KR20180031733A - 고순도 질소를 제조하는 clc 방법 및 시설 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고순도 이질소를 제조하는 CLC 방법 및 이를 위한 시설에 관한 것으로, (a) 공급 원료와 접촉하게 배치된 산화-환원 활성 매스의 환원에 의한 탄화수소 공급 원료의 연소, (b) 이질소 고순도 스트림 (28) 및 부분적으로 재산화된 활성 매스의 스트림 (26) 을 생성하도록 공기의 고갈된 스트림의 분획물 (21b) 과 접촉하는 단계 (a) 로부터 환원된 활성 매스 (25) 의 제 1 산화 단계; (c) 단계 (a) 에서 사용되도록 의도된 재산화된 활성 매스 스트림 (24) 및 고갈된 공기 스트림을 생성하도록 공기 (20) 와 접촉하는 활성 매스 스트림 (26) 의 제 2 산화 단계; (d) 단계 (b) 에서 사용된 고갈된 공기 분획물 및 CLC 로부터 추출된 상보적 고갈된 공기 분획물을 형성하도록 단계 (c) 로부터 고갈된 공기 스트림을 분할하는 단계를 포함한다.

Description

고순도 질소를 제조하는 CLC 방법 및 시설
본 발명은 화학 루핑 연소 (CLC) 에 의한 탄화수소 공급물들의 연소 분야, 보다 특히 CLC 로 질소를 제조하는 것에 관한 것이다.
화학 루핑 연소 (CLC) 는, 연소 반응을 2 개의 연속 반응들: 산화 가스, 전형적으로 공기와 접촉하는 활성 매스의 산화를 위한 제 1 반응, 및 공급물의 연소가 이루어질, 공급물과 접촉하는 활성 매스의 환원을 위한 제 2 반응으로 나누도록, 활성 매스, 전형적으로 금속 산화물에 대한 레독스 반응들을 실시하는 것으로 구성된 프로세스이다. CLC 프로세스는 옥시연소와 비슷하지만, 주요한 차이점은 연소가 옥시연소의 경우에서처럼 순수한 산소 전용 스트림을 공급받지 않고, 산소 운반체로서 역할을 하는 레독싱 활성 매스를 공급받는다는 점이다. 이 고체 재료는 가스 시약에 의해 공압적으로 운반되는 입자들의 형태이다. 이 입자들은 공기 반응기로 지칭되는 제 1 반응 구역에서 공기와 접촉하여 산화된다. 그 후, 입자들은 고체, 액체 또는 가스 탄화수소 공급물과 접촉하여, 공급물의 연소가 이루어지는 연료 반응기로 알려진 제 2 반응 구역으로 운반된다. 산소 운반체 재료의 입자들에 의해 운반된 산소는 공급물의 연소를 제공한다. 이것은 공급물의 연소에 의해 형성된 가스 유출물, 및 환원된 입자들의 스트림을 유발한다. 입자들은 재산화를 위해 공기 반응기로 복귀되어서, 루프를 폐쇄한다.
일반적으로, 용어들 "산화" 및 "환원" 은 활성 매스의 각각 산화 또는 환원된 상태에 대해 사용된다는 점에 주목해야 한다. 공기 반응기로도 알려진, 산화 반응기는 레독스 매스가 산화되는 반응기이고, 연료 반응기로도 알려진, 환원 반응기는 레독스 매스가 환원되는 반응기이다. 반응기들은 유동층 모드로 작동하고 활성 매스는 산화 반응기와 환원 반응기 사이에서 순환한다. 순환 유동층 기술은, 활성 매스가 산화 반응기에서 산화된 상태로부터 환원 반응기에서 환원된 상태로 연속적으로 통과할 수 있도록 하는데 사용된다.
화학 루핑 연소는 예를 들어 스팀 또는 전기의 형태로 에너지를 발생시키는데 사용될 수 있다. 공급물의 연소 열은 종래의 연소에서 접하게 되는 것과 유사하다. 이것은 화학 루프에서 환원 및 산화 열의 합에 대응한다. 열은 일반적으로, 흄 (fume) 라인들 또는 활성 매스 전달 라인들에서, 내부에, 벽에 위치하거나 연료 및/또는 공기 반응기들과 연관된 교환기들에 의해 추출된다.
화학 루핑 연소를 사용하는 주요 장점은, CO2 를 포집하고 예를 들어 깊은 대수층 (aquifer) 에 그것을 저장하거나, 예를 들어 증진된 오일 회수 (EOR) 또는 증진된 가스 회수 (EGR) 프로세스들에서 유전 개발로부터 수율을 개선하도록 CO2 를 사용함으로써 그것을 업그레이드하는 목표로 연소 공기로부터 CO2 의 본질적인 분리를 실시하는 것이다.
다른 장점은 이런 연소 모드에서 발생하고: 고갈된 공기, 즉 질소가 매우 풍부한 스트림이 생성된다. 이 고갈된 공기는 공기 반응기에서 활성 매스의 산화 후 수득된다.
이 유출물의 질소 순도 정도는 특히 선택된 연소 모드, 특히 공기 반응기에서 활성 매스의 입자들의 만족스러운 재산화를 보장하는데 요구되는 공기 초과량에 의존한다. 전형적으로, 완전 연소를 구상하기 위해서, 공기 반응기에서 입자들을 완전히 재산화하는 것을 보장하도록 산화 반응을 위한 공기 초과량이 바람직하다. 이 공기 초과량은 공기에 대한 초화학량 (super-stoichiometry) 으로서 본원의 설명에 또한 알려져 있다.
공기 초과량을 사용하면 화학량론적 조건 하에 산화 반응을 실시하는데 필요한 것보다 더 높은 공기 유량을 유발한다. 활성 매스의 산화를 위한 반응을 실시하기 위한 공기 초과량이 더 많을수록, 유출물의 질소 순도가 더 낮을 것이고, 특히 그것이 함유하는 잔류 산소 양이 더 많은데, 왜냐하면 활성 매스를 산화하는데 공기의 산소가 완전히 사용되지 않기 때문이다. 이 공기 초과량은, 특히, 가스 유출물, 즉 공기 반응기 출구에서 고갈된 공기에 대하여 산화된 활성 매스의 열역학적 평형에 의해 좌우된다.
따라서, 공기 반응기에서 공기의 초화학량은 완전 연소의 맥락에서 활성 매스의 만족스러운 산화를 보장하기 위해서 필요하다. 하지만, 이 조건은 종래 CLC 프로세스에서 실시될 때 단일 패스에서 질소의 고순도 스트림의 제조와 상용가능하지 않다.
일반적으로, 공기 반응기로부터 출구에서 고갈된 공기는 대략 2 부피% 의 산소를 함유하고, 보충물은 주로 질소와 아르곤으로 이루어진다. 이 2% 의 산소는 공급물의 완전 연소를 위해 대략 10% 의 초화학량에 대응한다. 비록 비교적 소량일지라도, 이 산소의 양은 임의의 용도를 위한 질소에 관해 요구되는 사양보다 더욱더 높고, 예를 들어 무산소 유형의 조건을 요구하는 임의의 용도를 위해 대략 10 ppmv (백만분의 일 부피) 이다.
사실상 고순도 질소의 스트림의 제조가 특히 흥미로운데 왜냐하면 이것은 특히 오일 산업 분야에서 다양한 용도에 사용될 수 있기 때문이다. 예로서, 그것은 다양한 오일 정제 프로세스들에서 또는 생산수의 처리를 위한 불활성 가스로서, 또는 EOR 프로세스들에서 지하에 주입된 가스로서 정제 공장에서 사용될 수도 있다.
따라서, 특히 공급물의 완전 연소를 구상했을 때, CLC 프로세스에서 생성된 질소 스트림은 그것의 잔류 산소를 없앨 필요성이 있다.
CLC 에 의한 고순도 질소의 제조는 2010 년, Proll 외의 논문 ("Syngas and a separate nitrogen/argon stream via chemical looping reforming - A 140kw pilot plant study", T. Proll 외, Fuel 89 (2010):1249-1256) 에서 다루어진다. 이 논문은 합성 가스 제조를 목표로 한 CLC 프로세스에 관한 것이다. 이 경우에, 합성 가스를 제조하도록 탄화수소 공급물의 단지 부분 산화만 바람직하고 고체 산소 운반체의 산화가 결과적으로 제한된다. 개시된 테스트는, 이 경우에, 공기 반응기에서 공기 산소의 거의 완전한 소비를 얻을 수 있고, 따라서 전적으로 질소와 아르곤으로 이루어진 유출물을 자연스럽게 생성할 수 있음을 보여준다.
하지만, 이 구현 모드는 탄화수소 공급물의 완전 연소가 바람직할 때는 생각할 수 없는데, 왜냐하면 산소를 운반하는 활성 매스의 산화는 이용된 활성 매스의 양을 제한하기 위해서 상당한 양이어야 하기 때문이다. 이런 제약은 공기 초과량 (공기의 초화학량) 으로 산화 반응기를 작동시킬 필요성이 있는데, 이것은 전술한 대로 생성된 질소 스트림에서 몇 퍼센트의 산소 농도를 유발한다.
CLC 에 의한 고순도 질소의 생성은 또한 특허 출원 WO 2014/091024 A1 에 개시된다. 상기 문헌에서, CLC 유닛에서 생성된 질소는 지질학적 리저버들로부터 천연 가스를 추출하는데 사용된다. 질소는 리저버 내 압력을 높이고 천연 가스의 회수 정도를 개선하도록 리저버로 주입된다. 개시된 CLC 프로세스에서, CLC 유닛에서 처리된 공급물은 탄화수소 리저버로 질소 주입에서 유래하는 다량의 질소 (20% 초과) 를 함유한 천연 희석 가스이다.
질소 스트림은, 질소와 산소를 함유한 가스, 및 환원된 형태인 금속 또는 금속 산화물 유형의 산소 캐리어를 공급받은 산화 반응기에서 나간 가스 유출물로부터 CLC 유닛에서 제조된다. 산화 반응기에 공급하는 질소와 산소를 함유한 가스는 전형적으로 공기 또는 산화 반응기로 도입되기 전 막 분리 기법에 의한 질소 풍부 공기이다.
