KR101585533B1 - Nh3 소각 방법 및 nh3 소각로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 아화학량론적 양으로 조절된 소각 조건인 제1 소각 단계 및 산소의 화학량론적 양보다 더 큰 양인 제2 소각 단계를 포함하는 NH3 소각로 내의 NH3 소각 방법에 관한 것으로, 생성물 스트림은 NO의 형성이 감소되어 생성된다. 또한, 본 발명은 NH3 소각로에 관한 것이다.

Description

NH3 소각 방법 및 NH3 소각로{A process for incinerating NH3 and a NH3 Incinerator}
본 발명은 NH3 소각에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 NO 형성이 감소된 NH3 소각 방법, 이러한 방법의 조절 및 NH3 소각로에 관한 것이다.
NH3(ammonia)는 날카로운 냄새의 부식성, 무색 가스이다. 이것은 자연적으로 발생하고, 또한 화학 산업에 의해 제조된다. 암모니아를 포함하는 폐기 가스 스트림은 정유 공장에서 빈번하게 발생된다. 또한, 때때로 어떤 폐기 가스 스트림은 유사한 비율로 황화수소가 포함되어 있다.
NH3는 NH3 소각 방법, 또는 대신에 클라우스 방법(Claus process)에서 처리할 수 있다. NH3 파괴를 위한 상기의 두 경로는 화학 및 방법 조건에서, 장비 요구의 관점에서 다르다. 두 루트 모두 NH3의 파괴를 달성한다. 따라서, NH3를 포함하는 H2S 가스 스트림은 클라우스 방법에서 피드 스트림(feed stream)으로 사용될 수있다. 클라우스 방법(Claus process)은 가스상 황화수소에서 황 원소를 회수하는 가스 탈황 방법이다. 또한, 클라우스 방법은 H2S 및 SO2의 존재하에서 NH3를 변환하는 매우 효율적인 방법으로, NO의 생산이 거의 또는 전혀 없다.
피드가 H2S 이외에 NH3를 포함하는 것을 사용할 때, 클라우스 방법의 단점은 암모늄 염을 형성하는 것이다. 따라서, NH3의 존재를 처리하도록 구성된 클라우스 퍼니스(furnace)는 보다 높은 온도에서 실행된다(일반적으로, 적어도 1250 ℃의 온도 상승). 또한, 혼합 가스 스트림을 사용할 때 필요한 산소량에 비해 비교적 순수한 H2S 스트림은 운영 및 투자 비용이 증가함으로써 훨씬 더 높다.
선행특허 WO 2006106289에 따르면, 황화수소(hydrogen sulphide) 및 암모니아(ammonia)를 포함하는 가스 스트림은 스트립탑(stripping column)에서 단일 연소 스테이지(stage) 또는 클라우스 공장(Claus plant)의 퍼니스(furnace)로 전달된다. 연소는 근본적으로 모든 암모니아를 제거하는 조건하에서 수행된다. 연소는 산소를 부피 기준으로 적어도 40 % 함유하는 기체 스트림에 의해 지원된다.
US 6,902,713에서는 부분 산화 과정은 산소 부화 가스(oxygen-rich gas)의 도움으로 클라우스 퍼니스(Claus furnace)에서 황화수소(hydrogen sulphide) 및 암모니아(ammonia)를 함유하는 가스를 통해 형성된다. 상기 과정은 퍼니스로부터, 즉 클라우스 방법에서 수율 및 전환율과 관계없이 클라우스 방법의 다양한 단계 이후 생산량에 암모니아의 잔류 함량 측정하고, 클라우스 유닛의 사용자에 의해 설정된 최대 값과 상기 값을 비교하고, 이에 따라 암모니아 가스의 흐름에 비례하여 산소 부화 가스의 흐름을 수정하는 것을 포함한다.잔류 암모니아 함량은 상기 클라우스 퍼니스에서 배출부(outlet)에 메인 관(main duct) 또는 분기 샘플링 파이프에 있는 레이저 다이오드에 의해 연속적으로 측정되고, 상기 샘플링 파이프로부터 상기 메인 덕트로 가스가 재주입되고, 산소 부화 가스의 흐름은 연속 측정 장치 및 레귤레이터 자동 콘트롤러 사이 조절 루프에 의해 수정된다. 이러한 사워 가스(sour gas) 스트림은 최대 60 몰%의 암모니아를 함유하고 황화수소도 상당량 함유한다.
황화수소 및 암모니아를 함유하는 폐스트림을 처리하기 위한 상기 과정은 근본적으로 모든 암모니아를 제거하는 장점을 갖고 있지만, 불행하게도 클라우스 퍼니스는 항상 가능하지는 않다. 또한, 전형적인 클라우스 퍼니스는 황화수소의 부분적인 연소 및 황 원소를 형성하기 위한 이산화 황화물(sulphide dioxide)과 황화수소의 클라우스 반응을 수행하기 위한 여러 단계를 포함하고, 황 원소를 회수하기 위해 여러 컨덴서(condenser) 및 다음 반응에 앞서 남아있는 가스를 따뜻하게 하기 위해 여러 재열기(reheater)를 포함하는 등, 다소 복잡하다. 다시 말해서, 상술한 문헌에 개선된 클라우스 방법과 퍼니스는 NO 없이 NH3의 가상의 완전한 소각이 가능하다고 설명하였지만, 단점으로 비교적 고가의 클라우스 퍼니스의 투자 및 클라우스 퍼니스의 하류 측 장비, 또한 비교적 높은 운영 비용이 있습니다. 마지막으로, US 6,902,713에서 보여준 바와 같이, 심지어 클라우스 방법은 일반적으로 클라우스 방법의 잔류 가스(tail gas)의 처리를 위한 소각로를 필요로 한다.
