KR101553316B1 - 통합형 오염물 제어를 하는 산소-연료 연소 - Google Patents

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캐시 에이. 서머스
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Abstract

산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템은 연소 시스템 및 통합형 오염물 제거 시스템을 포함한다. 연소 시스템은 공기의 도입을 실질적으로 방지하도록 구성된 적어도 하나의 버너를 갖는 로를 포함한다. 산소 공급기는 21%를 초과하는 미리 결정된 순도로 산소를 공급하고, 탄소를 주원료로 한 연료 공급기는 탄소를 주원료로 한 연료를 공급한다. 산소 및 연료는 서로에 대해 제어된 비율로 로에 공급되고, 연소는 3000°F(약 1649℃)를 초과하는 불꽃 온도와, CO2 및 다른 가스를 함유하는 플루 가스 스트림을 생성하도록 제어된다. 플루 가스 스트림은 실질적으로 연소 생성 가스 혼합물을 함유한 비-연료 기반 질소를 갖지 않는다. 통합된 오염물 제거 시스템은 오염물이 있는 액체 스트림 및 스트립형 플루 가스 스트림을 생성하도록 플루 가스를 냉각액과 밀접하게 접촉하도록 하는 적어도 하나의 직접 접촉 열교환기와, 스트림으로서 스트립형 플루를 수용 및 압축하는 적어도 하나의 압축기를 포함한다.

Description

통합형 오염물 제어를 하는 산소-연료 연소{OXY-FUEL COMBUSTION WITH INTEGRATED POLLUTION CONTROL}
본 발명은 통합형 산소 연료 연소 및 오염 제어 시스템에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 연소 소스로부터의 방출물을 거의 0까지 효과적으로 감소시키기 위해 통합형 오염 제어를 갖는 산소-연료 연소 시스템에 관한 것이다.
산소-연료 연소 시스템은 종래 기술에 알려져 있다. 그러한 시스템은 본질적으로 화학량론 비율 근처에 그리고 높은 효율의 에너지 생성을 위한 높은 불꽃 온도에서 연료와의 연소를 위한 순수한 산소를 이용한다. 산소-연료 시스템은 전기 생성용 스팀을 생성하기 위한 보일러와, 알루미늄 재활용에서와 같이 재주조용 알루미늄을 용융하기 위한 산업 설비에서 사용된다. 또한, 산소-연료 연소가 폐기물 소각 뿐 아니라 다른 산업 및 환경 응용에 사용될 수 있음이 구상된다. 산소-연료 기술 및 이러한 기술을 위한 용도는 그로스의 미국 특허 번호 6,436,337, 6,596,220, 6,797,228 및 6,818,176에 기재되어 있으며, 이들 특허 모두는 본 출원에 공동으로 소유되고, 본 명세서에 참고용으로 병합되어 있다.
유리하게, 산소-연료 연소가 산소 소스로서 공기보다는 산소를 이용하기 때문에, 생성된 플루 가스(flue gas)에서의 감소가 수반된다. 더욱이, 연소가 수행되 어, NOx 연소 생성물은 거의 0이 되고, 거의 전적으로 연료-기반(fuel-borne) 질소로 인해 이루어진다. 즉, 공기가 아닌 산소가 산소 소스로서 사용되기 때문에, NOx의 형성에 기여하는 질소가 없고 매스 플로우(mass flow)가 적다.
산소-연료 연소가 연료에 효율적이고 감소된 방사 에너지 생성을 제공하더라도, 연소 공정 동안 생성되는 상당한 양의 방출물이 여전히 존재한다. 더욱이, 가스의 체적이 공기 대신 산소의 사용으로 인해 적기 때문에, 다른 오염물의 농도는 더 높아진다. 예를 들어, SOx의 질량 및 미립자 물질은 변하지 않지만, 그 농도는 감소된 전체 체적으로 인해 증가할 것이다.
오염 제어 또는 제거 시스템은 종래 기술에 알려져 있다. 이들 시스템은 예를 들어 미립자 물질, 황 함유 혼합물 및 수은 함유 혼합물을 제거하기 위해 침전기 및 세정기와 같은 플루 가스 및 하류 공정 기기 사이의 밀접한 접촉을 이용할 수 있다. 다른 시스템은 플루 가스 스트림으로부터 오염물을 제거하고 에너지를 복원하기 위해 오염물의 일련의 압축 스트리핑(stripping)을 이용한다. 그러한 시스템은 본 명세서에 참고용으로 병합된, Ochs의 미국 특허 번호 6,898,936에 기재되어 있다.
따라서, 통합형 오염 제거를 통해 낮은 플루 가스 체적을 생성하는 연소 시스템이 필요하다. 바람직하게, 그러한 시스템은 생성되는 나머지 오염물의 포착 및 감소된 오염물 생성과 연계하여 연료에 효과적인 에너지 생성을 제공하기 위해 알려진 연소 및 오염 제어 시스템을 이용한다.
통합형 산소 연료 연소 시스템 및 오염 제거 시스템은 플루 가스 체적을 감소시키고, NOx를 제거하고, 응축가능 가스를 포착한다. 상기 시스템은 공기의 도입을 실질적으로 방지하도록 구성되는 적어도 하나의 버너를 갖는 로(furnace)를 구비한 연소 시스템을 포함한다. 산소 공급기는 21%를 초과하는 미리 결정된 순도에 있는 산소를 공급하고, 탄소를 주원료로 한 연료 공급기는 탄소를 주원료로 한 연료를 공급한다. 산소 및 연료는 서로에 제어된 비율로 로에 공급된다. 연소는 3000°F(약 1649℃)를 초과하는 불꽃 온도와, CO2 및 다른 가스를 함유하고, 연소 생성 가스 혼합물을 함유한 비-연료 기반 질소를 실질적으로 갖지 않는 플루 가스 스트림을 생성하도록 제어된다.
