KR100272724B1 - 유동층 반응기로부터 일산화이질소(n₂o) 방출을 감소시키는 방법 - Google Patents

유동층 반응기로부터 일산화이질소(n₂o) 방출을 감소시키는 방법 Download PDF

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잭 이. 데온즈
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Abstract

본 발명은 반응기내에서 유효한 황 포촉을 유지하면서도 일산화이질소(N2O)의 방출을 감소시키는 유동층 반응기를 작동하는 방법에 관한 것이다.
일산화이질소(N2O)의 방출은 2단계 연소를 활용하는 유동층 반응기에서 감소되고, 로부의 하부영역은 준화학량론적인 조건하에서 가동되어서 하부 영역에서의 연소는 불완전해지고, 그것에 의해서 N2O및 질소 산화물(NOx)의 형성을 억제하여, 로부의 상부 영역은 연소를 더 촉진시키기 위하여 산화 조건하에서 가동되고, 일정한 미립자 물질의 양은 상부영역에서 존재하고, 상부영역에서의 이러한 미립자 물질의 양은 연소동안 형성된 N2O파괴를 위하여 상부 영역에서 존재하는 미립자 물질의 양은 하부영역에서 상부 영역까지 수반되는 미립자 물질을 조절하는 것에 의하여 차례로 제어될 수 있으며, 온도는 흡착제 입자에 의해서 황 포촉을 가능케하는 범위내에서 제어되는 것이 또한 바람직해서 N2O, NOx및 황산화물(SOx)의 방출은 동시에 감소될 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

유동층 반응기로부터 일산화이질소(N2O) 방출을 감소시키는 방법
제1도는 본 발명의 방법을 활용하는 유동층 반응기를 도시한 개략도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 유동층 반응기 12 : 밀폐체
14A : 전면벽 14B : 배면벽
20 : 배기판 22 : 로부
24 : 공간챔버 26 : 배출관
28, 30 : 도관 32 : 유입구
34 : 분리기 36 : 덕트
40 : 밸브 42 : 재순환도관
44 : 추출관 48 : 열회수부
50A, 50B, 50C : 열교환면 52 : 배출구
54 : 핀형성튜브 56 : 상부헤더
58 : 하부헤더 60 : 증기드럼
62 : 하강관 64, 66 : 파이프
본 발명은 반응기내에서 유효한 황 포착을 유지하면서도 일산화이질소 방출을 감소 시키는 유동층 반응기를 작동하는 방법에 관한 것이다. 유동층 연소장치는 공지되었고 로부를 포함하는데 이 로부에는, 공기와 같은 일차의 산소함유 가스가, 석탄의 연소 및 연소의 고체산물에 의해서 발생된 황산의 포착을 위한 석회석, 석회 또는 백운석과 같은 흡착제 물질, 석탄과 같은 질소함유 탄소질 연료입자를 포함하는 미립자 물질층을 통과한 일차의 가스는 로부에서 미립자물질을 유동시키고 비교적 저온에서 연료입자의 연소를 증진시킨다.
이러한 형태의 연소장치는 증기를 발생시키기 위하여 물과같은 냉각유체가 유동층 반응기에 대하여 열교환 관계에 있는 유체흐름 회로를 통과하는 증기 발생기를 종종 사용하고 높은 연소효율 및 연료 신축성, 높은 황흡수성 및 낮은 질소 산화물(NOx) 방출을 가능케한다.
증기 발생에 활용되는 전형적인 유동층 반응기는 유동 입자물질이 비교적 높은 밀도 및 한정된, 또는 분리성의 상부 표면을 갖는 미립자층을 형성하는 “거품 이는” 유동층으로 통상 불리워진다. 더욱 통상적으로 사용되는 유동층 반응기는 유동입자물질이 전형적인 거품 이는 유동층의 밑에 더 낮은 밀도를 갖는 미립자층을 형성하고 일차의 가스는 거품 이는 미립자층 이상의 유속을 갖는 “순환하는”유동층으로 불리워진다. 더 밀도가 낮은 미립자층을 통과하는 일차의 가스는 종종 일차의 가스가 분산층에서 미립자 물질을 실질적으로 포화 상태로 이르게 하는 범위로, 미립자물질의 상부 분산층을 형성하기 위해서 미세한 미립자 물질의 실질적인 양을 수반한다.
유동층이 연료 열 방출 패턴에 영향을 받지 않게 되어 온도 변화를 최소화하고 황 방출을 낮은 수준으로 안정화시킬수 있도록 하기 위하여는 비교적 높은 내부 및 외부 고체 재순환을 사용하는 이러한 순환하는 유동층을 가동시키는 것이 바람직하다. 높은 외부 고체 재순환은 연도가스 및 로부의 분산된 미립자층으로부터 첨가된 미립자 물질을 수용하는 로부 배출구에서 원심분리기와 같은 분리기를 배치하는 것에 의해서 성취된다. 첨가된 미립자물질은 분리기에서 연도가스로부터 분리되어 청정 연도가스는 열회수부를 통과하고 그 동안에 분리된 미립자물질은 로부로 돌아가 재순환된다. 이러한 재순환은 분리기의 효율을 향상시키고, 연료 및 흡착제 입자의 증가된 보류시간은 연료 및 흡착제 입자의 더욱 효과적인 사용으로 연료 소모를 절감시키게 된다.
