KR101030361B1 - 산소 첨가 선택적 비촉매 환원법을 이용한 연소의 향상 방법 - Google Patents
산소 첨가 선택적 비촉매 환원법을 이용한 연소의 향상 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 연소로부터 질소 산화물의 배출이 감소되고, 선택적 비촉매 환원법에 의해 질소 산화물 저감을 향상시키며, 제어된 조건 하에서 연료가 농후한 연소 영역(10) 내로 산소를 주입함에 의해 다른 효율들도 실현할 수 있다.
연소, 질소 산화물, 연소 영역, 산소, 선택적 비촉매 환원법
Description
본 발명은 예를 들면 동력을 생성하는 노(furnace) 내의 석탄 같은 탄화수소 연료의 연소 및 그 연소의 과정 중 발생하는 질소 산화물의 저감에 관한 것이다.
동력 장치의 노 내에서의 석탄의 연소는 에너지를 생성하는 중요한 수단으로 되어 왔다. 그 연소가 대기 오염에 기여한다고 생각되어 온 질소 산화물(NOx)의 대기 배출의 원인이라 믿어져 오고 있음에 따라, 그 연소 과정 중에 대기로 배출되는 질소 산화물의 양을 줄이는 방안을 확인하는데 여전히 상당한 관심이 있다.
보일러 및 노에서의 질소 산화물의 배출을 줄이는 하나의 알려진 방법은 연소 챔버 내로 암모니아, 요소(urea), 시아누르산(cyanuric acid) 또는 탄산암모늄(ammonium carbonate) 같은 반응물을 주입하는 것이고, 상기 반응물은 고온에서 아민 라디칼(-NH2)을 형성하고 질소(N2)를 형성하는 연소 챔버 내의 고온 연소 가스들 내에 존재하는 일산화질소(NO)와 반응한다. 이 방법은 선택적 비촉매 환원법(selective non-catalytic reduction - SNCR)으로 잘 알려져 있고, 종래기술에서 다양한 태양으로 설명된다. 선택적 비촉매 환원법의 공정 중 두드러진 것은 라이 온(Lyon)에 의한 미국 특허 공보 제3,900,554호 및 아랜드(Arand) 등에 의한 미국 특허 공보 제4,208,386호와 제4,325,924호에서 설명되었다. 최근의 선택적 비촉매 환원법의 개량은 미국 특허 공보 제6,030,204호 및 미국 특허 출원 공개 US2002/0025285 A1호에 설명되었다. 암모니아와 요소는 바람직한 반응물들이다. 질소 산화물의 효과적인 저감을 위해, 반응물은 각 연소 과정에 유효한 공간과 잔류시간 내에 질소 산화물을 함유한 연소 가스들과 균일하게 혼합되도록 해야 한다. 연도 가스(flue gas)와 반응물의 몰비(molar ratio)가 질소 산화물 100 내지 1,000 ppm을 함유한 연도 가스에 대해 1,000 내지 10,000 정도로 되어야 하므로, 균일한 혼합은 어려운 실제적인 문제이다.
선택적 비촉매 환원법 공정에 의한 질소 산화물의 저감 효율은 반응이 수행되는 곳의 온도에 크게 의존한다. 효율적인 반응 온도는 일반적으로 약 화씨 1,600 내지 2,000도(약 871 내지 1,093℃) 정도로 믿어지고, 이런 온도에서 수행되는 선택적 비촉매 환원법의 반응은 작고 잘 혼합된 장치에서 90%까지 질소 산화물의 저감시킬 수 있다. 그러나, 큰 보일러에서 선택적 비촉매 환원법은 보일러 내의 큰 온도 변화, 균일한 혼합을 이루는데 물리적인 제한, 및 적당한 혼합 시간을 제공함으로 인해 최대 약 55 내지 60%의 질소 산화물 저감시킨다. 보일러의 대류 섹션에 접근함에 따라 연도 가스가 겪는 급속한 냉각을 고려하여 보일러 내의 환원 반응물을 주입하는 이상기체 온도는 통상 화씨 1,800 내지 2,000도(982 내지 1,093℃) 사이라고 믿어진다. 얻어진 질소 산화물 저감량은 화씨 1,800 내지 2,000도(982 내지 1,093℃) 범위보다 낮거나 높은 온도에서 조금 떨어진다. 저온에서는 통상 "암모니아 슬립(ammonia slip)"이라고 하는 반응하지 않은 반응물의 배출이 문제가 되고, 고온에서는 질소 산화물 저감효율이 조금 떨어지는 것이 문제가 된다.
유감스럽게도, 다용도 보일러 같은 종래의 노에서, 가스들이 노의 연소 영역(예를 들면, 연료의 연소가 일어나는 영역)을 벗어나고 (선택적 비촉매 환원법의 반응물의 주입과 반응이 일어나는) 저감 영역으로 들어감에 따라 (주로 기체상의 연소 생성물들과 질소로 이루어진) 가스들의 온도는 약 화씨 2,100 내지 2,300도(약 1,149 내지 1,260℃)정도이다. 따라서, 반응물이 연도 가스와 잘 혼합될 경우라도, 통상적으로 단지 15 내지 30%의 질소 산화물 저감이 얻어진다.
지금까지, 연소 영역을 떠난 기체상의 연소 생성물들의 온도를 낮춤에 의해 이런 상황을 개선하려는 시도는 전체 장치에 성가시고 고비용이 드는 변경이 없이는 노의 효율이나 산출을 희생할 위험이 있다. 저감 영역에 공급되는 암모니아 또는 다른 반응물의 양을 증가시킴에 의해 질소 산화물 저감량이 어느 정도 향상될 수 있지만, 이것은 고가의 해결책이다. 반대로, 저 질소 산화물 연소기 및 질소 산화물 형성을 낮추기 위한(이에 따라, 주입될 필요가 있는 반응물의 양을 줄이기 위한) 오버 파이어 공기 포트(over fire air port) 같은 전통적인 수단의 첨가는 일반적으로 연소과정을 지연시키고 연소 영역을 떠난 연소 생성물들의 온도를 증가시키는 것으로 이해된다. 따라서, 선택적 비촉매 환원법 공정의 전체적인 효율은 반응물의 필요량을 줄임으로 악화된다.
선택적 비촉매 환원법 공정에서, 반응물은 보일러 또는 노에 대해 가능한 최 적 온도 범위 내에 위치된 뜨거운 노 가스와 좋은 혼합을 얻기 위해 노즐의 어레이(array)로부터 주입된다. 보일러 용도에 대해, 복사 단면의 단부에서의 영역은 바람직한 위치이다. 가스가 복사로 단면에서 대류 뱅크(convective bank)로 흐를 경우, 가스 온도는 빠르게 떨어진다. 그러나, 상기 대류 뱅크 내로의 반응물의 주입은 거기에 탐지되는 열교환기 튜브로 인해 실용적이지 않다. 반응물 주입 노즐의 위치와 분포는 통상 수성 용액으로 공급되는 반응물이 무화, 기화되어 연도 가스와 혼합되며 보일러 노의 미부 단부에 가능한 상대적으로 짧은 잔류 시간 내에 일산화 질소와 반응해야 하므로 가장 중요한 인자이다. 주입속도, 방향 및 액적 크기 분포는 모두 질소 산화물의 효율에 영향을 미치고, 각 보일러에 대해 최적화될 필요가 있다. 가스 온도가 보일러 부하와 함께 변화하기 때문에, 반응물 노즐은 자주 다수의 레벨로 위치되고 주입 레벨은 최적 온도 범위가 변화함에 따라 제어된다.
