ＳＯ３ 제어를 위한 표적화된 덕트 주입 document_id A220623053323

탄소질 연료의 연소는 대부분 불가피하게 오염을 발생시킨다. 연소원으로부터의 배출물의 품질을 규제하는 것은, 생존을 위해 요구되는 공기의 품질을 유지하는 데 있어서 필수적이다. 배출물을 처리하고 유해 가스의 발생을 감소시키는 기술은 청정 공기의 종종 반대되는 목표 및 합리적인 비용을 충족하는 방향으로 대단히 진보되어 왔다. 불운하게도, 일부 기술적인 해결책들은 서로에 대해 경쟁적인 것으로 입증되었다. 이러한 경우에서, 동시에 이들을 수행하는 것은 종종 매우 고가이거나 기술적으로 복잡하여, 노후된 플랜트나 불충분한 공간 이용성을 지닌 플랜트에 대해서는 조업중단되거나 생산량이 감소되는 결과를 가져왔다. 발전소 및 소각노의 경제적인 작동은 대중적인 관심 사항이며, 이러한 노력을 위해 신규 기술이 필요하다. 천연가스와 같은 연료의 선택은 일부 오염 문제를 감소시킬 수는 있으나, 이 문제를 제거할 수는 없다. 질소 산화물(NOx)은 연소 시에 불가피하게 생성되며, 이는 종종 선택적인 비촉매적 반응(selective non catalytic reactions: SNCR) 또는 선택적인 촉매적 반응(selective catalytic reactions: SCR)에 의해 처리된다. 다른 연료, 예컨대 No. 6 오일을 연소시키면 NOx가 생성될 것이며, 이는 보일러 작동기에 대해 다른 문제(고온 슬래깅/오염 및 관련된 공융(eutectic) 부식, 냉 말단 부식/오염, 및 탄소 미립자 및 산 미스트와 관련한 불투명도 문제를 포함)를 일으킬 수 있다. 연소 구역에서, 오일 중의 황(예를 들어, 1 내지 5%)은 황 삼산화물 (SO3)로 자가 촉매화되어, 후미 표면 상의 황산을 응축시키며 (이 경우 온도는 전형적으로 약 150℃ 미만으로 감소됨), 부식 및 산 플룸(plume)을 촉진시킬 수 있다. 뿐만 아니라, SO3는 SCR 촉매에 의해 산화로부터 생성될 수 있다. SO3의 제어를 위해서, 마그네슘 히드록사이드와 같은 알칼리 물질의 주입이 유용하다; 그러나, 이는 전형적으로 물질 특성, 장치 설계 및 주입 공정에서의 부적합성으로 인해 벽과 바닥을 따라 고형물을 축적시킨다. 고형물의 축적은 연소기 또는 공정의 정전을 야기할 수 있다. 고형물의 축적은 또한 시약의 비효율적인 사용을 초래한다. 심지어 SO3 제어용 시약을 연료 중에 사용하거나 연소 가스 내로 주입시켜도 SO3은 남아있으며; 냉각된 말단에 도달하는 유출물이 이의 산성 pH 및 지나치게 다량의 SO3의 존재로 인해 문제를 일으킬 수 있다. 낮은 pH는 플라이 애쉬(fly ash)의 처리 및 냉 말단 부식에 악영향을 미칠 수 있다. SO3 증기는 연료 가스 중에서 수증기와 합쳐지는 경우에 황산 가스로 용이하게 전환된다. 가스 및 표면 온도가 시스템을 통해 냉각됨에 따라, SO3 증기는 황산의 미세 에어로졸 미스트를 형성시킨다. 이러한 산 에어로졸은 서브-마이크론 입자의 산을 함유하며, 상기 입자는 가스 세정 장치 내에서 분리되거나 포획되지 않고 스택을 빠져나올 수 있다. 심지어 상대적으로 적은 농도의 SO3가 스택을 빠져나온다 하더라도, 이는 현저한 광 산란을 야기시키고, 시각적으로 확인가능한 플룸 및 높은 불투명도의 판독을 쉽게 형성시킬 수 있다. 