KR20000011104A - 연도 가스 내의 nox함량을 최소화시키는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소 생성물이 노(1)의 연소실(2)에서 연소되고 생성된 연도 가스(12)가 연소 영역(2) 상부의 자유 공간(4)를 통해 배출되는 슬러지, 폐기물 또는 석탄용 연소 노(1)를 작동하는 방법에 관한 것이다. 난류 이동이 실질적으로 연소 영역(2) 내의 난류를 증가시키지 않고 자유 공간(4)의 연도 가스로 분배된다. 본 발명의 방법은 연도 가스의 NO_X함량을 비교적 단순한 방법으로 추가로 감소시키는 장점을 갖는다. 약 100㎎/㎥의 수치가 다량의 산업 슬러지의 연소 설비에서 달성될 수 있다.

Description

연도 가스 내의 ＮＯｘ함량을 최소화시키는 방법

본 발명은 연소 물질이 노(furnace)의 연소 영역에서 연소되고 생성된 연도 가스가 연소 영역 상부의 자유 공간(free space)을 통해 배출되는, 오물 슬러지, 폐기물 또는 석탄과 같은 연소 물질용 연소 노를 작동하는 방법에 관한 것이다.

본 명세서에서 자유 공간은 연소가 매우 감소되는 공간이다. 이 공간에서 연도 가스와 분진, 연소후 소량의 CO 및 유기 탄소로 분리되며, 또한 이 공간을 안정(calming) 공간이라고 칭한다. 상기 언급한 유형의 방법은, 예를 들면 독일 특허 공개 공보 제3703568 A1호에 기술되어 있다. 이 공개공보에는, 예를 들면 오물 슬러지가 유동층(fluidized-bed) 노의 연소 영역에 위치하는 유동층에서 연소되는 유동층 노를 작동하는 방법을 기술한다. 상기 방법에서, 유동층은 사용되는 공기를 연소 공기와 연도 가스의 혼합믈 형태로 유동시킴으로서 제조되는데, 연도 가스는 온도 및 속도 조절하에서 연소 공기와 혼합된다. 이 방법에 의해, 연도 가스 내의 NO_X농도를 감소시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고 NO_X의 잔사가 연도 가스에 남아 있게 되므로, 환경 보호, 특히 공기 오염을 피한다는 관점에서 NO_X방출을 추가로 감소시키도록 요구되고 있다.

그러므로, 본 발명의 목적은 연도 가스 내의 NO_X함량을 추가로 감소시키는 것이다.

이제, 놀랍게도 연도 가스가 연소 영역 상부의 자유 공간에서 난류 이동(turbulent motion)으로 조절되는 경우, 실질적으로 연소 영역에서 난류를 증가시키지 않으면서, 연소 설비의 거동을 불리하게 변화시키지 않고서도 NO_X함량을 추가로 감소시킬 수 있는 오물 슬러지 연소 설비의 작동을 밝혀내었다. 연소 영역 상부의 자유 공간에서의 연도 가스가 일반적으로 층류를 유지해야 하므로, 가능한 한 적게 거친 분진 입자 또는 매연 입자를 연소 영역으로부터 함께 배출시킨다는 것은 더욱 놀라운 일이다.

그러므로, 본 발명의 목적은 연도 가스를 자유 공간 내에서 난류 이동으로 조절하여 실질적으로 연소 영역에서의 난류를 증가시키지 않음을 포함하는, 상기 언급한 유형의 방법에 의해 수득된다.

따라서, 본 발명은 연도 가스를 자유 공간 내에서 난류 이동으로 조절하여 실질적으로 연소 영역 내의 난류를 증가시키지 않음을 포함하여, 연소 물질이 노의 연소 영역 내에서 연소되고 생성된 연도 가스가 연소 영역 상부에 위치하는 자유 공간을 통해 배출되는, 오물 슬러지, 폐기물 또는 석탄과 같은 연소 물질용 연소 노를 작동하는 방법에 관한 것이다.

연소 자체는 제DE 3703568호에 따르는 1 단계 또는 2 단계로 진행할 수 있다. 사용될 수 있는 연소 노는 특히, 연소 영역 내에 유동층을 갖는 유동층 노, 다중-화상 노(multiple-hearth furnace), 또는 화상-연소 노(grate-fired furnace)이다. 방법은 오물 슬러지의 단백질 함량으로 인해 비교적 다량의 NO_X가 연소될 것으로 기대되므로 바람직하게는 오물 슬러지를 연소하는데 적합하다. 연도 가스의 난류 이동은 기체, 바람직하게는 불활성 기체 또는 영족 기체(noble gas)를 주입시킴에 의해, 특히 바람직하게는 스팀 또는 질소를 주입시킴에 의해 용이하게 생성시킨다. 그러나 액체 또는 고체 또한, 주입용으로 적합하다. 주입을 유리하게는 연소 영역 상부의 자유 공간으로, 연소 영역 또는 유동층 내의 난류가 실질적으로 증가하지 않도록, 바람직하게는 증가하지 않도록 하는 방식으로 수행한다. 이 방법은 특히, 5㎡, 바람직하게는 40㎡, 특히 바람직하게는 100㎡, 및 매우 특히 바람직하게는 200㎡ 이상의 연소 영역면적을 갖는 연소 노에 적합하다.

