通過添加臭氧處理來自焚化過程的廢氣流的方法
【專利說明】通過添加臭氧處理來自焚化過程的廢氣流的方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002 ]本申請要求2013年9月25日提交的美國臨時申請系列第61 /882，280號的優(yōu)先權(quán)。
[0003]發(fā)明背景
[0004]本發(fā)明涉及廢棄物的焚化以及污染物的除去，所述污染物例如有由焚化產(chǎn)生的氮氧化物、硫氧化物、顆粒、酸性氣體、重金屬和有機(jī)毒素。
[0005]本發(fā)明將焚化工藝中用氣態(tài)氧增濃燃燒中所用的空氣與使用臭氧氧化燃燒廢氣流中的污染物進(jìn)行有利地組合。
[0006]氧氣增濃可改善廢棄物的熱分解并提高處理量。但是，已熟知氧氣增濃會增加燃燒過程中氮氧化物的形成。當(dāng)焚化設(shè)備產(chǎn)生更高的排放時，環(huán)境許可文件通常限制其增加處理量。向空氣污染控制(APC)系統(tǒng)中注入臭氧用于處理焚化排放物能夠有效除去氮氧化物以及其他污染物。臭氧對氮氧化物的氧化的化學(xué)作用在多個專利中進(jìn)行了描述，例如美國專利編號 5,206,002; 5,985,223 ;6，162,409 ;6,649,132;和7,303,735。
[0007]當(dāng)處理廢棄物的替代性方法的成本過高或不再被許可時，化學(xué)廢棄物和有害廢棄物的焚化則受到越來越多的關(guān)注。國際條約以及美國環(huán)境法規(guī)已限制了一些替代性方法，例如廢棄物的傾倒或排放至大氣前未進(jìn)行有效處理。需要達(dá)到峰值產(chǎn)量的處理工業(yè)通常進(jìn)行最優(yōu)化和強(qiáng)化預(yù)演以在相對較低的邊際投資資本的條件下使產(chǎn)量和收益最大化。
[0008]這些預(yù)演通常會導(dǎo)致產(chǎn)生的廢棄物增加，其可能超過已安裝的焚化系統(tǒng)的處理能力。新的焚化系統(tǒng)可能是昂貴的，并且通常會招致更嚴(yán)格的環(huán)境審查。盡管存在對焚化設(shè)備的需求，但是對污染物的控制，特別是氣流中氮氧化物的控制總是具有挑戰(zhàn)性的。
[0009]焚化中對氮氧化物最先進(jìn)的排放控制通常由燃燒的改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)。有兩種常用的技術(shù);低氮氧化物燃燒器和燃燒分級。低氮氧化物燃燒器降低火焰的溫度，從而形成更少的氮氧化物。在燃燒分級中，起始階段中的初始燃燒在有限的空氣下進(jìn)行，從而形成富燃料的環(huán)境。這確保了在緊接著主要燃燒區(qū)域的下游還原區(qū)域的形成，其中氮氧化物被燃燒產(chǎn)物中高水平的一氧化碳還原。在該工藝的第二階段中，導(dǎo)入第二空氣以完成含有一氧化碳的燃燒產(chǎn)物的氧化，其中添加或不添加補(bǔ)充燃料?？赏ㄟ^SNCR(選擇性非催化還原)法將氨注入更低價(jià)態(tài)的氮氧化物。用于燃燒工藝的控制氮氧化物的更高端的方法是SCR (選擇性催化還原)。該方法不是優(yōu)選的用于處理焚化排放物的方法，原因有多種，包括提供持續(xù)性能所需的昂貴的資金成本以及能源密集配置。
[0010]使用氣態(tài)氧實(shí)施空氣增濃以改善玻璃和金屬爐中的燃燒過程是熟知的。在焚化中采用氧氣增濃是相當(dāng)罕見的。氧氣增濃可改善廢棄物的熱分解并提高處理量。但是，已熟知氧氣增濃會增加燃燒過程中氮氧化物的形成。當(dāng)焚化設(shè)備產(chǎn)生更高的排放時，環(huán)境許可文件通常限制其增加處理量。安裝于焚化爐的空氣污染控制系統(tǒng)通常能夠處理更大量的其他空氣污染物而不犧牲性能，所述污染物例如有硫氧化物，顆粒，諸如HCl、HF、C12的酸性氣體，重金屬，諸如二噁英的有機(jī)毒素，呋喃和PCB，但是氮氧化物仍然難以控制。
