KR20080084998A - 가열된 질소-함유 기체를 주입시켜 석탄의 ＮＯｘ 연소물을감소시키기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

가열된 질소-함유 기체를 주입시켜 석탄의 ＮＯｘ 연소물을감소시키기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

질소-함유 기체 스트림을 가열시키고 석탄 및 이송 기체의 스트림에 주입시켜, 질소-함유 기체, 석탄 및 이송 기체의 혼합 스트림을 생성한다. 산소를 질소-함유 기체, 석탄 및 이송 기체의 혼합 스트림에 주입시켜, 질소-함유 기체, 석탄, 이송 기체 및 산소의 혼합 스트림을 생성한다. 혼합된 질소-함유 기체, 석탄, 이송 기체 및 산소를 연소 챔버에서 연소시킨다.
Figure P1020087016098
석탄 연소, 질소 산화물 감소, 질소-함유 기체 스트림 가열, 질소-함유 기체 주입 요소

Description

가열된 질소-함유 기체를 주입시켜 석탄의 ＮＯｘ 연소물을 감소시키기 위한 방법 및 시스템 {METHODS AND SYSTEMS FOR REDUCED NOx COMBUSTION OF COAL WITH INJECTION OF HEATED NITROGEN-CONTAINING GAS}
NOx는 일반적으로 일산화 질소(NO) 및 이산화 질소(NO2)를 지칭한다. 둘 다 모두 산성비와 스모그(땅에서의 오존 농도) 문제를 일으키는 주된 원인이다. 미분화된 석탄 보일러의 배출 기체 중 NOx 분율은 통상적으로 NO가 95% 초과이며, 나머지가 NO2이다(Mitchell S.C., NO x in Pulverized Coal Combustion, IEA Clean Coal Center Report CCC/05, 1998). 석탄 연소 동안 NOx 생성물은 다음의 3가지 상이한 메카니즘을 통해 생성된다:
●연료의 질소 성분에 의한 NOx 생성 메카니즘 (Fuel-NOx)
●열에 의한 NOx 생성 메카니즘 (Thermal-NOx)
●라디칼에 의한 NOx 생성 메카니즘 (Prompt-NOx)
미분화된 석탄 보일러에서, 70% 내지 80%의 NOx는 Fuel-NOx 메카니즘을 통해 연료-결합된 질소종(연료-N)으로부터 형성되고, 나머지 NOx는 대기의 질소(N2)로부 터 Thermal-NOx 메카니즘을 통해(5-25%), 및 Prompt-NOx 메카니즘을 통해(5% 미만) 형성된다 (Wu Z., NO x control for pulverized coal - fired power stations, IEA Clean Coal Center Report CCC/69, 2002). 따라서 미분화된 석탄 연소에서의 NOx 형성을 이해하는 것과 형성을 제한하는 것은 연료-N 전환 메카니즘과 매우 밀접하게 연관되어 있다. 일련의 복잡한 반응으로 석탄 결합된 연료-질소가 50개 이상의 중간체 종과 수백개의 반응물을 포함하여 NOx 또는 N2로 전환되는 것이 설명된다.
연료-NOx 형성 과정에 영향을 미치는 2가지 주요 파라미터는 연료 중 휘발성 물질 함량 및 화학양론(공기/연료 비율)이다. 석탄 질소 함량(결합된 질소만) 또한 NOx 방출 수준에 매우 영향을 미친다. 석탄은 통상적으로 건조물 기준으로 0.5 중량% 내지 3 중량%의 질소를 함유한다. 이와 비교되는 것으로서, 천연 기체는 또한 얼마량의 질소(0.5 내지 20%)를 함유하지만, 이는 분자 질소 N2이며, 따라서 연료-NOx 메카니즘에 의해 영향을 받지 않는다.
도 1은 연소 과정에서 연료-질소에 영향을 미치는 주요 반응을 요약한 것이다(Zevenhoven R., Kilpinen P., Control of pollutants in flue gases and fuel gases, Picaset Oy, Espoo, ISBN 951-22-5527-8, 2001). 주요 4단계를 확인할 수 있다.
1 - 기상(휘발성-N) 중 석탄 질소 화합물(석탄-N)의 탈휘발 방출(주로 HCN이 고, 몇몇은 NHi). 나머지 석탄-질소 화합물은 고상(목탄)으로 존재하며, 이를 목탄-N(char-N)이라 지칭한다.
2 - HCN이 NHi 종으로 발생함.
3 - 국소적 조건에 따라 NHi의 NO로의 산화 또는 NHi의 N2로의 환원.
4 - 재연소. 이 때 일부 NO는 CHi 라디칼과 접촉하여 재순환되어 화염의 고온 환원 구역으로 되돌아가고 다시 N2로 전환된다.
휘발성-N 및 목탄-N 모두 NO 또는 N2로서 발생될 수 있다. NO보다 N2를 생성하는 특별한 조건을 실행함으로써 연료-NOx 형성은 최소화된다([Van Der Lans R. P., Glarborg P., and Dam-Johansen K., Influence of process parameters on nitrogen oxide formation in pulverized coal burners, Prog. Energy Combust. Sci. Vol. 23, p. 349-377, 1997]; [Bowman C.T., Kinetics of Pollutant Formation and Destruction on Combustion, Prog Energy Combust Sci (1) 33-45, 1975]; 및 [Proceedings of the 6th International Conference on Technologies and Combustion for a Cleaner Environment, Oporto, Portugal, 2001] 참조)
주어진 석탄 및 입도에 있어, 다음의 주요 3가지 조건은 독립적으로 또는 함께 연료-결합된 질소가 NO보다는 분자 질소 N2로 전환되는 것을 촉진시킬 것이다.
- 버너 수준에서 연료 풍부(환원) 조건: 탈휘발 단계 동안 노(furnace)에 연 료-풍부 "구역"을 배열함으로써, 기상(휘발성 물질) 중 질소종은 NO로 산화되기보다는 분자 질소(N2)로 더욱 환원될 것이다.
- 연소의 초기 단계에서의 고온은 휘발성 물질의 수율을 증가시킨다. 휘발성 물질이 버너 배출구 가까이에서 연소됨에 따라, 휘발성-N(기체)가 N2로 전환되는 것을 조절하는 것은 목탄-N(고체)가 N2로 전환되는 것보다 훨씬 용이하다. 버너 배출구에서의 고온은 또한 재순환되는 NO의 재연소율 및 휘발성-N의 N2로의 전환율을 모두 증가시킨다([Sarofim A. F., Pohl J. H., Taylor B.R., Strategies for Controlling Nitrogen Oxide Emissions during Combustion of Nitrogen - bearing Fuels, 69th Annual Meeting of the AIChe, Chicago, IL, 1976]; 및 [Bose A.C., Dannecker K.M. and Wendt J.O.L., Energ. Fuel, Vol. 2, p.301, 1988]).
- 고온에서의 오랜 체류 시간 및 보일러에서 환원 구역은 연료-N에서 N2로의 및 NO에서 N2로의 더 높은 전환을 유도한다.
