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KR100709849B1 - 농축된 석탄 스트림의 ＮＯｘ 감소성 연소 방법 - Google Patents

농축된 석탄 스트림의 ＮＯｘ 감소성 연소 방법 Download PDF

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KR100709849B1
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히사시 코바야시
로렌스이.3세 부울
윌리암제이. 스나이더
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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 유입되는 연료 고체 및 공기의 공급 스트림으로부터 공급 스트림보다 높은 공기에 대한 연료 고체의 비를 갖는 스트림을 수득하고, 이렇게 수득된 스트림과 소량의 산소를 연료 고체가 연소되는 버너 (3)에 주입함으로써 석탄 등의 고체 탄화수소성 연료의 연소 중에 NOx의 형성을 감소시키는 방법에 관한 것이다.

Description

농축된 석탄 스트림의 ＮＯｘ 감소성 연소 방법 {NOX-REDUCED COMBUSTION OF CONCENTRATED COAL STREAMS}
도 1은 본 발명을 수행하는 한 구체적인 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명을 수행하는데 유용한 버너의 단면도이다.
도 3 내지 6은 연료 고체 및 공기의 스트림으로부터 공급물보다 높은 공기에 대한 연료 고체의 비를 갖는 스트림을 수득하기 위한 본 발명에 유용한 장치의 단면도이다.
도 7 내지 9는 본 발명의 수행에 유용한 장치의 단면도이다.
본 발명은 결합 질소를 함유하는 연료를 포함하는, 석탄 등의 고체 탄화수소성 연료를 연소시키고, 연소 과정에서 질소 산화물의 생성을 감소시키는 방법에 관한 것이다.
삭제
발전 장치의 노에서 석탄을 연소시키는 것은 에너지를 발생시키는 중요한 수단이 되어왔다. 이러한 연소는 대기 오염을 유발하는 것으로 고려되어 온 NOx를 대기로 방출시킨다고 여겨져 왔기 때문에, 연소 과정에서 대기로 방출되는 NOx의 양을 감소시키는 방법을 확립하는 것이 여전히 실제적인 문제로 남아 있다.
NOx 방출을 감소시키는 한 방법은, 공기역학적인 단계적 저 NOx 버너 및 과연소 공기 포트 중 어느 하나 또는 둘 다를 사용하는 단계적 연소 기술을 채택하는 것이다. 공기역학적인 단계적 저 NOx 버너에서, 연료를 연료의 완전 연소에 요구되는 연소 공기의 일부와 혼합하는 것은 화염내에 비교적 많은 연료 과잉 불꽃 영역을 갖는 화염의 생성을 지연시킨다. 전역적인 단계적 연소 또는 과연소 공기를 이용한 단계적 연소에서, 석탄의 완전 연소에 요구되는 산소의 총량 중 단지 일부만이 제공될 때, 연소 공기를 연료와 함께 버너의 제 1 연소 구역에 공급하여 연료 과잉 불꽃 영역을 생성하고, 이어서 평형을 이룬 연소 공기("과연소 공기")를 연소 부족 영역에 공급하여 연료를 완전히 연소시킨다. 연소 공기가 주입되어 아직 연료와 완전히 혼합되지 않은 버너에 인접한 영역을 제외한 제 1 연소 구역 전체는, NOx 방출을 감소시키기 위한 긴 체류 시간이 제공될 때 전역적인 단계적 연소 하에 연료 과잉이 될 수 있다. 연료 과잉 조건을 달성하기 위해, 종래에는 제 1 연소 구역에 가연성 기체를 첨가하거나 산소 부족성 재생 연료 기체를 이용하여, 제 1 연소 구역으로 연료와 함께 공급되는 연도 공기의 양을 감소시킬 것을 제안한다. 공정에서 이 시점에 순수한 산소를 첨가시키려는 시도는 이 영역의 화염으로부터 과량의 산소를 제거하려는 목적과 일관되지 않다는 종래의 교시에 의해 중단된다. 미분탄을 연소시키는 노에서, 미분탄은 통상적으로, 제 1 공기 (또한 "운반 공기"로 공지됨)에 의해 운반되어 제 1공기와 함께 직접 혼합된 미분탄 고체의 유동성 스트림으로서 버너까지 운반되어 이를 통해 공급된다. 운반 공기는 또한 석탄에 필요한 연소 공기의 일부를 제공한다. 운반 공기는 재순환하는 연도 기체 또는 석탄의 수분 함량을 감소시키기 위해 인도(in-duct) 버너에 이용되는 연료의 연소 생성물을 함유할 수 있다. 운반 공기의 양을 감소시키는 것이 석탄의 연소에 의해 형성되는 NOx의 양을 감소시키는 한 방법으로 인식된다. 그러나, 대부분의 경우, 운반 공기의 양을 감소시키는 것은 석탄 미분기 및 운반/분배 시스템의 성능을 저하시키므로 실행 불가능하다.
