KR101785816B1 - 통합된 산소 생성을 구비한 단계식 매체순환 공정 - Google Patents

통합된 산소 생성을 구비한 단계식 매체순환 공정 Download PDF

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Abstract

부생성물인 이산화탄소의 포획을 극대화하기 위하여 개선된 연료 연소 방법이 개시된다. 발명의 다양한 구현 예에 따르면, 2-단 공정 내에서 연료를 연소하는 방법이 제고되며, 이는 인-시튜 산소 생성을 포함한다. 인-시튜 산소 생성은 제2 산화 단계의 운전이 연료를 추가적으로 연소시키는 것을 허용함으로써 연료 전환 효율을 극대화한다. 또한, 통합된 산소 생성은 증가된 2차 반응기 온도를 제공함으로써 공정의 전체 열 효율을 개선한다. 인-시튜 산소의 수단은 특정 구현 예로 한정되지 않고, 산소 생성 반응기, 이온 전달 멤브레인 또는 양자를 이용하여 일어날 수 있다. 제2 단계 연소 방법으로 구현된 시스템이 또한 개시된다.

Description

통합된 산소 생성을 구비한 단계식 매체순환 공정 {Staged Chemical Looping Process with Integrated Oxygen Generation}
발명의 구현 예는 전체적으로 연료 연소 공정 및 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 발명의 구현 예는 연료를 연소하고, 이산화탄소(CO2)가 차후 활용(later utilization) 및/또는 격리(sequestration)를 위하여 포획될 수 있는 CO2 풍부 배가스 흐름을 생성하도록 인-시튜(in-situ) 산소 생성을 이용하는 2-단 연소 방법 및 시스템에 관한 것이다.
CO2 배출 증가의 결과, 지난 수년에 걸쳐 대기 중 온실 가스 농도가 상당히 증가해왔다. 예를 들면, CO2 포획 및 격리(capture and sequestration; CCS)를 포함하는 몇 가지 저감 테크닉이 대기 중 CO2 배출을 낮추는데 검토되고 있다.
CO2 배출을 저감하기 위한 하나의 방법은 연소 배가스로부터 CO2를 포획하는 것이다. 연소 전 또는 후에 CO2를 포획하기 위하여 종래에 몇몇 방법이 개발 중이다. 연료의 연소가 대기 공기와 함께 일어날 때, 공기 내 질소의 존재는 배가스 내 CO2 농도를 희석시켜 배가스로부터 CO2를 분리하는 것을 곤란하게 한다.
종래의 가스 분리 공정의 한계를 극복하기 위하여 산업 배기 연도 가스로부터 CO2를 포획하기 위한 몇몇 추가적인 기존 테크닉들이 평가되고 있다. 그러나, 이러한 종래의 테크닉들은 종종 운전 비용이 지나치게 높다. 따라서, 통상의 연소 반응으로부터 생성되는 배가스는 전형적으로 CO2를 포획하도록 처리된다. 배가스 내 낮은 CO2 농도 레벨은 연소 반응을 구동하기 위한 산소 소스로서 공기(즉, 질소를 함유함)를 사용하는 점으로부터 기인한다.
전술한 종래 테크닉의 또 다른 예는 매체순환 연소(chemical looping combustion; CLC) 기술로서, 산소가 질소 간섭(interference) 없이 연료로 전달됨으로써 연료 산화 후에 CO2 및 수증기 흐름을 생성하게 된다. 이후, 수증기는 용이하게 제거되어(즉, 응축을 통하여), 압축, 이송 및/또는 처리될 수 있는 고순도의 CO2를 남기게 된다. 적어도 이러한 이유때문에, CLC는 CO2 배출을 낮추는데 실현 가능한 수단으로 널리 검토되고 있다. 매체순환 기술은 공기의 존재 하에서 산화되고 연료의 존재 하에서 환원됨으로써 공기로부터 연료로 산소를 전달할 수 있는 산소 캐리어를 기반으로 한다. 산소 캐리어는 공기 반응기 내에서 산화되는 바, 산소 캐리어는 공기 내에 존재하는 산소와 반응하여 금속 산화물 또는 산소 캐리어 산화물을 형성한다. 후속적으로, 산화 산소 캐리어(oxidized oxygen carrier)는 환원 분위기의 연료 반응기로 공급되는 바, 여기서 산화 산소 캐리어는 이의 산소를 연료로 전달함으로써 환원 산소 캐리어(reduced oxygen carrier)가 공기와 또 다른 산화 상(phase)에 사용되도록 한다. 연료는 연료 반응기 내에서 연료 산화 레벨 및 매체순환 공정이 연소용 또는 개질(reforming)용인지 여부에 따라 산화되어 CO, CO2 및 H2O 중의 연소 생성물을 형성한다.
CLC와 관련하여 몇 가지 산소 캐리어가 검토되어 왔다. 몇몇 산소 캐리어는 연료 반응기 내에서 가스상 산소를 방출하는 특성을 갖고 있어 연료의 산화 또는 연소를 강화시킨다는 점이 발견되었다. 매체순환 연소 공정용으로 몇 가지 산소 캐리어가 검토되고 있으며, 어떠한 산소 캐리어도 종래의 산소 캐리어에서 제기된 모든 요청 사항들(예를 들면, 산소 전달능, 높은 반응성, 마모에 대한 내성, 비용, 수명 등)을 해결하지 못한다는 점이 발견되었다. 많은 경우에서 연료의 완전 전환을 달성하기는 어렵고, 산소 폴리싱(polishing)이 연소의 완전성을 위하여 고려되어 왔다. 이러한 경우에, 요구되는 산소는 외부 소스에 의하여 제공된다.
인-시튜(In-situ) 산소 생성은, 예를 들면 모든 연료가 완전 산화되어 연료의 전환 효율을 극대화할 수 있는 제2 산화 단계 운전을 가능하게 한다. 또한, 산소 연소 또는 산화 후에 생성된 배가스 온도를 증가시킴으로써, 전력 생산 또는 발전(power generation)의 경우에 보다 높은 생증기(live steam) 온도가 얻어짐으로써 공정 전체의 열 효율을 높일 수 있다.
전체적으로, 발명의 구현 예는 산소 생성이 통합된 2-단 연료 연소 방법에 관한 것이다.
다양한 구현 예들은 매체순환 연소 공정을 제공하는 바, 여기서 산소는 공기로부터 연료로 전달되어 연료를 부분적으로 또는 완전히 산화시킨다. 이하에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 다양한 구현 예에 따르면, 인-시튜(in-situ) 산소 생성은 제2 산화 단계를 제공하여 연료를 추가적으로 연소시킴으로써 CO2가 추후 이용 및/또는 격리를 위하여 포획될 수 있는 CO2 풍부 배가스 흐름을 생성한다. 발명의 다양한 구현 예에 따르면, 단계식(staged) 매체순환 연소 공정은 연소 공정 이후, CO2를 후처리할 필요성을 감소시켜 비용을 절약한다.
다양한 구현 예들은 종래의 연소 공정에서 사용되는 공기 반응기 또는 연료 반응기의 베드 구성(bed configurations)과는 독립적으로, 매체순환 산소 커플링(Chemical Looping Oxygen Coupling; CLOU) 효과로 언급되는, 특정 조건 하에서 가스상 산소를 방출하는 특성을 갖는 산소 캐리어를 포함함으로써 연료 산화를 강화할 수 있다. 특히, 발명의 구현 예에 따르면, 단계식 매체순환 연소 공정은 CLOU 효과를 갖는 산소 캐리어를 이용하여 제1 단계 중 연료 반응기에서 연료를 산화시키고, 그 다음 CLOU 효과를 갖는 산소 캐리어로부터 방출된 산소에 의하여 생성된 순수 산소를 이용하여 제2 단계 중 연료의 산화를 완결시킨다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 세퍼레이터, 예를 들면 고상/가스상 세퍼레이터(solid/gas separator)는 공기 반응기, 예를 들면 순환 유동층 공기 반응기(circulating fluidized bed air reactor)의 다운스트림 (downstream)에 위치하여 산소-희박 공기로부터 산화 산소 캐리어를 분리한다. 고온의 산소-희박 공기는 에너지, 열 및/또는 전력(power)을 생성하도록 처리(가공)되는 한편, 산화 산소 캐리어는 2개의 흐름으로 구분된다: (1) 연료 반응기로 공급되는 제1 흐름 및 (2) 산소 생성기로 공급되는 제2 흐름. 일 구현 예에 따르면, 산소 생성기는 적절한 온도 및 압력 조건 하에서 산소 캐리어로부터 가스상 산소를 방출하는, 압력이 조절되는 가열 베드이다.
