一種用於有機廢料的控制氧化方法
2023-12-07 08:19:41
專利名稱：一種用於有機廢料的控制氧化方法
技術領域：
本發明涉及一種廢料的熱氧化方法，更特別涉及一種對所選定的固體廢料進行兩級控制的熱氧化方法，以顯著的減少對大氣排放的指標。
兩級燃燒方法為現有技術，其中在第一級燃燒室中可燃物質通常都是在準理想反應配比的條件下進行燃燒並生成燃氣和灰分。將所得可燃氣體在第二級燃燒中與空氣進一步相混合，並在超理想反應配比的條件下進行燃燒。
兩級燃燒控制的典型例子公開於美國專利NO4,013,023和4,182,26中，第一級的操作溫度靠逆作用的空氣調節與輔助燃料燒咀控制在特定範圍內，同時藉助過剩空氣和附設的輔助燒咀來保證在準理想反應配比的條件下進行燃燒，若需要，燃氣在進入第二級燃燒時還應保持一定的含氧量。第二級的溫度是靠直接方式加以調控，因為二級溫度的增加必會引起空氣流量的增加；使燃氣受冷激效應並降至較低的溫度。在調控溫度時還會遇上另外的困難問題，即當空氣流量過剩增加時，在二次氣體出口處無法保持最小的含氧量水平。
有關對典型兩級燃燒系統調控的改進，可參見美國專利NO4,474,121，在第一級燃燒中集中保證能在準理想反應配比下進行燃燒，而在第二級中空氣的流量則採用超理想反應配比的條件，實質上在第一級的氣體出口處可取消任何對氧氣的監控要求，這比起早期的燃燒技術可實現更佳的調控。
有關介紹其他的廢料焚燒方法及其設備的背景材料還包括U.S.No.3,595,181Anderson 1971年7月27日U.S.No.3,610,179Shaw 1971年10月5日U.S.No.3,651,771Eberle 1972年3月28日U.S.No.3,664,277Chatterjee et al 1972年5月23日U.S.No.3,680,500Pryor1972年8月1日U.S.No.4,517,906Lewis et al 1985年5月21日U.S.No.4,800,824DiFonzo 1989年1月31日U.S.No.4,870,910Wrignt et al 1989年10月3日U.S.No.4,941,415Pope et al 1990年7月17日U.S.No.4,976,207Richard et al1990年12月11日U.S.No.5,095,829Nevels 1992年3月17日U.S.No.5,123,364Gitman et al1992年6月23日U.S.No.5,222,446Edwards et al 1993年6月29日在這些典型的調控系統中並未提及有關大氣排放問題，這一問題與通過第一級的燃燒廢料層的十分易變的空氣流量有關係，從中可造成微塵顆粒的意外增加，因此在排氣進入熱交換器或放入大氣前必須採用一系列的除塵系統。而監控第一級排氣組份所用的分析儀器則也會因排放中恆定汙染造成讀數不精確，必需對之進行必要的防範與維持，以便使其控制過程達理想的程度。
因此，本發明旨在提供一種能為國際標準所接受的、並保證能按規定滿足空氣品質的燃燒氧化方法，而又不需配置昂貴的排氣洗滌和過濾設施來清除其中的有機化物和固體塵粒。
本發明提出一種燃燒固體廢料的熱控制氧化方法。該方法包括第一燃燒級，其中廢料從其頂部向底部、朝向下方向進行燃燒。首先把固定的預定體積的空氣從廢料層的底部向頂部通過，其次把可調的較少體積的預定空氣從廢料層的表面流過並穿入燃燒的火焰層。本發明方法還包括一第二燃燒級，其中從第一燃燒級引入的燃燒產物是在135％至200％的總化學計量空氣條件下短時間暴露於高溫條件下。
