KR20000041681A - 축열식 버너의 질소 산화물 저감방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축열식버너에 있어서 질소 산화물을 고 효율로 저감시키는 방법에 관한 것으로서, 축열실의 구조를 복잡하게 하고 또는 배가스의 성분에 의해 활성의 저하, 산화, 부식, 막힘을 일으키는 결점을 동반하는 촉매를 사용하지 않고 질소산화물의 저감을 도모하는 축열식버너의 질소 산화물 저감방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

본 발명은 대향하는 버너를 번갈아가며 연소시키는 축열식버너(1)(1')의 질소 산화물 저감방법에 있어서, 배가스온도 및 배가스중의 산소(O₂)농도와 질소 산화물(NOx)농도를 각 축열식 버너(1)(1')와 배가스용 굴뚝(8)사이에서 배가스중에서 검출함과 동시에 이들의 검출값중 배가스 온도가 반응적정온도범위에 있는 경우에 암모니아(NH₃)가스를 그때 배기측이 되는 축열식버너(1)(1')에 설치된 메인가스버너(4)(4')의 노즐(2)(3')을 통해 배가스중으로 분산공급하여 축열식버너의 질소 산화물을 저감하는 방법을 그 요지로 한다.

Description

축열식 버너의 질소 산화물 저감방법

본 발명은 축열식버너에 있어서 질소 산화물을 고 효율로 저감시키는 방법에 관한 것이다.

종래의 건식탈초(脫硝; 탈질)방법중에는 암모니아 즉 NH₃를 환원제로한 선택접촉환원법이 알려져 있다.

이 방법은 배가스중의 NOx를 금속촉매를 이용하여 NH₃로 환원하는 것에 의해 배제하는 방법이다.

종래의 축열식버너에 있어서 NOx를 저감하는 방법으로는 축열실을 복수의 방으로 분리한 방속에 반응적정온도범위에 있는 배가스가 흐르는 방에 NH₃가스를 취입하는 방법이 알려져 있다.

상기와 같이 NH₃가스를 취입함과 더불어 축열체의 중간부분에 촉매를 설치하여 배가스의 탈초를 행하는 방법이 알려져 있다.(일특개평 7-293815호)

또한, 다른 종래기술로서는 배가스중에 요소 또는 NH₃를 취입함과 동시에 취입하부측에 촉매겸용의 축열체를 설치하여 NOx의 배출을 억제하는 방법이 알려져 있다.(일특개평 6-185710호)

결국, 종래 축열식버너에 있어서 NOx를 저감하기 위한 방법에서는 NH₃를 이용하여 촉매의 존재하에서 NOx를 환원하여 왔다.

상기 촉매의 종류로서는 백금 ·알루미나, V₂0₅, CuO, Fe₂O₃등이 있다.

그러나, 상기한 종래의 방법에서는 축열식 버너에 촉매를 구비시키므로써 축열실의 구조가 복잡해지고 또한 촉매는 배가스의 성분에 의해 활성의 저하, 산화, 부식, 막힘이 일어나는 문제점을 가지고 있다.

본 발명자들은 상기한 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 연구를 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 축열실의 구조를 복잡하게 하고 또는 배가스의 성분에 의해 활성의 저하, 산화, 부식, 막힘을 일으키는 결점을 동반하는 촉매를 사용하지 않고 질소산화물의 저감을 도모하는 축열식버너의 질소 산화물 저감방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따르는 축열식 버너의 질소 산화물의 저감방법을 실시하기 위한 장치의 일례를 나타내는 계락도

