KR20240089524A - 열화학적 열에너지의 연속 생성을 위한 유동층 반응기 및 대응하는 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하기의 반응 중 하나를 이용하여 열화학적 열에너지의 연속 생성을 위한 유동층 반응기 (1) 에 관한 것으로서:
1) 원소 형태의, 알칼리 토금속 또는 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 으로 이루어진 군으로부터의 금속들 중 하나의 고체 입자들 + 스팀, 공기 또는 산소와 같은 가스 또는 증기 형태의 산화제, 또는
2) 수산화물을 얻기 위해, 산화된 형태의, 알칼리 토금속 또는 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 으로 이루어진 군으로부터의 금속들 중 하나의 고체 입자들 + 가스 또는 증기 형태의 수화 화합물
상기 반응기 (1) 는:
- 반응기 챔버 (10),
- 상기 반응기 (1) 내로 상기 고체 입자들을 공급하기 위해, 반응기 챔버 (10) 의 제 1 단부에 배열된 입구 (2) 를 포함하며,
- 반응기 챔버 (10) 내부에는 유동화 단계들 (3) 의 배열체가 배열되고, 유동화 단계들 (3) 각각은 반응을 개시하고 진행하기 위해, 반응성 유동화제로 고체 입자들을 유동화하기 위한 다수의 노즐들 (32) 을 포함하고,
-유동화 단계들 (3) 에는 반응으로부터 방출된 열을 선택적으로 회수하기 위한 하나 이상의 열교환기들 (4) 이 제공되며,
- 반응 재료의 배출을 위해 반응기 챔버 (10) 의 제 1 단부에 대한 대향 단부에 출구 (5) 가 배열된다. 본 발명은 또한 대응하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
1) 원소 형태의, 알칼리 토금속 또는 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 으로 이루어진 군으로부터의 금속들 중 하나의 고체 입자들 + 스팀, 공기 또는 산소와 같은 가스 또는 증기 형태의 산화제, 또는
2) 수산화물을 얻기 위해, 산화된 형태의, 알칼리 토금속 또는 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 으로 이루어진 군으로부터의 금속들 중 하나의 고체 입자들 + 가스 또는 증기 형태의 수화 화합물
상기 반응기 (1) 는:
- 반응기 챔버 (10),
- 상기 반응기 (1) 내로 상기 고체 입자들을 공급하기 위해, 반응기 챔버 (10) 의 제 1 단부에 배열된 입구 (2) 를 포함하며,
- 반응기 챔버 (10) 내부에는 유동화 단계들 (3) 의 배열체가 배열되고, 유동화 단계들 (3) 각각은 반응을 개시하고 진행하기 위해, 반응성 유동화제로 고체 입자들을 유동화하기 위한 다수의 노즐들 (32) 을 포함하고,
-유동화 단계들 (3) 에는 반응으로부터 방출된 열을 선택적으로 회수하기 위한 하나 이상의 열교환기들 (4) 이 제공되며,
- 반응 재료의 배출을 위해 반응기 챔버 (10) 의 제 1 단부에 대한 대향 단부에 출구 (5) 가 배열된다. 본 발명은 또한 대응하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 열화학적 열에너지의 연속 생성을 위한 유동층 반응기에 관한 것이다. 바람직한 실시형태에 따르면, 산화칼슘 + 스팀 -> 수산화칼슘 (Ca(OH)2) 의 반응으로부터 고체 입자를 이용한다.
본 발명은, 유리하게는, 산화칼슘 (CaO) + 가스상 (스팀) 의 물 (H2O) -> 수산화칼슘 (Ca(OH)2) 의 반응으로부터 열화학적 열에너지의 연속 생성을 위한 대응하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 반응 및 이의 역반응에 기반하여 열에너지를 저장 및 방출하기 위한 대응하는 시스템에 관한 것이다.
화석 연료는 편리하고 널리 이용가능한 에너지원이었지만 환경적 측면으로 인해 대체 연료 및 에너지 생산에 대한 관심이 높아졌다. 따라서, 높은 에너지 밀도를 갖는 저탄소 에너지 운반체를 갖는 연료는, 전기 및 열적 동력 생성을 위한, 운반 선단 (transportation fleets) 을 통전하기 위한, 그리고 글로벌 에너지 교역을 위한, 화석 연료의 다수의 필수불가결한 역할을 대체하는 대안인 것으로 밝혀졌다. 물과의 CaO 와 같은 가역적인 발열 반응은 고온 열적 에너지 저장을 위한 가장 유망한 반응 중 하나로 여겨진다. 금속 연료는, 청정 에너지의 재활용가능한 운반체로서, 미래의 저탄소 경제에서 화석 연료의 유망한 대안이다. 금속은 높은 에너지 밀도를 가지며, 따라서 금속은 많은 배터리, 에너지 재료 및 추진제 내의 연료이다. 금속 연료는 공기와 함께 연소하거나 물과 반응하여 동력 생성 규모의 범위에서 화학 에너지를 방출할 수 있다. 금속-산화물 연소 생성물은, 청정 에너지에 의해 통전되는 제로-탄소 전기분해 공정을 이용하여 포획된 후 재순환될 수 있는 고체여서, 금속이 재활용가능한 제로-탄소 태양 연료 또는 전기 연료로서 사용될 수 있게 한다. 금속 연료의 증가된 사용에 대한 핵심 기술적 장벽은, 금속 연료 내의 화학 에너지를 원동력 또는 전력 (에너지) 으로 변환하기 위한 청정하고 효율적인 연소기/반응기/엔진 기술들의 현재의 부족이다.
WO 2021/105467 은 에너지 저장 재료를 갖는 유동층 장치를 포함하는 에너지 저장을 위한 시스템을 개시한다. 에너지 저장 재료는 CaO, Ca(OH)2, CaCO3, MgO, Mg(OH)2, MgCO3, BaO, Ba(OH)2, BaCO3 및 MgH2 와 같은 금속 수소화물로부터 선택된 적어도 하나를 포함한다. 일 실시형태에서, 유동층 장치는 적어도 하나의 천공된 분리기를 포함하고, 천공된 분리기는 유동층 장치 내에 하나 초과의 유동화 격실들을 생성한다. 이는 유동층 장치 내에 복수의 유동화 구역들을 생성한다. 이러한 설정은 상이한 구역들에서 상이한 조건들을 가질 가능성을 제공한다. 천공된 분리기는 적어도 부분적으로 유공성 (foraminous) 이다. 천공된 분리기는 일 실시형태에서 상부 및 하부 유동화 구역이 생성되도록 수평으로 배열된다. 다른 실시형태에서, 여러 개의 천공된 분리기들은 복수의 유동화 구역을 생성하도록 배열된다. 천공된 분리기는 조건이 상이하게 유지될 수 있는 여러 개의 유동화 구역들을 생성할 수 있는 이점을 갖는다. 예를 들어, 온도는 상이할 수 있다. 예를 들어, 제 1 예열에 이어서 더 높은 온도로 제 2 가열하는 경우 공정이 더 효율적으로 이루어질 수 있다. 가압 유체의 도입을 위한 디바이스들은 본 공개에 도시되지 않았다.
본 발명의 목적은, 선행 기술의 해결책에 비하여 성능이 크게 향상되고, 특히 반응기 사용시 신뢰가능한 작동, 가동성, 수율 및 효율 측면에서 성능이 향상된, 열화학적 열에너지 생성을 위한 개선된 유동층 반응기를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 반응이 균일한 방식으로 발생할 수 있는 산업 규모 반응기를 달성하는 것이다. 본 발명의 목적은 알칼리 토금속 또는 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 으로 이루어진 군으로부터의 금속 중 하나의 고체 입자들을 위한 개선된 유동층 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 독립항들에서 그리고 본 발명의 상이한 실시형태들의 보다 상세들을 설명하는 다른 청구항들에 개시된 바와 같이 실질적으로 충족될 수 있다.
