바와 같이 본 발명의 방법의 연소 섹션으로부터 유도되고 재순환된 스팀 스트림이다.
열 건조 유닛 (140)은 전형적으로 유동층 건조기이며, 여기서 석탄 입자는 열 건조 유닛 (140)에 공급된 가스 스트림 (80)에 의해 유동한다. 가스 스트림 (80)은 전형적으로 "건조" 공기 또는 질소-풍부 가스 스트림, 예를 들어 도 2에 제시되고 하기에 보다 상세히 논의된 바와 같은 공기 분리 유닛 (550)으로부터의 질소-풍부 스트림 (570)이다. 이러한 유동층 건조기는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 널리 공지되어 있으며, 일반적으로 상업적으로 이용가능하고, 본 발명의 문맥에서의 "건조 가스 스트림"은 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이 열 건조 유닛 (140) 내에서 이용되는 조건 하에 습윤 석탄으로부터의 수분을 취할 수 있도록 충분히 건조한 것을 의미한다.
가스 스트림 (80)은 전형적으로 약간 상승된 압력, 예를 들어 대기압의 약간 초과 내지 약 50 psig (약 446 kPa 절대압), 또는 내지 약 30 psig (약 308 kPa 절대압), 또는 내지 약 15 psig (약 205 kPa 절대압)의 압력에서 제공된다.
보다 낮은-압력 스팀 스트림 (48)은 약 10 psig (약 170 kPa 절대압), 또는 약 15 psig (약 205 kPa 절대압) 내지 약 50 psig (약 446 kPa 절대압), 또는 내지 약 40 psig (약 377 kPa 절대압), 또는 내지 약 30 psig (약 308 kPa 절대압)의 압력에서 제공된다.
가스 스트림 (80) 중 건조 가스 + 보다 낮은-압력 스팀 스트림 (48)으로부터 전달된 열 에너지의 조합은, 자유 유동성인 감소된-수분의 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 (78)를 생성하기 위해 습윤 공급물로부터 목적하는 양의 수분을 제거하기에 충분하다. 바람직하게는, 보다 낮은-압력 스팀 스트림 (48)의 양, 및 열 건조 유닛 (140)에 공급된 가스 스트림은 생성된 감소된-수분의 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 (78)가 미가공 저등급 석탄 공급원료 (10)의 초기 수분 함량 미만, 그러나 감소된-수분의 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 (78)의 총 중량을 기준으로 하여 약 40 중량% 이하, 또는 약 35 중량% 이하, 또는 약 30 중량% 이하의 수분 함량을 갖도록 조합물 중에서 충분하다.
열 건조 유닛 (140)으로부터의 회수 스팀 스트림 (50)은 바람직하게는, 방법의 연소 섹션으로 다시 재순환되는 재순환 스팀 스트림 (74), 및/또는 공급원료 제조 단계로 다시 재순환되는 재순환 스팀 스트림 (58), 예를 들어 수성 스트림 (40) 및/또는 (44)의 일부로서 방법에 다시 재순환된다. 공급원료 제조 단계에 사용하기 위해 다시 재순환되는 경우에, 재순환 스팀 스트림 (58)은, 예를 들어 재순환 물 스트림 (76)을 생성하기 위해 공기-냉각된 응축기 (170)를 통해 전형적으로 물로 응축되는 매우 저등급 스팀이다. 회수 스팀 스트림 (50)은 또한 또는 대안적으로 응축된 후 물 처리 유닛 (160)으로 전체적으로 또는 부분적으로 재순환될 수 있다.
회수된 수분 스트림 (82) 중의 수분은 또한 바람직하게는 방법으로 다시 재순환된다. 전형적으로, 이러한 수분은, 예를 들어 응축된 후 전형적으로 물 처리 유닛 (160)에 공급되는 재순환 물 스트림 (84)을 생성하기 위해 공기-냉각된 응축기 (180)를 통해 물로 응축된다. 재순환 물 스트림은 또한 또는 대안적으로, 예를 들어 수성 스트림 (40) 및/또는 (44)의 일부로서 공급원료 제조 단계로 전체적으로 또는 부분적으로 재순환될 수 있다. 이어서, 수분이 응축된 가스는 가스 스트림 (80)으로서, 임의로 스트림 (570)으로부터의 보충 가스와 조합되어 재순환될 수 있다.
