KR102264811B1 - Reaction Rate Improvement Method of Chemical Looping Combustion System and Start-up Procedure Using Thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공기공급수단에 의해 공급된 공기와 반응하여 산소전달입자가 산화되는 공기반응기; 상기 공기반응기에서 산화된 산소전달입자가 공급되고, 연료공급수단에 의해 공급된 연료가 연소되어 상기 산화된 산소전달입자가 환원되며, 환원된 산소전달입자를 상기 공기반응기로 공급하는 연료반응기; 연소시스템의 구동 전, 상기 공기반응기와 상기 연료반응기 각각을 설정된 온도까지 예열시키는 공기반응기 예열수단과, 연료반응기 예열수단; 상기 연소시스템의 구동 전, 상기 연료반응기 내로 수소기체를 공급하는 수소공급수단; 및 상기 공기반응기와 상기 연료반응기가 설정된 온도에 도달하도록 상기 공기반응기 예열수단과 연료반응기 예열수단을 제어하고, 상기 연료반응기 내의 산소전달입자의 고체전환율이 설정된 전환율 값에 도달하도록 상기 수소공급수단을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a chemical roofing combustion system with improved reaction rate, and more particularly, to an air reactor in which oxygen delivery particles are oxidized by reacting with air supplied by an air supply means; a fuel reactor to which oxygen transfer particles oxidized in the air reactor are supplied, fuel supplied by a fuel supply means is burned to reduce the oxidized oxygen transfer particles, and the reduced oxygen transfer particles are supplied to the air reactor; an air reactor preheating means for preheating each of the air reactor and the fuel reactor to a preset temperature before driving the combustion system, and a fuel reactor preheating means; hydrogen supply means for supplying hydrogen gas into the fuel reactor before driving the combustion system; and controlling the air reactor preheating means and the fuel reactor preheating means so that the air reactor and the fuel reactor reach a set temperature, and the hydrogen supply means so that the solid conversion rate of the oxygen transfer particles in the fuel reactor reaches a set conversion rate value. It relates to a chemical looping combustion system having an improved reaction rate, comprising: a control unit for controlling.

Description

케미컬루핑 연소시스템의 반응속도 개선 방법 및 이를 이용한 구동 방법{Reaction Rate Improvement Method of Chemical Looping Combustion System and Start-up Procedure Using Thereof}Reaction Rate Improvement Method of Chemical Looping Combustion System and Start-up Procedure Using Thereof

본 발명은 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템 및 그 케미컬루핑 연소시스템의 구동방법에 관한 것이다.The present invention relates to a chemical looping combustion system with improved reaction rate and a driving method of the chemical looping combustion system.

대량 배출원으로부터 이산화탄소를 포집하여 분리하기 위한 여러 기술 중 연소과정에서 고농도의 이산화탄소만 배출되도록 하는 연소 중 포집기술(순산소 연소기술)은 연소기(combustor) 자체에서 CO2 가 고농도로 배출되므로 별도의 분리설비 없이 CO2를 원천적으로 분리할 수 있는 장점이 있으며 주로 신규발전소 또는 기존 발전소의 retrofit을 위한 설비로 활용될 수 있다. Among the various technologies for capturing and separating carbon dioxide from mass emission sources, the capture technology during combustion (pure oxygen combustion technology), which emits only a high concentration of carbon dioxide during the combustion process, is a separate separation technology because the combustor itself emits a high concentration of CO 2 It has the advantage of being able to fundamentally separate CO 2 without a facility, and can be mainly used as a facility for retrofit of a new power plant or an existing power plant.

한편 공기 중의 산소를 사전에 분리하여 연소기에 공급하는 기존의 순산소 연소기술과는 달리 케미컬루핑 연소시스템(또는 매체순환 연소시스템)은 입자 상태의 금속산화물을 이용하여 하나의 반응기에서는 공기 중의 산소를 흡수하고, 이를 다른 반응기로 이동시켜 연료와 산소를 반응시키는 분리연소 반응을 통해 공기 중의 질소와 연소에 의해 발생하는 이산화탄소의 혼합을 방지할 수 있으며 산소를 분리하기 위한 별도의 설비가 필요 없는 차세대 연소기술이다. On the other hand, unlike the conventional pure oxygen combustion technology, which separates oxygen in the air and supplies it to the combustor, the chemical looping combustion system (or medium circulation combustion system) uses particle-state metal oxide to generate oxygen in the air in one reactor. It is absorbed and moved to another reactor to prevent mixing of nitrogen in the air and carbon dioxide generated by combustion through the separation combustion reaction that reacts fuel and oxygen, and next-generation combustion that does not require a separate facility to separate oxygen it's technology

도 1에는 케미컬루핑 연소시스템의 기본적인 개념을 나타내었다. 전체 시스템은 공기반응기(10)와 연료반응기(40)로 구성되며, 공기반응기에서는 식 (1)과 같이 산소전달입자(1)에 포함된 금속성분(M)이 공기 중의 산소에 의해 산화되어 금속산화물(MO)을 형성하며, 산화된 산소전달입자는 연료반응기(40)로 이송되고, 연료반응기(40)에서는 식 (2)와 같이 금속산화물(MO)이 연료(천연가스, 석탄, 합성가스, 바이오매스 등)와 반응하여 금속산화물이 금속성분으로 다시 환원되면서 CO2, H2O만을 발생시킨다. 연료반응기(40)에서 환원된 산소전달입자(1)는 공기반응기(10)로 재순환되어 위의 과정을 반복한다. 1 shows the basic concept of a chemical roofing combustion system. The entire system is composed of an air reactor 10 and a fuel reactor 40. In the air reactor, as shown in Equation (1), the metal component (M) contained in the oxygen transfer particle 1 is oxidized by oxygen in the air to form a metal. Oxide (MO) is formed, the oxidized oxygen transfer particles are transferred to the fuel reactor 40, and in the fuel reactor 40, the metal oxide (MO) is converted into fuel (natural gas, coal, syngas) as shown in Equation (2). , biomass, etc.), the metal oxide is reduced back to the metal component, and only CO 2 , H 2 O is generated. The oxygen transfer particles 1 reduced in the fuel reactor 40 are recycled to the air reactor 10 and the above process is repeated.

산화반응 : 2MxOy -1+ O2 → 2MxOy (1)Oxidation reaction: 2M x O y -1 + O 2 → 2M x O y (1)

환원반응 : (2n+m)MxOy + CnH2m → (2n+m)MxOy -1+mH2O+nCO2 (2)Reduction reaction: (2n+m)M x O y + C n H 2m → (2n+m)M x O y -1 +mH 2 O+nCO 2 (2)

케미컬루핑 연소시스템의 공기반응기(10)에서는 화염이 없는 조건에서 기체-고체 반응이 일어나므로 thermal-NOx의 발생을 최소화할 수 있고, 별도의 공기분리설비가 필요하지 않으며, 연료반응기(40)에서 배출되는 기체는 CO2와 H2O 뿐이므로 수분을 응축하여 분리하면 별도의 CO2 분리설비 없이 고농도의 CO2를 원천적으로 분리할 수 있는 장점이 있다. In the air reactor 10 of the chemical roofing combustion system, since the gas-solid reaction occurs in the absence of a flame, the generation of thermal-NOx can be minimized, and a separate air separation facility is not required, and in the fuel reactor 40 Since the emitted gases are only CO 2 and H 2 O, condensing and separating moisture has an advantage in that high-concentration CO 2 can be fundamentally separated without a separate CO 2 separation facility.

한편, 케미컬루핑 연소시스템에 사용되는 연료 중 천연가스의 주성분인 메탄을 고려하고, 산소전달입자의 주 성분이 Ni(니켈)인 경우를 고려하면, 식(1)과 식(2)는 아래의 식(3)과 식(4)와 같이 표시되며, 공기반응기(10)에서 일어나는 산화반응은 발열반응인 반면 연료반응기(40)에서 일어나는 환원반응은 흡열반응이다.On the other hand, considering methane, which is the main component of natural gas among fuels used in the chemical roofing combustion system, and considering the case where the main component of oxygen transfer particles is Ni (nickel), Equations (1) and (2) are It is expressed as Equations (3) and (4), and the oxidation reaction occurring in the air reactor 10 is an exothermic reaction whereas the reduction reaction occurring in the fuel reactor 40 is an endothermic reaction.

산화반응(발열반응) : 2Ni + O2 → 2NiO (3)Oxidation reaction (exothermic reaction): 2Ni + O 2 → 2NiO (3)

환원반응(흡열반응) : 4NiO + CH4 → 4Ni + CO2 + 2H2O (4)Reduction reaction (endothermic reaction): 4NiO + CH 4 → 4Ni + CO 2 + 2H 2 O (4)

케미컬루핑 연소시스템의 산화반응은 산소전달입자의 조성에 따라 다르지만, 니켈 계 산소전달입자를 사용하는 경우 600oC 이상의 온도에서는 산화반응이 일어날 수 있다. The oxidation reaction of the chemical roofing combustion system depends on the composition of the oxygen transfer particles, but when nickel-based oxygen transfer particles are used, the oxidation reaction may occur at a temperature of 600 o C or higher.

한편 환원반응의 경우도 600oC 이상의 온도에서 일어날 수 있으나 낮은 온도에서 연료반응기(40)를 운전하는 경우에는 주입된 연료 중 실제 연소에 사용된 연료를 나타내는 연료전g환율(fuel conversion)이 낮아 연료의 연소효율이 낮고, 전체 주입된 연료기체 중에서 연소 후 CO2 형태로 배출되는 기체의 양을 나타내는 CO2 선택도(CO2 selectivity)가 낮아 고농도 CO2의 원천분리가 불가능하다. On the other hand, the reduction reaction may also occur at a temperature of 600 o C or higher, but when the fuel reactor 40 is operated at a low temperature, the fuel conversion rate (fuel conversion) indicating the fuel actually used for combustion among the injected fuels is low. a low combustion efficiency of fuel, after combustion of the total fuel gas injected CO 2 indicating the selected amount of gas discharged from the CO 2 form also (CO 2 selectivity) due to low source separation of high-concentration CO 2 is not possible.

