KR20210062422A - 케미컬루핑 연소시스템의 반응속도 개선 방법 및 이를 이용한 구동 방법 - Google Patents

케미컬루핑 연소시스템의 반응속도 개선 방법 및 이를 이용한 구동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공기공급수단에 의해 공급된 공기와 반응하여 산소전달입자가 산화되는 공기반응기; 상기 공기반응기에서 산화된 산소전달입자가 공급되고, 연료공급수단에 의해 공급된 연료가 연소되어 상기 산화된 산소전달입자가 환원되며, 환원된 산소전달입자를 상기 공기반응기로 공급하는 연료반응기; 연소시스템의 구동 전, 상기 공기반응기와 상기 연료반응기 각각을 설정된 온도까지 예열시키는 공기반응기 예열수단과, 연료반응기 예열수단; 상기 연소시스템의 구동 전, 상기 연료반응기 내로 수소기체를 공급하는 수소공급수단; 및 상기 공기반응기와 상기 연료반응기가 설정된 온도에 도달하도록 상기 공기반응기 예열수단과 연료반응기 예열수단을 제어하고, 상기 연료반응기 내의 산소전달입자의 고체전환율이 설정된 전환율 값에 도달하도록 상기 수소공급수단을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템에 관한 것이다.

Description

케미컬루핑 연소시스템의 반응속도 개선 방법 및 이를 이용한 구동 방법{Reaction Rate Improvement Method of Chemical Looping Combustion System and Start-up Procedure Using Thereof}
본 발명은 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템 및 그 케미컬루핑 연소시스템의 구동방법에 관한 것이다.
대량 배출원으로부터 이산화탄소를 포집하여 분리하기 위한 여러 기술 중 연소과정에서 고농도의 이산화탄소만 배출되도록 하는 연소 중 포집기술(순산소 연소기술)은 연소기(combustor) 자체에서 CO2 가 고농도로 배출되므로 별도의 분리설비 없이 CO2를 원천적으로 분리할 수 있는 장점이 있으며 주로 신규발전소 또는 기존 발전소의 retrofit을 위한 설비로 활용될 수 있다.
한편 공기 중의 산소를 사전에 분리하여 연소기에 공급하는 기존의 순산소 연소기술과는 달리 케미컬루핑 연소시스템(또는 매체순환 연소시스템)은 입자 상태의 금속산화물을 이용하여 하나의 반응기에서는 공기 중의 산소를 흡수하고, 이를 다른 반응기로 이동시켜 연료와 산소를 반응시키는 분리연소 반응을 통해 공기 중의 질소와 연소에 의해 발생하는 이산화탄소의 혼합을 방지할 수 있으며 산소를 분리하기 위한 별도의 설비가 필요 없는 차세대 연소기술이다.
도 1에는 케미컬루핑 연소시스템의 기본적인 개념을 나타내었다. 전체 시스템은 공기반응기(10)와 연료반응기(40)로 구성되며, 공기반응기에서는 식 (1)과 같이 산소전달입자(1)에 포함된 금속성분(M)이 공기 중의 산소에 의해 산화되어 금속산화물(MO)을 형성하며, 산화된 산소전달입자는 연료반응기(40)로 이송되고, 연료반응기(40)에서는 식 (2)와 같이 금속산화물(MO)이 연료(천연가스, 석탄, 합성가스, 바이오매스 등)와 반응하여 금속산화물이 금속성분으로 다시 환원되면서 CO2, H2O만을 발생시킨다. 연료반응기(40)에서 환원된 산소전달입자(1)는 공기반응기(10)로 재순환되어 위의 과정을 반복한다.
산화반응 : 2MxOy -1+ O2 → 2MxOy (1)
환원반응 : (2n+m)MxOy + CnH2m → (2n+m)MxOy -1+mH2O+nCO2 (2)
케미컬루핑 연소시스템의 공기반응기(10)에서는 화염이 없는 조건에서 기체-고체 반응이 일어나므로 thermal-NOx의 발생을 최소화할 수 있고, 별도의 공기분리설비가 필요하지 않으며, 연료반응기(40)에서 배출되는 기체는 CO2와 H2O 뿐이므로 수분을 응축하여 분리하면 별도의 CO2 분리설비 없이 고농도의 CO2를 원천적으로 분리할 수 있는 장점이 있다.
한편, 케미컬루핑 연소시스템에 사용되는 연료 중 천연가스의 주성분인 메탄을 고려하고, 산소전달입자의 주 성분이 Ni(니켈)인 경우를 고려하면, 식(1)과 식(2)는 아래의 식(3)과 식(4)와 같이 표시되며, 공기반응기(10)에서 일어나는 산화반응은 발열반응인 반면 연료반응기(40)에서 일어나는 환원반응은 흡열반응이다.
산화반응(발열반응) : 2Ni + O2 → 2NiO (3)
환원반응(흡열반응) : 4NiO + CH4 → 4Ni + CO2 + 2H2O (4)
케미컬루핑 연소시스템의 산화반응은 산소전달입자의 조성에 따라 다르지만, 니켈 계 산소전달입자를 사용하는 경우 600oC 이상의 온도에서는 산화반응이 일어날 수 있다.
한편 환원반응의 경우도 600oC 이상의 온도에서 일어날 수 있으나 낮은 온도에서 연료반응기(40)를 운전하는 경우에는 주입된 연료 중 실제 연소에 사용된 연료를 나타내는 연료전화율(fuel conversion)이 낮아 연료의 연소효율이 낮고, 전체 주입된 연료기체 중에서 연소 후 CO2 형태로 배출되는 기체의 양을 나타내는 CO2 선택도(CO2 selectivity)가 낮아 고농도 CO2의 원천분리가 불가능하다.
