KR20030090795A - 증기 발생을 포함하는 프로세스로부터의 일 회수 방법 - Google Patents

증기 발생을 포함하는 프로세스로부터의 일 회수 방법 Download PDF

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베이램 아르만
단테 패트릭 보나퀴스트
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Abstract

증기(24; 58; 104; 170; 198; 222; 259)의 발생을 포함하는 프로세스를 처리하는 방법으로서, 고온 프로세스 스트림(16; "A"; 92; 152; 184; 204; 246)이 발생되는 방법이 제시된다. 고온 프로세스 스트림(16; "A"; 92; 152; 184; 204; 246)이 임의의 방식으로 발생될 수 있으며 증기 메탄 개질기(2)의 버너 섹션, 통합되어 결합된 사이클(3)의 가스 터빈, 용광로(140)에 대해 유입하는 공기 및 산소를 예열하기 위해 사용된 연소 챔버, 산소 이송 막 시스템(180), 및 가스 터빈(202) 또는 극저온 공기 분리 유닛(228; 240)에 있는 공기를 압축하기 위해 제공된 천연 가스 기관을 포함할 수 있다.

Description

증기 발생을 포함하는 프로세스로부터의 일 회수 방법{WORK RECOVERY FROM PROCESS INVOLVING STEAM GENERATION}
증기를 발생시키기 위해 사용되는 고온 프로세스 스트림이 발생되는 다양한 산업적 프로세스가 있다. 설명되는 바와 같이, 증기는 프로세스에 유용하거나 동력망으로 재유입되기 위해 전기로 변환될 수 있는 부가적인 에너지를 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 더욱이, 증기는 자체적으로 프로세스의 필요한 성분을 구성할 수 있다.
예를 들면, 또한 폐열 보일러로서 공지된 열 회수 증기 발생기는 소각 시스템, 폐열 발전 시스템 및 화학적 프로세스 플랜트와 같은 프로세스에 의해 생성된 프로세스 스트림으로부터 에너지를 회수한다. 소각 시스템은 통상적으로 1,650 내지 2,400℉ 사이의 고온에서 작동한다. 이 같은 시스템에서, 고온의 배출 가스로형성된 프로세스 스트림으로부터의 폐열 회수는 차례로 전기를 발생시키기 위해 사용될 수 있는, 스트림을 발생시키기 위해 적용될 수 있다. 폐열 발전 플랜트에서 가스 터빈 배출로 형성된 프로세스 스트림에 함유된 열 에너지는 또한 증기 및 전기의 형태로 회수될 수 있다. 화학 프로세스 플랜트에서, 증기 발생기는 에너지를 회수하기 위해 사용될 수 있거나 처리되는 프로세스에서 자체적으로 사용될 수 있다.
증기 발생기를 포함하는 화학 프로세스의 구체적인 실시예는 개질기(reformer) 및 시프트 변환기로부터의 제품 스트림이 냉동되는 증기 개질 작동(steam-reforming operations)에서 발견될 수 있다. 공급 가스 및 증기의 혼합물이 배출 가스에 의해 가열된 반응노 또는 개질기로 공급된다. 제품 스트림은 발열 시프트 변환 반응이 일어나는 반응기로 보내진다. 시프트 변환으로부터의 제품 스트림은 또한 냉동되어지는 것이 필요하다. 인정될 수 있는 바와 같이, 냉동 단계 동안, 증기는 에너지를 회수하고 반응물로서 작용하기 위해 발생될 수 있다.
전술된 것은 에너지가 증기 발생기에 의해 회수될 수 있는 고온 프로세스 스트림을 발생시킬 수 있는 많은 프로세스 중에서 수 개의 예만을 포함한다. 증기 발생을 통하여 고온에서 에너지가 회수될 수 있는 임의의 프로세스에서, 열역학적 비효율이 실제 크기 및 비용의 증기 발생기의 냉동 단부로부터의 열 배출로부터 발생될 수 있다.
설명되는 바와 같이, 본 발명은 증기가 열음향 기관으로 발생되는 프로세스의 통합을 포함한다. 프로세스들은 후술되는 타입일 수 있다. 이에 대해, 열음향기관의 작동은 오늘날 물리학, 그레고리 더블유. 스위프트(Gregory W. Swift)에 의한 "열음향 기관 및 냉동기(Thermoacoustic Engines and Refrigerators)"(1995년 7월) 22 내지 27 쪽에 완전히 설명되어 있다. 간단히 설명하면, 열음향 기관은 열 에너지를 음향 에너지로 변환하도록 평행판의 적층체에 의해 열적으로 연결된 고온 및 저온 단부 열 교환기를 포함하는 공명기를 적용하는 공지된 장치이다. 음향 에너지의 일은 일, 전기 또는 냉동으로 전환될 수 있다. 열음향 일(thermoacoustic work)이 전기로 전환되는 장치의 예들은 미국 특허 제 5,996,345호 및 제 4,559,551호에서 볼 수 있다. 열음향 일이 냉동을 발생시키기 위해 사용되는 장치의 일 예가 미국 특허 제 4,953,366호에 제시되어 있는데, 여기에서는 열음향 기관이 오리피스 펄스 튜브 냉동기와 조합하여 사용된다. 천연 가스를 액화시키는 천연 가스 분야에서, TADOPTR로서 알려진, 오리피스 펄스 튜브 냉동기와 열음향 기관의 조합을 이용하는 것이 적어도 제안되어 있다. 이 같은 분야에서, 액화되는 천연 가스의 일 부분이 차례로 천연 가스의 나머지 부분을 액화시키기 위해 사용되는 TADOPTR에 동력을 공급하기 위해 연소된다.
