CN104315519A - 一种高含氮可燃废弃物低污染自洁净燃烧方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高含氮可燃废弃物低污染自洁净燃烧方法，包括以下步骤：(1)高含氮废弃物高温气化/热解；(2)热解/气化固体产物高温流态化燃烧；(3)前述两个步骤的气体产物混合并反应；(4)通过步骤(3)的气体进行完全燃烧。本发明利用高含氮可燃废弃物自身的氮元素进行自洁净燃烧，即烟气脱硝过程中不需要从外部加入还原剂；处理高含氮可燃废弃物过程中不使用催化剂或吸收剂，系统废弃物处理成本低；原料适应性较强，且装置结构简单、紧凑，易于放大。

Description

一种高含氮可燃废弃物低污染自洁净燃烧方法及装置
技术领域
本发明涉及环保及能源利用技术领域，尤其涉及一种高含氮可燃废弃物低排放自洁净燃烧装置及方法。
技术背景
2012年我国煤炭、石油消费总量达到30.9亿吨标准煤，支撑经济高速增长的同时也给环境造成了巨大压力。2012年全国氮氧化物2337.8万吨，与2011年相比有所下降，但是氮氧化物排放量与“十一五”期间年均排放量相比仍然多出约600万吨，重点地区环境状况总体恶化的趋势尚未得到根本遏制，因而吸引了国家和公众的高度关注。
国家《环境保护“十二五”规划》特别强调大气污染物的防治；环保部联合其他有关部门发布的《重点区域大气污染防治“十二五”规划》、《蓝天科技工程“十二五”专项规划》等对减排工作做了进一步的细化，并从2012年起连续发布《“十二五”主要污染物总量减排目标责任书》，将减排任务及考核指标量化到企业级别。
高含氮可燃废弃物废物来源广泛、成分复杂，含氮量通常在5％左右，氮含量原高于普通燃料。现有焚烧技术不适合该类原料直接利用。我国每年约有3亿吨可燃废物需要处理，而目前仍然缺乏低污染处置的有效途径。以珠三角产业集聚地优势产业家具制造为例，由于下脚料中通常含有一些氮元素，是潜在大气污染元素，直接燃用不仅容易造成锅炉管腐蚀，还经常造成烟气中NOX等大气污染物超标排放。
大量的可燃废物无法消化以及中小锅炉超标排放的困局加重了我国的大气污染物治理难度，因此迫切需要高效清洁的低成本处理利用技术。但目前尚无此类定型的技术方案纳入企业备选范畴。
中国专利申请201110034155.3提供一种能够抑制一氧化二氮的产生的废弃物处理系统。废弃物处理系统具有将有机废弃物热分解的热分解炉、使由热分解炉产生的可燃性的热分解气体燃烧的燃烧炉、将由燃烧炉产生的燃烧废气作为热源利用的热利用设备、和使由热利用设备利用而温度下降后的燃烧废气作为燃烧空气回流到燃烧炉中的回流线路。燃烧炉，在900～1000℃的温度域中燃烧由上述热分解炉产生的可燃性的热分解气体，以抑制一氧化二氮N2O的产生。中国专利申请01810981.0涉及一种在沸腾层反应器中焚烧有机废弃物的方法，其中废弃物在一燃烧室内被含氧的流化气在形成流化沸腾层的情况下从下方流过并燃烧，形成的烟气通过沸腾层上方的自由空间抽出，并在后燃烧区或燃烧室内进行完全燃烧。通过调节反应器内氧气含量使反应器形成较少氮氧化物的情况下可以有大的燃烧物流量。该方法通过控制燃烧烟气中氧气含量、流化气含氧量及烟气再循环等措施控制燃烧烟气中的氮氧化物含量，属于低氮燃烧的范畴。但该方法并不适合于用来处理高含氮量废弃物，高含氮废弃物在该专利提供的方法焚烧时，因整个焚烧环境处于氧化性环境，高含氮废弃物中的氮会转化为大量的氮氧化物，增加后续烟气中氮氧化物脱出的成本。中国专利申请201210576564.0提供一种焚烧设备中的还原剂供给方法及还原剂供给装置，所述还原剂供给方法为了使从焚烧炉(1)排出的排气中NOX的浓度在目标值以下，使用从排气处理通路部(3)排出的排气量，计算出由脱硝部入口侧的供给用喷嘴(31)供给的氨供给量，同时根据与该焚烧炉(1)的氨浓度的规定值相对应的氨供给浓度求出氨供给量，并且在以基于排气量所求得的氨供给量进行氨的供给时，当基于排气量的氨供给量超过基于规定值的氨供给量的情况下，以该基于规定值的氨供给量供给氨。中国专利申请201210118586.2公开了一种含氮有机废物的焚烧处理工艺，包括a.将废物送入炉内高温焚烧，并通过喷入补燃燃料维持焚烧温度；b.助燃空气按一定比例分为一次风和二次风进入炉膛助燃；c.在热氧化炉尾部喷入还原剂，采用SNCR的方法将烟气中部分NOX还原；d.从热氧化炉出来的高温烟气进入废热锅炉，回收一部分热量；e.从废热锅炉出来的烟气进入SCR处理器，进一步降低烟气中NOX含量；f.在SCR处理器的下游设置空气预热器，进一步回收烟气余热，然后通过烟囱排放。本发明工艺流程简单，焚烧处理有机废物费用低，两级脱销能够保证脱销效率，满足排放标准，并且实现了烟气余热的回收利用，可广泛应用于化工行业类似有机废物处理项目中。
