KR100210829B1 - 기체 분리에 의한 발전방법 - Google Patents

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Abstract

[공기 분리]
공기는 압축기(4) 이외에도 연소실(6) 및 팽창 터어빈(8)을 포함한 가스 터어빈(2)의 공기 압축기(4)로 부터 수득된다. 가스 터어빈(2)은 교류발전기(10)를 구동시킨다. 압축기(4)로 부터 얻은 공기는 열교환기(12)에서 냉각되어, 압축열이 제거된다. 공기는 공기분리장치(14)에서 산소와 질소로 분리된다.
산소류는 장치(14)로 부터 회수되어 철을 만드는 용광로(20)에서 사용된다. 용광로(20)로 부터 나온 배기 기체는 저급 기체연료이다. 그것은 압축열의 최소한 일부도 제거하기 위해 중간냉각단을 갖는 압축기(24)내에서 압축된다. 압축된 연료기체는 공기류와 향류로 열교환기(12)를 통과한다. 생성된 예열된 연료기체는 가스 터어빈(2)의 연소실(6)내로 흐르고, 연소되어 터어빈(8)에서 팽창되는 기체 연소 생성물을 발생한다. 질소류는 공기분리장치(14)에서 회수된다. 질소류의 일부는 연소실(6)에 유입되어 상기 기체 연소 생성물로 팽창되는 반면, 질소류와 그 나머지는 별개의 팽창 터어빈(34)에서 팽창된다.

Description

기체 분리에 의한 발전방법
제1도는 본 발명에 따른 제1발전 사이클을 나타내는 흐름도이다.
제2도는 본 발명에 따른 제2발전 사이클을 나타내는 흐름도이다.
제3도는 제1도 및 제2도에 나타난 사이클에 사용하기 위한 공기분리 공정을 나타내는 흐름도이다.
본 발명은 일반적으로 공기 분리에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 공기 분리 단계를 포함하는 발전 방법에 관한 것이다.
어떤 상황하에서는 저온 공기 분리 장치에서 발생된 질소로 부터 일을 회수하는 것이 이로운 것으로 공지되어 있다. 하나의 이러한 상황은 산소에 대해서는 부분적인 수요가 많지만, 질소에 대해서는 보조적인 수요가 없는 경우이다. 일을 회수하기 위한 몇가지 방법은 질소를 압축시킨 다음, 공기를 압축시키기 위한 압축기, 공기 압축기를 사용하여 연료의 연소를 보조하는 연소실, 및 연소기체를 팽창시키는 팽창 터어빈을 포함한 가스 터어빈으로 통과시키는 것이다. 이 때문에, 질소는 팽창 터어빈으로, 또는 팽창 터어빈의 상류 영역으로 직접 통과될 수도 있다. 팽창 터어빈은 공기 압축기 및 교류 발전기를 구동시키므로써 외부 일을 수행하도록 배열되어 있어 전기를 발생시킬 수 있다. 공기 분리에 대한 에너지 필수요건 모두가 부합될 수는 없지만, 이와 같은 방법으로 대부분 수행될 수 있다. 이러한 방법의 실례는 미합중국 특허 명세서 제2,520,862호 및 3,771,495호에 포함되어 있다.
가스 터어빈에 사용된 연료는 보편적으로 높은 발열량, 즉 10MJ/m3이상의 연료이다. 산소를 사용하는 일부 산업 공정에서는 낮은 발열량 기체가 생성되며, 그것은 이러한 기체의 용도에 적합하다.
또한, 본 출원인이 유럽 특허 출원 제EP-A-402 045호에서는 질소를 고온기류로 승압하에 열 교환시킨 다음, 생성된 가온된 질소를 외부 일의 수행으로 팽창시키므로써 질소로 부터 일을 회수하는 것이 제안되어 있다. 그러나, 이러한 방법은 낮은 발열량 기류의 연소를 수반하지 않는다.