거품이 일고 순환하는 유동층 반응기에 또한 오염 조절에 있어서 장점을 제공한다. 예를들면, 유동층 반응기로 부터의 NOx의 방출은 가스화력 및 석탄 화력 발전소와 같은 다른 종래의 장치로 부터의 방출에 비하면 비교적 낮다. 유동층 반응기내의 단계적인 연소는 낮은 NOx방출 수준을 성취하도록 한다. 낮은 NOx방출로 단계적인 연소를 사용하는 유동층 반응기를 가동하는 방법은 미합중국 특허 제 4,308,810 및 4,773,399에 개시되어 있고, 양쪽모두 본 발명에 참고로 포함되어 있다.
그러나, 유동층이 문제가 없는 것은 아니다. 예를들면, 유동층 반응기로부터 N2O의 방출에 관하여 최근에 관심이 있어왔다. N2O는 오존층 스케빈져(scacenger)로써 행동할수 있고, N2O는 대기중으로 방출되자 마자 즉시 파괴되지 않는다는 것이 발견되었다. 일반적으로, NOx및 황산화물(SOx)의 방출은 입법상으로 규정되어 있고, 오존층에서 N2O의 역효과에 비추어, N2O의 방출 또한 곧 규정되어질 것 같다.
또한 최근에 발견된 바로는 비록, 유동층반응기의 순환에 의해서 NOx의 방출이 다른 종래의 연소장치에 비하여 비교적 낮다할지라도, 유동층 반응기에 의한 N2O 방출은 중대하다. 예를들어, 순환하는 유동층 반응기로부터 N2O방출 수준은 전형적으로 50∼200ppm의 범위내이다. 반면에 다른 장치에 설비된 보일러로부터 N2O 방출수준은 전형적으로 1∼20ppm의 범위내이다. 그러한 까닭에 순환하는 유동층 반응기로 부터 N2O방출을 감소시키는 한편 동시에 NOx및 SOx의 방출 수준을 낮게 유지하는 것은 중요하다.
거품 이는 유동층에 의한 N2O의 방출은 순환하는 유동층과 같이 중대한 문제라고는 생각되지 않지만, 거품 이는 유동층은 SOx방출을 받아들일수 있는 값으로 낮추는 문제 때문에 나쁜상태에 빠지게 된다.
그러한 까닭에, 본 발명의 목적은 N2O방출을 감소시키는 유동층 반응기를 가동하는 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 N2O 방출을 낮추는 한편 반응기에서 흡착제입자에 의해서 황 포착을 가능하게 하는 유동층 반응기를 가동 하는 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 로의 각 영역에서 소정의 온도를 유지시키며, 그에 따라, 로부의 상부영역내의 온도가 흡착제 입자에 의해서 황 포착을 가능하게하는 동안 N2O 파괴를 위해서 1650℉ 내지 1800℉의 범위내에서 실질적으로 유지되는 유동층 반응기를 가동하는 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 상부 영역내의 온도가 로부의 하부영역으로부터 상부영역까지 수반된 미립자 물질의 양을 조절하는 것에 의하여 유지되는 유동층반응기를 가동하는 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 N2O, SOx및 NOx의 방출을 동시에 낮추는 유동층 반응기를 가동하는 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 반응기의 비용및 복잡성을 증가시키는 부가적인 재료의 상당한 양 또는 장치의 필요없이 N2O, NOx및 SOx의 방출을 동시에 낮추는 유동층 반응기를 가동하는 방법을 제공하는 것이다.
이상 및 다른 목적들을 수행하기 위해서 본 발명의 방법은 질소함유 탄소질 연료입자, 흡착제 입자, 및 연소의 고체 산물을 포함하는 하부의 미립자 물질의 밀집유동층을 갖고, 상부의 미립자 물질이 분산되고 수반된 층을 갖는 유동 로부를 특징으로 한다. 로의 하부 영역은 준화학량론적인 조건하에서 가동되어서 연료입자의 연소가 불안전하게 되어 N2O 및 NOx형성을 방해하게 된다. 상기 준 화학 양론적 하부영역위의 로부의 상부 영역을 연료입자의 연소를 완전하게 하기 위해서 산화 조건하에서 가동시킨다. 로부의 상부영역에서 미립자 물질의 양은 연소동안 형성된 N2O를 파괴시키는 상부영역의 온도를 유지하기 위해서 조절된다. 상부영역에서의 온도는 흡착제 입자에 의한 황포착을 가능하게하도록 또한 조절되는 것이 바람직하다.
본 발명의 상기 간단한 설명은 본 발명의 목적, 특징 및 장점과 마찬가지로 본 발명에 따른 바람직하지만 예시적인 실시예의 도면과 하기의 세부적인 설명을 참고하면 더욱 완전하게 이해될 수 있을 것이다.
도면을 참조하면, 참조부호 “10”은 증기 발생에 사용되는 유동층 반응기를 통상적으로 언급한다. 반응기(10)는 전면벽(14A), 공간을 두고, 평행한 배면벽(14B), 전면 및 배면벽에 직각을 이루는 공간을 둔 두개의 측벽(도시되지 않음), 루프(16) 및 바닥(18)을 갖는 밀폐체(12)를 포함하고, 서로 실질적으로 장방형인 밀폐체를 형성한다.
밀폐체(12)의 하부는 다공배기판(20)에 의해서 상부의 로부(22)및 하부의 공간챔버(24)로 분할된다. 배기판(20)은 밀폐체(22)의 하부에서 적절하게 지지되고 연소를 위해서 석탄과 같은 질소를 함유한 탄소질 연료입자, 연료입자의 연소동안 방출된 SOx포착을 위한 석회석, 석회, 백운석과 같은 전형적으로 칼슘을 함유한 황수용체인 흡착제 입자, 및 연소의 고체 산물을 함유하는 미립자층을 지지한다.
