KR20080085159A - 유체 가열 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나 이상의 제1 연소 구역과 하나 이상의 제2 연소 구역을 갖는 프로세스 가열기를 사용하여 유체를 가열하는 방법에 관한 것이다. 연료의 연소는 제1 및 제2 연소 구역 사이에서 분할된다. 산소는 프로세스 가열기를 통과하는 연료의 완전 연소를 위해 필요한 화학량적 산소량의 약 50% 내지 약 99%를 제공하는 하나 이상의 산소 운반 멤브레인에 의해 제1 연소 구역 내에서의 연소를 위해 제공된다. 보충 또는 2차 산화제가 연료의 완전 연소를 위해 제2 연소 구역으로 주입되어, 약 1 내지 약 3%의 산소를 포함한 연도 가스 스트림을 형성한다. 이 방식에서, 산소 운반 멤브레인의 표면적은 100%의 산소가 산소 운반 멤브레인에 의해 제공되었다면 요구될 수 있는 표면적 미만으로 감소된다.

유체, 연료 스트림, 연소 구역, 연 전달 통로, 연소, 프로세스 가열기, 산소 운반 멤브레인, 산소 포함 가스 스트림

Description

유체 가열 방법 {FLUID HEATING METHOD}

본 발명은 유체를 가열하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 유체가 연소를 유지하여 유체를 가열하는데 필요한 열을 상승시키도록 투과 산소(permeated oxygen)를 제공하기 위해 산소 운반 멤브레인을 포함하는 프로세스 가열기 내에서 유체를 가열하는 방법에 관한 것이다. 더욱 특별하게는, 본 발명은 연료의 연소가 산소 운반 멤브레인을 포함하는 제1 가열 구역과 2차 산화제가 연소를 유지하기 위해 사용되는 제2 가열 구역 사이에서 분할되는 방법에 관한 것이다.

유체를 가열하기 위한 프로세스 가열기가 종래 기술 분야에 존재한다. 프로세스 가열기의 일반적인 예는 공급수로부터의 승온 증기 또는 이미 발생된 과열 증기에 사용되는 보일러이다. 통상, 프로세스 가열기는 프로세스 유체를 가열하는데 필요한 열을 상승시키기 위해 공기와 같은 산화제가 존재하는 연료를 연소시킨다. 공기를 대신해서 연소를 유지하도록 투과 산소를 생성하기 위해 프로세스 가열기 내에 산소 운반 멤브레인을 포함하는 방법이 최근 제안되었다.

연소 시 산소를 유지하기 위해 프로세스 가열기 내에 산소 운반 멤브레인을 사용하는 가장 큰 장점은 연소로 인해 연도 가스(flue gas) 내에 존재하는 증기가 공기에 의해서만 유지되는 연소에 의해 생성되는 연도 가스에서보다 더 높은 온도 에서 응축될 수 있다는 것이다. 이는 연소가 산소 운반 멤브레인에 의해 생성된 산소에 의해 유지될 때, 연도 가스는 기본적으로 이산화탄소와 물을 포함하기 때문이다. 공기가 연소 산화제로 사용되면, 연도 가스도 실질적으로 일정량의 질소를 포함하며, 이러한 연도 가스에 포함된 물은 연소가 산소에 의해 유지되는 우보다 통상적으로 약 25℃ 더 낮은 매우 낮은 온도에서 응축될 것이다. 고온에서의 증기의 응축은 고온에서 응축되지 않았다면 소실될 열을 회수하여 프로세스 가열기로 보내지는 공급수를 예열하는데 사용되도록 재생시킬 수 있다. 따라서, 산소 운반 멤브레인을 사용하는 프로세스 가열기는 공기만을 사용하는 것보다 더 높은 열효율이 가능하다. 또한, 연도 가스는 기본적으로 물과 이산화탄소를 포함하고 있기 때문에, 이산화탄소는 물을 종래 방식으로 제거하면, 쉽게 격리시킬 수 있다. 또한, 소량의 질소가 연소 중 존재하게 되는 경우에도, 매우 작은 양의 NOx가 연소로부터 생성된다.

