KR20070030758A - 삼산화황의 노 내 저감 및 제어 방법 - Google Patents

Abstract

황-함유 연료의 연소 공정에서 SO₃를 제어하는 방법으로서, 이 방법은 연료를 부분적으로 연소하여 환원적 환경을 조성하는 단계; SO₃가 SO₂로 환원되어 원하는 SO₃ 수준을 달성하도록 충분한 시간 동안 환원적 환경을 유지하는 단계; 잔류 연료를 산화 환경에서 연소시키는 단계를 포함하는 방법으로서, 이로써 배연 내 SO₃ 변환 농도를 감소시킨다.

삼산화황, 배연, 환원적 환경, 마이크로-스테이징, 매크로-스테이징

Description

삼산화황의 노 내 저감 및 제어 방법{METHOD FOR IN-FURNACE REDUCTION AND CONTROL OF SULFUR TRIOXIDE}

관련 출원에 대한 교차 참조

본 정규 실용 특허 출원은 선출원된 하기의 가출원의 우선권을 주장한다: 2004년 2월 14일에 출원된 60/544,724로서 본원에서 그 전부를 참고 인용함.

기술분야

본 발명은 일반적으로 연소 반응 유래의 부산물 배출을 저감하는 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 연소로(combustion furnace)에서 삼산화황(SO₃)을 저감하는 방법에 관한 것이다.

SO ₃ 저감

발전소의 배연(flue gas)은 대기 오염의 원천으로서 오랫동안 인식되어왔다. 화석 연료의 연소에 있어서, 자연적으로 존재하는 원소 중 몇몇은 산화하여, SO₃, NO_x, HCl, HF 및 이들의 유사체와 같은 산을 형성한다. 이러한 산, 특히 SO₃는 만일 이들의 농도가 일정한 역치값을 초과하게 되면 문제가 된다. 예를 들어, SO₃의 농도 가 증가하면 할수록, 배연의 산 노점 온도도 증가한다. 배연의 온도가 배연의 산 노점 온도보다 낮으면, 배연 내 SO₃는 응축되고 물과 반응하여 H₂SO₄를 형성하며, 이는 노 내부의 부식 문제를 초래한다. 또한 노를 빠져나가는 배연은 즉시 냉각되고 SO₃ 및 기타 배연 응축물 내의 산들은, 토지 상의 후속적인 부식을 동반하는 SO₃ 및 기타 산들의 응축물 및 침전물인 국지적인 산성비를 발생시킨다. 과량의 SO₃는 작은 비말(droplet)로 응축될 것이며, 그것이 노에서 배출될 때 눈에 보이는 플륨(plume)을 발생시킬 것인데, 이는 심미적 및 지방의 정치적인 문제가 되기도 한다. NH₃-유사 화합물이 배연에 존재하면, 이들은 SO₃와 반응하여 암모늄 비설페이트(NH₃HSO₄)를 형성하는데, 이는 공기 가열기를 불결하게 한다.

따라서, 산 노점 온도가 덕트(duct) 및 굴뚝과 같은 노의 가장 냉각된 부분에서의 배연 온도보다 낮도록 배연의 산 노점 온도를 감소시킬 필요성이 있는 것이다. 추가적으로 국지적인 산성비 및 기타 높은 산도의 배연과 관계된 문제점을 최소화시킬 수 있도록 배연의 산 함유량을 낮출 필요성도 존재한다.

SO ₃ 증가

배연 내에 운반되는 미립자 물질은 개개의 입자가 전기적 전하를 수용하도록 한 다음 이 전하를, 폐기를 위한 수집반(collector plate)으로 입자를 유도하는데 사용하는 전기집진기(electrostatic precipitator)에 의해 제거될 수 있다. 그러한 전기집진기의 효율성은 전하를 갖는 개개의 입자가 전하를 수용하는 능력, 즉 입자 의 저항력에 좌우된다. 배연 내에 SO₃의 존재가 입자의 저항성을 감소시키며, 입자들을 정전기적으로 전하를 갖기 쉽게 한다는 것이 밝혀졌다.

석탄의 연소에 있어서, 본래 존재하는 황의 일부는 SO₃로 전환된다. 반면에, 배연 내에 미립자의 저항성을 감소시키는데 있어서 SO₃의 효율성은 SO₃의 농도에 좌우되며, SO₃ 농도가 약 15 내지 20 백만분율(ppm)일 때 최적의 결과를 제공한다. 따라서 집진기 효율은 연소될 석탄의 황 함량과는 관계없이 최적 범위 내의 전체 SO₃ 농도를 제공하도록 배연 내 SO₃의 양을 조절하는 능력에 의해 영향을 받는다.