오염물 제거 시스템은, 오염물을 가진 액체 스트림 및 스트립형 플루 가스 스트림을 생성하기 위해 플루 가스를 냉각 액체, 바람직하게 물과 밀접하게 접촉시키기 위한 적어도 하나의 직접 접촉 열 교환기를 포함한다. 상기 시스템은 스트립형 플루 가스 스트림을 수용 및 압축하기 위한 적어도 하나의 압축기를 포함한다.
바람직하게, 상기 시스템은 플루 가스를 냉각 및 압축시키기 위해 일련의 열 교환기 및 압축기를 포함한다. 플루 가스는 냉각 및 압축될 수 있으며, 스트립형 플루 가스 스트림은 비-응축가능 가스 및 응축가능 가스로 분리될 수 있다. 대부분 CO2인 응축가능 가스는 실질적으로 액체 상태로 응축되고, 격리될 수 있다. CO2는 부분적으로 재순환되어, 석탄과 같은 고체 연료를 로에 전달하게 된다.
오염물 제거와 통합된 산소-연료 연소 방법은, 적어도 하나의 버너를 갖고 공기의 도입을 실질적으로 방지하도록 구성된 로를 제공하는 단계를 포함하고, 21%를 초과하는 미리 결정된 순도에서 산소를 공급하는 산소 공급기를 제공하는 단계와, 탄소를 주원료로 한 연료를 공급하기 위한 탄소를 주원료로 한 연료 공급기를 제공하는 단계를 포함한다.
산소 및 탄소를 주원료로 한 연료 중 어느 하나 또는 양쪽 모두는 화학양론적 비율에 걸쳐 5% 미만에 한정되고, 연소는 3000°F(약 1649℃)를 초과하는 불꽃 온도와, CO2 및 다른 가스를 함유하고, 연소 생성 가스 혼합물을 함유한 비-연료 기반 질소를 실질적으로 갖지 않는 플루 가스 스트림을 생성하도록 제어된다.
오염물 제거 시스템은 압축기와의 일련 배치로 직접 접촉 열 교환기를 포함하여 제공된다. 플루 가스는 오염물을 가진 액체 스트림 및 스트립형 플루 가스 스트립을 생성하기 위해 열 교환기에서 냉각 액체, 바람직하게 물과 밀접하게 접촉하게 된다. 스트립형 플루 가스 스트립은 스트립형 플루 가스 스트립을 압축하기 위해 압축기에 공급된다.
바람직한 방법에서, 스트립형 플루 가스 스트립을 냉각시키고 냉각된 스트립형 플루 가스 스트립을 압축하는 단계 및, 압축되고 냉각된 스트립형 플루 가스 스트립을 격리시키는 단계가 수행된다.
본 발명의 이들 및 다른 특징 및 장점은 첨부된 청구항과 연계하여 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 이익 및 장점은 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면을 검토한 후에 당업자에게 더 쉽게 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 원리를 테스트하기 위해 조립되는 통합형 산소-연료 연소 및 오염물 제거 시스템을 도시한 흐름도.
본 발명이 다양한 형태로 실시예를 용인하지만, 도면에 도시되며, 본 개시가 본 발명의 예시로 고려되고, 본 발명을 예시된 특정 실시예에 한정하도록 의도된 것은 아니라는 것을 이해하면서 본 바람직한 실시예가 이후에 기재될 것이다. 본 명세서의 이러한 섹션의 명칭, 즉 "본 발명의 상세한 설명"은 미국 특허청의 요건에 관한 것이고, 본 명세서에 개시된 주제를 포함하거나 한정하도록 암시하지 않는다는 것이 추가로 이해되어야 한다.
그로스의 전술한 특허에 논의된 바와 같이, 산소-연료 연소 시스템은 본질적으로 효과적으로 환경적으로 불리하지 않은 방식으로, 불꽃 생성(즉, 연소)에 의해 열을 생성하기 위한 연료 소스와 조합하여 순수한 산소를 이용한다. 산화제에 의해 공급된 산소는 약 85% 내지 약 99+%의 농도로 사용될 수 있지만, 가능한 한 높은 산소 농도(즉, 산소 공급기 순도)를 갖는 것이 바람직하다.
그러한 시스템에서, 고순도 산소는 화학양론적 비율에서 연료 소스와 함께 로에서의 버너에 공급된다. 산소 및 연료는 점화되어, 연료에 저장된 에너지를 방출한다. 본 개시를 위해, 로에 대한 인용은 화석(탄소를 주원료로 한) 연료를 연소하는 임의의 산업적 또는 상업적인 열 생성기를 포함하도록 광범위하게 해석될 것 이다. 예를 들어, 전기적 전력 생성을 위한 수관-벽(water-tube-walled) 보일러, 및 산업상 응용을 위한 직접 폭발성(direct fired) 로는 산소-연료 연소 시스템을 이용하도록 구상된다. 바람직한 실시예에서, 산소 농도 또는 순도는 온실 가스 생성을 감소시키기 위해 실질적으로 가능한 한 높다.
본질적으로 임의의 연료 소스가 사용될 수 있다는 것이 구상된다. 예를 들어, 산소는 로에서의 연소를 위해 천연 가스와 함께 공급될 수 있다. 구상된 다른 연료 소스는, 정제되고 폐기된 오일을 포함하는 오일, 나무, 석탄, 석탄 가루, 폐물(쓰레기 폐기물), 동물 폐기물 및 제품 등을 포함한다. 당업자는 본 산소-연료 시스템과 함께 사용될 수 있는 무수한 연료 소스를 인식할 것이다.
