KR20130099078A - 고온 및 고압에서 연료를 연소하는 장치 및 이에 관련된 시스템 - Google Patents

고온 및 고압에서 연료를 연소하는 장치 및 이에 관련된 시스템 Download PDF

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마일스 알. 팔머
로드니 존 앨럼
쥬니어 글랜 윌리엄 브라운
제레미 에론 페트베트
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팔머 랩스, 엘엘씨
8 리버스 캐피탈, 엘엘씨
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Abstract

연소기 장치가 제공되며, 연료 혼합물을 형성하도록 탄소질 연료를 농후화된 산소 및 작동 유체와 혼합하는 혼합 장치를 포함한다. 연소실은 다공성 분출 부재에 의해 적어도 부분적으로 한정되며, 격납 부재에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 상기 연소실은 길이 방향으로 이격되는 유입구 부분과 유출구 부분을 가진다. 상기 연료 혼합물은 연소 생성물을 형성하도록 연소 온도에서 상기 연소실 내에서의 연소를 위하여 상기 유입구 부분에 의해 수용된다. 상기 연소실은 또한 상기 연소 생성물을 상기 유출구 부분을 향하여 길이 방향으로 유도한다. 상기 다공성 분출 부재는, 상기 연소 생성물들과 상기 다공성 분출 부재 사이의 상호 작용을 완충시키기 위하여 상기 연소실을 향해 상기 연소실을 한정하는 그 둘레에 대해 분출 물질을 그를 통해 실질적으로 균일하고 상기 유입구 부분과 상기 유출구 부분 사이에서 길이 방향으로 안내하도록 구성된다. 관련된 시스템들도 제공된다.

Description

고온 및 고압에서 연료를 연소하는 장치 및 이에 관련된 시스템{APPARATUS FOR COMBUSTING A FUEL AT HIGH PRESSURE AND HIGH TEMPERATURE, AND ASSOCIATED SYSTEM}
본 발명은 과잉 산소로 산화되거나, 환원시키는 성분들을 함유하고 산소의 함량이 0(zero)인 연소 생성물들을 생성하도록 고압 및 고온에서 산소와 함께 탄소질 연료의 연소를 위한 장치들과 시스템들에 관한 것이다. 특정한 하나의 응용은 과잉의 산소로 산화되거나 환원 성분들을 함유하고 O의 산소 함량을 갖는 연소 생성물들을 생성하도록 고압 및 고온에서 탄소질 연료의 산소와의 연소를 위한 장치들 및 시스템들에 관한 것이다. 특정한 하나의 응용은 연료의 고효율 연소를 생성되는 에너지를 전달하는 발 작동 유체의 사용을 통한 전기와 같은 에너지의 발전을 위한 것이 될 수 있다. 특히, 이러한 장치들 및 시스템들은 이산화탄소 또는 작동 유체와 같은 흐름을 사용할 수 있다. 다른 측면에 있어서, 상기 장치들 및 시스템들은 수소 및/또는 일산화탄소를 함유하는 가스를 생성하는 데 이용될 수 있다.
화석 연료들은 향후 100년 동안 계속적으로 세계의 전력 요구들의 대부분을 제공할 것으로 평가되지만, 비-탄소 동력원들도 개발되었고 배치되었다. 그러나, 화석 연료들 및/또는 적절한 생물질의 연소를 통한 발전을 위하여 알려진 방법들은 늘어나는 에너지 비용과 증가하는 이산화탄소(CO2) 및 다른 배출물들의 생성으로 인하여 문제가 된다. 세계적 온난화는 선진국과 개발도상국들에 의한 증가된 탄소 배출의 잠재적으로 재앙적인 결과로서 점점 더 증가하고 있는 것으로 보인다. 태양력 및 풍력은 가까운 시기에 활석 연료 연소를 대체할 수 있을 것으로 보이지는 않으며, 원자력은 확산과 핵폐기물 처리 모두와 관련된 위험성들을 가지고 있다.
화석 연료들이나 적절한 생물질로부터의 발전을 위한 종래의 장치들은 이제 지중 저장소들로의 배송을 위하여 고압에서의 CO2 포집을 위한 요구에 대한 부담이 점점 더 증가하고 있다. 그러나, 이러한 요구는 현재의 기술이 CO2 포집을 위한 최상의 설계라 할지라도 매우 낮은 열적 효율들을 위해서만 제공되기 때문에 수행되기 어려운 것으로 판명되고 있다. 더욱이, CO2 포집을 구현하기 위한 자본 비용이 높으며, 이에 따라 CO2를 대기 중으로 배출하는 시스템들에 비하여 상당히 높은 전기 비용이 야기된다. 따라서, 해당 기술 분야에서 CO2 배출의 감소 및/또는 생성된 CO2의 포집과 저장의 개선된 용이성을 가지는 고효율의 발전을 위한 장치들과 방법들에 대한 필요가 여전히 증가하고 있다.
탄소질 연료들의 순산소 연소(oxy-fuel combustion)는 공기로부터의 실질적으로 순수한 산소의 분리(또는 그렇지 않으면 상기 연소 공정 내에서 사용을 위해 이러한 실질적으로 순수한 산소를 제공하는)와 실질적으로 질소가 없고 이산화탄소와 물들 포함하는 연소 생성물들을 생성하는 연소 매체로서 산소를 사용하는 점을 수반한다. 현재 기술에 따른 공기 및 순산소 연소는 연소기 벽들 및/또는 터빈 날들과 같은 다른 시스템 구성 요소들에 대한 과도한 온도 손상을 방지하도록 제한된 온도와 압력에서 진행된다. 상기 동작 온도 및/또는 압력의 제한은, 일부 예들에 있어서, 상기 연소 공정을 원하지 않게 길어지게 하거나 및/또는 상대적으로 큰 연소 체적을 요구할 수 있다. 또한, 상기 연소 공정, 상기 연소 설계 및/또는 하향 배출 가스를 처리하는 장비들도 바람직하지 않게 상기 공정을 위해 활용되는 연료의 유향에 의존하게 된다. 더욱이, 현재의 기술에서 종래의 보일러 시스템에 적용되는 연소 기체들의 큰 부피들 및 이러한 기체들의 대기로의 배출로 인하여, 배출 굴뚝의 기체들로부터 오염물들을 제거하는 현재의 방법들과 제안된 순산소 연소시스템들은 공장의 세부적인 설계와 상기 공장 내에 적재되는 연료의 정확한 형태에 크게 의존한다. 각각의 연료 형태는 대조적인 화학적 조성과 오염물들의 양을 가진다. 이에 따라, 현재의 기술은 바람직하지 않게 특정한 화학적 조성을 갖는 특정한 형태의 연료를 수용하도록 특별하게 고객에 따라 설계된 상기 배출 가스 스크러버(scrubber) 시스템들이나 각 공장을 위한 순산소 연소 변형들을 요구한다.
일예로서, 석탄을 위한 현재의 기술은 일반적으로 높은 압력의 증기가 발생되고 분리된 과열 구획에서 과열되는 수직 튜브형의 벽들 또는 나선형으로 구성된 튜브형의 벽들을 갖는 매우 큰 규모의 단일 연소기를 이용한다. 상기 대규모의 연소기는 상당한 열 손실을 겪을 수 있고, 일반적으로 손상을 입게 될 뿐만 아니라 사용되는 특정한 석탄에 따라 연소 가스들 내에서 버너들, 석탄 재(coal ash), 슬래그 및 SOX, HCl, NOX 등과 같은 부식성 성분들로 인한 방사 및 대류 열전달 표면들과 다른 구성 요소들의 악취를 발생시킨다. 이러한 예시적인 결점들은 손상되거나 부식된 부품들을 및/또는 다른 구성 요소들을 주기적인 간격들로 수리하거나 교체하기 위해 전체 플랜트가 정지되고, 이에 따라 상기 플랜트의 낮은 효용성과 정지 시간들 동안 상기 플랜트의 손실된 산출량을 보상하는 데 바람직하지 않은 어려움들을 야기할 수 있는 문제들을 가져올 수 있다.
상술한 바와 다른 필요성들은 본 발명의 측면들에 의해 다루어지며, 그 특정한 일 측면에 따르면, 연료 혼합물을 형성하기 위해 탄소질 연료를 농후화된 산소 및 작동 유체와 혼합하도록 구성되는 혼합 장치를 포함하는 연소기 장치와 같은 장치가 제공된다.
상기 연소기 장치는 대향하는 유출구 부분으로부터 길이 방향으로 이격되는 유입구 부분을 갖는 연소실을 한정하며, 상기 유입구 부분은 연소 생성물을 형성하도록 연소 온도에서 상기 연소실 내에서의 연소를 위하여 상기 연료 혼합물을 수용하도록 구성된다. 상기 연소실은 또한 상기 유출구 부분을 향해 길이 방향으로 상기 연소 생성물을 안내하도록 구성된다. 상기 연소기 장치는 격납 부재(pressure containment member)와 상기 연소실을 적어도 부분적으로 한정하고 상기 격납 부재에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이는 다공성 주위 분출 부재(porous perimetric transpiration member)를 포함한다. 상기 다공성 분출 부재는 상기 연소실을 향해 그를 통해 분출 물질을 실질적으로 균일하게 안내하도록 구성되어, 상기 분출 물질은 상기 연소 생성물과 상기 다공성 분출 부재 사이의 상호 작용을 완충시키기 위해 그 둘레에 대해 나선형으로 및 상기 유입구 부분과 상기 유출구 부분 사이에서 길이 방향으로 흐르도록 안내된다. 일부 예들에 있어서, 상기 분출 물질의 흐름은 상기 다공성 분출 부재에 의해 그 둘레에 대해 실질적으로 균일한 방식으로 및 상기 유입구 부분과 상기 유출구 부분 사이에서 길이 방향으로 상기 연소실 내로 안내될 수 있으므로, 상기 분출 물질이 상기 다공성 분출 부재의 둘레에 대해 실질적으로 접선 방향으로 및 이에 대해 나선형으로 흐르도록 안내된다. 또한, 상기 분출 부재는 상기 연소 생성물의 원하는 유출구 온도를 구현하도록 상기 연소실 내로 도입될 수 있다. 변환 장치(transformation apparatus)는 상기 연소 생성물들 수용하도록 구성될 수 있으며, 상기 변환 장치는 상기 연소 생성물에 반응하여 이에 관련된 열에너지를 운동 에너지로 변환한다.
다른 측면에 있어서, 탄소질 연료들의 순산소 연소(oxy-fuel combustion)(및/또는 탄화수소질 연료들)는 또한 공기로부터 실질적으로 순수한 산소의 분리(또는 그렇지 않으면 이러한 실질적으로 순수한 산소를 제공하는)와 실질적으로 질소가 없으며 이산화탄소 및 물을 포함하는 연소 생성물들을 생성하는 연소 공정에서의 이의 사용을 수반할 수 있다. 상기 이산화탄소-리치(rich) 연소 생성물(냉각 및 물 응축이 후속하는)은 이후에 개선된 오일 회수 또는 개선된 천연 가스 생산 혹은 적절한 지리학적 지중 격리 장소(압축과 정제가 후속하는) 내의 폐기와 같은 추후의 상업적인 사용을 위해 사용 가능할 수 있다. 고압에서의 순산소 연소 발전 시스템의 동작은 또한 상기 연료로부터 파생된 이산화탄소가 고압에서 생성되게 할 수 있으며, 상기 이산화탄소를 가압하는 필요성을 감소시키거나 제거하여 전력 절감을 가져온다. 또한, 고압 동작은 CO2 또는 증가와 같은 적절한 가열된 작동 유체와 혼합될 때에 정제된 연소 생성물들이 전력 사이클에 직접 사용될 수 있게 할 수 있다. 고압에서의 상기 전력 시스템의 동작은 또한 상기 전력 사이클 내의 감소된 체적의 유체 유량들을 유도할 수 있고, 작은 장비와 낮은 자본 비용을 가져온다. 온도 제어를 위한 설비들을 갖는 상기 고압 순산소 연소기는 다른 중요한 측면이다. 상기 연소실/공간의 분출 냉각되고 보호된 벽을 통한 연소 생성물 가스 또는 이산화탄소 혹은 액체상의 물이나 증기와 같은 적절한 유체의 순환(재활용 흐름으로부터와 같은)은 또한 상기 연소 온도의 조절에 기여할 수 있다. 상기 연소실 벽들을 통한 상기 분출 분질의 흐름은 또한 열 또는 재(ash) 혹은 액상의 슬래그(slag) 침범 효과들로 인한 상기 연소실 벽들의 손상 및/또는 손상의 증가를 제거하는 데 기여할 수 있다. 따라서, 현재의 기술에 비해 상당하게 보다 높은 효율들과 보다 낮은 자본 비용으로 동작할 수 있는 전력 시스템의 일부로서 다양한 요구 사항들을 만족시키도록 다양한 기체상, 액체상 또는 고체상의 연료들 혹은 연료 혼합물들을 연소시키도록 조절된 효율적인 고압, 고온 연소기가 제공된다. 일부 예들에 있어서, 상기 연소기는 전력 생성 보다는 후속하는 요구들에 사용 가능하게 만들어진 수소와 일산화탄소를 포함하는 연소 생성물을 생성하도록 동작할 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 본 발명은, 예를 들면, 발전에 있어서, 작동 유체로서 CO2 및/또는 H2O를 사용하는 전력 사이클과 결합되는 사용을 위한 고압, 고온 및 고효율의 분출하는 유체를 보호하는 순산소 연소기와 관련된 방법들 및 장치들을 제공한다. 이러한 응용에 있어서, 상기 연소기가 산화 모드로 동작할 수 있음에 따라, 상기 연소 생성물들이 이에 따라 약 500ppm 내지 약 3% 몰 사이의 범위의 산소 농도 및 약 50ppm, 바람직하게는 약 100ppm 몰 보다 낮은 일산화탄소 농도를 가진다. 다른 측면에 있어서, 상기 연소기가 환원 모드로 동작할 수 있음에 따라, 상기 연소 생성물들은 이에 따라 거의 0의 산소 농도를 가지며, 상기 연소 생성물들이 CO 및 H2의 농도를 가진다. 상기 환원 모드에서의 동작은 H2 및 CO의 생성을 최대화하고, O2의 소모를 최소화하도록 구성될 수 있다. 상기 동작의 환원 모드는 전력 생산을 위해서 뿐만 아니라 H2 또는 H2＋CO 합성 가스의 생성을 위해서도 유리할 수 있다. 특정한 측면들에 있어서, 상기 동작 압력은 약 40bar 내지 약 500bar 사이의 범위 및 바람직하게는 적어도 80bar가 될 수 있으며, 상기 연소 생성물 온도는 대체로 약 400℃ 내지 약 3500℃ 사이의 범위가 될 수 있다.
발전을 수반하는 측면들에 있어서, 작동 유체의 일부는 연소를 위하여 상기 연료 및 산화제(즉, 농후화된 산소)와 함께 상기 연소실 내로 도입되어, 상기 작동 유체와 상기 연소 생성물들을 포함하는 고압 및 고온의 유체 흐름(fluid stream)(연소 생성물)이 생성된다. 상기 작동 유체는 상기 연소실의 분출-보호된 벽들을 통해 및/또는 상기 연소실에 대한 추가적인 주입 지점들을 통해 도입될 수 있다. 상기 연소 공정과 분출을 통해 상기 연소 생성물들과의 혼합이 후속하는 상기 작동 유체는 터빈과 같은 발전 장치 내로 직접적으로의 도입을 위하여 적절한 범위(즉, 충분히 낮은)의 온도를 가질 수 있다. 이러한 예들에 있어서, 상기 연소 생성물에 대한 희석제로서 상기 연소실 내로 도입되는 작동 유체의 전제척인 양은 상기 동작 유입구 온도 상기 전력 터빈의 압력을 위하여 상기 연소실을 떠나는 전체적인 작동 유체 흐름을 위한 출구 온도를 제공하도록 조절될 수 있다. 유리하게는, 상기 유체 흐름은 상기 터빈 내에서의 팽창 동안 상대적으로 고압을 유지할 수 있으므로 상기 터빈에 대한 압력 비율(즉, 상기 터빈의 유출구에서의 압력에 대한 유입구에서의 압력의 비율)은 약 12 보다 작다. 상기 유체 흐름은 또한 상기 유체 흐름의 성분들을 분리하도록 더 처리될 수 있고, 이러한 처리는 열 교환기를 통해 상기 유체 흐름을 통과시키는 과정을 포함할 수 있다. 특히, 팽창된 작동 유체(적어도 상기 유체 흐름으로부터 재활용될 수 있는 부분)는 상기 연소기 내로 동일하게 도입되기 전에 고압의 작동 유체를 가열하도록 동일한 열 교환기를 통과할 수 있다. 어떤 측면들에 있어서, 본 발명은 낮은 자본 비용으로 고효율로 전력을 생산할 수 있고, 또한 산업적인 사용이나 격리를 위해 파이프라인 압력에서 실질적으로 순수한 CO2를 생성할 수 있는 발전 시스템을 위한 고압 순산소 연소기를 제공한다. 상기 CO2도 상기 발전 시스템 내로 재활용될 수 있다.