전형적으로, 그러나 임의로, 사이징 유닛 (150)에서의 최종 사이징 단계는 감소된-수분의 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 (78)의 입자 분포를 정밀화하도록 제공되며, 여기서 표적 상한 크기 초과의 입자 (큼 또는 "대입자") (스트림 (70)) 및 표적 하한 입자 크기 미만의 입자 (미세물 또는 "소입자") (스트림 (72))의 전부 또는 일부가 제거되어 연소기에 공급하기 위해 저등급 석탄 공급원료 (32)를 생성한다. 사이징에 적합한 방법은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 일반적으로 공지되어 있으며, 전형적으로 적절하게 사이징된 스크린을 갖는 스크리닝 유닛을 포함한다. 한 실시양태에서, 대입자 및 소입자 중 어느 하나 또는 둘 다 (바람직하게는)의 적어도 90 중량%, 또는 적어도 95 중량% (방법의 연소 섹션에 공급되는 바와 같은 저등급 석탄 공급원료 (32)에 대한 정의된 입자 크기 분포를 기준으로 함)는 상기 최종 사이징 단계에서 제거된다.
상승된 온도 및 압력 조건에서 실시되는 임의의 열 건조 이외에, 공급원료 제조 단계에서의 모든 작업은 일반적으로 주위 온도 및 압력 조건 하에 실시된다. 그러나, 한 실시양태에서, 세척 단계는 승온 조건 (예를 들어, 가열된 세척수를 사용함) 하에 실시되어 세척 방법 동안에 제거되는 오염물의 용해를 촉진시킬 수 있다.
상기에 나타낸 바와 같이, 저등급 석탄 공급원료 (32)에 대한 최종 입자 크기 분포, 뿐만 아니라 다른 특성, 예컨대 수분 함량은 궁극적인 최종 사용을 위해 명시될 것이고, 연소기의 유형, 공급원료 물리적 및 화학적 특성과 같은 인자, 및 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 인식되고 이해되는 바와 같은 다른 공지된 인자에 따라 달라질 것이다.
한 실시양태에서, 생성된 저등급 석탄 공급원료 (32)는 순환 유동층 연소기에 적합한 입자 크기 분포, 예를 들어 약 3000 마이크로미터 내지 약 6000 마이크로미터 범위의 값인 dp(50)을 갖는다.
또 다른 실시양태에서, 생성된 저등급 석탄 공급원료 (32)는 미분탄 보일러에 적합한 입자 크기 분포, 예를 들어 약 100 마이크로미터 내지 약 200 마이크로미터 범위의 값인 dp(50)을 갖는다.
바람직하게는, 재순환 물 스트림 (56) 및 재순환 스팀 스트림 (58) (또는 재순환 스팀 스트림 (58)이 응축된 경우에 재순환 물 스트림 (76))의 조합은 담수 스트림 (12)을 최소화하거나 또는 심지어 제거하도록 한다. 한 실시양태에서, 전체 방법은 방법의 정상 상태 작업에 실질적으로 담수가 첨가되지 않는다는 점에서 실질적으로 물 중성이며, 예를 들어 여기서 담수 스트림 (12)은 담수 스트림 (12), 재순환 물 스트림 (56) 및 재순환 스팀 스트림 (58) (또는 재순환 스팀 스트림 (58)이 응축된 경우에 재순환 물 스트림 (76))의 조합된 중량을 기준으로 하여 약 5 중량% 이하, 또는 약 2 중량% 이하, 또는 약 0 중량%이다. 또 다른 실시양태에서, 전체 방법은 물이 실제로 예를 들어 세정된 물 스트림 (54)의 일부로서 시스템으로부터 제거될 수 있으며 어느 곳에서든 사용될 수 있다는 점에서 물 양성이다.
연소 방법
일반적 개념으로서, 연소 방법에서, 석탄 중 탄소는, 예를 들어 전기 생성을 포함하나 이에 제한되지는 않는 다양한 산업 사용을 위한 스팀을 생성하기 위해 회수될 수 있는 열, 및 전기 생성을 위한 터빈을 구동하는데 사용될 수 있는 배기 가스를 위해 연소된다.
