KR20170030612A - 사워 가스 적용을 위한 통합된 칼슘 루핑 조합 사이클 - Google Patents

사워 가스 적용을 위한 통합된 칼슘 루핑 조합 사이클 Download PDF

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Abstract

사워 가스 연소를 위한 화학적 루핑 연소 (CLC) 방법이 가스 터빈 조합 사이클 및 스팀 생성 유닛과 통합되고, 이는 CLC 유닛의 연료 반응기 내의 위치에서 H2S와 산소 캐리어의 반응에 의해 사워 가스 연료로부터의 H2S의 계내 제거를 제공하도록 구성된다. 방법은 또한, 가스 터빈 조합 사이클로부터의 산소-풍부 배기 가스가 CLC 유닛의 공기 반응기로의 공급 및 CLC 유닛에서의 재순환을 위한 산소 캐리어의 재산화에 사용되도록 구성된다.

Description

사워 가스 적용을 위한 통합된 칼슘 루핑 조합 사이클 {INTEGRATED CALCIUM LOOPING COMBINED CYCLE FOR SOUR GAS APPLICATIONS}
본 발명은, 열 및 전기 생성을 위한 사워 가스(sour gas) 개질 및 연소 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 스팀 및 전력 생성을 위한 계내 탈황 및 연소에 의한 사워 가스 가치화에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 합성가스의 생성, 및 전력 생성을 위한 합성가스의 후속 사용을 포함하는 사워 가스 공정의 화학적 루핑 연소에 관한 것이다.
새로운, 환경 친화적인 에너지 공급원의 탐색은 아마도 현재 세계가 직면한 가장 도전적인 문제 중 하나일 것이다. 이러한 탐색은 전세계적인 에너지 수요 증가에 의해 더욱 복잡해졌다. 추가의 에너지 공급원에 대한 필요성이 전세계에 걸쳐 증가함에 따라, 에너지 생산자들은 증가되는 수요를 충족시키기 위해 비-전통 에너지 자원을 활용하기 시작하여야 한다. (재생가능 에너지 공급원이 지나치게 낮은 양으로 남아있고 특정 지역에 지나치게 제한되어 있다는 사실로 인해) 확립된 비-재생가능 에너지 공급원 (예를 들어, 회수가능 석탄, 전통 오일 및 천연 가스)이 전세계에 걸쳐 주요 에너지 공급원으로 지속되고 있지만, 에너지 생산자들은 보다 지속가능하게 장기적일 수 있는 추가의 에너지 공급원을 찾기 시작하여야 한다. 특히, 에너지 생산자들은 증가되는 에너지 수요를 충족시키기 위해 다른 비-재생가능 에너지 공급원, 예컨대 비-전통 오일 자원 (예를 들어, 오일 셰일, 타르-샌드, 및 중질 원유) 및 비-전통 천연 가스 자원 (예를 들어, 가압 대수층 내의 가스 및 탄층(coal seam))을 찾아야 한다.
이들 비-전통 비-재생가능 에너지 공급원 중에는 사워 가스 연료가 있다. 사워 가스는, 고온에서 연소 시스템의 물질 및 기계 부분에 손상을 줄 수 있는, 상당한 수준의 황화수소 (H2S)를 함유하는 무색의 가연성 및 부식성 가스인 천연 가스이다. 또한, H2S가 공기에 노출되면, 이는 공기 오염물-SO2와 같은 황 산화물 (SOX)로 쉽게 산화된다.
연소는 전력 생성 분야에서 통상적으로 사용되는 반응이고, 특정 경우에는, 연료로서 사워 가스를 활용할 수 있는 것이다. 사워 가스는, 부식성인 것 이외에, 그의 열량 값을 감소시키는 불활성 가스를 함유할 수 있고, 따라서 이전에는 연소 방법에서 특히 유용한 화석 연료인 것으로 고려되지 않았다. 예를 들어, 가스 터빈에서의 사워 가스의 직접적 연소는 가스의 조성 및 물리적 특성으로 인해 항상 가능하지는 않다 (특히, 사워 가스가 5% 초과의 H2S 함량을 갖는 경우). 그러나, 전세계적으로 증가하는 에너지 수요는, 에너지 공급원으로서 사워 가스의 사용을 강요하고 있다. 세계적인 많은 미개발 및 저개발 사워 가스 보유소가 존재하며, 이들 자원이 전력 생성에 사용되고자 하는 경우, 이러한 적용을 가능하게 하기 위해서는 연소 방법이 보다 많은 양의 H2S를 처리하는 능력이 필수적이다. 당연히, 사워 가스 연료에 대한 H2S 및 황 관리의 경제적 영향을 감소시키려는 많은 노력이 전세계적으로 진행 중에 있다.
