CN102302891B

CN102302891B - 用双效反应器处理焚烧产生的烟气的方法及其系统

Info

Publication number: CN102302891B
Application number: CN 201010612185
Authority: CN
Inventors: 梁青照
Original assignee: Satarem Tech Ltd
Current assignee: Satarem Tech Ltd
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2030-12-30
Also published as: CN102302891A; WO2012089083A1

Abstract

本发明提供了一种利用双效反应器处理高温焚烧烟气的方法和其系统。本发明的方法包括以下步骤：将高温焚烧烟气输入到双效反应器的焚烧反应室；将燃料和碱性物料输入到焚烧反应室进行加热；所述烟气与所述碱性物料进入双效反应器的气固悬浮混合室充分反应，烟气中的酸性气体和二噁英前体物质被清除；气粉混合物进入高温收尘器，气固分离，气体经独立烟囱排出；剩余未反应的碱性物料可循环再用，或收集于储灰仓。本发明还提供了一种用于上述烟气处理方法的系统，其包括：双效反应器、高温收尘器、热能回收及除尘系统、储灰仓和独立烟囱，其中所述双效反应器由相连的焚烧反应室和气固悬浮混合室组成。

Description

用双效反应器处理焚烧产生的烟气的方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种用双效反应器(Dual Purposes Reactor，DPR)处理由焚烧产生的烟气的方法，尤其涉及一种利用高温和碱性物料去除高温焚烧烟气中的酸性气体和完全去除在焚烧烟气中二噁英前体物质，同时能够实现热能回收利用的方法。

背景技术

在工业生产中，高温焚烧法的应用广泛，包括水泥制造、炼钢、火力发电和废物焚烧等。焚烧过程中普遍会产生大量有毒有害气体废物，特别是酸性气体和二噁英等有毒物。

其中二噁英的英文名称为Dioxins，它是一类毒性极强的有害物质，对人类有致癌性、致畸性和免疫毒性，因此工业处理中产生的二噁英必须进行严格处理。二噁英在焚烧过程中的生成机理，已成为二噁英研究内容中的重要组成部分。二噁英既可由烃类有机物和无机氯化物在催化剂存在的条件下生成，也可由二噁英的前体有机氯化物产生。人们普遍认为在焚烧过程中，烃类有机物与有机氯化物会经化学反应生成二噁英。从目前的研究来看，在废物焚烧过程中二噁英的生成有以下几种原因：

1.在有两种或多种有机氯化物(如氯酚)存在的情况下，由于二聚作用，在适当的温度和氧气条件下就会结合成二噁英。

2.多氯化二酚、多氯联苯等一类化合物的不完全燃烧生成二噁英。

3.由于氯及氯化物的存在，破坏了碳氢化合物(芳香族)的基本结构，而与木质素，如木材、蔬菜等废弃物相结合，促使生成二噁英的化合物。

可见，二噁英前体物质包括烃类有机物、有机氯化物和无机氯化物等。在焚烧烟气中存在大量的二噁英前体物质。

另外，焚烧过程产生的酸性气体包括氯化氢气体(HCl)、氟化氢气体(HF)、氨气(NH₃)、硫酸(H₂SO₄)、氰氢酸气体(HCN)、硫化氢气体(H₂S)等。酸性气体会对环境带来广泛的危害，造成巨大的经济损失，如：腐蚀建筑物和工业设备；破坏露天的文物古迹；损坏植物叶面，导致森林死亡；使湖泊中鱼虾死亡；破坏土壤成分，使农作物减产甚至死亡；饮用酸化物造成的地下水，对人体有害。

因此，高温焚烧后的废气在排放前必须进行除酸除毒处理。经济有效的处理技术可大大减轻焚烧废气对环境和生产成本的负担。

目前，高温焚烧产生的废气处理技术多采用急速冷却，喷淋碱液，活性炭吸附系统。

如中国专利申请号200610154696.9“危险废物垃圾回转窑焚烧设备系统”和中国专利号02238510.X“医疗垃圾气控式热解焚烧无害化集成处理装置”。上述两项申请中防止二噁英生成装置都是采用急冷方式，将烟气从1100℃高温瞬间降至200℃以下，这样虽然清除了二噁英，但是却造成了热能的浪费，而且水耗量大，加大了处理成本。