도 2는 가스온도와 탈초율(脫硝率)와의 관계를 나타내는 그래프

도 3은 NH₃/NOx와 탈초율와의 관계를 나타내는 그래프

도 4는 NH₃/NOx와 잔존 NH₃와의 관계를 나타내는 그래프

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1,1'...축열식버너 2,2'...노즐

3,3'...메인가스배관 4,4'...메인가스버너

5...연소실 또는 라디안트튜브 6,6'...축열체

7...급배기절환변 8...굴뚝

9,9'...배가스온도검출부 10...NOx 및 O₂검출부

11...송풍기 12...제어장치

13,13'...NH₃변 14,14'...연료절환변

15...NH₃유량조절변 16...유량계

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 대향하는 버너를 번갈아가며 연소시키는 복수개의 축열식버너에서의 질소 산화물 저감방법에 있어서, 배가스 온도 , 및 배가스중의 산소(O₂)농도와 질소 산화물(NOx)농도를 각 축열식 버너와 배가스용 굴뚝사이에서 배가스중에서 검출함과 동시에 이들의 검출값중 배가스 온도가 반응적정온도범위에 있는 경우에 암모니아(NH₃)가스를 그대 배기측이 되는 축열식버너에 각각 설치된 메인가스버너의 노즐을 통해 배가스중으로 분산공급하는 축열식버너의 질소 산화물 저감방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 도면을 통해 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명에 따르는 축열식 버너의 질소 산화물의 저감방법을 실시하기 위한 장치의 일례를 나타나있는데, 이를 참조하여 본 발명을 설명한다.

본 발명에서는 도 1에 나타난 바와 같이 대향하는 버너를 번갈아가며 연소시키는 축열식버너(1)(1')의 질소 산화물 저감방법에 있어서, 배가스온도, 배가스중의 산소(O₂)농도, 및 질소 산화물(NOx)농도를 각 축열식 버너(1)(1')와 배가스용 굴뚝(8)사이에서 배가스중에서 검출함과 동시에 이들의 검출값중 배가스 온도가 반응적정온도범위에 있는 경우에 암모니아(NH₃)가스를 그때 배기측이 되는 축열식버너(1)(1')에 설치된 메인가스버너(4)(4')의 노즐(2)(3')를 통해 배가스중으로 분산공급하여 축열식버너의 질소 산화물을 저감한다.

바람직하게는, 본 발명에서는 상기와 같이 축열식버너의 질소 산화물을 저감함에 있어서 배가스중의 질소 산화물(NOx)농도와 산소(O₂)농도와 배가스온도와를 검출하면서 NOx농도가 소정의 기준치를 초과하고, 산소(O₂)농도가 1%이상이고,그리고 배가스온도가 반응온도적정범위에 있는 3가지 조건이 만족되는 경우에 배가스중에 NH₃/NOx의 몰비가 1∼2가 되도록 NH₃가스를 분산공급하여 축열식버너의 질소 산화물을 저감한다.

또한, 바람직하게는, 본 발명에서는 상기와 같이 축열식버너의 질소 산화물을 저감함에 있어서 NH₃가스가 배가스측으로 되는 축열식 버너(1)(1')에 설치된 메인가스배관(3)(3')을 거쳐 선단노즐(2)(2')을 통해 배가스중으로 분산공급하여 축열식버너의 질소 산화물을 저감한다.

본 발명에 따라 축열식버너에서 발생한 NOx를 저감시키기 위해서는 촉매를 사용하지 않고 운전중의 배가스온도와 질소 산화물(NOx)농도와 산소(O₂)농도를 측정하여 NOx 농도가 소정의 기준치를 넘는 경우에 있어서 이들의 측정치가 소정치에 있을때(즉 NH₃공급조건이 만족된 경우)에 그때 배가스측이 되는 축열식버너(1') 또는(1)에 설치된 메인가스버너(4')또는(4)의 노즐(2')또는(2)를 통해 배가스중으로 NH₃/NOx의 몰비가 소정치가 되도록 NH₃가스를 분산공급한다.

상기 NH₃에 의한 무촉매 탈초반응은 다음의 화학식(1)에 따른다.