공기 반응기에서 공기의 산소의 거의 완전한 제거는 공기 반응기를 통하여 단일 패스에서, 또는 대안적으로, 공기 스트림을 공기 반응기로 여러 번 통과시킴으로써, 또는 산소가 많이 제거될 때까지 사실상 공기 스트림을 여러 공기 반응기들로 통과시킴으로써 달성된다는 점이 언급된다. 공기 반응기에서 나간 스트림의 정제를 위한 단계는 또한 10 ppm 미만의 산소 함량을 얻기 위해서 실시될 수 있다. 촉매 분리 루트가 예상된다.
하지만, 이용된 분리 기술에 관계 없이, 가스가 공기 반응기를 통과하기 전 또는 통과한 후 가스에 관한 화학 루프 외부에서 실시된 이러한 추가 단계는 투자 비용과 에너지 비용 면에서 비싸다. 또한, 추가 정제 단계 없이 10 ppm 미만의 함량을 어떻게 얻을 수 있는지 보여주지 않는다.
2014 년, Edrisi 외의 논문은 또한 CLC 프로세스에서 고순도 질소의 제조를 다룬다 ("Hydrogen, nitrogen and carbon dioxide production through chemical looping using iron-based oxygen carrier - A green plant for H2 and N2 production", A. Edrisi 외, International Journal of Hydrogen energy 39(2014): 10380-10391). 저자는 수소, 질소 및 고순도 CO2 유출물의 동시 제조를 위한 CLC 프로세스를 제안한다. 질소 제조는 고체와 접촉하는 공기로부터 산소 소비에 의한 고체 산소 운반체의 산화를 위해 반응기에서 실시된다. 공기 초과량으로 작동할 필요성은 저자에 의해 인정되고, 2 개의 산화 단계들을 갖는 단계식 산화 반응기가 개시되고: 제 1 단계는 환원된 산화물을 공기와 접촉시키는 것으로 구성되고 제한된 공기로 실시되고, 즉 이 제 1 단계에서 공기의 유량은 활성 매스의 완전 산화를 실시하는데 필요한 공기의 유량보다 적다. 따라서, 고순도 질소는 이 제 1 단계의 종반에 생성된다. 제 2 단계는 제 1 단계에서 수득된 부분적으로 산화된 산화물을 공기와 접촉시키는 것으로 구성되고 활성 매스의 완전 산화를 보장하도록 공기 초과량으로 실시된다.
하지만, CLC 구성에서, 질소의 제조가 제한되는데 왜냐하면 제 1 단계는 제거되어야 할 매우 다량의 산소 (거의 21 부피% 의 산소) 를 함유한 공기로 실시되기 때문이다.
본 발명은 위에서 검토된 종래 기술의 문제점들을 적어도 부분적으로 극복하도록 의도된다.
일반적으로, 본 발명의 목적은, 특히 완전 연소가 바람직할 때, 특히 양호한 수율로 그리고 투자 및 에너지 경비 면에서 제조 비용을 최소화하여, 고순도 질소를 제조하는데 사용될 수 있는 프로세스 및 CLC 장치를 제공하는 것이다.
따라서, 전술한 목적들 중 적어도 하나를 달성하기 위해서, 특히, 제 1 양태에서, 본 발명은 입자들 형태의 레독스 활성 매스가 유동층 모드로 작동하는 적어도 하나의 환원 구역과 2 개의 산화 구역들 사이에서 순환하는, 탄화수소 공급물을 위한 CLC 프로세스를 제안하고, 상기 프로세스는 다음 단계들:
(a) 적어도 하나의 환원 구역에서 공급물과 접촉하게 되는 레독스 활성 매스의 환원에 의해 상기 탄화수소 공급물의 연소를 실시하는 단계;
(b) 제 1 산화 구역에서, 100 ppmv 이하의 양의 이산소를 포함하는 이질소의 스트림 및 부분적으로 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림을 생성하도록, 산소 고갈된 공기의 스트림의 제 1 분획물과 접촉시킴으로써 단계 (a) 의 종반에 수득되는 환원된 레독스 활성 매스의 산화를 위한 제 1 단계를 실시하는 단계;
(c) 제 2 산화 구역에서, 산소 고갈된 공기의 스트림 및 단계 (a) 에서 사용하기 위한 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림을 생성하도록 공기와 접촉시킴으로써, 단계 (b) 의 종반에 수득되는 부분적으로 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림의 산화를 위한 제 2 단계를 실시하는 단계;
(d) 단계 (b) 에서 사용된 산소 고갈된 공기의 스트림의 제 1 분획물, 및 화학 루프로부터 추출되는 산소 고갈된 공기의 스트림에 상보적인 제 2 분획물을 형성하도록 단계 (c) 의 종반에 수득된 상기 산소 고갈된 공기의 스트림을 나누는 단계를 포함한다.
단계 (d) 에서 산소 고갈된 공기의 스트림의 제 1 분획물은 단계 (a) 로부터 수득되는 환원된 레독스 활성 매스의 양으로 조절되고 상기 제 1 산화 구역으로 보내져서 정해진 이산소 분획물을 포함한 이질소 스트림을 수득할 수 있다.
바람직하게, 상기 이질소 스트림은 10 ppmv 이하의 양의 이산소를 함유한다.
유리하게도, 산소의 초화학량은 제 2 산화 단계 (c) 중 적용되어서 대략 2% 의 이산소를 포함하는 산소 고갈된 공기의 스트림을 수득한다.
바람직하게, 상기 레독스 활성 매스는 망간 산화물을 포함하고, 상기 산소 고갈된 공기의 스트림은 대략 2% 의 이산소를 포함하고, 상기 산소 고갈된 공기의 스트림의 제 1 분획물은 7.4% 미만의 산소 고갈된 공기의 스트림이어서 10 ppmv 미만의 이산소를 포함하는 이질소 스트림을 생성한다.
프로세스의 일 실시형태에 따르면, 상기 제 1 산화 구역은 열 전달 유체를 포함한 열교환 수단을 구비한 용기를 포함한 반응기이고, 제 1 산화 단계 (b) 중:
- 레독스 활성 매스의 입자들의 유동층은 산소 고갈된 공기의 스트림의 제 1 분획물을 상기 용기로 주입함으로써 생성되고,
- 열 교환은 입자들의 유동층과 열 전달 유체 사이에서 실시되고;
- 상기 이질소 스트림은 상기 용기의 상부 부분에 위치한 제 1 출구를 통하여 배출되고,
- 부분적으로 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림은, 바람직하게 공압 밸브에 의해, 제 2 반응 구역으로 보내도록 상기 용기의 하부 부분에 위치한 제 2 출구를 통하여 배출된다.
이 실시형태에 따르면, 바람직하게, 상기 용기에서 산소 고갈된 공기의 표면 속도가 상기 레독스 활성 매스의 입자들의 터미널 하강 속도의 2 배 ~ 10 배 범위에 있도록 상기 제 1 산화 구역이 작동된다.
프로세스의 다른 실시형태에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 산화 단계들 (b, c) 은, 둘 다 라이저 (riser) 유형인, 제 1 산화 반응기 및 제 2 산화 반응기에서 각각 실시되고:
- 단계 (b) 에서는, 상기 제 1 반응기에서 산소 고갈된 공기의 표면 속도가 2 ~ 15 m/s 의 범위에 있도록 상기 제 1 산화 반응기가 작동되고;
- 상기 제 1 산화 반응기의 상단에서 나간 혼합물은 사이클론과 같은 가스/고체 세퍼레이터에서 이질소의 스트림 및 레독스 활성 매스의 스트림으로 분리되고;
- 상기 부분적으로 재산화된 활성 매스의 스트림은 상기 제 1 및 제 2 반응기들 사이에 가스에 대한 시일을 제공하도록 사이펀을 포함하는 운반 라인에 의해 상기 제 2 반응기로 보내지고;
- 단계 (c) 에서는, 상기 제 2 반응기에서 공기의 표면 속도가 3 ~ 10 m/s 의 범위에 있도록 상기 제 2 산화 반응기가 작동된다.
상기 산소 고갈된 공기의 스트림의 제 1 분획물의 압력은, 상기 분획물이 제 1 산화 구역으로 들어가기 전 상승될 수도 있다.
바람직하게, 상기 제 1 산화 구역에서 환원된 레독스 활성 매스의 입자들과 산소 고갈된 공기의 스트림의 제 1 분획물의 접촉, 및 상기 제 2 산화 구역에서 부분적으로 산화된 레독스 활성 매스의 입자들의 스트림과 공기의 접촉은 역류 모드로 실시된다.
제 2 양태에 따르면, 본 발명은 설명한 프로세스에 따른 탄화수소 공급물의 연소를 실시하기 위한 장치를 제안하고, 상기 장치는:
- 입자들 형태의 레독스 활성 매스 스트림을 위한 입구, 상기 탄화수소 공급물을 위한 입구, 가스 스트림 및 환원된 레독스 활성 매스를 위한 배출부를 포함하는, 연소 단계 (a) 를 실시하기 위한 적어도 하나의 환원 구역;
- 상기 환원 구역으로부터 수득되는 환원된 레독스 활성 매스를 위한 배출부에 연결된 입구, 고갈된 공기의 스트림의 제 1 분획물을 위한 입구, 이질소 스트림을 위한 출구, 및 부분적으로 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림을 위한 배출부를 포함하는, 제 1 산화 단계 (b) 를 실시하기 위한 제 1 산화 구역;
- 제 1 산화 구역으로부터 부분적으로 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림을 위한 배출부에 연결된 입구, 공기 스트림을 위한 입구, 고갈된 공기의 스트림을 위한 출구, 및 환원 구역에 연결된 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림을 위한 배출부를 포함하는, 제 2 산화 단계 (c) 를 실시하기 위한 제 2 산화 구역;
- 고갈된 공기의 스트림의 제 1 분획물을 제 1 산화 구역의 고갈된 공기를 위한 입구로 보내기 위한 제 1 도관, 및 산소 고갈된 공기의 스트림에 상보적인 제 2 분획물을 화학 루프로부터 제거하는 제 2 도관을 포함하는, 제 2 산화 구역으로부터 고갈된 공기의 스트림을 위한 출구에 위치결정되는 고갈된 공기의 스트림을 나누기 위한 수단을 포함하고,
상기 환원 및 산화 구역들은 각각 유동화 수단을 포함한다.