본 발명은 또한 연소 영역 및 연소 영역 상부의 자유 공간을 가지며, 연도 가스가 자유 공간 내에서 난류 이동으로 조절될 수 있어 실질적으로 연소 영역 내에 난류를 증가시키지 않도록 하는 수단인 연소 노에 관한 것이다. 이는 유동층 상부의 자유 공간에서 노즐 및/또는 배플(baffle)을 갖는 유동층 노일 수 있다. 적합한 배플은, 예를 들면 가이드 판이다. 그러나 스팀 형성을 위해 설치되는 튜브도 적합하다.

본 발명에 따르는 방법은 실질적으로 하기 잇점을 제공한다.

상대적으로 단순한 측정에 의한 NO_X의 최소화. 2 단계 연소와 함께, SNCR 또는 SCR(selective (non-)catalytic reduction) 방법에 의한 2차 측정 불필요. 연소시 형성된 CO는 환원제로서 작용할 수 있고, 이러한 이유로 유동층에서 CO 형성을 감소시키지 않아도 됨. SNCR 또는 SCR 방법에서는, 환원제가 추가로 가해짐.

SNCR 또는 SCR 방법에서 단점의 제거: 특히, NH₃의 슬립(slip), 설비의 부식 및 연도 가스의 재가열(SCR 방법).

환원제 절약으로 인한 작동 경비의 절감.

또한, 연도 가스에서 NO_X및 유기 C 부하량의 감소.

날리는 회분의 연소 효율성의 개선.

유동층 노의 개선된 조절 거동에 의한 연소 조건의 항상성의 증가.

고압 스팀 분사(예: 가열 오일의 주입) 방법 및, 연도 가스 내로 스팀 주입이 연도 가스 내로 분산될 매질의 분사 기능만을 수행하는 일부 SNCR 방법에 비해, 본 발명에 따르는 방법에서는 순수 스팀이 주입되어 연도 가스의 난류를 증가시키고, 이에 의해 연도 가스의 교차 혼합도 개선된다.

본 발명에 따르는 방법은, 또한 2000kJ, 또한 1000kJ 및 심지어 500kJ/(연료 kg) 미만의 낮은 열 방출량을 갖는 연소 노에 적합하다.

본 발명에 따르는 측정 작용은 하기로 설명될 것으로 추정된다.

오물 슬러지에 존재하는 질소는, 필수적으로 유동층에서 NH₃, N₂및 소량의 NO_X연료로 전환된다. 총 질소중의 NO₂비율은 약 5%이다. 오물 슬러지 연소 동안 O₂공급을 최소화시킴으로써, 연료 NO 형성은 실질적으로 억제되나, CO 형성은 촉진된다.

유동층 상부의 자유 공간에서, 오물 슬러지 연소에서 형성된 NO_X는 회분의 촉매적 작용과 함께 C, CO 및 NH₃의 존재에 의해 N₂로 환원되리라 추정된다. 그러므로, NO_X의 환원은 하기 측정에 의해 개선될 수 있다.

- 연도 가스 내의 환원제 농도의 증가(예: CO 농도의 증가)

- 체류 시간의 증가

- 난류 및 반응 속도의 개선

유동층 상부의 자유 공간으로의 스팀의 주입은 개선된 난류 및 교차 혼합의 결과, 연도 가스 내에 자연스럽게 농도 구배 및 온도 구배를 유도한다고 추정된다. 이는 NO_X에서 N₂로의 환원을 매우 개선시킨다. 주입하지 않는 경우, 연소 영역 상부의 자유 공간은 층류 상태가 존재하여, 이로써 NO_X의 환원이 덜 완전하게 진행된다. 유동층으로 주입되는 경우, 이러한 방법 또는 이외의 방법으로 인해 유동층 내에서 난류 및 연소가 증가하고, 자유 공간 내의 NO_X의 환원을 강화하는 CO의 양은 유동층에서 더 적게 형성된다.

본 발명에 따르는 방법 및 본 발명에 따르는 유동층 노는 도 1을 참조로 하여 예시적 양태로 하기에서 더욱 상세하게 기술될 것이다. 이에 의해 본 발명이 어떠한 방식으로든 제한되도록 의도된 것은 아니다.

