KR101911126B1

KR101911126B1 - 암모니아 산화 버너의 바이패스를 최소화 하는 장치

Info

Publication number: KR101911126B1
Application number: KR1020147009183A
Authority: KR
Inventors: 위르겐 퓨크스
Original assignee: 티센크루프 인더스트리얼 솔루션스 아게
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2018-10-23
Also published as: ZA201402520B; EA201490501A1; CA2848152A1; EA026206B1; UA110536C2; US9383099B2; AU2012306723A1; ES2570327T3; DE102011112781A1; EP2753576A1; EP2753576B1; CL2014000560A1; KR20140102179A; US20140353918A1; AU2012306723B2; WO2013034304A1; BR112014005187A2

Abstract

본 발명은 암모니아 산화 버너에서의 버너 바스켓의 밀봉 시스템에 관한 것으로, 상기 버너 바스켓은 암모니아 산화 버너에 고정되는 벽(1)을 갖고, 상기 버너 바스켓은 상기 암모니아 산화 버너의 추가 내부 부재들에 위치하고 추가 매질을 수용하는 주변 경계부(8)를 갖는 기저판(2)을 가지며, 벽(1)과 가스 투과성 기저판(2)은 서로 기계적으로 결합되지 않으며, 따라서 갭(7)이 벽(1)과 기저판(2)의 주변 경계부(8) 사이에 존재하고, 개별 세그먼트들로 이루어진 경계 시일(3)은 기저판(2)의 주변 경계부(8)에 있는 가이드 핀들(4)에 의해 이동가능하게 설치되며, 경계 시일(3)은 기저판(2)의 주변 경계부(8)와 벽(1) 사이의 갭(7) 위에서 돌출되고 벽(1)에 대해 놓여있다.

Description

암모니아 산화 버너의 바이패스를 최소화 하는 장치{APPARATUS FOR MINIMIZING BYPASS IN AMMONIA OXIDATION BURNERS}

암모니아 산화 버너의 버너 바스켓의 밀봉 시스템 및 암모니아 산화 버너의 버너 바스켓의 밀봉 방법에 관한 것이다.

질산은 NO₂를 물과 산소(공기)와 반응시켜 제조되며, NO₂는 NO를 산화시켜 제공한다. 여기서, 상기 소요되는 NO는 일반적으로 암모니아 산화 버너에서 NH₃를 산화시켜 준비된다.

예를 들어 백금/로듐 금속망들(gauzes)이 촉매로서 사용된다. 이것들은 가능하다면 스캐빈져(scavenger) 시스템들과 조합하여 버너 내부에서 사용되고, 버너 바스켓에 놓여진 지지 물질들(support materials) 위에 배치된다. 이 지지 물질들은 일반적으로 약 5-200 mm의 치수를 갖는 라시히 링 또는 폴 링, 버얼 새들, 인터록스 새들(Interlox saddle) 또는 토러스 새들 및/또는 인터팩 바디들(Interpack bodies)이다. 지지 물질들은 석기(stoneware), 자기(porcelain), 유리, 촉매 물질 또는 스테인리스 스틸로 이루어져 있고, 지지 구조체(support structures) 상에(on) 놓여지며, 여기서 지지 구조체는, 예를 들어, 다공판(perforated plates)으로 설계될 수 있고, 그것의 자유 횡단면(free cross section)은 적어도 충전요소들(packing elements)의 상대 갭 체적(relative gap volume)과 동일하거나 더 크다. 이 지지 구조체는 버너 바스켓의 가스 투과성(gas-permeable) 기저판(bottom plate)을 형성한다. 또한 이 지지 구조체 위에는 일반적으로 지지 물질들을 위한 추가 지지 메쉬체(support meshes)가 제공된다. 또한 촉매 금속망은 일반적으로 슬립을 피하기 위해 클램핑 장치에 의해, 추가 지지 메쉬체와 함께 버너 바스켓에서 고정된다.

