KR20240096340A - 성능 향상을 위해 열분해 반응기로의 투입을 조절하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
열분해 반응기 시스템의 탄소 및 수소 생성을 모니터링하고, 모니터링된 탄소 및 수소 생성 중 하나 또는 둘 다가 목표 성능 사양을 벗어날 때 성능을 개선하기 위해 반응기 시스템에 대한 하나 이상의 투입들을 조절하는 방법 및 시스템이 개시된다. 특히, 반응기 시스템의 연소 챔버에 공급되는 연료 대 산화제의 비율("연료/산화제 비율")은, 탄소 및 수소 생성 둘 다 목표 탄소 및 수소 사양 미만으로 떨어질 때, 0.9 내지 1.1로 한정된, 연료/산화제 당량비 범위 미만으로 조절되고, 탄소 생성만이 목표 탄소 사양 미만으로 떨어질 때 연료/산화제 당량비 범위 초과로 조절된다. 목표 사양은, 생성 속도, (탄소의) 모폴로지, 및 작동 온도를 포함한 다양한 파라미터들을 포함할 수 있다.
Description
본 개시는 열분해에 관한 것이며, 특히 성능을 향상시키기 위해 열분해 반응기로의 투입(inputs)을 조절하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
열분해(thermal pyrolysis)는 탄화수소와 같은 공급원료 가스를 구성 원소들(탄화수소의 경우, 탄소 및 수소)로 분해하는 방법이다. 분해는 공급원료 가스의 원소들의 화학적 결합이 파괴되는 지점까지 공급원료 가스의 온도를 충분히 상승시킴으로써 촉발된다.
이러한 열분해는, 예를 들어, 공급원료 가스를 뜨거운 유체와 열 접촉시킴으로써, 달성될 수 있다. 예를 들어, 가연성 연료를 산화제를 사용하여 연소한 결과 형성된, 연소 생성물 가스들은 공급원료 가스와 혼합될 수 있다. 충분히 높은 온도에서, 뜨거운 유체와 공급원료 가스의 혼합, 및 뜨거운 유체로부터 공급원료 가스로의 열 에너지 전달은, 공급원료 가스를 파괴(break down) 및 분해(decompose)하는 데 충분하다.
탄화수소 공급원료로부터 탄소와 수소를 생산하기 위해 열분해 반응기가 제공될 수 있다. 열분해 반응기는 촉매를 사용하여, 탄소를 생성하는 온도와 시간을 줄임으로써 탄소 형성의 속도를 높일 수 있다. 그러나, 촉매의 효과는 열분해 반응기의 코크스 침전물에 의해 감소되는 경향이 있다. 코크스 형성은 유체 조성, 체류 시간 및 온도의 함수이다. 코크스는 탄화수소가 사용되거나 처리되는 거의 모든 산업에서 장비 성능에 심각한 영향을 미칠 수 있는 탄소질의 침전물이다. "탄소 파울링(carbon fouling)"이라고도 하는 코크스의 축적은, 열분해 반응기의 작동 문제 및 번거롭고 비용이 많이 드는 유지 관리 절차로 이어질 수 있다.
다른 응용 분야에서 알려진 탄소 파울링 완화 기술에는, 예를 들어, 장비 표면 코팅, 코크스화된-촉매 재생(coked-catalyst regeneration)(인시투 또는 엑스시투적으로 촉매 불활성화를 방지하기 위해 촉매 기재로부터 코크스 침전물의 제거), 스팀-공기 코크스 제거, 열 충격(온라인 스폴링(on-line spalling) 및 기계적 피깅(pigging)(기계적 스크러빙/스크래핑)이 포함된다. 이들 기술의 각각은 특정 응용 분야나 공정에 맞게 조절되었지만, 탄소를 반응시켜 제거(예를 들어, 산화)하거나, 또는 결합을 약화시키거나 기계적으로 제거하여 침전물을 청소하도록 설계되었다. 이러한 완화 접근법의 대부분은, 핵심 공정을 중단하고, 유지 관리 절차를 통해 탄소 침전물을 제거해야 하므로, 열분해 작동에 적합하지 않다. 일부 완화 접근법은 공정 중단(예를 들어, 온라인 스폴링)없이 수행될 수 있지만, 침전된 코크스를 모두 제거하는 데는 효과적이지 않으므로, 열분해 작동에도 또한 이상적이지 않다.
따라서, 하나 이상의 선행 기술 열분해 작동을 개선하여 열분해 성능을 향상시키는 것이 목적이다.
본 개시의 일 양태에 따르면, 다음을 포함하는 열분해 반응기를 작동하는 방법이 제공된다: 제1 양의 연료 및 산화제를, 연료/산화제 당량비 범위 내에서, 연소 챔버 내에 공급하고, 제1 양의 연료 및 산화제를 연소시켜 연소 생성물을 생성하는 단계; 공급원료 및 연소 생성물을 혼합 챔버 내로 공급하는 단계로서, 연소 생성물은 공급원료와 혼합되고, 공급원료는 열분해 작동에서 수소 및 탄소를 포함하는 반응 생성물로 분해되는, 단계; 열분해 작동 동안 탄소 및 수소의 생성을 모니터링하는 단계; 모니터링된 탄소 및 수소 생성이 목표 탄소 및 수소 사양(target carbon and hydrogen specification)을 벗어날 때 제2 양의 산화제를 혼합 챔버 내로 공급하고, 공급된 산화제를 혼합 챔버의 벽에 부착된 탄소와 반응시키는 단계; 및 모니터링된 탄소 생성만이 목표 탄소 사양을 벗어날 때, 제3 양의 연료 및 산화제를, 연료/산화제 당량비 범위보다 높은 부화 연료/산화제 비율로, 연소 챔버 내로 공급하고, 제3 양의 연료 및 산화제를 연소시켜 연소 생성물 및 그을음(soot)을 생성하는 단계; 공급원료, 연소 생성물 및 그을음을 혼합 챔버 내로 공급하는 단계로서, 연소 생성물 및 그을음은 공급원료와 혼합되고, 공급원료는 열분해 작동에서 반응 생성물로 분해되고, 그을음은 탄소 형성을 위한 씨드를 제공하는, 단계.
연료/산화제 당량비 범위는 0.9 내지 1.1일 수 있다. 연료 및 공급원료 중 적어도 하나는, 메탄, 천연 가스, 수소, 에탄, 프로판, 부탄 및 이들의 혼합물로 이루어진 군로부터 선택될 수 있다. 탄소 및 수소의 생성을 모니터링하는 것은, 질량 유량과 같은, 탄소 및 수소의 유량을 모니터링하는 단계를 포함할 수 있다.
모니터링된 탄소 및 수소 생성이 목표 탄소 및 수소 사양을 벗어날 때, 본 방법은 파울링 제거 작동(de-fouling operation)을 실행하는 단계를 더 포함할 수 있고, 파울링 제거 작동은: 연료를 연소 챔버 내로 공급하는 것을 중단하고, 공급원료를 혼합 챔버 내로 공급하는 것을 중단하는 단계; 및 혼합 챔버의 벽에 부착된 탄소와 반응시키기 위해 제2 양의 산화제를 연소 챔버 내로 그리고 후속적으로 혼합 챔버에 공급하는 단계;를 포함한다. 대안적으로, 모니터링된 탄소 및 수소 생성이 목표 탄소 및 수소 사양을 벗어날 때, 본 방법은 희박 연소 작동(lean burn operation)을 실행하는 단계를 더 포함할 수 있고, 희박 연소 작동은: 제4 양의 연료 및 산화제를, 연료/산화제 당량비 범위 미만의 희박 연료/산화제 비율로, 연소 챔버 내로 공급하는 단계; 제4 양의 산화제의 일부 및 제4 양의 연료를 연소시켜 연소 생성물을 생성하는 단계; 및 혼합 챔버의 벽에 부착된 탄소와 반응시키기 위해 미연소 산화제를 혼합 챔버 내로 공급하는 단계;를 포함한다.