NO + NH₃+ 1/40₂→ N₂+ 3/2H₂O

본 발명은 2개의 축열식버너를 번갈아가며 운전하여 한쪽의 축열식버너가 작동할 때에는 다른쪽의 축열식버너는 연소가스의 배기를 위해 사용되고 이 축열식버너의 하류에서 연소가스로 NH₃가 분산공급되는 것에 의해 질소 산화물(NOx)의 감소를 도모할 수 있도록 구성되어 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예)

본 실시예에서는 본 발명에 따르는 축열식 버너의 질소 산화물의 저감방법을 실시하기 위한 장치로서 도 1에 제시되어 있는 것을 사용한다.

본 발명에 따르는 축열식 버너의 질소 산화물의 저감방법을 실시하기 위한 일례의 장치는 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 2개의 축열식버너 (1),(1')가 나란히 설치되어 있고 축열식버너 (1),(1')는 부설 노즐(2),(2')와 이 노즐(2),(2')의 상류에 위치한 부설 메인가스버너 (4),(4')와 메인가스버너(4),(4')에 연료를 공급하는 부설 메인가스배관 (3),(3')와 메인가스버너 (4),(4')를 둘러싸고 있는 축열체 (6),(6')로 이루어져 있다.

2개의 메인가스배관(3),(3')은 한 방향으로는 상호 연결되어 있으며, 그 연결되어 있는 배관중간에는 메인가스원이 연통되어 있다.

또한, 다른 방향으로는 2개의 축열식버너(1),(1')는 그 작동시에 있어서 연소가스배출측에서 하나의 공통 U자형 또는 W자형의 연소실 또는 라디안트튜브(5)에 의해 상호연결되어 있다.

상기 축열식버너(1),(1')의 영역에서 연소실 또는 라디안트튜브(5)는 공기도입 또는 배기가스 배출포트를 구비한다.

축열식 버너(1),(1')의 연소실 또는 라디안튜브(5)에는 노즐(2),(2')와 축열체 (6),(6')와의 사이에 배가스 온도 검출부(9),(9')가 설치되어 있으며, 이 배가스 온도 검출부(9),(9')는 검출된 온도치를 신호로서 제어장치(12)에 전달하기 위한 신호선에 의해 제어장치(12)에 연결되어 있다.

상기한 축열식버너(1),(1')에 대한 공기도입 또는 배가스 배출포트는 급배기 절환변(7)을 매개로 상호접속되어 있고 급배기 절환변(7)은 송풍기(11)가 구비되어 있는 배가스관(1)에 접속되어 있으며, 이 배가스관에는 상기 송풍기(11)의 상류에서 NOx 및 O₂겁출치를 각각 신호로서 제어장치(12)에 전달하기 위해 2개의 신호선이 연결되고, 이 2개의 신호선은 각각 제어장치(12)에 연결된다.

이렇게 하므로써, 한쪽의 축열식버너(1)가 연소운전되고 다른쪽의 축열식버너(1')가 배가스측으로 되는 경우에는 도 1에 나타난 바와같이 공기도입 또는 배가스 배출포트는 급배기 절환변(7)을 매개로 하여 공기가 한쪽의 축열식버너(1)로 취입되어 다른쪽의 배가스측으로 되는 축열식버너(1')에서 급배기 절환변(7)을 매개로 하여 배가스가 송풍기 (11)에 의해 흡인되어 굴뚝(8)으로 향하여 배출된다.

각 메인가스배관(3),(3')에는 연료공급,차단의 절환을 위해 연료절환변(14),(14')이 접속되어 있다.

또한, 메인가스배관(3),(3')에는 NH₃의 공급을 위해 배관이 접속되어 있고 이 배관에는 NH₃의 공급량의 조정을 위해 NH₃유량조정변(15)이 설치되어 있고, 이 NH₃유량조정변(15)에는 NH₃의 유량계(16)가 부설되어 있다.