도 2a는 케미컬루핑 연소시스템의 연료반응기에서 3가지 입자별 산소전달입자의 환원반응 온도에 따른 연료전환율 그래프를 도시한 것이고, 도 2b는 케미컬루핑 연소시스템의 연료반응기에서 3가지 입자별 산소전달입자의 환원반응 온도에 따른 연료전환율 그래프를 도시한 것이다. 즉, 도 2a 및 도 2b에는 세 종류의 Ni계 산소전달입자(SDN70, N018-R2, N018-R4)에 대해 연료반응기(40) 온도변화에 따른 연료전환율과 CO2 선택도의 변화를 나타내었다(출처 : Hana Kim, Jung-Hwan Kim, Joo-Young Yoon, Doyeon Lee, Jeom-In Baek, Ho-Jung Ryu, “Selection of the Best Oxygen Carrier for Chemical Looping Combustion in a Bubbling Fluidized Bed Reactor”, Clean Technology, Vol. 24, No. 1, pp. 63-69(2018).) 2A is a graph showing the fuel conversion rate according to the reduction reaction temperature of the oxygen transfer particles for each of the three particles in the fuel reactor of the chemical looping combustion system, and FIG. 2B is the oxygen transfer particles for each of the three particles in the fuel reactor of the chemical looping combustion system. shows a graph of the fuel conversion rate according to the reduction reaction temperature of That is, in FIGS. 2a and 2b, the fuel conversion rate and CO 2 selectivity according to the temperature change of the fuel reactor 40 for three types of Ni-based oxygen transfer particles (SDN70, N018-R2, N018-R4) were shown. (Source: Hana Kim, Jung-Hwan Kim, Joo-Young Yoon, Doyeon Lee, Jeom-In Baek, Ho-Jung Ryu, “Selection of the Best Oxygen Carrier for Chemical Looping Combustion in a Bubbling Fluidized Bed Reactor”, Clean Technology , Vol. 24, No. 1, pp. 63-69 (2018).)

도 2a 및 도 2b에 나타난 바와 같이, 750 ~ 900 ℃의 온도범위에서 세 가지 산소전달입자 모두 반응 온도가 증가함에 따라 연료전환율과 CO2 선택도가 증가하는 경향을 나타냈다. As shown in FIGS. 2A and 2B , in the temperature range of 750 to 900° C., as the reaction temperature of all three oxygen transfer particles increased, the fuel conversion rate and CO 2 selectivity tended to increase.

결과적으로 천연가스의 주성분인 메탄을 연료로 사용하는 경우, 연료전환율과 CO2 선택도를 향상시키기 위해서는 850oC 이상의 고온조건에서 케미컬루핑 시스템을 조업하는 것이 유리하다.Consequently, when methane, the main component of natural gas, is used as a fuel, it is advantageous to operate the chemical roofing system at a high temperature of 850 o C or higher in order to improve the fuel conversion rate and CO 2 selectivity.

한편, 일반적으로 산소전달입자는 금속성분이 산화된 상태(니켈 계 산소전달입자의 경우 식(4)와 같은 NiO 상태)로 시스템에 주입되게 되며 연료반응기로 주입되는 연료에 의해 환원반응이 진행되면서 입자의 전환율(conversion)이 변화하게 된다. On the other hand, in general, oxygen transfer particles are injected into the system in a state in which the metal component is oxidized (NiO state as in Equation (4) in the case of nickel-based oxygen transfer particles), and the reduction reaction proceeds by the fuel injected into the fuel reactor. The conversion of the particles is changed.

도 3은 케미컬루핑 연소시스템의 연료반응기에서 니켈 계 산소전달입자에 다양한 연료((a)H2, (b)CH4, (c) 합성가스(Syngas), (d) 천연가스(natural gas))를 반응시켰을 때 시간에 따른 고체전환율 그래프를 도시한 것이다. 3 shows various fuels ((a)H 2 , (b)CH 4 , (c) Syngas, (d) natural gas in the nickel-based oxygen transfer particles in the fuel reactor of the chemical roofing combustion system. ) shows a graph of the solid conversion rate over time when reacted.

즉, 도 3에는 수소, 메탄, 합성가스(CO, H2가 주성분), 천연가스를 연료로 사용하였을 때 시간변화에 따라 측정된 산소전달입자의 전환율 변화를 나타내었다(출처 : Ho-Jung Ryu, Kyung-Su Kim, Yrong-Seong Park, Moon-Hee Park, “Reduction Characteristics pf Oxygen Carrier Particles for Chemical Looping Combustor with Different Fuels”, Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 20, No. 1, pp. 45-54(2009)).That is, FIG. 3 shows the change in the conversion rate of oxygen-transferring particles measured with time change when hydrogen, methane, synthesis gas (CO, H 2 are the main components), and natural gas were used as fuels (source: Ho-Jung Ryu) , Kyung-Su Kim, Yrong-Seong Park, Moon-Hee Park, “Reduction Characteristics pf Oxygen Carrier Particles for Chemical Looping Combustor with Different Fuels”, Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 20, No. 1 , pp. 45-54 (2009)).

도 3에 나타난 바와 같이 완전히 산화된 상태의 산소전달입자에 연료를 주입하면, 산소전달입자에 포함된 산소가 연료와 반응하면서 입자의 전환율이 증가하게 되며, 입자에 포함된 산소가 모두 소모되는 경우 전환율이 1까지 증가할 수 있다. As shown in FIG. 3 , when fuel is injected into oxygen-transmitting particles in a completely oxidized state, the conversion rate of the particles increases as oxygen contained in the oxygen-transmitting particles reacts with the fuel, and when all the oxygen contained in the particles is consumed The conversion rate can be increased to 1.

또한 도 3의 (b) (d)에 나타난 바와 같이, CH4를 포함하는 연료(메탄 및 천연가스)의 경우 전환율이 증가한 후 다시 감소하는 경향을 나타내는데 이는 전환율의 감소가 아닌 탄소침적(carbon deposition)에 의한 것으로 주입되는 연료에 비해 산소전달입자로부터 제공되는 산소가 부족할 경우(전환율이 높은 경우에 주로 발생)에 아래 식(5)와 식(6)과 같은 반응에 의해 산소전달입자에 탄소가 침적되는 현상을 나타낸다.In addition, as shown in (b) (d) of FIG. 3 , in the case of fuels (methane and natural gas) containing CH 4 , the conversion rate increases and then decreases again, which is not a decrease in the conversion rate but carbon deposition (carbon deposition). ), when the oxygen provided from the oxygen transfer particles is insufficient compared to the injected fuel (which occurs mainly when the conversion rate is high), carbon is added to the oxygen transfer particles through the reactions shown in Equations (5) and (6) below. It indicates the phenomenon of immersion.

CH4 → C + 2H2 (5)CH 4 → C + 2H 2 (5)

2CO → C + CO2 (6)2CO → C + CO 2 (6)

산소전달입자에 탄소가 침적되면 산소전달입자와 기체연료와의 반응성이 급격하게 감소하므로 탄소침적을 최소화할 수 있는 조건에서 조업하는 것이 유리하다.When carbon is deposited on the oxygen transfer particles, the reactivity between the oxygen transfer particles and the gaseous fuel rapidly decreases, so it is advantageous to operate under conditions that can minimize carbon deposition.

한편, 도 3에서 시간에 따른 고체전환율의 변화 기울기는 반응속도를 의미하며, 도 3에 나타난 바와 같이 반응 초기에는 전환율의 증가 속도가 낮은 반면 전환율 0.2 이상에서는 시간 변화에 따라 전환율이 급격히 증가한 후 전환율이 높은 조건에서는 증가 기울기가 둔화되는 경향을 나타낸다. On the other hand, the slope of the change in the solid conversion rate with time in FIG. 3 means the reaction rate, and as shown in FIG. 3, the rate of increase in the conversion rate is low at the beginning of the reaction, whereas at the conversion rate of 0.2 or more, the conversion rate rapidly increases with time change, and then the conversion Under this high condition, the increase slope tends to slow down.

결과적으로 시간변화에 따른 전환율의 변화 기울기, 즉 반응속도는 고체 전환율이 낮은 조건 보다는 전환율 0.4 ~ 0.6인 조건이 높으며, 전환율이 높은 조건에서는 연료에 따라 탄소침적이 발생할 수 있다. As a result, the slope of the change in conversion rate with time, that is, the reaction rate, is higher under the condition of 0.4 ~ 0.6 conversion than the condition of low solid conversion, and carbon deposition may occur depending on the fuel under the condition of high conversion.

도 4는 케미컬루핑 연소시스템의 구성도를 도시한 것이다. 공기반응기(10)는 산소전달입자와 공기의 반응을 일으키는 역할과 함께 입자를 상부로 쏘아 올려 연료반응기(40)로 이송시키는 역할을 함께 해야 하므로, 일반적으로 고속유동층 형태가 많이 사용된다. 4 is a block diagram of a chemical roofing combustion system. Since the air reactor 10 plays a role of causing a reaction between oxygen transfer particles and air, and also plays a role of shooting the particles upward and transferring them to the fuel reactor 40 , a high-speed fluidized bed type is generally used.

공기반응기(10)에서 비산된 입자는 공기반응기 사이클론(20)과 루프실(loop seal)(30)을 거쳐서 연료반응기(40)로 이송되고, 연료반응기(40)에서 고체연료와 반응한 후, 공기반응기(10)로 재순환 된다. The particles scattered from the air reactor 10 are transferred to the fuel reactor 40 through the air reactor cyclone 20 and the loop seal 30, and after reacting with the solid fuel in the fuel reactor 40, It is recirculated to the air reactor (10).

산소전달입자(1)는 공기반응기(10)와 연료반응기(40) 사이를 계속적으로 순환하면서 산화-환원 반응을 반복하게 되므로 도 3에 표현된 고체입자의 전환율의 경우 0에서 1 사이의 전환율 범위에서 연료반응기(40)에서는 연료와 반응하므로 높은 전환율을 나타내고 공기반응기(10)에서는 다시 산화되므로 낮은 전환율로 변하게 된다. Since the oxygen transfer particles 1 repeat the oxidation-reduction reaction while continuously circulating between the air reactor 10 and the fuel reactor 40, the conversion rate of the solid particles shown in FIG. 3 ranges from 0 to 1. In the fuel reactor 40, since it reacts with the fuel, it shows a high conversion rate, and since it is oxidized again in the air reactor 10, it is changed to a low conversion rate.

