CN1229462A - 焚烧炉 - Google Patents
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Abstract
一种焚烧炉(设备)包含有干燥室(9)、分解室( 12)、燃烧室(25)、催化转化器(35)、水蒸汽冷凝器(38)和热利用装置(40),它是这样整体化,以使燃烧空气沿绝缘外壁(54)的里面(19)流动且在含灰尘的空气和灰分以及废气之间进行逆流的热交换,其中混合碱以燃烧废物。大部分的构成部件都装入旋转体。废气的温度接近室温,且洗涤器能直接连接或与之成为一体。污染物的排出能降到很低的水平。除起始物的加热外没有辅助燃料,需要用于维持火焰的引导火以燃烧甚至含水量达90%或更多的废物。它可以处理各种类型的废物和选用各种类型的焚烧炉。
Description
技术领域
本发明涉及一种作为设备的食用下脚料/废物/粉尘/垃圾(称为废物)的焚烧炉,它包括干燥室(干燥器)、分解室(分解器)、燃烧室(火焰器)、催化转化室(转化器)和水蒸汽冷凝室(冷凝器),它是这样整体化,以使能在排出物与进料之间有效地进行逆流热交换,其中碱与废物混合。(其中排出物指废气和灰分,进料指燃烧空气和废物。)
所述设备需要相当少的辅助燃料量。
排放的污染物能被降低到很低的水平。
可以处理各种类型的废物。
大部分构成部件都能装入旋转体中。
废气的温度接近室温。
洗涤器可直接连接或使成一体。背景技术
废物焚烧是工业中为减少废物重量、消除着火危险、病原微生物和有毒的有机化合物所必不可少的。
除了开始废物中存在的和燃烧后剩余的如砷、重金属和放射性物质有害或有毒化合物(污染物)外,即使废物中不含污染物时在焚烧中也能产生污染物。产生污染物的焚烧目前正引起许多的问题。
尽管采用了旋转反应器和有石灰的焚烧法,但仍不能获得有效的结果。
废物燃烧时需要氧(O2)。而空气仅有1/5是O2,焚烧时1吨干废物要消耗15吨(11,000m3)的空气。
焚烧中主要的热物质是水(H2O)、燃烧空气和废气。废气的温度通常高达600-1500℃。
水的蒸发热(潜热)和用于加热废气的热量(显热)未被充分利用而进入大气。
潜热具有很大的能量。因此总燃烧热(更高的热值)除了H2O的潜热的热(较低热值)是有区别的。存活的生物体需高热值,而普通的燃烧仅消耗低热值。
不仅燃烧时产生水,而且废物中还含水。
然而两种情况下的潜热都未利用。
在粗的食用下脚料焚烧中,所消耗的辅助燃料按重量计是废物的2-5倍。而对于含有80-90% H2O的废物如污水沉渣滤饼、豆腐渣和废豆腐,这样的废物中焚烧时产生的炉渣中含有未处理的部分废物,此时要消耗10倍的辅助燃料。象这些,消耗在废物焚烧中的辅助燃料量是令人惊奇的。
现对热循环技术进行说明。
假设燃烧空气和废气具有相同的热容,在足够长的管道中流动而且在各自的入口处废气是热的而燃烧空气是冷的。当两根管子沿着整个长度接触,两个出口相遇且两个入口也相遇时,从出口出来的废气和燃烧空气是平均温度。这种方式称作并流热交换(PF)。从另一方面说,当两根管子接触能使各自的入口与另一个的出口相遇时,则一个出口温度就变成了另一个入口温度。这种方法称作逆流热交换(CF)。
CF已在稀薄燃料燃烧中进行过试验。
Kotani,Y等人:第20届燃料会议汇编,(国际)2050(20th Symp.(Intn′1)onCombust.2050)(1984)。
Takeno,T.和Y.Kotani:“有效利用能源的研究”“Research on EffectiveUse of Energy”SPEY 14,263(1985)。
上面的数据在“NENSHO NETSUKOGAKU P15,(由Kagaku KogakuKyokai编,MAKI SHOTEN出版)中已被引证。
使用的燃烧空气温度越高,能点燃的燃料越稀薄。在稀薄燃料燃烧中,氮氧化物NOx、一氧化碳CO、煤烟等都能减少,并且能量转换速率的效果也能得到改善。这些情况在于燃料的试验和废气中H2O蒸汽不凝结成液体。废物燃烧要比适宜的燃料燃烧困难得多,因为废物含大量的H2O,还剩留灰分或残渣,易于产生污染物,还含有许多不挥发物或固体物,具有千变万化的形态或包含各种各样的物质。因此,认为应用甚至在燃料燃烧中都困难的高科技也是不可能实施废物燃烧。
污染物能分成不可避免的(A′S)和可避免的(B′S)两种。A′S包括二氧化碳(AX)CO2和氮氧化物(AY)NOx。当废物主要的可燃成分是一般的有机化合物时,废物焚烧只会产生CO2和H2O。CO2的害处虽小,但在高浓度下人也会死亡。由于CO2是全球性温室效应物质之一,所以要求降低其排放量。辅助燃料也会产生CO2,进而从节约自然资源来说也有必要减少其排放量。由废物本身产生CO2是不可避免的,但由辅助燃料产生CO2却是可避免的,并且是不希望有的。
在废物焚烧时混合塑料能减少辅助燃料,然而令人焦虑的是能产生污染物如二喔星。
已推荐利用废物焚烧的废热进行发电。使当今节约辅助燃料更为实际。