바람직하게, 상기 장치는 정해진 양의 이산소, 바람직하게 10 ppmv 이하의 양의 이산소를 포함한 이질소 스트림을 수득하도록 제 1 산화 구역으로 도입되는 환원된 레독스 활성 매스의 양으로 산소 고갈된 공기의 스트림의 제 1 분획물을 조절하기 위한 수단을 포함한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 제 1 산화 구역은 열교환 수단 및 유동화 수단을 구비한 용기를 포함하는 반응기이고, 상기 열교환 수단은 열 전달 유체와 상기 열 전달 유체 및 상기 레독스 활성 매스와 접촉하고 상기 열 전달 유체를 상기 레독스 활성 매스로부터 분리하는 열교환 면을 포함하고, 상기 유동화 수단은 입자들의 유동층을 형성하도록 산소 고갈된 공기를 주입하기 위한 수단을 포함하고, 상기 유동층은 상기 열교환 면과 접촉하고, 이질소 스트림을 위한 배출부는 상기 용기의 상부 부분에 위치하고, 부분적으로 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림을 위한 출구는 상기 제 2 반응 구역으로부터 부분적으로 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림을 위한 입구에 연결된 용기의 하부 부분에 위치한다.
다른 실시형태에 따르면, 장치는:
- 상기 제 1 산화 구역으로서, 라이저 유형의 제 1 산화 반응기;
- 상기 제 2 산화 구역으로서, 라이저 유형의 제 2 산화 반응기;
- 상기 제 1 산화 반응기의 상단에서 나간 혼합물을 수용하도록 상기 제 1 산화 반응기의 하류에 위치결정된 사이클론과 같은 가스/고체 세퍼레이터로서, 상기 혼합물은 이질소 스트림 및 부분적으로 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림을 포함하는, 상기 가스/고체 세퍼레이터;
- 상기 제 1 및 제 2 산화 반응기들 사이에 가스 시일을 제공하도록, 상기 세퍼레이터로부터 상기 제 2 산화 반응기로 부분적으로 재산화된 활성 매스의 스트림을 위한 운반 라인에 위치결정된 사이펀을 포함한다.
유리하게도, 상기 장치는 산소 고갈된 공기의 스트림의 제 1 분획물을 상기 제 1 산화 구역으로 보내는 상기 제 1 도관에 위치결정된 압축기 또는 송풍기와 같은 압축 기기를 또한 포함한다.
본 발명의 다른 목적들과 장점들은 비제한적인 예로서 제공된 본 발명의 실시형태들의 특정 예들에 대한 하기 설명을 읽을 때 분명해질 것이고, 이하 나타낸 첨부 도면들을 참조로 설명된다.
도 1 은 CLC 프로세스를 실시하기 위한 프로세스 흐름도이다.
도 2 는 본 발명의 CLC 프로세스에서 이질소 생성과 레독스 활성 매스의 산화를 실시하기 위한 프로세스 흐름도이다.
도 3 및 도 4 는 본 발명의 CLC 프로세스에서 이질소 생성과 활성 매스 산화의 2 가지 구현예들을 보여주는 흐름도들이다.
도 5 는 산소의 매스 플로에 대한 활성 매스의 매스 플로의 다른 비들에 대해 고갈된 공기의 존재 하에 부분적으로 환원된 망간 산화물을 기반으로 한 활성 매스의 실시예에 대해 시뮬레이션된 반응성 열역학적 평형을 나타낸 도면이다.
도면들에서, 동일하거나 유사한 요소들에 대한 도면 부호들은 동일하다.
본 발명의 목적은, 증진된 오일 또는 가스 회수 또는 오일 정제와 같은 많은 용도에 사용될 수 있는 고순도 질소 스트림을 생성하도록 공기로 레독스 활성 매스의 산화 후 생성된 유출물의, CLC 와 통합된, 정제를 제안하는 것이다.
보다 정확하게, 고순도 이질소의 이러한 스트림을 생성하도록, 본 발명은 가장 환원된 상태의 환원 산화물 활성 매스와 접촉시킴으로써 화학 루프에서 생성되는 고갈된 공기의 분획물을 정제하는 것을 제안한다.
용어 "고순도 질소 스트림" 은, 본질적으로 이질소, 즉 적어도 99% 의 이질소와 100 ppmv 이하, 바람직하게 10 ppmv 이하 양의 이산소를 포함한 질소 스트림을 의미한다. 상보적 부분은 일반적으로 공기에 존재하는 다른 가스, 예로, 희가스, 본질적으로 아르곤, 뿐만 아니라 네온, 크립톤, 크세논, 예로 이산화탄소 (CO2), 또는 메탄에 의해 형성될 수도 있다. 그것은 또한 미량, 즉 1 ppmv 미만의 미미한 양의 형태로 다른 가스, 예로 이수소, 오존 또는 라돈을 함유할 수도 있다.
본 설명에서, 용어 "산소" 는, 가스가 함축적으로 또는 명시적으로 언급될 때, 화학 원소 산소 뿐만 아니라 이산소 분자를 모두 표시하는데 사용된다. 유사하게, 용어 "질소" 는, 가스가 함축적으로 또는 명시적으로 언급될 때, 화학 원소 질소 뿐만 아니라 이질소 분자를 모두 표시하는데 사용된다.
또한, 본 설명에서, 표현들 "산소-운반 재료" 및 "레독스 활성 매스" 는 등가이라는 점에 주목해야 한다. 레독스 매스는, 그것이 산소를 포집하고 방출함으로써 CLC 프로세스에서 산소 운반체로서 역할을 할 수 있다는 점에서, 반응 용량과 비교해 활성인 것으로 말한다. 단축 표현 "산소 캐리어" 또는 "활성 매스" 또는 용어 "고체" 가 또한 사용될 수 있다.
도 1 은 화학 루핑 연소의 일반 작동 원리를 나타낸 흐름도이다. 환원된 산소 캐리어 (15) 는 공기 반응기 (또는 산화 반응기) 로서 규정된 반응 구역 (100) 에서 공기 스트림 (10) 과 접촉한다. 고갈된 공기 스트림 (11) 및 재산화된 입자들의 스트림 (14) 이 생성된다. 산소 캐리어 입자들의 산화된 스트림 (14) 은 연료 반응기 (또는 환원 반응기) 로서 위에서 규정된 환원 구역 (110) 으로 전달된다. 입자들의 스트림 (14) 은 연료 (12), 전형적으로 탄화수소 공급물과 접촉한다. 이것은 연소 유출물 (13) 및 환원된 산소 캐리어 입자들 (15) 의 스트림을 생성한다. 단순화를 위해, 도 1 의 도면은 공기 및 연료 반응기들 둘레에서 재료의 열교환, 압축, 분리 또는 가능한 재순환을 위한 CLC 유닛의 부분을 형성하는 다양한 피스의 장비를 포함하지 않는다.
환원 구역 (110) 에서, 탄화수소 공급물 (12) 은, 레독스 활성 매스의 환원에 의해 상기 공급물의 연소를 실시하도록 입자들 형태의 레독스 활성 매스와 역류 모드로 접촉한다.
M 이 금속을 나타내는, 레독스 활성 매스 MxOy 는, 관련하여 이하 반응 (1) 에 따라 CO2 및 H2O 로 환원되는, 탄화수소 공급물 CnHm 에 의해 상태 MxOy-2n-m/2 로, 또는 가능하다면 사용된 비율에 따라 혼합물 CO + H2 로 환원된다.
CnHm + MxOy → n CO2+ m/2 H2O + MxOy-2n-m/2 (1)
본 발명에서, 목적은 탄화수소 공급물을 완전 연소시키는 것이다.
활성 매스와 접촉하는 공급물의 연소는 일반적으로 600 ℃ ~ 1400 ℃ 범위, 바람직하게 800 ℃ ~ 1000 ℃ 범위의 온도에서 실시된다. 접촉 시간은 사용된 연료 공급물의 유형에 따라 다르다. 그것은 전형적으로 예를 들어 1 초 ~ 10 분, 바람직하게 고체 또는 액체 공급물에 대해 1 ~ 5 분, 바람직하게, 예를 들어, 가스 공급물에 대해 1 ~ 20 초 이다.
연소로부터 수득된 가스와 활성 매스의 입자를 포함한 혼합물이 환원 구역 (110) 의 상단에서 배출된다. 사이클론과 같은 가스/고체 분리 수단 (미도시) 은 가장 환원된 상태의 활성 매스의 고체 입자들 (15) 로부터 연소 가스 (13) 를 분리하는데 사용될 수도 있다. 상기 고체 입자들은, 일반적으로 600 ℃ ~ 1400 ℃ 의 범위에 있고, 바람직하게 800 ℃ ~ 1000 ℃ 의 범위에 있는 온도에서 재산화하기 위해 산화 구역 (100) 으로 보내진다.
산화 반응기 (100) 에서, 활성 매스는 환원 구역 (110) 으로 복귀하기 전 그리고 산화 구역 (100) 의 상단에서 배출된 산소 고갈된 공기 (11) 로부터 분리된 후, 하기 반응 (2) 에 따라, 공기 (10) 와 접촉하여 산화된 상태 MxOy 로 복원된다.
MxOy-2n-m/2 + (n+m/4) O2 → MxOy (2)
교대로 산화된 형태에서 환원된 형태로 그리고 그 반대로 변하는 활성 매스는 레독스 사이클을 설명한다.
