KR100234570B1 - 아르곤과 산소를 이용한 연소방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연소방법에 관한 것으로서, 연료를 산소와 일정농도의 아르곤으로 이루어지는 산화제 혼합물과 함께 혼합시키고 연소시켜서 NOx 및 과립상 오염물질 모두의 발생을 저하시키는 연소방법에 관한 것이다.
다른 방법으로는, 아르곤을 연료와 함께 혼합시키고나서 결과의 혼합물을 연소용 산화제와 혼합시키는 것이다.

Description

아르곤과 산소를 이용한 연소방법
제1도는 교차식으로 연소되는 유리 용융로와 관련하여 실시되는 본 발명의 한가지 실현예에 대한 전형화된 계획도를 도시한 것이다.
본 발명은 노(furnace)의 적재물을 가열시키는데 사용될 수 있는 열을 발생시키기 위해, 예컨대 산업용 노와 같은 연소영역 내에서 수행되는 연소방법에 관한 것이다.
많은 산업상의 공정들에서는, 연료와 산화제를 연소시켜서 노내의 적재물을 가열시키는데 사용되는 열을 발생시키는 노가 사용되어 왔다. 이러한 산업상의 공정들 중에서, 적재물이 유리 제조물질이나 용융상태 또는 고체상태의 유리인 유리 제조 ; 적재물이 강철이나 철인 제강 ; 적재물이 미정제 구리인 구리제련 ; 및 적재물이 미정제 알루미늄인 알루미늄 제조를 들수 있다.
지금까지 위와 같은 연소를 수행하는데 있어, 산화제로서 비용이 낮고 항상 준비되어 있는 공기가 이용되어 왔다. 공지된 바와 같이, 공기는 거의 80%의 질소를 함유하고 있다. 연소를 수행하는데 있어 산화제로서 공기를 사용하는 경우, 심각한 오염물질로 간주되는 질소 산화물(NOx)의 발생이 초래된다. 따라서, 최근에는 산업상의 연소공정에서 발생되는 NOx의 수준을 감소시키려는 요구가 제기되고 있다.
예컨대 산업용 노 연소와 같은 연소공정을 수행하는 한가지 성공적인 방법은 순수한 산소를 연소용 산화제로 사용하는 것이다. 이 방법은 대량의 질소분자를 연소반응으로부터 배제시켜서, 동등한 열발생을 기초로 할 때 생성되는 NOx 양을 현저히 감소시킨다.
독일 특허 제 2 360 873 호는 연소노를 공지하며, 여기서 연료는 산소와 배기가스의 혼합물 또는 산소와 불활성 가스, 적합하게 이산화탄소의 혼합물과 함께 제공되어 연소된다. 상기 혼합물의 가장 양호한 화합물은 경험상으로, 15% 산소 농도에서 가장 양호한 것으로 알려져 있다. 산소원으로서 고압 산소 범프, 저압 산소 용기 또는 압력 수단과 조합한 산소 용기가 사용될 수 있다.
미국 특허 제 3,982,878 호에 따라서, 수소와 산소 또는 공기의 가스 혼합물에서 상기 가스 혼합물내의 산소 대 수소의 양적비를 화학량론적 비로 조절하고, 상기 가스 혼합물에 연소기 외측에서 가스 희석제를 추가하고, 희석된 혼합물을 연소기에 공급함으로써, 연소기내에서 제어되고 상당히 낮은 연소 속도로 연소된다.
산화제로서 순수한 산소를 사용하여 수행되는 연소공정과 결부된 한가지 문제점은 산업용 노내에서의 화염이나 연소반응의 모멘텀(momentum)이 저하되다는 점이다. 연소반응 모멘텀은 노 또는 연소영역 전체에 걸쳐서 연소반응에 의해 발생된 열의 분포를 확고히 하는데 있어 중요하다. 이는 특히 노내에 가열시키고자 하는 적재물이 들어있을 때 더욱 중요하다. 알려진 바와 같이, 모멘텀은 질량과 속도의 곱이다. 산화제로서 공기가 사용되는 연소반응의 모멘텀으로부터 산화제로서 순수한 산소가 사용되는 화학반응의 모멘텀에 있어서 모멘텀이 감소되는 현상은, 동등한 산소분자를 기초로 볼 때 순수한 산소 산화제의 질량이 공기 산화제의 질량의 1/5에 불과하다는 사실에서 유래된다.
