KR20120061825A - 고체 순환을 독립 제어하는 화학적 루프 연소 방법 및 장치 - Google Patents

고체 순환을 독립 제어하는 화학적 루프 연소 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 L-밸브와 같은 적어도 하나의 비기계적 밸브에 의하여 유동층에서 반응 영역 사이의 활성 질량의 고체 입자의 순환을 독립 제어하는 적어도 하나의 탄화수소 공급물의 화학적 루프 연소를 위한 개량된 장치 및 개량된 방법에 관한 것이다.

Description

고체 순환을 독립 제어하는 화학적 루프 연소 방법 및 장치 {METHOD AND INSTALLATION FOR CHEMICAL LOOPING COMBUSTION WITH INDEPENDENT CONTROL OF THE CIRCULATION OF SOLIDS}
본 발명은 화학적 루프 연소 (chemical looping combustion) 분야에 관한 것이다. 이하 본문에서, 화학적 루프 연소 (CLC) 프로세스라고 하는 것은 활성 질량의 루프 산화-환원 또는 레독스 (redox) 반응 프로세스이다. 일반적으로, 용어 산화 및 환원은 활성 질량의 산화되거나 환원된 상태에 대하여 각각 사용된다는 것을 알 수 있다. 산화 반응기는 레독스 질량 (활성 질량 또는 산소 캐리어 (carrier)) 이 산화되는 반응기이고, 환원 반응기는 레독스 질량이 환원되는 반응기이다. 레독스 질량의 환원 중에, 연료는 완전 산화되어서 CO2 와 H2O 를 생성하거나, 부분 산화되어서 합성가스 CO 와 H2 를 생성할 수 있다.
활성 질량의 산화는, 예를 들어 수증기와 같은, 프로세스 조건하에서 산소를 발생시킬 수 있는 가스의 존재하에 또는 공기 중에서 수행될 수 있다. 이 경우에, 활성 질량의 산화는 수소가 풍부한 가스 유출물의 생성을 허용한다.
바람직하게, 활성 질량은 금속 산화물이다.
보다 상세하게, 본 발명은 L-밸브 타입의 하나 이상의 비기계적 밸브에 의하여, 반응 영역들 사이에서 고체 입자의 순환을 독립 제어하는 탄화수소 공급물의 화학적 루프 연소를 위한 개량된 플랜트 및 방법에 관한 것이다.
비기계적 밸브는 엘보우 (elbow) 로부터 상류로 가스 주입을 통하여 라인에서 입자들의 순환을 허용한다. 이 타입의 장비는 잘 알려져 있고 문헌 (Knowlton, T.M., "Standpipes and Nonmechanical Valves", Fluidization and Fluid-Particle Systems 의 핸드북, 편집자 Wen-Ching Yang, 571 ~ 597 페이지, Marcel Dekker, Inc. 뉴욕, 2003) 에서 기술된다.
L-밸브는 도 1 에 나타나 있다. L-밸브는 90°엘보우를 그 베이스에 장착한 수직 라인으로 이루어진다. 수직 라인이 입자로 채워지면, 방향 변화에 밀접한 이 엘보우로부터 상류로 가스의 주입에 의해, 라인에서 입자들의 순환을 촉진할 수 있다. 시스템 말단에 부과된 압력 조건에 따라, 주입된 가스의 일부가 라인 아래로 엘보우를 통하여 흐르고 입자의 수송을 촉진한다 (도 2 와 도 3, 구성 A 와 B). 주입된 가스의 일부는 입자 흐름과 반대 방향으로 위로 흐를 수도 있다 (도 3, 구성 B). 위로 흐르는 주입된 가스의 비율은 밸브 말단에서 압력 조건에 따라 조절된다.
가스 주입점으로부터 상류의 수직 라인에서 흐름이 유동화되지 않을 때 (즉, 적용된 조건하에서 가스 흐름과 입자 흐름 사이의 속도 차이가 여전히 입자의 최소 유동화 속도 미만일 때), L-밸브는 고체 순환의 제어를 허용한다. 이런 밸브는, 높은 입자 유속을 허용하도록 충분히 높은 최소 유동화 속도를 가지는, 겔다트 (Geldart) 분류의 B 그룹 입자에 특히 적합하다
놀턴 (Knowlton, T.M., "Standpipes and Nonmechanical Valves", Fluidization and Fluid-Particle Systems 의 핸드북, 편집자 Wen-Ching Yang, 571 ~ 597 페이지, Marcel Dekker, Inc. 뉴욕, 2003) 은 L-밸브를 이용한 순환층 시스템을 기술한다 (도 4). 가스가 바닥에서 주입되는 ("가스 유입") 순환 유동층 (CFB) 은 입자들이 수송되도록 허용하고, 이것은 가스와 입자들을 사이클론 (C) 으로 운반한다. 무입자 가스는 라인을 통하여 사이클론을 나오고 ("가스 배출"), 분리된 입자는 L-밸브를 통하여 순환층으로 다시 공급된다. 이러한 시스템은 순환층에서의 가스 흐름으로부터 루프 내 내부 고체 순환의 분리를 허용하고, 순환층에서 입자의 수송에 이용할 수 있는 압력은 L-밸브에 주입된 폭기 가스의 양에 따라 변한다 (이로써 L-밸브의 수직부에서 압력 회복을 변경할 수 있다).
그러나, 종래의 산업용 유동층 연소 프로세스에서, 사용된 기술에 의해, 루프에서 고체의 내부 순환을 독립적으로 제어할 수 없다. 순환층 보일러는 도 5 에 나타나 있다 (Nowak 외, IFSA 2008, Industrial Fluidization South Africa, 25 ~ 33 페이지, T. Hadley 와 P. Smit 에 의해 편집, Johannesburg: South Africa Institute of Mining and Metallurgy, 2008). 연소 공기는 순환층의 베이스에서 도입되고 이것은 석탄과 모래 입자를 사이클론으로 운반한다. 그 후에 입자는 리턴 레그 (return leg) 를 통하여 순환 유동층으로 재순환된다. 리턴 레그는 고체 재순환을 촉진하도록 치수가 정해지지만 이것은 고체 순환 제어를 허용하지 않는다. 이것은 L-밸브를 구비하지 않는다. 가끔, 사이펀은 리턴 레그 내에서 가스 상승을 방지하도록 이 리턴 레그에 위치된다. 그러나, 이러한 시스템에서, 루프 내 고체의 순환은 순환층으로 공급되는 연소 공기의 양에 전적으로 의존한다.
고체 순환을 제어하기 위한 다른 수단이 있다. 기계적 밸브를 허용하는 조건은 고체에서 사용될 수 있다. 따라서, 800℃ ~ 850℃ 미만의 온도에서 작동하는 방법인 유동층 촉매 분해 프로세스 (FCC) 에서, 슬라이드 밸브 또는 플러그 밸브는 다양한 인클로저 (enclosure) 사이에서 순환을 제어하는데 사용된다 (도 6, Gauthier, IFSA 2008, Industrial Fluidization South Africa, 35 ~ 87 페이지, T. Hadley 와 P. Smit 에 의해 편집, Johannesburg: South Africa Institute of Mining and Metallurgy, 2008).
도 6 에서, FCC 프로세스의 실시를 허용하는 다음 요소가 나타나 있다:
R1: 제 1 재생기
R2: 제 2 재생기
PV1: 기계적 플러그 밸브 (제 1 플러그 밸브)
RSV1: 제 1 기계적 슬라이드 밸브 (제 1 슬라이드 밸브)
RSV2: 제 2 기계적 슬라이드 밸브 (제 2 슬라이드 밸브)
L: 상승 수송 라인 (리프트)
FI: 공급물 주입
Q: 담금질 (quench)
RR: 라이저 (riser) 반응기
RS: 스트리퍼 (stripper) 반응기
이들 밸브는 유동 흐름에서 작동하고 흐름 단면을 수정함으로써 흐름을 제어하는 특징을 가지는데, 이들 밸브의 압력 강하는 일반적으로 일정하게 유지되고 밸브로부터 상류의 입자들의 유동화 조건에만 의존한다. 이들 밸브는 겔다트 분류의 A 그룹 입자에 작동하기에 특히 적합하다. 불행히도, B 그룹 입자에서 이들 밸브의 작동은 더 까다롭다. 사실상, 흐름을 방해하는 큰 가스 기포를 형성하지 않으면서 B 그룹 입자를 유동화 상태로 유지하는 것이 불가능하다. 게다가, 흐름에 노출된 이들 밸브의 가동부는 아주 높은 온도 (〉900℃) 에 노출될 수 없다.