在第二燃燒級中，燃燒產物暴露於1832°F的高溫條件下至少2秒鐘是優選的。
本發明方法特別適用於固體廢料的最大含溼量為60wt％，最小平均高位發熱值為約4000BTU/Ib，溼分與非可燃物的最大組合含量約為57wt％，本發明對固體廢料燃燒所釋放的有機化學組分，以及對燃燒過程所生成的固有合成物，即二噁英和呋喃等(Dioxins/Furans)基本上完全氧化。
附圖簡要說明本發明的上述和其它優點在詳細閱讀了以下內容介紹和參閱附圖後是顯而易見的。
圖1為實施本發明方法的燃燒室設備的總示意圖。
儘管在介紹本發明時還同時聯繫具體的示例來說明，但這應理解到，並非把本發明僅局限在該具體的示例上，相反地，它意欲覆蓋後附的本發明的權利要求定義所包括的精神和範圍內的所有內容、以及替換、改進或其等同物。
優選實施方案的詳細介紹如圖1所示，本發明方法所採用的焚燒爐2系間歇式、定量投放廢料、並需對之供應空氣，其中第一級燃燒室4裝載的固體廢料，要求滿足規定的最大和最小的相應物性，諸如平均高位發熱值、溼含量以及非可燒物的總含量。經點火燃燒一小時後，第一級的燃燒只按準理想反應配比(小於100％空氣)的條件下進行，直至燃燒循環已認定完成為止。燃燒室4裝有兩個完全不同的新鮮空氣供料口以及獨立測量和控制空氣流量的裝置。第一處空氣供應口6系按固定體積量從燃燒室4的最低處供氣，經廢料層8被燃燒，再進入燃燒室4的最頂部區10；第二處空氣供應口12供給的，體積量則是可變的，它從燃燒室廢料層8的表面流入。二次空氣的體積流量不超過第一處空氣供應口6處空氣供入量的50％。在廢料層8上面最頂部區10的溫度(T1)借儀表16測量並加以記錄。兩股空氣流在進入第二級燃燒室14前，於廢料層8的頂部相混合。
最頂部區10的溫度(T1)最高限為1350°F，下限為850°F，若過載就應停閉燃燒室最頂部的第二處空氣供量。在燃燒室4的最頂部區域10還設有輔助燃料燒咀18，供固體廢料在較高限條件下開工點火用。以保證能在非常規的情況下連續地沿朝向下方向進行燃燒，直至燃燒完成為止。
燃燒室4最頂部區域10內的燃燒氣體經循環時間的第一小時後，溫度T1可達1150°F，這時燃燒室4內的燃燒過程可認為已基本完成，再經下一周期時間後，溫度降至850°F。
在第二級燃燒室14中裝有把從第一級燃燒室4引入的燃燒氣體與新鮮的空氣相混合以實現第二級燃燒設備20的。該混合氣體被暴露在第二級燃燒室14的高溫區中，並藉助燒咀21所處燃燒室中最低為1832°F的溫度進一步燃燒。第二級燃燒室14中所有的燃燒產物在排入煙滷22以前，要求在燃燒室中最少停留2秒鐘。
本發明方法提供通常的兩級燃燒中預期的135％至200％的反應配比是在總化學計量空氣條件下進行的。
適合於本發明方法的固體廢料應根據廢料產品樣本所確認的，必須具有足夠的平均高位發熱值以及合適的水分和非可燃物含量，以便在第一級燃燒室4中能自持地按準理想反應配比的條件下進行燃燒，而不需附加輔助燒咀以提供輔助熱能，這與現以有的燃燒有所不同。還應特別指出，採用如下所列的、並經確認的最大和最小相關物性的固體廢料是適宜的·最大含溼量為60wt％·最小的平均高位發熱值約為4000BTU/Ib；·溼分與非可燃物的最大組合含量約為57wt％；現已顯示，廢料按本發明方法進行燃燒時，煙滷的大氣排放狀況已獲顯著的改善，具體指標為·固體微塵挾帶量少於10mg/dcsm(幹基)；·排氣中各種TOC有機化合物(如碳)的含量少於10mg/dcsm(幹基)，以乾物料為基礎；·排氣中二噁英和呋喃(Dioxins/Furans)的含量少於0.10mg/dcsm(幹基)，按I-TEQ計量；·排氣中一氧化碳(CO)的含量少於50mg/dcsm(幹基)；·排氣中各種氮氧化物(NOX)的含量小於210mg/dcsm(幹基)；用本發明方法處理固體廢料具有很高的處理能力和經濟效果，即24小時可處理約50噸，每燃燒機組每小時可產生潔淨的可用熱能2千5百萬BTU。
