KR100596349B1

KR100596349B1 - 건식 저농도 ＮＯｘ 연소 시스템에서의 동력 생성방법

Info

Publication number: KR100596349B1
Application number: KR1019997001587A
Authority: KR
Inventors: 바수아루나바; 플레이시테오에이치.; 우도비치칼에이.; 바타차리야알라카난다; 그라다씨마이클제이.
Original assignee: 비피 코포레이션 노쓰 아메리카 인코포레이티드
Priority date: 1997-07-01
Filing date: 1998-06-16
Publication date: 2006-07-05
Also published as: ES2210771T3; CN1395030A; TW394821B; CN1089796C; EP0928326B1; DK0928326T3; BR9806105A; WO1999001526A1; CN1237260C; ZA985624B; JP3390454B2; EP0928326A1; NO990853D0; CN1230977A; AU7969798A; KR20000068365A; US6324827B1; JP2000509433A; AU721782B2; NO990853L

Abstract

디메틸 에테르 함유 연료를 연소기에서의 연소를 위한 산소 함유 가스의 존재하에 연소 터빈-연소기의 건식 저농도 NO_x 연소기로 통과시켜 연도 가스를 형성한 다음, 연도 가스를 터빈으로 통과시켜 동력을 생성하는 동력의 생성방법에 관한 것으로, 이때 연료는 디메틸 에테르, 하나 이상의 알콜 및 임의로, 물과 C₁-C₆ 알칸으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 성분의 혼합물을 포함한다. 본 발명의 방법에 사용되는 연료 조성물은 건식 저농도 NO_x 연소 시스템의 안전하고 상당히 효율적인 작동을 가능케 하는 동시에, NO_x 및 일산화탄소 배출량의 생성을 최소화할 수 있다.

디메틸 에테르 연료, 건식 저농도 NOx 연소 시스템, NOx, 일산화탄소, 연도가스, 산소 함유 가스, 연료 연소용 연소기, 터빈 연소기, 예비 혼합 방식, 불꽃 역화.

Description

건식 저농도 ＮＯｘ 연소 시스템에서의 동력 생성방법{Method of generating power in a dry low NOx combustion system}

본 발명은 동력의 생성에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 터빈의 건식 저농도 NO_x 연소 시스템에서 디메틸 에테르 연료 조성물을 사용하여 동력을 생성하는 방법에 관한 것이다.

연소 터빈-연소기(fired turbine-combustor)의 연소기에 탄화수소 연료를 사용하는 것은 익히 공지되어 있다. 일반적으로, 공기 및 연료가 연소 챔버로 공급되고, 여기서 연료가 공기의 존재하에 연소되어 고온 연도 가스(flue gas)를 생성한다. 이어서, 고온 연도 가스는 터빈으로 공급되고, 냉각 및 팽창되어, 동력을 생성한다. 연료 연소의 부산물에는 통상적으로 산화질소 및 이산화질소(NO_x로 통칭됨), 일산화탄소, 비연소 탄화수소(예: 메탄 및 대기 오존의 형성에 기여하는 휘발성 유기 화합물) 및 황의 산화물(예: SO₂ 또는 SO₃)을 포함하는 기타 산화물과 같은 환경적으로 유해한 독소가 포함된다.

공정의 전반적인 효율에 영향을 미치는 많은 변수 중에는, 특정 연료 조성물, 공기의 양, 특정 유형의 연소 시스템 및 처리 조건이 있다. 공정의 전반적인 효율을 최대화하는 것 이외에, 연료 연소의 부산물로서 생성되는 환경적으로 유해한 독소의 양을 최소화하는 성능이 대단히 중요하다.

연료의 연소시 NO_x 방출에는 두 가지 공급원이 있다. 연소기의 불꽃에 고정된 대기 질소(열에 의한 NO_x로서 공지되어 있음)가 NO_x의 주요 공급원이다. 연료에서 발견되는 전환된 질소(연료-결합 질소로서 공지되어 있음)가 NO_x 방출의 두번째 공급원이다. 연료-결합 질소로부터 생성되는 NO_x의 양은 연료 조성물의 적절한 선택 및 연소후 연도 가스 처리를 통하여 조절될 수 있다. 생성되는 열에 의한 NO_x의 양은 연소기 불꽃 온도 및 연료 혼합물이 불꽃 온도에 존재하는 시간의 양의 지수 함수이다. 각각의 공기-연료 혼합물은 연소기에서 연소되는 공기-연료 혼합물의 공기 대 연료 비(당량비, ψ로서 표시됨)의 함수인 특징적인 불꽃 온도를 갖는다. 따라서, 생성되는 열적 NO_x의 양은 특정 공기-연료 혼합물의 체류 시간 및 당량비를 기준으로 한다. 당량비(ψ)는 다음의 비로 정의된다:

상기식에서,

m_o는 산화제의 질량이고,

m_f는 연료의 질량이다.

