KR20020021596A

KR20020021596A - 최소한의 에너지를 소비하여 공업용 로에서 일산화탄소방출이 규제에 부합되도록 화실온도를 조절하는 방법

Info

Publication number: KR20020021596A
Application number: KR1020010054013A
Authority: KR
Inventors: 코츠란마이라로드리구에즈; 대프트찰스앤소니; 데코시마이클스탠리; 엘더제임스에드워드; 헨더슨죤에드워드; 펜트프레데릭폴
Original assignee: 마크 에스. 아들러; 롬 앤드 하스 캄파니
Priority date: 2000-09-15
Filing date: 2001-09-04
Publication date: 2002-03-21
Also published as: CN1344887A; EP1978303A3; EP1188987A2; EP1188987A3; TWI232282B; JP2002162013A; DE60136423D1; US20020033125A1; BRPI0104060B1; US6499412B2; CN1222714C; EP1188987B1; EP1978303A2; MXPA01009236A; KR100789158B1; BR0104060A

Abstract

본 발명은 소각 배출물이 정부의 규제에 부합하고 운전비용 및 자본이 최소화되도록 산업 폐기물 소각공정의 소각온도를 제어하는 새로운 방법을 제공하는 것이다. 배출물 및 폐기물 스트림의 변화에 따라 소각온도를 조절함으로써 소각공정 및 그 결과에 의한 소각배출이 최적으로 그리고 신뢰성있게 제어된다. 그 결과, 자본 및 운전비용이 현저하게 감소된다.

Description

최소한의 에너지를 소비하여 공업용 로에서 일산화탄소 방출이 규제에 부합되도록 화실온도를 조절하는 방법{A Method of Firebox Temperature Control for Achieving Carbon Monoxide Emission Compliance in Industrial Furnances with Minimal Energy Consumption}

본 발명은 산업폐기물 처리에 관한 것이며, 보다 상세하게는 화학물질 관련업(예를들어, 아크릴로니트릴, 아크릴산 및 그의 에스테르, 메타크릴산 및 그의 에스테르 및 비닐 클로라이드 단량체 제조와 관련된 산업공정), 석유 정제업, 석유화학, 제약업 및 식품업등과 같은 공업적인 제조업에서 보일러를 사용하여 혹은 보일러를 사용하지 않고 열 산화기, 로, 연소로, 혹은 소각로(이하, 개별적으로 혹은 집합적으로 "소각로(incinerators)"라 한다.)에서 산업용 폐기물 스트림을 소각하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 소각되는 폐기물 스트림은 화학물질 관련업, 석유 정제업, 석유화학, 제약업 및 식품업등과 같은 산업처에서 발생될 수 있다. 이와 같은 폐기물 스트림은 슬러지, 슬러리, 가스, 액체, 오일 혹은 이들의 결합일 수 있다. 폐기처분할 필요가 있는 폐기물 스트림이 생성되는 화학공정으로는 아크릴로니크릴, 메타크릴산 및 그 에스테르, 아크릴산 및 그 에스테르, 비닐 클로라이드 단량체, 페놀, 합성 가스 및 에틸렌의 생산공정을 포함한다. 석유 정제에 의한 폐기물 스트림 공급원으로는 하이드로처리제 퍼지 가스; 촉매 개질제 오버헤드 가스; 및 안정화기 컬럼으로 부터의 연료 가스를 포함한다. 화학물질 공장 공급원으로는 폐 수소 스트림; 배관의 헤더 스트림; 슬롭-오일(slop-oil) 스트림; 흡수제 및 스트리퍼 컬럼 오버헤드 스트림; 및 폐수 처리 시스템으로 부터의 유출물을 포함한다.

소각공정은 보일러의 스팀을 생성하는 것과 같이 유용한 작용을 하도록 이용될수 있거나 혹은 이용되지 않을 수도 있는 에너지를 방출하는 빠른 산화공정이다. 소각공정은 높은 분해효율을 달성할 수 있으나, 이들 시스템은 일반적으로 에너지가 소비됨으로 운전에 많은 비용이 요구된다. 더욱이, 소각 시스템은 환경보호국(Environmental Protection Agency, "EPA") 및 텍사스 천연자원 보호위원회(Texas Natural Resources Conservation Commission, "TNRCC")와 같은 환경기관으로 부터 엄격하게 규제되고 있는 이들의 조작과 관련된 2차 방출문제가있는 것이다. 소각 배출에서 전형적으로 규제의 대상이 되는 물질은 CO와 NOx 이다. CO₂는 또한 온실가스로서 우려의 대상이다. 일반적으로, 환경규제는 회사의 폐기물 소각공정에서 시간당 배출가능한 이러한 물질들의 양을 제한한다. 따라서, 소각하여 폐기물 스트림을 처분하는 경우, 에너지 소비를 최소화하여 비용면에서 효율적이고 환경규제에 부합하도록 하여야 한다. 통상의 산업 폐기물 스트림용 소각 시스템은 이와 같은 사항을 충족하지 못하는 것이다.

