고온 기체를 이용한 활성탄 제조 document_id A220623053880

활성 탄소는 기체 또는 액체 스트림으로부터 오염 물질을 제거하기 위한 공업적 공정에서 흡착제로서 널리 사용된다. 예를 들어, 분말 활성 탄소(PAC)를 미립자 조절 장치 상류의 연소가스에 주입하여 연소가스로부터 오염물질을 제거함으로써 화석 연료 연소 발전소에 대해 계류중인 수은 방출 한계를 만족시키려는 시도가 연구되고 있다. 연소 공정의 연소가스 스트림으로부터 수은을 제거하는 것은 매우 중요하다. 인체에 대한 수은의 독성은 오래 전부터 알려져 있다. 수은 노출의 파괴적인 효과의 예는, 아세트알데히드 제조의 유기 수은 부생성물이 그 지역의 만(灣)에 방출되어 어류에 의해 섭취 및 대사된 1950년대 일본 미나마타에서 발생하였다. 그 만의 어류 소비에 의해 지역 집단에 신경학적 손상 및 기형아 출산이 널리 퍼진 것이 보고되었다. 다양한 연소 공정에 사용되는 석탄은 전형적으로 약 0.1 ppm의 수은을 함유한다. 미국에서만도 매년 약 50톤의 수은이 배출가스 중에 증기로서 방출된다. 그러한 수은은 화학적 및 생물학적 과정을 통해 어류내에 수천배로 농축되어 인간 식품 공급물에 위험한 수준으로 유입될 수 있다. 2000년 12월, 환경보호국(Environmental Protection Agency; EPA)은 석탄 연소 발전소로부터의 수은 방출을 조절할 필요가 있다는 규제 결정을 내렸다. 그러나 흡착제 사용의 한 가지 장벽은 PAC의 제조 및 그의 최종 사용 장소까지 운반하는 것 모두 고가라는 점이다. PAC는 전형적으로 처음에는 흡착 특성을 갖지 않는 탄소질 출발 물질, 예컨대 석탄, 목재, 바이오매스 물질, 견과의 껍질(예, 호두 껍질, 야자나무 열매) 또는 견과의 겉껍질(예, 코코넛)로부터 제조된다. 탄소질 출발 물질은, 회전 가마에서 공급원료를 열분해하고 활성 매질 (즉, 스팀)로 탄소를 활성화하고 생성된 차르(char)를 분쇄 또는 미분화하는 것을 포함하는 에너지 및 자본 집약적 공정에 의해 보다 높은 흡착 특성을 지니는 PAC 물질로 전환된다. 이어서, 활성화된 탄소 물질은 그의 최종 사용 장소, 예컨대 석탄 연소 발전소까지 운반되어야 한다. PAC를 최종 사용 장소 가까이에서 제조하려는 시도가 있어 왔다. 예를 들어, 수은 조절용 차르를 제조하기 위한 연소 공정의 사용이 특허문헌에 논의되었다. 미국 특허 제6,451,094 B1호(창(Chang) 등)는 공급원료(feedstock)를 고온 연소가스에 주입하여 공급원료를 계내 활성화시키는 것을 기재하였다. 미국 특허 제6,595,147호(텔러(Teller) 등)은 연소가스가 아직 자원 회수 장치 내에 있는 동안에, 물질을 탈휘발시켜 활성탄을 계내 형성하기에 충분한 온도에서, 탄소질 차르를 연소가스에 첨가하는 것에 관한 것이다. 석탄 연소 공정의 연소가스로부터 수은을 포획하기 위해 비산회(fly ash)에서 발견되는 탄소를 사용하려는 시도가 또한 이루어졌다. 미국 특허 제5,787,823호(놀리즈(Knowles))는 통상적인 미립자 제어 장치(PCD)의 집진기(cyclone) 상류에서 탄소 함유 비산회를 포획하는 방법을 제안하였다. 이어서, 포획된 물질을 덕트에 주입하여 수은을 포획한다. 