KR102623046B1 - 윅구조를 포함하는 직접 접촉식 스팀 제너레이터 - Google Patents

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권인구
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Abstract

본원발명은 고온 연소가스(flue gas) 관로 내부에 윅(wick) 구조물을 삽입하여 미 기화된 물의 직접 접촉면적을 극대화한 직접접촉식 증기발생(Direct contact steam generator) 장치에 관한 것으로 윅구조를 포함하는 직접 접촉식 스팀 제너레이터에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 비전통오일에서 오일성분을 추출하는 공정에서 요구되는 증기나 물사용량을 저감하여 온실가스 배출량을 줄이고 에너지 효율을 향상시키기 위하여 반응챔버에 윅구조롤 포함하여 물의 스팀 전환효율을 높여 화염에 직접 분사된 물이 스팀을 생성하고 생성된 복합 열캐리어인 스팀과 연소가스를 직접 비전통오일에 주입하여 오일성분을 생산하기 위한 윅구조를 포함하는 직접 접촉식 스팀 제너레이터에 관한 것이다.

Description

윅구조를 포함하는 직접 접촉식 스팀 제너레이터{ Direct Contact Steam Generator with Wick structure}
본원발명은 고온 연소가스(flue gas) 관로 내부에 윅(wick) 구조물을 삽입하여 미 기화된 물의 직접 접촉면적을 극대화한 직접접촉식 증기발생(Direct contact steam generator) 장치에 관한 것으로 윅구조를 포함하는 직접 접촉식 스팀 제너레이터에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 비전통오일에서 오일성분을 추출하는 공정에서 요구되는 증기나 물사용량을 저감하여 온실가스 배출량을 줄이고 에너지 효율을 향상시키기 위하여 반응챔버에 윅구조를 포함하여 물의 스팀 전환효율을 높여 화염에 직접 분사된 물이 스팀을 생성하고 생성된 복합 열캐리어인 스팀과 연소가스를 직접 비전통오일에 주입하여 오일성분을 생산하기 위한 윅구조를 포함하는 직접 접촉식 스팀 제너레이터에 관한 것이다.
비전통유전 자원으로 지칭되는 오일샌드(Oil Sands)는 1973년 제1차 오일쇼크 이후 석유를 대신할 화석연료의 하나로 주목되면서 원유 대체자원으로 급부상하였고, 2000년 이후 고유가가 지속되고 대규모 분리공정기술이 도입되면서 오일샌드 개발이 활발해졌다.
우리나라의 경우에도 한국석유공사는 해외 자주개발 원유 확보 차원에서 1999년경부터 오일샌드 개발사업 참여를 추진해오고 있는 등 오일샌드에 관한 국내외적으로 관심이 갈수록 고조되고 있는 상황이다.
오일샌드에서 추출되는 석유성분은 비튜멘이라는 무겁고 끈적끈적한 검은색 점성질의 기름으로, 오일샌드의 약 10 내지 12%를 차지한다. 통상적인 원유는 물보다 가볍지만, 비튜멘은 물과 비슷한 비중을 가진다.
상기 비튜멘은 자연 상태에서는 시추공이나 송유관 내에서 흐르지 않기 때문에 스팀을 가하거나 희석제(초경질원유 혹은 경질석유제품)와 혼합해 비중과 점성도를 낮춘 후 송유관으로 수송하여 얻어진다.
때문에 비튜멘에는 다량의 물이 함유되어 있어 오일을 회수하기 위해서는 1차 분리 FWKO(Free Water Knock-Out), 2차 분리로 항유화제(Demulsifier Chemicals), 전기장(Electrostatic Field) 등을 사용하여 오일을 회수한다.
오일성분 회수 후 발생하는 생산수 속에는 여전히 다량의 유분 및 고용성분 등을 포함하고 있어 이를 방출하거나 재활용하기 위해서는 15ppm 이하의 유분을 포함하는 물로 처리하는 생산수 처리 공정을 거쳐야 해상에 배수할 수 있다.
오일샌드로부터 비튜멘을 추출하기 위한 생산비용은 배럴당 20~25달러 수준으로 통상적인 원유 생산 비용보다 높아 경제성이 없었으나, 지속적인 유가상승에 따른 대체연료로서 연구개발 및 수요가 증가하고 있는 추세이다.
일반적으로 알려진 비튜멘 추출 방식으로는 오일샌드를 채굴한 후 비튜멘을 추출하는 방법(채굴 후 추출하는 방법), 현장(In-situ)에서 비튜멘을 바로 추출하는 방법으로 구분될 수 있다.
구체적인 추출방법을 살펴보면, 19세기 처음으로 연구 시도된 가열된 물을 주입 및 혼합시켜 90% 정도의 비튜맨을 회수할 수 있는 더운물 추출공정은 오일샌드를 채굴한 후 비튜멘을 추출하는 방법이다.
고압, 고온(약 350℃)의 스팀을 오일샌드가 매장된 곳에 주입함으로써, 스팀 압력에 의하여 오일샌드 덩어리가 조각이 나고, 스팀의 고열에 의해 비튜멘을 녹인 후 가열된 비튜멘을 지상으로 퍼올리는 CSS(cyclic steam stimulation)방법, 두 개의 평행하고 수평적인 우물을 굴착한 후, 상단 우물에 스팀을 주입하여 더운 열을 발생시켜 원유의 점도를 낮추게 하고, 점도가 낮아진 원유가 하단부에 위치한 우물에 고이면 지상으로 퍼올리는 SAGD(steam assisted gravity drainage)방법은 In-situ 추출방식에 적용되고 있다.
또한, 노천채굴방식이라 하여, 지표면에 존재하는 오일샌드를 채취하고, 채취한 오일샌드를 분쇄기에 넣어 모래와 돌을 분쇄하는 단계, 오일샌드에 더운물을 첨가하는 단계, 오일샌드 혼합물을 분해 용기에 넣어 모래와 비튜멘을 분리하는 단계 및 거품을 제거한 후 원심분리기를 통해 비튜멘을 추출하는 단계를 포함하는 방식이 있다.
