KR20110038026A - 운반 가스의 고형물을 가스 스트림으로 전달하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

운반 가스의 고형물을 가스 스트림으로 전달하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고형물과 운반 가스를 덕트 또는 챔버 외부에 있는 공급물 공급원으로부터 가스 스트림이 흐르는 덕트 또는 챔버의 벽을 통해 유동 가스 스트림으로 공급하기 위한 시스템과 공정에 관한 것이다.

Description

운반 가스의 고형물을 가스 스트림으로 전달하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR DELIVERY OF SOLIDS IN A CARRIER GAS TO A GAS STREAM}
본 출원은 2008년 7월 8일에 출원된 동시계속특허출원인 미국 가특허출원번호 61/079,037호를 우선권주장하며, 이는 참조문헌으로서 본 명세서에 통합된다.
본 발명은 고형물과 운반 가스를 덕트 또는 챔버 벽을 통해 유동 가스 스트림으로 전달하기 위한 시스템과 방법에 관한 것이다.
종래 공학 기술에서는, 가스 스트림이 흐르는 덕트 또는 챔버의 벽을 횡단하는 연신 중공 튜브(elongated hollow tube)가 오랜 기간 사용되어 왔는데, 이 튜브들은 운반 가스 내에 함유된 미세 고형물과 같은 공급 물질들을 덕트 또는 챔버 외부에 있는 공급원으로부터 덕트 또는 챔버 내부에 있는 한 지점으로 전달할 수 있다. 이러한 연신 중공 튜브들은 통상 "랜스(lance)"로 언급된다. 일반적으로 랜스는 고형물과 운반 가스가 흐르는 보어를 가진다. 이 보어는 외부 고형물 및 가스 공급원과 전달 소통하고 있으며 덕트 또는 챔버의 내부에 있는 한 지점에서 개방되어 고형물과 가스를 랜스 보어를 통해 다수의 경우에서 고속으로 흐르는 유동 가스 스트림 내로 전달하게 한다. 이러한 배열이 고형물과 운반 가스를 유동 가스 스트림에 공급하는데 있어 효과적이긴 하지만, 가스 스트림 내에 공급물을 넓게 분포시키는 것은 원하는 대로 항상 빠르게 또는 널리 수행되지 않는다.
종래 기술에서는, 다수의 전달 지점들이 유동 가스 스트림 내에서 스트림의 횡단면을 가로질러 위치되도록 배열된 다수의 랜스들을 사용하여 왔다. 또한 랜스들은 가스 흐름 방향을 가로질러 서로 다른 깊이로 가스 스트림 내로 연장될 수 있다. 이 기술로서 충분하지 않기 때문에, 각각의 랜스가 랜스 길이를 따라 다수의 전달 지점들을 제공하도록 랜스 길이를 따라 다수의 개구부들을 포함하는 보어를 가진 랜스들이 제공된다. 따라서 각각의 랜스가 다수의 개구부들을 가진 다수의 랜스들이 사용될 때 다수의 전달 지점들이 존재한다.
하지만, 다수의 랜스들과 다수의 개구부들에도 불구하고, 특히 유동 가스 스트림이 고난류 상태에 있지 않은 경우, 유동 가스 스트림 내로 공급되는 고형물과 운반 가스를 균일하게 분포시키는 것을 개선할 필요성이 있다.
본 발명은 연소 공급원으로부터 나온 연도가스를 포함하는 가스 스트림이 덕트 또는 챔버의 외부에 있는 공급물 공급원으로부터 흐르는, 덕트 또는 챔버 벽을 통해 미립자 고형물과 운반 가스를 포함하는 공급물을 공급하기 위한 공정에 관한 것으로서,
상기 공정은:
a. 유동 가스 스트림의 적어도 일부분과 교차하는 한 지점에서 덕트 또는 챔버의 내부와 유체 소통하고 공급물 공급원과 유체 소통하는 하나 이상의 연신 랜스를 위치시키는 단계를 포함하며, 상기 랜스는:
(i) 적어도 부분적으로는 유체 소통이 발생하는 종방향 보어(longitudinal bore)를 가지고,
(ii) 유동 가스 스트림의 하류에 배열된 하류 면을 포함하며, 상기 하류 면은 복수의 하류 개구부들을 형성하고, 및
(iii) 유동 가스 스트림의 상류에 배열된 상류 면을 포함하며, 상기 상류 면은 상기 하류 면의 맞은편에 배열되고 복수의 상류 개구부들을 형성하며; 및
b. 공급물을 랜스 보어에 공급하는 단계를 포함하고, 상기 공급물의 적어도 일부분은 하나 이상의 상류 개구부들에 유입되는 유동 가스 스트림의 적어도 일부분과 혼합되어 상기 랜스 보어 내에서 혼합물을 형성하며, 이 혼합물의 적어도 일부분은 하나 이상의 하류 개구부들로부터 배출된다.
용어 "고형물들과 운반 가스들" 및 "고형물과 운반 가스"는 고형물들과 가스들의 임의의 혼합물을 포함하는 것을 의미한다. 예를 들어, 본 발명의 공정에 따른 바람직한 구체예에서는 예를 들어 미립자 활성 카본과 공기의 현탁물질과 같은 고형물들의 가스 현탁물질의 공급물이 포함된다.
