KR0184900B1 - 이원 산화제 연소방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2개의 서로다른 산화제를 사용하는 연소방법에 관한 것이며, 제1산화제는 연료를 불완전 연소시키고, 더 높은 산소농도를 갖는 제2산화제는 NOx 발생을 감소시키는 방식으로 연소를 완결시킨다.

Description

이원 산화제 연소방법
제1도는 교차-연소로(cross-fired furnace)와 함께 실행될 수 있는 본 발명의 일 실시예의 개략도.
제2도는 반대 교차-연소로에서 실행될 수 있는 본 발명의 다른 실시예의 개략도.
제3도는 말단 연소로에서 실행될 수 있는 본 발명의 일 실시예의 개략도.
제4도는 말단 연소로에서 실행될 수 있는 본 발명의 또다른 실시예의 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 랜스 3 : 불꽃 흐름
4 : 제2산화제 흐름 5 : 연소실
본 발명은 2개의 서로 다른 산화제를 사용하는 연소에 관한 것이며, NOx 발생이 감소된 연소를 수행하기 위해 특히 유용하다.
질소산화물(NOx)은 연소되는 동안 발생되는 오염물질 중에서 상당히 중요한 오염물질이며, 연소를 수행함에 있어서 이것의 발생을 감소시키는 것이 요구된다. 전형적으로, 연소는 연료를 산화제로서의 공기와 반응시킴으로써 수행된다. 공지된 바에 따르면, 질소는 공기의 약 80%를 차지하고 있으며, 산소와 반응하여 NOx를 생성시킬 수 있는 다량의 질소가 연소반응에 제공된다.
산화제로서 공업용 순산소 또는 산소-부화공기를 사용함으로써 동일한 양의 산소에 대해 연소반응에 제공되는 질소의 양을 감소시킴에 따라서, NOx발생이 감소하면서 연소가 수행될 수 있음이 공지되어 있다. 그러나, 연소반응에서 공기대신에 이러한 산화제를 사용하는 것은 2가지 단점이 있다. 하나의 단점은 공기와 비교하여 이러한 산화제의 상당히 증가된 비용을 부담시킨다는 점이다. 두 번째 단점은 이러한 산화제 중의 높은 산소농도로 인하여 산화제로 공기가 사용되는 경우보다 더 높은 온도에서 연소반응이 수행되도록 한다는 점이다. 역학적으로 더 높은 온도는 NOx의 생성을 촉진 시켜서, 더 적은 질소가 존재하기 때문에 더 적은 NOx를 생성시키려는 경향을 방해한다.
따라서, 본 발명의 목적은 NOx 발생을 감소시키면서, 상기 설명된 공지된 NOx 감소 연소법의 단점을 해결하는 개선된 연소법을 제공하는 데에 있다.
본 명세서의 해석시에 당업자에게 명백해질 상기 목적 및 기타 목적은 본 발명에 따라, (A) 노가스를 함유하는 연소실 내에 연료 및 제1산화제를 주입시키고, 불완전 연소 생성물을 생성시키도록 연소실 내에서 불꽃 흐름 중에서 연료를 제1산화제로 불완전하게 연소시키는 단계; (B) 제1산화제 중의 산소농도를 초과하는 산소농도를 갖는 제2산화제의 흐름을 불꽃 흐름으로부터 일정간격 떨어져 200ft/초(60.96m/초)이상의 속도로 연소실 내에 주입시키는 단계; (C) 고속의 제2산화제 내에 노가스를 동반시켜서 묽은 제2산화제 흐름을 생성시키는 단계; (D) 불꽃 흐름이 연소실을 통하여 제1산화제 중의 산소의 90% 이상이 연료와 반응할 정도의 거리를 통과할 때까지, 묽은 제2산화제 흐름의 축이 불꽃 흐름과 교차하지 않을 정도로 묽은 제2산화제 흐름을 불꽃 흐름내로 통과시키는 단계; 및 (E) 묽은 제2산화제 흐름을 불꽃 흐름과 혼합시키고, 불완전 연소 생성물을 묽은 제2산화제로 연소시키는 단계를 포함하는 연소를 수행하기 위한 방법에 의해 달성된다.
본 발명은 도면과 관련하여 상세히 설명될 것이다.
