KR102292021B1 - 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 - Google Patents

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라체드 벤-만수르
모하메드 에이. 하빕
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사우디 아라비안 오일 컴퍼니
킹 에프에이에이치디 유니벌시티 오브 패트로레움 앤 미네랄스
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Abstract

본 발명은 가스-보조 액체 연료 산소 반응기에서 액체 연료의 저-CO2 방출 연소를 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 시스템은 연료 및 CO2를 기화 존으로 분무하는 분무기를 포함하고, 연료 및 CO2는 기화된 형태로 가열된다. 시스템은 기화된 연료 및 CO2를 수용하는 반응 존을 포함한다. 시스템은 공기 스트림을 갖는 공기 용기, 및 공기 용기에 열을 전달하는 공기 용기에 인접한 가열 용기를 포함한다. 시스템은 공기 용기 및 반응 존과 흐름 연통하는 이온 수송 멤브레인을 포함한다. 이온 수송 멤브레인은 공기 스트림으로부터 투과된 O2를 수용하고 반응 존으로 O2를 전달하여 연료의 연소를 일으킨다. 연소는 열을 생산하고 시스템내 재순환되는 CO2 배출 가스들을 생성하여 CO2의 방출을 제한한다.

Description

가스-보조 액체 연료 산소 반응기
본 발명은 연소 및 탄소 포집을 위한 방법들 및 시스템들에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액체 연료의 연소 및 이산화탄소의 효율적인 포획을 위한 산소 수송 반응기들을 포함하는 방법들 및 시스템들에 관한 것이다.
화석 연료는 특히 운송 산업에서 주요 에너지 원으로 남아 있다. 그러나 화석 연료 사용과 관련된 대규모 CO2 생산으로 인해, 지구 온난화의 주범이기도 하다.
이러한 화석 연료들 중에서, 액체 연료는 그것들의 안전성과 높은 발열량 때문에 운송 업계에서 널리 사용되고 있다. 액체 연료는 여전히 다량의 CO2를 생성하며, CO2를 포집하기 위해, 연소-전(pre-combustion), 연소-후(post-combustion) 및 산소 연료 연소 기술을 포함한 다양한 기술이 현재 이용 가능하다. 현재, 산소 연료 연소 기술은 가장 유망한 탄소 포획 기술의 일부로 간주된다. 산소 연료 연소의 경우, 산소는 연소 챔버에서 연료와 연소되고 연소 생성물은 단지 CO2와 H2O만 포함한다. 그런 다음 CO2와 H2O는 응결 프로세스를 통해 분리 될 수 있으며, 나중에는 분리 프로세스를 통해 재활용되거나 저장 될 수 있는 CO2만이 남는다. 이 프로세스는 극저온 증류 예를 들어 극저온 증류를 통해 획득된 순순한 산소(O2)를 필요로 한다. 그러나 공기로부터 O2를 분리하는 극저온 증류 프로세스는 매우 비용이 많이 든다.
보다 비용 효율적일 수 있는 공기로부터의 O2의 분리를 위한 대안 중 하나는 ITM(Ion Transport Membrane)의 사용이고, 이는 옥시(oxy)-연소에서 공기 분리 유닛들의 불이익을 감소시킬 수 있다. 이들 ITM은 일반적으로 700℃ 이상의 고온에서 공기로부터 O2를 분리하는 성능을 가진다. 이들 멤브레인들을 통한 산소 투과는 멤브레인들을 가로 지르는 산소 분압, 멤브레인 두께 및 이들 멤브레인들이 동작하는 온도의 함수이다. 연소가 ITM을 통해 O2 분리와 동시에 수행 될 때, 유닛은 일반적으로 산소 수송 반응기(oxygen transport reactor)로 지칭된다.
산소 수송 반응기들의 주요 난제들 중 중 하나는 멤브레인들에 의해 획득되는 낮은 플럭스(low flux)이다. 이러한 낮은 플럭스 하에서, 주어진 체적에서 생성된 열량(heat rate)은 상대적으로 낮다.
이와 같이, 종래 기술의 결함, 즉 멤브레인들에 의해 획득된 낮은 플럭스 그리고 결과적으로 멤브레인들을 경제적으로 가열하는 문제를 해결하는 산소 수송 반응기에 대한 요구가 있다.
제 1 측면에 따라, 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 액체 연료를 수용하도록 된 입구 및 분무된 연료 및 CO2를 분사하도록된 출구를 갖는 분무기 (예를 들어, CO2-보조 분무기)를 포함한다. 상기 시스템은 바깥쪽 벽을 갖고 상기 분무된 액체 연료 및 CO2를 수용하도록 된 입구를 갖는 기화 존을 더 포함한다. 일 측면에서, 상기 기화 존의 상기 바깥쪽 벽은 (열) 전도성 플레이트들에 라이닝되어(lining) 상기 기화 존은 상기 분무된 연료 및 CO2를 기화된 형태로 가열하도록 된다. 상기 시스템은 상기 기화 존과 동축 방향으로 정렬되고 상기 기화 존과 흐름 연통(flow communication)하는 반응 존(reaction zone)을 더 포함한다. 상기 반응 존은 상기 기화 존으로부터 상기 기화된 연료 및 CO2의 흐름을 수용하도록 된다.
일 측면에 따라, 상기 시스템은 상기 기화 존에 동축으로 정렬되고 상기 반응 존을 정의하는 이온 수송 멤브레인(ion transportation membrane)을 더 포함한다. 일 측면에 따라, 상기 시스템은 상기 이온 수송 멤브레인 주위에 배치되고, 상기 이온 수송 멤브레인의 외부 표면과 상기 공기 용기 구조의 내부 표면 사이에 제 1 공간을 정의하는 구조에 의해 정의된 공기 용기(air vessel)을 더 포함한다. 일 측면에서, 상기 공기 용기는 상기 반응 존내 상기 기화된 연료 및 CO2의 흐름에 반대 방향으로 상기 공기 용기를 통하여 흐르는 공기 스트림을 수용한다. 일 측면에서, 상기 공기 용기 구조는 열 전도성 재료로 형성될 수 있다.
일 측면에 따라, 상기 시스템은 상기 공기 용기 구조 주위에 배치되고, 상기 공기 용기 구조의 외부 표면과 상기 가열 용기 구조의 내부 표면 사이에 제 2 공간을 정의하는 구조에 의해 정의된 가열 용기(heating vessel)을 더 포함한다. 일 측면에서, 상기 가열 용기는 가열된 공기 및 가스 상태의 연료 스트림을 수용하여 열이 상기 공기 및 가스 상태의 연료 스트림으로부터 상기 제 1 공간으로 전달된다.
일 측면에 따라, 상기 이온 수송 멤브레인은 상기 공기 스트림으로부터 투과시켜 O2를 제공하고 상기 반응 존으로 상기 O2를 수송하도록 하여, 상기 공기 용기 구조의 상기 제 1 공간내 O2-감손(oxygen-depleted) 공기 스트림을 생성한다. 상기 반응 존은 추가로 O2의 존재하에 상기 기화된 연료 및 CO2를 연소시키도록 되어 열을 생산하고 상기 시스템 내 재순환되는 배출 가스 스트림을 생성하도록 된다. 추가 측면에서, 상기 배출 가스의 재순환은 상기 시스템에 에너지를 제공하여 상기 이온 수송 멤브레인에서 적어도 실질적으로 일정한 온도를 유지하도록 한다. 일 측면에 따라, 상기 이온 수송 멤브레인의 온도는 700℃ 와 900℃ 사이에서 유지된다.
