KR102507768B1 - 연소후 장치 및 방법 - Google Patents
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- Y02E20/12—Heat utilisation in combustion or incineration of waste
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Abstract
기술 분야는 연소후 유속 배출을 줄이는 것이다. 연소후 장치(100)는, 가스들(330)을 혼합한 후 큰 단면적을 갖는 연소 팽창 챔버(360)로 들어갈 때 점화하는 챔버에서, 유독 가스를, 적어도 1,950℃에서 더욱 바람직하게는 2,000℃를 초과하는 온도에서 공기 중에서 연소되는 연소후 가스 연료와 혼합하여, 배압을 방지하도록 공정의 해당 시점에서 배기 시스템의 수축이 없도록 한다. 통상적으로 자석과 물 트랩을 사용하여 배기 스트림으로부터 미립자 및 다른 자성 및 수용성 물질을 수집하는 수집 용기(460)를 또한 제공한다.
Description
본 발명은, 연소후(post-combustion) 처리에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 연소가능 가스 혼합물을 이용한 연소후 처리에 관한 것이다.
물질을 연소하여 에너지를 생산하거나 폐기물을 제거하는 많은 산업이 있다. 연소 공정은, 허용할 수 없는 농도의 독성 화학 물질과 온실 가스를 가질 수 있는 노 배기 가스(furnace exhaust gas)를 생성하는데, 이러한 독성 화학 물질과 온실 가스 모두는 환경에 해를 끼친다.
연소후 기술은 이러한 문제를 부분적으로 해결하기 위한 방법으로서 발생했다. 예를 들어, (전문이 본원에 참고로 원용되는) Obermuller의 미국 특허번호 제4,820,500호는, 노 배기 가스와 함께 공기가 존재하는 가운데 가연성 가스를 연소하는 것을 기술하고 있다. 이 공정은 비교적 저온에서 수행되며, 이는 CO 및 NOx 가스의 생성이 바람직하지 않다는 것을 교시한다. 이 공정에 의하면, 가스를 더욱 완전하게 연소하지만, (노 배기 가스의 특성에 따라) 유독 가스의 배출도 야기한다.
(전문이 본원에 참고로 원용되는) Futurenergy Pty Ltd(Futurenergy)의 문헌 W02015/015447은, 미국 특허번호 제6,663,752호에 기술된 바와 같이 Magnegas를 사용하는 연소 시스템을 기술하고 있다. 그러나, Futurenergy 장치는, 임의의 연속적 노 작동에 필요한 장기 연속 사용에 적합하지 않다. Futurenergy 사양에 설명된 장치를 단기적으로 사용하는 것 이외의 모든 것은, 연소후의 간헐적 고장 및 연소 공정을 중단시키는 효율 감소를 초래한다. 이것은 폭발 위험이 있으며 장비를 손상시킬 수 있다. 간헐적 고장은, 또한, 처리되지 않은 연소 가스가 환경으로 바람직하지 않게 배출되게 한다.
전술한 어떠한 것도 반드시 일반적인 공통 지식에 속하는 것으로 해석해서는 안 된다.
상술한 단점들을 적어도 부분적으로 극복하거나 적어도 대중에게 유용한 선택을 제공하는 장치를 제조하는 것이 바람직할 것이다.
정의
본 명세서에서는, 문맥상 달리 언급하지 않는 한,
a) "AS"는 호주 표준을 의미한다.
b) "노 배기 가스"는 노에 의해 생성된 (임의의 미립자를 포함하는) 배기 가스이다. 통상적으로, 노 배기 가스는 종래에 연관 스택을 통해 대기로 또는 후처리 장비로 배출된다.
c) "연결된"이라는 것은 간접적으로 연결된 것뿐만 아니라 직접 연결된 것도 의미한다.
d) 면적과 관련하여 "단면" 또는 "단면의"와 같은 변형어는, 일반적인 가스 흐름의 방향에 직각으로 물체를 통한 단면의 내부 공간에 의해 정의된 면적을 의미한다.
e) "포함한다" 또는 "포함하다" 또는 "포함하는"과 같은 변형어는, 언급된 요소, 정수, 또는 단계, 혹은 요소들, 정수들 또는 단계들의 그룹을 포함하지만, 다른 임의의 요소, 정수, 또는 단계, 혹은 요소들, 정수들 또는 단계들의 그룹을 배제하지 않음을 의미하는 것으로 이해할 수 있다.
f) "챔버"는, 다른 챔버, 덕트, 또는 통로에 선택적으로 연결되는 밀폐된 공간 또는 공동을 의미한다. 이 정의는, 사용 중에 단일 유닛으로서 기능하는 다수의 챔버도 포함한다.
g) "냉각기"는, 열 교환기와 같이 냉각을 위한 컨테이너, 용기, 또는 장치를 의미한다.
h) 통계적 의미의 "최빈값(mode)"은, 일련의 숫자에서 가장 빈번하게 발생하는 숫자를 가리킨다. 최빈값은, 각 결과의 빈도를 계산하기 위해 데이터를 수집하고 구성함으로써 찾을 수 있다. 본 명세서의 목적상, 측정값은 가장 가까운 5mm로 반올림된다.
i) "K"는 켈빈으로 표현된 온도 부호이다.
j) "g"는 그램이다.
k) "mg"은 밀리그램(10-3 그램)이다.
l) "최소"는 상황에 따라 분(min) 또는 분들이다.
m) "원심 압축기"는, 에너지가 회전 임펠러 블레이드들의 세트로부터 가스로 전달되는 압축기이다. 가스 흐름은 방사형이며, 에너지 전달은 가스에 작용하는 원심력의 변화로 인해 발생한다.
n) "T304L"은, 17% 내지 20%의 크롬, 8% 내지 10.5%의 니켈, 최대 0.03%의 탄소, 최대 2%의 마그네슘, 최대 0.75%의 실리콘, 최대 0.045%의 인, 및 최대 0.03%의 황인 비철 성분들을 갖는, 제조 산업에 공지되어 있는 유형의 스테인리스 강 물질이다.
o) "SCH10"은, ASME/ANSI B 36.10 "용접 및 이음새가 없는 단조 강관"(Weldedand Seamless Wrought Steel Pipe)에 따른 표준 파이프 크기이다.
p) "NB"는 mm로 표시되는 공칭 보어(내경)이다.
q) "Nm3"은 표준 온도 및 압력(0℃ 및 101.3kPa)에서 건조 입방 미터의 기체 체적이다.
r) "CO"는 일산화탄소이다.
s) "CO2"는 이산화탄소이다.
t) "NOx"는, NO 및 N02와 같이 하나의 질소와 하나 이상의 산소 원자를 함유하는 분자들에 대한 조합된 용어이다.
u) "PM"은 미립자성 물질이다.
v) "H2S"는 황화수소이다.
w) "STP"는 표준 온도 및 압력을 의미한다(0℃ 및 101.3kPa).
x) "VOC"는, 대기 광화학 반응에 참여하는 293.15K(즉, 20℃)에서 증기압이 0.01kPa를 초과하는 탄소 사슬 또는 환을 기본으로 하는 화합물이다. 다음에 따르는 화합물들은 정의에서 제외된다: 일산화탄소; 메탄; 아크릴아미드; 벤젠 헥사클로로; 비페닐; 클로로페놀; n-q 부틸 프탈레이트; 에틸렌 글리콜; 디-(2-에틸헥실)프탈레이트(DEHP); 4,4-메틸렌 비스 2,4 아닐린(MOCA); 메틸렌비스; 페놀; 및 톨루엔-2,4-디이소시아네이트.
y) "TVOC"는, 대기에 또는 배출물에 존재할 때 보고를 간략화하기 위해 광범위한 VOC를 그룹화한 것이다. 본 발명에서 TVOC를 측정할 때, 이러한 물질들은, 오염된 공기에, 즉, 액체 상이라기보다는 화합물에 의해 배출되는 가스들의 증기에 존재해야 한다.
z) "TVOC(프로판)"은, 프로판을 사용하여 교정된(calibrated) 센서를 사용하여 측정된 TVOC를 의미한다.
aa) "감소기"는, 파이프 크기를 큰 보어로부터 작은 보어(내경)로 감소시키는 파이프라인의 구성요소이다. 감소 길이는 일반적으로 크고 작은 파이프 직경들의 평균과 같다. 감소기에는, 동심 감소기와 편심 감소기라는 두 가지 주요 유형이 있다. 본 명세서에서는, 동심 감소기가 주로 사용된다. 감소기는, 유체 흐름 방향과 무관하므로, 상류에서 직경이 감소되고 하류에서 직경이 확대되어 사용될 수 있다.
bb) USEPA는 미국 환경 보호국을 의미한다.
통상의 기술자는, 상술한 정의가 문맥을 적절히 고려하여 단수 및 복수에 적용될 수 있으며 또한 적용되어야 하며, 아울러, 상술한 용어로부터 유래되는 동사, 명사, 형용사, 및 부사의 시제에도 적용될 수 있음을 이해할 것이다.