전용 NH3 소각로는 중요 또는 유일한 가연성 성분으로서 NH3를 포함하는 폐가스 스트림의 처리를 위한 클라우스 방법보다 더 매력적이다. 그러나, NH3 소각로의 문제점은 질소 산화물이 연소하는 동안에 형성될 수 있다는 것이다. 근본적으로 소각 방법으로부터 발생하는 배출 가스에서 질소 산화물의 상당량을 만들지 않고 이러한 가스 스트림의 암모니아 전부를 파괴할 필요가 있다.
선행특허 GB 2116531에 방법 및 장치는 폐가스(waste gas)와 가연성 황 화합물-함유 폐가스를 함유하는 NH3의 동시 처리에 대해 설명한다. 이 방법에서의 연소는 세 번째 단계에서 황 화합물-함유 폐가스의 연소에 따라 별도의 세 단계로 수행된다. 제1 소각 단계에서, NH3를 함유하는 폐가스는 소각로에서 자유 산소(free oxygen)의 첫 번째, 반화학량론적 양의 연료 가스의 존재하에 연소된다. 다음으로, 연소 가스는 초-화학량론적(super-stoichiometric)이며 두 번째 소각로에서 혼합물을 연소시키는 첫 번째 및 두 번째 양의 합인 자유 산소의 두 번째 양으로 혼합된다. 관련 정보가 제공되지 않거나 추가로 감소된 NO 형성과 함께 연소 효율을 최적화하는 방법을 제안한다. 선행특허 JP 49042749에서 공기와 암모니아의 연소는 중간 냉각과 두 단계로 설명되어 있다.
선행특허 EP 1106239에서 다른 방법이 알려져 있다. 암모니아의 부피가 적어도 50 % 이지만, 황화수소의 부피가 5 % 미만으로 함유하는 가스 스트림은 산소 및 산소 부화 공기(oxygen-enriched air)가 공급된 반응 영역에서 연소된다. 연소 및 암모니아의 열분해 모두 두 반응 영역에서 일어난다. 반응 영역으로 산소의 공급 비율은 반응 영역으로 공급되는 모든 가연성 유체의 완전 연소에 필요한 화학량론적 비율의 75 내지 98 %이고; 암모니아에 대한 산소의 비율은 이에 따라 더욱 작다. 반응 영역으로부터 유출 물을 연속적으로 (바람직하게는 순수 산소 또는 산소가 풍부한 공기와 함께) 연소 대기로 배출된다. 이러한 조건 하에서는 질소 산화물의 형성을 최소화 할 수 있는 반면, 근본적으로 암모니아가 폐가스에 남아있다. 따라서, 이 방법은 순수한 산소 또는 산소가 부화 공기를 필요로 한다. 순수한 산소 또는 산소 부화 공기를 필요로하지 않고 NH3를 소각하는 방법은 더 매력적이다. 그러면서 NO의 양을 100 ppm 미만, 바람직하게는 50 ppm 미만의 양으로 줄이는 것이 바람직할 것이다.
본 발명자는 NH3 예를 들어, 적어도 30 부피% NH3를 함유하고, 바람직하게는 40 부피% 이하인 H2S를 함유하는 스트림 소각 방법을 최적화시키기 위해 착수하였으며, NO 형성은 100 ppm 미만으로 감소된다. 다음으로 이 과제를 해결한다.
본 발명의 목적은 NH3 소각 방법 및 NH3 소각로를 제공하는 데 있다.
본 발명은
가스 스트림 내의 NH3에 대하여 아화학양론적(sub-stoichiometric) 양으로 산소가 존재하는 제1 산소 함유 스트림과 NH3 및 선택적으로 연료 스트림을 포함하는 가스 스트림을 소각 조건 하에서 반응시켜 제1 생성물 스트림이 제조되는 단계(단계 a);
잔류 NH3 및/또는 형성된 HCN 및/또는 형성된 NO의 함량을 위하여 상기 제1 생성물 스트림의 조성을 분석하는 단계(단계 b); 및
250 ppm 이하의 잔류 NH3 및 250 ppm 이하의 NO를 포함하는 제1 생성물 스트림이 제조되도록 상기 제1 생성물 스트림의 분석에 기초하여 상기 스트림들 중 하나 이상을 조정하는 단계(단계 c);를 포함하는 제1 소각 단계(단계 1); 및
산소의 양이 화학양론적 보다 더 크게 존재하는 제2 산소 함유 스트림과 상기 제1 생성물 스트림을 소각 조건 하에서 반응시켜 제2 생성물 스트림이 제조되는 단계(단계 a);를 포함하는 제2 소각 단계(단계 2);
를 포함하는 NH3 소각로에서 NH3의 소각 방법을 제공한다.
특히, 상기 방법은 상당한 양의 NH3 및 비교적 낮은 양의 H2S를 함유하는 폐가스 스트림에 적합하다. 또한, 본 발명에 따른 방법에 적합한 NH3 소각로가 제공된다.
본 발명에 따른 NH3 소각로에서 NH3의 소각 방법은 상당한 양의 NH3 및 비교적 낮은 양의 H2S를 함유하는 폐가스 스트림에 적합하다.