종래 기술에 공지된 바와 같이, 산소 운반 멤브레인은 약 400℃ 내지 약 1000℃의 작동 온도로 가열될 때 산소 이온 운반체가 되는 플레이트 또는 관형 요소로 형성된 세라믹으로 제조될 수 있다. 공기와 같은 산소 포함 가스가 캐소드 측으로 알려진 멤브레인의 일측과 접촉하면, 산소는 전자를 수득하여 이온화된다. 생성된 산소 이온은 멤브레인을 통해 운반되고 애노드측으로 알려진 반대측으로부터 빠져나오며, 이때 산소 이온은 원소 산소(elemental oxygen)를 형성하도록 결합하여 전자를 생성한다. 전자는 애노드측으로부터 캐소드측으로 역으로 운반되어 산소를 이온화한다. 세라믹 재료가 페로브스카이트와 같은 혼합 전도체(mixed conductor)일 때, 전자는 세라믹 재료 내에서 자체적으로 운반될 것이다. 다른 유형의 재료는 산소 이온만을 운반할 수 있는 세리아 또는 이트늄 안정화 지르코니아와 같은 이온 재료(ionic material)와 전자적으로 전도성 위상의 이중 위상(dual phase)을 사용한다. 전자적으로 전도성 위상은 전자들을 안내하는데 사용된다. 산소 이온의 운반은 멤브레인의 캐소드측과 애노드측 간의 산소 부분 압력 차이(oxygen partial pressure differnetial)에 의해 구동된다. 이러한 부분 압력 차이는 연료의 연소를 통해 애노드측에서 산소를 연소하여 전체적으로 또는 부분적으로 생성될 수 있다.

종래 기술에서 산소 운반 멤브레인을 포함하는 프로세스 가열기에 대한 다양한 설계가 이루어져 왔다. 이러한 예는 연료의 연소를 유지하여 열을 발생시키도록 산소를 제공하는 연소 챔버 내에 산소 운반 멤브레인을 포함하는 미국특허 제6,3394,043호에서 찾을 수 있다. 발생된 열의 일부는 산소 운반 멤브레인을 그 작동 온도까지 가열하는데 사용된다. 나머지 열은 연소 챔버를 통해 연장하는 전달 통로를 통과하는 증기를 과열하거나 또는 승온시키는데 사용된다. 연소로부터 생성된 연도 가스는 재순환되어 연료와 혼합될 수 있다. 다른 예, 미국특허 제6,562,104호에서는, 연료가 연소 챔버 내에서 연소되고 가열된 연도 가스는 산소를 발생시키는데 사용되는 산소 운반 멤브레인에 횡류(cross-flow) 관계로 통과된다. 일 실시예에서, 산소 운반 멤브레인 및 증기관은 연소 챔버 내서 산재된다. 다른 예에서는, 산소 운반 멤브레인과 증기관이 분리된다. 연소 챔버는 증기관을 포함하고 생성된 연도 가스는 스윕 가스(sweep gas)로서 산소 운반 멤브레인을 통과한 다. 연도 가스는 산소가 농후해져서 연소 챔버로 재순환된다.

산소 운반 멤브레인을 사용하는 산소 포함 연료(oxy-fuel) 연소 시스템의 문제는 연료 농후 상태에서 산소 플럭스가 연료 희박 상태에서보다 대체로 10배 이상 크다는 것이다. 따라서, 이러한 시스템에서 완전 연소를 위하여, 화학량적 연소에 필요한 산소를 제공하기 위한 큰 멤브레인 표면적이 필요하다. 후술되는 바와 같이, 본 발명은 연소를 유지하는데 사용되는 산소의 단독 공급원으로 산소 운반 멤브레인을 사용하지 않고 이러한 문제를 극복한 통합된 산소 운반 멤브레인을 구비한 프로세스 가열기에 의해 연료를 가열하는 방법을 제공한다.

본 발명은 연료를 가열하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법에 따르면, 연료 스트림은 연료 스트림 내에 포함된 연료의 연소를 위해 적어도 하나의 제1 연소 구역과 적어도 하나의 제2 연소 구역을 갖는 프로세스 가열기로 주입된다. 열 전달 통로는 통과하는 유체가 연료의 연소로부터 생성된 열에 의해 가열되도록 적어도 하나의 제1 연소 구역을 통해 연장한다. 적어도 하나의 제1 연소 구역과 적어도 하나의 제2 연소 구역은 연료의 제1 부분이 적어도 하나의 제1 연소 구역에서 연소되고 적어도 제1 연소 구역에서 연소되지 않은 연료의 제2 부분이 적어도 하나의 제2 연소 구역에서 연소될 수 있도록 직렬로 연결된다.

연료 스트림은 적어도 하나의 제1 연소 구역 내에 위치된 적어도 하나의 산소 운반 멤브레인과 접촉한다. 산소는 적어도 하나의 산소 운반 멤브레인에 의해 적어도 하나의 산소 포함 가스 스트림으로부터 분리되어, 투과 산소가 연료의 제1 부분의 연소를 유지하고 적어도 하나의 제1 연소 구역 내에 존재한 연료의 완전 연소를 위해 필요한 화학량적 산소량의 약 50% 내지 약 99%를 제공한다. 연료의 제1 부분의 연소는 산소의 분리를 위한 구동력을 제공한다. 연도 가스는 연료의 제2 부분의 연소로부터 생성되어 산소를 체적의 약 1 내지 약 3 %로 포함하도록, 적어도 하나의 제2 산소 포함 가스 스트림이 연료의 제2 부분의 연소를 유지하기 위해 적어도 하나의 제2 연소 구역에 주입된다. 연도 가스는 적어도 하나의 제2 연소 구역으로부터 배출된다.