제1 양태에서, 본 발명은 연소후 장치를 제공하며, 연소후 장치는,
a) (사용시) 노에 연결되며, 연소후 장치 내로의 노 배기 가스의 진입을 허용하며, 이에 따라 (사용시) 장치에 들어가는 노 배기 가스의 극상류 위치를 정의하는, 노 연관 유입구(furnace flue inlet);
b) 유입구와 유출구를 포함하는 연소후 배기 챔버로서, 유출구는 (사용시) 장치로부터 나오는 처리된 노 배기 가스의 극하류 위치를 정의하고, 가스가 (사용시) 극상류 위치와 극하류 위치 간에 흐르는, 연소후 배기 챔버;
c) 노 연관 유입구에 연결된 유입구, 유출구, 및 냉각 요소를 포함하는 냉각기;
d) 혼합 챔버로서, 냉각기의 유출구에 연결된 유입구, 유출구, 및 사용시 연소후 가스 연료를 도입하여 노 배기 가스와 혼합하는 혼합 챔버의 유입구의 하류에 위치하는 연소후 가스 연료 주입 포트를 포함하는, 혼합 챔버;
e) 냉각기의 유출구와 혼합 챔버의 유입구 사이에 개재되고, 냉각기로부터 혼합 챔버로 실질적으로 한 방향으로만 가스 흐름을 허용하도록 구성된 비복귀 밸브;
f) 혼합 챔버의 유출구에 연결된 유입구, 및 연소후 배기 챔버의 유입구에 연결된 유출구를 포함하는 연소 팽창 챔버;
g) 혼합 챔버 또는 연소 팽창 챔버 내에서 연료 주입 포트의 하류에 위치하는 점화기; 및
h) 사용시 노 연관 유입구로부터 연소후 장치를 통해 하류로 그리고 연소후 배기 챔버의 유출구로 노 배기 가스와 미립자를 구동하도록 구성된, 연소후 장치에 연결된 가스 동력 시스템을 포함하고,
i) 가스 흐름에 수직인 연소 팽창 챔버의 내벽들에 의해 한정된 연소 팽창 챔버 단면적의 최빈값은, 가스 흐름에 수직인 배기 및 혼합 챔버의 내벽들에 의해 한정된 혼합 챔버 단면적의 최빈값보다 크고,
j) 가스 흐름에 수직인 연소후 배기 챔버의 내벽들에 의해 한정된 연소후 배기 챔버 단면적의 최빈값은 혼합 챔버 단면적의 최빈값보다 크다.
추가 양태에서, 본 발명은 연소후 공정을 제공하며, 연소후 공정은,
a) 연소후 장치 내로의 노 배기 가스의 진입을 허용하고 이에 따라 연소후 장치에 들어가는 노 배기 가스의 극상류 위치를 정의하는 노로부터의 노 연관 유 입구를 통해 노 배기 가스를 공급하는 단계;
b) 유입구와 유출구를 포함하는 연소후 배기 챔버의 유출구로부터, 처리된 노 배기 가스를 배기하는 단계로서, 유출구는 연소후 장치로부터 나오는 처리된 노 배기 가스의 극하류 위치를 정의하고, 가스가 극상류 위치와 극하류 위치 간에 흐르는, 단계;
c) 노 배기 가스를, 노 연관 유입구로부터의 유입구, 유출구, 및 노 배기 가스를 냉각하는 냉각 요소를 포함하고 노 배기 가스를 냉각하는 냉각기 내에 공급하는 단계;
d) 냉각된 노 배기 가스를, 냉각기의 유출구에 연결된 유입구, 유출구, 및 혼합 챔버의 하류에 위치하는 연소후 가스 연료 주입 포트를 포함하고 냉각된 노 배기 가스를 연소후 가스 연료와 혼합하는 혼합 챔버 내에 공급하는 단계;
e) 냉각기의 유출구와 혼합 챔버의 유입구 사이에 개재된 비복귀 밸브를 통해 가스를 전달함으로써 가스의 역류를 방지하는 단계로서, 비복귀 밸브는 냉각기로부터 혼합 챔버로 실질적으로 한 방향으로만 가스 흐름을 허용하도록 구성된, 단계;
f) 혼합된 냉각된 노 배기 가스와 연소후 가스 연료를, 혼합 챔버의 유출구에 연결된 유입구 및 연소후 배기 챔버의 유입구에 연결된 유출구를 포함하는 연소 팽창 챔버 내로 전달하는 단계;
g) 혼합 챔버 또는 연소 팽창 챔버 내의 연료 주입 포트의 하류에 위치하는 점화기를 사용하여, 혼합된 냉각된 노 배기 가스와 연소후 가스 연료를 점화하는 단계; 및
h) 노 연관 유입구로부터 연소후 장치를 통해 하류로 그리고 연소후 배기 챔버의 유출구로 가스를 구동하는, 연소후 장치에 연결된 가스 동력 시스템을 사용하여, 연소후 공정의 가스를 구동하는 단계를 포함하고,
i) 냉각된 노 배기 가스와 연소후 가스 연료의 연소 혼합물은, 가스 흐름에 수직인 배기 및 혼합 챔버의 내벽들에 의해 한정된 혼합 챔버 단면적의 최빈값보다 큰 가스 흐름에 수직인 연소 팽창 챔버의 내벽들에 의해 한정된 연소 팽창 챔버 단면적의 최빈값을 갖는 연소 팽창 챔버 때문에 연소 팽창 챔버를 통해 팽창할 수 있고,
j) 냉각된 노 배기 가스와 연소후 가스 연료의 연소된 혼합물은, 혼합 챔버 단면적의 최빈값보다 큰 가스 흐름에 수직인 연소후 배기 챔버의 내벽들에 의해 한정된 연소후 배기 챔버 단면적의 최빈값을 갖는 연소 팽창 챔버 때문에 연소 팽창 챔버로부터 배출될 수 있다.
전술한 양태 모두에 관하여,
바람직하게, 연소 팽창 챔버의 단면적 최빈값의 비는, 혼합 챔버의 단면적 최빈값의 비보다 크고, 더욱 바람직하게는 혼합 챔버의 단면적 최빈값의 적어도 두 배이다.
또한, 연소 배기 챔버의 단면적 최빈값의 비가 혼합 챔버의 단면적 최빈값의 비보다 적어도 두 배인 것이 바람직하다.
연소 배기 챔버의 유출구는 배기 연관 스택에 연결될 수 있다. 현재 바람직한 일 실시예에서, 연소 배기 챔버는, 사용시 적어도 일부의 처리된 배기 가스가 노 내로 재순환되도록 노의 유입구에 연결된다. 바람직하게, 노로 들어가는 처리된 노 배기 가스의 양은 밸브에 의해 제어된다.
연소 팽창 챔버를 따라 장치의 유출구로 이어지는 임의의 곳의 최소 단면적은 혼합 챔버의 평균 단면적보다 큰 것이 특히 바람직하다.
혼합 챔버의 산소 레벨은 대기 수준보다 낮아야 한다. 본 발명자들은, 혼합 챔버 내의 높은 레벨의 산소로 인해 종종 연소후 가스 연료가 바람직하지 않게 산소와 우선적으로 반응한다는 점을 발견했다. 연소후 가스 연료가 노 배출물과 반응할 수 있는 것이 바람직하다. 노와 배기 스택 사이의 배기 경로는 바람직하게 공기로부터 밀봉되어야 하고, 추가 산소가 시스템 내로 도입되지 않아야 한다.
배기 경로는 바람직하게 배압을 최소화하도록 적어도 팽창 챔버와 동일한 단면적이어야 한다. 배압은 연소후 장치 및 공정의 성능을 저하시키는 것으로 밝혀졌다.
다른 바람직한 일 실시예에서, 적어도 일부의 처리된 노 배기 가스는, 발전 기용 열원으로서, 바람직하게는 증기 라인 열 교환기를 통해 열원으로서 사용된다.
최상의 결과를 위해, 노 배기 가스는 바람직하게 냉각기에 의해 360K 내지 395K로 냉각된다. 현재 바람직한 일 실시예에서, 냉각기는, 바람직하게 냉각 매체인 물이 압축기 펌프에 의해 공급되는 예비 연소 물 재킷을 포함한다. 선택적으로, 냉각 공정 동안 가열된 물은 증기 발생기로 공급된다. 더욱 바람직하게, 증기는 액체 물로 냉각되고 재순환된다.
혼합 챔버의 길이는 0.3m 내지 1.5m인 것이 바람직하고, 0.8m 내지 1.5m가 더욱 바람직하다. 바람직하게, 연소후 가스 연료 주입 포트는, 챔버 내에 적어도 하나의 노즐을 가지며, 더욱 바람직하게는 노 배기 가스의 흐름 방향에 적어도 부분적으로 반경 방향의 수직으로 연소후 가스 연료를 선회(swirl)하도록 경사져 있다. 현재 바람직한 일 실시예에서는, 바람직하게 0.1m 내지 0.3m 이격되고 더욱 바람직하게는 0.2m 이격되고 노 배기 가스의 전파 방향으로 연장되는, 3개의 연소후 가스 연료 주입 포트가 있다.