또한, 본 발명은 연소 공급원으로부터 나온 연도가스를 포함하는 가스 스트림이 내부를 통해 흐를 수 있도록 구성되고 크기가 정해진 덕트 또는 챔버를 포함하는 시스템에 관한 것으로서, 상기 덕트 또는 챔버의 하나 이상의 벽은 하나 또는 그 이상의 덕트 개구부들을 형성한다. 또한 상기 시스템은 각각의 덕트 개구부들 내에 배치된 하나 또는 그 이상의 연신 랜스들을 포함한다. 하나 이상의 연신 랜스들은 (i) 덕트 또는 챔버의 외부에 있는 공급물 공급원으로부터 미립자 고형물과 운반 가스를 포함하는 공급물과 유체 소통하고 (ii) 가스 스트림의 적어도 일부분과 교차하는 한 지점에서 덕트 또는 챔버의 내부와 유체 소통한다. 각각의 연신 랜스는 적어도 부분적으로는 유체 소통이 발생하는 적어도 종방향 보어를 가지고, 상기 각각의 연신 랜스는 가스 스트림 흐름의 하류에 배열된 하류 면을 포함하며, 상기 하류 면은 복수의 하류 개구부들을 형성하고, 상기 각각의 연신 랜스는 가스 스트림 흐름의 상류에 배열된 상류 면을 포함하며, 상기 상류 면은 상기 하류 면의 맞은편에 배열되고 복수의 상류 개구부들을 형성한다. 상기 연신 랜스는 공급물이 상기 공급물 공급원으로부터 상기 랜스 보어로 공급될 수 있도록 덕트 또는 챔버 내에 추가로 배치되고, 상기 공급물의 적어도 일부분은 하나 이상의 상류 개구부들로 유입되는 가스 스트림의 적어도 일부분과 혼합되어 랜스 보어 내에서 혼합물을 형성하며, 이 혼합물의 적어도 일부분은 하나 이상의 하류 개구부들로부터 배출된다.
이러한 시스템과 공정은 공급된 고형물과 운반 가스를 유동 가스 스트림 내에 우수하게 분포하는 데 있어 특히 유리하다. 다수의 랜스를 사용하는 것은 유동 가스 스트림 내의 공급물의 분포력과 균질성을 증가시킨다. 우수한 분포력과 균질성은 공급물이 매우 작은 양으로 존재하는 유동 가스 스트림의 구성요소들을 포획하도록 사용될 때 특히 유용하다. 하류 균질성은, 틈새 포획, 흡수, 화학 반응 등에 의해, 공급된 재료의 포획에 영향을 끼치기 위해 포획되어야 하는 구성요소가 공급된 재료에 의해 접촉되는 통계적 확률을 증가시킨다.
본 발명의 시스템과 공정은, 심지어, 예를 들어, 연도가스가 석탄 연소 시에 방출되는 석탄-결합 수은의 작은 양(약 1ppb)을 함유하는 석탄의 연소로부터 유동 연도가스를 처리하기에 어려운 것으로 입증된 유동 가스 스트림의 경우에서도, 위에서 언급한 우수한 분포력과 균질성을 제공하도록 설계된다. 관련 법령은 위에서 언급한 작은 양의 경우에도 수은 제거율을 상당하게, 예를 들어, 약 50% 내지 약 90%로 할 것을 요구할 수 있다.
본 발명의 시스템과 공정은 많은 종류의 고형물과 운반 가스를 유동 가스 스트림 내에 공급하도록 처리하기 위한 것이다. 또한, 본 발명의 공정은, 예를 들어, 주입에 의해, 유동 가스 스트림으로부터 원하지 않는 가스 스트림 구성요소들을 제거하거나 또는 감소시키게 하기 위하여, 상기 처리되는 고형물과 운반 가스를 유동 가스 스트림과 접촉하도록 사용되는 다수의 공정들을 개선시킬 수 있다.
(i) 본 발명의 시스템과 공정으로 사용될 수 있는 고형물과 운반 가스 및/또는 (ii) 본 발명의 공정을 사용함으로써 유동 가스 스트림 내에 처리 재료를 우수하게 분포시킴으로써 개선될 수 있는 유동 가스 스트림 처리의 대표적인 예는: US 1,984,164; US 4,500,327; US 5,900,042; US 6,514,907; US 6,808,692; US 6,818,043; US 6,848,374; US 6,878,358; US 7,435,286; US 7,507,083; US 2002/0114749; US 2004/013589; US 2005/0039598; US 2006/0204418; US 2006/0205592; US 2007/0051239; US 2007/0140940; US 2007/0180990; US 2007/0234902; US 2007/0254807; US 2008/0107579; US 2008/0134888; EP 0 277 706; 및 WO 2007/149867에 기술된다. 이 모든 특허들은 본 명세서에서 참조문헌으로서 통합된다.
상기 본 발명의 특징들과 그 외의 특징들은 하기 상세한 설명, 도면 및 첨부된 청구항에서 더욱 명확해질 것이다.
도 1은 가스 스트림이 이동되는 덕트 내에서 유동 가스 스트림 내에 배열된, 본 발명의 연신 랜스의 종방향 횡단면도로서, 이 도면에서 횡방향 단면 A-A 및 B-B가 도시된다.
도 1a는 본 발명의 연신 랜스의 하류 면을 도시한 전면도로서, 하류 개구부들은 연신 랜스의 종축을 따라 상류 개구부들로부터 부분적으로 오프셋 배열되고, 이 도면에서 횡방향 단면 C-C가 도시된다.
도 1b는 본 발명의 연신 랜스의 하류 면을 도시한 전면도로서, 하류 개구부들은 연신 랜스의 종축을 따라 상류 개구부들로부터 오프셋 배열되고, 이 도면에서 횡방향 단면 D-D가 도시된다.
도 1c는 본 발명의 연신 랜스의 하류 면을 도시한 전면도로서, 각각의 하류 개구부들은 연신 랜스의 횡축을 따라 각각 맞은편에 있는 복수의 상류 개구부들로부터 오프셋 배열되고, 이 도면에서 횡방향 단면 E-E가 도시된다.
도 1d는 본 발명의 연신 랜스의 하류 면을 도시한 전면도로서, 하류 개구부들은 연신 랜스의 횡축과 종축을 따라 상류 개구부들로부터 오프셋 배열되고, 이 도면에서 횡방향 단면 F-F가 도시된다.
도 1e는 종래 기술에 공지된 연신 랜스의 측면도이다. 가스 스트림은 좌측으로부터 우측으로 90°각도로 연신 랜스의 측면 벽(들)에 있는 개구부들을 통해 공급물로 흐르며, 이 도면에서 횡방향 단면 G-G가 도시된다.