도 2a는 케미컬루핑 연소시스템의 연료반응기에서 3가지 입자별 산소전달입자의 환원반응 온도에 따른 연료전환율 그래프를 도시한 것이고, 도 2b는 케미컬루핑 연소시스템의 연료반응기에서 3가지 입자별 산소전달입자의 환원반응 온도에 따른 연료전환율 그래프를 도시한 것이다. 즉, 도 2a 및 도 2b에는 세 종류의 Ni계 산소전달입자(SDN70, N018-R2, N018-R4)에 대해 연료반응기(40) 온도변화에 따른 연료전화율과 CO2 선택도의 변화를 나타내었다(출처 : Hana Kim, Jung-Hwan Kim, Joo-Young Yoon, Doyeon Lee, Jeom-In Baek, Ho-Jung Ryu, “Selection of the Best Oxygen Carrier for Chemical Looping Combustion in a Bubbling Fluidized Bed Reactor”, Clean Technology, Vol. 24, No. 1, pp. 63-69(2018).)
도 2a 및 도 2b에 나타난 바와 같이, 750 ~ 900 ℃의 온도범위에서 세 가지 산소전달입자 모두 반응 온도가 증가함에 따라 연료전화율과 CO2 선택도가 증가하는 경향을 나타냈다.
결과적으로 천연가스의 주성분인 메탄을 연료로 사용하는 경우, 연료전화율과 CO2 선택도를 향상시키기 위해서는 850oC 이상의 고온조건에서 케미컬루핑 시스템을 조업하는 것이 유리하다.
한편, 일반적으로 산소전달입자는 금속성분이 산화된 상태(니켈 계 산소전달입자의 경우 식(4)와 같은 NiO 상태)로 시스템에 주입되게 되며 연료반응기로 주입되는 연료에 의해 환원반응이 진행되면서 입자의 전환율(conversion)이 변화하게 된다.
도 3은 케미컬루핑 연소시스템의 연료반응기에서 니켈 계 산소전달입자에 다양한 연료((a)H2, (b)CH4, (c) 합성가스(Syngas), (d) 천연가스(natural gas))를 반응시켰을 때 시간에 따른 고체전환율 그래프를 도시한 것이다.
즉, 도 3에는 수소, 메탄, 합성가스(CO, H2가 주성분), 천연가스를 연료로 사용하였을 때 시간변화에 따라 측정된 산소전달입자의 전환율 변화를 나타내었다(출처 : Ho-Jung Ryu, Kyung-Su Kim, Yrong-Seong Park, Moon-Hee Park, “Reduction Characteristics pf Oxygen Carrier Particles for Chemical Looping Combustor with Different Fuels”, Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 20, No. 1, pp. 45-54(2009)).
도 3에 나타난 바와 같이 완전히 산화된 상태의 산소전달입자에 연료를 주입하면, 산소전달입자에 포함된 산소가 연료와 반응하면서 입자의 전환율이 증가하게 되며, 입자에 포함된 산소가 모두 소모되는 경우 전환율이 1까지 증가할 수 있다.
또한 도 3의 (b) (d)에 나타난 바와 같이, CH4를 포함하는 연료(메탄 및 천연가스)의 경우 전환율이 증가한 후 다시 감소하는 경향을 나타내는데 이는 전환율의 감소가 아닌 탄소침적(carbon deposition)에 의한 것으로 주입되는 연료에 비해 산소전달입자로부터 제공되는 산소가 부족할 경우(전환율이 높은 경우에 주로 발생)에 아래 식(5)와 식(6)과 같은 반응에 의해 산소전달입자에 탄소가 침적되는 현상을 나타낸다.
CH4 → C + 2H2 (5)
2CO → C + CO2 (6)
산소전달입자에 탄소가 침적되면 산소전달입자와 기체연료와의 반응성이 급격하게 감소하므로 탄소침적을 최소화할 수 있는 조건에서 조업하는 것이 유리하다.
한편, 도 3에서 시간에 따른 고체전환율의 변화 기울기는 반응속도를 의미하며, 도 3에 나타난 바와 같이 반응 초기에는 전환율의 증가 속도가 낮은 반면 전환율 0.2 이상에서는 시간 변화에 따라 전환율이 급격히 증가한 후 전환율이 높은 조건에서는 증가 기울기가 둔화되는 경향을 나타낸다.
결과적으로 시간변화에 따른 전환율의 변화 기울기, 즉 반응속도는 고체 전환율이 낮은 조건 보다는 전환율 0.4 ~ 0.6인 조건이 높으며, 전환율이 높은 조건에서는 연료에 따라 탄소침적이 발생할 수 있다.
도 4는 케미컬루핑 연소시스템의 구성도를 도시한 것이다. 공기반응기(10)는 산소전달입자와 공기의 반응을 일으키는 역할과 함께 입자를 상부로 쏘아 올려 연료반응기(40)로 이송시키는 역할을 함께 해야 하므로, 일반적으로 고속유동층 형태가 많이 사용된다.
공기반응기(10)에서 비산된 입자는 공기반응기 사이클론(20)과 루프실(loop seal)(30)을 거쳐서 연료반응기(40)로 이송되고, 연료반응기(40)에서 고체연료와 반응한 후, 공기반응기(10)로 재순환 된다.
산소전달입자(1)는 공기반응기(10)와 연료반응기(40) 사이를 계속적으로 순환하면서 산화-환원 반응을 반복하게 되므로 도 3에 표현된 고체입자의 전환율의 경우 0에서 1 사이의 전환율 범위에서 연료반응기(40)에서는 연료와 반응하므로 높은 전환율을 나타내고 공기반응기(10)에서는 다시 산화되므로 낮은 전환율로 변하게 된다.