연소에 필요한 산소 중 일부만이 산소 운반 멤브레인에 제공되는 방식으로 산소 운반 멤브레인을 사용하는 프로세스 가열기는 산소 운반 멤브레인의 숫자를 대체로 감소시킬 수 있어, 산소 포함 연료에 대해 산소 운반 멤브레인의 사용을 경제적으로 우수하게 한다. 투과 산소는 적어도 하나의 제1 연소 구역 내에 존재하는 연료의 완전 연소를 위해 필요한 화학량적 산소량의 약 75% 내지 약 95%를 공급하는 것이 바람직하다. 적어도 하나의 제2 산소 포함 가스 스트림은 공기 또는 산소 농후 공기이거나, 또는 산소 체적의 적어도 90%를 포함하는 산소 포함 스트림일 수 있다. 이러한 산소 포함 스트림은 가압 교대 흡착(pressure swing adsorption) 또는 극저온 정류(cryogenic rectification)에 의해 생성될 수 있다. 가압 교대 흡착 또는 극저온 정류의 사용이 이러한 공급원으로부터 산소를 획득하는 것과 관련하여 비용이 소요될 수 있다는 점에서 경제적 원칙으로는 반직관적이지만, 본 발명의 실시 중, 특히 대부분의 연료가 제1 연소 구역에서 연소되는 경우에 이러한 산소 공급원의 사용은 매우 적은 산소가 이러한 공급원으로부터 제공되도록 요구된다는 점에서 경제적으로 바람직하다.

연도 가스의 일부로 구성된 연도 가스 스트림은 적어도 하나의 제1 연소 구역으로 주입된다. 적어도 하나의 제1 연소 구역에서 연도 가스를 사용하면 연소의 열을 탈환할 수 있고, 또한 산소 운반 멤브레인에 탄소가 퇴적되는 것을 방지하는데 도움이 되는 스트림 대 카본의 비율을 증가시킨다. 연도 가스의 다른 부분으로 구성된 다른 연도 가스 스트림은 적어도 하나의 제2 연소 구역으로 주입된다. 또한, 다른 연도 스트림은 적어도 하나의 제2 연소 구역으로 주입된다. 적어도 하나의 제1 연소 구역으로 주입된 연도 가스 스트림은 직렬 연소실(in-line combustor) 내에서 가열될 수 있다. 다른 가능성은 적어도 하나의 제1 연소 구역과 적어도 하나의 제2 연소 구역 사이의 중간 연도 가스 연도 가스 스트림을 인출하여, 상기 중간 연도 가스 스트림과 적어도 하나의 제1 연소 구역으로 재순환되는 연도 가스를 결합하는 것이다. 중간 연도 가스 스트림은 적어도 하나의 제1 연소 구역 내에서 생성된 연소 가스로부터 형성된다.

본 발명의 일 실시예는 연료의 제2 부분의 연소를 증진시키기 위해 적어도 하나의 제2 연소 구역에 포함된 산화 촉매를 포함할 수 있다.

본원 명세서는 출원인들이 그들의 발명으로 간주하는 발명의 요지를 명확하게 나타내는 청구항과 함께 완결되지만, 본 발명은, 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치를 개략적으로 도시한 유일한 첨부 도면과 관련하여 취해질 때 더욱 명확하게 이해될 것이다.

도1은 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치의 개략도이다.

도1을 참조하면, 프로세스 가열기(1)가 논의를 목적으로 물을 가열하거나 또는 증기를 과열시키기 위해 설계된 보일러로 도시된다. 본 기술 분야의 당업자에게 공지된 바와 같이, 프로세스 가열기는 예컨대, 증기 메탄 개질기(reformer)에 대한 탄화 수소 포함 공급수 및 증기와 같은 반응물인 다른 유체들을 가열하는데 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 본 명세서 및 청구항에 사용된 용어 "프로세스 가열기"는 연료의 연소를 통해 프로세스 가열기 내에 위치된 열 교환 통로를 통과하는 임의의 유체를 간접적으로 가열하는 임의의 장치를 의미한다.

프로세스 가열기(1)는 제1 연소 구역(10)과, 결합 스트림(14)에 의해 제공된 연료를 완전 연소하도록 설계된 제2 연소 구역(12)을 구비한다. 도시된 실시예에서, 제공된 연료는 천연 가스("N.G.")이다. 발생된 모든 열은 제1 연소 구역(10)에 위치된 열 교환 통로(16)를 통과하고 선택적으로 제2 연소 구역(12)에 위치된 열 교환 통로(18)를 통과하는 물과 같은 프로세스 유체를 가열한다. 연료의 연소로부터 발생된 열은 전달 통로(16, 18)를 통과하는 프로세스 유체에 열을 공급한다.

