KR20180055836A - 산화제 예열을 이용한 열화학적 재생 - Google Patents
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Abstract
노를 위한 산화제를 예열하기 위한 축열기의 가열 및 열화학적 재생 둘 모두를 위해 노 연소 가스를 이용하는 것은 상승작용적 효율 및 다른 이점을 제공한다.
Description
본 발명은, 재료가 노(furnace) 내로 공급되고 노 내에서 일어나는 연소의 열에 의해 가열되고/되거나 용융되는, 유리 용융 노(glassmelting furnace), 금속 및 광석을 가열하고/하거나 용융시키기 위한 노, 소각로, 시멘트 가마 등과 같은 노에서의 연소에 관한 것이다.
미국 특허 제6,113,874호는 축열기(regenerator)를 이용하는 노에 유용한 열 회수 방법을 개시하는데, 이 방법에서는, 노에서 형성된 연소 생성물의 스트림을 제1 축열기에 통과시켜 제1 축열기를 가열하고 연소 생성물을 냉각하고, 이어서 냉각된 연소 생성물의 소정 부분을 연료와 조합하여 혼합물을 형성하고 혼합물을 가열된 제2 축열기에 통과시키고, 여기서, 혼합물을 흡열 반응시켜 합성 가스(syngas)를 형성하고 합성 가스는 이어서 노 내로 통과하고 연소된다.
이 특허는, 연소 생성물 ("연도 가스")의 일부를 노로부터 별개의 축열기에 통과시켜 이러한 별개의 축열기를 가열할 수 있고, 그 후에 기술적으로 순수한 산소를 이러한 가열된 별개의 축열기에 통과시켜 산소를 가열할 수 있고, 이어서 산소를 축열기로부터 연소를 위한 노 내로 공급함을 언급한다.
그러나, 노로부터, 합성 가스를 형성하는 흡열 반응을 위한 열을 제공하는 데 사용되는 제1 또는 제2 축열기 내로 통과될 연소 생성물의 양에 대해, 노로부터 이러한 별개의 축열기 내로 통과될 순수한 CH4 및 재순환 연도 가스(recycled flue gas) 및 산화제로서의 순수한 O2의 혼합물로부터 제조된 합성 가스의 연소로부터의 연소 생성물의 "최적" 양인 것으로 이 특허에서 언급된 것은, 작동의 전반적인 효율을 개선하는 관점에서 전혀 최적이 아님이 본 발명자에 의해 밝혀졌다. 실제로, 본 발명자는, 이 특허가 제1 및 제2 축열기들로의 유동에 대해 연소 생성물의 유동을 별개의 축열기로 배분하는 데 관하여 개시한 것에 의해 교시되거나 제안되지 않은 조건을 이용함으로써 현저히 개선된 효율 및 에너지 활용이 가능함을 알아내었다. 실제로, 본 발명자는 제1 및 제2 축열기들로의 유동에 대해 연소 생성물의 유동을 별개의 축열기로 배분하는 데 관한 우수한 기준을 결정하였고, 연소 생성물의 이들 유동의 최적 배분이 무엇인지를 밝혀내었다. 게다가, 본 발명자는 개질 연료(reforming fuel)와 혼합된 상이한 양의 재순환 연도 가스에 대한 제1 및 제2 축열기들로의 유동에 대해 축열기로의 연소 생성물의 유동을 배분하는 바람직한 방법을 밝혀내었다.
본 발명의 일 태양은 노에서 연소를 수행하는 방법으로서,
(A) 노에서 연료를 연소시켜 가스상 연소 생성물을 생성하는 단계; 및
(B) 교대로,
(1) (i) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제1 양을 냉각된 제1 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제1 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제1 양을 냉각하고,
(ii) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제2 양을 냉각된 제2 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제2 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제2 양을 냉각하고,
(iii) 상기 제1 축열기로부터의 냉각된 가스상 연소 생성물의 적어도 일부분, 상기 제2 축열기로부터의 냉각된 가스상 연소 생성물의 적어도 일부분, 또는 상기 제1 및 제2 축열기들 둘 모두로부터의 냉각된 가스상 연소 생성물의 적어도 일부분과(즉, 이들 중 하나 이상과 함께) 개질 연료를 가열된 제3 축열기 내로 통과시키고,
(iv) 제3 축열기에서 가스상 연소 생성물 및 개질 연료를, 수소 및 일산화탄소를 포함하는 합성 가스를 형성하기에 효과적인 조건 하에 흡열 반응으로 반응시킴으로써, 제3 축열기를 냉각하고,
(v) 가스상 산화제를 가열된 제4 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 가스상 산화제를 가열하고 제4 축열기를 냉각하고,
(vi) 상기 제3 축열기로부터의 상기 합성 가스를 상기 노 내로 통과시키고, 제4 축열기로부터의 상기 가열된 가스상 산화제를 노 내로 통과시키고, 노에서 합성 가스 및 상기 가열된 가스상 산화제를 연소시키면서;
하기 (C1), (C2), 또는 (C1) 및 (C2) 둘 모두를 유지하는 단계:
(C1) 상기 제1 축열기로부터 통과된 냉각된 가스상 연소 생성물의 상기 제1 양의 몰 유량 대 상기 제2 축열기로부터 통과된 가스상 연소 생성물의 냉각된 상기 제2 양의 몰 유량의 비를 45:55 내지 65:35로 유지하는 것,
(C2) 상기 제1 및 제2 축열기들 밖으로 통과하는 연소 생성물들의 온도차를 300F 이하로 유지하는 것; 및
(2) (i) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제1 양을 냉각된 제3 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제3 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제1 양을 냉각하고,
(ii) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제2 양을 냉각된 제4 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제4 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제2 양을 냉각하고,
(iii) 상기 제3 축열기로부터의 냉각된 가스상 연소 생성물의 적어도 일부분, 상기 제4 축열기로부터의 냉각된 가스상 연소 생성물의 적어도 일부분, 또는 상기 제3 및 제4 축열기들 둘 모두로부터의 냉각된 가스상 연소 생성물의 적어도 일부분 및 (즉, 이들 중 하나 이상과 함께) 개질 연료를 가열된 제1 축열기 내로 통과시키고,
(iv) 제1 축열기에서 가스상 연소 생성물 및 개질 연료를, 수소 및 일산화탄소를 포함하는 합성 가스를 형성하기에 효과적인 조건 하에 흡열 반응으로 반응시켜, 제1 축열기를 냉각하고,
(v) 가스상 산화제를 가열된 제2 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 가스상 산화제를 가열하고 제2 축열기를 냉각하고,
(vi) 상기 제1 축열기로부터의 상기 합성 가스를 상기 노 내로 통과시키고, 제2 축열기로부터의 상기 가열된 가스상 산화제를 노 내로 통과시키고, 노에서 합성 가스 및 상기 가열된 가스상 산화제를 연소시키면서;
하기 (D1), (D2), 또는 (D1) 및 (D2) 둘 모두를 유지하는 단계:
(D1) 상기 제1 축열기로부터 통과된 냉각된 가스상 연소 생성물의 상기 제1 양의 몰 유량 대 상기 제2 축열기로부터 통과된 가스상 연소 생성물의 냉각된 상기 제2 양의 몰 유량의 비를 45:55 내지 65:35로 유지하는 것,
(D2) 상기 제1 및 제2 축열기들 밖으로 통과하는 연소 생성물들의 온도차를 300F 이하로 유지하는 것
을 포함하는, 방법이다.
본 발명의 이러한 태양의 바람직한 실시 형태에서, 단계 (B)(1)(iii) 및 단계 (B)(1)(v)의 종료 시에, 상기 제3 축열기로의 상기 개질 연료의 유동 및 상기 제4 축열기로의 상기 산화제의 유동은 종결되고, 노로부터의 가스상 연소 생성물은 상기 제3 및 제4 축열기들을 통해 유동되어 제3 축열기 내의 합성 가스 및 제4 축열기 내의 산화제가 노로 배출되어 완전히 연소되고; 단계 (B)(2)(iii) 및 단계 (B)(2)(v)의 종료 시에, 상기 제1 축열기로의 상기 개질 연료의 유동 및 상기 제2 축열기로의 상기 산화제의 유동은 종결되고, 노로부터의 가스상 연소 생성물은 상기 제1 및 제2 축열기들을 통해 유동되어 제1 축열기 내의 합성 가스 및 제2 축열기 내의 산화제가 노로 배출되어 완전히 연소된다.
