KR20140074315A - 건식 세정 장치의 비-정상 상태 조건 하에서의 건조 흡수제의 분사방법 - Google Patents

건식 세정 장치의 비-정상 상태 조건 하에서의 건조 흡수제의 분사방법 Download PDF

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Abstract

시동과 같은 혼란한 기간 중에 방출 가스 레벨을 감소시키는 방법은 건식 세정 장치의 탈황 시스템용을 개시하고 있다. 건조 수산화 칼슘 분말은 가스 유로에 분사되고 분무 건조 흡수 장치로 수화된다.얻어진 수화된 분말은 집진기 내의 필터 백에 적층된다. 이것은 연소 공정에서 탈황이 예상보다 일찍 일어날 수 있는 분무 건조 흡수 장치가 달리 작동될 수 있는 것보다 특히 주위 온도에서 냉각 보일러의 시동 중에 저온에서 행해질 수 있다. 연소 시스템의 작동은 다양한 작동 시나리오에 따라 백업, 메이크업, 감소, 또는 증가될 수 있다.

Description

건식 세정 장치의 비-정상 상태 조건 하에서의 건조 흡수제의 분사방법{DRY SORBENT INJECTION DURING NON-STEADY STATE CONDITIONS IN DRY SCRUBBER}
본 출원은 2011년 9월 29일에 제출된 미국 가 특허출원 제 61/540,806호에 대해 우선권 주장을 한다. 이 출원의 개시 내용은 전부 참고를 위해 여기에 포함되어 있다.
본 발명의 개시는 일반적으로 시동, 정지, 고장, 및 다른 혼란한 기간 하에서 건식 세정 장치의 연도 가스 탈황 시스템을 사용해서 연소 하에 생성되는 연도 가스에의 미립자 및 다른 오염물의 제거에 관한 것이다. 특히, 이 개시는 연소 시스템의 오염 물질-형성 화석 연료의 사용 전 또는 비-정상 상태 작동 조건 하에서 집진기의 흡수제를 확산시키기 위해서 가스류에 건조 흡수제를 분사하고 바람직하게 가스류를 분무 건조 흡수 장치에 통과시킴으로써 이산화황(SO2), 삼산화황(SO3), HCl, 및 다른 산성 가스를 포획시키기 위한 신규하고 유용한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
연소 하에, 연료의 화학 에너지는 열로 전환되고, 이것은 상이한 적용을 위해 다양한 형태로 사용될 수 있다. 연소 공정에 사용되는 연료는 석탄, 석유(디젤, 2호, 벙커 C 또는 6호), 천연 가스, 나무, 타이어, 바이오매스 등을 포함하는 다양한 고체, 액체, 및 기체 물질을 포함할 수 있다.
연소는 다수의 화합물로 연료를 변형시킨다. 물(H2O) 및 이산화탄소(CO2)는 완전 연소의 1차 생성물이다. 그러나, 연료의 화학 성분과의 다른 연소 반응은 바람직하지 않은 부산물을 야기한다. 사용되는 연료에 따라, 이러한 부산물은 미립자(예를 들면 플라이 애시), 황산화물(SOx) 또는 질소산화물(NOx)와 같은 산성 가스, 수은 또는 비소와 같은 금속, 일산화탄소(CO), 및 탄화수소(HC)를 들 수 있다. 다수의 이들 부산물의 방출 가스 레벨은 미국 환경 보호청(EPA)과 같은 정부 기관에 의해 규제된다.
이러한 부산물을 연도 가스로부터 제거하기 위한 다수의 상이한 기술이 존재한다. 하나의 방법에 있어서, 정교하게 분무되는 분무 건조 화학 흡수 장치 또는 건식 세정 장치로서 알려진 알칼리성 수용액 또는 슬러리는 연료가 연소되는 연소실의 하류 고온 연도 가스로 분무된다. 알칼리성 시약은 오염 물질과 반응해서 미립자를 형성한다. 물은 증발되고 고온 연도 가스를 냉각한다. 빠져나가는 정화된 연도 가스는 통상적으로 약 10 %~약 15 %의 수분 함량을 갖는다. 미립자가 연도 가스로부터 제거될 경우, 연도 가스는 미립자의 수집 장치, 일반적으로 집진기로 이동한 다음, 굴뚝으로 보내진다.
로를 갖는 보일러와 같은 연소 시스템이 주위 온도와 같은 차가운 조건에서 시동될 경우, 석탄으로 바꾸기 전에 보일러를 "적당히 열이 오르게"하기 위해서 로는 대개 천연 가스 또는 디젤(2호)유를 연소시킨다. 약 400 ℉~약 500 ℉의 로 온도는 석탄을 연소하도록 시동되기 전에 요구된다. 다양한 시동 조건 및 안전한 요구 조건 때문에 로는 정상-상태 작동을 달성하기 전에 여러 번 시동되거나 정지될 수 있다. 완전한 시동은 접하게 되는 문제에 따라 완료하는데 8 시간~2 일까지 소요될 수 있다.
건식 세정 장치 탈황 공정은 저온에서 잘 작동되지 않는다. 특히, 물이 완전하게 증발되기 위해서 연도 가스의 온도는 통상적으로 분무 건조 흡수 장치를 사용하는데 적어도 220 ℉가 될 필요가 있다. 시동 중에, 분무 건조 흡수 장치를 지나가는 연도 가스의 온도가 상기 임계 온도 이하이지만, 여전히 SOx 및 다른 오염 물질이 생성될 수 있다. 또한, 로는 일반적으로 연도 가스가 분무 건조 흡수 장치의 220 ℉의 온도를 달성하기 전에 400 ℉~500 ℉의 석탄 작동 온도를 도달한다. 이것은 시동 중에 고급 SOx 방출 가스를 야기한다. 또한, 분무 건조 흡수 장치가 상당한 알칼리성 물질을 축적하고 상당한 SO2 제거를 달성하기 위해 시동된 후에 집진기는 일반적으로 30~60 분의 작동을 필요로 한다.
이전에, 방출 가스 규제는 시동, 정지, 및 고장과 같은 "혼란한" 기간을 포함하지 않는다. 그러나, 규제력을 지닌 제약을 증가시키므로 이러한 방출 가스를 감소시키는 것이 바람직하다. 시동 중에 이러한 방출 가스를 감소시킬 수 있는 방법은 매우 도움이 된다.
