CN113390081A - 生活垃圾气化燃烧过程中二噁英和NOx物质的减排系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生活垃圾气化燃烧过程中二噁英和NOx物质的减排系统，包括上吸式气化炉、冷却池、旋风分离器、催化改质装置、电捕焦油器、空气分级燃烧室；上吸式气化炉具有生活垃圾投入口、焦炭投入口、气化出口、富氧空气进口、固体残渣出口、回收口，其还具有高温熔融区、热解区、干燥区和均相转化区；冷却池与上吸式气化炉的固体残渣出口连通；旋风分离器与上吸式气化炉的气化出口连接，旋风分离器的固体物出口与上吸式气化炉的回收口连接，旋风分离器的气体出口与催化改质装置连接，催化改质装置、电捕焦油器、空气分级燃烧室又依次连接。该系统可实现对二噁英合成以及NOx物质产生的抑制，实现二噁英和NOx物质的协同高效减排。
Description
技术领域
本发明涉及生活垃圾处理技术领域，特别涉及一种生活垃圾气化燃烧过程中二噁英和NOx物质的减排系统。
背景技术
近几年，垃圾焚烧处置因能实现垃圾的“减量化、无害化、资源化”在我国得到迅速发展。但随之而来的二次污染不容忽视，尤其是烟气中二噁英的排放已成为社会各界关注焦点。二噁英由多氯代二苯并二噁英和多氯代二苯并呋喃两种物质组成。二噁英作为典型的持久性有机污染物(简称POPs)，具有环境持久性、生物积蓄性、长距离迁移能力和生物危害性，被列为《POPs公约》首批控制名单。据调查，虽然大部分生活垃圾焚烧炉均配备了相应的尾气处理装置，但我国仍有超过2/3的生活垃圾焚烧炉无法满足排放标准。现阶段，活性炭吸附+布袋除尘器技术因设备结构简单、脱除效率高而成为最广泛使用的二噁英末端控制方法。但是，该方法仅实现了二噁英污染由气相向固相转移，这反而加重飞灰处置负担，甚至导致二噁英排放总量增加，并未实现其真正降解。
与此同时，垃圾焚烧过程产生氮氧化物(NOx)，易引发光化学烟雾、酸雨、温室效应和臭氧层破坏等一系列环境问题。《生活垃圾焚烧炉污染排放标准GB 18485—2014》规定自2014年7月1日起，新建生活垃圾焚烧炉烟气中氮氧化物(以NO2计)排放浓度限值由400mg/m3收紧至300mg/m3。目前，各固定污染源主要通过燃烧前燃料净化、燃烧过程优化和燃烧后脱除三种手段实现NOx减排。其中，大型现代化垃圾焚烧发电设施普遍安装了选择性非催化还原(SNCR)脱硝系统；但此种方法脱硝效率通常介于30％～45％，且炉内温度的变化对于NOx脱除效率影响较大。
相对于生活垃圾直接焚烧，将生活垃圾先气化形成气体燃料后再燃烧的方式对于二噁英类物质的排放控制具有以下几方面的优势。首先，相对于固体燃料而言，气化产气与空气的混合效果更为充分，燃尽效果更好，能够有效抑制由不完全燃烧生成的二噁英。其次，气化产气中含有氢气、烃类等富氢燃料；研究表明，在燃烧过程中富氢燃料有助于抑制二噁英的生成。再者，相对于焚烧烟气，气化产气中飞灰颗粒较少，能有效减少二噁英的异相表面催化合成及从头合成。但是，现有的生活垃圾气化燃烧技术仍需进一步改善，才能实现二噁英类物质和氮氧化物的协同高效减排。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种生活垃圾气化燃烧过程中二噁英和NOx物质的减排系统；该系统可以实现对于二噁英类物质异相合成、气相合成以及从头合成的抑制，并可以控制NOx物质的产生，实现二噁英和NOx物质的协同高效减排。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