中国专利申请号200610154695.4“垃圾回转窑焚烧设备中的烟气净化塔”采用净化塔喷碱液装置处理酸性尾气，烟气中的酸性气体处理前容易引起烟道和急冷换热设备的高温腐蚀和低温腐蚀，且设备体积庞大。

在活性炭吸附系统中，由于活性炭吸附后，二噁英只是存在于活性炭之中，并没有从根本上去除，需要进一步处理，价格昂贵。还有采用电子束照射延期的方法破坏烟气中的二噁英，然而，用于产生电子束的电压很高，处理容量不大，能耗大。

因此，目前急需一种简单、廉价、能够有效去除高温焚烧烟气中的酸性气体和完全去除在焚烧烟气中二噁英前体物质的废气处理方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用高温和碱性物料去除高温焚烧烟气中的酸性气体，完全去除在焚烧烟气中二噁英前体物质，同时能够回收热能的方法及其系统。

本发明提供了一种利用双效反应器处理高温焚烧废气的方法，所述双效反应器由相连的焚烧反应室和气固悬浮混合室所组成，该方法包括以下步骤废气处理方法，其包括以下步骤：

(a)将高温焚烧烟气输入到双效反应器的焚烧反应室；

(b)将燃料注入到所述焚烧反应室进行燃烧；

(c)将碱性物料输入到所述焚烧反应室；

(d)在高温下，所述废气与所述碱性物料进入气固悬浮混合室充分反应，废气中的酸性气体、持久性有机污染物和二噁英前体物质被清除；

(e)气粉混合物进入高温收尘器，气固分离，气体排出；

(f)剩余未反应的碱性物料可回入焚烧反应室循环再用，或收集于储灰仓，用作其他工业的原材料。

在本发明的一个方面，提供了一种利用双效反应器处理高温焚烧烟气的方法，所述双效反应器由相连的焚烧反应室和气固悬浮混合室所组成，该方法包括以下步骤：

(a)高温焚烧产生的烟气经过高温烟气通道输入到双效反应器的焚烧反应室；

(b)将燃料注入到所述焚烧反应室进行燃烧，把焚烧反应室加热到高温；

(c)碱性物料经碱性物料入料口输入到所述焚烧反应室进行加热；

(d)在保持所述高温的条件下，所述烟气与所述碱性物料的混合物切向进入双效反应器的气固悬浮混合室并螺旋前进，在气气固悬浮混合室充分混合反应，所述烟气中的酸性气体和二噁英前体物质被清除；

(e)气粉混合物离开双效反应器进入高温收尘器，气固分离，气体经热能回收及除尘系统后，通过独立烟囱排出温度保持在120～150℃以上的无毒气体；

(f)剩余未反应的碱性物料通过三通阀回入焚烧反应室循环再用，或收集于储灰仓。

在本发明的又一个方面，所述方法中步骤(b)至(d)中保持850至950℃的温度。优选的，所述方法中，步骤(b)至(d)中保持850至920℃的温度，最优选的，所述方法中步骤(b)至(d)中保持860至890℃的温度。

本发明使用的碱性物料可以是烟气处理领域各种碱性固体物质。在本发明的一个方面，使用的是固体的碱性物料，例如石灰(包括生石灰和熟石灰)、石灰石、硅沙、氧化铝和粘土，或其组合等。在本发明的方法中，所述固体以粉状方式使用。石灰石主要成分是碳酸钙。石灰有生石灰和熟石灰。生石灰的主要成分是氧化钙，一般呈块状，纯的为白色，含有杂质时为淡灰色或淡黄色。熟石灰主要成分是氢氧化钙。熟石灰经调配成石灰浆、石灰膏、石灰砂浆等。粘土是一种矿物原料，由多种水合硅酸盐和一定量的氧化铝、碱金属氧化物和碱土金属氧化物组成，并含有石英、长石、云母及硫酸盐、硫化物、碳酸盐等杂质。含硅量高的粘土更适合用于烟气处理。

