KR20020051005A - 천연가스 연소방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 천연가스를 이용한 연소시 연소공기 중의 산소함량을 높이고, 배가스를 일부 순환시켜 연소공기에 혼합함으로써 연소온도를 낮추어 질소산화물의 발생을 줄이면서, 열효율을 향상시킬 수 있는 천연가스 연소방법을 제공하는 데 있다.

이에 본 발명의 천연가스 연소방법은 대기중의 공기 대신 산소농도를 25~100부피%로 높인 연소용 공기를 사용하고, 연소 배가스의 10~70부피%를 연소로로 순환시켜 연소시킴으로써 질소산화물의 발생을 줄이고, 열효율을 향상시키면서 기존 연소로의 설비를 변경시키지 않는 경제적이면서 환경친화적인 천연가스의 연소 방법이다.

Description

천연가스 연소방법{Method for burning natural gas}

본 발명은 연소방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 천연가스 연소시 발생하는 대기오염물질의 발생을 최소화하고 열효율이 향상되는 경제적이고 환경친화적인 천연가스 연소방법에 관한 것이다.

천연가스는 주성분이 메탄으로서 발전소 및 일반 연소시설에서 연료로 널리 이용되고 있다. 석탄이나 중유와 비교하여 천연가스는 상대적으로 황화합물 미연탄소분, 분진 등의 오염물질의 발생은 적으나, 연소온도가 높아 질소산화물(NOx)의 발생이 많은 특성이 있다.

연소시 발생하는 질소산화물은 대부분 NO(이하 일산화질소라 칭함)로 구성되어 있으며, 저온영역에서는 연료중에 함유된 질소성분에 의해 발생하는 fuel NOx(이하 연료 질소산화물이라 칭함)가 지배적이나, 연소온도가 높아지게 되면 thermal NOx(이하 열적 질소산화물이라 칭함)가 주로 발생한다.

천연가스 중에는 불순물이 거의 없으며 탄소와 수소로 구성되어 있고 단위발열량이 높아 연소시 연소온도가 상대적으로 높다.

따라서 천연가스의 연소시 발생하는 대기오염물질은 질소산화물이 주를 이루게 되며, 연소온도를 낮추는 것이 필요하다.

질소산화물의 발생을 억제하기 위한 방법으로는 1) 배가스 재순환 방법에 의하여 연소온도를 낮추는 방법과 2) 다단연소에 의하여 연소온도를 낮추는 방법이 있다.

첫 번째 방법은 질소산화물의 발생은 줄일 수 있으나, 폐가스를 재순환함으로써 전체적인 열효율이 떨어지는 문제가 있다.

두 번째 방법은 현재 널리 이용되고 있으나, 극히 제한된 범위에서만 그 효과를 나타내며 천연가스와 같이 높은 연소온도를 나타내는 연료에서는 효과가 미미하다.

한편, 연소효율을 향상시키는 방법 중의 하나로 연소공기중에 산소함량을 높여 연소시키는 방법이 있다. 이 방법은 연소시 질소의 함량을 낮춤으로써 열효율을 향상시키는 장점이 있어 저발열량물질의 연소에서 효과가 크다.

그러나 천연가스와 같이 고발열량 연료의 연소에서는 연소온도가 더욱 더 높아지게 되어 질소산화물의 발생이 높아지게 되는 문제가 있다.

이와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 천연가스를 이용한 연소시 연소공기 중의 산소함량을 높이고, 배가스를 일부 순환시켜 연소공기에 혼합함으로써 연소온도를 낮추어 질소산화물의 발생을 줄이면서, 열효율을 향상시킬 수 있는 천연가스 연소방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 천연가스 연소방법의 가스 흐름을 보인 도면이다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 천연가스 연소방법은 연소용 공기와 천연가스를 연소로로 공급하여 연소시키는 단계; 및 상기 연소로에서 배출되는 배가스 중의 일부를 연소로로 순환시키는 단계를 포함한다.

여기서, 연소용 공기 중의 산소농도를 25~100부피%로 하는 것이 바람직하다.

그리고 순환되는 배가스를 배가스 총량의 10~70부피%로 하는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 천연가스 연소방법의 가스 흐름을 보인 도면이다.

본 발명에서는 일반 대기중의 공기 대신 산소농도를 각각 25부피%, 50부피% 높인 연소용 공기와 순수 산소를 사용하였으며, 연소배가스를 10~70부피% 까지 연소로로 재순환 시켜 효과를 살펴 보았다.

연소용 공기중의 산소농도가 높아지게 되면 전체적인 열효율은 상승하나, 연소온도가 높아지게 되어 질소산화물의 발생이 늘어나게 되며 버너 및 연소로의 설비가 보강되어야 하는 문제가 있다.

따라서 적절한 수준으로 산소농도를 높여야 한다. 연소 배가스를 순환시키게 되면 연소온도가 낮아져 질소산화물의 발생이 적어지게 되는 대신 열효율이 낮아지며, 연소실의 크기가 커져야 하는 문제가 있다.

더구나 기존의 연소로를 변경하지 않으면서 질소산화물의 발생을 줄이고, 열효율의 향상을 도모하기 위하여서는 적절한 순환량을 산정하여야 한다.

