KR101761978B1

KR101761978B1 - 테일 가스의 소각에서 ｎｏｘ 배출을 감소시키는 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101761978B1
Application number: KR1020137014944A
Authority: KR
Inventors: 윌리엄 알. 윌리엄스; 다샹 왕; 타이스 에프. 클라크
Original assignee: 캐보트 코포레이션
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2011-11-08
Publication date: 2017-07-26
Also published as: CZ309201B6; US20130230432A1; NL2007772A; AR083856A1; JP2014500942A; BR112013011849B1; CZ2013341A3; CN103338840B; NL2007772C2; CN103338840A; FR2967360B1; MX2013005228A; CA2817110C; WO2012064734A1; US9192891B2; BR112013011849A2; ITTO20111042A1; MX341083B; CA2817110A1; FR2967360A1

Abstract

테일 가스의 소각에서 NO_x 배출을 제어하는 방법이 제공되고, 여기서 NO_x, NO_x 전구체, 또는 이들 둘 다를 포함하는 테일 가스가 연소기에 도입되고, 연소기 온도를 약 950℃ 내지 약 1100℃의 온도로 제어하기 위해 희석제가 연소기에 도입된다. 테일 가스 연소기에서의 공기-대-연료 비율을 제어함과 동시에, 희석제 주입을 통해 연소기 화염 온도를 제어함으로써 NO_x 배출을 감소시키는 방법 또한 제공된다. 상기 방법들을 수행하기 위한 보일러 유닛 또한 제공된다. 상기 보일러 유닛을 사용하는 카본 블랙 생산 시스템 또한 제공된다.

Description

테일 가스의 소각에서 ＮＯＸ 배출을 감소시키는 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR REDUCING NOX EMISSIONS IN THE INCINERATION OF TAIL GAS}

본 출원은 35 U.S.C. §119(e) 하에, 2010년 11월 12일에 선행 출원된 미국 특허 가출원 61/412,823을 우선권 주장하며, 이는 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.

본 발명은 테일 가스(tail gas)의 소각에서 NO_x 배출을 감소시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 테일 가스의 소각에서 NO_x 배출을 감소시키는 장치에 관한 것이다.

탄소질 연료 및 기타 유기 물질은 광범위한 산업 공정에서 연소된다. 반응로, 연소 기관, 연소실, 보일러(boiler), 노(furnace), 히터(heater), 고온 가스 발생기, 버너(burner), 폐기물 소각로 등이 탄소질 연료의 연소에 사용된다. 상기 연소 설비는 에너지를 발생시키거나, 폐기물 및 부산물을 소각시키거나, 이들 둘 다를 위해 사용될 수 있다. 예를 들어 노 또는 보일러 내에서의 전형적인 연소 공정 동안에, 탄화수소 공급원료 또는 연료는 산소의 존재하에 연소되고, 연소 배기 가스의 유동이 발생한다. 과잉의 공기가 사용될 때, 탄소질 연료가 더욱 완전히, 일산화탄소 (CO) 및 미연 탄화수소의 배출이 감소하면서 버닝될 수 있게 된다. 과잉의 공기 사용은 보다 높은 화염 온도를 허용할 수 있다. 불행히도, 고온에서의 연소는 질소 산화물 (종종 NO_x라 함)을 발생시킬 수 있다. 공기 중의 질소 및 산소의 자유 라디칼이 그러한 높은 연소 온도에서 반응하여 열적 NO_x를 형성할 수 있다. NO_x는 또한 연료 중의 질소 함유 화학종, 예컨대 중유, 도시 고형 폐기물 및 석탄에서 발견될 수 있는 것들의 산화 결과로 형성될 수 있다. NO_x의 배출은 전세계적으로 연소 설비를 운전하는 수많은 곳에서 법률, 지침, 규제 등에 의해 통제를 받는다. 보다 감소한, 법률을 준수하는 NO_x 배출 수준을 달성하기 위해서는 해당 장소에서 연소 설비를 위해 배기 후처리가 필요할 수 있다.

이전의 배기 후처리 기술은 다양한 화학적 또는 촉매작용 방법을 사용하여 NO_x를 환원시키는 경향이 있었다. 이러한 방법에는, 예를 들어 비선택적 촉매 환원 (NSCR), 선택적 촉매 환원 (SCR), 및 선택적 비촉매 환원 (SNCR)이 포함된다. 이러한 후처리 방법은 전형적으로 NO_x 배출의 제거를 위해 몇몇 유형의 반응물을 필요로 한다. NSCR 방법은 미연 탄화수소 및 CO를 사용하여, O₂의 부재하에 NO_x 배출을 감소시키는 것을 포함할 수 있다. 연료/공기 비율은 저과잉의 O₂를 보장하도록 조절되어야 한다. NO_x를 감소시키면서 CO 및 탄화수소의 배출을 제거하기 위해 환원 촉매 및 산화 촉매가 둘다 필요하다. 과잉의 O₂를 함유하는 연소 배기는 일반적으로 NO_x 제거를 위해 화학적 환원제(들)를 필요로 한다. 선택적 방법 중에서, SCR 방법은 질소 산화물-부하 유출물을 암모니아의 존재하에 촉매층으로 통과시켜, NO_x 환원을 달성하는 것을 포함할 수 있다. SCR과 관련하여, 촉매 시스템의 설치비 및 운전비는 경제적이지 않을 수 있다. SNCR 방법은 촉매의 부재하에 승온에서 NO_x-환원 처리제를 유출물에 도입하여 NO_x 환원을 달성하는 것을 포함할 수 있다. 이전의 SNCR과 관련하여, NH₃ 파과(breakthrough) 및 부산물 CO 배출 문제에 대한 관심이 유발되었다.

예를 들어 카본 블랙 생산, 정제 작업, 또는 석유화학 작업과 같은 일부 산업에서, 1차 공정 유닛에서 발생된 배기 가스는 에너지 발전, 열 회수 또는 소각을 위해 버너 또는 보일러로 운반된다. 이들 작업은 해당되는 공기질 통제 또는 규정의 적용을 받을 수 있는 배출물을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 노 카본 블랙 생산 공정은 전형적으로 버너 또는 연소실, 그 다음에 반응기를 갖는 반응로를 이용한다. 연소 가스 공급물 스트림, 전형적으로 탄화수소 가스 스트림, 예컨대 천연 가스 등은 산화제 공급물 가스 스트림, 예컨대 공기 또는 산소와 함께 버너 부분에서 연소되어 고온 연소 가스를 생성하고, 이어서 이는 노의 반응기 부분으로 지나간다. 반응기에서, 탄화수소 공급원료는 고온 연소 가스에 노출된다. 공급원료의 일부가 버닝되고, 그 나머지는 분해되어 카본 블랙, 수소 및 기타 가스 생성물을 형성한다. 반응 생성물은 전형적으로 켄칭되고, 생성되는 카본 블랙 및 오프 가스(off-gas) 혼합물은 백 집진기(bag collector) 또는 기타 필터 시스템으로 운반되고, 그에 따라 카본 블랙 함유물이 테일 가스로부터 분리된다. 회수된 카본 블랙은 전형적으로, 예를 들어 미분탄화 및 습식 펠릿화에 의해 시장성이 있는 제품으로 마무리된다. 펠릿화로부터의 물은 전형적으로 건조기에 의해 제거되고, 이는 가스, 오일, 테일 가스와 같은 공정 가스, 또는 이들의 조합을 연료로 사용할 수 있다. 그 후에, 건조된 펠릿은 건조기로부터 벌크 저장소 또는 기타 관리소로 운반될 수 있다. 건조기는 또한 가스 배출물을 발생시킬 수 있다. 카본 블랙 노 공정에서의 배출물의 주요 공급원은 전형적으로 테일 가스이다. 직접적인 벤팅(venting) 이외에도, 테일 가스 배출물은 플레어(flare)를 사용하여 방출된다. 테일 가스는 가연성 가스 성분을 함유할 수 있다. 카본 블랙의 분리 후 및 임의의 후처리 전의 테일 가스의 조성은 생산되는 카본 블랙의 등급 및 기타 공정 파라미터에 따라 달라질 수 있다. 탄소 제조로부터의 미처리 테일 가스는 전형적으로 미립자 물질, 일산화탄소 (CO), 열적 질소 산화물, 황 화합물, 폴리시클릭 유기 물질, 미량 원소 및 기타 성분의 조합을 포함할 수 있다.

본 발명자들은 일부 적용에서 질소계 연소 부산물을 함유하는 가스가 NO_x 배출 통제에 있어서 문제를 제기할 수 있는 NO_x 전구체를 포함할 수 있다는 것을 인지하였다. 본 발명자들은, 예를 들어 노 카본 블랙 생산 공정으로부터의 테일 가스 스트림이 이전에는 충분히 인식되지 않았거나 해결되지 않았던 연료-유래 NO_x 전구체를 함유할 수 있다는 것을 인지하였다. 추가로, 본 발명자들은 본 발명의 방법 및 배열이 개발되기 이전에는, 연소 유출물 중의 질소 산화물 및 질소 산화물 전구체를 포괄적으로 제어하는 방법 및 시스템이 개발되지 않았을 뿐만 아니라, 그러한 방법 및 시스템의 가능한 이점이 완전히 실현되거나 달성가능하지 않았다고 생각한다.

발명의 개요

따라서, 본 발명의 특징은 테일 가스의 소각에서 NO_x 배출을 감소시키는 것이다.

본 발명의 또 다른 특징은 연소를 포함하는 공정으로부터 생성된 테일 가스의 소각에서 NO_x 배출을 감소시키는 것이다.

본 발명의 추가의 특징은 카본 블랙 생산으로부터의 테일 가스의 소각에서 NO_x 배출을 감소시키는 것이다.

본 발명의 추가의 특징 및 장점은 부분적으로 하기의 상세한 설명에서 상술될 것이고, 또한 부분적으로 그러한 상세한 설명으로부터 자명할 것이거나, 본 발명의 실시를 통해 알 수 있다. 본 발명의 목적 및 기타 장점은 상세한 설명 및 첨부된 특허청구범위에서 특별히 지시된 요소 및 조합에 의해 실현되고 달성될 것이다.

본원에서 구체화되고 개괄적으로 설명된 바와 같이, 본 발명의 목적에 따라 상기 장점 및 기타 장점을 달성하기 위해, 본 발명은 부분적으로, 테일 가스를 연소기 온도를 갖는 연소기에 도입하고 (여기서, 테일 가스는 NO_x, NO_x 전구체, 또는 이들 둘 다를 포함하고, x는 양의 값임), 연소기 온도를 약 950℃ 내지 약 1100℃의 온도로 제어하기 위해 연소기에 희석제를 도입하는 것을 포함하는, 테일 가스의 소각에서 NO_x 배출을 감소시키는 방법에 관한 것이다. 테일 가스의 공급원은 가연성 물질의 공기 또는 기타 산소 공급원 중에서의 연소를 포함하는 임의의 공정일 수 있다.

본 발명은 또한 추가의 NO_x 배출 감소를 위해 연소기로부터의 유출물을 약 850℃ 내지 약 1100℃의 온도를 갖는 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로 인도하는 것을 추가로 포함하는, NO_x 배출을 감소시키는 지시된 방법에 관한 것이다.

본 발명은 또한 1종 이상의 NO_x 환원제를 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛, 연소기, 또는 이들 둘 다에 도입하는 것을 추가로 포함하고, 여기서 NO_x 환원제 또는 그의 분해 생성물 또는 이들 둘 다가 NO_x와 반응하여, 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로부터 방출되는 연도 가스에 포함되는 질소를 생성하는 것인, NO_x 배출을 감소시키는 지시된 방법에 관한 것이다.

본 발명은 또한 희석제가 중량측정 비율을 기준으로, 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로부터 방출되는 전체 연도 가스의 25% 이상을 포함하는 것인, NO_x 배출을 감소시키는 지시된 방법에 관한 것이다. NO_x 환원제의 적어도 일부는 연소기로 재순환되는 그러한 비율의 연도 가스와 조합되어 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛에 직접 도입될 수 있다.

본 발명은 또한 희석제가 카본 블랙 건조기로부터의 연도 가스를 포함할 수 있는 것인, NO_x 배출을 감소시키는 지시된 방법에 관한 것이다. NO_x 환원제의 적어도 일부는 건조기 연도 가스의 그러한 도입과 조합되어 연소기에 도입될 수 있다.

본 발명은 또한 연도 가스 중의 NO_x가 약 1200℃의 온도에서 작동하는 연소기로써 얻어진 연도 가스 중의 NO_x에 비해 중량측정 비율을 기준으로, 약 10% 이상 감소할 수 있는, NO_x 배출을 감소시키는 지시된 방법에 관한 것이다.

본 발명은 또한 테일 가스 연소기에서의 공기-대-연료 비율을 제어함과 동시에, 희석제 주입을 통해 연소기 화염 온도를 제어함으로써 NO_x 배출을 감소시키는 방법에 관한 것이고, 이때 연도 가스 산소 농도는 약 8 vol% 미만, 또는 약 5 vol% 미만, 또는 약 3 vol% 미만이다.

본 발명은 또한 (i) (a) NO_x, NO_x 전구체, 또는 이들 둘 다를 포함하는 테일 가스, 및 (b) 연소기 온도를 약 950℃ 내지 약 1100℃로 제어하기 위한 유형(들) 및 양(들)의 희석제를 수용하도록 작동가능한 연소기; 및 (ii) 연소기로부터 방출된 유출물, 및 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로부터 방출되는 연도 가스에 포함되는 질소를 생성하도록 NO_x와 반응할 수 있는 1종 이상의 NO_x 환원제 또는 그의 분해 생성물 또는 이들 둘 다를 수용하도록 작동가능한 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛을 포함하는, 상기에 기재된 바와 같은 테일 가스의 소각 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 카본 블랙 생산 또는 연료 또는 기타 가연성 물질의 연소를 포함하는 기타 공정으로부터의 테일 가스의 소각을 위해 사용될 수 있다.

본원의 목적상, "테일 가스"는, 달리 지시하지 않는 한, 일반적으로 탄화수소계 물질의 소각을 위해 사용되는 임의의 공정 유닛 또는 설비의 가스 배기 또는 유출물을 말하는 것일 수 있다.