NO_x 생성률은 불꽃 온도가 화학양론적인 단열 불꽃 온도인 경우에, 1.0의 당량비에서 최고이다. 화학양론적 조건에서는, 연료 및 산소가 완전히 소비된다. 일반적으로, NO_x 생성률은 당량비가 감소됨에 따라 감소된다(즉, 1.0 미만인 경우에, 공기-연료 혼합물은 연료가 희박해진다). 1.0 미만의 당량비에서는, 화학양론적 연소에 필요한 것보다 많은 공기 및 산소가 필요하게 되어, 보다 낮은 불꽃 온도가 생성되고, 이에 따라 NO_x의 생성량이 감소된다. 그러나, 당량비가 감소됨에 따라, 공기-연료 혼합물은 연료가 매우 희박해져서 불꽃이 연소되지 않거나 불안정해져서 폭발한다. 당량비가 1.0을 초과하면, 이용가능한 산소에 의해 연소될 수 있는 양을 초과하는 양의 연료가 존재하게 된다(연료 풍부한 혼합물). 이는 또한 단열 불꽃 온도보다 낮은 불꽃 온도를 초래하여, NO_x 형성이 현저히 감소하게 된다.

연료-희박 혼합물을 조절하고, 불안정한 불꽃의 존재 및 불꽃 폭발 가능성을 방지하기 위하여, 불꽃-영역 공기의 단지 일부가 보다 낮은 하중으로 연료와 혼합되도록 하는 연소기가 개발되었다. 이러한 연소기 시스템은 당해 분야에 "건식 저농도 NO_x(dry low NO_x)"(이후, "DLN"이라 칭함) 시스템으로서 공지되고 있으며, 예를 들면, 제네랄 일렉트릭 캄파니 앤드 웨스팅하우스(General Electric Company and Westinghouse)에서 제조되고 있다. 사용자에게 상기한 작동성의 이점을 제공하는 것 이외에, DLN 시스템은 또한 NO_x, 일산화탄소 및 기타 오염물의 생성을 최소화한다.

DLN 연소기는 일반적으로 불꽃 영역 공기의 일부가 낮은 하중 또는 개시시에 연료와 혼합되는 유형의 단계별 연소기로 공지되어 있다. 두 가지 형태의 단계별 연소기가 있다: 연료-단계 및 공기-단계. 이의 가장 간단한 유형에 있어서, 연료-단계 연소기는 두 개의 불꽃 영역을 가지며, 이들 각각에는 일정한 분획의 연소기 기류가 공급된다. 연료 유동은 각각의 연소기 작동 방식에서, 단계로 공급되는 연료의 양이 이용 가능한 공기의 양에 상응하도록 두 영역 사이에 분할된다. 이와는 대조적으로, 공기 단계 연소기는 연소기 기류의 일부를 낮은 하중에서 불꽃 영역으로부터 희석 영역으로 전환시켜 턴다운(turndown)을 증가시키는 메카니즘을 사용한다. 이들 두 가지 유형의 단계별 연소기는 단일 시스템으로 합해질 수 있다.

DLN 시스템은 통상적으로 다음 네 개의 독특한 방식으로 작동된다: 일차, 희박-희박(lean-lean), 이차 및 예비 혼합 방식. 작동의 "일차(primary)" 방식에서는, 연료를 시스템의 제1 단계에서 일차 노즐로 공급한다. 이 방식에서 "확산 화염(diffusion flame)"으로서 언급되는 불꽃은 단지 제1 단계에만 존재한다. 이 방식에서, 불꽃은 국소 공기-연료 혼합물이 실질적으로 1:1의 비로 존재하여, 산소가 반응시 완전히 소비되도록(상기한 바와 같은 화학양론적 혼합물) 배치되는 경향이 있다. 이는, 심지어 불꽃 영역에서 전반적인 공기 대 연료비가 연료 희박한 경우(ψ < 1.0)일 수도 있다. 이러한 작동 방식은 통상적으로 소정의 연소 기준 온도 이하에서 낮은 하중 내지 중간 하중(예: 천연 가스 연료를 사용하여 0 내지 20% 하중)에 대하여 기계를 점화하고, 가속화하고, 작동시키는 데 사용된다. 이 방식에서 생성되는 NO_x 및 일산화탄소 배출량은 비교적 아주 높다. NO_x 방출은 불꽃의 최고 온도에 의해 변동하며, 화학양론적 혼합물은 소정의 연소 조건에서 가능한 가장 뜨거운 불꽃을 생성하게 된다.

"희박-희박" 방식에서는, 연료를 일차 및 이차 노즐로 공급한다. 불꽃은 제1 및 제2 단계에 모두 존재한다. 이러한 작동 방식은 통상적으로 두 개의 소정의 연소 기준 온도 사이에서 중간 하중(예: 천연 가스 연료를 사용하여 20 내지 50% 하중)에 대하여 사용된다. 이때도 또한, NO_x 배출량이 오히려 높다.

"이차(secondary)" 방식에서는, 연료를 단지 이차 노즐로만 공급하며, 불꽃은 제2 이차 단계에만 존재한다. 이러한 작동 방식은 통상적으로 "희박-희박" 방식과 "예비-혼합" 방식 사이의 전이 방식이다. 이차 방식은 연료가 일차 예비 혼합 영역이 되는 곳으로 도입되기 전에 제1 단계에서 불꽃을 소화하는 데 필요하다.