대한민국 등록특허 10-1349493 대한민국 공개특허 10-2012-0045769 대한민국 공개특허 10-2018-0013283 대한민국 등록특허 10-0636881
앞서 설명한 바와 같이 천연가스 또는 메탄을 연료로 사용하는 케미컬루핑 연소시스템은 높은 연료전환율과 CO2 선택도를 얻기 위해 850oC 이상의 온도에서 조업하는 것이 유리하며, 이를 위해 케미컬루핑 연소시스템의 start-up 과정에서 공기반응기와 연료반응기의 온도를 850℃ 이상으로 예열하는 단계가 필요하다.
예열 과정에서 화염(flame)에 의한 산소전달입자의 반응성 저하 또는 국부적인 고온 발생에 의한 소결(sintering)을 방지하기 위해 반응기의 예열은 고온의 공기 또는 질소를 주입하는 간접식 예열이 주로 사용된다.
이러한 간접식 예열방식은 주입되는 고온의 공기 또는 질소의 열용량이 낮고, 주입 과정에서 열손실이 발행할 수 있으므로 직접적으로 반응기 또는 반응기 내부에 존재하는 산소전달입자에 열을 전달하기 어렵다. 따라서 케미컬루핑 연소시스템의 예열 과정에서 많은 시간과 에너지가 필요하다.
또한, 케미컬루핑 연소시스템에서 환원반응의 경우에는 흡열반응이므로 온도를 상승시키는 과정에서 연료반응기에 연료를 주입하지 않는 것이 일반적이며, 이 경우 산소전달입자는 완전히 산화된 상태(즉, 고체 전환율이 0인 상태)에서 존재하게 된다.
따라서 원하는 온도조건에 도달하여, 고체를 순환시키고 연료를 주입하는 조건에서 고체입자의 전환율이 0인 조건에서 반응을 시작하게 된다. 따라서, 도 3에 나타난 바와 같이 시간에 따른 전환율 변화의 기울기, 즉 반응속도가 낮은 구간에서 반응을 시작하게 되는 단점이 있다.
또한, 산소전달입자가 공기반응기와 연료반응기를 계속적으로 순환하므로 산소전달입자는 완전히 환원된 상태(고체 전환율 1)와 완전히 산화된 상태(고체 전환율 0)로 반복적으로 변화하는 것이 아니라 고체 전환율 0에서 1 사이의 임의의 값(예, 고체 전환율 0.0~0.3 사이로 변화)을 가지면서 순환하게 된다.
이 경우, 산소전달입자가 완전히 산화된 상태에서 반응을 시작하는 경우에는 반응속도가 낮은 조건(전환율 0 부근)에서 전환율이 변화하게 되며, 이 경우 전체 시스템의 성능이 저하되는 단점이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은, 케미컬루핑 연소시스템에 있어서, 공기공급수단에 의해 공급된 공기와 반응하여 산소전달입자가 산화되는 공기반응기; 상기 공기반응기에서 산화된 산소전달입자가 공급되고, 연료공급수단에 의해 공급된 연료가 반응되어 상기 산화된 산소전달입자가 환원되며, 환원된 산소전달입자를 상기 공기반응기로 공급하는 연료반응기; 연소시스템의 구동 전, 상기 공기반응기와 상기 연료반응기 각각을 설정된 온도까지 예열시키는 공기반응기 예열수단과, 연료반응기 예열수단; 상기 연소시스템의 구동 전, 상기 연료반응기 내로 수소기체를 공급하는 수소공급수단; 및 상기 공기반응기와 상기 연료반응기가 설정된 온도에 도달하도록 상기 공기반응기 예열수단과 연료반응기 예열수단을 제어하고, 상기 연료반응기 내의 산소전달입자의 고체전환율이 설정된 전환율 값에 도달하도록 상기 수소공급수단을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템으로서 달성될 수 있다
그리고 상기 공기반응기 예열수단과, 연료반응기 예열수단은 예열된 기체를 공급하는 간접식 가열방식이 적용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 공기반응기와 상기 연료반응기는 유동층반응기로 구성되며, 상기 공기반응기의 온도를 실시간으로 측정하는 제1온도센서와, 상기 연료반응기의 온도를 실시간으로 측정하는 제2온도센서를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 제어부는, 상기 연료반응기의 온도가 제1설정온도값에 도달하면, 예열기체로서 질소를 공급하고, 상기 수소공급수단을 통해 상기 연료반응기로 수소가 공급되도록 하여 상기 연료반응기 내의 산화된 산소전달입자를 일부 환원시키도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 수소공급수단에 의해 공급되는 수소의 최대량은, 산소전달입자의 수소의 반응과정에서의 흡열에 의해 상기 연료반응기 온도가 감소하지 않는 조건, 및 상기 연료반응기 배출기체에서 수소가 검출되지 않는 조건을 만족하도록 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 연료반응기에 주입된 수소 농도와 배출되는 수소 농도 및 연료반응기에 장입된 산소전달입자의 질량 및 조성을 기반으로 산소전달입자의 고체전환율을 실시간으로 계산하는 전환율 계산부를 더 포함하고 상기 제어부는 전환율 계산부에서 계산된 값을 기반으로 상기 고체전환율이 상기 설절된 전환율 값에 도달할 때까지 수소공급수단에 의해 수소가 공급되도록 제어하고 상기 연료반응기와 상기 공기반응기가 제2설정온도값에 도달하도록 상기 공기반응기 예열수단과 상기 연료반응기 예열수단을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 공기반응기의 유량과 고체순환속도를 조절하는 유량조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 제어부는, 연료반응기 내의 고체전환율과 상기 공기반응기 내의 고체전환율의 차이값이 설정된 차이값이 유지되도록, 상기 유량조절부를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 제1설정온도값은 550~650℃이고, 제2설정온도값은 800~900℃이며, 설정된 전환율 값은 0.4~0.6이고, 설정된 차이값은 0.3~0.5인 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 공기반응기의 배출부에 구비되어 상기 공기반응기에서 배출된 산소전달입자를 기체와 분리하여 상기 연료반응기 유입부 측으로 공급하는 공기반응기 사이클론; 및 상기 공기반응기 