화학적 루프 연소는 예를 들어 고온에서 금속 산화물과 같은 활성 질량과의 접촉에 의해 기체, 액체 또는 고체 탄화수소 공급물의 부분 또는 완전 연소의 수행을 허용하는 기술이다. 그러면, 금속 산화물은 이것이 함유한 산소 일부를 발생시키는데, 이것은 탄화수소 연소에 참여한다. 따라서, 종래의 방법에서처럼, 더이상 탄화수소를 공기와 접촉하게 할 필요가 없다. 따라서, 연소 흄 (fume) 은 대개 이산화탄소, 물 그리고 가능하다면 공기 내 질소에 의해 희석되지 않는 수소를 함유한다. 그러므로, 높은 CO2 함량 (〉90 vol%) 을 가지고 대개 질소가 없는 흄을 생성할 수 있고, CO2 포집과 저장을 고려할 수 있다. 그리고 나서, 연소에 참여하는 금속 산화물은 산화되도록 공기와 접촉되게 되는 다른 반응 인클로저로 수송된다. 연소 영역으로부터 입자가 연료가 없다면, 이 반응 영역으로부터 가스는 대개 CO2 가 없고 (그 후 예를 들어 1 ~ 2 vol% 미만의 농도로 미량만 존재) 가스는 본질적으로 금속 입자의 산화의 결과로서 산소-고갈 공기 (oxygen-depleted air) 로 이루어진다.
화학적 루프 연소의 실시는 연료와 접촉하는, 예를 들어 금속 산화물인, 다량의 활성 질량을 필요로 한다. 금속 산화물은 일반적으로 광석 입자 또는 산업용 처리에서 발생하는 입자 (철 및 강 또는 광산업 잔류물, 화학 산업 또는 정류산업으로부터의 폐촉매) 에 포함된다. 또한 산화될 수 있는 금속 (예를 들어 니켈 산화물) 이 침적 (deposited) 되는 예를 들어 알루미나 또는 실리카-알루미나 담지체와 같은 합성 재료를 사용할 수 있다. 하나의 금속 산화물로부터 다음 금속 산화물까지, 이론적으로 이용할 수 있는 산소의 양은 상당히 변하고, 30% 에 가까운 높은 값에 달할 수 있다. 그러나, 재료에 따라서, 실제로 이용할 수 있는 최대 산소 용량은 존재하는 산소의 20% 를 일반적으로 초과하지 않는다. 따라서, 산소를 발생시키는 이런 재료의 용량은 전체적으로 입자의 약간의 중량%를 초과하지 않고, 하나의 산화물에서 다음 산화물까지 상당히 변하는데, 일반적으로 0.1 ~ 10 중량%, 자주 0.3 ~ 1 중량% 범위에서 변한다. 따라서, 유동층 실시는 연소를 수행하는데 특히 유리하다. 사실상, 입자들이 유체 특성 (유동화) 을 가진다면, 미세하게 분할된 산화물 입자는 환원 및 산화 반응 인클로저에서 그리고 이 인클로저들 사이에서 더 용이하게 순환한다.
화학적 루프 연소는, 예를 들어 증기 또는 전기의 형태로, 에너지의 생성을 허용한다. 공급물의 연소 열은 종래의 연소에서 직면하게 되는 바와 유사하다. 후자는 화학적 루프에서 환원 및 산화 열의 합에 대응한다. 환원 열과 산화 열 간의 분포는 화학적 루프 연소를 달성하는데 사용되는 활성 질량 (특히 금속 산화물) 에 크게 의존한다. 일부 경우에, 발열도 (exothermicity) 가 활성 질량의 산화와 환원 간에 분포된다. 다른 경우에, 산화는 고 발열반응이고 환원은 흡열반응이다. 모든 경우에, 산화 열과 환원 열의 합은 연료의 연소 열과 동일하다. 이 열은 연소 인클로저 및/또는 산화 인클로저의 내부에, 그의 벽에, 또는 그의 부속물로서, 흄 라인에, 또는 금속 산화물 수송 라인에 배치된 교환기에 의해 추출된다.
화학적 루프 연소 원리는 현재 잘 알려져 있다 (Mohammad M. Hossain, Hugo I. de Lasa, Chemical-looping combustion (CLC) for inherent CO2 separations-리뷰, Chemical Engineering Science 63 (2008) 4433 ~ 4451; Lyngfelt A., Johansson M. 및 T. Mattisson, "Chemical Looping Combustion, status of development", CFB Ⅸ, J. Werther, W. Nowak, K.-E. Wirth and E.-U. Hartge (Eds.), Tutech Innovation, 함부르크 (2008, 도 7)). 도 7 은 금속 산화물이 산화되는 "공기" 반응기 (1), 입자를 가스로부터 분리할 수 있는 사이클론 (2) 및, "연료" 반응기 또는 연소 반응기 (3), 금속 산화물 환원 시트를 개략적으로 나타낸다. 그러나, 연속 장치에서 화학적 루프의 실시는 많이 조사하고 발전시킬 목적을 여전히 가진다.
종래의 순환층 연소 플랜트에서, 순환 루프에서 고체의 내부 순환은 순환층에 공급되는 공기의 흐름에 따른다.
한편, 화학적 루프 연소 프로세스에서, 연소 제어는 도입된 고체 입자의 연료와의 접촉량에 따른다. 연소 인클로저에서 순환하는 활성 질량 입자의 순환은 연소에 이용할 수 있는 산소의 양과 연소 프로세스의 종료시 활성 질량의 최종 산화 상태를 조절한다. 일단 연소가 완료되면, 활성 질량 (대부분의 경우에 금속 산화물) 은 별개의 인클로저에서 공기와 접촉하여 다시 산화되어야 한다. 두 인클로저 사이의 순환은,
- 환원 반응기와 산화 반응기 사이의 산소 교환,
- 연소 반응기와 산화 반응기 사이의 열 교환,
- 최소화되어야 하는 두 인클로저 사이에서의 가스 수송을 조절한다.
따라서, 이 인클로저 각각의 내부에서 입자 (산화 반응기 내 공기, 연료 반응기 내 증기, 탄화수소 또는 연소 흄) 수송을 조절하는 순환 가스 유속에 독립적으로, 공기 반응기와 연소 반응기에서 고체 순환을 조절할 수 있는 것이 중요하다.
지금까지 제공된 다양한 방법들은 산화물 순환의 독립 제어를 허용하지 않는다. 따라서, 2006 년에 요한슨 (Johannson) 등은 금속 산화물의 산화가 순환층에서 일어나는 화학적 루프 연소 프로세스를 제공한다. 산화물은 사이클론에서 분리되어, 배출을 통해, 연소가 이루어지는 연료 반응기에 공급된다. 그 후 금속 산화물은 산화 반응기로 재순환된다. 이러한 시스템은 산화 반응기에서 공기 유속과 독립적으로 금속 산화물의 순환을 제어할 수 없다. 연소 반응기에서 순환하는 금속 산화물의 유속은 공기 반응기에서 공기 유속을 변경함으로써 단지 수정될 수 있다.
다른 기기는 특허 FR-2,850,156 에서 기술된다. 이 경우에, 두 개의 연소와 산화를 위한 반응기는 순환층이다. 여기에서 다시, 2 개의 반응기 사이의 순환은 각 인클로저 안으로 공급되는 가스 흐름에 의존한다. 양자의 경우에, 사이펀은 금속 산화물의 수송을 허용하는 수송 라인에 위치된다. 이 사이펀은 산화 반응기로부터 나온 가스가 수송 라인을 통하여 연소 반응기를 향하여 그리고 그 반대로 순환하는 것을 방지함으로써 2 개의 인클로저 사이에서 가스상의 시일링 (sealing) 을 제공할 수 있다. 이 사이펀은 금속 산화물의 순환을 제어하고 수정하는 것을 허용하지 않는다.