相应地，本发明还提供了一种烟气处理系统，该烟气处理系统使用了本发明提供的方法进行烟气处理及热能回收。所述系统包括：双效反应器(10)、高温收尘器(20)、热能回收及除尘系统(30)、储灰仓(40)和独立烟囱(50)，其中所述双效反应器由相连的焚烧反应室(11)和气固悬浮混合室(12)组成。

本发明包括以下优点：

第一，通过在本发明烟气处理系统的双效反应器中采用碱性物料与有害气体混合高温煅烧的处理方式，在整个烟气处理过程和系统的初始阶段就进行有害气体处理，从而省去了后续烟气处理中常用的石灰喷洒装置，同时，由于将处理步骤提前，有效地大大减小了酸性气体对设备的腐蚀。

第二，焚烧反应室排出的净化气体，其热能的可利用空间为约850～950℃到约120℃，从而对比现有的有害气体净化-热回收系统有着更高的热能回收效率。

第三，有害气体在焚烧反应室被加热至约850至950℃，在高度保温条件下进入气固悬浮混合室，整个过程停留时间达6至10秒。因此焚烧反应室对二噁英及形成二噁英的烃类有机物、有机氯化物和无机氯化物等的去除极为彻底，其效果远超过现有的方法。

第四，在本发明的一个方面，在通过将足量的尿素和氨气等还原剂通入气固悬浮混合室，从而将氮氧化物(NO_X)的产生控制为低于100mg/Nm³。

第五，碱性物料可在本发明的烟气处理系统中循环使用，减少了碱性物料的投入。

本发明提供的烟气处理方法及其系统具有能在高温条件下连续运行、吸收酸性气体和消除二噁英和/或其前体物质，包括烃类有机物、有机氯化物和无机氯化物等的功能。该系统既能高度消除含有机质、毒性及酸性气体中的有机物颗粒、CO、SO₂、HCl、HF酸性气体及二噁英等有害物质，同时又能保持或提高处理气体的温度，使之成为可供利用的稳定热源。在高度净化气体的毒性及酸性气体的同时，实现原有害气体资源化。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本发明的烟气处理方法的一种具体实施方式的流程图；

图2是使用图1示出的烟气处理方法的处理系统的一种具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

使用了带有双效反应器(Dual Purposes Reactor，DPR)的本发明的方法和系统在产业中进行了小试和中试。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

请参考图1，图1是根据本发明的烟气处理方法的一种具体实施方式的流程图，该方法包括：

步骤S101，将焚烧烟气输入到双效反应器的焚烧反应室；

所述烟气可能来自于水泥制造、炼钢、火力发电、医疗垃圾焚烧、城市及生活废物燃烧等。所述烟气可以经过烟气通道进入焚烧反应室，如果所述废物的温度很高时，还可以采用由耐高温材料制成的高温烟气通道。所述通道与焚烧反应室可通过液压阀门连接。

步骤S102，将燃料注入到焚烧反应室进行燃烧，为了使燃料与氧气充分接触，可采用燃料喷嘴将燃料喷入焚烧反应室，以便燃烧更加充分。

步骤S103，将碱性物料输入到焚烧反应室进行加热；

其中，碱性物料为粉状固体，其选自石灰、石灰石、硅沙、氧化铝和黏土，或其组合。含硅量高的粘土更适合用于烟气处理。

本发明中消除酸性气体的反应包括但不限于：

HCl+NaOH→NaCl+H₂O

2HCl+Ca(OH)₂→CaCl₂+2H₂O

HF+NaOH→NaF+H₂O

2HF+Ca(OH)₂→CaF₂+2H₂O

SO₂+2NaOH→Na₂SO₃+H₂O

SO₂+Ca(OH)₂→CaSO₃+H₂O

为了能够达到本发明充分去除烟气中酸性气体和二噁英前体物质的目的，焚烧反应室中的碱性物料的用量为其化学反应所需摩尔质量的20至85倍，远超过吸收酸性气体等有害物质所需的用量，碱性物料在整个烟气处理过程中会持续保有化学吸收及物理吸附的双重除酸除毒效果。