순수한 산소 산화제를 사용한 경우에 낮은 연소반응 모멘텀에 대한 문제점은 산화제를 연소영역내에 고속으로 분사시킴으로써 성공적으로 일소 되었다. 고속은 감소된 질량분을 보상하여 모멘텀을 원하는 수준으로 유지시킨다. 또한 산화제의 빠른 속도는 흡인효과를 발생시키는데, 산화제와 연료의 혼합 및 후속의 연소에 앞서 이산화탄소 및 수증기와 같은 노 기체를 고속의 산화제 내로 흡인시킨다. 이것은 산화제 유체의 질량을 증가시키고 연소반응의 모멘텀을 더욱 개선시킨다. 연소분야에서의 위와 같은 현저한 개선은 앤더슨(Anderson)의 미국 특허 제 4,378,205호 및 제 4,541,796호에 기재되어 있다.
고속 산소분사 방식이 산업용 노에서의 현저한 NOx 발생 문제점을 해결하였지만 문제가 없는 것은 아니다. 특히, 예컨대 유리제조의 경우와 같이 노내에 많은 양의 입자상 물질이 발생되는 경우에 있어, 빠른 속도는 예를 들어 노내의 적재물로부터 입자상 물질들을 높은 수준으로 발생시킨다. 이는 산업 공정의 과립상 물질의 배출수준을 증가시키고, 이 문제점을 해결하기 위한 오염 제어장치에 대한 추가의 비용을 필요로 하게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 앞에서 설명한 NOx 및 입자상 오염물질의 문제점을 효과적으로 극복할 수 있는 연소방법을 제공하는데 있다.
당업자가 본 명세서를 일독하면 분명히 알 수 있게 되는 본 발명의 상기의 목적 및 다른 목적들은, A) 연소영역내에 연료를 제공하는 단계 ; B) 산화제 혼합물 중에 아르곤이 2 내지 80부피% 범위의 농도로 존재하는, 산소와 아르곤으로 이루어진 산화제 혼합물을 연소영역내에 저속으로 제공하는 단계 ; C) 연소영역내에서 상기 연료와 상기 산화제 혼합물을 혼합하는 단계 ; 및 D) 연소영역내에서 상기 연료를 상기 산소로 연소시키는 단계로 이루어지는 방법에 있어서, 상기 (B)단계에서 상기 연소영역으로 제공되는 상기 산화제 혼합물의 상기 저속이 Vmin 내지 129.5(425fps)의 범위이며,
Vmin는 다음의 식,
Vmin=15.2×100/(100+1.25A)
[Vmin=50fps×100/(100+1.25A)]
으로부터 계산되며,
A는 상기 산화제 혼합물(3) 중의 아르곤 농도인 것을 특징으로 하는 방법에 의해 달성된다.
본 발명을 실시하는데 있어서, 산화제 혼합물과 연료는 노 또는 연소 영역내에 제공된다. 산화제 혼합물 및 연료를, 예컨대 분사장치의 별도의 장치를 통하거나 또는 후-혼합(post-mixed) 버너를 통해 별도로 노내에 분사시킨다. 산화제 혼합물과 연료는 예컨대 예비-혼합 버너를 통하거나 또는 노 벽의 공동부(cavity)로부터 함께 노내로 분사될 수도 있다. 본 발명은 모든 유형의 노에 대해 실시될 수 있다. 본 발명은 가열 및/또는 용융시키기 위한 적재물, 특히 상당한 수준의 입자상 배출물을 발생시키는 적재물이 담긴 산업용 노를 조작하는데 특별한 유용성을 가진다. 이러한 노의 구체적인 예로서는, 유리 제조용 노, 강철 재가열용 노, 구리제련용 노 및 알루미늄 제조용 노가 있다. 연료는 예컨대 메탄, 프로판, 천연가스 또는 연료용 오일과 같은 유체 연료이다.
산화제 혼합물은 산소와 아르곤으로 이루어진다. 아르곤은 산화제 혼합물중에 2 내지 80부피%, 바람직하게는 2 내지 20부피%, 가장 바람직하게는 3 내지 10부피%의 범위 내로 존재한다. 산화제 혼합물의 평형은 기본적으로 산소에 의해 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 산화제 혼합물이 아르곤 및 산소, 그리고 소량의 질소, 이산화탄소, 수증기 및/또는 공기중에서 발견되는 미량의 원소로 이루어져 있음을 의미한다. 그러나, 일반적으로 산화제 혼합물은 산소와 아르곤 이외에도, 예컨대 질소, 이산화탄소 및 수증기와 같은 기타의 원소나 화합물로 이루어질 수 있다.