연소를 위해 본질적으로 순수한 산소보다는, 산소를 공급하기 위해 산화제로서 공기를 사용하는 종래의 연소 공정과 비교하여, 산소-연료 시스템은 크게 감소되는 전체 흐름 처리량(throughput)을 갖는다. 공기의 산소 성분(약 21%)은 연소시 사용되는 한편, 나머지 성분(본질적으로 질소)은 가열되어 로로부터 배출된다. 더욱이, 본 공정은 연료에 화학양론적 비율로 산소를 이용한다. 즉, 충분한 산소만이 연료의 완전한 연소를 보장하도록 연료에 비례하여 공급된다. 따라서, 어떠한 "초과한" 산소는 연소 시스템에 공급되지 않는다.
산소-연료 연소 시스템을 이용하여 많은 장점 및 이점이 달성된다. 증가된 효율(또는 반대로 동등량의 전력을 생성하기 위한 감소된 연료 소비)과 별도로, 가스의 감소된 입력으로 인해, 플루 가스의 체적에서 크게 감소한다. 21% 산소인 공기와 순수한 산소를 사용하는 것 사이의 차이에 근거하여, 체적 측정(volumetric) 흐름율은 종래의 공기-공급 연소 시스템에 비해, 산소-연료 연소 시스템을 이용하야 약 1/5이다. 더욱이, 비-연소 관련 물질(예를 들어, 초과 산소 또는 질소)에 의해 흡수된 에너지가 없기 때문에, 기본 공정을 위해 더 많은 에너지가 이용가능하다.
유리하게, 감소된 가스 체적(이에 따라 플루 가스 체적)은 또한 열 전달을 위한 추가 기회를 제공하기 위해 로 또는 보일러에서 가스의 유지 시간을 증가시킨다.
전체 플루 가스 부피가 크게 감소하는 경우에, 다른 경우 이용가능하지 않거나 실용적이지 않은 크게 효과적인 하류 처리는 이제 대규모의 산업 및 전력 생성 설비에 이용될 수 있다.
따라서, 본 발명은, 미립자의 동반(entrainment) 및 SO2를 포함하는 다른 오염물의 분해 및 응축으로 H2O 및 CO2의 통합된 응축을 통해 다수의 오염물의 제거와 연계하여 산소-연료 연소를 이용한다. 그러한 오염물 제거 시스템 및 방법은 Ochs 등의 전술한 특허에 기재되어 있다.
하나의 공정으로의 오염물의 제거를 합병하는 것은 비용을 감소시키고 그러한 시스템의 동작에 대한 전력 요건을 감소시키는 능력을 갖는다. 산소 및 아르곤을 포함하는 비-응축가능 연소 생성물은 연소 생성물에 존재할 수 있다. 산소-연료 연소 시스템이 화학양론에 또는 그 근처에(바람직하게 화학양론의 5% 내에) 동작하더라도, 산소는 플루 가스에 존재할 수 있다. 아르곤은 공기 분리 공정에서 나올 수 있다(생성된 산소에 남아있음). 일부 상대적으로 적은 양의 질소는 또한 기본 공정 장비로의 연료-기반 또는 공기-내부 누출로서 존재할 수 있다.
H2O, CO2, SOx와 같은 응축가능 증기, 및 최소의 NOx는 연소 공정에서 생성되고, 응축을 위한 타깃이다. 본 발명에서 연소 생성물을 참조할 때, 이러한 응축가능 증기 및 비-응축가능 가스 뿐 아니라 미립자 및 다른 오염물이 존재한다는 것이 가정된다.
상기 시스템의 오염물 제어 부분은 또한 화석 연료 연소 챔버(예를 들어, 보일러, 로, 연소 터빈 등), 압축기, 터빈, 열 교환기, 및 산소 소스(공기 분리 유닛일 수 있음)를 갖는 화석 연료 발전소로부터 연소 생성물으로부터의 에너지의 교정 및 복구를 달성할 수 있다. 당업자는, 예를 들어 압축기에 대한 인용은 하나 이상의 압축기를 포함한다는 것을 이해하고 인식할 것이다.
화석 연료 발전소 연소 생성물은 산소 및 아르곤과 같은 비-응축가능 가스와; 수증기와 같은 응축가능 증기 및 SOx(다시 소수이지만, NOx)와 같은 산성 가스; CO2 및 미립자 및 수은과 같은 오염물을 포함할 수 있다. 오염물 제거 및 격리 공정은 응축가능 증기의 일부 또는 전부의 이슬점 아래의 온도/압력 연소로 연소 생성물을 냉각 및/또는 압축시킴으로써 연소 생성물의 온도 및/또는 압력을 변경하는 것을 포함한다.
이러한 공정은 분해되고 및/또는 동반된 일부 산성 가스를 갖는 액체를 응축하고, 및/또는 연소 생성물으로부터 산성 가스(CO2 및 SO2와 같은)를 직접 응축하도 록 수행된다. 추가로, 일부 오염물을 분해하여, 연소 생성물을 복원하는 것이 수행된다. 본 개시의 정황에서 분해는 동반 및/또는 분해를 의미한다.
이러한 공정은 응축가능 증기 및 산성 가스의 응축 및 분리로 하나 이상의 냉각 및/또는 압축 단계를 통해 반복된다. 잠열 및/또는 현 열 캡(heat cab)의 형태로 열의 복구가 또한 달성된다. 응축은, 부분적으로 조정된 플루 가스가 CO2, SO2, 및 H2O가 부족할 때까지 질량 및 온도를 감소시킴으로써 연속된 압축에 요구된 에너지를 감소시킨다. 그 후에 나머지 플루 가스는 배출구로 보내진다.
화석 연료는 전술한 임의의 것일 수 있다. 특정한 경우에, 오염물은 미세한 미립자 물질 및/또는 수은과 같은 중금속, 바나듐과 같은 다른 금속을 포함할 것이다.
