KR900003162B1 - 가스 터어빈용 산소회수 방법 - Google Patents

가스 터어빈용 산소회수 방법 Download PDF

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에어프로덕츠 앤드케미칼스 인코오포레이티드
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Abstract

내용 없음.

Description

가스 터어빈용 산소회수 방법
도면은 본 발명의 프로세스를 개략적으로 설명한 공정도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
12 : 압축기 18 : 보조 열교환기
20 : 공기분리기 30 : 연소기
38 : 가스터어빈 42 : 발전기
50 : 증기터어빈 발전기 58 : 회수열교환기
본 발명은, 통상의 가스의 연소에 의해 발전을 행하고, 그후 터어빈을 통해서 팽창시키는 동시에, 산소를 회수하는 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 비 저온장치를 이용하여, 정미전력과 장치를 운전하는 전력을 얻으면서 동력 터어빈에 공기의 흐름을 통하고, 그후 연소 및 팽창을 위해 압축할때에 공기의 흐름으로부터의 산소의 회수를 목적으로 한 공기의 분리에 관한 것이다.
공기의 분리, 특히 공기의 흐름을 그 구성성분인 산소와 질소로 분리하는 것은 여러해동안 실시되고 있고, 여러종류의 순수물 및 가스생성물의 회수를 위한 에너지 집약형 프로세스를 사용하고 있다. 각 가스 구성성분의 화학적 흡수, 분별 저온증류 및 박막매체를 통한 미분 침투등은 가스류의 구성성분, 특히 산소 및 질소를 공기로부터 회수하기 위하여 이용되어 왔다. 이러한 프로세스는 일반적으로 전기료, 가스료, 수도료 등의 많은 비용을 요구하며 연속적으로 편리한 재생이나 운전방법이 없다고 하는 결점이 있다.
공기와 같은 가스류의 분리에 대해서는 여러가지 방법이 고안되어 있고, 이들 방법에서는 유출액으로부터 적어도 어느정도 다소의 에너지가 회수되어서, 방법자체에서 요하는 동력에 사용된다.
예를 들면, 미합중국 특허 제 4,132,766 호에는, 화학적 공기분리법이 개시되어 있고, 이 방법에서는 공기를 압축하여 압력을 올려서, 이것을 화학적으로 분리하여 공기중의 산소의 화학적 결합이 질소의 그것과는 다른것을 이용하여, 질소가 풍부한 배출류 및 산소로 분리한다. 배출된 질소가 풍부한 기류는, 배기되기 전에 팽창기를 통하여 감압한다. 팽창기는, 프로세스 운전을 위한 콤프레서를 구동하여 적어도 약간의 에너지를 회수한다. 그렇지만, 이 프로세스는 정미전력(net electric power)은 발생하지 않는다.
또한, 유럽특허 출원 제 0082600 호에서는, 공기를 콤프레서에서 압축하고, 프로세스류와의 열교환에 의해 또는 외부냉각 수단에 의해 온도를 저하시켜, 압축냉각 공기를, 선택적으로 산소의 이행을 행해서 분리하는 반투과성 박막위로 통해 산소와, 질소를 다량으로 함유하는 배출류로 분리할 수 있다. 질소를 함유하는 배출류를 압축공기류에서 열교환하여 재가열하고, 그것으로부터 팽창하여 압축하고, 프로세스의 압축에 요하는 힘을 회수한다. 그렇지만, 연료를 연소하는 것은 없으며, 정미전력도 생성되지 않는다. 실제로는 제 1 도에 도시한 바와같이 프로세스의 비효율성을 보충하기 위한 전력공급이 요구된다.
가스분리 프로세스에 있어서 압축장치 운전을 위한 추가의 전력을 공급하는 방법으로서, 배출류를 연소시키고, 연료와 연소배출류와의 혼합으로 에너지를 얻는 방법이 고안되었다. 예를들면, 미합중국 특허 제 4,340,578 호는, 공기를 압축하고, 화학제를 이용해서 산소와 질소를 함유하는 흐름으로 분리하고, 그후 잔여 산소를 계속 함유하고 있는 질소함유류를 연료와 혼합하여 연소영역에서 연소시키고, 연소 영역내의 가열배출물을 터어빈내에서 몇단계에 걸쳐서 팽창시켜서 프로세스의 압축에 필요한 에너지를 회수하는 것이지만, 정미전력이 발생하지 않는다.
