KR20070033418A - 산소 연소에 적합한 증기 발생 방법 및 장치 - Google Patents

산소 연소에 적합한 증기 발생 방법 및 장치 Download PDF

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이시도르 자뀌보위즈
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또딸 프랑스
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Abstract

본 발명은 연소 챔버(21, 31), 물 예열기(22, 33) 및 기화기(23, 24, 38, 40)를 포함하고, 상기 연소 챔버(21, 31)은 적어도 부분적으로 물 예열기(22, 33)로 이루어지는 보일러(30)에 관한 것이다. 또한 본 발명은 산소 연소 불꽃으로 찬물을 가열된 유체로 가열하는 단계를 포함하여 뜨거운 물을 생산하는 산소 연소 방법에 관한 것이다. 본 방법은 본 발명의 장치로 수행하는 것이 유리하다.
산소 연소, 보일러

Description

산소 연소에 적합한 증기 발생 방법 및 장치{Method and device for generating steam suited to oxycombustion}
본 발명은 산소 연소, 즉 산소 또는 옥시던트로서 산소가 풍부한 공기에 의한 석탄 연료의 연소에 적합한 증기를 발생시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 주제는 또한 이를 수행하기 위한 장치이다.
산소에 의한 연소 또는 산소 연소는 현재 대기중의 CO2 배출을 제안하면서 석탄 연료를 사용을 계속하기 위해 고안해낸 가장 매력적인 방법들 중 하나이다. 사실상, 공기에 의한 연료들의 연소는 현저한 밸러스트를 형성하는 연소 공기의 질소에서 크게 희석된 CO2를 형성한다: 일반적으로 CO2는 연소 생성물의 단지 10 내지 15%를 나타낸다. CO2의 재주입은 대기 속으로의 배출을 제한하기 위해 현재 고려되는 기술들 중 하나이다. 공기에 의한 연소의 경우에, 1톤의 주입된 CO2가 CO2의 분리 또는 포획에 필요한 에너지 필요조건을 위해 0.3 내지 0.5톤의 추가 CO2(연료의 형태에 따름)를 생산하는 것이 필수적이다. 효율은 대략 50%이다. 산소에 의한 연소의 경우에, 산소의 생산이 상기한 배기 가스를 분리하기 위해 필요한 것 이하의 CO2를 발생시키는 것이 분명한 한, 효율은 대략 30% 내지 50% 증가한다. 따라서, 산소 연소의 경우에, 연소에 의해 생산된 증기의 응축 후에, CO2는 배기 가스의 대략 90%를 차지하며, 나머지는 잔류 질소 및 옥시던트로 사용된 산소에 함유된 아르곤, 연료의 완전 연소하기 위해 주입된 과량의 산소 및 연소하는 동안 형성된 다른 가스(NOx, SOx)를 포함한다. 비응축성 가스의 전부 또는 일부를 분리한 후 95% 이상의 순도를 가진 CO2를 쉽게 재주입될 수 있다.
순수한 산소 또는 산소가 매우 풍부한 공기에 의한 연소에 의해 발생하는 주요 문제는 매우 높은 연소 온도이다. 공기에서 표준 연소가 보통 약 2000℃인 반면 사실상 이 온도는 3000℃를 초과할 수 있다.
이 매우 높은 연소 온도는 통상적인 보일러의 작동과 양립될 수 없는 고-복사 열 흐름을 유도한다. 사실상, 통상적인 보일러에서, 연소 챔버는 물의 증발 및/또는 과열이 수행되는 튜브에 의해 둘러싸인다. 열 흐름이 너무 높은 경우에, 물이 튜브로부터 비워지는 상황이 발생한다. 뜨거운 벽과 접촉하는 액체는 증기일 뿐이고, 이의 열 용량은 물의 열 용량보다 매우 낮고 따라서 냉각 효율이 매우 감소된다. 이런 상황은 과열에 의한 튜브의 파괴를 빠르게 유도한다. 이런 현상은 "드라이 아웃(dry out)" 또는 "번 아웃(burn out)"이란 이름으로 당업계에 공지되어 있다.
