KR950013956B1 - NOx의 형성이 감소되는 연소방법 - Google Patents

NOx의 형성이 감소되는 연소방법 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

NOX의 형성이 감소되는 연소방법
도면은 본 발명의 연소방법을 수행하기위해 사용될 수 있는 한 버너의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 연소대(combustion zone) 2 : 버너
3 : 산화제 공급도관 5 : 노즐
6 : 연료공급도관 9 : 버너면(burner face).
본 발명은 일반적으로 산화제 흐름(oxidant stream)을 연료로 연소시키기전에 연소생성물을 산화제 흐름내로 흡기시키는 연소방법에 관한 것이다.
버너 기술에서의 최근의 중요한 발전은 앤더슨(J.E.Anderson)박사가 개발하였고 미국특허 제4,378,205호 및 4,541,796호에 기술되어있는 흡기 버너 및 연소방법이다. 이러한 흡기버너 및 방법에 의하여 유리하에도 산소 풍부공기 및 심지어는 순수한 산소를 산화제로서 이용하여 상당히 향상된 조작효율을 얻을 수 있다.
그 발명은 연료 분사 지점과 산화제 분사 지점 사이의 방사 거리가 크다는 데에 특징이 있으며, 이 거리는 산화제 분사 제트 직경이 네배 이상이다. 또한, 그 발명은 연료의 흐름속도에 대한 산화제의 흐름 속도의 비가 비교적 높다는 데에 특징이 있다. 연료와 산화제 사이의 거리가 크기 때문에, 불꽃 전진점(flame front)을 설정하여 안정한 연소가 되도록, 연료가 연소대로 들어가는 대로 소량의 산화제를 연료에 공급하는 것이 종종 바람직하다.
앤더슨 박사의 버너 및 연소방법은 산소 또는 산소 풍부 공기를 연소 산화제로서 효과적으로 사용될 수 있게하면서 이와같은 연소와 관련된 매우 높은 열이 회피될 수 있게한다. 이것은 노의 마모 및 질소 산화물(보통 NOX로 나타냄)의 형성을 감소시킨다. 열의 감소 및 소실은 산화제 분사점과 연료 분사점 사이의 거리를 크게하고 산화제의 속도를 높게 함으로써 달성된다. 높은 산화제 속도는 노 가스(furnace gas)가 산화제 흐름내로 높은 속도로 흡기 되게하고 큰 거리는 산화제와 연료가 만나서 연소되기전에 상당한 시간동안 상기의 흡기가 계속되게한다. 흡기된 가스는 회석되고 연소반응에 운동량을 부가하므로 가스가 밖으로 확산되고 허용불가능한 수준까지 스폿온도(spot temperature)가 증가하는 것을 방지한다.
이러한 흡기버너 및 방법과 관련된 단점은 노의 더 높은 평균온도 및 더 높은 점화속도에서, 산화제와 연료제트 사이의 더욱 큰 간격은 산화제가 100% 이하의 산소인 경우 즉, 약간의 질소를 함유하는 경우 NOX의 생성을 낮게 유지시킬 필요가 있다는 것이다.
따라서 본 발명의 목적은 NOX의 형성이 감소되는 개량된 흡기 연소 방법을 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 목적은 약간의 질소를 함유할 수 있는 산화제를 이용하면서 감소된 NOX의 형성을 달성하는 개량된 흡기 연소방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 설명을 상세한 설명에 의해 당업자에게 명백해질 상기의 목적 및 다른 목적들은 (A) 연소대를 1500℉ 이상의 온도까지 가열하고, (B) 200 내지 1070 ft/sec의 속도에서 산화제의 흐름을 가열된 연소대에 분사하고, (C) 연료 흐름속도에 대한 산화제 흐름속도의 비가 20을 초과하지 않을 정도의 속도에서 연료흐름을, 산화제 흐름으로부터 떨어져서 연소대내에 분사하고, (D) 연소가스를 산화제 흐름내에 흡기한 후 흡기된 산화제 흐름과 연료 흐름을 혼합하여 연소성 혼합물을 형성하고, (E) 연소성 혼합물을 연소시켜서 단계(D)의 흡기를 위한 연소가스를 형성하고; 그리고 (F) 단계 (D)의 흡기된 산화제와의 혼합에 앞서 연료 흐름이 산화제와 실제적으로 접촉하지 않도록 유지하는 것으로 이루어진, 질소 산화물의 감소된 형성이 달성되도록 연료와 산화제를 연소시키는 방법에 의해서 달성된다.