본 발명은 또한 전력 생성 시스템이 실질적으로 효율에서 향상될 수 있도록 플루 가스 재순환 및 오염물 제거 동안 에너지 절감 기술을 적용하는 방법에 관한 것이다. 예를 들어, 에너지 복원 없이 부수적으로 중요한 분쇄 석탄(PC) 시스템의 경우에, 그 성능은 38.3% 열 효율(CO2 제거 없이 현대 시스템)로부터 20.0%(CO2 제거를 갖고 에너지 복원 없는 시스템)만큼 낮게 떨어질 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 시스템은, 에너지 복원이 모델 설계에 포함될 때 29.6%(CO2 제거로)에서 수행할 수 있다. 더 나은 효율이 달성된다는 것이 예측된다. 통합형 오염물 제어를 갖는 본 산소-연료 연소는 새로운 공사, 새로운 엔진 장착, 및 장치의 개장에 적용가능하다.
본 산소-연료 및 IPR 공정을 이용하는 예시적인 시스템에서, 아래의 표 1에 설명된 플루 가스가 예측된다. 플루 가스는 연소 영역 또는 로 영역으로부터 나오며, 여기서 그로스 미립자 제거를 위해 사이클론/백 하우스 또는 정전기 침전기를 통과한다. 연소 가스는 직접 접촉 열 교환기(DCHX)를 통과한다. 이러한 유닛에서, 플루 가스는 냉각기 액체와 접촉하게 된다. 이러한 냉각 단계는 증기가 응축되도록 한다. 이 단계는 또한 동반된 용융성 오염물 및 미세한 미립자를 분해하도록 한다.
제 1 열(column)을 나오는 가스는 이제 더 깨끗하고, 실질적으로 오염물이 없다. 이들 가스는 압축되고, 연속적인 DCHX 및 압축 단계로 진행할 수 있다. 최종 압축 및 열 교환 단계는 CO2로부터 산소, 아르곤 및 질소(최소의 양)를 분리하도록 사용된다. 또한, 수은 트랩은 대기로 방출하기 전에 수은 기체를 제거하는데 사용된다.
아래의 표 1은 종래의 공기 연료 연소 공정에 대한 본 발명의 산소-연료 연소 및 IPR 시스템의 비교로서 예상된 결과를 도시한다. 결과가 보여준 바와 같이, 처음에 플루 가스의 체적은 입력 스트림으로부터 질소의 제거로 인해 산소-연료 연소 시스템에서 적다. 본 시스템에서, IPR은 연속적인 압축 및 냉각 스테이지를 통해 부피 및 가스 흐름을 추가로 감소시키도록 한다. 플루 가스가 결합된 공정을 통해 진행할 때, 최종 제품은 격리를 위해 CO2가 포착된다.
[표 1]
종래의 석탄 발화 보일러로부터의 것과 IPR-처리 산소-연료 연소 생성물의 특성 및 조성물의 비교
종래에 절약 장치 후 산소 연료
배출		 첫 번째 압축 이후 두 번째 압축 이후 세 번째 압축 이후
가스 흐름(kg/hr) 1,716,395 686,985 364,367 354,854 353,630
부피 흐름
(m3/hr)		 1,932,442 826,995 72,623 15,944 661
입구 압력
(psia)		 14.62 15.51 62 264 1,500
입구 온도
(°F)		 270 800 342 323 88.2
밀도
(kg/m3)		 0.8882 0.8307 5.02 22.26 534.61
H2O(비율) 0.0832 0.33222 0.0695 0.00994 0.0004
Ar(비율) 0.0088 0.01152 0.0163 0.01730 0.0175
CO2(비율) 0.1368 0.61309 0.8662 0.92161 0.9305
N2(비율) 0.7342 0.00904 0.0128 0.01359 0.0137
O2(비율) 0.0350 0.02499 0.0353 0.03755 0.0379
SO2(비율) 0.0020 0.00913 0.0000 0.00000 0.0000
표 1의 데이터로부터 알 수 있듯이, 연소 생성물의 부피는 연속적인 압축 및 냉각 스테이지의 결과로서 크게 떨어진다. 그 결과는 CO2의 포착 및 후속적인 격리이며, 이것은 궁극적인 목적이다. 이에 따라 결과로서 나타나는 CO2는 저장될 수 있거나, 예를 들어 상업 또는 산업적 응용에 사용될 수 있다.
테스트 시스템(10)은 CO2 격리 및 오염물 제거와 연계하여 산소-연료 연소와 비교되는 실제 결과를 결정하도록 구성된다. 테스트 시스템의 개략도는 도 1에 도시된다. 시스템(10)은 석탄 공급부(14){캐리어 가스(16)로서 CO2를 갖는}를 갖는 산소-연료 연소기(12), 및 산소 공급부(18)를 포함한다. 석탄은 시간당 27lbs(pph)의 비율로 공급되어, 40pph의 비율로 CO2 및 52pph의 비율로 산소에 의해 운반된다. 시스템(10)이 상업 또는 산업적 시스템(예를 들어 전기 생성을 위한 상업용 보일러) 이 아닌 테스트 시스템인 경우에, 연소기(12)는 에너지/열 싱크의 역할을 하기 위해 냉각수로 냉각된다.
연소기 배기 가스(20)는 흐르고, 여기서 재(24에서와 같이)가 약 1pph의 비율로 제거된다(사이클론/백 하우스(22). 재의 제거(24)에 후속하여, 약 118 pph의 연소 가스는 약 300°F 미만인 배출 온도에서 플루 가스 스트림(26)에 남아있다.
그런 후에, 나머지 플루 가스(26)는 직접 접촉 열 교환기(28)(제 1 열 교환기)에 공급된다. 물(30으로 표시됨)은 고온 플루 가스 스트림(26)에 직접 분무된다. 냉각수는 고온의 수증기의 일부를 응축하고, 추가로 용융가능 오염물을 제거하고, 미립자 물질을 동반한다(32에서의 방출을 참조). 약 13 pph의 수증기는 제 1 열 교환기(28)에서 응축된다 - 나머지 플루 가스(34)가 약 105 pph의 비율로 존재한다.