종래에는, 사워 가스의 연소와 관련된 부식 효과 및 오염을 피하기 위해, 가스 스트림으로부터 황 화합물을 상당히 제거하기 위해 사워 가스의 전처리가 요구되었다 ("스위트닝(sweetening)"으로서 공지된 방법). 예를 들어, 사워 가스의 "스위트닝" (즉, H2S의 제거)을 위해 아민 가스 처리 방법, 예컨대 아민 유닛, 황 회수 유닛, 테일 가스(tail gas) 유닛을 포함하는 것이 사용될 수 있다. 사워 가스 스위트닝 방법의 주요 단점은 이들이 매우 고비용이 든다는 점이다.
화학적 루핑 연소 (CLC)는 CO2 생성을 위한 1950년대에 최초로 창출된 특정 유형의 연소 반응이지만, 최근에 이는 가능한 CO2 포획 방법으로서 증가된 주목을 받고 있다. 종래의 CLC 방법에서는, 산소 캐리어가 공기와 연료 사이의 중간 산소 수송체로서 작용하고, 따라서 공기 및 연료가 서로 직접 접촉되지 않도록 방지된다. 전형적으로, 연료 반응기 내에서 연료 스트림을 산화시키기 위해 고체 금속 산화물 산소 캐리어가 사용된다. 이로부터 CO2 및 H2O가 생성된다. 이어서, 산소 캐리어의 환원 형태가 공기 반응기로 전달되고, 여기서 이것이 공기와 접촉되어 그의 초기 상태로 재산화되고, 이어서 추가의 연소 반응을 위해 연료 반응기로 다시 복귀된다.
CLC 방법은 또한, 일부 경우에, 전력 생성을 위한 가스 터빈 조합 사이클과 조합되었다. 그러나, 이들 조합에서는, 연료 반응기를 사용하여 사워 가스를 개질하고 가스 터빈으로 공급되는 합성가스를 생성한다. 주변 공기의 제1 스트림을 압축시키고 CLC 공기 반응기로 공급하여 산소 캐리어를 산화시키며, 또 다른 주변 공기 스트림을 압축시키고 가스 터빈 연소 챔버로 공급하여 연료를 연소시킨다. 주변 공기의 압축은 추가의 장비 및 에너지를 필요로 하고, 이로써 시스템의 추가 비용이 발생한다.
따라서, 사워 가스의 연소를 전력 생성과 조합하는 비용-효과적이고 에너지-효율적인 시스템에 대한 필요성이 존재한다. 또한, H2S의 고비용 전처리 없이, 에너지 전환에 있어 높은 효율을 갖는 사워 가스 연소 방법에 대한 필요성이 존재한다. 본 발명은 이들 필요성 및 다른 것을 달성한다.
요약
본 발명은, 통합된 가스 터빈 조합 사이클 및 스팀 생성 유닛을 갖는 사워 가스 공정의 화학적 루핑 연소 (CLC) 방법에 관한 것이다. 하나 이상의 실시양태에서는, 사워 가스를 산소 캐리어와 함께 CLC 유닛의 연료 반응기로 공급하여 합성 기체 (합성가스)를 생성하고, 사워 가스로부터의 황 화합물을 포획한다. 연료 반응기로부터 배출되는 합성가스 스트림을 스팀 생성 유닛에서 통합하여 그의 열을 회수한 후, 이를 압축시키고 별도의 압축기로부터의 압축된 공기와 함께 가스 터빈 유닛의 연소 챔버로 공급한다. 연소 챔버 내에서 합성가스를 연소시키고, 이어서 챔버로부터의 산소-풍부 배기 가스를 가스 터빈 유닛의 다단 터빈으로 수송하고, 여기서 이를 팽창시켜 전력을 생성한다.
산소-풍부 배기 가스의 일부를 다단 터빈으로부터 취출하여 CLC 유닛의 공기 반응기로 공급한다 (스팀 생성 유닛에서 이것이 냉각되고 그의 에너지가 회수된 후). 산소-풍부 배기 가스는 공기 반응기로 도입되고, CLC 유닛 내에서 순환 고체 입자 (예를 들어, 연료 반응기 내에서 황 화합물의 포획에 사용되는 환원된 산소 캐리어)와 반응하고, 이로써 고체 입자가 재산화된다. 재산화된 고체 입자를 연료 반응기로 재순환시키고/거나 시스템으로부터 부분 퍼징한다. 이제 산소-희박 (산소 고갈된) 배기 가스를 공기 반응기로부터 배출시키고, 스팀 생성 유닛으로 수송하여 그의 에너지를 회수한 후, 스택을 통해 시스템으로부터 배출시킨다. 다단 터빈 내에 남아있는 배기 가스는 그의 팽창을 계속한 후, 스팀 생성 블록으로 수송되고, 스택을 통해 배기된다.
하기 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조로 하여 본 발명 및 그의 많은 특징 및 이점에 대한 보다 완전한 이해를 얻는다. 도면은 본 발명의 단지 하나의 실시양태를 예시하는 것이며, 따라서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 고려되어선 안됨을 인지하는 것이 중요하다.
도 1은 본 출원의 적어도 하나의 실시양태에 따른 칼슘 루핑 연소 사이클 및 가스 터빈 조합 사이클을 통합하는 방법의 개략도이다.