대한민국 등록특허 10-1349493Republic of Korea Patent Registration 10-1349493 대한민국 공개특허 10-2012-0045769Republic of Korea Patent Publication 10-2012-0045769 대한민국 공개특허 10-2018-0013283Republic of Korea Patent Publication 10-2018-0013283 대한민국 등록특허 10-0636881Republic of Korea Patent Registration 10-0636881

앞서 설명한 바와 같이 천연가스 또는 메탄을 연료로 사용하는 케미컬루핑 연소시스템은 높은 연료전환율과 CO2 선택도를 얻기 위해 850oC 이상의 온도에서 조업하는 것이 유리하며, 이를 위해 케미컬루핑 연소시스템의 start-up 과정에서 공기반응기와 연료반응기의 온도를 850℃ 이상으로 예열하는 단계가 필요하다. As described above, it is advantageous to operate a chemical roofing combustion system using natural gas or methane as a fuel at a temperature of 850 o C or higher to obtain a high fuel conversion rate and CO 2 selectivity. In the up process, it is necessary to preheat the temperature of the air reactor and the fuel reactor to 850°C or higher.

예열 과정에서 화염(flame)에 의한 산소전달입자의 반응성 저하 또는 국부적인 고온 발생에 의한 소결(sintering)을 방지하기 위해 반응기의 예열은 고온의 공기 또는 질소를 주입하는 간접식 예열이 주로 사용된다. In the preheating process, indirect preheating by injecting high-temperature air or nitrogen is mainly used for preheating the reactor in order to prevent sintering due to a decrease in the reactivity of oxygen transfer particles due to a flame or a local high temperature generation.

이러한 간접식 예열방식은 주입되는 고온의 공기 또는 질소의 열용량이 낮고, 주입 과정에서 열손실이 발행할 수 있으므로 직접적으로 반응기 또는 반응기 내부에 존재하는 산소전달입자에 열을 전달하기 어렵다. 따라서 케미컬루핑 연소시스템의 예열 과정에서 많은 시간과 에너지가 필요하다. This indirect preheating method has a low heat capacity of the injected high-temperature air or nitrogen, and heat loss may occur during the injection process, so it is difficult to directly transfer heat to the reactor or oxygen transfer particles present in the reactor. Therefore, a lot of time and energy are required in the preheating process of the chemical roofing combustion system.

또한, 케미컬루핑 연소시스템에서 환원반응의 경우에는 흡열반응이므로 온도를 상승시키는 과정에서 연료반응기에 연료를 주입하지 않는 것이 일반적이며, 이 경우 산소전달입자는 완전히 산화된 상태(즉, 고체 전환율이 0인 상태)에서 존재하게 된다. In addition, in the case of a reduction reaction in a chemical looping combustion system, since it is an endothermic reaction, it is common not to inject fuel into the fuel reactor in the process of raising the temperature. In this case, the oxygen transfer particles are in a completely oxidized state (that is, the solid conversion rate is 0 in the state of being).

따라서 원하는 온도조건에 도달하여, 고체를 순환시키고 연료를 주입하는 조건에서 고체입자의 전환율이 0인 조건에서 반응을 시작하게 된다. 따라서, 도 3에 나타난 바와 같이 시간에 따른 전환율 변화의 기울기, 즉 반응속도가 낮은 구간에서 반응을 시작하게 되는 단점이 있다. Therefore, when the desired temperature condition is reached, the reaction starts under the condition that the conversion rate of the solid particles is 0 under the conditions of circulating the solid and injecting fuel. Therefore, as shown in FIG. 3 , there is a disadvantage in that the reaction starts in a section with a low reaction rate, that is, the slope of the conversion rate change with time.

또한, 산소전달입자가 공기반응기와 연료반응기를 계속적으로 순환하므로 산소전달입자는 완전히 환원된 상태(고체 전환율 1)와 완전히 산화된 상태(고체 전환율 0)로 반복적으로 변화하는 것이 아니라 고체 전환율 0에서 1 사이의 임의의 값(예, 고체 전환율 0.0~0.3 사이로 변화)을 가지면서 순환하게 된다. In addition, since the oxygen transfer particles continuously circulate between the air reactor and the fuel reactor, the oxygen transfer particles do not change repeatedly between a completely reduced state (solid conversion rate 1) and a fully oxidized state (solid conversion rate 0), but at a solid conversion rate of 0. It will cycle with any value between 1 (eg, the solid conversion varies between 0.0 and 0.3).

이 경우, 산소전달입자가 완전히 산화된 상태에서 반응을 시작하는 경우에는 반응속도가 낮은 조건(전환율 0 부근)에서 전환율이 변화하게 되며, 이 경우 전체 시스템의 성능이 저하되는 단점이 있다. In this case, when the reaction starts in a state in which the oxygen transfer particles are completely oxidized, the conversion rate is changed under a low reaction rate condition (near conversion rate 0), and in this case, the performance of the entire system is deteriorated.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned are clearly to those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. can be understood

본 발명의 제1목적은, 케미컬루핑 연소시스템에 있어서, 공기공급수단에 의해 공급된 공기와 반응하여 산소전달입자가 산화되는 공기반응기; 상기 공기반응기에서 산화된 산소전달입자가 공급되고, 연료공급수단에 의해 공급된 연료가 반응되어 상기 산화된 산소전달입자가 환원되며, 환원된 산소전달입자를 상기 공기반응기로 공급하는 연료반응기; 연소시스템의 구동 전, 상기 공기반응기와 상기 연료반응기 각각을 설정된 온도까지 예열시키는 공기반응기 예열수단과, 연료반응기 예열수단; 상기 연소시스템의 구동 전, 상기 연료반응기 내로 수소기체를 공급하는 수소공급수단; 및 상기 공기반응기와 상기 연료반응기가 설정된 온도에 도달하도록 상기 공기반응기 예열수단과 연료반응기 예열수단을 제어하고, 상기 연료반응기 내의 산소전달입자의 고체전환율이 설정된 전환율 값에 도달하도록 상기 수소공급수단을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템으로서 달성될 수 있다 A first object of the present invention is to provide a chemical roofing combustion system, comprising: an air reactor in which oxygen transfer particles are oxidized by reacting with air supplied by an air supply means; a fuel reactor in which oxygen transfer particles oxidized in the air reactor are supplied, fuel supplied by a fuel supply means is reacted to reduce the oxidized oxygen transfer particles, and the reduced oxygen transfer particles are supplied to the air reactor; an air reactor preheating means for preheating each of the air reactor and the fuel reactor to a preset temperature before driving the combustion system, and a fuel reactor preheating means; hydrogen supply means for supplying hydrogen gas into the fuel reactor before driving the combustion system; and controlling the air reactor preheating means and the fuel reactor preheating means so that the air reactor and the fuel reactor reach a set temperature, and the hydrogen supply means so that the solid conversion rate of the oxygen transfer particles in the fuel reactor reaches a set conversion rate value. It can be achieved as a chemical looping combustion system with improved reaction rate, comprising: a control unit to control

그리고 상기 공기반응기 예열수단과, 연료반응기 예열수단은 예열된 기체를 공급하는 간접식 가열방식이 적용되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the air reactor preheating means and the fuel reactor preheating means may be characterized in that the indirect heating method for supplying the preheated gas is applied.

또한 공기반응기와 상기 연료반응기는 유동층반응기로 구성되며, 상기 공기반응기의 온도를 실시간으로 측정하는 제1온도센서와, 상기 연료반응기의 온도를 실시간으로 측정하는 제2온도센서를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the air reactor and the fuel reactor are configured as a fluidized bed reactor, and include a first temperature sensor for measuring the temperature of the air reactor in real time, and a second temperature sensor for measuring the temperature of the fuel reactor in real time. can do.

그리고 상기 제어부는, 상기 연료반응기의 온도가 제1설정온도값에 도달하면, 예열기체로서 질소를 공급하고, 상기 수소공급수단을 통해 상기 연료반응기로 수소가 공급되도록 하여 상기 연료반응기 내의 산화된 산소전달입자를 일부 환원시키도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다. And when the temperature of the fuel reactor reaches a first set temperature value, the control unit supplies nitrogen as a preheating gas, and causes hydrogen to be supplied to the fuel reactor through the hydrogen supply means to supply oxidized oxygen in the fuel reactor It may be characterized by controlling the transfer particles to be partially reduced.

또한 상기 수소공급수단에 의해 공급되는 수소의 최대량은, 산소전달입자의 수소의 반응과정에서의 흡열에 의해 상기 연료반응기 온도가 감소하지 않는 조건, 및 상기 연료반응기 배출기체에서 수소가 검출되지 않는 조건을 만족하도록 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the maximum amount of hydrogen supplied by the hydrogen supply means is the condition that the temperature of the fuel reactor does not decrease due to endotherm in the reaction process of hydrogen of the oxygen transfer particles, and the condition that hydrogen is not detected in the fuel reactor exhaust gas It may be characterized in that it is determined to satisfy

그리고 연료반응기에 주입된 수소 농도와 배출되는 수소 농도 및 연료반응기에 장입된 산소전달입자의 질량 및 조성을 기반으로 산소전달입자의 고체전환율을 실시간으로 계산하는 전환율 계산부를 더 포함하고 상기 제어부는 전환율 계산부에서 계산된 값을 기반으로 상기 고체전환율이 상기 설정된 전환율 값에 도달할 때까지 수소공급수단에 의해 수소가 공급되도록 제어하고 상기 연료반응기와 상기 공기반응기가 제2설정온도값에 도달하도록 상기 공기반응기 예열수단과 상기 연료반응기 예열수단을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다. and a conversion rate calculator that calculates in real time the solid conversion rate of the oxygen transfer particles based on the hydrogen concentration injected into the fuel reactor and the discharged hydrogen concentration, and the mass and composition of the oxygen transfer particles charged into the fuel reactor, wherein the control unit calculates the conversion rate Controlled so that hydrogen is supplied by the hydrogen supply means until the solid conversion rate reaches the set conversion rate value based on the value calculated in part, and the air so that the fuel reactor and the air reactor reach a second set temperature value. It may be characterized in that the reactor preheating means and the fuel reactor preheating means are controlled.

