KR19980042823A - A method of performing work using a high-pressure nitrogen-rich gas fluid - Google Patents

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윌리암 에프 마이쉬
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Abstract

본 발명은, 저 등급의 연료 가스를 저압 상태로 버너(20)에서 연소시킴으로써, 극저온 공기 분리 유니트(ASU)으로부터 생성된 질소 농후 유체를 간접적으로 가열시키고, 생성된 고온 고압 질소 농후 유체를 터빈(24)내에서 팽창시킴으로써 유용한 일을 얻는 후, 배출부(28)로 질소 농후 유체를 배출시키는 것을 제공한다.The present invention relates to a method for indirectly heating a nitrogen-rich fluid generated from a cryogenic air separation unit (ASU) by burning a low-grade fuel gas in a burner (20) at a low pressure, 24 to expel the nitrogen enriched fluid to the outlet 28 after obtaining useful work.

Description

고압 질소 농후 가스 유체를 이용하여 일을 수행시키는 방법A method of performing work using a high-pressure nitrogen-rich gas fluid

본 발명은 극저온 공기 분리 유니트 또는 플랜트로부터 생성된 고압 질소 농후 가스 유체로부터 일을 얻는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for obtaining work from a high pressure nitrogen enriched gaseous fluid produced from a cryogenic air separation unit or plant.

극저온 공기 분리 플랜트는 파이프와 열교환기를 통해 가온 배출 상태로 발생하는 증류 칼럼의 공기로부터 대기압 근처까지 감압하여 생성된 공기를 분리시킴으로써, 질소 분류물을 얻도록 설계할 수 있다. 또한, 이 질소 유체는 의도적으로 재가압하여 공기 분리 유니트로부터 생성된 모든 생성물을 실질적으로 대기압보다 높은 압력에서 생성시킬 수 있다. 고압 플랜트는 대부분의 분리된 공기가 고압 생성물로서 요구되는 용도에 사용할 수 있다. 그러한 고압 플랜트는 소형 열교환기, 칼럼 및 정면부 말단 흡수기 때문에 최소 압력으로 작동하는 플랜트보다 자본 비용이 낮고, 또한 건설 비용도 낮다.The cryogenic air separation plant can be designed to obtain nitrogen fractions by separating the generated air from the air in the distillation column, which is generated in a heated and discharged state through a pipe and heat exchanger, to a pressure near atmospheric pressure. In addition, the nitrogen fluid may intentionally repressurize to produce substantially all products produced from the air separation unit at higher than atmospheric pressure. High pressure plants can be used for applications where most separate air is required as a high pressure product. Such a high pressure plant has lower capital costs and lower construction costs than plants operating at minimal pressure due to small heat exchangers, columns and frontal end absorbers.

생성된 가압 질소로부터 일을 얻는 형식으로 다른 공업상 공정에 극저온 공기 분리 플랜트를 구비시키기 위한 제안들이 종래에 있어 왔고, 또한 저압 질소를 생산하기 위해서 공기 분리 유니트 작동과 관련한 유사한 제안들도 있어 왔다.Proposals have been made for providing a cryogenic air separation plant in other industrial processes in the form of obtaining work from the resulting pressurized nitrogen and there have been similar proposals relating to the operation of air separation units to produce low pressure nitrogen.

미국 특허 제 A-2520862 호에서는, 종래의 최소 압력 공기 분리 유니트(ASU)의 고압 칼럼으로부터 질소를 취하여 산소와 혼합시키는 방법을 개시하고 있다. 이어서, 고압 가스 혼합물인 연료를 연소시키고, 약 500℃의 이 연소 생성물을 고온 가스 익스팬더내에서 대기압에 이를 때까지 팽창시킨다. 선택적으로, 연소시키기 전, 고압 질소/산소 혼합물을 예열시키는 익스팬더 배기 가스로부터 열을 회수하는데 열교환기를 사용하는 것이 보다 경제적이다.US-A-2520862 discloses a method of taking nitrogen from a high pressure column of a conventional minimum pressure air separation unit (ASU) and mixing it with oxygen. The fuel, which is a high pressure gas mixture, is then combusted and the combustion products at about 500 캜 are expanded in the hot gas expander to atmospheric pressure. Alternatively, it is more economical to use a heat exchanger to recover heat from the expander exhaust gas that preheats the high pressure nitrogen / oxygen mixture prior to combustion.

미국 특허 제 A-3731495 호에서는, 고압 ASU로부터 질소를 취하고, 고온 혼합 기체를 대기압으로 팽창시키기 전, 가압 공기/연료 유체의 연소 생성물과 상기 질소를 혼합시키는 방법을 개시하고 있다. 생성된 축 힘을 사용하여 공기를 압축시킴으로써, 압축 공기 유체를 생산하는데, 이 압축 공기 유체는 공기 분리 유니트와 연소 단계로 분리되어 사용된다.US-A-3731495 discloses a method of mixing nitrogen with the combustion products of pressurized air / fuel fluid prior to taking nitrogen from the high pressure ASU and expanding the hot mixed gas to atmospheric pressure. Compressing the air using the generated axial force to produce a compressed air fluid which is used separately from the air separation unit and the combustion stage.

미국 특허 A-5040370 호에서는, 상변화 없는 고온 유동 유체를 사용하여 2 내지 7 bar 압력의 공기 분리 플랜트로부터, 즉 열원인 공정으로부터 회수한 질소 유체를 간접적으로 가열시키는 방법을 개시하고 있다. 온도가 600℃ 이하인 고온 유동 유체를 생성시키는 방법은 ASU로부터 생성된 산소를 이용하며, 터빈내에서 고온 질소를 팽창시킴으로써 외부 일을 수행시킨다.US-A-5040370 discloses a method for indirectly heating a recovered nitrogen fluid from an air separation plant at a pressure of 2 to 7 bar, i.e. a heat source, using a high temperature fluid without phase change. A method of producing a high temperature fluid having a temperature of 600 캜 or less utilizes oxygen generated from the ASU and performs an external work by expanding hot nitrogen in the turbine.

미국 특허 A-5076837호에서는, 가열된 질소 유체가 5 bar 이상의 압력, 700℃이 이상의 온도를 갖는다는 것을 제외하고는, 기본적으로 유사한 방법을 개시하고 있다.US-A-5076837 discloses basically a similar method, except that the heated nitrogen fluid has a pressure of at least 5 bar, a temperature of at least 700 ° C.

미국 특허 제 A-5268019 호에서는, 가압된 연료 가스를 연소시키고, 터빈내에서 연소 생성물을 팽창시켜서 일을 수행시키는 방법을 개시하고 있다. ASU로부터 생성된 질소는 가압되어, 터빈을 통해 팽창하기 전 연소 생성물에 공급된다. 또한, 질소는 팽창된 연소 생성물에 의하여 간접적으로 열교환됨으로써 400℃의 온도가 되고, 이어서 터빈내에서 팽창됨으로써 추가 일을 수행시킨다. 질소를 생성시키는 공기 분리 유니트로부터 생성된 산소는 용광로 작동과 같은 기체상 연료를 생성시키는 방법에 사용된다.US-A-5268019 discloses a method of combusting pressurized fuel gas and expanding combustion products in the turbine to perform work. Nitrogen produced from the ASU is pressurized and supplied to the combustion products prior to expansion through the turbine. Nitrogen is also indirectly heat exchanged by the expanded combustion products, resulting in a temperature of 400 DEG C and then expanding in the turbine to perform further work. Oxygen generated from an air separation unit that produces nitrogen is used in a process to produce gaseous fuel such as furnace operation.

영국 제 A-2266343호에서는, 용광로에 의해 생성된 저 등급의 연료 가스를 사용하여 질소 유체를 간접적으로 가열시키는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 여기서 연료 가스는 버어너에 긍급되기 전에 압축된다.A-2266343 discloses a method of indirectly heating a nitrogen fluid using a low grade fuel gas produced by a furnace. Here, however, the fuel gas is compressed before being supplied to the burner.

영국 제 A-2210455호에서는, 고 등급의 연료 가스를 연소시켜 밀폐 계내에서 작동 유체를 간접적으로 가열시키는 방법을 개시하고 있는데, 이 작동 유체는 전형적으로 헬륨, 아르곤, 수소, 또는 수소와 메탄의 혼합물이며, 팽창되어 일을 유도한다. 연소 생성물은 1 내지 100 bar의 압력을 갖는다. 공기 분리 유니트로부터 생성된 압축 질소를 가열한다는 이러한 개념은 아직 개시되어 있지 않았다.A-2210455 discloses a method for indirectly heating a working fluid in a closed system by burning a high grade fuel gas, which is typically a mixture of helium, argon, hydrogen, or a mixture of hydrogen and methane And is inflated to induce work. The combustion products have a pressure of from 1 to 100 bar. This concept of heating the compressed nitrogen produced from the air separation unit has not yet been disclosed.