일 실시형태에 따라서, 하기의 반응 중 하나를 이용하여 열화학적 열에너지의 연속 생성을 위한 유동층 반응기가 제공되고,
1) 원소 형태의, 알칼리 토금속 또는 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 으로 이루어진 군으로부터의 금속들 중 하나의 고체 입자들 + 스팀 또는 산소-함유 가스 또는 증기와 같은 가스 또는 증기 형태의 산화제, 또는
2) 수산화물을 얻기 위해, 산화된 형태의, 알칼리 토금속 또는 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 으로 이루어진 군으로부터의 금속들 중 하나의 고체 입자들 + 가스 또는 증기 형태의 수화 화합물,
상기 반응기는:
- 반응기 챔버,
- 상기 반응기 내로 상기 고체 입자들을 공급하기 위해, 상기 반응기 챔버의 제 1 단부에 배열된 입구를 포함하며,
- 상기 반응기 챔버 내부에는 유동화 단계들의 배열체가 배열되고, 상기 유동화 단계들 각각은 반응을 개시하고 진행하기 위해, 반응성 유동화제, 산화제 또는 수화 화합물로 고체 입자들을 유동화하기 위한 다수의 노즐들을 포함하고,
- 유동화 단계들에는 반응으로부터 방출된 열을 선택적으로 회수하기 위한 하나 이상의 열교환기들이 제공되며,
- 반응 재료의 배출을 위해 상기 반응기 챔버의 제 1 단부에 대한 대향 단부에 출구가 배열된다.
일 실시형태에 따라서, 하기의 반응 중 하나를 이용하여 열화학적 열에너지의 연속 생성을 위한 방법이 제공되고,
1) 원소 형태의, 알칼리 토금속 또는 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 으로 이루어진 군으로부터의 금속들 중 하나의 고체 입자들 + 스팀 또는 산소-함유 가스 또는 증기와 같은 가스 또는 증기 형태의 산화제, 또는
2) 수산화물을 얻기 위해, 산화된 형태의, 알칼리 토금속 또는 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 으로 이루어진 군으로부터의 금속들 중 하나의 고체 입자들 + 가스 또는 증기 형태의 수화 화합물,
상기 방법은,
- 반응기 챔버의 제 1 단부에서 고체 입자들의 공급원료를 반응기 챔버로 공급하는 단계,
- 반응을 개시하기 위해 제 1 유동화 단계의 유동화 제트로 상기 고체 입자를 유동화시키는 단계,
- 발생된 열을 상기 반응기 챔버 내의 열교환기로 전달하는 단계,
- 상기 반응기 챔버의 제 1 단부로부터의 공급원료의 공급을 계속하면 공급원료/부분적으로 반응된 재료-혼합물을 결과적인 유동화 단계로 강제 이동시키도록 하고, 여기서 유동화 제트로 혼합물의 유동화는 계속되고 방출된 열은 상기 유동화 단계에서 열교환기에 의해 전달되며, 유동화가 계속됨에 따라, 혼합물 조성물은 더 많은 최종 재료로 전환되고, 마지막 유동화 단계 이후에, 상기 혼합물은 단지 적은 비율의 공급원료를 함유하고, 반응의 수율은 상기 유동화 단계의 각각에서 유동화 스트림 온도, 포화 및 유속으로 제어되는 단계,
- 상기 반응 재료는 출구를 통해 상기 반응기 챔버로부터 제거되는 단계
를 포함한다.
명료화를 위해, 용어 반응 재료는 출구를 통해 반응 챔버로부터 제거될 최종 재료, 즉 반응 생성물을 지칭한다. 예를 들어, 산화칼슘 (CaO) + 가스 상태, 즉 스팀의 물 (H2O) 의 반응의 경우, 반응 재료는 수산화칼슘 (Ca(OH)2) 이다.
일 실시형태에 따르면, 개시된 금속들 중 하나가 반응기 챔버 내로 도입되는 고체 입자들로서 사용될 때 그리고 유동화 작용제가 산소-함유 가스일 때, 반응기 챔버 내에서 가연성 조건이 발생한다. 일반적으로, 단계화된 유동화 반응기 챔버와 함께 금속 분말을 이용하는 것은 금속이 산화될 때 가연성 환경을 형성할 것이다.
상기 개시된 일반적인 반응, 반응기 및 방법이 몇몇 고체 입자 또는 분말 재료들에 적합하기 때문에, 본 발명은 여기에서 바람직한 실시형태들 중 하나와 관련하여 보다 상세하게 설명되며, 반응은 산화칼슘 (CaO) + 가스상, 즉 스팀의 물 (H2O) -> 수산화칼슘 (Ca(OH)2) 이며, 이는 이러한 목적을 위한 가장 경제적으로 실행가능한 대안들 중 하나이기 때문이다. 다른 바람직한 실시형태는 마그네슘을 갖고: MgO + H2O → Mg(OH)2 이고, 개시된 다른 재료: 리튬 (Li), 붕소 (B), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe), 및 아연 (Zn) 이 또한 사용될 수 있다. 하기 개시에서, CaO/Ca(OH)2 의 반응을 사용하는 것으로 공정이 개시되더라도, 방법 및 반응기는 개시된 다른 재료들: 알칼리 토금속 또는 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 으로 구성된 군으로부터 선택된 금속들 중 하나에 또한 직접적으로 적용가능하다.
일 실시형태에 따르면, 고체 입자 크기는 1-1000 ㎛ 또는 1-500 ㎛ 또는 100-300 ㎛ 의 범위일 수 있다. 고체 입자 크기는 반응 자체와 입자들의 유동성에 모두 영향을 끼치며, 입자 크기가 작을수록 반응성과 유동성이 빠르다. 원하는 제어성을 얻기 위해, 입자 크기는 필요 및 실제 작동 조건에 따라 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 반응성 유동화제, 산화제 또는 수화 화합물을 도입하는 것 이외에 비-반응성 유동화제를 반응기에 도입할 수 있다. 비-반응성 유동화제는 이 경우에 반응에 참여하지 않을 것임을 의미한다. 유리하게는, 비-반응성 유동화제는 입자들의 분포를 개선시킬 수 있고, 따라서 화학적으로 참여하지 않으면서 반응을 촉진할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 산화칼슘 (CaO) + 가스상 (스팀) 의 물 (H2O) -> 수산화칼슘 (Ca(OH)2) 의 경우에, 스팀은 반응성 유동화제이고, 비-반응성 유동화제로서 공기 및/또는 산소-함유 가스가 반응기 챔버 내로 도입될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 비-반응성 유동화제는 반응성 유동화제와 동일한 수직 레벨로 도입될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 반응기에는, 동일한 노즐들을 통해 반응성 유동화제 및 비-반응성 유동화제의 혼합물을 상기 반응기 챔버 내로 도입하기 위한 노즐들이 제공되거나, 상기 반응기에 반응성 유동화제 및 비-반응성 유동화제를 위한 별도의 노즐들이 제공된다. 따라서, 반응성 유동화제 및 비-반응성 유동화제의 혼합물은 반응성 유동화제와 동일한 노즐들을 통해 노즐들을 통해 챔버 내로 도입되거나, 반응기에는 반응성 유동화제 및 비-반응성 유동화제를 위한 별개의 노즐들이 제공된다. 여기서, 노즐은 노즐에 걸쳐 실질적으로 한 방향의 유동을 생성하는 디바이스를 의미한다. 따라서, 유동화 노즐들 각각은 반응성 유동화제의 공급원과 유체 연통하도록 배열되어, 반응성 유동화제가 노즐들을 통해, 바람직하게는 각각의 레벨에서 독립적으로 도입될 것이다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 특히 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 고체 입자들로 이루어진 군으로부터의 금속들 중 하나의 경우, 비활성 가스와 같은 비-반응성 유동화제가 반응기 챔버 내로 도입될 수 있다.
