KR100329678B1 - 산소랜스를구비한다중화덕노와그작동방법 - Google Patents

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Abstract

와류 가스 상 혼합을 증가시키고, 배출물이 적어지도록 가스 상 내의 일산화탄소와 탄화수소의 연소를 돕고, 건조율을 증가시키도록 건조 슬러지 상부에 대류를 증가시키고, 그리고 건조율을 더욱 증가시키도록 건조 슬러지를 발화 시키기 위하여 노의 가열 또는 건조 구역 내로 고속 산소를 분사함으로써 폐기물 특히, 탈수 폐기 수분 슬러지를 다중 화덕 노에서 소각하는 것과 같이 재료를 능률적으로 처리하기 위한 장치와 방법이 개시된다.
그러한 장치와 방법은 슬러지 처리량을 증가시키고 일산화탄소, 질소 산화물 및 탄화수소 배출물을 감소시킨다.

Description

산소 랜스를 구비한 다중 화덕 노와 그 작동 방법
본 발명은 다중 화덕 노(multiple hearth furnace), 특히 노 내에서 처리되어질 재료가 수분을 함유하고 그리고 가열 및 건조되어야 하는 곳에서 특히 유용한 다중 화덕 노에 관한 것이다.
다중 화덕 노는 상하로 적층된 다수의 화덕을 갖춘 형태이다. 노에 의해 처리되어질 재료는 최상부의 화덕에 공급되어, 최종 제품을 추출하는 최하부 화로로 진행된다. 그러한 진행 과정 동안, 재료는 건조, 연소 및 냉각 등의 공정을 거치도록 온도 변화를 겪는다. 그러한 노는 슬러지 소각, 다른 폐기 재료의 연소, 활성화 탄소 재생, 마그네시아 하소(calcining), 광석 처리 등의 다양한 분야에 폭넓게 사용된다. 이러한 모든 분야에 있어서의 목표는 노의 능률을 개선하고, 처리 제품의 처리량을 증가시키는 것이다.
하기에서 본 발명을 설명하기 위해 사용되어질 한 분야에서, 다중 화덕 노가 도시 하수로부터 탈수된 슬러지를 소각하여 폐기할 수 있을 정도의 재로 만드는데 사용된다. 그러한 분야에서 노의 다중 화덕은 건조를 위해 젖은 슬러지를 유입하는 건조 구역, 적어도 부분적으로 건조된 슬러지를 연소시키는 연소 구역, 및 재를 냉각하고 노로부터 제거하는 냉각 구역을 노의 상부에서 플로어까지 형성한다.
다중 화덕 소각기를 위한 장치와 처리 공정에는 비교적 높은 자본과 운영비용이 든다. 동시에, 많은 도시에서는 처리하여야할 슬러지의 양이 증가하고 있다. 과거에는, 다중 화덕 소각기의 소유자는 용량을 증가시키기 위해서 새로운 소각기를 제작하거나 슬러지를 처리하기 위한 대체 수단을 찾아야 했다. 더욱이, 최근의법규는 그러한 소각로의 대부분을 애프터버너(afterburner)를 사용하여 작동할 것을 요구하고 있다. 애프터버너는 악취 화합물을 포함하는 탄화수소의 배출을 제어하는데 사용된다. 그러한 탄화수소는 보통 노 내에서 생성되어, 희박한 가스 상 혼합 및 국부적으로 낮은 온도 때문에 노 내부에서 잘 소멸되지 않는다. 또한, 그러한 애프터버너를 사용하는 것은 연료 소비를 증가시키고, 슬러지 처리량을 제한하는 경향이 있으며, 전체적으로 노의 연료 효율을 감소시킨다. 이러한 모든 요인 때문에 노 내의 처리량을 향상시킬 필요가 있다.
다중 화덕 소각기는 넓은 범위의 화학량론 조건 하에서 작동될 수 있다. 농후한 연료 조건 하에서 작동함으로써, 노 내의 최고 온도가 제어될 수 있는 동시에, 보조 연료 없이 또는 적은 보조 연료로 노를 가동할 수 있다. 노는 검은 연기와 악취 배출물의 발생을 감소시키도록 종종 산화 조건하에서 작동된다. 노를 내화학량론에 가까운 공기량으로 작동하면 최고의 연료 효율을 발휘하지만, 노의 내화성 재료에 손상을 주거나 슬래그 형성을 일으키는 연소 구역의 과열을 유도한다. 이러한 문제들을 해결하기 위하여, 대부분의 다중 화덕 연소 구역 온도를 제한하도록 많은 양의 과잉 공기를 사용하여 작동한다. 그결과, 연료 소비의 증가로 인해 비용이 증가된다. 또한, 과잉 공기가 존재하면, 노의 배기 가스 유동률을 증가시켜서 애프터버터에 의한 연료 소비를 증가시키는데, 그 이유는 모든 노의 배스 가스를 특정 온도로 가열하는데 애프터버너가 필요하기 때문이다.