加热空气时仅产生NOx。NOx具有生成焓是正的特性并通过催化剂而分解。
汽车的催化转化器利用了这一事实。在不完全燃烧时NOx难以生成而且当完全燃烧气体(氧化焰)与不完全燃烧气体(还原焰)混合时NOx能减少。
B′S细分类可分为不易燃的(BY)和可燃的(BZ)。
BY包括卤素、卤化氢、NOx、硫氧化物SOx、磷氧化物POx和飞灰。
BZ包括有机化合物、碳、CO、氨NH3、氰化氢HCN、硫化氢H2S和硫。有机化合物包括有机卤化物(OX)、胺、腈、硫醇、烃、醇、醛、有机酸和煤烟。
在完全燃烧中BZ变成A′S或BY。
然而,BZ如OX不易完全燃烧。
药典提出氧瓶燃烧法可用于测量和/或鉴定有机化合物中所含的卤素或硫含量;
JP:氧瓶燃烧法
USP:氧瓶燃烧
BP:氧瓶燃烧
EP & IP:氧瓶法
FP:Matalloides(Dosage des)Dans les Composes Organiques apres
Combustion dans I′Oxygen(Br,Cl,F,I,P,S)
有机物与滤纸一起放入铂筐中并在纯O2气氛中燃烧,测定燃烧时所产生的酸性气体如氯化氢HCl的量。
即使燃烧非常困难的物质如OX在良好的条件下如存在Pt催化剂和纯O2下也能完全燃烧。
为了燃烧充分,若应用附加燃烧空气,则显热(sensible heat)也要求添加辅助燃料。
经济观点要求不完全燃烧但要求接近完全燃烧。
二喔星类是有机化合物在熔烧法中与氯元素结合产生的一种OX,例如在氧乙烯这样的OX燃烧中。
在焚烧炉中可蒸发的卤元素和卤化合物称作挥发性卤。OX在180℃以上热分解得到挥发性卤如HCl或C12。氯化铝AlCl3(b.p.183℃)也是一种挥发性卤。挥发性卤能使有机化合物变成OX。
当挥发卤产生时,即使在焚烧不含OX的废物时也能观察到二喔星的产生。
高温下碳与氢反应产生有机化合物。即使OX受热分解,分解的产物也能重新形成OX。
挥发性物质在附近的冷却器中冷凝而不是在其沸点。OX在燃烧室温度下是挥发性的,但OX在废物团/块或埋在灰分的废物中是不易蒸发的。当废物未处理部分温度低时,挥发性物质就留在那里或在那里冷凝。之后,当未处理部分烧尽且灰分变冷而无可燃性时,OX转移到灰分中。这就是在烧尽灰分中留下二喔星的机理。
事实上NOx仅在燃烧空气存在时产生,燃烧含氮元素(N)的废物时,产生的NOx就会多得多。
因此,AY(即NOx)和BY能成为称为Y′s的组。
能产生Y′s的废物,包括称为Y元素的特征元素(N、F、Cl、Br、I、S、P等)。含N的废物在完全燃烧中产生NOx而在不完全燃烧中产生BZ(胺、氨和氰化氢)。Y′s是酸性气体,因此它们能在洗涤器中通过碱性水溶液除去。但是,由于高温的废气能使溶液沸腾,所以洗涤器既不能直接连接也不能一体化。
燃烧是一种化学反应而且原料发生反应而产生产品(正反应)。同时,产品发生反应以产生原料(负反应)。这两个反应在高温下都变得很快。当产品被除去时,负反应难以发生。当负反应因产品减少而被抑制时,这种反应称作不相称反应。然而,气体反应非常快,液体就比较慢,而固体更慢。例如,气体是爆炸性燃烧,木炭和焦炭燃烧持续很长的时间。如果部分产品成为固体,它既不能蒸发也不能熔化或分解,那么负反应就难以发生。这也是一种不均化反应。
通过反应温度变化使负反应减少1/10是困难的,但使用不均化反应使其减少1/1000却是容易的。
在这点上我们认为这种物质(碱)是易于与Y′s反应而产生即使在燃烧室温度下也不蒸发或不熔化或不分解的无害固体化合物(盐)。碱能使Y′s无害。金属、氧化物、氢氧化物、碳酸盐、金属氢化物、有机酸盐、醇盐和有机金属化合物,它们包括碱金属(K、Na等)或碱土金属(Ca、Mg等)在内,都是碱的例子。
使用碱的Y′s不均化反应称为中和固定。
反应中每种Y元素所需碱元素的总化合价数称作化学计量比。碱金属的化合价数为1而碱土金属的化合价数为2。N、卤素、S和P的化学计量比分别为1、1、2和3。N的化学计量比“1”仅在300℃下有用,因为它的盐在该温度以上分解。卤素盐如KCl和CaCl2在燃烧温度下熔化,所以卤素的化学计量比在该温度下实际上仅为“1”。但氧化物使其熔点更高,卤素的化学计量比实际上能是“2”。
下面的方针是减少污染物的排放。
(1)仅把辅助燃料用于加热设备开始的并维持火焰(称微燃料)。
(2)用于燃烧和污染控制的热能必须由潜热和显热的循环中获得。
(3)建立优良条件象药典的氧瓶燃烧法和采用不均化反应。
(4)如有可能,建立废热的最佳利用。
(5)不可避免的污染物(A′s)必须减少。
微燃料导致CO2排放达到最低程度。(2)导致干燥废物,加热足以完全燃烧用的燃烧空气量,保持催化转化器入口的温度并使废气接近室温。(1)和(2)结合可完成(5)。由于废物是用足够量的高温燃烧空气燃烧的,所以可燃污染物BZ不会产生(3)。由于废气是室温的,所以洗涤器能直接连接,由此可除去不易燃污染物Y′s。
遵循所述方针,首先对热交换进行说明。