유사한 연소이용법이 미합중국 특허 제 4,224,045 호에 기재되어 있고, 이 특허에서는 저온공기 분리를 이용하고 있다. 즉, 프로세스 공기를 콤프레서에서 압축하고, 공기의 구성성분의 온도로까지 온도를 상당히 내린 후, 저온분류 컬럼에서 증류한다. 저온분리의 저압 컬럼에서 배출되는 흐름을 재가열하고, 재압축한 후 연료와 저온분리의 대상으로 될 수 없었던 바이패스 공기와를 연소하고, 연소배출물은 터어빈을 개재해서 팽창시키고, 공정용 에너지를 회수한다. 그렇지만, 이 공정에서도 정미전력은 발생하지 않는다.
발전에 대해서는 미합중국 특허 제 4,382,366 호에 기재된 저온공기 분리 프로세스로 의도되어 있다. 이 프로세스에서는, 공기를 우선 압축하고, 그후 온도를 저하시켜서 산소와 질소의 저온분리를 도모한다. 저온 증류로부터의 질소를 함유하는 배수액은 재가열하고, 연료와 함께 연소시키고, 후에 터어빈에서 팽창시켜서 감압하고, 공기압축기를 구동하여 저온증류를 행한다. 산소 생성물 압축을 위해 더욱 에너지가 회수되고, 정미전력의 발전은 팽창 터어빈과 그것에서 배출되는 폐열에 의하여 작동하는 증기터어빈에 의해 행해진다. 비록 이 시스템이 정미전력은 발생시키지만, 산소발생의 전체 프로세스는 에너지 집약형 저온 공기 증류형이 되어버린다.
기타 관련기술 문헌으로서는 미합중국 특허 제 2,540,151 호, 제 3,713,271 호, 제 3,930,814 호, 제 4,714,955 호 및 제 4,198,213 호 등이 있다.
본 발명의 목적은 이들 종래기술의 결점을 극복하는 것으로, 발전을 위해 압축되는 공기중의 산소의 소량을 약간의 비용과 에너지로 분리, 회수하고, 터어빈 장치내에서 비전온분리에 의해 회수한 산소를 제외한 압축가스를 연소, 팽창시켜서 상당량의 전력을 통상의 방법으로 얻으며, 이러한 것은 공기의 온도저하를 도모함이 없이 수행된다.
본 발명은 연소 터어빈에 의한 발전 및 산소함유량이 많은 생성물의 생성에 대한 방법에 관한 것으로, 급기류를 압축하여 압력, 온도를 상승시킨 처리공기량은 터어빈의 전 공정에 있는 연소에 필요한 량보다 초과한 양으로 하는 단계와, 승압 공기류의 일부를 연료류와 같이 연소하는 단계와, 이 연소로부터 얻은 승압연료 생성품을 터어빈을 통해서 팽창시켜 공기압축을 위한 에너지를 공급하고, 시스템으로부터의 정미전력을 회수하는 단계로 이루어진 것에 있어서, 승압류중의 산소의 일부를 고온에 있는 동안에 분리부재를 이용해서 분리하는 단계와, 산소와 풍부한 가스를 부산물 기류로 하고, 그 결과 생긴 산소가 감소된 공기류를 연소공정의 전후 어느쪽에서 제거하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 연소터어빈 내에서의 발전을 행하는 산소가 풍부한 생성물의 제조방법에 관한 것으로서, 급기류를 압축하여 압력, 온도를 상승시켜, 가공공기량이 연소터어빈에 필요한 량을 초과하는 단계와, 압축 공기류내의 산소의 일부를 고온에 있는 동안 분리부재를 가지고 분리하는 단계와, 산소가 풍부하게 된 가스를 부산물류로 하여, 산소가 감소된 공기류로 하기 위해 산소를 제거하는 단계와, 산소가 제거된 공기류의 적어도 일부를 연료류와 함께 연소시키는 단계와, 이 연소로부터의 연소 생성물류를 터어빈을 통해서 팽창시켜서, 공기압축을 위한 에너지를 공급하는 단계와, 시스템으로부터 정미전력을 회수하는 단계로 이루어진다.