산화제 혼합물은 어떠한 적당하고 효과적인 방식으로라도 제조될 수 있다. 본 발명을 실시하는데 유용한 산화제 혼합물을 발생시키는 한가지 바람직한 방법은, 시판되는 순수한 아르곤을 순수한 산소, 즉, 산소 농도가 99.5몰% 이상인 유체와 기술적으로 혼합시키는 방법이다. 산소 및 아르곤은 실린더 또는 저온 액체 탱크로부터 취할 수 있다. 본 발명의 실시에 유용한 산화제 혼합물을 제조하는 다른 바람직한 방법은 막 분리 시스템 또는 압력순환 흡착분리 시스템을 통해 공기를 이송시키고, 이 시스템을 공기중의 산소 및 아르곤으로부터 질소를 분리시키는 방식으로 작동시키는 것이다. 특히 바람직한 압력순환 흡착 시스템은 진공 압력순환 흡착시스템이다. 공기 분리 기술분야의 숙련자들은 상기의 용어와 그 의미를 쉽게 인식할 수 있을 것이다.
앞에서 설명한대로, 산화제 혼합물은 연료와 별도로 또는 연료와의 혼합물 상태로 노에 제공할 수 있다. 산화제 혼합물과 연료는 연소영역내에서 혼합되고 연소영역내에서 연소되어 열을 발생시킨다. 산화제 혼합물과 연료를 함께 혼합물 상태로 노 또는 연소영역내에 제공할 경우에, 이것들은 연소영역내에서 더 혼합되며, 연소영역내에서 함께 제공될 때부터 연소될 수 있다.
아르곤을 기초로 하는 산화제 혼합물의 사용으로 NOx 문제와 산업용 연소공정에서 지금까지 제기되어온 입자상 물질의 문제점이 동시에 해결된다. 기술적으로 순수한 산소를 사용한 연소에서와 같이, 산화제 혼합물과의 연소반응에 투입되는 질소가 극히 소량이므로 NOx의 발생은 공기 연소로부터 유래되는 NOx 발생 정도보다 현저하게 감소된다. 그러나, 아르곤은 분자량과 밀도 또는 비중이 산소보다 훨씬 크기 때문에, 본 발명의 산화제 혼합물은 순수한 산소 산화제를 사용하는 경우보다 현저하게 큰 질량을 가지게 된다. 이러한 질량의 증가는 다른 경우에서 보다 낮은 속도로 산화제 혼합물을 연소영역에 분사시킬 수 있게 하고 여전히 양호한 연소반응 모멘텀을 달성할 수 있게 해준다. 산화제 혼합물은 6.1 내지 305(초당 20 내지 1000피이트(fps)), 바람직하게는 7.6 내지 129.5(25 내지 424fps), 가장 바람직하게는 7.6 내지 99.0(25 내지 325fps) 범위의 속도로 연소영역내에 제공된다. 또한, 증가된 질량은 산화제 혼합물과 연료의 혼합도를 개선시키는 작용을 하여 다른 경우보다 더 완전한 연소를 가능하게 하고, 대기중에 방출되는, 예컨대 일산화탄소 및 탄화수소와 같은 불완전 연소 생성물들의 수준을 저하시킬 수 있다. 추가의 장점으로서, 아르곤이 비활성 기체이므로 화염이나 연소반응내의 유해한 반응 또는 적재물이 노중에 존재할 경우에는 적재물과의 유해한 반응을 피할 수 있다. 또한, 비활성 아르곤은 열흡수계로서 작용하여 연소반응열의 일부를 흡수한다. NOx의 형성은 높은 반응온도에 의해 반응속도론적으로 선호되므로, 예컨대 여과하지 않은 공기나 연료 질소로부터의 NOx 형성을 산화제로서의 순수한 산소를 사용하는 연소에 의해 발생되는 것보다 더 감소시킬 수 있다.
바람직한 조작형태에 있어서, 본 발명을 수행하는데 필요한 최소 산화제 혼합물 속도는 다음 방정식을 사용하여 계산될 수 있는데,
Vmin=15.2×100/(100+1.25A)
[Vmin=50fps×100/(100+1.25A)]
상기 식에서, A는 산화제 혼합물중의 아르곤 농도이다.