또 다른 구현 예에 따르면, 고온의 산소-희박 공기는 이온 전달 멤브레인(ion transport membrane; ITM)으로 공급되어 가열된 베드로부터 생성된 가스상 산소와 조합되는 가스상 산소를 생성한다. 이러한 구현 예에서, 요구되는 인-시튜 가스상 산소가 ITM으로부터 생성되기 때문에 임의의 산소 캐리어가 사용될 수 있다.
생성된 가스상 산소는 이후 제2 산화 단계로 운반되고, 여기서 연료는 완전 산화된다. 환원 산소 캐리어는 환원 레벨에 따라 공기 반응기로 또는 연료 반응기로 되돌려 이송됨으로써 사이클을 완결한다.
따라서, 일 구현 예에 따르면, 인-시튜 산소 생성을 통합한 2-단 연소 방법이 제공된다. 상기 방법은, 공기 반응기를 사용하여 환원 산소 캐리어 흐름을 산화시켜 산화 산소 캐리어 흐름을 형성하는 단계 및 1차 세퍼레이터에서 산화 산소 캐리어 흐름으로부터 산소 캐리어 및 산소-고갈(oxygen-depleted) 공기를 분리하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 산소 생성 시스템에서 가스상 산소를 생성하는 단계를 더 포함한다. 또한, 상기 방법은 1차 연료 반응기를 이용하여 산소 캐리어의 존재 하에서 연료를 연소시키는 단계 및 2차 연료 반응기를 이용하여 추가 연료 공급물 및 1차 연료 반응기를 떠나는 미연소(unburned) 연료 중 적어도 하나를 가스상 산소의 존재 하에서 연소시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 인-시튜 산소 생성을 통합하는 2-단 연소 방법이 제공되며, 이는 산소 생성 시스템의 ITM 내에서 가스상 산소를 생성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 인-시튜 산소 생성을 통합하는 2-단 연소 방법이 제공되며, 이는 산소 생성 시스템의 산소 생성 반응기(oxygen generation reactor; OGR) 내에서 가스상 산소를 생성하는 단계를 포함한다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 산화 단계는 라이저 반응기 및 유동층 반응기 중 하나를 이용하여 환원 산소 캐리어를 산화시키는 단계를 포함한다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 연소 단계는 유동층 반응기 및 이동층 반응기 중 하나인 1차 연료 반응기를 이용하여 연료를 연소하는 단계를 포함한다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 추가 연료 공급물 및 1차 연료 반응기로부터 배출되는 미연소(unburned) 연료 중 적어도 하나를 연소시키는 단계는 순산소 보일러(oxy-fuel boiler) 또는 임의 타입의 연소 챔버를 이용하여 이러한 연료를 연소시키는 단계를 포함한다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 생성 단계는 내부 이용(internal use) 중 하나를 위하여 또는 유틸리티로서(as a utility) 산소 생성 시스템의 이온 전달 멤브레인 내에서 가스상 산소를 생성하는 단계를 포함한다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 이온 전달 멤브레인 내에서 가스상 산소를 생성하는 단계는 1차 세퍼레이터를 떠나는 산소-고갈 공기로부터 산소를 분리하는 단계를 포함한다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 생성 단계는 내부 이용(internal use) 중 하나를 위하여 또는 유틸리티로서(as a utility) 산소 생성 시스템의 산소 생성 반응기 내에서 가스상 산소를 생성하는 단계를 포함한다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 1차 세퍼레이터를 떠나는 산소 캐리어는 1차 연료 반응기, 산소 생성 반응기 및 2차 연료 반응기 중 적어도 하나에 도입된다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 상기 생성 단계는 산소 생성 반응기의 압력을 증가시키는 단계, 산소 생성 반응기 온도를 조정(조절)하는 단계, 및 스윕(sweep) 가스를 주입하는 단계 중 적어도 하나에 의하여, 산소 캐리어의 존재 하에서 산소 생성 반응기 내에 가스상 산소를 생성하는 단계를 포함한다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 상기 방법은 2차 세퍼레이터 내에서 가스상 산소 및 산소 캐리어를 분리하는 단계를 포함한다.
또 다른 구현 예에 따르면, 인-시튜 산소 생성을 통합하는 2-단 연소 시스템이 제공되는 바, 이는 환원 산소 캐리어를 산화시켜 산화 산소 캐리어 흐름을 형성하기 위한 공기 반응기, 산화 산소 캐리어 흐름으로부터 산소 캐리어 및 산소-고갈 공기를 분리하기 위한 1차 세퍼레이터, 가스상 산소를 생성하기 위한 산소 생성 시스템, 산소 캐리어의 존재 하에서 연료를 연소시키기 위한 1차 연료 반응기, 및 추가 연료 공급물 및 1차 연료 반응기로부터 배출된 미연소 연료 중 적어도 하나를 가스상 산소의 존재 하에서 연소시키기 위한 2차 연료 반응기를 포함한다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 공기 반응기는 라이저 반응기 및 유동층 반응기 중 하나를 포함한다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 1차 연료 반응기는 유동층 반응기 및 이동층 반응기 중 하나를 포함한다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 2차 연료 반응기는 순산소 보일러(oxy-fuel boiler) 또는 임의 타입의 연소 챔버를 더 포함한다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 산소 생성 시스템은 이온 전달 멤브레인을 포함한다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 이온 전달 멤브레인은 1차 세퍼레이터를 떠나는 산소-고갈 공기로부터 산소를 분리함으로써 가스상 산소를 생성한다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 산소 생성 시스템은 산소 생성 반응기를 포함한다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 1차 세퍼레이터를 떠나는 산소 캐리어는 1차 연료 반응기, 산소 생성 반응기, 및 2차 연료 반응기 중 적어도 하나에 도입된다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 산소 생성 반응기는 산소 생성 반응기의 압력을 증가시키는 것, 산소 생성 반응기 온도를 조정(조절)하는 것, 및 스윕(sweep) 가스 중 하나를 주입하는 것 중 적어도 하나에 의하여, 산소 캐리어의 존재 하에서 가스상 산소를 생성한다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 상기 시스템은 가스상 산소 및 산소 캐리어를 분리하도록 구성된(configured) 2차 세퍼레이터를 더 포함한다.
본 발명의 특징 및 장점 그리고 기타 자명한 사항이 보다 상세히 이해될 수 있도록, 앞서 간략하게 요약된 본 발명의 보다 구체적인 사항은 첨부된 도면에서 예시된 구현 예를 참조하여 기재되며, 이는 본 명세서의 일부분을 구성한다. 그러나, 도면은 발명의 다양한 구현 예들만을 예시하고 있고, 따라서 다른 효과적인 구현 예를 포함할 수 있기 때문에 발명의 범위를 한정하는 것으로 고려되지 않아야 하는 것으로 고려된다.
도 1은 인-시튜 산소 생성을 통합한 2-단 매체순환 연소 공정을 도시하는 공정의 흐름도이다.
도 2는 ITM을 이용한 인-시튜 산소 생성을 통합한 2-단 매체순환 연소 공정을 도시하는 공정의 흐름도이다.
도 3은, 발명의 구현 예에 따라, OGR을 이용한 산소 생성을 통합한 2-단 매체순환 연소 공정을 도시하는 공정의 흐름도이다.
도 4는, 본 발명의 구현 예에따라, 상이한 금속 산화물 시스템 상에서의 가스상 O2의 평형 부분압을 보여주는 그래프이다.
본 발명은 발명의 구현 예를 도시하는 첨부된 도면을 참고하여 이하에서 보다 상세히 설명된다. 그러나, 본 발명은 많은 다른 형태로 구체화될 수 있고, 본 명세서에서 예시된 구현 예로 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 오히려, 이러한 구현 예는 본 개시 내용이 완전하고, 당업자에게 발명의 범위를 충분히 전달하도록 제공된다. 개시 내용 전반에 걸쳐 유사한 부재 번호는 유사한 부재를 가리킨다.
전체적으로, 발명의 구현 예들은 인-시튜 산소 생성을 구비한 2-단 연소 공정을 이용하여 부생성물인 CO2의 포획을 극대화하기 위한 개선된 연료 연소 방법에 관한 것이다. 발명의 다양한 구현 예에 따르면, 상기 공정은 전력(power), 합성 가스, 스팀 및 열(전체적으로) 또는 수소 생산을 포함하는 산업적 용도를 위한 매체순환 연소 공정을 이용한다.
발명의 구현 예들은 탄소가 한정되는 미래에서 화석 연료, 특히 액상 연료의 연소 공정을 제공하는 바, 이는 CO2 및 수증기의 생성물 흐름으로부터 수증기가 용이하게 응축되고 스트리핑되어 취급할 순수 CO2 흐름을 생성하기 때문이다.