한편, 분리 및 회수단계는 연소단계를 우회하는 바이패스류에서의 분리를 행해서 연소와 동시에 수행할 수 있다.
바람직하게는, 급기류로부터의 산소를 분리하기에는 박막상의 압력에 차가 있는 반투과막상에 공기류를 흐르게 하여, 이 막의 질소는 통과시키지 않지만 산소를 선택적으로 통과시킨다고 하는 성질을 이용해서 행한다.
또한, 본 프로세스는 급기류로부터의 부산물인 산소의 회수에 대하여 질소는 하지 않고 산소를 선택적으로 유지하는 흡착제를 가지는 압력 및 온도 스윙 수착 시스템을 사용할 수도 있다.
바람직하게는, 터어빈으로의 급기류의 일부를 프로세스의 연소단계 주위에서 바이패스시키고, 연소 배출물과 혼합시켜서 터어빈 재료를 손상시키지 않도록 한 저온으로 배출물을 급냉한다.
또다른 방법으로는, 공정중에 필요한 동력을 공급하고, 연소 터어빈으로 정미전력을 보내는 것에 부가해서, 본 프로세스에서는 터어빈은 배출물을 이요하여 증기를 발생시키고, 더욱이 정미전력의 회수를 행할 수 가 있다.
본 발명은 바람직하게, 종래형태의 발전 시스템에 개량을 가해서, 부산물인 산소를 그 생성량에 비해서 상당히 저렴한 전력비로서 얻을 수 있는 방법에 관한 것이다. 분리를 행하는 것은 비저온 기술을 이용하지만, 이것은 동력사이클의 연소부분으로 반투과막을 통과하던지 또는 산소의 선택적 흡착제상을 통해서, 압력 및/또는 온도의 스윙 시퀀스 동작을 이용하여 고온에서 질소로부터 산소를 분리하는 것이다.
본 발명의 부산물인 산소 회수에 대한 기술에서는, 공급 공기의 압축장치의 하류에서, 산소의 분리를 고온하에서 행하는 것을 조건으로 한다. 경우에 따라서는 산소 분리를 위하여 공급하는 공기의 온도는, 공급공기를 압축한 결과 얻은 온도보다도 높게 하는 것이 유리하기 때문에 보조 가열기를 구비되는 것이 바람직하다. 그러나, 일반적으로 말하여 분리는 주위조건, 특히 주위온도를 상회하는 온도, 보다 구체적으로는 400。F 이상에서 행해진다. 일 예를들면, 대개의 종래형태의 반투과성막은 이러한 고온에서는 붕괴해 버린다. 그러나, 이러한 고온조건하에서 사용되는 은이 함유된 막이 미합중국 특허 제 3,359,705 호 및 제 3,550,355 호에 개시되어 있다. 또한, 고열에서도 산소 투과막으로 사용될 수 있는 복합금속 산화물의 고체 전해물도 미합중국 특허 제 4,330,633 호에 공지되어 있다. 상기 공지된 특허는 본원에 참조로서 명세된다.
상기 언급한 바와같이, 부산물인 산소의 분리는 압력 및 온도스윙 시퀀스로 동작하는 흡착제층을 통해서 행해질 수 도 있다. 이러한 기술은 미합중국 특허 제 4,013,429 호에 기재한 바와같이 산소에 선택적으로 작용하는 흡착제를 이용하고, 질소가 풍부한 흐름이 층을 통과해도 그다지 압력저하를 볼 수 없다고 하는 기술과 같이 전력과는 관계가 없는 프로세스에 있어서, 질소로부터 산소를 분리하는 방법으로서 알려져 있다. 화학적 흡착 시스템도 프라세오디윰 시스템인 미합중국 특허 제 3,980,763 호, 스트론튬 시스템인 미합중국 특허 제 3,579,292 호와 같이 고온에서의 분리에 관한 것으로, 이들 특허 또한 본원에 참조로서 명세된다.
