CN1311193C - 利用工业用燃烧设备的废液的焚烧处理方法及混合液体 - Google Patents
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Abstract
利用工业用燃烧设备的废液的焚烧处理方法及混合液体,探讨了适用前研究项目171、适用前提条件项目172和适用研究项目173,之后进行适用后运用项目174和适用后确认项目175。使用工业用燃烧设备对废液进行焚烧处理可以防止在环境中产生二噁英。
Description
技术领域
本发明涉及利用工业用燃烧设备的废液的焚烧处理方法和混合液体
技术背景
以前,在进行工厂等工业活动的场所产生作为副产物的废液等。废液一般主要是通过废弃物焚烧设备等进行焚烧处理。以下对废液的定义,处理方法,处理设备等进行说明。又,根据本发明,对于废液焚烧处理时所使用的工业用燃烧设备及其构成,以及所使用的各种装置和技术等,或对于二噁英类公害成分相应的对策进行一一陈述。
[废液]
首先,所谓废液,是指随着在工厂等的生产设备和医疗、研究机构等的工业活动而产生的副产物,所含热能换算成燃料时的价值作为燃料及其以上的价值不能贩卖出去的物质,在最适合用焚烧,填埋,排水处理等一般的废弃物处理的物质中,特别是最终处理形态为液体的物质。
废液进一步可分为含有无机类的酸、碱、盐类等无机废液和含有有机类的酸、碱、有机化合物等的有机废液。这里,无机废液因为用中和沉淀等处理比较容易净化,不会对环境产生太大的危害。
然而,对于有机类废液,浓度低的时候可以采用生物处理的方法净化,但是浓度高的废液和含有不适宜生物处理的成分的场合,处理起来比较困难。
有机类废液可进一步分为与亲水性水任意混合的、亲油性油任意混合以及乳液性水和油达到乳化状态的3种混合类型,亲水性的废液称之为废水,亲油性的废液称之为废油。
以下对于传统的废液处理方法加以简要地说明。工厂里的废弃物,主要是工业废弃物,被处理工业废弃物的专业单位拿走,由他们用掩埋、蒸发干固及在燃烧器内进行焚烧等方法处理。此外,有些单位则利用自备的燃烧器进行焚烧处理。
此外,与废液稍有不同的以植物等纤维素和糖分等为原料的粗制酒精也适用本技术,无需对工业用燃烧设备进行大幅的变更,能够安全并且合理的利用热资源,所以在本说明书中也可以当作废液来对待。
又,乳液用水通常为下水道水,工业用水,地下水,河水,雨水等通常的乳液燃料用的水,由于其中含有的成分和PH值或者氧化还原电势等产生和废液相同的问题,因此本发明也适用于这些问题的解决。
[废液燃烧器]
处理废液的废弃物燃烧器特别称为废液燃烧器。废液燃烧器原则上带有对具有自燃性燃料进行喷雾的主燃烧器,该主燃烧器兼有维持炉内温度以及对燃烧性废液的点火的作用。
废液,在使用该主燃烧器进行燃烧的炉内,被喷雾成雾状。此时,具有燃烧性的物质形成2次火焰,对于不具有燃烧性的废液,水分蒸发后,利用氧化反应有机物被热分解。
伴随着近年来对二噁英规定的强化,以前只是使炉温维持在废液蒸发的程度,但是现在炉温维持的基准被强化,必须维持800℃以上的燃烧炉温度。
[工业用燃烧设备]
工业用燃烧设备是指将伴随燃烧反应产生的热量作为产业用能源利用的设备的统称。主要根据燃烧室的压力以及是连续燃烧还是间歇燃烧来进行分类。
[具有大气压附近压力的燃烧室的工业用燃烧设备]
主要以送风机作为送风手段,在大气压前后的0.01MPa内的炉内压下进行燃烧的燃烧设备中,以热的形式利用其热能的设备。原则上是采用全部连续式燃烧的运作形式。
(锅炉)
对水、热媒油等的热介质进行加热,制造过程中,利用热介质进行间接加热的设备。有蒸汽锅炉、热水锅炉、热介质锅炉等等。同时,吸收式冷冻机也归入该类。
(工业用炉)
由于直接给与制品热能,在制品加工中,前述的热介质间接加热的场合,温度低,所以要使用工业用炉。有燃烧器、溶解炉、干燥炉、加热炉等等。
[燃烧室压力在2倍大气压以上的工业用燃烧设备]
由压缩机和活塞构成的压缩机压缩空气,使炉内压力达到几倍大气压以上进行燃烧的燃烧设备,其目的是主要利用热能的作用使气体的动能转变为机械能。
(气体涡轮机)
以连续燃烧为特征,利用高压排放气体的动能让称为涡轮的风车转动,以此进行发电,从而利用机械能。一般对于其排放气体,在利用称为废热锅炉的热媒的设备中,进行热回收,从而提高整个体系的热效率。
(柴油机)
以间歇式燃烧为特征,利用活塞向被加压到数MPa的高温压缩空气中喷射燃料,使其自燃,燃烧热使得气体膨胀,从而使得活塞被压下而得到机械能。从燃料产生出机械能的转变效率高,但是因为必须对气缸和活塞进行冷却,所以整个系统的热效率比气体涡轮机差。
(直喷汽油机)
以间歇式燃烧为特征,和柴油发动机同样要向压缩空气中喷射,但是原则上喷射燃料不具有自燃性,使用称为点火销的火种进行点火,产生热反应。
近年来,为了改善燃料费用和降低NOx,采取了燃料和空气的混合的方法,调整喷射时间,点火时间等,使得没有扩散燃烧,并且使其在预混合燃烧的附近进行理论燃烧的倾向增强。
[对应热能需求量燃烧负荷变化的工业用燃烧设备]
蒸汽锅炉随生产过程中的蒸汽需求量蒸气压发生变化,而热水锅炉以及热介质锅炉随生产过程中的热消耗其热水或热介质的温度也会变化。这些变化使燃烧量变化或自动停止,对于热能的利用形态为电力的场合,也出现生产过程中对应于要求的电力燃烧量发生变化或自动停止的现象。
又,各种工业用炉对应于作为加热对象的制品和炉内气氛温度等控制或停止燃烧量。
(锅炉构成实例)
图24为中小容量比例控制式锅炉的燃烧手段中的液体燃料供给管线的构成实例。图25是在大容量锅炉中含有多个燃烧器的锅炉用燃料供给管线的构成实例。虽在燃烧器是1个还是多个上略有不同,被燃料泵2加压的燃料,用燃料流量调整阀4来控制流量,该控制信号转变为锅炉的蒸汽压力信号;这些与控制送风机46的送风量的风门47的开度控制进行联动,成为其特征。
就中小容量锅炉而言,燃料流量调整阀和风门的开度控制通过凸轮机构,进行机械式连接的场合较多,而对于大容量锅炉,利用称作级联控制的PID回路及其调节器,一般采用电气或气压控制。
送风机的管道,图25与图24相同,故在此省略。
(燃烧器构成实例)
图26是工业炉的内燃烧器的液体供给线路的构成实例。采用送风机送风,焚烧对象从上部注入,焚烧结束后从下部排出,为了冷却焚烧结束后的制品,从下部送风口送风。
但是,为了在燃烧器中形成火焰必须要送风,所以要在此燃烧系统中配置分支的送风管道。各种燃烧系统的燃料调整阀和风门根据燃烧量来控制最佳送风量,与锅炉不同,燃烧系统、燃料调整阀和风门都是独立的。
工业用炉的特征之一是燃烧在压力和大气压相同时、或稍低时,在比较宽敞的燃烧室内进行燃烧,对于直接制品的加热和干燥用途,可用其火焰或燃烧气。
另外一个特征,燃烧量的控制对象,象蒸气压那样,多数情况,不能把燃烧量的全体作为控制对象,所以如同图26那样,有必要对用火焰或燃烧气进行加热的部分进行个别的温度控制。
工业用炉有各种类型,原则上具有使用液体燃料的燃烧系统,具备上述特性;这些设备进行以温度作为控制对象的燃烧量的控制和ON/OFF控制,是作为本发明对象的设备。
(气体涡轮机构成实例)
图27是具备液体燃烧系统的气体涡轮发电机的构成实例。气体涡轮机,用压缩机211,将空气压缩5-15倍,然后将压缩气体送至燃烧室18,同时对燃烧室周围进行冷却。
压缩机内的压缩,因理论上是绝热压缩,高压空气具有300-600℃左右的温度,使得燃烧具有非常好的条件。
经过燃料泵2加压的燃料,经由燃料流量调整阀4向燃烧器9中喷雾,在以上的高温高压空气中燃烧。燃烧同时,一面维持燃烧室的压力,另一面因为伴随温度上升燃烧气体的体积膨胀,使能量转变为让涡轮机212转动的能量。
涡轮机的旋转能量通过主轴传动,在产生前述压缩机的驱动力的同时,由发电机213转变为电能。对应于发电量扭矩一发生变化,主轴速度也就变化,所以一般的方法是通过控制前述燃料流量调整阀的燃料量,调整燃料量来调整转速,以进行电力调整。
(柴油发动机的构成实例)
图28是柴油发动机的燃料系统的构成实例。经过燃料泵2加压的燃料,经由喷射泵218,用燃料压力调节阀3控制压力,再回到燃料泵,形成循环回路。
柴油发动机利用汽缸220和活塞221形成的空间容积的变化压缩空气,压缩空气使曲轴222运转,同时利用燃料凸轮216使发动机往复运动,进行泵作用的喷射泵218的高压燃料,通过喷射阀219喷射燃料,由此使燃烧热能通过曲轴对外输出为动能。
本构成实例是利用动能、用发电机213供给电力的系统。发电负荷一旦变化,扭矩也发生变动。对于同一燃烧量而言,因上述变化表现为转速的变化,所以有必要保持一定的转速。
