KR20010029606A - 고체 전해질 이온 전도체 시스템을 이용한 보강된 연소 공정 - Google Patents

고체 전해질 이온 전도체 시스템을 이용한 보강된 연소 공정 Download PDF

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KR20010029606A
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조안 엠. 젤사 ; 로버트 지. 호헨스타인 ; 도로시 엠. 보어
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Abstract

본 발명은 저농도의 질소를 함유하는 산화제를 이용하는 연소 또는 부분적 산화 공정에 관한 것이다. 산소-함유 가스는 제1 압력을 갖는 보유면과 제2 압력을 갖는 투과면으로 이루어진 이온 전달막을 포함하는 이온 전달 모듈로 주입되어, 투과면 상에서 정제된 산소 가스 기류를 분리하고, 보유면 상에서는 산소를 고갈시켜 산소-결핍 가스 기류를 생성시킨다. 저농도의 질소를 함유하는 퍼지 가스 기류를 약 40 % 미만의 산소를 함유하는 산화제 기류를 형성시키기 위하여 투과면에 통과시킨다. 그 다음 산화제 기류 및 연료는 열을 발생시키고, 연소 또는 부분적 산화 생성물을 생성시키기 위하여 연소 또는 반응 챔버 내로 주입된다.

Description

고체 전해질 이온 전도체 시스템을 이용한 보강된 연소 공정{Process for Enriched Combustion Using Solid Electrolyte Ionic Conductor Systems}
관련 출원 현황
본 발명은 미국특허출원 제08/868,962호(1997. 6. 5 출원)의 일부 계속 출원이다.
발명의 분야
본 발명은 고체 전해질 이온 전도체 막을 이용하는 산소 분리 공정으로 높은 산소 연소가 이루어지도록 하는 방법이며, 특히 산화제로 희석된 산소 기류를 이용하여 연소 공정의 경제성, 효율성 및 오염 문제를 개선하기 위한 방법에 관한 것이다.
발명의 배경
다른 많은 산소 분리 시스템, 예를 들어 유기 고분자막 시스템은 공기 및 다른 가스 혼합물로부터 선택된 가스를 분리하는데 이용되고 있다. 공기는 다양한 양의 수증기를 포함하는 가스의 혼합물이며, 체적에 의한 조성이 산소(20.9 %), 질소(78 %), 아르곤(0.94 %) 및 다른 미량의 가스들로 이루어진다. 완전히 다른 형태의 막이 특정한 무기 산화물로 제조될 수 있다. 이들 고체 전해질 막은 칼슘-, 또는 이트륨-안정 지르코늄, 및 형석(fluorite) 또는 희티탄석(perovskite) 구조를 갖는 유사 산화물에 의하여 형태화된 무기 산화물로 제조된다.
상기 고체 산화물 중 몇몇은 막에 전위(electric potential)를 통과시키는 경우 상승된 온도에서 산소 이온을 전달하는 능력을 지니고 있는데, 다시 말해 상기한 것들은 전기적 전달 또는 이온성 전도체이다. 최근 연구에 의하면 고체 산화물은 화학적인 구동 전위(chemical driving potential)가 적용되는 경우 상승된 온도에서 산소 이온을 전달할 수 있는 능력을 지닌다고 보고되고 있다. 산소에 대한 상기 물질들의 선택도가 무한하고, 산소가 전형적인 막에서 얻어지는 것 보다 상당히 높은 산소 유동(flux)이 얻어질 수 있기 때문에, 상기 이온 전달막을 이용함으로써 산소를 생성시키는 좋은 기회가 부여된다.
가스 분리막으로써 이러한 산화물 세라믹 재료에 대한 상당한 잠재성이 있기는 하지만, 이들을 사용하는데 있어서는 문제가 있다. 가장 분명하게 발생되는 문제는 상기 알려진 산화물 세라믹 재료 모두가 단지 고온에서만 상당한 산소 이온 전도도를 나타낸다는 점이다. 상기 물질들은 보통 500 ℃ 이상에서, 일반적으로 600∼900 ℃에서 잘 작동된다. 저온에서도 잘 작동되는 물질을 찾기 위한 많은 연구에도 불구하고 이러한 한계는 여전히 남아있다. 고체 전해질 이온 전도체 기술은 Prasad 외, 미국특허 제5,547,494호의 "단계화된 전해질 막(Staged Electrolyte Membrane)"에서 보다 상세히 기술되어 있다.
그러나 연소 공정은 일반적으로 고온에서 이루어짐으로써 산소 보강 연소 공정과 이온 전달 시스템을 통합하는 것이 효과적으로 가능하며, 본 발명은 산소 보강 연소 공정과 함께 이온 전달 시스템이 통합되어 있는 새로운 구도를 포함한다.
대부분의 전형적인 연소 공정은 가장 사용이 편리하고 풍부한 산소 원료(source of oxygen), 즉 공기를 이용한다. 공기 내에 존재하는 질소는 연소 공정에 이롭지 않으며, 많은 문제를 야기시킨다. 예를 들어 질소는 연소 온도에서 산소와 반응하여 질소 산화물(NOx) 및 바람직하지 않은 오염물을 형성한다. 많은 경우에, 연소 생성물은 환경적으로 수용 가능한 제한 수위 이하로 질소 산화물의 배출이 감소되도록 처리되어야 한다. 더욱이, 질소의 존재는 도관 가스(flue gas) 내의 열손실을 증가시키고, 연소 공정의 열 효율을 감소시키는 도관 가스 체적(flue gas volume)을 증가시킨다. 이러한 문제점들을 개선하기 위하여, 산소-보강 연소 공정(Oxygen-Enriched Combustion: OEC)이 수년간 상업적으로 실행되었다. 산소-보강 연소 공정은 감소된 배출물(특히 질소 산화물), 증가된 에너지 효율성, 감소된 도관 가스 체적, 더욱 순수하고 더욱 안정적인 연소, 및 하류 순환(downstream cycle)에 있어서 증가된 열역학적 효율을 위한 잠재성을 포함하는 잇점이 있다. 그러나 상기 OEC를 도입함으로써 얻어지는 이득은 본 발명에 있어서 제조되는 산소의 비용과 비교하여 검토되어야 한다. 결과적으로, OEC를 위한 시장은 산소-보강 가스를 생성시키는 비용에 크게 의존적이다. 산소-보강 가스가 약 15 $/ton 정도로 감소될 수 있다면 OEC의 새로운 시장이 요구하는 산소는 시간(day) 당 100,000 톤일 것이다. 이온 전달막이 도입된 가스 분리 공정은 그러한 목표를 달성할 수 있을 것으로 보인다. OEC에 대해서는 H. Kobayashi, 산소 보강 연소 시스템의 성능에 관한 연구, Vol. 1: Technical and Economic Analysis(Report #DOE/ID/12597), 1986 및 Vol. 2: Market Assessment(Report #DOE/ID/12597-3), 1987, Union Carbide Company-Linde Division, Reports for the U.S. Dept. of Energy, Washington, D.C.에서 상세하게 기재되어 있다.
가스 기류로부터 산소를 분리하는데 이용되는 이온 전도체 기술에 관한 문헌으로는 하기와 같은 것들이 있다:
Hegarty의 미국특허 제4,545,787호는 터빈 동력 발생(turbine power generation)으로부터 부차적으로 생성되는 산소를 발생시키는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 공기 기류로부터 산소를 제거함으로써 압축되고 가열된 공기 기류로부터 동력(power)을 발생시키고, 연료 기류로 생성물 공기 기류의 일부를 연소시키고, 생성물 공기 기류의 다른 부분과 연소 폐기물을 결합시키고, 그리고 동력을 발생시키는 터빈을 거쳐 최종 연소 생성물을 팽창시키는 것으로 이루어진다. Hegarty는 공기 기류로부터 산소를 제거하기 위하여 은이 합성된 막(silver composite membrane) 및 합성 금속 산화물 고체 전해질 막을 이용하는 것에 대하여 언급하고 있다.
Kang 외의 미국특허 제5,516,359호는 산소 생성을 위하여 통합된 고온 방법(Integrated High Temperature Method for Oxygen Production)에 관한 것으로, 상기 방법은 비투과성 생성물이 더욱 가열되고 동력 발생을 위하여 터빈을 따라 통과하여 지나가는 고체 전해질 이온 전도체 막을 이용하여, 가열되고 압축되는 공기로부터 산소를 분리시키는 것으로 이루어진다.
Mazanec 외의 미국특허 제5,160,713호는 비스무트(bismuth) 함유 물질과 혼합된 금속 산화물 막을 이용하여 산소 함유 가스로부터 산소를 분리시키는 방법(Process for Separating Oxygen from an Oxygen-Containing Gas by Using a Bi-Containing Mixed Metal Oxide Membrane}에 관한 것이며, 산소 이온 전도체로써 이용될 수 있는 비스무트(bismuth)-함유 물질을 개시한다.
산소-보강 또는 강화 연소(OEC)에 관한 간행물 중 "공업적인 노(furnace)에 적용되는 산소 보강 연소(oxygen-enriched combustion) 시스템의 기술적·경제적 평가"에 대한 것으로 H. Kobayashi, J.G. Boyle, J.G. Keller, J.B. Patton 및 R.C. Jain에 의하여 저술된 상기 언급한 미합중국 에너지 관리국(U.S. Dept. of Energy)의 보고서는 1986년 4월 29일, 30일 양일간에 걸쳐 일리노이주 시카고에서 개최된 공업 연소 기술의 1986 심포지엄에서 공개되었고, 또한 M.A. Lukasiewics의 American Society for Metals, Metals Park, OH에 대한 간행물에는 산소 보강 연소 시스템의 다양한 기술 및 경제적인 측면들이 언급되어 있다.
산소-보강 연소는 압력 스윙 흡착(Pressure swing adsorption: PSA)와 같은 극저온 증류(cryogenic distillation) 또는 비극저온(noncryogenic) 공정에 의하여 제조된 산소를 이용하여 상업적으로 실시되어 왔다. 상기 공정 모두는 100 ℃ 이하에서 작동되었고, 따라서 연소 공정과 열적으로 통합되기 어려웠다.
증기 동력 플랜트(steam power plant)의 보일러(boiler)가 산소 및 연료와 함께 가열될 때, 본 발명의 기술분야에 있는 극저온 플랜트 내에서 공기를 분리하는데 요구되는 상기 동력은 매우 많은 양이며, 단일 순환 스팀 보일러 동력 플랜트로부터 발생되는 총 동력의 약 16 %를 소비한다. 공기 분리에 요구되는 공기의 압축은 이러한 동력 요구 조건의 주된 원천이 된다.
산소는 대부분의 보일러에 적용되기에는 너무 비싸다. 전형적인 공기-연료로 가열된 보일러 가동에 있어서, 공기는 H2O의 몇 인치의 압력에서 대략적으로 대기압에서 가동되는 연소 챔버 내로 공급된다. 오히려 몇 psig의 낮은 압력으로 압축된 공기는 압축을 위하여 증가된 동력의 필요 및 동력 발생 효율면에서의 결과적 손실 때문에 너무 비용이 많이 든다.
