KR100348019B1 - 원소 산소를 함유하는 공급 가스 스트림을 산소 부화 가스스트림 및 산소 빈화 가스 스트림으로 분리시키기 위한 방법 - Google Patents

원소 산소를 함유하는 공급 가스 스트림을 산소 부화 가스스트림 및 산소 빈화 가스 스트림으로 분리시키기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공급 가스 스트림을 연소실에서 사용되는 산소 부화 가스 스트림 및 산소 빈화 가스 스트림으로 분리시키기 위한 방법에 관한 것이다. 공급 가스 스트림은 압축되며, 산소는 보유면과 투과면을 갖는 이온 전달 멤브레인을 포함한 이온 전달 모듈을 사용하여 압축된 공급 가스 스트림으로부터 분리된다. 이온 전달 멤브레인의 투과면은 이온 전달 모듈의 투과면을 벗어난 가스 스트림의 연소실 내에서의 연소로부터 얻어진 연소 생성물 가스 스트림의 적어도 일부분으로 정화된다.

Description

원소 산소를 함유하는 공급 가스 스트림을 산소 부화 가스 스트림 및 산소 빈화 가스 스트림으로 분리시키기 위한 방법
본 발명은 고체 전해질 이온 도전체 멤브레인을 이용하는 산소 분리 공정과 산소 강화 연소(oxygen enhanced combustion)의 통합에 관한 것이며, 특히 연소 공정에 있어 경제적인 효율 및 오염과 관련된 문제점을 개선하기 위한 산소 분리 공정과 산소 강화 연소 공정을 통합하는 것이다.
유기 중합체 멤브레인 시스템과 같은 다수의 상이한 산소 분리 시스템은 선택된 가스를 공기 및 기타 가스 혼합물로부터 분리시키는데 이용된다. 공기는 수면에서 수증기의 변화량을 함유한 가스 혼합물로서, 부피비로 산소 20.9%, 질소 78%, 아르곤 0.94%, 및 나머지는 여러 가지 다른 가스로 구성되어 있다. 그러나, 다른 형태의 멤브레인은 임의의 비유기성 산화물로 제조될 수 있다. 이러한 고체 전해질 멤브레인은 칼슘 또는 이트륨으로 안정화된 지르코늄 및 형석 또는 히티탄석(perovskite) 구조를 갖는 유사 산화에 의해 특징화된 비유기성 산화물로 제조된다.
이러한 고체 산화물의 일부는 멤브레인에 전위가 가해질 때 상승된 온도에서 산소 이온을 도전시킬수 있는 전기 구동식 또는 이온 도전체이다. 최근의 조사는 화학 구동 전위가 가해진다면 상승된 온도에서 산소 이온을 도전시킬 수 있는 고체 산화물의 개선에 대해 논의하고 있다. 이러한 압력 구동식의 이온 도전체 또는 혼합 도전체는 충분한 부분 산소 압력비가 화학 구동 전위를 제공하기 위해 적용된다면 산소 함유 가스 스트림으로부터 산소를 추출하기 위한 멤브레인으로 이용될 수 있다. 산소에 대한 상기 재료의 선택도는 무한하고 종래의 멤브레인보다 더 큰 강도를 갖는 산소 플럭스가 얻어짐으로 인해, 상기 이온 운반 멤브레인을 사용한 산소 제조의 기회가 발생하게 된다.
가스 분리 멤브레인에서와 같이 상기 산화물 세라믹 재료에 대한 전위가 크다 하더라도, 그 사용에는 여러 가지 문제점이 발생한다. 가장 명백한 어려움은 모든 공지된 산화물 세라믹 재료는 상승된 온도에서 산소 이온만을 도전하게 된다. 상기 재료는 500℃ 이상, 일반적으로 600℃ 내지 900℃ 범위내에서 작동된다. 낮은 온도에서 효과적으로 작동하는 재료를 발견하기 위한 연구에도 불구하고 여전히 상기 한계점은 존재한다. 고체 전해질 이온 도전체 기술은 "단계식 전해질 멤브레인(staged electrolyte membrane)"으로 제목붙혀진 프래사드(Prasad)에 의한 미국 특허 제 5,547,494호에 보다 상세히 기술되어졌다.
그러나, 연소 공정은 고온에서 작동하며 산소 강화 연소 공정과 이온 운반 시스템을 효율적으로 통합하기 위한 전위를 가지며 본 발명은 산소 강화 연소 공정으로 이온 운반 시스템의 통합에 새로운 개선안을 갖는다.
대부분의 종래의 연소 공정은 가장 편리하고 풍부한 산소 공급원 즉, 공기를 이용한다. 공기내에서 질소의 존재는 연소 공정에 해를 끼치지는 않으나, 많은 문제점을 발생한다. 예를 들어, 질소는 연소 온도에서 산소와 반응하여 바람직하지 않은 오염물인 질소 산화물을 형성한다. 다수의 실시예에서, 연소 생성물은 질소 산화물을 환경허용치 이하로 감소시키기 위해 처리된다. 더욱이, 질소의 존재는 번갈아 연도 가스의 열 손실을 증가시키는 연도 가스 체적을 증가시키며, 연소 공정의 열 효율을 감소시킨다. 상기 문제점을 최소화 시키기 위해서, 산소 부화연소(OEC:oxygen enriched conbustion)가 수년동안 실시되어져 왔다. 산소 부화 연소는 여러 잇점을 갖는데, 예를 들어 방출물(특히, 질소 산화물)이 감소하고, 에너지 효율이 증가하고, 연도 가스 체적이 감소하고, 연소가 보다 정화되고 안정되며, 하류 순환주기의 열역학적 효율이 증가된다. 그러나, 상기 적용으로 제조되어질 산소의 비용에 대해 OEC의 잇점은 보다 증가되어야 한다. 그 결과, OEC 에 대한 시장 요구는 산소 부화 가스를 제조하는 비용에 따라 크게 달라진다. 산소 부화 가스의 비용이 대략 $15/톤으로 감소된다면 100,000 톤/일에 상응하는 산소가 요구된다. 이온 운반 멤브레인을 사용한 가스 분리 공정은 상기 목적을 달성될 수 있다. OEC는 에이취. 코바야시(H. Kobayashi)에 의해 산소 부화 연소 시스템 성능 조사 제 1 권: 기술 및 경제 분석(보고서 #DOE/ID/12597), 1986 및 제 2 권: 시장 과세(보고서 #DOE/ID/ 12597-3), 1987 에 상세히 기술되어 있다.
가스 스트림으로부터 산소를 분리시키는데 사용되는 이온 운반 도전체 기술과 관련된 문헌은 다음과 같다.
터어빈 동력 발생으로부터 산소 부산물을 제조하기 위한 공정으로 제목붙혀진 헤갈티(Hegarty)에 의한 미국 특허 제 4,545,787호는 공기 스트림으로부터 산소를 제거시킴으로써 압축하고 가열된 공기로부터 전력을 발생시키는 단계와, 최종 공기 스트림의 일부분과 연료 스트림을 연소시키는 단계, 및 전력을 발생시키기 위해 터어빈을 통해 최종 연소 생성물을 팽창시키는 단계를 포함한다. 헤갈티는 공기 스트림으로부터 산소를 제거시키기 위해 은 합성식 멤브레인과 금속 산화물 고체 전해질 멤브레인의 사용에 대해 언급하고 있다.