다중 화덕 소각기는 처리량과 연료 효율을 향상하도록 환원 조건하에서 작동되어 왔다. 그러한 노는 노 내에서 가연성 물질을 가스와 분리하여 소실시키기 위하여 카다란 애프터버너 챔버를 요구한다. 비록 소각기를 환원 조건하에서 작동시키는 것이 기술적으로는 가능하더라도, 높은 유지비용과 작동상의 어려움 때문에 상업적으로 별 가치가 없다.
본 발명의 목적은 개선된 다중 화덕 노 및 산소 랜스를 사용하여 노를 작동하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 노의 가스 혼합을 향상시키는 사이클론 타입 (cyclonic type)의 난류 유동을 생성하도록 산소를 고속으로 분사시키는 다중 화덕 노를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 첨부된 도면과 하기의 설명을 참조하여 보다 명백해 질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 화덕 노의 단면을 도시하는 측면도.
도 2는 도 1의 선 2-2를 따라 취해진 노의 단면을 도시하는 평면도.
도 3은 본 발명의 실시에서 유용한 산소 랜스의 한 실시예를 도시하는 측면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 다중 화덕 노(소각기) 12 : 노 하우징
13, 14 : 하부 벽, 상부 벽 16 : 입구
17 : 출구 18-1 - 18-6 : 화덕
19 : 배기부 20-1 - 20-5 : 화덕 플로어
27 : 중앙 개구부 30 : 샤프트
33 : 중앙 튜브 36 : 낙하 구멍
40 : 송풍기 46 : 버너
50 : 교반봉 아암 60 : 산소 랜스(lance)
62 : 튜브 64 : 노즐
본 발명은 특정 장소에 산소를 불어넣어 처리량을 향상시키고, 연료 소비량 및 탄화수소 배출량을 감소시키도록 사용되는 개선된 다중 화덕 노에 관한 것이다. 또한, 이러한 추가된 산소에 의해 배기 가스 유동률이 감소되고, 이로써 노의 애프터버너 연료 소비량을 감소시키게 된다.
본 발명에 따라, 고속 산소 랜스는 산소를 노 내로 분사하도록 사용된다. 이것은 산소가 분사되는 노 내에 강한 대류와 고속 가스 상 혼합을 제공하여 연소 효율을 증가시키고 열 전달을 증가시킨다. 바람직한 실시예에서, 산소는 연소 구역 상에 있는 최하부 가열 또는 건조 화덕에서 노 가열 또는 건조 구역 내로 유입된다. 이것은 더 나은 혼합과 더 나은 연소 제어의 이점을 동시에 달성한다. 노 연소 구역으로부터의 가연성 가스는 가열 또는 건조 구역 내에서 가열원으로 사용되고 가열 및 건조는 슬러지를 덮는 고온 가스의 높은 대류적 유동에 의해 증가된다. 젖은 슬러지를 덮는 고온 가스의 강한 대류는 직접적으로 젖은 고형물을 연소시키고, 열을 방출하고, 건조율을 증가시키고, 그리고 보다 하부 화덕 내에서 연소되어야 하는 슬러지의 양을 감소시킨다.
본 발명에 따른 산소 분사물은 고속으로 분사되며 더 농축된 산화제를 포함하기 때문에 통상적인 다중 화덕 노 이상의 향상된 결과를 제공한다. 산소가 사용되기 때문에, 연소는 보다 쉽게 촉진되고, 주어진 양의 가연성 가스에 대하여 보다 높은 온도에 도달하고, 이는 일반적으로 가열 및 건조 구역 내에서 이점이 된다. 산소가 공기보다 단위 슬러지당 배기 가스를 휠씬 적게 생성하기 때문에, 산소를 사용하면 고속 공기 분사로 달성될 수 있는 것보다 휠씬 많은 양의 슬러지를 처리할 수 있다. 그러므로, 유도 배기 팬, 세척기, 덕트, 및 연통을 포함하는 기존 장치의 크기에 의해 제한 받는 동일한 배기 가스 유동률에 있어서, 산소 분사를 사용하면 높은 슬러지 처리량을 달성할 수 있다. 공기 대신에 고속 산소 랜스를 사용하면 더 나은 혼합 및 연소 공정 제어를 할 수 있다.
본 발명은 탈수된 하수 오물 슬러지와 같은 젖은 슬러지의 소각에 대한 것이지만 달리 적용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명은 광석 가열, 석회, 마그네사이트 및 탄산염 슬러지의 건조 및 하소, 활성화 탄소 재생, 탈색토의 재활성화 및 황화물의 연소 등에 사용될 수 있다. 본 발명의 실시에 의해 생산 또는 재생될 수 있는산출물은 석회, 아연, 납, 수은, 금, 은, 황산, 페이트 안료, 내화성 점토, 활성 탄소, 주물사 및 표토를 포함한다.