要想使转速一定,其图略,有被称为调速器的调速装置,它通过锁柄217操作控制台。控制台使喷射泵内的柱塞轴和联动的控制小齿轮旋转。喷射泵内的柱塞上,有引导的沟槽,利用该引导沟槽和喷射泵的气缸上开孔的相对位置来控制燃料吞吐量,使扭矩发生量和发电负荷平衡。
其他情况,如可移动的设备,也有操作直接控制台,变更旋转速度控制方法,与本图所示的燃料体系无差异。
[液体燃料]
通常是指原油或者从原油中分离精制得到的汽油、灯油、车油、重油等,天然气和从煤或生物中得到的油脂以及由糖份合成的各种液体燃料在本技术也可使用。
[燃烧系统]
通常被称作为燃烧器,表示在燃烧室中进行雾状喷雾、燃烧的喷雾装置,其中维持燃烧的吸孔、挡板、燃烧锥等的保焰装置和控制空气流动与对流、调节火焰形状的调节控制装置及2、3次空气口等也构成燃烧系统的一部分。
[燃烧器]
(蒸汽喷雾燃烧器)
·内部混合式
图29为内部混合式燃烧器的示意图。
·中间混合式
图11为中间混合式燃烧器的示意图。
·外部混合式
图30为外部混合式燃烧器的示意图。
不过,蒸气喷雾燃烧器,只有用压缩机加压的高压空气(达到与蒸气压力同等的压力)才能喷雾。
(旋转燃烧器)
图31为旋转燃烧器的示意图。
(回复压力喷雾式燃烧器)
图32为回复压力喷雾式燃烧器的示意图。锅炉或气体涡轮机都可以采用这种形式的燃烧器。
(压力喷雾式燃烧器)
该燃烧器是指一边由于燃料油的压力使燃烧器喷嘴的前端产生涡流,形成油膜,一边进行喷雾,形成具有微细中空型喷雾粒子的喷雾状态的燃烧器。因为压力一降低,喷雾粒径和喷雾形态就会发生大幅变化,所以燃烧量就发生变化,这种情况下原则上有必要改变燃烧器的个数。
(低压喷雾燃烧器)
利用送风机得到一定程度低压空气进行喷雾的燃烧器,各种工业用炉多采用该类型的燃烧器。
(燃料喷射阀)
基本上用于柴油发动机,在气体涡轮机等的场合,利用燃烧个数可变来进行燃料量控制的时候,为了不因高温使燃料碳化、或高压气体无法再回到燃料体系中,根据柴油机用喷射阀的结构,带有喷嘴喷口和遮断燃料系的结构,两者都称为燃料喷射阀。
基本上是具有随着燃料油压的上升喷口打开的阀结构的喷雾喷嘴,柴油发动机的场合,多采用多喷口喷嘴的形式,而气体涡轮机的基本构成和压力喷雾式燃烧器相同。
对于电子控制的燃料喷射系统,燃料喷射阀本身带有圆筒形线圈,利用圆筒形线圈的信号的开关进行仪器的开和关,也可以实现开关计时和喷射次数的控制。
[火焰保护装置]
有与挡板,燃烧器锥等各种形状相适应的称呼,基本上设在燃烧器喷雾带附近的负压区,系利用燃烧火焰的一部分恢复,形成稳定的火焰带所必需的。
[空气混合装置]
常被称作为风门,促进燃料油滴和空气的混合,同时调整火焰的形状,形成与燃烧室相匹配的良性火焰。
在前述的燃烧器中,蒸气喷雾式、回复压力喷雾式、压力喷雾式燃烧器等都有使用,根据不同的燃烧量,有一面变化旋回翼的角度,一面变化一次空气和二次空气的比率这样的结构,和固定式的结构。
[调低比]
调低比是指比例控制式燃烧设备中有燃烧可能的最低燃烧量和最大燃烧量之比。调低比最小的是压力喷雾式燃烧器,为1∶2,最大的是蒸气喷雾式燃烧器,到1∶10为止,粒径增大的可能性不大,可以燃烧。
但是,因火焰保护装置和空气混合装置的性能,实际设备的调低比大多是因设备而异。
[燃料、液体输送系统]
本发明使用的燃料和废液采用称之为液体输送系统的方法输送。
[落差]
利用液体质量的概念得到。
[容积式泵]
使用动力进行密闭空间容积的压缩伸展,进行流体吸入和吐出。
(齿轮泵)
是一种回转式泵,利用齿轮构成的密闭空间进行工作。
(阀式泵)
是一种回转式泵,利用阀门的可动板和偏芯在筒内形成的密闭空间进行工作。
(罗茨泵)
是一种回转式泵,利用2组繭玉形的罗茨形成的密闭空间进行工作。
(柱塞泵)
是一种往复泵,利用活塞和气缸形成的密闭空间工作。
(隔膜泵)
是一种往复泵,利用橡胶和薄金属板的弹性变形形成密闭空间进行工作。
(螺旋泵)
具有螺旋形状的转子和与之对应的定子,利用称作空转轮的副螺旋部形成的密闭空间进行工作。
[非容积泵]
在利用离心力、叶片产生的推力或流体的摩擦力的输送手段中,应用其液体的电磁力原理构成的泵。
(离心泵)
是利用对液体施加离心力的泵,有单段或多段涡轮泵等。
(轴流泵)
是利用在螺旋桨施加推力的泵,有单段轴流泵、多段轴流泵。
(摩擦泵)
是利用液体的摩擦力,产生流速的泵,也是利用方向急剧变化时产生的冲击力,使单段具有更高输出压的泵。有级联泵,沃斯泵等。
[流量控制系统]
在本发明中,是为了控制流体流量所用的系统。
[流量控制阀]
流量控制阀具有这样的特征,它根据在容许设定范围内任意改变被称作阀CV值的系数值,通过规定的流量。一般多是球形阀,也有各种形状的球阀。
这种方式对于粘度低的流体有效,利用一般的流量检测装置和压力检测装置,不进行反馈控制,就不能实现精密控制
[泵的转速控制]
通过改变前述容积式泵的转速,一面进行液体输送,一面进行流量控制的控制系统。不论是往复泵,还是用凸轮把转动变为往复运动的泵都可以利用本控制方法。
这种方法对于粘度比较高,润滑性高的液体有利。如果选定内部泄漏少的泵,即使使用开式控制(不对压力和流量进行反馈控制)精度也很高。
还有,如果精度要求不高,即使是非容积式泵,也可以用转速控制进行流量控制。但是,其被限定在压力变动小的用途,对于精密控制来说反馈控制是必要的。
[基于脉冲泵脉冲数控制]
在前述的容积泵中,被往复式泵利用,由于电磁力的输入产生的往复动能作为泵的驱动力,通过输送控制电磁力输入的脉冲列,就能同时进行液体输送和流量控制。
一般由于脉动的发生,在注入量对于燃烧量而言较少的场合,及注入点在燃料流量调整阀的一侧、脉冲对燃烧器无影响的场合以外,应该使用。
[流量检测系统]
一般是指被称作流量计的传感器,流量计的种类很多,只要是能够定量检测出其他液体流量的仪器,也可以作为流量检测系统来利用。
[体积式流量计]
利用椭圆形齿轮、旋转活塞、罗茨等密闭空间的压缩伸展,正确测定流体的通过量。
[差压式流量计]
测定因通过隔板时的流体阻抗而导致的压差,进行流量测定
[涡式流量计]
通过测定三角柱下流侧发生卡曼漩涡的频率来测定流量。
[电磁流量计]
测定像水那样的导电性流体通过磁场时产生的起电力,进行流量测定。
[质量流量计]
利用科里奥利力,通过测定传感器的质量流量进行流量测定的仪器。
[涡轮流量计]
利用水车和螺旋桨的原理,根据对应于水流变化的转速,进行流量测定。
[比例运算系统]
作为比例运算手段,在对于相应于输入量(PV)预先设定的比率=设定值(SV)时输出量(MV)被决定的控制体系中,对应于PV的变化,相应于被设定的SV,MV发生变化,以此为目的进行的演算,PID算法是很早就知道的,也是一般的算法。
[PID运算器]
PID运算原理是,当PV=SV时,MV=50%输出,在称为P的比例带的上限,正比利时MV=100%,反比例时MV=0%;在比例下限时,与此相反作为P的控制原则。
但是,只是P控制,会有称作偏离的误差,即MV=50%以外的范围时无法消除PV和SV不一致的现象,这时,就要进行称作I的积分运算。积分运算就是在PV<>SV的条件下,偏差对偏差连续的时间进行积分,该积分值反映到MV上,这样,即使MV在50%以外的输出量的情况下也可实现PV=SV。
然而,积分运算是在稳定的控制系统中优良的运算法,在有急剧变动的控制系统以及要求及早做出反应的用途中有一定限制,所以多和称作D的微分演算并用。
微分运算是在一定时间内PV的变化率反映于MV上的运算,例如,以反比例为代表的加热控制中,在检测温度急剧上升的场合,微分运算就是在抑制温度上升的方向、即MV减小的方向上进行运算。
还有,在控制延时MV值的变化使PV变化出现的时间差少的控制系统中,(例如:高速响应的压力传感器的值是PV,流量控制阀的输出值是MV,设定压力为SV所构成的压力调节控制系统),因P的幅度非常小,可顺利地进行I和D的演算,实质上不判断偏差,能实现稳定的控制。
又,响应延时非常大的控制系统,有自然冷却作用的大型水槽的加热控制等,只进行I控制没有问题。一般PI控制的系统较多,其控制有一定延迟,而在对于输出变化大,缓冲量小的控制系统中,采用PID控制。目前,还没有只有D控制的比例控制。
但是,现在的控制机械中,如果只有P运算和只有I运算,因产品成本也没有大的改变,故即使只有P演算的场合(按照设定),为了表示方便也统称为PID运算器。
[级联控制]
在前述的PID运算中,对于SV的值是处于上级位置的PID运算器的MV的值的场合,这样得控制叫级联控制。例如锅炉的压力控制机构,由检出蒸气压力(PV)、决定预先设定的压力(SV)、目的输出(MV)构成的PID运算器是必要的。