탈황용 건식 세정 장치를 사용하는 오염 물질 제어 시스템의 비-정상 상태 작동 조건 하에서 SOx 방출 가스를 감소시키기 위한 다양한 방법 및 시스템이 여기 개시되어 있다. 간략하게, 연소실이 열이 오를 때와 같이 연소실이 여전히 정상 작동 온도 이하의 온도에서, 및/또는 분무 건조 흡수 장치는 220 ℉의 임계 온도 이하에서 연도 가스에 건조 수산화 칼슘 분말이 분사된다. 분말은 시스템에 분사되고, 바람직하게 분무 건조 흡수 장치의 상류에 분사된다. 얻어진 수산화 칼슘 분말은 하류 집진기에 수집된 다음, SOx 방출 가스를 감소시키는데 유용한 필터 케이크를 형성한다.
연소 시스템의 연소실의 시동과 같이, 연소 시스템의 혼란한 기간 중에 연소 방출 가스를 감소시키기 위한 방법이 구현예로 개시되어 있다. 연소 시스템은 분무 건조 흡수 장치를 통해 연소실에서 분무 건조 흡수 장치의 하류 집진기로 연장되는 가스 유로를 갖는다. 반송 가스(연도 가스일 수 있음)는 가스 유로를 통해 흐른다. 건조 수산화 칼슘 분말이 가스 유로 내에 불어 넣어져서 반송 가스(예를 들면, 분사함으로써)와 혼합될 경우, 건조 수산화 칼슘 분말은 수송 가스, 통상적으로 공기에 혼합되고, 연소실의 하류 및 집진기의 상류 분사 위치에 기학상으로 전달된다. 물은 분무 건조 흡수 장치 내의 반송 가스에 분무되어 가습하여 반송 가스의 온도를 감소시킨다. 수산화 칼슘 분말이 집진기 내에서 적층되어 연소 방출 가스를 감소시키는 필터 케이크를 형성한다. 필터 케이크의 형성은 분무 건조 흡수 장치 내의 석회 슬러리의 분무 없이 발생되고, 이것은 220 ℉ 이상 온도에서만 발생될 수 있다.
특정한 구현예에 있어서, 분사 위치와 분무 건조 흡수 장치 사이의 반송 가스에 액체가 첨가되지 않는다.
분무 건조 흡수 장치 내의 반송 가스에 분무된 물은 집진기에서의 재순환 고체용 재순환 시스템에서 생성될 수 있다. 약간의 고체가 시동시 재순환되기 때문에 재순환 시스템은 물 또는 슬러리 중 어느 하나를 제공할 수 있다.
때때로, 가스 유로는 연소실과 분무 건조 흡수 장치 사이에 위치된 공기 예열기를 통해서 연장된다. 분사 위치는 공기 예열기와 분무 건조 흡수 장치 사이에 위치될 수 있다. 또한, 분사 위치는 공기 예열기의 상류이다. 미립자의 수집 장치는 공기 예열기와 미립자의 수집 장치의 하류 분사 위치를 가진 분무 건조 흡수 장치 사이에 위치될 수 있다.
분사 위치는 분무 건조 흡수 장치와 집진기 사이일 수 있다.
분무 건조 흡수 장치의 하류 집진기는 펄스 제트 직물 필터 또는 역 가스 직물 필터일 수 있다.
고장과 같은, 몇몇 혼란한 조건에서 분무 건조 흡수 장치에 분무된 물은 단순한 물(즉, H2O)의 형태, 또는 알칼리성 슬러리(즉, 수산화 칼슘을 더한 물)의 형태일 수 있다. 물은 집진기로부터 재순환 고체용 재순환 시스템에서 생성될 수 있거나, 분무 장치가 작동되지 않을 경우 터어빈 노즐을 통해서 생성될 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 분무 건조 흡수 장치를 들어가는 연도 가스는 약 140 ℉~약 210 ℉의 온도를 갖는다. 일반적으로, 분무 건조 흡수 장치를 들어가는 반송 가스는 220 ℉ 미만의 온도를 갖는다.
연소실은 400 ℉ 미만의 온도를 가질 수 있다. 구현예에 있어서, 반송 가스는, 특히 연소실의 시동 중에 연소실을 빠져나가는 연도 가스이다. 그러나, 정지, 즉 반송 가스의 온도가 경시적으로 감소될 경우 상기 방법이 사용될 수 있다.
비-정상 상태 작동 조건 하에서 연소실에 의해 생성되는 연도 가스의 오염 물질을 억류시키기 위한 방법도 개시하고 있다. 건조 수산화 칼슘 분말은 연소실의 하류 및 분무 건조 흡수 장치의 상류 분사 위치에서 연도 가스에 혼합된다. 물은 분무 건조 흡수 장치 내의 연도 가스에 분무되어 가습되고 연도 가스의 온도를 감소시킨다. 연도 가스는 분무 건조 흡수 장치의 하류 집진기를 통과한다. 수산화 칼슘 분말은 집진기 내에 적층되어서 연도 가스의 오염 물질을 억류시키는 필터 케이크를 형성한다.
이들 및 다른 비-제한적인 특징은 보다 특별하게 후술된다.
이하는 도면의 간단한 설명이고, 이것은 여기 개시하는 예시적인 구현예를 설명할 목적으로 나타낸 것이며, 이것을 제한할 목적은 아니다.
도 1은 건조 탈황 시스템을 가진 종래의 보일러를 설명하는 다이어그램이다.
도 2는 본 개시에서 기재한 건조 탈황 시스템 및 수산화 칼슘 분말의 분사 시스템을 가진 연소 시스템을 설명하는 다이어그램이다.
도 3은 펄스 제트 직물 필터 내에 있는 필터 백을 예시한 것이다.
도 4는 분무 건조 흡수 장치의 절단도이다.
도 5는 건조 흡수제 분사 시스템의 주 구성 요소를 예시한 것이다.
도 6은 수산화 칼슘 분사 없이 수산화 칼슘 분사 및 추정된 방출 가스로 실제 방출 가스를 나타내는 방출 가스 대 시간 그래프이다.