도 1f는 본 발명의 연신 랜스의 측면도로서, 상기 연신 랜스의 일부분은 한 영역을 포함하고 상기 연신 랜스는 연신 랜스의 주변 주위로 세 세트의 개구부들의 군을 형성하며, 이 도면에서 횡방향 단면 H-H가 도시된다.
도 1g는 본 발명의 연신 랜스의 측면도로서, 상기 연신 랜스는 두 영역들을 포함하고 상기 각각의 영역에서 상기 연신 랜스는 하류 면 상에 있는 세 개의 하류 개구부들과 상류 면 상에 있는 세 개의 상류 개구부들의 군을 형성하며, 이 도면에서 횡방향 단면 I-I가 도시된다.
도 2는, 활성 카본의 브로민 가스-처리 입자들을 사용하여 석탄 연소로부터 나온 연도가스를 처리하여 수집한 데이터로, 종래 기술의 표준 랜스들과 본 발명에 따른 랜스 디자인의 성능으로부터 상대적인 수은 제거율을 비교한 그래프이다.
상기 각각의 도면에서, 여러 도면들 중에서 동일한 도면부호들은 동일한 부분 또는 기능적으로 동일한 부분들을 가리키도록 사용된다.
본 발명의 하나 이상의 구체예에 따라, 이동하는 가스 스트림의 선택된 영역들 내로 넓게 분포된 주입 고형 입자들을 전달하기 위한 시스템과 방법을 사용하고 구성하는 데 있어 이용될 수 있는 것과 같이, 본 발명을 예시하는 구체예들이 밑에서 기술된다. 물론, 이러한 실제 구체예들의 형태에서, 가령, 각각의 구체예마다 달라지는 시스템 관련 사항과 사업 관련 사항들에 따른 발명자의 특정 목표들을 구현하기 위해 다수의 특정 결론들이 도출되어야 함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 이러한 구체예의 형태들이 복잡하고 시간이 많이 소모될 수 있지만 본 출원서의 혜택을 받는 당업자들에게는 일상적인 것임을 이해해야 할 것이다. 밑에서 기술된 상세한 설명에서, 일반적으로 논의된 대안의 단계, 형상, 특징 및/또는 구성요소들이 첨부된 도면에 표시된 구성요소들의 도면부호들을 참조하여 사용될 수 있다. 하지만, 그 외에 특별히 언급되지 않는 한, 본 출원서에서 사용된 도면부호들이 단지 명확하게 표시하기 위한 것이기 때문에, 이러한 대안의 단계, 형상, 특징 및/또는 구성요소들은 반드시 해당 도면들에 예시된 특정 구체예에만 제한되는 것이 아니라는 사실을 이해해야 한다.
도 1 및/또는 도 1a-1d 및/또는 도 1f-1g를 보면, 본 발명의 연신 랜스들의 상이한 여러 예시적인 실시예들을 볼 수 있는데, 이 랜스들은 전체적으로 도면부호 10으로 표시된다. 랜스(10)는 도 1에서 가스 스트림이 화살표로 표시된 방향으로 흐르는 덕트(32)의 덕트 벽(30)을 통하여 장착된다. 상기 랜스(10)는 전체적으로 도면부호 34로 표시된 장착 플랜지 조립체를 사용하여 장착된다.
랜스(10)는 종방향 보어(14)를 형성하는 종방향으로 연장된 관형의 본체 벽(12)을 가진다. (본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 용어 "종방향(longitudinal)"은 언급된 유한 공간 또는 부재의 가상의 장축 또는 이 축과 나란하게 정렬된 것을 가리키며, 용어 "횡방향(latitudinal)"은 언급된 유한 공간 또는 부재의 가상의 장축에 대해 실질적으로 수직인 가상의 단축 또는 이 축과 나란하게 정렬된 것을 가리킨다). 종방향 보어(14)는 근위단부(18)와 원위단부(16)를 가진다. 도면에서 볼 수 있듯이, 종방향 보어(14)는 종방향 보어(14)의 근위단부(18)에 있는 덕트(32) 외부의 한 지점으로부터 종방향 보어(14)의 원위단부(16)에 있는 덕트(32) 내부의 한 지점으로 연장된다. 통상적인 종방향 보어(14)는 약 1cm 내지 약 10cm 범위에 있는 횡방향 직경(랜스의 내측 직경)을 가질 것이다. 연신 랜스는 카본 또는 스테인리스 스틸과 같은 강성의 금속으로 구성되지만, 연신 랜스는 고형물과 운반 가스 및 관련 대기 상태들에 따라 그 외의 다른 재료들로 구성될 수 있다. 랜스가 관형의 본체로서 예시되기는 하였지만, 구성된 형태가 종방향 보어 또는 이와 유사한 통로를 형성하는 한, 상부 평면도로부터 바라보았을 때, 랜스(10)의 벽들이 정사각형, 직사각형, 계란형 및 이와 비슷한 형태의 형상일 수 있음을 이해해야 한다.
랜스(10)는 덕트(32) 내에 상류 면(15)과 하류 면(15a)을 가진다. 랜스(10)는 하류 면(15a)이 운반 가스 스트림의 하류에 배열되도록 덕트(32) 내에 배치된다. 이에 따라, 상류 면(15)은 운반 가스 스트림의 상류에 배열되고 하류 면(15a)의 맞은편에 배열된다. 또한, 랜스(10)의 관형 본체 벽(12)의 하류 면(15a)은 복수의 하류 개구부(20a)들을 형성한다. 도시된 것과 같이, 랜스(10)의 관형 본체 벽(12)의 상류 면(15)은 복수의 상류 개구부(20)들을 형성한다. 도 1에 예시된 것과 같이, 각각의 상류 개구부(20)는 각각의 하류 개구부(20a)와 동축구성된다.