[0011]焚化工藝正經(jīng)受越來越多的審查，原因在于對公眾健康和環(huán)境的擔(dān)憂，在排放至大氣之前，其需要優(yōu)越的煙道氣清理，特別是當(dāng)處理量增加時。
[0012]本發(fā)明基于污染物控制將氧氣增濃和臭氧進(jìn)行組合。該工藝使焚化單元排放的廢氣流的處理量更高，并且減少向大氣中的污染物排放。氧氣要求條件是氧氣增濃所需的小的增量，并能夠從與供給臭氧發(fā)生器相同的氧供給系統(tǒng)進(jìn)行輸送。通過增加同一設(shè)備中處理量，甚至能在具有氮氧化物控制的額外成本的情況下降低廢棄物處理的單位成本。
[0013]基于氧氣增濃和臭氧的氮氧化物去除方法提供了在最小資金投入下消除焚化工藝的瓶頸的能力;對生產(chǎn)活動具有最小的干擾;涉及最少的處理設(shè)備的改變;提供穩(wěn)健和優(yōu)越的氮氧化物去除并降低廢棄物處理的單位成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明第一實(shí)施方式中公開了從焚化裝置排出的氣流中除去污染物的方法，其包括以下步驟:
[0015]a)將廢棄物、燃料和空氣補(bǔ)給供入焚化裝置的燃燒室中；
[0016]b)將氧氣供入廢棄物、燃料和空氣補(bǔ)給的混合物中；
[0017]c)燃燒該混合物以形成含有污染物的燃燒廢氣流；
[0018]d)將燃燒廢氣流供入猝滅單元;藉此燃燒廢氣流的溫度得到降低；
[0019]e)將燃燒廢氣流供入反應(yīng)區(qū)域；
[0020]f)將臭氧供入反應(yīng)區(qū)域，藉此臭氧和燃燒廢氣流在一段預(yù)設(shè)的時間內(nèi)保持接觸；且
[0021]g)將燃燒廢氣流供入洗滌器，其中污染物被除去。
[0022]本發(fā)明另一實(shí)施方式中公開了從焚化裝置排出的氣流中除去污染物的方法，其包括以下步驟:
[0023]a)將廢棄物供入焚化裝置的燃燒室中；
[0024]b)將用于支持燃燒的空氣注入焚化裝置；
[0025]c)將氣態(tài)氧供給于焚化裝置；
[0026]d)焚化該廢棄物從而形成含有污染物的燃燒廢氣流；
[0027]e)將燃燒廢氣流供入猝滅單元;藉此燃燒廢氣流的溫度得到降低；
[0028]f)將燃燒廢氣流供入反應(yīng)區(qū)域；
[0029]g)將臭氧供入反應(yīng)區(qū)域，藉此臭氧和燃燒廢氣流在一段預(yù)設(shè)的時間內(nèi)保持接觸；且
[0030 ] h)將燃燒廢氣流供入洗滌器，其中污染物被除去。
[0031]在本發(fā)明的替代性實(shí)施方式中，可將第一實(shí)施方式的步驟f)和g)的順序調(diào)換，且燃燒廢氣流在與反應(yīng)區(qū)域中的臭氧接觸之前被洗滌。然后所得燃燒廢氣流被供入選自靜電除塵器和堆袋室的裝置。在替代性實(shí)施方式中，步驟g)和h)的順序可被調(diào)換，從而在反應(yīng)區(qū)域中與臭氧接觸之前對燃燒廢氣流進(jìn)行洗滌。
[0032]被焚化的廢棄物通常是工業(yè)廢棄物、化學(xué)廢棄物和有害廢棄物。
[0033]焚化中采用的燃料通常是煤或油。
[0034]污染物主要是氮氧化物，但也可包括硫氧化物、水銀和酸性氣體。
[0035]氮氧化物選自熱力型氮氧化物、瞬時型氮氧化物和燃料型氮氧化物。