而且,锅炉的燃料流量控制阀,流量不一定因MV值的大小成比例增加,所以以压力控制器的MV作为SV,流量计的信号作为PV,燃料流量控制器的输出作为MV的另一个PID运算器是必须的。
也就是说,两个PID运算器组合起来控制系统称作级联控制。这里,既有从主PID运算将MV分配到各个副PID运算器,也有从副PID运算器又向下级的PID运算器中对MV进行分配。
(反馈控制、闭环控制)
通常,用在级联控制的副PID运算器的控制方法中使用的语言来说,对应于从上级来的SV的值确认PV值,修正MV的值,以此来进行控制。
(开环控制)
在前述的流量控制中,如果流量控制器的开度与实际的流量一致的话,就没有必要使用从流量计中获得信号。但是,对于一致的方法,在对数一致与指数一致的场合,有必要进行用从上级来的SV校正MV的值的运算。这样,当不能确认本身的PV值时,就可把由上级来的SV变换为MV,按照这样的方式进行级联控制的控制体系称之为开环控制。
特别,在传感器中,容易发生故障的传感器氧气浓度计用于风门的开度修正时,如果传感器正常,则按照反馈控制,进行最适的氧气浓度的控制,而在异常的情况时,对应于SV预先调整值来设定风门的开度,这在实用方面是一种重要的控制方法。
(多要素运算控制)
在PID运算控制中,当有2个以上的外部信号(PV)时,进行MV的运算的控制称为多要素运算控制。例如,用加热器进行加温控制时,流量和加热器入口温度变化的控制系统的场合,基本是对加热器出口温度(PV)和设定温度(SV)进行PID运算,此时如果流量减少时,减少MV的增加。在入口温度降低的情况下,要增加提高偏压的辅助动作,来促进控制系统的稳定。
[模糊运算器]
前面的PID运算控制中,以PV的变化为基础进行正确的运算,确定MV。它们在用定义公式表达的简单控制系统的情况下,运行非常稳定,在实际的控制体系中,因为有各种扰乱的条件,无法按照计算进行控制的场合很多。
特别是,在D运算要求必要的高速控制系统的情况下,实际上D运算不起作用。很难求得D的最佳值。根据不同的状态改变D的值。根据状态不同也有把积分的积分值变为0的情况。但是,它们不能表示成明确的数字式,任何时候不起作用,或者无论什么状态时的D值设定成个值,或者什么样的状态时使积分值为0,等等,很明显有很多情况。
以前,对应于这样的条件判断,变化控制系统的参数,由此进行严密的运算,以响应性良好的控制为目的的控制法即模糊控制,进行这样控制的运算器是模糊运算器。
但是,模糊运算器,一般在什么条件时的解析,根据设计者的意图变化较多,可以广泛使用的制品较少,以微机回路和序列发生器等的程序实现的较多。
[降低Nox的方法]
NOx是氮氧化物的统称,NO及NO2统称为NOx。Nox一在大气中扩散,会引起呼吸障碍,减少和抑制排放是对社会应尽的义务。
[产生原因]
·热NOx
NOx产生原因,是伴随着燃烧空气中的氮气被氧化所致。这种情况称之为热NOx,燃烧的温度越高,或者除了缺氧燃烧,废气中的氧浓度越高越容易发生。
·燃料NOx
重油中有100-300ppm左右的氮是以吡啶或者其诱导体形式存在的,吡啶是将苯环中的一个碳用氮置换得到的,在用燃料的脱硫过程中也难于除去,很容易残留在重油,特别是C重油等的残渣油中。
燃料中含有氮成分,用燃烧可以使一部分由于还原反应还原为无害的N2,一部分就变成了NO或NO2的NOx。这就称之为燃料NOx。
·废液NOx
对于传统的燃烧技术而言,上述两点的NOx是主要问题,废液在燃烧设备中进行焚烧处理时,废液中含有的胺类等氮成分也是一个问题。
[关于抑制技术]
抑制技术有抑制产生和从排放气体中脱硝两种方法。因为NOx转变为N2时完全无害,故原则上优先考虑抑制NOx产生的技术。尽可能地抑制产生,尽管如此对于含量超过基本值的情况则采用脱硝设备。
[产生的抑制技术]
(低Nox燃烧器)
·多段空气吹入燃烧器
抑制喷雾后的空气比和火焰温度急剧上升的同时,形成还原火焰,抑制燃料中氮分的被氧化的燃烧方法,为避免产生发烟,可进行二次、三次的空气供给的方法。
对于内燃机,具有副燃烧室结构和原理是相似的。
图33是三段式燃烧结构的示意图。送风机46输送的空气,利用主风门233及辅助风门234来控制,分别被导入二次风箱和三次风箱中。二次风箱和一次风箱之间设有挡板,它是使一次空气压力随着二次空气压力上升也上升的机构。
在燃烧器9中进行喷雾燃烧的状态下,首先一次空气在吸孔236中进行回旋,在燃烧器喷雾后形成稳定的保焰带,使火焰稳定。但是,如果只是一次空气,因为氧气不足,缓慢燃烧在水冷壁形成火焰。然而,从二次风箱中来的新鲜空气在水冷壁上流动,火焰接触水冷壁,形成一段一段,燃烧性得到改善,火焰向燃烧室的后部流动。
虽然经过该阶段能够期待实现低NOx化,但是为了使二次空气也完全燃烧,如抑制到不足的程度,即使二次燃烧区域中燃烧不充分,因此可以进一步吹入三次空气,从而使得残余可燃成分燃烧,作为燃烧室整体不形成高温部,维持缓慢燃烧直至燃烧完全。
作为优良的低NOx方法,有必要对风箱和空气的喷出口等进行专门设计,在三次燃烧的场合,因为也要对锅炉进行一部分的改造,而在新设的锅炉上适用比较普遍。
·分割火焰燃烧器
在蒸气喷雾燃烧器中所见到的形态,因喷嘴形式疏松,火焰不互相干扰,利用促进火焰的冷却,试图降低NOx。
图34是分割火焰燃烧器正面的火焰形状的示意图。这里必须要调节风门等(使回旋流较少),掌握水管式锅炉角形燃烧室的特性,努力降低NOx,也是在已有的水管式锅炉能够使用的简便的降低NOx的方法。右边为标准的火焰形状。有燃烧形状、低燃烧区域容易不稳定的弱点。
·自我排放气体再循环燃烧器
该方式利用将燃烧室内的废气的一部分回送到火焰的一次侧,使燃烧用空气的氧气浓度降低,从而达到降低NOx的意图。
图35是自我排放气体再循环燃烧机构的示意图。一次风箱236及燃烧器9,其前端突出直到燃烧室18最里面,与火焰一起燃烧用空气被强力吹到中心部。一次空气在喷口附近喷出时由于空气高速流动形成负压,可以将周围的空气卷入其中。如箭头所示的那样,产生卷回的空气流,形成被某程度水冷壁吸热降低温度的排放气体,被卷入到一次风箱吹出的空气中,作为供给燃烧器的空气,这样来进行到排放气体再次循环作用。
·浓淡燃烧燃烧器
在引导火焰的火焰带以后,采用形成稀薄火焰的火焰带等手段,避免在理论空气比附近进行燃烧,从而控制火焰的最高温度,以实现低NOx化。
有时也称之为稀薄燃烧的燃烧器,不达到作为予混合火焰用通常的点火法不能燃烧的稀的混合率,降低NOx的效果几乎没有,所以一般用作点火时燃料浓度较浓的范围,发明人称之为浓淡燃烧燃烧器。
图36是在气体涡轮机中浓淡燃烧结构的示意图。从主燃烧器262中喷雾出的燃料,吸孔235的保焰带形成稳定的火焰。从辅助燃烧器263喷雾出的燃料,可以实现不具有依靠主火焰因保焰使温度容易升高的保焰带的稀薄燃烧,防止NOx上升的同时,降低使主火焰燃烧的氧气浓度,从而能够抑制主火焰的NOx的上升。
燃料分别用主燃烧器用主燃料管道260、辅助燃烧器用辅助燃料管道261独立控制,对应于燃烧负荷,通过调整主火焰和辅助火焰的燃料比率,一面降低NOx,一面维持火焰的稳定。
还有,气体涡轮机象前述的多段空气吹入那样分成3~4段向燃烧室中供给空气,这是因为气体涡轮机和锅炉相比要进行特别过剩气体比的高燃烧,如果在一段将全部的空气送入燃烧器的话,就会使火焰过冷而不能稳定燃烧。
原则上,因为在一次空气(从燃烧器出来的空气)中被送入大约可能完全燃烧的空气,按照多段燃烧的理论不能降低NOx。在一次燃烧带超过时供给的二次空气,可以促进更早的完全燃烧,同时进行一定程度的稀释,稀释区和冷却区和空气量增加,出冷却区导入涡轮机中时的排放气体中氧气的浓度约为16%。
(水喷射)
是通过向火焰带喷射水、利用水的蒸发潜热和水蒸气的吸热抑制火焰最高温度的技术。
因注入方法容易导致HC和CO增大。
图37是浓淡燃烧之外进行水喷射的示意图。配置在燃烧室18的二次空气入口前后,利用水喷射喷嘴267,NOx值或者燃烧量成比例的纯水被喷向二次燃烧带。一般对于汽轮机燃烧器而言,为了维持燃烧性,象本示意图那样,向二次燃烧带喷雾的例子较多。
顺带说一下,对气体涡轮机中的一次燃烧带和二次燃烧带进行水喷射的效果是,每向一次燃烧带喷雾注水1%约降低1%的NOx,每向二次燃烧带喷雾注水1%约降低0.5%的NOx。当然,二次燃烧区也因燃烧量以及喷雾形状等因素而有差异,对于效果高的一次燃烧区,水喷射困难的理由是由于水难于均匀作用在火焰上,如喷雾不均一,难以形成十分强的火焰的一部分还会消火,从而成为HC和CO上升的原因。