하지만, 그 외의 다른 정렬도 가능하며, 예를 들어 도 1a에서와 같이, 하류 개구부들이 랜스(10)의 종축을 따라 상류 개구부들로부터 부분적으로 오프셋 배열되도록 상류 개구부(20)들과 하류 개구부(20a)들이 정렬되는 것도 가능하다는 것을 이해할 수 있다. 도 1b에 도시된 또 다른 형상에서, 하류 개구부들이 랜스(10)의 종축을 따라 상류 개구부들로부터 추가로 오프셋 배열되도록 상류 개구부(20)들과 하류 개구부(20a)들이 정렬된다. 하류 개구부들은 연신 랜스의 횡축을 따라 상류 개구부들로부터 오프셋 배열될 수 있으며 또한 하류 개구부들에 대해 동일하지 않은 개수의 상류 개구부들을 추가로 포함할 수 있다. 도 1c에서, 복수의 상류 개구부(20)들이 각각 맞은편에 있는 하류 개구부(20a)들 중 하나로부터 오프셋 배열된다. 도 1d에 도시된 또 다른 형상에서, 하류 개구부들이 랜스(10)의 종축과 횡축을 따라 상류 개구부들로부터 오프셋 배열되도록 상류 개구부(20)들과 하류 개구부(20a)들이 정렬된다.
도 1e에 예시된 것과 같이, 종래 기술에서 공지된 연신 랜스(10)는 한 측면 벽 위에 있는 개구부와 랜스의 맞은편 측면 벽 위에 있는 동축구성의 맞은편 개구부를 형성한다. 이 두 개구부들은 유동 가스 스트림으로부터 90°각도로 배열된다. 이 발명은 본 발명이 연신 랜스의 상류 면에 의해 형성된 상류 개구부들과 연신 랜스의 하류 면에 의해 형성된 하류 개구부들을 모두 포함한다는 점에서 도 1e에 예시된 종래 기술과 다르다. 본 발명은, 상류 면으로부터 공급물을 유동 가스 스트림과 혼합함으로써 난류가 증가되고 그 결과 보어를 따라 공급물 입자들이 더 넓고 보다 균일하게 분포되기 때문에 종래 기술에 비해 유리하다. 랜스의 상류 면과 하류 면은, 각각, 랜스의 횡단면 형태에 따라 랜스의 하나 또는 그 이상의 측면 벽들로부터 형성될 수 있으나, "상류 면(upstream face)"은 가스 스트림 흐름 방향에 대해 수직이며 랜스 보어의 중앙 지점을 교차하는 가상의 종방향 평면의 상류에 있는 면 또는 면들을 의미하고, "하류 면(downstream face)"은 동일한 가상의 종방향 평면의 하류에 있는 면 또는 면들을 의미한다.
도 1f와 도 1g에 도시된 것과 같이, 연신 랜스(10)는 복수의 상류 개구부(20) 또는 하류 개구부(20a)들 중 적어도 세 개 또는 이상의 군(70)을 형성하는 연신 랜스의 한 부분 내의 하나 이상의 영역을 추가로 포함한다. 도 1f에서, 연신 랜스(10)는 연신 랜스(10)의 중앙부분 내에 한 영역을 가지며, 여기서 상기 연신 랜스는 세 개의 상류 개구부(20)들과 각각 맞은편에 있는 세 개의 하류 개구부(20a)들의 군을 형성한다. 도 1g는 복수의 즉 두 개의 영역들을 가진 연신 랜스(10)를 예시하는데, 여기서 각각의 영역 내에 있는 연신 랜스는 세 개의 상류 개구부(20)들과 각각 맞은편에 있는 세 개의 하류 개구부(20a)들의 군을 형성한다. 본 발명에 대해서, 용어 "군(grouping)"은 상류 개구부들 또는 하류 개구부들의 무리 또는 세트를 말하는데, 이들은 (1) 연신 랜스에 의해 형성된 그 외의 다른 상류 개구부 또는 하류 개구부 혹은 (2) 연신 랜스의 잔여 표면 영역에 대한 무리 또는 세트 중에서 공간 관계로 인해 무리 또는 세트에 속한 것들과 가시적으로 구분지을 수 있다. 용어 "영역(zone)"은 본 발명에 따른 개구부들의 군을 형성하는 랜스의 특정 부분을 가리킨다.
하류 개구부(20a)들이 상류 개구부(20)들로부터 오프셋 배열된 형상에서, 각각의 하류 개구부의 중심은 횡축 또는 종축 중 한 축을 따라 각각 맞은편에 있는 상류 개구부의 중심으로부터 한 방향으로 30°이하로 오프셋 배열되는 것이 바람직하지만, 오프셋 배열의 정확한 각도는 필요에 따라 기술자(practitioner)에 의해 선택될 수 있으며, 예를 들어, 한 방향으로 30°이하 또는 15°이하의 오프셋 각도가 실질적으로 바람직한 것으로 입증되었다. 또한, 또 다른 형상에서, 랜스(10)는 상류 개구부(20)들과 하류 개구부(20a)들을 형성할 수 있는데, 여기서 하나 이상의 하류 개구부는 각각의 상류 개구부와 동축구성되며 하나 이상의 그 외의 다른 하류 개구부는 각각의 또 다른 상류 개구부로부터 오프셋 배열된다.
랜스들에 의해 형성된 상류 개구부(20)들은 가스 스트림 흐름의 적어도 일부분을 종방향 보어(14) 내에서 흐르는 운반 가스와 고형물의 흐름과 혼합할 수 있게 한다. 생성된 혼합물은 종방향 보어(14)의 원위단부(16)를 통해 그리고 하류 개구부(20a)들 중 하나 이상의 개구부를 통해 종방향 보어(14)로부터 배출될 수 있다. 선택적으로, 원위단부(16)는 닫힐 수 있으며 생성된 혼합물은 상기 종방향 보어(14)를 통해 배출될 수 없다. 덕트 흐름 가스를 운반 가스에 첨가시킴으로써, 입자 고형물들을 추가로 배출시킬 수 있으며 보다 균일하게 종방향 보어로 내려가게 할 수 있다.
