KR20180021097A - 암모니아의 연소를 위한 방법 및 장비 - Google Patents
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Abstract
암모니아의 연소를 위한 방법이 제공되며, 제1 연소 챔버(2)는 제어된 비율들의 암모니아 및 수소, 그리고 공기와 같은 산소-함유 가스를 수용한다. 암모니아 및 수소의 연소는 다른 연소 생성물들 중에서 질소 산화물들을 생성한다. 제2 연소 챔버(13)는 공기와 같은 추가적인 산소-함유 가스와 함께 추가적인 제어된 비율들의 추가적인 암모니아 및 수소와 함께 질소 산화물들을 수용한다. 질소 산화물들은 질소 및 물로 연소된다.
Description
암모니아(ammonia)는 에너지(energy) 저장 재료로서 사용될 수 있다. 암모니아는 합성되며, 추후 연소를 위해 저장될 수 있다. 가스 터빈(gas turbine)에서의 암모니아의 연소는 화학적으로 저장된 에너지가 기계 에너지로 릴리즈되도록(released) 할 수 있다. 그러나, 암모니아의 연소는 질소 산화물들 NOx을 생성하며, 이 질소 산화물들 NOx은, 배출 목표(emission target)들에 이르기 위하여, 배기 가스로부터 제거되어야 한다.
그에 따라서, 본 발명은, 첨부된 청구항들에서 제시되는 장치 및 방법들을 제공한다. 그러한 장치 및 방법들은 암모니아 연소 동안에 질소 산화물들 NOx의 배출을 감소시키거나 또는 제거한다.
본 발명의 위의 그리고 추가적인 목적들, 특성들 및 장점들은, 첨부된 도면들과 함께, 단지 비-제한적인 예들로서 주어지는, 본 발명의 소정의 실시예들의 다음의 설명으로부터 더욱 자명해질 것이며, 도면들에서:
도 1-도 4는 본 발명의 개개의 실시예들을 개략적으로 예시한다.
도 1-도 4는 본 발명의 개개의 실시예들을 개략적으로 예시한다.
도 1에서 예시된, 본 발명의 소정의 실시예에서, 암모니아 연소는 압축기(1)를 포함하며, 이 압축기(1)는 공기 또는 다른 산소-함유 가스를 압축하여 그것을 비교적 고압 및 고온의 제1 연소 챔버(chamber)(2)로 이동시킨다. 암모니아(3)와 수소(4)의 제1 혼합물이 제1 연소 챔버(2)에 추가되며, 이러한 제1 연소 챔버(2)에서 연소가 이루어져서, 열과 배기 가스 유동이 생성된다. 예컨대, 제1 연소 챔버(2) 내의 동작 압력은 10-30 바(bar)의 범위에 놓여 있을 수 있으며, 통상적인 동작 압력은 12-25 바의 범위에 있다.
제1 연소 챔버로부터의 배기 가스들(102)의 출구 온도는 1400-2100 K, 통상적으로 1500-1800 K의 범위에 있을 수 있다.
제1 연소 챔버(2)에 공급되는 암모니아 대 수소의 비(ratio)의 제어는, 정위치(in situ)의 가스 분석 센서(sensor)(7)와 커플링된(coupled) 질량 유동 제어기들(5 및 6)을 통해 제어기(18)에 의해 달성된다. 가스 혼합물은, 연소 시 최대 전력을 전달하도록 최적화된다. 그러나, 높은 연소 온도들, 및 암모니아 연료의 높은 질소 함유량에 기인하여, 연소 챔버(2)로부터의 배기 가스 유동(102)은 높은 수준들의 질소 산화물들 NOx을 가질 것이다.
배기 가스(102)는 제1 터빈(8)에 제공되며, 이 제1 터빈(8)에서, 기계적 출력을 제공하기 위해, 일(work)이 축 또는 유사물에 전달된다. 제1 터빈(8)을 떠나는 배기 가스는 뜨거우며, 비교적 저압 및 비교적 저온 체제로 동작하는 제2 연소 챔버(13)로 라우팅된다(routed). 예컨대, 제2 연소 챔버(13) 내의 동작 압력은 1-10 바의 범위에 놓여 있을 수 있으며, 통상적인 동작 압력은 1-5 바의 범위에 있다. 제2 연소 챔버로부터의 배기 가스들의 출구 온도는 300-1300 K, 통상적으로 750-880 K의 범위에 있을 수 있다.
이러한 제2 연소 챔버에 들어가기 전에, 질소 산화물들 NOx을 함유하는 배기 가스가 정위치의 가스 분석 센서(9)로 측정된다.