지지 구조체는 종종 암모니아 산화 버너에 위치된 추가의 내부 부재들(internals)상에 느슨하게 배치되어, 버너 바스켓의 외벽과 지지 구조체 사이에는 어떠한 기계적 연결도 없다. NH₃ 연소 요소들과 라 몬트 폐열 보일러(La Mont waste heat boilers)의 결합체가 종종 실제로 채용되기 때문에 이러한 추가 내부 부재들이 일반적으로 제공된다. 이것은 형성된 NO의 분해가 회피되어야 하고, 그러므로 얻어진 가스 혼합물의 급랭(rapid cooling)이 이루어져야 하기 때문에 유리하다. 따라서, 가스 혼합물을 냉각하는 튜브 코일들이 암모니아 산화 버너의 버너 바스켓의 아래에 통상 놓여지고, 상기 튜브 코일들 위에는 지지 구조체가 유연한 방식으로 장착될 수 있다.

암모니아가 공기와 반응하여 질산과 수증기를 형성하는 반응의 반응 온도는 최대 950 ℃이고, 최대 10 bar의 압력이 채택된다. 이는 결과적으로 버너 바스켓을 팽창시킨다. 이러한 팽창은 지지 물질들로 덮여있는 장소들(places)에서, 즉, 예를 들어 가스 투과성 기저판상에서(on) 시간적으로 약간 지연되어 일어나는데 그 이유는 온도상승이 시간적으로 지연되어 일어나기 때문이다. 따라서, 하나의 부품(piece)으로 만들어진 버너 바스켓의 구조의 경우에는, 즉 버너 바스켓의 외벽이 가스 투과성 기저판에 기계적으로 결합되어 있는 경우에는 극심한 마모가 발생하게 되는데 그 이유는, 버너 바스켓의 물질이 특히 시동 및 폐쇄 동안 높은 열 응력(high heat stress)에 노출되기 때문이다. 이러한 이유 때문에 이러한 구조물을 회피하기 위한 시도들이 이루어지고 있으며 가스 투과성 기저판이 암모니아 산화 버너 내에 있는 기존의 구조물상에 느슨하게 놓여진다.

그러나, 반응기 내부에 제공된 내부 부재들의 상부에 가스 투과성 기저판을 느슨하게 배치하면, 버너 바스켓의 주변 벽(circumferential wall)과 가스 투과성 기저판 사이에 갭(gap)이 생성된다. 이것은 버너 바스켓의 벽과 가스 투과성 기저판이 각각 다른 정도로 팽창하기 시작하자마자 발생한다. 이로 인해 가스의 바이패스가 생기게 되어, 라 몬트 폐열 보일러에서의 차후 냉각이 즉시 일어날 수 없고 생성된 NO는 분해될 가능성이 아주 높다.

또한, 촉매 금속망용 지지 물질이 이 갭을 통해 떨어지고 따라서 지지 물질이 균일하게 촉매 금속망을 지지하는 기능을 더 이상 수행할 수 없는 위험성이 있다. 따라서, 지지 물질의 베드 구조(bed structure)가 파괴되고, 베드에 균열 및 공극(cavity)이 형성된다. 이러한 현상은 연소 효율(combustion efficiency)의 감소와 암모니아의 바이패스와 관련이 있는 것으로 알려져 있다. 환경적인 관점에서, 암모니아의 바이패스는 비용이 얼마가 들러라도 피해야 하며 연소 효율의 감소도 전체 공정의 효율에 영향을 줌으로써 결국 더 적은 양의 질산이 제조된다.

