KR101648054B1 - 고온 및 고압에서 연료를 연소하는 장치 및 방법, 이에 관련된 시스템 및 장비 - Google Patents

고온 및 고압에서 연료를 연소하는 장치 및 방법, 이에 관련된 시스템 및 장비 Download PDF

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Abstract

탄소질 연료를 농축 산소 및 작동 유체와 혼합하여 연료 혼합물을 형성하는 혼합 장치를 구비하는 연소기 장치가 제공된다. 연소 챔버는 분출 부재에 의해 적어도 부분적으로 한정된다. 상기 분출 부재는 압력 유지 부재에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 상기 연소 챔버의 입구 부분은 연소 온도에서 연소되는 상기 연소 혼합물을 위해 상기 연소 혼합물을 수용한다. 상기 연소 챔버는 연소 생성 결과물을 출구 부분을 향해 안내한다. 상기 분출 부재는 상기 연소 생성물과 상기 분출 부재 사이의 상호 작용을 완충시키도록 그 내부를 통해 상기 연소 챔버를 향해 분출 물질을 안내한다. 연관된 시스템들, 장치들 및 방법들도 제공된다.

Description

고온 및 고압에서 연료를 연소하는 장치 및 방법, 이에 관련된 시스템 및 장비{APPARATUS AND METHOD FOR COMBUSTING A FUEL AT HIGH PRESSURE AND HIGH TEMPERATURE, AND ASSOCIATED SYSTEM AND DEVICE}
본 발명은 고온 및 고압에서 탄소질 연료를 산소와 함께 연소하여, 과잉의 산소와 함께 산화되거나 환원 요소들과 산소를 포함하지 않는 연소 생성물들을 생산하는 장치들 또는 방법들에 관한 것이다. 구체적인 예로는 연료의 고효율 연소를 통해서 발생된 에너지를 작동 유체를 이용한 전환을 통해서 전기와 같은 에너지를 발생하는 것일 수 있다. 상세하게는, 상기 장치들과 방법들은 이산화탄소 또는 증기를 작동 유체로 이용할 수 있다. 다른 관점에 있어서, 상기 장치들 및 방법들은 수소 및/또는 일산화탄소를 포함하는 가스를 발행하는데 이용될 수 있다.
비탄소(non-carbon) 전력 자원들이 개발되고, 적용되고 있지만, 화학 연료들이 향후 100년 동안 세계의 전력 수요의 대부분을 충당할 것으로 판단된다. 화석 연료들 및/또는 적절한 바이오매스(biomass)의 연소를 통해서 전력을 생산하는 알려진 방법들은, 그러나, 에너지 비용들의 증가와 이산화탄소(CO2)와 다른 배출물들의 발생의 증가로 어려움을 겪고 있다. 지구온난화는 선진국과 개발국의 탄소 배출량의 증가로 인한 잠재적으로 치명적인 결과로 보인다. 태양열 발전과 풍력 발전은 가까운 기간 내에 화석 연료의 연소를 대체할 수 없을 것으로 보이며, 원자력 발전은 확산과 핵폐기물 처리 양쪽에 관련된 위험이 있다.
화석 연료들과 적절한 바이오매스로부터 전력을 생산하는 종래의 방식은 이산화탄소를 격리 위치로 송출하기 위해서, 이산화탄소를 높은 압력에서 포획해야할 필요가 증가하고 있다. 현재 기술은 이산화탄소 포획과 관련된 최고의 설계라도 매우 낮은 열효율을 제공할 뿐이므로, 이것은 달성하기 힘든 목표이다. 또한, 이산화탄소 포획을 위한 자본비가 높으며, 따라서 대기 중으로 이산화탄소를 대출하는 시스템들과 비교하여 훨씬 높은 전기 비용이 발생할 수 있다. 따라서 감소된 이산화탄소 배출 및/또는 발생된 이산화탄소의 포획과 고정화의 향상된 용이성과 함께 높은 효율의 전력 생산을 위한 장치들 및 방법들에 관한 기술들에 대한 필요성이 증가하고 있다.
탄소 연료들의 옥시-연료 연소는 공기로부터 실질적으로 순순한 산소의 분리(또는 상기 연소 공정에서 사용하기 위한 실질적으로 순수한 산소를 제공함)하는 과정과 상기 산소를 연소 매체로 사용하여 실질적으로 질소를 포함하지 않고, 이산화탄소와 수증기로 구성된 연소 결과물들을 생산하는 과정을 포함한다. 현재 기술의 공기 및 옥시-연료 연소기들은 제한된 온도들 및 압력들에서 작동하여, 상기 연소기들의 벽들 및/또는 터빈 블레이드들과 같은 다른 시스템의 구성 요소들이 과잉-온도(excess-temperature) 손상을 받는 것을 방지한다. 상기 작동 온도 및/또는 압력을 제한하는 것은, 어떤 경우에는, 바람직하지 않게 상기 연소 공정을 연장하고/연장하거나, 상대적으로 넒은 연소 부피를 필요로 한다. 또한 연소 공정, 연소 설계 및/또는 하류 배기가스 처리 조항(provisions)도 또한 바람직하지 않게 상기 공정에 사용되는 연료의 종류에 의존한다. 또한 현재 기술에서 종래의 보일러(boiler) 시스템들에 적용되는 연소 가스들의 큰 부피들과 이들 가스들의 대기로의 배출 때문에, 배출 굴뚝 가스들로부터 오염물들을 제거하는 현재 방법들과 제안되는 옥시-연료 연소 시스템들은 상기 플랜트(plant)의 자세한 설계와 상기 플랜트 내에서 연소되는 연료들의 적확한 유형에 크게 의존한다. 각 유형의 연료는 대조적인 화학 조성과 오염물의 양을 가진다. 따라서 현재 기술은 불가피하게 각각의 플랜트의 연소 가스 스크러버 시스템들 또는 옥시-연료 연소 방법(combustion modification)은 특정 화학 성분을 가지는 특정 유형의 연료를 수용하기 위해서 특별히 맞춤 설계할 필요가 있다.
석탄에 대한 현재 기술은, 예를 들어, 수직 관형 벽들(tubular walls) 또는 나선형으로 구성된 관형 벽들을 구비한 매우 큰 단일 연소기에서 고압의 증기가 형성되고, 분리된 과열기 부분(superheater section)에서 과열된다. 대형 연소기는 상당한 열 손실을 경험하여, 일반적으로 상기 사용된 특정 석탄에 따라서 상기 연소 가스들 내의 석탄재, 슬래그 및 산화황(SOx), 염산(HCl), 산화질소(NOx) 등과 같은 부식성 물질로부터 상기 가열기들, 복사 및 대류 열 전달 표면들 및 다른 구성요소들의 오염뿐만 아니라 손상을 당한다. 그러한 예시적인 단점들에서 주기적인 간격으로 손상되거나 부식된 부품들 및/또는 다른 부품들을 교체하거나 교환하기 위해서 전체 플랜트를 중단시킬 필요가 있고, 이것은 상기 플랜트의 낮은 가용성과 가동 중단 시간 동안의 출력 손실을 보상하는데 어려움을 야기한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 탄소질 연료를 농축 산소 및 작동 유체와 혼합하여 연료 혼합물을 형성하는 혼합 장치를 구비하는 연소기 장치가 제공된다. 연소 챔버는 분출 부재에 의해 적어도 부분적으로 한정되며, 상기 분출 부재는 압력 유지 부재에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 상기 연소 챔버는 입구 구분과 대향하는 출구 부분을 포함하며, 상기 연소 챔버의 입구 부분은 연소 온도에서 상기 연료 혼합물을 연소시켜 연소 생성물을 형성하도록 상기 연소 챔버 내에서 연소되는 상기 연료 혼합물을 수용한다. 상기 연소 챔버는 상기 출구 부분을 향해 상기 연소 생성물을 안내한다. 상기 분출 부재는 상기 연소 생성물과 상기 분출 부재 사이의 상호 작용을 완충시키도록 그 내부를 통해 상기 연소 챔버를 향해 분출 물질을 안내한다. 또한, 상기 분출 물질은 상기 연소 챔버 내로 도입되어 상기 연소 생성물의 원하는 출구 온도를 구현할 수 있다.
다른 측면에 있어서, 본 발명에 따르면 연소 방법이 제공되며, 초기에 혼합 장치를 사용하여 탄소질 연료를 농축 산소 및 작동 유체와 혼합하여 연료 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 연료 혼합물은 분출 부재에 의해 한정되는 연소 챔버의 입구 부분에 상기 연료 혼합물을 수용되며, 상기 분출 부재는 압력 유지 부재에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 상기 연료 혼합물은 연소 온도에서 상기 연소 챔버 내에서 연소되어 연소 생성물을 형성하며, 그 후에 상기 연소 생성물은 상기 연소 챔버의 출구 부분을 향해 안내된다. 분출 물질은 상기 분출 부재를 통해 상기 연소 챔버를 향하여 안내되어, 상기 분출 물질이 상기 연소 생성물과 상기 분출 부재 사이의 상호 작용을 완충시킨다. 또한, 상기 분출 물질은 상기 연소 챔버 내로 도입되어 상기 연소 생성물의 원하는 출구 온도를 구현할 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 본 발명에 따르면 에너지 발생 시스템이 제공된다. 이러한 에너지 발생 시스템은 탄소질 연료를 농축 산소 및 작동 유체와 혼합하여 연료 혼합물을 형성하는 혼합 장치를 구비하는 연소기 장치를 포함한다. 연소 챔버는 분출 부재에 의해 적어도 부분적으로 한정되며, 상기 분출 부재는 압력 유지 부재에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 상기 연소 챔버는 입구 구분과 대향하는 출구 부분을 포함한다. 상기 연소 챔버의 입구 부분은 연소 온도에서 상기 연료 혼합물을 연소시켜 연소 생성물을 형성하도록 상기 연소 챔버 내부에서 연소되는 상기 연료 혼합물을 수용한다. 상기 연소 챔버는 상기 출구 부분을 향해 상기 연소 생성물을 안내한다. 상기 분출 부재는 상기 연소 생성물과 상기 분출 부재 사이의 상호 작용을 완충시키기 위해 그 내부를 통해 상기 연소 챔버를 향해 분출 물질을 안내한다. 또한, 상기 분출 물질은 상기 연소 챔버 내로 도입되어 성가 연소 생성물의 원하는 출구 온도를 구현할 수 있다. 에너지 변환 장치는 상기 연소 생성물을 수용하며, 상기 에너지 변환 장치가 상기 연소 생성물에 반응하여 그와 연관된 에너지를 운동 에너지로 변환시킨다.
또 다른 측면에 있어서, 본 발명에 따르면 고체 탄소질 연료를 연소시켜 연소 생성물을 형성하여 상기 고체 탄소질 연료 내의 불연성 원소들을 상기 연소 생성물 내에서 액화시키는 연소기 장치에 적용되는 분리기 장치가 제공된다. 이러한 분리기 장치는, 상기 연소 생성물과 연관된 상기 액화된 불연성 원소들을 수용하는 입구 원심 분리기 장치와 상기 액화된 불연성 원소들이 실질적으로 제거된 상기 연소 생성물을 배출하는 출구 원심 분리기 장치를 포함하는 복수의 직렬로 배열된 원심 분리기 장치들을 구비한다. 각 원심 분리기 장치는 나란히 동작 가능하게 배열된 복수의 원심 분리기 요소들을 포함하며, 각 원심 분리기 요소가 상기 연소 생성물로부터 상기 액화된 불연성 원소들의 적어도 일부를 제거하고 상기 액화된 불연성 원소들의 적어도 일부를 통으로 안내한다. 압력-유지 하우징은 상기 원심 분리기 장치들과 상기 통을 수용한다.
또 다른 측면에 있어서, 탄소질 연료(및/또는 탄화수소질 연료)의 산소 연소는 공기로부터 실질적으로 순수한 산소를 분리하는(또는 그렇지 않으면 이러한 실질적으로 순수 산소를 제공하는) 과정을 수반할 수 있으며, 실질적으로 질소를 함유하지 않고 이산화탄소 및 수증기를 포함하는 연소 생성물을 형성하는 연소 공정에 사용된다. 이탄화탄소가 풍부한 연소 생성물(냉각 및 물 응축 과정에 뒤따르는)은 향상된 오일 회수 또는 개선된 천연 가스 생산 또는 적절한 지리인 격리 사이트에 처리(압축 및 정제에 뒤따르는) 등과 같은 이후의 상업적 용도로 활용 가능할 수 있다. 고압에서의 산소 연소 발전 시스템의 가동으로 고온에서 생성되는 상기 연료로부터 이산화탄소를 유도할 수 있고, 이에 따라 이산화탄소의 가압에 요구되는 전력 절감을 감소시키거나 제거할 수 있다. 또한, 고압 가동으로 이산화탄소(CO2) 또는 증기와 같은 적절한 가열된 작동 유체에 혼합될 때 정제된 연소 생성물들이 발전 사이클에 직접 이용될 수 있다. 고압에서의 상기 발전 시스템의 가동으로 발전 사이클에서 체적 유체 유량을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 보다 작은 장비들과 낮은 자본비를 유도할 수 있다. 온도 조절을 위한 설비가 제공되는 고압 산소 연소기는 또 다른 주요한 측면이다. 분출-냉각되고 보호된 연소 챔버의 벽/공간을 통한 연소 생성물 가스 또는 이산화탄소 또는 액상의 물 또는 증기(재활용 증기로부터와 같이)와 같은 적절한 유체의 사이클은 연소 온도를 조절하는 데 기여할 수 있다. 상기 연소 챔버의 벽들을 통한 분출 유체의 흐름은 열 또는 재 또는 액체 슬러그 충돌 효과로 인한 챔버 벽들의 손상을 제거하거나 및/또는 챔버 벽들을 강화시킬 수 있다. 따라서 현재의 기술 보다 상당히 높은 효율성과 낮은 자본비로 구동할 수 있는 발전 시스템의 일부로서 다양한 요구 사항들을 만족시키도록 다양한 기체, 액체 또는 고체 연료들 또는 연료 혼합물들을 소각에 사용될 수 있는 효율적인 고압, 고온 연소기가 제공된다. 몇 가지 경우들에 있어서, 상기 연소기는 발전보다는 후속하는 요구들에 활용 가능하게 제작된 수소 및 일산화탄소를 포함하는 연소 생성물을 생성하도록 동작할 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 본 발명에 따르면, 예를 들면, 작동 유체로써 이산화탄소(CO2) 및/또는 물(H2O) 중에서 하나를 사용하는 발전 사이클과 결합되는 것과 같이 발전에 사용되는 고압, 고온, 고효율, 분출 유체로 보호되는 산소 연소기와 연관된 방법들 및 장치들이 제공된다. 이러한 용도에 있어서, 상기 연소기는 산화 모드로 구동될 수 있으며, 이에 따라 생성되는 연소 생성물들은 약 500ppm 내지 3 몰% 범위의 산소 농도와 약 50ppm 이하, 바람직하게는, 약 10ppm 이하의 일산화탄소 농도를 가진다. 다른 측면에 있어서, 상기 연소기는 환원 모드로 동작할 수 있으며, 이에 따라 생성되는 연소 생성물들은 거의 0에 가까운 산소 농도를 가지며, 상기 연소 생성물들은 일산화탄소(CO) 및 수소(H2) 농도를 가진다. 상기 환원 모드에서의 동작은 수소(H2)와 일산화탄소(CO)의 생성을 최대화하고, 산소(O2)의 소모를 최소화하도록 구성될 수 있다. 상기 환원 모드에서의 구동은 전력 생산 면에서 뿐만 아니라 수소(H2) 또는 수소(H2)＋일산화탄소(CO) 합성 가스의 생성에 유리할 수 있다. 구체적인 측면에 있어서, 구동 압력은 약 40bar 내지 약 500bar의 범위, 바람직하게는 적어도 80bar가 될 수 있고, 연소 생성물 온도는 일반적으로 약 1,300℃ 내지 약 3,500℃의 범위가 될 수 있다.
