CN113464953B - 一种高效减排氮氧化物的垃圾焚烧系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效减排氮氧化物的垃圾焚烧系统及方法，该系统包括：焚烧炉，内置垃圾焚烧区和二次燃烧区，二级燃烧区内通入废弃塑料和CH4，CH4沿垂直于烟气流向通入二次燃烧区内；换热装置；酸性物质及灰分脱除装置；催化反应床；低温换热器；焚烧炉、换热装置、酸性物质及灰分脱除装置、催化反应床和低温换热器由左至右或沿烟气流向依次连通，低温换热器分别与垃圾焚烧区、二次燃烧区和催化反应床连通，分别用于向垃圾焚烧区、二次燃烧区和催化反应床输送换热后的空气。本发明通过采用废弃塑料作为再燃燃料及通入CH4对冲燃烧的方式，降低烟气中NOx的生成，并通过催化燃烧将烟气中的未燃尽物除去，高效减排氮氧化物效果显著。

Description

一种高效减排氮氧化物的垃圾焚烧系统及方法
技术领域
本发明属于垃圾焚烧发电技术领域，具体涉及一种高效减排氮氧化物的垃圾焚烧系统及方法。
背景技术
生活垃圾焚烧发电作为一种无害化、减量化、资源化的垃圾处置方式，已成为我国城市生活垃圾处理的重要手段，但是生活垃圾焚烧发电也还面临很多问题。比如垃圾焚烧会产生大量的氮氧化物(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。目前降低NOx排放的措施主要包括低氮燃烧技术和燃烧后烟气脱硝技术。其中，低氮燃烧技术包括空气分级、烟气再循环和低氮燃烧器；烟气脱硝技术包括选择性催化还原技术(SCR)和选择性非催化还原技术(SNCR)。天津发布《生活垃圾焚烧大气污染物排放标准(征求意见稿)》，生活垃圾焚烧厂拟从2023年1月1日起按照此标准执行规定的大气污染物排放限值。其中，NOx排放浓度限制从300mg/m3收紧至120mg/m3。现代大型垃圾焚烧普遍安装SNCR脱硝系统，但此种方法脱硝效率通常只有30％～45％，因此在前端的垃圾燃料处理以及燃烧方式等两方面都需要加强对NOx的消除。
随着工业不断发展，废弃塑料已成为固废垃圾中不可忽视的一部分。废弃塑料中主要成分为聚乙烯，拥有较好的燃烧特性，具有高热值、高挥发分和燃烧速度快等特点。当其作为再燃燃料时，热解产生的碳氢基团能够与NOx发生还原反应，进而降低NOx的排放。因此，在生活垃圾焚烧系统中加入废弃塑料，一方面能降低NOx的排放，另一方面能避免废弃塑料填埋的成本及储存的危险，具有可观的社会经济效益。
发明内容
为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种高效减排氮氧化物的垃圾焚烧系统及方法。
为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：
一种高效减排氮氧化物的垃圾焚烧系统，包括：
焚烧炉，所述焚烧炉内设置垃圾焚烧区和二次燃烧区，所述垃圾焚烧区和二次燃烧区相连通且二者沿烟气流向顺序设置，垃圾焚烧区内通入生活垃圾和空气，二级燃烧区内通入废弃塑料和CH4气体，CH4气体沿垂直于烟气流向通入二次燃烧区内；
换热装置；
酸性物质及灰分脱除装置；
催化反应床；
低温换热器；
所述焚烧炉、换热装置、酸性物质及灰分脱除装置、催化反应床和低温换热器由左至右或沿烟气流向依次连通，所述低温换热器还分别与垃圾焚烧区、二次燃烧区和催化反应床连通，分别用于向垃圾焚烧区、二次燃烧区和催化反应床输送换热后的空气。
一种高效减排氮氧化物的垃圾焚烧方法，包括以下步骤：
向垃圾焚烧区内通入生活垃圾和空气，生活垃圾在垃圾焚烧区燃烧产生的灰尘通过二级燃烧区排出，产生的烟气进入二级燃烧区，在二级燃烧区内通入废弃塑料和CH4气体，CH4气体沿垂直于烟气流向通入二次燃烧区内，使CH4气体与垃圾焚烧区出来的气流对冲，实现对冲燃烧，废弃塑料热解产生碳氢基团，与来自垃圾焚烧区的烟气中NOx碰撞生成含氮中间体，经还原反应后将部分NOx转化为N2，CH4热解产生的CH3基团与NOx发生还原反应，生成N2；从二次燃烧区出来的高温烟气的温度在900-1000℃，进入换热装置内进行换热，烟气温度逐步降低至570℃、340-370℃、190-220℃，再进入酸性物质及灰分脱除装置，将包括SO2、HCl在内的酸性物质及灰分和重金属成分除去，随后烟气通入到催化反应床中，催化反应床的温度控制在320-400℃，在催化反应床的催化剂的作用下，烟气中的未燃尽物发生催化氧化并最终生成CO2和H2O，从催化反应床出来的烟气通入低温换热器中，与燃烧所需的空气进行换热，符合相关排放标准即排入大气中；燃烧所需的空气经低温换热器换热后分别通入垃圾焚烧区、二次燃烧区以及催化反应床，利用催化反应床中产生的热量，提高系统效率，通过催化剂反应床的空气为未燃尽物的催化氧化提供氧化剂。