(蒸汽喷射)
通过向火焰带喷雾水蒸气,由水蒸气的空气的稀释效果和水蒸气的吸热来抑制火焰最高温度的技术。在气体涡轮机的场合,喷射的水蒸气,因也有助于涡轮机的输出,效率不会降低。
如果水喷射喷嘴变成蒸汽喷射喷嘴,则变成用蒸汽喷射方式来降低Nox的方法。蒸汽喷射对于一次火焰更容易均一地作用,因为是气体,一增加量会阻断燃烧用空气等。此外,蒸汽喷嘴的物理形状使其在气体涡轮机的一次燃烧域难以配置,因此多用于对二次燃烧域的作用。
还有,利用组合循环等,为了涡轮机输出增加而进行的蒸汽喷射,是几乎不能得到降低NOx效果的稀释空气领域以后的喷射,与降低Nox的方法有所不同。
(排放气体再循环)
让排放气体的一部分和燃烧用空气混合,使之燃烧,由此抑制最高火焰温度,同时因为空气流速提高,不让是燃烧性过分恶化的技术。
图37是排放气体再循环式燃烧设备的构成示意图。该燃烧设备适用于不要求特别低的NOx的标准化燃烧设备。燃烧用空气用送风机46送入,由主风门233控制流量,导入一次风箱236,作为燃烧器9的燃烧用空气供给燃烧室18。辅助风门234,利用降低送风机入口的压力的方法,从烟囱(烟道)出来的排放气体经由再循环管道240吸入送风机。这样做的目的是在燃烧用空气的一部分中排放气体进行再循环,因为燃烧用空气中的氧气浓度降低,通常情况下,NOx的上升一定程度上强化了保炎带,并且因为与能进行短焰燃烧的空气流组合,通常通过氧气浓度火焰和长度不变化的燃烧,实现低NOx化。
但是,由于排放气体回到一次风箱,在燃料中含有硫磺成分的场合以及排放气体温度是易形成结露的较低温的场合,因为成为燃烧控制装置的故障原因而不能使用,如进行发烟等异常燃烧,会因燃烧室中堆积的煤和未燃气体等引起火灾,故有必要加于注意。
(水乳液燃烧)
是本发明的基本技术。通过喷雾水分散燃料的乳液燃料,一面进行燃料油滴的微粒化,一面根据与水喷射同样的火焰吸热作用抑制火焰温度,从而降低NOx。
对于残余炭分少的燃料,可以使NOx降低,但在炭分多的燃料的场合,就阻碍燃烧促进作用、象锅炉那样显示低的热NOx值得燃烧设备而言,NOx的值有时不变化。
因为有燃烧促进作用,所以不会增加HC和CO,并可以大幅降低煤尘。
(在线比例式混油装置)
像锅炉那样,在NOx规定值低的燃烧设备的场合,使用象C重油那样燃料中含有氮分的燃料,由于燃料NOx上升有超过规定值的危险。在这样的场合采用A重油等氮分含量少的燃料在C重油中按比例注入可以降低NOx。
[排放气体脱硝技术]
(湿式脱硝)
排放气体中的NO被臭氧和紫外线等氧化得到NO2后,可以用碱金属和碱土金属的氢氧化物的碳酸盐溶液吸收除去,存在硝酸盐的分离和后处理的问题。
(干式脱硝)
一氧化碳、烃类气体等的还原触媒法、氨触媒还原法之外,还有让氨作用于在1000℃附近的高温排出气体的直接还原法等。
还原触媒法,象汽油发动机那样,不是排放气体中的氧气浓度为0的那样的用途不能使用,燃料费用也变高,其发生的控制技术是很重要的。
又,氨触媒还原法,也能使用尿素,即使是对于氧含量较多的排放气体,也具有能够选择性的还原NOx的优异性能,但也存在因触媒恶化未反应的氨在大气中的扩散、氨的成本问题,因触媒恶化更新成本等的问题。
直接还原法是仅限于在燃烧量一定的特殊的燃烧设备中使用的方法,不是一般的方法、因担心未反应的氨会向在大气中扩散,故问题很多。
[空燃比控制]
[空气比、空气过剩率]
燃料和燃料用空气量的比,称作空气比或者空气过剩率,排放气体氧气浓度为零时空燃比为1,这种状态为理论空气量。对于实际的燃烧,排放气体中氧气浓度为零的情况很少,排放气体中的氧气浓度,对于不同燃烧设备要寻找最合适浓度。因空气中含有21%的氧气,根据排放气体中的氧气浓度来求得空气比。
空气比=21/(21-排放气体中氧气浓度)
[空燃比控制]
主要是锅炉和工业用炉上进行的控制,是将前述空气比控制在理想状态的燃烧火焰和排放气体组成达到的合适的值的控制方法。一般燃料燃烧时必要的空气量是一定的,通过对应于燃料流量进行空气量的控制,可以将空气比控制到目标值。
但是,在作为目标的空气比接近1的场合,因空燃比的小小误差而产生发烟,为此,在本发明中希望采用高精度的空燃比控制装置。
(机械连杆式)
是最早使用的方法,把燃料流量调节阀和风门机械的结合起来,根据视控制对象的情报而运动的控制马达的开度,进行燃料流量控制和空气流量控制。
一般的,燃料流量调节阀的开度特性和风门的开度特性是不一致的,而且对应于各燃烧带目标空燃比不同,上述机械的连杆的中途要设计可变凸轮,对应于燃料流量可调节阀微调风门开度。
(电子控制式)
使用在前面提到的比例演算手段中说明的PID运算器,实行与上述的机械连杆式一样的控制。一般把蒸气压力PID控制作为主控制,用燃料流量调节阀开度调整器和风门开度调整器这2个副PID运算器对流量调整阀和风门的开度进行控制。燃料调整阀有开度和流量呈线性关系的场合,往往采用开环控制,但也有根据燃料流量计出来的信号进行闭环控制的。
对应于燃料流量各负荷规定的合适的空气比,按照由近似折线法进行曲线近似的曲线,风门被进行开度控制。也有根据风量传感器,用该值形成闭环控制的场合。
(多段控制式)
多段式空燃比控制是根据[特愿昭61-176875在燃烧设备的燃烧控制设备]得到的。其构成与上述的电子控制式相近,蒸气压力PID控制作为主控制的部分不变。向副PID运算器输送的信号不是模拟信号,它是利用有限个阶段的多段分级信号作为空燃比控制方法。
这种方法不使用在上述电子控制式中的折线近似法,每阶段的燃料流量和风门开度、喷燃泵的VVVF控制和送风机的VVVF控制等燃烧中所需的各种副PID的设定一旦决定,是能灵活且正确地控制具有复杂风门控制系统和燃料喷雾系统的所有燃烧手段的控制方法。
燃烧也是通过多段分级信号来进行的,如果控制对象不是象锅炉那样有挡板的,因控制对象负荷和燃烧负荷的不平衡就不能解除,所以在负荷直接电的气体涡轮机和柴油机中不适用,本来这些设备,因没有空燃比控制的概念,也就没有问题。
(O2反馈式)
在前述的各种空燃比控制中,进行各燃烧负荷氧气浓度的设定,在进行风门开度控制或者对送风机进行VVVF控制的场合,通过转速控制使氧气浓度控制到目标值的氧气浓度剂信号的反馈控制。
就O2计而言,燃烧结束在后,排放气体从燃烧室出来通过接触传热面后被测定的情况较多,燃烧状态的反映有2-10秒的程度,显示很迟的响应。并且与通常的检测不同不是响应迟钝,通常测定2-10秒之前的气体的过去检测型控制,没有形成在以前的PID方法中的D控制和I控制的比较难的控制。
但是,O2计也取决于排放气体的状态,因为是依赖性低的传感器,因传感器的误动作和控制法使用错误引起的发烟和燃烧异常并不特别。
因此,在原则上氧气浓度不修正的状态下,可以实施非常正确的控制,在燃料发热量的修正和空气密度的修正等的限定的修正范围内,在某种程度的同一时间点上继续燃烧后进行修正的模糊推论的控制方法是所希望的,在超过修正范围的场合,中止O2反馈那样的安全回路也是必要的。
[水乳液燃烧]
所谓水乳液燃烧,在使用液体燃料的工业用燃烧设备中,用该燃烧手段在燃烧的燃料中使水分散成乳液状后燃烧的各种燃烧改善效果防止工业用燃烧设备产生公害的燃烧方法。
但是,看似简单的水乳液的燃烧,如不克服各种技术难题,防止公害反而使工业用燃烧设备的性能失去,因此是带有危险的技术。
乳液燃烧技术发现于40年前,但是还很难说它已在世界范围内得到普及。这是由于不能克服上述危险因子引起的技术问题的技术人员还很多,或是不相信有克服方法的技术人员很多的缘故。
[制造方法的分类]
(油罐内混合法)
这是最简单的、谁都会制造水乳液燃料的方法。图38是油罐内混合法的一个例子。在燃料罐1中驻留的燃料用燃料泵2供给混合器20,然后再供给乳液罐49。
给水泵164根据燃料阻隔阀6的动作而运转,同时打开电磁阀48。如确定燃料泵的输出量和给水泵的输出量,对应于泵的输出量比的乳液燃料可用混合装置制造。
因为燃料阻隔阀是由乳液罐的浮子控制的,因此在这个混合方法中,比例控制的控制装置也不需要、可以比较廉价地构成。因这种基本构成可以有多种变化,乳液的混合比和粘度高的燃料等的混合也可以进行。又,与乳化剂等并用,改善分离速度和稳定性等手法也是可取的。
但是,作为原则这样构成的装置,实际中被运用的很少。因为这种装置只不过在低于5%的微小加水速率才能使用。
这个原因在[废液和液体燃料的混合状态的把握]的(乳浊液性)或[废液注入的的实现和注入泵的选定]中也有叙述。不仅保存中会发生沉淀和分离,而且对沉淀的高含水率W/O乳液一旦施加机械剪切,会由于相逆转导致奶油状固形化,出现燃料流动性丧失的现象。