도 7은 본 개시의 방법을 예시하는 일반적인 공정 다이어그램이다.
여기 개시된 구성 요소, 공정, 및 장치의 보다 완전한 이해는 첨부된 도면을 참조함으로써 얻어질 수 있다. 이들 도면은 편리 및 본 개시물을 입증할 용이성에 근거한 단지 도식적인 표현이므로, 그 장치 또는 구성 요소의 상대적인 크기 및 규모를 나타내고/나타내거나 예시 구현예의 범위를 규정하거나 제한하려는 의도는 없다.
명확성을 위해서 구체적인 용어가 하기 설명에서 사용되지만, 이들 용어는 도면에 설명을 위해서 선택된 구현예의 특정 구조만을 나타내려는 의도이고, 개시물의 범위를 규정하거나 제한하려는 의도는 없다. 이하 도면 및 하기 설명에 있어서, 같은 숫자 지정은 기능이 같은 구성 요소로 나타낸다고 이해된다.
달리 문맥을 분명하게 지시하지 않는 한, 단수형 "하나" 및 "상기"는 복수형 대상물을 포함한다.
명세서 및 청구항에 사용된 바와 같이, 용어 "포함"은 "~로 이루어지는" 및 "~로 주로 이루어지는" 구현예를 포함할 수 있다.
여기 개시된 모든 범위는 나열된 종말점의 포함이고 무관하게 결합 가능하다(예를 들면, 250 ℉~400 ℉의 범위는 종말점, 250 ℉ 및 400 ℉, 및 모든 중간값의 포함이다). 여기 개시된 범위 및 어느 값의 종말점은 정확한 범위 또는 값에 제한되지 않고; 그것들은 충분히 불명확해서 이들 범위 및/또는 값에 근사치인 값을 포함한다.
여기 사용된 바와 같이, 비슷한 언어는 그것과 관련된 기본적인 기능에 변화를 야기하는 것 없이 다양해질 수 있는 어느 양적인 표현을 수정하는데 적용될 수 있다. 따라서, 몇몇 경우에 있어서, "약" 및 "주로"와 같은 용어 또는 용어들에 의해 수정된 값은 명시된 정확한 값에 제한되지 않는다. 적어도 몇몇 예시에 있어서, 비슷한 언어는 값을 측정하기 위한 기구의 정밀성과 일치한다. 수식어 "약"은 2개의 종말점의 절댓값에 의해 규정된 범위를 개시한 것으로 간주되어야 한다. 예를 들면, 표현 "약 2~약 4"는 "2~4" 범위를 개시한다.
용어 "소석회"는 Ca(OH)2로 알려진 수산화 칼슘을 나타낸다. 여기 사용하는 용어 "소(消)"는 물 분자가 존재하는 것을 의미하지 않는다.
용어 "석회 슬러리"는 물과 수산화 칼슘의 혼합물을 나타내는데 사용된다. 다른 칼슘 흡수제는, 예를 들면 석회석 또는 생석회를 포함한다. 용어 "석회석"은 CaCO3로 알려진 탄산 칼슘을 나타낸다. 용어 "생석회"는 CaO인 산화 칼슘을 나타낸다.
본 개시는 다른 구성 요소의 "상류" 및 "하류"인 구성 요소를 나타낸다. 이들 2개의 용어는 또 다른 지정된 구성 요소와 관련되어 있다. 주어진 구성 요소는 유로가 지정된 구성 요소를 통해 흐르기 전에 주어진 구성 요소를 통해 흐를 경우 지정된 구성 요소의 "상류"이다. 마찬가지로, 주어진 구성 요소는 유로가 지정된 구성 요소를 통해 흐른 후에 주어진 구성 요소를 통해 흐를 경우 지정된 구성 요소의 "하류"이다.
본 개시는 탈황용 건식 세정 장치를 사용하는 오염 물질 제어 시스템의 비-정상 상태의 작동 조건(즉, 혼란한 기간 또는 혼란한 조건) 하에서 SOx 방출 가스를 감소시키기 위한 다양한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 매우 일반적으로, 연도 가스는 연료가 연소되는 연소실을 포함하는 연소 시스템에 의해 발생된다. 연소실이 비-정상 작동 조건 하에서 건조 수산화 칼슘 분말이 연도 가스에 분사될 수 있다. 분말은 분무 건조 흡수 장치의 상류에 분사된다. 얻어진 수산화 칼슘 분말은 집진기 하류에 수집된 다음, SOx 방출 가스를 감소시키는데 유용한 필터 케이크를 형성한다.
일반적으로, 이러한 방법은 연소가 일어나는 어느 시스템에서 사용될 수 있다고 생각된다. 연소는 어느 목적, 예를 들면 전력을 발생시키기 위해서, 특정 생성물을 생성시키기 위해서, 또는 단순하게 주어진 연료를 소각시키기 위해서 사용될 수 있다. 본 발명의 방법이 적용될 수 있는 예시 연소 시스템은 연소실로서 로를 갖는 보일러; 시멘트 가마; 전기 아크로; 유리로; 용광로(구리, 금, 주석 등); 펠리타이저 로스트; 용광로; 코크스로 배터리; 화학 소화 가열 장치; 정제 오븐; 및 소각로(의료 폐기물, 도시 고형 폐기물 등)를 사용하는 전력 발생 시스템을 들 수 있다. 용어 "연소실"은 여기서 연소를 발생시키는 시스템 내의 구체적인 구조를 나타내는데 사용된다.