열분해 반응기는 각각 혼합 챔버를 갖는 복수의 반응기들을 포함할 수 있고, 여기서 본 방법은, 반응기들 중 하나의 반응기의 혼합 챔버에서 파울링 제거 작동을 실행하고, 그러는 동안, 하나 이상의 다른 반응기들에서 열분해 작동을 실행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 본 방법은, 복수의 반응기들 중 각각의 반응기에 대해 연료를 공급하는 것을 중단하고 제2 양의 산화제만을 순차적으로 공급하여, 반응기들 각각의 혼합 챔버에서 파울링 제거 작동을 순차적으로 실행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 또 다른 양태에 따르면, 열분해 시스템이 제공되며, 열분해 시스템은:
(a) 연료 입구, 산화제 입구, 연소 생성물 출구, 및 배출물 출구(exhaust outlet)를 갖는 적어도 하나의 연소 챔버;
(b) 연소 챔버의 연소 생성물 출구와 연통하는 연소 생성물 입구, 공급원료 입구, 및 반응 생성물 출구를 갖는 적어도 하나의 혼합 챔버;
(c) 반응 생성물 출구와 연통하는 수소 센서 및 탄소 센서; 및
(d) 제어기로서, 제어기에 의해 실행가능한 프로그램 코드로 인코딩된 메모리를 갖는 제어기;를 포함하고,
프로그램 코드는: 제1 양의 연료 및 산화제로서, 제1 양의 연료 및 산화제는 연소되어 연소 생성물을 생성하는, 제1 양의 연료 및 산화제를, 적어도 하나의 연소 챔버 내로, 연료/산화제 당량비 범위 내에서 공급하는 것을 제어하고; 공급원료 및 연소 생성물로서, 연소 생성물은 공급원료와 혼합되고 공급원료는 열분해 작동에서 수소 및 탄소를 포함하는 반응 생성물로 분해되는, 공급원료 및 연소 생성물을, 적어도 하나의 혼합 챔버 내로 공급하는 것을 제어하기 위한;
열분해 작동 동안 수소 및 탄소의 생성을 측정하기 위해 수소 센서 및 탄소 센서를 모니터링하기 위한;
모니터링된 탄소 및 수소 생성이 목표 탄소 및 수소 사양을 벗어날 때, 제2 양의 산화제로서, 제2 양의 산화제는 공급된 후 적어도 하나의 혼합 챔버의 벽에 부착된 탄소와 반응하는, 제2 양의 산화제를, 적어도 하나의 혼합 챔버 내로 공급하는 것을 제어하기 위한;
모니터링된 탄소 생성만이 목표 탄소 사양을 벗어날 때, 제3 양의 연료 및 산화제로서, 제3 양의 연료 및 산화제는 연소되어 연소 생성물 및 그을음을 생성하는, 제3 양의 연료 및 산화제를, 적어도 하나의 연소 챔버 내로, 연료/산화제 당량비 범위보다 높은 부화 연료/산화제 비율로 공급하는 것을 제어하고; 그리고 공급원료, 연소 생성물, 및 그을음으로서, 연소 생성물 및 그을음은 공급원료와 혼합되고, 공급원료는 열분해 작동에서 반응 생성물로 분해되고 그을음은 탄소 형성을 위한 씨드를 제공하는, 공급원료, 연소 생성물, 및 그을음을, 적어도 하나의 혼합 챔버 내로 공급하는 것을 제어하기 위한 것이다.
본 시스템은 복수의 반응기들을 포함할 수 있으며, 각각의 반응기는 연소 챔버들 중 적어도 하나를 포함한다. 복수의 반응기들의 각각의 연소 챔버와 연통하는 공통 혼합 챔버가 제공될 수 있다. 대안적으로, 각각의 반응기는 적어도 하나의 혼합 챔버를 포함할 수 있고, 본 시스템은 복수의 반응기들의 각각의 혼합 챔버와 연통하는 공통 반응 생성물 도관을 더 포함할 수 있으며, 수소 센서 및 탄소 센서는 공통 반응 생성물 도관에 위치된다. 추가적으로, 본 시스템은, 복수의 반응기들의 각각의 혼합 챔버와 연통하고 탄소 분리기 및 수소 분리기를 갖는 공통 반응 생성물 도관을 더 포함할 수 있으며, 여기서, 수소 센서는 수소 분리기의 하류에 위치되고 탄소 센서는 탄소 분리기의 하류에 위치된다.
제어기의 상기 메모리는, 복수의 반응기들 중 각각의 반응기에 대해 파울링 제거 작동을 순차적으로 수행하기 위해 제어기에 의해 실행가능한 프로그램 코드로 더 인코딩되고, 파울링 제거 작동은 각각의 반응기에 대해 순차적으로: 연소 챔버 및 혼합 챔버에 각각 연료 및 공급원료를 공급하는 것을 중단하는 단계; 및 제2 양의 산화제만을 연소 챔버에 그리고 후속적으로 혼합 챔버에 공급하는 단계;를 포함하고, 공급된 산화제는 혼합 챔버들 각각의 벽에 부착된 탄소와 반응한다. 또한, 제어기는, 파울링 제거 작동을 수행하는 반응기를 제외하고, 정상적인 열분해 작동을 수행하는 모든 반응기에 대한 연료, 산화제 및 공급원료의 공급을 제어하며, 그 결과 시스템은, 각각의 반응기에서 파울링 제거 작동을 순차적으로 수행하면서, 탄소 및 수소를 생성을 지속한다.
본 개시의 또 다른 양태에 따르면, 다음을 포함하는 열분해 반응기를 작동시키는 방법이 제공된다: 제1 양의 연료 및 산화제를 0.9 내지 1.1의 연료/산화제 당량비 내에서 연소 챔버 내에 공급하고, 제1 양의 연료 및 산화제를 연소시켜 연소 생성물을 생성하는 단계; 공급원료 및 연소 생성물을 혼합 챔버 내로 공급하는 단계로서, 공급원료는 연소 생성물과 혼합되어 열분해 작동에서 수소와 탄소를 포함하는 반응 생성물로 분해되는, 단계; 열분해 작동 동안 탄소 및 수소의 생성을 모니터링하는 단계; 및 모니터링된 탄소 및 수소 생성이 목표 탄소 및 수소 사양을 벗어날 때 제2 양의 산화제를 혼합 챔버 내에 공급하고, 공급된 제2 양의 산화제를 혼합 챔버의 벽에 부착된 탄소와 반응시키는 단계.
본 개시의 또 다른 양태에 따르면, 다음을 포함하는 열분해 반응기를 작동하는 방법이 제공된다: 제1 양의 연료 및 산화제를 0.9 내지 1.1의 연료/산화제 당량비 내에서 연소 챔버내로 공급하고, 제1 양의 연료 및 산화제를 연소시켜 연소 생성물을 생성하는 단계; 공급원료 및 연소 생성물을 혼합 챔버 내로 공급하는 단계로서, 공급원료는 연소 생성물과 혼합되고, 열분해 작동에서 수소 및 탄소를 포함하는 반응 생성물들로 분해되는, 단계; 열분해 작동 동안 탄소 및 수소의 생성을 모니터링하는 단계; 및 모니터링된 탄소 생성이 목표 탄소 사양을 벗어날 때 제2 양의 연료 및 산화제를, 1.1보다 큰 연료/산화제 당량비를 갖는 부화 연료/산화제 비율로, 연소 챔버 내로 공급하고, 제2 양의 연료 및 산화제를 연소시켜 연소 생성물 및 그을음을 생성하는 단계; 공급원료, 연소 생성물 및 그을음을 혼합 챔버 내로 공급하는 단계로서, 연소 생성물 및 그을음은 공급 원료와 혼합되고, 공급원료는 열분해 작동에서 반응 생성물로 분해되고, 그을음은 탄소 형성을 위한 씨드를 제공하는, 단계.