也就是说,采用这种构成的乳液装置,在研究本件的适用技术以前的部分具有种种障害,不值得研究。
(常用型在线比例方式)
图39是发明人为了制造称之为C重油的乳液稳定性高的燃料(乳液燃料)而开发的乳液制造方法,即[特许1474455号乳化燃料油制造装置]所提供的装置和方法。
在燃料罐中驻留的燃料通过燃料增压泵167加压,由燃料流量计5计量后经混合器20,输送给燃料泵2,随后用加热器30加热,用燃料流量调整阀4进行流量调整后,在燃烧器9中燃烧。
被燃料流量计检测的燃料量送至流量比例控制器61,根据预先设定的目标值,计算比例输出。因该流量比例控制器采用时分割比例方式,故通过可以高速高频动作的电磁阀的ON·OFF控制,进行水的流量比例的控制。
实行流量比例的水,用混合器混合后被乳液化,其要点是在很宽的流量范围内,混合器必须能维持乳液性能,具有[特许220654号,管路内连续乳化机]那样的性能的混合器是必须的。本方式对在C重油中15%左右以下的加水率,能够充分运用,但在燃料油为A重油和煤油等的乳液稳定性低的燃料的场合,会中途产生水分离等问题而成为障害的原因。因为用燃烧器喷雾的燃料油实施加水后,在同一燃烧负荷下没有变化,实际的发热量仅下降加水部分所起的,从而使过剩空气率上升。在燃料流量调整阀最适合于乳液燃烧用的场合,万一停止加水,会发生空气不足、引起发烟等现象,各种急需改善的课题也很多。
[对混合器所要求的性能]
这里对[废液的混合方法的调整]详细说明,作为理想的乳液用混合器,对应于燃烧设备的宽的调低比的燃料流量的变化能制造稳定粒径的乳液。而且,该粒径依存于燃烧器的平均喷雾粒径,存在最合适的水粒径。要在把握燃烧器的特性的基础上,进行粒子调整。同时,随燃料粘度的变化,上述的特性要不发生改变。
因此,应注意达到该目的的性能与一般的制造工艺对乳化设备所要求的性能,特别是在流量发生变化的时候,是完全不同的。
[微爆作用]
水乳液燃烧的最佳效果是这个微爆作用现象。也就是说,具有与燃料的喷雾粒径相吻合的水粒径的乳液燃料,从燃烧器中喷雾,一受到火焰带的热作用,在油滴着火之前,其中的水就沸腾了,周围的燃料由于蒸发的能量而飞散的现象。
水的这种爆发的蒸发现象在水蒸气爆发和食用油火灾的例子中很有名。特别是,辐射热引起的强热和微细粒子,具有理想的球形的水粒子超过100度也不沸腾,达到所谓突然沸腾状态,蒸发一旦开始,一定时间内将周围的燃料微细化。
被微细化的燃料,具有比原来燃烧器喷射的粒径小得多的粒径,由于表面积增大和空气的卷入作用改善了燃烧性。
[水煤气反应]
根据以前的理论,乳液的煤尘抑制作用是因为水煤气的反应、以及含碳成分的碳催化反应产生的。
在被称为残留碳的成分多的燃料的场合,在伴随着燃烧的热分解使燃料油一边分解一边燃烧的过程中,油滴径的中心部分形成了黑烟的结晶。这就是俗称的煤。黑烟是碳的结晶,是非常稳定的物质,由于燃烧速度慢,通过燃烧室也不能完全燃烧,因此作为煤在烟道中堆积,并在烟囱四周扩散。
但是,对于象火焰那样的1000℃以上的高温,碳和水会发生称为水煤气反应的下述反应,从而更容易燃烧。
这是一个吸热反应,水变成了氢气和CO,没有产生新的能量,但可作为使以残留碳为起因的煤燃烧的优良的催化剂。
因此,向炽热的碳上用喷雾器喷射水蒸气,会产生火焰,除了石墨制成的高温耐热材料非常禁忌水分外,由焦炭生成水煤气的例子很多。
[期待效果]
由于上述现象,除了可使C重油之类残留碳较多的燃料完全燃烧、具有减少煤生成的效果,乳液燃烧在用于A重油和煤油等燃料的场合,因为上述的微爆作用,不会损害其燃烧性,而且,由于水的蒸发潜热带走了燃烧热,因此具有降低NOx的优异功效。
[应用举例]
(锅炉、工业用炉)
C重油燃烧煤尘量的减少、煤向周围扩散的防止、进行低氧操作带来的NOx消减。
不降低A重油和煤油燃烧中的燃烧性的NOx消减。
(柴油发动机、气体涡轮机)
降低NOx,改善烟色。
[危险因子]
(水乳液的不稳定性)
如在油罐混合法中所述的那样,在燃烧这样敏感的现象中,虽然使用了乳化剂(在实际使用量范围内),使用贮留的乳液还是非常困难。
(润滑性降低)
按照燃料油的润滑性所设计的泵类,由于加入水引进的水润滑不能防止消耗,成为故障的原因。应用于煤油、汽油乳液的齿轮泵,应用于煤油、A重油的柴油喷射泵等时,都需要特别注意。
若想避免上述情况,应用润滑性高的添加剂、选定耐水润滑的材料等、仅仅在乳液装置中是不能解决的问题。
另外,润滑性也是起因,对于油膜形成能力低的燃料油,由于乳液水与钢材直接接触,也要小心其被腐蚀。所用对策同上所述。
(混合后燃料的不稳定化)
有生物、化学和物理方面的不稳定性。
·粘质物的产生
生物学方面,乳液化的燃料在储罐底部停留的场合,由于空气和燃料中或使用不小心,会成为水中存在的细菌繁殖的地方。也就是说,油罐混合式的油罐内停留的乳液燃料,如不要进行定期清扫,底部一定会残留含水率高的乳液。因此,燃料油成为细菌繁殖的原因,这些细菌排出的各种各样的物质就成为泥状沉淀物、腐蚀和霉等生成的原因。
·泥状沉淀物的产生
其次,还有化学方面的原因,燃料中少量存在,含有具有乳化剂作用的物质
(石油质类)。因为石油质在C重油中尤其多,所以C重油的乳化燃料是比较稳定的燃料,密度也接近,所以用到这种成分作用的地方较多。
但是,因在C重油中被称为沥青质的芳香族高分子化合物分散的重要作用,石油质起着重要的作用。对于成为乳液燃料的C重油,反复加热或者机械剪切,石油质被依次吸附在水滴的周围,减少了沥青质的分散能力,这就成为产生泥状沉淀物的主要原因。
因此,水乳液燃料是不允许加热的,特别接触在是象电加热器那样的表面高温的加热媒体上,加热器表面会发生炭黑附着的现象,发明人都见过。
·燃料温度的控制
最后是物理方面。分离和沉淀在前文已述,由于水的性质,超过100℃时水粒子就沸腾,有出现奶油冻状态的情况。这样,如所见的C重油的实例,对于象必须进行高温设定的C重油那样的燃料,要想一面抑制水沸腾,一面维持理想燃烧,非常高的温度控制技术是必要的。
(火焰的协调)
乳液燃烧,原则上能直接利用现在使用的燃烧方法的优良的防止公害的机器,但根据燃烧设备的燃烧状态,有时必须作一些调整和改造。特别是,确认燃烧设备方面的燃烧状况,对乳液燃烧带来的火焰变大的现象、由于燃烧用空气的高流速而产生的生飞的防止等作适当的处理。
(空燃比调整的难度)
在燃烧器前的在线比例方式中已经是被克服过的问题,但在油罐混合法或喷燃泵前的在线比例方式中,因为通过燃料流量调整阀的燃料发热量发生变化,空燃比的控制就比较困难。若加水率正确稳定,完全没有故障,对应于目前的加水率的燃烧调整较好地实施的话,实际上抑制加水率,即使在万一有停止或变化产生的场合,也不至于出现最坏的状态。
[用后处理的二噁英类对策]
就废弃物焚烧炉而言,为了遵守“二噁英对策特别措施”的环境标准,无论是新设的还是或原有的,都有义务设置排放气体的急速冷却和高度集尘装置。
[喷雾方法]
就前述的燃烧方法而言,在蒸气喷雾、压力喷雾、低压喷雾的各燃烧器中是燃烧器喷嘴,在旋转燃烧器中是旋转杯,在燃料喷射阀中是燃料喷射阀。
水喷雾设备中,是水喷射喷嘴。
[二噁英的生成]
[二噁英类]
所谓二噁英类是指聚氯化氧芴(PCDFs)、聚氯化氧芴二噁英(PCDDs)、聚氯化联苯(联苯PCB),根据排出量和摄取量的标准,毒性最强的是二、三、七、八——四氯化氧芴二噁英(Teq),对应各种毒性被换算成相关物质的浓度表示。
基本上,是由不完全燃烧产生的,一般环境下由存在的元素(碳、氧、氯)生成,因为允许值极小,不能说已确立了其生成机理和防止方法。
例如,废液中的氯,用在现在的技术可以使其值为0,因为排放气体的ng/Nm3等级的二噁英的合成,所以一定含有必要的氯元素,燃料、润滑油或者大气中也存在这些合成中必要的氯元素。
[废液焚烧炉的二噁英生成量]
废液焚烧炉,主要指在事业单位设置的规模较小的废弃物焚烧炉,目前允许的二噁英量,处理量大体在2t/h以下的时侯,环境标准值为:已有的焚烧炉是10ng-Teq/Nm3、新设的焚烧炉是5ng-Teq/Nm3。
[NOx的增大]
Nox因废液中含有氮元素的氧化也会产生,一般由于伴随燃烧而形成的高温状态使空气中的氮元素被固定而产生。
[废液焚烧炉的NOx生成量]
废液焚烧炉中NOx的允许值为250~700ppm(氧浓度12%),例如,若将锅炉的150~180ppm(氧浓度4%)与氧浓度0%换算的值进行比较,对应于燃烧器的583~1633ppm,锅炉为185~222ppm,实际上,焚烧炉的NOx的生成量是锅炉的4~10倍。
