KR20030031909A - 3단계 연료산화 및 인시추 노 연도가스 재순환을 이용한산화질소 저배출 - Google Patents

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Abstract

3단계 산화 및 제2단계 인시추 노 연도가스 재순환을 사용하여 탄소연료의 연소로부터 NOX의 방출을 저감시키기 위한 장치이다. 제1단계는, 부분 산소연소기가 가열 연소공기의 존재하의 연료를 부분적으로 연소하는데 사용된다. 부분 산화처리에서 생성된 연도가스는 용융 슬래그가 제거 처리되는 동안 제2단계 부분 산화연소기를 지나간다. 2차 가열 연소공기는 제2단계 연소기 내로 도입되어 환원연도가스를 생성하고, 소망의 인시추 노 연도가스 재순환을 야기하는 방식으로 노에 분사된다. 3차 연소공기는 연소의 제3단계에서 연도가스와 함께 혼합되어 연소처리를 실제적으로 종료한다. 예열증기가 연소의 제1단계 또는 제2단계에 가해질 수도 있다.

Description

3단계 연료산화 및 인시추 노 연도가스 재순환을 이용한 산화질소 저배출{LOW NITROGEN OXIDES EMISSIONS USING THREE STAGES OF FUEL OXIDATION AND IN-SITU FURNACE FLUE GAS RECIRCULATION}
질소를 함유하는 연료의 연소에 의해서 배출되는 산화질소를 저감시키기 위한 단계별 연소에 대해서 기재된 특허가 일부있다. 미국특허 제3,727,562호에는 제1단계에서는 공기를 적게하여 연소시키고, 상기 단계에서 연소되지 않은 연료를 분리하여 제2단계에서 충분한 공기에서 연소시킨 다음, 제3단계에서는 제1단계 및제2단계의 가스를 초과공기에서 연소시키는, 산화질소(NOX) 배출저감을 위한 3계단계 공정이 기재되어 있다. 미국특허 제4,343,606호에는 제1단계 일부 산화구역에서 연도가스를 연료에 대한 공기의 양론비 0.50~0.625로 하여 생성시킨 다음, 연료에 대한 공기의 양론비 1.0 또는 약간 이상으로 하여 산화시키는 제2단계를 수행하였다. 그 다음, 유입공기를 추가하여, 연료를 완전히 산화시켰다. 미국특허 제5,002, 484 등의 기타의 특허에서는 외부 연도가스 재순환에 의한 NOX배출저감에 대해서 기재되어 있다. 미국특허 제5,316,469호 및 동 5,562,438호 등의 그 밖의 다른 특허에서는 버너들 자체 내에서의 연도가스 재순환을 이용한 NOX배출저감이 기재되어 있다. 이들 방법은 그 목적한 바를 달성할 수 있지만, 현재의 미국환경보호청(EPA) 법규하의 NOX저감에는 제공될 수 없다.
1990년 대기정화법 개정(Clean Air Act Amendment of 1990)에 의하면, 2000년도까지 석탄연소 보일러에 대한 NOX배출량을 보일러의 종류에 따라서 0.40~0.86Ib NOX/106Btu의 범위로 제한하였다. 상기 특허기술의 다수는 이들 한도를 만족시키기 위해 이용되었다. 그러나, Ozone Transport Assssment Group(OTAG) State Implementation Plan(SIP)는 1998년 동부 및 중서부 주의 요청에 응하여, U.S. EPA는 2003년에 모든 종류의 석탄연소 보일러의 산화질소 배출에 있어서, 오존주의기간(5월~9월) 동안에는 그 배출량이 0.15Ib NOX/106Btu 이하로 규정하는 새로운 법률을 공표하였다.
현재 시판되고 있는 연소기술은 이러한 한도를 만족시킬 수 없다. 이러한 낮은 레벨의 NOX배출량을 충족시키는 탄소질연료 연소 보일러 산업에 이용할 수 있는 유일한 기술은 선택적 촉매 환원법(selective catalytic reduction, SCR) 뿐이다. 이 SCR법은 암모니아 첨가 및 하류 촉매를 사용하여 석탄연소과정에서 생성된 NOx를 파괴한다. 이러한 접근은 자본비용 및 운용비용 모두의 점에서 고가의 것이다. 더욱이, 석탄중의 비소는 촉매의 활성을 저하시킬 수 있어 그 생명을 짧게 한다. 또한, 연소과정에서 아황산/황산 암모늄 및 황산칼슘은 촉매를 가릴수 있어, 그 효과를 감소시킨다.
그러므로, 탄소질 질소를 함유하는 연료의 연소시, 산화질소의 배출량이 0.15Ib NOX/106Btu 이하로 되는 개량된 연소공정을 갖는 것이 매우 유리하다. 또한, 이러한 시스템은 SCR과 비교하여 줄어든 NOX의 톤당 비용을 더 감소시켜, 산화질소의 배출량이 새로이 공표된 레벨을 충족시키는 경제적인 기술인 전기이용산업을 제공할 수 있다.
본 발명의 인시추로 연도가스 재순환법의 단계별 연소는 NOX저감에 있어서, SCR기술보다 저비용이며, 또한 탄소질연료 연소의 생성물에 의해 활성이 저하될 수 있는 촉매를 사용하지 않기 때문에, 인시추로 연도가스 재순환의 단계별 연소는 보다 신뢰할 수 있는 기술임을 나타낸다.
(일부계속출원)
본 출원은 1999년 2월 3일에 출원된 미국특허출원 09/243,501호, 및 현재의 미국특허 6,085,674호의 일부계속출원이다.
본 발명은 탄소질연료의 연소에 인한 산화질소를 매우 낮은 수준으로 저감시키는 연소기술을 이용하는 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 연속 2단계의 일부 산화에 이어서 산화를 완료하는 최종단계를 이용한 연소기술이다. 인시추 노 연도가스 재순환법은 제2단계의 일부산화에 조합되어, 저편재 산소농도를 가진 산화구역의 냉각제로서 작용한다.
본 발명의 다양한 목적, 특징 및 이점은 이하의 도면에 따른 상세한 설명에 의해 더욱 명백해지며, 이것은 예로서만 나타낸 것이다.
도1은 벽면연소 전기이용보일러의 노에 적용되는 단계별 열소공정에 대한 설명도이다.