산소 제조의 통합된 고온법으로 제목붙혀진 강(Kang et al)에 의한 미국 특허 제 5,516,359,호는 비투과 생성물은 전력 발생용 터어빈을 통해 통과되며 보다 가열되는 고체 전해질 이온 도전체 멤브레인을 사용한 가열된고 압축된 공기로부터 산소를 분리하는 공정에 대해 기술하고 있다.
Bi(비스무트)로 혼합된 혼합 금속 산화물 멤브레인을 사용함으로써 산소 함유 가스로부터 산소 분리 공정으로 제목붙혀진 마자네크(Mazanec et al)에 의한 미국 특허 제 5,160,713호는 산소 이온 도전체로 사용될 수 있는 시키기 위한 비스무트 함유 재료를 기술하고 있다.
산소 강화 또는 부화 연소(OEC) 에 관한 간행물은 산소 부화 연소 시스템의 다양한 기술적 및 경제적 관점을 논의하는 엠.에이 루카시윅스의 1986년 4월 29일-30일, 일리노이주, 시카고, 산업상 연소 기술에 대한 심포지엄중에 상기 언급한 에이취.코바야시(H. Kobayashi), 및 에이취. 코바야시, 제이 지 보일(J.G.Boyle), 제이 지 켈러(J.G. Keller), 제이 비 패톤(J.B.Patton), 및 알. 씨. 제인(R.C.Jane)에 의해 허여된, 산업상 노 적용의 산소 부화 연소의 기술 및 경제적 평가를 포함한다.
산소 부화 연소는 압력 순환 흡착(PSA:pressure swing adsorption)과 같은 저온 증류 또는 비저온 공정에 의해 제조된 산소를 사용하여 상업상 이용되어져 왔다. 그러나, 상기 공정 모두는 100℃ 또는 그 이하의 온도에서 작동되며 연소 공정과 열적으로 통합되기 어렵다.
고체 전해질 이온 도전체상의 조사는 수년동안 수행되어져 왔다. 고체 전해질은 공기로부터 소량의 순수 산소를 제조하기 위해 연료 셀 및 센서에 주로 사용되며, 산소 운반에 무한 선택도를 갖는다. 전기 구동식의 고체 전해질 멤브레인은 비활성 가스 스트림으로부터 산소 검출량을 제거하기 위해 또한 사용되며, 멤브레인에 충분한 전압의 인가는 매우 낮은 수치로 보유 가스 스트림의 산소 활성도를 감소시킬 수 있다. 그러나, 상기 재료중의 다수는 산소 이온 도전율에는 인지되지 않는다. 최근에는 가스 분리 공정을 보다 경제적으로 수행하기 위해 충분히 높은 산소 이온 도전율을 갖는 재료를 합성한다. 그러나, 상기 재료에 기초한 상업상 가스 분리, 정화, 또는 부화 공정은 개선되지 않았다.
상기 발명가들은 OEC 산소 제조 시스템에 기초한 이온 운반의 통합 배치에 대해 알지 못했다.
그러므로, 본 발명의 목적은 독립형 산소 발생기(stand-alone oxygen generator) 또는 산소 공급 시스템의 필요성을 제거하고 다양한 공정 조건을 온도에 의해 또는 조작상으로 통합함으로써 산소 부화 연소에 효율적인 통합 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연소 공정에서 발생하는 NOX형성 및 질소 가스의 가열로 인한 열 손실을 최소화하거나 제거시키는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 부산물로 이용되어질 질소-부화 가스 스트림을 재생시키기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연소 공정에 이용되는 배기 가스 스트림에서 산소의 농도를 제어하기 위한 것이다.
도 1은 하류 공정 및 산소 부화 연소와 이온 운반 산소 제조의 통합을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 도 1과 유사한, 하류 공정 및 산소 부화 연소와 이온 운반 산소 제조의 통합을 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 연소실이 이온 운반 모듈과 통합된 도 2와 유사한 도면.
도 4는 이온 운반 공정, 연소실, 및 하류 공정이 단일 모듈 내에서 통합되는 방법을 도시한 개략도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 공급 가스 스트림 2 : 압축기
7 : 이온 운반 멤브레인
7a : 보유면 7b : 투과면
14 : 연소실 16 : 배기 가스 스트림
31 : 폐가스 스트림 33 : 열 교환기
본 발명은 원소 산소를 함유하는 공급 가스 스트림을 산소 부화(oxygen-enriched) 가스 스트림 및 산소 빈화(oxygen-depleted) 가스 스트림으로 분리시키기 위한 방법으로서, 산소 부화 가스 스트림이 연소실 내에서 이용되는 방법은 a) 공급 가스 스트림을 압축시키는 단계와, b) 보유면(retentate side)과 투과면(permeate side)을 갖는 이온 운반 멤브레인을 포함하는 이온 운반 모듈을 이용하여 상기 압축된 공급 가스 스트림으로부터 산소를 분리시켜 상기 투과면 상에서 정화된 산소 가스 스트림을 분리시키고, 상기 보유면 상에서 상기 산소를 대응 소모시켜 산소 빈화 가스 스트림을 발생시키는 단계로서, 상기 정화된 산소 가스 스트림은 상기 정화면 상의 다른 가스 성분과 혼합하여 산소 부화 가스 스트림을 형성하는 단계와, 그리고 c) 이온전달 멤브레인의 투과면을 이온 전달 모듈의 투과면을 벗어난 가스 스트림의 연소실 내의 연소로부터 얻어진 연소 생성물 가스 스트림의 적어도 일부분으로 퍼지시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 공급 가스 스트림은 공기이다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 이온 운반 멤브레인의 투과면을 정화시키는데 사용되는 연소 생성물 가스 스트림은 이온 운반 멤브레인을 통해 투과하는 정화된 산소 가스 스트림과 반응하는 반응성 가스를 포함한다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 연소 생성물 가스 스트림은 이온 운반 멤브레인의 투과면을 정화시키기위해 사용되기 이전에 냉각된다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 이온 운반 멤브레인의 투과면을 벗어난 가스 스트림은 약 10% 내지 90%의 산소 농도를 갖는다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 공급 가스 스트림은 이온 운반 모듈로 공급되기 이전에 압축된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 연소실은 이온 운반 멤브레인의 투과면상에 이온 운반 모듈과 통합된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 연소 생성물 가스 스트림의 적어도 일부분은 하류 공정에서 이용되며, 하류 공정으로부터 하류 생성물 가스 스트림의 적어도 일부분은 이온 운반 멤브레인의 투과면을 정화시키기 위해 이용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 산소 함유 가스 스트림은 하류 공정으로부터 하류 생성물 가스 스트림의 적어도 일부분에 부가되며 최종적인 가스 스트림은 애프터버너를 통과하며, 하류 생성물 가스 스트림에 남아있는 임의의 연료를 연소시킨다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 연소실 및 하류 공정은 이온 운반 멤브레인의 투과면상에 이온 운반 모듈과 통합된다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 하류 공정은 금속의 산화, 금속 또는 용광로내의 불순물을 산화시킴으로써 금속을 정화시킨다.
본 발명의 또 다른 특성 및 잇점은 첨부 도면과 바람직한 실시예로부터 당업자들에게 인지되어질 것이다.
본 발명은 도면을 참조로 하여 보다 상세히 설명되며 동일한 요소에는 동일한 참조 부호가 사용된다.
본 발명은 산소 부화 연소(OEC)와 이온 운반 산소 제조를 경제적으로 통합할 수 있는 공정 배치에 관한 것이다. 압력 구동식 공정이 공정의 설계로 바람직하다하더라도, 상기 기술된 개념은 전극 및 전자 반환 외부 회로를 구비한 이온 도전체 멤브레인 또는 혼합된 도전체 멤브레인을 이용하는 시스템에 적용가능하다.