도 1은 일반적으로 보일러(100) 및 하류 탈황 시스템(110)을 가진 실시적인 전력 발생 시스템을 예시한 것이다. 석탄 미분기(111)로부터 석탄과 같은 화석 연료(112)와 공기(114)가 로(105)에서 연소되고, 그 결과로 연도 가스(120)가 발생한다. 연도 가스(120)는 보일러에 사용된 물을 예열하여 증기를 생성하고 연도 가스(120)를 냉각시키는 절탄기(160)를 통과하게 된다. 절탄기(116)의 상류에 다른 열 전달 표면은 도시하지 않는다. 그 다음에 연도 가스(120)는 존재하거나 존재하지 않을 수 있는 선택적인 촉매 감소(SCR) 시스템(130)으로 들어가서 연도 가스(120)로부터 질소산화물(NOx)가 제거된다. 이어서, 연도 가스(120)는 공기 예열기(140)를 통과하면서 추가로 냉각되고 로(105)에 들어가는 공기(114)를 가열시킨다. 공기 예열기(140)를 통과한 후에 연도 가스(120)는 일반적으로 약 250~약 400 ℉(121~204 ℃)의 온도를 갖는다. 때때로 연도 가스(120)는 그 다음에 미립자 수집 장치(150)를 통과하게 되며 플라이 애시 및 다른 큰 미립자들이수집된다. 연도 가스는 건식 세정 장치 또는 분무 건조 흡수 장치(160)로 계속 진행한다. 여기서, 무화된 알칼리성 슬러리(162)는 연도 가스에 분무되어 황산화물(SOx)과 반응하고 약 140~약 210 ℉(60~99 ℃)의 범위로 연도 가스(120)를 추가 냉각시킨다. 슬러리 중에서 물이 증발되고, 그 결과로 얻어진 정화된 미립자-부상 연도 가스(120)는 여과실 또는 전기 집진기와 같은 미립자 수집 장치(170)로 운반되어 연도 가스(120)로부터 미립자가 제거된다. 그 다음에 정화된 연도 가스(120)는 굴뚝(180)으로 보내진다. 필요에 따라, 미립자 수집 장치(170)로부터의 재순환 스트림(172)이 여과실에서 알칼리성 미립자를 수집하는데 사용되고 재순환 탱크(180)에서 물(176)과 혼합하여 분무 건조 흡수 장치(160)에서 사용되는 알칼리성 슬러리(162)를 만들어낸다. 또한, 신선한 슬러리(164)가 분무 건조 흡수 장치(160)에서 사용될 수 있다. 또한, 미립자는 미립자 수집 장치(170)로 제거되어 부호 174로 나타낸 바와 같이 처리될 수 있다.
다시, 분무 건조 흡수 장치 내의 연도 가스의 온도는 그 탈황 활성이 시작되기 전 적어도 220 ℉이 될 필요가 있다. 유일한 열원은 그 자체의 연도 가스이다. 연소 시스템이 차가울 경우, 또는 즉 연소실이 주위 온도일 경우, 분무 건조 흡수 장치의 온도는 불충분하다. 시동, 정지, 고장, 또는 다른 혼란한 기간 중에, 연도 가스가 220 ℉ 온도 이하에서 연소실은 SOx 및 다른 오염 물질의 방출 가스를 생성함으로써 건식 세정 장치는 탈황에 사용될 수 없고 다른 오염 물질을 제거할 수 없다. 이것은 바람직하지 않은 결과이다.
본 개시의 방법에 있어서, 분무 건조 흡수 장치의 온도가 너무 낮아서 알칼리성 슬러리를 사용하지 못할 경우 탈황 활성은 기간 중에 집진기 내에서 발생할 수 있다. 용어 "비-정상 상태의 작동 조건"은 여기서 분무 건조 흡수 장치의 온도가 220 ℉(약 104 ℃) 이하일 경우 이러한 기간을 나타내는데 사용된다. 이러한 조건은 시동, 정지, 및 몇몇 고장과 같은 혼란한 기간 중에 발생할 수 있다. 이러한 조건 하에서 수산화 칼슘은 집진기 내에 적층되어서 산성의 고효율 제거를 제공하고 향상시킨다. 이것과 관련하여, 연도 가스는 집진기 내에 필터 상에 형성된 필터 케이크를 통해서 이동해야 하고, 이것은 연도 가스와 알칼리성 수산화 칼슘 생성물 사이에 친밀한 접촉을 제공하며 필터 케이크에 의해 연도 가스 내에 기상 산성 가스(예를 들면 SOx)의 흡수를 촉진시킨다. 보다 일반적으로, 본 발명의 방법은 연도 가스로부터 미립자를 제거하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 개시에 의해 생각되는 하나의 비-정상 상태의 작동 조건은 연소 시스템의 시동 중이다. 시동 중에, 연소실 및 탈황 시스템(분무 건조 흡수 장치를 포함) 및 이들 구성 요소 내부에 가스는 주위 온도이다. 온도는 연소실이 1000 ℉ 보다 높을 수 있는 그 정상-상태의 작동 온도를 도달할 때까지 증가된다. 즉, 연소실을 빠져나가는 연도 가스의 온도는 시동 중에 경시적으로 증가한다.
또한, 시동 중에 분무 건조 흡수 장치 내의 연도 가스의 온도가 그 정상-상태의 작동 온도로 증가하는 동안에 단지 수산화 칼슘의 제한된 양은 분무 건조 흡수 장치 내의 분무 장치를 통해서 연도 가스에 분무될 수 있다. 이것은 연도 가스의 온도가 낮기 때문에 적은 물이 연도 가스를 냉각하는데 필요하고, 이 냉각은 연도 가스를 완전하게 포화시키지 않아야 한다. 또한, 슬러리가 약 25 %~약 35 % 고체의 범위일 때 알칼리성 슬러리는 통상적으로 고점도이기 때문에 어느 슬러리의 알칼리성 흡수제의 양에 실질적인 제한이 있고 이것은 분무 장치를 통해서 알칼리성 흡수제의 분사 속도를 제한하는 펌핑 문제를 야기한다. 분무 건조 흡수 장치의 상류 연도 가스에 건조 수산화 칼슘 분말을 첨가하는 것은 이 점도 문제를 방지한다. 필요한 알칼리도는 증발되어야 하는 물성분이 없는 슬러리를 연도 가스에 첨가할 수 있다. 증발용 분무 장치 외에 다른 수단을 사용해서 물은 여전히 첨가될 수 있고, 집진기 상에 전달되어야 한다는 점을 주목해야 한다.