상부 노 영역의 연도 가스 순환(flue gas recirculation - FGR)은 연도 가스의 온도를 낮추는데 있어서 효율적인 방법이고 가끔 과열기(superheater)에서 스트림 온도를 제어하는데 사용된다. 이런 방법으로 공기 가열기 뒤의 연도 가스는 유도 통풍팬에 의해 재순환된다. 이런 기술은 한편, 연도 가스 내의 재로 인해 야기된 연도 가스 순환 팬의 마모 및 보수에 대한 기술적인 논쟁이 존재한다. 가열된 연도 가스[약 화씨 400 내지 500도(약 204 내지 260℃)]를 처리하는데 필요한 큰 팬을 설치하는데 드는 비용 및 재순환에 요구되는 동력에 필요한 비용 때문에, 경제학 관점에선 다른 논쟁이 있다.
연소 영역을 떠난 기체상 연소 생성물들의 온도를 낮추기 위해 희석제 (diluent)를 주입하는 것도 가능하다. 효율적인 냉각제로 물 분사가 사용된다. 그러나, 재순환된 연도 가스보다 소정 희석제의 첨가는 상당한 에너지의 손해를 초래할 수 있고, 보일러의 열적 효율을 감소시킬 수 있다.
따라서, 선택적 비촉매 환원법의 이점을 제공하는 반면, 다른 이점들을 희생하지 않고 얻을 수 있는 방법에 대한 필요가 남아 있다.
본 발명은 이런 필요를 만족하고 본 명세서에 서술된 장점들을 제공한다. 본 발명에 따르면, 탄화수소 연료는 연소 영역과, 연소 영역 내에서 탄화수소 연료를 연소시켜 연소열 및 질소 산화물을 포함한 기체상 연소 생성물을 발생시키는 연소 수단과, 연소 수단으로 연료와 연소 공기를 공급하는 공급 수단과, 기체상 연소 생성물이 연소 영역으로부터 통과하고 연소 영역의 하방에 있는 환원 영역을 갖는 노에서 연소되고, 화씨 1,900도(1,038℃) 보다 높은 온도에서 연소생성물이 환원 영역에 존재하고 환원 반응물은 환원 영역 내로 주입되어 거기서 질소를 형성하도록 연소 생성물 내에 질소 산화물과 반응하며 이에 따라 노로부터 발산되는 질소 산화물의 양을 저감시킨다. 연소기로부터 연료가 나타남에 따라 연료 내로 산소를 직접적으로 주입하고 연소기를 통해 공급된 공기로 산소를 첨가함에 의해 연료 내로 산소를 공급하면서 총 연소 영역 화학량론비가 산소의 첨가 없는 화학량론비에 비해 10% 이하만큼 변하도록 연소기를 통해 공급된 연소 공기의 양을 감소시키고 공기와 산소로 연료를 연소하며, 상기 산소의 양은 화씨 1,800도(982℃) 보다 낮지는 않지만 환원 영역 내로 통과하는 연소 생성물의 온도를 낮추기에 충분하고, 완전 연소를 위해 필요한 연료의 화학량론적인 양의 25% 보다 적다.
바람직하게는, 상기 연소 챔버 내로 공급되는 산소의 총량은 적어도 완전 연소를 위해 필요한 연료의 화학량론적 양인 적어도 충분한 산소를 포함하는 양 내에 상기 연료 농후 영역 외측의 상기 연소 챔버 내의 영역 내로 상기 연소기 이외의 다른 공급원으로부터 공기가 공급된다.
소정 환원 영역 내의 연소 생성물들은 화씨 1,900도(1,038℃) 이하일 수 있고, 어떤 영역은 그 온도 이상이다. 본 명세서에서 서술한 바와 같이, 산소의 주입은 환원 영역 내로 통과하는 연소 생성물들의 온도를 감소시키는 결과를 초래하고, 본 명세서에서 설명한 다른 이점들을 제공한다.
바람직한 실시예로서, 특히 결합 질소를 함유하는 연료에 대한 실시예에서, 저 질소 산화물 연소기에서 연소가 일어나고, 연료 농후 불꽃 영역의 화학량론비는 0.6과 1.0 사이이고, 또한 오버 파이어 공기(over fire air)에서 연소가 일어나고, 1차(primary) 연소 영역 화학량론비는 0.6과 1.0 사이이다.
다른 바람직한 실시예로서, 연료 스트림은 상기 연소기를 통해 공급되고 산소는 연료가 상기 연소기로부터 나타남에 따라 상기 연료 내로 상기 스트림 내에 위치된 랜스를 통해 주입됨에 의해 상기 연료 내로 공급된다. 또 다른 바람직한 실시예로서, 연료 스트림은 환형 연료 통로를 통해 공급되고, 산소는 환형 연료 통로 주변의 환형 통로를 통해 주입됨에 의해 상기 연료 내로 공급된다.
바람직한 실시예에서, 연료는 석탄이다.
본 발명은 여러가지 이점들을 제공한다.
생성되는 에너지 당 질소 산화물의 배출은 감소된다. 선택적 비촉매 환원법 반응물의 소비는 질소 산화물의 소정 감소량에 대해 감소된다. 상기 노의 열효율은 향상된다. 보다 많은 열이 전달됨에 따라 연도 가스의 온도가 낮아진다. 또한, 동일한 연료 투입으로부터 보다 많은 에너지가 회수되고, 보일러 튜브에 대한 같은 전체 열전달을 유지하면서 연료투입을 조금 감소시키는 것도 가능하다. 두 공정의 예측하지 않은 상승적 조합을 통해 질소 산화물의 배출이 감소된다.
본 명세서에서 사용한 "화학량론비(stoichiometric ratio)"는 탄소, 이산화탄소와 이산화황을 공급하는 물질에 있는 황과 수소, 및 물 모두를 완전히 변환하기에 필요한 총 산소량과 공급된 산소량의 비를 의미한다.
본 명세서에서 사용한 "질소 산화물(NOx)"은 NO, NO2, NO3, N2O, N2O3, N2O4, N3O4에 한정되지 않고 그 외의 혼합물들 같은 질소 산화물을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 "결합 질소(bound nitrogen)"는 탄소 및 수소를 함유하고, 선택적으로 산소를 함유하는 분자의 일부인 질소를 의미한다.