산소 운반 멤브레인(20)은 제1 연소 구역(10) 내에 위치된다. 산소 운반 멤브레인(20)은 산소 이온의 운반을 위한 이온 위상과 전자의 통과를 위한 전자 위상을 갖는 이중 위상 전도체 또는 공지된 페로브스카이트(perovskite)로부터 제조될 수 있다. 통상적인 이온 전도체는 세리아 또는 이트늄 안정화 지르코니아(ceria or yttrium stabilized zirconia)일 수 있다. 또한, 하나의 산소 운반 멤브레인(20)만이 도시되었지만, 당업자에게 공지되어 있으며 상술된 종래 기술에 언급된 바와 같이, 일련의 산소 운반 멤브레인이 제1 연소 구역(10)으로 돌출될 수 있다.

예컨대 공기와 같은 1차 산소 운반 스트림(22)은 산소 운반 멤브레인(20)의 캐소드측(24)과 접촉하도록 제1 연소 구역으로 주입된다. 산소는 산소 이온 운반체(oxygen ion transport)를 통해 산소 운반 멤브레인(20)의 애도드측(26)에서 투과 산소를 생성하도록 1차 산소 포함 스트림(22)으로부터 분리된다. 산소 이온 운반체는 결합 스트림(14)으로부터 연소 구역(10)으로 주입된 연료의 일부를 연소하여 구동되며, 또한 발생된 열의 일부는 산소 운반 멤브레인을 작동 온도로 승온시키는데 사용된다.

후술되는 바와 같이, 연료의 제1 부분은 제1 연소 구역(10) 내에서 연소되어, 스트림(28)으로 제2 연소 구역(12)에 주입될 연소 생성물 및 연료의 제2 부분을 남긴다. 스트림(28)은 제1 연소 구역(10)에서 발생된 연소에 의해 생성된 연소 가스와 비연소 연료를 포함한다. 산소 포함 가스(22)로부터 산소를 분리하면 공기인 경우 질소가 농후한 산소 운반 멤브레인 오프 가스 스트림(30, oxygen transport membrane off gas stream)이 생성된다. 통상, 산소 운반 멤브레인(20)의 작동 온도는 대략적으로 약 800℃ 내지 약 1000℃ 사이이다. 제1 연소 구역(10) 및 제2 연소 구역(12)은 개별적이고 서로 이격된 것으로 도시되었지만, 이러한 연소 구역들은 실질적으로 동일한 연소 구역의 부분일 수 있다. 이러한 경우, 제2 연소 구역(12)은 연소 가스와 비연소 연료에 대해 제1 연소 구역(10)으로 부터 단지 하류에 위치될 것이다.

상술된 바와 같이, 산소 운반 멤브레인(20)은 연료 스트림(14) 내의 연료를 완전 연소시키기 위해 필요한 화학량적 산소량의 약 50% 내지 약 90% 사이를 공급하는 충분한 면적을 갖는다. 산소 운반 멤브레인(20)은 이러한 화학량적 산소량의 약 75% 내지 약 95% 사이를 공급하는 것이 바람직하다. 따라서, 스트림(28)은 여전히 비연소 연료를 포함하고 있으며, 후술되는 바와 같이 이러한 환경하에서 산소 운반 멤브레인(20)에 대한 면적이 상당히 절약된다.

요구되는 멤브레인 표면적의 실제 계산은 산소 운반 멤브레인을 통한 산소의 전달에 의해 결정된다. 이러한 계산은 산소 운반 멤브레인을 둘러싸는 가스 위상 경계층을 가로지르는 물질 전달(mass transfer), 공기측 표면 교환(airside surface exchange), 2극성 확산(ambipolar diffusion), 연료의 산화, 및 멤브레인의 다공성 지지체를 통한 연료의 물질 전달과 같은 고려되어야 할 많은 중간 단계를 갖는 복잡한 모델링 프로세스이다. 이러한 중간 단계 중 일부에서 온도, 압력 및 가스 조성의 효과는 잘 이해되지 않는다. 특정 멤브레인 아키텍처(architecture)에 대해 개발된 모델은 보편적으로 적용가능하지 않을 것이다. 하지만, 이러한 모델링은 본 기술 분야의 당업자 사이에 공지되어 있다.

