KR900004098B1 - 연도 가스중 질소 산화물 함량의 감소방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]

연도 가스중 질소 산화물 함량의 감소방법 및 장치

[도면의 간단한 설명]

제 1 도는 본 발명을 이용할 수 있는 수 많은 연소 장치중 하나를 일반적으로 나타내는 것으로서, 확산부가 있는 대류부로 통하는 도관에 의하여 싸이클론과 연결되어, 대기로 배출되는 굴뚝과 연결된 연소로를 나타내는 표준 연료-연소시스템의 개략도이다.

제 2 도는 다수의 분사구가 싸이클론 지붕을 통해 싸이클론 내벽과 중앙 가스 출구 도관의 원통벽 사이의거의 중간으로서 반경 방향 속도가 ⒧긴 대역 위치 근처로 연장되는 싸이클론 분리기의 지붕에 있는 바람직한 주입 위치를 나타내는 평면도이다.

제 3 도는 한 형태의 싸이클론 분리기내에 분사구의 바람직한 배열을 나타내는 제 2 도의 3-3선의 수직 단면도이다.

제 4 도는 NO_x환원제(예, 요소 입자)가 싸이클론에 공급되고 환원제가 산화니켈 또는 기타 촉매와 같은 고체물질을 선택적으로 포함할 수 있고 다량의 CaSO_x를 운반하는 가스류에 대한 NO_x제거장치의 개략도이다. 미립자들은 가스 운반 매체를 사용하는 공기식 운반 파이프를 통해 싸이클론 입구 도관으로 일부가 재순환되는 싸이클론의 바닥으로부터 회수되어 존재하는 흡수제는 반응할 기회를 더 가진다.

제 5 도는 약간의 열전달이 연소로를 통해 이루어진 후 모든 유체가 백 하우스(bag house) 등을 통해 연통으로 연결되는 대류부와 차례로 접속되는 싸이클론으로 흐르는 순환 유동상 연소 시스템을 갖는 또 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 것이다.

제 6 도는 NO_x환원제의 분사를 위한 바람직한 위치를 예시한 것으로서 제 5 도 배열과 유사한 또 다른 싸이클론 분리기의 수직 단면도이다.

[발명의 상세한 설명]

본 발명은 연소장치로부터 나오는 연도가스중 질소 산화물의 함량을 감소시키는 방법, 특히 양호한 반응상태가 되는 위치에서 전체 시스템의 일부에 연결되는 싸이콜론 분리기로 환원제를 도입함으로써 NO_x(질소 산화물) 함량을 감소시키는 방법에 관한 것이다.

[발명의 배경]

본 발명은 고체연료, 슬러지, 기체연료 등을 포함하는 가연성 연료의 연소시 발생되는 연소가스중 질소 산화물의 함량을 감소시키는 방법에 관한 것이다. 그러나, 본 발명은 배출되는 연소가스가 최근의 환경기준치를 만족시키기 위해 경제적으로 실시될 수 있는 특히 개량된 유동상 연소방법(fluidized bed combustion process)에 관한 것이다.

연료의 유동상 연소는 공지되어 있다. 통상적으로, 공기는 공기 분배 격자를 통해 분배되는 플리넘(plenum)을 통해 도입된다. 연료 유동 입자 및 흡수제(예, 석회석 또는 돌로마이트)는 통상 1400 내지 1700℉의 노에서 유동화 및 반응된다. 이 온도는 종래의 노에서의 온도보다 더 낮은 것이다. 이 온도 범위는 연료연소가 우수한 것 외에도 황산화물을 연소실의 흡수제와 반응시키기에 적합하다. 그러므로 석회석 첨가에 의해 황 함유 연료로부터의 황산화물 발생이 감소되므로 고황 함유석탄을 오염을 줄이면서 연소시킬 수 있게 된다.

질소 산화물은 연료 연소시, 공기중 질소의 열고정 및 연료 질소의 전환으로 발생한다. 전자의 반응은 고온(약 1800℉ 이상)에서 잘 일어나는 반면, 후자의 반응은 더 낮은 온도, 예를 들면 유동상 연소 시스템의 일반적 작동온도와 큰 관련이 있다. 질소 산화물은 소위 "광화학적 스모그"발생에 관련되며 낮은 노출량(NO₂의 TLV는 5ppm)에서 독성이 있기 때문에, 연소시스템으로부터 방출되는 NO_x함량을 최소한으로 줄이는 것이 중요한 관심사이다.

미국 특허 제3,900,554호에서는 온도를 1600 내지 2000℉로 유지하면서 암모니아를 유출 기류로 분사하여 종래의 노를 빠져나가는 연도 가스로부터 질소 산화물을 비촉매적으로 제거하여 기술을 제안하였다. 유럽특허 공개 제 176,293호에서는 또한, 원심 분리기로 도입되기전에 연도 가스 유체로 분사함으로써 NO_x제거용으로 NH₃를 사용하는 기술에 대해서 기재되어 있다. 미국 특허 제 4,335,084호에서는 더 높은 온도를 제안하였다. 그밖의 다른 많은 특허에서도 질소 산화물을 감소시키기 위하여 촉매와 암모니아를 사용하는 기술을 제안하였다. 더 낮은 온도(예 250-930℉)를 이용하는 특허들로는 미국 특허 제 3,887,683호 (활성탄 촉매), 제 4,056,660호 (V₂O_s/Mn₂O₂촉매), 제 4,010,238호 (각종 전이금속 촉매), 제 4,002,723호 (귀금속촉매), 제 4,049,777 (CrO 촉매), 제 4,031,185호 (Cu 할로겐화물 촉매) 및 제 4,070,440호 (알파 Fe₂O₃촉매)가 있다.

기타 미국 특허 제 3,894,141호 및 제 3,867,507호에서는 질소 산화물을 감소시키기 위해서 암모니아 이외에 탄화수소를 사용하는 것에 대하여 기재하고 있다. 또 다른 미국 특허 제 4,325,924호 및 제 4,208,386호에서는 NO_x방출 감소를 위해 요소를 이용하는 것에 대해서 기재하였으며, 제 4,154,803호 및 제 4,507,269호에서는 기타 암모니아 전구 물질들을 기재하고 있다. 또 다른 미국 특허 제 4,119,702호 및 제 4,115,515 호에서는 장치 성능을 증진시키기 위해서 수소, 오존 및 과산화수소 같은 첨가제를 이용하는 것에 대하여 기재하였다.

