KR20170021789A - 열교환 제어를 이용한 화학 루핑 레독스 연소를 위한 프로세스 및 장치 - Google Patents

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마흐디 야즈단파나
티에리 고띠에
플로랑 귈루
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아이에프피 에너지스 누벨
토탈 라피나쥬 쉬미
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Abstract

본 발명은 탄화수소 기반 공급원료의 화학 루핑 레독스 연소를 위한 프로세스 및 장치에 관한 것으로, 열교환은 화학 루프에서 입자들을 각각 환원 및 산화시키기 위한 환원 구역 (210) 과 산화 구역 (200) 사이에서 순환하는 입자들을 수송하기 위한 라인에 위치결정된, 외부 열교환기 (E1, E2) 에서 활성 매스 입자들의 조밀한 유동층의 레벨 변화에 의해 제어된다. 층 레벨의 변화는 열교환기에서 유동화 가스의 출구를 통한 압력 강하의 제어 적용에 의해 허용되고, 상기 압력 강하는 화학 루프에서 입자들의 회로에 위치한 리저버 구역에서 활성 매스 입자들 층의 레벨 변화에 의해 보상된다.

Description

열교환 제어를 이용한 화학 루핑 레독스 연소를 위한 프로세스 및 장치{PROCESS AND APPARATUS FOR CHEMICAL LOOPING REDOX COMBUSTION WITH CONTROL OF THE HEAT EXCHANGES}
본 발명은 탄화수소 공급물들의 화학 루핑 산화-환원 연소 (CLC), 특히 이러한 화학 루프에서 열교환 제어에 관한 것이다.
이하 본문에서, 화학 루핑 산화-환원 연소 (CLC) 로서 지칭되는 것은 활성 매스 (active mass) 에 대한 산화-환원 또는 레독스 (redox) 루핑 프로세스이다. 일반적으로, 용어들 산화 및 환원은 각각 활성 매스의 산화 또는 환원 상태와 관련하여 사용되는 것에 주목할 수 있다. 산화 반응기는 레독스 매스가 산화되는 반응기이고 환원 반응기는 레독스 매스가 환원되는 반응기이다. 반응기들은 유동층 조건들 하에 작동하고 활성 매스는 산화 반응기와 환원 반응기 사이에서 순환한다. 순환 유동층 기술은, 산화 반응기에서 산화 상태로부터 환원 반응기에서 환원 상태로 활성 매스의 연속 변화를 가능하게 하는데 사용된다.
증가하는 세계 에너지 수요와 관련하여, 격리를 위한 이산화탄소 (CO2) 의 포집은 환경에 유해한 온실 가스 방출을 제한하기 위해서 반드시 해야 하는 필요 사항이 되었다. CLC 프로세스는 연소 중 방출되는 CO2 의 포집을 용이하게 하면서 탄화수소 함유 연료들로부터 에너지를 발생시키도록 허용한다.
CLC 프로세스는 연소 반응을 2 개의 연속 반응들로 나누기 위해 활성 매스, 전형적으로 금속 산화물의 레독스 반응들을 사용하는 것으로 구성된다. 공기 또는 산화 가스와 활성 매스의 제 1 산화 반응은 활성 매스가 산화될 수 있도록 허용한다.
그 후, 환원 가스를 사용하는, 이렇게 산화된 활성 매스의 제 2 환원 반응은 재사용가능한 활성 매스, 및 본질적으로 CO2 와 물을 포함하는 가스 혼합물, 또는 심지어 수소와 일산화탄소를 함유한 합성 가스를 수득할 수 있도록 허용한다. 따라서, 이 기술은 실제로 산소와 질소가 없는 가스 혼합물에서 CO2 또는 합성 가스를 격리할 수 있도록 한다.
화학 루핑 연소는 예를 들어 증기 또는 전기의 형태로 이 프로세스로부터 에너지를 발생시키는 것을 가능하게 한다. 공급 연소 열은 종래의 연소에서 접하게 되는 열과 유사하다. 그것은 화학 루프에서 환원 열과 산화 열의 합에 대응한다. 열은 일반적으로 흄 (fumes) 라인들 또는 금속 산화물 이송 라인들에서 연소 및/또는 산화 인클로저들의 벽에 또는 내부에 배치되거나 삽입된 교환기들을 통하여 추출된다.
에너지를 발생시키기 위해서 연소 열을 회수하는 장점 이외에, CLC 프로세스에서 온도를 제어할 수 있는 것이 중요하다. 실로, 산화 구역 및 환원 구역에서 반응 온도는 양호한 프로세스 성능을 보장하고 안전상의 이유로 제어될 필요가 있다. 프로세스 열을 제어하기 위한 이런 열 회수는 바람직하게 루프에서 순환하는 활성 매스와 열교환에 의해 달성된다.
이 열 회수는 CLC 프로세스에서 레독스 반응기들의 벽들에서 달성될 수 있다. 하지만, 특히 열 교환이 벽들에 한정된 교환면으로 인해 제한되기 때문에, 입자들의 단지 일부만 이 교환면과 접촉하기 때문에, 또한 단지 열교환 제어를 위해 이 반응 구역들에서 산소 운반 고체의 유량을 변조할 수 있기 때문에, 상기 구성은 최적이 아닐 수도 있다. 실로, 산소 운반 고체 유동은 연소에 사용된 산소 양에 직접 관련되고, 산소 운반 고체 유량의 임의의 변화는, 예를 들어, 연료 관리 및/또는 반응 화학량론 문제점들을 유발할 수도 있는 반응들의 진행에 영향을 미치고, 그 결과 프로세스 수율에 영향을 미친다.
연소 및/또는 산화 인클로저들 외부에서 열교환기들을 사용하는 것을 고려할 수 있다.
일반적인 용어로, 이러한 유동층 열교환 기기들은 순환 유동층 화력 발전소들과 같은 일부 분야들에서 공지되어 있고, 그것은 유동층 열교환기들 (FBHE) 또는 외부 열교환기들 (EHE) 로 식별된다. 그것은 일반적으로 입자들 형태의 고체를 위한 입구, 가스를 사용하는 유동화 기기, 가스 출구 및 고체 출구를 포함하는 용기의 형태로 되어 있다 (Q. Wang 외, Chemical Engineering and Processing 42 (2003), 327 ~ 335).
열교환을 달성하기 위해서, 튜브 번들은 종래에는 튜브들에서 순환하는 열 운반 유체와 유동층 사이에 교환면을 생성하도록 유동층에 제공된다. 종래에는, 에너지 분야에서, 특히 화력 발전소들에서, 열 운반 유체는 가열되거나 적어도 부분적으로 기화되거나, 열교환기의 튜브 번들에서 과열되는 가압 보일러수이다. 이 교환기들은, 일반적으로, 예를 들어 특허 US-4,716,856 또는 Wang 외 (Chemical Engineering and Processing 42, 2003, 327 ~ 335 페이지) 에 의해 보여주는 것처럼, 고체 배출을 위한 오버플로우 메커니즘과 작동한다. 오버플로우 파이프를 사용하는 것은, 유동층의 체적이 일정하고 따라서 유동층을 구비한 교환면이 일정하다는 것을 암시한다. 이것은 이 표면의 변화를 통하여 열 회수를 변조하는 것을 불가능하게 하고 예를 들어 교환 구역을 통과하는 고체의 유동과 같은 작동 파라미터들을 변조하는 것을 요구한다.
그러면, 특허 EP-0,090,641 A2 에서 설명한 대로 기계적 밸브와 같은 고체 유동 제어 기기가 사용될 수 있다. 이 옵션의 한 가지 단점은 교체 유동을 제어하기 위한 기계 기기를 사용한다는 점이다. 이런 유형의 기기는 특히 CLC 프로세스와 같은 고온에서 작동하는 프로세스들에서 제한적이고, 그것은 고온에서 유동 입자 연마재 층에서 가동부들을 포함하는 기계 기기의 구현시 내재하는 신뢰성 문제점들을 이끌 수 있다.
고체 유동을 조정하기 위해서, CLC 프로세스에서 고체 활성 매스 입자들의 순환을 제어하는데 사용된, 특허 출원 WO-2011/007,055 에서 설명되는 공압 밸브들과 같은 비기계적 밸브들을 사용할 수 있다. 이런 유형의 공압 밸브는 온도와 연마 문제점을 해결할 수 있도록 허용한다. 하지만, 이런 공압 밸브들의 원활한 작동은 임의의 입자 종류들, 즉 Geldart 분류에서 그룹 B 의 입자들의 사용에 제한된다.
도 1 (K. Shakourzadeh, Techniques de fluidisation, ref. J3390, Techniques de l'lngenieur, 10 페이지 발췌) 은, 오버플로우 파이프로, 선택적으로 교환기로 진입하는 고체 스트림에서 밸브로 작동하는 외부 유동층 열교환기를 통과하는 고체의 유동을 변경할 수 있도록 허용하는 특정 시스템을 도시한다. 이 시스템은 연소 반응기 (10) 를 포함하는 종래의 순환층 석탄 (공기) 연소 유닛에 설치되고 상기 연소 반응기로부터 연소 가스들 및 고체 입자들을 함유한 가스 혼합물이 사이클론 (20) 으로 보내진다. 오버플로우 파이프를 장착한 외부 열교환기 (50) 는 사이클론 (20) 과 반응기 (10) 사이에 배치된다. 이 시스템에 따르면, 사이클론 (20) 의 바닥에서 회수된 고체 스트림의 일부분만 반응기 (10) 로 복귀하기 전 파이프 (40) 를 통하여 열교환기 (50) 로 보내지고, 고체 스트림의 다른 부분은 사이펀/복귀 레그 어셈블리 (30) 의 에이전시를 통하여 반응기 (10) 로 보내진다. 밸브는 일반적으로 파이프 (40) 에 제공된다. 따라서, 교환기 (50) 를 통과하는 고체 유동을 변경함으로써 열교환이 제어된다. 고체 유동 바이패스로 구성되는 이 구성은, 그것이 바이패스를 향하여 배향하도록 고체 회로에 밸브를 사용하는 것을 포함하므로 유닛의 아키텍처 (architecture) 및 그것이 구현되는 프로세스를 더욱더 복잡하게 한다.