SO₃는 또한 SCR(촉매) 설비에서 SO₂의 산화에 의해 생성되며 종종 최적 농도인 15 내지 20ppm을 초과하기도 한다. 이 촉매 혼합물은 NO_x를 N₂(암모니아의 존재 하에)로 환원시키는데, 또한 SO₂를 SO₃로 산화시키는데 전형적으로 사용되었다. 이러한 반응의 속도는 매우 온도 의존적이며, 높은 온도에서는 SO₂의 1%이상이 SO₃로 전환될 수 있다. 황함량이 높은 U.S. 석탄은 보일러에서 대략 2,000 내지 3,000 ppm 정도의 SO₂를 발생시키며, 따라서 SCR에서 20 내지 30ppm의 SO₃라는 결과를 생산할 수 있다. 이러한, SCR 장치에서 배출되는 SO₃의 농도가 50% 또는 10 내지 15ppm에 육박하면 가스세정기(scrubber)를 통해 굴뚝 밖으로 배출시켜야 한다는 것이 문제이다. 미립자의 농도에 따라 SO₃ 농도 약 8 내지 10 ppm에서, SO₃는 파란색 플륨으로 눈에 보이게 된다.

더욱이, SO₃는 또한 다른 보일러의 표면 상에서 바나듐과 같은 원소/화학물질과 상호작용을 통해 촉매적으로 생성될 수 있다.

따라서 SCR 이전에 형성된 임의의 SO₃가 배출 SO₃에 부가되기 때문에, SCR 이전에 형성된 SO₃를 감소시키는 것이 배출 SO₃를 저감하고 SCR이 과량의 SO₃ 발생 없이 가스의 NO_x 환원을 위해 이용할 수 있게 하는데 중요하다.

SO ₃ 제어

SO₃의 농도가 너무 낮으면, 집진기가 최적 효율 보다 낮은 효율로 작동될 것이다. 반면에, SO₃ 농도가 너무 높으면, 배연이 매우 산성으로 되어, "파란색 플륨"을 발생시키고 산성비에 일조하게 될 것이다. 이외에도 산성 배연은 배연을 운반하는 관의 부식을 조장하고, NH₃-형의 화학물질과 혼합하여 공기 가열기에 들러붙을 수 있다.

더욱이, SCR은 종종 일년에 6개월(여름 오존 제어 시즌 동안) 동안만 사용되고, 겨울 동안에는 사용되지 않는다. 이는 집진기, 덕트라인 내 및 배기 굴뚝에서 배출되는 SO₃ 농도에 있어서의 계절적인 변동성을 유발한다.

따라서, SCR이 사용되는가 여부에 따라 배연에서 SO₃의 농도를 제어하는 것이 바람직하다. 40ppm에 육박하는 SO₃ 농도는 필수적으로 규제될 필요는 없는, 심각 하게 불리한 국지적 산 문제를 산출하고, SO₃ 배출 시설에 대한 지역 정치적인 문제를 발생시킨다. 미국 EPA는 SO₃ 배출에 대한 장래 규제가 곧 임박해 있다고 지적하고 있다.

따라서 SCR이 설치 또는 설치되지 않은 상황에서 국지적인 SO₃ 배출을 증가시키지 않으면서, ESP 성능을 증가시키기 위한 최적 수준의 SO₃ 농도를 유지하기 위해 배연 내 SO₃의 농도를 조절할 수 있는 SO₃ 배연 시스템을 보유하는 것이 바람직하다.

스테이징( staging )

연소 스테이징(Combustion staging)은 연료, 즉 석탄을 2 이상의 스테이지(stage)에서 연소시키는 방법이다. 연료가 풍부한 스테이지, 또는 단순히 풍부 스테이지(rich stage)는 연료가 완전히 연소되기에 충분하지 않은 공기가 있는 스테이지이다. 연료-부족 스테이지는 연료를 충분히 연소시키기에 충분한 또는 여분의 공기가 존재하는 스테이지이다. 스테이징은 선행기술에서 a) 최고 온도를 감소시키는 단계(열적인 NO_x) 및 b) 환원적 환경을 제공하는 단계(NO_x 환원)에 의해 NO_x를 환원시키는데 이용되었다. 매크로-스테이징(macro-staging)은 노의 전체 부분을 풍부 스테이지 및 부족 스테이지로 구분하고, 과연소 공기(Over-Fired Air(OFA))와 같은 기술을 사용하여 달성된다. 마이크로-스테이징(micro-staging)은 환원 잠재력, 온도, 및 이들과 유사한 것과 같은 기능적으로 다른 성질을 가지고 인접한 미 세 환경을 조성하는 것이다. 예를 들어, 노 내 마이크로-스테이징은 회전 날개 세팅(setting) 및 레지스터(register)를 조절함으로써 저NO_x 버너(low NO_x burner)의 이용을 통해 노의 제1스테이지에서 달성될 수 있다. 스테이징이 증대되면 환원적 대기에서의 체류 시간이 길어지며, 환원적 대기의 효율이 높아진다.

