선택적 비촉매 NOX 환원 방법 및 시스템

[관련 출원의 상호-참조]

본 출원은 2015년 3월 26일자 US 가출원 제62/138782호에 대하여 35 USC §119 하의 우선권 혜택을 주장하는 바, 그의 내용이 전체적으로 본원에 참조로서 준용 및 포함된다.

[개시분야]

본 개시는 일반적으로 배기 스트림의 처리를 위한 방법 및 시스템, 더 구체적으로는 NO _x 를 포함하는 배기 스트림의 선택적 비촉매 환원을 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

환경 개선 공정은 몇 가지만 거명하자면 연료, 야금 및 유리 가공 적용분야를 포함한 매우 다양한 산업 적용분야에서 유용하다. 질소 산화물 (NO _x )은 수많은 공정 방출물 중에 오염물로 존재할 수 있다. 예를 들어, 히터, 건조기, 노 및 유사 장비에 의해 수행되는 반응들과 같은 연소 반응이 NO _x 방출물을 생성시킬 수 있다.

처리되지 않은 NO _x 방출물은 인간, 야생생물, 식물 및 환경에 대하여 여러 가지 위협을 줄 수 있다. NO _x 에의 노출은 인간 및 동물에서 자극, 유해 반응 및 질병을 야기할 수 있다. 장기간의 노출은 치명적일 수 있다. 대기중으로 방출되는 NO _x 방출물 (예컨대 NO, NO ₂ )은 물과의 접촉시 그것을 분해하여 아질산 (HNO ₂ ) 및 질산 (HNO ₃ ), 예를 들면 식물 및 인공 구조에 대하여 고도로 파괴적일 수 있는 산성비를 생성시킬 수 있다. NO _x 방출물 (예컨대 NO)은 또한 저부 대기 중 산소화 반응하여 오존을 형성시킬 수 있는데, 예를 들면 하기 반응에 의한다: NO + HC + O ₂ + 태양광 → NO ₂ + O ₃ . 오존은 인간 및 야생생물에게 건강상의 위험을 야기함은 물론, 식물에 손상을 야기할 수 있다. NO _x 방출물 (예컨대 NO ₂ )은 태양광이 대기 중에서 NO ₂ 와 미연소 탄화수소의 혼합물에 접촉할 때 형성될 수 있는 스모그에도 기여할 수 있다.

이에 따라, 유해 오염물로부터의 사회의 보호를 위해 NO _x 방출물을 감소시키기 위한 쿄토 의정서(Kyoto Protocol)와 같은 다양한 환경 규제들이 제시되어 있다. 이들 규제가 발효되기 전에는, 연소 공정으로부터의 연도 기체가 바로 대기 중으로 배출되었었다. 그러나, 공기 질 규제가 강화되고 대중의 경각심이 증가하면서, 업계의 선구자들이 NO _x 방출물을 감소시키기 위한 다양한 전략들을 사용하기 시작하였다. 이러한 전략에는 예를 들면 환경으로 방출되는 NO _x 를 감소시키기 위한 예비-처리, 연소 변형, 공정 변형 및 후-처리 전략이 포함된다.

예비-처리 전략으로는 NO _x 형성 가능성을 감소시키기 위하여 공급 재료 (예컨대 연료, 산화제 및/또는 가열될 재료)를 개질하거나 처리하는 것이 포함된다. 연소 변형에는 과량 공기 농도를 감소시키는 것 또는 공기 예비가열과 같이 반응 공정을 변화시키는 것이 포함된다. 공정 변형에는 장비, 연소 속도 및/또는 열 효율을 변형시키는 것과 같이 기존의 공정에 변화를 주는 것이 포함된다. 마지막으로, 후-처리 전략으로는 그것이 이미 형성된 후 배기 스트림으로부터 NO _x 를 제거하는 것이 포함될 수 있다. CO, CH ₄ 및 기타 탄화수소, 암모니아 등과 같은 매개물들을 감소시키는 것이 NO _x 를 N ₂ 기체로 전환하는 데에 사용될 수 있다. 일부 경우에는, 그와 같은 반응을 촉진하기 위하여 촉매가 사용될 수도 있다.

촉매를 사용하는 후-처리 방법은 종종 선택적 촉매 환원 (SCR)으로 지칭된다. SCR은 촉매 상 중에서 그것을 NH ₃ 와 반응시켜 N ₂ 및 H ₂ O를 형성시키는 것에 의해 NO _x 방출물을 제어할 수 있다. 통상적인 촉매로는 예를 들면 티타늄 및/또는 바나듐 산화물 및/또는 몰리브데넘, 텅스텐 또는 기타 원소를 함유할 수 있는 비금속 촉매가 포함될 수 있다. SCR은 예를 들면 높은 재료 비용 및/또는 공정 복잡성은 물론 연도 기체 중의 오염물에 의한 촉매 막힘 또는 오염의 가능성을 포함한 수많은 결점들을 가질 수 있다. 선택적 비촉매 환원 (SNCR)은 공정 비용 및/또는 복잡성은 물론 기존의 장비를 개량하는 능력 면에서 다양한 장점들을 제공할 수 있는 대안적인 방법이다. SNCR은 질소 기체 (N ₂ ), 이산화 탄소 (CO ₂ ) 및 물 (H ₂ O)를 생성시키는 암모니아 또는 우레아와 같은 질소-함유 시약의 NO _x 와의 반응을 포함한다. 예를 들면, 하기 반응에 의해 나타낸 바와 같이, 우레아가 물과 조합된 후 NO _x 방출물을 처리하는 데에 사용될 수 있거나, 또는 암모니아가 액체 또는 기체로서 단독으로 첨가될 수 있다.