본 명세서에서 사용한 "환원 반응물(reducing reagent)"은 질소를 함유한 반응물을 형성하기 위해 일산화질소(NO)와 화씨 1,900도(1,038℃)에서 반응하는 소정 질소 화합물을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 "저 질소 산화물 연소기의 단계별 연소"는, 연료의 완전 연소를 위해 요구되는 연소 공기의 일부와 연료의 혼합이 상대적으로 큰 연료 농후 불꽃 영역과 함께 불꽃이 생성되는 것을 지연하는 노 내의 연소를 의미한다.
본 명세서에서 사용한 "오버 파이어 공기의 전체적인 단계별 연소 또는 단계별 연소"는 연료의 완전 연소를 위해 요구되는 연소 공기("오버 파이어 공기")의 일부가 소정 연소기를 거치지 않거나 바로 근방에 인접되지 않고 대신 연소기와 노 연도 수단 사이에 위치한 하나 이상의 입구(inlet)를 통해 공급되고, 연료의 관련 공급 없이 공급되는 노 내의 연소를 의미한다.
도1은 본 발명을 실행하기 위한 장치의 일 실시예의 단면도이다.
도2는 본 발명을 실행하기 위한 연소기의 단면도이다.
본 발명은 도면을 참고하여 설명될 것이지만, 도면을 참고한 설명이 본 발명의 범주를 제한하는 것은 아니다.
도1은 연소가 내부(2)에서 일어나는 어떠한 장치도 될 수 있는 선택적 비촉매 환원법 영역을 갖는 연소 장치(1)를 도시한 것이다. 바람직한 연소 장치는 노 및 미도시의 통상의 수단에 의해 스트림을 발생시키는데 사용되는 보일러를 포함한다.
연소 장치(1)의 측벽 또는 단부벽의 각 연소기(3)는 연소 장치(1)의 외측 공급원(source)으로부터 연소 장치(1)의 내부(2)로 연료, 공기 및 산소를 공급한다. 적당한 연료는 연료유(fuel oil) 같은 탄화수소액을 포함하고, 또한, 바람직한 예인 미분탄(pulverized coal) 또는 석유 코크스(petroleum coke)인 미분 탄화수소 고상체(solid)를 포함한다. 바람직하게는, 연료는 결합 질소를 함유한다.
도1 및 보다 상세하게는 도2에 도시된 바와 같이, 연소기(3)는 같은 효과의 다른 구성을 사용할 수 있지만, 여러개의 동심원적으로 배열된 통로로 이루어진 것이 바람직하다. 본 명세서에서 설명한 바와 같이 산소가 공급되는 랜스(5) 주위에 동심원적으로 배치된 환형 통로(4)를 통해 연소 장치(1) 내로 연료가 공급된다. 바람직하게는, 연료는 연료유 같은 액상의 경우는 적당한 펌프 수단에 의해서, 그리고 통상 수송 공기 또는 제1 공기 같은 기체상 운반체의 도움으로 연소 장치 내로 공급되는 미분체 같은 탄화수소 고상체의 경우는 종래의 설계의 송풍기(blower) 또는 임펠러(impeller)에 의해서, 공급원(20)으로부터 하나 이상의 연소기(3)로 수송되고, 연소 장치(1)의 내부(2)로 연소기(3)를 통해 추진된다. 액상 탄화수소 연료는 원자화된 공기와 분산된 액적을 이산시킴에 따라 연소 챔버 내로 액상 연료를 공급하기 위한 통상의 설계로 된 하나 이상의 원자화 노즐에 의해 공급되는 것이 바람직하다. 통상 약 1.5lb 내지 2.0lb(약 680g 내지 912g)인 제1 공기의 유효량은 역청질의(bituminous) 석탄의 완전 연소에 필요한 화학량론적 연소 공기의 약 20%에 상응하는 석탄의 1lb(454g)를 수송한다. 중유의 연소에 대해, 약 0.5lb 내지 1.0lb(227g 내지 454g)의 제1 공기가 통사 1lb(454g)의 기름을 원자화하는데 사용된다.
연소 공기(22)는 강제 통풍(forced draft, "FD") 팬에 의해 하나 이상의 바람상자(windbox)(21)로 공급되고, 하나 이상의 연소기(3)의 공기 통로에 공급된다. 제2 연소 공기(15)는 바람직하게는, 탄화수소 연료가 공급되는 환형 공간(4)을 둘 러싸고, 동심원적으로 배열된 환형 통로(11)를 통해 연소기(3)를 통해 연소 장치(1) 내로 공급된다. 바람직하게는, 제3 연소 공기(16)는 제2 공기 통로를 둘러싸는 동심원적으로 배열된 환형 통로(12)를 통해 연소 장치(1) 내로 연소기(3)를 통해 공급된다. 바람직하게는, 연소 공기는, 또한 연소 장치(1) 내로 파이어 공기 포트(7)(도1에 도시)를 통해 공급된다. 바람직하게는, 산소는 제2 및 제3 연소 공기와는 떨어진 장치의 내부(2)로 공급된다. 즉, 본 발명에 따른 연소기(3)를 통해 공급된 산소는, 특히 오버 파이어 공기가 사용되지 않을 경우 연소 장치(1) 내로 공급되기 전후의 제2 및 제3 연소 공기와 혼합되지 않는다.
바람직한 저 질소 산화물 연소기는 좋은 공기역학적 적응력을 갖는 제1(연료), 제2 및 제3 공기 통로를 구비한다. 그러나, 단지 제1 및 제2 공기 공급 통로를 사용하는 다른 저 질소 산화물 연소기 설계가 사용될 수 있다. 세 개의 통로에 대한 최적 설정이 결정된 경우, 제2 공기 와류 베인(vane) 및 통로는 세 개의 통로 설계에 따라 같은 공기역학적 혼합 특성이 나타나도록 설계될 수 있다. 달리, (미국 특허 제5,960,724호에 서술된 RSFCTM 연소기 같은) 추가 (제4) 통로를 갖는 연소기가 사용될 수 있다.
연소 장치의 작동으로 형성되는 질소 산화물의 생성을 줄이기 위해 본 발명에 따르면, 연소 장치를 개조하기 전에 상소 공급을 위한 랜스(5)는 아직 구비되지 않는다. 연소는 연소 공기 내에 존재하는 탄화 수소 연료와 산소 사이에서 수행되어 불꽃(6)을 형성시킨다. 탄화수소 연료가 연소기에 나타나는 연소기(3)의 단부 에 근접한 불꽃 영역(6)은 연료 농후 영역이다. 외주부 주변의 불꽃 영역(6)은 제2 및 제3 연소 공기가 연료와 완전히 반응하지 못할 경우 상대적으로 희박하다. 충분한 양의 공기가 전체 연소 단계에 대해 오버 파이어 공기 포트(7)로부터 공급될 경우, 오버 파이어 공기 포트(7) 아래의 노의 전체 하부 영역 또는 1차 연소 영역(PCZ)(10)은 공기가 주입되고 연료와 완전히 반응하지 않는 연소기(3) 근방의 영역을 제외하고는 연료 농후 영역이 된다.