이 요약은 모든 양태들의 전체 범위를 반드시 설명하지는 않는다. 다른 양태들, 특징 및 장점은 특정 구현예들에 대한 하기의 설명을 검토하면 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백해질 것이다.
이제 본 발명의 구현예들은, 첨부된 도면과 함께 상세하게 설명될 것이다:
도 1a는, 본 발명의 일 구현예에 따라, 열분해 시스템에서 열분해 사이클의 점화 단계를 보여준다.
도 1b는 열분해 사이클의 혼합 단계를 도시한다.
도 1c는 열분해 사이클의 사전 반응 단계를 나타낸다.
도 1d는 열분해 사이클의 반응 후 단계를 나타낸다.
도 1e는 열분해 사이클의 퀀칭(quenching) 단계를 나타낸다.
도 1f는 열분해 사이클의 충전 단계를 보여준다.
도 2는 반응기들로의 공급원료, 수소 및 산화제 투입을 제어하는 것을 포함하여, 각각의 반응기에서, 열분해 사이클의 작동을 제어하도록 프로그래밍된 제어기와 복수의 반응기들을 포함하는 열분해 시스템의 일 구현예를 보여주는 개략도이다.
도 3은, 본 개시의 일 구현예에 따른, 제어기에 의해 실행되는 열분해 작동 프로그램의 작동 로직을 도시하는 흐름도이다.
도 4a 및 4b는 본 개시의 또 다른 구현예에 따른 복수의 반응기 열분해 시스템에서의 작동을 도시하며, 여기서 도 4a는 모두 정상적인 열분해 작동을 실행하는 일련의 열분해 반응기들을 도시하고, 도 4b는 각각의 반응기가 순차적으로 파울링 제거 작동을 실행하는 동안 다른 반응기들은 정상적인 열분해 작동을 실행하는 것을 보여주며;
도 5a 및 5b는 본 개시의 또 다른 구현예에 따라 6개 반응기 열분해 시스템으로부터의 반응 생성물 산출량을 보여주는 그래프이고, 여기서, 도 5a는 모든 반응기들이 정상적인 열분해 작동을 실행할 때 열분해 시스템의 반응 생성물 산출량을 도시하며, 도 5b는 각각의 반응기가 순차적으로 파울링 제거 작동을 수행하는 동시에 다른 반응기들은 정상적인 열분해 작동을 수행할 때 열분해 시스템의 반응 생성물 산출량을 도시한다.
도 1a는, 본 발명의 일 구현예에 따라, 열분해 시스템에서 열분해 사이클의 점화 단계를 보여준다.
도 1b는 열분해 사이클의 혼합 단계를 도시한다.
도 1c는 열분해 사이클의 사전 반응 단계를 나타낸다.
도 1d는 열분해 사이클의 반응 후 단계를 나타낸다.
도 1e는 열분해 사이클의 퀀칭(quenching) 단계를 나타낸다.
도 1f는 열분해 사이클의 충전 단계를 보여준다.
도 2는 반응기들로의 공급원료, 수소 및 산화제 투입을 제어하는 것을 포함하여, 각각의 반응기에서, 열분해 사이클의 작동을 제어하도록 프로그래밍된 제어기와 복수의 반응기들을 포함하는 열분해 시스템의 일 구현예를 보여주는 개략도이다.
도 3은, 본 개시의 일 구현예에 따른, 제어기에 의해 실행되는 열분해 작동 프로그램의 작동 로직을 도시하는 흐름도이다.
도 4a 및 4b는 본 개시의 또 다른 구현예에 따른 복수의 반응기 열분해 시스템에서의 작동을 도시하며, 여기서 도 4a는 모두 정상적인 열분해 작동을 실행하는 일련의 열분해 반응기들을 도시하고, 도 4b는 각각의 반응기가 순차적으로 파울링 제거 작동을 실행하는 동안 다른 반응기들은 정상적인 열분해 작동을 실행하는 것을 보여주며;
도 5a 및 5b는 본 개시의 또 다른 구현예에 따라 6개 반응기 열분해 시스템으로부터의 반응 생성물 산출량을 보여주는 그래프이고, 여기서, 도 5a는 모든 반응기들이 정상적인 열분해 작동을 실행할 때 열분해 시스템의 반응 생성물 산출량을 도시하며, 도 5b는 각각의 반응기가 순차적으로 파울링 제거 작동을 수행하는 동시에 다른 반응기들은 정상적인 열분해 작동을 수행할 때 열분해 시스템의 반응 생성물 산출량을 도시한다.
본 명세서에서 설명된 구현예들은, 열분해 반응기 시스템의 탄소 및 수소 생성을 모니터링하고, 모니터링된 탄소 및 수소 생성 중 하나 또는 둘 다가 목표 성능 사양을 벗어날 때 성능을 개선하기 위해 반응기 시스템에 대한 하나 이상의 투입들을 조절하는, 방법 및 시스템에 관한 것이다. 특히, 반응기 시스템의 연소 챔버에 공급되는 연료 대 산화제의 비율("연료/산화제 비율")은, 탄소 및 수소 생성 모두가 목표 탄소 및 수소 사양 아래로 떨어질 때, 선택된 연료/산화제 당량비 범위 아래로 조절되고, 탄소 생성만이 목표 탄소 사양보다 낮아지는 경우 연료/산화제 당량비 범위 위로 조절된다. 일부 구현예들에서, 선택된 연료/산화제 당량비 범위는 0.9 내지 1.1이다. 목표 사양에는 생성 속도, 모폴로지(탄소의), 및 작동 온도를 포함하는 다양한 파라미터가 포함될 수 있다.
탄소가 반응기 시스템의 혼합 챔버의 벽을 코팅하면, 수소 및 탄소 생성 성능이 모두 저하되는 경향이 있다. 일부 구현예들에서, 모니터링된 수소 및 탄소 생성 모두가 목표 수소 및 탄소 생성 사양 범위를 벗어날 때, 반응기 시스템의 연소 챔버에 공급되는 연료/산화제 비율은, 연료/산화제 비율이 연료/산화제 당량비 범위 미만인 희박 연소 조건으로 조절된다. 일부 다른 구현예들에서, 연료 공급 및 공급원료 공급이 중단되고, 파울링 제거 작동에서 산화제만이 반응기의 혼합 챔버에 공급된다. 반응기 시스템을 희박 연소 조건 또는 파울링 제거 작동에서 운전할 때, 미연소된 산화제가 혼합 챔버에 공급되어 탄소와 반응하여 CO2 가스를 생성함으로써, 혼합 챔버 벽을 코팅하는 탄소의 양을 제거하거나 줄인다.
열분해 동안 혼합 챔버에서 탄소가 형성되는 데 필요한 시간은 체류 시간으로 알려져 있으며 목적하는 탄소 생성과 모폴로지에 따라 달라진다. 이상적으로, 반응기 시스템의 로딩 및 언로딩 밸브 타이밍과 점화 타이밍은, 연소 가스들을 공급원료 가스들과 혼합한 시점부터 반응기 출구 밸브가 열려 반응 생성물을 배출하는 시간까지의 시간이 체류 시간과 동일하도록 설정되며, 이는 주어진 반응기 크기에 대해 수소 및 탄소 생성을 최대화하려면 가능한 한 짧아야 한다. 탄소 생성 성능만 떨어지면, 이론적으로는 탄소 체류 시간의 증가로 인해 탄소의 형성을 완료할 수 있는 시간이 부족하다. 일부 구현예들에서, 연료/산화제 비율은, 모니터링된 탄소 생성만이 목표 탄소 생성 사양을 벗어나는 경우, 연료/산화제 비율이 연료/산화제 당량비 범위보다 높은 부화 연소 조건으로 조절된다. 부화 연소 조건에서 반응기 시스템을 운전할 때, 연소 챔버에서 그을음이 형성되고, 이는 혼합 챔버로 공급되어, 열분해 동안 공급원료 분해의 탄소 형성을 위한 씨드(seed)를 제공함으로써 탄소 체류 시간을 감소시킨다.