"소각"은, 달리 지시하지 않는 한, 버닝(burning), 연소, 열분해, 탄화 또는 이들의 임의의 조합을 말하는 것일 수 있다.

테일 가스가 수반된 소각과 관련하여 "제어"는, 방지 단계(들)가 없었다면 발생하였을 NO_x의 수준을 적어도 감소시키는 것을 말한다.

상기의 개괄적인 설명 및 하기의 상세한 설명은 단지 예시적인 것이며 설명하기 위한 것이고 청구된 바와 같이 본 발명의 추가의 설명을 제공하고자 한다는 것을 알아야 한다.

본 출원에 포함되고 본 출원의 일부를 구성하는 첨부된 도면은 본 발명의 일부 실시양태를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것이다. 도면에서 사용된 유사한 식별 부호는 유사한 특징을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 테일 가스 중의 질소 산화물을 감소시키는, 연소 설비로부터의 테일 가스의 후처리 공정을 일반화하여 도시하는 블록선도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 질소 산화물 배출을 감소시키는 테일 가스의 후처리 시스템을 포함하는 노 카본 블랙 생산 공정을 도시하는 공정 흐름도이다.
도 3은 소각로 및 SNCR 시스템을 포함하는, 테일 가스의 비교용 후처리 시스템을 도시하는 공정 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 소각로 및 SNCR 시스템을 포함하는, 테일 가스의 후처리 시스템을 도시하는 공정 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 소각로 및 SNCR 시스템을 포함하는, 테일 가스의 후처리 시스템을 도시하는 공정 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 소각로 및 SNCR 시스템을 포함하는, 테일 가스의 후처리 시스템을 도시하는 공정 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 소각로 및 SNCR 시스템을 포함하는, 테일 가스의 후처리 시스템을 도시하는 공정 흐름도이다. 상기 후처리 시스템이 실시예에서 사용되었지만, 이는 단지 본 발명에서 사용될 수 있는 시스템의 예시일 뿐이다.
도 8은 실시예에서 사용된 후처리 시스템에 대하여 시험한 최고 유량 (스택(stack)으로의 전체 연도 가스 125,000 Nm³/hr)에서의 NO_x 대 소각로 온도 (T)의 예측 모델을 보여주는 플롯이다.
도 9는 실시예에서 사용된 후처리 시스템에 대하여 시험한 최고 유량 (스택으로의 전체 연도 가스 125,000 Nm³/hr)에서의 NO_x 대 재순환 연도 가스 (FGR) 비율의 예측 모델을 보여주는 플롯이다.
도 10은 본원에 기재된 실시예의 결과를 요약한 것인 표 5를 나타낸다.

본 발명의 상세한 설명

본 발명은 희석제를 도입하여 소각 온도를 적정화하고 NO_x의 생성을 제어하는, 테일 가스의 소각에서 NO_x를 감소시키는 것에 관한 것이다. 연소 작업에 의해 생성된 일부 상업적으로 중요한 테일 가스에서, 질소 산화물 배출은 열적 NO_x만으로 또는 그것이 주요 요인이 되어 발생하는 것은 아니다. 예를 들어 카본 블랙 생산으로부터의 테일 가스 생성은 본원에서 "NPC"라 하는 NO_x 전구체 (예를 들어, 암모니아, HCN 등)의 혼합물로서 연료 질소를 운반할 수 있다. NPC는, 본 발명의 방법에 의해 제거되지 않는 한, 소각로에서 NO_x로 산화될 수 있다. 본 발명의 방법은 1종 이상의 NPC, 열적 산화물, 및 기타 기원을 갖는 NO_x에 기인하는 NO_x 배출을 감소시키는 데에 효과적인 테일 가스 소각 작업을 제어할 수 있다. 예를 들어 열적 NO_x는 본 발명의 방법에서 제거되는 테일 가스의 소각에서 발생하는 NO_x의 부 반응산물 또는 공급원일 수 있다. NPC는 본 발명의 방법에서 제거되는 테일 가스의 소각에서의 NO_x 생성의 주요 공급원일 수 있다. 본 발명의 방법에서 테일 가스의 소각은 열적 NO_x의 실질적 부재하에 (예를 들어, 열적 NO_x가 전체 NO_x의 약 10 중량% 미만, 또는 약 5 중량% 미만, 또는 약 1 중량% 미만임) 또는 열적 NO_x의 완전한 부재하에 발생할 수 있다. 열적 NO_x는 본 발명의 방법에서 테일 가스의 소각에서 제어되는 NO_x의 주요 (즉, 50% 이상) 형태일 수 있다.

NO_x 배출을 감소시키기 위한 연소 테일 가스의 처리는 단독의 소각로 (본원에서 "연소기"라고도 함)에 의해 또는 소각로와 하나 이상의 선택적 비촉매작용 반응기 (SNCR)를 조합한 배열에 의해 수행될 수 있다. 소각로는 일반적으로 테일 가스의 연소를 위해 소각로에 공급되는 1종 이상의 산소 함유 공급원을 갖는다. 희석제는 소각로 온도를 대략 950℃ 내지 약 1100℃로 낮추거나 제어하기 위해 적절한 테일 가스 소각로에 도입된다. 예를 들어, 상기 온도 범위에서, 카본 블랙 생산 및 기타 연소-포함 공정에서의 테일 가스로부터의 NO_x 배출이 감소될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 추가로, 연소기에서의 이러한 온도 감소는, 예를 들어 SNCR에서의 효율적인 작업을 위해서도 유용한 값으로 제어될 수 있다. 희석제는 전형적으로 가스, 또는 소각로 내의 승온으로 도입될 때 가스-유사 상태로 전환가능한 물질 (예를 들어, 액상 현탁물)이지만, 희석제가 이들 유형으로 제한되지는 않는다. 희석제의 공급원은, 예를 들어 소각 온도보다 낮은 온도에서 이용가능한 공정 가스 또는 공정 첨가제일 수 있거나, 또는 예를 들어 소각로 내에서 열흡수원으로서 작용할 수 있다. 추가로, 연소기 온도 감소 및 SNCR의 사용은 테일 가스로부터의 NO_x 배출을 감소시킬 수 있다. 일반적으로, SNCR은 환원제 용액을 연소기에서 나오는 가스 스트림에 분무함으로써 작동된다. SNCR에 제공된 하나 이상의 노즐 어레이가 이러한 분무를 위해 사용될 수 있다. SNCR은 전형적으로 NO_x 제어를 위한 소각로에서의 소각 온도의 이상적인 범위보다 낮은 범위인 경향이 있을 수 있는 테일 가스의 NO_x 제거를 위한 이상적인 작동 온도를 갖지만, 모든 경우에서 필수적이지는 않다. 보다 낮은 온도에서 SNCR로부터 방출된 연도 가스의 소각로로의 재순환은 소각로에 온도 적정화-희석제를 도입하기 위한 하나의 효율적인 접근법을 제공한다. 추가적으로 또는 선택적으로, 기타 공정 유닛, 예컨대 카본 블랙 생산 공장의 펠릿 건조기로부터의 연도 가스는 테일 가스 소각로에 도입하기 위한 희석제의 공급원으로서 사용될 수 있다. 추가로, 소각로에서의 희석제 도입은 SNCR에서의 NO_x 환원제 (예를 들어, 우레아, 암모니아 용액)의 도입과 함께 수행될 수 있어, 소각로와 조합되어, 또는 소각로에서, 또는 이들 둘 다에서 사용된다면 NO_x 배출을 더욱 감소시킨다. 소각로에서의 희석제 도입에 의한 소각로 온도의 감소는 소각로에 환원제를 직접적으로 또는 재순환 연도 가스를 통해 도입하는 것이 가능하게 할 수 있다.

도 1은 테일 가스 중의 질소 산화물 및 그의 전구체를 감소시키기 위해 소각로 및 SNCR 시스템 ("ISS")에서 연소 설비로부터의 테일 가스를 후처리하는 본 발명의 공정 1의 일반화된 예를 도시한다. 블록 1A에서, 연료가 NO_x, NO_x의 전구체 또는 이들 둘 다를 형성하는 경향이 있는 조건하에 연소 설비 (또는 부분 산화, 가스화, 또는 열분해 설비)에서 연소된다. 블록 1B에서, 연소 설비 (예를 들어, 카본 블랙 반응기 등)로부터 배기된 테일 가스가 소각로 및 SNCR을 포함하는 후처리 시스템으로 도입된다. 소각로 온도를 테일 가스 중의 NO_x를 감소시키기에 효과적인 온도 (예를 들어, 약 950℃ 내지 약 1100℃)로 낮추기 위해 희석제가 ISS의 소각로에 도입된다. 희석제는, 예를 들어 재순환 처리 테일 가스 또는 ISS의 외래 기원의 희석제일 수 있다. NO_x, NO_x의 전구체 또는 이들 둘 다를 제거하기 위해 질소 산화물 환원제가 ISS에 도입되어, NO_x 수준이 감소한 처리 벤팅 가스를 제공할 수 있다. 공기 또는 기타 산소 함유 공급원 (예를 들어, 산소, 산화제)은 소각로에, 예를 들어 임의의 지점에서 또는 복수의 지점에서, 테일 가스의 적어도 완전한 또는 거의 완전한 연소를 위한 충분량으로 도입될 수 있다. 본 발명의 방법에 의해 소각로에서 이미 달성된 NO_x 감소를 증대시키기 위해 도 1에 도시된 바와 같이 SNCR의 사용이 포함되는 것이 바람직할 수 있지만, 이러한 병용 사용이 모든 상황의 특별한 NO_x 감소 요구를 충족시키기 위해 반드시 필요한 것은 아니다. 예를 들어, 소각로의 희석제가 다른 곳에서 SNCR에서 배출되는 재순환 연도 가스로부터 공급될 수 있는 본 발명의 예가 본원에 제시되어 있다.

본 발명의 NO_x 제어 후처리를 적용할 수 있는 연소 설비 유형은 제한적일 필요가 없으며, 공기 또는 기타 산소 공급원의 존재하에 물질이 연소되어 NO_x 및/또는 그의 전구체인 1종 이상의 가스 생성물을 생성하는 임의의 기기 또는 공정 유닛을 포함할 수 있다. 연소 설비는, 예를 들어 반응로, 석유화학 공정 유닛, 보일러, 노, 버너, 폐기물 소각로, 내연 기관, 선박 적용을 위한 연소실, 고온 가스 발생장치 등일 수 있다. 연소 설비는, 예를 들어 화학 반응 또는 반응들, 전기 발전, 열 발생, 전력 발전, 기계일 발전, 및 기타 적용을 위해 사용될 수 있다. 연소 기기 및 유닛은 전형적으로 탄화수소-함유 물질, 예컨대 탄화수소계 연료 (예를 들어, 오일, 가스, 및/또는 고체 형태)의 연소에 사용되지만, 이들로 제한되지는 않는다. 연소 연료는, 예를 들어 기체, 예컨대 메탄, 프로판, 부탄, 아세틸렌; 액체, 예컨대 연료 오일, 가솔린, 디젤 연료; 또는 고체, 예컨대 석탄, 또는 기타 연료일 수 있다. 유기 고형 폐기물, 예컨대 종이 제품이 가연성 물질로서 사용될 수 있다.

특정 이론에 구애됨이 없이, 본 발명의 방법 및 시스템의 NO_x 감소 효과는 본 발명의 목적상, 예를 들어 카본 블랙 가공 및 그의 조작법에서의 NO_x 형성에 관한 하기 논의를 고려하면 더욱 잘 이해될 수 있다.

본원의 목적상, NO_x는 질소의 모든 산화물을 말하는 포괄적 용어이다. NO_x의 정확한 특성은 주위 조건 및 산소 수준에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로, NO_x는 NO로 형성되지만, 대기 중에서 대부분의 NO_x가 NO₂로 전환된다. 이러한 이유 때문에, 대부분의 환경 당국이 보고를 위해 NO₂ 등가물 농도를 사용할 것이다. 본원에서는 이러한 관행을 따른다.

카본 블랙 생산과 잠재적으로 관련있는 3가지 이상의 NO_x 형성 메카니즘이 존재하는 것으로 생각되나, 이들로 구애되지는 않는다.

1) 열적 NO _x . 고온에서 (1500℃ 초과), 공기 중의 질소와 산소는 반응하여 NO_x를 형성할 것이다. 천연 가스와 같은 높은 발열량의 연료는 상기 온도를 초과하는 화염 온도를 초래할 수 있다. 그러므로, 예를 들어 천연 가스-연료 카본 블랙 버너는 열적 NO_x를 형성한다. 그러나, 본원의 실시예에서 예시된 바와 같이 테일 가스는 낮은 발열량을 가지며; 그의 단열 화염 온도는 1400℃ 미만이므로, 테일 가스 소각로, 건조기, 또는 플레어와 관련하여서 열적 NO_x는 문제가 안된다 (천연 가스가 공동 공급되지 않는 한).

2) 연료 NO _x . 이는 본원의 실시예에서 예시된 바와 같이, 노 카본 블랙 가공 공장에서 NO_x의 주요 공급원일 수 있다. 연료 NO_x는 공급원료 중의 질소로부터 유래된 것이다. 일반적인 연료 연소 (예를 들어, 석탄)에서, 메카니즘은 단순하다: 공급원료 중의 N가 직접적으로 NO_x로 산화된다. 카본 블랙 생산에서는, 추가 단계가 있다. 카본 블랙 생산이 공급원료 산화, 열분해, 및 가수분해의 조합이기 때문에, 카본 블랙 반응은 NO_x 이외에도, HCN 및 NH₃와 같은 환원 질소 화학종을 유리시킨다. 따라서, 본원에서 예시된 바와 같이, 노 카본 블랙 생산에서의 테일 가스는 연료 질소를 NO_x 전구체 ("NPC")의 혼합물로서 운반한다. 그 후에, 이러한 NPC가 테일 가스 소각로(들)에서 NO_x로 산화된다.

3) 즉발 NO _x . 이는 연소시에 형성된 탄화수소 자유 라디칼이 질소와 반응하였을 때 형성된다. 이는 일반적으로 연료 및 열적 NO_x에 비해 중요하지 않은 기여자인 것으로 생각된다. 이는 특히 카본 블랙 공정으로부터의 테일 가스 경우에 적용되는데, 그 이유는 무시할 정도의 탄화수소를 함유할 수 있기 때문이다.

