KR20220156671A - 고체 연료들 및 그 파생물들의 연소를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 동력 생산 플랜트의 하나 또는 그 이상의 측면들을 위해 유용한 장치들 및 방법들에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 고체 연료의 가스화로부터 유래되는 다른 연료 혼합물들을 사용하도록 적용되는 연소기를 위한 연소기 장치 및 방법들에 관한 것이다. 상기 연소기 내에서의 상이한 연료 혼합물들의 연소가 상기 연소기의 요소들을 제어되게 배열하여 구현될 수 있으므로, 정해진 세트의 연소 특성들이 다른 연료 혼합물들의 범위에 걸쳐 실질적으로 일정하게 유지된다.

Description

고체 연료들 및 그 파생물들의 연소를 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR COMBUSTION OF SOLID FUELS AND DERIVATIVES THEREOF}
개시되는 본 발명의 주제는 특히 동력 발생에서 비-기체 연료들의 연소를 위한 시스템들과 방법들에 관한 것이다. 상기 시스템들과 방법들은 특히 가변 화학(variable chemistry)들을 갖는 연료들의 연소를 수용하기 위해 유용하다.
전력 생산에 대한 범세계적인 요구가 증가하면서, 이러한 요구들을 충족시키기 위해 추가적인 동력 생산 플랜트들에 대한 지속적인 필요성이 존재한다. 시장의 요구로 인하여, 이러한 동력 생산은 가장 큰 가능한 효율 및 탄소 포집의 가능한 정도까지 구현되는 것이 바람직하다. 더 연소될 수 있는 기체 연료(즉, 합성 가스)를 제공하도록 특히 석탄의 부분 산화를 통해 동력 생산을 위해 활용될 수 있는 석탄과 같은 고체 연료들의 많은 비축이 남아 있다. 그러나 석탄 조성들의 상당한 변화로 인하여, 신뢰성 있고 일정한 화학을 갖는 합성 가스 소스를 제공하기가 어렵다. 이와 같이, 연소 시스템들 및 방법들에 대한 요구와 이에 따라 고체 연료들이 일정하지 않은 화학들로부터 야기되는 유해한 효과들이 없이 동력 생산을 위해 자체가 연소될 수 있는 기체 연료들을 제공하도록 부분적으로 산화될 필요가 있다.
본 발명은 고체 연료들로부터 동력 생산을 위한 시스템들과 방법들을 제공한다. 보다 상세하게는, 본 발명은 고체 연료의 가스화로부터 형성되는 기체 연료를 사용할 수 있는 동력 생산 시스템들과 방법들을 제공한다. 상기 시스템들과 방법들은 업스트립(upstream)에서 가스화하는 상기 고체 연료들의 화학들의 변화들로부터 야기되는 상기 기체 연료들 내의 달라지는 화학(chemistry)들을 수용하도록 구성된다. 이러한 점은 상이한 비-기체 연료들이 상기 기체 연료들을 연소시키는 동력 생산 시스템을 위한 부품들의 연관된 교환에 대한 요구 없이 필요에 따라 전환될 수 있기 때문에, 높은 연료 연소 효율 및 낮은 라이너 온도 모두를 제공하면서도 중요한 이점을 가질 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 본 발명은 동력 생산 플랜트들을 제공할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 동력 생산 플랜트는, 고체 연료를 수용하고, 기체 연료를 제공하기 위해 구성되는 가스화 장치; 상기 기체 연료, 산화제 및 희석제를 수용하고, 연소기 배출 스트림을 산출하도록 구성되는 연소기; 및 상기 연소기 배출 스트림을 수용하도록 구성되는 터빈을 포함할 수 있으며, 상기 연소기는 외측 케이싱 및 내부에 연소 챔버를 한정하는 연소기 라이너를 포함하고, 상기 연소기 라이너의 외측 표면의 적어도 일부는 상기 연소 챔버에 의해 수용되기 이전에 상기 연료, 상기 산화제 및 상기 희석제의 임의의 하나 또는 그 이상의 흐름을 이에 대해 수용하도록 구성되어, 상기 연소기 라이너의 냉각을 제공한다. 다른 실시예들에서, 상기 동력 생산 플랜트는 임의의 숫자 또는 순서로 결합될 수 있는 다음 사항들의 하나 또는 그 이상과 관련하여 정의될 수 있다.
상기 연소기 라이너의 외측 표면은 주변부 및 길이를 포함할 수 있으며, 상기 연소기 라이너의 외측 표면의 실질적으로 전체가 상기 주변부 및 이의 상기 길이에 대해 상기 연소 챔버에 의해 수용되기 이전에 상기 연료, 상기 산화제, 또는 상기 희석제의 임의의 하나 또는 그 이상의 흐름을 이에 대하여 수용하도록 구성될 수 있다.
상기 연소기 라이너는 상기 연소기 라이너의 외측 표면에 체결되는 복수의 길이 방향으로 연장되는 보강 리브 부재(reinforcing rib member)들을 포함할 수 있으며, 인접하는 보강 리브 부재들 사이의 상기 연소기 라이너의 외측 표면의 적어도 일부는 상기 연소 챔버에 의해 수용되기 이전에 상기 연료, 상기 산화제 및 상기 희석제의 임의의 하나 또는 그 이상의 흐름을 이에 대하여 수용하도록 구성될 수 있다.
상기 동력 생산 플랜트는 상기 연소기 라이너의 외측 표면 및 상기 복수의 보강 리브 부재들에 대해 연장되는 슬리브 부재(sleeve member)를 더 포함할 수 있고, 상기 슬리브 부재는 상기 연소기 라이너의 외측 표면에 대하여 복수의 길이 방향으로 연장되는 냉각 채널들을 한정하도록 적어도 상기 보강 리브 부재들과 협력하며, 상기 연료, 상기 산화제 및 상기 희석제의 임의의 하나 또는 그 이상의 흐름은 상기 연소 챔버에 의해 수용되기 이전에 상기 냉각 채널들을 통해서 상기 연소 챔버의 외측 표면에 대하여 안내될 수 있다.
상기 연소기 라이너는 내부에 한정되며, 상기 연소 챔버 내로의 상기 산화제의 이를 통한 통과를 위해 적용되는 하나 또는 그 이상의 개구들을 포함할 수 있다.
상기 연소기 라이너는 내부에 한정되며, 상기 연소 챔버 내로의 상기 희석제의 이를 통한 통과를 위해 적용되는 하나 또는 그 이상의 개구들을 포함할 수 있다.
상기 연소기 라이너는 제1의 내측 라이너 및 제2의 외측 라이너를 포함할 수 있다.
상기 내측 라이너 및 상기 외측 라이너는 이들 사이에 공간을 한정하도록 이격될 수 있으며, 상기 공간은 상기 희석제의 이를 통한 통과를 위해 적용될 수 있다.
상기 연소 챔버는 반응 구간 및 희석 구간을 한정할 수 있다.
상기 연소기는 상기 연소기 라이너의 업스트림(upstream) 단부에 체결되는 산화제 인젝터(oxidant injector)를 더 포함할 수 있다.
상기 산화제 인젝터는 적어도 상기 산화제의 제1 부분을 상기 연소 챔버 내로 도입하도록 배열되는 제1 스테이지 산화제 인젝터를 포함할 수 있다.
상기 제1 스테이지 산화제 인젝터는 상기 산화제를 축에 대한 각도로 상기 연소 챔버 내로 안내하도록 구성되는 스윌러 장치(swirler device)를 포함할 수 있다.
상기 스윌러 장치는 상기 산화제를 축에 대해 약 20도 내지 약 85도의 각도로 상기 연소 챔버 내로 향하게 하도록 구성되는 복수의 경사진 산화제 벤트들을 포함할 수 있다.