첫 번째 해결책은 생산된 CO2에 의한 연소 가스의 희석을 포함한다. 그러나, 이런 재활용은 상당한 장비를 필요로 한다. CO2 재순환이 없는 해결책을 찾고 있다.
"드라이-아웃" 현상은 받은 열 흐름과 혼합물에서 증기 품질의 함수이다(증기가 많으면 많을수록, 드라이 아웃 조건에 더 유사하다). 벽에 흡수되어야 하는 열 흐름의 제어는 매우 어렵다. 이런 흐름을 제어하기 위한 해결책은 내화 재료로 튜브의 벽을 덮는 단계를 포함한다. 그러나, 이 해결책은 연소 챔버에서 교환 표면적의 효율을 현저하게 감소시키고 설치 비용을 증가시킨다.
"드라이-아웃" 현상을 피하기 위해서, 고압의 물이 핵 산업에서 사용되었고, 고압은 튜브/덮개 계면의 수평면에서 용융을 막는다는 것이 공지되어 있다. 그러나, 온도 차이에 비례하는 법칙을 따르는 (튜브 측면 상의) 전도 현상을 제어하는 문제이고, 덮개 온도는 매우 낮다.
독특한 방식으로, 불꽃 보일러의 경우에, 절대 온도와 4개의 전원에 비례하는 스테판-볼즈만 법칙을 따르는 복사 현상을 이용하고 방사율과 흡수 인자를 포함하는 문제이다. 그러나, 2000℃에서의 표준 연소로부터 3000℃에서의 산소 연소로의 전이는 1000℃의 온도차이, 즉, 대략 50% 큰 온도차이를 일으킨다. 복사열 면에서의 차이는 4배 이상으로 증대된다. 산소 연소의 경우에 벽들에 의해 받는 표면 전력 밀도는 쉽게 1000 kW/m2를 초과할 수 있다.
US-P-6619041는 재활용 없이 산소 연소에 의한 보일러 및 이의 구성 장치를 개시한다. 개시된 보일러는 화로가 아닌 "차가운" 배기 가스 구역에 물 예열기를 가진다.
산소 연소에 관한 다른 특허는 화로에 물 예열기의 설치를 개시한 것이 없다.
본 발명을 개시 또는 제안하는 상태가 없다.
본 발명은 통상적인 보일러와 비교하여, 연소 생성물(뜨거운 유체)의 물과 증기(차가운 유체)로의 일반적 순환의 반대 개념을 기초로 한다.
본 발명은 연소 챔버, 물 예열기 및 기화기를 포함하는 산소 연소에 적합한 보일러를 제공하며, 연소 챔버는 적어도 부분적으로 물 예열기로 이루어진다.
한 실시예에 따라, 연소 챔버는 완전히 예열기로 이루어진다.
한 실시예에 따라, 예열기는 2 내지 3의 기울기에 따라, 개별 튜브들의 제 1 다발을 포함한다.
한 실시예에 따라, 예열기는 내부에 홈이 있는 튜브들의 제 1 다발을 포함한다.
제 1 변형물에 따라, 기화기는 복사 기화기이다.
제 2 변형물에 따라, 기화기는 복사 기화기 및 대류 기화기를 포함한다.
제 3 변형물에 따라, 기화기는 대류 기화기를 포함한다.
한 실시예에 따라, 튜브들의 제 2 다발을 포함하는 복사 기화기는 연소 챔버에서 튜브들의 제 1 다발을 포함하는 예열기 주위에 동심적으로 배열된다.
한 실시예에 따라, 보일러는 기화기에 물을 공급하는 예열기에 의해 물이 공급되고 기화기에 의해 증기가 공급되는 물/증기 분리 플라스크를 포함한다.
한 실시예에 따라, 물 예열기는 연소 챔버 내에 배열된다.
한 실시예에 따라, 물 예열기는 연소 챔버의 연소 생성물에 반류를 작동시킨다.