燃烧空气+废物(包括碱)(进料)和废气+灰分(包括剩余的碱)(排出物)含有相同的元素并具有相同的质量。如果元素和质量是相同的,则较小分子的热容会变得更大。因此,排出物具有较进料更大的热容。结果,使用CF,燃烧空气温度能变得接近燃烧室壁的温度。即:
·排出物的热量足够把燃烧空气热至如燃烧室壁那么高的温度。
·废物仅通过排出物的热量就能干燥。
另外,只要燃烧室壁的温度足够高,就能达到微燃料。进料和排出物之间的热容差,在燃烧空气量大于化学计量的两倍(废气中O2大于10%)或H2O或灰分成分百分比高时,可以被忽略。事实上,在塑料废物的情况下,预测废气的温度为90℃,燃烧室壁温度为1000℃,室温为25℃和保持O2为10%。在这种情况下,即使直接连接洗涤器,也不会使洗涤器的溶液沸腾。即;
·废气温度能接近室温。
·洗涤器可直接连接或一体化。
这样的条件可描述成为燃烧室壁温度变得很高足以起热交换器的作用。
当燃烧空气量较化学计量稍稍少些时,燃烧温度变得最高,在这种情况下,O2不足以完全燃烧。当燃烧温度高时,废物分解彻底且燃烧进行得充分。燃烧空气的分配要使燃烧室中心的燃烧空气接近化学计量。
由于热是在热绝缘体中由燃烧室传到大气,所以热绝缘体能起热导体的作用。
传热系数为热导率/热导体厚度(传热长度)。
传热乘积为传热面积×传热系数。
乘积表明热交换的能力。
设备要这样设计以使热交换器的传热乘积足够大,才能使传热面积大和热导体薄。设备里的所有部件(废物运输装置、燃屑运输装置、灰分运输装置、陶瓷制品固定板、洗涤器壁、部件与其他的连接点或面)都必须设计得能使它们起到传热片(热辐射片、热接收片)或热反射片的作用因而使传热面积增大,但注意不使气体的流阻增大。废气中的燃烧空气管也能增大传热面积。
在包括冷凝器在内的低温区内,截面积必须大且为了交换巨大的冷凝热必须安置许多或大的导热片。但是约为燃烧空气20倍的液体H2O的热导率降低条件。高温区(热区)的巨大表面冷却了燃烧室,从而提高了传热乘积。燃烧室必须尽可能的小且必须置热区于其四周。全部的热区都应有燃烧空气管环绕,并且除了转化器入口外的所有开口部前通过热反射器而反射辐射,该处必须是热的,整体必须包在厚的热绝缘体中。
燃烧室的热能(高热值+循环热)等于发射热(从燃烧室外壁直接向大气发射)+输送热(排出物的热量)。
输送热量等于循环热量(作为燃烧空气和废物热量回收到燃烧室)+非循环热量(不回收到燃烧室)。
非循环热包括通过热量利用设备(热利用器)收集的热量。由于进料和排出物的热容几乎相等,所以非循环热也几乎与借助于热量利用设备收集的热量相同。收集的热量没有必要这样大以使燃烧温度过低。因此,发射热等于高热值-非循环热。
燃烧室壁温是(发射热/传热乘积)+外壁温度。燃烧温度高于燃烧室壁(内部)100-500℃。当高热值大于非循环热时,传热乘积的下降能使燃烧室壁温升高。高热值大于干燥过的废物低热值。即;
·甚至湿废物也几乎能在与干废物相同温度下燃烧。
设备具有50-80℃的旋转部件和表面。这些危险区域均被保护壁所复盖,保护壁的里面能起外置空气通道的作用。由通风器抽出这外置空气,放出的气体与热量能返回到所述设备。
这种小设备累加起来会导致大的效应。
因此热交换速率和燃烧室壁温度都能提高。
还存在着这样一类即使干燥也难以燃烧的废物,因其高热使几乎为零,或者因为含水太多,得不到必要的传热乘积值。遗憾的是,在这种情况下需要一点辅助燃料。
大多数废物焚烧的目的都在于减少废物的重量。这表明灰分量或灰分热容无可被忽略。即,在大多数废物的情况下,灰分在热交换计算中可忽略不计。一旦,达到污染控制和使用微燃料,就可推荐一种设备,以设计出制造成本降低而且便于操作的优先于废热利用比值的微小改变。
下面,将要描述碱和中和固定。
最合适的碱是氧化物、氢氧化物和碳酸盐。对于本发明来说碱土金属的上述化合物是合适的,因为它们很少损害转化器的多孔性。钙化合物,即生石灰(氧化钙CaO)、熟石灰(氢氧化钙Ca(OH)2)和石灰石粉(碳酸钙CaCO3)是其中最经济的。在燃烧室中,Ca(OH)2产生H2O而CaCO3产生CO2。事实上,CaCO3产生CO2,而CaO和Ca(OH)2是由烧烤CaCO3产生的并放在CO2。从全球观点考虑,在通过烘烤燃料产生CO2方面CaCO3具有优点。CaO存在安全问题。CaO和CaCO3都是难于获得细粉末。但Ca(OH)2在这些方面上具有优点。
各Y元素在中和固定上都具有其个性。在180℃以上,OX热分解而产生挥发性卤,挥发性卤与碱反应。由于卤盐在高温下熔化,所以中和固定仅在700℃以下是有效的。因此,固定段置于燃烧室之前和废气之中(转化器、冷凝器和洗涤器中)。在燃烧室中,有机物燃烧而被还原。如果还存在一点有机物,则挥发性氯很难在逆向反应中与其反应生成有机氯化物。对于S来说,由于分解的物质如硫或硫化氢不易与碱反应,所以中和固定的命运在于SOx,它是在硫或硫化氢燃烧时产生的。炽热火的地点在燃烧室且在废气中持续起作用。N的中和固定仅在300℃下的废气中才有效。然而,NOx是氧化剂因而有助于BZ消失。在采用氧化焰和还原焰混合技术下可维持NOx在中等浓度以及燃烧室内的催化效果之后,在转化器、冷凝器和洗涤器中除去NOx。