본 발명의 목적은 공기 분리의 반응 생성물이 참여하는 반응(들)에 의해 형성된 제1저급 연료기체 및 공기 분리의 제2질소 생성물로 부터 발전시키는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 따라서,
a) 압축열을 최소한 일부도 제거하지 않고 공기를 압축시켜 압축 공기를 발생시키는 단계;
b) 압축된 공기 흐름을 주공기류(major air stream)와 부공기류(minor air stream)로 분리하는 단계;
c) 부공기류를 산소와 질소로 분리하는 단계;
d) 부공기류에서 분리된 산소류(oxygen stream)를 공급하여 화학반응(들)을 일으켜 저급 기체 연료류(fuel stream)를 생성하는 단계;
e) 저급 연료류를 압축시키는 단계;
f) 부공기류와의 열교환에 의해 연료류를 예열시키므로써, 상기 부공기류 분리위치보다 상류에서 상기 부공기류를 냉각시키는 단계;
g) 상기 연료류의 연소를 보조하기 위해 상기 주공기류를 이용하여 상기 예열된 연료류를 연소시키는 단계;
h) 상기 연료류의 연소로 부터 발생된 연소기체를 발전을 포함한 외부 일의 수행에 의해 팽창시키는 단계;
i) 외부 일의 수행에 의해 상기 질소류(nitrogen stream)를 팽창시키는 단계
를 포함하는, 발전방법이 제공된다.
또한, 본 발명은 최소한 일부의 압축열도 제거하지 않은 압축 공기로 형성된 주공기류를 연소실에 공급하기 위한 공기 압축기, 및 연소실로 부터 나온 기체를 팽창시켜 압축기를 구동시키기 위한 터어빈을 포함하는 가스 터어빈; 상기 압축기로 부터 취한 부공기류를 산소류와 질소류로 분리하기 위한 수단; 산소가 참여하여 저급 기체 연료류를 형성하는 반응(들)을 수행하기 위한 반응기; 기체 연료류를 압축시키기 위한 압축기; 분리를 위해 상기 공기 압축기로 부터 얻은 부공기류와의 열 교환에 의해 압축된 기체 연료류를 예열시키기 위한 열 교환기(이 열교환기는 연소실과 연통되는 제1출구 및 공기 분리 수단과 연통되는 제2출구를 갖고 있음); 외부 일의 수행에 의해 상기 질소류를 팽창시키기 위한 수단; 및 상기 터어빈에 의해 구동되도록 만든 발전 수단을 포함하는 발전 장치를 제공한다.
본문에서 저급 연료란 10MJ/m3미만의 발열량을 갖는 연료를 의미한다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는 저급 기체 연료류의 공급원이 용광로인 경우 특정용도로 존재한다. (코우크스 이외에도) 석탄 및 산소가 풍부한 분사공기로 용광로를 작동시키는 것은 철강산업에서 증가하고 있는 추세이다. 생성된 기체 혼합물은 질소, 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함한다. 이러한 기체의 정확한 조성은 산소가 풍부한 정도를 비롯하여 많은 인자에 따라서 변화한다. 그러나, 그것은 전형적으로 3 내지 5MJ/m3범위의 발열량을 갖고 있다.
저급 연료기류는 전형적으로 시안화수소, 카본 옥시설파이드, 및 황화 수소와 같은 바람직하지 않은 기체 성분들을 비롯하여 미립오염물이 충진된 용광로 또는 다른 반응기로 부터 승온으로 배출된다. 기체를 주위온도 근처로 냉각시켜 미립자를 제거할 수 있는 공정 및 장치는 널리 공지되어 있다. 저급 연료 기체는 연료 기체 압축기의 상부에서 이러한 처리를 받는 것이 바람직하다.
압축기는 전형적으로 기체 연료류의 압력을 10 내지 25 절대압력 범위로 올리며, 정확한 압력은 연료기체의 연소가 일어나는 연소실의 작동 압력에 의존한다.
연료기류의 예열은 그의 온도를 350 내지 400℃ 범위로 상승시킬 수도 있거나, 또는 보다 낮은 온도를 사용할 수도 있다.
질소의 팽창은 상기 질소류를 상기 연소 기체에 유입시키므로써 성취될 수도 있다. 그로 인해, 질소는 가스 터어빈의 팽창기에서 팽창된다.