일반적으로, 열 유속을 변경하기 위해서 밸브에 의해 고체 유동을 변조하는 것으로 구성된 해결책들은 프로세스의 적절한 작동에 영향을 미치고 그리고/또는 그것의 작동을 제한할 수 있다. 예를 들어, 고체와 열 운반 유체 사이 교환을 제한하거나 심지어 취소하고자 한다면, 고체 유동이 제한되거나 중단될 필요가 있고, 이것은 유닛의 감속 또는 정지를 유발할 수 있고, 또는 열 캐리어의 순환이 제한되거나 중단되어야 하고, 이것은 열교환기의 튜브 번들을 손상시킬 수도 있다.
따라서, 교환된 열량을 변경하기 위해 고체 유동에서 밸브를 사용하지 않으면서, 순환 산소 캐리어와 열교환이 외부 교환기 내에서 발생할 수 있는 개선된 CLC 프로세스를 위한 필요성이 있다. 이 필요성은, 기계적 밸브 설치를 어렵게 하는, 산소 캐리어의 성질 및 처리된 공급물에 따라, CLC 프로세스의 순환 유동층의 온도가 종래의 순환 유동층 (CFB) 연소 프로세스보다 실질적으로 더 높을 수 있으므로, 더욱더 크게 느껴진다.
이와 관련해서, 본 발명은 다음 목적들 중 적어도 하나를 충족시키는 것을 목표로 한다:
- 종래 기술의 전술한 문제점들을 적어도 부분적으로 극복함,
- 열교환기에 포함된 고체 양을 조정하기 위한 고체 유동에서 외부 열교환기 및/또는 밸브들에서 바이패스 시스템을 특히 요구하지 않는, 단순화된 CLC 프로세스 및 유닛을 제공. 이러한 단순화는 특히 운전 비용 및 투자 비용을 감소시킨다. 특히 교환기를 통과하는 고체 유동에서 밸브들, 특히 기계적 밸브들의 사용을 회피함으로써, 본 발명은 열교환 제어 신뢰성을 높일 수 있도록 허용함,
- 특히 효율성, 정확성, 단순성 및 신속성 면에서, 산소 운반 고체와 열교환의 양호한 제어를 제공함,
- 특히 CLC 유닛에서 프로세스 성능 및 안전성을 제어하도록, CLC 프로세스의 온도, 예를 들어, 활성 매스 환원 및 산화 구역들에서 반응들을 실시하기 위한 온도를 조정할 수 있음,
- 환원 및 산화 구역들에서 거의 일정한 활성 매스 유량을 유지하면서 화학 루프에서 순환하는 활성 매스와 열교환되는 양의 제어.
따라서, 전술한 목적들 중 적어도 하나를 달성하기 위해서, 그 중에서도, 본 발명은, 제 1 양태에 따라, 입자들 형태의 레독스 활성 매스가 회로를 형성하도록 산화 구역과 환원 구역 사이에서 순환하는, 탄화수소 공급물의 화학 루핑 산화-환원 연소를 위한 프로세스를 제공하고,
- 상기 탄화수소 공급물의 연소는 상기 환원 구역에서 레독스 활성 매스 입자들과 접촉함으로써 실시되고,
- 상기 환원 구역으로부터 레독스 활성 매스 입자들은 상기 산화 구역에서 산화 가스 스트림과 접촉함으로써 산화되고,
- 상기 입자들은 환원 구역과 산화 구역 사이에서 입자 수송 라인에 위치결정된 적어도 하나의 열교환기로 보내지고, 유동화 가스는 상기 활성 매스 입자들을 포함하는 조밀한 (dense) 유동층을 형성하도록 상기 교환기로 보내지고, 상기 열교환기는 상기 유동층과 접촉하는 열교환면을 포함하고,
- 상기 열교환기의 상부에 위치결정된 유동화 가스 출구에서 압력 강하의 제어 적용을 통하여 유동층 레벨을 변화시킴으로써 열 회수가 상기 적어도 하나의 열교환기에서 제어되고, 적용된 압력 강하는 화학 루프에서 입자 회로에 제공된 리저버 구역에서 활성 매스 입자층의 레벨 변화에 의해 보상된다.
일 실시형태에 따르면, 상기 활성 매스 입자들은 열교환기로부터 상류에 제공된 리저버 구역으로 보내지고, 상기 리저버 구역 및 상기 열교환기는 리저버 구역을 형성하는 제 1 부분 및 열교환기를 형성하는 제 2 부분으로 인클로저를 수직으로 분리하는 벽을 구비한 단일 인클로저에 포함되고, 열교환기에 적용된 압력 강하는, 인클로저 벽에서 통로를 통하여 열교환기의 유동층과 연통하는 리저버 구역에서, 바람직하게 유동화된, 입자층의 레벨 변화에 의해 보상된다.
다른 실시형태에 따르면, 상기 활성 매스 입자들은 상기 열교환기의 입구 레그를 통하여 열교환기로 보내지고, 상기 입구 레그는 리저버 구역을 형성한다.
유리하게도, 상기 활성 매스 입자들은 상기 열교환기의 하부에 배치된 파이프를 통하여 열교환기로부터 배출되고, 상기 파이프는 사이펀의 형태를 갖는다.
바람직하게, 상기 열교환기의 상기 유동화 가스 출구에 위치결정된 기계적 밸브의 개방은 압력 강하의 제어 적용을 위해 제어된다.
유리하게도, 상기 열교환기 외부의 유동화 가스 출구에 위치결정되는 제어된 압력 강하 적용 수단의 온도가 제어된다.
따라서, 상기 제어된 압력 강하 적용 수단은 냉각 유체 순환 회로와 접촉함으로써 냉각될 수 있다.
바람직하게, 열교환은 환원 구역으로부터 산화 구역으로 상기 활성 매스 입자들을 운반하는 수송 라인에서 실시된다.
제 2 양태에 따르면, 본 발명은 본 발명에 따른 탄화수소 공급물의 화학 루핑 산화-환원 연소를 위한 유닛에 관한 것으로,
- 입자들 형태의 활성 매스와 접촉하는 탄화수소 공급물의 연소를 위한 환원 구역,
- 산화 가스 스트림과 접촉하는 환원 구역으로부터 활성 매스 입자들의 산화를 위한 산화 구역,
- 환원 구역과 산화 구역 사이 적어도 하나의 활성 매스 입자들 수송 라인,
- 열교환 제어 기기를 포함하고, 상기 열교환 제어 기기는:
o 상기 적어도 하나의 수송 라인에 위치결정된 열교환기로서, 상기 열교환기는:
Figure pct00001
활성 매스 입자들의 유입 스트림을 위한 입구,
Figure pct00002
활성 매스 입자들의 조밀한 유동층을 형성하기 위한 유동화 가스 주입 수단,
Figure pct00003
상기 열교환기의 상부에 제공된 유출 유동화 가스 출구로서, 상기 출구는 제어된 압력 강하 적용 수단을 포함하는, 상기 유출 유동화 가스 출구,
Figure pct00004
상기 열교환기의 하부에 제공된 활성 매스 입자들의 유출 스트림을 위한 출구,
Figure pct00005
조밀한 유동화 입자층과 접촉하는 열교환면을 포함하는, 상기 열교환기,
o 상기 열교환기의 유동화 가스 출구에 적용된 압력 강하를 보상하기 위한 리저버 구역으로서, 상기 리저버 구역은 환원 구역과 산화 구역 사이에 제공된 화학 루프의 입자 회로에 위치결정되는, 상기 리저버 구역을 포함하는, 상기 열교환 제어 기기를 포함한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 열교환기 및 상기 리저버 구역은, 열교환기를 형성하는 제 2 부분으로부터 상류의 리저버 구역을 형성하는 제 1 부분으로 인클로저를 수직으로 분리하는 벽을 구비한 단일 인클로저로 구성되고, 상기 리저버 구역은 바람직하게 유동화 가스를 주입하기 위한 수단을 포함하고, 상기 벽은 상기 리저버 구역으로부터 상기 열교환기까지 활성 매스 입자층을 위한 통로를 포함하고, 상기 입자들은 상기 리저버 구역의 상부에 제공된 파이프를 통하여 유입된다.
일 실시형태에 따르면, 상기 활성 매스 입자들은 상기 열교환기의 입구 레그를 통하여 열교환기로 유입되고, 상기 입구 레그는 리저버 구역을 형성한다.
유리하게도, 상기 열교환기에서 유출 입자 스트림은 상기 열교환기의 하부에 제공된 파이프를 통하여 유출되고, 상기 파이프는 사이펀의 형태를 갖는다.