네번째 작동 방식은 "예비-혼합" 방식으로서 공지되어 있다. 여기에서, 연료는 일차 및 이차 노즐로 모두 공급되지만, 불꽃은 단지 제2 단계에만 존재한다. 연료의 단지 약 20%만이 이차 노즐로 공급되는 반면, 나머지는 연소 전에 "예비-혼합"을 위하여 공기와 함께 일차 노즐로 공급된다. 제1 단계는 연료와 공기를 철저히 혼합하여, 균일한 희박 비연소 공기-연료 혼합물을 제2 단계로 운반하는 역할을 한다. 적절히 고안되고 작동되는 경우에, 불꽃 영역으로 도입되는 화학양론량 또는 근화학양론량의 공기-연료 혼합물의 영역은 존재하지 않아야 하므로, 불꽃은 단열 불꽃 온도보다 더 낮고, 동일한 당량비를 갖는 공기-연료 혼합물의 존재하에 연소되는 확산 화염보다 NO_x를 실질적으로 덜 생성하게 된다. 이러한 예비 혼합 방식에서는 NO_x 배출량이 최소이고, 동력 생성이 최대(예: 천연 가스 연료를 사용하여 50 내지 100% 하중)이기 때문에, 통상적으로 가장 효율적인 작동 방식으로서 여겨진다.

가스 터빈을 사용하는 동력 생성시, DLN 연소기 시스템은 천연 가스(대부분 메탄, 다양한 양의 비-메탄 화합물 포함)를 사용하도록 특별히 고안되었다. 액체 석유계 증류 연료를 사용하는 경우에, 이러한 연소기 시스템은 NO_x 및 CO 방출을 감소시키기 위하여 추가의 증기 주입이 필요하다. 가스 터빈을 사용하는 동력 생성시, 천연 가스로부터 제조되는 메탄올 또는 디메틸 에테르, 석탄 또는 피크 동력 사용을 위한 액체 연료로서 해양 운송 또는 저장하기 쉬운 바이오매스(biomass)와 같은, 다른 유형의 연료가 또한 제안되어 왔다. 예를 들면, 벨(Bell) 등의 미국 특허 제4,341,069호(1982년 7월 27일자로 허여됨)는 소량의 메탄올(1.8 내지 6.1중량%)과 물(0.6 내지 2.8중량%)과 혼합된 디메틸 에테르의 사용을 기술하고 있다. 이러한 연료는 NO_x 배출량이 엄격하게 규제되지 않던 시대에 연소 시스템에서 사용되기 위하여 제조된 것이다. 확산 화염 방식으로 작동하는 통상적인 가스 터빈 연소기(특별히 천연 가스 연료용으로 고안됨)에 이러한 연료를 사용하면 과거의 느슨한 NO_x 배출량 기준은 만족하지만, 예비 혼합 방식으로 작동하는 DLN 시스템에 이들 동일한 연료를 사용하면 불꽃 역화의 심각한 위험성 및 폭발의 심각한 위험성이 유발될 수 있다. 불꽃 역화 도중에, 불꽃이 불꽃 영역의 공기-연료 혼합물을 통하여 전파되는 속도는 일차 혼합 영역의 제시된 위치에서의 공기-연료 혼합물의 속도보다 빠르다. 그 결과, 통상의 천연 가스 연료를 연소시키도록 고안된 DLN 시스템은 디메틸 에테르 연료, 벨 등의 특허에 기술된 바와 같은 연료를 사용해서는 이들의 가장 효율적인 방식, 즉 예비 혼합 방식에서 작동되지 않는다.

따라서, DLN 연소 시스템의 효율을 개선시킬 수 있는 (예를 들면, 50% 미만의 하중에서 예비 혼합 방식으로 작동하는) 디메틸 에테르계 연료를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 통상의 천연 가스 연료를 연소시키도록 특별히 고안된 DLN 연소기에서 안전하게 사용될 수 있는 연료를 제공하는 것이 바람직하다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 상기한 문제점들 중의 하나 이상을 해결하는 것이다.

따라서, 본 발명은 디메틸 에테르 함유 연료 조성물 및 이러한 조성물을 사용하는 동력 생성방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 연료 조성물은 디메틸 에테르, 하나 이상의 알콜 및, 임의로, 하나 이상의 선택된 C₁-C₆ 알칸과 물의 혼합물이다.

본 발명의 방법에 따르면, 본 발명의 연료를 연소 터빈-연소기의 건식 저농도 NO_x 연소기에서 연소시키기 위한 산소 함유 가스와 혼합하여 연도 가스를 생성시킨 다음, 터빈으로 통과시켜 동력을 발생시킨다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 도면 및 첨부된 청구의 범위와 함께, 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 당해 분야의 숙련가들은 인지할 수 있을 것이다.

도 1은 선행 기술분야에 따르는 천연 가스 연료를 연소시키기 위한 통상의 DLN 연소기 및 상응하는 가스 터빈 하중의 작동 방식을 그래프로 도시한 것이다.

도 2는 선행 기술분야에 따르는 통상의 DLN 연소기에서 천연 가스 연료의 연소에 의해 생성되는 NO_x 및 CO 방출을 그래프로 도시한 것이다.

도 3은 천연 가스 연료 및 본 발명에 따르는 연료에 대한 다양한 연소기 배출구 온도에서의 통상의 DLN 연소기에서 발견되는 최고 압력 변화를 그래프로 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 연료를 연소시키기 위한 통상의 DLN 연소기 및 상응하는 하중의 작동 방식을 그래프로 도시한 것이다.

도 5는 통상의 DLN 연소기에서 본 발명의 연료의 연소에 의해 생성되는 NO_x 및 CO 방출을 그래프로 도시한 것이다.