본 발명에서, 저온에서 중간 온도 프로세스 스트림과의 간접 열 교환을 통한 증기의 발생전에 열음향 기관내에서의 고온 프로세스 스트림으로부터 에너지의 일 부분이 유용하게 회수된다. 결과적으로, 전체 프로세스의 전체 열역학 효율과 이에 따라 회수될 수 있는 에너지의 양이 증가된다.
본 발명은 증기가 증기 발생기로 통과하는 고온 프로세스 스트림으로부터 발생되는, 증기의 발생을 포함하는 프로세스를 처리하는 방법에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 고온 프로세스 스트림이 열음향 기관(thermoacoustic engine)으로 유입되어 고온 프로세스 스트림이 증기 발생기내로 유입되기 전에 일을 회수하도록 하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위해 고온 프로세스 시스템으로 일반적으로 인가되는 본 발명의 개략도이며,
도 2는 본 발명의 방법과 결합된 증기 메탄 개질 시스템의 개략도이며,
도 3은 본 발명의 방법과 결합된 통합된 기화 결합 사이클의 개략도이며,
도 4는 본 발명에 따른 방법과 결합된 유리 노이며,
도 5는 본 발명에 따른 방법과 결합된 산소 이송 막 시스템의 개략도이며,
도 6은 본 발명에 따른 방법과 결합된 가스 터빈 및 가스 분리 유닛을 결합하는 시스템의 개략도이며,
도 7은 본 발명에 따른 방법을 결합하는 천연가스 기관과 공기 분리 유닛을 이용하는 시스템이다.
본 발명은 증기의 발생을 포함하는 프로세스를 처리하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 고온 프로세스 스트림이 발생된다. 열은 고온 프로세스 스트림으로부터 열음향 기관으로 전달되어 열음향 일로서 고온 프로세스 스트림으로부터 에너지를 회수하고 중간 온도 프로세스 스트림을 발생시킨다. 중간 온도 프로세스 스트림은 증기 발생기로 유입되어 증기를 발생시킨다.
증기 발생을 통한 고온 프로세스 스트림으로부터 가장 큰 가능한 에너지를 회수하도록, 카로노 사이클 효율만을 고려해보면, 알 수 있는 바와 같이, 꽤 크지만, 비싸지 않다면, 가능한 가장 낮은 온도, 통상적인 대기 온도에서 프로세스로부터 열을 배출하기 위해, 열 교환기가 요구된다. 첫번째로 열음향 기관에 있는 에너지를 회수함으로써 그리고나서 증기 발생기를 통하여, 더욱 이상적인 효율이 접근되는데, 이는 두 개의 스테이지, 즉 열음향 기관에서 고온으로, 그리고나서 증기 발생기에서 저온으로, 저온 중간 프로세스 스트림과의 열교환을 통하여, 에너지가 회수되기 때문이다. 증기 발생기내에서의 열 교환 후, 중간 프로세스 스트림이 증기 발생기로 직접 유입되는 고온 프로세스 스트림을 얻을 수 있는 온도 보다 실제로 낮은 온도로 배출될 수 있다. 이에 대해, 열음향 기관이 작동을 위해 고온을 요구하는 반면, 증기 발생기가 저온에서 적절히 기능할 수 있기 때문에 공동 작용이 일어난다.
고온 프로세스 스트림은 산화제의 존재시 연료가 연소함으로써 발생될 수 있다. 후술되는 바와 같이, 결과적으로 이산화탄소는 유용하게 회수될 수 있다. 본 발명의 다양한 적용을 위해, 유용하게, 열음향 기관에서 생성된 음향 일이 음향 냉동기를 구동시킬 수 있다.
전술한 유용한 적용예가 증기 메탄 개질과 같은 산업적 프로세스에서 이용될 수 있다. 예를 들면, 증기는 수소 함유 가스를 생성하도록 증기 메탄 개질 처리되는 공급물 함유 메탄과 조합될 수 있다. 수소는 수소 함유 가스로부터 분리될 수 있어 수소 제품 스트림 및 연료를 생성한다. 후술되는 바와 같이, 수소 제품 스트림은 열음향 기관에 의해 구동되는 음향 냉동기에서 액화될 수 있다.
