KR100608440B1 - 산소를 생성시켜 보일러 내에서의 연소를 보조하기 위한 공기 분리 방법 및 시스템 - Google Patents

산소를 생성시켜 보일러 내에서의 연소를 보조하기 위한 공기 분리 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산소를 생성시켜 연료의 연소를 지속시킴으로써 열 소모 장치 내에서 열을 생성시키는 공기로부터의 산소 분리 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 방법 및 시스템에 따르면, 가열되고 압축된 공기 스트림은 하나 이상의 산소 선택적 이온 전도 막을 갖는 세라믹 막 시스템 내로 도입되어 연료의 연소를 지속시키는데 사용되는 산소 투과물 스트림을 생성시킨다. 압축된 공기 스트림은 연도 가스와의 간접 열교환을 통해 또는 복사 열 교환 지대 내의 복사 열에 의해, 예를 들어 로(furnace) 또는 보일러일 수 있는 열 소모 장치 자체 내에서 가열된다. 압축되고 가열된 공기 스트림으로부터의 산소 분리를 통해 생성된, 산소 고갈된 투과유물 스트림은 일을 수행하면서 팽창하여 팽창된 공기 스트림을 생성시킬 수 있다. 팽창의 일은 유입되는 공기 스트림의 압축에 이용될 수 있다. 팽창된 공기 스트림은 압축되고 가열된 공기 스트림을 예열시키는데 사용될 수 있다.

Description

산소를 생성시켜 보일러 내에서의 연소를 보조하기 위한 공기 분리 방법 및 시스템 {AIR SEPARATION METHOD AND SYSTEM FOR PRODUCING OXYGEN TO SUPPORT COMBUSTION IN A BOILER}
도 1은 유입되는 압축된 공기가 연도 가스로부터의 열을 간접적으로 교환시키도록 위치된 열 교환기에 의해 가열되는 본 발명에 따른 시스템을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 압축된 공기가 열 소모 장치의 복사 열 교환 영역 내의 복사 열에 의해 주로 가열되는 본 발명의 대안적인 구체예를 도시하는 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 열 소모 장치 2 : 로
3 : 연료 5 : 보일러
10 : 압축기 12 : 세라믹 막 시스템
14 : 예열기 16 : 열교환기
18 : 투과물 스트림 20 : 산소 고갈된 투과유물 스트림
22 : 팽창기 30 : 연료 유입 노즐
32 : 산소 유입 노즐 36 : 공기 가열 튜브
40 : 압축기 44 : 예열기
46 : 세라믹 막 시스템 56 : 열 교환기
본 발명은 산소를 생성시켜 연료의 연소를 보조하기 위한 공기 분리 방법 및 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 연소에 의해 열 소모 장치에 필요한 열을 발생시키는 공기 분리 방법 및 시스템에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 공기가 열 소모 장치 내에서 가열된 후 세라믹 막 분리 시스템내에서 분리되어 산소를 생성시키는 공기 분리 방법 및 시스템에 관한 것이다.
화석 연료 발화 연소 시스템에 의해 발생되는 오염물질의 방출로 인해 발생되는 환경 문제에 대한 관심이 점차 증가하고 있다. 이러한 연소 시스템은 공기 오염 방출물 중의 가장 큰 원인물질 중의 하나인 이산화탄소를 발생시킨다. 이러한 방출물의 양을 감소시키고 연소의 효율을 증가시키는데 효과적인 방식이 연소 공정중에 산소 또는 산소 부화 공기를 사용하는 것임은 공지되어 있다. 산소 또는 산소 부화 공기의 사용은 많은 열 손실을 감소시키고, 시스템의 효율을 증가시키며, 동시에 NOX 방출량을 감소시킨다. 또한, 연도 가스중의 이산화탄소의 농도는 보다 높아지는데, 그 이유는 희석제로서 작용하는 질소가 거의 없거나 전혀 없기 때문이다. 이러한 연도 가스는 높은 질소 함량을 갖는 연도 가스 보다 재생 또는 분리를 목적으로 한 이산화탄소 부화 스트림을 보다 용이하게 생성시키는데 사용될 수 있다.