本發明方法在第一級燃燒室4中備有二處完全不同的空氣供應口，第一處供應的空氣量是固定的、體積流量較大，從燃燒室的底部流入，經固體廢料層8，隨後又通過灰層。第二處供應的空氣量是可調的，其體積流量較小，從燃燒室頂部流入，不經固體廢料層及其灰層，同時穿入火焰區，從而促使其氣體進一步燃燒，並在第一級燃燒室中析出額外的熱量。採用這種兩處供應空氣的方案，可顯著改善燃燒過程的控制，可產生下述的效果(a)由於流過廢料層及其上層的灰層的空氣體積流量固定，使第一級出口的燃氣溫度範圍較寬，因而可減少微塵的挾帶；(b)由於空氣的體積流量小且固定，燃燒區的溫度低，從而避免形成灰渣與熔融物，使灰分更易再循環。
(c)不需提高廢料層內的空氣流量，而只是藉助改變其二次空氣量，就可提高燃燒室的最頂部區域的燃氣溫度。
(d)使第一級燃燒室出口和第二級燃燒室進口的燃氣溫度和體積(流量)更為協調一致。
現結合一實施例對本發明所述的方法做更進一步說明。
現有一兩級熱氧化器，由ECO廢料處理公司製造，該氧化器的第一級內部容積為343立方尺，尺寸為7ft×7ft×7ft，在第一級燃燒室4上備有兩處獨立的新鮮空氣進口，如圖1所示，按本發明藉助圖中26和28裝置分別對兩股空氣進行測量和記錄。第一級燃燒室在其頂部區備有測量和記錄燃燒氣體溫度(T1)的儀表。第二級燃燒室14的內部總容量為198立方尺，所有燃燒產物在排出煙滷以前，要求在最低溫度為1832°F的條件下至少在第二級燃燒室內停留2秒鐘以上。煙滷進口處的溫度(T2)借儀表30加以測量和記錄，在第二級燃燒室側端部上，在相對應的位置上設置有二個燃料燒咀21。
所有燃燒試驗都是在如圖1所示的焚燒/氧化系統上實施的。
開始燃燒試驗採用預混合的非均勻系城市固體廢料(MSW)，其高位發熱值約為4300BTU/Ib，不採用頂部供空氣。燃燒試驗是為了確定排煙微塵含量在低於10mg/dcsm(幹基)條件下，從底部供應空氣的最大流量，排煙按氧氣含量為11％進行計算。經過3小時的周期時間後，三組燃燒的排煙總含塵量匯總列於表1上。
表1
從表1可以看出，底部空氣供量為30scfm或更小時，可認為已有足夠的裕度來保證排煙含塵量低於10mg/dcsm(幹基)。頂部空氣供量為30標準立方尺/分，相當於每平方米的第一級燃燒室床層面積的空氣流量為0.61dscf(床層面積為49sq.ft)。
第二組系列的燃燒試驗都是採用MSW廢料進行的，以便確定在各種方法條件下所存在的差異。這些不同方法條件是(a)第4號試驗，對底部空氣流量不予調控，也不在頂部加入空氣，而僅靠煙滷的自然通風。
(b)第5號試驗，底部空氣流量予以固定，也不在頂部加入空氣。
(c)第6號試驗，底部空氣流量予以固定，頂部空氣按遞增的方式，使其體積流量達底部空氣最大流量的50％。
第4、5、6號燃燒試驗的時間、溫度和空氣流量，列於表2上。應注意，所有出現的廢料在這些燃燒試驗中都是採用預先混合併達高度一致的，它們的發熱值約為4700BTU/Ib，其裝載重量為從1850Ib至1870Ib。表2