바람직하게, 압력 강하의 제어 적용은 열교환기의 유동화 가스 출구에 위치결정된 기계적 밸브를 통하여 달성된다.
바람직하게, 제어된 압력 강하 적용 수단은 상기 열교환기 외부의 유동화 가스 출구에 배치된다.
유리하게도, 상기 유닛은 상기 제어된 압력 강하 적용 수단을 냉각하기 위한 수단, 바람직하게 상기 제어된 압력 강하 적용 수단과 접촉하는 냉각 액체 순환 회로를 포함한다.
바람직하게, 상기 유닛은 환원 구역으로부터 산화 구역으로 활성 매스 입자들을 운반하기 위한 제 1 입자 수송 라인, 산화 구역으로부터 환원 구역으로 활성 매스 입자들을 운반하기 위한 제 2 입자 수송 라인을 포함하고, 열교환기는 적어도 제 1 입자 수송 라인에 위치결정된다.
본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 첨부 도면들을 참조하여 비제한적인 실시예로 제공된 실시형태들의 이하 설명을 읽어봄으로써 분명해질 것이다.
도 1 은 화력 발전소의 종래의 석탄 연소 유닛에서 열교환을 위한 바이패스 시스템을 도시한 도면이다.
도 2 는 본 발명에 따른 CLC 유닛의 도면이다.
도 3 은 본 발명에 따른 열교환 제어 기기의 일반적인 원리를 도시한 도면이다.
도 4 는 본 발명에 따른 열교환 제어 기기의 제 1 실시형태를 개략적으로 도시한다.
도 5 는 본 발명에 따른 열교환 제어 기기의 제 2 실시형태를 도시한 도면이다.
도 6 은 본 발명에 따른 열교환 제어 기기의 제 3 실시형태를 도시한 도면이다.
도면들에서, 동일한 도면 부호들은 동일하거나 유사한 요소들을 나타낸다.
본 설명에서, 표현들 "산소 운반 재료" 및 "레독스 활성 매스" 은 등가이다. 레독스 매스는, 산소를 포집 및 방출함으로써 CLC 프로세스에서 산소 캐리어로서 역할을 할 수 있다는 의미에서, 반응 용량과 관련하여 활성인 것으로 언급된다. 축약된 표현 "활성 매스" 또는 용어 "고체" 가 또한 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 CLC 프로세스에서 처리된 활성 매스 및 공급물들
본 발명에 따른 CLC 프로세스에서, 처리된 탄화수소 공급물들은 고체, 액체 또는 가스 탄화수소 공급물들: 가스 (예컨대 천연 가스, 합성 가스, 바이오가스), 액체 (예컨대 연료, 비튜멘, 디젤, 가솔린, 등) 또는 고체 (예컨대 석탄, 코크스, 석유 코크스, 바이오매스, 역청질 모래 등) 연료들일 수 있다.
레독스 매스는 바인더 유무에 관계 없이 광석들 (예를 들어, 티탄철광 또는 연망간광) 또는 합성물질 (예를 들어 알루미나에 담지된 산화 니켈 입자들 NiO/NiAl2O4) 로부터 유도될 수 있는, 예를 들어, Fe, Ti, Ni, Cu, Mn, Co, V 산화물들과 같은 금속 산화물들을 단독으로 또는 혼합하여 구성될 수 있고, 그것은 요구되는 레독스 성질 및 유동화에 필요한 특징을 갖는다. 레독스 매스의 산소 저장 용량은 유리하게도 재료의 유형에 따라 1 ~ 15 wt.% 의 범위에 있다. 유리하게도, 금속 산화물에 의해 실제로 이송된 산소 양은 1 ~ 3 wt.% 의 범위에 있고, 이것은, 기계적 노화 또는 입자들의 응집을 제한하도록, 산소 이송 용량의 단지 일부, 이상적으로 30 % 미만을 사용하도록 허용한다. 산소 수송 용량의 단지 일부만 사용하는 것은 또한 유동층이 열 밸러스트로서 역할을 하여서 층을 통과하는 경로에 대한 온도 변화를 원활하게 하는 장점을 제공한다.
활성 매스는 Geldart 분류의 그룹들 A, B 또는 C 에 속하는 유동가능한 입자들이다. 비제한적인 실시예로, 레독스 매스 입자들은, 90 % 보다 많은 입자들이 1000 g/㎥ ~ 5000 ㎏/㎥, 바람직하게 1500 g/㎥ ~ 4000 ㎏/㎥ 범위의 밀도에 대해, 100 ㎛ ~ 500 ㎛, 바람직하게 150 ㎛ ~ 300 ㎛ 범위의 크기를 가지도록 결정립도를 갖는 Geldart 분류의 그룹 B 에 속할 수 있다. 특히 본 발명은 고체 유동에 대한 밸브들, 특히 열교환을 제어하기 위한 공압 밸브들을 제거할 수 있도록 허용하기 때문에, 본 발명은 또한 Geldart 분류의 그룹 A 에 속하는 활성 매스 입자들의 사용에 특히 잘 맞다.
레독스 활성 매스는 그것의 반응 용량들을 증가시키도록 활성화 단계를 부여받을 수 있고; 그것은 바람직하게 점진적이고, 바람직하게 산화 분위기 (예를 들어 공기 중) 에서 온도 상승 단계로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 CLC 프로세스
도 2 는 본 발명에 따른 CLC 프로세스의 구현을 개략적으로 도시한다.
CLC 유닛은 산화 반응 구역 (200) 과 환원 반응 구역 (210) 을 포함하고, 각각의 구역은 적어도 하나의 유동층 반응기, 레독스 루프를 형성하도록 각각의 구역 사이에서 순환하는 입자들 형태의 레독스 활성 매스을 포함한다. 활성 매스는 제 1 수송 라인 (17, 18) 을 통하여 환원 구역 (210) 으로부터 산화 구역 (200) 으로 운반되고 제 2 수송 라인 (15, 16) 을 통하여 산화 구역 (200) 으로부터 환원 구역 (210) 으로 운반된다. 이 수송 라인들은 반응 구역으로부터 활성 매스의 일부를 이 반응 구역으로 다시 되돌아가게 할 수 있는 활성 매스 재순환 라인들을 포함할 수 있다. 이 수송 라인들은 다양한 기기들, 예로, 비제한적인 실시예로, 밸브들과 같은 고체 유동 제어 기기들, 가스/고체 분리 기기들, 세정 기기들 또는 사이펀들과 같은 밀봉 요소들을 포함할 수 있는 것으로 이해된다.
환원 구역 (210) 은 유동층 작동 수단, 탄화수소 공급물 전달 수단, 활성 매스 공급 수단, 연소 가스들과 환원된 활성 매스 입자들로 구성된 혼합물을 위한 출구를 포함한다.
산화 구역 (200) 은 환원 구역에서 환원된 활성 매스를 위한 공급부, 산화 가스 공급부, 및 산소-고갈된 산화 유동화 가스와 산화된 활성 매스 입자들로 구성된 혼합물을 위한 출구를 구비한다.
본 발명에 따르면, 적어도 하나의 열교환기는 2 개의 반응 구역들 사이 수송 라인에 배치된다. 따라서, 열교환기 (E1) 는 환원 구역 (210) 과 산화 구역 (200) 사이 제 1 수송 라인에 위치결정될 수 있고, 그것은 환원 구역 (210) 으로부터 활성 매스 입자들의 임의의 스트림에 의해 횡단된다. 다른 구성에 따르면, 열교환기 (E2) 는 산화 구역 (200) 과 환원 구역 (210) 사이 제 2 수송 라인에 배치되고, 그것은 산화 구역 (200) 으로부터 활성 매스 입자들의 임의의 스트림에 의해 동일한 식으로 횡단된다. 본 발명에 따르면, 2 개의 수송 라인들 각각은 열교환기를 포함할 수 있다. 여러 개의 열교환기들이 또한 동일한 수송 라인에 제공될 수 있다.
열교환기와 그것의 작동은 도 3 과 관련하여 하기에서 상술된다. 열교환기는 열교환 제어 기기를 형성하도록 환원 구역 (210) 과 산화 구역 (200) 사이에 형성된 화학 루프의 입자 회로에 제공된 리저버 구역 (미도시) 과 연관된다. 리저버 구역은 또한 도 3 과 관련하여 하기에서 상술된다.
본 발명에 따른 CLC 프로세스에서, 탄화수소 공급물 (13) 을 환원 구역 (210) 으로 보내고 제 2 수송 라인의 파이프 (16) 를 통하여 공급된 입자들의 형태인 레독스 활성 매스와 접촉된다.
M 이 금속을 나타내는, 활성 매스 MxOy 는 탄화수소 공급물 CnHm 의 에이전시를 통하여 상태 MxOy-2n-m/2 로 환원되고, 이것은 하기 반응 (1) 에 따라 대응하여 CO2 및 H2O 로, 또는 가능하다면 사용된 비율에 따라 혼합물 CO + H2 로 산화된다.
CnHm + MxOy → n CO2+ m/2 H2O + MxOy-2n-m/2 (1).
