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KR950007381B1 - NO_x가 낮게 발생되는 고효율의 연소공정 - Google Patents

NO_x가 낮게 발생되는 고효율의 연소공정 Download PDF

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KR950007381B1
KR950007381B1 KR1019890007510A KR890007510A KR950007381B1 KR 950007381 B1 KR950007381 B1 KR 950007381B1 KR 1019890007510 A KR1019890007510 A KR 1019890007510A KR 890007510 A KR890007510 A KR 890007510A KR 950007381 B1 KR950007381 B1 KR 950007381B1
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Abstract

내용 없음.

Description

NOX가 낮게 발생되는 고효율의 연소공정
제1도는 연료가 연소영역내에서 액체 및/또는 고체로부터 휘발하고 휘발된 연료가 재순환영역에 도입되는 본 발명의 한 구현예의 단면도.
제2도는 연료가 연소영역에서 분사되고 재순환영역에 도입되는 본 발명의 또다른 구현예의 단면도.
제3도는 재순환 영역에 도입된 연료가 연소영역내에서 휘발된 연료로부터의 것이고 그리고 또 연소영역에 분사된 원료로부터의 것인 본 발명의 또다른 구현예의 단면도.
제4도는 본 발명의 실시예에 의해 얻어진 실험결과와 본 발명의 실시에 따르지 않는 과정에 의해 얻어진 결과의 그래프.
본 발명은 일반적으로 연소공정에 관한 것이고 더 상세하게는 산소 농후공기 또는 순수산소로서 연소에 관한 것이다.
연소조작을 더욱더 경제적으로 달성하는 동시에 연소공정에 의해 발생된 오염물들의 양을 감소시키는 것과 같이 가능하면 높은 효율로 연소를 수행하는 것이 바람직하다. 연소공정에 이용된 연료가 비교적 균일한 성질 및 높은 열수치(heating value)를 갖는 경우, 연소에 이용가능한 산소를 그 연료의 화학양론적 산소필요량에 맞춤으로써 효과적인 연소가 비교적 쉽게 달성될 수 있다. 그렇지만, 연료가 비교적 낮은 엔탈피(heat content) 또는 불균일하고 크게 다양한 화학양론적 산소 필량을 갖는 경우, 높은 효율로 연소를 수행하는 것은 아주 어렵다. 따라서, 본 발명의 목적은 높은 효율로 연료 및 산화제를 연소시키기 위한 공정을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 연료가 불균일한 및/또는 아주 다양한 화학양론적 산소 필요량을 갖는 경우에 조차도 높은 효율로 연료 및 산화제를 연소시키기 위한 공정을 제공하는데 있다.
공기 대신에 순수산소 또는 산소농후공기를 산화제로 사용하면 연소공정 효율이 향상될 수 있다는 것이 알려져 있다. 순수산소 또는 산소농후공기는 연소에 이용가능한 1당량의 산소에 대한 불활성 물질을 공기에 비해 아주 적게 함유하기 때문에, 순수산소 또는 산소 풍부 공기가 산화제로 이용되는 경우 이들 불활성물질을 가압, 펌핑 및 가열하는데 아주 적은 에너지가 든다. 불활성 물질들의 이와같은 비생산적 취급 및 가열의 배체는 연소공정의 효율을 상당히 향상시킨다.
순수산소 또는 산소풍부공기의 사용은 연소반응의 온도를 증가시키는 것으로 잘알려져 있다. 증가된 온도는 연소반응과정이 질소산화물(NOx)의 형성쪽으로 가게 한다. 이것은 NOx가 중요한 환경 오염물이기 때문에 바람직하지 못하다.
그러므로 본 발명의 또다른 목적은 NOx를 낮게 발생시키면서 높은 효율로 연료와 산화제, 특히 순수산소 또는 산소농후공기를 연소시키기 위한 공정을 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 목적은 산화제가 순수산소 또는 산소농후공기인 경우에 조차도 그리고 연료가 불균일한 및/또는 크게 다양한 화학양론적 산소필요량을 갖는 경우에 조차도 높은효율 및 낮은 NOx발생으로 연료 및 산화제를 연소시키기 위한 공정을 제공하는데 있다.
당업자에게 명백해질 상기의 목적 및 다른 목적들은 아래와 같은 본 발명에 의해 달성된다.