도 1은 본 발명의 NH3 소각로의 간략도이다.
NH3 소각을 위한 버너(burner, 110); 제1 산소 함유 스트림(B)의 양을 조정하기 위한 제1 산소 조절 수단(first oxygen control means, 121)을 구비한 산소 함유 스트림을 위한 버너(110)의 도입부(inlet, 120); NH3 함유 스트림(A)의 양을 조정하기 위한 제1 NH3 조절 수단(first NH3 control means, 131)을 선택적으로 구비한 NH3 함유 가스 스트림을 위한 버너(110)의 도입부(130); 연료 스트림(C)의 양을 조정하기 위한 제1 연료 조절 수단(first fuel control means, 141)을 선택적으로 구비한 연료 스트림을 위한 버너(110)의 도입부(140); 상기 반응 영역(100)에서 제조된 제1 생성물 스트림을 위한 상기 반응 영역(100)의 하류 측의 배출부(outlet, 160); 상기 반응 영역(100)에서 제조되는 상기 제1 생성물 스트림에서 NH3 및/또는 HCN 및/또는 NO의 함량을 분석할 수 있으며, 제1 조절 수단(121, 131 및 141) 중 하나 이상을 조정할 수 있는 상기 반응 영역(100)의 단부에 위치하는 분석기(analyser, 170); 및 상기 반응 영역(100)의 하류 측에 선택적인 온도 조절 수단(temperature control means, 180)(예를 들면, 반응 열의 복구를 위한 급냉부 또는 폐열 보일러의 형태);을 포함하는 제1 반응 영역(first reaction zone, 100)을 포함하고,
상기 반응 영역(100)에서 제조된 제1 생성물 스트림을 위하여 상기 반응 영역(200)의 시작부에 위치하는 도입부(230)를 포함하고; 제2 산소 함유 스트림(B)의 양을 조정하기 위한 제2 조절 수단(second control means, 221)을 선택적으로 구비한 제2 산소 함유 스트림을 위하여 반응 영역(200)의 시작부에 위치하는 도입부(220)를 포함하고; 선택적으로, 제3 산소 함유 스트림(B)을 위한 도입부(211) 및 제2 연료 스트림(C)을 위한 도입부(212)를 구비한 제2 버너(210)를 포함하고; 선택적으로, 폐스트림(waste stream, D)을 위하여 상기 반응 영역(200)의 시작부에 위치하는 도입부(250); 상기 반응 영역(200)에서 제조된 제2 생성물 스트림을 위하여 상기 반응 영역(200)의 하류 측에 위치하는 배출부(260); 선택적으로, 상기 반응 영역(200)에서 제조된 상기 제2 생성물 스트림 내의 산소 함량을 분석할 수 있으며, 바람직하게는 상기 제2 조절 수단(221)을 조정할 수 있는 상기 반응 영역(200) 단부에 위치하는 분석기(270); 선택적으로, 반응열을 회수하기 위한 상기 반응 영역(200)의 하류 측에 위치하는 폐열 보일러(waste heat boiler, 280);를 포함하는 상기 반응 영역(100)에서 제조된 상기 제1 생성물 스트림을 소각하기 위한 상기 반응 영역(100)의 하류 측의 제2 반응 영역(second reaction zone, 200)을 포함하는 NH3 소각로를 나타낸다.
바람직한 실시예들은 하기에 설명되어 있다.
소각 조건들은 알려져 있다. 일반적으로, NH3는 대기압에서 소각된다. 상기 반응은 발열성이며, 통상적으로 NH3 함유 스트림의 추가 구성 요소(예를 들어, 연료 첨가)에 따라, 약 1500 ℃의 온도에 도달한다. 상기 방법은 적어도 30 부피%, 바람직하게는 적어도 50 부피%의 NH3, 더욱 바람직하게는 적어도 60 부피%의 NH3를 포함하는 폐스트림(waste stream)에 대하여 특히 흥미롭다. 상기 가스 스트림은 약간의 H2S, 바람직하게는 최대 40 부피%의 H2S, 더욱 바람직하게는 최대 5 부피%의 H2S를 포함할 수 있다. H2S를 더 포함하는 가스 스트림은 클라우스 퍼니스(Claus furnace)에서 보다 적합하게 처리된다. NH3 함유 가스 스트림의 적합한 소스는 예를 들어, 산성수(sour water) 스트리퍼(stripper)로부터의 스트림이다. 본 발명의 실시 예에서 연료 스트림은 탄화수소(hydrocarbons) 황화수소(hydrogen sulphide), 일산화탄소(carbon monoxide) 또는 수소 가스(hydrogen gas)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상을 포함할 수 있다.