특정 이론에 구애됨이 없이, 노 카본 블랙 공장에서의 NO_x 형성은, 예를 들어 2개의 별개의 단계에서 발생할 수 있다.

단계 1. 카본 블랙 반응기 및 버너: 카본 블랙 반응 및 공급원료 질소 (FSN)로부터의 열적 NO_x는 카본 블랙 반응기에서 전환되어 HCN, NH₃, 및 NO_x, 및 소량의 N₂를 형성할 수 있다. 테일 가스 스트림 중의 질소 전구체는 테일 가스 연소로부터의 NO_x 배출에 직접적으로 영항을 줄 수 있다. 테일 가스 스트림 중의 질소 전구체의 함량을 정량화할 필요가 있다. 이러한 정량화는 하기와 같이 표시될 수 있다.

여기서, F_N _, _NPC는 테일 가스 중의 NPC (NH₃, HCN, NO_x)의 질량 또는 몰 유량이고, F_N _{,공급원료}는 공급원료 중의 N 원자의 질량 또는 몰 유량이다. F_NOx _,P는 버너에서의 NO_x의 몰 유량이다.

버너로부터의 열적 NO_x 또는 연료 NO_x인 반응기에서 형성된 NO_x의 양을 항상 알 수 있는 것은 아니다. 카본 블랙 버너로부터의 가외의 또는 열적 NO_x는 Y₁이 100%를 초과하게 할 수 있다. 단계 2에서의 NO_x 수준의 최종 결과에 대한 소각의 영향력을 이해하기 위해 NPC의 유입 공급물이 무엇인지를 아는 것만으로도 충분할 수 있다.

단계 2: 테일 가스 소각: 이 단계에서, NPC는 NO_x로 산화된다. 그러나, NO_x는 이어서 NPC와 추가로 반응하여 N₂를 형성할 수 있다. 제2 단계 NO_x 형성 효율을 최소화하기 위해, 소각로에서 상기 제2 반응을 촉진하는 것이 바람직하다.

상기 두 단계에 대한 상세한 지식과, Y₁ 및 Y₂에 대한 작동 조건의 영향과 함께, 하기의 결합된 방정식을 사용하여, 공급원료 질소의 함수로서 NO_x 배출을 정확하게 예측할 수 있다.

Y₂ 대 테일 가스 소각로의 작동 조건의 함수 지도를 만들 수 있다. 이를 위해, 예를 들어 Y₁ 대 카본 블랙 반응기 작동의 모델링 또는 분석과 함께 또는 그러한 모델링 또는 분석 없이 NPC를 측정할 수 있다.

본원의 실시예와 같이, NO₂ 농도 및 유량을 측정할 때, N 밸런스(N balance)를 NO₂의 등가물 수준 측면에서 표시할 수 있다. 그러므로, 테일 가스 중의 NPC 및 공급원료 중의 질소 함량을 N 몰 또는 kg으로 표시하는 대신에, 본원의 실시예와 같이 FS 또는 TG 중의 모든 N이 연도 가스 중의 NO₂로 전환될 것처럼 (즉, Y₁=Y₂=1) 이론상의 최고 NO₂ 수준을 계산할 수 있다.

본 발명에서, NO_x 감소는 보다 양호한 연소 기술을 사용하여 방지함으로써, 또는 NO_x 환원제로서 우레아 또는 암모니아를 사용하여 개선함으로써, 또는 이들 둘의 조합에 의해 달성될 수 있다. 방지하는 경우이든지 또는 개선하는 경우이든지, NO_x 형성을 최소화하고, 또한 NO_x 소실을 최대화하기 위해 동일한 반응이 최적화될 수 있다. 핵심 반응은 하기와 같을 수 있다.

테일 가스 소각 온도, 예컨대 950℃ 내지 1100℃에서는 전형적으로 중요하지 않은 열적 NO_x 형성 반응:

연료 NO_x 형성 반응:

및

NO_x 소실 반응:

선택적 촉매 환원 (SCR) 및 선택적 비촉매 환원 (SNCR)에 의한 개선과 관련하여, SCR 및 SNCR에서 암모니아 또는 우레아가 NO_x를 함유하는 스트림에 주입될 수 있다. 우레아가 사용된다면, 우레아가 계내에서 암모니아로 분해되므로, 어느 경우이든지 NO_x는 상기 반응 (7)을 통해 환원된다. 이 반응을 일어나도록 위해서는 산소가 필요하다. 연도 가스에 존재하는 보통의 산소 수준이라면 충분한데, 그 이유는 연도 가스에서 보통 확인되는 과잉의 NO_x에 그러한 수준으로 존재하기 때문이다. 목적하는 환원 반응과 경쟁하면서, 지시된 산화 반응 (5)가 나타난다. 이 반응은 NO를 소실시키는 대신에 이를 형성한다. 1000℃보다 높은 온도에서, 암모니아 산화 반응이 빨라진다. 이는 작동 온도를 1000℃ 미만으로 제한할 수 있다. 그러나, SNCR의 경우에, 소각로에서 온도가 낮아짐에 따라, 반응속도가 급속히 너무 느려져서 SNCR에서 어떤 반응도 일어나지 않고, 반응기는 NO_x도 NH₃도 소실시킬 수가 없어 NO_x가 제거되지 않고, 미반응 NH₃이 반응기를 "빠져나오기" 때문에 이는 문제가 될 수 있다. 이는 약 850℃ 내지 1000℃에서 SNCR을 위한 좁은 작업창을 효과적으로 형성할 수 있다. 이는 또한 SNCR의 효율을 제한할 수 있다. 실제로, SNCR 판매 회사는 전형적으로 70% 초과의 NO_x 소실을 보장하지 않으며, 보다 낮은 NO_x 농도 (< 150 mg/m³)의 경우에는, 종종 35-40%만을 보장한다. NO_x 감소를 70%를 초과하여 개선하기 위해서는, SCR이 필요할 수 있다. SCR은 반응속도를 가속하기 위해 촉매를 사용한다. SCR은 전형적으로 훨씬 낮은 온도 (200-400℃)에서 운전되므로, SNCR의 경우에 존재하는 고온 한계와 관련된 문제가 나타나지 않는다. SCR은 SNCR보다 비용이 많이 들 수 있으므로, SNCR을 사용할 수 있는 개선이 바람직하다.

NO_x 형성에 영향을 주는 또 다른 중요한 공정 변수는 연소기에서의 공기-대-연료 비율일 수 있다. 화염 중의 매우 과잉의 O₂는 SCNR의 경우에 반응 (7) 및 (8)을 촉진하는 것보다 NO_x 형성 반응 (4) 및 (5)를 촉진한다. 공기-대-연료 비율은 또한 연소 온도에 영향을 주고, 이는 결국 NO_x 형성에 영향을 준다. 본 발명은 이들 두 인자를 분리하고 NO_x 환원을 최소화한다.

특정 이론에 구애됨이 없이, 예를 들어 카본 블랙 생산에서, 연료 NO_x가 테일 가스 소각으로부터의 NO_x 형성보다 우세하기 때문에, 본 발명자들은 SNCR 설계에서 사용된 것과 동일한 반응속도론 및 최적화 전략이 소각로에서의 NPC로부터의 NO_x 발생을 방지하는 데에 적용될 수 있다는 것을 발견하였다. 예를 들어, 소각로에서 충분한 체류 시간이 제공되고, 연소실에서 온도가 1100℃ 미만으로 유지된다면, NO_x 배출이 감소할 수 있다. 이러한 측면에서, 희석 가스가 희석제로서 사용되어, 소각로 온도를 적정화할 수 있다. 연소기에서의 양호한 혼합이 소각로 내의 고온 대역 방지를 보조할 수 있다. 이러한 희석 가스의 공급원으로서, 재순환 연도 가스, 카본 블랙 건조기 연도 가스, 또는 이들 둘 다로부터의 희석 가스가 소각로 온도를 적정화하는 데에 사용될 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 과잉의 공기는 여러가지 이유로 희석제로서 바람직하지 않을 수 있다. 첫째, 보통은 증기를 형성하게 될 연소 에너지 또는 테일 가스 열을 사용하여 공기가 가열되어야 하기 때문에 보일러 효율이 감소할 수 있다. 둘째, 과잉의 공기는 CO의 산화를 가속시킬 수 있고, 이는 NO_x 감소를 위한 중요한 추가의 경로인 상기에 지시된 반응 (9)의 반응속도를 늦추거나 중단시킬 수 있다. 따라서, 테일 가스 연소기 (소각로)에서 온도를 낮추는 바람직한 방법은, 예컨대 SNCR 유닛 또는 카본 블랙 건조기 연도 가스, 또는 기타 공정 연도 가스로부터의 재순환 연도 가스이다. 또한, 특정 이론에 구애됨이 없이, 공기 및 연료 단계화(staging)는, 예컨대 소각로에 복수의, 예를 들어 1차 및 2차 공기 주입 지점을 설치함으로써 NO_x 감소를 추가로 개선할 수 있는 것으로 생각된다. 이는 일부 NH₃ 및 HCN이 제1 단계에서 NO_x를 형성하도록 산화되어 NH₃/HCN과 NO_x의 균형을 이룬 혼합물을 형성하고, 이는 제2 산화 단계에서 지시된 반응 (5) 및 (6)을 통해 반응하여 N₂를 형성할 수 있는 방식으로 수행될 수 있다.

지시된 바와 같이, 본 발명에 따라 NO_x 감소를 위해 처리되는 테일 가스의 공급원은 적어도 약간의 연소가 수반된 화학 반응 또는 반응들, 예컨대 카본 블랙 생산을 위해 사용되는 공정 유닛 또는 유닛들일 수 있다.

도 2에서, 예를 들어 참조 부호 100은 일반적으로 후처리 시스템 (9)을 포함하는 카본 블랙 제조 장치 또는 시스템을 나타낸다. 장치 (100)는, 예를 들어 당업계에 공지된 유형일 수 있는 노 유형 반응기 (2), 켄칭 반응기 연기 (6)로부터의 오프 가스 또는 테일 가스 (7)로부터 카본 블랙 (11)을 분리하기 위한 필터 (5), 펠릿화기 (10), 건조 카본 블랙 펠릿 (27)을 형성하기 위한 오븐-연료 건조기 (14), 및 장치로부터의 NO_x 배출을 감소시키는 테일 가스 (7)의 후처리를 위한 소각로 및 SNCR 시스템 ("ISS") (9)을 포함할 수 있다. ISS (9)는 가스 배출물 (24)로서 대기로 벤팅되기 전에 테일 가스 (7) 중의 질소 산화물 배출을 감소시키기 위해 사용된다. 지시된 바와 같이, ISS (9)는 NO_x 배출을 감소시키는 데에 효과적인 SNCR을 또한 포함하는 배열에서 소각로에 도입된 희석제 및 NO_x 환원제의 도입에 의한 테일 가스의 처리를 제공한다. 점선으로 표시된 옵션에 지시된 바와 같이, 건조기 (14)의 스택 연도 가스의 일부 (22) 또는 모두가 ISS (9)로 우회할 수 있고, 테일 가스 (7)의 일부 (23)는 건조기 (14)를 위한 오븐 (13)으로 우회할 수 있다.

추가로 장치 (100)에 도시된 기타 요소와 관련하여, 반응기 (2)는 도관 (4)에 의해 냉각 수단 (3)에 연결된 그의 배기구를 가지며, 이때 냉각 수단 (예를 들어, 열 교환기) (3)은 도관 (6)에 의해 하류 필터 수단 (5)에 연결되고, 필터 (5)에는 테일 가스 (7)의 방출을 위한 벤팅구 (17)가 제공된다. 필터 (5)는 또한 도관 (11)에 의해 하류 펠릿화기 (10)에 연결되고, 이를 통해 회수된 카본 블랙이 지나간다. 도시된 바와 같이, 펠릿화기 (10)에서 생성된 펠릿은 도관 (12)을 통해 당업계에 공지된 유형일 수 있는 건조기 (14)로 인도될 수 있다. 증기 및 카본 블랙 분진은 또한 도관 (25)을 통해 건조기 (14)로부터 여과 수단, 예컨대 공지된 증기 백 집진기 또는 "VBC" (도시되지 않음)로 배기될 수 있다.

반응기 (2)는 당업계에 공지된 유형일 수 있고, 연소를 위해 공기 및 연료가 도입되거나 고온 연소 가스가 충전되는 예비연소 구역 (18)으로 구성되며, 이때 예비연소 구역 (18)은 반응 구역 (16)과 연통된다. 수렴하는 직경을 갖는 목 부분 또는 벤투리 (19)가 반응 구역 (16)에 제공될 수 있다. 기재된 반응기의 유형에서, 카본 블랙 형성 탄화수소는 고온 연소 가스와의 접촉에 의해 열분해되고, 이때 탄화수소 공급원료는 주입 수단 (20)에 의해 도입된다. 도면에 지시된 바와 같이, 1종 이상의 첨가제가 임의로 반응기에 공급원료와 함께 도입될 수 있다. 기재된 반응기에서, 고온 연소 가스에 의해 생성된 연기 및 열분해된 탄화수소는 반응 구역 (16)을 따라 유동한다. 고온 연기는 고체 카본 블랙 입자를 함유하고, 고온 연기를 소정의 단계에서 카본 블랙 제조 반응을 중단시키기에 충분히 낮은 온도로 냉각시키는 것이 바람직하다. 유입구 (15)는 켄칭 유체를 반응기 (2)의 반응 구역 (16)에 도입하기 위한 유입구를 제공하기 위해 반응기 (2)와 연통된다. 주입 위치/구역 (15)은 반응기 벤투리 (19)의 하류 위치에 도시되어 있다. 주입 위치 (15)는 고온 연기의 예비켄칭을 제공하여 카본 블랙 형성 공정을 중단 또는 지연시킨다. 반응 구역 (16)은 도관 (4)과 연통되고, 그에 의해 현탁물 중에 고체 카본 블랙 입자를 함유하는 켄칭된 연기가 반응 구역으로부터 도관 (4)으로 방출된다. 여과 전의 추가의 냉각이 냉각 구역/기기 (3)에 의해 실시될 수 있다. 냉각 구역/기기 (3)는 이러한 기능을 위해 당업계에서 공지되었고 사용되어 온 것들을 비롯한 임의의 적합한 유형일 수 있다. 임의의 추가적인 최종 냉각이 도관 (21)에 의해 냉각 구역/기기 (3)와 필터 (5) 사이의 도관 (6)에 있는 연기에 추가의 켄칭수를 주입함으로써 실시될 수 있다.

