KR20110102398A - 연료 산화기를 다중 운전 모드로 운전하는 방법 및 연료 산화기 시스템 - Google Patents
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Abstract
연료 산화기 시스템(100)은 제1 운전 모드로 운전된다. 제1 운전 모드에서, 연료 공급원(20)으로부터의 연료를 포함하는 혼합물은 연료 산화기 시스템(100)에서 압축되고; 압축된 혼합물의 연료는 연료 산화기 시스템(100)의 반응 챔버(10)에서 산화되고; 산화된 연료는 팽창되어 회전 운동 에너지를 생성한다. 연료 산화기 시스템(100)은 제2 운전 모드로 운전된다. 제2 운전 모드에서, 연료 공급원(20)으로부터의 연료는 컴프레서(6)를 바이패스하여 향하게 되고, 컴프레서(6)를 바이패스한 연료는 반응 챔버(10)에서 산화된다.
Description
[관련 출원에 대한 참조]
본 출원은 전문이 본 명세서에 편입되는 2008년 12월 8일 출원된 미국 특허 출원 No. 12/330,151의 우선권의 효력을 주장한다.
본 개시 내용은 연료를 산화하는 것에 관련된다. 매립 쓰레기 또는 다른 공급원으로부터 생성된 메탄 또는 폐연료 가스는 가스 터빈 시스템에 연료를 공급하는데 사용될 수 있다. 종래의 가스 터빈 시스템에서, 연료는 가압된 공기로 주입될 때 연소되어, 이에 의해 가스를 가열하여 가스의 에너지를 증가시킨다. 그 다음, 에너지는 에너지를 운동 에너지로 변환하는 터빈을 이용하여 가열된 가스로부터 추출된다. 운동 에너지는 다른 장치, 예를 들면, 발전기를 구동하는데 사용될 수 있다. 일부 경우에, 가스 터빈 시스템은 일시적으로 정지되고(예를 들어, 수리, 유지 보수, 또는 다른 이유로), 공급원은 지구의 대기로 누출되는 경우에 유해할 수 있는 메탄 및/또는 다른 가스를 계속 생산한다.
연료 산화기 시스템은 적어도 2개의 운전 모드로 운전된다. 제1 운전 모드에서, 연료는 연료 산화기 시스템의 컴프레서에서 압축되고, 압축된 연료는 연료 산화기 시스템의 반응 챔버에서 산화된다. 적어도 하나의 추가 운전 모드에서, 연료는 컴프레서를 바이패스하여 향하게 되고, 컴프레서를 바이패스한 연료는 반응 챔버에서 산화된다.
하나의 일반적인 양태에서, 연료 산화기 시스템은 제1 운전 모드로 운전된다. 제1 운전 모드에서, 연료 공급원으로부터의 연료를 포함하는 혼합물은 연료 산화기 시스템의 컴프레서에서 압축되고; 압축된 혼합물의 연료는 연료 산화기 시스템의 반응 챔버에서 산화되고; 산화된 연료는 팽창되어 회전 운동 에너지를 생성한다. 연료 산화기 시스템은 제2 운전 모드로 운전된다. 제2 운전 모드에서, 연료 공급원으로부터의 연료는 컴프레서를 바이패스하여 향하게 되고, 컴프레서를 바이패스한 연료는 반응 챔버에서 산화된다.
하나의 일반적인 양태에서, 연료 산화기 시스템은 공기 및 연료 혼합물 입구와, 압축 혼합물 출구를 갖는 컴프레서를 포함한다. 컴프레서는 공기 및 연료 혼합물 입구와 압축 혼합물 출구 사이에서 공기 및 연료 혼합물을 압축한다. 연료 산화기 시스템은 압축 혼합물 출구로부터 압축 혼합물을 공급받는 반응 챔버를 포함한다. 반응 챔버는 압축 혼합물의 연료의 적어도 일부를 산화한다. 연료 산화기 시스템은 연료 공급원으로부터 연료를 공급받고, 컴프레서의 공기 및 연료 혼합물 입구로 연료를 향하게 하거나, 연료가 컴프레서를 바이패스하여 향하게 함으로써, 연료 공급원으로부터의 공급받은 연료를 반응 챔버로 향하게 한다.