도 1에 본 발명의 NH3 소각로의 간략도가 도시되어있다. 상기 반응을 시작하기 위해, 연료 스트림은 바람직한 연소 조건에 도달하기 위해 제1 반응 영역(100)에서 산소와 함께 점화된다. 제1 반응 영역(100) 내에 NH3를 소각하기 위해서는 950 내지 1700 ℃ 범위의 온도, 바람직하게는 1200 내지 1400 ℃ 범위의 온도가 바람직하다. 950 ℃ 미만에서 NH3 함유 스트림의 안정적인 연소는 어려울 것이다. 1700 ℃ 초과에서는, 일반적으로 열 절연에 사용되어 적용된 내화성 라이닝 재료들에 적합하지 않다. 적합한 온도에 도달한 후, NH3 함유 스트림이 도입된다. 연료는 NH3 함유 스트림과 혼합될 수 있으며, 그 결과 제1 산소 함유 스트림과 상호 반응된다. 예를 들어, 만약, NH3 함유 스트림이 물을 포함하는 경우, 연료를 추가하는 것이 도움이 된다. 상기 물의 존재는 반응기에서 발생하는 발열을 줄일 수 있다. 따라서, NH3 함유 스트림에 대한 연료의 양은 950 내지 1700 ℃의 범위에서, 바람직하게는 1200 내지 1400 ℃의 범위에서 반응 온도를 유지하도록 한다. 이하 설명된 실시예를 살펴보면, 그것은 상기 NH3 함유 스트림이 실질적으로 수분이 없는 것으로 추정된다. 따라서, 연료 가스를 추가할 필요 없다.
이상적으로 NH3는 하기 반응에 따른 NO 또는 HCN과 같은 부산물의 형성 없이 소각된다:
4NH3 + 3O2 ----> 2N2 + 6H2O
이상적으로, 산소에 대한 NH3의 중량비는 약 2 : 3(예를 들면, 4*17 : 3*32) 이다. 그러나, 상기 NH3 함유 스트림에서 NH3의 함량은 통상적으로 100 % 미만으로, 일반적으로 공장에서는 공기가 아니라 순수한 산소보다 약 20 부피%의 산소 함량인 산소 함유 스트림이 사용된다. 통상적으로, 상기 산소 함유 스트림에 대한 NH3 함유 스트림의 중량비는 약 1 : 6 이다. 그러나, 상기 NH3 함유 스트림 내의 NH3의 함량은 다른 성분들의 함량이 있으므로 시간이 지남에 따라 변동될 수 있다. 대략 정상 상태 조건을 유지하기 위해, 분석기(170)는 반응 영역(100) 내에 도입된 산소의 양을 수정하는 제1 조절 수단(121)(예를 들면, 밸브 또는 밸브의 시리즈)으로 조정한다. 대안 형태에 있어서, 분석기(170)는 반응 영역(100) 내에 도입된 NH3의 양을 수정하는 상기 제1 조절 수단(131)으로 조정한다. 또 다른 대안 형태에 있어서, 분석기(170)는 반응 영역(100) 내에 도입된 NH3의 양을 수정하는 상기 제1 조절 수단(141)으로 조정한다. 또한, 상기 제1 조절 수단들의 두 개 이상의 조정의 결합은 가능하다. 만약, 반응 영역(100) 내에 다른 가연성 성분이 없을 경우, 다음 산소는 모든 NH3의 소각에 필요한 화학양론적 비율의 95 ~ 98%의 레벨에 도달하기 위한 비율로 공급된다. 만약, 상기 NH3 함유 스트림이 추가적으로 연료와 같은 가연성 성분을 포함하는 경우, 다음 산소의 양은 가스 스트림에 존재하는 가연성 성분에 대하여 화학양론적 양의 50 ~ 99 % 범위의 산소 양까지 증가되어야 한다. 본 발명에 따른 분석기(170)를 사용함으로써 여러 구성 요소들 및 소각 조건들에서 일어나는 여러 반응들이 있을 때 변화되는 다소 복잡한 상호 관계에도 불구하고, 반응물의 양이 조정될 수 있는 장점을 가진다. 예를 들면, 상기 산소의 양은 NH3 함유 스트림에 대한 산소의 중량비를 증가시킴으로써 조정될 수 있다. 대안적으로, 산소 스트림으로서 사용되는 공기는 산소 풍부할 수 있다.
상기 산소 함유 스트림은 하나 이상의 도입부를 통해 도입하지만, 하나의 도입부를 통해 도입하면 충분하다고 할 수 있다. 반응 영역(100) 내 반응물의 체류 시간은 짧다. 즉, 1 초 미만, 심지어 0.2 초 미만이 될 수 있다.
다양한 분석기들은 분석기(170)로서 사용될 수 있다. 바람직하게, 상기 분석기(170)는 반응 영역(100)의 단부에 잔류 NH3 함량을 분석하는 레이저 다이오드이다. 상기 분석은 간격으로 등, 또는 연속적으로 수행될 수 있다. 짧은 응답 시간이 필요한 경우, 예를 들어 상기 반응물 공급 스트림(reactant feed stream)의 함량 내 급격한 변화 때문에 상기 분석은 바람직하게는 연속적 또는 반연속적(예를 들면, 5 초에 한 번씩 또는 짧은 간격)이다. 상기 분석은 바이패스(bypass)에서 또는 상기 반응 영역(100)에서 수행될 수 있다. 바이패스에서 제1 생성물을 분석하기 위한 조건들은 일정하게 유지될 수 있어 신뢰성을 향상시킨다. 반면, 반응 영역(100)에서 분석하는 것은 상기 가스 스트림의 조성 내의 변화에 더 짧은 응답 시간을 제공하고, 이에 따라 소각 조건의 조절이 더 용이하다.
