KR-20260060761-A - Direct contact steam generator with injection speed and injection angle control functions

KR20260060761AKR 20260060761 AKR20260060761 AKR 20260060761AKR-20260060761-A

Abstract

본원발명은 노즐, 상기 노즐 끝단에 위치하여 분사구를 포함하는 노즐팁 및 상기 노즐 일측에 연결되어 분사각 및 분사속도를 조절하는 분사조절판을 포함하는 노즐부, 상기 노즐부 일측과 하나 이상의 관절/축을 포함하여 회전이 가능한 형태의 제1연결수단을 통해 연결되며, 유압으로 작동하는 실린더를 포함하는 실린더부, 상기 노즐부에 액체를 공급하는 액체공급원 및 상기 액체를 저장 및 공급하기 위한 공급원저장수단을 포함하는 공급부, 상기 공급부 일측에 설치되어 유량정보를 센싱하는 유량계를 하나 이상 포함하는 유량센싱부 및 상기 공급부에서 노즐부로 액체공급원을 공급하기 위한 펌프를 포함하는 복합 열캐리어 버너에 관한 것이다.

Inventors

권인구
정석우
정기진
김영배

Assignees

고등기술연구원연구조합

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20241025

Claims (10)

노즐(110), 상기 노즐 끝단에 위치하여 분사구를 포함하는 노즐팁(111) 및 상기 노즐 일측에 연결되어 분사각 및 분사속도를 조절하는 분사조절판(120)을 포함하는 노즐부(100); 상기 노즐부 일측과 하나 이상의 관절/축을 포함하여 회전이 가능한 형태의 제1연결수단(210)을 통해 연결되며, 유압으로 작동하는 실린더(220)를 포함하는 실린더부(200); 상기 노즐부에 액체를 공급하는 액체공급원(310) 및 상기 액체를 저장 및 공급하기 위한 공급원저장수단(320)을 포함하는 공급부(300); 상기 공급부 일측에 설치되어 유량정보를 센싱하는 유량계(410)를 하나 이상 포함하는 유량센싱부(400); 및 상기 공급부에서 노즐부로 액체공급원을 공급하기 위한 펌프(500)를 포함하는 복합 열캐리어 버너(10).
제1항에 있어서, 상기 분사조절판 일측은 버너 외부에 고정되어 있고, 다른 일측에는 슬라이딩수단이 형성되어 상기 실린더부의 제1연결수단과 결합되고, 상기 유량계에서 센싱되는 유량 정보를 바탕으로 좌/우로 이동되어 분사속도 및 분사각도를 제어하는 복합 열캐리어 버너.
제1항에 있어서, 상기 분사조절판은 3개 이상의 꼭지점을 갖는 다각형이며, 마주보는 양면에는 홈이 형성되어 있어 열림위치 및 닫힘위치로 이동이 가능한 복합 열캐리어 버너.
제1항에 있어서, 상기 실린더의 압력이 높아지면 피스톤이 전진하고, 노즐이 하방으로 기울어지도록 제1연결수단이 움직이고, 분사조절판이 닫힘위치로 이동하는 복합 열캐리어 버너.
제1항에 있어서, 상기 실린더의 압력이 낮아지면 피스톤이 후퇴하고, 노즐이 멈추도록 제1연결수단이 정지되고, 분사조절판이 열림위치로 이동하는 복합 열캐리어 버너.
제1항에 있어서, 상기 액체는 물을 포함하는 복합 열캐리어 버너.
제1항에 있어서, 상기 버너는 화염 상태에 따라 노즐부, 실린더부 및 유량센싱부를 통해 분사되는 액체의 분사속도 및 분사각이 조절되는 복합 열캐리어 버너.
제1항에 있어서, 상기 실린더를 제어하기 위한 전자제어수단 또는 수동제어수단 중 어느 하나 이상을 추가로 포함하는 복합 열캐리어 버너.
제1항에 있어서, 상기 분사조절판은 다단구조 또는 하나 이상의 플레이트가 겹쳐진 형태의 가변구조로 이루어져 정밀한 조절이 가능한 복합 열캐리어 버너.
제1항에 있어서, 상기 버너는 연료, 산화제 및 유압 중 어느 하나 이상을 공급하기 위한 제1내지 제3공급관을 포함하고, 연료 및 산화제는 화염을 형성하기 위해 이용되고, 상기 공급된 유압은 상기 실린더가 상하 왕복 운동에 이용되고, 상기 실린더가 상하왕복 운동하면서 분사조절판을 움직여 분사각도 및 분사속도를 제어하는 복합 열캐리어 버너.