上述文献的方法主要通过采用控制反应器温度、调节反应器内氧气含量或主要通过后续采用从外界喷入氨或者尿酸利用SCR/SNCR烟气处理工艺去除含氮可燃废弃物中氮元素焚烧产生污染物，存在脱氮效果较差、工艺复杂、处理费用较高等缺点。
上述文献均未涉及利用废弃物自身氮源进行自洁净焚烧，降低含氮可燃废弃物回收处理成本的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，利用废弃物自身氮源进行自洁净焚烧，即通过过程控制将高含氮废弃物中的氮元素一部分转化为NH3、一部分转化为NOX，然后将上述两部分含氮化合物混合反应，提供一种高含氮可燃废弃物低污染自洁净燃烧方法。
为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：
一种高含氮可燃废弃物低污染自洁净燃烧方法，包括以下步骤：
(1)高含氮废弃物热解/气化：高含氮废弃物先在热解/气化室内高温热解/气化，得到固体产物和气体产物。固体产物中含有氮元素，气体产物主要是气态焦油、可燃气、NH3等；在热解/气化环境下系统整体处于还原性气氛，废弃物中的N元素一部分残留在固体产物内，一部分转化为NH3进入气体产物中。
(2)高温流态化燃烧：热解/气化的固体产物进入流态化燃烧区，在流化气的作用下进行高温流态化燃烧。
(3)自洁净燃烧：高温流态化燃烧得到的高温烟气中含有NOX，其中90％～95％为NO。高温烟气与步骤(1)的气体产物在自洁净反应器(12)内混合，通过下述反应实现烟气脱硝。
NH3+NO+O2→N2+H2O
(4)烟气再燃：通过步骤(3)脱硝后的烟气在通入的二次风作用下，在再燃室进行完全燃烧，使烟气中剩余的少量可燃气完全燃烧。脱硝后烟气中的少量CO、H2、焦油(CXHyOz)等可燃组分在二次风作用下进行完全燃烧，同时少量未反应完全的NH3在高温及氧气作用下进行分解。
CO+O2→CO2
H2+O2→H2O
CxHyOz+O2→CO2+H2O
经过上述处理后，高含氮可燃废弃物烟气排放中NOX含量基本可以达到环保排放标准，对部分NOX排放要求较高的区域可再通过常规的脱硝过程进行简单处理以达到排放要求。排放的高温烟气可以进入锅炉进行余热利用。
在上述过程中流化气(一次风)主要用于为热解/气化的固体产物燃烧提供过量氧化剂，使其氧化燃烧放热并使燃烧后的烟气仍然含有少量氧气。燃烧产生的热用于为步骤(1)高含氮废弃物热解/气化供热，同时燃烧烟气中含有少量氧气用于促进步骤(3)自洁净燃烧中NOX与NH3的自洁净反应。一次风可以采用空气，并可以通过余热回收对一次风进行预热。必要时一次风可以混入部分的再循环烟气用于调节步骤(2)高温流态化燃烧过程的流化状态；二次风用于步骤(4)烟气再燃过程中烟气中可燃组分的燃烬，同时控制适当的反应温度，使得未反应完全的NH3可以完全分解，同时尽量避免热力型NOX的生成。二次风一般采用空气。
进一步地，步骤(1)中热解/气化温度为400℃～600℃，在该温度下进行热解/气化，通常情况下超过60％的氮元素会进入热解/气化气体产物，少于40％的氮元素保留在热解/气化固体产物。步骤(2)中流态化燃烧温度为850℃～1000℃。
步骤(3)中自洁净反应器的温度为950℃～1000℃，停留时间大于0.1s。在该温度范围和停留时间下可以保证脱硝效率在90％以上。热解/气化的气体产物中的可燃组分在流态化燃烧的高温烟气中含有的过量氧气的作用下氧化燃烧，使自洁净反应器温度提升到950℃～1000℃。
