KR20110096571A - 순산소연소 순환 유동층 반응기, 상기 반응기의 작동 방법, 및 순환 유동층 반응기를 업그레이드하는 방법 - Google Patents

순산소연소 순환 유동층 반응기, 상기 반응기의 작동 방법, 및 순환 유동층 반응기를 업그레이드하는 방법 Download PDF

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티모 에릭손
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포스터 휠러 에너지아 오와이
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Abstract

본 발명은, 반응기 챔버(15)와, 상기 반응기 챔버에 가스를 도입하기 위해 반응기 챔버의 하부 섹션에 제공된 가스 분배 장치(50)를 포함하는 순산소연소 순환 유동층 반응기에 관한 것으로, 상기 가스 분배 장치는 가스 도입 노즐을 갖는 윈드박스 챔버와, 윈드박스 챔버 내로 가스를 도입하기 위한 제 1 가스 공급 시스템(70)을 포함하고, 가스 도입 노즐은 윈드박스 챔버로부터 반응기 챔버로 가스를 도입하도록 배열되어 있고 윈드박스 챔버로 개방되어 있는 입구를 구비한다. 가스 분배 장치(50)는 적어도 하나의 노즐 입구(62)의 부근에서 윈드박스 챔버 내로 가스를 도입하기 위한 제 2 가스 공급 시스템(80)을 더 포함한다.

Description

순산소연소 순환 유동층 반응기, 상기 반응기의 작동 방법, 및 순환 유동층 반응기를 업그레이드하는 방법{OXYCOMBUSTION CIRCULATING FLUIDIZED BED REACTOR, METHOD OF OPERATING SUCH A REACTOR AND METHOD OF UPGRADING A CIRCULATING FLUIDIZED BED REACTOR}
본 발명은, 순산소연소 유동층 반응기(oxycombustion fluidized bed reactor)와, 그 동작에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 상기 반응기에 가스를 도입하는 장치와 방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은, 반응 챔버와 반응 챔버 내로 가스를 도입하기 위해 반응 챔버의 하부 섹션에 제공된 가스 분배 장치를 포함하는 순산소연소 순환 유동층 반응기에 관한 것으로, 가스 분배 장치는 가스 도입 노즐을 구비한 윈드박스 챔버와, 윈드박스 챔버 내로 가스를 도입하기 위한 제 1 가스 공급 시스템을 포함하고, 가스 도입 노즐은 윈드박스 챔버로부터 반응기 챔버로 가스를 도입하도록 배열되며 윈드박스 챔버로 개방된 입구를 구비한다.
본 발명은 또한 반응 챔버와 반응 챔버의 하부 섹션에 제공된 가스 분배 장치를 포함하는 순산소연소 순환 유동층 반응기를 작동시키는 방법에 관한 것이며, 이 방법에서, 가스는 입구를 구비한 가스 도입 노즐을 갖는 윈드박스 챔버를 통해 반응 챔버 내로 가스가 도입되고, 이 방법에서, 가스는 제 1 가스 공급 시스템을 통해 윈드박스 챔버에 도입된다.
본 발명은 또한 노즐을 구비한 윈드박스 챔버와 윈드박스 챔버로 가스를 공급하는 제 1 가스 공급 시스템을 갖는 기존 순환 유동층 반응기를 업그레이드하는 방법에 관한 것으로, 이 방법은 기존 순환 유동층 반응기의 윈드박스 챔버 내의 그리드 노즐 입구 아래에 복수의 공급 배관을 갖는 제 2 가스 공급 시스템을 배열하는 단계를 포함한다.
소위 온실 효과에 관련한 가스 배기물을 제한하는 새로운 규제 및 다른 요구는 화석 탄소성 연료를 사용하는 발전소로부터 이산화탄소 배기물을 감소시키는 것을 목적으로 하는 새로운 기술의 개발을 촉진하였다. 종래의 연소에 있어서, 연료의 연소에 필요한 산소가 공기의 형태로 공급되었지만, 순산소연소에서, 공기는 실질적 순수 산소와 재순환 연도 가스의 혼합물로 대체되었으며, 이는 산화제라 지칭될 수 있다.
예로서, US 특허 6,505,567은 연소의 생성 가스인 재순환 이산화탄소에 의해 연소가 지원되는 순환 유동층 증기 발생기를 개시하고 있다. 연소는 순환 유동층 증기 발생기 내로 도입되는 순수 산소에 의해 유지된다. 순수 산소의 도입은 매우 높은 국지적 온도를 갖는 영역을 생성할 수 있으며, 이는 예로서, 이들 영역에 인접한 구조 요소에 유발되는 응력과, 층 재료 용융 및 응집의 위험 증가 때문에 바람직하지 못하다.
순환 유동층 반응기에 산소를 도입하는 것은 특히 예민한 프로세스이다. 산소의 불균등 분배는 국지적 과열점을 생성할 수 있고, 이 또한 층 재료의 응집 같은 문제를 유발하기 쉽다. 이는 순수 산소가 관련되어 있는 경우에 특히 그러하다.