전력 생산을 수반하는 측면에 있어서, 작동 유체의 일부는 연소를 위해 연료 및 산화제(즉, 농축된 산소)와 함께 상기 연소기 내로 도입되어, 상기 작동 유체와 상기 연소 생성물을 포함하는 고압, 고온 유체 흐름(연소 생성물)이 생성된다. 상기 작동 유체는 상기 연소 챔버의 분출-보호된 벽들 및/또는 상기 연소 챔버에 대한 추가적인 주입 지점들을 통해 도입될 수 있다. 후속하여 연소 공정 및 분출을 통해 상기 연소 생성물들과 혼합되는 작동 유체는 터빈과 같은 발전 장치 내로 직접 도입되도록 적절한 범위(즉, 충분히 낮은)의 온도를 가질 수 있다. 이러한 경우들에 있어서, 상기 연소 생성물들에 대한 희석제로서 상기 연소 챔버 내로 도입되는 작동 유체의 총량은, 상기 전력 터빈의 입구 온도 및 압력을 동작시키기에 적합한 상기 연소기로부터 배출되는 전체 작동 유체의 흐름을 위한 출구 온도를 제공하도록 조절될 수 있다. 유리하게는, 상기 터빈 내에서의 팽창 동안 상기 유체 흐름이 상대적으로 고압으로 유지될 수 있으므로 상기 터빈을 가로지르는 압력 비율(즉, 상기 터빈의 출구에서의 압력에 대한 입구에서의 압력의 비율)이 약 12 이하가 된다. 또한, 상기 유체 흐름은 상기 유체 흐름이 성분들이 분리되도록 처리될 수 있고, 이러한 처리는 상기 유체 흐름을 열 교환기를 통과시키는 과정을 포함할 수 있다. 특히, 팽창된 유체 흐름(적어도 상기 유체 흐름으로부터 재활용될 수 있는 부분)은 동일한 열 교환기를 통과하여 상기 연소기 내로 도입되기 전에 고압의 작동 유체를 가열할 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 본 발명에 따르면, 낮은 자본비로 높은 효율의 전력을 생산할 수 있고 상업적 용도 또는 제거를 위한 파이프라인 압력에서 실질적으로 순수한 이산화탄소(CO2)를 생산할 수 있는 발전 시스템들을 위한 고압 산소 연소기가 제공된다. 또한 이산화탄소(CO2)는 상기 발전 시스템 내에서 재활용될 수 있다.
다른 측면들에 있어서, 개시된 연소 시스템들과 방법들은 폭넓게 다양한 연료 소스들을 사용하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따른 고효율 연소기는 기체(예를 들면, 천연 가스 또는 석탄 파생 가스), 액체(예를 들면, 탄화수소, 역청(bitumen)) 및/또는 고체(예를 들면, 석탄, 갈탄(lignite), 페트-코크스(pet-coke)) 연료들을 사용할 수 있다. 여기에 기재된 이외에도 조류(algae), 생물체(biomass) 또는 어떠한 다른 적합한 연소 가능한 유기 물질들과 같이 다른 연료들조차 사용될 수 있다.
다른 측면들에 있어서, 본 발명의 연소 방법들과 시스템들은, 파이프라인 압력에서 이산화탄소를 포획하는 발전 시스템들과 결합될 때, 상기 결합된 시스템이 이산화탄소의 포획을 제공하지 않는 현재 석탄-연소 스팀 사이클 발전소의 최고 효율을 넘을 수 있다는 점에서 유용할 수 있다. 상기 현재의 발전소는 역청탄(bituminous coal)을 사용하는 1.7인치 수은 콘덴서 압력(mercury condenser pressure)과 함께 기껏해야, 예를 들어, 약 45%의 효율(저발열량 기준)을 제공할 수 있다. 본 발명의 측면들은, 예를 들어, 200bar압력에서 이산화탄소를 송출하는 동안, 상기 효율을 넘을 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 본 발명은 유사한 연료를 사용하는 현재 기술들과 비교하여 전력 시스템의 상기 물리적 크기와 자본비를 감소할 수 있는 능력을 제공할 수 있다. 따라서 본 발명의 방법들과 시스템들은 전력 시스템들과 연관된 상당히 감소된 건설비용에 기여하거나 그렇지 않으면 가능하게 할 수 있고, 특정 시스템 조합의 상기 상당히 높은 효율은 화석 연료들의 사용량 감소뿐만 아니라 전기 또는 에너지 생산 비용의 감소를 유도할 수 있다.
일 측면에 있어서, 본 발명은 이산화탄소 및/또는 물과 같은 작동 유체의 사용을 포함하는 발전 방법에 관한 것이다. 다른 측면들에 있어서, 상기 방법은 가열되고 압축된 이산화탄소 및/또는 과열된 증기를 연료 연소기로 유입하는 단계를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 이산화탄소 및/또는 증기는 적어도 약 80bar 이상의 압력에서 작동하는 연소기로 유입될 수 있다. 상기 이산화탄소 및/또는 증기는 2개 또는 그 이상의 별도의 위치들에서 상기 연소기로 유입될 수 있다. 상기 이산화탄소 및/또는 물의 일부는 상기 산소 및 상기 고체, 액체, 기체 또는 초임계 상태의 연료와 혼합될 수 있어서, 상기 연소 챔버 내의 상기 연소 온도는 상기 연소기의 상기 원하는 설계값(design value)을 기반으로 결정될 수 있다.
상기 가열된 이산화탄소 및/또는 과열된 증기의 나머지는 그 후 상기 연소 챔버로 유입되어서, 상기 연소 생성물과 직접적으로 혼합됨으로써 상기 연소 생성물을 냉각시켜서, 약 500℃의 원하는 전체 출구 유체 스트림 온도를 달성하며, 이는 상기 발전 시스템에 의해서 요구될 수 있다. 그러한 조건들에 있어서, 상기 이산화탄소 및/또는 물은 85%의 몰 순도를 가지는 산소와 같은 산화제와 함께 상기 연료의 연소의 결과로 발생한 연소 가스들과 혼합되어서 상기 원하는 온도에서 이산화탄소 및/또는 물을 포함하는 유체 스트림을 형성할 수 있다. 예시적인 측면들에 있어서, 상기 출구 유체 스트림 온도는 약 1,000℃ 내지 약 1,600℃ 사이의 범위일 수 있다. 다른 측면들에 있어서, 상기 출구 유체 스트림은 터빈으로 팽창되어서 전력을 발생할 수 있다(즉, 상기 터빈으로 전해진 상기 에너지를 통해서 전기를 생산한다).
본 발명의 측면들에 있어서, 상기 연소기로 유입되기 전에 더욱 높은 온도로 상기 작동 유체를 가열하는 것은 유용할 수 있다. 예를 들어, 상기 이산화탄소 및/또는 물은 상기 연소기로 유입되기 전에 적어도 약 700℃의 온도로 가열될 수 있다. 다른 측면들에 있어서, 상기 이산화탄소 및/또는 물은 상기 연소기로 유입되기 전에 적어도 약 700℃ 내지 약 1,000℃ 사이의 온도로 가열될 수 있다. 다른 측면들에 있어서, 그러한 가열은 열 교환기를 이용하여 수행될 수 있다. 여기에 보다 상세하게 개시되는 바와 같이, 상술한 동일한 열 교환기는 상기 발전 터빈을 빠져나오는 상기 유체 스트림을 냉각하는데 이용될 수 있다.
유사하게는, 상기 연소기는 더 높은 온도에서 유용하게 작동되어서 발전 사이클에서 매우 높은 효율을 달성할 수 있는 작동 유체를 생산할 수 있다. 예를 들어, 상기 연소기 및 상기 작동 유체 이산화탄소 및/또는 물의 상기 유입된 부분은 적어도 약 200bar로 가압될 수 있다. 다른 측면들에 있어서, 상기 압력은 약 200bar 내지 약 400bar 사이일 수 있다.
본 발명의 측면들에 있어서, 상기 연소기로 유입된 상기 작동 유체들의 상기 부분은 실질적으로 순수한 이산화탄소의 재활용된 스트림일 수 있으므로, 상기 작동 유체 내의 모든 물 성분은 상기 연료로부터 비롯된다. 물론, 외부 소스로부터의 이산화탄소는 상기 작동 유체로 이용될 수 있다.
상기 연소기로부터 나가는 상기 유체 스트림은 상기 연료 또는 상기 연소 공정으로부터 나온 연소 생성물들과 같은 하나 또는 그 이상의 다른 요소들뿐만 아니라 상기 이산화탄소 및/또는 물 작동 유체를 포함할 수 있다. 상기 출구 유체 스트림은 물(H2O), 이산화황(SO2), 삼산화황(SO3), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 수은(Hg), 염산(HCl)과 같은 요소들에 더해서 약 300ppm과 약 3몰 퍼센트(%) 사이의 과잉 산소를 포함할 수 있다. 다른 측면들에 있어서, 상기 출구 유체 스트림은 적어도 다양한 양의 수소와 일산화탄소를 포함할 수 있으며, 실질적으로 산소를 포함하지 않을 수 있다.
상기 연소기는 상기 연료, 상기 산소, 상기 작동 유체의 일부분이 상기 연소기로 유입되면서 통과하는 입구 노즐 장치를 포함할 수 있으며, 그곳에서 전형적으로 설계 용량의 약 50% 내지 약 100% 사이의 원하는 연료 유량 범위에서 산화 또는 환원 모드에서 안정된 방식으로 연소가 개시되고, 발생한다.
본 발명의 측면들에 있어서, 상기 동작 압력은 약 150bar 이상일 수 있으며, 이러한 압력에서 상기 산소는 천연 가스와 같은 연료 및 이산화탄소 또는 탄화수소 증류액과 같은 액체와 함께 단일상 혼합물로 유입되어서 요구되는 단열 불꽃 온도(adiabatic flame temperature)를 달성할 수 있다. 만약 상기 높은 압력에서 상기 이산화탄소가 약 100℃ 이하의 온도라면, 상기 이산화탄소의 밀도는 파우더 석탄의 상당한 부분을 뒷받침하여 슬러리(slurry)를 형성하는데 이용될 수 있을 만큼 충분히 높으며, 상기 슬러리는 그 후 고압 펌프에 의해서 파이프 내에서 상기 요구되는 연소 압력 및 유량으로 펌핑되어 혼합 지점(mixing point)을 향하고, 그 곳에서 이산화탄소와 산소의 상기 초임계 혼합물이 추가되어서 상기 연소기 내에서 요구되는 단열 불꽃 온도를 달성한다. 상기 미리 혼합된 연료, 희석 이산화탄소와 산소는 바람직하게는 상기 시스템의 상기 자동-점화 온도보다 낮은 복합 온도여야 한다. 상기 이산화탄소 스트림의 온도는 상기 기준을 만족하도록 조절될 수 있다. 상기 입구 노즐은 분사판에 홀들의 어레이(array)를 구비할 수 있으며, 각각은 빠른 열 전달과 연소를 야기하는 유체의 미세한 분사를 생산할 것이고, 그에 따라 안정된 연소 구역을 형성한다. 홀 크기들은 직경이 약 0.5mm 내지 약 3mm일 수 있다.
