KR19990006603A - 공급 가스 흐름을 산소 부화 가스 흐름 및 산소 빈화 가스 흐름으로 분리시키기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공급 가스 흐름을 연소실에서 사용되는 산소 부화 가스 흐름 및 산소 빈화 가스 흐름으로 분리시키기 위한 방법에 관한 것이다. 공급 가스 흐름은 압축되며, 산소는 보유면과 투과면을 갖는 이온 전달 멤브레인을 포함한 이온 전달 모듈을 사용하여 압축된 공급 가스 흐름으로부터 분리된다. 이온 전달 멤브레인의 투과면은 이온 전달 모듈의 투과면을 벗어난 가스 흐름의 연소실 내에서의 연소로부터 얻어진 연소 생성물 가스 흐름의 적어도 일부분으로 정화된다.

Description

공급 가스 흐름을 산소 부화 가스 흐름 및 산소 빈화 가스 흐름으로 분리시키기 위한 방법
본 발명은 고체 전해질 이온 전도체 멤브레인을 사용하는 산소 분리 공정과 산소 부화 연소(OCE)의 통합에 관한 것이며, 특히 연소 공정에 있어 경제적인 효율 및 오염과 관련된 문제점을 개선하기 위한 상기 공정의 통합에 관한 것이다.
유기 중합체 멤브레인 시스템과 같은 다수의 상이한 산소 분리 시스템은 공기 및 기타 가스 혼합물로부터 선택된 가스를 분리시키는데 사용된다. 공기는 수면에서 수증기의 변화량을 함유한 가스 혼합물로서, 부피비로 산소 20.9%, 질소 78%, 아르곤 0.94%, 및 나머지는 여러 가지 다른 가스로 구성되어 있다. 그러나, 다른 형태의 멤브레인은 임의의 비유기성 산화물로 제조될 수 있다. 이러한 고체 전해질 멤브레인은 칼슘 또는 이트륨으로 안정화된 지르코늄 및 형석 또는 히티탄석(perovskite) 구조를 갖는 유사 산화에 의해 특징화된 비유기성 산화물로 제조된다.
이러한 고체 산화물의 일부는 멤브레인에 전위가 가해질 때 상승된 온도에서 산소 이온을 도전시킬수 있으며 즉, 전기 구동식 또는 이온 도전체이다. 최근의 조사는 화학 구동 전위가 가해진다면 상승된 온도에서 산소 이온을 도전시킬 수 있는 고체 산화물의 개선에 대해 논의하고 있다. 이러한 압력 구동식의 이온 도전체 또는 혼합 도전체는 충분한 부분 산소 압력비가 화학 구동 전위를 제공하기 위해 적용된다면 산소 함유 가스 흐름으로부터 산소를 추출하기 위한 멤브레인으로 사용될 수 있다. 산소에 대한 상기 재료의 선택도는 무한하고 종래의 멤브레인보다 더 큰 강도를 갖는 산소 플럭스가 얻어짐으로 인해, 상기 이온 전달 멤브레인을 사용한 산소 제조의 기회가 발생하게 된다.
가스 분리 멤브레인에서와 같이 상기 산화물 세라믹 재료에 대한 전위가 크다 하더라도, 그 사용에는 여러 가지 문제점이 발생한다. 가장 명백한 어려움은 모든 공지된 산화물 세라믹 재료는 상승된 온도에서 산소 이온만을 도전하게 된다. 상기 재료는 500℃ 이상, 일반적으로 600℃ 내지 900 ℃ 범위내에서 작동된다. 낮은 온도에서 효과적으로 작동하는 재료를 발견하기 위한 연구에도 불구하고, 고체 전해질 이온 도전체 기술은 단계식 전해질 멤브레인으로 제목붙혀진 미국 특허 제 5,547,494호의 프래사드(Prasad)에 의해 보다 상세히 기술되어졌다.
그러나, 연소 공정은 고온에서 작동하며 산소 강화 연소 공정으로 이온 전달 시스템을 효율적으로 통합한 전위를 가지며 본 발명은 산소 강화 연소 공정으로 이온 전달 시스템의 통합에 새로운 개선안을 갖는다.
대부분의 종래의 연소 공정은 가장 편리하고 풍부한 산소 공급원인 공기를 이용한다. 공기내에서 질소의 존재는 연소 공정에 해를 끼치지는 않으나, 많은 문제점을 발생한다. 예를 들어, 질소는 연소 온도에서 산소와 반응하여 바람직하지 않은 오염물인 질소 산화물을 형성한다. 많은 실시예에서, 연소 생성물은 질소 산화물을 환경허용치 이하로 감소시키기 위해 처리된다. 더욱이, 질소의 존재는 번갈아 연도 가스의 열 손실을 증가시키고 연소 공정의 열 효율을 감소시키는 연도 가스 체적을 증가시킨다. 상기 문제점을 최소화 시키기 위해서, 산소 부화 연소(OEC)가 수년동안 실시되어져 왔다. 산소 부화 연소는 여러 잇점을 갖는데, 예를 들어 방출물(특히, 질소 산화물)이 감소하고, 에너지 효율이 증가하고, 연도 가스 체적이 감소하고, 연소가 보다 정화되고 안정되며, 하류부문 순환주기의 열역학 효율이 증가된다. 그러나, OEC의 잇점은 상기 적용으로 제조되어질 산소의 비용에 대비하여 증가되어야 한다. 그 결과, OEC 에 대한 시장 요구는 산소 부화 가스를 제조하는 비용에 따라 크게 달라진다. 산소 부화 가스의 비용이 대략 $15/톤으로 감소된다면 100,000 톤/일에 상응하는 산소가 요구된다. 이온 전달 멤브레인을 사용한 가스 분리 공정은 상기 목적에 달성될 수 있다. OEC는 에이취. 코바야시(H. Kobayashi)에 의해 산소 부화 연소 시스템 성능 조사 제 1 권: 기술 및 경제 분석(보고서 #DOE/ID/12597),1986 및 제 2 권: 시장 과세(보고서 #DOE/ID/ 12597-3),1987 에 상세히 기술되어 있다.
가스 흐름으로부터 산소를 분리시키는데 사용되는 이온 전달 도전체 기술과 관련된 문헌은 다음과 같다.
터어빈 동력 발생으로부터 부산물 산소를 제조하기 위한 공정으로 제목붙혀진 헤갈티(Hegarty)에 의한 미국 특허 제 4,545,787호는 공기 흐름으로부터 산소를 제거시킴으로써 압축하고 가열된 공기로부터 전력을 발생시키는 단계와, 최종 공기 흐름의 일부분과 연료 흐름을 연소시키는 단계, 및 전력을 발생시키기 위해 터어빈을 통해 최종 연소 생성물을 팽창시키는 단계를 포함한다. 헤갈티는 공기 흐름으로부터 산소를 제거시키기 위해 은 합성식 멤브레인과 금속 산화물 고체 전해질 멤브레인의 사용에 대해 언급하고 있다.
산소 제조의 통합된 고온법으로 제목붙혀진 강(Kang et el)에 의한 미국 특허 제 5,516,359,호는 비투과 생성물은 전력 발생용 터어빈을 통해 통과되며 보다 가열되는 고체 전해질 이온 도전체 멤브레인을 사용한 가열된고 압축된 공기로부터 산소를 분리하는 공정에 대해 기술하고 있다.
Bi(비스무트)로 혼합된 혼합 금속 산화물 멤브레인을 사용함으로써 산소 함유 가스로부터 산소 분리 공정으로 제목붙혀진 마자네크(Mazanec et al)에 의한 미국 특허 제 5,160,713호는 산소 이온 도전체로 사용될 수 있는 시키기 위한 비스무트 함유 재료를 기술하고 있다.
산소 부화 또는 강화 연소(OEC) 에 관한 간행물은 산소 부화 연소 시스템의 다양한 기술적 및 경제적 관점을 논의하는 엠.에이 루카시윅스의 1986년 4월 29일-30일, 일리노이주, 시카고, 산업상 연소 기술에 대한 심포지엄중에 상기 언급한 에이취.코바야시(H. Kobayashi), 및 에이취. 코바야시, 제이 지 보일(J.G.Boyle), 제이 지 켈러(J.G. Keller), 제이 비 패톤(J.B.Patton), 및 알. 씨. 제인(R.C. Jane)에 의해 허여된, 산업상 노 적용의 산소 부화 연소의 기술 및 경제적 평가를 포함한다.