또한, 화학적 루프 연소 방법은 고온 (800℃ ~ 1200℃, 통상적으로 900℃ ~ 1000℃) 에서 실시되는 것이 바람직하다. 따라서, FCC 와 같은 다른 프로세스에서 종래에 사용되는 기계적 밸브를 이용하여 금속 산화물의 순환을 제어할 수 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 연소 (환원) 및 산화 인클로저에서 순환하는 가스 흐름에 독립적으로 화학적 루프에서 고체 순환의 제어를 허용하는 새로운 플랜트와 새로운 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 가지 목적은 기체, 액체 또는 고체 탄화수소의 완전 또는 부분 연소의 달성을 허용하는 화학적 루프 연소 방법이다.
본 발명의 다른 목적은 기체, 액체 또는 고체 탄화수소의 완전 또는 부분 연소의 달성을 허용하는 화학적 루프 연소 플랜트이다.
본 발명에 따른 방법은, 적어도 2 개의 유동화 반응 영역을 포함하는 플랜트에서 실시되는데, 하나의 반응 영역은 활성 질량 (예를 들어 금속 산화물 타입) 의 고체 입자를 산화시키기 위해서 공기와 상기 입자를 접촉시키고, 나머지 반응 영역은 연소 반응을 수행하도록 활성 질량과 탄화수소를 접촉시키는데, 연소 산소는 활성 질량 입자의 환원에 의해 제공된다.
본 발명에 따른 방법과 플랜트에서, 다양한 반응 영역 사이에서 고체 (산소 캐리어로서 역할을 하는 활성 질량) 의 순환은 L-밸브 타입의 비기계적 밸브에 의해 제어되는데, 각 밸브는 실질적으로 수직 라인, 그 다음에 실질적으로 수평 라인으로 이루어지고, 제어 가스는 엘보우로부터 상류에 주입된다.
본 발명은 또한 열 생성을 위해, 합성가스 생성을 위해 또는 수소 생성을 위해 고체의 순환을 제어하는 상기 화학적 루프 연소 방법의 사용에 관한 것이다.
본 발명은 적어도 하나의 별개의 유동층 환원 반응 영역 (ⅰ) 과 적어도 하나의 별개의 유동층 산화 반응 영역 (ⅰ+ 1) 에서 적어도 하나의 탄화수소 공급물을 위한 화학적 루프 연소 방법에 관한 것으로, 각각의 또는 일부의 반응 영역 사이에서 활성 질량의 고체 입자의 순환은, 각각이 실질적으로 수직 라인 부분, 실질적으로 수평 라인 부분 및 두 부분을 연결하는 엘보우로 이루어지는 하나 이상의 비기계적 밸브에 의하여,
- 반응 영역 (ⅰ 또는 ⅰ+ 1) 으로부터 나오는 고체 입자를 상기 밸브의 실질적으로 수직 라인 부분의 상단부를 통하여 도입하고.
- 상기 밸브의 엘보우로부터 상류로 정해진 폭기 유속으로 제어 가스를 주입하고,
- 폭기 유속에 따라, 상기 밸브의 실질적으로 수평 라인 부분에서 고체 입자의 유속을 조절하도록 비기계적 밸브(들)의 말단에서 차등 압력 조건을 제어하고,
- 비기계적 밸브(들)에서 배출된 고체 입자를 루프의 연속 반응 영역 (ⅰ + 1 또는 ⅰ) 으로 공급하여,
두 개의 연속 반응 영역 사이에서 고체 입자를 운반함으로써 제어된다.
각각의 반응 영역은 서로에 대해 배치된 하나 이상의 유동화 반응기 세트로 이루어질 수 있다.
여러 개의 비기계적 밸브가 2 개의 연속 반응 영역들 사이에서 병렬로 위치 결정될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시형태는,
- 비기계적 밸브(들)로부터 하류로 (적어도) 2 개의 연속 반응 영역 (ⅰ, ⅰ+ 1) 사이에서 상승 수송 라인의 캐리어 가스를 부가적으로 공급하고, 상기 라인은 비기계적 밸브(들)에서 배출되는 고체 입자를 공급받는 단계,
- 영역 (ⅰ, ⅰ+ 1) 사이에 위치한 비기계적 밸브(들) 안으로 유동화 입자를 통과시킨 후, 상승 수송 라인으로 주입되는 적어도 하나의 캐리어 가스에 의하여 고체 입자를 수송하여 영역 (ⅰ) 으로부터 영역 (ⅰ+ 1) 으로 고체 입자의 수송을 수행하고, 영역 (ⅰ+ 1) 에 고체 입자를 공급하기 위해서 상승 라인의 배출구에 배치된 가스-고체 분리 수단에 의하여 캐리어 가스로부터 고체 입자를 분리하는 단계,
- 영역 (ⅰ+ 1, ⅰ) 사이에 위치한 비기계적 밸브(들) 안으로 유동화 입자를 통과시킨 후, 상승 수송 라인으로 주입되는 적어도 하나의 캐리어 가스에 의하여 고체 입자를 수송하여 영역 (ⅰ+ 1) 의 배출구로부터 영역 (ⅰ) 으로 고체 입자의 수송을 수행하고, 영역 (ⅰ) 에 고체 입자를 공급하기 위해서 상승 라인의 배출구에 배치된 가스-고체 분리 수단에 의해 캐리어 가스로부터 고체 입자를 분리하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시형태에서, 반응 영역 (ⅰ+ 1) 은 이전 반응 영역 (ⅰ) 위에 적어도 부분적으로 위치하고,
- 고체 입자는 영역 (ⅰ+ 1, ⅰ) 사이에 위치한 비기계적 밸브(들)에 의하여 중력 흐름에 의해 영역 (ⅰ+ 1) 으로부터 영역 (ⅰ) 으로 수송되고,
- 영역 (ⅰ) 으로부터 영역 (ⅰ+ 1) 으로 고체 입자의 수송은 영역 (ⅰ, ⅰ+ 1) 사이에 위치한 비기계적 밸브(들)로 유동화 입자를 통과시킨 후, 상승 수송 라인으로 주입되는 적어도 하나의 캐리어 가스에 의하여 고체 입자를 수송함으로써 수행되고, 고체 입자는 영역 (ⅰ+ 1) 에 고체 입자를 공급하도록 상승 라인의 배출구에 배치된 가스-고체 분리 수단에 의하여 캐리어 가스로부터 분리된다.
본 발명의 다른 목적은 적어도 하나의 유동층 환원 반응 영역 (ⅰ), 적어도 하나의 유동층 산화 반응 영역 (ⅰ + 1), 상기 환원 반응 영역 (ⅰ) 과 상기 산화 반응 영역 (ⅰ + 1) 으로부터, 캐리어 가스 (19) 에 의해 상승 순환 수단으로 운반되는 상기 입자의 순환을 위한 적어도 하나의 상승 수단 (6), 상기 상승 순환 수단의 배출구에 배치되고 라인 (8) 에 의해 상기 산화 반응 영역 (ⅰ + 1) 에 연결되는 적어도 하나의 가스-고체 분리 수단 (7), 산화 반응 영역 (ⅰ + 1) 과 환원 반응 영역 (ⅰ) 사이에서 상기 입자의 순환을 제어하기 위한 적어도 제 1 밸브 및, 환원 반응 영역 (ⅰ) 과 상승 순환 수단 (6) 사이에서 상기 입자의 순환을 제어하기 위한 적어도 제 2 밸브를 포함하며, 상기 밸브는 정해진 폭기 유속으로 제어 가스를 주입하기 위한 적어도 하나의 수단 (11, 4) 을 포함하는, 활성 질량의 고체 입자의 존재하에 적어도 하나의 탄화수소 공급물을 위한 화학적 루프 연소 플랜트이다.