또한 본 발명은 산소 연소에 의해 뜨거운 물을 발생시키는 방법을 제공하고, 뜨거운 물(예열된 유체)을 생산하기 위해서 산소 연소 불꽃에 의해 찬물을 예열하는 단계를 포함한다.
한 실시예에 따라, 본 방법은 예열된 유체 생성물의 기화 단계를 포함한다.
제 1 변형물에 따라, 예열된 유체의 기화 단계는 복사에 의해 수행된다.
제 2 변형물에 따라, 예열된 유체의 기화 단계는 대류에 의해 수행된다.
제 3 변형물에 따라, 예열된 유체의 기화 단계는 복사 및 대류에 의해 수행된다.
한 실시예에 따라, 산소 연소 불꽃에 의해 찬물을 예열하는 단계는 반류에 의해 수행된다.
한 실시예에 따라, 산소 연소 불꽃의 온도는 2000 내지 3300℃, 바람직하게는 2500 내지 3000℃를 포함한다.
한 실시예에 따라, 찬물의 온도는 105 내지 170℃를 포함하고 이의 압력은 8 내지 500 바를 포함한다.
한 실시예에 따라, 예열된 유체는 100/0부터 50/50까지, 바람직하게는 100/0부터 70/30까지, 유리하게는 95/5부터 80/20까지 변하는 물/증기 질량비에 따라 물과 증기를 포함한다.
한 실시예에 따라, 예열된 유체의 온도는 170 내지 600℃를 포함하고 이의 압력은 8 내지 500 바를 포함한다.
한 실시예에 따라, 생산된 증기의 온도는 170 내지 600℃를 포함하고 이의 압력은 8 내지 500 바를 포함한다.
한 실시예에 따라, 본 방법은 생산된 증기를 과열시키는 단계를 포함한다.
한 실시예에 따라, 물 예열 단계 후에 배기 가스의 온도는 1200 내지 600℃이다.
한 실시예에 따라, 기화 단계 후에 배기 가스의 온도는 250 내지 150℃이다.
본 발명에 따른 방법은 본 발명에 따른 장치에서 수행되는 것이 유리하다.
도 1은 통상적인 보일러에서 유체의 순환을 나타내는 도식이다;
도 2는 본 발명에 따른 보일러에서 유체의 순환을 나타내는 도식이다;
도 3은 한 실시예에 따른 보일러에서 유체의 순환을 나타낸다;
도 4a 및 4b는 종래 기술에 따른 보일러 및 다른 실시예에 따른 보일러를 각각 나타내는 부분 단면도이다.
도 1을 참조하면, 통상적인 보일러(10)는 냉각된 연소 가스와 접촉하고 있는 물 예열기(11), 기화기(12) 및 과열기(13)를 포함하고, 이런 요소들은 연소 챔버(14)에 위치한 불꽃을 향해 이 순서대로 위치한다. 따라서, 열교환의 수율은 최대가 되며, 최소의 온도 차이를 가진 유체들 사이에 반류 또는 정류가 발생한다. 과열기는 600℃ 이상까지의 온도에서 증기를 생산한다.
도 2를 참조하면, 산소 연소에 적합한 본 발명에 따른 보일러를 개시한다. 나중에, 차가운 액체는 가장 뜨거운 연소 생성물과 접촉하게 된다. "산소 연소"라는 용어는 22 부피%보다 큰 값으로부터 시작된 산소가 풍부한 공기인 연소 옥시던트를 포함한다. 연소 챔버의 수평면에 있는 튜브들 위로 복사되는 열 흐름은 200 내지 3000 kW/m2 및 바람직하게는 300 내지 1000 kW/m2에서 변한다.
예를 들어, 가스, 오일, 다양한 오일 잔류물(특히 중질 잔류물) 또는 석탄과 같은 임의의 연료가 사용될 수 있다.