상기 연소 챔버의 상기 벽들은 다공성 물질의 층으로 붙여져 있으며, 이를 통해서 상기 이산화탄소 및/또는 물 희석 스트림의 제2 부분이 안내되고 흐를 수 있다. 상기 다공성 분출막을 통과하며, 선택적으로 추가적인 프로비젼들(provisions)을 통과하는 유체의 상기 흐름은 약 500℃ 내지 약 2,000℃ 사이의 상기 요구되는 전체 출구 유체 스트림 출구 온도를 달성하도록 구성된다. 상기 흐름은 또한 상기 분출 부재를 형성하는 상기 물질의 최대 허용 작동 온도보다 낮은 온도로 상기 분출 부재를 냉각하는 역할을 할 수 있다. 상기 이산화탄소 및/또는 물 희석 스트림과 같은 상기 분출 물질은 또한 상기 벽들을 부식시키고, 오염시키며, 그렇지 않으면 손상시키는 상기 연료 내의 모든 액체 또는 고체 재 물질들(ashing materials) 또는 다른 오염 물질들의 충돌을 방지하는 역할을 할 수 있다. 이와 같은 경우들에 있어서, 적절한(낮은) 열전도성을 가지는 물질을 상기 분출 부재로 이용하여서, 입사 복사열이 상기 다공성 분출 부재를 통해서 반경 외부방향으로 전도될 수 있고, 그 후 상기 다공성 막 구조물의 상기 표면들로부터 상기 분출막을 반경 내부방향으로 통과하는 상기 유체로 향하는 대류성 열전달에 의해 차단될 수 있다. 전술한 구성은 상기 분출 부재를 통과하도록 안내되는 상기 희석 스트림의 상기 후속 부분을 약 500℃ 내지 약 1,000℃ 사이 범위의 온도로 가열되도록 할 수 있지만, 동시에 상기 다공성 분출 부재의 온도를 이를 위해서 사용된 상기 물질의 상기 설계 범위 내로 유지할 수 있다. 상기 다공성 분출 부재를 위한 적절한 물질들은, 예를 들면, 다공성 세라믹, 내열성 금속 섬유질 매트들(mats), 개구-형성된(hole-drilled) 원통형 부분들 및/또는 소결된 금속막들 또는 소결된 금속 파우더들을 포함할 수 있다. 상기 분출 부재의 제2 기능은 희석 분출 유체의 상기 연소기를 따라 길이 방향뿐만 아니라 실질적으로 고른 반경 내부방향 흐름을 보장하여, 상기 희석 스트림과 상기 연소 생성물 사이의 바람직한 혼합을 달성하게 하고, 상기 연소 챔버의 상기 길이를 따라서 고른 축 방향 흐름을 촉진한다. 상기 분출 부재의 제3 기능은 반경 내부 방향으로 희석 유체의 속도를 달성하여, 상기 연소 생성물들 내의 고체 및/또는 액체 재(ash) 입자들 또는 다른 오염 물질들이 상기 분출막의 상기 표면에 충돌하고, 막힘 또는 다른 손상을 야기하는 것을 완화하거나 그렇지 않으면 차단할 수 있다. 이러한 요소는, 예를 들면, 석탄과 같이 남은 비활성 불연성 잔류물을 가지는 연료를 연소할 때만 중요할 수 있다. 상기 분출 부재를 둘러싸는 상기 연소기 압력 용기(vessel)의 상기 내부 벽은 또한 상기 고온 제2 희석 스트림을 상기 연소기 내에 고립시키도록 차단될 수 있다.
불연성 잔류물과 함께 석탄 또는 다른 연료들은 물 내의 슬러리, 바람직하게는, 액체 이산화탄소 내의 슬러리로 상기 연소기에 유입될 수 있다. 상기 슬러리의 상기 액체 부분은 주위 온도 근처에서 상기 발전 사이클의 가장 낮은 압력에서 상기 발전 시스템을 빠져나갈 수 있다. 슬러리 입구 조건과 상기 가스 출구 조건 사이의 단위 몰당 엔탈피의 차이는, 상기 경우들에서, 물에 대해서 약 10kcal/gm-mol이고, 이산화탄소에 대해서 약 2.78kcal/gm-mol 정도일 수 있어서, 이산화탄소 슬러리 유체에 대해서 상당히 더 높은 효율을 제공할 수 있다. 미량의 추가 에너지가 이산화탄소를 상기 작동 유체로 이용하여 약 -30℃ 내지 약 10℃ 사이 범위의 온도를 가지는 액체 이산화탄소를 생산하는 고압 전력 사이클에 요구된다.
불연성 잔류물을 생산하는, 일반적으로 석탄과 같은 고체들인, 연료들의 상기 연소 온도는, 바람직하게는 약 1,800℃ 내지 약 3,000℃ 사이의 범위에 있다. 이러한 조건들에 있어서, 상기 재(ash) 또는 다른 요소들은 상기 슬러리 연료 공급원에서 상기 연료 입자들로부터 비롯된 액체 슬래그 액적들(droplets)의 형태일 수 있다. 이들 액체 슬래그 액적들은 상기 발전 터빈 또는 다른 하류 공정들의 오염을 막기 위해서 효율적으로 제거되어야 한다. 제거는, 예를 들면, 사이클론(cyclone) 분리기들, 충격 분리기들 또는 환형 구성 내에 배열된 그레이드형 리팩터리 입상 필터(graded refactory granular filter)의 베드들(beds), 또는 이들의 조합들을 사용하여 달성될 수 있다. 특정 측면들에서, 상기 액적들은 직렬의 사이클론 분리기들에 의해서 상기 고온 작동 유체 스트림으로부터 제거될 수 있다. 효율적 제거를 달성하기 위해서, 바람직하게 적어도 2개 그리고 바람직하게 3개의 사이클론 분리기들이 직렬로 있다. 상기 제거 효율은 많은 요소들에 의해서 향상될 수 있다. 예를 들어, 상기 제거 온도는 상기 슬래그 점도가 충분히 낮아서 상기 분리기들로부터 자유 배출 액체 슬래그를 제거할 수 있도록 조절될 수 있다. 때때로 상기 연소 온도와 상기 최종 출구 유체 스트림 온도 사이의 중간 온도에서 상기 슬래그 제거를 실행할 필요가 있다. 전술한 경우들에 있어서, 상기 최종 출구 유체 스트림 출구 온도는 상기 재활용된 작동 유체(상기 분출 물질)의 일부를 상기 슬래그 제거 시스템을 나가는 상기 유체 스트림과 직접적으로 혼합함으로써 달성될 수 있다. 상기 사이클론 분리기들의 직경은, 바람직하게는 상대적으로 작아야(즉, 직경이 약 20cm 내지 약 50cm 사이 범위) 하는 반면, 상기 슬래그 액적들의 상기 직경은 바람직한 분리 효율을 제공하도록 충분히 커야한다. 이와 같은 조건들은, 예를 들면, 상기 석탄 연료들을 분쇄하여, 직경 50마이크론 이상의 입자들의 비율을 높게 하여 달성될 수 있다. 상기 석탄은 바람직하게 평균 입자 직경이 약 50마이크론 내지 약 100마이크론 사이로 입자화되고, 이는 상기 출구 작동 유체 흐름 내에 존재하는 직경 10마이크론 이하의 슬래그 입자들의 비율이 최소가 되게 할 수 있다. 다른 경우들에 있어서, 상기 사이클론 분리기들에는 상기 터빈의 상류에 직접 배치된 입상 필터가 뒤따를 수 있다.
본 발명의 측면들에 있어서, 상기 시스템 내에서 연소 생성물들의 잔류 시간은 천연 가스에 대해서 0.2초 내지 2초 사이일 수 있고, 역청탄(bituminous coal)에 대해서 0.4초 내지 4초 사이일 수 있다.
상기 연소기를 나가는 상기 유체 스트림은 다양한 다른 성질들을 보일 수 있다. 예를 들어, 상기 유체 스트림은 산화(oxidizing) 유체를 포함할 수 있다. 그러므로 상기 유체 스트림은 산화제(예를 들어, 산소)의 추가에 의해서 빠르게 산화될(예를 들어, 연소됨) 수 있는 하나 또는 그 이상의 요소들을 포함할 수 있다. 다른 측면들에 있어서, 상기 유체 스트림은 수소, 일산화탄소, 메탄, 황화수소 및 이들의 조합에서 선택된 하나 또는 그 이상의 요소들을 포함하는 환원 유체일 수 있다. 상기 환원 모드에서 상기 시스템의 작동은 수소＋일산화탄소로 변환되는 연료의 비율이 증가하면서 상기 제2 희석물의 비율이 점진적으로 감소된다는 점을 제외하면 일반적으로 상기 산화 모드와 유사할 수 있다. 또한, 천연 가스의 경우 수소＋일산화탄소로 변환이 최대가 될 때, 연소 생성물들의 상기 평균 잔류 시간은 약 2.5초 내지 약 4.5초 사이의 범위로 점진적으로 증가되고, 역청탄의 경우 약 6초 내지 약 10조 사이의 범위로 증가될 필요가 있다.
상기 측면들과 다른 측면들은 상기 인정된 요구들을 다루며, 여기에서 자세히 다루지 않은 이점을 제공한다.
본 발명을 설명하기 위하여 참조 부호들이 인용된 첨부 도면들을 참조하며, 이러한 도면들은 본 발명의 개시 내용을 한정하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 단지 예시적인 것이다.
도 1은 본 발명의 측면들에 따른 분출-냉각된 연소기 장치의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 측면들에 따른 연소기 장치에서 분출 부재의 벽의 예시적인 단면의 개략적인 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 측면들에 따른 연소기 장치의 분출 부재 어셈블리를 위한 핫 핏 공정(hot fit process)을 개략적으로 나타내는 도면들이다.
도 4는 본 발명의 측면들에 따른 연소 생성 오염물 제거 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 측면들에 따른 재(ash) 입자들의 궤적을 평균 입자 크기 및 분출 유체 유량의 함수로 나타내는 개략적인 플롯(plot)이다.
도 6은 본 발명의 특정 측면에 따른 적응 가능한 에너지 발생 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명은 예시되는 본 발명의 측면들을, 그러나 모든 측면들을 나타내는 것은 아닌, 나타내는 도면들을 참조하여 여기에서부터 보다 상세하게 설명될 것이다. 실질적으로 본 발명은 많은 다른 형태들로 실시될 수 있으며, 여기에서의 기재에 의해서 한정되지 않아야 한다. 오히려, 이들 측면들이 제공되어서, 본 발명은 출원 가능한 법적 요건을 만족할 수 있을 것이다. 유사한 도면 번호는 유사한 구성 요소들을 나타낸다.
본 발명에 따른 고체 연료와 함께 작동할 수 있는 연소기 장치의 일 측면은 도 1에 개략적으로 도시되어 있고, 상기 연소기 장치는 일반적으로 참조 부호 220으로 나타내어진다. 예를 들어, 비록 다른 적합하고 연소 가능한 유기 물질을, 여기에서 개시된 바와 같이, 또한 연료로 이용할 수 있지만, 연소기 장치(220)는 석탄과 같은 미립자 고체(particulate solid)를 연소하여 연소 생성물을 형성하도록 구성될 수 있다. 연소 챔버(222)는 분출 부재(230)에 의해서 한정되며, 분출 부재(230)는 분출 유체가 분출 부재(230)를 통해서 연소 챔버(222)를 안내되도록 구성될 수 있다(즉, 분출 냉각을 촉진하고/촉진하거나 상기 연소 생성물과 분출 부재(230)사이의 상호 작용을 완충함). 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 분출 부재(230)가 실질적으로 원통형이여서, 입구 부분(222A)과 그에 대향하는 출구 부분(222B)을 구비하는 실질적으로 원통형 연소 챔버(222)를 한정하는 것을 인식할 수 있을 것이다. 분출 부재(230)는 압력 유지 부재(pressure contaminant member)(338)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸여 있을 수 있다. 연소 챔버(222)의 입구 부분(222A)은 혼합 장치로부터 연료 혼합물을 수용하도록 구성되었으며, 도면번호(250)로 나타내어질 수 있다. 본 발명의 측면들에 따르면, 상기 연료 혼합물은 특정 연소 온도에서 연소 챔버(222) 내에서 연소되어서 연소 생성물을 형성하고, 연소 챔버(222)는 또한 연소 생성물이 출구 부분(222B)을 향하도록 구성될 수 있다. 열 제거 장치(350)(예를 들면, 도 2 참조)는 압력 유지 부재(338)와 관련되며, 그 온도를 제어하도록 구성된다. 특정 경우에, 열 제거 장치(350)는 압력 유지 부재(338)에 대향하는 벽(336)에 의해서 적어도 부분적으로 한정되는 열전달 재킷(heat transfer jacket)을 구비할 수 있고, 액체는 그 사이에서 한정되는 물-순환 재킷들(water-circulating jackets) 내에서 순환될 수 있다. 일 측면에서, 순환되는 액체는 물일 수 있다.