또 다른 잠재적인 적용예는 석탄 기화(coal gasification)에 있다. 이 같은 적용예에서, 열음향 기관과의 열 전달 전에, 추가 에너지가 터빈 내의 고온 프로세스 스트림으로부터 회수될 수 있다. 증기는 그때 석탄 기화제(coal gasifier)로 유입되어 고온 프로세스 스트림의 생성을 위한 연료의 일 부분을 발생시킨다. 후술되는 바와 같이, 추가 일은 공기 압축기에 동력을 인가하여 산화제로부터 적어도 일부분을 사용할 수 있는 압축 공기 스트림을 생산한다. 바람직하게는 석탄 기화제가 미처리된 연료 스트림을 생산하고 추가 압축 공기 스트림이 압축 공기 스트림과 결합되어 산화제를 형성한다. 미처리된 연료 스트림은 순서대로 추가 열음향 기관으로 유입될 수 있어 열음향 일을 생성하고 배기 가스 냉동 유닛, 정화 유닛으로 유입되어 연료를 생산한다. 다른 열음향 일은 열음향 기관으로부터 추출될 수 있다.
열은 노내의 배기 가스로서 생산된 고온 프로세스 스트림과의 간접 열 교환을 통하여 가열된 고온 전달 유체에 의해 고온 프로세스 스트림으로부터 열음향 기관으로 전달될 수 있다. 노는 용광로일 수 있고 증기는 증기 터빈을 구동하기 위해 이용될 수 있어 축 일(shaft work)을 생성한다. 축 일은 공기를 압축하기 위해두 개의 공기 압축기에 적용될 수 있다. 두 개의 공기 압축기 중 하나가 산소 스트림을 생성하기 위해 진공 압력 스윙 흡착 유닛(vacuum pressure swing adsorption unit)에 결합된다. 압축 공기 스트림 및 산소 스트림은 용광로로 유입될 수 있어 코크의 연소를 도와서 환원된 가스를 생성한다.
다른 적용예에서, 산소 함유 가스는 산소 이송 막 반응기로 통과할 수 있어, 가열된 리텐테이트 스트림(a heated retentate stream) 및 산소 제품 스트림을 생산한다. 그리고나서 고온 프로세스 스트림은 가열된 리텐테이트 스트림으로부터 적어도 일 부분을 형성한다. 후술되는 바와 같이, 산소 제품 스트림은 열음향 기관에 의해 구동된 음향 냉동기(acoustic refrigerator)에서 액화될 수 있다.
또 다른 적용예는 극저온 공기 분리를 포함한다. 고온 프로세스 스트림은 가스 터빈의 배출로부터 생산될 수 있다. 가스 터빈에 의해 생산된 축 일은 극저온 공기 분리 유닛에서 공기를 압축하도록 압축기에 적용될 수 있다. 극저온 공기 분리 유닛은 주로 질소 또는 산소로 이루어진 하나 이상의 제품 스트림을 생성하고 하나 이상의 제품 스트림은 열음향 기관에 의해 구동된 음향 냉동기내에서 액화될 수 있다. 이 같은 적용예에서, 유용하게 증기는 증기 터빈으로 유입되어 추가 축 일을 생성한다. 그리고나서 추가적인 축 일은 공기를 추가적으로 압축하기 위해 적용될 수 있다.
본 발명의 다른 적용예에서, 연료 및 산화제는 축 일을 발생하는 천연 가스 기관내에서 연소된다. 극저온 공기 분리 유닛에서 공기를 압축하도록 공기 압축기를 구동하기 위해, 축 일의 일 부분이 이용된다. 극저온 공기 분리 유닛은 산소및 질소 중 하나가 풍부한 제품 스트림을 생산한다. 이 같은 제품 스트림은 축 일의 추가적인 일 부분에 의해 구동되는 증기 압축 냉동기로 유입되고 그리고나서 열음향 기관에 생산된 음향 일(acoustic work)에 의해 구동되는 음향 냉동기로 유입된다.
명세서는 본 발명에 대한 적용예의 주요 구성을 구별되게 지적하는 청구범위를 포함하지만, 본 발명은 첨부된 도면과 관련하여 더 용이하게 이해될 수 있다.
도 1을 참조하면, 장치(1)가 도시되어 있다. 장치(1)는 전체적으로 증기의 발생을 포함하는 프로세스를 나타낸다. 이 같은 프로세스는 연료 및 공기스트림(12 및 14) 각각을 경유하여 프로세스 시스템(10)으로 유입되는 산소 함유 가스에 존재하는 연료의 연소를 통하여 고온에서 작동하는 프로세스 시스템(10)을 포함한다. 프로세스를 따라, 또 다른 공급물 스트림(13)이 요구될 수 있다.
프로세스 시스템(10)은 고온 프로세스 스트림(16)을 발생시킨다. 고온 프로세스 스트림(16)은 폐기 스트림, 제품 스트림 또는 아마도, 중간 제품 스트림일 수 있다. 프로세스 시스템(10)의 또 다른 예가 본 명세서에 포함된 후속하는 도면을 참조하여 설명될 것이다.