종래 기술에서 미분탄 버너로부터 NOx 방출을 감소시키는 것으로 확인된 두번째 기술은 석탄 농축기 또는 분할기를 도입하는 것이다. 석탄 농축기 또는 분할기는 관성적으로, 버너 팁에서 또는 그와 인접하여, 석탄을 이것의 운반 공기로부터 미분탄과 공기의 둘 이상의 별개 스트림으로 분리시키고, 여기서 하나 이상의 스트림은 하나 이상의 다른 스트림보다 운반 공기에 대한 석탄 고체의 비가 더 높다. 이러한 장치에 의해 두개의 (또는 그 이상의) 스트림을 따로따로 또는 고도로 층을 이룬 노에 주입한다. 이러한 방식으로, 연료 과잉 스트림을 보다 연료 과잉의 조건하에 연소시키고, 연료 부족 스트림에는 석탄의 탈휘발화 및 탈질소화를 유발하는 추가 공기와 상당한 열을 제공할 것이다. 또한 연소 속도(보다 적은 석탄 및 동량의 운반 공기)의 감소에 따라 석탄 부하가 감소하므로, 이러한 장치는 버너의 부하조정을 보다 양호하게 할 수 있고, 농축기는 버너 팁에 보다 농축된 석탄 스트림을 제공하므로 화염의 점화 안정성을 유지하는 것을 돕는다. 이러한 기술 유형은 산업적으로 매우 일반적인 것이며 이를 목적으로 설계된 다수의 석탄 농축 장치가 현재 존재한다. 그러나, 석탄 연소 보일러에 대한 NOx 배출 규정안은 매우 엄격해지고 있으며, 최신식 저 NOx 연소 시스템의 가동에 석탄 농축기를 이용하는 것만으로는 새로운 NOx 규정을 충분히 만족시키지 못한다. 더욱이, 석탄 농축기의 이용은 재(ash) 중에 높은 비연소 탄소를 초래할 수 있다.
따라서, 바람직하게는 석탄 농축기에 의한 이점을 이용하는 한편, 재 중의 비연소 탄소를 현저히 증가시키지 않고 NOx의 방출을 감소시키면서 석탄의 연소를 수행하는 개선된 방법이 요구된다.
발명의 간단한 요약
본 발명은 기체상 담체에 미분 고체 탄화수소성 연료의 공급 스트림을 제공하는 단계;
상기 공급 스트림으로부터, 공급 스트림의 담체에 대한 연료의 비보다 높은 담체에 대한 연료의 비를 갖도록 연료와 담체를 포함하는 하나 이상의 스트림을 수득하는 단계; 및
수득된 스트림과 버너로부터 얻은 공기를 연소실에 공급하고, 상기 버너에서 또는 그와 인접한 위치에서 수득된 스트림에 산소를 주입하는데, 예컨대, 연료가 버너를 빠져나옴에 따라 산소를 상기 연료에 직접 주입하거나 상기 버너를 통해 공급되는 공기에 산소를 첨가함으로써 산소를 주입하여, 상기 연소실에서 수득된 스트림 중의 석탄을 상기 공기 및 산소와 함께 연료 과잉 불꽃 구역을 갖는 화염으로 연소시키는 단계를 포함하며, 상기 산소량이 상기 연료의 완전 연소에 요구되는 화학량론적 양의 25% 미만이고 연료 과잉 구역을 유지시키면서, 전체 연소 구역의 화학량론비가 산소를 첨가하지 않은 화학량론비와 비교하여 10% 이하로 변화되기에 충분한 양의 산소를 함유함으로써 상기 버너를 통해 공급되는 공기의 양을 감소시킴을 특징으로 하는 연소 방법에 관한 것이다.
바람직한 구체예에서, 연료 과잉 불꽃 구역의 화학량론비는 0.6 내지 1.0이고, 보다 바람직하게는 0.7 내지 0.85이다.
또다른 바람직한 구체예에서, 연료 과잉 제 1 연소 구역을 확립하도록 공기를, 상기 연소실로 공급되는 산소의 총량이 상기 연료의 완전 연소에 필요한 화학량론적 양 이상이 되기에 충분한 산소를 포함하는 양으로, 상기 버너 이외의 공급처로부터 연료 과잉 불꽃 구역 외부의 상기 연소실내 영역으로 첨가한다. 바람직하게는 이러한 구체예에서, 제 1 연소 구역의 화학량론비가 0.6 내지 1.0, 보다 바람직하게는 0.7 내지 0.85이다.
공기에 대한 연료 고체의 비가 보다 낮은 연료 고체 및 공기의 하나 이상의 스트림과 물리적으로 별개인 스트림 또는 스트림들이 또한 반드시 생성되기 때문에, 공급 스트림보다 높은 공기에 대한 연료 고체의 비를 갖는 석탄 및 공기의 하나 이상의 스트림을 수득할 수 있으나, 반드시 수득되는 것은 아님을 이해하여야 한다. 즉, 보다 높은 공기에 대한 연료 고체의 비를 갖는 수득된 스트림 또는 스트림들이 보다 낮은 공기에 대한 연료 고체의 비를 갖는 영역을 하나 이상 포함하는 스트림의 부분인 하나 이상의 영역을 구성할 수 있다.
본 발명은 먼저 석탄 스트림을 농축시키고 이후 버너의 출구에서 국부 영역의 농축된 석탄 스트림에 산소를 공급함으로써, 고온의 연료 과잉 불꽃 구역을 얻는 공정 목적을 달성한다. 이것에 의해 상당히 고농도의 산소를 석탄에 접촉시킬 수 있고 도달한 석탄 농도에 따라서 최초의 공기 수치나 그 이하의 화학량론비를 유지할 수 있다.