다른 측면들에 있어서, 개시된 연소 시스템들과 방법들은 다양한 연료 공급원들을 사용하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따른 고효율 연소기는 기체상(예를 들면, 천연 가스 또는 석탄 파생 가스들), 액체상(예를 들면, 탄화수소, 역청) 및/또는 고체상(예를 들면, 석탄, 갈탄, 펫-코크(pet-coke))의 연료들을 사용할 수 있다. 그렇지 않으면 여기서 설명하는 바와 같이, 조류(algae), 생물질(biomass) 또는 임의의 다른 적절한 연소 가능한 유기 물질들과 같은 다른 연료들도 사용될 수 있다.
다른 측면들에 있어서, 본 발명의 방법들과 시스템들은, 파이프라인 압력에서 CO2 포집을 구비하는 전력 시스템과 결합될 때에 상기 결합된 시스템이 CO2의 포집을 제공하지 않는 현재의 석탄-연소 증기 사이클 발전소들의 가장 우수한 효율을 초과할 수 있는 점에서 유용할 수 있다. 이러한 현재의 발전소들은, 예를 들면, 기껏해야 역청 석탄을 사용하여 1.7인치의 수은 응축기 압력으로 약 45%의 효율(L.H.V.)을 제공할 수 있다. 본 시스템의 측면들은, 예를 들면, 200bar의 압력에서 CO2를 전달하면서 이러한 효율을 초과할 수 있다.
또 다른 측면들에 있어서, 본 발명은 유사한 연료를 사용하여 현재의 기술들에 비하여 발전 시스템의 물리적인 크기와 자본 비용을 감소시킬 수 있는 역량을 제공한다. 이에 따라, 본 발명의 방법들과 시스템들은 상당히 감소된 발전 시스템에 관련되는 건설비용에 기여하거나 그렇지 않으면 용이하게 하며, 특정 시스템 조합들의 상대적으로 높은 효율이 전기 또는 에너지 생산의 비용을 감소뿐만 아니라 화석 연료의 감소된 사용을 가져올 수 있다.
특정한 일 측면에 있어서, 본 발명은 CO2 및/또는 H2O와 같은 작동 유체의 사용을 포함하는 발전 방법에 관한 것이다. 일부 측면들에 있어서, 상기 방법은 가열되고 압축된 CO2 및/또는 과열된 증기를 연료 연소기로 도입하는 과정을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 CO2 및/또는 증기는 적어도 약 80bar에서 동작하는 연소기 내로 도입될 수 있다. 상기 CO2 및/또는 H2O는 2 또는 그 이상의 분리된 위치들에서 상기 연소기 내로 도입될 수 있다. 상기 CO2 및/또는 H2O의 일부가 O2 및 고체상, 액체상, 기체상 또는 초임계의 연료와 혼합될 수 있으므로, 상기 연소실 내의 연소 온도는 상기 연소기를 위한 원하는 설계 값을 기초로 하여 결정될 수 있다. 상기 가열된 CO2 및/또는 과열된 증기의 나머지는 이후에 이와 직접 혼합됨에 의해 약 400℃ 내지 약 3,500℃ 사이의 원하는 전체적인 출구 유체 흐름 온도를 구현하도록 상기 연소 생성물들을 냉각하게 상기 연소실 내로 도입되며, 이는 상기 발전 시스템에 의해 요구될 수 있다. 이러한 조건들 하에서, 상기 CO2 및/또는 H2O는 원하는 온도에서 CO2 및/또는 H2O를 포함하는 유체 흐름을 생성하도록 상기 연료의 연소로부터의 연소 가스들, 85% 몰 이상의 순도를 갖는 산소와 같은 산화제와 혼합될 수 있다. 측정한 측면들에 있어서, 상기 출구 유체 흐름 온도는 약 400℃ 내지 약 3,500℃ 사이의 범위에 있을 수 있다. 다른 측면들에 있어서, 상기 출구 유체 흐름은 전력을 발생(즉, 상기 터빈에 부여되는 에너지를 통해 전기를 발생)시키도록 터빈을 가로질러 팽창될 수 있다.
어떤 측면들에 있어서, 상기 연소기 내로의 도입 이전에 심지어는 보다 높은 온도로 상기 작동 유체를 가열하는 것이 유용할 수 있다. 예를 들면, 상기 CO2 및/또는 H2O는 상기 연소기 내로의 도입 이전에 적어도 약 200℃ 내지 약 700℃의 온도로 가열될 수 있다. 다른 측면들에 있어서, 상기 CO2 및/또는 H2O는 상기 연소기 내로의 도입 이전에 약 700℃ 내지 약 1,000℃ 사이의 온도로 가열될 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 이러한 가열은 열 교환기 장치를 이용하여 수행될 수 있다. 또한 여기서 개시하는 바와 같이, 동일한 열 교환기가 상기 발전 터빈을 떠나는 상기 유체 흐름을 냉각하는 데 사용될 수도 있다.
이와 유사하게, 상기 연소기는 발전 사이클에서 매우 높은 효율을 구형할 수 있는 작동 유체를 생성하도록 보다 높은 압력에서 유용하게 동작할 수 있다. 예를 들면, 상기 연소기와 상기 작동 유체 CO2 및/또는 H2O의 도입된 부분은 적어도 약 200bar의 압력으로 가압될 수 있다. 다른 측면들에 있어서, 상기 압력은 약 200bar 내지 약 500bar 사이가 될 수 있다.
어떤 측면들에 있어서, 상기 연소기 내로 도입된 상기 작동 유체의 부분은 실질적으로 순수한 CO2의 재활용된 흐름이 될 수 있으므로 상기 작동 유체 내의 임의의 물 함량은 상기 연료로부터 유래된다. 물론, 외부의 공급원으로부터의 CO2가 상기 작동 유체로서 사용될 수 있다.
상기 연소기로부터 나오는 상기 유체 흐름은 H2O 작동 유체뿐만 아니라 상기 연료 또는 상기 연소 공정으로부터 파생된 연소의 생성물들과 같은 하나 또는 그 이상의 다른 성분들을 포함할 수 있다. 상기 출구 유체 흐름은 H2O, SO2, SO3, NO, NO2, Hg, HCl에 더하여 약 300ppm 내지 약 3% 몰 사이의 범위의 과잉 산소와 같은 성분들을 함유할 수 있다. 다른 측면들에 있어서, 상기 출구 유체 흐름은 적어도 H2 및 CO의 변화되는 비율들을 함유할 수 있고 실질적으로 O인 O2 함량을 가진다.
상기 연소기는 상기 연료와 상기 산소 및 상기 작동 유체의 일부가 이를 통해 상기 연소기 내로 도입되는 유입구 노즐 장치를 포함할 수 있고, 여기서 통상적으로 설계 용량의 약 50% 내지 약 100% 사이의 원하는 연료 흐름 범위에 대하여 연소가 시작되고 산화 또는 환원 모드 중에서 하나로 안정한 방식으로 일어난다. 어떤 측면들에 있어서, 상기 동작 압력은 약 150bar 이상이 될 수 있고, 이러한 압력에서 상기 산소가 요구되는 잔열 불꽃 온도를 구현하도록 CO2 및 천연 가스 또는 탄화수소 증류액과 같은 액체와 같은 연료와 함께 단일 상(phase)의 혼합물로서 도입될 수 있다. 이러한 압력에서 상기 CO2가 약 100℃ 보다 낮은 온도에 있다면, 상기 CO2의 밀도는 슬러리를 형성하는 분말화된 석탄의 상당한 비율을 유지하는 데 이용되기에 매우 충분하며, 상기 슬러리는 이후에 요구되는 연소 압력까지 고압 펌프에 의해 펌핑될 수 있고, 상기 연소기 내의 요구되는 단열 불꽃 온도를 구현하기 위하여 CO2 및 산소의 상기 초임계의 혼합물이 첨가되는 혼합 지점까지 파이프 내를 흐를 수 있다. 이미 혼합된 연료, 희석제 CO2 및 산소는 바람직하게는 상기 시스템의 자동-점화 온도 보다 낮은 결합된 온도가 되어야 한다. 상기 CO2 흐름의 온도는 이러한 기준을 충족하도록 조절될 수 있다. 상기 유입구 노즐이 주입기 플레이트 내에 각기 유체의 미세한 제트를 생성하여 신속한 열전달과 연소를 야기하는 홀들의 어레이를 포함할 수 있음에 따라 안정한 연소 지역을 생성한다. 홀 크기들은 직경이 약 0.5㎜ 내지 약 3㎜ 사이의 범위가 될 수 있다.
상기 연소실의 벽들은 이를 통해 상기 CO2 및/또는 H2O 희석제 흐름의 제2 부분을 안내하고 흐르게 하는 다공성 물질의 층과 정렬될 수 있다. 이러한 다공성 분출 층을 통한 그리고 선택적으로는 추가적인 설비들을 통한 상기 유체의 흐름은 약 400℃ 내지 약 3,500℃ 사이의 요구되는 전체 출구 유체 흐름 유출구 온도를 구현하도록 구성된다. 이러한 흐름은 또한 분출 부재를 상기 냉각 분출 부재를 형성하는 물질의 최대 허용 가능한 동작 온도 아래의 온도로 냉각하는 데 기여할 수 있다. 상기 CO2 및/또는 H2O 희석제 흐름과 같은 상기 분출 물질은 또한 부식, 악취 또는 그렇지 않으면 상기 벽들의 손상을 일으킬 수 있는 상기 연료 내의 임의의 액체상의 또는 고체상의 재 물질들이나 다른 오염물들의 침입을 방지하는 데 기여할 수 있다. 이러한 예들에 있어서, 입사되는 방사열이 상기 다공성 분출 부재를 통해 외측으로 방사형으로 전달될 수 있고 이후에 대류 열전달에 의해 상기 다공성 층 구조의 표면들로부터 상기 분출 층을 통해 내측으로 방사형으로 통과하는 상기 유체까지 차단될 수 있도록 합리적인(낮은) 열전도도를 갖는 상기 분출 부재를 위한 물질을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이와 같은 구성은, 동시에 상기 다공성 분출 부재의 온도를 이를 위해 사용되는 물질의 설계 범위 내로 유지하면서, 상기 분출 부재를 통해 안내되는 상기 희석제 흐름의 후속하는 부분이 약 500℃ 내지 약 1,000℃ 사이의 범위의 온도로 가열되게 할 수 있다. 상기 다공성 분출 부재를 위한 적절한 물질들은, 예를 들면, 다공성 세라믹들, 내화 금속 섬유 매트들(mats), 홀-천공된 실린더형 부분들 및/또는 소결된 금속층들이나 소결된 금속 분말들을 포함할 수 있다. 상기 분출 부재의 제2 기능은, 상기 연소실의 길이 방향을 따르는 평탄한 축 상의 흐름을 증진시키면서, 상기 희석제 흐름의 제2 부분과 상기 연소 생성물 사이의 우수한 혼합을 달성하기 위해 상기 희석제 분출 물질의 실질적으로 평탄한 방사형의 내측뿐만 아니라 상기 연소기를 따라 길이 방향으로의 흐름을 보장하는 것이 될 수 있다. 상기 분출 부재의 제3 기능은 완충을 제공하거나 그렇지 않으면 상기 연소 생성물들 내의 재 또는 다른 오염물들의 고체 및/또는 액체 입자들이 상기 분출 층의 표면에 부딪쳐 막힘이나 다른 손상을 유발하는 것을 차단하기 위하여 방사형으로 내측으로 희석제 유체의 속도를 구현하는 것이다. 이러한 인자는 다만, 예를 들면, 석탄과 같은 잔류하는 불활성 비-가연성 잔류물을 포함하는 연료를 연소시킬 때에 중요한 것이 될 수 있다. 상기 분출 부재를 둘러싸는 상기 연소기 압력 용기의 내측 벽은 또한 상기 연소기 내에서 상기 고온의 제2 희석제 흐름으로부터 절연될 수 있다.
불연성 잔류물을 갖는 석탄 또는 다른 연료들이 물 내의 슬러리 또는 바람직하게는, 액체 CO2 내의 슬러리로서 상기 연소기 내로 도입될 수 있다. 상기 슬러리의 액체 부분은 주위 온도 부근 및 상기 전력 사이클의 가장 낮은 압력에서 상기 전력 시스템으로부터 떠난다. 이러한 예들에 있어서, 슬러리 유입구 조건과 기체 유출구 조건 사이의 몰 당 엔탈피(enthalpy)의 차이는 H2O에 대해서는 약 10 kcal/gm-mol이 될 수 있고 CO2에 대해서는 약 2.78 kcal/gm-mol이 될 수 있으며, CO2 슬러리화 유체를 위한 상당히 높은 효율을 제공한다. 약 -30℃ 내지 약 10℃ 사이의 범위의 온도에서 액체 CO2를 생성하는 데 상기 작동 유체로서 CO2를 갖는 고압 전력 사이클에 적은 추가적인 에너지가 요구된다.
불연성 잔류물을 생성하는 대체로 석탄과 같은 고체들인 상기 연료들의 연소 온도는, 바람직하게는 약 1,800℃ 내지 약 3,000℃ 사이의 범위이다. 이러한 조건들에 있어서, 상기 재 또는 다른 오염물들은 상기 슬러리 연료 공급 내의 연료 입자들로부터 유래되는 액상의 슬래그 방울들의 형태가 될 것이다. 이들 액상의 슬래그 방울들은 상기 전력 터빈이나 다른 추후의 공정들의 오염을 방지하기 위하여 효율적으로 제거되어야 한다. 제거는, 예를 들면, 사이클론 분리기들(cyclone separators), 충격 분리기들(impingement separators) 또는 환형의 구성으로 정렬된 분류 내화 입상 필터들의 베드들(beds), 혹은 이들의 조합들을 사용하여 이루어질 수 있다. 특정한 측면들에 있어서, 상기 방울들은 일련의 사이클론 분리기들에 의해 고온의 작동 유체로부터 제거될 수 있다. 효율적인 제거를 구현하기 위하여, 연속하는 적어도 2개 및 바람직하게는 3개의 사이클론 분리기들이 바람직하다. 제거 효율은 수많은 인자들에 의해 향상될 수 있다. 예를 들면, 제거 온도가 상기 분리기들로부터 자유롭게 배출되는 액상의 슬래그를 제거하기 위해 슬래그 속도가 충분히 낮은 점을 확보하도록 조절될 수 있다. 상기 연소 온도와 최종적인 출구 유체 흐름 온도 사이의 중간 온도에서 상기 슬래그 제거가 때때로 수행될 필요가 있다. 이러한 경우들에 있어서, 상기 최종적인 출구 유채 흐름 유출구 온도는 재활용되는 작동 유체(상기 분출 물질)의 일부를 상기 슬래그 제거 시스템을 떠나는 상기 유체 흐름과 직접 혼합함에 의해 달성될 수 있다. 상기 사이클론 분리기들의 직경은 바람직하게는 상대적으로 작은(즉, 약 20㎝ 내지 약 50㎝ 사이의 범위의 직경) 반면, 상기 슬래그 방울들의 직경은 우수한 분리 효율을 제공하도록 충분히 커야한다. 이러한 조건들은, 예를 들면, 상기 석탄 연료를 ＞50 미크론의 입자 직경의 높은 비율을 달성하도록 분쇄함에 의해 구현될 수 있다. 상기 석탄은 바람직하게는 평균 입자 직경이 약 50 미크론 내지 약 100 미크론 정도로 미립자화되며, 이는 상기 출구 유체 흐름 내에 존재하는 10 미크론의 직경 보다 작은 슬래그 입자들의 최종 비율을 가져온다. 일부 예들에 있어서, 상기 사이클론 분리기들은 상기 터빈의 상류에 바로 배치되는 환형의 필터에 후속할 수 있다.
특정한 측면들에 있어서, 상기 시스템 내의 상기 연소 생성물들의 체류 시간은 천연 가스의 경우에는 0.2초 내지 2초의 범위가 될 수 있고 역청 석탄의 경우에는 0.4초 내지 4초의 범위가 될 수 있다.
상기 연소기로부터 나오는 상기 유체 흐름은 서로 다른 다양한 특성들을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 상기 유체 흐름은 산화 유체를 포함할 수 있다. 이와 같이, 상기 유체 흐름은 산화제(예를 들면, O2)의 첨가에 의해 빠르게 산화되는(예를 들면, 연소되는) 하나 또는 그 이상의 성분들을 포함할 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 상기 유체 흐름은 H2, CO, CH4, H2S 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 그 이상의 성분들을 포함하는 환원성 유체가 될 수 있다. 환원 모드에서 상기 시스템의 동작은 H2＋CO로 변환되는 연료의 비율이 증가함에 따라 상기 제2의 희석제의 비율이 점진적으로 감소될 것인 점을 제외하면 상기 산화 모드와 대체로 유사하다. 또한, 연소 생성물들을 위한 평균 체류 시간을 H2＋CO로의 변환이 증가함에 따라 점차적으로 천연 가스를 위해서는 약 2.5초 내지 약 4.5초 사이의 범위까지이고 역청 석탄을 위해서는 약 6초 내지 약 10초 사이의 범위까지 증가시킬 필요가 있다.