따라서, 모델링이 가능하지만, 이하의 방법은 이러한 면적을 결정하기 위해 더욱 직접적이고 간단한 방법이다. 산소 운반 멤브레인(20)과 같은 산소 운반 멤브레인은 고온에서 애노드측에서 연료에 노출되고 캐소드측에서 산소 포함 스트림에 노출된다. 이 프로세스 스트림들은 서로에 대해 동일한 흐름, 반대 흐름 또는 교차하는 흐름으로 유동할 수 있다. 연료 연소의 정도는 입구 가스 성분과 출구 가스 성분 사이의 차이로와 산소 운반 멤브레인의 애노드측 또는 연료 상의 유량으로부터 결정된다. 평균 산소 플럭스는 산소 포함 스트림으로부터 제거된 단위 시간당 산소량을 실험에서 사용된 멤브레인 면적으로 나누어 계산된다. 연료와 산소 포함 스트림의 유량이 실험적으로 변경되면, 연료 연소의 정도와 공기 스트림으로부터의 산소 재생의 정도의 함수인 평균 산소 플럭스가 결정될 수 있다. 이러한 결정은 사용된 특정 멤브레인 재료, 멤브레인 아키텍처, 유동 구조, 온도 및 압력에 대해 제한될 것이다. 따라서, 평균 산소 플럭스 값은 단위 시간당 총 산소 요구량을 평균 산소 플럭스로 나누어서 공급될 화학량적 산소량에 대한 멤브레인 면적 요구량을 추산하는데 사용될 수 있다.

후속하는 표 I, 표 II 및 표 III은 약 780.4㎠의 멤브레인 면적에 대해 그리고 다양한 연소 정도를 포함하는 시뮬레이팅된 결과로부터의 평균 산소 플럭스 계산의 예들을 도시한다.

[표 I]

높은 정도의 연소(95%)

[표 II]

중간 정도의 연소(79%)

[표 III]

낮은 정도의 연소(66%)

이들 표에서는, 단위 기초(unit basis)에 대한 평균 산소 플럭스, 산소 재생 및 연료 연소의 정도의 계산된 양이 존재한다. 이 양들은 다음과 같이 결정된다.

연료 연소의 정도(η, %)는 표로부터 다음과 같이 계산될 수 있다.

이때,

F_{fuel , in} = 프로세스 가열기로 진입하는 연료 스트림의 몰 유량(molar flow rate) [mol/s],

xH_{2 , in} = 연료 내의 수소의 몰분율 [-],

xCO_in = 연료 내의 일산화탄소의 몰분율 [-],

xCH_{4 , in} = 연료 내의 메탄의 몰분율 [-],

F_{fluegas , out} = 보일러의 OTM 섹션을 떠나는 연도 가스 스트림의 몰 유량 [mol/s],

xH_{2 , out} = 연도 가스 내의 수소의 몰분율 [-],

xCO_out = 연도 가스 내의 일산화탄소의 몰분율 [-],

xCH_{4 , out} = 연도 가스 내의 메탄의 몰분율 [-],

산소 재생(R_O2, %)은 표 I로부터 다음과 같이 계산된다.

이때,

F_{air , in} = 프로세스 가열기로 진입하는 산소 포함 스트림의 몰 유량 [mol/s],

xO_{2 , in} = 산소 포함 가스 스트림 내의 산소의 몰분율 [-],

F_{retentate , out} = 산소 격감 스트림(oxygen depledted stream)의 몰 유량 [mol/s],

xO_{2 , out} = 산소 격감 가스 스트림 내의 산소의 몰분율 [-],

평균 산소 플럭스(mol 내의 J_O2, O₂/㎡/s)는 다음의 수식에 의해 구해진다.

이때,

A = 산소 운반 멤브레인 면적 [㎡].

따라서, 프로세스 가열기에 요구되는 산소 운반 멤브레인 면적은 화학량적 비율에 의해 결정된 연료 연소에 대한 산소 요구량을 동일한 정도의 연소, 산소 재생 및 다른 프로세스 조건(예컨대, 온도, 압력, 연료, 산소 포함 스트림의 성분 및 유량)에 대해 상술된 방식으로 결정된 평균 산소 플럭스의 실험치로 나누어 계산될 수 있다. 예컨대, 50%의 연료 연소 정도 및 연료가 요구되는 수소를 가정하면, 이러한 목적을 위해 요구되는 산소의 양은 요구되는 연료량의 절반일 것이다. 따라서, 요구되는 산소의 유량은 필요한 면적을 결정하기 위해 위에서 결정된 평균 플럭스 "J_O2"의 실험값에 의해 나눠질 것이다.

표 I, 표 II 및 표 III을 다시 참조하면, 연소의 정도가 증가하면, 단위 면적당 플럭스는 감소한다. 이것은 상술한 바와 같이, 더 높은 정도의 연소를 위해서는 더 넓은 면적이 요구되지만, 멤브레인의 길이를 따르는 구동력은 감소되어 단위 면적당 플럭스의 값이 더 낮아지기 때문이다.