처리된 탄화수소 공급물은 고체, 액체 또는 가스 탄화수소 공급물들: 가스 연료들 (예를 들어: 천연 가스, 합성 가스, 바이오가스), 액체 연료들 (예를 들어: 연료, 역청, 디젤, 가솔린 등) 또는 고체 연료들 (예를 들어: 석탄, 코크스, 석유코크스, 바이오매스, 오일 샌드, 등) 일 수도 있다.
레독스 매스는, 광물들 (예를 들어 티탄철광 또는 연망간광) 에서 유도될 수 있는, 단독적이거나 혼합물로서, 예를 들어 Fe, Ti, Ni, Cu, Mn, Co, 또는 V 의 산화물들과 같은 금속 산화물들로 이루어지거나, 바인더를 가지거나 가지지 않는 합성물 (예를 들어 알루미나에 담지된 니켈 산화물의 입자들, NiO/NiAl2O4) 일 수 있고, 요구되는 레독스 특성과 유동화를 실시하는데 필요한 특징을 가질 수도 있다. 재료의 유형에 따라, 레독스 매스의 산소 저장 용량은 유리하게도 1 중량% ~ 15중량% 의 범위에 있다. 유리하게도, 금속 산화물에 의해 효과적으로 전달된 산소 양은 1중량% ~ 3 중량% 의 범위에 있고, 이것은 기계적 에이징 또는 입자들의 응집 위험을 제한하도록 단지 산소 전달 용량의 일부만, 이상적으로 30% 미만만 사용될 수 있음을 의미한다. 산소 운반 용량의 단지 일부만 사용하는 것은 또한 유동층이 열 밸러스트로 작용하여서 상기 층의 범위에 대해 온도 변화를 고르게 하는 장점을 갖는다.
활성 매스는 겔다트 분류 (Geldart classification) 의 A, B 또는 C 그룹에 속하는 유동화가능한 입자들의 형태로 되어 있다. 비제한적인 예로서, 레독스 활성 매스의 입자들은 겔다트 분류의 B 그룹에 속할 수 있고, 1000 g/㎥ ~ 5000 ㎏/㎥ 범위, 바람직하게 1500 g/㎥ ~ 4000 ㎏/㎥ 범위의 밀도에 대해, 입자들의 90% 초과가 100 ㎛ ~ 500 ㎛, 바람직하게 150 ㎛ ~ 300 ㎛ 범위의 크기를 가지도록 입도측정 (granulometry) 을 갖는다.
레독스 활성 매스는, 온도 상승 단계에 있을 수 있는 반응 용량을 바람직하게 점진적으로, 바람직하게 산화 분위기 (예를 들어 공기) 에서 증가시키도록 활성화 단계를 거칠 수도 있다.
본 발명에 따른 CLC 프로세스는, 일반적으로 도 2 를 참조로 이하 설명되는, 산소 캐리어 산화 부분을 제외하고는, 도 1 에 제시된 일반적인 흐름도를 갖는다.
본 발명에 따르면, CLC 프로세스는 레독스 활성 매스의 산화 중 형성된 고갈된 공기의 분획물의 정제를 포함한다.
따라서, 그것은 다음 단계들을 포함한다:
(a) 탄화수소 공급물의 연소를 위한 단계.
그것은, 도 1 에 대해 전술한 대로, 적어도 하나의 환원 구역에서 공급물과 접촉시킴으로써 레독스 활성 매스의 환원에 의해 실시된다.
(b) 단계 (a) 로부터 수득되는 환원된 레독스 활성 매스의 산화를 위한 제 1 단계: 이것은 100 ppmv 이하 양의 이산소를 포함한 이질소 스트림과 부분적으로 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림을 생성하도록, 고갈된 공기의 스트림의 제 1 분획물과 (a) 로부터 수득된 활성 매스를 접촉시킴으로써 제 1 산화 구역 (201) 에서 실시된다.
(c) 단계 (b) 의 종반에 수득되는 부분적으로 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림의 산화를 위한 제 2 단계: 이것은 고갈된 공기의 상기 스트림 및 단계 (a) 에서 사용하기 위한 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림을 생성하도록 (b) 로부터 수득된 활성 매스를 공기와 접촉시킴으로써 제 2 산화 구역 (200) 에서 실시된다.
(d) 단계 (c) 로부터 수득되는 고갈된 공기의 스트림을 나누기 위한 단계: 이런 분할은 단계 (b) 에서 사용되는 고갈된 공기의 제 1 분획물 및 화학 루프로부터 추출된 고갈된 공기의 스트림에 상보적인 제 2 분획물을 형성하는데 사용될 수 있다.
단계들 (b) 내지 (d) 는 이하 상술된다.
단계 (b): 이질소 스트림의 산화 및 생성을 위한 제 1 단계
가장 환원된 상태로 산소 캐리어 입자들의 스트림 (25) 이 제 1 산화 구역 (201) 으로 도입된다.
용어 "가장 환원된 상태" 는, 환원 구역 (110) 에서 나가서 식 (1) 및 식 (2) 에 따라 MxOy-2n-m/2 형태인 레독스 활성 매스의 최대 환원 상태를 의미한다. 예로서, 레독스 쌍 Fe2O3/FeO 의 경우에, 활성 매스에 대한 최대 환원 상태는 FeO 형태에 대응한다. FeO 형태의 활성 매스의 비율은 1중량% ~ 3 중량% 의 범위에 있는 환원 단계 중 전달된 산소의 양에 의존한다.
이 제 1 반응 구역 (201) 은 제 2 산화 구역 (200) 에 의해 생성되는 고갈된 공기의 분획물 (21b) 과 접촉에 의해 레독스 활성 매스를 부분적으로 재산화시키는 역할을 하고, 상기 제 2 산화 구역은 공기 반응기 (100) 와 동일한 역할을 하고, 즉 연료 반응기 (110) 에서 한번 더 사용되도록 레독스 활성 매스를 완전히 재산화시킨다. 입자들과 고갈된 공기의 분획물의 접촉은 역류 모드로 실시된다.
가스 유출물 (28) 은, 100 ppmv 미만, 바람직하게 10 ppmv 미만의 산소 농도, 및 적어도 부분적으로 재산화된 입자들의 스트림 (26) 을 가지는 이 제 1 산화 단계로부터 생성된다.
용어 "부분적으로 재산화된 입자들의 스트림" 은, 산화된 형태로 존재하는 활성 매스의 비율이 완전 제 2 산화 단계 중 산화된 입자들의 스트림에 함유된 것보다 낮은 입자들의 스트림을 의미한다. 환언하면, 부분적으로 재산화된 입자들의 스트림에 의해 운반된 산소 매스는 제 2 단계 중 완전히 재산화된 입자들의 스트림에 의해 운반된 것보다 낮다. 이 두 스트림 사이에 운반된 산소 매스 차이는 재순환한 고갈된 공기 (21b) 의 양과 가스 유출물 (28) 중 예상되는 질소의 순도에 의존한다.
따라서, 제 1 반응 구역 (201) 에서 제 1 산화 단계는 고순도 이질소의 스트림을 생성하는데 사용될 수 있다.
이 스트림 (28) 은 위에서 규정되었다. 그것은 100 ppmv 이하 양, 바람직하게 10 ppmv 이하 양의 이산소를 포함한다.
CLC 의 맥락에서, 주로 고체 또는 액체 탄화수소 공급물들의 연소가 실시되는 경우에, 순환층을 수반한 연료 반응기로부터 미연소 탄화수소의 반응기로 도입과 관련된, 공기 반응기의 출구로부터 유출물에 CO2 가 가능하다면 존재할 수도 있다. 하지만, 이 경우에, CO2 함량은 특허 출원 WO 2011/151535 및 WO 2011/151537 에 설명된 입자들의 분리를 위한 기기들과 같은 특정 장비의 보조로 제어될 수 있다.
단계 (c): 제 2 산화 단계
입자들의 스트림 (26) 은 레독스 활성 매스의 입자들의 완전 재산화를 실시하도록 의도된 공기 스트림 (20) 과 접촉하도록 제 2 산화 구역 (200) 으로 전달된다. 입자들과 공기의 접촉은 역류 모드로 실시된다.
종래에 새로운 (fresh) 공기로도 알려진, 이 제 1 산화 구역 (200) 으로 보낸 공기는 대략 21% 의 이산소와 78% 의 이질소로 이루어진다. 대략 1% 의 보충물은 주로 아르곤, 뿐만 아니라 다른 희가스, 예로 네온, 크립톤 및 크세논, 뿐만 아니라 대략 0.04% 양의 이산화탄소로 이루어진다.
이 제 2 산화 단계는 최대 원하는 산화 상태의 산소 캐리어의 입자들의 스트림 (24) 및 고갈된 공기의 스트림 (21) 을 생성한다. 산소 캐리어의 입자들이 이 제 2 산화 단계의 종반에 최대 산화 상태로 있도록 보장하기 위해서, 공기의 초화학량 조건 하에 산화가 실시된다.
용어 "재산화된 활성 매스의 입자들" 은, 식 (1) 및 식 (2) 에 따른 MxOy 의 형태인, 최대 산화 상태의 입자들을 의미한다. 예로서, 레독스 쌍 Fe2O3/FeO 의 경우에, 최대 산화 상태는, 철 산화물이 모든 입자들에서 Fe2O3 의 형태로 있는 것을 의미한다.
용어 "고갈된 공기" 는 산화 구역에서 반응 전 초기 공기 (새로운 공기) 와 비교해 산소 고갈된 공기를 의미한다. 고갈된 공기는 바람직하게 4% 미만의 이산소를 함유한다. 고갈된 공기의 이산소 함량은, 초기 공기에 처음에 함유된 이산소의 양 (새로운 공기의 경우에 대략 21%), 및 모든 입자들의 산화 상태가 최대이도록 보장하기 위해서 적용된 초화학량에 의존한다.