본 발명에 따르면, NH3가 반응 영역(100)에서 거의 완전히 소각이 되었으나, 일부 잔류 NH3가 여전히 남아있다. 만약, 상기 소각이 완료되어 상기 잔류 NH3 함량이 (약) 0 이라면, NO의 생성은 이미 시작되고, NO의 전체 생성이 너무 높을 수 있다. 반응 영역(100)에서 소각이 충분히 수행되지 않은 경우, 가스 스트림이 상기 반응 영역(200)에서 연소되어 높은 NO 함량으로 이어질 것이며, 가스 스트림은 높은 NH3 함량을 가질 것이다. 다시 말해서, 본 발명자는 일부 NO가 생성될 때까지 제1 단계에서의 반응을 계속하여 최종 생성물에서 NO를 줄일 수 있다는 것을 발견하였다.
바람직한 실시 형태에 있어서, 제1 산소 함유 스트림 및/또는 다른 반응물 공급 스트림은 제1 생성물 스트림에서 NH3 함량이 100 ppm 미만, 더욱 바람직하게는 50 ppm 미만으로 발생하도록 조정된다.
대안 분석기는 HCN 또는 NO와 같은 제1 생성물 스트림 내에 존재할 가능성이 다른 구성 요소를 기반으로 하여 제1 산소 함유 스트림을 조정하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 4 %의 NH3 함량의 프로판/공기 플레임이 소각될 때, 연소 생성물로서 HCN이 발생하며, 그 후 하나 이상의 반응물 공급 스트림들은 제1 생성물 스트림 내의 HCN 함량이 1400 ppm 미만, 바람직하게는 1000 ppm 미만으로 발생하도록 조정할 수 있다. 마찬가지로, 하나 이상의 반응물 공급 스트림은 제1 생성물 스트림 내의 NO 함량이 200 ppm 미만, 바람직하게는 100 ppm 미만으로 발생하도록 조정할 수 있다.
온도는 제2 반응 구역(200)에서 바람직하게는 800 ~ 1100 ℃의 범위로, 보다 바람직하게는 850 ~ 1000 ℃의 범위로 유지된다. 산소는 완전 소각이 보장되는 양으로 공급된다. 만약, 상기 제1 생성물 스트림 내의 가연성 성분의 소각의 결과로서 반응 온도가 하한 이하로 떨어지는 경우, 그때는 연료를 추가하는 것이 유리할 수 있다. 또한, 반응 영역(200) 내의 온도를 급냉하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들면, 공급 스트림 중 하나에 물을 첨가할 수 있다. 이하, 보다 상세히 설명될 바와 같이, 상기 제1 생성물 스트림의 상승된 온도의 매우 효율적인 용도는 반응 영역(200) 내의 소각된 폐스트림(waste stream)을 따뜻하게 하는 것이다.
상기 반응 영역(100)의 소각로 버너(110) 및 선택적인 상기 반응 영역(200)의 소각로 버너(210)의 설계는 특별한 관련이 없다. 소각로 버너들의 다양한 유형이 사용될 수 있다. 바람직하게, 버너는 연소 스트림(들) 및 상기 산소 함유 스트림을 혼합하는 데 사용된다. 상기 버너는 점화기를 장착할 수 있다.
상기 반응 영역들(100, 200)의 설계는 특별한 관련이 없다. 사실, 상기 NH3 소각로는 하나의 반응기 용기의 부분으로서 두 반응 영역들이 있거나 연결된 두 개의 별도의 반응 용기를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은
NH3 소각을 위한 버너(burner, 110); 제1 산소 함유 스트림의 양을 조정하기 위한 제1 산소 조절 수단(first oxygen control means, 121)을 구비한 산소 함유 스트림을 위한 버너(110)의 도입부(inlet, 120); NH3 함유 스트림의 양을 조정하기 위한 제1 NH3 조절 수단(first NH3 control means, 131)을 선택적으로 구비한 NH3 함유 가스 스트림을 위한 버너(110)의 도입부(130); 연료 스트림의 양을 조정하기 위한 제1 연료 조절 수단(first fuel control means, 141)을 선택적으로 구비한 연료 스트림을 위한 버너(110)의 도입부(140); 상기 반응 영역(100)에서 제조된 제1 생성물 스트림을 위한 상기 반응 영역(100)의 하류 측의 배출부(outlet, 160); 상기 반응 영역(100)에서 제조되는 상기 제1 생성물 스트림에서 NH3 및/또는 HCN 및/또는 NO의 함량을 분석할 수 있으며, 제1 조절 수단(121, 131 및 141) 중 하나 이상을 조정할 수 있는 상기 반응 영역(100)의 단부에 위치하는 분석기(analyser, 170); 및 상기 반응 영역(100)의 하류 측에 선택적인 온도 조절 수단(temperature control means, 180)(예를 들면, 반응 열의 복구를 위한 급냉부 또는 폐열 보일러의 형태);을 포함하는 제1 반응 영역(first reaction zone, 100)을 포함하고,
상기 반응 영역(100)에서 제조된 제1 생성물 스트림을 위하여 상기 반응 영역(200)의 시작부에 위치하는 도입부(230)를 포함하고; 제2 산소 함유 스트림의 양을 조정하기 위한 제2 조절 수단(second control means, 221)을 선택적으로 구비한 제2 산소 함유 스트림을 위하여 반응 영역(200)의 시작부에 위치하는 도입부(220)를 포함하고; 선택적으로, 제3 산소 함유 스트림을 위한 도입부(211) 및 제2 연료 스트림을 위한 도입부(212)를 구비한 제2 버너(210)를 포함하고; 선택적으로, 폐스트림(waste stream)을 위하여 상기 반응 영역(200)의 시작부에 위치하는 도입부(250); 상기 반응 영역(200)에서 제조된 제2 생성물 스트림을 위하여 상기 반응 영역(200)의 하류 측에 위치하는 배출부(260); 선택적으로, 상기 반응 영역(200)에서 제조된 상기 제2 생성물 스트림 내의 산소 함량을 분석할 수 있으며, 바람직하게는 상기 제2 조절 수단(221)을 조정할 수 있는 상기 반응 영역(200) 단부에 위치하는 분석기(270); 선택적으로, 반응열을 회수하기 위한 상기 반응 영역(200)의 하류 측에 위치하는 폐열 보일러(waste heat boiler, 280);를 포함하는 상기 반응 영역(100)에서 제조된 상기 제1 생성물 스트림을 소각하기 위한 상기 반응 영역(100)의 하류 측의 제2 반응 영역(second reaction zone, 200)을 포함하는 전술한 방법에서 사용된 NH3 소각로를 포함한다.