특정 실시양태의 상세한 설명
본 출원은, 통합된 가스 터빈 조합 사이클을 갖는 사워 가스 공정의 화학적 루핑 연소 (CLC)에 관한 것이다. 본원에 기재된 바와 같이, 본 출원의 CLC 방법은, 이들이 사워 가스의 연소와 관련됨에 따라 직접적 연소 및 종래의 CLC 방법과 관련된 결점을 극복하도록 디자인된 것이다. 본 출원의 방법은 또한, 가스 터빈 사이클과 조합되었던 이전의 CLC 방법과 관련된 결점을 극복하도록 디자인된 것이다.
본 출원의 CLC 방법은 사워 가스 공급물로부터의 직접적 전력 생성을 가능하게 하고, 황 화합물을 제거하기 위한 별도의 스위팅 시스템에 대한 필요성을 제거한다. 보다 구체적으로, 본 출원의 방법은, 사워 가스 연료로부터의 H2S의 계내 제거, 및 가스 터빈 조합 사이클 (가스 터빈 유닛) 및 스팀 생성 유닛 (이는 일반적으로 전력 생성 유닛으로서 고려될 수 있음)의 동력제공에 사용되는 합성가스의 생성을 가능하게 한다. 본 출원의 CLC 방법은 또한, CLC 유닛의 공기 반응기로 산소를 공급하기 위해 가스 터빈 유닛의 다단 터빈으로부터의 배기 가스의 일부를 활용한다. 특히, 방법은 적절한 압력에서 가스 터빈으로부터 산소-함유 배기 가스를 추출하여 가스를 공기 반응기 내로 직접 주입하는 것을 가능하게 하고, 이로써 압축기 및 구동 터빈 또는 모터에 대한 필요성을 제거한다.
이들 측면은, 본 출원의 방법이 다단 터빈의 크기 감소를 가능하게 하고 공기 반응기 내로 압축된 공기를 주입하기 위한 별도의 공기 압축기 또는 팬을 구성하고 작동시킬 필요성을 제거하기 때문에, 이를 이전 방법에 비해 보다 효율적으로 만든다. 전체적으로, 본 발명의 방법은, 가스 터빈 조합 사이클 및 화학적 루핑 방법이 연결되지 않았던 유사 방법에 비해 보다 높은 전체적 효율을 제공한다. 본 발명의 다른 이점은 하기 설명을 고려하여 인지된다.
도 1은, 본 발명에 따른 사워 가스의 화학적 루핑 연소 및 가스 터빈 조합 사이클을 수행하기 위한 하나의 예시적 시스템(100)을 나타낸다. 도 1은 또한, 본 발명에 따른 하나의 CLC 방법, 하나의 스팀 생성 유닛, 및 하나의 가스 터빈 조합 사이클을 도시한 예시적 흐름도를 나타낸다. 시스템(100)은 3개의 단을 한정하는 3개의 상호연결 유닛을 가지며 이들에 의해 한정되는 것으로 고려될 수 있다. 보다 구체적으로, 시스템(100)은 CLC 유닛(200), 및 스팀 생성 유닛(300), 및 가스 터빈 유닛(400)을 가지며, 이들 모두 서로 작동가능하게 연결되어 있다.
CLC 유닛(200)은 2개의 별개의 반응 대역을 가지며 이들에 의해 한정되는 것으로 고려될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 반응 대역은 연료 반응기(205)에 의해 한정되고, 제2 반응 대역은, 연료 반응기(205)에 작동가능하게 연결된 공기 반응기(210)에 의해 한정된다. 연료 반응기(205)는 임의 수의 적합한 형태를 가질 수 있고, 그 안의 연료 등의 연소 또는 개질을 가능하게 하도록 디자인된다. 따라서, 연료 반응기(205)는, 연료 연소가 일어나는 중공 내부를 한정하는 구조물 (하우징)에 의해 한정된다. 하나 이상의 실시양태에서, 연료 반응기(205) 및/또는 공기 반응기(210)는 난류 층 반응기, 유동 층 반응기, 또는 순환 유동 층 반응기일 수 있다.
연료는 수송 라인(215)을 통해 연료 반응기(205) 내로 주입된다. 예시적 실시양태에서, 연료는 사워 가스 스트림이다. 사워 가스 스트림은 H2S, 탄화수소, CO2, 및 불활성 가스, 예컨대 N2로 구성될 수 있다. 사워 가스 스트림은 약 0.1 내지 75%, 바람직하게는 약 0.1 내지 50%의 H2S 농도를 가질 수 있다. 추가로, 다른 연료가 본 발명의 실행에 사용될 수 있다.