활성 매스와 접촉하는 공급물의 연소는 일반적으로 600 ℃ ~ 1400 ℃, 바람직하게 800 ℃ ~ 1000 ℃ 범위의 온도에서 수행된다. 접촉 시간은 사용된 가연성 공급물의 유형에 따라 달라진다. 접촉 시간은 전형적으로 고체 또는 액체 공급물에 대해 1 초 ~ 10 분, 예를 들어 바람직하게 1 ~ 5 분의 범위에 있고, 가스 공급물에 대해 예를 들어 바람직하게 1 ~ 20 초의 범위에 있다. 순환 활성 매스의 양 대 2 개의 반응 구역들 사이에서 이송될 산소 양의 질량 비는 유리하게도 30 ~ 100, 바람직하게 40 ~ 70 이다.
연소 및 활성 매스 입자들에서 유발되는 가스들을 포함하는 혼합물은 환원 구역 (210) 의 상단에서 배출된다. 사이클론과 같은 가스 /고체 분리 수단 (미도시) 은 연소 가스들 (14) 이 고체 활성 매스 입자들로부터 분리될 수 있도록 허용한다. 이 입자들은, 일반적으로 600 ℃ ~ 1400 ℃, 바람직하게 800 ℃ ~ 1000 ℃ 범위의 온도에서 적어도 부분적으로 산화되는 산화 구역 (200) 으로 파이프 (18) 를 통하여 보내기 전, 고체 활성 매스 입자들로부터 열을 회수할 수 있도록 허용하는 열교환기 (E1) 로 보내진다.
산화 반응기 (200) 에서, 제 2 수송 라인 (15, 16) 을 통하여 복귀하기 전, 산화 구역 (200) 의 상단에서 배출된 산소-고갈된 산화 가스 (12) 로부터 분리된 후, 활성 매스는 공기와 같은 산화 가스 (11) 와 접촉하는 산화 상태 MxOy 로 복원된다.
MxOy-2n-m/2 + (n+m/4) O2 → MxOy (2).
대안적으로 산화된 형태에서 환원된 형태로, 그 반대로 되는 활성 매스는 레독스 사이클을 따른다.
열교환기 (E2) 는 열교환기 (1) 의 대안적인 구성에 따라 이 제 2 수송 라인에 위치결정될 수 있다.
프로세스에서 환원 및 산화 열 분배에 따라, 반응 구역들 사이 양 수송 라인들에 하나 이상의 열교환기들을 배치하는 것이 유리할 수도 있다. 이 분배는 화학 루핑 연소를 수행하는데 사용되는 활성 매스들 (특히, 금속 산화물들) 에 크게 의존한다. 일부 경우에는, 발열성이 활성 매스의 산화와 환원에 분배된다. 다른 경우에는, 산화는 고도의 발열성이고 환원은 흡열성이다. 임의의 경우에, 산화 구역 및 환원 구역에서 반응 열들의 합은 연료의 연소 열과 동일하다.
바람직하게, 환원 구역 (210) 을 산화 구역 (200) 에 연결하는 제 1 수송 라인에 제공된 적어도 하나의 열교환기 (E1) 에서 열교환이 발생한다. 실로, 활성 매스의 산화는 보다 빈번하게 발열성이다. 이 경우에, 산화 구역 (200) 에서 너무 높은 온도 상승을 방지하도록, 이 산화 구역으로부터 상류에서 열교환을 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법에서, 열교환기와 리저버 구역을 포함하는 기기의 압력 밸런스를 제어함으로써, 보다 정확하게는 이 기기에서 압력 강하를 제어함으로써 열교환기 내 활성 매스의 양을 변경함으로써 활성 매스와 열교환을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 열교환 제어
도 3 은 본 발명에 따른 CLC 프로세스에서 열교환 제어 기기의 작동 원리를 개략적으로 도시한다.
열교환 제어 기기 (3000) 는:
- 전술한 대로 수송 라인에 위치결정되고, 반응 구역으로부터 활성 매스 입자 스트림을 수용하는 유동층 열교환기 (3002), 및
- 나머지 설명에서 리저버 구역으로도 지칭되는 활성 매스 리저버 구역 (3001) 을 포함한다.
열교환기 (3002) 는, 접촉하는 유동화 활성 매스 입자층의 열을 회수하기 위해, 열교환면 (도 3 에 미도시) 을 포함한다. 이 열교환면은, 열 운반 유체가 내부에서 순환하는 튜브 번들에 의해 구체화될 수 있고, 번들은 열교환기를 형성하는 인클로저의 벽들에 체결될 수 있다. 이러한 튜브 번들 기기는 본 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있다. 열교환기는 유동층을 가열 또는 냉각하기 위해 동일하게 사용될 수 있다. 열 운반 유체는 바람직하게 물, 예를 들어 보일러로부터의 가압수이다. 물은 튜브 번들에서 가열되거나 적어도 부분적으로 기화되거나 과열될 수 있다.
열교환기 (3002) 는 또한:
- 활성 매스 입자들 (302) 의 유입 스트림을 위한 입구 (3012),
- 유동화 활성 매스 입자층을 형성하기 위한 유동화 가스 주입 수단 (311),
- 열교환기의 상부에 위치결정된 유출 유동화 가스 (312) 를 위한 출구 (3013) 로서, 상기 출구는 제어된 압력 강하 적용 수단 (3003) 을 포함하는, 상기 출구 (3013),
- 열교환기의 하부에 위치결정된 활성 매스 입자들 (303) 의 유출 스트림을 위한 출구 (3014) 를 포함한다.
리저버 구역 (3001) 을 통과한 활성 매스 (302) 의 순환층은 열교환기 (3002) 로 공급된다. 층의 온도는 예를 들어 800 ℃ 이다. 열교환기 (3002) 는 유동층과 작동한다. 교환기 (3002) 로 공급된 활성 매스 입자들의 유동화는 유동화 가스 (311) 의 주입에 의해 제공된다.
열교환기에서 형성된 유동층은 열교환을 촉진하는 조밀한 유동층이다. 그것은 공압으로 수송될 때 가스라기 보다는 (조밀한) 액체와 비슷하게 거동하는 한 묽은 유동층과 대조적으로 조밀한 유동층으로 지칭된다.
조밀한 유동층은, 가스 분율 (εg) 이 0.9 미만, 바람직하게 0.8 미만인 유동층으로 이해된다. 묽은 유동층은, 레독스 활성 매스 입자들의 체적 분율이 10 vol.% 미만인 유동층인 것으로 이해된다.
유동화 가스의 성질은 또한 프로세스와 상용가능하도록 선택된다. 예를 들어, 과열된 수증기, 공기 또는 CO2 가 사용된다.
이런 상용성 개념은, 한편으로는 최고 포집 비를 보장하고 다른 한편으로는 포집된 CO2 에 대해 가능한 최고 품질을 보장하도록 산화 구역과 환원 구역 사이에서 가능한 최대 밀봉이 추구되는 한 CLC 프로세스와 관련하여 중요하다. 게다가, 이런 상용성 개념은, 예를 들어, 사이펀과 같은 밀봉 기기들의 부재시 탄화수소 연소 구역과 접촉하는 부적합한 유동화 가스 (예, 공기) 의 공급으로 인해 산화제와 연료가 혼합되는 어떠한 위험도 방지하도록 충족될 필요가 있는 현 안전 기준에 관하여 또한 중요하다.
따라서, 열교환기가 사이펀과 같은 밀봉 요소를 포함하지 않는 산화 구역을 향하는 수송 라인에 위치결정될 때 공기 또는 수증기가 열교환기에서 유동화 가스로서 바람직하게 사용된다. 열교환기가 사이펀과 같은 밀봉 요소를 포함하지 않는 환원 구역을 향하는 수송 라인에 위치결정될 때 CO2, 수증기, 그것의 혼합물 또는 연소 흄이 열교환기에서 유동화 가스로서 바람직하게 사용된다.
예를 들어 밀봉 기기들이 제공되도록 보장함으로써, 발생된 CO2 의 품질에 영향을 미치지 않는 한 질소와 같은 중성 가스를 사용하는 것이 가능하다. 이러한 밀봉 기기들의 부재시, 단지 열교환기가 산화 구역을 향하는 수송 라인에 위치결정된다면, 또는 수송 및/또는 저장을 위해 발생된 CO2 스트림 중 응축할 수 없는 가스에 대한 기준을 따르도록, 열교환기가 환원 구역을 향하는 수송 라인에 위치결정될 때 단지 제한된 양으로, 전형적으로 5 mol.% 미만으로 중성 가스가 바람직하게 사용된다.
일부 경우에는, 유동화 가스의 주입은 다중 주입 형태로 달성될 수 있다 (미도시).
유리하게도, 열교환기 (3002) 는 활성 매스와 가스 반응물들 사이 반응 시트 (seat) 일 수 있고, 반응 시간은 그 후 고체 레벨, 즉 가스에 의해 횡단되는 고체 높이에 의해 조절될 수 있다. 이 경우에, 유동화 가스는 캐리어 가스, 가스 반응물들 또는 그것의 혼합물을 포함할 수 있다.
활성 매스 입자들을 유동화한 후, 가능하다면 그것과 반응시킨 후, 유동화 가스는 가스 유출물 (312) 의 형태로 열교환기에서 나온다.
활성 매스 입자들 (303) 은 예를 들어 700 ℃ 의 온도에서 열교환기 (3002) 로부터 배출된다. 열교환기 층의 추출은, CLC 프로세스의 작동에 따라 본 기술분야의 당업자에게 공지된 임의의 수단에 의해 달성될 수 있다.