혼합 장치(250)는 탄소질 연료(254)를 농축 산소(242) 및 작동 유체(236)와 혼합하여 연료 혼합물(200)을 형성하도록 구성된다. 탄소질 연료(254)는 고체 탄소질 연료, 액체 탄소질 연료 및/또는 기체 탄소질 연료의 형태로 제공될 수 있다. 농축 산소(242)는 적어도 약 85% 정도의 몰 순도를 가지는 산소일 수 있다. 농축 산소(242)는, 예를 들어, 기술 분야에서 알려진 임의의 공기 분리 시스템/기술, 예를 들면, 극저온 공기 분리 공정(cryogenic air separation process) 또는 고온 이온 수송막 산소 분리 공정(high temperature ion transport membrane oxygen separation process)을 실행하여 제공될 수 있다. 작동 유체(236)는 이산화탄소 및/또는 물일 수 있다. 탄소질 연료(254)가 미분탄(powdered coal)과 같은 미립자 고체인 경우에, 혼합 장치(250)는 또한 미립자 고체 탄소질 연료(254A)를 유동화 물질(fluidizing substance)(255)과 혼합하도록 구성될 수 있다. 일 측면에 따르면, 미립자 고체 탄소질 연료(254A)는 약 50마이크론 내지 약 200마이크론의 평균 입자 사이즈를 가질 수 있다. 다른 측면에 따르면, 유동화 물질(255)은 물 및/또는 약 450㎏/m3 내지 약 1,100㎏/m3 정도의 밀도를 가지는 액체 이산화탄소(CO2)를 포함할 수 있다. 특히, 유동화 물질(255)과 미립자 고체 탄소질 연료(254A)가 함께 미립자 고체 탄소질 연료(254A)의 약 25 중량% 내지 약 55 중량%의 슬러리(250A)를 형성할 수 있다. 비록 도 2에 있어서, 산소(242)가 연소 챔버(222)에 주입되기 전에 연료(254) 및 작동 유체(236)와 혼합되도록 그려졌지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 다른 경우에, 필요 또는 요구에 따라서, 산소(242)가 분리되어서 연소 챔버(222)로 주입될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
혼합 장치(250)는, 다른 측면에 있어서, 예를 들면, 원통형 연소 챔버(222)의 입구 부분(222A)과 관련된 분출 부재(230)의 단부 벽(end wall)(223)에 대해서 배열된 이격된 분사 노즐들(도시되지 않음)의 어레이(array)일 수 있다. 상기 연료/연료 혼합물을 상기 방식으로 연소 챔버(222)에 분사하는 것은, 예를 들어, 복사(radiation)에 의한 분사된 연료 혼합물 입구 스트림(injected fuel mixture inlet stream)으로의 빠른 열전달을, 순차적으로 촉진할 수 있는 상기 분사된 연료 혼합물 입구 스트림의 넓은 표면적을 제공할 수 있다. 상기 분사된 연료 혼합물의 온도는 따라서 상기 연료(즉, 상기 석탄 입자들)의 점화 온도로 빠르게 상승하여, 콤팩트 연소(compact combustion)를 일으킨다. 상기 연료 혼합물의 분사 속도는, 비록 이들 값들이 상기 특정 분사 노즐들의 상기 구성과 같은 많은 요소들에 의존하지만, 예를 들어, 약 10m/sec 내지 약 40m/sec의 범위 내에 있을 수 있다. 그러한 분사 장치는 많은 다른 형태들을 취할 수 있다. 예를 들어, 상기 분사 장치는, 예를 들어, 약 0.5mm 내지 약 3mm 사이의 범위에 있는 홀들의 어레이를 구비할 수 있으며, 상기연료 분사는 상기 홀들을 통해서 약 10m/s 내지 약 40m/s의 속도로 분사될 수 있다.
도 2에 보다 상세하게 도시된 바와 같이, 연소 챔버(222)는 분출 부재(230)에 의해서 한정되며, 분출 부재(230)는 적어도 일부가 압력 유지 부재(338)에 의해서 둘러싸여 있을 수 있다. 어떤 경우, 압력 유지 부재(338)는 또한 적어도 부분적으로 열전달 재킷(336)에 의해서 둘러싸여 있을 수 있고, 열전달 재킷(336)은 압력 유지 부재(338)와 함께 그 사이에 있는 하나 또는 그 이상의 채널들(337)을 한정하여, 채널들(337)을 통해서 저압 수분 증기가 순환될 수 있다. 증발 메커니즘을 통해서, 상기 순환되는 물은 압력 유지 부재(338)의 선택된 온도를, 예를 들어, 약 100℃ 내지 약 250℃의 범위 내에서 조절 및/또는 유지될 수 있다. 다른 측면들에서, 단열층(339)은 분출 부재(230)와 압력 유지 부재(338) 사이에 배치될 수 있다.
다른 경우들에 있어서, 분출 부재(230)는, 예를 들어, 외부 분출 부재(331)와 내부 분출 부재(332)를 포함하고, 내부 분출 부재(332)는 압력 유지 부재(338)로부터 외부 분출 부재(331)에 대향하도록 배치되며 연소 챔버(222)를 한정할 수 있다. 외부 분출 부재(331)는, 예를 들어, 스테인리스 스틸 및 니켈 합금들을 포함하는 철강 합금 및 철과 같은 어떤 적합한 높은 내열성 물질로 구성될 수 있다. 다른 경우들에 있어서, 외부 분출 부재(331)는 단열층(339)에 인접한 외부 분출 부재(331)의 표면으로부터 내부 분출 부재(332)에 인접한 외부 분출 부재(331)의 표면으로 연장되어 외부 분출 부재(331)를 관통하는 제1 분출 유체 공급 통로들(333A)을 한정하도록 구성될 수 있다. 제1 분출 유체 공급 통로들(333A)은, 다른 경우들에 있어서, 압력 유지 부재(338), 열전달 재킷(336) 및/또는 단열층(339)에 의해서 한정되는 제2 분출 유체 공급 통로들(333B)에 대응할 수 있다. 제1 및 제2 분출 유체 공급 통로들(333A 및 333B)은 따라서 분출 유체(210)가 관통하여 내부 분출 부재(332)를 향하도록 구성될 수 있다. 다른 경우들에서, 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 분출 유체(210)는 작동 유체(236)를 포함하여, 그와 관련된 동일한 소스로부터 얻을 수 있다. 제1 및 제2 분출 유체 공급 통로들(333A 및 333B)은, 필요에 따라, 분출 유체(즉, 이산화탄소)(210)를 충분한 압력에서 충분한 양으로 전달하기 위해서 단절(insulated)될 수 있으며, 분출 유체(210)는 내부 분출 부재(332)를 통과하여 연소 챔버(222)를 향하도록 한다. 여기에서 개시된 것처럼, 분출 부재(230)및 관련된 분출 유체(210)를 포함하는 장비들(measures)은, 여기에서 개시되지 않았지만, 연소기 장치(220)가 상대적으로 높은 압력과 상대적으로 높은 온도에서 작동할 수 있도록 한다.
이와 관련하여, 내부 분출 부재(332)는, 예를 들어, 다공성 세라믹 물질, 천공 물질, 라미네이트(laminate) 물질, 2차원에서 불규칙하게 배열되고 3차원에서 정렬된 섬유질들로 구성된 다공성 매트, 또는 다른 적합한 재료 또는 이들의 조합에 의해서 여기에서 개시된 내부 분출 부재(332)가 요구하는 특성들, 즉 내부 분출 부재(332)를 통해서 상기 분출 유체를 수용하고 안내하기 위한 복수의 유동 통로들(flow passages), 기공들 또는 다른 적합한 개구들(335)을 가지는 물질로 구성될 수 있다. 이러한 분출-냉각 시스템들에 적합한 다공성 세라믹 및 다른 물질들의 비한정적인 예들은 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 전이 강화(transformation-toughened) 지르코늄, 구리, 몰리브덴, 텅스텐, 구리-침투 텅스텐, 텅스텐-코팅 몰리브덴, 텅스텐-코팅 구리, 다양한 고온 니켈 합금들, 그리고 레늄-피복(rhenium-sheathed) 또는 코팅 물질들을 포함한다. 적합한 물질들의 공급처들은, 예를 들어, CoorsTek, Inc.(Golden, CO)(지르코늄), UltraMet Advanced Materials Solutions(Pacoima, CA)(내열 금속 코팅들), Orsam Sylvania (Danvers, MA)(텅스텐 / 구리) 및 MarkeTech International, Inc.(Port Townsend, WA)(텅스텐)을 포함한다. 이러한 분출-냉각 시스템들에 적합한 천공 물질들의 예들은 상기 상술한 모든 물질들과 공급자들을 포함한다(여기서 상기 천공 단부 구조물들은, 예를 들면, 최초에 비 다공성인 구조물에 상기 제조 기술 분야에서 알려진 방법들을 사용하여 천공을 형성하여 얻어질 수 있다). 적합한 라미네이트 물질들의 예들은 상기 상술한 모든 물질들과 공급자들을 포함한다(여기에서 상기 라미네이트 단부 구조물들은, 예를 들면, 비 다공성 또는 부분적으로 다공성 구조물들을 라미네이트하여, 상기 제조 기술 분야에서 알려진 방법들을 사용하여 원하는 단부 다공성을 달성하는 방식으로 얻을 수 있다).
도 3a 및 도 3b는 연소기 장치(220)의 일 측면을 나타내고, 연소 챔버(222)를 한정하는 상기 구조는 압력 유지 부재(338) 또는 압력 유지 부재(338) 및 분출 부재(230)사이에 배치된 단열층(339)과 같은 상기 주변 구조물과 분출 부재(230) 사이에서 핫 인터피어런스 피트(hot interference fit)를 통해서 형성될 수 있다. 예를 들어, 상대적으로 "차가울(cold)" 때, 분출 부재(230)는 둘러싸는 압력 유지 부재(338)에 비해서 반경 및/또는 축 방향으로 보다 작을 수 있다. 따라서 압력 유지 부재(338)에 삽입되었을 때, 반경 및/또는 축 방향 틈이 그 사이에 있을 수 있다(예를 들면, 도 3a 참조). 물론, 그러한 크기의 차이들은 분출 부재(230)의 압력 유지 부재(338)로의 삽입을 촉진할 수 있다. 하지만, 가열되었을 때, 예를 들어, 작동 온도로 가열되었을 때, 분출 부재(230)는 반경 및/또는 축 방향으로 팽창되어 상술한 틈들을 감소시키거나 제거하도록 구성될 수 있다. 그에 따라, 반경 및/또는 축 방향 인터피어런스 피트가 분출 부재(230) 및 압력 유지 부재(338) 사이에 형성될 수 있다. 외부 분출 부재(331) 및 내부 분출 부재(332)와 함께 분출 부재(230)를 고려할 경우, 그러한 인터피어런스 피트는 내부 분출 부재(332)를 압축하게 한다. 따라서 다공성 세라믹과 같은 적합한 높은 내열 취성 물질들(high temperature resistant brittle materials)이 내부 분출 부재(332)를 형성하는데 사용될 수 있다.
전술한 내부 분출 부재(332)의 구성에 따라서, 분출 물질(210)은, 예를 들어, 내부 분출 부재(332)를 통하여 안내되는 이산화탄소(즉, 작동 유체(236)와 동일한 소스로부터 나옴)를 구비할 수 있어서, 분출 물질(210)은 연소 챔버(222) 내에서 내부 분출 부재(232)에 직접 인접한 완충막 (231)(즉, "증기벽(vapor wall)")을 형성하며, 완충막(231)은 내부 분출 부재(332)와 상기 액화된 불연성 원소들 사이의 상호 작용을 완충시키고 상기 연소 생성물에 연관되어 가열하도록 구성될 수 있다. 즉, 다른 경우들에 있어서, 분출 유체(210)는, 예를 들면, 적어도 연소 챔버(222) 내의 압력에서 내부 분출 부재(332)를 통하여 송출될 수 있고, 연소 챔버(222)로 향하는 분출 유체(210)(즉, 이산화탄소 스트림)의 유량은 후속 하류 공정(subsequent downstream process)의 상기 입구 요구치(즉, 터빈은, 예를 들어, 약 1,225℃ 정도의 입구 온도를 요구할 수 있다)와 비교하여 충분한 온도에서 분출 유체(210)가 상기 연소 생성물들과 혼합되고, 상기 연소 생성물들을 냉각하여 출구 유체 혼합물(exit fluid mixture)을 형성하는데 충분하지만, 상기 출구 유체 혼합물은 상기 연료 내의 슬래그 액적들(slag droplets) 또는 다른 오염물들이 유체 또는 액체 상태를 유지하도록 충분히 높은 온도로 남는다. 상기 연료의 상기 불연성 원소들의 상기 액체 상태는, 예를 들어, 액체 상태에서, 바람직하게는 자유롭게 흐르며, 저점도 상태에서상기 연소 생성물로부터 그러한 오염물들의 분리를 촉진할 수 있으며, 상기 상태는 보다 덜 막히거나, 그렇지 않으면 그러한 분리를 위해서 구현된 어떤 제거 시스템에 손상을 줄 수 있다. 실제로, 이러한 요구들은 사용된 고체 탄소질 연료(즉, 석탄)의 종류 및 상기 연소 공정에서 형성된 상기 슬래그(slag)의 특정 성질들과 같은 다양한 요소들에 의존한다. 즉, 연소 챔버(222) 내의 상기 연소 온도는, 바람직하게는 상기 탄소질 연료 내의 어떤 불연성 원소들도 상기 연소 생성물 내에서 액화되도록 하는 온도이다.
본 발명의 측면들에 있어서, 다공성 내부 분출 부재(332)는 상기 분출 유체가 반경 내부 방향으로 연소 챔버(222)를 향해 안내하도록 구성되어서, 연소 챔버(222)(예를 들어, 도2 참조)를 한정하는 내부 분출 부재(332)의 상기 표면에 대해서, 유체 방벽(fluid barrier wall) 또는 완충막(231)을 형성하도록 한다. 내부 분출 부재(332)의 상기 표면은 또한 연소 생성물에 의해서 가열될 수 있다. 따라서 다공성 내부 분출 부재(332)는 적절한 열전도도를 가져서 내부 분출 부재(332)를 통과하는 분출 유체(210)가 가열되도록 구성되며, 반면에 다공성 내부 분출 부재(332)는 동시에 냉각되어서, 연소 챔버(222)를 한정하는 내부 분출 부재(332)의 상기 표면의 온도가 상기 최고 연소 온도의 상기 부분에서, 예를 들어, 약 1,000℃ 정도가 된다. 분출 유체(210)와 내부 분출 부재(332)에 의해서 함께 형성된 상기 유체 방벽 또는 완충막(231)은 내부 분출 부재(332)와 상기 고온 연소 생성물들 및 상기 슬래그 또는 다른 오염 입자들 사이의 상호 작용을 완충시켜서, 내부 분출 부재(332)를 접촉, 오염, 또는 다른 손상으로부터 보호한다. 또한, 분출 유체(210)는 내부 분출 부재(332)를 통해서 연소 챔버(222)로 유입되어서, 약 500℃ 내지 약 2,000℃ 정도의 온도에서 연소 챔버(222)의 출구 부분(222B)에 대해 분출 유체(210)와 상기 연소 생성물의 출구 혼합물이 조절된다.