본 발명의 다른 태양은 노에서 연소를 수행하는 방법으로서,
(A) 노에서 연료를 연소시켜 가스상 연소 생성물을 생성하는 단계; 및
(B) 교대로,
(1) (i) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제1 양을 냉각된 제1 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제1 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제1 양을 냉각하고,
(ii) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제2 양을 냉각된 제2 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제2 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제2 양을 냉각하고,
(iii) 개질 연료를 가열된 제3 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 개질 연료를 가열하고 제3 축열기를 냉각하고,
(iv) 가스상 산화제를 가열된 제4 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 가스상 산화제를 가열하고 제4 축열기를 냉각하고,
(v) 상기 제3 축열기로부터의 상기 가열된 개질 연료를 상기 노 내로 통과시키고, 제4 축열기로부터의 상기 가열된 가스상 산화제를 노 내로 통과시키고, 노에서 상기 가열된 개질 연료 및 상기 가열된 가스상 산화제를 연소시키면서;
하기 (C1), (C2), 또는 (C1) 및 (C2) 둘 모두를 유지하는 단계:
(C1) 상기 제1 축열기로부터 통과된 냉각된 가스상 연소 생성물의 상기 제1 양의 몰 유량 대 상기 제2 축열기로부터 통과된 가스상 연소 생성물의 상기 냉각된 제2 양의 몰 유량의 비를 65:35 미만 45:55 이상으로 유지하는 것, 및
(C2) 상기 제1 및 제2 축열기들 밖으로 통과하는 연소 생성물들의 온도차를 300F 이하로 유지하는 것; 및
(2) (i) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제1 양을 냉각된 제3 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제3 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제1 양을 냉각하고,
(ii) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제2 양을 냉각된 제4 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제4 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제2 양을 냉각하고,
(iii) 개질 연료를 가열된 제1 축열기 내로 통과시켜 개질 연료를 가열하고 제1 축열기를 냉각하고,
(iv) 가스상 산화제를 가열된 제2 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 가스상 산화제를 가열하고 제2 축열기를 냉각하고,
(v) 상기 제1 축열기로부터의 상기 가열된 개질 연료를 상기 노 내로 통과시키고, 제2 축열기로부터의 상기 가열된 가스상 산화제를 노 내로 통과시키고, 노에서 상기 가열된 개질 연료 및 상기 가열된 가스상 산화제를 연소시키면서;
하기 (D1), (D2), 또는 (D1) 및 (D2) 둘 모두를 유지하는 단계:
(D1) 상기 제1 축열기로부터 통과된 냉각된 가스상 연소 생성물의 상기 제1 양의 몰 유량 대 상기 제2 축열기로부터 통과된 가스상 연소 생성물의 상기 냉각된 제2 양의 몰 유량의 비를 65:35 미만 45:55 이상으로 유지하는 것, 및
(D2) 상기 제1 및 제2 축열기들 밖으로 통과하는 연소 생성물들의 온도차를 300F 이하로 유지하는 것
을 포함하는, 방법이다.
본 발명의 이러한 태양의 바람직한 실시 형태에서, 단계 (B)(1)(iii)의 종료 시에, 상기 제3 축열기로의 상기 개질 연료의 유동은 종결되고, 상기 노로부터의 가스상 연소 생성물은 상기 제3 축열기를 통해 노 내로 유동되거나 계속 유동되어 제3 축열기에 존재하는 그을음(soot)의 양을 감소시키고; 단계 (B)(2)(iii)의 종료 시에, 상기 제1 축열기로의 상기 개질 연료의 유동은 종결되고, 상기 노로부터 가스상 연소 생성물은 상기 제1 축열기를 통해 노 내로 유동되거나 계속 유동되어 제1 축열기에 존재하는 그을음의 양을 감소시킨다.
"적어도 일부분" 또는 "일부"는 0% 초과 100% 이하의 양을 의미한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 상이한 태양들의 개략도.
도 4 및 도 5는 하기에 제공된 실시예에 따라 얻어진 연도 가스 온도 대 연도 가스 유동 비의 그래프.
도 4 및 도 5는 하기에 제공된 실시예에 따라 얻어진 연도 가스 온도 대 연도 가스 유동 비의 그래프.
본 발명은, 재료가 노 내로 공급되고 노 내에서 일어나는 연소의 열에 의해 가열되고/되거나 용융되는, 유리 용융 노, 금속 및 광석을 가열하고/하거나 용융시키기 위한 노, 소각로, 시멘트 가마 등과 같은 노에서 유용하다. 연소는, 임의의 가연성 가스상 탄화수소 또는 무화된 액체 탄화수소 (바람직하게는 메탄과 같은 C1-C4 화합물을 포함함) 뿐만 아니라 본 명세서에 기재된 바와 같이 생성되는 합성 가스일 수 있는 연료와, 공기 및 공기보다 많은 산소를 함유하는 임의의 가스상 혼합물을 포함하는 가스상 산화제 사이에서 일어난다. 첨부된 도 1에서, 일어날 수 있는 연료 및 산화제의 첨가는 각각 11A 및 11B로 표시된다.
본 발명은 바람직한 유형의 노, 즉, 고온 연도 가스 배출 스트림으로부터 사용가능한 열을 되찾는 열 회수 공정을 이용하는 노와 관련하여 특히 상세하게 본 명세서에 기재된다. 이러한 열 회수 공정은, 본 명세서에서 연도 사이클 및 개질 사이클(reforming cycle)로 지칭되는 2가지 사이클로 진행된다. 이러한 두 사이클은 둘 이상의 체커-충전(checker-filled) 축열기에서 교대로 수행된다. 열 회수 공정은 바람직하게는 "산소-연료"(oxy-fuel) 연소 공정 - 이는 50 부피% 이상의 산소, 및 바람직하게는 80 부피% 이상의 산소, 더욱 바람직하게는 90 부피% 이상의 산소, 및 심지어 99 부피% 이상의 산소의 산소 함량을 포함하는 가스상 산화제와 함께 연료를 연소시키는 것을 의미함 - 을 이용하는 노 및 다른 연소 장치와 관련하여 수행되는데, 그 이유는 산소-연료 연소에 의해 생성되는 연도 가스가 더 높은 H2O 및 CO2 농도를 가지며 이들 둘 모두가 본 발명의 방법에 이용되는 흡열 개질 반응을 촉진하기 때문이다. 연도 사이클 동안, 제1 축열기 내의 체커는 노로부터 이러한 축열기 내로 그리고 이러한 축열기를 통해 공급되는 고온 연도 가스로부터 열을 추출하고 저장한다. 이어서, 개질 사이클에서는, 제1 축열기를 빠져나온 냉각된 연도 가스로부터, 소정 부분 (본 명세서에서 재순환 연도 가스(Recycled Flue Gas) 또는 RFG로 지칭됨)이 다른 축열기로 공급되고 연료 (본 명세서에서 개질 연료(Reforming Fuel) 또는 RF로 지칭됨)의 스트림과 혼합된다. 하기 설명에서는, 예시를 위해 순수한 메탄 (CH4)이 개질 연료로서 기재된다. 다른 만족스러운 개질 연료에는, 천연 가스, 프로판, 및 LPG (액화 석유 가스)를 포함하지만 이에 한정되지 않는, 상당한 농도의 탄화수소를 함유하는 임의의 가연성 가스, 가스 혼합물, 또는 기화된 액체 연료가 포함된다. 석탄을 가스화하여 생성되는 발생로 가스(producer gas)와 같이 H2 및 CO를 주로 포함하는 연료는 개질 연료로서 적합하지 않다. 따라서, 개질 연료는 25 부피% 이상의 화학식 CH4 및/또는 CXHY (여기서, X는 2 내지 4이고 Y는 X 내지 (4X-2)임)의 하나 이상의 가스상 탄화수소를 포함하여야 한다. 개질 사이클에서, RFG/개질 연료 혼합물은, 상기에 기재된 바와 같은, 체커가 이미 가열되어 있는 제2 축열기로 들어가고 그를 통해 노를 향해 유동한다. 제2 축열기를 통과하는 RFG/RF 혼합물의 온도는, 이미 예열된 체커로부터 열을 추출함으로써 계속 증가한다. RGF/RF 혼합물은 제2 축열기를 통과할 때, 열해리 반응 및 개질 반응이 일어나기 시작하여 계속 일어나는 온도에 도달하여, H2 및 CO를 포함하는 생성물을 생성한다. 이들 반응은 흡열 반응이며 이들 반응을 촉진하는 데 필요한 열은 가열된 체커로부터 흡수된다. 연료의 열해리 반응은 분해(cracking) 반응으로 알려져 있으며 H2, C2H2, C2H4, 및 그을음과 같은 다수의 연료 화학종을 생성한다. 개질 반응은 전형적으로 예를 들어 H2O, CO2 및 CH4를 포함하는 미반응 가스, H2 및 CO와 같은 하나 이상의 성분을 포함하는 가스상 조성물을 생성한다. 그렇게 생성된 가스상 조성물은 또한 본 명세서에서 "합성 가스"로 칭해질 수 있다. 가스상 생성물의 혼합물은 제2 축열기로부터 노 내로 빠져나오고, 노에서 가연성 가스상 성분이 산화제와 함께 연소되어 노 내의 재료를 가열 및/또는 용융하기 위한 열에너지를 제공한다. 이러한 연소는 가스상 생성물과 함께 존재하는 임의의 그을음의 소정 부분을 또한 연소시킬 수 있다.
하기에 더욱 완전하게 기재되는 바와 같이, 노에서의 연소를 위한 가스상 산화제는, 노 내로 공급되기 전에 가열된다. 가스상 산화제는 가스상 산화제를 미리 가열되어 있는 축열기 내로 그리고 이를 통과시킴으로써 가열된다. 동시에, 노 내에서 형성된 가스상 연소 생성물의 소정 부분이 다른 축열기를 통해 노 밖으로 통과되어 그 축열기를 가열한다.
소정 길이의 시간 후에, 두 축열기의 작동이 반전되며, 즉, 연도 사이클에 사용된 축열기가 개질 사이클로 전환되고, 개질 사이클에 사용된 축열기가 연도 사이클로 전환된다. 반전 이전에, 개질 연료의 유동은 중단되고, RFG (재순환 연도 가스, 즉, 재순환 가스상 연소 생성물)의 유동은, 축열기 내의 잔류 개질 연료 및 합성 가스의 일부 또는 전부가 축열기 밖으로 퍼징되고(purged) 노 내에서 연소될 때까지 계속된다. 하기에 추가로 기재된 바와 같이, 그을음이 RFG와 반응하여 가스화되기 때문에, 이러한 퍼징 단계는 또한 축열기 내의 체커 표면 상에 침착된 그을음을 제거하는 작용을 한다. 이러한 반전 시에, 배출되는 연도 가스에 의해 가열된 축열기는 전환되어 유입되는 산화제를 가열하기 시작하고, 유입되는 산화제를 가열하는 데 사용되었던 축열기는 전환되어, 노를 빠져나가는 연도 가스가 이 축열기를 통과하여 축열기를 재가열하여 산화제를 가열하는 데 사용되도록 한다. 추가의 기간 후에, 두 쌍의 축열기의 작동이 다시 반전된다. 반전 타이밍은 경과 시간에 의해 또는 다른 기준, 예를 들어 연도 사이클에 있는 제1 축열기로부터 빠져나온 연도 가스의 온도에 의해 결정될 수 있다. 반전 공정은 미리 결정된 메커니즘 및 계획에 따라 수행되는데, 밸브들이 특정 타이밍에 기초하여 개방 및 폐쇄되도록 차례로 배열된다.