(A) 감압을 일으키기에 충분한 속도로 산화제 풍부 제트(oxidant-rich jet)내의 연료 및 산화제를 연소영역(combustion zone)에 분사시키고 그것을 그 산화제 풍부 제트에 가장 가까운 연소영역내의 강한 재순환영역(strong recirculation zone)에 분사시키고, (B) 산화제 풍부제트내의 연료 및 산화제를 연소시켜 산화제로 희석된 제트내의 연소생성물을 생성하고 ; (C) 재순환 영역내에 연료를 도입하고 그 재순환 영역내에서 연료와 연소 생성물을 혼합하고 ; (D) 연료와 연소생성물의 혼합물을 산화제 풍부제트에 흡인하고, 그리고 (E) 산화제풍부제트의 주위에 있는 확산 2차 플레임에서 결과의 희석 혼합물을 더 연소시키는 것으로 이루어진, NOx발생을 낮게하면서 높은효율로 연료 및 산화제를 연소시키기 위한 방법.
본 발명은 첨부도면을 기준으로 상세히 설명된다.
이제 제1도를 살펴보면, 바람직하게 연소영역 (1)은 실제상 제한되어있고 대기에 대하여 밀폐되어 있다.
연소영역 (1)내에 산화제 풍부제트(3)으로 연료 및 산화제(2)가 분사된다. 연료 및 산화제는 연소영역 (1)에 혼합물로 분사될 수 있거나 또는 연료 및 산화제는 연소영역 (1)에 따로따로 분사될 수 있다. 나중의 경우에 있어서 특히 바람직한 구현예는 연료 또는 산화제의 중앙흐름과 그 가까이에 있는 다른것의 환형흐름으로 이루어진다. 연료 및 산화제는 어떤 적당한 점화수단(제1도에는 도시되지 않았음)에 의해 점화된다.
연료는 어떠한 유체연료일 수 있다. 적당한 유체연료의 일반적인 예로는 최소한 하나가 연소성인 하나 또는 그 이상의 기체상 성분으로 이루어진 가스, 기체상 매체에 분산된 액체연료소적(liquid fuel droplet)그리고 기체상 매체에 분산된 고체연료소적이 있다. 적당한 유체 연료의 특정한 예로는 천연가스, 수소, 코우크스로 가스, 그리고 프로판이 있다.
산화제는 공기, 산화농후공기 또는 순수산소일 수 있다. 여기서 사용된 것으로, "순수산소"는 최소한 99.5부피%의 산소로 이루어진 산화제를 의미한다. 바람직하게, 산화제는 그렇게하는 것이 플레임의 안정성을 향상시키기 때문에 최소한 30부피%의 산소로 이루어지며 그렇지않은 경우에는 산화제풍부제트(3)의 묽은성질 때문에 불안정성을 겪을 수 있다. 가장 바람직하게 산화제는 순수산소이다.
앞서 언급한 바와같이. 제트(3)은 산화제가 풍부하다. 바람직하게 제트(3)는 연소영역(1)에 도입된 연료를 제트(3)에서 완전히 연소시키는 데에 필요한 화학양론적 양의 탄소의 최소한 300%의 양으로 산소를 함유한다. 바람직하게 제트(3)내의 산소는, 제트를 너무 묽게 만들어서 제트(3)내의 불안정한 연소를 가져올 수 있기 때문에 완전한 연소에 필요한 화학양론적 양의 산소의 2000%를 초과하지 않는다.
제트(3)은 감압을 일으키기에 충분한 속도로 연소영역 (1)내에 분사되고 그런다음 제트(3)의 주변에 가까운 연소영역(1)내의 강한 재순환 영역에 분사된다. 제트(3)의 속도는 연소영역(1)으로의 분사지점에서의 제트(3)의 초기직경 및 연소영역(1)의 모양과 같은 몇몇의 인자들에 의존하여 다양할 것이다. 일반적으로, 제트(3)의 속도는 최소한 150ft/sec이며 대개는 250ft/sec를 초과할 수 있다.
연료 및 산화제는 제트(3)내에서 연소하여 원료와 산화제의 연소반응 생성물뿐만 아니라 미반응 산화제를 포함하는 연소 생성물을 생성한다. 화학양론적 과량의 산소때문에 그리고 또 한정된 속도에서 제트의 성질에 고유한 좋은 혼합때문에, 연료는 본질상 완전히 반응을 일으킨다 그렇지만, 제트(3)의 묽은 성질때문에, 순수산소가 산화제로 사용된다손 치더라도 매우 소량의 NOx가 형성된다. 화학양론적 과량의 산소의 희석효과는 제트(3)내의 연소반응이 화학양론적으로 동일한 양의 연료와 산소가 있는 경우에 비해 더 넓은 용적에 걸쳐서 펼쳐지게 한다. 제트(3)내의 연소반응의 이러한 전개는 NOx형성쪽으로 연소반응을 유도하는 국소화된 높은 온도를 방지한다.