Description

분사속도 및 분사각도 조절 기능을 가지는 복합 열캐리어 버너{Direct contact steam generator with injection speed and injection angle control functions} 본원발명은 복합 열캐리어 버너에 관한 것으로, 더 상세하게는 가스 및 액체를 분사하는 노즐의 분사속도 및 분사각도를 제어할 수 있는 버너에 관한 것이다. 비전통유전 자원으로 지칭되는 오일샌드(Oil Sands)는 1973년 제1차 오일쇼크 이후 석유를 대신할 화석연료의 하나로 주목되면서 원유 대체자원으로 급부상하였고, 2000년 이후 고유가가 지속되고 대규모 분리공정기술이 도입되면서 오일샌드 개발이 활발해졌다. 우리나라의 경우에도 한국석유공사는 해외 자주개발 원유 확보 차원에서 1999년경부터 오일샌드 개발사업 참여를 추진해오고 있는 등 오일샌드에 관한 국내외적으로 관심이 갈수록 고조되고 있는 상황이다. 오일샌드에서 추출되는 석유성분은 비튜멘이라는 무겁고 끈적끈적한 검은색 점성질의 기름으로, 오일샌드의 약 10 내지 12%를 차지한다. 통상적인 원유는 물보다 가볍지만, 비튜멘은 물과 비슷한 비중을 가진다. 상기 비튜멘은 자연 상태에서는 시추공이나 송유관 내에서 흐르지 않기 때문에 스팀을 가하거나 희석제(초경질원유 혹은 경질석유제품)와 혼합해 비중과 점성도를 낮춘 후 송유관으로 수송하여 얻어진다. 때문에 비튜멘에는 다량의 물이 함유되어 있어 오일을 회수하기 위해서는 1차 분리 FWKO(Free Water Knock-Out), 2차 분리로 항유화제(Demulsifier Chemicals), 전기장(Electrostatic Field) 등을 사용하여 오일을 회수한다. 오일성분 회수 후 발생하는 생산수 속에는 여전히 다량의 유분 및 고용성분 등을 포함하고 있어 이를 방출하거나 재활용하기 위해서는 15ppm 이하의 유분을 포함하는 물로 처리하는 생산수 처리 공정을 거쳐야 해상에 배수할 수 있다. 오일샌드로부터 비튜멘을 추출하기 위한 생산비용은 배럴당 20~25달러 수준으로 통상적인 원유 생산 비용보다 높아 경제성이 없었으나, 지속적인 유가상승에 따른 대체연료로서 연구개발 및 수요가 증가하고 있는 추세이다. 일반적으로 알려진 비튜멘 추출 방식으로는 오일샌드를 채굴한 후 비튜멘을 추출하는 방법(채굴 후 추출하는 방법), 현장(In-situ)에서 비튜멘을 바로 추출하는 방법으로 구분될 수 있다. 구체적인 추출방법을 살펴보면, 19세기 처음으로 연구 시도된 가열된 물을 주입 및 혼합시켜 90% 정도의 비튜맨을 회수할 수 있는 더운물 추출공정은 오일샌드를 채굴한 후 비튜멘을 추출하는 방법이다. 고압, 고온(약 350℃)의 스팀을 오일샌드가 매장된 곳에 주입함으로써, 스팀 압력에 의하여 오일샌드 덩어리가 조각이 나고, 스팀의 고열에 의해 비튜멘을 녹인 후 가열된 비튜멘을 지상으로 퍼올리는 CSS(cyclic steam stimulation)방법, 두 개의 평행하고 수평적인 우물을 굴착한 후, 상단 우물에 스팀을 주입하여 더운 열을 발생시켜 원유의 점도를 낮추게 하고, 점도가 낮아진 원유가 하단부에 위치한 우물에 고이면 지상으로 퍼올리는 SAGD(steam assisted gravity drainage)방법은 In-situ 추출방식에 적용되고 있다. 