본 발명은 많은 분야에서 사용된다. 본 발명은 화석 에너지로부터 전기를 발생하는데 사용될 수 있고, CO2 배출로 더 이상 처벌되지 않는다. 소위 증기 중력 배수(SAGD) 기술에 따라 증기를 퇴적물(증기에 의한 중유 분야의 활성화)에 주입함으로써 구조물 내에서 생산의 활성화 중유의 생산에 사용될 수 있다. 본 발명은 중유 분야의 활성화를 위한 고압 증기의 발생에 특히 적합하다. 사실상, 증기압이 높으면 높을수록, 기화 전에 물을 예열하는데 제공된 엔탈피는 커지고 기화열은 낮아진다. 이것이 높은 증기압, 단지 물을 가열하기 위해 사용된 연소 챔버를 생각할 수 있다.
CO2가 우물 속에 재주입되는 경우에, 이를 제거하기 위해서 또는 향상된 오일 회수(EOR) 기술의 체제내에서 사용될 수 있다. 오일 생산의 작동 하류의 경우, 본 발명은 다양한 오일 생성물의 사용을 가능하게 할 것이다.
일반적으로, 본 발명에 따른 보일러는 연소 챔버의 수평면에 예열기와 예열기의 하류에 기화기를 포함한다. "하류" 및 "상류"라는 용어는 연소 생성물의 흐름의 방향에 대해(또는 다시 말해서 보일러의 온도 기울기에 대해)주어진다. 찬물은 예열기에 들어가고 예열된 유체는 빠져나오고, 예열기의 출구에서 100/0부터 50/50까지, 바람직하게는 100/0부터 70/30까지, 및 유리하게는 95/5 내지 80/20로 변할 수 있는 물/증기 질량비를 가진다. 필요한 경우, 과열기는 과열 증기의 생산을 위한 장치, 특히 전기 발생의 경우의 장치에 배열될 수 있다.
도 2에 도시된 실시예에서, 보일러(20)는 연소 챔버(21), 연소 챔버의 벽을 따라 장착된 예열기(22)를 포함한다. 예열기(22)에서 나온 유체는 가스 부분과 액체 부분을 분리하는 플라스크 속에 보내진다. 액체 부분은 연소 챔버에 부분적으로 위치한 기화기(23)에 보내진다. 유체는 소위 주요 기화기에서 기화된다. 생산된 증기의 양이 충분하지 않다면, 플라스크에 연결된 보조 기화기(24)와 평행하게 사용할 수 있다. 이 보조 기화기는 복사에 의해 전송된 열을 필수적으로 흡수하는 주요 기화기와는 달리 뜨거운 가스의 대류에 의해 전송된 열의 대부분을 흡수한다. 만일 예열기가 유체를 생산하고, 이의 증기 품질은 이미 매우 높은 경우, 증기의 생산을 위해 보조 기화기(24) 만을 사용하는 것도 가능하다. 과열기(도시되지 않음)가 필요한 경우에, 일반적으로 보조 기화기의 수평면, 즉, 주요 기화기의 바로 상류 또는 후자와 같이 동일한 평면 또는 선택적으로 주요 기화기의 하류에 위치한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라, 하나 이상의 불꽃(들)과 수직으로 배열되고, 바닥을 향하는 보일러가 개시된다. 보일러(30)는 버너가 장착되고, 예를 들어, 가스 또는 중유 생성물의 소스(32)로부터 공급되는 연소 챔버(31)를 포함한다. 연소 챔버의 불꽃 온도는 예를 들어 대략 2000 내지 3000℃이다. 예열기(33)는 연소 챔버(31)에 결합된다. 이 예열기는 파이프(34)를 통해 찬물이 공급된다. 예를 들어, 찬물은 대략 180 바의 압력하에서 대략 136℃의 온도이다. 일반적으로, 본 발명에서 사용된 찬물의 특성은 다음 범위 내에 있다: 170 내지 600℃의 온도 및 8 내지 500 바의 압력.
예열된 유체는 파이프(35)를 통해 예열기를 나온다; 예열된 유체는 대략 180 바의 압력하에서 대략 337℃의 온도이다. 일반적으로, 본 발명에서 가열된 유체의 특성들은 다음 범위 내에 위치한다: 105 내지 170℃의 온도 및 8 내지 500 바의 온도.