일 구현예에 따르면, 그리고 도 1a 내지 1f를 참조하면, 탄화수소 공급원료 가스를 수소 및 탄소를 포함하는 반응 생성물로 분해하기 위한 열분해 시스템(100)의 열분해 사이클 동안 발생하는 일련의 단계들이 자세히 도시되어 있다.
도 1a를 참조하면, 열분해 시스템(100)은 각각의 유체 경로(32)를 통해 혼합 챔버(10)에 연결된 한 쌍의 연소 챔버들(30)을 포함한다. 유체 경로(32)는 선택적으로(selectively) 연소 챔버(30)로부터 혼합 챔버(10)로의 유체 흐름을 허용한다. 일부 구현예들에 따르면, 연소 챔버들(30)은 중간 유체 경로(32)를 필요로 하지않고 혼합 챔버(10)에 직접 연결될 수 있다. 또 다른 구현예들에 따르면, 연소 챔버들(30)은, 유체가 연소 챔버(30) 밖으로 흘러 혼합 챔버(10)의 내부로 직접 유입될 수 있도록, 혼합 챔버(10) 내에 제공될 수 있다. 도 1a가 2개의 연소 챔버(30)을 도시하는 반면, 본 개시는 혼합 챔버(또는, 심지어 복수의 혼합 챔버들)에 연결된 임의의 개수의 연소 챔버들(예를 들어, 단일 또는 복수의 연소 챔버)로 확장된다는 것이 이해되어야 할 것이다.
혼합 챔버(10)의 제1 단부에는 혼합 챔버(10) 내로 공급원료 가스의 유입을 선택적으로(selectively) 허용하기 위한 유입 밸브(12)가 제공된다. 혼합 챔버(10)의 반대편 제2 단부에는, 혼합 챔버(10) 내의 가스들이 혼합 챔버(10)의 외부로 유출되도록 선택적으로(selectively) 허용하기 위한 밸브(14)에 의해 제어되는 출구가 제공된다.
각각의 연소 챔버(30)는 연소 챔버(30) 내로 연료 및 산화제 연소 가스들의 유입을 선택적으로(selectively) 허용하기 위한 입구 밸브(36, 37) 및 연소 챔버(30) 내의 연소 생성물 가스들이 연소 챔버(30)의 외부로 유출되도록 선택적으로(selectively) 허용하기 위한 밸브(38)에 의해 제어되는 출구를 포함한다. 각각의 연소 챔버(30)은, 연소 챔버(30)에 공급된 연소 가스들의 연소를 구동하기에 충분한 점화 에너지를 제공하기 위한 하나 이상의 점화기(들)(34)를 더 포함한다.
열분해 시스템(100)의 통상적인 구조는 작동 중에 변경되지 않고 유지되므로, 도 1a 내지 도 1f에서 열분해 시스템(100)의 구조는 더 자세히 설명되지 않는다.
도 1a에서 시작하면, 열분해 사이클의 점화 단계가 도시되어 있다. 이 단계 이전에, 연소 연료 및 산화제는 밸브들(36, 37)("연료 및 산화제 밸브들")에 의해 제어되는 각각의 연료 및 산화제 입구를 통해 각각의 연소 챔버(30)에 제공된다. 대안적으로(미도시), 연료 및 산화제 혼합물은 단일 밸브를 통해 각각의 연소 챔버(30) 내로 제공된다.
동시에, 메탄과 같은 탄화수소 공급원료 가스(50)가 밸브(12)에 의해 제어되는 입구를 통해 혼합 챔버(10)에 제공된다. 유체 경로(32)가 영구적으로 개방되는 경우, 연소 챔버들(30) 및 혼합 챔버(10)는, 각각의 챔버 내의 압력이 대략 동일하도록 그들 각각의 가스들로 충전되어 연소 가스와 공급원료 가스(50)의 혼합이 거의 또는 전혀 발생하지 않는다. 연소 챔버(30)과 혼합 챔버(10)의 충전이 완료되면, 공급원료, 연료, 및 산화제 밸브들(12, 36, 37)은 폐쇄되고 따라서, 열분해 시스템(100)은 일정 부피 시스템(constant volume system)으로 간주된다.
점화 단계 동안, 점화기들(34)은, 점화기들(34)에 작동가능하게 연결된 마이크로프로세서 또는 회로와 같은, 적합한 제어기(60)(도 2 참조)에 의해 활성화되어, 연소 챔버들(30) 내에서 연소 가스의 연소를 촉발시킨다. 연소 가스의 연소는 연소 챔버들(30) 내에서 하나 이상의 뜨거운 연소 생성물 가스들(연소 생성물(40))을 생성하고, 혼합 챔버(10) 내 압력에 비해 연소 챔버들(30) 내의 압력 및 온도를 상당히 증가시킨다.
도 1b를 참조하면, 열분해 사이클의 혼합 단계가 도시되어 있다. 혼합 단계 동안, 연소 생성물(40)은 유체 경로(32)를 통해 혼합 챔버(10)내로 유입되고, 공급원료 가스(50)와 혼합되기 시작하여, 사전 반응 연소 생성물 가스들과 공급원료 가스의 혼합물(42)을 형성한다. 이것이 발생함에 따라, 연소 챔버들(30) 내의 압력은 떨어지기 시작한다.
도 1c에는, 열분해 사이클의 사전 반응 단계가 도시되어 있다. 사전 반응 단계 동안, 연소 생성물(40)의 상당 부분이 혼합 챔버(10) 내로 유입되어 공급원료 가스(50)와 혼합되며, 혼합 챔버(10)를 사전 반응 연소 생성물 가스들과 공급원료 가스의 혼합물(42)로 충전한다. 그러나, 연소 챔버들(30) 내의 압력이 혼합 챔버(10) 내의 압력과 거의 동일한 압력으로 떨어지는 것에 응답하여, 연소 생성물(40)의 일부가 연소 챔버(30) 내에 남아 있게 된다. 이 단계가 끝날 때, 연소 챔버들(30)과 혼합 챔버(10)의 압력은, 점화 전 수준보다 여전히 높으면서도 대략 동일한 수준으로 되돌아간다.
연소 생성물(40)이 혼합 챔버(10) 내로 유입된 결과, 특히, 연소 생성물(40)을 공급원료 가스(50)와 혼합하여 혼합물(42)을 형성한 결과, 열 에너지는 연소 생성물(40)로부터 공급원료 가스(50)로 전달된다. 또한, 혼합 챔버(10) 내로의 뜨겁고 가압된 연소 생성물(40)의 유입에 응답하여, 혼합 챔버(10) 내에서 압력이 증가한 결과로, 공급원료 가스(50)의 동적 압축을 통해 에너지가 연소 생성물(40)로부터 공급원료 가스(50)로 전달된다. 특정 시점을 지나면, 공급원료 가스(50)의 온도 증가는 공급원료 가스(50)의 분해 또는 열분해를 촉진하기에 충분한다. 메탄의 경우, 분해는 하기와 같은 형태를 취한다:
CH4 + 에너지 → C + 2H2
도 1d를 보면, 열분해 사이클의 반응 후 단계가 나타나 있다. 반응 후 단계 동안, 연소 챔버들(30)과 혼합 챔버(10) 내의 압력은 동일해졌다. 연소 챔버들(30)은 연소 생성물(40)로 충전된 상태로 유지된다. 혼합 챔버(10)는 통상적으로 공급원료 가스(50)의 분해로부터 형성된 반응 생성물(52)을 포함한다. 예를 들어, 탄화수소 공급원료의 경우, 혼합 챔버(10)는 통상적으로 반응 생성물(52)로서 탄소 및 수소를 함유한다.