일 측면에 따라, 상기 시스템은 원통형의 형상을 가져서 상기 이온 수송 멤브레인, 상기 공기 용기 구조 및 상기 가열 용기 구조가 서로 동심이고, 상기 반응 존이 상기 이온 수송 멤브레인 내부에 위치된다.
다른 측면에 따라, 상기 이온 수송 멤브레인은 제 1 및 제 2 평면 멤브레인들을 포함하여 상기 반응 존이 그 사이에 배치된다. 추가 측면에 따라, 상기 공기 용기는 제 1 및 제 2 평면 플레이트들을 포함하여 상기 이온 수송 멤브레인이 그 사이에 배치된다. 추가 측면에서, 상기 기화 존, 상기 이온 수송 멤브레인, 상기 공기 용기, 및 상기 가열 용기는 제 1 반응기 유닛을 정의하고 상기 시스템은 상기 제 1 반응기 유닛과 같은 구성을 갖는 제 2 반응기 유닛을 더 포함할 수 있고, 여기서 상기 제 1 및 제 2 반응기 유닛들은 적층된 배향으로 있다.
다른 측면에 따라, 상기 시스템은 상기 기화 존과 상기 반응 존 사이에 위치된 연료 필터를 더 포함할 수 있다. 상기 연료 필터는 상기 기화된 연료 및 CO2가 상기 반응 존으로 유입되기 전에 상기 기화된 연료 및 CO2로부터 원치 않은 오염 물질들을 제거하도록 된다. 다른 측면에 따라, 상기 시스템은 상기 기화 존 내에 위치되고 상기 연료의 기화를 보조하도록 된 블러프 바디 (bluff body)를 또한 포함할 수 있다.
다른 측면에 따라, 상기 시스템은 상기 CO2-보조 분무기의 업스트림에 위치된 열 교환기를 포함할 수 있다. 상기 열 교환기는 상기 공기 용기 및 상기 액체 연료로부터 O2-감손 공기 스트림을 수용하고, 상기 액체 연료가 상기 CO2-보조 분무기에 수용되기 전에 상기 O2-감손 공기 스트림으로부터 상기 액체 연료로 열을 전송하도록 된다.
다른 측면에서, 상기 시스템은 상기 반응 존 (상기 반응 존의 외부상에 이온 수송 멤브레인(들) 보다는)내에 위치된 이온 수송 멤브레인들로 구성된 일련의 튜브들을 포함할 수 있다. 상기 일련의 이온 수송 멤브레인 튜브들은 상기 반응 존내 상기 기화된 연료 및 CO2의 흐름에 수직으로 배향된다. 상기 이온 수송 멤브레인 튜브들은 공기 스트림을 수용하고 상기 이온 수송 멤브레인들을 통과하여 상기 반응 존으로 상기 공기 스트림으로부터의 O2의 투과를 허용하도록 되어, 그렇게 함으로써 상기 튜브들내 O2-감손 공기 스트림 및 상기 이온 수송 멤브레인들에 외부에 그리고 상기 반응 존내 연소 반응을 일으킨다.
다른 측면에 따라, 가스-보조 액체 연료 산소 반응기에서 액체 연료의 저-CO2 방출 연소를 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 기화 존으로 액체 연료를 분사하는 단계로서, 상기 연료는 상기 액체 연료 및 CO2를 상기 기화 존으로 분무하도록 된 분무기(예를 들어, CO2-보조 분무기)를 통하여 분사되는, 상기 분사하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 기화 존에서 상기 액체 연료와 CO2를 기화시키는 단계로서, 기화된(증발된) 연료 및 CO2의 혼합물이 발생시켜, 상기 기화된 연료 및 CO2의 혼합물은 이어 반응 존으로 흐르는, 상기 기화시키는 단계를 더 포함한다.
다른 측면에 따라, 공기 용기 내로 공기의 흐름이 공급되고, 상기 공기 용기 및 반응 존은 이온 수송 멤브레인에 의해 분리되고, O2는 상기 이온 수송 멤브레인을 통과하여 상기 반응 존으로 상기 공기의 흐름으로부터 투과된다. 상기 반응 존으로의 O2의 투과는 상기 공기 용기내 O2-감손 공기 스트림을 발생시킨다.
다른 측면에 따라, 고온 공기 및 가스 상태의 연료 스트림이 상기 공기 용기에 인접한 가열 용기로 전달되고, 상기 고온 공기 및 가스 상태의 연료 스트림으로부터의 열은 상기 공기 용기로 전달된다. 추가 측면에 따라, 상기 열은 상기 가열 용기와 상기 공기 용기를 분리시키는 (열) 전도성 플레이트들을 통과하여 전달될 수 있다. 다른 측면에 따라, 상기 반응 존내 O2의 존재하에 상기 기화된 연료 및 CO2는 연소되고 열을 생산하고 배출 가스 스트림을 생성한다.
다른 측면에 따라, 상기 방법은 상기 기화 존으로 상기 액체 연료의 분사 전에 상기 액체 연료를 가열하는 단계를 더 포함한다. 추가 측면에 따라, 상기 액체 연료는 열 교환기를 통하여 가열된다. 추가 측면에 따라, 상기 기화 존으로 분사 전에 상기 액체 연료를 가열시키는 단계는 상기 O2-감손 공기 스트림을 상기 반응 존의 업스트림에 열 교환기로 재순환시키는 단계를 포함하고, 상기 재순환된 O2-감손 공기 스트림은 상기 액체 연료에 열을 전달한다.
다른 측면에 따라, 상기 방법은 상기 배출 가스 스트림을 재순환시켜 상기 공기 용기에 열을 전달하는 단계를 더 포함한다. 어떤 실시예에서, 상기 열은 상기 공기 용기에 라이닝된 하나 이상의 (열) 전도성 플레이트들을 통하여 상기 공기 용기로 전달된다.
다른 측면에 따라, 상기 액체 연료를 기화시키는 단계는 상기 고온 공기 및 가스 상태의 연료 스트림으로부터 상기 기화 존의 바깥쪽 벽을 라이닝(lining)하는 (열) 전도성 플레이트를 통해 상기 기화 존으로 열을 전달하는 단계를 포함한다.
다른 측면에 따라, 상기 방법은 상기 기화된 연료와 CO2의 혼합물을 상기 반응 존으로 흐르게 하기 전에 상기 혼합물을 필터링시키는 단계를 더 포함한다. 추가 측면에 따라, 상기 기화된 연료 및 CO2는 연료 필터를 통하여 필터링된다.
상기 방법의 다른 측면에 따라, 상기 공기 용기 및 상기 이온 수송 멤브레인은 상기 반응 존 내에 위치되고 상기 반응 존으로의 상기 기화된 연료 및 CO2의 흐름은 상기 이온 수송 멤브레인에 수직이다. 추가 측면에 따라, 상기 이온 수송 멤브레인은 상기 공기 용기를 둘러싸는 튜브이다.