종방향 보어의 길이 당 상류 개구부들과 하류 개구부들의 크기와 개수는 정해진 숫자가 아니며 기술자의 필요에 맞게 결정될 것이다. 일반적으로, 보어(14) 길이 1피트 당 약 3개 내지 약 30개의 상류 개구부들과 이에 상응하는 하류 개구부들이 적합할 것이다. 목표 가스 스트림이 화력 발전 시스템으로부터 나온 연도가스(flue gas)이고 연도가스의 수은 레벨을 감소시키기 위해 본 발명의 공정과 장치들이 사용되며 연도가스를 처리하기 위해 가스 현탁물질 내에 있는 분말 활성 카본이 랜스(10)를 통해 공급될 때, 보어(14) 길이 1피트 당 약 8개 내지 약 16개의 상류 개구부(20)들과 하류 개구부(20a)들이 적합할 것이다.
일반적으로, 랜스(10)는 랜스의 원위단부 가까이에 하류 개구부(20a)들과 상류 개구부(20)를 형성할 것이다. 상류 개구부(20)들과 하류 개구부(20a)들이 랜스(10)의 임의의 단면으로부터 형성될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 선택적으로, 상류 개구부(20)들과 하류 개구부(20a)들은 랜스(10)의 다수의 단면들 내에 형성될 수도 있다.
상류 개구부들과 하류 개구부들이 원형인 것이 바람직할 것이다. 하류 개구부들과 상류 개구부들의 직경은 통상 약 0.5cm 내지 2.5cm 범위 내에 있을 것이다. 유동 가스 스트림의 용적, 속도, 및 압력; 랜스의 총 개수; 고형물의 성질 및 입자 크기; 및 보어(14) 내에서 흐르는 운반 가스의 속도 및 용적에 따라, 작은 직경 또는 큰 직경이 사용될 수 있다. 또한, 보어(14) 길이 1피트 당 하류 개구부(20a)들과 상류 개구부(20)들의 개수는 각각 어떤 하류 개구부와 상류 개구부 직경을 선택하는 가에 영향을 끼칠 수 있다. 각각의 상류 개구부(20)와 하류 개구부(20a)는 동일한 랜스 상에서 또 다른 하류 개구부 또는 상류 개구부와 다른 직경을 가질 수 있음을 이해해야 한다. 선택적으로, 상류 개구부들과 하류 개구부들은 정사각형, 직사각형, 슬릿 형태, 삼각형, 계란형, 또는 이와 유사한 형태일 수 있다.
도 1에 예시된 것과 같이, 랜스(10)의 상류 개구부(20)들과 하류 개구부(20a)들의 총 횡단면적은 보어(14)의 원위단부(16)의 횡단면적과 같거나 또는 이보다 더 큰 것이 바람직하다. 또한, 도 1에 예시된 것과 같이, 상류 개구부(20)들과 하류 개구부(20a)들은 서로 일정하게 거리가 떨어져 있는 것이 바람직하다. 이들 각각의 개구부들 간의 거리는 랜스(10)의 내측 직경의 5배보다는 작아야 한다. 본 발명의 몇몇 구체예들에서 각각의 개구부들 간의 거리는 대략 랜스(10)의 내측 직경인 것이 바람직하다. 개구부들 간의 거리의 크기는 기술자의 필요에 따라 결정될 것임을 이해해야 한다. 선택적으로, 개구부들 간의 거리는 랜스들 내에서 변경될 수 있는데, 여기서 랜스(10)는 하류 개구부(20a)들과 상류 개구부(20)를 형성하는 다수의 단면들을 포함한다.
전체적으로 도면부호 34로 표시되는 장착 플랜지 조립체는 두 개의 주요 부분인 플랜지(26)와 플랜지 헤드(40)로 구성된다. 도 1에 도시된 구체예에서, 플랜지(26)는 덕트 포트(33)를 둘러싸고 있으며 용접에 의해 덕트 벽(30)에 편리하게 장착된다. 플랜지 헤드(40)가 볼트(22 및 22a)에 의해 장착되는데, 상기 플랜지 헤드(40)는 플랜지 헤드(40)의 근위단부에서 랜스(10)를 단단하게 고정시키도록 크기가 정해지며 이에 따라 플랜지 헤드(40)가 덕트 포트(33)를 관통할 것이다. 유체가 새지 않고 타이트하게 플랜지 헤드(40)가 플랜지(26)에 장착된 상태를 유지하도록 밀봉부(50)가 사용된다. 플랜지 헤드(40)는 고형물과 운반 가스를 공급하는 장치를 수용하기 위해 플랜지 개구부(60)를 형성한다. 고형물과 운반 가스를 플랜지 개구부(60)에 공급하도록 사용되는 상기 장치는, 당업자에 의해 제공될 수 있는 것과 같이, 강성 또는 가요성의 파이프(도시되지 않음)일 수 있다.
작동 시에, 공급물은 운반 가스의 현탁물질로 구성되며 미립자 활성 카본이 플랜지 개구부(60)를 통해 랜스 보어(14) 내로 유입된다. 상기 현탁물질은 종방향 보어를 통해 흐르는데, 이에 따라 상기 현탁물질의 적어도 일부분은 상류 개구부(20)들을 통해 랜스 보어(14)로 유입되는 운반 가스 스트림의 적어도 일부분과 혼합하여 운반 가스 스트림과 공급물의 혼합물을 형성한다. 이 혼합물의 많은 양은 하류 개구부(20a)들을 통해 배출된다. 또한, 상기 현탁물질의 일부분은 보어(14)의 원위단부(16)를 통해 흐를 수 있다.