연소를 보조하기 위한 산소의 사용은 예를 들어 고온 유리로(glass furnaces)를 필요로 하는 공정에 적용되어 왔다. 이러한 적용시에, 연료 절감 및 그 밖의 달성된 이득은 산소의 비용을 능가한다. 공기가 그러한 고온 적용을 위한 연료의 연소를 보조하는데 사용되는 경우에, 연료의 발열량의 상당 부분이 공기내에 함유된 질소의 가열에 소비된다. 이후, 이러한 열은 생성된 연도 가스가 고온 상태로 배기될 때 버려진다. 보일러와 같은 저온 배기 시스템에서는, 초래된 열 손실은 훨씬 더 낮은데, 그 이유는 보다 많은 열이 대기중으로의 배기 전에 연도 가스로부터 회수되기 때문이다. 따라서, 이러한 경우에, 산소의 사용은 경제적으로 매력을 끌지 못하는데, 그 이유는 산소의 비용이 감소된 연료 소모에 따른 어떠한 유용한 절감 효과 보다도 크기 때문이다. 실제로, 공지된 극저온 및 흡착 방법에 의해 산소를 통상적으로 생성시키는데 필요한 에너지를 고려할 때, 전체적인 열 효율은 감소한다.
산소의 극저온 또는 흡착 생성에 대한 주요 대안은 산소 선택적 이온 전도성 세라믹 막 시스템을 통한 산소의 현장(on-site) 생성이다. 이러한 시스템에서, 막 자체는 산소에 대하여 불투과성이다. 산소는 세라믹 막의 일측 표면에서 압축되고 이온화된다. 산소 이온은 막을 통하여 유도되고 재조합되어 산소 분자를 형성한다. 이러한 재조합시에, 전자는 산소 이온에 의해 제공되며, 막을 통해 또는 전도성 경로를 통해 직접 이동하여 막의 반대 표면에서 산소를 이온화시킨다. 이러한 세라믹 막은 1000℃를 초과하는 온도에 이를 수 있는 고온에서 이온을 유도한다. 이와 같이, 종래 기술에서는 세라믹 막의 높은 필수 작동 온도를 제공하기 위해 보조 연소가 실시된다.
예를 들어, U.S. 특허 제 5,888,272호에는 산소가 이온 전달 모듈 내부에서 압축된 공급물-가스 스트림으로부터 분리되고 그 분리된 산소가 연료의 연소를 보조하는데 사용되어 막의 작동에 필요한 고온 작동 온도를 생성시키는 방법이 기술되어 있다. 하나의 구체예로서, 막 투과물 스트림은 막의 투과물 측을 퍼징하는데 사용되는 배기 가스를 생성시키는 하류의 열 소모 공정에서 사용된다. 상기 투과물 스트림은 또한 열 소모 공정의 상류에 위치되어 있는 외부 연소기에서 연소를 보조하는 데에도 사용될 수 있다. 연소기 배기 가스중의 일부는 추가의 퍼지 가스를 공급하는데 사용될 수 있다. 열 소모 공정의 비교적 저온 배기 가스의 일부는 가열된 투과유물과 함께 외부 열교환기에 유입되는 공기를 가열시키는데 사용된다.
U.S. 특허 제 5,855,648호에는 고로(blast furnace) 내로 공급시키고자 하는 산소 부화 공급 가스 스트림을 생성시키는 방법이 기술되어 있다. 이 특허문헌에 따르면, 공기가 압축되고 가열된다. 공기의 일부는 외부 열교환기에서 가열된 후에 세라믹 막 시스템 내로 도입되어 투과 스트림을 생성시킨다. 상기 투과물 스트림은 가열된 공기 스트림내로 도입되고, 상기 로 내로 도입시키기 위한 산소 부화 공기를 제공하는데 사용된다. 연료가 세라믹 막에서 분리시키고자 하는 공기에 부가되어 막 자체 내에서의 연소를 보조할 수 있다. 또한, 압축 에너지의 일부는 팽창기에 의해 회수될 수 있다.