미국 특허 제4,218,427호에서는 약 400 내지 700℃에서 미분탄의 유동상(床)을 사용하는 것에 대하여 기재하였다. 미국 특허 제4,181,705호에서는 암모니아 또는 암모니아 생성 전구물질을 노의 유동상 연소부로 직접 분사하는 것에 대하여 기재하였다. 미국 특허 제 3,929,967호에서는 거의 모든 삼산화황과 반응하기에 충분한 양으로 700 내지 800℉에서 유출가스를 기체상 암모니아와 접촉시킴으로써 주로 SO_x의 양을 감소시키기 위해 NO_x및 SO_x함유 연소가스를 처리하는 방법에 대해 기재하고 있으며, 이 반응은 SOx를 암모늄설파이트 및 암모늄 비설페이트로 전환시키며, 이 반응후 더 많은 양의 고체가 싸이클론 분리기 같은 기계적 분리기와 고온 정전 침강기에 의해 제거된다. 계속해서 암모니아는 황산화 암모늄 고체로부터 회수된다.

이산화황을 주로 제거하기 위한 다른 방법들도 제안되었는데, 예를 들면 미국특허 제 4,369,167호에서는 디크로메이트 같은 적절한 정화 매질을 사용하여 특히 NO_x를 제거하기 위한 제2정화장치를 포함하고 석회 용액을 사용하는 것에 대해 기재하였다. 물론, SO_x의 환원을 위해 석회석을 연소실자체에 분사하는 기술도 공지되어 있다. 특히 특정온도에서 연도가스를 처리하기 위해 암모니아를 사용하면 암모니아와 물의반응에 의해 SO₃를 제거하여 황산 암모늄을 생성하게 되므로, 암모니아나 암모니아 전구물질을 사용하는 것이 SO₃함량을 감소시키는데 효과적이라는 사실도 공지되어 있다.

[발명의 요약]

NO_x환원공정을 유효하게 실시하는데 있어 한 중요한 인자는 연소 생성 연도 가스와 환원제를 잘 혼합시키는 것이며, 또 다른 중요한 인자는 SO_x제거에 사용되는 석회석 또는 하소된 석회석(CaO)에 의해 촉진되는 환원제 및 산소와의 바람직하지 못한 부반응을 억제하는 것이다. 고온 싸이클론 분리기등을 사용하고 환원제를 고온 싸이클론내의 특정 위치에서 가스류에 분사시키면 석회석 및 CaO와 같은 미립자가 분리된 후 NO_x환원제가 연도 생성 연소가스와 매우 효과적으로 혼합된다. 고온 싸이클론 분리기는 내화재로 라이닝시키거나 또는 물, 수증기 또는 공기가 순환되는 자켓에 의해 그 외면을 냉각함으로써 고온 상태에서 작동시킬 수 있다. 환원제 및 연소 조건에 따라 환원제는 담체가스와 무관하게 주입될 수 있다. 담체 가스는 수증기, 질소, 연소가스, 불활성 가스 또는 이들의 혼합물로 구성될 수 있다. 싸이클론내의 분사구 위치는 연소조건 및 NO_x환원제에 의해 어느정도 결정된다. 주입기 위치를 선정하는데 고려되는 연소조건들은 가스유체온도, 연소가스조성, 부하 턴다운(load turndown)비, 환원제 형태 및 특히 미립자의 양이다.

고온 싸이클론 분리기를 사용하면 현재 이용되는 매우 복잡한 수많은 분사장치에 비해 환원제 분사를 크게 간소화시킬 수 있다.

양호한 실시예에서, 본 발명은 1400 내지 1800℉에서 연도가스류를 생성하면서 연료가 석회석등의 황 흡수제 및 회분을 포함하는 상(床)에서 연소되는 유동상 연소장치의 일부에서 구체화된다. 질소산화물은 정화장치를 추가하지 않고도 유효하게 제거된다. 본 발명은 또한 NO_x방출이 최소한으로 감소되는 미분탄 스토커(stoker) 또는 오일-연소 장치와 같은 어떠한 노에서도 이용될 수 있다. 연소 생성 연도가스(함유되었던 미립자가 분리된 후)와 분사된 환원제가 매우 유효하게 혼합되는 싸이클론이나 기타 강한 와류 장치를 연도 가스가 통과할 때, 그 연도 가스는 일반적으로 특정 1차 대류면에서 약간의 열을 방출하나 적당한 온도로 유지되도록 배열된다. 연도 가스가 확산되는 대류 대역의 또 다른 부분이나, 열 전달이 더 이루어질 수 있는 또 다른 대류 대역으로 연도 가스는 재순환될 수 있다.

[양호한 실시예의 상세한 설명]

고온 연소 생성 가스 유체중의 NO_x를 환원시키기 위해 암모니아 또는 암모니아 방출 전구 물질 또는 기타 유사한 환원제를 사용하는 기술은 온도, 가스 유체의 전체 조성물에 민감하고 이 환원제와 석회, 석회암 또는 SO_x의 환원을 위해 사용되는 특수 물질 사이의 접촉을 최소한으로 줄이면서 유체중의 NO_x성분과 도입되는 환원제와의 급속하고 균일한 접촉에 가장 민감하다. 상기 접촉을 최소한으로 줄이는 것은 심한 와류가 존재하고 가스류로부터 미립자가 이미 분리된 고온 싸이클론 분리수단의 영역에서 고속 이동 가스류와 도입 환원제를 신속하고도 균일하게 혼합함으로써 실현될 수 있다. 고열에 의한 장기간 노출로 인한 구조적 손상을 방지하기 위하여 금속 본체벽이 허용 온도 범위내로 유지되도록 설계된 외부 냉각 자켓을 갖는 표준싸이클론 분리기 또는 내화 라이닝된 싸이클론 분리기가 사용될 수 있다.