본 발명의 개시에 의해 생각되는 또 다른 비-정상 상태의 작동 조건은 연소 시스템의 정지 중이다. 정지 하에, 연소실의 온도는 정상-상태의 작동 온도 아래에서 주위 온도로 의도적으로 감소된다. 즉, 연소실을 빠져나가는 연도 가스의 온도는 정지 중에 경시적으로 감소한다. 정지에 대한 한가지 이유는 집진기 그 자체로 사용되는 필터 백을 정화하고 대체하는 것과 같이 유지 보수 목적일 수 있다는 점을 주목해야 한다. 필터 백 상에 나타내는 필터 케이크는 집진기를 들어가는 SO2의 63 % 만큼 제거할 책임이 있다. 이것을 통해서 정화하거나 대체한 후에 필터 케이크가 다시 조립될 때까지 이 탈황 능력은 없다. 본 발명의 개시의 방법 하, 필터 케이크는 분무 건조 흡수 장치를 기다리는 것보다 빠르게 재조립될 수 있어서 알칼리성 슬러리에 분무하는 것이 가능해지고, 이것은 보다 빠르게 회복되는 탈황 능력을 야기하며 보다 빠르게 전반적인 방출 가스를 감소시킨다. 상기 목표는 연도 가스의 방출 가스가 탈황 시스템을 빠져나가기 전에 수산화 칼슘으로 필터 백을 프리코트하는 것이다.
본 발명의 개시에 의해 생각되는 제 3 비-정상 상태의 작동 조건은 220 ℉ 이하로 감소되는 분무 건조 흡수 장치의 가스의 온도를 야기하는 연소 시스템의 고장 중이다. 이러한 고장은 일반적으로 온도가 크게 떨어지는 것을 고려하면 매우 심각하고, 주로 의도하지 않는 정지와는 다르고/다르거나 주위 온도보다 아래로 떨어지는 것을 야기하지 않는다.
도 2는 일반적으로 연소 시스템(200), 하류 탈황 시스템(210), 및 건조 수산화 칼슘 분말의 분사 시스템(290)을 갖는 본 발명의 개시의 실시적인 시스템을 예시한 것이다. 도 1과 마찬가지로, 공기(214) 및 미분기로부터의 석탄(212)이 연소실(205)에서 연소된 후 연도 가스(220)를 발생시킨다. 일반적으로, 연도 가스는 가스 유로를 따라 이동하는 반송(搬送) 가스이다. 연도 가스는 절탄기(216)(절탄기의 상류에 다른 열 전달 표면은 도시하지 않음) 및 연도 가스로부터 NOx를 제거하는 존재하거나 존재하지 않는 SCR 시스템을 통과한다. 연도 가스는 공기 예열기(240)를 통과하고 계속해서 분무 건조 흡수 장치(260)를 통과한다. 필요에 따라, 선택적으로 미립자 수집 장치(250)는 공기 예열기(240)와 분무 건조 흡수 장치(260) 사이에 위치하여 플라이 애시 및 다른 큰 입자를 수집할 수 있다. 분무 건조 흡수 장치(260)에서, 석회 슬러리와 같은 무화된 알칼리성 슬러리(262)는 연도 가스(220)에 분무되어 연도 가스를 정화하고 냉각시킨다. 그 결과로 얻어진 정화된 미립자-부상 연도 가스(220)는 여과실(270)로 운반되어 연도 가스로부터 미립자가 제거된다. 그 다음에 정화된 연도 가스(220)는 굴뚝(280)으로 보내진다. 필요에 따라, 여과실(270)로부터 재순환 스트림(272)은 여과실로부터 미반응된 알칼리성 미립자를 수집하는데 사용될 수 있고 재순환 탱크(280)에서 물(276)과 혼합하여 분무 건조 흡수 장치에 사용되는 알칼리성 슬러리(262)를 제조하게 된다. 또한, 신선한 슬러리(264)가 분무 건조 흡수 장치(260)에 사용될 수 있다. 여과실로부터의 미립자는 참조 부호 274로 나타낸 바와 같이 처리될 수도 있다.
연소실(205)은 분무 건조 흡수 장치(260)의 상류에 있는 공기 예열기(240)의 상류에 있다. 여과실(270)은 분무 건조 흡수 장치(260)의 하류에 있다. 즉, 분무 건조 흡수 장치(260)는 공기 예열기(240)와 여과실(270) 사이에 위치하고 있다. SCR 시스템(230)이 존재할 경우 로(205)와 공기 예열기(240) 사이에 위치하게 된다.
본 발명의 방법은 가스 유로(220)가 연소 시스템과 탈황 시스템 사이에 존재한다고 생각된다. 연도 가스는 가스 유로를 통해서 흐르거나 가스 유로를 따라서 이동한다. 연소실(205)의 하류 및 여과실(270)의 상류에 있는 분사 위치에서 건조 수산화 칼슘 분말이 연도 가스에 분사된다. 물은 분무 건조 흡수 장치(260)에서 반송 가스로 분무되어 연도 가스를 가습 및 냉각시킨다. 이 물은 단순한 물(즉, H2O) 또는 알칼리성 슬러리(물 및 알칼리성 흡수제를 함유)의 형태의 물일 수 있다. 이때 여과실(270)에서 수산화 칼슘 분말이 적층되어 필터 케이크를 형성하고, 방출 가스를 감소시키는데 사용된다.
필터 케이크는 연소실(205)에 상대적으로 높은 오염 물질-생성 연료(예를 들면, 석탄)의 첨가 전, 또는 즉 상대적으로 정화된 연료(예를 들면, 천연 가스)가 사용되는 동안에 형성될 수 있어서 연소실을 열이 오르게 한다. 수산화 칼슘 분말은 분무 건조 흡수 장치(260)가 다르게 시동되는 것보다 일찍 시동 60~90 분으로 분사되어서 알칼리도는 이내 집진기(270)를 피복하는데 첨가될 수 있고 조기에 탈황을 시작한다고 생각된다. 즉, 분무 건조 흡수 장치(260)의 물 또는 슬러리(즉, 석회 슬러리, 재순환 슬러리, 또는 그 조합)의 분무가 시작되기 전에 필터 케이크가 형성될 수 있다.
건조 수산화 칼슘 분말의 분사 시스템(290)은 수산화 칼슘 공급원(292)을 포함한다. 수산화 칼슘 분말은 3개의 상이한 위치 A, B, C에서 탈황 시스템으로 분사될 수 있다고 생각된다. 이들 3개의 분사 위치는 모두 연소실(205)의 하류 및 집진기(270)의 상류에 있다. 특히, 연도 가스/반송 가스의 온도는 1000 ℉ 미만이어서 소석회의 안정성이 유지된다.