상기된 두 특허문헌 모두 열 소모 장치와 세라믹 막 시스템의 통합을 고려하고 있지만, 두 특허문헌 모두 완전히 독립적인 작동 시스템의 완전한 열적 통합은 고려하지 않고 있다. 예를 들어, U.S. 특허 제 5,888,272호에 비록 옥시-연료 연소가 고려되어 있다하더라도, 연소 및 산소 생성이 통합 구성요소이어서, 산소 생성 시스템 없이 그러한 열 소모 장치를 작동시키는 것을 매우 어렵게 한다. 게다가, 열 소모 공정의 배기 가스와의 열교환을 통한 외부 열교환기 내에서의 공기의 가열은 외부 환경으로의 불가피한 열 손실이 있다는 점에서 비효율적이다. U.S. 특허 제 5,855,648호가 열 소모 공정 자체, 즉, 고로 내에서 산소 부화 연소를 고려하고는 있지만, 상기 공정으로부터의 고온 배기 가스는 이들의 열을 회수하는 어떠한 장치 없이 방출된다.
상기된 두 특허문헌에서, 세라믹 막 시스템은 연소 가스가 막과 접촉하게 되는 공정에서 이용된다. 그와 같이, 상기 두 특허문헌은 석탄 및 중유와 같은, 높은 무기 함량을 갖는 연료를 사용하는 공정에는 그 적용이 제한될 수밖에 없다. 천연 가스와 같은 보다 순수한 연료가 높은 무기 함량을 갖는 연료보다 일반적으로 더 비싸기 때문에, 높은 무기 함량을 갖는 연료와 통합될 수 있는 방법 및 시스템이 요망된다.
후술되는 바와 같이, 본 발명은 세라믹 막 시스템을 효율적으로 활용하여 산소를 공급하는, 열 소모 장치 내에서의 산소 또는 산소 증대된 연소 방법 및 시스템을 제공한다. 또한, 본 발명에 따른 방법 및 시스템은 보일러 또는 로와 같은 저온 배기 시스템에 응용될 수 있으며 높은 무기 함량을 갖는 연료를 용이하게 사 용할 수 있다. 또한, 본 발명의 시스템은 열 소모 장치가, 필요하다면, 세라믹 막 없이 작동될 수 있도록 설계된다.
따라서, 본 발명은 산소를 생성시켜 연료의 연소를 보조하기 위한 공기 분리 방법 및 시스템을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 연소에 의해 열 소모 장치에 필요한 열을 발생시키는 상기된 방법 및 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 공기가 열 소모 장치 내에서 가열된 후 세라믹 막 분리 시스템내에서 분리되어 산소를 생성시키는 상기된 방법 및 장치를 제공하는 데에 있다.
발명의 요약
본 발명은 산소를 생성시켜 연료의 연소를 보조함으로써 열 소모 장치에서 열을 발생시키기 위한 공기 분리 방법을 제공한다. 본 발명의 방법에 따르면, 공급 공기 스트림이 압축되어 압축된 공기 스트림을 생성시킨다. 압축된 공기 스트림은 하나 이상의 산소 선택적 이온 전도 막을 이용하는 세라믹 막 시스템의 작동 온도로 가열된다. 압축된 공기 스트림은 간접 열교환을 통해 그리고 적어도 부분적으로는 열 소모 장치 내에서 가열된다. 압축 공기 스트림은 가열된 후에, 상기 막 시스템 내로 도입되어 산소 투과물 및 산소 고갈된 투과유물을 생성시킨다. 연료는 상기 막 시스템 내에서 생성된 산소 투과물로 적어도 일부 구성된 산화제의 존재하에 연소된다.