[难于降低废液燃烧器NOx的主要原因]
废液焚烧炉中,根据近年防止二噁英生成的对策,为了阻止二噁英生成,主燃烧器的燃烧量相对于处理废液有增大的倾向和炉内要保持在800℃以上的温度条件,由于炉内温度条件在高温端,要防止黑烟和煤尘的产生,就要进行过剩空气燃烧,因此不能防止NOx值增大。
[CO2的增大]
地球环境恶化的主要因素,除了前面所述的二噁英和NOx,燃料中所含的碳生成CO2,也是地球温室效应的原因。
废液焚烧炉中,对于主燃烧器,因为燃料燃烧,随着废弃物的焚烧,不可避免产生CO2,因为前述的二噁英的对策,每单位废液的CO2生成量有增加的倾向。
[后处理的必要性]
废液燃烧器中,要求实施后处理的二噁英类对策,在成本和维护性等上的课题也就多了。
以上的技术、设备、方法等,每种都有其优良的特性,但不能从根本上解决废液燃烧时二噁英的产生,另外,仅仅考虑减少二噁英的发生,又会有生成CO2等其他的问题。
本发明是在纵观以上的课题后而提出的,本发明的目的就是提供利用防止二噁英生成的工业用燃烧设备的废液焚烧处理方法和混合液体。
同时,发明人已经在数100台的水乳液燃料制造装置中证明利用乳液燃烧技术没有增加已知的新环境污染的二噁英类的问题,而且通过确定了正确的适用方法,试图普及推广乳液燃烧技术。
发明的公开
本发明的利用工业用燃烧设备的废液的焚烧处理方法,利用具有燃烧液体燃料的燃烧手段的工业用燃烧设备,对于相关燃料,将废液混合分散到燃料中焚烧处理时,预先对将要焚烧处理的废液的废液种类、组成和物性、混合特性进行调查,然后研究就合理的预处理方法进行能够使用的工业用燃烧设备的选定的适用前研究项目;相关燃烧设备的燃烧火焰的状态和排放气体的组成对相关设备表现为理想状态的燃烧范围内的适用前提条件项目;综合调整废液的预处理方法、废液的注入方法、废液的混合方法、燃烧设备的空燃比控制方法、燃烧装置的最适合化、降低NOx方法、有无添加剂及其种类、是否与水乳液燃烧的适用研究项目,调整废液和添加剂等的注入率和注入率的变化率,防止排放气体中氧的浓度超出正常范围,维持确定无疑的理想的燃烧状态,防止燃烧手段的不畅,防止因燃烧后残渣成分而产生的工业用燃烧设备障碍,确认将伴随废液组成的不同煤烟浓度的变化抑制在规定值以内,前面所述适用前研究项目、适用前提条件项目、适用研究项目等在超过正常范围的情况下,进行停止注入,或者将这个偏离调整到可以修正的注入率的适用后运行项目的研讨,有无二噁英类的后处理手段,或在采用该手段之前,使排放气体中的二噁英类的浓度抑制到工业用燃烧设备在燃烧燃料油时所要求的浓度水平上,进行确认NOx和烟尘生成量、由于废液燃烧引起的卤素和重金属类也在该工业用燃烧设备允许的范围内运行管理可能的适用后确认项目的研讨,本发明以进行适用前研究项目、适用前提条件项目、以及适用研究项目,适用后运用项目和适用后确认项目的研讨为特征。
根据本发明,研究适用前研究项目、适用前提条件项目、以及适用研究项目,然后进行适用后运用项目和适用后确认项目,由此排除生成二唖英的环境,能作为利用防止二噁英生成的工业用燃烧设备的废液的焚烧处理方法。
在本发明的利用工业用燃烧设备中,前述的工业用燃烧设备具备有通过喷雾水而减少NOx效果的水喷射设备,在实施水喷射状态下,二噁英的生成量在工业用燃烧设备期待的浓度指标内,或者成为废液混合的水喷射所期待的浓度指标时,预先对将要焚烧处理的废液的废液种类、组成和物性、混合特性进行调查,然后研究就合理的预处理方法进行能够使用的工业用燃烧设备的选定的适用前研究项目;相关燃烧设备的燃烧火焰的状态和排放气体的组成对相关设备表现为理想状态的燃烧范围内的适用前提条件项目;综合调整废液的预处理方法、废液的注入方法、废液的混合方法、燃烧设备的空燃比控制方法、燃烧装置的最适合化、降低NOx方法、有无添加剂及其种类、是否与水乳液燃烧的适用研究项目,调整废液和添加剂等的注入率和注入率的变化率,防止排放气体中氧的浓度超出正常范围,维持确定无疑的理想的燃烧状态,防止燃烧手段的不畅,防止因燃烧后残渣成分而产生的工业用燃烧设备障碍,确认将伴随废液组成的不同煤烟浓度的变化抑制在规定值以内,前面所述适用前研究项目、适用前提条件项目、适用研究项目等在超过正常范围的情况下,进行停止注入,或者将这个偏离调整到可以修正的注入率的适用后运行项目的研讨,有无二噁英类的后处理手段,或在采用该手段之前,使排放气体中的二噁英类的浓度抑制到工业用燃烧设备在燃烧燃料油时所要求的浓度水平上,进行确认NOx和烟尘生成量、由于废液燃烧引起的卤素和重金属类也在该工业用燃烧设备允许的范围内运行管理可能的适用后确认项目的研讨,本发明最好是喷射满足适用后确认事项的水溶液或乳液。
这样,对于工业用燃烧设备,即使是气体燃烧的燃烧设备,只要在能用水喷射降低NOx释放的位置有水喷射设备,利用该设备,就能处理废液。
本发明的混合液体,含有由利用本发明的工业用燃烧设备的废液的焚烧处理方法处理的废液,对于具有使燃烧液体燃料的燃烧装置的工业用燃烧设备的燃烧装置、或工业用燃烧设备,针对有水喷雾带来的降低NOx的效果的水喷射系统,利用前述的应用前研究项目、应用前提条件、应用研究项目、应用后运用项目中的一个以上而被制造的同时,向燃烧室喷雾的所有喷雾流体中的平均含有浓度,致死性的毒气成分和放射能强度一般不能超过允许的范围,而且,氯元素,在重油换算的总燃烧量不到2000Kg/h的情况下小于85000ppm,2000~4000Kg/h的情况下小于17000ppm,大于4000Kg/h的情况不超过17000ppm,N成分不超过各燃烧设备的NOx的规定值的范围,S成分不超过各燃烧设备的SOx的规定值的范围,重金属不超过各燃烧设备的重金属类规定值的范围,燃烧方法含水量在0~60%的范围,水喷雾方法的含水量不到100%,灰分大体上也不能超过该燃烧设备可能应用的燃料中允许的灰分量范围,或者通过实施应用后运用项目调整在确认安全性的范围内,以此作为特征的本发明。
这样,除了致死性毒气成分和放射能强度设定在不超过一般允许的范围内外,因为其他成分设定在不形成运用上的障碍的范围内,可以做成难以产生公害的废液和水的混合液体。另外,在权利要求1中的适用项目使用的水乳液燃料所用的乳液燃料用水,通常都含有各种盐类和不纯物,所以最好要运用权利要求1中运用的方法,这样便可得到公害更少的乳液燃料。
本发明的混合液体,最好含有进行乳化的乳液用水。
这样,混合液体乳化后能作为乳液燃料使用,因此,对应各种燃烧装置调整盐类和不纯物。而且,和废液并用时也可以确保安全性,因为能避免过渡现象等发烟原因,所以可得到公害更少的混合液体。
本发明主要部分的说明详述如下。
[利用未利用的燃烧能量]
工业用燃烧设备,利用燃烧的化学反应时,作为设计的基准,首先要考虑如何高效地把燃料具有的热能转化为对象的能量。
其次,因为随着装置台数的增加会产生相应的公害问题,所以也要考虑降低NOx方法和低煤尘方法等降低公害的方面。
如果不能最有效地达成这两个技术课题,就必然会从市场上被淘汰。从这一装置特性来看,目前只有高效且环境友好、设计合理的设备在运转。
但是,这些设备基本都是共通的,发明人所关心的是存在未利用能量的问题。这些未利用的能量,燃烧液体燃烧热能形成1300℃以上的高温,对应于此,几乎所有的燃烧设备必要的热只能达到1000℃。
也就是说,1300℃以上的火焰,只在传热面和制品上吸收的火焰发出的热线上被利用,1300℃以上的火焰,几乎所有的工业用燃烧设备,都不能被有效利用。
近年迫切指出的对人体有害、也成为社会问题的二噁英类是起因于各种有机物的有机化合物,因为是由身边存在的碳、氢、氯、氧元素构成,可以断定废弃物焚烧时会很容易产生。
燃料中混合含有有机物的废液混合燃料,用前述的工业用燃烧设备燃烧,在唯一未利用的能量的火焰的高温中被完全热分解,故没有发生二噁英类物质,其后的燃烧热如果作为先前通用的工业用燃烧设备的热能被利用,不会使成为另一个社会问题的CO2气体的浓度上升,从而使废液的处理成为可能。
在液体燃料中,混合工业过程中的各种副产物的物质,在锅炉等中进行焚烧处理,以前就实施过。但是,不象本发明那样解决二噁英问题,只有使热燃烧充分或者蒸发就可以了。以此想法为基础的,最好象废液焚烧炉那样,让与主燃烧器独立的废液喷雾燃烧器喷雾,但因设备上或成本的限制,只依赖这种方法。
但是,燃料中混合废液,如不解决由此引发的各种各样的问题,反应使燃烧恶化,不仅成为产生二噁英类物质的产生原因,也会导致NOx和煤尘的增大。轻易使用会对社会、工业造成很大的危险。