활성 매스 입자들의 유동층의 레벨이 열교환기에서 달라질 수 있어서, 층과 접촉하는 유효 열교환면, 즉 유동층에 침지된 교환면의 부분을 변화시키고, 이것은 교환된 열량을 변조시키는 것을 허용한다. 이 층 높이 변화는, 예를 들어 유동화 가스 출구에 위치결정된 밸브에 의해, 유동화 가스 출구 (3013) 에서 압력 강하의 제어 적용을 위한 수단 (3003) 을 통하여 수행된다.
압력 강하는 교환기에서 나가는 가스 유출물 (312) (유출 유동화 가스) 에 적용되는데, 이것은 저압 가스 유출물 (313) 을 유발한다.
밸브 개도 변화는 이 지점에서 압력 강하의 제어 적용을 수행하는 것을 가능하게 한다. 열교환기에서 유동층 레벨 제어 원리는 열교환 제어 기기 (열교환기 + 리저버 구역) 에서 압력 밸런스 (I) 를 기반으로 한다:
Pin + ΔP1 = ΔP2 + ΔPv + Pout (I)
여기에서:
Pin: 고체 입구에서 압력
ΔP1: 리저버 구역의 압력 강하
ΔP2: 열교환기의 압력 강하
ΔPv: 밸브의 압력 강하
Pout: 열교환기의 가스 출구에서 압력.
따라서, 층 레벨은 다음과 같은 관계식 (Ⅱ) 에 의해 계산될 수 있다:
Hlit = (Pin + ΔP1 - ΔPv - Pout)/(ρ벌크.g) (Ⅱ)
Hlit: 층 레벨 (높이)
ρ벌크: 층의 벌크 밀도
g: 중력 상수.
유동층의 높이는 층의 온도, 열교환기에서 가스의 공탑 속도, 활성 매스 입자들의 밀도 및 크기에 의존한다. 압력 강하의 제어 적용 후 열교환기로 공급된 고체 양의 변화는 유동층의 높이를 변화시킬 수 있도록 허용하고, 다른 모든 파라미터들은 일정하다.
이 작동에서 중요한 요소는 전체 인벤토리 (inventory), 즉 주어진 시간에 CLC 유닛에서 활성 매스 양의 관리이다. 본 발명에 따른 열교환 제어는 사이펀 개념을 기반으로 하고, 이 개념에 따르면 열교환기에서 압력 강하 증가는 리저버 구역에서 고체 레벨 변화에 의해 흡수된다. 이것은, 상기 리저버 구역 및 열교환기가 CLC 유닛의 주어진 지점에 위치결정되는 단일 어셈블리를 구성하는 경우에 부가적 자유도를 제공하는데, 이것은 열교환 제어 기기에서 고체 인벤토리 변화 중 CLC 유닛에서 다른 곳의 작동 조건들을 바꾸는 것을 회피한다.
본 발명에 따르면, 열교환 제어 기기에서 고체 분배는 사이펀 (루프 시일) 에서처럼 부여된 압력 강하에 따라 자동으로 조절된다. 이 원리는 Yazdanpanah 외, 2013 ("An experimental investigation of loop-seal operation in an interconnected circulating fluidized bed system", Powder Technology, 237 권, 2013 년 3 월, 266 ~ 275 페이지, ISSN 0032-5910) 에 의해 설명된다.
밸브에 적용된 압력 강하는 리저버 구역 (3001) 에서 활성 매스 입자층의 레벨 변화에 의해 보상된다.
이 구역 (3001) 은, 예를 들어 열교환기로부터 상류와 입자들이 나오는 반응 구역으로부터 하류에서, 환원 구역과 산화 구역 사이에 형성된 화학 루프의 입자 회로에서 주어진 지점에 위치한 활성 매스 리저버를 형성한다. 리저버 구역 (3001) 은 사용된 입자들의 성질 및 유닛의 설계에 따라 유동층 또는 이동 고정층일 수 있다. 리저버 구역은 CLC 유닛의 기존의 용기일 수 있다. 리저버 구역은 압력 Pin 에서 입자들의 스트림 (301) 을 수용한다. 리저버 구역은, 예를 들어 활성 매스 입자들의 유동층을 포함할 때 전용 유동화 (314) 를 가질 수 있다.
이 리저버 구역은, 예를 들어, 열교환기에서 고체 입구 레그일 수 있다.
제어된 압력 강하 적용 수단 (3003) 은 개폐를 제어하기 위해서 바람직하게 프로세스 조정 자동 장치 (automaton) 에 연결된 회전식 또는 선형의 기계적 밸브를 포함할 수 있다. 비제한적인 예로, 버터플라이 밸브가 사용될 수 있다.
이러한 기계적 밸브들에 의해 제공되는 주요 장점은 얻어지는 정확성이다. 실로, 이 유형의 밸브는 미세 조정 (예를 들어 +/- 5 미크론) 및 짧은 응답 시간 (몇 초까지의 순간) 을 허용한다.
일 실시형태에 따르면, 제어된 압력 강하 적용 수단 (3003) 의 온도가, 주변 공기와 자연 대류를 통하여 또는 냉각수 순환과 같은 수단 (3003) 에 적용된 전용 냉각을 통하여 제어될 수 있도록 상기 수단은 열교환기 (3002) 외부에 배치된다. 이 구성의 한 가지 장점은, 이런 냉각이 유동층 온도에 대해 큰 영향을 미치지 않는다는 점이다.
열교환기 (3002) 는 전술한 대로 활성 매스와 가스 반응물들 사이 반응 시트, 예를 들어 수증기와 접촉하는 활성 매스의 산화 반응 시트일 수 있고, 이것은 예를 들어 산화철의 환원된 형태인 경우에 활성 매스의 성질에 따라 이수소 생성을 유발할 수 있다. 또한, 산화 구역 (200) 으로부터 환원 구역 (210) 으로 수송 라인에서, 산화 구역 (200) 으로부터 하류에 열교환기가 위치결정되는 경우에, 낮은 O2 부분 압력 하에 있을 때 CLOU (산소 언커플링을 갖는 화학 루핑) 효과, 즉 레독스 활성 매스에 의한 자연 가스 산소 방출 효과를 사용할 수 있을 것이다. 실로, 열교환기에서 산화 구역으로부터 활성 매스의 체류 시간은 사용된 활성 매스에 따라 이런 효과 발생에 기여할 수 있고, 따라서 공급물의 연소를 위해 환원 구역에서 가스 산소를 사용하는 것을 허용한다.
열교환기 (3002) 또는 리저버 구역 (3001) 은, 각각, 열교환 또는 버퍼 구역과 다른 기능들을 또한 가질 수 있고, 그것은 예를 들어 활성 매스의 소모로부터 유발되는 미분들의 비율을 제한하도록, 또는 애시 (ashes) 및/또는 고체 미연소물들을 발생시키는 고체 탄화수소 공급물들을 연소하는 경우에, 비제한적인 실시예로, 통상적인 바와 같이, 더 조대하고 그리고/또는 더 빽빽한 입자들로부터 미세하고 가벼운 입자들을 분리하도록 된 세정 구역을 포함할 수 있다. 이것은 유닛에서 요소들의 수를 제한하여서 비용을 감소시키면서 유닛을 단순화시키는 장점을 포함한다. 세정에 의한 분리 원리는, 입자들의 종단 속도들을 구별함으로써 더 미세하고 더 가벼운 입자들이 캐리어 가스에 의해 유동층 밖으로 운반되도록 미세하고 가벼운 입자들과 더 조대하고 그리고/또는 더 빽빽한 입자들의 혼합물로 구성된 유동층에 가스 스트림을 부여하는 것으로 구성된다.
열교환기 (3002) 는 이러한 분리에 적합하고, 유동층 레벨의 조정은 유동화 가스의 속도와 역상관관계가 있고, 유동화 가스의 속도는 따라서 특정 고체 모집단 (population) 의 세정에 적합화될 수 있다.
열교환기 (3002) 가 또한 세정 구역으로서 사용될 때, 더 미세하고 가벼운 고체 입자들이 유동화 가스 출구 (3013) 를 통하여 배출될 수 있다. 그 후, 유출 가스 스트림은 본 발명에 따른 열교환 제어 기기의 작동에 영향을 미치지 않는 소량의 고체 입자들을 포함한다. 출구 (3013) 를 통하여 나온 가스 혼합물로부터 가스 분율 (εg) 은 바람직하게 0.90 보다 크고, 보다 바람직하게 0.98 보다 크다.
리저버 구역 (3001) 은 또한 화학 루프에서 입자 회로에 위치결정된 세정 기기일 수 있다.
본 발명은 프로세스에서 활성 매스와 열교환을 제어할 수 있도록 허용하고, 이것은 환원 및 산화 반응 구역들에서 활성 매스 입자들을 통하여 온도를 제어할 수 있도록 허용한다. 본 발명에 따르면, 특히, 프로세스에서 레독스 활성 매스 인벤토리를 변경하지 않으면서 CLC 프로세스에서 온도를 제어할 수 있다.
따라서, 예를 들어, 전체 연료 연소에 의해 발생된 열 (산화 열과 환원 열의 합) 을 제거함으로써 환원 및 산화 구역들에서 온도를 제어할 수 있다.
본 발명은, 예를 들어, 탄화수소 공급물 주입 증가와 같은, 프로세스에 가져온 작동 변화에 응하여 온도를 조정하는 것을 가능하게 하고, 이것은 연소를 위한 최적 온도 조건을 유지하기 위해서 더 많은 열을 회수하도록 요구한다.