전형적으로, 고갈된 공기는 대략 2% 의 이산소를 포함한다. 용어 "대략" 은 플러스 또는 마이너스 0.5% 를 의미한다. 이것은 모든 입자들의 최대 산화 상태를 보장하기 위해서 대략 10% 의 초화학량을 적용하는 선택으로부터 기인한다. 이 초화학량은 산소와 입자들 사이 전달 제한을 극복하기 위해서 필요하고 산소 캐리어와 반응 역학 및 반응기에서 유체역학에 따라 달라질 수 있다.
단계 (d): 고갈된 공기 분할
고갈된 공기의 스트림 (21) 은 제 1 산화 단계를 실시하기 위해서 제 1 산화 구역 (201) 으로 리사이클된 고갈된 공기의 제 1 분획물 (21b), 및 CLC 유닛으로부터 배출되는 제 2 상보적 분획물 (21a) 을 형성하도록 제 2 산화 구역 (200) 으로부터 출구에서 나누어진다. 제 2 분획물은 제로 (zero) 가 아니고: 제 2 산화 구역으로부터 수득된 고갈된 공기의 전체 스트림을 제 1 산화 구역으로 보내는 것은 예상되지 않는다. 고갈된 공기에 대한 재순환 비는 질소의 원하는 순도의 함수이다. 비제한적인 예로서, 공기의 고갈된 스트림에 대한 15% 의 재순환물, 즉 처음에 2% 의 이산소를 함유한 전체 고갈된 공기 (21) 의 15% 인 제 1 분획물은 대략 2 ~ 3 ppmv 의 이산소를 함유한 스트림 (28) 이 수득될 수 있음을 의미한다.
유리하게도, 그러면, 단계 (d) 에서 고갈된 공기의 제 1 분획물은, 정해진 이산소 분획물을 포함하는 이질소 스트림 (28) 을 수득하도록, 단계 (a) 의 종반에 수득되는 환원된 레독스 활성 매스의 양에 대해 조절되어 제 1 산화 구역 (201) 으로 보내진다.
예로서, 알려진 특성을 갖는 정해진 활성 매스에 대해, 고갈된 공기 분획물 (21b) 에 대한 유량은 100 ppmv 이하, 보다 바람직하게 10 ppmv 이하 양의 이산소를 포함한 이질소 스트림을 생성하도록, 유량이 알려진 입자들 (25) 의 스트림을 부분적으로 산화하도록 결정되고, 상기 고갈된 공기에 대해 그것의 이산소 함량은 알려져 있고, 예를 들어 대략 2% 이다.
일 실시형태에 따르면, 레독스 활성 매스는 망간 산화물을 포함하고, 고갈된 공기의 스트림은 대략 2% 의 이산소를 포함하고, 고갈된 공기의 제 1 분획물은 10 ppmv 미만의 이산소를 포함한 이질소 스트림을 생성하도록 7.4% 미만의 고갈된 공기 스트림이다.
산소 캐리어의 입자들과 접촉하기 전, 고갈된 공기의 스트림 (21b) 은 컨디셔닝 기기 (202) 에 의해 반응부 (201) 의 작동 조건에 맞추도록 조절될 수도 있다. 사실상, 산소 운반체가 이동층에 있는 CLC 유닛의 적절한 작동은 일반적으로 유닛의 압력 밸런스를 정확하게 제어함으로써 보장된다. 따라서, 컨디셔닝 단계는 전형적으로 압축된 고갈된 공기 (27) 의 분획물을 생성하도록, 압축기와 같은 가압 기기, 또는 심지어 송풍기의 보조로 고갈된 공기의 분획물 (21b) 을 압축하는 것을 포함할 수도 있다. 컨디셔닝 단계는 또한 선택된 압축기 기술에 맞추도록 열교환 기기의 보조로, 필요하다면, 열 교환을 포함할 수도 있다. 이 컨디셔닝 단계는 바람직하지만, 그것은, 반응 구역들의 상대 위치를 변경함으로써 유닛의 압력 밸런스를 조절할 수 있다면 선택적이다.
CLC 프로세스는 활성 매스 부분의 환원에 대해 도 1 을, 활성 매스 부분의 산화에 대해 도 2 를 참조로, 하기 요소를 포함한 장치에서 실시된다:
- 활성 매스의 스트림 (14) 을 위한 입구, 탄화수소 공급물 (12) 을 위한 입구, 연소 가스 (13), 본질적으로 CO2 및 H2O 와 환원된 레독스 활성 매스 (25) 를 위한 배출부를 포함하는, 공급물 (12) 의 연소를 실시하기 위한 적어도 하나의 환원 구역 (110). 복수의 환원 구역들은 공급물의 연소 (완전 연소 예상) 를 실시하기 위해서 이용될 수도 있다.
- 환원 구역 (110) 으로부터 수득된 환원된 레독스 활성 매스 (25) 를 위한 배출부에 연결된 입구, 고갈된 공기의 제 1 분획물 (21b) 을 위한 입구, 이질소 스트림 (28) 을 위한 출구, 및 부분적으로 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림 (26) 을 위한 배출부를 포함하는, 제 1 산화 단계 (b) 를 실시하기 위한 제 1 산화 구역 (201).
- 제 1 산화 구역 (201) 으로부터 부분적으로 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림 (26) 을 위한 배출부에 연결된 입구, 공기의 스트림 (20) 을 위한 입구, 고갈된 공기의 스트림 (21) 을 위한 출구, 및 환원 구역 (110) 에 연결되는 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림 (24) 을 위한 배출부를 포함하는, 제 2 산화 단계 (c) 를 실시하기 위한 제 2 산화 구역 (200);
- 고갈된 공기의 제 1 분획물 (21b) 을 제 1 산화 구역 (201) 의 고갈된 공기를 위한 입구에 보내기 위한 제 1 도관, 및 화학 루프로부터 고갈된 공기 (21a) 에 상보적인 제 2 분획물 (21a) 을 이동시키는 제 2 도관을 포함하는, 제 2 산화 구역 (200) 으로부터 고갈된 공기의 스트림 (21) 을 위한 출구에 위치결정된 고갈된 공기의 스트림을 나누기 위한 수단. 고갈된 공기의 스트림을 나누기 위한 수단은 바람직하게 공기의 2 개의 고갈된 분획물들 (21a, 21b) 의 유량을 조절하는 밸브들의 시스템을 포함한다. 도관들 사이에 가스 스트림들 (21a, 21b) 의 분배는, 예를 들어, 각각의 도관에 대해 별개인, 사이클론들과 같은 전용 고체/가스 분리 기기들을 설치함으로써 실시될 수도 있다. 이 경우에, 도관들 중 하나 또는 다른 하나를 향해 스트림을 변경하는 것은, 각각의 도관의 섹션을 제어함으로써 그리고 유닛의 압력 밸런스를 제어함으로써 실시된다. 이런 분리는 또한 밸브들과 같은 압력 강하를 포함한 기기들을 사용해, 도관들 중 하나 또는 다른 하나에 대해 또는 심지어 도관들 모두에 대해, 압력 강하를 맞춤으로써 고체/가스 분리 기기들의 하류에서 실시될 수도 있다. 전형적으로, 이 밸브들은 예를 들어 버터플라이 또는 길로틴 (guillotine) 유형의 기계식이다. 밸브 유형의 선택은 재료들 (내화 강, 특수 합금, 내부 냉각 시스템, 래깅) 의 선택에 대해 작동 온도를 고려한다. 여기에서 다시, 이 분배는 도관들의 각각의 직경들을 변경함으로써 변경될 수 있다. 컨디셔닝 시스템 (202) 이 유체 (21b) 의 온도 감소를 요구한다면, 바람직하게, 압력 변경 기기는 냉각된 유체에 위치결정될 것이다. 유사한 방식으로, 압력 강하를 변경하기 위한 기기가 스트림 (21a) 을 위한 도관에 제공된다면, 그것은 바람직하게 거기에 선택적으로 설치된 열 회수 요소들의 하류에 위치결정된다.
환원 및 산화 구역들은 각각 화학 루프의 순환 유동층 작동을 보장하도록 유동화 수단을 포함한다.
이 유동화 수단은, 예를 들어, 본 기술분야의 당업자에게 잘 알려진 주입기 크라운 유형 또는 그밖의 다른 알맞은 기기 (다공판, 버블 캡 트레이들, 주입 노즐들, 디퓨저들 등) 의 가스를 주입하기 위한 기기들이다.
CLC 장치가 미도시된 다양한 기기들을 포함할 수 있고; 인용될 수 있는 비전면적인 실시예들은 밸브들, 가스/고체 분리 기기들, 열교환 기기들, 일루트리에이션 (elutriation) 기기들, 또는 밀봉 기기들, 예로 사이펀들과 같은 고체 스트림을 제어하기 위한 기기들이라는 점을 이해해야 한다.
도 3 및 도 4 는 각각 본 발명에 따른 CLC 프로세스를 실시한 예를 도시한다. 이 실시예는 비제한적이고 많은 다른 구성들을 생각할 수 있다. 활성 매스의 산화 및 이질소 스트림의 생성에 관한 CLC 장치의 단지 일부분만 나타나 있다.
도 3 을 참조하면, CLC 장치는, 고순도 이질소 스트림 (28) 이 형성된 제 1 산화 구역 및 활성 매스가 완전히 재산화된 제 2 산화 구역을 각각 형성하는, 관례적으로 라이저로 지칭된 유형의 2 개의 산화 반응기들 (301, 300) 을 포함한다. 라이저 유형 반응기는 운반된 유동층 모드에서 본질적으로 세장형의 수직 반응기이다. 사이클론과 같은 가스/고체 세퍼레이터 (303) 는, 이질소 스트림 (28) 및 부분적으로 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림 (26) 을 포함하는, 반응기 (301) 의 상단에서 나간 혼합물을 수용하도록 제 1 산화 반응기 (301) 의 하류에 위치결정된다. 사이펀은, 2 개의 공기 반응기들 (301, 300) 사이 가스에 대한 시일을 제공하도록, 상기 세퍼레이터 (303) 로부터 제 2 산화 반응기 (300) 를 향해 부분적으로 재산화된 활성 매스 스트림 (26) 을 위한 운반 라인에 위치결정된다. 사이클론과 같은 가스/고체 세퍼레이터 (304) 는, 고갈된 공기 (21a, 21b) 및 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림 (24) 을 포함하는, 반응기 (300) 의 상단에서 나간 혼합물을 수용하도록 제 2 산화 반응기 (300) 의 하류에 위치결정된다. 사이클론 (304) 으로부터 출구에서, 2 개의 도관들은 고갈된 공기의 스트림을 나누도록 제공된다. 제 1 도관은 제 1 공기 반응기 (301) 를 향해 고갈된 공기의 제 1 분획물 (21b) 을 운반한다. 제 2 도관은 CLC 유닛으로부터 고갈된 공기의 제 2 상보적 분획물 (21a) 을 추출한다. 압축기 또는 송풍기와 같은 압축 기기 (302) 는, 고갈된 공기의 분획물 (21b) 을 공기 반응기 (301) 의 고갈된 공기를 위한 입구로 이동시키는 도관에 제공될 수도 있다.