다른 측면들에 의하면, 여기에서 개시된 것처럼 연소기 장치(220) 내에서 구현되는데 적합한 분출 유체(210)는 내부 분출 부재(322)를 통해서 충분한 양의 유량과 압력으로 제공되어 상기 유체 방벽/완충막(231)을 형성할 수 있고, 상기 연소 생성물들을 희석하여 상기 작동 유체/연소 생성물 출구 스트림의 적합한 최종 출구 온도를 형성할 수 있는 어떤 적절한 유체를 포함할 수 있다. 다른 측면들에 있어서, 이산화탄소(CO2)는 그에 의해서 형성된 유체 방벽/완충막(231)이 바람직하게 가시광선 및 자외선(UV) 흡수 성질들뿐만 아니라 좋은 단열 성질들을 보인다는 점에서 적합한 분출 유체(210)일 수 있다. 만약 구현되는 경우, 이산화탄소는 초임계 유체로 이용된다. 적합한 분출 유체의 다른 예들은, 예를 들어, 물(H2O) 또는 하류 프로세스들(downstream processes)로부터 재활용된 냉각된 연소 생성물 가스들을 포함한다. 다른 연료들은 상기 연소기 장치의 시동하는 동안 분출 유체들로 이용되어서, 예를 들어, 동작하는 동안 이용되는 상기 연료 소스의 분사 이전에, 연소 챔버(222) 내에서 적절한 동작 온도들 및 압력들을 달성한다. 다른 연료들은 또한 상기 분사 유체로 이용되어서 연료 소스들 사이에서 전환하는 동안, 예를 들면, 상기 연료 소스로서 석탄으로부터 바이오매스로 전환할 때, 연소기 장치(220)의 상기 작동 온도들 및 압력들을 조정하거나 유지한다. 다른 측면들에서, 두 개 또는 그 이상의 분출 유체들이 이용될 수 있다. 분출 유체(210)는 분출 유체(210)가 상기 유체 방벽/완충막(231)을 형성하는 연소 챔버(222)의 상기 온도 및 압력 조건들을 위해서 최적화될 수 있다.
따라서 본 발명의 측면들은 고효율 연료 연소기 장치(220) 및 관련된 작동 유체(236)의 사용을 통해서, 전기 전력과 같은 전력을 생산하는 장치들 및 방법들을 제공한다. 작동 유체(236)는 적절한 연료(254), 산화제(242), 및 효율적 연소를 위해서 또한 유용한 어떤 관련된 물질들과 함께 연소기 장치(220)로 유입된다. 특정 측면들에서, 상대적으로 높은 온도들(예를 들어, 약 1,300℃ 내지 약 3,500℃ 사이의 온도 범위)에서 작동하도록 구성된 연소기 장치(220)를 구현할 때, 작동 유체(236)는 연소기 장치(220)를 나오는 유체 스트림의 상기 온도의 완화를 촉진하여서, 상기 유체 스트림은 전력 생산의 목적으로 에너지를 추출하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 측면들에 있어서, 분출-냉각된 연소기 장치(220)는, 예를 들면, 대부분 이산화탄소(CO2) 및/또는 물(H2O)을 포함하는 순환되는 작동 유체(236)를 사용하여, 전력 생산 시스템 내에서 구현될 수 있다. 일 측면에 있어서, 연소기 장치(220)에 유입되는 작동 유체(236)는, 바람직하게는 실질적으로 이산화탄소만을 포함할 수 있다. 연소기 장치(220)에서, 산화 조건에서 동작하는 경우, 이산화탄소(CO2) 작동 유체(236)는 연료(254), 산화제(242) 및 상기 연료 연소 공정의 어떤 생성물들의 하나 또는 그 이상의 요소들과 혼합할 수 있다. 따라서 여기에서 출구 유체 스트림으로 정의되며, 연소기 장치(220)의 출구 부분(222B)을 향해 안내되고 연소기 장치(220)를 나가는 작동 유체(236)는, 도 1에서 도시된 바와 같이, 대부분의 이산화탄소(상기 작동 유체가 대부분 이산화탄소인 경우)와 물(H2O), 산소(O2), 질소(N2), 아르곤(Ar), 이산화황(SO2), 삼산화황(SO3), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 염산(HCl), 수은(Hg) 및 상기 연소 공정의 생성물들인(예를 들어, 재(ash) 또는 액화된 재(liquefied ash)와 같은 입자들 또는 오염물들) 다른 요소들과 같은 미량의 다른 물질들을 포함할 수 있다. 도 1에서 구성 요소 150을 참조하기 바란다. 환원(reducing) 조건들에서 연소기 장치(220)의 동작은 도 1의 구성 요소 175에서 도시된 것처럼, 이산화탄소(CO2), 물(H2O), 수소(H2), 일산화탄소(CO), 암모니아(NH3), 황화수소(H2S), COS, 염산(HCl), 질소(N2) 및 아르곤(Ar)을 포함하는 가능한 요소들의 다른 목록들과 함께 출구 유체 스트림을 발생시킨다. 여기서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 연소기 장치(220)와 관련된 상기 연소 공정은 상기 출구 유체 스트림의 상기 성질이 특정한 이득들을 제공할 수 있을 때, 산화물 또는 환원물일 수 있도록 조절될 수 있다.
특정 측면들에서, 연소기 장치(220)는, 예를 들어, 약 1,300℃ 내지 약 3,500℃의 온도 범위의 상대적으로 높은 동작 온도에서 연료(254)의 상대적으로 완전한 연소를 제공할 수 있는 고효율, 분출-냉각된 연소기 장치로 구성될 수 있다. 그러한 연소기 장치(220)는, 다른 경우들에 있어서, 하나 또는 그 이상의 냉각 유체들 및/또는 하나 또는 그 이상의 분출 유체들(210)을 구현할 수 있다. 연소기 장치(220)와 관련하여, 추가적인 구성 요소들이 또한 구현될 수 있다. 예를 들어, 공기 분리 기구(air separation unit)가 질소(N2)와 산소(O2)를 분리하는데 제공될 수 있고, 연료 분사 장치는 상기 공기 분리 기구로부터 산소(O2)를 수용하고, 이산화탄소(CO2) 및/또는 물(H2O)과 함께 상기 산소를 가스, 액체, 초임계 유체, 또는 고밀도 이산화탄소(CO2) 유체에 혼합된 고체 입자 연료를 포함하는 연료 스트림과 혼합하도록 제공될 수 있다.
다른 측면에 있어서, 분출-냉각된 연소기 장치(220)는 연소기 장치(220)의 연소 챔버(222)로 가압된 연료 스트림을 분사하기 위한 연료 분사기를 포함할 수 있고, 상기 연료 스트림은 가공된 탄소질 연료(254), 유체화 매체(255)(여기서 설명된 바와 같이, 작동 유체(236)를 포함할 수 있음) 및 산소(242)를 포함할 수 있다. 산소(농축됨)(242) 및 이산화탄소 작동 유체(236)는 균일 초임계 혼합물로 혼합될 수 있다. 존재하는 산소의 상기 양은 상기 연료를 연소하고, 원하는 조성을 가지는 연소 생성물들을 생산하는데 충분하다. 연소기 장치(220)는 또한 연소 챔버(222)를 한정하는 다공성 분출 부재(230)의 상기 벽들을 통해서 상기 연소 볼륨(volume)으로 유입된 분출 유체(210) 뿐만 아니라 상기 연료 스트림을 수용하기 위한 고압, 고온 연소 볼륨(volume)으로 구성된 연소 챔버(222)를 포함한다. 분출 유체(210)의 상기 공급량은 상기 연소기 장치 출구 부분/터빈 입구 부분 온도를 원하는 값으로 조절하고/조절하거나 분출 부재(230)를 형성하는 상기 물질이 견딜 수 있는 온도로 분출 부재(230)를 냉각하는데 이용된다. 분출 부재(230)를 통하여 안내되는 분출 유체(210)는 연소 챔버(222)를 한정하는 분출 부재(230)의 상기 표면에 유체/완충막을 제공하며, 상기 유체/완충막은 특정 연료 연소로부터 발생한 재(ash)의 입자들 또는 액체 슬래그(slag)가 분출 부재(230)의 상기 노출된 벽들과 상호 작용하는 것을 막는다.
고효율 연소기 장치의 측면들에 따르면, 또한, 예를 들어, 다양한 등급들과 유형들의 석탄, 목재, 석유, 연료 오일, 천연 가스, 석탄 기반 연료 가스, 타르 샌드로부터의 타르, 역청(bitumen), 바이오 연료, 바이오매스, 조류(algae), 및 등급이 나뉜(graded) 가연성 고체 폐기물을 포함하는 다양한 연료 소스들과 함께 작동하도록 구성될 수 있다. 특히, 석탄 파우더(powder) 또는 미립자 고체가 이용될 수 있다. 비록 연소기 장치(220)를 태우는 예시적인 석탄이 여기에 개시되어 있지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 연소기 장치(220)에서 사용되는 상기 연료가 특정한 등급의 석탄으로 제한되는 것이 아님을 알 수 있을 것이다. 또한, 여기에서 개시된 상기 산소-연료 연소기 장치에 의해서 유지되는 상기 고압들 및 고온들로 인해서, 석탄, 역청(타르샌드로부터 얻어진 역청을 포함), 타르, 아스팔트, 중고 타이어들, 연료 오일, 디젤, 가솔린, 제트 연료(JP-5, JP-4), 천연가스, 유기물(hydro-carbonaceous material)의 가스화 또는 열분해에서 얻어진 가스들, 에탄올, 고체 및 액체 바이오 연료들, 바이오매스, 조류, 그리고 가공된 고체 쓰레기 또는 폐기물을 포함하는 다양한 연료 유형들이 구현될 수 있다. 모든 상기 연료들이 적합하게 가공되어서 적절한 속도들과 연소 챔버(222) 내의 압력보다 높은 압력에서 연소 챔버(222)로 주입되도록 허용될 수 있다. 그러한 연료들은 주위 온도 또는 높은 온도(예를 들어, 약 38℃ 내지 약 425℃)에서 적절한 유동성 및 점도를 가지는 액체, 슬러리(slurry), 젤(gel), 또는 페이스트(paste) 형태일 수 있다. 어떤 고체 연료 물질들도 분쇄되거나 조각나거나 또는 그렇지 않으면 적절하게 입자 크기들을 줄이도록 가공된다. 유체화 또는 슬러리(slurrying) 매체(medium)가 필요에 따라서 추가되어서 적절한 형태를 달성하고, 고압 펌핑(pumping)을 위한 유량 요구들(flow requirements)을 만족시킨다. 물론, 상기 연료의 상기 형태(즉, 액체 또는 기체)에 따라서 유체화 매체는 불필요할 수 있다. 유사하게, 다른 측면들에서, 상기 순환되는 작동 유체는 상기 유체화 매체로 사용될 수 있다.
다른 측면들에 있어서, 연소 챔버(222)는 연소 온도를 약 1,300℃ 내지 약 3,500℃의 사이에서 유지하도록 구성된다. 연소 챔버(222)는 또한 상기 연료 스트림 (및 작동 유체(236))이 연소가 발생하는 압력보다 더 높은 압력에서 연소 챔버(222) 내로 분사되거나, 그렇지 않으면 유입될 수 있도록 구성될 수 있다. 석탄 미립자가 상기 탄소질 연료일 경우, 상기 석탄 입자들은 액체 이산화탄소 또는 물을 상기 분쇄 고체 연료와 혼합하여 형성된 초임계 이산화탄소 유체에 섞여서 펌프로 퍼낼 수 있는 슬러리(pumpable slurry)를 형성할 수 있다. 상기 경우들에서, 상기 액체 이산화탄소는 약 450㎏/m3 내지 약 100㎏/m3 사이의 범위의 밀도를 가지며, 고체 연료의 질량비는 약 25% 내지 약 55% 사이의 범위 일 수 있다. 선택적으로, 다량의 산소(O2)가 상기 석탄을 연소시켜서 원하는 조성을 가지는 상기 연소 생성물을 생산할 정도로 충분하게 상기 석탄/이산화탄소 슬러리와 혼합될 수 있다. 선택적으로, 상기 산소(O2)는 별도로 연소 챔버(222) 내에 분사될 수 있다. 연소기 장치(220)는 연소 챔버(222)를 한정하는 분출 부재(230)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 압력 유지 부재(238)를 포함할 수 있으며, 단열 부재(339)는 압력 유지 부재(338)와 분출 분재(230) 사이에 배치될 수 있다. 다른 경우들에서, 물-순환 재킷들(337)을 한정하는 재킷 물 냉각 시스템(jacketed water cooling system)과 같은 열 제거 장치(350)는 압력 유지 부재(338)에 연결될 수 있다(즉, 상기 연소기 장치(220)의 상기 "껍데기(shell)"을 형성하는 압력 유지 부재에 외부적으로 연결됨). 연소기 장치(220)의 분출 부재(230)와 함께 연결되어 구현되는 분출 유체(210)는, 예를 들어, 적은 약의 물(H2O) 및/또는 질소(N2) 또는 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스와 혼합된 이산화탄소(CO2)일 수 있다. 분출 부재(230)는, 예를 들어, 다공성 금속, 세라믹, 복합 매트릭스(composite matrix), 층을 가진 매니폴드(layered manifold), 다른 적합한 구조, 또는 이들의 조합일 수 있다. 다른 측면들에서, 연소 챔버(222) 내의 상기 연소는 고압 및 고온의 출구 유체 스트림을 생성할 수 있으며, 상기 출구 유체 스트림은 그와 비교하여 팽창을 위해서, 터빈과 같은 전력-생산 장치로 그 후에 안내될 수 있다.