이하 상세히 설명하는 바와 같이, 처리될 가스 유체는 특정의 최소 방출기준량이 유지되도록 전세계에서 일반적으로 규제하고 있는 질소 산화물 및/또는 황산화물을 함유하는 연소 생성물을 발생시키는 탄소질 연료를 연소하기 위해 공기를 이용하는 어떤 형식의 노로부터 발생된 연소 생성류이어도 좋다. 하기에서 더 상세히 설명하는 바와 같이, 적당한 환원제는 적절한 기준치를 만족시키기 위해 질소 산화물 함량을 화학적으로 유효하게 감소시키도록 적절한 위치에서 가스유체에 도입된다. 제 2 도 및 제 3 도는 고온작동에 적합하여 그에 사용될 수 있는 사이클론 분리기(11)를 예시한다. 싸이클론 분리기(11)는 하단부에 미립자용 출구(17)가 형성된 중공 원뿔대형 본체 콘(15)의 상부에 설치된 원형 단면의 상부 본체 실린더(13)를 포함한다.

본체 실린더내의 중앙에는 단면이 원형이고 직경이 실린더 내경의 약 30 내지 80%인 출구 도관(19)이 배치된다. 일반적으로 출구 도관(19)은 본체 실린더와 동축이고, 바람직하기로는 싸이클론 아래로 상당거리(예를 들면 수 피트)만큼 연장되어 가스류가 도입되는 환상 입구부(21)를 형성한다. 적당온도의 연소 생성가스유체는 입구 도관(23)을 통해 전이부(25)로 공급되며, 이 전이부는 도관으로부터 나오는 출구와 싸이클론(11)으로 들어가는 입구를 이룬다. 이 전이부는 대부분의 싸이클론에 대해 약간 작은 횡단면적을 갖지만 같은 단면적을 가질수도 있다.

제 2 도에서 가장 잘 나타낸 바와 같이, 가스류는 환상부(21)와 접선 방향으로 도입되고 유체내의 미립자는 즉시 외벽 인접부로 향하게됨과 동시에, 가스의 대부분은 출구 도관(19)의 외면을 따라 아래로 나선식으로 내려가면서 환상 공간의 내부에서 강한 와류를 발생시킨다. 싸이클론으로부터 나오는 유일한 가스 출구는 출구 도관(19)의 내부를 통해 상부로 향해 있기 때문에, 제2와류가 제1와류내에 형성되어 가스는 도관내부를 통해 나선식으로 상승한다. 물론, 싸이클론 분리기의 제1목적은 관성에 의해 미립차가 본체 실린더부(13)의 외벽을 향해 즉시 이동하여 결국 하부 출구(17)에 도달되도록 하는 것이다. 싸이클론(11)은 수직위치에서와 마찬가지로 일반적으로 수평위치에서도 작동되지만, 누적된 미립자를 제거하는데에 따른 어려움과 일반적으로 수평방향에서 미립자가 출구를 막는 경향이 있기 때문에 제 1 도에서 나타낸 바와 같은 수직방향이 바람직하다. 마찬가지로, 싸이클론(11)은 송풍기 또는 기타 대규모 가스-이동 장치의 흡입측이나 압력측에 위치할지라도 동일하게 작동한다.

사이클론(11)을 고온 사용에 적합하게 하기위해서 본체 실린더부(13) 원통벽의 내면 전체에 고온 절연체층(27)을 설치하는 것이 바람직하다. 하부본체 콘 부(15)에도 고온 절연층을 설치하는 것이 바람직하다. 내마모성 및 내화성 벽돌층을 사용할 수도 있으며, 알루미나-실리카 섬유의 펠트상 물질같이 고온에 견딜수 있는 적합한 내화 필연 물질을 사용할 수 도 있다. 싸이클론(11)이 작동하는 온도 및 출구 도관(19)이 만들어지는 금속에 따라 싸이클론의 외면, 가능한 경우는 그 내면도, 열절연물질로 절연되거나 절연되지 않을수도 있다. 그러나, 출구 도관(19)이 하중 감당 부재가 아니면 덜 절연될 수도 있거나 어떤 경우에는 절연이 필요하지 않을 때도 있다. 싸이클론 본체(13)의 내면을 절연하는 대신에, 싸이클론의 벽에서 요구되는 최고 온도를 유지하기 위한 유량으로 비교적 차가운 액체나 가스냉매가 연속적으로 흐르도록 외부를 둘러싼 냉각 자켓을 설치함으로써 싸이클론 본체의 내면을 적절히 냉각시킬 수 있다. 물, 공기, 수증기 또는 이들의 혼합물도 고온 작동용 싸이클론에 적합한 냉매의 예이다.

이용되는 환원제 또는 화학재들은 1이상의 분사기(31)(동일 간격의 4개의 주입기(31a-31d)로 나타냄)를 사용하여 유체에 분사되고, 일반적으로 분사기의 수는 이용되는 싸이클론의 크기에 따라 달라진다. 상당한 길이로 하향 연장된 출구 도관이 사용되지 않는 경우에, NH₃"손실량", 즉 반응되지 않은채 싸이클론 출구 도관으로 직접 우회(이는 비효율적이고 일반적으로 바람직하지 못함)하는 NH₃를 감소시키기 위해서 분사기(31d) 또는 분사기(31d) 및 (31c)를 없애는 것이 바람직하다. 모든 분사기는 적당한 계량창치(34)를 갖는 적당한 공급 라인(33)에 의해 공급된다. 마찬가지로, 단 하나의 싸이클론만이 도시하여 있지만 전체실비의 크기에 따라 이용되는 싸이클론의 수가 결정된다. 과거에는 매우 큰 직경의 싸이클론을 설치하였으나, 최근에는 병렬로 작동하며 입구 유체 헤더(beader)에 각각 연결되고 출구 유체 패니포울드를 통해 배출 가스류를 순환시키는 다수의 소직경 싸이클론을 사용하는 경향이 있다.