본 발명의 연소방법은 도면을 기준으로 상세히 설명될 것이다.
도면을 참조하여, 연소대(1)은 최소한 1500℉, 바람직하게는 최소한 약 1700℉의 온도까지 예열된다. 일반적으로 연소대는 1500 내지 3200℉의 온도까지 예열될 수 있다. 원하는 온도까지 연소대를 가열하기위한 어떠한 효과적인 방법이 본 발명의 방법과 함께 사용될 수 있다. 한 가지의 이와같은 방법은 연료의 근처에 분사된 산소를 안정하면서 수행되는 연소 방법이다.
또다른 이와같은 방법은 보조 공기버너를 사용한 연소 방법이다. 연소대가 적절한 온도까지 가열된 후, 연료 및 산화제가 연소대내로 분사된다. 산화제는 공기, 산소 풍부공기, 또는 99.5%를 초과하는 산소농도를 갖는 기술적으로 순수한 산소이다. 공지의 방법들 이상으로 본 발명의 방법의 이점은 산화제가 약간의 질소를 함유하는 경우 특히, 질소함량이 약 3%를 초과하는 경우에 더욱 명백해진다. 연료는 메탄, 프로판, 코우크스 오븐가스 또는 천연가스와 같은 어떠한 적당한 기체상 또는 액체상 연료일 수 있다.
다시 도면을 살펴보면, 산화제는 이와같은 산화제의 소오스와 흐름 소통관계에 있는 도관(3)을 통해 버터(2)에 공급된다. 산화제는 대응하는 수의 노즐(5)를 통해 하나이상의 흐름으로 연소대(1)내에 분사된다. 산화제는 200 내지 1070 ft/sec(fps), 바람직하게는 500 내지 1070fps의 속도에서 연소대(1)내로 분사된다.
연료는 이와같은 연료의 소오스와 흐름소통 관계에 있는 도관(6)을 통해 버너 (2)에 공급된다. 연료는 대응하는 수의 노즐(8)을 통해 한개 이상의 흐름으로 연소대(1)내에 분사된다. 산화제는 개개의 분사지점에서의 연료 흐름속도에대한 산화제 흐름속도의 비가 20을 초과하지 않는, 바람직하게는 10 이하, 가장 바람직하게는 1 내지 5의 범위에 있는 정도의 속도에서 연소대(1)내에 분사된다.
연료 및 산화제는 이들의 흐름들이 버너면(9)로부터 연소대(1)내로의 거리를 통과할 때 까지 이들이 서로 접촉하지 않도록 간격을 둔 채로 연소대내로 분사된다. 연료 분사지점과 산화제 분사 지점사이의 거리는 어떠한 효과적인 거리일 수 있고 바람직하게는 산화제 흐름직경의 4 내지 20배인데, 이러한 직경은 연소대내로의 산화제 흐름 분사지점에서 측정한 것이다.
연소대(1)안에서의 노 가스(furnace gas)는 이것이 연소대(1)을 통과함에 따라 산화제 흐름(4)내로 흡기된다. 노 가스는 연소대안의 어떠한 종일 수 있고 주로 이산화탄소, 수증기 및 다른 연소 생성물과 같은 연소 가스이다. 언급된 바와같이, 노 가스는 이것이 버너면(9)로부터 연소대(1)을 통과함에 따라 산화제 흐름(4)내로 흡기된다. 그런다음, 흡기된 산화제 흐름은 지점(10)에서와 같은 지점에서 연료흐름(7)과 접속하여 혼합된다. 흡기된 산화제 흐름(4)와 연료흐름(7)을 혼합하면 연소대에 열이 방출되도록 연소되는 연소성 혼합물이 형성된다. 또한 연소는 상술한 흡기에서 사용하기 위한 연소가스를 생성한다.