NH ₂ CONH ₂ + H ₂ O → 2NH ₃ + CO ₂

4NO + 4NH ₃ + O ₂ → 4N ₂ + 6H ₂ O

상기 반응 메커니즘은 NH ₂ 라디칼의 NO 분자에의 결합 및 이후의 그의 N ₂ 및 H ₂ O로의 분해를 포함한다.

SNCR이 NO _x 방출물의 처리에 유리할 수 있기는 하지만, 이러한 반응 역시 수많은 한계를 가지고 있다. 예를 들어, SNCR 반응은 약 870℃ 내지 약 1100℃의 유효 온도 범위에 의해 제한될 수 있다. 약 870℃ 미만의 온도에서는, 시약과 NO _x 가 효과적으로 반응하지 않을 수 있다. 미반응 시약은 일반적으로 바람직하지 않은데, 그것이 다른 연소 종들과 반응하여 원치 않는 부산물을 형성시킬 수 있기 때문이다. 예를 들면, 미반응 암모니아 (종종 "암모니아 슬립(ammonia slip)"으로 지칭됨)는 삼산화 황 (SO ₃ )과 같은 연소 종과 반응하여 암모늄염을 형성할 수 있다. 약 1100℃를 초과하는 온도에서는, 시약이 분해되어 NO _x 를 감소시키기보다는 그것을 형성시킬 수 있다. 예를 들어, 암모니아의 경우, 하기의 반응이 이루어질 수 있다: 4NH ₃ + 5O ₂ → 4NO + 6H ₂ O. 따라서, SNCR의 효율을 최대화하고 임의의 잠재적인 단점을 최소화하기 위해서는, 적절한 온도 범위에서 충분한 체류 시간을 유지하는 것이 중요할 수 있다. 이에 따라, NO _x 를 포함하는 배기 스트림을 처리하기 위한 효율적이며, 비용-효과적이고 용이하게 운용가능한 공정을 제공한다면, 유리할 것이다. 또한, 유효 온도 범위 내의 온도로 배기 가스를 효율적으로 가열하고/거나 배출 전에 배기 가스를 냉각시키는 에너지 재순환 및/또는 회수 특징을 가지는 SNCR 방법을 제공한다면, 유리할 것이다.

[발명의 개요]

다양한 실시양태에서, 본 개시는 배기 스트림의 처리 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 NO _x 를 포함하는 배기 스트림을 수용하는 것, 배기 스트림을 적어도 1종의 질소-함유 시약과 조합하여, 조합된 스트림을 형성시키는 것, 조합된 스트림을 약 870℃ 내지 약 1100℃ 범위의 반응 온도로 가열하여, 질소-함유 시약 중 적어도 일부를 반응시키는 것, 반응된 스트림을 제1 냉각 단계에서 제1 온도로 냉각시키는 것, 및 임의로, 반응된 스트림을 제2 냉각 단계에서 제2 온도로 추가로 냉각시키는 것을 포함하며, 여기서 제1 냉각 단계는 배기 스트림 중 적어도 일부와 상기 반응된 스트림 중 적어도 일부 사이의 열 교환을 포함한다.

역시 본원에서 개시되는 것은 배기 스트림의 처리 방법으로서, 상기 방법은 NO _x 를 포함하는 배기 스트림을 수용하는 것; 배기 스트림을 제1 온도로 예비가열하는 것; 배기 스트림을 적어도 1종의 질소-함유 시약과 조합하여, 조합된 스트림을 형성시키는 것; 조합된 스트림을 약 870℃ 내지 약 1100℃ 범위의 반응 온도로 가열하여, 질소-함유 시약 중 적어도 일부를 반응시키는 것; 및 반응된 스트림을 제2 온도로 냉각시키는 것을 포함하며, 여기서 반응된 스트림을 냉각시키는 것 및 배기 스트림을 예비가열하는 것 중 적어도 하나는 반응된 스트림 중 적어도 일부와 배기 스트림 중 적어도 일부 사이의 열 교환을 포함한다.

본원에서 추가로 개시되는 것은 NO _x 를 포함하는 배기 스트림의 처리 시스템으로서, 상기 시스템은 배기 스트림 및 적어도 1종의 질소-함유 시약을 포함하는 조합된 스트림을 반응 온도로 가열하기 위한 가열 용기; 및 반응된 스트림을 제1 온도로 냉각시키기 위한 제1 열 교환기를 포함하며, 여기서 제1 열 교환기는 배기 스트림 중 적어도 일부와 상기 반응된 스트림 중 적어도 일부 사이의 열 교환을 수행한다. 본원에서 개시되는 시스템은 추가로 배기 스트림을 수용하고 그것을 적어도 1종의 질소-함유 시약과 조합하기 위한 용기; 조합된 스트림을 NO _x 중 적어도 일부를 반응시키기에 충분한 체류 시간 동안 반응 온도에서 유지하기 위한 반응 용기; 및/또는 반응된 스트림을 제2 온도로 추가로 냉각시키기 위한 제2 열 교환기를 포함할 수 있다.

추가적인 특징 및 장점들은 하기하는 상세한 설명에서 제시될 것이며, 부분적으로는 그 상세한 설명으로부터 관련 기술분야 통상의 기술자에게 쉽게 드러나게 되거나, 또는 하기하는 상세한 설명, 청구범위는 물론 첨부된 도면을 포함하여 본원에서 기술되는 바와 같이 본 발명을 실시하는 것에 의해 알려지게 될 것이다.