제 1 열 교환기(28)로부터의 배출에 후속하여, 나머지 가스(34)는 제 1의 낮은 압력의 압축기(36)(주위 대기의 입구 압력)에 공급되고, 제곱 인치 게이지당(psig) 약 175lbs의 압력으로 압축기(36)를 빠져나간다. 압축 스테이지의 결과로서, 가스(38)의 온도는 증가한다. 그런 후에, 나머지 플루 가스는 제 2 직접 접촉 열 교환기(40)에 공급되며, 이러한 열 교환기(40)에서 플루 가스는 42에서와 같이 냉각수 스트림과 밀접하게 접촉하게 된다. 빠져나가는 스트림(44)은 추가적인 4 pph의 물에 대해 방출되어, 약 101 pph의 흐름율로 빠져나가는 배기 가스/플루 가스(44)를 갖는다.
제 2 열 교환기(40)에 후속하여, 가스(44)는 제 2 압축기(46)에서 약 250 psig에 추가로 압축된다. 제 2 압축 스테이지가 온도 증가를 초래하더라도, 제 3 열 교환 단계가 필요하지 않다는 것이 테스트 동안 결정된다. 그러나, 대규모 동작에서, 그러한 추가 열 교환/냉각 스테이지가 필요할 수 있다는 것이 인식될 것이다.
제 3 압축기(48)에서 제 3 압축 스테이지는 빠져나가는 가스 스트림(52)의 압력을 약 680 psig로 증가하기 위해 나머지 플루 가스(50) 상에서 수행된다. 다시, 가스의 온도가 증가하더라도, 활성 또는 직접 냉각은, 가스를 운반하는 배관 시스템을 통해 주변에 대한 손실이 가스의 온도를 감소시키는데 충분하다는 점에서 필요하지 않다는 것이 결정된다.
최종 압축기(52)에서, 가스의 최종 압축은 약 2000 psig의 가스의 압력을 증가시키기 위해 수행된다. 최종 압축 스테이지에 후속하여, 나머지 가스(56)는 열 교환기(58), 최종 열 교환기에 공급되고, 최종 열 교환기에서 스트림(56)의 온도는 가스의 이슬점 아래로 감소되어, 그 결과 가스의 응축이 시작된다. 사실상 액화 CO2(80 pph의 비율로)인 응축물(60에서와 같이)은 추출되어 격리된다. 본 경우에서, CO2는 병에 담겨져서 유지된다.
소량의 CO2를 포함한 비-응축가능 가스(62에서와 같이)는 수은 필터(64)를 통해 통과되고, 후속적으로 축적기(66)에 흘러 들어간다. 축적기(66)는 시스템 흐름율의 제어시 융통성을 제공한다. 축적기(66)로부터의 배기 가스(68)는 대기로 방출된다. 전체 시스템으로부터 안정 상태로 정상화된, 축적기(66)로부터의 흐름율은 약 21 pph이다.
전술한 예시적인 시스템(10)은 테스트 및 증명을 위한 것이고, 압축 및 냉각 스테이지의 개수 및 위치는 특정한 바람직한 설계 및/또는 결과를 수용하도록 변경될 수도 있음을 당업자는 인식할 것이다. 더욱이, 다양한 화학적 주입 지점(70), 필터(72), 바이패스(74) 등은 또한 시스템(10)에 병합되고, 이에 따라 그러한 모든 변경은 본 발명의 범주 및 사상 내에 있다.
IPR을 갖는 본 산소-연료 연소 시스템의 계획된 연료 절감 및 다른 증가된 효율은, 이러한 결합된 공정의 비용이 현재 연소 기술과 경쟁적인 것으로 예상된다. 추가적으로, 새로운 규제 요건의 전망은, 발전소 설계자가 단지 이 접근법 이면에 경제성만을 개선시키는데 기여하도록 하는 오염물을 제거하는데 사용된 종래의 접근법을 다시 찾도록 한다는 것이다.
많은 산업 및 전력 생성 응용에서 IPR을 갖는 산소-연료 연소 시스템의 이용이 동등한 전력 출력 또는 열 생성으로 감소된 연료 소비를 제공할 수 있다는 것이 인식될 것이다. 연료의 효율적인 사용(즉, 효율적인 연소)과 함께 감소된 연료 소비, 및 통합된 IPR은 전체 동작 비용에서의 상당한 감소, 및 다른 배기 가스/플루 가스의 감소되고 격리된 방출물을 제공한다.
산소를 생성하기 위해 현재 제안된 다양한 방법과 함께, 석탄, 천연 가스, 다양한 오일(가열 및 폐기 오일), 나무 및 다른 재활용 폐기물과 같이, 사용될 수 있는 다양한 산업용 연료로 인해, 당업자는 상업 및 산업 응용에 관해 본 연소 시스템의 막대한 잠재력을 인식할 것이다. 연료 선택은 이용가능성, 경제적인 요인 및 환경적 고려사항에 기초하여 이루어질 수 있다. 따라서, 하나의 연료가 지정되지 않고, 오히려 무수히 많이 지정되고, 사실상, 탄소를 주원료로 한 모든 연료가 본 시스템과 호환가능하다. 따라서, 통합형 IPR 시스템의 미립자 제거 스테이지는 변경될 수 있다.
산소-연료 버너(연소 시스템)을 위한 산소의 공급에 관해, 극저온 기술, 막 시스템, 흡수 유닛, 가수 분해 등과 같은 높은 순도 레벨에서 산소를 생성하기 위한 많은 허용가능한 기술이 존재한다. 그러한 연료 이용 및 산소 공급 모두가 본 발명의 범주 내에 있다.