일반적으로, 활성 매스를 냉각하기 위해서 활성 매스로부터 열을 추출하는 것에 주목할 수 있다. 일부 경우에는, 예를 들어, 반응 용량들을 증가시키기 위해서, 온도 상승을 통하여 다시 활성화될 필요가 있을 때, 활성 매스 입자들에 열을 공급하는 것이 유리할 수도 있다.
본 발명은 특히 다음과 같은 장점들을 포함한다:
- 본 발명에 따른 열교환 제어는, 밸브들이 입자들을 통한 부식에 특히 민감하고 고체 스트림들에서 사용하기에 복잡하다는 것을 고려하여, 열교환기에서 유동층 레벨을 변화시키기 위한, 또는 보다 일반적으로 열교환기에서 열교환을 제어하기 위한 활성 매스 입자 유동에서 기계적 또는 공압 밸브들을 제거할 수 있도록 허용하고;
- 본 발명에 따른 열교환 제어는, 바이패스 시스템들을 요구하지 않으면서 모든 활성 매스 입자 유동이 열교환기를 통과할 수 있도록 하고, 이것은 CLC 유닛을 단순화시키고 운전 비용 및 투자 비용을 감소시키는 것을 허용하고;
- 열교환기에서 나간 가스 유출물 (312) 중 가스 상의 압력 강하 제어는, 고체 입자 스트림의 제어와 비교해, 단순하고, 신뢰성 있고, 정확하고, 신속한 장점을 제공하고;
- 특히 열교환기에서 입자 유동층의 레벨 변화는 그것과 접촉하는 열교환면을 변화시키고, 이것은 열교환을 직접 조절하기 때문에 열교환 제어가 매우 효과적이다.
도 4 내지 도 6 은 열교환 제어 기기의 다양한 실시형태들, 특히 환원 구역과 산화 구역 사이 입자 수송 라인에 설치된 단일 어셈블리를 형성하도록 리저버 구역이 열교환기와 물리적으로 연관되는 다양한 실시형태들을 도시한다. 이 구성들은 CLC 유닛의 다른 부분들에서 활성 매스 인벤토리 변화를 회피하는 것을 허용한다.
본 발명의 제 1 실시형태에 따르면, 개략적으로 도 4 에 도시된 대로, 열교환 제어 기기 (4000) 는 일반적으로 도 3 에서 나타낸 바와 같은 열교환기 (4002), 및 리저버 구역을 형성하는 파이프 (4001) 를 포함하고, 상기 파이프는 교환기 (4002) 의 유동층으로 개방된다. 파이프 (4001) 는, 활성 매스 입자 유동층에 영구적으로 침지된 교환기 (4002) 의 하부로 개방된다.
파이프 (4001) 는, 예를 들어, 열교환기로 고체 활성 매스 입자들을 유입하기 위한 입구 레그이다.
파이프 (4001) 는 실질적으로 수직 채널 부분과 실질적으로 수평 채널 부분 (4012) 으로 구성될 수 있고, 두 부분은 엘보우에 의해 연결된다. 실질적으로 수평 채널 부분 (4012) 은 교환기 (4002) 의 하부로 개방되고 그것은 심지어 열교환기의 바닥으로 구성된 열교환기와 동일한 기준 레벨을 가질 수 있다.
리저버 구역에서 입자층은 바람직하게 중력에 의해 추진되는 이동 입자층이다. 그것은 또한 유동층일 수 있다. 이 경우에, 리저버 구역은 열교환기를 향한 입자층 유동을 용이하게 할 수 있는 유동화 수단 (미도시) 을 포함할 수 있다.
열교환기 (4002) 는:
- 활성 매스 입자들의 유입 스트림을 위한 입구 (4012),
- 활성 매스 입자들의 유동층을 형성하기 위한 유동화 가스 주입 수단 (411),
- 열교환기 (4002) 의 상부에 제공된 유동화 가스 출구 (4013) 로서, 상기 출구는 제어된 압력 강하 적용을 위한 밸브 (4003) 를 포함하는, 상기 유동화 가스 출구 (4013),
- 열교환기 (4002) 의 하부에 제공된 활성 매스 입자 출구 (4014), 및
- 유동화된 입자층의 열을 회수하기 위한 열교환면 (4020) 을 포함한다.
이 제 1 실시형태에 따르면, 활성 매스 입자들 (401) 은 주어진 입자 입구 압력 Pin 에서 파이프 (4001) 를 통하여 열교환기 (4002) 로 보내진다. 그 후, 압력 강하 ΔPV 는 저압 Pout 에서 가스 유출물 (413) 을 형성하도록 열교환기 (4002) 외부에 배치된 유동화 가스 출구 (4013) 에 위치결정된 밸브 (4003) 를 통하여 제어하여 적용된다. 열교환 구역 (4002) 에 적용된 압력 강하 ΔP2 는 식 (1) 에 따라 압력 밸런스를 충족하도록 리저버 구역 (4001) 에서 입자층 레벨 변화 ΔP1 에 의해 보상된다. 활성 매스 입자들 (403) 은 열교환기 (4002) 의 하부에 배치된 출구 파이프 (4014) 를 통하여 배출된다.
도 5 는, 열교환기 (5002) 와 리저버 구역 (5001) 이, 열교환기 (5002) 를 형성하는 제 2 부분으로부터 상류에 리저버 구역 (5001) 을 형성하는 제 1 부분으로 상기 인클로저 (5010) 를 수직으로 분리하는 벽 (5015) 을 구비한 단일 인클로저 (5010) 로 구성되는, 열교환 제어 기기 (5000) 의 제 2 실시형태를 개략적으로 도시한다.
분리 벽 (5015) 은 리저버 구역 (5001) 으로부터 열교환기 (5002) 까지 활성 매스 입자층을 위한 통로 (5012) 를 포함한다. 열교환기 (5002) 는 열교환기에서 활성 매스 입자 유동층을 형성하도록 유동화 가스를 주입하기 위한 수단 (511) 을 포함한다. 바람직하게, 리저버 구역 (5001) 은 열교환기 (5002) 와 같은 유동층 조건들 하에 작동하고 따라서 바람직하게 유동화 가스 주입 수단 (미도시) 을 포함한다. 유동화 가스는, 도 3 과 관련하여 전술되고 열교환기에 사용된 가스와 동일한 성질을 갖는다.
활성 매스 입자들은 리저버 구역 (5001) 의 상부에 배치된 파이프 (5016) 를 통하여 기기로 유입되고, 활성 매스 입자들 (503) 은 열교환기 (5002) 의 하부에서 파이프 (5014) 를 통하여 배출된다.
이 제 2 실시형태에 따르면, 활성 매스 입자들 (501) 은 주어진 입자 입구 압력 Pin 에서 파이프 (5016) 를 통하여 리저버 구역 (5001) 으로 보내진다. 그 후, 압력 강하 ΔPV 는 저압 Pout 에서 가스 유출물 (513) 을 형성하도록 열교환기 (5002) 의 상부에서, 보다 정확하게 열교환기 (5002) 외부에서 유동화 가스 출구 (5013) 에 위치결정된 밸브 (5003) 를 통하여 제어하여 적용된다. 열교환 구역 (5002) 에 적용된 압력 강하 ΔP2 는 식 (1) 에 따라 압력 밸런스를 충족하도록 리저버 구역 (5001) 에서 입자층 레벨 변화 ΔP1 에 의해 보상된다. 활성 매스 입자들 (503) 은 출구 파이프 (5014) 를 통하여 배출된다.
따라서, 열교환기 (5002) 에서 유동층 레벨은 밸브 (5003) 에 의해 적용된 압력 강하에 따라 변할 수 있어서, 교환기 (5002) 에서 열 회수를 제어하도록 유동화된 입자층과 효과적으로 접촉하는 열교환면 (5020) 이 변화될 수 있도록 허용한다.
도 6 은, 열교환기 (6002) 의 활성 매스 입자 스트림 출구 (603) 를 제외하고, 도 4 와 관련하여 설명된 것과 유사하게 열교환 제어 기기 (6000) 가 열교환기 (6002) 및 리저버 구역 (6001) 을 포함하는 제 3 실시형태를 개략적으로 도시한다. 도 4 의 열교환기 및 리저버 구역과 동일한 요소들은 여기에서 다시 설명되지 않는다.
이 실시형태에 따르면, 입자 스트림 출구 (6014) 는 사이펀과 유사한 형상을 가지는 파이프이다. 이 경우에, 열교환기 (6002) 에서 유동층 레벨은 사이펀의 작동에서처럼 입자 스트림 (603) 의 출구 (6014) 에서 압력과 평형을 이룬다. 이 실시형태는 유리하게도 설명한 대로 오버플로우 교환기의 작동 용이성과 교환기에서 층 레벨의 제어를 조합하도록 허용한다.
이 실시형태에 따르면, 활성 매스 입자들 (601) 은 주어진 입자 입구 압력 Pin 에서 파이프 (6001) 를 통하여 열교환기 (6002) 로 보내진다. 그 후, 압력 강하 ΔPV 는 저압 Pout 에서 가스 유출물 (613) 을 형성하도록 열교환기 (6002) 의 상부에서, 특히 열교환기 (6002) 외부에서 유동화 가스 출구 (6013) 에 위치결정된 밸브 (6003) 를 통하여 제어하여 적용된다. 열교환 구역 (6002) 에 적용된 압력 강하 ΔP2 는 식 (1) 에 따라 압력 밸런스를 충족하도록 리저버 구역 (6001) 에서 입자층 레벨 변화 ΔP1 에 의해 보상된다. 활성 매스 입자들 (603) 은 열교환기 (6002) 의 하부에 위치결정된 사이펀 형태의 출구 파이프 (6014) 를 통하여 배출된다.