下面将对催化剂进行说明。
使来自燃烧室的废气流经第二燃烧室,即转化器,其中安置包括氧化物或含氧酸盐或硅和/或铝和/或锆的复氧化物作为主成分的陶瓷制品。这些陶瓷制品在600℃以上能起到类似Pt的催化剂作用。催化剂在其表面上吸附气体,如O2、SOx、Cl2的分子并将其压至高压。因此,甚至燃烧困难或在空气中过稀而不能点燃的这类物质也能充分燃烧。陶瓷制品的表面越大,所起的作用越显著,致使多孔陶瓷制品由于具有大的表面积而必须使用。这里提到的多孔性包括微观的和宏观的(如烧制的纤维、薄片、泡沫状/气球状、小管形物以及它们复杂形状的化合物)。陶瓷制品的形状必须有能使流阻降到最低程度的燃烧空气通道,如团状、块状、蜂窝状、板状、布状以及如棉花状。当填装通过化学工程研制的或作为汽车催化转化器中的催化剂如Pt、Pd、ZnO2、铬氧化物、铁氧化物、镍氧化物、钴氧化物、锰氧化物等等的催化剂时,陶瓷制品能改进其效果。含这类催化物质的混合矿物也是有效的。Pt等在低温区(低于500℃)装填时,即使在室温下也具有加速燃烧、氧化和分解的作用。然而,陶瓷制品本身在转化器入口保持600℃以上时,更为严格地说为700℃,也具有与Pt等相同的作用。当把燃烧空气加热到300℃以上时,设备的燃烧加速作用变得可识别且通过燃烧橡胶制品等产生的烟雾逐渐消失。ZrO2等具有极佳的分解NOx的效果并使其达到热平衡浓度。因此,这类物质不仅在转化器中肯定能使用。而且在含有ZrO2和固定的或加强的陶瓷制品的燃烧室壁上,如浇注成形的,耐火水泥等也肯定能使用。转化器能使BZ燃烧,NOx分解,Y′s高级氧化物和颗粒通过过滤作用能停留在此。留在高温区所存在的O2中煤烟颗粒会被烧光。当有碱粒集中在转化器时,转化器可起到中和固定器的作用。Y′s分子具有氧原子越多(Y′s是高度氧化的),则它更易于溶解在H2O中因而变成了强酸。因此,改变Y′s的更高氧化物可改进洗涤器的效率。即,转化器能改进冷凝器和洗涤器的污染控制效果。BZ的烧尽和中和固定作用的组合会对去除OX有很大的作用。OX在进入转化器之前,由于中和固定和燃烧室内良好的燃烧条件而几乎消失。当少量的OX在转化器中热分解产生卤素和有机化合物时,卤素被中和固定而有机物被烧掉。两种产品都消失而逆反应不可能发生。这就意味着转化器是在去除NO特别好的设备。NOx能成为平衡浓度取决于催化剂的温度。温度越低,平衡浓度越低,而且达到平衡浓度所须的时间越长。当转化器的入口和出口温度相应增加和降低时,NOx浓度会在较短的时间内下降。
·转化器和足够量的含有通过热循环所得NOx的高温燃烧空气的结合可取代药典中所描述的纯O2和Pt篮。
水蒸汽冷凝的描述。
由废物水分产生的水蒸汽稀释O2因而干扰了燃烧的完全。如果用排气扇排出水蒸汽,则有相同体积的燃烧空气不能被吸收。水蒸汽冷凝器可起到一种将气体变成液体而减小体积的泵作用的。当水蒸汽在排放前被冷凝或除去时,则能保持燃烧用的O2的绝对量而与废物的水分无关。冷凝器的作用不仅能将干燥湿度物用的热量送到干燥器,而且还能有助于有关O2的燃烧。燃烧中O2变成同摩尔的CO2。燃烧空气和废气因几乎都是室温,所以燃烧空气和废气也几乎具有相同体积。这种条件使通风器和排气扇的设计和建立更容易。由于H2O的热导率是空气的20倍,所以使用H2O时热交换的能力可提高。当H2O蒸汽冷凝时,H2O可捕获有害的酸气Y′s并将其除去,类似于雨水除去烟雾。然而冷凝的H2O是强酸,pH约为2,它会腐蚀设备的材料。为了避免腐蚀,必须用碱性洗涤器溶液中和。通过废气加热的洗涤器溶液,加热了废物而加速其干燥。因此洗涤器结合到设备可使效率更提高。但是由于整体化的效果小,所以最好是使干燥废物用的设备具有独立的洗涤器。因为冷凝水被碱性洗涤器溶液中和,所以使冷凝器中的酸性气体吸收能力得到提高。转化器后的酸性气体直接通过冷凝器和洗涤器而去除,能降低转化器中的Y′s浓度。这样就能提高转化器的OX控制能力。因为冷凝器和洗涤器能起到湿式燃烧空气清洁器的作用,所以废气中的灰尘颗粒在此能被除去。碱粒作为飞灰也能在此被捕获而被再次用于洗涤器。
有关设备中的灰分的描述。
当灰分使流阻增大时,应使用灰分专用的通风机(灰分通风机),以便防止出现缺乏用于灰分的热空气。燃屑/灰烬烧得越多,存在的可燃物越少,对燃屑的燃烧就越困难。使新鲜的热的燃烧空气以与灰分运动相反方向流动。这样燃屑烧得越多,其面对的热空气越新鲜,致使燃屑能完全燃烧。同时挥发性污染物被蒸发,并往回吹入燃烧室,并阻止它们滞留在灰分中。当灰分在高温下(高于650℃)长时间停留时,灰分就变得致密而易于处理。若废物以块/团或面团状存在时,经受不足的燃烧空气或不能在高温下维持到烧尽,挥发性的污染物如二喔星就会残留在灰分中。为了防止形成废物块,废物在焚烧前必须进行切割和粉碎成为小的尺寸。燃烧室内制成级联台阶以使燃屑长时间留在燃烧空气中再使其接触燃烧空气。除了废物不含卤素或留下很少一点灰分的情况外,确定采用旋转窑以重复地使废物/燃屑的下落、翻转或颠倒。即,保持废物和灰烬是热的,与空气相接触直到烧尽,除去较冷的地方和面对新鲜的热空气,致使挥发性物质不遗留在灰分中。
