CN111330942A - 用于低二噁英热化学转化过程的低温预先脱氯方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于低二噁英热化学转化过程的低温预先脱氯方法，包括以下步骤：(1)：将含氯原料均匀加热至氯官能团单独脱落的温度；(2)：使氧气与原料充分接触，借助异相氧化反应原位放热，促进C‑Cl断键；(3)：使氢气与原料充分接触，在脱落原位捕获氯自由基，形成稳定HCl分子。与现有技术相比，本发明能够高效地脱除原料中所含的有机氯，同时保留原料的热值和反应性，具有显著抑制后续热化学转化过程中二噁英污染物及相关氯代烃前驱物的作用。
Description
技术领域
本发明涉及生活垃圾等含氯原料的热化学转化过程，具体为一种用于低二噁英热化学转化过程的低温预先脱氯方法和装置，以达到抑制后续热转化过程中二噁英生成的目的。
背景技术
我国生活垃圾清运量至2018年已达22801.8万吨，受限于珍贵的土地资源，填埋技术处理压力巨大。以焚烧为首的热化学转化技术由于占地小、减量化程度高、能量可回收等特点逐渐受到重视，至2018年焚烧技术的垃圾处理量比重已达44.667％，但其应用和推广受制于二噁英污染物的排放。二噁英污染物(PCDD/F)在焚烧过程中的生成主要有2个途径：燃烧区后部的高温气相合成和炉膛尾部的低温催化异相合成。
针对二噁英生成途径，研究人员提出了“3T技术”以促进燃烧区域的充分氧化裂解，控制燃烧烟气中的烃类组分，同时在炉膛尾部利用“急冷技术”快速通过二噁英异相催化合成的温度窗口。但在气固异相反应条件下，完全的氧化裂解较难实现，烟气中未燃尽的烃类组分不可避免，且炉膛尾部氧气充裕的情况下，易发生迪肯反应大量生成活性氯，通过氯化烃类形成C-Cl，并进一步合成二噁英。因此实际工程中，仍需通过活性炭吸附来满足环保要求，投资和运行成本高昂。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高效率、低能耗的用于低二噁英热化学转化过程的低温预先脱氯方法和装置，以解决上述生活垃圾等含氯原料在热化学转化过程中二噁英排放难以控制的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于低二噁英热化学转化过程的低温预先脱氯方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)：将含氯原料均匀加热至氯官能团单独脱落的温度；
(2)：使氧气与原料充分接触，借助异相氧化反应原位放热，促进C-Cl断键；
(3)：使氢气与原料充分接触，在脱落原位捕获氯自由基，形成稳定HCl分子。
步骤(1)所述的含氯原料为生活垃圾。
步骤(1)所述的氯官能团单独脱落的温度为能够使C-Cl发生断裂，而所含的其他化学键保持稳定，保障转化过程中氯官能团的单独脱落的温度。
所述的氯官能团单独脱落的温度范围为250～350℃。所使用的温度越低，则所需要的脱氯时间越长，具体来说：要达到90％的氯代烃产物抑制效果，250℃需要120分钟以上，275℃需要60分钟，而300℃仅需不足15分钟。
在环境气氛中加入氧气，利用异相氧化反应的原位放热来提高局部温度，以达到促进C-Cl在低温下断键的目的。
在环境气氛中加入氢气，一方面，利用氢气为脱出的氯自由基提供氢原子，使氯由活性氯形态转化为稳定的HCl分子；另一方面，抑制Cl自由基夺取原料分子中的氢原子，同时提供氢原子填补脱氯形成的分子空位，避免原料由于脱氯而发生聚合、降低转化反应性。
一种实施上述方法的装置，包括热源(1)、传送装置(3)和配气系统(4)，所述的热源(1)和配气系统(4)设置在传送装置(3)周围，含氯原料(2)置于传送装置上，通过热源(1)加热至氯官能团单独脱落的温度，通过配气系统(4)向含氯原料(2)输入氧气和氢气。
所述的热源(1)包括电加热器、气体或液体燃料燃烧器、高温烟气换热器。