분사 위치는 특정 범위내에서 변경될 수 있으며, 그래도 만족할만한 성능을 발휘한다. 바람직하기로는 분사기(31)가 상부 경계 근처 위치에서 환상부(21)로 환원제를 분사시키도록 위치된다. 환상부 약간 아래 위치에서도 어떤 기체상 환원제룰 와류에 분사시킬 수 있지만 덜 효율적이다. 환원제를 분사시키기에 가장 유효한 배열중 하나는 가스류가 통상 "제로 속도 대역"이라고 일컬어지는 매우 낮은 반경 방향의 외향 속도를갖는 대역으로 향하게 하는 것이다. 이러한 대역으로 적절히 분사시킴으로서 신속하고도 완전한 혼합이 이루어진다. 분사는 싸이클론의 지붕 또는 환상부(21)를 형성하는 수직벽(바람직하기로는 싸이클론의 상부근처)을 통하여 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 지붕 근처의 본체 실린더(13)의 상부를 통해 수평으로 관통하는 위치에서 적당한 분사기를 지지함으로써 분사할 수 있다. 출구 도관(19)을 관통해서 환상부 내에 분사기가 설치될 수 있지만, 그러한 위치는 출구 도관의 주변을 따라 더 많은 분사구를 필요로한다.

보다 바람직하게는, 복수 주입기(31)는 환상부 전체에 걸쳐 비교적 동일 각도로 간격을 두고 싸이클론의 지붕에 지지된다. 제 2 도에서 가장 잘 나타낸바와 같이, 4주입기가 90°간격으로 배열되거나 2개의 주입기가 180°로 떨어져 있을 수 있다. 도시된 분사기는 출구 도관(19)의 외면과 본체 실린더(13)의 내면 사이의 반경 방향 중간에 위치하므로 접선 방향으로 도입되는 고온 가스류를 통로내에서 거의 직각으로 위치한다.

가스류는 나선형으로 하향 이동하는 강한 외류를 생성시키기 때문에, 상기 분사에 있어서는 균일하고 신속한 가스 혼합이 이루어진다. 일반적으로, 가스류가 환상부(21)로 들어간 후 적어도 약 0.1초내에 분사가 시작하여야한다. 가스류에 의해 운반되는 미립자가 원심력에 의해 반경 방향 외측으로 이동하여 분리되는 지점, 즉, 반경 방향 속도가 0인 대역 속으로 또는 그 근처로 분사함으로써, 환원제는 가스류 속으로 매우 급속히 확산해가고, 그 결과 환원제의 국부적 포켓(pocket) 현상이 방지되므로 이를테면 암모니아와 산소 또는 삼산화황 사이의 반응(이 반응은 의도된 목적 달성에 바람직하지 못함)을 피할 수 있게 된다. 석회석뿐만아니라, 이로부터 방출된 CaO는 NH₃+O₂→NO_x+H₂O 반응을 촉진시키는 것으로 밝혀졌으며 석회가 존재하는 부분에 NH₃가 도입되는 것을 방지해야하며 그렇지 않을 경우 심각한 역효과를 초래할 수 있다. 이방법의 요점은 암모니아 또는 암모니아전구 물질을 이처럼 분사시키면 NH₃, O₂및 CaO의 동시 접촉을 최소한으로 줄이면서 NO_x의 방출을 방지하는 소위 "암모니아 커튼"을 싸이클론의 중심부에 형성하는 것으로 믿어지며, 이에 따라 암모니아 및 NO_x와의 원하는 화학 반응이 발생하여 필소가스와 수중기를 생성시키게 된다는 것이다. 예를들면, 약 3/1 내지 5/1의 NH₃/NO_x몰비로 암모니아를 분사시키면 연소 생성 가스류중 NO_x의 양을 70% 이상 감소시킬 수 있다. 통상적으로는 적어도 약 0.5/1의 비가 사용된다.

상기에서 지적한 바와 같이, 탄소질 생성물의 연소로부터 연소 가스류중의 질소산화물(NO_x)의 함량을 낮추기위해 환원제를 사용하는 것은 공지되어있다. 발전소, 반응로, 소각로등이 NO_x의 주 발생원이라는사실은 공지되어 있고, 주로 NO의 형태로 존재하는 NO_x는 탄소질 연료보다는 화염중의 대기 질소와의 산소결합(질소고정이라 불리우는 과정)으로 생성된다. 연료중에 유기 질소 화합물이 존재하는 경우도 연소할때 NO₂를 생성시킬 수 있다. 고온에서, 질소 산화물의 주요 부분은 NO형태로서 소량의 NO₂및 고급 산화물이 함유된 반면, 저온에서는 평형상태에 의해 NO가 대기 산소와 반응하여 NO₂를 생성한다. 황화합물은 일반적으로 산소와 반응하여 이산화항을 생성하지만, 약간의 삼산화황 및 더 고급의 황산화물이 소량 생성될 수 있다. 석탄, 가스, 오일, 혈암, 이탄, 갈탄 및 기타 폐기물에는 여러 함량의 유기질소 및 황 함유화합물이 포함된다.

연도 가스중의 NO 함량을 감소시키기 위해서 사용되는 공지된 NO_x환원제가 수많이 있으며, 이들 중 어떠한 것도 관련 온도 범위에서 효과적으로 작동하는 본 발명의 일부로서 이용될 수 있다. 본 발명에서는 약 800℉ 이상의 온도에서 작동할 수 있으며, 노 또는 연소기의 요구를 충족시키도록 연소 생성물을 제거할 필요에 따라 공정이 약 1기압에서 통상 실시되므로 압력은 고려되지않는다. 다시 말해서, 노 또는 연소기는 전력 또는 처리열등의 발생을 위해 원하는 속도로 열을 발생시키도록 원하는 수준에서 작동되어야 한다는 것이 일차적으로 고려되고, 환원 공정은 노가 통상 작동되는 최대 및 최대 속도내에서 유효하게 작동하도록 간단히 설계된다. 바람직하기로는 공정들은 l200℉ 내지 약 2000℉에서 실시되며, 통상 NO_x환원 공정은 유동상 보일러로부터 나오는 고온 연소 생성 가스류와 조화되어 약 1400°내지 1900℉에서 진행되며 환경보호정의 규정대로 NO_x함량을 유지할 수 있다.