所述气固悬浮混合室可采用喷腾型、旋流型、或喷腾和旋流复合型的模式，令碱性物料在烟气流中形成涡流，以达到碱性物料在气固悬浮混合室中均匀分布，并与热气体充分混合接触的效果。在本发明的一个方面，气固悬浮混合室采用喷腾和旋流复合型的模式。

步骤S104，在高温下，所述烟气与所述碱性物料进入气固悬浮混合室反应，烟气中的酸性气体、持久性有机污染物和二噁英生成组分被清除；

优选的，还可以将足够的尿素和氨气等还原剂加入气固悬浮混合室，可将氮氧化物(NO_X)的产生减至低于100mg/Nm³。

步骤S102至S104均保持在摄氏850-950℃之间发生。优选的所述方法中，步骤S102至S104中保持850至920℃的温度，最优选的，所述方法中步骤S102至S104中保持860至890℃的温度。所述烟气在双效反应器中停留时间合共为6至10秒，优选8至10秒。

步骤S105，气粉混合物进入高温收尘器，气固分离，气体排出。在本发明的一个方面，使用独立烟囱将经过本发明的方法和系统处理后的气体排出。独立烟囱是指不用于排出来自其它系统、设备、方法的气体或烟气，也就是说，本发明的系统使用的烟囱与其它系统或设备的分开。

优选的，气固分离后，为了更好地利用热能资源，减少污染，要使气固分离后的气体再通过热能回收及除尘系统，之后将无毒气体排出系统。本发明的方法经独立烟囱稳定排出温度保持在120～150℃以上的无毒气体。

步骤S106，剩余未反应的碱性物料可经高温固料管道通过高温三通阀随物料循环管道回入焚烧反应室循环再用，或通过高温三通阀经管道排出系统收集于储灰仓作其他工业应用。

结合图2进行参考，图2是使用图1示出的烟气处理方法的烟气处理系统的一种具体实施方式的结构示意图，该系统包括：双效反应器10、高温收尘器20、热能回收及除尘系统30、储灰仓40和独立烟囱50，其中双效反应器由相连的焚烧反应室11和气固悬浮混合室12组成。

下面结合图1示出的方法对该系统的各部分进行说明。

本实施例中，在该系统独立运行的情况下，在双效反应器10的焚烧反应室11内加入粉状碱性物料，排出气体的除水含氧率为8至11％，涤气温度850至950℃，停留时间时间6至10秒。

如图1所示，首先，将燃料通入双效反应器10的焚烧反应室11，优选地，为使燃料与氧气有效混合燃烧，可以利用燃料喷嘴将燃料喷入燃料反应室11。

其次，将粉状碱性物料加入焚烧反应室11。粉状碱性物料先行预热至所需温度，所述温度不超过950℃。通过燃烧加热，使涤气温度保持850至950℃，优选850至920℃，最优选860至890℃的温度。

再次，经过煅烧后，由焚烧反应室11排出气粉混合物，将该气粉混合物通入双效反应器10的气固悬浮混合室12。气固悬浮混合室12中采用喷腾和旋流复合式的模式，令前述气粉混合物中的高温粉状碱性物料和高温烟气在反应室中充分均化、混合、接触和反应；最终达到气体净化的效果。

之后，充分反应后的气粉混合物由气固悬浮混合室12内进入高温收尘器20。通常气固悬浮混合室12和高温收尘器20可以通过气固混合管道连接。在该高温收尘器20中所述气粉混合物中的粉尘与气体分离，将所述气粉混合物中的粉尘净化后，余下高温气体进行下一步处理。本发明使用的高温收尘器收尘效率≥92％。