순환 유동층 반응기에서, 부하의 변동이 반응기의 그리드를 통해 공급되는 가스의 양의 각각의 변경을 필요로 하기 때문에 유동화 가스 속도는 크게 변한다. 그리드의 작동 범위는 예를 들어, 고 부하 동작 동안에는 과도하지 않지만 저 부하 동작 동안에는 과도해지는 압력 강하에 의해 결정되며, 압력 강하는 반응 챔버로부터 윈드박스 내로의 고체의 유동을 방지하고 그리드의 단면적에서 가스 유동의 균등한 분포를 제공하기 위해 적절하여야만 한다. 실제로, 저 부하 동작 동안에도 그리드를 통해 공급되어야만 하는 특정 최소 공기 유동이 존재하며, 이는 일부 경우에 반응기로부터의 최저 획득 가능 부하에 대한 제한 요인이 될 수 있다.
US 특허 4,628,831은 유동층을 사용하여 처리 챔버에 가스상 유동화 유체를 운반하기 위한 그리드를 개시하고 있다. 이 그리드는 두 개의 개별적으로 공급되는 채널의 회로를 포함하며, 각각, 제 1 채널 회로는 챔버 내에 고밀도 유동층을 제공하기 위한 상부를 향해 확개된 오리피스이고, 제 2 관형 채널 회로는 챔버 내의 입자의 강제 유동층을 제공하기 위해 확개된 오리피스 위로 개방되어 있다. 이러한 종류의 두 개의 별개의 노즐 및 배관 망의 세트의 그리드는 제조가 매우 복잡하다.
WO 2005119126은 하부 섹션이 제 1 유형 및 제 2 유형의 주 가스 공급 노즐을 구비하고 있는 연소 챔버를 갖는 유동층 장치를 개시하고 있다. 먼저, 제 1 유형 노즐은 종래의 윈드박스 및 노즐에 의해 챔버의 베이스에 근접한 제 1 레벨에 제 1 가스 혼합물을 주입하기 위해 제공된다. 두 번째로, 제 2 유형의 노즐은 제 1 레벨 위의 제 2 레벨에서 산소 농후 제 2 가스 혼합물을 주입하기 위해 제공된다. WO 2005119126에 따르면, 상기 제 2 유형이 노즐은 그 하부 단부에서 산소 공급부 및 제 2 가스상 성분의 공급부에 연결되어 있는, 노즐 내에서 제 2 가스상 성분과 산소를 혼합시키기 위한 장치를 포함한다. 제 2 가스상 성분은 윈드박스로부터의 가스이거나 별개의 가스 수집기로부터의 가스인 것으로 언급되어 있다.
산소가 노즐 내에서 윈드박스로부터 도입된 가스와 혼합되는 이런 종류의 장치에서, 혼합물 내의 산소 비율의 제어는 항상 윈드박스 내에 존재하는 압력에 의존하며, 독립적 제어가 불가능하지는 않더라도 어렵다.
특히, 순산소연소 순환 유동층 반응기에서, 부하 변동에 기인한 가스 속도의 변동에 추가로, 순산소연소 순환 유동층 반응기 내에서 유지되는 프로세스로의 산소 농후 가스의 적절한 도입의 문제도 존재한다.
본 발명의 목적은, 재순환 가스 및 산소 농후 가스를 순산소연소 순환 유동층 반응기 내로 도입하기 위한 개선된 해결책을 제공하는 순산소연소 순환 유동층 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 상승된 산소 함량에서 연소를 제공하는 효율적인 방법을 제공하는 순산소연소 순환 유동층 반응기를 작동시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 기존 순환 유동층 반응기를 순산소연소 순환 유동층 반응기로 업그레이드하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 반응 챔버와, 반응 챔버 내로 가스를 도입하기 위해 반응 챔버의 하부 섹션에 제공된 가스 분배 장치를 포함하는 순산소연소 순환 유동층 반응기에 의해 충족되고, 여기서, 가스 분배 장치는 가스 도입 노즐을 구비하는 윈드박스 챔버와 윈드박스 챔버 내로 가스를 도입하는 제 1 가스 공급 시스템을 포함하고, 가스 도입 노즐은 윈드박스 챔버로부터 반응 챔버로 가스를 도입하도록 배열되며 윈드박스 챔버로 개방된 입구를 구비한다. 가스 분배 장치는 적어도 하나의 노즐 입구의 부근에서 윈드박스 챔버 내로 가스를 도입하기 위한 제 2 가스 공급 시스템을 더 포함한다.
이 방식으로, 윈드박스의 구성은 종래의 재료에 의해 이루어질 수 있으며, 그리드 노즐은 간단하지만 내부에 도입된 가스 내의 산소 함량을 유연하게 제어할 수 있는 상태로 순산소연소 순환 유동층 반응기를 작동시키는 가능성을 가질 수 있다. 또한, 이는 기존 공기 작동식 반응기를 산소 순환 유동층 반응기로 업그레이드되게 하는 간단한 개장 방식을 제공한다.