연소 노에 가장 가까운 노즐로부터의 거리는, 모든 노 배기 가스가 냉각되고 충분히 혼합되어 노즐에 근접한 어떠한 노 배기 가스도 연소후 가스 점화 온도를 초과하지 않도록 더욱 바람직하게는 395K 이하이도록, 냉각기로부터 충분히 떨어져 있어야 한다.
연소 팽창 챔버에 가장 가까운 노즐로부터의 거리는, 연소 발생 전에 연소후 가스 연료와 냉각된 노 배기 가스를 효율적으로 혼합하도록 충분히 떨어져 있어야 한다.
연소후 가스 연료의 유입을 최적화하고 가스들의 혼합을 최대화하도록 추가 노즐을 공급할 수 있다. 노즐들은, 바람직하게 연소후 가스 연료를 대략 하류 방향으로 선회하도록 경사져 있다. 일 실시예에서, 소량의 노즐(단일 노즐일 수 있음)은 난류를 부여하도록 다른 노즐들에 대하여 비스듬한 방향으로 지향된다.
바람직하게, 노즐의 각도는, 연소후 가스 연료와 혼합되는 냉각된 노 배기 가스의 체적, 밀도, 및 조성에 따라 가변될 수 있다. 현재로서는, 최적의 연소를 달성하기 위해 수동으로 조절된 노즐 및 연소후 반응으로부터 발생하는 으르렁거리는 소리(roaring sound)의 증가에 의해 최적의 연소를 판단하는 것이 바람직하다.
적절한 연소후 가스 연료는, 노에서 연소되는 연료의 배출 특성에 크게 좌우된다. 그것은 노 자체의 기능 및 노에서 연소되는 연료의 유형이다. 가장 실용적인 목적으로, 연소후 가스 연료는, STP에서 1,950℃ 이상의 공기 불꽃 온도로 공기 중에서 연소될 수 있는 가스이다. 이러한 저온 그룹에서의 비제한적 가스로는, 프로판, 부탄, 메탄, 및 프로판-부탄 혼합물이 있다.
그러나, 연소후 가스 연료는, 더욱 양호한 반응을 위해 STP에서 2,000℃ 이상의 공기 불꽃 온도로 공기 중에서 연소될 수 있는 가스인 것이 더욱 바람직하다. 비제한적인 예로는, CO/H2 혼합물(55% 내지 65%의 수소 및 30% 내지 35%의 일산화탄소)，수소, 아세틸렌, 프로판, 시아노겐, 및 디시아노아세틸렌이 있다.
본 발명자들은, 노 배기 가스에 TVOC, 미립자, 및 일산화탄소 배출물이 많은 경우에 연소후 공정이 가장 효율적이라는 것을 발견하였다. 따라서, 일련의 다수의 연소 챔버 대신 노와 직렬로 된 단일 연소후 챔버만을 갖는 것이 매우 바람직하다. 그러나, 더 많은 노를 위한 다수의 유출구를 갖는 매니폴드에 의해 기능하는 병렬 구성을 고려할 수도 있다.
또한, 노 배기 가스를 과도하게 냉각시키는 것을 방지하고 안전성을 증가시키기 위해, 연소후 가스 연료는 바람직하게 STP에서 공기 중에서 480℃보다 높은 점화 온도를 가져야 한다. 가장 바람직하게, 연소후 가스 연료는 CO/H2 혼합물(55% 내지 65%의 수소 및 30% 내지 35%의 일산화탄소) 또는 수소이다.
비복귀 밸브는 스윙 게이트 체크 밸브인 것이 바람직하지만, 당업계에는 적절한 다른 밸브가 알려져 있다. 선택되는 모든 밸브는, 개방에 대한 저항이 최소화되어야 하고, 가능한 빠르게 폐쇄되도록 배압에 매우 민감해야 한다.
바람직하게, 주 흐름 제어 밸브는, 노 연관 유입구와 냉각기 사이에 또는 냉각기와 혼합 챔버 사이에 개재되어, 가스 연소후 장치를 통한 노 배기 가스의 유량을 제어한다. 현재 실시예에서, 이것은 수동식 밸브이다.
연소 팽창 챔버는 고온을 견딜 필요가 있다. 따라서, 연소 팽창 챔버는, 바람직하게는 내부적으로 세라믹으로 라이닝되고, 더욱 바람직하게는 주조 세라믹으로 라이닝된다. 현재 바람직한 실시예에서는, 카올린(Kaolin) 세라믹 점토가 사용된다.
본 발명은, 챔버를 보호할 수 있는 다른 방법 및 물질이 이용가능하며 통상의 기술자에게 특히 항공우주 산업과 노 산업의 통상의 기술자에게 공지되어 있으므로, 본 실시예로 한정되지 않는다. 매우 높은 온도를 견딜 수 있는 고전압 세라믹 전력 극 절연제에 사용되는 세라믹이 특히 바람직하다.
점화기는 가스들의 혼합물의 온도를 점화점까지 상승시키는 어떠한 것도 될 수 있다. 파일럿 라이트, 스파크 플러그, 일련의 점화 플러그, 또는 이들의 조합이 현재 바람직하다.
점화기는 바람직하게 연소 팽창 챔버의 유입구 근방에 위치된다. 현재 바람직한 실시예에서, 점화기는, 스파크 플러그이고, 더욱 바람직하게는 연속 스파크를 발생시키는 점화 코일을 통해 12V 변압기에 연결된 백금 스파크 플러그이다. 통상의 기술자는 이러한 기술을 자동차 산업으로부터 인식할 것이다. 연속적 점화를 얻을 수 있는 최상의 기회를 보장하기 위해, 일 실시예에서는, 다수의 점화기를 사용할 수 있고, 바람직하게는 다수의 스파크 플러그, 가장 바람직하게는 3개의 스파크 플러그를 사용할 수 있다. 또한, 파일럿 라이트와 함께 스파크 플러그 등의 다수의 점화 유형을 사용할 수 있다.
가스 동력 시스템은 바람직하게 냉각기와 혼합 챔버 사이에 연결된다. 이것은 냉각되기 전의 노 배기 가스의 고온을 견딜 필요가 없는 물질의 사용을 허용한다. 그럼에도 불구하고, 선택된 물질은 580K를 초과하는 온도에서 현실적으로 생존해야 하므로, 통상의 기술자는 일반적으로 가스 터빈 산업에서 통상적으로 사용되는 물질을 선택할 것이다. 현재 바람직한 실시예에서, 가스 동력 시스템은 벨트에 의해 임펠러를 포함하는 원심 압축기에 연결된 전기 모터이다.
일 실시예에서, 물질 수집 챔버는, 연소 팽창 챔버와 연소후 배기 챔버 사이에 설치되며, 가스 통로 및 물질 수집 용기를 포함한다. 더욱 바람직하게, 물질 수집 용기는, 사용시 가스 통로를 통해 물질 수집 용기 내로 흐르는 가스로부터 자화된 물질을 끌어당기는, 밀접하게 연관된 적어도 하나의 자석을 갖는다. 하나 이상의 자석은 바람직하게 하나 이상의 전자석이고, 더욱 바람직하게는 일련의 전자석이다. 일련의 전자석은 바람직하게 연 강판 아래에 위치하는 브래킷에 장착된다. 일련의 전자석은 240V A/C 주 전원에 의해 급전된다.
편리하게, 물질 수집 용기는 사용시 가스 통로 아래에 위치한다. 사용시, 물질 수집 용기는, 주로 고체 물질, 더욱 바람직하게는 활성탄을 수집하는 것이 바람직하다. 자석은, 비교적 차갑게 유지되어야 하며, 그렇지 않으면, 효율적으로 기능하지 못할 수 있거나 작동불능으로 될 수 있다. 물 트레이의 조합을 사용하면, 자석이 충분히 기능하도록 자석을 냉각 상태로 유지하는 데 도움을 줄 수 있다.
일 실시예에서, 현재 바람직한 실시예의 물질 수집 용기는, 또한, 전자석이 꺼진 후에도 물 내에 활성탄과 같은 미립자를 보유하는, 전자석과 배기 흐름 사이의 물 트레이를 포함한다. 이것은 미립자의 수확을 허용하고, 물은 전자석을 냉각시키는 역할도 한다.
현재 바람직한 실시예에서, U-벤드 파이프는, 흐름 방향을 변경하도록 장치에 설치되며, 더욱 바람직하게는 물질 수집 챔버 앞에 위치한다. 흐름 방향의 변경은 가스의 난류를 증가시킨다. 대체 옵션은 물질 수집 챔버 앞에 난류를 유도하기 위한 날개를 설치하는 것이다.
물 재킷은, 냉각된 노 배기 가스와 연소후 가스 연료의 연소된 혼합물이 2초 이내로 냉각되어 가스가 500℃ 미만의 온도에서 장치의 유출구로부터 배출되도록, 연소 팽창 챔버와 극하류 위치 사이에 설치되는 것이 바람직하다. 이것은 다이옥신과 푸란 군의 독성 화합물의 형성을 방지하는 데 도움을 준다.
이하에서는, 본 발명을 도면에 의해 예시된 바와 같은 비제한적인 예를 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 연소후 장치의 사시도이다.
도 2는 노와 함께 본 발명의 연소후 장치의 사시도이다.