영국 제 A-1560096 호에서는, 천연 가스를 재가스화시키는 방법을 개시하고 있다. 작동 유체인 질소를 가열시킴으로써 열이 제공되지만, 이 질소는 밀폐 계내에서 재순환하고, 공기 분리 유니트로부터 생성된 압축 가스 유체는 아니다. 사용한 가열기 및 연료의 성질은 분명하지 않다.British A-1560096 discloses a method for regasifying natural gas. Heat is provided by heating the nitrogen that is the working fluid, but this nitrogen is recycled within the enclosure and is not a compressed gas fluid produced from the air separation unit. The nature of the heater and fuel used is unclear.

제 WO95/05529호에서는, 밀폐 계내에서 간접적으로 가열시키는 작동 가스로서 헬륨, 아르곤 또는 네온과 같은 불활성 가스를 이용하는 방법을 개시하고 있다.WO95 / 05529 discloses a method of using an inert gas such as helium, argon or neon as an operating gas indirectly heated in a closed system.

유럽 특허 제 A-0208162호에서는, 가스 터빈내에서 연료를 연소시키고, 그 배출 기체를 가열하여 바람직하게는 공기인 압축 가스를 가열시키는 방법을 개시하고 있다.EP-A-0208162 discloses a method of burning fuel in a gas turbine and heating the exhaust gas to heat a compressed gas, preferably air.

미국 특허 제 A-4228659호에서는, 밀폐 계내에서 작동 유체가 연소기에 의하여 간접적으로 가열되는 것을 개시하고 있다. 공기 분리 유니트로부터 생성된 질소를 사용하고, 사용한 후 이 질소를 배출시키는 방법은 개시하지 않고 있다.US-A-4228659 discloses that a working fluid is indirectly heated by a combustor in a closed system. A method of using nitrogen produced from an air separation unit and discharging the nitrogen after use is not disclosed.

상기 문헌들은 ASU로부터 생성된 질소를 사용하는 방법에 대하여 기술하고 있지만, 이러한 개시물들은 질소용 열원에 관한 2 개의 카테고리로 구분된다. 한 카테고리로서, 연료는 직접 가열을 위한 질소를 부가하여 고압의 공기와 함께 연소시킴으로써 터빈을 통해 팽창하는 가스 혼합물을 생성하는데, 선택적으로 질소를 간접적으로 가열시킬 수도 있다. 이러한 것이 다수의 단점을 일으킨다는 것을 인식하였다. 익스팬더에서 가스의 질은 연료 연소 생성물의 존재에 기인하기 때문에 바람직하지 못하다. 플랜트의 자본 비용은, 함께 연소될 연료 가스와 공기를 압축하는데 제공하고자 하는 요구에 의해 증가된다. 연소용 가스 터빈을 사용하는 경우, 이 가스터빈은 매우 실질적인 자본 비용을 포함한다. 또한, 연소 생성물과 혼합시키고자 공급된 질소의 순도의 한계로 인해서, 질소와 혼합되는 산소의 실질적인 양을 안전하게 첨가하는 가능성이 배제되었다. 저 열량을 갖는 연소성 가스는 ASU으로부터 생성된 산소를 연소시키는 방법에 있어서 대기압 근처에서만이 이용할 수 경우가 종종 있었다. 따라서, 이러한 유형의 방법에서 사용하기 전에 그러한 연료 가스를 실질적으로 압축하여 재공하는 것이 필요하다.While the above documents describe a method of using nitrogen generated from an ASU, such disclosures are divided into two categories of heat sources for nitrogen. As one category, the fuel may indirectly heat nitrogen selectively, creating a gas mixture that expands through the turbine by adding nitrogen for direct heating and burning it with high pressure air. It was recognized that this caused many disadvantages. The quality of the gas in the expander is undesirable because it is due to the presence of fuel combustion products. The capital cost of the plant is increased by the desire to provide for compressing the fuel gas and air to be combusted together. When using a combustion gas turbine, this gas turbine involves a very substantial capital cost. Also, due to the limitation of the purity of the nitrogen supplied to mix with the combustion products, the possibility of safely adding a substantial amount of oxygen mixed with nitrogen has been ruled out. Often, combustible gases with low calories are available only at near atmospheric pressure in a way to burn oxygen generated from ASUs. Therefore, it is necessary to substantially compress and regenerate such fuel gas before use in this type of method.

개시물들의 다른 카테고리는 다른 공정에서 생성된 고온 가스를 사용한 간접 열 전달에 의하여 질소를 가열시키는 방법을 개시하고 있다. 이 카테고리에서는, 가스 유체를 가열시키는데 필요한 열함량만을 전달시키기 때문에, 연소 공정에서 다른 유체로부터 생성된 화학적 에너지를 사용할 필요가 없다. 이것은 고온 유동 유체 및 온도가 요구되는 모든 열을 제공하기에 충분해야 한다는 것을 의미한다. 실제적으로, 이것은 간접적 열교환기의 크나큰 표면적 및 고 자본 비용을 필요로 한다.Another category of initiatives discloses a method of heating nitrogen by indirect heat transfer using hot gases generated in other processes. In this category, it is not necessary to use the chemical energy generated from other fluids in the combustion process, since it only delivers the heat content necessary to heat the gaseous fluids. This means that the hot fluid and the temperature must be sufficient to provide all the heat required. In practice, this requires a large surface area and high capital cost of the indirect heat exchanger.

도 1은 본 발명에 따른 제 1 실시태양의 개략 설명도.1 is a schematic explanatory diagram of a first embodiment according to the present invention;

도 2는 본 발명에 따른 제 2 실시태양의 개략 설명도.2 is a schematic explanatory diagram of a second embodiment according to the present invention;

도 3는 본 발명에 따른 제 3 실시태양의 개략 설명도.3 is a schematic explanatory view of a third embodiment according to the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 제 4 실시태양의 개략 설명도.4 is a schematic explanatory diagram of a fourth embodiment according to the present invention;

본 발명의 제 1 측면에 있어서, 본 발명은 극저온 공기 분리를 수행하여 고압 질소 농후 가스 유체를 생성시키는 단계; 압력이 5 bar 이하인 연료 가스 또는 액체 또는 고체 연료를 연소 구역에 공급하는 단계; 상기 연료를 연소시키는 단계; 상기 연료의 연소에 의하여 유도된 열을 사용하여 상기 질소 농후 가스 유체를 간접적으로 가열시킴으로써 고온 고압 질소 농후 유체를 형성시키는 단계; 상기 고온 고압 질소 농후 유체를 팽창시킴으로써 외부 일을 수행시키는 단계; 및 상기 질소 농후 유체를 배출시키는 단계를 포함하는, 극저온 공기 분리 유니트(ASU)로부터 생성된 고압 질소 농후 가스 유체로부터 일을 얻는 방법을 제공한다.In a first aspect of the present invention, the present invention provides a method for producing a high pressure nitrogen rich gaseous fluid comprising: performing cryogenic air separation to produce a high pressure nitrogen rich gas fluid; Supplying a fuel gas or liquid or solid fuel having a pressure of 5 bar or less to the combustion zone; Combusting the fuel; Forming a high-temperature high-pressure nitrogen-rich fluid by indirectly heating the nitrogen-rich gas fluid using heat derived from combustion of the fuel; Performing an external work by expanding the high temperature, high pressure nitrogen enriched fluid; And withdrawing said nitrogen-enriched fluid. A method for obtaining work from a high-pressure nitrogen-enriched gaseous fluid produced from a cryogenic air separation unit (ASU).

질소 농후 유체는 하기 추가 기술된 바와 같이 질소 이외의 다른 가스를 포함할 수도 있다는 것을 의미한다.Nitrogen-enriched fluid means that it may contain gases other than nitrogen as described further below.

연료는 바람직하게는 3 bar 이하, 보다 바람직하게는 1.1 내지 2 bar, 예를 들면 1.1 내지 1.2 bar의 압력의 연료 가스로서 버어너에 공급된다.The fuel is preferably supplied to the burner as a fuel gas at a pressure of 3 bar or less, more preferably 1.1 to 2 bar, for example 1.1 to 1.2 bar.

연료 가스는, 연소용 버어너내로 연료 가스의 충분한 유동을 향상시키 위해서 송풍기를 사용하는 것이 바람직할 수 있지만, 연료 가스를 생성시켜서 압축기로 가압하지 않고 버어너에 공급하는 방법으로부터 얻는 것이 바람직하다.It may be desirable to use a blower to improve the sufficient flow of the fuel gas into the burner for combustion, but it is preferable to obtain the fuel gas from the method of generating the fuel gas and supplying it to the burner without being pressurized by the compressor.