유리하게는, 상기 투과유물로 구성된 투과유물 스트림은 일(work)의 생성과 함께 팽창하며 팽창으로 인한 일은 공급 공기 스트림을 압축시키는데 적용될 수 있다. 투과유물 스트림의 팽창은 간접 열교환을 통해 압축된 공기 스트림을 예열시키는데 사용될 수 있는 팽창된 투과유물 스트림을 생성시킨다. 또한, 공급 공기 스트림은 예를 들어 퍼지 스트림의 사용 없이, 세라믹 막 시스템 내에서 공기로부터 산소를 분리시키기에 충분한 압력으로 압축될 수 있다.
열 소모 장치에서, 버너(burner)는 연료의 연소로부터 가열된 연도 가스를 생성시킨다. 압축된 공기 스트림은 이러한 가열된 연도 가스와의 간접 열교환을 통해 열 소모 장치내에서 가열될 수 있다. 대안적으로, 열 소모 장치는 복사열 교환 영역이 구비되어 있는 유형이며, 압축 공기 스트림은 복사 열 교환 영역 내에서의 복사열에 의해 열 소모 장치 내에서 일차적으로 가열된다.
또 다른 측면으로서, 본 발명은 산소를 생성시켜 연료의 연소를 보조하고 이로써 열 소모 장치 내에서 열을 발생시키는 공기 분리 시스템을 제공한다. 본 발명의 이러한 측면에 따르면, 압축기는 공급 공기 스트림을 압축시키고 이로써 압축된 공기 스트림을 생성시키기 위해 제공된다. 세라믹 막 시스템은 압축기와 연통하며, 압축된 공급 공기 스트림으로부터 산소를 분리시킬 목적으로 하나 이상의 산소 선택적 이온 전도 막을 이용한다. 열 소모 장치 내에 위치한 열 교환기는 압축기와 상기 막 시스템 사이에 삽입되어 압축된 공기 스트림을 상기 막 시스템의 작동 온도로 가열시킨다. 막 시스템 내에 생성된 산소 투과물로 적어도 일부 구성된 산화제의 존재하에 열 소모 장치 장치내에 연료를 연소시키기 위한 수단이 제공된다.
유리하게는, 공기 분리 시스템은 투과유물로 구성된 투과유물 스트림을 일의 생성과 함께 팽창시키기 위해 막 시스템에 연결된 팽창기를 이용할 수 있다. 팽창으로 인한 일을 적용시켜 압축기에 동력을 공급하기 위한 수단이 제공된다. 예열기가 열교환기와 압축기 사이에 삽입될 수 있으며 팽창기에 의해 생성되어진 팽창된 투과유물 스트림과의 간접 열교환을 통해 압축된 공기 스트림을 예열시키기 위해 팽창기에 연결될 수 있다.
연료 연소 수단은 연료의 연소에 의해서 가열된 연도 가스를 생성시킬 수 있으며 열 교환기는 압축된 공기 스트림이 가열된 연도 가스와의 간접 열교환을 통해 가열되도록 열 소모 장치 내에 위치될 수 있다. 대안적으로, 열 소모 장치는 복사열 교환 영역이 구비되어 있는 유형의 장치일 수 있으며 열 교환기는 압축된 공기 스트림이 복사열 교환 지대 내의 복사열에 의해 일차적으로 가열되도록 복사열 교환 지대내에 위치될 수 있다. 인지될 수 있는 바와 같이, 이러한 열 소모 장치는 보일러일 수 있으며 열 교환기는 스팀 튜브가 산재된 열 교환 튜브를 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 설명으로부터 분명히 알 수 있는 바와 같이, 세라믹 막 시스템이 세라믹 막 시스템 내에서 발생된 산소를 통한 산소 부화 연소를 이용하는 열 소모 장치와 열적으로 통합될 수 있는 통합이 고려된다. 열 소모 장치 내의 열 교환기의 배치가 처음에는 역효과를 미치는 것으로 보이거나, 기껏해야 통상의 공기 점화 장치와 비교하여 어떠한 추가의 장점도 제공하지 못할 것이라고 여겼다는 점에 주목해야 한다.