因此,发明人首先对废液进行详细的分析,对其成分和发热量进行研究,从燃料和混合的场合的混合状态等开始,对注入方法、混合方法、空燃比控制方法、燃烧装置的最适化进行研究,进行适用可能的燃烧对象设备的选择等,前述设备在进行良好燃烧的状况下,在不阻碍良好燃烧的范围内,若注入废液,可以防止二噁英的生成,也防止NOx和烟尘,同时还能防止工业用燃烧设备的故障,由于节省能量效果,确立了CO2气体生成量也能抑制的技术。
[工业用燃烧设备允许的范围内排放气体中的有害成分]
工业用燃烧设备允许范围内的排放气体中的有害成分,一般为NOx、SOx、CO等。它们的值每个设备都有国家规定值和地方自治体规定的基准值。
[工业用燃烧设备期待的二噁英浓度]
关于二噁英,除了焚烧炉,现在几乎所有的燃烧设备都没有明确的基准,至少希望降到焚烧炉允许的最严格排放基准的0.1ngTeq/Nm3的以下。
可以考虑的期望值,在锅炉、燃气轮机、火焰接触部分不含卤素的工业用炉中,0.1ngTeq/Nm3的1/50以下,柴油发动机等的间断燃烧装置在其1/5以下。对于0.1ngTeq/Nm3以上的设备,应该努力降低其浓度,不能成为本处理方法的设备。
[重金属类的限制]
又,如果燃烧废液,一定要考虑以废液中含有的金属成分和卤素为主体成分的排出。特别是对于工业用燃烧设备,作为排放气体的后处理,因为没有袋滤器和涤气器等除去重金属类的附带设备,对于重金属类,在前处理预先除去是一种社会义务。
[有害成分的归纳]
也就是说,废液焚烧炉处理工艺过程中废弃的所有废液,为满足装置所期待的性能,工业用燃烧设备以使用排放气体中不出现有害成分为前提。
对于废弃物焚烧炉(废液焚烧炉),之所以要求后处理、任何一种废液都能接受并能处理,这一点与工业用燃烧设备的废液处理法有明显的不同。即本处理方法中,根据事前对能燃烧处理的废液各种特性进行调查研究,一定要确信排放气体中所有的成分都控制在国家、自治体以及人民的期待标准以下。
[水喷射喷嘴的利用]
权利要求1的发明,不能用于液体燃料,因为都是液体,利用乳液化和溶解等方法能安全供给燃烧器,而气体燃烧不采用这样的手段。
水喷射设备是一种降低NOx方法,但因为同时导致HC和CO的增大,如果不对喷射位置、喷射粒径以及燃烧量等平衡进行精密控制,就不能在维持理想燃烧状态的同时进行水喷射。
但是,水喷射与在燃料中混合的情况不同,它依赖于喷射域(既有一次领域又有二次领域)或火焰的大小,确实能焚烧处理的可能性较低。
一般,作为已完成的设备进行水喷射的场合,以不产生HC和CO为前提,在充分确认此事的基础上,难以生成二噁英的废液,即若是由碳原子数为1~5的醇、酸、醛、醚构成的废液,在水喷射中管道混合,即使在万一产生不完全燃烧的状态下排出,因其热缩合不会生成苯,能够进行安全处理。
当然,本技术可以适用于具有液体燃烧手段的水喷雾,如果加以限定,气体燃烧设备也适用,只要留意NOx控制和燃烧室温度、排放气体温度,可以判定也是具有改善效率作用的技术。
这种精密控制的水喷射喷嘴可成为气体燃烧设备中的废液处理法的唯一的手段。
[未来液体燃料展望]
石油作为原料的液体燃料终将枯竭的说法已经很久了。确实,同天然气体相比,剩下的石油较低,资源枯竭的同时,不可避免要发生价格的上涨。据以前的研究来看,直到下一代能源的核能的利用为止,以天然气为主体的能源供给体制的强化会成为一个重大的课题。
但是,废液处理中的液体燃料的优点,在于如实施例所述的那样可以保护地球环境,是一项非常有价值的技术。幸运的是,由于液体燃料的可运输性,从古代起合成液体燃料就有可以完成天然气和煤、或来自循环使用资源的纤维素的醇类的技术积累,随着石油价格的飞涨可以认为使用合成液化燃料成为可能。本发明中,即使在天然气比液体燃料更便宜的场合,此处理方法也不会没有用,而且因为石油资源的枯竭,所以不用担心处理方法过时。
[关于粗制的醇]
现在,被焚烧处理的杂志类等再利用困难的旧纸,若通过由纤维到糖类再到醇的过程,期待得到作为热源被有效利用的醇。
但是,要想把醇直接作为燃料,一定要精制成纯度高的醇,然而,为了得到纯度高的精制醇,需要非常多的能量和费用。但是,根据本处理方法,作为工业用燃烧设备降低NOx和煤尘的方法,用单段蒸馏的简单设备得到的粗制醇中的蒸馏水,实际上能在燃气轮机和柴油发动机中使用,结果起到了很大的降低NOx的作用。另外,蒸馏液中同时含有的有机不纯物等如果用本处理方法,也可以完全没有问题的进行处理。这样粗制醇不是狭义的废液,但由于使用本处理方法,在再利用能源的同时,对于防止地球环境恶化非常有效。
[活性基的控制]
[所谓活性基]
活性基是构成分子的原子间的结合时处于共享电子的共价键状态的各原子由于某种理由被分离,从而处于具有自由电子的状态。本发明利用的液体燃料和废液,含有各种各样的碳氢化合物,这样的活性基,在燃料和废液混合中产生各种各样的坏的影响,相反的,为使燃烧反应利用这样的活性基来引发急剧的热反应,活性基起着重要作用。本发明,也就是要十分关注怎样控制碳氢化合物活性基。
[异物生成和活性基的关系]
燃料是各种碳氢化合物的集合体,废液中也含有各种碳氢化合物。(燃料油中的活性基和泥状沉淀物生成)
燃料在精制过程、调整过程中承受各种应力,发生活性基反应,它们在燃料贮藏中趋于稳定,可以判断为暂时处于稳定状态。这是由燃料得到碳氢化合物的多样性引起的。总之,因为同时含有容易生成活性基的成分和相反还原活性基的分子,经过一定时间后,作为活性基收束的结果的泥状沉淀物残留下来,形成稳定状态。比如,燃料油容易产生活性基,如果没有使它恢复到一般分子的成分,以这样的活性基为起因,引起链锁反应,发生自燃现象或聚合等,完全不能作为燃料油使用。也就是说,不能忘记燃料精制和调整工程中生成的泥状沉淀物类实际上是活性基反应收束的结果而产生的异物。为此,认为初一看处于稳定状态的燃料油,因氧和臭氧,或者紫外线等作用生成活性基,作为收束结果而引起了泥状沉淀物的生成。
(废液的活性基和氧化还原电势)
对于废液,只要不是在性质和组成上完全相同,有多少活性基存在,同燃料油混合的时候,会发生什么样的化学反应,不得不依赖于实验。即使进行纯粹实验,燃料油自身的组成是通过前述的活性基反应达到稳定状态的物质,在作为废液排出的废液中除了含有这些主要成分,还有可能混入其他各种各样的异物。
然而,废液在具有强氧化或还原电势的场合,少量的废液与燃料油混合,对于燃料油的碳氢化合物可以生成强力的活性基而泥浆化,这是不难想象的。即氧化还原电势,引起夺去或提供电子的活性基反应的主要因素。因此,对于氧化还原电势,一定要经过混合前中和的方法混合。
[燃烧与活性基的关系]
(十六烷值和辛烷值与活性基的关系)
在柴油发动机理论框架中较为重要的是在没有火种(强力的活性基团)的状态下的高温高压的燃料的着火性。着火性难易的指标是被称为十六烷值的评价着火性的值,相反,辛烷值是表示着火性低的指标。所谓着火性是指高温应力和氧的作用引起的活性基连锁反应导致燃烧(即急剧的活性基反应)的应力值。也就是说,十六烷值高的燃料应力弱,辛烷值高的燃料应力强。
这里,必须明确区别着火性同引火性。引火性与燃料成分中气化成分的蒸气压的概念相同,如果容易气化的小分子的成分多,引火点就低。(引火性提高。)相反,对于着火性,表示耐应力的大小,若分子量大的直链及不饱和基团多,着火性就增加。因此,对于象轻油那样由分子量比较低的碳氢化合物构成的燃料油,直链结构越长及其十六烷值也越高,可以确定其是很好的柴油发动机燃料。
·重油的活性基抑制成分、耐性成分
但是,象A重油和C重油那样有巨大分子的场合,仅仅依靠这些说明不能阐明的复杂的因素相互关联在一起。在葡萄酒的防癌效果上有名的的聚苯酚类是含有两个以上OH基的苯酚化合物的总称,可以推断其它的各种活性基反应抑制物质在重油中也含有。总之,具有以各种形态结合苯环构成的结构的碳氢化合物,因为稳定性非常好,很难受到活性基连锁的影响。聚苯酚类自身具有刚性的苯环结构,OH基团与氧活性基反应,虽然吸收了能量,但整个苯环骨架分散了能量,就不会向外部出现新的活性基,因而具有强力的活性基抑制作用。但是,这是一件极具讽刺的事,因为它也赋予了生成二噁英的基础的氧芴二噁英、氧芴、联苯等的稳定性,也就是轻度的活性基不能分解的特性。这是在着火性方面活性基耐性的成分。然后,以聚苯酚为代表的耐性物质和以二噁英类为代表的不耐性物质的区别仅在于配位物质是含有OH、还是否含有氯元素,受到氧活性基攻击的时候,如果有OH基团,自身被氧化成-O(羰基),给出H+,成为稳定的H2O来终止活性基反应,如果氯元素被配位,则由于O-生成有害的-CLO破坏遗传因子,可能要发生2,4,7,8的配位,相反,因为本来稳定的O2被活性基化的作用,推断有很大的毒性。但是,两者是共通的是自身的强力骨架对于轻度的活性基是其非常稳定。二噁英类偶尔作为生物赫尔蒙而成为生物体中的受容体,因为在更容易破坏遗传因子的位置被取代,即使用量极微,对损伤较大的部分也会起到非常有效的作用。为此,象重油那样各种组分和经过应力得到制品的燃料油的场合,这种具有应力耐性的着火性,加入到燃料油中就会发生变化。