선행기술은 매크로-스테이징을 연소로에서 NO_x의 배출을 저감하기 위해 이용하였다. 저NO_x 버너(LNB)는 1 이상의 제2차 공기 레지스터를 통해 흐르는 제2차 공기와 혼합하는 노로 연료 함유량이 높은 제1차 공기를 운반함으로써 스테이지를 형성한다. 연료 함유량이 높은 제1차 공기 LNB는 주로 마이크로-스테이징을 이용한다. LNB를 통한 흐름은 석탄의 휘발성 성분을 실외공기에 가까운 공기와 1.0에 가까운 화학양론적 비율로 혼합시켜, 화염을 고정시킬 수 있도록 고안되었다. 버너에 근접한 중심 코어(core)에 순 연소는 전반적으로 연료가 풍부하며, 온도가 낮아지기 때문에 열적 NO_x를 많이 생성하지는 않는다. 석탄은 궁극적으로 노의 깊이가 깊어질 수록 그리고 보다 많은 공기가 중심 코어로 혼합될 때에 소비된다. 이 영역에서 생성된 NO_x의 대부분은 연료에 속한 질소가 중간체 HCN을 통해 NO로 반응한 것이다. 외부의 2차 공기 혼합물이 코어 흐름으로 진입하는 속도는 댐퍼(damper) 및 회전 날개뿐만 아니라 석탄 파이프 내에 회전 날개에 의해 정해진다. LNB 시스템은 풍부한 연소 생성물 및 제2차 공기를 연소 영역을 통해 계속적으로 혼합하기 때문에 스테이징에 의해서 NO_x를 저감한다. 스테이징은 풍부한 코어 흐름 및 외부의 2차 공기 흐름 사이의 혼합 속도를 줄임으로써 증대된다.

선행기술은 연소로 내 배출물을 저감시키기 위해서 매크로-스테이징을 이용했다. 매크로-스테이징은 하부로(lower furnace)에 상당히 혼합된 연료 및 공기로 구성되는데, 이 경우 대부분의 흐름은 1.0 이하의 화학양론적 비율로 혼합된다. 과량의 산소는 결국 모든 연료가 확실히 연소되게 하고, 폭발의 위험을 줄이기 위하여 궁극적으로 요구된다. 매크로-스테이징된 노에서, 과량의 산소는 버너의 다운스트림(downstream)으로 주입된다. 증대된 스테이징은 체류 시간, 온도, 또는 산소의 부존재 하에 연소 생성물의 환원성(reducing quality)을 증가시킴으로써 달성된다.

선행기술은 연소로에서 NO_x 배출물을 저감시키기 위해서 마이크로-스테이징(LNB) 및 매크로-스테이징(OFA) 모두를 사용했다. 마이크로-스테이징 및 매크로-스테이징 모두의 경우에, 상기 각각의 부재가 NO_x 배출물의 저감을 달성하기 위해 사용되고 조절되었다.

스테이징이 배연의 산도 저감, 산 노점 제어 및 연소 기체에서 SO₃ 농도의 제어를 위해 사용될 수 있다는 것은 선행 기술 어디에도 교시되고 있지 않다.

발명의 개요

본 발명은 연소 시스템 및 방법에 있어서 SO₃를 저감하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 추가적으로 연소 시스템 및 방법에 있어서 SO₃를 제어하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 이에 더하여 연소 시스템 및 방법에 있어서 SO₃를 저감하는 방법을 이용하는 연소로에 관한 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 연소 스테이징을 이용하여 연소 시스템 및 방법에 있어서 SO₃를 저감하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 연소 스테이징을 이용하여 연소 시스템 및 방법에 있어서 SO₃를 제어하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 SO₃가 제어될 수 있고, 연소되는 연료의 황 함량에 있어서의 변화에 적응할 수 있는 방법을 이용하는 연소로를 제공하는 것이다.