제1도에는, 유리용융을 위해 사용되는 바와같은 교차연소로(cross-fired-furnace)인 연소실 또는 연소영역(5)이 도시되어있다. 연소실(5)은 이산화탄소, 수증기, 질소, 산소, 및 미량의 일산화탄소 및 수소와 같은 가스를 함유할 수 있는 노가스를 함유한다.
연료 및 제1산화제는 하나이상의 버어너(2)를 통해 연소실(5) 내로 주입된다. 연료는 메탄, 프로판, 천연가스 또는 연료오일과 같은 어떠한 유체 연료일 수도 있다. 바람직하게는, 제1산화제는 공기이다.
연료 및 제1산화제는 이들의 불꽃 흐름(3)을 형성시키는 방식으로 연소실(5) 내에 주입되어 연료를 불완전 연소시켜서 불완전 연소생성물을 생성시킨다. 불완전 연소생성물은 또한 제1산화제에 의한 연료의 연소에 의해 생성될 수 있다. 바람직하게는, 연료 및 제1산화제는 부화학양론비(Substoichiometric ratio)또는 연료-풍부비(fuel-rich ratio)로 연소실 내에 주입되어 필요한 불완전 연소를 수행한다. 불완전 연소 생성물은 일산화탄소 및 수소 뿐만 아니라 비연소된 연료와 같은 불완전하게 산화된 종을 포함한다. 불꽃 흐름이 연소실을 통하여 통과하면서 연소가 수행됨에 다라, 불꽃 흐름 내의 온도는 상승하여 최대값에 도달하고, 제1산화제가 전체 연소에 대해 소모됨에 따라 온도가 떨어지기 시작한다.
또한, 하나 이상의 랜스(1)를 통해 제2산화제의 흐름이 연소실(5) 내로 주입된다. 랜스는 산화제 및 연료 중에서 단지 하나를 연소실 내에 주입 시킬 수 있는 장치인 반면에, 버어너는 연료 및 산화제를 둘 모두를 연소실 내에 주입시킬 수 있는 장치이다. 제2산화제는 제1산화제의 산소농도를 초과하는 산소농도를 갖는다. 일반적으로, 제2산화제는 적어도 30%의 산소농도를 가질 것이다. 바람직하게는, 제2산화제는 적어도 90%의 산소농도를 가질 것이며, 가장 바람직하게는, 제2산화제는 99.5% 이상의 산소농도를 갖는 공업용 순산소일 것이다.
제2산화제는 불꽃 흐름으로부터 일정 간격 떨어져서, 1초당 적어도 200피트(fps)의 고속으로 연소실 내에 주입된다. 바람직하게는, 제2산화제의 주입속도는 400 내지 1000fps이다.
제2산화제 흐름과 불꽃 흐름 사이의 공간과 조합하여 상기와 같은 높은 속도는 노가스를 연소영역 내로부터 제2산화제 흐름 내에 동반되도록 하여, 제1도에서 (4)로 표시한 희석되고 확장된 제2산화제 흐름을 생성시킨다. 바람직하게는, 제2산화제는 연료 및 제1산화제를 연소실 내에 주입시키는 똑같은 측면 또는 벽에서 연소실 내에 주입되어 불꽃 흐름과 교차하기에 앞서 제2산화제 흐름 내로의 필요한 노가스의 많은 동반을 촉진시킨다.
희석된 제2산화제 흐름은, 불꽃 흐름 내의 온도가 불꽃 흐름으로부터의 열의 복사에 의해 최대 온도로부터 감소되는 지점의 하류 지점에서 불꽃 흐름 내로 통과되어 이것과 조합된다. 이러한 현상은, 제1산화제 중의 산소의 적어도 90%, 바람직하게는 적어도 98%가 연료와 반응할 정도로 연소실을 통해 일정거리를 불꽃 흐름이 통과한 후에 일어난다. 일반적으로, 이것은, 불꽃 흐름이 연소실의 길이의 반 이상을 통과할 때에 일어날 것이며, 이러한 길이는 불꽃 흐름의 축방향으로 측정된다. 따라서 몇몇 경우에 연소실의 길이의 1/3 또는 1/4의 통과후에 불꽃 흐름과의 교차가 일어난다 하더라도, 본 발명의 실시에 있어서 희석된 제2산화제 흐름의 축 또는 중심선을 일반적으로 연소실의 중간지점을 지난 지점에서 불꽃 흐름을 교차할 것이다.