구현예는 하나 이상의 다음의 특징을 갖는다. 연료 산화기 시스템을 제1 운전 모드로 운전하는 단계는, 회전 운동 에너지에 기초하여 전기 에너지를 출력하는 단계를 포함한다. 연료 산화기 시스템을 제2 운전 모드로 운전하는 단계는 연료 산화기 시스템을 플레어(flare)로서 운전하는 단계를 포함한다. 연료 산화기 시스템을 제2 운전 모드로 운전하는 단계는, 연료 산화기 시스템을 열 산화기(thermal oxidizer)로서 운전하는 단계를 포함한다. 연료 산화기 시스템은 반응 챔버로부터 산화된 연료를 공급받고 산화된 혼합물로부터의 열 에너지를 회전 운동으로 변환하는 터빈을 포함한다. 터빈은 터빈 입구를 포함하고, 터빈은 터빈 입구를 통해 반응 챔버로부터 산화된 혼합물을 공급받으며, 반응 챔버는 실질적으로 터빈의 입구 온도 이하가 되도록 반응 챔버에서의 연료의 최대 온도를 유지한다. 산화된 연료를 팽창시켜 회전 운동 에너지를 생성하는 단계는, 산화된 연료를 터빈에서 팽창시켜 터빈을 회전시키는 단계를 포함한다. 반응 챔버에서 압축된 혼합물의 연료를 산화하는 단계는, 반응 챔버에서의 연료의 최대 온도가 실질적으로 터빈의 입구 온도 이하가 되도록 제어하는 단계를 포함한다. 연료 산화기 시스템을 제2 운전 모드로 운전하는 단계는, 공기를 예열하는 단계와, 예열된 공기를 컴프레서를 바이패스한 연료와 혼합하는 단계를 포함한다. 반응 챔버에서 압축된 혼합물의 연료를 산화하는 단계는, 연료의 온도를 연료의 자기 발화 온도(auto-ignition temperature) 위로 점진적으로 상승시켜 산화 반응을 개시하는 단계를 포함한다. 반응 챔버에서 압축된 혼합물의 연료를 산화하는 단계는, 산화 촉매 또는 점화원에 실질적으로 독립적으로 산화 반응을 개시하는 단계를 포함한다. 반응 챔버는 밸브 시스템에 의해 컴프레서를 바이패스하여 향하는 연료를 공급받아 산화한다. 연료 산화기 시스템은 공기를 반응 챔버에 전달하는 송풍기를 포함한다. 연료 산화기 시스템은 컴프레서를 바이패스하는 연료의 연소를 개시하는 점화기를 포함한다. 반응 챔버는 점화기에 실직적으로 독립적이고 산화 촉매에 실질적으로 독립적으로 컴프레서를 바이패스하는 연료의 산화를 개시한다. 반응 챔버는 점화기에 실직적으로 독립적이고 산화 촉매에 실질적으로 독립적으로 압축된 혼합물의 연료의 산화를 개시한다. 밸브 시스템은, 연료 공급원과 유체 연통하는 밸브 입구, 컴프레서의 공기 및 연료 혼합물 입구와 유체 연통하는 제1 밸브 출구, 및 반응 챔버와 유체 연통하는 제2 밸브 출구를 포함하여, 컴프레서를 바이패스하여 연료를 향하게 한다. 밸브 시스템은 여러 개의 밸브를 포함한다.
하나 이상의 구현예의 상세 내용은 첨부된 도면과 아래의 설명에서 설명된다. 다른 특징은 설명 및 도면과 특허청구범위로부터 명백할 것이다.
도 1은 예시적인 연료 산화기 시스템의 도면이다.
도 2a는 터빈 모드로 운전하는 도 1의 예시적인 연료 산화기 시스템을 도시한다.
도 2b는 플레어 모드로 운전하는 도 1의 예시적인 연료 산화기 시스템을 도시한다.
도 2c는 열 산화기 모드로 운전하는 도 1의 예시적인 연료 산화기 시스템을 도시한다.
다양한 도면에서 유사한 도면 부호는 유사한 구성요소를 나타낸다.
도 2a는 터빈 모드로 운전하는 도 1의 예시적인 연료 산화기 시스템을 도시한다.
도 2b는 플레어 모드로 운전하는 도 1의 예시적인 연료 산화기 시스템을 도시한다.
도 2c는 열 산화기 모드로 운전하는 도 1의 예시적인 연료 산화기 시스템을 도시한다.
다양한 도면에서 유사한 도면 부호는 유사한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 연료를 산화하는 반응 챔버(10)를 포함하는 예시적인 연료 산화기 시스템(100)의 도면이다. 시스템(100)은 상이한 운전 모드로 운전될 수 있다. 가스 터빈 모드로 운전될 때, 시스템(100)은 컴프레서(6) 내에 공기/연료 혼합물을 압축하고, 압축된 공기/연료 혼합물을 반응 챔버(1)로 향하게 하고, 반응 챔버(10)로부터의 산화 생성물을 이용하여 터빈(7)을 구동한다. 플레어(flare) 모드 또는 열 산화기(thermal oxidizer) 모드로 운전될 때, 시스템(100)은 컴프레서(6)를 바이패스하는 연료 유로를 따라 연료를 반응 챔버(10)로 향하게 한다. 플레어 모드에서, 반응 챔버(10)는 연료를 불꽃 연소 프로세스(flame combustion process)로 연료를 산화한다. 열 산화기 모드에서, 반응 챔버(10)는 불꽃 없는 산화 프로세스(flameless combustion process)에서 연료를 산화한다. 도 2a는 가스 터빈 모드로 운전하는 시스템(100)을 도시하고, 도 2b는 플레어 모드로 운전하는 시스템(100)을 도시하고, 도 2c는 열 산화기 모드로 운전하는 시스템(100)을 도시한다. 시스템(100)은 폐가스를 (예를 들어, 운동 및/또는 전기 에너지를 생성하도록) 효율적으로 이용할 수 있고, 폐가스 및/또는 폐가스의 유해한 성분(예를 들어, VOC)을 제거할 수 있으며, 그리고/또는 폐가스의 연소와 관련될 수 있는 원하지 않는 방출(예를 들어, NOx)을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 시스템(100)은 매립 쓰레기로부터의 메탄 가스 방출을 감소시킬 수 있으며, 그리고/또는 일부 종래의 시스템에서 폐가스를 태워서 야기되는 질소 산화물의 방출을 감소시킬 수 있다.