도 1 및 도 2는 다중 화덕 노 또는 소각기(10)의 기본 골격을 도시하고 있다. 전체 노 본체 또는 하우징(12)은 적절한 내화성 재료가 늘어서 있는 강철과 같은 재료의 외피로 만들어진다. 노 하우징(12)은 하부 벽(13)과 상부 벽(14)을 갖고 있다. 노 하우징(12)은 노 본체의 높이 및 직경에 의해 결정되는 소정의 용량을 갖는다. 소각되는 탈수 슬러지를 위한 입구(16)가 노의 상단에 있으며 냉각 재를 위한 출구(17)가 노의 플로어에 있다. 또한, 가스 연도 배기부(19)가 도시되어 있는 바와 같이 노의 상단부에 있지만, 상부 벽(14) 내에 있을 수도 있다.
다중 화덕 노는 화덕 플로어(20-1 내지 20-5)로 분할 형성되어 층층이 위치되는 다수의 화덕(18-1 내지 18-6)을 가지며, 또한 적절한 내화성 재료로 이루어진다. 화덕 플로어(20-1 내지 20-5) 각각은 수직 연장 샤프트(30)가 지나가는 중앙 개구부를 갖고 있다. 샤프트(30)는 예를 들어 기어 구동되는 통상적인 구동 장치를 갖춘 적절한 마력의 모터(31)에 의해 구동된다. 송풍기(40)는 교반봉 아암을 냉각시키도록 파이프를 통해 전달되고 환형 튜브로 회수되며 노의 밖으로 유출되는 공기를 중앙 튜브(33)에 제공한다. 공기의 일부는 예열 연소 공기로서 노의 하부 화덕(18-6)으로 도관(21)을 통해 다시 유도된다.
화덕 플로어(20-1, 20-3, 및 20-5) 각각의 중앙 개구부(27)는 고형물을 위한 낙하 구멍 통로를 제공하도록 확장되어 있고, 그러한 화덕 플로어는 노 하우징의 외벽 쪽으로 이어져 있다. 다른 화덕 플로어(20-2 및 20-4) 각각은 샤프트(30)로연장되어 있는 중앙 개구부 둘레에 밀봉부를 갖는다. 최하위 화덕 플로어의 밀봉부는 모터(31)로 지나가는 샤프트(30)가 통과하는 하부 벽 내의 구멍을 덮는다. 도 2에 도시된 바와 같이, 화덕 플로어(20-2 및 20-4)는 노의 하우징 벽을 따라서 그 원주둘레에 반원형 구멍 등일 수 있는 다수의 낙하 개구부(36)를 갖고 있다.
다중 화덕 노 또는 소각기(10)는 젖은 탈수 슬러지를 수용하고 이 경우에는 건조 구역이 되는 가열 구역과, 가열되고 적어도 부분적으로 건조된 슬러지를 재로 만들기 위하여 연소시키는 연소 구역과, 그리고 연소된 재를 배출 전에 냉각시키는 냉각 구역을 갖고 있다. 본 발명에 따른 도 1의 노에서, 건조 구역은 화덕(18-1 및 18-2)에 의해서, 연소 구역은 화덕(18-3 및 18-4)에 의해서, 그리고 냉각 구역은 화덕(18-5 및 18-6)에 의해서 형성된다. 통상의 노에서는 연소 구역과 가열 구역 사이에 명확한 경계가 없음을 이해하여야 한다. 전형적으로, 연소 구역과 가열 구역 사이 및 이들 구역 내에서는, 젖은 비연소 슬러지로부터 달아오른 다수의 타다 남은 찌꺼기를 포함하며 노상에 다량의 빛을 내는 화염을 생성하는 확실하게 건조된 슬러지까지 연속적인 전이가 존재한다. 이러한 형태의 노는 필요에 따라 5 및 6개의 화덕은 물론, 11, 12개, 그리고 가능하다면 그 이상의 화덕을 가질 수도 있다. 또한, 각 구역들은 원하는 수만큼의 화덕을 가질 수 있다. 예를 들면, 11개 화덕 노 내의 가열 구역은 네 개 또는 다섯 개의 화덕으로 구성될 수 있다.
노는 하나 이상의 버너(46)를 통해 연료를 공급받는다. 도 1에 도시된 바와 같이, 버너(46)는 건조 구역 화덕(18-1 및 18-2) 및 연소 구역 화덕(18-3 및 18-4) 내에 있다. 다수의 화덕이 건조 구역을 형성하도록 사용되는 노에서는 버너가 모든화덕 또는 단지 몇 개의 화덕 내에 있을 수 있다. 도 1이 연소 구역 내에 있는 버너(46)를 도시하고 있지만, 연소 구역 내에 있는 그러한 버너가 특정한 노 내에서는 필요하지 않을 수도 있다. 버너는 노의 전체 화덕 또는 어떠한 개수의 화덕 내에도 위치될 수 있다. 또한, 도 1에서 산소 랜스(60)는 하부 건조 구역(18-2)과 상부 연소 구역(18-3) 내에 있다.