제 1 분사 위치 A는 공기 예열기(240)의 하류 및 분무 건조 흡수 장치(260)의 상류에 있다. 즉, 분사 위치 A는 공기 예열기(240)와 분무 건조 흡수 장치(260) 사이에 있다. 선택적으로 미립자 수집 장치(250)는 분사 위치 A의 상류에 있어야 한다. 몇몇 구현예에 있어서, 분무 건조 흡수 장치(즉, 분사 위치 A)를 들어가는 연도 가스는 약 140 ℉~210 ℉, 또는 150 ℉~200 ℉, 또는 160 ℉~170 ℉의 온도를 갖는다.
제 2 분사 위치 B는 연소실(205)의 하류 및 공기 예열기(240)의 상류에 있다. 제 2 분사 위치 B는 SCR 시스템(230)의 하류에 있는 것으로 기재할 수도 있다.
제 3 분사 위치 C는 분무 건조 흡수 장치(260)의 하류에 있다. 즉, 분사 위치 C는 분무 건조 흡수 장치(260)와 집진기(270) 사이에 있다.
건조 수산화 칼슘 분말은 상기에 명시한 다양한 위치에서 동시에 분사될 수 있다. 다시 도 2를 참조하여, 분무 건조 흡수 장치(260)에 분무된 물은 별도의 물 공급원으로부터 들어오거나, 또는 일부 구현예에서는 재순환 시스템(280)으로부터 들어올 수 있다. 시동 중에, 재순환 흐름(272)을 통해서 들어오는 약간의 고체가 없어서 흐름(262)은 본질적으로 물이다.
선택적인 미립자 수집 장치(250)는 다양한 구현예에서 전기 집진기(ESP) 또는 여과실 중 어느 하나일 수 있다. 다른 타입의 집진기가 종래에 잘 알려져 있는데, 예를 들면 역 가스 직물 필터, 셰이크 디플레이트 직물 필터, 및 펄스 제트 직물 필터가 있다.
분무 건조 흡수 장치(260)의 하류에 있는 여과실(270)은 바람직하게 펄스 제트 직물 필터(PJFF) 또는 역 가스 직물 필터이다. 이것과 관련해서, 여과실은 ESP와 비교해서 여과실의 탈황 능력때문에 상기 위치에서 ESP인 것이 바람직하다. 즉, 여과실은 기체상으로 있는 오염 물질을 포획할 수 있는 반면, ESP는 미립자만트랩하고 기체상 오염 물질은 상당히 많이 포획하지 않는다. 일반적으로, 여과실(270)로 들어가는 모든 연도 가스는 SO2, SO3, 및 HCL과 같은 산성 가스가 제거될 수 있도록 필터 케이트를 통과해야만 한다.
도 3은 펄스 제트 직물 필터를 개략적으로 예시한 것이다. 여과실은 다수의 격실을 포함하고 있으며, 각각의 격실은 길고, 수직으로 지지되며, 작은 직경의 직물 백을 수백개까지 포함하고 있다. 펄스 제트 직물 필터(PJFF)에서, 백(320)은 튜브시트(330)에 매달려 있다. 미립자를 함유하는 연도 가스는 백 외면(속이 꽉찬 화살표로 나타냄)에서 백 내면(윤곽진 화살표로 나타냄)으로 흐른다. 연도 가스는 다공성 백 물질을 통과하고 뒤에 남는 미립자들은 백의 외부에 필터 케이크(340)를 형성한다. 압축된 공기의 펄스가 오픈 탑(322)으로부터 백에 유도되어 충격파를 백의 길이를 따라 아래로 이동시켜 필터 케이크를 제거하게 된다.
수산화 칼슘염은 물에 불용성이기 때문에 수산화 칼슘을 사용한다. 반대로, 나트륨 흡수제는 일반적으로 가용성이므로 덜 바람직하다. 또한, 수산화 칼슘은 생석회보다 안전하고, 이것은 물과 조합될 경우 열을 낸다.
출원인은 분말형 수산화 칼슘의 반응성이 석회 슬러리의 수산화 칼슘의 반응성과 비교해서 결정될 수 있다. 이것은 건조 탈황 시스템이 다양한 비-정상 상태의 조건에서 허용 가능하게 작동되도록 한다. 여기서, 시동 전에 수산화 칼슘 분말은 충분한 양으로 석회 슬러리를 도입하기 전에 첨가되어서 상당한 필터 케이크를 형성할 수 있으므로 달리 가능한 것보다 훨씬 빨리 허용 가능한 산성 가스의 방출 가스를 달성한다.
일반적으로, 분무 건조 흡수 장치는 여과실(270) 을 통해서 분말을 적절하게 확산시키는데 도움이 되기 때문에 분무 건조 흡수 장치(260)의 상류(즉, 분사 위치 A 또는 B)에 수산화 칼슘 분말을 분사하는 것이 보다 바람직하다. 도 4는 탈황 시스템에 대체적으로 사용되는 분무 건조 흡수 장치(400)의 절단도이다. 분무 건조 흡수 장치는 일반적으로 흡수 장치의 하부쪽에 원뿔의 꼭지점을 가지는 원뿔형의 하우징(410)을 갖는다. 그러나, 분무 건조 흡수 장치는 원뿔 대신에 평평한 하부를 가질 수 있다. 공기 가열 장치로부터 들어오는 연도 가스(420)는 2개의 스트림(422, 424)으로 나뉠 수 있지만, 항상 이 경우는 아니며, 본 개시에서 필수적인 것은 아니다. 1개의 스트림(422)은 고리 모양의 형상을 갖는 상부 가스 확산 장치(430)로 유도된다. 다른 스트림(424)은 하부 가스 확산 장치(440)로 유도된다. 무화 장치(450)는 흡수 장치 하우징의 지붕 중앙을 통해서 연장되고, 연도 가스에 석회 슬러리를 분무한다. 연도 가스는 가스 확산 장치를 통해서 분무 건조 흡수 장치(400)에 들어간다. 분무 건조 흡수 장치는 슬러리와 연도 가스의 양호한 혼합을 보장하도록 설계되고, 내부 적층 없이 자유-유동 고체의 생성을 위해 슬러리를 건조시키기에 충분한 잔류 시간을 제공할 수 있는 크기로 되어 있다. 분무 건조 흡수 장치에 의해 수산화 칼슘 분말에 부여된 혼합 및 난류는 여과실에 있는 필터 백을 통해서 수산화 칼슘의 양호한 확산을 보장한다. 물이 무화 장치(450)에 의해 분무 건조 흡수 장치에 첨가되어서 수산화 칼슘 분말을 건조시켜 수산화 칼슘 슬러리를 형성한다. SO2 흡수 를 위한 반응 메카니즘은 물 분자의 존재를 필요로 하기 때문에 탈황 능력을 달성하기 위해서는 물이 필터 케이크를 위해서 여과실에 필요하게 된다. 증발된 수산화 칼슘 슬러리는 출구(460)를 통해 분무 건조 흡수 장치로 배출되어 여과실로 진행된다.