연료 반응기(205) 내에서의 연소/개질 반응을 위한 산소를 제공하며 황 화합물과 반응하는 산소 캐리어는 수송 라인(220)을 통해 연료 반응기(205) 내로 주입된다. 예시적 실시양태에서, 산소 캐리어는 고체의 칼슘 기재의 입자, 예컨대 CaO (석회) 및/또는 CaCO3 (석회석)이다. 다른 실시양태에서, 산소 캐리어는 임의 수의 적합한 산소 캐리어 형태일 수 있고, 이는 마그네슘 기재의 입자 또는 산소 및 황과 반응하는 능력을 갖는 합성 입자를 포함하나 이에 제한되지는 않는다. 다른 실시양태에서, 산소 캐리어는 칼슘 기재의 입자와 마그네슘 기재의 입자의 혼합물일 수 있다.
연료 반응기(205) 내에서, 연료 (사워 가스)는 산소 캐리어 (CaO/CaCO3), 또한 수송 라인(225)을 통해 공기 반응기(210)로부터 연료 반응기(205)로 수송된 황산칼슘 (CaSO4) (이것 또한 산소 캐리어로서 작용함)과 반응 (연소 반응)한다. 연료 반응기(205)는 600℃ 내지 1300℃의 온도 범위, 바람직하게는 약 1050℃에서 작동할 수 있다. 하나 이상의 실시양태에서, 연료 반응기는 또한, 0.7 bar 내지 15 bar 범위의 압력에서 작동할 수 있다. 칼슘 기재의 산소 캐리어 (CaO/CaCO3)의 고체 입자는 사워 가스의 황과 반응하여 황화칼슘 (CaS)을 생성한다. 칼슘 기재의 산소 캐리어 (CaO/CaCO3)는 또한 사워 가스의 다른 성분 (예를 들어, CH4)과 반응하여 합성가스를 생성한다. 사워 가스 성분을 합성가스로 변형시키기 위해 필요한 추가의 산소는 공기 반응기로부터 수송된 CaSO4에 의해 제공된다. CaO 및 CaCO3이 사워 가스를 합성가스로 변형시키기 위한 산소를 제공하지만, 연료 반응기(205) 내에서의 CaO 및 CaCO3의 주요 반응은 CaS를 생성하는 사워 가스의 황 성분과의 반응 (즉, 계내 H2S 제거)이다. 연료 반응기 내에서의 CaSO4에 대한 주요 반응은 사워 가스의 나머지 성분에 산소를 제공하여 합성가스를 생성하는 것이다.
생성된 합성가스 및 CaS 입자는 수송 라인(230)을 통해 연료 반응기로부터 배출된다. 이어서, 합성가스 및 CaS 입자는 제1 기체-고체 분리기(235) (예를 들어, 사이클론)로 도입되고, 여기서 CaS 입자가 가스 스트림으로부터 분리되어 수송 라인(240)을 통해 공기 반응기(210)로 수송된다. 하나 이상의 실시양태에서, 연료 반응기 내에서 생성된 일부 CaS 입자는 수송 라인(245)을 통해 연료 반응기(205)로부터 공기 반응기(210)로 직접 수송될 수 있다. 합성가스는 수송 라인(250)을 통해 기체-고체 분리기(235)로부터 배출되고, 스팀 생성 유닛(300)으로 전송된다. 연료 반응기 내에서 생성된 합성가스는 CO, H2, CO2, H2O, 탄화수소, 및 불활성 가스로 구성될 수 있다.
합성가스는, 수송 라인(250)을 통해, 스팀 생성 유닛(300)으로 도입되고, 여기서 이것이 냉각된다. 스팀 생성 유닛(300)은 다중-열 교환기 유닛이고, 여기서 물이 증발되어 스팀을 생성한다. 생성된 스팀은, 예를 들어, 스팀 터빈을 구동하고 전력 및/또는 열을 생성하는 데 사용될 수 있고, 이는 일부 경우에, 본 발명의 방법으로 통합될 수 있는 열적 탈염 시스템에 사용될 수 있다. 이어서, 냉각된 합성가스는 수송 라인(310)을 통해 스팀 생성 유닛(300)으로부터 배출되고, 가스 터빈 유닛(400)으로 도입된다. 보다 구체적으로, 수송 라인(310)을 통해 합성가스는 가스 터빈 유닛(400)의 가스 압축기(405)로 도입된다. 합성가스는 가스 압축기(405) 내에서 압축되고, 이어서 수송 라인(410)을 통해 가스 터빈 유닛(400)의 연소 챔버(415)로 전송된다. 공기가 수송 라인(420)을 통해 공기 압축기(425) 내로 주입되고, 여기서 이는 15 내지 50 bar 범위의 가스 터빈의 전형적 압력으로 압축된다. 하나 이상의 변형에서, 가스 압축기(405) 및/또는 공기 압축기(425)는 중간냉각을 갖는 다단 압축기일 수 있고, 여기서 중간냉각은 시스템(100)의 효율 증가를 위해 스팀 생성 유닛(300) 내에 통합된다.