도 1에 도시된 장치적인의 측면들에 있어서, 연소기 장치(220)는 약 355bar의 압력에서 산소(242)를 수용하도록 구성될 수 있다. 또한, 미립자 고체 연료(예를 들어, 파우더 석탄)(254)와 유체화 유체(예를 들어, 액체 이산화탄소)(255)는 또한 약 355bar 정도의 압력에서 수용될 수 있다. 유사하게, 작동 유체(예를 들어, 가열된, 고압, 가능한 재활용된, 이산화탄소(CO2) 유체)(236)는 약 355bar 정도의 압력과 약 835℃의 온도에서 제공될 수 있다. 본 발명의 측면들에 따르면, 하지만, 상기 연료 혼합물(연료, 유체화 유체, 산소, 및 작동 유체)은 약 40bar 내지 약 500bar 사이의 압력에서 연소 챔버(222)의 입구 부분(222A)에 수용될 수 있다. 여기에서 개시된 연소기 장치(220)에 의해서 구현된 상기 상대적으로 높은 압력들은 최소의 부피 내에 상대적으로 높은 강도로 그에 의해 생산된 상기 에너지를 집중시키는 역할을 수행하여, 본질적으로 상대적으로 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있다. 상기 상대적으로 높은 에너지 밀도는 이 에너지의 하류 공정(downstream processing)을 낮은 압력에서보다 더 효율적으로 수행될 수 있도록 하고, 따라서 상기 기술의 성공 요소(viability factor)를 제공할 수 있다. 본 발명의 측면들에 따라 현존하는 발전 장치들보다 단위가 높은(즉, 10배 내지 100배) 에너지 밀도를 제공할 수 있다. 상기 보다 높은 에너지 밀도는 상기 공정의 상기 효율을 증가시키고, 또한 상기 장비의 크기 및 질량, 그에 따른 상기 장치의 가격을 감소시켜서, 열에너지에서 전기로 상기 에너지 전환을 구현하는데 필요한 상기 장비의 가격을 감소시킬 수 있다.
구체화에 있어서, 상기 이산화탄소 삼중점 압력과 상기 이산화탄소임계 압력 사이에서 어떤 압력에서도 액체인 이산화탄소 유체화 유체(255)는 파우더(powdered) 석탄 연료(254)와 혼합되어, 질량비로 약 55%의 이산화탄소와 약 45%의 파우더 석탄 또는 다른 질량비를 가지는 혼합물을 형성하여, 상기 결과적인 슬러리는 적절한 펌프(유체 슬러리의)에 의해서 상기 약 355bar의 알려진 압력에서 연소 챔버(222)로 펌핑될 수 있다. 다른 측면들에 있어서, 상기 이산화탄소 및 파우더 석탄은 약 13bar의 압력에서 펌핑 전에 혼합될 수 있다. 산소 스트림(242)은 재활용 이산화탄소 작동 유체 스트림(236)과 혼합될 수 있고, 상기 조합은 그 후 상기 파우더 석탄/이산화탄소 슬러리와 혼합되어 단일 유체 혼합물을 형성할 수 있다. 상기 석탄에 대한 산소의 비율은 상기 석탄을 완전히 연소시킬 수 있는 산소의 약에 추가적으로 1%의 과잉 산소를 더한다. 다른 측면에서, 산소의 양은 상기 석탄의 일부가 실질적으로 완전하게 산화되고, 상기 석탄의 다른 부분은 오직 부분적으로 산화되어서, 환원 분위기이고 수소(H2)＋일산화탄소(CO)＋메탄(CH4)을 포함하는 유체 혼합물을 만들도록 선택된다. 그러한 방식으로, 필요 또는 요구에 따라서, 일부 산소(O2)의 분사와 제1 및 제2 단계들 사이의 재가열과 함께 상기 연소 생성물들의 2단계 팽창이 구현될 수 있다. 다른 측면들에서, 상기 연료 혼합물을 통해서 연소 챔버(222) 내에 있는 이산화탄소의 양은, 비록 상기 연소 온도가 약 1,300℃ 내지 약 3,500℃의 온도 범위 내에 있을 수 있지만, 약2,400℃의 연소 온도(단열의 또는 그 반대의)를 달성하는데 충분하도록 선택되어질 수 있다. 일 측면에 있어서, 산소(O2)＋석탄 슬러리＋가열된 재활용 이산화탄소(CO2)의 상기 연료 혼합물이 상기 연료 혼합물의 상기 자동-점화 온도보다 낮은 결과적인 온도에서 제공될 수 있다. 상기 표시된 조건들을 달성하기 위해서, 상기 고체 탄소질 연료(예를 들어, 석탄)는, 예를 들어, 석탄 분쇄기(coal mill)에서 상기 고체 석탄을 분쇄함으로써 바람직하게는 약 50마이크론 내지 약 200마이크론 사이의 평균 입자 크기로 제공될 수 있다. 그러한 분쇄 공정은 약 50마이크론 이하의 크기를 가지는 입자들이 최소 질량 비율을 가지도록 구성된 분쇄기 내에서 수행될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 연소 공정에서 액화되어서 상기 액체 슬래그 액적들을 형성하는 불연성 원소들은 지름이 약 10마이크론 이상일 수 있다. 다른 측면들에서, 약 400℃의 온도에서 상기 이산화탄소(CO2)＋산소(O2)＋파우더 석탄 슬러리를 포함하는 상기 연료 혼합물은 약 355bar의 압력에서 연소 챔버(222)를 향해 안내되며, 연소에서 연소 챔버(222) 내의 상기 전체 압력은 약 354bar일 수 있다. 연소 챔버(222) 내의 상기 온도는 약 1,300℃ 내지 약 3,500℃의 범위 내일 수 있으며, 바람직한 측면들에 있어서, 오직 단일 연소 단계가 구현될 수 있다.
연소기 장치(220)의 일예에 있어서, 여기에 개시된 바와 같이, 500MW 네트 전기 전력 시스템은 아래의 조건에서, 약 58%의 효율(저발열량(lower heating value) 기준)로 메탄(CH4) 연료와 함께 작동되도록 구성될 수 있음:
연소 압력: 305atm
연료 입력(fuel input): 862MW
연료 유량(fuel flow): 17.2㎏/second
산소 유량(oxygen flow): 69.5㎏/second
상기 메탄(CH4)과 산소(O2)는 약 155㎏/second의 이산화탄소 작동 유체와 혼합되고 연소되어서 2,400℃ 정도의 단열 온도에서 이산화탄소(CO2), 물(H2O) 및 일부 과잉 산소(O2)를 포함하는 출구 유체 스트림을 형성한다. 상기 연소 챔버는 약 1m의 내부 지름과 약 5m의 길이를 가질 수 있다. 약 395㎏/second의 이산화탄소의 유량은 약 600℃의 온도에서 약 2.5cm의 두께를 가지는 상기 분출 부재로 안내되고, 상기 분출 부재를 통하여 안내된다. 상기 이산화탄소(CO2)는 상기 분출 부재를 통해서 전도된 열로부터 대류방식으로 가열되며, 이는 상기 연소 챔버 내에서 상기 분출 부재로 향하는 상기 연소의 복사(radiation)로부터 비롯된다.
상기 연소 챔버를 한정하는 그 내부 표면에 대해서, 상기 분출 부재 표면 온도는 약 1,000℃ 일 수 있으며, 반면에 약 636.7㎏/second의 상기 출구 유체 스트림은 약 1,350℃의 온도일 수 있다. 그러한 경우들에서, 연소와 상기 연소 생성물들의 희석을 위한 상기 평균 잔류 시간은 약 1.25초이다. 또한, 상기 분출 유체가 상기 분출 부재를 통해서 상기 연소 챔버로 유입되는 평균 반경 내부방향 속도(average radially inward velocity)는 약 0.15m/s이다.
석탄-연료 연소기 장치의 상기 예시를 수정하는 것은 연소와 희석을 위한 상기 연소 생성물들의 상기 연소 챔버 내에서의 평균 잔류 시간 약 2.0초와 약 8m의 연소 챔버 길이, 약 1m의 연소 챔버 지름을 가지는 구성으로 결정된다. 이산화탄소를 상기 희석(분출) 유체로 사용하는 상기 시스템의 전체 효율은 따라서 약 54%(저발열량 기준)이다. 그러한 경우들에서, 상기 분출 유체의 반경 내부방향 속도는 약 0.07m/s일 수 있다. 그러한 조건들에서, 도 5는 약 50마이크론 지름의 액체 슬래그 입자가 약 50m/s의 속도로 반경 외부방향으로 약 1mm의 거리로부터 상기 분출 부재를 향해서 던져질 때의 가상적인 궤적을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 상기 입자는 상기 분출 부재를 통과하는 상기 분출 유체 흐름에 의해서 상기 출구 유체 흐름 스트림(exit fluid flow stream)으로 돌아가기 전에, 상기 분출 부재로부터 최소 0.19mm에 도달할 수 있다. 그러한 경우들에서, 상기 분출 부재를 통과한 상기 분출 유체 흐름은 상기 분출 부재와 상기 연소 공정의 결과로 발생한 액체 슬래그 입자들의 상호 작용을 효과적으로 완충시킬 수 있다.
상기 개시된 연소기 장치의 측면들은 관련된 방법들을 이용하여 적절한 전력 생산 시스템들을 구현하는 것이며, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이를 인식할 수 있을 것이다. 예를 들어, 그러한 전력 생산 시스템은 연료 (및 선택적으로 유체화 매체), 산화제 및 이산화탄소 작동 유체를 제공하는 하나 또는 그 이상의 분사기들 여기에서 개시된 것처럼, 상기 연료 혼합물을 연소하기 위한 적어도 하나의 연소 단계를 가지며, 출구 유체 스트림을 제공하는 분출-냉각 연소기 장치를 포함할 수 있다. 변환 장치(예를 들어, 도 6의 구성 요소 500 참조)는 상기 출구 유체 스트림(연소 생성물들 및 작동 유체)을 수용하도록 구성되고, 상기 출구 유체 스트림에 반응하여 그와 관련된 에너지를 운동에너지로 변환하며, 상기 변환 장치는, 예를 들어, 입구와 출구를 가지는 전력 생산 터빈일 수 있으며, 이때 상기 출구 유체 스트림이 팽창하면서 전력이 생산될 수 있다. 보다 자세히, 상기 터빈은 상기 출구 유체 스트림을 상기 입구와 상기 출구 사이에서 정해진 압력 비율로 유지하도록 구성될 수 있다. 발전기 장치(예를 들어, 도 6의 구성 요소 550 참조)는 또한 상기 터빈의 상기 운동 에너지를 전기로 변환하도록 제공될 수 있다. 즉, 상기 출구 유체 스트림이 고압으로부터 저압으로 팽창되어서 이후 전기 전력으로 변환될 수 있는 축 동력(shaft power)을 생산할 수 있다. 열 교환기는 상기 터빈 출구로부터의 상기 출구 유체 스트림을 냉각하고, 상기 연소기 장치에 유입되는 상기 이산화탄소 작동 유체를 가열하기 위해서 제공된다. 하나 또는 그 이상의 장비들이 상기 열 교환기를 떠나는 상기 출구 유체 스트림을 순수한 이산화탄소로 분리하는데 제공될 수 있고, 하나 또는 그 이상의 추가적인 구성 요소들이 회수 또는 처리를 위해서 제공될 수 있다. 그러한 시스템은 또한 상기 정제된 이산화탄소를 압축하고, 상기 출구 유체 스트림으로부터 분리된 적어도 일부의 상기 이산화탄소를 가압된 파이프라인으로 송출하기 위해 하나 또는 그 이상의 장비들을 포함하며, 반면에 상기 나머지 부분은 상기 열 교환기에 의해서 가열되는 상기 작동 유체로 재활용된다. 그러나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 비록 본 발명은 상기 출구 유체 스트림의 직접적인 구현을 포함하고 있지만, 다른 경우들에 있어서, 상기 상대적으로 고온의 출구 유체 스트림은 간접적으로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 즉, 상기 출구 유체 스트림은 열 교환기로 안내되고, 그와 관련된 상기 열에너지는 제2 작동 유체 스트림을 가열하는데 사용되며, 상기 가열된 제2 작동 유체 스트림은 이후 변환 장치(예를 들어, 터빈)로 안내되어 전력을 생산한다. 또한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 다른 많은 그러한 장치들이 또한 본 발명의 기술적 범위 내에 있음을 알 것이다.