본 발명의 작동 및 제어가 도 1 내지 도 3과 관련하여 하기에 기재되어 있다. 말단 벽(3)에 2개의 축열기가 장착된 말단-포트 발화식 유리 노(end-port fired glass furnace; 10)가 예로서 사용된다.
도 1에 나타난 바와 같이, 말단-포트 유리 노(10)는 공급 스테이션(20)을 가지며, (배치(batch) 및/또는 컬릿(cullet)으로 알려진) 고체 유리 제조 재료를 포함하는 공급 재료(30)가 노 내로 장입되어 가열 및 용융된다. 노(10) 밖으로의 용융된 유리의 유동이 (90)으로 나타나 있다. 노(10)는 노의 좌측에 제1 축열기(100) 및 노의 우측에 제2 축열기(200)를 구비한다. 두 축열기의 수직 단면도가 도 2 및 도 3에 더욱 상세하게 도시되어 있다.
도 2에 나타나 있는 바와 같이, 축열기(200)는 연도 사이클에 있으며, 여기서 노(10)의 내부로부터의 연도 가스 스트림(50)은 포트 넥(port neck; 240)으로 들어간 다음, 산소 분석기(250)를 지나서 축열기(200)의 상부 공간(530)으로 유동한다. 연도 가스 스트림은 축열기(200) 내의 체커((520)으로 나타나 있음)들 사이의 통로를 통해 유동할 때 체커를 가열하고, 전체 체커 층의 중량을 또한 지지하는 아치(510) 상에 지지된 가스 통로(515)를 통해 챔버 하부 공간(500)으로 들어간다. 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 노(10)에서 생성된 연도 가스의 소정 부분(52)은 부분적으로 개방된 밸브(350)를 통해 도관(70)으로 우회될 수 있고, 이어서 스택(340)으로 들어가 배출되는데, 이는 그것이 노에 다시 들어가지 않고 대신에 대기로 방출되고/되거나 저장 및/또는 추가의 처리 또는 그러한 용도의 임의의 조합을 위한 하나 이상의 다른 스테이션으로 이송됨을 의미한다. 최대 열 회수를 위해, 본질적으로 모든 노 연도 가스가 연도 가스 스트림(50)으로서 축열기(200)로 가도록 밸브(350)가 폐쇄되는 것이 바람직하다.
도 1 및 도 2에 나타나 있는 바와 같이, 냉각된 연도 가스 스트림(201)은 도관(260)에서 축열기(200)를 빠져나와서, 개방 밸브(210) 및 산소 센서(310)를 통과한 다음, 송풍기(300)의 흡입 측(suction-side)으로 들어간다. 송풍기의 가압 측(pressure-side)을 떠나는 연도 가스(301)의 대부분은 댐퍼(330)를 통과한 다음 유량계(332)를 통과하고, 마지막으로 스택(340) 내로 향하며, 그를 통해 이러한 연도 가스가 본 명세서에 정의된 바와 같이 시스템을 떠나서 배출된다. 연도 가스의 소정 부분(303)은 도관(320) 및 밸브(360)를 통과함으로써 축열기(100)의 하부로 재순환된다. 이것이 재순환 연도 가스 (RFG)이다. 이러한 유동은 유량계(322)에 의해 계측된다. 제2 축열기(100)로 공급될 개질 연료는 밸브(120)를 통해 도관(130)에 의해 공급된다.
적합한 개질 연료에는 메탄 (이것이 바람직함) 뿐만 아니라 천연 가스, 프로판, 및 LPG (액화 천연 가스)를 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 다른 가연성 가스, 가스 혼합물, 또는 기화된 액체 연료가 포함된다.
도 3에 나타나 있는 바와 같이, 도관(130)으로부터의 개질 연료(RF)는 도관(128) 내의 위치(127)에서 교차하여 RFG(303)와 혼합되며, 도관(128)은 또한 축열기(100)의 하부 공간(400)과 연통한다. 이러한 RFG/RF 혼합물은 아치(410) 상의 가스 통로(415)를 통해 축열기(100)의 이미 예열된 체커 팩(420)으로 들어간다. 축열기(100)는 이전 사이클에서 노로부터 축열기(100) 내로의 그리고 축열기를 통한 연도 가스의 통과에 의해 이미 가열되어 있다. RFG/RF 혼합물의 온도는 축열기(100)의 체커 팩을 통해 유동함에 따라 증가한다. RFG/RF의 온도가 충분히 높아지면, 개질 연료 (예를 들어 CH4)가 RFG 중의 CO2 및 H2O와 반응하여 CO, H2, 및 아마도 약간의 그을음을 형성하는 열해리 반응 및 흡열 개질 반응이 일어난다. 흡열 해리 및 개질 반응을 위해 필요한 열은 가열된 체커로부터 취해진다. RFG/RF 혼합물이 상부 공간(430)을 향해 계속 이동함에 따라 개질 반응이 계속된다. 가스상 스트림(425)(본 명세서에서 "개질된" 또는 "합성 가스" 가스 스트림으로 지칭됨)이 체커 팩(420)의 상부로부터 빠져나간다. 스트림(425)은 고온이며 CO, H2, 미반응 CH4, 및 미반응 CO2 및 H2O와 같은 화학종을 포함한다. 스트림(425)은 포트 넥(140) 및 산소 센서(150)를 통과하고, 노(10)에 들어간다. 이 스트림은 예를 들어 1800 F 내지 2500 F 범위의 온도에서 체커 팩(420)을 빠져나간다.
이러한 작동 사이클에서, 도 1 및 도 3을 참조하면, 합성 가스의 연소를 위한 가열된 산화제가 도관(135)을 통해 노(10)에 공급된다. 산화제는 공기일 수 있거나, 또는 공기의 산소 함량보다 높은 산소 함량, 즉 21 부피% 이상, 및 바람직하게는 80 부피% 이상, 더욱 바람직하게는 90 부피% 이상, 또는 심지어 99 부피% 이상의 산소 함량을 가질 수 있다. 산화제는 저장 탱크 또는 공기 분리 유닛 (이들의 예는 공지되어 있으며 구매가능함)과 같은 적합한 공급원으로부터 도관(605)을 통해 가열된 축열기(600) 내로 그리고 이를 통해 제공된다. 축열기(600)는 체커 팩(691)이 아치(692) 상에 지지되는 통상의 구조 및 작동 방식을 가질 수 있으며, 아치를 관통하여 체커 팩(691)과 하부 공간(694) 사이에서 가스가 유동하게 하는 가스 통로 (693)가 존재한다. 이러한 작동 사이클에서, 가스상 산화제는 라인(606)으로부터 하부 공간(694) 내로, 체커 팩(691) 내로 그리고 이를 통해, 상부 공간(695)으로 그리고 라인(135) 내로 유동한다. 산화제는 축열기(600)에서 가열되고 축열기(600)로부터 도관(135) 내로 그리고 노 내로 통과한다. 밸브(115)가 개방되어 라인(606) 내로 산화제가 유동하게 하며, 라인을 통해 산화제가 축열기(600) 내로 통과한다. 축열기(600)를 통해 그리고 그 밖으로 나가서, 송풍기(300)의 입구 (흡입 측(suction-side))에 연결된 도관(610) 내로 들어가는 연도 가스의 유동을 제어하는 밸브(620)는 이 사이클에서 폐쇄된다. 본 명세서에 기재된 다른 사이클에서, 밸브 위치가 반전되고, 연도 가스가 라인(606)에 대한 반대 경로로 라인(135)으로부터 축열기(600) 내로 그리고 이를 통해 유동한다.
이러한 작동 사이클에서, 도 1 및 도 2를 참조하면, 가스상 연소 생성물 (연도 가스)의 일부가 노(10) 밖으로 도관(235) 내로 그리고 거기에서 축열기(700) 내로 그리고 이를 통과한다. 축열기(700)는 체커 팩(791)이 아치(792) 상에 지지되는 통상의 구조 및 작동 방식을 가질 수 있으며, 아치를 관통하여 체커 팩(791)과 하부 공간(794) 사이에서 가스가 유동하게 하는 가스 통로 (793)가 존재한다. 라인(235)으로부터 연소 생성물의 이러한 유동은 축열기(700)를 가열한다. 연소 생성물은 냉각되고 도관(710)을 통해 축열기(700)를 빠져나온 다음, 송풍기(300)의 입구 (흡입 측)로 들어간다. 이 사이클에서는 축열기(700)를 통해 그리고 그 밖으로 나가서 도관(710, 721) 내로 들어가는 연도 가스의 유동을 제어하는 밸브(720)가 개방되고, 다음 사이클에서는 도관(705)으로부터 가열된 축열기(700) 내로 그리고 이를 통과하는, 저장 탱크 또는 공기 분리 유닛과 같은 적합한 공급원으로부터의 산화제의 유동을 제어하는 밸브(225)가 폐쇄된다. 본 명세서에 기재된 다른 사이클에서, 밸브 위치가 반전되고, 연도 가스가 라인(235)에 대한 반대 경로로 라인(237)으로부터 축열기(700) 내로 그리고 이를 통해 그리고 노(10) 내로 유동한다.
