KR101227864B1 - 순산소 연소 순환 유동층 반응기와 상기 반응기를 작동시키는 방법 - Google Patents
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Abstract
반응기 챔버(15)와 반응기 챔버 내로 가스를 도입하기 위해 반응기 챔버의 하부 섹션에 제공된 가스 분배 장치(50)를 포함하고, 가스 분배기 장치는 반응기 챔버(15) 내로 산소 농후 가스를 도입하기 위한 제 1 가스 공급 시스템(70) 및 제 2 가스 공급 시스템(75)을 포함하는, 순산소 연소 순환 유동층 반응기. 제 1 가스 공급 시스템(70)은 제 1 윈드 박스(71)를 포함하고, 제 2 가스 공급 시스템(75)은 제 2 윈드 박스(80)를 포함하며, 제 1 윈드 박스는 반응기 챔버와 공용 벽(77)을 구비하고, 제 1 윈드 박스 아래에 배열된 제 2 윈드 박스는 제 1 윈드 박스와 공용 벽(76)을 구비한다.
Description
본 발명은, 순산소 연소 유동층 반응기와 이를 작동시키는 것에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 반응기 챔버와 반응기 챔버 내로 가스를 도입하기 위한 반응기 챔버의 하부 섹션의 가스 분배 장치를 포함하는 순산소 연소 순환 유동층 반응기에 관한 것이다. 상기 가스 분배기 장치는 청구항 제 1항의 전제부에 따른, 반응기 챔버로부터 발생되는 재순환 가스를 도입하기 위한 제 1 가스 공급 시스템과 산소 농후 가스를 도입하기 위한 제 2 가스 공급 시스템을 포함한다. 또한, 본 발명은 청구항 제 10항의 전제부에 따른, 반응기 챔버와 반응기 챔버의 하부 섹션에 배열된 가스 분배 장치를 포함하는 순산소 연소 순환 유동층 반응기를 작동시키는 방법에도 관련되며, 이 방법에서, 가스는 가스 분배 장치를 통해 반응기 챔버 내로 도입되고, 가스 분배기 장치는 반응기 챔버로부터 발생되는 재순환 가스가 반응기 챔버 내로 통과 도입되는 제 1 가스 공급 시스템과, 산소 농후 가스가 반응기 챔버 내로 통과 도입되는 제 2 가스 공급 시스템을 포함한다.
예를 들어, 소위 온실 효과에 관련해서 가스 배출을 제한하는 새로운 규정 및 이와 다른 요구의 개발은, 예를 들어, 화석 탄소질 연료를 사용하는 발전소에서 이산화탄소를 줄이기 위한 새로운 기술의 구현에 기여한다.
예를 들어, 미국 특허 제 6,505,567호는 순환 유동층 증기 발생기를 개시하고, 상기 발생기에서 연소는 연소의 생성 가스인 재순환된 이산화탄소에 의해 지원된다. 연소는 순환 유동층 증기 발생기 안으로 도입되는 순수한 산소에 의해 유지된다. 순수한 산소의 도입은 매우 높은 국부 온도를 갖는 영역을 생성할 수 있는데, 이는 예를 들어, 상기 영역에 인접한 구조 요소에 생기는 응력 때문에 바람직하지 않다.
순환 유동층 반응기 내로의 산소의 도입은 특히 민감한 프로세스이다. 산소의 비균등 분배는 국지적 과열 부위를 생성할 수 있으며, 이는 또한 층 재료의 응집 같은 문제를 야기하기 쉽다. 이는 특히 순수 산소가 관련되어 있는 경우에 그러하다.
WO 2005119126호는 하부 섹션이 제 1 유형 및 제 2 유형의 주 가스 공급 노즐을 구비하는 연소 챔버를 갖는 유동층 장치를 개시한다. 먼저, 제 1 노즐은 종래의 윈드 박스 및 노즐에 의해 챔버의 베이스에 근접한 제 1 레벨에서 제 1 가스 혼합물을 분사하기 위해 제공된다. 두 번째로, 제 2 노즐이 제 1 레벨 보다 높은 제 2 레벨에서 산소 농후 제 2 가스 혼합물을 분사하기 위해 제공된다. WO 2005119126호에 따르면, 상기 제 2 유형의 노즐은 노즐 내에 제 2 가스 성분과 산소를 혼합시키기 위한 배열을 포함하며 이 노즐은 그 하부 단부에서 산소 공급부 및 제 2 가스 성분의 공급부에 연결된다. 제 2 가스 성분은 윈드 박스로부터 또는 별개의 가스 수집기로부터의 가스 중 어느 하나인 것으로 언급되어 있다.
산소가 노즐 내에서 윈드 박스로부터 도입된 가스와 혼합되는 이러한 유형의 배열에서, 혼합물 내의 산소 비율의 제어는 항상 윈드 박스에서 우세한 압력에 따르고, 독립적인 제어가 불가능하지는 않지만 어렵다.