說明在燃燒循環第1小時後的一段時間，溫度T1最低可達1150°F，隨後又經歷一段時間，溫度可降至850°F，這時，可以認為燃燒循環已基本完成。#4至#6燃燒所持的時間、溫度及其空氣流量情如下所示1．當固體廢料燒燼後，從底部和頂部對第一級燃燒室組合供應空氣的#6燃燒，比起#4和#5燃燒的循環時間要減少15％至20％。
2．對於處理這類廢料，#6燃燒的的操作溫度T1，更早以前就已達到，這就可以促使其燃燒循環時間顯著減少。
3．以各循環經歷了3小時為起點，各燃燒(#4、#5、#6)在經歷3小時後，煙滷排氣的平均微塵含量，如下所示煙滷中的微塵含量#4燃燒-17.3mg/dscm(幹基)。按含氧量11％計算；#5燃燒-8.6mg/dscm(幹基)。按含氧量11％計算；#6燃燒-9.2mg/dscm(幹基)。按含氧量11％計算；4．對比#4和#5燃燒的結果可以進一步表明，從底部對第一燃燒級供應空氣，對排煙氣體的微塵含量有著顯著顯的影響。
5．對比#5和#6燃燒的含塵量後同樣可以進一步表明，當底部的空氣供量固定，只從第一級燃燒室的頂部供應空氣，其供氣量至少為底部空氣供量的二分之一時，對排煙含塵量並不會有嚴重的影響。
第三組的系列燃燒試驗是在如下的條件下進行的，即不向頂部供應空氣，底部的最大空氣供量為30scfm(相當於每平方尺的第一燃燒級床面積的流量為0.61scfm)，溫度T1的範圍為850°F至1350°F。本系列試驗旨在確定對各種不同平均高位發熱值的固體廢料的適用範圍及其所需要的從底部供給空氣的固定流量，這些固體廢料燃燒時要求能自持地按準理想反應配比的條件下實現自頂部至底部的朝向下方向的燃燒。表3列出#7至#12系列燃燒試驗的材料。表4列出#7至#12系列燃燒試驗的條件及其各排煙大氣排放試驗結果。
表3
表4
#7、#8、#9、#10各燃燒試驗顯示它們對各種不同固體廢料在第一級燃燒室參數和條件如前述已給定的情況下的適應能力。由於這些試驗與本發明如下的基本要求相一致，因此出可認定它們也同樣適用於本發明1．按準理想反應配比條件進行燃燒。
2．底部的空氣體積總供給流量小於或等於30scfm。
3．通過固體廢料實現自持朝下燃燒時，溫度T1的範圍為850至1350°F。
4．煙滷中的最大排氣含塵水平為10mg/dscf(幹基)或更少。
#11和#12兩燃燒試驗都要求在燃燒循環3小時期間，採用第一級輔助燃料燒嘴實現多位燃燒的施以維持最低的850°F溫度T1，因而未滿足自持燃燒所要求的參數。雖然該兩燃燒試驗底部的空氣體積供量進行了多位調節，力求在期望的範圍內維持其溫度，但若固定其底部的空氣流量，即使循環進行了一半時間仍無法達到目的。還應進一步看到，在有些場合下，為了維持燃燒還必需對該兩燃燒試驗在第一燃燒級中採用按超理想反應配比的條件(大於100％空氣)進行燃燒。#11和#12燃燒試驗所採用的固體廢料特性並不適用於本發明所適應的方法，這些特性是1．固體廢料的含溼量高於或約為60％。
2．固體廢料的平均高位發熱值低於或約為3500BTU/Ib。
3．固體廢料的溼分與非可燃物的組合含量大於57Wt％。
另外7組系列燃燒試驗與本發明的主要條件完全符合，可以作為對#7和#12固體廢料燃燒試驗的進一步開發應用的示例。
表5例出了在本發明舉例中所使用的每一種固體廢料的參數。
表5
表6列出#1至#7系列燃燒試驗示例的觀測結果。表6
表7逐項列出示例#1至#7的煙滷大氣排放水平。表7