바람직하게는, 제 2 가스 공급 시스템은 다수의 출구를 포함하고, 각 출구는 공급될 가스를 노즐 입구를 향하게 하도록 배열된다. 출구는 노즐 입구로부터 거리를 두고 배열되며, 가스를 노즐 입구로 안내하도록 배열된다. 이 방식으로, 가스의 혼합이 노즐 입구에서 시작되고, 출구가 노즐 입구 아래에 배열되어 있기 때문에 노즐의 폐색 위험이 최소화된다. 추가적으로, 출구가 노즐 입구로부터 거리를 두고 배열되며, 따라서, 노즐과 기계적으로 결합되어 있지 않기 때문에, 이 구조는 열적 응력에 기인한 손상이 덜 발생한다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 반응기의 그리드 내의 노즐의 대부분은 하나의 유형으로 이루어진다. 노즐의 유형은 노즐 내의 가스 유동 채널이 실질적으로 내부 혼합 요소 등이 없는 채널로 형성되도록 이루어진다. 이는 이 때문에 제 2 가스 공급 시스템이 제 1 가스 공급 시스템의 동작에 단지 미소한 영향을 갖는다는 사실에 기인하여 반응기의 매우 유연한 동작을 개선시킨다.
제 2 가스 공급 시스템의 출구 및 노즐 입구는 바람직하게는 이들이 소정 정도의 배출기 효과를 제공하도록 서로에 관하여 배열된다. 실제로, 배출기 효과는 매우 효율적일 필요는 없으며, 그 이유는 제 1 및 제 2 가스 공급 시스템 양자 모두가 압력하에 작동하기 대문이다. 실제로, 출구는 가스 제트가 노즐 입구에 도달하도록 배열되는 것이 바람직하다.
반응기 챔버는 반응 챔버에서 일어난 반응에서 초래되는 가스에 동반된 유동화 입자를 분리시키기 위해 입자 분리기를 구비하고, 입자 분리기는 가스 출구 및 분리된 입자를 위한 출구를 구비한다. 가스 출구는 재순환 도관을 통해 제 1 가스 공급 시스템과 유동 연통하도록 배열된다. 또한, 재순환 도관은 가스 혼합 유닛을 구비하며, 가스 혼합 유닛은 산소 농후 가스의 소스와 유동 연통한다. 또한, 제 2 가스 공급 시스템도 산소 농후 가스의 소스와 유동 연통한다.
본 발명의 목적은 반응기 챔버와 반응기 챔버의 하부 섹션에 제공된 가스 분배 장치를 포함하는 순산소연소 순환 유동층 반응기를 작동시키는 방법에 의해 충족되며, 이 방법에서, 가스는 입구를 갖는 가스 도입 노즐을 구비한 윈드박스 챔버를 통해 반응 챔버에 도입되고, 이 방법에서, 가스는 제 1 가스 공급 시스템을 통해 윈드박스 챔버에 도입된다. 산소 농후 가스 스트림은 제 2 가스 공급 시스템을 통해 윈드박스 챔버 내의 적어도 하나의 노즐의 입구 부근으로 도입된다.
산소 농후 가스 스트림은 제 2 가스 공급 시스템의 출구를 통해 적어도 하나의 노즐의 입구를 향해 도입된다.
제 2 가스 공급 시스템으로부터의 산소 농후 가스 스트림은 산소 농후 가스의 제트가 그리드 노즐의 입구에 도달하도록 도입된다. 이 방식으로 산소 농후 가스는 노즐 내로만 유동한다.
재순환 배기 가스와 산소의 혼합물은 제 1 가스 공급 시스템을 통해 윈드박스 챔버로 도입되고, 90%보다 많은 산소를 포함하는 가스가 제 2 가스 공급 시스템을 통해 적어도 하나의 노즐의 입구 부근에 도입된다.
제 1 가스 공급 시스템을 통해 윈드박스 챔버에 도입된 가스에 대한 산소 농후 가스 스트림의 혼합은 노즐의 입구에서 시작된다.
또한, 본 발명의 목적은 노즐을 구비한 윈드박스 챔버와 윈드박스 챔버에 가스를 공급하기 위한 제 1 가스 공급 시스템을 갖는 기존 순환 유동층 반응기를 업그레이드하는 방법에 의해 충족되며, 이 방법은 기존 순환 유동층 반응기의 윈드박스 챔버 내로 그리드 노즐 입구 아래에 복수의 공급 배관을 갖는 제 2 가스 공급 시스템을 배열하는 단계와, 제 2 가스 공급 시스템과 연결하여 산소 농후 가스의 소스를 배열하는 단계를 포함한다.
기존 순환 유동층 반응기는 배기 가스 도관을 반응기의 윈드박스 챔버에 연결하는 배기 가스 재순환 도관을 추가로 구비한다. 유리하게는, 산소 농후 가스의 소스는 또한 재순환 가스의 산소 함량을 증가시키기 위해 제 1 가스 공급 시스템과 연결하여 배열된다.
재순환 도관은 가능하게는 기존 보조 가스 입구에 추가로 연결된다.
이는 기존의, 종래의 공기 작동식 순환 유동층 반응기를 순산소연소 순환 유동층 반응기로 업그레이드할 수 있게 하며, 이 순산소연소 순환 유동층 반응기에서 배기 가스는 반응 챔버로 다시 재순환되어 배기 가스의 조성을 변화시키고, 산소는 그리드의 노즐로의 그 진입 동안 순환된 배기 가스 내로 투입된다.
다른 청구항은 본 발명의 다른 실시예를 더욱 세부적으로 제시한다.