발명의 구현 예들은 몇 가지 품질들의 연료(fuel qualities)를 연소시키고 연료가 완전 전환되거나 산화되도록 함으로써 공정 효율을 높이는 것을 보장하는 시스템을 추가적으로 제공한다. 다양한 구현 예에 따르면, 상기 공정은 액상 연료, 특히 중질 액상 연료를 포함하여 고체부터 가스까지의 모든 타입의 연료를 연소하는데 사용될 수 있다.
도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 발명의 다양한 구현 예들은 OGR, ITM 또는 양자 모두를 이용하여 산소가 생성될 수 있음을 뒷받침한다. 매체순환 연소 공정은 연료를 완전히 전환시키기 위한, 통합된 산소 생성을 기반으로 하여 연료 전환 효율 및 생증기의 온도를 증가시킴으로써 공정 효율을 증가시킨다.
전술한 바와 같이, 종래의 매체순환 연소 공정은 연료를 산화 또는 연소시키기 위하여 단일 연료 반응기를 사용한다. 반면, 발명의 구현 예들은 적어도 2 단계를 이용한 연료 전환 공정을 제공하는 바, 제1 단계는 연료 반응기(예를 들면, 유동층 또는 이동층 연료 반응기)를 포함하고, 이후 처리된 연료의 완전 전환을 가능케 하는, 매체순환 연소 공정으로부터 생성된 산소를 이용한 연소 챔버 또는 순산소-연료 보일러를 포함함으로써, 개선된 공정 효율에 기여하는, 보다 고온의 생성물 흐름 온도 배출(outlet)을 달성한다.
다양한 구현 예에 따른 2-단 매체순환 연소 공정은, 연료 연소 반응기, ITM에 의한 산소 생성 및/또는 CLOU 효과를 갖는 산소 캐리어를 이용한 산소 생성, 그리고 순산소-연료 연소/산화 공정을 포함한다. 높은 연료 전환을 달성하기 위한 단계식 산화/연소 반응 이외에도, ITM 및/또는 CLOU 효과에 근거한 인-시튜 산소 생성 공정에 의하여 가스상 산소 생성이 제공되어 통합되고 보다 효율적인 설계를 제공한다.
인-시튜 산소 생성을 통합한 2-단 매체순환 연소 공정
도 1은, 발명의 구현 예에 따라, 인-시튜 산소 생성을 통합한 2-단 매체순환 연소 공정을 도시하는 공정의 흐름도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 발명의 적어도 일 구현 예에 따르면, 2-단 매체순환 연소 공정은 공기 흐름(100)을 이용하며, 상기 공기 흐름은 유입되는 환원 산소 캐리어 흐름(환원된 산소 캐리어를 함유함; 204)를 산화시키기 위하여 공기 반응기(AR; 10)로 도입된다. 결과로서 얻어진, 산화 산소-캐리어 흐름(101)은 1차 세퍼레이터(S1)(예를 들면, 가스상/고체상 세퍼레이터)에서 처리되며, 여기서 산소-고갈 공기는 흐름(102)을 거쳐 1차 세퍼레이터(40)로부터 배출되고, 산화 산소 캐리어는 또 다른 흐름(200)(예를 들면, 산화 산소-캐리어 흐름(200))을 거쳐 1차 세퍼레이터(40)로부터 배출된다. 흐름(102) 내 산소-고갈 공기는 또 다른 흐름(104)을 거쳐 다운스트림 공정(예를 들면, 전력 생산 및 스팀 생성을 포함함)을 위하여 이송된다. 흐름(102)의 잔여 부분은 또 다른 흐름(103)을 거쳐 산소 생성용 이온 전달 멤브레인(ITM; 90)으로 이송된다.
이온 전달 멤브레인(ITM)
발명의 다양한 구현 예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, ITM(90)은 산소-고갈 공기로부터 산소를 분리한다. 생성된 가스상 산소는 내부 이용을 위하여 흐름(404)(예를 들면, 산소 흐름 (404))을 거쳐 이송되거나, 유틸리티로서 시스템 외부로 이송된다. 산소-고갈 공기는, 예를 들면 전력(에너지) 생산 및 스팀 생성을 포함하는 추가 공정을 위하여, 흐름(105)을 통하여 ITM(90)으로부터 배출된다. 적어도 일 구현 예에 있어서, 흐름(104 및 105)은 조합된다. 적어도 일 구현 예에 따르면, ITM(90)은, 공기 반응기(10)로부터 배출되는 산소-고갈 공기의 레벨에서(즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 1차 세퍼레이터(40)에서의 고체상/가스상 분리 후 흐름(102)에서, 또는 1차 세퍼레이터(40) 내 고체상/가스상 분리 전 흐름(101)에서) ITM(90)을 통합하는 것을 용이하게 하는, 공기 반응기(10)의 온도에서 운전되거나, 공기 반응기(10) 내부에서 운전된다.
산소 생성 반응기(OGR)
발명의 다양한 구현 예에 따르면, 1차 세퍼레이터(40)로부터 배출된 산화 산소-캐리어 흐름(200)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 1차 연료 반응기(PFR; 20)로 향하는 흐름(201)(예를 들면, 산화 산소-캐리어 흐름(201)), 산소 생성 반응기(OGR; 50)로 향하는 흐름(205)(예를 들면, 산화 산소-캐리어 흐름(205)), 및 2차 연료 반응기(SFR; 30)로 향하는 흐름(210)(예를 들면, 산화 산소-캐리어 흐름(210))으로 분할된다. 다양한 구현 예에 따르면, 흐름(201), 흐름(205) 및 흐름(210)의 플로우 비(flow ratios)는 매체순환 연소 공정의 원하는 적용(용도)에 따라 변화할 수 있다. 따라서, 적어도 일 구현 예에 있어서, 산화 산소-캐리어 흐름(210)의 플로우는, 시스템 구성(configuration), 목적 및 2차 연료 반응(30)의 타입에 따라 0이다.
산화 산소-캐리어 흐름(201) 내의 산화 산소 캐리어는 흐름(202)을 거쳐 1차 연료 반응기(20)로 유입되는 바, 여기서 산화 산소 캐리어는 연료 공급물 흐름(300)을 거쳐 1차 연료 반응기(20) 내로 도입된 연료와 반응한다. 연료는 1차 연료 반응기(20) 내에서 산화됨으로써 산화 산소 캐리어를 환원시킨다. 결과로서 얻어지는 산소-고갈 흐름(환원 산소 캐리어를 함유함)은 흐름(203)을 거쳐 1차 연료 반응기(20)로부터 배출되고, 또 다른 사이클을 위하여 환원 산소 캐리어 흐름(204)을 거쳐 공기 반응기(10)로 이송된다.
도 1에 추가적으로 도시된 바와 같이, 산화 산소-캐리어 흐름(205)은, 예를 들면 산소 캐리어가 OGR(50) 내에서 가스상 산소를 방출할 수 있도록 하는 압력 및 온도에서 운전되는 OGR(50)로 유입된다. 적어도 일 구현 예에 따르면, 산소는, 예를 들면 특정 온도에서 반응기 압력을 증가시킴으로써, 또는 CO2 또는 스팀과 같은 스윕(sweep) 가스를 주입함으로써 산소 캐리어로부터 회수된다.
예를 들면, 일 구현 예에 따르면, 시스템 압력에 따라, 가스상 산소는 예시적으로 OGR(50) 외부로 산소를 이송하도록 압력 증가 디바이스로 기능하는 진공 펌프 또는 익스트랙터 팬(60)을 경유하여 회수된다. OGR(50) 내 산소 생성율은 진공 펌프 또는 익스트랙터 팬(60)을 통하여 OGR(50)의 온도 및/또는 압력을 조절함으로써 조정(조절)된다. 이러한 구현 예는 산소가 유틸리티로서 생성되어야 하고 순수 산소가 요구되는 경우에 바람직하다.
예를 들면, 또 다른 구현 예에 따르면, 흐름(400)(예를 들면, 가스상 산소 흐름(400))을 거쳐 OGR(50)로부터 가스상 산소를 운반하기 위하여 CO2 및/또는 스팀은 흐름(510)을 거쳐 OGR(50) 내로 주입된다. OGR(50) 내 산소 생성율은 흐름(510)의 유속을 조절함으로써 조정된다. 이러한 구현 예는 산소가 특정 순도를 요구하지 않고 스윕 가스의 존재가 허용 가능한 경우에 바람직하며, 따라서 OGR(50) 내로의 벡터(vector) 가스 또는 스윕 가스 주입이 산소 회수를 위하여 사용될 수 있다.