고온 프로세스(16)의 발열량은 다양한 목적을 위해 사용될 수 있는 증기를 발생시키는 증기 발생기(18)에 회수된다. 고온 프로세스 스트림(16)이 600 내지 1000 ℃의 온도이며, 실제로 증기 발생기(18)내에서 홀로 고온 프로세스 스트림(16)의 열 에너지를 효율적으로 회수하는 것이 불가능하다. 본 발명에 따라, 고온 프로세스 스트림(16)으로부터 유용한 일을 회수하기 위해, 고온 프로세스 스트림(16)이 첫번째로 고온으로 고온 프로세스 스트림(16)의 에너지를 회수할 수 있으며 전기 축 일 및 후술되는 바와 같이 냉동의 발생을 적용할 수 있는 음향 일로서 열음향 기관(20)으로 유입된다.
후술되는 바와 같이, 열음향 기관(20)은 평행판의 적층체에 의해 연결된 고온 및 저온 단부 열 교환기를 포함하는 공명기 튜브(resonator tube)로 이루어지는 장치이다. 가스, 통상적으로 헬륨이 공명기 튜브내에 위치된다. 충분히 큰 온도차가 고온 및 저온 단부 열 교환기에 의해 유지될 때, 적층제 내의 가스가 작동하는데, 이는 적층체 내의 가스가 압력이 높을 때 팽창하고 압력이 낮을 때 열적으로수축하기 때문이다. 이 같은 팽창 및 수축에 의해 생산된 일은 다양한 목적을 위해 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명은 상세한 설명 및 청구범위에서 사용된 바와 같이 제한되는 것으로 고려되지 않으며, "열음향 기관"은 열 에너지를 음향 에너지로 변환하도록 특별히 설계된 임의의 장치를 의미한다. 이에 대해, 본 발명은 열음향 스털링 열 기관(thermoacoustic stirling heat engines) 또는 부일레루미어 기관(Vuillerumier engines)과 같은 공지된 토로이드형 장치와 동일한 적용 가능성을 가진다.
후술되는 바와 같이, 하나의 목적은 펄스 튜브 냉동기와 같은 음향 냉동기를 구동하는 것이다. 펄스 튜브 냉동기에서, 펄스 튜브는 강철 마이크로 구형체 또는 스크린과 같은 재생기 재료를 통하여 공명기 튜브와 소통된다. 재생기 재료의 일 단부와 열이 소통되는 후냉동기는 압축 열을 제거한다. 펄스 튜브내의 작동 유체는 재생기내에서 냉동되고나서 펄스 튜브내에서 팽창하여 저온 단부 열 교환기에서 냉동을 생성하여 따뜻한 단부 열 교환기에서 열을 배출한다. 오리피스에 의해 펄스 튜브와 소통되는 저장부는 펄스의 유동 및 압력의 변화를 조절함으로써 성능이 향상된다. 상술된 열음향 기관은 음향 스털링 하이브리드 냉동기와 같은 다른 공지된 음향 냉동기에 대한 적용 가능성을 가진다.
열음향 기관(20)내에서의 고온 프로세스 스트림(16)으로부터의 에너지의 회수는 증기로 이루어지는 스트림(24)을 발생하도록 증기 발생기(18)로 공급되는 중간 온도 프로세스 스트림(22)을 생성한다. 이에 대해, 물 스트림(26)은 보조 물 스트림(28 및 30)으로 나누어진다. 보조 물 스트림(30)은 증기 발생기(18)로 유입되어 스트림(24)을 생성한다. 스트림(24)은 증기 터빈(32)으로 유입될 수 있는 다양한 장치, 예를 들면 압축기 및 발전기로 적용될 수 있는 축 일를 생성한다. 온도 및 압력에 따라, 터빈 배출 스트림(34)은 2단 증기 터빈 또는 다른 프로세스에서 추가로 이용될 수 있다. 증기 발생기(18)로부터 배출되는 저온 중간 프로세스 스트림(36)도 동일하다.
산화제의 연료 연소에 의해 고온 프로세스 스트림(16)이 생성되는 곳에서, 이산화 탄소가 생성된다. 이산화 탄소는 다양한 공지된 프로세스에 의해 저온 중간 온도 프로세스로부터 회수될 수 있다. 이의 장점은 이산화 탄소가 온실 가스의 형성을 방지하도록 격리할 수 있고 나중에 다른 산업 프로세스를 위해 판매하거나 사용할 수 있다는 것이다. 바람직하게는, 물 스트림은 열음향 기관내의 작동 유체, 이산화 탄소의 회수동안 및 증기를 발생하도록 증기 발생기(18)에서 저온 중간 온도 프로세스 스트림(36), 및 상술된 바와 같이 직접적인 열 교환에서 가열될 수 있으며, 일은 또한 증기 터빈으로 증기를 유입함으로써 회수될 수 있다. 회수된 이산화 탄소의 스트림은 열음향 기관에 의해 구동된 음향 냉동기에서 액화될 수 있다.