고갈된 공기의 분획물 (21a) 은, 반응기 (300) 의 상류에서 제 1 공기 반응기 (301) 로 재순환하기 위해 제 2 공기 반응기 (300) 로부터의 출구에서 인출된다. 이 제 1 반응기 (301) 에서, 이 분획물은 환원된 산소 캐리어 (25) 와 접촉한다. 고갈된 공기의 분획물 (21a) 의 압력은, 반응 구역들 (300, 301) 에서 유동층들의 압력 강하 뿐만 아니라 이 두 구역들의 각각의 주입 기기들에 의해 발생된 압력 강하를 보상하도록, 분획물이 스트림 (27) 의 형태로 반응기 (301) 로 주로 도입되기 전 증가된다. 대부분의 경우에, 보상될 압력 강하가 1 bar 미만이라면, 이 압력 상승은 압축기 (302) 또는 심지어 송풍기에 의해 실시될 수 있다.
이 실시형태에 따르면, 제 1 공기 반응기 (301) 는, 가스 상의 속도가 2 m/s ~ 15 m/s 의 범위에 있고, 바람직하게 2 ~ 10 m/s 의 범위에 있는 운반된 유동층을 포함한다. 예로서, 이러한 반응기는 10 m ~ 30 m 범위의 높이에 대해 3 m ~ 6 m 범위의 직경을 가질 수도 있다. 생성된 가스 (28) 는 그 후 가스/고체 세퍼레이터 (303) 에서 고체 스트림 (26) 으로부터 분리된다. 반응기들 (301, 300) 사이 가스 시일은, 예를 들어, (반응기 (301) 에서 생성된 질소 스트림으로부터) 질소로 유동화된 사이펀에 의해 보장된다. 시일은 사실상 이질소 스트림 (28) 에서 이산소 함량에 대한 사양을 유지하도록 요구된다.
제 2 공기 반응기 (300) 에서, 산소 캐리어의 스트림은 탄화수소 공급물의 연소를 위한 환원 단계에서 다시 사용되도록 의도되는 재산화된 산소 캐리어 (24) 의 스트림을 생성하도록 재산화된다. 제 2 공기 반응기 (300) 에서 가스 속도는 전형적으로 3 m/s ~ 10 m/s 의 범위에 있다. 고갈된 공기와 재산화된 입자들의 스트림을 포함하는 혼합물은 반응기 (301) 의 상단에서 나가서 가스/고체 세퍼레이터 (304) 로 들어간다. 사이클론 (304) 에서 나간 고갈된 공기의 스트림은 그 후 화학 루프에서 나가는 제 1 분획물 (21b) 및 제 2 상보적 분획물 (21a) 로 나누어진다.
다른 실시형태에 따르면, 제 1 산화 구역은 활성 매스의 산화와 같은 다른 기능에 전용인 공간에 설치된다.
따라서, 도 4 를 참조하면, CLC 장치는 유동층을 작동시키기 위해서 열교환 수단 및 유동화 수단을 구비한 용기를 포함한 제 1 반응기 (401), 및 라이저 유형의 제 2 공기 반응기 (400) 를 포함한다.
열교환 수단은 열 전달 유체 및 열교환 면을 포함한다. 이 면은 이 면에 의해 분리되는 활성 매스의 입자들과 열 전달 유체 사이에서 열을 전달하는데 사용될 수 있다.
유동화 수단은 열교환 면과 접촉하는 입자들의 유동층을 형성하도록 고갈된 공기의 주입을 위한 수단을 포함한다.
반응기 (401) 의 용기는 용기의 상부 부분에 위치한 이질소 스트림 (28) 을 위한 배출부, 및 용기의 하부 부분에 위치하고 제 2 공기 반응기 (400) 를 위한 입자들의 스트림을 위한 입구에 연결된 부분적으로 재산화된 레독스 활성 매스 (26) 의 스트림을 위한 출구를 포함한다.
따라서, 이 실시형태에 따르면, 제 1 반응기 (401) 는 연소에 의해 발생된 열의 일부를 인출할 수 있다. 열교환은 유리하게도 환원 구역의 하류에서 (여기에서는 고체 산소 캐리어의 순환을 지칭), 즉 일반적으로 흡열 반응 구역의 하류에서 실시된다.
고갈된 공기가 산소 캐리어의 입자들의 터미널 하강 속도의 2 ~ 10 배 범위의 표면 속도를 가지도록 작동 조건들이 바람직하게 정해진다. 실례로서, 이것은 900 ℃ 로 작동되는 반응기 (401) 에서 13 ~ 80 톤/h 범위에서 10 ppmv 의 이산소를 함유한 질소 생성과, 10 m x 20 m 의 직사각형 단면을 갖는 열 교환기 (용기 (401)) 에 대응한다. 그러면, 제 1 반응기 (401) 에서 반응 후 활성 매스의 입자들은 예를 들어 공압식 L 유형 밸브에 의해 제 2 공기 반응기 (400) 로 배출된다. 시일은 바람직하게 압력 밸런스에 의해 제공되고 이 압력 밸런스는 가스 상이 제 1 반응기 (401) 로부터 제 2 공기 반응기 (400) 를 향해 떨어지도록 한다.
공기 반응기들 (401, 400) 에서 반응들은 도 2 및 도 3 을 참조로 설명된 반응들과 동일하다. 유사하게, 제 2 공기 반응기 (400) 에서 나간 스트림들을 위한 회로는 도 3 에 대해 설명된 회로와 유사하여 여기서 반복되지 않을 것이다.
응용예
본 발명을 이용하는 것이 유리한 응용예들 중 하나는 탄화수소의 증진된 회수 (EOR 또는 EGR) 이고, 여기서 회수 비를 증가시키도록 액체 또는 가스 탄화수소의 리저버를 가압하는데 질소가 사용될 수 있다. 이 응용예에 관례적으로 사용된 가스 중 하나는 CO2 이고, 이것은 점도 및 탄화수소와 혼화성 면에서 주로 EOR 의 경우에 질소의 사용에 비해 장점을 갖는다. 하지만, 용어 N2-EOR 로도 알려진, 질소를 사용하는 EOR 은 습기가 많은 조건 하에서 그리고 오래된 장치들에서 CO2 의 사용으로 종종 접하게 되는 부식 문제점들이 없는 것과 같은 특별한 장점을 누릴 수 있다. 질소 사용은, 특정 야금을 사용할 필요도 없고, 방식 시약을 주입할 필요도 없고, 기존의 장비에서 부식된 부품들을 교체할 필요도 없다.
탄화수소의 증진된 회수를 위한 기법의 다른 중요한 요소는 리저버의 압력이다. 리저버의 압력이 낮은 경우에, 추출될 탄화수소에서 CO2 의 혼화성은 그것의 점도를 감소시키기에 충분하지 않다. 그러면, 탄화수소가 리저버에서 나가는 방법을 제어하는 파라미터는 단지 적용될 압력, CO2 뿐만 아니라 질소가 수행할 수 있는 기능이다.
끝으로, 탄화수소의 증진된 회수를 위해 이용되는 가스의 선택을 결정하는 다른 파라미터는 그것의 가용성이다. CO2 를 이용한 EOR 이 오일 생산을 위해 가장 많이 사용된 로케이션들은 CO2 의 대형 천연 리저버들을 포함한 로케이션들이다. 이런 자원이 이용가능하지 않고, 리저버의 구성이 그것 (예를 들어 리저버에서 저압) 을 허용할 때, N2-EOR 을 사용하는 것이 유리할 수도 있다.
현재, 10 ppmv 미만의 O2 를 포함한 이질소 스트림의 생성이 극저온 증류에 의해 실시되는 N2-EOR 을 사용한 실시예들이 있다. 이런 저농도의 O2 는 특히 압축 장비의 윤활유와 반응을 제한하고, 리저버의 탄화수소의 산화를 회피하고, 바람직하지 못한 생성물 또는 침전물을 유발할 수 있는 부반응을 회피하기 위해서 요구된다. 또한, 주입된 가스의 일부가 생성된 탄화수소와 함께 나가는 것을 고려하면, 안전 문제 (폭발, 발화 생성물) 를 유발하지 않도록 이산소 함량을 제한하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명은 극저온 증류에 의한 질소 생성의 대안예로서 N2-EOR 에 사용될 수 있는 고순도 이질소 스트림을 제공하는데 사용될 수 있다.
본 발명에 대한 다른 응용예는 탄화수소 정제 공장에 질소 유틸리티를 제공하는 것이다. 사실상, 탄화수소 정제 공장, 전형적으로 오일 정제 공장에서, 이질소가 널리 사용된다. 예로서, 40000 배럴/일 (bpd) 을 생산하는 소형 정제 공장은 2.5 t/h, 즉 2150 Nm3/h 의 질소 소비를 갖는다. 이 질소는 최소 99.9% 의 순도를 갖는다. 아래 표 1 은 이 가스에 대한 예상 사양을 상세히 보여준다.