세라믹 막을 이용하는데 있어서 실제적인 문제 중 하나는 세라믹 이음새 부분에서의 누출 및 세라믹 막 튜브의 크랙 발생이 조절되기 어렵다는 것이다. 세라믹 물질은 높은 온도에서 이용되는 경우 스트레스 크랙을 발생시킬 여지가 있으며, 특히 온도 변화에 의하여 크랙을 발생시킬 수 있다. 그러므로, 열적 그리고 물리적 스트레스로 인한 세라믹 막 튜브의 크랙에도 불구하고 효율적 그리고 효과적인 가동이 연속적으로 이루어질 수 있는 강한 세라믹 막 시스템을 개발하는 것이 매우 요구되는 바이다.
본 발명의 목적은 대기압에 가까운 압력에서 세라믹 막 모듈(module)로 공기가 공급되고, 지금까지의 전형적인 방법 보다 실질적으로 적은 전기 동력을 필요로 하는 산소 보강 연소 또는 부분적인 산화 공정을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 연소 공정에서 질소 가스의 가열로 인한 NOx형성 및 열 손실을 최소화하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 공-생성물로써 이용되는 이온 전달막 모듈로부터 질소가 풍부하게 함유된 가스 기류(nitrogen-rich gas stream)를 회수하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 회수를 위한 이산화탄소가 풍부하게 함유된 도관 가스 기류를 생성시키기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 본 발명의 구체예에 대한 상세한 설명 및 첨부된 도면으로부터 본 발명의 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 잘 이해될 것이며, 도면에 대한 설명은 다음과 같다:
도 1은 산소 보강 연소 및 하류 공정(downstream process)과 이온 전달 산소 생성(ion transport oxygen production)이 통합된 것을 보여주는 개략도이다.
도 2는 도 1과 유사한 것으로, 산소 보강 연소 및 하류 공정과 이온 전달 산소 생성이 통합된 것을 보여주는 개략도이다.
도 3은 연소기에 이온 전달 모듈(ion transport module)이 통합된 것으로, 도 2와 유사한 개략도이다.
도 4는 이온 전달 공정, 연소기 및 하류 공정이 단일 모듈에 통합되는 방법을 보여주는 개략도이다.
도 5는 단일 모듈에 통합된 이온 전달 공정, 연소기 및 하류 공정에 대한 구체예를 나타낸 개략도이다.
도 6은 2개의 별개의 이온 전달막 공정에 대한 구체예를 나타낸 개략도이며, 상기 두 공정 중 하나의 공정에는 도관 가스(flue gas) 재순환이 이용되지 않는다.
발명의 요약
본 발명은 저농도의 질소를 갖는 산화제를 이용하여 연소 또는 부분적 산화 공정을 포함한다. 산소 함유 가스는 제1 압력을 갖는 보유면(retentate side) 및 제2 압력을 갖는 투과면(permeate side)을 포함하는 이온 전달 모듈로 주입되어, 투과면 상에서의 정제된 산소 가스 기류(oxygen gas stream)를 분리하고, 보유면 상에서는 산소를 고갈시켜 산소-결핍 가스 기류(oxygen-depleted gas stream)를 생성시킨다. 낮은 농도의 질소를 함유하는 퍼지 가스 기류(purge gas stream)는 약 80 % 미만의 산소를 함유하는 산화제 기류를 형성하도록 투과면을 통과한다. 산화제 기류 및 연료는 연소 또는 반응 챔버로 공급되어 열을 발생시키고 연소 또는 부분적 산화의 생성물을 발생시킨다.
바람직한 구체예에서, 공기는 산소-함유 가스로써 이용된다. 제1 압력 : 제2 압력의 비율은 4.78 미만이고, 바람직하게는 0.5∼4.0이며, 더욱 바람직하게는 0.8∼2.0이고, 그리고 가장 바람직하게는 0.9∼1.5이다. 산화제 기류는 1∼40 %의 산소, 더욱 바람직하게는 2∼15 %의 산소, 그리고 가장 바람직하게는 3∼10 %의 산소로 이루어진다. 퍼지 가스는 10 % 미만의 질소, 바람직하게는 5 % 미만의 질소로 이루어진다. 상기 산화제 기류의 온도는 500 ℃ 이상이 바람직하고, 상기 산화제 기류는 실질적인 냉각 없이 연소 또는 반응 챔버로 주입된다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 도면을 인용하면서 상세하게 기술될 것이며, 인용되는 숫자들은 부재 번호를 나타내는 것이다.
본 발명은 산소-보강 연소(Oxygen-Enriched Combustion: OEC)와 이온 전달 산소 생성이 경제적 측면에서 효율적으로 통합될 수 있는 공정 구성을 개시한다. 비록 이온 전달막을 위한 압력-구동 공정(pressure-driven process)은 단순한 구조로 선호되기는 하지만, 여기에서 기재된 개념은 전자 복귀를 위한 전극 및 외부 회로(external circuit)를 포함하는 이온 전도체 만으로 구성된 막 또는 혼합된 전도체 막을 이용하는 막 시스템에 적용된다.
지금까지의 상업적인 산소 생성 공정들은 일반적으로 100 ℃ 아래에서 작동되었다. 이러한 저온 공정 때문에, 상기 공정들은 OEC 공정과 통합하는데 있어서 상당한 효율성을 얻지 못하였다. 상승된 작동 온도(일반적으로 600 ℃ 이상)는 산소를 이용하는 연소와 같은 고온 공정을 통합시키는데 적합하다. 게다가, 연소 배기 도관 가스(combustion exhaust flue gas)가 이온 전달막의 성능을 향상시키는데에 효과적으로 이용될 수 있을 것으로 보인다. 전형적인 산소 생성 공정들(예를 들어, PAS, TSA 또는 막-기저 공정)은 배기 도관 가스가 연소 챔버 밖으로 배출될 때 고온이기 때문에 상기 배기 도관 가스를 쉽게 이용할 수 없다.
본 발명의 공정 구성의 본질을 이루는 것은 산소-함유 가스(반드시 공기는 아님)로부터 산소를 분리하기 위한, 그리고 산소 보강 연소를 포함하는 하류 공정으로 분리된 산소를 이용하기 위한, 고체 산소 이온 전도막 또는 혼합된 전도막이 도입된 이온 전달막이다. 이온 전달막의 투과면에서 산소의 부분압을 감소시키기 위하여, 산소-결핍 가스(예를 들어, 연소 공정 또는 모든 하류 공정으로부터 소비되는 가스)를 퍼지 가스 기류로 이용한다. 상기 퍼지(purging)는 이온 전달막을 가로지르는 구동력을 향상시키며, 높은 산소 유동(flux)과 더 낮은 막 부위 필요 조건에 영향을 미친다. 이러한 잇점은 공급 가스 기류가 비교적 낮은 압력으로 공급될 때 비로소 발생되며, 실질적인 요구에 대한 시스템의 동력에 대한 필요를 감소시킨다. 연소 배기 가스의 재순환은 연소기의 온도를 조절하고 NOx형성(예를 들어 대기에 함유된 질소로부터)을 감소시키는데 있어서 중요한 희석 기류(diluent stream)를 제공하기 때문에 유리하다. 또한 이러한 공정의 효율성은 산소 분리기로 주입되는 도관 가스로 연료를 첨가함으로써 향상될 수 있다. 더 나아가 이러한 점은 투과면에서의 산소 부분압을 감소시켜, 이온 전달 분리기에서의 높은 산소 유동을 야기시킨다. 본 발명의 몇몇 구체예에서, 이온 전달 모듈은 연소기 기능을 할 수 있으며, 많은 회로 이온 전달막의 최대 작동 온도인 1,100 ℃ 이상의 온도에서 연소기를 빠져나가는 가스 기류가 필요한 경우를 제외하고는, 개별적인 연소기를 필요로 하지 않는다. 작동 범위내로 이온 전달 모듈의 온도를 유지하는데 필수적인 열이 당업자에게 알려진 다양한 원천(source), 특히 애프터버너에서 발생된 열 및 재순환된 뜨거운 연소 생성물 가스 등으로부터 발생할 수 있다.
대부분의 혼합 전도체(mixed conductor)에서, 전자 전도성은 대상물의 작동 온도에서 산소 이온 전도성을 크게 초과하며, 한 면에서 다른 면으로 산소가 전부 전달되도록 산소 이온 전도성에 의하여 조절된다. 많은 전위 혼합 전도체(potential mixed conductor)가 형석(fluorite) 및 회티탄석(pervskite) 결정 구조로 동정되었다. 이온 전달막의 기능은 광범위하게 연구되었고(예를 들어, 연료 전지에 대해서), 정밀하게 설계되었다. 하기 표 1a 및 1b는 산소 분리를 위한 대상물의 혼합된 전도체의 재료 조성을 나타낸 것이다.
도 1은 산소-보강 연소(oxygen-enriched combustion)와 이온 전달 산소 생성을 통합시킨 것을 나타낸 개략도이다. 작동되는 동안, 원소적인 산소(elemental oxygen)를 함유한, 특히 공기를 함유한 공급 가스 기류(1)가 블로워(blower) 또는 압축기(2)에서 비교적 낮은 압력으로 압축되어 압축된 공급 가스 기류(3)를 생성시키고, 상기 공급 가스 기류(3)는 소비 가스 기류(31) 및 생성물 질소 가스 기류(37)에 대하여 열 교환기(33)에서 가열되어, 따뜻한 공급 가스 기류(4)를 생성시킨다. 가스 기류(28)는 따뜻한 공급 가스 기류(4)로부터 분리되어 나갈 수 있으며, 가열기(34)에서 선택적으로 가열된 공급 가스 기류(5)를 방출시키는 선택적인 애프터버너(26)에서 이용되어 뜨거운 공급 가스 기류(6)를 생성시킬 수 있다. 뜨거운 공급 가스 기류(6)를 보유면(7a) 및 투과면(7b)을 갖는 이온 전달막이 도입된 이온 전달 모듈(35)의 공급 면(feed side)으로 들여보낸다. 뜨거운 공급 가스 기류(6)의 일부는 이온 전달 모듈(35)에서 제거되고, 방출된 가스 기류(8)는 공급 가스 기류(1)에 비하여 질소-보강(nitrogen-enriched)된다. 이온 전달막(7)의 투과면(7b)은 연소 생성물을 함유하는 퍼지 가스 기류(9)를 이용하여 퍼지(purge)된다. 투과 가스 기류(10)는 산소를 함유하며, 상기 가스 기류(10)는 연료 가스 기류(11)와 나중에 혼합된다. 공기, 산소 또는 산소가 보강된 공기 기류(12)는 선택적으로 가스 기류(10)에 첨가될 수도 있다.