도 2를 참조하면, 증기 메탄 개질을 통하여 가스 상태의 수소 제품을 생산하도록 설계된 장치(2)가 도시되어 있다. 장치(2)에 따라, 고온 프로세스 스트림은 화살표("A")에 표시된 배출 가스의 형태로 생성된다. 장치(2)의 프로세스 시스템은 공기 및 연료 스트림(42 및 44) 각각이 유입되는 노(40)이다. 메탄 함유 예열 공급물 스트림(46) 및 증기 함유 스트림(48)이 공지된 증기 메탄 개질기(40)로 유입된다. 도시되지 않은 촉매의 존재시, 연료(메탄) 및 증기의 혼합물은 수소, 일산화 탄소, 이산화 탄소 및 미반응 메탄 함유 중간 제품 스트림(50)을 생성한다.
결과적으로 배출 가스 스트림("A")은 열음향 기관(52)의 고온 단부 열 교환기와 간접적으로 열교환하여 "B"로 표시된 중간 온도 배출 가스 스트림을 생성한다. 물은 물 스트림(54)으로서 열음향 기관(52)내에 위치된 저온 단부 열 교환기로 유입된다. 부가적인 물 스트림(58)은 물 스트림(54)과 조합될 수 있어 증기 메탄 개질기(40)의 적층체 내에 위치된 열 교환기(56)내에 증기를 발생시킨다. 적층 가스는 화살표 "C"로 표시된 스트림으로서 배출된다. 조합된 스트림(54, 58)은, 증기로 기화된 후, 중간 제품 스트림(50)내의 열을 회수하도록 작용하는 증기 발생기(62)내에 생성된 추가 스트림(60)(또는 증기)과 결합될 수 있다. 증기 메탄 개질기(40)내에 함유된 열 교환기(63)는 결합된 스트림을 과열시킨다. 스트림(64)은 부가 프로세스 및 스트림(48)에 사용될 수 있는 배출 스트림(66)으로 나누어질 수 있다.
중간 제품 스트림(50)은 미국 특허 제 6,007,606호에 기술된 바와 같이 공지된 PSA 분리 유닛(68)으로 유입되어 가스 상태의 수소 제품 스트림(70)으로서 얻을 수 있는 가스 상태의 수소와 연료 스트림(44) 및 액체 제품 스트림(76)을 생성하도록 펄스 튜브 냉동기(74)와 같은 음향 냉동기내에서 액화되는 제품 스트림(72)의 일 부분을 생성한다. 오리피스 펄스 튜브 냉동기(74)는 열음향 기관(52)으로 연결되어 배출 가스로부터 고온으로 추출된 일에 의해 구동된다.
도 3을 참조하면, 석탄의 기화를 통하여 전기를 발생하도록 설계되는 사이클이 결합된 통합된 기화 형성 장치(3)가 도시되어 있다. 장치(3)에서, 프로세스 시스템은 가스 터빈 발생기(81)에 결합되는 연소 챔버(80)로 이루어진다. 연료 및 공기 스트림(82 및 84) 각각은 연소 챔버(80)로 유입된다. 연료는 연소되어 가스 터빈 발생기(81)의 터빈(86)으로 유입되는 고온 배출 가스 스트림(85)를 생성한다. 터빈(86)의 축 일의 일 부분이 연소 챔버(80)내에서 연소를 도우는 공기 스트림(84)을 부분적으로 형성하는 압축기 공기 스트림(90)을 생성하는 공기 압축기(88)로 전달된다. 다른 일은 전기로서 터빈(86)으로부터 회수된다.
터빈(86)의 배출은 증기 발생기(98)로 공급되는 중간 온도 프로세스 스트림(96)을 발생시키도록 열음향 기관(94)으로 유입되는 고온 프로세스 스트림(92)을 형성한다. 유입하는 물 스트림(100)은 보조 물 스트림(102 및 103)으로 나누어진다. 보조 물 스트림(102)은 열음향 기관(94)의 저온 단부 열 교환기로부터 열을 제거한다. 보조 물 스트림(103)은 증기로 이루어지는 스트림(104)을 생성하도록 증기 발생기(98)로 유입된다. 스트림(104)은 증기 터빈 발생기(105)로 유입될 수 있어 부가 전기를 발생시킨다. 스트림(106)으로서 증기 터빈 발생기(105)의 배출은 압축 공기 스트림(90)으로부터 일 부분이 형성되는 압축 공기 스트림(110)을 따라 공지된 석탄 기화제-탈황제 시스템(108)으로 유입된다. 석탄 및 석회석(112)은 또한 석탄 기화제-탈황제 시스템(108)로 공급된다.