본 발명의 방법에 의하면 산소의 저에너지 회수가 가능하다. 이것은 동력 터어빈 프로세스에서 이용하고 있는 압축한 전체 공기류는, 하류의 연소 터어빈에 있어서 충분한 동력의 회수를 행하기 위하여 연료와 함께 연소하는데 필요한 산소량 보다도 휠씬 초과하기 때문이다. 터어빈에 전달되는 초과하는 압축공기는 통상 300-400% 이지만, 터어빈 노즐 및 브레이드에 대해서의 재료적 한계를 밑도는 터어빈의 입구온도를 유지하기 위해 필요하다. 이러한 한계치는 예를들면, 2,000。F 근방이다. 그러나, 치금학의 진보와 냉각기술의 개선은 이와같은 최대한계 온도를 점차적으로 상승시킨다. 그러므로, 시스템내를 통과하는 대량의 공기가 남는 것을 고려하면, 이 과잉공기로부터 소량의 산소를 제거하는 것만으로도 연료의 완전연소에 대해 만족할만한 산소의 양으로 되고, 냉각용 및 터어빈내에서의 팽창에 적절하고도 충분한 전체의 공기류로 된다. 그러나, 부산물로서의 산소의 회수는, 발전 시스템의 공기압축 장치와 터어빈 팽창장치와의 사이의 설계 성능상의 균형을 손상시키는 것과 같은 전체의 흐름을 감소하도록 해서는 안된다.
이하, 본 발명을 도면에 도시된 바람직한 실시예에 관련하여 보다 상세하게 설명한다. 도면에서, 장치와 흐름중, 임으로 이용하는 것에 대해서는 점선으로 도시하였다. 급기류(10)는, 본 실시예에서 중간 냉각수단이 다단 압축기로서 도시된 압축기(12)로 유입된다. 그러나, 일련의 중간냉각이 있는 다단 압축기를 사용해도 동일한 결과를 얻어지는 것이 이해될 것이다. 공기는 단열 압축되어서 대략 175psia의 압력으로 되고, 온도는 대략 765。F의 온도에 도달한다. 압축기로부터 라인(16)을 따라서 나오는 압축공기는, 보조 열교환기(18)에서 프로세스류에 역류시켜 더욱 가열할 수도 있다.
이 고온고압의 공기류는 여기서 공기분리기(20)를 통과하지만, 이 공기분리기는 산소를 선택적으로 저압영역으로 이동시키는 반투과성 막을 가지고, 이 영역내에서 막이 작용하여 고온조건을 유지하도록 한 용기로 이루어지는 것이 바람직하다. 본 발명의 목적을 위해서, 고온이란 400。F 이상으로 정의된다. 막의 바람직한 작용 온도범위는 700°-1100。F 이다. 이러한 조건에서 사용되는 막으로서, 상술한 은 복합막, 이트륨으로 도핑처리된 지르코늄막, 또는 기타 고체 산화전해질 막이 있다. 통상 상술한 프로세스 조건하에서는 유기질막 보다는 무기질 막이 바람직하다.
비교적 순수한 산수 부산물은 막의 저압측에서 라인(22)을 통해서 제거된다. 이리하여, 산소가 감소된 급기류는 공기 분리기(20)로부터 라인(24)을 통해서 제거되고, 라인(28)의 바이패스 급기류와 라인(26)의 잔여 급기류로 분할된다. 라인(26)의 잔류 급기류은 회수 열교환기(58)에서 프로세스류에 대향시켜서 재가열할 수 있다. 라인(26)의 잔여 급기류의 질소 함유류는 라인(32)의 연료와 혼합하면 종래형태의 연소기(30)에서 연소될 때 계속해서 안정된 불꽃의 형상을 유지할 수가 있다. 라인(34)의 연소 배출물은 약 2700。F의 고온에서 제거되어, 저온으로 냉각되지만, 그 온도는 약 2700。F를 초과해서는 안된다. 이러한 온도는 라인(28)의 바이패스 급기류와 라인(34)의 배출물과를 혼합하여, 연소영역의 출구 온도를 2700。F에서, 높게 되어도 2700。F가 되도록, 저하시킨다. 혼합류는 가스터어빈(38)을 통해 팽창시켜 공기압축용 전력과 정미전력을 얻는다. 가스터어빈(38)과 압축기(12)의 결합은 공지의 방법중 어느것을 사용해도 무방하고, 예를들면, 기계적인 직접 결합수단(14)으로서 적당히 감속하는 일련의 기어 또는 압축기 및 터어빈을 전기모우터 및 발전기에 연결되는 전기적 접속을 행하는 방법 등이다. 가스터어빈(38)은 압축기(12)를 운전하며, 라인(40)으로 외부용 발전을 위한 정미전력을 보내기에 충분한 전력을 공급하고, 라인(40)에서는 발전기(42) 뿐 아니라 터어빈(38)에서 얻은 정미전력의 이용을 도모할 수 있다.
