KR930005529B1 - 탄소질 물질의 열처리를 위한 다중 노상(hearth) 반응기 및 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

탄소질 물질의 열처리를 위한 다중 노상(hearth) 반응기 및 방법

제1도는 본 발명의 바람직한 예에 따른 다중 노상 반응기의 수직단면도.

제2도는 횡방향 열 교환기 튜브들의 배치를 나타내도록 반응 지역을 지나 취한 제1도 반응기의 수평단면도.

제3도는 제1도에 도시된 상부 예열 지역내에 배치된 경사진 환상 노상의 배출 구멍들을 나타낸 평면도.

제4도는 탄소질 공급물의 열처리를 위한 반응기 및 여러 공정 흐름들을 나타내는 도식적인 흐름도.

제5도는 본 발명의 다른 예에 따라 반응기로 부터 떨어져 있는 별도의 예열 및 건조지역을 구비한 다중 노상 반응기의 부분 단면 측면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 압력 용기 24 : 공급물 도입구

26,70 : 배플 28 : 반응가스 배출구

34 : 회전축 48 : 래블 아암

50 : 래블치 60 : 잭크

64,82 : 노상 66 : 라이너

74 : 물받이 76 : 스크린

77 : 와이어 브러시 84 : 내화 라이너

86 : 원추형 슈트 88 : 생성물 배출구

90 : 절연층 94 : 나선형 관다발

96 : U형관 110 : 저장 흡퍼

111 : 압력 록크 112 : 예열 지역

114 : 반응 지역 120,124 : 압력 감소 밸브

122 : 응축기 126,130 : 펄프

128 : 열교환기 134 : 경사 체임버

140 : 다중 노상 반응기

본 발명은, 연료로 사용하는데 적당한 반응 생성물을 제조하기위해 유기 탄소질 공급물의 소망의 물리적 및/ 또는 화학적 개질을 달성하도록 조절된 압력과 높은 온도에서 잔류 수분을 함유하는 유기 탄소질 물질을 처리하는데 적용 가능한 다중 노상(hearth) 반응기 및 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 원료 공급 상태에서 약간 양의 수분을 함유하는 탄소질 물질을 높은 온도와 압력 상태하에 있게 하여, 고체 반응 생성물내 잔류 함수율의 상당한 감소가 달성되고, 또한 수분이 없는 건조 상태 기준으로 한 높은 발열량을 포함하여 개선된 물리적 성질들을 부여하도록 유기 물질의 소망의 열적, 화학적 재구성(restructuring)이 달성되게 하는 반응기 및 방법에 관한 것이다.

석유 및 천연가스를 포함하여 통상의 에너지원의 저장비의 증가에 따라, 갈탄형 석탄, 아역청탄, 토탄(peat)과 같은 섬유소 물질, 톱밥, 나무껍질, 나무조각, 나무가지, 제재 및 톱질 작업에서 발생된 칩(chip)과 같은 폐기 섬유소 물질, 목화나무 줄기, 건과(nut)껍질, 옥수수 껍질, 등과 같은 농업 폐기물, 및 도시의 고체 폐기펄프와 같은 공급이 풍부한 대체 에너지원의 투자가 요구되어 왔다. 불행히도, 그러한 대체 물질들은 천연적으로 발생하는 상태에서는 여러가지 이유로 직접 고에너지 연료로 사용하는데 결함이 있다. 이러한 이유로, 이제까지, 건조상태 기준의 발열량을 증가시킴과 동시에 기후, 운반 및 저장에 대한 안전성을 증가시킴에 의해 연료로서 사용하는데 더 적당한 형태로 전술한 물질들을 전환시키기 위한 각종 공정들이 제안되어 왔다.

그러한 종래의 장치 및 방법들의 대표적인 예들로는 미국 특허 제4,052,168호, 제4,127,391호 및 제4,129,420호에 기술된 것과 같은 것이 있다. 미국 특허 제4,052,168호에서는, 갈탄형 석탄이, 기후에 대하여 안정되고 저항성이 있으며 역청탄의 것에 가까운 높은 발열량을 갖는 질이 향상된 고체 탄소질 생성물을 제공하도록 조절된 열처리에 의해 화학적으로 재구성되고 ; 미국특허 제4,127,391호에서는, 통상의 석탄 세척 및 세정 작업으로 부터 발생된 폐기 역청질 미세물들이 고체 연료로 직접 사용하는데 적당한 고체의 집괴 코크스형 생성물들을 제공하도록 열처리된다. 또한 미국특허 제4,129,420호에서는, 토탄과 같은 천연적으로 발생하는 섬유소 물질들은 물론 폐기 섬유소 물질들이 고체 연료로, 또는 연료유 슬러리와 같은 다른 통상의 연료들과 혼합하여 사용하는데 적당한 고체 탄소질 또는 코크스형 생성물을 제공하도록 조절된 열적 재구성 공정에 의해 개질된다. 전술한 미국특허들에 기술된 타입들의 그러한 탄소질 공급물을 개질, 즉 질 향상시키기 위한 반응기 및 공정이 미국특허 제4,126,519호에 기술되어 있으며, 이 특허에서, 공급물의 액체 슬러리가 경사진 반응기내에 도입되고, 증진된 발열량을 가지는 건조한 고체 반응 생성물을 형성하도록 점진적으로 가열된다. 이 반응은, 공급물내 거의 모든 수분과 휘발성 유기성분들의 적어도 일부분의 증발과 동시에 그 공급물이 부분적인 화학적 재구성 또는 열분해(pyrolysis)를 조절적으로 받게하는 것을 포함할 수 있는 소망의 열처리를 달성하도록 체류시간을 고려하면서 조절된 높은 압력 및 온도하에 수행된다. 이 반응은 비산화 분위기에서 수행되고, 계속하여 반응 생성물은 연소 또는 퇴화없이 대기와 접촉하여 배출될 수 있는 온도로 냉각된다.

상기 미국특허들에 기술된 바와 같은 방법 및 장치들이 개질된 고체 반응 생성물을 제조하도록 각종의 탄소질 공급 원료를 만족하게 처리하는 것으로 밝혀졌으나, 통상의 에너지원의 대체물조의 고 에너지 고체 연료의 전환 및 생산이 더 경제적이도록 각종의 함습된 탄소질공급 원료의 연속적인 열처리의 제어의 효율, 융통성, 간결성 및 용이성의 더 증대된 반응기 및 공정이 계속 요구되고 있다.