본 발명의 변형예에서, 플랜트는,
- 상기 산화 반응 영역 (ⅰ + 1) 과 상기 환원 반응 영역 (ⅰ) 의 상기 입자를 위한 적어도 제 2 상승 순환 수단 (12) 을 더 포함할 수 있고, 상기 입자는 제 2 캐리어 가스 (20) 에 의해 상승 순환 수단으로 운반되고, 상기 제 2 상승 순환 수단은 상기 제 1 제어 밸브와 상기 환원 반응 영역 (ⅰ) 사이에 배치되고,
- 상기 제 2 상승 순환 수단 (12) 의 배출구에 배치되고 상기 환원 반응 영역 (ⅰ) 에 연결되는 적어도 제 2 가스-고체 분리 수단 (13) 을 더 포함할 수 있다.
반응 영역에서 수행된, 수송 라인에서 압력 강하 측정 및/또는 유동화 반응기에서의 레벨 측정에 의해 비기계적 밸브들의 제어 가스의 폭기 유속의 서보 제어를 통하여 고체 순환을 제어할 수 있다.
따라서, 제어 가스 (4) 의 폭기 유속은 환원 반응 영역 (ⅰ) 의 적어도 하나의 유동층에서 레벨 측정 수단 (25) 에 의해 서보 제어 (23) 된 조절 밸브 (21) 에 의해 제어될 수 있고, 제어 가스 (11) 의 폭기 유속은 제 1 반응 영역 (12) 으로 입자를 운반하는 상승 수송 라인에서 압력 강하 측정 수단 (26) 에 의해 서보 제어 (24) 된 조절 밸브 (21) 에 의해 제어될 수 있다.
유리하게도, 비기계적 밸브(들)의 수평 부분의 길이 (Lh) 는 수평 라인 부분의 직경 (Dh) 의 1 배 내지 20 배 사이에서, 바람직하게는 Dh 의 3 배 내지 7 배 사이에서 선택된다.
유리하게도, 수직 라인 부분의 직경 (Dv) 은 비기계적 밸브(들)의 수평 라인 부분의 직경 (Dh) 이상이 되도록 선택된다.
바람직하게, 비기계적 밸브(들)의 수직 라인 부분의 직경 (Dv) 과 수평 라인 부분의 직경 (Dh) 은 실질적으로 동일하게 선택된다.
유리하게도, 엘보우로부터 상류의 제어 가스 주입점은 수직 라인 부분의 직경 (Dv) 의 약 1 배 내지 5 배의 거리 (x) (비기계적 밸브의 최저점과 수직부에서 주입점의 높이 사이의 차이) 에 위치된다.
바람직하게, 고체 활성 질량 입자는 겔다트 분류의 B 그룹에 속한다.
더 바람직하게, 고체 활성 질량 입자는 금속 산화물이다.
본 발명은 또한 수소 생성, 합성가스 생성 또는 열 생성을 위한 본 발명에 따른 방법의 사용에 관한 것이다.
도 1 은 놀턴 (Knowlton, T.M., "Standpipes and Nonmechanical Valves", Fluidization and Fluid-Particle Systems 의 핸드북, 편집자 Wen-Ching Yang, 571 ~ 597 페이지, Marcel Dekker, Inc. 뉴욕, 2003) 에 의해 기술된 것과 같은 "L-밸브" 로 불리는 비기계적 밸브의 단면도이다.
도 2 와 도 3 은 또한 하향 가스 스트림 (A) 과 상향 가스 스트림 (B) 을 가지는, 고체 및 가스 스트림의 개략적 도시를 포함한 동일한 L-밸브의 단면도이다.
도 4 는 L-밸브를 이용하는 순환층 프로세스를 개략적으로 나타낸다 (종래 기술) .
도 5 는 순환층 보일러 연소 프로세스를 개략적으로 나타낸다 (종래 기술).
도 6 은 다양한 인클로저 사이에서 순환을 제어하는데 슬라이드 밸브 또는 플러그 밸브가 사용되는 FCC (유동상 촉매성 분해) 타입 촉매 분해 프로세스를 개략적으로 나타낸다 (종래 기술).
도 7 은 CLC (화학적 루프 연소) 타입 연소 프로세스를 개략적으로 나타낸다 (종래 기술).
도 8 은 본 발명에 따른 고체 순환을 제어하는 화학적 루프 연소 프로세스를 개략적으로 나타내는데, 기기는 반응 영역 사이의 입자 수송을 위한 상승 라인을 포함한다 (수송 리프트, 변형예 1).
도 9 는 반응 영역 사이의 입자 수송을 위한 상승 라인을 가지지 않는, 본 발명에 따른 고체 순환을 제어하는 화학적 루프 연소 프로세스를 개략적으로 나타낸다 (변형예 2).
도 10 은 L-밸브에 주입된 가스를 조절하는 본 발명에 따른 화학적 루프 연소 프로세스를 개략적으로 나타낸다 (변형예 3).
도 11 은 실시예에서 기술된 모델을 개략적으로 나타낸다.
도 12 는 순환하는 고체 유속에 따른 상승 리프트 타입 수송 라인에서의 압력 강하를 나타내는 그래프이다.
도 13 은 각각의 L-밸브에서의 폭기 유속과 플랜트에서 순환하는 고체 유속 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
화학적 루프 연소는, 금속 산화물이 산화성 매체 (예를 들어, 공기) 와 접촉한 후, 환원성 매체 (예를 들어 기체, 액체 또는 고체 탄화수소) 와 접촉하도록 연속적으로 노출되는 여러 반응 영역 사이에서, 금속 산화물과 같은, 산소 캐리어로서 역할을 하는 활성 질량을 함유한 고체 입자의 순환에 의해 열, 합성가스, 수소를 발생시킬 수 있다.
순환 및 접촉을 용이하게 하기 위해서, 본 발명은 반응 영역이 유동층 반응기로 이루어진 방법에 관한 것이다.
열 생성과 관련하여, 활성 질량 입자 (예를 들어, 금속 산화물 입자) 는 금속 산화물이 산화되는 곳인 유동층에서 공기와 접촉된 후, 금속 산화물이 탄화수소, 예를 들어, 메탄, 천연 가스, 석유 잔유를 함유한 연료 중유, 오일 코크스 또는 석탄과 접촉되는 곳인 유동층으로 라인을 통하여 운반되는 것이 유리하다. 그 후 산화물은 탄화수소와 접촉하여 환원되고 입자에 의해 제공된 산소와 접촉하여 연소한다. 연소 영역의 흄은 본질적으로 질소의 부재하에 부분 또는 완전 연소에서 발생되는 생성물 (CO, H2, CO2, H2O, SOx, ...) 을 포함하고, 이 층은 예를 들어 연소 흄과 수증기에 의해 유동화될 수 있다. 따라서, 그 후 필요하면 생성된 CO2 또는 합성가스 (물 응축, 흄 탈황) 를 농축하도록 흄은 쉽게 처리되는데, 이것은 CO2 의 포집과 합성가스의 사용을 용이하고 흥미있게 한다. 연소 열은 증기 또는 임의의 다른 사용을 발생시키도록 반응 영역 내에서 열 교환에 의해 회복될 수 있다
수소 생성에 관하여, 환원된 금속 산화물을 함유한 입자가 예를 들어 탄화수소 또는 수증기에 노출되는 경우에, 다른 반응 영역을 프로세스에 통합할 수도 있다.
금속 산화물과의 접촉에 의해 환원 및 산화 반응이 수행되는 조건은 엄격하다. 반응은 일반적으로 800℃ 와 1200℃ 사이에서, 통상적으로 900℃ 와 1000℃ 사이에서 수행된다. 에너지를 생성하기 위한 방법은 가능한 한 대기압에 가까운 압력에서 작용하는 것이 유리하다. 합성가스 또는 수소를 생성하기 위한 방법은 더 높은 압력에서 작용하는 것이 바람직한데, 이 경우 하류에서, 피셔-트로프슈 (Fischer-Tropsch) 프로세스에서 공급물로서 합성가스를 사용하는 경우에 일반적으로 20 bar 와 50 bar 사이, 예를 들어 30 bar 에서, 생성된 가스의 압축과 관련된 에너지 소비를 최소화하도록 반응 생성물을 이용하는 방법을 실시할 수 있다.