라인(46)을 통한 가스터어빈으로부터의 배출물은 저압이지만 대략 1100。F의 상당히 고온에 있고, 이것을 단순히 연도가스로서 배기시키는 외에 다수의 변경수단에 의해 사용될 수 있다. 배출물의 적어도 일부를 라인(54)를 통해 보조 열교환기(18)로 보내어, 공기분리에 앞서 압축기 하류의 급기류를 가열할 수가 있다. 이러한 흐름은 그후 라인(55)로 배기된다. 라인(54)내의 흐름의 전부 또는 일부를 라인(56)으로 분지시켜서 회수 열교환기(58)를 통하게 하여 라인(26)의 잔류 급기류를 연소기(30)으로 유입되기에 앞서 가열할 수가 있다. 그후 이 흐름을 라인(60)으로 배기한다.
또다른 변형예로서는 라인(46)으로부터의 배출류의 적어도 일부를 취하여 증기를 발생시키고, 증기터어빈 발전기(50)를 통해 여분의 정미전력을 발생시키는 방법이 있다. 라인(48)의 증기터어빈 발전기(50)으로부터의 배출물의 온도는 대략 500-600。F 이다. 증기 터어빈에서 발전한 전력을, 예를들면 발전기의 운전에 이용하면 라인(52)으로 전력을 출력시켜, 이것을 발전기(42)로부터의 정미전력과 조합하여, 라인(44)의 전체 발전량을 얻을 수가 있다. 그러나, 발생된 정미전력은 도시한 바와같이 기계적 에너지 혹은 전기적 에너지를 묻지않는 어느형태도 취할수 있다. 또한, 경우에 따라서는 증기터어빈 발전기(50)에서 발생한 증기를, 라인(52)으로 도시한 바와같이 발전에 이용하지 않고 처리 또는 가열을 위해 사용할 수도 있다.
또다른 변경예로서, 공기분리막을 라인(24)에 두지 않고 연소기의 배기구(37)에 둘 수도 있다. 연소에 의해서 산소를 야 25% 정도 감소시키지만, 라인(39)에서 산소를 분리하는 선별적인 투과는 미합중국 특허 제 4,330,633 호에 기재된 막을 사용하여 수행할 수 있다.
회수된 산소량과 이것이 발전에 주는 영향은 하기의 표에 서술하지만, 표에는 몇개의 회수법만을 예시한다. 이러한 것은 단지 예로서 설명적인 것이며 전력회수와 산소회수와의 어떠한 조합도 연소기로의 질소 함유류중에, 안정된 화염 버어너 작업을 행하기에 충분한 산소가 잔류하고 있고 또 발전을 위한 터어빈으로 공급되는 전체흐름이 터어빈과 압축기 사이의 효율을 유지 또는 터어빈 온도가 2000。F 이하로 유지되도록 충분히 흐르고 있으면 된다.
