KR100538518B1 - 연료 희석법 및 질소 산화물 감소장치 - Google Patents

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KR100538518B1 KR10-2001-0034344A KR20010034344A KR100538518B1 KR 100538518 B1 KR100538518 B1 KR 100538518B1 KR 20010034344 A KR20010034344 A KR 20010034344A KR 100538518 B1 KR100538518 B1 KR 100538518B1
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Abstract

노에 연결된 버너 안으로 도입된 연료가스와 연소공기의 연소에 의해 생성된 연도가스내 질소 산화물 함량의 감소방법 및 장치가 제공된다. 방법은 기본적으로, 연소공기를 버너로 인도하고, 노로부터의 연도가스와 연료가스를 혼합하기 위해 버너와 노의 외측에 챔버를 제공하며, 노로부터의 연도가스가 챔버 안으로 흡입되고 그 안에서 연료가스와 혼합되어 연료가스를 희석시키도록 연료제트 형태의 연료가스를 혼합챔버로 방출한 다음 연도가스와 연료가스의 생성 혼합물을 버너로 인도하여, 여기에서 혼합물이 연소공기와 배합되고 노에서 연소되는 단계를 포함한다.

Description

연료 희석법 및 질소 산화물 감소장치{FUEL DILUTION METHODS AND APPARATUS FOR NOx REDUCTION}
1. 기술분야
본 발명은 연료 희석법 및 연료가스와 연소공기의 연소 중에 질소 산화물의 생성 감소장치에 관한 것이다.
2. 배경기술
질소 산화물(NOx)은 고온에서 연료-공기 혼합물의 연소 중에 생성된다. 질소와 산소 간의 초기의 비교적 신속한 반응은 주로 연소지역에서 일어나 N2 + O2 → 2NO 반응에 따라 산화질소를 생성한다. 산화질소("즉발(卽發 prompt) NOx"로도 불림)는 연소지역 외측에서 더욱 산화되어 2NO + O2 → 2NO2 반응에 따라 아산화질소를 생성한다.
질소 산화물 방출은 스모그 형성, 산성비 등을 포함한 다수의 환경문제와 관련되어 있다. 정부당국이 엄중한 환경 방출 기준을 채택함에 따라, 연료-공기 혼합물의 연소에 의해 생성된 연도가스내 질소 산화물 형성 억제방법 및 장치가 개발되었으며 현재까지 사용되어 왔다. 예를 들면, CO 및 H2의 환원환경을 의도적으로 도출하기 위하여 연료를 산소의 화학량론적 농도 이하에서 연소시키는 방법 및 장치가 제안되었다. 이러한 개념은 연료가 NOx 형성을 억제하는 환원환경을 도출하는 제 1 지역에서 공기 결핍상태에서 연소되고, 이어서 공기의 나머지 부분이 제 2 지역으로 도입되는 단계식 공기 버너 장치에 사용되었다.
연도가스를 버너 구조물에서 연료 또는 연료-공기 혼합물과 배합시켜 혼합물을 희석시키고 연소온도와 NOx의 형성을 저하시키는 타 방법 및 장치가 개발되었다. 다른 접근방법에서, 연도가스는 재순환되고 버너의 상류에서 버너에 공급된 연소공기와 혼합된다.
연도가스와 함께 NOx 방출을 감소시키기 위한 전술한 기술들은 NOx 형성 및 연도가스 NOx 함량의 감소에는 효과적이었지만, 이들과 관련한 특정의 불이익과 결점이 있다. 예를 들면, 기존의 노(보일러 포함)를 연도가스 재순환식으로 전환시킬 경우, 기존 버너(들) 및/또는 연소공기 송풍기와 관련장치의 변형 또는 교체가 종종 요구된다. 변형은 종종 증가된 화염 확산 및 변형된 버너가 설치되는 노에 내부 변경을 요하는 타 연소지역 변화로 귀결된다. 요구되는 변화와 변형은 종종 상당한 자본지출을 수반하고, 변형된 노와 버너는 종종 이들이 교체한 것들보다 운전 및 유지가 더 어렵고 비용이 많이 든다.
따라서, 지금까지 요구되어 온 상당한 변형 및 경비 없이도 기존의 노에서 NOx 형성과 방출을 감소시키는 개량방법 및 장치가 지속적으로 요구되고 있다.
발명의 요약
본 발명은 전술한 필요사항을 충족시키고 선행기술의 결함을 극복하는 방법 및 장치를 제공한다. 노에 연결된 버너 안으로 도입된 연료가스와 연소공기의 적어도 실질적인 화학량론적 혼합물의 연소에 의해 생성된 연도가스내 질소 산화물의 함량을 감소시키기 위한 본 발명의 방법은 기본적으로 하기의 단계로 구성되어 있다. 연소공기는 버너로 인도되고, 노로부터의 연도가스 및 유동 동기화 가스와 연료가스를 혼합하기 위해 버너와 노의 외측에 혼합챔버가 구비된다. 연료가스는 연료제트 형태로 혼합챔버로 방출되어 노로부터의 연도가스는 챔버 안으로 흡입되고 그 안에서 연료가스와 혼합되어 연료가스를 희석시킨다. 증기와 같은 유동 동기화 가스 또한 적어도 하나의 제트 형태로 혼합챔버로 방출되어 노로부터의 추가의 연도가스와 추가의 연료가스(필요시)는 혼합챔버 안으로 흡입되고 서로 및 유동 동기화 가스와 혼합된다. 혼합챔버에 형성된 연도가스, 유동 동기화 가스 및 연료가스 혼합물은 버너로 인도되고, 여기에서 혼합물이 연소공기와 배합되고 노에서 연소된다.