연료흐름과 흡기된 산화제를 전술한 바와같이 혼합하기 이전에는 연료 흐름이 산소와 실제적으로 접촉하지 않게 유지하는것은 본 발명의 중요한 측면이다. 따라서, 연료 흐름둘레의 환형흐름과 같은 안정화용 화제 흐름은 본 발명에서 이용되지 않는다. 이러한 방식에 있어서, 산화제가 연소가스와 함께 흡기되지 않는 한은 산화제에 의한 연료의 연소는 없다. 이것은 다른 상태로 형성될 수 있는 것 이상으로 NOX의 형성을 감소 시키는데 도움이 된다.
안정화용 산화제의 부족에도 불구하고, 상호 혼합을 위해 연소대내로 나아감에 따라 연소 흐름속도에 대한 산화제 흐름의 한정된 비교적 낮은 비율때문에 그리고 연소대의 한정된 예열때문에 불안정성이 없이 연소반응이 진행된다.
하기의 실시예 및 비교실시예는 본 발명은 더욱더 설명하거나 또는 종래 기술에 비교한 본 발명의 장점을 입증하는 역할을 한다. 이 실시예들은 제한에 목적이 잇는 것이 아니다.
[실시예 1]
본 발명의 연소방법은 도면에서 예시된 것과 유사한 연소 장치로서 수행되었다. 연소대를 2700℉의 온도까지 예열했다. 연료는 천연가스이고 이것을 약 40fps의 속도에서 단일 흐름으로 연소대내에 분사했다. 산화제는 50%의 산호농도를 가졌고 그 나머지는 실제적으로 질소였다. 연료흐름의 둘레에서 등거리로 간격을 둔 여덟개의 흐름으로 산화제를 연소대내에 분사하였는데, 상기의 산화제 흐름은 버너면을 따라 산화제 흐름직경의 7.2배의 거리만큼 연료흐름으로부터 떨어져 있었다. 화제 흐름을 720fps의 연소대내에 분사하였다. 따라서 연료 흐름속도에 대한 산화제 흐름속도의 비는 약 18이었다.
연료 및 산화제를 화학양론적 연소 필요량보다 약 2% 초과한 산소가 이용될 수 있을정도의 유속에서 연소대내로 분사했다. 연소유출물 NOX에 대하여 분석하였더니 NOX의 형성은 백만 BTU당 0.12 lbs인 것이 측정되었다.
연료흐름에 이웃한 환형 흐름으로 약 5%의 산호제가 연소대내로 분사된다는 것을 제외하고 실험을 반복했다. 따라서 연료는 하류측이 주 산화제와 혼합될 때 까지는 산호와의 접촉이 없도록 유지되었다. NOX의 형성은 백만 BTU당 0.21 lbs인 것으로 측정되었다.
이 실시예 1에서 기록된 조건하에서, 본 발명의 방법은 본 발명의 방법이 이용되지 않았을 때에 달성된 것 이상으로 NOX형성의 감소를 가능하게 했다.
[실시예 2]
화학양론적 산소요구량을 약 6% 초과한 산소가 이용될 수 있을 정도의 연료 및 산화제 유속이 있다는 것을 제외하는 실시예 1에서 기재한 과정을 반복했다. 본 발명의 방법에서 NOX형성은 백만 BTU당 0.33 lbs이고 연료 흐름 둘레에서 환형 흐름으로 5%의 산소를 이용하는 연소의 경우에는 백만 BTU당 0.40 lbs였다. 실시예 2에서 기록된 조건하에서, 본 발명의 방법은 본 발명의 방법이 이용되지 않았을때 달성된 것 이상으로 NOX의 형성을 17.5% 정도 감소시키게 했다.
[실시예 3]
연소대가 2740℉까지 예열되고 산화제가 90%의 산소 농도를 가지고 그 나머지의 약 1/2이 질소이고 약 1/2이 아르곤이라는 것을 제외하곤 실시예 1에서 기록한 과정을 반복했다. 본 발명의 방법에서 NOX의 형성은 백만 BTU당 0.071 lbs이고 연료흐름둘레의 환형 흐름으로 5%의 산호를 이용하는 연소인 경우에는 백만 BTU당 0.11 lbs였다. 이 실시예 3에서 기록된 조건하에서 본 발명의 방법은 본 발명의 방법이 이용되지 않았을 때에 얻어진 것 이상으로 NOX의 형성을 36% 감소시키는 것을 가능하게 했다.