步骤(4)中完全燃烧温度为1050℃～1150℃。在该温度下进行完全燃烧可以保证可燃气有较高的燃尽率，NH3也可以发生高温热分解，同时也可以尽量减少热力型NOX的生成。
NH3+O2→N2+H2O
本发明还提供了一种用于实现上述方法的装置，该装置包括自洁净燃烧反应器2及位于自洁净燃烧反应器2中下部的热解/气化反应器1，自洁净燃烧反应器2内由下至上分别有布风室10、布风板4、流态化燃烧室11、热解/气化反应器1、自洁净反应室12、再燃室13、烟气出口14；所述布风室10与一次风入口3连通；再燃室13设置有反应器缩口8；反应器缩口8设置有二次风入口9；所述的热解/气化反应器1底部设置有固体产物出口5，顶部设置有气体产物出口7，中上部设置有原料入口6与外界相通，固体物出口5位于流态化燃烧区11中，气体产物出口7位于自洁净反应室12中；所述流态化燃烧室11与自洁净反应室12通过热解/气化反应器1外的空间相通。
热解/气化反应器1与自洁净燃烧反应器2同轴，布风板4包括外环4-1和内环4-2。在重力作用下，热解/气化反应产生的固体产物会堆积在固体产物出口5及布风板4之间形成气密层。该气密层可以保证热解/气化室1内的还原性气氛，同时使热解/气化气体产物只能通过气体产物出口7流出进入自洁净反应室12。流化气从布风板4的外环4-1进入流态化燃烧区11，使外环4-1上部的热解/气化固体产物流态化燃烧，同时对上述固体层进行松动，使得热解/气化室1内的固体产物在重力作用下持续缓慢向下运动进入到外环4-1上部。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明利用高含氮可燃废弃物自身的氮元素进行自洁净燃烧，即烟气脱硝过程中不需要从外部加入还原剂；
2、本发明处理高含氮可燃废弃物过程中不使用催化剂或吸收剂，系统废弃物处理成本低；
3、本发明原料适应性较强，且装置结构简单、紧凑，易于放大。
附图说明
图1是本发明高含氮可燃废弃物低污染自洁净燃烧装置简图；
图2是本发明高含氮可燃废弃物低污染自洁净燃烧装置布风板简图；
图3是本发明高含氮可燃废弃物低污染自洁净燃烧装置物流简图。
附图标记说明：1.热解/气化反应器，2.自洁净燃烧反应器，3.一次风入口，4.布风板，4-1.外环，4-2.内环，5.固体产物出口，6.原料入口，7.气体产物出口，8.反应器缩口，9.二次风入口，10.布风室，11.流态化燃烧室，12.自洁净反应室，13.再燃室，14.烟气出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明内容做进一步详细说明。
实施例1：
本实施例中，所用装置的结构如图1、2所示，燃烧过程中装置内物流如图3所示。高含氮废弃物为高密度板边角料，原料中氮元素含量5.3％。本实施例包括以下步骤：
(1)高含氮废弃物热解/气化：高含氮废弃物通过原料入口6进入热解/气化室1内，进行高温热解/气化，得到固体产物和气体产物。固体产物中含有氮元素，气体产物主要是气态焦油、可燃气、NH3等；在热解/气化环境下系统整体处于还原性气氛，废弃物中的N元素一部分残留在固体产物内，一部分转化为NH3进入气体产物中。
(2)高温流态化燃烧：在重力作用下，热解/气化反应产生的固体产物会堆积在固体产物出口5及布风板4之间形成气密层。该气密层可以保证热解/气化室1内的还原性气氛，同时使热解/气化气体产物只能通过气体产物出口7流出进入自洁净反应器12。从一次风入口3通入的流化气(空气与再循环烟气的混合气，Vair:Vyq＝70:30)从布风板4的外环4-1进入流态化燃烧区11，使外环4-1上部的热解/气化固体产物进行高温流态化燃烧。同时对上述固体层进行松动，使得热解/气化室1内的固体产物在重力作用下持续缓慢向下运动进入到布风板4的外环4-1上部。
(3)自洁净燃烧：高温流态化燃烧得到的高温烟气中含有NOX，其中90％～95％为NO。高温烟气通过热解/气化室1外部的空间进入自洁净反应器12，与热解/气化气体产物混合，通过下述反应实现烟气脱硝。
NH3+NO+O2→N2+H2O
