KR102336903B1 - 탄소질 연료의 유동층 연소 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산소-연소 반응기 내의 국소적 산소 함량을 특정 수준으로 조절하는 것을 포함하는, 산소-연소 유동층 반응기 내에서의 탄소질 연료의 연소를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 탄소질 연료 및 산소-함유 가스는 유동층 반응기로 도입되며, 불활성 물질, 돌로마이트 또는 이들의 조합을 포함하는 유동층을 통하여 용리되고, 연료가 산소로 연소되어 적어도 CO2 및 스팀을 생성시킨다. 산소-함유 가스는 산소, 재순환 CO2 및 스팀의 혼합물이며, 재순환 CO2 및 스팀에 충분한 산소가 첨가됨으로써, 혼합물은 7-20 몰%의 산소를 함유한다. 탄소질 연료 및 산소-함유 가스는 해당 위치에 환원성 분위기를 생성시키는 것을 회피하기 위하여 서로 충분히 근접한 가까운 위치에서 유동층으로 도입된다. 생성된 CO2 및 스팀 중 적어도 일부는 반응기로 재순환된다.

Description

탄소질 연료의 유동층 연소
본 발명은 일반적으로 탄소질 연료의 연소, 더 구체적으로는 유동층 반응기에서의, 또는 그를 통한 그와 같은 연소 처리에 관한 것이다.
근년에, 예컨대 국제적인 기후 변화에 관한 우려로 인하여, 다량의 CO2 방출은 단계적으로 중단되고 있으며, CO2 배출을 감소시키는 새로운 전력원이 탐색되고 있다. 많은 나라에서 10년 넘게 산소-연소(oxy-combustion)로 지칭되는 유망한 기술이 개발되어 왔다.
그와 같은 처리 기술은 보통 예컨대 불활성 물질 또는 돌로마이트, 또는 양자의 조합으로 구성되는 유동층으로 구성되는 반응기를 사용한다. 고체 탄소질이며 황-함유성일 수 있는 연료가 산소 또는 공기에 의해 연소되기 위하여 반응기로 주입된다. 층을 유동화하는 데에는 예컨대 주로 이산화탄소 및 스팀으로 구성되는 재순환 연도 가스가 사용된다. CO2는 층을 유동화하는 가스의 65-99 %를 구성할 수 있으며, 스팀은 나머지를 구성할 수 있다. 통상적인 산소-연소 반응기는 모든 재순환 연도 가스를 20-30 %, 또는 많게는 50 %의 산소 (몰 백분율)와 사전혼합한다. 이는 석탄, 석유 코크스 및 바이오매스 연소로부터 전력을 생산하기 위한 최적화된 고도 탄소 포획 시스템용으로 제안되어 온 통상적인 일반 산소-연소 시스템의 레시피(recipe)이다.
공정이 고압에서 수행되는 경우, 연도 가스 수분 응축 동안 상당량의 열이 제거될 수 있는데, 이는 고품질의 스팀과 함께 더 많은 전력이 생산되는 것을 가능케 하며, 연도 가스 응축물에 의해 보일러 공급수가 예비가열될 수 있다. 이에 따라, 고압에서 산소-연소를 수행하는 방법은 시스템 효율을 향상시키는 데에 매우 바람직하다.
고압에서 수행하는 것 이외에는 통상적인 상기 방법에서 산소-연소를 수행하는 것의 한 가지 함의는 높은 산소 함량이 과열되는 것을 방지하기 위하여 탄소질 연료 (예컨대 석탄, 갈탄, 석유 코크스 또는 바이오매스)가 큰 입자 직경으로 주입될 것을 요구하며, 그에 따라 완전한 연소를 보장하기 위해서는 고체가 사이클론을 통하여 층 외부에서 순환되어야 한다는 것이다 (US 2014/0065559 A1호).
특허 출원 US 2010/0307389 A1호에 기술되어 있는 바와 같이 그와 같은 층에 분쇄된 석탄을 주입하는 것은 매우 짧은 시간 내에 완전한 연소를 가능케 함으로써 고체가 층 외부에서 순환될 필요가 없게 하지만, 이는 석탄 입자가 열이 제거되어 층을 통해 열 전달 표면으로 확산될 수 있는 것 보다 더 빠르게 연소될 위험성을 가지며, 이는 슬래깅 응집을 통한 오염으로 이어질 수 있다. 연료 중 수분은 제한된 정도의 완화 효과만을 가지며, 습윤 연료를 사용하는 것은 가동 비용 면에서 다른 불리한 효과를 가진다 (더 많은 산소가 생성되어야 하며, 고체는 건조되지 않을 경우 통상적인 방식으로 취급될 수 없음).
발명의 개요
일 측면 또는 실시양태에 따라, 탄소질 연료의 연소 방법이 제공된다. 상기 방법은 탄소질 연료 및 산소-함유 가스를 유동층 반응기에 도입하는 것을 포함한다. 유동층 반응기 내에서, 탄소질 연료와 산소-함유 가스는 불활성 물질, 돌로마이트 또는 이들의 조합으로 이루어진 유동층을 통하여 용리된다. 유동화 반응기는 스테이지화될 수 있다. 산소-함유 가스는, 재순환 CO2 및 스팀에 충분한 산소가 첨가됨으로써 혼합물이 7-20 몰%의 산소를 함유하는, 산소, 재순환 CO2 및 스팀의 혼합물이며, 제1 스테이지에서 사전혼합될 수 있다. 이어지는 스테이지들에서는, 해당 위치에 환원성 분위기를 생성시키는 것을 회피하기 위하여 서로 충분히 근접한 가까운 위치에서 탄소질 연료 및 산소-함유 가스가 유동층으로 도입된다. 탄소질 연료는 산소-함유물 중 적어도 일부와 반응하여 적어도 CO2 및 스팀을 생성시킨다. 생성되는 CO2 및 스팀의 적어도 일부는 유동층으로 재순환되어 산소-함유 가스의 적어도 일부를 형성하며, 여기에 충분한 산소가 첨가됨으로써 7-20 몰%의 산소를 함유하는 혼합물을 형성한다. 이는, 재순환 CO2 및 스팀과 혼합 또는 블렌딩되는 산소의 총량은 20 % 초과, 아마도 실질적으로 20 % 초과이지만, 각 스테이지에서 첨가되는 산소의 양은 20 % 이하가 되어 7-20 몰%의 산소를 함유하는 혼합물을 형성하도록, 반응기 내의 추가적인, 다른 또는 수개의 스테이지에서 반복됨으로써 더 많거나 추가적인 CO2 및 스팀을 생성시킬 수 있다.