[실시예 4]
연료 및 산화제의 유속이 화학양론적 산소요구량을 약 6% 초과하여 산소를 이용할 수 있을 정도였다는 것을 제외하는 실시예 3에서 기재한 과정을 반복했다. 본 발명의 방법에서 NOX의 형성은 백만 BTU당 0.11 lbs였고 연료 흐름둘레의 환형 흐름으로 5%의 산소를 이용하는 연소인 경우에는 백만 BTU당 0.16 lbs였다. 이 실시예 4에서 기재한 조건하에서, 본 발명의 방법은 본 발명을 이용하지 않았을 때에 얻어진 것에 비해 NOX의 형성을 31% 감소시키는 것을 가능하게 했다.
[실시예 5]
연소대가 2750℉까지 예열되는 것을 제외하고는 실시예 3에서 기재된 과정을 반복했다. 산화제의 속도는 500 fps이고 연료의 속도는 100 fps였으므로 연료속도에 대한 산화제의 속도비는 5.0이었다. 환형 산화제는 이용되지 않았다. NOX의 형성은 백만 BTU당 0.03 bls였다. 연료의 속도가 28 fps이므로 연료속도에 대한 산화제의 속도비가 17.85라는 것을 제외하고는 상기의 과정을 반복했다. NO의 형성은 백만 BTU당 0.07 lbs였다. 이 실시예 5에서 기재된 조건하에서, 본 발명의 가장 바람직한 방법은 실시예 3에서 기재한 바와 같이 본 발명의 방법을 이용하지 않았을 때에 얻어진 백만 BTU당 0.11 lbs에 비해 NOX의 형성을 73% 감소시켰고, 또 본 발명의 덜 바람직한 방법은 그 방법에 비해 NOX의 형성을 36% 감소시켰다.
이제 본 발명의 방법을 사용하면, 높은 산소농도를 가지고서 연소를 수행하면서 여태까지 이용가능했던 방법에 의해 가능한 낮은 NOX의 형성 아래로 NOX의 형성을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 특정의 구현예를 기준으로 상세히 기술하였지만 당업자들은 특허청구의 범위안에서 본 발명의 다른 구현예들이 있다는 것을 알 수 있다.

Claims (12)

  1. (A) 연소대를 1500℉ 이상의 온도까지 가열하고; (B) 200 내지 1070 ft/sec의 속도에서 산화제 흐름을 가열된 연소대내에 분사하고 ; (C) 연료 흐름속도에 대한 산화제 흐름속도의 비가 20을 초과하지 않도록 하는 속도에서 연료흐름을 산화제 흐름으로부터 떨어진채로 연소대내로 분사하고 ; (D) 산화제 흐름내에 연소가스를 흡기한 후 흡기된 산화제 흐름과 연료흐름을 혼합하여 연소성 혼합물을 형성하고 ; (E) 연소성 혼합물을 연소시켜 단계 (D)의 흡기를 위한 연소가스를 형성하고, 그리고 (F) 단계 (D)의 흡기된 산화제와 혼합하기 전에 연료 흐름의 산화제와 실제적으로 접촉하지 않도록 유지하는 것으로 이루어진, 질소 산화물의 감소된 형성이 달성되도록 연료와 산화제를 연소시키기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 연소대가 1700℉ 이상의 온도까지 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 산화제가 공기인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 산화제가 산소풍부 공기인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 산화제가 기술적으로 순수해진 공기인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 산화제가 3% 이상의 질소를 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 산화제 속도가 500 내지 1070 ft/sec인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 연료가 천연가스인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 산화제 흐름속도대 연료인 흐름속도의 비가 10이하인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 산화제 흐름속도대 연료흐름 속도의 비가 1 내지 5인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 연료 및 산화제 흐름은 산화제 흐름 분사 직경의 4 내지 20배의 거리만큼 연소대내로의 이들의분사 지점들에서 떨어져있는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 2개의 이상의 산화제 흐름들이 연소대내로 분사되는 것을 특징으로 하는 방법.
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