순환 유동층 반응기에서, 로드(load)의 변동이 반응기의 그리드를 통해 공급되는 가스량의 각각의 변화를 또한 요구하기 때문에 유동화 가스 속도가 크게 변한다. 그리드의 작동 범위는, 예를 들어, 높은 로드 동안, 그리고, 또한 낮은 로드 작업 동안 과도하지 않아야 하는 압력 강하에 의해 결정되고, 압력 강하는 그리드의 단면 영역 전체에서 가스 유동의 균등한 분배를 제공하는데 적절하여야 한다. 실제, 낮은 로드 작업 동안 그리드를 통해 공급되어야 하는 특정한 최소한의 공기 유동이 있고, 이는 일부 경우에 반응기로부터 얻어질 수 있는 최소한의 로드의 제한 인자가 될 수 있다.
특히, 순산소 연소 순환 유동층 반응기에서, 로드 변동에 기인한 가스 속도의 변화에 추가하여, 또한 순산소 연소 순환 유동층 반응기 내에 유지되는 프로세스 내로 산소 농후 가스를 적절하게 도입하는 문제가 존재한다.
미국 특허 제 4,628,831호는 유동층를 사용하여 처리 챔버에 가스상 유동화 유체를 운반하기 위한 그리드를 개시하고 있다. 그리드는 두 개의 개별 공급식 채널 회로를 포함하며, 제 1 채널 회로는 챔버 내에 고밀도 유동층를 제공하기 위해 상부를 향해 확장되는 오리피스를 구비하고, 관형 채널의 제 2 회로는 챔버 내의 입자의 강제식 유동층를 제공하기 위해 확장된 오리피스 위로 각각 개구된다. 이러한 유형의, 두 개의 별개의 세트의 노즐 및 파이프 네트워크의 그리드는 제조가 매우 복잡하다.
본 발명의 목적은, 순산소 연소 순환 유동층 반응기 내로 재순환 가스와 산소 농후 가스를 모두 도입하기 위해 개선된 해법을 제공하는 순산소 연소 순환 유동층 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 청구항 제 1항과 제 10항에 개시된 바에 따라 실질적으로 충족된다. 다른 청구항은 본 발명의 다양한 실시예의 더 세부적 사항을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 순산소 연소 순환 유동층 반응기는 반응 챔버와, 반응 챔버 내로 가스를 도입하기 위해 반응 챔버의 하부 섹션에 제공된 가스 분배 장치를 포함하며, 가스 분배기 장치는 반응 챔버 내로 산소 농후 가스를 도입하기 위한 제 1 가스 공급 시스템과, 제 2 가스 공급 시스템을 포함한다. 제 1 가스 공급 시스템은 제 1 윈드 박스를 포함하고, 제 2 가스 공급 시스템은 제 2 윈드 박스를 포함한다. 제 1 윈드 박스는 반응기 챔버와 공용 벽을 갖고, 제 1 윈드 박스 아래에 배열된 제 2 윈드 박스는 제 1 윈드 박스와 공용 벽을 갖는다.
가스 분배 장치는 또한 산소 농후 가스의 소스와 연결된다. 이 배열은 공기의 산소 함량보다 더 높은, 상승된 레벨에서 반응기 챔버 안으로 도입된 가스의 산소 함량을 갖는 순산소 연소 순환 유동층 반응기의 효율적이고 확실한 작동을 가능하게 한다.
제 2의 하부 윈드 박스는 가스의 높은 산소 함량에 의해 발생한 조건을 견디는 재료로 그 내벽이 라이닝되는 것이 유리하다.
제 2 윈드 박스는 제 2 윈드 박스로부터 제 1 윈드 박스를 통해 반응기 챔버 내로 연장하는 복수의 도관을 통해 반응기와 연결된다. 이는 제 2 윈드 박스 내의 가스가 제 1 윈드 박스 내의 가스보다 낮은 온도에서 유지될 수 있는 특징을 제공한다. 바람직하게는 도관은 제 1 윈드 박스 내에 분리 가능하게 배열된다.
반응기 챔버는 반응 챔버 내에서 발생하는 반응에서 초래되는 가스에 동반된 유동화 입자를 분리하기 위한 입자 분리기를 구비하며, 입자 분리기는 가스 출구와 분리된 입자의 출구를 구비한다. 가스 출구는 재순환 도관을 통해 제 1 윈드 박스 및 제 2 윈드 박스와 유체 연통하여 배열된다.
재순환 도관은 제 1 유동 제어 장치를 구비한 도관을 통해 제 1 가스 공급 시스템에서 제 1 혼합 요소와 연결되고, 제 2 유동 제어 장치를 구비하는 도관을 통해 제 2 가스 공급 시스템에서 제 2 혼합 요소와 연결되는 것이 바람직하다. 이 방식으로 제 1 및 제 2 가스 공급 시스템 양자 모두 내로의 재순환 가스의 유량이 독립적으로 제어된다.