상기 반응 영역들(100, 200) 각각, 특히 후자는 에너지를 회수하는 폐열 보일러가 장착될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제2 소각 단계에 있어서, 추가적으로 폐가스가 도입될 수 있다. 이들의 예로는 다른 방법들에서 테일 가스(tail gas)를 포함하며, 일례로써 클라우스 유닛(Claus unit)의 테일 가스(tail gas)를 포함한다. 이것은 상대적으로 차가운 폐가스를 따뜻하게 하기 위해 제1 소각 단계에서 생성된 반응 열의 경제적인 용도를 허용하기 때문에 특히 유익하다.
본 발명의 NH3 소각로는 하나의 반응 용기의 부분으로서 두 반응 영역들을 포함 할 수 있다. 그렇지 않으면, 각각의 반응 구역은 두 반응 용기가 연결되어 있는 별개의 반응 용기이다. 바람직하게, 상기 소각로는 에너지를 회수하기 위해, 하나 또는 그 이상의 폐열 보일러(waste heat boiler)를 포함한다. 만약, 처리할 필요가 있는 추가적인 가연성 폐가스가 있다면, 상기 소각로는 바람직하게는 가연성 폐가스를 위한 도입부(250)를 포함한다. 마지막으로, 상기 NH3 소각로는 만약의 경우에, 제2 산소 함유 스트림 및/또는 제3 산소 함유 스트림을 조정하는 산소 분석기(270)와 함께 제공될 수 있다. 이것에 의해 산소의 양은 적어도 화학량론적 양의 산소만 보장되고, 바람직하게, 산소의 과잉량은 제2 소각 단계에서 존재하여, 제2/제3 산소 함유 스트림의 양을 조정하는 데 유용할 수 있다. 바람직하게는, 제2 및/또는 제3 산소 함유 스트림의 총량은 적어도 0.5 부피%의 산소 잔량이 제2 생성물 스트림에서 발견되는 것이다. 추가적인 분석기들은 제2 생성물 스트림을 안전하게 대기로 방출될 수 있도록 사용될 수 있다.
< 실시예 >
다음 예시는 설명을 위한 목적으로만 포함되어 있다.
1.95 Nm3/hr의 속도를 가지는 NH3 스트림은 NH3 소각로의 반응 영역(100) 내로 0.034 Nm3/hr의 속도를 가지는 C3H8 스트림과 함께 도입되었다. 또한, 6.9 Nm3/hr의 속도를 가지는 제1 산소 함유 스트림이 아화학량론적 양으로 도입되었다. 제1 소각 단계는 약 1000 ℃의 온도 및 대기압(ambient pressure)에서 수행되었다.
제1 생성물 스트림은 제2 산소 함유 스트림으로 반응되었다. 제2 산소 함유 스트림은 반응 영역의 단부에서 측정된 산소 함량인 3 부피%(건조 플루 가스(dry flu gas) 측정)의 결과와 함께 화학량론적 양보다 훨씬 많은 양을 공급하였다.
분석기 없이, 이에 따라 제1 소각 단계에서 산소 공급 비율을 조정하지 않은 채로, 0 ~ 270 ppm 사이 함량의 NO와 0 ~ 275 ppm 사이 함량의 NH3를 포함하는 제2 생성물 스트림을 얻었다.
반응 영역(100)의 하류 측에 100 ppm의 잔류 NH3 함량을 기반으로 산소 공급 비율을 조정하기 위해 분석기(170) 세트로서 레이저 다이오드와 함께 사용한 것을 제외하고는 상기와 동일한 실험을 반복하였으며, 50 ppm 미만 함량의 NO와 0 ppm 함량의 NH3를 가지는 제2 생성물 스트림을 얻었다.
모델 실험(오직 제1 소각 단계만)은 상술한 바와 같이 유사한 방식으로 두 번 반복하였다. 첫 번째로, NH3 스트림을 소각하였으며, 다만, 제1 소각 단계에서의 산소 공급 비율로 하여 제1 생성물 스트림은 0 ppm의 NO 함량을 가지는 것을 얻었다. 두 번째 실험에서, 산소 공급 비율은 0 ppm의 NH3 함량으로 제1 생성물 스트림을 생성하는 데 사용하였다. 첫 번째 실험은 첫 번째 단계에서 불충분한 NH3 연소의 손상(detriment)일 때에만 NO의 형성을 피할 수 있음을 보여준다. 만약, 이 제1 생성 스트림이 모든 NH3 연소를 달성하기 위해 산소의 화학양론적 양보다 더 큰 양으로 제2 단계에서 소각될 경우, NO 함량은 50 ppm 보다 더 클 것이다. 두 번째 실험에서, NO 함량은 이미 제1 생성물 스트림 내의 50 ppm 보다 더 크다. 낮은 NO 함량을 달성하는 것은 더 이상 가능하지 않다. 제1 소각이 NO의 제한된 양이 생성되는 정도까지 수행된 경우에만, 본 발명의 원하는 결과를 달성하는 것이 가능하다. 이러한 모델 실험의 결과는 아래의 표 1에 명시되어 있다.