Figure kpo00001
도표 및 도면에 관련하여, 몇개의 산소회수 실시예를 산소가 회수되지 않는 기준선과 비교해서 설명한다. 기준선에서는 1000lb mole/hr에서 100。F의 공기의 처리량을 표시하지만, 이것은 최초 173psia, 765。F로 단열 압축한다. 이러한 처리량은 연소기 배기가스를 2000。F 이상이 되지 않도록 하기 위해 필요한 공기의 314%를 나타낸다. 고온의 압축공기는 초기에 산소회수 없이 공기분리기(20)을 통과하여 연소기(30)에서 연료와 함께 연소하여 고온의 배출물을 내고 이것은 라인(28)의 바이패스 급기류에 의해 급냉되어, 그후 가스터어빈(38)내에서 전력회수를 위해 팽창된 후, 폐열 보일러 또는 증기 터어빈 발전기(50)내에서 냉각되어 증기를 발생한다. 가스터어빈의 발전량은 기계적인 직접 결합수단(14)을 통해서 압축기(12)를 구동하는 1331.4Kw와 라인(40)을 통해서 정미전력 862.5Kw를 공급하기에 충분하다. 증기터어빈은 라인(52)를 통해서 380Kw의 전력을 공급하고, 부산물인 산소의 생성이 없는 경우에 총 1243Kw의 정미전력의 발전량으로 된다.
부산물인 산소가 분리되어 라인(22)으로 도입되면, 라인(10)에서 압축된 공기를 그 분리된만큼 증가하여 회수산소의 몰을 보상한다. 이와같은 추가의 압축량은 회수산소를 발생시키기에 필요한 전력을 구성한다. 상술한 바와같이, 기타의 산소회수 기술과 비교하면, 여기서 회수한 산소량에 비해 추가의 압축량은 비교적 작은 것이다. 예를들면, 시간당 25몰의 산소가 요구될 때 전체 급기 압축량은 시간당 1025몰까지 증가해야 한다. 따라서, 표에 도시한 바와같이 회수레벨이 높은 때는 이것에 대응하는 영향이 산소농도와 전력회수에 나타난다. 압축가스의 총량을 회수산소 총량만큼 증가시키면, 연소기로의 분자흐름은 일정하게 된다. 또한, 압축기 배출온도는 변함이 없으며 연소기로부터 터어빈으로의 연소가스 온도 및 연료 공급 속도는, 공기분리기(20)의 단열운전에 대하여 변함이 없다.
라인(24)의 산소 함유량이 21%로부터 도표 네째 컬럼에 도시한 바와같이 감소하는 동안, 열용량은 대체로 변화가 없는데 그 이유는 분자흐름에 변함이 없으며, 산소 및 질소가 대체로 동일한 분자 열용량을 갖기 때문이다. 라인(24)로부터의 흐름은 메탄연료에 의한 화학량론적 연료 요구량을 상회하는 300+% 과잉공기 및 산소를 포함했었으므로, 흐름에 대한 산소의 흐름과 농도가 감소해도 연소에 그다지 심각한 영향을 주지는 않는다.
연소연료가 변함이 없고, 연료가스 분자흐름과 열용량이 변함이 없으면, 연소기 배기, 온도, 분자흐름 및 열용량 또한 변함이 없다. 그러므로, 가스터어빈, 폐열보일러 또는 증기터어빈 발전기 또한 변함이 없다. 그러나, 두번째 컬럼에서, 압축기 요건은 산소증가분을 회수하기에 필요한 여분의 압축을 행하기 위해 증가되는 것이 명백히 알 수 있다. 그러므로, 정미전력은 저하한다. 산소 회수량이 25Ib. mole/hr인 경우에, 정미전력은 1210. 2Kw로 감소한다. 이것은 부산물인 산소가 발생하지 않는 기준선으로부터 32.6Kw의 감소를 의미한다.
이것은 생성산소의 톤당 82Kw의 정미전력 증가분과 동일하다. 이는 대형이며, 근대적이며, 효율적인 저압 저온 산소플랜트가 산소 1톤/시간에 필요로 하는 250Kw의 33%에 불과하다. 이들에로부터 알 수 있는 바와같이, 본 발명은 종래의 산소분리 설비에 비해 매우낮은 추가전력을 가지고 혼합 싸이클 발전소로부터 부산물인 산소의 생성을 할 수 있다는 것을 의미한다.