한편, 순수산소를 사용할 경우에는 질소산화물의 발생은 없으나, 연소온도가 과도하게 높아지게 되어 설비의 보강이 요구되게 된다.

이 때 연소 배가스를 순환시키게 되면 연소온도를 낮출 수 있게 되므로 질소산화물을 전혀 발생하지 않으면서 열효율의 향상을 가져올 수 있게 된다.

본 발명에 따르면 연소공기중의 산소농도를 25부피%로 하였을 경우에는 순환가스의 비를 20부피%로, 산소농도가 50부피%일 경우에는 순환가스의 비를 50부피%로 하였을 때 연소 배가스 중의 질소산화물 농도 및 연소로의 크기가 통상적인 연소방법과 유사한 수준이었다.

순수산소를 사용하였을 때에는 70부피% 정도의 연소배가스를 순환 하였을 때, 질소산화물의 발생은 전혀없고, 연소로의 크기는 통상적인 방법과 동일하였고 열효율은 약 10% 정도 향상됨을 알 수 있었다.

또한 산소부하를 함으로써 전체 연소배가스의 량이 줄어들게 되므로 질소산화물 발생 총량이 줄어드는 효과를 볼 수 있으며, 연소 배가스 중의 불순물(예, 황화합물, 분진 등)의 처리 및 온실가스인 이산화탄소의 처리 비용이 절감되는 효과를 볼 수 있다.

[실시예 1]

천연가스를 100 liter/min, 대기중의 공기를 1048 liter/min를 연소로에 투입하여 연소시켰다. 그 결과 연소온도는 1889℃, NO는 3214ppm이었다.

[실시예 2]

천연가스를 100 liter/min, 산소가 25부피% 함유된 공기를 880liter/min를 연소로에 투입하여 연소시켰다. 그 결과 연소온도는 2105℃, NO농도는 5215ppm이었고, 열효율의 증가는 실시예 1과 비교하여 약 8.9% 향상의 효과가 있었다.

[실시예 3]

연소 배가스의 10부피%를 연소로로 순환시켜 연소시킴 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 연소시켰다. 그 결과 연소온도는 1755℃, NO는 2339ppm으로 낮아졌다. 그러나 실시예1과 비교하여 열효율은 1.2%정도 낮아졌으며, 연소로의 크기는 약 11% 커져야 하였다.

[실시예 4]

연소 배가스의 20부피%를 연소로로 순환시킴 외에는 실시예 2와 동일한 방법으로 연소시켰다. 그 결과 연소온도는 1812℃, NO는 2824ppm이었으며, 열효율은 1.0% 정도 향상되었다. 연소로의 크기는 실시예1과 비교하여 약 7% 정도 커져야 하는 수준이었다. 연소배가스 중의 NO 총량은 실시예 1과 비교하여 약 25% 감소되었다. 이로서 산소부하 및 배가스 순환에 의하여 기존 연소로를 크게 변경하지 않으며 열효율에도 문제가 없으면서 대기오염물질인 NO의 발생을 저감시킬 수 있음을 알 수 있었다.

[실시예 5]

연소용 공기중의 산소농도를 50부피%, 연소 배가스중 50부피%를 순환시키는 것 외에는 실시예 4와 동일한 방법으로 연소 시켰다. 그 결과 연소온도는 1917℃,NO는 3839ppm이었으며, 열효율은 7.5% 향상되었다.

연소로의 크기는 실시예1과 동일한 수준이었다. 그러나 전체 일산화질소 총 배출량은 실시예 1과 비교하여 약 44% 저감되는 효과를 얻을 수 있었다.

[실시예 6]

순수산소를 사용하고, 연소배가스 중의 70부피%를 순환시키는 것 외에는 실시예 4와 동일한 방법으로 연소시켰다. 그 결과 연소온도는 1804℃이었고 NO 발생은 전혀 없었다. 열효율은 약 10%정도 향상되었으며 연소로의 크기는 실시예1과 동일한 수준이었다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 천연가스를 이용한 연소시 연소공기 중의 산소함량을 높임과 동시에 배가스를 일부 순환시켜 연소공기에 혼합함으로써 연소온도를 낮춤으로써 질소산화물의 발생을 줄이면서 열효율을 향상시키게 되었다.

또한 연소배가스 중에서 이산화탄소가 차지하는 비율이 거의 90~95%에 달할 정도로 높아지게 되어 다른 물질과 이산화탄소를 분리하는 데 많은 비용을 들이지 않고서도 분리가 가능하고, 분리된 이산화탄소는 드라이 아이스와 같은 물질로 재활용이 가능하다.

Claims (3)

1. 연소용 공기와 천연가스를 연소로로 공급하여 연소시키는 단계; 및

   상기 연소로에서 배출되는 배가스 중의 일부를 연소로로 순환시키는 단계를 포함하는 천연가스 연소방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 연소용 공기 중의 산소농도를 25~100부피%로 하는 천연가스 연소방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 순환되는 배가스를 배가스 총량의 10~70부피%로 하는 천연가스 연소방법.