따라서, 열교환기 (6002) 에서 유동층 레벨은 밸브 (6003) 에 의해 적용된 압력 강하에 따라 변할 수 있어서, 교환기 (6002) 에서 열 회수를 제어하도록 유동화된 입자층과 효과적으로 접촉하는 열교환면 (6020) 이 변화될 수 있도록 허용한다.
이 제 3 실시형태의 변형예에 따르면, 열교환기 (6002) 와 리저버 부분 (6001) 은 도 5 와 관련하여 설명한 것과 유사할 수 있다.
본 발명에 따른 CLC 방법의 적용
프로세스에서, 연소는 부분적이거나 완전할 수 있다.
부분 연소의 경우에, 활성 매스/탄화수소 공급물 비는 탄화수소 공급물의 부분 산화를 달성하여서, CO + H2 가 풍부한 혼합물 형태로 합성 가스를 생성하도록 조절된다. 따라서, 프로세스는 합성 가스 생성을 위해 사용될 수 있다. 이 합성 가스는, 다른 화학 변환 프로세스들, 예를 들어 연료 베이스로서 사용할 수 있는 탄화수소 장쇄 액체 탄화수소를 합성 가스로부터 생성하도록 허용하는 피셔-트롭쉬 프로세스에서 공급물로서 사용될 수 있다.
환원 구역 (연소 반응기) 에서 사용된 유동화 가스가 수증기 또는 수증기와 다른 가스(들)의 혼합물이라면, 수성 가스 시프트 반응 (CO + H2O → CO2 + H2) 이 또한 발생할 수 있어서, 환원 구역 출구에서 CO2 + H2 혼합물의 생성을 유발하고, 상기 혼합물은 발열량을 고려한 에너지 발생, 또는 수소 생성, 예를 들어 공급 수소 첨가 유닛들, 정유 공장 수소처리 유닛들 또는 수소 분배 네트워크에 사용될 수 있다 (수성 가스 시프트 반응 후).
완전 연소의 경우에, 환원 구역 출구에서 가스 스트림은 본질적으로 CO2 와 수증기로 구성된다. 추후, 격리될 준비가 된 CO2 스트림은 수증기의 응축을 통하여 수득될 수 있다. 에너지 발생은 여기에서 설명한 바와 같은 열교환에 의해, 또한 냉각된 흄과 가능한 열교환에 의해 CLC 프로세스에 통합된다.
따라서, 본 발명은 또한 본 발명에 따른 프로세스에서 완전 화학 루핑 연소를 통한 CO2 포집 방법에 관한 것이다.
실시예
하기 실시예는 도 3 과 관련하여 설명한 바와 같은 열교환 제어 기기의 작동 시뮬레이션 및 레독스 활성 매스 입자 유사체들로서 모래 입자들의 사용을 기반으로 본 발명을 보여줄 수 있다.
평균 입경이 250 ㎛ 인, 2650 ㎏/㎥ 의 입자 밀도를 갖는 모래 유동층을 포함하는 열교환기 (3002) 를 고려한다. 이 열교환기는, 제어된 압력 강하 적용 수단 (3003) 을 통한 압력 강하 변화가 없는 한, 층 레벨이 일정하게 유지되도록 충전 및 배수된다. 이 교환기 (3002) 는, 교환기 (3002) 에서 공탑 가스 속도가 모래의 최소 유동화 속도 umf 의 3 ~ 6 배이도록 과열된 수증기로 유동화된다. 이 실시예의 조건들 하에, 모래 입자들의 최소 유동화 속도 umf 는 0.06 m/s 이고, 즉 층에서 유동화 속도는 0.24 m/s 이다. 이것은 열교환을 촉진하는 조밀한 층 유동화 조건들을 조성한다.
열교환기는 높이가 2 미터이다. 이하 제공된 열교환기에서 유동층 레벨 변화는 낮은 층 레벨, 즉 장비를 통과하는 고체의 만족스러운 순환 및 그것의 유동화를 제공할 수 있는 최소 레벨에 대한 변화에 관한 것이다.
이하 표 1 은 제어된 압력 강하 적용 수단 (3003) 에 의해 적용된 압력 강하에 따른 전체 열교환면 (튜브 번들) 의 (유동층과 접촉하는) 침지된 부분을 보여준다.
Figure pct00006
따라서, 예시된 열교환 제어 기기는 고체 또는 열 운반 유체 유동을 변경하지 않으면서 고체 층과 열 운반 유체 간 0 % ~ 100 % 의 열교환을 변조할 수 있도록 허용한다.

Claims (16)

  1. 입자들 형태의 레독스 활성 매스 (redox active mass) 가 회로를 형성하도록 산화 구역 (200) 과 환원 구역 (210) 사이에서 순환하는, 탄화수소 공급물 (13) 의 화학 루핑 산화-환원 연소를 위한 방법으로서,
    - 상기 탄화수소 공급물 (13) 의 연소는 상기 환원 구역 (210) 에서 레독스 활성 매스 입자들과 접촉함으로써 실시되고,
    - 상기 환원 구역 (210) 으로부터의 상기 레독스 활성 매스 입자들은 상기 산화 구역 (200) 에서의 산화 가스 스트림 (11) 과 접촉함으로써 산화되고,
    - 상기 레독스 활성 매스 입자들은 상기 환원 구역 (210) 과 상기 산화 구역 (200) 사이에서 입자 수송 라인 (15, 16, 17, 18) 에 위치결정된 적어도 하나의 열교환기 (E1, E2, 3002, 4002, 5002, 6002) 로 보내지고, 유동화 가스 (311, 411, 511, 611) 는 상기 레독스 활성 매스 입자들을 포함하는 조밀한 (dense) 유동층을 형성하도록 상기 열교환기로 보내지고, 상기 열교환기는 상기 유동층과 접촉하는 열교환면 (4020, 5020, 6020) 을 포함하고,
    - 상기 열교환기의 상부에 위치결정된 유동화 가스 출구 (3013, 4013, 5013, 6013) 에서 압력 강하의 제어 적용을 통하여 유동층 레벨을 변화시킴으로써 열 회수가 적어도 하나의 상기 열교환기 (E1, E2, 3002, 4002, 5002, 6002) 에서 제어되고, 적용된 압력 강하는 화학 루프에서 입자 회로에 제공된 리저버 구역 (3001, 4001, 5001, 6001) 에서 활성 매스 입자층의 레벨 변화에 의해 보상되는, 탄화수소 공급물 (13) 의 화학 루핑 산화-환원 연소를 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    - 상기 레독스 활성 매스 입자들은 열교환기 (5002) 로부터 상류에 제공된 리저버 구역 (5001) 으로 보내지고, 상기 리저버 구역 및 상기 열교환기는 상기 리저버 구역 (5001) 을 형성하는 제 1 부분 및 상기 열교환기 (5002) 를 형성하는 제 2 부분으로 인클로저를 수직으로 분리하는 벽 (5015) 을 구비한 단일 인클로저 (5010) 에 포함되고,
    - 열교환기 (5002) 에 적용된 상기 압력 강하는, 상기 인클로저 (5010) 의 벽 (5015) 에서 통로 (5012) 를 통하여 상기 열교환기의 유동층과 연통하는 상기 리저버 구역 (5001) 에서, 바람직하게 유동화된, 입자층의 레벨 변화에 의해 보상되는, 탄화수소 공급물 (13) 의 화학 루핑 산화-환원 연소를 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 레독스 활성 매스 입자들은 상기 열교환기의 입구 레그를 통하여 열교환기 (4002, 6002) 로 보내지고, 상기 입구 레그는 리저버 구역 (4001, 6001) 을 형성하는, 탄화수소 공급물 (13) 의 화학 루핑 산화-환원 연소를 위한 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레독스 활성 매스 입자들은 상기 열교환기의 하부에 배치된 파이프 (6014) 를 통하여 열교환기 (6002) 로부터 배출되고, 상기 파이프 (6014) 는 사이펀의 형태를 가지는, 탄화수소 공급물 (13) 의 화학 루핑 산화-환원 연소를 위한 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기의 상기 유동화 가스 출구에 위치결정된 기계적 밸브의 개방은 상기 압력 강하의 제어 적용을 위해 제어되는, 탄화수소 공급물 (13) 의 화학 루핑 산화-환원 연소를 위한 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기 (E1, E2, 3002, 4002, 5002, 6002) 외부의 유동화 가스 출구 (3013, 4013, 5013, 6013) 에 위치결정되는 제어된 압력 강하 적용 수단 (3003, 4003, 5003, 6003) 의 온도가 제어되는, 탄화수소 공급물 (13) 의 화학 루핑 산화-환원 연소를 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어된 압력 강하 적용 수단 (3003, 4003, 5003, 6003) 은 냉각 유체 순환 회로와 접촉함으로써 냉각되는, 탄화수소 공급물 (13) 의 화학 루핑 산화-환원 연소를 위한 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    열교환은 상기 환원 구역 (210) 으로부터 상기 산화 구역 (200) 으로 상기 레독스 활성 매스 입자들을 운반하는 수송 라인 (17, 18) 에서 실시되는, 탄화수소 공급물 (13) 의 화학 루핑 산화-환원 연소를 위한 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 탄화수소 공급물 (13) 의 화학 루핑 산화-환원 연소를 위한 유닛으로서,
    - 입자들 형태의 활성 매스와 접촉하는 탄화수소 공급물의 연소를 위한 환원 구역 (210),
    - 산화 가스 스트림 (11) 과 접촉하는 상기 환원 구역으로부터 활성 매스 입자들의 산화를 위한 산화 구역 (200),
    - 상기 환원 구역과 상기 산화 구역 사이의 적어도 하나의 활성 매스 입자들 수송 라인 (15, 16, 17, 18),
    - 열교환 제어 기기 (3000, 4000, 5000, 6000) 를 포함하고, 상기 열교환 제어 기기는:
    o 상기 적어도 하나의 활성 매스 입자들 수송 라인에 위치결정된 열교환기 (3002, 4002, 5002, 6002) 로서, 상기 열교환기는:
    Figure pct00007
    활성 매스 입자들 (3012, 4012, 5012, 6012) 의 유입 스트림을 위한 입구,
    Figure pct00008
    활성 매스 입자들의 조밀한 유동층을 형성하기 위한 유동화 가스 주입 수단 (311, 411, 511, 611),
    Figure pct00009
    상기 열교환기의 상부에 제공된 유출 유동화 가스 출구 (3013, 4013, 5013, 6013) 로서, 상기 출구는 제어된 압력 강하 적용 수단 (3003, 4003, 5003, 6003) 을 포함하는, 상기 유출 유동화 가스 출구 (3013, 4013, 5013, 6013),
    Figure pct00010