본 발명의 측면들에 있어서, 상기 탄소 연료의 상기 조성에서 불연성 원소들(예를 들어, 오염물들)이 그 안에 포함될 수 있고, 상기 연소 공정에 따라오는 상기 연소 생성물들 / 출구 유체 스트림 내에 남아있을 수 있다. 이는 상기 탄소질 연료가 석탄과 같은 고체인 경우일 수 있다. 상기 측면들에 있어서, 상기 출구 유체 스트림의 직접적인 구현은, 만약 상기 출구 유체 스트림이 직접적으로 상기 변환 장치에 흘러간다면, 상기 후속 변환 장치(터빈) 상에 그러한 불연성 원소들의 축적(build-up) 또는 상기 변환 장치에 다른 손상을 일으킬 수 있다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 액체 또는 가스(즉, 천연 가스)와 같은 다른 형태들의 탄소질 연료가 적용될 때, 그러한 불연성 원소들이 필수적으로 존재하지 않는다는 것을 또한 인식할 수 있을 것이다. 따라서 고체 탄소질 연료 소스와 상기 출구 유체 스트림과 상기 변환 장치 사이에 직접적인 상호 작용을 구현하는 측면들에서, 상기 전력 시스템(연소기 장치 및 변환 장치)은 상기 연소기 장치와 상기 변환 장치 사이에 배치되는 분리기 장치를 더 포함할 수 있다. 그러한 경우들에 있어서, 상기 분리기 장치는 상기 연소 생성물/출구 유체 스트림이 상기 변환 장치를 향해 안내되기 전에, 상기 분리기 장치에 수용된 상기 연소 생성물/출구 유체 스트림으로부터 실질적으로 액체화된 불연성 원소들을 제거하도록 구성될 수 있다. 또한, 분리기 장치를 구현하는 측면들에서, 상기 개시된 분출 물질은 상기 분리기 장치의 상류(upstream) 및 하류(downstream) 양쪽으로 유입될 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 분출 물질은 먼저 상기 분리기 장치의 상류 및 상기 분출 부재를 통해서 상기 연소 챔버로 유입되어서, 상기 불연성 원소들의 액화 온도보다 높은 온도의 상기 분리기 장치로 유입되는 상기 연소 생성물과 상기 분출 물질의 혼합물을 조절할 수 있다. 상기 분리기 장치 이후에, 분출 물질 배출 장치(예를 들어, 도 6의 구성 요소 475 참조)는 상기 분출 물질을 상기 분리기 장치로부터 나가고, 상기 액화된 불연성 원소들이 실질적으로 제거된 상기 연소 생성물로 배출하도록 구성되어서, 약 500℃ 내지 약 2,000℃ 사이의 온도에서 상기 변환 장치로 유입되는 상기 연소 생성물 및 상기 분출 물질의 혼합물을 조절할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 연소기 장치의 측면들은 상기 연소 공정 동안 상기 고체 탄소질 연로 내의 상기 불연성 원소들이 액화될 수 있는 연소 온도에 도달할 능력(capability)을 가질 수 있다. 그러한 경우들에서, 상기 액화된 불연성 원소들을 제거하기 위한 프로비젼들(provisions)은, 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같은 사이클로닉(cyclonic) 분리기와 같은 분리기 장치(340)일 수 있다. 일반적으로, 본 발명에 의해 구현된 사이클로닉(cyclonic) 분리기의 측면들은 상기 연소 생성물/출구 유체 스트림 및 그와 관련된 상기 액화된 불연성 원소들을 수용하도록 구성된 입구 원심 분리기 장치(100A)와 액화된 불연성 원소가 실질적으로 제거된 상기 연소 생성물/출구 유체 스트림을 배출하도록 구성된 출구 원심 분리기 장치(100B)를 포함하는 복수의 직렬-배열된 원심 분리기 장치들(100)을 구비할 수 있다. 각 원심 분리기 장치(100)는 복수의 원심 분리기 요소들 또는 중심 수집 파이프(central collector pipe)(2)에 대해서 작동 가능하게 평행하게 배열된 사이클론들(cyclones)(1)을 포함하며, 각 원심 분리 요소/사이클론(2)은 상기 연소 생성물/출구 유체 스트림으로부터 적어도 일부의 상기 액화된 불연성 원소를 제거하고, 상기 액화된 불연성 원소의 상기 제거된 부분을 통(sump)(20)으로 안내하도록 구성된다. 그러한 분리기 장치(340)는 상승된 압력에서 작동할 수 있도록 구성될 수 있고, 또한 상기 원심 분리기 장치들과 상기 통을 수납하도록 구성된 압력-유지 하우징(pressure containing housing)(125)을 더 구비할 수 있다. 그러한 측면들에 따르면, 상기 압력-유지 하우징(125)은 상기 연소 장비(220)를 또한 둘러싸는 압력 유지 부재(338)의 연장일 수 있거나, 또는 압력-유지 하우징(125)은 상기 연소기 장치(220)와 관련된 상기 압력 유지 부재(338)를 연결할 수 있는 분리 부재일 수 있다. 어떤 경우에 있어서도, 상기 출구 유체 스트림을 통해 상기 분리기 장치(340)에 의해서 겪게 된 상기 높은(elevated) 온도 때문에, 압력-유지 하우징(125)은 또한 그 안에서 순환되는 액체(도시되지 않음)를 구비하고, 열을 제거하기 위해서 작동가능하게 연결된 열전달 재킷과 같은 열-분산 시스템을 포함할 수 있다. 다른 측면들에서 열회수 장치(도시되지 않음)는 상기 열전달 재킷과 작동가능하게 연결될 수 있으며, 상기 열회수 장치는 상기 열전달 재킷 내에서 순환되는 상기 액체를 수용하며, 상기 액체로부터 열에너지를 회수하도록 구성될 수 있다.
보다 상세하게는, 도 4에 도시된 상기 (슬래그 제거)분리기 장치(340)는 연소기 장치(220)에 대해서 그로부터 상기 출구 유체 스트림/연소 생성물들을 수용하기 위해서 상기 연소기 장치(220)의 출구 부분(222B)에 일렬로 배치되도록 구성된다. 상기 액체 슬러그(불연성 원소들) 액적들과 함께 연소기 장치(220)로부터 상기 분출-냉각된 출구 유체 스트림은 원뿔형 이음쇠(conical reducer)(10)를 통해서 입구 원심 분리기 장치(100A)의 중심 수집기 프로비젼(provision)(2A)에 유입되도록 안내된다. 일 측면에서, 분리기 장치(340)는 3개의 원심 분리기 장치들(100A, 100B 및 100C)을 포함할 수 있다(비록 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 분리기 장치는, 필요 또는 요구에 따라서, 1개, 2개, 3개, 또는 그 이상의 원심 분리기 장치들을 포함할 수 있음을 인식할 것이다). 이와 같은 경우, 일렬로 작동가능하게 배열된 3개의 원심 분리기 장치들(100A, 100B 및 100C)은 3단계의 사이클로닉 분리 유닛(unit)을 제공한다. 각 원심 분기기 장치는, 예를 들어, 상기 대응하는 중심 수집기 파이프(2)의 상기 둘레에 대해서 배열되는 복수의 원심 분리기 요소들(사이클론들(1))을 구비한다. 입구 원심 분리기 장치(100A) 및 중간(medial) 원심 분리기 장치(100C)의 중심 수집기 파이프들(2)과 중심 수집기 프로비젼들(provisions)(2A)은 각각 그것의 상기 출구 단부에서 밀봉되어 있다. 전술한 경우들에 있어서, 상기 출구 유체 스트림은 각 원심 분리기 장치(100)의 각각의 상기 원심 분리기 요소들(사이클론들(1))에 대응하는 분기 채널들(11)로 안내된다. 분기 채널들(11)은 각 사이클론(1)의 상기 출구 단부에 연결되어 그것을 위한 접선방향 입구를 형성한다(이것은, 예를 들어, 사이클론(1)에 유입되는 상기 출구 유체 스트림이 나선형 흐름(spiral flow)에서 사이클론(1)의 상기 벽과 상호 작용하도록 야기할 수 있다). 각 사이클론(1)으로부터 출구 채널(3)은 그 후 각 원심 분리기 장치(100)의 중심 수집기 파이프(2)의 상기 출구 부분으로 연결된다. 출구 원심 분리기 장치(100B)에 있어서, 상기 출구 유체 스트림(그로부터 상기 불연성 원소들이 실질적으로 분리됨)은 출구 원심 분리기 장치(100B)의 상기 중심 수집기 파이프로부터 수집기 파이프(12)와 출구 노즐(5)을 통과하도록 안내되므로, 상기 "깨끗한(clean)" 출구 유체 스트림은 이후 상기 변환 장치와 관련된 것과 같이 후속 공정으로 안내될 수 있다. 상기 예시적인 3단계 사이클로닉 분리기 장치는 상기 출구 유체 스트림에서 슬래그를, 예를 들면, 질량 비율 5ppm 이하로 제거할 수 있다.
분리기 장치(340)의 각 단계에 있어서, 상기 분리된 액체 슬래그는 각 사이클론(1)으로부터 통(20)을 향해 연장된 출구 튜브들(4)을 통과하도록 안내된다. 상기 분리된 액체 슬래그는 그 후 구성요소들의 제거 및/또는 회복을 위해서 통(20) 및 압력-유지 하우징(125)으로부터 연장된 파이프(14) 또는 출구 노즐로 안내된다. 상기 슬래그의 제거를 달성할 때, 상기 액체 슬래그는 물-냉각된 부분(6)을 통과하게 안내되거나, 그렇지 않으면 고압, 냉수 연결(connection)을 가지는 부분을 통과하게 안내되어, 상기 물과의 상호 작용은 상기 액체 슬래그의 고상화 및/또는 입상화(granulate)를 야기한다. 고상화된 슬래그와 물의 상기 혼합물은 그 후 용기(vessel)(수집기 프로비젼)(7) 내에서 적절한 밸브(9)를 통해서 제거될 수 있는 슬래그/물 유체 혼합물로 분리될 수 있으며, 반면에 어떤 잔류 가스도 분리 라인(8)을 통해서 제거될 수 있다.
분리기 장치(340)는 상기 상대적으로 고온의 출구 유체 스트림과 함께 구현되므로(즉, 상기 불연성 물질들을 상대적으로 적은 점도를 가지는 액체 형태로 유지하는데 충분한 온도), 어떤 경우들에 있어서, 상기 연소 생성물/출구 유체 스트림 및 그와 관련된 상기 액화된 불연성 원소 가운데 하나에 노출된 분리기 장치(340)의 표면들은 높은 내열성, 높은 내식성, 및 낮은 열전도성 중에서 적어도 하나을 갖는 물질로 구성될 수 있다. 상기 물질들의 예시들은 지르코늄 산화물과 알루미늄 산화물을 포함할 수 있으나, 상기 예시들에 의해서 한정되지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 측면들에 있어서, 분리기 장치(340)는 상기 연소 생성물/출구 유체 스트림으로부터 상기 액화된 불연성 원소를 실질적으로 제거하고, 상기 불연성 원소들이 적어도 통(20)으로부터 제거될 때까지 낮은 유동도의 액체 상태를 유지하도록 구성된다.
예를 들면, 여기에 개시된 바와 같이, 고체 탄소질 연료의 경우 상기 슬래그 분리는 하나의 유닛(unit)(분리기 장치(340))에서 달성될 수 있으며, 다른 경우들에서, 그것은 유지 및 검사를 위해서 상기 시스템으로부터 용이하게 분리될 수 있다. 하지만, 그러한 측면은, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 시스템이 특정 연료 소스의 활용성과 관하여 작동 시에 "유연한 연료(flex fuel)" 접근법을 구현하도록 용이하게 구성될 수 있다는 장점들을 더 제공할 수 있다. 예를 들어, 연소기 장치(220)가 고체 탄소질 연료를 상기 연료 소스로 사용할 때, 단일 유닛 분리기 장치(340)는 상기 시스템 내에서 연소기 장치(220)와 변환 장치(터빈)(500)사이에 장착될 수 있다. 액체 또는 기체 탄소 연료 소스로 교체하는 것이 바람직할 때, 분리기 유닛(340)은 상기 시스템으로부터(즉, 상술한 바와 같이, 필요하지 않을 수 있음) 제거될 수 있으며, 상기 출구 유체 스트림은 연소기 장치(220)로부터 직접적으로 변환 장치(500)로 유도될 수 있다. 상기 연료 활용성이 이후 고체 탄소질 연료 소스를 지정한다면, 상기 시스템은 또한 분리기 유닛(340)을 구현하도록 용이하게 돌아갈 수 있다.
본 발명의 개시 내용은 여기에 설명된 예시적인 실시예들에 의해서 그 범위가 한정되지 않아야 한다. 실질적으로, 여기에서 설명된 실시예들 외에도, 본 발명의 내용의 다른 다양한 실시예들 및 변형예들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 이전의 설명 및 첨부 도면들로부터 명백할 것이다. 이에 따라, 이러한 다른 실시예들 및 변형들은 본 발명의 기술적 사상 범위 내에 속하도록 의도된 것이다. 또한, 비록 본 발명이 특정한 목적을 위해 특정한 환경에서 특정한 주입에 대해서 설명되었지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 유용성이 이에 의해서 제한되는 것은 아니고, 본 발명이 임의의 목적으로 임의의 환경에서도 구현될 수 있음을 인식할 것이다. 이에 따라, 아래에 기재된 청구항들은 여기에서 설명한 것처럼 본 개시 내용의 외연 및 취지를 고려하여 해석되어야 한다.

Claims (58)

  1. 탄소질 연료를 농축 산소 및 작동 유체와 혼합하여 연료 혼합물을 형성하는 혼합 장치(mixing arrangement); 및
    분출 부재(transpiration member)에 의해 적어도 부분적으로 한정되는 연소 챔버를 구비하며, 상기 분출 부재는 압력 유지 부재에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이고, 상기 연소 챔버는 입구 구분과 대향하는 출구 부분을 포함하며, 상기 연소 챔버의 입구 부분은 연소 온도에서 상기 연료 혼합물을 연소시켜 연소 생성물을 형성하도록 상기 연소 챔버 내부에서 연소되는 상기 연료 혼합물을 수용하고, 상기 연소 챔버가 상기 출구 부분을 향해 상기 연소 생성물을 안내하며, 상기 분출 부재는 상기 연소 생성물과 상기 분출 부재 사이의 상호 작용을 완충시키기 위해 그 내부를 통해 상기 연소 챔버를 향해 분출 물질을 안내하며, 상기 분출 물질은 초임계 이산화탄소를 포함하고, 또한 상기 작동 유체로서 상기 혼합 장치에 제공되는 것을 특징으로 하는 연소기 장치.