이전 연구는 산소가 단독으로 사용되어 NOx 형성을 감소시켰음을 나타낸다. 안정성 및 다른 우려로 인해, 산소는 연소 직전에 상대적으로 저온에서 버너에 주입되었다.
<발명의 요약>
방법 및 방법을 수행하기 위한 시스템을 제공한다. 질소-함유 기체 스트림을 가열시키고 석탄 및 이송 기체의 스트림에 주입시켜, 질소-함유 기체, 석탄 및 이송 기체의 혼합 스트림을 생성한다. 혼합된 질소-함유 기체, 석탄, 및 이송 기체를 연소 챔버에서 산소로 연소시킨다.
본 발명의 시스템 및 방법의 성질 및 목적을 보다 잘 이해하기 위해, 첨부하는 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 참조할 수 있으며, 이 때 유사한 요소는 동일하거나 또는 유사한 참조 번호로 주어진다.
도 1은 연소 과정에서 연료-질소에 영향을 미치는 주요 반응을 요약한 개략도이다.
도 2는 버너의 상부스트림에 산소 주입부를 갖는 시스템의 개략도이다.
도 3은 버너에 산소 주입부를 갖는 시스템의 개략도이다.
도 4는 직사각형 개구를 갖는 튜브형 주입 요소의 사시도이다.
도 5A는 튜브형 주입 요소에서 사용하기 위한 원형 개구의 개략도이다.
도 5B는 튜브형 주입 요소에서 사용하기 위한 직사각형 개구의 개략도이다.
도 5C는 튜브형 주입 요소에서 사용하기 위한 삼각형 개구의 개략도이다.
도 5D는 튜브형 주입 요소에서 사용하기 위한 타원형 개구의 개략도이다.
도 6은 3개 세트의 직사각형 개구를 갖는 튜브형 주입 요소의 사시도이다.
도 7은 3개 세트의 점점 짧아지는 직사각형 개구를 갖는 튜브형 주입 요소의 사시도이다.
도 8은 엇갈린 패턴으로 배열된 직사각형 개구를 갖는 튜브형 주입 요소의 사시도이다.
도 9는 수직으로 불균일 분포의 직사각형 개구를 갖는 튜브형 주입 요소의 사시도이다.
도 10은 직사각형 개구를 갖는 공기역학적 예리한 팁을 갖는 튜브형 주입 요소의 사시도이다.
도 11은 직사각형 개구를 갖는 공기역학적 둥근 팁을 갖는 튜브형 주입 요소의 사시도이다.
도 12는 타원형 개구를 갖는 공기역학적 둥근 팁을 갖는 튜브형 주입 요소의 사시도이다.
도 13은 타원형 개구를 갖는 공기역학적 예리한 팁을 갖는 튜브형 주입 요소의 사시도이다.
도 14는 선회기형 주입 요소를 갖는 2개의 동심원형 주입부의 단면도이다.
도 15A는 질소 랜스(lance)에 배치된 선회기(swriler) 및 연료관의 내벽에 배치된 접선방향으로 주입시키는 주입 요소를 갖는 2개의 주입부의 사시도이며, 이 때 선회기와 접선방향 주입부는 일반적으로 동일 방향에 있다.
도 15B는 질소 랜스에 배치된 선회기 및 연료관의 내벽에 배치된 접선방향으로 주입시키는 주입 요소를 갖는 2개의 주입부의 사시도이며, 이 때 선회기와 접선방향 주입부는 일반적으로 반대 방향에 있다.
도 16은 개구 및 벽 폭을 보여주는 선회기의 측면도이다.
도 17은 말단에 1 이상의 개구가 있는 다리(leg)를 갖는, 서로로부터 방사상 으로 이격된 4개의 주입 요소의 사시도이다(동력학적 팁은 도시하지 않음).
도 18은 도 17의 주입 요소 구조의 측면도이다(동력학적 팁이 도시됨).
도 19는 도 17의 주입 요소 구조의 정면도이다(동력학적 팁이 도시됨).
도 20은 핀 구조를 갖는 2개의 주입 요소 구조의 정면도이다.
도 21은 도 20의 2개의 주입 요소 구조의 측면도이다.
도 22A는 수직 배향된, 타원형의 단면 형상을 갖는 축방향 주입 요소의 측면도이다.
도 22B는 수평 배향된, 타원형의 단면 형상을 갖는 축방향 주입 요소의 측면도이다.
도 23은 축에 대해 일정 각도로 산소를 주입시키기 위한, 말단에 3개의 방사상으로 이격된 개구를 갖는 튜브형 주입 요소의 사시도이다.
도 24A는 중심에 1개의 개구를 가지며, 원들로 구조화된 개구가 원형으로 배열되어 있는 튜브형 주입 요소의 측면도이다.
도 24B는 주변부에 톱니형 패턴의 개구를 갖는 튜브형 주입 요소의 측면도이다.
도 24C는 4개의 쐐기형 패턴의 개구를 갖는 튜브형 주입 요소의 측면도이다.
도 24D는 별형 개구를 갖는 튜브형 주입 요소의 측면도이다.
도 24E는 중심에 배치된 만곡된 십자형 개구를 갖는 튜브형 주입 요소의 측면도이다.
도 24F는 도 24E의 개구와 유사하게 만곡된 십자형을 가지지만, 두께가 더 두꺼우며 주변부로 연장되어 있는 개구를 갖는 튜브형 주입 요소의 측면도이다.
연소 전에 산소 부족 환경에서 안전하게 휘발성 물질을 방출하기 위해 석탄의 온도를 증가시키는 것은 NOx 형성 메카니즘을 억제시킬 수 있다. 이는 버너의 상부스트림에 고온의 질소-함유 기체를 주입시키고 임의적으로 버너에 또는 단지 버너의 상부스트림에 산소-함유 기체를 주입함으로써 제안된 방법 및 시스템에서 달성된다. O2-부족 환경에서 고온의 질소-함유 기체의 주입은 석탄의 탈휘발을 야기시켜 휘발성 물질을 방출시키며, 나아가 이들을 N2로 분해시킨다. 목탄에서 연료-결합된 질소 또한 N2로 분해될 수 있다. 이러한 과정은 또한 주요 연소 구역에서 휘발성-N 및 목탄-N의 잔류 시간을 증가시켜 N2로의 분해를 유리하게 한다. 더욱이 NOx 환원은 버너에 또는 단지 버너의 상부스트림에 산소-함유 기체를 임의로 주입시켜, 주입된 질소를 보상하고 연료가 풍부한 조건에서 화염의 온도를 증가시킴으로써 얻어진다. 이러한 2개의 과정 모두 NOx 대신 N2의 형성을 촉진시킨다.
