CN102762275B - 用于净化废气的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蓄热式二次燃烧设备(24)，其用于净化包含碳氢化合物和氮氧化物的废气，尤其可用于净化在水泥熟料生产期间产生的废气，通过所述装置，可在多级燃烧室(35)内高于800℃的温度下供入氮氢化合物的同时将碳化合物氧化，并且将氮氧化物热还原。

Description

用于净化废气的方法和装置
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的方法。本发明还涉及用于执行该方法的装置。
从美国专利5589142A中得知了根据权利要求1的前序部分所述的方法。其中，蓄热器的储热体具有用于燃烧挥发性有机化合物的催化剂层。具有烧嘴的燃烧室由两个用于选择性催化还原氮氧化物的催化剂层来限定，其中氮氢化合物在每个蓄热器的储热体上的催化剂层的上游和朝向所述蓄热器的燃烧室催化剂层的下游处供入到废气中。
对于水泥的生产以及其他燃烧燃料以产生高温的工业过程来说，环境的状况以及原材料和燃料的费用起着越来越重要的作用。特别是要降低氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)的排放，同时通过降低燃料的量和通过使用最成本合算的燃料即所谓的二次燃料来降低燃料成本。二次原材料例如飞灰也包括有机组分，并因此促进了一氧化碳的排放。
使用SNCR（选择性非催化还原）系统以分解废气中的氮氧化物确实已为人所知。但是，仅有部分NOx会因此而分解，并且存在着如果用作还原剂的氨(NH3)的加入量过高则会发生氨的泄漏且因此有害的氨将会释放到大气中的危险。
本发明的目的是特别为水泥工业提供废气的净化，通过其可减少污染物的排放并降低燃料的成本。
通过在权利要求1中说明的方法实现了根据本发明的目的；在权利要求2到17中提供了根据本发明的方法的优选实施方案。权利要求18到23涉及用于执行根据本发明的方法的优选装置。
根据本发明，针对氮氧化物(NOx)和可燃性碳化合物净化了废气。该碳化合物例如可为一氧化碳或有机碳化合物。
因此，废气流经至少两个通过燃烧室相连并填充有储热体的蓄热器。优选地，使用具有多个平行于主棱轴线的通道的棱柱状陶瓷储热体用作储热体，如专利EP 0472605B2所述。
废气以交替循环的方式供入到至少一个蓄热器内，并且预先对其中的储热体进行加热。这样预热后的废气供入到温度高于800℃、特别是处于850到1000℃的燃烧室内。在所述高温下，碳化合物被燃烧室内的空气中的氧燃烧掉，同时在所述高温下，氮氧化物被燃烧室内的氮氢化合物还原。
接着通过至少一个其他的蓄热器将所形成的净化气体抽出，并加热这里的储热体，其中废气被再次冷却。
优选地提供至少一个其他的蓄热器，并且在循环期间用净化气体对其清理。作为两个或三个蓄热器的替代，例如也可提供多个蓄热器。
根据本发明，废气中的碳化合物的氧化和氮氧化物的还原仅为热式地发生，即不需要使用催化剂。即，根据本发明使用蓄热式二次燃烧设备，通过其可同时将NOx还原为氮气(N2)。根据本发明，也可净化如在水泥熟料生产中所产生的包含氮氧化物和碳化合物的废气，它是具催化剂毒性的，例如含有重金属和粉尘。
虽然大部分一氧化碳在燃烧室内被氧化成二氧化碳，然而根据本发明，较少部分的氮氧化物已经通过一氧化碳而还原成氮气。氮气还通过氮氢化合物还原氮氧化物而形成。优选地使用氨、尿素或氨基甲酸作为氮氢化合物。
可将用于还原氮氧化物的氮氢化合物供入到蓄热式二次燃烧设备的燃烧室内，或部分地由废气所携带地供给。
优选地，氮氢化合物以水溶液的形式供入到燃烧室内。因此，该溶液可包含用于降低所要求的反应温度的添加剂，例如有机化合物，如乙醇。为了优选地将氮氢化合物的水溶液分散到燃烧室内，可使用两件式喷嘴，即具有用于水溶液的中心开口和用于压力气体的同心开口的喷嘴，或使用多个超声雾化器，其中每一个具有恒定的或优选为脉冲式的泵压力。
燃烧室优选地包括三个区，即：处在蓄热器的储热体上方的第一区，在其中存在于废气内的CO、NOx和氮氢化合物(NH3)进行初始反应；处在两个蓄热器之间的第二区；和处在蓄热器的储热体上方的第三区，通过该第三区将净化气体抽走。因此，将氮氢化合物或氮氢化合物的剩余部分以水溶液的形式供入到第二区的开始处和/或末尾处。