적합한 연소 기술, 작동 조건, 및 장비 및 구성은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 일반적으로 공지되어 있으며, 많은 적용가능한 기술은 상업적으로 이용가능하다.
이러한 기술에는 순환 유동층 연소기 ("CFB")를 이용한다. CFB는 전형적으로 약 760℃ 내지 약 930℃의 비교적 중간 온도에서 일반적으로 작동한다. CFB는 전형적으로 약 3000 마이크로미터 내지 약 6000 마이크로미터 범위의 dp(50)을 갖는 보다 조대한 입자를 이용한다.
또 다른 기술은 미분탄 보일러 ("PCB")를 이용한다. PCB는 전형적으로 약 1300℃ 내지 약 1700℃ 범위의 고온에서 작동한다. PCB는 전형적으로 약 100 내지 약 200 마이크로미터 범위의 dp(50)을 갖는 보다 미세한 입자를 이용한다.
연소기는 대기압 내지 훨씬 높은 압력 조건 범위의 다양한 압력에서 작동될 수 있고, 전형적으로 유동화 매질을 위한 공기를 사용하며, 이는 전형적으로 산소 중에 풍부하여 연소를 촉진시킨다.
모든 연소 방법은 일반적으로 도 2에서 (500) 및 도 3에서 (400)으로 도시되는 반응기 (연소기)를 포함할 것이며, 여기서 저등급 석탄 공급원료 (32)는 연소되어 열 에너지 및 배기 가스 (510) (도 2) 및 (410) (도 3)를 생산할 것이다.
도 2에 대하여, 스팀 및 전기의 열병합발전, 및 연소 가스 뿐만 아니라 생성된 스팀으로부터의 전기의 열병합발전이 있는 본 발명의 연소 섹션의 한 실시양태가 도시된다.
도 2에서, 저등급 석탄 공급원료 (32) 및 공기 또는 산소-풍부 공기 스트림 (552)은 층 (502)을 함유하는 연소 반응기 (500)에 공급되며, 여기서 탄소는 연소되어, 석탄 조성물 및 연소 조건에 따라 전형적으로 이산화탄소, 스팀, 열 에너지, 연행 고체 및 다른 오염물 부산물을 포함하는 연소 가스를 생성한다.
특정한 방법에 따라, 저등급 석탄 공급원료 (32)는 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 인식되는 바와 같이 특정한 연소 방법에 최적화된 하나 이상의 상이한 위치에서 연소 반응기 (500)에 공급될 수 있다.
연소 반응기 (500) 내의 연소는 전형적으로, 연소 반응기 (500)에 공급될 수 있는 공기 또는 산소-풍부 공기 스트림 (552) 및/또는 다른 유동화 가스 (예컨대 이산화탄소 및/또는 질소)의 유량에 의해 유동하는 공급원료 (32)의 층 (502) 내에서 발생할 것이다.
전형적으로, 연소는 비-촉매 방법이고, 따라서 촉매는 공급원료 (32) 또는 연소 반응기 (500)에 첨가될 필요가 없으나; 연소를 촉진시키는 촉매는 이용될 수 있다.
전형적으로, 탄소 전환은 연소 방법에서 실질적으로 완전하고, 임의의 남아있는 고체 잔류물은 주로 탄소 잔류물이 거의 없거나 전혀 없는 무기 회분이다. 반응 조건에 따라, 연소는 슬래깅 또는 비-슬래깅될 수 있으며, 여기서 잔류물 (514)은 연소 반응기 (500)로부터 용융 (슬래깅) 또는 고체 (비-슬래깅) 회분 또는 차르 (고체 잔류물 중에 상당한 탄소 함량이 여전히 존재하는 정도로)로서 배출된다. 전형적으로, 잔류물은 층 (502) 아래의 섹션 (506)에서 수집되고, 연소 반응기 (500)의 저부로부터 배출되지만, 회분은 또한 미가공 연소 가스 스트림 (510)과 함께 연소 반응기 (500)의 상단 (504)으로부터 배출될 수 있다.
섹션 (506) 및 유동층 (502)은, 예를 들어 그리드 플레이트 (508)에 의해 분리될 수 있다.