본 출원의 추가 측면들은 첨부 도면들과 함께 취해진 때 후술되는 그것의 다양한 실시예의 상세한 설명을 검토시에 더욱 쉽게 이해 될 것이다:
도 1은 하나 이상의 실시예들에 따른 원통형 구성의 가스-보조 액체 연료 산소 반응기의 단면도이다;
도 2는 하나 이상의 실시예들에 따른 다수의 반응 존들을 갖는 주기적인 평면 구성에 가스-보조 액체 연료 산소 반응기의 실시예의 단면도이다;
도 3은 하나 이상의 실시예들에 따른 가스-보조 액체 연료 산소 반응기와 관련된 열 교환기의 개략도이다;
도면들 4a-b는 하나 이상의 실시예들에 따른 교차-흐름(cross-flow) 이온 수송 멤브레인(4a)의 동작을 동축 흐름(co-axial flow) 이온 수송 멤브레인 (4b)의 동작과 비교하는 개략적인 도면들이다;
도 5는 하나 이상의 실시예들에 따른 교차-흐름 이온 수송 멤브레인을 갖는 가스-보조 액체 연료 산소 반응기의 실시예의 측면도이다;
도 6은 하나 이상의 실시예들에 따른, 스윕 가스(sweep gas)에서 CH4의 퍼센티지 증가에 따른 비-반응성 및 반응성의 경우에 대한 이온 수송 멤브레인을 통한 산소 투과 속도(oxygen permeation rate)를 보여주는 라인 그래프이다; 및
도 7은 하나 이상의 실시예들에 따른, 스윕 가스내 CH4의 퍼센티지의 증가에 따른 반응 존에서의 반응 속도를 보여주는 그래프이다.
본 개시는 가스-보조 액체 연료 산소 수송 반응기(gas-assisted liquid fuel oxygen transport reactor)에 대한 시스템 및 방법을 상술한다. 특별히, 본 출원은 가스 연소를 이용하는 액체 연료용 저탄소 배출 산소 수송 반응기를 개시한다. 하나 이상의 실시예들에서, 본 시스템은 기화 존(evaporation zone)에 액체 연료 및 가스의 분무된 스프레이를 제공하는 가스-보조 (예를 들어, CO2 가스) 분무기를 포함한다. 분무된 연료 및 가스는 기화 존에서 가열된 후 연료 필터를 통해 반응 존 (산소 수송 반응기)으로 투과한다. 공기 흐름 (공기 스트림(air stream))은 또한 반응 존에 인접한 도관 (용기) 내 시스템으로 공급된다. 이 공기 스트림 도관 및 반응 존은 하나 이상의 이온 수송 멤브레인들에 의해 분리된다. 공기 스트림 도관의 조건으로 인해, 공기 스트림으로부터의 산소는 이온 수송 멤브레인을 통과하여 반응 존으로 투과한다. 분무된 연료와 가스 및 반응 존에 투과된 산소의 조합은 연료의 연소 및 열의 생성을 초래한다.
종래의 방법에서, 이온 수송 멤브레인은 낮은 플럭스 하에서 동작하고, 따라서 반응 존에 의해 생성 된 열의 비율은 상대적으로 낮다. 그러나, 본원의 시스템은 스윕 가스(sweep gas)로서 분무된 가스 (예를 들어, CO2)의 스트림을 이용하여 이온 수송 멤브레인을 통해 반응 존에서 획득된 산소의 플럭스를 증가시킨다. 또한, 본 시스템은 가스 및 공기 스트림들이 이온 수송 멤브레인에서 일정한 온도를 유지하기 위해 시스템 전체에 재순환되는 폐쇄 루프 제어 시스템(closed-loop control system)이다. 예를 들어, 반응 존에서의 가스 연소 반응들은 이온 수송 멤브레인(들)을 원하는 온도로 가열하는데 사용되며, 이온 수송 멤브레인에서 온도를 유지하는데 필요한 에너지는 반응 존을 빠져 나가는 배출 가스의 부분적 재순환에 의해 제공된다. 유사하게, 이온 수송 멤브레인을 통해 산소를 잃은 후에, 이제 산소-감손 (oxygen-depleted) 공기 스트림 (흐름)은 기화 존으로 들어가기 전에 열 교환기를 통해 액체 연료에 열을 제공함으로써 시스템 내에서 열을 재순환 시키는데 또한 사용될 수 있다. 이온 수송 멤브레인에서 일정한 온도를 유지하는 것은 이온 수송 멤브레인의 열 응력(thermal stress)을 피할 수 있으므로 개선된 멤브레인 안정성과 열 성능으로 귀결된다.
본 출원의 시스템 및 방법은 CO2 방출을 상당히 감소시키는 배출 가스로부터의 CO2 저장뿐만 아니라 시스템의 효율적인 자가 가열을 허용한다. 또한, 연료의 연소가 공기가 아닌 산소로 수행되기 때문에, 시스템은 NOx의 방출을 초래하지 않는다.
가스-보조 액체 연료 산소 수송 반응기에 대하여 언급된 시스템 및 방법은 이제 시스템 및 방법의 하나 이상의 예시된 실시예 및/또는 배열이 도시된 첨부 도면을 참조하여 보다 완벽하게 설명된다. 도시된 실시예 및/또는 배치는 단지 당업자에 의해 인식되는 다양한 형태로 구현 될 수 있는 시스템 및 방법의 단지 예시 일 뿐이므로, 시스템 및 방법은 도시된 실시예들 및/또는 배치에 어떤 식 으로든 제한되지 않는다. 따라서, 본 출원에 개시된 임의의 구조적 및 기능적 세부 사항들은 시스템 및 방법을 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 오히려 시스템 및 방법들을 구현하는 당업자에게 하나 이상의 방식을 가르치는 대표적인 실시예 및/또는 배열로서 제공되는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 가스-보조 액체 연료 산소 수송 반응기에 대한 예시적인 시스템 (100)의 단면도를 도시한다. 이 실시예에서, 시스템 (100)은 원통형 파이프와 같은 원통형 구성을 갖는다. 적어도 하나의 실시예에서, 시스템은 수평 연료 분사 슬롯을 갖는 평면 구성을 가질 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 시스템 (100)이 원통형인 경우, 시스템은 일련의 동심의 존들/영역들로 구성된다. 시스템 (100)은 전체적으로 제 1 단부 (102) 및 대향하는 제 2 단부 (104)를 포함하는 것으로 생각 될 수 있다.
원통형 시스템 (100)은 기화 존(evaporation zone) (105)을 포함한다. 기화 존은 연료 분무기 (115)를 수용하기 위한 입구(110)를 포함한다. 액체 연료는 연료 분무기 (115)를 통해 기화 존 (105)으로 분사된다. 액체 연료는 한정되는 것은 아니지만 메탄 (CH4)을 포함하는 하나 이상의 화합물을 포함 할 수 있지만, 그러나 가스 상태의 연료 및 경질(light) 액체 연료를 또한 포함 할 수 있다. 하나 이상의 실시예들에서, 연료 분무기 (115)는 가스-보조 (예를 들어, CO2-보조)이다. 대안 일 실시예에서, 연료 분무기 (115)는 액체 연료 압력 분무기일 수 있다. 연료 분무기 (115)는 액체 연료를 수용하기 위한 입구 (120) 및 분무된 연료 및 가스 (예를 들어, CO2)의 액체 방울(droplet)을 기화 존 (105)으로 분사하도록 된 출구 (125)를 포함 할 수 있다. 연료 분무기 (115)는 따라서 기화 존 (105)의 일 단부를 정의한다. 기화 존 (105)은 도시된 바와 같이 환형 형상을 가질 수 있는 바깥쪽 벽(outer wall) (130)을 더 포함한다. 하나 이상의 실시예들에서, 바깥쪽 벽 (130)은 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이 열 분무된 (즉, 액체 작은 방울) 연료 및 가스를 기화된 형태로 가열하는데 사용될 수 있는 하나 이상의 (열) 전도성 플레이트를 포함 할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 기화 존 (105)은 블러프 바디(bluff body) (135)를 더 포함 할 수 있다. 블러프 바디 (135)는 기화 존에서 연료 기화의 완료를 돕고 화염(flame)을 안정화 시키는데 사용될 수 있다. 화염은 반응 존 (145) 안에 위치된다. 블러프 바디(135)는 분무기 (115)의 다운스트림에 위치된다.