본 발명의 장치는 기존의 노, 공기 송풍기 등을 실질적으로 변형시키거나 교체하지 않고서 기존의 버너-노 시스템에 일체화될 수 있으며 노에서 연료가스와 연소공기의 연소에 의해 생성된 연도가스내 질소 산화물의 함량을 감소시킨다. 많아야, 버너는 연도가스, 유동 동기화 가스 및 연료가스 혼합물의 증가된 질량과 감소된 압력을 수용하기 위한 약간의 변형, 예를 들면 버너 팁의 교체를 요할 수 있다.
장치는 기본적으로, 연료가스가 버너로 인도되는 시기에 앞서 노로부터의 연도가스 및 유동 동기화 가스와 연료가스를 혼합하기 위한, 버너 및 노와 분리되어 있는 혼합챔버로 구성되어 있다. 혼합챔버는 연료가스 도관과 연결하고 혼합챔버 안에 연료제트를 형성하기 위한 연료가스 입구, 연료제트에 의해 챔버 중으로 연도가스가 흡입되도록 위치한 연도가스 입구, 추가의 연도가스 및 추가의 연료가스(필요시)가 혼합챔버로 흡입되도록 제 1 챔버 안에 제트를 형성하기 위한 유동 동기부여 가스 입구 및 연도가스, 유동 동기화 가스 및 연료가스 혼합물 출구를 포함한다. 노와의 연결을 위한 연도가스 도관은 챔버의 연도가스 입구에 연결된다. 유동 동기화 가스 공급원과의 연결을 위한 유동 동기화 가스 도관은 혼합챔버의 유동 동기화 가스 입구와 연결되고, 버너와의 연결을 위한 연도가스, 유동 동기화 가스 및 연료가스 혼합물 도관이 챔버의 연도가스, 유동 동기화 가스 및 연료가스 혼합물 출구와 연결된다.
따라서, 본 발명의 일반 목적은 연료희석법 및 NOx 감소장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 기타 및 추가의 목적, 특징 및 장점은 첨부도면과 함께 취하여 후술되는 바람직한 양태의 설명을 정독함으로써 당업자에게 자명해질 것이다.
바람직한 양태의 설명
본 발명은 노에 연결된 버너 안으로 도입된 연료가스와 연소공기의 연소에 의해 생성된 연도가스내 질소 산화물 함량의 감소방법 및 장치를 제공한다. 본 발명의 장치는 하나 이상의 버너가 연결된 노에 또는 복수개의 이러한 노에 기존의 연소공기 팬 또는 송풍기를 교체하지 않고 기존의 버너를 실질적으로 변형시키거나 교체하지 않고 부가될 수 있다. 장치는 간단하며 용이하게 설치할 수 있어 노의 비가동시간 및 설치비를 감소시킨다. 더욱 중요한 것은, 본 발명의 방법 및 장치가 기존의 방법 및 장치보다 NOx 생성의 감소에 더욱 효과적이며 작동에 있어 더욱 효율적이라는 점이다.
본 방법 및 장치는 노에 연결된 하나 이상의 버너 안으로 연료가스가 도입되기 훨씬 전에 이와 철저히 혼합되고 블렌딩되어 연료가스를 희석시키는 재순환 연도가스를 이용한다. 연도가스 희석된 연료가스는 버너에서 연소공기와 혼합되고 그 안과 노의 안, 좀더 낮은 화염온도에서 연소되며 더욱 균일한 연소가 성취된다. 이러한 요인 둘 모두 일반적으로 선행기술에 의해서는 동일한 정도로 달성되지 않는 즉발 NOx의 형성을 감소시키는 데 기여한다.
도면, 특히 도 1과 2에, 본 발명의 혼합챔버 장치를 도해하여 부호(10)로 표시하였다. 혼합챔버(10)는 연료가스 도관(16)과의 연결을 위한 연료가스 입구 연결부(14) 및 연도가스 도관(20)과의 연결을 위한 연도가스 입구 연결부(18)를 구비한 가스 수납 구획(12)을 포함한다. 혼합챔버는 또한, 연료가스 입구 연결부(14) 맞은편 가스 수납 구획(12)내 개구부(24) 위에 밀봉부착된 벤튜리 관(22)도 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 연료가스 입구 연결부(14)는 가스 수납 구획(12) 중으로 연장하는 노즐부를 포함하여 연료제트(25)는 그 안에 형성되게 되고 이 연료제트는 벤튜리 관(22)의 벤튜리 섹션(26)으로 전체에 걸쳐 연장한다. 당업자에 의해 잘 이해되는 바와 같이, 벤튜리 섹션(26)을 통한 연료제트(25)의 유동은 가스 수납 구획(12)에서 압력강하를 일으켜, 연도가스가 연도가스 도관(20)을 통과하여 가스 수납실(12)로, 벤튜리 관(22)의 벤튜리 섹션(26)을 통과, 및 이의 하류 혼합 섹션(28)으로 흡입되도록 한다. 혼합챔버(10) 안으로 흡입된 연도가스는 그 안에서 연료가스와 철저히 혼합된 다음 연도가스-연료가스 혼합물 도관(32)이 연결되어 있는 연도가스-연료가스 혼합물 출구 연결부(30)에 의해 혼합챔버(10)로부터 방출된다.