가열된 유체는 물/증기 분리 플라스크(36)에 보내진다. 플라스크(36)의 바닥에 있는 물은 파이프(37)를 통해 주요 기화기(38)에 보내진다. 증기는 이 기화기에서 생산되고 플라스크(36)에 보내지기 위해서 파이프(39)를 통해 나온다. 증기는 대략 180 바의 압력하에서 대략 357℃의 온도이다. 일반적으로, 본 발명에서 생상된 증기의 특성들은 다음 범위 내에 위치한다: 170 내지 600℃의 온도 및 8 내지 500 바의 압력.
연소 챔버의 출구, 즉, 주요 기화기의 출구에서, 가스들의 온도는 대략 1000℃ 내지 1300℃이다. 주요 기화기의 수평면에서 생산된 증기의 양을 더 증가시키기 위해서 낮은 출구 온도를 얻는 것이 가능하다. 이 온도의 선택은 증기를 동일하게 생산하기 위해서 필요한 주요 및 보조 기화기 상의 추가 교환 표면적의 비교를 고 려하는 경제적 최적조건에 의해 결정된다.
그러나, 복사 지역의 출구에서 1000℃ 내지 1300℃의 온도는 상기한 경제적-최적 이유에 대해 고정되고, 본 발명의 경우에, 생산된 증기의 품질을 증가시키기 위해서, 대류에 의해 필수적으로 가열된 보조 기화기(40)를 사용할 수 있다. 플라스크(36)의 바닥에 있는 물은 파이프(41)를 통해 보조 기화기(40)에 보내진다. 증기는 이 기화기에서 생산되고 플라스크(36)에 보내지기 위해서 파이프(42)를 통해 나온다. 증기는 대략 180 바의 압력하에서 대략 357℃의 온도이다. 배기 가스는 굴뚝(43)을 통해 최종적으로 보일러를 나온다.
선택적으로, 배기 가스를 연소하는 동안, 특히 응축에 의해 형성된 물과 분리하기 위해서 분리기(44)를 제공할 수 있다. CO2의 실질적으로 건조한 흐름은 파이프(45)를 통해 추출된다.
이후에서, 본 발명에 따른 보일러의 임의의 요소들, 특히 물 예열기, 주요 복사 기화기, 보조 대류 기화기 및 과열기는 더욱 구체적으로 개시된다.
물 예열기
상기한 대로, 연소 챔버는 필수적으로 더욱 구체적으로 연소 지역 주위에 물 예열기를 구성한다. 물 예열기는 일반적으로 외부에서 부드러운 것이 바람직한 직선 튜브를 포함한다. 이런 튜브는 서로 독립적인 것이 바람직하다. 튜브들의 외부 지름(d), 및 튜브들(p)의 축들 사이의 중심거리인 경우, 튜브들의 "피치"인 비율 p/d이 얻어진다. 이런 튜브들은 내부 상에 홈이 생기거나("주름이 진") 또는 내부 상에서 부드러울 수 있거나 변형물로서, 삽입물에 의해 부드러워질 수 있다. 이런 튜브들은 단면이 원형 또는 직사각형일 수 있는 연소 챔버 주위에 모두 배열된다. 이런 튜브들은 컬렉터들의 바닥으로 통해 찬물이 공급된다. 뜨거운 물은 상부를 통해 추출된다. 따라서, 가능한 국소 기화는 유체의 일반적인 움직임을 막는 않는다. 예열기를 구성하는 튜브들은 튜브들의 두께를 감소시키고 및/또는 내열 전달 계수를 증가시키기 위해서 지름이 작은 것이 바람직하다. 이 경우에, 정류 작업이 가능하고, 버너들은 바닥에 배열된다. 측면 위치의 버너들도 가능하다.
물 기화부는 두 개의 분리된 기화기, 주요 복사 기화기 및 다른 보조 대류 기화기를 포함한다.