본 발명의 장치 예들중 하나에 따른 본 발명의 이익 및 이점들은, 공급물내 수분 및 화학적으로 결합된 물을 추출하는 건조 또는 예열 지역을 형성하는 체임버의 주변쪽 하방으로 각도를 가지고 경사진 일련의 상부 노상들을 포함한 다수의 중첩 배치된 환상 노상들을 수용하는 체임버를 형성하는 압력 용기를 구비한 다중 노상 반응기에 의해 달성된다. 상부 노상 아래에 일련의 하부 노상들이 배치되어 있고, 그 하부 노상들은 건조 기준으로 높은 발열량의 반응 가스 및 고체 반응 생성물을 형성하도록 공급물내 휘발성 물질의 적어도 일부분을 증발시키는데 충분한 시간동안, 조절된 과대기압하에서 높은 온도로 공급물을 가열하기 위한 가열 수단을 구비한 반응지역을 형성한다. 반응지역에서 형성된 뜨거운 반응 가스는 건조 지역내 공급물과 열교환 방식으로 상방으로 역류하여 통과하여, 도입 공급물상에의 그 가스의 응축가능한 부분의 적어도 부분적인 응축을 달성하고, 증발의 잠열의 유리에 의해 공급물의 예열을 달성하고, 또한 반응기 외부의 일위치로 압력하에 경사진 노상으로 부터 추출되는 공급물내에 화학적으로 결합된 물의 유리를 달성하도록 한다.

이 반응 용기는 노상들 각각의 상부 표면에 인접히 배치된 다수의 래블(rabble) 아암들을 가지고 중앙에서 연장하는 회전축을 가지고 있고, 상기 래블 아암들은, 회전축의 회전시, 하나의 노상으로 부터 그 아래의 다음번 노상으로의 공급물의 하향 낙하 주행을 달성하도록 교대로 내측 및 외측 방향으로 각 노상을 따라 반경방향으로 공급물을 점진적으로 이송하도록 작용한다. 환상 배플(baffle)들이 공급물과 반응 가스 사이의 접촉 및 열전달을 증진시키기 위해 노상들상의 공급물에 바로 인접한 지역에 뜨거운 반응 가스의 역류 흐름을 한정시키도록 노상과 래블 아암들 위에 배치되어 반응기의 건조지역내에서 이용되는 것이 바람직하다.

고체의 반응 생성물은 반응기의 저부 부분으로 부터 추출되고 적당한 냉각 체임버로 이송되며, 그 체임버 내에서, 악영향 없이 대기와 접촉하여 배출될 수 있는 온도까지 냉각된다.

이 반응기는 그의 상부 부분에, 생성 가스로서 압력하의 반응 가스를 배출시키기 위한 배출구를 구비하고 있고, 그 생성 가스는 요구되는 경우 반응기의 반응 지역의 연소 및 가열에 이용될 수 있다. 반응기의 상부 부분에는 또한, 탄소질 공급 원료 또는 그의 혼합물을 적당한 압력 록크(lock)를 통하여 반응 체임버내로 그리고 건조지역의 최상부 노상상으로 도입시키는 도입구가 설치되어 있다.

본 발명의 장치의 또다른 만족한 예에 따라, 공급물의 건조 및 예열이 다중 노상 반응기의 외부에 배치된 제1단계 반응기 내에서 수행되고, 그 결과 예열되고 부분적으로 탈수된 공급물은, 전술한 복합 다중 노상 반응기의 하부 부분을 이루는 반응 지역과 유사한 반응 지역을 형성하는 다중 노상 반응기내로 배출된다. 또한, 전술한 양장치의 예들에 따라, 장치의 최적 작동 효율을 유지하도록 환상 배플의 외측 표면으로 부터 어떤 잡물의 축적물을 제거하기 위해 와이어 브러시와 같은 적당한 세정장치가 이용될 수도 있다.

또한, 관형 열교환 부재들 또는 전기 가열 소자들이 전도성 보호물내에 내장될 수 있고, 그 보호물도 최적의 열 전달 특성을 유지하도록 세정된다.

본 발명의 방법에 따라, 함습된 유기 탄소질 공급물이 반응기로 부터 떨어진 또는 그 반응기와 일체로 결합된 예열 지역내로 도입되고, 그 예열 지역에서 공급물이 반응 가스의 역류 흐름에 의해 약 300°-약 500℉의 온도로 예열된다. 동시에, 차거운 도입 공급물에 응축하는 수분 및 공급물의 가열에 따라 유리된 수분이 공급물로 부터 추출되고 배수 시스템을 통하여 압력하에 예열 지역으로 부터 배수된다. 부분적으로 탈수된 공급물은 예열 지역으로 부터 반응 지역을 통하여 하방으로 통과하고, 반응가스 및 고체 반응 생성물을 형성하도록 공급물내 휘발성 물질의 적어도 일부분을 증발시키기 위해 대체로 약 1분-약 1시간 또는 그 이상의 시간동안 약 300-약 300psi 또는 그 이상의 압력하에 약 400-약 1200℉ 또는 그 이상의 온도로 가열된다.

본 발명의 부가적인 이익 및 이점들은 첨부도면과 관련하여 기술된 바람직한 예들의 하기 상세한 설명으로 부터 명백하게 될 것이다.

첨부도면, 특히 제1-3도에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 예들중 하나에 따른 다중 노상 반응기는 도움(dome)형태의 상부 부분(12), 원통형 중앙 부분(14) 및 도움형 하부 부분(16)이 환상 플렌지(18)에 의해 기밀(氣密)식으로 서로 함께 취부되어 이루어진 압력 용기(10)을 포함한다. 그 반응기는 접합물(22)에 취부된 일련의 다리부(20)에 의해 사실상 직립의 상태로 지지되어 있다. 상기 접합물(22)은 용기의 중앙부분의 하부 플렌지(18)에 연결되어 있다. 상부 도움형 부분(12)은 반응기 내부로 입상의 습기가 있는 탄소질 공급물을 도입시키기 위한 플렌지부(付) 도입구(24)를 구비하고 있다. 각이진 배플(baffle)(26)이 반응 체임버의 주변쪽으로 도입 공급물질을 안내하기 위해 도입구(24)에 인접히 설치되어 있다. 플렌지부 배출구(28)가 후술되는 방식으로 반응 체임버로 부터 압력하의 반응 가스들을 배출시키기 위해 상부 부분(12)의 반대측부에 설치되어 있다. 하방으로 연장하는 환상 보스(boss)(30)이 상부 부분(12)의 내측 중앙부에 형성되어 있고, 그 보스내에 베어링(32)가 회전축(34)의 상단부를 회전 가능하게 지지하기 위해 배치되어 있다.