도시된 실시예를 다시 참조하면, 스트림(28) 내에 남아 있는 연료를 완전 연 소시키기 위해 요구되는 추가적인 산소를 공급하도록, 스트림(28)은 2차 산소 포함 가스 스트림(32)과 함께 제2 연소 구역(12)으로 주입된다. 열 교환 통로(18)와 같은 제2 연소 구역(12)에 부하가 걸리면, 추가적인 연료 스트림(34)도 부하에 대한 가열 요구 조건을 만족시키기 위해 제2 연소 구역(12)으로 주입된다. 하지만, 이것은 열 교환 통로(18)가 존재할 때의 선택적인 경우이다. 제1 연소 구역(10) 내에서 발생하는 연소가 거의 화학량적인 상태에서, 제2 연소 구역(12) 내에서 스트림(28) 내에 잔류하는 연료를 연소시키는 것은 어려울 수도 있다. 이러한 경우, 산화 촉매(36)가 산소 포함 가스 스트림(32) 내에 포함된 산소와 연료의 반응을 증진시키도록 제공될 수 있다. 산화 촉매(36)는 본 기술 분야에 공지되었으며 산화 페로브스카이트(perovskite oxide)로 구성될 수 있는 수많은 촉매 중 하나일 수 있다. 체적의 약 1 내지 약 3%의 산소를 포함하는 연도 가스 스트림(38)이 제2 연소 구역(12)으로부터 배출되도록 충분한 산소가 제2 산소 포함 가스 스트림(32)을 거쳐서 제공되는 것이 필요하다. 이는 결합 스트림(14)에 의해 그리고 선택적으로 연료를 포함하는 결합 스트림(34)에 의해 전달되는 연료가 완전 연소되는 것을 보장한다.

2차 산소 포함 가스 스트림(32)은 공기일 수 있다. 공기는 가장 저렴한 제안이며 제1 연소 구역(10) 내의 높은 화학량적 산소 비에서 실용적일 수 있다. 따라서, 매우 적은 질소가 제공되고 연도 가스 스트림(38)은 산화제가 프로세스 가열기 전체에 걸쳐 공기에 의해 종래 방식으로 공급되는 경우보다 높은 온도에서 응축될 수 있는, 연도 가스 스트림(38) 내에 포함된 물보다 충분히 낮은 질소 농도를 포함한다. 역시 후술되는 바와 같이, 산화제의 다른 공급원도 가압 교대 흡착(pressure swing adsorption) 또는 극저온 정류(cryogenic distillation)에 의해 발생된 것과 같이 사용될 수 있다. 요구될 산소량은 매우 작을 것이며 이러한 유닛은 극도로 작아서 경제적으로 타당성이 있다. 물론, 정확한 기준점(cutoff point)은 2차 산소 포함 가스 스트림(32) 내에 포함된 산소의 가격에 따라 결정되는 경제적인 것이다. 임의의 경우에, 2차 산소 포함 가스 스트림(32)은 적어도 체적의 약 90%의 산소 농도를 갖는 것이 바람직하며, 따라서 산소 농후 공기인 것이 바람직하다.

연도 가스 스트림(38)의 제1 부분(40)은 결합 스트림(14)을 형성하도록 연도 스트림(42)과 결합되는 재순환 스트림으로서 재순환된다. 연료 스트림(42)과 연도 가스 스트림(38)의 제1 부분을 제1 연소 구역(10)으로 개별적으로 분사하는 것이 가능하다. 재순환된 연도 가스의 사용은 선택적인 것이지만, 연료 스트림(14)을 예열하고 또한 연소의 증기 대 탄소 비율을 증가시켜 산소 운반 멤브레인(20) 상에 탄소가 퇴적되는 것을 방지하도록 증기를 공급한다는 점에서 유리하다. 선택적으로, 연료 스트림(44)은 도관 버너와 같은 직렬 연소실(46) 내에서 연소될 수 있다. 직렬 연소실(46) 내에서의 연소는 공기와 같은 3차 공기 포함 가스 스트림(48)에 의해 유지된다. 선택적으로, 스트림(28)의 일부로부터 형성된 중간 연도 가스 스트림(50)은 연도 가스 순환 스트림에 부가되어 연료의 일부를 연소할 수 있다. 이것의 장점은 더 높은 유량을 달성하여 더 높은 물질 전달과 더욱 균일한 온도 분포를 증진한다는 것이다. 또 다른 선택은 제2 연소 구역(12)에 열을 공급하도록 연 도 가스 스트림(38)으로부터 제2 부분(52)을 제공하는 것이다. 상술한 바와 같이, 결합 스트림(34)은 연도 가스 스트림(38)의 제2 부분(52)과 연료 스트림(54)을 결합하여 생성될 수 있다. 연료 스트림(54)과 연도 가스 스트림(38)의 제2 부분은 개별적으로 분사될 수 있다.

그 후, 연도 가스 스트림(56)은 주로 물로 구성될 수 있는 폐기물 스트림(62, waste stream) 내에서의 격리를 위해 이산화탄소 생성물(60)을 생성하도록 이산화탄소 포획 시스템(58)으로 주입된다. 이산화탄소 포획 시스템(58)은 본 기술 분야에 공지된 방식으로 사용되는 위상 분리기, 압축기 및 중간 냉각기(intercooler)로 구성된다. 연도 가스 스트림(56)은 연도 가스 스트림(38)의 전체량으로 구성되거나 또는 연도 가스 스트림(38)의 제1 부분(40) 및 제2 부분(52)을 제공한 후의 잔여물로 구성될 수 있다.