도 3에, 연도가스 및 유동 동기화 가스와 연료가스를 혼합하기 위한 혼합챔버의 대안의 양태가 도시되었고 일반적으로 부호(11)로 표시하였다. 혼합챔버(11)는 버너(36)가 연결되어 있는 노(34)에 작동적으로 연결된 상태로 개략적으로 도해하였다. 도 3에 도시된 바와 같이, 혼합챔버(11)는 타단이 가압 연료가스 공급원에 연결되는 연료가스 입구 도관(15)에; 타단이 노(34)에 연결되는 연도가스 도관(19)에(좀더 구체적으로는 이의 연도가스 스택(38)에); 타단이 유동 동기화 가스 공급원에 연결되는 유동 동기화 가스 입구 도관(31)에; 및 타단이 버너(36)의 연료가스 입구 연결부에 연결되는 연도가스, 유동 동기화 가스 및 연료가스 혼합물 도관(33)에 연결된다. 혼합챔버(11)에서 연료가스와 혼합된 연도가스의 체적비를 제어하기 위해 유량 제어밸브(40)가 연도가스 도관(19)에 배치되고, 혼합챔버(11)에서 연료가스와 혼합된 유동 동기화 가스의 체적비를 제어하기 위해 유량 제어밸브(41)가 유동 동기화 가스 입구 도관(31)에 배치된다. 연소공기 공급원, 예를 들면 연소공기 송풍기(42)는 타단이 버너(36)에 연결되는 연소공기 도관(44)에 연결된다. 유동 동기화 가스는 바람직하게는 증기이지만, 공기, 질소, 이산화탄소 등과 같은 다른 가스가 증기 대신 사용될 수 있다.
도 9에, 혼합챔버(11)가 상세히 도해되었다. 혼합챔버(11)는 연료가스 입구 도관(15)에 연결된 연료가스 입구 연결부(9), 연도가스 입구 도관(19)에 연결된 연도가스 입구 연결부(17) 및 유동 동기화 가스 입구 도관(31)에 연결된 유동 동기화 가스 입구 연결부(23)를 구비한 가스 수납 구획(21)을 포함한다. 혼합챔버(11)는 벽(29)에 의해 두 구획(21 및 27)으로 분리된다. 벽(29)은 그 안에 형성된 중앙 개구부(35)를 포함하고 연료가스 입구 연결부(9)는 구획(21)을 통과하여 개구부(35)로 연장하는 노즐부(13)를 포함하여 연료제트(25, 화살표에 의해 도시)가 노즐부(13)의 단부에서 형성되도록 한다. 구획(21)은 연도가스 도관(19)에 의해 인도된 연도가스를 수납하고 구획(27)은 도관(31)에 의해 인도된 유동 동기화 유체를 수납한다. 환상 변류기(37)가 구획(27)으로 연장하는 개구부(35) 위에서 벽(29)에 밀봉부착되어 있다. 벤튜리 관(39)은 구획(27)내 개구부(45)를 통해 밀봉부착되어 연료가스 입구 연결부(9)의 노즐부(13)에 의해 형성된 연료제트(25)는 벤튜리 관(39)의 벤튜리 섹션(70)으로 전체에 걸쳐 연장한다. 벤튜리 관(39)의 개구부 입구 단부(47)는 환상 변류기(37)의 외면 상에서 연장하여 구획(27)으로부터의 유동 동기화 가스는 변류기(37)와 벤튜리 관(39)의 표면(47) 사이의 좁은 환상 공간을 통해 유동하고 벤튜리 관 안에서 환상 제트로 형성된다.