본 발명과 종래 기술의 공기 점화 둘 모두의 경우에 있어서, 공기는 열 소모 장치의 작동에 의해서 일부 가열된다. 통상의 공기 점화 장치의 경우에, 공기, 특히 질소와 같은 공기중의 불활성 성분의 가열은 연소 공간 내에서 가열된다. 본 발명의 경우에, 공기 가열은 열 교환기의 사용을 통해 간접적으로 수행된다. 그러므로, 본 발명의 구성은 열 효율의 관점에서 볼 때 처음에 얼핏 보아서는 통상의 공기 점화 경우와 동일한 것으로 보일 것이다. 보다 상세하게 검사하게 되면, 본 발명의 열 효율은 실제로, 외부 열교환를 사용하고 가열된 투과물 스트림을 파이프를 통해 열 소모 장치에 제공함으로써 야기되는 불가피한 주위로의 열손실로 인해 공기 점화 경우의 열 효율 보다 작을 것으로 예상될 수도 있다. 그러나, 본 발명은 실제로는 효율을 종래 기술의 공기 점화 경우 이상으로 상당히 증가시킨다. 산 가스 부식을 방지하는 약 300℉ 내지 약 400℉의 최소의 연도 가스 온도에 의해 한정된 전형적인 공기 점화 보일러의 효율은 어느 곳에서든지 약 85% 내지 약 90%(보다 높은 발열량에 기준)이다. 본 발명은 유사한 시스템에 대하여 약 90% 내지 약 95%의 효율(보다 높은 발열량)을 제공한다. 증가된 효율은 투과유물 스트림이 공기 점화식 시스템으로부터의 배기 온도 보다 훨씬 더 낮은 온도로 냉각될 수 있다는 사실에 연유한다. 이것은 통상의 공기 점화식 시스템과 비교하여 회수되는 투과유물로의 훨씬 더 많은 열의 유입을 가능하게 한다. 효율은 응축되는 열 교환기를 사용하여 연도 가스 스트림을 추가로 냉각시키는 경우에 더욱 더 증가될 수 있다; 이러한 기술은 공기 점화식 유니트에는 전형적으로 이용되지 않는다.
압축기가 팽창기에 의해 동력 공급되는 본 발명의 구체예에서, 더욱 더 유리한 장점은 에너지 절감에서 뿐만 아니라 산소를 희석시키는 경향이 있는 퍼지 없이 압축기에 의해 생성된 압력에 의해서만 분리가 유도된다는 사실에서 실현된다. 팽창된 투과유물 스트림 내에 함유된 열을 사용하는 예열기의 사용은 본 발명에 따른 방법 또는 시스템의 열적 효율을 증가시킨다.
본 발명의 또 다른 장점은 세라믹 막 시스템이 상기 막 내로 유입되는 어떠한 연소 생성물도 없이 작동될 수 있기 때문에 열 소모 장치 내에서의 간접 열교환이 상당량의 무기물을 함유하는 연료의 사용을 가능케 한다는 것이다. 본 발명에 의해 제공되는 방법 및 시스템에서, 열 소모 장치 및 세라믹 막 시스템의 작동은 다소 분리된다. 열 소모 장치는 전체 시스템의 개시 및 정지를 돕는 산소 생성 시스템 없이 작동될 수 있다. 이에 관하여, 세라믹 막 시스템이 고장난 경우에, 열 소모 장치는 예비 산소를 공급하여 계속해서 작동될 수 있다. 또한, 세라믹 막 시스템의 턴다운(turndown)은 열 소모 장치의 작동과 무관하게 취급될 수 있다.
본 발명은 하기의 특허청구범위로 끝맺으면서 청구하고자 하는 대상을 명확히 밝히고 있지만, 본 발명은 첨부 도면을 참조하게 되면 더 잘 이해되어질 것으로 믿어진다.