Figure pct00001
정제 공장에서, 이질소는 특히 정제 프로세스에서 다양한 장비를 불활성으로 만들고, 다양한 저장 장비 또는 생성물을 운반하기 위한 장비를 불활성 상태로 되게 하는데 사용된다. 이런 불활성의 목적은 특히 위험하거나 폭발적인 분위기의 형성을 회피하고 생성물의 산화를 회피하는 것이다. 이질소는 또한 생성된 물에서 휘발성 유기 화합물들 (VOC) 을 스트리핑하기 위해서 물을 처리하는데 사용된다.
실시예
하기 실시예는 본 발명의 몇 가지 장점들을 보여주도록 의도된다.
1000 MWth 의 공칭 출력을 갖는 CLC 화력 발전을 고려해 보라. 이러한 예에서 탄화수소 공급물은 아래의 표 2 에 도시된 전형적인 조성을 갖는 남아프리카 석탄이었다.
Figure pct00002
CLC 유닛은, 도 2 를 참조하여 설명한 대로, 레독스 활성 매스의 산화를 실시하기 위해서 2 개의 공기 반응기들을 포함하였다.
이 공급물의 완전 연소에 필요한 공기 유량은 10% 의 초화학량을 상정하면 290 Nm3/s 이었다.
간략하게, 공기는 21% 의 산소와 79% 의 질소로 이루어졌다.
이 유량의 공기는 산소 캐리어를 산화시키기 위해서 제 2 공기 반응기 (200) 로 공급되었다. 제 2 공기 반응기로부터 수득되는 고갈된 공기의 스트림은 2% 의 O2 를 함유하였다. 리사이클되어 제 1 환원된 공기 반응기 (201) 에서 산소 캐리어의 입자들과 접촉하는 고갈된 공기의 분획물은 이질소 스트림에 요구되는 순도 뿐만 아니라 사용되는 산소 운반체의 성질에 의존한다.
다양한 유형들의 산소 운반체가 사용될 수도 있다. 특히, 그 중에서도 니켈, 코발트, 구리, 철 또는 망간과 같은 전이 금속 산화물이 단독으로 또는 혼합물로서 사용될 수도 있다. 이 산소 운반체의 성능은 산소 운반 용량 뿐만 아니라 산소의 감소된 부분 압력에 대한 안정성에 따라 측정되었다. 이 실시예에서는, 망간을 기반으로 한 산소 운반체의 사용이 고려되었다 (이용된 산화물: MnO2, MnO, Mn2O3, Mn3O4). 도 5 는 처리된 가스의 매스 스트림에 대한 활성 매스의 매스 스트림의 3 가지 비에 대해 고갈된 공기의 존재 하에 부분적으로 환원된 망간 산화물의 반응성 열역학적 평형을 나타낸다 (2% 의 산소를 함유한 제 1 공기 반응기 (201) 로 들어간 가스 스트림).
도 5 에서, 실선으로서 곡선 A 는 1.8 t/㎏ 의 유입 공기 중 O2 의 스트림에 대한 활성 매스의 스트림과 동일한 비 r 에 대한 이 평형을 나타내고, 짧은 파선의 곡선 B 는 6 t/㎏ 의 비에 대한 이 평형을 나타내고, 곡선 C 는, 긴 파선으로, 9 t/㎏ 의 비에 대한 이 평형을 나타낸다. 온도는 가로 좌표 (단위: ℃) 를 따라 나타내고 처리된 가스 중 O2 의 농도 (molar %) 는 세로 좌표에 나타낸다. 각 곡선 측면의 화살표는 세로 좌표 상의 어떤 값을 읽어야 하는지 나타낸다. 곡선 A 및 곡선 B 에 대한 값들은 그래프 좌측의 세로 좌표를 읽고, 곡선 C 에 대한 값들은 그래프 우측의 세로 좌표를 읽어야 한다.
이 실시예에서, 제 2 공기 반응기 (200) 는 900 ℃ 에서 작동된다. 2% 의 O2 고갈된 공기의 결과적으로 생성된 농도는 주입 공기의 ㎏ 당 10.7 ㎏ 의 활성 매스의 비를 위해 새로운 공기로부터 수득된다.
제 1 반응기에서, 처리될 가스 중 2% 산소 농도는 주입 공기의 ㎏ 당 0.6 톤의 활성 매스의 비에 대응한다.
도 5 는, 곡선 A (1.8 t/㎏ 의 비 r) 에 대응하는, 3 배만큼 상기 비에 대한 값에 곱해줌으로써, O2 의 잔류 농도가 1.4% 로 떨어지는 것을 보여준다.
이 동일한 농도는, 이 비에 대한 값에 10 을 곱하여 (6 t/㎏ 의 비 r 을 갖는 곡선 B 의 경우) 174 ppmv 로 떨어지고, 이 비에 대한 값에 15 를 곱하여 (9 톤/㎏ 의 비 r 을 갖는 곡선 C 의 경우) 2.6 ppmv 로 떨어진다.
10 ppmv 미만의 농도가 제공되어야 하는 경우에, 산소의 ㎏ 당 최소 8.1 톤의 활성 매스의 비가 적용되어야 하고, 이것은 제 1 공기 반응기 (201) 가 1/13.5, 즉 7.4% 의 고갈된 공기 (21) 의 유동과 같은 2% O2 를 함유한 공기 반응기에서 나간 고갈된 공기 유동 분획물로 작동되는 것을 의미한다.
이 실시예에 따르면, 제 2 반응기에서 완전 연소에 사용된 290 Nm3/s 의 공기 유량은, 1000 t/h 의 질소 유량에 대응하는, 2% 의 산소를 함유한 고갈된 공기를 생성한다. 제 1 반응기에서 7.4% 의 이 고갈된 공기를 처리함으로써, 그러면, 10 ppmv 의 O2 를 함유한 74 t/h 의 질소가 1000 MWth CLC 유닛으로 생성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 고순도 이질소의 스트림을 생성하기 위해서 새로운 공기보다는 제 1 공기 반응기에서 고갈된 공기를 사용하는 것이 유리하다.
첫 번째 장점은, 공기 산소의 대략 90% 가 제 2 공기 반응기에서 소비되므로, 따라서 이질소의 스트림을 생성하는 제 1 공기 반응기의 크기를 감소시킬 수 있다는 점이다.
고갈된 공기를 사용하는 다른 장점은, 새로운 공기로 수득되는 생성과 비교해 더 많은 질소를 생성할 수 있다는 점이다. 사실상, 반응기로부터 출구에서 산소 농도는 공기의 산소와 활성 매스의 입자들에서 산소 농도간 열역학적 평형에 의해 좌우된다. 새로운 공기를 주입하는 경우에, 원하는 사양 (10 ppmv 의 O2) 에 도달하도록 활성 매스에 의해 더 많은 산소가 소비되어야 한다. 다시 본 실시예에에 대한 데이터로 돌아가, 주입된 공기의 ㎏ 당 10.7 ㎏ 의 활성 매스의 비가 공급물의 완전 연소를 실시하기 위해서 제 2 반응기에서 요구된다. 290 Nm3/s 의 공기 유량에 대해, 활성 매스의 유량은 결과적으로 3.9 t/s 이다. 제 1 반응기에서, 산소의 ㎏ 당 8.1 톤의 활성 매스의 최소 비가 10 ppmv 의 이산소의 사양에 도달하기 위해서 요구된다. 따라서, 3.9 t/s 의 활성 매스의 유량에 대해, 제 1 반응기에서 정제될 수 있는 최대 산소 유량은 0.48 ㎏/s 이다.
고갈된 공기를 사용함으로써, 이 산소 유량은 전체 유량의 2 molar% 에 대응하고, 보충물은 질소이다. 10 ppm 의 O2 를 함유한 질소의 생성은 이 경우에 74 t/h 까지 상승한다.
새로운 공기를 사용함으로써, 이 동일한 유량의 산소는 전체 유량의 21 molar% 에 대응할 것이고, 보충물은 질소이다. 따라서, 10 ppm 의 O2 를 함유한 질소의 생성을 5.7 t/h 로 제한하는, 사양을 충족하도록 앞의 경우와 비교해 전체 유량을 감소시킬 필요가 있을 것이다.
따라서, 이용된 동량의 활성 매스에 대해, 새로운 공기 대신에 고갈된 공기를 사용하는 것을 선호함으로써, 실시예의 조건 하에 질소의 생성은 13 배만큼 증가될 수 있다.