회전축(34)은 반응기의 내부 중앙에서 연장하고, 그의 하단부에서는, 하부 부분(16)에 형성된 환상 보스(36)에 베어링(38) 및 액밀 조립체(40)에 의해 회전가능하게 지지되어 있다. 회전축(34)의 외향 돌출 단부에는 계단진 스터브(stub)축 부분(42)가 형성되어 있고, 상기 축부분(42)은 베어링 캐리어(46)내에 설치된 스러스트 베어링(44)내에 지지되는 방식으로 착좌되어 있다.

다수의 반경방향 연장 래블(rabble) 아암들(48)이 회전축(34)에 수직으로 간격을 가지고 부착되어 있고 그 회전축으로 부터 반경방향으로 돌출하여 있다. 일반적으로, 예열 또는 건조지역에는 2, 3 또는 4개의 래블 아암이 이용될 수 있고, 반응 지역에서는 6개까지의 래블 아암이 이용될 수 있다. 전형적으로는, 대략 90도 중분으로 배치된 4개의 래블 아암이 각 수준에서 회전축에 부착되어 있다. 각도를 가지고 배치된 다수의 래블 치(50)이 래블 아암(48)의 하측부에 부착되어 있고, 회전축의 회전에 응하여 다중 노상을 따라 공급물을 반경방향 내측 및 외측으로 이송하도록 각도를 가지고 배향되어 있다.

회전축(34) 및 그 축상의 래블 아암 조립체들의 회전은, 베벨 구동 기어(56)를 가지고 조정가능한 기부(54)에 지지된 모우터(52)에 의해 달성된다. 상기 기어(56)는 상기 모우터의 출력축에 부착되어 있고, 회전축의 하단부 부분에 부착된 피구동 베벨 기어(58)와 일정하게 맞물린 상태로 배치되어 있다. 모우터(52)는 회전축의 회전 속도를 조절적으로 변화시키도록 가변속 타입인 것이 바람직하다.

다중 노상 반응기내 온도의 변화에 응하여, 회전축이 종방향으로 팽창 및 수축하도록 하고, 또한 그 축으로부터 돌출하는 래블 아암의 수직 배치가 변동하도록 하기 위해, 기부(54) 및 축(34)의 외향 돌출 단부는, 반응기내 노상들의 상부 표면들에 대한 래블 치(50)의 적절한 배치를 확실하게 하도록 기부(54)의 높이를 선택적으로 변화시키기 위해 유체 작동 실린더(62)에 의해 보조되는 조정가능한 잭크(60)상에 배치되어 있다.

제1도에 도시된 특정 구조에 따라, 반응기의 내부는 상부의 예열 또는 탈수 지역과 하부의 반응 지역으로 분할되어 있다.

예열 지역은 반응 체임버의 주변쪽 하방으로 경사진 다수의 중첩되어 있고 각도를 가지고 경사진 환상 노상(hearth)들 (64)로 이루어져 있다. 상부 예열 지역에는 원통형의 라이너(liner)(66)이 설치되어 있다. 그 라이너(66)는 중앙부분의 벽(14)의 내측으로 반경방향으로 떨어져 있고, 그 라이너에 각도를 가지고 경사진 노상(64)들이 부착되어 있다. 라이너(66)의 최상단에는, 중앙부분의 벽(14)과 상기 라이너 사이의 환상 공간내로 탄소질 공급물이 들어가는 것을 방지하도록, 외측으로 경사진 부분(68)이 형성되어 있다.

제1도에서 볼때 최상부의 노상(64)은 그의 가장자리에서 라이너(66)에 연결되어 있고, 회전축(34)쪽 내측으로 그리고 상방으로 연장하여 있다. 노상(64)의 말단에는, 하향하여 배치된 원형 배플(baffle)(70)이 설치되어 있고, 그 배플(70)은 아래측 환상 노상의 내측 부분으로 공급물이 하방으로 떨어질 때 통과하는 환상 슈트(chute)를 형성한다. 최상부 노상(64) 아래에 배치된 다음번의 하방으로 경사진 환상 노상(64)은 라이너(66)를 따라 각도를 가지고 떨어진 간격으로 브라켓트(72)에 의해 라이너(66)에 부착되어 있다.

제3도에 상세히 도시된 바와 같이 두번째 환상 노상(64)에는 그의 주변을 따라 다수의 구멍들(73)이 형성되어 있고, 그 구멍들을 통하여 그 다음번 노상으로 공급물이 낙하 배출된다. 상기 구조에 따라, 도입구(24)를 통하여 도입된 습기가 있는 탄소질 공급물이 배플(26)에 의해 최상부 노상(64)의 외측 가장자리쪽으로 공급되고, 그후 래블 치(50)에 의해 원형 배플(70) 위의 위치로 상방으로 그리고 내측으로 이송되며, 그리하여 그 공급물은 아래의 노상으로 하방으로 낙하하도록 한다. 유사하게, 두번째의 최상부 노상의 래블 치(50)는, 노상의 가장자리에 있는 구멍(73)을 통하여 배출되게 하기 위해 공급물을 노상의 상부 표면을 따라 하방으로 그리고 외측으로 이송하는데 효과적이다. 공급물은 제1도에서 화살표로 나타낸 바와 같이, 내측 및 외측에서 교대적으로 낙하하는 방식으로 계속 하방으로 통과하고, 최종에는 하부 반응 지역내로 배출된다.