대체로, 매번 1 백만분율의 SO3가 1 내지 3%의 불투명도를 형성시킬 것이다. 따라서, 단지 10 내지 20 ppm의 SO3 배기 가스 농도도 불투명도 및 산 플룸 문제를 초래할 수 있다. 또한, 산의 응결점 미만에서 임의의 금속 표면 상에서 산이 침착되거나 형성되면, 유니트 내에서, 예컨대 공기 가열기, 덕트 배관(duct work) 및 스택 라이너에서 부식이 일어난다. SCR 유니트의 존재는 SO2를 SO3로 산화시킴으로써 SO3의 문제를 더욱 악화시킬 수 있다. SCR 촉매를 가로질러 SO3 수준이 배(이상)로 증가되는 것은 일반적인 현상이다. 전형적인 SCR NOx 환원 시스템에서, NOx를 함유하는 유출물은, 암모니아(NH3), 요소 [(NH2)CO(NH2)] 등을 포함하는 시약에 의해 NOx를 질소(N2) 및 물(H2O)로 환원시키는 적합한 촉매 위를 지난다. 이러한 시약의 존재하에서 NOx를 환원시키는데 효과적인 촉매는 또한 SO2의 SO3로의 산화를 강력하게 촉진시킨다. 일부 경우에, SO2는 또한 기타 장치에 의해 SO3로 산화될 수도 있다. 확실히 NOx를 감소시켜야 하긴 하지만, SCR 또는 기타 산화 유니트에 의해 발생된 SO3가 또한 제어되어야 한다. SCR 유니트는 크고 고가이다. 효과적이기 위해서, 이들은 상대적으로 낮은 온도에서 작동되어야 하며, 종종, 유입되는 연소 공기를 가열시키기 위해 유출물의 잔류 열 용량을 사용하는, 연소기와 공기 가열기 사이의 모든 이용가능한 공간을 채워야 한다. 전형적으로 낮은 온도에서의 조작 및 SCR 유니트에 따르는 상당히 높은 SO3 농도의 존재로 인해, 때때로, 부식, 플룸, 불투명도 및 관련된 문제를 방지하도록 유출물을 가열시켜야 한다. 이러한 방식으로의 가열은 비효율성의 추가 원인이 되므로, 이를 방지하기 위한 방법이 있다면 유익할 것이다. 과거에, SO3은 덕트 배관 내의 적당한 위치에서 마그네슘 히드록사이드와 같은 SO3 처리제를 도입시킴으로써 저감 처리되었다. SO3가 SCR 반응을 위해 사용된 수증기와 암모니아와 또한 반응하여 암모늄 설페이트 및 암모늄 비설페이트를 형성시키기 때문에, 모든 알칼리성 처리제가 유용한 것은 아닐 것이다. 상기 둘 모두의 암모니아 염은 모두 시스템 내에서 오염 및 부식 문제를 일으킬 수 있다. 암모늄 비설페이트는 300°F 미만의 융점을 지니고 암모늄 설페이트는 단지 450°F 초과의 융점을 지니는 데, 이로써 이들은 전형적인 SCR 및 공기 가열기의 작동 온도에서 용융되거나 점성을 지니게 되어, 이들은 공기 가열기를 코팅, 오염 및 부식시킬 수 있게 된다. 석회는 반응하여 석고를 형성시키고 이 석고는 또한 오염 문제를 일으킬 수도 있기 때문에, SO3을 제거하는 데 실제적으로 사용될 수 없다. 석고는, 단단하며 부서지기 어렵고 제거가 곤란한 매우 낮은 용해도의 침착물을 형성한다. 마그네슘 히드록사이드는 이러한 측면에서는 더 양호할 수 있으나, 입자 크기 및 분산 문제로 인해 촉매의 하류에 효율적으로 도입될 수 없었다. 황 함유 연료에 대한 SCR 처리의 상용성을 개선시킬 수 있고 후미의 SO3 부식을 더욱 효과적으로 다룰 수 있는 개선된 방법이 필요하다. 