필터 (5)는, 예를 들어 집진기 백 또는 기타 필터, 또는 당업계에 공지된 사이클론(cyclone), 집진장치, 또는 기타 분리 유닛일 수 있다. 그러나, 임의의 유형의 적합한 필터 또는 기체-고체 분리기가 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다. 지시된 바와 같이, 필터 (5)의 기능은 카본 블랙 입자를 카본 블랙이 함유된 고온 연기의 나머지 구성요소 부분으로부터 분리하는 것이고, 이어서 카본 블랙은 당업계에 공지된 유형일 수 있는 펠릿화기 (10)로 인도되고, 연기의 나머지 구성요소 부분은 벤팅구 (7)를 통해 배기된다. 건조기 (14)는, 예를 들어 당업계에 공지된 카본 블랙 펠릿 건조기일 수 있다. 건조기 열은, 예를 들어 연료 (예를 들어, 메탄, 연료 오일 등), 테일 가스, 또는 이들 둘 다가 연소되는 오븐 (13)에 의해 제공될 수 있다. 지시된 바와 같이, 테일 가스 (7)의 일부는 오븐 건조기 (13)를 위한 연료 가스로서 사용될 수 있다. 도 2에 도시된 ISS (9)에서 사용될 수 있는 추가의 측면 및 특징이 하기 도면을 참조로 하여 본원에서 논의된다.

도 3-6과 관련하여서, 소각로 및 SNCR 시스템을 포함하는 테일 가스의 후처리 시스템이 도 4-6에 도시된 본 발명에 따른 소각로 및 SNCR 시스템을 포함하는 테일 가스의 여러가지 후처리 배열과의 비교용으로 도 3에 도시되어 있다. 이러한 소각로 및 SNCR 시스템이 도 2의 카본 블랙 제조 장치에 도시된 것과 같은 "ISS"로서 사용될 수 있지만, 이들로 제한되지는 않으며, 연소 시스템의 테일 가스 또는 배기 가스의 처리에 광범위하게 적용될 수 있다.

도 3-6에 도시된 배열에서, 테일 가스 (TG)는 소각로의 상단 근처에서 도입되어 일반적으로 유닛을 통해 상단에서 바닥 방향으로 하향 유동한 후에, 유닛의 바닥 근처에서 방출된다. 도 3-6에서, 소각로의 공기 유입구(들) 및 상단 버너, 및 사용될 수 있는 기타 소각로 및 SNCR 부속물 및 요소는 논의를 위한 도면을 단순화하기 위해 도시되지 않았다.

도 3에 NO_x-저함량 보일러의 기본 설계가 예시되어 있고, 이때 이러한 배열에서 테일 가스 (TG)는, 예를 들어 대략 1200℃에서 소각되고, 한편 SNCR은, 예를 들어 850℃ 내지 1100℃에서 작동되며, 재순환 연도 가스 (FGR*)는 주로 소각로의 바닥 근처 (예를 들어, 용기 높이의 33% 바닥)에 위치하는 유입구 "A"에서 SNCR 온도를 제어하는 데에 사용된다. 산소-함유 공급원이 소각로에 도입되어 테일 가스의 거의 완전한 또는 완전한 연소를 보장할 수 있다. NO_x 환원제로서 우레아가 SNCR에 도입된다. 지시된 "과열기"는 공정 유닛에서 온도를 더욱 낮추기 위해 SNCR 전에 위치하는 방사 차폐물이다. SNCR 시스템과 함께 사용될 수 있는 보일러에서의 열 전달 (제거) 후에, 연도 가스는 보일러를 이탈하여 연도 가스의 벤팅 및 FGR* 스트림을 제공한다. 이러한 비교용 배열에서, 전체 연도 가스의 25% (부피 기준) 미만이 소각로의 상단 근처 (예를 들어, 용기 높이의 33% 상단)의 위치 "B"로 재순환하므로 (재순환 스트림 FGR*로 표시됨), 연소기 온도의 적정화가 제한될 것이다. 도 3의 배열과 비교하여, 증대된 NO_x 감소가 상이한 배열, 예컨대 도 4-6에 도시된 배열을 사용하여 달성가능한 것으로 밝혀졌다.

도 4에 NO_x-저함량 보일러 배열이 도시되어 있고, 여기서 FGR은 소각로 온도를 실질적으로 낮추는 데에 사용된다. 이는 SNCR로부터 방출된 유출물의 25% (부피 기준) 초과 (바람직하게는 40% 초과, 또는 보다 바람직하게는 50% 초과)를 재순환 가스 스트림 FGR로서 소각로로 다시 재순환시킴으로써 수행된다. 또한, 테일 가스 (TG)가 약 4% 이하의 물을 함유할 경우에, 예를 들어 "건조 테일 가스" 조건의 경우에, 연도 가스 재순환은 전형적으로 모든 다른 인자가 동일할 때 상기 범위에 비해 증가하고, 예를 들어 SNCR로부터 방출된 유출물의 30% (부피 기준) 초과 (또는 40% 초과, 또는 바람직하게는 50% 초과, 또는 보다 바람직하게는 60% 초과)가 소각로로 다시 재순환된다. 도 4에 도시된 배열에서, 전체 연도 가스의 25% (부피 기준) 초과가 소각로의 상단 근처 (예를 들어, 용기 높이의 33% 상단)의 위치 "B"로 재순환하므로, 연소기 온도의 적정화가 상당할 수 있다. 이러한 재순환 비율은 중량측정 비율을 기준으로 할 수 있다 (예를 들어, 톤/시간 등). 산소-함유 공급원이 소각로에 도입되어 테일 가스의 거의 완전한 또는 완전한 연소를 보장할 수 있다. 이러한 예시에서 소각로에 희석제로서 FGR을 도입하는 것은 소각로 온도를 대략 950℃ 내지 1100℃로 적정화하고, 한편 SNCR은 대략 850℃ 내지 1100℃에서 작동한다. 우레아 또는 기타 환원제 또한 본 예시에서 SNCR에 도입될 수 있다. 소각로의 유입구 "A"에서는 연도 가스 주입이 필요하지 않는데, 그 이유는 소각로가 이미 SNCR을 위한 적절한 온도에 있기 때문이다. SNCR 사용 및 연소기 온도 감소가 NO_x 배출을 감소시키고, 온도를 제어하기 위한 재순환 연도 가스의 사용은 보일러 효율을 유지하기 위해 이를 수행하는 매우 유리한 방법인 것으로 밝혀졌다.

도 5에서, 연도 가스는 소각로의 상단 근처 (예를 들어, 용기 높이의 33% 상단)의 위치 "B"로 재순환되고, NO_x 환원제, 예를 들어 우레아가 소량의 FGR (예를 들어, 전형적으로 약 5% 내지 약 10%이지만, "B" 유량이 적다면 최대 40%일 수 있음)과 함께 또는 단독으로 유입구 "A"로 주입된다 (예를 들어, 소각로의 바닥 근처에서, 예컨대 용기 높이의 33% 바닥에서). 산소-함유 공급원이 소각로에 도입되어 테일 가스의 거의 완전한 또는 완전한 연소를 보장할 수 있다. 이러한 예시에서, 소각로에 희석제로서 FGR을 도입하는 것은 또한 소각로 온도를 대략 950℃ 내지 1100℃로 적정화하고, 한편 SNCR은 대략 850℃ 내지 1100℃에서 작동한다. 소각로의 위치 "B"에서 도입된 SNCR로부터의 FGR 재순환 비율은 도 4의 배열에서 지시된 것과 유사할 수 있거나, 또는 보다 작은 값일 수 있다. 환원제 (우레아)는 이러한 배열에서 소각로에, 예컨대 위치 "A"에서 주입될 수 있는데, 그 이유는 소각로가 이미 SNCR을 위해 적절한 온도에 있기 때문이다. 동일한 이유 때문에, 방사 차폐물 (과열기)은 SNCR 다음으로 이동할 수 있다. SNCR이 소각로에서 시작되기 때문에 SNCR 부피가 감소할 수 있다.

도 6에서의 이 설계는 보일러 및 SNCR로부터의 재순환 연도 가스 대신에 테일 가스 버너 (TGB)/건조기 연도 (DF) 가스가 소각로의 온도를 제어하는 데에 사용된다는 점을 제외하고는 도 5의 설계와 유사하다. 산소-함유 공급원이 소각로에 도입되어 테일 가스의 거의 완전한 또는 완전한 연소를 보장할 수 있다. 이러한 배열에서, 소각로에 희석제로서 건조기 연도 가스를 도입하는 것은 소각로 온도를 대략 950℃ 내지 1100℃로 적정화하고, 한편 SNCR은 대략 850℃ 내지 1100℃에서 작동한다. 이러한 배열은 제3 연도 가스 주입 지점을 사용할 수 있다. 예를 들어, 주입 지점 "B"는 소각로 온도를 가능한 한 낮게 안전하게 낮추는 데에 사용될 수 있고, 주입 지점 "A"는 우레아의 주입과 함께 소각로 온도를 SNCR 온도로 낮추는 데에 사용될 수 있고, 또한 주입 지점 "C"는 나머지 과잉 연도 가스 (FG)를 주입하기 위해 사용될 수 있다. TGB/DF 가스는 NO_x 소실을 위해 지시된 반응 (7) 및 (8)을 호적화함으로써 FGR (보일러)보다 다량의 NO_x 및/또는 NPC (총량)를 가질 수 있다. 예를 들어 노 카본 블랙 생산 공장으로부터의 에너지의 가외의 15% 회수가 이러한 방식을 사용하여 달성가능하다. 도 6의 배열은 도 5의 배열과 조합될 수 있고, 여기서 건조기 연도 가스 도입 이외에도, SNCR 유출물의 일부가 소각로로 다시 재순환된다. 지시된 바와 같이, 소각로에 도입되는 희석제의 양 및 유형은 온도를, 예컨대 NPC의 존재하에 NO_x 감소 수준으로 적정화하도록 선택되고 실행될 수 있다.

추가로, 도 6의 배열과 관련하여, 재순환 연도 가스 대신에 또는 재순환 연도 가스에 대하여 추가적으로, 건조기로부터의 연도 가스가 에너지 중심의 연소기, SNCR, 또는 이들 둘 다로 보내진다. 보일러로부터의 재순환 연도 가스를 증가시키거나 대체하기 위해 건조기로부터의 연도 가스를 사용하는 것은 다수의 추가 이점이 실현되도록 한다. 노 카본 블랙 생산에서 건조기 유출물 가스가 500℃를 초과할 수 있기 때문에 에너지 회수 효율 증가가 가능해진다. 이전에는 이러한 폐기열이 수집되지 않았거나, 적어도 본 발명의 방식에 의해서 수집되지 않았다. 건조기 연도 가스 스트림이 소각로로 보내진다면, 보일러 유출물이 대략 230℃ 이하의 온도일 수 있기 때문에 감지가능한 열의 대부분이 회수될 수 있다. 연소기에서 건조기 유출물을 사용하는 것은 TGB/건조기를 재설계할 필요 없이, TGB/건조기에서의 NO_x 제어를 가능하게 한다. 건조기를 위한 테일 가스 버너에서 형성된 NO_x는 SNCR에서 소실될 수 있다. 테일 가스 버너/건조기는 NO_x를 제거하지 않을 수 있다. 테일 가스 보일러에 SNCR을 설치하는 것은 복잡성 및 비용을 현저히 증가시킬 수 있다. 건조기 유출물을 소각로로 보내는 것은 비용을 감소시키거나 회피할 수 있다. 테일 가스 버너에서 발생된 NO_x는 보일러로의 주요 테일 가스 스트림 중의 HCN 및 NH₃를 제거할 수 있다. 건조기 유출물이 연소기 또는 소각로로 들어가기 전에 테일 가스와 합쳐진다면, NO_x, HCN 및 NH₃이 함께 존재할 수 있다. 이는 연소기에서 지시된 반응 (7) 및 (8)이 발생하도록 할 것이다. 효과적으로, 이는 환원제 주입 없이 NO_x를 감소시키는 계내 SCNR로서 작용한다.

도 3에 도시된 비교용 배열의 소각로 및 SNCR 시스템에 관한 추가의 세부사항으로서, 가연성 물질의 연소를 위한 연소기가 소각로로서 제공될 수 있고, 이는 상단, 바닥, 상단과 바닥을 연결하는 실질적으로 원통형인 측벽을 포함하는 수직-배향 연소실, 및 테일 가스 (TG) 도입을 위한 하나 이상의 테일 가스 유입구를 포함할 수 있고, 하나 이상의 배기 가스 배출구가 측벽에 제공될 수 있다. 상단 버너는 연소실의 상단에서 내부에 위치할 수 있고, 이는 외래의 연료 공급원으로부터 연료를 수용하도록 적합화된다. 하나 이상의 공기 유입구가 연소실에 제공될 수 있다. 연소기의 배기 가스 배출물이 SNCR에 공급될 수 있다. 그 후에, SNCR 영역에서 처리된 가스는 보일러를 통해 유동할 수 있다. 보일러 공급수가 증기 드럼에 공급될 수 있고 응축물이 기화를 위해 보일러로 보내져서 다시 증기 드럼으로 유동하는 증기를 생성할 수 있다. 연도 가스는 보일러에서 이탈하여 벤팅 및 FGR* 스트림을 제공할 수 있다. SNCR 시스템 (예를 들어, SNCR 및 보일러)은 벤팅되거나, 연소기로 재순환 (FGR* 또는 FGR)될 수 있는 가스 유출물을 생성한다.