종래 알려져 있는 소각 시스템에서, 환경규제는 소각공정의 운전조건을 "스택 테스트(stack test)"동안 사용되는 특정한 운전조건으로 제한한다. 일반적으로, "스택 테스트"는 최악의 경우에 가동되는 것이다. 따라서, 스택 테스트에서 지시하고 있는 온도, 연료 및 공기와 같은 운전조건은 폐기물 스트림의 조성, 공급 속도 또는 열량값에 따라 충분히 융통성 있게 조절되지 못한다. 하나의 "최악의 경우"를 기준으로한 운전조건은 엄격한 환경적으로 허용되는 조건에 의해 규제됨으로 거의 조절되지 않는다. 더욱이, 자주 행하여지지 않는 스택 테스트를 수정할 기회도 없다. 따라서, 배출 허용치에는 부합될 수 있으나, 이와 같이 불변함으로 인하여, 또한, 소각로는 항상 가장 고가의 운전조건으로 가동된다.

스택 테스트 운전 조건으로 가동되는 통상의 산업 폐기물 소각 공정에서, 폐기물 스트림은 로(furnace)에서 다량의 천연가스와 같은 연료 그리고 다량의 공기와 일반적으로 결합된다. 다량의 연료가 사용됨으로, 통상의 공정에서 발생되는 배출은 일반적으로 환경적 규제에 부합한다. 그러나, 이 방법은 주 원료인 천연가스가 고가이므로 비용면에서 비효율적이다. 또한, 다량의 연료가 사용됨으로, 소각로의 온도가 일반적으로 약 1000℉(538℃)∼2000℉(1076℃)으로 매우 높다. 이러한 고온은 시스템에서 공급되는 공기중의 질소와 결합하여 엄격하게 규제되는 배출물질인 NOx를 바람직하지 않은 정도의 양으로 형성한다.

전형적으로, 소각 시스템으로 부터 CO와 NOx 배출을 최소화하기 위한 노력은 시스템에서 공기를 조절(예를들어, 온도, 흐름(flow) 및 분배(distribution))하고 그 분배를 최적화하는 것에 촛점이 맞추어져 왔다. 이는 배출에서의 산소 함량을 모니터하여 행하여져 왔다.

소각 배출에서 산소함량을 측정 또는 모니터하는 것은 표준 피드백 제어로서 통상의 시스템에 사용되어 왔으며, 여기서 소각 시스템에 공급되는 공기의 조절은궁극적으로 소각 배출시 CO의 양을 조절한다. 불충분한 공기는 시스템에서 연료는 충분하지만, 이로 인하여 폭발할 위험이 있다. 다량의 공기를 사용하면, 이와 같은 문제가 해소되고 완전 연소를 달성하기에는 좋지만, 너무 많은 양의 공기로 인하여 다량의 NOx가 형성되고 보다 많은 에너지 소비를 필요로 한다. 또한, 보다 많은 공기를 사용한다는 것은 팬이 더욱 커짐을 의미하며, 이로 인하여 비용이 증대된다.

종래 알려진 시스템에서는 시스템을 최적화하기 위해 온도를 제어할 수 있는 변수로 고려하지 않았으며; 따라서, 소각공정을 최적화하는 통상의 수단, 즉, 배출에서 산소의 함량을 모니터하여 산소공급을 조절하는 통상의 수단에 의해 소각공정은 가열되어야 하는 다량의 공기로 인하여 부하되고 배출시 다량의 CO 및 NOx가 형성된다. 소각 공정의 제어가 단지 상기 방법으로 한정되는 경우에는 운전비용이 높고 효율이 낮다.

시스템을 최적화하는 수단으로 배출되는 산소 함량을 이용하는 몇몇 통상의 소각 시스템과 관련된 다른 문제는 폐기물 스트림의 조건이 변하면, 소각 시스템이 이러한 변화를 적절하고 확실하게 수용할 수 없으며, 결과적으로, 비효율적이고 고비용으로 공정이 행하여지고 규제조건을 충족하지 못하게된다. 통상의 시스템에서 온도와 같은 공정 변수는 폐기물 스트림의 변화에 대하여 조절되지 않는다. 더욱이, 통상의 시스템에서, 폐기물 스트림에서 변화되는 유일한 수단은 역사적으로 시스템에 다량의 공기를 첨가하는 것이었으며 이로 인하여 상기한 바와 같은 문제가 야기된다.

그러나, 이러한 규제를 알고 있음에도 불구하고, 많은 통상의 소각방법은 비용면에서 비효율적이다. 따라서, 산업상 제조업에서는 환경 규제에 부합되도록 산업상 폐기물 소각 방법에서 배출을 조절할 뿐만 아니라 자본 및 운전비용이 현저하게 감소되는 폐기물 소각 방법이 요구된다.

따라서, 본 발명의 목적은 공정으로 부터의 배출이 환경규제에 부합하고 공정이 비용면에서 효율적이도록 산업 폐기물 소각공정을 최적화하는 새로운 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 배출이 목표 수준(target level)이하로 유지되도록 소각 공정이 폐기물 스트림의 변화(예를들어, 열량, 온도, 공급량 혹은 조성의 변화)에 빨리 그리고 정확하게 적응하도록 하는 새로운 방법을 제공하는 것이다.

이 기술분야의 기술자는 상기 및 기타 목적들을 배출물 및 폐기물 스트림의 변화에 따라 소각로의 운전 온도(이하, "화실(firebox) 온도"라 한다.)를 조절함으로써 소각공정과 결과물인 소각 배출을 일관되게 조절하는 놀라운 발견에 근거한 본 명세서로 부터 명확히 알 수 있다.