산화제풍부제트(3)로부터의 연소 생성물은 제트(3) 근처의 부피와 그 나머지의 연소영역(1) 사이에 압력 편차때문에 제트(3)의 주변을 향해 다시 재순환된다 제트(3)의 주변을 향한 재순환은 제1도에 영역(4)으로서 예시된 재순환 영역내에서 일어난다. 재순환 영역의 강한 성질때문에, 제트(3)의 주변을 향해 다시 재순환된 집단은 4배 이하 내지 1배 이상만큼 제트(3)의 집단을 초과한다.
제1도는 휘발성 연료를 함유하는 액체 및/또는 고체(5)가 연소영역(1)안에 제공되어 있는 본 발명의 한구체예를 예시한다. 이와같은 액체 및/또는 고체의 실레로는 폐용매, 폐유, 증류기내의 바닥부물질, 플래스틱, 그리고 병리학적 폐기물이 있다. 이런 경우에, 일반적으로 연소영역(1)은 소각로 또는 회전가마내에 있게되는 것으로 한정된다. 이들 액체 및/또는 고체는 불균일한 및/또는 크게 다양한 화학양론적 산소 필요량을 갖는 것으로 특징지워진다.
제트(3)내에서 연료와 산화제의 연소에 의해 발생된 열은 대류 또는 복사에 의해 재료(5)에 전달되어 연료가 휘발(7)하게 한다. 그 연료는 재순환 영역 (4)에 도입되어 거기서 앞서 언급한 연소로부터의 연소 생성물과 혼합된다. 그 혼합물은 연소가 연소적으로 일어나는 제트(3)내에 흡인된다. 연소반응 생성물로 희석된 연료와 산화제로 이루어진 혼합물은 제트(3)내에서 일어나는 진행연소반응에 의한 희석에도 불구하고 성공적으로 발화되어 제트(3)의 주변에서의 확산 2차 플레임에서 연소된바 2차 플레임의 확산때문에, NOx형성을 향상시킬 수 있는 국소화된 고온이 생기는 것이 방지된다.
2차연소는 진행되고 그밖의 연소 생성물들을 형성하는데 그 연소 생성물중의 대부분은 그밖의 희석제로서 쓰여지기 위해 제트(3)의 주변을 향해 다시 재순환되거나 또는 연소영역의 밖으로 배출될 수 있다. 재료(5)가 크게 다양한 화학양론적 산소필요량을 가지긴 하지만, 재순환영역(4)내에서의 혼합은 재료(5)가 직접 태워졌던 경우에 비해 더 균일한 연소성 혼합물이 형성되도록 하는 역할을 한다 제트(3)내로의 혼합물의 평탄하고 강한 흡인과 함께 증가된 균일성은 오퍼레이터가 연소영역(1)에 분사된 산소의 양을 더 정확히 조절할 수 있게 하여, 그렇지못한 경우에 비해 전체 연소공정을 아주 효과적으로 수행하게 한다. 또한, 연소속도 및 효율은 연소가 재료 파일(5)로부터 방출된 연소성 증기의 기낭(envelope)으로 제한되지는 않기 때문에 증가된다.
단일 산화제풍부제트(3)을 보여주는 제1도를 기준으로 본 발명의 공정이 기술되어졌긴 하였지만, 복수의 그와같은 제트들이 이용될 수 있다는 것을 당업자는 알 수 있다.
제2도는 연료가 연소영역에 분사되는 본 발명에 따른 공정의 또다른 구체예를 예시한다 제2도에서의 번호들은 공통부분인 경우에는 제1도의 번호들에 해당하며 이들 공통부분들의 조작은 또다시 상세히 기술하지는 않기로 한다.