이어서, 압축된 공기는 수송 라인(430)을 통해 연소 챔버(415) 내로 공급된다. 연소 챔버(415) 내에서, 압축된 합성가스는 압축된 공기로부터의 산소의 존재 하에 연소되어 배기 가스를 생성한다. 가스 터빈 유닛(400)의 연소 챔버(415)는 5 내지 50 bar의 압력 범위에서 작동될 수 있다. 이어서, 이들 배기 가스는 수송 라인(440)을 통해 연소 챔버(415)로부터 가스 터빈 유닛(400)의 다단 터빈(435)으로 전송된다. 다단 터빈(435)으로 도입되는 배기 가스는 산소-풍부 가스이다. 예시적 실시양태에서, 배기 가스는 대략 14%의 O2 농도를 갖는다. 배기 가스는 여러 단을 통해 다단 터빈(435) 내에서 팽창된다. 적어도 하나의 변형에서, 공기 압축기(425) 및/또는 가스 압축기(405)는 압축기 및 터빈의 커플링을 위한 문헌에서 이용가능한 임의의 수단에 의해 가스 터빈 유닛(400)의 다단 터빈(435)에 연결될 수 있다. 다단 터빈(435)에 의해 제공되는 과량의 일은 발전기 (도 1에서 일반적으로 (500)으로 나타냄)에 의해 전기로 전환될 수 있다.
다단 터빈(435) 내에서의 팽창 동안, 배기 가스의 제1 추출 스트림 (산소-풍부 가스 스트림)이 다단 터빈(435)의 두개의 단 (예를 들어 중압(medium pressure)단) 사이에서 회수되고, 수송 라인(445)을 통해 배출된다. 중압단은 2 내지 15 bar 범위의 압력 범위에 있을 수 있다. 예시적 실시양태에서, 배기 가스의 이 스트림은 공기 반응기(210) 내의 요망되는 주입 압력 바로 초과 (1 내지 15 bar)에서 회수된다. 배기 가스의 제1 추출 스트림은 수송 라인(445)을 통해 스팀 생성 유닛(300)으로 수송되고, 여기서 이것이 냉각되고 그의 에너지가 회수된다 (유닛(300)에서 스팀이 생성됨). 이어서, 배기 가스의 제1 추출 스트림이 스팀 생성 유닛(300)으로부터 배출되고, 수송 라인(255)을 통해 공기 반응기(210)로 전송된다. 다단 터빈(435) 내의 나머지 배기 가스 (배기 가스의 제2 추출 스트림)는 이들이 수송 라인(450)을 통해 스팀 생성 유닛(300)으로 도입되도록 터빈 배기 압력에 도달할 때까지 다단 팽창을 계속한다. 수송 라인(450)을 통해 스팀 생성 유닛(300) 내에서, 배기 가스의 제2 추출 스트림의 에너지가 회수되고, 이들 배기 가스는 수송 라인(330)을 통해 스택으로 전송된다.
하나 이상의 변형에서, 다단 터빈(435)은 재가열 단계를 통합할 수 있고; 여기서 재가열은 a) 공기 압축기(425) (중간냉각을 포함하는 변형에서), b) 수송 라인(445), c) 수송 라인(280), d) 수송 라인(250), 및/또는 스팀 생성 유닛(300)으로 통합되어 방법의 전체적 효율을 증가시킨다.
상기에서 설명된 바와 같이, 배기 가스의 제1 추출 스트림 (산소-풍부 배기 스트림)은 수송 라인(255)을 통해 공기 반응기(210)로 전송된다. 공기 반응기(210) 내에서, 배기 가스로부터의 산소는 주입된 CaS 입자 (라인(240) 및 (245)을 통해 주입됨)와 반응하여 CaSO4를 형성한다. 공기 반응기는 전형적으로 연료 반응기보다 10 내지 200 K 높은 온도에서 작동된다. 보다 구체적으로, 공기 반응기는 일반적으로 700℃ 내지 1300℃에서 작동될 수 있다. 예시적 실시양태에서, 공기 반응기(210)는 연료 반응기의 온도보다 약 50 K 높은 온도에서 작동된다. 하나 이상의 실시양태에서, 공기 반응기는 또한 0.7 bar 내지 15 bar 범위의 압력에서 작동될 수 있다.
배기 가스의 제1 추출 스트림 (이제 산소-고갈된)은 공기 반응기 내에서 고체 입자 (예를 들어 CaSO4)와 비말동반하고, 둘 다 수송 라인(265)을 통해 제2 기체-고체 분리기(260) (예를 들어, 사이클론)로 도입된다. 고체 입자 (예를 들어 CaSO4)는 배기 가스의 스트림으로부터 분리되고, 수송 라인(270)을 통해 제2 기체-고체 분리기(260)로부터 배출된다. 이어서, 수송 라인(270) 내의 고체 입자 스트림 (예를 들어, CaSO4)은 다시 수송 라인(225)을 통해 연료 반응기(205)로 전송된다. 하나 이상의 변형에서, 수송 라인(270) 내의 고체 입자 스트림의 일부 (예를 들어, 과량의 고체 입자)는 수송 라인(275)을 통해 시스템 외부로 추출될 수 있다. 배기 가스의 산소-고갈된 스트림은 수송 라인(280)을 통해 제2 기체-고체 분리기(260)로부터 배출되고, 스팀 생성 유닛(300)으로 전송된다. 스팀 생성 유닛(300) 내에서, 산소-고갈된 배기 가스가 냉각되고, 그의 에너지가 회수된다. 이어서, 배기 가스는 수송 라인(320)을 통해 스팀 생성 유닛(300)으로부터 배출되고, 스택으로 전송된다.
