KR100252332B1 - 질소산화물의 생성을 감소시키기 위한 연소방법(method for deeply staged combustion) - Google Patents

질소산화물의 생성을 감소시키기 위한 연소방법(method for deeply staged combustion) Download PDF

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Abstract

본 발명은 매우 낮은 아-화학량론적 비율로 고속연료 및 산화제가 연소되고 2차 산화제가 생성되는 연소반응 생성물과 혼합 및 연소되며 NOx 형성을 감소시킨 연소방법에 관한 것이다.

Description

질소산화물의 생성을 감소시키기 위한 연소방법
제1도는 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 실시예의 간략한 단면도.
제2도는 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 다른 실시예의 간략한 단면도.
제3도는 본 발명의 실시예에 있어, 1차 연료 및 산화제의 한정된 산소 대 연료비율의 중요성을 나타내는 도면.
제4도는 본 발명의 실시예에 있어, 1차 연료의 바람직한 속도에 의해 얻어지는 개선된 결과를 나타내는 도면.
제5도는 본 발명의 실시예에 있어, 2차 산화제의 바람직한 속도에 의해 얻어지는 개선된 결과를 나타내는 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 반응로 2 : 연소영역
3 : 1차 산화제 4 : 주입구
5 : 2차 산화제 시트
본 발명은 일반적으로 연소방법에 관한 것이며, 특히 질소 산화물의 생성이 감소된 연소반응을 수행하기에 유용한 연소방법에 관한 것이다.
질소산화물(NOx)은 연소중 발생되는 오염물질이며, 연소과정중에 그 발생을 감소시키는 것이 바람직하다. 동일한 당량의 산소에 기하여 연소반응에 제공되는 질소의 양을 감소시키는 산화제로서 순수 산소 또는 산소가 풍부한 공기를 사용함으로써 NOx 발생이 감소되면서 반응이 수행될 수 있다. 그러나, 높은 산소농도를 갖는 산화제를 사용하는 것은 연소반응이 고온에서 행해지게 하고, 이러한 높은 온도는 열역학적으로 NOx 발생이 용이하게 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 질소산화물의 발생이 감소되면서 공기보다 산소농도가 높은 산화제를 사용하여 연소반응을 행하는 방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적은 하기의 본 발명에 따라 달성될 수 있다:
본 발명의 질소산화물의 생성을 감소시키기 위한 연소방법은,
(a) 적어도 30부피%의 산소 농도를 가지는 유체인 1차 산화제와 1차연료를 5 내지 50%의 화학량론적 범위내의 비율로 연소영역안으로 함께 또는 각각 분리하여 주입시키는 단계,
(b) 상기 1차연료와 상기 1차 산화제가 상기 연소영역으로 주입되는 지점으로부터 떨어져 있는 지점에서 상기 연소영역으로 2차 산화제를 주입시키는 단계,
(c) 연소반응 생성물을 얻기 위하여 상기 2차 산화제로부터 떨어져 있는 연소영역 내에서 상기 1차 연료와 1차 산화제를 연소시키는 단계, 및
(d) 상기 연소영역 내에서 상기 2차 산화제를 연소반응 생성물과 혼합하고 상기 2차 산화제와 상기 연소반응 생성물을 연소시키는 단계를 포함한다.
본 명세서에서 "질소산화물" 및 "NOx"는 하나이상의 이산화질소(N2O), 산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 사산화삼질소(N3O4) 및 삼산화질소(NO3)를 나타낸다.
본 명세서에서 "완전연소생성물"은 이산화탄소 및 증기 중 하나 이상을 나타낸다.
본 명세서에서, "불완전연소생성물"은 일산화탄소, 수소, 탄소 및 부분적으로 연소된 탄화수소중 하나 이상을 나타낸다.
본 명세서에서, "타지 않은 연료"는 연소되지 않았거나 불완전 연소생성물을 나타낸다.
이하에서 첨부도면을 참고로 본 발명을 상세히 기재한다.
제1도 및 제2도를 참고로, 반응로(1)는 로영역 또는 연소영역(2)을 형성하고 있다. 반응로는 예컨대, 유리제조로, 제강로, 알루미늄 용융로, 시멘트 킬른 또는 소각로와 같은 공업적인 로가 적합하다.