空气和废物流量的描述。
保护壁里面的空气由通风器吸入再从冷区流到热区,即洗涤器、冷凝器和转化器的外部,进入燃烧室,燃烧空气的温度几乎变成燃烧室壁的温度。燃烧空气流动的路线称为燃烧空气道。
废气在转化器、冷凝器(H2O在此冷凝)中冷却,从热利用装置出来再进入洗涤器,并测量O2浓度,最后通过排气扇排到大气中。废气流动的路线称为废气道。
要调节引入废物和燃烧空气以及排放废气的速度,以便保持废气中的O2浓度超过10%。但在废物中H2O含量非常高或产生的污染物很少的情况下,O2浓度要控制在10%以下。当废物的性能恒定时,O2可在整个时间却不测量。设备可采用计算或经验O2值进行设定或设计。排气扇必须具有较通风机更大的容量。气味不良的废物储槽中的空气借助于排气扇+冷凝器泵-通风器的容量吸入废物管。这种燃烧空气有助于废物干燥和水蒸汽、挥发性物质输送且在分解室内起到部分燃烧空气的作用。因为废气端(洗涤器端)的压力低于大气、燃烧空气和废物端的压力,所以防止了废气和冷凝器/洗涤器溶液经密封/密封垫片或敞式观察口/漏洞而泄漏。危险区较安全区的压力低些。在使用必须密封的旋转窑情况下,用2-5片如玻璃或高岭土的陶瓷布制成的短管或环形室。它们的一端与固定体连接而另一端通过旋转体并通过松拉伸的陶瓷或玻璃细丝/线/带压紧。用细丝捆住管子或环形物防止将来的松动并用润滑脂涂覆以防止气体或水的渗漏。如此简单的密封能起作用,因为严重的渗漏被阻止。在把废物切小粉碎并与碱混合,再定量供入干燥室。碱用量必须多于化学计量比(通常是1.3-2倍)。因为NaOH或KOH能完全溶解在H2O中,所以一般都把它们用作洗涤器的碱。来自设备不含污染物的灰分也可用作洗涤器的碱,燃烧前存在发粘、熔化,这样的废物,与碱混合的时候还会产生不良的气味。还有一些类型的设备,碱在其中难以形成飞灰。在这种情况下,该种设备具有能向设备引入全部或部分碱粉的碱导引器(多个)。碱粉可阻止废物粘结。碱粉易于变成飞灰。废物是通过干燥室和分解室供入燃烧室的。废物移经的路线称废物管道。
在干燥室中废物通过来自洗涤器溶液,冷凝的H2O和废气的热量而被干燥。但干燥的废物用不着干燥(干燥室没有必要)。在分解室内废物得到热量,热分解和部分燃烧。如果废物含有低挥发温度且低闪点的成分,则火焰不仅在分解室内而且在干燥室内铺开,则爆炸性燃烧会反复地出现。为了避免这种情况,废物管道在干燥室、分解室和/或它们的边界上必须具有细颈。分解室还可起到中和固定OX的作用。
在燃烧室内,开始时用引导火(pilot light)加热并维持火焰。当温度超过自燃点时(燃烧空气温度高于650℃)熄灭引导火而由废物的燃烧热保持温度。选择这样的引导火是因其有点火器并能与燃烧空气在燃烧室燃烧。供应的燃烧空气必须能在引导火四周保持有足够量的燃烧空气。由于引导火仅需很小量的燃料,所以O2浓度不会大范围地下降而且废物不会像常规方法所用强燃烧器那样吹出出口。
燃烧室壁耐火材料中所含有的ZrO2能使NOx在燃烧室壁温度下接近热平衡浓度。还原焰在燃烧室内与氧化焰的混合是为了抑制NOx浓度。由于燃烧室能起到SOx中和固定器的作用,所以在那里碱必须成为飞灰。在燃烧室中,有机化合物要这样降低以阻止OX再次生成。卤素的中和固定作用能生效但仅仅是附加的。
许多燃烧空气供应器在燃烧室中都是中心温度高。为了燃烧完全除了进入燃烧室最热的部分必须供应足够的O2。转化器的入口端保持高温而出口端则保持低温。由于多孔的陶瓷制品良好的热绝缘体,所以通过冷却出口很容易获得温度梯度。这有利于减小燃烧室的传热乘积。必须注意燃烧室内过于不完全燃烧会增加转化器中的燃烧,致使转化器比燃烧室更热。在这种情况下陶瓷制品的多孔性会遭到破坏而且出口的冷却也变得不完全。废气进入转化器之前,燃烧空气必须与废气在燃烧室内充分混合,燃烧室必须具有足够的燃烧空间和压低的风速(在转变成室温时为10m/s下)。不仅人造陶瓷制品而且天然物质如浮石和火山岩都能用于催化剂,但前者易于使用。天然物质含有某些污染物如硫,它们必须通过未磨损的耐火水泥坚固地固定。为了减小通过陶瓷制品时的流阻,推荐这样的形状如堆积起来的或与垫片一起滚压的板(包括纤维板)或布、蜂窝状结构共轴环(图8、9)、模子和套组(图10)、辐射状(图11)、带状(图12)、星状(图13)等。设计转化器中的陶瓷制品形状要考虑飞灰由陶瓷制品的落下或去除,废气均匀地吹向热交换面和颗粒的碰撞,通常选自图10、11、12或将其组合。如果最简单的是优选的话,则选择单元式的。碱也具有催化作用并且以飞灰的形式进入转化器。在转化器中,燃屑颗粒在长时间内能被捕获、停留和烧尽,NOx分解,Y′s变成高级氧化物且为碱飞灰中和固定以及甚至稀薄的有机化合物也能烧尽。供转化器使用的陶瓷制品使二级燃烧器没有必要,这导致燃料的节省。在许多惯用焚烧炉的情况下,使用非常大的组合燃烧器或者使用如一级燃烧器那么大的二级燃烧器。