상술한 측면들 및 다른 측면들은 이에 따라 여기서 설명하는 바와 같이 정해진 필요성들을 다룰 것이고 이점들을 제공할 것이다.
이하, 필수적이지는 않지만 일정한 비율로 축소되어 도시된 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 일반적인 용어들을 사용하여 설명하며, 첨부 도면들에 있어서,
도 1은 본 발명의 특정 측면들에 따른 분출 냉각 연소기 장치를 개략적으로 예시하는 도면이고,
도 1a는 본 발명의 특정 측면들에 따라서 연소실의 길이를 따른 연소기 온도 프로파일을 개략적으로 예시하는 도면이며,
도 2는 본 발명의 특정한 측면들에 따른 연소기 장치 내의 분출 부재의 벽의 예시적인 단면을 개략적으로 예시하는 도면이고,
도 2a는 본 발명의 특정한 측면들에 따른 연소기 장치 내의 분출 부재의 벽의 예시적인 단면을 그 길이 방향의 축에 대해 직교하게 자르고 분출 유체의 나선형 흐름을 제공하기 위한 구멍/천공 구성을 예시하는 개략적인 도면이며,
도 2b는 본 발명의 특정한 측면들에 따른 연소기 장치 내의 분출 부재의 벽의 예시적인 단면을 개략적으로 예시하고, 분출 유체의 나선형 흐름을 용이하게 하기 위한 각이 진 구멍/천공 구성을 예시하는 도면이고,
도 2c는 본 발명의 특정한 측면들에 따른 연소기 장치 내의 분출 부재의 벽의 예시적인 단면을 개략적으로 예시하고, 분출 유체의 나선형 흐름을 용이하게 하기 위한 분출 부재의 포커싱된 길이 방향의 스트립들을 예시하는 도면이며,
도 2d는 본 발명의 특정 측면들에 따라서 도 2c에 도시한 분출 부재에 대하여 정렬/삽입되도록 구성되는 차폐 구조를 개략적으로 예시하는 도면이고,
도 2e는 본 발명의 특정 측면들에 따라 연소기 장치의 연소실 내의 분출 유체의 나선형 흐름을 개략적으로 예시하는 도면이며,
도 2f는 본 발명의 특정 측면들에 따라 연소기 장치의 연소실 내의 분출 유체의 나선형 흐름을 용이하게 하도록 구현될 수 있는 코안다 효과(Coanda effect)를 개략적으로 예시하는 도면이고,
도 2g는 본 발명의 특정 측면들에 따라 연소기 장치의 연소실 내의 분출 유체의 연속적으로 정렬되고, 대향하는 나선형 흐름들을 개략적으로 예시하는 도면이며,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 특정 측면들에 따라 연소기 장치의 분출 부재 어셈블리를 위한 고온 압입 공정(hot fit process)을 개략적으로 예시하는 도면들이고,
도 4는 본 발명의 특정 측면들에 따라 연소 생성물 오염물 제거 장치를 개략적으로 예시하는 도면이며,
도 5는 본 발명의 특정 측면들에 따라 평균 입자 크기 및 분출 물질 유량들의 함수로서 재(ash) 입자들의 궤적들을 나타내는 개략적인 도표이고,
도 6은 본 발명의 특정 측면들에 따른 적용 가능한 발전 시스템을 개략적으로 예시하는 도면이다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면들을 참조하여 보다 상세하게 설명하지만, 이들은 일부로서 본 발명의 모든 측면들이 도시된 것은 아니다. 실제로, 본 발명은 많은 다른 형태들로 구현될 수 있으며, 여기에 개시된 측면들에 한정되는 것으로 이해되는 것은 아니다. 오히려 이러한 측면들은 본 발명이 적용되는 법률적인 요구 사항들을 충족시킬 수 있도록 제공되는 것이다. 도면들에서 동일한 참조 부호들은 구성 요소들을 언급한다.
본 발명에 따라, 고체 연료로 동작할 수 있는 연소기 장치의 일 측면이 도 1에 개략적으로 도시되어 있으며, 상기 연소기 장치는 일반적으로 참조 부호 220으로 나타낸다. 이러한 예에 있어서, 상기 연소기 장치(220)는, 여기서 기재하는 바와 같이 비록 다른 적절한 연소 가능한 유기 물질도 연료로서 사용될 수 있지만, 석탄과 같은 미립자의 고체를 연소시켜 연소 생성물을 형성하도록 구성될 수 있다. 상기 연소기 장치(220)는 분출 부재(transpiration member)(230)에 의해 정의될 수 있으며, 이는 분출 유체와 같은 분출 불질은 이를 통해 연소실(222)로 향하도록(즉, 분출 냉각(transpiration cooling)을 용이하게 및/또는 상기 연소 생성물과 상기 분출 부재(230) 사이의 상호 작용을 완충시키도록) 구성된다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 유입구 부분(222A) 및 대향하는 유출구 부분(222B)을 갖는 실질적으로 실린더형 연소실(222)을 정의하기 위하여 상기 분출 부재(230)가 실질적으로 실린더형이 될 수 있는 점을 이해할 수 있을 것이다. 상기 분출 부재(230)는 격납 부재(pressure containment member)(338)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 상기 연소실(222)의 유입구 부분(222A)은 대체로 참조 부호 250으로 나타낸 혼합 장치로부터 연료 혼합물을 수용하도록 구성될 수 있다. 특정 측면들에 따르면, 상기 연료 혼합물은 연소 생성물들 형성하도록 특정한 연소 온도에서 상기 연소실(222) 내에서 연소되며, 상기 연소실(222)은 또한 상기 연소 생성물을 상기 유출구 부분(222B)을 향해 이끌도록 구성된다. 열 제거 장치(350)(예를 들면, 도 2 참조)는 상기 격납 부재(338)와 연관될 수 있으며, 그 온도를 조절하도록 구성될 수 있다. 특정 예들에 있어서, 상기 열 제거 장치(350)는 상기 격납 부재(338)에 대향하는 벽(336)에 의해 적어도 부분적으로 한정되는 열전달 재킷(heat transfer jacket)을 포함할 수 있으며, 액체가 이들 사이에 한정되는 물-순환 재킷(337) 내를 순환할 수 있다. 일 측면에 있어서, 상기 순환하는 액체는 물이 될 수 있다.
상기 혼합 장치(250)는 탄소질 연료(254)를 농후화된(enriched) 산소(242) 및 작동 유체(236)와 혼합하여 연료 혼합물(200)을 형성하도록 구성된다. 상기 탄소질 연료(254)는 고체상의 탄소질 연료, 액체상의 탄소질 연료 및/또는 기체상의 탄소질 연료의 형태로 제공될 수 있다. 상기 농후화된 산소(242)는 약 85% 보다 큰 몰 순도를 갖는 산소가 될 수 있다. 상기 농후화된 산소(242)는, 예를 들면, 해당 기술 분야에서 알려진, 예를 들면, 초저온 공기 분리 공정 또는 고온 이온 전도성막 분리 공정(공기로부터)과 같이 적용될 수 있는 임의의 공기 분리 시스템/기술에 의해 제공될 수 있다. 상기 작동 유체(236)는 이산화탄소 및/또는 물이 될 수 있다. 상기 탄소질 연료(254)가 분말화된 석탄(254A)과 같은 미립자의 고체인 예들에 있어서, 상기 혼합 장치(250)는 또한 상기 미립자의 고체 탄소질 연료(254A)를 유동화 물질(255)과 혼합하도록 구성될 수 있다. 일 측면에 따르면, 상기 미립자의 고체 탄소질 연료(254A)는 약 50 미크론 내지 약 200 미크론 사이의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 다른 측면에 따르면, 상기 유동화 물질(255)은 물 및/또는 약 450㎏/m3 내지 약 1,100㎏/m3 사이의 밀도를 갖는 액체 CO2를 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 유동화 물질(255)은 상기 미립자의 고체 탄소질 연료(254A)와 협력하여, 예를 들면, 상기 미립자의 고체 탄소질 연료(254A)의 약 25 중량% 내지 약 95 중량% 사이 범위를 갖는 슬러리(250A)를 형성하거나, 다른 예들에 있어서, 상기 미립자의 고체 탄소질 연료(254A)의 약 25 중량% 내지 약 60 중량% 사이의 범위를 갖는 슬러리(250A)를 형성할 수 있다. 비록 산소(242)가 상기 연소실(222)로 도입 이전에 상기 연료(254) 및 작동 유체(236)와 혼합되는 것으로 도 2에 도시되지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 일부 예들에 있어서, 상기 산소(242)가 필요한 경우나 원하는 바에 따라 별도로 상기 연소실(22) 내로 도입될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상기 혼합 장치(250)는, 일부 측면들에 있어서, 예를 들면, 상기 실린더형 연소실(222)의 유입구 부분(222A)에 연관된 상기 분출 부재(230)의 단부 벽(223)에 대해 정렬된 이격된 분사 노즐들(도시되지 않음)의 어레이를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로의 상기 연소실(222) 내의 상기 연료/연료 혼합물의 분사는, 예를 들면, 방사에 의해 상기 주입된 연료 혼합물 유입 흐름에 대한 신속한 열전달을 용이하게 하는 상기 분사된 연료 혼합물 유입 흐름의 큰 표면적을 제공할 수 있다. 상기 분사된 연료 혼합물의 온도는 이에 따라 상기 연료(즉, 상기 석탄 입자들)의 점화 온도로 빠르게 상승될 수 있으며, 이에 따라 조밀한 연소를 가져올 수 있다. 상기 연료 혼합물의 분사 속도는, 비록 이러한 값들이 특정한 분사 노즐들의 구성과 같은 많은 인자들에 의해 좌우되지만, 예를 들면, 약 10m/sec 내지 약 40m/sec 사이의 범위가 될 수 있다. 이러한 분출 배치는 많은 다른 형태들을 취할 수 있다. 예를 들면, 상기 분출 배치는, 예를 들면, 약 0.5㎜ 내지 약 3㎜의 직경 범위의 홀들의 어레이들을 포함할 수 있으며, 상기 분사된 연료는 이들을 통해 약 10m/s 내지 약 40m/s 정도의 속도로 분출될 수 있다.
대체로 직선, 선형 및/또는 방해받지 않는 통로들을 통해 직접 상기 연소실(222) 내로의 이러한 상기 연료/연료 혼합물의 "직접 분출(direct injection)"은 특히 상기 연료가 고상의 성분(즉, 부분 산화(POX) 연소기 내의 석탄 슬러리)을 포함하는 경우들에 있어서, 예를 들면, 마모, 부식 및/또는 미립자 축적을 감소시킬 수 있다. 일부 예들에 있어서, 그렇지만 상기 연료/연료 혼합물을 위해 상기 연소실(222) 내부에서만은 직선형의 균일한 흐름으로부터 벗어나는 것이 유리할 수 있다. 예를 들면, 일부 측면들에 있어서, 예를 들면, 상기 연료/연료 혼합물의 혼합을 증진시키고 이에 따라 보다 효율적인 연소 공정이 일어나도록 소용돌이치거나 그렇지 않으면 상기 직선의 균일한 흐름으로부터 방해받는 상기 연료/연료 혼합물을 발생시키는 것이 유리할 수 있다.
다른 측면들에 있어서, 상기 혼합 장치(250)는 상기 연소실(222)에 대하여 멀리 떨어지거나 그렇지 않으면 분리될 수 있다. 예를 들면, 일부 측면들에 있어서, 상기 혼합 장치(250)는 상기 연료 혼합물(200)을 상기 격납 부재(338) 및 상기 분출 부재(230)를 통해 상기 연소실(222) 내로 연장되는 버너(burner) 장치(300)로 향하게 하도록 구성될 수 있다. 상기 버너 장치(300)는 상기 연료/연료 혼합물을 "직접 사출(direct injection)" 장치와 유사하게 직선의 실질적으로 균일한 흐름으로 상기 연소실(222) 내로 도입하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 버너 장치(300)는 상기 혼합 장치(250)로부터 상기 연료/연료 혼합물을 수용하고, 상기 연료/연료 혼합물의 실질적으로 균일한 선형의 흐름을 상기 연소기(222)의 유입구 부분(222A) 내로 향하게 하도록 구성될 수 있다. 그러나, 일부 예들(즉, 고상의 미립자들을 포함하지 않는 연료를 사용하는)에 있어서, 상기 버너 장치(300)는, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 잘 이해할 수 있는 바와 같이, 상기 연료/연료 혼합물이 소용돌이치나 상기 연소실(222) 내로 향하면서 소용돌이가 일어나는 것을 유도하거나 발생시키기 위한 적절한 장비들을 포함할 수 있다. 즉, 상기 버너 장치(300)는 상기 연소실(222) 내로 상기 연료/연료 혼합물이 도임됨에 따라 상기 연료/연료 혼합물의 직선의 균일한 흐름을 소용돌이치게 하거나 그렇지 않으면 방해하도록 구성될 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 상기 버너 장치(300)는 상기 혼합 장치(250)로부터 상기 연료/연료 혼합물을 수용하고, 상기 연소실(222) 내로 향하는 상기 연료/연료 혼합물의 소용돌이를 유도하면서 상기 연소실(222)의 유입구 부분(222A) 내로 상기 연료/연료 혼합물을 향하게 하도록 구성될 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 버너 장치(300)는 상기 연소실(222) 내로의 상기 연료/연료 혼합물로부터의 출구 상에서 상기 연료/연료 혼합물의 소용돌이를 유도하도록 구성될 수 있다.
도 2에 보다 상세하게 도시한 바와 같이, 상기 연소실(222)은 상기 분출 부재(230)에 의해 한정되며, 이는 격납 부재(338)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 일부 예들에 있어서, 상기 격납 부재(338)는 또한 열전달 재킷(336)에 의해 부분적으로 둘러싸일 수 있고, 상기 열전달 재킷(336)은 격납 부재(338)와 협력하여 저압의 물 흐름이 순활할 수 있는 하나 또는 그 이상의 채널들(337)을 이들 사이에 정의할 수 있다. 증발 메커니즘을 통해, 상기 순환하는 물은 이에 따라 사기 격납 부재(338)의 선택된 온도, 예를 들면, 약 100℃ 내지 약 250℃ 범위를 조절 및/또는 유지하는 데 사용될 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 절연층(339)이 상기 분출 부재(230)와 상기 격납 부재(338) 사이에 배치될 수 있다.
일부 예들에 있어서, 상기 분출 부재(230)는, 예를 들면, 외측 분출 부재(331)와 내측 분출 부재(332)를 포함할 수 있고, 상기 내측 분출 부재(332)는 상기 격납 부재(338)로부터 상기 외측 분출 부재(331)에 대향하여 배치되고, 상기 연소실(222)을 정의한다. 상기 외측 분출 부재(331)는, 예를 들면, 스테인리스 스틸 및 니켈 합금을 포함하여 스틸 또는 스틸 합금과 같은 임의의 적절한 고온-저항 물질로 구성될 수 있다. 일부 예들에 있어서, 상기 외측 분출 부재(331)는 상기 절연층(339)에 인접하는 그 표면으로부터 이를 통해 상기 분출 부재(332)에 인접하는 그 표면까지 연장되는 제1 분출 유체 공급 통로들(333A)을 한정하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 분출 유체 공급 통로들(333A)은, 일부 예들에 있어서, 상기 격납 부재(338), 상기 열전달 재킷(336) 및/또는 상기 절연층(339)에 의해 한정되는 제2 분출 유체 공급 통로들(333B)에 대응될 수 있다. 상기 제1 및 제2 분출 유체 공급 통로들(333A, 333B)은 이에 따라 협력하여 분출 유체(210)와 같은 분출 물질을 이들을 통해 상기 분출 부재(332)로 향하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에 있어서, 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 분출 유체(210)는 상기 작동 유체(236)를 포함할 수 있으며, 이와 관련한 동일한 공급원으로부터 수득될 수 있다. 상기 제1 및 제2 분출 유체 공급 통로들(333A, 333B)은 충분한 공급과 충분한 압력으로 상기 분출 유체(210)(즉, CO2)를 전달하도록 필요한 경우에는 절연될 수 있으므로, 상기 분출 유체(210)가 상기 내측 분출 부재(332)를 통해 상기 연소실(222)로 향하게 된다. 상기 분출 부재(230)와 연관된 분출 유체(210)를 수반하는 이러한 측정들은, 여기서 설명하는 바와 같이, 상기 연소기 장치(220)가 상대적으로 높은 압력들과 그렇지 않으면 여기서 설명하는 바와 같이 상대적으로 높은 온도들에서 동작하게 할 수 있다.