시스템의 또 다른 실시양태에서, 스트림(445)은 상기 실시양태에서의 스트림(450)의 경우와 같이 다단 터빈(435)의 최종 단에서 추출될 수 있다. 이 실시양태에서는, 이어서, 스트림(445)이 임의의 이용가능한 수단에 의해 압축되어 공기 반응기(210)의 주입 압력에 도달할 수 있다. 이 실시양태는, 다단 터빈(435) 디자인이 중간 압력에서 슬립 스트림(445)을 제공할 수 없는 경우에 바람직하다. 이 실시양태의 변형에서, 스트림(445)에 요구되는 압축 단계는 바람직하게는 스트림(255)에서, 또는 스트림(265), (280) 및 (320)에서의 압축 단계로 대체될 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서는, 배기 가스(255)의 산소-풍부 스트림에 공기 스트림을 보충하여 공기 반응기(210)로 도입하고 산소 캐리어에 산소를 공급할 수 있다. 공기 스트림은 공기 반응기(210)의 저부에서 또는 중간 수준에서 공급될 수 있다.
실시예
하기 실시예는 본 발명의 실시양태를 보다 잘 예시하기 위해 제공되는 것이나, 이는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어선 안된다.
본 실시예에서, 사워 가스 공급물은 60% CH4, 20% H2S, 10% CO2, 및 10% N2 (부피 기준)의 조성을 갖는다. 사워 가스를 CaCO3 (석회석) 및 재순환된 CaSO4와 함께 연료 반응기 내로 주입하여 CaS 및 합성가스를 생성한다. 연료 반응기를 대략 1050℃의 온도에서 작동시킨다. 연료 반응기 내에서 생성된 합성가스는 대략 55% H2 및 30% CO의 조성을 가지며, 나머지 합성가스는 H2O, CO2, 및 N2로 구성된다. CaS로부터 분리 후, 합성가스를 스팀 생성 유닛에서 냉각시키고 (스팀 생성), 이어서 가스 압축기 내로 공급한다. 합성가스를 압축시키고, 이어서 가스 터빈 연소 챔버로 공급하여 공기 압축기에 의해 제거된 공기에 의해 연소시킨다.
연소 챔버는 연소 챔버로부터 배출되어 다단 터빈으로 도입되는 배기 가스를 생성한다. 연소 챔버로부터 배출되는 배기 가스의 온도를 제어하여 가스 터빈의 디자인 온도 (즉, 1400℃)를 충족시킨다. 배기 가스의 온도 제어는, 연소 챔버로의 합성가스 수송 라인의 온도를 제어함으로써 달성된다. 배기 가스는 다단 터빈에서 대략 3 내지 15 bar의 압력으로 팽창되고, 이 때 배기 가스의 스트림의 30%가 이 압력에서 추출되어 CLC 유닛의 공기 반응기로 공급된다. 다단 터빈 내의 나머지 배기 가스는 그의 팽창을 계속한 후, 터빈으로부터 배출되어 스팀 생성 유닛으로, 또한 최종적으로 스택으로 수송된다.
배기 가스 공급물의 추출 스트림은 대략 1100℃에서 작동되는 공기 반응기로 공급된다. 배기 가스의 추출 스트림은 산소 풍부 상태이다. 공기 반응기 내에서, 연료 반응기 내에서 생성된 CaS가 주입되고, 이어서 배기 가스의 스트림 중의 산소에 의해 산화되어 CaSO4를 생성한다. 생성된 CaSO4는 부분적으로 연료 반응기로 재순환되고, 부분적으로 시스템으로부터 퍼징된다. 이제 산소-희박 (산소-고갈된) 배기 가스 스트림은 공기 반응기로부터 배출되고, 스팀 생성 유닛에서 냉각된 후, 스택으로 수송된다.
상기에서 설명된 바와 같이, 본 발명은, 사워 가스의 CLC와 스팀 생성 및 가스 터빈 조합 사이클을 통합하는 방법에 관한 것이다. 하나의 통합 시스템으로의 이들 절차의 통합은 시스템에 대한 전체적 자본 지출 및 작업 지출 감소를 가능하게 한다. 본 출원의 방법은, 열 및/또는 스팀, 전력, 또한 일부 변형에서는 탈염수 생성을 위한 사워 가스 (비-전통 에너지 자원)의 사용을 가능하게 한다. 이 방법은, 황이 CLC 유닛의 고체 순환 입자 (예를 들어 칼슘 기재의 입자)와 반응하고, 생성된 황 생성물이 시스템으로부터 제거될 수 있음에 따라, 황 화합물을 함유하는 임의의 사워 가스 분야에 적용될 수 있다. 생성된 생성물 가스 (예를 들어, 합성가스)는 가스 터빈에서 연소되어 열 및 스팀을 생성할 수 있다.