배열에서, 증기 보일러에 최종 연도 가스 중의 NO_x를 감소시키기 위한 SNCR 기기가 설치될 수 있다. 환원제가 분무 노즐을 사용하여 SNCR에 첨가될 수 있다. SNCR은 복수 개의 분무 노즐 (예를 들어, 1개 내지 6개 또는 그 초과)을 가질 수 있고, 이는 연소실을 증기 발생 파이프로부터 분리하는 방사 차폐물의 하류 공간으로 분무하는 면 (상단 및 바닥)에 수직 배열될 수 있다. SNCR은 우레아 용액 및/또는 기타 NO_x 환원제를 연소기에서 나오는 연도 가스 스트림으로 분무함으로써 작동될 수 있다. SNCR의 최적의 작동 온도는 대략 850℃ 내지 1000℃ 또는 950℃ 내지 1000℃의 범위일 수 있다. 방사 차폐물 다음의 SNCR 노즐의 위치는 연소기가 SNCR 반응에 적절한 범위보다 높은 온도에서 작동할 것이라는 설계 가설을 따른다.

FGR로서 지시된 공정 라인 (연도 가스 재순환 라인)이 사용될 수 있다. FGR 라인은 연소기에서 분지될 수 있고, 재순환 연도 가스는 연소기에 상단 근처 (예를 들어, 용기 높이의 33% 상단 이내), 또는 바닥 근처 (예를 들어, 용기 높이의 33% 바닥 이내), 또는 이들 둘 다에서 공급될 수 있다. 재순환 연도 가스는 보일러의 효율을 증가시키고, 연소실의 온도를 낮출 수 있다. 연소실의 온도가 재순환 연도 가스 (상단 입구)를 통해, 예컨대 850℃ 내지 1000℃ 범위의 온도로 낮아진다면, 온도를 추가로 대략 100℃ 강하시킬 수 있는 방사 차폐물 다음에 SNCR을 위치시키는 것이 더 이상 바람직하지 않을 수 있다. 지시된 이러한 예시에서, 우레아 용액 및/또는 기타 환원제는 연소기의 바닥으로 공급되는 재순환 연도 가스 라인으로 주입될 수 있다. 라인은 연소기로의 입구 근처에서 벤투리 오리피스 유량계를 가질 수 있다. 우레아 용액 및/또는 기타 환원제가 유량계 벤투리의 좁은 지점으로 주입된다면, 고속의 재순환 연도 가스가 용액을 분배할 수 있다. 이제 연소기의 바닥 부분은 SNCR 반응이 발생하기 위한 추가의 체류 시간으로서 작용할 수 있다. 이러한 설계는 단일 고리 분무가 그의 유량이 개별적으로 조정되어야 하는 복수의 별개의 노즐 대신에 사용될 수 있기 때문에 우레아 용액 및/또는 기타 NO_x 환원제의 첨가를 단순화하는 추가의 장점을 갖는다. FGR은 SNCR 시스템으로부터 방출된 유출물의 25% 초과 (바람직하게는 40% 초과, 또는 보다 바람직하게는 50% 초과)를 재순환 가스 스트림 FGR로서 소각로로 다시 재순환시킴으로써 수행될 수 있다.

본 발명의 테일 가스 후처리 방법 및 시스템은 하기 특징 중 하나 이상을 가질 수 있다.

연도 가스 중의 NO_x가 약 1200℃의 온도에서 작동하는 연소기로써 얻어진 연도 가스 중의 NO_x에 비해, 중량측정 비율을 기준으로, 예를 들어 약 10% 이상, 또는 약 15% 이상, 또는 약 20% 이상, 또는 약 30% 이상, 또는 약 40% 이상, 또는 약 50% 이상, 또는 약 10% 내지 약 50% 감소할 수 있다.

소각로 또는 연소기에 도입되는 희석제는 연소기 온도를, 예를 들어 약 950℃ 내지 약 1100℃, 또는 약 975℃ 내지 약 1100℃, 또는 약 990℃ 내지 약 1075℃, 또는 약 1000℃ 내지 약 1050℃, 또는 약 1010℃ 내지 약 1030℃, 또는 기타 온도 범위의 온도로 제어할 수 있다. 테일 가스는, 예를 들어 약 0.2초 내지 약 5초 또는 그 초과의 시간, 또는 약 0.5초 내지 약 4초, 또는 약 1초 내지 약 3초, 또는 약 1.5초 내지 약 2.5초, 또는 기타 시간의 연소기에서의 체류 시간을 가질 수 있다. 소각로에 도입되는 희석제는 중량측정 비율을 기준으로, 예를 들어 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로부터 방출되는 전체 연도 가스의 25% 이상, 또는 30% 이상, 또는 40% 이상, 또는 50% 이상, 또는 60% 이상을 포함할 수 있다. 희석제는 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛의 연도 가스의 적어도 일부를 포함할 수 있고, NO_x 환원제의 적어도 일부는 연소기에 도입된다. 희석제는 적어도 부분적으로 카본 블랙 건조기로부터의 연도 가스를 포함할 수 있다. 카본 블랙 건조기로부터의 연도 가스가 소각로에서 희석제로서 사용될 경우에, 건조기 연도 가스는, 예를 들어 200℃ 초과, 또는 약 225℃ 내지 약 650℃, 또는 약 400℃ 내지 약 600℃, 또는 약 450℃ 내지 약 550℃의 온도를 가질 수 있다. 건조기 연도 가스는 NO_x를 함유할 수 있고, 그러한 NO_x는 5 mg/Nm³ 이상, 또는 50 mg/Nm³ 초과, 또는 100 mg/Nm³ 초과이다. 건조기 연도 가스의 NO_x 함량은 또한 본 발명의 지시된 후처리 배열에 의해 감소할 수 있다.

연소기로부터의 유출물은, 예를 들어 약 850℃ 내지 약 1100℃, 또는 약 900℃ 내지 약 1050℃, 또는 약 900℃ 내지 약 1000℃, 또는 약 925℃ 내지 약 1000℃, 또는 약 950℃ 내지 약 1000℃, 또는 기타 온도 값의 온도를 갖는 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로 인도될 수 있다. 보일러 부피에 대한 SNCR 부피의 비율은, 예를 들어 약 0.1 내지 약 10, 또는 약 0.2 내지 약 5, 또는 약 0.4 내지 약 3, 또는 약 0.5 내지 약 2일 수 있다.

본 발명은 또한 테일 가스가 도입되는 연소기에서의 공기-대-연료 비율을 제어함과 동시에, 희석제 주입을 통해 연소기의 화염 온도를 제어하는 것을 포함하는, 테일 가스의 소각에서 NO_x 배출을 감소시키는 방법에 관한 것이다. 연소기 유출물의 산소 농도는 연소기 온도의 상승 없이 감소할 수 있다. 유출물은 연소기로부터 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로 인도될 수 있고, 여기서 선택적 비촉매 환원 유닛으로부터 방출된 연도 가스의 O₂ 농도는 연소기에서의 공기-대-연료 비율이 제어되는 그러한 구성에서, 약 8 vol% 미만, 또는 약 5 vol% 미만, 또는 약 3 vol% 미만이다.

유출물은 연소기로부터, 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로 유출물이 도입되기 전에 유출물 온도를 약 10℃ 넘게 낮추는 임의의 개재 방사 차폐물 없이 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로 인도될 수 있다.

1종 이상의 NO_x 환원제가 연소기의 하류에 위치하는 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛, 연소기, 또는 이들 둘 다에 도입될 수 있고, 여기서 NO_x 환원제 또는 그의 분해 생성물 또는 이들 둘 다가 NO_x와 반응하여, 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로부터 방출되는 연도 가스에 포함되는 질소를 생성한다. NO_x 환원제는 우레아 ((NH₂)₂CO), 암모니아 (NH₃), 이소시안산 (HNCO), 또는 이들의 조합, 및/또는 NO_x를 위한 기타 환원제일 수 있다. NO_x 환원제는, 예를 들어 우레아 수용액, 암모니아 수용액, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 환원제는, 예를 들어 수중에 우레아, 암모니아, 또는 이들 둘 다를, 활성제를 기준으로 약 1 중량% 내지 약 25 중량% 범위로 또는 기타 농도로 함유하는 묽은 수용액을 포함할 수 있다. 환원제(들)의 도입은 단일 도입 지점에서 또는 재순환 연도 가스 유동 경로 (FGR)를 따라 위치하는 하나 이상의 주입 노즐을 사용하여 단계적으로 수행될 수 있다. NH₃는, 예를 들어 연소기에 FGR로 또는 직접적으로, 적용가능하다면 고체, 액상 용융물, 에멀젼, 슬러리 또는 용액으로서 주입되는 환원제의 분해 또는 기화에 의해 증분 발생할 수 있다. 일부 암모늄염, 예컨대 탄산암모늄 ((NH₄)₂CO₃) 및 중탄산암모늄 ((NH₄)HCO₃)은, 예컨대 가열시에 NH₃ 및 CO₂를 유리시킴으로써 가스로 본질적으로 완전히 분해될 수 있고, 탄산염은 또한 물을 생성할 수 있다.

NO_x 수준을 감소시키기 위해 본 발명의 방법 및 장치에 의해 처리될 수 있는 테일 가스 조성은 특별히 제한되지 않는다. 소각로에 도입되는 테일 가스는, 예를 들어 약 40 내지 약 120 BTU/scf (standard cubic feet), 또는 약 45 내지 약 110 BTU/scf, 또는 약 50 내지 약 80 BTU/scf의 순 발열량을 가질 수 있다. 테일 가스 또는 기타 테일 가스 이외의, 연료 또는 연료 공급원이 연소기 (소각로)에 도입될 수 있다.

본원의 실시예 섹션에서 표 1은 본 발명을 사용하여 NO_x를 감소시키기 위해 처리될 수 있는 테일 가스 조성의 몇몇 비제한적 예시를 나타낸다. 또한, 특정 이론에 구애됨이 없이, 테일 가스의 특정 조성 특성은 외래 작용제 (예컨대, 연도 가스 재순환)에 의한 비활성화를 통한 저온 연소의 사용을 보조할 수 있는 것으로 생각된다. 첫째, 다수의 소각로 연료 (예를 들어, 오일, 석탄, 천연 가스)가 매우 고발열량을 가지며 매우 급속히 버닝된다. 연소가 완료되고, 피크 단열 화염 온도가 매우 급속히 달성되어, 희석제의 혼합 시간이 종종 이러한 화염에서 관찰되는 고온을 피하기에는 너무 길다. 용이하게 점화되는, 수소를 다량 함유하는 연료의 사용은 연소 온도가 낮더라도 안정하게 유지될 수 있다. 반대로, 오일 및 천연 가스, 및 석탄은 점화되기가 더욱 어려울 수 있고, 이는 보다 많은 열 에너지를 필요로 하며, 저온 화염이 그 자체로 지속될 수 없으므로, 첫번째 문제점 (상기)을 해결하기 위해 연료를 희석제로 예비희석시킬 수 있는 경우에도, 소각로에서의 단열 온도의 감소가 불안정성을 유도할 수 있다.

지시된 바와 같이, 본 발명에 의해 제공된 테일 가스 소각에서의 NO_x 배출 제어는, 예를 들어 노 카본 블랙 반응기의 테일 가스를 위해 사용될 수 있으며, 본원에서 관련있는 것과 같이 적합화 및 변형된다. 본 발명은, 예를 들어 모듈식의 카본 블랙 반응기 ("단계화" 노 카본 블랙 반응기 구성이라고도 함)에서 발생된 테일 가스를 처리하는 데에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 테일 가스 처리를 수용할 수 있는 단계화 반응로는, 예를 들어 미국 특허 3,922,335l; 4,383,973; 5,190,739; 5,877,250; 5,904,762; 6,153,684; 6,156,837; 6,403,695; 및 6,485,693 B1에 나타나 있고, 이들 특허는 모두 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.

본 발명에 따라 처리될 수 있는 테일 가스를 발생시키는 카본 블랙 반응기에 사용되는 공정 조건 및 원료는 특별히 제한되지 않는다. 도 2는 본 발명의 공정에서 사용될 수 있는 카본 블랙을 생산하는 노 카본 블랙 반응기 (2) 유형의 일부를 도시한다. 사용될 수 있는 반응기에서의 다양한 구역의 유용한 직경 및 길이는 참고로 포함되는 상기에 지시된 특허를 참조로 하여 선택할 수 있다. 연료 중에서, 용이하게 가연되는 가스, 증기 또는 액상 스트림, 예컨대 천연 가스, 수소, 일산화탄소, 메탄, 아세틸렌, 알콜 또는 등유, 또는 기타 연료가 연소 구역 (18)에서 산화제 (공기) 스트림과 반응하여 고온 연소 가스를 발생시키는 데에 사용하기에 적합하다. 그러나, 탄소-함유 성분, 특히 탄화수소를 고함량 갖는 연료를 사용하는 것이 일반적으로 바람직하다. 카본 블랙을 생산하는 데에 사용되는 공기 대 천연 가스의 비율은 약 1:1 (화학량론적 비율) 내지 무한대일 수 있다. 고온 연소 가스의 발생을 용이하게 하기 위해, 산화제 스트림이 예열될 수 있다. 지시된 바와 같이, 고온 연소 가스 스트림은 카본 블랙-생산 공급원료가 도입될 수 있는 반응기의 목 구역으로 하류 유동하고/거나 반응기에서의 다른 공급원료 도입 지점에서 유동한다. 공급원료는, 예를 들어 프로브(probe)를 통해 (축 방향으로 또는 방사 방향으로), 반응기의 벽에 위치하는 복수 개의 개구를 통해 내향 방사 방향으로, 또는 이들 둘의 조합에 의해 도입될 수 있다. 반응 조건하에서 용이하게 휘발될 수 있는 카본 블랙-생산 탄화수소 공급원료의 유형으로서 본원에서 사용하기에 적합한 것에는 상기에 지시된 인용 특허에 개시된 것들이 포함된다. 공급원료는 반응기에 도입되기 전에 예열될 수 있다. 도입되면, 공급원료는 반응 스트림을 형성하기 위해 가열된 가스 스트림과 합쳐지고, 이때 카본 블랙이 반응기에서 형성된다.