주로 연료 가스는 2.5 내지 16 MJ/Nm3의 열함량을 갖는 연료 가스의 공급원으로부터 적어도 공급되는데, 즉 연료 가스는 저 열량의 연료 가스로 이루어져 있는 것이 적절하다. 이러한 저 열함량의 연료 가스는 버어너에서 연소되기 어렵다. 저 열함량 연료 가스의 연소 실시를 보조하기 위해서, 고 열량의 가스를 예를 들어 10 부피 % 이하의 소량으로 첨가하여 사용할 수 있다. 바람직하게, 부가의 고 열함량 가스는 저 열함량 가스의 열함량을 2 배로 증가시킬 수 있는 양 이하로 공급된다.The fuel gas is mainly supplied at least from a source of the fuel gas having a heat content of 2.5 to 16 MJ / Nm 3 , that is, the fuel gas is suitably composed of a low calorie fuel gas. This low heat content fuel gas is difficult to burn in the burner. In order to assist the combustion of the low-heat-content fuel gas, a high-calorie gas may be added in a small amount, for example, 10 vol% or less. Preferably, the additional high heat content gas is supplied below an amount that can double the heat content of the low heat content gas.

고 열함량 가스는 다양한 방식으로 저 열함량 가스의 연소를 용이하게 하는데 사용할 수 있다. 고 열함량 가스는, 저 열함량 가스와 간단히 혼합하여 고 열함량의 혼합물을 생성시킬 수 있다. 이 혼합물은, 버어너내 파일럿 제트에 공급하거나 연소시켜서, 버어너에 공급되어 연소를 향상시킬 수 있는 잔류 산소를 함유한 고온 가스를 생성시킬 수 있다.High heat content gases can be used to facilitate combustion of low heat content gases in a variety of ways. The high heat content gas can be simply mixed with the low heat content gas to produce a mixture of high heat content. This mixture can be supplied to the pilot jet in the burner or combusted to produce a hot gas containing residual oxygen that can be supplied to the burner to improve combustion.

본 발명에 주로 사용되는 저 열함량 연료 가스의 적합한 공급원으로는, 전형적으로 열함량이 2.5 내지 6 MJ/Nm3인 용광로 배출 가스, 전형적으로 열함량이 약 8 MJ/Nm3인 코렉스(COREX) 배출 가스, 전형적으로 중유 또는 석탄을 포함하지만 폐기물과 같은 다른 물질도 포함할 수 있는 고체 또는 액체 연료의 부분 산화에 의하여 생성되는 합성 가스가 있다. 이러한 가스는 IGCC 방법(integrated gasification combined cycle)에 의하여 생성시키는 것이 적합하고, 전형적으로 열함량이 약 10 내지 16 MJ/Nm3이다.With a suitable source of the low heat content fuel gas which is mainly used in the present invention, typically heat content of from 2.5 to 6 MJ / Nm 3 in the furnace off-gas, typically a heat content of about 8 MJ / Nm 3 in the korekseu (COREX) There is a syngas produced by partial oxidation of solid or liquid fuels, which may also include exhaust gases, typically heavy oil or other materials such as coal but also waste. These gases are suitably produced by the IGCC method (integrated gasification combined cycle), and typically have a heat content of about 10 to 16 MJ / Nm 3 .

일반적으로, 연료 가스의 열함량이 4 이상 내지 6 MJ/Nm3이상인 경우, 연료 가스의 열함량을 증가시킬 필요는 없을 것이다.In general, when the heat content of the fuel gas or more than 4 to 6 MJ / Nm 3, necessary to increase the heat content of the fuel gas will not.

그러나, 본 발명의 영역내에서는 천연 가스, LPG, 연료 오일, 고체 연료를 비롯한 모든 연료를 사용할 수 있다.However, all fuels including natural gas, LPG, fuel oil, and solid fuel can be used within the scope of the present invention.

연료는, 대기압에 가까운 상태에서 연소시키는 것이 바람직한데, 그 이유는 버어너로부터 생성된 배출 가스가 실질적으로 가압되지 않은 경로를 통해 대기로 배출되는 것이 적합하기 때문이다. 이것은, 가압하에 배출 가스를 생성시키지 않고 배출 가스를 팽창시킴으로써 일을 얻을 수 있다는 점에서, 가스 터빈을 사용하는 선행 제안 방법들과 상이하다.The fuel is preferably combusted at near atmospheric pressure because it is preferable that the exhaust gas produced from the burner is discharged to the atmosphere through a path that is not substantially pressurized. This differs from the preceding proposed methods of using a gas turbine in that work can be obtained by expanding the exhaust gas without creating exhaust gas under pressure.

본 발명에 사용되는 고압 질소 농후 유체는, 극저온 공기 분리 유니트(ASU)로부터 얻는다. 질소 농후 유체는 질소뿐만 아니라 상기 ASU로부터 1종 이상의 다른 가스를 함유할 수 있다. 바람직하게, 상기 ASU에서 분리된 산소는 상기 연료 가스, 또는 연료 가스의 1종 이상의 저 열함량 성분을 생성시키는 공정에 공급된다. 그러한 공정은, 예를 들면 용광로의 운전 또는 상술한 유형의 다른 연료 가스 생성 공정일 수 있다. ASU로부터 생성된 산소 생성물은 연료 가스 생성 공정에서 모두 연소되지 않을 수 있는데, 이러한 경우에 있어서 분리된 산소 일부는 분리 질소에 재첨가하여 일을 수행할 수 있는 가스의 양을 증가시키는 것이 유익할 수 있기 때문이다.The high pressure nitrogen enriched fluid used in the present invention is obtained from a cryogenic air separation unit (ASU). The nitrogen-enriched fluid may contain not only nitrogen but also one or more other gases from the ASU. Preferably, the oxygen separated from the ASU is supplied to the process of producing the fuel gas, or one or more low heat content components of the fuel gas. Such a process may be, for example, operation of a furnace or another fuel gas production process of the type described above. The oxygen product produced from the ASU may not be all combusted in the fuel gas production process, in which case it may be beneficial to increase the amount of gas that can be re- It is because.

대안적으로, ASU로부터 생성된 압축 공기는 질소 유체에 첨가하여 산소와 다른 공기 가스를 함유한 질소 유체를 생성시킬 수 있다.Alternatively, the compressed air generated from the ASU may be added to a nitrogen fluid to produce a nitrogen fluid containing oxygen and other air gases.

그러나, ASU는 산소와 질소의 전체 분리보다 적게 달성하도록 작동될 수도 있다. 일반적으로 질소 농후 가스의 질소 함량은 공기중의 질소, 예를 들면 80 내지 100 부피%의 N2에서 순수한 질소, 예를 들면 약 90%까지 포함할 수 있다.However, the ASU may be operated to achieve less than the total separation of oxygen and nitrogen. In general, the nitrogen content of the nitrogen rich gas may include up to 90% pure nitrogen, for example nitrogen from air, e.g. 80 to 100% by volume N 2 .

고온 고압 질소 농후 유체를 팽창시킴으로써 얻은 일을 사용하여 ASU에서의 압축, 예를 들면 ASU에서의 공기 유입, ASU에서의 질소 압축 또는 ASU에서의 산소 압축을 제공하는 압축 트레인에 동력을 공급할 수 있다. 또한, 일은 상기 동력 공급 목적에 이용 가능한 발전기를 작동시키거나 전기를 공급하는데 일반적으로 사용할 수 있다.The work obtained by inflating the high temperature, high pressure nitrogen enriched fluid can be used to power a compression train in the ASU that provides compression, for example, air inflow in the ASU, nitrogen compression in the ASU, or oxygen compression in the ASU. Work can also be used to power generators available for powering purposes or to supply electricity.

가열 단계 전, 질소 농후 유체는 압력이 2 내지 20 bar인 것이 바람직하다. 질소 농후 유체는 압력이 2 내지 7 bar인 것이 보다 바람직하다. 일반적으로 질소 농후 유체는 추가 압축하지 않고 ASU로부터 취할 경우, 압력이 2 내지 5 bar, 예를 들면 3 bar 이거나, 추가 압축하여 ASU로부터 취할 경우, 압력이 5 내지 7 bar일 것이다.Before the heating step, it is preferred that the nitrogen-enriched fluid has a pressure of 2 to 20 bar. It is more preferable that the nitrogen-enriched fluid has a pressure of 2 to 7 bar. Typically, the nitrogen-enriched fluid will be from 2 to 5 bar, for example 3 bar, if taken from the ASU without further compression, or from 5 to 7 bar if further compression is taken from the ASU.

질소 농후 유체는 온도가 400 내지 1,000℃, 보다 바람직하게는 600 내지 800℃인 것이 적합하다.The temperature of the nitrogen-enriched fluid is suitably from 400 to 1,000 占 폚, more preferably from 600 to 800 占 폚.

질소 농후 유체는 팽창하여 축류 터빈 또는 내향 반지름류 터빈일 수 있는 터빈에서 상기 외부 일을 수행할 수 있다.The nitrogen-enriched fluid may expand to perform said external work in a turbine, which may be an axial turbine or an inward radial turbine.