예시적인 시스템(100)은 매립 쓰레기로부터 공급받은 연료를 산화한다. 매립 쓰레기는 메탄 가스, 유기 재료, 및/또는 지구 대기에 잠재적으로 유해한 다른 성분을 포함하는 매립 쓰레기 가스를 방출한다. 규정(예를 들어, 정부 기관 법규, 매립 쓰레기 규칙, 개인적인 규율 등)은 매립 쓰레기 가스가 지구 대기로 배출되기 전에 소정의 종류의 매립 쓰레기 가스 성분(예를 들어, 메탄, VOC, 및/또는 기타)가 감소되거나 제거되는 것을 요구할 수 있다. 가스 터빈 모드에서, 시스템(100)은 전기 에너지를 출력하는 것과 관련하여 잠재적으로 유해한 매립 쓰레기 가스 성분을 산화할 수 있다. 시스템(100)이 전기 에너지를 생성하지 못할 때, 시스템(100)은 별도의 연소 시스템 또는 산화 챔버를 요구하지 않으면서 잠재적으로 유해한 매립 쓰레기 가스 성분을 제거하도록 플레어 모드 또는 열 산화기 모드로 운전할 수 있다. 시스템(100)은 발전 시스템, 플레어 시스템, 또는 열 산화기 시스템으로서 기능하도록 단일 반응 챔버를 이용할 수 있다. 따라서, 시스템(100)은 잠재적으로 유해한 매립 쓰레기 가스를 제거하는 것과 관련된 비용 및/또는 하드웨어 요건을 감소시킬 수 있다. 또한, 일부 경우에, 시스템(100)은 일반적인 플레어에 의해 달성되는 것 이하로 방출을 감소시킬 수 있다.
시스템(100)은 연료 공급원(20)으로부터 연료를 공급받는 연료 입구(1)를 포함한다. 도시된 예에서, 연료 공급원(20)은 매립 쓰레기이고, 연료는 메립 쓰레기에서의 유기 재료의 분해에 의해 생성되는 메탄 가스를 포함한다. 입구(1)와 유체 연통하는 송풍기(2)는 입구(1)로부터, 제1 밸브(4), 제2 밸브(15) 및/또는 제3 밸브(30)를 포함하는 연료 분배 밸브 시스템으로의 방향성 연료 흐름을 생성할 수 있다. 일부 구현예에서, 연료 분배 밸브 시스템은 1, 2, 4 또는 그 이상의 밸브와 같은 상이한 개수의 밸브를 포함한다. 연료 분배 밸브 시스템은, 밸브(4)를 통해 가스 혼합기(5)로, 밸브(15)를 통해 반응 챔버(10)로, 밸브(30)를 통해 송풍기(16)로, 또는 이들의 임의의 조합으로 연료 흐름을 분배하도록 가변될 수 있다. 밸브(4)는 송풍기(2)로부터 가스 혼합기(5)로의 연료 흐름을 제어한다. 밸브(15)는 송풍기(2)로부터 반응 챔버(10)로의 연료 흐름을 제어한다. 밸브(30)는 송풍기(2)로부터 송풍기(16)로의 연료 흐름을 제어한다.
가스 혼합기(5)는 연료 공급원(20)으로부터 공급받은 연료를 공기 공급원로부터 공급받은(예를 들어, 주변의 대기로부터 수집된) 공기와 혼합할 수 있다. 가스 혼합기(5)는 특정된 범위의 연료에 대한 공기비를 갖는 공기/연료 혼합물을 생성할 수 있다. 컴프레서(6)는 가스 혼합기(5)와 유체 연통하고, 가스 혼합기(5)로부터 공급받은 공기/연료 혼합물을 압축할 수 있다. 컴프레서(6)는 샤프트(25)에 의해 터빈(7)에 기계적으로 결합된다. 또한, 샤프트(25)는 발전기(17)와 같은 보조 시스템에 결합할 수 있다. 발전기(17)는 샤프트(25)의 회전 운동을 전기 에너지로 변환할 수 있다. 복열 장치(recuperator)(8)는 컴프레서(6), 가스 터빈(7), 반응 챔버(10) 및 배기 경로(12a)와 유체 연통한다. 복열 장치(8)는 가스 터빈(7)으로부터 배기 가스를 공급받아 공급받은 배기 가스로부터의 열 에너지를 컴프레서(6)로부터 공급받은 압축된 공기/연료 혼합물로 전달할 수 있는 열 교환기이다. 따라서, 복열 장치(8)는 열 에너지를 압축된 공기/연료 혼합물에 부여할 수 있다. 체크 밸브(9)는 복열 장치(8)와 반응 챔버(10) 사이의 흐름의 방향을 제어한다. 밸브(9)는 가열되고 압축된 공기/연료 혼합물을 복열 장치(8)로부터 반응 챔버(10)로 흐르게 하여, 반응 챔버(10)로부터 복열 장치(8)로의 유체 흐름을 방지하거나 감소시킨다.