공급물이 하방으로 낙하하는 동안, 그 공급물은 상방으로 역류하는 가열된 반응 가스들의 흐름과 접촉하여 대체로 약 200°-약 500℉사이의 온도까지 예열된다. 상방으로 흐르는 반응 가스들과 공급물이 밀접히 접촉되게 하기 위해, 환상의 배플들(72)이 적어도 몇몇의 각도를 가지고 경사진 노상들(64)에 걸쳐 래블 아암(48)바로 위에 배치되어, 그러한 뜨거운 반응 가스들의 흐름이 환상 노상들의 상부 표면에 바로 인접한 부근에, 그곳의 공급물과 열교환하는 관계를 가지고 한정되게 한다. 공급물의 예열은, 차거운 도입 공급물의 표면에 증기와 같은 반응 가스의 응축 가능한 부분이 응축되게 함에 의해 그리고 직접적인 열교환에 의해 부분적으로 달성된다.

응축된 액체는 물론, 도입 공급물내 화학적으로 결합된 유리된 물이, 각도를 가지고 경사진 노상들을 따라 하방으로 그리고 외측으로 배수되고, 환상 물받이(74)를 통하여, 원형의 라이너 최외측 단부들이 연결된 노상들의 가장자리에서 배출된다. 상기 물받이(74)는 그의 도입 단부에 존슨 스크린(Johnson Screen)과 같은 스크린(76)을 구비하고 있고, 그 스크린은 인접한 래블 아암의 최외측 래블치에 제공된 스크레이퍼(scraper) 부재 또는 와이어 브러시(77)에 의해 연속적으로 닦이는데 적합하게 되어 있다. 환상 물받이(74)는 라이너(66)와 중앙부분의 벽(14) 사이 환상 공간내에 배치된 파이프(78)와 연통하여 배치되어 있고, 액체가 제1도에 도시된 바와 같이 응축물 배출구(80)를 통하여 반응 용기로 부터 배출된다.

예열 지역을 지나 상방으로 통과하는 냉각된 반응 가스들은 플렌지를 가진 배출구(28)를 통하여 압력 용기의 상부 부분(12)으로 부터 배출된다.

예열되고 부분적으로 탈수된 공급물은 예열 지역의 최하부 노상으로 부터 반응지역내 최상부 환상 노상(82)으로, 연속적이고 조절되는 높은 압력하에 통과하고, 대체로 약 400°-약 1200℉ 또는 그 이상의 온도로 더 가열된다. 반응 지역내 환상 노상들(82)은 사실상 수평의 위치로 배치되어 있고, 그들 노상들이 번갈아 가면서 그들의 가장자리가 중앙부분의 내벽(14)상의 원통형 내화 라이너(84)에 대하여 밀봉적인 관계로 배치되도록 설치되어 있다.

반응 지역내 래블 아암(48)의 래블 치(50)는, 제1도에서 화살표들로 나타낸 바와 같이 낙하하는 방식으로 공급물이 교대로 반경방향 내측 및 반경방향 외측으로 이동하여 반응 지역을 통과하게 한다.

수분이 거의 제거되고 열적 질이 좋아진 고체의 반응 생성물이 최하부 노상(82)의 중앙에서 원추형 슈트(86)내로 배출되고, 플랜지를 가진 생성물 배출구(88)를 통하여 압력 용기로 부터 추출된다.

압력 용기로 부터의 열손실을 더 감소시키기 위해, 원통형 부분은 물로 하부 부분(16)이 이 분야에 잘 알려진 타입들중 어느 한 타입의 외측 절연층(90)을 구비하고 있다. 중앙부분은 절연층을 보호하도록 외측 셀(shell)(92)을 더 구비하는 것이 바람직하다.

반응 지역내에서의 공급물의 가열은 그 지역내에 배치된 전기 가열 소자에 의해, 또는, 중앙부분의 벽(14)의 주위를 둘러싸고 있고 열 교환 유체가 내부에서 순환하는 잭크(jack)에 의해, 또다르게는 제1도에 도시된 바와 같은 설비에 따라 나선형 관다발(94)을 포함하는 원주의 관형 열 교환 설비 및 다수의 U형 관(96)들을 포함하는 횡방향 열 교환기에 의해 달성될 수 있다. 상기 나선형 관다발(94)은 내화 라이너(84)의 내측 표면에 인접히 배치되어 있고, 상기 U형 관(96)은 환상 노상(82) 바로 아래 위치에서 압력 용기를 수평으로 가로질러 돌출하여 있다. 원주 열 교환기의 관다발(94)을 플렌지를 가진 도입구(98) 및 플렌지를 가진 배출구(100)에 의해, 압축된 이산화탄소 또는 유사한 전도 유체와 같은 열전도 유체의 외부 공급원에 연결되어 있다. 제1 및 제2도에 도시된 바와 같이 횡방향 열 교환기의 U형 관들(96)은 내측 헤더(header)(102) 및 외측 헤더(104)에 각각 연결되어 있고, 그들 헤더들은 압력 용기의 벽을 관통하여 연장하는 플렌지부(106)와 플렌지부 배출구(108)에 연결되어 있다. 원주 및 횡방향 열교환기 시스템들은 동일한 열교환 유체원에 연결되거나, 또는 제4도에 도식적으로 도시된 바와 같은 바람직한 예에 따라, 각 시스템의 독립적인 제어에 의해 반응 지역내 공급물의 소망의 가열 및 열적 재구성이 달성될 수 있게 하기 위해 별도의 가열원들에 연결될 수 있다.

작동에 있어서, 특히 제4도를 참조하면, 적당한 함습된 탄소질 공급물이 저장 홉퍼(hopper)(110)으로 부터 적당한 압력 록크(lock)(111)을 통하여 압력하에 압력용기(10)의 도입구(24)내로 도입된다. 함습된 공급원료는 상향 이동하는 반응가스와 열교환 접촉하면서, 앞에서 설명된 방식으로 상부 예열 지역(112)를 통과하여 하방으로 이송되고, 그리하여 그 공급물이 제1도와 관련하여 앞에서 기술된 방식으로 대체로 약 200°-약 500℉ 범위의 온도로 예열된다. 그후, 예열되고 부분적으로 탈수된 공급물은 다중 노상 반응기의 하부 반응지역(114)내로 하방으로 통과하며, 그 반응지역에서 대체로 약 400°-약 1200℉의 높은 온도로 가열되어, 거의 모든 잔여 수분 및 유기 휘발성 성분과 열분해 반응 생성물의 증발에 의해 열적 재구성 또는 부분 열분해가 조절적으로 달성된다. 반응기내 압력은, 이용되는 공급물의 형태에 따라, 그리고 소망의 최종 고체 반응 생성물을 제조하는데 요구되는 소망의 열적 재구성에 따라 대체로 약 300-약 300psi 또는 그 이상의 범위내에서 조절된다. 반응기의 예열지역 및 반응지역내 환상 노상의 수는 반응 지역내 공급물의 체류시간이 대체로 약 1분-약 1시간 또는 그이상이 되도록 요구되는 처리기간에 따라 조절된다. 열적 질이 향상된 고체 반응 생성물은 반응기의 하부 부분의 생성물 배출구(88)로 부터 배출되고, 고체 반응 생성물이 연소 또는 나쁜 영향 없이 대기와 접촉하여 배출될 수 있는 온도로 냉각기(116)에서 더 냉각된다.