미국 특허 제6,027,551호(황(Hwang) 등)는 통상적인 PCD에서 포획된 비산회로부터 탄소를 분리하고, 탄소 농축 부분을 수은 흡착제로서 주입하는 것을 교시한다 미국 특허 제6,521,021 B1호(펜린(Pennline) 등)은 보일러 연소 대역으로부터 부분 산화 석탄을 제거하는 것을 교시한다. 분리한 석탄을 보다 하류에서 수은 흡착제로서 주입한다. 라니어(Lanier) 등(미국 특허 제6,726,888 B2호)는 NOx 방출 및 수은 제거용 천연 비산회 특성이 모두 조절되도록 하는 연소 공정의 조절을 제안하였다. 일반적인 보일러 운용의 제약과 천연 잔류 탄소는 그것이 보일러를 통해 이동함에 따라 활성이 감소한다는 사실 둘다로부터, 분리된 활성 탄소 제조 공정이 의도된 특정 최종 용도에 알맞은 특성을 갖는 활성 탄소를 생성할 수 있는 보다 나은 기회를 제공할 수 있다. 따라서, 광범위한 공정에 적합한 활성 탄소의 현지(onsite) 제조를 위한 시스템 및 방법을 제공하여 활성 탄소 제조 사용의 비용 및 효율을 개선하는 것이 바람직할 것이다. 발명의 간단한 요약 본 발명은 활성탄이 그의 사용 장소에서 또는 그 가까이에서 제조될 수 있도록 충분히 유연하고 효율적인 활성탄 제조 방법 및 시스템을 제공한다. 본원에 제공되는 방법 및 시스템은 다른 배열로 사용될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명은 상술한 것과 같이 활성탄을 제조하여 다수의 유틸리티 등을 지원하는 중앙 설비에 구현될 수 있다. 다른 구현양태에서, 본 발명은 그 자신의 플랜트에 활성탄을 지원하고 잉여 활성탄을 다른 장소로 운반하는 유틸리티에 사용될 수 있다. 상기 방법 및 시스템은 기체 혼합물을 산소-연료, 산소 농축 공기-연료 또는 공기-연료 버너를 사용하여 고온으로 예열하여 고온 기체 스트림을 형성하는 것을 포함한다. 이 고온 기체 스트림을 탄소질 공급원료(즉, 탄소질 원료 물질)와 혼합 및 반응시켜 탄소질 공급원료를 탈휘발 및 부분 연소시킴으로써, 활성 탄소를 사용하는 다양한 용도에 구현될 수 있는 잔류 활성탄이 생성되도록 한다. 고온 기체 및 분쇄된 탄소질 공급원료의 사용은 장치를 최소화하므로, 예를 들어 연소가스로부터 유틸리티 보일러 수은 방출을 감소시키기 위한 활성 탄소를 그의 사용 장소에서 또는 그 가까이에서 제조할 수 있게 한다. 본 발명은 최종 사용 장소에서 또는 그 가까이에서 활성탄을 제조하기 위한 방법을 포함한다. 고온(바람직하게는 약 2,000 내지 3,000℉)의 산화성 기체 스트림은 분쇄 또는 미분화된 탄소질 공급원료와 혼합 및 반응하여 동일 탄소질 공급원료로 제조한 분말 활성 탄소와 유사한 흡착 특성을 갖는 분말 활성탄을 생성한다. 별법으로, 불활성 기체를 가열하여 공급원료의 열분해에 사용할 수 있다. 또 다른 별법으로, 산소와 연료의 비율을 조정함으로써, 고온 기체 스트림이 임의의 바람직한 산소 함량을 갖거나 또는 산소를 전혀 갖지 않게 할 수 있다(예, CO2 및/또는 H2O). 그것은 강하게 산화성이거나, 온화한 산화성이거나, 또는 심지어 환원성일 수도 있다. 예를 들어 탄소질 공급원료의 열처리를 위한 열원은 본 발명에 사용하기 적합할 수 있다. 당업자는 상기 흡착 특성이 사용되는 공급원료에 따라 달라짐을 알 것이다. 당업자는 또한 활성탄의 흡착 특성이 어떤 용도에는 충분할 수 있으나, 다른 용도를 위해서는 활성탄을 변경할 필요가 있음을 알 것이다. 