만약 OGR(50)로부터의 산소 회수용으로 스윕 가스 선택(option)이 고려된다면, 흐름(510)을 거쳐 생성물 흐름(501)의 슬립 흐름(이하에서 보다 구체적으로 기술함)을 OGR(50)로 보내 2차 연료 반응기(30) 내에서 사용될 수 있는 요구 산소를 생성하는 것이 가능하다. 이와 같이 실시하는 것은, 생성물 흐름(501)의 일부가 흐름(510), 흐름(400), 흐름(410), 흐름(401) 및 흐름(402)을 거쳐 2차 연료 반응기(30) 내로 간접적으로 도입되므로 재순환율(recirculation rate)을 증가시킬 수 있다. 진공 펌프 또는 익스트랙터 팬 회수 테크닉에 스윕 가스 산소 회수를 결합하는 것은 2차 연료 반응기(30) 내 재순환율을 조절함으로써 2차 연료 반응기(30) 내 산화 온도를 조절할 수 있게 하고, 이는 시스템의 유연성을 증가시킨다.
가스상 산소 흐름(400)은 2차 세퍼레이터(S2)에서 처리되며, 여기서 분리된 산소는 흐름(410)(예를 들면, 가스상 산소 흐름(410))을 거쳐 2차 세퍼레이터(41)로부터 배출되고, 산소 캐리어는 흐름(217)을 거쳐 2차 세퍼레이터(41)로부터 배출된다. 가스상 산소 흐름(410)은 흐름(401)(예를 들면, 산소 흐름(401)) 및 흐름(402)를 거쳐 2차 연료 반응기(30)로 이송된다. 일 구현 예에 따르면, 산소 흐름(401)은 2차 연료 반응기(30)로 유입되는 흐름(402) 및 유틸리티로서 매체순환 연소 공정으로부터 배출되는 흐름(403)으로 분할되기 전에 ITM(90)으로부터의 산소 흐름(404)과 만나게 된다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 흐름(401) 및 산소 흐름(404)은 모두 흐름(402)으로 방향을 전환한다. 또 다른 구현 예에 따르면, 흐름(401) 및 산소 흐름(404)은 유틸리티로서 산소를 운반하기 위하여 모두 흐름(403)으로 방향을 전환한다. 상기 구현 예에서, 공정은 제2 단계 연소없이 또는 공급된 가스상 산소 단계식 연소 없이 운전될 수 있다. 또 다른 구현 예에 따르면, 흐름(401) 및 산소 흐름(404)은 각각의 흐름에 대한 산소 요구에 따라 흐름(402) 및 흐름(403) 사이에 분포된다. 또 다른 구현 예에 따르면, 흐름(403) 및 산소 흐름(404)은 1차 연료 반응기(20) 내로 주입되어 OGR(50) 내 산화율을 증가시킨다. 또 다른 구현 예에 따르면, 산소 흐름(404) 내 산소는 유틸리티로서 이용되는 한편, 흐름(401)은 내부적으로 이용된다. 이러한 최종 구현 예는 순도 및 OGR(50) 내 산소 캐리어 입자로부터 산소를 회수하기 위하여 사용된 산소 회수 방법에 의존하는 바, 이는 이하에서 보다 구체적으로 설명된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 다양한 구현 예에 따른 공정은 내부적으로, 외부적으로, 또는 양쪽 모두에서 이용되도록 산소를 생성한다. 이는, 예를 들면 1차 연료 반응기(20)와 OGR(50) 사이의 산화 산소-캐리어 흐름(200)의 플로우 비(flow ratio)를 조정(조절)함으로써, 그리고 흐름(103)과 흐름(104) 간의 플로우 비를 조절하는 것에 의하여 ITM(90) 내에서 생성된 가스상 산소의 플로우를 조절함으로써 추가적으로 가능하다.
연료 반응기
전술한 바와 같이, OGR(50)로부터의 산소 생성은, 증가된 압력에서의 산소 생성 공정(scheme)의 경우에는, 진공 펌프 또는 익스트랙터 팬(60)을 통하여 OGR(50)의 온도 및/또는 압력을 제어함으로써, 또는 스윕 가스 산소 회수 공정의 경우에는, 흐름(510)의 유속을 제어함으로써 조절될 수 있다.
다양한 구현 예에 따르면, OGR(50) 내 환원 산소 캐리어는 흐름(216)을 거쳐 OGR(50)로부터 배출된다. 흐름(217)은 흐름(216)과 합쳐져 흐름(206)을 형성한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 흐름(206)은 흐름(207)을 거쳐 1차 연료 반응기(20)로, 그리고/또는 흐름(208)을 거쳐 공기 반응기(10)로, 그리고/또는 흐름(209)을 거쳐 2차 연료 반응기(30)로 이송된다. 바람직한 구현 예에 있어서, 흐름(206)은 공기 반응기(10)로 직접 이송된다. 다양한 구현 예에 따르면, 흐름(207), 흐름(208) 및 흐름(209)의 유속은, 예를 들면 시스템 구성, 적용(용도) 및 흐름(206) 내 산소 캐리어의 환원 레벨에 따라 흐름(206)의 초기 유속(initial flow rate)의 0%에서 100%까지 변화한다.
예를 들면, 일 구현 예에 따르면, 흐름(206) 중 산소 캐리어는 완전히 환원된다. 이러한 구현 예에서, 흐름(206) 내 산소 캐리어는 바람직하게는 흐름(208)을 거쳐 공기 반응기(10)로 이송되는 한편, 1차 연료 반응기(20)로부터의 흐름(203)과 합쳐지고, 환원 산소 캐리어 흐름(204)를 거쳐 공기 반응기(10)로 유입된다. 또 다른 구현 예에 있어서, 흐름(206) 중 산소 캐리어는 약간(lightly) 환원된다. 이러한 구현 예에서, 산소 캐리어는 1차 연료 반응기(20) 및/또는 2차 연료 반응기(30) 내에서 보다 많은 환원을 견디게 된다. 흐름(206) 내 산소 캐리어는 이후 흐름(207)을 거쳐 이송되어 산화 산소-캐리어 흐름(201)을 만나게 되며, 흐름(202)을 거쳐 1차 연료 반응기(20)로 유입되고, 그리고/또는 흐름(209)를 거쳐 이송되어 2차 연료 반응기(30)로 유입된다.
도 1에 추가적으로 도시된 바와 같이, 구현 예에 따르면, 가스상 흐름(500)은 1차 연료 반응기(20)로부터 배출되고, 잔여 연료를 산화시키고 공정 효율을 높이기 위하여 2차 연료 반응기(30)로 도입된다. 앞서 전체적으로 설명된 생성물 흐름(501)은, 예를 들면 에너지 회수, 스팀 생성 및 유틸리티 공급(utilities supply)을 포함하는 다운스트림 공정을 위하여 이송된다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 2차 연료 반응기(30)는 공정 구성(scheme) 및 목적(purpose)에 따라, 예를 들면 산소 캐리어를 이용하거나 이용하지 않고, 그리고 연료를 도입하거나 도입하지 않고, 예를 들면 가스상 산소에 의하여 운전되는 산화 반응기이다. 발전 또는 전력 생산(power generation)용 공정의 바람직한 구현 예에 있어서, 2차 연료 반응기(30)는 인-시튜로 생성되는 흐름(402)을 거쳐 운반되는 산소와의 순산소-연료 연소(oxy-fuel combustion)에 의하여 운전되는 보일러이다.
특정 구현 예에 따르면, 2차 연료 반응기(30) 내 온도를 조절하기 위하여, 1차 연료 반응기(20)로부터 배출되는 가스상 흐름(500)의 일부 또는 전부를 이용할 수 있다. 발명의 특정 구현 예에 따르면, 2차 연료 반응기(30) 내 온도를 조절하기 위하여, 2차 연료 반응기(30)로부터 배출되는 흐름(501)을 리사이클할 수 있다. 2차 연료 반응기(30) 내에서 순산소-보일러를 사용하는 것은 흐름(501) 내에 보다 높은 배가스 온도를 제공하여 전력 생산 공정 구성에서 보다 높은 생증기 온도를 유도함으로써 매체순환 연소 공정의 효율을 증가시킨다.
몇몇 구현 예에 있어서, 매체순환 연소 공정은 연소 및 CO2 포획을 위하여 설계된다. 이러한 구현 예에 있어서, 생성물 흐름(501)은 주로 CO2 및 스팀으로 이루어진다. 이 경우에 있어서, 스팀을 응축시켜 이를 생성물 흐름(501)으로부터 드레인시켜 생성물 흐름(501) 내에 고순도 CO2를 남기게 된다. 이후, CO2는 요구되는 CO2 품질에 따라 추가적으로 처리될 수 있다.