도 1을 계속 참조하여, 연료 및 가스 (예를 들어, CO2))의 기화 후에, 기화된 연료 및 가스는 연료 필터 (140)를 통해 그리고 반응 존 (산소 수송 반응기) (145)로 흐른다. 특히, 분무기로부터의 CO2의 흐름은 분무된 연료를 연료 필터 (140)를 통해 반응 존 (145)으로 밀어내는 스윕 가스 (sweep gas)로서 작용한다. 연료 필터 (140)는 반응 존 (145)으로 들어가기 전에 기화된 연료 및 가스로부터 원하지 않는 오염물을 제거하는 것을 보장한다. 연료 필터 (140)는 기화 존(105)을 가로 질러 연장되어(횡단하여), 따라서 분무기로부터의 기화된 연료 및 가스는 연료 필터 (140)로 직접 흐르고 연료 필터 (140)를 통과하도록 위치된다. 하나 이상의 실시예들에서 및 도 1에 도시된 바와 같이, 반응 존 (145)은 기화 존 (105)에 동축으로 정렬되고 그것의 다운스트림에 위치된다. 더구나, 도 1에 도시된 실시예에서, 기화 존 (105) 및 반응 존 (145)은 원통형 구성 (예를 들어, 파이프)의 최내측 영역(코어(core)에 위치된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 실시예들에서, 반응 존 (145)은 하나 이상의 이온 수송 멤브레인(ITM : ion transport membrane) (150)으로 둘러싸여 있다. 하나 이상의 구현예들에서, ITM(150)은 세라믹 재료로 만들어진다. 예시된 실시 예에서, ITM (150)은 환형 형상을 가지며 반응 존 (145)은 그 내부에 있다. 시스템이 평면 구성을 갖는 적어도 하나의 실시예에서, ITM (150)은 제 1 및 제 2 평면 멤브레인 표면을 포함할 수 있고, 여기서 반응 존(145)은 두 개의 평면 멤브레인 표면 사이에 배치된다.
예시적인 ITM 재료들 및 ITM의 추가 특성은 Behrouzifar et al. (Experimental Investigation and Mathematical Modeling of Oxygen Permeation Through Dense Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF) Perovskite-type Ceramic Membranes. Ceramics International: 38 (2012); 4797-4811)에 의해 발표된 논문에 개시되고, 이는 그 전체가 참조로서 본 출원에 통합된다. Behrouzifar 등이 발표한 논문에서 논의된 바와 같이, 멤브레인 두께와 온도는 ITM 을 가로지르는 산소 플럭스(oxygen flux)에 영향을 미칠 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 특히, ITM을 가로 지르는 산소 플럭스는 일반적으로 멤브레인 주위의 온도 증가 및 멤브레인이 얇아짐에 따라 증가한다.
하나 이상의 ITM을 둘러싸는 것은 제 1 도관 (155) (공기 용기(air vessel))이다. 제 1 도관 (155)은 공기 스트림을 위한 입구(미도시)를 포함한다. 시스템 (100)의 다른 컴포넌트들 및 특징부와 마찬가지로, 제 1 도관 (155)은 환형 형상을 가질 수 있고 기화 및 반응 존들과 동심일 수 있다. 후술되는 바와 같이, 제 1 도관 (155)은 ITM (150) (및 부분적으로 바깥쪽 벽 (130))에 의해) 그리고 후술하는 바깥쪽 벽 구조에 의해 형성된다. 반응 존(145)에서 기화된 연료와 스윕 가스의 혼합물은 ITM (150)을 가로 질러 반응 존 (145)으로 이동하도록 제 1 도관 (155)에서 흐르는 공기 스트림으로부터 산소를 유도한다. 특히, 반응 존 내의 스윕 가스 (예를 들어, CO2))는 ITM (150)을 통해 (가로 질러) 얻어지는 산소의 플럭스를 증가시켜서, ITM (150)을 가로 질러 (도관 (145)에) 공기 스트림으로부터 산소 수송을 유도한다.
또한, 공기 스트림이 스윕 가스/기화된 연료의 반대 방향으로 흐르기 때문에 역류 프로세스(counter-flow process)에서 시스템 (100)으로 공기 스트림이 공급된다. 이 역류 프로세스는 공기 흐름을 가열하고 ITM을 따라 균일한 온도를 유지하는데 필요한 에너지의 적어도 일부를 제공하여 개선된 멤브레인 안정성을 허용한다. 반응 존 (145)으로의 산소의 수송은 반응 존 (145)에서 연료의 연소를 초래하여 열의 생산으로 귀결된다 하나 이상의 실시예들에서, 스윕 가스 내의 연료 퍼센티지 (예를 들어, CH4)의 증가는 ITM (150)을 통한 증가된 산소 투과율(oxygen permeation) 및 반응 존 (145)에서의 증가된 반응 속도를 초래한다 (도면들 6-7 참조).
연소 반응은 또한 CO2 및 수증기를 포함하는 배출 가스들을 생성한다. 하나 이상의 실시예들에서, 배출 가스들의 적어도 일부는 재순환될 수 있어서 (열) 전도성 플레이트들(165)을 통해 공기 스트림에 부분적으로 열을 제공하여 ITM (150)을 가로 질러 더 큰 산소 플럭스를 제공 할 수 있다. 공기 스트림은 반응 존 (145)에서 연소 가스로부터의 방사에 의해 가열된다. (155)를 빠져 나온 가열된 공기 (산소-감손 공기)는 제 2 도관 (160)으로 순환되어 (155)내 공기의 고온을 유지시킨다. 적어도 하나의 실시예에서, 공기 및 연료 ((100)의 외부에서 연소됨)를 사용하는 연소 가스는 (155)내 공기에 대한 가열원으로서의 제 2 도관 (160)으로 전달된다.
더구나, 하나 이상의 실시예들에서, 배출 가스 내 수증기는 응축되어 배출 가스 스트림에서 본질적으로 CO2만을 남길 수 있고, 그런다음 CO2 방출을 저감시키기 위해 저장될 수 있다. 구체적으로, 존(155)을 빠져나가는 가스는 압축되어 저장 될 수 있는 CO2를 남기고 수증기를 응축시키기 위한 응축기(condenser) (미도시)로 전달될 수 있다.
상기에서 언급된 바와 같이, 도관 (155)의 공기 스트림은 가열되고, 이는 ITM (150)을 따라 균일한 온도를 유지하는데 도움이 되어 개선된 멤브레인 안정성을 허용한다. 하나 이상의 실시예에서, 동작동안, ITM은 약 700 ℃ 내지 약 900 ℃ 범위의 온도에서 유지된다. 바람직한 온도의 결정은 고온에서 달성 될 수 있는 고 산소 플럭스의 최적화 및 ITM 재료의 열적 및 기계적 안정성의 제약에 의존한다.
많은 종래의 시스템과는 달리, 본 출원의 시스템은 공기가 아닌 산소를 사용하여 연료의 연소를 하여하여, 질소 산화물 (NOx)이 없는 배출 스트림으로 귀결된다. 따라서, 본 출원의 시스템들은 제로-NOx 방출 시스템들이다.
계속해서 도 1을 참조하여, 공기 스트림으로부터 ITM (150)을 통한 산소의 투과 후에, 제 1 도관 (155)에는 이제 산소-감손 공기 스트림이 또한 재순환 될 수 있다. 특별히, 산소-감손 공기에서 이용 가능한 에너지는 예를 들어 열 교환기를 통해 기화 챔버 (105)로 들어가기 전에 연료를 가열하는데 이용 될 수 있다 (도 3 참조). 도 1에 도시 된 바와 같이, 적어도 하나의 실시 예에서, 도관 (155)의 산소-감손 공기는 또한 바깥쪽 벽 (130)의 전도성 플레이트를 통해 기화 존 (105)내 연료를 가열 할 수 있다.