상기 유량계(16)에서의 유량신호를 제어장치(12)에 전달하기 위한 신호선을 통해 상기 유량계(16)는 상기 제어장치(12)에 연결되고, 이 제어장치(12)에서 NH₃유량조정변(15)에 NH₃유량조정을 위해 제어신호를 전달하는 제어선을 통해 제어장치(12)는 상기 NH₃유량조정변(15)에 연결되어 있다.

상기 NH₃유량조정변(15)으로의 유량조정신호는 측정된 NOx에 기초하여 NH₃/NOx의 몰비가 1∼2가 되도록 제어장치(12)에서 계산되고 계산된 결과에 의해 설정된 NH₃필요량을 실현하기 위해 NH₃유량조정변(15)에 전달된다. NH₃유량조정변(15)에는 2개의 NH₃변 (13) 및 (13')이 접속되어 있으며, 이 NH₃변(13),(13')에는 제어장치(12)에서의 NH₃가스 공급조건 충족, 부족에 근거하여 축열버너(1),(1')으로의 NH₃가스의 공급, 차단을 위해 NH₃변(13),(13')에 개폐신호를 전달하기 위한 신호선이 접속되어 있다.

상기 NH₃변(13) 또는(13')를 통한 NH₃의 유량을 제어장치(12)에 전달하기 위해 상기 NH₃유량조정변(15)에 부설된 유량계(16)는 신호선을 통해 제어장치(12)에 접속되어 있다.

도 1에 나타난 축열식버너 및 그 관련장치는 본 발명에 의한 축열식버너의 질소 산화물의 저감방법을 실시하기 위해 다음과 같이 운전된다.

도 1에 나타난 바와 같이, 먼저 한쪽의 축열식버너(1)를 연소 운전 하며, 따라서 한쪽의 축열식버너(1)에서 연료를 연소시킨다. 연소가스는 연소실 또는 라디안튜브(5)를 통하여 온도가 저하 하면서 배가스측이 된 다른쪽의 축열식버너(1')에 배가스가 되어 도달한다.

배가스는 다른쪽의 축열식버너(1')의 축열체(6')를 통과하면서 온도가 저하하여 급배기 절환변(7)을 통해 배가스관을 경유하여 굴뚝(8)으로 향한다.

배가스 온도의 검출은 이때 배가스측이 된 다른쪽의 축열식버너(1')에 부설된 축열체(6')의 상류에 위치하는 배가스 온도검출부(9')에서 행해진다.

배가스관에 있어서 흡, 출 송풍기(11)의 입구에 위치한 NOx 및 O₂검출부(10)에서는 NOx 및 O₂의 검출이 행해진다.

다른쪽의 배가스 온도검출부(9') 및 NOx 및 O₂검출부(10)에서 검출된 온도치 및 NOx치 및 O₂치가 신호로서 제어장치(12)에 보내어진다.

NOx농도의 검출치가 소정의 기준치를 초과하는 경우에 있어서 이들의 검출치 즉 배가스온도가 950℃이상, O2농도가 1%이상 및 제어장치(12)에서 상기 NH₃변(13)또는(13')으로 개변신호가 보내지고 동시에 NH₃/NOx의 몰비가 1∼2가 되도록 NH₃투입량이 제어장치(12)에서 설정되어 NH₃유량조정변(15)의 개도가 설정된다.

이때, NH₃필요량에 대하여 NH₃유량조정변(15)의 개도가 부족한 상태에서는 NH₃유량조정변(15)의 개도를 증대시키고, NH₃유량조정변(15)의 개도가 과잉으로 되면 NH₃유량조정변(15)의 개도를 감소시킬수 있으므로 그때 마다 최적의 NH₃유량조정을 할 수 있다. 이렇게 하므로써, 연료원에서 오는 NH₃가스는 NH₃유량조정변(15)을 통해 소정의 유량이 흘러 NH₃변(13)또는(13')을 통해 나가고 다른쪽의 축열식 버너(1')에 부설된 메인가스배관(3')과 메인가스버너(4')를 통하여 다른쪽의 축열식버너(1')에 부설된 노즐(2')을 통해 소정의 유량만 배가스중으로 분산공급된다.