현재 상업상 이용가능한 산소 제조 공정은 100℃ 이하의 온도에서 작동한다. 상기 낮은 온도로 인해, OEC 공정의 통합에 의한 우등한 효율을 갖지 못한다. 상승된(600℃ 보다 낮은) 온도 작업은 산소를 사용하는 연소에 의한 고온 공정으로 OEC 공정의 통합에 적합한 이온 운반 공정을 초래한다. 부가적으로, 연소 배기 연도 가스는 이온 운반 멤브레인 성능을 강화시키기 위해 사용될 수 있다. 종래의 산소 제조 공정(예를 들어, PSA, TSA, 또는 멤브레인에 기초한 공정)은 상기 연도 가스가 연소 챔버를 벗어날 때 고온으로 인해 배기 연도 가스를 쉽게 이용할 수 없다.
현 공정 배치의 핵심은 산소 함유 가스, 일반적으로 공기로부터 산소를 분리시키고 산소 부화 연소물을 포함한 하류 공정에서 분리된 산소를 이용하기 위해 고체 산소 이온 도전 또는 혼합된 도전 멤브레인을 이용하는 이온 운반 멤브레인에 있다. 이온 운반 멤브레인내의 투과면상에 산소의 분압을 감소시키기 위해서는, 산소 빈화 가스(예를 들어, 연소 공정 또는 임의의 하류 공정으로부터 폐가스)는 퍼지 가스 스트림으로 이용된다. 상기 퍼지는 이온 운반 멤브레인의 구동력을 상당히 증가시키고 고 산소 플럭스 및 하부의 멤브레인 영역 요구량에 영향을 미친다. 상기 잇점은 공급 가스 스트림이 비교적 낮은 압력에서도 발생하여 시스템의 전력 요구량을 감소시킨다. 연소 배기 가스의 재순환은 연소실의 온도를 제어하고(예를 들어, 질소의 침투로 인한)NOX형성을 최소화시키기 위해 중요한 희석 스트림을 제공하는 잇점을 갖는다. 이러한 공정의 효율은 산소 분리기에 유입되는 연도 가스에 연료를 부가함으로써 강화된다. 이는 투과면상에 분압 산소를 보다 감소시켜 이온 운반 분리기에 보다 높은 산소 플럭스를 초래한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 이온 운반 모듈은 연소실로 작동하여 상기 적용이 다수의 현 이온 운반 멤브레인의 최대 작업 온도인 1100℃ 이상의 온도에서 연소실을 벗어난 가스 스트림을 요구하지 않는다면, 개별 연소실의 필요성을 없애준다. 작업 범위내에 이온 운반 모듈의 온도를 유지하기 위해 필요한 열은 당업자로부터 공지된 다양한 공급원, 예를 들어 애프터버너에서 발생되고 고온 연소 생성물 가스에서 재순환되는 열로부터 발생된다.
대부분의 혼합된 도전체에서, 전자 도전체는 작업 온도에서 산소 이온 도전율을 초과하고 한 면에서 다른 면으로의 산소의 총괄적인 운반은 산소 이온 도전율에 의해 제어된다. 다수의 전위 혼합 도전체는 형석 또는 히티탄 결정 구조에서 확인된다. 이온 운반 멤브레인의 작용은 광범위하게 연구되며(예를 들어, 연료셀), 정확하게 모델링된다. 아래의 표 1은 산소 분리에 관심있는 혼합 도전체의 부분 목록이다.
도 1은 산소 부화 연소(OEC)와 이온 운반 산소 제조의 통합을 개략적으로 도시한 도면이다. 작동시에, 산소 원소를 함유한 공급 가스 스트림(1), 통상적으로 공기는 송풍기 또는 압축기(2)에서 비교적 낮은 압력에서 압축되어 압축된 공급 가스 스트림(3)을 발생시키며, 폐가스 스트림(31) 및 질소 생성물 가스 스트림(37)에 대해 열 교환기(33) 내에서 가열되어 가온된 공급 가스 스트림(4)을 생성한다. 가스 스트림(28)은 가온된 공급 가스 스트림(4)으로부터 분할되며 고온 공급 가스 스트림(6)을 발생시키기 위해 가열기(34) 내에서 선택적으로 가열된 공급 가스 스트림(5)을 남겨두기 위해 선택적인 애프터버너(26)에서 이용된다. 그리고 나서, 고온 공급 가스 스트림(6)은 보유면(7a) 및 투과면(7b)을 갖는 이온 운반 멤브레인(7)를 이용하여 이온 운반 모듈(35)의 공급 측면에 유입된다. 고온 공급 가스 스트림(6)의 산소의 일부분은 이온 운반 모듈(35)내에서 제거되며 상기 모듈을 빠져 나온 가스 스트림(8)은 공급 가스 스트림(1)에 대해 질소 부화 상태가 된다. 이온 운반 멤브레인(7)의 투과면(7b)은 연소 생성물을 함유한 퍼지 가스 스트림(9)을 이용하여 정화된다. 투과 가스 스트림(10)은 산소를 함유하며 이 후, 연료 가스 스트림(11)과 혼합된다. 가스 스트림(10)에 공기 스트림(12)이 선택적으로 부가될 수 있다.
임의의 송풍기(도시되지 않음)를 통과한 이후에 연소 가스 스트림(13)은 연소실(14)로 유입된다. 선택적으로, 또는 연료 가스 스트림(11)에 부가적으로, 연료 가스 스트림(15)은 연소실(14)에 직접 공급될 수 있다. 화학 양론 상태 또는 근소한 연료 과부하 상태에 근접한 연소실(14)을 작동시킴으로서, 배기 가스 스트림(16) 내의 산소 농도는 저 레벨로 유지될 수 있다. 상기 실시예에서, 연소실(14)로부터 배기 가스 스트림(16)은 두 부분의 가스 스트림(17, 18)으로 분할된다. 가스 스트림(18)은 열의 입력을 요하는 하류스트림 공정(19)에서 사용되며 이로부터 비교적 냉각된 배기 가스 스트림(20)은 두 부분의 배기 가스 스트림(20,21)으로 분할된다. 연료 가스 스트림(25)은 배기 가스 스트림(21)에 부가되어 가스 스트림(38)을 발생시킨다.
가스 스트림(38)은 가스 스트림(17)에 부가되어 이온 운반 모듈(35)에 유입되어 이온 운반 멤브레인(7)의 투과면(7b)을 정화시키기 위해 이용되는 가스 스트림(9)을 발생시킨다. 본 명세서에 도시되지는 않았으나, 가스 스트림(17)은 선택적인 가열기(34)를 이용하기 보다는 고온 공급 가스 스트림(6)을 발생시키기 위해 가온된 공급 가스 스트림(5)을 가열시키는데 이용될 수 있다. 배기 가스 스트림(22)은 공기 스트림(27) 또는 가스 스트림(28)이 고온 폐가스 스트림(29)을 발생시키기 위해 선택적으로 부가되는 임의의 애프터버너(26)로 선택적으로 공급된다. 고온 폐가스 스트림(29)은 가스 스트림(30) 또는 가스 스트림(31)이 될 수 있다. 전술한 바와 같이, 가스 스트림(31)은 압축된 공급 가스 스트림(3)을 가열시키기 위해 열 교환기(33) 내에서 이용되어 폐가스 스트림(32)을 발생시킨다. 가스 스트림(30)은 질소가 부산물로 사용되지 않고 배기 가스 스트림(30)의 온도가 충분히 높다면 질소 부화 보유 가스 스트림(8)과 혼합된다. 보유 가스 스트림(8)은 배기 가스 스트림(30)보다 고압 상태이며 가스 스트림(30)과 혼합되기 이전에 보유 가스 스트림(34)을 발생시키기 위해 팽창 밸브(23)를 이용하여 보유 가스 스트림(8)의 초과 압력을 방출시키는 것이 필요하다. 보유 가스 스트림(24)이 질소 과부하 생성물 가스 스트림으로 요구된다면, 가스 스트림(36,30)은 혼합되지 않는다.