상기 온도 범위내에서, 바람직한 NO_x환원제는 암모니아와 암모니아의 전구물질이다. 암모니아 전구 물질의 예로는 탄산 암모늄, 옥살산 암모늄 뿐만 아니라 본 발명의 목적을 위해 암모니아 전구 물질로서 고려되는 요소(urea)가 있다. 암모니아는 기체상 또는 수용액으로서 사용될 수 있으며, 전구 물질의 수용액도 이용될 수 있다. 요소가 NO와 직접 반응하는지 또는 먼저 암모니아로 분해된 후 화학 반응을 일으키는지는 불확실하지만, 질소 분자 및 수증기를 생성하는 점에 있어 최종 결과는 똑같다. 이때문에 요소는 암모니아의 전구 물질로 간주된다. 요소는 이를테면 수용액의 분무액 또는 액적 형태로 이용되는 것이 바람직하다.

환원제의 이용량은 연소 생성 가스류의 조성과 대기로 배출되는 연소가스와 일치되어야하는 원하는 함량에 따라 달라진다. 일반적으로, 연소기를 떠나는 가스류내의 NO_x몰당 약 0.2 내지 10몰의 비율로 NO_x환원제가 사용될 것으로 믿어진다. 예를들면, 어떤 환경 규제 기준치를 만족시키기위해 최종 가스류의 NO함량을 100ppm 이하까지 감소시킬 필요가 있다. 이 경우, 똑같은 초기 NOx 함량의 연소 생성가스류를 처리한다고 가정하면 덜 엄격한 기준치(예, 150 또는 200ppm)를 만족시키지 못할때 더 많은 NO_x환원제를 사용할 수 있다.

더우기, 암모니아 또는 그의 전구물질이 NO_x환원제로서 사용될 때는, NH₃와 O₂의 잠재적인 반응(이 반응은 NO를 더 생성하기 때문에 바람직하지 못함)때문에 유체중 산소 함량을 조절하는데 주의하여야한다. 1500 내지 1700℉의 온도에서는 바람직하지 못한 반응을 촉진하는것으로 밝혀진 CaO가 존재하지 않는한 이 바람직하지못한 특수 반응의 반응 속도는 NH₃와 NO간의 원하는 반응보다 횔씬 더 느리다. 따라서, 미립자가 분리된 지점에서 전체 연소 생성 가스류에 신속하고 완전히 환원제를 분산시킴으로써 원하는 반응이 주로 일어나게 된다. 그러나, 산소의 어떠한 잠재적 영향을 최소화하기위해서, 싸이클론에 도입되는 산소류가 10부피% 이하로 함유되도록 조절하는 것이 바람직하다. 대기중의 산소를 사용하여 연소시키는 경우에 유동상 연소 보일러를 사용함으로써 이를 효과적으로 조절할 수 있으며, 충분한 연소 및 열전달이 이루어지면서 산소함량은 상기 범위내로 잘 유지될 수 있다.

제 1 도는 석탄 연소 보일러등을 떠나는 연소 생성 가스 유체중 NO 함량을 감소시키기에 적합한 전형적인 설비 전체를 나타내고 있다. 약 1400℉ 내지 2800℉의 연소 생성 가스류를 생성하면서 미분탄이 연소실(35)에서 연소되는 보일러가 나타나 있다. 연소기(35)의 상부로부터 나오는 가스류는 증기 발생등을 위해 전달 도관(37)을 거쳐 전열부(convective section, 39)로 들어간다. 이 전열부에서는 대부분의 열이 고온 가스로부터 추출된다. 횡적으로 연장된 열 전달 장치(43)의 바로위에 설치된 이코너마이저(economizer)(41)와 같은 열 전달 장치가 전열부내에 설치될 수 있다. 이 열 전달 장치(43)는 제 2 도 및 제 3 도에서 더 상세히 나타낸 형태의 싸이클론 분리기(11)로 보통 수평적으로 유도되는 도관(23)으로 거의 모든 연도 가스를 편향시키면서 전열부(39)에서의 하향 유동을 효과적으로 차단하는 다수의 평행한 열 전달 튜브를 포함한다. NO_x환원제는 서로 90°간격으로 환상부(21)주위에서 일정하게 간격을 두로 싸이클론의 지붕을 통해 아래로 돌출한 4개의 분사기(31)를 거쳐 분사된다.

처리된 연도가스는 편향 열교환 장치(43) 바로 아래에서 가스류를 전열부(39)로 순환시키는 튜브상 도관(47)과 연결된 출구 도관(19)을 통해 배출된다. 그리하여 가스류는 최종 배출 온도까지 낮아질때까지 가스유체로부터 열을 더 추출하는 또다른 열전달 장치(49,51)를 거쳐 계속 아래로 흐른다. 이 지점에서 가스류는 측방배출 도관(53)을 통해 배출된다. 이 도관(53)은 유체의 구성에 따라 팬(54)을 통해 배기연통을 거쳐대기로 직접 통하거나 백하우스(bag house) 또는 정전 침강기와 같은 미립자 처리장치내 정화 장치(scrubber)를 통해 대기로 통할 수 있다. 고온 싸이클론(11)의 연도 가스로부터 분리되는 고체 미립자는 하부 출구(17)를 통해 중력에의해 떨어쳐 수냉 스크루 콘베이어(55)와 같은 적당한 제거 장치에의해 제거된다. 또한, 전열부(39)내에서도 침강이 이루어지며, 그 미립자 침강물은 하부출구(57)를 통해 마찬가지로 제거될 수 있다.

제 4 도는 상기한 것들과 유사한 부품의 번호에 점을 추가한 또다른 실시예를 나타낸다. 연소기(35')로부터 나온 연소 생성물은 마찬가지로 도관(37')을 통해 편향형 열 교환장치(43')를 갖는 전열부(39')로 이동하고 이코노마이저 장치(41')도 전열부의 상부에 위치할 수 있다. 유사한 입구 도관(23')은 편향 열교환 장치(43')의 바로 상류부분으로부터 고온 싸이클론(1l')으로 유도된다. 이 다른 실시예는 NO_x를 환원시키기 위해서 요소의 수용액 또는 고체 요소 입자를 분사하도록 고안된 것이며, 분사기(31')는 공기, 연도가스 또는 증기를 사용하여 NO_x환원제를 분무 또는 전달시키는데 사용된다. 공급 라인(63)이 싸이클론(11')에 위치한 분무기(31')에 증기를 공급하는 것이 바람직하다. 증기는 계량장치(34')의 바로 다음에서 시작하여 NO공급 라인(33')을 둘러싸는 동축 튜브를 통해 공급될 수 있으며, 분사기(31')는 상기한 바대로 환상부(21')에 위치하고 있다.