본 발명은 산소-연소 반응기에서의 탄소질 연료의 개선된 연소 방법을 제공하며, 상기 개선점은 산소-연소 반응기 내에서의 국소적 산소 함량을 20 부피% 이하로 조절하지만 시스템에 공급되는 총 산소 농도를 20 % 초과로 달성하는 것을 포함한다. 이는 적어도 부분적으로 반응기의 이어지는 스테이지에서 연료 주입기에 매우 근접한 가까운 곳에서 산소를 주입하는 것에 의해 가능해지는데, 예를 들면 그와 같은 근접한 가까운 곳은 일반적으로 연료 주입기 직경의 약 1x-20x의 거리에 해당할 수 있다.
또 다른 측면 또는 실시양태에 따라, 탄소질 연료 및 산소-함유 가스가 불활성 물질, 돌로마이트 또는 이들의 조합을 포함하는 유동층을 통하여 용리되는 유동층 반응기를 포함하는 처리 시스템이 제공된다. 상기 산소-함유 가스는, 재순환 CO2 및 스팀에 충분한 산소가 첨가됨으로써 혼합물이 7-20 몰%의 산소를 함유하는, 산소, 재순환 CO2 및 스팀의 혼합물을 포함한다. 또한, 상기 시스템에서, 탄소질 연료 및 산소-함유물은 해당 위치에 환원성 분위기 (예컨대 0 % 산소)를 생성시키는 것을 회피하기 위하여 서로 충분히 근접한 가까운 위치에서 유동층으로 주입된다.
본원에서 사용될 때, 산소 함량, 환경 등과 관련하여 사용되는 경우의 "국소적"이라는 언급은 일반적으로 연료 및 산소 주입구의 직경의 대략 40x-60x인 거리를 포함하게 되는 반응기의 스테이지를 지칭하는 것으로 이해되어야 한다.
기타 목적 및 장점들은 첨부된 청구범위 및 도면과 관련한 하기 상세한 설명에서 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
도면과 관련한 하기 상세한 설명으로부터, 본 발명의 목적 및 특징이 더 잘 이해될 것이며, 여기서:
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 처리 시스템의 단순화된 개략도이며;
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른, 유동층 반응기로 탄소질 연료 및 산소-함유 가스를 도입하기 위한 배열의 단순화된 개략도이고;
도 3은 본 발명의 또 다른 측면에 따른, 유동층 반응기로 탄소질 연료 및 산소-함유 가스를 도입하기 위한 배열의 단순화된 개략도이며;
도 4는 본 발명의 또 다른 측면에 따른, 유동층 반응기로 탄소질 연료 및 산소-함유 가스를 도입하기 위한 배열의 단순화된 개략도이고;
도 5는 도 4에 나타낸 유동층 반응기로 탄소질 연료 및 산소-함유 가스를 도입하기 위한 배열의 단부도(end view)이며;
도 6은 본 발명의 또 다른 측면에 따른, 유동층 반응기로 탄소질 연료 및 산소-함유 가스를 도입하기 위한 배열의 단순화된 개략도이고;
도 7은 본 발명의 일 측면에 따른 다중-스테이지 처리 시스템의 단순화된 개략도이다.
본 발명은 산소-연소에 있어서의 현행 기술 상태와 상이한 방식의 탄소질 연료 연소 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른, 일반적으로 참조 번호 (10)로 나타낸 처리 시스템의 단순화된 개략도이다. 나타낸 바와 같이, 라인 (12)을 통하여 탄소질 연료가, 그리고 라인 (14)을 통하여 산소가 각각 본 발명에 따른 산소-연소 반응기 시스템 (16)으로 도입, 예컨대 주입된다. 산소-연소 반응기 시스템 (16)은 바람직하게는 예컨대 라인 (20)으로 표시되는 전력, 그리고 예컨대 라인 (22)으로 표시되는 생성물 가스, 예컨대 CO2, H2O (예를 들면 스팀) 및 기타를 생산하거나 생성시킬 수 있다. 라인 (21)으로 표시되는 반응기 시스템 생성물 가스 중 적어도 일부는 라인 (24)으로 표시되는 바와 같이 다시 산소-연소 반응기 시스템 (16)으로 재순환될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따라, 재순환 CO2 및 스팀의 혼합물에는 산소가 주입되며, 그에 따라 산소, CO2 및 스팀의 블렌드, 예를 들면 라인 (26)은 적어도 7 몰%의 산소 내지 20 몰% 이하 또는 20 몰%까지의 산소, 그리고 일부 경우에서는 상대적인 양으로 18 몰%까지의 산소, 또는 특정의 바람직한 실시양태에 따르면 더욱 바람직하게는 적어도 9 몰%의 산소 내지 12 몰%까지의 산소로 구성된다. 연료가 완전히 연소될 수 있도록 하는 적절한 양의 연료 역시 주입되는데, 예를 들면 공정은 희박 연료로써 진행된다. 관련 기술분야의 통상의 기술자라면, 그리고 본원에서 제공되는 교시에 의해 안내된다면 알게 될 바와 같이, 혼합을 통하여 산소 고갈 전에 탈휘발화 연소(devolatization burning) (예를 들면 탈휘발화는 연료의 탄화수소 함량을 지칭함)가 이루어지고, 그에 따라 그 위치에서 환원성 분위기가 생성될 수 없도록, 유리하게는 연료 및 산소는 서로 충분히 가깝게 근접하여 주입된다. 일 실시양태에서, 탈휘발화를 달성하는 데에 필요한 근접 거리는 바람직하게는 500 mm 미만이고, 바람직하게는 150 mm 미만, 그리고 일부 실시양태에서는 심지어는 낮게는 100 mm일 수 있는데, 이는 연료가 충분한 정도까지, 예를 들면 최고 크기가 1 밀리미터 미만, 또는 바람직하게는 300 마이크로미터 미만인 200 메시 미만의 70 %의 표준 산업용 석탄 그라인드(standard industrial coal grind)까지 분쇄되는 경우에 달성될 수 있다. 이에 따라, 예를 들어 20 mm의 연료 공급 라인은 탈휘발화가 이루어지게 되는 대략 150-400 mm의 수직 근접 거리를 가질 수 있다. 주입기 분사가 수평 주입 구성요소를 포함하는 경우, 수평 방향에서 근접 거리가 더 클 수 있는데, 이는 주입기의 분포에, 그리고 주입기의 수를 낮게 유지하는 데에, 그리고 수직 근접 거리를 감소시키는 데에 바람직할 수 있다. 이와 같은 수평 근접 거리는 150-600 mm의 범위를 차지할 수 있는데, 바람직한 범위는 250-300 mm이며, 이는 연료 및 산소의 주입을 위한 적절한 분사 속도를 선택함으로써 조절될 수 있다.