通过分布在燃烧室横截面周围的多个喷枪将氮氢化合物供入到燃烧室的优选区中。
如果废气已经包括部分的氮氢化合物，那么在第一区内部分的氮氧化物会被还原。另一方面，在第二区内可通过在第二区的开始处供入的氮氢化合物来还原氮氧化物。
为了增加氮氧化物的还原效率，优选地在第二区的开始处和第二区的末尾处供入氮氢化合物的水溶液，其中在第二区的开始处供入的氮氢化合物的量优选地大于在第二区的末尾处供入的氮氢化合物的量。因此，可以彼此独立地控制在第二区的开始处和末尾处所供入的氮氢化合物的量。
废气在燃烧室的第一区和第三区内的停留时间优选地均为0.3到1秒，特别是0.4到0.6秒，废气在燃烧室的第二区内的停留时间优选为0.5到2秒，特别是0.8到1.5秒。一个周期优选地持续1到4分钟，特别是2到3分钟。
根据本发明的方法特别适合于如下的废气，其包含氮氧化物并具有高含量的有机和/或无机碳化合物，例如以体积计大于0.1%、特别是以体积计大于0.4%的一氧化碳。碳化合物的燃烧焓可保证二次燃烧设备的自热式操作。即，不再需要其他额外的燃料以操作二次燃烧设备。因此，任选地提供在燃烧室内的烧嘴仅用于启动二次燃烧设备。
因此，根据本发明的废气净化可用于使用以前因气味和形成CO而无法使用的燃料和/或原材料的工业过程中。
因此，根据本发明的废气净化特别适合于来自工业过程的废气，其中会在空气存在下因高的过程温度而形成氮氧化物，并且也会形成碳化合物，例如一氧化碳和有机化合物。例如当煅烧石灰时以及例如在炼钢工业中也是这种状况。
然而，上述首先包括在水泥熟料生产中产生的废气。
由此，将原材料例如石灰岩、石英砂和粘土压磨在一起并同时干燥。由此生产的原料混合物在回转窑内在约1450℃的温度下燃烧以形成熟料，所述熟料通过窑的进气在冷却器内冷却。由于回转窑内的高温，离开回转窑的废气具有高于1000mg/m3的高NOx含量。
为操作回转窑提供了一次燃烧，通过其供入了燃料和助燃空气，即一次空气和在冷却器内以逆流方式预热后的二次空气。
重质燃油、硬煤或石油焦典型地作用燃料。由于对于在水泥熟料生产中产生的废气来说大比率的碳化合物、特别是一氧化碳是根据本发明的目标（以便自热式地操作蓄热式二次燃烧设备），并且由于因燃烧室的高温而在自热式二次燃烧设备内产生了对废气中的其他污染物的非常强烈的净化，因此根据本发明，可在很大程度上将相对昂贵的燃料替换为较不昂贵的废品，例如旧轮胎、废油、塑料废品，或者是生物燃料，例如葵花籽壳、纸纤维残余物或动物粉。
此外，根据本发明，例如废品、特别是碳质废品如飞灰，以及碎砖可用于替代典型的原材料，例如石灰石、石英砂和粘土。
优选地，在回转窑内燃烧原材料混合物之前，在煅烧炉内通过二次燃烧来煅烧该原料混合物。三次空气可用于二次燃烧，并且其可通过逆向流过冷却器而被预热。
所说明的废品优选地部分或全部用作二次燃烧的燃料。
当在煅烧炉内煅烧时，特别是将二氧化碳驱出原料混合物。生产水泥熟料所需的总能量的约一半用于此目的。因此，使用废品作为二次燃烧的燃料会导致大幅度的成本节约。
此外，在高温下煅烧所释放的二氧化碳在高温下部分地分解成一氧化碳，由此进一步提高了废气中一氧化碳的含量。
离开回转窑的废气或如果使用了煅烧炉则为离开煅烧炉的废气优选地进行选择性非催化还原，以便在SNCR系统中在800-1000℃、特别是在850-900℃的温度下通过添加氮氢化合物而分解NOx。因此，通过所述SNCR系统可分解废气内的大部分NOx。
根据本发明，由于废气还进行热再燃，因此可将用于所述选择性非催化还原的氮氢化合物以超化学计量的比率（过量）而加入，这是由于在随后的蓄热式二次燃烧设备内会消耗掉过量的氮化合物。
在氮氧化物的选择性非催化还原之后，优选地将废气供入换热器如旋风换热器中，以便预热原料混合物。离开换热器的废气优选地至少部分用于干燥用于生产原料混合物的磨碎原材料，然后其流过粉尘过滤器到达蓄热式二次燃烧设备。因此，供入蓄热式二次燃烧设备的废气内的一氧化碳含量可为500-10000mg/Nm3，优选为1000-5000mg/Nm3，NOx的含量可为100-1000mg/Nm3，优选为200-500mg/Nm3。