도2는 제2단계의 원추형 공기유입디자인의 바람직한 실시예를 나타낸다.
도3은 제2단계의 공기유입구에 대한 각각의 실시예들로서, 도3a은 원추형에 공기플러그흐름이 더해진 디자인을 나타내고, 도3b는 이중 공기플러그흐름 디자인을 나타내고, 도3c은 단일플러그흐름 디자인을 각각 나타낸다.
도4는 시안화수소, 암모니아 및 NO의 열화학적 평형을 제1단계의 공기:연료 양론비의 함수로서 나타낸 그래프이다.
도5는 제2단계의 NO저감반응의 열화학적 평형을 나타내는 그래프이다.
도6은 제3단계의 NO의 열화학적 평형을 온도의 함수로서 나타낸 그래프이다.
도7은 3단계 연소기술을 사일클론연소 유니트에 적용한 설명도이고, 여기서는 사이클론배럴을 제1단계 연소에 사용하였다.
본 발명자는 하나의 시스템에 단계별 연소기 및 인시추로 연도가스 재순환기술을 채용하여 Year 2003 규정한도인 ≤0.15Ib NOX/106Btu으로 NOX배출량을 저감시킬 수 있는 공정을 발견하였다. 단계별 연소를 이루기 위해서는, 모든 단계별 연소기의 제1단계는 연료에 대한 공기의 양론비(SR) 0.50~0.70 범위내에서 운전되도록 사용될 수 있다. 이러한 형태의 단계별 연소기는, 예컨대 미국특허 제4,423,702호; 동 제4,427,362호; 동 제4,685,404호; 동 제4,765,258호; 동 제5,458,659호 등에 기재되어 있고, 이것의 각각을 참조로서 기재하였다. 또한, 이러한 단계별 연소방법론에 의하면, 석탄재 슬래그 점도의 저감 및/또는 용융 슬래그 중의 황의 포획을 위해 알칼리 화합물을 첨가하여도 좋다. 모든 형태의 단계별 연소기가 사용되어도 좋지만, 바람직한 형태는 연소기로부터 용융된 슬래그를 완전히 제거하여 애시 캐리오버를 최소화시켜서, 보일러 노내의 오염인자인 슬래그를 저감시키는 것이 바람직하다. 더욱이, 다량의 공기조건 하에서 운전하는 사이클론로를 3단계 연소기술의 기구에 개장해도 좋다.
일반적으로, 석탄은 질소가 결합되어 있는 연료의 산화에 의해 생성되는 NOX를 최소화하기 위해 석탄에 대한 공기의 양론비(SR) 0.50~0.70로 연소기의 제1단계에서 연소된다. 연도가스는 생성되고, 용융 슬래그는 분리되어 나온다. 연소의 제2단계 연소에서는, 예열된 제2단계 연소공기를 생성된 연도가스에 석탄/공기의 혼합방법으로서 플러그흐름법을 사용하여 도입하며, 이때의 공기속도는 총 SR이 약0.85~0.99이 되도록 첨가한다. 제2단계 고온공기는 연도가스를 운반하는 파이프를 둘러싼 외측 원환으로 딜리버리되는 것이 바람직하고, 이 원환은 상기 노에 삽입되어 있는 중앙 연도가스 파이프의 출구에 대해 내부로 원추형으로 이루어진 것이다. 이러한 공기주입방법은 기압 저감하에서의 빠른 혼합 및 고편재된 화염온도를 제공하여, 고온조건을 이루어 높은 연소효율을 제공한다(애쉬 중의 미연소 탄소성분에 한정됨). 또는, 제2단계의 연소공기는 노에 삽입되어 있는 중앙 연도가스파이프를 둘러싼 1 또는 2개의 동심공기플러그흐름유입구를 통해 가해질 수 있다. 제2단계의 공기도입방법 2개 모두는 사용하는 연소지역의 저감에(산소부족) 의해서, 극소량의 고온 NOX가 제2단계의 일부 산화지역에서 생성된다. 제2단계의 연소제트는 제2단계의 일부 산화를 위한 산소가 연도가스 재순환(FGR)에 의해 제공될 수 있도록 노내 연도가스 재순환(FGR)이 이루어지도록 설계되어 있다. 이것은 저편재화된 산소농도를 제공하여, NOX형성을 최소화시킨다.
제2단계 부분연소 생성물은 보일러 노를 통하여 부상되고, 노의 수냉벽으로의 복사열을 전달함으로써 냉각된다. 연도가스를 약 2300~2700℉의 범위까지 냉각시킨 경우에는, 그 점에서의 총 SR이 대략 0.1~1.25의 범위가 되도록, 가연소공기(OFA)를 첨가하여, 연소공정을 완료한다. 이러한 OFA 구역에서는 온도가 상대적으로 낮아서 고온 NOX생성반응이 잘 일어나지 않기 때문에, NOX생성이 크게 저감된다.
탄소질연료의 연소를 위한 단계별 연소를 사용하여, NOX를 현저히 낮은 레벨로 저감시키기 위해서는, 고온 NOX의 생성을 억제하도록 가스를 충분히 냉각할 때까지의 공정동안의 연료에 대한 공기의 양론비를 1.0 미만으로 하는 것이 요구된다. 본 발명자는 제2단계 연도가스 재순환(FGR)을 보유한 상기 3단계의 연소기술을 사용하여, NOX배출량을 바람직하게는 0.15Ib NOX/106Btu 미만의 수준으로 저감시키는 공정을 발견하였다.
이러한 3단계 연소기술을 수행하기 위해서는, 모든 현존의 단계별 연소기의 제1단계가 사용될 수 있고, 여기서의 연료에 대한 공기의 양론비(SR)는 0.50~0.70인 범위내에서 조작될 있다. 이러한 연소기술에서는 석탄재 슬래그 점도의 저감 및/또는 용융 슬래그 중의 황의 포획을 위해 알칼리 화합물을 첨가하여도 좋다. 또한 연소의 제1단계에 증기를 첨가하여, 미국특허 제5,458,659호에 기재되어 있듯이 탄소완전연소를 개량할 수 있다. 모든 형태의 단계별 연소기를 사용해도 좋지만, 가장 바람직한 것은 연소기로부터 또는 노의 바닥부로부터 용융된 슬래그를 제거하여 애시 캐리오버를 최소화시켜서, 보일러로 중의 오염인자인 슬래그를 저감시키는 것이다. 또한, 사이클론 배럴 연도가스를 노에 투입하는 재유입 스로트에, 또는 이 재유입 스로트 위 및/또는 아래의 어느 점에 2차공기를 첨가하여, 초과공기 사이클론연소 유니트를 제3단계 운전으로 전환하여도 좋다.