이러한 관점에서, 상기 내측 분출 부재(332)는, 예를 들면, 다공성 세라믹 물질, 천공된 물질, 라미네이트 물질, 2차원으로 랜덤하게 배향되고 3차원으로 정렬된 섬유들로 구성된 다공성 매트(mat), 또는 여기에 개시된 바와 같은 이에 요구되는 특성들, 즉 상기 내측 분출 부재(332)를 통해 상기 분출 유체를 수용하고 안내하는 다중 흐름 통로들 또는 구멍들 혹은 다른 적절한 개구들(335)을 나타내는 임의의 다른 적절한 물질 혹은 이들의 조합들로 구성될 수 있다. 다공성 세라믹과 이러한 분출 냉각 시스템들에 적합한 다른 물질들의 제한적이지 않은 예들은, 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 상변태-강인화(transformation-toughened) 지르코늄, 구리, 몰리브덴, 텅스텐, 구리-침투(copper-infiltrated) 텅스텐, 텅스텐-코팅(tungsten-coated) 몰리브덴, 텅스텐-코팅(tungsten-coated) 구리, 다양한 고온 니켈 합금들, 그리고 레늄-피복(rhenium-sheathed) 또는 코팅 물질들을 포함한다. 적절한 물질들의 공급원들은, 예를 들면, 콜스텍사(CoorsTek, Inc.)(골든, 콜로라도)(지르코늄); 울트라메트 어드밴스드 머티어리얼즈 솔루션즈(UltraMet Advanced Materials Solutions)(파코이마, 캘리포니아)(내화 금속 코팅들); 오스람 실바니아(Osram Sylvania)(덴버, 메사추세츠)(텅스텐/구리); 그리고 말케테크 인터내셔널사(MarkeTech International, Inc.)(포트 타운센, 워싱톤)(텅스텐)를 포함한다. 이러한 분출 냉각 시스템들에 적합한 천공된 물질들의 예들은 상술한 물질들과 공급자들 모두(예를 들면, 해당 제조 분야에서 알려진 방법들을 이용하여 최초에는 다공성이 아닌 구조를 천공하여 상기 천공된 단부 구조들이 수득될 수 있는 곳)를 포함한다. 적절한 라미네이트 물질들의 예들은 상술한 물질들 및 공급자들 모두(다공성이 아니거나 부분적으로 다공성인 구조들을 해당 제조 분야에서 알려진 방법들을 이용하여 원하는 단부 다공성을 구현하는 방식으로 라미네이팅하여 상기 라미네이트 단부 구조들을 수득할 수 있는 곳)를 포함한다.
또 다른 측면들에 있어서, 상기 내측 분출 부재(332)는 상기 분출 부재(230)의 상기 유입구 부분(222A)으로부터 상기 유출구 부분(222B)까지 연장될 수 있다. 일부 예들에 있어서, 상기 내측 분출 부재(332)의 천공된/다공성 구조는 상기 유입구 부분(222A)으로부터 상기 유출구 부분(222B)까지 실질적으로 완전히(축 방향으로) 연장될 수 있으므로 상기 분출 유체(210)가 상기 연소실(222)의 실질적으로 전체 길이 내로 안내된다. 즉, 상기 내측 분출 부재(332)의 실질적으로 전체는 천공된/다공성 구조와 함께 구성될 수 있으므로 상기 연소실(222)의 실질적으로 전체 길이가 분출 냉각된다. 보다 상세하게는, 일부 측면들에 있어서, 누적 천공/구멍 면적은 실질적으로 상기 내측 분출 부재(332)의 표면 면적과 같을 수 있다. 즉, 전체 벽 면적에 대한 구멍들의 비율(% 공극률)은, 예를 들면, 50% 정도의 단위가 될 수 있다. 또 다른 측면들에 있어서, 상기 천공들/구멍들은 적절한 밀도에서 이격될 수 있으므로 상기 내측 분출 부재(332)로부터 상기 연소실(222) 내로 상기 분출 물질의 실질적으로 균일한 분포가 이루어진다(즉, 상기 분출 물질(210)의 흐름이나 존재가 결핍되는 "데드 스폿들(dead spots)"은 없다). 일 실시예에 있어서, 상기 내측 분출 부재(332)는 이러한 천공들/구멍들이 약 0.004 인치(약 0.1㎜) 정도로 이격되는 약 62,500 구멍들/in2를 제공하기 위하여 평방 인치 당 250×250 단위의 천공들/구멍들의 어레이를 포함할 수 있다. 그러나 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다른 시스템들 구성 변수들에 적용 가능하거나, 예를 들면, 상기 분출 부재(230)를 가로지르는 유량에 대한 원하는 압력 강하와 같은 원하는 결과를 이루도록 적절한 바에 따라 상기 구멍 어레이의 구성이 변화될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 다른 예에 있어서, 상기 구멍 어레이는 약 10% 내지 약 80%까지 변화하는 공극률 퍼센트들과 함께 평방 인치 당 약 10×10 내지 평방 인치 당 약 10,000×10,000까지로 크기가 변화될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는, 연소기 장치(220)의 일 측면에 있어서, 상기 연소실(222)을 한정하는 구조가 상기 분출 부재(230)와 상기 격납 부재(338) 또는 상기 분출 부재(230)와 상기 격납 부재(338) 사이에 배치된 상기 절연층(339)과 같은 둘러싸는 구조 사이의 "뜨거운(hot)" 억지 끼워 맞춤(interference fit)을 통해 형성될 수 있는 점을 예시한다. 예를 들면, 상대적으로 "차가운(cold)" 경우에, 상기 분출 부재(230)는 상기 둘러싸는 격납 부재(338)에 대하여 보다 작고, 방사상 및/또는 축 상으로 치수가 정해질 수 있다. 이와 같이, 상기 격납 부재(338) 내로 삽입될 때, 방사형 및/또는 축 상의 갭(gap)이 이들 사이에 존재할 수 있다(예를 들면, 도 3a 참조). 물론, 이러한 치수적 차이들은 상기 분출 부재(230)의 상기 격납 부재(338) 내로의 삽입을 용이하게 할 수 있다. 그러나, 예를 들면, 동작 온도를 향하여 가열될 때, 상기 분출 부재(230)는 전술한 갭들을 감소시키거나 제거하기 위해 방사형 및/또는 축 상으로 팽창하도록 구성될 수 있다(예를 들면, 도 3b 참조). 이렇게 함으로써, 축 상의 및/또는 방사형 억지 끼워 맞춤이 상기 분출 부재(230)와 상기 격납 부재(338) 사이에 형성될 수 있다. 외측 분출 부재(331)와 내측 분출 부재(332)를 갖는 분출 부재(230)를 수반하는 예들에 있어서, 이러한 억지 끼워 맞춤은 상기 내측 분출 부재(332)를 압축 상태 하에 둘 수 있다. 이와 같이, 다공성 세라믹과 같은 적절한 고온 저항 취성 재료들(brittle materials)이 상기 내측 분출 부재(332)를 형성하는 데 사용될 수 있다.
이에 따라 구성된 상기 내측 분출 부재(332)로써, 상기 분출 물질(210)은, 예를 들면, 상기 내측 분출 부재(332)를 통해 안내되는 이산화탄소(즉, 상기 작동 유체(236)와 동일한 공급원들로부터의)를 포함할 수 있으므로 상기 분출 물질(210)이 상기 연소실(222) 내에서 상기 내측 분출 부재(332)에 바로 인접하는 버퍼층(231)(즉, "증기 벽(vapor wall)")을 형성하며, 상기 버퍼층(231)은 상기 내측 분출 부재(332)와 액화된 불연성 성분들 사이의 상호 작용과 상기 연소 생성물에 연관된 열을 완충시키도록 구성될 수 있다. 즉, 일부 예들에 있어서, 상기 분출 유체(210)는, 예를 들면, 적어도 상기 연소실(222) 내의 압력에서 상기 내측분출 부재(332)를 통해 전달될 수 있으며, 상기 연소실(222) 내로의 상기 분출 유체(210)의 유량(즉, CO2 흐름)은 후속하는 하향 공정의 유입구 요구(즉, 터빈이, 예를 들면, 약 1,225℃의 유입구 온도를 요구할 수 있다)에 대하여 충분한 온도에서 출구 유체 혼합물을 형성하도록 상기 연소 생성물들과 혼합되고 냉각시키기는 상기 분출 유체(210)를 위해 충분하지만, 상기 출구 유체 혼합물 온도는 슬래그(slag) 방울들 또는 상기 유체 또는 액체 상태의 상기 연료 내의 다른 오염물들을 유지하도록 충분히 높게 유지된다. 상기 연료의 불연성 성분들의 액체 상태는 예를 들면, 바람직하게는 자유 유동하는 낮은 점도의 형태인 액체 형태의 상기 연소 생성물로부터 이러한 오염물들의 분리를 용이하게 할 수 있으며, 이는 막을 가능성이나 그렇지 않으면 이러한 분리를 위해 설치되는 임의의 제거 시스템의 손상을 낮출 것이다. 실제로, 이러한 요구들은 사용되는 고체상의 탄소질 연료(즉, 석탄)의 형태와 상기 연소 공정에서의 상기 슬래그의 특정한 특성들과 같은 다양한 인자들에 의존할 수 있다. 즉, 상기 연소실(222) 내의 상기 연소 온도는 상기 탄소질 연료 내의 임의의 불연성 성분들이 상기 연소 생성물 내에서 액화되도록 하는 것이 바람직하다.
특정한 측면들에 있어서, 상기 다공성 내측 분출 부재(332)는 이에 따라 상기 연소실(222)을 한정하는 상기 내측 분출 부재(332)의 표면에 대해 유체 차단벽이나 버퍼층(231)을 형성하기 위하여 상기 분출 유체/물질을 방사형의 내측 방식으로 상기 연소기(222) 내로 향하게 하도록 구성된다(예를 들면, 도 2 참조). 특정한 일 측면에 있어서, 상기 다공성 내측 분출 부재(332)는 이에 따라 상기 분출 유체를 상기 연소실(222) 내로 향하도록 구성되어, 상기 분출 유체(210)가 상기 내측 분출 부재(332)의 내측 표면에 대하여 실질적으로 직각(90°)으로 상기 연소실(222)로 들어간다. 다른 이점들 중에서, 상기 내측 분출 부재(332)에 대해 실질적으로 직각으로의 상기 분출 물질(210)의 도입은 슬래그 액체 또는 고체 방울들이나 다른 오염원들 혹은 상기 내측 분출 부재(332)의 내측 표면으로부터 떨어진 뜨거운 연소 유체 소용돌이들을 안내하는 효과를 용이하게 하거나 그렇지 않으면 향상시킬 수 있다. 상기 슬래그 액체 또는 고체 방울들과 상기 내측 분출 부재(332) 사이의 접촉들 감소시키거나, 최소화하거나 또는 그렇지 않으면 방지하는 것은, 예를 들면, 방울들/입자들과 고체상의 벽들 사이의 접촉으로 발생되는 것으로 알 수 있으며, 이는 상기 내측 분출 부재(332)의 손상을 야기할 수 있는 보다 큰 방울들이나 덩어리들로 이러한 오염물들이 융합되는 것을 방지할 수 있다. 상기 내측 분출 부재(332)에 대하여 실질적으로 직각으로의 상기 분출 물질(210)의 도입은 이에 따라 상기 내측 분출 부재(332)에 영향을 미치고 손상을 입히는 충분한 속도나 모멘텀(momentum)을 갖는 상기 내측 분출 부재(332)에 근접하는 연소 유체 소용돌이들의 형성의 방지를 용이하게 하거나 그렇지 않으면 향상시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 다른 예들에 있어서, 상기 연소실(222) 내로 향해지는 상기 연료/연료 혼합물에 따른 상기 연료/연료 혼합물 내로의 소용돌이의 유도 또는 다른 직선의 균일한 흐름의 방해가 유리할 수 있다. 상기 연료/연료 혼합물이 상기 연소기(222) 내로 전달된 후에 이러한 흐름 방해를 달성함으로써, 노즐들이나 다른 버너 장치들 혹은 상기 연소실(222) 내로의 연료/연료 혼합물의 전달 이전에 이러한 흐름 방해를 일으키는 전달 장치들과 관련된 단점들이 방지되거나 최소화될 수 있다. 그러나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 일부 예들에 있어서, 상기 연료/연료 혼합물의 이러한 후-도입이 그 예비-도입의 방해를 가져오는 이러한 연료/연료 혼합물 전달 장치들과 함께 때때로 필수적 및/또는 요구되는 점을 이해할 수 있을 것이다.
이와 같이, 본 발명의 일부 측면들에 있어서, 적어도 상기 내측 분출 부재(332)는 이를 통해 상기 분출 유체(210)를 상기 연소실(222)을 향하여 실질적으로 균일하게 안내하도록 구성될 수 있으므로, 상기 분출 부재(332)와 상기 연소 생성물들 및/또는 상기 연료 혼합물 사이의 상호 작용을 완충시키기 위해 상기 내측 분출 부재(332)의 표면에 대해 상기 유체 장벽층이나 버퍼층(231)을 형성하도록 상기 분출 유체(210)가 그 둘레(221)(예를 들면, 도 2a 참조)에 대해 나선형으로(예를 들면, 도 2e 참조) 및 상기 유입구 부분(222A)과 상기 유출구 부분(222B) 사이를 길이 방향으로 흐르도록 안내된다. 보다 상세하게는, 일부 측면들에 있어서, 적어도 상기 내측 분출 부재(332)는 이를 통해 및 상기 연소실(222) 내로 상기 분출 유체(210)를 그 둘레(221)에 대해 실질적으로 균일하고 상기 유입구 부분(222A)과 상기 유출구 부분(222B) 사이를 길이 방향으로 향하게 하도록 구성되어, 상기 분출 유체(210)가 상기 내측 분출 부재(332)의 둘레(221)에 대해 실질적으로 접선 방향이고, 예를 들면, 도 2a 및 도 2e에 도시된 바와 같이 이에 대해 나선 방향으로(즉, 나선 또는 코일 형태로) 흐르도록 안내된다. 예를 들면, 상기 내측 분출 부재(332)에 의해 정의되는 상기 천공들/구멍들(335)은 상기 연소실(222)의 둘레에 대해 접선 방향이거나 그렇지 않으면 상기 연소실(222)의 둘레를 따라 이들을 통해 흐르는 상기 분출 유체(210)를 안내하기 위하여 그 외측 표면과 내측 표면 사이에서 연장되는 바에 따라 아치 형상이 되거나 각이 질 수 있다(예를 들면, 도 2a 참조).
다른 예에 있어서, 상기 내측 분출 부재(332)의 길이 방향의 스트립들(strips)을 따르는 구멍들은 상기 연소실(222)의 둘레에 대해 접선 방향이거나 그렇지 않으면 상기 연소실(222)의 둘레를 따라 이들을 통해 흐르는 상기 분출 유체(210)를 용이하게 하도록 포커스/폐쇄될 수 있다(예를 들면, 도 2c 참조). 다른 예들에 있어서, 상기 내측 분출 부재(332)의 길이 방향의 스트립들의 포커싱에 추가적으로 또는 대신에, 상기 연소실(222)의 둘레(221)에 실질적으로 접선 방향이거나 그렇지 않으면 둘레(221)를 따르는 상기 분출 유체(210)의 흐름을 용이하게 하는 다른 표면들의 차단이 없이 그를 통한 방사형 흐름을 방지하는 특정한 다공성 벽 표면들을 차단하기 위하여, 차단 구조물(shield structure)(224)(즉, 금속이나 세라믹 차단 장치)이, 예를 들면, 도 2c에 도시한 바와 같이 상기 내측 분출 부재(332)에 대하여 정렬/삽입될 수 있다(예를 들면, 도 2c 및 도 2d 참조). 비록 상기 구조물(224) 또는 상기 포커싱 공정이 상기 연소실(222)의 둘레(221)에 실질적으로 접선 방향이거나 그렇지 않으면 둘레(221)를 따르는 상기 분출 유체(210)를 안내하도록 구성될 수 있지만, 그 흐름이 길이 방향의 연소 흐름과 상호 작용하면, 벡터(vector) 합 흐름은 실질적으로 나선형이 될 것이다. 그러나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 연소실(222)의 둘레(221)에 실질적으로 접선 방향이거나 그렇지 않으면 둘레(221)를 따르는 상기 분출 유체(210)의 흐름을 구현하도록 상기 내측 분출 부재(332)를 구성하는 많은 다른 방식들이 존재할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
또 다른 예에 있어서, 상기 천공들/구멍들(335)은 상기 연소실(222)의 둘레(221)에 실질적으로 접선 방향이거나 그렇지 않으면 둘레(221)를 따르는 이들을 통한 상기 분출 유체(210)를 안내하도록 이들을 통해 안내되는 상기 분출 유체(210)에 대해 코안다 효과(Coanda effect)를 부여하도록 구성될 수 있다(예를 들면, 도 2f 참조). 이와 같은 예들에 있어서, 상기 유입구 부분(222A)으로부터 상기 유출구 부분(222B)을 향하는 상기 연료/연료 혼합물 및/또는 연소 생성물들의 흐름은 상기 분출 유체(210)의 흐름을 상기 유출구 부분(222B)을 항해 길이 방향으로 안내되는 것과 같게 할 수 있고 이에 따라 상기 연소실(222)을 따르는 상기 분출 유체(210)의 나선형 또는 나사형 흐름을 유발한다. 이러한 예들에 있어서, 상기 내측 분출 부재(332)에 의해 한정되는 상기 구멍들/천공들(335)은 이를 통해, 예를 들면, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 연소실(222)의 길이 방향의 축에 대해 실질적으로 수직하게 연장될 수 있다. 그러나, 다른 예들에 있어서, 상기 구멍들/천공들(335)은 상기 분출 유체(210) 및/또는 상기 연료 혼합물/연소 생성물들과 혼합된 나선형/나사형 흐름을 증진시키도록 상기 유출구 부분(222B)을 향하여 각이 질 수 있거나(예를 들면, 도 2b 참조), 상기 구멍들/천공들(335)이 그렇지 않으면 상기 분출 유체(210)와 상기 연료 혼합물 및/또는 상기 연소 생성물 사이의 상호 작용에 영향을 미치도록(즉, 혼합을 증진시키거나 연소율을 조절하도록) 상기 유입구 부분(222A)(도시되지 않음)을 향해 각이 질 수 있다. 이에 따라, 상기 연소실(222)을 따른 상기 연료 혼합물/연소 생성물들의 흐름의 이러한 조작은, 일부 예들에 있어서, 그렇지 않으면 상기 연소기(222) 내로의 상기 연료/연료 혼합물의 실질적으로 직선형이고 균일한 흐름에 영향을 미치는 물리적인 장치 없이, 연소 특성들 및/또는 운동학의 조절에 원하는 영향을 제공할 수 있다. 이러한 배치, 즉 상기 연료 혼합물/연소 생성물들에 영향을 미치기 위한 물리적인 장치들의 부존재는, 예를 들면, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이해할 수 있는 바와 같이, 상기 연료 혼합물/연소 생성물들에 함유된 미립자들의 축적 현장들의 제거에 다른 면에서 유리할 수 있다.