송풍기(16)는 반응 챔버(10)로 별도의 흐름을 제공한다. 송풍기(16)는 공기 공급원(예를 들어, 송풍기(16)의 공기 또는 다른 공급원)으로부터 공기를 공급받아 반응 챔버(10)로의 방향성 흐름을 생성할 수 있다. 또한, 송풍기(16)는 연료 공급원(20)으로부터 연료를 공급받고 공기와 연료의 혼합물의 흐름을 반응 챔버(10)에 제공할 수 있다. 일부 경우에, 송풍기(16)로부터의 흐름은 열 교환기(19)에 의해 가열된다. 예를 들어, 밸브(26 및 27)는 흐름을 열 교환기(19)로 향하게 하거나 열 교환기(19)를 바이패스하게 할 수 있다. 열 교환기(19)는 밸브(26)를 통해 송풍기(16)와, 밸브(22) 및 밸브(21)를 통해 반응 챔버(10)와, 그리고 배기 경로(12b)와 유체 연통한다. 열 교환기(19)는 밸브(21)를 통해 반응 챔버(10)로부터 배기 가스를 공급받고, 공급받은 배기 가스로부터의 열 에너지를 송풍기(16)로부터 공급받은 공기에 전달할 수 있다. 따라서, 열 교환기(19)는 열 에너지를 송풍기(16)와 반응 챔버(10) 사이의 공기 흐름에 부여할 수 있다.
반응 챔버(10)는 점화기(igniter)(18), 흡입기(aspirator)(21), 여러 개의 입구 및 여러 개의 출구를 포함한다. 점화기(18)는 스파크 플러그(spark plug) 또는 연료를 점화하기 위한 스파크 또는 불꽃을 생성하는 다른 점화원일 수 있다. 도시된 예에서, 흡입기(23)는 열 교환기(19)로부터 가열된 공기를 공급받고, 가열된 공기를 반응 챔버(10)로 분산시킨다. 일부 구현예에서, 시스템(10)은 다르게 구성되어, 흡입기(23)는 송풍기(2)로부터 연료를 공급받고 연료를 반응 챔버(10)로 분산시킨다. 일부 구현예에서, 반응 챔버는 반응 챔버(10) 내에서 유로를 정의하는 원통형 라이너(liner)를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 반응 챔버(10) 내의 유로는 반응 챔버(10)의 추가적 그리고/또는 상이한 특징에 의해 정의된다. 반응 챔버(10)는 단열 내화 재료, 열 흡수 재료, 단열 재료, 및/또는 다른 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 라이너는 암석, 세라믹, 및/또는 높은 열 질량(thermal mass)을 갖는 재료를 다른 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 촉매 재료가 반응 챔버(10) 내에 제공된다. 촉매 재료는 산화 반응의 개시 및/또는 종료를 촉진할 수 있다. 예시적인 촉매 재료는 플라티늄 등을 포함한다. 일부 경우에, 반응 챔버(10) 내에 촉매 재료가 제공되지 않는다. 일부 구현예에서, 반응 챔버(10)는 "Oxidizing Fuel"이라는 명칭을 갖는 미국 특허 출원 No. 12/050,734에 설명된 예시적인 반응 챔버로서 운전할 수 있다.
반응 챔버(10)의 각 입구 및 출구는 입구 또는 출구를 통한 흐름을 제어하는 밸브에 연결된다. 예를 들어, 밸브(9, 14, 15, 21, 22 및 30) 및 시스템(100)에서의 다른 밸브는 흐름을 허용하거나, 흐름을 방지하거나, 또는 반응 챔버(10)로의 그리고/또는 반응 챔버(10)로부터의 흐름 속도를 제어할 수 있다. 밸브(9)는 컴프레서(6)로부터 반응 챔버(10)로의 연료 흐름을 제어한다. 밸브(15)는 전환기(diverter)로부터 반응 챔버(10)로의 연료 흐름을 제어한다. 밸브(22)는 (밸브(26 및/또는 27)와 함께) 송풍기(16)로부터 반응 챔버(10)로의 공기 흐름을 제어한다. 밸브(14)는 반응 챔버(10)로부터 터빈(7)으로의 배기 흐름을 제어한다. 밸브(24)는 반응 챔버(10)로부터 배기 경로(12c)로의 배기 흐름을 제어한다. 밸브(21)는 반응 챔버(10)로부터 열 교환기(19)로의 배기 흐름을 제어한다. 도 2a, 2b 및 2c는 시스템(100)의 상이한 운전 모드에 대하여 밸브를 다양한 구성으로 도시한다.