사이클론과 상기 연료반응기 사이에 구비되는 루프실;을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 연료반응기의 배출부에 구비되어 상기 연료반응기에서 배출된 산소전달입자를 기체와 분리하여 상기 연료반응기 측으로 재순환시키는 연료반응기 사이클론;을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은, 제1목적에 따른 케미컬루핑 연소시스템의 구동방법에 있어서, 연료반응기에 산화된 산소전달입자를 장입시키는 제1단계; 제어부가 공기반응기 예열수단을 통해 공기반응기를 예열시키고, 연료반응기 예열수단을 통해 연료반응기를 예열시키는 제2단계; 상기 연료반응기와 상기 공기반응기가 제1설정온도값에 도달하면, 제어부가 수소공급수단을 구동하여 상기 연료반응기 내로 수소를 공급하는 제3단계; 상기 연료반응기 내의 산소전달입자가 일부 환원되는 제4단계; 제어부가 상기 연료반응기 내의 고체전환율이 설정된 전환율 값에 도달하고, 상기 연료반응기와 상기 공기반응기의 온도가 제2설정온도값에 도달하면, 상기 수소공급수단에 의한 수소공급을 중단하고 연료공급수단을 통해 연료반응기 내로 연료를 공급하는 제5단계; 상기 연료공급수단에 의해 공급된 연료가 반응되어 상기 산소전달입자가 환원되는 제6단계; 상기 환원된 산소전달입자가 상기 공기반응기로 공급되고, 공기공급수단에 의해 공급된 공기와 반응하여 산소전달입자가 산화되는 제7단계; 및 산화된 산소전달입자가 상기 연료반응기로 공급되어 순환되는 제8단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 케미컬루핑 연소시스템의 구동방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 제5단계에서 제어부가 상기 연료반응기 내의 고체전환율이 설정된 전환율 값에 도달하고, 상기 연료반응기와 상기 공기반응기의 온도가 제2설정온도값에 도달하도록 상기 수소공급수단과 상기 공기반응기 예열수단과 상기 연료반응기 예열수단을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제3단계에서, 상기 수소공급수단에 의해 공급되는 수소의 최대량은, 산소전달입자의 수소의 반응과정에서의 흡열에 의해 상기 연료반응기 온도가 감소하지 않는 조건, 및 상기 연료반응기 배출기체에서 수소가 검출되지 않는 조건을 만족하도록 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 제6단계 내지 제8단계에서, 상기 제어부는, 상기 연료반응기 내의 고체전환율과 상기 공기반응기 내의 고체전환율의 차이값이 설정된 차이값이 유지되도록, 상기 유량조절부를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
완전히 산화된 상태의 입자를 순환시키는 경우, 공기반응기에서 산소와 반응하지 않는 반면, 본 발명의 실시예에 따른 케미컬루핑 연소시스템의 반응속도 개선 방법 및 이를 이용한 구동 방법에 따르면, 일부 환원된 입자를 순환시키게 됨으로써, 공기반응기에서 산소와 반응하여 열을 발생시키므로 입자 자체의 온도가 상승하고, 간접 가열식에 비해 더 빠르고 효과적으로 공기반응기와 입자의 온도를 상승시킬 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 기존 방식의 경우, 반응속도가 낮은 구간에서 반응을 시작하는데 비해 본 발명의 실시예에 따른 케미컬루핑 연소시스템의 반응속도 개선 방법 및 이를 이용한 구동 방법에 따르면, 반응속도가 높은 구간에서 반응을 시작하게 되며, 공기반응기로 주입되는 공기유량과 고체순환속도의 제어를 통해 반응속도가 높은 전환율 범위에서 조업될 수 있으므로 연료반응기에서의 반응성도 개선되는 장점이 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 케미컬루핑 연소시스템의 개념도,
도 2a는 케미컬루핑 연소시스템의 연료반응기에서 3가지 입자별 산소전달입자의 환원반응 온도에 따른 연료전환율 그래프,
도 2b는 케미컬루핑 연소시스템의 연료반응기에서 3가지 입자별 산소전달입자의 환원반응 온도에 따른 CO2 선택도 그래프,
도 3은 케미컬루핑 연소시스템의 연료반응기에서 니켈 계 산소전달입자에 다양한 연료((a)H2, (b)CH4, (c) 합성가스(Syngas), (d) 천연가스(natural gas))를 반응시켰을 때 시간에 따른 고체전환율 그래프,
도 4는 케미컬루핑 연소시스템의 구성도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템의 구동방법의 흐름도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템의 제어부에 따른 신호흐름을 나타낸 블록도,
도 7은 종래 구동방식과 본 발명에 따른 구동방법에 의한 고체전환율 변화범위 비교를 위한 그래프를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템의 구성, 기능 및 구동방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템의 구동방법의 흐름도를 도시한 것이다. 그리고 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템의 제어부(60)에 따른 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템은 도 4에 도시된 바와 같이, 통상의 케미컬루핑 연소시스템의 구성인 공기반응기, 공기반응기 사이클론(20), 루프실(30), 연료반응기(40), 연료반응기 사이클론(50) 등을 포함하여 구성된다.
공기반응기(10)는 공기공급수단(11)에 의해 공급된 공기와 반응하여 산소전달입자가 산화되도록 구성된다. 고속 유동층 형태를 가지며, 상부측에 배출부(12)를 갖는다.
배출부(12)를 통해 토출된 산화된 산소전달입자와 기체는 공기반응기 사이클론(20)을 통해 분리되어 고체인 산소전달입자가 루프실(30)을 거쳐 연료반응기(40)로 공급되게 된다.