從1#至7#試驗示例便可清楚看到，採用前已述的本發明的兩級燃燒方法，可燃燒各種不同的固體廢料，這些固體廢料具有以下各種已被確認的最小和最大的特性1、按重量百分數計的最大含溼量為60％。
2、最低的平均高位發熱值為4000BTU/Ib。
3、溼分與非可燃物的最大組合含量為57wt％。
還可進一步指出，採用兩級燃燒方法對煙滷的大氣排放質量還有所改進，如權利要求所述1、固體微塵排放量小於10mg/dscm(幹基)。
2、有機化合物TOC排放量(如碳)mg/dscm少於10(幹基)。
3、二噁英和呋喃(Dioxins/Furans)的排放量少於0.10mg/dscm(幹基)，按國際排放質量標準的毒性當量計(I-TEQ)。
4、一氧化碳(CO)排放量少於50mg/dscm(幹基)。
5、各種氮氧化物(NOx)的排放量少於210mg/dscm(幹基)。
也就是說，不需對排煙氣體採用通常的洗滌和過濾措施，就可達到低程度的較好排氣質量大氣排放效果。
採用本發明方法後排出的氣體中的成份。諸如各種氮氧化物，一氧化碳，有機物(如碳)以及各種二惡英和呋喃等，不需藉助袋式除塵裝置或洗滌措施，就可滿足現有國際排放標準的水平。
因此可看出，採用本發明所介紹的可控制的兩級熱氧化方法，對所選定的固體廢料可十分滿意地實現前述的目的、任務和效果。儘管本發明還結合若干具體實例加以說明，但已證實根據上面的描述，很多替換，改進和變化對本領域熟練技術人員是顯而易見的。因此，本發明擬包括落入本發明精神和寬範圍內的所有替換、改進和變化。
權利要求
1.一種用於燃燒固體廢料的控制熱氧化方法，該方法包括其中，第一燃燒級中固體廢料從頂部至底部朝向下方向燃燒，首先把固定的預定體積流量的空氣從廢料層的底部向頂部通過，其次把可調的體積流量較小的預定空氣從廢料層的表面流過並穿入燃燒的火焰層；其中，第二燃燒級從第一燃燒級引入其中的燃燒產物是在135％至200％總化學計量空氣條件下，短時間暴露在高溫條件下。
2.根據權利要求1所述的用於燃燒固體廢料的控制熱氧化方法，其中，在第二燃燒級中的燃燒產物至少要在最低1832°F的溫度下暴露2秒鐘。
3.根據權利要求1所述的用於燃燒固體廢料的控制熱氧化方法，其中，廢料的最大含溼量為60wt％，最低的平均高位發熱值為4000BTU/Ib，溼分和非可燃物的最大組合含量為57wt％。
4.根據權利要求2所述的用於燃燒固體廢料的控制熱氧化方法，其中，廢料的最大含溼量為60wt％，最低的平均高位發熱值為4000BTU/Ib，溼分和非可燃物的最大組合含量為57wt％。
5.根據權利要求1所述的用於燃燒固體廢料的控制熱氧化方法，其中，第一燃燒級的一次空氣最大流量為0.61標準立方尺/分/每平方尺第一級床層面積。
6.根據權利要求5所述的用於燃燒固體廢料的控制熱氧化方法，其中，二次空氣的體積流量不能超過一次空氣體積流量的50％。
全文摘要
本方法是一種用於固體可燃廢料的控制熱氧化方法。該方法包括第一燃燒級,其中廢料按從頂部向底部朝向下方向燃燒。首先,固定的預定體積的空氣從廢料層的底部向頂部通過。其次,可調體積較少的預定空氣從廢料層的表面流過並穿入燃燒的火焰層。本發明方法還包括另一第二燃燒級,其中從第一燃燒級引入的燃燒產物要求在135%至200%總化學計量空氣下,短時間暴露在高溫條件下。
文檔編號F23L9/00GK1219668SQ9812517
公開日1999年6月16日 申請日期1998年12月2日 優先權日1997年12月2日
發明者露西卡薩西亞, 泊裡挪路敦, 弗蘭克舍爾門 申請人:Eco肥料處理公司