도 2a는 가스 터빈 모드로 운전하는 예시적인 연료 산화기 시스템(100)을 도시하며, 시스템(100)은 연료 공급원(20)으로부터 공급받은 연료를 산화하여 전기 에너지를 출력한다. 도시된 가스 터빈 모드에서, 밸브(4)와 밸브(14)는 열리고, 밸브(15), 밸브(21), 밸브(22), 밸브(24), 밸브(26), 밸브(27) 및 밸브(30)는 닫힌다. 도 2a의 화살표는 가스 터빈 운전 모드에서의 흐름을 나타낸다. 연료 입구(1)는 연료 공급원(20)으로부터 연료를 공급받는다. 송풍기(2)는 연료 입구(1)로부터 공급받은 연료를 밸브(4)를 통해 가스 혼합기(5)로 향하게 한다. 가스 혼합기(5)는 연료를 대기 또는 다른 공급원으로부터 수집된 공기와 혼합하여 공기/연료 혼합물을 생성한다. 컴프레서(6)는 가스 혼합기(5)로부터의 공기/연료 혼합물을 공급받고 공급받은 혼합물을 압축한다. 복열 장치(8)는 컴프레서(6)로부터 압축된 공기/연료 혼합물을 공급받고 공급받은 혼합물을 가열한다. 반응 챔버(10)는 체크 밸브(9)를 통해 복열 장치(8)로부터 가열되고 압축된 공기/연료 혼합물을 공급받는다.
연료는 공기/연료 혼합물이 반응 챔버(10)에서 정의된 유로를 따라 흐를 때 산화된다. 연료는 실질적으로 모든 연료를 제거하는 불꽃 없는(flameless) 점진적인 산화 프로세스에 의해 산화될 수 있다. 연료는 질소 산화물과 같은 유해한 합성물의 형성 및/또는 방출을 감소 또는 방지하기에 충분히 낮은 온도에서 산화될 수 있다. 공기/연료 혼합물은 반응 챔버(10)를 통해 흐른다. 공기 연료 혼합물은 반응 챔버(10)의 내부 표면으로부터의 열을 흡수할 수 있으며, 그 결과, 공기/연료 혼합물의 온도는 혼합물이 반응 챔버(10)를 통해 흐르는 것에 따라 점진적으로 증가한다. 공기/연료 혼합물의 온도가 연료의 자기 발화 온도(auto-ignition temperature)에 도달하거나 또는 이를 초과할 때, 연료는 발열 산화 반응을 겪는다. 따라서, 산화 반응은 산화 촉매 재료 또는 점화원에 독립적으로 개시될 수 있다. 일부 경우에, 연료의 자기 발화 온도를 효율적으로 강하하기 위하여 촉매 재료가 반응 챔버(10)에 제공될 수 있다. 연료가 산화할 때, 발열 반응은 반응 챔버(10)에 열을 부여할 수 있으며, 반응 챔버(10)는 열 에너지를 반응 챔버(10)에서의 다른 유료 영역으로 전달할 수 있다. 반응 챔버(10)를 통해 전달된 열 에너지는 들어오는 연료의 산화를 개시하는 것을 돕도록 들어오는 연료에 주어질 수 있다. 반응 챔버(10)는, 운전 조건의 범위 하에서(예를 들어, 최대 흐름 속도 및 연료 농도에서) 공기/연료 혼합물에서의 일부 또는 모든 연료가 실질적으로 산화를 완료하게 하기 위하여 충분한 휴지 시간(dwell time) 및 연료 온도가 제공되도록 설계될 수 있다. 일부 경우에, 반응 챔버(10)에서의 공기/연료 혼합물의 최대 온도가 실질적으로 터빈(7)의 원하는 입구 온도 이하로 유지하도록 제어될 수 있다. 터빈(7)의 원하는 입구 온도는 터빈(7)의 제조사에 의해 추천된 온도, 의도되거나 원하는 터빈(7)의 출력을 달성하는 온도, 또는 다른 온도일 수 있다.
산화 생성물을 포함하는 배기 가스는 반응 챔버(10)를 나와서, 밸브(14)를 통해 터빈(7)으로 흐른다. 배기 가스는 터빈(7)에서 팽창하여, 샤프트(25)와 컴프레서(6)의 회전 운동을 생성한다. 또한, 샤프트(25)의 회전은 발전기(17)를 구동한다. 발전기(17)는 터빈(7)으로부터 발전기(17)로 부여된 운동 에너지(예를 들어, 샤프트(25)의 회전에 의해 터빈(7)으로부터 전달된 운동 에너지)에 기초하여 전기 에너지를 생성한다. 발전기(17)는 전기 시스템, 전력 저장 장치, 전력망, 또는 다른 종류의 시스템에 전기 에너지를 출력할 수 있다. 터빈(7)은 팽창된 배기 가스를 복열 장치(8)로 전달한다. 복열 장치(8)는 배기 가스로부터의 열 에너지를 컴프레서(6)로부터 공급받은 공기/연료 혼합물에 전달한다. 복열 장치(8)로부터, 배기 가스는 배기 흐름 경로(12a)를 통해 시스템(100)을 나온다.