공기는 정류에 의해 분리되는 것이 바람직하다. 연소 기체에 유입될 질소류는 연료기체의 연소가 일어나는 연소실의 과잉압력보다 약간 높은 압력으로 미리 압축되는 것이 바람직하다. 그 다음, 상기 질소류는 적합한 유체와의 열교환에 의해 600℃까지의 온도로 예열되는 것이 바람직하다. 유체는, 예를 들면 터어빈으로 부터 배출된 기체 혼합물로 부터 얻은 류일 수도 있다. 또한, 그것은 바람직하게는 600℃ 이하의 온도를 갖는 기타 유용한 고온 기류일 수도 있다. 예열된 질소류는 연료기체의 연소가 일어나는 연소실로 유입되는 것이 바람직하다. 또한, 그것은 연소실과 팽창 터어빈의 중간에 있는 기체 연소 생성물들의 혼합물에 유입되거나, 또는 팽창 터어빈 자체에 직접 유입될 수 있다.
질소 압축기는 전력소모를 줄이기 위해 중간냉각단을 사용할지라도, 질소로 부터 압축열을 제거하기 위한 후냉각기가 함께 결합되지 않는 것이 바람직하다.
공기의 정류는 저압단 및 고압단을 포함하는 이중관에서 수행되는 것이 바람직하다. 저압단에 재비등을 제공하고, 양단에 환류를 제공하기 위해서는 응축기-재비등기가 이중관의 상기 2개의 단과 결합되는 것이 바람직하다. 저압단은 3 내지 6절대압 범위의 작동압력을 그의 상부에 갖는 것이 바람직하다. 이러한 범위내로 저압관을 작동시키면 1 내지 2절대압 범위의 종래의 작동압력에서 수행한것보다도 더욱 효율적으로 질소를 분리할 수 있다. 더우기, 질소가 압축되는 압력범위의 크기는 감소된다. 전형적으로, 고압단이 작동하는 압력은 가스 터어빈의 공기 압축기의 출구압력보다 약간 낮다. 응축기-재비등기가 정류관의 2개의 단과 결합되어 있어도, 저압단의 작동압력은 고압단의 작동압력에 따라서 변하며, 저압단을 작동시킬 수 있는 압력으로 제한을 받고 있다.
가스 터어빈의 팽창을 위해 질소를 수득하는 속도는 터어빈의 작동특성에 의해 결정된다. 전형적으로, 가스 터어빈은 공기의 주어진 유량에 대해 설계된다. 압축된 공기의 일부를 산소와 질소로 분리하므로써, 상기 공기를 질소로 대체하는 것이 가능하다. 질소로 공기를 대체하는 것은 터어빈으로 부터 배출된 기체 혼합물내에서 질소 산화물의 농도를 감소시키는 경향이 있다.
전형적으로, 연료기체를 분사로에 의해 발생시키는 경우, 질소가 터어빈내에서 연소기체로 팽창될 수 있는 속도는 질소가 생성되는 속도보다 실질적으로 적으며, 이러한 속도는 분사로의 산소에 대한 수요에 따라서 변한다. 필요에 따라서, 과잉 질소 일부 또는 모두를 또다른 용도를 위해 생성물로서 취할 수 있다. 그러나, 과잉 질소에 대한 이러한 기타 수요가 없다면, 질소 또한 발전시키는데 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 공기 분리의 질소 생성물의 제2류는 바람직하게 또다른 유체류와 승압으로 열교환된 다음, 가스 터어빈과 무관한 제2터어빈에서 외부 일의 수행으로 팽창된다. 질소는 다른 유체와 혼합됨이 없이 팽창되는 것이 바람직하다. 교류 발전기를 구동시켜 전력을 발생시키기 위해 추가의 팽창기를 사용한다. 질소의 제2류가 열교환되는 열교환유체는 가스 터어빈에서 배출된 배기 기체류일 수도 있거나, 또는 시판하고 있는 기타 다른 고온 유체일 수 있다. 질소의 제2류는 2 내지 6절대압 범위의 압력에서 팽창시키기 위해 취하는 것이 바람직하다. 그것은 200 내지 600℃ 범위의 온도로 예열되는 것이 바람직하다. 바람직하게 질소의 제2류는 상기 질소 압축기의 상부로 부터 취한다. 질소가 고압단 및 저압단(이 저압단은 3 내지 6기압의 범위에서 작동함)을 포함한 정류관내에서 공기로 부터 분리된다면, 제2질소류는 상기 압력에서 취하는 것이 바람직하며, 추가의 어떠한 압축이라도 받지 않는다.