도표의 하부에 나타낸 바와같이, 산소농도는 부산물인 산소의 회수로 인하여 공기분리기(20)로부터 라인(24)의 흐름중에서 저하하여, 연소기의 성능이 저하하는 지점까지 떨어지고, 이것에 의해 산소회수가 한정된다. 더우기, 라인(22)내의 흐름압력은 분리를 위해 필요한 차이가 한정된 구동력을 유지하기 위해 라인(24)내 흐름의 산소분압보다 적지않으면 안되기 때문에, 부산물인 산소의 압력은 산소회수의 증가에 따라서 감소한다. 산소회수가 100몰 또는 그 이상일때에는, 회수산소는 진공하에서 회수된다. 그러나, 이러한 한정이 있다해도 부산물인 산소생성 가능성이 매우크다. 압축공기중의 산소 23% 회수 즉, 도표 세째줄에서 알 수 있는 바와같이, 시간당 1050몰의 공기로부터 시간당 50몰을 회수한다고 하면, 통상의 기술수준에 있는 250Mw 혼합 싸이클 발전기를 이용하여도 1일당 3866톤의 산소 부산물을 얻을 수 있다. 도면중 점선으로 도시된 기타의 실시예에서는 표에 도시된 절대값이 변하지만, 그것으로도 전력소비가 적은 산소회수가 가능하다.
이하에 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 설명한다. 압력 및/ 또는 온도스윙 수착 공기분리기(20)를 도면에 도시한 반투과성막 대신에 이용하여 본 발명이 실시될 수 있음이 이해될 수 있을 것이다. 압력 및/또는 온도스윙 수착 시스템을 사용하는데에 중요한 고려사항은, 산소는 선별적으로 수착되는 구성요소이고, 질소는 선별적으로 수착되지 않는 구성요소인 점이고, 이것에 의해 연소기와 연소터어빈으로의 적절한 전체흐름을 공급하기 위해 시스템내에 필요한 압력을 유지하도록 하여야 한다.
압력스윙, 온도스윙 및 진공스윙 수착기술 등은 고순도 산소 및 고순도 질소의 회수 방법으로서 당해 기술 분야에서는 공지되어 있다. 그러므로, 당해분야의 기술자라면, 산소회수를 위한 스윙 수착기술을 본 발명에 이용해서, 산소를 선택적으로 흡착하여 급기의 산소 함유량의 소량을 회수하고, 한편으로는 급기의 질소분을 그다지 저하시키지 않고 흡착층을 통과할 수 있다. 이러한 시스템은 미합중국 특허 제 4,190,420 호에 예시되어 있고, 이 특허를 본원에서 참조하고 있다.
본 발명은 전체의 전력이 이용전력 보다도 상당히 많은 경우에, 전체 공지처리량의 극히 일부를 고순도의 산소 부산물로서 회수하고, 이러한 산소의 회수는 이 분리공정이 비에너지 집약형이기 때문에 전기요금 및 기타의 비용이 저렴하고 또 부산물인 산소의 소량의 회수를 위한 동력 터어빈 시이퀀스로부터의 과잉 압축공기를 이용할 수 있으므로, 상당한 발전을 행할 수 있다. 또한, 발전 터어빈 시스템의 전력요금을 가지고 행할 수 있다. 연소 터어빈의 설계특성에 부합하기 위하여, 부산물인 산소의 회수에 의해서 상실해버린 만큼을 보상하기 위해 여분의 공기를 압축할 필요가 있으며, 이 여분의 압축에 필요한 비용은, 산소를 회수하기 위한 공공요금의 비용과 전체 급기 시스템으로부터 선별적으로 산소를 분리 또는 분해하는 장치에 있어서 필요로 하는 압력저하를 위한 소량의 압축 비용이다.
본 발명은 특정의 바람직한 일 실시예에 대해서 서술했지만, 이것에 의해 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 당 기술에 숙련된 사람은 첨부된 특허청구의 범위내에서 기타 변형예를 계획할 수 있을 것이다.

Claims (13)

  1. 처리하는 공기의 량이 터어빈 전단의 연소에 필요한 량을 초과하는 급기류를 압축하여 압력과 온도를 상승시키는 단계와, 상승기류의 적어도 일부를 연료류에서 연소시키는 단계와, 이 연소에 따라서 얻은 승압연소 생성물을 터어빈을 통해서 팽창시켜서 공기압축을 위한 동력을 제공하고 시스템으로부터 정미전력을 회수하는 단계로 이루어진 연소 터어빈에 의한 발전과 산소를 함유하는 부산물 생성 방법에 있어서, (a)흐름이 아직 고온에 있는 동안에 터어빈내에서의 팽창에 앞서 승압류내에서 산소의 일부를 분리부재로 분리하는 단계와, (b) 산소가 풍부해진 가스를 부산물류로서 회수하고, 그 결과로 얻어지는 산소가 감소된 승압류를 이 터어빈내를 통과시켜서 팽창시키기 위해 회수하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스 터어빈용 산소 회수방법.