주요 복사 기화기
복사 기화기는 버너들이 연소 챔버의 상부에 위치하는 경우, 물 예열기 아래에 위치하고 버너들이 연소 챔버의 상부에 위치하는 경우, 물 예열기 바로 위에 위치한다. 이 기화기는 외부에서 부드럽고, 내부에 홈이 있거나 부드러운 직선 튜브들을 포함한다. 이 기화기는 충분한 치수의 하강수 배관 및 컬렉터를 통해 플라스크로부터 발생한 뜨거운 물이 공급된다. 이런 튜브에서 생산된 증기는 기화기의 상부 출구에 인접하게 위치한 컬렉터를 통해 플라스크로 돌아간다. 물-증기 에멀션의 순환은 천연 회로 또는 선택적으로 강제된 재순환에 의해 발생할 수 있다.
정류 작업은 가능하다. 튜브들의 지름은 특히 열 흐름의 우수한 흡수 및 에멀션의 충분한 순환 사이의 최적화에 의해 선택된다. 물 예열기 및 복사-기화기 어셈블리는 연소 챔버의 출구에서 배기 가스의 온도가 1000 내지 1300℃에 위치하는 치수가 된다. 두 개의 교환기들의 각각에 전달되는 에너지의 양의 분배는 보일러의 증기압의 작용이다.
보조 대류 기화기
보조 기화기 연소 챔버의 하류에 위치한 대류 교환기에서 수행된다. 이런 기화기 다발에 복사 기화기에 공급하는 것과 독립된 하수 배관을 통해 플라스크로부터 뜨거운 물 또는 동일한 배관을 통해 변형물이 공급된다. 기화기 다발은 수평면에 대해 수직 또는 기울어질 수 있고, 이런 경우, 수증기 에멀션의 순환은 자연적일 수 있고; 또는 수평 튜브에 의해 일어날 수 있고 이런 경우, 재순환은 독립 펌프 또는 선택적으로 주요 복사 기화기에 공급하는 것과 동일한 펌프에 의해 강제로 이루어진다. 가장 차가운 튜브들은 연소 생성물의 품질과 먼지의 실질적 부존재가 허용된다면 외부에 블레이드들이 장착될 수 있다. 1000 내지 1300℃의 온도로 기화기에 들어가게 되는 배기 가스는 예를 들어 기화 온도 이상의 10 내지 20℃의 온도로 냉각된다.
과열기
과열기(도시되지 않음)는 일반적으로 대류 기화기 앞 또는 대류 기화기의 튜브들의 첫 열 뒤에 위치한다. 이 과열기는 둘 또는 세 개의 다발을 포함할 수 있다. 이런 다발들의 각각 사이에, 물의 주사에 의한 감열을 위한 장치는 과열 증기의 온도를 제어할 수 있다.
도 4a를 참조하면, 통상적인 보일러의 연소 챔버 부분의 일부가 개시된다. 이것은 외부(방수)벽(51), 수증기 에멀션이 순환하고 블레이드(53a, 53b 등)에 의 해 서로 연결된 튜브들(52a, 52b 등)을 포함하여, 방수벽을 형성한다. 이런 경우에, 이런 튜브들은 표준 기화기를 형성한다.
4b를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 보일러의 연소 챔버 부분의 일부가 개시된다. 이것은 내화 재료가 코팅된 외부 방수벽(51)을 포함한다. 찬물의 순환을 위한 튜브(54a, 54b 등)들은 화로 방향으로 및 화로 주위에 동심적으로 놓인다. 이런 경우에, 이런 튜브(54a, 54b 등)들은 예열기를 형성한다.
이런 배열은 튜브들이 전체 표면 위로 열 흐름을 수용하게 하며, 불꽃과 대향하는 표면은 내화벽에 의해 재방출되는 방사선을 수용한다.
이런 예열기 아래에 있는, 주요 기화기는 튜브 뒤의 내벽을 가진 내화벽으로 예열기와 유사한 방식으로, 서로 통합된 세로방향 블레이드를 가진 튜브들에 의해 보다 통상적인 방식으로 설계될 수 있다.