처리된 가스류는 마찬가지로 싸이클론내에서 나선상으로 내려간 다음 출구 도관(19')을 통해 중앙으로 상승하여 순환 도관(47')을 통해 열교환 장치의 바로 아래에서 전열부(39')로 재도입된다. 회분, CaSO₄,CaCO₃, CaO 및 NO_x환원제 분말(사용된다면)를 포함하는 미립자들은 싸이클론의 작용에 의해 가스류로부터 제거되어 하부 출구(57)로 간다. 노로부터 나온 회분을 약간 함유하는 제거된 미립자는 분리되어 그 일부는 스크루 콘베이어(55')에 의해 제 1 도에서처럼 폐기된다. 나머지 부분은 공기식 운반 파이프(69)로 상기입자들을 운반하는 스크루 콘베이어(67)를 사용함으로써 재순환된다. 이 파이프는 싸이클론의 상류에서 가스류로 재순환되도록 입구 도관(23')으로 상기 추출된 미립자들을 순환시켜 다음 공정에 도입되도록 한다.

전달 도관(37')내의 가스 및 배출 도관(53')과 연통을 통해 대기로 흐르는 가스를 분석한 결과, NO_x함량과 SO_x함량은 환원제의 합리적인 양만을 주입함으로써 매우 크게 감소된 것으로 밝혀쳤다.

제 5 도는 순환 유동상 보일러(circulating fluidized bed boiler)를 떠나는 연소 생성 가스류 중 NO_x함량을 감소시키기위해 설계된 장치를 나타낸다. 미립자 역청탄이 약 1550℉ 내지 1650℉에서 상승하는 연소 생성 가스류를 발생하면서 유동상에서 연소되는 연소기(135)가 나타나 있다. 많은 열량이 연소기에서 발생하고, 연소기(135)의 상부에 위치한 열교환 장치(136)가 예시되어있다. 연소기(135)의 상부로부터 나가는 유체는 원통부(113) 높이의 1/2 이상인 높이를 갖는 짧은 전달 도관(137)을 통해 제 2 도 및 제 3 도에 상세히 나타낸 형태의 싸이클론 분리기(111)로 수평적으로 흐른다. NO_x환원제는 2개의 분사기(131)를 통해 분사된다. 이 분사기는 싸이클론의 원통 측벽을 통해 제 2 도에 도시된 분사기(31a,31b)와 똑같은 일반적인 각도 위치에서 출구 도관이 수직으로 돌출하여 형성된 환상부(121) 약간 아래나 그 속으로 돌출되어있다.

처리된 연도 가스는 출구 도관(119)을 통해 위로 배출된다. 이 출구 도관은 가스류를 대류부(139)로 보내는 튜브 도관(147)에 연결된다. 이에 따라 가스 유체는 추가 열전달 장치(149)(151)를 따라 하향어동한 다음 1차 공기를 유동상 연소기로 공급하는 2셋트의 공기 예열기(155)(157)를 통과한다. 예열기는 최종 배출온도로 낮아질 때까지 가스 유체로부터 열을 추가로 회수한다. 이 지점에서 가스류는 백하우스(154)와 연통을 거쳐 대기로 통하는 측면 배출 도관(153)을 통해 배출된다.

제 6 도는 제 5 도에서 도시한 것과 유사한 원심 분리기(111')를 나타낸 것이다. 입구 도관(137')은 높이가 "h"인 실린더부(113')를 갖는 분리기의 상부로 연결된다. 중앙 출구 도관(119')은 상부에 위치하여 하향 연장되고 상부에서 환상부를 형성한다. 도시된 바와같이, 출구 도관(119')은 싸이클론내로 약 0.25h만큼 하향연장되고, 출구 도관은 약 0.1h 내지 0.8h만큼 싸이클론속으로 연장되는 것이 바람직하다. 제 2 도의 분사기(31a)(31b)의 위치에 놓여있는 2분사기(131')가 도시하어 있다. 다량의 석회석 또는 석회입자가 싸이클론입구의 연도가스중에 존재하는 경우에, 분사기는 싸이클론의 지붕으로부터 약 0.1h 내지 0.9h만큼 하향 연장되는 것이 바람직하고 도시된 실시예에서의 거리는 약 0.7h이다. 그러나, 가스가 거의 또는 전혀 고체를 함유하지 않는다면 분사기가 경사벽에 도달할 때까지 h이상으로 하향 연장될 수 있다. 또한, 도시된 길이(L)는 출구 도관(119)의 외면으로부터 수직 실린더 측벽(113')의 내면까지 반경 방향거리를 나타낸다. 이 길이는 도시된 분사기에대해 0.5L이며, 이미 지적한 바와같이 바람직한 길이는 약 0.1L 내지 0.8L이다.

이상 기술된 한 가지 실시예로서, 질소 함량이 약 1중량%, 황 함량이 약 3중량%이고 크기가 약 1/4인치까지되는 미분탄을 유동상의 일부인 연소기(135)에서 연소시켰다. 이 미분탄은 시간당 110,000파운드로 유동상 연소기(135)로 공급되고, 공기는 약 400。F의 온도에서 10 : 1의 공기 대 석탄 중량비로 공급되었다. 이 조건하에서 연소되는 석탄 입자는 온도가 약 1500。F 내지 1650。F인 유동상을 형성시킨다. 연소기(135)전체에 걸쳐 배치된 증기 발생 또는 수냉 튜브에 의하여 연소 가스로부터 다량의 열이 흡수된다. 연소 생성 가스류는 온도 약 1500℉ 내지 1650℉, 유량 65,000,000ACF/hr로 연소기의 상부를 떠난다. 황 함량이 많은 석탄 연소시 전달 도관(137)내의 가스를 분석한 결과 NO_x는 약 160ppm, SO_x는 약 300ppm이었다.