실시형태에 따르면, CaO 가 도입되고 유동화 작용제가 스팀일 때, 수산화칼슘이 형성되고 연소가 일어나지 않는다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 산화칼슘 (CaO) + 가스상 (스팀) 의 물 (H2O) -> 수산화칼슘 (Ca(OH)2) 의 반응으로부터의 고체 입자들을 이용하여 열화학적 열에너지의 연속 생성을 위한 유동층 반응기가 제공되고,
상기 반응기는:
- 반응기 챔버,
- CaO 의 고체 입자들을 상기 반응기 내로 공급하기 위해, 상기 반응기 챔버의 제 1 단부에 배열된 입구를 포함하고,
- 상기 반응기 챔버 내부에 유동화 단계들의 배열체가 배열되며, 유동화 단계들의 각각은 반응을 개시하고 진행하기 위해서 CaO 를 스팀으로 유동화하기 위한 다수의 스팀 노즐들을 포함하고,
- 유동화 단계들에는 반응에서 고체 재료로부터 방출된 열을 선택적으로 회수하기 위한 하나 이상의 열교환기가 제공되고,
- Ca(OH)2) 의 배출을 위해 반응기 챔버 (10) 의 제 1 단부에 대한 대향 단부에 출구가 배열된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 산화칼슘 (CaO) + 가스상 (스팀) 의 물 (H2O) -> 수산화칼슘 (Ca(OH)2) 의 반응으로부터 열화학적 열에너지의 연속 생성을 위한 방법으로서,
- 반응기 챔버의 제 1 단부에서 상기 반응기 챔버로 CaO 의 고체 입자들을 공급하는 단계,
- 반응을 개시하기 위해 제 1 유동화 단계의 스팀 제트로 CaO 를 유동화하는 단계,
- 발생된 열이 상기 반응기 챔버에서 열교환기로 전달되는 단계,
- 상기 반응기 챔버의 제 1 단부로부터 CaO 의 공급원료의 공급을 계속하면 부분적으로 반응된 CaO/Ca(OH)2-결과적인 유동화 단계로 강제 이동시키고, 여기서 유동화 제트로 혼합물의 유동화는 계속되고 방출된 열은 상기 유동화 단계에서 열교환기들에 의해 전달되며, 유동화가 계속됨에 따라, CaO/Ca(OH)2-혼합물 조성물은 더 많은 Ca(OH)2 로 전환되고, 마지막 유동화 단계 이후에, 상기 혼합물은 단지 적은 비율의 CaO 를 가진 Ca(OH)2 를 함유하고, 반응의 수율은 상기 유동화 단계의 각각에서 스트림 온도, 포화 및 유속으로 제어되는 단계,
- 상기 반응 생성물 Ca(OH)2 은 출구를 통해 상기 반응기 챔버로부터 제거되는 단계
를 포함한다.
이는 열화학적 열에너지가 공급원료로부터 효율적으로 방출되고 반응 생성물이 여전히 건조 입자 또는 분말 형태이므로, 저장이 용이하고 초기 재료, 원소 형태의 알칼리 토금속 또는 금속, 또는 산화 형태의 알칼리 토금속 또는 금속, 예컨대 Ca(OH)2 -> CaO 로 다시 역반응에서 재생이 비교적 간단하다는 효과를 제공한다. 따라서, 열화학적 열에너지를 연속적으로 발생시키는 반응기, 방법 및 시스템의 성능이 크게 향상된다. 본 발명은 반응기 내부에서 하부에서 상부로 고체 입자들의 적절한 유동화 속도 및 분산을 보장한다. 온도의 반응은 평형 곡선 아래의 스팀 분압의 함수이다: 예를 들어, 100 kPa (1 bar) 에서 평형 온도는 약 520℃ 이고 온도가 520℃ 를 초과하면 반응은 탈수로 변한다. 본 반응기의 하나의 이점은, 반응이 반응기 내에서 균일하게 일어날 수 있기 때문에, 열교환기에 의한 열 회수가 향상된다는 것이다.
반응기 챔버 내부의 실시형태에 따르면, 유동화 단계들의 배열체가 배열되고, 여기서 유동화 단계들의 각각은 반응을 개시하고 진행하기 위해 스팀으로 CaO 를 유동화하기 위한 다수의 스팀 노즐들을 포함한다. 효율적인 열화학 공정이 여러 단계들로 수행되어 최대의 효율과 수율을 갖는 것이 더 좋다는 것이 주목된다. 그러나, 산화칼슘 및 이후의 산화칼슘/수산화칼슘의 혼합물의 특성은 유동화 특성이 상이한 방식으로 공정/반응 동안 변한다. 따라서, 반응기 챔버의 제 1 단부로부터 CaO 의 공급원료의 공급을 계속하면, 부분적으로 반응된 CaO/Ca(OH)2-혼합물을 결과적인 유동화 단계로 강제 이동시키고, 여기서 스팀 제트로 혼합물의 유동화가 계속되고 방출된 열이 그 유동화 단계에서 열교환기에 의해 전달되고, 유동화가 계속됨에 따라, CaO/Ca(OH)2-혼합물 조성물은 더 많은 Ca(OH)2 로 전환되고, 마지막 유동화 단계 후에 혼합물은 단지 적은 비율의 CaO 를 갖는 Ca(OH)2 를 함유한다. 일 실시형태에 따르면, 유동화 단계들은 반응기 챔버 내에서 CaO/Ca(OH)2 의 효율적인 유동 및 반응이 가능하도록 하나의 격실 내에 구성된다. 선행 기술 문헌 WO 2021/105467 에는, 수직 방향으로 분할된 유공성 또는 천공 분리기들에 의해 분리된 여러 격실들에서 반응이 수행되는 것이 개시되어 있다. 이론적으로, 격실들은 또한 수평 방향으로 배열될 수 있다. 그러나, 선행 기술 문헌에서, 실시예들은 실험실 규모로 제시되며, 반응기 체적은 약 600 ml 이다. 본 발명이 산업 크기 작동 및 메가와트 전력 용량을 위해 의도됨에 따라, 반응기 체적은 입방 미터에서 수백 입방 미터로 카운트될 것이고, 본 발명자는 분리기에서 잠재적인 막힘 문제가 있을 수 있다는 것을 발견하였고, 분리기 또는 격실이 필요하지 않는 방식으로 반응기를 유선형화 (streamline) 하는 것이 더 나을 것이다. 이는 막힘으로 반응기의 정지를 필요로 하고 막힘 재료가 제거될 때까지 며칠 동안 그것을 냉각시키기 때문에 연속 사용 중인 반응기의 가동 및 작동에 상당한 영향을 미친다.