상기 산화제 인젝터는 연료 노즐에 의한 체결을 위해 구성되는 이를 통한 통로를 포함할 수 있다.
상기 산화제 인젝터는 적어도 상기 산화제의 제2 부분을 상기 연소 챔버를 한정하는 상기 연소기 라이너의 벽을 통해 도입하도록 배치되는 제2 스테이지 산화제 인젝터를 포함할 수 있다.
상기 제2 스테이지 산화제 인젝터는 상기 제1 스테이지 산화제 인젝터에 대해 배열될 수 있으므로, 적어도 상기 산화제의 제2 부분이 상기 제1 스테이지 산화제 인젝터로부터 다운스트림(downstream)에서 상기 연소기 라이너의 벽을 통해 도입된다.
일부 실시예들에서, 동력 생산 플랜트는, 고체 연료를 수용하고, 기체 연료를 제공하기 위해 구성되는 가스화 장치를 포함할 수 있고; 상기 기체 연료, 산화제 및 희석제를 수용하기 위해 구성되는 연소 챔버를 한정하는 연소기 라이너를 구비하며, 연소기 배출 스트림을 산출하는 연소기를 포함할 수 있으며, 상기 연소 챔버는 반응 구간 및 희석 구간을 한정하며; 적어도 상기 산화제를 상기 연소기의 연소 챔버 내로 투입하도록 구성되는 주입 장치를 포함할 수 있고, 상기 주입 장치는 상기 연소기 라이너의 단부에 체결되는 제1 스테이지 산화제 인젝터를 구비하며, 상기 제1 스테이지 산화제 인젝터는 적어도 상기 산화제의 제1 부분을 스윌러 장치를 통해 상기 연소 챔버의 반응 구간 내로 도입하도록 구성되고, 상기 제1 스테이지 산화제 인젝터의 스윌러 장치는 상기 연료와 상기 산화제의 혼합물 제공하고, 상기 반응 구간에 대한 재순환을 생성하며; 상기 연소 챔버를 한정하는 상기 연소기 라이너의 벽을 통해 상기 제1 스테이지 산화제 인젝터의 다운스트림에서 상기 연소 챔버의 희석 구간 이전에 적어도 상기 산화제의 제2 부분을 상기 반응 구간 내로 도입하도록 배열되는 제2 스테이지 산화제 인젝터를 구비하고, 상기 제2 스테이지 산화제 인젝터는 연소에 의해 생성되는 불꽃을 안정화시키고, 상기 희석 구간 이전에 상기 연료와 상기 산화제의 추가적인 혼합을 제공하도록 구성된다. 다른 실시예들에서, 상기 동력 생산 플랜트는 임의의 숫자 또는 순서로 결합될 수 있는 다음 사항들의 하나 또는 그 이상과 관련하여 정의될 수 있다.
상기 연소기 라이너의 외측 표면의 적어도 일부는 상기 연소 챔버에 의해 수용되기 이전에 상기 연료, 상기 산화제 및 상기 희석제의 임의의 하나 또는 그 이상의 흐름을 이에 대해 수용하도록 구성될 수 있으며, 이에 따라 상기 연소기 라이너의 냉각을 제공할 수 있다.
상기 연소기 라이너는 상기 연소기 라이너의 외측 표면에 체결되는 복수의 길이 방향으로 연장되는 보강 리브 부재들을 포함할 수 있으며, 인접하는 보강 리브 부재들 사이의 상기 연소기 라이너의 외측 표면의 적어도 일부는 상기 연소 챔버에 의해 수용되기 이전에 상기 연료, 상기 산화제 및 상기 희석제의 임의의 하나 또는 그 이상의 흐름을 이에 대해 수용하도록 구성될 수 있다.
상기 연소기 라이너는 내부에 한정되며, 상기 연소 챔버 내로의 상기 희석제의 이를 통한 통과를 위해 적용될 수 있는 하나 또는 그 이상의 개구들을 포함할 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 본 발명은 동력 생산 방법들과 관련될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 동력 생산 방법은, 기체 연료를 형성하기 위해 고체 연료를 가스화하는 단계; 상기 연료를 연소시키고, 연소기 배출 스트림을 형성하기 위해 상기 가스화 장치로부터 상기 기체 연료를 산화제 및 희석제와 함께 연소기 내로 투입하는 단계; 및 동력을 발생시키도록 상기 연소기 배출 스트림을 터빈으로 통과시키는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 연소기는 외측 케이싱 및 내부에 연소 챔버를 한정하는 연소기 라이너를 포함하고, 상기 기체 연료, 상기 산화제 및 상기 희석제의 임의의 하나 또는 그 이상의 흐름은 상기 연소 챔버에 의해 수용되기 이전에 상기 연소기 라이너의 외측 표면의 적어로 일부를 따라 지나감에 따라, 상기 연소기 라이너의 냉각을 제공한다. 다른 실시예들에서, 상기 동력 생산 방법들은 임의의 숫자 또는 순서로 결합될 수 있는 다음 사항들의 하나 또는 그 이상과 관련하여 정의될 수 있다.
상기 연소기 라이너는 상기 연소기 라이너의 외측 표면에 체결되는 복수의 길이 방향으로 연장되는 보강 리브 부재들을 포함할 수 있으며, 상기 연료, 상기 산화제 및 상기 희석제의 임의의 하나 또는 그 이상의 흐름은 상기 연소 챔버에 의해 수용되기 이전에 인접하는 보강 리브 부재들 사이의 상기 연소기 라이너의 외측 표면의 적어도 일부를 따라 지나갈 수 있다.
상기 연소기 라이너는 내부에 한정되는 하나 또는 그 이상의 개구들을 포함할 수 있으며, 상기 산화제의 적어도 일부는 상기 하나 또는 그 이상의 개구들을 통해 상기 연소 챔버 내로 통과될 수 있다.
상기 연소기 라이너는 내부에 한정되는 하나 또는 그 이상의 개구들을 포함할 수 있으며, 상기 희석제의 적어도 일부는 상기 하나 또는 그 이상의 개구들을 통해 상기 연소 챔버 내로 통과될 수 있다.
상기 동력 생산 방법은 상기 산화제의 적어도 일부를 상기 연소기 라이너의 업스트림 단부에 체결되는 산화제 인젝터를 통해 상기 연소 챔버 내로 통과시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 동력 생산 방법은 상기 산화제를 축에 대해 약 20도 내지 약 85도의 각도로 상기 연소 챔버 내로 안내하는 스윌러 장치를 구비하는 제1 스테이지 산화제 인젝터를 통해 상기 산화제의 일부를 상기 연소 챔버 내로 통과시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 동력 생산 방법은 상기 산화제 인젝터를 통한 통로에 체결되는 연료 노즐을 통해 상기 기체 연료를 상기 연소 챔버 내로 통과시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 동력 생산 방법은 상기 연소 챔버를 한정하는 상기 연소기 라이너의 벽을 통과하는 제2 스테이지 산화제 인젝터를 통해 상기 산화제의 일부를 상기 연소 챔버 내로 통과시키는 단계를 포함할 수 있다.
다른 실시예들에서, 본 발명의 시스템들과 방법들은 정의된 구성을 가지는 연소기 장치의 사용을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 이러한 연소기는 연료, 산화제 및 희석제를 수용하도록 구성되는 연소 챔버를 가질 수 있고, 상기 연소기는 상기 연소 챔버 내에서 상기 연료의 다른 조성들을 연소시키고, 결과적인 연소 생성물들을 상기 연소 챔버로부터 배출 노즐의 유입구 단부 내로 및 상기 배출 노즐을 통해 그 유출구 단부로 안내하도록 적용되며, 상기 배출 노즐의 외측 표면의 적어도 일부는 적어도 상기 산화제의 흐름을 이에 대해 수용하도록 구성되어, 상기 배출 노즐의 냉각이 제공된다.