석탄은 방출된 연도 산화질소로부터 생성되는 NOX를 저감시키는 부양론적 공기조건하에서 연소기의 제1단계로 연소된다. 얻어진 제1단계 온도는 연료분해, 증기 또는 수첨가 속도, 예열된 공기의 온도, 연료에 대한 공기의 비율, 및 연소기 또는 사이클론 배럴로의 소정의 열이동에 따라 다르다. 제1단계 온도는 일반적으로 2600~3000℉ 범위내에 있다. 이 단계의 SR은 일반적으로 0.50~0.70 정도의 범위내에 있다. 연소의 제1단계는 약 0.1~0.3초 이상의 체류시간을 갖는 것이 이어지는고온, 산화조건 하에서의 NOX전구체인 암모니아 및 시안화수소의 생성을 저감시키기 위해서 바람직하다. 연도가스는 생성되고, 용융 슬레그는 연소기 자체로부터 또는 보일러 노의 바닥부로부터 제거된다.
연소의 제2단계에서는, 예열된 제2단계 연소공기가 제1단계로부터의 연도가스로 플러그흐름식으로 도입된다. 제2단계 연소공기는 그 점에서의 총 SR이 약 0.85~0.99가 되는 속도로 첨가된다. 외측 원환부의 고온의 제2단계 공기는 상기 노에 삽입되어 있는 중앙 연도가스 파이프의 출구에 대해 안쪽으로 원추형을 이룬다. 이러한 공기유입방법은 환원조건 하에서 고온을 이룰 수 있는 빠른 혼합 및 고편재된 화염온도를 제공하여, 고연소효율을 제공하고(애시 중의 탄소량이 적음), NOX분해반응의 반응속도를 증가시킨다. 또는, 제2단계 연소공기는 노로 들어가는 중앙 연도가스파이프를 둘러싼 1 또는 2개의 동심수평 공기플러그흐름유입구, 또는 내부 동심공기구역의 원추형 유입구 및 외부공기구역의 수평플러그흐름유입구를 통해 가해질 수 있다. 제2단계 공기도입법 모두 화염구역이 모두 환원되어(산소부족), 극소량의 고온 NOX가 생성된다. 제2단계 연소 연도가스 및 공기제트는 FGR에 의해 제공되는 일부 산소가스가 제2단계에 대한 예열된 대기공기의 비율을 저감시키도록 인시추 노 연도가스 재순환(FGR)을 수행하도록 설계된다. 이것은 저편재화된 산소농도를 제공하여, NOX형성을 최소화시킨다. 각각의 특정 보일러에는 소망의 FGR 효과를 얻기 위해서 제트속도의 최적화 및 제2단계 화염의 배향을 결정하기 위한 완성된 모델링이 필요로 된다.
이러한 부분산화의 제2단계에 사용된 SR은 종래 재연소기술에 사용된 SR과 유사하고, 여기서는 종래의 버너의 상부에 있고, 일부 분리된 노의 고온부에서의 연소 연도가스에 연료를 가하여, 그 구역에 들어온 버너에 의해 제공된 1.10~1.20 범위의 재연소 연료분사점에서의 노의 SR을 약 0.90까지 감소시킨다. 명목상 0.90 SR은 초과공기 버너 화염내에 형성되는 산화질소(NO)를 대기나 이원자 질소(N2)로 다시 전환하는 환원가스조건을 제공한다. 본 발명의 단계별 연소기술에 의하면, 제1 단계(일반적으로 SR=0.60)를 거친 NOX및 NOX전구체 화합물은 총 초과공기 조건(SR > 1.0)이 얻어지는 종래의 버너 보다 대폭으로 낮아진다. NOX생성은 연소지역내의 산소 분압에 의해 크게 영향을 받기 때문에, 산소농도가 높을 수록 NOX생성도 많아 진다. SR이 0.60인 제1단계에서 석탄이 연소되고, 제1단계를 빠져 나와 SR이 대략 0.90인 노에 들어온 연도가스가 연소됨으로써, 최소의 NOX가 형성되는데, 이는 생성된 환원가스가 형성되어진 모든 NOX를 N2로 전환하는 경향을 갖고 있기 때문이다. 인시추 노 FGR도 편제된 산소농도를 최소화시킨다. 제1단계의 부분산화 제2단계에서 생성된 탄화수소 라디칼(CHX), 일산화탄소(CO), 수소(H2)는 하기의 간략화된 전체 반응식에 따라 NO를 N2로 전환한다.
NO + [CH] →1/2 N2+ CO + 1/2 H2
NO + CO → 1/2 N2+ CO2, 및
NO + H2→1/2 N2+ H2O
제2단계로부터의 부분연소 가스상 생성물은 보일러노를 통해서 부상하여, 노의 수벽으로 복사열 및 대류열을 전달함으로써 냉각된다. 미소환원연도가스를 약 2300℉~2700℉의 범위까지 냉각시키는 경우에는, 과연소공기(OFA)를 첨가하여, 연소공정을 완료한다. 온도가 저온이기 때문에, 이러한 OFA 초과공기 구역에서는 NOX생성물이 최소로 되고, 고온 NOX반응이 고온에서 보다는 덜 일어난다.
하기 공정에 대한 상세한 설명에 있어서, 각종 도면 중의 동일한 참조번호는 동일한 요소를 나타낸다.