필요에 따라서, 산소 생성물은 그것이 사용되는 분사로 또는 기타 반응기의 상부에서 압축된다.
압축열을 제거한채로 연료기체용 압축기를 작동시키면, 성취가능한 압축효율을 상당히 증가시킬 수 있으므로, 본 발명에 따른 방법은 저급 연료기체, 및 공기 분리 공정의 질소 부산물로 부터 효율적인 전력을 발생시킬 수 있다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는 첨부된 도면을 참고로 하여 기술되어 있다.
제1도에 있어서, 도시된 장치는 공기 압축기(4), 연소실(6) 및 팽창 터어빈(8)을 포함한 가스 터어빈(2)을 갖고 있다. 공기 압축기(4)의 회전자(도시되어 있지 않음)는 터어빈(8)의 회전자(도시되어 있지 않음)와 동일한 축상에 설치되어 있으므로, 터어빈(8)은 압축기(4)를 구동시킬 수 있다. 압축기(4)는 공기의 흐름을 끌어들여, 공기를 10 내지 20절대기압 범위의 선택된 압력으로 압축시킨다. 압축기(4)는 압축에 의한 열을 제거하기 위한 수단이 함께 결합되어 있지 않다. 압축기(4)에서 배출되는 압축공기는 주류와 부류로 분리된다.
전형적으로, 주류는 전체 공기 흐름의 65 내지 90%를 차지하고 있다. 주류는 연소실(6)에 공급된다. 또한, 주류는 연소실(6)에 공급된 연료기체의 연소를 보조하는데 사용된다. 생성된 연소기체의 고온류는 팽창 터어빈(8)내로 흘러, 상기 대기압보다 약간 높은 압력으로 팽창된다. 팽창 터어빈(8)은 압축기를 구동시킬 뿐만 아니라, 전력을 발생시키는 교류발전기(10)를 구동시킨다. 압축공기의 부류는 열교환기(12)를 통해 흘러, 기체 터어빈(2)의 연소실(6)에 공급된 연료기류와 향류식 열교환에 의해 주위온도 근처로 냉각된다. 부공기류의 압축열은 전형적으로 연료기체의 온도를 주위온도 근처에서 350 내지 400℃ 범위의 온도로 승온시키는데 충분하다. 생성된 냉각 공기류는 열교환기(12)로 부터 정류에 의해 공기를 분리하기 위한 장치(14)로 통과한다. 산소 생성물류 및 질소 생성물류는 장치(14)로 부터 회수된다. 산소 생성물류는 산소로 부터 압축열을 제거하기 위한 후냉각기(18)가 함께 결합되어 있는 산소 압축기(16)내에서 약 8bar의 절대압력으로 압축된다. 압축된 산소류는 분사로(20)에 공급되는 분사공기에 산소를 풍부하게 하는데 사용된다.
용광로(20)는 철광석을 환원시켜 고체의 탄질연료와의 반응에 의해 철 또는 강철을 만드는데 사용된다. 반응에 필요한 열은 탄질연료와 산소가 풍부한 공기와의 반응에 의해 발생된다. 그결과, 일산화 탄소, 수소, 이산화탄소, 질소 및 아르곤을 포함한 기체혼합물이 발생된다. 상기 혼합물은 전형적으로 산소가 풍부한 공기의 조성에 따라서 3 내지 5MJ/m3정도의 발열량을 갖고 있다. 또한, 용광로의 상부에서 배출된 기체 혼합물은 승온에서 미립 오염물이 충진된 황과 질소의 산화물 미량을 함유한다. 이러한 기체 혼합물은 일종의 종래장치(22)에서 처리되어 주위 온도로 냉각되고, 바람직하지 않은 기체 불순물 및 미립 오염물이 제거된다.