발명의 상세한 설명
도 1에는 로(2)가 연료(3)의 연소에 의해 생성된 열을 소모하는 장치(1)가 도시되어 있다.
공기는 하나 이상의 산소 선택적 이온 전도 막을 이용하는 세라믹 막 시스템(12) 내의 공기로부터 산소의 분리를 진행시키기에 충분한 압력으로 압축기(10)에서 압축된다. 그러나, 본 발명이 상기 막의 투과 측면에서의 퍼지 가스의 사용을 배제하고 있는 것으로 해석되지 않아야 한다는 점에 주목해야 한다. 산소 선택적 이온 전도 막은 고온에서 산소 이온을 전도하지만 산소 자체에 대해서는 불투과성일 수 있는 유형의 막이다. 본 발명은 산소 및 이온 둘 모두가 막 내에서 전도되는 이중상 전도 막 뿐만 아니라 산소 이온만이 전도되는 이온성 막의 사용을 고려한다. 이온성 전도 막의 경우에, 전자의 전도를 위한 전도 경로가 제공된다.
압축기(10) 내에서 압축된 공기는 예열기(14) 내에서 예열되는 압축 공기 스트림(12)을 형성한다. 열 교환기(16)는 열 교환기(16) 내에서 압축된 공기 스트림과 연료(3)의 연소에 의해 생성된 연도 가스 사이에서 열을 간접적으로 교환시키도록 위치되어 있는 로(2) 내에 제공된다. 압축된 공기 스트림(11)의 온도는 열 교환기(16)를 통한 통과 이후에 막 시스템(12)의 작동 온도에 도달하기에 충분하다. 그로 인해서, 압축된 공기 스트림(12)은 연료(3)에 결코 직접 노출되지 않는다.
본 발명의 구체예가 예열기(14)를 이용하지 않고 압축된 공기 스트림(12)이 열 교환기(16) 내에서만 가열되는 것이 가능하다는 점에 주목해야 한다. 그러나, 예열기(14)의 사용은 상기 예열기를 사용하지 않을 경우에 상기 시스템으로부터 손실되어질 열을 유리하게 회수되게 한다. 열 교환기(16)가 단지 하나의 파이프로서 도시되어 있지만, 필요에 따라 많은 파이프가 요구되는 열 전달을 제공하기 위해 이용될 것이다.
산소는 막 시스템(12) 내의 압축된 공기 스트림(12)으로부터 분리되어 산소로 구성된 투과물 스트림(18)을 생성시킨다. 투과물 스트림(18)은 산소 부화 연소용 보충 공기와 혼합되는, 연료(3)를 연소시키는 옥시-연료 버너에 직접 공급될 수 있거나 산소 랜싱(lancing) 목적으로 사용될 수 있다.
산소 고갈된 투과유물 스트림(20)은 터빈(22) 내로 통과되어 일의 생성과 함께 팽창될 수 있다. 이후, 팽창으로 인한 일은 기계적인 연동장치에 의해 직접적으로 또는 압축기(10)에 동력을 공급하는데 사용되는 전기를 발생시키는 발전기에 의해 간접적으로 압축기(10) 내에서 공기를 압축하는데 적용될 수 있다. 인지될 수 있는 바와 같이, 이러한 팽창으로 인한 일의 적용시에, 발전기에 의해 발생된 전기는 팽창으로 인한 일을 압축에 적절하게 적용시키기 위해 동력이 압축기(10)에 의해 유도되는 전기 그리드(electrical grid) 내로 공급될 수 있다.
팽창기(22)에 의한 팽창은 투과유물 스트림(20) 보다 낮은 온도 및 낮은 압력 상태에 있는 팽창된 공기 스트림(24)을 생성시킨다. 그러나, 이러한 스트림은 압축된 공기 스트림(12)을 예열시키기 위한 예열기(14) 내로의 공급을 허용하기에 충분한 온도를 여전히 가지고 있다. 이후, 팽창된 스트림(24)은 스택(stack)으로 공급되거나 다른 목적으로 사용될 수 있다. 인지될 수 있는 바와 같이, 본 발명의 구체예는 팽창기(22)를 채택하지 않아도 가능하다.