국부적인 고농도 산소 및 낮은 화학량론비가 공동으로 NOx 형성을 억제하는 이상적인 조건을 만들어낸다. 농축된 석탄 스트림 중에 산소를 사용하여 표준의 석탄 연소 공정으로부터 불활성 부분, 즉 공기내에 함유된 질소를 배제시킴으로써, 고온에 도달하는 것을 가능하게 하고 공정에서 NOx의 전체적인 방출을 낮추며 재 중의 비연소 탄소를 감소시키는 조건을 달성할 수 있다. 또한, 이러한 방식으로 산소를 적용함으로써, 소망하는 바람직한 조건을 달성하는데 필요한 산소를 줄이고, 따라서, 산소 이용의 경제성을 크게 향상시킨다.
본원에서 사용된 용어 "화학량론비"는 공급물을 포함하는 물질에 존재하는 모든 탄소, 황 및 수소를 이산화탄소, 이산화황 및 물로 완전히 전환시키는데 필요한 산소의 총량에 대한 공급되는 산소의 비를 의미한다.
본원에서 사용된 용어 "NOx"는 NO, NO2, NO3, N2O, N2O3, N2O4, N3O4 및 이들의 혼합물과 같은 질소 산화물을 의미하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에서 사용된 용어 "저 NOx 버너를 이용한 단계적 연소"는 연료의 완전 연소에 요구되는 연소 공기의 일부와 연료의 혼합을 지연시켜 비교적 큰 연료 과잉 불꽃 구역을 갖는 화염을 생성하는 노에서의 연소를 의미한다.
본원에서 사용된 용어 "전역적인 단계적 연소" 또는 "과연소 공기를 이용한 단계적 연소"는 연료의 완전 연소에 요구되는 연소 공기의 일부만을 버너에서 연료를 이용하는 노에 공급하고, 연료의 연소를 완전하게 하기에 충분한 공기를 구성하는 추가 공기 ("과연소 공기")를 임의의 버너나 바로 인접한 버너를 통과시키지 않고 그 대신 버너(들)와 노의 연도 수단 사이에 위치하는 하나 이상의 주입구를 통해 노로 공급하며, 이 공기를 연료의 동반 공급 없이 공급하는 노에서의 연소를 의미한다.
본원에서 사용된 용어 "기체상 담체"는 종래 공정으로부터의 연소 생성물 또는 불활성 부류를 구성하는 기체상 매질과 평형을 이루면서, 연료 시스템에서 발생되는 발화의 위험없이 연료를 운반하는데 적절한 산소 함량을 갖거나 산소를 전혀 함유하지 않는 기체상 매질을 의미한다. 실제로, 기체상 담체의 유동 부피는 전 크기 범위의 미분 연료 입자를 운반하거나 이동시키기에 충분해야 한다.
본원에서 사용된 용어 "결합 질소"는 탄소와 수소, 또한 임의로 산소를 함유하는 분자의 일부인 질소를 의미한다.
본 발명이 이하에 석탄의 연소 및 기체상 담체가 되는 공기에 관하여 논의하나, 둘 모두는 본 발명의 바람직한 구체예를 대표하는 것이며, 기술된 방법에는 임의의 그밖의 미분 연료 및 기체상 담체를 적용시킬 수 있을 것이다. 본 발명을 도면을 참조로 설명할 것이며, 도면을 인용한 기재는 본 발명에서 고려된 범위를 제한하려는 의도가 아니다.
일반적으로, 본 발명은 우선 석탄/운반 공기 스트림을 하나 이상의 스트림("수득된" 스트림(들))으로 분리하며, 이 때 스트림의 첫째 부분은 공급 스트림보다 높은 공기에 대한 연료 고체의 비를 갖는다. 또한 "수득된" 스트림(들)을 얻는 것이 주입 스트림보다 낮은 공기에 대한 연료 고체의 비를 갖는 하나 이상의 스트림을 제공할 것이다. 이후 보다 신속한 고온의 연소 및 연료 입자의 탈휘발화를 촉진하기 위해 수득된 스트림(들) 중의 연료에 대한 부-화학량론적인 산소량을 버너에서 수득된 스트림으로 또는 그에 인접하게 주입한다. 이들의 연소 이력 중 초기에 이러한 조건에 따라 연료 입자를 주입하는 것은 NOx라기 보다 N2로의 연료 결합 질소의 변형을 촉진시키고 연소 공정에서 이후 완전한 숯의 고갈을 용이하게 한다. 또한 생성된 비교적 묽은 석탄 스트림(들)을 기타 방법으로 이용한다; 예를 들어, 이들을 산소 스트림으로부터 분리하여 노로 주입할 수 있거나, 심지어 버너로부터 떨어진 위치에 공급할 수 있다 (예컨대, 과연소 공기로서, 또는 또다른 단계적 공기 스트림으로서).
일반적으로, 공급 스트림 및 보다 농축된 석탄-공기 스트림의 속도는 25 내지 250 ft/초이고, 바람직하게는 50 내지 200 ft/초이다. 일반적으로 공급 스트림 중의 공기에 대한 연료 고체의 비는 0.25 내지 1.5 lb 연료/lb 공기이고, 바람직하게는 0.35 내지 0.7 lb 연료/lb 공기이다. 보통, 수득된 보다 농축되어진 스트림 중의 공기에 대한 연료 고체의 비는 0.4 내지 10 lb 연료/lb공기이고, 바람직하게는 0.5 내지 3 lb 연료/lb 공기이다.