본 발명의 목적은, 재순환 가스 및 산소 농후 가스를 순산소연소 순환 유동층 반응기 내로 도입하기 위한 개선된 해결책을 제공하는 순산소연소 순환 유동층 반응기를 제공하는 효과를 갖는다.
아래에서, 본 발명은 첨부된 개략적 도면을 참조로 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 분배 장치를 구비한 순산소연소 순환 유동층 반응기를 예시하는 도면.
도 2는 도 1의 상세도 II를 예시하는 도면.
도 3은 도 2의 단면 III-III을 예시하는 도면.
도 4는 상세도 II의 다른 실시예를 예시하는 도면.
도 5는 상세도 II의 또 다른 실시예를 예시하는 도면.
도 6은 상세도 II의 또 다른 실시예를 예시하는 도면.
도 1은 순산소연소 순환 유동층 반응기(10)를 개략적으로 도시하고, 이는 반응 챔버(15)와, 연결 도관(25)을 경유하여 반응 챔버(15)의 상부 부분에 연결되어 있는 입자 분리기(20)를 포함한다. 입자 분리기(20)는 입자 출구(30) 및 가스 출구(35)를 구비한다. 입자 출구(30)는 입자 반환 채널(40)에 연결된다. 입자 분리기(20)는 바람직하게는 원심 분리기 유형으로 이루어진다. 반환 채널은 예를 들어, 별도의 입자 냉각기 또는 다른 입자 취급 시스템(여기서는 미도시)을 구비할 수 있다.
일반적 연소 동작에서, 대부분 CO2 및 H2O를 포함하는 배기 가스는 입자 분리기의 가스 출구(35)를 통해 배기 가스 도관(45)으로 추가로 인도된다. 배기 가스는 명료성의 이유로 본 명세서에 도시되어 있지 않은 배기 가스 도관(45)과 연계하여 제공되는 열 회수 프로세스 같은 소정 처리 프로세스를 받게 된다.
반응 챔버(15)의 하부 섹션은 가스 분배 장치(50)를 구비하며, 이는 노즐(60)을 구비하는 그리드(55)를 포함하고, 이를 통해 유동화 및 프로세스 목적을 위해 반응 챔버(15) 내로 산소 함유 가스가 도입된다. 가스의 함량에 무관하게, 그리드(55)를 통해 도입되는 모든 가스는 층 재료의 유동화에 참여한다. 그리드(55)에 추가로, 가스 분배 장치(50)는 그리드 아래에 윈드박스 챔버(52)를 포함하고, 윈드박스 챔버(52)로부터 반응기 챔버(15)로 가스를 제어가능하게 도입하기 위해 그리드의 가스 도입 노즐(60)이 윈드박스 챔버 내부로 배열된다. 따라서, 노즐은 그 사이의 유동 연결을 제공하고, 윈드박스 챔버(52) 내부로 개방되는 입구(62)를 구비한다. 도 1의 상세도 II가 그리드(55) 내의 노즐(60)의 예시적 실시예를 설명하는 도 2 및 도 3에 도시되어 있다. 노즐은 실질적으로 균등하게 그리드(55)의 영역 위에 분포된다.
가스 분배 장치(50)는 제 1 가스 공급 시스템(70)을 포함하고, 이는 윈드박스 챔버(52) 내로 가스를 도입하기 위해 제공된다. 제 1 가스 공급 시스템(70)은 윈드박스, 그리고, 추가로, 다시 반응 챔버(15)로의 배기 가스의 재순환을 가능하게 하도록 배기 가스 도관(45) 및 윈드박스 챔버(52)와 유동 연통한다. 반응기는 배기 가스 도관(45)을 제 1 가스 공급 시스템(70)에 연결하는 재순환 도관(95)을 구비한다. 재순환 도관(95)은 재순환 송풍기(96) 등을 구비한다.
또한, 순산소연소 순환 유동층 반응기는 공기 분리 유닛(ASU) 같은 산소 농후 가스의 소스(100)를 포함한다. 산소 농후 가스의 소스(100)는 제 1 산소 공급 라인(76)에 의해 제 1 가스 혼합 유닛(75)을 통해 제 1 가스 공급 시스템과 연결되어 있다. 제 1 산소 공급 라인(76)은 산소의 양을 제어하기 위한 밸브 같은 유동 제어 장치(77)를 구비한다. 순차적으로, 재순환 도관(95)은 가스 혼합 유닛(75)을 통해 제 1 가스 공급 시스템(70)에 연결된다. 따라서, 가스 혼합 유닛(75)에서, 제어가능한 양의 산소가 재순환 배기 가스 내로 투입되고, 윈드박스 챔버(52)에 진입하기 이전에 그와 혼합된다. 이 방식으로, 재순환 배기 가스와 추가된 산소는 연소 프로세스를 위한 산화제 가스를 형성한다.