연료반응기(40)는 공기반응기(10)에서 산화된 산소전달입자가 유입관(42)을 통해 공급되고, 연료공급수단(41)에 의해 공급된 연료가 반응되어 산화된 산소전달입자가 환원되며, 환원된 산소전달입자는 연결관(43)을 통해 공기반응기(10)로 공급되게 된다.
또한, 연료반응기 사이클론(50)으로 연료반응기(40)에서 배출된 기체와 비산된 고체가 유입되어 기체배출부(53)를 통해 토출되는 기체는 후에 수분응축을 하여 이산화탄소를 포집하게 되고, 고체배출부(52)를 통해 토출되는 산소전달입자는 재순환관(49)을 통해 연료반응기(40)로 재공급되게 된다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템은 구동 전, 공기반응기(10)와 상기 연료반응기(40) 각각을 설정된 온도까지 예열시키는 공기반응기 예열수단(14)과, 연료반응기 예열수단(45)을 포함하여 구성된다.
이러한 공기반응기 예열수단(14)과, 연료반응기 예열수단(45)은 예열된 기체를 공급하는 간접식 가열방식이 적용되게 된다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템은 구동 전, 연료반응기(40) 내로 수소기체를 공급하는 수소공급수단(48)을 포함하여 구성된다.
제어부(60)는 연소시스템의 구동 전, 공기반응기(10)와 연료반응기(40)가 설정된 온도에 도달하도록 공기반응기 예열수단(14)과 연료반응기 예열수단(45)을 제어하고, 연료반응기(40) 내의 산소전달입자의 고체전환율이 설정된 전환률값에 도달하도록 상기 수소공급수단(48)을 제어한다.
그리고 제1온도센서(13)를 통해 공기반응기(10)의 온도를 실시간으로 측정하고, 제2온도센서(46)에 의해 연료반응기(40)의 온도를 실시간으로 측정하도록 구성된다.
제어부(60)는, 연료반응기(40)의 온도가 제1설정온도값에 도달하면, 예열기체로서 질소를 공급하고, 동시에 수소공급수단(48)을 통해 연료반응기(40)로 수소가 공급되도록 하여 연료반응기(40) 내의 산화된 산소전달입자를 일부 환원시키도록 제어하게 된다. 이러한 제1설정온도값은 550 ~ 650℃(예를 들어 600℃) 정도에 해당한다.
또한, 수소공급수단(48)에 의해 공급되는 수소의 최대량은, 산소전달입자와 수소의 반응과정에서의 흡열에 의해 상기 연료반응기(40) 온도가 감소하지 않는 조건, 및 상기 연료반응기(40) 배출기체에서 수소가 검출되지 않는 조건을 만족하도록 제어된다.
그리고 연료반응기(40)에 주입된 수소 농도와 배출되는 수소 농도 및 연료반응기(40)에 장입된 산소전달입자의 질량 및 조성을 기반으로 산소전달입자의 고체전환율을 실시간으로 계산하는 전환율 계산부(47)를 포함하며, 제어부(60)는 전환율 계산부(47)에서 계산된 값을 기반으로 고체전환율이 설정된 전환율 값에 도달할 때까지 수소공급수단(48)에 의해 수소가 공급되도록 제어한다. 그리고 제어부(60)는, 연료반응기(40)와 공기반응기(10)가 제2설정온도값에 도달하도록 공기반응기 예열수단(14)과 연료반응기 예열수단(45)을 제어하게 된다.
이러한 제2설정온도값은 800~900℃ 정도이며(예를 들어, 850℃), 설정된 전환률값은 0.4~0.6이다(예를 들어 0.5)
또한, 공기반응기(10)의 유량과 고체순환속도를 조절하는 유량조절부(15)를 포함하여 구성된다. 따라서 제어부(60)는, 연료반응기(40) 내의 고체전환율과 상기 공기반응기(10) 내의 고체전환율의 차이값이 설정된 차이값(전환율 범위)이 유지되도록, 유량조절부(15)를 제어하게 된다. 이러한 설정된 차이값(전환율 차이범위)은 0.3 ~ 0.5(예를 들어 0.4)정도이다.
즉, 공기반응기(10)의 유량과 고체순환속도를 제어하여 산소전달입자가 완전히 산화되지 않도록 제어할 수 있으며, 이를 통해 산화된 입자가 연료반응기(40)로 이동된 후에도 반응속도가 높은 구간에서 환원반응이 일어날 수 있도록 제어할 수 있다.
이하에서는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템의 구동방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 산화된 산소전달입자를 연료반응기(40)에만 장입하게 된다(S1). 연료반응기(40)에만 산소전달입자가 장입된 상태에서, 예열수단(14, 45)을 통해 간접가열 방식(고온의 공기 또는 질소 주입)으로 공기반응기(10)와 연료반응기(40)를 가열한다(S2).
그리고, 산소전달입자가 공기와 반응하여 산화될 수 있고 연료에 의해 환원될 수 있는 안정적인 온도인 600℃(제1설정온도값)까지 가열한 후, 연료반응기(40)의 주입 기체를 질소로 교환한다.
그리고 연료반응기(40)에 주입되는 질소와 함께 수소공급수단(48)을 통해 수소를 함께 주입한다(S3)(단, 수소 이외에 탄소성분이 함유된 기체를 주입하면 탄소침적이 발생할 수 있다.).
또한, 질소와 수소를 함께 주입하는 경우, 산소가 존재하지 않으므로 기체 예열히터 등의 예열수단(45)을 거치는 과정에서 수소의 연소는 발생하지 않으며 연료반응기(40)에 도달하여 산소전달입자와 접촉하면 산소전달입자에 포함된 산소와 식(7)과 같이 반응하여 수증기의 형태로 배출된다.