버너에 공급되는 연료로서 오일도 사용될 수 있지만, 통상적으로 가스가 사용된다. 몇몇 노는 슬러지 연소로부터 모든 열을 얻어 보조 연료 없이 작동한다(자생 작동). 하기 설명에서 사용될 용어 "가연성 가스"는 슬러지의 부분 연소나 보조 연료의 부가로부터 비롯된 가스를 포함한다. 구입 연료의 소비량을 감소시키기 위하여 슬러지 파생 연소 가스로부터 건조 구역에서 가능한 한 많은 열을 얻는 것이 바람직하다.
버너가 노 내에서 사용될 때, 다수(예를 들면 세 개)가 하우징의 둘레를 따라서 이격되는 것이 바람직하다. 버너 각각은 하우징의 내부에서 그 둘레를 따라 예를 들면, 반시계 방향인 소정의 방향으로 화염 유동 방향을 향하게 하도록 출구 구멍을 갖춘 (도시되지 않은) 출구 노즐을 갖고 있다. 건조 구역 및 연소 구역 내에 버너가 사용된다면 희망 온도를 달성하기 위하여 적절한 용량을 갖춘 충분한 수의 버너(46)가 그 안에 존재한다. 또한 버너는 공기와 같은 산화제를 연료와 함께 노의 내부에 제공한다.
샤프트(30)는 각각의 화덕 내에서 보통 두 개 또는 네 개의 교반봉 아암(50)을 지탱한다. 교반봉 아암(50) 각각의 내부는 공기 송풍기(40)로부터의 냉각 공기를 수용한다. 교반봉 아암(50) 각각은 처리 재료가 화덕 조건에 노출되도록 각각의 화덕 플로어(20)를 가로질러 슬러지 재료와 접촉하고 슬러지 재료를 펼치고 쓸어 내리는 치형부(52)를 하부에 갖고 있다. 재료는 바로 하부 화덕으로 넘겨지도록 플로어 내의 낙하 구멍으로 또한 이동된다.
도 2에 보다 명확하게 도시된 바와 같이, 다수의 산소 랜스(60)는 건조 구역 하부 화덕(18-2)과 연소 구역 상부 화덕(18-3) 내의 노 하우징(12)의 벽 둘레로 이격되어 있다. 여섯 개의 그러한 랜스는 버너와 출입구(도시되지 않은)와 같은 방해물을 피해서 하우징 벽 둘레를 따라 균등하게 즉, 60˚로 이격되어 있다. 필요시, 특정 분야에서의 필요성에 따라서 랜스의 수는 더 많거나 적을 수 있다.
랜스(60) 각각은 화덕 내로 산화제를 분사한다. 또한, 랜스는 화덕 내로 산화제와 함께 연료를 분사하므로, 다시 말하면, 랜스는 산소-연료 버너일 수 있다. "산화제"는 산소가 100%에 이르기까지 공기보다 많은 산소를 갖춘 산소 함유 가스이다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "산소"는 22 몰 퍼센트 이상인 산소 농도를 갖는 유체를 의미한다. 산소는 적어도 30, 더 바람직하게는 적어도 90 몰 퍼센트의 산소 농도를 갖는 유체인 것이 바람직하다. 또한, 산소는 99.5 몰 퍼센트 이상의 산소 농도를 갖는 상업적 순산소일 수도 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 랜스 각각은 랜스를 냉각시키기 위한 공기가 통하도록 노의 통풍을 허용하는 튜브(62)에 관통 삽입된다. 도 3에 도시된 실시예에서, 랜스 각각은 제한된 냉각량으로 노 내에서 가혹한 조건을 견디도록 HR-160 코발트 합금 등의 적당한 고온 재료로 만들어진 노즐(64)을 갖고 있다. 노즐(64) 각각은통상적인 실시예에서 랜스의 축에서 35˚, 55˚, 그리고 75˚의 각을 갖는 0.635 cm(0.25 inch)의 구멍인 예를 들면 세 개인, 다수의 산소 배출 통로(65)를 갖고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 노즐(64) 각각은 산소 배출 통로(65)의 각도에 의한 부채꼴의 산소 유동 형태(68)를 생산하는 산소 분출물을 방출한다. 랜스의 축은 전술된 바와 같은 반시계 방향 소용돌이, 또는 사이클론 타입의 유동을 형성하도록 배향된 구멍을 갖고, 방사상으로 원통형 노의 중심 축을 향한다. 산소 소용돌이 유동의 방향은 동일한 방향으로 기울어진 동일한 화덕의 가스/공기 버너(46)에 의해 생성되는 소용돌이 유동의 방향과 동일하게 되도록 선택된다. 산소는 바람직하게는 106.68 m/sec(350 feet/sec)을 넘는 고속으로, 가장 바람직하게는 약 300 m/sec(약 1000 feet/sec)인 음속으로 분사된다. 작은 체적의 노에서는 저속일 수도 있지만, 가연성 가스를 적절하게 혼합할 수 있도록 충분한 고속이어야 한다.