따라서, 본 발명은 활성탄을 최종 사용 장소에서 또는 그 가까이에서 제조할 수 있는 능력, 대형 회전 가마 공정에 비해 비용이 낮고 보다 효율적인 활성탄의 제조 방법, 및 주어진 설비의 주 연소 공정에 사용되는 연료와 상이할 수도 있는 활성탄 제조용 탄소질 공급원료를 사용할 수 있는 선택의 자유를 포함하나 이에 한정되지는 않는 몇몇 이점을 제공한다. 결국, 본 발명은 최종 사용 지점에서 또는 그 가까이에서 특정 용도를 위해 활성탄 특성을 변경할 수 있는 유연성을 제공한다. 본 발명에 따라 생성된 활성탄의 표면적은 현지 시중에서 입수가능한 PAC의 표면적보다 낮을 수 있고, 일부 경우 상당히 낮을 수 있다. 그러나 본원에 제공된 효율적이고 유연한 방법으로 인해, 전체적인 경제성 면에서는, 심지어 현재 시중에서 입수가능한 PAC에 비해 보다 활성화된 차르가 필요할 수 있는 상황에서도, 본 발명에 따라 생성된 활성탄의 사용이 여전히 유리할 수 있다. 스팀, 산소, 또는 기체 혼합물을 포함할 수 있는 고온 기체 스트림은 기체 스트림을 산소-연료, 산소 농축 공기-연료 또는 공기-연료 버너로 예열하여 고온 기체 혼합물을 생성함으로써 제조한다. 고온 기체로부터의 심한 난류는 탄소질 공급원료와 고온 기체를 신속하게 혼합하는 역할을 한다. 본 발명의 바람직한 실시양태에서, 고온 기체의 상승된 온도 및 산소 농도는 탄소질 공급원료의 신속한 점화, 탈휘발 및 부분 산화를 유발한다. 상승된 온도 및 높은 산소 농도는 둘다 탄소질 연료의 탈휘발 속도를 상당히 증가시키는 것으로 나타났으므로, 산화성 기체의 사용은 활성 탄소 물질을 생성하는데 필요한 체류 시간을 감소시킨다. 결국, 활성 탄소 제조에 전형적으로 사용되는 대형 회전 가마를 대신하여 소형 반응기를 사용할 수 잇다. 또한, 이 방법에 따라 발생되는 부생성물(예, CO 및 H2)은 주 보일러의 연료 또는 재연소 연료로서 사용할 수 있다. 본 발명은 주 연소 공정으로부터 활성탄 제조를 분리시킴으로서 특정 용도에 요망되는 특성(예, 흡착성)을 갖는 활성탄을 제조하는 것을 가능하게 하는 방법 및 시스템을 제공한다. 예를 들어(제한적인 것은 아님) 본 발명은 연소가스 스트림 중의 수은 제거를 위한 미분화 연료 연소 유틸리티용 활성탄의 현지(또는 최종 사용 장소에 가까운 곳) 제조를 가능하게 한다. 별법으로 또는 추가적으로, 본 발명은 활성탄의 제조를, 탄화수소 및 다른 오염 물질을 제거하기 위한 폐수 처리용 고정층 장치에서의 용도에 최적화할 수 있게 한다. 본 발명의 또 다른 이점은 부분 산화 연료를 고온 기체 버너로 재순환하거나 또는 이를 공정의 일부일 수도 그렇지 않을 수도 있는 보일러에서 연소함으로써 공정에 유용한 연료로서 사용할 수 있는 점이다. 예를 들어, 기체 생성물을 NOx 조절을 위한 재연소 연료로서 보일러에 보낼 수 있다. 상기 논의한 바와 같이, 본 발명에 따라 사용되는 고온 산소 또는 고온 기체 버너는 현지 활성탄 제조를 가능케 한다. 상기 버너에 의해 달성되는 고온과 양호한 혼합의 조합은 (특히 현재 PAC 제조에 사용되는 회전 가마에 비해) 비교적 작고 간단한 공정 설비에서 활성탄 제조를 가능케 한다. 또한, 전형적으로 별도의 활성화 단계를 필요로 하는 회전 가마 공정과 반대로, 본 발명의 활성탄의 활성화는 공정의 결과로서 일어난다. 따라서, 본 발명은 제조 효율 및 다목적성(versatility)을 둘다 개선할 뿐 아니라 운반의 필요성을 최소화함으로써, 최종 사용자에 대한 활성탄 단가를 상당히 감소시킬 수 있다.