산소 농후 가스의 소스는 제 3 제어 밸브를 구비한 도관을 통해 제 1 혼합 요소와 연결되고, 제 4 제어 밸브를 구비한 도관을 통해 제 2 혼합 요소와 연결된다. 이 방식으로 제 1 및 제 2 가스 공급 시스템 양자 모두 안으로 유입되는 산소 농후 가스의 유량이 독립적으로 제어되고, 본 발명에 따른 방법이 실시될 수 있다.
본 발명에 따라서, 반응기 챔버와 반응기 챔버의 하부 섹션에 제공된 가스 분배 장치를 포함하는 순산소 연소 순환 유동층 반응기를 작동시키는 방법에서, 가스는 가스 분배 장치를 통해 반응기 챔버 내로 도입되고, 가스 분배기 장치는 제 1 가스 공급 시스템 및 제 2 가스 공급 시스템을 포함하며, 이를 통해 가스가 반응기 챔버로 도입된다. 내부로 도입된 가스는 제 2 윈드 박스를 통해 도입된 산소 농후 가스가 제 1 윈드 박스를 통해 연장하는 복수의 도관을 통해 반응기 챔버 내로 도입되는 방식으로 제 1 가스 공급 시스템의 제 1 윈드 박스 및 제 2 가스 공급 시스템의 제 2 윈드 박스를 통해 반응기 챔버 내로 도입된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 반응기 챔버 내로 도입된 가스는 재순환 가스를 포함하고, 이 재순환 가스는 제 1 가스 공급 시스템으로 제어가능하게 도입되는 스트림과 제 2 가스 공급 시스템으로 제어가능하게 도입되는 스트림을 포함하는 스트림으로 분할된다. 산소 농후 가스는 제 1 가스 공급 시스템에서 가스의 산소 함량이 제 1 산소 함량 이하이도록 제 1 가스 공급 시스템에서 재순환 가스의 스트림 내로 도입되고, 산소 농후 가스는 제 2 가스 공급 시스템에서 가스의 산소 함량이 제 1 산소 함량 이상이도록 제 2 가스 공급 시스템에서 재순환 가스의 스트림 내로 도입된다.
바람직하게는, 제 1 산소 함량은 자체 점화의 위험, 즉, 가스 분배기 장치 내에 존재하는 임의의 연소성 물질의 외부적 점화를 동반하지 않은 점화가 최소화되도록 조절된다.
산소 함량은, 본 발명의 실시예에 따라 CO2-H2O-O2 가스 혼합물의 O2 농도를 낮게(통상적으로 28% 미만) 유지하여 제어되고, 연소 물질의 단열 연소 온도는 공기를 이용한 연소의 온도와 같거나 이보다 낮다.
제 2 가스 공급 시스템에서 산소 농후 가스는 제 2 윈드 박스로 공급되고 반응기 챔버로부터 열 유동을 거치는데, 상기 열 유동은 제 1 윈드 박스에서 가스를 가열하여 감소한다. 이 방식으로 제 2 윈드 박스 내의 산소 농후 가스는 쉽게 제 1 윈드 박스 내의 가스보다 낮은 온도로 유지될 수 있다. 제 2 윈드 박스에서 산소 농후 가스는, 제 1 윈드 박스를 통해 연장하는 복수의 파이프를 통해 제 1 윈드 박스의 가스에 의해 동시 가열되는 반응기 챔버 안으로 도입되는 것이 바람직하다.
본 발명은, 순산소 연소 순환 유동층 반응기 내로 재순환 가스와 산소 농후 가스를 모두 도입하기 위해 발전된 해법을 제공하는 순산소 연소 순환 유동층 반응기를 제공하는 효과를 갖는다.
이하에서, 본 발명은 첨부 도면을 참조로 설명될 것이며, 첨부 도면에서 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 분배기 장치를 구비한 순산소 연소 순환 유동층 반응기를 예시하고 있다.
도 1은 순산소 연소 순환 유동층 반응기(10)를 개략적으로 도시하며, 이 순산소 연소 순환 유동층 반응기는 반응기 챔버(15)와, 연결 도관(25)을 통해 반응기 챔버(15)의 상부 부분에 연결된 입자 분리기(20)를 포함한다. 입자 분리기(20)는 입자 출구(30) 및 가스 출구(35)를 구비한다. 입자 출구(30)는 입자 반환 채널(40)에 연결된다. 입자 분리기(20)는 바람직하게는 원심 분리기 유형으로 이루어진다. 반환 채널은 예를 들어, 별도의 입자 냉각기 또는 다른 입자 취급 시스템(미도시)을 구비할 수 있다.