在冷凝器中,废气中的H2O蒸汽通过燃烧空气和废物冷却并在冷凝器中冷凝。当燃烧空气的温度足够高时(大约高于700℃),蒸汽、热水、温水、热空气或湿空气都可以从热利用装置冷却废气中得到。
就常规技术而言,用于完全燃烧的化学计量过量的燃烧空气和含有许多H2O或许多灰分成分的废物正是辅助燃料。但对于本发明来说,它们是具有很高热容的优良冷却材料。
当废物具有足够高的燃烧热时,热利用装置可放在从低温区到高温区的很宽的范围内(围绕着转化器的出口)并且可以获得很大的热量。当仅有少量热量获得时,热利用装置则围绕洗涤器出口放置且可得到温水。当燃烧空气不够热时,过量热的利用会引起燃烧空气温度下降,缺乏燃烧空气加热和降低转化器的污染控制能力。
在洗涤器中,废气被溶液净化。可使用任何类型的洗涤器,如喷淋填料塔、网板塔、螺旋流塔和回流塔,但这种类型的塔不理想,因为它的流阻大。把洗涤器溶液部分引入冷凝器可提高热回收效率并可延长溶液的寿命。由于冷凝的H2O比洗涤器溶液热,所以它对干燥废物和加热燃烧空气的作用也大些。抑制与洗涤器溶液的混合有助于冷凝H2O的保湿。当湿废物燃烧时,要使所有的溶液都进入冷凝器,则冷凝的H2O稀释溶液且大量的弱碱性水必须排出。当使适当量的溶液进入冷凝器而冷凝水从另一出口排出,则冷凝水几乎会变成中性。排水设备能提前加热用于热利用装置的水或洗涤器循环溶液或燃烧空气。
如上所述,燃烧空气在洗涤器、冷凝器和燃烧室外面加热后进入燃烧室。废物在废气道内移动。灰分在部分燃烧空气道中以与燃烧空气流动相反方向移动并排出。当热量在进料和排出物间充分交换时,在该结构中能实现微燃料和污染控制,中和固定生效且转化器起作用。
当仅有0.5kg/hr的辅助燃料用于引导火时,豆渣、废豆腐和污水沉渣滤饼,各含80-90%的H2O,在每种情况下都能以100kg/hr的速度烧尽。废物引入前燃烧空气的温度为640℃,刚引入时降至635℃后又升高到650℃并在该温度下恒定。废气和洗涤器溶液的温度在5℃+室温。既识别不出烟雾也识别不出气味。通过Kitagawa检测器检测不出NOx和SOx。当由氨基甲酸乙酯和硫化橡胶组成的灭火软管焚烧时,燃烧空气的温度高于700℃而废气被热利用装置冷却。然而可获得有关气味、烟雾、NOx和SOx同样的结果。
本发明还可用于制造业,这些制造业的产品是灰分,如水泥或生石灰。甚至当废物没有足够的燃烧热时,通过使用一点辅助燃料或混合煤粉或在废物中的轮胎屑,即可实行节约燃料和污染控制。由于废气几乎是室温的,所以焚烧设备易于制成封闭系统的形式。附图的简述
图1-5是垂直截面图,包括本发明理想实施例使用旋转窑的旋转轴。图1-4说明燃烧空气道、干燥室、分解室、燃烧室、转化器以及冷凝器在旋转体中安装的情况。图5说明只有部分燃烧空气道和燃烧室是在旋转体内安装的情况。图1-3和5说明旋转体水平安装的情况。图4说明倾斜的情况。图2和5说明直径是恒定的情况。图1说明步骤变更的情况。图3和4说明逐渐变更的情况。图6和7说明不使用旋转体的本发明理想实施例的垂直面。图6说明用于留下不大燃烧残渣的废物设备。图7说明用于剩留大量燃烧残渣如轮胎或FPR的废物设备。
图8-13说明转化器的前视图和右侧剖视图,其陶瓷制品是板式或布状的。
符号的说明。
1.废物储槽 2.不良气味管
3.粉碎器 4.搅拌器/收集臂
5.废物导引器 6a轮胎支持板
6b.轮胎固定架 6c.残渣档板
6d.残渣贮槽 7.碱贮槽
8.碱导引器 9.干燥室
10.废物运输装置 11.热反射器
12.分解室 13.废物运输装置
14.热反射器 15.废物出口管
16.通风器 17.灰分通风器
18.热转送片 19.燃烧空气道
20.灰分运输装置 21.二次燃烧空气喷嘴
22.一次燃烧空气喷嘴 23.灰分燃烧空气喷嘴
24.碱扩散器 25.燃烧室
26.具有点火器的引导火 27.燃屑运输装置
28.级联台阶 29.废物扩散器
30.烟雾均化器 31.热反射器
32.烟雾支管 32.主温度传感器
34.二级温度传感器 34a初燃烧空气温度
34b蒸汽管温度 35.转化器
36.陶瓷制 37.飞灰去除器
38.冷凝器 39.冷凝器片
40.热利用装置管 41.热接受板
42.洗涤器 43.O2传感器
44.排气扇 45.灰分出口管
46.灰分贮槽 47.洗涤器溶液排出装置
47a.循环溶液排出装置 47b.冷凝水排出装置
48.热交换器 49.排水槽
50.洗涤器溶液槽 51.泵
52.保护壁
53.除雾器 54.外壁(热绝缘的)
55.中间壁 56.内壁
57.旋转推进器 58.轮胎
59.引导火架 60.垫片
61.外部燃烧空气道 62.废物推料机
63.中和剂值 64.中和剂入口
65.热利用装置入口 M.马达
F.扇 P.泵完成本发明的最佳方式
对于本发明来说,可处理各种类型的废物和选用用于各种形式或状态废物的设计的各种类型焚烧炉作为燃烧室。选用旋转窑完成本发明的这种方式对于降低污染物排放量是比较有效的,如果不选用旋转窑,易于与如热利用或废物状态相配合,单位容量的制造成本要求低,并能是一个很大的装置。