산소 부화 연소는 압력 스윙 흡착(PSA)과 같은 저온 증류 또는 비저온 공정에 의해 제조된 산소를 사용하여 상업상 이용되어져 왔다. 상기 공정 모두는 100℃ 또는 그 이하의 온도에서 작동되며 연소 공정과 열적으로 통합되기 어렵다.
고체 전해질 이온 도전체상의 조사는 수년동안 수행되어져 왔다. 고체 전해질은 공기로부터 소량의 순수 산소를 제조하기 위해 연료 셀 및 센서에 주로 사용되며, 산소 전달에 무한 선택도를 갖는다. 전기 구동식의 고체 전해질 멤브레인은 비활성 가스 흐름으로부터 산소 검출량을 제거하기 위해 또한 사용되며, 멤브레인에 충분한 전압의 인가는 매우 낮은 수치로 보유 가스 흐름의 산소 활성도를 감소시킬 수 있다. 그러나, 상기 재료중의 다수는 산소 이온 도전율에는 인지되지 않는다. 최근에는 가스 분리 공정을 보다 경제적으로 수행하기 위해 충분히 높은 산소 이온 도전율을 갖는 재료를 합성한다. 그러나, 상기 재료에 기초한 상업상 가스 분리, 정화, 또는 부화 공정은 개선되지 않았다.
상기 발명가들은 OEC 산소 제조 시스템에 기초한 이온 전달의 통합 배치에 대해 알지 못했다.
그러므로, 본 발명의 목적은 독립형 산소 발생기 또는 산소 공급 시스템의 필요성을 제거하고 다양한 공정 조건을 열적으로 또는 조작상으로 통합함으로써 산소 부화 연소 통합 공정을 효율적으로 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연소 공정에서 발생하는 NOX형성 및 질소 가스의 가열로 인한 열 손실을 최소화하거나 제거시키는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 부산물로 사용되어질 질소 과부화 가스 흐름을 재생시키기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연소 공정에 사용되는 배기 가스 흐름에서 산소의 농도를 조절하기 위한 것이다.
도 1은 산소 부화 연소와 하류부문 공정에 이온 전달 산소 제조를 통합하는 과정을 도시한 개략도.
도 2는 도 1과 유사한, 산소 부화 연소와 하류부문 공정에 이온 전달 산소 제조를 통합하는 과정을 도시한 개략도.
도 3은 연소실이 이온 전달 모듈과 통합된 도 2와 유사한 개략도.
도 4는 이온 전달 공정, 연소실, 및 하류부문 공정이 단일 모듈 내에서 통합되는 방법을 도시한 개략도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 공급 가스 흐름 2 : 압축기
7 : 이온 전달 멤브레인
7a : 보유면 7b : 투과면
14 : 연소실 16 : 배기 가스 흐름
31 : 폐가스 흐름 33 : 열 교환기
본 발명은 원소 산소를 함유하는 공급 가스 흐름을 산소 부화(oxygen-enriched) 가스 흐름 및 산소 빈화(oxygen-depleted) 가스 흐름으로 분리시키기 위한 방법으로서, 산소 부화 가스 흐름은 연소실 내에서 사용되며, 상기 방법은 공급 가스 흐름을 압축하는 단계와, 투과면상에 정화된 가스 흐름을 분리시키고 산소 빈화 가스 흐름을 제조하기 위해 보유면상에 산소를 빈화시키는 보유면과 투과면을 갖는 이온 전달 모듈을 사용하여 압축 공급 가스 흐름으로부터 산소를 분리시키는 단계와, 이온 전달 모듈의 투과면을 벗어난 가스 흐름에 대한 연소실 내의 연소로부터 얻어진 연소 생성물 가스 흐름의 적어도 일부분으로 이온 전달 멤브레인의 투과면을 정화시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 공급 가스 흐름은 공기이다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 이온 전달 멤브레인의 투과면을 정화시키는데 사용되는 연소 생성물 가스 흐름은 이온 전달 멤브레인을 통해 투과하는 정화된 산소 가스 흐름과 반응하는 반응성 가스를 포함한다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 연소 생성물 가스 흐름은 이온 전달 멤브레인의 투과면을 정화시키기 위해 사용되기 이전에 냉각된다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 이온 전달 멤브레인의 투과면을 벗어난 가스 흐름은 약 10% 내지 90%의 산소 농도를 갖는다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 공급 가스 흐름은 이온 전달 모듈로 공급되기 이전에 압축된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 연소실은 이온 전달 멤브레인의 투과면상에 이온 전달 모듈과 통합된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 연소 생성물 가스 흐름의 적어도 일부분은 하류부문 공정에서 사용되며, 하류부문 공정으로부터 하류부문 생성물 가스 흐름의 적어도 일부분은 이온 전달 멤브레인의 투과면을 정화시키기 위해 사용된다. 또 다른 실시예에서, 산소 함유 가스 흐름은 하류부문 공정으로부터 하류부문 생성물 가스 흐름의 적어도 일부분에 부가되며 최종적인 가스 흐름은 하류부문 생성물 가스 흐름에 남아있는 임의의 연료를 연소시키기 위해 애프터버너를 통해 통과된다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 연소실 및 하류부문 공정은 이온 전달 멤브레인의 투과면상에 이온 전달 모듈과 통합된다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 하류부문 공정은 금속의 산화, 금속 또는 용광로내의 불순물을 산화시킴으로써 금속의 정화시킨다.
본 발명의 또 다른 특성 및 잇점은 첨부 도면과 바람직한 실시예로부터 당업자들에게 인지되어질 것이다.
본 발명은 도면을 참조로 하여 보다 상세히 설명되며 동일한 요소에는 동일한 참조 부호가 사용된다.
본 발명은 산소 부화 연소(OEC)로 이온 전달 산소 제조를 경제적으로 통합할 수 있는 공정 배치에 관한 것이다. 압력 구동식 공정이 공정의 설계로 바람직하다 하더라도, 상기 기술된 개념은 전극을 갖는 이온 도전체 멤브레인 및 전자 반환 외부 회로를 이용한 시스템에 적용가능하다.
현재 상업상 이용가능한 산소 제조 공정은 100℃ 이하의 온도에서 작동한다. 상기 낮은 온도로 인해, OEC 공정과 통합됨으로써 우등한 효율을 갖지 못한다. (600℃ 보다 낮은)상승된 온도의 작업은 산소를 사용하는 연소에 의한 고온 공정으로 통합에 적합한 이온 전달 공정을 초래한다. 부가적으로, 연소 배기 연도 가스는 이온 전달 멤브레인 성능을 강화시키기 위해 사용될 수 있다. 종래의 산소 제조 공정(예를 들어, PSA, TSA, 또는 멤브레인에 기초한 공정)은 상기 연도 가스가 연소 챔버를 벗어날 때 고온으로 인해 배기 연도 가스를 쉽게 이용할 수 없다.
현 공정 배치의 핵심은 일반적으로 공기인 산소 함유 가스로부터 산소를 분리시키고 산소 부화 연소물을 포함한 하류 공정에서 분리된 산소를 이용하기 위해 고체 산소 이온 도전 또는 혼합된 도전 멤브레인을 사용하는 이온 전달 멤브레인에 있다. 이온 전달 멤브레인내의 투과면상에 산소의 분압을 감소시키기 위해서는, 산소 빈화 가스(예를 들어, 연소 공정 또는 임의의 하류 공정으로부터 폐가스)는 정화 가스 흐름으로 사용된다. 상기 정화는 이온 전달 멤브레인의 구동력을 상당히 증가시키고 고 산소 플럭스 및 하부의 멤브레인 영역 필요량에 영향을 미친다. 상기 잇점은 공급 가스 흐름이 비교적 낮은 압력에서도 발생하여 시스템의 전력 요구량을 감소시킨다. 연소 배기 가스의 재순환은 연소기의 온도를 제어하고 NOX형성을 최소화시키기 위해 중요한 희석 흐름을 제공하는 잇점을 갖는다. 상기 공정의 효율은 산소 분리기에 유입되는 연도 가스에 연료를 부가함으로써 강화된다. 이는 투과면상에 분압 산소를 감소시켜 이온 전달 분리기에 보다 높은 산소 플럭스를 초래한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 이온 전달 모듈은 연소실로 작동하여 각각의 연소실의 필요성을 없애준다. 상기 적용이 다수의 현 이온 전달 멤브레인의 최대 작업 온도인 1100℃ 이상의 온도에서 연소기를 벗어난 가스 흐름을 요구하지 않는다. 작업 범위내에 이온 전달 모듈의 온도를 유지하기 위해 필요한 열은 당업자로부터 공지된 다양한 공급원, 예를 들어 애프터버너에서 발생되고 고온 연소 생성물 가스에서 재순환되는 열로부터 발생된다.