NOx 방출이 감소된 석탄 연소 시스템은 다음을 포함한다: 석탄 및 이송 기체 혼합물의 공급원; 산소-함유 기체의 공급원; 질소-함유 기체의 공급원; 질소 공급원으로부터의 질소를 가열시키도록 구성되고 구조화된 가열 장치; 연소 챔버; 연소 챔버의 벽에 배치되고, 연소 챔버와 작동가능하게 연결된 버너; 석탄 및 이송 기체 혼합물의 공급원과 유체 소통하며, 버너를 향해 연장하는 연료관; 및 가열 장치 및 연료관과 유체 소통하며, 가열된 질소-함유 기체를 가열 장치로부터 석탄 및 이송 기체의 혼합물 스트림으로 주입시켜 연료관 내에서 이들을 혼합시키도록 구성되고 구조화된 질소-함유 기체 주입 요소.
NOx 방출이 감소된 석탄 연소 방법은 다음의 단계를 포함한다: 질소-함유 기체 스트림을 가열시키는 단계. 가열된 질소-함유 기체 스트림을 석탄 및 이송 기체의 스트림에 주입시켜 질소-함유 기체, 석탄 및 이송 기체의 혼합 스트림을 생성하는 단계. 혼합된 질소-함유 기체, 석탄 및 이송 기체를 연소 챔버의 벽에 배치된 버너에 도입시키는 단계. 석탄을 연소 챔버에서 산소로 연소시키는 단계.
본 발명의 시스템 또는 방법은 다음의 양태 중 1 이상을 포함할 수 있다.
- 산소-함유 기체 주입 요소는 산소의 공급원 및 연료관과 유체 소통하고, 질소-함유 기체 주입 요소가 연료관과 유체 소통하는 곳의 하부스트림이면서 버너의 상부스트림인 곳에서 또는 버너에서 유체관과 유체 소통하며, 산소-함유 기체를 산소-함유 기체 공급원으로부터 가열된 질소-함유 기체, 석탄 및 이송 기체의 혼합 스트림으로 주입시키도록 구성되고 구조화된다.
- 산소-함유 기체의 공급원 및 질소-함유 기체의 공급원은 공기 분리 장치 (ASU)를 포함한다.
- 이송 기체는 산소-함유 기체 공급원으로부터의 산소-함유 기체와 혼합된 연소 챔버로부터의 배출 기체를 포함한다.
- 가열 장치는 열을 화염으로부터 질소-함유 기체 공급원으로부터의 질소로직접 전달하도록 구성되고 구조화된다.
- 가열 장치는 질소-함유 기체 공급원로부터의 질소-함유 기체와 연소 챔버에서의 석탄 및 산소의 연소로부터의 열 사이에서, 열을 교환하도록 구성되고 구조화된 열 교환기이다.
- 이송 기체는 산소와 혼합된 연소 챔버로부터의 배출 기체이다.
- 가열 장치는 질소-함유 기체 공급원로부터의 질소-함유 기체와 연소 챔버에서의 석탄 및 산소의 연소로부터의 열 사이에서, 열을 교환하도록 구성되고 구조화된 열 교환기이다.
- 가열 장치는 질소-함유 기체 공급원로부터의 질소-함유 기체와 연소 챔버에서의 석탄 및 산소의 연소로부터의 열 사이에서, 열을 교환하도록 구성되고 구조화된 열 교환기이다.
- 이송 기체는 공기이다.
- 산소-함유 기체 주입 요소는 버너에서 연료관과 유체 소통한다.
- 질소-함유 기체 주입 요소는 연료관의 주변부에서 연료관과 유체 소통한다.
- 질소-함유 기체 주입 요소는 연료관의 중심축을 따라 연료관과 유체 소통한다.
- 산소-함유 기체 주입 요소는 연료관의 주변부에서 연료관과 유체 소통한다.
- 산소-함유 기체 주입 요소는 연료관의 중심축을 따라 연료관과 유체 소통한다.
- 질소-함유 기체 및 산소는 ASU로부터 얻어진다.
- 질소-함유 기체 스트림의 가열 단계는 열을 화염으로부터 질소 스트림으로 직접 전달하는 것을 포함한다.
- 질소-함유 기체 스트림의 가열 단계는 열을 화염으로부터 질소 스트림으로 열 교환기를 통해 간접적으로 전달하는 것을 포함한다.
- 질소-함유 기체 스트림의 가열 단계는 열을 연소 단계로부터 질소 스트림으로 열 교환기를 통해 간접적으로 전달하는 것을 포함한다.
- 질소-함유 기체의 스트림을 원하는 수준의 탈휘발이 일어나도록 하는 온도로 가열시킨다.
- 질소-함유 기체의 스트림을 약 1,000 ℉ 내지 약 1,800 ℉의 범위의 온도로 가열시킨다.
- 가열된 질소-함유 기체 스트림의 주입을 통해 석탄 중 대부분의 휘발성 종 함량을 탈휘발시킨다.
- 연소 단계로부터 생성된 배출 기체 중 적어도 일부를 수집하고, 산소-함유 기체를 수집된 배출 기체에 주입시켜 이들을 혼합시키고, 혼합된 산소 및 배출 기체를 버너에 도입시킨다.
- 혼합된 산소-함유 기체 및 배출 기체 중의 산소 농도가 약 3% 내지 약 20%가 되도록 하는 양의 산소-함유 기체를 수집된 배출 기체로 주입시킨다.
- 질소-함유 기체 스트림을 가열시키는 단계는 열을 연소 단계로부터 질소 스트림으로 열 교환기를 통해 간접적으로 전달하는 것을 포함한다.
제안된 방법 및 시스템은 또한 석탄 연소 과정에서 연료-NOx 형성을 감소시킨다. 상기 단락에서 설명한 바와 같이, 연료 결합된 N은 탈휘발이 일어나는 국소적 조건에 따라 분자 N (N2) 또는 NO로 전환될 수 있다. 고온의 질소-함유 기체를 석탄 스트림에 주입함으로써 환원 환경에서 휘발성 물질 및 연료-결합된 N 화합물을 방출시킨다. 환원 환경은 석탄 유래된 N 화합물의 N2로의 전환을 유도한다.
주입되는 질소-함유 기체의 온도 및 양은 석탄의 유형 및 NOx 감소 목표치에 의존한다. 질소-함유 기체의 온도는 석탄에서 휘발성 종의 탈휘발 온도 초과로 선택된다. 다양한 일반 유형의 석탄의 휘발 특성은 주지되어 있다. 석탄의 특정 유형의 경우에, 휘발 특성은 공지된 방식으로 실험적으로 결정될 수 있다. 일반적으로 말해서, 온도는 연소되는 석탄의 특정 유형에 대해 원하는 정도의 탈휘발이 일어나도록 선택되어야만 한다. 적합한 온도는 약 1,000 ℉ 내지 약 1,800 ℉의 범위이다. 질소-함유 기체 주입의 위치는 탈휘발 및 질소-함유 기체의 전환이 일어나는데 충분한 체류 시간이 주어지도록 전략적으로 위치해야만 한다. 이 거리보다 더 먼곳에서 고온의 질소-함유 기체를 주입시키는 것은 휘발성 물질이 매우 가연성이며 바람직하지 않은 연소가 일어날 수 있기 때문에 안정성 문제를 일으킬 수 있다.