使用图1-7进行描述。
图1说明的方式是燃烧空气道19、干燥室9、分解室12、燃烧室25、转化器35和冷凝器38安装在水平方式放置的旋转窑中。该窑的直径逐渐变化并且洗涤器42与其成为一整体,设备的本身可以起到进料与排出物之间逆流热交换器的作用。废物借助于具有螺旋浆叶的导引器5从废物储槽1经粉碎器3被定量引入干燥室。废物贮槽中的不良气味经不良气味管2吸入干燥室。碱通过碱导引器8由碱槽7定量引入干燥室。废物管中的热反射器11,14可防止回火。长管可省略燃烧室的敞式观察口,它沿着旋转窑的轴从废物引入端插入,包括带点火器和温度主传感器(热电偶)的引导火26。废物运输装置10,13和燃屑运输装置27是由具有斜板的下垂条板制成的。灰分运输装置20是由间断的多个螺旋板制成的。废物推料机62是由具有斜板的长的下垂板制成并在直径变化区内输送废物。内壁56和中间壁55具有螺旋板37,39,用于舀出冷凝水。只有部分洗涤器溶液被引入冷凝器38而且洗涤器循环溶液排出装置47a与冷凝水排出装置47b是分开的,在47b中向热量利用装置供应的水是预先由48加热的。加热的水流出冷凝器的大直径部分并加热65,40。由于冷凝面积大提高热利用装置的效率,所以本方式适用于易于切割成小的并具有宽范围燃烧热的废物。
图2说明的方式是燃烧空气道19、干燥室9、分解室12、燃烧室25、转化器35和冷凝器38安装在水平安置的旋转窑中。窑的直径是恒定的,设备本身可在进料和排出物之间起到逆流热交换器的作用。洗涤器42是独立的,中和液通过阀63进行调节再供到冷凝器。废物通过废物导引器5由废物储槽1定量引入干燥室。废物贮槽中的不良气味经过不良气味管2吸入干燥室。废物管道中的热反射器11可防止回火。引导火架59,包括带点火器的引导火26和主温度传感器(热电偶)33,它是沿旋转轴插入并使其轴向摆动但藉助于万用接头阻止其旋转,为的是与固定基础连接。废物运输装置10,13和燃屑运输装置27是由具有斜板的下垂条板组成的。灰分运输装置20是由间断的个多螺旋板组成的。内壁56和中间壁55中的每一个都具有螺旋形物37,39,用于舀出冷凝水。图1-4中的旋转体是最简单的。本方式适用于无水废物。
图3说明的方式是燃烧空气道19、干燥室9、分解室12、燃烧室25、转化器35和冷凝器38安装在水平放置的旋转窑中,其直径逐渐变化并且洗涤器42与之整体化,设备本身在进料和排出物之间起到逆流热交换器的作用。废物通过具有螺旋浆叶的废物导引器5从废物储槽1经粉碎器3定量送入干燥室。废物贮槽中的不良气味经由不良气味管2吸入干燥室。碱通过碱导引器8由碱槽7定量送入干燥室。废物管道中的热反射器11,14能防止回火。引导火架59,包括带点火器的引导火26和主温度传感器(热电偶)33,是固定在机座上。废物运输装置13和燃屑运输装置27是由具有斜板的下垂条板组成的。灰分运输装置20,废物运输装置10,62和冷凝器片39是由单一连续不断螺旋形物组成的。具有斜板的长下垂板37,把飞灰从转化器运送到冷凝器。冷凝器水通过直径变化和螺旋板39而排出。由于冷凝面积大,所以本方式适用于轻度潮湿的废物。
图4说明的方式是燃烧空气道19、干燥室9、分解室12、燃烧室25、转化器35和冷凝器38安装在倾斜的旋转窑内,窑的直径逐渐变化且洗涤器42与之整体化,设备本身在进料和排出物之间能起到逆流热交换器的作用。废物通过具有螺旋浆叶的废物导引器5由废物储槽1经粉碎器3定量送入干燥室。废物贮槽中的不良气味经不良气味管2吸入干燥室。碱通过碱导引器8从碱槽7定量引入干燥室。废物管道中的热反射器11,14能阻止回火。包括带有点火器的引导火26和主温度传感器(热电偶)33的引导火架59,固定在机座上。陶瓷块组35被含有ZnO2、球状粉末的耐火水泥所固定。废物运输装置10,13和燃屑运输装置27是由下垂板组成。灰分运输装置20、废物运输装置62和冷凝器片39是由单一连续的螺旋形物组成的,具有斜板的长下垂板37可把飞灰从转化器除去送到冷凝器。冷凝水通过直径变更和螺旋板39舀出。由于热的冷凝水形成水池,所以废物易于干燥。由于冷凝面积大,所以本方式适用于湿废物。
图5说明的方式是仅有燃烧室25和部分燃烧空气道19安装在水平放置的旋转窑内,其余的燃烧空气道19、组合废物储槽1,9的干燥室、分解室12、转化器35、冷凝器38和洗涤器42固定在机座上。由于它们全部整体化,所以设备本身能在进料和排出物之间起到逆流热交换器的作用。废物与碱混合并通过干燥室1,9中的臂4搅拌,再通过具有螺旋形物10与带孔的中空转轴2的废物运输装置5经分解室定量引入燃烧室,其支管水蒸汽和槽或分解室内的挥发性物质如不良气味均引入燃烧室。中空转轴可阻止回火。包括带点火器的引导火26和主温度传感器(热电偶)33的引导火架59,固定在机座上。燃屑运输装置27是由具有斜板的下垂条板组成。灰分运输装置20由间断多个螺旋板组成。考虑到飞灰,陶瓷制品的形式下部制成辐射状而其上部制成模子和套组状。