본 발명의 이러한 양태 및 기타 양태는, 도면과 함께 고려되었을 때, 바람직한 구체예에 관한 하기의 설명을 읽은 후에는 당해 기술 분야에서 숙련된 자들에게 명백하게 될 것이다.

발명의 상세한 설명

하기의 설명에서, 유사 인용 용어는 여러 관점에서 보았을 때, 유사 또는 상응하는 부분을 지정하는 것이다. 또한 하기의 설명에서, "전방으로", "후방으로", "앞", "뒤", "오른쪽", "왼쪽", "상향으로", "하향으로" 및 이들과 유사한 용어는 편의를 위한 단어들이지 제한 적인 용어로서 해석되어서는 안된다는 것은 이해될 것이다. 본 발명에서, "저감성 산(reducible acid)"은 산도가 산의 전기화학적 저감에 의해 저감 또는 제거될 수 있는 산을 말한다.

본 발명은 연소 스테이징을 이용한 노 내 산 노점 온도의 감소 및 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명은 추가적으로 연소 스테이징을 이용한 노 내 SO₃의 저감 및 제어 방법에 관한 것이다. 증대되는 스테이징은 동시에 산도를 감소시키고, 산 노점 온도를 감소시키며 배연의 SO₃ 수준을 저감하는데 유리하게 이용된다.

마이크로-스테이징을 이용한 산도, 산 노점 온도 및 SO ₃ 저감

NO_x가 풍부한 "환원적" 환경에서 N₂로 다시 환원되는 방법과 유사하게, SO₃도 환원적 환경에서 SO₂로 다시 환원된다. 매크로-스테이징에서는, OFA 포트(port) 이하에서 노의 중심은 매우 연료가 풍부하다. 이렇게 스테이징된 환경은 연료와 공기가 덜 혼합되더라도 노의 제1스테이지 내에 환원적 마이크로-스테이지를 조성하도록 조절될 수 있다. 혼합 단계는 1차 공기 및 석탄 흐름(flow)의 회전 날개 속도 세팅을 감소시켜 감소될 수 있으며, 또는 추가적으로 혹은 이와는 다르게, 2차 공기 회전날개 및 레지스터(register)를 세팅하여 감소되는 마이크로-스테이지를 조성하거나, 또는 추가적으로 혹은 이와는 다르게, 1차 공기 및 석탄 흐름 및 2차 공기 흐름 사이의 상대적인 배출 속도가 변화될 수도 있다.

연료 내에 황의 대부분이 SO₂를 형성하는 반면에, 그 중 일부는 연료 내 황의 연소 동안에 직접 SO₃를 형성한다. SO₂는 하기의 산화 반응을 통하여 SO₃를 더 형성하는 반응을 할 수 있다:

SO₂ + O(+M) → SO₃(+M)

그러나, 이러한 3체(three-body) 반응은 매우 느리다. 산화적 환경에서 SO₃ 생성의 추가적인 급원은 하기의 반응이다:

SO₂ + O₂ → SO₃ + O

이 반응은 동시적인 충돌을 위해 3체를 요구하지 않으나; 이는 매우 온도에 민감하여 높은 온도를 요구하고, 하기의 역반응의 여지가 있다:

SO₃ + O → SO₂ + O₂

상기 3개의 반응 중 어느 것도 O 및 O₂ 종의 부족함 때문에 환원적 환경에서 상당량으로 일어나지는 않는다. 환원적 환경에서는, SO₃에서 SO₂의 직접 전환이 하기의 일반적 "환원" 반응을 통해 일어난다:

SO₃ + R → SO₂ + RO

여기서 R은 임의의 환원 라디칼 종이다. 화석 연료의 연소에서 1차 라디칼은 H 라디칼이다.

SO₃ + H → SO₂ + OH

많은 라디칼 및 분자가 환원적 환경에서 기능성일 수 있는데; 예를 들어, H, OH, C, CO, CH, CH₂, C₂H, CH₃, C_nH_m, N, NH_i, 및 기타 다른 여러 라디칼이 있다.

상기 SO₃ 환원 반응은 환원 라디칼("R")의 농도가 상당히 높을 때 매우 빠르다. 노의 제1(연료-풍부)스테이지 내에 환원적 환경에서는 주로 충분한 농도가 존재한다.