랜스(60)는 산소 분사물이 화덕 내의 교반봉 아암의 상부와 화덕의 천장 사이의 공간 내로 향하도록 랜스가 위치되어 있는 화덕 각각의 천장을 형성하는 화덕 플로어(20)의 저면의 약 15.24 cm(6 inch) 정도로 약간 아래에 위치되는 것이 바람직하다. 노즐의 산소 배출 통로(65)는 노의 횡 평면상에 위치된다. 헤드는 산소 분사물이 약 10˚정도로 약간 아래로 향하고 화덕 천장으로부터 멀어지도록 회전된다. 이것은 화덕 플로어(20)에 손상을 입힐 수 있는 화덕 천장에 대한 산소 분사물의 충돌을 최소화한다. 고형물을 덮는 산소의 고속 유동은 일부 먼지와 슬러지의 미립자를 튀어 오르게 하지만 이는 문제가 되지 않으며, 비말 슬러지 미립자가 통상적으로 발화되고 열을 방출함으로써 건조 구역에서 이점이 될 수 있다. 또한, 건조 구역 내의 슬러지는 일반적으로 비말되기 어려운 크고 무거운 미립자를 포함하기 때문에 과도한 입자가 따라 비밀되는 것을 피할 수 있다. 후술될 바와 같이, 산소 랜스가 연소 구역과 냉각 구역 중 하나 또는 둘 다에서 추가적으로 사용될 수 있지만, 미세한 재가 존재하는 그러한 구역에서의 고속 사용은 입자 비말의 문제를 발생시킬 수 있다.
소각기 노의 작동에서, 탈수 슬러지는 입구(16)를 통해서 소위 "화덕 내부"라고 불리는 건조 구역의 상부 화덕(18-1) 내로 들어간다. 슬러지는 교반봉 아암에 의해 흩뜨려져서 화덕 전면에 걸쳐서 화덕 플로어의 확장된 중앙 개구부(27) 쪽으로 이동되고 소위 "화덕 외부"라고 불리는 건조 구역의 하부 화덕(18-2) 내로 낙하된다. 그곳에서, 슬러지는 교반봉 아암에 의해 주변 낙하 구멍(36) 쪽으로 화덕 플로어(20-2) 상에서 바깥으로 이동된다. 그 동안에, 슬러지는 건조되도록 버너(46)(존재한다면)에 의해 가열된다.
이제 적어도 부분적으로 건조된 슬러지는 연소 구역의 상부인 "화덕 내부" (18-3)로 유입되고, 화덕 플로어(20-3)의 중앙 개구부(27) 쪽으로 내부로 이동하고 연소 구역의 하부인 "화덕 외부"(18-4)으로 낙하한다. 연소 구역의 화덕(18-3 및 18-4)에서, 건조 슬러지는 버너(46)(사용한다면)에 의해 추가로 가열되고, 처음으로 재로 변환된다.
재로 변환된 연소 슬러지는 연소 구역 화덕(18-4)의 화덕 플로어(20-4)의 낙하 구멍(36)을 통해 냉각 구역의 상부 화덕(18-5) 내로 이동한다. 그후에, 재는 노의 중심으로 이동하고 화덕 플로어(20-5)의 개구부를 통해 냉각 구역의 하부 화덕(18-6) 내로 낙하한다. 화덕(18-5 및 18-6)을 통과하는 동안, 재는 도관(21)으로부터 공급된 냉각 공기에 의해 도움을 받아 냉각되고, 냉각된 재는 출구(17)를 통해 노로부터 제거된다.
도시된 바와 같이, 슬러지는 점선(S)으로 도시된 꾸불꾸불한 통로에 의해 상부로부터 하부까지 노를 관통 이동한다. 슬러지의 건조 및 연소 작업 동안 발생한 폐기 가스의 역류는 실선(E)으로 도시된 하부로부터 상부까지 노를 관통하는 꾸불꾸불한 통로로 이동한다.
건조 구역 화덕(18-2) 내의 고 추진력 산소 랜스(60)는 연소 구역 "화덕 내부"(18-3) 위의 하부 건조 구역 화덕(18-2) 상에 고속 소용돌이 운동을 발생시킨다. 고 추진력 산소는 건조 구역 화덕(18-2) 내에 강한 대류와 빠른 가스 상 혼합을 제공하고, 아래로부터 올라온 가연성 가스를 연소시키고, 고형물을 가열하고 건조하는 열 이동을 촉진시키고, 그리고 애프터버너(도시 안함)에 도달하는 불연소 탄화수소의 양을 감소시킨다. 또한 고 추진력 분사 산소에 의해 야기된 강한 대류는 고형물이 상당한 양의 수분을 포함하고 있더라도 고형물을 직접적으로 연소시킨다. 더 나아가 가열 및 건조율을 향상시키며 하부 화덕에서 처리되어야 하는 슬러지의 양을 감소시킨다.