첨가제, 예컨대 카본 블랙 생산에서 통상적으로 사용되는 것들이 반응기에 도입될 수 있다. 카본 블랙의 구조를 개질시킬 수 있는 첨가제, 예를 들어 제I족 및/또는 제II족 알칼리/알칼린 금속 이온이 첨가제로서 사용될 수 있다. 이러한 첨가제는, 예를 들어 제IA족 원소 또는 이온 및/또는 제IIA족 원소 (또는 그의 이온) 200 ppm 이상이 최종적으로 형성된 카본 블랙 생성물에 존재하도록 하는 양으로 첨가될 수 있다. 첨가제(들)는 통상적인 수단을 비롯한 임의의 방식으로 첨가될 수 있다. 달리 말하면, 카본 블랙 생산 공급원료가 도입되는 것과 동일한 방식으로 물질이 첨가될 수 있다. 물질은 기체, 액체 또는 고체, 또는 이들의 임의의 조합으로 첨가될 수 있다. 물질은 한 지점에서 또는 다수의 지점에서 첨가될 수 있고, 또한 단일 스트림 또는 복수 개의 스트림으로서 첨가될 수 있다.

반응기 내의 반응 스트림은, 예를 들어 약 600℃ 내지 약 2000℃, 또는 약 800℃ 내지 약 1800℃, 또는 약 1000℃ 내지 약 1500℃, 또는 반응로에서 발생된 극한의 발열 반응을 반영하는 기타 고온의 켄칭 온도를 가질 수 있다. 반응 스트림 중의 카본 블랙은 하나 이상의 구역에서 켄칭될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 지시된 바와 같이, 켄칭 위치 (15)에서 물일 수 있는 켄칭 유체가 주입되고, 이는 카본 블랙-생산 공급원료의 열분해를 완전히 또는 본질적으로 완전히 중단시키는 데에, 또는 열분해의 중단 없이 공급원료를 단지 부분적으로만 냉각시키는 데에 사용될 수 있고, 이어서 카본 블랙-생산 공급원료의 열분해를 중단시키는 데에 사용되는 2차 켄칭 (21)이 이어지고, 이는 열 교환기 (3)의 하류에 있을 수 있다. 고온 연소 가스와 카본 블랙-생산 공급원료의 혼합물이 켄칭된 후에, 냉각된 가스는 통상적일 수 있는 분리 수단으로 하류로 지나가고, 그에 의해 카본 블랙이 회수되고 테일 가스가 본 발명의 ISS로 운반된다.

본 발명은 하기의 측면/실시양태/특징을 임의의 순서 및/또는 임의의 조합으로 포함한다.

1. 본 발명은

테일 가스를 연소기 온도를 갖는 연소기에 도입하고 (여기서, 테일 가스는 NO_x, NO_x 전구체, 또는 이들 둘 다를 포함하고, x는 양의 값임);

연소기 온도를 약 950℃ 내지 약 1100℃의 온도로 제어하기 위해 연소기에 희석제를 도입하는 것

을 포함하는, 테일 가스의 소각에서 NO_x 배출을 감소시키는 방법에 관한 것이다.

2. 상기 또는 하기의 실시양태/특징/측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 테일 가스가 하나 이상의 카본 블랙 노로부터 유래된 것인 방법.

3. 상기 또는 하기의 실시양태/특징/측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 테일 가스가 상기 연소기에서 약 0.2초 내지 약 5초의 체류 시간을 갖는 것인 방법.

4. 상기 또는 하기의 실시양태/특징/측면 중 어느 하나에 있어서, 연소기로부터의 유출물을 약 850℃ 내지 약 1100℃의 온도를 갖는 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로 인도하는 것을 추가로 포함하는 방법.

5. 상기 또는 하기의 실시양태/특징/측면 중 어느 하나에 있어서, 1종 이상의 NO_x 환원제를 상기 연소기의 하류에 위치하는 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛, 연소기, 또는 이들 둘 다에 도입하는 것을 추가로 포함하고, 여기서 NO_x 환원제 또는 그의 분해 생성물 또는 이들 둘 다가 NO_x와 반응하여, 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로부터 방출되는 연도 가스에 포함되는 질소를 생성하는 것인 방법.

6. 상기 또는 하기의 실시양태/특징/측면 중 어느 하나에 있어서, 희석제가 중량측정 비율을 기준으로, 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로부터 방출되는 전체 연도 가스의 25% 이상을 포함하고, NO_x 환원제의 적어도 일부가 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛에 직접 도입되는 것인 방법.

7. 상기 또는 하기의 실시양태/특징/측면 중 어느 하나에 있어서, 연소기에 도입되는 테일 가스가 약 4 wt% 이하의 물을 포함하고, 희석제가 중량측정 비율을 기준으로, 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로부터 방출되는 전체 연도 가스의 30% 이상을 포함하고, NO_x 환원제의 적어도 일부가 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛에 직접 도입되는 것인 방법.

8. 상기 또는 하기의 실시양태/특징/측면 중 어느 하나에 있어서, 연도 가스가 NO_x 환원제가 직접 도입된 동일한 선택적 비촉매 환원 유닛으로부터 연소기로 재순환되는 것인 방법.

9. 상기 또는 하기의 실시양태/특징/측면 중 어느 하나에 있어서, 희석제가 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛의 연도 가스의 적어도 일부를 포함하고, NO_x 환원제의 적어도 일부가 연소기에 도입되는 것인 방법.

10. 상기 또는 하기의 실시양태/특징/측면 중 어느 하나에 있어서, 희석제가 연소 공급원으로부터의 연도 가스를 포함하고, 임의적으로, NO_x 환원제의 적어도 일부가 연소기에 도입되는 것인 방법.

11. 상기 또는 하기의 실시양태/특징/측면 중 어느 하나에 있어서, 희석제가 카본 블랙 건조기로부터의 연도 가스를 포함하고, 임의적으로, NO_x 환원제의 적어도 일부가 연소기에 도입되는 것인 방법.

12. 상기 또는 하기의 실시양태/특징/측면 중 어느 하나에 있어서, 희석제가 200℃ 초과의 온도를 갖는 카본 블랙 건조기로부터의 연도 가스를 포함하는 것인 방법.

13. 상기 또는 하기의 실시양태/특징/측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 테일 가스 또는 기타 테일 가스 이외에, 연료를 상기 연소기에 도입하는 것을 추가로 포함하는 방법.

14. 상기 또는 하기의 실시양태/특징/측면 중 어느 하나에 있어서, 유출물이 연소기로부터, 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로 유출물이 도입되기 전에 유출물 온도를 약 10℃ 넘게 낮추는 임의의 개재 방사 차폐물 없이 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로 인도되는 것인 방법.

15. 상기 또는 하기의 실시양태/특징/측면 중 어느 하나에 있어서, NO_x 환원제가 우레아, 암모니아, 또는 이들 둘 다인 방법.

16. 상기 또는 하기의 실시양태/특징/측면 중 어느 하나에 있어서, NO_x 환원제가 우레아 수용액을 포함하는 것인 방법.

17. 상기 또는 하기의 실시양태/특징/측면 중 어느 하나에 있어서, 연도 가스 중의 NO_x가 약 1200℃의 온도에서 작동하는 연소기로써 얻어진 연도 가스 중의 NO_x에 비해, 중량측정 비율을 기준으로, 10% 이상 감소하는 방법.

18. 상기 또는 하기의 실시양태/특징/측면 중 어느 하나에 있어서, 소각로에 도입되는 테일 가스가 약 40 내지 약 120 BTU/scf의 순 발열량을 갖는 것인 방법.

19. 상기 또는 하기의 실시양태/특징/측면 중 어느 하나에 있어서, 열적 NO_x가 테일 가스의 소각에서 발생하는 부 반응산물인 방법.

20. 상기 또는 하기의 실시양태/특징/측면 중 어느 하나에 있어서, 테일 가스의 소각이 열적 NO_x의 실질적 부재하에 발생하는 것인 방법.

21. 상기 또는 하기의 실시양태/특징/측면 중 어느 하나에 있어서, 테일 가스의 소각이 열적 NO_x의 형성 없이 발생하는 것인 방법.

22. 상기 또는 하기의 실시양태/특징/측면 중 어느 하나에 있어서, 보일러 부피에 대한 SNCR 부피의 비율이 약 0.1 내지 약 10인 방법.

23. 1종 이상의 탄화수소의 연소로부터의 테일 가스를 소각로 온도를 갖는 소각로에 도입하고 (여기서, 테일 가스는 NO_x 및 NO_x 전구체를 포함하고, x는 양의 값임);

소각로 온도를 약 950℃ 내지 약 1100℃의 온도로 제어하기 위해 소각로에 희석제를 도입하고;

소각로로부터의 유출물을 약 850℃ 내지 약 1100℃의 온도를 갖는 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로 인도하고;

1종 이상의 NO_x 환원제를 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛, 소각로, 또는 이들 둘 다에 도입하는 것 (여기서, NO_x 환원제 또는 그의 분해 생성물 또는 이들 둘 다가 NO_x와 반응하여, 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로부터 방출되는 연도 가스에 포함되는 질소를 생성함)

을 포함하는, 연소 테일 가스 중의 NO_x 배출을 감소시키는 방법.

24. 테일 가스가 도입되는 연소기에서의 공기-대-연료 비율을 제어함과 동시에, 희석제 주입을 통해 연소기의 화염 온도를 제어하는 것을 포함하며, 여기서 테일 가스는 NO_x, NO_x 전구체, 또는 이들 둘 다를 포함하고, x는 양의 값이고, 연소기 유출물의 산소 농도가 연소기 온도의 상승 없이 감소하는 것인, 테일 가스의 소각에서 NO_x 배출을 감소시키는 방법.

25. 상기 또는 하기의 실시양태/특징/측면 중 어느 하나에 있어서, 연소기로부터의 유출물을 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로 인도하는 것을 추가로 포함하고, 여기서 선택적 비촉매 환원 유닛으로부터 방출되는 연도 가스의 O₂ 농도가 약 8 vol% 미만인 방법.

26. (i) (a) NO_x, NO_x 전구체, 또는 이들 둘 다를 포함하는 테일 가스, 및

(b) 연소기 온도를 약 950℃ 내지 약 1100℃로 제어하기 위한 유형(들) 및 양(들)의 희석제

를 수용하도록 작동가능한 연소기; 및

(ii) 연소기로부터 방출된 유출물, 및 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로부터 방출되는 연도 가스에 포함되는 질소를 생성하도록 NO_x와 반응할 수 있는 1종 이상의 NO_x 환원제 또는 그의 분해 생성물 또는 이들 둘 다를 수용하도록 작동가능한, 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 기기 및 보일러를 포함하는 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛

을 포함하는, 테일 가스의 소각을 위한 보일러 유닛.

27. 카본 블랙 및 테일 가스를 생성하는 카본 블랙 반응로, 카본 블랙을 테일 가스로부터 분리하는 필터, 및 상기 청구항에 따른 테일 가스의 소각을 위한 보일러 유닛을 포함하는 카본 블랙 제조 장치.

본 발명은 문장 및/또는 단락으로 상술된 상기 및/또는 하기의 다양한 특징 또는 실시양태의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 본원에 기재된 특징의 임의의 조합은 본 발명의 일부로 간주되고 조합가능한 특징과 관련하여 제한되지 않는다.

본 발명은 본 발명을 예시하기 위한 하기 실시예에 의해 더욱 명확해질 것이다.

실시예

본 발명은 상업용 테일 가스 연료 증기 보일러에 대하여 입증되었다. 보일러의 구성은 도 7에 도시되어 있다. 도면은 정확한 규모가 아니다.

도 7에서, 테일 가스 연소기는 섹션 A 및 B로 구성되었다. 스트림 및 구역/용기는 각각 숫자 및 문자로 강조되었다. 이러한 논의 전체에서, 스트림 (#) 및 구역/용기 (abc)를 언급할 때 괄호가 사용되었다. 화염은 하향식으로 버닝된다. 테일 가스 연료는 유입구 (105)를 통해 연소기 (120)에 공급된다. 라인 (101)으로 전달된 연소 공기는 3개의 스트림으로 분할되고, 여기서 스트림 (102)은 파일럿 버너 공기 공급물로서 상단으로부터 연소기로 보내진다. 스트림 (103) 및 (104)은 2개의 고지에서 연소기로 주입된다. 공기 스트림이 방사 방향으로 다공판을 통해 연소기에 주입되어 균일한 분포를 달성한다. 연소 공기의 단계화는 연소기에서 2개의 연소 구역을 초래하고, 이때 각각의 연소 구역에서의 공기 대 연료 비율은 스트림 (103) 및 (104)의 유량을 통해 조정가능하다.

연소된 테일 가스는 증기 과열기 (D)를 통해 보일러 (E)로 보내진다. 보일러 (E)에서의 열 전달 후에, 연도 가스가 스트림 (109)으로서 보일러에서 이탈한다. 스트림 (109)은 스트림 (109A)으로 분할될 수 있고 보일러 배출구로부터의 연도 가스 (108)의 일부는 송풍기 (도시되지 않음)를 통해 다시 연소기 (120)로 재순환한다. 재순환 연도 가스 (108)는 2개의 스트림 (106) 및 (107)으로 분할되고, 이들은 연소기의 상이한 위치에서 주입된다. 스트림 (106)은 주로 연소기의 온도를 제어하는 데에 사용되고, 스트림 (107)은 SNCR (구역 (C)로 도시됨) 온도를 미세 조정하는 데에 사용된다. NO_x 환원 시약으로서 사용되는 우레아 주입은 (113)을 통해 공급된다.

보일러 공급수가 증기 드럼 (F)에 공급되고 응축물 (111)이 보일러 (E)로 보내져서 기화되어 증기 (112)를 생성한다. 최종 증기 생성물 (115)이 유닛에서 이탈하여 이용된다. 증기 드럼에서 나오는 증기의 특정 분량이 증기 과열기 (D)로 보내져서 과열 증기를 생성한다. 한편, 과열기 (D)는 보일러관이 과열되는 것을 방지하기 위한 방사 차폐물로서 작용한다. 실험이 증기 생성 동안에 수행되었기 때문에, 증기 요구량이 가공되는 테일 가스의 양을 좌우하고, 그러므로 유량은 운전 동안에 달라진다. 반응 핵심 구역의 부피는 하기와 같다.

상위 연소 구역 (A): 58.3 m³.

하위 연소 구역 (B): 258.7 m³.