이외에도 SAGD 기술과 유사하지만, 물 대신 에탄, 프로판 등과 같은 기화된 용매를 주입함으로써, 지하에 증기챔버(vapor-chamber)를 형성시켜, 중력을 이용하여 비튜멘을 추출하는 VAPEX(vapor extraction process)기술도 알려져 있다.
한국 등록특허공보 제10-2187696호에는 오일샌드에 포함된 비투멘을 채굴하는 인젝션 연결구조에 관한 것으로,상하부로 연장된 파이프형태로 지면에 매립되는 제1 수직파이프 및 상기 제1 수직파이프의 하부에서 지표면과수평한 제1 방향(1)으로 연장되며 서로 연결되어 오일샌드에 삽입되는 제1 수평 플렉서블 파이프들을 포함하는주입정; 및 상하부로 연장된 파이프 형태로 상기 제1 수직파이프에 인접한 위치에서 지면에 매립된 제2 수직파이프 및 상기 제2 수직파이프의 하부에서 상기 제1 방향으로 연장되며 서로 연결되는 제2 수평 플렉서블 파이프들을 포함하는생산정;을 포함하고, 상기 제1 및 제2 수평 플렉서블 파이프들 각각은 상기 제1 및 제2 수평 플렉서블 파이프들 각각의 연장 방향을 따라 상기 제1 및 제2 수평 플렉서블 파이프들 각각의 외측면에서 나선 형태로 연장되는 보강재를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 제1 및 제2 수평 플렉서블 파이프들 각각은, 상기 제1 및 제2 수평 플렉서블 파이프들 각각의 외측면을 나선 형태로 둘러싸도록 형성되어 상기 보강재의 내부에 인서트되는 코어를 포함하는 것을 특징으로 하며, 일단부는 상기 제1 또는 제2 수평 플렉서블 파이프의 일측을 둘러싸는 아치 형태로 형성되고, 타단부는 일단부와 회동이 가능하게 결합되며 상기 제1 또는 제2 수평 플렉서블 파이프의 타측을 둘러싸는 아치형태로 형성되어 일단부와 결합되는 커플러;를 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 제1 또는 제2 수평 플렉서블 파이프를 둘러싸며 상기 제1 또는 제2 수평 플렉서블 파이프들과 탈부착 가능하게 결합되는 클램프 및 상기 클램프의 상하부에 형성되는 롤러들을 구비하는 센터 고정용 지그;를더 포함하는 것을 특징으로 하되, 상기 롤러는 브라켓 및 휠을 포함하고, 상기 브라켓은 서스펜션과 회동이 가능하게 결합되며, 상기 서스펜션은 연결로드, 브라켓 및 스프링을 포함하고, 상기 연결로드는 상기 클램프에 결합되며 상기 브라켓은 상기 클램프)에 제1 방향쪽으로 결합되고 상기 스프링은 상기 클램프에 제2 방향쪽에 설치되므로, 상기 제1 및 제2 수평 플렉서블 파이프가 제1 방향을 향해 이동되는 과정에서 상기 휠이 제2 방향쪽으로 굽혀지며 탄성이동하는 것을 특징으로 하는 스팀을 주입하는 인젝션 연결구조가 개시된 바 있다. 그러나, 반응챔버내에 윅구조를 포함하여 물의 스팀 전환효율을 높여 스팀을 생성하고 생성된 복합 열캐리어인 스팀과 연소가스를 생산하는 기술에 대하여는 개시된 바 없다.
미국 공개특허공보 제2018-0087354호에서는 저장조로부터 탄화수소를 원위치 열 회수하기 위한 공정, 산소 혼합물, 연료, 급수 및 암모니아, 요소 또는 휘발성 아민 중 적어도 하나를 포함하는 첨가제를 직접 접촉 증기 발생기 (DCSG)에 제공하는 단계, 상기 급수와 상기 첨가제를 고온 연소 가스로 접촉시켜 증기, CO2 및 상기 첨가제를 포함하는 스팀계 혼합물을 획득하는 단계를 포함하는 상기 DCSG를 작동시키는 단계, 상기 스팀계 혼합물 또는 상기 증기 기반 혼합물로부터 유도된 스트림을 상기 저장조에 주입하여 그 안에 상기 탄화수소를 이동시키는 단계를 포함하는 방법. 상기 탄화수소를 포함한 제조된 유체를 생산하는 것이 개시되어 있다. 그러나, 반응챔버내에 윅구조를 포함하여 물의 스팀 전환효율을 높여 스팀을 생성하고 생성된 복합 열캐리어인 스팀과 연소가스를 생산하는 기술에 대하여는 개시된 바 없다.
미국 공개특허공보 제2020-0270157호에서는 적어도 하나의 재사용수(PWTR, Produced Water Treatment for Re-use)는 유입구 섹션으로부터 후단으로부터 공급될 수 있도록 위치된다. 산화제 공급 장치 및 연료공급부와 유사하게, 생산물 공급은 배관 또는 도관 및 웰 또는 형성물로부터 생산된 폐수을 포함하는 적어도 하나의 공급원을 포함하는 물리적 구조를 갖는 DCSG의 설계된 화학양론에 따라, 추가 생산된 폐수 피드를 사용할 수 있지만, 2개의 생산된 재사용수 피드가 표시되고 주입된 재사용수의 일부는 연소 챔버를 냉각시키는 역할을 한다. 예로서, 재사용수는 수막(F) 또는 수막과 연소챔버의 내부표면을 따라 냉각된 냉각 회로(cooled cooling circuit)의 조합으로 연소 챔버를 냉각오일 및 가스 개발 중에 생성된 재사용하는 용수로부터 오염 물질을 탈염하고 제거하기 위한 시스템으로서, 상기 폐수를 직접 공급하는 유닛; 상기 공급 후단에 위치하는 DCSG; 상기 DCSG 후단에 위치하는 상기 재사용수로부터 고형폐기물을 불리하는 필터; 상기 필터 후단에 위치한 정수된 상기 재사용수로부터 연소배출물을 분리하는 응축기를 포함하는 시스템이 개시되어 있다. 그러나, 반응챔버내에 윅구조를 포함하여 물의 스팀 전환효율을 높여 스팀을 생성하고 생성된 복합 열캐리어인 스팀과 연소가스를 생산하는 기술에 대하여는 개시된 바 없다.