전기한 일반적인 설명 및 하기하는 상세한 설명 모두가 다양한 실시양태들을 제시하는 바, 청구되는 그대로의 본 발명의 특성 및 특징을 이해하기 위한 개관 또는 골격을 제공하고자 하는 것임이 이해되어야 한다. 첨부 도면은 추가적인 이해를 제공하기 위하여 포함되는 것으로서, 본 명세서로 도입되어 그의 일부를 구성한다. 도면은 다양한 실시양태들을 도시하며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리 및 운용을 설명하는 역할을 한다.

하기하는 상세한 설명은 하기 도면과 연계하여 해독할 경우 가장 잘 이해될 수 있는 바, 거기에서 동일한 구조는 동일한 참조 번호를 사용하여 표시하였는데, 그 중:
도 1은 반응 온도의 함수로서의 NO _x 환원 효율의 그래프 도시이며;
도 2는 본 개시의 다양한 실시양태에 따른 배기물 처리 시스템을 도시하는 개략도이다.

본원에서 개시되는 것은 배기 스트림의 처리 방법으로서, 상기 방법은 NO _x 를 포함하는 배기 스트림을 수용하는 것, 배기 스트림을 적어도 1종의 질소-함유 시약과 조합하여 조합된 스트림을 형성시키는 것, 조합된 스트림을 약 870℃ 내지 약 1100℃ 범위의 반응 온도로 가열하여 질소-함유 시약 중 적어도 일부를 반응시키는 것, 반응된 스트림을 제1 냉각 단계에서 제1 온도로 냉각시키는 것, 및 임의로, 반응된 스트림을 제2 냉각 단계에서 제2 온도로 추가로 냉각시키는 것을 포함하며, 여기서 제1 냉각 단계는 배기 스트림 중 적어도 일부와 상기 반응된 스트림 중 적어도 일부 사이의 열 교환을 포함한다. 역시 본원에서 개시되는 것은 배기 스트림의 처리 방법으로서, 상기 방법은 NO _x 를 포함하는 배기 스트림을 수용하는 것; 배기 스트림을 제1 온도로 예비가열하는 것; 배기 스트림을 적어도 1종의 질소-함유 시약과 조합하여, 조합된 스트림을 형성시키는 것; 조합된 스트림을 약 870℃ 내지 약 1100℃ 범위의 반응 온도로 가열하여, 질소-함유 시약 중 적어도 일부를 반응시키는 것; 및 반응된 스트림을 제2 온도로 냉각시키는 것을 포함하며, 여기서 반응된 스트림을 냉각시키는 것 및 배기 스트림을 예비가열하는 것 중 적어도 하나는 반응된 스트림 중 적어도 일부와 배기 스트림 중 적어도 일부 사이의 열 교환을 포함한다.

본원에서 사용될 때, 용어 "NO _x ", "질소 산화물" 및 이들의 변이는 아산화 질소 (N ₂ O)가 아닌 기타 질소의 산화물들을 지칭하고자 하는 것이다. NO _x 에는 예를 들어 몇 가지만 거명하자면 산화 질소 (NO), 이산화 질소 (NO ₂ ), 사산화 질소 (N ₂ O ₄ ) 및 오산화 질소 (N ₂ O ₅ )가 포함될 수 있다. 소정 실시양태에서는, 산화 질소 (NO)가 NO 50 중량% 초과, 60 중량% 초과, 70 중량% 초과, 80 중량% 초과, 90 중량% 초과 또는 NO 95 중량% 초과와 같이 공정 배기 스트림의 대부분을 구성할 수 있다. 이론에 얽매이고자 하는 것은 아니나, NO _x 형성은 하기 세 가지 일반적으로 받아들여지고 있는 메커니즘을 통해 이루어질 수 있는 것으로 여겨진다: 열적 NO _x , 즉발성(prompt) NO _x 및 원료 NO _x .

열적 NO _x 는 젤도비치(Zeldovich) 메커니즘에 의한 질소의 산소와의 고-온 반응을 나타낸다: N ₂ + O ₂ → NO + NO ₂ . 1100℃ 초과에서는, 열적 NO _x 가 연소 과정에서의 NO _x 형성의 우세한 메커니즘인 것으로 여겨진다. 즉발성 NO _x 는 질소, 산소 및 탄화수소 라디칼 사이의 상대적으로 빠른 반응을 나타내는 것으로서, 예를 들면 하기이다: CH ₄ + O ₂ + N ₂ → NO + NO ₂ + CO ₂ + H ₂ O + 미량 종. 즉발성 NO _x 형성은 더 낮은 온도에서 운용되는 연소 공정에서 발생할 수 있으며, 연료-풍부 조건에서 우세한 메커니즘인 것으로 여겨진다. 원료 NO _x 는 원료에 함유되어 있는 질소 화합물의 직접적인 산화를 나타내는 것으로서, 예를 들면 하기이다: R _x N + O ₂ → NO, NO ₂ + CO ₂ + H ₂ O + 미량 종. 이론에 얽매이고자 하는 것은 아니나, 원료 NO _x 는 천연 가스 또는 프로판 (예컨대 유기 결합 질소를 포함하지 않는 연료)과 같은 고-품질 기체성 연료와 연관되어 있는 연소 과정, 및 상당량의 유기 결합 질소 (예컨대 스트론튬 니트레이트)를 함유하는 원료와 연관되어 있는 과정에서 우세한 NO _x 형성 메커니즘일 수 있는 것으로 여겨진다.