  2. 탄소질 연료를 농축 산소 및 작동 유체와 혼합하여 연료 혼합물을 형성하는 혼합 장치; 및
    분출 부재에 의해 적어도 부분적으로 한정되는 연소 챔버를 구비하며, 상기 분출 부재는 압력 유지 부재에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이고, 상기 연소 챔버는 입구 구분과 연소 챔버 길이를 따라서 대향하는 출구 부분을 포함하며, 상기 연소 챔버의 입구 부분은 연소 온도에서 상기 연료 혼합물을 연소시켜 연소 생성물을 형성하도록 상기 연소 챔버 내부에서 연소되는 상기 연료 혼합물을 수용하고, 상기 연소 챔버가 상기 연소 챔버 길이를 따라서 상기 출구 부분을 향해 상기 연소 생성물을 안내하며, 상기 분출 부재는 상기 연소 생성물과 상기 분출 부재 사이의 상호 작용을 완충시키기 위해 그 내부를 통해 상기 연소 챔버를 향해 분출 물질을 안내하며, 상기 분출 물질은 초임계 이산화탄소를 포함하고, 또한 상기 작동 유체로서 상기 혼합 장치에 제공되는 연소기 장치; 및
    상기 연소 챔버의 상기 출구 부분으로부터 상기 연소 생성물을 수용하며, 상기 연소 생성물에 반응하여 그와 연관된 에너지를 운동 에너지로 변환시키는 변환 장치(transformation apparatus)를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 분출 물질 소스가 상기 분출 물질을 상기 작동 유체로서 적어도 하나의 상기 혼합 장치에 제공하고 상기 분출 물질로 상기 분출 부재에 제공하는 것을 특징으로 하는 연소기 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합 장치는 고체 탄소질 연료, 액체 탄소질 연료 및 기체 탄소질 연료 중에서 하나를 상기 농축 산소 및 상기 작동 유체와 혼합시키며, 상기 농축 산소는 85% 이상의 몰 순도를 갖는 산소를 포함하고, 상기 작동 유체는 초임계 이산화탄소 및 물 중에서 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소질 연료는 50 마이크로미터 내지 200 마이크로미터의 평균 입자 크기를 갖는 미립자 고체이고, 상기 혼합 장치는 상기 미립자 고체 탄소질 연료를 물 및 450㎏/m3 내지 1100㎏/m3의 밀도를 갖는 액체 이산화탄소(CO2) 중에서 하나를 포함하는 유동화 물질과 혼합시키도록 구성되며, 상기 유동화 물질과 상기 미립자 고체 탄소질 연료가 함께 상기 미립자 고체 탄소질 연료의 25 중량% 내지 55 중량%를 포함하는 슬러리를 형성하는 것을 특징으로 하는 연소기 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 연소 챔버는 40bar 내지 500bar의 압력에서 그 입구 부분에 상기 연료 혼합물을 수용하는 것을 특징으로 하는 연소기 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 분출 물질은 상기 분출 부재를 통해 상기 연소 챔버 내로 유입되어, 500℃ 내지 2000℃의 온도에서 상기 연소 챔버의 출구 부분에 대해 상기 분출 물질과 상기 연소 생성물의 출구 혼합물(exit mixture)을 조절하는 것을 특징으로 하는 연소기 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 연소 온도에서 상기 탄소질 연료 내의 불연성 오염물들이 상기 연소 생성물 내에서 액화되며, 상기 분출 물질은 상기 분출 부재를 통해 안내되는 이산화탄소를 포함하여 상기 분출 물질이 상기 연소 챔버 내에서 상기 분출 부재에 직접 인접하는 완충막을 형성하며, 상기 완충막이 상기 분출 부재와 상기 액화된 불연성 오염물들 사이의 상호 작용을 완충시키고 상기 연소 생성물과 연관되어 가열하는 것을 특징으로 하는 연소기 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 연소 온도는 1300℃ 내지 3500℃인 것을 특징으로 하는 연소기 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 압력 유지 부재와 연관되며 그 온도를 조절하는 열 제거 장치를 더 포함하며, 상기 열 제거 장치는 내부에서 순환하는 액체를 갖는 열전달 재킷을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기 장치.
  13. 제 2 항에 있어서, 상기 탄소질 연료는 고체이며, 상기 장치는 상기 연소기 장치와 상기 변환 장치 사이에 배치되는 분리기 장치를 더 포함하며, 상기 분리기 장치는 상기 연소 생성물이 상기 변환 장치로 안내되기 전에 그에 수용된 연소 생성물로부터 액화된 불연성 오염물들을 실질적으로 제거하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 분리기 장치에 의해 상기 연소 생성물로부터 제거되는 상기 액화된 불연성 오염물들은 상기 분리기 장치와 연관된 통에 제거 가능하게 수집되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 분리기 장치는 상기 압력 유지 부재에 의해 수용되고, 압력-유지 하우징에 의해 한정되며, 상기 분리기 장치는 상기 압력 유지 부재 및 상기 압력-유지 하우징 가운데 하나와 동작 가능하게 연결되어 열을 제거하는 열-분산 시스템을 더 포함하고, 상기 열-분산 시스템은 내부에서 순환하는 액체를 갖는 열전달 재킷을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 연소 생성물과 그에 관련된 상기 액화된 불연성 오염물들 가운데 하나에 노출되는 상기 분리기 장치의 표면들은 높은 내열성, 높은 내식성 및 낮은 열전도성 중에서 적어도 하나를 갖는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 분리기 장치는,
    상기 연소 생성물과 그에 연관된 상기 액화된 불연성 오염물들을 수용하는 입구 원심 분리기 장치와 상기 액화된 불연성 오염물들이 실질적으로 제거된 상기 연소 생성물을 배출하는 출구 원심 분리기 장치를 포함하며, 각 원심 분리기 장치가 나란히 동작 가능하게 배열된 복수의 원심 분리기 요소들을 포함하고, 각 원심 분리기 요소가 상기 연소 생성물로부터 상기 액화된 불연성 오염물들의 적어도 일부를 제거하고 상기 액화된 불연성 오염물들의 적어도 일부를 통으로 안내하는 복수의 직렬로 배열된 원심 분리기 장치들; 및
    상기 원심 분리기 장치들과 상기 통을 수용하는 압력-유지 하우징을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 압력-유지 하우징에 연결되어 열을 제거하는 열-분산 시스템을 더 포함하며, 상기 열-분산 시스템은 내부에서 순환하는 액체를 갖는 열전달 재킷을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 열전달 재킷에 동작 가능하게 연결되는 열 회수 장치를 더 포함하며, 상기 열 회수 장치는 상기 열전달 재킷 내에서 순환하는 상기 액체를 수용하고, 상기 액체로부터 열에너지를 회수하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 연소 생성물과 그에 연관된 상기 액화된 불연성 오염물들 가운데 하나에 노출되는 상기 분리기 장치의 표면들은 높은 내열성, 높은 내식성 및 낮은 열 전도성 중에서 적어도 하나를 갖는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제 17 항에 있어서, 상기 분리기 장치는 상기 연소 생성물로부터 상기 액화된 불연성 오염물들을 실질적으로 제거하며, 상기 불연성 오염물들이 적어도 상기 통으로부터 제거될 때까지 낮은 점도로 유지하는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제 13 항에 있어서, 상기 분출 물질은 상기 분출 부재를 통해 상기 연소 챔버 내로 도입되어, 상기 불연성 오염물들의 액화 온도 이상에서 상기 분리기 장치로 유입되는 상기 분출 물질과 상기 연소 생성물의 혼합물을 조절하는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 분리기 장치에 연속하여 배치되고, 상기 분출 물질을 상기 액화된 불연성 오염물들이 실질적으로 제거된 상기 연소 생성물로 송출하여, 500℃ 내지 2000℃의 온도에서 상기 변환 장치로 유입되는 상기 분출 물질과 상기 연소 생성물의 혼합물을 조절하는 분출 물질 송출 장치(transpiration substance delivery device)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  24. 제 2 항에 있어서, 상기 연소기 장치는 상기 연소 생성물이 500ppm 이상의 산소(O2) 및 50ppm 이하의 일산화탄소(CO)를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  25. 제 2 항에 있어서, 상기 연소기 장치는 상기 연소 생성물이 1% 이상의 혼합 농도를 갖는 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)와 10ppm 이하의 산소(O2)를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  26. 제 2 항에 있어서, 상기 변환 장치는 터빈 장치 중에서 하나와 발전기 장치를 더 포함하며, 상기 터빈 장치는 상기 연소 생성물에 반응하여 그에 연관된 에너지를 운동 에너지로 변환시키고, 상기 발전기 장치는 상기 운동 에너지를 전기로 변환시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  27. 혼합 장치를 사용하여 탄소질 연료를 농축 산소 및 작동 유체와 혼합하여 연료 혼합물을 형성하는 단계;
    압력 유지 부재에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이는 분출 부재에 의해 한정되는 연소 챔버의 입구 부분에 상기 연료 혼합물을 수용시키는 단계;
    연소 온도에서 상기 연소 챔버 내에서 상기 연료 혼합물을 연소시켜 연소 생성물을 형성하는 단계;
    상기 연소 생성물을 상기 연소 챔버의 출구 부분을 향해 안내하는 단계; 및
    상기 분출 부재를 통하여 분출 물질을 상기 연소 챔버를 향해 안내하여, 상기 분출 물질이 상기 연소 생성물과 상기 분출 부재 사이의 상호 작용을 완충시키는 단계를 포함하며, 상기 분출 물질은 초임계 이산화탄소를 포함하고, 또한 상기 작동 유체로서 상기 혼합 장치에 제공되는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
  28. 삭제
  29. 제 27 항에 있어서, 상기 탄소질 연료를 농축 산소 및 작동 유체와 혼합하는 단계는, 고체 탄소질 연료, 액체 탄소질 연료 및 기체 탄소질 연료 가운데 하나를 85% 이상의 몰 순도를 갖는 농축 산소와 초임계 이산화탄소 및 물 중에서 하나와 혼합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
  30. 제 27 항에 있어서, 상기 탄소질 연료는 50 마이크로미터 내지 200 마이크로미터의 평균 입자 크기를 갖는 미립자 고체이며, 상기 방법은 상기 혼합 장치를 통해 상기 미립자 고체 탄소질 연료를 물 및 450㎏/m3 내지 1100㎏/m3의 밀도를 갖는 이산화탄소(CO2) 중에서 하나를 포함하는 유동화 물질과 혼합하여 상기 미립자 고체 탄소질 연료의 25 중량% 내지 55 중량%를 가지는 슬러리를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
  31. 제 27 항에 있어서, 상기 연료 혼합물을 수용하는 단계는, 40bar 내지 500bar의 압력에서 상기 연소 챔버의 상기 입구 부분 내에 상기 연료 혼합물을 수용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
  32. 제 27 항에 있어서, 상기 분출 물질을 안내하는 단계는, 상기 분출 부재를 통해 분출 물질을 상기 연소 챔버를 향해 안내하여, 상기 분출 부재를 통해 상기 연소 챔버 내로 유입된 상기 분출 물질이 500℃ 내지 2000℃의 온도에서 상기 연소 챔버의 상기 출구 부분에 대해 상기 분출 물질과 상기 연소 생성물의 출구 혼합물을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
  33. 제 27 항에 있어서, 상기 연소 온도에서 상기 연소 챔버 내에서 상기 연료 혼합물을 연소시키는 단계는, 연소 온도에서 상기 연소 챔버 내에서 상기 연료 혼합물을 연소시켜 상기 탄소질 연료 내의 불연성 오염물들을 상기 연소 생성물 내에서 액화시키는 단계를 더 포함하고, 상기 분출 부재를 통해 분출 물질을 안내하는 단계는, 상기 분출 부재를 통해 이산화탄소를 포함하는 분출 물질을 안내하여, 상기 분출 물질이 상기 분출 부재에 직접 인접하고 완충막을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 완충막은 상기 분출 부재와 상기 액화된 불연성 오염물들 사이의 상호 작용을 완충시키고 상기 연소 생성물과 연관되어 가열하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
  34. 제 27 항에 있어서, 상기 연소 온도에서 상기 연소 챔버 내에서 상기 연료 혼합물을 연소시키는 단계는, 1300℃ 내지 3500℃의 연소 온도에서 상기 연소 챔버 내에서 상기 연료 혼합물을 연소시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
  35. 제 27 항에 있어서, 상기 압력 유지 부재의 온도를 그와 연관된 열 제거 장치와 함께 조절하는 단계를 더 포함하며, 상기 열 제거 장치는 상기 압력 유지 부재와 연관되고, 그 내부에서 순환되는 액체를 갖는 열전달 재킷을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
  36. 제 2 항에 있어서, 적어도 하나의 분출 물질 소스가 상기 분출 물질을 상기 작동 유체로서 적어도 하나의 상기 혼합 장치에 제공하고 상기 분출 물질로 상기 분출 부재에 제공하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  37. 제 2 항에 있어서, 상기 혼합 장치는 고체 탄소질 연료, 액체 탄소질 연료 및 기체 탄소질 연료 중에서 하나를 상기 농축 산소 및 상기 작동 유체와 혼합시키며, 상기 농축 산소는 85% 이상의 몰 순도를 갖는 산소를 포함하고, 상기 작동 유체는 초임계 이산화탄소 및 물 중에서 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  38. 제 2 항에 있어서, 상기 탄소질 연료는 50 마이크로미터 내지 200 마이크로미터의 평균 입자 크기를 갖는 미립자 고체이고, 상기 혼합 장치는 상기 미립자 고체 탄소질 연료를 물 및 450㎏/m3 내지 1100㎏/m3의 밀도를 갖는 액체 이산화탄소(CO2) 중에서 하나를 포함하는 유동화 물질과 혼합시키도록 구성되며, 상기 유동화 물질과 상기 미립자 고체 탄소질 연료가 함께 상기 미립자 고체 탄소질 연료의 25 중량% 내지 55 중량%를 포함하는 슬러리를 형성하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  39. 제 2 항에 있어서, 상기 연소 챔버는 40bar 내지 500bar의 압력에서 그 입구 부분에 상기 연료 혼합물을 수용하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  40. 제 2 항에 있어서, 상기 분출 물질은 상기 분출 부재를 통해 상기 연소 챔버 내로 유입되어, 500℃ 내지 2000℃의 온도에서 상기 연소 챔버의 출구 부분에 대해 상기 분출 물질과 상기 연소 생성물의 출구 혼합물(exit mixture)을 조절하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  41. 제 2 항에 있어서, 상기 연소 온도에서 상기 탄소질 연료 내의 불연성 오염물들이 상기 연소 생성물 내에서 액화되며, 상기 분출 물질은 상기 분출 부재를 통해 안내되는 이산화탄소를 포함하여 상기 분출 물질이 상기 연소 챔버 내에서 상기 분출 부재에 직접 인접하는 완충막을 형성하며, 상기 완충막이 상기 분출 부재와 상기 액화된 불연성 오염물들 사이의 상호 작용을 완충시키고 상기 연소 생성물과 연관되어 가열하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  42. 제 2 항에 있어서, 상기 연소 온도는 1300℃ 내지 3500℃인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  43. 제 2 항에 있어서, 상기 압력 유지 부재와 연관되며 그 온도를 조절하는 열 제거 장치를 더 포함하며, 상기 열 제거 장치는 내부에서 순환하는 액체를 갖는 열전달 재킷을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
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