  2. 연소터어빈내에 정미전력을 발생하고, 산소를 함유하는 부산물 생성방법에 있어서, (a) 처리하는 공기의 량이 터어빈 전단의 연소에 필요한 량을 초과하는 급기류를 압축하여 압력과 온도를 상승시키는 단계와, (b) 압축공기류내의 산소의 일부를 아직 고온에 있는 동안에 분리부재를 사용해서 분리하는 단게와, (c) 산소가 풍부해진 가스를 부산물류로 하고, 또 그 결과로서 얻어지는 산소가 감소된 공기류를 회수하는 단계와, (d) 산소를 제거한 기류의 적어도 일부를 연료류와 연소시키는 단계와, (e) 이 연소에 따라서 얻어지는 연소 생성물류를 터어빈을 통해서 팽창시켜서 공기압축을 위한 동력을 공급하고, 시스템으로부터 정미전력을 회수하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스터어빈용 산소 회수방법.
  3. 연소 터어빈내에 정미전력을 발생하고, 산소를 함유하는 부산물 생성방법에 있어서, (a) 처리하는 공기의 량이 터어빈 전단의 연소에 필요한 량을 초과하는 급기류를 압축하여 압력과 온도를 상승시키는 단계와, (b) 산소가 감소된 기류의 적어도 일부를 연소류와 연소시키는 단계와, (c) 승압 연소 생성물류의 산소의 일부를 아직 고온에 있는 동안 분리부재를 이용해서 분해, 분리하는 단계와, (d) 산소가 풍부한 가스를 부산물류로 하고 또, 그 결과로서 얻어지는 산소가 감소된 공기류를 회수하는 단계와, (e) 상기 연소로부터 얻은 연소 생성물류를 터어빈을 통해서 팽창시켜서 공기압축을 위한 전력을 공급하고, 시스템으로부터 정미전력을 회수하는 단계와로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스터어빈용 산소 회수방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 산소의 분리부재에 의한 분리가 질소에서는 없고 산소를 선택적으로 투과하는 반투과막 상에 기류를 통과하는 것에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 가스터어빈용 산소 회수방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 산소의 분리부재에 의한 분리를, 압력 및/또는 온도스윙 수착 싸이클내에서 질소에 대해서 산소를 선택적으로 유지시키는 수착제 스위치층을 통과시켜서 행하는 것을 특징으로 하는 가스터어빈용 산소 회수방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 터어빈으로의 급기의 일부를 연소단계를 바이패스하여 연소배출물과 혼합하고, 그것을 급냉하는 것을 특징으로 하는 가스터어빈용 산소 회수방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 가스터어빈으로부터의 배출물을 이용하여 여분의 정미전력을 발전하는 증기를 발생하는 것을 특징으로 하는 가스터어빈용 산소 회수방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 연소 터어빈의 배출물의 적어도 일부를 급기와 대항시켜서 열교환하고, 이것을 급기연소를 위해 예열하는 것을 특징으로 하는 가스터어빈용 산소 회수방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 연소 터어빈의 배출물의 적어도 일부를 급기류를 가열하기 위한 산소분리에 앞서 급기류와 함께 열교환하는 것을 특징으로 하는 가스터어빈용 산소 회수방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 공기 압축기가 연소 터어빈과 기계적으로 결합되어 이것에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 가스터어빈용 산소 회수방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 정미전력이, 정미전력의 발전기에 의해서 회수되는 것을 특징으로 하는 가스터어빈용 산소 회수방법.
  12. 제 4 항에 있어서, 반투과막이 400°F 이상의 고온에서도 작용하는 것을 특징으로 하는 가스터어빈용 산소 회수방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 공기압축기가 연소영역의 필요 공기량의 300% 이상을 제공하는 것을 특징으로 하는 가스터어빈용 산소 회수방법.
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