본 발명의 공정의 일반적인 예, 바람직하게는 Florida Power Corporation 단계별 연소기(미국특허 제4,423,702호 및 동 5,458,659호)의 개략도를 도1에 나타낸다. 본 발명의 요지내에서 다양한 변형에 의해 본 계략도로부터의 임의의 변형이 이루어질 수 있다는 것은 당업자에 의해서 이해될 수 있다. 도1에 나타낸 실시예에 있어서, 1단계 연소기(10)는 노(14)로의 유입구(12)의 전방에 위치한다. 각각의 연소기의 구멍(16)은 캐리어 1차공기(8) 또는 예열된 공기(17)에 의해 미분탄(예를 들면) 등의 재래식 연료 및 석회 또는 석회암(도시하지 않음) 등의 알칼리 생성물을 수용한다. 상기 미분탄의 부분산화가 예열된(400°~700℉) 2차공기흐름(18)의 규제에 의해서 연소기내에서 조절된다. 1단계 연소기(10)에서의 연료에 대한 공기의 양론비(SR)는 예열된 공기흐름(17)의 조절을 통하여 약 0.50~0.70(SR1)로, 가장 바람직하게는 약 0.60으로 유지한다. 다른 실시예에 있어서는, 연료에 대한 증기또는 물의 중량비를 0.1~0.3가 되도록 증기 또는 물을 가하는, 연소기(10)로의 증기 또는 물의 분사(20)를 이용하여, 부분산화반응 또는 가스화반응을 증진시켜도 좋다. 제1단계 연소기(10)에 있어서, 연도가스의 형성에 있어서의 부분연소에 의한 생성물 및 상기 미분탄의 애시부분 이외에 무기 알칼리 화합물로부터의 용융슬래그를 부분산화실(22)에서 분리하고, 알칼리 화합물 및 석탄애시를 함유하는 용융슬래그공융(24)은 제1단계 연소식(10)의 바닥개구부(26)를 통해 빠져나간다. 용융슬래그은 물담금질수문시스템(28)에서 소입경화되고, 애시는 포집탱크로부터 펌프되어 고정못으로 흘러내려지거나, 또는 종래의 공지의 방법에 따라 처리된다.
단계별 연소기(10)는 약 2200°~3000℉의 온도에서 혼합시켜 석탄과 공기를 밀접하게 접촉시킬 수 있는 부분산화구역을 보유한다. 용융슬래그 제거부를 가진 단계별 연소기(10)의 사용하여, 석탄의 부분산화시 생성된 용융슬래그를 노(14)로의 유입에 앞서, 또한 유입구(12)에서의 부분산화에 더 앞서 가스로부터 높은 제거율(75~90%)로 제거한다. 초과공기 조건하 고온에서 NOX전구체인 시안화수소(HCN) 및 암모니아(NH3)의 생성을 최소화하기 위해서는, 제1단계 연소기에서의 체류시간을 적어도 약 0.1초~0.3초의 범위로 해야한다. 고온의 연도가스 생성물은 연소기(10)를 떠나, 파이프(29)를 거쳐 보일러노(14)로의 유입구(12)를 통과한다. 3차공기는 부분산화부(30)인 제2단계를 형성하는 원추형 유입구(도2)를 통해 노(14) 안으로 들어와서, 연도가스와 공기를 빠르게 혼합하여, NOX의 생성이 최소화되는 고온 연소구역을 이 구역의 환원조건(SR2=0.85~0.99)에 의해서 이룬다. 또는, 이하에 더욱 상세히 설명하였듯이 3차공기 이외에 4차공기를 이러한 제2단계의 연소에 사용해도 좋다. 연소생성물(38)의 제트효과를 임의의 점도범위내에 설정하여, 제2단계 제트기류내로 노의 연도가스를 재순환시킨다. 점도는 노의 구조 및 노의 버너의 수에 따라 변할 수 있다. 이 효과에 의해서, 제2단계에 도입된 예열된 대기공기는 저감된다. 노의 상부로부터 아래로 끌어 내려진 재순환된 연도가스 중의 산화되어진 대기인 산소는 약 0.85~0.99의 소정의 SR을 유지하는 데에 필요한 잔류 산소를 이룬다.
제2단계의 부분산화(31)로부터 얻어진 가스상 배연은 노(14)의 복사부분을 통하여 떠오르고, 노의 수벽(36)으로의 복사열 및 대류열 전달에 의해 2400°~2700℉의 온도가지 냉각되고, 여기서 상기 가스는 약 0.25~0.50초 이상을 감압조건에서 유지된다. 이점에서, 가연소공기(OFA)를 제3단계의 연소기술을 이루는 입구(32)에서 노로 도입하여, 연소공정을 완료하고, 공기를 가하여, 이 구역에서의 양론비가 약 1.05~1.25(SR3)의 초과공기조건이 되게 한다. OFA분사는 공기와 노의 가스의 밀접하고 빠른 혼합을 제공하여, 제2단계의 가스기류 중의 배연성분의 완전연소를 제공하는 것이면 어느 시판의 디자인을 통해서 이루어도 좋다.
도2에 나타낸 제2단계 연소기술은 제1단계 연소기(10)를 빠져 나가는 내부 고온 연도가스 파이프(29)를 둘러 싼 원추형 출구(34)를 보유한 동심파이프 원환부(33)를 통해 3차 공기가 도입되도록 설계되어 있다. 노(14)안의 3차공기 파이프벽(37)으로부터 측정된 원추각(35)은 25°~ 50°의 범위인 것이 바람직하고, 고온 연도가스(연도가스 파이프(29)를 통해 흐름)와 부분산화공기(3차공기원환부(33)를 통해 흐름)의 빠른 플러그흐름혼합을 제공하기 위한 방식으로 설계된다. 공기속도는 제2단계에서의 총 SR이 0.85~0.99(SR2)가 되도록 조절된다. 도3에 나타낸 또 다른 제2단계 연소기술은 3차공기 및 4차공기 모두를 도입하도록 설계되어 있다. 본 실시예에 있어서는 3개의 대안적 접근을 사용해도 좋다. 첫번째 접근은, 도3a에 나타내듯이, 내부 연도가스 파이프(29)를 둘러싼 원추형 출구(44)를 보유한 3차공기 파이프벽(42)으로 이루어진 원환부(40)를 통하여 3차공기를 도입하는 것이다. 3차공기 파이프벽(42)으로부터 측정된 원추각(46)은 25°~ 50°의 범위인 것이 바람직하고, 고온 연도가스와 연소가스의 빠른 플러그흐름혼합을 제공하기 위한 방식으로 설계되어야 한다. 4차공기는 3차공기파이프(42)를 둘러싼 동심파이프(50)의 원환부(48)를 통해 가해지고, 공기가 플러그흐름하는 내부각형배플(52)을 포함하는 것이 바람직하다. 4차공기 플러그흐름은 총 화염길이를 짧게 또는 길게 조절할 수 있도록 설계되어 있고, 화염의 길이를 줄여서 플러그흐름을 더 시키고, 화염길이를 연장하여 플러그흐름을 덜 시킨다. 전체 공기속도는 제2단계에서의 전체 SR이 대략 0.85~0.99(SR2)의 범위가 되도록 조절된다.