SNCR 반응 구역 (C): 101.4 m³.

소각로에서의 평균 연도 가스 유량 (재순환을 포함함, (109A)+(108))은 96,081 Nm³/hr인 것으로 계산되었다 (물질 균형을 기준으로 하고 완전한 연소를 가정함). 따라서, 평균 정상 공간 속도 (연도 가스 유량 (Nm³/hr)/부피 (m³)로서 정의됨)는 하기와 같다.

상위 연소 구역 (A): 2280 hr^-1.

하위 연소 구역 (B): 514 hr^-1.

SNCR 반응 구역 (C): 1311 hr^-1.

평균 조성의 테일 가스가 표 1에서 제공된다. NPC를 실험 동안에 측정하였으므로, 이 값은 측정치에 따른 것이다. 나머지 성분은 열역학 및 물질 균형을 토대로 추정되었다. 표 1은 또한 본 발명의 방법에 사용되는 다양한 생산 조건 및 다양한 원료를 위해 사용될 수 있는 테일 가스 조성의 비제한적 범위를 함유한다.

표 2는 입증 실험 동안에 시험한 변수 범위를 요약하였다. 2개의 연구를 동시에 수행하였다. 제1 연구는 보일러 성능만을 조사하였다 (SNCR은 작동하지 않음). 제2 연구는 단순히 각각의 제1 연구 조건 동안에 SNCR을 작동시키고 NO_x 소실에 있어서의 SNCR 시스템의 효율을 측정함으로써 SNCR의 성능을 조사하였다. 따라서, 각각의 조건에서, 상기 연구를 통해 작동 제어만으로 NO_x를 얼마나 잘 감소시킬 수 있는지, 또한 SNCR이 연소 후에 NO_x를 후속적으로 얼마나 잘 감소시킬 수 있는지를 평가할 수 있었다. SNCR은 시약을 소비하기 때문에, SNCR에서 우레아 또는 암모니아를 사용하여 개선해야만 하는 것보다는 보일러 작동을 통해 NO_x를 방지하는 것이 바람직하다.

파일럿 공기 (102)는 전체 실험 동안에 일정하게 유지되었다. 천연 가스는 본원에 기재된 데이터 설정 동안에 차단되었다.

보일러로부터의 NO_x 배출은 스택에 장치된 온-라인(on-line) NO_x 분석장치에 의해 연속적으로 모니터링하였다. NO_x 농도는 산업용 표준에 따라서 3% O₂ 중의 건량 기준으로 전환되었다.

SNCR이 작동되지 않은 작업의 경우에, 실험 계획법 (DOE)에서 중요한 변수를 토대로 실증적인 2개의 선형 상관관계가 구축되었다 (표 2 참조). FGR 및 소각로 온도는 밀접한 상관성이 있기 때문에, 이들 변수 중 어느 하나 또는 그 나머지 하나의 변수를 사용하여 양호한 선형관계가 구축될 수 있지만, 이들 변수를 둘다 사용하지는 않았다. 표 3은 소각로 온도, 배출 산소, 및 벤팅 연도 가스 유량을 토대로 하는 상관관계를 보여준다. 도 8은 연도 가스 산소가 일정할 때의 NO_x 배출과 연소기 온도 사이의 상관관계를 도시한다. 도 8은 125,000 Nm³/hr의 일정한 벤팅 연도 가스 유량에서의 상관관계를 그래프로 나타낸다. DOE의 상위 범위를 나타내는데, 그 이유는 이것이 NO_x 제거를 위한 가장 어려운 방법을 예시하기 때문이다. 표 4는 연도 가스 재순환 부분 배출 산소, 및 벤팅 연도 가스 유량을 토대로 하는 대안의 상관관계를 나타낸다. 도 9는 연도 가스 산소가 일정할 때의 NO_x 배출과 재순환 연도 가스 사이의 상관관계를 도시한다. 도 9는 125,000 Nm³/hr의 일정한 벤팅 연도 가스 유량에서의 상관관계를 그래프로 나타낸다.

도 8은 연소기 온도가 낮아질 때, NO_x 배출 수준도 감소한다는 것을 보여준다. 예를 들어, 2 vol%의 연도 가스 산소 농도에서, 연소기 온도가 1200℃에서 대략 950℃로 낮아졌을 때, 실증적인 상관관계에 의해 NO_x 배출이 온도에 따라 550 mg/Nm³에서 300 mg/Nm³로 감소하는 것으로 예측된다. 플롯은 또한 연도 가스 중의 NO_x 몰 유량 대 보일러로 공급되는 테일 가스 중의 전체 NPC의 몰 유량의 비율로서 정의되는, "연도 가스 중의 NO_x로 전환되는 NO_x 전구체의 %"로서 표시된다. NO_x 배출이 감소할 때, "연도 가스 중의 NO_x로 전환되는 NO_x 전구체의 %" 또한 감소한다.

NO_x 배출에 대한 공기 대 연료 비율, 즉 연도 가스 산소 농도의 영향은 도 8에서의 평행한 라인으로 명확하게 입증된다. 일정한 화염 온도에서, 보다 낮은 산소 농도가 보다 적은 NO_x 환원을 초래한다.

유사한 결과가 도 9에서도 확인될 수 있는데, 이는 재순환 연도 가스 속도가 증가할 때 NO_x 배출이 감소한다는 것을 보여준다. 재순환 연도 가스 비율 및 공기 대 연료 비율은 NO_x 환원을 최소화하는 2가지의 효과적인 방법인 것으로 입증되었다.

하기의 비제한적 실시예는 본 발명을 더욱 자세히 예시한다. 그 결과가 표 5에 요약되었다.

비교 실시예 1A

본 실시예는 전형적인 보일러 작동 조건을 예시한다. 테일 가스가 유입구 (105)에서 보일러 시스템의 연소기로 들어가고, 라인 (101)으로의 전체 공기 유량은 보일러의 배출 산소 함량이 5.9%이도록 제어되었다. 그 결과가 표 3에 나타나 있다. 테일 가스 중의 모든 NPC가 보일러에서 NO_x로 전환된다면, 연도 가스 중에 1455 mg/Nm³ (건량 기준)의 NO₂가 측정될 것이다. 그러나, 이러한 비최적화 구성에서도, 단지 35.9%의 NPC가 NO₂로 전환되고, 522 mgN/m³의 NO₂ (건량 기준)가 보일러의 배출구에서 측정되었다. 우레아가 SNCR에 공급되지 않았으므로 추가의 NO₂ 소실은 발생하지 않았다.

비교 실시예 1B

비교 실시예 1A와 동일한 보일러 작동 조건에서, SNCR을 작동시켰다. 우레아 유량은 최소량의 NO₂ 배출이 달성될 때까지 증가하였다. 이러한 조건에서, SNCR에 공급된 NO₂의 36.4%가 소실되었다. 그러나, 방사 차폐물에서의 열 손실이 SNCR의 유입 온도를 소각로 배출구에서의 935℃에서부터 882℃로 낮췄다. 이는 SNCR 작동을 위해서는 너무 낮은 온도인 것으로 공지되어 있다. SNCR 작동은 일반적으로 900 내지 1000℃에서 최적화된다 (예를 들어, 문헌 [Duo et al ., Can J. Chem . Eng . 70, 1014 (1992)]).

그 결과, 우레아 전환이 불량하다. SNCR은 일반적으로 공급된 우레아의 대략 50% (중량 기준)를 전환시킨다 (예를 들어, 문헌 [Duo et al ., Can J. Chem . Eng. 70, 1014 (1992)]; http://www.ftek.com/pdfs/TPP-522.pdf). 그러나, 본 실시예에서는, 단지 12% (중량 기준)의 우레아 전환이 NO_x 환원 반응 쪽으로 발생한 것으로 추정되었다. 불량한 우레아 전환은 바람직하지 않고; 이는 RMC 소비를 증가시키고 벤팅구에서의 암모니아 배출을 유도하며, 이 또한 공기 오염물질로서 규제받는다.

비교 실시예 2A

본 실시예에서, NO₂ 감소는 주로 배출 산소 농도를 감소시킴으로써 시도되었다. SNCR은 사용되지 않았다. NO_x 형성 반응의 반응속도가 산소 농도에 따라 좌우되기 때문에 보다 적은 산소는 NO_x 배출을 감소시킬 것이다. 그러나, 본 실시예에서, 단지 미량의 연도 가스 재순환이 제공된다 (새로운 가스 공급물 전체의 7 wt% 미만). 이는 비교 실시예 1A에서 보다 저온을 유지하기에 적절하지 않다. 그 결과는 가스의 혼합물이 화학량론적 공기-대-연료 비율에 근접하고, 그에 따라 온도가 보다 높다는 것이다. 보다 고온일수록 NO_x 형성을 호적화하므로, 이는 산소를 감소시킨 이점을 상쇄시킨다. NO_x가 약간 개선되었다 (비교 실시예 1A에 비해, NPC로부터의 NO_x 수율이 44.6 wt% 감소하였음).

비교 실시예 2B

비교 실시예 2A와 동일한 보일러 작동 조건에서, SNCR을 작동시켰다. 우레아 유량은 최소량의 NO₂ 배출이 달성될 때까지 증가하였다. 이러한 조건에서, SNCR에 공급된 NO₂의 60 wt%가 소실되었다. 그러나, 방사 차폐물에서의 열 손실이 SNCR의 유입 온도를 소각로 배출구에서의 1008℃에서부터 850℃로 낮췄다. 실시예 1B와 같이, 방사 차폐물에서의 손실은 SNCR이 허용가능한 온도보다 낮은 온도에서 작동되도록 하였다. NO₂의 전환은 단지 본 실시예에서의 유량이 비교 실시예 1B보다 적기 때문에 보다 양호하였다.

실시예 3A

비교 실시예 2A와 같이, NO₂ 감소를 우선 배출 산소 농도를 감소시킴으로써 시도하였지만, 실시예 2A와 달리 재순환 연도 가스를 다량 (새로운 가스 공급물의 39 wt%) 사용하여 소각로 온도를 905℃로 낮췄다. SNCR은 사용되지 않았다. 소각로를 보다 저온에서 유지하면서 배출 산소를 감소시키는 것은 NO_x 배출의 현저한 감소를 나타냈다. NO_x 배출은 비교 실시예 1A에 비해 61.2% 감소하였고 (NO_x로 전환된 NPC의 %로 측정됨), 추가로 실시예 2A (단지 보다 적은 산소가 사용되었음)에 비해 NPC의 NO_x 수율이 16.6 퍼센트 포인트 감소하였다. 본 실시예는 다량의 연도 가스 재순환이 소각로 온도를 실질적으로 낮추는 데에 사용될 수 있고, 이는 특히 배출 산소 감소와 병용되었을 때, 결과적으로 NO_x 배출을 감소시킬 수 있다는 것을 보여준다.

소각로에서의 온도 감소, 및 그에 따른 NO_x 배출의 감소는 원칙적으로 비활성화 희석제, 예컨대 물, 증기, 질소, 이산화탄소, 또는 또 다른 연도 가스 공급원에 의해 달성될 수 있다. 그러나, 연도 가스 재순환은 에너지 회수 효율을 감소시키지 않는다는 장점을 갖는다.

실시예 3B

실시예 3A와 동일한 보일러 작동 조건에서, SNCR을 작동시켰다. 우레아 유량은 최소량의 NO₂ 배출이 달성될 때까지 증가하였다. 이러한 조건에서, SNCR에 공급된 NO₂의 단지 19%가 소실되었고, 공급된 우레아의 단지 2%가 소비되었다. 저온 연소 및 방사 열 차폐물에서의 손실이 SNCR 작동을 위한 허용가능한 온도보다 상당히 낮은 817℃의 매우 저온의 SNCR 작동 온도를 제공하였다. 본 실시예는 저온 연소의 역설적인 면을 예시한다: 연소 온도가 낮을수록, 소각로에서의 내재성 NO_x가 감소하지만, 보다 낮은 온도는 전통적으로 설계된 SNCR 환원 시스템이 비효과적이도록 한다.

실시예 4A (예측)

실시예 4A는 소각로에서의 온도를 제어하기 위해 내부 연도 가스 재순환을 사용하는 대신에 외래 희석제를 사용하는 것의 이점을 예시한다. 본 실시예에서, 온도 및 배출 산소 비율은 실시예 3A와 동일하게 유지되지만, 온도는 외래 연소 공급원으로부터의 연도 가스에 의해 제어되었다. 본 실시예에서, 비교 실시예 1A의 연도 가스와 유사한 조성을 갖는 카본 블랙 건조기 유출물이 사용되었고, 이는 522 mg/m³의 NO_x (건량 기준)를 함유하였다. 이 가스는 500℃에서 보일러로 들어갔다. 2가지 방식으로 실시예 3A에 비해 성능이 개선되었다.

첫째, 공급된 NPC의 % 및 절대적 질량 기준으로, 보다 많은 NO_x가 제거되었다. NO_x의 절대적 감소는 비최적화 실시예 1A와 유사한 건조기가 운전되고 이는 보다 다량의 NO_x를 갖는다는 단순한 사실 때문이다. 단순히 가스 스트림에 첨가하여 양호한 온도 제어하에 재버닝시킴으로써, NO_x가 감소하였다. 간단히 말해서, 40% 더 많은 가스가 NO_x로의 보다 낮은 수율로 가공되었다. 추가로, 이 연도 가스 중의 NO_x는 실제로 테일 가스에서 유래된 NPC와 반응할 것이고, 소각로 유입구에서 계내 SNCR을 운전할 것이다. 이는 실시예 3A의 13.9%에서 실시예 4A의 11.8%로 감소한 NPC의 NO_x 수율을 초래하였다.

둘째, 연도 가스가 500℃이기 때문에, 이 가스를 보일러로 우회시키는 것은 보일러가 보통은 폐기되었을 이러한 열을 회수하도록 한다. 증기 생성은 실시예 3A의 34.6 메트릭톤(metric ton)/hr에서 실시예 4A의 39.8 메트릭톤/hr으로 상승할 것이다.