미가공 연소 가스 스트림 (510)은 전형적으로 연소 반응기 (500)의 상단 또는 상부 부분 (504)으로부터 배출된다.
연소 반응기 (500)의 층 (502)을 떠나는 고온의 가스 유출물은, 이탈 구역으로서 작용하는, 연소 반응기 (500) 내에 및/또는 그 외부에 통합된 미세물 제거기 유닛 (예컨대 사이클론 어셈블리 (530))을 통과할 수 있다. 연소 반응기 (500)를 떠나는 가스에 의해 연행되기에 너무 무거운 입자는 연소 반응기 (500), 예를 들어 층 (502)으로 되돌아갈 수 있다.
남아있는 연행 미세물은 실질적으로 임의의 적합한 장치, 예컨대 내부 및/또는 외부 사이클론 분리기 (530)에 의해 제거되어 미세물-고갈 미가공 연소 가스 스트림 (516)을 생성한다. 이들 미세물의 적어도 일부는 재순환 라인 (562) 및 (566)을 통해 층 (502)으로, 특히 이러한 미세물이 물질 탄소 함량을 여전히 함유하는 정도로 되돌아갈 수 있다 (차르로 고려될 수 있음). 대안적으로, 임의의 미세물 또는 회분 (572)은 라인 (562)을 통해 제거될 수 있다.
도 2에 제시된 바와 같이, 연소 반응기 (500)는 미세물-고갈 미가공 연소 가스 스트림 (516)이 터빈 (542)을 기계적으로 구동하는데 사용될 수 있도록 충분한 압력 조건 하에 작동된다. 터빈 (542)은 샤프트 (536) 또는 다른 기계적 커플링에 의해 전기 발생기 (572)에 연결되고, 터빈 (542)에 의해 생성된 기계적 에너지는 전력 (574)이 생산되도록 발생기 (572)를 구동한다.
터빈 (542)은 또한 바람직하게는 샤프트 (556) 또는 다른 기계적 커플링에 의해 공기 압축기 (548) 또는 유사한 장치에 기계적으로 연결될 수 있고, 터빈 (542)에 의해 생성된 기계적 에너지는 공기 압축기 (548)를 구동하여 공기 스트림 (552)으로서 연소 반응기 (500)에 공급하기 위해 공기 스트림 (546)을 압축하고, 압축된 공기 스트림 (568)을 생성한다. 압축된 공기 스트림 (568)은 임의로 공기 분리 장치 (550), 예를 들어 막 또는 극저온 분리기에 공급되어 산소-풍부 스트림 (552)으로서 사용하기 위해 압축된 공기 스트림 (568)의 산소 함량을 풍부하게 할 수 있다. 한 실시양태에서, 공기 분리 장치 (550)는 극저온 분리기이고, 방법으로부터 생성된 전기는 상기 유닛에 동력 공급하는데 사용될 수 있다.
스트림 (570)으로서 제시되고 주로 질소인 분리된 가스상 성분은 배출될 수 있거나, 또는 방법 중 어느 곳에서든, 예를 들어 상기에 논의된 바와 같이 열 건조 유닛 (140)에 사용하기 위해 스트림 (80) 또는 스트림 (80)을 위한 보충 가스로서 사용될 수 있다.
터빈 (542)을 빠져나가는 배기 가스 (578)는, 예를 들어 열 회수 스팀 발생기 ("HSRG") (560)에서 회수될 수 있는 실질적인 열 에너지를 여전히 함유한다. HSRG은 일반적 의미에서 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 널리 공지되어 있다. 예를 들어, 배기 가스 (578)는 HSRG (560) 내의 가열 코일 (도시되지 않음)을 통해 공급되어 HSRG (560)에 공급된 물 및/또는 스팀일 수 있는 수성 스트림 (62)으로부터 스팀 또는 추가의 열 스팀을 생성하여 스팀 스트림 (524) 및 감소된 열 배기 가스 스트림 (522)을 생성할 수 있다. 감소된 열 배기 가스 스트림 (522)은 전형적으로 상당한 양의 물 함량 (스팀으로서)을 함유하기 때문에, 스트림 (522)은 냉각 유닛 (574), 예컨대 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 널리 공지된 유형의 공기 냉각 유닛을 통과하여 수분을 응축시키고, 물 회수 스트림 (582) 및 냉각된 배기 가스 스트림 (580)을 생성할 수 있다.