환원성 분위기는 고도로 부식성이어서, 통상적으로 연소 반응기 내 금속 부품에 대한 확장되거나 더 큰 "유지(keep out)" 구역 및/또는 고가 합금의 도입 및 사용을 필요로 한다. 이후, 탄소질 분획 ("차르(char)"로 지칭됨)의 나머지 연소는 이산화탄소가 입자로부터 외부로 확산되면서 산소가 입자로 확산되는 확산-제한 반응(diffusion-limited reaction)에서 이루어질 수 있으며, 이와 같은 확산-제한 연소에서는 입자가 과열 및 용융되지 않는다. 이러한 조치의 순 효과는 "유지" 구역이 바람직하게도 상대적으로 작게 유지될 수 있기 때문에 열 제거 장치와 조화될 수 있는 빠른 반응 속도이다.
특정 실시양태에 따르면, 탄소질 연료는 고체이다. 예를 들면, 그와 같은 적합한 탄소질 연료에는 석탄, 석유 코크스, 바이오매스 등 또는 이들의 조합이 포함될 수 있다.
특정 실시양태에 따르면, 탄소질 연료는 가스이다. 예를 들면, 그와 같은 적합한 탄소질 연료에는 천연 가스가 포함될 수 있다.
연소 후, 그러나 연도 가스가 유동층을 떠나기 전에, 예컨대 슬래깅을 초래할 수 있는 연료 입자의 과열을 회피하거나 방지하기 위하여, 반응기는 스테이지화되어, 이러한 몰 백분율을 연속하여 반복할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 측면에 따른, 일반적으로 참조 번호 (10')로 나타낸 다중-스테이지 처리 시스템의 단순화된 개략도이다. 처리 시스템 (10')은 상기한 처리 시스템 (10)과 어느 정도 유사하며, 유사한 항목은 "'"을 부가하여 유사하게 번호를 지정하였다.
나타낸 바와 같이, 라인 (12')을 통하는 탄소질 연료 및 라인 (14')을 통하는 산소가 각각 본 발명에 따른 산소-연소 반응기 시스템 (16')으로 도입, 예를 들면 주입된다. 산소-연소 반응기 시스템 (16')은 스테이지 (16'a, 16'b 및 16'c)로 구성되는 다중-스테이지 반응기 시스템이다. 산소-연소 반응기 시스템 (16')은 바람직하게는 전력, 및 생성물 가스, 예컨대 CO2, H2O (예를 들면 스팀) 및 기타를 생산하거나 생성시킬 수 있으며, 생성물 가스는 라인 (22')으로 표시하였다.
도 7에, 산소-연소 반응기 시스템 (16')을 나타내었으며, 제1 스테이지 (16'a)로부터의 생성물 가스는 라인 (21'a)을 통하여 제2 스테이지 (16'b)로 전달되는 것으로 도시되어 있으며; 제2 스테이지 (16'b)로부터의 생성물 가스는 라인 (21'b)을 통하여 제3 스테이지 (16'c)로 전달되는 것으로 도시되어 있고; 제3 스테이지 (16'c)로부터의 생성물 가스는 라인 (21'c)을 통하여 전달되는 것으로 도시되어 있다. 반응기 시스템 생성물 가스 (21'c) 중 적어도 일부는 라인 (24')으로 표시되는 바와 같이 다시 산소-연소 반응기 시스템 (16')으로 재순환될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 충분한 산소, 예를 들면 (14'a, 14'b 및 14'c)가 첨가됨으로써, 각 스테이지 개시시의 산소 몰%는 높게는 20 몰%, 높게는 18 몰%, 또는 높게는 16 내지 18 몰%일 수 있다. 첨가되는 산소 및 재순환 CO2 및 스팀은 원할 경우 제1 스테이지에서 사전혼합될 수 있다. 본 발명의 바람직한 특정 측면에 따라, 각 스테이지 개시시의 산소 몰%는 적어도 8 몰% 내지 12 몰%까지의 범위일 수 있다. 각 스테이지 종료시의 잔류 산소 함량은 바람직하게는 약 3 몰% 미만, 더욱 바람직하게는 약 1 몰%이다.
나아가, 스테이지의 수는 2, 3 또는 4개 또는 그 이상일 수 있으나, 더 많은 스테이지는 복잡성 및 비용을 증가시킨다. 설계 복잡성 및 비용을 제한함은 물론 층 유동화 가스 (예컨대 재순환 연도 가스)의 압력 손실을 최소화하기 위해서는, 통상적으로 2-3개 스테이지가 바람직한 스테이지 수이다. 실제로는, 스테이지 수는 통상적으로 탈휘발화 및 연소 반응을 위한 거리에 따라 선택되며, 이는 연료 유형에 따라 달라지며 관심 연료를 사용한 실험을 통하여 결정될 수 있다. 결과적인 스테이지 수는 층을 유동화하기 위하여 연도 가스에 대하여 수행해야 하는 압축 작업을 좌우하게 될 것이다.
최종 스테이지 종료시, 합쳐진 가스는 바람직하게는 0.7 몰% 내지 1 몰%의 산소를 보유할 것이며, 이는 CO 형성을 방지하면서 가스 정화는 단순화하지만, 산소 과잉생산은 최소화한다. 그러나, 스테이지들 사이에서는, 내부구조물의 손상을 방지하거나, 회피하거나 또는 최소화하기 위하여 연도 가스가 3-5 몰%까지의 산소를 함유할 수 있다.