도 2에는 연료의 연소가 보일러(5) 내에서 산소에 의해 보조되는 장치(4)가 도시되어 있다. 보일러(5)는 연료 유입 노즐(30) 및 산소 유입 노즐(32)을 지닌다. 통상의 스팀 튜브(34)는 복사 열 교환 영역(38) 내에서 공기 가열 튜브(36) 사이에 끼여 있는 것이 바람직하다. 공기 가열 튜브들(36)은 서로 연결되어 복사 열 교환 영역(38) 내의 열 교환기를 형성한다. 유입되는 공기는 압축기(40)에 의해 압축되어, 예열기(44) 내에서 예열되는 압축된 공기 스트림(42)을 생성시킨다. 이후, 압축된 공기 스트림은 공기 가열 튜브(36)를 통과한 후에 하나 이상의 산소 선택적 이온 전도 막을 사용하는 세라믹 막 시스템 내로 통과된다. 적어도 한정된 정도로의 대류적 열 전달 메카니즘이 존재할 수도 있지만, 공기 가열 튜브(36)는 압축된 공기 스트림(42)을 일차적으로 복사 열에 의해 가열시키는 기능을 한다. 이후, 공기로부터 분리된 산소는 투과물 스트림(48)으로서 산소 노즐(32)로 통과된다. 이후, 산소 고갈된 투과유물 스트림(50)은 팽창기(52)내에서 팽창되어 팽창된 스트림(54)을 생성시킬 수 있다. 팽창된 공기 스트림(54)은 압축된 공기 스트림(42)에 열을 제공하는 역할을 하는 예열기(44) 내로 도입될 수 있다.
도 2에 도시된 구체예에서와 같이, 본 발명의 구체예로는 예열기(44)를 사용하지 않고 세라믹 막 시스템(46) 내에서 퍼지 스트림을 사용하는 구체예가 고려된다. 팽창기(52)가 존재하지 않는 또 다른 구체예도 가능하다.
임의로, 장치(4)는 열 교환기(56)를 복사 열 교환 영역(38) 위에 제공하여 유입되는 압축 공기 스트림(42)의 일부로부터 형성된 보조 공기 스트림(58)을 가열시킴으로써 복사 및 대류 가열 둘 모두를 사용할 수 있다. 이후, 생성되어진 가열된 보조 공기 스트림(60)은 세라믹 막 시스템(46) 내로 또한 도입될 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명은 바람직한 구체예를 참조하여 기술되었지만, 당 업자라면 다수의 변경, 추가 및 생략이 본 발명의 기술적 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는 범위내에서 이루어질 수 있다는 것을 알고 있을 것이다.
이상에서와 같이, 본 발명은 세라믹 막 시스템을 효율적으로 활용하여 산소를 공급하는, 열 소모 장치 내에서의 산소 또는 산소 증대된 연소 방법 및 시스템을 제공한다. 본 발명에 따른 방법 및 시스템은 보일러 또는 로와 같은 저온 배기 시스템에도 응용될 수 있으며 높은 무기 함량을 갖는 연료를 용이하게 사용할 수 있어 비용이 절감된다.