所述的传送装置(3)的原料输送速率的设定需根据所采用的脱氯温度对应的脱氯时间，保障原料在适温区间停留足够的时间，如275℃温度下需要60分钟，300℃温度下仅需15分钟。
所述的配气系统(4)包括布风板、氧气输送管道和氢气输送管道，所述的布风板置于传送装置(3)下方，内设氢气分布通道和氧气分布通道，分别连接氢气输送管道和氧气输送管道，其中氢气输送速率应根据原料的氯含量计算，使得单位时间内输入的氢原子数量不小于被处理原料中Cl原子的数量，同时考虑安全问题，浓度应在爆炸极限以下，氧气输送速率没有严格要求，较多地供氧有利于提高设定温度下的脱氯速率，但过多地供氧会导致H2浓度过低、对流冷却作用增强等不利因素，同时应兼顾脱氯过程的经济性。二噁英的生成与氯元素密切相关，C-Cl是二噁英分子的特征结构，也决定了二噁英的毒性。生活垃圾原料中氯元素的存在包括有机氯(如聚氯乙烯)和无机氯(如氯化钠)两种形态。无机氯通常热稳定性较高，而有机氯由于C-Cl较弱的键能，通常在较低温度下就析出，在二噁英及其前驱物的形成中扮演重要角色。
因此，若能利用C-Cl键能低的特点，通过低温下对含氯原料的预处理，使得氯元素单独析出并全部形成稳定的HCl分子，这样就可以极大程度上抑制烃类氯化反应的发生和二噁英前驱物的形成，从而实现从源头抑制热化学转化过程中二噁英的生成。现有二噁英控制技术的主要理念促进氧化裂解，但是却忽略了氯元素的形态，实际仍需通过消耗活性炭来吸附二噁英，成本高昂；另一方面，焚烧等热化学转化技术在炉内的反应过程涉及复杂的传热、传质、流动以及均相和异相化学反应，要控制氯元素的形态也较为困难。与现有技术相比，本发明利用C-Cl键能较弱的特点，在生活垃圾等含氯原料开始热转化前，在炉外预先将所含的氯元素充分脱除，从源头控制了二噁英的生成，效率高且过程简单，所要求的温度也较低，可以利用燃烧烟气的余热，经济性较强。
附图说明
图1为本发明用于低二噁英热化学转化过程的低温预先脱氯装置的结构示意图；
图2为使用聚氯乙烯原料时，脱氯时间与脱氯后原料在后续热转化过程中二噁英的生成量对应图；
图3为使用聚氯乙烯原料时，不同脱氯时间下氧和氢的参与脱氯效果图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，一种用于低二噁英热化学转化过程的低温预先脱氯装置，包括：
热源1：通过电加热、气体或液体燃料燃烧、高温烟气换热等方式，为生活垃圾等含氯原料2的升温提供热量，供热量应与原料输送速率匹配，将原料能够升温至300℃，使得原料分子中的C-Cl发生断裂而其他所含的化学键保持稳定，保障转化过程中氯官能团单独脱落。使用聚氯乙烯原料时，该温度可使原料在15分钟内快速充分地脱氯，后续热转化过程中的氯代烃生成量大幅下降，如图2所示；
传送装置3：可以将生活垃圾等含氯原料2以一定的速率通过脱氯装置，速率设置须根据预脱氯装置的规模确定，本实施例中设备输送带长5米，若温度适宜的有效长度约为2米，则由15分钟的脱氯时间可以计算得到原料的运动速度为8m/h，具体可以根据实际应用的温度调节传送速度以控制原料的脱氯时间。使用聚氯乙烯原料时，随着脱氯时间的增加，脱氯后原料在后续热转化过程中二噁英的生成量进一步降低，如图2所示；
配气系统4：氧气和氢气通过底部进入低温脱氯装置，氢气的体积分数通过以下方式计算：
氢气的体积分数＝单位时间被处理原料的质量(g)*原料中氯的质量分数/35.5*22.4/单位时间从底部进入的气体在标准状态下的总流量(L)
气体经过布风板后，均匀地通过生活垃圾等含氯原料2堆积而成的料层，氧与原料发生异相氧化反应，原位放热并提高局部温度，促进C-Cl在低温下的断键；氢气为脱出的氯自由基提供氢原子，使氯自由基在脱落原位被捕获，由活性氯形态转化为稳定的HCl分子；同时，抑制氯自由基夺取原料分子中的氢原子，并提供氢原子填补脱氯形成的分子空位，避免原料由于脱氯而发生聚合、降低转化反应性。使用聚氯乙烯原料时，不同脱氯时间下氧和氢的参与都获得了更优的脱氯效果，如图3所示。