정상 연소 작동시 대부분 CO2와 H2O를 포함하는 배출 가스는 가스 출구(35)를 통해 배출 가스 도관(45)으로 추가 인도된다. 배출 가스 도관은 여기서 점선으로 도시되어 있으며, 이는 배출 가스가 배출 가스 도관(45)과 연결되어 제공되는 열 회수 프로세스 같은 특정 처리 프로세스를 받지만, 본 명세서에서는 명료성의 이유로 도시되어 있지 않다는 사실을 예시한다.
반응기 챔버(15)의 하부 섹션은 가스 분배 장치(50)를 구비하고, 이 가스 분배 장치는 그리드(55)를 포함하고, 이 그리드를 통해 유동화 가스 및 산소 함유 가스가 반응기 챔버(15) 내로 도입된다. 가스의 함량에 무관하게, 그리드(55)를 통해 도입된 모든 가스는 유동층 재료에 사용된다. 반응기 챔버(15)는 그 하부 단부에서 그리드(55)와 접경한다. 그리드는 두 세트의 개구(60, 65)를 구비하고, 이들은 하기에 설명된 방식으로 반응기 챔버(15) 내로 가스를 도입하기 위해 각각 제 1 가스 공급 시스템(70) 및 제 2 가스 공급 시스템(75)에 연결되어 있다. 개구는 사실 명료성을 이유로 본 명세서에는 도시되어 있지 않은 특수 노즐을 구비한다. 노즐은 그리드의 영역에 걸쳐 실질적으로 균등하게 분포된다.
제 1 가스 공급 시스템(70)은 제 1 윈드 박스(71)를 포함한다. 제 1 윈드 박스(71)는 그 하부 벽(76), 상부 벽(77) 및 측벽(들)(78)에 의해 형성된다. 측벽들의 수는 제 1 윈드 박스의 단면 형상에 의해 결정되며, 예를 들어, 원형인 경우, 윈드 박스를 둘러싸는 단 하나의 측벽이 존재한다. 제 1 공급 시스템(70)은 제 1 혼합 요소(101)를 추가로 포함하며, 제 1 혼합 요소를 통해 가스가 제 1 윈드 박스(71) 내로 유동하도록 배열된다.
제 2 가스 공급 시스템(75)은 제 2 윈드 박스(80)를 포함하며, 제 2 윈드 박스는 각각 그 하부 벽(81), 상부 벽(82) 및 측벽(들)(83)에 의해 형성된다. 제 2 윈드 박스(80)는 제 1 윈드 박스(71) 바로 아래에 배열된다. 제 1 윈드 박스 및 제 2 윈드 박스는 서로 공통 벽을 갖는다. 제 1 윈드 박스(71)의 하부 벽(76)과 제 2 윈드 박스의 상부 벽(82)이 서로 일체로 부착되거나, 이들은 심지어 단일 공통 벽으로 형성될 수 있다. 달리 말해서, 제 1 윈드 박스(71)는 반응기(15) 바로 아래에 있고, 제 2 윈드 박스(80)는 제 1 윈드 박스(71) 바로 아래에 있다. 제 2 공급 시스템(75)은 제 2 혼합 요소(102)를 포함하며, 이 제 2 혼합 요소를 통해 가스가 제 2 윈드 박스(80) 내로 유동하도록 배열된다.
제 1 및 제 2 윈드 박스(71, 80) 양자 모두는 윈드 박스의 내부 공간 내로 개방되는 가스 입구(85, 90)를 구비한다. 제 1 혼합 요소(101) 및 제 2 혼합 요소(102)는 그 상류에 각각의 입구와 연결되어 배열된다. 배출 가스 도관(45)은 송풍 장치(96)를 구비한 재순환 도관(95)을 구비한다. 재순환 도관(95)은 반응기 챔버(15)에서 발생하는 반응으로부터 초래된 생성 가스를 재순환 가스로서 도입하도록 배열된다. 실제로, 정상 연소 작동 동안, 재순환된 생성 가스는 대부분 CO2와 H2O를 포함한다.
재순환 도관(95)은 도관(107)을 통해 제 1 혼합 요소(101)와 연결되며, 도관(111)을 통해 제 2 혼합 요소(102)와 연결된다. 도관(107, 111)은 각각 제 1 및 제 2 유동 제어 장치(108, 112)를 구비한다.