본 발명의 실시형태들에 따르면, 반응기 챔버에는 유동화 단계들 사이의 분할 벽들 및/또는 격실들 및/또는 천공된 분리기들이 없다. 반응기 챔버 내부에서 유동화 단계들의 배열체가 배열되고, 유동화 단계들 각각은 반응을 개시하고 진행하기 위해 반응성 유동화제로 고체 입자들을 유동화하기 위한 다수의 노즐들을 포함하는 특징의 효과는, 반응기가 유동화 단계들 사이의 분할 벽들 및/또는 천공된 플레이트들에 의해 분할된 격실들로부터 자유롭도록 설계될 수 있다는 것이다. 따라서, 열화학적 반응을 촉진하고 열을 회수하기 위해 전체 반응기 챔버를 유리하게 활용할 수 있다. 이는 또한 가능한 막힘 문제 또는 재료, 즉 공급 원료, 부분적으로 반응된 재료 또는 최종 생성물, 즉 반응 재료의 다른 축적을 방지한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 유동화 단계의 하나의 배열체는 제 1 유동화 단계를 형성하도록 반응기 챔버의 하부에 배열되고, 유동화 단계들의 다른 배열체들은 제 1 유동화 단계보다 높은 수직 레벨에 배열된다. 유리하게는, 유동화 단계들의 상이한 배열체들은 상이한 수직 레벨들에 배열될 수 있다. 수직으로 배열된 반응기 챔버 또는 반응기 챔버의 경사진 구성에서 상이한 레벨들의 단계들을 활용할 수 있다. 유리하게는, 상이한 유동화 단계들 또는 상이한 유동화 레벨들은 하기 상승작용 및/또는 이점을 제공할 수 있다: 입자들의 분포는 유동화에 의해 개선되는 한편, 공급원료 및 유동화 작용제로부터 동시에 반응에 참여하고 최종 재료를 형성하기 위한 매체로서 유동화 작용제를 사용할 것이다. 유동화 작용제는 최종 재료를 형성하는 반응에서 '소모' 및/또는 '포획' 될 수 있다. 공급원료 재료 (예를 들어, CaO) 는 형성된 최종 생성물 (예를 들어, Ca(OH)2) 과 상이한 밀도를 가질 수 있다는 것을 주목해야 한다. 더욱이, 유동화 작용제 (예를 들어, 스팀) 는 공급원료 및/또는 최종 생성물과 상이한 밀도를 가질 수 있다.
실시형태에 따르면, 반응기는 단면이 원형이고, 폭 또는 직경보다 큰 길이를 갖는다. 유동화 및 하기 반응은 효율적인 방식으로 수행될 수 있고, 길이는 반응기가 반응기 챔버에서 2 내지 5 개의 유동화 단계들, 바람직하게는 3 내지 4 개의 유동화 단계들을 포함할 수 있게 한다. 또한, 이는 공정 효율이 최적화되도록 할 수 있으며, 약 모든 입력 재료가 수산화칼슘에 반응되고 바이패스 (by-pass) 또는 스필오버 (spillover) 산화칼슘이 반응기의 출구로 흐르지 않는다.
일 실시형태에 따르면, 반응기는 반응기 챔버 내에서 서로에 관한 수직 위치로 구성된 입구 및 출구를 갖는 수직형이다. 바람직하게는, 수직 반응기 구성에서, 반응기의 수직 높이는 반응기의 수평 폭보다 크다. 이러한 수직형 구성에 의해, 제어 파라미터가 입력 공급 (질량 유동), 각 단계의 노즐들에서의 유동화 스팀 속도, 스팀 온도 및 포화 (물 함량) 이도록 재료 유동 및 동시 반응을 제어하는 것이 가능하다. 여전히 일 실시형태에 따르면, 스팀 온도는 점진적으로 증가되거나, 점진적으로 감소되거나, 또는 유동화 단계로부터 결과적인 유동화 단계까지 동일하게 유지될 수 있다. 일 실시형태에 따르면, 스팀 노즐에서의 스팀 속도는 유동화 단계로부터 결과적인 유동화 단계까지 점진적으로 감소하거나 증가할 수 있다. 노즐 크기들 및/또는 형상들은 유리한 유동화 및 반응을 제공하기 위해 유동화 단계 및/또는 유동화 단계들에서 변할 수 있다. 여전히 일 실시형태에 따르면, 반응기에는 과잉 유동화제의 배출을 위한 가스 배출 채널이 제공된다.
일 실시형태에 따르면, CaO + H2O -> Ca(OH)2 및 Ca(OH)2 + 열 -> CaO + H2O 반응에 기반한 열에너지를 저장 및 방출하기 위한 시스템이 제공되며, 시스템은 전술한 방법을 활용하기 위해 전술한 바와 같은 반응기를 포함하고, 시스템은 CaO 를 위한 저장소 및 Ca(OH)2 를 위한 저장소, 및 Ca(OH)2 를 CaO 로 다시 복귀시키는 공정을 위한 재생 반응기를 더 포함하고, 시스템은 필요할 때 열을 방출하고 이용가능할 때 열을 저장하는데 이용된다.
전술한 반응에서 발생한 열, 예를 들어 CaO + H2O -> Ca(OH)2, 및 열교환기들에 의해 회수된 열은, 예를 들어 지역 난방 및/또는 전기 발생에 활용될 수 있다. 유동화 단계들에는 반응으로부터 방출된 열을 선택적으로 회수하기 위한 하나 이상의 열교환기들이 제공된다. 이 용어 "선택적으로 회수" 는, 여기서 반응기 챔버 내의 위치들 각각에 대한 가장 효율적인 열 회수를 달성하기 위해, 열교환기들이 실제 설계 또는 작동 조건들에서 서로 상이할 수 있다는 것을 의미한다. 바람직하게는, 발생된 열의 일부는 스팀과 같은 유동화 작용제를 가열하기 위해 반응을 유지하는데 사용된다. 또한, 반응기 챔버내로 도입된 스팀은 반응기의 메인 스팀 라인으로부터 추출될 수 있다. 열교환기들을 배열하는 여러 가능한 방법들이 있다. 예를 들어, 상이한 열교환기들의 배열 순서는 다음과 같을 수 있다: 반응기 챔버 내의 제 1 열교환기가 가장 뜨거운 것일 가능성이 있기 때문에, 과열기, 증발기, 절탄기. 그 목적은 모든 실시형태들에서 출구에서의 반응 재료의 온도가 반응에서 발생된 모든 열이 열교환기들로 전달되도록 가능한 한 낮은 것이다.
유리하게는, 유동화 단계들로 인해, 반응기 챔버의 입구 측에서의 반응이 촉진될 수 있을 뿐만 아니라, 유동화로 입자들의 분포가 촉진될 수 있다. 유리하게는, 유동화 및/또는 입자 속도는, 예를 들어 유동화가 반응기 챔버의 바닥에서만 수행되는 경우에, 잠재적인 부식 문제를 방지할 수 있는 바람직한 레벨에서 및/또는 균일하게 유지될 수 있다. 노즐 크기들 및/또는 형상들은 유리한 유동화 및 반응을 제공하기 위해 유동화 단계 및/또는 유동화 단계들에서 변할 수 있다. 단계적 유동화에 의해, 반응기 체적은 유리하게는 에너지 방출에서 높은 강도를 달성하도록 최적화될 수 있다.
본 특허 출원에 개시된 본 발명의 예시적인 실시형태들은 첨부된 청구범위의 적용가능성을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 동사 "포함하기 위한" 은 또한 인용되지 않은 특징들의 존재를 배재하지 않도록 개방된 제한으로서 본 특허 출원에 사용된다. 종속항들에 인용된 특징들은 달리 명시하지 않는 한 상호 자유롭게 조합가능하다. 본 발명의 특징으로서 고려되는 새로운 특징들은 특히 첨부된 청구항들에 개시된다.
이하에서, 첨부된 예시적인 개략적인 도면을 참고하여 본 발명을 설명한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반응기를 도시한다.
도 2a 및 도 2b 는 본 발명의 실시형태들에 따른 단면 노즐 구성들을 도시한다.
도 3 은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 반응기를 도시한다.