여러 개의 연소 구역일 수도 있는, 이러한 연소 구역(10)은 더 큰 설비에 사용될 수 있다. 이는 열 교환 통로의 가열을 더욱 균일하게 할 수 있다. 도시되지는 않았지만 이러한 설비에서는, 연료 스트림(14)의 일부만이 제1 연료 연소 구역의 초반부로 주입되며, 오히려 연료는 발생된 열이 동일화되도록 제1 연소 구역으로 단계화된다. 또한, 연소 구역(12)과 같은 하나 이상의 제2 연소 구역이 제공될 수 있다. 예컨대, 단지 연료의 50%만이 제1 연소 구역(10)에서 연소된 경우, 충분한 연료가 존재하여 증기를 가열하고, 제2 연소 구역(12)의 전방에서 그리고 하류 연소 구역(12)에서, 증기는 공급수로부터 승온된다. 역시 도시되지는 않았지만, 하류 열 교환기는 연도 가스 스트림(38)의 온도를 감소시키도록 제공될 수 있다.

후속하는 표 IV는 제1 연소 구역(10) 내에서 발생하는 연료 농후 근사 화학량적 연소(fuel rich, sub-stoichiometriccombustion)를 사용하고, 이후 2차 산소 포함 가스 스트림(32)을 거쳐 보충 산소(supplemental oxygen)의 추가한 경우, 제1 연소 구역(10) 내에서 사용되는 산소 운반 멤브레인 또는 멤브레인들의 면적을 감소시키는 효과를 도시한 계산 예를 도시한다. 본원에서 고려된 시스템은 천연 가스를 연소시키는 120MM BTU/hour의 열 입력(약 100,000 lb/h 포화 증기를 생산하는 보일러와 등가)에 대한 것이다. 산소 운반 멤브레인 또는 멤브레인들은 약 850℃ 내지 약 1000℃에서 작동되는 것으로 가정된다. 기본적인 상황은 연료가 과도하게 존재하는 로(furnace)의 개시 섹션에서 산소 운반 멤브레인(20)이 일정하다는 가정에 의해 발생되었다. 모든 연료가 연소되었을 때, 산소 플럭스는 대체로 감소되었으며, 연료가 존재하지 않기 때문에 연소 생성물이 스윕 가스로 작용하는 상술된 특허와 유사한 방식으로 산소 운반 멤브레인이 작동하는 것이 가정되었다. 표를 생성하는데 사용된 다른 가정은 (a) 산소 운반 멤브레인은 100%의 화학량적 산소를 공급하고, (b) 화학량적 요구를 넘는 산소는 상술된 바와 같이 2차 산소 포함 가스 스트림(32)에 의한 2차 산소의 직접적인 산화제 주입에 의해 제공되고, (c) 산소 플럭스는 10sccm/㎠-min으로 일정하고, (d)산소 플럭스는 과도한 산소가 2차 산소의 주입시 존재하는 경우 0.5sccm/㎠-min으로 일정하다는 것이다.

[표 IV]

표 V는 추가로 계산된 예를 도시하며, 표 IV와 유사하지만 직접 분사에 의해 시스템 내에서 대체된 총 산소의 양을 변경하는 효과를 도시한다. 표 V의 기본적 상황은 표 IV와 동일하다(모든 산소는 하나 이상의 멤브레인을 통과하는 산소 이온 운반체에 의해 공급된다). 이 경우, 가정은 (a) 연도 가스 내의 과도한 산소는 1%(습윤)이고, (b) 기본 상황에 대해 총 요구된 소정의 백분율까지의 산소(제1 칼럼)는 산소 이온 운반체를 통해 공급되고, (c) 2차 산소에 의한 직접 분사에 의해 공급된 과도한 산소와 화학량적 산소가 잔류하고, (d) 산소 플럭스는 연소 구역에서 10sccm/㎠-min으로 일정하고, (e) 산소 플럭스는 과도한 O₂가 존재할 때 0.5sccm/㎠-min로 일정하다는 것이다.

[표 V]

본 발명은 양호한 실시예를 참조로 설명되었지만, 본 기술 분야의 당업자에게 발생할 때, 다양한 변화, 추가 및 생략이 첨부된 청구항에 열거된 본 발명의 사상 및 범주 내에서 이루어질 수 있다.