이온 운반 모듈(35)에 산소 빈화 퍼지 가스 스트림(9)의 이용은 이온 운반 멤브레인(7)의 투과면(7b)상에 산소 분압을 낮추고 멤브레인(7)을 통해 신속한 산소 운반을 가능하게 한다. 연료 가스 스트림(11,15,25)은 본 발명의 잇점을 얻기 위해 도 1에 도시된 임의의 또는 모든 점에서 공정 배치 내부로 유입될 수 있다.적어도 하나의 연료 가스 스트림의 이용은 본 발명에 있어 필수적이다. 예를 들어, 이온 운반 멤브레인(7)의 투과면(7b) 상에 산소 분압을 감소시키기 위해 이온 운반 모듈(35)의 상류스트림에 연료 가스 스트림(25)을 부가하는 것이 바람직하다. 이는 연료의 연소로 인해 이온 운반 모듈(35)에 일부 열을 발생시켜, 산소 운반 공정의 열 요구량의 일부를 상쇄시킨다. 이러한 경우에, 이온 운반 모듈(35)로부터 벗어난 질소 과부하 가스 스트림(8)은 보다 고온 상태가 된다. 이는 열교환기(33) 내에서의 열 교환이 보다 효율적으로 이루어지며, 열교환에 요구되는 영역을 감소시키고 이온 운반 모듈(35)의 상류스트림의 가열기(34)의 필요성을 제거시킨다. 충분한 연료가 이온 운반 멤브레인(7)의 정화면 또는 투과면(7b) 상의 이온 운반 모듈(35)에서 연소될 수 있다면, 개별 연소실(14)의 필요성을 또한 없애준다. 즉, 이온 운반 모듈(35)은 (도 3에 도시되어진 것처럼) 연소실로 제공된다. 전술한 바로 인해, 시스템의 단순화 및 비용을 감소를 초래한다.
반응성 퍼지 조립체는 "고체 전해질 가스 분리를 위한 반응 퍼지(Reactive purge for solid Electrolyte Membrane Gas Separation)" 로 제목붙혀진 1995년 12월 5일 출원된 미국 특허출원 제 08/567,699호에 개시되어 있다. 반응 퍼지를 이용한 이온 운반 모듈의 바람직한 배치는 "고체 전해질 이온 도전체 반응기 설계(Solid Electrolyte Ionic Conductor Reactor Design)"로 제목붙혀진 1997년 4월 29일 출원된 미국 특허 출원에 개시되어 있다. 상기 두 출원건은 본 출원건과 함께 동일 소유권을 갖는다.
연료 고부화 혼합물로 연소실(14)을 작동시키는 것이 바람직한데, 이는 상기연료 고부화 혼합물이 가스 스트림(10)을 투과시키기 위해 부가되는 연료의 부분 산화를 초래하여, 수소 가스 및 일산화탄소를 함유한 배기 가스 스트림(16)을 생성하기 때문이다. 전술한 바와 같이, 가스 스트림(17)은 이온 운반 멤브레인(7)의 투과면(7b)을 퍼지시키는데 선택적으로 이용된다. 수소 가스는 다수의 다른 가스상 연료보다 고 반응성을 갖는 고 환원 가스이며, 이온 운반 모듈(35)내에서의 수소 가스의 존재는 이온 운반 멤브레인(7)의 정화면(7b)상에 낮은 산소 분압을 초래하며, 이온 운반 멤브레인(7)을 통해 산소의 보다 신속한 운반을 가능하게 한다. 물론, 연료 가스 스트림(25)으로서 수소 가스를 도입시킴으로써 동일한 결과가 달성된다. 그러나, 수소 가스가 비교적 고가의 연료이므로, 연소실(14)에 연료의 과다한 공급은 비용 효율적이지 못하다. 전술한 바와 같이 연소실(14)에 연료의 과다 공급은 수소 가스가 공정 순환의 일부분으로 제조됨으로 인해, 미리제조된 수소 가스 사용의 필요성을 없애준다. 그러나, 연료 부화 조건에서 연소실(14)의 작동은 배기 가스 스트림(18,22)이 일산화 탄소 및 수소 가스를 함유하도록 하며, 상기 두가지 가스는 농도가 낮아지면 대기로 간단하게 배출된다. 전술한 바와 같이, 상기 가스의 농도가 높으면 탄소 일산화물 또는 수소 가스를 연소시키기 위해 부가되는 애프터버너(26)에 과다 공기(27)를 설치하는 것이 가능하다. 데워진 공급 가스 스트림(4)의 가스 스트림(28)은 애프터버너 필요량을 제공하기 위해 애프터버너(26)에 또한 부가된다.
산소에 대한 이온 운반 멤브레인(7)의 무한 선택도 또는 이온 운반 멤브레인(7)으로 인해, 퍼지 가스 스트림(9)으로서 연소 생성물의 재순환으로, 과잉 공기의 필요성없이 연소실(14)내에 가스 스트림(13)의 온도 상승을 제한하는 것이 가능하며, 그 결과 연소 공정으로부터 질소를 제거하여, NOX형성을 제거시킨다. 상승 효과는 본 발명의 일반적인 특성이며 본 발명의 실시예들이 갖는 특징이다.
본 발명에서 이용되는 이온 운반 모듈의 작동 변수의 범위는 다음과 같다.
온도: 일반적으로 400℃ 내지 100℃범위, 바람직하게 400 내지 800℃범위
압력: 퍼지면 압력은 일반적으로 1-3 atm의 범위이다. 공급측 압력은 질소가 부산물이 아니라면, 1-3 atm이 될 것이며, 질소가 부산물이라면, 압력은 1-20 atm 이다.
이온 운반 멤브레인의 산소 이온 도전율( μ ): 0.01 내지 100 s/cm 범위이다(1 s = l/ohm).
이온 운반 멤브레인이 두께: 이온 운반 멤브레인은 다공성 기판상에서 농후한 막, 또는 얇은 막의 형태로 사용될 수 있다. 이온 운반 멤브레인/층의 두께(t)는 5000 마이크론 이하, 바람직하게 1000 마이크론 이하, 가장 바람직하게 100 마이크론 이하이다.
배치: 이온 운반 멤브레인 요소는 관형 또는 평면이다.
전술한 바와 같이, 대칭 또는 합성 이온 운반 멤브레인(즉, 압력 구동식 멤브레인)은 본문에 기술된 실시예에서 사용된다. 다음의 특성은 본 발명에서 사용될 수 있는 멤브레인에 대한 문헌에서 기록된 일반적인 수치에 근거하고 있다.
효과적인 메브레인 두께 : 20 마이크론
이온 도전율,μ: 0.5 s/m
작업 온도 : 800 ℃
기판 다공성 : 40 %
표준 수리 모델은 도 1에 도시되어진 공정 작업 조건 즉, 멤브레인 영역 요구량 및 전력 및 열 에너지는 다양한 위치에서 필요한 에너지 입력량등을 결정하기 위해 사용된다. 도 1의 배치를 사용한 공정 모델링은 예시적인 목적으로만 기술되어 있으며 공정 배치를 최적화하기 위한 시도는 없다. 최적화가 시도되지 않은 주요인은 경제적인 관점에 근거하고 있으며 이온 운반 멤브레인 시스템의 상업적인 제조는 아직은 시기상조이며, 상기 시스템에 현재 이용가능한 예상 비용은 정확하지 않다.