상기에서 논의된 바와 같이, NO _x 의 선택적 비촉매 환원은 약 870℃ 내지 약 1100℃의 반응 온도 범위에서 효율적으로 진행될 수 있다. 도 1은 문헌 [EPA Air Pollution Control Cost Manual, Report No. EPA/452/B-02-001]에 따른 2종의 대표적인 질소-함유 반응물에 대한 반응 온도의 함수로서의 NO _x 환원 효율의 그래프 도시이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 암모니아 및 우레아 양자는 870-1100℃ 온도 범위에서 최대 NO _x 환원 효율을 나타내는데, 이는 예를 들면 더 낮은 온도에서의 반응물과 NO _x 사이의 비효율적인 반응 및 더 높은 온도에서의 반응물의 분해에 의해 제약될 수 있는 것이다. 기존의 공정에서는, 상기 최적 NO _x 환원 온도 범위 내의 온도로 배기 스트림을 제공하는 것이 어려울 수 있다. 종종, 이러한 스트림은 원하는 온도 범위 내로 스트림 온도를 증가시켜 유지하기 위하여 가열될 필요가 있다. 그러나, 배기 스트림을 예비가열하는 데에 필요한 추가적인 에너지의 투입은 비용이 들거나, SNCR 공정을 덜 에너지 효율적이 되게 하거나, 및/또는 덜 비용 효율적일 수 있다.

도 2는 본 개시의 다양한 실시양태에 따른 대표적인 배기물 처리 시스템을 도시한다. 배기물 처리가 없는 공정은 공정 배출구(V)로부터의 NO _x 를 포함하는 배기 가스를 유출구 제어 댐퍼(D1)를 지나 오염 감소(PA) 시스템을 통하여 바로 대기 중으로 배출할 수 있다. 그러나, 본 개시에 따른 대표적인 공정에서는, 공정 배출구(V)로부터 유출되는 배기 스트림(a)이 제어 댐퍼(D2)를 통하여 버너(B)로 안내될 수 있다. 임의로, 배기 스트림(a)의 온도를 측정하기 위하여, 온도 센서(T)가 사용될 수 있다. 버너(B)에 진입하기 전에, 배기 스트림(a)은 열 교환기(X1)에서 반응된 스트림(d)을 사용한 대향류에 의해 예비가열될 수 있다. 배기 스트림(a)의 온도는 이에 따라 열 교환기(X1)에서 상승될 수 있으며, 예비가열된 배기 스트림(b)으로서 유출될 수 있고, 그것은 이후 버너(B)에서 추가로 가열될 수 있다. 질소-함유 반응물(R) 및 산소-함유 스트림(O)을 포함한 추가적인 스트림은 버너(B)로 도입되어, 예비가열된 배기 스트림(b)과 조합될 수 있다. 버너(B)로부터 유출되는 가열된 스트림(c)은 원하는 반응 온도 범위 (예컨대 약 870-1100℃) 내의 온도 (임의로는 온도 센서(T)에 의해 측정됨)를 가질 수 있다. 이에 따라, 조합된 스트림(c)은 deNO _x 반응 용기(DR)로 진행될 수 있으며, 거기에서 조합된 스트림(c)은 배기 스트림 중의 NO _x 를 적어도 부분적으로 환원시키거나 반응시키기에 충분한 체류 시간 동안 반응 온도에서 유지될 수 있다. 반응 용기(DR)로부터 유출되는 반응된 스트림(d)은 이후 제1 열 교환기(X1)를 통과하는 에너지 재순환 스트림으로서 배기 스트림(a)을 예비가열하는 데에 사용될 수 있다. 스트림(a)와 (d) 사이의 열 전달은 내부 에너지를 재순환시킴으로써 원하는 반응 온도 범위로 배기 스트림을 예비가열하는 데에 필요한 외부에서 부가되는 에너지의 양을 감소시키는 것에 의해, 에너지 절약을 제공할 수 있다.

일부 실시양태에서는, 제2 열 교환기(X2)를 사용하여 추가적인 에너지 회수가 달성될 수 있다. 예를 들면, 제1 열 교환기(X1)로부터 유출되는 냉각된 반응된 스트림(e)은 열 교환기(X2)에서 외부 스트림(A1)을 사용한 대향류에 의해 추가로 냉각될 수 있다. 외부 스트림(A1)은 냉각된 반응된 스트림(e)으로부터 열 에너지를 흡수할 수 있으며, 생성되는 변형된 스트림(A2)은 다른 공정 구성요소 또는 스트림을 가열하거나 냉각시키는 데에 사용될 수 있다. 그렇게 하여, SNCR 공정으로부터의 추가적인 열 에너지는 회수되어 사용될 수 있다. 또한, 냉각된 반응된 스트림(e)은 냉각되어 유출 스트림(f)을 형성할 수 있는데, 그것은 유리하게도 대기로 배출되기에 적합한 더 낮은 온도를 가질 수 있다.

배출하기 전에 배기 스트림을 냉각시키기 위한 일부 통상적인 방법은 스트림 온도를 낮추기 위하여 주위 또는 냉각된 기체 스트림, 예컨대 주위 공기로 스트림을 희석하는 것을 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 오염 감소 시스템(PA)에 과량 부피의 기체를 과다적재할 수 있다. 열 교환기(X1, X2) 방식으로 반응된 스트림(d,e)을 냉각시키는 것에 의하면, 배출되기 전에 배기 스트림에 추가적인 기체 부피가 첨가될 필요가 없어서, 오염 감소 시스템(PA)에 대한 부하가 감소된다. 물론, 원할 경우 소정 실시양태에서는, 배기 스트림이 배출되기 전에 외부 스트림과 희석될 수 있다. 예를 들면, 유출 스트림(f)은 오염 감소 시스템(PA)으로 배출되기 전에 외부 스트림(A3)과 희석되어 냉각된 유출 스트림(g)을 형성할 수 있다. 원할 경우, 유출 스트림(f) 또는 (g) 및/또는 외부 스트림(A3)의 온도를 측정하기 위하여, 임의적인 온도 센서(T)가 사용될 수 있다.