공간챔버(24)는 강제 통풍 송풍기 등과 같은 종래의 적절한 공급원(도시되지 않음)으로부터 공기와 같은 일차로 가압된 산소함유 가스를 수용한다. 공간챔버(24)내로 도입된 일차의 가스는 로부(22)에서 연소를 촉진시키고 미립자물질을 유동시키기 위한 배기판(20)을 통하여 위쪽방향으로 통과한다.
배출관(26)는 배기판(20)의 개구부와 연결되고, 설명하게될 이유때문에, 로부(22)로 부터 소모된 및 비소모된 미립자 물질을 방출하기 위해서 공간챔버(24)를 통하여 뻗어 있다.
도관(28 및 30)은 로부(22)로 미립자 연료및 흡착제 입자를 공급한다.
밀폐체(12)의 로부(22)로 연료 및 흡착제 입자를 공급하기 위한 여러 장치가 사용될 수 있다. 사용된 장치의 몇 예로는 미합중국 특허 제 4,936,770에 개시되어 있고, 본 발명에 참고로 포함되어 있다.
최소한 하나의 유입구(32)는 설명하게 될 이유때문에, 로부(22)내로 공기와 같은 2차적인 산소함유 가스를 도입하기 위하여 소정의 수준에서 밀페체(12)의 벽을 통하여 제공된다. 부가적인 유입구(도시되지 않음)는 하나 또는 이상의 수준에서 밀폐체(12)의 벽을 통하여 제공될 수 있고 또는 로부로 2차적인 가스를 도입하는 다른 종래의 수단이 사용될 수 있다.
사이클론분리기(34)는 밀폐체(12)의 배면벽(14B)의 상부에서 제공된 배출구로부터 분리벽을 통하여 제공된 유입구까지 뻗어있는 덕트(36)를 경유하여 연결된다.
분리기(34)의 하부는 재순환 도관(42)및 추출도관(44)을 가지는 전환장치, 즉 밸브 “40”에 연결되는 깔때기부(38)를 포함한다. 재순환 도관(42)은 밀폐체(12)의 배면벽(14B)의 하부를 통해서 뻗어있고, 추출도관(44)은 외부장치(도시되지 않음)로 연결하기에 적합하다. 밸브(40)는 하기에 기술된 바처럼 도관 “42”및 “44”사이로 분리된 입자물질의 유동분배율을 다양하게 하는 종래의 방식으로 가동된다.
분리기(34)는 연도가스및 로부(22)로부터 수반된 미립자 물질을 수용하고 연도가스로부터 수반된 미립자물질 유리시키는 종래의 방식으로 가동된다. 분리된 미립자 물질은 분리기(34)의 깔때기부(38)에 떨어지고 재순환 도관(42)및 추출도관(44)으로 향하는 밸브(40)를 통과한다. 비록 실시예가 하나의 분리기 “34”로 되어 있을지라도, 하나 또는 그 이상의 부가적인 분리기(도시되지 않음)가 반응기(10)와 함께 사용될 수 있다. 사용된 분리기(34)의 수 및 크기는 증기 발생기의 용량 및 경제적인 조건에 의해서 결정된다.
미립자 물질이 실질적으로 없는 분리된 연도가스는 분리기(34) 상부에 바로 위치된 덕트(46)를 경우하는 참조부호 “48”로 표시된 대략적으로 나타낸 열회수부로 통과한다.
다수의 열교환면(50A, 50B, 50C)은 열회수부(48)에 배치되고, 분리된 연도가스가 열회수부(48)를 통과할 때, 모두 분리된 연도가스의 경로에 뻗어있는 다수의 열교환 튜브에 의해서 형성된다. 열교환면(50A, 50B, 50C)은 재가열기 과열기 이코노마이저등 요구되는 바에 따라 제공될 수 있다. 열 교환면(50A, 50B, 50C)을 통과한 후에, 분리된 연도가스는 배출구(52)를 통하여 열회수부(48)를 나온다.
밀폐체(12), 분리기(34), 및 열 회수부(48)의 벽은 핀에의해 상호연결된 다수의 수직으로 연신되고, 공간을 두고, 평행한 튜브로 형성되어서 연속적인 기밀 구조체를 형성한다. 핀이 형성된부는 도면에서 개략적으로 도시되고, 참조부호 “54”로 통상표시되지만, 이러한 형태의 구조는 종래적이어서 더 이상 서술되지 않을것이다. 이러한 핀형성 튜브(54)의 각 끝단은 다수의 수평으로 배치된 각각 상부 및 하부헤더(56 및 58)에 연결된다.
증기드럼(60)은 밀폐체(12), 분리기(34)및 열회수부(48)위에 위치된다.
증기 드럼(60)은 주입파이프(도시되지 않음)로 부터 물과같은 냉각유체를 수용하고, 다수의 하강관(62)및 파이프(64, 66)는 증기드럼(60)으로부터 뻗어있고 주입기, 상승기, 헤더등에 연결하여 활용되어서, 열회수부(48)에서 상술한 벽 및 열교환면(50A, 50B, 50C)을 형성하는 핀 형성 튜브(54)를 포함하는 유체흐름회로를 형성한다.
물은 연료입자의 연소에 의해서 발생된 열로 물을 증기로 전환시키고 증기를 가열하는 이러한 유체흐름 회로를 통하여 정해진 순서대로 통과될 것이다.