일부 실시예들에서, 상기 배출 노즐의 외측 표면은 상기 배출 노즐의 유출구 단부로부터 유입구 단부까지 연장되는 나선형 채널을 적어도 부분적으로 한정할 수 있으며, 상기 나선형 채널은 상기 유출구 단부에서 적어도 상기 산화제를 수용하고, 상기 유입구 단부를 향해 상기 산화제를 안내하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 상기 배출 노즐의 외측 표면은 상기 배출 노즐의 유입구 단부로부터 유출구 단부까지 연장되는 나선형 채널을 적어도 부분적으로 한정할 수 있으며, 상기 나선형 채널은 상기 유입구 단부에서 적어도 상기 산화제를 수용하고, 상기 유출구 단부를 향해 상기 산화제를 안내하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 상기 배출 노즐의 외측 표면은 상기 유출구 단부로부터 상기 유입구 단부까지 연장되는 제1 나선형 부분 및 제1 나선형 부분과 유체 연통되고 상기 배출 노즐의 유입구 단부로부터 유출구 단부까지 연장되는 제2 나선형 부분을 가지는 나선형 채널을 적어도 부분적으로 한정할 수 있으며, 상기 제1 나선형 부분은 상기 유출구 단부에서 적어도 상기 산화제를 수용하고 상기 유입구 단부를 향해 적어도 상기 산화제를 안내하도록 구성되며, 상기 제2 나선형 부분은 상기 유입구 단부에서 상기 제1 나선형 부분으로부터 적어도 상기 산화제를 수용하고 적어도 상기 산화제를 상기 유출구 단부를 향해 안내하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 이러한 연소기 장치는 연료, 산화제 및 희석제를 수용하도록 구성되는 연소 챔버를 가질 수 있다. 상기 연소기는 상기 연료의 다른 조성들을 연소시키도록 구성될 수 있다. 상기 연소 챔버는 연소 구간 및 재순환 구간을 한정할 수 있다. 투입 장치는 적어도 상기 산화제를 상기 연소기의 연소 챔버 내로 투입하도록 구성될 수 있다. 상기 투입 장치는 적어도 상기 산화제의 제1 부분을 스윌러 장치를 통해 상기 연소 챔버의 주요 구간 내로 도입하도록 배치되는 제1 스테이지를 포함할 수 있다. 상기 제1 스테이지의 스윌러 장치는 상기 연료와 상기 산화제의 혼합을 제공할 수 있고, 불꽃을 안정화시키는 와류 붕괴를 유도하고, 혼합을 향상시키도록 상기 연소 챔버의 중심축에 대하여 주요 구간 내에 재순환 구간을 생성할 수 있다. 제2 스테이지는 상기 연소 챔버를 한정하는 연소기 라이너의 벽을 통해 상기 주요 구간의 다운스트림에서 그 희석 구간 이전에 적어도 상기 산화제의 제2 부분을 상기 재순환 구간 내로 도입하도록 배치될 수 있다. 상기 제2 스테이지는 연소에 의해 생성되는 불꽃을 안정화시키고, 희석 구간 이전에 상기 연료와 상기 산화제의 추가적인 혼합을 제공하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들, 측면들 및 이점들은 다음에 간략하게 설명되는 첨부된 도면들과 함께 다음의 상세한 설명의 이해로부터 명확해질 것이다. 본 발명은 이러한 특징들이나 요소들이 여기서의 특정 실시예나 특허청구범위에서 명백하게 결합되거나 그렇지 않으면 기재되는 지에 관계없이 앞서 언급한 측면들의 둘, 셋, 넷 또는 그 이상의 임의의 결합뿐만 아니라 본 발명에서 설시되거나 특징들이나 요소들의 둘, 셋, 넷 또는 그 이상의 임의의 결합을 포함한다. 본 발명은 본 문에서 명백하게 다르게 기재되지 않는 한, 본 발명의 임의의 분리될 수 있는 특징들이나 요소들이 그 측면들과 실시예들 중의 임의의 것에서 결합될 수 있는 것으로 의도되는 바와 같이 도시되어야 하도록 전체적으로 이해되게 의도된 것이다. 본 발명의 측면들은 이에 따라 여기에 설명하게 설명되는 바와 같은 이점들을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 동력 생산을 수행하기 위해 유용한 동력 생산 플랜트의 도면이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 동력 생산 플랜트 및 동력 생산 방법에 유용한 연소기의 부분 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 동력 생산 플랜트 및 동력 생산 방법에 유용한 연소기 라이너의 사시도이다.
도 3a는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 동력 생산 플랜트 및 동력 생산 방법에 유용한 연소기 라이너의 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 동력 생산 플랜트 및 동력 생산 방법에 유용한 연료 노즐의 부분 사시도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 동력 생산 플랜트 및 동력 생산 방법에 유용한 스윌러 장치의 부분 사시도이다.
이하에서 본 발명의 주제를 본 발명의 예시적인 실시예들을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이들 예시적인 실시예들은 본 발명이 철저하고 완전해지며, 해당 기술 분야의 숙련자에게 본 발명의 주제의 범주를 완전히 전달하기 위해 기술된다. 실제로, 본 발명의 주제는 많은 다른 형태들로 나타날 수 있으며, 여기에 설시되는 실시예들에 한정되는 것으로 이해되지는 않아야 할 것이다. 오히려, 이들 실시예들은 본 발명이 적용될 수 있는 법률적인 요건들을 충족시키도록 제공된다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용되는 바에 있어서, "일", "한", "하나" 등의 단수 표현은 본문에 명백하게 다르게 기재되지 않는 한 복수의 대상들을 포함한다.
본 발명은 석탄과 같은 고체 연료들을 활용하는 동력 생산을 위해 적용되는 시스템들과 방법들에 관한 것이다. 상기 고체 연료는 특히 합성의 가스(또는 합성 가스)와 같이 동력 생산 플랜트 및 프로세스에서 연소되는 기체 연료를 제공하도록 부분 산화될 수 있다. 이와 같이, 일부 실시예들에서, 본 발명은 고압이고 초임계인 CO2 환경 내의 석탄 합성 가스 산소-연소를 포괄한다. 본 발명은 이에 따라 석탄 및 다른 고체 탄화수소 공급 원료 물질이 합성 가스로 부분적으로 산화될 수 있으며, 상기 산소-연소 시스템과 방법에서 연소기 내로 공급될 수 있는 시스템들과 방법들을 포괄한다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 고체 연료는 동력 생산 플랜트 및 프로세스에서 자체가 연소되는 기체 연료를 제공하도록 부분적으로 산화될 수 있다. 이와 같이, 여기에 사용되는 바에서, "기체 연료", "연료 가스", 또는 이들과 유사한 것에 대한 언급은 고체 연료의 부분 산화-예를 들어, 고체 연료의 가스화로부터 직접 유래되는 기체 형태로의 연료를 참조하는 것으로 이해된다. "합성 가스"라는 용어는 특히 석탄의 부분 산화로부터 야기되는 가변 화학(variable chemistry)의 가스를 의미하는 것으로 이해된다. 예를 들면, 석탄 및/또는 다른 고체 공급 원료 물질은 H2, CO, CH4, CO2, H2S 및 다른 미량의 종들의 변화되는 결합들을 포함할 수 있는 고온의 원료 합성 가스를 생성하도록 가스화 장치 내에서 부분적으로 산화될 수 있다. 마찬가지로, 다른 고체 연료들은 기체 연료를 제공하도록 부분적으로 산화될 수 있다. 상기 원료 합성 가스는 애쉬(ash), 가용성 산(들), 물 및 중금속(들)을 제거하기 위해, 예를 들면, 냉각 및 세정에 의해 더 처리될 수 있다. 황 종류들은 현재의 산성 가스 제거 프로세스에 의해 제거될 수 있거나, 연소를 위해 상기 합성 가스 내에 머무를 수 있다. 흐름 운반 가스화 장치들, 유동 층 가스화 장치들 및 이동 층 가스화 장치들을 포함하여 현재의 가스화 장치들이 다양한 석탄 공급 원료 또는 다른 고체 공급 원료 물질들의 가스화를 위해 사용될 수 있다. 세정된 석탄 합성 가스 화학은 다른 석탄 공급 원료, 다른 가스화 장치들, 다른 석탄 공급 시스템들 및 다른 합성가스 세정 과정들에 의해 변화된다.