산화 환원 반응을 수행하는데 필요한 반응 시간은 처리된 공급물의 성질과 사용된 금속 산화물에 의존하는데, 수 초에서 약 10 분 사이이다. 일반적으로 액체와 고체 공급물의 연소 반응은 예를 들어 대략 수 분인 더 긴 반응 시간을 필요로 한다.
고체 활성 질량 입자의 성질
본 발명에 따른 플랜트와 방법은 임의의 타입의 활성 질량과 사용될 수 있다. 바람직하게, 활성 질량 입자는 금속 산화물 입자이다.
화학적 루프 연소 방법을 실시하려면 연료와 접촉하는 다량의 활성 질량을 필요로 한다.
바람직하게, 이 고체는 1400 kg/m3 와 8000 kg/m3 사이, 바람직하게는 1400 kg/m3 와 5000 kg/m3 사이의 입자 밀도와 30 미크론과 500 미크론 사이의 사우터 (Sauter) 직경을 가지는 분말 형태로 조절된다.
입자의 흐름 특성은 그 입자 크기에 따라 바뀐다 (겔다트, 1973). 따라서, 더 미세한 겔다트 분류의 A 그룹의 입자는 유동화된 조밀 (dense) 수송의 고려를 허용하는 저밀도 유동 특성과 더 낮은 유동 속도를 특징으로 한다. 더 굵은 겔다트 분류의 B 그룹의 입자는 2 개의 반응 인클로저 사이의 라인에서 비유동화된 조밀 수송의 고려를 허용하는 유동화 특성과 더 높은 유동 속도를 특징으로 한다.
활성 질량이 금속 산화물로 이루어지는 경우에, 금속 산화물은 일반적으로 광석 입자 (단독으로 또는 혼합되어 사용되는 Fe, Ti, Ni, Cu, Mg, Mn, Co, V 산화물) 또는 산업 처리로부터 발생하는 입자 (철 및 강 또는 광산업 잔류물, 화학 산업 또는 정류산업으로부터의 폐촉매) 에 포함된다. 또한, 산화될 수 있는 금속 (예를 들어 니켈 산화물) 이 침적되는 예를 들어 알루미나 또는 실리카-알루미나 담지체와 같은 합성 재료를 사용할 수 있다.
하나의 금속 산화물로부터 다음 금속 산화물까지, 이론적으로 이용할 수 있는 산소의 양은 상당히 변하고, 30% 에 가까운 높은 값에 달할 수 있다. 그러나, 재료에 따라서, 실제로 이용할 수 있는 최대 산소 용량은 존재하는 산소의 20% 를 일반적으로 초과하지 않는다. 따라서, 산소를 발생시키는 이런 재료의 용량은 전체적으로 입자의 약간의 중량%를 초과하지 않고, 하나의 산화물에서 다음 산화물까지 상당히 변하는데, 일반적으로 0.1 ~ 15 중량%, 자주 0.3 ~ 1 중량% 범위에서 변한다. 따라서, 유동층 실시는 연소를 수행하는데 특히 유리하다. 사실상, 입자들이 유체 특성 (유동화) 을 가진다면, 미세하게 분할된 산화물 입자는 환원 및 산화 반응 인클로저에서 그리고 이 인클로저들 사이에서 더 용이하게 순환한다.
반응 영역 사이의 고체 순환
화학 루프 프로세스의 원활한 작동을 보장하기 위해, 예를 들어 금속 산화물 입자와 같은, 활성 질량 (또는 산소 캐리어) 으로서 역할하는 고체 입자의 순환을 제어하는 것이 중요하다. 사실상, 인클로저 사이에서 입자의 수송은 산소의 수송, 프로세스의 원활한 작동과 다양한 영역 사이의 열 교환을 위해 중요한 반응물 및, 다른 영역의 온도에 따라 각 영역이 작동하는 온도 레벨을 조절한다. 입자 수송은 또한 다양한 영역 사이에서 가스 교환 벡터 (vector) 로서 검토되어야 하고, 수송 영역에서 흐르는 입자는 하나의 반응 영역에서 다음 반응 영역으로 가스를 따라 운반될 수 있다.
고려된 온도 레벨에서, 스트림이 밸브와 접촉하기 전에 냉각될 때를 제외하고는 기계적 밸브는 두 반응 영역 사이의 고체의 순환을 제어하는데 사용될 수 없으므로, 에너지적으로 불리하고 기술적으로 복잡한 옵션이다. 따라서, 본 발명의 목적은 실질적으로 수직 라인과 실질적으로 수평 라인으로 이루어진 L 타입 비기계적 밸브를 이용하여 방법을 실시하는 것인데, 제어 가스는 두 라인으로 구성된 엘보우로부터 상류에 주입된다.
제 1 반응 영역으로부터 입자는 실질적으로 수직 라인의 상단부를 통하여 L-밸브 안으로 흐르고 본 기술분야의 당업자에게 공지된 회수 수단 (콘 (cone), 경사 라인, 회수정 (withdrawal well),...) 을 통하여 밸브로 공급된다.
그 후 그 입자는 과립상 (granular) 흐름으로 수직부를 통하여 흐르는데, 입자와 가스 사이의 실제 속도 차이는 최소 유동화 속도 미만이다.
L-밸브에 주입된 제어 가스는 수직 라인 아래로 흐르는 입자와 반대 방향으로 위로 흐르거나 또는 입자와 함께 아래로 흐를 수 있고, 밸브의 수평부에서 입자의 흐름을 촉진할 수 있다.
상승 가스와 하강 가스 간의 분배는 L-밸브의 말단에서 차등 압력 조건에 의존한다. 밸브로부터 상류의 압력이 예를 들어 밸브로부터 하류의 압력에 대해 증가한다면, 보통 상승 가스의 비율이 감소한다는 것을 알 수 있다. 수평부에서 고체의 유속은 수평부에서 입자와 함께 순환하는 하강 가스의 양에 따른다.
L-밸브 치수
Dv 는 L-밸브의 수직부의 라인 직경이고, Dh 는 수평부에서 라인의 직경이며, Lh 는 수평 라인의 길이이고, Lv 는 수직 라인의 길이이며, x 는 L-밸브의 최저부와 수직부에서 제어 가스 주입점의 높이 사이의 거리이다.
높이 Lv 는 2 개의 반응 인클로저의 상대 위치 및 프로세스의 압력 균형을 달성하도록 보상되는 압력 증가 (gain) 또는 강하에 의존한다. 따라서, 이 높이는 본 기술분야의 당업자에 의해 개별적으로 플랜트의 치수로부터 정해진다.
유리하게도, 수평 라인 길이는 안정적인 입자 흐름을 제공하도록 제한되어야 한다. 이 길이 (Lh) 는 바람직하게 1 Dh ~ 20 Dh, 바람직하게 3 Dh ~ 7 Dh 이다. 직경 (Dv, Dh) 이 실질적으로 동일하다면 L-밸브의 작동이 유리하다. 임의의 경우에 수평부의 직경 (Dh) 은 Dv 이상인 것이 바람직하다.
끝으로, 엘보우로부터 상류의 제어 가스 주입점은 엘보우에 근접하게, 바람직하게는 약 1 Dv ~ 5 Dv 의 거리 (X) 에 위치되고, 통상적인 값은 X = 2 ~ 3 Dv 에 가깝다.
두 반응 영역 사이에서, 하나 이상의 L-밸브를 병렬로 위치시킬 수 있다.
본 발명에 따른 플랜트와 방법의 작동
도 8 은 본 발명의 제 1 실시형태를 나타낸다. 실시되는 방법은 화학적 루프 원리를 이용한 연소 방법이다.
제 1 반응 영역 (1) 은, 기체, 액체 또는 고체 탄화수소 (15) 와 활성 질량 입자 (여기에서 금속 산화물) 사이의 접촉에 의해 연소가 이루어지게 한다. 반응 영역은 유동층의 섹션상의 가스 분배 상자 및, 본 경우에 CO2-농축 흄 또는 유동층 결합으로 이루어진 가스 유출물 (16) 을 제진 (dedust) 하거나 내부 또는 외부 입자 재순환으로 유동층을 순환시키기 위한 수단으로 이루어진 단순한 유동층 반응기일 수 있다.