어떤 연도가스 또는 이와 유사한 경우에 대해서, 덕트 또는 챔버의 횡단면 수치는 대개 크고(예를 들어 20m2 또는 그 이상), 랜스의 횡방향 횡단면을 가로질러 물질들을 유입시키기 위해 길이가 긴 연신 랜스들이 요구된다. 이 경우, 복수의 연신 랜스들은 덕트를 가로지르는 배열 형태로 배치된다. 각각의 연신 랜스의 길이는 서로 다를 수 있다. 각각의 연신 랜스는 종방향 보어, 하류 유동 가스 스트림을 향해 배열된 랜스의 면(하류 면) 위에 있는 복수의 하류 개구부들, 및 상류 운반 가스 스트림을 향해 배열된 랜스의 면(상류 면) 위에 있는 복수의 상류 개구부들을 형성한다. 각각의 연신 랜스의 개수, 길이 및 위치와 함께, 하류 개구부들과 상류 개구부들의 개수, 수치 및 위치들은, 가령, 예를 들어, 더 큰 용적의 연도가스와 수은 흐름이 존재하는 덕트 내에서의 위치들과 같이, 연도가스의 특성들에 따라 가변적일 수 있다.
앞에서 언급했던 것과 같이, 본 발명은 덕트 또는 챔버 벽을 통해 유동 가스 스트림 내로 미립자 고형물과 운반 가스를 전달하기 위한 시스템과 방법에 관한 것이다. 유동 가스 스트림은 연소 공정으로부터 나온 연도가스를 포함할 수 있다. 본 발명의 한 특징에서, 연도가스는 수은 함유물을 포함하며 미립자 고형물은 상기 수은 함유물의 적어도 일부분을 포획할 수 있는 활성 카본 입자들을 포함하여 연도가스로부터 수은을 제거할 수 있게 한다. 본 발명의 또 다른 특징에서, 연도가스는 설퍼 트리옥사이드 함유물을 포함하며 미립자 고형물은 상기 설퍼 트리옥사이드 함유물의 적어도 일부분을 포획할 수 있는 알카라인 입자들을 포함하여 연도가스로부터 설퍼 트리옥사이드를 제거할 수 있게 한다. 본 발명의 또 다른 특징에서, 연도가스는 하이드로클로릭 애시드 함유물을 포함하며 미립자 고형물은 상기 하이드로클로릭 애시드 함유물의 적어도 일부분을 포획할 수 있는 알카라인 입자들을 포함하여 연도가스로부터 하이드로클로릭 애시드를 제거할 수 있게 한다. 그 외의 사용되는 미립자 고형물들의 예들은 하이드레이티드 라임(hydrated lime), 트로나(trona), 및 이와 유사한 것을 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 것과 같이 그리고 그 외에 달리 명확하게 표현되지 않는 한, 용어 "함유물(content)"은 검출 한계 내에 있는 참조 물질의 양을 의미한다.
하기 실시예는 예시의 목적으로 기술된 것이지 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다.
실시예 1
이 실시예에서는, 석탄을 연소할 때 나오는 연도가스의 흐름으로부터 수은을 제거하기 위해 본 발명의 랜스의 사용과 오직 원위단부 개구부들을 가진 종래 기술의 랜스의 사용을 비교하였다. 처리 물질은, 공기에 의해 현탁되고 랜스들로 전달되는, 브로민 가스 처리된 미립자 활성 카본(흡착제)이다. 도면에서 볼 수 있듯이, 랜스 벽 개구부들을 가진 본 발명의 랜스들이 이러한 개구부들을 가지지 않은 랜스들보다 더 우수한 수은 제거율을 얻었다. 본 발명의 랜스들에 의해 얻어진, 균일하게 분포된 넓은 영역으로 인해, 수은 제거율은 현저하게 향상되었으며, 동일한 수은 제거 결과를 얻기 위해 흡착제를 더 적게 사용할 수 있게 한다. 도 2는 수은 제거율 결과들을 비교한 도면이다.
이 실시예에서, 본 발명의 랜스보다 종래 기술의 랜스가 60% 이상의 흡착제를 필요로 하였다. 일반 랜스들로 연도가스 수은의 50%를 포획하기 위해, 연도가스의 28,000 실제 세제곱 미터 당 2.3kg 이상의 흡착제(1백만 실제 세제곱 피트 당 5파운드의 흡착제[5lb/MMacf])가 필요하였다. 단순히, 본 발명의 랜스로 대체하면, 연도가스의 28,000 실제 세제곱 미터 당 오직 약 1.4kg의 흡착제(3lb/MMacf)만이 필요하였다.
이 실시예에서, 총 28개의 랜스들을, 각각 두 개의 동일한 연도가스 덕트를 가로지르는 7개의 랜스들의 서로 다른 높이에서 2열로 분포하였다. 각각의 덕트의 횡단면은 약 7m x 3m (20ft x 8ft)였다. 종래 기술의 랜스들은 2.5cm (1in)의 내측 직경과 흡착제가 유동 연도가스로 배출되는 베벨구성 개방 단부들을 지녔다. 본 발명의 랜스들도 2.5cm (1in)의 내측 직경을 지녔다. 하지만, 신규 랜스들로부터 나온 흡착제를, 각각의 직경이 1.27cm (0.5in)이고 서로 5cm (2in) 떨어져 있는, 12개의 하류를 향하는 홀 개구부들을 통해 각각의 랜스의 단부에서 60cm (2ft) 길이를 따라 연도가스에 유입시켰다. 각각의 랜스는 상류 면과 하류 면 위에 12개의 동축 홀을 가졌다. 상류 홀들은 연도가스가 랜스들로 유입될 수 있게 하고 흡착제가 난류 영역 내로 혼합될 수 있게 하였다. 상기 첨가된 가스는 운반 가스가 면의 전체 길이에 걸쳐 하류 면으로부터 흡착제가 상대적으로 균일하게 추진되게 도와주었으며, 보다 넓고 보다 균일하고 보다 신속하게 연도가스 내로 분포될 수 있게 하여, 유입된 흡착제를 더 유용하게 사용할 수 있게 하였다. 이 결과들은 도 2에 도시된다.