下文使用附图对本发明进行更详细的描述。附图示意性地显示了：
图1是具有废气净化系统的用于生产水泥熟料的系统；以及
图2和3是具有两个蓄热器的废气净化系统的实施方案的截面图，其中待净化的废气供入到一个或另一个蓄热器内。
根据图1，提供了具有由箭头2标示的一次燃烧的回转窑1以生产水泥熟料，通过所述一次燃烧供入燃料和助燃空气。在冷却器3内加热的二次空气直接供入回转窑1内。
由箭头4标示的回转窑1的废气通过由箭头6标示的二次燃烧的管路5而供入，并且被作为燃料的废品如旧轮胎等和相应于箭头7的在冷却器3内预热的三次空气而点燃，所述三次空气通过管路8而供入。
煅烧炉9连接于二次燃烧6，在其端部处提供了SNCR装置11，以用于通过氮氢化合物如氨来选择性非催化还原废气中的NOx。
废气从SNCR装置11流过旋风换热器12，以便接着通过具有鼓风机14的管路13供入到用于粉化和干燥生产原料混合物的原料的装置15中。
所生产的原料混合物通过管路16供入到旋风分离器17，并且从那里相应于箭头18a和18b地进入换热器12。在通过18b供入原料混合物之前，可将所述原料混合物均质化并且进行中间缓冲。离开旋风分离器17的废气部分地通过鼓风机19经用于粉化和干燥的装置15的管路21返回到循环中，并且部分地经废气管路23的管路22通到蓄热式二次燃烧设备24中。不用于粉化和干燥的废气经冷却装置25供入到废气管路。
在废气管路23内，通过例如实施为纤维过滤器且下游连接了鼓风机27的过滤器26对废气除尘。所产生的粉尘也作为原料混合物经18b供入换热塔12。废气管路23中的废气包含例如以体积计含量为0.2到1%的一氧化碳，例如含量为100到1000mg/Nm3的氮氧化物，以及例如以体积计含量为8到13%的氧，其中剩余物基本上为氮气、水和二氧化碳。
净化气体从蓄热式二次燃烧设备23通过鼓风机29经净化气体管路28到达大气。
相应于箭头18的供入换热器12的原料混合物在换热器12之后逆流于废气供入到煅烧炉9，然后到回转窑1用于燃烧，以便随后在冷却器3内冷却。
根据图2和3，蓄热式二次燃烧设备24包括两个蓄热器31、32，其中每一个的最下端能够通过切断装置31a、31b和32a、32b相连于具有待净化废气的废气管路23和净化气体管路28。
蓄热器31、32填充有储热体33、34，并且通过可具有烧嘴36的燃烧室35相连。
燃烧室35由三个区组成：处在蓄热器31的储热体33上方的第一区35-1，处在两个蓄热器31、32之间的第二区35-2，以及处在第二蓄热器32的储热体34上方的第三区35-3。这里，在储热体33、34上方的第一区35-1和第三区35-3内提供了用于使废气流产生旋流的缩窄区37a、37b。
处于缩窄区37a、37b上方的燃烧室35的第二区35-2在开始处和末尾处具有喷嘴38、39，以供入氨水溶液49或经具有切断装置43、44的管路45、46所提供的不同的氮氢化合物。
废气从废气管路23交替地供入到蓄热器31、32中，其中在图2中待净化的废气供入预先加热的蓄热器31中，并且净化气体经蓄热器32而被抽走，使得在燃烧室35内出现相应于箭头47的废气流。
为此，将蓄热器31上的切断装置31a打开并将切断装置31b关闭，同时将蓄热器32的切断装置32a关闭并将切断装置32b打开。
如果包含氮氢化合物和/或一氧化碳的废气供入到蓄热器21的预加热的储热体33中，则废气内的部分氮氧化物会在第一区35-1内被还原。
在第二区35-2的开始处经喷嘴38供入的氮氢化合物会导致第二区35-2内的氮氧化物的热还原。通过在第二区35-2的末尾处经喷嘴39注入氮氢化合物，则其余部分的氮氧化物会在第三区35-3内被还原。可通过切断装置43、44来控制经喷嘴38、39所提供的氮氢化合物的量。
通过在燃烧室35内燃烧待净化废气内的一氧化碳和其他碳化合物，将燃烧室内的废气的温度保持在850到950℃之间。
如果已经通过热的净化气体加热了蓄热器32内的储热体34，则通过打开切断装置32a和关闭切断装置32b将蓄热器32与废气管路23相连，并且通过关闭切断装置31a和打开切断装置31b将蓄热器31与净化气体管路23相连。
因此，废气的流向被反转，如图3中的箭头48所示。
下面的实施例用于进一步解释本发明，所述实施例通过使用根据图1的用于生产水泥熟料的系统和根据图2和3的废气净化系统而实现。