该减排系统包括上吸式气化炉、冷却池、旋风分离器、催化改质装置、电捕焦油器、空气分级燃烧室；
所述上吸式气化炉的底部具有富氧空气进口、固体残渣出口和回收口；该上吸式气化炉的顶部设有用于投入生活垃圾的生活垃圾投入口、用于投入焦炭的焦炭投入口以及用于输出气化产气的气化出口；该上吸式气化炉从下至上具有高温熔融区、热解区、干燥区和均相转化区；该均相转化区设有加热器；焦炭与富氧空气产生放热反应，为高温熔融区提供热量，以对生活垃圾进行气化熔融；
所述冷却池与上吸式气化炉的固体残渣出口连通；
所述旋风分离器的顶部设有气体入口和气体出口，旋风分离器的底部设有固体物出口，旋风分离器的气体入口与所述上吸式气化炉的气化出口连接，旋风分离器的固体物出口与上吸式气化炉的回收口连接，旋风分离器的气体出口与所述催化改质装置连接，催化改质装置又与所述电捕焦油器连接，电捕焦油器又与所述空气分级燃烧室连接；
所述空气分级燃烧器具有欠氧燃烧区和富氧燃烧区。
进一步的，所述电捕焦油器还与焦油收集箱连接，焦油收集箱用于捕集气化产气中的焦油雾滴。
进一步的，进入上吸式气化炉中的富氧空气的含氧量为36％或以上。
进一步的，所述高温熔融区的温度为1000～1800℃，均相转化区的温度为700℃。
进一步的，所述催化改质装置中设有Ni基催化剂。
进一步的，所述欠氧燃烧区位于空气分级燃烧器的上部，所述富氧燃烧区位于空气分级燃烧的下部。
更进一步的，气化产气先经过欠氧燃烧区，其中的小分子含氮气体转化成NHi自由基；在富氧燃烧区中，高温高氧的反应条件能够促进气化产气中的有机物的氧化反应，抑制C-Cl键的生成。
本发明的有益效果：
(1)本发明中的上吸式气化炉利用焦炭和富氧空气的氧化放热反应产生的热量，形成温度达到1000～1800℃的高温熔融区，以对生活垃圾进行气化熔融；在均相转化区中，气化熔融过程产生的气化产气中的H2将气相中的活化氯定向转化成稳定性较高的HCl；同时，氢原子能够与氯代烃中的氯原子结合形成HCl，并将氯代烃转化成普通烃类，从而抑制氯代烃合成二噁英；
上吸式气化过程具有气流自下而上与固体料呈逆向运动的特点，因此，固体料形成的固体床层可以对气流中的颗粒物起到天然的过滤作用，有利于抑制气化产气在后续燃烧过程中异相合成为二噁英；此外，投入的固体料与气流的逆向运动可减缓垃圾气化产气的气体流速，进而延长其在上吸式气化炉中的停留时间，有助于气体的均相转化；
(2)本发明中的旋风分离器可将气化产气中的颗粒物分离，并将分离出的颗粒物送回至上吸式气化炉的高温熔融区，再次进行气化熔融，从而可以抑制二噁英的从头合成；
(2)气化产气还进入催化改质装置中，气化产气中的高分子有机物与水蒸气在Ni基催化剂的作用下发生改质反应，迅速转化成H2以及CO等气体组分；
(3)本发明中的电捕焦油器可以使气化产气中的焦油雾滴在电场力的作用下移动到沉淀极，然后被焦油收集箱捕集，从而尽可能除去气化产气中存在的氮，减少在下一部燃烧过程中NOx物质的产生。
(4)本发明中的空气分级燃烧室具有欠氧燃烧区和富氧燃烧区；在欠氧燃烧区的欠氧燃烧条件下，气化产气中的小分子含氮气体转化成NHi自由基，并且自由基可还原NO，从而抑制NOx物质的产生；富氧燃烧区的高温高氧反应条件能够促进气化产气中的有机物的氧化反应，抑制C-Cl键的生成，从而减少二噁英类物质的产生。
附图说明
图1为本发明生活垃圾气化燃烧过程中二噁英和NOx物质的减排系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1所示的一种生活垃圾气化燃烧过程中二噁英和NOx物质的减排系统，其包括上吸式气化炉1、冷却池2、旋风分离器3、催化改质装置7、电捕焦油器4、空气分级燃烧室6。