가동중에, 석탄과 같은 질소함유 탄소질 연료입자 및 석회석, 석회, 또는 백운석과 같은 전형적으로 칼슘을 함유한 황 수용체인 흡착제 입자는 도관(28 및 30)을 경우하여 로부(22)내로 도입된다. 우선, 외부 공급원으로부터 공기와 같은 일차의 산소함유가스가 공간챔버(24)내로 비교적 높은 압력으로 도입되고 로부(22)에서 미립자 물질을 유동화시키기 위하여 비교적높은 유속으로 배기관(20) 위쪽으로 통과된다 버너(도시되지 않음)등이 연료 입자를 점화시키고, 그 후에 연료입자는 로부(22)에서 열에 의해 자발연소되고, 연소의 기체 및 고체 산물을 발생시킨다.
일차 가스의 유속은 로부(22)의 하부에서 미립자 물질의 밀집층을 유지시키고 밀집층 위의 분산층을 형성하기 위하여 밀집층으로부터 위쪽으로 많은 미립자물질을 통과시키거나 수반하기 위하여 조절된다. 분산층은 밀집층 바로위에 위치하고 밀집층위에 몇 피트(feet)뻗어있는 고체 역류영역 및 고체 역류 영역위에 위치하고 밀폐체(12)의 루프(16)에 위쪽으로 뻗어있는 기체 이동영역을 포함한다.
고체 역류영역은 영역을 가로질러 위쪽으로 그리고 아래쪽으로 통과하는 미립자 물질의 상당한 부분을 차지한다. 고체역류영역내에 수반된 미립자 물질의 첫번째 부분은 고체 역류영역을 통하여 위쪽으로 기체 이동영역으로 일차의 가스에 의해 기체로 이동된다. 이에 반하여 고체 역류영역에서 미립자 물질의 두번째 부분은 일차의 가스로부터 유리되어 밀집층으로 되돌아가서 떨어진다. 이와는 대조적으로 기체 이동영역에서는, 수반된 미립자 물질의 실질적인 전체는 수반되어 남겨지고 방출될 영역 위로 통과하며 이는 다음과 같이 설명된다.
일차의 공기에 의해 공급된 산소양은 하부영역에서 연료입자의 완전한 연소를 위해 요구되는 이론적인 산소양 이하로 유지된다. 그래서 로부(22)의 하부영역은 연료입자의 연소가 불완전한, 연료가 농후한 또는 준화학량론적인 조건하에서 가동된다. 하부영역에서 그러한 준화학량론적인 조건하에서의 가동은 NOx및 N2O의 형성을 억제한다.
이차의 산소 함유가스, 바람직하기로는 공기가 유입구(32)를 통하여 로부(22)내로 도입된다. 이차의 가스는 밀집층위의 수준에서 로부(22)내로 도입되는 것이 바람직하고 고체역류 영역 바로위의 수준에서 더욱 바람직하고, 그 이유는 설명될 것이다.
이차의 가스에 의해서 공급된 산소의 양은 완전한 연소를 위해서 요구된 이론적 산소량 이상으로 유지되어서 산화조건은 이차가스가 밀폐체(12)의 루프(16)로 유입구(32)를 경유하여 로부(22)내로 도입되는 수준근처로부터 로부(22)에서 유지된다. 상부는 유입구(32)를 경우하여 로부(22)내로 도입되는 수준근처부터 밀폐체(12)의 루프(16)까지 로부(22)내의 영역이다. 충분한 산소는 이차의 가스에 의해서 공급되어서 연료입자의 연소는 상부에서 실질적으로 완전하게 된다.
이차의 가스는 일차의 가스 및 미립자물질 및 연도가스를 수반하여 로부(22)의 상부 위쪽으로 통과하는 연도가스를 형성하는 연소의 가스산물과 혼합되고, 수반된 미립자 물질의 적어도 일부분은 덕트(36)를 경우하여 로부(22)에서 분리기(34)까지 방출된다. 방출된 미립자물질은 분리기(34)에서 연도가스로부터 분리되고 재순환도관(42)및 추출도관(44)으로 들어가는 분리된 미립자물질의 상대적인 비율을 다양하게 조절할 수 있는 밸브(40)를 통과함에 따라서 로부(22)내로 재도입되는 분리된 미립자물질의 양을 다양하게 조절하게 되고 그 이유는 설명될 것이다.
재순환도관(42)은 로부(22)의 하부영역으로 분리된 미립자물질을 바람직하게 재도입한다. 밸브(40)의 가동은 미합중국특허 제 4,809,623에 구체적으로 설명되어 있고, 본 발명에 참고로 포함되어 있다.
분리된 연도가스는 덕트(46)를 경유하여 분리기(34)를 나오고 열회수부(48)를 통과한다. 열회수부(48)에서, 분리된 연도가스는 배출구(52)를 경우하여 나오기 전에 열교환면(50A, 50B, 50C)을 통과한다.
물은 주입파이프를 통과하고 나서 증기드럼(60)으로 가며 유체흐름회로를 통과하여서 연소에 의해서 발생된 열은 물을 증기로 전환시키고 증기를 과열시키는데 사용된다.
순환하는 유동층은 전형적으로 로부에서의 온도범위를 벗어나는 것을 피하도록 가동된다. 이는 연료의 열 방출 패턴에 무감각한 로부가 되게하는 미립자물질의 비교적 높은 내부 및 외부의 재순환을 사용하여 종종 성취된다. 그것에 의해서 로부내의 온도변화를 최소화한다. 반대로, 로부(22)의 상부영역에서 온도상승으로 온도범위를 벗어나는 것은 연소동안 형성된 N□+□20파괴에 유용하다는 것이 밝혀졌다.