最后，气固分离后高温气体进入热能回收及除尘系统30，最终排入大气，在热能回收及除尘系统30可以与其他系统相连接，对排出的气体进行再利用。在本发明的一个方面，气固分离后高温气体直接与排出装置相连，将处理后的气体排入大气，例如，可以使用独立烟囱50。碱性物料则回到焚烧反应室11循环使用。本发明的方法经独立烟囱50稳定排出温度保持在120～150℃以上的无毒气体。

当在实际操作中发现碱性物料性能不良、需要快速更换时，从高温收尘器出来的碱性物料也可以直接进入储灰仓40，同时加大焚烧反应室11的碱性物料投入量并增加燃料用量，直至碱性物料的比重达到反应要求且温度恢复正常。

通常燃料反应室11、高温收尘器20和储灰仓40之间可以通过一高温三通阀进行连接，用于循环使用回收的碱性粉末和热能。

本发明的双效反应器内整个过程保持温度在850至950℃，优选保持850至920℃的温度，最优选保持860至890℃的温度。另外，气体停留时间为6至10秒，优化工艺选择为8至10秒。

经过六个月的中试，使用本发明双效反应器(Dual PurposesReactor，DPR)的系统最后释放出的气体的二噁英低于0.018ngTEQ/m³，总挥发性有机碳低于3mg/m³，氯化氢气体(HCl)低于3mg/m³，氟化氢气体(HF)低于0.03mg/m³，SO₂低于20mg/m³(以标准状态下含11％O₂的干烟气为参考值转换)。排出的气体的各项指标符合欧盟和中国的大气污染物综合排放标准。

本发明处理烟气的方法和系统简化了传统方法的步骤和设备，并在去除了酸性气体的同时，彻底的抑制和焚尽了二噁英前体物质，使二噁英在降温过程中难以重新形成。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。

Claims

1.一种利用双效反应器处理高温焚烧烟气的方法，所述双效反应器由相连的焚烧反应室和气固悬浮混合室所组成，该方法包括以下步骤：

(b)将燃料注入到所述焚烧反应室进行燃烧，把焚烧反应室加热到高温;

(c)将碱性物料输入到焚烧反应室；

(d)在保持所述高温的条件下，所述烟气与所述碱性物料的混合物切向进入双效反应器的气固悬浮混合室并螺旋前进，在气固悬浮混合室充分混合反应，所述烟气中的酸性气体和二噁英前体物质被清除；

(e)气粉混合物离开双效反应器进入高温收尘器，气固分离，气体经热能回收及除尘系统后，经独立烟囱排出温度保持在120~150℃以上的无毒气体；

2.根据权利要求1所述的方法,所述碱性物料为粉状固体，其选自石灰、石灰石、硅沙、氧化铝和粘土，或其组合。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤（b）至（d）中保持850至950°C的温度。

4.根据权利要求3所述的方法，其中步骤（b）至（d）中保持850至920°C的温度。

5.根据权利要求4所述的方法，其中步骤（b）至（d）中保持860至890°C的温度。

6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤（c）中碱性物料输入到焚烧反应室前预热到接近到步骤（b）中所述焚烧反应室的高温。

7.根据权利要求1所述的方法，其中气固悬浮混合室采用喷腾和旋流复合模式，碱性物料在气流中反复翻腾，碱性物料在气固悬浮混合室中均匀分布，并与气体充分混合接触。

8.根据权利要求7所述的方法，所述碱性物料的用量为其化学反应所需摩尔质量的20至85倍。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述烟气在双效反应器中停留时间为6至10秒。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述烟气在双效反应器中停留时间为8至10秒。

11.根据权利要求1所述的方法，其中步骤（d）中在气固悬浮混合室还加入尿素和氨气等还原剂，降低氮氧化物(NO_X)的产生。

12.一种用于如权利要求1-11中任一项定义的烟气处理方法的系统，其包括：双效反应器（10）、高温收尘器（20）、热能回收及除尘系统（30）、储灰仓（40）和独立烟囱（50），其中所述双效反应器由相连的焚烧反应室（11）和气固悬浮混合室（12）组成。