연소 특성들을 포함하여 합성 가스 연료의 특성들은 상기 합성 가스 연료의 실제 화학에 따라 상당히 다를 수 있다. 예를 들면, 수소 및 메탄이 풍부한 합성 가스 연료들은 일산화탄소가 풍부한 합성 가스 연료들로부터의 연료 특성들을 나타낼 것이다. 합성 가스의 발열량은 상기 합성 가스 내의 CO2 함량에 크게 영향을 받으며, 상기 합성 가스를 생성하기 위해 이용되는 석탄 가스화 장치의 유형에 따라 상당히 달라질 수 있다. 예를 들면, 슬러리(slurry) 공급 가스화 장치들로부터 생성되는 합성 가스는 20질량%를 초과하는 CO2 함량을 가질 수 있는 반면, 건조 공급 가스화 장치들로부터 생성되는 합성 가스는 통상적으로 10질량% 아래의 CO2 함량을 가질 수 있다. 이에 따라, 정해진 질량의 각 연료에 대해, 불꽃 특성들, 다운스트림의 시스템 온도 프로파일들로 전달되는 열에너지, 배출 가스 조건들 및 배출 가스 조성들과 같은 특성들이 상당히 변화될 수 있다.
동력 생산 설비를 위한 연소기가 고정된 챔버로 설계되어야 하기 때문에, 좁은 범위의 연료 혼합물들만이 상기 연소기 설계 조건들(및 이에 따른 불꽃 및 연소기 유출구 조건들)을 만족시킬 수 있으며, 이에 따라 상기 연소기 내에서의 사용에서 허용될 수 있다. 또한, 이러한 범위 내의 혼합물들은 여전히 엄격하게 제어되어야 하는 연소기 또는 불꽃 거동의 섭동들을 야기할 수 있다. 본 발명은 이에 따라 상기 생성된 합성 가스의 변화되는 화학들을 수용하도록 구성되는 연소기 내의 생성된 합성 가스의 연소가 수반되는 부분 산화를 제공함에 의해 최초 연료 소스로서 석탄 또는 다른 고체 연료를 사용하여 동력 생산을 구현할 수 있는 점에서 유리하다.
본 발명은 이에 따라 다양한 요소들을 포함하는 동력 생산 플랜트들 및 프로세스들에 관련될 수 있다. 본 발명에 따른 동력 생산 플랜트들 및 프로세스들에 포함될 수 있는 요소들의 제한적이지 않은 예들은 그 개시 사항들이 여기에 참조로 포함되는 미국 특허 제8,776,532호, 미국 특허 제9,581,082호 및 미국 특허 출원 공개 제2017/0241338호에 기재되어 있다.
동력 생산 플랜트 및 그 동작 방법은 도 1과 관련하여 여기서 더 설명된다. 여기에 도시된 바와 같이, 상기 동력 생산 플랜트(100)는 달라지는 화학들의 연료들이 사용될 때에도 연속적 동작을 위해 구성되는 연소기 내에서 연소되는 기체 연료를 형성하기 위해 석탄과 같은 고체 연료의 부분 산화를 위해 적합한 요소들을 포함한다. 이와 같이, 상기 연소기를 변화시킬 필요 없이 변화되는 화학들을 갖는 기체 연료들의 형성을 가져오는 다른 등급들의 고체 연료들을 사용하는 것이 가능하다.
도 1을 참조하면, 예시적인 실시예들에서, 동력 생산 플랜트(100)는 라인(103) 및 라인(104) 내에 실질적으로 순수한 산소의 스트림(stream)을 형성하도록 공기 분리 유닛(ASU)(102) 내로 공기를 제공하는 공기 소스(101)를 포함할 수 있다. 비록 도시되지 않지만, 상기 ASU(102)가 증가된 압력(다를 수 있거나, 실질적으로 동일할 수 있음)에서 라인들(103, 104) 내에 산소를 제공하도록 구성되는 다양한 압축기들 및/또는 펌프들을 포함할 수 있는 점이 이해될 것이다. 그러나 원할 경우, 추가 압축기들 및/또는 펌프들이 원하는 레벨의 압축을 제공하도록 라인(103) 및/또는 라인(104) 내에 제공될 수 있다. 라인(103) 내의 산소는 단일의 가스화 장치 또는 복수의 가스화 장치들이 될 수 있는 가스화 장치(105)로 향해지며, 여기에 달리 설명되는 바와 같은 임의의 적합한 유형의 가스화 장치가 사용될 수 있다. 고체 연료 소소(106)로부터의 고체 연료는 프렙 스테이션(prep station)(107)으로 제공될 수 있으며, 여기서, 예를 들면, 상기 고체 연료는 원하는 평균 입자 크기의 입자화된 고체 연료를 제공하도록 하나 또는 그 이상의 그라인더(grinder)로 분쇄될 수 있다. 상기 프렙 스테이션(107)에서, 상기 고체 연료는 실질적으로 순수한 이산화탄소와 같은 유동화 매체(비록 다른 유동화 매체가 추가적으로나 선택적으로 사용될 수 있지만) 내에 수반될 수 있다. 상기 프렙 스테이션(107) 내에서 제조된 고체 연료는 라인(108)을 통해 상기 가스화 장치(105)로 통과되고, 라인(109) 내에서 부분적으로 산화된 기체 연료로 나간다. 예를 들면, 상기 고체 연료가 석탄일 때, 변화되는 화학들의 합성의 가스("합성 가스")가 라인(109)을 통해 제공될 수 있다. 라인(109) 내의 상기 기체 연료는 스크러빙 유닛(scrubbing unit)(110)을 통과하며, 상기 유닛은 상기 기체 연료 내에 존재하는 미립자들 및 다른 비-연료 성분들을 제거하기 위해 하나 또는 그 이상의 요소들을 포함할 수 있다. 세정된 기체 연료는 라인(111) 내에서 열교환기(112)로 통과되며, 여기에 달리 설명되는 바와 같이 저위 발열(low grade heating)을 제공하는 데 이용될 수 있다. 냉각된 기체 연료는 라인(113)에서 상기 열교환기를 나가고, 상기 기체 연료 압축기(114) 내에서 압축되며, 라인(115)을 통해 연소기(116)로 전달된다.