미국 등록특허공보 제7814867호에서는 연소 섹션과 스팀 생성 섹션을 가지는 회전 가능한 용기를 포함하고 고체성분을 제거하고, 스팀 생산이 가능한 고체를 스크러빙하는 수직 용기 및 열교환기를 포함한다. 상기 반응용기는 부분적으로 구형체로 채워져 있고 상기 반응섹션들은 파티션에 의해 부분적으로 분리되며, 배출 섹션은 상기 스팀 생성 섹션의 단부에 위치한다. 균질화 섹션은 가스의 유동을 안내하는 적어도 하나의 격벽을 가지며, 증기 혼합물을 제조하기 위한 공정은 저품질의 연료를 산화 가스와 혼합하는 구형체로 채워진 회전 드럼에서 연소반응이 진행되고 저품질의 물을 제어된 온도로 혼합하여 스팀을 생성하고 미반응된 물의 배출이 없도록 모든 액체가 가스로 변환되는 반응장치 및 방법이 개시되어 있다. 그러나. 반응챔버내에 윅구조를 포함하여 물의 스팀 전환효율을 높여 스팀을 생성하고 생성된 복합 열캐리어인 스팀과 연소가스를 생산하는 기술에 대하여는 개시된 바 없다.
지하에 매설되어 있는 비전통오일의 일종인 오일샌드(Oil Sand)에서 오일 성분인 비투멘(Bitumen)을 추출하기 위하여 증기를 생산한 후 땅속의 저류층에 주입하는 SAGD(Steam Assisted Gravity Drainage) 공법이 상업적으로 널리 사용되고 있다.
SAGD의 증기를 생산하기 위한 연소장치는 과거 간접접촉식 증기생산(Once Through Steam Generator) 방식을 이용하였으나, 최근 물 사용량과 대기오염 저감을 목적으로 직접접촉식 증기생산(Direct contact Steam Generator) 방식을 개발하고 있다.
Single Closed Loop 시스템으로 연료/산화제/물을 고압에서 직접 연소시키고, 발생하는 스팀과 연소가스 혼합물(열캐리어)을 함께 저류층에 주입하는 방식으로 연소 환경에 급수를 직접 분사함으로써 생성되는 스팀과 함께 연소가스 혼합물(열캐리어)을 동시에 오일샌드 저류층에 주입함으로써, 스팀과 함께 CO2 등의 열캐리어 성분에 의한 저류층 내 유동성 추가 증대를 통한 회수율 증진이 가능하다.
직접접촉식 증기발생기(DCSG)는 고온 배기가스와 물입자가 직접 접촉되어 증기를 생산할 수 있다. 그러나, 물입자의 짧은 체류시간(부유시간)으로 인하여 기화되지 못하고 액상으로 낙하되는 물이 발생되는 문제점을 가지고 있다.
미 기화된 물의 재기화를 위해 1차 열교환기 후단에 2차 열교환기를 설치하거나, 또는 증기발생기를 중력방향으로 기울여서 낙하되는 물을 집수 후 재 급수하는 형태로 개발되고 있다.
이러한 종래의 방법들은 2차 열교환기의 추가설비에 따른 운전비와 설비비의 증가, 재급수에 의한 열교환 효율 감소 등의 문제를 발생시키므로 바람직한 방법이라 할 수 없다.
화염에 직접 물을 분사하여 스팀을 생성하고, 생성된 스팀과 연소가스를 직접 저류층에 주입하여 오일샌드로부터 비투멘을 추출하는 방식의 연소기로서의 복합 열캐리어 연소기 또는 DCSG의 이러한 물의 기화되지 못하는 점을 해결하기 위한 반응챔버에 윅구조를 포함하는 직접 접촉시 스팀 제너레?延痼? 개발이 요구된다.
한국 등록특허공보 제10-2187696호 미국 공개특허공보 제2018-0087354호 미국 공개특허공보 제2020-0270157호 미국 등록특허공보 제7814867호
본원발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 비전통오일에서 오일성분을 추출하는 공정에서 요구되는 증기나 물사용량을 저감하여 온실가스 배출량을 줄이고 에너지 효율을 향상시키기 위하여 예혼합 형태의 화염에 직접 물을 분사하여 스팀을 생성하고 생성된 복합 열캐리어인 스팀과 연소가스를 직접 비전통오일에 주입하여 오일성분을 생산하기 위한 윅구조를 포함하는 직접 접촉식 스팀 제너레이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
비전통오일에서 오일성분을 추출하는 공정에서 요구되는 증기나 물사용량을 저감하여 온실가스 배출량을 줄이고 에너지 효율을 향상시키기 위하여 윅구조를 이용한 물의 모세관 현상을 이용하여 반응챔버내에서 물의 잔류시간을 증가시키기 위한 윅구조를 포함하는 직접 접촉식 스팀 제너레이터를 제공할 수 있다.
본원발명은 또한, 연소챔버내의 윅구조의 다단 형태로 물의 증기생성효율을 증가시켜 안정적으로 스팀과 연소가스를 생성하고, 생성된 스팀과 연소가스를 직접 저류층에 주입하여 오일샌드로부터 비투멘을 추출하는 방식의 윅구조를 포함하는 복합 열캐리어 연소기를 제공할 수 있다.