상술한 팽창 단계에서 외부 일을 수행시킨 후, 질소 농후 유체로부터 열을 회수하고, 연료 가스의 연소에 의해서 질소 농후 유체를 가열시키기 전, 유입 질소 농후 유체에 전달시키는 것이 매우 바람직하다. 이것은 배출 질소 농후 유체와 유입 질소 농후 유체 사이의 열교환에 의하여 직접적으로 달성될 수 있다. 또한, 배출 질소 농후 유체는, 유입 질소 농후 유체와 함께 가열되는 연료 가스의 연소 생성물에 첨가될 수 있다. 추가 방법에 있어서, 배출 연소 폐기 가스와 질소 농후 유체로부터 생성된 열은, 유입 질소 농후 유체내 온도가 증가하거나 증가하지 않은 유체에 있어서, 물과 같은 액체를 유입 질소 농후 유체내로 증발시켜서 유량 및 이로 인한 회수 가능한 에너지를 증가시는데 사용할 수 있다.It is highly desirable to carry out the external work in the above-described expansion step, then recover the heat from the nitrogen-enriched fluid and transfer it to the incoming nitrogen-rich fluid before heating the nitrogen-enriched fluid by combustion of the fuel gas. This can be achieved directly by heat exchange between the exit nitrogen rich fluid and the incoming nitrogen rich liquid. The exhaust nitrogen rich fluid can also be added to the combustion products of the fuel gas heated with the incoming nitrogen rich fluid. In an additional method, the heat generated from the exhaust combustion waste gas and the nitrogen-enriched fluid is such that in a fluid in which the temperature in the incoming nitrogen-enriched fluid has not increased or increased, a liquid such as water is evaporated into the incoming nitrogen- enriched fluid, Can be used to increase recoverable energy.

상기 연료의 연소로부터 생성된 동력을 질소 농후 유체에 공급시키는 것은 0.75 내지 9 KW/kgmolN2/hr, 예를 들면 2 내지 4 KW/kgmolN2/hr으로 하는 것이 바람직하다.It is preferable that the power generated from the combustion of the fuel is supplied to the nitrogen-rich fluid at 0.75 to 9 KW / kg mol N 2 / hr, for example, 2 to 4 KW / kg mol N 2 / hr.

질소 농후 유체는 사용한 후에 대기로 방출시키거나 다른 공정에 사용할 수 있다.Nitrogen-enriched fluids can be released to the atmosphere after use or used in other processes.

상기 본 발명의 제 1 예로서, 본 발명은 연료 가스 또는 상기 액체 또는 고체 연료를 연소시키기 위한 압력이 5 bar 이하인 연소성 연료 가스, 또는 액체 또는 고체 연료 수단의 공급원; 상기 고압 질소 농후 유체의 공급원으로서의 상기 극저온 공기 분리 유니트; 상기연료의 연소에 의하여 생성된 열을 사용하여 상기 질소 농후 유체를 간접적으로 가열시킴으로써 고온 고압 질소 농후 유체를 형성시키는 수단; 상기 고온 고압 질소 농후 유체를 팽창시킴으로써 외부 일을 수행시키는 수단; 및 장치로부터 상기 질소 농후 유체를 배출시키는 수단을 포함하는, 고압 질소 농후 가스 유체로부터 일을 얻기 위한 장치를 포함한다.As a first example of the present invention, the present invention relates to a fuel gas or a combustible fuel gas having a pressure of 5 bar or less for burning the liquid or solid fuel, or a source of liquid or solid fuel means; Said cryogenic air separation unit as a source of said high pressure nitrogen enriched fluid; Means for indirectly heating the nitrogen enriched fluid using heat generated by combustion of the fuel to form a high temperature, high pressure nitrogen enriched fluid; Means for performing an external work by expanding the high temperature, high pressure nitrogen enriched fluid; And means for discharging said nitrogen enriched fluid from the apparatus. ≪ RTI ID = 0.0 > [0002] < / RTI >

상기 연소성 연료 가스의 공급원은 용광로에 연결된 것을 비롯하여, 상술한 것중에 어느 하나일 수 있다. 장치는 상술한 바와 같이 단일 가열 연료 공급원 또는 저 열량 연료 공급원의 조절원으로서 고열량 연료 가스의 공급원을 추가로 포함할 수 있다.The source of the combustible fuel gas may be any of the above, including those connected to the furnace. The apparatus may further comprise a source of high calorie fuel gas as a regulator of a single heated fuel source or a low calorie fuel source as described above.

상술한 바와 같이, 장치는 상기 질소 농후 유체의 공급원으로서 공기 분리 유니트를 포함하고, 공기 분리 유니트에 공급된 공기를 분리 압축시키는 수단 및 상기 고온 고압 질소 농후 유체를 팽창시킴으로써 얻은 일을 사용하여 상기 압축 수단에 동력을 공급하는 수단을 추가로 포함할 수 있다.As described above, the apparatus includes an air separation unit as a source of said nitrogen-enriched fluid, and comprises means for separately compressing the air supplied to the air separation unit, and means for compressing said compressed And means for powering the means.

그리고, 상기 고온 고압 질소 농후 유체를 팽창시킴으로써 얻은 일을 이용하여 공기 분리 유니트의 다른 압축 필요 부분들에 동력을 공급하거나 전기 발전기를 작동시키는 수단들이 대안적으로 또는 추가적으로 제공될 수 있다.And, alternatively or additionally, means may be provided for powering the other compaction parts of the air separation unit or for operating the electric generator using the work obtained by inflating the high temperature, high pressure nitrogen enriched fluid.

상기 공기 분리 유니트에서 분리된 산소를 상기 연료 가스 또는 연료 가스의 주요 저 열함량 성분을 생성시키는 장치에 공급하기 위해서 연결부가 제공될 수 있다.A connection may be provided to supply the oxygen separated from the air separation unit to the apparatus for generating the fuel gas or the main low heat content component of the fuel gas.

장치는 상기 고온 고압 질소 농후 유체를 팽창시킴으로써 일을 얻는 수단으로 터빈을 포함할 수 있고, 상기 팽창 단계 후 질소 농후 유체로부터 얻은 에너지를 생성시키고, 이 에너지를 유입 질소 농후 유체에 전달시키는 수단을 포함할 수 있다.The apparatus may include a turbine as a means of obtaining work by expanding the high temperature, high pressure nitrogen enriched fluid, and includes means for generating energy from the nitrogen enriched fluid after the expanding step and transferring the energy to the incoming nitrogen enriched fluid can do.

본 발명의 제 대안적인 측면에 있어서, 본 발명은 연료를 연소 구역에 공급하여 상기 연료를 연소시킴으로써 상기 연소 구역에서 실질적으로 가압되지 않은 배출 가스 유체를 형성시키는 단계; 상기 연소에 의해 생성된 열을 고압 질소 농후 유체에 전달하되, 상기 질소 농후 유체와 배출 가스 유체를 혼합시키지 않음으로써, 분리 유니트(ASU)로부터 얻은 고압 질소 농후 유체를 가열시켜 고온 고압 질소 농후 유체를 형성시키는 단계; 상기 고온 고압 질소 농후 유체를 팽창시킴으로써 외부 일을 수행시키는 단계; 및 상기 질소 농후 유체를 배출시키는 단계를 포함하는, 고압 질소 농후 유체로부터 일을 얻는 방법을 포함한다.In an alternate aspect of the present invention, the present invention provides a method for producing an exhaust gas comprising: forming a substantially unpressurized exhaust gas fluid in the combustion zone by supplying fuel to the combustion zone to burn the fuel; The high-pressure nitrogen-rich fluid obtained from the separation unit (ASU) is heated by transferring the heat generated by the combustion to the high-pressure nitrogen-enriched fluid, by not mixing the nitrogen-enriched fluid and the exhaust gas fluid, ; Performing an external work by expanding the high temperature, high pressure nitrogen enriched fluid; And withdrawing said nitrogen enriched fluid. ≪ RTI ID = 0.0 > [0002] < / RTI >

배출 가스 유체는 배출 가스 유체가 장치를 경유하여 주위로 배출 가능하도록 주위 압력 이상의 과압이 필요한 경우를 제외하고는, 일반적으로 주위 압력 상태로 존재한다. 이러한 흐름은, 이로부터 일을 생성하는 장치내에서 배출 가스 유체를 팽창시키지 않은 채 일반적으로 발생된다.Exhaust gas fluid is generally present at ambient pressure, except when overpressure above ambient pressure is required to allow exhaust gas fluid to exit around the device. This flow is generally generated without inflating the exhaust gas fluid within the apparatus from which the work is generated.