상기 노즐(2),(2')로서는 배가스중으로 NH₃가스가 효율이 양호하게 분산되도록 하기위하여 멀티(MULTI)노즐이 사용되는 것이 바람직하다.

메인가스는 급송상태로 절환할 수 있는 연료절환변(14')을 지나서 메인가스원에서 메인가스 배관(3'), 메인가스 버너(4')를 통하여 노즐(2')에서 분사되어 다른방향의 축열식버너(1')를 착화 연소시킨다.

이상의 설명은 한쪽의 축열식버너(1)가 연소중 배가스축으로 되는 다른쪽의 축열식버너 (1')의 착화, 연소까지의 과정을 나타낸 것인데, 축열식버너(1) 및(1')의 운전은 번갈아가며 행해지므로 한쪽의 축열식버너(1)가 배가스 배출을 위해 사용되고, 다른쪽의 축열식버너(1')가 메인가스의 연소를 위해 사용되는 경우에는 한쪽의 축열식버너(1)가 메인가스의 연소를 위해 사용되고, 다른쪽의 축열식 버너(1')가 배가스 배출을 위해 사용되는 경우에 대한 상기의 설명이 축열식버너(1) 또는 (1')에 대하여 전부 반대로 되므로 그 경우의 설명을 생략한다.

여기서는 설명하지 않았지만 메인가스버너(4),(4')의 옆에 착화용의 파이로트 버너(pilot burner)가 있다.

NH₃유량조정변(15)에 의한 NH₃유량의 조정 외에 메인가스에 있어서도 연료절환변(14)또는(14')에 유량조정변을 부설하는 것에 의해 소요의 유량조정이 행해지도록 하는 것도 가능하다.

상기와 같이 행해지는 배가스중으로 NH₃가스를 노즐 (2')을 통해 분산공급하는 조건 즉 운전중의 배가스의 배가스온도, NOx농도와 O₂농도를 측정하여 NOx농도가 소정의 기준치를 초과하는 경우, 즉, NH₃변(13)또는(13')를 열어 배가스측이 되는 축열식버너(1') 또는(1)에 부설된 메인가스버너(4') 또는(4)의 노즐(2')또는(2)를 통해 배가스중에 NH₃가스를 분산공급하기 위한 조건은 NOx농도가 소정의 기준치를 초과하고, 배가스의 온도가 반응적정온도범위가 되고, 산소(O2) 농도가 1%이상이 되는 3가지의 수치가 전부 만족했을때가 된다.

따라서, 배가스중의 NOx를 측정하여 제어장치(12)로 보내는 한편 유량계(16)에서 설정되어 있는 NH₃유량과 검출된 NOx로 부터 NH₃/NOx 의 몰비를 제어장치(12)에서 산출하여 몰비가 1∼2가 되도록 NH₃투입량을 설정하여 제어장치(12)에서 NH₃유량조정변(15)에 NH₃유량조정신호를 보낸다.

상기 NH₃변(13)또는(13')의 개변신호는 NOx농도가 소정의 기준치를 초과하는 경우에 있어서 O₂농도가 1%이상, 배가스의 온도가 반응적정온도범위 즉 950-1100℃인 경우에

배가스의 온도가 반응적정온도범위즉 950-1100℃인 경우에 제어장치(12)에서 NH₃변(13)또는(13')에 보내어진다.

실시예에서의 각부분의 가스온도는 다음과 같다.

축열식버너(1)의 출구온도:850-900℃

축열식버너(1')의 출구온도 :950-900℃, 그리고

축열체(6')의 출구온도 :200-300℃였다

도 2에는 가스온도와 탈초율과의 관계가 나타나 있다.

도 2에 나타난 바와 같이, 가스온도가 950-1100℃의 범위내가 탈초율이 높고 반응적정온도범위임을 알 수 있다.