질소-함유 기체는 순수한 질소일 필요는 없다. 실제로, 대다수의 질소 및 소량의 다른 기체를 갖는 기상 혼합물이 본 발명의 방법 및 시스템에 사용하기에 적합하다. 이러한 소량의 성분은 O2와 Ar 및 CO2와 같은 비활성 기체를 포함한다. 가열된 질소-함유 기체 및 O2 모두에 대한 바람직한 공급원은 공기 분리 장치 (ASU)이다. 적합한 ASU는 압력 순환 흡착 (PSA), 진공 순환 흡착 (VSA), 극저온 증류, 및 막 투과에 의해 작동하는 것들을 포함한다. ASU의 이러한 유형으로부터의 질소 풍부 스트림 및 산소 풍부 스트림 중 통상적인 N2 및 O2 농도는 주지되어 있으므로 본원에서 반복해서 언급할 필요는 없을 것이다. 질소의 다른 공급원은 질소 및 배출 기체를 포함하는 기상 혼합물을 포함할 수 있다.
혼합된 질소-함유 기체, 이송 기체 및 석탄에 임의적으로 주입되는 산소-함유 기체 역시 순수할 필요는 없다. 적합한 기체는 공기 중 산소 농도보다는 크고 순수한 100% 산소 농도 이하의 산소 농도를 가지는 것들을 포함한다.
ASU로부터의 N2의 경우에, 질소-함유 기체는 "직접 발화 모드" 또는 "간접 발화 모드"에서 가열될 수 있다. 직접 발화 모드에서, 유입된 질소-함유 기체는 작은 화염과 직접 접촉함으로써 가열된다. 간접 발화 모드에서, 질소-함유 기체는 작은 화염 또는 연소 과정으로부터 열을 얻는 열 교환기에서 가열된다.
연료가 풍부한 화염 조건에서, 주요 연소 구역에서의 산소 주입은 온도를 증가시킨다. 이러한 보다 고온의 환원 환경은 석탄으로부터 방출된 남아있는 휘발성 물질로부터의 N2 형성을 촉진시킨다. 임의의 산소-함유 기체 주입이 선택되는 경우, 산소-함유 기체는 안정성 목표와 석탄/이송 기체/질소-함유 기체 스트림의 양호한 혼합을 모두 달성하는 위치에서 주입된다. 위치는 바람직하게는 산소가 풍부한 국소 지역에서 석탄 입자의 부분적 연소를 일으킬 위험성을 감소시키기 위해 버너 통로의 상부스트림이다. 동시에, 위치는 산소-함유 기체 및 석탄/이송 기체/질소-함유 기체의 혼합이 거의 일어나지 않을 정도로 버너에 너무 근접해서도 안된다.
이송 기체는 연료 입자를 입자 저장소 또는 생성 위치, 예를 들어 밀(mill)로부터 버너 수준 및 연소 챔버로 이송시키는 임의의 기체를 포함한다. 예를 들어, 이러한 기체는 석탄-발화 보일러 중 미분화 또는 미세화된 석탄을 이송하기 위해 이용되는 1차 공기를 포함할 수 있다. 바람직한 이송 기체는 공기 및 재순환된 배출 기체 및 산소의 혼합물이다. 통상적으로, 재순환된 배출 기체 및 산소의 이러한 혼합물은 약 60-90% CO2, 5-20% N2, 및 3-20% O2를 포함한다. 재순환된 배출 기체 및 산소의 특히 바람직한 혼합물은 약 80% CO2 및 약 20% O2를 함유한다.
몇몇 상이한 유형의 주입 요소가 사용될 수 있다. 질소-함유 기체 및 산소-함유 기체 주입 요소 각각은 서로 동일하거나 또는 상이할 수 있음을 유의하여야 한다. 주입 요소의 몇가지 예는 다음과 같다.
본 발명의 방법을 수행하기 위한 시스템을 도 2 내지 9에 도시한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 일 실시태양에서, 석탄 및 이송 기체의 스트림 (1)을 연료관 (8)로 도입시킨다. 제1 주입 요소 (3)으로부터 질소-함유 기체의 가열된 스트림을 요소 (3)의 하부스트림에서 석탄 및 이송 기체와 혼합시킨다. 산소-함유 기체를 버너 (9)의 상부스트림에 있는 주입 요소 (4)를 통해, 혼합된 석탄, 이송 기체 및 질소-함유 기체에 임의로 주입시킨다. 혼합된 질소-함유 기체, 산소-함유 기체 (임의 주입된 경우), 석탄, 및 이송 기체를 버너 (9)를 통해 연소 (7)이 일어나는 연소 챔버 (6)에 도입시킨다.
도 3에 도시한 바와 같이, 또다른 실시태양에서, 석탄 및 이송 기체의 스트림 (1)을 연료관 (8)로 도입시킨다. 제1 주입 요소 (3)으로부터의 질소-함유 기체의 가열된 스트림을 요소 (3)의 하부스트림에서 석탄 및 이송 기체와 혼합시킨다. 산소-함유 기체를 버너 (9)에서의 주입 요소 (5)를 통해, 혼합된 석탄, 이송 기체 및 질소-함유 기체에 임의로 주입시킨다. 혼합된 질소-함유 기체, 산소-함유 기체 (임의 주입된 경우), 석탄 및 이송 기체를 버너 (9)를 통해 연소 (7)이 일어나는 연소 챔버 (6)에 도입시킨다.
주입 요소 (3), (5)는 연료관 (8)의 축에 따라 중심적으로 배치될 필요는 없음을 주의하여야만 한다. 차라리, 이들은 연료관 (8)의 주변부에 따라 배치될 수 있다. 이러한 몇몇 다양한 구조를 다음의 몇몇 주입 요소 디자인에서 설명한다.
방사상으로 주입시키는 주입 요소 디자인:
도 4에 도시한 바와 같이, 일 주입 요소 (10)은 폐쇄된 말단 (16) 및 다수개의 직사각형 개구 (13)을 갖는 튜브이다. 이러한 디자인은 주입 요소 (10)의 원주면으로부터 방사상 주입을 제공한다.
이들 개구의 길이 (D1) 및 폭 (D2) 뿐 아니라 인접한 두 개구 사이의 원주 호 거리 (D0)는 모멘텀 비 J (산소-함유 기체 또는 질소-함유 기체 제트 모멘텀 대 비기상 연료/이송 기체 스트림 모멘텀의 비)를 조절하기 위해 다양할 수 있다. (D1), (D2), 및 (D0)는 또한 주입 기체가 1차 스트림 또는 적절하게 질소-함유 기체와 혼합된 1차 스트림으로 투과되는 것을 조절한다. 낮은 D2/D1 비율 (유선형의 직사각형 개구)은 석탄과 같은 고체 연료 입자에 대한 교란을 최소화할 것이다. 높은 D2/D1 비율 (비유선형(bluff-body) 슬롯)은 고상에 큰 영향을 줄 것이며, 미분화된 석탄과 같은 고체 연료 입자를 버너 1차 공기관의 중심선으로부터 멀어지도록 밀 것이다. 이러한 두가지 상이한의 비율 양태는 관 배출구에서 입자 및 질소 또는 산소의 상이한 분포를 유발할 것이다.