도 6은 본 발명에 따라 동력을 생성하기 위해 사용되는 DLN 연소기를 포함하는 가스-연소 터빈 연소기 프로세스를 도시한 다이아그램이다.

본 발명의 방법에 따르면, 동력은 연소시키기 위한 산소 함유 가스의 존재하에 디메틸 에테르계 연료를 연소 터빈-연소기의 건식 저농도 NO_x 연소기로 통과시켜 연도 가스를 형성한 다음, 동력을 생성하기 위하여 연도 가스를 연소 터빈-연소기의 터빈으로 통과시킴으로써 생성된다. 연료는 디메틸 에테르, 알콜 및, 임의로, 하나 이상의 물과 C₁-C₆ 알칸과의 혼합물을 포함한다.

본 발명의 연료 조성물은 통상의 천연 가스 연료용으로 고안된 DLN 연소기 시스템의 예비 혼합 방식 작동 도중에 안전하게 사용될 수 있다. DLN 연소기가 예비 혼합 방식으로 이 연료를 사용하는 경우에, 불꽃 역화의 위험 및 폭발의 위험이 상당히 감소되는 동시에, 최소량의 NO_x가 방출된다. 또한, DLN 연소기에 본 발명의 연료를 사용하면 35% 만큼 낮은 가스 터빈 하중에서 NO_x/CO 방출이 적으면서 안전한 예비 혼합 방식 작동이 가능해진다.

본 발명의 연료는 디메틸 에테르 15 내지 93중량%, 하나 이상의 알콜 7 내지 85중량%, 및 물과 C₁-C₆ 알칸으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분 0 내지 50중량%를 포함하며, 바람직하게는 이들로 이루어지거나, 필수적으로 이들로 이루어진다. 바람직하게는, 연료는 디메틸 에테르 50 내지 93중량%, 하나 이상의 알콜 7 내지 50중량%, 및 물과 C₁-C₆ 알칸으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분 0 내지 30중량%를 포함한다. 보다 바람직하게는, 연료는 디메틸 에테르 70 내지 93중량%, 하나 이상의 알콜 7 내지 30중량%, 및 물과 C₁-C₆ 알칸으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분 0 내지 20중량%를 포함한다. 가장 바람직하게는, 연료는 디메틸 에테르 80 내지 93중량%, 메탄올 7 내지 20중량%, 및 물, 메탄, 프로판 및 액화 석유 가스로 이루어진 그룹으로부터 선택된 성분 0 내지 10중량%를 포함한다.

본 발명의 연료에 물 및 하나 이상의 알콜이 존재하면 원료의 합성 가스를 DME계 연료로 전환시키는 데 기여할 수 있다. 물 및 알콜(예: 메탄올, 에탄올 및 프로판올)은 전환시 형성되어, DME계 연료의 일부로 잔류한다. 그러나, DME계 연료 중의 알콜 및 물의 농도는 본 발명의 연료 조성물을 성취하기 위하여 용이하게 조절될 수 있으므로 본 발명의 연료를 제조하기 위해 고가의 장치를 작동시킬 필요가 없다. C₁-C₆ 알칸도 본 발명의 연료 조성물이 수득되도록 가할 수 있다.

본 발명의 방법에 있어서, 압축기로부터 가압된 공기를 건식 저농도 NO_x 연소기에서 기화 연료와 혼합하며, 여기서, 연료가 공기의 존재하에 연소되어 고온 연도 가스를 생성한다. 이어서, 고온 연도 가스는 터빈에서 팽창되어 에너지를 생성한다.

예비 혼합 방식으로 작동하는 DLN 연소기에서 불꽃 역화의 발생은 연소기의 예비 혼합 영역에서의 공기-연료 혼합물의 점화 지연 시간 및 체류 시간과 관련 있는 것으로 밝혀졌다. 공기-연료 혼합물의 점화 지연 시간은 스파크 등의 적용과 혼합물의 실제 점화 사이의 시간이다. 이는 매우 짧은 시간이고, 본 발명의 연료 조성물의 다양한 성분은 단독으로 및/또는 서로 혼합되어 소정의 연소기 작동 조건하에서, 공기-연료 혼합물의 점화 지연 시간이 이의 체류 시간을 초과하도록 이를 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 체류 시간은 연소기의 작동 온도 및 압력 뿐만 아니라, 연소기의 공기 대 연료비, 연소기 외형과 관련이 있다.

또한, 점화 지연 시간은 연소기 작동 조건(예: 온도, 압력, 동압력 등) 뿐만 아니라, 연소기로 공급되는 특정 연료의 조성의 함수인 것으로 밝혀졌다. 소정의 당량비 및 연소기 외형에 대하여, 불꽃 역화는 점화 지연 시간이 보다 긴 상이한 연료보다 점화 지연 시간이 보다 짧은 연료의 연소 도중에 보다 쉽게 발생된다. 연소기 작동 조건에서 공기-연료 혼합물의 점화 지연 시간이 예비 혼합 영역에서의 이의 체류 시간을 초과하는 경우, 불꽃 역화가 최소화될 수 있다. 따라서, 본 발명의 또 다른 바람직한 양태는, 연소기에서 체류 시간 및 점화 지연 시간을 갖는, 연료 및 산소 함유 가스 혼합물이 연소기에서 연소되는, 건식 저농도 NO_x 연소기를 갖는 연소 터빈-연소기에서 동력을 생성하는 개선된 방법을 제공하는 것으로, 이때 연료는 디메틸 에테르(a), 알콜(b) 및, 임의로, 물과 C₁-C₆ 알칸으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분(c)의 혼합물을 포함하고, 성분(a), 성분(b) 및, 존재하는 경우에, 성분(c)의 각각의 비는 연소기의 작동 조건하에 연료-가스 혼합물의 점화 지연 시간이 이의 체류 시간을 초과하도록 선택됨을 개선점으로 한다.