또한 공기반응기의 유량과 고체순환속도를 조절하는 유량조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, it may be characterized in that it further comprises a flow rate control unit for adjusting the flow rate and the solid circulation rate of the air reactor.

그리고 제어부는, 연료반응기 내의 고체전환율과 상기 공기반응기 내의 고체전환율의 차이값이 설정된 차이값이 유지되도록, 상기 유량조절부를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다. And the control unit, the difference between the solid conversion rate in the fuel reactor and the solid conversion rate in the air reactor to maintain a set difference value, it may be characterized in that it controls the flow rate control unit.

또한 제1설정온도값은 550~650℃이고, 제2설정온도값은 800~900℃이며, 설정된 전환율 값은 0.4~0.6이고, 설정된 차이값은 0.3~0.5인 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the first set temperature value is 550 ~ 650 ℃, the second set temperature value is 800 ~ 900 ℃, the set conversion rate value is 0.4 ~ 0.6, it may be characterized in that the set difference value is 0.3 ~ 0.5.

그리고 상기 공기반응기의 배출부에 구비되어 상기 공기반응기에서 배출된 산소전달입자를 기체와 분리하여 상기 연료반응기 유입부 측으로 공급하는 공기반응기 사이클론; 및 상기 공기반응기 사이클론과 상기 연료반응기 사이에 구비되는 루프실;을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. and an air reactor cyclone provided at the discharge part of the air reactor to separate the oxygen transfer particles discharged from the air reactor from gas and supply them to the inlet side of the fuel reactor; and a loop seal provided between the air reactor cyclone and the fuel reactor.

또한 연료반응기의 배출부에 구비되어 상기 연료반응기에서 배출된 산소전달입자를 기체와 분리하여 상기 연료반응기 측으로 재순환시키는 연료반응기 사이클론;을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the fuel reactor cyclone is provided at the discharge part of the fuel reactor to separate the oxygen delivery particles discharged from the fuel reactor from gas and recirculate to the fuel reactor side; it may further include a cyclone.

본 발명의 제2목적은, 제1목적에 따른 케미컬루핑 연소시스템의 구동방법에 있어서, 연료반응기에 산화된 산소전달입자를 장입시키는 제1단계; 제어부가 공기반응기 예열수단을 통해 공기반응기를 예열시키고, 연료반응기 예열수단을 통해 연료반응기를 예열시키는 제2단계; 상기 연료반응기와 상기 공기반응기가 제1설정온도값에 도달하면, 제어부가 수소공급수단을 구동하여 상기 연료반응기 내로 수소를 공급하는 제3단계; 상기 연료반응기 내의 산소전달입자가 일부 환원되는 제4단계; 제어부가 상기 연료반응기 내의 고체전환율이 설정된 전환율 값에 도달하고, 상기 연료반응기와 상기 공기반응기의 온도가 제2설정온도값에 도달하면, 상기 수소공급수단에 의한 수소공급을 중단하고 연료공급수단을 통해 연료반응기 내로 연료를 공급하는 제5단계; 상기 연료공급수단에 의해 공급된 연료가 반응되어 상기 산소전달입자가 환원되는 제6단계; 상기 환원된 산소전달입자가 상기 공기반응기로 공급되고, 공기공급수단에 의해 공급된 공기와 반응하여 산소전달입자가 산화되는 제7단계; 및 산화된 산소전달입자가 상기 연료반응기로 공급되어 순환되는 제8단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 케미컬루핑 연소시스템의 구동방법으로서 달성될 수 있다. A second object of the present invention is a method for driving a chemical roofing combustion system according to the first object, comprising: a first step of charging oxidized oxygen transfer particles into a fuel reactor; a second step in which the controller preheats the air reactor through the air reactor preheating means and preheats the fuel reactor through the fuel reactor preheating means; a third step of supplying hydrogen into the fuel reactor by a control unit driving a hydrogen supply means when the fuel reactor and the air reactor reach a first set temperature value; a fourth step in which the oxygen transfer particles in the fuel reactor are partially reduced; When the solid conversion rate in the fuel reactor reaches a set conversion rate value, and the temperatures of the fuel reactor and the air reactor reach a second set temperature value, the control unit stops the hydrogen supply by the hydrogen supply means and turns off the fuel supply means. a fifth step of supplying fuel into the fuel reactor through the a sixth step in which the fuel supplied by the fuel supply means is reacted to reduce the oxygen transfer particles; a seventh step in which the reduced oxygen transfer particles are supplied to the air reactor, and the oxygen transfer particles are oxidized by reacting with the air supplied by the air supply means; and an eighth step in which the oxidized oxygen transfer particles are supplied to the fuel reactor and circulated.

그리고 상기 제5단계에서 제어부가 상기 연료반응기 내의 고체전환율이 설정된 전환율 값에 도달하고, 상기 연료반응기와 상기 공기반응기의 온도가 제2설정온도값에 도달하도록 상기 수소공급수단과 상기 공기반응기 예열수단과 상기 연료반응기 예열수단을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다. And in the fifth step, the control unit is the hydrogen supply means and the air reactor preheating means so that the solid conversion rate in the fuel reactor reaches a set conversion rate value, and the temperatures of the fuel reactor and the air reactor reach a second set temperature value. and controlling the fuel reactor preheating means.

또한 상기 제3단계에서, 상기 수소공급수단에 의해 공급되는 수소의 최대량은, 산소전달입자의 수소의 반응과정에서의 흡열에 의해 상기 연료반응기 온도가 감소하지 않는 조건, 및 상기 연료반응기 배출기체에서 수소가 검출되지 않는 조건을 만족하도록 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다. Also, in the third step, the maximum amount of hydrogen supplied by the hydrogen supply means is determined under the condition that the temperature of the fuel reactor does not decrease due to endothermic heat in the reaction process of hydrogen by oxygen transfer particles, and in the fuel reactor exhaust gas. It may be characterized in that it is determined to satisfy a condition in which hydrogen is not detected.

그리고 상기 제6단계 내지 제8단계에서, 상기 제어부는, 상기 연료반응기 내의 고체전환율과 상기 공기반응기 내의 고체전환율의 차이값이 설정된 차이값이 유지되도록, 상기 유량조절부를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다. And in the sixth to eighth steps, the control unit may control the flow rate control unit so that the difference value between the solid conversion rate in the fuel reactor and the solid conversion rate in the air reactor is maintained such that a set difference value is maintained. have.

완전히 산화된 상태의 입자를 순환시키는 경우, 공기반응기에서 산소와 반응하지 않는 반면, 본 발명의 실시예에 따른 케미컬루핑 연소시스템의 반응속도 개선 방법 및 이를 이용한 구동 방법에 따르면, 일부 환원된 입자를 순환시키게 됨으로써, 공기반응기에서 산소와 반응하여 열을 발생시키므로 입자 자체의 온도가 상승하고, 간접 가열식에 비해 더 빠르고 효과적으로 공기반응기와 입자의 온도를 상승시킬 수 있는 효과를 갖는다. When the particles in a completely oxidized state are circulated, they do not react with oxygen in the air reactor, but according to the method for improving the reaction rate of the chemical roofing combustion system and the driving method using the same according to the embodiment of the present invention, the partially reduced particles By circulating, the temperature of the particles itself rises because they react with oxygen in the air reactor to generate heat, and have the effect of increasing the temperature of the air reactor and the particles faster and more effectively than the indirect heating type.

또한, 기존 방식의 경우, 반응속도가 낮은 구간에서 반응을 시작하는데 비해 본 발명의 실시예에 따른 케미컬루핑 연소시스템의 반응속도 개선 방법 및 이를 이용한 구동 방법에 따르면, 반응속도가 높은 구간에서 반응을 시작하게 되며, 공기반응기로 주입되는 공기유량과 고체순환속도의 제어를 통해 반응속도가 높은 전환율 범위에서 조업될 수 있으므로 연료반응기에서의 반응성도 개선되는 장점이 있다. In addition, in the case of the conventional method, compared to starting the reaction in a section with a low reaction rate, according to the method for improving the reaction rate of the chemical roofing combustion system and the driving method using the same according to an embodiment of the present invention, the reaction is performed in the section with a high reaction rate. Since it can be operated in a high conversion rate range with a high reaction rate through control of the air flow rate and solid circulation rate injected into the air reactor, there is an advantage in that the reactivity in the fuel reactor is also improved.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. will be able