도 2b는 플레어 모드에서 운전하는 도 1의 예시적인 연료 산화기 시스템을 도시하며, 시스템(100)은 연료 공급원(20)으로부터 공급받은 연료 및/또는 다른 가스 성분을 제거한다. 시스템(100)은 전기를 출력하는 외에 플레어 모드로 운전될 수 있다. 시스템(100)은 시스템(100)의 하나 이상의 부품이 운전할 수 없을 때 플레어 모드로 운전될 수 있다. 예를 들어, 플레어 모드는 유지 보수, 수리 및 또는 다른 종류의 활동이 컴프레서(6), 터빈(7), 발전기(17), 복열 장치(8), 및/또는 시스템(100)의 다른 부품에 수행될 때 매립 쓰레기 가스 성분을 제거하는데 사용될 수 있다. 플레어 모드는 VOC 및/또는 연료 공급원(20)으로부터 공급받은 다른 유체 성분을 제거하기 위하여 반응 챔버(10)를 이용한다. 따라서, 플레어 모드는 운전을 위한 별도의 반응 챔버를 필요로 하지 않는다. 도시된 플레어 모드에서, 밸브(4), 밸브(14), 밸브(21), 밸브(22), 밸브(26), 밸브(27), 및 밸브(30)는 닫히고, 밸브(15) 및 밸브(24)는 열린다.
도 2b의 화살표는 플레어 모드에서의 흐름을 나타낸다. 연료 입구(1)는 연료 공급원(20)으로부터 연료를 공급받는다. 송풍기(2)는 연료 입구(1)로부터 공급받은 연료를 밸브(15)를 통해 반응 챔버(10)로 향하게 한다. 송풍기(16)는 밸브(22)를 통해 반응 챔버(10)로 공기 흐름을 생성할 수 있으며, 그리고/또는 유도된 공기 흐름(31)은 반응 챔버(10)로 공급될 수 있다. 송풍기(16)가 공기 흐름을 반응 챔버로 유도할 때, 공기 흐름은 열 교환기(19)에 의해 가열될 수 있거나, 또는 공기 흐름은 열 교환기를 바이패스할 수 있다. 유도된 공기 흐름(31)은 흡입기(23)를 통해 또는 다른 종류의 입구 또는 장치를 통해 반응 챔버로 공급될 수 있다.
반응 챔버(10) 내의 화살표는 플레어 모드에서 반응 챔버(10)를 통한 연료의 예시적인 유로를 도시한다. 유도된 공기 흐름(31)은 반응 챔버(10)에 유입된다. 플레어 모드의 일부 구현예에서, 연료 및/또는 공기 흐름은 흡입기(23)를 통해 반응 챔버(10)에 유입된다. 반응 챔버(10)에서 그리고 일부 경우에 반응 챔버에 들어가기 전에 공기/연료 혼합물을 형성하기 위하여 공기 및 연료가 혼합한다. 점화기(18)는 공기/연료 혼합물을 점화함으로써 공기와 연료의 불꽃 연소 반응을 개시한다. 메탄 가스, VOC, 및/또는 다른 매립 쓰레기 가스 성분은 불꽃 연소 반응의 결과로서 제거될 수 있다. 공기/연료 혼합물은 일반적으로 반응 챔버(10)의 내부를 통해 축 방향으로 흐른다. 불꽃 연소 반응으로부터의 배기는 밸브(24)를 통해 반응 챔버(10)를 나간다. 도시된 플레어 운전 모드에서, 반응 챔버(10)로부터의 배기는 배기 경로(12c)를 통해 시스템(100)을 나올 수 있다.
도 2c는 열 산화기 모드로 운전하는 도 1의 예시적인 연료 산화기 시스템을 도시하며, 시스템(100)은 연료 공급원(20)으로부터 공급받은 연료 및/또는 다른 가스 성분을 제거한다. 시스템(100)은 전기를 출력하는 외에 열 산화기 모드로 운전될 수 있다. 시스템(100)은 시스템(100)의 하나 이상의 부품이 운전할 수 없을 때 열 산화기 모드로 운전될 수 있다. 예를 들어, 열 산화기 모드는 유지 보수, 수리 및 또는 다른 종류의 활동이 컴프레서(6), 터빈(7), 발전기(17), 복열 장치(8), 및/또는 시스템(100)의 다른 부품에 수행될 때 사용될 수 있다. 열 산화기 모드는 일부 연소 반응과 관련된 부산물(예를 들어, NOx 및/또는 기타)의 방출을 감소시키면서, VOC 및/또는 다른 성분을 제거하기 위하여 반응 챔버(10)를 이용한다. 따라서, 열 산화기 모드는 운전을 위한 별도의 반응 챔버를 필요로 하지 않는다. 열 산화기 모드에서, 밸브(4), 밸브(14), 밸브(15), 밸브(24), 및 밸브(27)는 닫히고, 밸브(21), 밸브(22), 밸브(26) 및 밸브(30)는 열린다.