상기에서 언급된 바와 같이, 적어도 하나의 실시예에서, 시스템 (100)은 또한 제 1 도관 (155)을 둘러싸는 제 2 도관 (160) (가열 용기)을 포함할 수 있고, 제 2 도관 (160) 및 제 1 도관 (155)은 적어도 하나의 (열) 전도성 벽/플레이트 (165)에 의해 분리된다. (열) 전도성 벽/플레이트 (165)는 따라서 제 1 도관 (155) 및 제 2 도관 (160) 둘 모두를 정의한다. (열) 전도성 벽/플레이트 (165)는 환형 형상을 가질 수 있다.
제 2 도관 (160)은 고온 공기의 스트림/가스상태의 연료 스트림의 스트림을 위한 입구 (미도시)를 포함할 수 있다. 고온 공기/가스상태의 연료 스트림은 (열) 전도성 벽/플레이트 (165)를 통해 제 1 도관 (155)의 공기 스트림에 열을 제공 할 수 있으므로, ITM (150)을 가로 지르는 공기 스트림으로부터 보다 양호한 산소 플럭스가 얻어진다. 하나 이상의 실시예들에서, 원통형 시스템 (100)은 제 2 도관 (160)의 외부 장벽의 역할을 하여서 제 2 도관 (160)을 정의하는 바깥쪽 벽 (170)을 더 포함한다.
유체 시일(fluid seal)이 바깥쪽 벽 (130)과 ITM (150) 사이에 형성된다는 것도 또한 이해 될 것이다. 도 1에 도시 된 바와 같이, 바깥쪽 벽 (130)의 일 단부는 ITM (150)의 일 단부에 접하고, 거기에 맞닿아 밀봉한다.
따라서,도 1에 도시 된 바와 같이, 시스템 (100)은 일련의 역방향 유체 흐름을 허용하는 일련의 흐름 경로들을 포함 할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 보다 구체적으로, 예시된 실시 예에서, 기화 및 반응 존들 및 제 2 도관 (160)에서의 유체 흐름은 동일한 방향 (평행한 흐름 경로)이고 제 1 도관 (155)에서의 유체 흐름은 반대 방향 (반대 흐름 경로)이다. 또한, 예시된 실시 예에서, 시스템 (100)은 적어도 부분적으로 일련의 동심의 환형 형상의 존들/흐름 경로들에 의해 정의되는 원통형 형상을 갖는다는 사실 때문에, 다양한 조들 및 흐름 경로들은 동심 방식(concentric manner)으로 배열된다.
또한, 상이한 존들 /흐름 경로들의 크기가 변경 될 수 있고, 본 도면은 단지 예시적인 것이며 본 발명을 제한하지 않는 것으로 이해 될 것이다. 추가하여, 각각의 흐름 경로의 흐름 방향은 단지 예시적인 것이며, 왼쪽에서 오른쪽으로 도시된 흐름은 오른쪽에서 왼쪽으로 똑같이 나타날 수 있다는 점에서 도 1에 제한되지 않는다.
또한, 도 1 (시스템 (100))이 원통형 구성으로 설명되었지만, 적어도 하나의 실시예에서, 시스템은 평면 구성을 가질 수 있어서 ITM (150)이 제 1 및 제 2 평면 멤브레인 표면을 포함 할 수 있고, 여기서 반응 존 (145)은 두 개의 평면 멤브레인 표면들 사이에 배치된다는 것이 또한 이해되어야 한다. 이 실시예에서, 제 1 도관 (155) (공기 용기)은 제 1 및 제 2 평면 플레이트들 (전도성 플레이트들 (165))을 포함 할 수 있고, 제 1 및 제 2 평면 멤브레인 표면들은 그 사이에 배치된다. 더구나, 제 2 도관 (160) (가열 용기)은 평면 바깥쪽 벽 (170)과 평면 전도성 플레이트 (165)에 의해 정의 될 수 있다.
도 2는 하나 이상의 실시예들에 따른 다수의 반응 존들을 갖는 주기적인 평면 구성의 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 시스템 (200)의 제 2 실시예의 단면도를 도시한다. 또한, 적어도 하나의 실시예에서, 도 1의 원통형 시스템과 같은 다수의 분리된 원통형 시스템을 사용할 수 있다.
도 2에 도시 된 바와 같이, 시스템 (200)은 도 1의 실시예와 유사한 방식으로 기능한다. 단일 스테이지 유형 시스템을 나타내는 시스템 (100)과 대조적으로, 시스템 (200)은 후술되는 바와 같이 도 1을 참조하여 설명된 컴포넌트들 및 흐름 경로들의 두개의 세트들이 있다는 점에서 두개의 스테이지 유형 시스템을 나타낸다.
따라서, 이 실시예에서, 시스템 (200)은 가스 (예를 들어, CO2) 보조 분무기와 같은 분무기 (215)를 수용하기 위한 입구 (210)를 각각 갖는 두 개의 기화 존 (205)을 포함한다. 액체 연료 (및 CO2)는 분무기 (215)로 (입구(220)를 통해) 분사되고 (출구 (225))를 통해) 기화 존 (205)으로 분무된다. 기화 존들 (205)에서, 연료 및 CO2는 (열) 전도성 플레이트들 (230)으로부터의 열을 이용하여 기화된다. 어떤 실시예들에서, 각각의 기화 존 (205)은 블러프 바디(bluff body)(235)를 더 포함한다.
도 2를 계속 참조하여, 기화된 연료 및 CO2는 연료 필터 (240)를 통과하여 투과하여 반응 존들 (245)로 유입되고, 반응 존들 (245)은 개별 기화 존 (205)에 동축으로 정렬된다. 도 2의 주기적인 평면 구성에서, 반응 존들 (245)은 ITM들 (250) 사이에 각각 배치된다. 보다 구체적으로, 이 실시예에서, ITM들 (250)은 평면 멤브레인들을 포함할 수 있고, 여기서 각각의 반응 존 (245)은 제 1 및 제 2 평면 멤브레인 사이에 배치된다. ITM들(250)의 경계는 가열된 공기 스트림을 위한 입구 (미도시)를 갖는 공기 스트림 도관들(255) (공기 용기들)이다. 가열된 공기 스트림들로부터의 산소는 ITM (250)을 통과하여 반응 존(245)로 투과하여 기화된 연료 및 CO2 스트림과 연소 반응을 일으킨다. 연소 반응은 열 뿐만 아니라 CO2 및 수증기를 포함하는 배출 가스들을 생성한다. 배출 가스의 적어도 일부는 재순환 될 수 있어서 ITM (250)을 가로 지르는 보다 양호한 산소 플럭스를 위해 전도성 플레이트를 통해 공기 스트림에 부분적 가열을 제공한다. 다시, 이 실시예에서, 배출 가스 내 수증기는 응축되어 배출 가스 스트림에서 본질적으로 CO2만을 남길 수 있고, 그런 다음 CO2 방출을 저감시키기 위해 저장될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 각각의 도관 (255)은 도관 (260) 내의 고온 공기/가스상태의 연료 스트림으로부터 도관 (255)의 공기 스트림으로 열을 제공하는 적어도 하나의 평면 전도성 플레이트 (265)을 포함 할 수 있다. 제 1 실시예에서와 같이, ITM(250)은 약 700℃ 내지 약 900℃ 범위의 온도에서 유지된다.