Claims (15)

  1. 입자들 형태의 레독스 활성 매스가 유동층 모드로 작동하는 적어도 하나의 환원 구역과 2 개의 산화 구역들 사이에서 순환하는, 화학 루핑 연소에 의한 탄화수소 공급물의 연소 방법으로서,
    (a) 상기 탄화수소 공급물의 연소는 적어도 하나의 환원 구역에서 공급물과 접촉하는 레독스 활성 매스의 환원에 의해 실시되고;
    (b) 제 1 산화 구역 (201, 301, 401) 에서, 단계 (a) 의 종반에 수득되는 환원된 레독스 활성 매스 (25) 의 산화를 위한 제 1 단계는, 100 ppmv 이하의 양의 이산소를 포함하는 이질소의 스트림 (28) 및 부분적으로 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림 (26) 을 생성하도록, 산소 고갈된 공기의 스트림의 제 1 분획물 (21b) 과 접촉함으로써 실시되고;
    (c) 제 2 산화 구역 (200, 300, 400) 에서, 산소 고갈된 공기의 스트림 (21) 및 단계 (a) 에서 사용하기 위한 재산화된 레독스 활성 매스 (24) 의 스트림을 생성하도록 공기 (20) 와 접촉함으로써, 단계 (b) 의 종반에 수득되는 부분적으로 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림의 산화를 위한 제 2 단계가 실시되고;
    (d) 단계 (c) 의 종반에 수득된 상기 산소 고갈된 공기의 스트림 (21) 은, 단계 (b) 에서 사용된 산소 고갈된 공기의 스트림의 제 1 분획물 (21b), 및 화학 루프로부터 추출되는 산소 고갈된 공기의 스트림에 상보적인 제 2 분획물 (21a) 을 형성하도록 나누어지는, 화학 루핑 연소에 의한 탄화수소 공급물의 연소 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    단계 (d) 에서 산소 고갈된 공기의 스트림의 제 1 분획물 (21b) 은 정해진 이산소 분획물을 포함한 이질소 스트림 (28) 을 수득하도록 단계 (a) 로부터 수득되는 환원된 레독스 활성 매스 (25) 의 양으로 조절되고 상기 제 1 산화 구역 (201, 301, 401) 으로 보내지는, 화학 루핑 연소에 의한 탄화수소 공급물의 연소 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 이질소 스트림 (28) 은 10 ppmv 이하 양의 이산소를 함유하는, 화학 루핑 연소에 의한 탄화수소 공급물의 연소 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    산소의 초화학량 (super-stoichiometry) 이 대략 2% 의 이산소를 포함하는 산소 고갈된 공기의 스트림 (21) 을 수득하도록 제 2 산화 단계 (c) 중 적용되는, 화학 루핑 연소에 의한 탄화수소 공급물의 연소 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레독스 활성 매스는 망간 산화물을 포함하고, 상기 산소 고갈된 공기의 스트림 (21) 은 대략 2% 의 이산소를 포함하고, 상기 산소 고갈된 공기의 스트림의 제 1 분획물 (21b) 은 10 ppmv 미만의 이산소를 포함하는 이질소 스트림 (28) 을 생성하도록 7.4% 미만의 산소 고갈된 공기의 스트림 (21) 인, 화학 루핑 연소에 의한 탄화수소 공급물의 연소 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 산화 구역 (401) 은 열교환 수단을 구비한 용기를 포함한 반응기이고, 상기 열교환 수단은 열 전달 유체를 포함하고, 제 1 산화 단계 (b) 중:
    - 레독스 활성 매스의 입자들의 유동층은 산소 고갈된 공기의 스트림의 제 1 분획물 (21b) 을 상기 용기로 주입함으로써 생성되고,
    - 열 교환은 입자들의 유동층과 열 전달 유체 사이에서 실시되고;
    - 상기 이질소 스트림 (28) 은 상기 용기의 상부 부분에 위치한 제 1 출구를 통하여 배출되고,
    - 부분적으로 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림 (26) 은, 바람직하게 공압 밸브에 의해, 제 2 반응 구역 (400) 으로 보내도록 상기 용기의 하부 부분에 위치한 제 2 출구를 통하여 배출되는, 화학 루핑 연소에 의한 탄화수소 공급물의 연소 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 용기에서 산소 고갈된 공기의 표면 속도가 상기 레독스 활성 매스의 입자들의 터미널 하강 속도의 2 배 ~ 10 배의 범위에 있도록 상기 제 1 산화 구역 (401) 이 작동되는, 화학 루핑 연소에 의한 탄화수소 공급물의 연소 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 산화 단계 (b) 및 제 2 산화 단계 (c) 는, 둘 다 라이저 (riser) 유형인, 제 1 산화 반응기 (301) 및 제 2 산화 반응기 (300) 에서 각각 실시되고:
    - 단계 (b) 에서는, 상기 제 1 반응기에서 산소 고갈된 공기의 표면 속도가 2 ~ 15 m/s 의 범위에 있도록 상기 제 1 산화 반응기 (301) 가 작동되고;
    - 상기 제 1 산화 반응기 (301) 의 상단에서 나간 혼합물은 사이클론 (303) 과 같은 가스/고체 세퍼레이터에서 이질소의 스트림 (28) 및 레독스 활성 매스의 스트림 (26) 으로 분리되고;
    - 부분적으로 재산화된 상기 레독스 활성 매스의 스트림 (26) 은 상기 제 1 (301) 반응기와 상기 제 2 반응기 (300) 사이에 가스에 대한 시일을 제공하도록 사이펀을 포함하는 운반 라인에 의해 상기 제 2 반응기 (300) 로 보내지고;
    - 단계 (c) 에서는, 상기 제 2 반응기에서 공기의 표면 속도가 3 ~ 10 m/s 의 범위에 있도록 상기 제 2 산화 반응기 (300) 가 작동되는, 화학 루핑 연소에 의한 탄화수소 공급물의 연소 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산소 고갈된 공기의 스트림의 상기 제 1 분획물 (21b) 의 압력은, 상기 제 1 분획물이 제 1 산화 구역 (301) 으로 들어가기 전 상승되는, 화학 루핑 연소에 의한 탄화수소 공급물의 연소 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 산화 구역 (201, 301, 401) 에서 환원된 상기 레독스 활성 매스 (25) 의 입자들과 산소 고갈된 공기의 스트림의 상기 제 1 분획물 (21b) 의 접촉, 및 상기 제 2 산화 구역 (200, 300, 400) 에서 부분적으로 산화된 상기 레독스 활성 매스의 입자들의 스트림 (26) 과 공기 (20) 의 접촉은 역류 모드로 실시되는, 화학 루핑 연소에 의한 탄화수소 공급물의 연소 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 탄화수소 공급물의 연소를 실시하기 위한 장치로서,
    - 입자들 형태의 레독스 활성 매스 스트림을 위한 입구, 상기 탄화수소 공급물을 위한 입구, 가스 스트림 및 환원된 상기 레독스 활성 매스를 위한 배출부를 포함하는, 연소 단계 (a) 를 실시하기 위한 적어도 하나의 환원 구역;
    - 상기 환원 구역으로부터 수득되는 환원된 상기 레독스 활성 매스 (25) 를 위한 배출부에 연결된 입구, 고갈된 공기의 스트림의 상기 제 1 분획물 (21b) 을 위한 입구, 이질소 스트림 (28) 을 위한 출구, 및 부분적으로 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림 (26) 을 위한 배출부를 포함하는, 제 1 산화 단계 (b) 를 실시하기 위한 제 1 산화 구역 (201, 301, 401);
    - 상기 제 1 산화 구역 (201, 301, 401) 으로부터 부분적으로 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림 (26) 을 위한 배출부에 연결된 입구, 공기 스트림 (20) 을 위한 입구, 산소 고갈된 공기의 스트림 (21) 을 위한 출구, 및 상기 환원 구역에 연결된 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림 (24) 을 위한 배출부를 포함하는, 제 2 산화 단계 (c) 를 실시하기 위한 제 2 산화 구역 (200, 300, 400);
    - 산소 고갈된 공기의 스트림의 제 1 분획물 (21b) 을 제 1 산화 구역 (201, 301, 401) 의 산소 고갈된 공기를 위한 입구로 보내기 위한 제 1 도관, 및 산소 고갈된 공기의 스트림에 상보적인 제 2 분획물 (21a) 을 화학 루프로부터 제거하는 제 2 도관을 포함하는, 제 2 산화 구역 (200, 300, 400) 으로부터 산소 고갈된 공기의 스트림을 위한 출구에 위치결정되는 산소 고갈된 공기의 스트림 (21) 을 나누기 위한 수단을 포함하고,
    상기 환원 및 산화 구역들은 각각 유동화 수단을 포함하는, 탄화수소 공급물의 연소를 실시하기 위한 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    정해진 양의 이산소, 바람직하게 10 ppmv 이하의 양의 이산소를 포함한 이질소 스트림 (28) 을 수득하도록 제 1 산화 구역 (201, 301, 401) 으로 도입되는 환원된 레독스 활성 매스 (25) 의 양으로 산소 고갈된 공기의 스트림의 제 1 분획물 (21b) 을 조절하기 위한 수단을 포함하는, 탄화수소 공급물의 연소를 실시하기 위한 장치.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    - 상기 제 1 산화 구역 (401) 은 열교환 수단 및 유동화 수단을 구비한 용기를 포함하는 반응기이고, 상기 열교환 수단은 열 전달 유체와 상기 열 전달 유체 및 상기 레독스 활성 매스와 접촉하고 상기 열 전달 유체를 상기 레독스 활성 매스로부터 분리하는 열교환 면을 포함하고, 상기 유동화 수단은 입자들의 유동층을 형성하도록 산소 고갈된 공기를 주입하기 위한 수단을 포함하고, 상기 유동층은 상기 열교환 면과 접촉하고,
    - 이질소 스트림 (28) 을 위한 배출부는 상기 용기의 상부 부분에 위치하고,
    - 부분적으로 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림을 위한 출구는 상기 제 2 반응 구역 (400) 으로부터 부분적으로 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림 (26) 을 위한 입구에 연결된 용기의 하부 부분에 위치하는, 탄화수소 공급물의 연소를 실시하기 위한 장치.
  14. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    - 상기 제 1 산화 구역으로서, 라이저 유형의 제 1 산화 반응기 (301);
    - 상기 제 2 산화 구역으로서, 라이저 유형의 제 2 산화 반응기 (300);
    - 상기 제 1 산화 반응기 (301) 의 상단에서 나간 혼합물을 수용하도록 상기 제 1 산화 반응기 (301) 의 하류에 위치결정된, 사이클론과 같은 가스/고체 세퍼레이터 (303) 로서, 상기 혼합물은 이질소 스트림 (28) 및 부분적으로 재산화된 레독스 활성 매스의 스트림 (26) 을 포함하는, 상기 가스/고체 세퍼레이터 (303);
    - 상기 제 1 산화 반응기 (301) 와 상기 제 2 산화 반응기 (300) 사이에 가스 시일을 제공하도록, 상기 세퍼레이터 (303) 로부터 상기 제 2 산화 반응기 (300) 로 부분적으로 재산화된 활성 매스의 스트림 (26) 을 위한 운반 라인에 위치결정된 사이펀을 포함하는, 탄화수소 공급물의 연소를 실시하기 위한 장치.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    산소 고갈된 공기의 스트림의 제 1 분획물 (216) 을 상기 제 1 산화 구역 (201, 301, 401) 으로 보내는 상기 제 1 도관에 위치결정된 압축기 또는 송풍기와 같은 압축 기기 (202, 302) 를 포함하는, 탄화수소 공급물의 연소를 실시하기 위한 장치.
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