도 3은 도 1의 연소후 장치의 일부의 측단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 연소후 장치의 혼합 챔버의 측단면도이다.
도 5는 도 4의 A-A로서 식별된 노즐의 확대도이다.
도 6은 도 3에 도시된 바와 같이 혼합 챔버와 임펠러 사이에 위치하는 밸브를 통한 측단면도이다.
도 7은 밸브의 요소를 노출하기 위해 공급 파이프의 일부가 제거된 도 1에 도시된 연소후 장치의 비복귀 밸브의 사시도이다.
도 8은 도 1에 도시된 연소후 장치의 물질 수집 챔버의 사시도이다.
도 9는 도 7에 도시된 바와 같은 물질 수집 챔버의 측단면도이다.
도 10은 연소후 공정을 거치지 않은 노로부터의 다양한 배출물에 대한 베이스라인 측정값의 그래프이다.
도 11은 연소후 공정과 결합된 노로부터의 다양한 배출물에 대한 측정값의 그래프이다.
도 1은 본 발명의 연소후 장치의 사시도이다.
도 2는 노와 함께 본 발명의 연소후 장치의 사시도이다.
도 3은 도 1의 연소후 장치의 일부의 측단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 연소후 장치의 혼합 챔버의 측단면도이다.
도 5는 도 4의 A-A로서 식별된 노즐의 확대도이다.
도 6은 도 3에 도시된 바와 같이 혼합 챔버와 임펠러 사이에 위치하는 밸브를 통한 측단면도이다.
도 7은 밸브의 요소를 노출하기 위해 공급 파이프의 일부가 제거된 도 1에 도시된 연소후 장치의 비복귀 밸브의 사시도이다.
도 8은 도 1에 도시된 연소후 장치의 물질 수집 챔버의 사시도이다.
도 9는 도 7에 도시된 바와 같은 물질 수집 챔버의 측단면도이다.
도 10은 연소후 공정을 거치지 않은 노로부터의 다양한 배출물에 대한 베이스라인 측정값의 그래프이다.
도 11은 연소후 공정과 결합된 노로부터의 다양한 배출물에 대한 측정값의 그래프이다.
이하에서는 예들을 참조하여 본 발명을 설명한다. 예들은, 본 발명을 실시할 수 있는 하나 이상의 방식의 바람직한 실시예들일 뿐이며, 청구 발명의 범위를 한정하는 것으로서 해석해서는 안 된다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 참조번호 100으로 표시되는 연소후 장치는, 노 연관 플랜지(120)를 통해 노 연관(도 1에 도시되지 않음)에 연결된 노 연관 유입구(110)를 갖는다. 노 연관 유입구(110)는 연소후 장치(100)로 들어가는 노 배기 가스의 극상류 위치이다.
연소후 장치(100)의 반대측에는, 유입구(140)와 유출구(150)를 갖는 연소후 배기 챔버(130)가 있으며, 유출구(150)는 장치로부터 배출되는 처리된 노 배기 가스의 극하류 위치이다. 가스는 (사용시) 노 연관 유입구(110)로부터 유출구(150)로 흐른다.
또한, 대체 배기 유출구가 추가로 있다. 사용중인 3개의 생성 연결부(160, 170, 180)는 생성기(도시되지 않음)에 연결된다.
또 다른 대체 배기는, 노 효율을 돕도록 사용시 고온 가스를 공급 노에 리턴하는 노 리턴(furnace return; 190)을 통하는 것이다. 이 연결은, 플랜지(200)를 통해 이루어지며, 개재된 수동 제어 밸브(195)에 의해 제어된다.
냉각기(210)는, 노 연관 유입구(110)인 유입구, 및 유출구(220)를 갖는다. 물 재킷(230)은, 사용시 물을 물 유입구(240)를 통해 물 재킷(230) 내로 그리고 물 유출구(250)로부터 물 압축기 펌프(260)로 펌핑함으로써 냉각 요소로서 기능한다.
압축기 펌프(260)는 물 라인(270)에 의해 급수 유입구(280)에 연결된다. 전기식 물 펌프(290)는 물 라인(270)과 급수 유입구(280) 사이에 연결된다. 전기식 물 펌프(290)와 물 라인(270) 사이에는 수동 조작 밸브(300)가 개재된다.
일반적으로 참조번호 310으로 표시되는 가스 동력 시스템은 유출구(220)를 통해 냉각기(210)에 연결된 원심 임펠러 압축기 펌프이다. 유출구(320)는 일반적으로 참조번호 325로 표시되는 비복귀 밸브에 연결되고, 비복귀 밸브는 다시 혼합 챔버(330)에 연결된다.
혼합 챔버(330)는 3개의 연소후 가스 연료 주입 포트(340) 및 유출구(350)를 갖는다. 혼합 챔버(330)의 길이는 1.3m이다.
유출구(350)는 연소 팽창 챔버(360)에 연결되고, 연소 팽창 챔버는 다시 배기 가스 유입구(380)를 통해 관형 열 교환기(370)에 연결된다. 열 교환기(370)는, 배기 가스 유출구(390), 증기 라인 유입구(400), 및 배기 증기 라인(411)에 연결된 증기 라인 유출구(410)를 갖는다. 증기 발생기 연결 플랜지들(412, 415 및 417)은 배기 증기 라인(411)을 증기 구동 발전기(도시하지 않음)에 연결할 수 있게 한다.
증기 라인 유입구(400)는 증기 공급 라인(420)을 거쳐 물 압축기 펌프(260)에 연결된다. 증기 라인 유입구(400)는, 또한, 전기식 물 펌프(290)를 통해 급수 유입구(280)에 연결된 수동 작동식 밸브(440)에 급수 라인(430)을 통해 연결된다.
U-벤드 파이프(450)는 일단에서 배기 가스 배출구(390)에 연결되고 타단에서 물질 수집 챔버(460)에 연결된다.
도면 전체에 걸쳐, 요소들 간의 연결은, 통상적으로 일반적인 방식으로 너트, 볼트, 및 와셔에 의해 서로 연결된 상보적 플랜지에 의해 달성된다. 이들 플랜지형 연결은, 도면에 도시되어 있지만, 도면을 간략하게 정리하도록 본 명세서에서 반드시 넘버링되는 것은 아니다.
도 2를 참조해 볼 때, 도 1에 도시된 바와 같은 연소후 장치(100)는 일반적으로 참조번호 500으로 표시된 노에 연결된 것으로 도시되어 있다. 간결성을 위해, 독자는 도 2에서 동일한 의미를 갖는 도 1의 연소후 장치(100)와 관련된 참조 번호의 설명을 참조한다. 도 2를 간략하게 정리하도록 도 1에 도시된 모든 참조 번호가 도 2에 도시된 것은 아니다.
노(500)는 상업적 소각 챔버 노이며, 모델로는, Proburn Waste Incinerators에 의한 Midi Waste Incinerator가 있다. 이것은 도어(520)에 연결된 컨베이어(510)를 가지며, 도어는, 컨베이어(510)로부터 노 배기 챔버(540)에 연결된 노 연소 챔버(530) 내로의 연소용 폐기물의 유입을 허용하며, 노 배기 챔버는 다시 노 연관(550)에 연결된다.
노 연관(550)은 노 연관 플랜지(120)에 연결된다.
노 리턴 파이프(560, 570)는 자신의 일단에서 노 연소 챔버(530)의 하단에 연결된다. 노 리턴 파이프(560, 570)는 자신의 타단에서 플랜지(200)의 노 리턴(190)에 연결된다.
도 3을 참조해 보면, 연소후 장치(100)의 일부가 도시되어 있다. 이전 도면들에 표시된 것과 동일한 숫자의 요소들은 동일하며 여기서 다시 설명하지 않는다. 독자는 이들 참조 번호에 대해서는 이전 설명을 참조한다.
가스 동력 시스템(310)은, 벨트(610)를 통해 전기 모터(620)에 연결된 풀리(도시되지 않음)에 의해 구동되는 임펠러(600)를 갖는다. 임펠러의 정격은 580K 이상이다. 임펠러(600)는, 415 볼트 4kW 전기 모터(620)에 연결된 다이렉트 드라이브에 의해 연결된 120mm 직경의 유출구와 150mm 직경의 유입구를 갖는, Aerotech 브랜드의 모델 HP184의 강이 수용된 500mm 임펠러이다.
유출구(320)는, 파이프 내경을 100mm로 감소시키는 감소기(630)에 연결되고 비복귀 밸브(325)에 연결된다. 비복귀 밸브(325)는, 비상 차단을 위해 수동으로 작동되는 볼 밸브(650)와 함께 스윙 게이트 체크 밸브(640)로 이루어진다.
볼 밸브(650)는 혼합 챔버(330)에 연결된다. 혼합 챔버(330)는 100mm NB SCH10 용접 파이프 T304L로 제조된다. 일반적으로 참조번호 340으로 표시된 주입 포트는 3개의 주입기(660, 670 및 680)로 이루어진다.