Claims (10)

  1. 산소를 생성시켜서 연료의 연소를 보조함으로써 보일러 내에서 열을 발생시키기 위한, 공기로부터의 산소 분리 방법으로서,
    공급 공기 스트림을 압축시켜 압축된 공기 스트림을 생성시키는 단계;
    압축된 공기 스트림을 하나 이상의 산소 선택적 이온 전도 막을 이용하는 막 시스템의 작동 온도로 가열시키는 단계로서, 상기 압축된 공기 스트림이 보일러 내부에서 간접 열교환기를 통해서 가열되거나, 상기 압축된 공기 스트림의 일부 또는 전부가 상기 보일러의 복사 열교환 영역 내부에서 스팀 튜브 사이에 끼워지는 공기 가열 튜브를 통해서 가열되는, 압축된 공기 스트림의 가열 단계;
    가열된 후의 압축된 공기 스트림을 막 시스템 내로 도입시켜 산소 투과물 및 산소 고갈된 투과유물을 생성시키는 단계; 및
    막 시스템 내에서 생성된 산소 투과물의 일부 또는 전부로 구성된 산화제의 존재하에 연료를 연소시키는 단계를 포함하는,
    공기로부터의 산소 분리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    연료의 연소를 통해 가열된 연도 가스가 생성되고; 압축된 공기 스트림이 가열된 연도 가스와의 간접 열교환을 통해 보일러 내에서 가열됨을 특징으로 하는,
    공기로부터의 산소 분리 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보일러가 복사 열 교환 영역을 가지며; 압축된 공기 스트림이 복사 열 교환 영역 내의 복사 열에 의해 보일러 내에서 일차적으로 가열됨을 특징으로 하는,
    공기로부터의 산소 분리 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    투과유물로 구성된 투과유물 스트림을 팽창시켜 일(work)을 발생시키는 단계; 및
    일을 적용시켜 공급 공기 스트림을 압축시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    공기로부터의 산소 분리 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    투과유물 스트림의 팽창을 통해 팽창된 투과유물 스트림이 생성되며; 압축된 공기 스트림이 팽창된 투과유물 스트림 및 팽창된 투과유물 스트림과의 간접 열교환을 통해 예열되는 것을 특징으로 하는,
    공기로부터의 산소 분리 방법.
  6. 산소를 생성시켜 연료의 연소를 보조함으로써 보일러 내에서 열을 생성시키기 위한 공기 분리 시스템으로서,
    공급 공기 스트림을 압축시킴으로써 압축된 공기 스트림을 생성시키기 위한 압축기;
    상기 압축기와 연통하며, 하나 이상의 산소 선택적 이온 전도 막을 이용하여 압축된 공급 공기 스트림으로부터 산소를 분리시키기 위한 막 시스템;
    상기 보일러의 복사 열교환 영역 내부에서 스팀 튜브 사이에 끼워지는 공기 가열 튜브로 형성되며, 상기 압축기와 막 시스템 사이에 삽입되어 압축된 공기 스트림을 막 시스템의 작동 온도로 가열시키기 위한 열 교환기; 및
    연료를 막 시스템 내에서 생성된 산소 투과물의 일부 또는 전부로 구성된 산화제의 존재하에 연소시키기 위한 수단을 포함하는,
    공기 분리 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료 연소 수단이 연료의 연소에 의해서 가열된 연도 가스를 생성시키며; 상기 열 교환기가 압축된 공기 스트림이 가열된 연도 가스와의 간접 열 교환을 통해 가열되도록 상기 보일러 내에 배치되는,
    공기 분리 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 보일러가 복사 열 교환 영역을 가지며; 상기 보일러는 압축된 공기 스트림이 복사 열 교환 영역 내의 복사 열에 의해 일차적으로 가열되도록 복사 열 교환 영역 내에 위치되는,
    공기 분리 시스템.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    투과유물로 구성된 투과유물 스트림을 팽창시켜 일을 생성도록 상기 막 시스템에 연결되는 팽창기; 및
    일을 적용시켜 압축기에 동력을 제공하기 위한 수단을 더 포함하는,
    공기 분리 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 열 교환기와 압축기 사이에 삽입되어 있으며, 팽창기에 의해 생성되는 팽창된 투과유물 스트림과의 간접 열 교환을 통해 압축된 공기 스트림을 예열시키기 위한, 상기 팽창기에 연결되는 예열기를 더 포함하는,
    공기 분리 시스템.
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