N2 및 H2O만을 생성하기 위해, 암모니아(3), 수소(4)와 공기의 제2 혼합물은 향상된 등가비, 통상적으로 1.0 - 1.2, 즉, 공급되는 수소와 반응하기 위해 요구되는 것보다 과잉의 암모니아로 제2 연소 챔버(13)에 분사된다. 혼합물은 연소된다. 향상된 비는, 연소가 상당한 비율(proportion)의 NH2 - 이온(ion)들을 생성하는 것을 보장하며, 이 NH2 - 이온들이 질소 산화물들 NOx과 결합하여 N2 및 H2O가 생성되어서, 배기 스트림(stream)(102)으로부터 NOx가 제거된다.
제2 연소 챔버(13)에 공급되는 제2 가스 혼합물에서, 암모니아 대 수소 비, 그리고 선택적으로 또한, 공기와 같은 산소-함유 가스의 비율을 제어하기 위해, 질량 유동 제어기들(10, 11), 그리고 선택적으로, 정위치의 가스 분석 센서(12)와 함께 공기 질량 유동 제어기(19)를 사용하여, 제어기(18)에 의해, 제2 혼합물에서의 암모니아 대 수소의 정확한 등가비가 세팅된다(set). 요구되는 등가비는 가스 센서(9)에 의한 입력 NOx 비율의 측정에 의해, 그리고 정위치의 가스 센서(14)에 의해 측정되는 출력 NOx 배출들의 측정에 의해 결정된다. 제어기(18)는 센서들(12, 9, 14)로부터 데이터(data)를 수신하고, 적절한 커맨드(command)들을 질량 유동 디바이스(device)들(11, 12, 및 선택적으로 19)에 발행한다. 제어기(18)는 센서(7) 및 질량 유동 디바이스들(5, 6)과 연관된 제어기와 동일한 제어기일 수 있거나, 또는 별개의 제어기일 수 있다.
폐열을 제거하고, 제2 연소 챔버로부터의 방출 가스(discharge gas)들로부터 에너지를 회수하기 위해, 열 교환기(15)가 사용될 수 있다. 예시된 예에서, 이는, 적절한 대로, 비록 폐열로부터 에너지를 회수하기 위해 다른 메커니즘(mechanism)들이 제공될 수 있더라도, 열 교환기(15)에서 열을 회수하여 이를 사용하여 스팀(steam) 터빈(16)을 구동함으로써 달성된다.
예컨대, 도 2에서 예시된 바와 같이, 기계적 회전으로서 폐에너지(waste energy)를 회수하기 위해, 제2 연소 챔버(13)로부터의 방출 가스들은 제2 터빈(22)으로 라우팅될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 제2 연소 챔버(24)는 통합된 열 교환기를 갖는다. 이는 보충 발화(supplementary firing)를 이용하는 배열 회수 보일러(heat recovery steam generator)와 유사할 수 있다.
배열 회수 보일러(HRSG; heat recovery steam generator)는 전력 발전 플랜트(plant) 원동기들, 이를테면 가스 터빈들 또는 대형 왕복 기관들로부터 배기 '폐'열을 회수하여서, 그에 따라 전체 에너지 효율들을 개선시키도록 설계된 열 교환기이다. 보충(또는 '덕트(duct)') 발화는, 요구된다면 그리고 요구될 때, 부가적인 에너지를 제공하여 더 많은 스팀을 생성하기 위해, 산소원으로서 뜨거운 가스 터빈 배기 가스들을 사용한다. 그것은 시스템(system) 출력 및 유연성을 증가시키는 경제적으로 매력적인 방식이다. 보충 발화는 더 낮은 자본비로 여분의 전기 출력을 제공할 수 있으며, 피킹(peaking)에 적절하다. 버너(burner)는, 항상은 아니지만 보통, HRSG로 이어지는 배기 가스 스트림에 위치된다. 필요하다면, 여분의 산소(또는 공기)가 추가될 수 있다. 높은 주위 온도들에서, 소형 덕트 버너는, 스팀 터빈으로의 설계된 스로틀(throttle) 유동을 유지시키기 위해, 가스 터빈 배기 에너지를 보충할 수 있다.