도 2c의 화살표는 열 산화기 모드에서의 흐름을 나타낸다. 연료 입구(1)는 연료 공급원(20)으로부터 연료를 공급받는다. 송풍기(2)는 연료 입구(1)로부터 공급받은 연료를 밸브(30)를 통해 송풍기(10)로 향하게 한다. 송풍기(16)는 밸브(22)를 통해 반응 챔버(10)로 공기/연료 혼합물의 흐름을 생성한다. 도시된 열 산화기 모드에서, 송풍기(16)로부터의 공기 흐름은 밸브(26)를 통해 흐르고, 열 교환기(19)를 통과하는 동안 열 에너지를 공급받는다. 열 산화기 모드의 일부 구현예에서, 송풍기(16)로부터의 공기 흐름의 일부 또는 전부는 밸브(27)를 통해 열 교환기(19)를 바이패스한다.
도 2c에서의 반응 챔버(10)에서의 화살표는 열 산화기 모드에서 반응 챔버(10)를 통한 연료의 예시적인 유로를 나타낸다. 열 산화기 모드의 일부 구현예에서, 공기 흐름, 연료 흐름, 및/또는 공기/연료 혼합물의 흐름은 흡입기(23)를 통해 반응 챔버(10)에 유입될 수 있다. 공기 및 연료는 공기/연료 혼합물을 형성하도록 반응 챔버(10)에서 혼합할 수 있으며, 또는 일부 실시예에서, 공기 및 연료는 반응 챔버(10)에 들어가기 전에 예를 들어 송풍기(16)에서 혼합될 수 있다. 연료는 실질적으로 모든 연료를 제거하는 불꽃 없는 점진적인 산화 프로세스에 의해 산화될 수 있다. 연료는 질소 산화물과 같은 유해한 합성물의 형성 및/또는 방출을 감소 또는 방지하기에 충분히 낮은 온도에서 산화될 수 있다. 공기/연료 혼합물의 온도가 연료의 자기 발화 온도에 도달하거나 또는 이를 초과할 때, 연료는 발열 산화 반응을 겪는다. 따라서, 산화 반응은 산화 촉매 재료 또는 점화원에 독립적으로 개시될 수 있다. 일부 경우에, 연료의 자기 발화 온도를 효율적으로 강하하기 위하여 촉매 재료가 제공될 수 있다. 공기/연료 혼합물은 일반적으로 반응 챔버(10)의 내부를 통해 축 방향으로 흐른다. 불꽃 없는 산화 반응으로부터의 배기는 밸브(21)를 통해 반응 챔버(10)를 나간다. 도시된 열 산화기 모드에서, 반응 챔버(10)로부터의 배기는 열 교환기(19)에 열 에너지를 주고 배기 경로(12b)를 통해 시스템(100)을 나올 수 있다.
다수의 실시예가 설명되었다. 그럼에도, 다양한 수정이 본 개시 내용의 범위를 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다. 따라서, 다른 실시예들은 다음의 특허청구범위의 범위 내에 있다.
Claims (19)
- 연료 산화기 시스템을 제1 운전 모드로 운전하는 단계; 및
상기 연료 산화기 시스템을 제2 운전 모드로 운전하는 단계
를 포함하고,
상기 연료 산화기를 상기 제1 운전 모드로 운전하는 단계는,
연료 공급원으로부터의 연료를 포함하는 혼합물을 컴프레서에서 압축하는 단계;
반응 챔버에서 압축된 상기 혼합물의 상기 연료를 산화하는 단계; 및
산화된 상기 연료를 팽창시켜 회전 운동 에너지를 생성하는 단계
를 포함하고,
상기 연료 산화기를 상기 제2 운전 모드로 운전하는 단계는,
상기 연료 공급원으로부터의 연료를 상기 컴프레서를 바이패스하여 향하게 하는 단계; 및
상기 컴프레서를 바이패스한 연료를 상기 반응 챔버에서 산화하는 단계
를 포함하는,
방법.
- 제1항에 있어서,
상기 연료 산화기를 상기 제1 운전 모드로 운전하는 단계는,
상기 회전 운동 에너지에 기초하여 전기 에너지를 출력하는 단계
를 더 포함하는,
방법.
- 제1항에 있어서,
상기 연료 산화기를 상기 제2 운전 모드로 운전하는 단계는,
상기 연료 산화기 시스템을 플레어로서 운전하는 단계
를 포함하는,
방법.
