CN109780563A - 工业废气中苯类有害物高温富氧超常压强化燃烧净化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工业废气中苯类有害物高温富氧超常压强化燃烧净化方法，包括如下步骤：1）集收含苯废气；2）将废气与氧气混合，形成富氧混合气；3）将混合气导入1300℃以上的燃烧室中，使废气在高温、富氧氛围的燃烧室内以紊流翻腾状态与氧气充分反应生成CO2和H2O，得到净化。在步骤1）之后还包括步骤1‑1）：将废气导入一储匀装置中，使废气浓度均匀。步骤3）中，混合气在超常压氛围的燃烧室内与氧气反应。本方法操作方便，安全可靠，容易推广，投资省，净化率高；不仅能高效净化含苯类气体，还能高效净化废气中各种有害可燃气体与可燃粉尘，也能化解熔点低于1380℃的金属粉尘的危害。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护技术领域，涉及含苯类有害废气及烟尘等污染物的净化方法，具体是一种工业废气中苯类有害物高温富氧超常压强化燃烧净化方法。
背景技术
在国内外工业生产中，凡使用芳烃类材料（即分子中含苯环结构的碳氢化合物）的行业，比如塑料行业、橡胶行业、油漆、石化等多种化工行业、医药行业、垃圾焚烧及消失模与V法铸造行业等等，其苯环结构的材料在加热、燃烧、气化或裂解过程中，均不可避免地产生含有苯类（苯、甲苯、乙苯、苯乙烯等）废气的释放，一切有燃烧过程的行业也必然因不能完全燃烧而产生CO和C烟尘等可燃性有害物的排放，污染大气，危害人类。世界卫生组织国际癌症研究机构于2017年10月27日已把这些苯类物质列入了致癌物清单中，其中苯为一类致癌物、甲苯为3类、乙苯和苯乙烯为2B类。然而，多年来，国内外对苯类致癌废气的净化治理尚未得出适于工业化普及应用的有效方法，苯类废气的净化处理成了国际性环境保护十分头痛的难题。
以消失模铸造而言，世界消失模铸造始于1958年，中国引进研究消失模铸造始于1965年并逐步实现了工业化生产应用。至今，国内外对消失模铸造的EPS（发泡聚苯乙烯）浇注时产生的苯类废气及CO和C烟尘等污染仍然束手无策，这一难题成了消失模铸造环境保护和可持续发展的最大障碍。早在十多年前，国外对工业苯类废气处理曾有过所谓“贵金属吸附浓缩催化燃烧法”等研究性的报导，但不具先进实用性，其设备庞大、结构复杂、设备投资惊人，少说数百万元甚至上千万元之巨，运行成本甚高，运行过程安全隐患甚多，收集的苯类物等气体易发生泄漏的危险，运行操作繁杂，吸附作用有局限性。比如柴油吸附苯有一定的效果，但对甲苯、乙苯、苯乙烯的吸附净化作用不大，更无法吸收废气中的CO气体，而且任何吸附剂的作用是随之趋饱和而减弱至消失，故不具普及应用的价值。
消失模铸造浇注过程所排放的废气中，含有苯、甲苯、乙苯、苯乙烯等碳氢化合物及CO和C烟尘等，属可燃易燃物，但因其排放的浓度甚低，每立方米排放气体中所含苯类物的最高总质量仅约10g左右，通常情况下，即20℃时，大气压中空气的密度约为1.205kg/m3，如果1立方米废气中即使所含苯类物总质量达到10g，也只相当于0.8%的浓度，在大气压中用明火是不可能直接点燃的。综合国内外相关机构所发布的从消失模铸造车间真空泵排放管内取样检测的苯类气体浓度见表1：
表1：综合国内外报导，铸造厂真空泵排气管内通过的废气成分范围
国内外普遍检测证明，对国内外现有的消失模铸造厂而言，表1中4种苯类物通过真空泵排出的废气中的最低含量也远远超过了国家环境卫生标准，直观上说，在离排放口20多米外也能闻到浓烈的苯类气体刺激性气味，排放口冒黑烟，必须净化才能保护环境。
发明内容
本发明的目的是为克服上述技术的不足，而提供一种操作方便，安全可靠，容易推广，投资省，净化率高的工业废气中苯类有害物高温富氧超常压强化燃烧净化方法。
实现本发明目的的技术方案是：