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 케미컬루핑 연소시스템의 개념도,
도 2a는 케미컬루핑 연소시스템의 연료반응기에서 3가지 입자별 산소전달입자의 환원반응 온도에 따른 연료전환율 그래프,
도 2b는 케미컬루핑 연소시스템의 연료반응기에서 3가지 입자별 산소전달입자의 환원반응 온도에 따른 CO2 선택도 그래프,
도 3은 케미컬루핑 연소시스템의 연료반응기에서 니켈 계 산소전달입자에 다양한 연료((a)H2, (b)CH4, (c) 합성가스(Syngas), (d) 천연가스(natural gas))를 반응시켰을 때 시간에 따른 고체전환율 그래프,
도 4는 케미컬루핑 연소시스템의 구성도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템의 구동방법의 흐름도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템의 제어부에 따른 신호흐름을 나타낸 블록도,
도 7은 종래 구동방식과 본 발명에 따른 구동방법에 의한 고체전환율 변화범위 비교를 위한 그래프를 도시한 것이다.
The following drawings attached to this specification illustrate a preferred embodiment of the present invention, and serve to further understand the technical spirit of the present invention together with the detailed description of the present invention, so the present invention is limited to the matters described in those drawings It should not be construed as being limited.
1 is a conceptual diagram of a chemical roofing combustion system;
Figure 2a is a graph of the fuel conversion rate according to the reduction reaction temperature of the oxygen transfer particles for each of the three particles in the fuel reactor of the chemical roofing combustion system;
Figure 2b is a CO 2 selectivity graph according to the reduction reaction temperature of the oxygen transfer particles for each of the three particles in the fuel reactor of the chemical roofing combustion system;
3 shows various fuels ((a)H 2 , (b)CH 4 , (c) Syngas, (d) natural gas in the nickel-based oxygen transfer particles in the fuel reactor of the chemical roofing combustion system. ) when reacted, the graph of the solid conversion rate according to time,
4 is a configuration diagram of a chemical roofing combustion system;
5 is a flowchart of a driving method of a chemical roofing combustion system with improved reaction speed according to an embodiment of the present invention;
6 is a block diagram showing a signal flow according to a control unit of a chemical looping combustion system with improved reaction speed according to an embodiment of the present invention;
7 is a graph showing a comparison of the range of change in the solid conversion rate by the conventional driving method and the driving method according to the present invention.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In this specification, when a component is referred to as being on another component, it may be directly formed on the other component or a third component may be interposed therebetween. In addition, in the drawings, the thickness of the components is exaggerated for the effective description of the technical content.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.Embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional and/or plan views, which are ideal illustrative views of the present invention. In the drawings, thicknesses of films and regions are exaggerated for effective description of technical content. Accordingly, the shape of the illustrative drawing may be modified due to manufacturing technology and/or tolerance. Accordingly, embodiments of the present invention are not limited to the specific form shown, but also include changes in the form generated according to the manufacturing process. For example, the region shown at right angles may be rounded or have a predetermined curvature. Accordingly, the regions illustrated in the drawings have properties, and the shapes of the regions illustrated in the drawings are intended to illustrate a particular shape of the region of the device and not to limit the scope of the invention. In various embodiments of the present specification, terms such as first, second, etc. are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. The embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. As used herein, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, the terms 'comprises' and/or 'comprising' do not exclude the presence or addition of one or more other components.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.In describing the specific embodiments below, various specific contents have been prepared to more specifically describe the invention and help understanding. However, a reader having enough knowledge in this field to understand the present invention may recognize that it may be used without these various specific details. In some cases, it is mentioned in advance that parts that are commonly known and not largely related to the invention are not described in order to avoid confusion without any reason in describing the present invention in describing the invention.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템의 구성, 기능 및 구동방법에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, the configuration, function and driving method of the chemical roofing combustion system with improved reaction speed according to an embodiment of the present invention will be described.

먼저, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템의 구동방법의 흐름도를 도시한 것이다. 그리고 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템의 제어부(60)에 따른 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다. First, FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of driving a chemical roofing combustion system with improved reaction speed according to an embodiment of the present invention. And FIG. 6 is a block diagram showing a signal flow according to the control unit 60 of the chemical looping combustion system with improved reaction speed according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템은 도 4에 도시된 바와 같이, 통상의 케미컬루핑 연소시스템의 구성인 공기반응기, 공기반응기 사이클론(20), 루프실(30), 연료반응기(40), 연료반응기 사이클론(50) 등을 포함하여 구성된다. As shown in FIG. 4, the chemical roofing combustion system with improved reaction speed according to an embodiment of the present invention includes an air reactor, an air reactor cyclone 20, a loop seal 30, which are components of a conventional chemical roofing combustion system, It is configured to include a fuel reactor 40 , a fuel reactor cyclone 50 , and the like.

공기반응기(10)는 공기공급수단(11)에 의해 공급된 공기와 반응하여 산소전달입자가 산화되도록 구성된다. 고속 유동층 형태를 가지며, 상부측에 배출부(12)를 갖는다. The air reactor 10 is configured to react with the air supplied by the air supply means 11 to oxidize the oxygen transfer particles. It has the form of a high-speed fluidized bed, and has a discharge part 12 on the upper side.

배출부(12)를 통해 토출된 산화된 산소전달입자와 기체는 공기반응기 사이클론(20)을 통해 분리되어 고체인 산소전달입자가 루프실(30)을 거쳐 연료반응기(40)로 공급되게 된다. The oxidized oxygen transfer particles and gas discharged through the discharge unit 12 are separated through the air reactor cyclone 20 , and the solid oxygen transfer particles are supplied to the fuel reactor 40 through the loop seal 30 .

연료반응기(40)는 공기반응기(10)에서 산화된 산소전달입자가 유입관(42)을 통해 공급되고, 연료공급수단(41)에 의해 공급된 연료가 반응되어 산화된 산소전달입자가 환원되며, 환원된 산소전달입자는 연결관(43)을 통해 공기반응기(10)로 공급되게 된다. In the fuel reactor 40, the oxygen transfer particles oxidized in the air reactor 10 are supplied through the inlet pipe 42, and the fuel supplied by the fuel supply means 41 is reacted to reduce the oxidized oxygen transfer particles. , the reduced oxygen transfer particles are supplied to the air reactor 10 through the connection pipe 43 .

또한, 연료반응기 사이클론(50)으로 연료반응기(40)에서 배출된 기체와 비산된 고체가 유입되어 기체배출부(53)를 통해 토출되는 기체는 후에 수분응축을 하여 이산화탄소를 포집하게 되고, 고체배출부(52)를 통해 토출되는 산소전달입자는 재순환관(49)을 통해 연료반응기(40)로 재공급되게 된다. In addition, the gas discharged from the fuel reactor 40 and the scattered solids are introduced into the fuel reactor cyclone 50, and the gas discharged through the gas discharge unit 53 is then condensed with moisture to collect carbon dioxide, and the solid is discharged. The oxygen transfer particles discharged through the unit 52 are re-supplied to the fuel reactor 40 through the recirculation pipe 49 .

그리고 본 발명의 실시예에 따른 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템은 구동 전, 공기반응기(10)와 상기 연료반응기(40) 각각을 설정된 온도까지 예열시키는 공기반응기 예열수단(14)과, 연료반응기 예열수단(45)을 포함하여 구성된다. In addition, the chemical roofing combustion system with improved reaction speed according to an embodiment of the present invention includes an air reactor preheating means 14 for preheating each of the air reactor 10 and the fuel reactor 40 to a set temperature before driving, and the fuel It is configured to include a reactor preheating means (45).

이러한 공기반응기 예열수단(14)과, 연료반응기 예열수단(45)은 예열된 기체를 공급하는 간접식 가열방식이 적용되게 된다. The air reactor preheating means 14 and the fuel reactor preheating means 45 are applied with an indirect heating method for supplying preheated gas.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템은 구동 전, 연료반응기(40) 내로 수소기체를 공급하는 수소공급수단(48)을 포함하여 구성된다. And the chemical looping combustion system with improved reaction speed according to an embodiment of the present invention is configured to include a hydrogen supply means 48 for supplying hydrogen gas into the fuel reactor 40 before driving.

제어부(60)는 연소시스템의 구동 전, 공기반응기(10)와 연료반응기(40)가 설정된 온도에 도달하도록 공기반응기 예열수단(14)과 연료반응기 예열수단(45)을 제어하고, 연료반응기(40) 내의 산소전달입자의 고체전환율이 설정된 전환률값에 도달하도록 상기 수소공급수단(48)을 제어한다. The control unit 60 controls the air reactor preheating means 14 and the fuel reactor preheating means 45 so that the air reactor 10 and the fuel reactor 40 reach a set temperature before the combustion system is driven, and the fuel reactor ( 40), the hydrogen supply means 48 is controlled so that the solid conversion rate of the oxygen transfer particles in the compound reaches a set conversion rate value.

그리고 제1온도센서(13)를 통해 공기반응기(10)의 온도를 실시간으로 측정하고, 제2온도센서(46)에 의해 연료반응기(40)의 온도를 실시간으로 측정하도록 구성된다. And it is configured to measure the temperature of the air reactor 10 in real time through the first temperature sensor 13 and to measure the temperature of the fuel reactor 40 in real time by the second temperature sensor 46 .

제어부(60)는, 연료반응기(40)의 온도가 제1설정온도값에 도달하면, 예열기체로서 질소를 공급하고, 동시에 수소공급수단(48)을 통해 연료반응기(40)로 수소가 공급되도록 하여 연료반응기(40) 내의 산화된 산소전달입자를 일부 환원시키도록 제어하게 된다. 이러한 제1설정온도값은 550 ~ 650℃(예를 들어 600℃) 정도에 해당한다. When the temperature of the fuel reactor 40 reaches a first set temperature value, the control unit 60 supplies nitrogen as a preheating gas and simultaneously supplies hydrogen to the fuel reactor 40 through the hydrogen supply means 48 . Thus, it is controlled to partially reduce the oxidized oxygen transfer particles in the fuel reactor 40 . This first set temperature value corresponds to about 550 ~ 650 ℃ (for example, 600 ℃).

또한, 수소공급수단(48)에 의해 공급되는 수소의 최대량은, 산소전달입자와 수소의 반응과정에서의 흡열에 의해 상기 연료반응기(40) 온도가 감소하지 않는 조건, 및 상기 연료반응기(40) 배출기체에서 수소가 검출되지 않는 조건을 만족하도록 제어된다. In addition, the maximum amount of hydrogen supplied by the hydrogen supply means 48 is a condition that the temperature of the fuel reactor 40 does not decrease due to endothermic heat in the reaction process between the oxygen transfer particles and hydrogen, and the fuel reactor 40 It is controlled to satisfy the condition that no hydrogen is detected in the exhaust gas.

그리고 연료반응기(40)에 주입된 수소 농도와 배출되는 수소 농도 및 연료반응기(40)에 장입된 산소전달입자의 질량 및 조성을 기반으로 산소전달입자의 고체전환율을 실시간으로 계산하는 전환율 계산부(47)를 포함하며, 제어부(60)는 전환율 계산부(47)에서 계산된 값을 기반으로 고체전환율이 설정된 전환율 값에 도달할 때까지 수소공급수단(48)에 의해 수소가 공급되도록 제어한다. 그리고 제어부(60)는, 연료반응기(40)와 공기반응기(10)가 제2설정온도값에 도달하도록 공기반응기 예열수단(14)과 연료반응기 예열수단(45)을 제어하게 된다. And a conversion rate calculator 47 that calculates in real time the solid conversion rate of the oxygen transfer particles based on the hydrogen concentration injected into the fuel reactor 40 and the discharged hydrogen concentration, and the mass and composition of the oxygen transfer particles charged in the fuel reactor 40 . ), and the control unit 60 controls hydrogen to be supplied by the hydrogen supply means 48 until the solid conversion rate reaches a set conversion rate value based on the value calculated by the conversion rate calculation unit 47 . And the controller 60 controls the air reactor preheating means 14 and the fuel reactor preheating means 45 so that the fuel reactor 40 and the air reactor 10 reach the second set temperature value.