1차 연료 및 1차 산화제(3)가 배기구로서 작용할 수 있는 주입구(4)를 통해 연소영역(2)으로 주입된다. 1차 연료 및 산화제가 적합한 버너 또는 도시하지 않는 랜스를 사용하여 주입된다. 버너는 연료 및 산화제를 연소영역으로 공급하는 장치이며, 랜스는 연료 및 산화제중 하나만을 연소영역으로 주입하는 장치이다. 1차 원료 및 산화제가 예비혼합된 혼합물로 연소영역(2)으로 함께 주입되거나, 연소영역(2)으로 분리되어 주입되고 그런 후 연소영역(2)에서 혼합되어 연소영역(2)내에 1차 원료 및 산화제 혼합물을 형성한다. 1차 연료 및 산화제가 단일스트림 또는 제트 또는 다수의 스트림 또는 제트로 연소영역(2)으로 주입된다.
1차 연료는 연소영역내에서 연소될 수 있는 연소가능한 물질을 포함하는 기체 또는 다른 연료일 수 있다. 이러한 연료 중 하나는 천연가스, 코크오븐가스, 프로판, 에탄, 오일 및 분쇄된 석탄일 수 있다.
1차 산화제가 적어도 30 부피%의 산소, 바람직하게는 적어도 90부피%의 산소농도를 가지는 유체이다. 1차 산화제는 99.5% 이상의 산소농도를 가지는 순수한 산소일 수 있다.
1차 연료 및 산화제가 1차 연료에 대한 1차 산화제의 비율이 화학량론적으로 5 내지 50%, 바람직하게는 10 내지 30%로 연소영역(2)으로 제공된다. 1차 산소의 화학량론적인 량은 연소영역(2)으로 주입되는 1차 연료를 완전히 연소하는데 필요한 1차 산화제의 량이다.
1차 연료는 최소한 초당 50피트(15m/s), 바람직하게는 초당 100피트(30m/s)이상, 가장 바람직하게는 초당 300 내지 1000피트(91 내지 305m/s)의 고속으로 연소영역으로 주입된다. 1차 연료 및 산화제가 연소영역으로 미리 혼합될 때, 혼합물이 연료에 대한 상기 속도로 주입된다. 1차 연료 및 산화제가 연소영역으로 미리 혼합되지 않고 주입되는 경우, 1차 산화제는 일반적으로 1차 연료보다 더 낮은 속도를 갖는다. 이러한 경우 바람직하게는 1차 주입된 산소의 속도가 초당 20 내지 50피트(6 내지 15m/s)범위내이다.
1차 연료 및 산화제가 연소영역(2)내에서 연소되어 연소반응 생성물을 생성한다. 연소반응 생성물이 완전 연소생성물을 포함할 수 있으나, 연료에 대한 산소의 화학량론적량 때문에 타지 않은 연료를 포함한다. 1차 산화제와 1차 연료의 불완전 연소는 1차 연료제트에 의해 영역(2)내의 완전 연소생성물의 혼합을 촉진하는 고속의 1차 연료와 관련되어 있으며, 1차 연료와 산화제의 연소를 저온에서 실행할 수 있게 함으로서 NOx 발생을 감소시킨다.
1차 연료 및 산화제가 연소영역으로 주입되는 곳에서 이격된 지점에서 2차 산화제의 하나이상의 스트림을 연소영역으로 주입한다. 2차 산화제는 연소 반응생성물에 의한 연소를 위해 산소를 포함하는 유체일 수 있다. 바람직하게는, 2차 산화제는 온도를 높이지 않고 연소영역내에서 연소를 마무리하는 작업할 수 있는, 1차 산화제보다 더 낮은 농도의 산화제를 갖는 유체이다. 바람직하게는 2차 산화제가 공기 또는 산소 및 순환가스의 유체혼합물이다.
바람직하게는 2차 산화제가 초당 50피트(15m/s)이상, 가장 바람직하게는 초당 200 내지 1000 피트(61 내지 305m/s)범위내의 속도로 주입되며, 연소영역내에서 완전연소 생성물에 의해 혼합 및 연소를 더 촉진한다. 이러한 고속으로 2차 산화제를 주입하므로 타지 않은 연료와 2차 산화제의 연소전에 완전연소 생성물이 2차 산화제 스트림으로 유입되므로, 2차 산화제 스트림을 희석시킨다. 이는 연소 반응온도를 감소시키고 NOx 형성을 감소시킨다.
제1도는 1차 연료 및 산화제와 평행으로, 즉, 1차 연료 및 산화제와 같은 방향으로 단부벽으로부터의 두개의 2차 산화제 제트(5) 주입을 나타내고 있으며(평행 주입 실시예), 제2도는 1차 연료 및 산화제와 마주보게, 즉, 1차 연료 및 산화제와 반대방향으로 단부벽으로부터의 두개의 2차 산화제 제트(5)의 주입을 나타내고 있다(반대 주입 실시예. 2차 산화제는 도시하지 않은 하나이상의 랜스를 사용하여 하나이상의 주입구로부터 주입된다.