一种工业废气中苯类有害物高温富氧超常压强化燃烧净化方法，包括如下步骤：
1） 集收含苯废气；
2） 将废气与氧气混合，形成富氧混合气；
3） 将混合气导入1300℃以上的燃烧室中，使废气在高温、富氧氛围的燃烧室内以紊流翻腾状态与氧气充分反应生成CO2和H2O，得到净化。
在步骤1）之后还包括步骤1-1）：将废气导入一储匀装置中，使废气中苯类物的浓度比在各个不同瞬间排放的浓度在储匀装置中得以相对均匀，使废气浓度均匀，利于进入燃烧室后的燃烧状态得以相对的稳定。
步骤3）中，混合气在超常压氛围的燃烧室内与氧气反应。
实施上述方法，设置一个高温富氧超常压强化燃烧净化装置，所述高温富氧超常压强化燃烧净化装置包括：
废气集收吸送系统，其包括废气吸送器和真空泵排气罐；
储匀系统，其包括储匀罐，所述储匀罐设有储匀罐出气口，储匀罐出气口与储匀气体输送管的一端连通；所述废气吸送器通过第一管道与储匀罐连通，所述真空泵排气罐通过第二管道与储匀罐连通；
废气富氧混合输送系统，其包括氧气罐及鼓风机，所述氧气罐的出气口与储匀气体输送管连通，储匀气体输送管的另一端与鼓风机的进气口连通；
富氧强化燃烧系统，其包括富氧强化燃烧器，所述富氧强化燃烧器包括燃烧室，所述燃烧室下部靠近燃料处设有与燃烧室外相通的进风通道，燃烧室的顶部设有增压口，所述增压口向上延伸形成燃烧器喷焰口与外界相通；
所述鼓风机的出风口与进风通道的进风口连通；所述燃烧器喷焰口的截面积小于增压口的截面积，所述进风通道的进风口截面积大于增压口的截面积；
所述方法包括如下步骤：
（1）点燃富氧强化燃烧器燃烧室中的燃料，使燃烧室升温到1300℃以上；
（2）将含苯废气通过废气吸送器集收进入所述装置的废气集收吸送系统；
（3）通过废气集收吸送系统将含苯废气导入所述的储匀罐内，使废气中苯类物浓度趋于相对均匀；
（4）打开氧气罐将氧气输入到储匀气体输送管中与经过储匀的含苯废气混合，形成富氧混合气；
（5）通过鼓风机和进风通道将富氧混合气导入燃烧室中，形成超常压翻腾紊流强化燃烧状态，使含苯废气在燃烧室内与氧气充分反应生成CO2和H2O，得到净化。
所述储匀罐出气口设置在储匀罐的顶部；第一管道和第二管道的管道口位于储匀罐的下部。
所述富氧强化燃烧器包括由外壳以及与外壳内壁贴接的耐火砖层形成，燃烧器内腔的下部设有钢架蓖条，钢架蓖条上方为燃烧室，下方为灰渣室，燃烧室下部设有燃烧室门，灰渣室下部设有灰渣室门。
所述燃烧室，其高度为其直径的1.4～1.5倍，利于在鼓风条件下形成气流上下翻腾的空间。
所述进风通道为与鼓风机和燃烧室相连接的进风通道。
所述进风通道的进风口截面积是增压口截面积的1.2～1.4倍，所述燃烧器喷焰口的截面积为增压口截面积的0.9倍。
所述燃料为生物炭，其热值为3.0～3.2 ×107焦/千克。
本发明所述净化方法有如下特点：
1.苯类可燃物在高温富氧超常压紊流态（有似“强力搅拌”翻腾卷动状态）强化燃烧氛围中得以充分燃烧，生成H2O和CO2，得以净化排放；
2.本发明方法采用的燃料是生物炭，把富氧混合气流导入燃烧室内激烈燃烧，燃烧室内形成1300℃以上的高温燃烧空间，根据流体动力学原理，设计燃烧室下部进风口截面积是增压口截面积的1.2～1.4倍，喷焰口截面积为增压口截面积的0.9倍，加上气流在燃烧室内发生高温膨胀，增压口使燃烧室内的气压相对形成大于1个大气压氛围，燃烧室内的苯类可燃气体便形成上下翻腾卷动的超常压紊流燃烧状态，从而得以充分燃烧净化；
3.本发明采用的装置之燃烧室内壁是耐火砖保温层，坚固而保温效果好，在鼓风机富氧送风和使用生物炭强化燃烧条件下，给苯类可燃气体创造了强化和强制燃烧的条件。
经多次试验用热电偶测温仪检测：
生物炭燃料燃烧中心温度范围——1380℃以上；
燃烧室空间火焰温度范围——1300-1380℃（常压态燃烧一般难超1000℃高温）；