또한, 노천채굴방식이라 하여, 지표면에 존재하는 오일샌드를 채취하고, 채취한 오일샌드를 분쇄기에 넣어 모래와 돌을 분쇄하는 단계, 오일샌드에 더운물을 첨가하는 단계, 오일샌드 혼합물을 분해 용기에 넣어 모래와 비튜멘을 분리하는 단계 및 거품을 제거한 후 원심분리기를 통해 비튜멘을 추출하는 단계를 포함하는 방식이 있다. 이외에도 SAGD 기술과 유사하지만, 물 대신 에탄, 프로판 등과 같은 기화된 용매를 주입함으로써, 지하에 증기챔버(vapor-chamber)를 형성시켜, 중력을 이용하여 비튜멘을 추출하는 VAPEX(vapor extraction process)기술도 알려져 있다. 한국 등록특허공보 제10-2623046호는 윅구조를 포함하는 직접 접촉식 스팀 제너레이터에 관한 것으로, 연소반응이 일어나는 챔버(100), 상기 챔버의 단부에 형성된 버너(200),상기 버너에 연료가 공급되는 제1연료유입구(210), 상기 버너에 산화제가 공급되는 제1산화제유입구(220), 상기 버너에 물이 공급되는 제1물유입구(230), 상기 챔버는 내관(110), 외관(120) 및 상기 내관과 상기 외관 사이에 형성된 중간체(130)을 포함하고, 상기 내관에는 윅(Wick)구조(300)가 형성되며, 상기 윅구조는 상기 물의 모세관 현상의 극대화를 위하여 그루브(310), 메쉬체(320), 소결체(330) 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있고, 상기 그루브구조는 상기 내면에 각각 오목부(311)와 볼록부(312)가 번갈아 형성되는 요철형상이며, 상기 오목부는 상기 볼록부보다 작은 폭을 가지며, 상기 오목부와 상기 볼록부가 형성한 홈(313)은 채널형, 관형, 오메가형, 역삼각형, 무정형 중 어느 하나 이상의 형상을 갖는 직접 접촉식 스팀 제너레이터를 제공하고 있다. 그러나, 별도의 컨트롤밸브를 이용하지 않고, 유량을 바탕으로 실린더, 노즐을 조절하여 분사속도 및 분사각을 제어하여 구성을 간단히 하고, 유량, 분사속도 및 분사각도를 최적화하여 스팀의 생산효율을 최적화한 기술은 개시된 바 없다. 미국 공개특허공보 제2018-0087354호에서는 저장조로부터 탄화수소를 원위치 열 회수하기 위한 공정, 산소 혼합물, 연료, 급수 및 암모니아, 요소 또는 휘발성 아민 중 적어도 하나를 포함하는 첨가제를 직접 접촉 증기 발생기 (DCSG)에 제공하는 단계, 상기 급수와 상기 첨가제를 고온 연소 가스로 접촉시켜 증기, CO2 및 상기 첨가제를 포함하는 스팀계 혼합물을 획득하는 단계를 포함하는 상기 DCSG를 작동시키는 단계, 상기 스팀계 혼합물 또는 상기 스팀 기반 혼합물로부터 유도된 스트림을 상기 저장조에 주입하여 그 안에 상기 탄화수소를 이동시키는 단계를 포함하는 방법. 상기 탄화수소를 포함한 제조된 유체를 생산하는 것이 개시되어 있다. 그러나, 별도의 컨트롤밸브를 이용하지 않고, 유량을 바탕으로 실린더, 노즐을 조절하여 분사속도 및 분사각을 제어하여 구성을 간단히 하고, 유량, 분사속도 및 분사각도를 최적화하여 스팀의 생산효율을 최적화한 기술은 개시된 바 없다. 미국 공개특허공보 제2018-0087354호에서는 저장조로부터 탄화수소를 원위치 열 회수하기 위한 공정, 산소 혼합물, 연료, 급수 및 암모니아, 요소 또는 휘발성 아민 중 적어도 하나를 포함하는 첨가제를 직접 접촉 증기 발생기 (DCSG)에 제공하는 단계, 상기 급수와 상기 첨가제를 고온 연소 가스로 접촉시켜 증기, CO2 및 상기 첨가제를 포함하는 스팀계 혼합물을 획득하는 단계를 포함하는 상기 DCCSG를 작동시키는 단계, 상기 스팀계 혼합물 또는 상기 스팀 기반 혼합물로부터 유도된 스트림을 상기 저장조에 주입하여 그 안에 상기 탄화수소를 이동시키는 단계를 포함하는 방법. 