대부분의 혼합된 도전체에서, 전자 도전체는 작업 온도에서 산소 이온 도전율을 초과하고 한 면에서 다른 면으로의 산소의 총괄적인 전달은 산소 이온 도전율에 의해 제어된다. 다수의 전위 혼합 전도체는 형석 또는 히티탄결정 구조에서 확인된다. 이온 전달 멤브레인의 작용은 광범위하게 연구되어지며(예를 들어, 연료 셀), 정확하게 모형에 맞추어진다. 도표 1은 산소 분리에 관심있는 혼합 도전체의 부분목록이다.
물질 조성
1. (La1-xSrx) (Co1-yFey) O3-δ(0≤ x ≤1, 0≤ y ≤1, 화학 양론식 으로부터 δ)
2. SrMnO3-δSrMn1-xCoxO3-δ(0≤ x ≤1, 0≤ y ≤1, δ 화학양론식으로 부터)Sr1-xNaxMnO3-δ
3. BaFe0.5Co0.5YO3SrCeO3YBa2Cu3O7-β(0≤ β ≤1, 화학 양론식으로부터 β)
4. La0.2Ba0.8Co0.8Fe0.2O2.6, Pr0.2Ba0.8Co0.8Fe0.2O2.6
5. AXA'X′AXByB'y'ByO3-z(x,x',x,y ,y',y: 0에서 1의 범위)여기서, A, A',A는 1, 2, 3 군과 f 블록 란탄족으로부터)B, B',B는 d 블록 전환 금속으로부터)
6. (a) Co - La - Bi 형 : 코발트 산화물 15 - 75 몰 %란탄 산화물 13 - 45 몰 %비스무스 산화물 17 - 50 몰 %(b) Co - Sr - Ce 형 : 코발트 산화물 15 - 40 몰 %스트론튬 산화물 40 - 55 몰 %세륨 산화물 15 - 40 몰 %(c) Co - Sr - Bi 형 :코발트 산화물 10 - 40 몰 %스트론튬 산화물 5 - 50 몰 %비스무스 산화물 35 - 70 몰 %(d) Co - La - Ce 형 :코발트 산화물 10 - 40 몰 %란탄 산화물 10 - 40 몰 %세륨 산화물 30 - 70 몰 %(e) Co - La - Sr - Bi 형 : 코발트 산화물 15 - 70 몰 %란탄 산화물 1- 40 몰 %스트론튬 산화물 1 - 40 몰 %비스무스 산화물 25 - 50 몰 %(f) Co - La - Sr - Ce 형 : 코발트 산화물 10 - 40몰 %란탄 산화물 1 - 35 몰 %스트론튬 산화물 1 - 35 몰 %세륨 산화물 30 - 70몰 %
7. Bi2-x-yM′xMyO3-δ(0≤ X≤1, 0≤y≤1, 화학 양론식으로부터 δ)여기서, M = Er, Y, Tm, Yb, Tb, Lu, Nd, Sm, Dy, Sr, Hf, Th, Ta, Nb, Pb, Sn, In, Ca, Sr, La 및 그 혼합물M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 그 혼합물
8. BaCe1-xGdxO3-x/2x는 0부터 대략 1까지이다.
9. 미국 특허 5,306,411호에 기술된 AsA'tB'vBWOX군의 하나는 다음과 같다.A는 란탄족 또는 Y, 또는 그 혼합물이다.A'는 알카리성 토류 금속 또는 그 혼합물이다.B는 Fe를 나타낸다.B'는 Cr 또는 Ti, 또는 그 혼합물이다.B는 Mn, Co, V, Ni, 또는 Cu, 또는 그 혼합물이다.
s,t,u,v,w, 및 x에 대해서는s/t의 범위는 0.01 내지 100이다.u의 범위는 0.01 내지 1이다.v의 범위는 0내지 1이다.w의 범위는 0 내지 1 이다.x는 공식에서 A,A',B,B',B의 원자가를 만족시키는 수치이며,0.9〈(s + t)/(u+v+w)〈1.1
10. La1-xSrxCu1-yMyO3-δ군의 재료중의 하나는M 은 Fe 또는 Co이다.x 의 범위는 0 내지 1이다.y 의 범위는 0 내지 1이다.δ는 공식에서 La, Sr, Cu, 및 M의 원자가를 만족시키는 수치 이다.
11. Ce1-xAxO2-δ군의 물질중의 하나는A는 란탄족, Ru 또는 Y, 또는 그 혼합물이며x 의 범위는 0 내지 1이다.y 의 범위는 0 내지 1 이다.δ는 공식에서 Ce 및 A 의 원자가를 만족시키는 수치이다.
12. Sr1-xBixFeO3-δ군의 물질중의 하나는A는 란탄족, Y, 또는 그 혼합물이며x 의 범위는 0 내지 1이다.y 의 범위는 0 내지 1 이다.δ는 공식에서 Ce 및 A 의 원자가를 만족시키는 수치이다.
13. SrxFeyCozOw군의 물질 중의 하나는x의 범위는 0 내지 1이다.y의 범위는 0 내지 1이다.z의 범위는 0 내지 1이다.w는 공식에서 Sr,Fe, 및 Co의 원자가를 만족시키는 수치이다.
14. 이중 상 혼합 도전체(전자/이온)(Pd)0.5/ (YSZ)0.5(Pt)0.5/ (YSZ)0.5(B - MgLaCrOx)0.5(YSZ)0.5(In90 %Pt10 %)0.6/ (YSZ)0.5(In90 %Pt10 %)0.5/ (YSZ)0.5(In95 %Pr2.5 %Zr2.5 %)0.5/ (YSZ)0.51-13에 기술된 임의의 물질은 고온의 금속상(예를 들어,Pd, Pt, Ag, Au, Ti, Ta, W)에서 부가된다.
도 1은 산소 부화 연소(OEC)로 이온 전달 산소 제조의 통합을 도시한 개략도이다. 작업시에, 산소를 함유한 공급 가스 흐름(1), 통상적으로 공기는 데워진 공급 가스 흐름(4)을 발생시키기 위해 질소 가스 흐름(37)과 폐가스 흐름(31)에 대비하여 열교환기(33)에서 가열된 압축된 공급 가스 흐름(3)을 발생시키기 위해 송풍기 또는 압축기(2)에서 비교적 낮은 압력에서 압축된다. 가스 흐름(28)은 데워진 공급 가스 흐름(4)으로부터 분할되며 고온 공급 가스 흐름(6)을 발생시키기 위해 가열기(34) 내에서 가열된 공급 가스 흐름(5)을 벗어나기 위해 선택적인 애프터버너(26)에서 사용된다. 그 후, 고온 공급 가스 흐름(6)은 보유면(7a) 및 투과면(7b)을 갖는 이온 전달 멤브레인(7)를 사용한 이온 전달 모듈(35)의 공급면에 유입된다. 고온 공급 가스 흐름(6)내의 산소 부분은 이온 전달 모듈(35)내에서 이동되며 상기 모듈을 빠져나온 가스 흐름(8)은 공급 가스 흐름(1)과 관련하여 질소 부화 상태가 된다. 이온 전달 멤브레인(7)의 투과면(7b)은 연소 생성물을 함유한 정화 가스 흐름(9)을 사용하여 정화된다. 투과 가스 흐름(10)은 산소를 함유하고 상기 가스 흐름(10)은 이후에 연료 가스 흐름(11)과 혼합된다. 가스 흐름(10)에 공기 흐름(12)이 선택적으로 부가될 수 있다.