이어서 이러한 3가지 파라미터 (S1), (D1), 및 (D2)는 주입 기체가 1차 스트림 또는 적절하게 질소-함유 기체와 혼합된 1차 스트림으로 투과되는 것을 조절한다. 낮은 D2/D1 비율 (유선형 슬롯)은 고상에 대한 교란을 최소화할 것이다. 높은 D2/D1 비율 (비유선형 슬롯)은 고상에 큰 영향을 줄 것이며 석탄 입자를 버너 1차 공기관의 중심선으로부터 멀어지도록 밀 것이다. 이러한 두가지 상이한 비율의 양태는 관 배출구에서 입자 및 질소 또는 산소의 상이한 분포를 유발할 것이다. 도 5A 내지 5D에 나타낸 바와 같이, 슬롯형 그자체는 각각 원형, 직사각형, 삼각형, 또는 타원형일 수 있다.
도 6에 도시한 바와 같이, 주입 요소 (20)은 주입 요소 (20)의 축에 따라 축으로 연장하는 열에 배열된 개구 (23)을 포함한다. 이러한 패턴은 동일한 열에 있는 2개의 인접한 개구 (23) 사이의 축 거리 (D3)이 충분히 큰 경우에 보다 양호한 혼합을 수행한다. 개구 (23) 간의 치수 (D3)은 동일할 수 있거나 또는 폐쇄 말단 (26)을 향하는 축방향에서 다양할 수 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 주입 요소 (30)의 개구 (33)의 길이 치수 (D1), (D4), 및 (D5)는 폐쇄 말단 (36)의 방향에서 짧은 것에서부터 긴 것까지 다양할 수 있다. 별법으로, 이러한 길이 치수는 짧은 것에서 긴 것 순서로, 긴 것에서 짧은 것 순서로, 긴 것에서 짧은 것으로 다시 긴 것의 순서로, 짧은 것에서 긴 것으로 다시 짧은 것의 순서로, 및 기타 다른 순서로 다양할 수 있다. 또한, 치수 (D1) 또는 (D2)는 또한 방위각 (방사상) 방향으로 다양할 수 있다. 이는 주입 기체가 1차 스트림을 통과하는 것을 보다 정밀하게 조절한다. 마지막으로, (D3)은 각각의 과정 조건에 맞춤으로써 입자의 최대 및 최소 재분포를 최적화시킬 수 있다.
도 8에 도시한 바와 같이, 주입 요소 (40) 중 개구 (43)은 축 방향으로 연장될 필요는 없다. 차라리, 이들은 서로에 대해 상이한 각도 θ로 엇갈리게 배치될 수 있다. θ는 180° (유선형 슬롯/축 슬롯) 내지 90°(비유선형 슬롯/방사형 슬롯)으로 다양할 수 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 주입 요소 (50)은 방위각 방향에서 개구 (53)의 균일 분포를 가질 필요는 없다. 상기 논의한 바와 같이, 석탄-발화된 보일러에서, 석탄 입자 로딩은 언제나 단면 전체에 있어 균일하진 않다(때로는 소위 "로핑(roping) 현상"에 의한 것임). 석탄의 경우에, 주입 요소 (50)의 하부에서의 석탄/이송 기체 (56) (또는 석탄/이송 기체/질소-함유 기체) 스트림 중 입자 농도는 주입 요소 (50)의 상부에서의 석탄/이송 기체 (또는 석탄/이송 기체/질소-함유 기체) (57) 스트림 중 입자 농도보다 진할 수 있다. 본 도면에서, 화살표의 두께는 기체 스트림에서의 입자 로딩을 나타낸다. 이에 의해 제공되는 이점은 보다 많은 질소-함유 기체 또는 산소-함유 기체가 입자 로딩이 적은 위치 (59)보다는 입자 로딩이 많은 위치 (58)로 도입될 수 있다는 점이다. 이는 보다 낮은 탈휘발 가능성을 갖는 국소 지역 (질소-함유 기체 주입의 경우) 또는 각각이 보다 높은 농도의 NOx를 유발할 수 있는 연료가 희박한 국소 지역 (산소-함유 기체 주입의 경우)을 만들 가능성을 감소시킬 것이다. 이러한 문제점 및 해결책에 대해서, 입자 로딩 분포는 실험적 또는 모델적 연구를 통해 쉽게 결정될 수 있다.
주입 요소 디자인 (10), (20), (30), (40)과 유사하게, 개구 (53)은 엇갈려있을 수 있으며, 축 및 방위각 방향에서의 크기가 다양할 수 있다. 개구 (53) 간의 거리, 개구 (53)의 열의 수, 또는 개구 (53)의 표면적 또한 다양할 수 있다.
이러한 주입 요소 (50)은 특히 버너의 기하학적 형태가 석탄 집진기 또는 분리기(종래 기술에서 미분화된 석탄 버너로부터 NOx 방출을 감소시키기 위한 기법으로 알려져 있음)를 포함하는 석탄-발화된 보일러에 특히 이로운 적용을 가진다. 다양한 수준의 질소-함유 기체 또는 산소-함유 기체 주입은 석탄이 보다 풍부한 구역에서 N2 또는 O2의 보다 높은 농도를 달성하도록 설정될 수 있다. 결과적으로, 석탄 및 N2 (질소-함유 기체 주입의 경우) 석탄 및 O2 (산소-함유 기체 주입의 경우) 간의 평형비는 석탄이 풍부한 구역 (농축된 구역) 뿐 이나리 석탄이 희박한 구역 (희박 구역)에서도 조절될 수 있다.
공기역학적 주입 요소 디자인:
도 10 내지 14에 도시한 바와 같이, 주입 요소 (100), (110), (120), (130), (140)은 공기역학적 폐쇄 말단 (106), (116), (126), (136), (146)을 가질 수 있다. 공기역학적 형상은 석탄/이송 기체의 스트림의 재순환 (질소-함유 기체 주입의 경우) 또는 석탄/이송 기체/질소-함유 기체의 스트림의 재순환 (산소-함유 기체 주입의 경우)을 감소시키는 경향이 있으며, 주입 요소 (100), (110), (120), (130), (140)에 의해 입자가 없는 구역 및 낮은 속도/반대 속도 구역을 만드는 경향이 있다.
도 10의 주입 요소 (100)을 참조시, 직사각형 개구 (103)이 도 1 내지 7에 기술된 모든 양태에서 폐쇄 말단 (106)에 부가될 수 있다. 폐쇄 말단 (106)은 예리할 수 있으며, 점 (P1)에서 종결될 수 있다. 거리 (D8) 및 (D9), 및 직선 (L1) 및 (L2)에 의해 정의되는 각도 α는 최단 거리에서 혼합을 최적화시키며 비기상 연료에 대한 교란을 최소화시키기 위해 다양할 수 있다.