도 1에서 연소 장치 (1)를 도시하며, 이것은 장치의 내부 (2)에서 연소가 수행되는 임의의 장치일 수 있다. 바람직한 연소 장치는, 본 도면에는 도시하지 않은 통상의 수단에 의해 전력을 발생시키는 데 이용되는 노와 보일러를 포함한다. 연소 장치 (1)의 측부 또는 말단부에 위치하는 각 버너 (3)가 연소 장치 (1)의 외부에 있는 공급처로부터 연료, 공기 및 산소를 연소 장치 (1)의 내부 (2)로 공급한다. 적절한 연료는 미분 (즉, 미세하게 분쇄된) 탄화수소 고체를 포함하며 이것의 바람직한 예는 미분탄 또는 석유 코크스이다.
도 1 및 보다 정밀하게 도 2에 도시한대로, 버너 (3)는, 동일한 효과를 내는 그밖의 구성을 가질 수 있으나, 동심적으로 배열된 수개의 통로를 포함하는 것이 바람직하다. 환상 통로 (4)를 통해 연료를 연소 장치 (1)에 공급한다. 바람직하게는 연료와 운반 공기가 공급원 (20)으로부터 하나 이상의 버너 (3)로 운반되고, 여기서 석탄 농축기 (18)를 통과한 스트림이 연소 장치 (1)의 내부 (2)로 추진된다. 통상적으로 약 1.5 내지 2.0 lb의 유효량을 갖는 제 1 공기가 1 lb의 석탄을 운반하는데 이용되고, 이것은 역청탄의 완전 연소에 요구되는 화학량론적 연소 공기의 약 20%에 상응하는 것이다.
연소 공기 (22)를 강제 통풍 ("FD") 팬 (표시하지 않음)에 의해 하나 이상의 바람상자 (21)로 공급하고, 하나 이상의 버너 (3)의 공기 통로로 공급한다. 제 2 연소 공기 (15)를 버너 (3)를 통해, 바람직하게는 탄화수소 연료가 공급되는 환상 공간 (4) 주위에 동심적으로 배열된 환상 통로 (11)를 통해 연소 장치 (1)로 공급한다. 제 3 연소 공기 (16)는 버너 (3)를 통해, 바람직하게는 제 2 공기 통로 주위에 동심적으로 배열된 환상 통로 (12)를 통해 연소 장치 (1)로 공급되는 것이 바람직하다. 또한, 연소 공기를 과연소 공기 포트 (7) (도 1에 표시함)를 통해 연소 장치 (1)로 공급하는 것이 바람직하다.
바람직한 저 NOx 버너는 양호한 공기역학적 조절을 위해 제 1 (연료), 제 2 및 제 3 공기 통로를 갖는다. 그러나, 단지 제 1 및 제 2 공기 공급을 이용한 그밖의 저 NOx 버너 설계를 이용할 수 있다. 일단 세개의 통로를 갖는 최적의 셋팅이 결정되면, 세개의 통로 설계를 갖는 것과 거의 동일한 공기역학적 혼합 특성을 야기하도록 제 2 공기 선회 날개 및 통로를 설계할 수 있다. 대안적으로, 추가의 (제 4) 통로를 갖는 버너를 이용할 수 있다 (예컨대, 미국 특허 제 5,960,724호에 기술된 RSFC™ 버너).
탄화수소 연료, 연소 공기 중의 산소, 및 산소간 연소를 수행하여 화염 (6)을 형성한다. 버너 (3)의 말단에 가장 인접한, 즉 탄화수소 연료가 버너로부터 배출되는 화염 영역 (8)이 연료 과잉 구역이다. 이것 주변의 화염 영역 (6)은 제 2 및 제 3 연소 공기가 연료와 충분히 반응하지 않기 때문에 비교적 부족한 영역이다. 전역적인 연소 단계용 과연소 공기 포트 (7)로부터 충분한 양의 공기가 공급될 때, 공기가 주입되어 아직 연료와 충분히 반응하지 않은 버너 (3)에 인접한 영역을 제외하고는, 과연소 공기 포트 (7) 아래에 있는 노의 전체 하부 구역, 또는 제 1 연소 구역 (PCZ)이 연료 과잉이 된다.
바람직하게는, 과연소 공기 포트 개구 (7)를 통해 연소 장치 (1)의 내부로 공급된 공기가 제 1 연소 구역 (10)을 보다 연료 과잉으로 만들고, 고갈 구역 (9)에서 연료의 완전 연소를 돕는 추가 산소를 제공한다. 개구 (7)에서 공급된 산소와 혼합하여, 버너 (3)를 통해 공급된 연소 공기 중의 산소가 적어도 연료를 완전 연소시키는데 충분하며, 통상적으로 연료의 완전 연소에 요구되는 양보다 10 내지 15 부피%를 초과하는 산소를 함유한다.
바람직하게는, 세로축 주위에 와류하도록 제 2 및 제 3 연소 공기를 버너 (3)에 공급함으로써 각 버너에 인접한 재순환 구역을 생성하고 공기 및 연료의 혼합을 향상시킨다. 소망하는 와류 방향으로 스트림의 유동을 지시하는 버너의 제 2 및 제 3 공기 유동을 얻기 위해 환상 통로에 변류기 (13 및 14)를 제공하는 등의 공지의 기술에 의해 와류를 달성할 수 있다. 높은 정도의 와류, 바람직하게는 ㅁ무문헌 ["Combustion Aerodynamics", J.M.Beer and N.A.Chigier, Rober E.Krieger Pubilishing Company, Inc., 1983]에서 정의한대로 0.6 내지 2.0의 와류값을 제공하는 것이 바람직하다.