혼합 챔버(330)의 하류 단부에는 내경을 100mm로부터 200mm로 팽창시키는 감소기(690)가 있다. 감소기(690) 상에는, 연속 스파크를 발생시키는 점화 코일(도시되지 않음)을 통해 12V 변압기에 연결된 백금 스파크 플러그(700) 점화기가 있다.
감소기(690)는, 내화 세라믹의 세라믹 라이닝(710)을 갖는 연소 팽창 챔버(360) 내로 개방된다. 세라믹 라이닝(710)은 200mm NB 및 40mm 내지 48mm의 라이닝 두께를 갖는다.
세라믹 라이닝(710)은, 연소 팽창 챔버(360)의 각 단부에서 300mm × 200mm NB SCH10 T304L 감소기(730, 740)에 연결된 300mm NB SCH10 T304L 용접 파이프(720) 내에 수용된다.
세라믹 라이닝(710)은, 용접 파이프(720) 내에 외경 200mm의 플라스틱 파이프(도시되지 않음)를 삽입하여 몰드를 형성하고 이에 따라 몰드 충전 공동을 형성함으로써 생성된다. 플라스틱 파이프(도시되지 않음)의 일단에는 펌핑 구멍이 형성되어 있다. 주조가능한 고 알루미나 저 시멘트 내화성 분말(중량: Al2O3 84%, Si02 7.5%, CaO 3.3%, Fe203 1.3%, 알칼리 0.23%, 및 Ti02 1.5%)을 전기 믹서를 사용하여 물과 혼합하여 최대 4.4 물 중량% 내지 5.5 물 중량%을 만든다. 이는, 몰드(도시되지 않음)를 충전하도록 펌핑 구멍(도시되지 않음)을 통해 펌핑되는 펌핑가능한 슬러리를 형성한다. 일단 몰드가 충전되면 펌핑 구멍이 밀봉된다. 세라믹이 경화될 때까지 몰드가 교반된다. 일단 건조되면, 플라스틱 파이프(도시되지 않음)가 제거되고, 세라믹 라이닝(710)의 갭과 크랙은, 중량 기준으로 Al203 42%, Fe203 0.7%, CaO(+MgO) 0.4%, Si02 45%, 알칼리 3.5%, 및 Ti02 1.5%를 포함하는 기경성 내화 습식 모르타르(별도로 도시되지 않음)를 사용하여 충전된다. 세라믹 라이닝(710)은, 건조될 수 있으며, 작동 온도까지 점진적으로 가열되고, 작동 사용 전에 몇 시간 동안 유지된다.
연소 팽창 챔버(360)는 배기 가스 유입구(380)를 통해 열 교환기(370)에 연결된다.
열 교환기(370)는 200mm NB SCH10 용접 파이프 T304L에 의해 둘러싸인 배기 가스 통로(750)를 갖는다. 테이퍼링된 300mm NB SCH10 용접 파이프 T304L의 물 재킷(760)은 배기 가스 통로(750)를 둘러싼다. 물 재킷(760)은, 증기 라인 유입구(400)와 증기 라인 유출구(410)를 수용하며, 증기 라인 유입구 및 증기 라인 유출구는 다시 증기 공급 라인(420) 및 배기 증기 라인(411)에 각각 연결된다.
연소후 장치의 다양한 부분은, 사용시 배기 가스 흐름을 실질적으로 수평면에서 유지하는 파이프 지지부(780, 790, 800, 810 및 820) 상에 지지된다. 이들은 다른 도면에 도시되어 있지만, 간략화를 위해, 반드시 넘버링되어 있는 것은 아니다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 혼합 챔버(330)에는, 도 4의 볼 밸브(650)와 감소기(690)가 측면에 위치한 것으로 도시되어 있다(이들 모두는 부분적으로만 도시되어 있다).
일반적으로 참조번호 340으로 표시된 주입 포트는 주입기들(660, 670, 680)로 이루어지며, 이들 주입기는 경사진 노즐(900, 910, 920)을 각각 갖는다. 경사진 노즐(900, 910, 920)은, 혼합 챔버(330) 내로 종단되고, 가스 방지 피팅(960, 970, 980)에 대해 각각의 조절 너트(930, 940, 950)를 (각각) 사용함으로써 혼합 챔버(330) 내에서 회선(swivel)될 수 있다. 경사진 노즐들(900, 910)은 시점에서 멀어지는 측으로 향하도록 끌어당겨지는 반면, 노즐(1000)은 측면을 향하여 끌어당겨진다. 경사진 노즐들(900. 910)은 사용시 혼합 챔버(330) 내의 가스를 동심원으로 회선하도록 구성된 반면, 노즐(1000)은 혼합 챔버(330) 내의 가스에 난류를 도입하도록 구성된다.
주입기들(660, 670, 680)은 25mm NB SCH10 용접 파이프 T304L로 제조된다. 주입기들(660, 670, 680)은, 200mm 이격되고, 챔버(330)의 중심선에 대해 45°로 경사진다. 혼합 길이(990)는 경사진 노즐(900)과 혼합 챔버(330)의 단부 사이에서 정의되며 , 그 길이는 약 0.48m이다.
노즐들(900, 910, 920)은, 자신의 단부에서 내경이 10mm로 감소된 금속으로 구성된다(단부(1000)만이 노즐(920)에 대해 도시되어 있지만, 나머지도 마찬가지로 구성된다).
도 6과 도 7을 참조해 보면, 가스 동력 시스템의 유출구(320)와 혼합 챔버(330) 사이에 연결된 스윙 게이트 체크 밸브(640)와 볼 밸브(650)를 포함하는, 일반적으로 참조번호 325로 표시된 비복귀 밸브가 도시되어 있다. 스윙 게이트 체크 밸브(640)와 볼 밸브(650)는 독립적으로 작동 가능하다.
불 밸브(650)는, 가스가 볼 밸브(650)를 통과할 수 있게 하는 개방 구성으로 도시된 관통 보어(1120)를 갖는 시트(1125)에서 볼(1110)에 연결된 핸들(1100)을 갖는다. 핸들(1100)이 도시된 바와 같은 각도로부터 90도 회전하면, 관통 보어(1120)는 시트(1125)에 의해 폐쇄되고. 볼 밸브(650)는 자신의 폐쇄 구성(도시되지 않음)으로 된다.
스윙 게이트 체크 밸브(640)는. 밀봉 플랩(1140)을 밀봉 판(1150)과 힌지 곁합하는 힌지(1130)를 갖는다. 밀봉 판(1150)은 오리피스(1160)를 갖는다. 연결 파이프(1170)(도 7에서는 부분적으로만 도시됨)는 스윙 게이트 체크 밸브(640)를 볼 밸브(650)에 연결한다.
밀봉 플랩(1140)은 직경 91mm로 실질적으로 원형인 반면, 오리피스(1160)는 직경 92mm로 되어 있다. 사용시, 밀봉 플랩(1140)은, 밀봉 판(1150)에 대해 밀봉되도록 설계되었기 때문에 배출 흐름의 정상 방향의 상류 위치로 다시 스윙할 수 없다.
힌지(1130)는, 가스 움직임이 없는 상황에서 플랩(1140)이 자신의 자제 중량으로 인해 폐쇄되게 하는 매우 작은 대각선으로 절단된다. 이것은, 전문이 본원에 참고로 원용되는 HICKEY의 문헌 US284084에서 기술된 것과 동일한 원리이다.
플랩(1140)은, 흐름이 시작되는 즉시 개방되고 흐름에 의해 개방된 상태로 유지된다. 배압의 경우에는, 플랩(1140)이 폐쇄된다. 플랩(1140)은 (오리피스(1160)보다 직경이 작은 플랜지로서 기능하는) 밀봉 판(1150)에 대해 밀봉되기 때문에, 플랩(140)은 연결 파이프(1170)의 직경보다 약간 작다.
도 8과 도 9를 참조해 보면, 물질 수집 챔버(460)는 U-벤드 파이프(450)와 연소 배기 챔버의 유입구(140) 사이에 설치된다. 가스 통로(1200)는 U-벤드 파이프(450)와 연소 배기 챔버의 유입구(140) 간에 가스의 통과를 허용한다.
Techstylegroup의 240V A/C 상용 전자기 베이스 전력 13500N 자기력의 3개의 전자석(1210, 1220, 1230)은 6mm 물질 두께의 스테인리스 강으로 밀봉된 인클로저(1240) 내에 위치한다. 물 트레이(1250)는, 작동 중에 증발되는 물을 대체하기 위해 물이 일정하게 공급되는 가스 통로(1200) 아래에 위치한다.
사용시
도면을 참조하면, 사용시, 노(500)에는 소각될 폐기물(도시되지 않음)이 컨베이어(510)에 의해 공급된다(도시되지 않음). 폐기물(도시되지 않음)은, 도어(520)를 통해 노 연소 챔버(530)로 들어가고, 여기서 연소된다.
노 배기 가스(도시되지 않음) 및 연소에 의해 생성된 미립자는 노 배기 챔버(540)를 통해 노 연관(550) 내로 전달된다. 노 배기 가스(도시되지 않음)는 노 연관 유입구(110)를 통해 연소후 장치(100) 내로 전달된다. 노 연관 유입구(110)는, 연소후 장치(100)로 들어가는 노 배기 가스(도시되지 않음)의 극상류 위치이다.