소정 실시양태에서는, SNCR 공정 전체에 걸친 다양한 지점에서 차압(differential pressure)이 허용가능한 값 (예컨대 물 기둥 약 1 인치 초과)을 초과하지 않는다는 것을 보장하기 위하여, 배기 시스템 전체에 걸쳐 하나 이상의 차압 센서(P)가 사용될 수 있다. 차압이 허용가능하지 않은 값으로 상승하는 경우, 대기 장치로서 예비 열 교환기(X1') 및 (X2')가 사용될 수 있다. 그와 같은 상황에서는, 스트림(a), (d) 및/또는 (e)가 스트림(a'), (d') 및/또는 (e')로서 예비 열 교환기(X1') 및/또는 (X2')로 경로가 변경됨으로써, 스트림(b') 및 (f')를 산출할 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 3-방 밸브(3V)가 예컨대 하나 이상의 유동 통로를 개방하거나 폐쇄하는 것에 의해 원하는 대로 스트림(a, b, d, e, f, a', b', d', e' 및 f')을 안내하는 데에 사용될 수 있다. 도 2에서, 폐쇄된 밸브 부분은 짙은 삼각형으로 표시하였으며, 폐쇄된 통로는 점선으로 표시하였으나; 관련 공정 파라미터에 따라 어떠한 밸브 및 통로 배열도 가능하며 본 개시의 영역에 속하는 것으로 간주된다는 것이 이해되어야 한다. 추가로, 예비 열 교환기(X2')의 운용은 예비 외부 스트림(A1') 및 변형된 예비 외부 스트림(A2')을 포함할 수 있다.

다양한 실시양태에 있어서, 공정 배출구(V)로부터 유출되는 배기 스트림(a)은 NO _x 를 포함할 수 있다. 배기 스트림(a)은 예를 들면 그 사이의 모든 범위 및 하위범위를 포함하여 약 500 ppm (백만분율) 내지 약 1500 ppm의 NO _x , 예컨대 약 600 ppm 내지 약 1250 ppm, 또는 약 750 ppm 내지 약 1000 ppm의 NO _x 를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 배기 스트림(a)은 그 사이의 모든 범위 및 하위범위를 포함하여 약 200 ppm 내지 약 1500 ppm NO, 예컨대 약 300 ppm 내지 약 1250 ppm, 약 400 ppm 내지 약 1000 ppm, 또는 약 500 ppm 내지 약 750 ppm의 NO를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 배기 스트림(a)의 온도는 그 사이의 모든 범위 및 하위범위를 포함하여 약 100℃ 내지 약 600℃, 예컨대 약 200℃ 내지 약 500℃, 또는 약 300℃ 내지 약 400℃의 범위일 수 있다. 배기 스트림(a)의 의 유량은 예를 들면 그 사이의 모든 범위 및 하위범위를 포함하여 약 1000 kg/hr 내지 약 10000 kg/hr, 예컨대 약 1500 kg/hr 내지 약 7500 kg/hr, 약 2000 kg/hr 내지 약 6500 kg/hr, 또는 약 4500 kg/hr 내지 약 5500 kg/hr의 범위일 수 있다.

다양한 실시양태에 있어서, 배기 스트림(a) 중 적어도 일부는 반응된 스트림(d)과의 열 교환에 의해 예비가열되도록 제1 열 교환기(X1)를 통하여 안내될 수 있다. 예를 들면, 배기 스트림(a) 중 적어도 약 50 부피%가 열 교환기(X1)를 통하여 안내될 수 있는데, 예컨대 그 사이의 모든 범위 및 하위범위를 포함하여 배기 스트림(a) 중 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90% 또는 100%가 열 교환기(X1)를 통하여 안내될 수 있다. 열 교환 후, 예비-가열된 배기 스트림(b)은 예를 들면 그 사이의 모든 범위 및 하위범위를 포함하여 약 200℃ 내지 약 800℃, 예컨대 약 250℃ 내지 약 750℃, 약 300℃ 내지 약 700℃, 약 400℃ 내지 약 650℃, 또는 약 450℃ 내지 약 500℃ 범위의 온도를 가질 수 있다. 예비-가열된 배기 스트림(b)은 해당될 경우 배기 스트림(a) 중 임의의 나머지 부분과 조합될 수 있거나, 및/또는 적어도 1종의 질소-함유 시약(N)을 포함하는 스트림 및/또는 산소를 포함하는 스트림(O) (예컨대 O ₂ , 공기 등)과 조합될 수 있다.

상기 적어도 1종의 질소-함유 시약은 예를 들면 우레아, 암모니아, 시아누르산, 히드라진, 유사 질소-함유 화합물 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 소정 실시양태에서, 질소-함유 시약은 우레아일 수 있는데, 그것은 물과 조합되어 수용액을 형성할 수 있다. 상기 수용액은 SNCR 공정 동안 반응하여 암모니아를 형성시킬 수 있으며, 그것은 이후 NO _x 와 반응하여 N ₂ 및 H ₂ O를 형성시킬 수 있다. 다른 실시양태에서는, 액체 또는 기체성 암모니아가 질소-함유 시약으로서 첨가될 수 있다. 상기 질소-함유 시약은 바로 예비가열된 배기 스트림(b)과 조합될 수 있거나, 또는 별도의 스트림으로 버너(B)에 첨가될 수 있다.