본 발명을 구체적 실시양태 및 실시예를 이용하여 기재하였지만, 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백한 많은 변형 및 변화가 존재한다. 이에 따라, 기재된 실시양태는 모든 면에 있어서 예시적인 것이며 비-제한적인 것으로 고려되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명보다는 첨부된 청구범위에 의해 지정된다. 청구범위의 의미 및 등가의 범위 내에 포함되는 모든 변화가 그의 범주 내에 포함되어야 한다.

Claims (36)

  1. 산소 캐리어 및 사워 가스 연료를 연료 반응기 내로 주입하는 단계;
    연료 반응기 내에서 사워 가스 연료를 개질하여 합성가스 및 환원된 산소 캐리어를 생성하는 단계;
    합성가스로부터 환원된 산소 캐리어를 분리하는 단계;
    합성가스를 스팀 생성 유닛으로 통과시킴으로써 합성가스를 냉각시키는 단계;
    냉각된 합성가스를 가스 터빈의 연소 챔버 내에서 연소시켜 배기 가스를 생성하는 단계;
    배기 가스의 제1 부분을 스팀 생성 유닛으로 통과시켜 배기 가스의 적어도 제1 부분을 냉각시키는 단계; 및
    배기 가스의 냉각된 제1 부분을 공기 반응기 내로 주입하여 합성가스로부터 분리되었던 환원된 산소 캐리어를 산화시켜, 산소-고갈된 배기 가스를 형성하는 단계
    를 포함하는, 화학적 루핑 방법, 가스 터빈, 및 스팀 생성 유닛을 통합한 사워 가스 연료를 사용한 유틸리티 및 전력 생성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 연료 반응기가 난류 층, 유동 층, 및 순환 유동 층 중 하나인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 공기 반응기가 난류 층, 유동 층, 및 순환 유동 층 중 하나인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 냉각된 합성가스를 압축시킨 후 그의 연소를 위한 가스 터빈의 연소 챔버로 송출하는 것인 방법.
  5. 제4항에 있어서, 압축된 공기를 냉각된 합성가스의 연소를 위한 가스 터빈의 연소 챔버 내로 주입하는 것인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 배기 가스의 제2 부분을 스팀 생성 유닛으로 통과시켜 스팀을 생성하고, 여기서 배기 가스의 제1 및 제2 부분은 스팀 생성 유닛 내에서 분리되어 유지되는 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 가스 터빈이 다단 터빈을 포함하고, 여기서 배기 가스의 제1 부분은 다단 터빈의 중압단으로부터 추출된 산소-풍부 가스를 포함하는 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 가스 터빈이 다단 터빈을 포함하고, 여기서 배기 가스의 제1 부분은 다단 터빈의 최종단으로부터 추출된 산소-풍부 가스를 포함하는 것인 방법.
  9. 제8항에 있어서, 배기 가스의 추출된 제1 부분을 압축시켜 공기 반응기의 주입 압력에 도달시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  10. 제8항에 있어서, 산소-고갈된 배기 가스를 압축시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 공기 스트림을 공기 반응기 내로 주입하여 환원된 산소 캐리어를 산화시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 환원된 산소 캐리어가 황을 함유하는 것인 방법.
  13. 제12항에 있어서, 환원된 산소 캐리어가 CaS를 포함하는 것인 방법.
  14. 제1항에 있어서, 산화된 산소 캐리어를 공기 반응기로부터 산화된 산소 캐리어가 주입되는 연료 반응기로 수송하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 산소-고갈된 배기 가스로부터 산화된 산소 캐리어를 분리하고, 산화된 산소 캐리어의 적어도 일부를 연료 반응기로 송출하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  16. 제1항에 있어서, 배기 가스의 냉각된 제1 부분을 공기 반응기의 유입구로 도입하여 환원된 산소 캐리어와 비말동반시켜 이를 산화시키는 것인 방법.
  17. 제16항에 있어서, 환원된 산소 캐리어가 CaS를 포함하고, 산화된 산소 캐리어가 CaSO4를 포함하는 것인 방법.
  18. 제5항에 있어서, 공기 압축기가 중간냉각을 갖는 다단 압축기를 포함하며, 여기서 중간냉각기는 스팀 생성 블록의 부분인 방법.
  19. 제1항에 있어서, 가스 터빈의 연소 챔버 내에서 연소에 의해 생성된 배기 가스가 가스 터빈의 다단 구성으로 인해 팽창되는 것인 방법.
  20. 제1항에 있어서, 스팀 생성 유닛이, 스팀 생성 유닛 내에서의 열 교환 후 냉각된 배기 가스가 통과하는 스택을 포함하는 것인 방법.