두번째 접근은 도3b에 나타내듯이, 내부연도가스파이프(29)를 둘러싼 2개의 동신파이프 원환부(54, 56)를 통하여 3차공기 및 4차공기를 도입하는 것이며, 이들 원환부중 하나 또는 두개 모두 공기플러그흐름을 제공하는 조절가능한 내부각형배플(58, 60)을 각각 포함하는 것이 바람직하다. 3차공기는 제2단계의 부분산화 유니트(10)에 존재하고, 노 유입구(12)에서 끝나는 내부고온가스파이프(29)를 둘러싼동심파이프(43)의 원환부(54)를 통해서 가해진다. 4차공기는 3차공기파이프(43)를 둘러싼 동심파이프(64)의 원환부(56)를 통하여 가해진다. 이들 두 구역사이의 상대 공기속도 및 공기플러그흐름강도를 변화시킴으로써, 화염은 그것의 복사열이 소실된 더 저온의 긴 화염을 제공하는 형태이어도 좋다. 필요에 따라서, 제2단계 유입구의 이러한 형태는 과연소공기시스템을 사용하지 않고 NOX배출을 저감시키는 경우에 효과적으로 사용되지만, 일반적으로 OFA시스템을 사용했을 경우보다는 저감되지 않는다. 전체 공기속도는 제2단계에서의 총 양론비가 0.85~0.99(SR2)가 되도록 조절된다. 필요에 따라서, 이 단계에 증기 또는 물을 더 가해도 좋다.
세번째 접근은 도3(c)에 나타내듯이, 3차공기가, 부분산화 유니트(10)로부터 시작하여 노유입구(12)에서 끝나는 내부 고온 연도가스 파이프(29)를 둘러싼 동심파이프(68)의 1개의 동심파이프 원환부(66)를 통해서 도입되는 것이다. 3차공기는 공기플러그흐름(67)을 제공하도록 설계된다. 전체 공기속도는 제2단계에서의 총 SR이 약 0.85~0.99(SR2)의 범위가 되도록 조절된다. 제3단계 연소기술(과연소공기)(32)는 제2단계로부터의 연도가스(31)가 2300°~ 2700℉의 범위까지 냉각된 후에 완료된다.
1차원화염(ODF) 반응속도모델을 사용하여 3단계 미분탄 연소기술을 평가하였다. ODF모델은 연소시스템을 1차원반응기 시리즈로 처리하였다. 각각의 반응기는 완전하게 혼합되어 있어도(잘 교반됨) 또는 미혼합(플러그흐름)되어 있어도 좋다. 또한, 각각의 ODF 반응기는 온도 또는 열유속의 단열, 등온 또는 특정 프로파일및/또는 압력 등의 다양한 열역학적 특성이 할당되어 있어도 좋다. 또한, 공정흐름은 반응기 길이에 따라 임의의 혼합프로파일을 가진 플러그흐름반응기의 임의의 간격을 두고 추가되어도 좋다. 입력데이터로는 초기 종농도 및 상태, 각각의 반응기에 대한 설명 및 상태, 화학종 및 속도파라미터를 포함한 반응메카니즘, 및 모델조절 파라미터가 있다. 분리입력파일은 화학종에 대한 열역학적 특성 데이터베이스를 제공한다. 출력데이터는 연쇄반응기에 따라 특정 위치에서의 농도프로파일을 포함한다. 각각의 반응기 내의 화학적 성질을 실험결과와 비교함으로써 입증된 실험논문의 데이터에 근거하여 상세한 반응메카니즘을 이용하여 평가한다. 상세한 반응메카니즘의 해석은 다수의 연결방정식의 시스템에 적용가능한 음적인 해석 알고리즘을 사용한다. 특수 부모델은 미분탄연소 및 가스상 복사 현상을 고려한다. ODF모델은 일부 소스로부터 실험데이터를 대조확인한다. 그러므로, 본 발명의 3단계 연소기술을 평가에 사용된다.
분석된 3단계 연소기술에 있어서, 석탄과 흡수제(선택적으로 증기) 혼합물을 약 0.60(SR1)의 양론비 및 설정 초기온도(2600℉~3000℉)에서 제1플러그흐름 반응기에 먼저 도입하였다. SR 0.60의 플러그흐름을 제1단계에 사용하여, 산화질소 전구체, 구체적으로 시안화수소 및 암모니아의 형성을 저감시키기 위한 환원조건하에서, 편재화염온도를 증가시켰다(도4 참조). 체류시간 약 0.20초 후, 제2단계를 공기의 첨가와 함께 개시하고, 제2단계의 양론비가 약 0.88~0.96(SR2)가 되게 하였다. 제2단계의 체류시간을 전기이용보일러의 노에 적용하기에 적당한 시간이라고 생각되는 0.5초로 설정하였다. 제2단계 화염온도 및 연도가스/공기 혼합시간은 최종 NOX배출에 가장 극적인 효과를 미친다. 제2단계 화염온도가 낮을 수록, 생성되는 NOX의 양도 적다. 주로 증기분사가 없는 것과 비교해서 증기분사가 있는 것에서 낮은 화염온도에 기인하여 NOX가 적게 생성된다. 모든 다른 파라미터는 같고, 증기분사에 의해서, 제1단계 화염온도는 증기분사를 하지 않은 것에 비해서 60℉까지 감소된다. 그러므로, 제2단계 연소에 앞서 제2단계 용기내의 연도가스를 증기로 또는 더 많은 열제거로 냉각시키는 것이 저NOX배출에 유리하다고 생각된다. 이상적 연소온도에 기초하여, 약 0.30Ib증기/Ib석탄으 속도로의 증기첨가 그자체는 증기분사를 하지 않고 3단계의 연소를 실시한 것과 비교하여 10% 정도의 NOX배출을 저감시켰다.