일반적으로, 현재 또는 기존의 공기 연료 시스템에 비해 산소 연료 발화 연소의 이용은 많은 영역에서 상당한 장점을 제공한다. 첫 번째로는 연소 엔벨로프(envelope)에서 질소의 방해 없이 정밀한 화학량론 레벨에서 진행하는 능력이 있다. 이것은 연료 이용의 더 큰 효율을 허용하는 한편, 연소 응용에서 NOx 레벨을 크게 감소시키게 한다. 동일한 레벨의 에너지 출력에 도달하는데 상당히 적은 연료가 요구되고, 이것은 다시 전체 동작 비용을 감소시킨다. 동일한 전력 출력을 제공하는데 적은 연료를 이용할 때, 방출물에서의 자연적인 감소를 초래한다. 연료 절감 및 적은 방출물은 본 시스템에 의해 제공된 이익 중 2개에 불과하다. 통합형 오염물 제거(IPR) 시스템과 연계하여, 본 산소-연료 IPR 시스템은 알려진 시스템보다 훨씬 더 큰 레벨의 효율 및 오염물 제어를 제공한다.
연소기(예를 들어, 보일러)는 이들 시스템의 이익을 전부 이용하기 위해 통합형 IPR을 갖는 산소 연료 연소 시스템에 대해 설계될 것임이 예상된다. 또한, 기 존의 기기에 대한 개정 또는 변형은 또한 운영자(예를 들어 유틸리티) 및 환경 모두에 이러한 많은 이익을 제공할 것임이 예상된다.
본 개시에서, 단수 요소는 단수 및 복수 요소를 포함하도록 취해진다. 반대로, 복수 요소에 대한 임의의 참조 번호는 적절한 경우 단수 요소를 포함한다.
전술한 설명으로부터, 다수의 변형 및 변경이 본 발명의 새로운 개념의 진정한 사상 및 범주에서 벗어나지 않고도 달성될 수 있음이 관찰될 것이다. 예시된 특정 실시예에 대한 어떠한 한정도 의도되지 않거나 추론되지 않음이 이해될 것이다. 상기 개시는 첨부된 청구항에 의해 청구항의 범주 내에 있는 모든 그러한 변형을 포함하도록 의도된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 통합형 산소 연료 연소 및 오염 제어 시스템에 관한 것으로, 연소 소스로부터의 방출물을 거의 0까지 효과적으로 감소시키기 위해 통합형 오염 제어를 갖는 산소-연료 연소 시스템 등에 이용된다.

Claims (50)

  1. 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템으로서,
    연소 시스템으로서, 적어도 하나의 버너를 갖고 공기의 도입을 방지하도록 구성된 로(furnace)와, 21%를 초과하는 미리 결정된 순도에서 산소를 공급하는 산소 공급기와, 탄소를 주원료로 한 연료를 공급하는 탄소를 주원료로 한 연료 공급기와, 산소 및 탄소를 주원료로 한 연료를 서로에 대해 제어된 비율로 상기 로에 공급하는 수단과, 3000°F(1649℃)를 초과하는 불꽃 온도와, CO2 및 다른 가스를 함유하고, 연소 생성 가스 혼합물을 함유하는 비-연료 기반 질소를 갖지 않는 플루(flue) 가스 스트림을 생성하기 위해 탄소를 주원료로 한 연료의 연소를 제어하는 수단을 포함하는, 연소 시스템과;
    오염물 제거 시스템으로서, 오염물이 있는 액체 스트림 및 스트립형(stripped) 플루 가스 스트림을 생성하도록 플루 가스를 냉각액과 밀접하게 접촉하게 하는 적어도 하나의 직접 접촉 열 교환기와, 스트립형 플루 가스 스트림을 수용 및 압축하는 적어도 하나의 압축기를 포함하는, 오염물 제거 시스템을
    포함하고,
    상기 스트립형 플루 가스 스트림은 비-응축가능 가스 및 응축가능 가스로 분리되고,
    응축가능 가스는 비-응축가능 가스로부터 분리되고, 응축가능 가스 및 비-응축가능 가스는 상기 플루 가스 스트림으로부터 개별적으로 배출되는, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 냉각액은 물인, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 적어도 2개의 압축기를 포함하는, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, 상기 응축가능 가스는 액체 상태로 응축되는, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 액체 상태로 응축된 가스는 격리되는, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 액체 상태로 응축된 가스는 CO2를 포함하는, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 탄소를 주원료로 한 연료는 고체 연료이고, 스트립형 연료 가스 스트림은 부분적으로 재순환되어, 탄소를 주원료로 한 연료를 상기 로로 전달하는, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 스트립형 플루 가스 스트림은 CO2를 포함하는, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  10. 제 1항에 있어서, 복수의 열 교환기 및 압축기를 포함하고, 상기 적어도 2개의 열 교환기는 냉각수를 플루 가스 스트림과 밀접하게 접촉시키기 위한 직접 접촉 열 교환기이고, 적어도 하나의 압축기는 열 교환기 사이에서 스트립형 플루 가스 스트림을 압축시키기 위해 열 교환기 사이에 배치되는, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  11. 산소 연료 연소 시스템으로서,
    연소 시스템으로서, 외부 환경으로부터 내부 누출이 없는 제어된 환경을 갖고, 공기의 도입을 방지하도록 구성된 로와, 미리 결정된 순도를 갖는 산소를 공급하는 산화제 공급기와, 탄소를 주원료로 한 연료를 공급하는 탄소를 주원료로 한 연료 공급기를 구비하고, 화학량론 비율에 걸쳐 5% 미만까지 산소 또는 탄소를 주원료로 한 연료의 초과에 한정된 서로에 대한 화학량론 비율로 산소 및 탄소를 주원료로 한 연료를 상기 로에 공급하는 수단과, 산화제로부터 0의 질소-함유 연소 생성 가스 혼합물을 갖는, 로로부터의 플루 가스 스트림을 생성하기 위해 탄소를 주원료로 한 연료의 연소를 제어하는 수단을 포함하는, 연소 시스템과,
    오염물 제거 시스템으로서, 오염물이 있는 액체 스트림 및 스트립형 플루 가스 스트림을 생성하도록 플루 가스 스트림을 냉각수와 밀접하게 접촉하게 하는 적어도 하나의 직접 접촉 열 교환기와, 스트립형 플루 가스 스트림을 수용 및 압축하는 적어도 하나의 압축기를 포함하는, 오염물 제거 시스템을
    포함하고,
    상기 스트립형 플루 가스 스트림은 비-응축가능 가스 및 응축가능 가스로 분리되고,
    응축가능 가스는 비-응축가능 가스로부터 분리되고, 응축가능 가스 및 비-응축가능 가스는 상기 플루 가스 스트림으로부터 개별적으로 배출되는, 산소 연료 연소 시스템.