본 발명의 이러한 대안적인 측면에 있어서, 본 발명은 고압 질소 농후 가스 유체를 생성시키는 공기 분리 유니트; 연료를 연소 구역에 공급하는 수단; 상기 연료를 연소시키기 위한 상기 연소 구역을 형성시킴으로써 상기 연소 구역에서 실질적으로 가압되지 않은 배출 가스 유체를 형성시키기는 수단; 상기 연소에 의해 생성된 열을 고압 질소 농후 유체에 전달하되, 상기 질소 농후 유체와 배출 가스 유체를 혼합시키지 않음으로써, 상기 질소 농후 유체를 가열시켜 고온 고압 질소 농후 유체를 형성시키는 열교환 수단; 상기 고온 고압 질소 농후 유체를 팽창시킴으로써 외부 일을 수행시키는 수단; 및 상기 장치로부터 상기 질소 농후 유체를 배출시키는 수단을 포함하는, 고압 질소 농후 유체로부터 일을 얻기 위한 장치를 포함한다.In this alternative aspect of the present invention, the present invention provides an air separation unit for producing a high pressure nitrogen rich gas fluid; Means for supplying fuel to the combustion zone; Means for forming a substantially unpressurized offgas fluid in the combustion zone by forming the combustion zone for combusting the fuel; A heat exchange means for transferring the heat generated by the combustion to a high pressure nitrogen enriched fluid and heating the nitrogen enriched fluid by not mixing the nitrogen enriched fluid and the exhaust gas fluid to form a high temperature high pressure nitrogen enriched fluid; Means for performing an external work by expanding the high temperature, high pressure nitrogen enriched fluid; And means for discharging the nitrogen enriched fluid from the apparatus. ≪ RTI ID = 0.0 > [0002] < / RTI >

본 발명의 이러한 대안적인 측면의 바람직한 특징은 상술한 바와 같이 본 발명의 제 1 측면과 관련되어 있다.Preferred features of this alternative aspect of the invention relate to the first aspect of the invention as described above.

본 발명은 하기 열거하는 도면을 참조함으로써 추가 예시 설명할 수 있을 것이다.The invention may be further illustrated by reference to the following drawings.

도 1에 도시된 장치는 파이프라인(12)을 통해 열교환기(14)에, 파이프라인(16)을 통해 제 2 열교환기(18)(연료 버어너(20)가 연결됨)에 연결된 공기 분리 유니트로부터 생성된 가압 질소의 유입부(10)를 갖는다. 질소 유체는 열교환기(18)로부터 파이프라인(22)를 통해 축류 터빈(24)의 유입부로 공급되는데, 이 축류 터빈에서는 질소 유체를 팽창시킴으로써 외부 일을 수행시키고, 터빈으로부터 축상의 힘을 제공한다. 이후에는 질소가 파이프라인(26)을 통해 반대 측면의 열교환기(14)에 공급되고, 이어서 배출부(28)을 통해 배출된다. 유입부(30)에는 연소를 도와주기 위해 공기가 공급되며, 유입부(32)에는 연소성 연료 가스가 공급된다. 유입부(32)는 대개 용광로로부터 생성된 배출 가스용 배출부에 연결되어 있다.The apparatus shown in Figure 1 is connected to a heat exchanger 14 via a pipeline 12 and an air separation unit 18 connected to a second heat exchanger 18 (fuel burner 20 is connected) (10) of pressurized nitrogen generated from the pressurized nitrogen inlet (10). Nitrogen fluid is supplied from the heat exchanger 18 through the pipeline 22 to the inlet of the axial turbine 24 where it performs the outer work by expanding the nitrogen fluid and provides an axial force from the turbine . Nitrogen is then fed through the pipeline 26 to the heat exchanger 14 on the opposite side and then discharged through the outlet 28. Air is supplied to the inlet portion 30 to assist combustion, and a combustible fuel gas is supplied to the inlet portion 32. The inlet 32 is usually connected to a discharge for the offgas produced from the furnace.

공기는 유입부(30)로부터 파이프라인(34)을 통해 제 3 열교환기(36)로 유입된다. 연료 가스도 유입부(32)로부터 파이프 라인(38)을 통해 열교환기(36)로 유입되는데, 이 열교환기(36)에서는 공기와 연료 가스를 후술한 바와 같이 열교환에 의하여 가온시킨다. 공기는 열교환기(36)으로부터 파이프라인(40)을 통해 버어너(20)에 공급되고, 마찬가지로 연료 가스는 파이프라인(42)을 통해 공급된다. 버어너(20)에서 생성된 연료 가스와 공기의 연소 생성물은, 열교환기(18)내 질소 유체와 관련된 열교환과, 이어서 열교환기(36)와 관련된 열교환을 수행함으로써 산소와 연료 가스의 공급원을 예열시킨다. 이 연소 생성물은 열교환기(36)으로부터 배출부(46)를 통해 배출된다.Air flows into the third heat exchanger (36) from the inlet (30) through the pipeline (34). Fuel gas also flows into the heat exchanger 36 from the inlet 32 through the pipeline 38 where the air and the fuel gas are heated by heat exchange as described below. Air is supplied from the heat exchanger 36 to the burner 20 via the pipeline 40 and likewise the fuel gas is supplied through the pipeline 42. The combustion products of fuel gas and air produced in the burner 20 are subjected to heat exchange associated with the nitrogen fluid in the heat exchanger 18 and then heat exchange associated with the heat exchanger 36 to preheat the source of oxygen and fuel gas . This combustion product is discharged from the heat exchanger (36) through the outlet (46).

사용시, 유입부(10)로부터 유입되는 유입 질소 유체는 터빈(24)에서 질소 유체를 팽창시킨 후 배출 질소 유체를 배출에 의하여 열교환기(14)에서 예열되고, 이어서 버어너(20)에서 연료 가스와 공기의 연소에 의하여 열교환기(18)에서 추가로 가열된다. 일반적으로, 질소는 열전달이 주로 대류에 의해서 이루어지는 구역을 우선 통과 한 후, 이어서 열전달이 주로 방사에 의하여 이루어지는 버어너 불꽃에 가까운 구역을 통과한다.In use, the incoming nitrogen fluid from the inlet 10 is expanded in the turbine 24 and then discharged in the heat exchanger 14 by discharge of the exhaust nitrogen fluid, And is further heated in the heat exchanger 18 by the combustion of air. Generally, nitrogen first passes through a zone where heat transfer is primarily by convection, and then through heat transfer zones close to the burner flame, which is mainly formed by radiation.

일반적으로, 버어너는 저 열함량 연료 가스를 연소시키기 위해 특별하게 설계된 유형중에 하나일 수 있다. 버어너는, 버어너에 공급되는 공기 공급원 및/또는 연료 공급원을 임의의 매체에 의한 대표적인 방식으로 예열시키는 대표적인 버어너일 수 있는데, 이 매체는 연소 공정에 의하여 가열된다. 또한, 버어너는 다른 기체, 액체 또는 고체 연료를 연소시키도록 설계된 버어너일 수 있다.Generally, the burner may be one of a type specifically designed to burn low heat content fuel gas. The burner may be a typical burner that preheats the air source and / or the fuel source supplied to the burner in a representative manner by any medium, which is heated by the combustion process. The burner may also be a burner designed to burn other gases, liquids or solid fuels.

도 2에 도시된 대안적인 장치에 있어서, 열교환기(14)는 생략하고, 터빈(24)으로부터 생성된 팽창 질소 가스는 열교환기(18a)의 방사부와 대류부 사이의 위치에서 적절하게 버어너로부터 생성된 연소 생성물과 혼합된다. 이어서, 질소와 혼합한 연소 생성물은 열교환기(18a)의 영역을 경유하여 열교환기(18a)내로 직접 유입되는 유입 질소 유체를 가열시킨다.2, the heat exchanger 14 is omitted, and the expanded nitrogen gas produced from the turbine 24 is supplied to the evaporator 18a at a position between the radiant portion and the convection portion of the heat exchanger 18a, Lt; / RTI > The combustion product mixed with nitrogen then heats the incoming nitrogen fluid which flows directly into the heat exchanger 18a via the region of the heat exchanger 18a.

도3에 도시된 대안적인 장치에 있어서, 터빈으로부터 배출된 팽창 질소 가스 유체는 열교환기(18b)의 버어너 상부 유체로부터 생성된 연소 생성물과 혼합한다. 이러한 실시태양에서, 열교환기(18b)는 방사부를 전혀 포함하지 않고, 열전달은 주로 대류에 의하여 이루어진다.In the alternative arrangement shown in Figure 3, the expanded nitrogen gas stream discharged from the turbine mixes with the combustion products produced from the fluid above the burrs of the heat exchanger 18b. In this embodiment, the heat exchanger 18b does not include any radiator, and the heat transfer is mainly by convection.