바람직하게는, 제1 연소 영역을 보다 연료가 농후하게 하고, (연소 영역이 상당한 영역이라 고려되는) 번아웃(burnout) 영역(9)에서 연료의 완전 연소를 돕는 추가적인 산소를 제공하기 위해 연소 장치(1)의 내부로 오버 파이어 공기 포트 개구(7)를 통해 또한, 공기가 공급된다. 개구(7)에서 공급된 산소와 조합된, 연소기(3)를 통해 공급된 연소 공기 내의 산소는 연료를 완전 연소시키는데 충분하고, 통상 연료를 완전 연소시키는데 필요한 양을 넘어 10 내지 15 체적%의 초과 산소를 함유한다.
번아웃 영역(9)의 하류의 환원 영역 또는 선택적 비촉매 환원법 영역(19)은 연소 생성물을 수용한다. 환원 영역(19) 내로 환원 반응물이 소정 종래의 수단에 의해 공급원(29)으로부터 다수의 노즐(30)에서 분사된다. 바람직한 환원 반응물의 예는 암모니아, 요소, 시아누르산, 암모늄 탄사염 같은 무기성 및 유기성 암모늄염(ammonium salt) 및 이것들의 혼합물을 포함한다. NH3 대 NO의 몰비로 표현되는 첨가 환원 반응물의 양은 0.5 내지 3.0의 범위, 바람직하게는 0.8 내지 1.5의 범위를 갖는다.
바람직하게는, 제2 및 제3 연소 공기는 종축 근방의 와류를 발생시키기 위해 상기 연소기(3)에서 공급되고, 그에 따라 각 연소기 근방에 순환 영역을 생성하고, 공기와 연료의 혼합을 향상시킨다. 와류는 소정 와류 발생 방향으로 스트림을 지시하는 연소기의 제2 및 제3 공기 스트림에 대한 환형 통로 내에 변류기(deflector)(13, 14)를 제공하는 것 같은 알려진 기술들에 의해 얻을 수 있다. 이것은 높은 와류도(degree of swirl)를 얻을 수 있고, 바람직하게는 1983년, 로버트 이. 크리거 출판사(Robert E. Krieger Publishing Company)에서 발행된 제이. 엠. 비어(J. M. Beer)와 엔. 에이. 치기어(N. A. Chigier)의 "연소 공기역학(Combustion Aerodynamics)"에 정의된 바와 같이, 0.6 내지 2.0의 와류수(swirl number)를 얻을 수 있다.
바람직하게는, 상기 연소기(3)를 통해 공급된 공기의 총합, 즉 제1, 제2 및 제3 공기의 총합은 완전 연소에 필요한 화학량론적 공기의 60%에서 95% 사이이다. 가장 바람직하게는, 상기 연소기(3)를 통해 공급된 공기의 총합이 완전 연소에 필요한 화학량론적 공기의 약 70% 내지 85%이다.
연소 공기의 각 스트림의 속도는 초당 50 내지 200 피트(feet)(15.24 내지 60.96m)로 되는 것이 바람직하다. 상기 랜스(5)를 거친 산소의 속도는 제1 공기 속도의 50% 내지 200% 내에 있는 것이 바람직하다.
전체 연소 공기를 균일하게 농후하도록 함에 따라, 고농도의 산소에 연료 입자 또는 액적의 적어도 일부를 노출시키려는 바람직한 시도를 한 실험이 제안되어 왔다. 농후하게 된 공기가 임계적 제1 단계 공기를 포함하는 전체 연소기에 공급되도록 저 질소 산화물 연소기의 바람상자(21) 내로 산소를 주입하려는 단순한 시도는 아주 효과적이지는 못했다.
산소가 화학량론적 공기의 20%를 사용한 석탄 수송 스트림 내로 기혼합되거나 빠르게 혼합되고 전체 연소 화학량론비가 1.15일 경우, 수송 공기 스트림 및 전체 연소 공기 내의 산소의 평균 농도는 계산된다.
| 산소와 대체된 공기 화학량론비 %(*) |
수송 공기의 산소 농도(체적%) |
총 연소 공기의 평균 산소 농도(체적%) |
| 0 | 21.0 | 21.0 |
| 5 | 24.9 | 21.7 |
| 10 | 28.5 | 22.5 |
| 15 | 31.7 | 23.4 |
| 20 | 34.7 | 24.3 |
| 25 | 37.4 | 25.4 |
(* 예를 들면, 같은 양의 산소를 제공하기 위해 순수 산소의 1.05와 대체된 건조 공기 5)
적은 양의 산소를 사용함에 의해, 산소가 수송 공기와 단지 혼합될 경우, 균일하게 혼합되면 공기 중의 산소 농도의 단지 약간의 증가를 얻는다. 바람직한 방법으로 노즐 팁에서 석탄/공기 수송 스트림 내로 산소를 분사하는 것이 있다. 이 경우, 일부 석탄 입자들은 산소 스트림과 섞이고 고산소 석탄 혼합물 영역을 부분적으로 생성한다. 그런 조건들은 수송 공기 스트림과 기혼합된 산소의 경우와 비교해서 빠른 점화원 영역을 제공할 수 있고, 이른 점화 및 휘발성 성분의 제거를 촉진할 수 있다.
다른 바람직한 방법으로 석탄 스트림에 인접한 내부 및 외부 환형 공간으로부터 산소를 분사하는 것이 있다. 이 경우, 바라직한 산소 농후 연소 조건은 석탄과 산소 스트림의 경계에서 제공된다.
산소가 연료 스트림에 평행하게 고속도로 개별적으로 분사될 경우, 파마얀(Farmayan) 등("석탄-물 슬러리 연소의 질소 산화물 및 탄소 배출물 제어(NOx and Carbon Emission Control in Coal-Water Slurry Combustion)", 석탄 슬러리 연소 및 기술 제6차 국제 심포지움(Sixth International Symposium on Coal Slurry Combustion and Technology), 플로리다 올랜도, 1984년 6월 25일 - 27일)에 대한 경우처럼 산소 제트는 주위 가스들과 빠르게 희석될 수 있고 그 효과는 지연될 수 있다. 따라서, 산소 분사 방법은 주의깊게 설계되어야 한다.
본 발명은 본 명세서에서 서술한 바와 같이 유입 탄화수소 연료 스트림 내로 산소를 공급함에 의해 연소 장치 내의 질소 산화물의 형성을 줄이는 것을 향상시킬 수 있다. 보다 상세하게는, (적어도 산소 50 체적%, 바람직하게는 적어도 산소 80 체적%, 보다 바람직하게는 적어도 산소 90 체적%로 이루어진 기체상 스트림을 의미하는) 산소는 연소기로부터 나타나고 연소 장치(1)의 내부(2)로 유입됨에 따라 탄화수소 연료 내로 직접 공급된다. 따라서, 상기 경우와 같이 적어도 고체상 연료의 입자 또는 액상 연료의 액적들 중 일부는 고 산소농도를 함유한 기체상 분위기의 연소 장치및 불꽃(6)의 연료 농후부로 들어간다.