몇몇 구현 예에 있어서, 2차 연료 반응기(30)에는 흐름(209) 및/또는 흐름(210)을 거쳐 산소 캐리어가 공급되고, 상기 산소 캐리어는 2차 연료 반응기(30) 내에서 환원되어 흐름(211)을 통하여 배출된다. 흐름(211) 내 산소 캐리어는 흐름(213)을 거쳐 1차 연료 반응기(20)로 공급되고, 그리고/또는 흐름(212) 및 환원 산소 캐리어 흐름(204)을 거쳐 공기 반응기(10) 내 산화를 위하여 이송된다. 2차 연료 반응기(30)는 연료 흐름(330)을 포함한다.
발명의 다양한 구현 예에 따른 공정은, 도 1에 도시된 바와 같이, 대기압(ambient pressure) 또는 대기압 근처의 압력(near ambient pressure)에서 운전된다. 또한, 상기 공정은 높은 압력에서 운전될 수 있다. 특정 구현 예에서, 공기 반응기(10)는 상압(atmospheric pressure)에서 운전된다. 이러한 구현 예에 있어서, 공기 반응기(10)는, 압력 차이를 생성하고 생성된 가스상 산소를 산소 흐름(404)을 통하여 이송하도록 흐름(102)에서 및/또는 산소 흐름(404)에서 익스트랙터 팬(도시되지 않음)을 포함한다.
ITM을 이용한 인-시튜 산소 생성을 통합한 2-단 매체순환 연소 공정
도 2는, 발명의 구현 예에 따라, ITM을 이용한 인-시튜 산소 생성을 통합한 2-단 매체순환 연소 공정을 도시하는 공정의 흐름도이다. 도 2는, 도 1에 도시된 2-단 매체순환 연소 공정에 대하여 앞서 설명한 바와 유사한 부재들을 포함하는 바, 유사한 부재 번호로 표시되고 전술한 바와 같이 기재된다. 도 2에 도시된 바와 같은 2-단 매체순환 연소 공정은, 도 1에 도시된 2-단 매체순환 연소 공정과 관련하여 앞서 설명된 OGR(50), 그리고 OGR(50) 방향으로의 그리고 OGR(50)로부터의 모든 관련 흐름 및 공정들을 제거한다는 점에서, 도 1에 도시된 바와 같은 2-단 매체순환 연소공정과 구별된다. 또한, 도 2에 도시된 2-단 매체순환 연소 공정은, 도 1에 도시된 2-단 매체순환 연소 공정과 관련하여 앞서 설명된 2차 세퍼레이터(41) 또는 진공 펌프/익스트랙터 팬(60)을 포함하지 않는다.
도 1에 도시된 2-단 매체순환 연소 공정과 유사하게, ITM(90)은 산소-고갈 공기로부터 산소를 분리한다. 생성된 가스상 산소는 내부 이용을 위하여(즉, 흐름(402)를 거쳐 2차 연료 반응기(30)로 공급하기 위하여) 산소 흐름(404)를 거쳐 이송되고, 그리고/또는 흐름(403)을 거쳐 유틸리티로서 시스템 외부로 이송된다. 산소-고갈 공기는, 예를 들면 전력 생산(발전) 및 스팀 생성을 포함하는 추가 공정을 위하여 흐름(105)을 통하여 ITM(90)으로부터 배출된다. 적어도 일 구현 예에 있어서, 흐름(104) 및 흐름(105)는 조합된다.
도 1에 도시된 2-단 매체순환 연소 공정에 대하여 앞서 설명된 바와 같이, 도 2에 도시된 2-단 매체순환 연소 공정은, 공기 반응기(10)로부터 배출되는 산소-고갈 공기의 레벨에서(즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 1차 세퍼레이터(40)에서의 고체상/가스상 분리 후 흐름(102)에서, 또는 1차 세퍼레이터(40) 내 고체상/가스상 분리 전 흐름(101)에서) ITM(90)을 통합하는 것을 용이하게 하는, 공기 반응기(10)의 온도에서 운전되거나, 공기 반응기(10) 내부에서 운전되는 ITM(90)을 이용한다.
도 2에서 추가적으로 도시된 바와 같이, 1차 세퍼레이터(40)로부터 배출되는 산화 산소 캐리어 흐름(200)은 1차 연료 반응기(20)로 향하는 흐름(202) 및 2차 연료 반응기(30)로 향하는 산화 산소-캐리어 흐름(210)으로 분할된다. 시스템 구성(configuration), 목적 및 2차 연료 반응(30)의 타입에 따라, 산화 산소-캐리어 흐름(210)의 유속은 0일 수 있다. 구현 예에 따르면, 흐름(202)과 산화 산소-캐리어 흐름(210) 간의 유속 비는 매체순환 연소 공정의 적용(용도) 및 시스템 전환(system transitions)(예를 들면, 냉시동 전환)에 따라 변화한다.
흐름(200) 내 산화 산소 캐리어는 흐름(202)을 거쳐 1차 연료 반응기(20)로 유입되고, 여기서 산화 산소 캐리어는, 연료 공급 흐름(300)을 거쳐 1차 연료 반응기(20)로 도입된 연료와 반응한다. 연료는 1차 연료 반응기(20)에서 산화됨으로써 산화 산소 캐리어를 환원시킨다. 결과로서 얻어진, 환원 산소 캐리어를 함유하는 산소-고갈 흐름은 흐름(203)을 거쳐 1차 연료 반응기(20)로부터 배출되고, 환원 산소 캐리어 흐름(204)을 거쳐 공기 반응기(10)로 이송된다.
일 구현 예에 따르면, 전체(entire) 산소 흐름(404)은 흐름(402)로 전부 방향 전환하여 2-단 매체순환 연소 공정을 수행한다. 또 다른 구현 예에 따르면, 산소 흐름(404)은 유틸리티로서 산소를 운반하기 위하여 흐름(403)으로 전부 방향 전환된다. 이러한 구현 예에 있어서, 공정은 제2 단계 연소 없이 또는 공급된 가스상 산소 단계식 연소 없이 운전될 수 있다. 또 다른 구현 예에 따르면, 산소 흐름(404)은 각각의 흐름에 대한 산소 요구에 따라 흐름(402) 및 흐름(403) 사이에서 분포된다. 또 다른 구현 예에 따르면, 산소 흐름(404)은 1차 연료 반응기(20) 내에서의 산화율(oxidation rate)을 증가시키기 위하여, 부분적으로 또는 전체적으로 1차 연료 반응기(20)로 주입된다(도시되지 않음).
다양한 구현 예에 따른 공정은, 도 2에 도시된 바와 같이, 내부적으로, 외부적으로 또는 양자 모두에 이용하기 위하여 산소를 생성한다. 이는, 예를 들면 흐름(103)과 흐름(104) 간의 플로우 비를 변화시켜 ITM(90) 내에서 생성된 산소 흐름을 조정(조절)함으로써 가능하다.
도 1에 도시된 바와 유사하게, 가스상 흐름(500)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 1차 연료 반응기(20)로부터 배출되고, 잔여 연료를 산화시키고 공정 효율을 높이기 위하여 2차 연료 반응기(30)로 도입된다. 생성물 흐름(501)은 앞서 전체적으로 설명한 바와 같이, 예를 들면 에너지 회수, 스팀 생성 및 유틸리티 공급을 포함하는 다운스트림 공정을 위하여 이송된다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 2차 연료 반응기(30)는, 공정 구성(scheme) 및 목적에 따라, 예를 들면 산소 캐리어를 이용하거나 이용하지 않고, 그리고 연료를 도입하거나 도입하지 않고, 예를 들면 가스상 산소에 의하여 운전되는 산화 반응기이다. 전력 생산 또는 발전(power generation)용 공정의 바람직한 구현 예에 있어서, 2차 연료 반응기(30)는 인-시튜로 생성되는 흐름(402)을 거쳐 운반되는 산소와의 순산소-연료 연소에 의하여 운전되는 보일러이다.
일 구현 예에 따르면, 2차 연료 반응기(30) 내 온도를 조절하기 위하여, 1차 연료 반응기(20)로부터 배출되는 가스상 흐름(500)의 일부 또는 전부를 이용할 수 있다. 발명의 특정 구현 예에 따르면, 2차 연료 반응기(30) 내 온도를 조절하기 위하여, 2차 연료 반응기(30)로부터 배출되는 흐름(501)을 리사이클할 수 있다. 2차 연료 반응기(30) 내에서 순산소-보일러를 사용하는 것은 흐름(501) 내에 보다 높은 배가스 온도를 제공하여 전력 생산 또는 발전 공정 구성에서 보다 높은 생증기(live steam) 온도를 유도함으로써 매체순환 연소 시스템의 효율을 증가시킨다.