상기의 실시예로 인해, 도 1에 도시되어진 것과 같이 연료는 연료 가스 스트림(11)으로 공정에 부가된다. 부가적으로, 선택적인 가스 스트림(17)은 고려되지 않으며, 가스 스트림(16,18)이 이상적이다. 더욱이, 질소는 부산물로 이용되지 않으며, 배출 밸브(23)를 이용하여 보유면의 초과 압력을 감소시킨 후에 보유 가스 스트림(8)으로부터 얻어진 보유 가스 스트림(36)은 배기 가스 스트림(29)으로 취해진 가스 스트림(30)과 혼합된다. 그러나, 일반적으로 보유 가스 스트림(8)의 압력을 감소시키거나 열교환기(33)의 상류의 가스 스트림(8)을 유지시키기 위해 가스 스트림(30)에 부가시키는 것은 효과적이지 못하다. 배기 가스 스트림(22)이 탄소 산화물 및 수소 가스을 함유하지 않으므로, 애프터버너(26)는 설치되지 않는다.
실시예 : 하류 공정은 5 x 106BTU/hr의 열 입력량을 요한다.
도 2는 촉매 애프터버너 장치를 사용한 보다 효과적인 대안을 도시한 도 1과 유사한 개략도를 도시하고 있다. 작동시에, 산소 원소를 함유한 공급 가스 스트림(1), 통상적으로 공기는 송풍기 또는 압축기(42)내의 비교적 낮은 압력에서 압축되어 압축된 공급 가스 스트림(43)을 발생시키며, 고온의 폐가스 스트림(40) 및 질소 생성물 가스 스트림(64)에 대해 열 교환기(73) 내에서 가열되어 가온된 공급 가스 스트림(44)을 생성한다. 가스 스트림(70)은 가온된 공급 가스 스트림(44)으로부터 분할되며 고온 공급 가스 스트림(45)을 발생시키기 위해 가열기(75)내에서 선택적으로 가열된 공급 가스 스트림(74)을 남겨두기 위해 선택적인 애프터버너(69)에서 사용된다. 그리고 나서, 고온 공급 가스 스트림(45)은 보유면(47a) 및 투과면(47b)을 갖는 이온 운반 멤브레인(47)를 이용하여 이온 운반 모듈(46)의 공급측에 유입된다. 고온 공급 가스 스트림(45)의 산소의 일부분은 이온 운반 모듈(46)내에서 제거되며 상기 모듈을 빠져나온 가스 스트림(48)은 공급 가스 스트림(41)에 대해 질소 부화 상태가 된다.
이온 운반 멤브레인(4)의 투과면(47b)은 연소 생성물을 함유한 퍼지 가스 스트림(79)을 이용하여 정화된다. 투과 가스 스트림(50)은 산소를 함유하며 이 후, 연료 가스 스트림(51)과 혼합된다. 가스 스트림(50)애 공기 스트림(52)이 선택적으로 부가될 수 있다. 공기 스트림(52)은 선택적으로 가스 스트림(50)에 부가될 수 있다. 임의의 송풍기(도시되지 않음)를 통해 통과된 이후 연소 가스 스트림(53)은 연소실(54)에 유입된다. 선택적으로 또는 연료 가스 스트림(51) 이외에도, 연료 가스 스트림(55)이 연소실(54)에 직접 공급될 수 있다. 화학 양론 상태 또는 연료가 근소하게 과다한 상태에서 연소실(54)을 작동함으로써, 배기 가스 스트림(56) 내의 산소 농도는 저 레벨로 유지될 수 있다.
연소실(54)로부터 배기 가스 스트림(56)은 두 부분의 가스 스트림(57,58)으로 분할될 수 있다. 가스 스트림(58)은 열의 입력을 요하는 하류 공정(59)내에서 사용되며 하류 공정(59)으로부터 배출되는 배기 가스 스트림(60)은 두 부분의 배기 가스 스트림(61,62)으로 분할된다. 연료 가스 스트림(65)은 가스 스트림(78)을 발생시키기 위해 배기 가스 스트림(61)에 부가된다. 가스 스트림(78)은 이온 운반 모듈(46)에 유입하여 이온 운반 멤브레인(47)의 투과면(47b)을 퍼지시키기 위해 이용되는 가스 스트림(79)을 발생시키기 위해 가스 스트림(57)에 부가될 수 있다.
배기 가스 스트림(62)온 선택적으로 두 부분의 고온 폐가스 스트림(40) 및 가스 스트림(77)으로 분할된다. 전술한 바와 같이, 고온 폐가스 스트림(40)은 폐가스 스트림(74)을 발생시키기 위해 압축된 공급 가스 스트림(43)을 가열시키기 위해 열교환기(73) 내에서 이용된다. 가스 스트림(77)은 질소가 부산물로 사용되지 않고 배기 가스 스트림(77)의 온도가 충분히 높다면, 질소 과부하 보유 가스 스트림(48)과 혼합된다. 이는 애프터버너(69)내의 연소에 의해 배기 가스 스트림(62)내에서 임의의 비반응성 연료를 제거하고 열 교환기(73)의 효율을 개선시키기 위해 열 에너지를 발생시키는 것이다. 보유 가스 스트림(48)은 배기 가스 스트림(77)보다 높은 압력에서 존재하며 가스 스트림(80)을 제조하기 위해 가스 스트림(77)과 혼합되기 이전에 보유 가스 스트림(76)을 발생시키기 위해 팽창 밸브(63)를 이용하여 보유 가스 스트림(48)의 초과 압력을 배출하는 것이 필요하다.
가스 스트림(80)은 가스 스트림(70)이 고온 폐가스 스트림(39)을 발생시키기 위해 선택적으로 부가되는 임의의 애프터버너(69)로 공급된다. 이러한 경우, 연소에 요구되는 충분한 산소를 함유하고 있어야 함을 인지해야 한다. 전술한 바와 같이, 가온된 공급 가스 스트림(44)으로부터 취해진 가스 스트림(70)은 상기의 산소를 함유하도록 애프터버너(69)에 부가적으로 더해질 수 있다. 결합된 스트림의 유량은 이온 운반 모듈(46)과 하류 공정(59)으로부터 배기 가스를 혼합함으로써 증가된다. 이는 열 교환기(73) 내에서 용량 비를 개선시키고 압축된 공급 가스 스트림(43)에 열 운반을 증진시킨다. 생성물 가스 스트림(64)은 (완전 연소를 이루기 위해 과잉으로 이용되는)산소를 함유하고 있으며, 애프터버너(69)가 이용될 때의 연소 생성물 및 생성물 가스 스트림(64)은 폐스트림으로 무시된다.