연소될 수 있는 가스 기류(13)는 선택적 블로워(도시되지 않음)를 거친 후, 연소기(14)로 들어간다. 선택적인 또는 추가적인 또는 연료 가스 기류(11) 대신에 연료 가스 기류(15)는 직접적으로 연소기 또는 노(furnace)(14)로 공급되어 노에 투입될 열을 발생시키고, 열을 전달시키거나, 또는 전달 표면에 열을 가한다. 화학 양론적 또는 약간 연료가 풍부한 조건에서 연소기(14)를 작동시킴으로 인하여, 배기 가스 기류(16) 내의 산소 농도가 낮은 수준으로 유지될 수 있다. 이러한 구체예에서, 연소기(14)로부터 나온 배기 가스 기류(16)는 가스 기류 (17), (18)로 갈라진다. 가스 기류(18)는 열 투입(heat input)을 필요로 하는 하류 공정(19)에서 선택적으로 이용되고, 그리고 하류 공정(19)으로부터 비교적 더 냉각된 배기 가스 기류(20)는 배기 가스 기류 (21), (22)의 두 부분으로 갈라질 수도 있다. 연료 가스 기류(25)는 배기 가스 기류(21)에 첨가되어 가스 기류(38)를 생성시킬 수 있다.
가스 기류(38)는 이온 전달 모듈(35)로 들어가고 이온 전달막(7)의 투과면(17b)을 퍼지하는데 이용되는 가스 기류(9)를 생성시키기 위하여 가스 기류(17)에 첨가될 수 있다. 여기에서 도시되지는 않았지만, 열 교환기(33) 및/또는 선택적인 가열기(34)가 이용되기 보다, 오히려 가스 기류(17) 또는 연소기(14)가 열 교환에 의하여 열 공급 공기(3) 및/또는 따뜻한 공급 가스 기류(5)를 가열하는데 이용될 수 있으며, 뜨거운 공급 가스 기류(6)를 생성시킨다. 배기 가스 기류(22)는 선택적으로 선택적인 애프터버너(26)로 공급되고, 상기 애프터버너(26)에는 공기 기류(27) 또는 가스 기류(28)가 선택적으로 첨가되어 뜨거운 소비 가스 기류(29)가 생성된다. 뜨거운 소비 가스 기류(29)는 가스 기류 (30), (31)로 될 수 있다. 상기에서 언급한 바와 같이, 가스 기류(31)는 압축된 공급 가스 기류(3)를 가열하는 열 교환기(33)에서 소비 가스 기류(32)를 생성시키기 위하여 이용된다. 질소가 공-생성물로 이용되지 않고 배기 가스 기류(30)의 온도가 충분히 높다면, 가스 기류(30)는 질소가 풍부한 보유 가스 기류(nitrogen-rich retentate stream)와 함께 혼합될 수도 있다. 보유 가스 기류(8)가 배기 가스 기류(30) 보다 더 높은 압력에서 존재할 때에는, 가스 기류(30)와 섞이기 전에, 보유 가스 기류(34)를 생성시키기 위하여 팽창 밸브(expansion valve)(23)를 이용함으로써 보유 가스 기류(8)의 과도한 압력을 방출시키는 것이 필요할 수도 있다. 상기 기류(8)의 압력이 2 atm을 초과하는 경우, 팽창 밸브(23)를 팽창 터빈(expansion turbine)으로 대치시켜 축일(shaft work)을 뽑아 내거나 동력이 발생되도록 한다. 보유 가스 기류(24)가 질소가 풍부한 생성물 가스 기류로 바람직하다면, 가스 기류(36) 및 (30)은 섞이지 않는다.
이온 전달 모듈(35) 내에서의 산소-결핍 퍼지 가스 기류(9)를 이용함으로써 이온 전달막(7)의 투과면(7b)에서 산소의 부분압이 더욱 낮아질 것이며, 상기 막(7)을 통과하는 산소의 이송이 빠르게 이루어질 것이다. 본 발명의 이익을 향유하기 위하여 연료 가스 기류(11), (15), (25)는 도 1에 나타낸 모든 전 지점에서 공정 구조내로 도입될 수 있다. 적어도 하나의 연료 가스 기류를 이용하는 것은 본 발명을 위하여 필수적이다. 예를 들어, 이온 전달막(7)의 투과면(7b)에 산소 부분압을 크게 감소시키기 위하여, 이온 전달 모듈(35)의 상류에서 연료 가스 기류(25)가 첨가되는 것이 바람직하다. 이러한 것은 연료 연소로 인한 이온 전달 모듈(35)의 열 발생을 야기시킴으로써, 산소 전달 공정의 열 요구 조건을 상쇄시키게 된다. 이와 같은 경우에 이온 전달 모듈(35)로부터 배출되는 질소가 풍부한 가스 기류(8)는 더 뜨거워질 수 있다. 상기 기류(8)는 더욱 효율적으로 열 교환기(33)에 열을 전달시킬 수 있으며, 그럼으로써 열 교환기가 차지하는 부분을 감소시키고 이온 전달 모듈(35)의 상류에 있는 가열기(34)도 더 이상 필요 없게 된다. 충분한 연료가 퍼지(purge) 상의 이온 전달 모듈(35) 또는 이온 전달막(7)의 투과면(7b)에서 연소되는 경우에, 개별적인 연소기(14)도 필요하지 않으며, 즉 이온 전달 모듈(35)이 연소기로 제공될 수도 있다(도 3에 나타냄). 상기와 같은 경우에, 시스템의 구조는 상당히 간소화 될 수 있으며, 비용 절감면에서도 효과가 있다.
반응성 퍼지 배열(reactive purge arrangement)은 "고체 전해질 막 가스 분리를 위한 반응성 퍼지(reactive purge)"에 대한 미국특허출원 제08/567,699호(1995. 12. 5 출원)에서 상세히 설명하고 있으며, 여기에서 참고로 인용하였다. 반응성 퍼지를 이용하는 바람직한 이온 전달 모듈에 대한 구조는 "고체 전해질 이온 전도체 반응기 설계(design)"에 대한 미국특허출원 제08/848,204호(1997. 4. 29 출원)에서 상세히 설명하고 있으며, 여기에서 참고로 인용되었다.
약간 연료가 풍부한 혼합물(fuel-rich mixture)로 연소기(14)를 작동시키는 것이 바람직할 수 있는데, 이것은 가스 기류(10)를 투과시키기 위하여 첨가된 연료가 부분적으로 산화되기 때문이며, 그 결과 수소 가스 및 일산화탄소를 함유하는 배기 가스 기류(16)가 생성된다. 상기에서 언급한 바와 같이, 가스 기류(17)는 이온 전달막(7)의 투과면(7b)을 퍼지하는데 선택적으로 이용된다. 수소 가스는 많은 다른 가스 상태의 연료보다도 더 높은 반응성을 지닌 높은 환원 가스이며, 그것이 이온 전달 모듈(35)에 존재함으로 인하여 이온 전달막(7)의 퍼지면(7b)에서 극도로 낮은 산소 부분압이 야기될 것이고, 그리고 이온 전달막(7)을 통과하는 산소를 더욱 빠르게 이송시킬 수 있을 것이다. 물론 이와 유사한 결과들이 연료 가스 기류(25)로 수소를 주입하는 것으로도 달성될 수 있으나, 수소 가스가 비교적 값이 비싸기 때문에 연소기(14)로 공급되는 연료가 풍부한 공급 재료(fuel-rich feed)로는 비용적인 면에서 효율적이지 않다. 연소기(14)로 공급되는 연료가 풍부한 공급 재료의 사용은 예비-생성된 수소 가스(pre-produced hydrogen gas)의 이용에 대한 필요성을 제거하는데, 그 이유는 수소 가스가 공정 순환의 일부로써 생성되기 때문이다. 그러나, 연료가 풍부한 조건하에서 구동되는 연소기(14)는 일산화탄소 및 수소 가스를 함유하는 배기 가스 기류 (18, 22)를 발생시키고, 상기 일산화탄소 및 수소 모두는 농도가 낮을 경우 대기로 쉽게 방출될 수 있다. 그러나 상기에서 언급한 바와 같이, 일산화탄소 및 수소 가스의 농도가 충분히 높다면, 과량의 공기(27)가 상기 일산화탄소 및 수소 가스를 태우도록 애프터버너(26)를 설치하는 것이 바람직할 수 있다. 따뜻한 공급 가스 기류(4)의 가스 기류(28)는 애프터버너(26)에 첨가될 수 있으며, 애프터버너(26)를 필요로 한다.
연소의 재순환은 퍼지 가스 기류(9)로 제공됨으로써 그 잇점이 있으며, 산소를 위한 이온 전달막(7)의 무한한 선택도 때문에, 과량의 공기를 필요로 하지 않으면서 연소기(14)의 가스 기류(13)의 온도 상승에 제한을 가할 수 있고, 그 때문에 연소 공정으로부터 질소를 배출시켜, NOx가 실질적으로 형성되는 것을 막는다. 이러한 상승 효과는 본 발명의 일반 원칙이며, 본 발명의 많은 구체예에서 보여지는 특징이다.
본 발명의 이온 전달 모듈의 작동 변수는 다음과 같다:
온도 : 일반적으로 400∼1,000 ℃이며, 바람직하게는 400∼800℃의 범위이다.
압력 : 퍼지면의 압력은 전형적으로 1∼3 atm일 것이고, 질소가 공-생성물이 아니라면, 공급면 압력은 0.8∼3 atm일 것이며, 질소가 공-생성물이라면 1∼20 atm일 것이다.
이온 전달막의 산소 이온 전도성(μi) : 일반적으로 0.01∼100 S/cm(1 S = l/ohm)이다.
이온 전달막의 두께 : 이온 전달막은 두꺼운 막(dense film) 또는 다공성 기질 상의 박막(thin film)의 형태로 이용될 수 있다. 이온 전달막/층의 두께(t)는 일반적으로 5,000 마이크론 미만일 수 있으며, 바람직하게는 1,000 마이크론 미만이고, 그리고 가장 바람직하게는 100 마이크론 미만일 것이다.
구조 : 이온 전달막은 관상(tubular)이거나 평면상(planar)일 수 있다.
상기에서 언급한 바와 같이, 비대칭 또는 혼합 이온 전달막(즉, 압력-구동 막)이 여기에서 기재된 실시예에서 이용된다. 하기 물성들은 본 발명에서 이용될 수 있는 그러한 막에 대해 문헌에서 기재되어 있는 일반적인 값들에 기초를 둔 것이다.
효과적인 막 두께 20 마이크론(micron)
이온 전도성(μi) 0.5 S/㎝
작동 온도 800 ℃
기질 다공성 40 %
표준 수학 모델이 도 1에 도시된 공정의 작동 조건을 결정하는데 이용되었으며, 즉 막 부위의 조건 및 여러 지점에서 요구되는 동력과 열 에너지 투입 조건을 결정하는데 이용되었다. 도 1의 구조를 이용하여 공정을 설계하는 이러한 예는 예시적인 목적을 위한 것이며, 공정 구조를 최적화하기 위하여 어떠한 시도도 이루어지지 않았다. 최적화를 시도하지 않는 주요 이유는 최적화가 경제적인 것에 기초를 둔 것이고, 이온 전달막 시스템의 상업적인 생산이 아직 충분히 이루어지지 않고 있으며, 어떠한 믿을만한 비용 견적도 아직은 상기 시스템에 적용될 수 없기 때문이다.