实施例
通过一次燃料和二次燃料或生物燃料将用于生产熟料的回转窑1加热到1450℃的生产温度，所述一次燃料例如为重油、硬煤或石油焦，所述二次燃料例如为旧轮胎、废油、塑料废品，所述生物燃料例如为葵花籽壳、纸纤维残余物和动物粉，并且将原料混合物经旋风换热器12和煅烧炉9以100公吨/小时供入到回转窑1中。原料通过来自回转窑1的废气流在逆流中被加热。在煅烧炉9内进一步地供入一次燃料和二次燃料。所生产的熟料在1200℃下离开回转窑1，并且用于在熟料冷却器3内预加热空气（二次空气，三次空气）。三次空气绕过回转窑1直接供入煅烧炉，并且促进供入到这里的燃料的更佳燃烧。
紧邻于旋风换热器12的最下部旋风级之前，通过注入氨水溶液进行废气内的氮氧化物的选择性非催化还原。所述氨水溶液在流经换热器12的各个级时吸收原料混合物中的剩余的挥发性有机毒素和有气味的物质。
离开换热器12的废气包括下面的组成：
以体积计25%的二氧化碳，
以体积计0.5%的一氧化碳，
以体积计3%的氧，
400mg/Nm3的氮氧化物，
20ppm的氨，
100mg/Nm3的有机碳。
废气用于在装置15内粉化和干燥，在连接于装置15下游的旋风分离器17内进行粗分离，并且可任选地用于其它的干燥单元，例如用于干燥作为一次燃料的煤，这是由于因这里低的氧含量而没有爆炸的风险。不需要干燥处理的废气则流过冷却装置25，并且使用来自旋风分离器17的废气来净化，然后在实施为袋式过滤器的过滤器26内移除粉尘。
废气接着通过鼓风机27经管路23以200000Nm3/h的体积进入蓄热式二次燃烧设备24，其具有处于两个蓄热器31、32内的陶瓷储热体33、34。储热体33和34将废气加热到950℃的温度，在该温度下在燃烧室的第一区35-1内通过经SNCR系统11添加到废气内的剩余的过量氨和一部分一氧化碳而将氮氧化物还原，形成氮气。过量部分的一氧化碳则通过存在于废气内的氧气被氧化成二氧化碳，并且促进二次燃烧设备的自热式操作。废气内的挥发性有机污染物和有气味的物质在燃烧室35内燃烧，以形成二氧化碳和水蒸气。
在废气离开燃烧室35的第一区35-1后，其包括下面的组成：
以体积计12%的二氧化碳，
以体积计0%的一氧化碳，
以体积计11%的氧，
300mg/Nm3的氮氧化物，
5ppm的氨，
0mg/Nm3的有机碳。
为了进一步降低仍存在的其它部分的氮氧化物，在燃烧室35的第二区35-2的开始处沿着流向47以130kg/h的速度注入25%的氨水溶液。在燃烧室35的第二区35-2的末尾处，沿着流向47以80kg/h的速度注入额外的25%氨水溶液，以进一步降低仍存在的氮氧化物。
在燃烧室35的第三区35-3的末尾处，净化后的废气包含下面的组成：
以体积计12%的二氧化碳，
以体积计0%的一氧化碳，
以体积计11%的氧，
150mg/Nm3的氮氧化物，
5ppm的氨，
0mg/Nm3的有机碳。
当流向相应于箭头48地反转时，所注入的氨溶液的计量也反转。这里，大约每两到三分钟逆转一次流向。净化气体在160℃的平均温度下离开二次燃烧设备24。

Claims (18)

1.一种用于在蓄热式二次燃烧设备内净化含有碳化合物和氮氧化物的废气的方法，所述蓄热式二次燃烧设备包括至少两个填充有储热体(33,34)并通过燃烧室(35)相连的蓄热器(31,32)，所述废气交替地在至少一个蓄热器(31,32)内加热，所述碳化合物在所述燃烧室(35)内在高于850℃的温度下被氧化，并且通过至少一个其他蓄热器(32,31)将所形成的净化热气体抽走，
其特征在于，在所述燃烧室(35)内除了碳化合物的氧化之外还同时进行氮氧化物的还原，其中采用氮氢化合物来在所述燃烧室(35)内还原氮氧化物；
所述燃烧室(35)包括：处在至少一个蓄热器(31,32)的储热体(33,34)上方的第一区(35-1)，在所述第一区内废气进行最初反应；处在至少两个蓄热器(31,32)之间的第二区(35-2)；以及处在至少另一个蓄热器(32,31)的储热体(34,33)上方的第三区(35-3)，其中通过所述第三区将净化气体抽出；