상기 연료 혼합물/연소 생성물들의 흐름의 이러한 조작에 있어서, 상기 연소실(222) 내에서 이들의 소용돌이를 부야하거나 그렇지 않으면 유도하기 위하여, 상기 버너 장치(300) 및/또는 상기 분출 부재(230)는 다른 배치들로 구성될 수 있다. 예를 들면, 일 측면에 있어서, 상기 버너 장치(300)는 상기 혼합 장치(250)로부터 상기 연료/연료 혼합물을 수용하고, 상기 연료/연료 혼합물을 상기 분출 유체(210)의 나선형 흐름에 대해 대체로 대향하는 흐름 방향으로 상기 연소실(222)의 유입구 부분(222A) 내로 향하게 하도록 구성될 수 있다. 다른 측면에 있어서, 상기 버너 장치(300)는 상기 혼합 장치(250)로부터 상기 연료/연료 혼합물을 수용하며, 상기 연료/연료 혼합물을 상기 분출 유체(210)의 나선형 흐름에 일치하는 방향으로(즉, 동일한 방향으로) 상기 연소실(222)의 상기 유입구 부분(222A) 내로 안내하도록 구성될 수 있다. 또 다른 측면에 있어서, 상기 버너 장치(300)는 상기 혼합 장치(250)로부터 상기 연료/연료 혼합물을 수용하고, 상기 연료/연료 혼합물의 실질적으로 균일한 선형의 흐름을 상기 연소실(222)의 상기 유입구 부분(222A) 내로 안내하도록 구성될 수 있으며, 상기 분출 유체(210)의 나선형 흐름은 상기 연소실(222) 내의 상기 연료/연료 혼합물 및/또는 상기 연소 생성물들의 와류를 유도하도록 구성된다.
각각의 이러한 배열은 별개의 목적 및/또는 효과를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 분출 물질(210)의 나선형 흐름에 대향하는 방향으로 상기 연료/연료 혼합물의 흐름을 안내하는 것은 상기 대행하는 흐름들 사이의 마찰로 인하여 상기 연료/연료 혼합물 내의 와류를 느리게 하거나 정지시킬 수 있다. 이와 같이, 상기 연료/연료 혼합물의 연소도 늦춰질 수 있다. 반대로, 상기 연료/연료 혼합물이 상기 분출 유체(210)의 나선형 흐름과 동일한 방향으로 안내될 경우, 상기 연료/연료 혼합물 및/또는 상기 연소 생성물들의 소용돌이는 향상될 수 있고, 상기 연료/연료 혼합물의 실질적으로 완전한 연소에 필요한 시간을 가능한 대로 감소시키거나, 그렇지 않으면 상기 공정 동안 연소되는 상기 연료/연료 혼합물의 비율을 증가시킬(즉, 상기 연료의 소진율(burnout ratio)을 증가시킬) 수 있다. 실질적으로 균일한 선형의 흐름으로 상기 연료/연료 혼합물을 안내하는 것은, 예를 들면, 상기 연료/연료 혼합물이 고체들 또는 다른 미립자들을 포함할 때, 이전에 개시한 바와 같이, 상기 흐름이 기계 장치들에 의해 방해 받지 않기 때문에 유리할 수 있으며, 이의 원하는 와류가 이후에 이의 연소를 향상시키도록 상기 분출 부재(210)의 나선형 흐름에 의해 유도될 수 있다.
이에 따라, 이러한 효과들은, 일부 측면들에 있어서, 상기 연소기 장치(220)의 효율을 향상시키도록 결합될 수 있다. 예를 들면, 도 2g에 도시한 바와 같이, 상기 연소 챔버(222)는 상기 유입구 부분(222A)을 향해 배치되는 연소 구획(combustion section)(244A)과 상기 유출구 부분(222B)을 향해 배치되는 후-연소 구획(244B)을 포함할 수 있으며, 상기 분출 부재(230)는, 상기 후-연소 구획(244B) 상부의 상기 분출 유체(210)의 나선형 흐름이 상기 연소 구획(244A) 내의 유도된 상기 연료/연료 혼합물의 소용돌이에 대하여 상기 후-연소 구획(244B) 내의 유도된 상기 연소 생성물의 소용돌이를 반전시키기 위하여, 상기 연소 구획(244A) 상부 상부의 상기 분출 물질(210)의 나선형 흐름에 대향하도록 구성될 수 있다.
이러한 예들에 있어서, 상기 연료/연료 혼합물은, 앞서 설명한 바와 같이, 이의 연소를 향상시키기 위하여 상기 분출 부재(210)의 나선형 흐름과 동일한 방향으로 상기 연소실(222)의 연소 구획(244A) 내로 안내될 수 있다. 상기 후-연소 구획(244B) 내의 상기 분출 유체(210)의 나선형 흐름의 방향의 반전은, 예를 들면, 전단 응력의 증가에 의해 상기 연소 생성물들 내에 "반-소용돌이(counter-swirl)"을 유발할 수 있으며, 이에 따라 상기 연소 생성물들의 혼합을 향상시킨다. 이렇게 함에 있어서, 상기 연소 생성물들은 보다 균질의 출구 유체 흐름을 제공하기 위하여 보다 빠르게 및 완전하게 상기 유출구 부분(222B)으로부터의 상기 출구 유체 흐름 내로 혼합될 수 있다.
다른 측면들에 있어서, 상기 유입구 부분(222A)과 상기 유출구 부분(222B) 사이에서 유도된 상기 연료/연료 혼합물 및/또는 상기 연소 생성물들의 와류를 교호적으로 반전시키기 위하여, 상기 분출 부재(230)는 상기 분출 유체(210)의 나선형 흐름이 교호적으로 반전되도록 구성될 수 있다. 상기 분출 유체(210)의 대향하는 나선형 흐름의 이러한 교호적인 부분은, 예를 들면, 국부적인 난류를 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 상기 연료/연료 혼합물 및/또는 상기 연소 생성물들의 혼합을 증가시킬 수 있다. 일부 예들에 있어서, 예를 들면, 상기 연소 동력학, 운동학 및/또는 상기 연소실(222) 내의 또는 이를 통하는 유로의 다른 변화들을 유도하도록 이러한 국부적인 난류를 더욱 증가시키기 위하여, 상기 분출 부재(230)는 이를 통해 연장되는 적어도 하나의 분출 포트(246)(예를 들면, 도 2g 참조)를 더 포함할 수 있고, 상기 적어도 하나의 분출 포트(246)는, 그 흐름 특성들뿐만 아니라 연소 동력학과 운동학에 가능한 대로 영향을 미치기 위하여 상기 연료/연료 혼합물 및/또는 상기 연소 생성물들 내로 상기 분출 유체(210)의 보충적인 선형의 흐름을 안내하도록 구성될 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 상기 적어도 하나의 측방으로 연장되는 분출 포트(246)를 통해 안내되는 상기 분출 유체의 적절하게 구성된 제트는 상기 연소실(222) 내의 상기 흐름을 두 갈래로 나뉘게 하기에 충분할 수 있거나, 그렇지 않으면 상기 분출 유체의 제트의 주위에서 상기 흐름이 "구부러지는(bend)" 것을 야기할 수 있으며, 이에 따라 상기 흐름이 상기 연소실(222)의 길이를 따라 형상지어지게 할 수 있다. 이러한 분출 포트들(246)의 하나 이상이 사용되는 경우, 상기 분출 포트들(246)은, 예를 들면, 보다 높은 온도의 연소 영역들을 상기 연소실(222) 내의 다른 구획들로 이동(즉, 상기 연소실(222) 내의 특정한 구획들의 국지화된 가열 또는 과열을 방지)시키거나, 다른 온도들을 갖는 다른 연소 영역들 사이에서 혼합을 유도하기 위하여, 상기 연소실(222)에 대하여 각이 지거나 및/또는 길이 방향으로 이격될 수 있다.
일부 예들에 있어서, 상기 외측 분출 부재(331), 상기 격납 부재(338), 상기 열전달 재킷(336) 및/또는 상기 절연층(339)은 개별적으로 또는 조합되어 상기 분출 부재(332)에 대해 및 이를 통한 그리고 상기 연소실(22) 내로의 상기 분출 물질/유체(210)의 전달에 대하여 "매니폴드(manifold)" 효과(즉, 실질적으로 균일하게 분포된 공급을 제공하도록)를 제공하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 연소실(222) 내로의 상기 분출 유체(210)의 실질적으로 균일한 공급(유량, 압력 또는 임의의 다른 적절하고 적합한 측정들에 관하여)은 상기 내측 분출 부재(332)에 대한 상기 분출 물질(210)의 균일한 공급을 제공하도록 상기 외측 분출 부재(331), 상기 격납 부재(338), 상기 열전달 재킷(336) 및/또는 상기 절연층(339)을 구성함에 의해 구현될 수 있거나, 또는 상기 내측 분출 부재(332)의 외측 표면에 대한 상기 분출 유체(210)의 공급이 상기 연소실(222)의 내부, 이에 대한 또는 이를 따른 상기 분출 물질(210)의 실질적으로 균일한 분포가 구현되도록 특히 주문 제작 및 구성될 수 있다. 상기 연소실(222) 내로의 상기 분출 물질(210)의 이러한 실질적으로 균일한 분포 및 공급은, 이러한 뜨거운 연소 유체 소용돌이들이 그렇지 않으면 불균일한 분출 유체 흐름과 연소 유체 흐름 사이의 상호 작용을 통해 형성될 수 있기 때문에 뜨거운 연소 유체 소용돌이들의 형성을 최소화하거나 방지할 수 있으며, 이러한 소용돌이들은 순차적으로 상기 내측 분출 부재(332)에 영향을 미치거나 잠재적으로 손상을 입힐 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 상기 연소실(222) 내의 상기 분출 물질(210)의 분포의 균일성은 바람직하게는 적어도 국지적인 방식이나 기준의 프레임 내이다. 즉, 상기 연소실(222)을 따르는 상대적으로 큰 거리들 상부에서, 상기 분출 물질/유체(210)의 균일성은 변화될 수 있지만, 상기 흐름을 위해 잠재적으로 손상을 입히는 소용돌이들의 형성에 기여할 수 있는 유체 흐름 내에 불연속성을 방지하도록 매우 부드럽게 변화하는 것이 바람직하거나 및/또는 필요할 수 있다.
상기 내측 분출 부재(332)의 표면도 연소 생성물들에 의해 가열된다. 이와 같이, 상기 다공성 내측 분출 부재(332)는 적절한 열전도성을 가지도록 구성될 수 있으므로 상기 내측 분출 부재(332)를 통과하는 상기 분출 유체(210)가 가열되는 반면, 상기 다공성 내측 분출 부재(332)는 동시에 냉각되며, 예를 들면, 가장 높은 연소 온도의 영역 내에서 약 200℃ 내지 약 700℃ 사이(그리고, 일부 예들에 있어서, 약 1,000℃까지)에 있는 상기 연소실(222)을 한정하는 상기 내측 분출 부재(332)의 표면의 온도를 가져올 수 있다. 상기 분출 유체(210)에 의해 형성되는 상기 유체 차단벽 또는 버퍼층(231)은 상기 내측 분출 부재(332)와 협력하고 이에 따라 상기 내측 분출 부재(332)와 상기 고온 연소 생성물들 사이의 상호 작용을 완충시키며, 상기 슬래그 또는 다른 오염물 입자들도 이와 같이 상기 내측 분출 부재(332)를 접촉, 악취 또는 다른 손상으로부터 완충시킨다. 또한, 약 400℃ 내지 약 3,500℃ 사이의 온도에서 상기 연소실(222)의 상기 유출구 부분(222b)에 대한 상기 분출 유체(210)와 상기 연소 생성물의 출구 혼합물을 조절하기 위하여 이러한 방식으로 상기 내측 분출 부재(332)를 통해 상기 연소실(22) 내로 상기 분출 유체(210)가 도입된다.
해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 약 400℃ 내지 약 3,500℃ 사이의 온도에서 상기 연소실(222)의 상기 유출구 부분(222B)에 대한 상기 분출 유체(210)와 상기 연소 생성물들의 출구 혼합물에 관한 기준이 상기 출구 혼합물의 온도가 상기 연소실(222)의 유출구 부분(222B)의 출구에서 피크가 되는 점을 필수적으로 나타내는 것은 아니라는 점을 이해할 수 있을 것이다. 실제로, 상기 연소기 온도는, 예를 들면, 도 1a에 개략적으로 도시한 바와 같이(y-축을 따라 표시된 상대적인 온도와 상기 유입구 부분 및 상기 유출구 부분 사이의 x-축을 따라 표시된 상기 연소실을 따른 상대적인 위치) 상기 연소실(222)의 상기 유출구 부분(222A)과 상기 유입구 부분(222B) 사이에서 항상 그 길이를 따라 어딘가에서 매우 높은 온도에 도달할 수 있을 것이다. 일반적으로, 상기 연소실(222) 내의 상기 연소 공정을 충분히 빠르게 완료하기 위하여 충분하게 높은 온도를 수득하여, 상기 반응이 상기 출구 혼합물이 상기 연소실(222)을 나가기 전에 완료되는 것이 바람직할 수 있다. 상기 연소실(222) 내에 상기 피크 온도가 얻어진 후, 일부 예들에 있어서, 상기 출구 혼합물의 온도는 상기 분출 물질/유체(210)로부터의 희석에 의해 하강될 수 있다.
어떤 측면들에 따르면, 여기에 개시된 바와 같은 연소기 장치(220) 내에 구현되기 위하여 적절한 분출 유체(210)는 상기 작동 유체/연소 생성물들 출구 흐름의 적절한 최종적인 유출구 온도를 생성하도록 상기 연소 생성물들을 희석시킬 수 있는 상기 유체 차단벽/버퍼층(231)을 형성하기 위해 상기 내측 분출 부재(332)를 통해 충분한 양과 압력의 흐름에서 제공될 수 있는 임의의 적절한 유체를 포함할 수 있다. 일부 측면들에 있어서, CO2가 이에 의해 형성된 상기 유체 차단벽/버퍼층이 우수한 절연 성질들뿐만 아니라 바람직한 가시광선과 자외(UV)광 흡수 성질들을 나타내는 적절한 분출 유체(210)가 될 수 있다. 실시될 경우, CO2는 초임계의 유체로서 사용된다. 적절한 분출 유체의 다른 예들은, 예를 들면, H2O 또는 추후의 공정들로부터 재활용되는 냉각된 연소 생성물 가스들을 포함한다. 일부 연료들은, 예를 들면, 동작 동안에 상기 연료 공급원의 주입 이전에 상기 연소실(222) 내에 적절한 동작 온도들과 압력들을 달성하기 위한 상기 연소기 장치의 분출 유체들 시작으로서 사용될 수 있다. 일부 연료들은 또한 상기 연료 공급원으로서 석탄으로부터 생물질로 바뀔 때와 같이 연료 공급원들 사이의 전환 동안 상기 연소기 장치(220)의 동작 온도들과 압력들을 조절하거나 유지하기 위한 상기 분출 유체로서 사용될 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 둘 또는 그 이상의 분출 유체들이 사용될 수 있다. 상기 분출 유체(210)는 상기 분출 유체(210)가 상기 유체 차단벽/버퍼층(231)을 형성하는 상기 연소실(222)의 온도 및 압력 조건을 위해 최적화될 수 있다.