도 4에서 예시된, 본 발명의 추가적인 실시예에서, 제2 연소 챔버(13)로부터의 방출 가스의 부분을 다시 제1 연소 챔버(2)로 재순환시키기 위해 재순환 라인(line)(20)이 제공될 수 있다. 재순환 방출 가스는, 예컨대 혼합기(26)에서 흡입 산소-함유 가스와 혼합됨으로써, 입력 가스 유동과 결합될 수 있다. 이는, 배기 가스 내의 불소성(unburnt) NH3이 재활용 및 연소된다는 장점을 갖는다. 비율은, 제2 연소 챔버로부터의 배기 가스 내의 불소성 NH3의 비율, 및 시스템으로부터의 방출 가스들 내의 NH3의 수락가능한 비율에 따라, 예컨대 0%와 80% 사이에서 변화될 수 있다.
그에 따라서, 본 발명은 다음의 장점들 중 하나 또는 그 초과를 제공하는 것을 목적으로 한다:
(1) - 방출 가스들로부터 질소 산화물들 NOx 함유량이 감소되거나 또는 제거되고;
(2) - 모든 암모니아 및 수소가 에너지, 질소 및 물로 전환되기 때문에, 시스템의 전체 효율이 최대화되고;
(3) - 제1 및 제2 연소 챔버들(2, 13, 24)이 터빈(들)(8, 16, 22)에 대한 상이한 위치에 위치되어서, 다양한 가능한 레이아웃(layout)들이 환경적 제약들에 적응하는(suit) 것을 가능하게 할 수 있고;
(4) - 방출 가스 내의 NH3 함유량이 최소화된다.
위의 장점들에 기여할 수 있는 개개의 기술적 특징들은 다음과 같다.
(1) 제2 연소 챔버(13, 24)의 사용은, 적절한 등가비들 하에서의 연소가 NH2 - 이온들의 형성을 허용하는 것을 가능하게 한다. N2 및 H2O를 형성하기 위한 방출 가스 내의 NOx와의 후속 결합은, 방출 가스의 암모니아 함유량을 감소시킨다.
(2) 제2 연소 챔버로의 입력 전에, 터빈(8)으로부터의 배기 가스(102) 내의 NOx 함유량의 측정(9), 제1 연소 챔버로의 NH3/H2 가스 질량 유동들의 제어, 그리고 제2 챔버의 출력에서의 NOx 배출들의 측정(14)은, 배기 가스 및 방출 가스의 NOx 함유량에 따른 등가비의 정확한 세팅(setting)을 허용한다. 이는 필요한데, 그 이유는 제1 연소 챔버에서의 태워지는 조건(burn condition)들이 배기 가스들(102)의 NOx 함유량을 결정할 것이기 때문이다. 이들 조건들은 동적 기반으로, 그리고 시스템별로 변화할 수 있다.
(3) 제2 연소 챔버(13, 24)에서의 제2 연소와 연관된 에너지 손실을 최소화하기 위한 열 교환기(15, 24)의 사용.
(4) 다시 제1 연소 챔버로의, 제2 연소 챔버로부터의 방출 가스의 재순환은 NH3 배출들을 최소화시키도록 동작한다.
그에 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항들에서 정의된 바와 같은, 암모니아의 연소를 위한 방법들 및 시스템들을 제공한다.
제1 연소 챔버(2)에서의 연소로부터의 에너지는, 제1 연소 챔버에서의 연소에 의해 릴리즈된 에너지를 기계 에너지로 전환하기 위한 제1 터빈(8)의 동작에 의해 회수될 수 있다.
제2 연소 챔버(13)에서의 연소로부터의 에너지는, 제2 연소 챔버에서의 연소에 의해 릴리즈된 에너지를 기계 에너지로 전환하기 위한 제2 터빈(16, 22)의 동작에 의해 회수될 수 있다. 제2 터빈(22)의 동작은 터빈(22)에 대한, 제2 연소 챔버(13)로부터의 배기 가스들의 직접 작용에 의해, 또는 스팀에 의해 제2 터빈(16)을 구동하기 위해 열 교환기(15)에서의 물의 가열에 의해 이루어질 수 있다.
제2 연소 챔버(24)는 제2 연소 챔버로부터의 배기 가스들로부터의 열의 회수를 위한 열 교환기를 통합할 수 있다. 열 교환기는 열의 회수를 위해 스팀을 가열하는 역할을 할 수 있다.
배기 가스들 내에 남아 있는 암모니아에 대한 연소를 제공하기 위하여, 제2 연소 챔버로부터의 일 비율의 방출 가스들이 제1 연소 챔버로 재순환될 수 있다.
본 출원이 제한된 개수의 특정 실시예들에 대하여 설명되었지만, 많은 수정들 및 변형들이 당업자들에게 자명할 것이다.