도 4에서는, 제 3의 실시태양 방식에서 팽창 질소 유체로부터 에너지를 재회수하고, 공기와 연료 가스를 전혀 예열하지 않은 장치의 추가 실시태양을 도시하고 있다. 이러한 실시태양에 있어서, 공기와 연료 가스는 직접 버어너(20)에 공급된다. 유입부(10)로 유입되는 질소는 파이프라인(12)을 통해 고온수용 유입 라인(52)을 갖는 수분 포화기(50)에 유입되는데, 이 포화기에서는 질소 유체를 통과시키면서 수분을 포화시킨다. 수분은 포화기(50)로부터 라인(54)을 통해 제거된 후 수분을 순환시키는 펌프(56)로 유입되고, 이어서 라인(58)을 통해 열교환기(60)로 유입되는데, 이 열교환기에서는 수분을 버어너(20)로부터 생성된 연소 생성물에 의해 가열시킨다. 이 고온수는 밸브(62)를 통해 라인(52)내로 흘러가고, 이 라인(52)을 통과하는 수분은 포화기(60)내로 다시 유입된다. 수분을 끌어 올린 후 유입부(64)를 통해 펌프(56)로 유입시킨다.Fig. 4 illustrates a further embodiment of a device that can re-energize energy from an expanded nitrogen fluid in a third embodiment mode and does not preheat air and fuel gas at all. In this embodiment, the air and the fuel gas are directly supplied to the burner 20. Nitrogen entering the inlet 10 flows into the water saturator 50 with the hot inlet inlet line 52 through the pipeline 12 where the nitrogen saturates while passing nitrogen fluid. The moisture is removed from the saturator 50 via line 54 and then into the pump 56 which circulates the water and then into the heat exchanger 60 via line 58, Is heated by the combustion products generated from the burner (20). This hot water flows into the line 52 through the valve 62 and the moisture passing through this line 52 flows back into the saturator 60. [ And then flows into the pump 56 through the inflow part 64.

포화된 질소는 라인(65)을 통해 증발기(50)로부터 배출되고, 익스팬더 배출과 반대로 열교환기(14)에서 가열된다. 이 포화된 질소는 터빈(24)에서 팽창하기 전에 열교환기(18)에서 추가로 가열되고, 이어서 팽창된 질소 유체는 열교환기(18)의 반대 쪽에 공급되어 유입 질소 유체에 열을 추가로 공급한다.The saturated nitrogen is discharged from the evaporator 50 through line 65 and heated in heat exchanger 14 as opposed to the expander exhaust. This saturated nitrogen is further heated in the heat exchanger 18 prior to expansion in the turbine 24 and then the expanded nitrogen fluid is supplied on the opposite side of the heat exchanger 18 to further supply heat to the incoming nitrogen fluid .

도 1에 도시된 장치의 전형적인 작동 변수들은 하기 표 1에 기재하고, 도 2와 도 4에 도시된 장치의 전형적인 작동 변수는 표 2와 표 3(3a 및 3b)에 기재한다.Typical operating parameters of the apparatus shown in Figure 1 are shown in Table 1 below and typical operating parameters of the apparatus shown in Figures 2 and 4 are listed in Tables 2 and 3 (3a and 3b).

유체번호Fluid number 4646 4040 3434 4242 3838 1616 1212 2222 2626 2828 몰유량, KMOL/HRMolar flow rate, KMOL / HR N2 N 2 758.6758.6 382.1382.1 382.1382.1 376.5376.5 376.5376.5 4747.64747.6 4747.64747.6 4747.64747.6 4747.64747.6 4747.64747.6 O2 O 2 4.84.8 102.5102.5 102.5102.5 O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O ARAR 4.54.5 4.54.5 4.54.5 O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O CO2 CO 2 195.3195.3 0.00.0 0.00.0 O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O COCO 6.16.1 0.00.0 0.00.0 201.3201.3 201.3201.3 O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O H2 H 2 0.00.0 0.00.0 0.00.0 O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O H2OH 2 O 0.00.0 0.00.0 0.00.0 O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O 총유량,KMOL/HRTotal flow, KMOL / HR 969.3969.3 489.1489.1 489.1489.1 577.8577.8 577.8577.8 4747.64747.6 4747.64747.6 4747.64747.6 4747.64747.6 4747.64747.6 온도,℃Temperature, ℃ 120.4120.4 302.7302.7 20.020.0 302.7302.7 20.020.0 350.0350.0 70.070.0 700.0700.0 400.4400.4 121.6121.6 압력,barPressure, bar 1.11.1 1.11.1 1.11.1 1.11.1 1.11.1 6.06.0 6.06.0 6.06.0 1.01.0 1.01.0

유체 번호Fluid number 2222 2626 4646 4040 3434 4242 3838 1212 몰유량, KMOL/HRMolar flow rate, KMOL / HR N2 N 2 4747.64747.6 4747.64747.6 5598.75598.7 432.4432.4 432.4432.4 418.7418.7 418.7418.7 4747.64747.6 O2 O 2 0.00.0 0.00.0 5.45.4 116.0116.0 116.0116.0 O.OO.O O.OO.O O.OO.O ARAR O.OO.O 0.00.0 5.15.1 5.15.1 5.15.1 O.OO.O O.OO.O O.OO.O CO2 CO 2 0.00.0 0.00.0 221.1221.1 O.0O.0 O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O COCO 0.00.0 0.00.0 2.82.8 O.0O.0 0.00.0 223.9223.9 223.9223.9 O.OO.O H2 H 2 0.00.0 0.00.0 0.00.0 O.0O.0 O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O H2OH 2 O 0.00.0 0.00.0 0.00.0 O.0O.0 O.OO.O O.OO.O O.OO.O O.OO.O 총유량,KMOL/HRTotal flow, KMOL / HR 4747.64747.6 4747.64747.6 5833.15833.1 553.5553.5 553.5553.5 642.5642.5 642.5642.5 4747.64747.6 온도,℃Temperature, ℃ 700.0700.0 400.4400.4 161.4161.4 147.4147.4 20.020.0 147.4147.4 20.020.0 70.070.0 압력,barPressure, bar 6.06.0 1.01.0 1.01.0 1.11.1 1.11.1 1.11.1 1.11.1 6.06.0

유체 번호Fluid number 2222 2626 4646 2828 5858 5252 몰유량, KMOL/HRMolar flow rate, KMOL / HR N2 N 2 4747.64747.6 4747.64747.6 960.6960.6 4747.64747.6 O.OO.O O.OO.O O2 O 2 O.OO.O O.OO.O 6.16.1 O.OO.O O.OO.O O.OO.O ARAR O.OO.O O.OO.O 5.85.8 O.OO.O O.OO.O O.OO.O CO2 CO 2 O.OO.O O.OO.O 250.4250.4 O.OO.O O.OO.O O.OO.O COCO O.OO.O O.OO.O 1.31.3 O.OO.O O.OO.O O.OO.O H2 H 2 O.OO.O O.OO.O 0.00.0 O.OO.O O.OO.O O.OO.O H2OH 2 O 262.1262.1 262.1262.1 0.00.0 262.1262.1 1403.81403.8 1403.81403.8 총유량,KMOL/HRTotal flow, KMOL / HR 5009.65009.6 5009.65009.6 1224.31224.3 5009.65009.6 1403.81403.8 1403.81403.8 온도,℃Temperature, ℃ 700.0700.0 405.7405.7 120.0120.0 125.7125.7 45.045.0 150.0150.0 압력,barPressure, bar 5.95.9 1.01.0 1.11.1 1.O1.O 8.08.0 6.06.0

유체 번호Fluid number 3434 3232 1212 5454 6565 몰유량, KMOL/HRMolar flow rate, KMOL / HR N2 N 2 489.8489.8 470.8470.8 4747.64747.6 0.00.0 4747.64747.6 O2 O 2 131.3131.3 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 ARAR 5.85.8 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 CO2 CO 2 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 COCO 0.00.0 251.7251.7 0.00.0 0.00.0 0.00.0 H2 H 2 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 H2OH 2 O 0.00.0 0.00.0 0.00.0 262.1262.1 262.1262.1 총유량,KMOL/HRTotal flow, KMOL / HR 626.9626.9 722.6722.6 4747.64747.6 262.1262.1 5009.65009.6 온도,℃Temperature, ℃ 20.020.0 20.020.0 70.070.0 20.020.0 69.169.1 압력,barPressure, bar 1.11.1 1.11.1 6.06.0 6.06.0 5.95.9

실시예 1Example 1

도1에 도시된 장치를 사용하는 본 발명 실시의 전형적인 실시예에 있어서, 질소를, 6 bar의 압력에서 70℃로 공급하고, 열교환기(14)에서는 400 내지 122℃로 냉각되는 터빈으로부터 배출된 질소 유체를 사용하여 간접 열교환에 의하여 350 ℃로 가열시켰다. 이 예열된 질소를 대류부에 유입시키고, 이어서 버어너(20)에 의해 제공되는 가열기의 방사 열 전달부와 700℃로 가열되는 열교환기(18)에 유입시켰다.In an exemplary embodiment of the practice of the present invention using the apparatus shown in Figure 1, nitrogen is supplied at a pressure of 6 bar to 70 占 폚, and heat exchanger 14 discharges nitrogen from a turbine cooled to 400 to 122 占 폚 Heated to 350 DEG C by indirect heat exchange using a nitrogen flow. The preheated nitrogen was introduced into the convection section and then introduced into the heat exchanger 18 heated to 700 ° C and the radiant heat transfer section of the heater provided by the burner 20.