혼합챔버(11)의 작동시, 벤튜리 관(39)의 벤튜리 섹션(60)을 통한 연료제트(25)의 유동은 연도가스 수납 구획(21)에서 압력 강하를 일으켜 연도가스가, 연도가스 도관(19)을 통과 연도가스 구획(21)으로, 벤튜리 관(39)의 벤튜리 섹션(60)을 통과 연도가스와 연료가스가 철저히 혼합되는 혼합 구획(43)으로 흡입되도록 한다. 동시에, 벤튜리 관(39)에서 형성된 환상 유동 동기화 가스제트의 유동은 구획(21)에서 연도가스의 압력 강하 및 벤튜리 관(39)으로의 연도가스 유동을 증가시킨다. 동시에, 도관(15) 및 연결부(9)의 노즐부(13)에서 연료가스 압력이 낮으면, 환상 유동 동기화 가스제트는 연료가스 노즐부(13) 및 연료가스 입구 도관(15)에서 압력 강하를 일으켜 추가의 연료가스가 벤튜리 관(39)으로 흡입되도록 한다. 벤튜리 관(39)으로 주입된 유동 동기화 가스는 혼합 구획(43)에서 연도가스 및 연료가스와 혼합되고 혼합물을 버너(36)로 인도하는 도관(33)으로 유동한다(도 3). 유동 동기화 가스, 예를 들면 가압 증기의 혼합챔버(11)로의 도입은 또한 버너(36)로 인도되는 유동 동기화 가스, 연도가스 및 연료가스의 혼합물 압력을 상승시킨다. 상승된 압력은 연료가스만의 질량보다 큰 질량을 가지는 유동 동기화 가스, 연도가스 및 연료가스의 혼합물을 다루기 쉽고 이를 변형시킬 필요 없이 버너(36)에 의해 연소되도록 하는 이로운 효과를 가진다.
또한 도 3에서, 연소공기 송풍기(42)에 의해 생성된 연소공기는 도관(44)에 의해 버너(36)로 인도되고 연료가스는 도관(15)에 의해 혼합챔버(11)로 인도된다. 연료가스와 연소공기의 양은 통상적인 유량 제어밸브 및 제어장치 또는 타 유사 장치(비도시)에 의해 제어되어 연료가스와 연소공기의 적어도 실질적인 화학량론적 혼합물이 버너(36) 중으로 도입된다. 전술한 바와 같이, 연료가스는 혼합챔버(11)에서 연료제트를 형성하여, 노로부터의 연도가스는 혼합챔버(11) 안으로 흡입되어 그 안에서 연료가스와 혼합되어 이를 희석한다. 동시에, 혼합챔버(11)에 인도된 유동 동기화 가스는 전술한 바와 같이 적어도 하나의 제트, 바람직하게는 환상 제트를 형성하여, 추가의 연료가스(필요시) 및 연도가스는 혼합챔버(11)에 흡입된다. 추가의 연료가스는 종종 저압의 연료가스만이 이용 가능한 적용, 예를 들면 저압의 연료가스를 사용하는 연관 보일러에 필요하다. 언급한 것처럼, 증기가 바람직한 유동 동기화 가스이지만, 증기가 이용 불가능하면, 공기, 질소 또는 이산화탄소와 같은 이용가능한 또다른 유동 동기화 가스가 증기 대신 이용될 수 있다. 혼합챔버(11)에서 형성된 연도가스, 유동 동기화 가스 및 연료가스의 생성 혼합물은 도관(33)에 의해 버너(36)로 인도된다. 도관(44)에 의해 버너(36)로 인도된 연소공기 및 도관(33)에 의해 인도된 연도가스, 유동 동기화 가스 및 연료가스 혼합물은 버너(36) 안에서 혼합된다. 생성 혼합물은 버너(36)와 노(34)에서 연소되고 스택(38)에 의해 대기 중으로 방출되는 연도가스가 형성된다. 스택(38)을 통해 유동하는 연도가스의 일부는 거기에 연결된 도관(19)에 의해 그로부터 연속적으로 취출되고 전술한 바와 같이 혼합챔버(11) 안으로 유동하게 된다. 유량 제어밸브(40 및 41)를 이용하여 혼합챔버(11)에서 연료가스와 혼합된 연도가스 및 유동 동기화 가스의 체적비를 제어하여, 생성되어 스택(38)에 의해 대기 중으로 배출되는 연도가스내 질소 산화물의 최대감소를 달성한다.
도 4에, 혼합챔버(11), 연소공기 송풍기(42), 버너(36), 노(34) 및 연결 도관의 개략도를 도 3에서와 동일한 부호를 이용하여 도시하였다. 또한, 도 4는 유량 제어밸브(40)와 혼합챔버(11) 사이의 지점에서 연도가스 도관(19)에 배치된 제 2 혼합챔버(45)를 포함한다. 유동 동기화 가스 입구 도관(46)은 제 2 혼합챔버(45)에 부착되어 있다. 유동 동기화 가스 입구 도관(46)은 제 2 혼합챔버(45)에서 연도가스와 혼합된 유동 동기화 가스의 체적비를 제어하기 위해 안에 배치된 유량 제어밸브(48)를 포함한다.
도 7에, 제 2 혼합챔버(45)가 상세히 도해되었다. 제 2 혼합챔버(45)는 혼합챔버(45)의 일단에 부착된 연도가스 입구 연결부(64) 및 혼합챔버(45)의 타단에 부착된 연도가스 출구 연결부(66)와 소통하는 연도가스 통로(62)를 포함한다. 혼합챔버(45) 안에서 유동 동기화 가스 구획(68)은 연도가스 통로(62)를 둘러싸고 있고 유동 동기화 가스 입구 연결부(70)와 연결된다. 연도가스 입구 및 출구 연결부(64 및 66)는 연도가스 도관(19)에 연결되고 유동 동기화 가스 입구 연결부(70)는 유동 동기화 가스 입구 도관(46)에 연결된다.