이러한 제2설정온도값은 800~900℃ 정도이며(예를 들어, 850℃), 설정된 전환률값은 0.4~0.6이다(예를 들어 0.5) This second set temperature value is about 800 to 900 ° C (for example, 850 ° C), and the set conversion rate value is 0.4 to 0.6 (for example, 0.5).

또한, 공기반응기(10)의 유량과 고체순환속도를 조절하는 유량조절부(15)를 포함하여 구성된다. 따라서 제어부(60)는, 연료반응기(40) 내의 고체전환율과 상기 공기반응기(10) 내의 고체전환율의 차이값이 설정된 차이값(전환율 범위)이 유지되도록, 유량조절부(15)를 제어하게 된다. 이러한 설정된 차이값(전환율 차이범위)은 0.3 ~ 0.5(예를 들어 0.4)정도이다. In addition, it is configured to include a flow rate control unit 15 for adjusting the flow rate and the solid circulation rate of the air reactor (10). Therefore, the control unit 60 controls the flow rate control unit 15 so that the difference value (conversion rate range) in which the difference value between the solid conversion rate in the fuel reactor 40 and the solid conversion rate in the air reactor 10 is maintained is maintained. . This set difference value (conversion rate difference range) is about 0.3 to 0.5 (eg, 0.4).

즉, 공기반응기(10)의 유량과 고체순환속도를 제어하여 산소전달입자가 완전히 산화되지 않도록 제어할 수 있으며, 이를 통해 산화된 입자가 연료반응기(40)로 이동된 후에도 반응속도가 높은 구간에서 환원반응이 일어날 수 있도록 제어할 수 있다. That is, by controlling the flow rate and the solid circulation rate of the air reactor 10, it is possible to control the oxygen delivery particles not to be completely oxidized, and through this, even after the oxidized particles are moved to the fuel reactor 40, the reaction rate is high in the section. It is possible to control the reduction reaction to occur.

이하에서는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템의 구동방법에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, a method of driving a chemical roofing combustion system with improved reaction speed will be described.

먼저, 산화된 산소전달입자를 연료반응기(40)에만 장입하게 된다(S1). 연료반응기(40)에만 산소전달입자가 장입된 상태에서, 예열수단(14, 45)을 통해 간접가열 방식(고온의 공기 또는 질소 주입)으로 공기반응기(10)와 연료반응기(40)를 가열한다(S2).First, the oxidized oxygen transfer particles are charged only to the fuel reactor 40 (S1). In a state in which only the fuel reactor 40 is charged with oxygen transfer particles, the air reactor 10 and the fuel reactor 40 are heated by an indirect heating method (high-temperature air or nitrogen injection) through the preheating means 14 and 45. (S2).

그리고, 산소전달입자가 공기와 반응하여 산화될 수 있고 연료에 의해 환원될 수 있는 안정적인 온도인 600℃(제1설정온도값)까지 가열한 후, 연료반응기(40)의 주입 기체를 질소로 교환한다.Then, after heating to 600° C. (first set temperature value), which is a stable temperature at which oxygen transfer particles can be oxidized by reacting with air and reduced by fuel, the injected gas of the fuel reactor 40 is exchanged with nitrogen do.

그리고 연료반응기(40)에 주입되는 질소와 함께 수소공급수단(48)을 통해 수소를 함께 주입한다(S3)(단, 수소 이외에 탄소성분이 함유된 기체를 주입하면 탄소침적이 발생할 수 있다.).And hydrogen is injected through the hydrogen supply means 48 together with the nitrogen injected into the fuel reactor 40 (S3) (However, if a gas containing a carbon component other than hydrogen is injected, carbon deposition may occur.) .

또한, 질소와 수소를 함께 주입하는 경우, 산소가 존재하지 않으므로 기체 예열히터 등의 예열수단(45)을 거치는 과정에서 수소의 연소는 발생하지 않으며 연료반응기(40)에 도달하여 산소전달입자와 접촉하면 산소전달입자에 포함된 산소와 식(7)과 같이 반응하여 수증기의 형태로 배출된다.In addition, when nitrogen and hydrogen are injected together, since oxygen does not exist, combustion of hydrogen does not occur in the process of passing through the preheating means 45 such as a gas preheating heater and reaches the fuel reactor 40 and comes into contact with the oxygen transfer particles. At the bottom, it reacts with the oxygen contained in the oxygen transfer particles as shown in Equation (7) and is discharged in the form of water vapor.

NiO + H2 → Ni + H2O (7)NiO + H 2 → Ni + H 2 O (7)

이 과정에서 예열된 질소와 수소에 의한 온도상승 효과와 수소와 산소전달입자의 반응(흡열반응)에 의한 온도하강 효과가 함께 작용한다. In this process, the temperature increase effect by the preheated nitrogen and hydrogen and the temperature decrease effect by the reaction (endothermic reaction) between hydrogen and oxygen transfer particles work together.

앞서 언급한 바와 같이, 주입하는 수소의 최대량은 아래의 두 가지 조건을 만족하는 조건에서 결정할 수 있다.As mentioned above, the maximum amount of hydrogen to be injected may be determined under the condition that the following two conditions are satisfied.

1) 산소전달입자와 수소의 반응과정에서의 흡열에 의해 연료반응기(40) 온도가 감소하지 않는 조건 1) A condition in which the temperature of the fuel reactor 40 does not decrease due to the endothermic heat in the reaction process of oxygen transfer particles and hydrogen

2) 연료반응기(40) 배출기체에서 수소가 검출되지 않는 조건2) A condition in which hydrogen is not detected in the exhaust gas of the fuel reactor 40

상기 조건을 만족하는 경우, 연료반응기(40)의 온도가 증가하면서 연료반응기(40) 내부 산소전달입자는 환원되므로 산소전달입자에 포함된 산소가 감소하게 되며, 고체의 전환율은 증가하게 된다(S4).When the above conditions are satisfied, as the temperature of the fuel reactor 40 increases, the oxygen transfer particles inside the fuel reactor 40 are reduced, so the oxygen contained in the oxygen transfer particles decreases, and the conversion rate of the solid increases (S4). ).

또한, 수소공급수단(48)에 의해 수소를 주입하는 시간은 연료반응기(40)에 장입된 고체의 무게를 통해 제어할 수 있으며, 도 3에 표시된, 시간에 따른 고체 전환율의 변화 기울기(즉, 반응속도)가 높은 구간까지 진행할 수 있다. In addition, the time for injecting hydrogen by the hydrogen supply means 48 can be controlled through the weight of the solid charged in the fuel reactor 40, and the gradient of the change in the solid conversion rate with time (that is, shown in FIG. 3 ) It can proceed to a section with a high reaction rate).

바람직하게는 공기반응기(10)와 연료반응기(40) 사이의 고체전환율 차이를 넓게 유지하기 위해 고체전환율 0.5(설정된 고체전환율 값)까지 주입하게 된다.Preferably, in order to maintain a wide difference in the solid conversion rate between the air reactor 10 and the fuel reactor 40, up to a solid conversion rate of 0.5 (a set solid conversion rate value) is injected.

또한, 원하는 조업 시작 온도까지 도달하였으나 산소전달입자의 전환율이 원하는 수준(설정된 고체전환율 값)까지 도달하지 않은 경우에는 예열수단(14, 45)을 제어하여 온도를 제어할 수 있으며, 원하는 조업시작 온도(제2설정온도값)까지 도달하지 않았으나 산소전달입자의 전환율이 원하는 수준에 도달한 경우에는 수소 주입을 멈추고 예열수단(14, 45)만을 이용하여 온도를 상승시킬 수 있다(S5).In addition, when the desired operation start temperature is reached, but the conversion rate of the oxygen transfer particles does not reach the desired level (the set solid conversion rate value), the temperature can be controlled by controlling the preheating means 14 and 45, and the desired operation start temperature If the (second set temperature value) is not reached, but the conversion rate of the oxygen transfer particles reaches a desired level, the hydrogen injection may be stopped and the temperature may be increased using only the preheating means 14 and 45 (S5).

그리고 시스템의 온도가 원하는 조업 시작 온도(제2설정온도값)에 도달하고, 산소전달입자의 전환율이 설정된 전환율 값(예를 들어, 0.5)이 되면, 연료반응기(40)에 주입하던 질소와 수소를 연료기체(예, 천연가스)로 전환하면서 공기반응기(10)로 입자를 순환시킨다(S6). And when the temperature of the system reaches the desired operation start temperature (the second set temperature value) and the conversion rate of oxygen transfer particles becomes a set conversion rate value (for example, 0.5), nitrogen and hydrogen injected into the fuel reactor 40 The particles are circulated to the air reactor 10 while being converted into fuel gas (eg, natural gas) (S6).

이 때 산소전달입자는 일부가 환원된 상태(즉, 산소를 소모한 상태)이므로 공기반응기(10)에서 공기 중의 산소와 반응하여 식(3)과 같이 반응하게 되며, 발열반응이므로 산소전달입자 자체에서 열이 발생하게 된다. At this time, since the oxygen transfer particles are in a partially reduced state (that is, oxygen is consumed), they react with oxygen in the air in the air reactor 10 to react as shown in Equation (3), and since it is an exothermic reaction, the oxygen transfer particles themselves heat is generated in

이 반응을 통해 공기반응기(10)의 온도를 추가적으로 상승시킬 수 있으며, 산소전달입자 자체가 열을 발생시키므로 고온의 공기 등을 이용하여 간접식으로 온도를 상승시키는 경우에 비해 더 빠르게, 효과적으로 공기반응기(10)와 산소전달입자의 온도를 상승시킬 수 있다.Through this reaction, the temperature of the air reactor 10 can be increased additionally, and since the oxygen transfer particles themselves generate heat, it is faster and more effective than when the temperature is raised indirectly using high-temperature air, etc. (10) and the temperature of the oxygen transfer particles can be increased.