이 반응 영역에서, 탄화수소와 금속 산화물 사이의 접촉 영역의 적어도 일부는 조밀 유동상으로 이루어진다. 금속 산화물 입자는 제 1 반응 영역 (1) 으로부터 회수되고, 회수된 입자는 L-밸브를 형성하는 수평 라인 (5) 에서 끝나는 수직 라인 (3) 으로 공급된다. 제어 가스 (예를 들어, 질소, 수증기 또는 흄) 는 라인 (4) 을 통하여 이 L-밸브로 주입된다. L-밸브 (3 ~ 5) 에서 고체 순환은 라인 (4) 을 통하여 주입되는 가스의 양에 따른다. 입자는 L-밸브에서 배출되어 캐리어 가스 (19) 를 공급받는 상승 수송 라인 (리프트) (6) 으로 공급된다. 리프트 (6) 의 배출구에서, 사이클론과 같은 분리 수단 (7) 은 입자로부터 캐리어 가스의 분리를 허용한다. 그 후 상기 입자는 라인 (8) 을 통하여 제 2 반응 영역 (2) 으로 운반되는데, 제 2 반응 영역에서 라인 (17) 을 통하여 제 2 반응 영역으로 공급된 공기와 접촉을 통하여 산화물 입자의 산화 반응이 일어난다. 반응 영역은, 유동층의 섹션상의 가스 분배 상자 및, 본 경우에 고갈된 공기 또는 유동층 결합으로 이루어진 가스 유출물 (18) 을 제진하거나 내부 또는 외부 재순환으로 유동층을 순환시키기 위한 수단으로 이루어진 단순한 유동층 반응기일 수도 있다. 이 반응 영역에서, 탄화수소와 금속 산화물 사이의 접촉 영역의 적어도 일부는 조밀 유동상으로 이루어진다. 금속 산화물 입자는 제 2 반응 영역 (2) 에서 회수되고, 회수된 입자는 L-밸브를 형성하는 수평 라인 (10) 에서 끝나는 수직 라인 (9) 으로 공급된다. 제어 가스 (예를 들어, 질소, 수증기 또는 공기) 는 이 밸브 (11) 로 주입된다. L-밸브 (9 ~ 10) 에서 고체 순환은 라인 (11) 을 통하여 주입되는 가스의 양에 따른다. 입자는 L-밸브 (9 ~ 10) 에서 배출되어 캐리어 가스 (20) 를 공급받는 상승 수송 라인 (리프트) (12) 으로 공급된다. 리프트의 배출구에서, 사이클론과 같은 분리 수단 (13) 은 라인 (14) 을 통하여 연소 반응이 일어나는 제 1 반응 영역 (1) 으로 운반되는 입자로부터 캐리어 가스의 분리를 허용한다.
도 8 은 2 개의 반응 영역을 가지는 플랜트와 방법을 나타내지만, 도 8 에서처럼 순차적으로 배치된 연속된 3 개 이상의 반응 영역을 고려할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 실시에서, 반응 영역 사이에서 입자의 수송은 단지 L-밸브로 주입되는 제어 가스의 양에 따른다. 따라서, L-밸브로 주입되는 제어 가스의 흐름을 수정함으로써 금속 산화물의 순환을 바꿀 수 있고, 다른 모든 유체 (15, 17, 19, 20) 는 일정하게 유지된다.
L-밸브에서, 수직부 (3, 9) 에서 입자의 흐름은 밀집한 비유동 과립상 흐름이고, 입자는 최소 유동 속도로 더 낮은 라인에서 순환하는 가스에 대한 상대 속도로 흐른다. 방법의 실시는 겔다트 분류의 B 그룹에 속하는 입자로 수행되는 것이 바람직하다. L-밸브 (4, 11) 에 주입되는 가스는 일반적으로 수송될 필요가 있는 적은 비율 (＜1%) 의 가스 (19, 20) 를 나타내고, 이 재료의 최소 유동 속도는 입자 수송 속도와 비교하여 아주 낮다.
따라서, 상승 수송 라인 (리프트) (6, 20) 에서 사용되는 캐리어 가스는 증기, 재순환된 흄, 공기 또는 불활성 가스로 이루어질 수 있고, 그 선택에 따라 하나의 반응 영역에서 다음 반응 영역으로 운반된 가스의 혼합을 방지하는 버퍼 (buffer) 영역의 형성을 허용할 수 있다.
도 8 에 나타낸 구성에서, L-밸브는 입자의 수송을 허용하는 상승 수송 라인 (리프트) 으로 공급한다. 리프트는 캐리어 가스의 분리 (disengagement) 를 허용하는 분리 수단을 그 배출구에 구비한다. 따라서, 두 반응 인클로저 (1, 2) 사이에 입자를 수송하기 위한 가스를 도입할 수 있고 이 가스는 수송 리프트의 배출구에 배치된 분리 수단 때문에 인클로저 (1) 로도 유입되지 않고 인클로저 (2) 로도 유입되지 않는다. 이 구성은 가스 시일링이 반응 인클로저 사이에 요구될 때 특히 유리하다. 사실상, L-밸브에서 순환을 제어하기 위해 사용되는 가스와 리프트에서 캐리어 가스는, 가스상 탄화수소가 발견될 수 있는 반응 영역 (1) 과 가스상 산소가 발견될 수 있는 반응 영역 (2) 사이에 시일링을 제공하는 불활성 가스 (수증기, 질소, 이산화탄소,....) 로 이루어질 수 있다. 반응 영역 (1 또는 2) 으로부터 L-밸브로 운반되는 가스의 양은 영 (zero) 이거나 아주 적다. 이것은 인클로저의 각각의 압력 상승 및 순환하는 입자의 유속에 의존한다. 이런 소량은 리프트 캐리어 가스 (예를 들어, 불활성 가스) 에 의해 희석되고, 수송 리프트의 배출구에 배치된 분리기 (7, 13) 의 가스 배출구를 통하여 유닛으로부터 배출된다. 따라서, 반응 영역 사이의 리프트와 L-밸브의 배치를 포함한 구성은 순환을 제어하고 반응 영역 사이에 가스 시일링을 제공할 수 있음을 알 수 있다.
도 9 는, 산화 반응 영역 (2) 이 환원 연소 영역 (1) 위에 적어도 일부 위치한다는 점에서, 도 8 에 나타낸 구성과 단지 차이가 나는 다른 가능한 배치를 보여준다. 그러면, 수송 리프트를 사용하지 않으면서 영역 (2) 으로부터 영역 (1) 까지 산화물 입자를 수송할 수 있다. 그리고, 단순한 L-밸브 (9. 10, 11) 는 입자들이 영역 (2) 으로부터 영역 (1) 까지 수송될 수 있도록 한다. 영역 (1) 으로부터 영역 (2) 까지 수송은, L-밸브 (3, 4, 5), 상승 수송 라인 (6) 및 금속 산화물과 캐리어 가스를 위한 분리 수단 (7) 을 이용하여 달성된다.
L-밸브로 주입된 가스를 조절하여 다양한 인클로저 사이의 프로세스에서 고체 순환을 제어할 수 있다. 도 10 은 도 8 에 나타낸 방법을 선택한다. 밸브가 L-밸브로 가스의 주입을 조절한다면, 수송 리프트에서 압력 강하와 같은 순환 흐름의 간접 측정 또는 조밀 유동층에서 레벨 측정에 의해 L-밸브로 주입되는 가스의 양을 서보 제어할 수 있다. 따라서, 도 10 에서, 가스 주입 (4) 은 반응 인클로저 (1) 의 유동층에서 레벨 측정 수단 (25) 에 의해 서보 제어 (23) 된 조절 밸브 (21) 에 의해 제어되고, 가스 주입 (11) 은 리프트 (12) 에서 압력 강하 (26) 의 측정에 의해 서보 제어 (24) 된 조절 밸브 (22) 에 의해 제어된다. 다른 서보 제어 전략이 가능하다.
실시예
주위 무반응 조건하에서 사용되고 본 발명의 주요 특징에 따라 치수가 정해진 순환 루프의 실시예가 본 발명의 작동을 설명하기 위해서 아래에 주어진다.