在所述第二区(35-2)的开始处和在所述第二区(35-2)的末尾处向所述燃烧室(35)内供入氮氢化合物，其中在所述第二区(35-2)的开始处供入的氮氢化合物的量大于在所述第二区(35-2)的末尾处供入的氮氢化合物的量；
供入废气的氮氢化合物和/或一氧化碳在所述燃烧室(35)的第一区(35-1)内还原部分氮氧化物；
废气中的碳化合物的氧化和氮氧化物的还原仅为热式地发生，即不需要使用催化剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将至少部分氮氢化合物与废气一起供入所述二次燃烧设备内以还原氮氧化物。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，采用氨、氨基甲酸或尿素作为氮氢化合物。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第二区(35-2)的开始处供入所述燃烧室(35)的氮氢化合物还原了所述第二区(35-2)内的氮氧化物。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述废气在所述燃烧室(35)的第一区(35-1)和第三区(35-3)内的停留时间为0.3到1秒。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述废气在所述燃烧室(35)的第二区(35-2)内的停留时间为0.5到2秒。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用于净化在生产水泥熟料期间产生的废气。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，采用二次燃料来生产水泥熟料，使得废气包含了对于蓄热式二次燃烧设备(24)的自热式操作来说足够的一氧化碳含量。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在水泥厂的回转窑(1)内由一次燃烧(2)燃烧原料混合物之前，通过二次燃烧(6)煅烧原料混合物。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在废气供入换热器(12)内以预热原料混合物之前，通过选择性非催化还原在加入氮氢化合物的情况下部分地分解废气中的主要通过回转窑(1)的一次燃烧(2)所形成的氮氧化物。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，以针对还原废气内的氮氧化物为超化学计量的比例来供入氮氢化合物。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，离开所述换热器(12)的废气用于粉化和干燥用于原料混合物的原材料。
13.一种用于执行根据权利要求1到12中任一项所述的方法的装置，其特征在于，所述蓄热式二次燃烧设备包括由多个缩窄区(37a,37b)分开的并具有多个区(35-1,35-2,35-3)的燃烧室(35)。
14.一种用于执行根据权利要求1到12中任一项所述的方法的装置，其特征在于，作为两个蓄热器(31,32)的替代，设置了多个平行的入口蓄热器和出口蓄热器。
15.一种用于执行根据权利要求1到12中任一项所述的方法的装置，其特征在于，还设置了用于净化原料气体的另一蓄热器。
16.一种用于执行根据权利要求1到7中任一项所述的方法的装置，其特征在于，在所述燃烧室(35)的第二区(35-2)的开始处和/或在所述第二区(35-2)的末尾处提供有至少一个两件式喷嘴或至少一个超声雾化器，每个具有恒定的或脉冲式的泵压，用于分散以水溶液形式供入的氮氢化合物。
17.一种用于执行根据权利要求7到12中任一项所述的方法的装置，其特征在于，在废气的流向中在一次燃烧(2)的下游为回转窑(1)提供了二次燃烧(6)，所述二次燃烧连接于煅烧炉(9)，之后连接了换热器(12)，以预热原料混合物。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，为二次燃烧(7)提供了单独的空气进入管路(8)。
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