上吸式气化炉1的底部具有富氧空气进口、固体残渣出口和回收口；该上吸式气化炉1的顶部设有用于投入生活垃圾的生活垃圾投入口、用于投入焦炭的焦炭投入口以及用于输出气化产气的气化出口；该上吸式气化炉1从下至上具有高温熔融区11、热解区12、干燥区13和均相转化区14；进入上吸式气化炉1中的富氧空气的含氧量达到36％或以上；焦炭与富氧空气产生放热反应，为高温熔融区提供热量，以对生活垃圾进行气化熔融；高温熔融区的温度在1000-1800℃左右，热解区的温度在600-800℃左右，干燥区的温度在400℃左右；该均相转化区14设有加热器(图中未示出)，具体的，该加热器设置于上吸式气化炉1的炉体上部周围；加热器可将均相转化区的温度加热至700℃左右。
冷却池2与上吸式气化炉1的固体残渣出口连通；冷却池2可以对上吸式气化炉1排出的固体残渣进行冷却。
旋风分离器3的顶部设有气体入口和气体出口，旋风分离器3的底部设有固体物出口，旋风分离3的气体入口与所述上吸式气化炉1的气化出口连接，旋风分离器3的固体物出口与上吸式气化炉1的回收口连接，旋风分离器3的气体出口与所述催化改质装置7；催化改质装置的出口与电捕焦油器4连接，电捕焦油器4的气体出口又与所述空气分级燃烧室6连接；电捕焦油器4的底部还与焦油收集箱5连接，焦油收集箱5用于捕集气化产气中的焦油雾滴。催化改质装置中设有Ni基催化剂，该Ni基催化剂是以NiO、CaO和Al2O3为原料经烧结、成型、硬化处理制得；NiO、CaO和Al2O3的比例约为：10～15wt％：20～25wt％：55～65wt％。
空气分级燃烧器6中通过改变过量空气系数形成位于空气分级燃烧器上部的欠氧燃烧区61和位于空气分级燃烧下部的富氧燃烧区62；欠氧燃烧区61为欠氧燃烧条件，富氧燃烧区62为高温高氧条件。
该减排系统的工作原理如下：
由上吸式气化炉1的焦炭投入口投入焦炭，含氧量为36％或以上的富氧空气经由富氧空气进口进入上吸式气化炉1；富氧空气与焦炭在高温环境下于上吸式气化炉的底部产生氧化放热反应，从而形成温度达到1000～1800℃的高温熔融区11，同时也为上部的热解区12和干燥区13提供热量；由上吸式气化炉1的生活垃圾投入口投入生活垃圾，投入的生活垃圾依次经过干燥区13、热解区12、高温熔融区11；高温熔融区11对生活垃圾进行持续的气化熔融，产生气化产气；熔融后的固体残渣以熔融形态排入冷却池2后经冷却形成无害的玻璃渣。热解区12可以对气化产气中的物质进行进一步裂解；干燥区13可以对气化产气进行干燥，也可利用热量对投入的生活垃圾进行干燥；上吸式气化炉1的干燥区13上部设置有均相转化区14；加热器使该均相转化区的温度达到700℃左右；在该均相转化区14内，气化产气中的H2将气相中的“活性氯”定向转化成稳定性较高的HCl。同时，在该条件下氢原子也与氯代烃中的氯原子结合形成HCl，并将氯代烃转化成普通烃类，从而抑制氯代烃合成二噁英；气化产气从上吸式气化炉1上部的气化出口流出，然后经由旋风分离器3的气体进口进入旋风分离器3中，在旋风分离器3的作用下，气化气体中的颗粒物被分离出来，经过旋风分离器3的固体物出口以及上吸式气化炉1的回收口回到高温熔融区，再次进行气化熔融，从而抑制二噁英的从头合成。经过旋风分离器1后的气化产气进一步进入催化改质装置7中，气化产气中的高分子有机物与水蒸汽在催化改质装置7中的Ni基催化剂作用下发生改质反应，迅速转化成H2以及CO等气体组分；然后气化产气进入电捕焦油器4中，焦油雾滴在电场力作用下移动到沉淀极，进而被焦油收集箱5捕集，从而尽可能除去垃圾气化产气中存在的氮，减少在下一步燃烧过程中NOx的产生。气化产气在深度脱除焦油后进入到空气分级燃烧室6中。气化产气首先经过欠氧燃烧区61，在欠氧燃烧的条件下，气化产气中的小分子含氮气体能够转化成NHi(i＝0-2)自由基，该自由基还可还原NO，从而抑制NOx产生。在富氧燃烧区62中，高温高氧的反应条件促进气化产气中的有机物的氧化反应，抑制C-Cl键的生成，从而减少二噁英类物质的产生。