연도가스 통로(62)는 출구 연결부(66)를 향해 분기되어 유동 동기화 가스 구획(68)의 환상 단부 부분(72)은 연도가스 출구 연결부(66)로 연장한다. 유동 동기화 가스 구획(68)과 연도가스 출구 연결부(66)의 내부를 소통시키는 다수의 오리피스(74)가 연도가스 연결부(66)로 연장하는 구획(68)의 환상 단부 부분(72) 주위에 놓여있다. 오리피스(74)는 연도가스가 연도가스 통로(62)를 통해 흡입되어 연도가스 출구 연결부(66) 및 이에 연결된 도관(19) 안에서 유동 동기화 가스와 혼합되도록 하기 위해 연도가스 출구 연결부(66) 안에서 유동 동기화 가스제트를 형성하는 기능을 한다.
도 4에 도해된 장치의 작동은 추가의 유동 동기화 가스가, 연도가스가 제 1 혼합챔버(11)에서 유동 동기화 가스 및 연료가스와 혼합되는 시기에 앞서 제 2 혼합챔버(45)에서 연도가스와 혼합된다는 것을 제외하고는 도 3에 도해된 장치에 대해 전술한 작동과 동일하다. 추가의 유동 동기화 가스는 부가의 연도가스를 연도가스 도관(19)으로 흡입시키는 기능을 하는 다수의 제트 형태로 제 2 혼합챔버(45)에 주입된다. 제 2 혼합챔버(45)에서 형성된 유동 동기화 가스-연도가스 혼합물은 제 1 혼합챔버(11)로 인도된다. 제 1 혼합챔버(11)에서 형성된 유동 동기화 가스, 연도가스 및 연료가스의 생성 혼합물은 연소공기가 이들과 혼합되는 버너(36)로 인도되고, 생성 혼합물은 버너(36)와 노(34)에서 연소된다. 연소된 혼합물내 유동 동기화 가스의 존재는 연료를 더욱 희석하고, 화염 온도를 낮추며 대기 중으로 방출된 연도가스내 질소 산화물의 함량을 감소시킨다.
도 5에, 본 발명의 또다른 양태를 도시하였다. 즉, 혼합챔버(11), 연소공기 송풍기(42), 버너(36) 및 노(34)와 연결 도관의 개략도가 도 3에서와 동일한 부호를 이용하여 도 5에 도시되었다. 또한, 제 2 연도가스 도관(50)이 노(34)의 스택(38)에 및 연소공기 송풍기(42)내 입구 연결부에 연결됨으로써, 추가의 연도가스가 스택(38)으로부터 도관(50)을 통해 연소공기 송풍기(42) 중으로 흡입되어 거기에서 이들은 연소공기와 혼합된다. 연소공기와 혼합된 연도가스의 체적비 제어를 위한 유량 제어밸브(52)가 도관(50)에 배치된다.
도 5에 도시된 장치의 작동은 추가의 연도가스가 연소공기와의 혼합물 형태로 버너(36) 안으로 도입되는 것을 제외하고는 도 3에 도해된 장치와 관련하여 전술한 바와 동일하다. 연소공기내 추가의 연도가스의 존재는 노(34) 안의 화염 온도를 더욱 냉각시키고 스택(38)으로부터 대기 중으로 방출되는 연도가스내 질소 산화물 화합물의 함량을 감소시키는 기능을 한다.
도 6에, 본 발명의 또다른 양태가 도해되었다. 제 1 혼합챔버(11), 제 2 혼합챔버(45), 연소공기 송풍기(42), 버너(36) 및 노(34)와 연결 도관의 개략도가 도 4에서와 동일한 부호를 이용하여 도 6에서 도시되었다. 또한, 도 6에 도해된 장치는 도 5에 도해된 바와 같이 제 2 연도가스 도관(50) 및 그 안에 배치된 유량 제어밸브(52)를 포함한다.
도 6 장치의 작동은 연도가스가 또한 연소공기와 혼합되는 것을 제외하고는 도 4에 도해된 장치에 대해 전술한 작동과 동일하다. 즉, 연도가스와 유동 동기화 가스는 버너(36)에 생성 혼합물을 인도하기에 앞서 연료가스와 혼합되고, 연도가스는 연소공기 송풍기(42)에서 연소공기와 혼합되며, 생성되는 혼합물은 버너(36)에 도입된다. 연료가스와 혼합된 연도가스 및 유동 동기화 가스의 체적 및 연소공기와 혼합된 연도가스의 체적을 제어함으로써, 대기 중으로 배출되는 연도가스내 질소 산화물의 함량은 감소한다.
당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 도 3 내지 6에 도해된 장치의 시스템 중 하나의 선택은 노(들)의 크기, 각 노와 함께 이용된 버너의 수, 연료의 형태와 구성, 노 내부에서 도달된 온도 등을 포함하는(이에 한정되지 않음) 각종 요인에 좌우된다. 이러한 요인을 토대로, 대기 중으로 방출되는 연도가스내 목적하는 낮은 질소 산화물 함량을 산출하는 데 요구되는 장치의 특정 시스템이 선택된다.