오버 파이어 공기가 전체 연소 단계에 사용될 경우, 바람직하게는 4개의 분리된 공기 통로를 구비한 공기 연소기로, 산소는 연소기(3)의 공기 통로 내에 적당 한 살포기(sparger)를 사용하여 제1 또는 제2 공기, 또는 제1 및 제2 공기 모두와 혼합될 수 있다.
산소는 연소 장치(1) 내로 개방된 단부에서 개방될 수 있고, 단부에서 닫히고 닫힌 단부에 인접한 외주부에 다수의 개구를 갖는 랜스(5) 또는 유사한 공급 라인을 통해 공급되어, 산소가 연소기로부터 연소 장치 내로 유입되는 탄화수소 연료 내로 직접 그 개구를 통해 흘러 나올 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이런 방식으로 공급된 산소량은 바람직하게는 화학량론비가 약 0.85 보다 작은 불꽃(6)의 연료 농후 영역(8)의 화학량론비를 이루는데 충분하다. 라인(5)을 통해 공급된 산소량은 연료의 완전 연소에 필요한 화학량론적 양의 25% 보다 작은 것이 바람직하다. 상기 산소량은 연료의 완전 연소에 필요한 화학량론적 양의 15% 보다 작은 것이 보다 바람직하다.
동시에, 연소기(3)를 통해 연소 장치(1) 내로 공급된 제2 및 제3 공기량은 랜스(5)를 통해 공급된 산소량에 상응하는 양에 의해 감소될 필요가 있다. 보다 상세하게는, 만일 사용된다면 오버 파이어 공기량이 일정하게 유지될 경우, 상기 연소기(3)를 통해 공급된 제2 및 제3 공기량과 만일 사용된다면 제4 공기량은 라인(5)을 통해 연료 내로 공급된 산소량의 10% 내를 함유하는 양에 의해 감소된다. 산소 분사가 보다 깊은 전체 단계에서 사용될 경우, 연소기(3)를 통해 공급된 제1 및 제2 공기량과, 만일 사용하다면 제4 공기량은 연료 내로 라인(5)을 통해 공급된 산소량 이상의 함유량에 의해 감소되는 반면, 오버 파이어 공기량은 증가하여 산소 분사 전의 값의 10% 내의 전체 연소의 화학량론비를 유지한다.
질소 산화물은 국부적인 화학량론적 조건들에 크게 의존한다. 산소 분사가 국부적인 화학량론적 조건을 보다 희박하게 만들기 때문에, 산소 분사 후 국부적인 화학량론적 조건들은 변한다고 간주한다. 예를 들면, 연소 공기의 변화 없이 0.4의 화학량론비(SR=0.4)에서 국부적으로 농후한 영역 내로 화학량론적 공기의 10%에 상당하는 산소의 분사는 SR=0.5의 국부적인 화학량론적 조건을 바꾸고 실질적으로 질소 산화물의 감소를 기대할 수 있다. 그런 효과는 SR=0.4에서 국부적인 화학량론적 조건들은 유지한 채 "산소와 공기의 10% 대체" 한 경우의 효과 보다 크다. 공급되는 연소 공기량의 변화 없이 국부적인 화학량론적 조건이 SR=0.95인 곳인 불꽃 영역으로 동일한 산소량을 분사하면, 질소 산화물은 국부적인 화학량론적 조건이 SR=1.05로 증가될 경우 조금 증가하는 것을 기대할 수 있다.
따라서, 불꽃의 가장 농후한 영역 내로 산소를 분사하는 것이 일반적으로 바람직하다.
제3 공기 및 만일 원한다면 제4 공기 내로의 산소의 분사 및 혼합은 OFA 없이 공기역학적으로 연소기가 단계화하는 것을 피한다. 이론적으로 국부적인 화학량론적 조건의 최적화는 공기를 포함하는 소정 산화제(oxidant)와 함께 수행될 수 있다. 그러나, 단지 작은 체적이 요구되고 국부적인 조건들이 불꽃의 전체 공기역학적인 혼합 조건들의 큰 충격 없이 변화되기 때문에, 산소가 보다 효과적이다.
다른 중요한 요구는 산소 농후화는 공기역학적으로 단계화된 불꽃의 연료 농후 영역("질소 형성 영역")의 물리적인 크기를 보존하거나 강화하는 방식으로 수행된다. 연소기의 소정 공기 통로 내의 산소 분사 방법 및 결과적인 공기 흐름의 환 원은 상기 연소기의 공기역학적인 단계화 조건, 및 물리적 크기와 국부적인 화학량론적 조건들에 영향을 준다. 산소 분사의 결과로 연료 농후 영역의 크기가 감소하고 연료 농후 영역 내의 평균 가스 잔류시간이 줄어들면, 그런 변화는 질소 산화물을 증가시키게 된다. 예를 들면, 축방향 랜스를 통해 산소의 고속 분사가 차례로 제2 및 제3 공기와의 혼합을 고양하는 주변 석탄/공기 스트림의 축 운동량(momentum)을 효과적으로 증가시킨다. 따라서, 불꽃의 연료 농후 질소 산화물 환원 영역의 크기는 감소될 수 있고, 질소 산화물은 증가할 수 있다. 반대로, 산소 흐름이 연소기의 팁 근방에 축 방향으로 위치된 산소 랜스로부터 방사상으로 분사될 경우, 상기 연소기 근방의 재순환 영역은 효과적으로 증가하고, 그에 따라 연료 농후 영역의 크기가 증가하며, 또한 산소 농후에 의한 질소 산화물의 환원을 촉진한다. 연소기 공기역학적 조건들 상에 산소 분사의 복잡한 충격들은 특정 연소기에 대해 질소 산화물의 환원을 얻는데 주의 깊게 산정해야 한다.
본 발명의 예기치 않은 성과에 대해 특별히 설명하지 않고, 본 발명에 따라 작동되는 연소 장치의 성능은 분사된 산소가 차례로 연료에서 기체 상으로 진입하고 대기 중의 산소와 부분적으로 반응하도록 탄화수소 연료 내에 상대적으로 휘발성 성분들이 남도록 하는 연소기에 가장 근접된 불꽃 부분의 온도를 높이도록 하는 메커니즘과 일치하고, 이에 따라 오히려 질소 산화물 성분으로 전환되는 질소 함유 종이 전환되는 연소 연료에서 분자 질소, 즉 N2로 방출되는 상대적인 환원 가스를 생성한다.