도 4b에서, 연소 챔버는, 예를 들어, 외부 방수벽(51), 방수벽을 형성하기 위해 블레이드(53a, 53b)에 의해 서로 연결되는 튜브들을 포함한다. 이런 경우, 튜브(52a, 52b 등)들은 기화기를 형성한다. 다른 찬물 순환 튜브(54a, 54b 등)들은 화로의 방향으로 및 주위에 동심적으로 놓인다. 이런 변형물은 열 흐름이 제안되는 경우에 특히 적합하다. 이런 설계는 특히 증기 품질이 매우 높은 지역에서 기화기의 튜브들 상의 직접 복사를 한정할 수 있다.
물 예열기로 작동하는 추가의 튜브들을 기화기 다발이 장착된 존재하는 연소 챔버 속에 삽입할 수 있기 때문에, 이런 변형물은 저렴하게 변형하기 위해서 임의의 보일러를 본 발명에 따른 보일러로 리모델링시킨다.
이런 리모델링은 관심 보일러들은 산화제로서 공기에 의한 연소를 위해 처음 건설되었고, 따라서 벽들의 표면적이 비교적 크다는 사실에 의해 선호된다.
본 발명은 통상적인 보일러와 비교하여 다음의 장점들을 제공한다:
대기가 공급된 보일러와 비교한다.
순수 산소와의 연소는 CO2의 수집을 용이하게 하는 질소 밸러스트를 현저하게 감소시킨다.
질소 밸러스트의 이런 감소는 다음 장점들을 제공한다:
- 불꽃에 의해 직접 나오는 흐름의 감소 및 배기 가스에 의해 나오는 흐름의 증가가 있다. 첫 번째 효과는 연소 온도의 증가 때문이고, 두 번째 효과는 동일한 가스층 두께로, CO2+H2O의 높은 농도는 배기 가스의 배출력을 증가시킨다는 사실과 관련이 있다(사실상 이원 가스와 달리, 삼원 가스는 발광성이다). 따라서, 필수적 교환 표면적에 현저한 감소가 있다.
- 생산된 배기 가스의 부피에 감소가 있다. 이런 감소는 대류 교환, 결과적으로 대류 교환기 표면적의 감소를 유도한다.
본 발명에 따른 산소 연소 보일러는 유사한 전력과 수율로 대기를 사용하는 보일러의 연소 챔버보다 적은 연소 챔버를 가지고 분명하게 덜 현저한 대류 다발을 가진다. 따라서, 비용과 중량은 감소하고, 이런 특성들의 두 번째는 앞바다 설치의 경우에서 매우 중요하다.
산소가 공급된 보일러와 CO2 재순환을 비교한다.
산소에 의한 연소의 고온에 의해 발생하는 어려움들을 피하기 위해서, 한 해결책은 보일러의 하류에서 시작된 CO2의 재순환에 의해 불꽃을 약화하는 것을 포함한다.
연소 지역으로부터 직접 나오는 흐름은 더 작아질 것이다. 그러나, 연소 챔버 표면적은 대기를 사용하는 보일러의 크기와 동일한 크기이기 때문에 소형화의 장점은 사라진다.
배기 가스 또는 CO2의 재순환은 재순환 송풍기를 위한 추가 에너지 소비에 의해 비교적 현저한 재순환 네트워크를 필요로 한다. 어떤 종류이건 재순환은 본 발명의 구조물 내에 없는 단점들을 일으킨다:
- 재순환 배기 가스가 보일러의 출구로부터 직접 취한다면, 재수환은 보일러의 열 수율에 영향을 미치지 않고, 한편 추가 에너지 소비는 재순환되는 가스의 온도 및 부피 때문에 현저하다. 또한, 재순환된 유체의 온도가 이슬점 온도에 밀접한 경우에 황 부식을 고려할 것이다.