그 다음, 장치(22)에서 정제된 연료기류는 압축기(24)에서 압축된다. 연료기체는 연소실(6)의 작동압력보다 약간 높은 압력으로 가압된다. 압축된 연료기류는 열교환기(12)를 통해 상기 언급한 바와 같은 연소실(6)로 들어간다.
공기 분리 장치(14)에서 수득된 질소류는 전형적으로 거의 동일한 크기의 제1류 및 제2류로 분리된다. 질소의 제1보조류는 압축기(28)내에서 압축되어, 연소실(6)이 작동하는 압력보다 약간 높은 압력으로 가압된다. 그다음, 질소는 열교환기(30)내에서 터어빈(8)으로 부터 수득된 배기 기류와의 향류 열교환에 의해 약 500℃의 온도로 가열된다. 열교환기(30)에서 배출된 배기 기체는 굴뚝(도시되어 있지 않음)으로 통과되어 대기로 배출된다. 열교환기(30)로 부터 나온 예열된 질소는 연소실(6)에 통과하여, 연소기체와 혼합되고, 터어빈(8)내에서 함께 팽창된다.
질소의 제2류는 압축기(28)의 상부로 부터(바람직하게는 3 내지 6기압 범위 압력으로) 취해지며, 열교환기(32)를 통과하므로써 약 400℃의 온도로 예열된다. 예열은 터어빈(8)으로 부터 배기기체의 또다른 류와의 향류 열교환에 의해 수행된다. 생성된 질소의 예열 제2류는 팽창 터어빈(34)으로 흘러, 기타 다른 유체류와 혼합됨이 없이 거의 대기압으로 팽창된다. 터어빈(34)으로 부터 나온 배개기체는 굴뚝으로 통과된다. 터어빈(34)은 교류발전기(36)를 구동시키는데 사용되며, 이로인해 발전된다.
전형적으로, 터어빈(8)으로 부터 나온 모든 배기기체가 열교환기(30 및 32)를 통과하지는 않는다. 과잉의 배기기체가 폐열보일러(도시되어 있지 않음)로 통과되어, 중기를 올리므로써 폐열보일러로 부터 열을 회수할 수도 있다. 또한, 터어빈(8)으로 부터 나온 배기기체는 용광로(20)의 분사공기를 예열하는데 사용할 수도 있다.
제2도에 나타난 장치는 일반적으로 제1도에 나타난 장치와 유사하다. 2개의 도면에서 유사한 부분은 동일한 도면 부호로 나타낸다. 이러한 유사한 부분 및 그의 작동방법은 제2도에 다시 기술하지 않을 것이다.
제2도의 장치는 제1도의 장치와 다른 하나의 중요한 차이점이 있다. 그것은 터어빈(8)으로 부터 나온 모든 배기기체가 폐열보일러로 통과된다는 것이다. 열교환기(30 및 32)에서 질소류를 예열하기 위해서는 손쉽게 구입할 수 있는 열전달 유체 공급원을 사용할 수도 있다.
제3도에는 제1도 및 제2도에서 장치(14)로서 사용하기 위한 공기 분리 장치가 나타나 있다.
기류는 압축공기로 부터 수증기와 이산화탄소를 제거하는데 효과적인 정제장치(40)를 통과한다. 장치(40)은 흡착층을 사요하여 유입공기로 부터 수증기와 이산화탄소를 흡착하는 장치의 일종이다. 흡착층들은 공기를 정제하는데 하나 이상의 층들을 흡착하는 장치의 일종이다. 흡착층들은 공기를 정제하는데 하나 이상의 층들을 사용하면서 다른 층들은 전형적으로 질소류에 의해 재생되도록 서로 연속적으로 작동될 수도 있다. 정제된 기류는 주류와 부류로 분리된다.