도 11의 주입 요소 (110)을 참조시, 직사각형 개구 (113)이 도 1 내지 7에 기술된 모든 양태에서 폐쇄 말단 (116)에 부가될 수 있다. 폐쇄 말단 (116)은 직선 (L4) 및 (L5)의 교차선인 점 (P2)로 연장되는 대신에, 둥그스름할 수 있다. 거리 (D10) 및 (D11), 및 직선 (L4) 및 (L5)에 의해 정의되는 각도 δ는 최단 거리에서 혼합을 최적화시키며 비기상 연료에 대한 교란을 최소화시기키 위해 다양할 수 있다.
도 12에 도시한 바와 같이, 타원형 (또는 원형) 개구 (123A), (123B), (123C)가 주입 요소 (120) 상에 존재할 수 있다. 주입 요소 (120)은 둥근 팁 (126)으로 연장된다. 각각의 개구 (123A), (123B) 및 (123C)는 질소-함유 기체 또는 산소-함유 기체의 스트림 (PA), (PB), (PC)가 랜스의 축에 대한 일정한 각도로 석탄/이송 기체의 혼합 스트림 (질소-함유 기체 주입의 경우) 또는 석탄/이송 기체/질소-함유 기체의 혼합 스트림 (산소-함유 기체 주입의 경우)으로 주입되도록 구조화된다.
도 13에 도시한 바와 같이, 타원형 (또는 원형) 개구 (133A), (133B), (133C)가 주입 요소 (130) 상에 존재할 수 있다. 주입 요소 (130)은 둥근 팁 (136)으로 연장된다. 각각의 개구 (133A), (133B), (133C)는 질소-함유 기체 또는 산소-함유 기체의 스트림 (PD), (PE), (PF)가 산소 랜스의 축에 대한 일정한 각도로 석탄/이송 기체의 혼합 스트림 (질소-함유 기체 주입의 경우) 또는 석탄/이송 기체/질소-함유 기체의 혼합 스트림 (산소-함유 기체 주입의 경우)으로 주입되도록 구조화된다.
선회형 주입 요소 디자인:
본 단락에서 나타내는 디자인은 특허된 옥시네이터(Oxynator)® (US 5,356,213) 개념에 기초한다. 이는 혼합 거리를 최소화시키고 파이프 벽 가까이에서 높은 질소 또는 산소 농도를 방지하도록 디자인된다.
제1 구조에 관하여 도 14에 도시한 바와 같이, 벽 (232A), (232B)로 정의된 도관 (239)에 관하여 연료관 (231)의 배열은 튜브 안의 튜브이다. 질소-함유 기체는 산소 랜스 (236)으로부터 중심 주입 요소 (235)으로 공급된다. 이것은 선회기 S2를 통해 주입된다. 산소-함유 기체는 도관 (239)로부터 연료관 (231)의 내벽과 평행하도록 배치된 단일 말단 주입 요소 (234)로 공급된다. 산소-함유 기체는 주입 요소 (234)에 의해 선회기 (S1)을 갖는 연료관 (231)의 내벽으로부터 주입된다. 선회기 (S1), (S2)의 방향은 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 말단 주입 요소 (234)와 연결되는 이의 전후의 유동 통로는 유동물의 교란을 최소화시키도록 공기역학적으로 (벤투리(venturi)와 유사하게) 디자인될 수 있다. 즉, 주입 요소 (234)의 전후에 숄더(shoulder)가 사용될 수 있다. 또한 연료관 (238)이 주입 요소 (231A), (231B)를 지나서까지 연장될 필요는 없음을 이해해야만 한다.
제2 구조에 관하여, 도관 (239)는 실제로 연료관 (231) 주위에 다수개의 도관이 있을 수 있으며, 이 중 일부 또는 모두는 주입 요소 (234)를 제공한다.
도 15A에 도시한 바와 같이, 옥시네이터®에 기초한 또다른 디자인은 벽 (242A), (242B)로 정의된 도관 (249) (2차 스트림 구역 또는 전이 스트림 구역으로 당업자에게 공지됨)에 의해 둘러싸인 연료관 (241)을 포함한다. 말단이 주입 요소 (244) (옥시네이터®에 기초함)인 질소-함유 기체 랜스 (244)는 연료관 (241)의 중심축에 배치된다. 접선방향으로 주입시키는 다수개의 주입 요소 (245A), (245B), (245C), (245D)는 연료관 (241)의 내벽을 따라 배치된다. 작동시, 랜스 (244)에 의해 주입 요소 (244)로 공급되는 질소-함유 기체는 선회기 (S3)을 갖는 연료관 (241)로 주입된다. 도관 (249)에 의해 주입 요소 (245A), (245B), (245C), (245D)로 공급되는 산소-함유 기체는 선회기 (S3)과 동일한 방향인 선회기 (S4)를 갖는 연료관 (241)로, 연료관 (241)에 대해 접선방향으로 주입된다.
도 15B에 도시한 바와 같이, 옥시네이터®에 기초한 또다른 디자인은 벽 (252A), (252B)로 정의된 도관 (259) (2차 스트림 구역 또는 전이 스트림 구역으로 당업자에게 공지됨)에 의해 둘러싸인 연료관 (251)을 포함한다. 말단이 주입 요소 (254) (옥시네이터®에 기초함)인 질소-함유 기체 랜스 (254)는 연료관 (251)의 중심축에 배치된다. 접선방향으로 주입시키는 다수개의 주입 요소 (255A), (255B), (255C), (255D)는 연료관 (251)의 내벽을 따라 배치된다. 작동시, 랜스 (254)에 의해 주입 요소 (254)로 공급되는 질소-함유 기체는 선회기 (S5)를 갖는 연료관 (251)로 주입된다. 도관 (259)에 의해 주입 요소 (255A), (255B), (255C), (255D)로 공급되는 산소-함유 기체는 선회기 (S5)의 방향과 반대 방향인 선회기 (S6)을 갖는 연료관 (251)로, 연료관 (251)에 대해 접선방향으로 주입된다.
도 14, 15A 및 15B의 옥시네이터®에 기초한 모든 디자인은 다음과 같이 변형될 수 있다. 도 16에 도시한 바와 같이, 2개의 인접한 바람개비 (223)의 뚫린 공간 (221)의 원주 경계에 따른 주입 요소 호 (222)는 치수 (A1)을 갖는다. 한편, 바람개비의 원주의 엣지 (223)은 치수 (A2)를 갖는다. 바람개비 (223)의 수 및 치수 (A1), (A2)는 혼합 및 입자 로딩을 최적화하기 위해 다양할 수 있다. 치수 (A1), (A2)의 비율은 주입 속도를 최적화하고 이에 따라 제트의 투과를 최적화하도록 선택될 수 있다. 고상의 교란을 최적화하기 위해 A2/A1의 낮은 비가 바람직하다.