연료-풍부 스테이지, 환원적 환경에서, 산화 화학은 산화적 연소 종, 예를 들어 OH, O, O₂, H₂O, H₂O₂ 및 기타의 많은 종의 상당히 감소된(절멸된) 농도 때문에 종결된다. 이러한 환경에서는, 종들은 임의의 가용한 산소 종에 대하여 매우 경쟁적이다. 비교적 적은 농도로 존재하는 산소원자를 가진 분자는 높은 농도로 존재하는 산소-필요 종에 의해 소비되는데, 예를 들어 NO의 산소는 C, CO, H 및 CH와 같은 다른 종에 의해 소비된다. 다수의 산소원자를 가진 분자는 특히 위험한데; 즉 SO₃는 바로 옆에 있는 임의의 것, 가장 유명하게는 H 원자에 의한 산소의 빼냄을 통해 SO₂로 재빨리 되돌아간다.

따라서, 환원적 환경에서는, 환원적 환경이 유지되는 동안에 SO₃ 환원 반응은 매우 빠르며 실제적으로 비가역적이다.

놀랍고 중요하게도, 본 발명의 방법 및 시스템을 이용한 총괄적인 효과는 연소 동안에 형성된 임의의 SO₃가 제1스테이지에서 SO₂로 재빨리 환원되며, 후에 연료-부족 스테이지에서 노 내에 충분히 높은 온도에서 충분한 체류 시간을 갖지 못하기 때문에 SO₂의 산화에 의해 SO₃가 재형성되지 않는다는 것이다. 따라서, 본 발명은 유리하게도 배연 내 SO₃ 수준을 저감 및 유지하기 위한 반응 속도에 있어서의 차이점을 이용한다.

증대된 스테이징은 환원적 대기에서 체류 시간을 증가시키거나, 대기의 환원 잠재력을 증가시켜 SO₃ 농도를 저감하고 이로써 노점 온도를 낮춘다. 따라서, SO₃의 환원을 증대시키기 위해서는, 체류 시간을 증가시킬 수 있거나 배연 내 환원 잠재력을 증가시킬 수도 있다.

체류 시간을 증가시키기 위해서는 하기의 몇가지 방법이 가능하다:

1) 스테이지(stage) 사이의 거리를 늘일 수 있다;

2) 매크로-스테이징 적용을 위해 믹싱(mixing)을 증가시킬 수 있다;

3) 마이크로-스테이징 적용을 위해 믹싱을 감소시킬 수 있다;

4) 스테이지 사이의 유량(mass flow)을 감소시킬 수 있다(보다 깊은 스테이징);

5) 스테이지 사이에 용적 이용율을 증가시킬 수 있다(예, 소용돌이);

6) 압력을 증가시킬 수 있다;

7) 밀도를 증가시킬 수 있다.

배연 내에 환원 잠재력을 증대시키기 위해서, 하기의 몇 가지 방법이 가능하다:

1) 온도를 증가시킬 수 있다;

2) 화학양론적 비율(즉, 공기 대 연료 비율)을 감소시킬 수 있다;

3) 국소 연료 흐름을 증가시킬 수 있다(고정 공기 흐름에 대하여);

4) 국소 공기 흐름을 감소시킬 수 있다(고정 연료 흐름에 대하여).

스테이지 내에서의 믹싱도 또한 환원 방법에 영향을 준다. 화학양론적 혼합물로 완전하게 혼합된 스테이지가 가장 좋은데, 이는 이러한 반응 조건이 환원적 환경을 여전히 유지하면서 가장 높은 온도를 제공할 것이기 때문이다; 즉, O 라디칼과 같은 산화 라디칼을 최소화시킬 수 있다는 것이다. 그러나, 완전한 믹싱이란 비현실적이므로, 실제로는 1 미만의 화학양론적 비율이 이용되며, 이 경우 1 초과의 화학양론적 비율을 이용했을 때 발생하는 집약성(locality)을 최소화한다. 그러나 믹싱이 감소되면, 총 산도, 산 노점 온도, 및/또는 SO₃ 농도의 유사한 저감을 달성하기 위해서는 연장된 체류 시간 및/또는 보다 높은 온도가 필요하다. 그러나 연소 기체의 온도가 믹싱의 수준에 있어서 특정한 정도에 좌우되며, 믹싱이 감소되면 연소 기체의 온도도 내려간다. 따라서, 주어진 정도의 믹싱에 대하여 증가된 온도가 적합하다면, 온도는 다른 방법, 즉 예열된 공기, 노의 열교환 특성의 변화 및 이들과 유사한 방법으로 온도가 증가되어야만 한다. 선택적 또는 추가적으로, 환원적 환경에서 체류 시간은 OFA 주입과 같은 부족 스테이지의 공기 주입을 지연시킴으로써 증가될 수 있다.