또한, 천연가스 연료의 연소 과정에서 물이 생성되고 연소가스가 스팀과 함께 저류층에 공급되면서 유동성을 증대시키므로, 기존 SAGD 방식에 비해 저류층에 공급하기 위한 스팀을 생산하기 위해 필요한 물 사용량을 감소시킬 수 있는 윅주조를 포함하는 직접 접촉식 스팀 제너레이터를 제공할 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본원발명의 윅구조를 포함하는 직접 접촉식 스팀 제너레이터는 연소반응이 일어나는 챔버(100); 상기 챔버의 단부에 형성된 버너(200); 상기 버너에 연료가 공급되는 제1연료유입구(210); 상기 버너에 산화제가 공급되는 제1산화제유입구(220); 상기 버너에 물이 공급되는 제1물유입구(230); 상기 챔버는 내관(110), 외관(120) 및 상기 내관과 상기 외관 사이에 형성된 중간체(130)를 포함하고, 상기 내관에는 윅(Wick)구조(300);가 형성된 직접 접촉식 스팀 제너레이터일 수 있다.
또한, 상기 제1연료유입구, 상기 제1산화제유입구 및 상기 제1물유입구는 상기 챔버에 동축 또는 직교방향으로 형성될 수 있으며, 하나 이상 형성될 수 있다.
또한, 상기 챔버는 길이방향으로 회전가능하고, 상기 챔버는 상기 버너와 접하는 연소섹션, 상기 연소섹션 후단의 증기생성섹션 및 상기 증기생성섹션의 후단에 균질화섹션;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 연소섹션에는 제2연료유입구(211a, 211b), 제2산화제유입구(221a, 221b) 및 제2물유입구(231a, 231b) 중 어느 하나가 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1물유입구 및/또는 상기 제2물유입구에는 용수 및/또는 탄화수소 화합물 및 무기물을 포함하는 오염수가 공급될 수 있다.
또한, 상기 윅구조는 상기 챔버의 내부에 환형구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 윅구조는 상기 물의 모세관 현상의 극대화를 위하여 그루브구조, 메쉬체, 소결체 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 그루브구조는 상기 내면에 각각 오목부와 볼록부가 번갈아 형성되는 요철형상일 수 있다.
또한, 상기 그루브구조 상면에 메쉬체와 소결체가 상기 챔버의 반경방향 외측에서 내측방향으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 오목부는 상기 볼록부보다 작은 폭을 가지며, 상기 오목부와 상기 볼록부가 형성한 홈은 채널형, 관형, 오메가형, 역삼각형, 무정형 중 어느 하나 이상의 형상을 갖을 수 있다.
또한, 상기 홈은 동축방향을 따라 상기 연소섹션, 상기 증기생성섹션 및 상기 균질화섹션으로 진행할수록 폭이 좁아지는 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 홈은 난류강도의 증가를 위해 원주방향을 따라 엇갈리게 배열되는 형상을 갖을 수 있다.
상기 과제의 해결 수단을 다양하게 조합한 형태로도 제공이 가능하다.
본원발명의 윅구조를 포함하는 직접 접촉식 스팀 제너레이터에서는 종래 오일 및 가스 현상 중에 생성된 물로부터 유해한 오염 물질을 탈염하고 제거하기 위한 비 파울링, 직접 접촉 증기를 효율적으로 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 기술은 상기 연소 챔버에 윅구조를 형성함으로써 상기 연소챔버내에 주입되는 물과 연소과정을 통해서 생성되는 화염 및 고온배가스와의 접촉면적을 증대시켜 열교환 효과가 증대될 수 있다.
또한, 추가적인 증기화를 위한 2차열교환기 또는 추가 장치의 개선없이 고온 연소관로 내부에 냉각수를 직접 분사시 기화되는 증기는 종래기술과 동일하게 배출할 수 있다.
또한, 고온 연소관로 내부에 냉각수를 직접 분사시 미기화되는 물이 연소 관로 내부 윅 구조물의 모세관 현상에 의해 관로 내벽에 액체상태로 분포되며 이로 인해 연소기 내부 다공체 윅에 환형으로 분포된 미 기화된 물은 넓은 접촉면적에 걸쳐 연소가스와 접촉하면서 후단으로 갈수록 기화율이 상승하게 되는 효과가 있다.
상기 모세관 현상에 의해 다공체 윅에서 기화되는 물은 계속해서 충진되며 기화가 이루어지는 효과가 있다.
또한, 고체 오염물들이 고체 케이크 폐기물로서 쉽게 분리될 수 있는 스팀 함유 연소 가스를 생성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 확산 형태의 직접 접촉식 스팀 제너레이터의 개요도이다.
도 2는 본원발명의 일실시예에 따른 윅구조를 포함하는 직접 접촉식 스팀 제너레이터 사시도이다.
도 3은 본원발명의 일실시예에 따른 윅구조를 포함하는 직접 접촉식 스팀 제너레이터의 챔버 단면도이다.
도 4는 본원발명의 일실시예에 따른 윅구조를 포함하는 직접 접촉식 스팀 제너레이터의 챔버의 그루브가 형성된 섹션별 사시도와 단면도이다.
도 5는 본원발명의 일실시예에 따른 윅구조를 포함하는 직접 접촉식 스팀 제너레이터의 그루부가 형성된 챔버의 결합 사시도이다.
도 6은 본원발명의 일실시예에 따른 3가지 윅구조를 포함하는 챔버의 단면도이다.
도 7은 본원발명의 일실시예에 따른 그루브의 형태에 따른 윅구조의 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 어느 실시예에 대한 한정 또는 부가사항은 특정한 실시예에 적용될 뿐 아니라, 그 외 다른 실시예들에 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 본원발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.
본원발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 1은 종래의 확산 형태의 직접 접촉식 스팀 제너레이터의 개요도이다.