질소-함유 시약은 원하는 NO _x 환원 수준을 달성하는 데에 적합한 어떠한 양으로도 첨가될 수 있다. 시약과 배기 스트림 중의 NO _x 사이의 몰비 N/NO _x 를 기술하는 데에는 표준 화학량론적 비 (NSR)가 사용될 수 있다. 예를 들어, NO _x 각 몰 당 1 몰의 암모니아가 주입되는 경우, NSR은 1 (1 몰의 암모니아가 1 몰의 NO _x 와 반응하게 됨)이다. NO _x 각 몰 당 1 몰의 우레아가 주입되는 경우에는, NSR이 2 (1 몰의 우레아가 2 몰의 NO _x 와 반응하게 됨)이다. 더 높은 NSR가 더 큰 NO _x 환원을 초래할 수 있기는 하지만; 소정 시점에서는 추가적인 시약 양이 NO _x 환원에 대하여 점감하는 효과를 가지게 되며, 이는 시약 낭비, 및/또는 배기 스트림 중의 원치 않는 미반응 시약을 초래할 수 있다. 다양한 실시양태에 있어서, NSR은 그 사이의 모든 범위 및 하위범위를 포함하여 약 1 내지 약 3, 예컨대 약 1.5 내지 약 2, 또는 약 1 내지 약 2.5의 범위일 수 있다.

버너(B)로 진입하는 임의의 스트림에의 첨가제로서, 버너(B)로 진입하는 별도의 스트림으로서, 예비가열된 스트림(b) 또는 가열된 스트림(c)에의 첨가제로서, 또는 deNO _x 반응기(DR)로 진입하는 별도의 스트림으로서, 임의의 첨가제가 포함될 수 있다. 예를 들면, NO _x 환원 효율을 향상시키거나, 장비 유지비를 감소시키거나, 및/또는 SNCR이 효과적이 되는 온도 범위를 확장하기 위한 화학 첨가제들이 첨가될 수 있다. 수소 기체가 그와 같은 첨가제의 비-제한적인 예이다. 소정 실시양태에서, 이러한 첨가제들은 그 사이의 모든 범위 및 하위범위를 포함하여 약 1 중량% 내지 약 5 중량%, 예컨대 약 2 중량% 내지 약 3 중량% 범위의 양으로 첨가될 수 있다.

조합된 스트림은 버너(B)에서 원하는 반응 온도로 가열될 수 있다. 예를 들면, 버너(B)는 그 사이의 모든 범위 및 하위범위를 포함하여 약 870℃ 내지 약 1100℃, 예컨대 약 900℃ 내지 약 1050℃, 또는 약 950℃ 내지 약 1000℃ 범위의 온도를 가지는 가열된 스트림(c)을 생성시킬 수 있다. 가열된 스트림(c)은 이후 deNO _x 반응기(DR)로 도입될 수 있으며, 거기에서 NO _x 중 적어도 일부를 반응시켜 예컨대 N ₂ 를 생성시키기에 충분한 체류 시간 동안 선택된 반응 온도 또는 반응 온도 범위로 그것이 유지될 수 있다. 상기 체류 시간은 예를 들면 그 사이의 모든 범위 및 하위범위를 포함하여 약 0.1초 내지 약 3초, 예컨대 약 0.3초 내지 약 2.5초, 약 0.5초 내지 약 2초, 또는 약 1초 내지 약 1.5초의 범위일 수 있다. 소정 실시양태에서, 체류 시간은 원하는 NO _x 환원 효율에 도달하기에 적절하도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 배기 스트림의 NO _x 중 적어도 약 30 중량%가 반응되어 N ₂ 를 형성할 수 있는데, 예컨대 그 사이의 모든 범위 및 하위범위를 포함하여 NO _x 중 적어도 약 35 중량%, 40 중량%, 45 중량%, 50 중량%, 55 중량%, 60 중량%, 65 중량%, 70 중량%, 75 중량%, 80 중량%, 85 중량%, 90 중량%, 95 중량% 또는 100 중량%가 반응될 수 있다. 적어도 1종의 질소-함유 시약 중 적어도 일부가 NO _x 와 반응될 수 있는데, 예컨대 질소-함유 시약 중 적어도 약 5 중량%, 또는 적어도 약 10 중량%, 15 중량%, 20 중량%, 25 중량%, 30 중량%, 35 중량%, 40 중량%, 45 중량%, 50 중량%, 55 중량%, 60 중량%, 65 중량%, 70 중량%, 75 중량%, 80 중량%, 85 중량%, 90 중량%, 95 중량% 또는 100 중량%가 반응될 수 있다.