공기 스트림 도관 (255) 내의 공기 스트림으로부터 산소가 투과된 후에, 예를 들어 하나 이상의 열 교환기들을 통해 기화 존 (205)으로 들어가기 전에 연료를 가열하기 위해 현재 산소-감손 공기 스트림은 또한 재순환될 수 있다. 시스템 (200)은 공기 스트림 도관 (255)과 접하는 공기 및 가스 상태의 연료 도관 (260)을 또한 포함 할 수 있고, 도관들(260)은 (열) 전도성 벽/플레이트 (265)에 의해 도관들(255)로부터 분리된다. 도관들 (260)은 고온 공기/가스 상태의 연료의 스트림을 위한 입구 (도시되지 않음)를 각각 포함 할 수 있다. 고온 공기/가스상태의 연료 스트림은 (열) 전도성 벽/플레이트 (265)를 통해 도관들 (255)의 공기 스트림에 열을 제공 할 수 있으므로, ITM 들(250)을 가로 지르는 공기 스트림으로부터 보다 양호한 산소 플럭스가 얻어진다. 시스템 (200)은 공기/가스 상태의 연료 스트림을 포함하는 도관 (260)의 바깥쪽 장벽으로서 역할을 하는 바깥쪽 벽 (270)을 더 포함 할 수 있다. 도 2와 같은 특정 주기적인 평면 실시예들은 원통형 구성에서 바깥쪽 벽 (170)을 통해 때때로 발생할 수있는 에너지 손실을 피하기 때문에 증강된 효율을 제공 할 수 있다.
도 2로부터, 소정의 실시예에서, 시스템은 그 자체의 기화 존과 동축으로 각각 정렬되고, 각각이 평면 ITM들, 공기 스트림 도관 (air stream conduit), 및/ 또는 공기 플러스 가스 상태의 연료 도관 사이에 배치되는 몇몇의 반응 존들 (즉, 둘 또는 그 이상)을 포함 할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 각각의 기화 존, ITM (제 1 및 제 2 평면 멤브레인들), 공기 스트림 도관 및 공기/가스 상태의 연료 도관 (평면 멤브레인 사이에 배치 된 반응 존을 갖는)은 총괄하여 반응기 유닛을 구성하는 것으로 생각할 수 있으며, 어떤 실시예들에서, 2 이상의 반응기 유닛들은 예를 들어 적층된 방위(orientation)로 결합 될 수 있다. 예를 들어, 도 2는 적층된 방위에서의 두개의 반응기 유닛들을 디스플레이한다. 하나 이상의 실시예들에서, 각각의 반응 유닛에 대해, 반응 존은 제 1 및 제 2 평면 멤브레인들 사이에 배치되고, 제 1 및 제 2 평면 멤브레인들은 공기 용기(도관 (255))의 제 1 및 제 2 평면 플레이트들 사이에 배치된다.
하나 이상의 실시예에서, 매니 폴드-유형 구조(manifold-type structure)가 단일 소스로부터 다수의 흐름 경로들을 생성하는데 사용될 수 있다는 것이 또한 이해되어야 한다. 예를 들어,도 2에 도시된 바와 같은 주기적인 평면 구성에서, 액체 연료의 단일 공급원이 존재할 수 있고, 매니 폴드 구조가 액체 스트림을 복수의 기화 존 (205)으로 유입하기 위한 다수의 흐름 경로로 분열시키기 위해 사용될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 도관들(255)의 공기 스트림과 같은 시스템 내의 다른 유사한 유체 스트림을 위한 유사한 매니 폴드형 구조가 또한 존재할 수 있다. 대안으로, 적어도 하나의 실시 예에서, 각각의 액체 연료 스트림의 각각의 기화 존 (205)으로의 유입을 위한 별개의 공급원 뿐만 아니라 시스템 (200) 내의 다른 유사한 유체 스트림에 대한 별도의 공급원이 있을 수 있다.
상기 실시예들에서 언급 된 바와 같이, ITM을 통한 산소의 투과에 이어 도관 (155) (또는 도관 (255))의 산소-감손 공기 스트림에서 이용 가능한 에너지는 하나 이상의 열 교환기들을 통해 기화 챔버로 유입되기 전에 액체 연료를 가열하는데 사용될 수 있다. 도 3은 하나 이상의 실시예에 따른, 기화 존내로 진입하기 전에 액체 연료를 가열하기 위한 열 교환기 (302)를 도시한다. 열 교환기 (302)는 기화 존(들)의 업스트림에 위치될 수 있다. 도 3에 도시 된 바와 같이, 열 교환기 (302)는 연료용 제 1 입구 (304), 산소-감손 공기 스트림용 제 2 입구 (306), 연료용 제 1 출구 (308) 및 산소-감손 공기 흐름용 제 2 출구(310)을 가질 수 있다. 제 2 입구 (306)는 산소-감손 공기를 수용하기 위해 공기 스트림 도관 (155) (또는 255)에 연결될 수 있고, 제 1 출구 (308)는 분무기 (115) (또는 215)의 입구 (120) (220)에 연결될 수 있다. 산소-감손 공기 스트림으로부터의 열은 기술 분야에서의 통상의 기술자들에게 공지된 임의 개수의 방식으로 열 교환기 (302)내 연료 스트림으로 전달 될 수 있다. 더구나, 존재하는 산소-감손 공기는 일반적으로 N2가 풍부하고 비료 산업과 같은 산업 프로세스들에 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 하나 이상의 실시예들에 따라, 본원의 시스템들은 그것들이 ITM을 원하는 온도로 가열하기 위해 반응 존에서 연소 반응을 사용할 수 있다는 점에서 자체 가열 될 수 있다. 또한, 반응 존을 빠져 나가는 배출 가스 스트림의 부분 재순환에 의해 제공되는 에너지는 ITM 온도를 유지하는 것을 돕는다. 따라서, 이들 실시예들에서, 본 시스템들은 ITM 온도가 일정 수준으로 유지되어 ITM의 열 응력을 피하고 열 성능을 향상시키기 위해 일정한 레벨에서 유지되는 폐쇄 루프 제어 시스템(closed-loop control system)이다.
하나 이상의 실시예들에서, 각각의 ITM은 반응 존을 둘러싸는 하나의 연속 멤브레인일 수 있다. 적어도 하나의 구현예에서, ITM들은 일련의 ITM 튜브들일 수 있다. 보다 구체적으로, 어떤 실시예들에서, ITM 튜브들은 ITM들을 가로 지르는 산소 투과를 증강시키기 위해 반응 존 내에 위치하고 스윕 흐름 (반응 존으로 유입하는 분무된 연료 및 CO2)에 수직 일 수 있다. 다시 말해, 스윕 흐름(sweep flow)이 ITM에 수직인 실시예들에서, ITM은 스윕 흐름이 ITM에 평행한 "동축 흐름(coaxial-flow)" ITM과 비교하여 "교차-흐름(cross-flow)" ITM으로 간주된다. 도면들 4a-b는 동축 흐름 ITM (도 4b)의 동작과 비교된 교차-흐름 ITM (도 4a)의 동작의 개략적인 도면들이다.
도 5는 교차흐름 이온 수송 멤브레인들을 갖는 가스-보조 액체 연료 산소 반응기의 대안 실시예의 측면도를 도시한다. 이 실시예에서, 시스템 (500)은 시스템 (100 및 200)과 유사한 방식으로 동작 할 수 있고, 도면들 1 및 2의 실시예에 도시된 것과 동일한 엘리먼트들 전부 또는 실질적으로 모두를 포함 할 수 있으며, 한정되는 것은 아니지만, 기화 존 (505), 연료 필터 (540), 반응 존 (545), ITM들 (550) (이 실시예에서, ITM 튜브들 (550)), 전도성 플레이트들/벽들 (미도시) 및 공기 플러스 가스상태의 연료 스트림 도관(560)을 포함할 수 있다.