이어서, 이 고온 질소 유체를 축류 터빈(24)을 통해 통과시켰는데, 이 터빈은 ASU 공기 압축기에 필요한 에너지 일부를 제공하는데 사용된 축상의 힘을 발생시킨다.This hot nitrogen fluid is then passed through an axial turbine 24, which generates an axial force used to provide some of the energy required for the ASU air compressor.

버어너에 사용되는 연료 가스는 4.4 MJ/Nm3의 저 열량 연료 가스, 예를 들면 용광로 가스를 사용하였는데, 이 연료 가스는 연소를 보조하기 위해서 소량의 코크 오븐 가스 또는 천연 가스와 혼합할 수 있다. 초기에 둘다 20℃인 연료 가스 유체와 연소 공기 유체는 버어너(20)로 유입시키기 전에 열교환기(36)에서 303℃로 예열시켰다. 버어너로부터 생성된 연료 가스는 120℃의 열교환기(36)로부터 배출되어 대기로 배기시켰다. 이러한 유니트에서 수행되어야 할 조건들은 다음과 같이 열거할 수 있다:The fuel gas used in the burner used a low-calorie fuel gas, such as a furnace gas, of 4.4 MJ / Nm 3 , which can be mixed with a small amount of coke oven gas or natural gas to aid combustion . Initially both 20 ° C fuel gas fluid and combustion air fluid were preheated to 303 ° C in heat exchanger 36 before entering the burner 20. The fuel gas generated from the burner was discharged from the heat exchanger 36 at 120 캜 and exhausted to the atmosphere. The conditions to be fulfilled in these units can be listed as follows:

질소 유량 = 4747.6 kgmols/hrNitrogen flow rate = 4747.6 kgmols / hr

질소 유입 압력 = 6 barNitrogen inlet pressure = 6 bar

질소 유입 온도 = 700 ℃Nitrogen inlet temperature = 700 ° C

축상의 힘 출력 = 12.2 MWAxial force output = 12.2 MW

연료 가스 가열(LHV) = 15.83 MWFuel gas heating (LHV) = 15.83 MW

상술된 구체적인 실시태양을 참고하여 본 발명을 예시 설명하지만, 본 발명의 수많은 변형예와 변경예는 본 발명의 영역내에 당연히 존재한다고 생각된다.While the invention has been described by reference to specific embodiments thereof, numerous variations and modifications of the invention are, of course, contemplated within the scope of the invention.

예시 설명한 바와 같이 본 발명의 장점은 고 단열 효율을 지닌 익스팬더에서 질소를 팽창시킴으로써 고압에서 이용 가능한 ASU 폐기 질소 유체로부터 내부 에너지를 회수한다는 점이다. 익스팬더가 수용할 수 있는 최대 온도로 질소를 예열시키는 것은 생성된 축상의 힘의 양을 최대화시킨다. 일차적으로 저압 악스펜더 배출가스에 의해서, 그리고 이차적으로 점화된 가열기에서 질소를 간접적으로 가열시킴으로써, 열 에너지에서 축상의 에너지로의 변환 효율을 최대화시킨다. 이것은 점화된 가열기의 연료 가스에 대하여 연소 공기와 연료 가스를 예열시킴으로써 보조된다. 질소를 간접적 가열하기 위해 점화된 가열기를 사용한다는 것은, 연료 가스를 압축하거나 공기를 연소시킬 필요가 전혀 없기 때문에 공정의 효율을 최대화시킨다는 것을 의미한다. 이것은 용광로 가스와 같은 매우 저 열량의 연료를 이용할 때, 매우 중요하다.An advantage of the present invention, as illustrated, is that it recovers internal energy from available ASU waste nitrogen fluids at high pressures by expanding nitrogen in expanders with high thermal efficiency. Preheating nitrogen to the maximum temperature that the expander can accommodate will maximize the amount of axial force generated. By indirectly heating nitrogen primarily by low pressure evacuator off-gas and in a secondarily ignited heater, it maximizes the conversion efficiency from thermal energy to axial energy. This is assisted by preheating the combustion air and the fuel gas against the fuel gas of the ignited heater. Using an ignited heater to indirectly heat nitrogen means that it maximizes the efficiency of the process because there is no need to compress the fuel gas or burn the air. This is very important when using very low calorific fuel such as blast furnace gas.

Claims (30)