(도시되지 않은) 임의의 송풍기를 통해 통과된 이후에 연소 가스 흐름(13)은 연소실(14)로 유입된다. 연료 가스 흐름(11)에 선택적으로 또는 부가적으로, 연료 가스 흐름(15)이 연소실(14)에 직접 공급될 수 있다. 화학 양론 상태 또는 근소하게 연료 과부하 상태에 근접한 연소실(14)를 작동시킴으로서, 배기 가스 흐름(16) 내의 산소 농도는 낮은 수치에서 유지될 수 있다. 상기 실시예에서, 연소실(14)로부터 배기 가스 흐름(16)은 두 부분, 가스 흐름(17, 18)로 분할된다. 가스 흐름(18)은 열 입력을 요하는 하류부문 공정(19)에서 사용되며 상기 하류부문 공정(19)으로부터 비교적 냉각된 배기 가스 흐름(20)은 두 부분,배기 가스 흐름(20,21)으로 분할된다. 연료 가스 흐름(25)은 가스 흐름(38)을 발생시키기 위해 배기 가스 흐름(21)에 부가된다.
가스 흐름(38)은 이온 전달 모듈(35)에 유입되는 가스 흐름(9)을 발생시키기 위해 가스 흐름(17)에 부가되며 이온 전달 멤브레인(7)의 투과면(17b)을 정화시키기 위해 사용된다. 본문에 도시되지는 않았으나, 가스 흐름(17)은 고온 공급 가스 흐름(6)을 발생시키기 위해 열 교환에 의해 데워진 공급 가스 흐름(5)을 가열시키는데 사용될 수 있다. 배기 가스 흐름(22)은 고온 폐 가스 흐름(29)을 발생시키기 위해 공급 흐름(27) 및 가스 흐름(28)이 선택적으로 부가되는 임의의 애프터버너(26) 내부로 공급된다. 고온 폐 가스 흐름(29)은 가스 흐름(30) 또는 가스 흐름(31)일 수 있다. 전술한 바와 같이, 폐 가스 흐름(32)을 발생시키기 위해 압축된 공급 가스 흐름(3)을 가열시키기 위해 열교환기(33) 내에서 사용된다. 가스 흐름(30)은 질소가 부산물로 사용되지 않고 배기 가스 흐름(30)의 온도가 충분히 높다면 질소 부화 보유 가스 흐름(8)과 혼합된다. 보유 가스 흐름(8)은 배기 가스 흐름(30)보다 고압상태이며 가스 흐름(30)과 혼합되기 이전에 보유 가스 흐름(34)을 발생시키기 위해 팽창 밸브(23)를 사용한 보유 가스 흐름(8)의 과다 압력을 방출하기 위해 필요하다. 보유 가스 흐름(24)이 질소 과부하 생성물 가스 흐름으로 필요하다면, 가스 흐름(36,30)은 혼합되지 않는다.
이온 전달 모듈(35) 내의 산소가 빈화된 정화 가스 흐름(9)의 사용은 이온 전달 멤브레인(7)의 투과면(7b)상에 산소 분압을 낮추고 멤브레인(7)을 통해 산소 전달을 급격하게 한다. 연료 가스 흐름(11,15,25)은 본 발명의 잇점을 얻기 위해 도 1에 도시된 임의의 또는 모든 점에서 공정 배치 내부로 유입될 수 있다. 적어도 하나의 연료 가스 흐름의 사용은 본 발명에 필수적이다. 예를 들어, 이온 전달 멤브레인(7)의 투과면(7b) 상에 산소 분압을 감소시키기 위해 이온 전달 모듈(35)의 상류에 연료 가스 흐름(25)을 부가하는 것이 바람직하다. 이는 연료 연소로 인한 이온 전달 모듈(35) 내에 일부 열 발생을 초래하여, 산소 전달 공정의 열 요구량의 일부를 파생시킨다. 이러한 경우에, 이온 전달 모듈(35)로부터 벗어난 질소 과부하 가스 흐름(8)은 점점 고온 상태가 된다. 이는 열교환기(33)내에서 보다 효율적인 열 교환이 이루어지며, 열교환에 필요한 영역을 감소시키고 이온 전달 모듈(35)의 상류부문의 가열기(34)의 필요성을 제거시킨다. 충분한 연료가 이온 전달 멤브레인(7)의 정화면 또는 투과면(7b) 상에 이온 전달 모듈(35)내에서 연소될 수 있다면, 각각의 연소실(14)의 필요성을 또한 없애준다. 즉, 이온 전달 모듈(35)은 (도 3에 도시되어진 것처럼) 연소실로 제공된다. 상기와 같은 상황으로, 시스템의 단순화 및 비용을 감소를 초래한다.
반응성 정화 조립체는 1995년 12월 5일 출원된 미국 특허 제 08/567,699호의 고체 전해질 가스 분리를 위한 반응성 정화 로 기술되어 있다. 반응성 정화를 이용한 이온 전달 모듈의 바람직한 배치는 1997년 4월 29일 출원된 미국 특허 고체 전해질 이온 도전체 반응기 설계로 기술되어 있다. 두가지 적용예는 통상적으로 본 출원과 함께 사용된다.
가스 흐름(10)을 투과시키기 위해 부가되는 연료의 부분 산화로 인해 연료 부화 혼합물을 포함한 연소실(14)을 작동시키는 것이 바람직하며, 수소 가스 및 탄소 일산화물을 포함하는 배기 가스를 초래한다. 전술한 바와 같이, 가스 흐름(17)은 이온 전달 멤브레인(7)의 투과면(7b)을 정화하는데 선택적으로 사용된다. 수소 가스는 다수의 다른 가스들보다 고 반응성을 갖는 가스이며, 이온 전달 모듈(35)내에서의 수소 가스의 존재는 이온 전달 멤브레인(7)의 정화면(7b)상에 낮은 산소 분압을 초래하며, 이온 전달 멤브레인(7)을 통해 산소의 신속한 전달을 가능케한다. 물론, 연료 가스 흐름(25)에서와 같이 수소 가스를 유입시킴으로써 동일한 결과가 달성된다. 그러나, 수소 가스가 비교적 고가의 연료이므로, 연소실(14)에 연료의 과다한 공급은 비용 효율적이지 못하다. 전술한 바와 같이 연소실(14)에 연료의 과다 공급은 수소 가스가 공정 순환의 일부분으로 제조됨으로 인해, 미리제조된 수소 가스 사용의 필요성을 없애준다. 그러나, 연료 부화 조건에서 연소실(14)의 작동은 배기 가스 흐름(18,22)이 일산화 탄소 및 수소 가스를 함유하도록 하며, 상기 두가지 가스는 농도가 낮아지면 대기로 간단하게 배출된다. 전술한 바와 같이, 상기 가스의 농도가 높으면 탄소 일산화물 또는 수소 가스를 연소시키기 위해 부가되는 애프터버너(26)에 과다 공기(27)를 설치하는 것이 가능하다. 데워진 공급 가스 흐름(4)의 가스 흐름(28)은 애프터버너 필요량을 제공하기 위해 애프터버너(26)에 또한 부가된다.
산소의 무한 선택도 또는 이온 전달 멤브레인(7)으로 인해, 정화 가스 흐름(9)과 같이 연소 생성물의 재순환의 잇점이 나타나며, 과다 공기의 필요성없이 연소실(14)내에 가스 흐름(13)의 온도 상승을 제한하는 것이 가능하며, 그 결과 NOX형성이 없는 연소 공정으로부터 질소를 제거한다. 상승 효과는 본 발명의 일반적인 특성이며 본 발명의 실시예중의 다수의 특징이다.
본 발명에서 사용되는 이온 전달 모듈의 작동 변수의 범위는 다음과 같다.
