KR20070061325A

KR20070061325A - 연료 안정화 유닛을 이용한 액체 연료의 농후 촉매 청정연소

Info

Publication number: KR20070061325A
Application number: KR1020060097016A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 지. 첸
Original assignee: 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 2005-12-08
Filing date: 2006-10-02
Publication date: 2007-06-13
Also published as: CA2558165A1; JP2007154891A; EP1795805A3; EP1795805A2; US20070130956A1; CN1978993A

Abstract

본 발명의 연료 안정화 시스템은 불용성 물질과 부산물의 바람직하지 않은 생성 없이 액체 연료의 증발을 허용하도록 액체 연료로부터 용존 산소를 제거한다. 그 후, 증발된 연료는 산화제와 혼합되어 촉매 반응기 내에서 개질된다. 최종 증발된 연료는 바람직하지 않은 부산물이 감소된 배기물을 갖는 상태로 적당한 저온에서 지속적인 연소를 제공한다.

연소 장치, 액체 연료, 연료 변환 시스템, 용존 산소, 산소제거기

Description

연료 안정화 유닛을 이용한 액체 연료의 농후 촉매 청정 연소 {RICH CATALYTIC CLEAN BURN FOR LIQUID FUEL WITH FUEL STABILIZATION UNIT}

도1은 본 발명에 따른 연료 안정화 유닛을 구비한 예시적인 엔진 시스템의 개략도.

도2는 본 발명에 따른 연료 안정화 유닛을 구비한 예시적인 엔진 시스템의 다른 개략도.

도3은 본 발명에 따른 연소를 위한 연료 제조 방법의 블록도.

도4는 본 발명에 따른 예시적인 투과성 막의 개략적인 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 가스 터빈 엔진

12: 압축기

16: 터빈

18: 연소기

20: 산소제거기

22: 열전달 장치

24: 촉매 반응기

25: 연료 공급원

26: 연료 변환 시스템

본 발명은 일반적으로 에너지 변환 장치를 위한 연료 전달 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 용존 산소를 제거하기 위한 연료 산소제거기(deoxygenator)를 포함하여, 연소 개선을 위한 연료의 증발을 제공하는 연료 전달 시스템에 관한 것이다.

가스 터빈 엔진은 항공기 및 동력 발생 용도에서 통상 사용되는 에너지 변환 장치이다. 가스 터빈 엔진은 전형적으로 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기로 유입되는 산화제는 압축되어 연소기를 향해 안내된다. 연료는 고압의 산화제와 연소되어 점화된다. 연소기에서 생성된 연소 가스가 터빈을 구동시킨다.

액체 연료를 연소시키는 터빈 엔진은 질소 산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 미연 탄화수소(UHC) 및 다른 미립자들을 포함할 수 있는 배기물(emission)을 생성한다. 엔진으로부터 방출되는 이러한 성분들의 함유 수준을 낮추는 것이 바람직하다. 희박 혼합물을 형성하도록 예비혼합되는 천연 가스와 같은 기체 형태의 연료를 사용하면 바람직하지 않은 성분들의 배기물이 실질적으로 감소된다. 액체 연료의 증발과 예비혼합 역시 바람직하지 않은 배기물의 감소를 제공한다.

그러나, 액체 탄화수소 연료를 증발시키기 위한 가열은 통상 "코킹"(coking)으로 알려진 바람직하지 않은 불용성 물질의 생성을 초래할 수 있다. 코킹은 연료 시스템 내에 코크(coke) 침전물의 형성, 통로의 막힘 및 전체적인 엔진 성능의 저하를 일으킬 수 있다. 코크 침전물의 형성은 산화제에 대한 조기 노출로 인하여 연료 내에 존재하게 되는 용존 산소의 양에 따라 달라진다. 연료 내에 용해된 산소의 양을 감소시키면 코크 침전율이 감소하고 연료가 코크 침전물의 형성 없이 가열될 수 있는 최대 허용 온도가 증가한다.