NH3 용량 Nm3/h 공기 용량 Nm3/h NH3 함량 ppm NO 함량 ppm
1 2.20 5.86 1172 0
2 2.06 5.98 2 1185
100 : 제1 반응 영역(first reaction zone)
110 : 버너(burner) 120 : 도입부(inlet)
121 : 제1 산소 조절 수단(first oxygen control means)
130 : 도입부
131 : 제1 NH3 조절 수단(first NH3 control means)
140 : 도입부
141 : 제1 연료 조절 수단(first fuel control means)
160 : 배출부(outlet) 170 : 분석기(analyser)
180 : 온도 조절 수단(temperature control means)
200 : 제2 반응 영역(second reaction zone)
210 : 버너 211 : 도입부
212 : 도입부 220 : 도입부
221 : 제2 조절 수단(second control means)
230 : 도입부 250 : 도입부
260 : 배출부 270 : 분석기
280 : 폐열 보일러(waste heat boiler)

Claims (22)

  1. 가스 스트림 내의 NH3에 대하여 아화학양론적(sub-stoichiometric) 양으로 산소가 존재하는 제1 산소 함유 스트림(3)과 NH3 및 선택적으로 연료 스트림(2)을 포함하는 가스 스트림(1)을 소각 조건 하에서 반응시켜 제1 생성물 스트림(4)이 제조되는 단계(단계 a);
    잔류 NH3, 형성된 HCN 및 형성된 NO 중 적어도 하나의 함량을 위하여 상기 제1 생성물 스트림(4)의 조성을 분석하는 단계(단계 b); 및
    250 ppm 이하의 잔류 NH3 및 250 ppm 이하의 NO를 포함하는 제1 생성물 스트림(4)이 제조되도록 상기 제1 생성물 스트림(4)의 분석에 기초하여 상기 NH3 또는 연료 스트림(2)을 포함하는 가스 스트림(1) 또는 제1 산소 함유 스트림(3) 중 하나 이상을 조정하는 단계(단계 c);를 포함하는 제1 소각 단계(단계 1); 및
    산소의 양이 화학양론적 보다 더 크게 존재하는 제2 산소 함유 스트림(5)과 상기 제1 생성물 스트림(4)을 소각 조건 하에서 반응시켜 제2 생성물 스트림(7)이 제조되는 단계(단계 a);를 포함하는 제2 소각 단계(단계 2);
    를 포함하는 NH3 소각로에서 NH3의 소각 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 스트림(1)은 적어도 30 부피%의 NH3를 포함하는 것을 특징으로 하는 NH3 소각로에서 NH3의 소각 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가스 스트림(1)은 최대 40 부피%의 H2S를 포함하는 것을 특징으로 하는 NH3 소각로에서 NH3의 소각 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 산소 함유 스트림(3)에 의해 공급되는 산소의 양은 상기 가스 스트림(1) 및 연료 스트림(2)에 존재하는 가연성 성분에 대하여 화학량론적 양의 50 내지 99 %의 범위인 것을 특징으로 하는 NH3 소각로에서 NH3의 소각 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 NH3는 유일한 가연성 성분이며, 상기 제1 산소 함유 스트림(3)에 의해 공급되는 산소의 양은 상기 가스 스트림(1) 및 연료 스트림(2)에서 상기 NH3에 대하여 화학량론적 양의 95 내지 98 %의 범위인 것을 특징으로 하는 NH3 소각로에서 NH3의 소각 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 생성물 스트림(4)은 잔류 NH3 함량을 위하여 분석되는 것을 특징으로 하는 NH3 소각로에서 NH3의 소각 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 생성물 스트림(4)은 형성된 HCN 함량을 위하여 분석되는 것을 특징으로 하는 NH3 소각로에서 NH3의 소각 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 생성물 스트림(4)은 형성된 NO 함량을 위하여 분석되는 것을 특징으로 하는 NH3 소각로에서 NH3의 소각 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 NH3 또는 연료 스트림(2)을 포함하는 가스 스트림(1) 및 제1 산소 함유 스트림(3) 중 적어도 하나는 제1 생성물 스트림(4)의 잔류 NH3 함량이 100 ppm 미만이 되도록 조정되는 것을 특징으로 하는 NH3 소각로에서 NH3의 소각 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 NH3 또는 연료 스트림(2)을 포함하는 가스 스트림(1) 및 제1 산소 함유 스트림(3) 중 적어도 하나는 제1 생성물 스트림(4)의 형성된 HCN 함량이 1400 ppm 미만이 되도록 조정되는 것을 특징으로 하는 NH3 소각로에서 NH3의 소각 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 NH3 또는 연료 스트림(2)을 포함하는 가스 스트림(1) 및 제1 산소 함유 스트림(3) 중 적어도 하나는 제1 생성물 스트림(4)의 형성된 NO 함량이 200 ppm 미만이 되도록 조정되는 것을 특징으로 하는 NH3 소각로에서 NH3의 소각 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 생성물 스트림(4)의 조성은 연속적으로 또는 5 초 이하의 간격으로 분석되는 것을 특징으로 하는 NH3 소각로에서 NH3의 소각 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 연료 스트림(2)은 상기 제1 산소 함유 스트림(3)과 상호 반응하는 것을 특징으로 하는 NH3 소각로에서 NH3의 소각 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 NH3을 포함하는 가스 스트림(1)에 대한 상기 연료 스트림(2)의 비율은 950 내지 1700 ℃의 범위에서 반응 온도를 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 NH3 소각로에서 NH3의 소각 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 연료 스트림(2)은 탄화수소(hydrocarbons), 황화수소(hydrogen sulphide), 일산화탄소(carbon monoxide) 또는 수소 가스(hydrogen gas)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 NH3 소각로에서 NH3의 소각 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제2 산소 함유 스트림(5)은 상기 제2 생성물 스트림(7) 내에 산소의 잔량이 적어도 0.5 부피%가 되는 양으로 반응되는 것을 특징으로 하는 NH3 소각로에서 NH3의 소각 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    폐가스(6)가 상기 제2 소각 단계로 도입되는 것을 특징으로 하는 NH3 소각로에서 NH3의 소각 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1 소각 단계 및/또는 상기 제2 소각 단계의 반응 열은 회수되는 것을 특징으로 하는 NH3 소각로에서 NH3의 소각 방법.