进一步的，垃圾焚烧区内的空气实际通入量与燃烧所需空气量的用量比为1：1。
进一步的，所述垃圾焚烧区内的氧气的量大于化学计量所需的量10％。
进一步的，所述二次燃烧区中过量空气系数为0.8-0.9，温度控制在1000-1100℃。
进一步的，所述催化反应床中的催化剂采用TiO2催化剂。
进一步的，废弃塑料占焚烧垃圾量的20％，甲烷的量与垃圾焚烧产生的NOx当量比为1：1。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明在二级燃烧区内通入废弃塑料和CH4，并使燃料的量大于化学计量比，形成富燃料区，为还原性气氛，二次燃烧区中过量空气系数保持在0.8-0.9之间，温度控制在1000-1100℃；废弃塑料主要成分为聚乙烯，其热解产生CH2、C2H5、C2H3等基团。聚乙烯受热分解产生碳氢基团，比如-CH2、-C2H5、-C2H3等，这些基团与垃圾焚烧区过来的烟气中NOx碰撞生成相应的含氮中间体，含氮中间体与还原性基团发生还原反应，最终将部分NOx转化为N2；
2)本发明在二级燃烧区优选采用上下对冲燃烧的方式，在上端喷入甲烷(CH4)，一方面让CH4与垃圾焚烧区出来的气流对冲，形成复杂的流动条件，使得垃圾焚烧区出来的气流整体速度变慢，增加烟气的停留时间，这有利于二噁英的脱除，另一方面，对冲的方式能增加CH4与垃圾焚烧区出来的烟气的接触，CH4热解产生CH3基团，它能与烟气中NOx发生反应生成中间物HCN，并HCN最终通过还原反应生成N2；
3)燃烧所需的空气先经过低温换热器换热，然后分别通入垃圾焚烧区和二次燃烧区以及催化反应床，这样能利用催化反应床中产生的热量，提高系统效率。其中，通过催化剂反应床的空气为未燃尽物的催化氧化提供氧化剂；
4)催化反应床中的催化剂是TiO2，物美廉价，易于制备和调控。在二级燃烧区由于废弃塑料和CH4形成的还原性基团，与NOx进行反应后，剩余的部分未燃尽物能在催化反应床中进行催化氧化，最终生成CO2和H2O。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细阐述，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。
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，一种高效减排氮氧化物的垃圾焚烧系统，包括：
焚烧炉1，焚烧炉1内设置垃圾焚烧区11和二次燃烧区12；垃圾焚烧区11和二次燃烧区12相连通且二者沿烟气流向顺序设置，垃圾焚烧区11内通入生活垃圾和空气，二级燃烧区12内通入废弃塑料和CH4，CH4沿垂直于烟气流向通入二次燃烧区12内；垃圾焚烧区11内的空气实际通入量与燃烧所需空气量的用量比为1.1～1.2：1；
换热装置2，换热装置2包括沿烟气流向依次设置的水冷壁21、过热器22和省煤器23；
酸性物质及灰分脱除装置3，酸性物质及灰分脱除装置3包括沿烟气流向依次设置的旋转喷雾半干式反应塔31、布袋除尘器32和湿式洗涤塔33；
催化反应床4，催化反应床4内装有TiO2催化剂；
低温换热器5；
焚烧炉1、换热装置2、酸性物质及灰分脱除装置3、催化反应床4、低温换热器5由左至右或沿烟气流向依次连通，低温换热器5还分别与垃圾焚烧区11、二次燃烧区12和催化反应床4连通，用于向垃圾焚烧区11、二次燃烧区12和催化反应床4输送换热后的空气。