- 제1항에 있어서,
상기 연료 산화기를 상기 제2 운전 모드로 운전하는 단계는,
상기 연료 산화기 시스템을 열 산화기로서 운전하는 단계
를 포함하는,
방법.
- 제1항에 있어서,
산화된 상기 연료를 팽창시켜 회전 운동 에너지를 생성하는 단계는,
산화된 상기 연료를 터빈에서 팽창시켜 상기 터빈을 회전시키는 단계
를 더 포함하는,
방법.
- 제5항에 있어서,
상기 반응 챔버에서 압축된 상기 혼합물의 상기 연료를 산화하는 단계는,
상기 반응 챔버에서의 상기 연료의 최대 온도가 실질적으로 상기 터빈의 입구 온도 이하가 되도록 제어하는 단계
를 더 포함하는,
방법.
- 제1항에 있어서,
상기 연료 산화기를 상기 제2 운전 모드로 운전하는 단계는,
공기를 예열하는 단계; 및
예열된 상기 공기를, 상기 컴프레서를 바이패스한 연료와 혼합하는 단계
를 더 포함하는,
방법.
- 제1항에 있어서,
상기 반응 챔버에서 압축된 상기 혼합물의 상기 연료를 산화하는 단계는,
상기 연료의 온도를 상기 연료의 자기 발화 온도 위로 점진적으로 상승시켜 산화 반응을 개시하는 단계
를 더 포함하는,
방법.
- 제1항에 있어서,
상기 반응 챔버에서 압축된 상기 혼합물의 상기 연료를 산화하는 단계는,
산화 촉매 또는 점화원에 실질적으로 독립적으로 산화 반응을 개시하는 단계
를 더 포함하는,
방법.
- 공기 및 연료 혼합물 입구와, 압축 혼합물 출구를 포함하며, 상기 공기 및 연료 혼합물 입구와 상기 압축 혼합물 출구 사이에서 공기 및 연료 혼합물을 압축하는 컴프레서;
상기 압축 혼합물 출구로부터 압축 혼합물을 공급받고, 상기 압축 혼합물의 연료의 적어도 일부를 산화하는 반응 챔버; 및
연료 공급원으로부터 연료를 공급받고, 상기 컴프레서의 상기 공기 및 연료 혼합물 입구로 상기 연료를 향하게 하거나, 상기 연료가 상기 컴프레서를 바이패스하여 향하게 함으로써, 상기 연료 공급원으로부터의 공급받은 상기 연료를 상기 반응 챔버로 향하게 하는 밸브 시스템
을 포함하는,
연료 산화기 시스템.
- 제10항에 있어서,
상기 반응 챔버는 상기 밸브 시스템에 의해 상기 컴프레서를 바이배스하여 향하는 상기 연료를 공급받아 산화하는,
연료 산화기 시스템.
- 제10항에 있어서,
상기 반응 챔버로부터 산화된 상기 연료를 공급받고 산화된 상기 혼합물로부터의 열 에너지를 회전 운동으로 변환하는 터빈
을 더 포함하는,
연료 산화기 시스템.
- 제11항에 있어서,
상기 터빈은 터빈 입구를 포함하며,
상기 터빈은 상기 터빈 입구를 통해 상기 반응 챔버로부터 산화된 상기 혼합물을 공급받고,
상기 반응 챔버는 상기 반응 챔버에서의 상기 혼합물의 최대 온도를 실질적으로 상기 터빈의 입구 온도 이하가 되도록 유지하는
연료 산화기 시스템.
- 제10항에 있어서,
공기를 상기 반응 챔버에 전달하는 송풍기
를 더 포함하는,
연료 산화기 시스템.
- 제10항에 있어서,
상기 반응 챔버는 상기 컴프레서를 바이패스하는 연료의 연소를 개시하는 점화기를 포함하는,
연료 산화기 시스템.
- 제10항에 있어서,
상기 반응 챔버는 점화기에 실직적으로 독립적이고 산화 촉매에 실질적으로 독립적으로 상기 컴프레서를 바이패스하는 상기 연료의 산화를 개시하는,
연료 산화기 시스템.
- 제10항에 있어서,
상기 반응 챔버는 점화기에 실직적으로 독립적이고 산화 촉매에 실질적으로 독립적으로 압축된 상기 혼합물의 상기 연료의 산화를 개시하는,
연료 산화기 시스템.
- 제10항에 있어서,
상기 밸브 시스템은, 상기 연료 공급원과 유체 연통하는 밸브 입구, 상기 컴프레서의 상기 공기 및 연료 혼합물 입구와 유체 연통하는 제1 밸브 출구, 및 상기 반응 챔버와 유체 연통하는 제2 밸브 출구를 포함하여, 상기 컴프레서를 바이패스하여 연료를 향하게 하는,
연료 산화기 시스템.
- 제10항에 있어서,
상기 밸브 시스템은 여러 개의 밸브를 포함하는,
연료 산화기 시스템.
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