도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 시스템을 도시한다.
도 5 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 반응기를 도시한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반응기를 도시한다.
도 2a 및 도 2b 는 본 발명의 실시형태들에 따른 단면 노즐 구성들을 도시한다.
도 3 은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 반응기를 도시한다.
도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 시스템을 도시한다.
도 5 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 반응기를 도시한다.
도 1 은 하기의 반응 중 하나를 이용하여 열화학적 열에너지의 연속 생성을 위한 유동층 반응기 (1) 를 개략적으로 도시한다:
1) 원소 형태의, 알칼리 토금속 또는 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 으로 이루어진 군으로부터의 금속들 중 하나의 고체 입자들 + 스팀, 공기 또는 산소와 같은 가스 또는 증기 형태의 산화제, 또는
2) 수산화물을 얻기 위해, 산화된 형태의, 알칼리 토금속 또는 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 으로 이루어진 군으로부터의 금속들 중 하나의 고체 입자들 + 가스 또는 증기 형태의 수화 화합물
상기 반응기 (1) 는:
- 반응기 챔버 (10),
- 상기 반응기 (1) 내로 상기 고체 입자들을 공급하기 위해, 반응기 챔버 (10) 의 제 1 단부에 배열된 입구 (2) 를 포함하며,
- 반응기 챔버 (10) 내부에는 유동화 단계들 (3) 의 배열체가 배열되고, 유동화 단계들 (3) 각각은 반응을 개시하고 진행하기 위해, 반응성 유동화제, 산화제 또는 수화 화합물로 고체 입자들을 유동화하기 위한 다수의 노즐들 (32) 을 포함하고,
-유동화 단계들 (3) 에는 반응으로부터 방출된 열을 선택적으로 회수하기 위한 하나 이상의 열교환기들 (4) 이 제공되며,
- 반응 재료의 배출을 위해 반응기 챔버 (10) 의 제 1 단부에 대한 대향 단부에 출구 (5) 가 배열된다.
즉, 상기 반응성 유동화제는 고체 입자들을 반응성 유동화제와 유동화시키기 위해 유동화 단계들 (3) 각각의 노즐들 (32) 을 통해 도입된다. 고체 입자들을 유동화하기 위해 반응 유동화물을 공급하는 다수의 노즐들이 도시되어 있다. 따라서, 도 1 에서 상이한 레벨들의 노즐들을 통해 반응성 유동화제를 상이한 수직 레벨들로 도입하는 것이 가능하게 된다. 반응성 유동화제를 공급하는 것 이외에, 동일한 노즐들로부터의 비반응성 유동화제 또는 동일한 노즐들로부터의 반응성 및 비반응성 유동화제의 혼합물을 공급하는 것도 가능할 수 있다. 따라서, 각각의 유동화 단계 (3) 에서의 반응 뿐만 아니라 유동화가 유리하게 제어될 수 있다.
바람직한 실시형태에 따르면, 도 1 은 산화칼슘 (CaO) + 가스상 (스팀) 의 물 (H2O) -> 수산화칼슘 (Ca(OH)2) 의 반응으로부터의 고체 입자들을 이용하여 열화학적 열에너지의 연속 생성을 위한 유동층 반응기 (1) 를 개략적으로 도시하며,
상기 반응기 (1) 는:
- 반응기 챔버 (10),
- CaO 의 고체 입자들을 상기 반응기 (1) 내로 공급하기 위해, 상기 반응기 챔버 (10) 의 제 1 단부에 배열된 입구 (2) 를 포함하고,
- 상기 반응기 챔버 (10) 내부에 유동화 단계들 (3) 의 배열체가 배열되며, 유동화 단계들 (3) 의 각각은 반응을 개시하고 진행하기 위해서 CaO 를 스팀으로 유동화하기 위한 다수의 스팀 노즐들 (32) 을 포함하고,
- 유동화 단계들 (3) 에는 반응에서 고체 재료로부터 방출된 열을 선택적으로 회수하기 위한 하나 이상의 열교환기 (4) 가 제공되고,
- Ca(OH)2) 의 배출을 위해 반응기 챔버 (10) 의 제 1 단부에 대한 대향 단부에 출구 (5) 가 배열된다. 반응기 (1) 그 자체에 추가하여, 도 1 에는 공급원료 재료 CaO 가 저장소 (6) 에 저장되고, 그로부터 스크류 컨베이어 (도시되지 않고, 도 1 에 밸브 및 다른 기구도 도시되어 있지 않음) 와 같은 적절한 수단에 의해 반응기 (1) 로 공급되는 실시형태가 도시되어 있다. 반응기 (1) 이후에 반응 재료 또는 최종 재료는 저장소 (7) 로 유도된다. 반응기 (1) 는 반응기 챔버 (10) 내에서 서로에 관한 수직 위치로 구성된 입구 (2) 및 출구 (5) 를 갖는 수직형이다. 도 1 에 도시된 실시형태에 따르면, 반응기 챔버 (10) 의 상부에는 고체 입자 재료를 도입하기 위한 입구 (2) 가 배열되고, 반응기 챔버 (10) 의 하부에는 반응된 재료를 배출하기 위한 출구 (5) 가 입구 (2) 의 반대쪽 단부에 배열된다. 도 1 에는, 도 2a 또는 도 2b 에 개략적으로 도시된 바와 같이 적절한 패턴으로 구성된 노즐들 (32) 을 갖는 5 개의 유동화 단계들 (3) 의 배열체가 도시되어 있다. 상기 패턴은, 예를 들어 노즐들이 특정 간격으로 부착되는 파이프들 (31) 이 존재하도록 형성될 수 있다. 용어 유동화 단계들은, 서로 일정한 수직 거리 내에 배열된 유동화 레벨을 의미한다. 즉, 하나의 유동화 단계는 실질적으로 하나의 수직 레벨에서 반응성 유동화제를 도입하기 위한 노즐들 (32) 을 포함한다. 다시 말해, 반응성 유동화제는 고체 입자들을 유동화하고 반응에 참여하도록 노즐들 (32) 을 통해 도입될 것이다. 유동화 단계들 또는 레벨들 사이의 수직 거리는 동일하게 분포될 수 있으며, 이는 서로 간에 수직 방향으로 일정한 거리를 의미한다. 따라서, 반응기 챔버 내에서 고체 입자들이 하부에서 상부로의 적절한 유동화 속도 및 분산을 보장한다. 노즐들 (32) 의 크기 및/또는 형상은 유리한 유동화 및 반응을 제공하기 위해 유동화 단계 및/또는 유동화 단계들에서 변할 수 있다.