  12. 제 11항에 있어서, 적어도 2개의 열 교환기 및 적어도 2개의 압축기를 포함하는, 산소 연료 연소 시스템.
  13. 삭제
  14. 제 11항에 있어서, 상기 응축가능 가스는 액체 상태로 응축되는, 산소 연료 연소 시스템.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 액체 상태로 응축된 가스는 격리되는, 산소 연료 연소 시스템.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 액체 상태로 응축된 가스는 CO2를 포함하는, 산소 연료 연소 시스템.
  17. 제 11항에 있어서, 상기 탄소를 주원료로 한 연료는 고체 연료이고, 상기 스트립형 플루 가스 스트립은 부분적으로 재순환되어, 탄소를 주원료로 한 연료를 상기 로에 전달하는, 산소 연료 연소 시스템.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 탄소를 주원료로 한 연료는 석탄 또는 석탄과 다른 고체 연료의 혼합물인, 산소 연료 연소 시스템.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 스트립형 플루 가스 스트립은 CO2를 포함하는, 산소 연료 연소 시스템.
  20. 제 11항에 있어서, 복수의 열 교환기 및 압축기를 포함하고, 상기 적어도 2개의 열 교환기는 냉각수를 플루 가스 스트립에 밀접하게 접촉시키기 위한 직접 접촉 열 교환기이고, 적어도 하나의 압축기는 열 교환기 사이에서 스트립형 플루 가스 스트립을 압축하기 위해 열 교환기 사이에 배치되는, 산소 연료 연소 시스템.
  21. 연소 및 통합형 오염물 제거 방법으로서,
    적어도 하나의 버너를 갖고 공기의 도입을 방지하도록 구성된 로를 제공하는 단계와;
    21%를 초과하는 미리 결정된 순도에서 산소를 공급하는 산소 공급기를 제공하는 단계와;
    탄소를 주원료로 한 연료를 공급하는 탄소를 주원료로 한 연료 공급기를 제공하는 단계와;
    산소 또는 탄소를 주원료로 한 연료의 초과를 화학량론 비율에 걸쳐 5% 미만에 한정시키는 단계와;
    3000°F(1649℃)를 초과하는 불꽃 온도와, CO2 및 다른 가스를 함유하고, 연소 생성 가스 혼합물 함유 비-연료 기반 질소가 없는 플루 가스 스트림을 생성하기 위해, 탄소를 주원료로 한 연료의 연소를 제어하는 단계와;
    압축기와 일련의 배열로 직접 접촉 열 교환기를 포함하는 오염물 제거 시스템을 제공하는 단계와;
    스트립형 플루 가스 스트립을 압축하기 위해 스트립형 플루 가스 스트림을 압축기에 공급하여, 오염물이 없는 액체 스트림 및 스트립형 플루 가스 스트림을 제공하도록 플루 가스를 열 교환기에서 냉각액과 밀접하게 접촉하도록 하는 단계; 및
    상기 스트립형 플루 가스 스트림을 비-응축가능 가스 및 응축가능 가스로 분리하는 단계와;
    응축가능 가스를 비-응축가능 가스로부터 분리하는 단계와;
    응축가능 가스 및 비-응축가능 가스를 상기 플루 가스 스트림으로부터 개별적으로 배출하는 단계를 포함하는, 연소 및 통합형 오염물 제거 방법.
  22. 제 21항에 있어서, 냉각된 스트립형 플루 가스 스트림을 압축하는 스트립형 플루 가스 스트림을 냉각하는 단계를 포함하는, 연소 및 통합형 오염물 제거 방법.
  23. 제 22항에 있어서, 압축되고 냉각된 스트립형 플루 가스 스트림을 격리하는 단계를 포함하는, 연소 및 통합형 오염물 제거 방법.