본 명세서에서 화학적 명칭 또는 화학식으로 표시된 반응물들과 구성요소들은, 단수형 또는 복수형으로 사용되었든지 간에, 화학적 명칭 또는 화학적 유형(예를 들어, 또 다른 반응물, 흡착제, 등등)으로 표시된 또 다른 물질과 접촉하기 전에도 존재하던 것으로서 식별된다는 점을 이해해야 한다. 예비 화학적 변화, 변환 및/또는 반응이, 만약 존재한다면, 생성된 혼합물 또는 용액 또는 반응 매질 내에서 발생하는 것은 중요하지 않은데, 이는 이러한 변화, 변환 및/또는 반응들이 본 명세서에 따른 상태 하에서의 특정의 반응물 및/또는 구성요소들과 함께 발생되는 자연스러운 결과이기 때문이다. 따라서, 반응물과 구성요소들은 원하는 화학 작용 또는 반응을 수행하는 데 있어서 혹은 원하는 작용 또는 반응을 이행하도록 사용되어야 하는 혼합물을 형성하는데 있어서 함께 제공되어야 하는 성분들로서 입증된다. 또한, 구체예에서는 물질, 구성요소 및/또는 성분들이 현재형으로 기술되었지만 (예를 들어, "으로 구성되다", "포함하다", 등등), 이 물질, 구성요소 및/또는 성분들은, 본 발명에 따른 하나 또는 그 이상의 그 외의 다른 물질들, 구성요소 및/또는 성분들과 처음 접촉되고, 섞이거나 또는 혼합되기 바로 직전에 존재하는 물질, 구성요소 및/또는 성분들을 가리킨다.
또한, 청구항들에서도 상기 물질들이 현재형으로 기술되었지만 (예를 들어, "포함하다", "이다", 등등), 이 물질들은, 본 발명에 따른 하나 또는 그 이상의 그 외의 다른 물질들과 처음 접촉되고, 섞이거나 또는 혼합되기 바로 직전에 존재하는 물질들을 가리킨다.
명백하게 표현된 경우를 제외하고, 그 외에 달리 명확하게 언급되지 않는 한, 본 명세서에 사용된 관사들은 제한 목적이 아니며, 상기 관사들이 언급하는 단일의 요소에 대한 설명 또는 청구항을 제한하려는 것으로 이해되어서도 안된다. 대신, 본 명세서에 사용된 관사들은, 그 외에 달리 명확하게 언급되지 않는 한, 하나 또는 그 이상의 상기 요소들을 가리키기 위한 것이다.
본 명세서의 전반에 걸쳐 언급된 공개 문헌들 또는 그 외의 공보 또는 각각의 모든 특허들은 본 명세서에 충분히 설명된 것과 같이, 본 명세서에서 참조문헌들로서 통합된다.
본 발명은 하기 첨부된 청구항들의 범위와 사상 내에서 매우 변형시키기 쉽다.

Claims (26)

  1. 연소 공급원으로부터 나온 연도가스를 포함하는 가스 스트림이 덕트 또는 챔버의 외부에 있는 공급물 공급원으로부터 흐르는, 덕트 또는 챔버 벽을 통해 미립자 고형물과 운반 가스를 포함하는 공급물을 공급하기 위한 공정에 있어서,
    상기 공정은:
    a. 유동 가스 스트림의 적어도 일부분과 교차하는 한 지점에서 덕트 또는 챔버의 내부와 유체 소통하고 공급물 공급원과 유체 소통하는 하나 이상의 연신 랜스를 위치시키는 단계를 포함하며, 상기 랜스는 적어도 부분적으로는 유체 소통이 발생하는 적어도 종방향 보어를 가지고,
    상기 랜스는:
    (i) 상기 유동 가스 스트림의 하류에 배열된 하류 면을 포함하며, 상기 하류 면은 복수의 하류 개구부들을 형성하고, 및
    (ii) 상기 유동 가스 스트림의 상류에 배열된 상류 면을 포함하며, 상기 상류 면은 상기 하류 면의 맞은편에 배열되고 복수의 상류 개구부들을 형성하며; 및
    b. 상기 공급물을 랜스 보어에 공급하는 단계를 포함하고, 상기 공급물의 적어도 일부분은 하나 이상의 상류 개구부들에 유입되는 상기 유동 가스 스트림의 적어도 일부분과 혼합되어 상기 랜스 보어 내에서 혼합물을 형성하며, 이 혼합물의 적어도 일부분은 하나 이상의 하류 개구부들로부터 배출되는 공급물 공급 공정.
  2. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 하류 개구부는 각각 맞은편에 있는 상류 개구부들 중 하나와 동축구성되는 것을 특징으로 하는 공급물 공급 공정.
  3. 제 2 항에 있어서,
    각각의 하류 개구부는 각각 맞은편에 있는 상류 개구부들 중 하나와 동축구성되는 것을 특징으로 하는 공급물 공급 공정.