전형적으로, 열 회수 공정은, 도 1에 나타난 바와 같이, 축열기(100) 및 축열기(200) 중 하나를 연도 사이클로 사용하고 이들 축열기 중 하나를 개질 사이클로 사용하여, 그리고 산화제 축열기(600) 및 산화제 축열기(700) 중 하나를 산화제-가열 방식으로 사용하고 하나는 그를 통과하는 연도 가스에 의해 재가열되게 하여, 약 20 내지 40분 동안 또는 개질 축열기 내의 체커가 너무 차가워서 원하는 흡열 화학 반응을 촉진하기에 충분한 열을 제공할 수 없을 때까지 진행된다. 그 시점에서, 그리고 가스상 연소 생성물이 노(10)를 떠나서 축열기(700)를 가열하는 동안에 축열기(200)가 연도 사이클에 있었고 축열기(100)가 개질 사이클에 있었으며 산화제가 축열기(600)에서 가열되어 노 내로 공급되었던 본 명세서의 설명을 이제 계속하면, 노(10)의 작동은 반전을 겪는데, 이 반전에서 축열기(200)는 열 회수를 위한 개질 사이클로 전환되고, 축열기(100)는 열 축적을 위한 연도 사이클로 전환되며, 축열기(600)는 축열기(600)를 재가열하기 위해 연도 가스를 받아들이도록 전환되고, 축열기(700)는 그를 통해 노 내로 통과하는 산화제를 받아들이고 가열하도록 전환된다.
반전 전에, 축열기(100) 내의 잔류 합성 가스 및 축열기(600) 내의 잔류 산화제는 노(10)로 퍼징되어야 한다. 이러한 경우에, 축열기(100)로 공급되는 개질 연료 및 축열기(600)로 공급되는 산화제는 각각 밸브(120) 및 밸브(115)를 폐쇄시키고 산화제 퍼지 라인 밸브(365)를 개방하여 송풍기(300)로부터 RFG가 라인(320) 및 라인(305)을 통해 밸브(365)를 통해 라인(606)으로 유동하게 함으로써 처음에 종결된다. 축열기(100) 내의 잔류 합성 가스 및 축열기(600) 내의 잔류 산화제는 축열기(100) 내의 합성 가스의 전부 또는 거의 전부 및 축열기(600) 내의 산화제의 전부 또는 거의 전부가 노로 배출되어 완전히 연소되도록 명시된 시간의 양 동안 RFG에 의해 퍼징된다. 축열기(100, 600)를 통한 가스상 연소 생성물의 유동 또는 유동을 계속하는 것은 또한 축열기 내로 공급된 물질들의 개질 반응 및/또는 열 분해의 부산물로서 축열기 내에 축적되어 있을 수 있는 그을음을 제거하는 데 도움이 된다. 그을음 제거는 O2, 해리된 산소 종, 이산화탄소, 및/또는 수증기와 같이 가스상 연소 생성물 (RFG)에 존재할 수 있는 반응물과의 가스화 반응에 의해 일어난다.
반전 시에, 노로부터의 연도 가스는 축열기(100)를 통과하고, 그의 소정 부분은 통과하여 (본 명세서에 정의된 바와 같이) 배출되는 반면, 소정 부분 또는 잔부는 연료와 혼합되고 혼합물이 축열기(200)를 통해 노 내로 통과된다. 폐쇄되어 있던 밸브(110)가 개방되고, 밸브(210)가 폐쇄되고, 밸브(360)가 폐쇄되고 폐쇄되어 있던 밸브(380)가 개방되어, 가열된 연도 가스가 축열기(100)로부터 송풍기(300) 쪽으로 가서 이를 통과하고, 이러한 연도 가스의 소정 부분(303)은 폐쇄되어 있었지만 지금은 개방된 밸브(220)를 통해 들어온 개질 연료(230)와 혼합된 후에 축열기(200) 내로 통과한다. 개방되어 있던 밸브(115)는 밸브(115)를 통한 산화제에 의해 도움을 받는 연소가 이 상태에서는 일어나지 않기 때문에 폐쇄되고, 밸브(225)는 개방된다. 개질 연료와 재순환 연도 가스의 생성되는 혼합물은, 본 명세서에 기재된 바와 같이 이전 사이클에서는 축열기(100)에서 일어났던 흡열 개질 반응을 축열기(200)에서 겪어서 합성 가스를 생성하며, 이는 포트 넥(240) 내로 그리고 이를 통과하고 이어서 노(10) 내로 통과되고 노(10)에서, 밸브(225)를 통해 공급된 후에 가열된, 도관(237)으로부터의 산화제(237)와 함께 연소된다. 또한, 반전 시에, 연도 가스는 축열기(600)를 통과하고 축열기(600)를 통한 산화제의 유동은 차단되는 반면, 노로부터 축열기(700)를 통한 연도 가스의 유동은 차단되고 축열기(700)를 통한 노 내로의 산화제의 유동이 시작된다. 밸브(115) 및 밸브(720)가 폐쇄되고, 밸브(620) 및 밸브(225)가 개방된다.
반전 전에, 축열기(200) 내의 잔류 합성 가스 및 축열기(700) 내의 잔류 산화제는 노(10)로 퍼징되어야 한다. 이러한 경우에, 축열기(200)로 공급되는 개질 연료 및 축열기(700)로 공급되는 산화제는 각각 밸브(220) 및 밸브(225)를 폐쇄시키고 산화제 퍼지 라인 밸브(385)를 개방하여 RFG가 송풍기(300)로부터 라인(301)으로부터 라인(307)을 통해 라인(710, 701)으로 유동하게 함으로써 처음에 종결된다. 축열기(200) 내의 잔류 합성 가스 및 축열기(700) 내의 잔류 산화제는 축열기(200) 내의 합성 가스의 거의 전부 및 축열기(700) 내의 산화제의 전부가 노로 배출되어 완전히 연소되도록 명시된 시간의 양 동안 RFG에 의해 퍼징된다.
따라서, 한 사이클에서, 개질 연료(130)와 함께 축열기(100)로 공급되는 재순환 연도 가스(721)는 축열기(200)로부터의 재순환 연도 가스, 축열기(700)로부터의 재순환 연도 가스, 또는 축열기(200) 및 축열기(700) 둘 모두로부터의 재순환 연도 가스를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 다른 사이클에서, 개질 연료(230)와 함께 축열기(200)로 공급되는 재순환 연도 가스(610)는 축열기(100)로부터의 재순환 연도 가스, 축열기(600)로부터의 재순환 연도 가스, 또는 축열기(100) 및 축열기(600) 둘 모두로부터의 재순환 연도 가스를 포함할 수 있다.
열 회수 공정 동안, 노(10)는 다른 버너(burner)(예컨대, 60, 65)와 함께 동시-발화되어, 합성 가스 화염(40) 및 버너 화염(62, 64) 둘 모두가 공존하게 된다. 또한, 개질 축열기(100) 또는 개질 축열기(200)가 경우에 따라 상기에 기재된 퍼징 순서를 거치는 경우, 버너(60, 65)는 반전 공정 동안 발화되고 있을 수 있거나 발화되고 있지 않을 수 있다. 최대 열 회수를 위해, 버너(60, 65)는 합성 가스 화염(40)과 동시-발화되고 있지 않는 것이 바람직하다. 퍼징 순서 동안에는, 버너(60, 65)가 발화되고 있지 않는 것이 또한 바람직하다.
본 발명은, 이전에는 인식되지 않았던 가이드라인에 따라 작동시킴으로써, 상기에 기재된 장치를 이용하여 뜻밖의 목적을 달성한다.
나타낸 바와 같이, 각각의 사이클에서 가스상 연소 생성물은 노로부터 배출되고 한 쌍의 축열기의 각각을 통해 병렬로 통과되는데, 가스상 연소 생성물의 한 부분은 축열기를 통과하여 그 축열기에 열을 제공하며 그 축열기는 다음 사이클에서 흡열 개질 반응에서 개질될 연소 생성물과 연료의 혼합물을 가열할 것이고, 가스상 연소 생성물의 다른 부분은 축열기를 통과하여 그 축열기에 열을 제공하며 그 축열기는 다음 사이클에서 축열기를 통해 노 내로 통과되는 가스상 산화제를 가열할 것이다.
뜻밖에도, 각각의 그러한 사이클에서, 가스상 연소 생성물이 통과하는 한 쌍의 축열기는 두 세트의 조건 중 어느 하나 또는 둘 모두를 유지하도록 작동되어야 하는 것으로 밝혀졌다. 한 세트의 조건은, 다음 사이클에서 흡열 반응에 열을 공급하는 데 사용될 축열기로부터 유동하는 가스상 연소 생성물의 몰 유량과, 다음 사이클에서 가열되고 노 내로 통과될 산화제를 예열하는 데 사용될 축열기로부터 유동하는 가스상 연소 생성물의 몰 유량 사이의 비는, RFG/RF 몰 비가 1:1이고 몰 연도 가스 유량 대 몰 RFG/RF 혼합물 유량의 비가 2:1인 경우 이러한 비가 70:30 미만이 되도록 유지되어야 한다는 것이다. 바람직하게는 이러한 비는 65:45 미만 55:45 이상이다. 이러한 비의 더욱 바람직한 범위는 (57 내지 65): (43 내지 35)이다.