몇몇 구현 예에 있어서, 매체순환 연소 공정은, 도 2에 도시된 바와 같이, 연소 및 CO2 포획을 위하여 설계된다. 이러한 구현 예에 있어서, 생성물 흐름(501)은 주로 CO2 및 스팀으로 이루어진다. 이 경우에 있어서, 스팀을 응축시켜 이를 생성물 흐름(501)으로부터 드레인시켜 생성물 흐름(501) 내에 고순도 CO2를 남기게 된다. 이후, CO2는 요구되는 CO2 품질에 따라 추가적으로 처리될 수 있다.
몇몇 구현 예에 있어서, 2차 연료 반응기(30)에는 흐름(210)을 통하여 산소 캐리어가 공급된다. 이러한 구현 예에 있어서, 산소 캐리어는 2차 연료 반응기(30) 내에서 환원되어 흐름(211)을 통하여 배출된다. 흐름(211) 내 산소 캐리어는 흐름(213)을 거쳐 1차 연료 반응기(20)로 공급되고, 그리고/또는 흐름(212) 및 환원 산소 캐리어 흐름(204)을 거쳐 공기 반응기(10) 내에서의 산화를 위하여 이송된다. 2차 연료 반응기(30)는 연료 흐름(330)을 포함한다.
발명의 다양한 구현 예에 따른 공정은, 도 2에 도시된 바와 같이, 대기압(ambient pressure) 또는 대기압 근처의 압력(near ambient pressure)에서 운전된다. 또한, 상기 공정은 높은 압력에서 운전될 수 있다. 특정 구현 예에서, 공기 반응기(10), 1차 연료 반응기(20) 및 2차 연료 반응기(30)는 동일 압력에서 운전되는 한편, 다른 구현 예에서는 상이한 압력에서 운전된다. 이러한 구현 예에 있어서, 공기 반응기(10)는, 압력 차이를 생성하고 생성된 가스상 산소를 산소 흐름(404)을 통하여 이송하도록 흐름(102)에서 및/또는 산소 흐름(404)에서 익스트랙터 팬(도시되지 않음)을 포함한다.
OGR을 이용한 인-시튜 산소 생성을 통합한 2-단 매체순환 연소 공정
도 3은, 발명의 구현 예에 따라, OGR을 이용한 인-시튜 산소 생성을 통합한 2-단 매체순환 연소 공정을 도시하는 공정의 흐름도이다. 도 3은 도 1에 도시된 2-단 매체순환 연소 공정에 대하여 앞서 설명된 바와 유사한 구성 요소들을 포함하는 바, 유사한 부재 번호로 표시되고 전술한 바와 같이 기재된다. 도 3에 도시된 2-단 매체순환 연소 공정은, 도 1에 도시된 2-단 매체순환 연소 공정과 관련하여 앞서 설명된 ITM(90), 그리고 ITM(90) 방향으로의 그리고 ITM(90)로부터의 모든 관련 흐름 및 공정들을 제거한다는 점에서, 도 1에 도시된 2-단 매체순환 연소공정과 구별된다.
도 1에 도시된 2-단 매체순환 연소 공정과 유사하게, 도 3에 도시된 매체순환 연소 공정은, 유입되는 환원 산소 캐리어 흐름(204; 환원 산소 캐리어를 함유함)을 산화시키기 위하여 공기 반응기(10)로 도입되는 공기 흐름(100)을 이용한다. 결과적으로 생성된 산화 산소-캐리어 흐름(101)은 1차 세퍼레이터(40)에서 처리되며, 여기서 산소-고갈 공기는 흐름(102)을 거쳐 1차 세퍼레이터(40)로부터 배출되고, 산화 산소 캐리어는 산화 산소-캐리어 흐름(200)을 통하여 1차 세퍼레이터(40)로부터 배출된다. 흐름(102) 내 산소-고갈 공기는, 예를 들면 전력 생산(발전) 및 스팀 생성을 포함하는 다운스트림 공정을 위하여 이송된다.
몇몇 구현 예에 따르면, 도 3에서 도시된 바와 같이, 1차 세퍼레이터(40)로부터 배출되는 산화 산소 캐리어 흐름(200)은 1차 연료 반응기(20)로 향하는 산화 산소-캐리어 흐름(201), OGR(50)로 향하는 산화 산소-캐리어 흐름(205) 및 2차 연료 반응기(30)로 향하는 산화 산소-캐리어 흐름(210)으로 분할된다. 다양한 구현 예에 따르면, 흐름(201), 흐름(205) 및 흐름(210)의 플로우 비는 매체순환 연소 공정의 원하는 적용(용도)에 따라 변화할 수 있다. 따라서, 적어도 일 구현 예에 있어서, 시스템 구성(configuration), 목적 및 2차 연료 반응기 타입에 따라, 산화 산소-캐리어 흐름(210)의 플로우는 0이다.
산화 산소-캐리어 흐름(201) 내 산화 산소 캐리어는 흐름(202)를 거쳐 1차 연료 반응기(20)로 유입되고, 여기서 산화 산소 캐리어는 연료 공급 흐름(300)을 거쳐 1차 연료 반응기(20)로 도입된 연료와 반응한다. 연료는 1차 연료 반응기(20)에서 산화됨으로써 산화 산소 캐리어를 환원시킨다. 결과로서 얻어진, 환원 산소 캐리어를 함유하는 환원 산소 캐리어 흐름은 흐름(203)을 거쳐 1차 연료 반응기(20)로부터 배출되고, 환원 산소 캐리어 흐름(204)을 거쳐 공기 반응기(10)로 이송된다.
도 3에 추가적으로 도시된 바와 같이, 산화 산소-캐리어 흐름(205)은, 예를 들면 산소 캐리어가 OGR(50) 내에서 가스상 산소를 방출할 수 있도록 하는 압력 및 온도에서 운전되는 OGR(50)로 유입된다. 적어도 일 구현 예에 따르면, 산소는, 예를 들면 특정(specific) 온도에서 반응기 압력을 증가시킴으로써, 또는 주어진 압력에 대하여 OGR(50) 온도를 조정(조절)함으로써, 또는 CO2 또는 스팀과 같은 스윕(sweep) 가스를 주입함으로써 산소 캐리어로부터 회수된다.
예를 들면, 일 구현 예에 따르면, 가스상 산소는 OGR(50) 외부로 산소를 이송하도록 압력 증가 디바이스로 기능하는 진공 펌프 또는 익스트랙터 팬(60)을 경유하여 회수된다. OGR(50) 내 산소 생성율은 진공 펌프 또는 익스트랙터 팬(60)을 통하여 OGR(50)의 온도 및/또는 압력을 조절함으로써 조정된다. 이러한 구현 예는 산소가 유틸리티로서 생성되어야 하고 순수 산소가 요구되는 경우에 바람직하다.
예를 들면, 또 다른 구현 예에 따르면, 가스상 산소 흐름(400)을 거쳐, OGR(50)로부터 가스상 산소를 운반하기 위하여, CO2 및/또는 스팀은 흐름(510)을 거쳐 OGR(50) 내로 주입된다. OGR(50) 내에서의 산소 생성율은 흐름(510)의 유속을 조절함으로써 조정된다. 이러한 구현 예는 산소가 특정 순도를 요구하지 않고 스윕 가스의 존재가 허용 가능한 경우에 바람직하며, 따라서 OGR(50) 내로의 벡터(vector) 가스 또는 스윕 가스 주입이 산소 회수를 위하여 사용될 수 있다.
만약 OGR(50)로부터의 산소 회수를 위하여 스윕 가스 선택(option)이 고려된다면, 흐름(510)을 거쳐, 도 1에 대하여 앞서 설명된 바와 같이, 생성물 흐름(501)의 슬립(slip) 흐름을 OGR(50)로 보내 2차 연료 반응기(30) 내에서 사용될 요구 산소를 생성하는 것이 가능하다. 이와 같이 실시하는 것은, 생성물 흐름(501)의 일부가 흐름(510), 흐름(400), 흐름(410), 흐름(401), 및 흐름(402)를 거쳐 2차 연료 반응기(30) 내로 간접적으로 도입되므로 재순환율(recirculation rate)을 증가시킬 수 있다. 진공 펌프 또는 익스트랙터 팬 회수 테크닉에 스윕 가스 산소 회수를 결합하는 것은 2차 연료 반응기(30) 내 재순환율을 조절함으로써 2차 연료 반응기(30) 내 산화 온도를 조절할 수 있게 하고, 이는 시스템의 유연성을 증가시킨다.