또한, 제2단계에서의 연도가스/공기를 혼합하는 체류시간일 길수록, 편재화염온도는 낮아지므로, 최종적으로 저NOX방출이 된다. 제2단계의 NOX저감 열화학적 평형을 도5에 나타낸다. 0.5초 동안의 제2단계 환원조건을 유지한 후, 3단계 양론비가 약 1.14(SR3)가 되도록 과연소공기(OFA)를 첨가하여. 산소농도가 3.2%이 되게 한다. 또한, 냉각(과열/재열)통로가 상부 노로 들어가기 전에 이 구역을 0.5초의 체류시간동안 고정시켰다. 제2단계 연도가스가 냉각되어진 후 공기가 첨가되기 때문에, OFA 연소구역에서의 화염온도는 상당히 낮다(2400°~ 2700℉). 도6에 나타내었듯이, 고온 NOX생성은 저온도에서는 거의 발생하지 않는다. 예컨대, 2400℉에서의 고온 NOX생성반응(N2+ O2→2NO)에 대한 평형계수는 2700℉에서의 평형상수의 1/10보다 작다.
실험데이터에 기초하여, 제2단계 및 제3단계의 혼합시간은 0.07초의 값을 갖는다고 가정된다. 상기 단계는 가해지는 열수축에 의한 화염반사 및 분리손실을 고려하여 운전되어, 향상되는 질량과 에너지균형을 맞추었다.
OFA 분사시점부터 노의 과열/재열 영역에 들어갈때 까지의 연도가스는 약 0.25초 이상, 바람직하게는 0.50초 이상의 체류시간을 가져야 한다.
표1은 증기를 사용하여 운전할 경우 및 증기를 사용하지 않고 운전했을 경우의 각종 제2단계 양론비(SR2)에 대한 방출된 총 NOX배출을 나타낸다. 알 수 있듯이, 약 0.88~0.99의 범위의 양론비에서 제2단계 운전함으로써, 제3단계 연소기술은 약 0.15Ib/millon Btu 이하의 NOX를 배출할 수 있다. 저 양론비에서, 0.067~0.088Ib/millon Btu 만큼이나 낮은 NOX배출이 방출된다. 이 데이터는 한층 더 NOX를 저감시킬 수 있는 FGR현상을 고려하지 않았다.
3단계 탄소연소
1단계에 증기첨가*SR1=0.60 및 0.2초. 체류시간SR2=0.89-0.95 및 0.5초. 체류시간SR3=1.14 및 0.5초. 체류시간 1단계에 증기첨가하지 않음*SR1=0.60 및 0.2초. 체류시간SR2=0.88-0.96 및 0.5초. 체류시간SR3=1.14 및 0.5초. 체류시간
총 NO2배출ppmvdSR2(@3%O2) Ib/106Btu0.89 46 0.0670.93 61 0.0880.95 75 0.109* 0.30 Ib증기/Ib석탄연소 총 NO2배출ppmvdSR2(@3%O2) Ib/106Btu0.88 61 0.0880.91 86 0.1200.93 113 0.1570.96 175 0.244
사이클론연소 보일러를 제외한 스토카연소(stoker-fired), 벽면연소(wall-fired) 및 코너연소 보일러는 본 발명의 3단계 산화기술을 수행하기 위해서는 제1단계 부분산화 유니트의 첨가가 필요하다. 도7에 나타내었듯이, 사이클론연소 유니트(70)에 존재하는 연소기 배럴은 본 발명의 부분산화의 제2단계 조건하에서 운전하도록 별형될 수 있다. 종래의 제2단계 연소시스템과 시클론연소 유니트(70)의 차이는 제2단계 연소시스템은 미분탄(일반적으로 70% -200메시)을 연소시키고, 사이클론유니트는 최하위탄(ground coal)(일반적으로 -1/4"사이즈)을 연소시킨다는 것이다.
최근, 임의의 전기설비는 그들의 사이클론 유니트에 과연소공기(74)를 가하여, 사이클론배럴(76)은 약간의 환원조건(SR=0.90~0.95) 하에서 운전될 수 있다. 그 결과 NOX가 60%까지 저감된다. 상기 배럴(76)에서 종래의 초과공기 조건하에서 운전하는 사이클론은 통상 1.0~2.0Ib NOX/106Btu의 범위의 일반적으로 높은 NOX배출 유니트이다. 과연소공기(74) 성능을 이미 가진 사이클론유니트(70)를 위한 3단계기술을 수행하기 위해서는 가해진 예열공기(78)는 배럴(76)로부터 고온가스(91)가 본노로 들어가는 재유입 스로트에 가해진다. 제1단계 유니트인 사이클론 배럴(76)은, 종래 제2단계 연소유니트(대략 0.50~0.70의 SR)에서 설명된, 라인(87)(제1 공기), 라인(88)(제2 공기), 및 라인(89)(제3 공기)를 통해 예열공기(80,78)를 배럴내로 가하는 양론적인 공기:연료 조건하에서 운전된다. 예열공기(78)가 배럴 재유입 스로트 위치(82)에 가해져 노의 저부(84)내의 SR을 대략 0.85~0.99로 상승시킨다. 이 제2단계 공기는, 배럴(76)로부터의 제1단계 연도가스(91)가 노로 들어가는 재유입 스로트(90)의 주변이나, 재유입 스로트로서 동일 노벽(furnace wall)상에 또는 노의 양 측벽이나 측벽들 또는 이들이 조합된 것 상에 재유입 스로트 구멍의 상부 및/또는 하부(83)로 도입될 수 있다. 제2단계 공기가 어디에 위치하던지 인시추 노 연도가스 재순환을 화살표 방향 93 및/또는 92로 나타낸 바와 같이 수행할 수 있다. 과연소공기(74)를 노의 상부(86)에 가하여 연소처리를 종료하는 바, 일반적으로 이점에서의 SR을 약 1.10~1.20까지 상승시키켜 적당한 탄소의 완전연소를 제공한다.
현존하는 모든 사이클론연소 유니트에 3단계 기술을 수행하기 위해 필요한 변경은 다음과 같은 것을 열거할 수 있다: 1)보일러 튜브벽 관통재, 공기덕트, 및 보일러 튜브벽 재유입 스로트 위치(82)에서의 연소 제2단계에 공기를 공급하는 분사기; 2)슬래그가 노의 바닥부로부터 쉽게 떨어지도록 용융 애시 점도를 저감시키도록(바림직하게는 대략 10포이즈의 점도), 석회암의 확실한 첨가; 3)스터드된 배럴 수벽상에 존재하는 내화층을 환원대기조건 하에서 내화성이 보다 우수한 것으로의 대체 가능성; 4)노의 상부(86)에 공기를 공급하는 덕트 및 과열공기(74) 분사기의 추가(없는 경우)
연도가스 재순환시스템(FGR)이 장착되어 있는 사이클론연소유니트에 있어서, 이 연도가스는 재유입 스로트위치 바로 상부의 노에 분사되고, 튜브벽 관통재를 설치할 필요가 없게 하기 위해서는 제2단계 공기첨가를 위한 현존하는 FGR포트를 사용할 수 있다.