냉각된 배기 가스 스트림 (580)은 전형적으로 분위기로 배출되지만, 배출 이전에 공지된 방법에 의해 추가로 처리될 수 있다.
물 회수 스트림 (582)은 또한 바람직하게는 방법으로 다시 재순환된다. 전형적으로, 물 회수 스트림 (582)은 도 1에 제시된 바와 같이 물 처리 유닛 (160)에 공급될 것이다. 물 회수 스트림 (582)은 또한 또는 대안적으로, 예를 들어 수성 스트림 (40) 및/또는 (44)의 일부로서 공급원료 제조 단계에 다시 전체적으로 또는 부분적으로 재순환될 수 있다.
스팀 스트림 (524)은 전형적으로 샤프트 (580) 또는 다른 기계적 커플링에 의해 전기 발생기 (558)에 연결된 제2 터빈 (540)에 공급될 수 있는 중압 스팀 스트림이고, 터빈 (540)에 의해 생성된 기계적 에너지는 전력 (560)이 생산되도록 발생기 (558)를 구동한다.
보다 낮은 압력 스팀 스트림 (48)은 터빈 (540)을 빠져나가고, 이는 도 1에 제시된 바와 같이 열 건조 유닛 (140)에 공급되어 열 건조 에너지를 제공할 수 있다.
보다 낮은 압력 스팀 스트림 (48)의 일부는 또한 HSRG (560)에 스트림 (60)으로서 다시 재순환될 수 있으며, 이는 수성 스트림 (62)으로서 사용하기 위한 세정된 물 스트림 (54) 및/또는 재순환 스팀 스트림 (74)의 일부와 조합될 수 있다. 그러나, 바람직하게는 세정된 물 스트림 (54) 및/또는 재순환 스팀 스트림 (74)의 일부는 또한 어떠한 보다 낮은 압력 스팀 스트림 (48)도 이용하지 않으면서 보다 낮은 압력 스팀 스트림 (48)의 열 에너지 사용이 열 건조 유닛 (140)에서 최대화될 수 있도록 수성 스트림 (62)으로서 사용될 수 있다.
이제 도 3에 대하여, 보다 높은-압력 스팀 및 전기의 열병합발전이 있는 본 발명의 연소 섹션의 또 다른 실시양태가 도시된다.
도 3에서, 저등급 석탄 공급원료 (32) 및 공기 또는 산소-풍부 공기 스트림 (406)은 층 (402)을 함유하는 연소 반응기 (400)에 공급되며, 여기서 탄소는 연소되어, 석탄 조성물 및 연소 조건에 따라 전형적으로 이산화탄소, 스팀, 열 에너지, 연행 고체 및 다른 오염물 부산물을 포함하는 연소 가스를 생성한다.
특정한 방법에 따라, 저등급 석탄 공급원료 (32)는 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 인식되는 바와 같이 특정한 연소 방법에 최적화된 하나 이상의 상이한 위치에서 연소 반응기 (400)에 공급될 수 있다.
연소 반응기 (400) 내의 연소는 전형적으로, 연소 반응기 (400)에 공급될 수 있는 공기 또는 산소-풍부 공기 스트림 (406) 및/또는 다른 유동화 가스 (예컨대 이산화탄소 및/또는 질소)의 유량에 의해 유동하는 공급원료 (32)의 층 (402) 내에서 발생할 것이다.
전형적으로, 연소는 비-촉매 방법이고, 따라서 촉매는 공급원료 (32) 또는 연소 반응기 (400)에 첨가될 필요가 없으나; 연소를 촉진시키는 촉매는 이용될 수 있다.