도 1에서 보여지는 바와 같이 본 실시예에서는, 연료가 연료 가스 기류(11)로써 공정으로만 첨가된다. 게다가, 선택적인 가스 기류(17)는 고려되지 않았으며, 즉 가스 기류 (16), (18)는 동일하다. 더욱이, 질소는 공-생성물로 요구되지 않으며, 배출 밸브(23)를 이용하여 보유 가스의 과도한 압력을 감소시킨 후, 보유 가스 기류로부터 얻어진 보유 가스 기류(36)는 배기 가스 기류(29)에서 나온 가스 기류(30)와 섞이게 된다. 그러나 그것은 일반적으로 보유 가스 기류(8)의 압력을 더 낮추거나 열 교환기(33)의 상류의 보유 가스 기류(8)에 가스 기류(30)를 부가하는 것에 효과적이지 않다. 배기 가스 기류(22)는 특정한 일산화탄소 및 수소 가스를 함유하지 않기 때문에, 애프터버너(26)가 설치되지 않는다.
실시예의 원칙 : 하류 공정은 5 milion BTU/kr의 열 투입이 요구된다.
하기 표 2는 통합된 공정에서의 주요 가스 기류에 대하여 상세히 설명한 것이고, 표 3은 통합 공정에서의 키 모듈(key module)에 대한 것이다:
가스 기류 압력 (psia) 온도(℃) 유동(flow) (1000SCFH) 조성(mole%)
O2 N2 CH4 CO2 H2O
가스 공급 기류(1) 14.70 25.00 164.40 21.00 79.00 - - -
이온 전달 모듈로 들어가는 공급 기류(6) 20.00 800.00 165.40 21.00 79.00 - - -
보유 가스 기류(8) 20.00 800.00 153.70 15.00 85.00 - - -
퍼지 기류(9) 15.00 800.00 82.70 trace - - 33.30 66.70
투과 가스 기류(10) 15.00 800.00 94.40 12.40 - - 29.20 58.40
연료 가스 기류(11) 15.00 25.00 5.80 - - 100.00 - -
연소기 투입 기류(13) 15.00 745.00 100.20 11.70 - 5.80 27.50 55.00
연소기 배기 가스 기류(16) 15.00 1660.00 100.20 trace - - 33.30 66.70
하류 공정 배기 가스 기류(20) 15.00 800.00 100.20 trace - - 33.30 66.70
소비 가스 기류(24) 15.00 197.00 171.20 13.50 76.30 - 3.40 6.80
이온 전달막(7) 부위(m2) 49.00
공급 블로워 또는 압축기(2)(효율성: 75%) 동력(kW) 58.00
공급 가열기(34) 열 투입량(million BTU/hr) 0.50
연소기(14)에서 발생되는 총 열량(million BTU/hr) 5.30
하류 공정(19)에서 요구되는 열 투입량(million BTU/hr) 5.00
도 2는 촉진적인 애프터버너를 설치한 더욱 효과적인 대안을 나타낸 것으로 도 1과 유사한 개략도이다. 작동되는 동안, 원소적인 산소(elemental oxygen), 통상적으로 공기를 포함하는 공급 가스 기류(41)가 응축된 공급 가스 기류(43)로 생성되도록 블로워 또는 압축기(42)에서 비교적 낮은 압력으로 압축되고, 상기 응축된 공급 가스 기류(43)는 뜨거운 소비 가스 기류(40) 및 생성물 질소 가스 기류(64)에 대하여 열 교환기(73) 내에서 가열되어 따뜻한 공급 가스 기류(44)를 생성시키게 된다. 가스 기류(70)는 데워진 공급 가스 기류(44)로부터 분리되어 선택적인 애프터버너(69)에서 이용될 수 있으며, 공급 가스 기류(44)로부터 가스 기류(70)가 분리되고 남겨진 공급 가스 기류(74)는 가열기(75)에서 선택적으로 가열되어 뜨거운 공급 가스 기류(45)를 생성시킨다. 그 다음 뜨거운 공급 가스 기류(45)는 보유면(47a) 및 투과면(47b)을 갖는 이온 전달막(47)이 도입된 이온 전달 모듈(46)의 공급면으로 들어간다. 뜨거운 공급 가스 기류(45)의 산소의 일부는 이온 전달 모듈(46)에서 제거되고, 배출되는 가스 기류(48)는 공급 가스 기류(41)에 비하여 질소-보강(nitrogen-enriched)된다.
이온 전달막(47)의 투과면(47b)은 연소 생성물을 함유하는 퍼지 가스 기류(79)를 이용하여 퍼지된다. 투과 가스 기류(50)는 산소를 함유하고 상기 가스 기류(50)는 연료 가스 기류(51)와 나중에 혼합된다. 공기, 산소 또는 산소-보강 공기 기류(52)는 가스 기류(50)에 선택적으로 첨가될 수 있다. 선택적인 블로워(도시되지 않음)를 거친, 연소 가능한 가스 기류(53)는 연소기 또는 노(furnace)(54)로 들어간다. 연료 가스 기류(51) 대신에, 선택적으로 또는 추가적으로 연료 가스 기류(55)는 연소기(54)에 직접적으로 공급될 수 있다. 상기 연소기 또는 노(54)의 열은 전하(charge) 또는 열 전달면(heat transfer surface)으로 이송된다. 연소기(54)를 화학양론적 또는 약간의 연료가 풍부한 조건에서 작동시킴으로써, 배기 가스 기류(56)내의 산소 농도가 낮은 수준으로 유지될 수 있다.
연소기(54)로부터 배기 가스 기류(56)는 가스 기류 (57), (58)의 두 부분으로 갈라질 수 있다. 가스 기류(58)는 열 투입이 요구되는 하류 공정(59)에 이용되고, 비교적 냉각된 배기 가스 기류(60)는 하류 공정(59)으로부터 배기 가스 기류(61) 및 배기 가스 기류(62)의 두 부분으로 갈라질 수 있다. 연료 가스 기류(65)는 배기 가스 기류(61)에 첨가될 수 있으며, 그로 인하여 가스 기류(78)를 생성시킬 수 있다. 가스 기류(78)는 이온 전달 모듈(46)로 들어가는 가스 기류(79)를 생성시키기 위하여 가스 기류(57)에 첨가될 수 있으며, 상기 가스 기류(79)는 이온 전달막(47)의 투과면(47b)을 퍼지하는데 이용된다.
배기 가스 기류(62)는 소비 가스 기류(40) 및 가스 기류(77)의 두 부분으로 선택적으로 나뉘어질 수 있다. 상기에서 언급한 바와 같이, 뜨거운 소비 가스 기류(40)는 열 교환기(73)에서 응축된 가스 기류(43)를 가열하도록 이용되어, 소비 가스 기류(74)를 생성한다. 가스 기류(77)는 질소가 공-생성물로 이용될 수 없고 배기 가스 기류(77)의 온도가 충분히 높다면, 질소-보강 보유 가스 기류(48)와 혼합될 수 있다. 이러한 단계가 필요한 이유는 애프터버너(69)의 연소에 의하여 배기 가스 기류(62)의 모든 미반응된 연료를 제거하기 위한 것이고, 그리고 열 교환기(73)의 효율성을 증가시키는 열 에너지를 발생시키기 위한 것이다. 보유 가스 기류(48)는 배기 가스 기류(77) 보다 더 높은 압력을 지니는 것이 바람직하고, 가스 기류(80)를 생성시키기 위하여 가스 기류(77)와 섞이기 전에, 보유 가스 기류(76)가 생성되도록 팽창 밸브(63)를 이용하여 상기 보유 가스 기류(48)의 과도한 압력을 감소시키는 것이 바람직하다.
가스 기류(70)를 선택적으로 첨가하여 뜨거운 소비 가스 기류(39)가 생성되도록 하기 위하여 선택적인 애프터버너(69)에 가스 기류(80)가 공급된다. 이러한 경우, 상기 기류(80)가 반응을 완결시킬 만큼 연소에 있어서 충분한 산소를 함유하도록 할 필요가 있다. 상기에서 언급한 바와 같이, 따뜻한 공급 가스 기류(44)로부터 나온 가스 기류(70)는 선택적으로 애프터버너(69)에 첨가될 수 있다. 결합된 기류의 유속은 이온 전달 모듈(46) 및 하류 공정(59)으로부터 나온 배기 가스를 혼합함으로써 증가된다. 상기 유속은 열 교환기(73)의 용적량 비율을 향상시키고, 응축된 공급 가스 기류(43)로 열 전달을 증가시킨다. 생성물 가스 기류(64)는 산소(완전한 연소가 이루어지도록 상당한 양으로 사용됨)를 함유할 것이며, 만약 애프터버너가 이용되는 경우 연소 생성물은 일반적으로 소비 기류로 폐기된다.
도 1에서 나타낸 본 발명의 바람직한 구체예와 같이, 이온 전달 모듈(46)에서 산소-결핍 퍼지 가스 기류(79)를 이용함으로써 이온 전달막(47)의 투과면(47b)의 산소 부분압이 상당히 낮아질 것이며, 상기 막(47)을 통과하는 산소가 빠르게 수송될 수 있을 것이다. 연료 가스 기류(51), (55), (65)는 도 2에서 나타낸 전 지점에서 공정 구조내로 도입될 수 있으며, 그 결과 본 발명의 잇점을 찾아볼 수 있으며, 적어도 하나의 연료 가스 기류가 이용되는 것이 본 발명에 필수적이다. 앞서 언급했듯이, 이온 전달막(47)의 투과면(47b)상의 산소 부분압을 크게 감소시키기 위하여, 이온 전달 모듈(46)의 상류에 연료 가스 기류(65)를 부가하는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 연료 연소로 인한 이온 전달 모듈(46)의 열 발생을 야기시키며, 그럼으로써 산소 전달 공정의 열 요구량을 상쇄시키는 결과를 가져온다. 이러한 경우, 이온 전달 모듈(46)로부터 방출되는 질소-보강 가스 기류(48)가 더욱 뜨겁게 될 수 있으며, 더욱 효율적으로 열 교환기(73)에 열을 이송시킬 수 있으며, 그럼으로써 이온 전달 모듈(46)의 상류에 설치될 가열기(75)에 대한 필요성을 잠재적으로 제거하며, 열 교환기가 차지하는 면적을 줄이는 효과가 있다. 충분한 양의 연료가 퍼지 상의 이온 전달 모듈(46) 또는 이온 전달막(47)의 투과면(47b) 상에서 연소될 수 있다면, 개별적인 연소기(54)도 필요하지 않게 될 것이며, 다시 말해, 이온 전달 모듈(46)이 연소기(도 3에서 도시된 것)로 제공될 수 있다. 상기와 같은 경우, 시스템은 상당히 단순화될 수 있으며, 비용 절감면에서도 우수할 것이다.