노에 연결된 버너 안으로 도입된 연료가스와 연소공기의 적어도 실질적인 화학량론적 혼합물의 연소에 의해 생성된 연도가스내 질소 산화물의 함량을 감소시키기 위한 본 발명의 방법은 기본적으로 하기의 단계로 구성되어 있다. 연소공기는 이의 공급원으로부터 버너로 인도된다. 노로부터의 연도가스 및 유동 동기화 가스와 연료가스를 혼합하기 위해 버너와 노의 외측에 제 1 혼합챔버가 구비된다. 연료가스는 연료제트 형태로 제 1 혼합챔버 안으로 방출되어, 노로부터의 연도가스는 챔버 안으로 흡입되고 그 안에서 연료가스와 혼합되어 이를 희석한다. 유동 동기화 가스 또한 적어도 하나의 제트 형태로 제 1 혼합챔버 안으로 방출되어, 노로부터의 추가의 연도가스 및 추가의 연료가스(필요시)는 제 1 혼합챔버 안으로 흡입되어 서로 및 유동 동기화 가스와 혼합된다. 제 1 혼합챔버에서 형성된 연도가스, 유동 동기화 가스 및 연료가스의 혼합물은 이로부터 버너로 인도되고, 여기에서 혼합물은 연소공기와 배합된 다음 그 안과 노에서 연소된다. 상기 방법은 바람직하게는 또한, 연료가스와 혼합된 연도가스 및 유동 동기화 가스의 체적비 제어 단계를 포함한다. 또한, 방법은 바람직하게는 추가의 유동 동기화 가스와 노로부터의 연도가스를 혼합하기 위해 버너와 노의 외측에 제 2 혼합챔버를 구비하고, 노로부터의 연도가스가 제 2 혼합챔버 안으로 흡입되고 그 안에서 유동 동기화 가스와 혼합되도록 적어도 하나의 제트 형태의 유동 동기화 가스를 제 2 혼합챔버 안으로 방출하는 추가 단계를 포함한다. 또한, 방법은 연도가스와 혼합된 유동 동기화 가스의 체적비를 제어하고, 노로부터의 연도가스를 버너로 인도된 연소공기와 혼합하며 연소공기와 혼합된 연도가스의 체적비를 제어하는 추가단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 방법 및 장치는 종래기술의 방법과 장치보다 훨씬 더 효율적인 것으로 나타났다. 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따라 전체 연도가스의 약 5%의 재순환으로, 전체 연도가스의 23%가 연소공기와만 배합되는 시스템보다, 생성된 연도가스내 더 낮은 질소 산화물 함량이 유도된다. 시험 결과는 증기 주입 없이, 및 연소공기내 연도가스 재순환의 동시 사용 없이 본 발명의 방법 및 장치를 사용하여 20 ppm 이하의 연도가스내 질소 산화물 함량이 달성될 수 있음을 나타내었다. 연도가스 중으로의 증기 주입이 본 발명에 따라 연소공기 중으로의 연도가스 도입과 함께 이용될 때, 8 내지 14 ppm의 연도가스 질소 산화물 함량이 달성될 수 있다.
실시예
본 발명의 향상된 결과를 좀더 구체적으로 설명하기 위하여 하기 실시예를 제시한다.
도 5에 도해된 장치를 시험하여 연료가스와 혼합된 연도가스의 다양한 비율, 연소공기와 혼합된 연도가스의 다양한 비율 및 이들 둘의 조합에서 연도가스의 질소 산화물 함량을 측정한다. 시험에 사용된 노는 63.5 밀리언 BTU 증기 발생기이다. 이러한 시험 결과를 하기의 표 1에 나타내었다.
연료가스 및/또는 연소공기와 혼합된 다양한 양의 연도가스를 사용하는 연도가스 NOx 함량
시험번호 연도가스 밸브 401의 연도가스 밸브 522의 대기 중으로 방출된 세팅, % 개방율 세팅, % 개방율 연도가스의 NOx 함량
1 0% 50% 26 ppm 2 50% 0% 23 ppm 3 75% 0% 20 ppm 4 50% 35% 18 ppm 5 75% 50% 14 ppm
1연료가스와 혼합된 연도가스 2연소공기와 혼합된 연도가스
상기 표 1로부터, 본 발명의 방법 및 장치가 예상치 못하게 질소 산화물 함량이 감소된 연도가스를 생성함을 알 수 있다.
따라서, 본 발명은 목적 수행 및 전술한 결과 및 장점과 거기에 고유한 것들의 달성에 잘 적용된다. 당업자에 의해 다양하게 변화될 수 있지만, 이러한 변화도 특허청구의 범위에 의해 정의되는 바와 같이 본 발명의 취지내에 포함된다.
본 발명은 노에 연결된 버너 안으로 도입된 연료가스와 연소공기의 연소에 의해 생성된 연도가스내 질소 산화물 함량의 감소방법 및 장치를 제공하며, 기존의 방법 및 장치보다 NOx 생성 감소에 더욱 효과적이며 작동에 있어 더욱 효율적이다.
도 1은 본 발명의 연도가스와 연료가스 혼합챔버의 측면 정면도이다.