라인(115)으로부터의 기체 연료는 상기 연소기(116) 내에서 라인(104)으로부터의 산소로 연소되며, 불활성 가스, 이산화탄소, 또는 물과 같은 희석제고 선택적으로 희석될 수 있다. 바람직하게는, 라인(155) 내의 재순환 이산화탄소 또한 상기 연소기(116)로 투입된다. 상기 연소기 배출 스트림은 라인(117) 내에서 상기 연소기(116)를 나가며, 발전기(119)로 동력을 발생시키도록 터빈(118) 내에서 팽창된다. 라인(120) 내의 터빈 배출은 열교환기(125)로 통과되며, 여기서 냉각되고, 주위 온도 부근에서 라인(128)을 통해 배출 스트림을 물 분리기(130)로 제공하는 냉각기(127)로 통과되기 전에 라인(126) 내에서 나간다. 물은 라인(132) 내에서 상기 분리기(130)를 나간다(또한 물 스트림은 H2SO4 및 HNO3과 같은 가용성 불순물들을 더 포함할 수 있다). 실질적으로 순수한 이산화탄소는 라인(131) 내엣 상기 분리기(130)를 나가고, 압축기(135) 내에서 압축되며, 상기 이산화탄소의 밀도를 증가시키도록 라인(136)을 통해 냉각기(137)로 통과되고, 라인(138) 내에서 나간다. 라인(138) 내의 상기 이산화탄소의 일부는 라인(140)을 통해 상기 고체 연료 프렙 스테이션(107)(예를 들어, 유동화 매체로 사용되는)으로 통과될 수 있다. 고밀도의 이산화탄소의 나머지는 라인(139) 내에서 펌프(145)로 통과되고, 여기서 상기 연소기(116)에 대한 투입을 위해 적합한 압력까지 펌핑되며, 라인(150)으로 나간다. 라인(150) 내의 고압의 이산화탄소의 일부는 라인(151) 내에서 상기 동력 생산 플랜트(100)로부터 전달될 수 있다. 라인(150)으로부터의 상기 실질적으로 순수하고, 고압인 재순환 이산화탄소의 나머지 부분은 라인(120) 내의 터빈 배출에 대해 재가열되도록 라인(152)을 통해 상기 열교환기(125)로 향하게 된다. 상기 가열된 재순환 이산화탄소는 라인(155) 내에서 상기 연소기(116)로 통과된다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 본 발명은 특히 고체 연료의 부분 산화를 통해 상기 기체 연료의 형성으로부터 야기되는 변화되는 화학들을 겪는 기체 연료를 연소시키기 위해 구성될 수 있는 연소기(116, 216)를 제공한다. 이와 같이, 상기 연소기(116, 216)는 직접적으로, 간접적으로, 또는 직접 및 간접적으로 연료, 산화제 및 희석제를 수용하도록 구성되는 연소 챔버(270)를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 연료, 상기 산화제 및 상기 희석제는 주입 메커니즘 또는 확산 메커니즘을 통해 상기 연소 챔버(270) 내로 직접 수용될 수 있다. 예를 들면, 상기 연료, 상기 산화제 및 상기 희석제는 혼합 장치에 의하여 상기 연소 챔버(270) 내로 간접적으로 수용될 수 있으며, 여기서 상기 연료, 상기 산화제 및 상기 희석제는 상기 연소 챔버(270) 내로 도입되기 이전에 미리 혼합된다.
도 2를 참조하면, 상기 연소기(216)의 연소 챔버(270)는 외측 케이싱(outer casing)(265)에 의해 둘러싸이는 연소기 라이너(combustor liner)(260)에 의해 한정될 수 있다. 상기 외측 케이싱(265)은 이를 통해 냉각 유체가 순환될 수 있는 냉각 오리피스들(orifices)(282)과 같은 하나 또는 그 이상의 냉각 요소들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 냉각 유체는 여기에 더 설명되는 바와 같이 상기 희석제에 대해 사용되는 바와 동일한 물질이 될 수 있다. 상기 연소기 라이너(260)의 외측 표면의 적어도 일부는 상기 연료, 상기 산화제, 또는 상기 희석제의 임의의 하나 또는 그 이상이 상기 연소 챔버(270) 내로 향하게 되기 이전에 이에 대하여 상기 연료, 상기 산화제 및 상기 희석제의 임의의 하나 또는 그 이상의 흐름을 수용하도록 구성될 수 있으므로, 상기 연소기 라이너의 냉각을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 연소기 라이너(260)의 외측 표면은 주변부 및 길이를 포함할 수 있으며, 상기 주변부에 대해서와 그 길이를 따라 실질적으로 상기 연소기 라이너의 외측 표면의 전체가 상기 연료, 상기 산화제, 또는 상기 희석제의 임의의 하나 또는 그 이상이 상기 연소 챔버(270) 내로 안내되기 이전에 이에 대하여 상기 연료, 상기 산화제, 또는 상기 희석제의 임의의 하나 또는 그 이상의 흐름을 수용하도록 구성될 수 있다.
후면 벽 냉각 또는 외측 표면 냉각은, 일부 실시예들에서, 상기 연소기 라이너(260)의 동작 온도들을 특정한 임계값 아래로 유지하기에 유리할 수 있다. 이는 일부 경우들에서 상기 sCO2, 산화제 및/또는 연료를 상기 연소기로 공급하기 이전에 초임계의 이산화탄소("sCO2"), 산화제 및/또는 연료 흐름을 상기 연소기 라이너의 길이를 따라 흐르게 하여 구현될 수 있다. 고압의 sCO2는 높은 저 발열량(specific heat value)을 가지며, 다른 유형의 냉각 가스들이 비해 상기 연소기 라이너(260)을 효과적으로 냉각하기 위해 요구되는 sCO2의 양을 감소시킬 수 있다.
상술한 사항들에 추가적으로(또는 선택적으로), 상기 sCO2 냉각 상기 연소기 라이너(260)는 이와 같은 연소기를 채용하는 동력 시스템과 연관된 다른 프로세스들로 후속하여 향하게 될("재순환 될") 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 연소기 벽 및/또는 라이너를 통한 에너지 손실이 감소될 수 있으며, 연소 사이클 효율이 향상될 수 있다.
도 2에 도시한 예시적인 실시예들에서, 상기 연소기 라이너(260)는 복수의 천공들(perforations)(261)을 포함하므로, 상기 연소기 라이너의 외측 주변부를 따라 흐르는 투입된 유체가 이들을 통해 상기 연소 챔버(270) 내로 통과된다. 상기 연소 챔버(270)는 반응 구간(271) 및 희석 구간(273)으로 나누어질 수 있다. 상기 반응 구간(RZ)(271)은 상기 연료 노즐(280)에 근접하는-즉, 상기 연소 챔버의 전방 또는 업스트림(upstream) 부분에서 상기 연소 챔버(270)의 일부가 될 수 있다. 상기 희석 구간(DZ)(273)은 상기 연소 챔버(270)의 출구(291)-즉, 상기 연소 챔버의 단부 또는 다운스트림(downstream)에 근접할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 반응 구간(271) 및 상기 희석 구간(273)은 각기 대략적으로 상기 연소 챔버(270)의 전체 부피의 절반을 둘러쌀 수 있다. 상기 희석 구간(273)에 대한 상기 반응 구간(271)에 의해 둘러싸이는 상기 연소 챔버(270)의 부피 비율(RZ/DZ)은 약 0.1 내지 약 5, 약 0.25 내지 약 4, 약 0.5 내지 약 2, 또는 약 0.75 내지 약 1.5가 될 수 있다.