버너 (3)를 통해 공급되는 공기의 총량, 즉 제 1, 제 2 및 제 3 공기의 합이 완전 연소에 요구되는 화학량론적 공기의 60 내지 100%인 것이 바람직하다. 버너 (3)를 통해 공급되는 공기의 총량은 완전 연소에 요구되는 화학량론적 공기의 약 70 내지 85%인 것이 가장 바람직하다.
전체 연소의 화학량론비가 1.15이고, 화학량론적 공기의 20%를 이용하여 산소를 석탄 운반 스트림에 사전혼합하거나 신속하게 혼합시킬 때, 운반 공기 스트림 및 전체 연소 공기 중의 산소의 평균 농도는 다음과 같이 계산된다.
O2로 바뀐 SR 공기 % (*) 운반 공기 중의 O2 농도 (vol.%) 총 연소 공기 중의 평균 O2 농도 (vol.%)
0 21.0 21.0
5 24.9 21.7
10 28.5 22.5
15 31.7 23.4
20 34.7 24.3
25 37.4 25.4
(* 예컨대, 동량의 O2를 제공하기 위해 5 cf의 공기를 순수한 1.05 cf의 O2로 대신함)
버너로 공급되는 산소의 양은 연료 과잉 구역의 화염 (6)에서 화학량론비가 약 0.85 미만이 되기에 충분한 양이어야 한다. 라인 (5)을 통해 공급되는 산소의 양은 연료의 완전 연소에 요구되는 화학량론적 양의 25% 미만이어야 한다. 보다 바람직하게는, 이러한 양은 연료의 완전 연소에 요구되는 화학량론적 양의 15% 미만이다.
동시에, 버너 (3)를 통해 연소 장치 (1)로 공급되는 제 2 및 제 3 연소 공기의 양은 랜스(lance) (5)를 통해 공급되는 산소량에 상응하는 양으로 감소되도록 요구된다. 보다 구체적으로, 버너 (3)를 통해 공급되는 제 2 및 제 3 연소 공기, 및, 사용되는 경우, 제 4 연소 공기의 양은 라인 (5)을 통해 연료로 공급되는 산소량의 10% 이내의 양까지 감소되어야 한다.
NOx 방출은 국부적인 화학량론적 조건에 매우 의존적이다. 산소의 주입이 국부적인 화학량론적 조건을 더욱 의존적으로 만들기 때문에, 산소 주입 후 국부적인 화학량론적 조건의 변화를 고려해야 한다. 예를 들어, 공급되는 연소 공기의 양을 변화시키지 않고, 화학량론적 공기의 10% 당량인 산소를 0.4의 화학량론비 (SR=0.4)로 국부적인 과잉 구역에 주입하면, 국부적인 화학량론적 조건을 SR=0.5로 변화시키며 NOx 방출을 실질적으로 감소시킬 것으로 예상된다. 이러한 효과는, 국부적인 화학량론적 조건을 SR=0.4로 일정하게 유지하면서 "10% 공기를 산소로 대신"하는 것으로부터 얻어진 것보다 크다. 연소 공기의 교환 없이 동량의 산소를, 국부적인 화학량론적 조건이 SR=0.95인 화염 구역으로 주입시, 국부적인 화학량론적 조건이 화학량론비=1.05까지 증가한다면 NOx 방출이 급격히 증가할 것으로 예상된다.
본 발명은, 우선 석탄 스트림을 농축시켜 화학량론비를 낮춘 다음, 버너의 출구에서 농축된 석탄 스트림의 국부적인 영역으로 산소를 적용시켜 고온의 연료 과잉 불꽃 구역을 얻는 것을 공정의 목적으로 한다. 이에 의해 굉장히 고농도의 산소가 석탄과 접촉하는 것이 가능하고, 달성된 석탄 농도의 정도에 따라서 최초의 공기 수치로 또는 그 미만으로 화학량론비를 유지할 수 있다.
국부적으로 고농도의 산소를 낮은 화학량론비로 혼합시키는 것이 NOx 형성을 억제하는 이상적인 조건을 야기한다. 산소를 농축된 석탄 스트림에 이용함으로써 석탄 연소 공정으로부터 불활성체를 배제시킴에 의해 보다 높은 온도에 도달하는 것이 가능하고 공정으로부터 총체적인 NOx 방출을 낮추고 재 중의 비연소 탄소를 감소시키는 이러한 조건을 달성할 수 있다. 또한, 이러한 방식으로 산소를 적용함으로써, 요구되는 바람직한 조건에 도달하는데 요구되는 산소를 감소시키고, 따라서 산소 이용의 경제성을 크게 개선시킨다. 예를 들어, 운반 공기로서 화학량론적 공기의 20%를 함유하는 석탄 공급 스트림을 농축시키고, 농축된 석탄 스트림이 현 재 화학량론적 공기의 10%를 함유하는 경우, 운반 공기 스트림 및 전체 연소 공기 중의 산소의 평균 농도는 다음과 같이 계산되며, 산소는 농축된 석탄으로 사전 혼합되거나 급속히 혼합되며 전체 연소의 화학량론비는 1.15인 것으로 추정된다.
O2로 바뀐 SR 공기 % (*) 운반 공기 중의 O2 농도 (vol.%) 총 연소 공기 중의 평균 O2 농도 (vol.%)
0 21.0 21.0
5 28.5 21.7
10 34.7 22.5
15 39.9 23.4
20 44.4 24.3
25 48.2 25.4
(* 예컨대, 동량의 O2를 제공하기 위해 5 cf의 공기를 순수한 1.05 cf의 O2로 대신함)
상기 예는 운반 공기에서 동일한 산소 농도를 얻기 위해 요구되는 산소가 농축기의 사용에 의해 반감되는 것을 표시한다.