본 발명은 산업 폐기물을 소각하는 새로운 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시에 사용될 수 있는 통상의 열 산화기, 소각로 혹은 연소로를나타내는 도면이며;

도 2는 본 발명의 일 구현에 있어서 CO가 부합되도록 온도를 제어하는 피드백(Feedback) 방법을 나타내는 플루오챠트이며;

도 3은 본 발명의 일 구현에 있어서 CO가 부합되도록 온도를 제어하는 결합된 피드포워드/피드백(Feed Forward/Feedback) 방법을 나타내는 플로우챠트이며;

도 4는 본 발명의 일 구현에 의해 얻어지는 효과중 하나를 나타내는 온도와 폐기물 질량유량과의 관계를 나타내는 그래프이며;

도 5는 소각로의 설정된 운전조건에서 CO농도 대 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.

* 도면의 주요 부위에 대한 설명 *

10, 12, 14.... 공급원 18.... 소각로

일 견지에 있어서, 본 발명의 방법은

(a) 폐기물 스트림이 소각로내로 공급되는지 여부를 결정하는 단계;

(b) CO 배출량 마이너스 목표(target) CO 배출량(이하, "ΔCO"라 한다.)을계산하기 위해 CO 배출량을 측정하는 단계; 및

(c) ΔCO 계산치에 따라 소각로의 화실온도를 조절하는 단계;

를 포함한다.

다른 견지에 있어서, 본 발명의 방법은

(a) 공급량(feed rate) 및 연료함량을 갖는 폐기물 스트림이 소각로내로 공급되는지 여부를 결정하는 단계;

(b) 시간 t₁에서 폐기물 스트림의 질량유량 마이너스 시간 t₀(단, t₁>t₀)에서 폐기물 스트림의 질량유량(이하, "ΔM"이라 한다.)을 계산하기 위해 폐기물 스트림의 공급량을 측정하는 단계;

(c) ΔM이 0보다 크거나 작으면 소각로의 화실온도를 조절하는 단계;

(d) 시간 t₁에서 폐기물 스트림의 에너지함량 마이너스 시간 t₀(단, t₁>t₀)에서 폐기물 스트림의 에너지함량(이하, "ΔE"라 한다.)을 계산하기 위해 폐기물 스트림의 에너지 함량을 분석하는 단계;

(e) ΔE가 0보다 크거나 작으면 소각로의 화실온도를 조절하는 단계;

(f) ΔCO를 계산하기 위해 배출물의 CO 배출량(emission rate)를 측정하는 단계; 및

(g) ΔCO가 0보다 크거나 작으면 소각로의 화실온도를 조절하는 단계;

를 포함한다.

본 발명의 많은 잇점중 하나는 폐기물의 바람직한 분해-효율을 유지하기 위해 보다 저렴한 연료가 사용된다는 것이다.

따라서, 보다 적은 에너지가 소각 공정에 사용되며, 따라서, 생산업자는 비용을 줄일 수 있다. 본 발명의 다른 잇점은 공급되는 공기가 증가하지 않음으로 바람직하지 않은 배출물이 보다 적어진다는 것이다. 따라서, 시스템에서 다량의 공기를 사용하는 것과 관련된 자본 및 공정 비용이 절약된다.

본 발명의 다른 잇점은 발명의 상세한 설명, 특허청구범위 및 도면으로 부터 이 기술분야의 기술자에게 자명할 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 환경규제에 용이하게 부합되고 자본 및 공정비용이 감소되도록 폐기물 소각공정을 최적화하는 새로운 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 포함되는 열 산화기, 로, 소각로, 연소로(집합적으로 "소각로"라 한다.)의 일 예를 나타내는 도면이다. 소각로 18에서, 공정은 폐기물 스트림이 공급원 10을 통해 소각로에 공급되는 것으로 시작된다. 공급원 10으로 부터의폐기물은 액체, 증기, 슬러리, 슬러지 혹은 이들의 혼합물일 수 있다. 이 폐기물 스트림은 유기성분 및 무기성분 뿐만 아니라 산소를 포함할 수 있다. 폐기물 스트림은 일반적으로 그 자신의 열량값(fuel value)을 갖는 것에 주목하는 것이 중요하다.

연료 스트림은 공급원 12로 부터 소각로 10으로 공급된다. 연료 스트림은 전형적으로 최소 하나의 다음의 연료 공급원을 포함한다: 천연가스, 오일 혹은 적절한 열량값을 갖는 적절한 폐기물 스트림.

산소-함유 스트림이 또한 공급원 14로 부터 소각로 18로 공급된다. 산소-함유 스트림은 전형적으로 최소 하나의 다음의 산소 공급원을 포함한다: 순수한 산소, 공기(산소 약 21%) 혹은 산소를 포함하는 몇몇 다른 가스 혼합물.

공급원 10, 12 및/또는 14의 내용물은 필요에 따라, 이들이 소각로 18에 도입되기 전에 예비가열될 수 있다.

소각공정전에 그리고 소각도중, 소각로 온도가 측정 및 모니터된다. 소각 혹은 운전온도인 소각로 온도는 알려져 있는 수준으로 초기 설정된다.

공정 결과물인 배출물은 스트림 20을 통해 소각로로 부터 회수된다. 특히, 화학물질 제조설비에서의 소각공정에서, 스트림 20은 N₂, O₂, NO_x, CO₂, CO, VOCs 및 H₂O를 포함할 수 있다. 상기한 바와 같이, 환경규제로 인하여, NOx 및 CO가 주요한 우려의 대상이다. CO₂또한 온실가스로서 관심의 대상이다.