순산소연소 순환 유동층 반응기의 가스 분배 장치(50)는 제 2 가스 공급 시스템(80)을 더 포함한다. 제 2 가스 공급 시스템(80)은 바람직하게는 분배 매니폴드(82) 등을 포함한다. 제 2 가스 공급 시스템은 실제로 다양한 방식으로 실현될 수 있다. 일부 용례에서, 제 2 가스 공급 시스템은 전체적으로 다수의 부분을 포함할 수 있으며, 즉, 이는 다수의 그리드 노즐에 산소 농후 가스를 도입하도록 각각 배열된 서브 시스템으로 분할될 수 있다. 매니폴드는 그리드(55) 아래에서 적어도 부분적으로 윈드박스 챔버(52) 내에 배열된다. 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예에서, 복수의 공급 배관(84)이 매니폴드에 배열되어 있으며, 각 공급 배관은 출구(85)를 구비하고, 출구는 노즐 입구(62)의 부근으로 개방되도록 배열된다. 공급 배관(84)의 출구(85)는 입구(62) 또는 노즐을 향해 지향된다. 따라서, 동작시, 제 2 가스 공급 시스템을 통해 공급된 가스도 노즐 입구(62)를 향해 공급된다. 공급 배관(84)의 출구(85) 및 노즐 입구(62)는 바람직하게는 배출기 장치를 형성하도록 배열된다. 제 2 가스 공급 시스템은 단지 제한된 체적과 실질적으로 작은 크기의 출구를 가지기 때문에, 특수한 고온/고 산소 농도를 견딜 수 있는 재료의 필요성이 최소화된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 노즐(60)의 입구(62) 및 공급 배관(84)의 출구(85)는 바람직하게는 단면이 원형이며, 동축으로 배열된다. 출구는 노즐로부터 거리를 두고 노즐 입구(62) 아래로 개방되도록 배열된다.
실제 용도에 따라서, 그리드 노즐(60)의 수에 관한 공급 배관(84)의 수는 변할 수 있다. 통상적으로, 적어도 20%의 노즐이 공급 배관을 구비한다.
제 2 가스 공급 시스템(80)은 산소 농후 가스의 소스(100), 예를 들어, 공기 분리 유닛(ASU)과 연결된다. 매니폴드(82)는 제 2 산소 공급 라인(83)에 의해 산소 농후 가스의 소스(100)에 연결된다. 제 2 산소 공급 라인(83)은 유량, 그리고, 이에 따라, 반응 챔버(15)에 공급되는 산화제 내의 산소의 양을 제어하기 위해 밸브 같은 유동 제어 장치(81)를 구비한다. 또한, 분배 매니폴드(82)와 연결된 제어 밸브를 갖는 다른 가스, 증기 또는 N2의 선택적 입구가 제공된다.
제 2 산소 공급 라인(83)은 바람직하게는 그리드 노즐 내로의 도입 이전에 산소 농후 가스를 예열하기 위해 가스 가열 장치(83')를 구비한다. 실제로, 가열 장치는 다양한 방식으로 실현될 수 있다.
반응기는 공기 연소 및 산소 농후 연소 양자 모두를 위해 작동될 수 있다. 제 1 가스 공급 시스템은 상부 주 가스를 반응기 챔버(15)에 공급하기 위한 분기부(200)를 갖는다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라, 공기 및 산소 농후 작동 동안 그리드에 걸친 압력 강하를 동일한 레벨로 유지하기 위해, 산화제 가스의 일부는 상부 주 가스 분기부(200)를 통해 공급될 수 있다. 상부 주 가스 분기부(200)는 따라서, 제 1 가스 공급 시스템으로부터 분기되며, 분기부를 통한 가스 유동의 양을 제어하기 위한 제어 밸브(210)를 구비한다. 산화제(재순환 배기와 산소의 혼합물)의 밀도는 공기 밀도보다 심지어 20 내지 25% 더 높을 수 있으며, 따라서, 상부 주 가스 분기부(200)를 통해 산화제의 일부를 공급하는 것이 유리하다.
또한, 순산소연소 순환 유동층 반응기는 상부 주 가스 분기부(200) 위에 보조 산화제를 위한 공급 시스템(300)을 포함하는 것이 바람직하다. 공급 시스템(300)은 제 2 가스 혼합 유닛(310)을 포함하며, 제 2 가스 혼합 유닛 내로 제 3 산소 공급 라인(320)이 산소 농후 가스의 소스(100)로부터 연장된다. 제 3 산소 공급 라인(320)은 또한 제어 밸브 같은 유동 제어 장치(315)를 구비한다. 반응기는 보조 산화제를 위한 공급 시스템(300)의 제 2 가스 혼합 유닛(310)에 배기 가스 도관(45)을 연결하는 제 2 재순환 도관(97)을 구비한다. 제 2 재순환 도관(97)은 재순환 송풍기(98) 등을 구비한다. 본 발명의 제 1 실시예에 따라서, 순산소연소 순환 유동층 반응기(10)는 이하에서 설명되는 바와 같이 연료의 연소를 위해 작동된다. 주로 CO2와 H2O로 구성되는 탄소성 연료의 연소로부터의 생성 가스는 적어도 부분적으로 반응기(15)로 다시 재순환되며, 그래서, 시동 페이즈 이후, 공기 대신, 반응기는 생성 가스 및 산소의 혼합물로 동작될 수 있다. 이 방식으로, 질소의 존재를 피할 수 있으며, 배기 가스로부터의 CO2의 회수가 더욱 용이하도록 배열될 수 있다.