공기역학적인 단계적 버너에서 산소를 제 3 공기 및, 만약 사용된다면 제 4 공기로 주입 또는 혼합시키는 것이 OFA 없이 생략되어야 한다. 이론적으로, 국부적인 화학량론적 조건의 최적화가 공기를 포함하는 임의의 항산화제를 이용하여 수행될 수 있다. 그러나, 단지 작은 부피만이 요구되고 국부적인 화학량론적 조건은 화염의 전체적인 공기역학적 혼합 조건에 대한 큰 영향 없이 변화될 수 있으므로 산소가 보다 효과적이다.
버너 (3)는 석탄 및 공기의 공급 스트림이 통과하는 구조 (18)를 포함한다. 이 구조로부터 공급 스트림 보다 높은 공기에 대한 연료 고체의 비를 갖는 하나 이상의 스트림과, 공급 스트림 보다 낮은 공기에 대한 연료 고체의 비를 갖는 하나 이상의 스트림이 수득된다. 이러한 목적의 달성에 유용한, 주로 관성 설계된 석탄 농축기가 공지되어 있고, 여기에서 석탄 입자와 담체 기체간 질량 차이가 두개의 매질을 분리하는데 이용된다. 석탄 입자는 직선으로 이동하는 경향을 띠며 통로에서 고속 기체에 의한 영향을 주로 받는다. 기체는 석탄보다 방향과 속도를 보다 용이하게 변경하도록 고안될 수 있고 따라서 이 둘은 보다 잘 분리될 수 있다.
일반적으로 버너용 석탄 주입기는 다음 세개의 기본 형태: 중심축 통로(즉, 파이프), 환상 통로(예컨대, 두개의 동심적인 파이프 사이 공간) 및 상기 두개의 종류 중 하나로 분류될 수 있는 정사각형 또는 직사각형 횡단면(예컨대, 접촉 연소되는 보일러 주입기) 중 하나를 취하나, 원통형 석탄 주입기와 별개의 다른 기하하적 도형을 고려할 수 있다. 각 형태의 버너에서 방사되는 석탄을 방사 방향(즉, 모서리 대 중심)이나 원주 방향(즉, 개구의 횡단면에 대하여 분산된 고밀도 및 저밀도 영역을 교차시킨)으로, 또는 이 둘의 조합으로 농축시킬 수 있다. 석탄을 농축시키는 제 1 장치는 혼합을 가속시켜 기체 부분을 감속시키는 벤투리, 와류 흐름을 생성하는 접선 주입구, 와류 흐름을 생성하는 날개 및 입자를 수집하여 이들을 함께 밀어내는 수축 및 발산 송수관을 교대시키는 분배판이다. 도 3 내지 6은 이들 장치가 생산하는 농축된 석탄 스트림과 함께 일부 장치의 통상적인 예를 도시한다.
도 3은 유입되는 공급 스트림 (32) 보다 높고 낮은 석탄 대 공기 비를 갖는 석탄-공기 스트림을 얻기 위해 벤투리 (31)를 적용시킨 석탄 농축기 (30)를 도시한다. 벤투리 (31)의 압축된 환상 통로를 통과하는 공급 스트림이 유닛 (30)의 내면 과 보다 인접한 영역 (33)에 더 농축된 석탄 스트림과, 중심 영역 (34)을 통해 흐르는 덜 농축된 석탄 스트림을 형성한다.
도 4는 유입되는 공급 스트림 (42)에 와류 흐름을 유발하는 날개 (41)를 갖는 석탄 농축기 (40)를 도시한다. 와류 흐름은, 보다 농축된 연료 스트림 영역을 얻는다는 점에서, 더 많은 석탄 고체가 스트림의 외향 반경 영역으로 이동하는 원인이 된다. 날개 (44)는 흐름이 유닛으로부터 나오기 때문에 흐름을 직선으로 만든다.
도 5는 석탄과 공기의 공급 스트림 (51)이 유닛 (50)의 축에 접하여 공급되는 석탄 농축기 (50)를 도시한다. 이후, 이 흐름은, 더 많은 연료 고체가 유닛의 내면과 인접하여 이동하도록 하는 공급 스트림의 원주 운동을 따라 유닛을 통해 수로로 흐른다. 이렇게 하여, 덜 농축된 스트림 (53) 주위의 스트림 (52)으로서, 소망하는 보다 농축된 연료 고체의 스트림을 얻는다.
도 6은 유입되는 공급 스트림의 흐름에 대해 수축형 및 발산형 통로를 교대시키는 것을 규정하는 날개가 제공된 석탄 농축기 (60)를 도시한다. 예를 들어, 날개 61과 62가 서로를 향해 모아진 반면, 날개 62와 63은 서로에게서 벌어진다. 공기 중의 보다 농축된 석탄 스트림이 각 수축쌍의 날개 사이의 통로에서 수득되고, 덜 농축된 스트림이 날개의 각 발산쌍의 날개 사이의 통로에서 생성된다. 이러한 종류의 농축기로부터, 공기 중의 연료 고체의 농도가 유닛의 원주를 따라 변화되는 스트림을 생성하는 한편, 도 3 내지 5에 도시된 유닛은 이 농도가 유닛의 반경을 따라 변화하는 스트림을 생성한다.