기화제-탈황제 시스템(108)은 열음향 일을 생성하도록 추가 열음향 기관(116)으로 고온 프로세스 스트림으로서 작용할 수 있는 미처리된 연료 스트림(114)을 생성한다. 결과적으로, 중간 온도 프로세스 스트림(118)이 생성되는데, 이는 유입하는 물 스트림(122 및 124)으로부터 증기를 생성하는 후 냉동기(120)내에서 냉동된다. 결과적으로, 그때 냉동된 스트림(126)은 공지된 세착 유닛(128)으로 유입되어 정화된 배출 스트림(130)을 생성하며 정화된 배출 스트림(130)은 가스 터빈의 연소 챔버(80)내에서 연소되는 연료 스트림(82)을 생성하도록 천연 가스 스트림(132)과 결합될 수 있다.
도 4를 참조하면, 용광로(140)와 관련하여 본 발명을 이용하는 장치(4)가 도시되어 있다. 본 발명의 적용예에 따라, 용광로는 철, 코크 및 석회석을 배출한다. 가열된 공기 및 산소 스트림(141 및 142)은 노의 베이스로 유입되어 코크를 연소시키고 일산화 탄소, 수소 및 이산화 탄소를 함유하는 환원 가스를 생성한다. 환원 가스가 용광로(140)에서 상승될 때, 철 산화물은 철로 환원되고 노의 상부에서 나머지 가스는 발열 반응되어 용광로(140)의 상부로 공급된 철을 용용시킨다. 결과적으로 상당한 양의 연소가능한 수소 함유 배출 가스 및 일산화 탄소는 가스 스트림(144)으로서 용광로(140)의 상부로부터 배출된다. 용융된 철 및 슬래그는 용광로(140)의 바닥으로부터 추출된다.
분리 유닛(146)내에서 먼지의 분리 후, 유입하는 공기 및 산소 스트림(141 및 142)을 각각 가열하고 고온 프로세스 스트림(152)을 생성하도록 연소 챔버(150) 내에서 연소되는 배출 가스 스트림(148)이 생성된다.
열은 열 교환기(156) 및 펌프(158)를 가지는 열 전달 루프에 의해 고온 프로세스 스트림(152)으로부터 열음향 기관(154)으로 전달되어 열음향 기관(154)의 고온 단부 열 교환기를 통하여, 헬륨 또는 다른 가스/액체로 이루어지는 열 전달 유체를 펌핑한다. 열 전달 루프 대신, 열 파이프는 열을 열음향 기관으로 전달하기 위해 이용될 수 있다. 물 스트림(160)은 그 사이에 포함된 적층체의 필요한 냉동을 제공하기 위해 열음향 기관(154)의 냉동 단부 열 교환기로 유입된다. 열음향 일은 일반적으로 화살표(164)로 표시되고 추출되어 전기, 냉동, 또는 다른 필요한 프로세스의 발생으로 적용될 수 있다.
결과적으로, 중간 온도 프로세스 스트림(166)은 그때 증기 발생기(168)로 유입되어 가열된 후 수증기(160)로 구성되는 물 스트림(170)으로부터 증기를 발생시킨다. 결과적으로, 증기는 증기 터빈(172)으로 유입된다. 증기 터빈(172)은 단(stages; 174 및 176)을 가지는 압축기에 적용되는 축 일을 생성한다. 스테이지(176)는 산소 스트림(142)을 생성하도록 도면 부호(178)로 표시되고 다수의 공개된 진공 압력 스윙 흡수 프로세스 중 임의의 것에 사용하기 위해 공기를 압축한다. 단(174)은 압축된 공기 스트림(141)을 생성하도록 공기를 압축한다.
도 5를 참조하면, 산소 이송 막 시스템(180)과 결합되는 산소 발생기(5)로 본 발명의 적용을 도시하는 장치(5)가 도시되어 있다. 산소 이송 막 시스템(180)은 고온에서 유입된 산소 함유 가스에 있는 산소에 의해 생성된 산소 이온의 산소 이송 막 시스템(180)의 하나 이상의 산소 이송 막의 캐쏘드 측으로의 이송을 허용하는 기능을 하는 하나 이상의 세라믹 막을 가진다. 막의 타입에 따라, 압력차 또는 전류를 통한 산소 이온이 막의 아노드 측으로 이송된다.
산소 이송 막 시스템(180)에서, 압력 차는 산소 이온의 이송을 유효하게 하기 위해 이용되며, 이와 같이, 압축 공기 스트림(182)은 산소 이송 막 시스템(180)으로 유입된다. 압축 공기 스트림(182)에 함유된 소정의 산소의 존재시 연소하는 메탄에 의해 가열된다. 산소는 공기로부터 분리되어 산소의 분리후 압축 공기 스트림(182)의 나머지 성분으로 이루어지는 고온 프로세스 스트림(184)을 생성한다. 산소 제품 스트림(186)은 산소 이송 막 시스템(180)으로부터 추출된다. 고온 프로세스 스트림(184)은 물 스트림(190)을 따라 열음향 기관(188)으로 유입된다. 고온 프로세스 스트림(184)은 증기 발생기(188)로 유입되는 중간 프로세스 스트림(189)을 생성하기 위해 냉동된다. 스트림(190) 및 물 스트림(196)내에 함유된 물은 증기 발생기(197)로 유입되어 증기 함유 스트림(198)을 생성한다. 열음향 기관(188)의 일은 산소 제품 스트림(186)을 액화하기 위해 사용되는 펄스 튜브 냉동기(199)와 같은 음향 냉동기로 적용된다. 물 스트림(200)은 오리피스 펄스 튜브 냉동기(199)내에 함유된 재생기 물질과 접촉하는 저온 열 교환기로 유입된다.