그런 까닭에, 본 발명에 따르면, 온도범위를 벗어나는 것은 로부(22)내에서 간단하고, 효과적이며, 비용이 안드는 방법으로 발생되고 유지된다.
더 특별히, 본 발명에 따르떤, 로부(22)의 하부영역은 비교적 낮은 온도에서, 바람직하기로는 1600℉ 이하로, NOx및 N2O의 형성을 억제하기 위해서 유지되고, 한편 비교적 높은 온도는, 실질적으로 1650℉ 내지 1800℉의 범위내에서, N2O 방출을 더 낮추기 위해서 로부(22)의 상부영역에서 발생되고 유지된다.
통상의 가동에서, 상부영역의 온도는 이차의 공기가 유입구(32)를 경유하여 로부(22)로 도입되는 수준근처에서 최고치에 달할것이고 그 후에 상부영역을 지나 위쪽에서 감소할 것이다. 상부영역에서 특정한 온도를 발생시키고 유지시키는 관계는 상부영역에서 얻은 최고 온도에 관계될 것이고, 이차의 공기가 유입구(32)를 경우하여 로부(22)내로 유입되는 수준근처에서 전형적으로 발생할 것이다.
비록 N2O의 방출을 최소로하는 거의 1800℉의 상부영역에서 온도를 유지하는 것이 바람직할지라도, 반응기(10)상의 하중이 감소하는 한 상부영역에서 이러한 온도를 유지시키는 것은 불가능하게 될 것이다. 그러나, 실질적으로 1650℉ 내지 1800℉의 범위내에서 상부영역의 온도는 그럼에도 불구하고 황 포착을 현저하게 손상시키지 않고 상부영역에서 N2O방출의 충분한 감소를 제공할 것이다. 따라서 이 온도 범위는 N2O파괴에는 충분히 높고 그런데도 흡착제 입자에 의한 황포착을 가능케하기에는 충분히 낮다. 이러한 조건하에서의 가동은 거의 90% 이상의 황보유가 실질적으로 2:1내지 3:1의 범위내에서 Ca/S몰비를 유지시키기에 충분한 흡착제 물질의 공급을 획득해야만 하는것과 같은 유효황 포착을 가능케 할 것이다. 더 높은 온도는 더 높은 온도에서 황 포착동안 형성된 황화물이 SOx로 다시 분해되는 경향때문에 피한다. 열적인 NOx는 또한 공기중에서 질소의 연소에 기인하여 더 높은 온도를 형성하는 경향이 있다.
비교적 높은 온도는, 실질적으로 1650℉ 내지 1800℉의 범위 내에서, 로부의 상부영역에서 미립자물질의 양을 조절하는것에 의해서 로부(22)의 상부영역에서 유지된다. 상부영역에서 미립자물질은 그 영역에서의 온도를 낮추는 경향이 있는 연소에 의해서 방출된 열을 흡수한다. 예를들어, 로부(22)를 상부영역에서 미립자물질의 양을 비교적 크게 하도록 가동하는 것은 순환하는 유동층 반응기에서 전형적으로 행해지고, 상부영역에서 온도를 낮게 구동시키는 경향이 있고, 그리고 로부를 가로질러 비교적 균일한 온도를 생성시키는 경향이 있다. 역으로, 만약 로부가 상부영역에서 비교적 적은 양의 미립자 물질이 존재하도록 가동된다면(즉, 상부영역에서 연소에 의해 방출된 열을 흡수하는 상부영역에서의 미립자물질을 적게하면) 상부영역의 온도는 실질적으로 상승할 것이다.
그러한 까닭에, 로부의 상부영역에서 미립자물질의 양을 조절하는 것에 의해서, 상부영역에서 획득되는 온도를 조절할 수 있다. 왜냐하면 상부영역은 이차의 가스가 도입되는 수준 근처에서 시작하기 때문이고, 그리고 요구된 온도를 유지하기 위하여 상부영역에서 비교적 적은 양의 미립자 물질을 유지하는 것이 바람직하기 때문이어서 이차의 가스는 밀집층 위의 수준에서 더 특별히 고체 역류영역 위의 수준에서 도입되는 것이 바람직하다. 초기에 언급한 바대로, 고체 역류 영역은 영역을 가로질러 아래로 통과하고 밀집층으로 되돌아가는 미립자 물질의 상당한 부분을 차지한다. 이러한 낙하하는 미립자 물질은 고체 역류영역에서 흡수된 열을 운반하고 그러한 까닭에 그 영역에서 획득된 온도를 감소시키는 경향이 있다.
본 발명에 따르면, 상부영역의 온도는 로부(22)의 상부영역에서 미립자물질의 양을 조절하는 것에 의하여 조절되고 로부의 하부 영역에서 상부영역까지 수반되거나 또는 통과되는 미립자물질의 양을 조절하는 것에 의해서 차례로 조절된다. 이는 많은 방식으로 성취되고, 몇몇 방식은 하기에 설명될 것이다. 예를들어, 일차 가스의 유동화속도는 로부의 하부영역에서 상부영역까지 통과하는 미립자물질의 양을 조절하는 것을 조절할 수 있다. 유동화속도증가는 하부영역에서 상부영역까지 보다많은 미립자물질을 구동시킬 것이고 그것에 의해 상부영역에서 획득된 온도를 감소시키는 경향이 있을 것이다. 유동화 속도를 감소시키는 것은 반대의 효과를 가져어올 것이다.