本方式适用于燃烧热很大或难于切碎的废物,因为热回收稍微差些。
图6说明的方式是空气道19、干燥室和废物储槽1,9、分解室12、燃烧室25、转化器35热利用装置、冷凝器38和洗涤器42整体安装致使设备本身能在进料和排出物间起到逆流热交换器的作用。废物与碱混合并通过干燥室1,9中的臂4搅拌,再借助于具有螺旋形物10、搅拌臂4和带孔的中空转轴2的废物运输装置5,经分解室定量引入燃烧室,其支管水蒸汽和干燥室或分解室内的挥发性物质如不良气味送入燃烧室。中空转轴能阻止回火。搅拌臂是要这样弯曲,以便聚集废物。当设备具有许多废物导引器时,该设备是大的或巨大的。废物通过废物扩散器29在燃烧室内均匀地扩散。考虑到飞灰,把陶瓷制品的下部制成辐射状而其上部制成模子和套组状。一次燃烧空气喷嘴22、二次燃烧空气喷嘴21和灰分燃烧空气喷嘴23均由管组制成,其下部侧面上的孔要这样排成直线,以使燃烧空气均匀地供应。冷凝面积大提高热利用装置的效率。本方式适用于具有中等或高燃烧热,只留下很少的灰分、产生的污染物很少且易于切碎或很难切碎。
图7说明的方式是适用于燃烧热高、残留物尺寸大但灰分少的无水废物。废物如轮胎其切割所需费用大,因为刀具是昂贵的,所以使定量供应废物和取出残留物是困难的。因此把灰分、残留物和废物和与燃烧空气和废气的热交换的物体隔断。使燃烧空气道、分解器12、燃烧室25、转化器35、冷凝器38和洗涤器42是如此成一整体以致设备本身能在燃烧空气和废气之间起到逆流热交换器的作用。6a、6b和6c全部以实线安排在所述的位置上。轮胎定位框架6b拉到虚线,轮胎支持板6a也拉到虚线。轮胎从轮胎贮槽1落入轮胎定位架。轮胎支持板立即返回起先的位置,轮胎定位架也返回原来的位置而使轮胎置于分解室。轮胎在用调节灰分通风器17的灰分燃烧空气在分解室内定量分解且缓慢燃烧并且分解的/蒸发的气体在燃烧室内燃烧。轮胎烧尽后残留物留在架6b中。轮胎档板6c拉出到虚线。然后轮胎定位架后拉到虚线。残留物落入残渣贮槽6d。所有的部件都返回以实线描绘的起始位置上。轮胎必须在借助于初始加热使初燃烧空气温度34a达600℃后引入分解室。在分解室中,轮胎缓慢分解、蒸发和燃烧,灰分和燃屑落到级联台阶28上而尺寸大的残留物则留在分解器中。燃屑在级联台阶上完全燃烧,在那里有引导火并供应新鲜的燃烧空气。甚至在轮胎定位架拉出且设备内部暴露时,借助于通风器16,17和排气扇44之间的容量差,也能防止烟雾从设备中泄漏。如轮胎接触热的架子时产生的气体不会泄漏,因为保护壁52里面的空气是通过通风器16吸入设备的。具有若干套轮胎导引器6a、6b、6c、6d的设备能稳定分解室的温度并高效率进行处理。通过多个碱导引器8把碱从碱储槽7定量供应到燃烧室25。碱在燃烧室内均匀扩散并成为飞灰。一级燃烧空气喷嘴22、二级燃烧空气喷嘴21和灰分燃烧空气喷嘴23的每一个都是由管组构成,在其下面的侧面上的孔要这样排成直线以使燃烧空气均匀地供应。工业用途
有关本发明的设备仅需非常少的辅助燃料,仅排放非常低污染物浓度并能选用于各种类型的废物,如具有很高燃烧热值的橡胶和塑料、含有大量水且难于燃烧或点燃的污水沉渣滤饼、遗留有大尺寸残余物的轮胎和FRP。本发明可用于水泥或生石灰的生产。
Claims (5)
1.一种废物焚烧炉设备,它包含燃烧空气道(多)、分解室(多)、燃烧室、催化转化器和水蒸汽冷凝器,使能在燃烧空气和废气之间进行逆流热交换。
2.一种焚烧炉,在其中和/或在其外将废物与碱混合且该炉包含燃烧空气道(多)、分解室(多)、燃烧室、催化转化器和水蒸汽冷凝器,使能在燃烧空气和废气间进行逆流热交换,热交换的高温燃烧空气流以与灰分移动相反的方向流动且与灰分接触。
3.一种焚烧炉,在其中和/或在其外将废物与碱混合且该炉包含有燃烧空气道(多)、分解室(多)、燃烧室、催化转化器和水蒸汽冷凝器,使在空气和废气之间能进行逆流热交换,热交换过的高温燃烧空气流以与灰分移动相反方向流动并与灰分接触,全部或部分燃烧空气道(多)是安置在热绝缘外壁的内部,全部或部分洗涤器溶液被引入水蒸汽冷凝器,且催化转化器外侧被热利用装置冷却。
4.一种焚烧炉,在其中和/或在其外将废物与碱混合且该炉在旋转体中包含有燃烧空气道(多)、干燥室、分解室、燃烧室、催化转化器和水蒸汽冷凝器,洗涤器和热利用装置与它们成为一体,废气和灰分能与燃烧空气和废物以逆流热交换方法进行换热,燃烧空气在热绝缘的外壁内流动,所有的或部分洗涤器溶液被引入水蒸汽冷凝器。
5.一种焚烧炉,在其中和/或在其外,将废物与碱混合且该炉在旋转体中包含有燃烧空气道(多)、干燥室、分解室、燃烧室、催化转化器、水蒸汽冷凝器和用于起始加热和维持火焰的引导火,洗涤器和热利用装置与它们成为一体,使废气和灰分能与燃烧空气和废物以逆流热交换方法进行交换热,燃烧空气在热绝缘的外壁的内部流动,全部或部分的洗涤器溶液被引入水蒸汽冷凝器,催化转化器的外侧被热利用装置冷却,且高温燃烧空气流动以与灰分接触。
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