그러나, 상기 실시예들과 달리, 시스템 (500) 내의 공기 스트림은 ITM 튜브들(550)로 직접 공급되고 (ITM 튜브의 외부를 따라 흐르는 것과는 반대로) , 이어 공기 스트림으로부터의 산소 (O2)는 도 5에 도시 된 바와 같이 ITM 튜브들(550) 내부로부터 ITM 튜브 (550)의 외부에 있는 반응 존 (545)으로 투과된다. 다시 말해서, 이 실시예에서, ITM 튜브 (550)는 반응 존(545) 내에 위치하고, ITM 튜브 (550)의 내부는 공기 도관으로서 기능한다. 이전 실시예에서, 반응 존은 ITM 튜브 내부에 위치하고, 한편 이 실시예에서는 반응 존은 ITM 튜브(들) 외부에 위치된다.
이 실시예에서, 기화 존 (505)에서의 CO2 및 액체 연료의 가열 후, 기화된 연료 및 CO2 스트림은 연료 필터 (540)를 통해 반응 존 (545)으로 흐른다. 여기서, 기화된 연료 및 CO2의 흐름은 ITM 튜브들 (550)에 수직인 "교차 흐름(cross-flow)" 스트림이다. 예를 들어, ITM 튜브들 (550)은 반응 존에서 상부에서 바닥으로 수직으로 배향될 수 있다. 기화된 연료 및 CO2의 교차 흐름은 ITM 튜브들 (550)을 통과하는 공기 스트림으로부터의 산소 투과를 강화 시켜서, 반응 존(545)에서 연소 반응의 효율을 증강시킨다. 도 5의 실시예의 하나 이상의 구현예들 (즉, 교차 흐름 ITM)에서, 배출 가스 스트림, 산소-감손 공기 스트림 및 공기 플러스 가스 상태의 연료 스트림은 하나 이상의 열 교환기 (도 3 참조)의 사용을 포함하여 도면들 1 및 2의 실시예에 대해 설명된 것과 같은 방식으로 가열 목적으로 시스템내에서 재순환 될 수 있다.
본 발명은 특정 실시예를 사용하여 상기에서 설명되었지만, 당업자에게 명백할 많은 변형예들 및 수정예가 존재한다. 이와 같이, 기술된 실시예들은 모든 면에서 제한적이 아니라 예시적인 것으로 고려되어야한다. 본 발명의 범위는 따라서, 앞에서의 설명에 의하기 보다는 첨부된 청구항들에 의해 표시된다. 청구항들의 균등 범위를 의미하는 모든 변화들은 그것들의 범위 내에 수용되어야 한다.

Claims (29)

  1. 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 시스템(gas-assisted liquid fuel oxygen reactor system)에 있어서,
    액체 연료를 수용하도록 된 입구 및 분무된 연료 및 CO2를 분사하도록 된 출구를 갖는 CO2-보조 분무기(atomizer);
    상기 분무된 액체 연료 및 CO2를 수용하도록 된 입구 및 열 전도성 재료로 형성된 바깥쪽 벽을 갖는 기화 존으로서, 상기 기화 존은 상기 분무된 연료 및 CO2를 기화된 형태로 가열하도록 된, 상기 기화 존(evaporation zone);
    상기 기화 존과 동축 방향으로 정렬되고 상기 기화 존과 흐름 연통(flow communication)하는 반응 존(reaction zone)으로서, 상기 반응 존은 상기 기화 존으로부터 상기 기화된 연료 및 CO2의 흐름을 수용하도록 된, 상기 반응 존;
    상기 기화 존에 동축으로 정렬되고 상기 반응 존을 정의하는 이온 수송 멤브레인(ion transportation membrane);
    공기 용기(air vessel)로서, 상기 이온 수송 멤브레인 주위에 배치되고, 상기 이온 수송 멤브레인의 외부 표면과 상기 공기 용기 구조의 내부 표면 사이에 제 1 공간을 정의하는 구조에 의해 정의되고, 상기 공기 용기 구조는 열 전도성 재료로 형성되고, 상기 공기 용기는 상기 반응 존내 상기 기화된 연료 및 CO2의 흐름에 대해 반대 방향으로 흐르는 공기 스트림(air stream)을 수용하기 위한 것인, 상기 공기 용기;
    가열 용기(heating vessel)로서, 상기 공기 용기 구조 주위에 배치되고 상기 공기 용기 구조의 외부 표면과 상기 가열 용기 구조의 내부 표면 사이에 제 2 공간을 정의하는 구조에 의해 정의되고, 상기 가열 용기는 가열된 공기 및 가스 상태의 연료 스트림을 수용하기 위한 것으로 열이 상기 공기 및 가스상태의 연료 스트림으로부터 상기 제 1 공간으로 전달되는, 상기 가열 용기를 포함하되,
    상기 이온 수송 멤브레인은 상기 공기 스트림으로부터 투과시켜 O2를 제공하고 상기 반응 존으로 상기 O2를 전달하여, 상기 공기 용기 구조의 상기 제 1 공간에 O2-감손 공기 스트림(oxygen-depleted air stream)을 생성하고, 상기 반응 존은 상기 O2의 존재하에서 상기 기화된 연료 및 CO2를 연소시켜 열을 생산하고 상기 시스템에서 재순환되는 배출 가스들을 생성하도록 된, 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기화 존과 상기 반응 존 사이에 위치되어, 상기 기화된 연료 및 CO2가 상기 반응 존으로 유입되기 전에 상기 기화된 연료 및 CO2로부터 원치 않은 오염 물질들을 제거하도록 된 연료 필터를 더 포함하는, 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 기화 존 내에 위치되고 상기 연료의 기화를 보조하도록 된 블러프 바디 (bluff body)를 더 포함하는, 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 배출 가스의 재순환은 상기 시스템에 에너지를 제공하여 상기 이온 수송 멤브레인에서 적어도 실질적으로 일정한 온도를 유지하도록 하는, 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 이온 수송 멤브레인의 온도는 700℃와 900℃ 사이에서 유지되는, 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 CO2-보조 분무기의 업스트림에 위치된 열 교환기를 더 포함하되, 상기 열 교환기는 상기 공기 용기 및 상기 액체 연료로부터 상기 O2-감손 공기 스트림을 수용하고, 상기 CO2-보조 분무기내 상기 액체 연료의 수용 전에 상기 O2-감손 공기 스트림으로부터 상기 액체 연료로 열을 전송하도록 된, 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 시스템은 원통형의 형상을 가져서 상기 이온 수송 멤브레인, 상기 공기 용기 구조 및 상기 가열 용기 구조가 서로 동심이고, 상기 반응 존이 상기 이온 수송 멤브레인 내부에 위치되는, 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 이온 수송 멤브레인은 제 1 및 제 2 평면 멤브레인들을 포함하여 상기 반응 존이 그 사이에 배치되는, 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 공기 용기는 제 1 및 제 2 평면 플레이트들을 포함하여 상기 이온 수송 멤브레인이 그 사이에 배치되는, 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 기화 존, 상기 이온 수송 멤브레인, 상기 공기 용기, 및 상기 가열 용기는 제 1 반응기 유닛을 정의하고, 상기 시스템은 적어도 제 2 반응기 유닛을 더 포함하고, 상기 제 2 반응기 유닛은 상기 제 1 반응기 유닛과 같은 구성을 가지며, 상기 제 1 및 제 2 반응기 유닛들은 적층된 배향으로 있는, 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 시스템.