하부영역에서 상부영역까지 통과하는 미립자물질의 양은 하부영역에서 미립자 물질의 크기 분포를 조절하는 것에 의해서 또한 조절될 수 있다. 예를들어, 로부의 하부영역에서 미립자물질은 조대한 미립자 물질에 대한 미세한 미립자 물질의 상대적 비율이 일정한 상태로 존재하게 될 것이며, 로부의 하부영역에서 상부 영역까지 통과하는 미립자물질의 양은 하부영역에서 조대한 미립자 물질에 대한 미세한 미립자물질의 상대적 비율을 조절하는것에 의해서 조절될 수 있다.
더 특별히, 일차 가스의 주어진 유동화속도에 대하여, 만약 하부영역에서 조대한 미립자 물질에 대한 미세한 미립자물질의 상대적 비율이 증가하면, 로부의 하부영역에서 상부영역까지 통과하는 미립자물질의 양이 또한 증가할 것이고, 따라서 상부영역의 온도는 낮아진다. 하부영역에서 조대한 미립자물질에 대한 미세한 미립자물질의 상대적 비율이 감소하면 반대의 효과를 가져올 것이다.
로부(22)의 하부영역에서 조대한 미립자 물질에 대한 미세한 미립자 물질의 상대적 비율은 또한 여러가지 방식으로 제어될 수 있다. 예를들어, 더 많은 조대한 미립자 물질과 더 적은 미세한 미립자 물질이 밀집층의 하부영역에서 존재하기 때문에, 밀집층의 하부영역으로부터 미립자 물질을 배출시켜서 상대적으로 미세한 미립자 물질보다 상대적으로 조대한 미립자 물질을 더 많이 균형잡히게 방출하게 된다. 그렇게 하므로써 하부영역에서 조대한 미립자물질에 대한 미세한 미립자물질의 상대적 비율을 증가시킨다. 그러한 까닭에, 배출관(26)을 경유하여 밀집층의 하부로부터 배출된 미립자물질의 양의 증가는 로부의 하부 영역에서 조대한 미립자물질에 대한 미세한 미립자 물질의 상대적 비율을 증가시킨다.
그것에 의해 하부영역에서 상부영역까지 통과하는 미립자물질의 양을 증가시키고 다음에는, 상부영역에서 온도를 감소시킨다. 배출관(26)으로부터 배출된 미립자물질의 양을 감소시키는 것은 반대의 효과를 가져올 것이다.
로부(22)의 하부영역에서 조대한 미립자 물질에 대한 미세한 물질의 상대적 비율은 또한 분리기(34)를 경유하여 로부(22)의 하부영역으로 재순환된 미립자 물질의 양을 조절하는 것에 의해서 조절될 수 있다. 로부(22)의 상부영역으로 부터 분리기(34)내로 방출된 미립자물질을 수반하는 부분에 대하여 조대한 미립자물질에 대한 미세한 미립자물질의 상대적 비율이 하부영역에서의 그 비율 보다 실질적으로 더 높게 된다. 따라서, 하부영역에서의 조대한 미립자물질에 대한 미세한 미립자 물질의 상대적 비율은 분리기(34)에서 로부(22)의 하부 영역으로 되돌아가는 분리된 미립자물질의 양을 조절하는 것에 의하여 제어된다. 결과적으로, 밸브(40)는 재순환 도관(42)및 추출도관(44)으로 분리된 미립자 물질의 균형잡힌 흐름을 조절하는데 사용된다. 그것에 의하여 분리기(34)로부터 로부의 하부영역으로 되돌아가는 분리된 미립자 물질의 양을 조절한다.
더 특별히, 분리기(34)에서 로부(22)의 하부영역으로 되돌아가는 분리된 미립자 물질의 양을 증가시키는 것은 하부영역에서의 조대한 미립자 물질에 대한 미세한 미립자물질의 상대적 비율을 증가시킬것이다. 이는 하부영역에서 상부영역까지 통과하는 미립자물질의 양을 증가시킬 것이고, 반면에 상부영역에서의 온도를 감소시킬것이다. 분리기(34)로부터 로부(22)의 하부영역으로 되돌아가는 분리된 미립자 물질의 양을 감소시키는 것은 반대의 효과를 가져올 것이다.
로부(22)의 하부영역에서 조대한 미립자물질에 대한 미세한 미립자물질의 비율은 소비된 및 비소비된 연료와 흡착제입자를 다시 채우기 위하여 도관(28및 30)을 경유하여 로부내로 도입되는 부가적인 연료 및 흡착제 물질의 크기를 조절하는 것에 의해 또한 조절될 수 있다. 로부내로 도입되는 부가적인 연료 및 흡착제 입자는 요구에 따라 변경될 수 있는 소정의 크기를 가져서 로부(22)내로 도입되는 부가적인 연료및 흡착제 입자는 원래의 정해진 크기보다 크기가 작거나 크게 된다.
더 특별히, 도관(30)을 경유하여 로부내로 도입되는 부가적인 흡착제 입자의 크기를 감소시키는 것은 하부영역에서의 조대한 미립자물질에 대한 미세한 미립자 물질의 상대적 비율을 증가시킬것이고, 하부영역에서 상부영역까지 통과하는 미립자물질의 양을 증가시킬 것이다. 반대로, 상부영역에서의 온도는 감소하게 될 것이다. 도관(30)을 경유하여 로부(22)내로 도입되는 부가적인 흡착제 입자의 크기를 증가시키는 것은 반대의 효과를 가져올 것이다.
유사하게, 도관(28)을 경유하여 로부(22)내로 도입되는 부가적인 연료 입자의 크기는 요구되는 대로 감소하거나 증가하게 될 것이며, 그것에 의해 상부영역에서의 온도를 감소시키거나 증가시키게 될 것이다.