석탄과 같은 탄소질 물질을 연소하는 산소-연소 방법은 수많은 난제에 직면한다. 예를 들어, 공기 송풍 연소기에서는, 종종 5 %만큼 높게 과량의 산소가 존재하며, 연소기에서의 환원성 분위기를 회피하기 위한 노력으로 보통 그렇게 유지되는데, 이는 금속 표면에 유해하다. 고가의 특정 고급 합금 물질의 사용을 통하여, 또는 역시 고가인 과량 산소의 주입을 통하여 이와 같은 문제 또는 우려를 해소하기 보다는, 본 발명은 상대적으로 낮은 산소 농도를 사용하여 그러한 탄소질 물질의 빠른 연소를 가능케 한다. 연소 속도는 바람직하게는 유동층에서 매우 미세하게 분쇄된 석탄을 이용 또는 사용함으로써 촉진될 수 있다. 그러나, 미세하게 분쇄된 석탄의 사용은 심지어는 층내 열 교환기 표면에서도 매우 높은 입자 온도로 이어짐으로써, 상기 층 표면의 슬래깅 및 오염을 초래할 수 있다. 본 발명의 바람직한 측면에 따라, 반응 속도는 바람직하게는 예컨대 산소 몰 백분율을 조절함으로써 국소적 산소 분압을 감소시키는 것에 의해 효과적으로 조절되어 입자 온도를 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 예컨대 연소되는 석탄 및 애쉬(ash) 입자의 온도를 완화하는 데에 바람직할 수 있는 바와 같이 20 % 미만 또는 18 % 미만이 되도록 국소적 산소 몰 백분율을 조절하는 데에는 바람직하게는 하나 이상의 다양한 접근법 또는 기술이 사용될 수 있다. 예를 들어, 각 스테이지에서, 산소 주입기는 바람직하게는 석탄 주입기에 근접하여 가깝게 위치됨으로써, 그의 플륨(plume)이 중복되어, 잘 혼합되며, 잘 분포된다. 이에 따라, 환원 구역은 배제된다.
스테이지의 수는 적게는 2-4개, 또는 많게는 100 또는 200개의 마이크로 스테이지일 수 있으며, 각 마이크로 스테이지는 대략 2-6 세제곱 피트의 국소 환경을 차지한다. 수평적으로, 산소 및 연료 혼합물은 다양한 주입 배열 또는 체계를 통하여 적합하게 조절될 수 있다. 예를 들면, 일 실시양태에서, 스테이지들은 내부 열 교환기 표면에 의해 수직으로 분리되어, 예컨대 많게는 단면적의 50 % 및 많게는 가스 부피의 35 %, 또는 적게는 단면적의 40 % 및 적게는 가스 부피의 20 %를 차지할 수 있다.
바람직한 일 실시양태에서, 층 물질, 예컨대 돌로마이트 및 탄소질 물질, 예컨대 석탄 고체 입자는 각각 그것이 비말동반되어 (예를 들면 반응기로부터 송풍될 수 있음) 필터, 사이클론 및 기타 연도 가스 정화 설비로 전달될 수 있도록 하는 크기이다.
본원에서 제공되는 교시에 의해 안내되는 관련 기술분야의 통상의 기술자라면, 유체 가스의 주요 구성성분으로서 재순환 연도 가스를 사용하는 산소-연소 처리의 가동이 산소 유량을 몰 백분율로서 적절히 조절함으로써 수많은 놀랍고도 유익한 결과들의 달성을 가능케 한다는 것을 이해하여 알게 될 것이다. 그 중 첫 번째는 산소 몰 백분율과 연도 가스 재순환 질량 유량 사이의 긴밀한 역의 관계이며, 이는 상당한 중요성을 가진다. 두 번째는 층 점감의 크기이다. 세 번째 놀라운 결과는 상이한 몰 백분율에서의 층내 열 교환기 및 대류 열 교환기로부터 제거가능한 열의 상대적 크기이다. 이는 재순환 가스 유량의 크기, 및 이와 같은 가스 온도를 재순환 가스 온도로 감소시키는 데에 필요한 엔탈피의 직접적인 결과로 볼 수 있다.
예로서, 몇 가지 잠재적인 가동 조건을 하기 표 1에 나타내며, 그 각각이 공칭 1 GWth 석탄 유량을 만족시키게 된다. 최종 스테이지는 통상적으로 연도 가스 중 최종 산소 몰비로 맞추기 위하여 더 적은 산소를 수용하게 될 것이다:
<표 1>
Figure 112019025353158-pct00001
일 실시양태에 따라, 낮은 국소 몰%로 가동되는 유동층 반응기는 스테이지의 수를 증가시킴으로써 높은 전체 시스템 몰비를 달성할 수 있다. 예를 들어, 28 %의 동일한 전체 산소 시스템 균형은 6개 스테이지를 사용함으로써 8 또는 9 %로 산소를 제한하는 시스템과 대등할 수 있다.
이들이 상이한 설계 조건들을 가지는 것으로 보이기는 하지만, 단일 층 설계가 모두 유동층에서 바람직한 특성일 수 있는, 상대적으로 일정하고 예측가능한 열 전달, 폭기 활성, 공극 분율 및 낮은 압력 변동을 가지는 유동화 체제를 포괄하는 속도 범위에 걸쳐 가동될 수 있다. 또한, 이것은 연료 유량이 전체 3개의 스테이지에서 동일하다는 것을 가정한 단순히 예시적인 예이다. 제1, 제2, 제3 및 그 이상의 스테이지들 사이의 연료 유량의 비를 변경하는 설계는, 각 스테이지에서의 연료 균형을 변경하는 것에 의해, 그리고 층 면적의 제곱 미터 당 연료 농도를 변화시키는 것에 의해 단일 층 직경 및 점감이 유량 및 산소 몰%의 범위를 관리할 수 있도록 하는 방식으로 가동될 수 있다. 이와 같은 방식으로 설계되어 가동되는 유동층은, 모든 산소를 한번에 도입하고 연소를 스테이지화하지 않도록 산소-연소 시스템이 설계되는 것과 비교하였을 때, 예를 들면 연료 융통성의 향상 또는 증가, 더 높은 턴다운(turndown) 능력, 및 냉각제 온도 변화의 범위 중 하나 이상을 포함하는 다양한 가동 및 성능상의 장점 또는 이점을 제공하거나 초래할 수 있다. 또한, 미세하게 분쇄된 석탄과 같은 미세하게 분쇄된 탄소질 물질 및 매우 높은 열 교환기 표면적/층 부피 비를 사용함으로써, 예컨대 MW/m3로 측정되는 반응기의 절대 크기가 몇 배 증가될 수 있다.
예를 들면, 공기 송풍 가압 유동층 연소기용인 선행기술의 상업적 규모의 층내 열 교환기는 유동층의 5 % 내지 14 %인 부피 분율을 가지는 열 교환기를 사용하였다. 바람직한 일 실시양태에 따른 본 발명은 부피 기준 적어도 20 % 또는 24 % 내지 32 % 또는 35 %까지의 열 교환기 및 더 작은 직경의 튜브를 가지도록 설계되며, 이는 메가와트 당 층 부피를 추가적으로 감소시킨다.