석탄과 공기가 유동하는 평평한 파이프에서, 석탄은 일반적으로 파이프벽의 내면에 농축되거나, 덜 일반적으로 파이프의 중심에 농축된다. 보다 농축된 석탄 스트림이 일반적으로 벼랑물체 화염 안정화제와 상호작용하도록 위치하므로 이렇게 되는 것이다. 보다 농축된 석탄 스트림이 파이프의 내면에 수득되는 조건하에, 석탄 파이프 주위에 산소의 환상 흐름이 가장 바람직할 것이다. 이 흐름은 석탄 스트림의 축을 따른 방향이나 석탄 스트림을 향해 수축되는 방향으로 주입되어야 한다. 이 구성을 도 7에 도시하며, 여기서 공급 스트림 (71)이 유닛 (70)으로 접선적으로 공급되고, 공급 스트림 (71) 보다 높은 석탄 농도를 갖는, 진한 화살표로 표시한 스트림 (72)과, 공급 스트림 (71) 보다 낮은 석탄 농도를 갖는 좀더 밝은 화살표로 표시한 스트림 (73)이 나온다. 산소 스트림 (74)을, 산소를 배출시켜 농축된 석탄-공기 스트림 (72)과 접촉시키는 환상 통로 (75)로 공급한다. 와류 흐름을 늦추기 위해 배플이나 날개를 버너 팁에 적용시킬 수 있으나, 석탄은 일반적으로 외향 와류 방향으로 배출된다. 또한, 접선적인 석탄 주입으로 인한 와류 운동이, 석탄보다 상당히 덜하긴 하나, 공기를 외향 반경으로 이동하도록 하므로 석탄/공기 비가 다른 농축 기술만큼 높아지지 않을 것이다.
도 8은 파이프 (80)에 장착된 폐색 벤투리 (81)를 이용한 석탄 농축기를 기재로 하는 유닛을 이용한 본 발명의 실행을 도시한다. 벤투리 (81)를 통한 공급 스트림 (82)의 흐름은 석탄 고체가 파이프 (80)의 중심쪽에 농축되도록 하고 스트림이 상대적으로 석탄이 부족한 파이프의 내면에 인접하여 흐르게 한다. 이러한 상태에서, 축에 대하여 파이프의 중심 아래에 장착된 산소 랜스 (84)와 다소의 발 산형 주입 포트 (86)가 산소를 가장 농축된 석탄 스트림과 혼합시킬 것이다. 폐색 벤투리 (81)의 위치에 따라서, 농축된 석탄 스트림이 버너 팁으로부터의 배출 이전에 희석 스트림과 사전 혼합되는 것을 막기 위해 동심적으로 배치된 배플을 제공하는 것이 필수적일 수 있다.
상기 논의된 두가지 경우 모두에서, 변류기 또는 선회 날개를 파이프에 장착함으로써 방사적인 층상 흐름을 얻고 이것을 파이프의 원주 주위에 농축 및 묽은 석탄 스트림의 개별적인 구획으로 분리시킨다. 주입기의 끝이 막히고 별개의 원주 위치에 구멍이 뚫려 산소 주입점이 농축 석탄 스트림의 위치와 일치하는 것을 제외하고는, 동일한 두개의 산소 주입기를 이 경우에 이용할 것이다.
도 9에 도시한대로, 끝이 막히고 랜스의 끝을 통해 뚫린 구멍 (92)의 수가 공급 스트림보다 높은 공기에 대한 연료 고체의 비를 갖는 스트림의 수와 동일한 축방향 산소 랜스 (91)를 이용함에 의해 도 6에 도시한 종류의 석탄 농축기를 본 발명에 적용시킬 수 있다. 각 구멍은 적절한 각도로 방사상이거나, 농축된 스트림의 흐름에 대해 수축되거나 발산될 수 있고, 날개 사이의 좁은 틈으로부터 방출되는 농축된 석탄 스트림을 가로지르도록 위치한다. 농축 석탄 스트림이 원주상에서 분할되거나 가장 바깥쪽의 반경 위치로 향하는 경우, 농축 석탄 스트림의 개구에 인접하게 위치한 슬롯 또는 개구를 갖는 산소 원환이 바람직하다.
이러한 설계 때문에, 접촉 연소된 보일러가 표준 버너를 갖지 않는다. 정사각형의 각 모퉁이에서, 보일러는 석탄 또는 산소를 보일러로 주입시켜 연소를 위해 반응물을 혼합시키는 연료 주입 노즐과 공기의 뱅크이다. 이러한 비원통형의 기하 학으로 인해, 이러한 종류의 대부분의 주입기는 수축 및 발산 송수관으로 배열된 배플을 이용한다. 이들 통로의 끝과 앞에 동일한 최소의 단면을 가짐으로써, 공기의 흐름이 여기에 상당히 균일하게 분배된다. 그러나, 수축 통로는 깔때기처럼 작용하여 주입부에 더 많은 석탄 입자를 수집하고 이들을 좁은 배출구 끝에 집중시켜 농축된 석탄 스트림을 생성한다. 이러한 구성에서, 산소는 석탄 노즐 주위의 원환을 통하거나 (일반적으로 제 2 공기의 공급처) 버너의 농축 석탄 통로에 장착된 다수의 랜스를 통해 공급될 수 있다.