垃圾焚烧区11内用于通入待焚烧的生活垃圾和空气，需控制通入的空气的量，使得氧气的量大于化学计量所需的量10％，这样一方面利于生活垃圾的燃尽，另一方面也为二级燃烧区12内的反应提供一些氧气；生活垃圾在垃圾焚烧区11燃烧产生的灰尘通过重力作用滑落到二级燃烧区12内底部并排出，产生的烟气进入二级燃烧区12，在二级燃烧区12内通入废弃塑料，控制废弃塑料的量使得燃料的量大于化学计量比，进而形成富燃料区，该富燃料区处于还原性气氛下。废弃塑料热解产生碳氢基团，比如-CH2、-C2H5、-C2H3等，这些基团与垃圾焚烧区过来的烟气中NOx碰撞生成相应的含氮中间体，含氮中间体与还原性基团发生还原反应，最终将部分NOx转化为N2。同时，还要在二级燃烧区12顶部从上往下喷入甲烷CH4，让CH4与垃圾焚烧区域出来的气流对冲，实现对冲燃烧，用于形成复杂的流动条件，增加CH4和生活垃圾焚烧产生的烟气的接触，CH4热解产生的CH3基团与NOx发生还原反应，最终生成N2，另一方面降低气体流速，进而延长烟气在二级燃烧区12中的停留时间，有利于二噁英的脱除；从二次燃烧区12出来的高温烟气进入换热装置2；在换热装置2内，给水与高温烟气进行换热并生成蒸汽，用于发电；经过换热后的烟气通入酸性物质及灰分脱除装置3中，将SO2、HCl等酸性物质以及灰分和重金属等成分除去，随后烟气通入到催化反应床4中，催化反应床4中的催化剂是TiO2，且催化反应床4的温度控制在320-400℃，在催化剂TiO2的作用下，烟气中的未燃尽物发生催化氧化并最终生成CO2和H2O；从催化反应床4出来的烟气温度依然较高，为了充分利用其所含的热量，将从催化反应床4出来的烟气通入到低温换热器5中，与燃烧所需的空气进行换热，因为烟气的污染物含量已经很低，符合相关排放标准即便排入大气中，而燃烧所需的空气经换热后分别通入垃圾焚烧区11、二次燃烧区12以及催化反应床4，这样能利用催化反应床4中产生的热量，提高系统效率，其中，通过催化剂反应床4的空气为未燃尽物的催化氧化提供氧化剂。
在二级燃烧区12内通入废弃塑料和CH4，并使燃料的量大于化学计量比，形成富燃料区，为还原性气氛，二次燃烧区12中过量空气系数保持在0.8-0.9之间，温度控制在1000-1100℃。废弃塑料主要成分为聚乙烯，其热解产生CH2、C2H5、C2H3等基团。聚乙烯受热分解产生碳氢基团，比如-CH2、-C2H5、-C2H3等，这些基团与垃圾焚烧区过来的烟气中NOx碰撞生成相应的含氮中间体，含氮中间体与还原性基团发生还原反应，最终将部分NOx转化为N2，原理如下：
∑CiHj+NO→HCN+…→N2
碳氢基团CiHj主要为CH2、C2H5、C2H3，在富燃料区它们会倾向于和NOx反应，其详细的反应步骤为：
CH2+NO→H+HNCO
C2H5+NO→HCN+CH3OH
C2H3+NO→HCN+CH2O
HCN+O→NCO+H
NCO+H→NH+CO
NH+H→N+H2
N+NO→N2+O。
本发明公开了一种高效减排氮氧化物的垃圾焚烧方法，通过采用废弃塑料作为再燃燃料及通入CH4对冲燃烧的方式，降低烟气中NOx的生成，并通过催化燃烧将烟气中的未燃尽物除去，具体包括以下步骤：
将生活垃圾置于焚烧炉1的垃圾焚烧区11内进行燃烧，控制通入的空气的量，使得氧气的量大于化学计量所需的量10％，生活垃圾在垃圾焚烧区11燃烧产生的灰尘通过重力作用滑落到二级燃烧区12内底部并排出，产生的烟气进入二级燃烧区12，在二级燃烧区12内通入废弃塑料，控制废弃塑料的量使得燃料的量大于化学计量比，进而形成富燃料区，该富燃料区处于还原性气氛下，产生的烟气离开焚烧炉1时的温度在900-1000℃，经过水冷壁21换热后，烟气温度降为570℃左右，随后经过三级过热器22后，烟气温度降低至340-370℃，再通入省煤器23与给水进行换热，烟气温度降为190-220℃；烟气通过换热装置2进行换热后，进入酸性物质及灰分脱除装置3；在旋转喷雾半干式反应塔31中喷入石灰浆，与烟气中的SO2、HCl和HF等污染物发生中和反应，同时还使二噁英和重金属凝结，反应生成物落入旋转喷雾半干式反应塔31底部并由底部排出；在旋转喷雾半干式反应塔31和布袋除尘器32之间的管道中通入活性炭，用于吸收烟气中的二噁英和汞，布袋除尘器32能分离烟气中的灰尘和固体颗粒，在出口处将干净的烟气排出，同时布袋除尘器32中粘附的粉尘中含有石灰浆，因此可以延续中和反应和吸附粉尘中的有害物，运行一段时间后需要用脉冲吹灰器吹扫，向湿式洗涤塔33中注入NaOH溶液，使其与