전형적으로, 탄소 전환은 연소 방법에서 실질적으로 완전하고, 임의의 남아있는 고체 잔류물은 주로 탄소 잔류물이 거의 없거나 전혀 없는 무기 회분이다. 반응 조건에 따라, 연소는 슬래깅 또는 비-슬래깅될 수 있으며, 여기서 고체 잔류물 (414)은 연소 반응기 (400)로부터 용융 (슬래깅) 또는 고체 (비-슬래깅) 회분 또는 차르 (고체 잔류물 중에 상당한 탄소 함량이 여전히 존재하는 정도로)로서 배출된다. 전형적으로, 잔류물은 층 (402) 아래의 섹션 (416)에서 수집되고, 연소 반응기 (400)의 저부로부터 배출되지만, 회분은 또한 미가공 연소 가스 스트림 (410)과 함께 연소 반응기 (400)의 상단 (404)으로부터 배출될 수 있다.
섹션 (416) 및 유동층 (402)은, 예를 들어 그리드 플레이트 (408)에 의해 분리될 수 있다.
미가공 연소 가스 스트림 (410)은 전형적으로 연소 반응기 (400)의 상단 또는 상부 부분 (404)으로부터 배출된다.
연소 반응기 (400)의 층 (402)을 떠나는 고온의 가스 유출물은, 이탈 구역으로서 작용하는, 연소 반응기 (400) 내에 및/또는 그 외부에 통합된 미세물 제거기 유닛 (예컨대 사이클론 어셈블리 (460))을 통과할 수 있다. 연소 반응기 (400)를 떠나는 가스에 의해 연행되기에 너무 무거운 입자는 연소 반응기 (400), 예를 들어 층 (402)으로 되돌아갈 수 있다.
남아있는 연행 미세물은 실질적으로 임의의 적합한 장치, 예컨대 내부 및/또는 외부 사이클론 분리기 (460)에 의해 제거되어 미세물-고갈 미가공 연소 가스 스트림 (430)을 생성한다. 이들 미세물의 적어도 일부는 재순환 라인 (462) 및 (466)을 통해 층 (402)으로, 특히 이러한 미세물이 물질 탄소 함량을 여전히 함유하는 정도로 되돌아갈 수 있다 (차르로 고려될 수 있음). 대안적으로, 임의의 미세물 또는 회분 (472)은 라인 (462)을 통해 제거될 수 있다.
도 3에 제시된 바와 같이, 연소 반응기 (400)에서 생성된 열은, 스트림 (422)을 통해 열 교환기 (412)에 공급되는 물로부터의 스팀 또는 과열 스팀을 생성하는데 사용될 수 있는 열 교환기 (412)를 통해 회수될 수 있다. 열 교환기 (412)는 연소 반응기 (400)에 내재 및/또는 그 외부에 있을 수 있다. 예를 들어, 저압 스팀 스트림은, 전기의 생성을 위해 스팀 터빈을 구동하는 것을 포함하나 이에 제한되지는 않는 다양한 산업 방법에 사용될 수 있는 고압 스팀 스트림 (424)을 생산하기 위해 과열된 열 교환기 (412)를 통과할 수 있다. 상기 문맥에서, 스트림 (422)은 세정된 물 스트림 (54) 및/또는 재순환 스팀 스트림 (74)으로부터 전체적으로 또는 부분적으로 보충될 수 있고, 하기에 논의된 바와 같은 터빈 (434)을 빠져나오는 보다 낮은-압력 스팀 스트림 (432)의 일부를 포함할 수 있다.
도 3의 구성에서, 스팀 스트림 (424)은 전형적으로, 샤프트 (440) 또는 다른 기계적 커플링에 의해 전기 발생기 (458)에 연결된 터빈 (434)에 스트림 (436)을 통해 전체적으로 또는 부분적으로 공급될 수 있는 고압 스팀 스트림 (또한 전형적으로 건조 또는 과열된 스팀 스트림)이고, 터빈 (434)에 의해 생성된 기계적 에너지는 전력 (470)이 생산되도록 발생기 (458)를 구동한다.
보다 낮은 압력 스팀 스트림 (432)은 터빈 (434)을 빠져나가고, 이는 상기 논의된 바와 같이 열 건조 유닛 (140)에 공급하기 위해 보다 낮은-압력 스팀 스트림 (48)으로서 전체적으로 또는 부분적으로 사용된다.
터빈 (434)에 공급되지 않은 고압 스팀 스트림 (424)의 일부는 스팀 스트림 (472)으로서 제거되고 어느 곳에서든 이용될 수 있다. 일반적으로, 도 3의 구성에서, 충분한 고압 스팀이 생산되어, 그 일부만이 터빈 (434)에 공급되고 궁극적으로 보다 낮은-압력 스팀 스트림 (48)을 생성하는데 요구된다.