또한, 필요에 따라 저휘발성 유연탄, 무연탄 또는 석유코크 등의 반응성이 낮은 연료에 대해서는, 증기 및/또는 물첨가 기술이 이들 변형 사이클론유니트에 적용되어, 탄소완전연소를 증가될 수 있다. 고온(예컨대, 2600℉)에서 탄소-산소반응과 동일한 반응속도를 가지는 탄소-물반응(C + H2O →CO + H2)을 통해 달성된다. 증기 및/물 분사는 석탄의 가스화산업에서 10년 간 실용되어 온 입증된 기술이다.
본 발명의 구체예를 상세히 설명하였지만, 본 공보의 전체 내용을 고려하여 각종 변형과 수정이 당업자에 의해서 가해질 수 있다. 예컨대, 무연탄, 유연탄, 아역청탄 및 갈탄; 타르 및 그 에멀젼; 비투맨 및 그 에멀젼; 석유코크, 석유 및 그 에멀젼; 및 석탄의 물 및/또는 기름 슬러리, 종이분쇄슬러지 고형분, 하수슬러지 고형분으로 이루어진 군 중 1종 이상을 함유하고, 이 군 중의 모든 연료의 배합물 및 그 혼합물 등의 탄소질연료의 어느 한 종을 사용할 수 있다. 따라서, 개시된 특정 장치는 설명만을 위한 것이고, 첨부된 청구항 및 그것에 상당하는 모든 것의 전체 범위에 나타나 있는 본 발명의 내용을 이탈하지 않는 것이다.

Claims (49)

  1. 탄소질연료의 연소시 형성되는 산화질소(NOX) 배출을 저감시키는 방법으로서,
    a) 질소가 결합된 연료를 함유하는 탄소질연료를 제1단계 부분산화 유니트에 도입하는 단계로서, 1차 캐리어공기 및 예열된 2차공기를 첨가하여 상기 탄소질연료와 혼합하여 연도가스를 생성하는 단계;
    b) 상기 연도가스를 부분산화의 제2단계에 도입하고, 예열된 3차공기를 상기 연도가스에 도입하여 인시추 노 연도가스 재순환을 이루는 단계;
    c) 상기 연도가스 및 예열된 3차공기를 보일러노에 도입하여 상기 보일러노의 복사구간을 통해 흐르게 하여 미소환원연도가스를 생성하는 단계; 및
    d) 상기 연도가스를 예열된 과연소공기를 보일러노에 도입하는 산화의 제3단계에 도입하여 연소공정이 실질적으로 완료되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 무연탄, 유연탄, 아역청탄 및 갈탄; 타르 및 그 에멀젼; 비투맨 및 그 에멀젼; 석유코크, 석유 및 그 에멀젼; 및 석탄의 물 및/또는 기름 슬러리, 종이분쇄슬러지 고형분, 하수슬러지 고형분으로 이루어진 군: 및 이 군 중의 모든 연료의 배합물 및 그 혼합물 범위내의 탄소질연료를 함유하는 것을 특징으로하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 1차 캐리어공기 및 예열된 2차공기는 약 0.50~0.70의 연료에 대한 공기의 양론비로 운전하는 제1단계 부분산화 유니트에 가해지는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 탄소질연료와 함께, 석회, 소석회, 석회암, 백운석, 나아콜라이트, 트로나 및 가성칼리로 이루어진 군에서의 알칼리 또는 그 알칼리들의 배합물을 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 탄소질연료와 함께, 증기 또는 물을 연료에 대한 증기 또는 물의 중량비가 0.1~0.3이 되도록 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1단계 부분산화 연도가스는 제1단계 산화유니트에서약 0.1~0.3초의 체류시간을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 제1단계의 부분산화 유니트에서의 연도가스로부터 용융 슬래그를 분리하여 물담금질시스템을 사용하여 고형애시입자를 형성하고, 상기 제1단계 부분산화 유니트로부터의 연도가스를 파이프를 통해 보일러노로 내보내는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 예열된 2차공기는 약 400℉~700℉의 범위내의 온도에서 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 연도가스 및 상기 3차공기는 상기 노에 들어오는 중앙 제1단계 연도가스 파이프의 출구에 대해 안쪽으로 원추형을 이루고, 그 실린더벽의 축평면으로부터의 원추각이 약 25°~ 50°의 범위내에 있는 외측 원환부내의 동심파이프를 통한 예열된 공기의 도입을 통하여 플러그흐름방식으로 혼합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 예열된 3차공기는 제2단계 산화에서의 총 연료에 대한 공기의 양론비가 약 0.85~0.99가 되게 하는 속도로 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 연도가스는 예열된 3차공기 및 예열된 4차공기와 혼합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 예열된 3차공기 및 예열된 4차공기는 제2단계 산화에서의 총 연료에 대한 공기의 양론비가 약 0.85~0.99가 되게 하는 속도로 첨가하는것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 방법은, 사이클론 배럴 재유입 스로트 위치에서 상기 사이클론연소 노로 공기유입한 다음 노의 상부에 과연소공기주입하여 연소공정을 완료하는 예열공기시스템을 추가함으로써 3단계 연소기 모드로 운전하도록 변형된 초과공기 사이클론연소노에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 예열된 3차공기는 제1단계의 부분산화로부터 내부 연도가스파이프를 둘러싼 동심실린더를 통해 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 동심실린더의 출구는 상기 제1단계 연도가스 파이프를 향하여 안쪽으로 각이지고 그 실린더벽의 축평면으로부터의 원추각이 약 25°~ 50°의 범위내에 있는 원추형 구멍을 갖는 것을 특징으로 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 실린더는 조절가능한 내부각형배플을 포함하여 공기플러그흐름을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 예열된 4차공기는 3차공기 파이프를 둘러싼 동심실린더를 통해 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 실린더는 조절가능한 내부각형배플을 포함하여 공기플러그흐름을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제14항에 있어서, 상기 제1단계 연도가스 및 3차공기의 속도는 특정 보일러노 디자인에 대해서는 소정의 인시추 노 연도가스 재순환 속도가 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제14항 또는 제17항에 있어서, 상기 제1단계 연도가스, 3차공기 및 4차공기의 속도는 특정 보일러노 디자인에 대해서는 소정의 인시추 노 연도가스 재순환 속도가 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제1항에 있어서, 상기 부분산화의 제2단계로부터의 연도가스를 약 2400°~ 2700℉의 온도로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제1항에 있어서, 상기 부분산화의 제2단계로부터의 연도가스를 대기환원조건에서 0.25초~0.5초 