도 6은 공기 분리 유닛에 대한 본 발명의 하나의 적용예를 보여준다. 본 발명의 이러한 실시예에 따라, 가스 터빈(202)은 배출로서 고온 프로세스 스트림(204)을 생성한다. 가스 터빈 유닛(202)에는 공기 압축기(205)와 연소기(206)가 제공되어 공기에 함유된 산소의 존재시 연료를 연소시켜 공기를 가열하여 이 공기를 터빈(208)으로 유입시킨다. 고온 프로세스 스트림(204)은 열음향 기관(210)으로 유입되어 중간 프로세스 스트림(212)을 생성한다. 물 스트림(214)은 저온 열 교환기내에 사용하기 위한 열음향 기관(210)으로 유입되고 그리고나서 물 스트림(218)과 결합한다. 스트림(214 및 218)은 연소 후, 증기 발생기(220)으로 유입되는 결합된 스트림을 생산하여 증기 터빈(224)로 유입될 수 있는 스트림(222)으로서 증기를 상승시킨다. 증기 터빈(224)의 축 일은 전기 발생 또는 다른 목적을 위해 사용될 수 있다.
공기 압축기(226)는 가스 터빈(202)에 결합되어 공기를 압축하고 압축 공기를 공기 분리 유닛(228)으로 유입시킨다. 도시되지는 않았지만, 공기 분리 유닛(228)은 질소 또는 산소가 풍부할 수 있는 하나 이상의 제품 스트림을 생산하도록 질소 및 산소를 분리하는 기능을 하는 하나 이상의 증류 컬럼을 갖는다. 도면부호 229로 표시된 이 같은 제품 스트림은 액화시키는 펄스 튜브 냉동기(231)가 같은 음향 냉동기로 유입되어 액체 제품 스트림(232)을 생성한다. 열음향 기관(220)의 일 출력은 스트림(234)에 의해 냉동된 저온 단부 열 교환기를 포함하는 펄스 튜브 냉동기(230)를 구동시킨다.
도 7은 천연 가스 기관(244)에 의해 동력이 공급되는 압축기(242)를 가지는 공기 분리 유닛(240)을 이용하는 장치(7)에 대한 본 발명의 적용이 도시된다. 천연 가스 기관(244)은 산소 또는 산소가 풍부한 공기의 존재시 연료를 연소하여 중간 온도 프로세스 스트림을 생성하는 열음향 기관(248)으로 유입되는 고온 프로세스 스트림(246)으로서 기능하는 배출을 생성한다. 중간 온도 프로세스 스트림(250)은 증기를 상승시키도록 증기 발생기(252)내의 물을 가열한다. 열음향 기관(248)은 스트림(258)과 결합되는 스트림(254)으로서 유입되는 물에 의해 냉동된다. 결과적으로 결합된 스트림(259)은 증기 발생기(252)로 유입된다.
전술된 바와 같이, 천연 가스 기관(244)은 공기 분리 유닛(240)에서 분리되어지도록 공기를 압축하는 압축기(242)에 동력을 공급한다. 공기 분리 유닛(240)은 질소가 또한 풍부한 스트림(260)을 생성하거나 산소는 천연 가스 기관(244)에 의해 또한 동력이 공급되는 증기 압축 냉동기(261)로 유입된다. 도시된 바와 같이, 임의의 축 일은 다른 목적을 위해 사용될 수 있다. 결과적으로 제품 스트림(262)은 그때 제품 스트림(262)을 액화시키도록 열음향 기관(248)에 의해 동력이 공급되는 오리피스 펄스 튜브 냉동기(264)로 유입된다. 물 스트림(266)은 펄스 튜브 냉동기(264)의 후냉동기로 유입된다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 기술분야의 기술자들은 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 다양한 변화, 부가 및 생략을 할 수 있다.