보다 낮은 압력 스팀 스트림 (432)의 일부는 또한 스트림 (422)으로서 열 교환기 (412)에 다시 재순환될 수 있으며, 이는 스트림 (422)으로서 사용하기 위한 세정된 물 스트림 (54) 및/또는 재순환 스팀 스트림 (74)의 일부와 조합될 수 있다. 그러나, 바람직하게는 세정된 물 스트림 (54) 및/또는 재순환 스팀 스트림 (74)의 일부는 또한 어떠한 보다 낮은 압력 스팀 스트림 (432)도 이용하지 않으면서 스트림 (432) 전부가 보다 낮은 압력 스팀 스트림 (48)으로서 사용되고 보다 낮은 압력 스팀 스트림 (48)의 열 에너지 사용이 열 건조 유닛 (140)에서 최대화될 수 있도록 스트림 (422)으로서 사용될 수 있다.
미세물-고갈 미가공 연소 가스 스트림 (430)은 실질적인 열 에너지 뿐만 아니라 스팀을 여전히 함유하며, 도 2의 논의와 관련하여 상기 제시된 유사한 방식으로 추가로 가공되어 전력 생성을 위해 터빈을 기계적으로 구동할 수 있고/거나, 공기 압축기를 구동할 수 있고/거나, 열 에너지 및/또는 스팀을 회수할 수 있다.
멀티-트레인 방법
본 발명의 방법에서, 각각의 방법은 하나 이상의 가공 유닛에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 연소기에 하나 이상의 공급원료 제조 유닛 작업으로부터 공급원료가 공급될 수 있다.
특정 실시양태에서, 방법은 2개 이상의 연소기 (예를 들어, 2 - 4개 연소기)를 이용한다. 이러한 실시양태에서, 방법은, 궁극적으로 공급원료를 복수의 연소기에 제공하기 위해 연소기 이전에 분기형 가공 유닛 (즉, 연소기의 총수보다 적음), 및/또는 복수의 연소기에 의해 생성된 복수의 연소 가스 스트림의 가공을 위해 연소기 이후에 수렴형 가공 유닛 (즉, 연소기의 총수보다 적음)을 함유할 수 있다.
시스템이 수렴형 가공 유닛을 함유하는 경우에, 수렴형 가공 유닛 각각은 수렴형 가공 유닛으로의 총 공급 스트림의 1/n 부분 (여기서, n은 수렴형 가공 유닛의 개수임) 초과를 수용하는 용량을 갖도록 선택될 수 있다. 유사하게, 시스템이 분기형 가공 유닛을 함유하는 경우에, 분기형 가공 유닛 각각은 수렴형 가공 유닛에 공급되는 총 공급 스트림의 1/m 부분 (여기서, m은 분기형 가공 유닛의 개수임) 초과를 수용하는 용량을 갖도록 선택될 수 있다.