DLN 연소기의 작동 도중에, 특정 공정 조건은 불꽃 역화를 전반적으로 최소화하는 데 기여한다. 특정 공정 조건 중의 하나는 동압력 작용이다. 동압력 작용은 연소 챔버 전반에 걸친 압력 구배를 의미한다. 동압력 수준이 높으면 공기-연료 예비 혼합 영역에서의 불꽃 역화의 가능성이 증가된다. 통상적으로, 예비 혼합 방식의 작동은 동압력 수준이 약 4 내지 약 5psi를 초과하는 경우 불안전하므로 바람직하지 못하다.

각각의 작동 방식과 관계되는 하중 범위는, 예비 혼합 방식의 경우 통상 50 내지 100%의 하중에 대하여 사용됨을 나타낸다. 천연 가스 연료의 연소에 대하여 도 1에 나타낸 바와 같이, 연소 기준 온도는 터빈 하중이 예비 혼합 방식으로부터 이차 방식으로, 희박-희박 방식으로, 일차 방식으로 감소됨에 따라 점차 강하된다. 도 2는 50% 미만의 하중에서 작동하는 기타 작동 방식에 비하여, 천연 가스 연료의 연소에 대한 NO_x 배출량이 예비 혼합 방식 작동 도중에 상당히 낮아짐을 나타내고 있다.

특정 DLN 연소기의 경우에 대해, 도 3은 천연 가스 연료(NG 연료) 및 본 발명에 따르는 연료(INV 연료)에 대한 동압력 수준 대 연소기 배출구 온도(이후, "CET"이라 칭함)의 플롯을 도시한 것이다. 2150℉ 미만의 CET에서의 천연 가스 연료의 연소로 본 발명에 따르는 연료의 연소 도중에 생성되는 압력을 훨씬 초과하는 동압력 수준(최고 압력 변화로서 측정됨)이 생성된다. 특히, 2065℉의 CET에서의 천연 가스 연료의 연소에 대한 동압력 수준은 약 4.3psi인 반면, 본 발명에 따르는 연료의 연소에 대한 동압력 수준은 단지 약 1psi이다.

심지어 2020℉의 CET에서도, 본 발명에 따르는 연료의 연소 도중에 생성되는 "예비 혼합 방식" 동압력 수준은 불안전하게 여겨지는 4 내지 5psi 수준보다 상당히 낮게 유지된다. 따라서, 본 발명에 따르는 연료는 천연 가스에 대해 설정된 50%의 터빈 하중 한계보다 훨씬 낮은 2020℉ 근처의 온도에서 예비 혼합 방식으로 DLN 연소기를 작동시킬 수 있다는 점에서 종래 기술을 능가하는 상당한 개선점을 제공한다. 이는 본 발명에 따르는 연료의 사용으로 40% 미만의 하중에서 DLN 연소기의 예비 혼합 방식 작동을 가능하게 하여, 보다 낮은 하중에서 보다 효율적으로 연소기를 작동시킬 수 있으므로, 종래의 연료를 능가하는 상당한 이점이 된다. 이렇게 낮은 하중에서 연소기를 작동시키는 능력으로 인해 보다 광범위한 하중 턴다운 범위에 대하여 감소된 NO_x 배출량이 성취된다.

DLN 연소기에서 본 발명의 연료의 연소에 의해 성취되는 개선점은 각각 도 1 및 도 2에 제시된 플롯을 도 4 및 도 5에 제시된 플롯과 함께 비교함으로써 분명해진다. 도 4는 하중에 대한 연료 분할의 플롯이며, 또한 본 발명에 따르는 연료를 연소시키는 경우에 특정 DLN 연소기 작동 방식을 기술하고 있다. 도 4에 나타낸 바를 도 1에 나타낸 천연 가스 연료에 대한 유사한 플롯과 대조하는 경우, 본 발명에 따르는 연료를 연소시키는 DLN 연소기는 천연 가스 연료를 연소시키는 것보다 상당히 낮은 터빈 하중에서 예비 혼합 방식으로 작동할 수 있음을 알 수 있다.

예비 혼합 방식으로 본 발명의 연료의 연소에 의해 성취되는 감소된 배출량은 도 5에 그래프로 도시되어 있으며, 이는 다양한 하중 및 DLN 연소기 작동 방식으로 본 발명에 따르는 연료의 연소에 의해 생성되는 일산화탄소 및 NO_x 배출량의 플롯이다. 따라서, 연소기의 예비 혼합 방식 작동 조건하에 본 발명의 연료의 연소로 연도 가스 중의 산소 수준이 15용적%인 경우에 NO_x가 20ppmvd(parts per million dry volume basis) 이하이고/이거나, 약 40% 이상의 높은 터빈 하중에서 일산화탄소가 20ppmvd 이하인 연도 가스를 생성하게 된다. 따라서, 본 발명의 또 다른 바람직한 양태는 연료와 산소 함유 가스와의 혼합물을 연료의 연소를 위한 연소기에 통과시켜 연도 가스를 생성하는, 건식 저농도 NO_x 연소기를 갖는 연소 터빈-연소기에서 동력을 생성하는 개선된 방법을 제공하는 것으로, 이때 연료는 디메틸 에테르(a), 알콜(b) 및, 임의로, 물과 C₁-C₆ 알칸으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분(c)의 혼합물을 포함하고, 성분(a), 성분(b) 및, 존재하는 경우에, 성분(c)의 각각의 비는 연소기의 작동 조건하에 생성되는 연도 가스가 20ppmvd 이하의 NO_x 및/또는 20ppmvd 이하의 일산화탄소를 갖도록 선택된다.