다양한 실시양태에 있어서, deNO _x 반응기로부터 유출되는 반응된 스트림(d) 중 적어도 일부는 열 에너지를 배기 스트림(a)으로 재순환시키기 위하여 제1 열 교환기(X1)로 도입될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서는, 반응된 스트림(d)이 배기 스트림(a)의 유동 방향에 대향하는 방향으로 유동될 수 있으며, 대향류인 2개 스트림 사이에서 열 교환이 이루어질 수 있다. 다양한 실시양태에서, 스트림 대향류는 스트림들 사이의 열 전달 속도를 증가시킬 수 있다. 물론, 스트림들 사이의 열 교환을 위한 다른 배열 (예컨대 동일한 유동 방향)이 가능하며, 본 개시의 영역에 속하는 것으로 간주된다. 비-제한적인 예로서, 그 사이의 모든 범위 및 하위범위를 포함하여 반응된 스트림(d) 중 적어도 약 50 부피%, 예컨대 반응된 스트림(d) 중 적어도 60 부피%, 적어도 70 부피%, 적어도 80 부피%, 적어도 90 부피% 또는 100 부피%가 배기 스트림(a)으로 열 에너지를 전달하는 데에 사용될 수 있다. 상기 반응된 스트림(d)은 그 사이의 모든 범위 및 하위범위를 포함하여 약 1100℃ 이하, 예컨대 약 900℃ 내지 약 1000℃, 예를 들면 약 950℃, 1000℃, 1050℃ 또는 1100℃ 이하 범위의 온도를 가질 수 있다. 소정 실시양태에서, 반응된 스트림(d)은 열 교환기(X1)에서 냉각되어 냉각된 반응된 스트림(e)을 생성시킬 수 있으며, 그것은 그 사이의 모든 범위 및 하위범위를 포함하여 약 700℃ 내지 약 900℃, 또는 일부 경우에는 약 700℃ 내지 약 950℃, 예컨대 약 750℃ 내지 약 900℃, 또는 약 800℃ 내지 약 850℃ 범위의 온도를 가질 수 있다.

냉각된 반응된 스트림(e) 중 적어도 일부는 제2 열 교환기(X2)에서 추가로 냉각될 수 있다. 소정 실시양태에서, 열 교환기(X2)에서의 에너지 전달은 외부 스트림(A1)과 냉각된 반응된 스트림(e) 사이에서 예컨대 스트림 대향류에 의해 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 외부 스트림은 기체 또는 액체일 수 있는 주위 온도이거나 냉각된 스트림일 수 있다. 다양한 실시양태에 있어서, 외부 스트림(A1)은 주위 온도이거나 냉각된 공기 또는 물, 또는 원하는 온도로 스트림을 냉각시키는 데에 적합한 임의의 다른 기체 또는 액체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 열 교환기(X2)로부터 유출되는 유출 스트림(f)은 그 사이의 모든 범위 및 하위범위를 포함하여 약 300℃ 내지 약 500℃, 또는 일부 경우에는 약 300℃ 내지 약 650℃, 예컨대 약 350℃ 내지 약 600℃, 약 400℃ 내지 약 550℃, 또는 약 450℃ 내지 약 500℃ 범위의 온도를 가질 수 있다. 변형된 외부 스트림(A2)은 예컨대 가열된 공기 또는 스트림으로서 열 교환기(X2)로부터 유출될 수 있으며, 그것은 이후 관련되어 있거나 관련되어 있지 않은 하류의 공정, 예컨대 흡수 냉각제, 히트 펌프, 폐기물 가열 보일러 등에서 공정 스트림으로 사용될 수 있다.

유출 스트림(f)은 오염 감소 시스템(PA)으로 배출될 수 있거나, 또는 예컨대 배출 전에 스트림의 온도를 추가로 감소시키기 위하여 외부 스트림(A3)과 희석하는 것에 의해 추가로 처리됨으로써, 냉각된 유출 스트림(g)을 생성시킬 수 있다. 일부 비-제한적인 실시양태에서, 유출 스트림(f)은 주위 공기와 희석될 수 있다. 예를 들면, 외부 스트림은 그 사이의 모든 범위 및 하위범위를 포함하여 약 2:1 내지 약 1:10, 예컨대 약 1:1 내지 약 1:8, 약 1:2 내지 약 1:7, 약 1:3 내지 약 1:6, 또는 약 1:4 내지 약 1:5 범위의 부피 비로 유출 스트림(f)에 첨가될 수 있다. 비-제한적인 실시양태에서, 냉각된 유출 스트림(g)의 온도는 그 사이의 모든 범위 및 하위범위를 포함하여 약 25℃ 내지 약 400℃, 예컨대 약 50℃ 내지 약 350℃, 약 75℃ 내지 약 300℃, 약 100℃ 내지 약 250℃, 또는 약 150℃ 내지 약 200℃의 범위일 수 있다.

역시 본원에서 개시되는 것은 NO _x 를 포함하는 배기 스트림의 처리 시스템이다. 다시 도 2를 참조하면, 상기 시스템은 배기 스트림 및 적어도 1종의 질소-함유 시약을 포함하는 조합된 스트림을 가열하기 위한 가열 용기 (예컨대 버너 B)를 포함할 수 있다. 시스템은 또한 조합된 스트림을 NO _x 중 적어도 일부를 반응시키기에 충분한 체류 시간 동안 반응 온도에서 유지하기 위한 반응 용기 (예컨대 deNO _x 반응기(DR))를 포함할 수 있다. 또한 시스템에 포함되는 것은 반응된 스트림을 제1 온도로 냉각시키기 위한 제1 열 교환기 (예컨대 (X1)), 및 임의로, 반응된 스트림을 제2 온도로 추가로 냉각시키기 위한 제2 열 교환기 (예컨대 (X2))이다. 상기 제1 열 교환기(X1)는 배기 스트림(a) 중 적어도 일부와 상기 반응된 스트림(d) 중 적어도 일부 사이에서 열을 교환할 수 있다. 상기 제2 열 교환기(X2)는 냉각된 반응된 스트림(e) 중 적어도 일부와 외부 스트림(A1) 사이에서 열을 교환할 수 있다.