주류는 정류에 의해 공기를 분리하는데 적합한 수준으로 온도를 감소시키는 열교환기(42)를 통과한다. 그러므로, 전형적으로 주공기류는 통상적인 압력에서 포화온도로 냉각된다. 그 다음, 주공기류는 단(48) 이외에도 저압단(50)을 갖는 이중정류관의 고압단(48)으로 입구(44)를 통해 유입된다. 정류관(48 및 50)은 액체-증기 접촉 트레이(도시되어 있지 않음) 및 결합된 강수관(도시되어 있지 않음)(또는 하강액상과 상승 증기상 사이에 균일한 접촉을 이루는 기타 수단)을 함유하고 있으며, 이로인해 하강 액상이 상승 증기상과 균일한 접촉을 하여 2개의 상 사이에서 물질 전달이 일어난다. 하강 액상은 점진적으로 산소가 풍부해지며, 상승 증기상은 점진적으로 질소가 풍부하게 된다. 고압 정류단(48)은 유입 공기가 압축되는 온도와 거의 동일한 압력으로 작동하여, 공기를 산소가 풍부한 공기분율 및 질소분율로 분리한다. 저압단(50)은 그의 상부에서 거의 순수한 질소분율을 제공하고, 여전히 어느 정도의 질소양(즉, 5부피%까지)을 함유하는 그의 기부에서 산소분율을 제공하도록 작동되는 것이 바람직하다.
단(48 및 50)은 응축기-재비등기(52)에 의해 결합된다. 응축기-재비등기(52)는 고압단(48)의 상부로 부터 나온 질소증기를 수용하며, 그것을 단(50)내에서 비등하는 액체산소와의 열교환에 의해 응축시킨다. 생성된 응축물은 고압단(48)으로 되돌아온다. 응축물의 일부는 단(48)에 환류를 제공하는 반면, 그 나머지는 수집되고, 열교환기(54)내에서 차냉각되고, 팽창 밸브(56)를 통해 저압단(50)의 상부로 통과되며, 이로 인해 단(50)에 환류를 제공한다. 저압 정류단(50)은 단(48)의 압력보다 낮은 압력에서 작동하며, 2개의 공급원으로 부터 분리하기 위한 산소-질소 혼합물을 수용한다. 제1공급원은 정제장치(40)에서 배출된 기류를 분리하므로써 형성된 부공기류이다. 단(50)의 상부에서, 부공기류는 함께 결합된 후냉각기(도시되어 있지 않음)를 갖는 압축기(58)에서 압축한 다음, 열교환기(42)에서 약 200°K의 온도로 냉각되고, 열교환기(42)로 부터 회수되고, 팽창 터어빈(60)내에서 단(50)의 작동압력으로 팽창되며, 이로 인해 본 공정에 냉동을 제공한다. 그다음, 이러한 기류는 입구(62)를 통해 저압단(50)내로 유입된다. 필요에 따라서, 팽창 터어빈(60)을 사용하여 압축기(58)를 구동시키거나, 또는 두개의 기계, 즉 압축기(58)와 터어빈(60)을 서로 떨어뜨릴 수 있다. 필요에 따라서, 압축기(58)는 생략될 수도 있으며, 터어빈(60)을 사용하여 발전기(도시되어 있지 않음)를 구동시킬 수도 있다.
저압 정류단(50)에서 분리하기 위한 산소-질소 혼합물의 제2공급원은 고압단(48)의 기부로 부터 취한 산소가 풍부한 분율의 액체류이다. 이러한 류는 출구(64)를 통해 회수되고, 열교환기(66)내에서 차냉각된 다음, 주울-톰슨 밸브(Joule-Thomson value, 68)로 통과되고, 단(50)의 중간 높이에서 단(50)내로 흐른다.
제3도에 나타난 장치는 산소류 및 질소류를 생성한다. 산소류 생성물은 출구(70)를 통해 저압단(50)의 기부로 부터 증기로서 회수된다. 그다음, 상기 기류는 열교환기(42)내에서 유입 공기와의 향류 열교환에 의해 주위온도 근처로 가온된다. 질소류 생성물은 출구(72)를 통해 저압 정류단(50)의 상부로 부터 직접 수득된다. 이러한 질소류는 고압단(48)으로 부터 회수된 액체 질소류에 대해 향류로 열교환기(54)를 통해 흘러, 이러한 류의 차냉각을 수행한다. 이때, 질소류 생성물은 산소가 풍부한 분율의 액체류와 향류로 열교환기(66)를 통해 흘러, 이러한 액체류의 차냉각을 수행한다. 그다음, 질소류는 주공기류와 향류로 열교환기(42)를 통해 흐르므로, 주위 온도 근처로 가온된다.