이상 유지시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제1항에 있어서, 상기 부분산화의 제2단계로부터의 연도가스를 대기환원조건에서 0.5초 이상 유지시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제1항에 있어서, 산화의 제3단계에서의 예열공기는 냉각된 노의 연도가스로 도입되어, 연소공정이 완료되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제1항에 있어서, 상기 연도가스는 환원연도가스인 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 산화의 제3단계에서의 예열공기는 연료에 대한 공기의 양론비가 약 1.05~1.30이 되도록 냉각노의 환원연도가스에 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제25항에 있어서, 산화의 제3단계에서의 예열공기는 임의의 과연소공기 노분사기술을 사용하여 환원연도가스가 약 2400~2700℉의 온도로 냉각되어지는 점에서 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제4항에 있어서, 상기 알칼리 또는 알칼리 배합물을 첨가하는 단계는 상기 제1단계 부분산화 유니트에 분사된 1차공기 캐리어 및/또는 예열된 2차공기에 상기 알칼리 또는 알칼리 배합물을 첨가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 탄소질연료의 연소시 형성되는 산화질소(NOX) 배출을 저감시키는 방법으로서,
    a) 질소가 결합된 연료를 함유하는 탄소질연료를 제1단계 부분산화 유니트에 도입하는 단계로서, 1차 캐리어공기 및 예열된 제2공기를 첨가하여 상기 탄소질연료와 혼합하여 연도가스를 생성하는 단계;
    b) 상기 연도가스를 부분산화의 제2단계에 도입하고, 예열된 3차공기를 상기 연도가스에 도입하는 단계;
    c) 상기 연도가스 및 예열된 3차공기를 보일러노에 도입하여 상기 보일러노의 복사구간을 통해 흐르게 하여 연도가스를 생성하는 단계; 및
    d) 상기 연도가스를 예열된 과연소공기를 보일러노에 도입하는 산화의 제3단계에 도입하여 연소공정이 실질적으로 완료되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 1차 캐리어공기 및 예열된 2차공기는 약 0.50~0.70의 연료에 대한 공기의 양론비로 운전하는 제1단계 부분산화 유니트에 가해지는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 탄소질연료와 함께, 석회, 소석회, 석회암, 백운석, 나아콜라이트, 트로나 및 가성칼리로 이루어진 군에서의 알칼리 또는 그 알칼리들의 배합물을 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제30항에 있어서, 상기 탄소질연료와 함께, 증기 또는 물을 연료에 대한 증기 또는 물의 중량비가 0.1~0.3이 되도록 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제32항에 있어서, 상기 제1단계 부분산화 연도가스는 제1단계 산화유니트에서약 0.1~0.3초의 체류시간을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 예열된 2차공기는 약 400℉~700℉의 온도로 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제29항에 있어서, 상기 연도가스는 약 35~70ft/초의 속도로 부분산화의 제2단계에 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제34항에 있어서, 상기 연도가스 및 3차공기는 상기 노에 들어오는 중앙 제1단계 연도가스 파이프의 출구에 대해 안쪽으로 원추형을 이루고, 그 실린더벽의 축평면으로부터의 원추각이 약 25°~ 50°의 범위내에 있는 외측 원환부내의 동심파이프를 통한 예열된 공기의 도입을 통하여 플러그흐름방식으로 혼합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제35항에 있어서, 상기 연도가스로의 상기 예열된 3차공기의 유입속도는 약 50~100ft/초의 범위내인 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 제36항에 있어서, 상기 예열된 3차공기는 총 연료에 대한 공기의 양론비가 약 0.85~0.99가 되게 하는 속도로 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  39. 제29항에 있어서, 상기 연도가스는 예열된 3차공기 및 예열된 4차공기 모두와 혼합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  40. 제29항에 있어서, 상기 방법은, 사이클론 배럴 재유입 스로트 위치에서 상기 사이클론연소 노로 공기유입한 다음 노의 상부에 과연소공기주입하여 연소공정을 완료하는 예열공기시스템을 추가함으로써 3단계 연소기 모드로 운전하도록 변형된 초과공기 사이클론연소노에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  41. 제39항에 있어서, 상기 예열된 3차공기는 내부 연도가스파이프를 둘러싼 동심실린더를 통해 부분산화의 제1단계로부터 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  42. 제41항에 있어서, 상기 동심실린더를 통과하는 상기 3차공기의 속도는 20~50ft/초의 범위내인 것을 특징으로 하는 방법.
  43. 제41항에 있어서, 상기 예열된 4차공기는 3차공기 파이프를 둘러싼 동심실린더를 통해 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  44. 제43항에 있어서, 상기 동심실린더를 통과하는 상기 4차공기의 속도는 75~125ft/초의 범위내인 것을 특징으로 하는 방법.
  45. 제38항에 있어서, 상기 부분산화의 제2단계로부터의 연도가스를 약 2400°~ 2700℉의 온도로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  46. 제45항에 있어서, 상기 부분산화의 제2단계로부터의 연도가스를 대기환원조건에서 약 0.25초~0.5초 이상 유지시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  47. 제46항에 있어서, 산화의 제3단계에서의 예열공기는 냉각된 노의 연도가스로 도입되어 연소공정이 완료되는 것을 특징으로 하는 방법.
  48. 제47항에 있어서, 산화의 제3단계에서의 예열공기는 연료에 대한 공기의 양론비가 약 1.05~1.30이 되도록 냉각노의 환원연도가스에 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  49. 제48항에 있어서, 산화의 제3단계에서의 예열공기는 임의의 과연소공기 노분사기술을 사용하여, 환원연도가스가 약 2400~2700℉의 온도로 냉각되어지는 점에서 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
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