분사 산소에 의해 높여진 연소 가스의 소용돌이 고온 유동은 표면 아래에서 건조가 계속될 때에 슬러지 표면에서 슬러지의 연소를 일으킴으로써 더 많은 열을 방출하고 건조율을 증가시킨다. 하부 화덕으로부터 유입된 가연성 가스가 없을 때라도 그러한 젖은 고형물의 연소를 달성하는 것이 가능하다. 전체적으로, 가열 및 건조율의 증가는 노의 처리량을 증가시키고, 연소 구역의 농후한 연료는 석유나 가스 연료 대신 건조 구역에서 사용될 화학 에너지를 제거한 가연성 가스에 의해 내화성 재료의 제한 값 내에서 노의 온도를 제어한다. 또한, 산소 랜스를 사용한 노 내에서의 난류 혼합은 냄새 및 탄화수소 가스가 소멸되는 것을 보장한다.
본 발명에 따라서 전략상으로 위치된 산소 랜스에 의해 증가된 가열율은 처리될 재료의 노 내 공급율의 증가시킬 수 있다. 실제로, 그러한 공급율의 증가 없이 노는 과열될 수 있다. 일반적으로 본 발명은 통상적인 공기 발화 다중 화덕 노에 의해 얻을 수 있는 것의 50% 또는 그 이상에 이르기까지 증가된 공급율을 얻을 수 있다. 처리율의 증가에 의해 배출물의 감소가 가능해진다. 예를 들면, 탄화수소 배출물과 NOX배출물은 통상적인 공기 발화 다중 화덕 노에 의해 얻을 수 있는 것의 50% 또는 처리 생산품 기준에 따르면 그 이상에 이르기까지 각각 감소될 수 있다. 연료 가스 소비 또한 처리 생산품 기준으로 50 퍼센트 이상 감소될 수 있다.
또한 본 발명은 매연 증가와 불연소 탄화수소의 증가라는 결점 없이 온도를 제어하고 연료 소비량을 감소시키도록 연소 구역 내의 약간의 환원 조건을 사용하도록 한다. 추가 산소의 이점을 갖기 위하여, 노의 하부로 공급되는 연소 공기는 연소 구역 내의 가스 상은 최고 온도를 제한하는 환원 조건하에 있도록 감소된다. 연소 공기의 양은 연소 구역의 온도와 구역의 길이를 제어하고 전체 노의 화학량론의 균형을 맞추도록 조정된다. 필요시, 노는 하나 이상의 구역에 추가 공기 공급기를 가질 수 있다. 공기 공급기는 구역 내의 온도를 제어하는데 사용될 수 있다.
몇몇 경우에서, 노의 작동은 화덕(18-3 및 18-4)에 의해 형성되는 연소 구역 내로 산소를 분사함으로써 부가적으로 개선될 수 있다.
약간 농후한 연료에 의한 연소 구역 작동은 온도를 제어할 수 있다. 노는 산화 연소 구역에서 환원 연소 구역으로의 전이가 가능하고 산소가 건조 구역에서 고형물 혼자의 연소 또는 고형물과 가연성 가스의 연소로부터 방출되는 열을 유지하는 동안에는 되돌아 갈 수 있다. 연소 구역의 화학량론이 변화하는 동안 건조 구역 내에서 방출 열을 유지하는 것은 이러한 변동을 완화시키는 것을 돕고 노의 작동을 보다 쉽고 안전적으로 만든다.
본 발명은 거의 22%의 고형물 함유량을 갖고 나머지는 수분인 9 ton/hr (20,000 lb/hr)에 이르는 탈수 슬러지가 일반적으로 공급되는 11 화덕 니콜라스 소각기 상에서 실험되었다. 이러한 타입의 노는 도 1에 도시된 6 화덕의 노와 달리, 11개의 화덕을 갖고 있다. 실험 노에서, (상단으로부터) 다섯 번째 화덕은 산소 랜스를 갖고 있다. 가열 및 건조는 1번 화덕부터 5번 화덕에서 발생하고, 연소는 6번 화덕부터 8번 화덕에서 발생한다. 5번 화덕은 처리 가스가 주변에서 아래로부터 유동하고 그리고 가스가 다음 화덕 내로 사방으로 통과되는 노의 중심 축 쪽으로 유동하는 "바깥" 화덕이기 때문에 산소 랜스를 위하여 선택되었다.