생성 가스는 재순환 도관(95)을 통해 제 1 가스 혼합 유닛(75)에 공급되고, 여기서, 산소 또는 산소 농후 가스가 혼합되며, 혼합물은 제 1 가스 공급 시스템(70)을 통해 윈드박스 챔버(52)에 도입된다. 윈드박스 챔버(52) 내의 압력은 미리 결정된 레벨로 유지된다. 이는 그리드(55)를 통한 반응 챔버(15) 내로의 실질적으로 균등한 가스 유동을 초래한다. 제 1 산소 공급 라인 내의 유동 제어 장치(77)는 윈드박스 챔버(52) 내의 가스 내의 산소 함량을 제 1 미리 결정된 레벨로 유지하도록 제어된다. 제 1 실시예에서, 이는 약 21 내지 28 체적%이며, 이는 공기의 산소 함량을 단지 약간 초과한다. 윈드박스 챔버(52) 내의 산소 함량은 윈드박스 챔버 내에 존재하는 임의의 연소성 물질의 자체 점화의 위험이 최소화되도록 조절되는 것이 바람직하다. 또한, 이는 고온 및 고 산소 농도 환경에 의해 필요한 특수한 재료에 대한 필요성을 실용적으로 제거한다. 이 방식으로, 반응기의 동작은 신뢰성있고 안전하며, 제 1 가스 공급 시스템의 구성은 종래의 재료로 이루어질 수 있다.
제 2 가스 공급 시스템(80)은 제 2 가스 공급 시스템 내의 가스가 적어도 하나의 노즐 입구(62)의 부근에서 입구(62)에 진입하는 윈드박스 챔버로부터의 가스 유동 내에 도입되도록 사용된다. 제 2 산소 공급 라인(83) 내의 유동 제어 장치(81)는 제 1 미리 결정된 레벨보다 높은 제 2 미리 결정된 레벨로 가스 내의 산소 함량을 유지하도록 제어된다. 이 방식으로, 가스가 그리드 노즐을 통해 유동하는 동안 그리드를 통해 공급되는 가스의 산소 함량이 증가된다.
제 2 공급 시스템(80)을 통해 공급되는 가스는 90%보다 높은 산소 함량을 가지며, 바람직하게는 이 가스는 실질적으로 순수 산소이다.
개별적으로 제어된 실질적 순수 산소의 스트림은 제 2 공급 시스템을 통해 공급된다. 이 장치는 산소뿐만 아니라 윈드박스로부터의 산화제 혼합물도 노즐 내로 혼입시키도록 설계된다. 공급 배관(84)을 통해 공급된 산소의 산화제(재순환 배기 가스 및 추가 산소)에 혼합하는 것은 즉시 시작되며, 실질적 전체 노즐(60)이 혼합을 위해 사용된다. 이 방식으로, 노즐의 내부 구성은 간단해질 수 있고, 따라서, 예로서, 노즐의 폐색 위험이 감소된다.
바람직하게는, 그리드 노즐은 산소 환경에 내성적인 합금으로 이루어지며, 또한, 적절한 재료로 내부적으로 코팅될 수 있다. 노즐 내측의 매우 높은 가스 속도는 불순물이 없는 상태로 표면을 유지한다. 점화가 국지적으로 이루어지는 경우라도, 생성된 열의 양은 낮게 유지되고, 손상이 최소화된다. 공급 배관(84)은 예를 들어, 산소 수요에 따라, 그리드 노즐의 단지 일부 또는 그리드 노즐 전부를 위해 설치될 수 있다.
그 내부에서 복수의 공급 배관(84)이 그리드 노즐 입구(62) 아래에 배열되는 분배 매니폴드(82)는 실제로 매우 유연하다. 본 발명은 또한 제 2 공급 시스템(80)을 추후 설치하는 산소-이용(oxy-ready) 체계, 이중 연소(dual firing), 그리고 또한 고-O2 보일러 체계의 개장 용례에도 적용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라, 노즐을 구비한 윈드 박스 챔버와 윈드박스 챔버에 가스를 공급하기 위한 제 1 가스 공급 시스템을 구비하는 기존 순환 유동층 반응기를 갱신시키는 방법은 기존 순환 유동층 반응기의 윈드박스 챔버 내의 그리드 노즐 입구(62) 아래에 복수의 공급 배관(84)을 갖는 제 2 가스 공급 시스템(80)을 배열하는 단계를 포함한다. 바람직하게는 공급 배관(84)은 그리드 내의 노즐(60)의 그룹 부근에 배열된다. 상술한 노즐(60)의 그룹에 속하는 노즐의 수는 관련 프로세스 문제에 기초하여 결정된다.
추가적으로, 제 1 가스 공급 시스템 및 제 2 가스 공급 시스템은 산소 농후 가스의 소스에 연결된다.
본 방법의 추가적 변형에서, 기존 순환 유동층 반응기는 윈드박스 챔버(52)에 배기 가스 도관(45)을 연결하는 배기 가스 재순환 도관(95)을 구비한다. 이는 배기 가스가 다시 반응기 챔버로 재순환될 수 있으면서 배기 가스가 그리드 노즐에 진입하는 동안 산소가 순환된 배기 가스 내에 도입되는 순산소연소 순환 유동층 반응기를 제공하는 것을 가능하게 한다.