일반적으로, 고체 반응 생성물을 약 500℉ 이하의 온도, 더 일반적으로는 약 300℉보다 낮은 온도로 냉각시키는 것이 적당하다. 생성물 배출구(88)로 부터의 배출 도관에는, 반응기로 부터의 압력 손실을 방지하도록 반응 생성물이 통과하는 압력 록크(118)이 설치되어 있다.

냉각된 반응 가스는 플렌지부 배출구(28)을 통하여 반응기의 상단부로 부터 배출되고 압력 감소 밸브(120)를 지나 응축기(122)로 통과한다. 그 응축기(122)에서, 반응 가스의 유기부분 및 응축가능한 부분이 응축되고 부산 응축물로서 추출된다. 생성 가스를 포함한 가스의 응축되지 않는 부분은 추출회수되어, 반응기의 가열 요구조건들을 보충하는데 사용될 수 있다. 유사하게, 예열지역에서 반응기로 부터 추출된 액체 부분은 적당한 압력 감소 밸브(124)를 통하여 배출되고, 폐수로서 추출된다. 그 폐수는 간혹, 귀중한 용해된 유기 성분들을 함유하고, 그 성분의 추출을 위해 더 처리될 수 있고, 또 다르게는, 용해된 유기 성분들을 함유하는 폐수는 반응기로 부터 먼 지점으로의 이송을 용이하게 하도록, 폐수내 분쇄되어 있는 고체 반응 생성물의 수성 슬러리 함유부분을 형성하는데 직접 이용될 수 있다.

또한, 제4도의 흐름도는 반응지역(114)의 원주 및 횡방향 열교환기 부분들을 통하여 유체 열전달 매체를 재순환시키기 위한 보조 가열 시스템을 개략적으로 나타낸다. 도시된 바와 같이, 원주 열교환 시스템은, 열전달 유체를 재가열하기 위해 그 유체를 열교환기 또는 노(furnace)(128)을 통하여 순환시키고 반응지역내 관다발 내로 배출하기 위한 펌프(126)을 포함한다. 유사하게, 횡방향 열교환기 시스템은 반응지역(114)내 U형 관들내로의 배출을 위해 열전달 유체를 순환 및 재가열 시키기 위한 재순환 펌프(130) 및 노(132)를 구비하고 있다.

상기에 도시 및 기술된 바와 같은 다중 노상 반응기 및 공정은, 원료 공급 상태에서 비교적 많이 수분을 함유하는 것이 특징인 전술한 일반적인 형태의 탄소질 물질들 또는 그러한 물질들의 혼합물을 처리하는데 특히 적합하다. 이 명세서에서 사용된 “탄소질”이란 용어는, 탄소가 풍부하고, 천연적으로 발생하는 퇴적물은 물론, 농업 및 임업작업에서 발생되는 폐기물을 포함하는 물질들을 의미한다.

일반적으로, 그러한 물질들로는, 수분을 약 50중량％이하, 대표적으로는 약 25중량％함유하는 아래 물질들, 즉, 아역청탄, 갈탄형 석탄, 토탄, 톱밥, 나무껍질, 나무조각, 나무가지, 제재 및 톱질 작업에서 발생된 칩과 같은 폐기 섬유소 물질, 목화나무줄기, 견과 껍질, 옥수수 껍질, 왕겨, 등과 같은 농업 폐기물, 및 금속 오염물들이 제거된 도시의 고체 폐기 펄프가 있다. 여기에 기술된 바와 같은 다중 노상 반응기 및 공정은 미국특허 제4,052,168호, 제4,126,519호, 제 4,129,420호, 제4,127,391호, 제4,477,257호에 기술된 바와 같은 조건 및 처리 파라메터들하에 섬유소 물질들을 처리 및 개질시키는데 특히 적당하다.

원료 공급 상태에서 수분을 대략 30중량％ 함유하는 아역청탄을 질향상시키기 위한 제1도 예에 따른 다중 노상 반응기의 작동의 대표적인 일예를 이하 설명한다. 공급 원료 석탄이 제4도에 도시된 바와 같은 공급 홉퍼(110)으로 부터 액 60℉의 온도와 대기압 상태로 압력 록크(111)을 통하여, 약 830psig의 압력으로 유지된 반응기내로 도입된다. 그 공급 석탄은 반응기의 예열지역(112)를 통하여 하방으로 주행하는 과정에서 약 60℉로 부터 그 예열지역(112)내에서 가열되며 약 500℉의 온도로 반응지역(114)로 들어간다. 예열지역으로 부터 추출된 폐수는 약323℉의 온도와 830psig의 압력으로 제거되고, 생성가스도 약 323℉의 온도와 830psig의 압력으로 예열지역의 상부 부분으로 부터 제거된다. 반응지역으로 부터의 반응가스는 약 500℉의 온도와 830psig의 압력으로 예열지역의 하부 부분을 들어간다. 생성된 고체의 반응 생성물은 약 718℉의 온도와 830psig의 압력으로 반응지역의 저부로 부터 배출되고, 그후 계속하여 약 200℉의 온도까지 냉각되며 대기압상태로 배출된다.

시간당 파운드의 단위로 표시되는 공급물 및 각종 생성물 흐름들의 대표적인 질량 흐름률에 있어서는, 15,956파운드/시간의 물을 포함하는 공급물이 51,470파운드/시간이다. 회수된 폐수는 20,326파운드/시간이고 생성가스는 328파운드/시간의 증기외에 5,548파운드/시간이다. 반응기로 부터 배출된 고체 반응 생성물은 25,368파운드/시간이고, 응축가능한 부분들의 추출후의 순수 생성가스는 328파운드/시간의 물외에 5,548파운드/시간이다.