상부영역에서의 비교적 높은 온도를 유지시키는것에 의해서 N2O방출을 낮추는 것에 덧붙여서 하부영역에서 형성된 N2O의 양은 로부의 하부영역에서 탄소질 물질의 양을 증가시키는 것에 의해서 감소될 것이다. 부가적인 연료 입자가 하부영역에서 일반적인 감소조건하에서 도관(28)을 경유하여 로부(22)내로 도입될 때, 부가적인 연료 입자는 가연성의 가스를 방출하고 이에 의해 휘발성분을 제거하게 되고, 하부영역에서 탄소질 물질이 남는다. 하부영역에서 탄소질 물질의 존재는 하부영역에서 NOx및 N2O의 형성을 억제한다.
그러한 까닭에 로부의 하부영역에서 탄소질 물질의 양을 증가시키는 것은 N2O의 방출을 감소시키게 된다. 이 점에 관해서, 로부의 하부영역에서 존재하는 탄소질물질의 양은 일차 가스의 유동화속도를 일정하게 유지시키는 것에 의하여 증가될 수 있고 그 동안에 로부내로 도입되는 부가적인 연료 입자의 양을 일시적으로 증가시킬 수 있다. 이러한 방법에 있어서, N2O의 방출은 더 제어될 수 있다.
몇가지 장점이 전술한 방법으로 생긴다. 예를들어, N2O, SOx및 NOx의 방출은 동시에 감소된다. 부가적으로, N2O방출은 로부(22)의 하부영역에서 로부(22)의 상부영역까지 통과하는 미립자물질을 조절하는 것에 의해서 간단하고, 효과적이며, 비용이 안드는 방식으로 제어되고 감소된다. 더우기 N2O방출은 로부의 하부영역에서 탄소질 물질의 양을 증가시키는 것에 의해서 또한 감소된다. N2O, SOx및 NOx의 방출은 비용및 반응기의 복잡성을 더하는 상당한 양의 부가적인 물질 또는 장치의 필요 없이 동시에 감소된다.
변형은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 방법으로 행해질 수 있다. 예를들어, 고체 역류영역 위의 수준에서 로부(22)내로 이차의 가스를 도입하는 것이 바람직할 지라도, 이차의 가스는 로부에서 많은 수준에서 그리고 한 개의 수준 이상에서 도입될 수 있다. 부가적으로 밸브(40)는 분리기(34)와 연결하여 사용하지 않아도 되고, 그 대신에 분리기는 로부(22)로, 분리된 미립자 물질의 전체를 되돌려 보내거나 또는 분리된 미립자 물질의 아무것도 되돌려 보내지 않을 수 있다. 더우기, 분리기(34)는 하나의 위치 이상에서 그리고 한 개의 수준이상에서 로부(22)로 분리된 미립자물질을 되돌려 보낼 수 있다. 유체 흐름회로는 또한 자연적이거나 강제적인 회로를 사용할 수 있다.
다른 변형, 변경 및 치환은 전술한 개시내에서 의도되고, 예를들어 본 발명의 몇몇 특징은 상응하는 다른 특징의 사용없이 수용될 수 있다. 본 발명의 선택적인 적용뿐만 아니라 개시된 실시예의 다양한 변형은 전술한 명세서및 도면에 의하여 종래의 기술에 숙련된 사람에게 제안될 것이다. 따라서, 첨부한 청구범위는 본 발명의 영역내에서 일관된 방식으로 그리고 넓게 해석되는 것이 적절하다.

Claims (16)

  1. 유동로의 하부영역에 미립자물질의 유동층을 갖는 유동로를 구비하고, 상기 미립자 물질은 연소를 위한 질소를 함유하는 연료입자로 구비되는 단계와, 상기로의 하부 영역에서 상부 영역으로 상기 물질의 일부를 통과시키는 단계와, 상기 연료입자의 연소가 불완전하게 되는 준 화학양론적인 조건에서 상기로의 하부영역을 가동시키는 단계와, 상기 연료입자의 완전연소를 위한 산화조건에서 상기로 영역의 상부영역을 가동시키는 단계, 및 연소중에 형성된 N2O를 감소시키기 위해 각각의 영역에서의 소정의 온도를 유지시키는 방법으로 상기 각 영역에서의 상기미립자물질의 양을 조절하기 위해 하부영역으로부터 상부영역을 통과하는 미립자물질의 양을 조절하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 유동층 반응기로부터 N2O의 방출을 감소시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기로부는 일차의 산소 함유 가스에 의해 유동화되고, 상기로부의 상기상부영역은 상기한 하부 영역위의 상기로부내로 이차의 산소 함유 가스를 도입함으로써 산화조건하에서 작동되고, 상기 일차가스와 이차가스는 결합하여 연도가스를 형성하며, 상기 연도가스는 로영역의 미립자 물질부를 수반하는 단계와, 상기상부영역으로부터 연도가스와 수반된 미립자물질을 방출하는 단계와, 상기 방출된 미립자 물질을 방출된 연도가스로부터 분리하는 단계, 및 상기 분리된 미립자물질을 상기 로부의 하부영역으로 다시 도입하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기로부터 N2O의 방출을 감소시키는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 미립자물질이 황포착을 위해서 흡착제입자를 추가적으로 구비하며, 상기 온도가 흡착제 입자에 의해 황포착을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기로부터 N2O의 방출을 감소시키는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 온도는 1650℉ 내지 1800℉의 범위내 인 것을 특징으로 하는 유동층 반응기로부터 N2O의 방출을 감소시키는 방법.