가스상 산소 흐름(400)은 2차 세퍼레이터(41)에서 처리되며, 여기서 분리된 산소는 가스상 산소 흐름(410)을 거쳐 2차 세퍼레이터(41)로부터 배출되고, 산소 캐리어는 흐름(217)을 거쳐 2차 세퍼레이터(41)로부터 배출된다. 가스상 산소 흐름(410)은 산소 흐름(401) 및 흐름(402)를 거쳐 2차 연료 반응기(30)로 이송된다. 일 구현 예에 따르면, 산소 흐름(401)은 2차 연료 반응기(30)로 유입되는 흐름(402) 및 유틸리티로서 매체순환 연소 공정으로부터 배출되는 흐름(403)으로 분할된다.
일 구현 예에 따르면, 산소 흐름(401)은 흐름(402)으로 전부 방향 전환하여 2-단 매체순환 연소 공정을 수행한다. 또 다른 구현 예에 따르면, 산소 흐름(401)은 유틸리티로서 산소를 운반하기 위하여, 흐름(403)으로 전부 방향 전환된다. 이러한 구현 예에 있어서, 상기 공정은 제2 단계 연소 없이 또는 공급된 가스상 산소 단계식 연소 없이 운전될 수 있다. 또 다른 구현 예에 따르면, 흐름(403)은 1차 연료 반응기(20) 내 산화율을 증가시키기 위하여, 부분적으로 또는 전체적으로 1차 연료 반응기(20)로 주입된다(도시되지 않음).
다양한 구현 예에 따른 공정은, 도 3에 도시된 바와 같이, 내부적으로, 외부적으로 또는 양자 모두에 사용하기 위하여 산소를 생성한다. 이는, 예를 들면 1차 연료 반응기(20)와 OGR(50) 간의 산화 산소-캐리어 흐름(200)의 플로우 비를 조정함으로써 가능하다.
전술한 바와 같이, OGR(50)으로부터의 산소 생성은, 감소된 압력에서의 산소 생성 공정의 경우에는, 진공 펌프 또는 익스트랙터 팬(60)을 통하여 OGR(50)의 온도 및/또는 압력을 제어함으로써, 또는 주어진 압력에 대하여 OGR(50) 온도를 조정함으로써, 또는 스윕 가스 산소 회수 공정의 경우에는, 흐름(510)의 유속을 제어함으로써 조절될 수 있다.
다양한 구현 예에 따르면, OGR(50) 내 환원 산소 캐리어는 흐름(216)을 거쳐 OGR(50)로부터 배출된다. 흐름(217)은 흐름(216)과 합쳐져 흐름(206)을 형성한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 흐름(206)은 흐름(207)을 거쳐 1차 연료 반응기(20)로, 그리고/또는 흐름(208)을 거쳐 공기 반응기(10)로, 그리고/또는 흐름(209)을 거쳐 2차 연료 반응기(30)로 이송될 수 있다. 바람직한 구현 예에 있어서, 흐름(206)은 공기 반응기(10)로 직접 이송된다. 다양한 구현 예에 따르면, 흐름(207), 흐름(208) 및 흐름(209)의 유속은, 예를 들면 시스템 구성, 적용(용도) 및 흐름(206) 내 산소 캐리어의 환원 레벨에 따라 흐름(206)의 초기 유속의 0%에서 100%까지 변화한다.
도 1에 도시된 2-단 매체순환 연소 공정과 유사하게, 도 3에 도시된 2-단 매체순환 연소공정에 따르면, 흐름(206) 중 산소 캐리어는 완전히 환원될 수 있다. 이러한 구현 예에 있어서, 흐름(206) 내 산소 캐리어는 바람직하게는 흐름(208)을 거쳐 공기 반응기(10)로 이송되는 한편, 1차 연료 반응기로부터의 흐름(203)과 합쳐지고, 환원 산소 캐리어 흐름(204)를 거쳐 공기 반응기(10)로 유입된다. 또 다른 구현 예에 있어서, 흐름(206) 중 산소 캐리어가 약간 환원된다면, 산소 캐리어는 1차 연료 반응기(20) 및/또는 2차 연료 반응기(30) 내에서 보다 많은 환원을 견디게 된다. 흐름(206) 내 산소 캐리어는 이후 흐름(207)을 거쳐 이송되어 산화 산소 캐리어 흐름(201)을 만나게 되며, 흐름(202)를 거쳐 1차 연료 반응기(20)로 유입되고, 그리고/또는 흐름(209)를 거쳐 이송되어 2차 연료 반응기(30)로 유입된다.
도 3에 추가적으로 도시된 바와 같이, 가스상 흐름(500)은, 일 구현 예에 따르면, 1차 연료 반응기(20)로부터 배출되고, 잔여 연료를 산화시키고 공정의 효율을 높이기 위하여 2차 연료 반응기(30)로 도입된다. 앞서 전체적으로 설명된 생성물 흐름(501)은, 예를 들면 에너지 회수, 스팀 생성 및 유틸리티 공급을 포함하는 다운스트림 공정을 위하여 이송된다.
적어도 일 구현 예에 따르면, 2차 연료 반응기(30)는, 공정 구성(scheme) 및 목적에 따라, 예를 들면 산소 캐리어를 이용하거나 이용하지 않고, 그리고 연료를 도입하거나 도입하지 않고, 예를 들면 가스상 산소에 의하여 운전되는 산화 반응기이다. 전력 생산 또는 발전(power generation)용 공정의 바람직한 구현 예에 있어서, 2차 연료 반응기(30)는 인-시튜로 생성되는 흐름(402)을 거쳐 운반되는 산소와의 순산소-연료 연소에 의하여 운전되는 보일러이다.
특정 구현 예에 따르면, 2차 연료 반응기(30) 내 온도를 조절하기 위하여, 1차 연료 반응기(20)로부터 배출되는 가스상 흐름(500)을 이용할 수 있다. 발명의 특정 구현 예에 따르면, 2차 연료 반응기(30) 내 온도를 조절하기 위하여, 2차 연료 반응기(30)로부터 배출되는 흐름(501)을 리사이클할 수 있다. 2차 연료 반응기(30) 내에서 순산소-보일러를 사용하는 것은 흐름(501) 내에 보다 높은 배가스 온도를 제공하여 전력 생산(발전) 공정 구성에서 보다 높은 생증기(live steam) 온도를 유도함으로써 매체순환 연소 시스템의 효율을 증가시킨다.
도 1 및 2에 대하여 전술한 구현 예와 유사하게, 도 3에 도시된 매체순환 연소 공정은, 연소 및 CO2 포획을 위하여 설계된다. 이러한 구현 예에 있어서, 생성물 흐름(501)은 주로 CO2 및 스팀으로 이루어진다. 이 경우에 있어서, 스팀을 응축시켜 이를 생성물 흐름(501)으로부터 드레인시켜 생성물 흐름(501) 내에 고순도 CO2를 남기게 된다. 이후, CO2는 요구되는 CO2 품질에 따라 추가적으로 처리될 수 있다.
또한, 몇몇 구현 예에 있어서, 도 3에 도시된 2차 연료 반응기(30)에는 흐름(209) 및/또는 흐름(210)을 거쳐 산소 캐리어가 공급된다. 이러한 구현 예에 있어서, 산소 캐리어는 2차 연료 반응기(30) 내에서 환원되어 흐름(211)을 통하여 배출된다. 흐름(211) 내 산소 캐리어는 흐름(213)을 거쳐 1차 연료 반응기(20)로 공급되고, 그리고/또는 흐름(212) 및 환원된 산소 캐리어 흐름(204)을 거쳐 공기 반응기(10) 내에서의 산화를 위하여 이송된다. 2차 연료 반응기(30)는 연료 흐름(330)을 포함한다.
도 2에 대하여 전술한 구현 예와 유사하게, 발명의 다양한 구현 예에 따른 공정은, 도 3에 도시된 바와 같이, 대기압(ambient pressure) 또는 대기압 근처의 압력(near ambient pressure)에서 운전된다. 또한, 상기 공정은 높은 압력에서 운전될 수 있다. 특정 구현 예에 있어서, 공기 반응기(10), 1차 연료 반응기(20) 및 2차 연료 반응기(30)는 동일 압력에서 운전되는 한편, 다른 구현 예에서는 상이한 압력에서 운전된다.
도 4는 상이한 금속 산화물 시스템 상에서의 가스상 O2의 평형 부분압을 보여주는 그래프이다. 도 4는 가스상 O2에 의한 완전 연료 연소 또는 산화에 기여하여 시스템 효율을 극대화함에 있어 몇몇 산소 캐리어의 CLOU 효과를 추가적으로 보여준다.