제안된 재사용 수처리 (PWTR)기술은 일반적으로 산화제인 공기가 유입되는 공간안에서 연소, 버너의 캔 냉각을 이용하는 비 파울링 기술을 포함하는 직접 접촉 증기 발생기이다.
재사용수 분사 기술은 오일샌드를 생산하는데 사용된 재사용수를 직접 기화시키기 위한 기술이다. 도. 1 에서 상기 장치의 코어는 챔버에 위치하는 연료 가스 및 공기 연소기이다. 상기 챔버는 벽을 냉각시키는 습윤 챔버일 수 있다. 재사용수는 바람직하게는 연소기 챔버 벽을 냉각하도록 주입되는 반면, 추가로 재사용된 용수는 챔버의 하류에 주입된다. 생산된 물 중의 오염물들은 증기-적당한 연소 가스로부터 이송된 고체 입자로 변환된다.
도1은 재사용수를 $1.50/bll 이하로 비염수화할 잠재력을 갖는 증기 발생기의 일 실시예를 나타낸다. 상기 기술은 고체 폐기물 스트림과 함께 유익한 재사용을 위한 깨끗한 탈염수 스트림을 생성한다. 저비용, 높은 물 회수 및 액체를 배출하지 않는 비통상적인 오일 및 가스 생산의 분야에서 변형을 나타낸다.
증기 발생기는 고온의 연도 가스와 직접 생산된 물과 직접 접촉하여 물을 완전히 기화시키고 고체를 발생시켜 쉽게 분리할 수 있다. 기화물은 바람직하게는 연소의 물과 함께 깨끗한 응축물로 응축되고 회수된다. 열원은 로켓 엔진 인젝터 개념을 기반으로 한 컴팩트한 공기/가스 연소기이지만 NOx 배출이 낮은 높은 연소 효율을 위해 설계되었다. 연소기는 오일샌드를 생산하는데 사용된 재사용수를 공급물로 사용하여 챔버의 벽을 냉각을 제공하는 챔버에 수용되며, 보충수는 챔버의 하류에 주입된다.
구체적으로, 도 1에 나타낸 증기 발생기는 입구부를 갖는 연소실 을 포함한다. 유입구 섹션은 산화제 공급 및 연료 공급을 포함한다. 산화제 피드는 압축기로부터 공급되어 공급 압력과 유량을 제어할 수 있다. 산화제 공급물 및 연료 공급은 각각 연료 및 산소를 포함하는 배관 또는 도관 및 공급원을 포함하는 물리적 구조인 것으로 이해된다.
이 예에서, 산화제 공급은 연소 챔버의 전용 산화제 공급물이고 연료 공급은 연소 챔버의 전용 연료 공급물이다. 따라서, 추가 산화제 공급과 상기 유입구 섹션의 하류에 연료가 공급되지 않고 상기 유입구 섹션에서 상기 연소실에 연료 및 산소가 모두 제공된다.
이러한 확산화염 형태의 직접 혼합식 스팀 제너레이터는 화염이 안정적으로 형성되지 않아 직접 분사되는 용수의 증기화 및 연소가 불안정해지는 단점이 있었다.
또한, 고온 배기가스와 물입자가 직접 접촉되어 증기를 생산하나 물입자의 짧은 체류시간(부유시간)으로 인하여 기화되지 못하고 액상으로 낙하되는 물이 발생할 수 있다. 선행기술에서는 미 기화된 물의 재기화를 위해 1차 열교환기 후단에 2차 열교환기를 설치하거나, 또는 증기발생기를 중력방향으로 기울여서 낙하되는 물을 집수 후 재 급수하는 형태로 개발되고 있으나, 이러한 종래의 방법들은 2차 열교환기의 추가설비에 따른 운전비와 설비비의 증가, 재급수에 의한 열교환 효율 감소 등의 문제를 발생한다.
도 2는 본원발명의 일실시예에 따른 윅구조를 포함하는 직접 접촉식 스팀 제너레이터 사시도이다.
도 3은 본원발명의 일실시예에 따른 윅구조를 포함하는 직접 접촉식 스팀 제너레이터의 챔버 단면도이다.
연소반응이 일어나는 챔버(100); 상기 챔버의 단부에 형성된 버너(200); 상기 버너에 연료가 공급되는 제1연료유입구(210); 상기 버너에 산화제가 공급되는 제1산화제유입구(220); 상기 버너에 물이 공급되는 제1물유입구(230); 상기 챔버는 내관(110), 외관(120) 및 상기 내관과 상기 외관 사이에 형성된 중간체(130)를 포함하고, 상기 내관에는 윅(Wick)구조(300);가 형성된 직접 접촉식 스팀 제너레이터일 수 있다.
상기 중간체는 열을 유출입을 방지할 수 있는 단열체 일 수 있다. 바랍직하게는 내화라이너일 수 있다.
상기 중간체는 상기 챔버내로 공급되는 물, 연료, 산화제 중 어느 하나 이상이 상기 중간체의 내부로 공급되어 상기 챔버내의 연소열로부터 연소열을 받아 예열할 수 있는 구조체일 수 있다.
또한, 상기 제1연료유입구, 상기 제1산화제유입구 및 상기 제1물유입구는 상기 챔버에 동축 또는 직교방향으로 형성될 수 있으며, 하나 이상 형성될 수 있다.
상기 제1연료유입구 및 상기 제1산화제유입구는 확산화염을 형성하기 위하여 동축방향으로 공급될 수 있다.
상기 제1연료유입구 및 상기 제1산화제유입구는 예혼합화염을 형성하기 위하여 혼합관(240);에서 예혼합된 후 상기 버너에 공급될 수 있다.
상기 제1물유입구는 상기 버너에 별도의 제1물공급관(250);을 통해 동축방향으로 공급될 수 있다.