도 2는 도 1 혼합챔버의 측단면도이다.
도 3은 통상의 버너와 노에 연결된 본 발명 장치의 개략도이다.
도 4는 유동 동기화 가스와 노로부터의 연도가스를 혼합하기 위한 혼합챔버가 연도가스 도관에 연결되는 것을 제외하고는 도 3과 동일한 본 발명 장치의 개략도이다.
도 5는 제 2 연도가스 도관이 노와 공기 송풍기 사이에 연결되는 것을 제외하고는 도 3과 동일한 본 발명 장치의 개략도이다.
도 6은 연도가스 도관에 연결된 유동 동기화 가스와 노로부터의 연도가스를 혼합하기 위한 혼합챔버 및 노와 공기 송풍기 사이에 연결된 제 2 연도가스 도관 둘 모두를 포함하는 것을 제외하고는 도 3과 동일한 본 발명 장치의 개략도이다.
도 7은 도 4 및 6에 도시된 유동 동기화 가스와 노로부터의 연도가스를 혼합하기 위한 혼합챔버의 확대 측단면도이다.
도 8은 도 7의 라인 8-8을 따라 취한 단면도이다.
도 9는 도 3 내지 6에 도시된 노로부터의 연도가스 및 유동 동기화 가스와 연료가스를 혼합하기 위한 혼합챔버의 확대 측단면도이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명〉
10, 11:혼합챔버 9, 14:연료가스 입구 연결부
12, 21:가스 수납 구획 13:노즐부
14:연료가스 입구 연결부 16:연료가스 도관
17, 18:연도가스 입구 연결부 20:연도가스 도관
22, 39: 벤튜리 관 26, 60:벤튜리 섹션
34:노 36:버너
38:스택 40, 41: 유량 제어밸브
42: 연소공기 송풍기

Claims (23)

  1. 노에 연결된 버너 안으로 도입된 연료가스와 연소공기의 적어도 실질적인 화학량론적 혼합물의 연소에 의해 생성된 연도가스내 질소 산화물 함량의 감소방법에 있어서,
    (a)연소공기를 버너로 인도하고;
    (b)노로부터의 연도가스 및 유동 동기화 가스와 연료가스의 혼합을 위해 버너와 노의 외측에 제 1 혼합챔버를 구비하며;
    (c)노로부터의 연도가스가 혼합챔버 안으로 흡입되어 그 안에서 연료가스와 혼합되고 이를 희석시키도록, 연료제트 형태의 연료가스를 제 1 혼합챔버로 방출시키며;
    (d)노로부터의 추가의 연도가스와 추가의 연료가스(필요시)가 혼합챔버 안으로 흡입되어 서로 및 유동 동기화 가스와 혼합되도록, 적어도 하나의 가스제트 형태의 유동 동기화 가스를 제 1 혼합챔버로 방출시킨 다음;
    (e)단계(c) 및 (d)에서 형성된 연도가스, 유동 동기화 가스 및 연료가스의 혼합물을 버너로 인도하여, 여기에서 혼합물이 연소공기와 배합되고 그 안과 노에서 연소되는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 유동 동기화 가스가 증기, 공기, 질소 및 이산화탄소로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 유동 동기화 가스가 증기인 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 단계 (c) 및 (d)에서 연료가스와 혼합된 연도가스 및 유동 동기화 가스의 체적비 제어 단계를 추가로 포함하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 추가의 유동 동기화 가스와 노로부터의 연도가스를 혼합하기 위해 버너와 노 외측에 제 2 혼합챔버를 구비하고, 노로부터의 연도가스가 제 2 혼합챔버 안으로 흡입되고 단계 (c) 및 (d)에 따라 유동 동기화 가스 및 연료가스와 혼합되기에 앞서 추가의 유동 동기화 가스와 혼합되도록 적어도 하나의 제트 형태의 유동 동기화 가스를 제 2 혼합챔버에 방출하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 연도가스와 혼합된 추가의 유동 동기화 가스의 체적비 제어 단계를 추가로 포함하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 노로부터의 연도가스와 단계 (a)에 따라 버너로 인도된 연소공기의 혼합 단계를 추가로 포함하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 연소공기와 혼합된 연도가스의 체적비 제어 단계를 추가로 포함하는 방법.