燃烧器喷焰口火焰温度范围——1280-1360℃。
本发明工业废气中苯类可燃物净化的原理是：
工业苯类废气中的苯、甲苯、乙苯、苯乙烯等苯类物是碳氢化合物，为可燃物质，CO及C烟尘等也是可燃物质，但由于浓度低，含量通常在10g/m3以下，在正常大气压和常规明火温度下是不可能点燃的，在＜1000℃常压条件下难以转化成H2O和CO2。
本发明方法能：
1.提供富氧条件，有氧气罐和鼓风机送风供氧，氧气充足，强化燃烧；
2.提供1300℃以上的高温条件，燃烧室内的燃烧物质为生物炭及废气中的苯类气体、CO、游离C等易燃物，发热量高；
3.提供“强制燃烧条件”，强化燃烧系统之燃烧室按进风口截面积为增压口截面积的1.2～1.4倍，而喷焰口截面积＝增压口截面积的0.9倍的原理设置，能使燃烧室内相对形成大于1个大气压的“超常压”氛围，使可燃气流形成强劲翻腾紊流燃烧状态，此增压口之上是燃烧器唯一的喷焰口出气口，迫使苯类废气在1300℃以上高温富氧超常压紊流强化燃烧的氛围中得以充分燃烧；
4.苯类可燃有害物在富氧、超常压高温、翻腾卷动强化燃烧的条件下，易与氧气充分结合生成CO2和H2O，得以高效净化。
本发明的优点是：
1.总重量＜4000kg，结构小巧，投资省，运行成本低；
2.操作方便，安全可靠，可连续或间断运行；
3.燃烧热可充分综合利用，例如烘烤铁水包、导入蒸汽锅炉燃烧室、导入烘干或加热装置中；
4.不仅能高效净化含苯类气体，还能高效净化废气中各种有害可燃气体与可燃粉尘，也能化解熔点低于1380℃的金属粉尘的危害。
附图说明
图1为实施例中本发明方法采用的装置结构示意图；
图中：1.废气释放源 2.废气吸送器 2-1.第一管道 3.真空泵排气罐（用于消失模铸造）3-1.第二管道 3-2.真空泵 4.储匀罐 5.储匀罐出气口 6.储匀气体输送管 7.氧气罐8.鼓风机 9.富氧强化燃烧器 9-1.进风通道 9-2.外壳 9-3.燃烧室 9-4.增压口 9-5.耐火砖层 9-6.生物炭燃料 9-7.燃烧室门 9-8.灰渣室门 9-9.灰渣室 9-10.燃烧器喷焰口9-11.蓖条；A为废气集收吸送系统，B为储匀系统，C为废气富氧混合输送系统，D为富氧强化燃烧系统。
图中箭头表示气流方向。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明内容作进一步的阐述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
一种工业废气中苯类有害物高温富氧超常压强化燃烧净化方法，包括如下步骤：
1） 集收含苯类废气；
2） 将废气与氧气混合，每立方米废气中输入80g-200g的O2混合，形成富氧混合气（O2在气体中含量高于常规大气中O2的含量即为“富氧”）；
3） 将混合气导入1300℃以上的燃烧室中，使废气在高温、富氧氛围的燃烧室内以紊流翻腾状态与氧气充分反应生成CO2和H2O，得到净化。
在步骤1）之后还包括步骤1-1）：将废气导入储匀装置中，使废气浓度趋于相对均匀，利于进入燃烧室后的燃烧状态得以相对的稳定。
步骤3）中，混合气在超常压氛围的燃烧室内与氧气反应。
参阅图1，实施上述方法，设置一个高温富氧超常压强化燃烧净化装置，所述高温富氧超常压强化燃烧净化装置包括
废气集收吸送系统A，其包括废气吸送器2和真空泵排气罐3；所述真空泵排气罐3与真空泵3-2连通；
储匀系统B，其包括储匀罐4，所述储匀罐4设有储匀罐出气口5，储匀罐出气口5与储匀气体输送管6的一端连通；所述废气吸送器2通过第一管道2-1与储匀罐4连通，所述真空泵排气罐3通过第二管道3-1与储匀罐4连通；
废气富氧混合输送系统C，其包括氧气罐7及鼓风机8，所述氧气罐7的出气口与储匀气体输送管6连通，储匀气体输送管6的另一端与鼓风机8的进气口连通；