이 실험에서, 산소는 양호하게 가스 유동과 함께 분사되었다. 13.5 ton/hr (30,000 lb/hr)에 이르는 슬러지 처리량과 24,000 SCFH의 산소 유동률에서, 노는 연도 가스 과잉 산소 수준이 건조 기준으로 약 2%-4% 되기 전까지 제한되는 연소공기에 의해 최상의 작동을 하는 것으로 나타났다. 낮은 과잉 산소 수준은 과도한 불연소 탄화수소 방출을 야기할 수 있다. 중앙 샤프트 속도는 고형물 베드를 솎아내고 노 내에서 아주 높게 끌어올려지는 연소 구역을 유지하기 위하여 정상 작동 동안 약 1.2 rpm으로부터 약 2.4 rpm 이상으로 증가되었다. 연료 가스 소비량은 통상적인 실시에 의한 8.7 MMBTU/hr로부터 본 발명에 따른 실시에 의한 5,8 MMBTU/hr로 감소되었다.
슬러지 건조 및 연소의 결합은 5번 화덕에서 산소에 의해 시작되고 이것은 7번 및 8번 화덕에서 연소하는 완전 건조 슬러지에 의해 6번 화덕에서 계속되었다. 이러한 작동 동안에, 5번 화덕은 약 870-900℃(1600-1650℉)의 온도로 제한되고 그 상부의 건조 화덕은 870℃(1600℉) 이하에서 가능한 최고 온도로 유지되었다. 농후한 산소 조건하에서, 애프터버너는 불연소 탄화수소의 방출 감소를 달성하는 동시에 낮은 열에서 작동될 수 있다.
산소 랜스는 노의 구역이 정상 위치에서 밖으로 벗어나는 경우 탄력적으로 제어하기 위하여 모든 화덕 내에 위치될 수 있다. 예를 들면, 건조 구역은 5번 화덕을 지나 6번 화덕 내로 또는 그 이상으로 연장될 수 있으며, 화덕을 가열하고 연소 구역으로 재설정하기 위하여 산소 랜스를 가질 수 있다.
가열 구역 화덕 중 하나 이상에 산소 랜스를 위치하는 것이 가장 바람직하다. 이에 따라서, 과열을 야기하지 않으면서 단일 화덕 내로 분사될 수 있도록 산소의 양이 제한되고, 가스 상 혼합이 더 이상 제한 요인이 되지 않음에 따라 회수량이 감소한다. 동일한 산소 유동을 둘 이상의 화덕으로 분할함으로써, 더 높은 처리량과 더 나은 산소 경제성을 허용하고 슬러지 표면 영역 두배 이상에 걸쳐 향상된 대류가 얻어진다. 또한 이러한 구성은 여전히 높은 노의 처리량을 높게 하면서 과열없이 보다 전체 산소 입력을 높게한다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 (a) 산소의 사용, (b) 가열 구역 내에서 난류 혼합 및 대류를 촉진하기 위한 고추진력 산소 랜스를 사용하고, 그리고 (c) 가열 또는 건조 구역이 과잉 산소로 작동되는 동안 약간 농후한 연료 조건 또는 낮은 과잉 산소 조건하에서 연소 구역의 작동을 포함하고 있다. 연소 구역 내에서 과잉 산소로 또는 농후한 연료 조건으로 노를 작동하는 동안 (a) 및 (b)를 실시하는 것이 가능할 수 있다. 만일 노가 연소 구역 내에서 과잉 산소에 의해 작동된다면, 연도 가스의 체적의 감소는 거의 또는 전혀 없게 되며 건조 구역 내에서 산소 분사물에 의해 연소하도록 적은 연소 가스가 있게 된다. 온도가 너무 과도하지 않다면 낮은 과잉 산소 조건하의 연소 구역 작동은 용인될 수 있으며, 건조 구역 내의 열 방출은 직접적으로 젖은 고형물의 연소로부터 유지된다. 전체 노는 농후한 연료 조건하에서 작동될 수 있다. 그러나, 이것은 불연소 탄화수소를 소멸하기 위한 효과적인 애프터버너를 필요로 한다. 산소보다 공기에 의한 작동은 연소 처리를 억제할 것이며 연도 가스의 체적을 감소시키지 않는다. 저속 랜스는 완전 연소를 제공하며 건조율이 향상되도록 대류를 증가시키기 위한 적절한 혼합을 제공하지 못할 것이다. 노 연소 공기의 농후한 산소는 가스 상 혼합을 향상시키거나 또는 슬러지로 이동하는 대류 열을 증가시키지는 못하지만, 연소 구역 내의 온도를 상당히 높일 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 랜스를 위한 고추진력 산소-연료 버너를 사용하여 실시될 수 있으며, 모든 이점이 실현될 수 있음은 물론, 화덕 내의 연소 전반에 걸친 추가 등급의 제어를 얻을 수 있다.
기계적으로, 전술한 통풍-냉각 랜스를 상이한 수단에 의해 냉각되거나 상이한 재료로 만들어진 다른 종류의 랜스로 대체하는 것이 가능하다. 화덕 내에 반드시 여섯 개의 랜스를 갖출 필요는 없으며 적절한 갯수이면 족하며, 랜스 각각의 구멍 양식이 동일할 필요는 없다.