도 1에 도시되어진 본 발명의 실시예에 따라, 이온 운반 모듈(46) 내의 산소 빈화된 퍼지 가스 스트림(79)의 이용으로 이온 운반 멤브레인(47)의 투과면(47b)상의 산소 분압을 낮추고 멤브레인(47)을 통한 신속한 산소 운반을 가능케 한다. 연료 가스 스트림(51,55,65)은 본 발명의 잇점을 얻기 위해 도 2에 도시된 임의의 위치에서 공정 배열 내부로 유입될 수 있으며, 하나 이상의 가스 스트림이 본 발명에서 필수적이다. 종래의 방법과 같이, 이온 운반 멤브레인(47)의 투과면(47b)상에 산소 분압을 크게 감소시키기 위해 이온 운반 모듈(46)의 상류에 연료 가스 스트림(65)을 부가하는 것이 바람직하다. 이는 연료의 연소로 인한 이온 운반 모듈(46) 내에 일부 열 운반을 초래하며, 산소 운반 공정의 열 요구량의 일부를 상쇄시킨다. 이러한 경우에, 이온 운반 모듈(46)로부터 벗어난 질소 과부하 가스 스트림(48)은 보다 고온 상태가 된다. 이는 열교환기(73)내에서의 열 교환이 보다 효율적으로 이루어지며, 열교환에 요구되는 영역을 감소시키고 이온 운반 모듈(46)의 상류의 가열기(75)의 필요성을 제거시킨다. 충분한 연료가 이온 운반 멤브레인(47)의 정화면 또는 투과면(47b) 상의 이온 운반 모듈(46)에서 연소될 수 있다면, 개별 연소실(54)의 필요성을 또한 없애준다. 즉, 이온 운반 모듈(46)은 (도 3에 도시되어진 것처럼) 연소실로 제공된다. 전술한 바로 인해, 시스템의 단순화 및 비용을감소를 초래한다.
도 1에 도시되어진 본 발명의 실시예에서와 같이, 연료 고부화 혼합물로 연소실(54)을 작동시키는 것이 바람직한데, 이는 상기 연료 고부화 혼합물이 가스 스트림(50)을 투과시키기 위해 부가되는 연료의 부분 산화를 초래하여, 수소 가스 및 일산화탄소를 함유한 배기 가스 스트림(56)을 생성하기 때문이다. 전술한 바와 같이, 가스 스트림(57)은 이온 운반 멤브레인(47)의 투과면(47b)을 퍼지시키는데 선택적으로 이용된다. 이온 운반 모듈(46)내에서의 수소 가스의 존재는 이온 운반 멤브레인(47)의 정화면(47b)상에 낮은 산소 분압을 초래하며, 이온 운반 멤브레인(47)을 통해 산소의 보다 신속한 운반을 가능하게 한다. 물론, 연료 가스 스트림(25)으로서 수소 가스를 도입시킴으로써 동일한 결과가 달성된다. 연소실(54)에 연료 과다 공급원의 이용으로 공정 주기의 일부분으로 수소 가스를 발생시킨다. 전술한 바와 같이, 탄소 산화물 및 수소 가스의 농도가 충분히 높다면 상기 산화물 및 수소 가스를 연소시키기 위해 애프터버너(69)를 설치하는 것이 가능하다.
도 3은 연소실이 이온 운반 모듈과 통합 즉, 이온 운반 모듈 자체가 연소실로 제공되는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 개략도이다. 작동시에, 산소 원소를 함유한 공급 가스 스트림(1), 통상적으로 공기는 송풍기 또는 압축기(82)내의 비교적 낮은 압력에서 압축되어 압축된 공급 가스 스트림(83)을 발생시키며, 고온의 폐가스 스트림(116) 및 질소 생성물 가스 스트림(93)에 대해 열 교환기(113) 내에서 가열되어 가온된 공급 가스 스트림(95)을 생성한다. 가스 스트림(110)은 가온된 공급 가스 스트림(95)으로부터 분할되며 고온 공급 가스 스트림(85)을 발생시키기 위해 가열기(114)내에서 선택적으로 가열된 공급 가스 스트림(84)을 남겨두기 위해 선택적인 애프터버너(109)에서 사용된다. 그리고 나서, 고온 공급 가스 스트림(85)은 보유면(87a) 및 투과면(87b)을 갖는 이온 운반 멤브레인(87)를 이용하여 이온 운반-연소실 모듈(86)의 공급측에 유입된다. 고온 공급 가스 스트림(85)의 산소의 일부분은 이온 운반 모듈(86)내에서 제거되며 배출된 가스 스트림(88)은 공급 가스 스트림(81)에 대해 질소 부화 상태가 된다.
이온 운반 멤브레인(87)의 투과면(87b)은 연소 생성물을 함유한 퍼지 가스 스트림(89)을 이용하여 정화된다. 산소 및 공기 스트림(92)을 함유한 투과 가스 스트림(90)은 가스 스트림(98)을 발생시키기 위해 가스 스트림(90)에 선택적으로 부가될 수 있다. 화학양론 상태 또는 연료가 약간 과다한 상태에서 이온 운반-연소실 모듈(86)을 작동시킴으로써, 배기 가스 스트림(90)의 산소 농도는 저 레벨에서 유지될 수 있다. 가스 스트림(98)은 열의 입력을 요하는 하류 공정(99)에서 사용되며 하류 공정(99)으로부터 비교적 냉각된 배기 가스 스트림(100)은 두 부분의 배기 가스 스트림(101,102)으로 분할된다. 연료 가스 스트림(105)은 이온 운반-연소실 모듈(86)에 유입되고 이온 운반 멤브레인(87)의 투과면(87b)을 퍼지시키기 위해 사용되는 가스 스트림(89)을 발생시키기 위해 배기 가스 스트림(101)에 부가된다.
배기 가스 스트림(102)은 두 부분의 고온의 폐 가스 스트림(116)과 가스 스트림(115)으로 분할된다. 전술한 바와 같이, 고온의 폐 가스 스트림(116)은 폐 가스 스트림(117)을 발생시키기 위해 압축된 공급 가스 스트림(83)을 가열시키기 위해 열 교환기(113) 내에서 이용된다. 가스 스트림(115)은 질소가 부산물로 사용되지 않고 배기 가스 스트림(77)의 온도가 충분히 높다면, 질소 과부하 보유 가스 스트림(88)과 혼합된다. 이는 애프터버너(109)내의 연소에 의해 배기 가스 스트림(102)내에서 임의의 비반응성 연료를 제거하고 열 교환기(113)의 효율을 개선시키기 위해 열 에너지를 발생시키는 것이다. 보유 가스 스트림(88)은 배기 가스 스트림(115)보다 높은 압력에서 존재하며 가스 스트림(119)을 제조하기 위해 가스 스트림(115)과 혼합되기 이전에 보유 가스 스트림(88)을 발생시키기 위해 팽창 밸브(103)를 이용하여 보유 가스 스트림(88)의 초과 압력을 배출하는 것이 필요하다.
가스 스트림(119)은 가스 스트림(110)이 고온 폐가스 스트림(93)을 발생시키기 위해 선택적으로 부가되는 임의의 애프터버너(109)로 공급된다. 이러한 경우, 연소에 요구되는 충분한 산소를 함유하고 있어야 함을 인지해야 한다. 전술한 바와 같이, 가온된 공급 가스 스트림(95)으로부터 취해진 가스 스트림(110)은 상기의 산소를 함유하도록 애프터버너(109)에 부가적으로 더해질 수 있다. 결합된 스트림의 유량은 이온 운반-연소실 모듈(86)과 하류 공정(99)으로부터 배기 가스를 혼합함으로써 증가된다. 이는 열 교환기(113) 내에서 용량 비를 개선시키고 압축된 공급 가스 스트림(83)에 열 운반을 증진시킨다. 가스 스트림(94)은 (완전 연소를 이루기 위해 과잉으로 이용되는)산소를 함유하고 있으며, 애프터버너(109)가 이용될때의 연소 생성물 및 생성물 가스 스트림(94)은 폐스트림으로 무시된다.