烟气中的SOx、HCl、HF等酸性气体进行化学反应，减湿的同时进一步吸收烟气中的酸性气体，随后烟气通入到催化反应床4中，催化反应床4的温度控制在320-400℃，在催化剂TiO2的作用下，烟气中的未燃尽物发生催化氧化并最终生成CO2和H2O；从催化反应床4出来的烟气温度依然较高，为了充分利用其所含的热量，将从催化反应床4出来的烟气通入到低温换热器5中，与燃烧所需的空气进行换热，因为烟气的污染物含量已经很低，符合相关排放标准即便排入大气中，而燃烧所需的空气经换热后分别通入垃圾焚烧区11、二次燃烧区12以及催化反应床4，这样能利用催化反应床4中产生的热量，提高系统效率，其中，通过催化剂反应床4的空气为未燃尽物的催化氧化提供氧化剂。
本发明未具体描述的部分采用现有技术即可，在此不做赘述。
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 (1)

1.一种高效减排氮氧化物的垃圾焚烧方法，其特征在于，采用高效减排氮氧化物的垃圾焚烧系统进行垃圾焚烧，所述垃圾焚烧系统包括：
焚烧炉，所述焚烧炉内设置垃圾焚烧区和二次燃烧区，所述垃圾焚烧区和二次燃烧区相连通且二者沿烟气流向顺序设置，垃圾焚烧区内通入生活垃圾和空气，二级燃烧区内通入废弃塑料和CH4气体，CH4气体沿垂直于烟气流向通入二次燃烧区内；
换热装置；
酸性物质及灰分脱除装置；
催化反应床；
低温换热器；
所述焚烧炉、换热装置、酸性物质及灰分脱除装置、催化反应床和低温换热器由左至右或沿烟气流向依次连通，所述低温换热器还分别与垃圾焚烧区、二次燃烧区和催化反应床连通，分别用于向垃圾焚烧区、二次燃烧区和催化反应床输送换热后的空气；
所述垃圾焚烧方法包括以下步骤：
将生活垃圾置于焚烧炉的垃圾焚烧区内进行燃烧，控制通入的空气的量，使得氧气的量大于化学计量所需的量10％，生活垃圾在垃圾焚烧区燃烧产生的灰尘通过重力作用滑落到二级燃烧区内底部并排出，产生的烟气进入二级燃烧区，在二级燃烧区内通入废弃塑料，控制废弃塑料的量使得燃料的量大于化学计量比，进而形成富燃料区，所述富燃料区处于还原性气氛下，产生的烟气离开焚烧炉时的温度在900-1000℃，经过换热装置的水冷壁换热后，烟气温度降为570℃，随后经过换热装置的三级过热器后，烟气温度降低至340-370℃，再通入换热装置的省煤器与给水进行换热，烟气温度降为190-220℃；烟气通过换热装置进行换热后，进入酸性物质及灰分脱除装置；在酸性物质及灰分脱除装置的旋转喷雾半干式反应塔中喷入石灰浆，与烟气中的SO2、HCl和HF污染物发生中和反应，同时还使二噁英和重金属凝结，反应生成物落入旋转喷雾半干式反应塔底部并由底部排出；在酸性物质及灰分脱除装置的旋转喷雾半干式反应塔和布袋除尘器之间的管道中通入活性炭，用于吸收烟气中的二噁英和汞，布袋除尘器能分离烟气中的灰尘和固体颗粒，在出口处将干净的烟气排出，同时布袋除尘器中粘附的粉尘中含有石灰浆，因此可以延续中和反应和吸附粉尘中的有害物，运行一段时间后需要用脉冲吹灰器吹扫，向酸性物质及灰分脱除装置的湿式洗涤塔中注入NaOH溶液，使其与烟气中的SOx、HCl、HF酸性气体进行化学反应，减湿的同时进一步吸收烟气中的酸性气体，随后烟气通入到催化反应床中，催化反应床的温度控制在320-400℃，在催化反应床中的催化剂的作用下，烟气中的未燃尽物发生催化氧化并最终生成CO2和H2O；从催化反应床出来的烟气温度依然较高，为了充分利用其所含的热量，将从催化反应床出来的烟气通入到低温换热器中，与燃烧所需的空气进行换热，烟气的污染物含量已经很低，符合相关排放标准即可排入大气中，而燃烧所需的空气经换热后分别通入垃圾焚烧区、二次燃烧区以及催化反应床，这样能利用催化反应床中产生的热量，提高系统效率，其中，通过催化剂反应床的空气为未燃尽物的催化氧化提供氧化剂；
所述垃圾焚烧区内的空气实际通入量与燃烧所需空气量的用量比为1.1-1.2：1；
所述垃圾焚烧区内的氧气的量大于化学计量所需的量10％；
所述二次燃烧区中过量空气系数为0.8-0.9，温度控制在1000-1100℃；
所述催化反应床中的催化剂采用TiO2催化剂。
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