파이프들 (31) 은 스팀 또는 일부 다른 적절한 반응성 유동화제 또는 공기 또는 산소와 같은 유동화 작용제를 위한 매니폴드를 형성한다. 파이프들 (31) 단면은 몇 개의 바람직한 단면을 들자면 원형 단면 또는 직사각형 단면을 가질 수 있다. 도 1 에서, 열교환기들은 기본 구성, 각 유동화 단계 (3) 마다 배열된 하나의 열교환기 (4) 층으로 배열된다. 하지만, 열교환기들 (4) 의 개수가 유동화 단계들 (3) 의 개수보다 많거나 열교환기들 (4) 의 개수가 유동화 단계들 (3) 의 개수보다 적도록 변경할 수 있다. 하나의 열교환기 (4) 는 반응기 (1) 로부터 열을 전달하기 위해 열전달 매체 (물, 스팀, 일부 다른 유체) 를 위한 적어도 하나의 열교환기 입구 (41) 및 적어도 하나의 열교환기 출구 (42) 를 포함한다. 열교환기 입구 (41) 및 출구 (42) 는 적합한 방식으로 그룹화될 수 있고, 이들은 일 실시형태에서 일렬로 또는 병렬로 연결될 수 있고, 열교환기를 위한 유체의 기원은 임의의 적합한 공급원으로부터 유래될 수 있다. 또한, 열교환기로부터 가열된 유체에 대한 목표는 임의의 적합한 것일 수 있다. 열교환기들의 실제 구성은 반응기 또는 플랜트 설계의 문제이며, 내부벽들은 열교환기들로 형성될 수 있거나, 열교환기들은 (도 2a 에 도시된 바와 같이) 반응기 챔버 (10) 에 대해 반경 방향으로 연장되도록 구성될 수 있고, 열교환기들 (4) 로의 열 전달은 예를 들어 대류 또는 전도에 기반할 수 있다. 열교환기들은 튜브들을 포함할 수 있고, 튜브 번들 (도면에 도시되지 않음) 로서 반응기 챔버 내로 연장되도록 구성될 수 있다. 반응 및 열회수가 반응기내에서 균일하게 일어날 수 있으므로, 배출될 입자들의 온도는 낮아진다. 이는 열교환기들 (4) 에 의해 열이 회수된다는 것을 의미한다.
도 2a 및 도 2b 에서는, 도 1 의 반응기 챔버의 수평 단면을 나타내며, 유동화 단계 (3) 를 형성하는 파이프들 (31) 상에 배열된 노즐들 (32) 의 일부 가능한 구성을 개략적으로 도시한다. 노즐들을 통해 반응성 유동화제는 반응기 챔버 (10) 내로 도입된다. 노즐들을 통해 또한 비-반응성 유동화제가 반응기 챔버 (10) 내로 도입될 수 있다. 본 개시의 모든 도면들이 개략적이기 때문에, 요소들은 축적대로 도시되지 않고, 상대 치수들은 단지 예시적인 목적들을 위한 것이다. 그러나, 모든 유동화 단계들 (3) 은 반응기 챔버 (10) 내에서 CaO/Ca(OH)2) 의 효율적인 유동 및 반응이 가능하도록 하나의 격실 내에 구성된다. 따라서, 도 2a 및 도 2b 에 도시된 파이프들 (31) 은 각각의 유동화 단계 (3) 에 대한 격실을 형성하지 않지만, 재료는 파이프 (31) 배열을 통과할 수 있다. 따라서, 입자들의 막힘이 회피되거나 완화될 수 있고, 작동 가용성 및 효율이 공지된 해결책에 비해 개선된다. 유동화 단계들, 즉 유동화 도입 단계들의 본 구성에 의해서, 반응은 반응기 챔버에서 균일하게 일어난다.
도 3 에서, 반응기 챔버 (10) 의 중심 영역에 노즐들 (32) 을 위한 매니폴드로서 기능하는 중심 파이프 (31) 가 있고 그 후 반응기 챔버 (10) 의 벽들 상에 노즐이 배열되도록 유동화 단계들 (3) 이 배열되는 반응기 (1) 의 일 실시형태가 여전히 제시된다. 유동화 효과는 유동화 매체 (스팀 등) 의 속도와 함께 노즐들 (32) 의 적절한 방향으로 결정된다. 도 1, 도 2a, 도 2b (단면으로 도시됨) 및 도 3 의 실시형태에 따르면, 반응기 (1) 는 일반적인 유동 방향에 수직인 단면이 원형이고, 그 길이가 폭보다 크다. 이러한 특징은 반응기에서의 반응 시간에 영향을 미치며, 적합하게는 길이, 직경 및 단계들의 개수는 반응기의 설계를 위해 선택될 파라미터들이다. 다른 가능한 반응기 단면 형상은 직사각형 및 육각형 또는 팔각형과 같은 다각형이다. 열교환기들은 도 2b 및 도 3 에 도시되지 않았지만 유동화 단계들 사이에 있는 도 1 에서와 같이 배열될 수 있다. 유사하게, 도 1 에서와 같이, 하나의 유동화 단계 (3) 는 상이한 수직 레벨들에서의 노즐들 (32) 의 수직 거리에 의해 규정된다.
도 4 에서는 하기의 반응 중 하나를 이용하여 반응 중 하나에 기반하여 열화학적 열에너지를 연속 저장하고 방출하기 위한 시스템 (100) 을 개략적으로 도시한다:
1) 원소 형태의, 알칼리 토금속 또는 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 으로 이루어진 군으로부터의 금속들 중 하나의 고체 입자들 + 스팀, 공기 또는 산소와 같은 가스 또는 증기 형태의 산화제, 또는
2) 수산화물을 얻기 위해, 산화된 형태의, 알칼리 토금속 또는 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 으로 이루어진 군으로부터의 금속들 중 하나의 고체 입자들 + 가스 또는 증기 형태의 수화 화합물,
상기 시스템은 반응기 (1) 을 포함하고, 상기 시스템 (100) 은 공급원료를 위한 저장소 (6) 및 최종 재료를 위한 저장소 (7), 및 상기 최종 재료를 다시 공급원료로 복귀시키는 공정을 위한 재생 반응기 (8) 를 더 포함하며, 상기 시스템 (100) 은 필요할 때 열을 방출하고 이용가능할 때 열을 저장하는데 사용된다. 이러한 에너지의 저장 및 방출 또는 에너지의 충전/방출은 하나의 위치에서 수행될 수 있거나, 또는 충전은 에너지가 이용가능한 곳에서 수행될 수 있으며, 그 후 충전된 재료는 본 개시의 반응기에서 재료로부터 에너지가 방출되는 위치로 운반된다.
시스템 (100) 의 작동에서, 1) 원소 형태의, 알칼리 토금속 또는 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 으로 이루어진 군으로부터의 금속들 중 하나의 고체 입자들, 또는 2) 산화된 형태의, 알칼리 토금속 또는 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 으로 이루어진 군으로부터의 금속들 중 하나의 고체 입자들은, 저장소 (6) 에 저장가능한 공급원료로 간주될 것이며, 반응된 화합물 또는 다른 관점에서 최종 생성물, 즉 1) 산화되거나 2) 수화된 (수산화물) 입자들은 저장소 (7) 에 저장가능한 최종 재료로서 간주되는 반응 재료이다.