연료반응기(40)에서는 주입되는 연료기체와 반응하게 되며, 반응속도가 높은 영역에서 연료와 반응하므로 완전히 산화된 상태(고체 전환율 0)에 비해 반응성이 우수한 결과를 얻을 수 있다.In the fuel reactor 40, the fuel gas reacts with the injected fuel gas, and since it reacts with the fuel in a region with a high reaction rate, it is possible to obtain a result with superior reactivity compared to a fully oxidized state (solid conversion rate 0).

또한, 공기반응기(10)의 유량과 고체순환속도를 제어하여 산소전달입자가 완전히 산화되지 않도록(즉, 고체 전환율이 0이 되지 않도록) 제어할 수 있으며, 이를 통해 산화된 입자가 연료반응기(40)로 이동된 후에도 반응속도가 높은 구간에서 환원반응이 일어날 수 있도록 제어할 수 있다(S7).In addition, by controlling the flow rate and the solid circulation rate of the air reactor 10, it is possible to control so that the oxygen transfer particles are not completely oxidized (that is, the solid conversion rate does not become 0), and through this, the oxidized particles are transferred to the fuel reactor 40 ), it is possible to control the reduction reaction to occur in a section with a high reaction rate even after moving to (S7).

도 7은 종래 구동방식과 본 발명에 따른 구동방법에 의한 고체전환율 변화범위 비교를 위한 그래프를 도시한 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 공기반응기(10)와 연료반응기(40) 사이의 고체 전환율 차이가 동일하게 0.4인 경우를 비교하고 있다. 7 is a graph showing a comparison of the range of change in the solid conversion rate by the conventional driving method and the driving method according to the present invention. As shown in FIG. 7 , a case in which the difference in the solid conversion rate between the air reactor 10 and the fuel reactor 40 is equal to 0.4 is compared.

기존 조업방식의 경우(Case 1) 산소전달입자가 완전히 산화된 상태에서 조업을 시작하므로 고체 전환율은 0.0 ~ 0.4 사이에서 변화되는 반면 본 발명의 실시예에 따르면, 고체 전환율 평균이 0.5인 조건으로 제어하면, 고체 전환율을 0.3~0.7 사이에서 변화시키는 조건이 된다(고체 전환율 차이는 동일하게 0.4).In the case of the conventional operation method (Case 1), since the operation starts in a state in which the oxygen transfer particles are completely oxidized, the solid conversion rate is changed between 0.0 and 0.4, whereas according to the embodiment of the present invention, the average solid conversion rate is controlled under the condition of 0.5 Then, it becomes a condition to change the solid conversion rate between 0.3 and 0.7 (the difference in the solid conversion rate is the same 0.4).

산소전달입자가 완전히 산화된 상태에서 산소전달입자의 순환과 반응을 시작하는 경우, 산소전달입자는 반응속도(시간 변화에 따른 전환율의 변화 기울기)가 낮은 구간([도 7]의 Case 1)에서 반응이 시작되고 유지되는 조건인데 반해, 본 발명의 실시예에 의해 산소전달입자를 수소를 이용하여 일부 환원시킨 후 순환과 반응을 시작하면, 산소전달입자는 반응속도가 높은 구간(도 7의 Case 2)에서 반응을 유지할 수 있다.When the oxygen transfer particles start to circulate and react in a completely oxidized state, the oxygen transfer particles have a low reaction rate (slope of change in conversion rate with time) (Case 1 of [Fig. 7]). In contrast to the conditions in which the reaction is started and maintained, according to the embodiment of the present invention, when the oxygen transfer particles are partially reduced using hydrogen and then circulation and reaction are started, the oxygen transfer particles are in a section with a high reaction rate (Case in FIG. 7 ). 2), the reaction can be maintained.

완전히 산화된 상태의 입자를 순환시키는 경우, 공기반응기(10)에서 산소와 반응하지 않는 반면, 본 발명의 실시예에 따른 케미컬루핑 연소시스템의 반응속도 개선 방법 및 이를 이용한 구동 방법에 따르면, 일부 환원된 입자를 순환시키게 됨으로써, 공기반응기(10)에서 산소와 반응하여 열을 발생시키므로 입자 자체의 온도가 상승하고, 간접 가열식에 비해 더 빠르게, 효과적으로 공기반응기(10)와 입자의 온도를 상승시킬 수 있는 효과를 갖는다. In the case of circulating particles in a completely oxidized state, while they do not react with oxygen in the air reactor 10, according to the method for improving the reaction rate of the chemical roofing combustion system and the driving method using the same according to the embodiment of the present invention, some reduction By circulating the particles, the temperature of the particles itself rises because they react with oxygen in the air reactor 10 to generate heat, and the temperature of the air reactor 10 and the particles can be raised more quickly and effectively compared to the indirect heating type. have an effect

또한, 기존 방식의 경우, 반응속도가 낮은 구간에서 반응을 시작하는데 비해 본 발명의 실시예에 따른 케미컬루핑 연소시스템의 반응속도 개선 방법 및 이를 이용한 구동 방법에 따르면, 반응속도가 높은 구간에서 반응을 시작하게 되며, 공기반응기(10)로 주입되는 공기유량과 고체순환속도의 제어를 통해 반응속도가 높은 전환율 범위에서 조업될 수 있으므로 연료반응기(40)에서의 반응성도 개선되는 장점이 있다. In addition, in the case of the conventional method, compared to starting the reaction in a section with a low reaction rate, according to the method for improving the reaction rate of the chemical roofing combustion system according to an embodiment of the present invention and the driving method using the same, the reaction is performed in the section with a high reaction rate. Since it can be operated in a high conversion rate range with a high reaction rate through control of the air flow rate and solid circulation rate injected into the air reactor 10 , the reactivity in the fuel reactor 40 is also improved.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.In addition, in the apparatus and method described above, the configuration and method of the above-described embodiments are not limitedly applicable, but all or part of each embodiment is selectively combined so that various modifications can be made to the embodiments. may be configured.

1:산소전달입자
10:공기반응기
11:공기공급수단
12:배출부
13:제1온도센서
14:공기반응기 예열수단
15:유량조절부
20:공기반응기 사이클론
21:공기반응기 사이클론 유입부
22:공기반응기 사이클론 고체배출부
23:공기반응기 사이클론 기체배출부
30:루프실
40:연료반응기
41:연료공급수단
42:유입관
43:연결관
44:배출부
45:연료반응기 예열수단
46:제2온도센서
47:전환율 계산부
48:수소공급수단
49:재순환관
50:연료반응기 사이클론
51:연료반응기 사이클론 유입부
52:연료반응기 사이클론 고체배출부
53:연료반응기 사이클론 기체배출부
60:제어부
1: Oxygen transfer particles
10: air reactor
11: Air supply means
12: discharge part
13: first temperature sensor
14: air reactor preheating means
15: flow control unit
20: air reactor cyclone
21: air reactor cyclone inlet
22: air reactor cyclone solid discharge part
23: air reactor cyclone gas outlet
30: loop seal
40: fuel reactor
41: fuel supply means
42: inlet pipe
43: connector
44: discharge part
45: fuel reactor preheating means
46: second temperature sensor
47: conversion rate calculator
48: hydrogen supply means
49: recirculation tube
50: fuel reactor cyclone
51: fuel reactor cyclone inlet
52: fuel reactor cyclone solid discharge unit
53: fuel reactor cyclone gas discharge unit
60: control unit

Claims (15)