도 1e를 보면, 열분해 사이클의 퀀칭 단계가 도시되어 있다. 퀀칭 단계 동안, 출구 밸브(14)는 개방되어 혼합 챔버(10) 내의 반응 생성물(52)의 압력 및 온도를 급격하게 감소시키고 열분해 반응을 퀀칭시켜, 혼합 챔버(10) 내의 퀀칭된 반응 생성물(54)이 출구 밸브(14)를 통해 혼합 챔버(10)로부터 추출된다. 또한, 연소 챔버들(30) 및 유체 경로(32) 내에 잔류하는 연소 생성물(40)은 출구 밸브들(38)을 개방함으로써 배출(vented)된다.
도 1f를 보면, 열분해 사이클의 충전 단계가 도시되어 있다. 충전 단계 동안, 신선한 연료(46) 및 산화제(47)는 연료 및 산화제 밸브들(36, 37)을 통해 연소 챔버들(30) 내로 공급된다. 이는 연소 챔버들(30) 내의 압력을 증가시키고 퀀칭된 연소 생성물 가스들(48) 및 퀀칭된 반응 생성물(54)을 연소 챔버들(30) 및 유체 경로(32)로부터 나와, 혼합 챔버(10) 내로 유도한다. 동시에, 신선한 공급원료 가스(50)는 입구 밸브(12)를 통해 혼합 챔버(10) 내로 공급되고, 혼합 챔버(10) 내의 퀀칭된 연소 생성물 가스들(48) 및 퀀칭된 반응 생성물(54)을 출구 밸브(14)를 통해 혼합 챔버(10) 밖으로 밀어낸다. 충전 단계의 끝에서, 연소 챔버들(30)과 유체 경로(32)는 통상적으로 가압된 연소 가스(및 임의의 잔류 미반응 공급원료 가스(44))를 함유하는 반면, 혼합 챔버(10)는 통상적으로 다음 반응 사이클에서 분해될 준비가 되어있는 가압된 공급원료 가스(50)(및 혼합 챔버(10)로부터 배출되지 않았을 수 있는 임의의 반응 생성물 또는 연소 생성물)를 포함한다.
이제 도 2로 돌아가서, 일부 구현예들에서, 열분해 시스템(100)은 복수의 반응기들을 포함한다. 도 2에 도시된 구현예에서, 복수의 반응기들은 도 1a 내지 1f에 도시된 방식으로 연소 챔버에 유체 연결되는 혼합 챔버를 각각 포함하는 반응기들(1 .. n)로서 개략적으로 도시된다. 각각의 연소 챔버는, 공통 연소 헤더(58)로부터 연료 및 산화제를 수용하기 위한 연료 및 산화제 밸브들(36-1 .. n, 37-1 .. n), 및 연소 생성물을 공통 배기 헤더(64)로 배출하기 위한 연소 생성물 밸브(38-1 .. n)를 갖는다. 각각의 혼합 챔버는 공통 공급원료 공급 헤더(62)로부터 공급원료를 수용하기 위한 입구 밸브(12-1 .. n), 및 반응 생성물을 공통 반응 생성물 헤더(66)로 배출하기 위한 출구 밸브들(14-1 .. n)을 갖는다.
도 2를 참조하면, 제어기(60)는 각각의 반응기(1 .. n)에 대한 밸브들(12, 14, 36, 37, 38)와 통신하고 밸브 타이밍을 제어하도록 작동 가능하며, 그 결과 각각의 점화 사이클 후, 각각의 연료 및 산화제 밸브(36, 37) 및 각각의 혼합 챔버 입구 밸브(12)는 순차적으로 개방되어(열린 상자들로 표시됨) 연료 및 산화제를 각각의 연소 챔버에 공급하고 공급원료 가스들을 각각의 혼합 챔버 내로 공급하면서, 다른 연료 및 산화제 밸브들 및 혼합 챔버 밸브들은 닫힌 상태로 유지된다("X" 상자들로 표시). 유사하게, 제어기(60)는, 각각의 반응기(1 .. n)가 각자의 열분해 사이클을 완료한 후에 각각의 혼합 챔버 출구 밸브(14) 및 연소 생성물 배기 밸브(38)를 순차적으로 개방한다. 6개의 반응기들을 갖는 예시적인 열분해 시스템(100)의 산출이 도 5a에 도시되어 있으며, 여기서, 각각의 반응 사이클 후에 각각의 혼합 챔버 출구 밸브가 순차적으로 열리면 정현파 동적 산출량(sinusoidal dynamic output)이 생성되어, 준정상상태 산출량(quasi steady-state output)이 생성된다.
열분해 시스템은, 반응 생성물 도관(66)에 위치되고 각각의 반응기(1 ... n)로부터의 수소 및 탄소 산출량(hydrogen and carbon output)을 모니터링하도록 구성된 반응 생성물 센서들(70)을 포함한다. 대안적으로, 반응 생성물 센서들(70)은 탄소 분리기 및 수소 분리기(미도시)의 하류에 위치될 수 있다. 반응 생성물 센서들(70)은, 코리올리(Coriolis), 터빈 및 초음파와 같은 질량 또는 부피 유량계, 질량 분석계와 같은 가스 조성 센서, 열전쌍 및 써미스터와 같은 온도 센서, 피에조저항성(piezoresistive) 센서 및 가변 정전용량성 센서와 같은 압력 센서를 포함하는, 탄소 및 수소 가스의 특정 특성들을 감지하는 데 적합한 상업적으로 입수가능한 센서들로부터 선택될 수 있다. 다른 구현예들(미도시)에서, 센서들(70)은, 혼합 챔버(10)의 하류의 다른 곳에, 예를 들어 각각의 혼합 챔버(10)의 출구 밸브(14)에, 또는 열분해 시스템의 각각의 탄소 및 수소 분리기들(미도시)의 하류에 위치될 수 있다.
제어기(60)는, 직접 디지탈 제어기(DDC), 비례 적분 미분 제어기(PID), 프로그램가능한 논리 제어기(PLC), 주문형 집적회로(ASIC), 또는 범용 컴퓨터와 같은, 당해 기술분야에 공지된 임의의 유형의 프로그램가능한 제어기일 수 있다. 제어기(60)는 센서들(70)과 통신하고, 센서들(70)에 의해 취해진 수소 및 탄소 생성 측정값들을 수신한다.
도 3을 참조하면, 제어기(60)는, 측정된 수소 및 탄소 생성이 목표 수소 및 탄소 생성 사양 이내일 때 정상적인 열분해 작동을 수행하기 위한, 그리고 수소 및 탄소 생성 중 하나 이상이 목표 수소 및/또는 탄소 생성 사양을 벗어날 때 희박 연소 작동 및 부화 연소 작동 중 하나 이상을 수행하기 위한, 상기 제어기(60)에서 실행가능한 열분해 작동 프로그램으로 인코딩된 메모리를 갖는다.
정상적인 열분해 작동에서, 제어기(60)는, 화학양론적 공기/연료 혼합물이 연소 챔버(10)에 공급되도록, 수소 및 산화제 밸브들(36, 37)을 조절한다. 연료가 메탄인 경우, 메탄을 완전히 소비하는 데 필요한 정확한 산소량은 CH4 1몰당 O2 2몰이며, 이를 화학양론적 혼합물이라고 지칭한다. 당량비 Φ는 연료/산화제 비율을 화학양론적 비율과 비교하는 데 사용될 수 있으며, 다음과 같이 제공된다:
여기서,
Φ= 연료/산화제 당량비
st = 화학양론적
부화 연소의 경우, Φ> 1.1이다. 희박 연소의 경우, Φ< 0.9이다. 화학양론적 연소의 경우, Φ= 0.9 내지 1.1(이하에서, "연료/산화제 당량비 범위"라고 지칭됨)이다.
열분해 시스템(100)이 새로운 열분해 사이클을 시작하면, 제어기(60)는 센서들(70)을 확인하고(단계 80), 열분해 시스템(100)이 목표 사양들 내에서 수소 및 탄소를 생성하는지 여부를 결정한다. 예(yes)인 경우, 제어기(60)는 정상 작동(84)을 실행하고, 연료/산화제 당량비 범위(Φ= 0.9 내지 1.1) 내에서 연료/산화제 혼합물을 유지하도록 연료 및 산화제 밸브들(36, 37)을 설정한다.