이 제2도를 살펴보면, 연료(8)은 산화제풍부제트(3)로부터 떨어져있는 흐름(9 )로서 연소영역(1)에 분사된다. 연료(8)은 제트(3)에서 유용한 연료들중의 어떤 것과 같은 어떤 적당한 연료일 수 있다. 그밖에 연료(8)은 낮은 열수치의 폐유와 같은 액체연료 또는 불균일한 및/또는 크게 다양한 화학양론적 산소 필요량을 갖는 다른 연료일 수 있다. 제2도에 예시된 구체예에 있어서, 연료(8)은 어떤 추가의 산화제없이 흐름(9)로서 연소영역(1)에 분사된다. 그렇지만, 필요한 경우, 산화제는 연료(8)의 분사지점에 인접하여 분리하거나 연료(8)과 사전혼합하여 흐름(9)의 일부로서 연소영역(1)에 분사될 수도 있다 산화제가 흐름(9)의 일부를 포함하는 경우, 산화제내의 산소는 연료(8)의 완전한 연소에 필요한 산초의 60%를 초과하지 않아야 한다.
흐름(9)는 재순환 영역(4)에 도입되어 그곳에서 연소생성물과 혼합된다. 이어서 그 혼합물은 연소가 연속적으로 일어나는 제트(3)내에 흡인된다. 연소 반응 생성물로 희석된 산화제 및 연료로 이루어진 혼합물은 제트(3)안으로 일어나는 진행연소에 의한 희석에도 불구하고 성공적으로 발화되어 제트(3)의 주변에서의 확산 2차 플레임에서 연소된다 2차플레임의 확산때문에, NOx형성을 향상하게 되는 국소화된 고온이 일어나는 것이 방지된다.
2차연소는 진행되어, 그 밖의 희석제로서 쓰여지게되거나 또는 연소영역의 밖으로 배출될 수 있는 그밖의 연소생성물을 형성한다. 흐름(9)가 아주 다양한 화학양론적 산소필요량을 갖긴 하지만, 재순환영역(4)내의 혼합은 흐름(9)이 직접 태위지게되었던 경우에 비해 더 균일한 연소성 혼합물을 형성하는 역할을 한다. 제트(3)으로의 혼합물의 평탄한 흡인과 함께, 증가된 균일성은 오퍼레이터가 연소영역(1)에 분사된 산소의 양을 더 정확히 조절할 수 있게 하여 그렇지 못한 경우에 비해 전체 연소공정이 더욱더 효과적으로 수행되게 한다.
단일연료흐름(9)를 보여주는 제2도를 기준으로 본 발명의 공정이 기술되었긴 하지만, 복수의 그와같은 흐름들의 이용될 수 있는 것을 당업자는 알 수 있다.
제3도는 재순환 영역에 도입되는 연료간 연소영역내의 액체 및/또는 고체물질로부터 휘발된 연료로부터 취해진 것이고 그리고 산화제 풍부제트와 떨어진 흐름으로 연소영역에 분사된 연료로부터 취해진 것인 본 발명의 공정의 세번째 구현예를 예시한다. 제3도에서의 번호들은 제1도 및 2도의 것들에 해당하며 공정단계들은 제1도 및 2도를 기준으로 설명되었기 때문에 다시 상세하게 기술하지는 않기로 한다.
다음은 본 발명의 공정을 더욱 더 예시하거나 또는 본 발명에 따라 얻어진 결과와 본 발명의 실시에 따르지 않은 과정에 의해 얻어진 결과를 비교하는 역할을 한다. 하기 실시예는 본 발명을 설명하지만 제한하고자 하지는 않는다.
[실시예]
본 발명의 공정은 제2도에 제시한 것과 유사한 로(furnace) 시스템으로 수행된다. 연료는 천연가스이고, 산화제는 순수한 산소이고, 로온도는 약 2050。F로 유지되고, 그리고 로는 약 1.0백만 BTU/hr에서 조작된다. 로는 내화 라이닝되어 있고, 물은 로바닦에서 1.5인치 직경을 갖는 10개의 파이프에 의해 냉각되고 파이프의 내부 차원은 3ft×4ft×8ft이다.
연료는 산화제-풍부제트(3)의 분사되는 곳으로부터 약 6인치 떨어진 제트(9)로서 연소지역으로 주입된다. 그결과, 제프(9)내의 연료는 혼합물이 산화제-풍부제트로 흡인되기에 앞서 연소 생성물과 함께 혼합되는 재순환지역속으로 통과한다. NOx측정은 로속으로 공기누출의 다양한 속도를 초래하는 다양한 질소 유속으로 연관기체중에서 수행된다. 얻어진 결과는 제4도의 곡선 A로 나타내었다.