본 발명은 적어도 부분적으로 조절되는 주입 및 층 배플링(baffling) 중 하나 이상에 의해, 탄소 번아웃(burnout) 또는 층에 대한 유해한 영향 없이도 산소의 미세한 조절을 가능케 한다. 예를 들면, 유동층은 하나 이상 또는 여러 매우 중요한 기능을 수행하는 하나 이상 또는 다수의 열 교환기를 포함할 수 있다. 상기 열 교환기(들)는 예를 들면 연소 공정으로부터 열을 제거하여 열을 냉각제 (스팀 또는 초임계 CO2와 같은 작동 유체)로 전달하는 기능을 할 수 있다. 열 교환기(들)는, 원활하고 무-진동인 유동화를 보장하는 기포 파괴장치로 작용할 수 있다. 열 교환기(들)는 고체의 과도한 물질 전달 및 불충분한 고체/가스 혼합 및 체류 시간을 초래하며 이는 다시 낮은 탄소 번아웃 및 비효율적인 가동으로 이어지는 것으로 알려져 있는 과도한 역 혼합(back-mixing)을 방지하는 스테이지 배플(baffle)로 작용할 수 있다.
지금부터, 탄소질 연료와 산소의 원하는 혼합이 달성될 수 있는 상기 언급된 배열, 설계 또는 기술 중 몇 가지를 예시하는 도 2-6을 참조한다. 이러한 배열, 설계 또는 기술 모두는 이들이 예컨대 "선택적 레이저 용융(Selective Laser Melting)"으로 지칭되는 상대적으로 새로운 부가적인 제조 방법, 또는 통상적인 기계가공 및 용접 비용의 일부로 복잡한 형상이 형성되는 것을 가능케 하는 다른 유사한 부가적인 기술의 사용을 통하여 저렴하게 제작될 수 있다는 부가적인 이점을 가진다.
먼저 도 2를 참조하면, 일반적으로 참조 번호 (210)로 식별되며 때로는 상이한 더블릿(unlike doublet)으로 지칭되는 배열, 설계 또는 기술이 도시되어 있다. 상이한 더블릿 (210)에서, 각 연료 주입기 (212)는 연료 주입기 플륨 (216)과 산소 주입기 플륨 (218)이 일치하는 모멘텀(momentum)을 가지도록 산소 주입기 (214)와 쌍을 이룬다. 플륨 (216 및 218)은 상호작용하여 균일한 혼합 시트 (220)를 형성한다. 이와 같은 배열, 설계 또는 기술은 유리하게도 유동층이 일반적으로 불량한 것으로 알려져 있는 혼합 방향인 층의 측방향으로 연료를 확산시키는 것을 제공하거나 초래할 수 있다.
도 3은 일반적으로 참조 번호 (230)로 식별되며 때로는 동축 스플래시 판 주입기(coaxial splash plate injector)로 지칭되는 배열, 설계 또는 기술을 도시한다.
동축 스플래시 판 주입기 (230)에서, 탄소질 연료는 중앙 튜브 (232)를 통하여 공급되어, 제1 스플래시 판 (234)에 충돌하고, 예컨대 화살표 (236)로 표시되는 지면 평면과 같이 일반적으로 중앙 튜브 (232)에 수직인 360° 방식으로 초기에 외향으로 유동하도록 다시 방향을 잡는다. 산소-함유 가스는 중앙 튜브 (232) 주위로 배치되는 환상 유로 (238)를 통하여 공급되어, 제2 스플래시 판 (240)에 충돌하고, 예컨대 화살표 (242)로 표시되는 지면 평면과 같이 그리고 다시 방향을 잡은 탄소질 연료의 초기 유동에 평행하게 일반적으로 중앙 튜브 (232)에 수직인 360° 방식으로 초기에 외향으로 유동하도록 다시 방향을 잡는다.
이와 같은 방식으로, 탄소질 연료, 예컨대 석탄과 산소 양자는 전단 층에서 혼합되는 평행한 시트로 향하게 된다. 이들 스트림의 모멘텀은 도 2에 나타내고 상술한 상이한 더블릿 배열이 일치하는 것과 동일한 방식으로는 일치하지 않는다. 대신, 이들 스트림은 일 시트의 속도가 다른 시트의 속도의 대략 2배가 되도록 설계된다. 이와 같은 설계는 중앙 튜브 (232)를 통하여 전달되는 탄소질 연료가 환체 (238)에서 유동하는 더 차가운 산소 가스에 의해 연소열로부터 보호 또는 단열된다는 장점을 가진다.
도 4 및 5는 유동층 반응기로 탄소질 연료 및 산소-함유 가스를 도입하기 위한, 일반적으로 참조 번호 (250)로 나타내지는 대안적인 동축 배열을 도시한다. 배열 (250)에서, 탄소질 연료는 중앙 튜브 (252)를 통하여 공급되며, 산소-함유 가스는 중앙 튜브 (252) 주위에 배치된 환상 유로 (254)를 통하여 공급된다. 동축 배열 (250)은 또한 예컨대 유출구 (262)를 통하여 탄소질 연료의 일부를 중앙으로 측면 배출하는 동시에 환상 플륨 (254)을 통하여 산소-함유 가스를 배출하는 다수의 측면 배출 유출구 (256)를 포함한다.
상술한 동축 스플래시 판 주입기 (230)와 유사한 배열 (250)은 유리하게도 환상 유로 (254)로 유동하는 보다 차가운 산소 가스에 의해 연소열로부터 중앙 튜브 (252)를 통하여 전달되는 탄소질 연료를 보호하거나 단열하는 기능을 할 수 있다.