Claims (11)

  1. 증기의 발생을 포함하는 프로세스를 처리하는 방법으로서,
    고온 프로세스 스트림(16; "A"; 92; 152; 184; 204; 246)을 발생시키는 단계,
    열음향 일로서 상기 고온 프로세스 스트림(16; "A"; 92; 152; 184; 204; 246)으로부터 에너지를 회수하고 중간 온도 프로세스 스트림(22; "B"; 96; 166; 189; 212; 262)을 발생하도록 상기 고온 프로세스 스트림(16; "A"; 92; 152; 184; 204; 246)으로부터 열음향 기관(20; 52; 94; 154; 188; 210; 248)으로 열을 전달하는 단계, 및
    증기(24; 58; 104; 170; 198; 222; 259)를 발생시키도록 스트림 발생기(18; 63; 56; 98; 168; 188; 220; 252)로 상기 중간 온도 프로세스 스트림을 유입시키는 단계를 포함하는, 증기의 발생을 포함하는 프로세스를 처리하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고온 프로세스 스트림(16; "A"; 92; 152; 184; 204; 246)이 산화제(14; 42; 84)의 존재시 연료(12; 44; 82; 148)를 연소시킴으로써 발생되는, 증기의 발생을 포함하는 프로세스를 처리하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 증기(104)를 증기 터빈(105)으로 유입함으로써 추가적인 일이 회수되는, 증기의 발생을 포함하는 프로세스를 처리하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 증기(58)가 증기 메탄 개질 처리되는 메탄 함유 공급물(46)과 결합되어 수소 함유 가스(50)를 생성하고,
    상기 수소가 상기 산소 함유 가스(50)로부터 분리되어 수소 제품 스트림(70, 72)과 상기 연료(44)의 일 부분을 생성하는, 증기의 발생을 포함하는 프로세스를 처리하는 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 고온 프로세스 스트림(85)으로부터 상기 열음향 기관(94)으로 열을 전달하기 전에 터빈(81)내에 상기 고온 프로세스 스트림(85)으로부터 추가적인 에너지를 회수하는 단계, 및
    상기 연료(82)의 일 부분이 발생하도록 석탄 기화제(108)로 상기 증기(104)를 유입시키는 단계를 더 포함하는, 증기의 발생을 포함하는 프로세스를 처리하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    노(140)내에 있는 배출 가스로서 생성된 상기 고온 프로세스 스트림과의 간접 열 교환을 통해 가열된 열 전달 유체에 의해, 열이 상기 고온 프로세스 스트림으로부터 상기 열음향 기관(154)으로 전달되는, 증기의 발생을 포함하는 프로세스를 처리하는 방법.
  7. 제 7 항에 있어서,
    상기 노는 용광로(140)이고,
    상기 증기는 증기 터빈(172)을 구동시켜 축 일을 생성하고,
    상기 축 일은 두 개의 공기 압축기(174; 176)로 유입되어 공기를 압축하고,
    상기 두 개의 공기 압축기 중 하나의 압축기(176)가 진공 압력 스윙 흡수 유닛(178)에 결합되어 산소 스트림(142)을 생성하고 상기 두 개의 공기 압축기 중 다른 하나의 공기 압축기(174)가 압축 공기 스트림(141)을 생성하고,
    상기 압축 공기 스트림(141) 및 상기 산소 스트림(142)이 가열되고,
    상기 압축 공기 스트림(141) 및 상기 산소 스트림(142)은, 가열된 후, 상기 용광로(140)로 유입되어 코크의 연소를 도와 환원 가스를 생성하는, 증기의 발생을 포함하는 프로세스를 처리하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    산소 함유 가스(182)가 산소 이송 막 반응기(180)로 통과하여, 가열된 리텐테이트 스트림(184) 및 산소 제품 스트림(184)을 생성하고,
    상기 고온 프로세스 스트림은 상기 가열된 리텐테이트 스트림(184)으로부터적어도 부분적으로 형성되는, 증기의 발생을 포함하는 프로세스를 처리하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 고온 프로세스 스트림(204)은 가스 터빈(202)의 배출로부터 생성되고,
    상기 가스 터빈(202)에 의해 생성된 축 일은 극저온 공기 분리 유닛(228)에 있는 공기를 압축하도록 적용되고,
    상기 극저온 공기 분리 유닛(228)은 산소 또는 질소로 주로 구성된 하나 이상의 제품 스트림(229)을 생성하고,
    상기 하나 이상의 제품 스트림(229)이 상기 열음향 기관(210)에 의해 구동된 음향 냉동기(231)내에서 엑화되는, 증기의 발생을 포함하는 프로세스를 처리하는 방법.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 및 산화제가 축 일을 발생하는 천연 가스 기관(244)내에서 연소되고,
    상기 축 일의 일부가 공기 압축기(242)를 구동하기 위해 사용되어 극저온 공기 분리 유닛(240)에 있는 공기를 압축하며,
    상기 극저온 공기 분리 유닛(240)은 산소 및 질소 중 하나가 풍부한 제품 스트림(260)을 생성하고,
    상기 제품 스트림(260)은 상기 축 일의 추가 부분에 의해 구동되는 증기 압축 냉동기(261)로 유입하고나서 상기 열음향 기관(248)에 생성된 상기 음향 일에 의해 구동되는 음향 냉동기(264)로 유입되는, 증기의 발생을 포함하는 프로세스를 처리하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 열음향 기관(20; 52; 154; 188; 210; 248)에 생성된 상기 음향 일이 음향 냉동기(74; 199; 231; 264)를 구동하는, 증기의 발생을 포함하는 프로세스를 처리하는 방법.
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