모델 (도 11) 은 주로 순환 루프라고 하는 2 개의 루프에 의해 서로 연결되고, 직경이 10 cm 인, 2 개의 동일한 유동층 (R1, R2) 으로 이루어진다. 각각의 루프는 동일한 직경 (16 mm) 의 수직 단면과 수평 단면으로 이루어진, L 형상의 레그라고도 하는, L-밸브에 의해 공급받는 20 mm 직경과 2.5 m 길이의 리프트 (상승 수송 라인) 로 구성되는데, 폭기 가스는 L-밸브의 바닥에 대해 30 mm 의 높이에서 주입된다. 입자는 L-밸브의 수직부 (Vv1 또는 Vv2) 의 최상부에서 유동층 (R1 또는 R2) 으로부터 회수된다. 입자는 수직부를 통하여 흐른 후, L-밸브의 수평부 (Vh1 또는 Vh2) 를 통하여 흐른다. 그 후, 입자는 입자로부터 리프트의 캐리어 가스를 분리하는 사이클론 (C1 또는 C2) 의 단부에서 리프트 (L1 또는 L2) 로 운반된다. 입자는 리턴 레그와 사이펀 (S1 또는 S2) 을 통하여 유동층 (R2 또는 R1) 으로 재주입된다.
이 테스트 중에 사용되는 입자는 205 미크론 평균 직경과 2500 kg/m3 에 해당하는 입자 밀도를 가지는 모래 입자이다. 유동층 (R1, R2) 에서, 입자는 0.08 m/s 의 공탑 속도로 유동화된다. 이 가스 속도는 약 0.03 m/s 의 최소 유동 속도 (Umf) 보다 높다. 고체 입자는 제 1 반응기 (R1) 로부터 수직 레그 (Vv1) 로 아래로 흐른 후, 수평 레그 (Vh1) 에서 고체 입자의 순환은 L-밸브의 흐름 방향 변화로 상류에 도입된 제어 가스 (폭기 흐름) 의 주입에 의해 제공된다. 고체 유속은 폭기 유속을 조절함으로써 제어된다. 리프트에서, 일정한 캐리어 가스 유속이 유지된다. 이 캐리어 가스는 리프트의 바닥에서 도입되고 L-밸브로 도입된 폭기 가스와 상이하다.
만족할 만한 입자 수송을 제공하기 위해서, 리프트 (L1 또는 L2) 에서 가스 속도 (UL1 또는 UL2) 는 일정하게 유지되는데 6 m/s 이다. 리프트에서 하류로, 현탁물은 입자와 가스 간의 분리를 허용하는 사이클론 (C1 또는 C2) 에 공급하는 수평 수송 라인 (T1 또는 T2) 에서 순환한다. 가스는 그 상부 배출구를 통하여 사이클론에서 배출되고, 고체는 제 2 반응기 (R2 또는 R1) 로 되돌아가기 전에 사이펀 (S1 또는 S2) 으로 보내진다.
L-밸브에 주입되는 제어 가스 (폭기 가스) 의 양은 L-밸브 (직경 = 16 mm)의 수직부에서 흐름 단면의 함수이다. 따라서, 이 단면에서 폭기의 공층 (empty bed) 공탑 속도를 계산할 수 있다. 그러면 제 1 L-밸브에서 폭기는 공층 공탑 속도 Uv1 로 표현되고 제 2 L-밸브에서 폭기는 공층 공탑 속도 Uv2 로 표현된다.
각각 속도 Uv1 과 Uv2 에 대응하는 L-밸브로 보내진 가스의 양은 리프트 (L1) 를 통하여 반응기 (R2) 로 보내진 고체 흐름 (도 12) 과 리프트 (L2) 를 통하여 반응기 (R1) 로 보내진 고체 흐름을 제어하도록 허용한다.
이 루프에서, 비정지 작동에 의해 고체 흐름을 추정할 수 있는데, 이 작동 중 인클로저에서 시간에 따른 레벨 변화는 순간 고체 유속의 측정을 허용한다. 그러면 이 고체 유속은 수송 리프트에서 압력 강하와 상관 관계가 있다. 사실상, 고정된 가스 볼륨 유속에 대해, 고체 유속이 증가할 때 리프트에서 압력 강하가 증가한다는 것은 잘 알려져 있다. 이 실시예에서, 이런 압력 강하의 증가는, 도 12 에 나타낸 것처럼, 고체 유속에 대해 실질적으로 선형이고, 2 개의 리프트는 유사한 압력 강하를 가진다 (그 기하학적 구조와 부과된 수송 속도는 동일하다).
이런 예비 보정이 이루어지고 나면, 각각의 2 개의 L-밸브에 동일한 제어 가스 폭기 유속을 부과함으로써 플랜트에서 연속 작동이 설정된다. 주입된 제어 가스의 유속이 0.15 m/s 에 해당하는 각 L-밸브 (Uv1, Uv2) 에서 가스 속도와 대응할 때, 안정적인 작동이 관찰되고, 각각의 인클로저에서 레벨은 시간이 경과할 때 일정하게 유지된다. 각각의 리프트에서 이러한 조건 하에 측정된 압력 강하는 약 5 mbar 인데, 이것은 약 60 kg/hr 의 각 리프트에서 고체 유속에 대응한다 (도 12).
그 후 각각의 L-밸브에서 폭기 유속은 0.175 m/s 의 공탑 속도에 도달하도록 증가된다. 그러면 고체 순환은 대략 80 kg/hr (6 mb 에 해당하는 리프트에 기록된 압력 강하) 에 도달한다. 그 후 L-밸브에서 폭기 유속을 0.13 m/s 로 감소시킴으로써, 고체 순환은 약 48 kg/hr (4 mb 에 해당하는 리프트에 기록된 압력 강하) 로 감소된다.
이 실시예는, 플랜트에서 고체 순환이 L-밸브에서 제어 가스에 의해 부과된 폭기에 단지 의존한다는 것을 보여준다. 도 13 은 각각의 L-밸브에서 폭기 유속과 플랜트에서 순환하는 고체의 유속 사이의 관계를 보여준다.

Claims (23)

  1. 적어도 하나의 별개의 유동층 환원 반응 영역 (ⅰ) 과 적어도 하나의 별개의 유동층 산화 반응 영역 (ⅰ+ 1) 에서 적어도 하나의 탄화수소 공급물을 위한 화학적 루프 연소 방법으로서, 각각의 또는 일부의 반응 영역 사이에서 활성 질량의 고체 입자의 순환은, 각각이 실질적으로 수직 라인 부분, 실질적으로 수평 라인 부분 및 두 부분을 연결하는 엘보우로 이루어지는 하나 이상의 비기계적 밸브에 의하여,
    - 반응 영역 (ⅰ 또는 ⅰ+ 1) 으로부터 나오는 고체 입자를 상기 밸브의 실질적으로 수직 라인 부분의 상단부를 통하여 도입하고.