노 배기 가스는, 냉각기(210) 내로 전달되고, 열을 노 배기 가스와 교환하는 물 유입구(240) 내로 물 압축기 펌프(260)에 의해 물 펌핑되는 냉각 재킷(230)에 의해 냉각되며, 물 유출구(250)를 통해 냉각 재킷(230)으로부터 배출된다.
압축기 펌프(260)는 물 라인들 간의 압력과 레벨을 균등화한다. 물은, 압축기 펌프(260)에 의해 온수 유출구(250)를 통해 증기 공급 라인(420)을 거쳐 증기 라인 입구(400)를 통해 열 교환기(370)로 구동된다.
최상의 결과를 위해, 노 배기 가스는 냉각기(210)에 의해 340K 내지 395K로 냉각된다. 냉각된 노 배기 가스는 유출구(220)를 통해 가스 동력 시스템(310) 내로 끌어당겨진다.
전기 모터(620)는, 임펠러(600)를 구동하여 냉각기(210)로부터 가스 동력 시스템을 통해 냉각된 배기 가스를 끌어당겨 유출구(320)를 통해 계속 추진하게 한다.
추진된 냉각된 배기 가스는 감소기(630) 및 비복귀 밸브(325)를 통과한다.
연소후 장치(100)에서의 역류의 경우, 역류의 상류력(upstream force)에 의해 스윙 게이트 체크 밸브(640)가 폐쇄되어, 밀봉 플랩(1140)을 밀봉 판(1150)에 대하여 힌지 폐쇄 및 밀봉시켜, 노 배기 가스가 오리피스(1160)를 통해 노로 다시 복귀하는 것을 방지한다. 일단 역류 압력이 가스 동력 시스템(310)에 의해 생성된 압력보다 작게 감소되면, 밀봉 플랩(1140)은, 상류측 노 배기 가스에 의해 가해지는 압력에 의해 다시 힌지 개방된다. 밀봉 플랩(1140)은 역류에 대한 충분한 보호를 가능하게 하면서 가능한 한 가볍게 설계된다.
핸들(1100)을 도 6에 도시된 바와 같은 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 90° 회전시키고, 이에 따라 비복귀 밸브(325)의 하류에서 연소후 장치를 격리함으로써 비상 차단도 달성될 수 있다.
추진된 냉각된 배기 가스는, 혼합 챔버(330)에 들어가고, 노즐들(900, 910, 920)로부터 3개의 주입기(660, 670, 680)를 통해 공급되는 주입 포트(340)를 통해 연소후 가스와 (각각) 혼합된다 노즐들은, 노 배기 가스와 혼합되는 것을 돕는 선회 운등을 연소후 가스에 부여하도록 경사져 있다.
본 예를 위해 사용되는 연소후 가스는, 수소, 또는 55중량% 내지 65중량%의 수소와 30중량% 대지 35중량%의 일산화탄소를 갖는 CO/H2 혼합물이었다.
노즐들(900, 910, 920)은, 연소후 가스와 혼합되는 냉각된 노 배기 가스의 제적, 밀도, 및 조성에 따라, 조절 너트(930, 940, 950)를 사용하여 혼합 챔버(330) 내에서 사용되기 전에 경사진다. 최적의 연소는 연소후 반응에서 나오는 으르렁거리는 음의 강도에 의해 판단된다. 으르렁거리는 소리의 강도가 커질수록 연소 공정의 효율이 개선된다.
노즐들(900, 910, 920) 중 어느 것에 대해서도 근접한 노 배기 가스가 연소후 가스 점화 온도를 초과하지 않고 395K 이하의 안전 마진을 위해 노 배기 가스가 냉각되었음을 보장하도록, 노즐 및 노 배기 가스의 유량을 조절할 때 주의해야 한다.
혼합 챔버 내로의 연소후 가스와 노 배기 가스의 혼합비 및 유량은, 고정되어 있지 않으며, 연소되는 폐기물의 유형에 의존한다. 그 혼합비와 유량은, 가장 강렬한 청각적 '으르렁거림'을 달성하도록 증가 또는 감소된다.
혼합된 가스들은 유출구(350)를 통해 혼합 챔버로부터 배출되어 감소기(690)로 들어간다. 백금 스파크 플러그(700)는 연속적으로 점화되고 혼합된 가스들을 위한 점화원을 제공한다
혼합된 가스들은 점화되어 연소 팽창 챔버(360) 내로 팽창된다. 이 점화 반응은 발열성이며 상당한 열을 발생시킨다. 세라믹 라이닝(710)은, 열 장벽으로서 기능하여, 300mm NB SCH10 T304L 용접 파이프(720)에 대한 심각한 손상을 방지한다. 연소된 혼합 가스들은 배기 가스로 된다.
배기 가스는, 관형 열 교환기(370)로 구동되고, 배기 가스 유입구(380)를 통해 배기 가스 통로(750) 내로 들어간다.
물은, 물 압축기 펌프(260) 및 전기 물 펌프(290)에 의해 각각 구동되는 증기 공급 라인(420) 및 물 공급 라인(430)으로부터 증기 라인 유입구(400)를 통해 물 재킷(760) 내로 도입된다.
가스 통로(750) 내의 배기 가스는 물 재킷(760) 내의 물에 의해 냉각된다. 물 재킷(760) 내의 물은 이러한 냉각 공정을 통해 증기로 가열된다.
증기는. 라인 유출구(410)를 통해 물 재킷(760)으로부터 배출되어 배기 증기 라인(411)을 통해 이동한다. 배기 증기 라인(411)에 연결된 증기 발생기 연결 플랜지들(412, 415, 417)은 전기를 발생시키는 연결된 증기 구동 발전기(도시되지 않음)에 증기를 공급한다.
냉각된 배기 가스는, 배기 가스 유출구(390)를 통해 열 교환기(370)로부터 배출되고, U-벤드 파이프(450)를 통과하여 물질 수집 챔버(460)로 들어가고, 가스 통로(1200)를 따라 연소 배기 챔버의 유입구(140)를 향해 흐른다.
가스 통로(1200) 내의 배기 가스의 이온화된 물질 및/또는 자화된 물질은, 240V A/C 공급이 인가되는 3개의 전자석 (1210, 1220, 1230)에 자기적으로 끌린다. 이온화된 물질 및/또는 자화된 물질은 내부에 물이 있는 물 트레이(1250)로 들어가고, 이는 240V A/C 공급이 꺼지는 경우 이온화된 물질 및/또는 자화된 물질의 탈출을 방지한다.
배기 가스는 연소 배기 챔버의 유입구(140)를 통해 물질 수집 챔버(460)로부터 연소 배기 챔버(130) 내로 배출된다. 일부 가스는 발전기 연결부(160, 170, 180)를 통해 발전기에 공급된다. 유입구(140)를 통해 연소 배기 챔버(130)로 들어가는 잔류 배기 가스의 추가 양은, 노 리턴(190) 및 노 리턴 파이프(560, 570)를 통과하여 노 연소 챔버(530)의 하단으로 향하고, 노 효율을 돕도록 가열된 연소 가스로서 기능한다.
유입구(140)를 통해 연소 배기 챔버(130)로 들어가는 잔류 배기 가스의 다른 양은 유중구(150)를 통해 대기로 배출된다.
실험 결과 H
2
/CO
연소후 장치 및 공정의 효율 테스트를, 독립적 테스트 실험실인 SIMTARS(ABN 59 020 847 551, 호주 퀸즐랜드 소재)에 의해 수행하였다. 실험실에서는, 혼합된 폐기물을 연소할 때 일반 가스들(CO, CO2, NOx, 총 VOC, 및 H2S) 및 미립자 물질(PM)을 포함한 대기 배출을 줄이는 가연성 가스 시스템의 효율을 평가하였다.
연소후 장치는 주위로부터 기동할 때 노 배출에 노출되지 않으면 가장 쉽게 시동되는 것으로 밝혀졌다. 연소후 장치가 이미 작동하기 시작한 후에 추가된 배출은 스파크 플러그(700)의 오염을 방지하는 데 도움이 되었다. 스파크 플러그(700)가 오염되면 옥시아세틸렌 파일럿을 사용하여 연소후 장치를 개시할 수 있다. 스파크 플러그(700)는 온도에서 연소후 공정에 의해 오염 제거된다.
테스트 중에 상류 노(500)의 혼합된 폐기물들은, 타이어 및 기타 고무 물질, 플라스틱, 소형 납 배터리, 폴리스티렌/포장 발포제, 석탄, 절삭유에 담긴 누더기, 기타 일반 폐기물이었다.
연소후 가스가 있는 연소후 장치를 통해 자유롭게 흐르는 처리되지 않은 베이스라인 배출물을, 연소후 가스가 있는 연소후 장치를 사용하였을 때 얻어진 배출물과 비교함으로써, 제거 효율을 계산하였으며, 이때, 연소후 가스는, 55% 내지 65%의 수소 가스와 30% 내지 35%의 일산화탄소 가스를 갖는 CO/H2 혼합물이었다. 테스트 결과는 표 2에 제시되어 있다.