도 6은 동력 생성에 사용하기 위한, 일반적으로 (10)으로 표시되는, 건식 저농도 NO_x 연소 시스템을 도식적으로 나타낸 것이다. 공기는 라인(12)를 통하여 공기가 가압되는 압축기(14)로 공급된다. 가압된 공기는 라인(16)을 통하여 압축기(14)로부터 배출된다. 이어서, 당해 공기는 밸브(18)를 통하여 일반적으로 (20)으로 표시되는 연소기로 공급된다. 액체 연료는 펌프(22)에 의해 연료 공급원(도시되지 않음)으로부터 증발기(24)로 펌핑되고, 여기서 액체 연료가 기화된다. 이어서, 기화된 연료는 공급 라인(26)을 통하여 연소기(20)로 공급된다. 연소기(20)로 공급되는 기화된 연료의 양은 밸브(28), (30) 및 (32)에 의해 조절한다. 밸브(28)는 연소기(20)로의 연료의 전체 유동을 조절하는 반면에, 밸브(30)는 일차 노즐(34)을 통하여 연소기(20)의 일차 영역(36)으로 공급되는 연료의 양을 조절하고, 밸브(32)는 이차 노즐(38)을 통하여 연소기(20)의 이차 영역(40)으로 공급되는 연료의 양을 조절한다. 기화된 연료는 연소기(20)에서 압축 공기와 혼합되어 연소됨으로써, 고온 연도 가스를 생성한다. DLN 연소 시스템(10)의 예비 혼합 방식 작동 도중에, 연소기(20)로 공급되는 연료의 약 20%가 이차 연료 노즐(38)을 통하여 연소기(20)로 도입되고, 나머지는 일차 연료 노즐(34)을 통하여 공급된다. 예비 혼합 방식에서, 압축 공기의 일부는 연소 전에 일차 영역(36)에서 기화된 연료와 예비 혼합된다. 예비 혼합 방식에서는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 불꽃(42)이 단지 이차 영역(40)에만 존재한다.

고온 연도 가스는 연소기 방출 영역(44)을 통과한 다음, 배기 라인(46)을 통과하여 연소기(20)로부터 배출된다. 이러한 연도 가스는 라인(16) 및 밸브(52)를 통하여 압축기(14)로부터 공기 바이패스 라인(50)으로부터의 가압된 공기와 혼합기(48)에서 혼합될 수 있다. 이어서, 연도 가스는 라인(54)을 통하여 터빈(56)으로 공급된 다음, 여기에서 근대기압으로 팽창되어 기계적 동력을 생성하게 된다. 라인(58)을 통하여 터빈(56)으로부터 배출되는 팽창되고 냉각된 연도 가스는 배기통(60)을 통하여 배기된다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 터빈(56)에 의해 생성되는 기계적 동력은 축(62)에 의해 압축기(14)에 동력을 공급하는 데 사용될 수 있다.

연료 성분 및 점화 지연 시간 사이의 관계

DLN 연소기의 안전한 작동을 위해 적절한 점화 지연 시간을 갖는 연료 조성물을 결정하는 데 사용되는 방법(및 이로부터 수득한 결과)이 하기에 보다 상세히 기술되어 있다. 일반적으로, 본 발명에 따르는 연료는 DLN 연소 시스템의 안전하고 효율적인 작동을 가능케 하는 점화 지연 시간을 갖는 것으로 밝혀졌다.

다양한 연료 조성물의 점화 지연 시간을 측정하는 실험은 디젤 엔진에서 연료의 자동 점화를 촉진하도록 고안된 정적 연소 장치(constant volume combustion apparatus)(이후, "CVCA"라 칭함)에서 수행한다. 이어서, 이들 실험으로부터의 측정치를 예비 혼합 방식으로 작동하는 공업용 규모의 DLN 연소기에 사용하기에 적절한 연료 조성물을 결정하는 데 사용한다.

CVCA는 연료 분사기, 압력 변환기 및 온도 센서가 장착된 스테인레스 스틸 용기이다. 사용되는 특정 CVCA의 연소 챔버는 직경이 5.4㎝이고, 길이가 16.2㎝이다. 챔버 외형, 치수 및 분사 시스템은 적절한 공기 대 연료비를 보장하도록 조절된다.