도 1에서 나타낸 본 발명의 구체예와 같이, 약간 연료가 풍부한 혼합물로 연소기(54)를 작동시키는 것이 유리한데, 그 이유는 이것이 투과 가스 기류(50)에 첨가된 연료를 부분적으로 산화시킴으로써 수소 가스 및 일산화탄소를 함유하는 배기 가스 기류(56)를 발생시키기 때문이다. 상기에서 언급한 바와 같이, 가스 기류(57)는 선택적으로 이온 전달막(47)의 투과면(47b)을 퍼지하는데 이용되며, 이온 전달 모듈(46)의 수소 가스의 존재는 이온 전달막(47)의 퍼지면(47b) 상에서 극도로 낮은 산소 부분압을 발생시킬 것이고, 산소가 이온 전달막(47)을 더욱 빠르게 통과할 수 있도록 할 것이다. 연소기에 연료가 풍부한 공급 기류를 공급하여 공정 순환의 일부인 수소 가스를 발생시킨다. 상기에서 언급한 바와 같이, 일산화탄소 및 수소 가스의 농도가 충분히 높다면 상기 일산화탄소 및 수소를 태울 수 있는 (아마도 촉진적인) 애프터버너(69)를 설치하는 것이 바람직할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 구체예를 나타낸 개략도이며, 연소기가 이온 전달 모듈과 함께 통합된 것이고, 즉 다시 말해 이온 전달 모듈 자체가 연소기로 제공된 것을 도시한 것이다. 작동되는 동안, 원소적인 산소, 일반적으로 공기를 함유하는 공급 가스 기류(81)는 블로워 또는 압축기(82)에서 비교적 낮은 압력으로 압축되어, 압축된 공급 가스 기류(83)를 발생시키며, 상기 공급 가스 기류(83)는 생성물 질소 가스 기류(93) 및 뜨거운 소비 가스 기류(116)에 대하여 열 교환기(113)에서 가열되어, 따뜻한 공급 가스 기류(95)를 생성시킨다. 가스 기류(110)는 따뜻한 공급 가스 기류(95)로부터 분리되어 애프터버너(109) 내에서 이용될 수 있으며, 상기 공급 가스 기류(95)에서 분리되지 않고 남겨진 공급 가스 기류(84)는 선택적으로 가열기(114)에서 가열되어 뜨거운 가스 기류(85)를 생성시킨다. 상기 뜨거운 공급 가스 기류(85)는 보유면(87a) 및 투과면(87b)을 갖는 이온 전달막(87)이 도입된 이온 전달-연소기 모듈(86)의 공급면으로 들어간다. 뜨거운 공급 가스 기류(85) 중 산소의 일부분은 이온 전달-연소기 모듈(86)에서 제거되고, 배출되는 가스 기류(88)는 공급 가스 기류(81)에 비하여 질소-보강된다.
이온 전달막(87)의 투과면(87b)은 연료 및 연소의 생성물이 함유된 퍼지 가스 기류(89)를 이용하여 퍼지된다. 산소 및 공기 기류(92)를 함유하는 투과 가스 기류(90)는 가스 기류(90)에 선택적으로 첨가되어 가스 기류(98)를 생성시킬 수 있다. 이온 전달 모듈-연소기(86)를 화학양론적 또는 약간 연료가 풍부한 상태에서 작동시킴으로써, 배기 가스 기류(90)내의 산소 농도를 더욱 낮은 수준으로 유지시킬 수 있다. 가스 기류(98)는 열 투입이 필요한 하류 공정(99)에 이용되고, 상기 하류 공정(99)으로부터 비교적 냉각된 배기 가스 기류(100)는 배기 가스 기류 (101), (102)의 두 부분으로 갈라진다. 연료 가스 기류(105)는 바람직하게 배기 가스 기류(101)에 첨가되어 이온 전달-연소기 모듈(86)로 들어가는 가스 기류(89)를 생성시키고, 그리고 이온 전달막(87)의 투과면(87b)을 퍼지하는데 이용된다.
배기 가스 기류(102)는 뜨거운 소비 가스 기류(116) 및 가스 기류(115)의 두 부분으로 선택적으로 나뉘어질 수 있다. 상기에서 언급한 바와 같이, 뜨거운 소비 가스 기류(116)는 압축된 공급 가스 기류(83)를 가열하는 열 교환기(113)에서 이용되어 소비 가스 기류(117)를 생성시킨다. 가스 기류(115)는 질소가 공-생성물로 이용되지 않고 배기 가스 기류의 온도가 충분히 높다면, 질소는 보유 가스 기류(88)와 혼합될 수 있다. 이러한 단계는 애프터버너(109)의 연소에 의하여 배기 가스 기류(102)의 모든 미반응된 연료를 제거하고, 그리고 열 교환기(113)의 효율성을 증가시키기 위한 열 에너지를 발생시키기 위한 것이다. 보유 가스 기류(88)는 배기 가스 기류(115) 보다 더 높은 압력을 지니는 것이 바람직하고, 가스 기류(115)와 혼합되기 전에 보유 가스 기류(118)를 생성시키기 위하여 팽창 밸브(103)를 이용하여 상기 보유 가스 기류(88)의 여분의 압력을 감소시켜 가스 기류(119)를 생성시키는 것이 바람직하다.
가스 기류(119)는 가스 기류(110)가 선택적으로 첨가되는 선택적인 애프터버너(109)에 공급되어 뜨거운 소비 가스 기류(93)를 생성시킨다. 이러한 경우, 기류(119)가 완결을 진행시킬 만큼 연소에 있어서 충분한 산소를 함유하도록 할 필요가 있다. 상기에서 언급한 바와 같이, 따뜻한 공급 가스 기류(95)로부터 나온 가스 기류(110)는 선택적으로 애프터버너(109)에 첨가될 수 있다. 결합된 기류의 유속은 이온 전달 모듈(86) 및 하류 공정(99)으로부터 나온 배기 가스와 혼합됨으로써 증가된다. 이와 같은 것은 열 교환기(113)의 용적량 비율을 향상시키고, 압축된 공급 가스 기류(83)로 열 전달을 증가시킨다. 가스 기류(94)는 산소(완전한 연소가 되도록 상당한 양으로 사용됨)를 함유할 것이며, 만약 애프터버너(109)가 이용되는 경우 연소의 생성물은 일반적으로 소비 기류로 폐기된다.
도 3에서 나타낸 본 발명의 바람직한 구체예와 함께, 이온 전달-연소기 모듈(86)에서 발생된 열은 대류 및/또는 복사 열 전달 공정의 연소기에서 소모되거나 제거된다. 예를 들어, 이온 전달막(87)은 튜브 내부를 흐르는 반응성 퍼지 가스 기류(reactive purge gas stream)(89)와 함께 튜브로 형성될 수 있다. 튜브로 형성된 이온 전달막(87)의 퍼지면(87b)에서 발생되는 열 때문에, 상기 튜브는 고온일 것이며, 성분들(elements)을 가열하는 수단일 것이다. 이온 전달막(87) 튜브는 유리 용융 또는 금속 어니일링과 같은 공정이 수행되는 보유면(87a) 또는 투과면(87b)으로 방사(radiate)될 것이다. 또한 이온 전달 모듈(86)에서 발생되는 열의 일부는 압축 공급 가스 기류(85) 및 퍼지 가스 기류(89)를 예열하는데 이용될 수 있으며, 이로 인하여 열 교환기(113) 및 가열기(114)를 필요로 하지 않을 수 있다. 노 로드(furnace load)는 이온 전달막(87)의 투과면(87b)(즉, 산화되는 가스와 닿는 면) 위에 배치될 것이다.
도관 (노) 가스(flue (furnace) gas)의 내부 순환과 이온 전달-연소기 모듈은 통합될 수 있다. 상기 노(furnace) 및 이온 전달-연소기 모듈을 동일한 온도(예를 들어, 800∼1200 ℃)에서 작동시키는 경우, 이온 전달-연소기 모듈은 노(furnace)의 대기가 깨끗한 상태에서, 즉 다시 말해 이온 전달막에 어떠한 해로운 것들이 포함되어 있지 않은 상태인 것을 조건으로 하여, 노(furnace) 내부에 직접적으로 배치될 수 있다. 이러한 발상을 실행시키기 위한 한가지 방편을 도 4에 도시하였으며, 여기에는 이온 전달 공정, 연소기 및 하류 공정이 단일 유닛으로 모두 통합되어 있다. 가열된 공기와 같은 공기 기류(132)는 막(120)의 음극면(cathod side)(120a)을 향하고 있으며, 질소와 같은 뜨거운 산소-결핍 보유 기류(134)를 생성시킨다. 하류 공정(130)(예를 들어, 노 로드(furnace load))은 이온 전달막(120)의 투과 또는 양극면(anode side)(120b) 상에서 나타난다. 이러한 구조에서, 연료 가스 기류(121)는 투과면(120b)의 표면에 밀접하게 공급됨으로써, 이온 전달막(120)을 가로질러 전달되는 산소를 흽쓸어 버리고/또는 효율적으로 소비시킨다. 뜨거운 지역(138)의 연소 생성물은 자연 또는 강제 대류에 의하여 양극면(120b)에 대하여 노(furnace)에서 재순환될 수 있다. 도 4에 나타낸 구조에 있어서, 상기 노(130)로부터 바람직하게 획득된 점선으로 표시된 기류(146b)와 같이 연소 생성물 기류(146), 및 연료 가스 기류(121)는 이온 전달막(120)의 투과면(120b)에 인접하는 다공성 연료 분포층(122)을 통과하여 선택적으로 공급된다. 바람직하게, 분포층(122)은 막(120)을 가로질러 더욱 균일하게 연료를 분포시키는 적어도 하나의 통로(passage) 또는 챔버(chamber)로 정의된다.
산소 및 연소 생성물을 포함하는 반응된 투과(reacted permeate)(136)는 뜨거운 지역(138)을 통과하여 노(furnace)(130)로 직접 향한다. 바람직하게, 뜨거운 질소(140)의 일부분은 밸브(142)로 직접 향하여, 노(130) 전반에 불활성 대기를 제공한다. 선택적인 연료(144)는 바람직하다면 노(130)에 첨가될 수 있다.
다른 구조에서, 이온 전달막(120)은 노(130) 외부에 있는 각각의 모듈의 일부이다. 외부 또는 통합된 구조에서, 2 상(two-phase) 이온 전달 시스템이 달성될 수 있으며, 여기에서 제1 상의 양극면은 제1 상으로부터 보유 기류에 의하여 퍼지되어 희석된 산소 투과 기류를 생성시키는 동시에, 제2 상의 양극면은 반응적으로 퍼지되어 연료가 풍부한 투과 기류를 생성하게 된다. 2개의 투과 기류는 노(furnace) 대기 중의 뜨거운 질소 보유 기류를 이용하거나 이용하지 않고, 연소를 위하여 노(furnace)에서 이용된다.