센서 측정이 목표 사양(85)을 벗어나는 수소 및 탄소 질량 유량의 감소 및/또는 온도의 증가를 감지하는 경우, 혼합 챔버(10)의 내부는 탄소로 코팅되었을 수 있다. 이론을 세우자면, 탄소의 축적은 혼합 챔버(10)의 총 가스 부피를 효과적으로 감소시킬 것이고, 결과적으로 열분해 시스템(100)은 많은 공급원료를 혼합 챔버(10) 내로 적재할 수 없고, 따라서, 수소 및 탄소 생성의 속도의 감소가 초래될 것이다. 또한, 탄소 축적은 혼합 챔버(10) 내의 온도의 증가를 초래할 수 있는데, 이는, 연소 챔버(30)가 고정된 부피이고, 연소로부터의 동일한 양의 에너지가 혼합 챔버(10) 내의 더 적은 양의 공급원료에 부가되기 때문이다.
제어기(60)가 측정된 수소 및 탄소 생성 둘 다 목표 사양(86)을 벗어나는 것으로 결정하면, 제어기(60)는 희박 연소 작동(88)을 실행하고, 희박 연료/산화제 혼합물(Φ < 0.9)을 연소 챔버(30)에 공급하도록 연료 및 산화제 밸브들(36, 37)을 설정한다. 공급된 산화제를 모두 연소시키기에는 연료가 부족하기 때문에, 미연소 산화제(산소)가 혼합 챔버(10) 내로 도입될 것이고, 이것은 벽 상의 탄소와 반응하여 그것을 CO2 및/또는 CO로 전환시킬 것이고, 이것들은 하류에서 제거되거나 처리될 것이다. 희박 연소 작동은, 탄소 및 수소 생성 속도가 목표 사양 내로 돌아올 때까지, 연속적으로(매 반응 사이클마다) 또는 주기적으로(매 n번째 사이클마다) 실행될 수 있다.
제어기(60)가 측정된 탄소 생성이 목표 탄소 사양(90)을 벗어나는 것으로 결정할 때, 혼합 챔버 밸브 타이밍(혼합 챔버 입구 밸브(12)을 여는 것과 혼합 챔버 출구 밸브(14)를 여는 것 사이의 시간)이, 혼합 챔버(10)에서 탄소의 형성을 완료시킬 만큼 충분히 길지 않을 수 있다. 달리 표현하면, 반응 사이클 타이밍이 탄소 체류 시간보다 낮으며, 이는 더 낮은 탄소 생성 또는 탄소 모폴로지의 바람직하지 않은 변화를 발생시킬 수 있다. 혼합 사이클 밸브 타이밍을 연장하면 수소 생성 속도가 감소할 것이기 때문에, 제어기(60)는 대신에, 부화 연료/산화제 혼합물(Φ> 1.1)을 연소 챔버(92)에 공급하도록, 연료 및 산화제 밸브들(36, 37)를 조절한다. 이는, 연료의 불완전 연소를 야기할 것이고, 연소 챔버에서 그을음을 생성할 것이다. 그을음은 탄소 입자들의 덩어리이며, 혼합 챔버(10) 내로 주입되어 탄소 형성을 위한 씨드를 제공하고, 탄소 체류시간을 감소시킨다.
일부 다른 구현예들에 따르면, 열분해 시스템(100)은, 하나 이상의 반응기들에서 수행되는 파울링 제거 작동을 포함하는 열분해 작동 프로그램으로 인코딩된 제어기(60)를 갖는다. 파울링 제거 작동은, 연료가 연소 챔버(30)에 연료가 공급되지 않고 따라서 점화 사이클이 없다는 점을 제외하고, 혼합 챔버 내의 탄소 침착물을 제거하기 위한 희박 연소 작동과 목적이 유사하다. 달리 표현하면, 연료/산화제 비율이 0이기 때문에, 파울링 제거 작동에서는 당량비가 0이다. 산화제는 연소 챔버(30)에 공급된 다음 혼합 챔버(10)에 공급되고, 산소는 탄소 침착물과 반응하여 CO 및 CO2를 형성하게 되고, 그 다음 이것들은 혼합 챔버(10)로부터 배출된다.
도 4b 및 5b를 참조하면, 일 구현예는, 반응기 반응 사이클링의 정상적인 과정(사이클 1 … n)에서 각각의 단일 반응기에서 파울링 제거 사이클을 순차적으로 실행하도록 프로그래밍된 제어기(60)를 갖는 다중 반응기 열분해 시스템(100)을 포함한다. 다수의 반응기들의 순차적 연소(sequential firing)가 준정상 상태 산출(quasi-steady-state output)을 발생시키므로, 단일 사이클 동안 하나의 반응기를 오프라인으로 전환함으로써, 생성물 산출 스트림(product output stream)에 최소한의 영향이 미칠 것으로 예상된다. 그 다음, 다른 반응기들이 여전히 생성하는 동안, 별도의 순서로 각각의 반응기에 대해 파울링 제거 사이클이 반복되며, 그에 따라, 열분해 시스템(100)이 탄소 및 수소 생성을 중단하지 않은 채 그것의 반응기들 각각에서 파울링 제거 작동을 수행하는 것이 가능하게 된다.
제어기(60)는, 다음과 같이, 일 군의 반응기들(1 …n) 중 일 반응기에 대한 파울링 제거 작동을 실행한다.
1. 주기적으로 연료 밸브(36)를 닫아 연소 챔버(30)로의 연료 공급을 중단하고, 동시에, 대상 반응기(1)의 산화제 밸브(37)를 열고, 그에 따라, 산화제(예를 들어, 순수한 O2)를 연소 챔버(30) 내로, 그리고 그 다음, 반응기(1)의 혼합 챔버(10) 내로 공급하고; 반응기(1)의 혼합 챔버(10)의 입구 밸브(12)를 닫아 반응기(1) 내로의 공급 원료 가스의 공급을 중단한다.
2. 정상적인 반응 사이클의 기간 동안, O2가 반응기(1)의 혼합 챔버(10) 내에 침착된 탄소와 반응하도록 하여, 주로 CO2인 배출 가스를 형성한다.
3. 반응기(1)의 혼합 챔버 출구 밸브(14)를 열어 반응기(1)로부터 배출 가스를 배기한다.
4. 열분해 시스템(100)의 다른 반응기들(2 …n)에 대해 상기 순서를 반복한다.
5. 필요한 경우, 탄소 침착물을 제거하기에 충분한 사이클들이 완료되었다고 결정될 때까지, 모든 반응기들에 대해 파울링 제거 작동을 다시 반복한다.
도 5b는, 공정 산출량(process output)에 최소한의 영향을 미치면서, 파울링 제거 사이클이 정상적인 작동 순서 내로 어떻게 삽입될 수 있는지를 도시한다. 정상적인 상황들 하에서, 다수의 반응기들의 상기 순서는, 내연 기관에서 피스톤들의 폭발들이 일정한 출력 토크(steady output torque)를 생성하는 것과 마찬가지로, 명목상의 정상 상태 산출량(nominal steady-state output)을 생성한다. 파울링 제거 작동에서, 단일 반응기 사이클이 파울링 제거 작동을 수행하는 동안 나머지 반응기들은 정상적으로 작동할 수 있다. 그 다음, 파울링 제거 작동이 반복되거나 또는 다음 반응기로 이동할 수 있으며, 이 공정은 반응기들로부터 침착물을 세정하는 데 필요한 바에 따라 반복될 수 있다. 산출량은, 파울링 제거 작동의 효과를 도시하기 위해 과장된 방식으로 도 5b에 도시된 작은 시간적 변화들(temporal variations)을 가질 수 있다. 그 결과, 공정이 작동 상태를 유지하는 동안, 파울링 제거 유지 관리 루틴을 수행할 수 있는 능력이 얻어진다.