富氧强化燃烧系统D，其包括富氧强化燃烧器9，所述富氧强化燃烧器9包括燃烧室9-3，所述燃烧室9-3下部靠近燃料处设有与燃烧室9-3外相通的进风通道9-1，燃烧室9-3的顶部设有增压口9-4，所述增压口9-4向上延伸形成燃烧器喷焰口9-10与外界相通；
所述鼓风机8的出风口与进风通道9-1的进风口连通；所述燃烧器喷焰口9-10的截面积小于增压口9-4的截面积，所述进风通道9-1的进风口截面积大于增压口9-4的截面积；
所述方法包括如下步骤：
（1）点燃富氧强化燃烧器燃烧室9-3中的燃料，使燃烧室9-3升温到1300℃以上；
（2）将含苯废气通过废气吸送器2集收进入所述装置的废气集收吸送系统；
（3）通过废气集收吸送系统将含苯废气导入所述的储匀罐4内，使含苯废气浓度趋于相对均匀；
（4）打开氧气罐7将氧气输入到储匀气体输送管6中与浓度相对均匀的含苯废气混合，形成富氧混合气；
（5）通过鼓风机8和进风通道9-1将富氧混合气导入燃烧室9-3中，形成超常压翻腾紊流强化燃烧状态，使含苯废气在燃烧室9-3内与氧气充分反应生成CO2和H2O，得到净化。
所述储匀罐出气口5设置在储匀罐4的顶部；第一管道2-1和第二管道3-1的管道口位于储匀罐4的下部。所述储匀罐的容积为3m³。
所述富氧强化燃烧器9包括由外壳9-2以及与外壳9-2内壁贴接的耐火砖层9-5形成，燃烧器内腔的下部设有蓖条9-11，蓖条9-11上方为燃烧室9-3，下方为灰渣室9-9，燃烧室9-3下部设有燃烧室门9-7，灰渣室9-9下部设有灰渣室门9-8。
所述燃烧室9-3，其高度为其直径的1.4～1.5倍，利于在鼓风条件下形成气流上下翻腾的空间。
所述进风通道9-1为与鼓风机8和燃烧室9-3相连接的进风通道。
所述燃烧器喷焰口9-10的截面积为增压口9-4截面积的0.9倍，所述进风通道9-1的进风口截面积是增压口9-4截面积的1.2～1.4倍。
所述燃料为生物炭，其热值为3.0～3.2 ×107焦/千克。
所述废气吸送器2呈喇叭形，其大口端开口处面向废气释放源1，其小口端与第一管道2-1连通（类同常用的抽烟机原理与结构）。
本装置所有管件内径均为Φ160mm。
本发明方法对工业废气中苯类有害物高温富氧超常压强化燃烧净化过程是：
将富氧强化燃烧器9燃烧室9-3内的生物炭燃料9-6点燃，使燃烧室9-3温度上升至1300℃以上，开启废气集收吸送系统，启动真空泵3-2，把废气输入储匀系统的储匀罐4内，而后导入废气富氧混合输送系统，废气与氧气在储匀气体输送管6内混合，混合富氧后的废气流通过鼓风机8和进风通道9-1导入燃烧室9-3内，废气中的苯类物质（苯、甲苯、乙苯、苯乙烯等）及CO、C等，在1300℃以上高温大于1个大气压富氧强化紊流燃烧的氛围下被迫充分燃烧，生成CO2和H2O得以净化，并通过增压口9-4从燃烧器喷焰口9-10排出。
本实施例经现场检测，离燃烧器喷焰口9-10 1米内完全闻不到刺激性气味，无黑色烟尘排放。经具国家资质的环保专业检测机构检测结果如表2，采样时间：2018年12月05日：
表2
| 检测项目 | 真空泵排出废气处理前 | 处理后（燃烧器喷焰口取样） | 净化率 |
| 苯含量 | 161 mg/m<sup>3</sup> | 0.195 mg/m<sup>3</sup> | 99.88% |
| 甲苯含量 | 90.5 mg/m<sup>3</sup> | 0.0397 mg/m<sup>3</sup> | 99.96% |
| 乙苯含量 | 27.7 mg/m<sup>3</sup> | ND（注1） | ≈100% |
| 苯乙烯含量 | 1.21×10<sup>3 </sup>mg/m<sup>3</sup> | 0.0395 mg/m<sup>3</sup> | 99.97% |
注1：ND（Not Detected，未检测出的，简称ND）的含义是其尝试微量至检测不到（趋于0），是环境监测通用代号。