제 1 및 제 2 혼합 요소는 각각 가스 입구(85, 90)에 연결된다. 혼합 요소에서, 산소 농후 가스는 동시적 혼합과 함께 재순환 가스의 스트림 내로 도입된다. 각 윈드 박스 내로 도입되는 재순환 가스의 양은 제 1 및 제 2 유동 제어 장치(108, 102)에 의해 제어된다. 유동 제어 장치는 예를 들어, 제 1 및 제 2 제어 밸브를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라서, 유동 제어 장치는 예로서 제 1 및 제 2 제어 밸브를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라서, 유동 제어 장치는 제어 밸브에 추가로 또는 제어 밸브 대신 각 도관(107, 111)에 제공된 전용 인버터 제어식 송풍기(도면에는 미도시)를 포함한다. 이는 윈드 박스들 내로 도입되는 재순환 가스의 양을 제어하는 효과적 방법을 제공한다. 밸브를 대신한 송풍기는 불필요한 압력 손실을 최소화하며, 그 이유는 재순환 도관(95) 내의 송풍기(96)가 밸브를 사용하는 경우만큼 높은 압력을 생성할 필요가 없기 때문이다.
이는, 탄소질 연료가 연소되는 경우 반응기에서 생기는 반응의 생성 가스가 주로 CO2와 H2O이고, 시동 단계 후 공기 대신 반응기가 생성 가스와 산소의 혼합물로 작동할 수 있도록, 반응기(15)로 부분적으로 재순환될 수 있도록, 순산소 연소 순환 유동층 반응기의 작동을 가능하게 한다. 이 방식으로 질소의 존재가 방지되고 배출 가스로부터 CO2의 회수가 보다 쉽게 배열될 수 있다.
또한, 가스 분배 장치(50)는 에어 세퍼레이션 유닛[Air Separation Unit(ASU)] 같은 산소 농후 가스의 소스(100)와 연결된다. 산소 농후 가스의 소스(100)는 제 3 제어 밸브(104)를 구비한 도관(103)을 통해 제 1 혼합 요소(101)와 연결되고, 제 4 제어 밸브(106)를 구비한 도관(105)을 통해 제 2 혼합 요소(102)에 연결된다.
제 1 윈드 박스(71)를 통한 반응기(15) 내로의 가스의 도입은 하기의 방식으로 이루어지도록 처리된다. 산소 농후 가스를 위한 제 3 제어 밸브(104) 및 재순환 가스를 위한 제어 장치(108)는 제 1 가스 공급 시스템(70)을 통해 도입되는 가스가 제 1 산소 함량보다 낮은 산소 함량을 갖도록 작동되며, 이러한 산소 함량은 실제로 약 28 부피%, 바람직하게는 23 내지 28 부피%이다. 제 1 산소 함량은 가스 분배기 장치 내에 존재하는 임의의 연소성 물질의 자체 점화 위험이 최소화되도록 조절된다. 이 방식으로 반응기는 확실하고 안전하게 작동한다.
제 2 윈드 박스(80)를 통한 반응기(15) 내로의 가스의 도입은 하기의 방식으로 이루어지도록 배열된다. 산소 농후 가스용의 제 4 제어 밸브(106)와 재순환 가스용의 제어 장치(112)는, 제 2 가스 공급 시스템(75)을 통해 도입된 가스가 제 1 산소 함량보다 큰 산소 함량을 갖도록 작동한다. 따라서, 제 2 윈드 박스 내의 가스의 산소 함량은 실질적으로 공기의 산소 함량보다 높게 유지된다. 자연히, 예를 들어, 적어도 시동 단계 동안 공기를 사용한 연소 실행시, 윈드 박스 양쪽에서 산소 함량이 동일하도록 조절하는 것이 가능하다.
상술한 배열은 특정 미리 결정된 산소 함량을 갖는 재순환 가스를 윈드 박스 양자 모두 내로 도입하는 것을 가능하게 한다. 혼합 요소(101, 102)는 윈드 박스 내로 도입되는 가스가 실질적으로 균일한 조성을 갖도록 한다. 이는 국지적으로 고 농도의 산소가 존재할 가능성을 최소화하고, 이러한 국지적으로 산소 농도가 높은 경우 윈드 박스에서 탄소질 물질이 조기 연소하도록 하고, 또한, 반응 챔버에서 국지적인 과열 영역을 유발할 수 있다.
제 1 및 제 2 가스 입구(85, 90)와 노즐(60, 65) 양자 모두를 통해 도입된 가스의 총 유량은 순산소 연소 순환 유동층 반응기의 로드 및/또는 유동화 가스 유량의 양에 대한 미리 결정된 요구조건에 기초하여 규제된다. 제 2 가스 입구(90) 및 노즐(65)을 통해 도입된 산소 농후 가스의 양은 반응기 내로 도입된 가스의 산소 함량의 미리 결정된 목표값에 기초하여 규제된다. 임의의 경우에, 제 2 윈드 박스를 통해 도입된 가스의 산소 함량은 반응기 챔버(15)와 연결된 제 1 윈드 박스의 산소 함량보다 큰 것이 바람직하다.