또한, 증발된 연료에 추가의 화합물을 첨가하는 것은 배기물의 감소를 제공하기 위하여 연소기에서 연소되는 희박 혼합물을 제공한다. 촉매 반응기 내의 산화제의 첨가는 연소 공정을 향상시키는 개질된 연료를 제공한다. 따라서, 바람직하지 않은 코크 침전물의 발생 없이 액체 연료의 증발을 제공하여 연소를 개선하기 위한 공정을 개발하고 시스템을 설계하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 저 배기물 농후 촉매 연소 시스템의 예는 불용성 물질과 부산물의 바람직하지 않은 생성 없이 증발을 허용하도록 액체 연료로부터 용존 산소를 제거한다.

연료 변환 시스템의 예는 연소 공정을 최적화하기 위해 연료를 조절하며, 연료 산소제거기, 열전달 장치 및 촉매 반응기를 포함한다. 연료 산소제거기는 액체 탄화수소 연료로부터 용존 산소를 제거하여, 손실 영향 및 조절될 수 없는 양의 불용성 물질의 생성 없이 연료가 증발되도록 한다. 그 후, 증발된 연료는 산화제와 혼합되어 촉매 반응기 내에서 개질된다. 보다 많은 산화제와 혼합된 최종 개질된 연료는 바람직하지 않은 부산물이 감소된 배기물을 갖는 상태에서 저온에서 지속적 인 연소를 제공한다. 액체 연료의 증발은 산화제와 연료의 혼합을 개선하고 이어서 개선된 화염 안정성 및 보다 완전하고 효율적인 연소를 제공함으로써 연소 공정을 개선한다.

따라서, 본 발명의 연료 변환 시스템 및 방법은 바람직하지 않은 부산물의 발생 없이 액체 연료의 증발을 제공함으로써 연소를 개선한다.

본 발명의 상기 및 다른 특징들은 하기의 상세한 설명 및 아래에서 간략히 설명된 도면으로부터 가장 잘 이해될 수 있다.

도1을 참조하면, 본 발명에 따른 예시적인 가스 터빈 엔진(10)이 개략적으로 도시되어 있으며, 연소 공정을 최적화하기 위해 연료를 조절하는 연료 변환 시스템(26)을 포함한다. 알 수 있는 바와 같이, 가스 터빈 엔진이 도시된 예로서 논의되지만, 왕복 엔진, 증기 엔진 및 기타 공지된 에너지 전환 장치와 같은 다른 연소 공정과 장치들 또한 본 발명으로부터 이점을 얻을 것이다.

가스 터빈 엔진(10)은 흡기(14)를 압축하는 압축기(12), 연료 산화제 혼합물을 점화하는 연소기(18) 및 연소기(18) 내에서 생성되는 배기 가스(15)의 유동에 의해 회전하는 터빈(16)을 포함한다.

본 발명의 가스 터빈 엔진(10)은 연료 산소제거기(20), 열전달 장치(22) 및 촉매 반응기(24)를 포함하는 연료 변환 시스템(26)을 포함한다. 탄화수소 연료는 전형적으로 운송 및 저장 중에 산화제에 대한 노출로 인하여 용존 산소를 포함하게 된다. 연료 내의 용존 산소는 높은 온도에서 연료 내의 다른 화합물들과 결합한 다. 이에 따른 상호작용에 의해 통상 "코크"(coke)로 지칭되는 바람직하지 않은 불용성 물질이 생성된다. 이러한 상호작용으로 인해 생성되는 불용성 물질은 연료 변환 시스템(26)과 연소기(18)의 내벽 상에 생성되어, 바람직하지 않은 성능 저하를 초래할 수 있다.

탄화수소 연료로부터 용존 산소를 제거함으로써, 생성되는 불용성 물질의 양의 감소와 함께 불용성 물질의 형성이 시작되는 온도가 뚜렷하게 증가된다. 산소제거기(20)는 연료와의 유의한 간섭 없이 연료로부터 용존 산소를 제거한다.