그러므로, 암모니아 산화 버너의 앞서 언급된 문제들을 해결하기 위해, 종래의 버너 바스켓을 최적화할 필요가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 암모니아 산화 버너의 버너 바스켓의 밀봉 시스템을 제공하는 데 있고, 상기 밀봉 시스템에서 벽과 가스 투과성 기저판은 서로 기계적으로 결합되지 않음으로써 지금까지 사용된 공업적인 변형예들의 단점이 최소화되고 가스의 바이패스가 감소된다. 또한, 버너 바스켓 내에 있는 매질(media), 예를 들어 라시히 링들의 손실을 최소화할 수 있다. 방사 방향 및 축 방향에서의 각각 다른 열 팽창들을 매우고(bridge) 최소 힘을 버너 바스켓 벽과 가스 투과성 기저판에 작용시키는 가스 투과성 기저판과 버너 바스켓 벽 사이의 밀봉이 달성될 수 있다. 본 발명의 추가의 목적은, 이에 상응하는 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 목적은 암모니아 산화 버너의 버너 바스켓의 밀봉 시스템에 의해 달성되며, 상기 버너 바스켓은 암모니아 산화 버너에 고정되는 벽(1)을 갖고, 상기 버너 바스켓은 상기 암모니아 산화 버너의 추가 내부 부재들상에 위치되고 추가 매질을 수용하는 주변 경계부(circumferential border; 8)를 갖는 기저판(2)을 가지며, 벽(1)과 가스 투과성 기저판(2)은 서로 기계적으로 결합되지 않으며, 따라서 벽(1)과 기저판(2)의 주변 경계부(8) 사이에 갭(7)이 존재하고, 개별 세그먼트들로 이루어진 경계 시일(border seal; 3)은 기저판(2)의 주변 경계부(8)에 있는 가이드 핀들(4)에 의해 이동 가능하게 설치되며, 경계 시일(3)은 기저판(2)의 주변 경계부(8)와 벽(1) 사이의 갭(7) 위에서 돌출되어 벽(1)과 접한다.

여기서, 경계 시일(3)은, 기저판(2)의 주변 경계부(8)에 있는 가이드 핀들(4)에 의해 이동 가능하게 설치된 복수의 개별 부품들(개별 세그먼트들)로 구성된다. 여기서, 개별 세그먼트들은 500 mm 내지 1200 mm의 길이를 갖는 것이 유리하다. 세그먼트형 경계 시일은 버너 바스켓의 둘레에 쭉 제공되고, 예를 들어 개별 금속 시트들로 구성된다. 경계 시일(3)의 개별 세그먼트들을 서로 겹치거나 또는 서로 바로 인접되게 배치하는 것이 가능하다. 또한, 이 방식에 의해, 암모니아 산화 버너의 버너 바스켓에서의 각각 다른 부위(places)에서 형성되는 다양한 갭 폭들이 신뢰성 있게 밀봉될 수 있다.

버너 바스켓의 벽의 암모니아 산화 버너에의 고정은, 버너 바스켓을 암모니아 산화 버너의 적절한 장치들에 매달거나, 또는 예를 들어, 버너 바스켓의 벽을 플랜지형 연결체(flange connection)에 의해 암모니아 산화 버너에 부착시킴으로써 구현될 수 있다. 또한, 버너 바스켓의 벽은 암모니아 산화 버너에 용접될 수 있다. 암모니아 산화 버너는 1.5 m 내지 7 m의 직경을 갖는다.

앞서 기술된 바와 같이, 추가 내부 부재들은 암모니아 산화 버너에 마찬가지로 놓여있는 라 몬트 폐열 보일러의 튜브 코일들일 수 있다. 그러나, 임의의 유형의 다른 내부 부재들, 예를 들어 추가 지지 구조체들이 가스 투과성 기저판을 수용하는데 사용될 수 있다. 여기서, 상기 기저판은 추가 내부 부재들과 기계적으로 결합되지 않지만 그것들 위에 느슨하게 놓여져 있다.

본 발명의 목적에서, 버너 바스켓에 수용될 수 있는 추가 매질은, 예를 들어 촉매 물질로서 역할을 하는 약 5 내지 200 mm의 직경을 갖는, 라시히 링 또는 폴 링, 버얼 새들, 인터록스 새들 또는 토러스 새들 및/또는 인터팩 바디들과 같은 지지 물질이다.

본 발명의 목적에서, 고정된 부분의 반대편은 이동가능하게 설치되어 있으며 고정된 부분은 예를 들어, 용접 또는 스크류 연결에 의해 이루어질 수 있다. 즉, 경계 시일의 이동 가능한 구조로 인해, 작동 중 버너 바스켓이 팽창할 때, 경계 시일은 버너 바스켓의 벽과 계속적으로 접하는 것이, 즉 벽에 대고(against) 느슨하게 놓여지는 것이 보장되고, 그래서 밀봉이 보장된다. 따라서, 경계 시일이 플로팅 방식(floating fashion)으로 그래서 이동 가능하게 설치된다.