연소를 위해, 연료 가스는 상기 연소 챔버(270), 특히 상기 반응 구간(271) 내로 상기 연료 노즐(280)을 통과하도록 라인(215) 내에서 들어간다. 상기 라인(215) 내의 연료 가스는 라인(255a)을 통하는 희석제의 첨가를 통해 희석될 수 있다. 상기 희석제는, 예를 들면, 불활성 가스, 이산화탄소, 물, 또는 이들의 혼합물이 될 수 있다. 상기 연료 노즐(280)은 복수의 천공들(281b)을 갖는 콘(cone)(281a)을 포함할 수 있다. 상기 콘(281a) 내의 천공들(281b)은 상기 연료가 산화제와 혼합되고 연소되면서 상기 반응 구간(271)에 걸쳐 상기 연료를 분산시키도록 축으로부터 정해진 각도(예를 들어, 상기 축으로부터 약 15도 내지 약 80도, 약 20도 내지 약 70도, 약 25도 내지 약 60도, 또는 약 30도 내지 약 50도)로 정렬될 수 있다. 라인(204) 내의 제1 스테이지 산화제 인젝터(oxidant injector)(285a) 및 제2 스테이지 산화제 인젝터(285b)를 포함하는 산화제 인젝터(285)로 들어간다. 상기 제1 스테이지 산화제 인젝터(285a) 내의 산화제는 상기 연료 노즐(280)을 통해 들어가는 상기 연료 가스와 실질적으로 동일 선상으로 상기 연소 챔버(270)로 들어간다. 다음에 더 설명되는 바와 같이, 상기 제1 스테이지 산화제 인젝터(285a)는 상기 연소 챔버(270) 내에, 특히 상기 반응 구간(271) 내에 선회 흐름(swirling flow)을 제공하는 것과 같이 상기 산화제에 대해 실질적으로 정해진 방향의 흐름을 부여하도록 구성될 수 있다. 비록 두 개의 개구들이 도 2에 상기 제1 스테이지 산화제 인젝터(285a)를 한정하는 것으로 예시되지만, 상기 제1 스테이지 산화제 인젝터(285a)가 상기 연료 노즐(280)을 실질적으로 둘러쌀 수 있으며, 이에 따라 산화제 투입을 위한 복수의 개구들-예를 들어, 적어도 2, 적어도 3, 적어도 4, 적어도 5, 적어도 6, 또는 보다 많은 개구들(2 내지 20, 3 내지 16, 또는 4 내지 12의 개구들과 같은)을 한정할 수 있는 점이 이해될 것이다. 상기 제2 스테이지 산화제 인젝터(285b)는 상기 연소기 라이너(260)에 걸쳐 구성되는 하나 또는 그 이상의 천공들 또는 다른 포털(portal)들을 포함할 수 있다. 이와 같이, 상기 산화제는 상기 연소기 라이너(260)의 외측 주변부의 일부 주위, 특히 상기 연소 챔버(270) 내에 상기 반응 구간(271)을 적어도 부분적으로 한정하는 상기 연소기 라이너의 외측 주변부의 일부 주위를 지나갈 수 있다. 상기 제2 스테이지 산화제 인젝터(285b)를 통해 상기 연소 챔버(270)로 들어가는 산화제는 상기 제1 스테이지 산화제 인젝터(285a)를 통해 들어가는 상기 산화제의 흐름에 실질적으로 직교하게 투입될 수 있다. 다시 말하면, 비록 네 개의 개구들이 도 2에 상기 제2 스테이지 산화제 인젝터(285b)를 한정하는 것으로 예시되지만, 상기 제2 스테이지 산화제 인젝터(285b)가 상기 연소기 챔버(270)의 일부를 실질적으로 둘러쌀 수 있으며, 이에 따라 상기 연소기 라이너(260)를 통한 산화제 투입을 위해 복수의 개구들-예를 들어, 적어도 2, 적어도 3, 적어도 4, 적어도 5, 적어도 6, 또는 보다 많은 개구들(2 내지 20, 3 내지 16, 또는 4 내지 12의 개구들과 같이)을 한정할 수 있는 점이 이해될 것이다. 상기 제2 스테이지 산화제 인젝터(285b)를 한정하는 개구들은 도시된 바와 같이 상기 연소기 라이너(260)의 일부를 따라 길이 방향으로 이격될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제2 스테이지 산화제 인젝터(285b)를 한정하는 개구들은 상기 연소기 라이너(260)의 외측 주변부 주위에 단일의 열로 정렬될 수 있거나, 상기 연소기 라이너의 외측 주변부 주위에 복수의 열들로 정렬될 수 있다. 상기 라인(204) 내의 산화제는 라인(255b)을 통한 희석제의 첨가를 통하여 희석될 수 있다. 상기 희석제는, 예를 들면, 불활성 가스, 이산화탄소, 물, 또는 이들의 혼합물이 될 수 있다. 상기 연소 챔버(270)에 대한 유입에서, 상기 연소기 라이너(260)는 축 상의 열 성장도 허용하면서 방사상의 지지를 제공하도록 상기 산화제 인젝터(285) 상부에 맞추어진다. 상기 연소기 라이너(260)의 주변부는 상기 라이너를 냉각하기 위해 사용되는 냉각 흐름을 관리하고, 상기 제2 스테이지 산화제 공급을 관리하도록 구성된다.
희석제 스트림(255c)은 하나 또는 그 이상의 실시예들에서 상기 연소기 라이너(260)를 통해 상기 연소 챔버(270) 내로 직접 통과될 수 있다. 상기 희석제 스트림(255c)은 이에 따라 상기 연소 챔버(270) 내로 상기 천공들(261) 또는 다른 개구들을 통과하기 위해 상기 연소기 라이너(260)의 외측 주변부의 적어도 일부 주위로 투입될 수 있다. 상기 희석제 스트림(255c)은 특히 상기 희석 구간(273) 내로 투입될 수 있다.
상기 연소기 라이너(260)가 도 3a 및 도 3b에 더 도시된다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 상기 연소기 라이너(260)는 상기 연소기 라이너의 외측 표면에 체결되는 복수의 길이 방향으로 연장되는 보강 부재(reinforcing member)들을 포함하도록 구성될 수 있으며, 여기서 인접하는 보강 부재들 사이의 상기 연소기 라이너의 외측 표면의 적어도 일부는 상기 연료, 상기 산화제, 또는 상기 희석제의 임의의 하나 또는 그 이상이 상기 연소 챔버 내로 향하게 되기 이전에 이에 대하여 상기 연료, 상기 산화제, 또는 상기 희석제의 임의의 하나 또는 그 이상의 흐름을 수용하도록 구성된다. 도시된 바와 같이, 상기 연소기 라이너(260)의 외측 표면(260a)은 상기 연소기 라이너의 외측 표면으로부터 외측으로 연장되는 복수의 리브(rib)들(263)을 포함하며, 복수의 냉각 채널들(264)은 인접하는 리브들 및 상기 연소기 라이너의 외측 표면에 의해 한정된다. 상기 제2 스테이지 산화제 인젝터(285b)의 적어도 일부는 상기 연소기 라이너로부터 외측으로 연장되는 복수의 산화제 포트들(285b')의 형태로 상기 연소기 라이너(260) 내에 한정될 수 있다. 상기 제2 스테이지 산화제 인젝터(285b)를 통한 투입을 위해 상기 산화제는 이에 따라 상기 연소 챔버(270) 내로의 투입 이전에 상기 연소기 라이너의 후면 냉각을 제공하도록 상기 리브들(263) 사이의 상기 채널들(264) 내에서 상기 연소기 라이너(260)의 적어도 일부를 따라 흐를 수 있다. 도시된 바와 같이, 상기 제2 스테이지 산화제 인젝터(285b)를 형성하는 상기 산화제 포트들(285b')은 단일 어레이로 상기 연소기 라이너(260)의 외측 주변부 주위에 방사상으로 정렬된다. 그러나 상이한 배열들도 포함될 수 있는 점이 이해될 것이다. 예를 들면, 복수의 어레이들이 활용될 수 있다. 또한, 임의의 간격도 이용될 수 있다.