  24. 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템으로서,
    연소 시스템으로서, 적어도 하나의 버너를 갖고 공기의 도입을 방지하도록 구성된 로와, 21%를 초과하는 미리 결정된 순도에서 산소를 공급하는 산소 공급기와, 탄소를 주원료로 한 연료를 공급하는 탄소를 주원료로 한 연료 공급기와, 산소 및 탄소를 주원료로 한 연료를 서로에 대해 제어된 비율로 상기 로에 공급하는 수단과, 원하는 불꽃 온도와, CO2 및 다른 가스를 함유하고, 연소 생성 가스 혼합물을 함유한 비-연료 기반 질소를 갖지 않는 플루 가스 스트림을 생성하기 위해, 탄소를 주원료로 한 연료의 연소를 제어하는 수단을 포함하는, 연소 시스템과;
    오염물 제거 시스템으로서, 오염물이 있는 액체 스트림 및 스트립형 플루 가스 스트림을 생성하도록 플루 가스를 냉각액과 밀접하게 접촉하게 하는 적어도 하나의 열 교환기와, 스트립형 플루 가스 스트림을 수용 및 압축하는 적어도 하나의 압축기를 포함하는, 오염물 제거 시스템을
    포함하고,
    상기 스트립형 플루 가스 스트림은 비-응축가능 가스 및 응축가능 가스로 분리되고,
    응축가능 가스는 비-응축가능 가스로부터 분리되고, 응축가능 가스 및 비-응축가능 가스는 상기 플루 가스 스트림으로부터 개별적으로 배출되는, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 냉각액은 물인, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  26. 제 25항에 있어서, 하나 이상의 열 교환기는 직접 접촉 열 교환기인, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  27. 제 25항에 있어서, 보일러 기반의 연소 시스템에서, 냉각액은 보일러 공급액인, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  28. 제 25항에 있어서, 상기 냉각액은 가열 공정에 사용하기 위해 순환되는, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  29. 제 24항에 있어서, 원하는 불꽃 온도는 3,000°F를 초과하는 온도인, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  30. 제 24항에 있어서, 적어도 하나의 압축기는 가스를 압축하기 위해 가스 압축 스테이지에 사용되고, 하나보다 많은 압축 스테이지가 있는, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  31. 제 24항에 있어서, 상기 열 교환기는 응축 스트림을 생성하기 위해 가스-액체 응축 스테이지에 사용되고, 하나보다 많은 응축 스테이지가 있는, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  32. 제 24항에 있어서, 스트립형 플루 가스는 액체를 생성하기 위해 압축되고 냉각되는, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  33. 제 32항에 있어서, 상기 생성된 액체는 CO2를 포함하는, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  34. 제 24항에 있어서, 상기 스트립형 플루 가스는 임계 초과(supercritical) 액체로 압축되는, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  35. 제 34항에 있어서, 상기 임계 초과 액체는 CO2를 포함하는, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  36. 제 24항에 있어서, 탄소를 주원료로 한 연료는 고체 연료인, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  37. 제 36항에 있어서, 상기 고체 연료는 석탄인, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  38. 제 37항에 있어서, 상기 고체 연료는 적어도 부분적으로 생물 자원(biomass)인, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  39. 제 37항에 있어서, 상기 플루 가스 스트림의 부분은 부분적으로 재순환되어, 탄소를 주원료로 한 연료를 상기 로에 전달하는, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  40. 제 24항에 있어서, 상기 플루 가스 스트림의 부분은 부분적으로 재순환되어, 대류 열 전달을 개선시키는, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  41. 제 24항에 있어서, 복수의 열 교환기 및 압축기를 포함하고, 적어도 하나의 열 교환기는 냉각수를 플루 가스 스트림에 밀접하게 접촉시키고 혼합하기 위한 직접 접촉 열 교환기이고, 적어도 하나의 압축기는 열 교환기 사이에서 스트립형 플루 가스 스트림을 압축하기 위해 열 교환기 사이에 배치되는, 산소 연료 통합형 오염물 제거 및 연소 시스템.
  42. 산소-화석 연료 연소 시스템으로서,
    연소 시스템으로서, 외부 환경으로부터 내부 누출이 없는 제어된 환경을 갖고 공기의 도입을 방지하도록 구성된 로와, 미리 결정된 순도를 갖는 산소를 공급하는 산화제 공급기와, 탄소를 주원료로 한 연료를 공급하는 탄소를 주원료로 한 연료 공급기와, 화학량론 비율에 걸쳐 5% 미만까지 산소 또는 탄소를 주원료로 한 연료의 초과에 한정된 서로에 대한 화학량론 비율에서 산소 및 탄소를 주원료로 한 연료를 상기 로에 공급하는 수단과, 탄소를 주원료로 한 연료를 공급하는데 도움을 주고 열 전달 특성을 향상시키는 연소 생성물의 재순환과, 산화제로부터 낮은 질소-함유 연소 생성 가스 혼합물을 갖는, 로로부터의 플루 가스 스트림을 생성하도록 탄소를 주원료로 한 연료의 연소를 제어하는 수단을 포함하는, 연소 시스템과;
    오염물 제거 시스템으로서, 연소 생성물에 있는 액체와 오염물의 일부를 제거한 오염물이 있는 액체 스트림 및 스트립형 플루 가스 스트림을 생성하도록 연소 생성물 스트림을 냉각액과 열 접촉하게 하는 적어도 하나의 직접 접촉 열 교환기와, 스트립형 플루 가스 스트림을 수용 및 압축하는 적어도 하나의 압축기를 포함하는, 오염물 제거 시스템을 포함하고,
    상기 스트립형 플루 가스 스트림은 비-응축가능 가스 및 응축가능 가스로 분리되고,
    응축가능 가스는 비-응축가능 가스로부터 분리되고, 응축가능 가스 및 비-응축가능 가스는 상기 플루 가스 스트림으로부터 개별적으로 배출되는, 산소-화석 연료 연소 시스템.
  43. 제 42항에 있어서, 적어도 2개의 열 교환기 및 2개의 압축 스테이지를 포함하는, 산소-화석 연료 연소 시스템.
  44. 제 42항에 있어서, 상기 플루 가스 스트림은 압축 및 냉각을 이용하여 2개의 성분으로 분리되며, 그 중 하나의 성분은 응축가능한 증기이고, 다른 하나는 비-응축가능 가스인, 산소-화석 연료 연소 시스템.
  45. 제 44항에 있어서, 상기 응축가능한 증기는 액체로 응축되는, 산소-화석 연료 연소 시스템.
  46. 제 44항에 있어서, 상기 응축가능한 증기는 임계 초과 액체 상태인, 산소-화석 연료 연소 시스템.
  47. 제 44항에 있어서, 상기 응축가능한 증기는 CO2를 포함하는, 산소-화석 연료 연소 시스템.
  48. 제 44항에 있어서, 상기 플루 가스 스트림은 보일러 공급액으로부터 응축을 이용하여 냉각되어 스트림을 냉각하여 응축을 허용하는, 산소-화석 연료 연소 시스템.
  49. 제 44항에 있어서, 상기 플루 가스 스트림은 분리 이전에 SO2를 제거하도록 화학 시약으로 처리되는, 산소-화석 연료 연소 시스템.
  50. 제 44항에 있어서, 응축가능한 가스 스트림은 분리 이전에 SO2를 제거하도록 화학 시약으로 처리되는, 산소-화석 연료 연소 시스템.
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