온도: 일반적으로 400 ℃ 내지 1000℃범위, 바람직하게 400 내지 800℃범위
압력: 정화면 압력은 1-3 atm의 범위이다. 공급 측면 압력은 1-3 atm이다. 질소가 부산물이 아니면, 1-20 atm 이다. 질소가 부산물이라면, 이온 전달 멤브레인의 산소 이온 도전성(μ)은 0.01 내지 100 s/cm 범위이다(1 s = l/ohm).
이온 전달 멤브레인이 두께는 이온 전달 멤브레인은 다공성 기판상에서 밀집한 막, 또는 얇은 막의 형태로 사용될 수 있다. 이온 전달 멤브레인/층의 두께(t)는 5000 마이크론 이하, 바람직하게 1000 마이크론 이하, 가장 바람직하게 100 마이크론 이하이다.
배치 : 이온 전달 멤브레인 요소는 관형 또는 평면이다.
전술한 바와 같이, 대칭 또는 합성 이온 전달 멤브레인(즉, 압력 구동 멤브레인)은 본문에 기술된 실시예에서 사용된다. 다음의 특성은 본 발명에서 사용될 수 있는 멤브레인 자료에서 기록된 일반적인 수치에 근거하고 있다.
효과적인 메브레인 두께 : 20 마이크론
이온 도전율, μ: 0.5 s/m
작업 온도 : 800 ℃
기판 다공성 : 40 %
표준 수리 모델은 도 1에 도시되어진 공정 작업 조건 즉, 멤브레인 영역 요구량 및 전력 및 열 에너지는 다양한 위치에서 필요한 에너지 입력량등을 결정하기 위해 사용된다. 도 1의 배치를 사용한 공정 모델링은 예시적인 목적으로만 기술되어 있으며 공정 배치를 최적화하기 위한 시도는 없다. 최적화가 시도되지 않은 주 요인은 경제적인 관점에 근거하고 있으며 이온 전달 멤브레인 시스템의 상업적인 제조는 아직은 시기상조이며, 상기 시스템에 현재 이용가능한 예상 비용은 정확하지 않다.
상기의 실시예로 인해, 도 1에 도시되어진 것과 같이 연료는 연료 가스 흐름(11)으로 공정에 부가된다. 부가적으로, 선택적인 가스 흐름(17)은 고려되지 않으며, 가스 흐름(16,18)이 이상적이다. 더욱이, 질소는 부산물로 이용되지 않으며, 방출 밸브(23)를 이용한 보유면의 과다 압력을 감소시킨 후에 보유 가스 흐름(8)으로부터 얻어진 보유 가스 흐름(36)은 배기 가스 흐름(29)으로 취해진 가스 흐름(30)과 혼합된다. 그러나, 일반적으로 보유 가스 흐름(8)의 압력을 감소시키거나 열교환기(33)의 상류부문의 가스 흐름(8)을 유지시키기 위해 가스 흐름(30)에 부가하는 것은 효과적이지 못하다. 배기 가스 흐름(22)이 탄소 산화물 및 수소 가스을 함유하지 않으므로, 애프터버너(26)는 설치되지 않는다.
실시예 : 하류부문 공정은 5 x 106BTU/hr의 열 입력량을 요한다.
도표 II통합 공정에서 중요 가스 흐름의 상술
가스흐름 압력(Psia) 온도(℃) 흐름(100SCFH) 조성(몰 %)
O2 N2 CH4 CO2 H2O
공급 1 14.7 25 165.4 21 79 - - -
이온전달 모듈로 공급 6 20 800 165.4 21 79 - - -
보유 8 20 800 153.7 15 85 - - 66.7
정화 9 15 800 82.7 흔적량 - - 33.3 -
투과 10 15 800 94.4 12.4 - - 29.2 58.4
연료 11 15 25 5.8 - - 100 - -
연소실 입력13 15 745 100.2 11.7 - 5.8 27.5 55
연소실 배출 16 15 1660 100.2 흔적량 - - 33.3 66.7
하류부문 공정배출 20 15 800 100.2 흔적량 - - 33.3 66.7
폐 24 15 197 171.2 13.5 76.3 - 3.4 6.8
도표 III통합 공정에서 중요 키이 모듈에 대한 상술
이온 전달 멤브레인(7)영역(m2) 49
공급 송풍기 또는 압축기(2)(효율=75%) 전력 (KW) 58
공급측 가열기(34) 입력(106BTU/hr) 0.5
연소실(14) 내에서 발생되는 열의 총량(106BTU/hr) 5.3
하류부문 공정(19) 열 입력 요구량(106BTU/hr) 5
도 2는 촉매 애프터버너 장치를 사용한 보다 효과적인 대안을 도시한 도 1과 유사한 개략도를 도시하고 있다. 작업중에, 산소를 함유한 공급 가스 흐름(41), 통상적으로 공기는 데워진 공급 가스 흐름(44)을 제조하기 위해 고온의 폐 가스 흐름(40)과 생성물 질소 가스 흐름(64)에 대해 열 교환기(73)내에서 가열된 압축된 공급 가스 흐름(43)을 발생시키기 위해 송풍기 또는 압축기(42) 내의 비교적 낮은 압력에서 압축된다. 가스 흐름(70)은 데워진 공급 가스 흐름(44)으로부터 분할되며 고온 공급 가스 흐름(45)을 발생시키기 위해 가열기(75) 내에서 선택적으로 가열된 공급 가스 흐름(74)을 벗어나기 위해 임의의 애프터버너(69)내에서 사용된다. 고온 공급 가스 흐름(45)은 보유면(47a)과 투과면(47b)을 갖는 이온 전달 멤브레인(47)을 사용한 이온 전달 모듈(46)의 공급면에 유입된다. 고온 공급 가스 흐름(45) 내의 산소 부분은 이온 전달 모듈(46) 내에서 제거되며 상기 모듈(46)로부터 벗어난 가스 흐름(48)은 공급 가스 흐름(41)에 대해 질소 부화 상태가 된다.
이온 전달 멤브레인(47)의 투과면(47b)은 연소 생성물을 포함한 정화 가스 흐름(79)을 사용하여 정화된다. 투과 가스 흐름(50)은 산소를 함유하고 있으며 이러한 가스 흐름(50)은 이후 연료 가스 흐름(51)과 혼합된다. 공기 흐름(52)은 선택적으로 가스 흐름(50)에 부가될 수 있다. (도시되지 않은) 임의의 송풍기를 통해 통과된 이후 연소 가스 흐름(53)은 연소실(54)에 유입된다. 선택적으로 연료 가스 흐름(51) 이외에도, 연료 가스 흐름(55)이 연소실(54)에 직접 공급될 수 있다. 화학 양론 상태 또는 연료가 근소하게 과다한 상태에서 연소실(54)을 작동함으로써, 배기 가스 흐름(56) 내의 산소 농도는 낮은 수치에서 유지될 수 있다.
연소실(54)로부터 배기 가스 흐름(56)은 두 부분, 가스 흐름(57,58)으로 분할될 수 있다. 가스 흐름(58)은 열 입력을 요하는 하류부문 공정(59)내에서 사용되며 하류부문 공정(59)으로부터 배출되는 배기 가스 흐름(60)은 두 부분, 배기 가스 흐름(61,62)으로 분할된다. 연료 가스 흐름(65)은 가스 흐름(78)을 발생시키기 위해 배기 가스 흐름(61)에 부가된다. 가스 흐름(78)은 이온 전달 모듈(46)에 유입되는 가스 흐름(79)을 발생시키기 위해 가스 흐름(57)에 부가될 수 있으며 이온 전달 멤브레인(47)의 투과면(47b)을 정화시키기 위해 사용된다.