미국 특허 제6,113,874호의 이전의 교시와는 반대로, 본 발명자는 노 내로 공급될 산화제가 노로부터 통과하는 연도 가스의 유동에 의해 가열되어 있는 별개의 축열기에서 가열될 때 0.5 미만의 RFG/RF 몰 비에서, 또는 심지어 RFG 유동 없이, 즉, 0의 RFG/RF 몰 비에서 개질 축열기를 작동시키는 것이 유리함을 또한 밝혀내었다. RFG가 RF와 혼합되지 않는 경우, 개질 반응은 일어나지 않을 수 있으나; 연료 성분들 중 일부가 분해되어 수소, C2H4, C2H2, 그을음, 및 다수의 다른 화학종을 형성할 것이다. 이러한 분해 반응은 또한 흡열 반응이며 축열기로부터 가스상 화학종으로의 열의 회수에 기여한다. 재순환 연도 가스가 "개질 연료"와 혼합되지 않는 경우, 축열기를 가열하는 데 사용되었고 따라서 다음 사이클에서 흡열 반응에 열을 제공하는, 축열기로부터 유동하는 가스상 연소 생성물의 몰 유량과, 다음 사이클에서 가열되고 노 내로 통과될 산화제를 예열하는 데 사용되었된 축열기로부터 유동하는 가스상 연소 생성물의 몰 유량 사이의 비는, 이러한 비가 65:35 미만이 되도록 유지되어야 한다. 바람직하게는 이러한 비는 60:40 미만이고 더욱 바람직하게는 50:50 이상이다. 이러한 비의 더욱 바람직한 범위는 (55 내지 60): (45 내지 40)이다.
노를 빠져나가는 연소 생성물의 총량은 연소 생성물을 축열기 내로 공급하는 2개의 덕트(duct) 내의 연소 생성물의 총량인 것이 특히 유리하다. 각각의 몰 유량들 사이의 원하는 관계는 각각의 축열기의 하류에 위치된 도관에서 적절한 측정 장치에 의해, 그리고 각각의 도관에서 가스의 유량을 조절하는 밸브의 적절한 설정에 의해 모니터링되고 구현될 수 있다. 예를 들어, 한 사이클에서, 이들 몰 유량은 도관(201) 및 도관(710)에서의 몰 유량이며, 따라서 (본 명세서의 기재 및 도 1 내지 도 3으로부터 이미 인식되어 있는 바와 같이) 원하는 유량 조절은 밸브(210) 및 밸브(720)를, 본 명세서에 기재된 바와 같이 각각의 스트림의 원하는 상대적 폐쇄 온도 또는 원하는 몰 유동 비를 성취하는 원하는 유량을 허용하는, 최대-유동(full-flow)과 차단 사이의 위치로 설정함으로써 확립될 것이다. 유사하게, 다른 사이클에서, 이들 몰 유량은 도관(128) 및 도관(621)에서의 몰 유량이며, 따라서 밸브(110) 및 밸브(620)의 설정에 의해 제어될 것이다.
본 발명에 따라 유지되는 다른 세트의 조건은, 각각의 교대하는 사이클에서 연소 생성물이 통과하여 유동하는 각각의 쌍의 축열기 (즉, 도 1을 참조하면, 한 사이클에서 축열기(200) 및 축열기(700), 그리고 다른 사이클에서 축열기(100) 및 축열기(600))를 빠져나가는 가스상 연소 생성물의 유동의 온도가 서로의 300F 이하 이내, 바람직하게는 200 F 이내, 더욱 바람직하게는 서로의 100F 이하 이내이어야 함을 제공하는 것이다. 달리 말해, 가스상 연소 생성물의 이러한 두 유동 사이의 온도차가 300F 이하, 바람직하게는 200 F 이하, 더욱 바람직하게는 100F 이하이어야 한다. 도 1을 참조하면, 이는 한 사이클에서 스트림(201)과 스트림(710) 사이의 온도차를 말하고, 다른 사이클에서 스트림(128)과 스트림(621) 사이의 온도차를 말한다. 이들 온도는, 통상적이고 구매가능한 장비를 사용하여 용이하게 측정 및 비교될 수 있다. 서로 표시된 근접치 내에서 각각의 온도차를 유지하는 한 가지 유리한 방식은 노로부터 주어진 사이클에서 연소 생성물에 의해 가열되는 각각의 축열기 내로 그리고 이를 통한 연소 생성물의 각각의 스트림의 몰 유량을 조정하는 것이다.
유리용융 노를 사용한 본 발명의 작동에 대해 전형적인 온도가 본 명세서에 제공된다. 강 재가열 노(steel reheating furnace)와 같은 다른 유형의 노를 사용하여 본 발명이 작동되는 경우, 온도는 다소 더 낮을 수 있다.
도 1 내지 도 3에 대해 기재된 사이클을 참조하면, 축열기(200)로 들어가는 연도 가스 스트림(240)은 전형적으로 2500F 내지 3000F이고, 축열기(200)를 빠져나가는 스트림(201)은 전형적으로 500F 내지 1000F이다. 축열기(700)로 들어가는 스트림(235)은 전형적으로 2500F 내지 3000F이고, 축열기(700)를 빠져나가는 스트림(701)은 전형적으로 500F 내지 1000F이다. 축열기(100)로 들어가는 혼합된 재순환 연도 가스 및 개질 연료의 스트림(128)은 전형적으로 300F 내지 1000F이고, 개질된 생성물의 스트림(140)은 전형적으로 1800F 내지 2400F이다. 축열기(600)로 들어가는 산화제의 스트림(606)은 전형적으로 0℉ 또는 주위 온도, 최대 100F이다. 축열기(600)를 빠져나가는 가열된 산화제의 스트림(135)은 전형적으로 1800F 내지 2400F이다.
각각의 축열기 내의 온도는 각각의 사이클에 걸쳐 상승 및 하강할 것으로 예상될 것이며, 온도는 축열기 내의 상이한 위치들에서 상이할 것이다. 유리용융 노를 사용한 본 발명의 전형적인 작동에서, 도 1 내지 도 3에 도시된 사이클에서, 사이클의 시작 시에 축열기(200) 내의 온도는 축열기의 하부에서 500F 내지 900F 및 상부에서 1800F 내지 2300F 정도일 수 있고, 이 사이클의 종료에 의해 하부에서 600F 내지 1000F 및 상부에서 1900F 내지 2400F 정도의 온도로 상승될 것으로 예상될 수 있다. 동일한 사이클에서, 사이클의 시작 시에 축열기(700) 내의 온도는 축열기의 하부에서 500F 내지 900F 및 상부에서 1800F 내지 2300F 정도일 수 있고, 이 사이클의 종료에 의해 하부에서 600F 내지 1000F 및 상부에서 1900F 내지 2300F 정도의 온도로 상승될 것으로 예상될 수 있다. 동일한 사이클에서, 사이클의 시작 시에 축열기(100) 내의 온도는 축열기의 하부에서 600F 내지 1000F 및 상부에서 1900F 내지 2400F 정도일 수 있고, 이 사이클의 종료에 의해 하부에서 500F 내지 900F 및 상부에서 1800F 내지 2300F 정도의 온도로 냉각될 것으로 예상될 수 있다. 동일한 사이클에서, 사이클의 시작 시에 축열기(600) 내의 온도는 축열기의 하부에서 600F 내지 1000F 및 상부에서 1900F 내지 2400F 정도일 수 있고, 이 사이클의 종료에 의해 하부에서 500F 내지 900F 및 상부에서 1800F 내지 2300F 정도의 온도로 냉각될 것으로 예상될 수 있다.
이러한 수치는 대략 20분마다 사이클이 반전되는 경우에 예상될 것이다. 사이클이 덜 빈번하게 반전되는 경우, 각각의 사이클의 시작과 종료 사이의 온도차 (이 예에서는 100F)는 더 크고, 사이클이 절반만큼 빈번하게, 즉 40분마다 반전되는 경우에 이러한 수치의 심지어 2배만큼 클 것으로, 즉 약 200F일 것으로 예상될 것이다.
실시예
하기 표는 30% 컬릿 및 70% 배치를 공급 재료로 사용하는 컨테이너 유리 노(container glass furnace)에 대한 연료 (CH4 또는 천연 가스 [NG]) 1 몰 유동당 근사치 가스 유량을 나타낸다. 공급 재료의 가열 및 용융은 노에 공급되는 연료 1 몰당 약 1 몰의 배치 가스를 노에서 발생시킨다. 배치 가스는 주로 배치 내의 탄산염 재료로부터 분해된 CO2 및 노에 공급된 배치 및 컬릿 내의 수분으로부터 증발된 H2O이다. 재순환 연도 가스(RFG)를 사용하는, 축열기(100, 200)들을 포함하는 본 명세서에 기재된 열화학적 축열기 시스템(thermochemical regenerator system) (본 실시예에서 "TCR"로 지칭됨)이 구비된 유리 노로부터의 연도 가스 유량 (5 몰)은 연료 (CH4) 및 순수한 O2 단독의 연소로부터 발생되는 연도 가스 유zzz량 (3 몰)보다 훨씬 더 크다.