노(furnace)의 최고 온도가 이온 전달 작동 온도보다 매우 높은 경우, 이온 전달 작동을 위하여 "적당한(right) 온도"를 갖는 노의 지역(예를 들어, 연속적으로 재연소되는 노(continuous reheat furnace)의 예열 구역(preheat section))이 선택될 수 있거나, 또는 온도 제어를 하는 적절한 열 싱크(heat sink)를 갖는 특별한 챔버가 제작될 수 있다. 예를 들어, 보일러를 이용하거나 또는 석유 가열기(petroleum heater)를 이용하는 경우에 있어서는, 이온 전달 모듈에서 최적 온도 지역을 만들어내기 위하여 노 열 로드(furnace heat load)(즉, 물 또는 오일 튜브)를 이용하는 것이 편리할 수 있다. 연료 가스 중 많은 양이 산소를 연속적으로 퍼지하고 산소 농도를 낮은 상태로 유지시키기 위하여 상기 지역을 순환한다. 낮은 산소 농도 및 높은 노(furnace) 가스의 순환은 희석된 산소의 연소 방식(dilute oxygen combustion method)과 함께 상승 효과를 제공한다.
본 발명의 통합된 공정은 많은 잇점들을 제공한다. 예를 들어, OEC를 위한 산소는 퍼지 배기 가스 기류를 이용하여 저압 공급 가스 기류로부터 추출될 수 있으며, 산소 분리 공정에 적은 동력을 필요로 하는 결과를 가져온다.
산소만이 이온 전달막을 통과하기 때문에, 어떠한 질소도 이온 전달 모듈을 빠져나가는 퍼지 가스 기류에 부가될 수 없다. 비록 공기가 연소 혼합물에 주입된다 하더라도, 계획적인(예를 들어, 선택적인 가스 기류(12)) 또는 누출에 의해서, 연소 혼합물 중 질소의 단편(fraction)들이 차지하는 비율은 매우 소량일 것이다. 이러한 것은 연소기 내의 NOx의 형성을 최소화시키거나 제거한다.
더욱이, 하류 공정 전·후에 배기 가스를 적절히 혼합함으로써, 이온 전달 공정에 요구되는 퍼지 투입 온도를 조절하는 것이 바람직하다. 이것은 독립적으로 퍼지 가스를 예열해야 하는 필요성을 제거할 수도 있다.
게다가, 모든 연료가 이온 전달 모듈에서 연소될 수 있다면, 별개의 연소 유닛을 필요로 하지 않을 것이다. 이로 인하여 시스템이 상당히 간소화되며, 비용 절감의 효과가 기대된다. 더욱이, 충분한 양의 산소가 이온 전달 모듈 내에서 공급 가스 기류로부터 제거된다면, 그 다음 이온 전달 모듈로부터 나온 질소를 다량으로 함유하고 있는 보유 기류가 생성물로써 이용될 수 있다. 이것은 얼마간의 연료, 예를 들어 연료 가스 기류(11)가 부가되는 경우 매우 효과적이다. 만약 질소가 공-생성물로 요구된다면, 생성물 질소 공급에 필요한 압력으로 공급 가스 기류를 압축시키는데 효과적일 수 있다. 그러나, 이러한 경우에 이온 전달 모듈로부터 나온 보유 가스 기류는 하류 공정으로부터 배기 가스 기류와 혼합되지 않을 수도 있다. 이러한 경우, 별개의 열 교환기가 배기 가스 기류로부터 열을 회수하기 위하여 설치되거나, 일반적으로 배기 가스 기류가 보유 가스 기류에 비하여 매우 소량이고 차갑기 때문에 어떠한 열도 회수되지 않을 수 있다.
더욱이, 퍼지 가스 기류의 이용은 이온 전달막의 투과면의 산소 농도를 저하시킨다. 감소된 산소 농도는 물질 관점(material standpoint)으로부터 더욱 매우 용이하게 퍼지면 위에 있는 이온 전달 모듈 및 하류 공정 구성 성분(예를 들어, 연소기)의 디자인을 만든다. 퍼지 기류가 없는 경우에는, 본질적으로 순수한 산소가 이온 전달막의 투과면에 위에서 생성되곤 한다. 그러한 높은 순도를 갖는 산소 기류의 안전한 조작은 상당한 노력을 부과하며, 특히 상승된 온도하에서 조작해야 한다.
게다가, 퍼지 배기의 산소 농도는 다양한 기술에 의하여 용이하게 제어될 수 있다: 예를 들어, 공급 가스 기류 유속의 변화; 퍼지 가스 기류 유속의 변화(연소 생성물의 증가된 재순환); 이온 전달 모듈 작동 온도의 변화; 또는 이온 전달 단계의 막 부위의 변화. 또한 이러한 기술들은 분리된 총 산소량을 조절하는데 효과적이고, 그리고 로드 트래킹(load tracking)을 위하여 이용될 수 있다.
마지막으로, 이온 전달 분리기를 이용하여, 독립형 산소 발생기(예를 들어, PSA) 또는 산소 공급 시스템(예를 들어, 액체 탱크 및 기화기(vaporizer))에 대한 필요성을 제거한다. 상기 이온 전달 분리기는 산소를 생성시키는 비용과 자재 비용이 실질적으로 절감되는 효과가 기대된다.
본 발명의 특별한 구체예는 도 5에 나타내었다. 공급 기류 또는 공기(232)는 약 500∼1,000 ℃로 바람직하게 예열된다. 공급 기류 또는 공기는 15 % 이상의 산소로 비교적 높은 산소 농도를 함유한다. 공급 기류 또는 공기(232)는 투과 챔버(238)에서 투과면(220b)을 거쳐 이온 전달막(220)의 보유면(220a)으로 주입되고, 상기 투과 챔버(238)는 주 연소 챔버 또는 노(furnace)(230)에 연결되어 있다. 주 챔버의 온도는 가열 공정의 필요에 의하여 결정되고, 그리고 투과 챔버(238)의 온도 이하 또는 그 이상일 수 있다. 노(furnace)(230)에서 발생되는 연료 가스의 상당한 부분은 투과 챔버(238)로 기류(246)로써 재순환된다. 기류(246)는 이온 전달막(220)의 투과면(220b)에서 산도 농도가 산소 전달막(220)을 통과하는 산소의 유동을 낮추거나 증가시키도록 한다. 선택적으로, 연료 기류(221)는 투과 챔버(238)로 주입되어, 재순환 기류(246)의 산소 농도를 저하시키고/또는 투과면(220b)을 반응적으로 퍼지하고, 그리고 보유면의 공기 온도를 상승시키는 열을 제공한다. 투과 챔버(238)는 선택적으로 제1 단계의 반응성 퍼지 및 제2 단계의 연료 가스 퍼지를 이용한 2 상 이온 전달막 시스템으로 선택적으로 분리된다(도시되지 않음). 연료 기류(221)는 높은 속도로 바람직하게 주입되며, 높은 분사 속도로 인한 효과에 의하여 노(furnace)(230)로부터 뜨거운 도관 가스 기류(246)를 적절히 순환시킨다. 뜨거운 도관 가스 재순환을 위한 다른 수단으로는 압축된 도관 가스를 이용한 순환 팬(circulation fan) 및 추출기(eductor)가 있으며, 이에 제한되지 않는다. 내부 재순환 기류(248) 외에, 또는 그 대신에 외부 재순환 기류(248)가 이용될 수 있다. 바람직한 구체예에서는 노(furnace)(230)로부터 나온 도관 가스 기류(247)가 열 교환기(260)에서 냉각되고, 그리고 냉각된 측면의 기류(248)가 압축되고 제1 챔버(238)로 주입되어, 뜨거운 도관 가스 기류(246)의 적절한 순환을 유도한다. 상기 공정은 금속 열 처리, 스틸 재가열(steel reheat), 유리 용융 및 알루미늄 용융 노(furnace)와 같은 많은 산업적인 노(furnace)에서 이용될 수 있으나, 특히 백금 가열기, 열분해 노(furnace) 및 증기-메탄 개량 노(furnace)와 같은 공정 유체 가열 노(process fluid furnaces)에, 그리고 증기를 발생시키는 보일러(boiler)에 특히 적절하다. 본 발명의 하기 상세한 설명에서, 증기를 발생시키는 공정이 설명되어 있다. 그러나, 그러한 설명으로 인하여 본 발명의 적용 분야가 제한되는 것은 아니다. 상기 퍼지 가스는 바람직하게 저농도의 질소를 함유하며, 이온 전달막의 투과면을 따라 1∼40 %의 산소, 바람직하게는 2∼15 %의 산소, 그리고 가장 바람직하게는 3∼10 %의 산소를 함유하는 산화제 기류(236)를 형성한다.