많은 연소 공정에서, 연료 산화제 혼합물은 엔진 효율과 배기물에 중요한 성분이다. 화학량론적 혼합물에서보다 연료의 비율이 높은 혼합물은 농후(rich) 혼합물로 알려져 있으며, 화학량론적 연소 온도에 비해 상대적으로 낮은 연소 온도에서 점화되고 지속될 수 있다. 화학량론적 혼합물에서보다 산화제의 비율이 높은 혼합물은 희박(lean) 혼합물로 알려져 있으며, 화학량론적 연소 온도에 비해 낮은 온도에서 작동한다. 낮은 온도에서 연소기를 작동하는 것은 질소 산화물을 낮은 함유 수준으로 생성하고 고온 연소를 지속하는 데에 요구되는 열처리 장치와 구조를 방지하기 위한 소정의 용도에 바람직할 수 있다. 그러나, 너무 낮은 온도에서의 연소는 일산화탄소와 미연 탄화수소 및 다양한 기타 바람직하지 않은 물질과 같은 바람직하지 않은 함유 수준의 부산물을 갖는 배기물을 생성한다. 적당한 저온에서 작동하는 희박 혼합물은 높은 함유 수준의 NOx, CO 및 UHC를 생성하지 않는다. 그러나, 이러한 희박 혼합물들은 현재 기체 상태의 연료에만 실용적이며, 통상의 액체 탄화수소 연료에 이용하기에는 실용적이지 못하다.

본 발명의 연료 변환 시스템(26)은 연료 공급원(25)으로부터 공급되는 액체 탄화수소 연료로부터 용존 산소를 제거하여, 연료가 상당한 손실 영향 및 조절될 수 없는 양의 불용성 물질의 생성 없이 증발될 수 있게 한다. 그 후, 증발된 연료는 예비혼합기(29) 내에서 산화제(21)과 혼합되어 농후 혼합물을 형성하며, 내구성을 확보하기 위하여 화살표(23)로 개략적으로 나타낸 바와 같이 냉각을 필요로 할 수도 있는 촉매 반응기(24)에서 개질된다. 최종 증발된 연료는 촉매 반응기(24) 내에서 NOx의 생성을 감소시키는 저온 지속 반응을 제공한다. 액체 연료의 증발은 산화제와 연료의 혼합을 개선하고 이어서 촉매 반응기(24) 내에서의 반응을 개선함으로써 연소 공정을 개선한다. 그 후, 연료 변환 시스템(26) 내에서 처리된 변환된 연료는 후혼합기(post-mixer)(28) 내에서 적당한 양의 산화제(19)와 혼합되어, 희박 혼합물이 되며 연소기 내에서 최소의 NOx, CO 및 UHC와 안정하게 반응한다. 산화제(19)는 냉각 유동(23)의 일부 또는 전체에 의해 부분적으로 또는 완전하게 공급될 수 있다.

도2를 참조하면, 가스 터빈 엔진(10)과 연료 변환 시스템(26)의 다른 예는 연료 변환 시스템(26)을 바이패스하는 바이패스 라인(27)을 통해 유동하여 후혼합기(28) 또는 연소기(18) 내부로 직접 주입되는 다량의 연료를 포함한다. 알 수 있는 바와 같이, 연료 조절에 있어서 실질적인 개선은 연료 변환 시스템을 통해 유동하는 연료 중 일부만에 의해 제공된다. 연료 변환 시스템(26)의 각각의 성분은 압력 강하를 유발하거나 다른 연료 유동 변수에 영향을 줄 수 있다. 연료 변환 시스템(26)을 통해 유동하는 연료의 양과 바이패스 라인(27)을 통해 바이패스하는 연료 의 양이 균형을 이룸으로써, 연소를 개선하기 위한 연료 흐름 특성을 맞추기 위한 수단이 제공된다. 예를 들면, 연소기(18)에 액체 연료를 추가하는 것은 화염 안정성(flame stability)을 개선할 수 있다. 또한, 바이패스 라인(27)은 연료를 라인(29)를 통해 후혼합기(28)로 그리고 라인(31)을 통해 연소기로 직접 공급하는 것으로 도시되어 있다. 이러한 라인 중 어느 하나 또는 둘 모두가 원하는 연소 성능을 달성하기 위하여 원하는 연료 유동 특성을 제공하는 데에 이용될 수도 있다. 부가적으로, 연료 공급원(25)으로부터의 액체 연료는 라인(33)을 통해 촉매 반응기(24)로 직접 주입될 수 있다. 따라서, 일부의 액체 연료가 원하는 연소 성능과 연소장치(18)로 유입되는 연료의 조절을 제공하도록 시스템(26) 내의 구성 요소(20, 22, 29, 24) 중 임의의 구성 요소 또는 모든 구성 요소를 통해 공급될 수 있다.