각 부분의 NOx 및 O₂농도는 다음과 같았다.

연소후의 배가스중의 NOx:350-400ppm

NOx 및 O₂검출부(10)의 개소:NOx:200-250ppm, O₂:3-5%였다.

도 3은 NH₃/NOx 몰비와 탈초율과의 관계가 나타낸 것이다.

도 3에 나타난 바와 같이, NH₃/NOx 몰비가 1∼2가 되도록 NH₃를 주입하는 것이 유효함을 알 수 있다.

도 3에 의하면 NH₃가스를 공급하는 배가스의 최대 탈초율은 NH₃/NOx의 몰비 1.5일 때 약 4.0%로 된다.

도 4는 NH₃/NOx몰비와 잔존 NH₃의 관계를 나타낸 것이다.

도 4에 나타난 바와 같이, NH₃/NOx 몰비가 2이상으로 되면 잔존 NH₃가 급격히 증대되는 것을 알 수 있다.

또한, 도 4에서 NH₃/NOx 몰비가 2이하인 경우에는 잔존 NH₃를 0으로 하는 것도 가능하다는 것을 알 수 있다.

배가스중의 산소 O₂농도가 어느 온도에서 일정값 이상으로 되면(도 2의 반응적정온도영역)급격히 환원반응이 진행된다.(도 3의 NH₃/NOx 몰비 2에 있어서 잔존 NH₃=0)

배가스 온도 1000℃부근에서 O₂농도는 1% 이상이 적정하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 촉매를 사용하지 않으므로 축열식버너의 구조를 복잡하게 하지 않고도 배가스중의 NOx의 저감시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.

즉, 본 발명은 배가스중의 NOx량, O₂량, 배가스온도의 측정값에 의해 NOx저감을 행할 수 있으므로 계측과 제어장치의 기능에 의존할 수 있고, 촉매사용의 경우 촉매의 성능에 따라서 탈초능력이 좌우되지만 본발명은 촉매를 사용하지 않으므로 이와 같은 일은 없으며, 또한 촉매사용의 경우 촉매의 활성저하등이 일어나기 때문에 항상 장치의 보수, 점검, 촉매의 성능유지가 필요하지만, 본 발명은 이러한 것이 필요가 없다.

Claims (3)

1. 대향하는 버너를 번갈아가며 연소시키는 축열식버너(1)(1')의 질소 산화물 저감방법에 있어서, 배가스온도 및 배가스중의 산소(O₂)농도와 질소 산화물(NOx)농도를 각 축열식 버너(1)(1')와 배가스용 굴뚝(8)사이에서 배가스중에서 검출함과 동시에 이들의 검출값중 배가스 온도가 반응적정온도범위에 있는 경우에 암모니아(NH₃)가스를 그때 배기측이 되는 축열식버너(1)(1')에 설치된 메인가스버너(4)(4')의 노즐(2)(3')을 통해 배가스중으로 분산공급하는 것을 특징으로 하는 축열식버너의 질소 산화물 저감방법
2. 제1항에 있어서, 배가스중의 질소 산화물(NOx)농도, 산소(O₂)농도및 배가스온도를 검출하여 NOx농도가 소정의 기준치를 초과하고, 산소(O₂)농도가 1%이상이며, 배가스온도가 반응온도적정범위에 있는 3가지 조건이 만족되는 경우에 배가스중에 NH₃/NOx의 몰비가 1∼2가 되도록 NH₃가스를 분산공급하는 것을 특징으로 하는 축열식버너의 질소 산화물 저감방법
3. 제1항에 있어서, NH₃가스가 배가스측이 되는 축열식 버너(1)(1')에 설치된 메인가스배관(3)(3')을 거쳐 선단노즐(2)(2')을 통해 배가스중으로 분산공급되는 것을 특징으로 하는 축열식버너의 질소 산화물 저감방법