NiO + H2 → Ni + H2O (7)
이 과정에서 예열된 질소와 수소에 의한 온도상승 효과와 수소와 산소전달입자의 반응(흡열반응)에 의한 온도하강 효과가 함께 작용한다.
앞서 언급한 바와 같이, 주입하는 수소의 최대량은 아래의 두 가지 조건을 만족하는 조건에서 결정할 수 있다.
1) 산소전달입자와 수소의 반응과정에서의 흡열에 의해 연료반응기(40) 온도가 감소하지 않는 조건
2) 연료반응기(40) 배출기체에서 수소가 검출되지 않는 조건
상기 조건을 만족하는 경우, 연료반응기(40)의 온도가 증가하면서 연료반응기(40) 내부 산소전달입자는 환원되므로 산소전달입자에 포함된 산소가 감소하게 되며, 고체의 전환율은 증가하게 된다(S4).
또한, 수소공급수단(48)에 의해 수소를 주입하는 시간은 연료반응기(40)에 장입된 고체의 무게를 통해 제어할 수 있으며, 도 3에 표시된, 시간에 따른 고체 전환율의 변화 기울기(즉, 반응속도)가 높은 구간까지 진행할 수 있다.
바람직하게는 공기반응기(10)와 연료반응기(40) 사이의 고체전환율 차이를 넓게 유지하기 위해 고체전환율 0.5(설정된 고체전환율 값)까지 주입하게 된다.
또한, 원하는 조업 시작 온도까지 도달하였으나 산소전달입자의 전환율이 원하는 수준(설정된 고체전환율 값)까지 도달하지 않은 경우에는 예열수단(14, 45)을 제어하여 온도를 제어할 수 있으며, 원하는 조업시작 온도(제2설정온도값)까지 도달하지 않았으나 산소전달입자의 전환율이 원하는 수준에 도달한 경우에는 수소 주입을 멈추고 예열수단(14, 45)만을 이용하여 온도를 상승시킬 수 있다(S5).
그리고 시스템의 온도가 원하는 조업 시작 온도(제2설정온도값)에 도달하고, 산소전달입자의 전환율이 설정된 전환율 값(예를 들어, 0.5)이 되면, 연료반응기(40)에 주입하던 질소와 수소를 연료기체(예, 천연가스)로 전환하면서 공기반응기(10)로 입자를 순환시킨다(S6).
이 때 산소전달입자는 일부가 환원된 상태(즉, 산소를 소모한 상태)이므로 공기반응기(10)에서 공기 중의 산소와 반응하여 식(3)과 같이 반응하게 되며, 발열반응이므로 산소전달입자 자체에서 열이 발생하게 된다.
이 반응을 통해 공기반응기(10)의 온도를 추가적으로 상승시킬 수 있으며, 산소전달입자 자체가 열을 발생시키므로 고온의 공기 등을 이용하여 간접식으로 온도를 상승시키는 경우에 비해 더 빠르게, 효과적으로 공기반응기(10)와 산소전달입자의 온도를 상승시킬 수 있다.
연료반응기(40)에서는 주입되는 연료기체와 반응하게 되며, 반응속도가 높은 영역에서 연료와 반응하므로 완전히 산화된 상태(고체 전환율 0)에 비해 반응성이 우수한 결과를 얻을 수 있다.
또한, 공기반응기(10)의 유량과 고체순환속도를 제어하여 산소전달입자가 완전히 산화되지 않도록(즉, 고체 전환율이 0이 되지 않도록) 제어할 수 있으며, 이를 통해 산화된 입자가 연료반응기(40)로 이동된 후에도 반응속도가 높은 구간에서 환원반응이 일어날 수 있도록 제어할 수 있다(S7).
도 7은 종래 구동방식과 본 발명에 따른 구동방법에 의한 고체전환율 변화범위 비교를 위한 그래프를 도시한 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 공기반응기(10)와 연료반응기(40) 사이의 고체 전환율 차이가 동일하게 0.4인 경우를 비교하고 있다.
기존 조업방식의 경우(Case 1) 산소전달입자가 완전히 산화된 상태에서 조업을 시작하므로 고체 전환율은 0.0 ~ 0.4 사이에서 변화되는 반면 본 발명의 실시예에 따르면, 고체 전환율 평균이 0.5인 조건으로 제어하면, 고체 전환율을 0.3~0.7 사이에서 변화시키는 조건이 된다(고체 전환율 차이는 동일하게 0.4).
산소전달입자가 완전히 산화된 상태에서 산소전달입자의 순환과 반응을 시작하는 경우, 산소전달입자는 반응속도(시간 변화에 따른 전환율의 변화 기울기)가 낮은 구간([도 7]의 Case 1)에서 반응이 시작되고 유지되는 조건인데 반해, 본 발명의 실시예에 의해 산소전달입자를 수소를 이용하여 일부 환원시킨 후 순환과 반응을 시작하면, 산소전달입자는 반응속도가 높은 구간(도 7의 Case 2)에서 반응을 유지할 수 있다.