도 5는 소석회를 위한 대표적인 건조 흡수제 분사 시스템의 개략적인 다이어그램이다. 소석회는 트럭(510)또는 레일(트럭 양하는 여기 도시됨) 하에서 어느 하나로할 수 있다. 대기(512)가 트럭으로 흡입되어 소석회를 픽업해서 저장 사일로(520)에 시약을 전달하하게 된다. 시약은 저장 사일로(528)로부터 일련의 밸브(522), 공급기(524), 및 호퍼(526, 528)를 통해서 로터리 에어록(530)으로 흘러서, 여기서, 상기 시약은 이송 가스(540)와 혼합되어 가스 유로를 따라 분사 위치로 공기역학적으로 운반된다(도 2참조). 이송 가스, 일반적으로 공기는 이송 공기 송풍기(542)에 의해서 제공되며 이송 가스가 공기 냉각기(544)를 통과하여 시약의 조기 소성을 방지하기 위해서 공기 온도를 낮추게 된다.. 본 발명의 시스템에 있어서, 분사 위치와 분무 건조 흡수 장치 사이에 가스 유로로 액체가 분사되지 않는다는 점을 주목해야 한다. 이것은 용액 및 슬러리가 습식 또는 건식 세정 장치의 상류에서 연도 가스에 분사될 경우 종래의 시스템과는 대조적이다; 예를 들면 빌헬름의 미국 특허 제6,126,910호 참조. 또한, 이것은 건조 칼슘 흡수제가 분사된 다음, 배관 내에 물로 가습할 경우의 시스템과 대조적이다; 예를 들면 헌트의 미국 특허 제5,165,903호 참조. 이들 종래 시스템에 있어서, 원하는 목적은 탈황 시스템을 들어가기 전에 연도 가스로부터 선택된 오염 물질을 제거하는 것이다. 대조적으로, 본 방법의 목적은 분무 건조 흡수 장치 내에 소석회 농축을 증가시키는 알칼리 시약(소석회)의 대체원을 제공하는 것이고, 탈황 및 향상된 탈황 수용력을 제공하기 위해서 수산화 칼슘으로 집진기를 피복하는 것이다. 분무 건조 흡수 장치 전에 물 또는 액체를 첨가하는 것은 수산호 칼슘이 가스 밖으로 낙하하고 여과실로 떨어지는 바람직하지 못한 조건을 유발할 수 있다.
본 개시의 방법은 방출 가스 레벨의 차이로 시기 적절하게 반응하기 위한 수단을 제공함으로써 허용 가능한 산성 가스의 방출 레벨 내에서 대응 및 작동되도록 탈황 시스템의 능력을 개선시킨다. 연소 시스템 동작을 유지시킬 때 한가지 되풀이되는 주제는 주어진 문제를 해결하는데 필요한 시간이다. 수산화 칼슘 분말은 신속하게 첨가될 수 있으며 양호한 응답을 얻을 수 있다. 또한, 상기 방법은 상기 공정에 물을 첨가할 필요가 없는 건조 흡수제를 제공하는 것이다.
도 7은 본 개시의 방법을 예시하는 일반적인 공정 다이어그램이다. 연소 시스템(700)은 연소를 일으키는 연소실(705)을 포함하고 결과적으로 연도 가스를 발생시킨다. 연도 가스는 가스 유로(720)를 따라 분무 건조 흡수 장치(760)를 통해서 그의 하류에 있는 여과실(770)로 이동한다. . 건조 수산화 칼슘 분말은 연소실(705)과 여과실(770) 사이에서 연도 가스(가스 유로(720)에서)와 혼합된다. 예를 들면, 수산화 칼슘 분말은 분무 건조 흡수 장치의 상류(참조 번호 794) 또는 분무 건조 흡수 장치의 하류(참조 번호 796)에 첨가될 수 있다. 분무 건조 흡수 장치(760) 내부에서 물(참조 번호 762)이 연도 가스에 분무되어서 연도 가스를 가습 및 냉각시킨다. 연도 가스는 여과실(770)을 지나간다. 수산화 칼슘은 연도 가스 하에서 오염 물질 또는 미립자를 포획한다. 정화된 연도 가스는 굴뚝(780) 또는 이와 유사한 장치로 보내져서 대기로 방출된다.
본 개시의 방법을 실시하기 위한 설계는 일반적으로 이 기술 분야의 기술 내에 있다. 이들 방법의 실시를 허용하는데 필요한 밸브, 배관, 센서, 접속부, 및 부품도 일반적으로 상업적으로 이용할 수 있다.
(실시예)
120 MWg 발전소는 도 2에 나타낸 레이아웃을 갖는다. 수산화 칼슘 분말의 사용은 시동시 석회 슬러리용 대체로서 시행된다. 수산화 칼슘 분말은 분사 위치 A 및 C에서 분사된다. 실제 굴뚝의 SO2 방출 가스를 도 6에 나타낸다. y축은 lb/MBtu의 단위로 방출된 SO2의 양이다. x축은 하루 동안의 시간, 즉 자정(0:00)~12:00 pm이다. 0.09 lb/MBtu의 규제된 굴뚝 SO2 방출 가스의 제한은 참조를 위해 나타낸다. 2개의 선: 수산화 칼슘 분말이 분사되지 않을 경우 하나는 실제 방출 가스이고 하나는 추정된 방출 가스이다. 시동은 3가지 시간: 약 12:30 am, 약 2:45 am, 및 약 5:45 am에서 시도된다는 점을 주목해야 한다.