임의의 연소성 물질이 상승된 산소 함량을 갖는 제 2 윈드 박스에 진입할 경우, 높은 산소 함량에도 불구하고 의도하지 않게 점화될 위험성은 제 1 윈드 박스보다 제 2 윈드 박스의 온도를 낮게 유지하여 최소화된다.
제 2 윈드 박스를 통해 상승된 산소 함량을 갖는 산소 농후 재순환 가스의 도입과 제 1 윈드 박스에 의해 반응기 챔버(15)에서 분리된 제 2 윈드 박스의 배열의 조합은 순환 유동층의 안전성을 크게 향상시킨다. 이는 사용시 제 1 윈드 박스 내의 가스의 온도보다 낮은 온도로 제 2 윈드 박스 내의 산소 농후 가스의 온도가 유지된다는 사실에 기인한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 제 2 윈드 박스(80)는 제 1 윈드 박스(75)를 통해 연장하는 복수의 도관(140)을 통해 반응기 챔버(15)에 연결된다. 도 1의 실시예에서, 도관은 파이프이다. 파이프(140)에서, 산소 농후 가스는 제 1 윈드 박스(75) 내의 재순환 가스에 의해 가열된다. 산소 농후 가스는 제 2 윈드 박스(80)를 통해 도입된 산소 농후 가스가 제 1 윈드 박스(71)를 통해 연장되는 복수의 도관(140)을 통해 반응기 챔버 내로 도입되는 방식으로 제 1 가스 공급 시스템(70)의 제 1 윈드 박스(71)를 통해, 그리고, 제 2 가스 공급 시스템(75)의 제 2 윈드 박스(80)를 통해 반응기 챔버 내로 도입된다. 이 방식으로, 상승된 산소 함량을 갖는 산소 농후 가스의 온도는 제 2 윈드 박스에서 더 낮은 온도로 유지되고 반응기 챔버(15) 내로 도입되기 직전 가열될 수 있으며, 이는 작동을 확실하고 안전하도록 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 파이프(140)는 제 1 윈드 박스(75)의 하부 벽(76)과 상부 벽(77) 사이에 분리 가능하게 설치되며, 이는 정비 및 검사 목적을 위해 제 1 윈드 박스(75) 내의 공간에 접근하기 위한 파이프의 제거를 용이하게 한다. 도 1에서, 파이프는 제 2 윈드 박스(80)의 공간으로 이동할 수 있으며, 이 위치는 점선(145)으로 도시되어 있다. 또한, 파이프는 압축 스프링을 배치하여(미도시) 고정될 수 있고, 이는 기본적 공구를 사용해서 파이프(140)를 신속하게 제거하는 것을 용이하게 한다.
반응기 챔버와 반응기 챔버의 하부 섹션에 배열된 가스 분배 장치를 포함하는 순산소 연소 순환 유동층 반응기를 작동시키는 방법에서, 가스는 가스 분배 장치(50)를 통해 반응기 챔버(15) 내로 도입된다. 가스 분배기 장치는 제 1 가스 공급 시스템과 제 2 가스 공급 시스템을 포함하며, 이들을 통해 가스가 반응기 챔버(15)로 도입된다.
본 발명에 따라서, 반응기 챔버로 도입되는 가스는 재순환 가스를 포함한다. 재순환 가스는 제 1 가스 공급 시스템 내로 제어가능하게 도입되는 스트림과 제 2 가스 공급 시스템 내로 제어가능하게 도입되는 스트림을 포함하는 스트림으로 분할된다.
산소 농후 가스는 제 1 가스 공급 시스템에서 가스의 산소 함량이 제 1 산소 함량 이하이도록 제 1 가스 공급 시스템에서 재순환 가스 스트림에 도입된다. 또한, 산소 농후 가스는 제 2 가스 공급 시스템에서 가스의 산소 함량이 제 1 산소 함량 이상, 즉, 상승된 산소 함량이도록 제 2 가스 공급 시스템에서 재순환 가스의 스트림 내로 도입된다. 제 2 가스 공급 시스템의 제 2 윈드 박스 내의 상승된 산소 함량을 갖는 가스는 제 1 윈드 박스의 가스를 가열함으로써 반응기 챔버의 감소된 열 유동을 받는다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 제 1 윈드 박스 내의 가스는 300℃ 미만의 온도로 유지되며, 제 2 윈드 박스 내의 가스는 200℃ 미만의 온도로 유지된다. 이 방식으로, 산소 농후 가스의 존재에도 불구하고, 순환 유동층의 확실한 작동이 보증되고, 연소 가능 물질의 자체 점화의 위험이 최소화된다.