다양한 구현 예에 따르면, 공기 반응기(10), 1차 연료 반응기(20) 및 2차 연료 반응기(30)는 유동층, 고속 라이저(fast riser), 버블링 베드, 이동층, 고정층 및 회전층(rotating bed)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 타입이다. 다양한 구현 예에 따르면, 2차 연료 반응기(30)는 연소 챔버 또는 보일러를 더 포함한다. 당업자라면 각각의 반응기 타입이 특정 장점 및 단점을 갖고 있어 공기 반응기(10), 1차 연료 반응기(20) 및 2차 연료 반응기(30) 각각에 대하여 특정 반응기 타입을 선택하는 것이 발명의 다양한 구현 예에 대하여 앞서 설명된 다양한 요인들에 근거한다는 점을 이해할 것이다.
본 발명은 개시된 구성 요소를 적절히 포함하거나, 이로부터 구성되거나, 이로부터 실질적으로 구성될 수 있고, 개시되지 않은 구성 요소 없이도 실시될 수 있다. 예를 들면, 당업자라면 특정 단계가 단일 단계로 조합될 수 있음을 인식할 수 있다.
달리 정의하지 않는 한, 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에게 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다.
본 명세서에서 명확히 달리 언급하지 않는 한, 단수형은 복수의 의미를 포함한다.
본 명세서 및 첨부된 청구항에서 사용되는 바와 같이, 용어 "포함한다", "갖는다" 및 "구비한다", 그리고 이들의 모든 문법적 변형은, 각각 추가 구성 요소 또는 단계를 배제하지 않는 개방형이고 비제한적 의미를 갖는 것으로 의도된다.
"선택적으로 (optionally)"라는 용어는 후속적으로 기재되는 이벤트 또는 상황이 일어나거나 일어나지 않을 수 있다는 것을 의미한다. 상기 기재는 상기 이벤트 또는 상황이 일어나는 경우 및 일어나지 않는 경우를 포함한다.
본 명세서에서 범위는 대략 하나의 특정 값으로부터, 그리고/또는 대략 다른 특정 값까지로 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현되는 경우, 또 다른 구현 예는 하나의 특정 값으로부터 그리고/또는 다른 특정 값까지 상기 범위 내의 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
비록 본 발명이 상세히 기재되어 있기는 하나, 이에 근거하여 다양한 변화, 대체 및 변경이 발명의 원리 및 범위로부터 벗어남이 없이 가능할 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 하기의 청구항 및 이들의 적절한 균등물에 의하여 결정되어야 한다.

Claims (20)

  1. 인-시튜 산소 생성을 통합한 2-단 연소 방법으로서, 상기 방법은,
    공기 반응기를 이용하여, 산소 캐리어를 포함하는 산화 산소-캐리어 흐름을 형성하도록 환원 산소 캐리어 흐름을 산화시키는 단계;
    1차 세퍼레이터에서, 상기 산화 산소-캐리어 흐름으로부터 산소 캐리어 및 산소-고갈 공기를 분리하는 단계;
    산소 생성 시스템에서, 가스상 산소를 생성하는 단계, 여기서 상기 가스상 산소는 (i) 이온 전달 멤브레인을 이용하여 상기 산소-고갈 공기로부터 산소를 분리함으로써 생성되거나, 또는 (ii) 매체수환 산소 커플링(Chemical Looping Oxygen Coupling; CLOU) 효과를 갖는 산소 캐리어로부터 방출된 산소에 의해 생성되거나, 또는 상기 (i) 및 (ii) 모두에 의해 생성됨;
    1차 연료 반응기를 이용하여, 상기 산소 캐리어의 존재 하에서 연료를 연소시키는 단계; 및
    2차 연료 반응기를 이용하여, 추가 연료 공급물 및 1차 연료 반응기로부터 배출되는 미연소 연료 중 적어도 하나를 상기 산소 생성 시스템에서 생성된 가스상 산소의 존재 하에서 연소시키는 단계, 여기서 상기 2차 연료 반응기는 상기 공기 반응기로부터 산소 캐리어를 상기 2차 연료 반응기로 운반하기 위하여 더욱 운전됨;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산화시키는 단계는, 라이저 반응기 및 유동층 반응기 중 하나를 이용하여 환원 산소 캐리어 흐름을 산화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연소시키는 단계는 유동층 반응기 및 이동층 반응기 중 하나인 1차 연료 반응기를 사용하여 연료를 연소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 추가 연료 공급물 및 1차 연료 반응기로부터 배출되는 미연소 연료 중 적어도 하나를 연소시키는 단계는 순산소-연료 보일러 또는 임의 타입의 연소 챔버를 이용하여 상기 연료를 연소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 생성하는 단계는 내부 이용 중 하나를 위하여 또는 유틸리티로서 산소 생성 시스템의 이온 전달 멤브레인 내에서 가스상 산소를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 이온 전달 멤브레인에서 가스상 산소를 생성하는 단계는 상기 1차 세퍼레이터를 떠나는 산소-고갈 공기로부터 산소를 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 생성하는 단계는 내부 이용 중 하나를 위하여 또는 유틸리티로서 산소 생성 시스템의 산소 생성 반응기 내에서 가스상 산소를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 1차 세퍼레이터를 떠나는 산소 캐리어는 1차 연료 반응기, 산소 생성 반응기 및 2차 연료 반응기 중 적어도 하나로 유입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 생성하는 단계는 산소 생성 반응기의 압력을 증가시키는 것, 산소 생성 반응기 온도를 조정하는 것, 및 이산화탄소 및 스팀으로 이루어진 군으로부터 선택되는 스윕 가스를 주입하는 것 중 적어도 하나에 의하여, 산소 캐리어의 존재 하에서 산소 생성 반응기 내에 가스상 산소를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 2차 세퍼레이터 내에서 가스상 산소 및 산소 캐리어를 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 환원 산소 캐리어 흐름을 산화시켜 산화 산소 캐리어 흐름을 형성하도록 구성되는 공기 반응기, 상기 산화 산소 캐리어 흐름은 산소 캐리어를 포함함;
    상기 산화 산소 캐리어 흐름으로부터 산소 캐리어 및 산소-고갈 공기를 분리시키도록 구성된 1차 세퍼레이터;
    가스상 산소를 생성하도록 구성되는 산소 생성 시스템, 여기서 상기 가스상 산소는 (i) 이온 전달 멤브레인을 이용하여 상기 산소-고갈 공기로부터 산소를 분리함으로써 생성되거나, 또는 (ii) 매체수환 산소 커플링(Chemical Looping Oxygen Coupling; CLOU) 효과를 갖는 산소 캐리어로부터 방출된 산소에 의해 생성되거나, 또는 상기 (i) 및 (ii) 모두에 의해 생성됨;
    상기 산소 캐리어의 존재 하에서 연료를 연소시키도록 구성된 1차 연료 반응기; 및
    추가 연료 공급물 및 상기 1차 연료 반응기로부터 배출되는 미연소 연료 중 적어도 하나를 상기 산소 생성 시스템에서 생성된 가스상 산소의 존재 하에서 연소시키도록 구성된 2차 연료 반응기, 여기서 상기 2차 연료 반응기는 상기 공기 반응기로부터 산소 캐리어를 상기 2차 연료 반응기로 운반하도록 더욱 운전됨;
    를 포함하는, 인-시튜 산소 생성을 통합한 2-단 연소용 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 공기 반응기는 라이저 반응기 및 유동층 반응기 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 1차 연료 반응기는 유동층 반응기 및 이동층 반응기 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 2차 연료 반응기는 순산소-연료 보일러 또는 임의 타입의 연소 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 산소 생성 시스템은 이온 전달 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 이온 전달 멤브레인은 상기 1차 세퍼레이터를 떠나는 산소-고갈 공기로부터 산소를 분리함으로써 가스상 산소를 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 산소 생성 시스템은 산소 생성 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 1차 세퍼레이터를 떠나는 산소 캐리어는 1차 연료 반응기, 산소 생성 반응기 및 2차 연료 반응기 중 적어도 하나로 유입되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제17항에 있어서, 상기 산소 생성 반응기는 산소 생성 반응기의 압력을 증가시키는 것, 산소 생성 반응기 온도를 조정하는 것, 및 이산화탄소 및 스팀으로 이루어진 군으로부터 선택되는 스윕 가스 중 하나를 주입하는 것 중 적어도 하나에 의하여, 산소 캐리어의 존재 하에 가스상 산소를 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제17항에 있어서, 가스상 산소 및 산소 캐리어를 분리하도록 구성된 2차 세퍼레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
KR1020157016143A 2012-11-30 2013-11-22 통합된 산소 생성을 구비한 단계식 매체순환 공정 KR101785816B1 (ko)

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