경계 시일은 버너 바스켓의 벽에 대하여 2° 내지 60°, 바람직하게는 15° 내지 30°의 각도로 배치되는 것이 유리하다.

본 발명의 실시형태에서, 개별 세그먼트들로 이루어진 경계 시일은 금속 시트들로 이루어진다. 여기서, 경계 시일의 세그먼트들을 형성하는 개별 금속 시트들은 버너 바스켓의 둘레에 쭉 제공된다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, 경계 시일이 기저판의 외부 주변 경계부(8)에 제공된 가이드 핀들에 의해 이동가능하게 설치된다. 이는 가이드 핀들이 돌출되어 들어가는 개구부들을 경계 시일이 구비함으로써 이루어지는 것이 유리하다. 경계 시일의 개구부들은 경계 시일이 수직 및/또는 수평으로 이동할 수 있고, 가스 투과성 기저판과 버너 바스켓의 벽 사이의 밀봉을 보장할 수 있는 임의의 형상을 가질 수 있다.

바람직하게는, 가스 투과성 기저판은 벌집형 격자(honeycomb grating), 메쉬형 판(mesh plate), 체판(sieve plate), 그리드 또는 다공판(perforated plate)이다. 경험상 기저판의 벌집형 격자 구조가 암모니아 산화 버너의 조건들을 가장 충족하므로, 벌집 격자를 사용하는 것이 특히 바람직하다.

또한, 본 발명은 암모니아 산화 버너에서 가스의 바이패스 및 버너 바스켓에 존재하는 매질의 손실에 대하여 버너 바스켓을 밀봉하는 방법을 제공하며, 상기 버너 바스켓은 암모니아 산화 버너에 고정되는 벽(1)을 갖고, 상기 버너 바스켓은 암모니아 산화 버너의 추가 내부 부재들 위에 배치되고 추가 매질을 수용하는 주변 경계부(8)를 갖는 가스 투과성 기저판(2)을 갖고, 벽(1)과 가스 투과성 기저판(2)은 서로 기계적으로 결합되지 않고, 따라서, 개별 세그먼트들로 이루어진 경계 시일(3)은 가이드 핀들(4)에 의해 벽(1)과 기저판(2)의 주변 경계부(8) 사이에 이동가능하게 설치되고, 경계 시일(3)은 기저판(2)의 주변 경계부(8)와 벽(1) 사이의 갭(7) 위에서 돌출되어 벽(1)과 접하며, 경계 시일(3)은 벽(1)에 대하여 2° 내지 60°의 각에 있으며 버너 바스켓이 팽창할 때, 벽에 대한 각도가 변한다. 여기서, 개별 세그먼트들로 이루어진 경계 시일(3)이 벽(1)과 접촉하고 따라서 갭(7)을 바스켓의 전체 작동 범위에 걸쳐서 그리고 관련된, 각각 다른 팽창들에 있어서 신뢰성 있게 밀봉한다.

본 발명의 방법의 실시형태에서, 버너 바스켓이 팽창할 때, 벽에 대한 각도가 증가된다. 이것은, 예를 들어 암모니아 산화 버너가 시동될 때, 버너 바스켓의 벽과 가스 투과성 기저판이 버너 바스켓에 놓여진 매질, 예를 들어 라시히 링들과 접촉에 의해 각각 다른 비율로 가열되고, 따라서 각각 다른 크기의 팽창을 나타냄으로써 발생된다. 가스 투과성 기저판이 버너 바스켓의 벽보다 더 천천히 가열된다면, 그 때는 가스 투과성 기저판과 버너 바스켓의 벽 사이의 갭이 커지게 된다. 이 경우, 버너 바스켓에 있는 매질이 경계 시일을 아래로 누르고, 이로써 벽에 대한 각도가 증가된다.