일반적으로, 연료와 산소가 진입하는 연료 농후 영역의 온도는 화씨 2,500도(1,371℃) 또는 그 이상 정도이다. 이런 방식으로 산소를 공급하는 것은 연소기(3)의 개구에 보다 근접되게 흡인되거나 심지어 연소기(3)에 부착되도록 불꽃(6)의 베이스를 야기할 수 있다. 정상 작동에서, 예를 들면 연소 장치가 본 명세서의 사상에 따라 개장된 뒤, 연소 장치의 작동은 연료의 완전 연소에 필요한 바람직하게는 25% 보다 작은, 보다 바람직하게는 15% 보다 작은 화학량론적 산소량이 연료 내로 공급되는 기반을 유지하지만, 연소 공기는 상기 경우 보다 작은 양이 연소기를 통해 공급되어 장치에 공급되는 총산소량은 연료의 적어도 완전 연소에 필요한 화학량론적 양이다.
제1실시예
표1은 본 명세서에서 서술한 바와 같이 산소 첨가 및 비첨가 선택적 비촉매 환원법에 의해 얻을 수 있는 질소 산화물의 저감을 설명한다. 본 실시예에서, 산소에 의한 질소 산화물의 저감은 몰비 1의 암모니아 대 일산화 질소의 분사로 기준선의 30%인 것으로 추정되고 선택적 비촉매 환원법에 의한 질소 산화물 저감은, 또한 기준선의 30%인 것으로 추정된다. 선택적 비촉매 환원법에 의한 질소 산화물 %는 산소와 결합될 경우, 가스 온도의 감소로 인해 같은 분사비에서 40% 증가한다.
표1. 산소 첨가 및 비첨가 선택적 비촉매 환원법에 의한 질소 산화물의 예
| 조합 공정 | SNCR만 | |
| 질소 산화물(lb/MMBtu) 기준선 | 0.4 | 0.4 |
| 산소 후의 질소 산화물(lb/MMBtu) | 0.28 | |
| SNCR 0.28 후의 질소 산화물(lb/MMBtu) | 0.168 | |
| SNCR % 질소 산화물 저감 | 40 | 30 |
| 암모니아 소비(lb/MMBtu) 0.148 | 0.108 |
상기한 실시예는 0.4 lb/MMBtu에서 0.28 lb/MMBtu까지의 질소 산화물 저감은 선택적 비촉매 환원법 또는 산소 분사만 한 것 중 어느 하나에 의해 얻어지는 것을 나타낸다. 두가지 공정이 조합될 경우, 최종 질소 산화물 배출은 0.168 lb/MMBtu까지 감소된다. 또한, 조합 공정에서 사용된 반응물의 양은 선택적 비촉매 환원법을 단독으로 사용한 경우와 비교하면 연료 투입 MMBtu당 암모니아는 0.148에서 0.108까지 30%까지 감소된다.
제2실시예
본 발명은 보일러 노의 컴퓨터 모델에 의해 모의 실험을 한 다음의 실시예에서 상세히 설명된다.
220 MW의 열적 투입에 기초한 접선 방향으로 연소하는 보일러는 사례 1, 1a 및 1c에 대한 피츠버그 #8(Pit #8) 석탄 시임(seam)으로부터 역청질 석탄, 및 사례 2, 2a, 2b 및 2c에 대한 와이오밍주(Wyoming)의 파우더 리버 바신(Powder River Basin; PRB)으로부터 낮은 등급의 부(sub) 역청질 석탄과 연소된다. 석탄의 특성은 표2에 요약되었다.
표2
| 근사 분석(%, wet) | ||
| Pit #8 | PRB | |
| 수분 | 5.2 | 28.7 |
| V.M | 38.1 | 32.0 |
| F.C | 48.1 | 33.7 |
| 먼지 | 8.6 | 5.6 |
| 총계 | 100 | 100 |
| 극한 분석(%, dry) | ||
| C | 74.0 | 68.30 |
| H | 5.1 | 4.91 |
| N | 1.6 | 1.00 |
| O | 7.9 | 17.25 |
| S | 2.3 | 0.70 |
| 먼지 | 9.1 | 7.84 |
| 총계 | 100 | 100 |
| 고위발열량(HHV)(btu/lb, wet) | 12,540 | 8,650 |
표3에서, 보일러의 작동 특성은 다음의 6가지 사례로 요약된다.
사례1. 공기와 역청질 석탄(Pit #8)의 기준선 작동
사례1a, 1b, 1c. 같은 증기 산출이지만 감소된 연료 투입에서 산소 분사와 역청질 석탄(Pit #8)의 작동
사례2. 공기와 부 역청질 석탄(PRB)의 기준선 작동
사례2a, 2b, 2c. 같은 증기 산출이지만 감소된 연료 투입에서 산소 분사와 부 역청질 석탄(PRB)의 작동
기준선 작동, 사례1에서, 역청질 석탄 60,372 lb/hr(27,384 kg/hr)은 산소 20.67 체적% 및 수분 1.5 체적%를 함유하는 연소 공기 9,144,000 SCFH와 연소된다. 총 열입력은 고위발열량(HHV)에 기초하여 756.6 MMBtu/hr에 상응하고, 전체 화학량론비는 연도 가스 내의 초과 산소 3%를 제공하기 위해 1.18로 설정된다. 석탄 내 수분의 50%는 분무기(pulvarizer) 및 연소기의 수송 라인 내에서 기화된다. 화학 량론적 연소공기의 약 20%는 제1 공기로서 분무된 석탄을 수송하는데 사용되며, 온도는 화씨 153도(67℃)이다. 공기의 균형은 연소를 위해 제2 공기로 사용되고 공기 연소기 내에서 화씨 522도(272℃)로 예열된다. 오버 파이어 공기 포트는 연소 단계에서 사용되지 않는다. 복사로(radint furnace) 섹션에서, 342.5 MMBtu/hr의 열은 보일러 수벽에 흡수되어 증기를 발생시킨다. 노 배출 가스 온도(FEGT)는 화씨 2,144도(1,173℃)이다. 71.6 MMBtu/hr 및 85.2 MMBtu/hr의 열은 각각 마무리 과열기 섹션 및 재가열기 섹션으로 전달되고, 연도 가스 온도는 화씨 1,520도(827℃)로 감소된다. 그런 다음, 연도 가스는 제1 과열기/절약기 섹션 및 공기 가열기를 통해 통과하고, 적층물(stack)로부터 배기된다. 보일러 효율은 연료 투입의 고위발열량에 기초하여 83.5%이다. 화씨 2,144도(1,173℃)의 노 배출 가스 온도로, 선택적 비촉매 환원법에 의한 질소 산화물의 저감은 15%로 되는 것으로 추정된다.