촉매가 하기의 반응을 통해 SO₂의 산화를 가능하게 하기 때문에, SO₃가 촉매에서 SO₂의 산화에 의해 형성된다는 것에 주목하라:

SO₂ + 1/2O₂ → SO₃

촉매에서 SO₃의 생성은 기체 내 SO₃ 농도와는 관계없는데, 이는 촉매 반응이 SO₂ 및 O₂ 농도에만 의존하기 때문이다. 따라서, 본 발명에 의해 저감되는 SO₃는 배출 SO₃를 독립적으로 저감시키며, 촉매 내 SO₃ 생성에 영향을 받거나 영향을 미치지는 않는다.

따라서 본 발명은 배연 산도, 특히 배연의 SO₃ 농도를 제어하고 저감하는 방법을 제공하는데, 이는 (1) 전기집진기의 효율성에 유리하게 영향을 미치고, 보다 구체적으로는 (2) 배연 산도 및 산 노점을 감소시켜, 이로써 공기 가열기의 오염, 덕트 부식 및 눈에 보이는 플륨 및 국지적인 산성비의 원천이 될 수 있는 SO₃의 대기 배출을 저감하기 위하여 SO₃ 농도의 저감 및 배연 내 기타 저감 가능한 산의 농도를 감소시키기 위한 것이다.

본 발명의 바람직한 구체예에서, 노 내 산도 및 SO₃ 수준을 조절하기 위한 매크로-스테이징은 OFA의 사용을 통해 달성된다. 또 다른 바람직한 구체예에서, 노 내 산도 및 SO₃ 수준을 조절하기 위한 마이크로-스테이징은 저NO_x 버너를 이용함으로써 달성된다. 또 다른 바람직한 구체예에서, OFA 및 저NO_x 버너를 조합하여 이용함으로써 매크로-스테이징 및 마이크로-스테이징을 노 내 산도 및 SO₃ 수준을 조절하기 위해 사용한다. 작동에 있어 SCR을 이용한 노에 대하여는, 산도가 바람직하게는 총 배연 산도를 저감하기 위해 조절된다. SCR을 이용하지 않거나 우회(by-passed) SCR을 이용한 노에 대하여는, ESP 증강 또는 양호한 침전에 적합하도록 SO₃ 수준이 바람직하게 조절된다. 현재의 ESP에 대하여, 배기가스 내 약 10 내지 약 15ppm(용적 대비) 사이의 SO₃ 수준이 최적의 ESP 효율을 위해 바람직하다.

노점 온도는 산도 및/또는 원하는 SO₃ 수준의 적절한 저감을 달성하기 위하여 환원적 환경의 변수를 측정 및/또는 조절하는데 편리한 매개 변수이다. 원하는 SO₃의 수준 및 작동 상대 습도에 대하여, 노점이 측정될 수 있고, 이에 따라 환원적 환경의 변수는 원하는 노점에 다다르기 위해 조절된다. 산도 및/또는 SO₃ 수준을 측정하는 또 다른 방법은 본 발명의 범주에서 벗어남이 없는 동일한 목적을 위하여 사용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 구체예에서, 발전소는 보다 낮은 노 내에 깊게-스테이징된, 마이크로-스테이지 또는 매크로-스테이지의 환원적 환경을 제공하기 위해 작동된다. 상부 노에서 OFA는 잔류하는 미연소 연료, 연소 중간체 및 CO들의 충분한 수준의 연소를 확실하게 하기 위해 필요한 산소를 제공한다. 추가적으로, SCR은 NO_x를 저감하기 위해 이용될 수 있다. 따라서 본 발명의 구체예에는 노점을 낮추고 SO₃ 농도를 저감시키기 위해서 황함유 연료와 함께 이용할 OFA 및 저NO_x 버너를 가진 연소로가 포함된다. 저NO_x 버너는 바람직하게는 적절한 산 노점 온도 강하 및 SO₃ 농도 저감을 제공하는 1차 스테이지(primary stage)에서 적절한 믹싱을 제공하여, 필요하다면 SCR의 사용을 가능하게 하는 등급이다. 따라서 본 발명의 구체예에는 배연 산도 저감, 산 노점 온도 강하 및 배연 SO₃ 농도의 저감을 목적으로 하는 고급의 저NO_x 버너가 장착된 연소로가 포함된다. 본 구체예에는 추가적으로 SCR이 포함될 수 있다.