확대된 고속의 희석된 제2산화제 흐름은 그 높은 속도 및 증가된 질량으로 인하여 높은 운동량을 갖는다. 일반적으로, 교차 시점에서의 희석된 제2산화된 제2산화제 흐름의 질량은 초기에 주입된 제2산화제 흐름의 질량을 10배 이상까지 초과할 것이다. 희석된 제2산화제 흐름과 불꽃 흐름의 교차시에, 이러한 높은 운동량으로 희석된 제2산화제와 불완전 연소 생성물이 충분히 혼합된다. 그 다음, 불완전연소 생성물은 연소실에서 희석된 제2산화제와 반응하여, 후에 노가스가 될 수 있는 완전연소 생성물을 생성시킨다. 출구(들)(6)를 통해 연소영역으로부터 이 가스가 제거된다.
본 발명은, 높은 산소농도의 산화제가 상당히 더 적게 사용되어 연소 비용을 절감시키기 때문에, 다른 저 NOx 연소법 이상으로 유용한다. 일반적으로, 본 발명의 실시에 있어서, 일반적으로 그리고 바람직하게는 공기인 더 낮은 산소농도의 산화제를 사용하여 전체 연소의 약 80% 이상이 수행된다.
더욱이, 본 발명은 또한 질소 농도로부터 비롯된 NOx 발생 문제점과 함께 고온으로 인한 NOx 발생의 문제점을 동시에 해결한다. 초기에, 불꽃 흐름 중에서의 제1산화제에 의한 연소는 불완전 연소이다. 이 방식에서는, 이용할 수 있는 산소가 연료 중의 산화성 물질과 반응하기 때문에, 질소와의 반응을 위해 불꽃 흐름 중에서 이용할 수 있는 산소의 양이 적어진다. 따라서, 공기와 같은 제1산화제를 사용함으로써 고농도의 질소가 존재함에도 불구하고, 불꽃 흐름 중에서 더 적은 양의 NOx가 생성된다.
그것의 높은 속도 및 불꽃 흐름과의 공간관계로 인한 제2산화제 내로의 노가스의 동반은 제2산화제 주의 초기의 고농도 산소를 희석시켜서, 규정된 하류 위치에서 제2산화제가 불꽃 흐름과 만나는 시간까지 이러한 고농도의 산소를 더 이상 갖지 않게 되어, 전술한 높은 산소농도에 의해 유발되는 고온이 NOx 발생을 증가시키는 역학적 NOx 문제점을 해결하게 된다. 상기 장점은, 제2산화제와의 혼합 및 반응에 앞서 연소실의 규정된 긴 횡단으로 인한 불꽃 흐름 내의 온도의 저하로 인하여 더 달성된다. 제2산화제에 의한 연소는, 통상적인 산소농축물의 사용의 경우에서와 같이 연료를 고농도의 산소와 접촉시키지 않고도 연소실 내의 연소를 완결시킨다.
그 결과, 연소영역에 공급된 연료는 완전히 연소되어, 유리의 용융, 금속의 가열 또는 용융 또는 폐기물 소각과 같은 용도를 위한 열을 효과적으로 방출한다 이것은, 대부분의 연소가 공기와 같은 제1산화제의 사용으로 달성되므로, 고비용없이 달성된다. 그러나, 통상적인 공기연소 또는 산소부와 연소 이상으로 감소된 NOx는, 희석된 제2산화제에 의한 연소의 후속 하류완결과 결부된 초기 불완전 연소 때문에 달성된다.
본 발명에 의해 달성될 수 있는 장점을 설명하기 위해 하기의 실시예 및 비교 실시예가 사용된다. 이들은 본 발명의 권리범위 제한을 위해 사용되지는 않는다.
920 표준 ft2/시간의 유속으로 천연가스를 공기의 조성물을 갖는 산화제와 함께 시험반응로에 주입시킨다. 공기 주입속도는 30 내지 35fps이고, 화학양론양의 95%의 유속이다. 산소 부족을 만들기에 충분한 공업용 순산소를 5번의 분리시험에서, 제3도에 도해된 방향과 유사한 공기/연료흐름에 평행한 방향을 공기주입구로부터 5.5 또는 9.5인치의 거리로 시험반응로에 주입시킨다.