제 1도는 본 발명의 상이한 조작형태를 설명할 수 있도록 도시한 노의 전형적 도면이다. 제 1도에 있어서, 연료 스트림(2)과 산화제 혼합물 스트림(3)은 각각 버너(4) 및 유입구(5)에 의해 노(1)에 제공된다. 산화제 혼합물과 연료는 노내에서 혼합되어 연소된다. 제 1도는 또한 예비혼합식 구체예를 도시한 것으로서, 산화제 혼합물과 연료는 예비혼합 버너 또는 공동부내에서 조합되어, 혼합물(7)로서 노 또는 연소영역(1)으로 이송되어 혼합 및 연소된다. 실제적으로, 단 한가지 형태로 조작되는 것이 일반적이다. 결과의 연소반응은 열과 일산화탄소 및 수증기와 같은 연소반응 생성물을 발생시킨다. 열은 적재물을 가열 및/또는 용융시키기 위해 사용된다. 제 1도에서, 적재물(8)은 용융된 유리 및 유리제조 재료로서, 연소반응하에서 노를 통해 이송된다. 연소반응 생성물은 배출구(9)를 통해 노의 밖으로 배출된다.
본 발명은 또한, 아르곤/산화제 혼합물의 사용 대신 또는 그에 부가하여 아르곤을 연료에 직접적으로 첨가하여 실시될 수도 있다. 아르곤은 연소 영역내의 연료에 첨가될 수도 있고 연료를 연소영역내에 분사시키기 전에 첨가될 수도 있다. 본 발명은 하기로 이루어지는 연소를 수행하기 위한 방법으로 실시될 수 있다 : (A) 연소영역내에 연료와 아르곤의 혼합물을 넣는 단계 ; (B) 상기의 연료와 아르곤 혼합물과 별도로 산화제를 연소영역내에 저속으로 제공하는 단계 ; (C) 연소영역내에서 상기의 연료와 아르곤의 혼합물과 상기 산화제를 혼합하는 단계 ; 및 (D) 연소영역내에서 상기 연료를 상기 산화제로 연소시키는 단계.
지금까지는 본 발명을 어떤 바람직한 구체예를 참조로 구체적으로 설명하였으나, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위내에서 다른 실현이 가능함을 인지할 것이다.

Claims (12)

  1. 연소를 수행하기 위한 방법으로서, (A) 연소영역(1)내에 연료(2)를 제공하는 단계, (B) 산화제 혼합물(3) 중에 아르곤이 2 내지 80부피% 범위의 농도로 존재하는, 산소와 아르곤으로 이루어진 상기 산화제 혼합물(1)을 상기 연소영역(1)내에 저속으로 제공하는 단계, (C) 상기 연소영역(1)내에서 상기 연료(2)와 상기 산화제 혼합물(3)을 혼합하는 단계, 및 (D) 상기 연소영역(1)내에서 상기 연료(2)를 상기 산소로 연소시키는 단계를 포함하는 방법에 있어서, 상기 (B) 단계에서 상기 연소영역으로 제공되는 상기 산화제 혼합물의 상기 저속이 Vmin 내지 129.5(425fps)의 범위이며,
    Vmin는 다음의 식,
    Vmin=15.2×100/(100+1.25A)
    [Vmin=50fps×100/(100+1.25A)]
    으로부터 계산되며,
    A는 상기 산화제 혼합물(3) 중의 아르곤 농도인 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산화제 혼합물(3)이 2 내지 20부피%의 아르곤 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 산화제 혼합물(3)이 3 내지 10부피%의 아르곤 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 산화제 혼합물(3)과 상기 연료(2)를 각각 별도로 연소영역(1)내에 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 산화제 혼합물(3)과 상기 연료(2)를 함께 상기 연소영역(1)내에 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 연소영역(1)이 적재물(8)을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 적재물(8)이 유리인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 저속이 7.6 내지 99.0(25 내지 325fps)인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 산화제 혼합물(3)을 혼합하는 상기 (C) 단계를 수행하기 전에 상기 연소 영역(1)내에서, 연료와 아르곤의 혼합물을 만들도록 아르곤을 상기 연료(2)와 혼합하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 산화제 혼합물(3)을 상기 연료 및 아르곤의 혼합물과는 별도로 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 연료 및 아르곤의 혼합물을 상기 연소영역(1)의 외부에서 제조한 후 상기 연소영역(1)내로 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 연료(2)와 아르곤을 각각 별도로 상기 연소영역(1)에 제공한 후에 혼합하는 것을 특징으로 하는 방법.
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