본 발명의 측면들은 이에 따라, 고효율의 연소기 장치(220)와 관련된 작동 유체(236)의 사용을 통해 전력과 같은 동력을 생산하는 장치들과 방법들을 제공한다. 상기 작동 유체(236)는 적절한 유체(254) 및 산화제(242) 그리고 효율적인 연소에 유용할 수 있는 임의의 연관된 물질들과 함께 상기 연소기 장치(220)로 도입된다. 특정한 측면들에 있어서, 상대적으로 높은 온도(예를 들면, 약 1,300℃ 내지 약 5,000℃ 사이의 범위 이내)에서 동작하도록 구성되는 연소기 장치(220)의 구현에서, 상기 작동 유체(236)는 상기 연소기 장치(220)를 나가는 유체 흐름의 온도의 조정을 용이하게 할 수 있으므로 상기 유체 흐름이 발전 목적들을 위해 그로부터 에너지를 추출하여 활용될 수 있다.
어떤 측면들에 있어서, 분출 냉각 연소기 장치(220)는, 예를 들면, 대부분의 CO2 및/또는 H2O를 포함하는 순환하는 작동 유체(236)를 사용하는 발전 시스템에 설치될 수 있다. 특정한 일 측면에 있어서, 상기 연소기 장치(220)로 들어가는 상기 작동 유체(236)는 바람직하게는 실질적으로 CO2만을 포함한다. 산화 조건들 하에서 동작하는 상기 연소기 장치(220)에 있어서, 상기 CO2 작동 유체(236)는 상기 연료(254), 산화제(242), 그리고 상기 연료 연소 공정의 임의의 생성물들의 하나 또는 그 이상의 성분들과 혼합될 수 있다. 따라서, 또한 여기서 출구 유체로 언급될 수 있는 상기 작동 유체(236)는 상기 유출구 부분(222B)을 향해 안내되고 상기 연소기 장치(220)를 나가며, 도 1에 도시한 바와 같이, H2O, O2, N2, 아르곤, SO2, SO3, NO, NO2, HCl, Hg 및 상기 연소 공정의 생성물들이 될 수 있는 미량의 다른 성분들(예를 들면, 재(ash) 또는 액화된 재와 같은 미립자들이나 오염물들)과 같은 작은 양의 다른 물질들과 함께 대부분의 CO2(상기 작동 유체가 대부분의 CO2인 예들에 있어서)를 포함할 수 있다. 도 1의 요소(150)를 참조하기 바란다. 환원 조건들 하에서의 상기 연소기 장치(200)의 동작은, 도 1에 요소(175)로 도시한 바와 같이 가능한 성분들, CO2, H2O, H2, CO, NH3, H2S, COS, HCl, N2 및 아르곤을 포함하는 가능한 성분들의 다른 리스트를 갖는 출구 유체 흐름을 야기할 수 있다. 여기서 보다 상세하게 논의하는 바와 같이, 상기 연소기 장치(220)와 연관된 상기 연소 공정은 상기 출구 유체 흐름의 성질이 환원이거나 산화가 될 수 있도록 조절될 수 있으며, 이러한 물질은 특별한 이점들을 제공할 수 있다.
특정한 측면들에 있어서, 상기 연소기 장치(220)는 상대적으로 높은 동작 온도에서 연료(254)의 완전한 연소를 제공할 수 있는 고효율의 분출 냉각 연소기 장치로서 구성될 수 있다. 예를 들면, 약 1,300℃ 내지 약 5,000℃ 사이의 범위. 이러한 연소기 장치(220)는, 일부 예들에 있어서, 하나 또는 그 이상의 냉각 유체들 및/또는 하나 또는 그 이상의 분출 유체들(210)을 구현할 수 있다 상기 연소기 장치(220)와 관련하여, 추가적인 구성 요소들도 설치될 수 있다. 예를 들면, 공기 분리 유닛이 N2 및 O2를 분리하기 위해 제공될 수 있고, 연료 주입기 장치가 상기 공기 분리기 유닛으로부터 O2를 수용하고 상기 O2를 CO2 및/또는 H2O, 그리고 기체, 액체, 초임계의 유체, 또는 고밀도 CO2 유체 내에서 슬러리화된 고상의 미립자 연료를 포함하는 연료 흐름과 결합시키기 위하여 제공될 수 있다.
다른 측면에 있어서, 상기 분출 냉각 연소기 장치(220)는 상기 연소기 장치(220)의 상기 연소실(222) 내로의 가압된 유체를 주입을 위하여 연료 주입기를 포함할 수 있고, 상기 연료 흐름은 처리된 탄소질 연료(254), 유동화 매체(255)(여기서 설명하는 바와 같이 상기 작동 유체(236)를 포함할 수 있는), 그리고 산소(242)를 포함할 수 있다. 상기 산소(농후화된)(242)와 상기 CO2 작동 유체(236)는 균질의 초임계 혼합물로서 결합될 수 있다. 존재하는 산소의 양은 상기 연소를 연소시키고 원하는 조성을 갖는 연소 생성물들을 생성하기에 충분할 수 있다. 상기 연소기 장치(220)는 또한 상기 연료 흐름뿐만 아니라 연소실(222)을 한정하는 다공성 분출 부재(230)의 벽들을 통해 연소 체적으로 들어가는 분출 유체(210)를 수용하기 위해 고압 및 고온 연소 체적으로 구성된 연소실(222)을 포함할 수 있다. 상기 분출 유체(210)의 공급량은 상기 연소기 장치의 유출구 부분/터빈 유입구 부분 온도를 원하는 값으로 조절 및/또는 상기 분출 부재(230)를 상기 분출 부재(230)를 형성하는 물질에 적합한 온도까지 냉각하는 데 사용될 수 있다. 상기 분출 부재(230)를 통해 안내되는 상기 분출 유체(210)는 상기 연소실(222)을 한정하는 상기 분출 부재(230)의 표면에 유체/버퍼층을 제공하며, 상기 유체/버퍼층은 상기 특정한 연료 연소로부터 유래되는 재 또는 액상의 슬래그의 입자들이 상기 분출 부재(230)의 노출된 벽들과 상호 작용하는 것을 방지할 수 있다.
고효율 연소기 장치의 측면들은 또한, 예를 들면, 다양한 등급들과 유형들의 석탄, 나무, 오일, 연료 오일, 천연 가스, 석탄계 연료 가스, 타르 샌드들(tar sands)로부터의 타르, 역청, 바이오-연료, 생물질, 조류, 그리고 분류된 가연성 고상 폐기물 쓰레기를 포함하는 다양한 연료 공급원들로 동작하도록 구성될 수 있다. 특히, 석탄 분말 또는 미립자의 고체가 사용될 수 있다. 비록 예시적인 석탄을 연소시키는 연소기 장치(220)가 여기에 개시되지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 연소기 장치(220) 내에 사용되는 연료가 특정한 석탄 등급에 제한되는 않는 점을 이해할 수 있을 것이다. 더욱이, 여기에 개시된 상기 순산소 연소기 장치에 의해 유지되는 고압들과 고온들 때문에, 석탄, 역청(타르 샌드들로부터 파생되는 역청을 포함하여), 타르, 아스팔트, 폐타이어들, 연료 오일, 디젤, 가솔린, 제트 연료(JP-5, JP-4), 천연 가스, 탄화수소 물질의 가스화 또는 열분해로부터 파생되는 가스들, 에탄올, 고상 및 액상의 바이오 연료들, 생물질, 조류, 그리고 처리된 고상 쓰레기 또는 폐기물을 포함하는 폭넓게 다양한 연료 형태들이 실행될 수 있다. 이러한 연료들은 모두 충분한 속도들과 상기 연소실(222) 내의 압력 이상의 압력들에서 상기 연소실(222) 내로의 주입이 가능하도록 적절하게 처리된다. 이러한 연료들은 주위 온도에서 또는 상승된 온도(예를 들면, 약 38℃ 내지 약425℃ 사이)에서 적절한 유동성과 점성을 갖는 액체, 슬러리, 겔(gel) 또는 페이스트(paste) 형태로 될 수 있다. 임의의 고체상의 연료 물질들은 적절하게 입자들의 크기를 감소시키도록 분쇄되거나 절단되거나 그렇지 않으면 처리된다. 유동화 또는 슬러리화 매체가 적절한 형상의 구현과 고압 펌핑을 위한 흐름 요구 사항들을 만족시키도록 필요한 경우에 첨가될 수 있다. 물론, 유동화 매체는 상기 연료의 형태(즉, 액체 또는 기체)에 따라 필요하지 않을 수 있다. 마찬가지로, 상기 순환하는 작동 유체는, 일부 측면들에 있어서, 상기 유동화 매체로서 사용될 수 있다.
일부 측면들에 있어서, 상기 연소실(222)은 약 1,300℃ 내지 약 5,000℃ 사이의 연소 온도를 지속시키도록 구성된다. 상기 연소실(222)은 또한 상기 연료 흐름(및 상기 작동 유체(236))이 연소가 일어나는 압력 보다 큰 압력에서 상기 연소실(222) 내로 주입되거나 그렇지 않으면 도입되도록 구성될 수 있다. 석탄 미립자가 상기 탄소질 연료인 경우, 상기 석탄 입자들은 펌핑 가능한 슬러리를 형성하도록 액체 CO2 또는 물을 분쇄된 고체상의 연료와 혼합함에 의해 초임계의 CO2 유체 또는 물 내에서 슬러리화 될 수 있다. 이러한 예들에 있어서, 상기 액체 CO2는, 예를 들면, 약 450㎏/m3 내지 약 1100㎏/m3 사이의 범위의 밀도를 가질 수 있으며, 상기 고체상의 연료의 질량 분율(mass fraction)은 약 25% 내지 약 95% 사이의 범위(예를 들면, 약 25 중량% 내지 약 55 중량% 사이)가 될 수 있다. 선택적으로, O2의 양은 상기 연소 생성물들의 원하는 조성을 생성하도록 연소되기에 충분하게 석탄/CO2 슬러리와 혼합될 수 있다. 선택적으로, 상기 O2는 상기 연소실(222) 내로 별도로 주입될 수 있다. 상기 연소기 장치(220)는 상기 연소실(222)을 한정하는 상기 분출 부재(230)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 격납 부재(338)를 포함할 수 있으며, 절연 부재(339)가 상기 격납 부재(338)와 상기 분출 부재(230) 사이에 배치될 수 있다. 일부 예들에 있어서, 물-순환 재킷들(337)을 한정하는 재킷 수냉 시스템과 같은 열 제거 장치(350)는 상기 격납 부재(338)에 체결될 수 있다(즉, 상기 연소기 장치(220)의 "껍질(shell)"을 형성하는 격납 부재(338)에 대해 외부로). 상기 연소기 장치(220)의 상기 분출 부재(230)와 함께 설치되는 상기 분출 유체(210)는, 예를 들면, 미소한 양들의 H2O 및/또는 N2 또는 아르곤과 같은 불활성 기체와 혼합된 CO2가 될 수 있다. 상기 분출 부재(230)는, 예를 들면, 다공성 금속, 세라믹, 복합체 매트릭스, 층상의 매니폴드(manifold), 임의의 다른 적절한 구조, 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 상기 연소실(222) 내의 연소는 고압 및 고온의 출구 유체 흐름을 생성할 수 있으며, 이는 후속하여 이에 관계되는 팽창을 위하여 터빈과 같은 분말-생성 장치로 안내될 수 있다.
도 1에 예시한 장치 측면들에 대하여, 상기 연소기 장치(220)는 약 355bar의 압력에서 상기 산소(242)를 수용하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 미립자의 고체상의 연료(예를 들면, 분말화된 석탄)(254)와 상기 유동화 유체(예를 들면, 액체 CO2)(255)도 약 355bar의 압력에서 수용될 수 있다. 이와 유사하게, 상기 작동 유체(예를 들면, 가열된, 고압의, 재활용 가능한 CO2 유체)(236)는 약 355bar의 압력 및 약 835℃의 온도에서 제공될 수 있다. 그러나, 본 발명의 측면들에 따르면, 상기 연료 혼합물(연료, 유동화 유체, 산소, 그리고 작동 유체)은 약 40bar 내지 약 500bar 사이의 압력에서 상기 연소실(222)의 상기 유입구 부분(222A)으로 수용될 수 있다. 여기서 설명하는 바와 같이, 상기 연소기 장치(220)의 측면들에 의한 상대적으로 높은 압력들은 최소의 부피로 상대적으로 높은 밀도까지 생성되는 에너지를 농축시키는 기능을 수행할 수 있으며, 본질적으로 상대적으로 높은 에너지 밀도를 야기할 수 있다. 상기 상대적으로 높은 에너지 밀도는 낮은 압력들에 비해 보다 효율적인 방식으로 이러한 에너지의 처리를 수행하는 후속하는 공정들을 가능하게 하며, 이에 따라 상기 기술을 위한 실현 가능 요소들을 제공한다. 본 발명의 측면들은 이에 따라 현존하는 발전소들 보다 차원이 큰 에너지 밀도(즉, 10-100 폴드(fold)에 의한)를 제공할 수 있다. 보다 높은 에너지 밀도는 상기 공정의 효율을 향상시키지만, 또한 열에너지로부터 전기로의 에너지 변환의 수행에 필요한 장비의 비용을 상기 장비의 크기와 질량을 감소시키고 이에 따른 장비의 비용을 감소시킴으로써 상기 장비의 비용을 절감시킨다.
구현되는 경우, 상기 CO2 삼중점 압력 및 상기 CO2 임계 압력 사이의 임의의 압력에서 액체인 상기 CO2 유동화 유체(255)는 질량 또는 다른 질량 비율로 약 55% CO2 및 약 45% 분말화된 석탄의 비율로 혼합물을 형성하도록 상기 분말화된 석탄 연료(254)와 혼합되어, 결과적인 슬러리가 전술한 약 355bar의 압력에서 상기 연소실(222)로 적절한 펌프에 의해 펌핑(유체 슬러리로서)될 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 상기 CO2 및 분말화된 석탄은 펌핑 이전에 약 13bar의 압력에서 혼합될 수 있다. 상기 O2 흐름(242)은 상기 재활용된 CO2 작동 유체 흐름(236)과 혼합되고 이러한 결합은 이후에 상기 분말화된 석탄/CO2 슬러리와 혼합되어 단일 유체 혼합물을 형성한다. 석탄에 대한 O2의 비율은 과잉 O2의 추가적인 1%로 상기 석탄의 연소를 완료하도록 충분하게 선택될 수 있다. 다른 측면에 있어서, O2의 양은 상기 석탄의 일부가 실질적으로 균일하게 산화되는 반면 다른 부분은 부분적으로만 산화될 수 있도록 선택될 수 있으며, 환원되고 일부 H2＋CO＋CH4를 포함하는 유체 혼합물을 야기한다. 이와 같은 방식에 있어서, 필요한 경우나 원하는 경우에 따라 일부 O2 주입과 제1 및 제2 단계들 사이에서 재가열로 상기 연소 생성물들의 2 단계 팽창이 수행될 수 있다. 또한, 상기 연료(석탄)가 상기 제1 단계(즉, 약 400℃ 내지 약 1,000℃ 사이의 온도에서의 제1 연소실)에서 단지 부분적으로 산화되기 때문에, 상기 제1 단계를 떠나는 탄소질 연료 내의 임의의 불연성 성분들은 상기 연소 생성물 내에 고체상의 미립자들로서 형성된다. 예를 들면, 와류형 및/또는 캔들(candle) 필터들에 의해 상기 고체 미립자들을 여과함에 따라, 상기 탄소질 연료는 이후에 약 1,300℃ 내지 약 3,500℃ 사이의 최종적인 연소 생성물 온도를 생성하도록 제2 단계(즉, 제2 연소실)에서 실질적으로 완전히 산화될 수 있다.
다른 측면들에 있어서, 상기 연료 혼합물을 통한 상기 연소실(222) 내에 존재하는 CO2의 양은, 비록 상기 연소 온도는 약 1,300℃ 내지 약 5,000℃ 사이의 범위가 될 수 있지만, 약 2,400℃의 연소 온도(단열적이거나 그렇지 않은)를 구현하도록 충분하게 선택된다. 일 측면에 있어서, 연료 혼합물의 자동 점화 온도 아래의 결과 온도에서 O2＋석탄 슬러리＋가열된 재활용 CO2의 연료 혼합물이 제공된다. 나타낸 조건들을 달성하기 위하여, 상기 고체상의 탄소질 연료(예를 들면, 석탄)가, 예를 들면, 석탄 밀(mill) 내에서 상기 고체상의 석탄을 분쇄함에 의해 바람직하게는 약 50 미크론 내지 약 200 미크론 사이의 평균 입자 크기로 제공된다. 이러한 분쇄 공정은 약 50 미크론 아래의 입자들의 최소 질량 비율을 제공하도록 구성된 밀 내에서 수행될 수 있다. 이러한 방식에 있어서, 상기 연소 공정에서 액상의 슬래그 방울들을 형성하도록 액화되는 그 내의 임의의 불연성의 성분들은 직경이 10 미크론 보다 클 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 약 400℃의 온도에서 상기 CO2＋O2＋분말화된 석탄 슬러리를 포함하는 상기 연료 혼합물은 약 355bar의 압력에서 상기 연소실(222) 내로 안내될 수 있으며, 상기 연소실(222) 내의 연소에서 알짜 압력(net pressure)은 약 354bar 정도가 될 수 있다. 상기 연소실(222) 내의 온도는 약 1,300℃ 내지 약 5,000℃ 사이의 범위일 수 있으며, 일부 바람직한 측면들에 있어서, 단일의 연소 단계만이 실시된다.