    - 상기 밸브의 엘보우로부터 상류로 정해진 폭기 유속으로 제어 가스를 주입하고,
    - 폭기 유속에 따라, 상기 밸브의 실질적으로 수평 라인 부분에서 고체 입자의 유속을 조절하도록 비기계적 밸브(들)의 말단에서 차등 압력 조건을 제어하고,
    - 비기계적 밸브(들)에서 배출된 고체 입자를 루프의 연속 반응 영역 (ⅰ + 1 또는 ⅰ) 으로 공급하여,
    두 개의 연속 반응 영역 사이에서 고체 입자를 수송함으로써 제어되는 화학적 루프 연소 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 반응 영역은 서로에 대해 배치된 하나 이상의 유동화 반응기 세트로 이루어지는 화학적 루프 연소 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    여러 개의 비기계적 밸브가 2 개의 연속 반응 영역들 사이에서 병렬로 위치 결정되는 화학적 루프 연소 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 비기계적 밸브(들)로부터 하류로 (적어도) 2 개의 연속 반응 영역 (ⅰ, ⅰ+ 1) 사이에서 상승 수송 라인의 캐리어 가스를 부가적으로 공급하고, 상기 라인은 비기계적 밸브(들)에서 배출되는 고체 입자를 공급받는 단계,
    - 영역 (ⅰ, ⅰ+ 1) 사이에 위치한 비기계적 밸브(들) 안으로 유동화 입자를 통과시킨 후, 상승 수송 라인으로 주입되는 적어도 하나의 캐리어 가스에 의하여 고체 입자를 수송하여 영역 (ⅰ) 으로부터 영역 (ⅰ+ 1) 으로 고체 입자의 수송을 수행하고, 영역 (ⅰ+ 1) 에 고체 입자를 공급하기 위해서 상승 라인의 배출구에 배치된 가스-고체 분리 수단에 의하여 캐리어 가스로부터 고체 입자를 분리하는 단계,
    - 영역 (ⅰ+ 1, ⅰ) 사이에 위치한 비기계적 밸브(들) 안으로 유동화 입자를 통과시킨 후, 상승 수송 라인으로 주입되는 적어도 하나의 캐리어 가스에 의하여 고체 입자를 수송하여 영역 (ⅰ+ 1) 의 배출구로부터 영역 (ⅰ) 으로 고체 입자의 수송을 수행하고, 영역 (ⅰ) 에 고체 입자를 공급하기 위해서 상승 라인의 배출구에 배치된 가스-고체 분리 수단에 의해 캐리어 가스로부터 입자를 분리하는 단계를 포함하는 화학적 루프 연소 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    반응 영역 (ⅰ+ 1) 은 이전 반응 영역 (ⅰ) 위에 적어도 부분적으로 위치하고,
    - 고체 입자는 영역 (ⅰ+ 1, ⅰ) 사이에 위치한 비기계적 밸브(들)에 의하여 중력 흐름에 의해 영역 (ⅰ+ 1) 으로부터 영역 (ⅰ) 으로 수송되고,
    - 영역 (ⅰ) 으로부터 영역 (ⅰ+ 1) 으로 고체 입자의 수송은 영역 (ⅰ, ⅰ+ 1) 사이에 위치한 비기계적 밸브(들)로 유동화 입자를 통과시킨 후, 상승 수송 라인으로 주입되는 적어도 하나의 캐리어 가스에 의하여 고체 입자를 수송함으로써 수행되고, 고체 입자는 영역 (ⅰ+ 1) 에 고체 입자를 공급하도록 상승 라인의 배출구에 배치된 가스-고체 분리 수단에 의하여 캐리어 가스로부터 분리되는 화학적 루프 연소 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    반응 영역에서 수행된, 수송 라인에서의 압력 강하 측정 및/또는 유동화 반응기에서의 레벨 측정에 의해 비기계적 밸브들의 제어 가스의 폭기 유속의 서보 제어를 통하여 고체 순환이 제어되는 화학적 루프 연소 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    제어 가스 (4) 의 폭기 유속은 환원 반응 영역 (ⅰ) 의 적어도 하나의 유동층에서 레벨 측정 수단 (25) 에 의해 서보 제어 (23) 된 조절 밸브 (21) 에 의해 제어되고, 제어 가스 (11) 의 폭기 유속은 다른 반응 영역 (12) 으로 입자를 운반하는 상승 수송 라인에서 압력 강하 측정 수단 (26) 에 의해 서보 제어 (24) 된 조절 밸브 (21) 에 의해 제어되는 화학적 루프 연소 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    비기계적 밸브(들)의 수평 부분의 길이 (Lh) 는 수평 라인 부분의 직경 (Dh) 의 1 배 내지 20 배 사이에서, 바람직하게는 Dh 의 3 배 내지 7 배 사이에서 선택되는 화학적 루프 연소 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    수직 라인 부분의 직경 (Dv) 은 비기계적 밸브(들)의 수평 라인 부분의 직경 (Dh) 이상이 되도록 선택되는 화학적 루프 연소 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    비기계적 밸브(들)의 수직 라인 부분의 직경 (Dv) 과 수평 라인 부분의 직경 (Dh) 은 실질적으로 동일하게 선택되는 화학적 루프 연소 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    엘보우로부터 상류의 제어 가스 주입점은 수직 라인 부분의 직경 (Dv) 의 약 1 배 내지 5 배의 거리 (x) (비기계적 밸브의 최저점과 수직부에서 주입점의 높이 사이의 차이) 에 위치되는 화학적 루프 연소 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    고체 활성 질량 입자는 겔다트 분류의 B 그룹에 속하는 화학적 루프 연소 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    고체 활성 질량 입자는 금속 산화물인 화학적 루프 연소 방법.
  14. 수소 생성을 위한 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 방법의 사용.
  15. 합성가스 생성을 위한 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 방법의 사용.
  16. 열 생성을 위한 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 방법의 사용.
  17. 활성 질량의 고체 입자의 존재하에 적어도 하나의 탄화수소 공급물을 위한 화학적 루프 연소 플랜트로서,
    적어도 하나의 유동층 환원 반응 영역 (ⅰ),
    적어도 하나의 유동층 산화 반응 영역 (ⅰ + 1),
    상기 환원 반응 영역 (ⅰ) 과 상기 산화 반응 영역 (ⅰ + 1) 으로부터, 캐리어 가스 (19) 에 의해 상승 순환 수단으로 운반되는 상기 입자의 순환을 위한 적어도 하나의 상승 수단 (6),
    상기 상승 순환 수단의 배출구에 배치되고 라인 (8) 에 의해 상기 산화 반응 영역 (ⅰ + 1) 에 연결되는 적어도 하나의 가스-고체 분리 수단 (7),
    산화 반응 영역 (ⅰ + 1) 과 환원 반응 영역 (ⅰ) 사이에서 상기 입자의 순환을 제어하기 위한 적어도 제 1 밸브 및,
    환원 반응 영역 (ⅰ) 과 상승 순환 수단 (6) 사이에서 상기 입자의 순환을 제어하기 위한 적어도 제 2 밸브를 포함하며,
    상기 밸브는 정해진 폭기 유속으로 제어 가스를 주입하기 위한 적어도 하나의 수단 (11, 4) 을 포함하는 화학적 루프 연소 플랜트.
  18. 제 17 항에 있어서,
    - 상기 산화 반응 영역 (ⅰ + 1) 과 상기 환원 반응 영역 (ⅰ) 의 상기 입자를 위한 적어도 제 2 상승 순환 수단 (12) 을 더 포함하는데, 상기 입자는 제 2 캐리어 가스 (20) 에 의해 상승 순환 수단으로 운반되고, 상기 제 2 상승 순환 수단은 상기 제 1 제어 밸브와 상기 환원 반응 영역 (ⅰ) 사이에 배치되고,
    - 상기 제 2 상승 순환 수단 (12) 의 배출구에 배치되고 상기 환원 반응 영역 (ⅰ) 에 연결되는 적어도 제 2 가스-고체 분리 수단 (13) 을 더 포함하는 화학적 루프 연소 플랜트.
  19. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
    상기 제어 밸브는 엘보우에 의해 실질적으로 수평 라인 부분 (10, 5) 에 연결된 실질적으로 수직 라인 부분 (9, 3) 으로 이루어지는 화학적 루프 연소 플랜트.
  20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 밸브는, 상승 순환 수단 (12) 에서 압력 강하 측정 수단 (26) 에 의해 서보 제어되는, 폭기 유속을 조절하기 위한 수단 (21) 을 포함하는 화학적 루프 연소 플랜트.
  21. 제 17 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 밸브는, 환원 반응 인클로저 (i) 의 유동층에서 레벨 측정 수단 (25) 에 의해 서보 제어되는, 폭기 유속을 조절하기 위한 수단 (21) 을 포함하는 화학적 루프 연소 플랜트.
  22. 제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어 밸브(들)의 수평 라인 부분의 길이는 그 직경의 1 배 내지 20 배 사이의 범위에 있는 화학적 루프 연소 플랜트.
  23. 제 19 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    수직 라인 부분의 직경 (Dv) 은 제어 밸브(들)의 수평 라인 부분의 직경 (Dh) 이상인 화학적 루프 연소 플랜트.
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