노로부터 TCR 내로의 그리고 O2 축열기(600, 700) 내로의 연도 가스의 최적 유동 비를 찾기 위하여, 2개의 개별적인 열교환기 모델을 설치하였는데, 하나는 TCR에 대한 것이고 다른 하나는 O2 축열기에 대한 것이었다. 연도 가스로부터의 최대 열 회수, 즉, 가장 효율적인 작동은, 두 축열기를 빠져나가는 두 연도 가스 스트림에 함유된 총 현열(sensible heat)이 최소화되는 때에 달성된다. 도 4 및 도 5에서 TCR 축열기로부터 그리고 O2 축열기로부터의 연도 가스 출구 온도 및 두 스트림이 축열기를 빠져나간 후 혼합될 때 합쳐진 스트림의 평균 온도 (즉, 몰 유량 가중 평균 연도 가스 온도)를 TCR 축열기로 향하는 총 연도 가스 유량의 부분 (몰 퍼센트 단위)에 대하여 플롯한다. 더 많은 연도 가스가 TCR로 향함에 따라, TCR 축열기로부터의 연도 가스 출구 온도가 증가한다. 다른 한편, TCR로의 연도 가스 유동이 증가함에 따라 O2 축열기로부터의 연도 가스 출구 온도는 감소한다. 합쳐진 스트림 내의 총 현열은 합쳐진 스트림의 평균 온도에 대략 비례하기 때문에, TCR 축열기들로의 연도 가스 유동의 최적 비는 평균 연도 가스 온도가 최소 값으로 되는 지점에 위치된다.
도 4는 RFG/NG=1 (몰)인 경우를 나타낸다. 합쳐진 스트림의 최저 평균 연도 가스 출구 온도를 제공하는, TCR로 공급되는 연도 가스 (잔부는 O2 축열기로 공급됨)의 최적 유동 비 (즉, 몰 백분율)는 이 경우에 약 62%이다. 이는 이 실시예에서 TCR로의 연도 가스 유동 비가 55 내지 70%이고 약 800 F 미만일 때 크게 변하지 않는다. 55%의 TCR로의 연도 가스 유동 비에서, O2 축열기로부터의 연도 가스 출구 온도는 TCR로부터의 연도 가스 온도보다 약 300 F 더 높다. 70%의 TCR로의 연도 가스 유동 비에서, O2 축열기로부터의 연도 가스 출구 온도는 TCR로부터의 연도 가스 온도보다 약 300 F 더 낮다. 약 61%의 TCR로의 연도 가스 유동 비에서, 두 축열기로부터의 연도 가스 출구 온도는 동일하다. 이 지점이 최적 유량에 매우 가깝다. 끈적끈적한 미립자를 함유하는 연도 가스의 유량을 측정하는 것보다는 열전쌍에 의해 온도를 측정하는 것이 더 용이하고 더 신뢰할 수 있기 때문에, 본 발명에서의 바람직한 방법은 각각의 축열기의 연도 가스 출구 온도 또는 축열기 하부 온도를 측정하고, 두 온도가 약 300 F 이내, 바람직하게는 200 F 이내, 더욱 바람직하게는 100F 이내가 될 때까지 TCR로의 그리고 O2 축열기로의 유량을 조정함으로써 거의 최적의 유동 가스 유동 비를 찾는 것이다. 대안적으로, 두 연도 가스 스트림이 완전히 혼합된 후에, 하류 도관 내에 위치된 단일 열전쌍을 사용하여 최소 연도 가스 온도를 찾을 수 있다. 그러나, 이 방법은 TCR로의 그리고 O2 축열기로의 유량 변화에 민감하지 않다.
도 5는 개질 반응을 위해 사용되는 재순환 연도 가스가 없는 경우 (즉, RFG/RF = 0)를 나타낸다. 합쳐진 스트림의 최저 평균 연도 가스 출구 온도를 제공하는 TCR로의 최적 유동 비는 이 실시예에서 약 58%이다. 합쳐진 스트림의 평균 연도 가스 출구 온도는 이 경우에 TCR로의 연도 가스 유동 비가 50 내지 65%이고 약 800 F 미만일 때 크게 변하지 않는다. 50%의 TCR로의 연도 가스 유동 비에서, O2 축열기로부터의 연도 가스 출구 온도는 TCR로부터의 연도 가스 온도보다 약 100 F 더 높다. 65%의 TCR로의 연도 가스 유동 비에서, O2 축열기로부터의 연도 가스 출구 온도는 TCR로부터의 연도 가스 온도보다 약 500 F 더 낮다. 약 53%의 TCR로의 연도 가스 유동 비에서, 두 축열기로부터의 연도 가스 출구 온도는 동일하다. 이 지점은 최적 유량보다 5% 더 적지만, 열 회수 효율은 최적 유량의 것에 매우 가깝다.
따라서 앞선 경우에 대해 찾아진 거의 최적의 연도 가스 유동 비를 찾는 실제적인 방법이 또한 이 경우에 적용 가능하다.
상기 실시예는, 최적 유동 비가 연료 조성, 산화제 조성, RFG/NG 비, 및 배치/컬릿 비에 따라 좌우됨을 나타낸다. 그러나, 0에서 1로의 RFG/NG 비의 큰 변화에 대해, 최적 유동 비는 유사한 것으로 나타났다.
각각의 축열기들로 들어가는 연소 생성물 스트림들의 몰 유량들의 비를 유지하거나, 또는 각각의 축열기들을 빠져나가는 연소 생성물들의 유동들의 표시되는 제어된 온도차를 유지하거나, 또는 둘 모두의 관계 (즉, 기재된 바와 같은 스트림들의 몰 유량 비, 및 온도차)를 유지하는 방식의 작동이 우수한 열 회수 및 에너지 활용 (각각의 축열기에서의 저장 및 재사용)의 효율을 달성하며, 이는 최적 열 효능이 분석 시에 70:30 이상인 전술한 몰 유량 비에 상응하는 조건 하에서의 작동을 필요로 하는 것으로 교시된, 전술한 미국 특허 제6,113,874호와 같은 종래 기술에서 제안되거나 이용가능한 것으로 보이는 것보다 우수한 것으로 밝혀졌다. 그러나, 본 발명은, 전술한 특허가 이러한 몰 유량 비에도 또는 연소 생성물들의 각각의 유동들의 온도들 사이의 관계의 유의성에도 어떤 특별한 인식도 돌리지 않았다는 점에서 더욱 더 뜻밖이다.
앞선 섹션에서, 본 발명은 노 내로 도입되는, 메탄 (CH4)으로서의 연료의 전부, 및 산업용으로 순수한 (99.9 부피% 이상 순수한) 산소로서의 산화제의 전부가 축열기에서 가열되거나 개질되는 바람직한 조건 하에서 설명된다. 연료의 일부 및/또는 산화제의 일부가 축열기에서 가열되거나 개질되지 않고서 노 내로 도입되는 경우에, 그리고 산화제의 산소 농도가 99.9% 미만인 경우에, 노로부터 제1 및 제2 축열기들을 통한 가스상 연소 생성물 (연도 가스)들의 몰 유량들의 최적 비, 및 (개질 및 산화제-가열 축열기들 내로의 통과를 위한) 제3 및 제4 축열기들로부터의 가스상 연소 생성물들의 몰 유량들의 최적 비는 상기에 언급된 바람직한 조건에 대한 최적 비로부터 변화한다. 예를 들어 연소 산화제의 30%가 예열 없이 직접 노 내로 주입되는 경우 (예를 들어, NOx 배출을 감소시키기 위한 단계적 연소의 경우), 산화제-예열 축열기 내로의 산화제의 유량은 그러한 30%만큼 감소된다. 이 경우에 산화제-예열 축열기 내로의 연도 가스의 유량은 약 20 내지 25%만큼 감소되어야 하며 개질 축열기 내로의 연도 가스의 유량은 그러한 양만큼 증가되어야 한다. 따라서, 개질 및 산화제-가열 축열기들 내로 통과될, 노로부터의 연도 가스의, 제2 축열기를 통한 몰 유량에 대한 제1 축열기를 통한 몰 유량의 최적 비 및 제4 축열기를 통한 몰 유량에 대한 제3 축열기를 통한 몰 유량의 최적 비는 증가된다. 반대의 예가 저순도 산화제의 사용에서 나타난다. 본 발명의 방법에 사용되는 산화제의 산소 순도는 예를 들어 80 부피%이고 이러한 산화제의 전부가 축열기에서 예열되는 경우, 산화제의 유량은 산화제로서 순수한 산소를 사용하는 경우보다 25% 더 많다. 이 경우에 산화제-예열 축열기 내로의 연도 가스의 유량은 약 30 내지 35%만큼 증가되어야 하며 개질 축열기 내로의 연도 가스의 유량은 그러한 양만큼 감소되어야 한다. 따라서, 개질 축열기 내로 그리고 산화제-가열 축열기 내로의 통과를 위한, 노로부터의 연도 가스의, 제2 축열기를 통한 몰 유량에 대한 제1 축열기를 통한 몰 유량의 최적 비 및 제4 축열기를 통한 몰 유량에 대한 제3 축열기를 통한 몰 유량의 최적 비는 감소된다.
이들 예는, 노로부터 개질 축열기 내로의 그리고 산화제-가열 축열기 내로의 연도 가스 몰 유량의 최적 유동 비가 축열기에서의 예열/개질을 위해 이용가능한, 연료, 재순환 가스상 연소 생성물 (RFG), 및 산화제의 양 및 조성에 따라 상당히 달라질 수 있음을 보여준다. 따라서, 본 발명에서의 실제적이고 바람직한 방법은 각각의 축열기를 빠져나가는 연도 가스의 온도를 측정하고 (또는 가스 스트림 그 자체의 온도에 상응하는 축열기의 출구에서의 온도를 측정하고), 두 온도가 약 300 F 이내, 바람직하게는 200 F 이내, 및 더욱 바람직하게는 100F 이내가 될 때까지, (한 사이클에서) 제1 및 제2 축열기들로 들어가는 스트림의 유량 및 (다른 사이클에서) 제3 및 제4 축열기들로 들어가는 스트림의 유량을 조정하여 원하는 유량 비를 확립하는 것이다.