연소영역(2)내에서 2차 산화제가 1차 연료 및 산화제의 연소에 의한 연소반응 생성물과 혼합되며, 연소반응 생성물의 타지 않은 연료에 의해 연소된다. 바람직하게는 타지 않은 연료는 연소영역내에서 2차 산화제로 연소된다.
연소영역내의 연소는 가열, 용융, 건조 또는 다른 목적으로 사용될 수 있는 열을 발생시키는데 사용된다. 생성되는 기체는 연소 후 연소영역으로 부터 배기된다.
본 발명에 따른 방법의 유용한 결과가 제3, 4 및 제5도에 도시되어 있다.
제3, 4 및 5도에 있어 백만 BTU 당 NOx 파운드로 발생되는 NOx가 수직축에 나타나며, 연료에 대한 1차 산화제의 비율이 화학량론적 퍼센트로서 수평축에 나타난다. 제3, 4 및 5도에 나타난 실시예에 있어서, 1차 연료는 천연가스이며, 1차 및 2차 산화제는 모두 99.5% 이상의 산소농도를 가지는 시판되는 산소이다. 1차 연료 및 1차 산소가 연소영역으로 주입되기전에 미리 혼합된다. 연소영역의 내부면적은 3피트(0.9m)의 직경 및 8피트(2.4m)의 길이를 갖는다.
제3도를 참고로, 원형데이터 포인트는 제1도에 나타낸 것과 유사한 평행 주입실시예에 대한 것이며, 사각형 데이타 포인트는 제2도에 나타낸 것과 유사한 반대 주입실시예에 대한 것이다. 제3도에 나타낸 바와 같이, 연료에 대한 1차 산소의 비율이 화학량론적으로 약 50%를 초과할 때 NOx 발생이 급격히 증가되므로, 본 발명의 실시에 있어 중요한 상한치를 나타낸다.
제4도는 제1도에 도시된 바와 유사하며 높은 연료속도 및 낮은 연료속도를 갖는 평행 주입실시예의 결과를 나타낸다. 원형데이타 포인트는 낮은 1차 연료 및 산화제 혼합물 속도에 의해 얻어지는 결과를 나타내며, 왼쪽에서 오른쪽으로 129, 143, 164 및 189 피트/초(39, 44, 50 및 58m/s)이다. 사각형 데이타 포인트는 1차 연료 및 산화제 혼합물 고속에 의해 얻어진 결과를 나타내며, 왼쪽에서 오른쪽으로 392, 575 및 652 피트/초(119, 175 및 199m/s)이다. 제4도에 나타나 바와 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시에 사용되는 높은 1차 연료 및 산화제 혼합물 속도는 높을수록 낮은 레벨의 NOx 발생율을 얻을 수 있게 한다.
제5도는 제1도와 유사한 것으로, 높은 2차 산화제 속도 및 낮은 2차 산화제 속도에서의 평행 주입실시예의 결과를 나타내는 것이다. 각각의 사각형 및 원형데이타에 대하여, 1차 연료 및 산화제 속도는 왼쪽에서 오른쪽으로, 392, 575 및 652 피트/초(119, 175 및 199m/s)이다. 사각형 데이타 포인트는 고속의 2차 산화제 속도에 의해 얻어진 결과를 나타내며, 왼쪽에서 오른쪽으로, 1004, 718 및 611 피트/초(306, 219 및 186m/s)이다. 원형 데이타 포인트는 저속의 2차 산화제 속도에 의해 얻어지는 결과를 나타내며, 각각 133, 99 및 79피트/초(41, 30 및 24m/s)이다. 제5도에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시에 사용되는 높은 2차 산화제 속도가 NOx의 발생율을 낮추게 한다.
어떠한 이론적으로도 설명할 수 없지만, 연료에 대한 1차 산화제의 화학량론적 비율이 매우 낮은 것이 양호한 이유는 연료가 풍부한 조건에서 형성된 질소화합물 및 플레임(flame) 온도의 조합된 영향 때문으로 간주된다. 연료가 풍부한 조건하에서 NOx가 아닌 HCN 및 NH3이 연소에 의해 발생되는 우세한 질소 화학종으로 된다. 이러한 화합물은 더 산화되어 연속 연소에서 NOx을 형성한다. 따라서, 1차 플레임에서 이러한 혼합물의 농도를 최소화할 필요가 있다. 특히, 산화제는 플레임온도가 높게 유지되도록, 공기보다 더 많은 산소농도를 가지며, 연료가 풍부한 조건의 낮은 동역학적 특성에서, 산화제로서 공기를 사용하는 종래의 단계식 연소방법 보다 더 낮은 화학량론적 조건하에서 1차 플레임내의 HON 및 NH3발생을 최소화시킬 수 있다.
상기에서 본 발명을 특정 실시예를 참고로 상세히 기재하였으나, 첨부되는 특허청구범위에 따른 본 발명의 범주내에서 다양한 실시예가 가능함은 당연한다.