발명의 개시 본 발명의 과제는, SO3을 생성시키는 경향이 있는 연료를 사용하는 연소기에서 SCR NOx의 환원을 위한 개선된 기술을 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 다른 과제는, SCR NOx 환원 동안에 발생된 SO3을 감소시킴으로써 배출물 제어를 개선시키기 위한 것이다. 본 발명의 다른 과제는, SO3 응축 및/또는 비설페이트의 생성에 대한 걱정 없이 공기 예비가열기의 작동을 허용하도록 후미에서의 SO3를 감소시킴으로써 공정 효율성을 개선시키기 위한 것이다. 본 발명의 다른 과제는, 실제적으로 SO3 감소를 향상시키기 위해 공기 가열기를 사용함으로써 SO3의 발생이 문제되는 연소기의 후미에서 SO3를 감소시켜 공정 효율성을 개선시키기 위한 것이다. 본 발명의 다른 과제는, SCR NOx 환원용 유니트와 공기 예비가열기 사이에 위치한 작은 반응 공간에서 SO3를 감소시키기 위한 화학적 이용을 개선시키기 위한 것이다. 추가의 더욱 구체적인 과제는, 화학물질의 소비는 최소화시키면서 SO3의 감소를 최대화시키기 위해, 나노크기 입자의 SO3 시약과 CFD를 효과적으로 활용하는 것이다. 본 발명의 더욱 구체적인 과제는 시약 이용의 효율성 및 연소기 효율성을 동시에 개선시키면서 상기한 과제들을 성취하기 위한 것이다. 이러한 과제 및 기타 과제들은, 암모니아 또는 유사 화학물질을 사용하는 SCR NOx 환원 유니트에 따라 SO3를 감소시키기 위한 개선된 방법을 제공하는 본 발명에 의해 성취된다. 일 양태에서, 본 발명은, 연소기의 연소 구역 내에서 황 함유 탄소질 연료의 연소로부터 NOx 및 SO3 배출물을 감소시키는 방법으로서, 황 함유 탄소질 연료를 대체로 과량의 산소로 연소시켜, NOx 및 SO2를 포함하는 연소 가스를 형성시키는 단계; 질소 함유 NOx 제어제를, NOx 환원을 위한 선택적인 촉매적 환원 촉매의 상류 지점에서 연소 가스 내로 도입시키는 단계; 및 상기 촉매 다음에, 그리고 유입되는 연소 공기의 가열을 위해 공기 가열기와의 접촉 전에, 유출물 내에서 나노 크기의 입자를 형성시키고 촉매 중에서 SO2의 산화에 의해 발생된 SO3를 감소시키기에 효과적인 양, 점적 크기 및 농도의 마그네슘 히드록사이드를 도입시키는 단계를 포함하는 방법을 제공한다. 다른 양태에서, 본 발명은, 연소기의 연소 구역 내에서 황 함유 탄소질 연료의 연소로부터 발생되는 SO3 배출물을 감소시키는 방법으로서, 황 함유 탄소질 연료를 대체로 과량의 산소로 연소시켜, SO2를 포함하는 연소 가스를 형성시키는 단계; 생성되는 연소 가스를, SO2를 SO3로 산화시키는 조건 하에서 열 교환 장치를 통해 이동시키는 단계; 및 유입되는 연소 공기의 가열을 위해 공기 가열기와의 접촉 전에, 유출물 내에서 나노 크기의 입자를 형성시키고 SO2의 산화에 의해 발생된 SO3를 감소시키기에 효과적인 양, 점적 크기 및 농도의 마그네슘 히드록사이드를 도입시키는 단계를 포함하는 방법을 제공한다. 바람직한 일 양태에서, 유속을 측정하고, 시약 도입 속도, 시약 도입 위치(들), 시약 농도, 시약의 점적 크기 및/또는 시약 모멘텀을 선택하는데 전산 유체 역학이 사용된다. 다른 바람직한 양태 및 이들의 이점이 하기 설명에서 제시된다.