本发明的系统以上吸式气化炉、旋风分离器等形成生活垃圾气化主装置，结合富氧气化熔融技术，并耦合均相转化段，实现对于二噁英类物质异相合成、气相合成以及从头合成的抑制。同时，本发明通过催化改质装置促进焦油分解，提高H2及CO产率，并利用电捕焦油器对气化产气中的焦油进行深度脱除以达到高效除去焦油中氮的效果。本发明还通过设计合理的燃烧条件对气化产气的燃烧过程进行调控，达到分级燃烧的效果以同时控制二噁英和NOx的产生。相较于传统的协同脱除污染物的系统和方法，本发明的系统在燃烧前以及燃烧中均可实现抑制二噁英类物质以及NOx产生的效果。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种生活垃圾气化燃烧过程中二噁英和NOx物质的减排系统，其特征在于，该减排系统包括上吸式气化炉、冷却池、旋风分离器、催化改质装置、电捕焦油器、空气分级燃烧室；
所述上吸式气化炉的底部具有富氧空气进口、固体残渣出口和回收口；该上吸式气化炉的顶部设有用于投入生活垃圾的生活垃圾投入口、用于投入焦炭的焦炭投入口以及用于输出气化产气的气化出口；该上吸式气化炉从下至上具有高温熔融区、热解区、干燥区和均相转化区；该均相转化区设有加热器；焦炭与富氧空气产生放热反应，为高温熔融区提供热量，以对生活垃圾进行气化熔融；
所述冷却池与上吸式气化炉的固体残渣出口连通；
所述旋风分离器的顶部设有气体入口和气体出口，旋风分离器的底部设有固体物出口，旋风分离器的气体入口与所述上吸式气化炉的气化出口连接，旋风分离器的固体物出口与上吸式气化炉的回收口连接，旋风分离器的气体出口与所述催化改质装置连接，催化改质装置又与所述电捕焦油器连接，电捕焦油器又与所述空气分级燃烧室连接；
所述空气分级燃烧器具有欠氧燃烧区和富氧燃烧区。
2.根据权利要求1所述的一种生活垃圾气化燃烧过程中二噁英和NOx物质的减排系统，其特征在于：所述电捕焦油器还与焦油收集箱连接，焦油收集箱用于捕集气化产气中的焦油雾滴。
3.根据权利要求1所述的一种生活垃圾气化燃烧过程中二噁英和NOx物质的减排系统，其特征在于：所述富氧空气的含氧量为36％或以上。
4.根据权利要求1所述的一种生活垃圾气化燃烧过程中二噁英和NOx物质的减排系统，其特征在于：所述高温熔融区的温度为1000～1800℃，均相转化区的温度为700℃。
5.根据权利要求1所述的一种生活垃圾气化燃烧过程中二噁英和NOx物质的减排系统，其特征在于：所述催化改质装置中设有Ni基催化剂。
6.根据权利要求1所述的一种生活垃圾气化燃烧过程中二噁英和NOx物质的减排系统，其特征在于：所述欠氧燃烧区位于空气分级燃烧器的上部，所述富氧燃烧区位于空气分级燃烧的下部。
7.根据权利要求6所述的一种生活垃圾气化燃烧过程中二噁英和NOx物质的减排系统，其特征在于：气化产气先经过欠氧燃烧区，其中的小分子含氮气体转化成NHi自由基；在富氧燃烧区中，高温高氧的反应条件能够促进气化产气中的有机物的氧化反应，抑制C-Cl键的生成。
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