도3을 참조하면, 연료 변환 시스템(26)은 도면 부호 30으로 나타낸 바와 같이 먼저 액체 탄화수소 연료의 흐름 내로부터 유의한 양의 용존 산소를 제거함으로써 작동한다. 용존 산소는 산소제거기(20) 내에서 제거된다. 연료로부터 제거되는 용존 산소의 양은 연료의 증발이 조절될 수 없는 양의 코크 또는 기타 불용성 산물의 상당히 바람직하지 않은 생성을 초래하지 않도록 한다. 일부 적용에서, 0.1 ppm의 용존 산소만을 함유하도록 산소를 제거할 필요가 있을 수도 있다. 다른 적용에서는 보다 높은 산소 농도에서 만족스럽게 작동할 것이다.

도4를 참조하면, 산소제거기(20)는 액체 연료가 그에 대해 유동하는 산소 투과성 막(60)을 포함한다. 투과성 막(60)을 가로지르는 산소의 부분적인 압력차에 의해 액체 연료로부터 용존 산소(68)을 인출한다. 산소는 투과성 막(60)을 통해 이동하여 산소제거기로부터 배출된다. 투과성 막(60)은 다공성 받침층(porous backing)(64) 상에 인가된 투과성 층(62)으로 구성된다.

투과성 막(60)은 다공성 기재(66)를 따라 지지된다. 진공 공급원(70)은 용투과성 막(60)을 가로지르는 산소의 부분적인 압력차를 생성하여, 용존 산소(68)가 연료(25)로부터 연속적으로 이동된다. 그 후, 용존 산소는 외부로 배출되거나 이를 이용할 수도 있는 다른 시스템으로 배출된다. 투과성 막의 일례가 도시되어 있지만, 이는 본 발명의 범주 내에 있는 연료로부터 산소를 제거하는 다른 공지된 메커니즘 또는 상당한 코킹 없이 액체 연료를 증발시킬 수 있는 다른 방법도 본 발명에서 고려된다는 것을 이해하여야 한다.

도3을 참조하면, 산소제거기(20)로부터의 액체 연료는 열전달 장치(22) 내부로 유동하여 도면 부호 32로 나타낸 바와 같이 증발된다. 이때 연료는 실질적으로 용존 산소를 함유하고 있지 않으므로, 연료의 가열 또는 증발은 바람직하지 않은 양의 불용성 물질을 형성으로 이어지지 않는다. 이때 증발된 연료는 도면 부호 36으로 나타낸 바와 같이 개질을 돕도록 산화제와 혼합된다. 개질된 산물은 전형적으로 H₂, CO, H₂O 및 CO₂를 포함할 것이다. 연소 공정을 돕기 위한 다른 산화제, 성분 및 화합물은 또한 증발된 연료와 결합될 수도 있으며, 이는 본 발명의 범주 내에 있는 것이다.

그 후, 증발된 연료는 도면 부호 36으로 나타낸 바와 같이 촉매 반응기(24) 내에서 개질된다. 촉매 반응기(24)는 연소 준비 과정으로 연료 내에서 유리한 반응을 일으키는 물질을 포함한다. 그 후, 촉매 반응기(24)로부터 방출된 개질된 산물은 도면 부호 38로 나타낸 바와 같이 추가의 산화제와 혼합될 수 있다. 혼합된 연료와 산화제는 도면 부호 40으로 나타낸 바와 같이 연소를 위하여 연소기(18)로 주입된다.

본 발명의 바람직한 실시예가 개시되었지만, 본 기술 분야의 숙련자는 소정의 변형이 본 발명의 범주 내에서 이루어질 수 있음을 알 것이다. 이러한 이유로, 하기의 특허청구범위는 본 발명의 진정한 범주와 내용을 결정하는 것으로 검토되어야 한다.