Claims (14)
- 노(furnace)에서 연소를 수행하는 방법으로서,
(A) 노에서 연료를 연소시켜 가스상 연소 생성물을 생성하는 단계; 및
(B) 교대로,
(1) (i) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제1 양을 냉각된 제1 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제1 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제1 양을 냉각하고,
(ii) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제2 양을 냉각된 제2 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제2 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제2 양을 냉각하고,
(iii) 상기 제1 축열기로부터의 냉각된 가스상 연소 생성물과 함께, 상기 제2 축열기로부터의 냉각된 가스상 연소 생성물과 함께, 또는 상기 제1 및 제2 축열기들 둘 모두로부터의 냉각된 가스상 연소 생성물과 함께, 개질 연료(reforming fuel)를 가열된 제3 축열기 내로 통과시키고,
(iv) 제3 축열기에서 가스상 연소 생성물 및 개질 연료를, 수소 및 일산화탄소를 포함하는 합성 가스를 형성하기에 효과적인 조건 하에 흡열 반응으로 반응시킴으로써, 제3 축열기를 냉각하고,
(v) 가스상 산화제를 가열된 제4 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 가스상 산화제를 가열하고 제4 축열기를 냉각하고,
(vi) 상기 제3 축열기로부터의 상기 합성 가스를 상기 노 내로 통과시키고, 제4 축열기로부터의 상기 가열된 가스상 산화제를 노 내로 통과시키고, 노에서 합성 가스 및 상기 가열된 가스상 산화제를 연소시키면서;
상기 제1 및 제2 축열기들 밖으로 통과하는 연소 생성물들의 온도차를 300F 이하로 유지하는 단계; 및
(2) (i) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제1 양을 냉각된 제3 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제3 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제1 양을 냉각하고,
(ii) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제2 양을 냉각된 제4 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제4 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제2 양을 냉각하고,
(iii) 상기 제3 축열기로부터의 냉각된 가스상 연소 생성물과 함께, 상기 제4 축열기로부터의 냉각된 가스상 연소 생성물과 함께, 또는 상기 제3 및 제4 축열기들 둘 모두로부터의 냉각된 가스상 연소 생성물과 함께, 개질 연료를 가열된 제1 축열기 내로 통과시키고,
(iv) 제1 축열기에서 가스상 연소 생성물 및 개질 연료를, 수소 및 일산화탄소를 포함하는 합성 가스를 형성하기에 효과적인 조건 하에 흡열 반응으로 반응시킴으로써, 제1 축열기를 냉각하고,
(v) 가스상 산화제를 가열된 제2 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 가스상 산화제를 가열하고 제2 축열기를 냉각하고,
(vi) 상기 제1 축열기로부터의 상기 합성 가스를 상기 노 내로 통과시키고, 제2 축열기로부터의 상기 가열된 가스상 산화제를 노 내로 통과시키고, 노에서 합성 가스 및 상기 가열된 가스상 산화제를 연소시키면서;
상기 제3 및 제4 축열기들 밖으로 통과하는 연소 생성물들의 온도차를 300F 이하로 유지하는 단계
를 포함하는, 방법. - 노에서 연소를 수행하는 방법으로서,
(A) 노에서 연료를 연소시켜 가스상 연소 생성물을 생성하는 단계; 및
(B) 교대로,
(1) (i) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제1 양을 냉각된 제1 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제1 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제1 양을 냉각하고,
(ii) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제2 양을 냉각된 제2 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제2 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제2 양을 냉각하고,
(iii) 상기 제1 축열기로부터의 냉각된 가스상 연소 생성물과 함께, 상기 제2 축열기로부터의 냉각된 가스상 연소 생성물과 함께, 또는 상기 제1 및 제2 축열기들 둘 모두로부터의 냉각된 가스상 연소 생성물과 함께, 개질 연료를 가열된 제3 축열기 내로 통과시키고,
(iv) 제3 축열기에서 가스상 연소 생성물 및 개질 연료를, 수소 및 일산화탄소를 포함하는 합성 가스를 형성하기에 효과적인 조건 하에 흡열 반응으로 반응시킴으로써, 제3 축열기를 냉각하고,
(v) 가스상 산화제를 가열된 제4 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 가스상 산화제를 가열하고 제4 축열기를 냉각하고,
(vi) 상기 제3 축열기로부터의 상기 합성 가스를 상기 노 내로 통과시키고, 제4 축열기로부터의 상기 가열된 가스상 산화제를 노 내로 통과시키고, 노에서 합성 가스 및 상기 가열된 가스상 산화제를 연소시키면서;
상기 제1 축열기로부터 통과된 가스상 연소 생성물의 상기 냉각된 제1 양의 몰 유량 대 상기 제2 축열기로부터 통과된 가스상 연소 생성물의 상기 냉각된 제2 양의 몰 유량의 비를 45:55 내지 65:35로 유지하는 단계; 및
(2) (i) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제1 양을 냉각된 제3 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제3 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제1 양을 냉각하고,
(ii) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제2 양을 냉각된 제4 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제4 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제2 양을 냉각하고,
(iii) 상기 제3 축열기로부터의 냉각된 가스상 연소 생성물과 함께, 상기 제4 축열기로부터의 냉각된 가스상 연소 생성물과 함께, 또는 상기 제3 및 제4 축열기들 둘 모두로부터의 냉각된 가스상 연소 생성물과 함께, 개질 연료를 가열된 제1 축열기 내로 통과시키고,
(iv) 제1 축열기에서 가스상 연소 생성물 및 개질 연료를, 수소 및 일산화탄소를 포함하는 합성 가스를 형성하기에 효과적인 조건 하에 흡열 반응으로 반응시켜, 제1 축열기를 냉각하고,
(v) 가스상 산화제를 가열된 제2 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 가스상 산화제를 가열하고 제2 축열기를 냉각하고,
(vi) 상기 제1 축열기로부터의 상기 합성 가스를 상기 노 내로 통과시키고, 제2 축열기로부터의 상기 가열된 가스상 산화제를 노 내로 통과시키고, 노에서 합성 가스 및 상기 가열된 가스상 산화제를 연소시키면서;
상기 제3 축열기로부터 통과된 가스상 연소 생성물의 상기 냉각된 제1 양의 몰 유량 대 상기 제4 축열기로부터 통과된 가스상 연소 생성물의 상기 냉각된 제2 양의 몰 유량의 비를 45:55 내지 65:35로 유지하는 단계
를 포함하는, 방법. - 노에서 연소를 수행하는 방법으로서,
(A) 노에서 연료를 연소시켜 가스상 연소 생성물을 생성하는 단계; 및
(B) 교대로,
(1) (i) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제1 양을 냉각된 제1 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제1 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제1 양을 냉각하고,
(ii) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제2 양을 냉각된 제2 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제2 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제2 양을 냉각하고,
(iii) 개질 연료를 가열된 제3 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 개질 연료를 가열하고 제3 축열기를 냉각하고,
(iv) 가스상 산화제를 가열된 제4 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 가스상 산화제를 가열하고 제4 축열기를 냉각하고,
(v) 상기 제3 축열기로부터의 상기 가열된 개질 연료를 상기 노 내로 통과시키고, 제4 축열기로부터의 상기 가열된 가스상 산화제를 노 내로 통과시키고, 노에서 상기 가열된 개질 연료 및 상기 가열된 가스상 산화제를 연소시키면서;
상기 제1 및 제2 축열기들 밖으로 통과하는 연소 생성물들의 온도차를 300F 이하로 유지하는 단계; 및
(2) (i) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제1 양을 냉각된 제3 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제3 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제1 양을 냉각하고,
(ii) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제2 양을 냉각된 제4 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제4 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제2 양을 냉각하고,
(iii) 개질 연료를 가열된 제1 축열기 내로 통과시켜 개질 연료를 가열하고 제1 축열기를 냉각하고,
(iv) 가스상 산화제를 가열된 제2 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 가스상 산화제를 가열하고 제2 축열기를 냉각하고,
(v) 상기 제1 축열기로부터의 상기 가열된 개질 연료를 상기 노 내로 통과시키고, 제2 축열기로부터의 상기 가열된 가스상 산화제를 노 내로 통과시키고, 노에서 상기 가열된 개질 연료 및 상기 가열된 가스상 산화제를 연소시키면서;
상기 제1 및 제2 축열기들 밖으로 통과하는 연소 생성물들의 온도차를 300F 이하로 유지하는 단계
를 포함하는, 방법. - 노에서 연소를 수행하는 방법으로서,
(A) 노에서 연료를 연소시켜 가스상 연소 생성물을 생성하는 단계; 및
(B) 교대로,
(1) (i) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제1 양을 냉각된 제1 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제1 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제1 양을 냉각하고,
(ii) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제2 양을 냉각된 제2 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제2 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제2 양을 냉각하고,
(iii) 개질 연료를 가열된 제3 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 개질 연료를 가열하고 제3 축열기를 냉각하고,
(iv) 가스상 산화제를 가열된 제4 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 가스상 산화제를 가열하고 제4 축열기를 냉각하고,
(v) 상기 제3 축열기로부터의 상기 가열된 개질 연료를 상기 노 내로 통과시키고, 제4 축열기로부터의 상기 가열된 가스상 산화제를 노 내로 통과시키고, 노에서 상기 가열된 개질 연료 및 상기 가열된 가스상 산화제를 연소시키면서;
상기 제1 축열기로부터 통과된 냉각된 가스상 연소 생성물의 상기 제1 양의 몰 유량 대 상기 제2 축열기로부터 통과된 가스상 연소 생성물의 상기 냉각된 제2 양의 몰 유량의 비를 65:35 미만 45:55 초과로 유지하는 단계; 및
(2) (i) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제1 양을 냉각된 제3 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제3 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제1 양을 냉각하고,
(ii) 노로부터의 가스상 연소 생성물의 제2 양을 냉각된 제4 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제4 축열기를 가열하고 가스상 연소 생성물의 상기 제2 양을 냉각하고,
(iii) 개질 연료를 가열된 제1 축열기 내로 통과시켜 개질 연료를 가열하고 제1 축열기를 냉각하고,
(iv) 가스상 산화제를 가열된 제2 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 가스상 산화제를 가열하고 제2 축열기를 냉각하고,
(v) 상기 제1 축열기로부터의 상기 가열된 개질 연료를 상기 노 내로 통과시키고, 제2 축열기로부터의 상기 가열된 가스상 산화제를 노 내로 통과시키고, 노에서 가열된 개질 연료 및 상기 가열된 가스상 산화제를 연소시키면서;
상기 제1 축열기로부터 통과된 냉각된 가스상 연소 생성물의 상기 제1 양의 몰 유량 대 상기 제2 축열기로부터 통과된 가스상 연소 생성물의 상기 냉각된 제2 양의 몰 유량의 비를 65:35 미만 45:55 초과로 유지하는 단계
를 포함하는, 방법. - 제1항, 제2항, 제3항, 또는 제4항에 있어서, 상기 개질 연료는 천연 가스인, 방법.