실시예 4B (예측)

실시예 4B는 실시예 3B에서 설명된 역설적인 면을 해결한다. 작동은 실시예 3B와 동일하지만, 하나의 주요한 변화가 있었다. 스트림 (113)으로 우레아 용액을 주입하는 대신에, 우레아 용액을 원자화를 위해 소량의 FGR (또는 기타 가스)과 함께 스트림 (107)으로 공동-주입하였다. 일반적인 소각로 작동 (스트림 (106)으로 FGR 또는 기타 희석제가 첨가되지 않음)에서, 이는 구역 (B)에서의 온도가 SNCR 작동을 위해서는 너무 높기 때문에 효과적이지 않을 것이다. 그러나, 본 실시예에서는, 스트림 (106)의 FGR이 구역 (B)에서의 온도를 907℃로 낮추고, 이는 저온 쪽이긴 하지만, SNCR을 위한 허용가능한 작업창에 포함된다. 게다가, 저온은 SNCR 공동보다 훨씬 큰 부피의 구역 (B)에 의해 보상된다. 구역 (B)는 부피가 구역 (C)의 대략 2.5배이고, 그 결과 체류 시간 또한 구역 (C)의 2.5배이다. 그 결과, 우레아 전환 (50%) 및 NO_x 전환 (60%)의 보다 전형적인 효율이 관찰될 것이다. 본 실시예는 최상의 구성으로 보일러 최적화 및 SNCR을 사용하고, 이는 모든 실시예 중에서 최저 NO_x를 초래하고, 기본 실시예 1A보다 84.9% 적다.

<표 1> 실험을 위한 평균 테일 가스 조성 및 카본 블랙 가공으로부터의 전형적인 테일 가스 조성

<표 2> 실험 계획법 조건 범위

<표 3> 소각로 온도, 배출 산소, 및 벤팅 연도 가스 유량을 토대로 하는 상관관계, 신뢰도는 100% 기준으로 주어짐 - 마지막 컬럼의 값

<표 4> 재순환 연도 가스, 배출 산소, 및 벤팅 연도 가스 유량을 토대로 하는 상관관계, 신뢰도는 100% 기준으로 주어짐 - 마지막 컬럼의 값

도 10은 표 5를 나타내고, 이는 상기 실시예의 결과를 요약한 것이다. 비교 실시예 4A에서, 새로운 가스 공급물 전체에 대한 FGR 유량 비율은 하기와 같이 계산된다. FGR 유량은 카본 블랙 건조기 케이싱(casing)으로부터의 연도 가스를 말하고, 새로운 가스 공급물은 테일 가스 및 공기만을 포함한다. 이 실시예에서 내부 재순환 연도 가스는 존재하지 않지만, 카본 블랙 건조기 연도 가스가 FGR로서 처리되고 "새로운" 가스 공급물은 공급되지 않는다.

본 출원인은 본 개시내용에서 인용된 모든 참고문헌의 전체 내용을 구체적으로 포함시킨다. 또한, 양, 농도, 또는 기타 값 또는 파라미터가 범위, 바람직한 범위, 또는 바람직한 상위값과 바람직한 하위값의 나열로 주어질 때, 범위가 별도로 기재되었는지에 상관없이, 임의의 범위 상한값 또는 바람직한 상위값과 임의의 범위 하한값 또는 바람직한 하위값의 임의의 쌍으로부터 형성된 모든 범위가 구체적으로 기재되어 있는 것으로 이해되어야 한다. 수치 범위가 본원에서 언급될 경우에, 달리 명시하지 않는 한, 그러한 범위는 그의 종점, 및 범위 내의 모든 정수 및 분수를 포함시키고자 한다. 본 발명의 범주는 범위를 한정할 때 언급된 특정 값으로 제한되지 않는다.

본 발명의 기타 실시양태가 본 명세서를 고려하여 본원에 기재된 본 발명을 실시함으로써 당업자에게 자명해질 것이다. 본 명세서 및 실시예는 단지 예시인 것으로 간주되어야 하고, 본 발명의 진정한 취지 및 범주는 하기 특허청구범위 및 그의 등가물에 의해 지시된다.

Claims

테일 가스(tail gas)를 연소기 온도를 갖는 테일 가스 소각용 연소기에 도입하고, 여기서 테일 가스는 NO_x, NO_x 전구체, 또는 이들 둘 다를 포함하고, x는 양의 값이고, 여기서 상기 연소기는 상단, 바닥, 용기의 상단 근처의 하나 이상의 테일 가스 유입구, 하나 이상의 희석제 유입구, 및 용기의 바닥 근처의 배기 가스 배출구를 포함하는 용기를 포함하고, 여기서 가스는 일반적으로 용기를 통해 상단에서 바닥 방향으로 유동하고;
연소기 온도를 950℃ 내지 1100℃의 온도로 제어하기 위해 연소기에 희석제를 도입하고, 여기서 희석제는 연소기의 용기 높이의 33% 상단에서 도입되고, 여기서 희석제는 (i) 중량측정 비율을 기준으로, 상기 연소기의 하류에 위치하는 하나 이상의 공정 유닛으로부터 방출되는 전체 연도 가스의 25% 이상, 또는 (ii) 테일 가스 버너 또는 카본 블랙 건조기로부터의 연도 가스 중 적어도 하나를 포함하는 것
을 포함하는, 테일 가스의 소각에서 NO_x 배출을 감소시키는 방법.
제1항에 있어서, 상기 테일 가스가 하나 이상의 카본 블랙 노로부터 유래된 것인 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 테일 가스가 상기 연소기에서 0.2초 내지 5초의 체류 시간을 갖는 것인 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 연소기로부터의 유출물을 850℃ 내지 1100℃의 온도를 갖는 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로 인도하는 것을 추가로 포함하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, i) 1종 이상의 NO_x 환원제를 상기 연소기의 하류에 위치하는 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛에 도입하거나, ii) 1종 이상의 NO_x 환원제를 상기 연소기에 도입하거나, 또는 iii) i) 및 ii) 둘 다에 도입하는 것을 추가로 포함하고, 이때 i) 및 iii)인 경우, NO_x 환원제 또는 그의 분해 생성물 또는 이들 둘 다가 NO_x와 반응하여, 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로부터 방출되는 연도 가스에 포함되는 질소를 생성하는 것인 방법.
제5항에 있어서, 희석제가 중량측정 비율을 기준으로, 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로부터 방출되는 전체 연도 가스의 25% 이상을 포함하고, NO_x 환원제의 적어도 일부가 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛에 직접 도입되는 것인 방법.
제5항에 있어서, 연소기에 도입되는 테일 가스가 4 wt% 이하의 물을 포함하고, 희석제가 중량측정 비율을 기준으로, 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로부터 방출되는 전체 연도 가스의 30% 이상을 포함하고, NO_x 환원제의 적어도 일부가 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛에 직접 도입되는 것인 방법.
제7항에 있어서, 연도 가스가, NO_x 환원제가 직접 도입되는 동일한 선택적 비촉매 환원 유닛으로부터 연소기로 재순환되는 것인 방법.
제5항에 있어서, 희석제가 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛의 연도 가스의 적어도 일부를 포함하고, NO_x 환원제의 적어도 일부가 연소기에 도입되는 것인 방법.
제5항에 있어서, 희석제가 테일 가스 버너 또는 카본 블랙 건조기로부터의 연도 가스를 포함하는 것인 방법.
제5항에 있어서, 희석제가 카본 블랙 건조기로부터의 연도 가스를 포함하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 희석제가 200℃ 초과의 온도를 갖는 카본 블랙 건조기로부터의 연도 가스를 포함하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 테일 가스 이외의 연소 연료를 상기 연소기에 도입하는 것을 추가로 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로 유출물이 도입되기 전에 유출물 온도를 10℃ 넘게 낮추는 개재 방사 차폐물 없이, 유출물이 연소기로부터 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로 인도되는 것인 방법.
제5항에 있어서, NO_x 환원제가 우레아, 암모니아, 또는 이들 둘 다인 방법.
제5항에 있어서, NO_x 환원제가 우레아 수용액을 포함하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 희석제를 도입하여, 연도 가스 중의 NO_x가 1200℃의 온도에서 작동하는 연소기로써 얻어진 연도 가스 중의 NO_x에 비해 중량측정 비율을 기준으로 10% 이상 감소하도록 하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 연소기에 도입되는 테일 가스가 40 내지 120 BTU/scf(standard cubic feet)의 순 발열량을 갖는 것인 방법.
제1항에 있어서, 테일 가스의 연소에서 발생하는 부반응산물인 열적 NO_x의 형성과 함께, 연소기로 도입된 테일 가스의 연소가 발생하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 열적 NO_x가 전체 NO_x의 10 중량% 미만의 양으로 존재하는 조건 하에서, 연소기로 도입된 테일 가스의 연소가 발생하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 열적 NO_x의 형성 없이, 연소기로 도입된 테일 가스의 연소가 발생하는 것인 방법.
제4항에 있어서, 보일러 부피에 대한 선택적 비촉매 반응기(selective non-catalytic reactor, SNCR) 부피의 비율이 0.1 내지 10이 되도록 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛이 제공되는 것인 방법.
1종 이상의 탄화수소의 연소로부터의 테일 가스를 소각로 온도를 갖는 소각로에 도입하고, 여기서 테일 가스는 NO_x 및 NO_x 전구체를 포함하고, x는 양의 값이고, 여기서 상기 소각로는 상단, 바닥, 용기의 상단 근처의 하나 이상의 테일 가스 유입구, 하나 이상의 희석제 유입구, 및 용기의 바닥 근처의 배기 가스 배출구를 포함하는 용기를 포함하고, 여기서 가스는 일반적으로 용기를 통해 상단에서 바닥 방향으로 유동하고;
소각로 온도를 950℃ 내지 1100℃의 온도로 제어하기 위해 소각로에 희석제를 도입하고, 여기서 희석제는 소각로의 용기 높이의 33% 상단에서 도입되고, 여기서 희석제는 (i) 중량측정 비율을 기준으로, 상기 소각로의 하류에 위치하는 하나 이상의 공정 유닛으로부터 방출되는 전체 연도 가스의 25% 이상, 또는 (ii) 테일 가스 버너 또는 카본 블랙 건조기로부터의 연도 가스 중 적어도 하나를 포함하는 것이고;
소각로로부터의 유출물을 850℃ 내지 1100℃의 온도를 갖는 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로 인도하고;
1종 이상의 NO_x 환원제를 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛, 소각로, 또는 이들 둘 다에 도입하고, 여기서 NO_x 환원제 또는 그의 분해 생성물 또는 이들 둘 다가 NO_x와 반응하여, 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로부터 방출되는 연도 가스에 포함되는 질소를 생성하는 것
을 포함하는, 연소 테일 가스 중의 NO_x 배출을 감소시키는 방법.
제1항에 있어서, 테일 가스가 도입되는 연소기에서의 공기-대-연료 비율을 제어함과 동시에, 희석제 주입을 통해 연소기의 화염 온도를 제어하는 것을 포함하며, 여기서 테일 가스는 NO_x, NO_x 전구체, 또는 이들 둘 다를 포함하고, x는 양의 값이고, 희석제 주입 없이 연소기의 화염 온도를 제어하는 것과 비교하여 연소기 유출물의 산소 농도가 연소기 온도의 상승 없이 감소하는 것인, 방법.
제24항에 있어서, 연소기로부터의 유출물을 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로 인도하는 것을 추가로 포함하고, 여기서 선택적 비촉매 환원 유닛으로부터 방출되는 연도 가스의 O₂ 농도가 8 vol% 미만인 방법.
(i) (a) NO_x, NO_x 전구체, 또는 이들 둘 다를 포함하는 테일 가스, 및
(b) 연소기 온도를 950℃ 내지 1100℃로 제어하기 위한 유형(들) 및 양(들)의 희석제
를 수용하도록 작동가능한 상단, 바닥, 용기의 상단 근처의 하나 이상의 테일 가스 유입구, 하나 이상의 희석제 유입구, 및 용기의 바닥 근처의 배기 가스 배출구를 포함하는 용기를 포함하는 연소기이며, 여기서 가스는 일반적으로 용기를 통해 상단에서 바닥 방향으로 유동하고,
여기서 희석제는 연소기의 용기 높이의 33% 상단에서 도입가능하고, 여기서 희석제는 (i) 중량측정 비율을 기준으로, 상기 연소기의 하류에 위치하는 하나 이상의 공정 유닛으로부터 방출되는 전체 연도 가스의 25% 이상, 또는 (ii) 테일 가스 버너 또는 카본 블랙 건조기로부터의 연도 가스 중 적어도 하나를 포함하는 것인 연소기; 및
(ii) 연소기로부터 방출된 유출물, 및 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛으로부터 방출되는 연도 가스에 포함되는 질소를 생성하도록 NO_x와 반응할 수 있는 1종 이상의 NO_x 환원제 또는 그의 분해 생성물 또는 이들 둘 다를 수용하도록 작동가능한, 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 기기 및 보일러를 포함하는 하나 이상의 선택적 비촉매 환원 유닛, 및 상기 환원 유닛으로부터 방출된 유출물을 연소기의 하나 이상의 희석제 유입구로 돌려보내도록 작동하는 재순환 라인
을 포함하는, 테일 가스의 소각을 위한 보일러 유닛.
카본 블랙 및 테일 가스를 생성하는 카본 블랙 반응로, 카본 블랙을 테일 가스로부터 분리하는 필터, 및 제26항에 따른 테일 가스의 소각을 위한 보일러 유닛을 포함하는 카본 블랙 제조 장치.
제1항에 있어서, 상기 용기가 상단 및 바닥을 연결하는 측벽, 및 외래의 연료 공급원으로부터 연료를 수용하도록 적합화된, 연소실의 상단에서 내부에 위치한 상단 버너를 포함하는 수직-배향 연소실을 포함하는 것인 방법.
제26항에 있어서, 상기 용기가 상단 및 바닥을 연결하는 측벽, 및 외래의 연료 공급원으로부터 연료를 수용하도록 적합화된, 연소실의 상단에서 내부에 위치한 상단 버너를 포함하는 수직-배향 연소실을 포함하는 것인, 보일러 유닛.
제10항에 있어서, NO_x 환원제의 적어도 일부가 연소기에 도입되는 것인 방법.
제11항에 있어서, NO_x 환원제의 적어도 일부가 연소기에 도입되는 것인 방법.