본 발명의 연료 안정화 시스템에 의하면, 불용성 물질과 부산물의 바람직하지 않은 생성 없이 액체 연료의 증발을 허용하도록 액체 연료로부터 용존 산소를 제거할 수 있다.

Claims

연소 장치용 액체 연료를 마련하기 위한 연료 변환 시스템의 작동 방법이며,

a) 제1 온도에서 산소제거 장치에 의해 액체 연료로부터 용존 산소를 제거하는 단계와,

b) 연료의 적어도 일부를 증발시키도록 제1 온도보다 높은 제2 온도로 액체 연료를 가열하는 단계와,

c) 증발된 연료를 산화제와 혼합하는 단계와,

d) 증발된 연료 산화제 혼합물을 촉매 반응기에서 개질하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 증발된 연료가 촉매 반응기에서 개질된 후에 추가의 산화제를 혼합하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 a)는 액체 연료를 산소 투과성 막에 인접하게 유동시키는 단계와, 액체 연료로부터 용존 산소를 인출하기 위해 상기 투과성 막을 가로지르는 산소 부분 차압을 발생시키는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 온도는 연료와 용존 산소 사이의 상호작용에 의해 생성되는 상당한 불용성 물질을 발생시키는 온도보다 낮은 방법.
제1항에 있어서, 상기 제2 온도는 연료와 용존 산소 사이의 상호작용에 의해 생성되는 상당한 불용성 물질을 발생시키는 온도보다 높은 방법.
제1항에 있어서, 증발된 연료 산화제 혼합물을 적절하게 낮은 온도에서 연소기에서 태우는 단계를 포함하는 방법.
제6항에 있어서, 상기 적절하게 낮은 온도는 1093 내지 1649℃(2000 내지 3000℉) 사이의 온도를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 연료 변환 시스템 주위로 액체 연료의 일 부분을 그리고 연료 변환 시스템을 통해 액체 연료의 다른 부분을 바이패스시키는 단계를 포함하는 방법.
제8항에 있어서, 연료 변환 시스템 주위로 바이패스되는 액체 연료의 일 부분은 연소 장치 내부로 직접 수용되는 방법.
제8항에 있어서, 연료 변환 시스템 주위로 바이패스되는 액체 연료의 일 부분은 후혼합 장치 내부로 직접 수용되는 방법.
연소 장치를 위해 액체 연료를 조절하는 시스템이며,

액체 연료로부터 용존 산소를 제거하기 위한 적어도 하나의 연료 산소제거기와,

액체 연료의 적어도 일 부분을 증발시키기 위한 가열 장치와,

증발된 연료에 산화제를 첨가하기 위한 혼합 장치와,

산화제와 혼합한 후 연료를 개질하기 위한 촉매 반응기를 포함하는 시스템.
제11항에 있어서, 상기 촉매 반응기 내에서 개질된 후 추가의 산화제를 첨가하기 위한 제2 혼합 장치를 포함하는 시스템.
제11항에 있어서, 상기 연료 산소제거기는 바람직하지 않은 불용성 물질을 형성하는 온도보다 낮은 제1 온도에서 액체 연료를 수용하는 시스템.
제13항에 있어서, 상기 가열 장치는 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도로 연료를 가열하는 시스템.
제11항에 있어서, 상기 액체 연료는 상기 산소제거기를 통해 그리고 산소 투과성 막에 인접하게 유동하는 시스템.
제15항에 있어서, 상기 투과성 막에 인접하게 유동하는 연료로부터 용존 산 소를 인출하기 위해 상기 산소 투과성 막을 가로지르는 산소 차압부를 포함하는 시스템.
제11항에 있어서, 상기 연소 장치는 가스 터빈 엔진용 연소기를 포함하는 시스템.
제11항에 있어서, 연료 산소제거기, 가열 장치, 혼합 장치 및 촉매 반응기 중 적어도 하나 주위로 연료의 일 부분을 보내기 위한 바이패스를 포함하는 시스템.