방법의 바람직한 실시형태에 있어서, 경계 시일(3)의 이동가능한 설치는 경계 시일(3)의 개구부들 안으로 돌출되고 기저판(2)의 외부 주변 영역에 있는 주변 경계부(8)에 제공되는 가이드 핀들에 의해 이루어진다.

개별 세그먼트들로 구성된 경계 시일(3)로서는, 금속 시트들을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명은 도 1a 및 도 1b를 통해 아래에 설명될 것이다.
도 1a는 냉각상태에서의 본 발명에 따른 밀봉 시스템을 갖는 버너 바스켓의 개략도이다.
도 1b는 밀봉 효과가 바람직한 상태에서의 본 발명에 따른 밀봉 시스템을 갖는 버너 바스켓의 개략도이다.

도 1a는 냉각 상태에서의 본 발명에 따른 밀봉 시스템에 대한 개략도를 나타낸다. 경계부(8)를 갖는 가스 투과성 기저판(2)과 원통 형상의 벽(1)이 도시되어 있다. 가스 투과성 기저판(2)과 벽(1)은 서로 기계적으로 결합되어 있지 않지만 대신에 서로 걸려 있으며(hung), 암모니아 산화 버너의 추가의 내부 부재들에 고정되거나 또는 느슨하게 조립되어 있다(도시되지 않음). 가스 투과성 기저판의 외부 주변 영역(6)에 가이드 핀들(4)에 의한 경계 시일(3)의 이동가능한 설치는 한 예로서 도 1a에 도시되어 있다. 이 목적으로, 경계 시일(3)은, 가이드 핀들(4) 위에서 느슨하게 밀리어지고 기저판(2)을 통해 수직 방향으로 돌출되며 벽(1)과 접촉하는 개구부들(5)을 구비한다. 여기서, 경계 시일(3)은 벽(1)에 대하여 2° 내지 60°의 각도(α)로 배치되며 그 결과 가스에 대한, 가능하다면 가스 투과성 기저판(2) 위에 높여 있는 촉매 금속망용 지지 물질들에 대한 밀봉 효과가 이루어진다(도시되지 않음).

도 1b는 도 1a와 비교하여 거의 바뀌지 않은 상태의 가스 투과성 기저판을 도시한다. 그러나, 도 1b에서는, 버너 바스켓의 벽(1)이 도 1a과 비교하여 팽창된 상태에 있고 그래서 버너 바스케의 벽의 직경이 증가되어 있는 것을 도시한다. 이것은, 예를 들어, 가스 투과성 기저판(2)에 위치한 내부 부재들로 인해 또는 촉매 금속망용 지지 물질들로 인해 버너의 온도 분포가 불균일해지고, 그러므로 각각의 부품들이 각각 다른 크기로 팽창되는 암모니아 산화 버너의 시동 시에 일어난다. 이것은 가스 투과성 기저판(2)과 벽(1) 사이의 갭(7)을 필연적으로 확장시킨다. 이동 가능하게 설치된 경계 시일(3)에 의해 갭(7)의 확장이 가스의 바이패스를 일으키거나 또는 아마도 가스 투과성 지지판(2)(도시되지 않음) 상에 놓여있는 촉매 금속망용 지지 물질의 슬리핑 쓰루(slipping through)를 일으키는 것을 방지한다. 여기서, 본 발명에 따라 각도(α)가 증가하고 갭(7)이 밀봉된다.

본 발명에 의한 이점들은:

- NO 생성 가스의 바이패스에 대한 밀봉으로 가스 투과성 기저판 위에서 NO 생성가스가 직접적으로 냉각될 수 있고 NO의 분해를 상당히 방지한다.

가스 투과성 기저판에 놓여있는 촉매 금속망용 지지 물질들에 대한 밀봉이 이루어진다. 지지 물질들의 베드 구조가 확실하게 유지되며, 가스, 예를 들어 암모니아의 바이패스가 유사하게 일어날 수 있는 균열 및 공극 형성이 이루어진다.