케미컬루핑 연소시스템에 있어서,
공기공급수단에 의해 공급된 공기와 반응하여 산소전달입자가 산화되는 공기반응기;
상기 공기반응기에서 산화된 산소전달입자가 공급되고, 연료공급수단에 의해 공급된 연료가 반응되어 상기 산화된 산소전달입자가 환원되며, 환원된 산소전달입자를 상기 공기반응기로 공급하는 연료반응기;
연소시스템의 구동 전, 상기 공기반응기와 상기 연료반응기 각각을 설정된 온도까지 예열시키는 공기반응기 예열수단과, 연료반응기 예열수단;
상기 연소시스템의 구동 전, 상기 연료반응기 내로 수소기체를 공급하는 수소공급수단; 및
상기 공기반응기와 상기 연료반응기가 설정된 온도에 도달하도록 상기 공기반응기 예열수단과 연료반응기 예열수단을 제어하고, 상기 연료반응기 내의 산소전달입자의 고체전환율이 설정된 전환율 값에 도달하도록 상기 수소공급수단을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템.
In the chemical roofing combustion system,
an air reactor in which oxygen transfer particles are oxidized by reacting with air supplied by the air supply means;
a fuel reactor in which oxygen transfer particles oxidized in the air reactor are supplied, fuel supplied by a fuel supply means is reacted to reduce the oxidized oxygen transfer particles, and the reduced oxygen transfer particles are supplied to the air reactor;
an air reactor preheating means for preheating each of the air reactor and the fuel reactor to a preset temperature before driving the combustion system, and a fuel reactor preheating means;
hydrogen supply means for supplying hydrogen gas into the fuel reactor before driving the combustion system; and
The air reactor preheating means and the fuel reactor preheating means are controlled so that the air reactor and the fuel reactor reach a set temperature, and the hydrogen supply means is controlled so that the solid conversion rate of the oxygen transfer particles in the fuel reactor reaches a set conversion rate value. A chemical roofing combustion system with an improved reaction rate, comprising: a control unit.
제 1항에 있어서,
상기 공기반응기 예열수단과, 연료반응기 예열수단은 예열된 기체를 공급하는 간접식 가열방식이 적용되는 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템.
The method of claim 1,
The chemical roofing combustion system with improved reaction rate, characterized in that the air reactor preheating means and the fuel reactor preheating means are applied with an indirect heating method for supplying preheated gas.
제 2항에 있어서,
상기 공기반응기와 상기 연료반응기는 유동층반응기로 구성되며,
상기 공기반응기의 온도를 실시간으로 측정하는 제1온도센서와, 상기 연료반응기의 온도를 실시간으로 측정하는 제2온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템.
3. The method of claim 2,
The air reactor and the fuel reactor are composed of a fluidized bed reactor,
A chemical looping combustion system with improved reaction speed, comprising: a first temperature sensor for measuring the temperature of the air reactor in real time; and a second temperature sensor for measuring the temperature of the fuel reactor in real time.
제 3항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 연료반응기의 온도가 제1설정온도값에 도달하면, 예열기체로서 질소를 공급하고, 상기 수소공급수단을 통해 상기 연료반응기로 수소가 공급되도록 하여 상기 연료반응기 내의 산화된 산소전달입자를 일부 환원시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템.
4. The method of claim 3,
When the temperature of the fuel reactor reaches a first set temperature value, the control unit supplies nitrogen as a preheating gas and supplies hydrogen to the fuel reactor through the hydrogen supply means to transfer oxidized oxygen in the fuel reactor A chemical roofing combustion system with an improved reaction rate, characterized in that it is controlled to partially reduce the particles.
제 4항에 있어서,
상기 수소공급수단에 의해 공급되는 수소의 최대량은,
산소전달입자의 수소의 반응과정에서의 흡열에 의해 상기 연료반응기 온도가 감소하지 않는 조건, 및 상기 연료반응기 배출기체에서 수소가 검출되지 않는 조건을 만족하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템.
5. The method of claim 4,
The maximum amount of hydrogen supplied by the hydrogen supply means is,
The reaction rate is improved, characterized in that it is determined to satisfy the condition that the temperature of the fuel reactor does not decrease due to the endothermic heat in the reaction process of hydrogen of the oxygen transfer particles and the condition that hydrogen is not detected in the fuel reactor exhaust gas Chemical roofing combustion system.
제 5항에 있어서,
연료반응기에 주입된 수소 농도와 배출되는 수소 농도 및 연료반응기에 장입된 산소전달입자의 질량 및 조성을 기반으로 산소전달입자의 고체전환율을 실시간으로 계산하는 전환율 계산부를 더 포함하고,
상기 제어부는 전환율 계산부에서 계산된 값을 기반으로 상기 고체전환율이 상기 설정된 전환율 값에 도달할 때까지 수소공급수단에 의해 수소가 공급되도록 제어하고 상기 연료반응기와 상기 공기반응기가 제2설정온도값에 도달하도록 상기 공기반응기 예열수단과 상기 연료반응기 예열수단을 제어하는 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템.
6. The method of claim 5,
Further comprising a conversion rate calculator that calculates in real time the solid conversion rate of the oxygen transfer particles based on the hydrogen concentration injected into the fuel reactor and the discharged hydrogen concentration, and the mass and composition of the oxygen transfer particles charged into the fuel reactor,
The control unit controls so that hydrogen is supplied by the hydrogen supply means until the solid conversion rate reaches the set conversion rate value based on the value calculated by the conversion rate calculation unit, and the fuel reactor and the air reactor have a second set temperature value A chemical roofing combustion system with improved reaction rate, characterized in that controlling the air reactor preheating means and the fuel reactor preheating means to reach
제 6항에 있어서,
상기 공기반응기의 유량과 고체순환속도를 조절하는 유량조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템.
7. The method of claim 6,
Chemical roofing combustion system with improved reaction rate, characterized in that it further comprises a flow rate control unit for adjusting the flow rate and the solid circulation rate of the air reactor.
제 7항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 연료반응기 내의 고체전환율과 상기 공기반응기 내의 고체전환율의 차이값이 설정된 차이값이 유지되도록, 상기 유량조절부를 제어하는 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템.
8. The method of claim 7,
The control unit is
A chemical looping combustion system with improved reaction rate, characterized in that the flow control unit is controlled so that the difference value between the solid conversion rate in the fuel reactor and the solid conversion rate in the air reactor is maintained so that the set difference value is maintained.
제 8항에 있어서,
상기 제1설정온도값은 550~650℃이고,
상기 제2설정온도값은 800~900℃이며,
상기 설정된 전환율 값은 0.4~0.6이고,
상기 설정된 차이값은 0.3~0.5인 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템.
9. The method of claim 8,
The first set temperature value is 550 ~ 650 ℃,
The second set temperature value is 800 ~ 900 ℃,
The set conversion rate value is 0.4 to 0.6,
The set difference value is a chemical roofing combustion system with an improved reaction rate, characterized in that 0.3 to 0.5.
◈청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 10 was abandoned when paying the registration fee.◈ 제 8항에 있어서,
상기 공기반응기의 배출부에 구비되어 상기 공기반응기에서 배출된 산소전달입자를 기체와 분리하여 상기 연료반응기 유입부 측으로 공급하는 공기반응기 사이클론; 및
상기 공기반응기 사이클론과 상기 연료반응기 사이에 구비되는 루프실;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템.
9. The method of claim 8,
an air reactor cyclone provided at the outlet of the air reactor to separate the oxygen transfer particles discharged from the air reactor from gas and supply to the inlet side of the fuel reactor; and
A chemical roofing combustion system with improved reaction speed, further comprising a loop seal provided between the air reactor cyclone and the fuel reactor.
◈청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 11 was abandoned when paying the registration fee.◈ 제 10항에 있어서,
상기 연료반응기의 배출부에 구비되어 상기 연료반응기에서 배출된 산소전달입자를 기체와 분리하여 상기 연료반응기 측으로 재순환시키는 연료반응기 사이클론;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템.
11. The method of claim 10,
A chemical looping combustion system with improved reaction rate, characterized in that it further comprises; a fuel reactor cyclone provided at the discharge part of the fuel reactor to separate the oxygen delivery particles discharged from the fuel reactor from gas and recirculate them to the fuel reactor. .
제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 케미컬루핑 연소시스템의 구동방법에 있어서,
연료반응기에 산화된 산소전달입자를 장입시키는 제1단계;
제어부가 공기반응기 예열수단을 통해 공기반응기를 예열시키고, 연료반응기 예열수단을 통해 연료반응기를 예열시키는 제2단계;
상기 연료반응기와 상기 공기반응기가 제1설정온도값에 도달하면, 제어부가 수소공급수단을 구동하여 상기 연료반응기 내로 수소를 공급하는 제3단계;
상기 연료반응기 내의 산소전달입자가 일부 환원되는 제4단계;
제어부가 상기 연료반응기 내의 고체전환율이 설정된 전환율 값에 도달하고, 상기 연료반응기와 상기 공기반응기의 온도가 제2설정온도값에 도달하면, 상기 수소공급수단에 의한 수소공급을 중단하고 연료공급수단을 통해 연료반응기 내로 연료를 공급하는 제5단계;
상기 연료공급수단에 의해 공급된 연료가 반응되어 상기 산소전달입자가 환원되는 제6단계;
상기 환원된 산소전달입자가 상기 공기반응기로 공급되고, 공기공급수단에 의해 공급된 공기와 반응하여 산소전달입자가 산화되는 제7단계; 및
산화된 산소전달입자가 상기 연료반응기로 공급되어 순환되는 제8단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 케미컬루핑 연소시스템의 구동방법.
In the driving method of the chemical roofing combustion system according to any one of claims 1 to 11,
A first step of loading the oxidized oxygen transfer particles into the fuel reactor;
a second step in which the controller preheats the air reactor through the air reactor preheating means and preheats the fuel reactor through the fuel reactor preheating means;
a third step of supplying hydrogen into the fuel reactor by a control unit driving a hydrogen supply means when the fuel reactor and the air reactor reach a first set temperature value;
a fourth step in which the oxygen transfer particles in the fuel reactor are partially reduced;
When the solid conversion rate in the fuel reactor reaches a set conversion rate value, and the temperatures of the fuel reactor and the air reactor reach a second set temperature value, the control unit stops the hydrogen supply by the hydrogen supply means and turns off the fuel supply means a fifth step of supplying fuel into the fuel reactor through the
a sixth step in which the fuel supplied by the fuel supply means is reacted to reduce the oxygen transfer particles;
a seventh step in which the reduced oxygen transfer particles are supplied to the air reactor and react with the air supplied by the air supply means to oxidize the oxygen transfer particles; and
and an eighth step in which the oxidized oxygen transfer particles are supplied to the fuel reactor and circulated.
◈청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 13 was abandoned when paying the registration fee.◈ 제 12항에 있어서,
상기 제5단계에서
제어부가 상기 연료반응기 내의 고체전환율이 설정된 전환율 값에 도달하고, 상기 연료반응기와 상기 공기반응기의 온도가 제2설정온도값에 도달하도록 상기 수소공급수단과 상기 공기반응기 예열수단과 상기 연료반응기 예열수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 케미컬루핑 연소시스템의 구동방법.
13. The method of claim 12,
In the fifth step
The hydrogen supply means, the air reactor preheating means, and the fuel reactor preheating means so that the control unit reaches the conversion rate value set in the solid conversion rate in the fuel reactor, and the temperatures of the fuel reactor and the air reactor reach a second set temperature value A driving method of a chemical roofing combustion system, characterized in that controlling the.
◈청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 14 was abandoned at the time of payment of the registration fee.◈ 제 13항에 있어서,
상기 제3단계에서,
상기 수소공급수단에 의해 공급되는 수소의 최대량은, 산소전달입자의 수소의 반응과정에서의 흡열에 의해 상기 연료반응기 온도가 감소하지 않는 조건, 및 상기 연료반응기 배출기체에서 수소가 검출되지 않는 조건을 만족하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 케미컬루핑 연소시스템의 구동방법.
14. The method of claim 13,
In the third step,
The maximum amount of hydrogen supplied by the hydrogen supply means is the condition that the temperature of the fuel reactor does not decrease due to endotherm in the reaction process of hydrogen of the oxygen transfer particles, and the condition that hydrogen is not detected in the fuel reactor exhaust gas. A driving method of a chemical roofing combustion system, characterized in that it is determined to be satisfied.
◈청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 15 was abandoned when paying the registration fee.◈ 제 14항에 있어서,
상기 제6단계 내지 제8단계에서, 상기 제어부는, 상기 연료반응기 내의 고체전환율과 상기 공기반응기 내의 고체전환율의 차이값이 설정된 차이값이 유지되도록, 상기 유량조절부를 제어하는 것을 특징으로 하는 케미컬루핑 연소시스템의 구동방법.
15. The method of claim 14,
In the sixth to eighth steps, the control unit controls the flow rate control unit so that the difference value between the solid conversion rate in the fuel reactor and the solid conversion rate in the air reactor is maintained such that a set difference value is maintained. How to drive the combustion system.
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