  4. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 하류 개구부는 상류 개구부가 각각의 하류 개구부와 동축구성되지 않도록 각각 맞은편에 있는 상류 개구부들 중 하나로부터 오프셋 배열되는 것을 특징으로 하는 공급물 공급 공정.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 오프셋 배열된 하류 개구부는 랜스의 횡축을 따라 각각 맞은편에 있는 상류 개구부들 중 하나로부터 오프셋 배열되는 것을 특징으로 하는 공급물 공급 공정.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 오프셋 배열된 하류 개구부는 랜스의 종축을 따라 각각 맞은편에 있는 상류 개구부들 중 하나로부터 오프셋 배열되는 것을 특징으로 하는 공급물 공급 공정.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 오프셋 배열된 하류 개구부의 중심은 횡축을 따라 각각 맞은편에 있는 상류 개구부들 중 하나의 중심으로부터 30°이하로 오프셋 배열되는 것을 특징으로 하는 공급물 공급 공정.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 오프셋 배열된 하류 개구부의 중심은 종축을 따라 각각 맞은편에 있는 상류 개구부들 중 하나의 중심으로부터 30°이하로 오프셋 배열되는 것을 특징으로 하는 공급물 공급 공정.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 오프셋 배열된 하류 개구부는 랜스의 횡축과 종축을 따라 각각 맞은편에 있는 상류 개구부들 중 하나로부터 오프셋 배열되는 것을 특징으로 하는 공급물 공급 공정.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 연신 랜스는 복수의 상류 개구부들 또는 하류 개구부들 중 적어도 세 개 또는 그 이상의 군을 형성하는 연신 랜스의 한 부분 내의 하나 이상의 영역을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 공급물 공급 공정.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 연도가스는 수은 함유물을 포함하고 상기 미립자 고형물은 상기 수은 함유물의 적어도 일부분을 포획할 수 있는 활성 카본 입자들을 포함하여 연도가스로부터 수은을 제거할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 공급물 공급 공정.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 연도가스는 설퍼 트리옥사이드 함유물을 포함하며 상기 미립자 고형물은 상기 설퍼 트리옥사이드 함유물의 적어도 일부분을 포획할 수 있는 알카라인 입자들을 포함하여 연도가스로부터 설퍼 트리옥사이드를 제거할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 공급물 공급 공정.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 연도가스는 하이드로클로릭 애시드 함유물을 포함하며 상기 미립자 고형물은 상기 하이드로클로릭 애시드 함유물의 적어도 일부분을 포획할 수 있는 알카라인 입자들을 포함하여 연도가스로부터 하이드로클로릭 애시드를 제거할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 공급물 공급 공정.
  14. - 연소 공급원으로부터 나온 연도가스를 포함하는 가스 스트림이 내부를 통해 흐를 수 있도록 구성되고 크기가 정해진 덕트 또는 챔버를 포함하며, 상기 덕트 또는 챔버의 하나 이상의 벽은 하나 또는 그 이상의 덕트 개구부들을 형성하고; 및
    - 각각의 상기 덕트 개구부들 내에 배치된 하나 또는 그 이상의 연신 랜스들을 포함하며, 상기 하나 이상의 연신 랜스들은 (i) 덕트 또는 챔버의 외부에 있는 공급물 공급원으로부터 미립자 고형물과 운반 가스를 포함하는 공급물과 유체 소통하고 (ii) 가스 스트림의 적어도 일부분과 교차하는 한 지점에서 덕트 또는 챔버의 내부와 유체 소통하며, 상기 각각의 연신 랜스는 적어도 부분적으로는 유체 소통이 발생하는 적어도 종방향 보어를 가지고, 상기 각각의 연신 랜스는 가스 스트림 흐름의 하류에 배열된 하류 면을 포함하며, 상기 하류 면은 복수의 하류 개구부들을 형성하고, 상기 각각의 연신 랜스는 가스 스트림 흐름의 상류에 배열된 상류 면을 포함하며, 상기 상류 면은 상기 하류 면의 맞은편에 배열되고 복수의 상류 개구부들을 형성하며,
    - 상기 연신 랜스는 상기 공급물이 상기 공급물 공급원으로부터 랜스 보어로 공급될 수 있도록 덕트 또는 챔버 내에 추가로 배치되고, 상기 공급물의 적어도 일부분은 하나 이상의 상류 개구부들로 유입되는 가스 스트림의 적어도 일부분과 혼합되어 랜스 보어 내에서 혼합물을 형성하며, 이 혼합물의 적어도 일부분은 하나 이상의 하류 개구부들로부터 배출되는 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    하나 이상의 하류 개구부는 각각 맞은편에 있는 상류 개구부들 중 하나와 동축구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    각각의 하류 개구부는 각각 맞은편에 있는 상류 개구부들 중 하나와 동축구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제 14 항에 있어서,
    하류 개구부들은 각각의 상류 개구부가 각각의 하류 개구부와 동축구성되지 않도록 상류 개구부들로부터 오프셋 배열되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    하류 개구부들은 랜스의 횡축을 따라 각각 상류 개구부들로부터 오프셋 배열되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    하류 개구부들은 랜스의 종축을 따라 각각 상류 개구부들로부터 오프셋 배열되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 오프셋 배열된 하류 개구부의 중심은 횡축을 따라 각각 맞은편에 있는 상류 개구부의 중심으로부터 한 방향으로 30°이하로 오프셋 배열되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 오프셋 배열된 하류 개구부의 중심은 종축을 따라 각각 맞은편에 있는 상류 개구부의 중심으로부터 한 방향으로 30°이하로 오프셋 배열되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 제 17 항에 있어서,
    하류 개구부는 랜스의 횡축과 종축을 따라 각각 맞은편에 있는 상류 개구부로부터 오프셋 배열되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  23. 제 14 항에 있어서,
    상기 연신 랜스는 복수의 상류 개구부들 또는 하류 개구부들 중 적어도 세 개 또는 그 이상의 군을 형성하는 연신 랜스의 한 부분 내의 하나 이상의 영역을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  24. 제 14 항에 있어서,
    상기 연도가스는 수은 함유물을 포함하고 상기 미립자 고형물은 상기 수은 함유물의 적어도 일부분을 포획할 수 있는 활성 카본 입자들을 포함하여 연도가스로부터 수은을 제거할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  25. 제 14 항에 있어서,
    상기 연도가스는 설퍼 트리옥사이드 함유물을 포함하며 상기 미립자 고형물은 상기 설퍼 트리옥사이드 함유물의 적어도 일부분을 포획할 수 있는 알카라인 입자들을 포함하여 연도가스로부터 설퍼 트리옥사이드를 제거할 수 있게 하는 것을 것을 특징으로 하는 시스템.
  26. 제 14 항에 있어서,
    상기 연도가스는 하이드로클로릭 애시드 함유물을 포함하며 상기 미립자 고형물은 상기 하이드로클로릭 애시드 함유물의 적어도 일부분을 포획할 수 있는 알카라인 입자들을 포함하여 연도가스로부터 하이드로클로릭 애시드를 제거할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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