순산소연소 모드에서, 산화제의 밀도는 공기 밀도보다 20 내지 25% 높을 수 있으며, 이는 유사한 속도에서 압력 강하에 영향을 준다. 그리드를 가로지른 압력 강하는 상부 주 산화제 노즐로의 주 산화제 스트림의 일부의 인도에 의해 제어될 수 있다.
다양한 공급 지점, 예를 들어, 주, 상부 주 레벨, 보조 및 제 3 공급 지점을 통해 다양한 산화제 조성물을 공급하는 것은 노 내의 온도(그리고, 속도 및 고체 밀도) 프로파일을 제어하기 위한 기회를 제공한다. 이는 예로서, 석회석에 의한 황 포획에 최적인 하부 층 영역에서의 온도의 조절을 가능하게 한다.
본 체계에 따라서, 산화제(재순환 가스)의 평균 O2 농도는 매우 현저히 높을 수 있다(예를 들어, 60%).
그러므로, 윈드박스 내의 O2 농도는 안전도 여유를 고려하여 윈드박스 내의 임의의 불순물의 자체 점화에 관해 허용가능한 것으로 간주되는 레벨 아래로 유지될 수 있다. 실질적 순수 산소의 별도로 제어된 스트림이 윈드박스 내부에 설치된, 그리고, 일반적 그리드 노즐의 하부 단부에서 배출하는 간단한 노즐을 구비하는 공급 파이프(84)를 통해 공급된다.
그리드(55)를 통해 도입되는 가스의 총 유량은 순산소연소 순환 유동층 반응기의 부하 및/또는 유동화 가스 유량의 양에 대한 미리 결정된 요건에 기초하여 규제된다. 제 2 가스 공급 시스템(80)을 통해 도입된 산소의 양은 반응기 내로 도입된 가스의 산소 함량의 미리 결정된 목표값에 기초하여 규제된다.
도 4에는 도 1의 상세도 II의 다른 실시예가 도시되어 있다. 본 실시예에서, 매니폴드(82)는 그리드(55) 아래에서, 그리고, 실질적으로 그리드의 하부 평면으로부터 아래쪽으로 뻗어있는 노즐 입구(62)에서 수직 방향으로 배열된 벽(482)에 의해 형성된 공간이다. 벽(482)은 입구(62)의 주연부와 함께 슬롯형 출구(85)를 형성하는 개구를 구비한다.
도 5에는 도 1의 상세도 II의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 본 실시예에서, 매니폴드(82)는 그리드(55) 아래에서, 그리고, 실질적으로 그리드의 하부 평면으로부터 아래쪽으로 뻗어있는 노즐 입구(62)에서 수직 방향으로 배열된 별개의 챔버(582)의 세트로 형성된다. 각 챔버(582)는 입구(62)의 주연부와 함께 슬롯형 출구(85)를 형성하는 개구를 구비한다. 챔버(582)는 입구(62)의 크기에 대응하는 관통 구멍(538)을 구비하며, 출구(85)는 입구(62)에 가장 근접한 구멍(538)의 측부에 배열된다.
도 6은 공급 배관이 출구(85)를 갖는 간단한 오리피스(84)이고, 출구가 노즐 입구(62)의 부근으로 개방되도록 배열되는, 도 2에 도시된 배열의 변형을 도시한다. 가스 유동 제트는 화살표로 도시된 바와 같이 입구 노즐(62)에 도달하도록 배열된다.
본 명세서에서 현재 가장 바람직한 실시예인 것으로 간주되는 바와 연계하여 예로서 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않으며, 첨부 청구범위에 규정된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 포함되는 그 특징의 다양한 조합 및 변형과 다수의 다른 용도를 포함하는 것을 의도하고 있다는 것을 이해하여야 한다. 앞서 임의의 실시예와 연계하여 언급된 세부사항은 기술적으로 가능하다면 다른 실시예에 사용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 순산소연소 순환 유동층 반응기(oxycombustion circulating fluidized bed reactor)로서,
    반응기 챔버(15)와, 상기 반응기 챔버 내로 가스를 도입하기 위해 상기 반응기 챔버의 하부 섹션에 제공된 가스 분배 장치(gas distribution arrangement)(50)를 포함하고, 상기 가스 분배 장치는 가스 도입 노즐을 구비하는 윈드박스 챔버(windbox chamber)와, 상기 윈드박스 챔버 내로 가스를 도입하기 위한 제 1 가스 공급 시스템(70)을 포함하며, 상기 가스 도입 노즐은 상기 윈드박스 챔버로부터 상기 반응기 챔버 내로 가스를 도입하도록 배열되고 상기 윈드박스 챔버로 개방되어 있는 입구(inlet)를 구비하는, 순산소연소 순환 유동층 반응기에 있어서,
    상기 가스 분배 장치(50)는 적어도 하나의 노즐 입구(62) 부근에서 상기 윈드박스 챔버 내로 가스를 도입하기 위한 제 2 가스 공급 시스템(80)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 순산소연소 순환 유동층 반응기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 가스 공급 시스템은 다수의 출구(outlet)(85)를 포함하고, 상기 각각의 출구는 공급될 가스를 상기 노즐 입구(62) 쪽으로 향하게 하도록 배열된 것을 특징으로 하는, 순산소연소 순환 유동층 반응기.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 출구는 상기 가스를 상기 노즐 입구(62) 내로 안내하도록 배열된 것을 특징으로 하는, 순산소연소 순환 유동층 반응기.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 출구(85)는 상기 노즐 입구(62) 아래의 일정 거리에 배열된 것을 특징으로 하는, 순산소연소 순환 유동층 반응기.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출구(85)와 상기 입구(62)는 배출기 효과(ejector effect)를 제공하는 것을 특징으로 하는, 순산소연소 순환 유동층 반응기.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 반응기 챔버(15)는 유동화 입자를 분리하기 위한 입자 분리기(20)를 구비하고 상기 유동화 입자는 상기 반응 챔버에서 일어난 반응에서 생성된 가스에 동반되고, 상기 입자 분리기는 가스 출구(35)와, 분리된 입자를 위한 출구(30)를 구비하며, 상기 가스 출구는 재순환 도관(recycling conduit)(95)을 통해 상기 제 1 가스 공급 시스템과 유동 연통하도록 배열된 것을 특징으로 하는, 순산소연소 순환 유동층 반응기.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 재순환 도관(95)은 가스 혼합 유닛을 구비하고, 상기 가스 혼합 유닛은 산소 농후 가스의 소스(100)와 유동 연통하는 것을 특징으로 하는, 순산소연소 순환 유동층 반응기.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 가스 공급 시스템은 산소 농후 가스의 소스(100)와 유동 연통하는 것을 특징으로 하는, 순산소연소 순환 유동층 반응기.