위의 구현예들이 전반적으로 메탄 분해의 맥락에서 설명되었지만, 본 명세서에서 설명된 개념들은, 천연 가스, 수소, 에탄, 프로판, 부탄 및 이들의 혼합물과 같은, 다른 공급원료 탄화수소 가스들에 적용될 수 있다. 또한, 탄소와 수소로 분리되지 않은 혼합 챔버 내의 가스들은 공급원료로서 재순환될 수 있다.
본 청구범위 및/또는 본 명세서에서 "포함하는(comprising)" 또는 "포함하는(including)"이라는 용어와 함께 사용될 때 단수 형태의 용어는 "하나"를 의미할 수 있지만, 그 내용이 명확하게 달리 서술하지 않는 한, "하나 이상", "적어도 하나", 및 "하나 또는 하나보다 많은"의 의미와도 부합한다. 마찬가지로, "또 다른(another)"이라는 단어는, 그 내용에서 명확하게 달리 서술하지 않는 한, 적어도 제2의 것 또는 그보다 더 많은 것을 의미할 수 있다.
본 명세서에 사용된 "결합된(coupled)", "결합된(coupled)" 또는 "연결된(connected)"이라는 용어들은, 이 용어들이 사용되는 문맥에 따라 여러가지 다양한 의미를 가질 수 있다. 예를 들어, 결합된, 또는 연결된이라는 용어들은 기계적 또는 전기적 의미를 가질 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 결합된, 또는 연결된이라는 용어들은, 두 개의 요소들 또는 장치들이, 특정 상황에 따라, 전기적 또는 기계적 요소를 통해, 직접적으로 또는 하나 이상의 중간 요소 또는 장치를 통해, 서로 연결된다는 것을 나타낼 수 있다. 항목들의 목록과 관련하여 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 목록을 구성하는 항목들 중 어느 하나 이상을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 어느 숫자 앞에서의 "약" 또는 "대략"의 언급, 또는 어느 숫자와 "실질적으로" 동일하다는 언급은, 그 숫자의 +/-10% 이내를 의미한다.
본 개시가 특정 구현예들과 관련하여 설명되었지만, 본 개시는 이러한 구현예들에 제한되지 않으며, 이러한 구현예들의 변경, 변형 및 변화가 본 개시의 범위를 벗어나지 않은 채 통상의 기술자에 의해 수행될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 논의된 임의의 양태 또는 구현예의 임의의 부분은, 본 명세서에서 논의된 임의의 다른 양태 또는 구현예의 임의의 부분과 함께 구현되거나 조합될 수 있다는 것이 고려된다.
Claims (20)
- 열분해 반응기(pyrolysis reactor)를 작동하는 방법으로서, 다음 단계들을 포함하는 방법:
제1 양의 연료 및 산화제를, 연료/산화제 당량비 범위 내에서, 연소 챔버 내로 공급하고, 상기 제1 양의 연료 및 산화제를 연소시켜 연소 생성물을 생성하는 단계; 공급원료 및 상기 연소 생성물을 혼합 챔버 내로 공급하는 단계로서, 상기 연소 생성물은 상기 공급원료와 혼합되고, 상기 공급원료는 열분해 작동에서 수소 및 탄소를 포함하는 반응 생성물로 분해되는, 단계;
상기 열분해 작동 동안 탄소 및 수소의 생성을 모니터링하는 단계;
모니터링된 상기 탄소 및 수소 생성이 목표 탄소 및 수소 사양(target carbon and hydrogen specification)을 벗어날 때 제2 양의 산화제를 상기 혼합 챔버 내로 공급하고, 공급된 상기 산화제를 상기 혼합 챔버의 벽에 부착된 탄소와 반응시키는 단계; 및
모니터링된 상기 탄소 생성만이 목표 탄소 사양을 벗어날 때, 제3 양의 연료 및 산화제를, 상기 연료/산화제 당량비 범위보다 높은 부화 연료/산화제 비율로, 상기 연소 챔버 내로 공급하고, 상기 제3 양의 연료 및 산화제를 연소시켜 상기 연소 생성물 및 그을음(soot)을 생성하는 단계; 상기 공급원료, 상기 연소 생성물 및 상기 그을음을 상기 혼합 챔버 내로 공급하는 단계로서, 상기 연소 생성물 및 상기 그을음은 상기 공급원료와 혼합되고, 상기 공급원료는 열분해 작동에서 상기 반응 생성물로 분해되고, 상기 그을음은 탄소 형성을 위한 씨드를 제공하는, 단계. - 제 1 항에 있어서, 상기 연료/산화제 당량비 범위는 0.9 내지 1.1인, 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 연료 및 상기 공급원료 중 적어도 하나는, 메탄, 천연 가스, 수소, 에탄, 프로판, 부탄 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는, 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 모니터링된 상기 탄소 및 수소 생성이 상기 목표 탄소 및 수소 사양을 벗어날 때, 상기 방법은 파울링 제거 작동(de-fouling operation)을 실행하는 단계를 더 포함하고, 상기 파울링 제거 작동은: 상기 연료를 상기 연소 챔버 내로 공급하는 것을 중단하고, 상기 공급원료를 상기 혼합 챔버 내로 공급하는 것을 중단하는 단계; 및 상기 혼합 챔버의 벽에 부착된 상기 탄소와 반응시키기 위해 상기 제2 양의 산화제를 상기 연소 챔버 내로 그리고 후속적으로 상기 혼합 챔버에 공급하는 단계;를 포함하는, 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 모니터링된 상기 탄소 및 수소 생성이 상기 목표 탄소 및 수소 사양을 벗어날 때, 상기 방법은 희박 연소 작동(lean burn operation)을 실행하는 단계를 더 포함하고, 상기 희박 연소 작동은: 제4 양의 연료 및 산화제를, 상기 연료/산화제 당량비 범위 미만의 희박 연료/산화제 비율로, 상기 연소 챔버 내로 공급하는 단계; 상기 제4 양의 산화제의 일부 및 상기 제4 양의 연료를 연소시켜 상기 연소 생성물을 생성하는 단계; 및 상기 혼합 챔버의 벽에 부착된 상기 탄소와 반응시키기 위해 미연소 산화제를 상기 혼합 챔버 내로 공급하는 단계;를 포함하는, 방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 열분해 반응기는 각각 혼합 챔버를 갖는 복수의 반응기들을 포함하고, 상기 방법은, 상기 반응기들 중 하나의 반응기의 상기 혼합 챔버에서 파울링 제거 작동을 실행하고, 그러는 동안, 하나 이상의 다른 반응기들에서 상기 열분해 작동을 실행하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 방법은, 상기 복수의 반응기들 중 각각의 반응기에 대해 상기 연료를 공급하는 것을 중단하고 상기 제2 양의 산화제만을 순차적으로 공급하여, 상기 반응기들 각각의 상기 혼합 챔버에서 상기 파울링 제거 작동을 순차적으로 실행하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소 및 수소의 생성을 모니터링하는 것은, 상기 탄소 및 수소의 유량을 모니터링하는 단계를 포함하는, 방법.