상기 제1물유입구는 상기 혼합관에서 예혼합된 후 상기 버너에 공급될 수 있다.
또한, 상기 챔버는 길이방향으로 회전가능하고, 상기 챔버는 상기 버너와 접하는 연소섹션, 상기 연소섹션 후단의 증기생성섹션 및 상기 증기생성섹션의 후단에 균질화섹션;을 포함할 수 있다.
상기 버너에는 연료 및 산화제 분사 노즐이 형성될 수 있다.
상기 버너에은 상기 물을 분사할 수 있는 용수 분사 노즐이 형성될 수 있다.
상기 버너의 상기 용수 분사 노즐 주위로 환형형태의 확산화염 노즐이 형성될 수 있다.
상기 용수 분사 노즐 주위로 환형관 형태의 산화제 분사 노즐이 형성되고 상기 환형관 내부에 확산 연료 노즐이 복수개 형성될 수 있다.
상기 확산화염노즐, 상기 용수 분수 노즐의 위치는 상기 버너면에 평행하게 형성되거나, 상기 확산화염노즐이 상기 버너면 기준으로 돌출되거 함몰되어 형성될 수 있다.
상기 확산화염노즐은 확산연료 분사노즐일 수 있다.
상기 확산화염노즐은 상기 환형 산화제공급구일 수 있다.
상기 확산화염노즐로 형성된 확산화염은 상기 분사되는 용수의 증기화 효율을 높일 수 있다.
상기 환형형태의 확산화염노즐의 주위로 상기 산화제가 상기 확산연료분사노즐 및 용수공급구 주위를 감싸는 환형형태로 공급될 수 있다.
상기 용수공급구 끝단에는 상기 용수의 분사선속도를 조절할 수 있는 용수노즐이 추가로 형성될 수 있다.
상기 산화제공급구는 상기 확산연료노즐을 감싸는 환형형태로 형성될 수 있으며, 상기 용수공급구를 감싸는 환형형태로 형성될 수 있다.
상기 용수는 오일샌드 추출용 추출수일 수 있다.
상기 용수는 오일샌드를 추출하는데 사용된 재사용수 일 수 있다.
상기 용수는 깨끗한 물일 수 있다.
상기 버너는 다공체면에 형성된 상기 용수 분사 노즐을 포함할 수 있다.
상기 용수 분사 노즐은 상기 버너면의 중심부에 형성될 수 있다.
상기 용수 분사 노즐은 상기 버너면의 중심점을 기준으로 환형으로 형성될 수 있다.
상기 용수 분사 노즐은 상기 버너면과 동일 평면상에 형성될 수 있다.
상기 용수 분사 노즐은 상기 버너면보다 돌출되거나 함몰되어 형성될 수 있다.
상기 용수 분사 노즐은 상기 버너면에 복수개 형성될 수 있다.
복수개 형성된 상기 용수 분사 노즐의 직경은 동일하거나 차이가 있을 수 있다.
상기 버너면의 전단과 연통되는 연료 및 산화제 혼합챔버를 포함할 수 있다.
상기 혼합챔버는 상기 버너면과 동일한 직경으로 형성될 수 있다.
상기 혼합챔버는 상기 버너면 방향으로 확관되거나, 축관될 수 있다.
상기 버너표면에 형성되는 화염 안정화 범위와 균일한 온도분포를 얻기 위해 Swirl을 설치할 수 있다.
상기 혼합챔버의 전단과 연통되는 연료, 산화제 및 용수를 공급하는 공급관을 포함할 수 있다.
상기 공급관은 상기 혼합챔버와 동일한 직경으로 형성될 수 있다.
상기 공급관은 상기 혼합챔버 방향으로 확관되거나 축관될 수 있다.
도 3은 본원발명의 일실시예에 따른 윅구조를 포함하는 직접 접촉식 스팀 제너레이터의 챔버 단면도이다.
도 4는 본원발명의 일실시예에 따른 윅구조를 포함하는 직접 접촉식 스팀 제너레이터의 챔버의 그루브가 형성된 섹션별 사시도와 단면도이다.
상기 챔버는 길이방향으로 회전가능하고, 상기 챔버는 상기 버너와 접하는 연소섹션(140);, 상기 연소섹션 후단의 증기생성섹션(150) 및 상기 증기생성섹션의 후단에 균질화섹션(160);을 포함할 수 있다.
상기 연소섹션에는 제2연료유입구(211a, 211b), 제2산화제유입구(221a, 221b) 및 제2물유입구(231a, 231b) 중 어느 하나가 형성될 수 있다.
상기 제1물유입구 및/또는 상기 제2물유입구에는 용수 및/또는 탄화수소 화합물 및 무기물을 포함하는 오염수가 공급될 수 있다.
상기 용수는 TSS, TDS 및 유기물, 기수, 및 폐수 유출물의 레벨로 미정제 수 일수 있다.
상기 윅구조는 상기 챔버의 내부에 환형구조로 형성될 수 있다.
상기 윅구조는 상기 챔버 내부에서 물의 모세관 현상을 통한 물의 잔류시간을 늘릴수 있다면 그 형태에 제한되지 않음은 자명하다.
상기 챔버의 형태에 따라 정사각형, 직사각형, 원형 또는 무정형의 환형 형태를 가질 수있다.
상기 노즐보호 가스공급부에 공급되는 것은 완전연소를 위한 이론 당량비 이상의 산화제 중 일부일 수 있다.
상기 버너와 연통되어 형성된 수냉자켓이 형성된 연소실을 포함할 수 있다.
상기 수냉자켓에 용수를 공급하기 위한 하나 이상의 용수 공급구, 상기 수냉자켓에서 용수를 배출하기 위한 하나 이상의 용수 배출구 및 상기 용수 공급부 전단에 형성된 용수 공급량을 차단 또는 공급하기 위한 용수밸브을 포함할 수 있다.