이 정도 유량의 고온 연소 생성 가스류를 처리하는데 이용되는 싸이클론(111)의 본체 실린더는 높이 17피트, 직경 13피트로서 본체 큰 부(body cone protion)를 둘러싼다. 싸이클론은 탄소강으로 제작되고 그 내면은 12인치 두께의 내마모성 절연층으로 열 절연된다. 출구 도관(19)은 외경이 약 5피트이고 싸이클론의 지붕으로부터 동축으로 약 3피트 하향 연장되어, 높이 약 3피트 반경 방향 크기 약 4피트인 환상부를 형성시켜 그 속에서 아래쪽으로 향하는 와류가 생성되도록 한다. 분무기(131)들은 내화 재료로부터 약 4인치 아래쪽으로 돌출한 튜브들이고, 이 내화 재료는 내경이 약 7/8인치인 싸이클론의 지붕을 절연시킨다. 이들 튜브는 하단이 개방되어 있다. 이러한 튜브 2개가 제 2, 3 도에서처럼, 출구 도관의 외면과 싸이클론 본체 실린더의 절연된 내면 사이의 반경 방향 중간에서 환상부내에 180°간격을 두고 배치된다. 2분사기(131)는 모두 적절한 계량 장치(134)를 이용하는 공통의 공급 라인(133)으로부터 환원제를 공급받고, 이 계량 장치(134)는 유동상 보일러에서 생성되는 연소 생성물의 유량 변화에 따라 환원제의 유량을 증감시킨다.

가스상 암모니아는 시간당 15파운드의 양으로 공급 라인을 통하여 싸이클론 환상부(121)의 상부에 있는 분무기(131)로 공급된다. 분사된 암모니아는 강한 와류에 의한 혼합 결과 전체 유입 가스류 내에 즉시 분산된다. 싸이클론으로 유입되는 가스 온도는 약 1600℉이다. 대기로 배출시키기 위하여 배출 도관(153)을 통하여 연통(stack)으로 흐르는 가스를 분석한 결과 NO_x함량은 약 64ppm이었다.

제 2 실시예로서, 질소 함량이 약 1중량%, 황 함량이 약 3중량%이고 크기가 약 1/4인치까지되는 미분탄을 유동상의 일부인 연소기(135)에서 연소시켰다. 이 미분탄은 시간당 110,000파운드로 유동상 연소기(135)로 공급되고, 공기는 약 400℉의 온도에서 10 : 1의 공기 대 석탄 중량비로 공급되었다. 이 조건하에서 석탄입자는 약 1500℉ 내지 1650℉의 온도로 연소된다. 석회석(CaCO₃)분말이 연소기 내로 분무되어 즉시 CaO로 하소되고, 그 대부분은 SO_x와 반응하여 황산 칼슘을 생성시킨다. 연소기(135) 전체에 걸쳐 배치된 증기발생 또는 수냉 튜브에 의하여 연소 가스로부터 다량의 열이 흡수된다. 이 실시예에서 연소기(135)는 약120,000lb/hr의 증기 발생량에 도달할 때까지 베드 온도를 약 1550 내지 1630℉로 유지시킨다. 연소 생성가스류는 온도 약 1500℉ 내지 1650℉, 유량 65,000,000ACF/hr로 연소기의 상부를 떠난다. 전달 도관(137) 내의 가스를 분석한 결과 NO_x는 약 160ppm, SO_x는 약 300ppm이었다.

이 정도 유량의 고온 연소 생성 가스류를 처리하는데 이용되는 싸이클론(111)의 본체 실린더는 높이 17피트, 직경 13퍼트로서 본체 큰 부를 둘러싼다. 싸이클론은 탄소강으로 제작되고 그 내면은 12인치 두께의 내마모성 절연층으로 열 절연된다. 출구 도관(19)은 외경이 약 5피트이고 싸이클론의 지붕으로부터 동축으로 약 3피트 하향 연장되어, 높이 약 3피트 반경 방향 크기 약 4피트인 환상부를 형성시켜 그 속에서 아래쪽으로 향하는 와류가 생성되도록 한다. 분무기(131)는 싸이클론의 지붕을 절연시키는 내화 재료로부터 아래쪽으로 돌출한 튜브이고, 그 내경은 약 1/4인치이다. 이 튜브는 하단이 개방되어 있고 출구 도관의 외면과 싸이클론 본체실린더의 절연된 내면 사이의 반경 방향 중간에 배치된다. 하나의 분사기(131)는 적절한 계량장치(134)를 이용하여 환원제를 공급 받고, 이 계량 장치(134)는 유동상 보일러에서 생성되는 연소 생성물의 유량 변화에 따라 환원제의 유량을 증감시킨다.

요소 약 50중량%인 요소 수용액이 약 120。F로 공급 라인을 통하여 분사기(131)로 도입되어, 동축인 1/2인치 튜브를 통하여 흐르는 증기와 함께 분무된다. 이 튜브에는 냉각 공기 자켓도 설치되어 있다. 분사기는 사이클론의 지붕을 통하여 약 6피트 아래로 연장된다. 요소 용액은 NO_x1몰당 암모니아 1몰에 해당하는 비율로 분사된다. 이 분사기는 분무기(31a)와 유사한 위치에 설치되고, 증기 분무된(steam atomized) 암모니아는 강한 와류에 의한 혼합 결과 전체 유입가스류 내에 즉시 분사된다. 싸이클론으로 유입되는 가스온도는 약 1600℉이다. 대기로 배출시키기 위하여 배출 도관(153)을 통하여 연통으로 흐르는 가스를 분석한 결과 NH₃손실은 거의 없었으며 O₂함량은 약 5.8%, NO_x함량은 도입시 175ppm에서 약 68% 감소되어 약 56ppm이었다.

요소 수용액이 천장의 약 6인치 하부에서 분무되도록 프로우브(probe)를 상승시켜 실험을 반복한 결과 몰비 약 1.43 대 1(NO_x함량 약 170ppm, O₂함량 약 5.4%을 기초)에서 NO_x감소는 약 62%였고 뚜렷한 손실은 없었다. 요소 수용액의 분무량을 NO_x1몰에 대하여 NH₃4몰의 비율로 증가시키면, NO_x175ppm인 경우 86%가 감소되고 NH₃손실은 약 10ppm으로 된다. 도입 NO_x함량이 135PPm으로 되도록 연소기작동을 변화시키고, 동일한 몰비로 분무시키면 NOx는 약 82% 감소되고 손실은 약 8ppm이 된다. 손실은 약 44ppm 이하로 유지되어야하고 약 10ppm 또는 그 이하인 것이 바람직하다.