Claims (15)
- 암모니아(ammonia)의 연소를 위한 방법으로서,
제1 연소 챔버(chamber)는 제어된 비율(proportion)들의 암모니아 및 수소, 그리고 산소-함유 가스(gas)를 수용하고,
상기 암모니아 및 상기 수소의 연소는 다른 연소 생성물들 중에서 질소 산화물들을 생성하고,
제2 연소 챔버가 추가적인 산소-함유 가스와 함께 추가적인 제어된 비율들의 추가적인 암모니아 및 수소와 함께 상기 질소 산화물들을 수용하여서, 상기 질소 산화물들은 질소 및 물로 연소되는,
암모니아의 연소를 위한 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 연소 챔버(2)에서의 연소로부터의 에너지(energy)는, 상기 제1 연소 챔버에서의 연소에 의해 릴리즈된(released) 에너지를 기계 에너지로 전환하기 위한 제1 터빈(turbine)(8)의 동작에 의해 회수되는(recovered),
암모니아의 연소를 위한 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 연소 챔버(13)에서의 연소로부터의 에너지는, 상기 제2 연소 챔버에서의 연소에 의해 릴리즈된 에너지를 기계 에너지로 전환하기 위한 제2 터빈(16, 22)의 동작에 의해 회수되는,
암모니아의 연소를 위한 방법. - 제3 항에 있어서,
상기 제2 터빈(22)의 동작은 상기 터빈(22)에 대한, 상기 제2 연소 챔버(13)로부터의 배기 가스들의 직접 작용에 의해 이루어지는,
암모니아의 연소를 위한 방법. - 제3 항에 있어서,
상기 제2 터빈(22)의 동작은, 스팀(steam)에 의해 제2 터빈(16)을 구동하기 위해, 열 교환기(15)에서의 물의 가열에 의해 이루어지는,
암모니아의 연소를 위한 방법. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
제2 연소 챔버(24)로부터, 통합된 열 교환기에 의해 열이 회수되는,
암모니아의 연소를 위한 방법. - 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
배기 가스들 내에 남아 있는 암모니아에 대한 연소를 제공하기 위하여, 상기 제2 연소 챔버로부터의 일 비율의 방출 가스(discharge gas)들이 상기 제1 연소 챔버로 재순환되는,
암모니아의 연소를 위한 방법. - 암모니아의 연소를 위한 시스템(system)으로서,
제어된 비율들의 암모니아(3) 및 수소(4), 그리고 산소-함유 가스를 수용하도록 연결된 제1 연소 챔버(2), 및
추가적인 산소-함유 가스와 함께 추가적인 제어된 비율들의 추가적인 암모니아 및 수소와 함께 상기 제1 연소 챔버로부터 배기 가스들(102)을 수용하도록 연결된 제2 연소 챔버(13)
를 포함하는,
암모니아의 연소를 위한 시스템. - 제8 항에 있어서,
상기 제1 연소 챔버로부터 배기 가스들(102)을 수용하여, 기계적 출력을 생성하며 상기 배기 가스들을 상기 제2 연소 챔버(13)에 제공하도록 연결된 제1 터빈(8)
을 더 포함하는,
암모니아의 연소를 위한 시스템. - 제8 항 또는 제9 항에 있어서,
상기 제2 연소 챔버로부터 방출 가스들을 수용하도록 연결된 제2 터빈(22)
을 더 포함하는,
암모니아의 연소를 위한 시스템. - 제10 항에 있어서,
상기 제2 터빈(22)의 동작은 상기 터빈(22)에 대한, 상기 제2 연소 챔버(13)로부터의 배기 가스들의 직접 작용에 의해 이루어지는,
암모니아의 연소를 위한 시스템. - 제8 항 또는 제9 항에 있어서,
상기 제2 연소 챔버로부터 방출 가스들을 수용하여서, 제2 터빈(16)을 구동하기 위해 물을 가열하여 스팀을 생성하도록 연결된 열 교환기(15)
를 더 포함하는,
암모니아의 연소를 위한 시스템. - 제12 항에 있어서,
상기 열 교환기는 상기 제2 연소 챔버에 통합되는,
암모니아의 연소를 위한 시스템. - 제8 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 연소 챔버(13)로부터의 방출 가스의 부분을 다시 제1 재순환 챔버(2)로 재순환시키도록 배열된 재순환 라인(line)(20)
을 더 포함하는,
암모니아의 연소를 위한 시스템. - 제14 항에 있어서,
상기 재순환 라인은, 흡입 산소-함유 가스와 일 비율의 재순환 방출 가스를 혼합하기 위한 혼합기(26)에 연결되는,
암모니아의 연소를 위한 시스템.
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