- 열분해 시스템으로서, 상기 열분해 시스템은:
(a) 연료 입구, 산화제 입구, 연소 생성물 출구, 및 배출물 출구(exhaust outlet)를 갖는 적어도 하나의 연소 챔버;
(b) 상기 연소 챔버의 상기 연소 생성물 출구와 연통하는 연소 생성물 입구, 공급원료 입구, 및 반응 생성물 출구를 갖는 적어도 하나의 혼합 챔버;
(c) 상기 반응 생성물 출구와 연통하는 수소 센서 및 탄소 센서; 및
(d) 제어기로서, 상기 제어기에 의해 실행가능한 프로그램 코드로 인코딩된 메모리를 갖는 제어기;를 포함하고,
상기 프로그램 코드는:
제1 양의 연료 및 산화제로서, 상기 제1 양의 연료 및 산화제는 연소되어 연소 생성물을 생성하는, 제1 양의 연료 및 산화제를, 상기 적어도 하나의 연소 챔버 내로, 연료/산화제 당량비 범위 내에서 공급하는 것을 제어하고; 공급원료 및 상기 연소 생성물로서, 상기 연소 생성물은 상기 공급원료와 혼합되고 상기 공급원료는 열분해 작동에서 수소 및 탄소를 포함하는 반응 생성물로 분해되는, 공급원료 및 상기 연소 생성물을, 상기 적어도 하나의 혼합 챔버 내로 공급하는 것을 제어하기 위한;
상기 열분해 작동 동안 상기 수소 및 탄소의 생성을 측정하기 위해 상기 수소 센서 및 상기 탄소 센서를 모니터링하기 위한;
모니터링된 상기 탄소 및 수소 생성이 목표 탄소 및 수소 사양을 벗어날 때, 제2 양의 산화제로서, 상기 제2 양의 산화제는 공급된 후 상기 적어도 하나의 혼합 챔버의 벽에 부착된 탄소와 반응하는, 제2 양의 산화제를, 상기 적어도 하나의 혼합 챔버 내로 공급하는 것을 제어하기 위한; 및
모니터링된 상기 탄소 생성만이 목표 탄소 사양을 벗어날 때, 제3 양의 연료 및 산화제로서, 상기 제3 양의 연료 및 산화제는 연소되어 상기 연소 생성물 및 그을음을 생성하는, 제3 양의 연료 및 산화제를, 상기 적어도 하나의 연소 챔버 내로, 상기 연료/산화제 당량비 범위보다 높은 부화 연료/산화제 비율로 공급하는 것을 제어하고; 상기 공급원료, 상기 연소 생성물, 및 상기 그을음으로서, 상기 연소 생성물 및 상기 그을음은 상기 공급원료와 혼합되고, 상기 공급원료는 열분해 작동에서 상기 반응 생성물로 분해되고 상기 그을음은 탄소 형성을 위한 씨드를 제공하는, 상기 공급원료, 상기 연소 생성물, 및 상기 그을음을, 상기 적어도 하나의 혼합 챔버 내로 공급하는 것을 제어하기 위한; 것인,
열분해 시스템. - 제 9 항에 있어서, 상기 연료/산화제 당량비 범위는 0.9 내지 1.1인, 열분해 시스템.
- 제 9 항에 있어서, 상기 탄소 센서 및 상기 수소 센서는 질량 유량 센서인, 열분해 시스템.
- 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 공급원료 및 상기 연료 중 적어도 하나는, 메탄, 천연 가스, 수소, 에탄, 프로판, 부탄 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는, 열분해 시스템.
- 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열분해 시스템은 복수의 반응기들을 더 포함하고, 상기 복수의 반응기들 각각은 상기 연소 챔버들 중 적어도 하나를 포함하는, 열분해 시스템.
- 제 13 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 혼합 챔버는 상기 복수의 반응기들의 각각의 연소 챔버와 연통하는 공통 혼합 챔버인, 열분해 시스템.
- 제 13 항에 있어서, 상기 복수의 반응기들 각각은 상기 혼합 챔버들 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 열분해 시스템은 상기 복수의 반응기들의 각각의 혼합 챔버와 연통하는 공통 반응 생성물 도관을 더 포함하고, 상기 수소 센서 및 상기 탄소 센서는 상기 공통 반응 생성물 도관에 위치된, 열분해 시스템.
- 제 15 항에 있어서, 상기 열분해 시스템은 상기 복수의 반응기들의 각각의 혼합 챔버와, 그리고 탄소 분리기 및 수소 분리기와 연통하는 공통 반응 생성물 도관을 더 포함하고, 상기 수소 센서는 상기 수소 분리기의 하류에 위치되고, 상기 탄소 센서는 상기 탄소 분리기의 하류에 위치된, 열분해 시스템.
- 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 상기 제어기의 상기 메모리는, 상기 복수의 반응기들 중 각각의 반응기에 대해 파울링 제거 작동을 순차적으로 수행하기 위해 상기 제어기에 의해 실행가능한 프로그램 코드로 더 인코딩되고, 상기 파울링 제거 작동은 상기 복수의 반응기들 중 각각의 반응기에 대해 순차적으로: 상기 연소 챔버 및 상기 혼합 챔버에 각각 상기 연료 및 상기 공급원료를 공급하는 것을 중단하는 단계; 및 상기 제2 양의 산화제만을 상기 연소 챔버에 그리고 후속적으로 상기 혼합 챔버에 공급하는 단계;를 포함하고, 공급된 상기 산화제는 상기 혼합 챔버들 각각의 벽에 부착된 상기 탄소와 반응하는, 열분해 시스템.
- 제 17 항에 있어서, 상기 시스템이 각각의 반응기에서 상기 파울링 제거 작동을 순차적으로 수행하면서 탄소 및 수소의 생성을 계속하도록, 상기 제어기는 파울링 제거 작동을 수행하는 반응기를 제외한, 정상적인 열분해 작동을 수행하기 위해 모든 상기 반응기들에 대한 상기 연료, 상기 산화제, 및 상기 공급원료의 공급을 제어하는, 시스템.
- 열분해 반응기를 작동하는 방법으로서, 다음 단계들을 포함하는 방법:
제1 양의 연료 및 산화제를 0.9 내지 1.1의 연료/산화제 당량비 내에서 연소 챔버 내로 공급하고, 상기 제1 양의 연료 및 산화제를 연소시켜 연소 생성물을 생성하는 단계; 공급원료 및 상기 연소 생성물을 혼합 챔버 내로 공급하는 단계로서, 상기 공급원료는 상기 연소 생성물과 혼합되어 열분해 작동에서 수소 및 탄소를 포함하는 반응 생성물로 분해되는, 단계;
상기 열분해 작동 동안 상기 탄소 및 상기 수소의 생성을 모니터링하는 단계; 및
모니터링된 상기 탄소 및 수소 생성이 목표 탄소 및 수소 사양을 벗어날 때 제2 양의 산화제를 상기 혼합 챔버 내로 공급하고, 공급된 상기 제2 양의 산화제를 상기 혼합 챔버의 벽에 부착된 상기 탄소와 반응시키는 단계. - 열분해 반응기를 작동하는 방법으로서, 다음 단계들을 포함하는 방법:
제1 양의 연료 및 산화제를 0.9 내지 1.1의 연료/산화제 당량비 내에서 연소 챔버 내로 공급하고, 상기 제1 양의 연료 및 산화제를 연소시켜 연소 생성물을 생성하는 단계; 공급원료 및 상기 연소 생성물을 혼합 챔버 내로 공급하는 단계로서, 상기 공급원료는 상기 연소 생성물과 혼합되고, 열분해 작동에서 수소 및 탄소를 포함하는 반응 생성물로 분해되는, 단계;
상기 열분해 작동 동안 상기 탄소 및 상기 수소의 생성을 모니터링하는 단계; 및
모니터링된 상기 탄소 생성만이 목표 탄소 사양을 벗어날 때 제2 양의 연료 및 산화제를, 1.1보다 큰 연료/산화제 당량비를 갖는 부화 연료/산화제 비율로, 상기 연소 챔버 내로 공급하고, 상기 제2 양의 연료 및 산화제를 연소시켜 상기 연소 생성물 및 그을음을 생성하는 단계; 상기 공급원료, 상기 연소 생성물 및 상기 그을음을 상기 혼합 챔버 내로 공급하는 단계로서, 상기 연소 생성물 및 상기 그을음은 상기 공급원료와 혼합되고, 상기 공급원료는 열분해 작동에서 상기 반응 생성물로 분해되고, 상기 그을음은 탄소 형성을 위한 씨드를 제공하는, 단계.
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