  9. 노에 연결된 버너 안으로 도입된 연료가스와 연소공기의 적어도 실질적인 화학량론적 혼합물의 연소에 의해 생성된 연도가스내 질소 산화물 함량의 감소방법에 있어서,
    (a)연소공기를 버너로 인도하고;
    (b)노로부터의 연도가스 및 증기와 연료가스의 혼합을 위해 버너와 노의 외측에 제 1 혼합챔버를 구비하며;
    (c)노로부터의 연도가스가 챔버 안으로 흡입되어 그 안에서 연료가스와 혼합되고 이를 희석시키도록, 연료제트 형태의 연료가스를 제 1 혼합챔버로 방출시키며;
    (d)노로부터의 추가의 연도가스와 추가의 연료가스(필요시)가 혼합챔버 안으로 흡입되어 서로 및 증기와 혼합되도록, 적어도 하나의 가스제트 형태의 증기를 제 1 혼합챔버로 방출시키며;
    (e)단계 (c) 및 (d)에서 연료가스와 혼합된 연도가스 및 증기의 체적비를 제어한 다음;
    (f)단계(c) 및 (d)에서 형성된 연도가스, 증기 및 연료가스의 혼합물을 버너로 인도하여, 여기에서 혼합물이 연소공기와 배합되고 그 안과 노에서 연소되는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 추가 증기와 노로부터의 연도가스를 혼합하기 위해 버너와 노의 외측에 제 2 혼합챔버를 구비하고, 노로부터의 연도가스가 제 2 혼합챔버 안으로 흡입되고 단계 (c) 및 (d)에 따라 증기 및 연료가스와 혼합되기에 앞서 추가 증기와 혼합되도록 적어도 하나의 제트 형태의 증기를 제 2 혼합챔버로 방출시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 연도가스와 혼합된 추가 증기의 체적비 제어 단계를 추가로 포함하는 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 노로부터의 연도가스와 단계 (a)에 따라 버너로부터 인도된 연소공기의 혼합 단계를 추가로 포함하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 연소공기와 혼합된 연도가스의 체적비 제어 단계를 추가로 포함하는 방법.
  14. 연료가스와 연소공기의 적어도 실질적인 화학량론적 혼합물의 연소(연료가스는 연료가스 도관에 의해 노에 연결된 버너로 인도되고 연소공기는 연소공기 도관에 의해 연소공기 공급원으로부터 버너로 인도된다)에 의해 생성된 연도가스내 질소 산화물 함량의 감소장치에 있어서,
    연료가스 도관과의 연결 및 혼합챔버내 연료제트의 형성을 위한 연료가스 입구, 연료제트에 의해 혼합챔버 안으로 연도가스가 흡입되도록 위치하는 연도가스 입구, 추가 연도가스 및 추가 연료가스(필요시)가 혼합챔버 안으로 흡입되도록 혼합챔버 안에서 유동 동기화 가스제트를 형성하기 위한 제 1 유동 동기화 가스 입구 및 연도가스, 유동 동기화 가스 및 연료가스 혼합물 출구를 구비한, 노로부터의 연도가스 및 유동 동기화 가스와 연료가스의 혼합을 위한 제 1 혼합챔버;
    제 1 챔버의 연도가스 입구에 연결된 노와의 연결을 위한 제 1 연도가스 도관;
    혼합챔버의 유동 동기화 가스 입구에 연결된 유동 동기화 가스 공급원과의 연결을 위한 제 1 유동 동기화 가스 도관; 및
    챔버의 연도가스, 유동 동기화 가스 및 연료가스 혼합물 출구에 연결된 버너와의 연결을 위한 연도가스, 유동 동기화 가스 및 연료가스 혼합물 도관을 포함하는 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 제 1 연도가스 도관 및 제 1 유동 동기화 가스 도관에 배치된 제 1 혼합챔버에서 연료가스와 혼합된 연도가스 및 유동 동기화 가스의 체적비 제어 수단을 추가로 포함하는 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 연도가스 및 유동 동기화 가스 대 연료가스의 체적비 제어 수단이 유량 제어밸브로 구성되는 장치.
  17. 제 14 항에 있어서, 유동 동기화 가스 공급원과의 연결 및 제 2 혼합챔버 안에서 유동 동기화 가스제트의 형성을 위한 유동 동기화 가스 입구, 노로부터의 연도가스가 제트에 의해 제 2 혼합챔버 안으로 흡입되도록 위치하는 제 1 연도가스 도관과 연결된 연도가스 입구, 제 1 연도가스 도관에 연결된 유동 동기화 가스-연도가스 출구 및 제 2 혼합챔버의 유동 동기화 가스 입구에 연결된 유동 동기화 가스 공급원과의 연결을 위한 유동 동기화 가스 도관을 구비하고 있는, 유동 동기화 가스와 노로부터의 연도가스를 혼합하기 위한 제 2 혼합챔버를 추가로 포함하는 장치.
  18. 제 17 항에 있어서, 유동 동기화 가스 도관에 배치된 연도가스와 혼합된 유동 동기화 가스의 체적비 제어 수단을 추가로 포함하는 장치.
  19. 제 18 항에 있어서, 연도가스와 혼합된 유동 동기화 가스의 체적비 제어 수단이 유량 제어밸브를 포함하는 장치.
  20. 제 14 항에 있어서, 연소공기의 공급원이 연소공기 송풍기인 장치.
  21. 제 20 항에 있어서, 연도가스가 연소공기와 혼합되도록 노 및 연소공기 송풍기와의 연결을 위한 제 2 연도가스 도관을 추가로 포함하는 장치.
  22. 제 21 항에 있어서, 제 2 연도가스 도관에 배치된 연소공기와 혼합된 연도가스의 체적비 제어 수단을 추가로 포함하는 장치.
  23. 제 22 항에 있어서, 연소공기와 혼합된 연도가스의 체적비 제어 수단이 유량 제어밸브를 포함하는 장치.
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