表2所检测数据是至今为止国际最高的净化水平。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种工业废气中苯类有害物高温富氧超常压强化燃烧净化方法，其特征在于，包括如下步骤：
集收含苯废气；
将废气与氧气混合，形成富氧混合气；
将混合气导入1300℃以上的燃烧室中，使废气在高温、富氧氛围的燃烧室内以紊流翻腾状态与氧气充分反应生成CO2和H2O，得到净化。
2.根据权利要求1所述的工业废气中苯类有害物高温富氧超常压强化燃烧净化方法，其特征在于，在步骤1）之后还包括步骤1-1）：将废气导入一储匀装置中，使废气浓度均匀。
3.根据权利要求1所述的工业废气中苯类有害物高温富氧超常压强化燃烧净化方法，其特征在于，步骤3）中，混合气在超常压氛围的燃烧室内与氧气反应。
4.根据权利要求1所述的工业废气中苯类有害物高温富氧超常压强化燃烧净化方法，其特征在于，步骤2）中，每立方米废气中输入80g-200g的O2混合，形成富氧混合气。
5.一种工业废气中苯类有害物高温富氧超常压强化燃烧净化方法，其特征在于，设置一个高温富氧超常压强化燃烧净化装置，所述高温富氧超常压强化燃烧净化装置包括：
废气集收吸送系统，其包括废气吸送器和真空泵排气罐；
储匀系统，其包括储匀罐，所述储匀罐设有储匀罐出气口，储匀罐出气口与储匀气体输送管的一端连通；所述废气吸送器通过第一管道与储匀罐连通，所述真空泵排气罐通过第二管道与储匀罐连通；
废气富氧混合输送系统，其包括氧气罐及鼓风机，所述氧气罐的出气口与储匀气体输送管连通，储匀气体输送管的另一端与鼓风机的进气口连通；
富氧强化燃烧系统，其包括富氧强化燃烧器，所述富氧强化燃烧器包括燃烧室，所述燃烧室下部靠近燃料处设有与燃烧室外相通的进风通道，燃烧室的顶部设有增压口，所述增压口向上延伸形成燃烧器喷焰口与外界相通；
所述鼓风机的出风口与进风通道的进风口连通；所述燃烧器喷焰口的截面积小于增压口的截面积，所述进风通道的进风口截面积大于增压口的截面积；
所述方法包括如下步骤：
（1）点燃富氧强化燃烧器燃烧室中的燃料，使燃烧室升温到1300℃以上；
（2）将含苯废气通过废气吸送器集收进入所述装置的废气集收吸送系统；
（3）通过废气集收吸送系统将含苯废气导入所述的储匀罐内，使含苯废气浓度趋于相对均匀；
（4）打开氧气罐将氧气输入到储匀气体输送管中与浓度相对均匀的含苯废气混合，形成富氧混合气；
（5）通过鼓风机和进风通道将富氧混合气导入燃烧室中，形成超常压翻腾紊流强化燃烧状态，使含苯废气在燃烧室内与氧气充分反应生成CO2和H2O，得到净化。
6.根据权利要求5所述的工业废气中苯类有害物高温富氧超常压强化燃烧净化方法，其特征在于，所述储匀罐出气口设置在储匀罐的顶部；第一管道和第二管道的管道口位于储匀罐的下部。
7.根据权利要求5所述的工业废气中苯类有害物高温富氧超常压强化燃烧净化方法，其特征在于，所述富氧强化燃烧器包括由外壳以及与外壳内壁贴接的耐火砖层形成，燃烧器内腔的下部设有蓖条，蓖条上方为燃烧室，下方为灰渣室，燃烧室下部设有燃烧室门，灰渣室下部设有灰渣室门。
8.根据权利要求5所述的工业废气中苯类有害物高温富氧超常压强化燃烧净化方法，其特征在于，所述燃烧室，其高度为其直径的1.4～1.5倍。
9.根据权利要求5所述的工业废气中苯类有害物高温富氧超常压强化燃烧净化方法，其特征在于，所述燃烧器喷焰口的截面积为增压口截面积的0.9倍，所述进风通道的进风口截面积是增压口截面积的1.2～1.4倍。
10.根据权利要求5所述的工业废气中苯类有害物高温富氧超常压强化燃烧净化方法，其特征在于，所述燃料为生物炭，其热值为3.0～3.2 ×107焦/千克。
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