타다 남은 것의 연소를 촉진하기 위하여 냉각 구역을 포함하는 하부 화덕 내에 산소 랜스를 배치하는 것이 바람직하다. 이것은 연소 구역을 노 내에서 높게 밀어올리기 위한 제어 장치로서 사용될 수 있다.
본 발명의 특징은 단지 편의를 위하여 도면 내에서 도시되고, 각 특징은 본 발명에 따른 다른 특징들과 결합될 수 있다. 청구범위 내에서 다른 실시예들이 있을 수 있음은 당업자에게 명백하다.
본 발명에 의하여, 산소 랜스를 구비한 다중 화덕 노 및 산소 랜싱을 사용하는 개선된 노를 작동하는 방법을 제공되어, 난류 가스 상 혼합을 증가시키고, 배출물이 적어지도록 가스 상 내의 일산화탄소와 탄화수소와 연소를 돕고, 건조율을 증가시키도록 건조 슬러지 상부에 대류를 증가시키고, 그리고 건조율을 더욱 증가시키도록 건조 슬러지를 발화시키기 위하여 노의 가열 또는 건조 구역 내로 고속 산소를 분사함으로써 폐기물 특히, 탈수 폐기 수분 슬러지를 다중 화덕 노에서 소각하는 것과 같이 재료를 능률적으로 처리하고, 또한 슬러지 처리량을 증가시키고 일산화탄소, 질소 산화물 및 탄화수소 배출물을 감소시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 다중 화덕 노(10)로서,
    상하로 내부에 배치된 다수의 화덕(18-1 내지 18-6)을 구비하고, 재료를 수용하여 가열하는 가열 구역과 상기 가열 구역의 바로 밑에 연소 구역을 형성되어 있는 하우징(12)과,그리고
    난류 가스 사이 혼합의 증가, 가열 재료 위에서의 대류의 증가, 그리고 가열율을 증가시키는 가열 재료이 발화의 증가 중 하나 이상의 작용을 돕기 위하여 상기 가열 구역 내에 동요를 일으키도록 상기 가열 구역 고속으로 산소를 공급하는 하나 이상의 랜스(60)를 포함하는 다중 화덕 노(10).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가열 구역과 상기 연소 구역 중 하나 이상의 구역으로 가연성 연료를 제공하기 위한 버너(46)를 더 포함하는 다중 화덕 노(10).
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 가열 구역이 건조 구역을 구성하며, 상기 가열 구역 내에 수용되는 재료는 내부에 적오도 부분적으로 건조되는 다중 화덕 노(10).
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 연소 구역으로 산소를 공급하는 하나 이상의 산소 랜스(60)를 더 포함하는 다중 화덕 노(10).
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 가열 구역은 수직으로 적층된 다수의 화덕으로 형성되고, 상기 하나 이상의 산소 랜스(60)가 상기 연소 구역에 가장 인접한 상기 가열 구역의 최하위 화덕으로 산소를 공급하는 다중 화덕 노(10).
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 연소 구역은 수직으로 적층된 다수의 화덕으로 형성되고, 상기 가열 구역에 가장 인접한 상기 연소 구역의 최상위 화덕으로 산소를 공급하는 적어도 하나 이상의 산소 랜스(60)를 더 포함하는 다중 화덕 노(10).
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 랜스가 상기 가열 구역 내로 연료와 산소를 둘 다 제공하며 산소-연료 버너(46)를 구성하는 다중 하덕 노(10).
  8. 노의 상부에서 하부로 처리 재료를 수용하기 위한 가열 구역, 연소 구역 및 냉각 구역을 형성하는 상하로 배체된 다수의 화덕을 구비한 다중 화덕 노를 작동하는 방법으로서,
    처리 재료를 상기 가열 구역으로 공급하는 단계와,
    난류 가스 상 혼합의 증가와, 처리 재료 위에서의 대류의 증가와, 처리 재료의 발화의 증가와, 그리고 처리 재료의 가열율의 증가 중 하나 이상의 작동을 돕기 위하여 상기 가열 구역 내에 동요를 일으키도록 상기 가열 구역 내로 고속으로 산소를 공급하는 단계와,
    상기 가열 구역으로부터 가열된 재료를 상기 연소 구역 내에서 재로 연소시키는 단계와, 그리고
    상기 연소 구역으로부터의 재를 상기 냉각 구역 내에서 냉각시키는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 가열 구역으로 공급되는 재료는 수분을 함유하고 있으며 상기 가열 구역 내에서 적어도 부분적으로 건조되는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 가열 구역은 수직으로 적층된 다수의 화덕으로 형성되고, 산소가 상기 연소 구역에 가장 인접한 상기 가열 구역의 최하위 화덕으로 공급되는 방법.
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