  5. 유동로의 하부영역에 미립자물질의 유동층을 갖는 유동로를 구비하고, 상기 미립자 물질은 연소를 위한 질소를 함유하는 연료입자로 구성되며, 상기 하부영역에서의 조대한 미립자물질에 대한 미세한 미립자 물질의 상대적인 비율을 정의하고, 상기로부의 하부 영역에서 상부 영역으로 상기 물질의 일부를 통과시키고; 상기 연료입자의 연소가 불완전하게 되는 준 화학 양론적인 조건에서 상기로부의 하부영역을 가동시키며; 상기 연료입자의 완전연소를 위한 산화조건에서 상기로부의 상부영역을 가동시키고; 연소 중에 형성되는 N2O를 감소시키기 위해 각각의 영역에서의 소정의 온도를 유지하는 방법으로 상기 각 영역에서의 미립자물질의 양을 조절하기 위하여 하부영역에서 조대한 미립자물질에 대한 미세한 미립자 물질의 상대적인 비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기로부터 N2O의 방출을 감소시키는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기로부는 일차의 산소 함유 가스에 의해 유동화되고, 상기로부의 상부영역은 상기한 하부 영역위의 로부로 이차의 산소를 함유하는 가스를 도입함으로써 산화조건하에서 작동되고, 상기 일차가스와 이차가스는 결합하여 연도가스를 형성하며, 상기 연도가스는 상기 로부의 미립자 물질의 일부분을 수반하며, 상부영역으로부터 연도가스와 수반된 미립자물질을 방출하며, 방출된 미립자 물질을 방출된 연도가스로부터 분리하며, 분리된 미립자물질을 상기로부의 하부영역으로 다시 도입하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기로부터 N2O의 방출을 감소시키는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기로부의 하부영역에서의 조대한 미립자물질에 대한 미세한 미립자물질의 상대적인 비율이 하부영역으로 재도입되는 분리된 미립자물질의 양을 조절하는 것에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기로부터의 N2O의 방출을 감소시키는 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기로부의 하부영역의 하부부분으로부터 미립자 물질의 일정량을 배출시키며 하부영역에서의 조대한 미립자물질에 대한 미세한 미립자물질의 상대적인 비율이 추가적인 흡착제입자의 크기를 조절하는 것에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기로부터 N2O의 방출을 감소시키는 방법.
  9. 제5항에 있어서, 흡착제입자를 로부로 도입시켜 흡착제입자를 보충하며, 하부영역에서의 조대한 미립자물질에 대한 미세한 미립자물질의 상대적인 비율이 추가적인 흡착제입자의 크기를 조절하는 것에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기로부터 N2O의 방출을 감소시키는 방법.
  10. 제5항에 있어서, 연료입자를 보충하기 위하여 추가적인 연료입자를 도입하며, 하부영역에서의 조대한 미립자물질에 대한 미세한 미립자물질의 상대적인 비율이 추가적인 연료입자의 크기를 조절하는 것에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기로부터 N2O의 방출을 감소시키는 방법.
  11. 제5항에 있어서, 미립자물질이 황포착을 위한 흡착제 입자를 추가적으로 구비하며, 그 온도는 흡착제입자에 의한 황포착을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기로부터 N2O의 방출을 감소시키는 방법.
  12. 제2항에 있어서, 상기 온도는 1650℉ 내지 1800℉의 범위내 인 것을 특징으로 하는 유동층 반응기로부터 N2O의 방출을 감소시키는 방법.
  13. 유동로의 하부영역에 미립자물질의 유동층을 갖는 유동로를 구비하고, 상기 미립자 물질은 연소를 위한 질소를 함유하는 연료입자로 구성되며, 상기 미립자물질을 유동시키기 위한 유동속도에서 일차의 산소 함유 가스를 상기 하부영역으로 유도하고, 상기 하부영역의 상기 물질의 일부분을 상기로부의 상부영역으로 통과시키고, 상기 연료입자의 연소가 불완전하게 되는 준 화학 양론적인 조건에서 상기 로부의 하부영역을 가동시키며, 상기 연료입자의 완전연소를 위한 산화조건에서 상기 로부의 상부영역을 가동시키고, 연소중에 형성된 N2O를 감소시키기 위해 각각의 영역에서의 소정의 온도를 유지하는 방법으로 상기 각 영역에서의 미립자물질의 양과 하부영역으로부터 상부영역으로의 미립자물질의 통로를 조절하기 위하여 유동속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기로부터 N2O의 방출을 감소시키는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기로부는 일차의 산소 함유 가스에 의해 유동화되고, 상기로부의 상부영역은 상기 하부 영역위의 로영역으로 2차의 산소 함유 가스를 도입하여 산화조건하에서 작동되고, 상기 일차가스와 이차가스는 결합하여 연도가스를 형성하며, 상기 연도가스는 상기로부의 미립자 물질의 일부분을 수반하고, 상부영역으로부터의 연도가스와 운반되는 미립자물질을 방출하며, 방출된 미립자 물질을 방출된 연도가스로부터 분리하며, 상기 분리된 미립자물질의 일부분을 상기로부의 하부영역으로 다시 도입하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기로부터 N2O의 방출을 감소시키는 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 미립자물질이 황포착을 위해서 흡착제입자를 추가적으로 구비하며, 상기 온도가 흡착제 입자에 의해 황포착을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기로부터 N2O의 방출을 감소시키는 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 온도는 1650℉ 내지 1800℉의 범위내 인 것을 특징으로 하는 유동층 반응기로부터 N2O의 방출을 감소시키는 방법.
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