Claims (34)

  1. (a) 초기 오염물 함량을 포함하는 미가공 저등급 석탄 공급원료를 제공하며, 여기서 초기 오염물 함량은
    (1) 미가공 저등급 석탄 공급원료의 건조 중량을 기준으로 하여 적어도 0.1 중량%의 초기 무기 염소 함량, 또는
    (2) 미가공 저등급 석탄 공급원료의 건조 중량을 기준으로 하여 적어도 0.1 중량%의 초기 무기 나트륨 함량, 또는
    (3) (1) 및 (2) 둘 다
    를 포함하고, 여기서 미가공 저등급 석탄 공급원료는 미가공 저등급 석탄 공급원료의 총 중량을 기준으로 하여 적어도 25 중량%의 초기 수분 함량을 보유하는 것인 단계;
    (b) 미가공 저등급 석탄 공급원료를 분쇄하여 분쇄된 저등급 석탄 공급원료를 생산하는 단계;
    (c1) 분쇄된 저등급 석탄 공급원료를 수성 세척 스트림으로 세척하여 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료 및 폐수 스트림을 생성하며, 여기서 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료는
    (1) 초기 무기 염소 함량의 50 중량% 미만의 세척된 무기 염소 함량, 및
    (2) 초기 무기 나트륨 함량의 50 중량% 미만의 세척된 무기 나트륨 함량
    을 갖는 것인 단계;
    (c2) 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료를 응집시켜 미가공 저등급 석탄 공급원료의 초기 수분 함량 (총 중량/중량 기준) 미만의 수분 함량을 갖는 펠릿화된 저등급 석탄 공급원료를 생성하는 단계;
    (d) 펠릿화된 저등급 석탄 공급원료를 건조 가스 스트림 및 열 에너지로 건조시켜 감소된-수분의 펠릿화된 저등급 석탄 공급원료 및 수분 회수 스트림을 생성하며, 여기서 열 에너지의 적어도 일부는 스팀에 의해 제공되고, 여기서 감소된-수분의 펠릿화된 저등급 석탄 공급원료는 감소된-수분의 펠릿화된 저등급 석탄 공급원료의 총 중량을 기준으로 하여 40 중량% 이하의 수분 함량으로 자유 유동성인 단계;
    (e) 감소된-수분의 펠릿화된 저등급 석탄 공급원료 및 산소-함유 가스 스트림을 연소기에 공급하는 단계;
    (f) 연소기 내의 감소된-수분의 펠릿화된 저등급 석탄 공급원료를 산소와 연소시켜 스팀, 이산화탄소 및 열 에너지를 포함하는 연소 가스 스트림을 생성하는 단계;
    (g) 적어도 150 psig (적어도 1136 kPa 절대압)의 압력에서 보다 높은-압력 스팀 스트림을 생성함으로써 연소 가스 스트림으로부터 열 에너지를 회수하는 단계;
    (h) 보다 높은-압력 스팀 스트림의 적어도 일부를 전환시켜 보다 낮은-압력 스팀 스트림을 생성하는 단계;
    (i) 단계 (d)로부터의 수분 회수 스트림을 응축시켜 응축된 수분 스트림을 생성하는 단계;
    (j) 세척 단계 (c)로부터의 폐수 스트림을 처리하여 회수된 물 스트림을 생성하는 단계; 및
    (k) (1) 응축된 수분 스트림의 적어도 일부, 또는 (2) 회수된 물 스트림의 적어도 일부, 또는 (3) (1) 및 (2) 둘 다를 세척 단계 (c)로 재순환시키며, 여기서 수성 세척 스트림은 응축된 수분 스트림 및 회수된 물 스트림의 재순환된 부분을 적어도 부분적으로 포함하는 것인 단계
    를 포함하는, 미가공 저등급 석탄 공급원료로부터 스팀을 생성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 미가공 저등급 석탄 공급원료가 50 이상의 하드그로브 분쇄 지수(Hardgrove Grinding Index)를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 미가공 저등급 석탄 공급원료가 70 이상의 하드그로브 분쇄 지수를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 미가공 저등급 석탄 공급원료가 70 내지 130의 하드그로브 분쇄 지수를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 분쇄 단계가 습식 분쇄 단계이고 분쇄 단계 이후에 발생하는 세척 단계가 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 연소기에 공급된 감소된-수분의 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료가, dp(50)이 100 마이크로미터 내지 6000 마이크로미터의 값인 입자 크기 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, dp(50)이 3000 마이크로미터 내지 6000 마이크로미터 범위의 값인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 연소기가 순환 유동층 연소기인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, dp(50)이 100 마이크로미터 내지 200 마이크로미터 범위의 값인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 연소기가 미분탄 보일러인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 분쇄 단계가 건식 분쇄 단계이고 분쇄 단계 이후에 발생하는 세척 단계가 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 연소기에 공급된 감소된-수분의 세척된 분쇄된 저등급 석탄 공급원료가 dp(50)이 100 마이크로미터 내지 6000 마이크로미터의 값인 입자 크기 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, dp(50)이 3000 마이크로미터 내지 6000 마이크로미터 범위의 값인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 연소기가 순환 유동층 연소기인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제11항에 있어서, dp(50)이 100 마이크로미터 내지 200 마이크로미터 범위의 값인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 연소기가 미분탄 보일러인 것을 특징으로 하는 방법.
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