상기 공정의 열평형은, 반응기에 장입된 함습 원료 석탄 공급물이 745,085Btu/시간 이고, 200℉로 냉각된 고체 반응 생성물이 1,278,547Btu/시간이다. 회수된 생성가스는 1,071,872Btu/시간의 감열치를 가지며, 추출된 뜨거운 폐수는 5,955,518Btu/시간의 감열치를 가진다.

상기 공정 순서 및 조건들은 아역청탄을 처리하는데 대표적인 예이고, 반응기의 각종 지역에서의 특정 온도, 이용된 압력, 및 여러 지역들내에서의 공급물의 체류시간은 공급물내 초기 함수율, 일반적인 화학구조, 및 탄소함량은 물론, 회수되는 고체반응 생성물의 요구되는 특성들에 따라 섬유소 공급물의 요구되는 열적 질의 향상 및/또는 화학적 재구성을 달성하도록 변할 수 있다. 따라서, 반응기의 예열지역은 실온의 도임 공급물을 대체로 약 200℉-약 500℉범위의 높은 온도까지 예열하도록 조절될 수 있고, 반응지역에 들어간 후에 그 공급물은 약 1200℉ 또는 그 이상의 온도로 더 가열된다. 반응기내 압력은 약 300-약 300psig범위내에서 변경될 수 있으나, 약 600-약 1500psig의 압력이 대표적이다.

본 발명의 장치의 다른 만족한 예에 따라, 제5도에 다른 구조가 도시되어 있으며, 그 구조에서 예열지역이 경사진 체임버(134)에 의해 형성되어 있고, 그 체임버(134)는 반응지역을 형성하는 다중 노상 반응기의 플렌지부 도입구(138)에 플렌저(136)을 통하여 연결된 상부 배출단부를 가지고 배치되어 있다. 체임버(134)는 그의 하부 단부부분에 도입구(142)를 가지고 있고, 그 도입구를 통하여 함습된 연속적인 공급물이 들어가고 압력하에 스크류형 공급기 또는 록크 홉퍼(144)를 통하여 이송된다. 탄소질 공급 물질은 체임버(134)의 길이를 따라 연장하는 스크류 컨베이어(146)에 의해 체임버(134)를 통과하여 상방으로 압력하에 이송된다. 스크류 컨베이어(146)의 상단부는 체임버(134)의 상단부에 나사 결합된 단부 캡(148)에 의해 지지되어 있고, 하단부는 체임버의 하단부에 나사 결합된 플렌지에 설치된 시일-베어링 조립체(150)에 의해 지지되어 있다. 스크류 컨베이어(146)의 돌출 단부축은 커플링(152)에 의해 가변속 전기모우터(154)에 연결되어 있다.

체임버(134)의 상단부에는, 미리 설정된 초과 압력 수준에서 반응기 시스템으로 부터 압력을 방출시키기 위한 파열 디스크 또는 다른 적당한 압력 경감 밸브를 설치하는데 적합하게된 플렌지부 배출구(156)이 설치되어 있다. 경사진 체임버의 하부 부분에는, 체임버(134)의 벽에 죤슨-타입 스크린과 같은 적당한 작은 구멍을 가진 스크린에 의해 연결된 제2의 플렌지부 배출구(158)이 설치되어 있다. 그 배출구를 통하여 비응축성 가스가 시스템으로 부터 배출된다. 플렌지부 배출구(158)은 제4도에 도시된 바와 같은 설비에서는 생성가스 처리 및 회수 시스템에의 밸브(120)에 연결되어 있다.

경사진 체임버(134)를 통하여 상방으로 이송된 탄소질 물질의 예열 및 부분 탈수가 플렌지부 도입구(138)을 통하여 다중 노상 반응기(140)의 외측으로 방출되는 반응가스의 역류 흐름에 의해 수행된다.

제1도와 관련하여 기술된 예의 경우에서와 같이, 공급물의 예열은 차거운 도입 공급물의 표면상의 증기와 같은 반응가스의 응축가능한 부분들의 응축 및, 직접적인 열 교환에 의해 부분적으로 달성된다.

공급물의 예열은 일반적으로, 약 200°-약 500℉의 온도로 수행된다. 응축된 액체 및 화학적으로 결합된 물(체임버(134)내에서의 탄소질 물질의 예열 및 치밀화시에 유리된)은 하방으로 배수되고 폐수처리 및 회수를 위한 적당한 밸브(124)를 구비한 제4도와 관련하여 앞에서 기술된 바와 같은 방식으로 구멍(160)을 통하여 체임버의 하부부분으로 부터 배출된다. 구멍(160)에 인접한 체임버(134)의 벽은 공급물의 고체부분의 이탈을 최소화시키도록 죤슨-타입 스크린과 같은 적당한 소공이 있는 스크린을 구비하고 있다.

제5도에 도시된 바와 같은 다중 노상 반응기(140)은, 반응기의 내부가 반응지역을 형성하고 상부예열지역에 제1도에 도시된 바와 같은 각도를 가지고 경사진 노상(64)를 이용하지 않는 것을 제외하고는 제1도에 도시된 반응기와 유사한 구조로 되어 있다. 그 반응기(140)은 유사한 구조로 되고, 환상 플렌지에 의해 기밀방식으로 원통형 중앙부분(164)에 연결된 도움형 상부부분(162)를 포함한다. 환상 보스(168)이 베어링(170)을 수용하기 위해 도움형 부분(162)의 내측 중앙부분에 형성되어 있고, 상기 베어링(170)내에 회전축(172)의 상단부가 지지되어 있다. 상기 회전축에는, 제1도와 관련하여 앞에서 기술된 설비에 따라 다수의 래블 아암(174)가 지탱되어 있다. 각 래블 아암은 다수의 수직으로 떨어져 있는 노상(178)을 가로질러 교대로 반경방향 내측 및 외측으로 공급물을 반경방향으로 이송하기 위한 다수의 각도를 가지고 배치된 래블 치(176)을 구비하고 있다.