제 2 윈드 박스의 표면은 제 2 윈드 박스 내에 존재하는 상승된 산소 함량 가스의 환경에서 방화 재료, 바람직하게는 내연성 재료로 이루어진다. 이 배열은 탄소강 같은 제 1 윈드 박스의 베이스 재료에 산화 방지층을 제공함으로써 추가로 개선될 수 있다. 이는 제 2 윈드 박스 내의 온도 및 산소 농후 가스의 영향으로부터 베이스 재료를 보호한다. 산화 방지층은 일 실시예에 따라서, 제 2 윈드 박스(80)의 내부 벽 상의 라이닝(135)이며, 이 라이닝은 내화성 재료, 예를 들어, 세라믹 재료로 이루어진다. 또한, 탄소강 같은 베이스 재료는 적절한 두께의 오스테나이트 강으로 라이닝될 수 있다. 보호 라이너 및 내성 합금 코팅도 탄소강 또는 스테인레스 강과 연계하여 사용될 수 있다.
베이스 재료 자체는 산소 농후 가스의 존재에 의해 유발되는 환경을 견디도록 선택될 수 있다. 따라서, 방지층은 본 발명의 다른 실시예에 따라 베이스 재료 자체에 의해 베이스 재료의 표면 상에 형성된다. 예를 들어, 니켈 또는 구리계 초합금이 성공적으로 사용될 수 있다. 이들 합금은 산화 및 부식에 내성적인 재료이며, 가열시 안정한 페시베이팅 산화물 층이 형성되어 추가 공격으로부터 표면을 보호한다.
부분 로드 환경에서 본 발명에 따른 순산소 연소 순환 유동층 반응기 작동시, 본 발명은 재순환 가스의 도입에 독립적으로 산소 농후 가스가 도입된다는 사실을 기초로 유동화 속도를 보다 바람직하게 제어한다. 또한, 반응기 챔버 내로 가스를 도입하는 상술한 방식은 참조 번호 150으로 도시된 바와 같이 단계식 연소를 제공하기 위한 산소 농후 가스를 이후 추가 도입할 수 있음이 분명하다.
현재 가장 바람직한 실시예인 것으로 고려되는 바에 연계하여 예를 들어 본 명세서에 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않으며, 대신, 첨부된 청구범위에 규정된 바와 같은 본 발명의 범주 내에 포함된 특징의 다양한 조합 또는 변형과 다수의 다른 용례를 포함한다는 것을 이해하여야 한다. 임의의 실시예와 연계하여 상술된 세부사항은 기술적으로 가능하다면 다른 실시예에서 사용될 수 있다.
Claims (17)
- 순산소 연소 순환 유동층 반응기(oxycombustion circulating fluidized bed reactor)로서,
반응기 챔버(15)와, 상기 반응기 챔버 내로 가스를 도입하기 위해 상기 반응기 챔버의 하부 섹션에 제공된 가스 분배 장치(50)를 포함하고, 가스 분배기 장치는 상기 반응기 챔버 내로 산소 농후 가스를 도입하기 위해 제 1 가스 공급 시스템(70)과 제 2 가스 공급 시스템(75)을 포함하는, 순산소 연소 순환 유동층 반응기에 있어서,
상기 제 1 가스 공급 시스템(70)은 제 1 윈드 박스(wind box)(71)를 포함하고, 상기 제 2 가스 공급 시스템(75)은 제 2 윈드 박스(80)를 포함하며, 상기 제 1 윈드 박스는 상기 반응기 챔버와 공용 벽(77)을 갖고, 상기 제 1 윈드 박스 아래에 배열된 상기 제 2 윈드 박스는 제 1 윈드 박스와 공용 벽(76)을 갖고,
상기 반응기 챔버는 상기 반응기 챔버에서 일어난 반응에서 생성된 가스와 혼합된 유동화 입자(fluidized particle)를 분리하기 위한 입자 분리기(20)를 구비하고, 상기 입자 분리기는 가스 출구(gas outlet)(35)와 분리된 입자의 출구(30)를 구비하며, 상기 가스 출구는 재순환 도관(95)을 통해 상기 제 1 윈드 박스(71) 및 상기 제 2 윈드 박스(80)와 유동 연통하여 배열되고,
상기 재순환 도관(95)은 제 1 유동 제어 장치(108)를 구비한 도관(107)을 통해 제 1 가스 공급 시스템(70) 내의 제 1 혼합 요소(101)와 연결되며, 제 2 유동 제어 장치(112)를 구비한 도관(111)을 통해 제 2 가스 공급 시스템(75) 내의 제 2 혼합 요소(102)와 연결되고,
상기 가스 분배 장치는 산소 농후 가스의 소스(100)와 연결되며,
상기 산소 농후 가스의 소스(100)는 제 3 제어 밸브(104)를 구비한 도관(103)을 통해 상기 제 1 혼합 요소(101)와 연결되고, 제 4 제어 밸브(106)를 구비한 도관(105)을 통해 제 2 혼합 요소(102)와 연결되는 것을 특징으로 하는, 순산소 연소 순환 유동층 반응기. - 제 1항에 있어서, 상기 제 2 윈드 박스(80)의 표면은 상기 제 2 윈드 박스(80)에서 우세한 상승된 산소 함량의 가스의 환경에서 내화성 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는, 순산소 연소 순환 유동층 반응기.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 2 윈드 박스(80)는 내화성 재료로 라이닝된 그 내부 벽(135)을 갖는 것을 특징으로 하는, 순산소 연소 순환 유동층 반응기.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 2 윈드 박스(80)는 상기 제 2 윈드 박스(80)로부터 상기 제 1 윈드 박스(71)를 통해 상기 반응기 챔버(15)로 연장하는 복수의 도관(conduit)(140)을 통해 상기 반응기와 연결되는 것을 특징으로 하는, 순산소 연소 순환 유동층 반응기.