공기 및 메탄과 같은 가스는 액체 연료를 분사하기 전에 CVCA의 연소 챔버에서 혼합한다. 철저히 혼합될 수 있도록 챔버 벽에 접선 방향으로 가스를 챔버로 도입한다. 연료는 단발 분사(single-shot injection)를 위하여 공기식으로 구동되는, 배럴 펌프내 피스톤에 의한 고압 터빙을 통하여 분사기로 전달한다. DME-메탄올, DME-물 및 DME-프로판 혼합물 등의 연료는 분사 장치로 전달되는 도중에 비등 및 공동 현상을 방지하기 위해 가압(예: 210psig)하에 전달한다. 각각의 액체 연료는 연소 챔버로 분사하며, 이때 공기-연료 혼합물이 초기 공기 온도보다 차갑기 때문에, 연료를 증발시키고, 공기와 신속히 혼합하여 공기-연료 혼합물을 형성한다.

온도 및 압력 뿐만 아니라, 분사 및 연소 데이터는 케이슬리 메트라바이트 1801HC 고성능 카드(Keithley Metrabyte 1801HC high performance card)가 장착된 90㎒ 펜티엄 컴퓨터를 사용하여 측정한다. 카드는 50:1 만큼 높은 신호 이득(signal gain)으로 330㎑ 이하까지 샘플 속도를 허용한다. 직경이 5㎜인 자기 근접 센서를 분사기의 헤드에 설치하여 니들 리프트(needle lift)를 감지한다.

첫번째 점화 시험 세트는 두 개의 연료 샘플을 사용하여 수행하는 데, 즉 하나는 순수한 DME(즉, 100중량%의 DME)이고, 다른 하나는 DME와 물 및 메탄올의 블렌드를 포함한다. 두번째 점화 지연 시험 세트는 네 개의 연료 샘플, 즉 각각 DME와 물과의 혼합물, DME와 메탄올과의 혼합물, DME와 프로판과의 혼합물 및 순수한 펜탄을 사용하여 수행한다. 모든 측정은 대략 0.4 또는 대략 1.0의 공기 대 연료비에서 수행한다. 연료 샘플의 첫번째 세트로부터 수득한 측정치가 하기 표 I에 제시되어 있다.

점화 지연 시간(분)
온도 (℉)	압력 (psig)	당량비	100% DME 0% MeOH 0% H₂O	82% DME 15% MeOH 3% H₂O	87% DME 10% MeOH 3% H₂O
740	100	1.0	--	113	72
740	200	1.0	24	103	50
680	200	1.0	72	99	--
740	100	0.4	--	95	52
740	200	0.4	26	85	66
680	200	0.4	134	165	--

연료 샘플의 두번째 세트로터 수득한 측정치가 하기 표 II에 제시되어 있다.

점화 지연 시간^*(분)
온도 (℉)	압력 (psig)	91.84% DME 8.16% H₂O	91.84% DME 8.16% MeOH	91.84% DME 8.16% C₃H₈	0% DME 100% C₅H₁₂
740	208.3	35.9
740	206.3		41.4
740	205.8			38.4
740	212.4				79.4
* 모든 측정은 0.4의 당량비를 사용하여 수행한다.

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순수한 DME를 예비 혼합된 공기-메탄 가스로 충전된 연소 챔버로 분사하는 경우의 점화 지연 시간도 측정한다. 이들 시험으로부터의 측정치는 하기 표 III에 제공되어 있다.

점화 지연 시간
온도(℉)	압력(psig)	공기 중 CH₄(%)	점화 지연 시간(분)
802	205	0	30.2
797	204	0	32.1
804	199	0	36.0
802	211	12	52.1
806	211	12	52.5
809	213	12	53.5
799	209	20	67.9
804	210	29	91.9
797	209	29	106.6
795	209	29	108.9
804	209	29	115.9
790	207	29	125.3

표 I의 점화 지연 시간 측정의 결과로부터, DME-메탄올-물 블렌드는 순수한 DME보다 점화 지연 시간이 상당히 길다는 것을 알 수 있다. 결과로부터, DME 블렌드 연료 중의 메탄올 함량의 증가가 점화 지연 시간을 증가시킴을 또한 알 수 있다. 표 II에 나타낸 결과로부터, 물 및 프로판이 DME의 점화 지연 시간을 증가시키는데 마찬가지로 효과적임을 알 수 있다. 표 III에 나타낸 바와 같이, DME 블렌드 연료 중의 메탄올 함량의 증가가 또한 점화 지연 시간을 증가시킨다.

다음의 실시예는 DLN 연소 시스템에서 순수한 DME 연료의 연소로 불꽃 역화가 유발되나, 본 발명의 연료의 연소로는 불꽃 역화가 유발되지 않음을 입증한다. 다음 실시예의 시험 수행 중의 첫번째는 본 발명에 따르는 DME 블렌드 연료를 사용하여 공업용 규모의 DLN 연소기에서 수행한다. 두번째 실시예 시험 수행은 순수한 DME 연료 및 DME 블렌드 연료를 사용하여 실험실 규모의 DLN 연소 시스템에서 수행한다.

실시예 1

물 2.9중량%, 메탄올 14.2중량% 및 디메틸 에테르 82.9중량%로 이루어진 액체 연료 혼합물을 차례로 작동하는 두 개의 점진적-챔버 터빈 펌프에 의해 증발기/과열기 장치로 펌핑시킨다. 첫번째 펌프(전달 펌프로 공지되어 있음)는 약 40에서 60psig 내지 약 300psig에서 연료를 가압시킨다. 두번째 펌프(부스터 펌프로 공지되어 있음)는 압력을 550psig로 증가시키고, 액체 연료를 약 450psig에서 작동하는 증발기로 펌핑하여, 액체 연료를 기화시킨다.