완전히 산화된 상태의 입자를 순환시키는 경우, 공기반응기(10)에서 산소와 반응하지 않는 반면, 본 발명의 실시예에 따른 케미컬루핑 연소시스템의 반응속도 개선 방법 및 이를 이용한 구동 방법에 따르면, 일부 환원된 입자를 순환시키게 됨으로써, 공기반응기(10)에서 산소와 반응하여 열을 발생시키므로 입자 자체의 온도가 상승하고, 간접 가열식에 비해 더 빠르게, 효과적으로 공기반응기(10)와 입자의 온도를 상승시킬 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 기존 방식의 경우, 반응속도가 낮은 구간에서 반응을 시작하는데 비해 본 발명의 실시예에 따른 케미컬루핑 연소시스템의 반응속도 개선 방법 및 이를 이용한 구동 방법에 따르면, 반응속도가 높은 구간에서 반응을 시작하게 되며, 공기반응기(10)로 주입되는 공기유량과 고체순환속도의 제어를 통해 반응속도가 높은 전환율 범위에서 조업될 수 있으므로 연료반응기(40)에서의 반응성도 개선되는 장점이 있다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1:산소전달입자
10:공기반응기
11:공기공급수단
12:배출부
13:제1온도센서
14:공기반응기 예열수단
15:유량조절부
20:공기반응기 사이클론
21:공기반응기 사이클론 유입부
22:공기반응기 사이클론 고체배출부
23:공기반응기 사이클론 기체배출부
30:루프실
40:연료반응기
41:연료공급수단
42:유입관
43:연결관
44:토출부
45:연료반응기 예열수단
46:제2온도센서
47:전환율 계산부
48:수소공급수단
49:재순환관
50:연료반응기 사이클론
51:연료반응기 사이클론 유입부
52:연료반응기 사이클론 고체배출부
53:연료반응기 사이클론 기체배출부
60:제어부

Claims (15)

  1. 케미컬루핑 연소시스템에 있어서,
    공기공급수단에 의해 공급된 공기와 반응하여 산소전달입자가 산화되는 공기반응기;
    상기 공기반응기에서 산화된 산소전달입자가 공급되고, 연료공급수단에 의해 공급된 연료가 반응되어 상기 산화된 산소전달입자가 환원되며, 환원된 산소전달입자를 상기 공기반응기로 공급하는 연료반응기;
    연소시스템의 구동 전, 상기 공기반응기와 상기 연료반응기 각각을 설정된 온도까지 예열시키는 공기반응기 예열수단과, 연료반응기 예열수단;
    상기 연소시스템의 구동 전, 상기 연료반응기 내로 수소기체를 공급하는 수소공급수단; 및
    상기 공기반응기와 상기 연료반응기가 설정된 온도에 도달하도록 상기 공기반응기 예열수단과 연료반응기 예열수단을 제어하고, 상기 연료반응기 내의 산소전달입자의 고체전환율이 설정된 전환율 값에 도달하도록 상기 수소공급수단을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 공기반응기 예열수단과, 연료반응기 예열수단은 예열된 기체를 공급하는 간접식 가열방식이 적용되는 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 공기반응기와 상기 연료반응기는 유동층반응기로 구성되며,
    상기 공기반응기의 온도를 실시간으로 측정하는 제1온도센서와, 상기 연료반응기의 온도를 실시간으로 측정하는 제2온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 연료반응기의 온도가 제1설정온도값에 도달하면, 예열기체로서 질소를 공급하고, 상기 수소공급수단을 통해 상기 연료반응기로 수소가 공급되도록 하여 상기 연료반응기 내의 산화된 산소전달입자를 일부 환원시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 수소공급수단에 의해 공급되는 수소의 최대량은,
    산소전달입자의 수소의 반응과정에서의 흡열에 의해 상기 연료반응기 온도가 감소하지 않는 조건, 및 상기 연료반응기 배출기체에서 수소가 검출되지 않는 조건을 만족하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    연료반응기에 주입된 수소 농도와 배출되는 수소 농도 및 연료반응기에 장입된 산소전달입자의 질량 및 조성을 기반으로 산소전달입자의 고체전환율을 실시간으로 계산하는 전환율 계산부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 전환율 계산부에서 계산된 값을 기반으로 상기 고체전환율이 상기 설절된 전환율 값에 도달할 때까지 수소공급수단에 의해 수소가 공급되도록 제어하고 상기 연료반응기와 상기 공기반응기가 제2설정온도값에 도달하도록 상기 공기반응기 예열수단과 상기 연료반응기 예열수단을 제어하는 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 공기반응기의 유량과 고체순환속도를 조절하는 유량조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료반응기 내의 고체전환율과 상기 공기반응기 내의 고체전환율의 차이값이 설정된 차이값이 유지되도록, 상기 유량조절부를 제어하는 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1설정온도값은 550~650℃이고,
    상기 제2설정온도값은 800~900℃이며,
    상기 설정된 전환율 값은 0.4~0.6이고,
    상기 설정된 차이값은 0.3~0.5인 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 공기반응기의 배출부에 구비되어 상기 공기반응기에서 배출된 산소전달입자를 기체와 분리하여 상기 연료반응기 유입부 측으로 공급하는 공기반응기 사이클론; 및
    상기 공기반응기 사이클론과 상기 연료반응기 사이에 구비되는 루프실;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 연료반응기의 배출부에 구비되어 상기 연료반응기에서 배출된 산소전달입자를 기체와 분리하여 상기 연료반응기 측으로 재순환시키는 연료반응기 사이클론;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반응속도가 개선된 케미컬루핑 연소시스템.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 케미컬루핑 연소시스템의 구동방법에 있어서,
    연료반응기에 산화된 산소전달입자를 장입시키는 제1단계;
    제어부가 공기반응기 예열수단을 통해 공기반응기를 예열시키고, 연료반응기 예열수단을 통해 연료반응기를 예열시키는 제2단계;
    상기 연료반응기와 상기 공기반응기가 제1설정온도값에 도달하면, 제어부가 수소공급수단을 구동하여 상기 연료반응기 내로 수소를 공급하는 제3단계;
    상기 연료반응기 내의 산소전달입자가 일부 환원되는 제4단계;