- 제 4항에 있어서, 상기 도관(140)은 분리 가능하게 배열되는 것을 특징으로 하는, 순산소 연소 순환 유동층 반응기.
- 반응기 챔버(15)와 상기 반응기 챔버의 하부 섹션에 제공된 가스 분배 장치(50)를 포함하는 순산소 연소 순환 유동층 반응기를 작동시키는 방법으로서,
가스가 상기 가스 분배 장치(50)를 통해 상기 반응기 챔버 내로 도입되고, 상기 가스 분배기 장치는 가스가 상기 반응기 챔버(15) 내로 도입되는 제 1 가스 공급 시스템(70)과 제 2 가스 공급 시스템(75)을 더 포함하는, 순산소 연소 순환 유동층 반응기를 작동시키는 방법에 있어서,
제 2 윈드 박스(80)를 통해 도입된 상기 산소 농후 가스가 제 1 윈드 박스(71)를 통해 상기 반응기 챔버 내로 연장하는 복수의 도관(140)을 통해 도입되는 방식으로, 상기 산소 농후 가스는 상기 제 1 가스 공급 시스템(70)의 제 1 윈드 박스(71)와, 상기 제 2 가스 공급 시스템(75)의 제 2 윈드 박스(80)를 통해 상기 반응기 챔버로 도입되며,
상기 반응기 챔버(15) 내로 도입된 가스는 재순환 가스를 포함하고, 상기 재순환 가스는 상기 제 1 가스 공급 시스템(70) 내로 제어 가능하게 도입된 스트림과 상기 제 2 가스 공급 시스템(75) 내로 제어 가능하게 도입된 스트림을 포함하는 스트림으로 분할되고, 상기 제 1 가스 공급 시스템(70)에서 상기 가스의 산소 함량이 제 1 산소 함량 이하가 되도록 산소 농후 가스는 상기 제 1 가스 공급 시스템(70)에서 재순환 가스의 스트림으로 도입되고, 상기 제 2 가스 공급 시스템(75)에서 상기 가스의 산소 함량이 상기 제 1 산소 함량 이상이 되도록 산소 농후 가스는 상기 제 2 가스 공급 시스템(75)에서 재순환 가스의 스트림으로 도입되는 것을 특징으로 하는, 순산소 연소 순환 유동층 반응기의 작동 방법. - 제6항에 있어서, 상기 제 1 산소 함량은 23 부피%를 초과하는 것을 특징으로 하는, 순산소 연소 순환 유동층 반응기의 작동 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 제 1 가스 공급 시스템에서 상기 가스의 산소 함량은 상기 제 2 가스 공급 시스템에서 상기 가스의 산소 함량보다 작은 것을 특징으로 하는, 순산소 연소 순환 유동층 반응기의 작동 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 제 2 가스 공급 시스템에서 상기 산소 농후 가스는 상기 제 2 윈드 박스(80)로 공급되고, 상기 반응기 챔버로부터의 열 유동을 거치며, 상기 열 유동은 상기 제 1 윈드 박스(71) 내의 가스를 가열함으로써 감소하는 것을 특징으로 하는, 순산소 연소 순환 유동층 반응기의 작동 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 제 2 윈드 박스(80) 내의 상기 산소 농후 가스는, 상기 제 1 윈드 박스(71)를 통해 상기 반응기 챔버로 연장되고 상기 제 1 윈드 박스(71)의 가스에 의해 동시에 가열되는 복수의 파이프(140)를 통해 도입되는 것을 특징으로 하는, 순산소 연소 순환 유동층 반응기의 작동 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 제 2 윈드 박스(80)에서 상기 산소 농후 가스의 온도는 상기 제 1 윈드 박스(71) 내의 가스의 온도보다 더 낮게 유지되는 것을 특징으로 하는, 순산소 연소 순환 유동층 반응기의 작동 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 제 1 산소 함량은 상기 가스 분배 장치 내에 존재하는 임의의 연소 가능 물질의 자체 점화 위험이 최소화되도록 조절되는 것을 특징으로 하는, 순산소 연소 순환 유동층 반응기의 작동 방법.
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