본원에서 개시되는 방법 및 시스템은 NO _x 를 포함하는 배기 스트림을 처리함에 있어서 선행 기술의 방법에 비해 수많은 장점들을 제공할 수 있다. 예를 들면, 반응된 스트림 중 적어도 일부와 처리될 배기 스트림 중 적어도 일부 사이의 열 교환을 수행하는 것에 의해, 반응된 스트림을 냉각시키는 것 및 배기 스트림을 예비가열하는 것을 포함하는 이중의 목적이 달성될 수 있다. SNCR 공정 내부로부터의 기존 열 에너지를 사용하여 배기 스트림을 예비가열하는 것은 아닐 경우 배기 스트림 온도를 원하는 반응 온도 범위 내로 상승시키기 위해 필요하였을 수 있는 가열 부하를 감소시킬 수 있다. 마찬가지로, 유입 배기 스트림을 사용하여 반응된 스트림을 냉각시키는 것은 스트림을 희석하고/거나 추가적인 에너지를 필요로 하지 않으면서도 오염 감소 시스템으로 배출되는 스트림의 온도를 감소시킬 수 있다. 또한, 반응된 스트림과 외부 스트림 사이의 추가적인 열 교환은 반응된 스트림을 추가로 냉각시키는 것 및 다른 공정으로 전달될 수 있는 반응된 스트림으로부터의 에너지의 회수를 포함하는 이중의 목적을 달성할 수 있다.

다양하게 개시된 실시양태들이 그 특정 실시양태와 연계되어 기술되는 구체적인 특징, 요소 또는 단계들과 연관될 수 있다는 것을 알고 있을 것이다. 하나의 특정 실시양태와 관련되어 기술된다 할지라도, 구체적인 특징, 요소 또는 단계는 다양한 비-예시 조합 또는 순열로 대안적인 실시양태들과 호환되거나 조합될 수 있다는 것 또한 알고 있을 것이다.

본원에서 사용될 때, 단수 표현은 "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 하는 바, 명시적으로 반대로 표시되지 않는 한 "오로지 하나"로 제한되어서는 아니 된다. 따라서, 예를 들면 "첨가제"라는 언급은 문맥상 분명하게 달리 표시되지 않는 한 2종 이상의 그와 같은 "첨가제들"을 보유하는 예를 포함한다.

본원에서 범위는 "약" 일 특정 값으로부터, 및/또는 "약" 또 다른 특정 값까지로 표현될 수 있다. 그와 같은 범위가 표현될 때에는, 일 특정 값으로부터, 및/또는 다른 특정 값까지가 예로 포함된다. 마찬가지로, "약"이라는 선행사를 사용하여 개략치로 값이 표현되는 경우, 특정 값이 또 다른 측면을 형성한다는 것이 이해될 것이다. 각 범위의 종말점이 다른 종말점과 관련한 것, 및 다른 종말점과 관계 없는 것 모두에서 유의성이 있다는 것 또한 이해될 것이다.

다양한 범위들이 본원에서 "약 하나 이상의 특정 값 초과" 또는 "약 하나 이상의 특정 값 미만" 및 "그 사이의 모든 범위 및 하위범위"로 표현되고 있다. 그와 같은 범위가 표현될 때에는, 임의의 일 특정 값 내지 임의의 다른 특정 값, 및 각 개시 값 사이의 모든 다른 가능한 범위가 예로 포함된다.

본원에서 표현되는 모든 숫자 값은 명시적으로 달리 표시되지 않는 한 그렇게 언급되어 있는지 여부에 관계없이 "약"을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 그러나 또한, 그것이 "약" 그 값으로 표현되어 있는지 여부에 관계없이, 언급되는 각 숫자 값이 정확하게 고려된다는 것 역시 이해된다. 따라서, "1000℃를 초과하는 온도" 및 "약 1000℃를 초과하는 온도"는 모두 "약 1000℃를 초과하는 온도"는 물론, "1000℃를 초과하는 온도"의 실시양태도 포함한다.

명시적으로 달리 언급되지 않는 한, 어떠한 방식으로도 본원에서 제시되는 임의의 방법이 특정 순서로 그 단계들이 수행될 필요가 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다. 따라서, 방법 청구범위가 그의 단계들이 따르게 될 순서를 실제로 언급하고 있지 않거나, 아니면 단계들이 특정 순서로 제한되어야 한다는 것이 청구범위 또는 상세한 설명에 구체적으로 언급되어 있지 않은 경우, 어떠한 방식으로도 임의의 특정 순서가 추론되어야 하는 것은 아니다.

특정 실시양태의 다양한 특징, 요소 또는 단계들이 "포함하는"이라는 전이 구를 사용하여 개시될 수 있었지만, "~로 이루어지는 " 또는 "본질적으로 ~로 이루어지는 "이라는 전이 구를 사용하여 기술될 수 있는 것들을 포함한 대안적인 실시양태들이 내재되어 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 예를 들어 A + B + C를 포함하는 방법에 대한 내재된 대안적인 실시양태에는 방법이 A + B + C로 이루어지는 실시양태, 및 방법이 본질적으로 A + B + C로 이루어지는 실시양태가 포함된다.

관련 기술분야 통상의 기술자라면, 본 발명의 기술사상 및 영역에서 벗어나지 않고도, 본 발명에 대하여 다양한 변형 및 변이가 이루어질 수 있다는 것을 알고 있을 것이다. 본 발명의 기술사상 및 본질을 포함하는 개시 실시양태들의 변형, 조합, 하위조합 및 변이들이 관련 기술분야 통상의 기술자에게 떠오를 수 있기 때문에, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 그의 등가물의 영역에 속하는 모든 것을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.