이온 전달막(220)은 제1 압력을 갖는 보유면(220a) 및 제2 압력을 갖는 투과면(220b)으로 동일하거나 다른 압력을 갖는 두 면의 반응 지역을 효과적으로 형성한다. 제1 압력 : 제2 압력의 비율은 4.78 이하이고, 바람직하게는 0.5∼4.0이고, 더욱 바람직하게는 0.8∼2.0이고, 그리고 가장 바람직하게는 0.9∼1.5이다. 혼합된 전도체 이온 전달막 시스템을 이용하여 공기로부터 산소를 분리하는 일반적인 공정에서, 공급 공기는 보유면에서 1 atm의 산소 부분압을 달성하기 위하여 4.78 atm의 최소 압력으로 압축되어야 한다. 이와 같이, 4.78의 이론적인 최소 압력 비율은 보유면에서의 1 atm에서 순수한 산소를 생성시키는데 요구된다. 높은 유속으로 막을 통과하는 산소를 생성시키기 위하여, 실제 시스템은 약 2∼6의 산소 부분압 비율이 나타나도록 하기 위하여 10∼30의 압력 비율이 요구된다. 상당한 전기 동력이 10∼20 atm으로 공급 공기를 압축시키도록 요구된다. 낮은 압력 비율은 공급 공기를 압축시키는데 요구되는 동력을 감소시키는데 효과적이다. 이상적인 시스템에서, 보유면(220a) 및 투과면(220b) 사이에서의 동력 요구 및 잠재적인 가스 유출을 최소화하기 위하여, 제1 및 제2 압력은 동일한 대기압이다. 그러한 공정에 있어서, 공급 공기 및 퍼지 가스 기류에 요구되는 압력은 단지 막 모듈 및 노(furnace)를 통하여 가스 흐름을 통과시키는데 도움을 준 정상적인 압력 급강하(normal pressure drop)를 극복하기 위한 것이다. 본 발명은 압력 비율이 1 이하일 지라도, 즉 보유면의 압력이 투과면의 압력 보다 더 낮을지라도 이온 전달막을 산소가 투과하도록 한다. 이러한 것은 보유면 압력 대 투과면 압력의 산소 부분압의 비율에 의하여 산소가 투과되기 때문이다. 투과면에서 산소 부분압을 낮게 유지함으로써, 총 압력 비율이 1에 가깝거나 그 미만으로 유지되면서 산소 부분압이 2 이상으로 될 수 있다. 상기 조건하에서, 세라믹 막 튜브의 크랙에 의하여 또는 세라믹 막 튜브가 불완전하게 봉합됨으로써 발생되는 가스 누출은 투과면으로부터 보유면으로 흐르게되고, 노(furnace)(230)로 질소가 침투되는 것을 막는다. 도관 가스의 CO2농도를 유지하고, NOx의 형성을 감소시키기 위하여, 노(furnace)(230)의 질소 농도를 10 % 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
투과 챔버(238)에서, 연료 분사(fuel jet)는 노(furnace)(230)로부터 투과 챔버(238)로 뜨거운 도관 가스를 재순환시키는데 선택적으로 이용된다. 압축·냉각된 도관 가스 기류(248)와 같은 증기 분사 또는 다른 가스 분사는 부가적인 퍼지 가스를 제공하는데 이용될 수 있으며, 분사 펌프 효과(jet pump effect)를 통하여 도관 가스의 순환을 용이하게 하는데 이용될 수 있다. 상기 연료 분사는 투과 챔버(238)의 산소 농도를 감소시키고 열을 발생시키면서, 재순환되는 도관 가스에 함유된 산소와 이온 전달막 튜브로부터 투과된 산소와 함께 반응한다. 보일러 튜브, 증기 슈퍼 가열기 튜브(steam super heater tube) 및/또는 증기 재연소 튜브는 챔버 온도를 조절하기 위한 열 싱크(heat sink)로써 투과 챔버(238) 내에서 선택적으로 배치될 수 있다. 투과 챔버(238)의 막 튜브의 온도는 공급 공기(232)의 유속, 상기 투과 챔버(238)로 투입되는 연료(221)의 유속, 및 재순환된 뜨거운 도관 가스(246)의 양을 조절함으로써, 최적의 막 온도로 바람직하게 유지되며, 일반적으로 600∼1000 ℃로 유지된다. 연료(221)의 연소 생성물, 이온 전달막(220)을 통과하여 수송된 산소, 및 재순환된 도관 가스(246)로 이루어지는 산화제 혼합물(236)의 평균 산소 농도는 투과 챔버(238)에서 방출될 때, 1∼40 %의 산소, 바람직하게는 2∼10 %의 산소, 그리고 가장 바람직하게는 3∼10 %의 산소로 조절될 수 있다. 상기 혼합물은 염소 챔버(230)에서 순환되며, 바람직하게는 냉각 없이 순환된다. 공기는 이온 전달막 튜브의 보유면을 통과하여 유동되고, 투과면의 도관/연료 가스 흐름(flue/fuel gas flow)은 이온 전달막 튜브를 거쳐 산소 유동을 최소화하기 위한 카운터 회로 방식(counter current style)으로 배열될 수 있다. 투과면(220b)의 낮은 산소 농도가 일반적으로 이온 전달막의 산소 투과 비율을 증가시키도록 하는 것이 바람직하다. 그러나, 상당한 양의 도관 가스는 산소 농도를 낮게 유지하도록 재순환되어야 한다. 그러므로, 상기 언급한 범위가 바람직하다.
노(furnace)(230)에 연료(244)가 주입되고, 상기 연료는 연소를 위한 투과 챔버(238)로부터 뜨거운 희석된 산소 기류(236)와 혼합되어, 증기 보일러의 복사 구역(radiant section)에 대하여 일반적인 방법으로 증기를 생성시킨다. 희석된 산소 연소 공정은 H.M. Ryan 외, Development of the Dilute Oxygen Combustion Burner for High Temperature Furnace Applications, Proceedings of the Fourth International Conference on Technologies and Combustion or Clean Environment, July 7-10, 1997에서 개시하고 있으며, 미국특허 제5,076,779호는 낮은 NOx배출 및 높은 열 효율을 달성하기 위한 바람직한 연소 공정을 개시하고 있다.
바람직하게 노(230)에서 발생되는 도관 가스의 50∼98 %가 투과 챔버(238)로 재순환되고, 증기 발생, 과열(super heating) 및 재연소와 공급수 가열을 위한 대류 열 전달 유닛(convective heat transfer)에 대하여 균형을 이루게 한다. 도관 가스 기류(249)는 선택적으로 응축된 열 교환기(264)를 통과하여 도관 가스내의 수증기 잠열을 회수한다. 도관 가스 내의 수증기 잠열을 완전히 회수함으로써 천연 가스 연소에 대하여 이론적인 에너지가 약 10 % 향상되며, 그 외에도 냉각된 도관 가스 기류(263)의 현열을 감소시켜 효율성이 개선된다. 산소 연소는 도관 가스 내의 수증기가 고농도이기 때문에 잠열을 회수하는데 있어서 공기 연소보다 우수하다. 예를 들어, 천연 가스-산소 연소로부터 도관 가스의 수증기 농도는 약 65 %이고, 이슬점은 약 88 ℃이다. 도관 가스를 약 49 ℃까지 냉각시킴으로써, 수증기의 농도가 체적당 13 %까지 감소되었다. 수증기 중 약 93 %가 응축될 수 있다. 비교해 보면, 천연 가스-공기 연소로부터 도관 가스의 수증기 농도는 약 18 %이고 이슬점은 약 58 ℃이다. 도관 가스를 약 49 ℃까지 냉각시킴으로써, 수증기 중 약 41 %가 응축될 수 있다. 더욱이 32 ℃ 냉각은 천연 가스-공기 연소에서의 수증기 중 약 77 %를 응축하는데 요구된다. 따라서, 도관 가스에 함유된 수증기 중 예상외로 큰 단편(fraction)이 탄소에 대한 높은 수소 비율을 갖는 천연 가스 또는 연료가 산소로 연소되는 비교적 고온에서 응축될 수 있다. 더욱이 수증기를 응축시킴으로써, 도관 가스 체적은 감소되고, 이산화탄소 보강 기류는 이산화탄소의 잠재적인 회수 및 생성을 위하여 생성된다.
보유 챔버로부터 나온 뜨거운 질소가 풍부하게 함유된 기류(234)는 대류 공급수를 가열하고 선택적으로 증기 발생, 과열 또는 재연소에 필요한 열을 제공하는 열 전달 유닛(261)을 통과한다. 선택적으로, 상기 뜨거운 기류(234)는 공급 공기를 예열하는데 이용될 수 있으며, 도 1 내지 3에 나타낸 바와 같다. 높은 순도의 질소 기류는 제1 상(first phase)의 반응성 퍼지 및 제2 상의 도관 가스 퍼지를 갖춘 2 상의 이온 전달막 시스템을 이용하여 생성될 수 있다.
공급 공기 기류(232)의 가열은 뜨거운 도관 가스 기류(247)를 갖는 열 교환기(도시되지 않음)에서 이루어지거나, 노(230)의 공기 가열 튜브를 대치시켜 이루어지거나, 그리고/또는 투과 챔버(238)내에서 간접적으로 행하여질 수 있다. 게다가, 직렬 연소기(in-line combustor)(도시되지 않음)는 고열로 공기를 가열하는데 이용될 수 있다. 비록 직렬 가열이 공급 공기 기류(232)의 산소 농도를 감소시키고, 산소 유동에 대한 구동력을 감소시킨다 하더라도, 직접 직렬 가열 시스템(direct in-line heating system)은 간접 가열 시스템 이상으로 더욱 간소화되고, 비용 절감된다.
표 4 및 5는 도 5의 통합된 이온 전달막-연소 공정에 있어서 주요 가스 기류를 설명한 것이다:
가스 기류 압력 (psia) 온도 (℃) 유동(flow) (1000SCFH) 조성(mole%)
O2 N2 CH4 CO2 H2O
이온 전달 모듈로 들어가는 공급 기류(232) 17.70 800.00 44.4 21.00 79.00 - - -
보유 기류(234) 17.70 800.00 32.6 trace 100.0 - - -
퍼지 기류(246) 14.70 800.00 200.0 2.00 - - 32.60 65.40
산화제 기류(253) 14.70 800.00 211.8 7.43 - - 30.83 61.74
연료 기류(244) 25.00 25.00 3.800 - - 100.0 - -
연료 기류(221) 25.00 25.00 2.00 - - 100.0 - -
연소기 배기 가스 기류(247) 14.70 1200.0 17.60 2.00 - - 32.60 65.40
하류 공정 배기 가스 기류(249) 14.70 200.0 17.60 2.00 - - 32.60 65.40
냉각된 배기 가스 기류(262) 14.70 49.0.00 7.00 5.03 - - 81.97 13.00
공급 블로워(도시되지 않음)(효율성: 75%) 동력(kW) 9.30
연료 기류(221) + (244)의 투입 총량(million BTU/hr) 5.80
상기 실시예에서 알 수 있듯이, 상당한 양의 뜨거운 도관 가스는 막의 투과면에서 7.43 %의 산소 농도를 유지하도록 재순환되며, 고압으로 공기 공급 기류를 압축시키지 않고 막을 통하여 산소의 유동을 증가시키는 것에 도움을 준다. 이온 전달막(220)의 반응성 퍼지 단계와 함께 높은 순도의 질소를 생성시킴으로써, 공급 공기 기류(232)에 실질적으로 함유된 모든 산소는 이온 전달막(220)을 통하여 투과되고, 연료 기류(221) 및 (244)와 함께 연소되는데 이용된다. 공기 공급의 유속은 표 2에 나타낸 앞의 실시예에서는 165,400 SCFH인데 비하여, 44,290 SCFH이다. 공기 공급 속도가 상당히 감소됨에 따라 공급 공기를 가열하는데 필요한 열의 양이 감소되고, 공급 공기 블로워에 필요한 동력도 감소된다. 산소 100 SCFH 당 0.079kw의 동력으로, 상기 실시예에서 요구되는 블로워 동력은 9.3 kw이고, 11,740 SCFH의 산소가 이온 전달막에 의하여 분리된다. 이에 비하여, 100 SCFH 당 0.5 kw의 동력으로, 앞의 실시예에서 산소 11,600 SCFH를 생성시키기 위하여 58 kw의 동력이 소모된다. 현재의 선행 기술인 공기 분리 기술은 90∼95 %의 산소 순도로 1 기압에서 100 SCFH의 산업 등급의 산소를 생성시키기 위하여 약 0.8 kw의 동력이 소비된다. 그러므로, 본 발명의 통합된 이온 전달막-연소 공정은 90 % 정도까지 산소 연소에 있어서 공기를 분리하는데 요구되는 동력의 소비가 감소된다.
본 발명의 다른 구체예는 도 6에 도시된 2막 챔버(two-membrane chamber) 연소 공정의 반응적으로 퍼지된 이온 전달막 챔버에 어떠한 도관 가스 재순환도 이용되지 않는 공정을 제공한다. 도 5 및 6의 특정한 공통적인 특징은 여기에서 다시 언급하지는 않으며, 이 둘의 공통적인 특징은 도 5의 구체예에 대한 설명에 있는 내용으로 보충될 수 있다.