연소기 장치(220)의 일예에 있어서, 여기서 설명하는 바와 같이, 500MW 알짜 전력 시스템은 다음 조건들 하에서 약 58%의 효율(보다 낮은 가열 값 기준)에서 CH4 연료로 동작하도록 구성될 수 있다.
연소 압력：350 기압
연료 유입량：862MW
연료 흐름：17.2㎏/초
산소 흐름：69.5㎏/초
CH4 및 O2는 CO2 작동 유체의 155㎏/초와 혼합되고, 2,400℃ 정도의 단열 온도에서 CO2, H2O 및 일부 과잉 O2를 포함하는 출구 연료 흐름을 형성하도록 연소된다. 상기 연소실은 약 1m의 내측 직경과 약 5m의 길이를 가질 수 있다. 약 600℃의 온도에서 CO2의 395㎏/초의 흐름이 약 2.5㎝ 두께의 상기 분출 부재를 향해 안내되고, 상기 분출 부재를 통해 안내된다. 이러한 CO2는 상기 연소실 내의 연소의 방사로부터 상기 분출 부재까지를 개시하는 상기 분출 부재를 통해 전도되는 열로부터 대류로 가열된다.
상기 연소실을 한정하는 그 내측 표면에 대하여, 상기 분출 부재 표면 온도는 약 1,000℃ 정도가 될 수 있는 반면, 636.7㎏/초의 상기 출구 유체 흐름은 약 1,350℃의 온도가 될 수 있다. 이러한 예들에 있어서, 상기 연소 생성물들의 연소와 희석을 위한 평균 체류 시간은 약 1.25초이다. 또한, 상기 분출 부재를 통해 상기 연소실 내로 들어가는 상기 분출 유체의 평균 방사형 내측 속도는 대략 0.15m/s이다.
석탄-연료 연소기 장치들을 위한 예들의 변형은 약 2.0초의 연소실 내의 상기 연소 생성물들의 연소와 희석을 위한 평균 체류 시간, 그리고 약 1m의 내측 직경을 갖는 약 8m의 연소실 길이를 갖는 구성을 야기한다. 상기 희석(분출) 유체로서 CO2를 갖는 시스템의 알짜 효율(net efficiency)은 이에 따라 약 54%(보다 낮은 가열 값 기준)이다. 이러한 예들에 있어서, 상기 분출 유체의 방사상의 내측 속도는 약 0.07m/s 정도가 될 수 있다. 이러한 조건들 하에서, 도 5는 상기 분출 부재를 향해 이로부터 약 1㎜의 거리로부터 약 50m/s에서 방사상으로 외측으로 투영되는 50 미크론 직경의 액상 슬래그 입자의 개략적인 궤적을 나타낸다. 예시한 바와 같이, 상기 입자는 상기 분출 부재를 통한 상기 분출 유체에 의한 상기 출구 유체 흐름 내로 돌아가기 전에 상기 분출 부재로부터 최소 0.19㎜에 도달할 수 있다. 이러한 예들에 있어서, 상기 분출 부재를 통한 상기 분출 유체 흐름은 상기 분출 부재와 상기 연소 공정으로부터 유래되는 액상의 슬래그 입자들 사이의 상호 작용을 효과적으로 완충시킨다.
개시된 연소기 장치의 측면들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 잘 이해될 수 있는 바와 같이, 관련된 방법들을 이용하여 적절한 발전 시스템들에 구현될 수 있다. 예를 들면, 이러한 전력 생산 시스템은 연료(그리고 선택적으로 유동 매체), 산화제, 그리고 CO2 작동 유체를 제공하는 하나 또는 그 이상의 주입기들; 여기서 설명하는 바와 같이 상기 연료 혼합물을 연소시키고 출구 유체 흐름을 제공하는 적어도 하나의 연소 단계를 갖는 분출 냉각 연소기 장치를 포함할 수 있다. 변환 장치(transformation apparatus)(예를 들면, 도 6의 요소(500) 참조) 상기 출구 유체 흐름(연소 생성물과 작동 유체)을 수용하고, 상기 출구 유체 흐름에 반응하여 그와 연관된 열에너지를 운동 에너지로 변환하도록 구성될 수 있으며, 상기 변환 장치는, 예를 들면, 유입구와 유출구를 갖는 발전 터빈을 구비할 수 있고 전력이 상기 출구 유체 흐름이 팽창함에 따라 생성된다. 보다 상세하게는, 상기 터빈은 상기 유입구와 상기 유출구 사이에서 원하는 압력 비율로 상기 출구 유체 흐름을 유지하도록 구성될 수 있다. 발전기 장치(예를 들면, 도 6의 요소(550) 참조)도 상기 터빈의 운동 에너지를 전기로 변환하도록 구성된다. 즉, 상기 출구 유체 흐름은 이후에 전력으로 변환될 수 있는 축 동력을 생성하도록 높은 압력으로부터 낮은 압력까지 팽창할 수 있다. 열 교환기는 상기 터빈 유출구로부터 상기 출구 유체 흐름을 냉각시키기 위하여 및 상기 연소기 장치로 들어가는 상기 CO2 작동 유체를 가열하기 위하여 제공될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 장치들이 또한 상기 열 교환기를 나오는 상기 출구 유체 흐름을 순수한 CO2 및 회수 또는 폐기를 위하여 하나 또는 그 이상의 다른 성분들로 분리하기 위해 제공될 수 있다. 이러한 시스템은 또한 상기 정제된 CO2를 압축시키기 위해, 그리고 나머지 부분이 상기 열 교환기에 의해 가열되는 상기 작동 유체로서 재활용되는 상기 출구 유체 흐름으로부터 분리된 CO2의 적어도 일부를 가압된 파이프라인 내로 전송하기 위하여 하나 또는 그 이상의 장치들을 포함할 수 있다. 그러나 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 비록 본 발명이, 일부 실시예들에 있어서, 상기 출구 유체 흐름의 직접 구현을 수반할지하도, 상기 상대적으로 고온의 출구 유체 흐름이 간접적으로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 즉, 상기 출구 유체 흐름은 열 교환기 내로 안내될 수 있으며, 이와 관련된 열에너지가 제2 작동 유체 흐름을 가열하는 데 사용되고, 가열된 제2 작동 유체 흐름이 이후에 전력을 발생시키는 변형 장치(예를 들면, 터빈)로 안내된다. 또한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 많은 다른 이러한 장치들이 본 발명의 범주 내에 속할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 특정한 측면들에 있어서, 상기 탄소질 연료의 조성물은 불연성 성분들(즉, 오염물들)이 그 내에 포함될 수 있고, 상기 연소 공정에 이어서 상기 연소 생성물들/출구 유체 흐름에 잔류할 수 있는 것이다. 이는 상기 탄소질 연료가 석탄과 같은 고체일 경우가 될 수 있다. 이러한 측면들에 있어서, 상기 출구 유체흐름의 직접적인 구현은 상기 출구 유체 흐름이 이에 대해 보내질 경우에 추후의 변형 장치(터빈) 상에 이러한 불연성 성분들 또는 다른 손상을 강화시키는 결과를 가져올 수 있다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 또한 액체 또는 기체(즉, 천연 가스)와 같은 탄소질 연료의 다른 형태들이 구현될 때에 이러한 불연성 성분들이 필수적으로 존재하지는 않는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 고체 탄소질 연료 공급원과 상기 출구 유체 흐름 및 상기 변형 장치 사이의 직접적인 상호 작용이 구현되는 측면들에 있어서, 상기 전력 시스템(연소기 장치와 변환 장치)은 상기 연소기 장치와 상기 변환 장치 사이에 배치되는 분리기 장치를 더 포함할 수 있다. 이러한 예들에 있어서, 상기 분리기 장치는, 상기 연소 생성물들/출구 유체 흐름이 상기 변환 장치로 안내되기 이전에, 이에 따라 수용된 상기 연소 생성물들/출구 유체 흐름으로부터 액화된 불연성 성분들을 실질적으로 제거하도록 구성될 수 있다. 또한, 분리기 장치를 설치하는 측면들에 있어서, 개시된 분출 물질은 상기 분리기 장치의 이전 및 추후에 모두 도입될 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 분출 물질은, 상기 불연성 성분들의 액화 온도 이상에서 상기 분리기 장치로 들어가는 상기 분출 물질과 상기 연소 생성물들의 혼합물을 조절하기 위하여, 상기 분출 부재와 상기 분리기 장치의 이전을 경유해 상기 연소실로 먼저 도입될 수 있다. 상기 분리기 장치에 후속하여, 분출 물질 전달 장치(예를 들면, 도 6의 요소(475) 참조)는, 약 400℃ 내지 약 3,500℃ 사이의 온도에서 상기 변환 장치로 들어가는 상기 분출 물질과 상기 연소 생성물들의 혼합물을 조절하기 위하여 상기 분출 물질을 상기 분리기 장치를 떠나는 이로부터 액화된 불연성 성분들이 실질적으로 제거된 상기 연소 생성물들에 전달하도록 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 연소기 장치의 측면들은 상기 연소 공정 동안에 액화되는 상기 고체상의 탄소질 연료 내의 불연성 성분들을 야기하는 연소 온도를 구현할 수 있는 능력을 구비할 수 있다. 이러한 예들에 있어서, 상기 액화된 불연성 성분들을 제거하기 위한 설비들은, 예를 들면, 도 4에 도시한 바와 같이 사이클론 분리기(cyclonic separator)와 같은 분리기 장치(340)와 같이 적용될 수 있다. 통상적으로, 본 발명에 의해 구현되는 이러한 사이클론 분리기 장치의 측면들은, 상기 연소 생성물들/출구 유체 흐름 및 이에 관련된 상기 액화된 불연성 성분들을 수용하도록 구성된 유입구 원심 분리기 장치(100A)와 그로부터 실질적으로 제거되는 상기 액화된 불연성 성분들을 갖는 상기 연소 생성물들/출구 유체 흐름을 배출하도록 구성된 유출구 원심 분리기 장치(100B)를 포함하는 복수의 연속적으로 정렬된 원심 분리기 장치들(100)을 구비할 수 있다. 각각의 원심 분리기 장치(100)는 중앙 수집 파이프(2)에 대해 평행하게 동작 가능하게 정렬된 복수의 원심 분리기 요소들 또는 사이클론들(1)을 포함하며, 각각의 원심 분리 요소/사이클론(2)은 상기 연소 생성물들/출구 유체 흐름으로부터 상기 액화된 불연성 성분들의 적어도 일부를 제거하고, 상기 액화된 불연성 성분들의 상기 제거된 부분을 배수조(sump)(20)로 안내하도록 구성된다. 이러한 분리기 장치(340)는 상승된 압력에서 동작하도록 구성될 수 있으며, 이에 따라 상기 원심 분리기 장치와 상기 배수조를 수납하도록 구성되는 가압(pressure-containing) 하우징(125)을 더 포함할 수 있다. 이러한 측면들에 따르면, 상기 가압 하우징(125)은 상기 연소기 장치(220)도 둘러싸는 상기 격납 부재(338)의 연장부가 될 수 있거나, 상기 가압 하우징(125)은 상기 연소기 장치(220)와 관련된 상기 격납 부재(338)를 체결할 수 있는 분리기 부재가 될 수 있다. 어느 하나의 예에 있어서, 상기 출구 유체 흐름을 경유한 상기 분리기 장치(340)에 의해 경험되는 상승된 온도로 인하여, 상기 가압 하우징(125)은 또한 내부에 순환하는 액체를 갖는 열전달 재킷(도시되지 않음)과 같은 그로부터의 열의 제거를 위하여 이에 동작 가능하게 체결되는 열-분산(heat-dispersion) 시스템(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 열 회수 장치(도시되지 않음)는 상기 열전달 재킷에 동작 가능하게 체결될 수 있으며, 상기 열 회수 장치는 상기 열전달 재킷 내에 순환하는 액체를 수용하고 상기 액체로부터 열에너지를 회수하도록 구성될 수 있다.
보다 상세하게는, 도 4에 도시한 상기 (슬래그 제거)분리기 장치(340)는 이로부터 상기 출구 유체 흐름/연소 생성물들을 수용하기 위하여 그 유출구 부분(222B)에 대해 상기 연소기 장치(220)와 함께 연속적으로 배치되도록 구성된다. 그 내에 상기 액상의 슬래그(불연성 성분들) 방울들을 갖는 상기 연소기 장치(220)로부터의 상기 분출 냉각 출구 유체 흐름은 원뿔형 감소기(10)를 경유해 상기 유입구 원심 분리기 장치(100A)의 중앙 수집기 설비(2A)로 들어가도록 안내된다. 일 측면에 있어서, 상기 분리기 장치(340)는 3개의 원심 분리기 장치들(100A, 100B, 100C)(비록 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 필요에 따라 또는 원하는 경우에 이러한 분리기 장치가 하나, 둘, 셋 또는 그 이상의 원심 분리기 장치를 포함할 수 있는 점을 이해할 수 있을 것이지만)을 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 상기 3개의 원심 분리기 장치들(100A, 100B, 100C)은 3 단계 원심 분리(cyclonic separation) 유닛을 제공하도록 동작 가능하게 연속적으로 정렬될 수 있다. 각각의 원심 분리기 장치는, 예를 들면, 대응되는 중앙 수집기 파이프(2)의 둘레에 대해 정렬되는 복수의 원심 분리기 요소들(사이클론들(1))을 포함한다. 상기 중앙 수집 설비들(2A)과 상기 유입구 원심 분리기 장치(100A)의 중앙 분리기 파이프들(2), 그리고 안쪽의 원심 분리기 장치(100C)는 각기 그 유출구 단부에서 밀폐된다. 이러한 예들에 있어서, 상기 출구 유체 흐름은 각 원심 분리기 장치(100)의 원심 분리기 요소들(사이클론들(1))의 각각에 대응되는 분기 채널들(11) 내로 안내된다. 상기 분기 채널들(11)은 이를 위한 접선 방향의 유입구(예를 들면, 상기 사이클론(1)으로 들어가는 상기 출구 유체 흐름이 나사형 흐름 내의 상기 사이클론(1)의 벽들과 상호 작용하는 것을 야기하는)를 형성하도록 각 사이클론(1)의 유입구 단부를 체결하도록 구성된다. 각 사이클론(1)으로부터의 유출구 채널(3)은 이후에 해당 원심 분리기 장치(100)의 상기중앙 수집기 파이프(2)의 유입구 부분 내로 전송된다. 상기 유출구 원심 분리기 장치(100B)에서, 상기 출구 유체 흐름(이로부터 실질적으로 분리된 상기 불연성 성분들을 갖는)은 수집기 파이프(12)와 유출구 노즐(5)을 통해 상기 유출구 원심 분리기 장치(100B)의 상기 중앙 수집기 파이프로부터 안내되어, "청정한(clean)" 출구 유체 흐름이 이후에 상기 변환 장치와 관련된 경우와 같이 후속하는 공정에 안내될 수 있다. 상기 예시적인 3 단계의 원심 분리 장치는 이에 따라 슬래그를, 예를 들면, 상기 출구 유체 흐름 내의 질량으로 5ppm 이하로 감소되게 제거할 수 있다.
상기 분리기 장치(340)의 각 단계에서, 상기 분리된 액상의 슬래그는 배수조(20)를 향해 연장되는 유출구 튜브들(4)을 경유해 상기 사이클론들(1)의 각각으로부터 안내된다. 상기 분리된 액상의 슬래그는 이후에 이로부터 성분들의 제거 및/또는 회수를 위하여 유출구 노즐(14) 또는 상기 배수조(20)와 상기 가압 하우징(125)으로부터 연장되는 파이프(14) 내로 안내된다. 상기 슬래그의 제거를 달성함에 있어서, 상기 액상 슬래그는 수냉(water-cooled) 구획(6) 또는 그렇지 않으면 높은 압력, 차가운 물 연결부를 갖는 구획을 통해 안내될 수 있으며, 물과의 상호 작용은 상기 액상 슬래그의 고체화 및/또는 입상화를 가져온다. 상기 고체화된 슬래그와 물의 혼합물은 이후에 용기(수집 설비)(7) 내에서 적절한 파이프(9)를 통해 제거될 수 있는 슬래그/물 유체 혼합물로 분리될 수 있는 반면, 임의의 잔류 가스는 분리 라인(8)을 통해 제거될 수 있다.