本实施例中装置的具体工作流程如下：
生活垃圾等含氯原料2由左侧进入，接受来自热源1的热量而升温至300℃左右，原料分子中C-Cl单独断裂，氯自由基单独析出。传送装置3承载着原料向右运动，由底部进入的氧气与氢气均匀穿过料层与原料发生反应。氧与原料的异相氧化反应促进了C-Cl在低温下的断裂，而氢在氯自由基析出的原位将其捕获并固定于稳定的HCl分子，氢原子填补分子空位保留原料的热转化反应性。完成脱氯过程后，几乎不含有机氯的原料自右侧离开该装置，进入常规的焚烧或气化工艺，过程中二噁英的生成量显著降低。使用聚氯乙烯原料时，待处理的原料中氯含量为56.8wt％，直接热解氯代烃的生成量为9.0*105(气相色谱质谱仪检测值)。经上述300℃、15min方法处理后，氯含量降至0.1wt％以下，在后续热解过程中氯代烃的生成量降至0.1*105。若降低原料的运动速度，还可进一步降低氯含量。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (10)
1.一种用于低二噁英热化学转化过程的低温预先脱氯方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)：将含氯原料均匀加热至氯官能团单独脱落的温度；
(2)：使氧气与原料充分接触，借助异相氧化反应原位放热，促进C-Cl断键；
(3)：使氢气与原料充分接触，在脱落原位捕获氯自由基，形成稳定HCl分子。
2.根据权利要求1所述的一种用于低二噁英热化学转化过程的低温预先脱氯方法，其特征在于，步骤(1)所述的含氯原料为生活垃圾。
3.根据权利要求1所述的一种用于低二噁英热化学转化过程的低温预先脱氯方法，其特征在于，步骤(1)所述的氯官能团单独脱落的温度为能够使C-Cl发生断裂，而所含的其他化学键保持稳定，保障转化过程中氯官能团的单独脱落的温度。
4.根据权利要求3所述的一种用于低二噁英热化学转化过程的低温预先脱氯方法，其特征在于，所述的氯官能团单独脱落的温度范围为250～350℃。
5.根据权利要求1所述的一种用于低二噁英热化学转化过程的低温预先脱氯方法，其特征在于，在环境气氛中加入氧气，利用异相氧化反应的原位放热来提高局部温度，以达到促进C-Cl在低温下断键的目的。
6.根据权利要求1所述的一种用于低二噁英热化学转化过程的低温预先脱氯方法，其特征在于，在环境气氛中加入氢气，一方面，利用氢气为脱出的氯自由基提供氢原子，使氯由活性氯形态转化为稳定的HCl分子；另一方面，抑制Cl自由基夺取原料分子中的氢原子，同时提供氢原子填补脱氯形成的分子空位，避免原料由于脱氯而发生聚合、降低转化反应性。
7.一种实施权利要求1～6中任一所述的方法的装置，其特征在于，包括热源(1)、传送装置(3)和配气系统(4)，所述的热源(1)和配气系统(4)设置在传送装置(3)周围，含氯原料(2)置于传送装置上，通过热源(1)加热至氯官能团单独脱落的温度，通过配气系统(4)向含氯原料(2)输入氧气和氢气。
8.根据权利要求7所述的用于低二噁英热化学转化过程的低温预先脱氯的装置，其特征在于，所述的热源(1)包括电加热器、气体或液体燃料燃烧器、高温烟气换热器。
9.根据权利要求7所述的用于低二噁英热化学转化过程的低温预先脱氯的装置，其特征在于，所述的传送装置(3)的原料输送速率的设定需根据所采用的脱氯温度对应的脱氯时间，保障原料在适温区间停留足够的时间。
10.根据权利要求7所述的用于低二噁英热化学转化过程的低温预先脱氯的装置，其特征在于，所述的配气系统(4)包括布风板、氧气输送管道和氢气输送管道，所述的布风板置于传送装置(3)下方，内设氢气分布通道和氧气分布通道，分别连接氢气输送管道和氧气输送管道。
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