본 발명에 따른 적절한 환원적 환경은 2초 미만 내에, 보다 바람직하게는 0.5초 미만 내에 SO₃를 SO₂로 환원하는 환원적 환경이다. 본 발명에서, 그러한 환원적 환경은 제1스테이지의 배연온도가 900K(1160℉) 이상, 보다 바람직하게는 약 1255K(1800℉) 이상, 보다 더 바람직하게는 약 1650K(2500℉) 이상일 경우에 달성될 수 있다. 환원적 환경은 환원 라디칼 대 산화 라디칼의 농도비가 약 1 초과; 보다 구체적으로는 H 라디칼 대 O 라디칼의 농도비가 약 1 초과일 경우의 환원적 환경이다. 보다 양호한 환원적 환경은 환원 라디칼 대 산화 라디칼의 농도비가 약 10 초과; 보다 구체적으로는 H 라디칼 대 O 라디칼의 농도비가 약 10 초과일 경우의 환원적 환경이다.

따라서 본 발명에 따라 작동되는 연소로는:

a) 제1스테이지에서 연료를 부분적으로 연소시켜 환원적 환경을 조성하는 단계;

b) SO₃가 SO₂로 환원되어 원하는 SO₃ 수준을 달성하도록 충분한 시간 동안 환원적 환경을 유지시키는 단계;

c) 잔류 연료 및 연소 중간체를 제2스테이지에서 산화적 환경으로 연소시키는 단계를 포함하여; 이로써 배연에서 SO₃의 수준을 제어하는 본 발명의 방법에 의해서 작동된다.

황-함유 연료의 연소 공정에 있어서 SO₃를 저감 또는 제어하기 위한 본 발명에 따른 방법은:

a) 제1스테이지에서 연료를 부분적으로 연소시켜 환원적 환경을 조성하는 단계;

b) SO₃가 SO₂로 환원되어 원하는 SO₃ 수준을 달성하도록 충분한 시간 동안 환원적 환경을 유지시키는 단계;

c) 잔류하는 연료 및 연소 중간체를 제2스테이지에서 산화적 환경으로 연소시키는 단계를 포함하여; 이로써 배연 내 SO₃의 수준을 저감 또는 제어한다.

이러한 방법에는 연료 연소의 제1스테이지를 마이크로-스테이징 및 매크로 스테이징 하는 단계를 포함할 수 있다. 마이크로-스테이징은 저NO_x 버너를 이용하여 제공될 수 있고, 매크로-스테이징은 과연소 공기를 이용하여 제공될 수 있다. 연료는 임의의 연료가 될 수 있으며, 특히 석탄과 같은 탄소질이다.

하기의 실시예는 본 발명에 따른 방법을 이용하여 달성될 수 있는 결과를 예증한다. 본 발명에 따른 방법은 3개의 다른 발전소에서 SO₃를 저감하는데 이용했다. 표 1 및 표 2에 나타낸 실험 데이터는 고속의 과연소 공기를 이용함으로써 달성했 고, 제3자에 의해 측정했다.

"얕은" 스테이징의 경우에서는, 과연소 공기 포트가 거의 폐쇄되어있지만, 여전히 냉각 흐름(대략 총 공기의 10%)을 함유했다. "중간깊이의" 스테이징의 경우에는, 과연소 공기 포트가 총 공기 흐름의 거의 20%에 다다랐다. "깊은" 스테이징의 경우에는, 과연소 공기 포트가 총 공기 흐름의 거의 30%에 다다랐다. 모든 3개의 장치는 가장자리-연소(corner-fired) 장치였으며 OFA 시스템은 버너 영역 상부에 잘 위치시켰다.

따라서 실험 데이터는 본 발명에 따른 방법을 이용하여 SO₃ 수준을 조절할 능력을 나타내고 있는 것이다.

당업자는 전술한 설명을 읽자마자 소정의 변형 및 개선을 가할 수 있을 것이다. 간결성 및 가독성의 목적으로 본원에는 삭제된 모든 변형 및 개선점은 하기의 청구항의 범주 내에 당연히 존재한다.

Claims (24)

1. a) 제1스테이지에서 연료를 부분적으로 연소시켜 환원적 환경을 조성하는 단계;

   b) SO₃가 SO₂로 환원되어 원하는 SO₃ 수준을 달성하도록 충분한 시간 동안 환원적 환경을 유지하는 단계;