도 3의 실시예에서, 이온 운반- 연소실 모듈(86) 내에서 발생되는 반응열은 대류 또는 복사 열 운반 공정에서 연소실 내에서 제거되거나 소모된다. 예를 들어,이온 운반 멤브레인(87)은 튜브 내부로 유동하는 반응성 퍼지 가스 스트림(89)을 갖는 튜브로 형성된다. 튜브로서 형성된 이온 운반 멤브레인(87)의 퍼지면(87b) 상에 발생된 열로 인해, 튜브는 고온 상태에 놓이며 가열 부재로 작동된다. 이온 운반 멤브레인(87) 튜브는 유리 용해 또는 금속 어닐링 등의 공정이 수행될 수 있는 보유면(87a) 또는 투과면(87b)에 방출할 것이다. 또한, 이온 운반 모듈(86) 내에서 발생된 열의 일부분은 압축된 공급 가스 스트림(85)과 퍼지 가스 스트림(89)을 예열하기 위해 사용되며, 열교환기(113)와 가열기(114)에 대한 필요성을 없앤다. 이러한 경우, 노의 하중이 이온 운반 멤브레인(87)의 투과면(87b)(즉, 산화 가스의 측면)상에 놓여진다.
이온 운반 연소실 모듈에 연도 (노) 가스의 내부 순환을 일체화시키는 것이 또한 가능하다. 노와 이온 운반 연소실 모듈이 대략 동일한 온도(예를 들어, 800 내지 1200 ℃)에서 작동된다면, 이 때 이온 운반 연소실은 노의 대기가 청정으로 제공되는 노의 내부면에 직접 위치될 수 있다. 즉, 이온 운반 멤브레인에 유해한 재료는 함유하지 않는다. 이온 운반 공정에서 도 4에 도시되어진 실시예에서, 연소실 및 하류 공정은 단일 유닛 내에서 모두 일체화된다. 가열된 공기 등의 공급 스트림(132)은 질소 등의 고온의 산소- 빈화 보유 스트림(134)을 발생시키기 위해 멤브레인(120)의 음극면(120a)에 반대로 향하고 있다. (노의 하중과 같은) 하류 공정(130)은 이온 운반 멤브레인(120)의 투과면 또는 양극면(120b)에 도시되어 있다. 상기와 같은 배치에서, 연료 가스 스트림(121)은 투과면(120b)의 표면에 근접하여 공급되며, 이온 운반 멤브레인(120)을 가로질러 운반되는 산소를 효율적으로빈화시킬 수 있다. 고온 지대(138) 내의 연소 생성물은 자연 대류 또는 강제 대류에 의해 양극면(120b)에 반대하여 노 내에서 재순환 될 수 있다. 도 4에 도시되어진 것처럼 스트림(146a)에 의해 점선으로 도시되어진 것처럼 노(130)로부터 얻어진 연소 생성물 스트림(146)과 연료 가스 스트림(121)은 이온 운반 멤브레인(120)의 투과면(120b)에 인접한 다공성의 연료 확산층(122)을 통해 선택적으로 공급된다. 바람직하게, 확산기 층(122)은 멤브레인(120)을 가로질러 연료를 보다 균일하게 확산시키기 위해 적어도 하나의 통로 또는 챔버를 형성한다.
산소 및 연소 생성물을 함유한 반응되어진 투과면 스트림(136)은 고온 지대(138)를 통해 노(130)로 향한다. 바람직하게, 고온 질소(140)의 일부분은 노(130) 위로 비활성 대기를 제공하기 위해 밸브(142)를 통해 향한다. 필요에 따라, 부가 연료(144)가 노(130)에 부가될 수 있다.
또 다른 구성에서, 이온 운반 멤브레인(120)은 노(130)의 외부에 놓여진 개별 모듈의 부분이다. 외부 또는 일체식 구성중의 하나에 있어서, 두 단계의 이온 운반 시스템에 있어서 제 1 단계의 양극면은 희석된 산소 투과 스트림을 발생시키기 위해 제 1 단계로부터 보유 스트림에 의해 퍼지되며, 제 2 단계의 양극면은 연료 부하 투과 스트림을 발생시키기 위해 반응하여 퍼지된다. 두 개의 투과 스트림은 노 대기 내에서 고온의 질소 보유 스트림을 사용하거나 사용하지 않고 연소용 노에서 이용된다.
최고의 노 온도가 이온 운반 작동 온도보다 더 높을 때, "표면" 영역의 노 영역은 이온 운반 작업(예를 들어, 연속 재가열 노의 예열 단면) 또는 발생될 수있는 온도를 제어하기 위해 적절한 열 싱크를 갖는 특정 챔버에서 선택된다. 예를 들어, 보일러 분야 또는 석유 가열기에서, 이온 운반 모듈에 대한 최적의 온도의 영역을 발생시키기 위해 노의 열 부하(즉, 물 또는 오일 튜브)를 사용하기에 적합하다. 다량의 연도 가스는 연속적으로 산소를 퍼지시키고 산소 농도를 낮게 유지시키기 위해 최적의 온도 영역을 통해 순환된다. 저 농도의 산소 및 높은 노 가스의 순환은 희석 산소 연소법에 공동 작용을 제공한다.
본 발명에 따라 통합된 공정은 많은 잇점을 갖는다. 예를 들어, OEC의 산소 농도는 퍼지용으로 배기 가스 스트림을 사용함으로써 저압의 공급 가스 스트림으로부터 추출될 수 있으며 이는 산소 분리 공정의 전력 요구량을 낮춘다.
산소만이 이온 운반 멤브레인을 통과함으로 인해, 이온 운반 멤브레인을 빠져나오는 퍼지 가스 스트림에 질소는 부가되지 않는다. 공기가 연소 혼합물 내부로 고의로(예를 들어, 임의의 가스 스트림(12)) 또는 누출에 의해 통과한다 하더라도, 연소 혼합물 내의 질소 분율은 매우 낮을 것이다. 이는 연소실 내의 NOX의 형성을 최소화하거나 감소시킨다.
더욱이, 하류 공정 이전 또는 이후에 취해지는 배기 가스의 적절한 혼합으로 인해, 이온 운반 공정에서 요구되는 퍼지 유입 온도를 제어하는 것이 가능하다. 이는 독립적으로 예열하는 필요성을 제거시킬 수 있다.
또한, 모든 연료의 연소가 이온 운반 모듈 내에서 수행된다면, 개별 연소실 장치는 제거될 수 있다. 이는 시스템의 간략화와 비용 절감을 초래한다. 더욱이 이온 운반 모듈 내의 공급 가스 스트림으로부터 충분한 산소가 제거된다면, 이온 운반 모듈로부터 질소 과부하 스트림의 보유는 생성물으로 사용될 수 있다. 이는 예를 들어, 연료 가스 스트림(11)으로 부가된다면 보다 바람직하다. 질소가 부산물로 필요하다면, 공급 가스 스트림은 질소 생성물 공급량에 필요한 압력으로 압축시키는 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 경우 이온 운반 모듈로부터 보유 가스 스트림은 하류 공정으로부터 배기 가스 스트림과 혼합되지 않는다. 이러한 경우, 개별 열 교환기는 배기 가스 스트림으로부터 열을 재생시키기 위해 설치될 수 있으며, 배기 가스 스트림이 보유 가스 스트림과 비교하여 보다 적고 냉각의 스트림이므로, 열 재생은 발생되지 않는다.