유동층 노(1)는, 유동층(11)이 위치하고 산업 오물 슬러지(3)이 연소되는 연소 영역(2)을 갖는, 2 단계로 고안하였다. 유동층(11)을 함유하는 연소 영역(2)는 기체-구획 판(9) 상부에 위치하고, 이를 경유하여 연소 공기(7)을 미제시한 공기 분산기 장치를 통해 유동층(11)로 도입시킨다. 이때, 제1 연소 단계에서, 오물 슬러지(3)은 유동층(11) 내에서 연소 공기 7(1차 공기)내의 O₂함량 약 1 용적%에서 연소되어 연료 NO_X형성을 감소시킨다. 생성된 연도 가스(12)는 유동층 상부의 자유 공간(4)를 지나 자유 공간(4)를 통해 배출되어, 제2 연소 단계로 옮겨간다. 제2 연소 단계의 반응후 영역(6)에서, 환원 연소 조건에 의해 형성된 CO는 2차 공기(8)로 공급함으로써 CO₂로 재 연소된다(반응후 영역(6)에서 O₂함량 > 6 용적%). 스팀(10)의 본 발명에 따른 주입은 하나 이상의 노즐(5)를 통해 직접 자유 공간(4)내로 수행된다. 유동층(11)의 난류는 이 주입에 의해 영향을 받지 않거나 약간 영향을 받는다.

오물 슬러지(3)은 바람직하게는 오물 슬러지(3)이 유동층(11)로 적가되는 동안 뜨거운 연도 가스(4)에 의해 추가로 건조되도록 보장하는 높이의 상부로 부터 공급된다.

하기 기술된 설비 실험은 이로운 작용을 증명한다.

도 1에 따르는 공업적 대량 규모 설비에서, 오물 슬러지는 하기 조건하에서 연소된다.

오물 슬러지 공급 속도: 약 10 metric t/h (건조물의 40%)

연도 가스 속도: 약 45000㎥ (S.T.P)/h (습윤)

약 35000㎥ (S.T.P)/h (건조)

유동층 온도: 750-850℃

자유 공간에서의 온도: 900-1000℃

반응후 영역의 온도: 860-900℃

유동 가스 속도(1차 공기): 약 20000㎥ (S.T.P)/h

자유 공간에서의 NO_X농도: 약 3000㎎/㎥ (S.T.P)

CO 농도: 약 0.5용적%

연도 가스의 물 함량: 약 30용적%

가스-구획 판의 면적: 16.6㎡

유동층 노의 직경: 5.65m

유동층 노의 높이: 10.6m

설비 실험에서, 과열된 스팀(4.2 bar_abs)의 약 500㎥ (S.T.P)/h가 유동층 상부의 자유 공간으로 주입되고, NO_X농도는 측정 기록된다. 결과를 도 2의 그래프에 나타내었으며, 여기서 스팀 주입 전, 동안 및 후의 NO_X농도를 시간(분)에 대해 플롯팅한다. 스팀 주입 직후 NO_X농도는 약 220으로 부터 100㎎/㎥으로 떨어지고, 주입이 중단된 후 원래의 값으로 다시 증가한다. 또한, O₂농도를 도 2의 그래프에 플롯팅하였으며, 실험 동안 O₂농도는 약 0.5용적%이다.

Claims (12)

1. 연도 가스(12)가 자유 공간(4) 내에서 난류 이동으로 조절되어 실질적으로 연소 영역(2) 내의 난류를 증가시키지 않음을 포함하여, 오물 슬러지(3)가 노(1)의 연소 영역(2) 내에서 연소되고 생성된 연도 가스(12)가 연소 영역(2) 상부에 위치하는 자유 공간(4)을 통해 배출되는, 오물 슬러지(3)용 연소 노(1)의 작동 방법.
2. (삭제)
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연소가 2 단계로 수행되는 방법.
4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 연도 가스(12)의 난류 이동이, 연소 영역(2) 상부의 자유 공간(4)로 기체(10) 또는 액체 또는 고체를 주입시킴으로써 형성되는 방법.
5. 제4항에 있어서, 불활성 기체가 주입되는 방법.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 스팀 또는 질소 또는 영족 기체가 주입되는 방법.
7. 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 연소 노(1)가 연소 영역(2) 내에 유동층(11)을 갖는 유동층 노인 방법.
8. 연소 영역(2) 및 연소 영역(2) 상부의 자유 공간(4)를 갖고, 연도 가스가 자유 공간(4)에서 난류 이동으로 조절될 수 있어서 실질적으로 연소 영역 내의 난류를 증가시키지 않도록 하는 수단(5)를 갖는, 특히 제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 따르는 방법을 수행하기 위한 연소 노(1).
9. 제8항에 있어서, 연소 노(1)가 연소 영역(12) 내에 유동층(11)을 갖는 유동층 노이고, 수단(5)가 연소 영역 상부에 배열되어 자유 공간(4)로 향해 있는 기체 또는 액체용 노즐인 연소 노.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 연소 노(1)가 연소 영역(2) 아래의 가스-구획 판(9) 및 가스-구획 판(9) 아래의 공기 분산 장치를 갖는 연소 노.
11. 제8항 내지 제10항중 어느 한 항에 있어서, 배플이 연소 영역(2) 상부의 자유 공간(4)에 쌓여 있는 연소 노.
12. 제11항에 있어서, 배플이 가이드 판인 연소 노.