배열 (250)은 측면 배출 유출구 (256)가 유동층에서 마멸 증가를 산출하거나 초래하는 데에 이용될 수 있는 것을 제공하거나 초래할 수 있다. 인지할 수 있는 바와 같이, 유동층은 통상적으로 마멸을 회피하거나 방지하도록 설계된다. 그러나, 본 발명에서는, 탄소질 연료로부터의 잔류물, 예컨대 석탄 애쉬, 및/또는 층 물질, 예컨대 돌로마이트가 우선적으로 비말동반에 의해 유동층으로부터 전달되거나 운반될 수 있다. 황 포획 잠재력을 증가시키거나 최대화하기 위하여, 층 물질인 돌로마이트 또는 석회석 입자는 우선적으로 최대 비말동반가능 입자보다 더 큰 크기로 주입된다. 그러나, 이러한 입자가 이후 비말동반가능한 크기로 마멸되는 경우, 상기 물질은 고온의 층 애쉬 제거 시스템을 통하여 제거되어야 할 필요가 없게 되지만, 대신 예컨대 대류 열 교환기와 열을 교환한 후 여과 시스템을 통하여 제거될 수 있다. 이는 대형 층 애쉬 제거 시스템, 및 해당 고체 취급 밸브 유지의 자본 비용을 감소시킨다는 장점을 가진다. 또한, 돌로마이트의 비말동반은 예컨대 그렇지 않으면 플라이 애쉬(fly ash)에 의해 조만간 오염될 수 있는 대류 열 교환기의 표면을 세척하는 작용을 할 수 있다.
이와 같은 동축 설계에서, 도면은 예컨대 더 긴 살포 격자 파이프 어레이에 용접되기 전의 사전제작된 상태의 단일 요소를 도시하고 있다.
도 6은 유동층 반응기로 탄소질 연료 및 산소-함유 가스를 도입하기 위한, 또 다른 실시양태에 따른 일반적으로 참조 번호 (270)로 나타내지는 배열을 도시한다. 배열 (270)에서, 탄소질 연료는 도관 (272)를 통하여 전달되며, 유출구 (274)를 통하여 배출되어, 예컨대 연료 플륨 (276)을 형성하는 반면, 산소-함유 가스는 도관 (282)을 통하여 전달되며, 유출구 (284)를 통하여 배출되어, 예컨대 산소-함유 가스 플륨 (286)을 형성한다. 나타낸 바와 같이, 도관 (272 및 282)은 일반적으로 산소가 연료 아래에서 주입되도록, 평행하지만 상이한 수준 또는 수직 높이로 존재한다. 이와 같은 방식으로, 산소 플륨은 산소가 연료 아래에서 주입되도록, 통상적인 살포기 격자 방식으로 유동층으로 향하게 된다. 다른 설계와 유사하게, 이러한 살포기 격자는 유리하게는 1-대-1 비의 산소 및 연료 유출구 또는 오리피스들일 수 있다.
따라서, 일 측면에 따라, 본 발명은 산소-연소 처리에서 산소 및 탄소질 연료의 혼합을 개선하고/거나 더 우수하게 조절하는, 산소 및 탄소질 연료의 주입 방법 및 시스템을 제공한다.
또 다른 측면에 따라, 본 발명은 적어도 부분적으로 스테이지화된 연소의 사용을 통하여, 상대적으로 낮은 비용으로 CO2 포획을 향상시키거나 최적화하며 높은 효율의 달성을 가능케 하는, 시스템 및 방법을 제공한다.
또 다른 측면에 따라, 본 발명은 반응기 크기의 감소를 가능케 하며, 조밀하게 충진된 열 교환기 표면의 개선된 사용을 가능케 함으로써, 예컨대 완전한 연소, 층 온도의 완화, 자본 비용의 감소 및 폐기물 감소라는 목표들 중 하나 이상을 진전시킨다.
주어진 청구항에서 각각 "~을 위한 수단" 또는 "~을 위한 단계"라는 구(들)를 사용하여 해당 한정이 명시적으로 언급되지 않는 한, 청구항들은 수단-더하기- 또는 단계-더하기-기능 한정을 포함하지 않는 것으로 하며, 그것을 포함하는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본원에서 적합하게 예시적으로 개시된 본 발명은 본원에서 구체적으로 개시되지 않은 임의의 요소, 부품, 단계, 구성요소 또는 성분의 부재하에도 실시될 수 있다.
전기한 상세한 설명에서 본 발명이 그의 바람직한 특정 실시양태와 관련하여 기술되고 예시 목적으로 많은 세부사항들이 제시되기는 하였지만, 관련 기술분야의 통상의 기술자에게는, 본 발명이 추가적인 실시양태에 대한 여지가 있다는 것, 그리고 본원에서 기술된 세부사항들 중 어떤 것은 본 발명의 기본 원리에서 벗어나지 않고도 상당히 변화될 수 있다는 것이 명백할 것이다.

Claims (23)

  1. 탄소질 연료 및 산소-함유 가스를 스테이지화된 유동층 반응기에 도입하는 것으로서, 탄소질 연료는 석탄, 석유 코크스, 바이오매스 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 고체를 포함하고, 탄소질 연료 및 산소-함유 가스는 불활성 물질, 돌로마이트 또는 이들의 조합을 포함하는 유동층을 통하여 용리되고;
    여기서 산소-함유 가스는, 재순환 CO2 및 스팀에 산소가 첨가됨으로써 각 스테이지의 혼합물이 7 내지 20 몰%의 산소를 함유하는, 산소, 재순환 CO2 및 스팀의 혼합물을 포함하고,
    여기서 탄소질 연료 및 산소-함유 가스는 해당 위치에 환원성 분위기를 생성시키는 것을 회피하기 위하여 연료 주입기 직경의 1 내지 20배의 거리에서 유동층으로 도입되며;
    탄소질 연료를 산소-함유 가스 중 적어도 일부로 연소시켜 적어도 CO2 및 스팀을 생성시키고;
    생성되는 CO2 및 스팀의 적어도 일부를 산소-함유 가스의 일부로서 유동층 반응기로 재순환시킴으로써, 반응기에 공급되는 산소의 총량은 20 몰%를 초과하지만 각 스테이지에서 공급되는 산소의 양은 20 몰% 이하가 되도록 하는 것을 포함하는, 탄소질 연료의 연소 방법이며,
    유동층 반응기로의 탄소질 연료 및 산소-함유 가스의 상기 도입이, 동축 스플래시 판 주입기를 통하여 유동층 반응기에 탄소질 연료 및 산소-함유 가스를 도입하는 것을 포함하되, 탄소질 연료는 중앙 튜브를 통하여 공급되어, 제1 스플래시 판에 충돌하고, 중앙 튜브에 수직인 초기에 외향으로 유동하도록 다시 방향을 잡으며, 산소-함유 가스는 중앙 튜브 주위로 배치되는 환상 유로를 통하여 공급되어, 제2 스플래시 판에 충돌하고, 중앙 튜브에 수직이며 다시 방향을 잡은 탄소질 연료의 초기 유동에 평행하게 초기에 외향으로 유동하도록 다시 방향을 잡는 것인, 탄소질 연료의 연소 방법.