Claims (17)

1. 유체를 가열하는 방법이며,

   연료 스트림 내에 포함된 연료의 연소를 위해 적어도 하나의 제1 연소 구역과 적어도 하나의 제2 연소 구역을 구비하고, 통과하는 유체가 연료의 연소로부터 발생된 열로 가열되도록 연 전달 통로가 적어도 하나의 제1 연소 구역을 통해 연장하고, 적어도 하나의 제1 연소 구역과 적어도 하나의 제2 연소 구역은 직렬로 연결되어 연료의 제1 부분이 적어도 하나의 제1 연소 구역에서 연소될 수 있으며 적어도 하나의 제1 연소 구역에서 연소되지 않은 연료의 제2 부분이 적어도 하나의 제2 연소 구역에서 연소될 수 있는, 프로세스 가열기로 연료 스트림을 주입하는 단계와,

   투과 산소가 연료의 제1 부분의 연소를 유지하고 적어도 하나의 제1 연소 구역 내에 존재하는 연료의 완전 연소를 위해 필요한 화학량적 산소량의 약 50% 내지 약 90% 사이를 공급하고 연료의 제1 부분의 연소가 산소의 분리를 위한 구동력을 제공하도록, 연료 스트림을 적어도 하나의 제1 연소 구역 내에 위치된 적어도 하나의 산소 운반 멤브레인과 접촉시키고 적어도 하나의 산소 운반 멤브레인으로 적어도 하나의 제1 산소 포함 가스 스트림으로부터 산소를 분리시키는 단계와,

   연도 가스가 산소를 체적의 약 1 내지 약 3% 사이로 포함하는 연료의 제2 부분의 연소로부터 생성되도록, 연료의 제2 부분의 연소를 유지하도록 적어도 하나의 제2 산소 포함 가스 스트림을 적어도 하나의 제2 연소 구역으로 주입하는 단계와,

   적어도 하나의 제2 연소 구역으로부터 연도 가스를 배출시키는 단계를 포함하는 유체 가열 방법.
2. 제1항에 있어서, 투과 산소는 적어도 하나의 제1 연소 구역 내에 존재하는 연료의 완전 연소를 위해 필요한 화학량적 산소량의 약 75% 내지 약 95% 사이를 공급하는 유체 가열 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 제2 산소 포함 가스 스트림은 적어도 산소를 체적의 90%로 포함하는 공기 또는 산소 농후 공기 또는 산소 포함 스트림인 유체 가열 방법.
4. 제1항에 있어서, 열 전달 통로는 적어도 하나의 제2 연소 구역을 통해서도 연장하는 유체 가열 방법.
5. 제1항에 있어서, 연도 가스의 일부로 구성된 연도 가스 스트림은 적어도 하나의 제1 연소 구역으로도 주입되는 유체 가열 방법.
6. 제5항에 있어서, 연도 가스의 다른 부분으로 구성된 다른 연도 가스 스트림은 적어도 하나의 제2 연소 구역으로 주입되는 유체 가열 방법.
7. 제6항에 있어서, 다른 연료 스트림은 적어도 하나의 제2 연소 구역으로 주입되는 유체 가열 방법.
8. 제6항에 있어서, 연도 가스 스트림은 직렬 연소실 내에서 가열되는 유체 가열 방법.
9. 제6항에 있어서, 적어도 하나의 제1 연소 구역과 적어도 하나의 제2 연소 구역 사이에서, 적어도 하나의 제1 연소 구역에서 생성된 연소 가스로부터 형성되는 중간 연도 가스 스트림을 인출하는 단계와,

   적어도 하나의 제1 연소 구역으로 재순환되는 연도 가스 스트림과 중간 연도 가스 스트림을 결합하는 단계를 더 포함하는 유체 가열 방법.
10. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 제2 연소 구역은 연료의 제2 부분의 연소를 증진시키기 위해 산화 촉매를 포함하는 유체 가열 방법.
11. 제3항에 있어서, 열 전달 통로는 적어도 하나의 제2 연소 구역으로도 연장하는 유체 가열 방법.
12. 제11항에 있어서, 연도 가스의 일부로 구성된 연도 가스 스트림은 적어도 하나의 제1 연소 구역으로도 주입되는 유체 가열 방법.
13. 제12항에 있어서, 연도 가스 스트림은 직렬 연소실 내에서 가열되는 유체 가열 방법.
14. 제13항에 있어서, 적어도 하나의 제1 연소 구역과 적어도 하나의 제2 연소 구역 사이에서, 적어도 하나의 제1 연소 구역에서 생성된 연소 가스로부터 형성되는 중간 연도 가스 스트림을 인출하는 단계와,

    적어도 하나의 제1 연소 구역으로 재순환되는 연도 가스 스트림과 중간 연도 가스 스트림을 결합하는 단계를 더 포함하는 유체 가열 방법.
15. 제14항에 있어서, 연도 가스의 다른 부분으로 구성된 다른 연도 가스 스트림은 적어도 하나의 제2 연소 구역으로 주입되는 유체 가열 방법.
16. 제15항에 있어서, 다른 연료 스트림은 적어도 하나의 제2 연소 구역으로 주입되는 유체 가열 방법.
17. 제15항에 있어서, 적어도 하나의 제2 연소 구역은 연료의 제2 부분의 연소를 증진시키기 위해 산화 촉매를 포함하는 유체 가열 방법.

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