전형적으로, 소각공정에서 운전조건은 폐기물 스트림 혹은 배출 변화에 따라 조절되지 않았다. 따라서, 필요로하는 것보다 많은 연료와 공기가 사용되었다. 그 결과, 소각공정에 많이 비용이 요구된다.

본 발명의 방법은 온도가 조절되는 피드백 방법(Feedback Method) 및 결합된 피드 포워드/피드백 방법(Combined Feed Forward/Feedback Method)에 의한 것으로 비용면에서 효율적이다. 이들 방법들에서, 최소 에너지를 사용하여 환경규제에 부합되도록 주어진 양의 폐기물에서 필요로 하는 최저 온도를 보정할 수 있다.

도 2는 본 발명의 소각공정을 최적화하는 피드백 방법을 설명하는 플루오챠트이다. 본 발명의 피드백방법에서 제 1 단계 30은 폐기물 스트림이 소각로에 공급되는지 여부를 결정하는 것이다. 공급되지 않으며, 공정은 여기서 끝난다.

그러나, 폐기물 스트림이 공급되면, 제 2단계 32는 CO 배출량의 차이 혹은 "ΔCO"를 계산하는 것이다. ΔCO는 20(도 1)에서 배출의 CO 양 마이너스 목표량(target rate)이며, 여기서 목표량이란 측정변수, 전형적인 성능 및 다른 기준을 근거로한 CO 허용양 (permit rate) 플러스 혹은 마이너스 CO 신뢰율(confidence rate)과 같을 수 있다.

신뢰율은 본질적으로 오차의 한계이다. 예를들어, CO 허용율이 550lbs/hr CO 배출이고 오차한계가 10%인 것이 주어진 공정에서 적절한 것으로 판단되면, CO 신뢰율은 50lbs/hr(22.7kg/hr.)이며, 결과적으로 목표량은 500lbs/hr(227 kg/hr)CO 배출과 같다.

CO 배출양을 측정하기 위해, 본 발명의 방법에서 CO 분석기를 사용하는 것이 바람직하나, 가시적인 관찰과 함께, O₂분석기를 사용하는 것이 CO의 간접적인 지시계로 또한 적절하다. 다른 적절한 지시계는 기체 크로마토그래프, 질량 분석기(Mass Spectrometer) 혹은 기체 크로마토그래프/질량 분석기의 결합과 같은 온-라인 공정 분석석기일 수 있다.

특정한 경우에, CO 혹은 O₂배출을 직접 측정하는 대신 예측할 수 있도록 충분한 운전 데이타를 이용하는 것이 의도될 수 있다. 본질적으로, 이는 실질적인 피드백 방법에 해당하며, 본 발명의 일 구현과 그 기능이 동일하다. 이와 같은 시도의 가능성은 비교적 조성, 유속 및 에너지 함량이 일정한 폐기물 스트림에서 증대되며 CO 목표값 선정에 큰 신뢰계수(confidence factor)가 사용되는 경우 더욱 증대된다.

다음 단계 34는 CO 배출의 목표수준과 비교하여 단계 32에서 결정된 실제 CO 배출량을 측정하는 것이다. ΔCO가 원하는 수준(혹은 도 2에서 "0")이면, 다음 단계 36은 설정된 시간 간격, t_z동안 기다린(wait) 다음, 다시 CO 배출량을 확인하고 ΔCO를 계산하여 단계 30과 32를 반복한다.(도2에서 34, 36, 30 및 32).

CO 배출량이 목표량과 같지 않으면, 다음 단계 38에서 CO 배출량이 목표량보다 큰지 혹은 작은지를 결정한다. CO 배출량이 목표량 보다 크면,(ΔCO>0) 다음 단계 40에서는 화실온도를 18지점에서 ΔX 만큼 높인다. ΔX 는 ΔCO의 함수이다:[(ΔX=f₂( ΔCO)].

화실온도를 ΔX상승시킨 후, 다음 단계 42에서는 설정된 시간 간격, t_x시간 유니트를 기다린 후, 32에서 다시 CO 배출을 확인하고 ΔCO를 계산하여 단계 32를반복한다. 여기서 t_x는 ΔX의 함수이며, 달리 말하면, 온도 제어에 의존한다: [(t_x=f₃(ΔX)].

CO 배출량이 여전히 목표수준보다 크면, 화실온도를 다시 ΔX 높이고 시간, t_x가 경과되도록 한다. 이 기술분야의 기술자에게 ΔX가 ΔCO의 함수임을 명확히 이해할 수 있으며, 이는 본 발명의 방법을 계속하여 반복하는 경우 같은 값이거나 양이 아닐 수 있으며; 이와 마찬가지로 ΔX의 함수인 t_x는 연속적인 반복에 의해 달라질 수 있다.

CO 배출량이 목표수준보다 작으면, (ΔCO<0) 공정에서 너무 많은 양의 에너지가 소비된다. 이러한 경우, 다음 단계 44에서는 화실온도를 ΔY 만큼 낮춘다. ΔY 는 ΔCO의 함수 [ΔY=f₁(ΔCO)]이다. 다음 단계 46은 설정된 시간 간격, t_y를 기다린 후(경과하도록 한 후), 다시 CO 배출량을 확인하고 단계 32를 반복한다. 여기서, t_y는 ΔCO의 함수이다:[t_y=f₄( ΔCO)]. ΔX 와 ΔY는 같거나 혹은 다를 수 있으며; t_x와 t_y또한 같거나 혹은 다를 수 있다. 마찬가지로, ΔX , ΔY, t_x및 t_y는 수식이 같거나 혹은 다를 수 있다.

적절한 함수의 선정은 본 발명의 방법에 의하여 달성되는 잇점으로 부터 이 기술분야의 기술자에게 명백한 것이다. CO 배출이 부합되도록 온도를 조절하는 피드백 방법은 폐기물 스트림이 없어질 때까지 연속되는 공정이다.

도 2에 도시한 피드백 방법은, 최저 화실온도가 항상 유지되도록 화실온도를확인 혹은 제한하는 것을 이롭게 포함하여 행하여질 수 있다. 바람직한 구현에 있어서, 최저 온도 설정 포인트는 800℉(420℃)∼1200℉(649℃)범위일 수 있다. 또한, 예를들어, 소각로 및 관련된 장치의 기계적 및/또는 열적 손상을 방지하기 위해 최대 화실온도 설정 포인트를 한정하는 것이 이로울 수 있다. 온도 설정 포인트의 한계를 설정하고 이행하는 것은 본 발명의 범주에 속하는 것이며, 본 발명의 명세서로 부터 이 기술분야의 기술자에게 이해될 수 있는 것이다.

본 발명의 소각공정을 최적화하는 결합된 피드 포워드/피드백 방법은 도 3에 플로우 챠트로 도시하였다. 상기 결합된 피드 포워드/피드백 방법은 본 발명의 CO 배출양이 부합되도록 화실온도를 조절하는 피드백 방법을 행하기 전에 초기 온도를 조절하기 위해 폐기물 스트림을 고려하는 것이다. 본 발명의 다른 구현에 있어서, 결합된 피드 포워드/피드백 방법은 또한 화실 온도 설정 포인트를 연합하여 조절하기 위해 피드백 방법과 함께 사용될 수 있다.

본 명세서에서 폐기물 스트림의 공급량 및 열량값은 폐기물 스트림이 소각되기 전에 혼합될 수 있음으로, 시스템에 공급되는 모든 폐기물 스트림의 결합에 대한 평균으로 이해된다.

결합된 피드 포워드/피드백 방법의 제 1단계 50에서, 폐기물 스트림이 시스템에 공급되는지 여부를 결정한다. 공급되면, 그 후 제 2단계 52에서 폐기물 스트림의 공급량 변화에 해당하는 ΔM을 계산한다. ΔM은 t₁에서 폐기물 스트림의 질량 유량("MFR"; mass flow rate) 마이너스 t₀에서 폐기물 스트림의 MFR과 같다[ΔM=MFRt₁-MFRt₀] (단, t₁>t₀). MFR이 증가하면(ΔM>0), 56에서 화실온도를 ΔR 상승시킨다. ΔR 은 ΔM의 함수[ ΔR=f₅(ΔM)]이다.

화실온도를 ΔR상승시킨 후, 제어방법은 CO 배출이 목표량이 될 때까지 ΔCO를 확인하고 온도 즉, ΔX 혹은 ΔY를 상응하도록 변화시켜 단계 32로 시작되는 피드백 방법을 따른다. CO 배출량이 목표량과 같아지면, 제어방법은 50에서 결합된 피드 포워드/피드백 방법으로 다시 시작한다.

폐기물 스트림의 공급량, MFR이 증가하지 않으면(ΔM<0, 도3에서 54), 그 후 제어방법은 폐기물 스트림의 공급량이 감소되는지를 단계 60에서 관찰한다. MFR이 감소되면, 18지점(도1)에서 화실온도를 62에서와 같이 ΔL 만큼 낮춘다. ΔL 또한 ΔM의 함수[ ΔL=f₅(ΔM)]이다. 온도를 ΔL 만큼 떨어뜨린 후, 제어방법은 상기한 바와 같이 32의 피드백 방법으로 되돌아가서 CO 배출량에 따라 화실온도(도 1)을 연속하여 조절한다. CO 배출량이 목표량에 도달하면, 그 후 제어방법은 다시 결합된 피드 포워드/피드백 방법으로 되돌아와서 폐기물 스트림을 변형시키는 것이 고려된다. 폐기물 스트림의 MFR이 증가하거나 혹은 감소하지 않으면(54 및 60), 그 후 제어방법은 단계 66, 68 및 74에서 폐기물 스트림의 에너지 함량, E가 고려의 대상이 된다.

폐기물 스트림의 에너지 함량 혹은 E는 폐기물 스트림의 열량값을 증가 혹은 감소시키는 조성변화로 인하여 변할 수 있다. 예를들어, 유기물과 공기를 포함하는폐기물 스트림에서, 공기함량의 감소(그 결과 유기물 함량은 증가됨)는 스트림의 열량값을 증가시키며, 따라서 에너지 함량이 커진다. 폐기물 스트림의 열량값 변화를 측정하는 바람직한 방법은 기체 크로마토그래프, 질량 분석기 혹은 기체 크로마토그래프/질량 분석기와 같은 온-라인 공정 분석기로 폐기물 스트림을 직접 분석하여 폐기물 스트림의 조성을 모니터하는 것이다.

특히 바람직한 구현으로, 폐기물 스트림이 산소를 포함하는 경우, 폐기물 스트림중의 산소 함량 뿐만 아니라 열량값이 모니터된다. 이때, 필요로하는 공기-대-연료 비율은 유지되면서, 소각로로의 공기 공급량은 그 후 폐기물 스트림에 의해 공급되는 산소의 질량 유속과 같은 양으로 감소될 수 있다. 이 방법에서, 바람직하지 않은 과량의 산소-이로 인하여 결과적으로 연료 소비 및 수반되는 NOx 발생이 증대됨-가 회피될 수 있다.

전형적으로, 이와 같은 구현의 잇점은 소각공정에 공급되는 폐기물 스트림을 발생시키는 공정의 스타트-업(start-up), 셧다운(shutdown) 혹은 업셋(upset)도중 발생할 수 있는 것과 같은 가변(non-steady) 상태의 운전조건도중에서 극대화된다는 것이다.

특정한 경우에는, 폐기물 스트림이 단지 가변 상태의 조건에서만 산소를 포함하고 그 외에는 안정한-상태(steady-stage)의 운전조건하에는 실질적으로 산소가 없도록 조절될 수 있다.

상기한 바와 같은 공정 조성분석기 및/또는 상업적으로-이용가능한 산소 분석기가 바람직한 방법으로 본 발명의 실행에 적합하다. 이와 같은 시도는 본 발명의 어떠한 방법(즉, 피드백 방법 혹은 결합된 피드 포워드/피드백 방법)과 함께 이롭게 사용될 수 있다.

또한, 공정상의 지식 및/또는 종래의 측정치를 이용하여 폐기물 스트림이 발생하는 운전조건의 변화를 모니터함으로써 스트림의 열량값 변화를 충분히 측정할 수 있다. 예를들어, 아크릴로니트릴 반응기 공급물에서 탄화수소 대 NH₃비율의 증가로 인하여 아크릴로니트릴을 공정의 AOG(absorber off gas) 폐기물 스트림중 미반응된 탄화수소 함량이 증대될 수 있으며, 이는 폐기물 스트림의 열량값을 증가시킨다.

폐기물 스트림의 에너지 함량은 또한 폐기물 스트림의 절대온도가 변함으로 인하여 변화될 수 있다. 예를들어, 스트림의 온도가 100℉(38℃) 증가하면, 스트림의 에너지 함량이 증가한다. 폐기물 스트림의 온도 변화를 측정하는 바람직한 방법은 하나 또는 그 이상의 열전쌍으로 직접 모니터하는 것이다.

에너지 함량은 또한 폐기물 스트림의 물리적 상태 변화로 인하여 변할 수 있다. 예를들어, 스트림이 비점에서 액체상태의 물을 포함하고 그 스트림이 뜨거운 열교환기를 통과하면, 스트림의 에너지 함량이 증가하고 폐기물 스트림에서 최소 일부의 물이 수증기로 변한다. 폐기물 스트림의 상태변화(예를들어, 액체에서 기체로)은 조성 분석, 압력/온도 측정 및 공정지식의 사용등으로 모니터될 수 있다.

결합된 피드 포워드/피드백 방법에서, 에너지 함량, E가 증가되면(ΔE>O), 화실온도(도 1)는 ΔB 만큼 낮아진다. ΔB는 ΔE의 함수[ΔB=f₇(ΔE)]이다. 화실온도가 일단 ΔB 만큼 낮아지면, 제어방법은 다시 피드백 방법으로 행하여지며 32에서 CO 배출량 혹은 ΔCO을 분석한다. CO 배출이 일단 목표량에 도달하면, 제어방법은 결합된 피드 포워드/피드백 방법으로 행하여지며 폐기물 스트림의 변화를 분석한다.

MFR이 증가하거나 감소하지 않고 E가 증가하지 않으면, 제어방법에서는 74에서 E가 감소되는지 여부를 고려하게 된다. E가 감소되면(ΔE<0), 18지점에서 화실온도가 ΔA 만큼 상승된다. ΔA는 ΔE의 함수[ΔA=f₈(ΔE)]이다. 일단 ΔA가 조절되면, 조절방법은 32에서 피드백 방법으로 계속되며 따라서, 18 지점에서 화실온도를조절하기 위해 CO 배출량을 분석한다.

CO 배출량이 부합되도록 온도를 조절하는 결합된 피드 포워드/피드백 방법은 폐기물 스트림이 없어질 때까지 계속되는 공정이다. 도 3에 순서대로 나타내기는 하였으나, 이 기술분야의 기술자에게 본 명세서로 부터 ΔM을 측정하기 전에, 먼저 ΔE를 측정하면, 결합된 피드 포워드/피드백 방법이 현저하게 변형되지 않음이 명백할 것이다.

본 발명의 특정한 구현에서, 결합된 피드 포워드/피드백 방법은 단순히 피드 포워드 방법만으로 운전될 정도록 간소화될 수 있다. 이 기술분야의 기술자는 이와 같은 간소화가 피드백 측정이 직접적인 수단(즉, 공정 분석기)으로 보다는 예측하여 얻어지는 결합된 공급 포워드/피드백 방법과 동일함을 이해할 것이다.

이하, 본 발명의 피드 포워드 방법을 실시예로서 상세히 설명한다.

실시예로서 본 발명을 한정하는 것은 아니며, 그 실시예는 다음과 같다. 카르복시산 제조공정에서, 카르복시산, 탄화수소 및 질소를 포함하는 정제되지 않은 생성물 가스는 흡수탑에 공급된다. 흡수탑은 생성가스로 부터 카르복시산을 흡수하기 위해 물을 이용하여 실질적으로 카르복시산이 없는 묽은 수성 카르복시산 생성물 스트림과 기상 폐기물 스트림을 발생시킨다. 탄화수소와 질소를 포함하는 기상 폐기물 스트림은 폐기처분하기 위해 소각로에 공급된다.

소각로는 산소 공급원으로서 공기를 그리고 연료 공급원으로서 천연가스를 이용한다; 공기와 천연가스의 절대 공급속도뿐만 아니라 공기 대 천연가스의 비율은 각 공급 라인에서 통상의 자동 조절기로 조작되는 조절밸브로 조절된다. 더욱이, 기상 폐기물 스트림의 작은 조성변화는 운전속도에 대한 흡수제 효율의 변화에 따른 결과로 발생된다.

도 4에서 수평선은 종래의 운전방법에서 이용되는 화실온도 설정지점을 나타낸다. 그래프에서 알 수 있듯이, 1570℃ 설정지점은 소각로에 공급되는 기상 폐기물 스트림의 질량 유량 변화에 따라 변하지 않는다.

그래프에서 곡선은 본 발명의 방법에서 이용되는 화실온도 설정지점을 나타낸다. 이 곡선은 다음 방법에 의해 얻어진다.

1. 안정성과 작업성(operability)을 고려하여 기준으로 하고 종래의 알려져있는 수단으로, 운전에 필요한 최저 초과 산소수준(lowest excess oxygen level)을 결정한다. 산소공급 대 연료공급 비율은 시험하는 동안 일정하게 유지한다.

2. 그 후, 최저 기상 폐기물 질량유량과 최대 기상 폐기물 질량유량을 결정한다.

3. 상기 범위의 다수의 질량 유량을 시험 측정 조건과 같아지도록 한다.

4. 각 시험 측정조건에 대하여, 목표 CO 배출량이 배출량과 일치되는 최저 온도가 될 때까지 소각로 유출물 조성을 모니터하고 화실온도를 서서히 감소시켰다. 이 단계에서 기술하고 있는 실시예의 데이타는 도 5에 나타내었다.

5. 그 후, 이 기술분야에 알려져 있는 수학적 방법으로 얻어진 특정한 화실온도 대 질량유량과 가깝게 일치되는 다항식을 결정하였다. 이 다항식(x는 기상 폐기물의 질량유량을 그리고 y는 상응하는 화실온도 설정지점을 나타냄)으로 CO 배출은 요구사항에 부합되도록함과 동시에 연료 소비를 최소화하는데 필요로하는 어떠한 주어진 질량유량에서 필요로하는 특정한 화실온도 설정포인트를 결정하였다. 본실시예에서 유도된 특정한 다항식은 y=41.37 x²- 57.45 x + 1482.10 이었다.

그래프에서 화실온도 설정 포인트가 낮은 기상 폐기물 스트림 질량유량에서의 약 1475℉로 부터 높은 기상 폐기물 스트림 질량유량에서의 약 1540℉까지 변함을 알 수 있다. 이들 온도는 종래 방법에서 사용되던 설정포인트에 비하여 매우 낮으며 소각로의 낮은 운전온도에 의한 연료소비의 감소로 인하여 소각공정의 운전비용이 현저하게 감소됨을 나타낸다.

다항식은 소각로의 유출물중 CO 함량을 실제 스택 시험 측정하여 유도됨으로, 소각로 유출물의 CO 함량을 더 이상 직접 측정(직접적인 수단에 의한피드백)할 필요가 없다. 본 발명의 방법에 의한 바람직한 일 구현에서, 다항식은 본 발명의 방법에 따라 자동적으로 기상 폐기물의 질량 유량을 모니터하고 화실 온도 설정포인트를 조절하기 위해 자동 제어 시스템 알고리즘에 편입된다.

본 발명의 소각방법에 기타 다른 임의로 부가되는 것으로는 이로써 한정하는 것은 아니지만, 폐기물 스트림의 예열, 소각로에 연료 및/또는 공기 공급, 소각로 스택에 세척기(scrubbers), 소각로 스택에 입자 필터, 소각로 스택에 촉매 환원 유니트(선택적 유니트 및 비-선택적 유니트 포함) 혹은 소각로 스택에 정전 집진기등을 포함한다. 이들은 본 발명의 방법에 의한 결과로 실현된 배출 감소를 더욱 개선한다.

본 발명의 범주내에서 또한, 소각로와 함께 보일러를 사용하는 것이 의도될 수 있으며, 여기서, 보일러에 의해 발생되는 스트림은 전기 발생공정과 같은 다른공정에서 회수되거나 사용되며 혹은 다른 공정 조작에서 가열된다. 이와 같은 폐기물 대 에너지 시스템은 본 발명에 의해 실현되는 전반적인 비용절감 효과를 증대시킨다.

본 발명의 궁극적인 결과는 배출이 목표 수준에 부합하고 공정이 비용-효율적인 것이다. 나아가, 본 발명의 방법은 소각공정이 폐기물 스트림의 변화에 부합되며, 따라서 공정에서의 에너지 소비가 최적화되고 배출이 목표 수준을 유지하는 것이다.

상기 본 발명에 대하여 상세히 기술하였으나, 상기한 내용의 여러가지 변형 및 변경 또한 본 발명의 범주에 속하는 것이다.

본 발명의 방법에 의해 소각 배출물이 정부의 규제에 부합하고 운전비용 및 자본이 현저하게 감소된다.

Claims

(a) 폐기물 스트림이 소각로내로 공급되는지 여부를 결정하는 단계;

(b) CO 배출량 마이너스 목표량과 같은 ΔCO를 계산하고 ΔCO가 0보다 작거나 큰지를 알고자 배출물의 CO 배출량을 측정하는 단계; 및

(c) ΔCO의 증가 혹은 감소에 따라 화실온도를 조절하는 단계;

를 포함하여 구성되는 배출물을 발생시키는 산업 폐기물 소각방법.
제 1항에 있어서, 상기 목표량(target rate)은 500lbs/hr임을 특징으로 하는 산업폐기물 소각방법.
제 1항에 있어서, 상기 CO 배출량을 측정하는 단계는 CO 분석기, O₂분석기, 기체 크로마토그래프, 질량 분석기, 혹은 기체 크로마토그래프/질량 분석기의 결합을 사용하여 행하여짐을 특징으로 하는 산업폐기물 소각방법.
제 1항에 있어서, ΔCO가 0보다 크면, 상기 소각로의 화실온도는 ΔX 만큼상승됨을 특징으로 하는 산업폐기물 소각방법.
제 1항에 있어서, ΔCO가 0보다 작으면, 상기 소각로의 화실온도는 ΔY 만큼 낮아짐을 특징으로 하는 산업폐기물 소각방법.
(a) 공급량(feed rate) 및 연료함량을 갖는 폐기물 스트림이 소각로내로 공급되는지 여부를 결정하는 단계;

(b) 시간 t₁에서 폐기물 스트림의 질량유량 마이너스 시간 t₀(단, t₁>t₀)에서 폐기물 스트림의 질량유량과 같은 ΔM을 계산하기 위해 폐기물 스트림의 공급량을측정하는 단계;

(c) ΔM이 0보다 크거나 작으면 소각로의 화실온도를 ΔR 조절하는 단계;

(d) 시간 t₁에서 폐기물 스트림의 에너지 함량 마이너스 시간 t₀(단, t₁>t₀)에서 폐기물 스트림의 에너지함량과 같은 ΔE를 계산하기 위해 폐기물 스트림의 에너지 함량을 분석하는 단계; 및

(e) ΔE가 0보다 크거나 작으면 소각로의 화실온도를 ΔB 혹은 ΔA 조절하는 단계;

를 포함하여 구성되는 배출물을 발생시키는 산업 폐기물 소각방법.
제 6항에 있어서, 나아가 (a) CO 배출량 마이너스 목표양과 같은 ΔCO를 계산하기 위해 배출물의 CO 배출량을 계산하는 단계; 및

(b) ΔCO가 0보다 크거나 혹은 작으면 소각로의 화실온도를 조절하는 단계;

를 포함하여 구성되는 배출물을 발생하는 산업 폐기물 소각방법.
제 6항에 있어서, ΔM이 0보다 크면, 상기 소각로의 화실온도가 ΔR 만큼 상승됨을 특징으로 하는 산업 폐기물 소각방법.
제 6항에 있어서, ΔM이 0보다 작으면, 상기 소각로의 화실온도가 ΔL 만큼 감소됨을 특징으로 하는 산업 폐기물 소각방법.
제 6항에 있어서, ΔE가 0보다 크면, 상기 소각로의 화실온도가 ΔB만큼 감소됨을 특징으로 하는 산업 폐기물 소각방법.
제 6항에 있어서, ΔE가 0보다 작으면, 상기 소각로의 화실온도가 ΔA만큼 상승됨을 특징으로 하는 산업 폐기물 소각방법.
제 7항에 있어서, ΔCO가 0보다 크면, 상기 소각로의 화실온도가 ΔX만큼 상승됨을 특징으로 하는 산업 폐기물 소각방법.
제 7항에 있어서, ΔCO가 0보다 작으면, 상기 소각로의 화실온도가 ΔY만큼 감소됨을 특징으로 하는 산업 폐기물 소각방법.
제 7항에 있어서, 상기 목표량은 500lbs/hr 보다 적음을 특징으로 하는 산업 폐기물 소각방법.
제 6항에 있어서, 상기 폐기물 스트림은 액체, 가스, 슬러리, 슬러지 혹은 이들의 혼합물임을 특징으로 하는 산업 폐기물 소각방법.
제 7항에 있어서, ΔCO를 결정하기 위한 CO 배출량 측정은 CO 분석기, O₂분석기, 기체 크로마토그래프, 질량분석기 또는 기체 크로마토그래트/질량분석기의 결합을 사용하여 측정됨을 특징으로 하는 산업 폐기물 소각방법.
제 7항에 있어서, 나아가 ΔCO=0이면, 설정된 시간간격 t_z를 기다리거나, 소각로의 화실온도가 일단 ΔX 만큼 상승되면, 설정된 시간간격 t_x를 기다리거나 혹은 소각로화실온도가 ΔY 만큼 낮아지면, 설정된 시간간격 t_y를 기다리는 단계를 포함함을 특징으로 하는 산업 폐기물 소각방법.
제 7항에 있어서, 상기 ΔE를 계산하기위한 폐기물 스트림의 연료함량 분석은 온-라인 분석기로 측정됨을 특징으로 하는 산업 폐기물 소각방법.
제 18항에 있어서, 상기 온-라인 분석기는 기체 크로마토그래프, 질량분석기 혹은 기체 크로마토그래트/질량분석기의 결합임을 특징으로 하는 산업 폐기물 소각방법.
제 6항에 있어서, 단계(a) 전에 나아가 소각하기전에 폐기물 스트림의 산소함량을 분석하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 산업 폐기물 소각방법.