[0036]供入焚化單元的氧氣通常是純凈的氧氣。氧氣將以超過所需化學(xué)計(jì)量的量被供入，以維持焚化單元中的燃燒。
[0037]—旦廢棄物被燃燒，則含有污染物的燃燒廢氣流離開焚化單元并能任選地被首先供入廢熱鍋爐。
[0038]產(chǎn)生的氧氣的一部分被供入臭氧產(chǎn)生單元，從而生成臭氧和氧氣的混合物。當(dāng)在反應(yīng)區(qū)域接觸污染物(特別是氮氧化物)時，臭氧將形成更高氧化態(tài)的氮氧化物。
[0039]通過測定燃燒廢氣流中存在的氮氧化物和臭氧的量來控制添加于燃燒廢氣流的臭氧的量。
[0040]供于焚化單元的氧氣可通過注入到空氣中來供入，所述空氣與燃料和所要燃燒的廢棄物一同被添加?；蛘?，氧氣可通過注入而直接供入焚化單元。
[0041]可采用變壓吸附(PSA)系統(tǒng)以使臭氧從來自臭氧產(chǎn)生單元的氧氣和臭氧氣流混合物中分離。分離的臭氧可被供入反應(yīng)區(qū)域點(diǎn)以氧化來自焚化單元的廢氣流中的氮氧化物。從組合氣流中分離的氧氣可循環(huán)回到焚化單元以用于其中的氧氣增濃。
[0042]附圖的簡要說明
[0043]圖1是廢棄物焚化系統(tǒng)中的氮氧化物去除系統(tǒng)的示意圖。
[0044]圖2是廢棄物焚化系統(tǒng)中氮氧化物去除系統(tǒng)的示意圖，其中焚化器具有兩個燃燒后的區(qū)域。
[0045]圖3是描繪焚化器排出的氣流中氮氧化物濃度對氧氣增濃的量的圖。
[0046]發(fā)明詳述
[0047]圖1是具有氮氧化物控制的焚化系統(tǒng)的示意圖。含有污染物的廢棄物被供入焚化器C燃燒區(qū)域，同時燃料和空氣分別通過管線7和9被供入焚化器中的燃燒器。主要空氣9通過管線3被來自氧源A的氧氣增濃，并被供入焚化器C，其中主要空氣9將會改善燃燒。增濃的空氣中含有的氧氣維持在超過所需化學(xué)計(jì)量的量，以使燃料和廢棄物中的可燃物完全燃
/9ti ο
[0048]燃燒過程中形成的氮氧化物是熱力型氮氧化物、瞬時型氮氧化物和燃料型氮氧化物。熱力型氮氧化物是通過燃燒空氣中存在的雙原子氮?dú)獾母邷匮趸纬傻牡趸?。瞬時型氮氧化物是大氣中氮?dú)馀c來源于燃料的自由基(例如C、CH和CH2片段)反應(yīng)產(chǎn)生的氮氧化物的來源，其無法用熱力過程或燃料過程解釋。燃料型氮氧化物是由含氮燃料(例如某些煤和油)在燃燒過程中通過與燃料結(jié)合的氮?dú)庀虻趸锏霓D(zhuǎn)化而生成的氮氧化物的主要來源。
[0049]在燃燒過程中，與燃料結(jié)合的氮?dú)庾鳛樽杂苫尫挪⒆罱K形成游離的氮?dú)饣騈O。廢氣流8中的含氮化合物在燃燒過程中還形成額外的氮氧化物。對于所需的廢棄物的熱分解，含有燃燒產(chǎn)物的氣流在焚化爐C中以所需的溫度維持一段預(yù)定的時間。為增加焚化器C中廢棄物的處理量，管線9中的一部分主要空氣被來自管線3的氧氣替換，使氣體的總體積保持在設(shè)計(jì)流量之內(nèi)。氧氣增濃通常會導(dǎo)致火焰溫度的升高。由氧氣增濃導(dǎo)致的更高的火焰溫度會改善廢棄物分解效率，但是會增加熱力型氮氧化物的形成。氧氣燃燒增濃供給A的一條氧氣滑流2被轉(zhuǎn)移至臭氧發(fā)生器B，其中氧氣被轉(zhuǎn)化為臭氧含量不高于10重量％的氧氣。臭氧發(fā)生器通常是用于形成臭氧的電暈放電裝置。
[0050]從焚化器C排出的含有燃燒產(chǎn)物的燃燒廢氣流通過管線10被任選地供入廢熱鍋爐以回收熱，然后通過管線11被供入猝滅單元E，其中將會被水性溶液猝滅。進(jìn)行冷卻和猝滅以最大程度減少其他的污染物(例如PCB、二噁英和呋喃)形成。
[0051]有兩種選擇用于將氮氧化物的除去和廢棄物焚