상기 구조에 따라, 각도를 가지고 경사진 체임버(134)의 상단부로 부터 배출된 예열되고 부분적으로 탈수된 공급물이, 최상부 노상(178)을 가로질러 공급물을 분포시키기 위한 슈트(180)을 구비한 플랜지부 도입구(138)을 통하여 반응기로 들어간다. 래블 아암의 회전에 따라, 그 공급물은 앞에서 설명되고 제5도의 화살표들로 나타낸 바와 같이 교대적으로 낙하하는 방식으로 하방으로 통과한다. 반응기(140)의 하부부분은 제1도에 도시된 것과 사실상 동일하기 때문에 나타내지 않았다. 제1도에 도시된 것과 같은 구동 및 지지 설비들이 반응기(140)을 지지하기 위해 만족하게 이용될 수 있다.

제1도의 설비의 경우에서와 같이, 제5도의 반응기(140)은 반응지역의 내벽을 형성하는 원통형 라이너(182)를 구비하고 있고, 그 라이너(182)와 벽(164) 사이에 절연층(184)가 설치되어 있다.

유사하게, 벽과 도움형 상부부분의 외측 표면에는 열 손실을 최소화시키도록 절연층(186)이 설치될 수 있다.

제5도에 도시된 예에서, 노상들(178) 각각의 상부 표면상의 공급물은 전기 가열장치(188)에 의해 가열된다. 그 가열장치(188)은 노상의 하측부에 부착된 환상의 전도성 보호물(190)내에 사실상 완전히 둘러싸여 있다. 그 보호물(190)은 가열소자들상에 타르 및 다른 열적 퇴화물질의 퇴적을 방지하며, 그러한 설비가 없으면, 그러한 물질이 열 전도 효율을 감소시킨다. 그런 보호물(190)의 사용은 열교환기의 관(94, 96)상에 탄소 및 다른 외잡물의 퇴적을 방지하도록 그 관들을 둘러싸기 위해 제1도에 도시된 예와 관련하여 동일하게 적용될 수 있다.

제5도의 설비에 따라, 환상 보호물(190)의 적어도 하부 표면은 래블 아암(174)의 상연부에 부착되고 그 연부를 따라 반경방향으로 연장하는 적당한 스크레이핑 부재, 바람직하게는 와이어 브러시(192)에 의해 세정된다. 따라서, 축(172)와 그 축상의 래블 아암의 회전시 보호물의 하측부가 연속적으로 세정되어 그 보호물내에 둘러싸인 가열 소자로 부터의 효율적인 열전달이 유지되게 한다.

장기간 작동후, 타르 및 다른 물질의 바람직하지 않은 축적이 제1 및 5도에 도시된 반응기들의 내측 표면에 일어날 수 있음이 예상된다.

그러한 경우, 반응기의 내부는 공급물의 계속적인 도입을 중지시킴에 의해 세정될 수 있고, 최종 생성물이 배출구를 통과한후 공기를 반응기의 내부로 도입하여, 축적된 탄소질 퇴적물을 산화 및 제거시키도록 할 수 있다.

제5도에 도시된 설비에 따라, 반응기(140)은 그의 도움형 상부 부분에 플렌지부 배출구(194)를 구비하는 것이 바람직하고, 그 배출구는 체임버(134)의 배출구(156)과 유사한 방식으로 적당한 파열 디스크 또는 압력 경감 시스템에 연결되는데 적합하게 되어 있다.

제5도에 도시된 반응기 설비의 작동 조건들은 질이 향상되고 화학적으로 재구성되고 부분적으로 열분해된 생성물을 생산하도록 제1도의 반응기와 관련하여 앞에서 기술된 것들과 사실상 유사하다.

본 발명의 바람직한 예들이 전술한 목적들을 충족시키는데 양호하게 적용되는 것이 명백하지만, 본 발명의 범위 또는 첨부된 청구범위의 진정한 의미로 부터 벗어남이 없이 본 발명이 개조, 변형 및 변경될 수 있음이 인식될 것이다.

Claims (14)