본 발명은 본 발명자에게 이 시점에서 가장 잘 실시되는 것으로 생각되는 바람직한 특정 실시예에 대하여 기술되었지만, 이 분야에서 숙달된자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 여러 가지 자명한 수정과 번경을 가할 수 있음을 이해하여야 한다. 예를들면 단일 싸이클론 대시 병렬 연결된 여러 개의 싸이클론을 이용할수도 있다. 또 싸이클론을 이용하는 대신 대체로 원형 또는 타원형 단면을 가진 영역 내로 가스류를 접선방향을 따라 도입시켜 강한 와류를 발생시키는 장치를 이용할 수도 있다. 점성을 감소시키고, 고형물이 침전되는 것을 방지하기 위하여 분무기가 예열된 용액을 분무하는 것이 바람직하다. 증기를 조합시킴으로써 분무기가 미세한 액적이나 약 500μm 이하의 액적 어느 것을 분무시키게할 수도 있다. 본 발명의 특징은 첨부된 특허청구 범위에 강조되어 있다.

Claims (19)

1. 고온 가스상 연소 생성물의 가스류를, 적어도 부분적으로 N₂로 전환시켜 NO_x함량을 감소시키는 화학 반응을 일으키는 환원제로서 증기 형태 또는 증발 가능한 형태의 암모니아, 암모니아의 전구 물질 되는 이들의 혼합물과 접촉시켜 NO_x함량을 감소시킴으로써 가스상 연소 생성물을 정화하는 방법에 있어서, 상기 가스류를 적어도 약 1400。F로 유지하면서 강한 와류가 형성되는 부분으로 통과시키고, 상기 부분에 도입한 직후 상기 환원제를 상기 가스류에 분사하는 것을 특징으로 하는 가스상 연소 생성물의 정화 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 가스류내의 NO_x함량이 200ppm 이하가 되도록 상기 환원제가 상기 가스류내에 도입되는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 환원제는 고온 싸이클론 분리 수단내의 반경 방향속도가 0인 대역으로 분무에 의하여 도입되고, 상기 반경 방향 속도가 0인 대역은 상기 싸이클론 분리 수단의 외측 경계부로부터 반경방향 안쪽에 위치하여 상기 환원제는 상기 가스류 전체에 걸쳐 급속히 분산되고, 그후 상기 싸이클론 분리수단내에서 나선상으로 이동하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 가스류내로의 상기 분사는 출구 도관 또는 그 수직 투영부로부터 반경 방향 바깥 쪽에 위치한 원위의 여러 지점에서 동시에 이루어지고, 이 도관은 상기 싸이클론 분리 수단의 상부 환상부의 내측 정계를 이루며, 상기 원은 여기서부터 0.1L 내지 0.8L(여기서 L은 상기 환상부의 반경 방향폭임) 사이에 위치하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 원이 약 0.5L에 위치하는 방법.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 환원제는 NO_x1몰당 약 0.2 내지 약 10몰의 양으로 도입되는 방법.
7. 제 2 항에 있어서, NO 환원제의 수용액이 증기 분무되는(steam atomized)방법.
8. 제 2 항에 있어서, 상기 NO_x환원제가 약 1400℉ 내지 약 1900℉의 상기 가스류내로 도입되는 방법.
9. 제 8 항에 있어서, O₂의 함량이 10부피% 이하인 상기 가스류내로 상기 환원제가 도입되는 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 요소(urea) 수용액이 도입되어 증기 분무되는 방법.
11. 환원제와 접촉시켜 NO_x함량을 감소시키는 가스상 연소 생성물 정화 장치에 있어서, 적어도 1400℉이상의 온도로 가스상 연소 생성물의 가스류를 운반하는 도관 수단, 상기 도관 수단의 출구와 연결되어 상기 가스류에 와류를 발생시키는 고온 싸이클론 분리 수단, 상기 가스류가 상기 와류 발생 싸이클론 분리 수단내로 도입된 직후, 환원제를 상기 가스류내로 도입시키는 분사 수단이 포함되는 정화 장치.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 와류 발생 수단이 싸이클론 분리기이고, 상기 분사기는 상기 환원제를 상기싸이클론 분리기의 외측 경계로부터 반경 방향 안쪽으로 간격을 둔 속도가 0인 대역내로 도입시켜 상기 환원제는 상기 가스류 전체에 걸쳐 급속히 분산된 후 나선상으로 하향 이동하게되는 장치.
13. 제 11 항에 있어서, 상기 와류 발생 수단은 본체 실린더부와 대체로 원형 단면의 내측 출구 도관을 가진 싸이클론 분리 수단이고, 상기 환원제를 상기 출구 도관과 상기 본체 실린더부 사이의 환상부로 도입시키는 상기 분사 수단은 상기 본체 실린더부 표면의 반경 방향 내측에 위치하는 장치.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 싸이클론 분리 수단의 상부 경계면을 통하여 여러지점에서 상기 분무가 이루어지는 장치.
15. 제 13 항에 있어서, 상기 분사 수단은 상기 싸이클론 분리 수단의 수직 원통측벽을 통하여 내측으로 돌출하여 상기 싸이클론의 수직 실린더부 내부 높이의 상부 10% 내지 상부 80%에 위치하는 장치.
16. 제 11 항에 있어서, 상기 분사 수단은 약 500μm 이하 크기의 액적 형태로 액체를 분사시키도록 설계된 장치.
17. 제 11 항에 있어서, 상기 분사 수단은 요소 수용액 형태의 상기 NO_x환원제를 상기 싸이클론 분리 수단내로 분무하도록 설계된 장치.
18. 제 11 항에 있어서, 상기 분사 수단은 상기 환원제를 약 0.1L 내지 약 0.8L(여기서 L은 상기 출구 도관과 상기 본체 원통벽 사이의 반경 방향 거리) 사이의 위치에서 상기 가스류 내로 분무시키도록 된 장치.
19. 제 13 항에 있어서, 상기 분사 수단은 약 0.1h 내지 약 0.9h(여기서 h는 상기 본체 실린더부의 높이)의 위치에서 상기 NO_x환원제를 상기 싸이클론 분리 수단내로 도입시키는 장치.

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