상기 예혼합버너와 연통되어 형성된 접선방향으로 용수 분사구가 형성된 연소실을 포함할 수 있다.
상기 용수 분사구는 상기 연소실에 하나 이상 형성될 수 있다.
상기 용수 분사구는 상기 연소실에 등간격으로 형성될 수 있다.
상기 용수 분사구는 상기 연소실에 동일축상에 형성될 수 있다.
상기 용수 분사구는 상기 용수 공급부와 연통될 수 있다.
상기 용수 분사구는 상기 연소관에 접선방향을 형성되어 상기 용수 주입시 선회를 형성시킬 수 있다.
상기 연소실은 다단으로 형성될 수 있으며, 상기 버너와 연통된 상기 연소실의 타단은 고압의 상기 혼합물을 배출하기 위한 배출관과 연통될 수 있다.
상기 배출관에는 상기 혼합물이 배출되는 배출덕트가 하나 이상 형성되고 상기 배출덕트에는 상기 연소실의 압력을 조절하기 위한 압력조절밸브 가 형성될 수 있다.
상기 배출덕트 후단에는 상기 혼합물에 포함된 고상입자를 제거하기 위한 입자제거 유닛이 형성될 수 있다.
상기 용수밸브 전단에는 상기 수냉자켓에 공급되는 상기 용수의 전체 공급량을 제어하기 위한 용수제어밸브가 형성될 수 있다.
추가적으로 연소관 내부에 복사열 전달 효율을 주기위한 내화물이 형성될 수 있으며 연소실 내부 온도조건 및 혼합물 생성조건을 조절하기 위하여 최종 생성 혼합물을 다시 연소실로 순환공급할 수 있는 혼합물 주입구가 상기 연소관에 형성될 수 있다.
도 5는 본원발명의 일실시예에 따른 윅구조를 포함하는 직접 접촉식 스팀 제너레이터의 그루부가 형성된 챔버의 결합 사시도이다.
도 6은 본원발명의 일실시예에 따른 3가지 윅구조를 포함하는 챔버의 단면도이다.
도 7은 본원발명의 일실시예에 따른 그루브의 형태에 따른 윅구조의 단면도이다.
상기 윅구조는 상기 물의 모세관 현상의 극대화를 위하여 그루브(310), 메쉬체(320), 소결체(330) 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
상기 윅구조를 형성하는 윅구조체들은 복수의 축방향 그루브를 포함한다, 상기 챔버의 내관에 추가적으로 메쉬체가 형성될 수 있다. 상기 메쉬체는 와이어 메쉬형태를 가질 수 있다. 상기 챔버의 내관에 추가적으로 소결체가 형성될 수 있다. 상기 소결체는 금속 성분의 소결을 통한 소결 파우더층일 수 있다.
상기 소결체는 상기 챔버의 내관에 형성될 수 있으며 상기 소결체 단일로 형성되거나, 상기 메쉬체의 내측 또는 외측방향에 형성될 수 있다.
상기 소결체와 메쉬체는 상기 쳄버의 반경방향 내측으로 형성될 수 있다.
상기 그루브는 상기 내관에 접하면서 형성될 수 있으며, 상기 그루브위에 상기 소결체 및/또는 메쉬체가 형성될 수 있다.
상기 그루브에 형성된 축방향 홈은 상기 내관의 내벽면에 원주방향으로 배열되며, 각각 개방면 및 폐쇄면을 갖을 수 있다.
상기 축방향 홈은 규칙 또는 불규칙적으로 상기 내관에 형성될 수 있다.
개방된 측면은 폐쇄된 측면보다 작은 폭을 가지며, 홈은 실질적으로 반전된 사다리꼴 형태를 갖을 수 있다. 상기 개방된 측면은 채널형, 직관형, 오메가 형상 또는 역삼각형 단면을 갖을 수 있다.
금속 메쉬체는 상기 글루브의 내벽면에 소결 또는 확산 접합으로 형성될 수 있다. 상기 메쉬체를 형성하는 와이어 메쉬는 고온을 견딜 수 있는 금속재질일 수 있다. 상기 와이어는 구리 재질로 이루어질 수 있다, 스테인리스강 재료, 또는 티타늄 재료. 알루미늄 와이어 일 수 있으며, 알루미늄 재료는 A3003 및 AL 6063 알루미늄 합금을 포함하지만 이에 국한되지 않는다. 바람직하게는 와이어 메쉬체는 그 재질에 제한되지 않고 #200 와이어 메쉬인 것이 바람직하다.
상기 챔버는 상기 버너를 통해 형성된 화염을 통하여 상기 제1물공급관 및/또는 제2물공급관을 통해 공급된 물이 증기로 상변화되어 상기 연소를 통해서 생성되는 배가스와 같이 배출될 수 있다.
상기 챔버에는 초기에 액상의 물을 상기 연속섹션, 상기 증기생성섹션, 상기 균질화섹션 중 어느 하나 이상의 섹션에서 물이 가열되어 증기상으로 증발시킨다.
기화되어 생성된 증기 또는 기화되지 못한 물은 상기 배가스와 함께 상기 내관에 형성된 그루브의 홈에서 확산되거나 후단 챔버 섹션으로 유동된다, 여기서 증기는 열을 방출하고 다시 액상으로 응축될 수 있다 상기 응축된 물은 기화되지 않은 액적을 형성하여 상기 와이어 메쉬체와 파우더 금속의 소결체에 의해 유도되거나 홈에 모세관 작용에 의하여 상기 챔버내를 이동한다. 따라서 상기 챔버내의 물은 상기 챔버의 섹션내에서 상기 열원과 접촉할 수 있는 면적이 증가된다.
상기 홈은 응축된 액상 물이 챔버내 증기섹션을 다시 유동하거나 증발된 증기 단계의 물이 상기 챔버내 다른 섹션으로 확산되도록 유도할 수 있다.