도 5 에서는 하기의 반응 중 하나를 이용하여 열화학적 열에너지의 연속 생성을 위한 유동층 반응기 (1) 의 일 실시형태를 여전히 도시한다:
1) 원소 형태의, 알칼리 토금속 또는 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 으로 이루어진 군으로부터의 금속들 중 하나의 고체 입자들 + 스팀 또는 산소-함유 가스 또는 증기와 같은 가스 또는 증기 형태의 산화제, 또는
2) 수산화물을 얻기 위해, 산화된 형태의, 알칼리 토금속 또는 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 으로 이루어진 군으로부터의 금속들 중 하나의 고체 입자들 + 가스 또는 증기 형태의 수화 화합물
상기 반응기 (1) 는:
- 반응기 챔버 (10),
- 상기 반응기 (1) 내로 상기 고체 입자들을 공급하기 위해, 반응기 챔버 (10) 의 제 1 단부에 배열된 입구 (2) 를 포함하며,
- 반응기 챔버 (10) 내부에는 유동화 단계들 (3) 의 배열체가 배열되고, 유동화 단계들 (3) 각각은 반응을 개시하고 진행하기 위해, 반응성 유동화제, 산화제 또는 수화 화합물로 고체 입자들을 유동화하기 위한 다수의 노즐들 (32) 을 포함하고,
-유동화 단계들 (3) 에는 반응으로부터 방출된 열을 선택적으로 회수하기 위한 하나 이상의 열교환기들 (4) 이 제공되며,
- 반응 재료의 배출을 위해 반응기 챔버 (10) 의 제 1 단부에 대한 대향 단부에 출구 (5) 가 배열된다. 실시형태에서, 고체 입자들은 공정에 대한 공급원료로서 사용되고, 먼저 저장소 (6) 에 저장되고, 입구 (2) 를 통해 반응기 (1) 및 반응기 챔버 (10) 로 공급된 다음, 유동화되고 반응이 개시되어 진행된다. 본 실시형태에서, 2 열의 유동화 노즐들이 구성된다. 반응기에는, 동일한 노즐들 (32) 을 통해, 반응기 챔버로 반응성 유동화제 및 비-반응성 유동화제의 혼합물을 도입하기 위한 단일 노즐들 (32, 32a) 이 제공될 수 있다. 도 5 의 실시형태에서, 반응기에는 2 열의 노즐들 (32, 32a) 이 제공되고, 즉 별도의 노즐들로 구성되어 반응성 유동화제용 노즐들 (32) 및 비-반응성 유동화제용 노즐들 (32a) 이 제공된다. 이 실시형태는 유동화에 더 많은 노력을 필요로 하는 재료들, 즉 더 조밀한 고체 입자 재료들 등에 특히 적합할 수 있다. 반응기 챔버 (10) 로 공급되는 반응성 유동화제 및 비-반응성 유동화제 둘 다 있는 경우, 별도의 가스 배출 채널 (9) 이 필요할 수 있도록 재료 (체적) 입력/출력 균형이 이루어질 수 있다. 실제 공정 조건들에 따라서, 가스 배출 채널은 고체 입자들이 그 루트를 통해 반응기 챔버로부터 빠져나가는 것을 방지하기 위해 입자 분리기 또는 유사한 것을 구비할 수 있다. 상기 공정이 소정 양의 반응성 유동화제가 반응에 참여하는 실제 양을 초과하는 것을 요구하는 경우, 그러한 가스 배출 채널은 단일 유형의 유동화제 공급만을 갖는 반응기들 (1), 즉 반응성 유동화제를 위한 노즐들 (32) 과 함께 필요할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 반응성 유동화제로서 도입되는 스팀은 유동화 단계 (3) 로부터 결과적인 유동화 단계 (3) 까지 스팀의 온도가 점진적으로 증가하고, 점진적으로 감소하거나 동일하게 유지된다. 상기 방법 및 반응기 및 시스템에 대한 많은 작동 모드들이 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 스팀 노즐 (32) 에서의 스팀 속도는 유동화 단계 (3) 로부터 결과적인 유동화 단계 (3) 까지 점진적으로 감소하거나 증가한다.
본 발명은 본원에서 현재 가장 바람직한 실시형태들로 고려되는 것과 관련하여 실시예의 방식으로 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시형태들에 제한되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에서 규정된 바와 같이, 본원의 특징들의 다양한 조합들 또는 변경들, 그리고 본 발명의 범위 내에 포함된 여러 개의 다른 적용들을 포함하는 것으로 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 상기 임의의 실시형태와 관련하여 언급된 상세한 설명들은 이런 조합들이 기술적으로 실현가능하다면 또 다른 실시형태와 관련하여 사용될 수도 있다.
1 : 반응기
10 : 반응기 챔버
11 : 내부벽
100 : 시스템
2 : 입구
3 : 유동화 단계
31 : 파이프
32, 32a : 노즐
4 : 열교환기
41 : 열교환기 입구
42 : 열교환기 출구
5 : 출구
6 : (공급원료용) 저장소
7 : (최종 생성물용) 저장소
8 : 재생 반응기
9 : 가스 배출 채널
10 : 반응기 챔버
11 : 내부벽
100 : 시스템
2 : 입구
3 : 유동화 단계
31 : 파이프
32, 32a : 노즐
4 : 열교환기
41 : 열교환기 입구
42 : 열교환기 출구
5 : 출구
6 : (공급원료용) 저장소
7 : (최종 생성물용) 저장소
8 : 재생 반응기
9 : 가스 배출 채널
Claims (16)
- 하기의 반응 중 하나를 이용하여 열화학적 열에너지의 연속 생성을 위한 유동층 반응기 (1) 로서,
1) 원소 형태의, 알칼리 토금속 또는 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 으로 이루어진 군으로부터의 금속들 중 하나의 고체 입자들 + 스팀 또는 산소-함유 가스 또는 증기와 같은 가스 또는 증기 형태의 산화제, 또는
2) 수산화물을 얻기 위해, 산화된 형태의, 알칼리 토금속 또는 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 으로 이루어진 군으로부터의 금속들 중 하나의 고체 입자들 + 가스 또는 증기 형태의 수화 화합물,
상기 반응기 (1) 는:
- 반응기 챔버 (10),
- 상기 반응기 (1) 내로 상기 고체 입자들을 공급하기 위해, 상기 반응기 챔버 (10) 의 제 1 단부에 배열된 입구 (2) 를 포함하며,
- 상기 반응기 챔버 (10) 내부에는 유동화 단계들 (3) 의 배열체가 배열되고, 상기 유동화 단계들 (3) 각각은 반응을 개시하고 진행하기 위해, 반응성 유동화제, 산화제 또는 수화 화합물로 상기 고체 입자들을 유동화하기 위한 다수의 노즐들 (32) 을 포함하고,
- 유동화 단계들 (3) 에는 상기 반응으로부터 방출된 열을 선택적으로 회수하기 위한 하나 이상의 열교환기들 (4) 이 제공되며,
- 반응 재료의 배출을 위해 상기 반응기 챔버 (10) 의 상기 제 1 단부에 대한 대향 단부에 출구 (5) 가 배열되는, 유동층 반응기. - 산화칼슘 (CaO) + 가스상 (스팀) 의 물 (H2O) -> 수산화칼슘 (Ca(OH)2 의 반응으로부터의 고체 입자들을 이용하여 열화학적 열에너지의 연속 생성을 위한 유동층 반응기 (1) 로서,
상기 반응기 (1) 는,
- 반응기 챔버 (10),
- CaO 의 상기 고체 입자들을 상기 반응기 (1) 내로 공급하기 위해, 상기 반응기 챔버 (10) 의 제 1 단부에 배열된 입구 (2) 를 포함하고,
- 상기 반응기 챔버 (10) 내부에는 유동화 단계들 (3) 의 배열체가 배열되며, 상기 유동화 단계들 (3) 의 각각은 반응을 개시하고 진행하기 위해서 CaO 를 스팀으로 유동화하기 위한 다수의 스팀 노즐들 (32) 을 포함하고,
- 유동화 단계들 (3) 에는 상기 반응에서 고체 재료로부터 방출된 열을 선택적으로 회수하기 위한 하나 이상의 열교환기들 (4) 이 제공되고,