  2. 제1항에 있어서, 탄소질 연료가 천연 가스를 포함하는, 탄소질 연료의 연소 방법.
  3. 제1항에 있어서, 각 스테이지가 개시 및 종료를 포함하고, 각 스테이지의 개시 시에 적어도 7 % 내지 20 %까지의 산소 몰% 함량을 가지며, 최종 스테이지 전의 각 스테이지의 종료 시에 3 몰% 이하의 종료 산소 함량을 가지고, 최종 스테이지의 종료 시에는 1.0 몰% 이하 또는 0.7 몰% 이하의 산소 함량을 가지는, 탄소질 연료의 연소 방법.
  4. 제1항에 있어서, 유동층 반응기가 적어도 하나의 층내 열 교환기를 포함하는, 탄소질 연료의 연소 방법.
  5. 제4항에 있어서, 유동층 반응기가 다수의 층내 열 교환기를 포함하며, 상기 다수의 층내 열 교환기는 유동층 반응기의 20 내지 35 부피%를 차지하는, 탄소질 연료의 연소 방법.
  6. 제5항에 있어서, 유동층 반응기가 다수의 수직으로 분리된 스테이지들을 포함하며, 여기서 인접한 수직으로 분리된 스테이지들 중 적어도 한 쌍은 내부 열 교환기 표면에 의해 분리되는, 탄소질 연료의 연소 방법.
  7. 제1항에 있어서, 유동층 반응기로의 탄소질 연료 및 산소-함유 가스의 상기 도입이 탄소질 연료와 산소의 혼합을 달성하는, 탄소질 연료의 연소 방법.
  8. 제7항에 있어서, 유동층 반응기로의 탄소질 연료 및 산소-함유 가스의 상기 도입이, 연료 주입기가 산소-함유 가스 주입기와 쌍을 이루며 여기서 연료 주입기와 산소-함유 가스 주입기는 일치하는 모멘텀을 가지는 플륨들을 생성시키고 플륨들은 상호작용하여 균일한 혼합의 시트를 형성시키는, 상이한 더블릿을 통하여 유동층 반응기에 탄소질 연료 및 산소-함유 가스를 도입하는 것을 포함하는, 탄소질 연료의 연소 방법.
  9. 제7항에 있어서, 유동층 반응기로의 탄소질 연료 및 산소-함유 가스의 상기 도입이, 탄소질 연료가 중앙 튜브를 통하여 공급되고 산소-함유 가스가 중앙 튜브 주위로 배치되는 환상 유로를 통하여 공급되는 동축 배열을 통하여 유동층 반응기에 탄소질 연료 및 산소-함유 가스를 도입하는 것을 포함하며, 상기 동축 배열은 산소-함유 가스의 환상 플륨과 함께 탄소질 연료의 일부를 중앙으로 측면 배출하는 다수의 측면 배출 유출구를 추가로 포함하는, 탄소질 연료의 연소 방법.
  10. 제7항에 있어서, 유동층 반응기로의 탄소질 연료 및 산소-함유 가스의 상기 도입이, 탄소질 연료 및 산소-함유 가스를 평행하게 수직으로 이격시켜 유동층 반응기에 도입하는 것을 포함하는, 탄소질 연료의 연소 방법.
  11. 산소-연소 반응기 내에서 연료 및 산소 주입구의 직경의 40 내지 60배인 거리를 포함하는 산소-연소 반응기의 스테이지에서의 산소 함량을 20 몰% 미만으로 조절하는 것을 포함하는 것을 개선점으로 하는, 산소-연소 반응기에서 탄소질 연료를 연소시키기 위한 방법이며,
    산소-연소 반응기는 스테이지화된 유동층 반응기이고,
    탄소질 연료 및 산소-함유 가스를 유동층 반응기에 도입하며,
    유동층 반응기로의 탄소질 연료 및 산소-함유 가스의 상기 도입이, 동축 스플래시 판 주입기를 통하여 유동층 반응기에 탄소질 연료 및 산소-함유 가스를 도입하는 것을 포함하되, 탄소질 연료는 중앙 튜브를 통하여 공급되어, 제1 스플래시 판에 충돌하고, 중앙 튜브에 수직인 초기에 외향으로 유동하도록 다시 방향을 잡으며, 산소-함유 가스는 중앙 튜브 주위로 배치되는 환상 유로를 통하여 공급되어, 제2 스플래시 판에 충돌하고, 중앙 튜브에 수직이며 다시 방향을 잡은 탄소질 연료의 초기 유동에 평행하게 초기에 외향으로 유동하도록 다시 방향을 잡는 것인, 산소-연소 반응기에서 탄소질 연료를 연소시키기 위한 방법.
  12. 탄소질 연료 및 산소-함유 가스가 불활성 물질, 돌로마이트 또는 이들의 조합을 포함하는 유동층을 통하여 용리되는 스테이지화된 유동층 반응기를 포함하며;
    여기서 탄소질 연료는 천연 가스를 포함하고,
    여기서 산소-함유 가스는, 재순환 CO2 및 스팀에 산소가 첨가됨으로써 각 스테이지의 혼합물이 7 내지 20 몰%의 산소를 함유하는, 산소, 재순환 CO2 및 스팀의 혼합물을 포함하고;
    여기서 탄소질 연료 및 산소-함유 가스는 해당 위치에 환원성 분위기를 생성시키는 것을 회피하기 위하여 연료 주입기 직경의 1 내지 20배의 거리에서 유동층으로 주입되는 것인, 처리 시스템이며,
    상기 처리 시스템은 동축 스플래시 판 주입기를 추가로 포함하고,
    탄소질 연료는 중앙 튜브를 통하여 공급되어, 제1 스플래시 판에 충돌하고, 중앙 튜브에 수직인 초기에 외향으로 유동하도록 다시 방향을 잡으며, 산소-함유 가스는 중앙 튜브 주위로 배치되는 환상 유로를 통하여 공급되어, 제2 스플래시 판에 충돌하고, 중앙 튜브에 수직이며 다시 방향을 잡은 탄소질 연료의 초기 유동에 평행하게 초기에 외향으로 유동하도록 다시 방향을 잡는 것인, 처리 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 각 스테이지가 개시 및 종료를 포함하고, 각 스테이지의 개시 시에 적어도 7 % 내지 20 %까지의 산소 몰% 함량을 가지며, 최종 스테이지 전의 각 스테이지의 종료 시에 3 몰% 이하의 종료 산소 함량을 가지고, 최종 스테이지의 종료 시에는 1.0 몰% 이하 또는 0.7 몰% 이하의 산소 함량을 가지는, 처리 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 탄소질 연료가 석탄, 석유 코크스, 바이오매스 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 고체를 포함하는, 처리 시스템.