   c) 잔류 연료 및 연소 중간체를 제2스테이지에서 산화적 환경으로 연소시키는 단계를 포함하는 방법으로서, 이로써 배연 내 SO₃ 수준을 저감하는 것인, 황함유 연료의 연소 공정에서의 SO₃ 저감방법.
2. 제1항에 있어서, 제1스테이지의 연료 연소를 마이크로-스테이징(micro-staging)하는 단계를 추가적으로 포함하는 것이 특징인, SO₃ 저감방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 마이크로-스테이징은 저NO_x 버너(low-NO_x burner)를 이용하여 제공되는 것이 특징인, SO₃ 저감방법.
4. 제1항에 있어서, 제1스테이지의 연료 연소를 매크로-스테이징(macro-staging)하는 단계를 추가적으로 포함하는 것이 특징인, SO₃ 저감방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 매크로-스테이징은 과연소 공기(over-fired air)를 이용하여 제공되는 것이 특징인, SO₃ 저감방법.
6. 제1항에 있어서, 마이크로-스테이징 및 매크로-스테이징의 조합을 추가적으로 포함하는 것이 특징인, SO₃ 저감방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 마이크로-스테이징은 저NO_x 버너에 의해 제공되고 상기 매크로-스테이징은 과연소 공기에 의해 제공되는 것이 특징인, SO₃ 저감방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 연료는 석탄인 것이 특징인, SO₃ 저감방법.
9. a) 연료를 부분적으로 연소시켜 환원적 환경을 조성하는 단계;

   b) SO₃가 SO₂로 환원되어 원하는 SO₃ 수준을 달성하도록 충분한 시간 동안 환원적 환경을 유지하는 단계;

   c) 잔류 연료를 산화적 환경으로 연소시키는 단계를 포함하여, 이로써 배연 내 SO₃ 변환 농도를 감소시키는 황함유 연료의 연소 공정에서 SO₃를 제어하기 위한 방법으로 작동되는 연소로.
10. 제9항에 있어서, 제1스테이지의 연료 연소를 마이크로-스테이징하는 단계를 추가적으로 포함하는 것이 특징인 방법으로 작동되는 연소로.
11. 제10항에 있어서, 상기 마이크로-스테이징은 저NO_x 버너를 사용하여 제공되는 것이 특징인 방법으로 작동되는 연소로.
12. 제9항에 있어서, 제1스테이지의 연료 연소를 매크로-스테이징하는 단계를 추가적으로 포함하는 것이 특징인 방법으로 작동되는 연소로.
13. 제12항에 있어서, 상기 매크로-스테이징은 과연소 공기를 사용하여 제공되는 것이 특징인 방법으로 작동되는 연소로.
14. 제9항에 있어서, 마이크로-스테이징 및 매크로-스테이징의 조합을 추가적으로 포함하는 것이 특징인 방법으로 작동되는 연소로.
15. 제14항에 있어서, 상기 마이크로-스테이징은 저NO_x 버너에 의해 제공되고, 상기 매크로-스테이징은 과연소 공기에 의해 제공되는 것이 특징인 방법으로 작동되는 연소로.
16. 제9항에 있어서, 상기 연료는 석탄인 것이 특징인 방법으로 작동되는 연소로.
17. a) 제1스테이지에서 연료를 부분적으로 연소시켜 환원적 환경을 조성하는 단계;

    b) SO₃가 SO₂로 환원되어 원하는 SO₃ 수준을 달성하도록 환원적 환경 시간을 조정하는 단계;

    c) 잔류 연료 및 연소 중간체를 제2스테이지에서 산화적 환경으로 연소시키는 단계를 포함하는 방법으로서, 이로써 배연 내 SO₃ 수준을 제어하는 것인, 황함유 연료의 연소 공정에서 SO₃ 농도의 제어방법.
18. 제17항에 있어서, 제1스테이지의 연료 연소를 마이크로-스테이징하는 단계를 추가적으로 포함하는 것이 특징인, SO₃ 농도의 제어방법.
19. 제18항에 있어서, 상기 마이크로-스테이징은 저NO_x 버너를 이용하여 제공되는 것이 특징인, SO₃ 농도의 제어방법.
20. 제17항에 있어서, 제1스테이지의 연료 연소를 매크로-스테이징하는 단계를 추가적으로 포함하는 것이 특징인, SO₃ 농도의 제어방법.
21. 제20항에 있어서, 상기 매크로-스테이징은 과연소 공기를 이용하여 제공되는 것이 특징인, SO₃ 농도의 제어방법.
22. 제17항에 있어서, 마이크로-스테이징 및 매크로-스테이징의 조합을 추가적으로 포함하는 것이 특징인, SO₃ 농도의 제어방법.
23. 제22항에 있어서, 상기 마이크로-스테이징은 저저너에 의해 제공되고 상기 매크로-스테이징은 과연소 공기에 의해 제공되는 것이 특징인, SO₃ 농도의 제어방법.
24. 제17항에 있어서, 상기 연료는 석탄인 것이 특징인, SO₃ 농도의 제어방법.