제1도에 나타난 발전 사이클의 작동 실례로서, 가스 터어빈(2)의 압축기(4)로 부터 나온 부공기류는 160/s의 유량, 696°K 온도, 및 15.0bar의 압력으로 열교환기(12)에 들어간다. 이러한 기류는 273°K의 온도 및 14.5bar의 압력으로 열교환기(12)로 부터 배출된다. 그다음, 생성된 냉각기류는 장치(14)에서 분리된다. 산소류는 34.7/s의 유량, 290°K의 온도 및 5.3bar의 압력에서 장치(14)에 의해 발생된다. 이러한 류는 압축기(16)에서 압축되고, 함께 결합된 후냉각기(18)로 부터 300°K의 온도 및 8bar의 압력으로 배출된다. 그다음, 압축된 산소류는 용광로(20)내로 흐른다.
용광로(20)는 정제후 일산화 탄소 27.4부피%, 이산화 탄소 18.0부피%, 수소 2.8부피% 및 질소 51.8부피%(발열량 3.85MJ/m3)를 포함하는 열량기류를 생성한다. 이러한 기체 혼합물은 144.1/s의 속도로 생성된다. 그것은 1bar의 압력 및 293°K의 온도로 압축기(24)에 들어가서, 20bar의 압력 및 373°K의 온도로 압축기(24)로 부터 배출된다. 그다음, 이러한 기류는 열교환기(12)내에서 예열되어, 가스 터어빈(2)의 연소실(6)에 들어간다. 또한, 연소실(6)은 355.9/s의 유량, 696°K의 온도 및 15bar의 압력에서 압축기(4)로 부터 나온 주기류를 수용한다. 연소실(6)은 290°K의 온도 및 4.8bar의 압력에서 공기 분리 장치(14)로 부터 질소 76.2을 취하고, 그것을 압축기(28)에서 약 20기압의 압력으로 압축시키므로써 형성된 압축 질소류를 추가로 수용한다. 그다음, 압축 질소류는 열교환기(30)를 통해 흘러, 773°K의 온도 및 20.0bar의 압력으로 상기 열교환기로 부터 배출된다. 그 다음, 이러한 질소류는 연소실(6)로 흐른다. 연소실(6)로 부터 나온 질소 및 연소 생성물의 혼합물은 560/s의 속도, 1493°K의 온도 및 15bar의 압력으로 가스 터어빈(2)의 팽창기(8) 내로 흘러, 823°K의 온도 및 1.05bar의 압력으로 팽창기(8)로 부터 배출된다. 그다음, 이러한 기류의 일부는 열교환기(30)를 냉각하는데 사용하는 반면, 그 나머지는 공기 분리 장치(14)로 부타 나온 질소의 제2류를 가열시키는 열교환기(32)를 냉각시키는데 사용한다. 질소의 제2류는 49.4/s의 속도로 수득되어, 290°K의 온도 및 4.8bar의 압력으로 열교환기(32)에 들어간다. 그것은 열교환기(32)에서 773°K의 온도로 가열되고, 4.6bar의 압력으로 열교환기(32)로 부터 배출된다. 그다음, 그것은 팽창기(34)내에서 약 1.05bar의 압력으로 팽창된다. 그다음, 열교환기(30 및 32)의 냉각기 단부로 부터 배출된 기류와 함께 생성된 팽창질소는 굴뚝으로 배출된다.
상기 실례에서 기술된 바와 같이 작동시키는 경우, 가스 터어빈은 166.7MW의 출력을 가지며, 질소 팽창기(34)는 19.1MW의 출력을 가진다. 압축기(16,24 및 28)의 각각의 전력소모(각각 1.8, 44.3 및 15.5MW)를 고려하면 총전력 124.2MW가 발생된다. 이외에도, 공기 분리 장치(14)에서 36.0MW가 발생되므로, 전체 전력 입력은 160.2MW가 된다. 이러한 전력 발생 효율은 38.9%인 것으로 계산된다.