- 제2항에 있어서, 단계 (B)(1)(iii) 및 단계 (B)(2)(iii) 중 하나 또는 둘 모두에서 냉각된 가스상 연소 생성물 대 개질 연료의 몰 비는 0.5 내지 1.5이고, 상기 제1 축열기로부터 통과된 가스상 연소 생성물의 상기 냉각된 제1 양의 몰 유량 대 상기 제2 축열기로부터 통과된 가스상 연소 생성물의 상기 냉각된 제2 양의 몰 유량의 상기 비는 55:45 내지 65:35인, 방법.
- 제2항에 있어서, 단계 (B)(1)(iii) 및 단계 (B)(2)(iii) 중 하나 또는 둘 모두에서 냉각된 가스상 연소 생성물 대 개질 연료의 몰 비는 0.5 이하이고, 상기 제1 축열기로부터 통과된 가스상 연소 생성물의 상기 냉각된 제1 양의 몰 유량 대 상기 제2 축열기로부터 통과된 가스상 연소 생성물의 상기 냉각된 제2 양의 몰 유량의 상기 비는 50:50 내지 60:40인, 방법.
- 제1항, 제2항, 제3항, 또는 제4항에 있어서, 상기 가스상 산화제는 80 내지 100 부피%의 O2를 함유하는, 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 단계 (B)(1)(iii) 및 단계 (B)(1)(v)의 종료 시에, 상기 제3 축열기로의 상기 개질 연료의 유동 및 상기 제4 축열기로의 상기 산화제의 유동은 종결되고, 노로부터의 가스상 연소 생성물은 상기 제3 및 제4 축열기들을 통해 유동되어 제3 축열기 내의 합성 가스 및 제4 축열기 내의 산화제가 노로 배출되어 완전히 연소되고; 단계 (B)(2)(iii) 및 단계 (B)(2)(v)의 종료 시에, 상기 제1 축열기로의 상기 개질 연료의 유동 및 상기 제2 축열기로의 상기 산화제의 유동은 종결되고, 노로부터의 가스상 연소 생성물은 상기 제1 및 제2 축열기들을 통해 유동되어 제1 축열기 내의 합성 가스 및 제2 축열기 내의 산화제가 노로 배출되어 완전히 연소되는, 방법.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 단계 (B)(1)(iii) 및 단계 (B)(1)(iv)의 종료 시에, 상기 제3 축열기로의 상기 개질 연료의 유동 및 상기 제4 축열기로의 상기 산화제의 유동은 종결되고, 노로부터의 가스상 연소 생성물은 상기 제3 및 제4 축열기들을 통해 유동되어 제3 축열기 내의 합성 가스 및 제4 축열기 내의 산화제가 노로 배출되어 완전히 연소되고; 단계 (B)(2)(iii) 및 단계 (B)(2)(iv)의 종료 시에, 상기 제1 축열기로의 상기 개질 연료의 유동 및 상기 제2 축열기로의 상기 산화제의 유동은 종결되고, 노로부터의 가스상 연소 생성물은 상기 제1 및 제2 축열기들을 통해 유동되어 제1 축열기 내의 합성 가스 및 제2 축열기 내의 산화제가 노로 배출되어 완전히 연소되는, 방법.
- 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 축열기들 밖으로 통과하는 연소 생성물들의 상기 온도차는 200F 이하로 유지되고, 상기 제3 및 제4 축열기들 밖으로 통과하는 연소 생성물들의 상기 온도차는 200F 이하로 유지되는, 방법.
- 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 축열기들 밖으로 통과하는 연소 생성물들의 상기 온도차는 100F 이하로 유지되고, 상기 제3 및 제4 축열기들 밖으로 통과하는 연소 생성물들의 상기 온도차는 100F 이하로 유지되는, 방법.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 단계 (B)(1)(iii)의 종료 시에, 상기 제3 축열기로의 상기 개질 연료의 유동은 종결되고, 상기 노로부터의 가스상 연소 생성물은 상기 제3 축열기를 통해 노 내로 유동되어 제3 축열기에 존재하는 그을음(soot)의 양을 감소시키고; 단계 (B)(2)(iii)의 종료 시에, 상기 제1 축열기로의 상기 개질 연료의 유동은 종결되고, 상기 노로부터의 가스상 연소 생성물은 상기 제1 축열기를 통해 노 내로 유동되어 제1 축열기에 존재하는 그을음의 양을 감소시키는, 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 단계 (B)(1)(iii)의 종료 시에, 상기 제3 축열기로의 상기 개질 연료의 유동은 종결되면서, 가스상 연소 생성물의 유동이 제3 축열기를 통해 계속 유동하게 하여 제3 축열기에 존재하는 그을음의 양을 감소시키고; 단계 (B)(2)(iii)의 종료 시에, 상기 제1 축열기로의 상기 개질 연료의 유동은 종결되면서, 가스상 연소 생성물의 유동이 제1 축열기를 통해 계속되게 하여 제1 축열기에 존재하는 그을음의 양을 감소시키는, 방법.
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| CN115611237A (zh) * | 2022-11-03 | 2023-01-17 | 玻璃新材料创新中心(安徽)有限公司 | 一种全氧燃烧玻璃窑炉热化学再生燃烧方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR19990067710A (ko) * | 1998-01-06 | 1999-08-25 | 조안 엠. 젤사 ; 로버트 지. 호헨스타인 ; 도로시 엠. 보어 | 산소 함유 점화로용 축열식 산소 예열처리 방법 |
| KR19990083554A (ko) * | 1998-04-29 | 1999-11-25 | 조안 엠. 젤사 ; 로버트 지. 호헨스타인 ; 도로시 엠. 보어 | 열화학적재생열의회수방법 |
| JP4073960B2 (ja) * | 1996-10-03 | 2008-04-09 | 肇 加藤 | 炭化水素の水蒸気改質方法 |
| US20090011290A1 (en) * | 2007-07-05 | 2009-01-08 | Gas Technology Institute | Method and apparatus for thermochemical recuperation with partial heat recovery of the sensible heat present in products of combustion |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4347072A (en) * | 1980-11-21 | 1982-08-31 | Ishizuka Glass Co., Ltd. | Method and device for reducing NOx generated in glass-melting furnace |
| ZA945891B (en) * | 1993-09-07 | 1995-06-13 | Boc Group Inc | Production of hydrogen and carbon monoxide from oxyfuel furnace off-gas |
| US5453259A (en) * | 1994-04-18 | 1995-09-26 | Smith Engineering Company | Two-bed regenerative thermal oxidizer with trap for volatile organic compounds |
| TW359743B (en) * | 1997-01-06 | 1999-06-01 | Nippon Furnace Kogyo Kk | Apparatus and method for heating a gaseous fluid flow, method for preheating a gaseous fluid flow |
| US6223519B1 (en) | 1999-02-11 | 2001-05-01 | Bp Amoco Corporation | Method of generating power using an advanced thermal recuperation cycle |
| US6210157B1 (en) * | 2000-04-07 | 2001-04-03 | Praxair Technology, Inc. | Fuel reformer combustion process |
| US7210467B2 (en) | 2004-06-22 | 2007-05-01 | Gas Technology Institute | Advanced high efficiency, ultra-low emission, thermochemically recuperated reciprocating internal combustion engine |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4073960B2 (ja) * | 1996-10-03 | 2008-04-09 | 肇 加藤 | 炭化水素の水蒸気改質方法 |
| KR19990067710A (ko) * | 1998-01-06 | 1999-08-25 | 조안 엠. 젤사 ; 로버트 지. 호헨스타인 ; 도로시 엠. 보어 | 산소 함유 점화로용 축열식 산소 예열처리 방법 |
| KR19990083554A (ko) * | 1998-04-29 | 1999-11-25 | 조안 엠. 젤사 ; 로버트 지. 호헨스타인 ; 도로시 엠. 보어 | 열화학적재생열의회수방법 |
| US20090011290A1 (en) * | 2007-07-05 | 2009-01-08 | Gas Technology Institute | Method and apparatus for thermochemical recuperation with partial heat recovery of the sensible heat present in products of combustion |
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