상기 분리기 장치(340)가 상대적으로 낮은 온도의 출구 유체 흐름과 함께(즉, 상기 불연성 성분들을 상대적으로 낮은 점도를 갖는 액체 형태로 유지하기에 충분한 온도에서) 구현되기 때문에, 일부 예들에 있어서, 상기 연소 생성물들/출구 유체 흐름 및 이와 관련된 상기 액화된 불연성 성분들의 하나에 노출되는 상기 분리기 장치(340)의 표면들이 높은 온도 저항성, 높은 부식 저항성 및 낮은 열전도도의 적어도 하나를 갖도록 구성되는 물질로 이루어지는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 물질들의 예들은, 비록 이러한 예들이 어떠한 방식으로도 제한하려는 의도는 아니지만, 지르코늄 산화물 및 알루미늄 산화물을 포함할 수 있다. 이와 같이, 특정 측면들에 있어서, 상기 분리기 장치(340)는 상기 연소 생성물들/출구 유체 흐름으로부터 상기 액화된 불연성 성분들을 실질적으로 제거하고, 상기 불연성 성분들을 적어도 배수조(20)로부터 이로부터 제거될 때까지 낮은 점도의 액체 형태로 유지하도록 구성된다.
여기서 설명하는 바와 같이, 고상의 탄소질 연료의 경우들에서 상기 슬래그 분리는, 일부 예들에 있어서, 유지와 검사를 위하여 상기 시스템으로부터 빠르게 추출될 수 있는 단일 유닛(분리기 장치(340))에서 구현될 수 있다. 그러나, 이러한 측면은 도 6에 도시한 바와 같이 다른 이점들을 제공할 수 있으며, 이에 따라 상기 시스템은 특정한 연료 공급원의 효용성에 관하여 동작에서 "혼합 연료(flex fuel)" 접근을 구현하도록 쉽게 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 단일 유닛 분리기 장치(340)는, 상기 연소기 장치(220)가 상기 연료 공급원으로 고체 탄소질 연료를 사용하는 때에 상기 연소기 장치(220)와 상기 변환 장치(터빈)(500) 사이에서 상기 시스템 내에 설치될 수 있다. 액체 또는 기체 탄소질 연료 공급원으로 바람직하게 변화될 수 있을 경우, 상기 분리기 유닛(340)은 상기 시스템으로부터 제거될 수 있으므로(즉, 앞서 논의한 바와 같이 필수적이 아닐 수 있으므로) 상기 연소기 장치(220)로부터의 상기 출구 유체 흐름이 상기 변환 장치(500)로 직접 안내될 수 있다. 상기 연료의 유용성이 후에 고체 탄소질 연료 공급원에 따르는 바와 같이 상기 시스템도 이에 따라 쉽게 상기 분리기 장치(340)를 설치하도록 이전으로 변화될 수 있다.
상술한 설명들과 관련 도면들을 통해 제시된 본 발명의 이점들과 개시 사항들을 포함하는 여기서 설정된 본 발명의 많은 변형들과 다른 측면들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이해될 수될 수 있을 것이다. 예를 들면, 일부 측면들에 있어서, 상기 내측 분출 부재(332) 내로 및 이를 통하고 상기 연소실(222) 내로의 상기 분출 유체 물질/유체(210)의 전체 흐름의 일부만이 상기 연소실(222) 내에서 상기 분출 유체의 나선형 흐름을 제공하는 데 필수적일 수 있다. 일예에 있어서, 예를 들면, 상기 연소실(222)로 들어가는 분출 유체(210)의 전체 질량 흐름의 약 90%까지가, 상기 연소실(222)을 한정하는 상기 내측 분출 부재(332)의 벽들에 고체 혹은 액체 입자들 또는 오염물들이 영향을 미치는 것을 방지하도록 상기 연소실(222) 내로 상기 분출 유체(210)의 충분한 방사상의 흐름을 유지하면서 상기 나선형 흐름을 제공하거나 유도하도록 구현될 수 있다.
또한, 일부 측면들에 있어서, 상기 장치(220)는, 예를 들면, 상기 고체상의 연료(즉, 석탄) 슬러리를 사용하는 부분 산화 장치로서 구성되고 정렬될 수 있다. 이러한 예들에 있어서, 상기 부분 산화 연소기 장치(220)는, 예를 들면, 약 1,600℃까지, 또는 다른 예들에 있어서, 약 1,400℃ 내지 약 1,500℃ 사이의 범위의 동작 온도를 가지도록 구성될 수 있으며, 상기 연료 내의 연소된 탄소는 약 2% 이하, 바람직하게는 약 1% 이하가 되어야 한다. 이들 예들에 있어서, 상기 상대적으로 낮은 동작 온도는 상대적으로 높은 탄소 전환율과 사용 가능한 열을 용이하게 하면서 이의 연소를 최소화하여 H2 및 CO의 생성을 용이하게 한다.
다른 측면들에 있어서, 상기 연소기 장치(220)는 약 5,000℃ 또는 그 이상의 상대적으로 높은 출구 온도에서 동작하도록 구성될 수 있으며, 이는, 예를 들면, 단열 불꽃 온도 또는 생성물 가스를 용이하게 해리하기에 충분한 다른 온도와 관련될 수 있다. 예를 들면, CO2는 약 1,600℃ 이상에서 상당히 해리된다.
또 다른 측면들에 있어서, 상기 버너 장치(300)는 상기 탄소질 연료와 이로부터 상향으로 확산하는 CO2 성분의 예비 혼합이 없도록 구성되고 정렬될 수 있다. 또한, O2도 버너 팁(tip)에서, 예를 들면, 노즐들의 분리된 세트 또는 상기 주입 노즐(들)을 둘러싸는 동심성 환형의 링으로 도입될 수 있다. 이러한 예들에 있어서, 확산 불꽃이 높은 H2 함량을 갖는 탄소질 연료들을 위해 구현될 수 있다. 상기 버너 장치(300)에서 매우 높은 온도를 달성하기 위하여, 상기 연료, 산소 및/또는 임의의 희석제들의 예열도 요구될 수 있다.
이에 따라, 본 발명이 개시된 특정 측면들에 의해 제한되지 않으며, 이에 대한 변형들과 다른 측면들도 첨부된 특허청구범위의 범주 내에 포함되도록 의도된다. 비록 특정 용어들이 여기서 사용되었지만, 이들 용어들 일반적이고 서술적인 의미로만 사용된 것이며 본 발명을 제한하려는 의도는 아니다.

Claims (32)

  1. 탄소질 연료를 농후화된(enriched) 산소 및 작동 유체와 혼합하여 연료 혼합물을 형성하는 혼합 장치; 및
    대향하는 유출구 부분과 길이 방향으로 이격되는 유입구 부분을 갖는 연소실을 한정하는 연소기 장치를 포함하며, 상기 유입구 부분은 연소 생성물을 형성하도록 연소 온도에서 상기 연소실 내에서의 연소를 위해 상기 연료 혼합물을 수용하게 구성되고, 상기 연소실은 상기 유출구 부분을 향해 상기 연소 생성물을 길이 방향으로 안내하게 구성되며, 상기 연소기 장치는,
    격납 부재; 및
    상기 연소실을 적어도 부분적으로 한정하고, 상기 격납 부재에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이는 다공성 주위 분출 부재를 구비하며, 상기 다공성 분출 부재는, 상기 연소실을 향하여 상기 연소실을 한정하는 그 둘레에 대해 그를 통한 측방으로 및 상기 유입구 부분과 상기 유출구 부분 사이의 길이 방향으로, 또는 상기 연소실을 향해 그를 통해 분출 물질을 실질적으로 균일하게 안내하도록 구성되어, 상기 연소 생성물과 상기 다공성 분출 부재 사이의 상호 작용을 완충시키도록 상기 분출 물질이 그 둘레에 대해 나선형으로 및 상기 유입구 부분과 상기 유출구 부분 사이를 길이 방향으로 흐르게 안내되는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합 장치는 고체상의 탄소질 연료, 액체상의 탄소질 연료 및 기체상의 탄소질 연료의 하나를 약 85% 보다 큰 몰 순도를 갖는 삼소를 포함하는 상기 농후화된 산소 및 상기 작동 유체와 혼합하도록 더 구성되며, 상기 작동 유체는 이산화탄소 및 물로부터 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소질 연료는 약 50 미크론 내지 약 200 미크론 사이의 평균 입자 크기를 갖는 미립자의 고체이고, 상기 혼합 장치는 상기 미립자의 고체상의 탄소질 연료를 유동화 물질과 혼합하도록 더 구성되며, 상기 유동화 물질은 물 및 약 450㎏/m3 내지 약 1,100㎏/m3 사이의 밀도를 갖는 액체상의 CO2 중에서 하나를 포함하고, 약 25 중량% 내지 약 95 중량% 사이의 상기 미립자의 고체상의 탄소질 연료를 포함하는 슬러리를 형성하도록 상기 유동화 물질이 상기 미립자의 고체상의 탄소질 연료와 협력하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 연소실은 약 40 bar 내지 약 500 bar의 압력에서 그 상기 유입구 부분 내의 상기 연료 혼합물을 수용하도록 더 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합 장치로부터 상기 연료 혼합물을 수용하고 상기 연료 혼합물을 상기 연소실의 상기 유입구 부분 내로 안내하도록 구성된 버너 장치를 더 포함하며, 상기 버너 장치는 상기 연소실 내로 안내되는 상기 연료 혼합물의 소용돌이를 유도하도록 더 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 버너 장치는 상기 연료 혼합물의 소용돌이를 그로부터 상기 연료 혼합물의 출구 상에서 상기 연소실 내로 유도하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합 장치로부터 상기 연료 혼합물을 수용하고 상기 연료 혼합물의 실질적으로 균일한 흐름을 상기 연소실의 상기 유입구 부분 내로 안내하도록 구성되는 버너 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 연소 온도는 약 1,300℃ 내지 약 5,000℃ 사이이며, 상기 탄소질 연료 내의 불연성 오염물들이 상기 연소실 내에서 액화되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 분출 물질은 약 400℃ 내지 약 3,500℃ 사이의 온도에서 상기 연소실의 상기 유출구 부분에 대한 상기 분출 물질 및 상기 연소 생성물의 출구 혼합물을 조절하기 위하여 상기 다공성 분출 부재를 통해 상기 연소실 내로 도입되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 분출 물질은 상기 다공성 분출 부재를 통해 안내되는 이산화탄소를 포함하여, 상기 분출 물질이 상기 연소실 내에서 상기 다공성 분출 부재에 바로 인접하는 버퍼층을 형성하며, 상기 버퍼층은 상기 다공성 분출 부재와 액화된 불연성 오염물들 사이의 상호 작용과 상기 연소 생성물과 관련된 열을 완충하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 다공성 분출 부재는 분출 물질을 이를 통해 및 상기 연소실 내로 그 둘레에 대해 실질적으로 균일하게 및 상기 유입구 부분과 상기 유출구 부분 사이에서 길이 방향으로 안내하도록 구성되어, 상기 분출 물질이 상기 다공성 분출 부재의 둘레에 대해 실질적으로 접선 방향으로 및 이에 대해 나선형으로 흐르도록 안내되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 다공성 분출 부재는 상기 분출 물질을 상기 다공성 분출 부재의 둘레에 대해 실질적으로 접선 방향으로 흐르도록 안내하기 위하여, 그를 통해 안내되는 상기 분출 문질에 대해 코안다 효과(Coanda effect)를 부여하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 혼합기 장치로부터 상기 연료 혼합물을 수용하고, 상기 연료 혼합물을 상기 분출 물질의 나선형 흐름에 대향하는 방향으로 상기 연소실의 유입구 부분 내로 안내하도록 구성되는 버너 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 혼합기 장치로부터 상기 연료 혼합물을 수용하고, 상기 연료 혼합물을 상기 분출 물질의 나선형 흐름에 일치하는 방향으로 상기 연소실의 유입구 부분 내로 안내하도록 구성되는 버너 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 혼합기 장치로부터 상기 연료 혼합물을 수용하고, 상기 연료 혼합물의 실질적으로 균일한 선형의 흐름을 상기 연소실의 유입구 부분 내로 안내하는 버너 장치를 더 포함하며, 상기 분출 유체의 나선형 흐름은 상기 연소실 내에서 상기 연료 혼합물의 소용돌이를 유도하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 연소실은 상기 유입구 부분을 향해 배치되는 연소 구획 및 상기 유출구 부분을 향해 배치되는 후-연소 구획을 포함하며, 상기 다공성 분출 부재는, 상기 연소실 내의 상기 연료 혼합물의 유도된 소용돌이에 대하여 상기 후-연소 구획 내의 상기 연소 생성물의 유도된 소용돌이를 반전시키기 위하여, 상기 후-연소 구획 상부의 상기 분출 물질의 나선형 흐름이 상기 연소 구획 상부의 상기 분출 물질의 나선형 흐름에 대향하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 다공성 분출 부재는, 상기 유입구 부분과 상기 유출구 부분 사이의 상기 연료 혼합물과 상기 연소 생성물의 하나의 유도된 소용돌이를 교호적으로 반전시키기 위하여, 상기 분출 물질의 나선형 흐름이 적어도 그 구획을 따라 교호적으로 반전되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 다공성 분출 부재는 그를 통해 연장되는 적어도 하나의 분출 포트를 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 분출 포트는 상기 연료 혼합물과 상기 연소 생성물의 하나 내로 상기 분출 물질의 보충적인 선형의 흐름을 그 흐름 특성에 영향을 미치기 위해 안내하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 격납 부재와 관련되고 그 온도를 조절하도록 구성되는 열 제거 장치를 더 포함하며, 상기 열 제거 장치는 내부를 순환하는 액체를 갖는 열전달 재킷을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 다공성 분출 부재는 구멍들을 한정하도록 더 구성되며, 상기 다공성 분출 부재는 상기 구멍들을 한정하는 상기 다공성 분출 부재의 펴면 면적과 실질적으로 동일한 누적 구멍 면적을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 구멍들은 이격되고, 상기 다공성 분출 부재에 대해 그 유입구와 유출구 부분들 사이에서 실질적으로 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 연소기 장치로부터 상기 연소 생성물을 수용하도록 구성되는 변환 장치를 더 포함하며, 상기 변환 장치는 상기 연소 생성물에 반응하여 그와 관련된 열에너지를 운동 에너지로 변환하는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 탄소질 연료는 고체이고, 상기 시스템은 상기 연소기 장치와 상기 변환 장치 사이에 배치되는 분리기 장치를 더 포함하며, 상기 분리기 장치는 상기 연소 생성물이 상기 변환 장치로 안내되기 이전에 수용된 상기 연소 생성물로부터 액화된 불연성 오염물들을 실질적으로 제거하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 분출 물질은, 상기 불연성 오염물들의 액화 온도 이상에서 상기 분리기 장치로 들어가는 상기 분출 물질과 상기 연소 생성물의 혼합물을 조절하기 위하여 상기 다공성 분출 부재를 경유해 상기 연소실 내로 도입되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  25. 제 24 항에 있어서, 약 400℃ 내지 약 3,500℃ 사이의 온도에서 상기 변환 장치로 들어가는 상기 분출 물질과 상기 연소 생성물의 혼합물을 조절하기 위하여, 상기 분리기 장치에 후속하여 배치되고, 그로부터 실질적으로 제거되는 상기 액화된 불연성 오염물들을 갖는 상기 연소 생성물에 상기 분출 물질을 전달하도록 구성되는 분출 물질 전달 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  26. 제 23 항에 있어서, 상기 분리기 장치는 복수의 연속하여 정렬된 원심 분리기 장치들을 더 포함하고, 각 원심 분리기 장치는 나란하게 동작 가능하게 정렬된 복수의 원심 분리기 요소들을 가지며, 상기 분리기 장치에 의해 상기 연소 생성물로부터 제거된 상기 액화된 불연성 오염물들은 상기 분리기 장치와 관련된 배수조 내에 제거 가능하게 수집되는 것을 특징으로 하는 장치.
  27. 제 22 항에 있어서, 상기 분출 물질은 상기 다공성 분출 부재를 통해 안내되는 이산화탄소를 포함하여 상기 분출 물질이 상기 연소실 내에서 상기 다공성 분출 부재에 바로 인접하는 버퍼층을 형성하며, 상기 버퍼층은 상기 다공성 분출 부재와 상기 액화된 불연성 오염물들 사이의 상호 작용과 상기 연소 생성물과 관련된 열을 완충하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  28. 제 22 항에 있어서, 상기 변환 장치는, 상기 연소 생성물에 반응하도록 구성되어 이와 관련된 에너지를 운동 에너지로 변환하는 터빈 및 상기 운동 에너지를 전기로 변환하도록 구성된 발전기 장치 중에서 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  29. 제 1 항에 있어서, 상기 다공성 분출 부재는 상기 연소실 내로 그에 대해 실질적으로 직각으로 상기 분출 유체를 안내하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  30. 제 1 항에 있어서, 상기 분출 물질도 상기 작동 유체로서 상기 혼합 장치에 공급되는 것을 특징으로 하는 장치.
  31. 제 1 항에 있어서, 상기 작동 유체로서 상기 혼합 장치 및 상기 분출 물질로서 상기 분출 부재의 적어도 하나에 상기 분출 물질을 제공하도록 구성되는 적어도 하나의 분출 물질 공급원을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  32. 제 1 항에 있어서, 상기 작동 유체 및 상기 분출 물질은 초임계의 이산화탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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