이외에도, 전력은 팽창기(8)로 부터 배출된 기체의 일부로 부터 나온 증기를 올리고, 상기 기술된 실례에서 터어빈 출력중의 증기를 팽창시키므로써 발생될 수 있으며, 이러한 방식으로 약 50.7MW가 발생될 수 있다. 따라서, 본 방법의 총 전력출력은 51.2%의 계산된 효율을 발생시키는 210.9MW가 되었다. 이러한 효율은 천연 가스와 같은 고급 연료로 성취될 수 있는 효율보다 높다.
상기 실례에서 모든 압력은 절대압력이다.

Claims (12)

  1. a) 압축열을 최소한 일부도 제거하지 않고 공기 흐름을 압축시켜 압축 공기를 발생시키는 단계; b) 압축된 공기 흐름을 주공기류(major air stream)와 부공기류(minor air stream)로 나누는 단계; c) 부공기류를 산소와 질소로 분리하는 단계; d) 부공기류에서 분리된 산소류(oxygen stream)를 공급하여 화학반응(들)을 일으켜 저급 기체 연료류(fuel stream)를 생성시키는 단계; e) 저급 연료류를 압축시키는 단계; f) 상기 연료류의 연소를 보조하기 위해, 상기 주공기류를 이용하여 상기 연료류를 연소시키는 단계; g) 상기 연료류의 연소로 부터 발생된 연소기체를 발전을 포함한 외부 일의 수행에 의해 팽창시키는 단계; 를 포함하고, 압축된 저급 기체 연료류의 압축열의 일부 이상을 제거한 다음, 생성된 저급 연료류를 부공기류와의 열교환에 의해 예열시킴으로써, 상기 부공기류의 분리위치보다 상류에서 상기 부공기류를 냉각시키고, 외부 일의 수행에 의해 상기 질소류(nitrogen stream)를 팽창시킴을 특징으로 하는 발전 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 저급 기체 연료류의 공급원이 용광로인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 질소류를 상기 연소 기체내로 유입시켜 함께 팽창시키는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 질소류를 상기 연소 기체내로 유입시키는 위치보다 상류에서 압축시키는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 질소류를 유체와의 열교환에 의해 600℃ 이하의 온도로 예열시키는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 질소 생성물의 제2류를 승압에서 다른 유체류와 열교환시킨 다음, 외부 일의 수행에 의해 팽창시키는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 제2질소류를 2 내지 6절대압 범위의 압력 및 200 내지 600℃ 범위의 온도에서부터 팽창시키는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 저압단 및 고압단을 포함한 이중관에서 정류에 의해 공기를 분리하고, 저압단의 작동 압력(상부에서)이 3 내지 6절대압인 방법.
  9. 최소한 일부의 압축열도 제거하지 않은 압축공기로 형성된 주공기류를 연소실(6)에 공급하기 위한 공기 압축기(4), 및 연소실로 부터 나온 기체를 팽창시키고 압축기(4)를 구동시키기 위한 터어빈(8)을 포함하는 가스 터어빈(2); 상기 압축기(4)로 부터 얻은 부공기류를 산소류와 질소류로 분리하기 위한 수단(14); 산소가 참여하여 저급 기체 연료류를 형성하는 반응(들)을 수행하기 위한 분사로(20); 기체 연료류를 압축시키기 위한 압축기(24); 기상 연료 압축기(24)가 연료 기체로 부터 연소열을 제거하기 위해 이와 조합된 수단을 가지고, 상기 공기 압축기(4)로 부터 얻은 부공기류와의 열교환에 의해 압축된 기체 연료류를 예열시키기 위한 열교환기(12)를 추가로 포함함을 특징으로 하는, 상기 터어빈에 의해 구동되도록 만든 발전수단(10); 및 외부 일의 수행에 의해 상기 질소류를 팽창시키기 위한 수단(8,34)을 포함하는 발전 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 반응기(20)가 용광로(20)인 장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 질소류를 팽창시키기 위한 수단(8,34)이, 상기 질소류를 압축시키기 위한 질소 압축기(28)와 연통되는 입구를 갖는 터어빈(8)을 포함하는 장치.
  12. 제11항에 있어서, 압축된 질소류를 예열시키기 위한 열교환기(30)를 추가로 포함하는 장치.
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