비유선형 주입 요소 디자인:
산소-함유 기체는 몇가지 상이한 주입 요소에 의해 대략 단일 축 위치에 있는 몇몇 위치에서 주입될 수 있다.
도 17 내지 19에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 부분 (302A), (303A) 및 제2 부분 (303A)의 말단에서 1 이상의 개구 (304A)를 가지는 다리 부재를 포함하는 주입 요소는 랜스부 (301)로부터 연장된다. 다른 주입 요소는 유사하게 제1 및 제2 부분 (302B, 303B); (302C, 303C), (302D, 303D) 및 제2 부분 (303B), (303C), (303D)의 말단에서 1 이상의 개구 (304B), (304C), (304D)를 가지는 다리 부재를 포함한다. 도 17에 명확하게 도시하진 않았지만, 공기역학적 팁 (306)이 랜스부 (301)과 제1 부분 (302A), (302B), (302C), (302D) 사이의 연결부분 바로 뒤의 랜스부 (301)의 말단에 포함된다.
도 19에 도시한 바와 같이, 이러한 주입 요소는 높이 치수 및 길이 치수 (D13), (D14)를 가진다. 주입 요소는 질소-함유 기체 또는 산소-함유 기체를 연료관의 축에 대해 직선 (L10) 및 (L11)에 의해 정의되는 각도 β로 연료관으로 주입시킨다. 다양한 위치에 주입 요소를 전략적으로 위치시킴으로써, 제트 모멘텀의 조절을 통해 산소와 석탄/이송 기체의 혼합을 향상시킨다. 유동 면적에 대해 수직인 이러한 모든 주입 요소의 투영 축적 면적은 1차 스트림의 유동 면적보다 훨씬 적다. 따라서, 이러한 주입 요소는 입자가 포함된 스트림의 유동에 대해 임의의 상당한 장애를 일으키지 않는다. 이러한 디자인에서, 치수 (D13) 및 (D14), 주입 각도 β 및 각각의 개구의 지름은 독립적으로 조정되어 질소-함유 기체 투과 또는 산소-함유 기체 투과 및 국소적 혼합을 정밀하게 조절할 수 있다.
도 20 내지 21에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 부분은 보다 유선형인 형상으로 대체된다. 방사상으로 이격된 핀 (402)는 랜스부 (401)로부터 연장된다. 도 19의 측면도는 석탄/이송 기체의 유동면에 수직 방향인 2개 이상의 핀의 표면 상에 있는 다수개의 개구 (403)을 도시한다. 하지만, 이러한 유형의 표면, 핀의 다른편과 대향하는 표면 또는 하부스트림을 향하는 핀의 표면은 주입 기체의 제트 모멘텀 및 국소 투과를 정밀하게 조절하여 주입 기체를 도입시키는 개구 (403)을 가질 수 있다.
랜스부 (402)는 공기동력학적 팁 (406)을 갖는 공기동력학적 몸체 (405)에서 종결된다. 각각의 핀 (402)는 공기동력학적 유선형 형상을 지닌다. 개구 (403)은 원형 홀, 슬롯, 슬릿, 및 도 3A 내지 3D에 도시한 것들과 같은 다른 형상으로 구조화된다.
도 16 내지 21의 모든 비유선형 디자인에서, 랜스 말단의 임의의 팁 형상은 1 이상의 개구를 가지거나 또는 가지지 않는 공기동력학적 디자인을 가진다. 팁 상의 개구는 상기 기술한 바와 같은 임의의 디자인일 수 있다.
축방향으로 주입시키는 주입 요소 디자인:
주입 요소의 또다른 유형은 질소-함유 기체 또는 산소-함유 기체를 하부스트림을 향하는 표면으로부터의 석탄/이송 기체의 유동에 주입시키도록 구조화된다. 이러한 표면은 임의 형상을 갖는 임의 수의 개구를 가질 수 있다. 몇가지 예시 형상 (701A) 내지 (701F)를 도 24A 내지 F에 도시한다. 개구의 수, 크기, 형상, 및 주입각은 혼합 및 고체 연료 로딩이 최적화되도록 조정될 수 있다.
배출구 말단 근처에 배열된 배플은 질소-함유 기체 및/또는 산소-함유 기체의 균일한 혼합을 촉진시킬 수 있다(배플의 용도는 배출구 말단에서의 와류를 증가시킴으로써 보다 효율적인 혼합을 수행한다는 점에서 선행 기술의 디자인에 비해 개선된 것이다). 다양한 배플의 수, 형상, 및 크기가 이용될 수 있다. 파이프로부터 나오는 제트의 속도 조절은 버너의 공기동력학을 조정하는 결정적인 파라미터이므로, 이러한 배플의 단면적은 주의깊게 선택될 것이다.
축방향으로 주입시키는 주입 요소의 유사한 유형은 변형된 단면을 갖는다. 중력이 입자의 이동에 영향을 미치기 때문에, 예를 들어, 타원형의 수직 단면은 입자 궤도에 보다 적은 장애를 초래할 것이며, 동시에 개선된 혼합을 제공할 수 있다. 파이프 단면의 변형은 질소-함유 기체 또는 산소-함유 기체의 축방향 제트의 속도를 감소시키거나 또는 증가시킬 수 있다. 도 22A에 도시한 바와 같이, 질소 또는 산소 랜스 (503)은 수평 배향된 타원형 말단 (502)에서 종결된다. 유사하게, 도 22B는 수직 배향된 타원형 말단 (505)를 도시한다.
도 23에 도시한 바와 같이, 주입 요소의 또다른 축방향 주입형은 하부스트림 표면 상에서 방사상으로 이격된 개구 (602A), (602B), (602C)를 갖는 부재 (601)을 포함한다. 각각의 개구 (602A), (602B), (602C)는 질소-함유 기체 또는 산소-함유 기체의 유동물 (F4), (F5), (F6)을 연료관의 축에 대한 일정한 각도로 주입시키도록 구조화된다.
본 발명을 실시하기 위한 바람직한 방법 및 장치가 기술되었다. 당업자는 본 발명의 취지 및 범위에서 벗어나지 않는 한 많은 변화 및 변형이 행해질 수 있음을 이해할 것이며, 이는 당업자에게 명백할 것이다. 상기 내용은 단지 예시일 뿐이며, 하기의 특허청구범위에 기술된 본 발명의 진정한 범위에서 벗어나지 않는 한 본 발명의 방법 및 시스템의 다른 실시태양이 사용될 수 있다.