표3. 보일러
작동
| 사례1 | 사례1a | 사례1b | 사례1c | 사례2 | 사례2a | 사례2b | 사례2c | |
| 사례 정의 | ||||||||
| 석탄 유형 | Pit.#8 | Pit.#8 | Pit.#8 | Pit.#8 | PRB | PRB | PRB | PRB |
| 분쇄기 내에서 기화된 수분 % | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 |
| 내부 도관 연소기(유/무) | 무 | 무 | 무 | 무 | 유 | 유 | 유 | 유 |
| 산화제 내의 산소 % | 20.67 | 21.38 | 22.09 | 22.80 | 20.67 | 21.38 | 22.09 | 22.80 |
| 공기 예열온도(F) | 522 | 509 | 496 | 483 | 522 | 512 | 504 | 498 |
| 노 작동 | ||||||||
| 석탄 흐름(lb/hr) | 60372 | 59765 | 59247 | 58731 | 87522 | 86555 | 85782 | 84957 |
| 연소율(MMBtu/hr, HHV) | 756.6 | 749.0 | 742.5 | 736.0 | 756.6 | 748.2 | 741.5 | 734.4 |
| 내부 도관 연소기 (MMBtu/hr, HHV) |
0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 14.6 | 14.5 | 14.4 | 14.2 |
| 산화제 흐름(SCFH) | 9144000 | 8710885 | 8315947 | 7953390 | 9054000 | 8611378 | 8214228 | 7848213 |
| 연도가스 온도(F) | ||||||||
| 노 배출 가스 온도(FEGT) | 2144 | 2137 | 2125 | 2116 | 2092 | 2087 | 2084 | 2078 |
| 찌꺼기 재가열기 | 1520 | 1502 | 1489 | 1473 | 1506 | 1489 | 1482 | 1469 |
| 찌꺼기 절약기 | 850 | 822 | 797 | 772 | 851 | 825 | 808 | 786 |
| 열흡수(MMBtu/hr) | ||||||||
| 수벽 | 342.5 | 350.8 | 358.7 | 365.7 | 320.3 | 326.7 | 334.0 | 340.7 |
| 마무리 과열기 | 71.6 | 70.0 | 68.5 | 67.2 | 70.0 | 68.6 | 67.5 | 66.3 |
| 재가열기 | 85.2 | 82.2 | 79.6 | 76.9 | 84.0 | 82.2 | 79.7 | 77.4 |
| 제1 과열기 + 절약기 | 132.2 | 128.5 | 125.0 | 121.8 | 136.3 | 132.5 | 129.0 | 125.8 |
| 총계 | 631.5 | 631.5 | 631.8 | 631.6 | 610.6 | 610.0 | 610.2 | 610.2 |
| 보일러 효율 | ||||||||
| 총효율(석탄 열투입 고위발열량%) | 83.5 | 84.3 | 85.1 | 85.8 | 80.7 | 81.5 | 82.3 | 83.1 |
| 순효율(석탄 + 천연가스 투입 고위발열량%) | 83.5 | 84.3 | 85.1 | 85.8 | 79.2 | 80.0 | 80.7 | 81.5 |
사례 1a, 1b 및 1c에서, 화학량론적 연소 공기의 5%, 10% 및 15%가 각각 산소와 대체됨에 의해, 산소가 열전달 조건을 향상시키기 위해 주입된다. 이들 산소 주입율은 각각 21.38%, 22.09% 및 22.80%의 평균 산소 농도를 가진 산소 농후 공기에 상응한다. 동일한 증기 산출을 유지하기 위하여, 석탄 연소율은 각각 749.0, 742.5 및 736.0 MMBtu/hr로 감소된다. 전체 화학량론비는 연도 가스 내의 3% 초과 산소를 유지하도록 조정된다. 보일러 작동에는 다른 변화가 없다.
사례 1a에서, 350.8 MMBtu/hr의 열이 보일러 수벽에 흡수되어 증기를 발생시킨다. 노 배출 가스 온도(FEGT)는 화씨 7도 내지 2,137도(-15 내지 1,169℃)까지 감소된다. 70.0 및 82.2 MMBtu/hr의 열이 각각 마무리 과열기 섹션 및 재가열기 섹션으로 전달되고, 연도 가스 온도는 화씨 1,502도(817℃)로 감소된다. 제1 과열기/절약기 섹션에서, 128.5 MMBtu/hr의 열이 흡수되고, 연도 가스 온도는 화씨 822도(439℃)로 감소된다. 동일한 총 열이 과열된 증기를 발생시키기 위해 흡수되지만, 수벽에 의한 열흡수는 산소 분사에 의해 복사 열전달을 향상시킴으로 기준선 경우와 비교해서 약 2.4%까지 증가된다. 한편, 대류 뱅크(과열기, 재가열기 및 절약기 섹션)에서의 열흡수는 감소된 연도 가스의 질량 흐름율로 인해 약 2.9%까지 감소된다. 공기 예열 온도는 기준선 온도 화씨 522도(272℃) 내지 화씨 509도(265℃)의 화씨 13도(-10.6℃)까지 감소되고, 연료 투입은 같은 증기 산출에 대해 1.0%까지 감소된다. 저위 연료 투입과 저위 공기 예열의 조합은 연료의 고위발열값에 기초하여, 0.8% 내지 84.3%까지 보일러 열적 효율을 향상시킨다. 화씨 2,137도(1,169℃)의 노 배출 가스 온도(FEGT)에서, 선택적 비촉매 환원법에 의한 질소 산화물 저감은 17.5%로 되는 것으로 추정되고, 선택적 비촉매 환원법에 의한 15%의 기준선 질소 산화물 저감에 걸쳐 2.5%의 향상을 보인다.
사례 1b 및 1c에서 보다 많은 산소가 분사되어, 보다 많은 열이 수벽 내에 흡수되고 노 배출 가스 온eh는 각각 화씨 2,125도(1,163℃) 및 2,116도(1,158℃)로 더욱 감소된다. 보일러 열효율은 일정한 총 열흡수에 기초하여, 각각 1.6% 및 2.3%까지 향상된다. 선택적 비촉매 환원법에 의한 질소 산화물 감소는 각각 21.5% 및 25%로 되는 것으로 추정되고, 15%의 기준선 값에 걸쳐 6.5% 및 10%의 향상을 나타낸다.
사례 2, 2a, 2b, 2c는 부 역청질 PRB 석탄과 연소된 동일한 보일러의 결과들을 나타낸다. 사례 2에서, 87,522 lb/hr의 부 역청질 석탄은 기준선 경우로서 역청질 석탄으로 756.6 MMBtu/hr의 동일한 총 열투입을 유지하기 위해 9,054,000 SCFH의 연소 공기와 연소된다. 전체 화학량론비는 연도 가스 내의 3% 초과 산소를 제공하기 위해 1.19로 조정된다. 화학량론적 연소 공기의 약 20%가 제1 공기로서 분무된 석탄의 수송에 사용되고, 온도는 화씨 153도(67℃)로 유지된다. 석탄 분무기 및 수송 라인 내의 수용된 석탄에 함유된 수분의 약 50%를 증발시키기 위해, 내부 도관 연소기가 사용되고 14.6 MMBtu/hr의 천연가스가 소비된다. 공기의 균형은 연소를 위한 제2 공기로써 사용되고 공기 가열기 내에서 화씨 522도(272℃)로 예열된다. 보일러 작동에 다른 변화는 없다. 복사로 섹션에서, 320.3 MMBtu/hr의 열이 보일러 수벽으로 흡수되고, 증기를 발생시킨다. 노 배출 가스 온도(FEGT)는 화씨 2,092도(1,144℃)이다. 70.0 및 84.0 MMBtu/hr의 열이 각각 마무리 과열기 섹션 및 재가열기 섹션으로 전달되고, 연도 가스 온도는 화씨 1,506도(819℃)로 감소된다. 제1 과열기/절약기 섹션으로의 열플럭스는 136.3 MMBtu/hr이고, 절약기에서 배출된 연도 가스 온도는 화씨 851도(455℃)이다. 보일러 효율은 석탄 투입의 고위발열량에 기초하여 80.7%이다. 석탄을 건조시키기 위해 사용된 천연가스의 고위발열량을 포함한 보일러 순수 효율은 79.2%이다.