압축 공기를 약 44 내지 약 54lbs/sec의 속도로 DLN 연소기로 공급한다. 압축 공기 온도는 약 565 내지 710℉로 변한다. DLN 연소기 내의 압력은 약 120 내지 약 180psia로 변한다. 350℉보다 높은 온도를 갖는 기화된 연료를 공기 유량의 약 1.0 내지 약 4.6중량%의 유량으로 DLN 연소기로 분사한다.

연소 시험 결과는 천연 가스 및 통상의 증류 연료를 위하여 고안된 DLN 연소기가 예비 혼합 방식에서의 역화의 문제 없이 공급되는 연료를 성공적으로 연소시키며, 천연 가스 연료를 목적으로 하는 낮은 방출 요건(예: 터빈 배기 가스에서 15% 산소 수준에서의 15ppmvd NO_x)을 만족시키는 것으로 나타났다.

위에서 나타낸 바와 같이, 연료의 역화 특성 및 시판되는 연소기 작동 조건하에서의 전반적인 터빈 시스템 작동성은 통상적으로 연소기 동압력 작용에 의해 영향을 받는다. 이때, 비교적 낮은 하중에서도 동압력 작용은 4psi보다 훨씬 미만으로 잔류함으로써, 역화가 발생하지 않는다.

실시예 2

실험실 규모의 연소기 시험은 다음 두 개의 액체 연료에 대한 역화의 문제점을 비교하기 위하여 "예비 혼합" 방식 작동으로 DLN 시스템에서 수행한다: 하나는 순수한 디메틸 에테르이고, 나머지 하나는 메탄올 15중량%, 물 3중량% 및 디메틸 에테르 82중량%로 이루어진 디메틸 에테르 블렌드이다. 주요 작동 조건을 표 IV에 나타내었다. 유사한 연소 조건에 대하여, 순수한 디메틸 에테르를 사용하는 실험은 심한 역화의 문제점(연료/공기 예비 혼합 챔버에 불꽃의 존재에 의해 나타남)이 나타나는 반면에, 디메틸 에테르 블렌드 연료를 사용하는 실험은 이러한 역화의 문제점이 나타나지 않는다.

실험실 규모의 DLN 연소기 시험(예비 혼합 방식)
연료	순수한 DME	DME 블렌드 연료
압력(Atm)	5.2	5.2
DME 유동(gal/min)	1.7-1.8	1.7-1.8
공기 유동(lb/sec)	3.1	3.1
공기 온도(℉)	740-750	740-750
DME 기화 온도(℉)	300-310	300-310
역화 발생	유	무

전술한 기술은 단지 이해를 명확하게 하기 위하여 제시되는 것이며, 본 발명의 범주 내에서의 변형이 당해 분야의 숙련가들에게 분명하기 때문에, 이로부터 불필요한 제한으로 이해되어서는 안된다.

Claims

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디메틸 에테르(a) 15 내지 93중량%와 하나 이상의 알콜(b) 7 내지 85중량%의 혼합물을 포함하는 연료 조성물을 연소용 산소 함유 가스의 존재하에 연소 터빈-연소기(fired turbine-combustor)의 건식 저농도 NO_x 연소기로 통과시켜 연도 가스를 형성하는 단계(i) 및

연도 가스를 연소 터빈-연소기의 터빈으로 통과시켜 동력을 생성하는 단계(ii)를 포함하는, 동력의 생성방법.
제4항에 있어서, 건식 저농도 NO_x 연소기가 예비 혼합 방식(pre-mix mode)으로 작동되는 방법.
제4항에 있어서, 산소 함유 가스가 공기인 방법.
제4항에 있어서, 산소 함유 가스의 일부가 연도 가스와 함께 연소 터빈-연소기의 압축기로부터 터빈으로 직접 통과되는 방법.
제4항에 있어서, 연료와 산소 함유 가스와의 혼합물이 연료 연소용 연소기로 통과되며, 이때 혼합물이 연소기에서 체류 시간을 갖고, 연료-가스 혼합물이 점화 지연 시간을 특징으로 하며, 연료 조성물 성분(a) 및 성분(b)의 각각의 비가, 연소기의 작동 조건하에 연료-가스 혼합물의 점화 지연 시간이 이의 체류 시간을 초과하도록 선택되는 방법.
제4항에 있어서, 연료와 산소 함유 가스와의 혼합물이 연료 연소용 연소기로 통과되어 연도 가스를 생성하며, 이때 연소기가 예비 혼합 방식으로 작동되고, 연료 조성물 성분(a) 및 성분(b)의 각각의 비가, 연소기의 예비 혼합 방식 작동 조건하에 생성되는 연도 가스가 15%의 산소 수준에서 20ppmvd 이하의 NO_x농도를 갖도록 선택되는 방법.
제4항에 있어서, 연료와 산소 함유 가스와의 혼합물이 연료 연소용 연소기로 통과되어 연도 가스를 생성하며, 이때 연소기가 예비 혼합 방식으로 작동되고, 연료 조성물 성분(a) 및 성분(b)의 각각의 비가, 연소기의 예비 혼합 방식 작동 조건하에 생성되는 연도 가스가 20ppmvd 이하의 일산화탄소 농도를 갖도록 선택되는 방법.
제4항에 있어서, 혼합물이 물과 C₁-C₆ 알칸으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분(c)를 50중량% 이하로 추가로 포함하는 방법.