    제어부가 상기 연료반응기 내의 고체전환율이 설정된 전환율 값에 도달하고, 상기 연료반응기와 상기 공기반응기의 온도가 제2설정온도값에 도달하면, 상기 수소공급수단에 의한 수소공급을 중단하고 연료공급수단을 통해 연료반응기 내로 연료를 공급하는 제5단계;
    상기 연료공급수단에 의해 공급된 연료가 반응되어 상기 산소전달입자가 환원되는 제6단계;
    상기 환원된 산소전달입자가 상기 공기반응기로 공급되고, 공기공급수단에 의해 공급된 공기와 반응하여 산소전달입자가 산화되는 제7단계; 및
    산화된 산소전달입자가 상기 연료반응기로 공급되어 순환되는 제8단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 케미컬루핑 연소시스템의 구동방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제5단계에서
    제어부가 상기 연료반응기 내의 고체전환율이 설정된 전환율 값에 도달하고, 상기 연료반응기와 상기 공기반응기의 온도가 제2설정온도값에 도달하도록 상기 수소공급수단과 상기 공기반응기 예열수단과 상기 연료반응기 예열수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 케미컬루핑 연소시스템의 구동방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제3단계에서,
    상기 수소공급수단에 의해 공급되는 수소의 최대량은, 산소전달입자의 수소의 반응과정에서의 흡열에 의해 상기 연료반응기 온도가 감소하지 않는 조건, 및 상기 연료반응기 배출기체에서 수소가 검출되지 않는 조건을 만족하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 케미컬루핑 연소시스템의 구동방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제6단계 내지 제8단계에서, 상기 제어부는, 상기 연료반응기 내의 고체전환율과 상기 공기반응기 내의 고체전환율의 차이값이 설정된 차이값이 유지되도록, 상기 유량조절부를 제어하는 것을 특징으로 하는 케미컬루핑 연소시스템의 구동방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230153699A (ko) * 2022-04-29 2023-11-07 한국에너지기술연구원 매체순환연소와 이산화탄소 직접환원 통합시스템 및 그 운전방법

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102519980B1 (ko) 2021-10-06 2023-04-11 한국에너지기술연구원 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템 및 그 제어방법
KR102550121B1 (ko) 2021-10-06 2023-07-03 한국에너지기술연구원 탄소침적 최소화 운전이 가능한 외부 유동층 열교환기를 이용한 매체순환연소시스템 및 그 운전방법

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100636881B1 (ko) 2005-07-14 2006-10-20 한국과학기술원 이중 경로의 순환유동층을 이용한 매체 순환식 연소로
KR20120045769A (ko) 2010-11-01 2012-05-09 김동현 순산소 연소로의 배출가스 중 이산화탄소를 액체산소 냉열을 이용하여 액화하는 공정
KR101325095B1 (ko) * 2012-07-03 2013-11-06 한국에너지기술연구원 고체연료용 매체 순환식 연소기
KR101349493B1 (ko) 2011-12-28 2014-01-09 한국가스공사 순산소 연소식 기화장치
JP2015087069A (ja) * 2013-10-31 2015-05-07 三菱日立パワーシステムズ株式会社 ケミカルルーピング燃焼システムおよびその運転方法
JP2016038186A (ja) * 2014-08-11 2016-03-22 株式会社Ihi ケミカルループ燃焼装置、発電装置、及びケミカルループ燃焼方法
JP2016080240A (ja) * 2014-10-15 2016-05-16 株式会社Ihi ケミカルループ燃焼装置
KR20170129213A (ko) * 2015-03-17 2017-11-24 사우디 아라비안 오일 컴퍼니 다양한 연료 반응 존 및 산화된 입자의 중력 공급을 이용한 화학적 루핑 연소 공정
KR20180013283A (ko) 2016-07-29 2018-02-07 한국전력공사 산소전달입자, 이의 제조방법 및 상기 산소전달입자를 이용한 케미컬루핑연소 방법
KR20180112889A (ko) * 2017-04-03 2018-10-15 한국에너지기술연구원 자성을 갖는 산소전달입자와 자성분리기를 이용한 루프실 분리기, 그 루프실 분리기를 갖는 매체순환연소기 및 그 작동방법

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100636881B1 (ko) 2005-07-14 2006-10-20 한국과학기술원 이중 경로의 순환유동층을 이용한 매체 순환식 연소로
KR20120045769A (ko) 2010-11-01 2012-05-09 김동현 순산소 연소로의 배출가스 중 이산화탄소를 액체산소 냉열을 이용하여 액화하는 공정
KR101349493B1 (ko) 2011-12-28 2014-01-09 한국가스공사 순산소 연소식 기화장치
KR101325095B1 (ko) * 2012-07-03 2013-11-06 한국에너지기술연구원 고체연료용 매체 순환식 연소기
JP2015087069A (ja) * 2013-10-31 2015-05-07 三菱日立パワーシステムズ株式会社 ケミカルルーピング燃焼システムおよびその運転方法
JP2016038186A (ja) * 2014-08-11 2016-03-22 株式会社Ihi ケミカルループ燃焼装置、発電装置、及びケミカルループ燃焼方法
JP2016080240A (ja) * 2014-10-15 2016-05-16 株式会社Ihi ケミカルループ燃焼装置
KR20170129213A (ko) * 2015-03-17 2017-11-24 사우디 아라비안 오일 컴퍼니 다양한 연료 반응 존 및 산화된 입자의 중력 공급을 이용한 화학적 루핑 연소 공정
KR20180013283A (ko) 2016-07-29 2018-02-07 한국전력공사 산소전달입자, 이의 제조방법 및 상기 산소전달입자를 이용한 케미컬루핑연소 방법
KR20180112889A (ko) * 2017-04-03 2018-10-15 한국에너지기술연구원 자성을 갖는 산소전달입자와 자성분리기를 이용한 루프실 분리기, 그 루프실 분리기를 갖는 매체순환연소기 및 그 작동방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230153699A (ko) * 2022-04-29 2023-11-07 한국에너지기술연구원 매체순환연소와 이산화탄소 직접환원 통합시스템 및 그 운전방법

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