이 테스트를 위해 임펠러(600)를 50Hz로 구동하였다.
테스트 파라미터들은 표 1에 제시된 바와 같이 다양한 표준에 따라 수행되었다.
| 테스트 방법 | |||||
| 파라미터 | 테스트 방법 | ISO 상당 | 분석 | 코멘트 | NATA |
| 샘플면 기준 | AS 4323.1 | ISO9096 | 1 | A, B | 예 |
| 가스 속도 및 온도 | USEPA 방법 2 | ISO10780 | 1 | Nil | 예 |
| 스택 가스 밀도 | USEPA 방법 3 | - | 1 | Nil | 예 |
| 산소&이산화탄소 | USEPA 방법 3A | - | 1 | B | 예 |
| 스택 가스 수증기 | USEPA 방법 4 | - | 1 | Nil | 예 |
| 미립자 물질 - 총 | AS 4323.2 | ISO9096 | 1 | A, B | 예 |
| NO2와 같은 질소 산화물 | USEPA 방법 7E | - | 1 | C | 예 |
| 일산화탄소 | USEPA 방법 10 | - | 1 | C | 예 |
| 휘발성 유기 화합물 | USEPA 방법 18 | - | 1 | Nil | 예 |
| 황화수소 | USEPA 방법 18 | - | 1 | Nil | 예 |
| 테스트 결과 CO/H2 연소후 가스 | ||||
| 배출지점 파라미터 | 테스트 결과 베이스라인 |
연소후를 이용한 테스트 결과 | 베이스라인으로부터의 변동 | 측정 단위 |
| 샘플링 시간 | 16 | 32 | n/a | 분 |
| 평균 배기 속도 | 2.40 | 4.19 | +76% | m/sec |
| 평균 배기 온도 | 72 | 305 | +323% | °C |
| 수분 함량 | 15 | 16 | +9% | % |
| 스택 체적 유량 | 3.6 | 3.7 | +5% | Nm3/분 |
| 이산화탄소 퍼센트 | 3.7 | 6.4 | +76% | vol-% |
| 산소 퍼센트 | 16.8 | 15.5 | -8% | vol-% |
| 일산화탄소 | 2,250 | 44 | -98% | mg/Nm3 |
| 질소 산화물 (NO2와 같은 Nox) |
222 | 57 | -74% | mg/Nm3 |
| 미립자 배출률 | 0.48 | 0.03 | -94% | g/분 |
| TSP (총 고체 미립자 물질) |
158.8 | 8.9 | -94% | mg/Nm3 |
| TVOC (프로판) | 103.8 | 36.5 | -65% | mg/Nm3 |
| TVOC 배출률 | 0.32 | 0.11 | -64% | g/분 |
| H2S | < 1.52 | <1.52 | n/a | mg/Nm3 |
테스트 종료시, 노(500)에 남아있는 것은, 배터리에서 나온 몇 줌의 흰색 재/탄소질 물질 및 타이어로부터 남은 금속 와이어이었다.
도 10은 일정 기간 동안 표 2의 일부 파라미터에 대한 베이스라인 배출을 도시한다. 도 11은 일정 기간 동안 표 2의 일부 파라미터에 대한 연소후 배출을 도시한다.
도 10과 도 11에 도시된 배출의 변동은 노(500)에서 연소된 물질들의 이질적 성질 때문이다. 도 10과 도 11의 ppm(백만분율) 측정에 대한 스케일이 다르다는 점에 주목한다.
실험 결과 H2
다른 연소후 가스인 수소를 이용한 연소후 장치의 효능을 입증하기 위해 추가 테스트를 수행하였다.
다음에 따르는 테스트에서는, 배기 스택으로부터 결과를 얻기 위해 Testo 330i LX Advanced 연관 가스 분석기 키트를 사용하였다. 센서의 오염 문제로 인해, 베이스라인 수치를 얻을 수 없었지만, 표 2의 초기 테스트 동안 얻은 수치와 유사할 것으로 예상된다.
표 3은 이 테스트의 결과를 보여준다. 결과가 안정화되었을 때 그 결과를 취하였다.
| 스택 온도 |
O2 | CO | CO2 | 노 |
| ℃ | % | ppm | % | 연료 |
| 416 | 15 | 160 | 3.5 | 폴리에틸렌 테레프탈레이트 플라스틱 병의 작은 조각 |
| 384 | 13.7 | 102 | 4.5 | 테레프탈레이트 플라스틱 병 전체 |
| 409 | 14 | 96 | 3.95 | 고무 타이어 (작은 조각) |
| 409 | 13 | 80 | 4.48 | 고무 타이어 (큰 조각) |
| 465 | 12 | 61 | 5 | 이전 고무량의 세 배(큰 하중) |
반직관적으로, 연소후 공정은, 노(500)로부터 배출물이 더 많이 배출됨에 따라, 점진적으로 더 잘 수행되었다. 완전한 플라스틱 병이 노(500)에 첨가될 때 CO 값이 떨어졌다. 마찬가지로, 차량 타이어 조각은 노에 더 많이 첨가될수록 더 양호한 결과를 초래하였다.
스택으로부터 베이스라인 정량적 배출 데이터를 얻을 수는 없었지만, 노(500)가 고무 타이어를 연소하는 동안 연소후 공정이 해제되었을 때, 테스트가 수행되고 있던 공장은, 몇 미터 이상 떨어진 곳에서 시각적인 상세를 알아볼 수 없는 정도로 유해한 검은 연기로 빠르게 채워졌다. 이에 따라 건물로부터 대피할 필요가 있었다. 반면, 연소후 공정이 진행 중일 때에는, 배출물이 깨끗했으며 테스트 요원이 공장에 편안하게 머물 수 있었다.
50Hz에서는, 연소 팽창 챔버(360) 대신 혼합 챔버(330)에서 연소후가 발생하였다. 이것은, 수소 가스가 초기 테스트에 사용된 비교적 무거운 CO/H2 가스보다 관성이 덜하기 때문에 예상된 거동이었다.
이 테스트를 위해 임펠러(600)를 60Hz로 구동하여 표 2의 CO/H2 테스트보다 높은 유량을 달성하였다. 이렇게 높은 유량에서는, 연소가 연소 팽창 챔버(360)에서 올바르게 발생하였다.
스택에서의 배기 유량은 표 2의 테스트 결과에서의 유량보다 약간 높은 3.36Nm3/분이었으며, 이는 임펠러 속도(600)의 증가로 인한 것이었다. 표 3의 최종 테스트에서는 수소 가스를 혼합 챔버(330) 내에 0.54Nm3/분으로 도입하였다.
물 트레이(1250)를 건조시키고 전자석(1210, 1220, 1230)이 작동하지 않도록 함으로써 물질 수집 챔버(460)가 작동하지 않는 추가 테스트를 수행하였다. 그 결과, 일산화탄소 배출량이 약 800ppm 내지 1,000ppm으로 증가한 것으로 나타났으며, 이는 초기 테스트에서 예상된 100ppm보다 상당히 높지만 표 2에서 밝혀진 2,250ppm의 베이스라인 판독값보다 훨씬 낮다.
물질 수집 챔버(460)가 작동하지 않을 때의 노(500)로부터의 연기 배출은, 초기 테스트에 비해 대부분의 노 연료가 연소되었기 때문에 그리고 배출 농도가 높을수록 연소후 공정의 효율이 증가하고 이에 따라 많은 배출에도 기여함을 나타내는 초기 결과에 기초하여 비교적 적었다.
추가 정성적 테스트 및 테스트를 위해 행해진 수정
일산화탄소 출력값을 감시하는 추가 정성 테스트를 수행함에 따라, 노즐 압력을 증가시키지만 노즐 개구를 감소시키는 것이 효율을 증가시키는 것으로 나타났다. 노즐의 수를 줄이면 연소후 공정의 효율성이 떨어졌다.
연소후 공정은 스파크 플러그(700) 대신 옥시-아세틸렌 파일럿 라이트를 사용하여 수행되었으며, 결과에 큰 변화가 없었다.
감소기(690) 주위에 원주 방향으로 이격된 2개 또는 3개의 스파크 플러그(700)를 사용함으로써, 특히 저온 시동 단계에서 연소후 공정의 효율을 또한 약간 증가시켰다.
일단 연소후가 시작되어 작동 온도에 도달하면, 임펠러가 자유롭게 작동할 수 있게 되었다. CO/H2의 경우, 연소후 공정은 적절히 기능하는 데 충분한 물질을 끌어내었다. 수소 가스를 사용할 때 자유롭게 작동하는 임펠러는 반대로 표시된다.
관련 분야의 통상의 기술자는, 여전히 본 발명의 범위 내에서 상기 예들에 대한 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.
본 발명은, 본 기술 분야에 관한 종래 기술과 비교할 때 본 명세서에 기술된 본 발명의 신규성을 예시하도록 기능하는 본 명세서에 기술된 부분, 요소, 및 특징으로 광범위하게 이루어진다는 점을 이해할 것이다.