  11. 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 시스템에 있어서,
    액체 연료를 수용하도록 된 입구 및 분무된 연료 및 CO2를 분사하도록 된 출구를 갖는 CO2-보조 분무기(atomizer);
    상기 분무된 액체 연료 및 CO2를 수용하도록 된 입구를 갖는 기화 존;
    상기 기화 존과 동축 방향으로 정렬되고 상기 기화 존과 흐름 연통(flow communication)하는 반응 존(reaction zone)으로서, 상기 반응 존은 상기 기화 존으로부터 상기 기화된 연료 및 CO2의 흐름을 수용하는, 상기 반응 존;
    상기 반응 존 내에 위치하며 상기 반응 존내 상기 기화된 연료 및 CO2의 흐름에 수직으로 배향된 이온 수송 멤브레인들로 구성된 일련의 튜브들로서, 상기 튜브들은 내부에 공기 스트림을 수용하고 상기 이온 수송 멤브레인들을 둘러싸는 상기 반응 존으로 상기 이온 수송 멤브레인을 통하여 상기 공기 스트림으로부터 O2의 투과를 허용하도록 되어 그렇게 함으로써 상기 이온 수송 멤브레인들 내부에서 O2-감손 공기 스트림을 그리고 상기 이온 수송 멤브레인의 외부에 위치한 상기 반응 존에서 연소 반응을 일으키고, 상기 연소 반응은 열을 생산하고 상기 시스템에서 재순환되는 배출 가스를 생성하는, 상기 일련의 튜브들; 및
    가열된 공기 및 가스 상태의 연료 스트림을 위한 입구를 포함하는 가열 용기로서, 상기 가열 용기는 열이 상기 가열된 공기 및 가스 상태의 연료 스트림으로부터 상기 반응 존으로 전달되도록 상기 반응 존을 둘러싸는 구조에 의해 정의되는, 상기 가열 용기를 포함하는, 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 기화 존과 상기 반응 존 사이에 위치되어, 상기 기화된 연료 및 CO2가 상기 반응 존으로 유입되기 전에 상기 기화된 연료 및 CO2로부터 원치 않은 오염 물질들을 제거하도록 된 연료 필터를 더 포함하는, 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 시스템.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 기화 존 내에 위치되고 상기 연료의 기화를 보조하도록 된 블러프 바디 (bluff body)를 더 포함하는, 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 시스템.
  14. 청구항 11에 있어서, 상기 배출 가스의 재순환은 상기 시스템에 에너지를 제공하여 상기 이온 수송 멤브레인에서 일정한 온도를 유지하도록 하는, 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 이온 수송 멤브레인의 일정한 온도는 700℃ 와 900℃ 사이에 있는, 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 시스템.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 CO2-보조 분무기의 업스트림에 위치된 열 교환기를 더 포함하되, 상기 열 교환기는 상기 튜브들 및 상기 액체 연료로부터 상기 O2-감손 공기 스트림을 수용하고, 상기 CO2-보조 분무기내 상기 액체 연료의 수용 전에 상기 O2-감손 공기 스트림으로부터 상기 액체 연료로 열을 전송하도록 된, 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 시스템.
  17. 청구항 11에 있어서, 상기 시스템은 원통형 구성을 가져서 상기 이온 수송 멤브레인들은 상기 시스템을 가로질러 횡방향으로 연장되는, 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 시스템.
  18. 청구항 11에 있어서, 상기 분무된 액체 연료 및 CO2와 상기 가열된 공기 및 가스 상태의 연료 스트림은 모두 상기 공기 스트림의 흐름에 적어도 전체적으로 수직인 동일한 방향에서 흐르는, 가스-보조 액체 연료 산소 반응기 시스템.
  19. 가스-보조 액체 연료 산소 반응기에서 액체 연료의 저-CO2 방출 연소를 위한 방법에 있어서, 상기 방법은:
    기화 존으로 액체 연료를 분사하는 단계로서, 상기 연료는 상기 액체 연료 및 CO2를 상기 기화 존으로 분무하도록 된 CO2-보조 분무기를 통하여 분사되는, 상기 분사하는 단계;
    상기 기화 존에서 상기 액체 연료와 CO2를 기화시키는 단계로서, 기화된 연료 및 CO2의 혼합물이 생기는, 상기 기화시키는 단계;
    기화된 연료와 CO2의 혼합물을 상기 기화 존과 동축인 반응 존으로 흐르게 하는 단계;
    공기 용기 내로 공기의 흐름을 공급하는 단계로서, 상기 공기 용기 및 반응 존은 이온 수송 멤브레인에 의해 분리되고, O2는 상기 이온 수송 멤브레인을 통과하여 상기 반응 존으로 상기 공기의 흐름으로부터 투과하여 상기 공기 용기내 O2-감손 공기 스트림을 발생시키는, 상기 공급하는 단계;
    고온 공기 및 가스 상태의 연료 스트림을 상기 공기 용기에 인접한 가열 용기로 전달하는 단계로서, 상기 고온 공기 및 가스 상태의 연료 스트림으로부터의 열은 상기 가열 용기와 상기 공기 용기를 분리하는 전도성 플레이트를 통해 상기 공기 용기로 전달되는, 상기 전달하는 단계; 및
    상기 반응 존내 O2의 존재하에 상기 기화된 연료 및 CO2를 연소시키는 단계로서 열을 생산하고 배출 가스 스트림을 생성하는, 상기 연소시키는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 기화 존으로 상기 액체 연료의 분사 전에 상기 액체 연료를 가열하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  21. 청구항 20에 있어서, 상기 액체 연료는 열 교환기를 통하여 가열되는, 방법.
  22. 청구항 21에 있어서, 상기 액체 연료를 가열하는 단계는:
    상기 O2-감손 공기 스트림을 상기 반응 존의 업스트림에 상기 열 교환기로 재순환시키는 단계를 포함하고, 상기 재순환된 O2-감손 공기 스트림은 상기 CO2-보조 분무기 내로 액체 연료의 분사 이전에 상기 액체 연료에 열을 전달하는, 방법.
  23. 청구항 19에 있어서, 상기 액체 연료를 기화시키는 단계는:
    상기 고온 공기 및 가스 상태의 연료 스트림으로부터 상기 기화 존의 바깥쪽 벽을 라이닝(lining)하는 전도성 플레이트를 통해 상기 기화 존으로 열을 전달하는 단계를 포함하는, 방법.
  24. 청구항 19에 있어서,
    상기 배출 가스 스트림을 재순환시켜 상기 공기 용기에 열을 전달하는, 상기 재순환 시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  25. 청구항 24에 있어서, 상기 열은 상기 공기 용기에 라이닝된 하나 이상의 전도성 플레이트들을 통하여 상기 공기 용기로 전달되는, 방법.
  26. 청구항 19에 있어서,
    상기 기화된 연료와 CO2의 혼합물을 상기 반응 존으로 흐르게 하기 전에 상기 혼합물을 필터링시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  27. 청구항 26에 있어서, 상기 기화된 연료 및 CO2는 연료 필터를 통하여 필터링되는, 방법.
  28. 청구항 19에 있어서, 상기 공기 용기 및 상기 이온 수송 멤브레인은 상기 반응 존 내에 위치되고 상기 반응 존으로의 상기 기화된 연료 및 CO2의 흐름은 상기 이온 수송 멤브레인에 수직인, 방법.
  29. 청구항 28에 있어서, 상기 이온 수송 멤브레인은 상기 공기 용기를 둘러싸는 튜브인, 방법.
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