산소를 농축 석탄 스트림에 주입시, 스트림에 접촉시키고 이것을 혼합시켜야 하나, 산소 분출을 생성하거나 산소 분출이 노즐의 출구에서 전체적인 흐름 패턴을 교란시키는 것은 바람직하지 않다. 이것을 염두에 두고, 산소를 석탄 속도와 유사한 속도로 주입시켜야 한다. 통상적인 범위는 100%를 설계 목표로 하여, 수득되는 석탄 스트림 속도의 50% 내지 수득되는 석탄 스트림 속도의 150% 까지이다. 공기 스트림이 분리되고 산소 주입기가 석탄 수송관의 상당 부피를 점유할 때, 농축 석탄 스트림의 석탄 속도를 정확하게 결정하는 것은 어려운 일이다.
상기 기술된 관성 장치에 추가하여, 석탄을 산소와 혼합시키기 이전에 석탄을 농축시키는 그밖의 기술을 이용할 수 있다. 집진 장치와 같은 외부 장치를 버너의 옆에 장치하여 두개의 층을 형성한 스트림을 별개의 통로를 통해 버너로 도입시킬 수 있다. 이후, 산소를 농축 석탄 통로 내에, 이를 좇아서, 또는 그 주위의 어딘가로 주입시킬 것이다. 묽은 석탄 스트림을 농축 석탄 스트림과 떨어져 있는 노의 어딘가로 주입시킬 때 이러한 외부 분리 장치가 매우 유용할 수 있다.
본 발명은 석탄 스트림을 농축시키고, 농축된 석탄 스트림의 국부적인 영역에 산소를 공급하여 고온의 연료 과잉 불꽃 구역을 수득함으로써, 공정으로부터 NOx의 방출을 억제하고 재 중의 비연소 탄소를 감소시킨다. 또한, 고농도의 산소를 낮은 화학량론비로 혼합시킴에 의해, 산소 요구량을 감소시키는 동시에 산소 이용의 경제성을 크게 개선시킨다.

Claims (12)

  1. 기체상 담체에 미분 고체 탄화수소성 연료의 공급 스트림을 제공하는 단계,
    상기 공급 스트림으로부터, 공급 스트림의 담체에 대한 연료의 비보다 높은 담체에 대한 연료의 비를 갖도록 연료 및 담체를 포함하는 하나 이상의 스트림을 수득하는 단계, 및
    수득된 스트림과 버너 (3)로부터 얻은 공기를 연소실 (1)로 공급하고, 상기 버너 (3)에서 또는 그와 인접한 위치에서 수득된 스트림에 산소를 주입하여, 상기 연소실 (1)에서 수득된 스트림 중의 석탄을 상기 공기 및 산소와 함께 연료 과잉 불꽃 구역 (8)을 갖는 화염으로 연소시키는 단계를 포함하며,
    상기 산소량이 상기 연료의 완전 연소에 요구되는 화학량론적 양의 25% 미만이고 연료 과잉 구역을 유지시키면서, 전체 연소 구역의 화학량론비가 산소를 첨가하지 않은 화학량론비와 비교하여 10% 이하로 변화되기에 충분한 양의 산소를 함유함으로써 상기 버너 (3)를 통해 공급되는 공기의 양을 감소시킴을 특징으로 하는 연소 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 연료 과잉 불꽃 구역의 화학량론비가 0.6 내지 1.0 임을 특징으로 하는 연소 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 연료 과잉 제 1 연소 구역을 확립하도록 공기를, 연소실 (1)로 공급되는 산소의 총량이 상기 연료의 완전 연소에 요구되는 화학량론적 양 이상이 되기에 충분한 산소를 함유하는 양으로, 상기 버너 이외의 공급처 (7)로부터 연료 과잉 불꽃 구역 (8) 외부의 상기 연소실 (1)내 영역 (9)으로 첨가시키는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는 연소 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 제 1 연소 구역의 화학량론비가 0.6 내지 1.0 임을 특징으로 하는 연소 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 연료가 석탄임을 특징으로 하는 연소 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 연료 과잉 불꽃 구역의 화학량론비가 0.6 내지 1.0 임을 특징으로 하는 연소 방법.
  7. 제 5항에 있어서, 연료 과잉 제 1 연소 구역을 확립하도록 공기를, 연소실로 공급되는 산소의 총량이 상기 연료의 완전 연소에 요구되는 화학량론적 양 이상이 되기에 충분한 산소를 함유하는 양으로, 상기 버너 (3) 이외의 공급처 (7)로부터 연료 과잉 불꽃 구역 (8) 외부의 상기 연소실 (1)내 영역 (9)으로 첨가시키는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는 연소 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 제 1 연소 구역의 화학량론비가 0.6 내지 1.0 임을 특징으로 하는 연소 방법.
  9. 제 5항에 있어서, 기체상 담체가 공기임을 특징으로 하는 연소 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 연료 과잉 불꽃 구역의 화학량론비가 0.6 내지 1.0 임을 특징으로 하는 연소 방법.
  11. 제 9항에 있어서, 연료 과잉 제 1 연소 구역을 확립하도록 공기를, 연소실로 공급되는 산소의 총량이 상기 연료의 완전 연소에 요구되는 화학량론적 양 이상이 되기에 충분한 산소를 함유하는 양으로, 상기 버너 (3) 이외의 공급처 (7)로부터 연료 과잉 불꽃 구역 (8) 외부의 상기 연소실 (1)내 영역 (9)으로 첨가시키는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는 연소 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 제 1 연소 구역의 화학량론비가 0.6 내지 1.0 임을 특징으로 하는 연소 방법.
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