  15. 제12항에 있어서, 유동층 반응기가 적어도 하나의 층내 열 교환기를 포함하는, 처리 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 유동층 반응기가 다수의 층내 열 교환기를 포함하며, 상기 다수의 열 교환기가 유동층 반응기의 20 내지 35 부피%를 차지하는, 처리 시스템.
  17. 탄소질 연료 및 산소-함유 가스를 스테이지화된 유동층 반응기에 도입하는 것으로서, 탄소질 연료 및 산소-함유 가스는 불활성 물질, 돌로마이트 또는 이들의 조합을 포함하는 유동층을 통하여 용리되고;
    유동층 반응기로의 탄소질 연료 및 산소-함유 가스의 상기 도입은 탄소질 연료와 산소의 혼합을 달성하고,
    유동층 반응기로의 탄소질 연료 및 산소-함유 가스의 상기 도입은, 동축 스플래시 판 주입기를 통하여 유동층 반응기에 탄소질 연료 및 산소-함유 가스를 도입하는 것을 포함하되, 탄소질 연료는 중앙 튜브를 통하여 공급되어, 제1 스플래시 판에 충돌하고, 중앙 튜브에 수직인 초기에 외향으로 유동하도록 다시 방향을 잡으며, 산소-함유 가스는 중앙 튜브 주위로 배치되는 환상 유로를 통하여 공급되어, 제2 스플래시 판에 충돌하고, 중앙 튜브에 수직이며 다시 방향을 잡은 탄소질 연료의 초기 유동에 평행하게 초기에 외향으로 유동하도록 다시 방향을 잡고,
    여기서 산소-함유 가스는, 재순환 CO2 및 스팀에 산소가 첨가됨으로써 각 스테이지의 혼합물이 7 내지 20 몰%의 산소를 함유하는, 산소, 재순환 CO2 및 스팀의 혼합물을 포함하고,
    여기서 탄소질 연료 및 산소-함유 가스는 해당 위치에 환원성 분위기를 생성시키는 것을 회피하기 위하여 연료 주입기 직경의 1 내지 20배의 거리에서 유동층으로 도입되며;
    탄소질 연료를 산소-함유 가스 중 적어도 일부로 연소시켜 적어도 CO2 및 스팀을 생성시키고;
    생성되는 CO2 및 스팀의 적어도 일부를 산소-함유 가스의 일부로서 유동층 반응기로 재순환시킴으로써, 반응기에 공급되는 산소의 총량은 20 몰%를 초과하지만 각 스테이지에서 공급되는 산소의 양은 20 몰% 이하가 되도록 하는 것을 포함하는, 탄소질 연료의 연소 방법.
  18. 탄소질 연료 및 산소-함유 가스를 스테이지화된 유동층 반응기에 도입하는 것으로서, 탄소질 연료 및 산소-함유 가스는 불활성 물질, 돌로마이트 또는 이들의 조합을 포함하는 유동층을 통하여 용리되고;
    유동층 반응기로의 탄소질 연료 및 산소-함유 가스의 상기 도입은 탄소질 연료와 산소의 혼합을 달성하고,
    유동층 반응기로의 탄소질 연료 및 산소-함유 가스의 상기 도입은, 탄소질 연료가 중앙 튜브를 통하여 공급되고 산소-함유 가스가 중앙 튜브 주위로 배치되는 환상 유로를 통하여 공급되는 동축 배열을 통하여 유동층 반응기에 탄소질 연료 및 산소-함유 가스를 도입하는 것을 포함하며, 상기 동축 배열은 산소-함유 가스의 환상 플륨과 함께 탄소질 연료의 일부를 중앙으로 측면 배출하는 다수의 측면 배출 유출구를 추가로 포함하고,
    여기서 산소-함유 가스는, 재순환 CO2 및 스팀에 산소가 첨가됨으로써 각 스테이지의 혼합물이 7 내지 20 몰%의 산소를 함유하는, 산소, 재순환 CO2 및 스팀의 혼합물을 포함하고,
    여기서 탄소질 연료 및 산소-함유 가스는 해당 위치에 환원성 분위기를 생성시키는 것을 회피하기 위하여 연료 주입기 직경의 1 내지 20배의 거리에서 유동층으로 도입되며;
    탄소질 연료를 산소-함유 가스 중 적어도 일부로 연소시켜 적어도 CO2 및 스팀을 생성시키고;
    생성되는 CO2 및 스팀의 적어도 일부를 산소-함유 가스의 일부로서 유동층 반응기로 재순환시킴으로써, 반응기에 공급되는 산소의 총량은 20 몰%를 초과하지만 각 스테이지에서 공급되는 산소의 양은 20 몰% 이하가 되도록 하는 것을 포함하는, 탄소질 연료의 연소 방법.
  19. 탄소질 연료 및 산소-함유 가스가 불활성 물질, 돌로마이트 또는 이들의 조합을 포함하는 유동층을 통하여 용리되는 스테이지화된 유동층 반응기를 포함하며;
    여기서 탄소질 연료는 석탄, 석유 코크스, 바이오매스 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 고체를 포함하고,
    여기서 산소-함유 가스는, 재순환 CO2 및 스팀에 산소가 첨가됨으로써 각 스테이지의 혼합물이 7 내지 20 몰%의 산소를 함유하는, 산소, 재순환 CO2 및 스팀의 혼합물을 포함하고;
    여기서 탄소질 연료 및 산소-함유 가스는, 해당 위치에 환원성 분위기를 생성시키는 것을 회피하기 위하여 연료 주입기 직경의 1 내지 20배의 거리에서 유동층으로 주입되는 것인, 처리 시스템이며,
    상기 처리 시스템은, 탄소질 연료가 중앙 튜브를 통하여 공급되고 산소-함유 가스가 중앙 튜브 주위로 배치되는 환상 유로를 통하여 공급되는 동축 배열을 포함하고, 상기 동축 배열은 산소-함유 가스의 환상 플륨과 함께 탄소질 연료의 일부를 중앙으로 측면 배출하는 다수의 측면 배출 유출구를 추가로 포함하는, 처리 시스템.
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