본 개시는 예시 구현예에 참조로 기재되어 왔다. 분명하게, 수정 및 대체는 상술한 상세한 설명을 해독하고 이해하자마자 그 이외에서 일어날 것이다. 본 개시가 그 대응하는 것의 첨부된 청구항의 범위 내에 있는 한 이러한 모든 수정 및 대체를 포함한다고 해석된다.
100: 보일러 105: 로
110: 탈황 시스템 111: 석탄 미쇄분기
112: 화석 연료 114, 214: 공기
116, 216: 절탄기 120, 220, 420: 연도 가스
130, 230: 촉매 감소 시스템 140, 240: 공기 예열기
150, 170, 250: 미립자의 수집 장치
160, 260, 400, 760: 분무 건조 흡수 장치
162, 262: 알칼리성 슬러리 164, 264: 신선한 슬러리
172, 272: 재순환 스트림 176, 276, 762: 물
180, 280, 780: 굴뚝 200, 700: 연소 시스템
205, 705: 연소실 210: 탈황 시스템
212: 석탄 미쇄분기에서의 석탄 270, 770: 여과실
290: 분사 시스템 292: 수산화 칼슘 공급원
320: 백 322: 오픈 탑
330: 튜브시트 340: 필터 케이크
410: 하우징 422, 424: 스트림
430: 상부 가스 확산 장치 440: 하부 가스 확산 장치
450: 무화 장치 460: 출구
510: 트럭 512: 대기
520: 저장 사일로 522: 밸브
524: 피더 526, 528: 호퍼
530: 에어록 540: 이송 가스
542: 수송 송풍 장치 544: 냉각 장치
720: 가스 유로 794: 분무 건조 흡수 장치의 상류
796: 분무 건조 흡수 장치의 하류

Claims (24)

  1. 분무 건조 흡수 장치를 통해서 연소실에서 분무 건조 흡수 장치의 하류에 있는 여과실로 이어지는 가스 유로를 갖는 연소 시스템에서 비-정상 상태의 작동 조건 하에서 생성되는 연소 방출 가스를 감소시키기 위한 방법으로서, 상기 방법은,
    연소실의 하류 및 여과실의 상류에 있는 분사 위치에서 가스 유로 내의 반송 가스에 건조 수산화 칼슘 분말을 혼합하는 단계;
    분무 건조 흡수 장치에서 반송 가스에 물을 분무하여 반송 가스를 가습하고 온도를 감소시키는 단계; 및
    수산화 칼슘 분말을 여과실에서 적층시켜서 연소 방출 가스를 감소시키는 필터 케이크를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 액체는 분사 위치와 분무 건조 흡수 장치 사이에서 반송 가스에 첨가되지 않는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 반송 가스에 분무된 물은 여과실로부터 고체를 재순환시키기 위해서 재순환 시스템으로부터 나오는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 가스 유로는 연소실과 분무 건조 흡수 장치 사이에 위치하는 공기 예열기를 통해서 이어져 있는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 분사 위치는 공기 예열기와 분무 건조 흡수 장치 사이에 위치하는 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 분사 위치는 공기 예열기의 상류에 있는 방법.
  7. 제 4 항에 있어서, 공기 예열기와 분무 건조 흡수 장치 사이에 미립자의 수집 장치를 더 포함하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 분사 위치는 미립자의 수집 장치의 하류에 있는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 분사 위치는 분무 건조 흡수 장치와 집진기 사이에 있는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 여과실은 펄스 제트 직물 필터, 셰이크 디플레이트 직물 필터, 또는 역 가스 직물 필터인 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 분무 건조 흡수 장치에서 분무된 물은 터어빈 노즐을 통해서 분무되고, 분무 건조 흡수 장치의 분무 장치는 작동되지 않는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 분무 건조 흡수 장치를 들어가는 반송 가스는 약 140 ℉~약 210 ℉의 온도를 갖는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 분무 건조 흡수 장치를 들어가는 반송 가스는 220 ℉ 미만의 온도를 갖는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 연소실은 400 ℉ 미만의 온도를 갖는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서, 반송 가스는 연소실의 시동 중에 연소실로부터 배출되는 연도 가스인 방법.
  16. 제 1 항에 있어서, 반송 가스의 온도는 경시적으로 감소되는 방법.
  17. 제 1 항에 있어서, 비-정상 상태의 작동 조건은 가스 유로를 따라 고장인 방법.
  18. 제 1 항에 있어서, 연소 시스템은 보일러, 가마, 로, 용광로, 로스터, 배터리, 히터, 오븐, 또는 소각로로부터 선택되는 방법.
  19. 비-정상 상태의 작동 조건 하에서 연소실에 의해 생성되는 연도 가스의 오염 물질을 포획시키는 방법으로서, 상기 방법은,
    연소실의 하류 및 분무 건조 흡수 장치의 상류에 있는 분사 위치에서 연도 가스에 건조 수산화 칼슘 분말을 혼합하는 단계;
    분무 건조 흡수 장치에서 연도 가스에 물을 분무하여 가습하고 연도 가스의 온도를 감소시키는 단계; 및
    연도 가스를 분무 건조 흡수 장치의 하류 여과실에 통과시키고, 여기서 상기 수산화 칼슘 분말이 여과실에 적층되어서 연도 가스의 오염 물질을 포획하는 필터 케이크를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 액체는 분사 위치와 분무 건조 흡수 장치 사이에서 연도 가스에 첨가되지 않는 방법.
  21. 제 19 항에 있어서, 분무 건조 흡수 장치를 들어가는 연도 가스는 약 140 ℉~약 210 ℉의 온도를 갖는 방법.
  22. 제 19 항에 있어서, 분무 건조 흡수 장치를 들어가는 연도 가스는 220 ℉ 미만의 온도를 갖는 방법.
  23. 제 19 항에 있어서, 연소실을로부터 배출되는 연도 가스는 400 ℉ 미만의 온도를 갖는 방법.
  24. 제 19 항에 있어서, 연소실은 보일러, 가마, 로, 용광로, 로스터, 배터리, 히터, 오븐, 또는 소각로로부터 선택되는 연소 시스템 내에 위치되는 방법.
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