상술한 사항들에 추가적으로, 복수의 희석제 포트들(261')이 상기 연소기 라이너(260) 내에 포함될 수 있고, 상기 희석제 포트들은 상기 연소기 라이너의 외측 표면(260a)으로부터 외측으로 연장된다. 상기 희석제 포트들(261')은 상기 산화제 포트들(285b')에 대해 다운스트림에 위치한다. 이와 같이, 상기 산화제 포트들(285b')은 상기 연소 챔버(270) 내에서 상기 반응 구간(271)과 실질적으로 위치상으로 정렬될 수 있고, 상기 희석제 포트들(261')은 상기 연소 챔버의 희석 구간(273)과 실질적으로 위치상으로 정렬될 수 있다. 상기 연소 챔버(270) 내로의 투입을 위한 상기 희석제는 이에 따라 상기 연소 챔버 내로의 투입 이전에 상기 연소기 라이너의 후면 냉각을 제공하도록 상기 리브들(263) 사이의 상기 채널들(264) 내에서 상기 연소기 라이너(260)의 적어도 일부를 따라 흐를 수 있다. 도시된 바와 같이, 상기 희석제 포트들(261')은 복수의 어레이들로 상기 연소기 라이너(260)의 외측 주변부 주위에 방사상으로 정렬된다. 그러나 다른 배열들도 포함되는 점이 이해될 것이다. 예를 들면, 단일 어레이 또는 보다 많은 숫자의 어레이들이 이용될 수 있다. 또한, 임의의 간격도 활용될 수 있다.
상기 연소기 라이너(260) 및/또는 상기 연소기(216)의 외측 케이싱(265)은 필요에 따라 추가적인 구조 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 연소기 라이너(260)의 외측 주변부를 따라 상기 산화제 및 상기 희석제에 의해 제공되는 냉각 흐름들을 분리하기 위해, 분리벽(293) 상기 산화제 포트들(285b') 및 상기 희석제 포트들(261') 사이에 포함될 수 있으므로, 산화제만이 상기 연소기 라이너(261)의 업스트림 부분을 따라 흐를 수 있고, 희석제만이 상기 연소기 라이너(261)의 다운스트림 부분을 따라 흐를 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 연소기 라이너는 복수의 층들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 연소기 라이너(260)의 제1의 내부 층(260')은 상기 연소기 라이너의 업스트림 단부(260c)로부터 외측으로 연장될 수 있다. 상기 제1 층(260')은 이에 따라 여기에 달리 설명되는 바와 같이 상기 산화제 인젝터(285)에 체결될 수 있다. 산화제는 상기 산화제 포트(285b') 내로의 통과를 위해 상기 연소기 라이너(260)의 외측 주변부를 따라 통과될 수 있다. 희석제는 상기 제1 층(260') 및 제2의 외부 층(260'') 사이의 공간(266) 내로 통과될 수 있다. 상기 리브들(263)과 채널들(264)은 이에 따라 상기 연소기 라이너(260)의 제2의 외부 층(260'') 내에 한정될 수 있다. 상기 희석제는 상기 연소기 라이너(260)의 다운스트림 단부(260d)를 나갈 수 있고, 후방 및 상기 희석제 포트들(261') 내로 흐르도록 상기 연소기 라이너의 외측 주변부에 대해 외측으로 순환될 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 도 3b에 나타낸 바와 같이, 슬리브 부재(sleeve member)(267)는 상기 연소기 라이너(260)의 외측 표면 및 상기 복수의 보강 리브들(263)에 대해 연장될 수 있다. 상기 슬리브 부재(267)는 상기 연소 챔버(270)의 외측 표면에 대해 상기 복수의 길이 방향으로 연장되는 냉각 채널들(264)을 한정하도록 적어도 상기 리브들(263)과 협력할 수 있다. 상기 연료, 상기 산화제, 또는 상기 희석제의 임의의 하나 또는 그 이상의 흐름은 상기 연료, 상기 산화제, 또는 상기 희석제의 임의의 하나 또는 그 이상이 상기 연소 챔버(270) 내로 향해지기 이전에 상기 냉각 채널들(264)을 통하여 상기 연소기 라이너(260)의 외측 표면(260a)에 대해 안내될 수 있다. 일부 실시예들에서, 초임계의 이산화탄소(sCO2)가 특히 상기 채널들을 따라 흐르도록 안내되는 상기 희석제로 사용될 수 있다. 상기 채널들을 따른 이러한 sCO2 냉각 흐름은, 예를 들면, 상기 연소기 라이너의 후면 또는 외측 표면 대류 냉각을 제공하며, 이는 상기 연소기 라이너를 물질 온도 한계 아래로 유지하게 할 수 있다.
동작 시에, 동일한 연료 노즐(280) 및 산화제 인젝터(285)는 상기 산화제 대 희석제 비율 및/또는 상기 연료 대 희석제 비율을 조정함에 의해 변화되는 연료 화학들로 이용될 수 있다. 이는 투입된 스트림들 내의 비율들을 변화시키거나 및/또는 상기 희석제 스트림(255c) 내의 상기 연소 챔버(270)로 직접 첨가되는 희석제의 양을 변화시켜 구현될 수 있다. 상기 연소 반응은 상기 희석 구간(273) 내에서 균일한 온도 범위(예를 들어, 약 600℃ 내지 약 1,500℃, 약 800℃ 내지 약 1,400℃, 또는 약 900℃ 내지 약 1,200℃) 부근까지 냉각되는 연소기 배출 스트림(exhaust stream)(299)을 형성하도록 상기 반응 구간 내의 실질적으로 균일한 온도 범위(예를 들어, 약 1,200℃ 내지 약 3,000℃, 약 1,400℃ 내지 약 2,800℃, 또는 약 1,600℃ 내지 약 2,400℃)에서 완료될 수 있다. 상기 연소기(216)는 바람직하게는 완료된 연소로 잘 혼합된 터빈 유입 흐름들을 생성하기 위해 요구되는 발열 속도, 유량들 및 체류 시간들을 수용하도록 크기가 조절되며, 상기 연소기 배출은 이산화탄소를 풍부하게 포함한다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 상기 제1 스테이지 산화제 인젝터(285a)는 라인(204)으로부터의 상기 산화제의 제1 부분(선택적으로 라인(255b)으로부터의 희석제를 포함함)을 스윌러 장치(swirler device)를 통해 상기 연소 챔버(270)의 반응 구간(271) 내로 도입하도록 구성될 수 있다. 도 2에 도시한 예시적인 실시예들에서, 스윌 플레이트(swirl plate)(286)가 상기 산화제 인젝터(285)와 함께 포함될 수 있으며, 바람직하게는 상기 연소 챔버(270) 내로 상기 산화제 인젝터의 유출구에 위치한다. 상기 스윌 플레이트(286)는 상기 연료 노즐(280)이 이를 통해 연장될 수 있는 중심 오리피스(286a)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 비록 상대적인 치수들은 원할 경우에 상기 연료 노즐 및 상기 스윌 플레이트 사이에 제공될 수 있는 밀폐 장치와 같은 추가 구성 요소들을 수용하기 위해 필요에 따라 변화될 수 있지만, 상기 중심 오리피스(286a)는 상기 연료 노즐(280)의 외측 직경과 실질적으로 동일한 내측 직경을 가질 수 있다. 상기 스윌 플레이트(286)는 복수의 산화제 벤트(286b)들-즉, 상기 산화제 인젝터(285)로부터의 산화제 흐름이 이를 통과하게 하는 상기 스윌 플레이트 내의 개구들을 더 포함한다. 도시된 바와 같이, 상기 스윌 플레이트(286)를 포함함에 의해, 상기 제1 스테이지 산화제 인젝터(285a)는 상기 연료 노즐(280)을 실질적으로 둘러쌀 수 있으며, 이에 따라 산화제 투입을 위한 복수의 개구들-예를 들어, 적어도 2, 적어도 3, 적어도 4, 적어도 5, 적어도 6, 또는 보다 많은 개구들(2 내지 20, 3 내지 16, 또는 4 내지 12의 개구들과 같이)을 한정할 수 있다. 상기 스윌 플레이트(286) 내의 산화제 벤트들(286b)은 바람직하게는 축에 대한 각도로 상기 산화제를 상기 연소 챔버(270) 내로 향하게 하도록 경사지게 배열된다. 일부 실시예들에서, 각도 배치는 원하는 선회 숫자(swirl number)를 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 산화제 벤트들(286b)은 약 20도 내지 약 85도, 약 30도 내지 약 80도, 약 40도 내지 약 75도, 또는 약 50도 내지 약 70도의 범위 내에서 축에 대한 각도로 산화제를 상기 연소 챔버 내로 안내하도록 경사지게 배열될 수 있다. 상기 각도 배열은 약 1 내지 약 10, 약 1.1 내지 약 5, 또는 약 1.2 내지 약 2의 유효 선회 숫자를 제공하도록 구성될 수 있다.