  19. 제1 반응 영역 및 제2 반응 영역을 포함하는 NH3 반응 소각로이며,
    제1 반응 영역(first reaction zone, 100)은,
    NH3 소각을 위한 버너(burner, 110); 제1 산소 함유 스트림(3)의 양을 조정하기 위한 제1 산소 조절 수단(first oxygen control means, 121)을 구비한 제1 산소 함유 스트림(3)을 위한 버너(110)의 도입부(inlet, 120); NH3 함유 스트림의 양을 조정하기 위한 제1 NH3 조절 수단(first NH3 control means, 131)을 선택적으로 구비한 NH3 함유 가스 스트림(1)을 위한 버너(110)의 도입부(130); 연료 스트림(2)의 양을 조정하기 위한 제1 연료 조절 수단(first fuel control means, 141)을 선택적으로 구비한 상기 연료 스트림(2)을 위한 버너(110)의 도입부(140); 상기 제1 반응 영역(100)에서 제조된 제1 생성물 스트림(4)을 위한 상기 제1 반응 영역(100)의 하류 측의 배출부(outlet, 160); 상기 제1 반응 영역(100)에서 제조되는 상기 제1 생성물 스트림(4)에서 NH3, HCN 및 NO 중 적어도 하나의 함량을 분석할 수 있으며, 제1 조절 수단(121, 131 및 141) 중 하나 이상을 조정할 수 있는 상기 제1 반응 영역(100)의 단부에 위치하는 분석기(analyser, 170); 및 상기 제1 반응 영역(100)의 하류 측에 선택적인 온도 조절 수단(temperature control means, 180);을 포함하고,
    상기 제1 반응 영역(100)에서 제조된 상기 제1 생성물 스트림(4)을 소각하기 위한 상기 제1 반응 영역(100)의 하류 측의 상기 제2 반응 영역(second reaction zone, 200)은,
    상기 제1 반응 영역(100)에서 제조된 제1 생성물 스트림(4)을 위하여 상기 제2 반응 영역(200)의 시작부에 위치하는 도입부(230); 제2 산소 함유 스트림(5)의 양을 조정하기 위한 제2 조절 수단(second control means, 221)을 선택적으로 구비한 제2 산소 함유 스트림(5)을 위하여 상기 제2 반응 영역(200)의 시작부에 위치하는 도입부(220); 선택적으로, 제3 산소 함유 스트림(8)을 위한 도입부(211) 및 제2 연료 스트림(9)을 위한 도입부(212)를 구비한 제2 버너(210); 선택적으로, 폐스트림(waste stream)을 위하여 상기 제2 반응 영역(200)의 시작부에 위치하는 도입부(250); 상기 제2 반응 영역(200)에서 제조된 제2 생성물 스트림(7)을 위하여 상기 제2 반응 영역(200)의 하류 측에 위치하는 배출부(260); 선택적으로, 상기 제2 반응 영역(200)에서 제조된 상기 제2 생성물 스트림(7) 내의 산소 함량을 분석할 수 있으며, 상기 제2 조절 수단(221)을 조정할 수 있는 상기 제2 반응 영역(200) 단부에 위치하는 분석기(270); 선택적으로, 반응열을 회수하기 위한 상기 제2 반응 영역(200)의 하류 측에 위치하는 폐열 보일러(waste heat boiler, 280);를 포함하는 NH3 소각로.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 분석기(170)는 레이저 다이오드(laser diode)인 것을 특징으로 하는 NH3 소각로.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 제1 반응 영역(100) 및 제2 반응 영역(200)은 하나의 반응 용기의 부분인 것을 특징으로 하는 NH3 소각로.
  22. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 제1 반응 영역(100) 및 제2 반응 영역(200)은 별개의 반응 용기이며, 상기 제1 반응 영역(100) 및 제2 반응 영역(200)은 모두 연결된 것을 특징으로 하는 NH3 소각로.
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