극저온 공기 분리를 수행하여 고압 질소 농후 가스 유체를 생성시키는 단계; 압력이 5 bar 이하인 연료 가스 또는 액체 또는 고체 연료를 연소 구역에 공급하는 단계; 상기 연료를 연소시키는 단계; 상기 연료의 연소에 의하여 유도된 열을 사용하여 상기 질소 농후 가스 유체를 간접적으로 가열시킴으로써 고온 고압 질소 농후 유체를 형성시키는 단계; 상기 고온 고압 질소 농후 유체를 팽창시킴으로써 외부 일을 수행시키는 단계; 및 상기 질소 농후 유체를 배출시키는 단계를 포함하는, 극저온 공기 분리 유니트(ASU)로부터 생성된 고압 질소 농후 가스 유체로부터 일을 얻는 방법.Performing cryogenic air separation to produce a high pressure nitrogen enriched gaseous fluid; Supplying a fuel gas or liquid or solid fuel having a pressure of 5 bar or less to the combustion zone; Combusting the fuel; Forming a high-temperature high-pressure nitrogen-rich fluid by indirectly heating the nitrogen-rich gas fluid using heat derived from combustion of the fuel; Performing an external work by expanding the high temperature, high pressure nitrogen enriched fluid; And withdrawing said nitrogen enriched fluid. A method for obtaining work from a high pressure nitrogen enriched gaseous fluid generated from a cryogenic air separation unit (ASU). 제 1 항에 있어서, 상기 연료가 3 bar 이하의 압력으로 연소 구역에 공급되는 연료 가스인 방법.The method of claim 1, wherein the fuel is a fuel gas supplied to the combustion zone at a pressure of 3 bar or less. 제 2 항에 있어서, 상기 연료 가스 압력이 1.1 내지 2.5 bar인 방법.3. The method of claim 2, wherein the fuel gas pressure is between 1.1 and 2.5 bar. 제 2 항에 있어서, 상기 연료 가스 압력이 1.1 내지 1.2 bar인 방법.3. The method of claim 2 wherein the fuel gas pressure is 1.1 to 1.2 bar. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 주로 상기 연료 가스는 열함량이 2.5-12 MJ/Nm3인 연료 가스 공급원으로부터 적어도 공급되는 방법.Any one of claims 1 to A method according to any one of claim 4, wherein said fuel gas is mainly supplied from the heat content of at least 2.5-12 MJ / Nm 3 in the fuel gas supply source. 제 5 항에 있어서, 상기 열함량을 갖는 연료 가스가 용광로로부터 생성된 배출 가스, 코렉스 배출 가스, 또는 고체 또는 액체 연료의 부분 산화로부터 생성된 합성 가스인 방법.6. The method of claim 5, wherein the fuel gas having the heat content is a syngas produced from a partial oxidation of solid or liquid fuel, an exhaust gas produced from the furnace, a corex discharge gas, or the like. 제 6 항에 있어서, 가스가 압축되지 않고 연소되는 방법.7. The method of claim 6, wherein the gas is combusted without being compressed. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 열함량을 갖는 연료 가스가 실질적으로 고 열함량을 갖는 소량의 가스와 혼합되는 방법.8. The method of claim 6 or 7, wherein the fuel gas having the heat content is mixed with a small amount of gas having a substantially high heat content. 제 8 항에 있어서, 상기 고 열함량 가스가 코크 오븐 가스, 천연 가스 또는 LPG인 방법.The method of claim 8, wherein the high heat content gas is coke oven gas, natural gas or LPG. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 열함량이 2.5 내지 16 MJ/Nm3인 상기 연료 가스는 열함량이 2.5 내지 4 MJ/Nm3이며, 실질적으로 고 열함량을 갖는 충분량의 가스와 혼합되어 혼합물의 열함량을 4 내지 6 MJ/Nm3으로 증가시키는 방법.Claim 8 according to any one of claims 9, wherein the heat content of from 2.5 to 16 MJ / Nm 3 in the fuel gas has a heat content of from 2.5 to 4 MJ / Nm 3, a gas mixed with a sufficient amount of that has a substantially high heat content It is a method of increasing the heat content of the mixture to 4 to 6 MJ / Nm 3. 제 8 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 소량이 고 열함량 가스를 첨가한 연료 가스의 열함량을 2배로 증가시키는데 충분한 양인 방법.11. The process according to any one of claims 8 to 10, wherein the small amount is sufficient to double the heat content of the fuel gas added with the high heat content gas. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료가 천연 가스, 연료 오일 또는 LPG인 방법.4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel is natural gas, fuel oil or LPG. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질소 농후 유체가 질소 이외에 ASU로부터 생성된 1 종 이상의 다른 가스를 포함하는 방법.13. The method according to any one of claims 1 to 12, wherein the nitrogen enriched fluid comprises at least one other gas generated from an ASU other than nitrogen. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 고압 질소 농후 유체를 팽창시킴으로써 얻은 일을 사용하여 상기 공기 분리 유니트에서 가스 압축에 동력을 공급하는 방법.14. The method according to any one of claims 1 to 13, wherein power is supplied to the gas compression in the air separation unit using a work obtained by expanding the high temperature, high pressure nitrogen enriched fluid. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공기 분리 유니트에서 분리된 산소가 상기 연료를 생산하는 공정으로 공급되는 방법.15. The method according to any one of claims 1 to 14, wherein the oxygen separated from the air separation unit is supplied to the process for producing the fuel. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 단계 전의 상기 질소 농후 유체가 2 내지 20 bar의 압력인 방법.16. The process according to any one of the preceding claims, wherein the nitrogen-enriched fluid before the heating step has a pressure of from 2 to 20 bar. 제 16 항에 있어서, 상기 가열 단계 전의 상기 질소 농후 유체가 2 내지 7 bar의 압력인 방법.17. The method of claim 16, wherein the nitrogen enriched fluid before the heating step is at a pressure of 2 to 7 bar. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 팽창 단계 전의 상기 질소 농후 유체는 온도가 400 내지 1,000℃인 방법.18. The process according to any one of claims 1 to 17, wherein the nitrogen-enriched fluid before the expansion step has a temperature of 400 to 1,000 占 폚. 제 18 항에 있어서, 상기 질소 농후 유체는 온도가 600 내지 800℃인 방법.19. The method of claim 18, wherein the nitrogen-enriched fluid has a temperature of 600 to 800 占 폚. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 고압 질소 농후 유체가 터빈에서 팽창됨으로써 상기 외부 일을 수행하는 방법.20. The method of any one of claims 1 to 19, wherein the high temperature, high pressure nitrogen enriched fluid is expanded in the turbine to perform the outer work. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 팽창 단계에서 상기 외부 일을 수행시킨 후 질소 농후 유체에 잔존하는 열이 상기 고압 질소 농후 유체로 전달되고 난 후 상기 연료 가스의 연소에 의하여 생성된 열을 사용하여 상기 질소 농후 유체를 가열시키는 방법.21. The method of any one of claims 1 to 20, wherein after the external work is performed in the expansion step, the heat remaining in the nitrogen-enriched fluid is transferred to the high-pressure nitrogen-enriched fluid, And the nitrogen-enriched fluid is heated using the generated heat. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료의 연소에 의한 동력 입력이 0.75 내지 9 KW/kgmolN2/hr로 공급되는 방법.22. The process according to any one of claims 1 to 21, wherein the power input by combustion of the fuel is supplied at 0.75 to 9 KW / kg mol N 2 / hr. 연료 가스 또는 상기 액체 또는 고체 연료를 연소시키기 위한 압력이 5 bar 이하인 연소성 연료 가스(32), 또는 액체 또는 고체 연료 수단(20)의 공급원; 상기 고압 질소 농후 유체의 공급원으로서의 상기 극저온 공기 분리 유니트; 상기연료의 연소에 의하여 생성된 열을 사용하여 상기 질소 농후 유체를 간접적으로 가열시킴으로써 고온 고압 질소 농후 유체를 형성시키는 수단(18); 상기 고온 고압 질소 농후 유체를 팽창시킴으로써 외부 일을 수행시키는 수단(24); 및 장치로부터 상기 질소 농후 유체를 배출시키는 수단(28)를 포함하는, 고압 질소 농후 가스 유체로부터 일을 얻기 위한 장치.A combustible fuel gas 32 having a pressure of not more than 5 bar for burning the fuel gas or the liquid or solid fuel, or a source of the liquid or solid fuel means 20; Said cryogenic air separation unit as a source of said high pressure nitrogen enriched fluid; Means (18) for forming a high temperature, high pressure nitrogen enriched fluid by indirectly heating said nitrogen enriched fluid using heat generated by combustion of said fuel; Means (24) for performing an external work by expanding the high temperature, high pressure nitrogen enriched fluid; And means (28) for discharging said nitrogen enriched fluid from the apparatus. 제 23 항에 있어서, 열함량이 실질적으로 4 MJ/Nm3이상인 부가의 가스 공급원을 추가로 포함하는 장치.The method of claim 23, wherein the thermal unit to the content is included as substantially 4 MJ / Nm 3 or more of adding the additional gas source. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서, 상기 공기 분리 유니트에서 분리시키고자공급된 공기를 압축시키는 수단, 및 상기 고온 고압 질소 농후 유체를 팽창시킴으로써 얻은 일을 가하여 상기 압축 수단에 동력을 공급하는데 사용하는 수단을 추가로 포함하는 장치.25. A method according to claim 23 or 24, further comprising: means for compressing the air supplied to be separated from the air separation unit; and means for supplying power to the compression means by applying the work obtained by expanding the high- Further comprising means. 제 23 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공기 분리 유니트에서 분리된 산소가 상기 연료 가스를 생성시키는 장치로 공급되는 장치.26. The apparatus according to any one of claims 23 to 25, wherein the oxygen separated from the air separation unit is supplied to the apparatus for generating the fuel gas. 제 23 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 고압 질소 농후 유체를 팽창시키는 수단(24)이 터빈을 포함하는 장치.26. The apparatus according to any one of claims 23 to 26, wherein the means (24) for expanding the high temperature, high pressure nitrogen enriched fluid comprises a turbine. 제 23 항 내지 제 27 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 팽창 단계 후 상기 질소 농후 유체로부터 에너지를 생성시키고, 상기 에너지를 상기 유입 질소 농후 유체에 전달하는 수단(14)을 포함하는 장치.28. The apparatus according to any one of claims 23 to 27, comprising means (14) for generating energy from the nitrogen enriched fluid after the expansion step and for transferring the energy to the incoming nitrogen enriched fluid. 연료를 연소 구역에 공급하여 상기 연료를 연소시킴으로써 상기 연소 구역에서 실질적으로 가압되지 않은 배출 가스 유체를 형성시키는 단계; 상기 연소에 의해 생성된 열을 고압 질소 농후 유체에 전달하되, 상기 질소 농후 유체와 배출 가스 유체를 혼합시키지 않음으로써, 분리 유니트(ASU)로부터 얻은 고압 질소 농후 유체를 가열시켜 고온 고압 질소 농후 유체를 형성시키는 단계; 상기 고온 고압 질소 농후 유체를 팽창시킴으로써 외부 일을 수행시키는 단계; 및 상기 질소 농후 유체를 배출시키는 단계를 포함하는, 고압 질소 농후 유체로부터 일을 얻는 방법.Forming a substantially unpressurized exhaust gas fluid in said combustion zone by supplying fuel to said combustion zone to combust said fuel; The high-pressure nitrogen-rich fluid obtained from the separation unit (ASU) is heated by transferring the heat generated by the combustion to the high-pressure nitrogen-enriched fluid, by not mixing the nitrogen-enriched fluid and the exhaust gas fluid, ; Performing an external work by expanding the high temperature, high pressure nitrogen enriched fluid; And discharging said nitrogen enriched fluid. ≪ Desc / Clms Page number 17 > 고압 질소 농후 가스 유체를 생성시키는 공기 분리 유니트; 연료를 연소 구역에 공급하는 수단; 상기 연료를 연소시키기 위한 상기 연소 구역을 형성시킴으로써 상기 연소 구역에서 실질적으로 가압되지 않은 배출 가스 유체를 형성시키는 수단(20); 상기 연소에 의해 생성된 열을 고압 질소 농후 유체에 전달하되, 상기 질소 농후 유체와 배출 가스 유체를 혼합시키지 않음으로써, 상기 질소 농후 유체를 가열시켜 고온 고압 질소 농후 유체를 형성시키는 열교환 수단(18); 상기 고온 고압 질소 농후 유체를 팽창시킴으로써 외부 일을 수행시키는 수단(24); 및 상기 장치로부터 상기 질소 농후 유체를 배출시키는 수단(28)을 포함하는, 고압 질소 농후 유체로부터 일을 얻기 위한 장치.An air separation unit for generating a high-pressure nitrogen-rich gas fluid; Means for supplying fuel to the combustion zone; Means (20) for forming a substantially unpressurized offgas fluid in said combustion zone by forming said combustion zone for combusting said fuel; A heat exchange means (18) for transferring the heat generated by the combustion to a high pressure nitrogen rich fluid, wherein the nitrogen rich fluid is not mixed with the exhaust gas fluid, thereby heating the nitrogen rich fluid to form a high temperature high pressure nitrogen rich fluid; ; Means (24) for performing an external work by expanding the high temperature, high pressure nitrogen enriched fluid; And means (28) for discharging said nitrogen enriched fluid from said apparatus.
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