와이어 메쉬체는 주로 홈에서 파우더 메탈로 형성된 소결체를 분리하기 위해 사용될 수 있다.
상기 소결체를 구성하는 미립자 형태의 금속이 상기 홈을 막는 것을 방지하기 위하여 상기 메쉬체가 형성될 수 있다.
즉, 소결 파우더 메탈의 미분말이 홈에 떨어져서 상기 홈에 모세관현상을 통해 유입되어야 하는 물의 접근하는 것으로 차단하지 못하도록 형성될 수 있다.
차단된 홈은 그루브를 통해 기화된 증기의 확산에 악영향을 미칠 것이다. 상기 그루브의 형성으로 상기 챔버의 구조는 상기 연소섹션, 상기 증기생성섹션 및 상기 균질화섹션에 온도조건 하에서 챔버 내의 작동 유체의 위상 변화에서 상변화를 가능하게 하는 구조를 가질 수 있다.
와이어 메쉬체는 외주면과 내주면을 가지며, 상기 외주면은 상기 홈의 개방된 측면에 대응하여 끼워진다, 한편, 내주면은 그 위에 분말 소결체가 마련되어 있다. 분말 소결체는 구리 분말, 알루미늄 분말 또는 니켈 분말을 소결하여 형성된 구조체일 수 있다.
상기 그루브구조는 상기 내면에 각각 오목부(311)와 볼록부(312)가 번갈아 형성되는 요철형상이 형성될 수 있다.
상기 그루브구조 상면에 메쉬체와 소결체가 상기 챔버의 반경방향 외측에서 내측방향으로 형성될 수 있다.
상기 오목부는 상기 볼록부보다 작은 폭을 가지며, 상기 오목부와 상기 볼록부가 형성한 홈(313)은 채널형, 관형, 오메가형, 역삼각형, 무정형 중 어느 하나 이상의 형상을 갖을 수 있다.
상기 홈은 동축방향을 따라 상기 연소섹션, 상기 증기생성섹션 및 상기 균질화섹션으로 진행할수록 폭이 좁아지는 형상을 갖을 수 있다.
이러한 형태적 특성은 접촉면적을 증대하여 열교환 효과를 증대시킬 수 있다.
상기 홈은 난류강도의 증가를 위해 원주방향을 따라 엇갈리게 배열되는 형상을 가질 수 있다. 상기 난류강도의 증가 또한 열교환 효과를 증대시킬 수 있다.
본원발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
100: 챔버
110: 내벽
120: 외벽
130: 중간체
140: 연소섹션
150: 증기생성섹션
160: 균질화섹션
200: 버너
210: 제1연료유입구
211a, 211b: 제2연료유입구
220: 제1산화제유입구
221a, 221b: 제2산화제유입구
230: 제1물유입구
231a, 231b: 제2물유입구
240: 혼합관
250: 제1물공급관
300: 윅구조
310a 310b, 310c: 그루브
311: 오목부
312: 볼록부
313: 홈
320: 메쉬체
330:소결체

Claims (12)

  1. 연소반응이 일어나는 챔버(100);
    상기 챔버의 단부에 형성된 버너(200);
    상기 버너에 연료가 공급되는 제1연료유입구(210);
    상기 버너에 산화제가 공급되는 제1산화제유입구(220);
    상기 버너에 물이 공급되는 제1물유입구(230);
    상기 챔버는 내관(110), 외관(120) 및 상기 내관과 상기 외관 사이에 형성된 중간체(130)을 포함하고,
    상기 내관에는 윅(Wick)구조(300);가 형성되며,
    상기 윅구조는 상기 물의 모세관 현상의 극대화를 위하여 그루브(310), 메쉬체(320), 소결체(330) 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있고,
    상기 그루브구조는 상기 내면에 각각 오목부(311)와 볼록부(312)가 번갈아 형성되는 요철형상이며,
    상기 오목부는 상기 볼록부보다 작은 폭을 가지며, 상기 오목부와 상기 볼록부가 형성한 홈(313)은 채널형, 관형, 오메가형, 역삼각형, 무정형 중 어느 하나 이상의 형상을 갖는 직접 접촉식 스팀 제너레이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1연료유입구, 상기 제1산화제유입구 및 상기 제1물유입구는 상기 챔버에 동축 또는 직교방향으로 형성될 수 있으며,
    하나 이상 형성될 수 있는 직접 접촉식 스팀 제너레이터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 챔버는 길이방향으로 회전가능하고,
    상기 챔버는 상기 버너와 접하는 연소섹션(140);,
    상기 연소섹션 후단의 증기생성섹션(150) 및
    상기 증기생성섹션의 후단에 균질화섹션(160);을 포함하는 직접 접촉식 스팀 제너레이터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연소섹션에는 제2연료유입구(211a, 211b), 제2산화제유입구(221a, 221b) 및 제2물유입구(231a, 231b) 중 어느 하나가 형성되는 직접 접촉식 스팀 제너레이터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1물유입구 및/또는 상기 제2물유입구에는 용수 및/또는 탄화수소 화합물 및 무기물을 포함하는 오염수가 공급되는 직접 접촉식 스팀 제너레이터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 윅구조는 상기 챔버의 내부에 환형구조로 형성된 직접 접촉식 스팀 제너레이터.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 그루브구조 상면에 메쉬체와 소결체가 상기 챔버의 반경방향 외측에서 내측방향으로 형성되는 직접 접촉식 스팀 제너레이터.
  10. 삭제
  11. 제3항에 있어서,
    상기 홈은 동축방향을 따라 상기 연소섹션, 상기 증기생성섹션 및 상기 균질화섹션으로 진행할수록 폭이 좁아지는 형상을 갖는 직접 접촉식 스팀 제너레이터.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 홈은 난류강도의 증가를 위해 원주방향을 따라 엇갈리게 배열되는 형상을 갖는 직접 접촉식 스팀 제너레이터.
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