도 6에서, 제1 보유 챔버로부터 나온 뜨거운 질소가 풍부하게 함유된 기류(334)는 제2 보유 챔버(370) 내에 있는 이온 전달막(372)의 제2 보유면(372a)으로 주입된다. 산소는 이온 전달막(372)의 제2 투과면(372b)을 통과하여 제2 투과 챔버(350)로 투과되고, 여기에서, 상기 질소 공급 기류(334)가 저 농도의 산소를 포함할 때 반응적으로 퍼지된 높은 산소 유동이 이루어진다. 연료 기류(355)는 이온 전달막(370)의 제2 투과면(372b)로부터 나온 산소 유동(flux)과 반응되기 위하여 제2 투과 챔버(350)로 주입되며, 그럼으로써 수소 및 일산화탄소와 같은 연소가 가능한 가스를 함유하는 가스 기류인 뜨거운 합성 가스(syngas) 기류(373)가 형성되게 된다. 선택적으로, 재순환된 도관 가스 또는 증기(356)는 온도를 조절하기 위하여 제2 투과 챔버(350)로 주입될 수 있다.
뜨거운 합성 가스 기류(373)는 노(furnace)(330)로 주입되어, 제1 투과 챔버(338)로부터 나온 뜨거운 산화제 기류(336)와 혼합되고, 연소를 위한 산소를 제공한다. 선택적으로, 부가적인 공기 또는 산소 기류(357)가 뜨거운 합성 가스 기류(373)를 연소시키기 위하여, 그리고 공정에 열을 제공하기 위하여 노(330)로 주입된다.
질소가 풍부하게 함유된 기류(334)는 제1 보유면(372a)을 가로질러 통과되면서 보강되며, 여기에서 산소는 제2 이온 전달막(372)을 거쳐서 제2 투과 챔버(350)로 통과됨에 따라 제거되고, 높은 순도의 질소 기류(365)가 형성된다. 그 다음 높은 순도의 질소 기류(365)는 대류 열 전달 유닛(convective heat transfer unit)(361)을 통과하고, 이용 또는 차후의 공정을 위한 차가운 질소 기류(362)를 회수한다.
공정상의 많은 변형들이 상기에 언급한 공정 구조의 범위 내에 있을 수 있다. 예를 들어, 하류 공정에서 나온 배기 가스를 사용하는 것은 공급 가스 기류를 가열하는데 효과적일 것이다. 또한 이온 전달 모듈을 빠져나가는 퍼지 가스 기류에 얼마간의 공기가 첨가되는 것도 가능하다. 이러한 것은 개시 작동(start-up operation) 또는 로드 트래킹(load tracking)을 위하여 특히 바람직할 수 있다. 게다가, 여기에 기재되어 있는 공정들이 혼합된 전도체 압력-구동 이온 전달막을 위한 것이기는 하지만, 진보적인 착상이 내부 회로 리턴(external current return)을 갖는 압력- 또는 전기적-구동 모드에서 작동되는 기본적인 이온 전도체에 적용될 수 있다는 것은 자명하다. 마지막으로, 비록 역전류(countercurrent) 산소 분리 공정이 도 1에 도시되어 있기는 하지만, 어떤 공정들은 컨커런트(concurrent) 또는 크로스플로우(crossflow) 모드로 수행될 수 있다.
상기에서 언급한 바와 같이, "고체 전해질 이온 전도체", "고체 전해질", "이온 전도체" 및 "이온 전달막"이라는 용어는 달리 설명하지 않는 이상, 일반적으로 이온-타입(전기적 구동) 시스템 또는 혼합된 전도체-타입(압력 구동) 시스템을 의미하는 것이다.
여기에서 사용되는 "질소"란 용어는 통상적으로 산소-결핍 가스, 즉 공급 가스에 비하여 산소가 결핍된 가스를 말한다. 상기에서 언급한 바와 같이, 이온 전달막은 단지 산소 투과를 가능하게 한다. 그러므로, 보유 기류의 조성은 공급 가스의 조성에 따라 달라질 것이다. 공급 가스는 산소가 결핍될 것이나, 질소 및 공급 가스에 존재하는 다른 가스(예를 들어, 아르곤)를 보유할 것이다. 상기 용어의 해석은 여기에 개시된 발명의 견지에서, 본 발명의 당업자에 의하여 명확하게 이해될 것이다.
여기에서 이용되는 "원소의 산소(elemental oxygen)"라는 의미는 주기율표의 어떠한 다른 원소와도 결합되어 있지 않은 산소를 의미한다. 일반적으로 2가 형태이긴 하지만, 원소의 산소는 단일 산소 원자, 3가의 오존, 그리고 다른 원소와 결합되지 않는 다른 형태들을 포함한다.
"높은 순도"라는 용어는 바람직하지 않은 가스가 5 중량% 이하로 함유되어 있는 생성물 기류를 의미한다. 바람직하게 상기 생성물은 적어도 98.0 %로 순수하고, 더욱 바람직하게는 적어도 99.9 %로 순수하고, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 99.99 %로 순수하며, 여기에서 "순수"하다라는 의미는 바람직하지 않은 가스들이 존재하지 않는 상태에 있다는 것을 가리킨다.
"압력-스윙 흡착(pressure-swing adsorption)" 또는 "PSA" 시스템이란 다른 가스로부터 일반적으로 질소와 같은 가스를 분리하기 위한 상기 가스에 선택적인 흡착 물질을 이용하는 시스템을 의미한다. 상기 물질은 속도-선택적 PSA 물질 및 평형(equilibrium)-선택적 PSA 물질을 포함하고, 상기 속도-선택적 PSA 물질은 일반적으로 탄소를 함유하면서 높은 압력의 질소 및 낮은 압력의 산소를 제공하며, 상기 평형-선택적 PSA 물질은 일반적으로 리튬을 함유하면서 낮은 압력의 질소와 높은 압력의 산소를 제공한다.
본 발명의 특징은 편의상 하나 이상의 도면에 나타내었으며, 각각의 특징들은 본 발명에 의한 다른 특징과 결합될 수 있다. 또한 여러 변형 및 변경이 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 주어진 실시예에서 이루어질 수 있다. 상기 변형들은 압력-스윙 및 열-스윙(thermal-swing) 흡착 층을 사용하거나, 상기에서 언급한 중합체 막의 기능을 제공하는 벌크 산소 분리 방법을 사용하는 것 등을 포함할 수 있다. 대체적인 구체예들이 본 발명의 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 인지될 수 있으며, 그러한 구체예들은 본 발명의 범주에 포함되는 것이다.
본 발명은 거의 대기압의 세라믹 막 모듈(module)로 공기가 공급되고, 지금까지의 전형적인 방법 보다 실질적으로 적은 전기 동력을 요하고, 질소 가스의 가열로 인한 NOx형성 및 열 손실을 최소화하며, 공-생성물로 이용되는 이온 전달막 모듈로부터 질소가 풍부하게 함유된 가스 기류(nitrogen-rich gas stream)를 회수하며, 이산화탄소가 풍부하게 함유된 도관 가스 기류를 생성시키는 효과를 갖는다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (10)

  1. (a) 제1 압력을 갖는 보유면과 제2 압력을 갖는 투과면을 포함하는 이온 전달막이 투과 챔버를 형성하면서, 정제된 산소 가스 기류를 투과면 상에서 분리하고, 이에 대응하여 보유면 상에서 산소를 고갈시켜 산소-결핍 가스 기류를 생성시키도록, 상기 이온 전달막을 포함하는 이온 전달 모듈에 산소-함유 가스를 주입하고;
    (b) 약 40 % 미만의 산소를 함유하는 산화제 기류를 형성시키기 위하여 투과면으로 저농도의 질소를 함유하는 퍼지 가스 기류를 통과시키고; 그리고
    (c) 열 및 연소 생성물을 생성시키기 위하여 연소 챔버(combustion chamber)내로 상기 산화제 기류 및 연료를 주입하는;
    단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 저농도의 질소와 함께 산화제를 이용하는 연소 공정.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산소-함유 가스는 공기(air)인 것을 특징으로 하는 저농도의 질소와 함께 산화제를 이용하는 연소 공정.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 압력 대 제2 압력의 비율이 4.78 미만인 것을 특징으로 하는 저농도의 질소와 함께 산화제를 이용하는 연소 공정.
  4. 제1항에 있어서, 상기 산화제 기류가 1∼40 %의 산소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 저농도의 질소와 함께 산화제를 이용하는 연소 공정.
  5. 제1항에 있어서, 상기 퍼지 가스가 10 % 미만의 질소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 저농도의 질소와 함께 산화제를 이용하는 연소 공정.
  6. 제1항에 있어서, 상기 보유면 대 투과면의 산소 부분압이 2 보다 크고, 그리고 상기 보유면 대 투과면의 총 압력이 1 보다 적은 것을 특징으로 하는 저농도의 질소와 함께 산화제를 이용하는 연소 공정.
  7. (a) 제1 보유 압력을 갖는 제1 보유면과 제1 투과 압력을 갖는 제1 투과면을 포함하는 제1 이온 전달막이 제1 투과 챔버를 형성하면서, 제1 정제된 산소 가스 기류를 제1 투과면 상에서 분리하고, 이에 대응하여 제1 보유면 상에서 산소를 고갈시켜 제1 산소-결핍 가스 기류를 생성시키도록, 상기 제1 이온 전달막 및 제2 이온 전달막을 포함하는 이온 전달 모듈에 산소-함유 가스를 주입하고;
    (b) 제2 보유 압력을 갖는 제2 보유면과 제2 투과 압력을 갖는 제2 투과면을 포함하는 제2 이온 전달막이 제2 투과 챔버를 형성하면서, 제2 정제된 산소 가스 기류를 제2 투과면 상에서 분리하고, 이에 대응하여 제2 보유면 상에서 산소를 고갈시켜 제2 산소-결핍 가스 기류를 생성시키도록, 상기 제2 이온 전달막에 산소-결핍 가스를 주입하고;
    (c) 약 40 % 미만의 산소를 함유하는 산화제 기류를 형성시키기 위하여 저농도의 질소를 함유하는 제1 퍼지 가스 기류를 상기 제1 투과면에 통과시키고;
    (d) 합성 가스 기류(syngas stream)를 형성시키기 위하여 연료 및 저농도의 질소를 함유하는 가스를 함유하는 제2 퍼지 가스 기류를 상기 제2 투과면에 통과시키고; 그리고
    (e) 열 및 연소 생성물을 생성시키기 위하여 연소 챔버 내로 상기 산화제 기류 및 상기 합성 가스 기류를 주입하는;
    단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 저농도의 질소와 함께 산화제를 이용하는 연소 공정.
  8. 제7항에 있어서, 질소 가스를 회수하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저농도의 질소와 함께 산화제를 이용하는 연소 공정.
  9. 제7항에 있어서, 상기 산소-함유 가스가 공기인 것을 특징으로 하는 저농도의 질소와 함께 산화제를 이용하는 연소 공정.
  10. 제7항에 있어서, 상기 제1 보유 압력 대 제1 투과 압력의 비율이 4.78 미만인 것을 특징으로 하는 저농도의 질소와 함께 산화제를 이용하는 연소 공정.
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