상기 탄화수소를 포함한 제조된 유체를 생산하는 것이 개시되어 있다. 그러나, 별도의 컨트롤밸브를 이용하지 않고, 유량을 바탕으로 실린더, 노즐을 조절하여 분사속도 및 분사각을 제어하여 구성을 간단히 하고, 유량, 분사속도 및 분사각도를 최적화하여 스팀의 생산효율을 최적화한 기술은 개시된 바 없다. 미국 등록특허공보 제9512999호에서는 산소화 직접 접촉 증기 발생 공정을 포함하는 증기 발생 방법으로 (a)는 (i) 및 (ii) 를 제공하며, (i)은 대기압을 초과하는 압력에서 선택적으로 작동 가능하도록 구성 및 배치되고 제1 연소기 말단 및 제2 연소기 말단을 갖는 수직으로 배열된 연소기는 (1) 내지 (7)로 구성되고 연소 공간을 정의하는 내부 표면을 갖는 내화 라이너 및 외벽을 포함하는 연소기 벽; 제1 연소기 단부에 인접한 버너; (3) 제1 연소기 단부에 근접하고 대기압을 초과하는 전달 압력에서 버너에 제1연료를 전달하도록 구성되고 배열된 적어도 제1 연료 입구; (4) 제1 연소기 단부에 근접하고 대기압을 초과하는 전달 압력에서 90% 이상의 순도를 갖는 산소 공급을 버너로 전달하도록 구성되고 배열된 적어도 하나의 산화제 입구; (5) 연소 공간에 작동 가능하게 연결되고 대기압을 초과하는 전달 압력에서 용해되고 현탁되고 동반된 고체 및 탄화수소로 오염된 물을 포함하는 유체의 공급을 전달하도록 구성되고 배열된 복수의 유체 입구; (6) 제2 연소기 단부에 근접하고 제2 연소기 단부에 형성된 슬래그를 상부의 고체로부터 관리할 수 있는 제2 연소기 단부의 바닥 단부 또는 근처에 위치된 연소기 잔류물 출구와 분리되고 위에 위치된 연도 가스 출구를 갖는 출구 영역 슬래그 온도; 그리고 (7) 제2 연소기 단부에 근접한 내부 표면을 포함하는 연소기 내의 상이한 표면과 접촉하도록 제2 연소기 단부 내로 세척 유체를 전달하도록 구성되고 배열된 적어도 하나의 애쉬 퍼지 세척 유체 입구; 그리고 (ii) 연소기에 작동 가능하게 연결되고 상부 영역, 하부 영역, 중간 영역 및 잔류물 배출구를 갖는 증기 발생기: (b) 연소기 벽 내부의 온도를 선택된 온도로 올리기 위해 대기 압력에서 예열 프로세스를 수행; (c) 선택된 연소기 작동 압력을 초과하는 압력에서 연료 및 순도 90% 이상의 산소 공급을 버너에 전달하는 단계; (d) 선택된 연소기 작동 압력에서 산소의 존재 하에 연료를 연소시키는 것과 실질적으로 동시에 연소 공간에 선택된 연소기 작동 압력을 초과하는 압력에서 물을 포함하는 유체의 공급을 전달하여 연도 가스 스트림 및 별도의 연소를 생성하는 것 잔여물 ; (e) 연소기 잔류물 배출구를 통해 연소 잔류물을 선택적으로 주기적으로 또는 실질적으로 연속적으로 회수 및 제거 ; (f) 연도 가스 스트림을 증기 발생기의 하부 영역으로 전달하고 선택된 연소기 작동 압력을 초과하는 압력에서 물을 포함하는 증기 생성 유체의 공급물을 상부 영역으로 실질적으로 동시에 전달; (g) 연도 가스가 증기 발생 유체와 접촉하여 발생된 증기 및 고체 잔류물의 흐름을 생성하도록 하고 ; (h) 증기 발생기로부터 발생된 증기의 흐름을