배기 가스 흐름(62)은 선택적으로 두 부분, 고온의 폐 가스 흐름(40) 및 가스 흐름(77)으로 분할된다. 전술한 바와 같이, 고온의 폐 가스 흐름(40)은 폐 가스 흐름(74)을 발생시키기 위해 압축된 공급 가스 흐름(43)을 가열시키기 위해 열교환기(73) 내에서 사용된다. 가스 흐름(77)은 질소가 부산물로 사용되지 않고 배기 가스 흐름(77)의 온도가 충분히 높다면, 질소 과부하 보유 가스 흐름(48)과 혼합된다. 상기 단계의 이유는 애프터버너(69)내에서 연소에 의해 배기 가스 흐름(62)내에서 임의의 비반응성 연료를 제거하고 열 교환기(73)의 효율을 개선시키기 위해 열 에너지를 발생시키는 것이다. 보유 가스 흐름(48)은 배기 가스 흐름(77)보다 높은 압력에서 존재하며 가스 흐름(80)을 제조하기 위해 가스 흐름(77)과 혼합되기 이전에 보유 가스 흐름(76)을 발생시키기 위해 팽창 밸브(63)를 사용한 보 유 가스 흐름(48)의 과다 압력을 방출하는 것이 필요하다.
가스 흐름(80)은 가스 흐름(70)이 고온 폐가스 흐름(39)을 발생시키기 위해 선택적으로 부가되는 임의의 애프터버너(69) 내부로 공급된다. 이러한 경우, 연소를 완료하기에 충분한 산소를 함유하고 있음을 필요로 한다. 전술한 바와 같이, 데워진 공급 가스 흐름(44)으로부터 취해진 가스 흐름(70)은 상기의 산소를 함유하도록 애프터버너(69)에 부가적으로 더해질 수 있다. 결합된 흐름의 흐름 속도는 이온 전달 모듈(46)과 하류부문 공정(59)으로부터 배기 가스를 혼합함으로써 증가된다. 이는 열 교환기(73) 내에서 용량 비를 개선시키고 압축된 공급 가스 흐름(43)에 열 전달을 증진시킨다. 생성물 가스 흐름(64)은 애프터버너(69)가 사용되고 생성물 가스 흐름(64)이 폐 흐름으로 무시된다면 연소 생성물과 (완전 연소를 이루기 위해 사용되는) 산소를 함유한다.
도 1에 도시되어진 본 발명의 실시예에 따라, 이온 전달 모듈(46) 내의 산소가 빈화된 정화 가스 흐름(79)의 사용은 이온 전달 멤브레인(47)의 투과면(47b)상에 산소 분압을 낮추고 멤브레인(47)을 통해 신속한 산소 전달을 가능케 한다. 연료 가스 흐름(51,55,65)은 본 발명의 잇점을 얻기 위해 도 2에 도시된 임의의 위치에서 공정 배열 내부로 유입될 수 있으며, 하나 이상의 가스 흐름이 본 발명에서 필수적이다. 종래의 방법과 같이, 이온 전달 멤브레인(47)의 투과면(47b)상에 산소 분압을 크게 감소시키기 위해 이온 전달 모듈(46)의 상류부문에 연료 가스 흐름(65)을 부가하는 것이 바람직하다. 이는 연료의 연소로 인한 이온 전달 모듈(46) 내에 일부 열 전달을 초래하며, 산소 전달 공정의 열 요구량의 일부를 파생시킨다. 이러한 경우에, 이온 전달 모듈(48)로부터 벗어난 질소 과부하 가스 흐름(48)은 보다 고온 상태이며 이는 열 교환기(73) 내의 열 전달을 효율적으로 하여, 열 교환에 필요한 영역을 감소시키며 이온 전달 모듈(46)의 상류부문에 가열기(75)의 필요성을 제거한다. 이온 전달 모듈(47)의 정화 또는 투과면(47b) 상에 상기 이온 전달 모듈(46) 내에서 충분하게 연소될 수 있다면, 각각의 연소기(54)의 필요성을 없앤다. 즉, 이온 전달 모듈(46)은 (도 3에 도시되어진 것처럼) 연소실로 제공된다. 상기 상황에서, 시스템의 단순화 및 비용을 감소시킬 수 있다.
도 1에 도시되어진 본 발명의 실시예에서와 같이, 투과 가스 흐름(50)에 부가되는 연료의 부분 산화를 초래함으로 인해, 연료 과부하 혼합물과 연소실(54)을 작동시키는 것이 바람직하며, 수소 가스 및 탄소 산화물을 함유하는 배기 가스 흐름(56)을 초래한다. 전술한 바와 같이, 가스 흐름(57)은 이온 전달 멤브레인(47)의 투과면(47b)을 정화하는데 선택적으로 사용되며 이온 전달 모듈(46) 내의 수소 가스의 존재는 이온 전달 멤브레인(47)의 정화면(47b)상에 극히 낮은 산소 분압을 초래하며 이는 이온 전달 멤브레인(47)을 통해 보다 신속한 산소 전달을 가능케 한다. 연소실(54)에 연료 과다 공급원의 사용은 공정 주기의 부분으로 수소 가스를 발생시킨다. 전술한 바와 같이, 탄소 산화물 및 수소 가스의 농도가 충분히 높다면 상기 산화물 및 수소 가스를 연소시키기 위해 애프터버너(69)를 설치하는 것이 가능하다.
도 3은 연소기가 이온 전달 모듈과 통합된, 이온 전달 모듈이 연소실로 제공되는 본 발명의 또 다른 실시에를 도시한 개략도이다. 작업중에, 산 소를 함유한 공급 가스 흐름(81), 통상적으로 공기는 데워진 공급 가스 흐름(95)을 발생시키기 위해 고온 폐 가스 흐름(116) 및 질소 가스 흐름(93) 생성물에 대해 열교환기(113) 내에서 가열된 압축된 공급 가스 흐름(83)을 제조하기 위해 송풍기 또는 압축기(82) 내에서 비교적 낮은 압력에서 압축된다. 가스 흐름(110)은 데워진 공급 가스 흐름(95)으로부터 분할되며 고온 공급 가스 흐름(85)을 발생시키기 위해 가열기(114) 내에서 선택적으로 가열된 공급 가스 흐름(84)을 벗어나기 위해 임의의 애프터버너(109) 내에서 사용된다. 고온의 공급 가스 흐름(85)은 보유면(87a) 및 투과면(87b)을 갖는 이온 전달 멤브레인(87)을 사용한 이온 전달 연소실 모듈(86)의 공급면에 유입된다. 고온 공급 가스 흐름(85)내의 산소 부분은 이온 전달 연소실 모듈(86)내에서 제거되며 배출 가스 흐름(88)은 공급 가스 흐름(81)에 대해 질소 부화 상태가 된다.
이온 전달 멤브레인(87)의 투과면(87b)은 연소 생성물 및 연료를 함유한 정화 가스 흐름(89)을 사용하여 정화된다. 산소 및 공기 흐름(92)을 함유한 투과 가스 흐름(90)은 가스 흐름(98)을 발생시키기 위해 가스 흐름(90)에 선택적으로 부가될 수 있다. 화학양론 상태 또는 연료가 근소하게 과다한 상태에서 이온 전달 모듈 연소실(86)을 작동시킴으로써, 배기 가스 흐름(90)의 산소 농도는 낮은 수치에서 유지될 수 있다. 가스 흐름(98)은 열 입력을 요하는 하류부문 공정(99)에서 사용되며 하류부문 공정(99)으로부터 비교적 냉각된 배기 가스 흐름(100)은 두 부분, 배기 가스 흐름(101,102)으로 분할된다. 연료 가스 흐름(105)은 이온 전달 연소실 모듈(86)에 유입되고 이온 전달 멤브레인(87)의 투과면(87b)을 정화시키기 위해 사용되는 가스 흐름(89)을 발생시키기 위해 배기 가스 흐름(101)에 부가된다.
배기 가스 흐름(102)은 두 부분, 고온의 페 가스 흐름(116)과 가스 흐름(115)으로 분할된다. 전술한 바와 같이, 고온의 폐 가스 흐름(116)은 폐 가스 흐름(117)을 발생시키기 위해 압축 공급가스 흐름(83)을 가열시키기 위해 열 교환기(113) 내에서 사용된다. 질소가 부산물로 사용되지 않고 배기 가스 흐름(115)의 온도가 충분히 높다면 가스 흐름(115)은 질소 과부하 보유면 가스 흐름(88)과 혼합된다. 상기 단계의 이유는 애프터버너(109)내의 연소에 의해 배기 가스 흐름(102)내의 임의의 비 반응 연료를 제거하고 열 교환기(113)의 효율을 개선시키기 위해 열 에너지를 발생시키기 위한 것이다. 보유면 가스 흐름(88)은 배기 가스 흐름(115)보다 높은 압력에 놓여 있으며 가스 흐름(119)을 발생시키기 위해 가스 흐름과 혼합되기 이전에 보유면 가스 흐름(88)의 초과 압력을 방출하는 것이 필요하다.
가스 흐름(119)은 가스 흐름(110)이 고온의 폐 가스 흐름(93)을 발생하기 위해 선택적으로 부가되는 임의의 애프터버너(109) 내부로 공급된다. 이러한 경우, 연소를 완료하기 위해 충분한 산소를 함유한 흐름(119)이 필요하다. 전술한 바와 같이, 데워진 공급 가스 흐름(95)으로부터 취해진 가스 흐름(110)은 애프터버너(109)에 선택적으로 부가될 수 있다. 결합된 흐름의 흐름 속도는 이온 전딜 연소실 모듈(86)과 하류부문 공정(99)으로부터 배기 가스를 혼합함으로써 증가된다. 이는 열 교환기(113)내의 용량 비를 개선시키고 압축된 공급 공기 가스 흐름(83)에 열 전달을 증진시킨다. 가스 흐름(94)은 (연소를 완료하기 위해 과다 사용되는)산소와 애프터버너(109)가 사용되고 가스 흐름(94)이 폐 흐름으로 무시된다면 연소 생성물을 함유한다.
도 3의 실시예에서, 이온 전달 연소실 모듈(86) 내에서 발생되는 반응열은 대류 또는 복사 열 전달 공정에서 연소실 내에서 제거되거나 빈화된다. 예를 들어, 이온 전달 멤브레인(87)은 튜브 내부로 흐르는 반응성 정화 가스 흐름(89)을 갖는 튜브로 형성된다. 튜브로서 형성된 이온 전달 멤브레인(87)의 정화면(87b) 상에 발생된 열로 인해, 튜브는 고온 상태에 놓이며 가열 요소로 작동된다. 이온 전달 멤브레인(87) 튜브는 유리 용해 또는 금속 어닐링과 같은 공정이 수행될 수 있는 보유면(87a) 또는 투과면(87b)에 방출할 것이다. 또한, 이온 전달 모듈(86) 내에서 발생된 열 부분은 압축된 공급 가스 흐름(85)과 정화 가스 흐름(89)을 예열하기 위해 사용되며, 열교환기(113)와 가열기(114)의 필요성을 없앤다. 이러한 경우, 노의 하중이 이온 전달 멤브레인(87)의 투과면(87b)(즉, 산화 가스의 측면)상에 놓여진다.
이온 전달 연소실 모듈에 연도 (노) 가스의 내부 순환을 일체화시키는 것이 또한 가능하다. 노와 이온 전달 연소실 모듈이 대략 동일한 온도(예를 들어, 800 내지 1200 ℃)에서 작동된다면, 이 때 이온 전달 연소실은 노의 대기가 청정으로 제공되는 노의 내부면에 직접 위치될 수 있다. 즉, 이온 전달 멤브레인에 유해한 재료는 함유하지 않는다. 이온 전달 공정에서 도 4에 도시되어진 실시예에서, 연소실 및 하류부문 공정은 단일 유닛 내에서 모두 일체화된다. 가열된 공기와 같은 공급 흐름(132)은 질소와 같은 고온의 산소가 빈화된 보유 흐름(134)을 발생시키기 위해 멤브레인(120)의 음극면(120a)에 부딪쳐서 향하고 있다. (노의 하중과 같은) 하류부문 공정(130)은 이온 전달 멤브레인(120)의 투과면 또는 양극면(120b)에 도시되어 있다. 상기와 같은 배치에서, 연료 가스 흐름(121)은 투과면(120b)의 표면에 근접하여 공급되며, 이온 전달 멤브레인(120)을 가로질러 전달되는 산소를 효율적으로 빈화시킬 수 있다. 고온 지대(138) 내의 연소 생성물은 자연 대류 또는 강제 대류에 의해 양극면(120b)에 반대하여 노 내에서 재순환 될 수 있다. 도 4에 도시되어진 것처럼 흐름(146a)에 의해 점선으로 도시되어진 것처럼 노(130)로부터 얻어진 연소 생성물 흐름(146)과 연료 가스 흐름(121)은 이온 전달 멤브레인(120)의 투과면(120b)에 인접한 다공성의 연료 확산층(122)을 통해 선택적으로 공급된다. 바람직하게, 확산기 층(122)은 멤브레인(120)을 가로질러 연료를 보다 균일하게 확산시키기 위해 적어도 하나의 통로 또는 챔버를 한정한다.
산소 및 연소 생성물을 함유한 반응성 투과 흐름(136)은 고온 지대(138)를 통해 노(130)로 향한다. 바람직하게, 고온 질소(140) 부분은 노(130) 위로 비활성 대기를 제공하기 위해 밸브(142)를 통해 향한다. 필요에 따라 부가 연료(144)가 노(130)에 부가된다. 또 다른 구성에서, 이온 전달 멤브레인(120)은 노(130)의 외부인 각각의 모듈의 부분이다. 외부 또는 일체식 구성중의 하나에 있어서, 두 단계의 이온 전달 시스템에 있어서 제 1 단계의 양극면은 희석된 산소 투과 흐름을 발생시키기 위해 제 1 단계로부터 보유 흐름에 의해 정화되며, 제 2 단계의 음극면은 연료 부하 투과 흐름을 발생시키기 위해 반응하여 정화된다. 두 개의 투과 흐름은 노 대기 내에서 고온의 질소 보유 흐름을 사용하거나 사용하지 않고 연소용 노에서 사용된다.
최상의 노 온도가 이온 전달 작동 온도보다 더 높을 때, 표면 영역의 노 영역은 이온 전달 작업(예를 들어, 연속 재가열 노의 예열 단면) 또는 발생될 수 있는 온도를 제어하기 위해 적절한 열 싱크를 갖는 특정 챔버에서 선택된다. 예를 들어, 보일러 적용 또는 석유 가열기에서, 이온 전달 모듈의 최적의 온도의 영역을 발생시키기 위해 노의 열 부하(즉, 물 또는 오일 튜브)를 사용하기에 적합하다. 대부분의 연도 가스는 연속적으로 정화시키고 산소 농도를 낮게 유지시키기 위해 상기 영역을 통해 순환된다. 낮은 산소 농도 및 높은 노 가스의 순환은 희석한 산소 연소법에 공동 작용을 제공한다.
본 발명에 따라 통합된 공정은 많은 잇점을 갖는다. 예를 들어, OEC의 산소 농도는 정화용으로 배기 가스 흐름을 사용함으로써 저압의 공급 가스 흐름으로부터 추출되며 이는 산소 분리 공정의 전력 요구량을 낮춘다.
산소만이 이온 전달 멤브레인을 통과함으로 인해, 이온 전달 멤브레인을 빠져나오는 정화 가스 흐름에 질소는 부가되지 않는다. 공기가 연소 혼합물 내부로 고의로(예를 들어, 임의의 가스 흐름(12)) 또는 누출에 의해 통과한다 하더라도, 연소 혼합물 내의 질소 분율은 낮다. 이는 연소실 내의 NOX의 형성을 최소화하거나 감소시킨다.
더욱이, 하류부문 공정 전 또는 후에 취해지는 배기 가스의 적절한 혼합에 의해, 이온 전달 공정에서 요구되는 정화 유입 온도를 제어하는 것이 가능하다. 이는 독립적으로 예열하는 필요성을 없앤다.
게다가, 모든 연료의 연소가 이온 전달 모듈 내에서 수행된다면 각각의 연소실 장치는 제거될 수 있다. 이는 시스템의 간략화와 비용 절감을 초래한다. 더욱이 이온 전달 모듈 내의 공급 가스 흐름으로부터 충분한 산소가 제거된다면, 이온 전달 모듈로부터 질소 과부하 흐름 보유는 생성물으로 사용될 수 있다. 이는 예를 들어 연료 가스 흐름(11)으로 부가된다. 질소가 부산물로 필요하다면, 생성물 질소 공급량에 필요한 압력에 공급 가스 흐름을 압축하는 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 경우 이온 전달 모듈로부터 보유 가스 흐름은 하류부문 공정으로부터 배기 가스 흐름과 혼합되지 않는다. 상기 경우, 각각의 열 교환기는 배기 가스 흐름으로부터 열을 재생하기 위해 설치될 수 있으며, 배기 가스 흐름이 보유 가스 흐름과 비교하여 보다 적고 냉각의 흐름이므로, 열 재생은 발생되지 않는다.
더욱이, 정화 가스 흐름의 사용은 이온 전달 멤브레인의 투과면상에 산소 농도를 감소시킨다. 감소된 산소 농도는 투과면 상에서 이온 전달 모듈과 하류부문 공정(예를 들어, 연소실)의 설계를 보다 용이하게 한다. 정화 흐름의 부재에 있어서, 이온 전달 멤브레인의 투과면 상에 순수 산소가 제조된다. 상기 고 순도 산소 흐름의 안전 조작은 상승된 온도에서 특히 요구된다.
게다가, 정화 배기 가스의 산소의 농도는 여러 가지 방법 예를 들어, 공급 가스 흐름의 유량을 조절하거나, 정화 가스 흐름의 유량을 조절하거나(연소 생성물 주기의 증가), 이온 전달 모듈 작동 온도를 변화시키거나, 이온 전달 단계의 멤브레인 영역을 변화시킴으로써 쉽게 제어된다. 상기 방법은 분리된 산소의 총량을 제어하는데 효과적이며 부하 추적 목적으로 사용될 수 있다.
최근에, 이온 전달 분리기의 사용은 독립형의 산소 발생기(예를 들어, PSA) 또는 산소 공급 시스템(예를 들어, 액체 탱크 및 증발기)의 필요성을 없앤다. 이는 자본 비용과 제조된 산소의 비용의 감소를 산출하기 위해 예상된다.
다수의 공정 변경예는 전술된 공정 배치의 영역내에서 가능하다. 예를 들어, 공급 가스 흐름을 가열시키기 위해 하류부문 공정으로부터 배기 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 이온 전달 모듈을 벗어난 정화 가스 흐름에 일부 고기를 부가하는 것이 가능하다. 이는 특히, 작업 개시 조건 및 부하 추적 목적으로 특히 바람직하다. 게다가, 전술된 공정이 혼합 도전체 압력 구동식의 이온 전달 멤브레인에 적합하다 하더라도, 본 발명의 개념은 외부 전류 회로를 갖는 압력 또는 전기 구동식 형태에서 작동되는 주요 이온 도전체에 적합하다. 최근에, 대응 전류 산소 분리 공정이 도 1에 도시되어져 있다 하더라도, 병류 또는 횡류 형태에서 동일한 공정이 수행될 수 있다.
전술된 바와 같이, 상기 용어 고체 전해질 이온 도전체,고체 전해질, 이온 도전체, 및 이온 전달 멤브레인은 이온 형태의(전기 구동식의) 시스템 또는 혼합 도전체 형태의(압력 구동식의) 시스템을 지정하는데 사용된다.
상기 용어 질소는 산소 빈화 가스 즉, 공급 가스에 비해 산소가 빈화된 가스를 의미한다. 전술한 바와 같이, 이온 전달 멤브레인은 산소 투과를 허용한다. 따라서, 보유 흐름의 조성은 공급 가스의 조성에 따라 달라진다. 공급 가스는 산소가 빈화되나 공급 가스 내에 존재하는 질소 및 임의의 다른 가스(예를 들어, 아르곤)는 그대로 유지된다. 상기 용어의 의미는 본문에 기술되어진 것처럼 본 발명의 당업자들에게는 명확하게 이해되어질 것이다.
본문에 사용된 용어 원소 산소는 주기율표에서 임의의 다른 원소와 결합하지 않는 산소를 의미한다. 두 개의 원자 형태를 하고 있더라도, 원소 산소는 단일의 산소 원자, 3개의 오존, 및 다른 원소와 결합하지 않는 다른 형태를 함유하고 있다.
상기 용어 고순도는 체적비로 5% 이하의 원치 않는 가스를 함유하는 생성물 흐름을 의미한다. 바람직하게, 생성물은 적어도 98% 순도, 보다 바람직하게 99.9%의 순도, 가장 바람직하게는 적어도 99.99%의 순도를 가지며, 순도는 원치 않는 가스가 없음을 의미한다.
압력 스윙 흡착 또는 PSA시스템은 다른 가스로부터 임의의 질소, 일반적으로 질소를 분리하기 위해 가스에 선택적인 흡착제 재료를 사용하는 시스템을 의미한다. 상기 재료는 탄소를 함유하며 고압의 질소 및 저압의 산소를 제공하는 반응 선택 PSA 재료와 리튬을 함유하고 저압의 질소 및 고압의 산소를 제공하는 평형 선택 PSA 재료를 포함한다.
본 발명의 특성은 편의상 하나 이상의 도면에 도시되어 있으며, 각각의 특성은 본 발명에 따라 다른 특성과 결합한다. 게다가, 본 발명의 영역으로부터 벗어남없이 다양한 변경예가 있을 수 있다. 상기 변경예는 전술한 중합체 멤브레인의 기능을 제공하기 위해 압력 스윙 및 열 스윙 흡착층 또는 산소 분리의 다른 방법을 사용한다.
본문에 기재된 실시예 및 세부 사항은 본 발명을 이것에 국한시키려는 것이 아니며 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 빛 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
다양한 공정 조건을 통합함으로써 산소 부화 연소 공정을 효율적으로 제공할 수 있으며, 연소 공정에서 발생하는 NOX형성 및 질소 가스의 가열로 인한 열 손실을 최소화하거나 제거시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 산소를 함유하는 공급 가스 흐름을 연소실 내에서 사용되는 산소 부화 가스 흐름 및 산소 빈화 가스 흐름으로 분리시키기 위한 방법에 있어서,
    공급 가스 흐름을 압축시키기 위한 단계와,
    보유면과 투과면을 갖는 이온 전달 멤브레인을 포함하는 이온 전달 모듈을 사용하여 상기 투과면 상의 정화된 산소 가스 흐름을 분리시키기 위해 상기 압축된 공급 가스 흐름으로부터 산소를 분리시키고, 산소 빈화 가스 흐름을 발생시키기 위해 상기 보유면 상의 산소를 감소시키는 단계와,
    상기 이온 전달 멤브레인의 투과면을, 상기 이온 전달 모듈의 투과면을 벗어난 상기 가스 흐름에 대한 연소실 내의 연소로부터 얻어진 연소 생성물 가스 흐름의 적어도 일부분으로 정화시키는 단계를 포함하며,
    상기 정화된 산소 가스 흐름은 산소 부화 가스 흐름을 형성하기 위해 투과면 상의 다른 가스 성분과 혼합되는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공급 가스 흐름은 공기인 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 이온 전달 멤브레인의 투과면을 정화시키기 위해 사용되는 연소 생성물 가스 흐름은 상기 이온 전달 멤브레인을 통해 투과하는 정화된 산소 가스 흐름과 반응하는 반응성 가스를 포함하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 이온 전달 멤브레인의 투과면을 정화시키기 이전에 상기 연소 생성물 가스 흐름을 냉각시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 이온 전달 모듈의 투과면을 벗어난 가스 흐름은 10 내지 90%의 산소 농도를 갖는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 이온 전달 모듈 내부로 공급되기 이전에 상기 압축된 공급 가스 흐름을 가열시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 연소실은 상기 이온 전달 멤브레인의 투과면상에 있는 상기 이온 전달 멤브레인과 통합되는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 연소 생성물 가스 흐름의 적어도 일부분은 하류부문 공정에서 사용되는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 연소실 및 하류부문 공정은 이온 전달 멤브레인의 투과면상에 있는 이온 전달 모듈과 통합되는 방법.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 하류부문 공정으로부터 공급되는 하류부문 생성물 가스 흐름의 적어도 일부분은 상기 이온 전달 멤브레인의 투과면을 정화시키기 위해 사용되는 방법.
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