사례 2a, 2b 및 2c에서, 화학량론적 공기의 5%, 10% 및 15%가 산소와 대체되어 산소는 열전달 조건들을 향상시키기 위해 분사된다. 이들 산소 분사율은 각각 21.38%, 22.09% 및 22.80%의 평균 산소 농도를 갖는 산소 농후 공기에 상응한다. 동일한 증기 산출을 유지하기 위해, 석탄 연소율은 각각 748.2, 741.5 및 734.4 MMBtu/hr로 감소된다. 전체 화학량론비는 연도 가스 내의 3% 초과 산소를 유지하기 위해 조정된다. 보일러 작동의 다른 변화는 없다.
보일러 효율 향상에 있어 PRB 석탄과 함께 산소 분사의 효과는 역청질 석탄의 산소 분사 효과와 매우 유사하다. 그러나, 연도 가스 온도 저하와 추정되는 선택적 비촉매 환원법에 의한 질소 산화물 저감 모두의 효과는 역청질 석탄의 효과보다는 덜 나타난다. 사례 2, 2a, 2b 및 2c에 대해서 선택적 비촉매 환원법에 의한 질소 산화물 저감은 각각 33, 34.5, 35.5 및 37.5%로 추정된다. 표에 나타낸 데이타는 천연 가스 및 기름 같은 다른 연료들에 있어 유사한 결과들이 나타난다는 것을 명시한다. 따라서, 선택적 비촉매 환원법과 산소 분사의 조합의 상승 효과는 다른 연료들에도 적용 가능하다.
Claims (11)
- 연소 영역(2)과, 상기 연소 영역(2) 내에서 탄화수소 연료를 연소시켜 연소열 및 질소 산화물을 포함한 기체상 연소 생성물을 발생시키는 연소기(3)와, 상기 연소기(3)로 연료와 연소 공기를 공급하는 공급 수단(20, 22)과, 상기 기체상 연소 생성물이 상기 연소 영역(2)으로부터 통과하고 상기 연소 영역(2)의 하방에 있는 환원 영역(19)을 가지고, 화씨 1,900도(1,038℃)보다 높은 온도에서 연소 생성물이 상기 환원 영역(19)에 존재하고 환원 반응물은 상기 환원 영역(19) 내로 주입되어 거기서 상기 연소 생성물 내의 질소 산화물과 반응하여 질소를 형성함으로써 노(1)로부터 방출되는 질소 산화물의 양이 감소되는 노(1) 내의 탄화수소 연료의 연소에 있어서,상기 연소기로부터 연료가 나타날 때에 연료 내로 산소를 직접적으로 주입하거나 상기 연소기를 통해 공급되는 공기에 산소를 첨가함에 의해 연료 내로 산소를 공급하면서, 총 연소 영역 화학량론비가 산소의 첨가 없는 화학량론비에 비해 10% 이하만큼 변하도록 상기 연소기를 통해 공급된 연소 공기의 양을 감소시키고, 상기 공기와 산소로 연료를 연소시키는 단계를 포함하며,상기 산소의 양은 화씨 1,800도(982℃)보다 낮지는 않게 상기 환원 영역(19) 내로 통과하는 상기 연소 생성물의 온도를 낮추고, 상기 산소의 양은 연료의 완전 연소를 위해 필요한 화학량적인 양의 25% 미만인 것인 산소 첨가 선택적 비촉매 환원법을 이용한 연소의 향상 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 연료는 결합 질소를 포함하는 산소 첨가 선택적 비촉매 환원법을 이용한 연소의 향상 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 연료는 결합 질소를 포함하고, 상기 연소는 저 질소 산화물 연소기인 상기 연소기(3)에서 일어나고, 연료가 농후한 불꽃 영역 화학량론비는 0.6과 1.0 사이인 산소 첨가 선택적 비촉매 환원법을 이용한 연소의 향상 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 연료는 결합 질소를 포함하고, 상기 연소는 오버 파이어 공기(7)에서 일어나고, 1차 연소 영역 화학량론비는 0.6과 1.0 사이인 산소 첨가 선택적 비촉매 환원법을 이용한 연소의 향상 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 연소기(3)를 통해 연료 스트림이 공급되고, 연료가 상기 연소기(3)로부터 나타날 때 상기 스트림 내에 위치된 랜스(5)를 통해 상기 연료 내로 주입함으로써 산소가 상기 연료 내로 공급되는 산소 첨가 선택적 비촉매 환원법을 이용한 연소의 향상 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 연소기(3)의 환형 연료 통로(4)를 통해 연료 스트림이 공급되고, 상기 환형 연료 통로 주변의 환형 통로를 통해 주입함으로써 산소가 상기 연료 내로 공급되는 산소 첨가 선택적 비촉매 환원법을 이용한 연소의 향상 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 연료는 석탄인 산소 첨가 선택적 비촉매 환원법을 이용한 연소의 향상 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 석탄은 결합 질소를 포함하고, 상기 연소는 저 질소 산화물 연소기인 상기 연소기(3)에서 일어나고, 연료가 농후한 불꽃 영역 화학량론비는 0.6과 1.0 사이인 산소 첨가 선택적 비촉매 환원법을 이용한 연소의 향상 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 연소는 오버 파이어 공기(7)에서 일어나고, 1차 연소 영역 화학량론비는 0.6과 1.0 사이인 산소 첨가 선택적 비촉매 환원법을 이용한 연소의 향상 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 연소기(3)를 통해 석탄의 스트림이 공급되고, 석탄이 상기 연소기(3)로부터 나타날 때 상기 스트림 내에 위치된 랜스(5)를 통해 상기 석탄 내로 주입함으로써 산소가 상기 석탄 내로 공급되는 산소 첨가 선택적 비촉매 환원법을 이용한 연소의 향상 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 연소기(3)의 환형 연료 통로(4)를 통해 석탄 스트림이 공급되고, 상기 환형 연료 통로 주변의 환형 통로를 통해 주입함으로써 산소가 상기 석탄 내로 공급되는 산소 첨가 선택적 비촉매 환원법을 이용한 연소의 향상 방법.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |