KR20020025038A - 반응물질 전달 시스템 - Google Patents

반응물질 전달 시스템 Download PDF

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KR20020025038A KR1020010059592A KR20010059592A KR20020025038A KR 20020025038 A KR20020025038 A KR 20020025038A KR 1020010059592 A KR1020010059592 A KR 1020010059592A KR 20010059592 A KR20010059592 A KR 20010059592A KR 20020025038 A KR20020025038 A KR 20020025038A
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히사시 고바야시
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조안 엠. 젤사 ; 로버트 지. 호헨스타인 ; 도로시 엠. 보어
프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 반응물질(reagent)을 운반 가스와 혼합시키고 운반 가스내에 유지된 반응물질을 응집성 제트로서 일정한 거리를 경유하여 반응 영역으로 통과시키는 것을 포함하여, 반응물질을 원거리 반응 영역에 제공하는 방법에 관한 것이다. 상기의 응집성 제트는 제한 불꽃 엔빌로우프의 전면을 통과하고, 이의 응집성을 상실하며 반응 물질을 반응 영역내로 전달한다.

Description

반응물질 전달 시스템 {REAGENT DELIVERY SYSTEM}
본 발명은 일반적으로 반응물질을 원거리 반응 영역에 전달하는 시스템에 관한 것이며, 질소 산화물(NOX)을 질소로 전환시키기 위해 반응물질을 로(furnace)의 원거리 반응 영역에 제공하는데 특히 유용하다.
반응물질을 로 내부의 특정 위치와 같은 원거리 반응 영역에 제공하는 것이 때때로 요구된다. 예를 들어, 오염 억제 목적으로 탄화수소 라디칼이 NOX를 질소 가스로 전환시키는 재연소시에, 탄화수소 라디칼의 공급원으로서의 기능을 하는, 천연 가스 또는 석탄과 같은 탄화수소 연료를 연도 가스가 함유된 원거리 영역에 제공하는 것이 요망된다. 또 다른 예로서, 로 내의 깊숙한 곳에 암모니아 또는 요소를 제공하여 NOX와 반응시켜 질소 가스를 생성시키는 것이 요망될 수도 있다.
이러한 반응물질 제공을 달성하기 위한 한 가지 방법은 길다란 랜스(lance) 또는 그 밖의 길다란 제공 수단을 사용하여 반응물질을 원거리 반응 영역에 제공하는 것이지만, 이러한 방법은 수행 과정이 복잡하여 반응 영역이 로와 같은 고온 또는 부식성 환경과 관련되는 경우에 랜스의 빈번한 교체를 요구할 것이다. 반응물질을 보일러 또는 로의 특정 위치에 전달하기 위한 또 다른 방법은 혼합이 완결되기 전에 엔클로저 내의 깊숙한 곳으로 관통하는 고속 제트를 사용하는 것이다. 그러나, 이러한 접근법은 NOX와 같은 버너내의 오염물질의 생성율이 상당히 증가되게 할 수 있으며, 반응물질이 반응 영역에 도달하기 전에 소모되게 할 수 있다. 양 효과는 난기류 제트에 특성적인 높은 전환 속도에 연유한다. 또한, 높은 전환 속도는 미립 또는 부식성 가스를 함유할 수 있는 고온의 연도 가스가 보일러 또는 로 벽으로 재순환되게 한다. 더욱 또 다른 방법은 로 환경과 같은 반응 영역의 컴퓨터식 유체 동력학 모델링의 사용을 통해 이루어진다. 이 방법에서, 로 환경을 묘사하는 상세한 계산을 제공하고, 그에 따라 노즐 또는 랜스가 적절한 위치에 놓여질 수 있다. 이러한 방법은 효과적일 수 있지만, 실행시키기가 매우 복잡하다.
따라서, 본 발명의 목적은 반응물질이 주입 장치로부터 밖으로 통과하는 지점으로부터 일정 거리로 떨어져 있는 반응 영역으로 반응물질이 제공되게 할 수 있는 방법을 제공하는 데에 있다.
도 1은 반응물질(reagent)이 운반 가스에 제공된 후에 운반 가스와 함께 반응 영역에 제공되는 본 발명의 실시 구체예를 나타내는 횡단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 운반 가스2 : 중앙 통로
3 : 주입기4 : 노즐
5 : 주입 공간6 : 가스 제트
7 : 반응물질 제공 수단8 : 반응물질
9 : 불꽃 엔빌로우프10 : 연료
11 : 내측 환상 통로12 : 산화제
13 : 외측 환상 통로14 : 반응 영역
15 : 난기류 제트
발명의 요약
본 명세서를 숙지한 당업자에게는 자명하게 될 상기 및 그 밖의 목적은 하기의 방법을 포함한 본 발명에 의해 달성된다.
본 발명의 한 일면은,
(A) 반응물질을 운반 가스에 제공하고 반응물질 함유 운반 가스를 가스 제트로서 주입기로부터 거리 (d)까지의 주입 공간으로 통과시키는 단계;
(B) 가스 제트를 주입기로부터 거리 (d)까지 불꽃 엔빌로우프로 둘러싸게 하여 가스 제트의 응집성이 거리 (d)까지 유지되게 하는 단계;
(C) 반응물질 함유 운반 가스를 거리 (d)의 범위를 넘어서는 주입 공간으로 더 통과시켜 비응집성 가스 스트림으로서 불꽃 엔빌로우프의 전면(leading edge)을 지나 반응 영역내로 통과시키는 단계; 및
(D) 비응집성 가스 스트림으로부터 반응물질을 반응 영역에 제공하는 단계를포함하여, 반응물질을 반응 영역에 제공하기 위한 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일면은,
(A) 가스 상태의 반응물질을 가스 제트로서 주입기로부터 거리 (d)까지의 주입 공간으로 통과시키는 단계;
(B) 가스 제트를 주입기로부터 거리 (d)까지 불꽃 엔빌로우프로 둘러싸게 하여 가스 제트의 응집성이 거리 (d)까지 유지되게 하는 단계;
(C) 가스 상태의 반응물질을 거리 (d)의 범위를 넘어서는 주입 공간으로 더 통과시켜 비응집성 가스 스트림으로서 불꽃 엔빌로우프의 전면을 지나 반응 영역내로 통과시키는 단계; 및
(D) 비응집성 가스 스트림으로부터 가스 상태의 반응물질을 반응 영역에 제공하는 단계를 포함하여, 반응물질을 반응 영역에 제공하기 위한 방법을 제공한다.
본원에서 사용되는 용어 "응집성 가스 제트"는 이의 직경이 스트림의 길이를 따라 사실상 증가하지 않으며 가스 스트림내로의 주위 가스의 동반 속도가 미반응되는 난기류 제트내로의 주위 가스의 동반 속도 보다 사실상 작은 가스 스트림을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "비응집성 가스 스트림"은 가스 스트림이 주위 가스를 동반할 때 이의 직경이 증가하는 가스 스트림을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "불꽃 엔빌로우프"는 가스 스트림과 공동축상에 있는 환상 연소 스트림을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "반응물질"은 주입 공간으로 주입된 후에 반응에 참여하는 연료 또는 그 밖의 화학적 화합물 또는 화합물들의 혼합물을 의미한다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 상술될 것이다. 도면을 보면, 도시되지 않은 운반 가스 공급원으로부터 운반 가스(1)가 주입기(3)의 중앙 통로(2)에 제공된다. 본 발명을 실시할 때 어떠한 유효 운반 가스도 사용될 수 있으며, 이들의 예로는 재순환된 연도 가스, 산소, 질소, 아르곤 및 공기가 포함된다. 재순환된 연도 가스는 NOX환원이 발명의 목적인 경우에 운반체로서 특히 바람직하다. 운반 가스는 중앙 통로(2)로부터 수렴/분기 노즐(4)로 통과되고 주입기(3)의 노즐(4)로부터 가스 제트(6)로서 주입 공간(5)으로 통과된다.
반응물질(8)은 운반 가스에 제공된다. 바람직하게는, 도면에 도시된 바와 같이, 반응물질은 반응물질의 공급원(도시되지 않음)과 연통하고 반응물질을 운반 가스와 혼합되게 하는 노즐(4)로 통과시키는 반응물질 제공 수단(7)으로부터 운반 가스로 제공된다. 반응물질은 기체, 고체 또는 액체 형태일 수 있다. 바람직하게는, 반응물질은 액체 또는 미립의 고체 형태이며, 노즐(4)을 통해 통과할 때 운반 가스 스트림내에서 세분화되어 가스 제트(6) 내에서 운반 가스와 잘 혼합된다. 본 발명을 실시할 때 어떠한 유효 반응물질도 사용될 수 있으며, 이들의 예로는 1종 이상의 액체 탄화수소, 분말 석탄, 암모니아 및 요소가 포함된다.
불꽃 엔빌로우프는 가스 제트(6)를 따라서 동축으로 그리고 둘레에서 흘러 주입 공간(5) 내에서 일정 거리를 통해 주입기(3)로부터 응집성 가스 제트로서 가스 제트(6)를 유지시키는 역할을 한다. 바람직하게는, 도면에 도시된 바와 같이, 응집성 가스 제트(6)에 대하여 환상인 불꽃 엔빌로우프(9)는 주입기(3)로부터 주입 공간(5)내로 제공된 별도의 산화제 및 연료 스트림의 연소에 의해 형성된다. 도면에 도시된 바람직한 구체예에서, 천연 가스와 같은 연료(10)는 연료 공급원(도시되지 않음)으로부터 내측 환상 통로(11)로 제공되고, 공기, 산소 부화 공기 또는 순수 산소와 같은 산화제(12)는 산화제 공급원(도시되지 않음)으로부터 외측 환상 통로(13)로 제공된다. 요망되는 경우에, 불꽃 엔빌로우프용 산화제는 내측 환상 통로를 통해 제공될 수 있으며, 불꽃 엔빌로우프용 연료는 외측 환상 통로를 통해 제공될 수 있다. 이러한 배치는 운반 가스가 불활성 가스인 경우에 특히 유용할 수 있다. 연료 및 산화제는 이들의 각각의 통로를 통해 그리고 주입기(3)로부터 외부의 주입 공간(5)내로 통과하며, 이때 이들 연료와 산화제는 연소하여, 거리 (d)를 통해 응집성 가스 제트(6)와 공동축으로 흐르는 불꽃 엔빌로우프(9)를 형성한다.
본 발명을 실시할 때, 불꽃 엔빌로우프는 가스 제트(6) 주위에 유동성 보호막 또는 배리어를 형성한다. 바람직하게는, 불꽃 엔빌로우프는 가스 제트의 속도 미만의 속도를 갖는다. 가스 제트의 주위에 불꽃 엔빌로우프에 의해 형성된 유동성 보호막 또는 배리어는 가스 제트 내로 동반되는 주위 가스의 양을 크게 감소시켜, 가스 제트가 불꽃 엔빌로우프내에 하우징되면서 계속적으로 응집되게 하는 역할을 한다. 이러한 불꽃 엔빌로우프는 반응물질이 응집되게 하면서 운반 가스 제트 내에 계속적으로 유지되게 하는 역할을 한다.
반응 영역(14)은 주입 공간(5) 내에 속하지만, 주입기(3)로부터 원거리, 즉,가깝지 않은 곳에 있게 된다. 본 발명의 하나의 구체예에서, 반응 영역(14)내에는 반응물질(8)이 반응하도록 의도되는 1종 이상의 종이 존재한다. 예를 들어, 반응 영역(14)은 반응물질과 반응하여 질소 가스(N2)를 형성시키는 1종 이상의 NOX종, 예를 들어 산화 질소(NO) 또는 이산화질소(NO2)를 함유하여 오염 억제 목적이 달성되게 하는 역할을 할 수 있다.
반응물질 함유 가스 스트림은 거리 (d)를 지나, 비응집성 가스 스트림 또는 난기류 제트(15)로서 반응 영역(14) 내로 불꽃 엔빌로우프의 전면을 지나 주입 공간(5) 내로 더 통과한다. 가스 제트가 불꽃 엔빌로우프의 전면을 지나 흐를 때, 주위 가스가 가스 제트내로 동반되어 난기류 제트가 되게 하거나 그렇지 않은 경우엔 이의 응집성이 상실되게 한다. 반응물질, 예를 들어 액체 또는 고체 입자는 거리 (d)를 통해 응집성 가스 스트림(6) 내에 유지되지만, 운반 가스 스트림이 불꽃 엔빌로우프의 전면을 지나 응집성 가스 스트림내로 분해될 때, 반응물질 입자는 기화하여 운반 가스 스트림으로부터 흩어지고 반응 영역내에서 표적 종, 즉, NOX과 반응한다. 이러한 방식으로, 반응물질이 로 벽으로부터 반응 영역으로 연장되는 길다란 랜드를 필요로 하지 않으면서 로의 중앙 영역과 같은 원거리 반응 영역에 제공된다.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 반응물질은 분말 석탄과 같은 연료이고, 운반 가스는 공기와 같은 산화제이며, 반응물질과 운반 가스는 반응 영역으로 전달되며, 여기에서 생성된 난기류 제트는 이들이 혼합되게 할 수 있다. 이러한 방식으로, 연소 반응이 로 벽으로부터 멀리 떨어져 있는 보일러 또는 로 내의 특정 위치에서 일어나게 된다. 이러한 구체예에서, 응집성 가스 제트(6) 내에서는 어떠한 연소도 일어나지 않으며, 이러한 연소 반응은 반응물질과 운반 가스의 혼합물이 난기류가 된 후에만 일어난다. 운반 가스 산화제는 학량론적 양으로 제공될 필요는 없다. 반응물질과의 연소에 사용되는 산화제의 일부는 불꽃 엔빌로우프의 수립을 위해 제공되는 산화제와 같은 또 다른 공급원으로부터 유래될 수 있다.
전형적으로, 주입기(3)는 대체로 로 벽의 영역 내에 정위될 것이다. 거리 (d)는 전형적으로 20 내지 100 노즐 직경 범위이며, 노즐(4)의 직경은 전형적으로 0.25 내지 2인치 범위내이다. 응집성 가스 제트(6)의 속도는 초음속일 수 있으며, 일반적으로는 0.3 내지 3.0인치 범위이다.
반응물질이 가스 상태의 반응물질, 예를 들어 메탄 또는 그 밖의 가스 상태의 탄화수소인 경우에, 운반 가스를 사용하는 요건은 생략될 수 있다. 이러한 경우에, 반응물질은 상기된 구체예에서 운반 가스가 작용하는 방식과 동일한 방식으로 작용한다. 도면에 도시된 배치를 사용한, 이러한 가스 상태의 반응물질 구체예에서, 도면에 도시된 도면부호 (7) 및 (8)은 생략되며 가스 상태의 반응물질은 도면의 도면부호 (1)이 작용하는 방식으로 작용하며, 그 밖의 모든 면은 동일하다.
본 발명을 실시하게 되면, 요망되는 반응이 일어나는 보일러 또는 로에서와 같은 특정의 위치에 반응성 물질을 효과적으로 전달할 수 있다. 본 발명은 불꽃이 로에서 멀리 떨어져 벽이 과열되지 않게 하며 추가의 오염물질을 생성시키지 않거나 보일러 또는 로 벽으로의 연도 가스의 재순환을 증대시키지 않으면서 요망되는열 전달을 최대화하도록 버너가 작동되게 할 수 있다. 더욱이, 본 발명은 반응 영역 내의 벌크 가스의 흐름에 크게 영향을 미치지 않게 하면서, 보일러와 같은 반응 영역의 중앙에서 가스와 반응물질이 친밀하게 혼합되게 할 수 있다. 즉, 본 발명은 보일러내의 벌크 가스의 속도 또는 방향에 있어서의 커다란 변화를 필요로 하지 않으면서 보일러의 중간에서 연도 가스와 반응물질이 혼합되게 할 수 있다. 본 발명은 또한 제트가 요망되는 반응 영역에 도달하기 전에 혼합될 성분의 연소 없이 특정 지점에 반응성 성분이 전달되게 한다.
이상에서와 같이, 본 발명은 특정의 바람직한 구체예를 참조하여 상세하게 기술되었지만, 당업자라면 본 발명의 기술사상 및 범위내에 본 발명의 다른 구체예가 있음을 인지하고 있을 것이다.
이상에서와 같이, 본 발명의 방법을 실시하게 되면, 요망되는 반응이 일어나는 보일러 또는 로에서와 같은 특정의 위치에 반응성 물질을 효과적으로 전달할 수 있다. 또한, 본 발명의 방법은 불꽃이 로에서 멀리 떨어져 벽이 과열되지 않게 하며 추가의 오염물질을 생성시키지 않거나 보일러 또는 로 벽으로의 연도 가스의 재순환을 증대시키지 않으면서 요망되는 열 전달을 최대화하도록 버너가 작동되게 할 수 있다. 또한, 본 발명은 반응 영역 내의 벌크 가스의 흐름에 크게 영향을 미치지 않게 하면서, 보일러와 같은 반응 영역의 중앙에서 가스와 반응물질이 친밀하게 혼합되게 할 수 있다. 즉, 본 발명은 보일러내의 벌크 가스의 속도 또는 방향에 있어서의 커다란 변화를 필요로 하지 않으면서 보일러의 중간에서 연도 가스와 반응물질이 혼합되게 할 수 있다. 본 발명은 또한 제트가 요망되는 반응 영역에 도달하기 전에 혼합될 성분의 연소 없이 특정 지점에 반응성 성분이 전달되게 한다.

Claims (10)

  1. (A) 반응물질(reagent)을 운반 가스에 제공하고 반응물질 함유 운반 가스를 가스 제트로서 주입기로부터 거리 (d)까지의 주입 공간으로 통과시키는 단계;
    (B) 가스 제트를 주입기로부터 거리 (d)까지 불꽃 엔빌로우프로 둘러싸게 하여 가스 제트의 응집성이 거리 (d)까지 유지되게 하는 단계;
    (C) 반응물질 함유 운반 가스를 거리 (d)의 범위를 넘어서는 주입 공간으로 더 통과시켜 비응집성 가스 스트림으로서 불꽃 엔빌로우프의 전면(leading edge)을 지나 반응 영역내로 통과시키는 단계; 및
    (D) 비응집성 가스 스트림으로부터 반응물질을 반응 영역에 제공하는 단계를 포함하여, 반응물질을 반응 영역에 제공하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 반응물질이 액체 형태로 존재함을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 반응물질이 고형의 미립물 형태로 존재함을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 운반 가스가 재순환된 연도 가스임을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 주입기가 수렴/분기 노즐을 포함하고, 운반 가스가 수렴/분기 노즐에 제공되며, 반응물질이 수렴/분기 노즐에 제공되며, 여기에서 반응물질이 운반 가스와 혼합됨을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 반응 영역이 NOX를 함유하고, 반응물질을 반응 영역내의 NOX와 반응시켜 질소 가스를 생성시키는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 반응물질이 연료이고, 운반 가스가 산화제이며, 반응물질과 운반 가스가 반응 영역에서 연소됨을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 반응물질이 분말 석탄임을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7항에 있어서, 운반 가스가 공기임을 특징으로 하는 방법.
  10. (A) 가스 상태의 반응물질을 가스 제트로서 주입기로부터 거리 (d)까지의 주입 공간으로 통과시키는 단계;
    (B) 가스 제트를 주입기로부터 거리 (d)까지 불꽃 엔빌로우프로 둘러싸게 하여 가스 제트의 응집성이 거리 (d)까지 유지되게 하는 단계;
    (C) 가스 상태의 반응물질을 거리 (d)의 범위를 넘어서는 주입 공간으로 더 통과시켜 비응집성 가스 스트림으로서 불꽃 엔빌로우프의 전면을 지나 반응 영역내로 통과시키는 단계; 및
    (D) 비응집성 가스 스트림으로부터 가스 상태의 반응물질을 반응 영역에 제공하는 단계를 포함하여, 반응물질을 반응 영역에 제공하는 방법.
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