- CO2는 산 압축물의 냉각 및 분리 후에 흡수된다면, 추가 에너지 소비는 CO2의 온도가 명확히 낮아짐에 따라 감소하고, 응축은 저온에서 발생하는 반면, 보일러의 수율은 보일러-출구 온도까지 CO2를 가열함으로써 영향을 받는다.
본 발명에 따른 방법은 가압하에서 수행되어, 생산된 CO2를 재주입하는 것이 바람직한 경우 장점을 제공할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예들에 한정되지 않고 당업자가 쉽게 사용할 수 있는 다양한 변형물일 수 있다.
본 발명의 내용 중에 있음

Claims (27)

  1. 연소 챔버(21, 31), 물 예열기(22, 33) 및 기화기(23, 24, 38, 40)를 포함하고, 상기 연소 챔버(21, 31)은 적어도 부분적으로 물 예열기(22, 33)로 이루어지는 산소 연소에 적합한 보일러.
  2. 제 1 항에 있어서,
    연소 챔버는 완전히 예열기로 이루어지는 보일러.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    예열기(33)는 2 내지 3의 기울기에 따라, 개별 튜브(53a, 53b)의 제 1 다발을 포함하는 보일러.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    예열기(33)는 내부에 홈이 있는 튜브(53a, 53b)의 제 1 다발을 포함하는 보일러.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    기화기는 복사 기화기인 보일러.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    기화기는 복사 기화기 및 대류 기화기를 포함하는 보일러.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    기화기는 대류 기화기인 보일러.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    튜브(52a, 52b)의 제 2 다발을 포함하는 복사 기화기(38)는 연소 챔버에서 튜브(53a, 53b)의 제 1 다발을 포함하는 예열기(33) 주위에 동심적으로 배열되는 보일러.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    기화기에 물을 공급하는 예열기에 의해 물이 공급되고 기화기에 의해 증기가 공급되는 물/증기 분리 플라스크를 포함하는 보일러.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    물 예열기(22, 33)는 연소 챔버(21, 31) 내에 배열되는 보일러.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    물 예열기(22, 33)는 연소 챔버(21, 31)의 연소 생성물에 반류를 작동시키는 보일러.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    과열기를 포함하는 보일러.
  13. 뜨거운 물을 생산하기 위해 산소 연소 불꽃에 의해 찬물을 예열하는 단계를 포함하는 산소 연소에 의해 뜨거운 물을 생산하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    생산된 예열된 유체의 기화 단계를 포함하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    예열된 유체의 기화 단계는 복사에 의해 수행되는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    예열된 유체의 기화 단계는 대류에 의해 수행되는 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    예열된 유체의 기화 단계는 복사 및 대류에 의해 수행되는 방법.
  18. 제 13 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    산소 연소 불꽃에 의해 찬물을 예열하는 단계는 반류에 의해 수행되는 방법.
  19. 제 13 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    산소 연소 불꽃의 온도는 2000 내지 3300℃, 바람직하게는 2500 내지 3000℃를 포함하는 방법.
  20. 제 13 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    예열된 유체의 온도는 105 내지 170℃를 포함하고 이의 압력은 8 내지 500 바를 포함하는 방법.
  21. 제 13 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    예열된 유체의 온도는 170 내지 600℃를 포함하고 이의 압력은 8 내지 500 바를 포함하는 방법.
  22. 제 13 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    예열된 유체는 100/0부터 50/50까지, 바람직하게는 100/0부터 70/30까지, 유리하게는 95/5부터 80/20까지 변하는 물/증기 질량비에 따라 물과 증기를 포함하는 방법.
  23. 제 14 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    생산된 증기의 온도는 170 내지 600℃를 포함하고 이의 압력은 8 내지 500 바를 포함하는 방법.
  24. 제 14 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    생산된 증기를 과열하는 단계를 포함하는 방법.
  25. 제 13 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    물 예열 단계 후의 배기 가스의 온도는 1200 내지 600℃인 방법.
  26. 제 13 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    기화 단계 후의 배기 가스의 온도는 250 내지 150℃인 방법.
  27. 제 13 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 장치에 의해 수행되는 방법.
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