  9. 반응기 챔버(15)와, 상기 반응기 챔버의 하부 섹션에 제공된 가스 분배 장치(50)를 포함하는 순산소연소 순환 유동층 반응기를 작동시키는 방법으로서,
    상기 방법에서 가스는 입구(62)를 갖는 가스 도입 노즐을 구비한 윈드박스 챔버(52)를 통해 상기 반응기 챔버 내로 도입되고, 상기 방법에서 가스는 제 1 가스 공급 시스템(70)을 통해 상기 윈드박스 챔버(52) 내로 도입되는, 순산소연소 순환 유동층 반응기를 작동시키는 방법에 있어서,
    산소 농후 가스 스트림은 상기 윈드박스 챔버(52)의 적어도 하나의 노즐(60)의 상기 입구(62) 부근으로 제 2 가스 공급 시스템(80)을 통해 도입되는 것을 특징으로 하는, 순산소연소 순환 유동층 반응기 작동 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 산소 농후 가스 스트림은 상기 제 2 가스 공급 시스템(80)의 출구(85)를 통해 상기 적어도 하나의 노즐(60)의 입구(62)를 향해 일정 거리로부터 도입되는 것을 특징으로 하는, 순산소연소 순환 유동층 반응기 작동 방법.
  11. 제 9항에 있어서, 재순환된 배기 가스(45)와 산소의 혼합물이 상기 제 1 가스 공급 시스템(70)을 통해 상기 윈드박스 챔버(52)에 도입되고, 90% 이상의 산소를 함유하는 가스가 상기 제 2 가스 공급 시스템(80)을 통해 적어도 하나의 노즐(60)의 입구(62)의 부근으로 도입되는 것을 특징으로 하는, 순산소연소 순환 유동층 반응기 작동 방법.
  12. 제 9항에 있어서, 상기 제 1 가스 공급 시스템(70)을 통해 상기 윈드박스 챔버(52)에 도입된 가스에 대한 상기 산소 농후 가스 스트림의 혼합은 상기 노즐의 입구(62)에서 시작되는 것을 특징으로 하는, 순산소연소 순환 유동층 반응기 작동 방법.
  13. 제 9항에 있어서, 상기 산소 농후 가스 스트림과 입구(62)는 상기 윈드박스 챔버(52)의 가스에 대한 배출기 효과(ejector effect)를 유도하는 것을 특징으로 하는, 순산소연소 순환 유동층 반응기 작동 방법.
  14. 노즐(60)을 구비하는 윈드박스 챔버(52)와, 상기 윈드박스 챔버(52)에 가스를 공급하기 위한 제 1 가스 공급 시스템(70)을 구비하는 기존 순환 유동층 반응기를 업그레이드하는 방법에 있어서,
    상기 기존 순환 유동층 반응기의 상기 윈드박스 챔버 내로의 그리드 노즐 입구(grid nozzle inlet)(62) 아래에 복수의 공급 배관(84)을 갖는 제 2 가스 공급 시스템(80)을 배열하는 단계와,
    상기 제 2 가스 공급 시스템(80)과 연결하여 산소 농후 가스 소스(100)를 배열하는 단계를
    포함하는, 기존 순환 유동층 반응기를 업그레이드하는 방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 기존 순환 유동층 반응기는 상기 반응기의 상기 윈드박스 챔버(52)에 배기 가스 도관(45)을 연결하는 배기 가스 재순환 도관(95)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 기존 순환 유동층 반응기를 업그레이드하는 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 산소 농후 가스의 소스(100)는 상기 제 1 가스 공급 시스템(70)과 연결되어 배열된 것을 특징으로 하는, 기존 순환 유동층 반응기를 업그레이드하는 방법.
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