더욱이, 퍼지 가스 스트림의 이용으로 이온 운반 멤브레인의 투과면상에 산소 농도를 감소시킨다. 감소된 산소 농도는 투과면 상에서 이온 운반 모듈과 하류 공정(예를 들어, 연소실)의 설계를 보다 용이하게 한다. 정화 스트림의 부재에 있어서, 이온 운반 멤브레인의 투과면 상에 순수 산소가 제조된다. 상기 고 순도 산소 스트림의 안전 조작은 상승된 온도에서 특히 요구된다.
게다가, 퍼지 배기 가스의 산소의 농도는 여러 가지 방법 예를 들어, 공급 가스 스트림의 유량을 조절하거나, 퍼지 가스 스트림의 유량을 조절하거나(연소 생성물 주기의 증가), 이온 운반 모듈 작동 온도를 변화시키거나, 이온 운반 단계의 멤브레인 영역을 변화시킴으로써 쉽게 제어될 수 있다. 이는 분리된 산소의 총량을 제어하는데 효과적이며 부하 추적 목적으로 이용될 수 있다.
최근에, 이온 운반 분리기의 이용은 독립형의 산소 발생기(예를 들어, PSA)또는 산소 공급 시스템(예를 들어, 액체 탱크 및 증발기)의 펼요성을 없앤다. 이는 자본 비용과 생산된 산소의 비용의 감소를 산출하기 위해 예상된다.
다수의 공정 변경예는 전술된 공정 배치의 영역내에서 가능하다. 예를 들어, 공급 가스 스트림을 가열시키기 위해 하류 공정으로부터 배기 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 이온 운반 모듈을 벗어난 퍼지 가스 스트림에 일부 공기를 부가하는 것이 가능하다. 이는 특히, 작업 개시 조건 및 부하 추적 목적으로 특히 바람직하다. 게다가, 전술된 공정이 혼합 도전체 압력 구동식의 이온 운반 멤브레인에 적합하다 하더라도, 본 발명은 외부 전류 회로를 갖는 압력 또는 전기 구동식 형태에서 작동되는 주요 이온 도전체에 적합하다. 최근에, 역류 산소 분리 공정이 도 1에 도시되어져 있다 하더라도, 병류 또는 횡류 형태에서 동일한 공정이 수행될 수 있다.
전술된 바와 같이, 상기 용어 "고체 전해질 이온 도전체", "고체 전해질", "이온 도전체", 및 "이온 운반 멤브레인"은 특별히 지정되어 있지 않다면 이온 형태의(전기 구동식의) 시스템 또는 혼합 도전체 형태의(압력 구동식의) 시스템을 지정하는데 사용된다.
본 명세서에서 사용된 용어 "질소"는 산소 빈화 가스 즉, 공급 가스에 비해 산소- 빈화 가스를 의미한다. 전술한 바와 같이, 이온 운반 멤브레인은 산소 투과를 허용한다. 따라서, 보유 스트림의 조성은 공급 가스의 조성에 따라 달라진다. 공급 가스는 산소가 빈화되나 공급 가스 내에 존재하는 질소 및 임의의 다른 가스(예를 들어, 아르곤)는 그대로 유지된다. 상기 용어의 의미는 본문에 기술되어진 것처럼 본 발명의 당업자들에게는 명확하게 이해되어질 것이다.
본문에 사용된 용어 "원소 산소(elemental oxygen)"는 주기율표에서 임의의 다른 원소와 결합하지 않는 산소를 의미한다. 일반적으로 두 개의 원자 형태를 하고 있더라도, 원소 산소는 단일의 산소 원자, 3개의 오존, 및 다른 원소와 결합하지 않는 다른 형태를 포함한다.
상기 용어 "고순도"는 체적비로 5% 이하의 원치 않는 가스를 함유하는 생성물 스트림을 의미한다. 바람직하게, 생성물은 적어도 98% 순도, 보다 바람직하게 99.9%의 순도, 가장 바람직하게는 적어도 99.99%의 순도를 가지며, "순수(pure)"는 원치 않는 가스가 없음을 의미한다.
"압력 순환 흡착" 또는 "PSA"시스템은 다른 가스로부터 일반적으로 질소 가스를 분리시키기 위해 가스에 선택적인 흡착 재료를 이용하는 시스템을 의미한다. 상기 재료는 탄소를 함유하며 고압의 질소 및 저압의 산소를 제공하는 속도 선택 PSA 재료, 및 리튬을 함유하고 저압의 질소 및 고압의 산소를 제공하는 평형 선택 PSA 재료를 포함한다.
본 발명의 특성은 편의상 하나 이상의 도면에 도시되어 있으며, 각각의 특성은 본 발명에 따라 다른 특성과 결합한다. 게다가, 본 발명의 영역으로부터 벗어남없이 다양한 변경예가 있을 수 있다. 상기 변경예는 전술한 중합체 멤브레인의 기능을 제공하기 위해 압력 스윙 및 열 스웡 흡착층 또는 산소 분리의 다른 방법을 사용한다.
본문에 기재된 실시예 및 세부 사항은 본 발명을 이것에 국한시키려는 것이아니며 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 빛 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
다양한 공정 조건을 통합함으로써 산소 부화 연소 공정을 효율적으로 제공할 수 있으며, 연소 공정에서 발생하는 NOX형성 및 질소 가스의 가열로 인한 열 손실을 최소화하거나 제거시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 원소 산소를 함유하는 공급 가스 스트림을 연소실 내에서 이용되는 산소 부화 가스 스트림 및 산소 빈화 가스 스트림으로 분리시키기 위한 방법에 있어서,
    공급 가스 스트림을 압축시키는 단계와,
    보유면과 투과면을 갖는 이온 운반 멤브레인을 포함하는 이온 운반 모듈을 이용하여 상기 압축된 공급 가스 스트림으로부터 산소를 분리시켜 상기 투과면 상에서 정화된 산소 가스 스트림을 분리시키고, 상기 보유면 상에서 상기 산소를 대응 소모시켜 산소 빈화 가스 스트림을 발생시키는 단계와,
    상기 이온 운반 멤브레인의 투과면을, 상기 이온 운반 모듈의 투과면을 벗어난 상기 가스 스트림에 대한 연소실 내의 연소로부터 얻어진 연소 생성물 가스 스트림의 적어도 일부분으로 퍼지시키는 단계를 포함하며,
    상기 정화된 산소 가스 스트림은 투과면 상의 다른 가스 성분과 혼합하여 상기 산소 부화 가스 스트림을 형성하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공급 가스 스트림은 공기인 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 이온 운반 멤브레인의 투과면을 퍼지시키기 위해 사용되는 연소 생성물 가스 스트림은 상기 이온 운반 멤브레인을 통해 투과하는 상기 정화된 산소 가스 스트림과 반응하는 반응성 가스를 포함하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 이온 운반 멤브레인의 투과면을 정화시키기 이전에 상기 연소 생성물 가스 스트림을 냉각시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 이온 운반 모듈의 투과면을 벗어난 가스 스트림은 10 내지 90%의 산소 농도를 갖는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 이온 운반 모듈 내부로 공급되기 이전에 상기 압축된 공급 가스 스트림을 가열시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 연소실은 상기 이온 운반 멤브레인의 투과면 상에 있는 상기 이온 운반 멤브레인과 통합되는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 연소 생성물 가스 스트림의 적어도 일부분은 하류 공정에서 사용되는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 연소실 및 하류 공정은 이온 운반 멤브레인의 투과면상에 있는 이온 운반 모듈과 통합되는 방법.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 하류 공정으로부터의 하류 생성물 가스 스트림의 적어도 일부분은 상기 이온 운반 멤브레인의 투과면을 퍼지시키기 위해 사용되는 방법.
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