1. 체임버의 주변쪽 하방으로 각도를 가지고 경사진 일련의 상부 노상들과 그 아래에 간격을 가지고 배치된 일련의 하부 노상들을 포함하는 다수의 중첩 배치된 환상 노상들을 수용하는 체임버를 형성하는 압력 용기 ; 최상부 노상 상으로 압력하에 함습 탄소질 공급물을 도입시키기 위해 상기 용기의 상부 부분에 설치된 도입수단 ; 하나의 노상으로 부터 그 아래의 다음번 노상으로 공급물을 하향 낙하되게 하기 위해 교대로 내측 및 외측방향으로 각 노상을 따라 반경방향으로 공급물을 이송하도록 각 노상위에 배치된 래블 수단 ; 상기 체임버로 부터 압력하에 반응가스를 배출시키기 위해 상기 용기의 상부 부분에 설치된 배출 수단 ; 공급물에 접하여 그와 열전달 관계로 반응가스를 상방으로 역류시키기 위해 상부 노상과 래블 수단 위에 배치된 배플 수단 ; 상기 체임버로 부터 상기 상부 노상 상의 액체를 압력하에 배출시키기 위해 상기 상부 노상과 연통하여 배치된 배수 수단 ; 반응 가스 및 반응 생성물을 형성하도록 공급물내 휘발성 물질의 적어도 일부분을 증발시키는데 충분한 시간동안 공급물을 높은 온도로 가열시키기 위해 하부 노상들 지역에서 상기 체임버내 배치된 가열수단 ; 및 상기 체임버로 부터 압력하에 반응 생성물을 배출시키기 위해 상기 용기의 하부 부분에 설치된 배출수단을 포함하는 압력하에 유기 탄소질 물질의 열 처리를 위한 다중 노상 반응기.
2. 제1항에 있어서, 상기 배수수단을 세정하기 위해 상기 래블수단에 설치된 세정수단을 더 포함하는 반응기.
3. 제1항에 있어서, 상기 가열수단들이 상기 체임버의 내부주위에 원주적으로 배치된 반응기.
4. 제1항에 있어서, 상기 가열수단들이 상기 체임버의 내부내에 그리고 상기 하부 노상들 각각의 하측부에 인접하여 일정 간격들로 횡으로 배치되어 있는 반응기.
5. 제1항에 있어서, 상기 가열수단들이 전도성 보호물내에 배치되고, 그 보호물의 외측 표면들중 적어도 일부분으로 부터 퇴적물을 제거하기 위해 상기 래블 수단에 스크레이핑 수단이 설치된 반응기.
6. 제1항에 있어서, 상기 상부 및 하부 노상들의 상부 표면들에 대하여 수직 이동하도록 상기 래블 수단을 조정가능하게 지지하기 위한 수단을 더 포함하는 반응기.
7. 압력하에 공급물을 수용하기 위해 체임버의 일단부에 설치된 도입구와 예열된 공급물을 배출시키기 위해 타단부에 설치된 배출구를 가진 예열 체임버 ; 상기 도입구로 부터 상기 배출구로 상기 예열 체임버를 통과하여 공급물을 이송하기 위한 이송수단 ; 상기 체임버로 부터 그안의 액체를 압력하에 배출시키기 위해 상기 체임버 내에 설치된 배수수단 ; 상기 배출구로 부터 떨어진 위치에서 상기 체임버로 부터 압력하에 반응가스를 배출시키기 위해 상기 체임버의 상부 부분에 설치된 배출수단 ; 및 다수의 중첩 배치된 환상 노상들을 수용하는 압력용기, 최상부 노상 상으로 예열된 공급물을 압력하에 도입시키기 위해 상기 체임버의 배출구와 연통하여 배치된 상기 용기의 상부 부분의 도입수단, 하나의 노상으로 부터 그 아래의 다음번 노상으로 공급물을 하향 낙하시키도록 교대로 내측 및 외측 방향으로 각 노상을 따라 반경방향으로 공급물을 이송하기 위해 각 노상위에 배치된 래블 수단, 반응가스 및 반응 생성물을 형성하도록 공급물내 휘발성 물질의 적어도 일부분을 증발시키는데 충분한 시간동안 상기 노상 상의 공급물을 높은 온도로 점진적으로 가열하기 위해 상기 용기내에 설치된 가열수단, 상기 배출수단쪽으로의 공급물의 주행에 역류하는 방향으로 상기 용기 및 상기 예열 체임버를 통과하여 상방으로 반응가스를 배향하기 위한 수단, 및 반응기로 부터 압력하여 반응 생성물을 배출시키기 위해 용기의 하부 부분에 설치된 배출 수단을 포함하는 다중 노상 반응기로 이루어진, 압력하에 유기 탄소질 물질의 열처리를 위한 반응기 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 체임버내 이송 수단이 스크류 타입 컨베이어를 포함하는 장치.
9. 제7항에 있어서, 상기 가열수단들이 상기 용기의 내부의 주변주위에 원주적으로 배치된 장치.
10. 제7항에 있어서, 상기 가열수단들이 상기 용기의 내부내에서 그리고 상기 노상들 각각의 하측부에 인접하여 일정간격으로 횡으로 배치된 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 가열수단들이 전도성 보호물내에 배치되고, 그 보호물의 외측표면의 적어도 일부분으로 부터 퇴적물을 제거하기 위해 스크레이핑 수단이 상기 래블 수단상에 설치된 장치.
12. 제7항에 있어서, 상기 노상의 상부 표면들에 대하여 수직 이동하도록 상기 반응기내에서 상기 래블 수단을 조정가능하게 지지하기 위한 수단을 더 포함하는 장치.
13. (a) 용기의 주변쪽 하방으로 각도를 가지고 경사진 일련의 상부 노상들과 그 아래에 간격을 가지고 배치된 일련의 하부 노상들을 포함하는 다수의 중첩배치된 환상 노상들을 수용하는 압력 용기를 포함하는 다중 노상 반응기내로 압력하에 처리될 함습 탄소질 공급물을 도입시키고, (b) 최상부 노상 상에 공급물을 퇴적시키고, 하나의 노상으로 부터 그 아래의 다음번 노상으로 공급물을 하향 낙하시키도록 교대로 내측 및 외측 방향으로 각 노상을 따라 반경방향으로 공급물을 이송시키고, (c) 약 200°-약 500℉의 온도까지 상부 노상상의 공급물을 예열시키도록 반응가스의 역류 흐름과 공급물을 접촉시키고, (d) 공급물에서 유리된 수분으로 부터 형성된 상부 노상상의 액체와 반응 가스내 응축 가능한 액체들을 압력하에 상기 용기의 내부로 부터 배수시키고, (e) 반응가스 및 고체 반응 생성물을 형성하도록 공급물내 휘발성 물질의 적어도 일부분을 증발시키는데 충분한 시간동안 높은 온도로 하부 노상상의 예열된 공급물을 가열시키고, (f) 상기 용기의 상부 부분으로 부터 잔류 반응 가스를 배출시키고 용기의 하부부분으로 부터는 고체 반응 생성물을 압력하에 배출시키는 단계들을 포함하는, 압력하에 함습 유기 탄소질 물질의 열처리 방법.
14. (a) 압력하에 처리될 함습 탄소질 공급물을 예열 체임버내로 도입시키고, 그 공급물을 반응가스와 역류식으로 열전달 접촉시킴에 의해 약 200°-약 500℉의 온도까지 예열시키고, (b) 압력하에 상기 예열 체임버내에서 형성된 액체를 그 체임버로 부터 배출시키고, (c) 다수의 중첩 배치된 환상 노상들을 수용하는 압력 용기를 포함하는 다중 노상 반응기내로 압력하에 예열된 공급물을 도입시키고, (d) 최상부 노상상에 예열된 공급물을 분포시키고, 하나의 노상으로 부터 그 아래의 다음번 노상으로 공급물을 하향 낙하시키도록 교대로 내측 및 외측 방향으로 각 노상을 따라 반경방향으로 공급물을 이송시키고, (e) 반응 가스 및 고체 반응 생성물을 형성하도록 공급물내 휘발성 물질의 적어도 일부분을 증발시키는데 충분한 시간동안 높은 온도로 상기 반응기내 공급물을 가열하고, (f) 공급물에 역류하는 방향으로 압력 용기를 지나 상기 예열 체임버내로 반응가스를 이송하고, (g) 상기 반응기로 부터 압력하에 고체 반응 생성물을 배출시키는 단계들을 포함하는, 압력하에 함습 유기 탄소질 물질의 열처리 방법.

Images