(4)烟气再燃：通过步骤(3)脱硝后的烟气通过反应器缩口8进入再燃室13，在二次风入口9通入的二次风(空气)作用下，进行完全燃烧，使烟气中的少量可燃气完全燃烧。脱硝后烟气中的少量CO、H2、焦油(CXHyOz)等可燃组分在二次风作用下进行完全燃烧，同时少量未反应完全的NH3在高温及氧气作用下进行分解。最后烟气通过烟气出口14排出。
CO+O2→CO2
H2+O2→H2O
CxHyOz+O2→CO2+H2O
经过上述处理后，高含氮可燃废弃物烟气排放中NOX含量基本可以达到环保排放标准，对部分NOX排放要求较高的区域可再通过常规的脱硝过程进行简单处理以达到排放要求。排放的高温烟气可以进入锅炉进行余热利用。
步骤(1)中的热解/气化温度为500℃，在该温度下进行热解/气化，约75％的氮元素会进入热解/气化气体产物，约25％的氮元素保留在热解/气化固体产物。步骤(2)中的流态化燃烧温度为900℃～950℃。
步骤(3)中自洁净反应器12的温度为950℃～1000℃，停留时间大于0.1s。通过步骤(2)及进入自洁净反应器内的氧化剂的量及温度可以控制这一步的反应温度。从热解/气化室1出来的气体产物与从流态化燃烧区11出来的高温烟气在自洁净反应器12内混合。从热解/气化室1出来的气体产物中的可燃组分在从流态化燃烧区11高温烟气中含有的过量氧气的作用下氧化燃烧，使自洁净反应器12的温度提升到950℃～1000℃。在该温度范围和停留时间下可以保证脱硝效率在90％以上，烟气中NOx含量约130ppmv，可以达到国家锅炉烟气氮氧化物排放相关标准。
步骤(4)中所述的完全燃烧温度为1050℃。在该温度下进行完全燃烧可以保证可燃气有较高的燃尽率，NH3也可以发生高温热分解，同时也可以尽量减少热力型NOX的生成。
NH3+O2→N2+H2O
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利保护范围中。

Claims (5)

1.一种高含氮可燃废弃物低污染自洁净燃烧方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)高含氮废弃物在热解/气化室内高温热解/气化，得到固体产物和气体产物；
(2)步骤(1)的固体产物进入流态化燃烧区，在流化气的作用下进行流态化燃烧；
(3)高温流态化燃烧得到的高温烟气与步骤(1)的气体产物在自洁净反应室混合并反应实现烟气脱硝；
(4)通过步骤(3)脱硝后的烟气在通入的二次风作用下，在再燃室进行完全燃烧，使烟气中剩余的少量可燃气完全燃烧。
2.如权利要求1所述的高含氮可燃废弃物低污染自洁净燃烧方法，其特征在于，所述步骤(1)的热解/气化温度为400℃～600℃；所述步骤(2)的流态化燃烧温度为850℃～1000℃；所述步骤(3)中自洁净反应室的温度为950℃～1000℃，混合气体在其中的停留时间大于0.1s；所述步骤(4)的完全燃烧温度为1050℃～1150℃。
3.一种用于实现如权利要求1或2所述方法的装置，其特征在于，该装置包括自洁净燃烧反应器(2)及位于自洁净燃烧反应器(2)中下部的热解/气化反应器(1)，自洁净燃烧反应器(2)内由下至上分别有布风室(10)、布风板(4)、流态化燃烧室(11)、热解/气化反应器(1)、自洁净反应室(12)、再燃室(13)、烟气出口(14)；所述布风室(10)与一次风入口(3)连通；所述再燃室(13)设置有反应器缩口(8)，反应器缩口(8)设置有二次风入口(9)；所述的热解/气化反应器(1)底部设置有固体产物出口(5)，顶部设置有气体产物出口(7)，中上部设置有原料入口(6)，所述固体产物出口(5)位于流态化燃烧区(11)中，气体产物出口(7)位于自洁净反应室(12)中；所述流态化燃烧室(11)与自洁净反应室(12)通过热解/气化反应器(1)外的空间相通。
4.如权利3要求所述的装置，其特征在于，所述的热解/气化反应器(1)与自洁净燃烧反应器(2)同轴。
5.如权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述布风板(4)包括外环(4-1)和内环(4-2)，流态化燃烧氧化剂从外环(4-1)进入流态化燃烧区(11)。
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