비교할 목적으로 연료제트가 산화제-풍부제트로부터 단지 약 2.8인치 거리에 있는 것을 제외하고 공정순서를 반복 실시하였고, 즉 단계화된 연료를 본 발명의 공정에서처럼 재순환지역속으로 통과시키지 않고 직접 산화제-풍부제트속으로 통과시켰다. 이러한 비교 목적으로 수행한 NOx측정치는 제4도의 곡선 B로 표시하였다.
제4도에 도시한 결과로부터 명백히 알 수 있는 것처럼, 본 발명의 공정은 본 발명의 공정을 따르지 않는 수단에 의해 얻을 수 있는 것보다 훨씬더 NOx감소를 얻을 수 있고 ; 일반적으로 발생한 NOx의 단지 약1/3 규모로 감소시킬 수 있다.
본 발명의 방법은 어떤 특정 구현을 참고로 상세히 설명되었지만, 이 분야의 당업자들은 본 발명의 다른 구현들이 청구된 특허청구의 범위 및 구성의 범위내에 포함되는 것을 이해할 것이다.

Claims (13)

  1. 낮은 NOx발생과 함께 높은 효율로 연료와 산화제를 연소시키기 위한 공정에 있어서, (A) 감압을 일으키기에 충분한 속도로 산화제 풍부 제트내의 연료와 산화제를 연소영역에 분사하여 산화제 풍부 제트에 가까이 위치한 연소영역내의 강한 재순환 영역에 분사하고; (B) 산화제 풍부 제트내의 연료와 산화제를 연소시켜 산화제로 희석된 제트내의 연소생성물을 생성하고 ; (C) 연료를 재순환 영역에 도입하고 재순환 영역내에서 연료와 연소생성물을 혼합하고 ; (D) 연료와 연소생성물의 혼합물을 산화제 풍부 제트내로 흡인하고 ; 그리고 (E) 산화제 풍부 제트의 주변에서의 확산 2차 플레임에서 결과의 희석된 혼합물을 연소시켜서 그밖의 연소생성물을 생성하는 단계들로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료와 산화제의 연소공정.
  2. 제1항에 있어서, 산화제가 최소한 30부피%의 산소로 이루어진 것을 특징으로 공정.
  3. 제1항에 있어서, 산화제가 순수 산소인 것을 특징으로 하는 공정.
  4. 제1항에 있어서, 산화제 풍부 제트는 그 산화제 풍부 제트내에서 연료를 완전히 연소시키는 데에 필요한 화학양론적 양의 산소의 300 내지 2000%의 양으로 산소를 함유하는 것임을 특징으로 하는 공정.
  5. 제1항에 있어서, 산화제 풍부 제트의 속도가 최소한 150ft/sec인 것을 특징으로 하는 공정.
  6. 제1항에 있어서, 연료와 산화제가 혼합물로서 연소영역에 분사되는 것을 특징으로 하는 공정.
  7. 제1항에 있어서, 연료와 산화제가 따로따로 연소영역에 분사되는 것을 특징으로 하는 공정.
  8. 제7항에 있어서, 연료와 산화제중의 하나는 중앙흐름으로 연소영역에 분사되고 연료와 산화제중의 또다른 하나는 중앙흐름 근처의 환형흐름으로 연소 영역에 분사되는 것을 특징으로 하는 공정.
  9. 제1항에 있어서, 재순환 영역내에 도입된 연료는 연소영역내에 액체 및/또는 고체재료로부터 기화된 연료임을 특징으로 하는 공정.
  10. 제1항에 있어서, 재순환영역에 도입된 연료는 산화제 풍부 제트로부터 떨어진 흐름으로 연소영역에 도입된 연료임을 특징으로 하는 공정.
  11. 제10항에 있어서, 상기 흐름은 연료를 완전히 연소시키는 데에 필요한 산소의 60% 이하의 양으로 산소를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 공정.
  12. 제1항에 있어서, 재순환 영역내에 도입된 연료는 연소영역내의 액체 및/또는 고체재료로부터 휘발된 연료이고 그리고 산화제 풍부 제트로부터 떨어져 있는 흐름으로 연소영역에 도입된 연료인 것을 특징으로 하는 공정.
  13. 제1항에 있어서, 재순환 영역내의 연료와 연소생성물의 집단은 최소한 4내지 1배 만큼 산화제 풍부제트의 집단을 초고하는 것을 특징으로 하는 공정.
KR1019890007510A 1988-06-03 1989-06-01 NO_x가 낮게 발생되는 고효율의 연소공정 Expired - Fee Related KR950007381B1 (ko)

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