  21. 제1항에 있어서, 가스 터빈 연소 챔버로부터의 냉각된 배기 가스가 공기 반응기 내로 주입되는 환원된 산소 캐리어의 산화를 위한 유일한 수단을 구성하는 것인 방법.
  22. 사워 가스 연료의 공급원;
    사워 가스 연료 및 산소 캐리어가 도입되고, 사워 가스가 개질되어 생성물 스트림을 형성하고, 산소 캐리어가 환원되는 연료 반응기;
    연료 반응기와 유체 소통되고 제1 도관을 통해 생성물 스트림을 수용하며, 생성물 스트림을 냉각시키는 열 전달 유닛으로서 작용하도록 구성된 스팀 생성 유닛;
    스팀 생성 유닛과 유체 소통되고 제2 도관을 통해 냉각된 생성물 스트림을 수용하며, 냉각된 생성물 스트림을 연소시켜 배기 가스를 생성하기 위한 연소 챔버를 포함하는 가스 터빈;
    배기 가스의 적어도 제1 부분이 가스 터빈으로부터 배기 가스를 냉각시키는 작용을 하는 스팀 생성 유닛으로 수송되도록, 가스 터빈을 스팀 생성 유닛에 유체 연결하는 제3 도관;
    냉각된 배기 가스가 공기 반응기로 송출되도록, 제3 도관 및 스팀 생성 유닛과 공기 반응기 사이를 유체 연결하는 제4 도관에 의해 가스 터빈에 유체 연결되고, 환원된 산소 캐리어가 연료 반응기로부터 수용되고 가스 터빈의 연소 챔버로부터의 냉각된 배기 가스에 의해 산화되어 산소-고갈된 배기 가스를 형성하도록 연료 반응기와 유체 소통되는 공기 반응기
    를 포함하며; 여기서, 공기 반응기는 공기 반응기로부터 배출되는 산소-고갈된 배기 가스를 냉각시키는 작용을 하는 스팀 생성 유닛에 유체 연결된 것인, 화학적 루핑 연소 방법을 활용하는 유틸리티 및 전력 생성 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 합성가스를 포함하는 냉각된 생성물 스트림을, 그의 연소를 위한 가스 터빈의 연소 챔버로의 송출 전에 압축시키기 위한 가스 압축기를 추가로 포함하는 시스템.
  24. 제22항에 있어서, 배기 가스의 제2 부분이 연소 챔버로부터 스팀 생성 유닛으로 수송되도록, 가스 터빈을 스팀 생성 유닛에 유체 연결하는 제5 도관을 추가로 포함하며, 여기서 스팀 생성 유닛은 배기 가스의 제2 부분을 스팀 생성 유닛으로부터 배기되기 전에 냉각시키는 작용을 하는 것인 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 배기 가스의 제1 및 제2 부분이, 이들이 스팀 생성 유닛을 통해 유동할 때, 서로 분리되어 유지되는 것인 시스템.
  26. 제22항에 있어서, 가스 터빈이 다단 터빈을 포함하고, 여기서 배기 가스는 다단 터빈의 중압단으로부터 추출된 산소-풍부 가스를 포함하는 것인 시스템.
  27. 제22항에 있어서, 환원된 산소 캐리어가 황을 함유하는 것인 시스템.
  28. 제27항에 있어서, 환원된 산소 캐리어가 CaS를 포함하는 것인 시스템.
  29. 제22항에 있어서, 산화된 산소 캐리어를 공기 반응기로부터 산화된 산소 캐리어가 주입되는 연료 반응기로 수송하기 위한, 공기 반응기를 연료 반응기에 유체 연결하는 제5 도관을 추가로 포함하는 시스템.
  30. 제29항에 있어서, 산소-고갈된 배기 가스로부터 산화된 산소 캐리어를 분리하고, 산화된 산소 캐리어의 적어도 일부를 연료 반응기로 송출하도록 구성된 제1 분리기를 추가로 포함하는 시스템.
  31. 제29항에 있어서, 환원된 산소 캐리어가 CaS를 포함하고, 산화된 산소 캐리어가 CaSO4를 포함하는 것인 시스템.
  32. 제22항에 있어서, 가스 터빈의 연소 챔버 내에서의 연소에 의해 생성된 배기 가스가 가스 터빈의 다단 구성으로 인해 팽창되는 것인 시스템.
  33. 제22항에 있어서, 가스 터빈 연소 챔버로부터의 냉각된 배기 가스가 공기 반응기 내로 주입되는 환원된 산소 캐리어의 산화를 위한 유일한 수단을 구성하는 것인 시스템.
  34. 제22항에 있어서, 가스 터빈이 전기를 생성하도록 구성된 것인 시스템.
  35. 제22항에 있어서, 산소 캐리어가 고체의 칼슘 기재의 입자를 포함하는 것인 시스템.
  36. 제35항에 있어서, 산소 캐리어가 CaO (석회) 및 CaCO3 (석회석) 중 적어도 하나인 시스템.
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