Claims (32)

  1. a) 석탄 및 이송 기체 혼합물의 공급원;
    b) 산소-함유 기체의 공급원;
    c) 질소-함유 기체의 공급원;
    d) 상기 질소-함유 기체 공급원으로부터의 질소를 가열시키도록 구성되고 구조화된 가열 장치;
    e) 연소 챔버;
    f) 상기 연소 챔버의 벽에 배치되고, 연소 챔버와 작동가능하게 연결된 버너;
    g) 상기 석탄 및 이송 기체 혼합물의 공급원과 유체 소통하며, 상기 버너를 향해 연장하는 연료관; 및
    h) 상기 가열 장치 및 상기 연료관과 유체 소통하며, 가열된 질소-함유 기체를 상기 가열 장치로부터 석탄 및 이송 기체의 혼합물 스트림으로 주입시켜 상기 연료관 내에서 이들을 혼합시키도록 구성되고 구조화된 질소-함유 기체 주입 요소
    를 포함하는, NOx 방출이 감소된 석탄 연소 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산소-함유 기체의 공급원 및 연료관과 유체 소통하고, 상기 질소-함유 기체 주입 요소가 상기 연료관과 유체 소통하는 곳의 하부스트림이면서 상기 버너의 상부스트림인 곳에서 또는 상기 버너에서 연료관과 유체 소통하 며, 산소-함유 기체를 산소-함유 기체 공급원으로부터 가열된 질소-함유 기체, 석탄 및 이송 기체의 혼합 스트림으로 주입시키도록 구성되고 구조화된 산소-함유 기체 주입 요소를 추가로 포함하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 산소-함유 기체의 공급원 및 상기 질소의 공급원이 공기 분리 장치(ASU)를 포함하는 것인 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 이송 기체는 상기 산소 공급원으로부터의 산소-함유 기체와 혼합된 상기 연소 챔버로부터의 배출 기체를 포함하는 것인 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 가열 장치가 열을 화염으로부터 상기 질소-함유 기체 공급원으로부터의 질소-함유 기체에 직접 전달하도록 구성되고 구조화된 것인 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 가열 장치가 상기 질소-함유 기체 공급원으로부터의 질소-함유 기체와 상기 연소 챔버에서의 상기 석탄 및 산소의 연소로부터의 열 사이에서, 열을 교환하도록 구성되고 구조화된 열 교환기인 시스템.
  7. 제2항에 있어서, 상기 이송 기체가 산소-함유 기체와 혼합된 상기 연소 챔버로부터의 배출 기체인 시스템.
  8. 제2항에 있어서, 상기 가열 장치는 질소-함유 기체 공급원으로부터의 질소-함유 기체와 상기 연소 챔버에서의 상기 석탄 및 산소의 연소로부터의 열 사이에서, 열을 교환하도록 구성되고 구조화된 열 교환기인 시스템.
  9. 제6항에 있어서, 상기 가열 장치는 질소-함유 기체 공급원으로부터의 질소-함유 기체와 상기 연소 챔버에서의 상기 석탄 및 산소의 연소로부터의 열 사이에서, 열을 교환하도록 구성되고 구조화된 열 교환기인 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 이송 기체가 공기인 시스템.
  11. 제2항에 있어서, 상기 산소-함유 기체 주입 요소가 상기 버너에서 상기 연료관과 유체 소통하는 것인 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 질소-함유 기체 주입 요소가 상기 연료관의 주변부에서 상기 연료관과 유체 소통하는 것인 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 질소-함유 기체 주입 요소가 상기 연료관의 중심축을 따라 상기 연료관과 유체 소통하는 것인 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 산소-함유 기체 주입 요소가 상기 연료관의 주변부에서 상기 연료관과 유체 소통하는 것인 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 산소-함유 기체 주입 요소가 상기 연료관의 중심축을 따라 연료관과 유체 소통하는 것인 시스템.
  16. 질소-함유 기체 스트림을 가열시키는 단계;
    가열된 질소-함유 기체 스트림을 석탄 및 이송 기체의 스트림으로 주입시켜 질소-함유 기체, 석탄 및 이송 기체의 혼합 스트림을 생성하는 단계; 및
    질소-함유 기체, 석탄 및 이송 기체의 혼합 스트림으로부터의 석탄을 연소 챔버에서의 버너에서 산소-함유 기체로 연소시키는 단계
    를 포함하는, NOx 방출이 감소된 석탄 연소 방법.
  17. 제16항에 있어서, 산소-함유 기체를 버너의 상부스트림 또는 버너에서 질소-함유 기체, 석탄 및 이송 기체의 혼합 스트림 내로 주입시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  18. 제16항에 있어서, 질소-함유 기체 및 산소를 ASU로부터 얻는 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 질소-함유 기체 스트림의 가열 단계가 열을 화염으로 부터 질소 스트림으로 직접 전달하는 것을 포함하는 방법.
  20. 제16항에 있어서, 상기 질소-함유 기체 스트림의 가열 단계가 열을 화염으로부터 질소-함유 기체 스트림으로 열 교환기를 통해 간접적으로 전달하는 것을 포함하는 방법.
  21. 제16항에 있어서, 상기 질소-함유 기체 스트림의 가열 단계가 열을 상기 연소 단계로부터 질소-함유 기체 스트림으로 열 교환기를 통해 간접적으로 전달하는 것을 포함하는 방법.
  22. 제16항에 있어서, 질소-함유 기체의 스트림을 약 1,000℉ 내지 약 1,800℉ 범위의 온도로 가열시키는 방법.
  23. 제16항에 있어서, 가열된 질소-함유 기체 스트림의 주입을 통해 석탄 중 대부분의 휘발성 종 함량을 탈휘발시키는 방법.
  24. 제16항에 있어서, 이송 기체가 공기인 방법.
  25. 제16항에 있어서,
    상기 연소 단계로부터 생성된 배출 기체 중 적어도 일부를 수집하는 단계;
    산소-함유 기체를 수집된 배출 기체에 주입시켜 이들을 혼합시키는 단계; 및
    산소-함유 기체 및 배출 기체를 버너에 도입시키는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 혼합된 산소-함유 기체 및 배출 기체 중의 산소 농도가 약 3% 내지 약 20%가 되도록 하는 양의 산소-함유 기체를 수집된 배출 기체에 주입시키는 방법.
  27. 제17항에 있어서, 상기 질소-함유 기체 스트림의 가열 단계가 열을 상기 연소 단계로부터 질소-함유 기체 스트림으로 열 교환기를 통해 간접적으로 전달하는 것을 포함하는 방법.
  28. 제17항에 있어서, 질소-함유 기체의 스트림을 약 1,000℉ 내지 약 1,800℉ 범위의 온도로 가열시키는 방법.
  29. 제17항에 있어서, 이송 기체가 공기인 방법.
  30. 제17항에 있어서,
    상기 연소 단계로부터 생성된 배출 기체 중 적어도 일부를 수집하는 단계;
    산소-함유 기체를 수집된 배출 기체에 주입시켜 이들을 혼합시키는 단계; 및
    혼합된 산소 및 배출 기체를 버너에 도입시키는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  31. 제27항에 있어서, 질소-함유 기체의 스트림을 약 1,000℉ 내지 약 1,800℉ 범위의 온도로 가열시키는 방법.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 연소 단계로부터 생성된 배출 기체 중 적어도 일부를 수집하는 단계;
    산소-함유 기체를 수집된 배출 기체에 주입시켜 이들을 혼합시키는 단계; 및
    혼합된 산소-함유 기체 및 배출 기체를 버너에 도입시키는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
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