Claims (7)

  1. 질소산화물의 생성을 감소시키기 위한 연소방법에 있어서,
    (a) 적어도 30부피%의 산소 농도를 가지는 유체인 1차 산화제와 1차연료를 5 내지 50%의 화학량론적 범위내의 비율로 연소영역안으로 함께 또는 각각 분리하여 주입시키는 단계,
    (b) 상기 1차연료와 상기 1차 산화제가 상기 연소영역으로 주입되는 지점으로부터 떨어져 있는 지점에서 상기 연소영역으로 2차 산화제를 주입시키는 단계,
    (c) 연소반응 생성물을 얻기 위하여 상기 2차 산화제로부터 떨어져 있는 연소영역 내에서 상기 1차 연료와 1차 산화제를 연소시키는 단계, 및
    (d) 상기 연소영역 내에서 상기 2차 산화제를 연소반응 생성물과 혼합하고 상기 2차 산화제와 상기 연소반응 생성물을 연소시키는 단계를 포함하며, 상기 (a)단계에서 상기 1차 연료와 상기 1차 산화제를 예비혼합된 혼합물 상태로 상기 연소영역으로 함께 주입시킬 때에는, 상기 혼합물을 15m/s(초당 50피트)이상의 속도로 상기 연소영역으로 주입시키며, 상기 (a)단계에서 상기 1차 연료와 상기 1차 산화제를 각각 분리하여 주입시킬 때에는, 상기 1차 연료를 15m/s(초당 50피트)이상의 속도로 상기 연소영역으로 주입시키는 동시에, 상기 1차 산화제를 상기 1차 연료의 주입속도 보다 느린 속도로 상기 연소영역으로 주입시키는 연소방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 1차 연료 및 1차 산화제를 주입시킬 때와 같은 연소영역면으로부터 연소영역으로 상기 2차 산화제를 주입시키는 연소방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 1차 연료 및 1차 산화제를 주입시킬 때와 반대의 연소영역면으로부터 연소영역으로 상기 2차 산화제를 주입시키는 연소방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 1차 연료 및 1차 산화제를 연소영역으로 분리 주입시킬 때, 상기 1차 주입된 산화제의 속도는 6 내지 15m/s(초당 20 내지 50피트) 범위인 연소방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 2차 산화제가 1차 산화제의 산소 농도 미만의 산소농도를 가지는 연소방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 2차 산화제를 15m/s(초당 50피트)이상의 속도로 연소영역으로 주입시키는 연소방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 2차 산화제를 상기 1차 연료가 연소영역으로 주입되는 속도를 초과하는 속도로 연소영역으로 주입시키는 연소방법.
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