1 벽
2 가스 투과성 기저판
3 경계 시일
4 가이드 핀
5 개구부
6 가스 투과성 기저판의 외부 주변 영역
7 갭
8 기저 판의 주변 경계부

Claims

암모니아 산화 버너의 버너 바스켓의 밀봉 시스템으로서, 상기 버너 바스켓은 암모니아 산화 버너에 고정되는 벽(1)을 갖고, 상기 버너 바스켓은 상기 암모니아 산화 버너의 추가의 내부 부재들에 위치하고 추가 매질을 수용하는 주변 경계부(8)를 갖는 가스 투과성 기저판(2)을 가지며, 벽(1)과 가스 투과성 기저판(2)은 서로 기계적으로 결합되지 않으며, 따라서 벽(1)과 기저판(2)의 주변 경계부(8) 사이에 갭(7)이 존재하는 밀봉 시스템에 있어서,
개별 세그먼트들로 이루어진 경계 시일(3)은 기저판(2)의 주변 경계부(8)에 있는 가이드 핀들(4)에 의해 이동가능하게 설치되며, 경계 시일(3)은 기저판(2)의 주변 경계부(8)와 벽(1) 사이의 갭(7) 위에서 돌출되고 벽(1)과 접하는 것을 특징으로 하는, 밀봉 시스템.
제1항에 있어서,
경계 시일(3)은 벽(1)에 대하여 2° 내지 60°의 각도로 배치되는 것을 특징으로 하는, 밀봉 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
경계 시일(3)은 금속 시트들로 이루어진 개별 세그먼트들로 이루어진 것을 특징으로 하는, 밀봉 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
경계 시일(3)은 가이드 핀들(4)이 돌출되어 들어가는 개구부들(5)을 갖는 것을 특징으로 하는, 밀봉 시스템.
제4항에 있어서,
경계 시일(3)의 개구부(5)는 상기 경계 시일이 수직 및/또는 수평으로 이동될 수 있는 임의의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는, 밀봉 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 가스 투과성 기저판은 벌집형 격자, 메쉬판, 체판, 그리드 또는 다공판인 것을 특징으로 하는, 밀봉 시스템.
암모니아 산화 버너의 가스의 바이패스 및 버너 바스켓에 존재하는 매질의 손실에 대하여 버너 바스켓을 밀봉하는 방법으로서, 상기 버너 바스켓은 상기 암모니아 산화 버너에 고정되는 벽(1)을 갖고, 상기 버너 바스켓은 상기 암모니아 산화 버너의 추가 내부 부재들에 위치하고 추가 매질을 수용하는 주변 경계부(8)를 갖는 가스 투과성 기저판(2)을 갖고, 벽(1)과 가스 투과성 기저판(2)은 서로 기계적으로 결합되지 않으며, 따라서 갭(7)이 벽(1)과 기저판의 주변 경계부(8) 사이에 존재하는 버너 바스켓을 밀봉하는 방법에 있어서,
개별 세그먼트들로 이루어진 경계 시일(3)이 기저판(2)의 주변 경계부(8)에 가이드 핀들(4)에 의해 이동가능하게 설치되고, 경계 시일(3)은 기저판(2)의 주변 경계부(8)와 벽(1) 사이의 갭(7) 위에서 돌출되고 벽(1)과 접하며, 경계 시일(3)은 벽(1)에 대하여 2° 내지 60°의 각도로 놓여 있으며 상기 버너 바스켓이 팽창할 때, 벽에 대한 각도가 변하는 것을 특징으로 하는, 버너 바스켓을 밀봉하는 방법.
제7항에 있어서,
상기 벽에 대한 상기 각도은 상기 버너 바스켓이 팽창할 때 증가되는 것을 특징으로 하는, 버너 바스켓을 밀봉하는 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서,
금속 시트들이 개별 세그먼트들로 이루어진 경계 시일(3)로서 사용되는 것을 특징으로 하는, 버너 바스켓을 밀봉하는 방법.
제1항에 있어서,
경계 시일(3)은 벽(1)에 대하여 15° 내지 30°의 각도로 배치되는 것을 특징으로 하는, 밀봉 시스템.