    상기 열교환기의 하부에 제공된 활성 매스 입자들 (303, 403, 503, 603) 의 유출 스트림을 위한 출구 (3014, 4014, 5014, 6014),
    Figure pct00011
    조밀한 유동화 입자층과 접촉하는 열교환면 (4020, 5020, 6020) 을 포함하는, 상기 열교환기 (3002, 4002, 5002, 6002),
    o 상기 열교환기의 유동화 가스 출구에 적용된 압력 강하를 보상하기 위한 리저버 구역 (3001, 4001, 5001, 6001) 으로서, 상기 리저버 구역은 상기 환원 구역 (210) 과 상기 산화 구역 (200) 사이에 제공된 화학 루프의 입자 회로에 위치결정되는, 상기 리저버 구역 (3001, 4001, 5001, 6001) 을 포함하는, 상기 열교환 제어 기기 (3000, 4000, 5000, 6000) 를 포함하는, 탄화수소 공급물 (13) 의 화학 루핑 산화-환원 연소를 위한 유닛.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 열교환기 (5002) 및 상기 리저버 구역 (5001) 은, 상기 열교환기 (5002) 를 형성하는 제 2 부분으로부터 상류의 상기 리저버 구역 (5001) 을 형성하는 제 1 부분으로 인클로저를 수직으로 분리하는 벽 (5015) 을 구비한 단일 인클로저 (5010) 로 구성되고, 상기 리저버 구역은 바람직하게 유동화 가스 주입 수단을 포함하고, 상기 벽은 상기 리저버 구역으로부터 상기 열교환기까지 활성 매스 입자층을 위한 통로 (5012) 를 포함하고, 상기 활성 매스 입자들은 상기 리저버 구역의 상부에 제공된 파이프 (5016) 를 통하여 유입하는, 탄화수소 공급물 (13) 의 화학 루핑 산화-환원 연소를 위한 유닛.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 활성 매스 입자들은 상기 열교환기의 입구 레그를 통하여 열교환기 (4002, 6002) 로 유입되고, 상기 입구 레그는 리저버 구역 (4001, 6001) 을 형성하는, 탄화수소 공급물 (13) 의 화학 루핑 산화-환원 연소를 위한 유닛.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기 (6002) 에서의 유출 입자 스트림은 상기 열교환기 (6002) 의 하부에 제공된 파이프 (6014) 를 통하여 유출되고, 상기 파이프 (6014) 는 사이펀의 형태를 가지는, 탄화수소 공급물 (13) 의 화학 루핑 산화-환원 연소를 위한 유닛.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    압력 강하의 제어 적용은 열교환기 (3002, 4002, 5002, 6002) 의 유동화 가스 출구 (3013, 4013, 5013, 6013) 에 위치결정된 기계적 밸브를 통하여 달성되는, 탄화수소 공급물 (13) 의 화학 루핑 산화-환원 연소를 위한 유닛.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어된 압력 강하 적용 수단 (3003, 4003, 5003, 6003) 은 상기 열교환기 (3002, 4002, 5002, 6002) 외부의 유동화 가스 출구 (3013, 4013, 5013, 6013) 에 배치되는, 탄화수소 공급물 (13) 의 화학 루핑 산화-환원 연소를 위한 유닛.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 유닛은 상기 제어된 압력 강하 적용 수단 (3003, 4003, 5003, 6003) 을 냉각하기 위한 수단, 바람직하게 상기 제어된 압력 강하 적용 수단 (3003, 4003, 5003, 6003) 과 접촉하는 냉각 액체 순환 회로를 포함하는, 탄화수소 공급물 (13) 의 화학 루핑 산화-환원 연소를 위한 유닛.
  16. 제 9 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 환원 구역 (210) 으로부터 상기 산화 구역 (200) 으로 활성 매스 입자들을 운반하기 위한 제 1 입자 수송 라인 (17, 18),
    - 상기 산화 구역 (200) 으로부터 환원 구역 (210) 으로 상기 활성 매스 입자들을 운반하기 위한 제 2 입자 수송 라인 (15, 16) 을 포함하고,
    열교환기 (E1) 는 적어도 제 1 입자 수송 라인 (17, 18) 에 위치결정되는, 탄화수소 공급물 (13) 의 화학 루핑 산화-환원 연소를 위한 유닛.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110982558A (zh) * 2019-12-24 2020-04-10 东南大学 一种基于化学链技术的煤/生物质气化直接制备氢气和一氧化碳的装置和方法

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6986458B2 (ja) * 2018-01-31 2021-12-22 住友重機械工業株式会社 ケミカルルーピングシステム及びケミカルルーピング法
CN110041967B (zh) * 2018-04-25 2023-12-22 新能能源有限公司 高温高压烟气的二级旋风回料及余热利用系统
FR3089827B1 (fr) * 2018-12-17 2021-01-01 Ifp Energies Now Réacteur de combustion en boucle chimique à toit plat
FR3105795B1 (fr) * 2019-12-30 2022-08-05 Total Raffinage Chimie Procede integre de conversion thermique d’une charge hydrocarbonee lourde et de combustion indirecte en boucle chimique d'oxydo-reduction
FR3125441B1 (fr) 2021-07-23 2023-07-14 Ifp Energies Now Procédé et installation CLC avec récupération d’oxygène gazeux produit par un porteur d’oxygène
US11994068B2 (en) 2021-08-09 2024-05-28 Pratt & Whitney Canada Corp. Buffer heat exchangers for hydrogen engines
FR3127752B1 (fr) * 2021-10-04 2023-08-25 Univ De Lorraine Dispositif de combustion en boucle chimique en milieu liquide
WO2024095189A1 (en) * 2022-11-03 2024-05-10 REMOSA S.r.l. Double fluid bed plant with pressure differential

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3375197D1 (en) 1982-03-31 1988-02-11 Foster Wheeler Energy Corp Fluidized bed heat exchanger
ATE87077T1 (de) 1985-06-12 1993-04-15 Metallgesellschaft Ag Verbrennungsvorrichtung mit zirkulierender wirbelschicht.
US5290523A (en) * 1992-03-13 1994-03-01 Edward Koppelman Method and apparatus for upgrading carbonaceous fuel
FR2895413B1 (fr) * 2005-12-27 2011-07-29 Alstom Technology Ltd Installation de conversion d'hydrocarbures petroliers a installation de combustion integree comprenant une capture du dioxyde de carbone
AT505526B1 (de) * 2007-08-14 2010-09-15 Univ Wien Tech Wirbelschichtreaktorsystem
FR2936301B1 (fr) * 2008-09-23 2010-09-10 Inst Francais Du Petrole Procede et dispositif optimises de combustion par boucle chimique sur des charges hydrocarbonees liquides
PL2273192T3 (pl) * 2009-06-12 2013-09-30 General Electric Technology Gmbh System do przetwarzania materiału opałowego
FR2948177B1 (fr) 2009-07-16 2011-08-05 Inst Francais Du Petrole Procede de combustion en boucle chimique avec controle independant de la circulation des solides
FR2980258B1 (fr) * 2011-09-20 2017-12-29 Ifp Energies Now Procede de combustion en boucle chimique avec elimination des cendres et fines dans la zone de reduction et installation utilisant un tel procede
FR2997318A1 (fr) * 2012-10-31 2014-05-02 IFP Energies Nouvelles Procede de combustion en boucle chimique utilisant une masse oxydo-reductrice comprenant de la pyrolusite enrichie avec de l'oxyde de nickel

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110982558A (zh) * 2019-12-24 2020-04-10 东南大学 一种基于化学链技术的煤/生物质气化直接制备氢气和一氧化碳的装置和方法

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