산소속도 및 공기/연료 흐름으로부터의 주입점 거리는, 공기흐름 내 산소의 적어도 90%가 연료흐름을 연소시킨 후에, 공기/연료 불꽃 흐름을 교차하도록 산소흐름 및 산소흐름 중심선 내에 노가스가 동반될 수 있게 한다. 노로부터의 배출뭉 중의 NOx 농도를 5번의 시험 각각에 대해 측정하며, NOx의 농도가 각각의 경우에 139 내지 152ppm의 범위 내에 있는 것으로 발견되었다.
비교를 위해, 공기흐름이 부화학양론적이 아니고 산소를 주입시키지 않는 것을 제외하고는, 똑같은 장치의 사용으로, 유사한 조건하에 또다른 시험을 수행한다. 상기 실시예 및 비교실시예에서, 본 발명의 방법은 통상적인 연소시스템에 의해 달성되는 것 이상으로, 51 내지 55%의 NOx감소를 가능하게 한다.
본 발명에 의해, 단일 연소실에서 상기한 바와 같은 매우 유리한 완전하고 효과적인 저 NOx 연소의 수행이 가능해져서, 2개 이상의 연소실 또는 연소영역을 사용하는 연소법의 사용에서 반드시 직면하는 상당한 복잡성이 방지된다.
제2도, 3도 및 4도에는, 본 발명의 다른 유용한 실시예가 도시되어 있다. 제2도, 제3도 및 제4도 중의 부호는 공통 요소에 대한 제1도의 부호에 각각 20, 30 및 40을 더한 것에 상응한다.
제2도에는, 불꽃 흐름 중 하나가 나머지의 방향과 반대 방향으로 흐르고 출구가 연소실의 말단벽에 있는 것을 제외하고는, 제1도에 도시된 것과 유사한 멀티-버어너 연소 시스템이 도시되어 있다.
제3도에는, 주입 말단에 출구(36)가 있어서 불꽃 흐름을 선회형태로 또는 U자형으로 이동시키는 연소실에서 세로로 연소가 수행되는 본 발명의 한 실시예가 도시되어 있다.
제4도에는, 제1산화제가 주입되는 말단의 반대 말단으로부터 제2산화제가 연소실 내에 주입되는, 또다른 세로로 연소되는 실시예가 도시되어 있다.
본 발명이 특정한 실시예와 관련하여 상세히 설명되었지만, 당업자들은 특허청구의 범위 및 그 발명적 사상 범위 내에서 본 발명의 다른 실시예가 가능함을 인지할 것이다.

Claims (6)

  1. (A) 노가스를 함유하는 연소실 내에 연료 및 제1산화제를 주입시키고, 불완전 연소 생성물을 생성시키도록 연소실 내에서 불꽃 흐름 중에서 연료를 제1산화제로 불완전하게 연소시키는 단계; (B) 제1산화제 중의 산소농도를 초과하는 산소농도를 갖는 제2산화제의 흐름을 불꽃 흐름으로부터 일정간격 떨어져 200ft/초 이상의 속도로 연소실 내에 주입시키는 단계; (C) 고속의 제2산화제 내에 노가스를 동반시켜서 묽은 제2산화제 흐름을 생성시키는 단계; (D) 불꽃 흐름이 연소실을 통하여 제1산화제 중의 산소의 90% 이상이 연료와 반응할 정도의 거리를 통과할 때까지, 묽은 제2산화제 흐름의 축이 불꽃 흐름과 교차하지 않을 정도로 묽은 제2산화제 흐름을 불꽃 흐름내로 통과시키는 단계; 및 (E) 묽은 제2산화제 흐름을 불꽃 흐름과 혼합시키고, 불완전 연소 생성물을 묽은 제2산화제로 연소시키는 단계를 포함하는 연소를 수행하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1산화제가 공기인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2산화제가 90% 이상의 산소농도를 가지는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2산화제가 공업용 순산소인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 불꽃 흐름이 연소실의 중간지점을 통과할 때까지, 상기 묽은 제2산화제 흐름의 축이 불꽃 흐름을 교차하지 않는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 불꽃 흐름과의 교차시에 묽은 제2산화제 흐름의 질량이, 연소실 내로의 주입시의 제2산화제 흐름의 질량을 10배 이상 초과하는 방법.
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