- Ca(OH)2) 의 배출을 위해 상기 반응기 챔버 (10) 의 상기 제 1 단부에 대한 대향 단부에 출구 (5) 가 배열되는, 유동층 반응기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 유동화 단계들 (3) 은 상기 반응기 챔버 (10) 내에서 CaO/Ca(OH)2 와 같은 고체 입자들의 유동을 가능하게 하도록 하나의 격실 내에 구성되는 것을 특징으로 하는, 유동층 반응기. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응기 (1) 는 상기 반응기 챔버 (10) 내에서 서로에 관한 수직 위치로 구성된 상기 입구 (2) 및 상기 출구 (5) 를 갖는 수직형인 것을 특징으로 하는, 유동층 반응기. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열교환기 (4) 또는 열교환기들 (4) 은 상기 반응기 챔버의 내부벽 (11) 을 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 유동층 반응기. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응기에는, 또한 동일한 노즐들 (32) 을 통해, 반응성 유동화제 및 비-반응성 유동화제의 혼합물을 상기 반응기 챔버 내로 도입하기 위한 노즐들 (32, 32a) 이 제공되거나, 상기 반응기에는 반응성 유동화제 및 비-반응성 유동화제를 위한 별도의 노즐들 (32, 32a) 이 제공되는 것을 특징으로 하는, 유동층 반응기. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응기 (1) 는 단면이 원형이고, 그 길이가 폭보다 큰 것을 특징으로 하는, 유동층 반응기. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응기 (1) 는 상기 반응기 챔버 (10) 내에 2 개 내지 5 개의 유동화 단계들 (3), 바람직하게는 3 개 내지 4 개의 유동화 단계들 (3) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 유동층 반응기. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응기 (1) 는 반응을 개시하고 진행시키기 위해 반응성 유동화제로 고체 입자들을 유동화하기 위한 제 1 세트의 노즐들 (32) 및 상기 고체 입자들의 유동화를 향상시키기 위해 비활성 또는 덜-반응성 유동화제로 고체 입자들을 유동화하기 위한 제 2 세트의 노즐들 (32a) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 유동층 반응기. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응기에는 과잉 유동화제의 배출을 위한 가스 배출 채널 (9) 이 제공되는 것을 특징으로 하는, 유동층 반응기. - 하기의 반응 중 하나를 이용하여 열화학적 열에너지의 연속 생성을 위한 방법으로서,
1) 원소 형태의, 알칼리 토금속 또는 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 으로 이루어진 군으로부터의 금속들 중 하나의 고체 입자들 + 스팀, 공기 또는 산소와 같은 가스 또는 증기 형태의 산화제, 또는
2) 수산화물을 얻기 위해, 산화된 형태의, 알칼리 토금속 또는 리튬 (Li), 붕소 (B), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 철 (Fe) 및 아연 (Zn) 으로 이루어진 군으로부터의 금속들 중 하나의 고체 입자들 + 가스 또는 증기 형태의 수화 화합물,
상기 방법은,
- 반응기 챔버 (10) 의 제 1 단부에서 고체 입자들의 공급원료를 반응기 챔버 (10) 로 공급하는 단계,
- 반응을 개시하기 위해 제 1 유동화 단계 (3) 의 유동화 제트들로 상기 고체 입자들을 유동화시키는 단계,
- 발생된 열을 상기 반응기 챔버 (10) 내의 열교환기들 (4) 로 전달하는 단계,
- 상기 반응기 챔버 (10) 의 제 1 단부로부터의 공급원료의 공급을 계속하면 공급원료/부분적으로 반응된 재료-혼합물을 결과적인 유동화 단계 (3) 로 강제 이동시키도록 하고, 여기서 유동화 제트들로 혼합물의 유동화는 계속되고 방출된 열은 상기 유동화 단계 (3) 에서 상기 열교환기들 (4) 에 의해 전달되며, 유동화가 계속됨에 따라, 혼합물 조성물은 더 많은 최종 재료로 전환되고, 마지막 유동화 단계 (3) 이후에, 상기 혼합물은 단지 적은 비율의 공급원료를 함유하고, 반응의 수율은 상기 유동화 단계의 각각에서 유동화 스트림 온도, 포화 및 유속으로 제어되는 단계,
- 상기 반응 재료는 출구 (5) 를 통해 상기 반응기 챔버로부터 제거되는 단계
를 포함하는, 열화학적 열에너지의 연속 생성을 위한 방법. - 산화칼슘 (CaO) + 가스상 (스팀) 의 물 (H2O) -> 수산화칼슘 (Ca(OH)2) 의 반응으로부터 열화학적 열에너지의 연속 생성을 위한 방법으로서,
- 반응기 챔버 (10) 의 제 1 단부에서 반응기 챔버 (10) 로 CaO 의 고체 입자들을 공급하는 단계,
- 반응을 개시하기 위해 제 1 유동화 단계 (3) 의 스팀 제트들로 CaO 를 유동화하는 단계,
- 발생된 열이 상기 반응기 챔버 (10) 에서 열교환기들 (4) 로 전달되는 단계,
- 상기 반응기 챔버 (10) 의 상기 제 1 단부로부터 CaO 의 공급원료의 공급을 계속하면 부분적으로 반응된 CaO/Ca(OH)2-혼합물을 결과적인 유동화 단계 (3) 로 강제 이동시키고, 여기서 유동화 제트들로 혼합물의 유동화는 계속되고 방출된 열은 상기 유동화 단계 (3) 에서 상기 열교환기들 (4) 에 의해 전달되며, 유동화가 계속됨에 따라, CaO/Ca(OH)2-혼합물 조성물은 더 많은 Ca(OH)2 로 전환되고, 마지막 유동화 단계 (3) 이후에, 상기 혼합물은 단지 적은 비율의 CaO 를 가진 Ca(OH)2 를 함유하고, 반응의 수율은 상기 유동화 단계 (3) 의 각각에서 스팀 온도, 포화 및 유속으로 제어되는 단계,
- 상기 반응 생성물 Ca(OH)2 은 출구 (5) 를 통해 상기 반응기 챔버 (10) 로부터 제거되는 단계
를 포함하는, 열화학적 열에너지의 연속 생성을 위한 방법. - 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
반응성 유동화제로서 도입되는 스팀은, 유동화 단계 (3) 로부터 결과적인 유동화 단계 (3) 까지 스팀의 온도가 점진적으로 증가하고, 점진적으로 감소하거나 동일하게 유지되는, 열화학적 열에너지의 연속 생성을 위한 방법. - 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
스팀 노즐 (32) 에서의 스팀 속도는 유동화 단계 (3) 로부터 결과적인 유동화 단계 (3) 까지 점진적으로 감소하거나 증가하는, 열화학적 열에너지의 연속 생성을 위한 방법. - 제 7 항에 있어서,
반응성 유동화제 및 비-반응성 유동화제의 혼합물은, 또한 반응성 유동화제와 동일한 노즐들을 통해 노즐들을 통해 챔버 내로 도입되거나, 반응기에는 반응성 유동화제 및 비-반응성 유동화제를 위한 별개의 노즐들이 제공되는, 열화학적 열에너지의 연속 생성을 위한 방법. - 하기의 반응 중 하나를 이용하여 반응 중 하나에 기반하여 열화학적 열에너지를 연속 저장하고 방출하기 위한 시스템 (100) 으로서,
1) 원소 형태의, 알칼리 토금속 또는 금속의 고체 입자들 + 스팀, 공기 또는 산소와 같은 가스 또는 증기 형태의 산화제, 또는
2) 수산화물을 얻기 위해, 산화된 형태의, 알칼리 토금속 또는 금속의 고체 입자들 + 가스 또는 증기 형태의 수화 화합물,
상기 시스템은 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 사용하기 위해 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 반응기 (1) 을 포함하고,
상기 시스템 (100) 은 공급원료를 위한 저장소 (6) 및 최종 재료를 위한 저장소 (7), 및 상기 최종 재료를 다시 공급원료로 복귀시키는 공정을 위한 재생 반응기 (8) 를 더 포함하며,
상기 시스템 (100) 은 필요할 때 열을 방출하고 이용가능할 때 열을 저장하는데 사용되는, 시스템.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/EP2021/080274 WO2023072415A1 (en) | 2021-11-01 | 2021-11-01 | A fluidized bed reactor for continuous generation of thermochemical heat energy and corresponding method and system |
Publications (1)
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