본 발명은, 산업, 특히, 환경으로 배출되기 전에 덜 유해한 형태로 처리될 필요가 있는 가스 배출물을 생산하는 산업에 적용가능하다. 이러한 가스를 생산하는 많은 산업이 있으며, 독성 또는 환경적으로 유해한 가스 배출을 줄이기 위한 규제 요건이 종종 있다. 또한, 산업 공정은, 수소 또는 일산화탄소와 수소와 같이 연소후 가스 연료에 적합한 가스를 생성하여, 잠재적으로 산업간 시너지 효과를 허용한다. 본 발명은, 환경으로의 가스 배출물의 배출에 대한 적어도 일부의 규제 요건을 충족시키는 것을 돕는다.
Claims (50)
- 연소후(post combustion) 장치(100)로서,
a)노(500)에 연결되며, 상기 연소후 장치(100) 내로의 노 배기 가스(furnace exhaust gas)의 진입을 허용하며, 이에 따라 상기 장치에 들어가는 노 배기 가스의 극상류 위치를 정의하는, 노 연관 유입구(furnace flue inlet)(110);
b) 유입구(140)와 유출구(150)를 포함하는 연소후 배기 챔버(130)로서, 상기 유출구(150)는 상기 장치(100)로부터 나오는 처리된 노·배기 가스의 극하류 위치를 정의하고, 가스가 상기 극상류 위치와 상기 극하류 위치 간에 흐르는, 연소후 배기 챔버(130);
c) 상기 노 연관 유입구(110)에 연결된 유입구, 유출구(220), 및 냉각 요소(230)를 포함하는 냉각기(210);
d) 상기 냉각기(210)의 유출구(220)에 연결된 유입구, 유출구(350) 및 사용시 연소후 가스 연료를 도입하여 노 배기 가스와 혼합하고 혼합 챔버의 유입구의 하류에 위치하는 연소후 가스 연료 주입 포트(340)를 포함하는, 혼합 챔버(330);
e) 상기 냉각기(210)의 유출구와 상기 혼합 챔버(330)의 유입구 사이에 개재되고, 상기 냉각기(210)로부터 상기 혼합 챔버(330)로 한 방향으로만 가스 흐름을 허용하도록 구성된 비복귀 밸브(325);
f) 상기 혼합 챔버의 유출구(350)에 연결된 유입구(380), 및 상기 연소후 배기 챔버의 유입구(140)에 연결된 유출구(390)를 포함하는 연소 팽창 챔버(360);
g) 상기 혼합 챔버(330) 또는 상기 연소 팽창 챔버(360) 내에서 상기 연료 주입 포트(340)의 하류에 위치하는 점화기(700); 및
h) 사용시 상기 노 연관 유입구(110)로부터 상기 연소후 장치(100)를 통해 하류로 그리고 상기 연소후 배기 챔버의 유출구(150)로 노 배기 가스와 미립자를 구동하도록 구성되고, 상기 연소후 장치(100)의 상기 냉각기(210)의 하류 비복귀밸브(325)의 상류에 연결된 가스 동력 시스템(310)을 포함하고,
i) 상기 가스 흐름에 수직인 상기 연소 팽창 챔버(360)의 내벽들에 의해 한정된 연소 팽창 챔버 단면적의 최빈값은 혼합 챔버(330)의 내벽들에 의해 한정되고 상기 가스 흐름에 수직인 혼합 챔버 단면적의 최빈값보다 크고,
j) 상기 가스 흐름에 수직인 연소후 배기 챔버(130)의 내벽들에 의해 한정된 연소후 배기 챔버 단면적의 최빈값보다 큰, 연소후 장치(100). - 제1항에 있어서, 연소 팽창 챔버의 단면적의 최빈값은 혼합 챔버 단면적의 최빈값보다 적어도 2배인 연소후 장치(100).
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 노(500)와 배기 스택 간의 배기 경로는, 시스템 내에 추가 산소가 도입될 수 없도록 공기로부터 밀봉되는 연소후 장치(100).
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연소후 가스 연료 주입 포트(340)는 상기 혼합 챔버 내에 적어도 하나의 노즐(900, 910, 920)을 갖는, 연소후 장치(100).
- 제4항에 있어서,
상기 적어도 하나의 노즐(900,910,920)이, 사용시, 연소후 가스 연료를 상기 노 배기 가스의 흐름 방향에 수직으로 적어도 부분적으로 방사상으로 선회하도록 경사진, 연소후 장치(100). - 제1항 또는 제2항에 있어서,
물질 수집 챔버(460)가 상기 연소 팽창 챔버(360)와 상기 연소후 배기 챔버(130) 사이에 설치되고, 상기 물질 수집 챔버(460)는 가스 통로(1200) 및 물질 수집 용기(1250)를 포함하는, 연소후 장치(100). - 제6항에 있어서,
상기 물질 수집 용기(1250)는 자신과 밀접하게 하여 적어도 하나의 전자석(1210, 1220, 1230)을 갖는, 연소후 장치(100). - 제7항에 있어서,
상기 상기 물질 수집 용기(1250)는 상기 가스 흐름과 상기 적어도 하나의 전자석(1210, 1220, 1230)사이에 물 트레이(1250)를 포함하는, 연소후 장치(100). - 연소후 공정으로서,
a) 연소후 장치(100) 내로의 노 배기 가스의 진입을 허용하고 이에 따라 상기 연소후 장치에 들어가는 노 배기 가스의 극상류 위치를 정의하는 노로부터 노 연관 유입구(110)를 통해 노 배기 가스를 공급하는 단계;
b) 유입구(140)와 유출구(150)를 포함하는 연소후 배기 챔버(130)의 유출구(150)로부터, 처리된 노 배기 가스를 배기하는 단계로서, 상기 유출구(150)는 상기 연소후 장치(100)로부터 나오는 처리된 노 배기 가스의 극하류 위치를 정의하고, 가스가 상기 극상류 위치와 상기 극하류 위치 간에 흐르는, 단계;
c) 노 배기 가스를, 상기 노 연관 유입구(110)로부터의 유입구, 유출구(220), 및 상기 노 배기 가스를 냉각하는 냉각 요소(230)를 포함하고 상기 노 배기 가스를 냉각하는 냉각기(210)내에 공급하는 단계;
d) 냉각된 노 배기 가스를, 상기 냉각기(210)의 유출구(220)에 연결된 유입구, 유출구(350), 및 혼합 챔버의 하류에 위치하는 연소후 가스 연료 주입 포트(340)를 포함하고 냉각된 노 배기 가스를 연소후 가스 연료와 혼합하는 혼합 챔버(330) 내에 공급하는 단계;
e) 상기 냉각기(210)의 유출구와 상기 혼합 챔버(330)의 유입구 사이에 개재된 비복귀 밸브(325)를 통해 가스를 전달함으로써 가스의 역류를 방지하는 단계로서, 상기 비복귀 밸브(325)는 상기 냉각기(210)로부터 상기 혼합 챔버(330)로 한 방향으로만 상기 가스의 흐름을 허용하도록 구성된, 단계;
f) 혼합된 상기 냉각된 노 배기 가스와 연소후 가스 연료를, 상기 혼합 챔버의 유출구(350)에 연결된 유입구(380) 및 상기 연소후 배기 챔버의 유입구(140)에 연결된 유출구(390)를 포함하는 연소 팽창 챔버 내로 전달하는 단계;
g) 상기 혼합 챔버(330) 또는 상기 연소 팽창 챔버(360)내의 상기 연료 주입 포트(340)의 하류에 위치하는 점화기(700)를 사용하여, 상기 혼합된 냉각된 노 배기 가스와 연소후 가스 연료를 점화하는 단계; 및
h) 상기 노 연관 유입구로부터 연소후 장치(100)의 상기 냉각기(210) 하류 비복귀 밸브(325) 상류를 통해 하류로 그리고 상기 연소후 배기 챔버의 유출구(150)로 가스를 구동하는, 상기 연소후 장치(100)에 연결된 가스 동력 시스템(310)을 사용하여, 상기 연소후 공정의 가스를 구동하는 단계를 포함하고,
i) 상기 연소되고 냉각된 노 배기 가스와 연소후 가스 연료의 연소 혼합물은, 상기 가스 흐름에 수직인 혼합 챔버(330)의 내벽들에 의해 한정된 혼합 챔버 단면적의 최빈값보다 크고 상기 가스 흐름에 수직인 상기 연소 팽창 챔버(360)의 내벽들에 의해 한정된 연소 팽창 챔버 단면적의 최빈값을 갖는 상기 연소 팽창 챔버 때문에 상기 연소 팽창 챔버(360)를 통해 팽창할 수 있고,
j) 상기 연소되고 냉각된 노 배기 가스와 연소후 가스 연료의 연소된 혼합물은, 상기 혼합 챔버 단면적의 최빈값보다 큰 상기 가스 흐름에 수직인 연소후 배기챔버(130) 내벽들에 의해 한정된 연소 배기 챔버 단면적의 최빈값을 갖는 연소 팽창 챔버 때문에 상기 연소 팽창 챔버(360)로부터 배출될 수 있는 연소후 공정. - 제9항에 있어서, 노 배기 가스가 상기 냉각기(210)에 의해 360K 내지 395K로 냉각되는, 연소후 공정.
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