상기 제1 스테이지 산화제 인젝터(285a) 내에 활용되는 상기 스윌러 장치는 바람직하게는 불꽃을 안정화시키는 와류 붕괴를 유도하고 혼합을 향상시키도록 중심축에 대한 상기 반응 구간(271) 내의 재순환을 생성하기 위해 상기 연료와 상기 산화제의 혼합을 제공하도록 구성된다. 상기 제2 스테이지 산화제 인젝터(285b)는 상기 연소기 라이너(260)를 통해 상기 연소 챔버(270) 내로 상기 산화제의 제2 부분(선택적으로 산화제를 포함함)을 도입하도록 구성될 수 있다. 상기 제2 스테이지 산화제 인젝터(285b)를 통한 상기 산화제의 투입은 바람직하게는 상기 제1 스테이지 산화제 인젝터(285a)의 다운스트림에 제공되지만, 여전히 상기 산화제를 상기 연소 챔버(270)의 반응 구간(271)(즉, 상기 희석 구간(273)으로부터 업스트림) 내로 도입하도록 위치한다. 상기 제2 스테이지 산화제 인젝터(285b)는 연소에 의해 생성되는 불꽃을 안정화시키고, 상기 희석 구간(273)으로부터 업스트림에서 상기 연료와 상기 산화제의 추가적인 혼합을 제공하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 스테이지 산화제 인젝터(285a) 및 상기 제2 스테이지 산화제 인젝터(285b)를 통한 상기 산화제(선택적으로 희석제를 포함)의 질량 유량은 변화될 수 있으며, 상기 연료 화학의 변화에 상응하여 조정될 수 있다. 상기 제1 스테이지 산화제 인젝터(285a) 대 상기 제2 스테이지 산화제 인젝터(285b)의 질량 유량 비율은 약 0.1 내지 약 8, 약 0.25 내지 약 5, 약 0.5 내지 약 2, 또는 약 0.75 내지 약 1.5가 될 수 있다. 상기 제1 스테이지 산화제 인젝터(285a) 대 상기 제2 스테이지 산화제 인젝터(285b)의 질량 비율은 효율적인 연료/산화제 혼합 및 상기 연료, 산화제 및 희석제 연료 혼합물의 완전한 연료 연소를 제공하도록 변경될 수 있다.
본 발명에서 개시되는 주제의 많은 변형들과 다른 실시예들은 앞서의 설명들 및 관련 도면들에서 제시된 교시들의 이점들을 가지는 것으로 본 발명이 속하는 해당 기술 분야의 숙련자에게 이해될 것이다. 이에 따라, 본 발명이 개시된 특정한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 변형들과 다른 실시예들도 특허청구범위의 범주 내에 속하도록 의도되는 점이 이해될 것이다. 비록 특정 용어들이 여기에 사용되지만, 이들 용어들은 일반적이고 서술적인 의미로만 사용되며, 제한적인 목적으로 사용되는 것은 아니다.

Claims (12)

  1. 동력 생산 플랜트에 있어서,
    고체 연료를 수용하고, 기체 연료를 제공하도록 구성되는 가스화 장치;
    상기 기체 연료, 산화제 및 희석제를 수용하고, 연소기 배출 스트림을 생성하도록 구성되는 연소기; 및
    상기 연소기 배출 스트림을 수용하도록 구성되는 터빈을 포함하며,
    상기 연소기는 외측 케이싱 및 반응 구간과 희석 구간을 가지는 연소 챔버를 내부에 한정하는 연소기 라이너(combustor liner)를 포함하고,
    상기 연소기는 상기 반응 구간으로부터 업스트림(upstream)에서 하나 또는 그 이상의 인젝터(injector)들을 통해 연료, 산화제의 제1 부분 및 희석제의 제1 부분을 상기 연소기 내로 수용하도록 구성되며,
    상기 연소기는 상기 산화제의 제2 부분을 상기 하나 또는 그 이상의 인젝터들로부터 다운스트림(downstream)에서 상기 반응 구간 내로 수용하도록 구성되고.
    상기 연소기는 상기 희석제의 제2 부분을 상기 반응 구간으로부터 다운스트림에서 상기 희석 구간 내로 수용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 동력 생산 플랜트.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연소기 라이너는 상기 연소기 라이너의 외측 표면에 체결되는 복수의 길이 방향으로 연장되는 보강 리브 부재(reinforcing rib member)들을 포함하며, 인접하는 보강 리브 부재들 사이의 상기 연소기 라이너의 외측 표면의 적어도 일부는 상기 산화제의 제2 부분의 흐름 또는 상기 희석제의 제2 부분의 흐름을 수용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 동력 생산 플랜트.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 연소기 라이너의 외측 표면 및 상기 복수의 보강 리브 부재들에 대해 연장되는 슬리브 부재(sleeve member)를 더 포함하고, 상기 슬리브 부재는 상기 연소기 라이너의 외측 표면에 대해 복수의 길이 방향으로 연장되는 냉각 채널들을 한정하도록 적어도 상기 보강 리브 부재들과 협력하는 것을 특징으로 하는 동력 생산 플랜트.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 연소기 라이너는 내부에 한정되고, 상기 연소 챔버 내로의 상기 산화제의 제2 부분의 통과를 위해 적용되는 하나 또는 그 이상의 개구들을 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 생산 플랜트.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 연소기 라이너는 내부에 한정되고, 상기 연소 챔버 내로의 상기 희석제의 제2 부분의 통과를 위해 적용되는 하나 또는 그 이상의 개구들을 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 생산 플랜트.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 연소기 라이너는 제1의 내부 라이너 및 제2의 외부 라이너를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 생산 플랜트.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 내부 라이너 및 상기 외부 라이너는 그 사이에 공간을 한정하기 위해 이격되며, 상기 공간은 상기 희석제의 통과를 위해 적용되는 것을 특징으로 하는 동력 생산 플랜트.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 인젝터들은 상기 산화제의 제1 부분을 상기 연소 챔버 내로 도입하도록 배열되는 제1 스테이지 산화제 인젝터를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 생산 플랜트.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제1 스테이지 산화제 인젝터는 상기 산화제의 제1 부분을 축에 대한 각도로 상기 연소 챔버 내로 향하게 하도록 구성되는 스윌러 장치(swirler device)를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 생산 플랜트.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 스윌러 장치는 상기 산화제를 축에 대해 약 20도 내지 약 85도의 각도로 상기 연소 챔버 내로 향하게 하도록 구성되는 복수의 경사진 산화제 벤트(oxidant vent)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 생산 플랜트.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 제1 스테이지 산화제 인젝터는 연료 노즐에 의한 체결을 위해 구성되는 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 생산 플랜트.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 연소기는 길이 방향으로 연장되는 부분을 가지는 벽을 포함하고, 상기 벽은 상기 연소기 라이너 및 상기 외측 케이싱 사이에 위치하며, 상기 벽은 상기 산화제의 제2 부분만이 상기 연소기 라이너의 업스트림 부분을 따라 흐르게 하고, 상기 희석제의 제2 부분만이 상기 연소기 라이너의 다운스트림 부분을 따라 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 동력 생산 플랜트.
KR1020227039493A 2017-03-07 2018-01-12 고체 연료들 및 그 파생물들의 연소를 위한 시스템 및 방법 KR102554955B1 (ko)

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