(燃烧和活性基的关系)
在前述燃料中,相对于活性基,还存在具有各种特性的物质,燃烧作为非常原始的化学反应是破坏燃料中通常存在的所有碳氢化合物的活性基耐性的最简单的化学反应。例如,聚苯酚中有名的鞣酸类如果点火的话,肯定会发生简单的燃烧。无论具有怎样强力骨架的碳氢化合物中耐燃烧的物质是不存在的。
·石墨的耐活性基性
但是,前述的聚苯酚和缩合多环式化合物等,受到燃烧这样强力的活性基作用而热分解,生成易燃烧的C1~C5前后的碳氢化合物。但是,对于缩合多环式化合物,苯环自身的碳氢比为1∶1,因为缩合位置没有H的配位,不能生成碳氢化合物的气体,最终以石墨结晶残留下来。这就是所谓的残留碳。问题是,这种石墨是非常稳定的物质,在没有氧的条件下,即使对于具有放射能这样极高的能量的活性基,依然是稳定的物质。也就是,油滴大、表面石墨化的煤,燃烧时,可以保留由活性基所产生的内部的碳氢化合物。准长碳等高级碳,因为提高了石墨的纯度、有致密的结晶,所以具有很好的持火性。
因此,随着燃料油的燃烧,油滴的中心部位产生石墨结晶,因为石墨,由活性基连锁反应所保留的碳氢化合物残留的比例较高。
(水和活性基的关系)
·水的活性基抑制效果
同前述的石墨一样,水也是活性基耐性很高的物质。在前述的燃烧中,如果加入水,燃烧最终停止,这也是一种非常原始的停止化学反应的作用。(活性基的抑制作用)这是由于通常状态的水或水蒸汽,其沸点高、比热大、蒸发潜热大而引起的。也就是从外部吸收能量的能力强,从而抑制了活性基。
这样,不仅仅是与前述石墨同样的原子炉的炉心材料,也是非常可靠的紧急停止材料。水具有抑制活性基的的效果的原因在于水或水蒸汽、比热大、沸点高等一些特殊性质,还在于水的极性和伴随这些的分子间相互作用力。即因与前述的聚苯酚具有同样的极性而具有大的分子间相互作用力的水,具有以分子间相互作用力来吸收活性基而不向外部传播的作用。特别是通常的温度和压力范围内,即使变成蒸汽,也依然保持分子间的相互作用力,因此与水蒸汽具有特殊性质的同时,也具有优异活性基抑制效果。根据文献,对于这个具有由于极性引起的分子间相互作用力的特殊性的集合体结构有一些解释,但还没有关于这部分的完整理论解释。
·水的微爆活性基反应
然而,在怎样的状态下水才具有活性基抑制效果。近来,临界水或超临界水分解二噁英类成为热门话题,水表现出极强的破了二噁英的稳定性)作用,前述的分解石墨的水煤气反应,因该状态(即水蒸汽和碳在1000℃以上反应),水成为强力的活性基。可以推断,在1000℃这样超高温的水,与一般引起燃烧反应引起的O-和H+以及烷基活性基比较,具有很高的反应活性(活性基)。特别是喷雾的油滴不是单个的,而是许多粒子相互干涉,受到高温的水蒸汽反应,因此又可进一步提高这种作用。
[活性基生成的主要原因]
活性基如前所述是氧或氢等从O2的H2的稳定状态形成O-或者H+的氧化活性基或氢活性基,其它接受或者夺取电子的对应基团也是活性基。
[活性基生成的主要原因]
产生活性基的原因多种多样。前述的热、紫外线、放射线等物理的因素,以及O3和各种氧化还原物质,还有引起化学反应的各种电子转移都是产生活性基的主要原因。本专利特别注意的是热。热的情况通常定义为由加热过程时生成,如果给液体加热,很容易认为加热不会产生活性基。但是,进行燃料运输的泵引起的加压,即使仅产生少量气泡,由于绝热压缩效果,产生惊人的热量,进行流量控制的节流装置和在液体混合中使用的混合器等产生的空穴现象也会对极小的燃料提供很大的热应力(活性基)。
[燃烧反应中的燃料油和水]
在燃烧反应中的水赋予燃料油的特性,在燃料油着火前具有抑制作用(抑制NOx),一到临界点(接近1000℃)反而形成活性基(抑制煤尘),与防止公害有极好的关系。在这样理论研究的基础上,还没有人想到水喷射或乳液燃烧那样的NOx抑制的手段和煤尘抑制手段,要是解释清楚了这一点,那就没有水喷射和水乳液技术的发明性了。但是,在这样的水喷射技术和水乳液技术最先被研究的锅炉燃烧中,如研究到未必都能成功,可以认为运用理论为基础的方法是重要的技术。
[水喷射或乳液燃烧不被锅炉燃烧技术人员喜欢的原因]
(潜热损失的牺牲)
如前所述,燃烧时水的作用在防止公害上发挥了优异的特性。但是,达到了这样的目的的水作为水蒸汽而被废弃,不能进行热回收。因此,在基于高度燃烧设计,燃烧性得到改善的锅炉中,乳液燃烧带来的活性基效果对燃烧几乎没有效果,这样的蒸发潜热造成效率损失,从而降低了体系的效率。
(C重油燃烧降低NOx效果的限定作用)
就锅炉而言,最能期待的效果是以水喷射或乳液燃烧作为降低NOx的作用。很多技术人员无意识地认同了水的活性基抑制作用,如果在火焰中水蒸汽起作用,可以降低火焰温度,也就减少了NOx,这并不困难的。但是,实际上锅炉等进行比较缓慢的燃烧过程的燃烧,因火焰温度降低而减少的NOx的量非常少。图1,是表示锅炉、气体涡轮机、柴油发动机没有采取对策的NOx值(完全没有使用降低NOx的方法的情况下的NOx值在以A重油锅炉中燃烧为1的倍数)和1%的水在降低NOx上达到的何种效果的数值。遗憾的是,因为对于气体涡轮机现状是对于水乳液不能得到理解,采用水喷雾的数据,却是建立在锅炉和柴油机实验值的基础上的。柴油发动机没有特定的燃料,燃料中的氮和残留碳等不依赖于NOx的生成量。
C重油锅炉乳液的降低NOx的效果,象图1所见到的那样,根据发明人100多个的实验,平均值都接近于0。这样,能够确定A重油锅炉乳液燃烧的锅炉燃烧中的NOx降低效率和,乳液燃烧过程中因为活性基作用引起的NOx上升原因,是偶然相抵的结果。即,C重油中高分子碳氢化合物比较多(活性基抵抗物质多)、燃料的粘度也高,所以油滴直径容易变大,从而燃烧反应难以进行。可是,利用作为乳液物理现象的微爆作用,把燃料微粒化后,然后形成高温生成活性基,加速了高分子物质分解。因此,最容易引发NOx的一次领域的温度,在维持良好燃烧的范围内,即使加水,形成因水的蒸发潜热而产生的热吸收和活性基活性作用的相互抵触,与实际燃烧应用的结果一致。
[基于在废液处理中的活性基理论的乳液燃烧的优越性]
考虑到水喷射和蒸汽喷射事实上也引起这样的活性基反应,燃烧后期被喷雾的水份,实际上只有活性基抑制作用,而对挥发的未燃烧的部分几乎没有作用。也就是说,水具有的潜热和显热在燃烧前起作用,在燃烧后也有作用,水的活性基化的比例明显不同。
也就是说,按照燃料同时喷雾的新的乳液燃烧理论,燃料油滴因为微爆微粒化并且着火,与此同时,受到由于热的作用被活性基化的H+和O-攻击,瞬时进行热分解反应,也不难想像对废液中含有的各种有机物为首、燃料中含有的燃料以外的有机物的分解发挥了很大的效果。
但是,对于形成理想燃烧的火焰,含有有机物的废液在喷雾的时候,除了与火焰的控制很好的场合,水的活性基抑制效果仅抑制废液中有机物的分解。实际上,这就是用废液焚烧炉的抑制二噁英类和应用乳液燃烧抑制二噁英类的对策不同的地方。
[合适搅拌的重要性]
废液混合中对于控制活性基也是很重要的。废液和燃料的混合,一下子迅速简便的完成,混合后直接燃烧。
(一下子混合)
燃料之间的混合法与水乳液的制造一样,有油罐混合法和在线比例控制法。发明人应用水乳液装置的技术,生产了很多A重油和C重油的在线比例混合器。经验油罐混合法基于有较多泥状沉淀物生成的经验设计而成的,根据活性基理论,可以解释这一点。不难想像A重油、C重油与各个应力历史和组成不同的燃料油混合一定给界面带来了的新的活性基的主要原因。
仅在该界面上随活性基的电子转移一旦发生,对于燃料,因有抑制物质,这种程度的活性基虽然不会发生火灾等的异常现象,但是易发生连锁反应,会容易生成更加稳定的——即具有巨大骨架的泥状沉淀物。确实,这与因沥青质的石油质脱离而生成泥状沉淀物的主要原因没有什么不同,但是,接触时不混合,伴随着互相交替容易发生活性基的连锁反应,这也是事实。
因易受到活性基的连锁反应的物质的利用分散而被避免的虽是相反的学说,但与作为最近降低NOx手段的稀薄燃烧理论非常吻合。也就是说,对于NOx极低的燃烧可能的稀薄燃烧的领域中(相对于燃烧的空气多。)只要不存在很大能量的情况才不会引起连锁反应。点火插头程度的火花(活性基)不会引起连锁反应,不会发动发动机。因此,因只在点火插头周围燃料的浓度大的区域进行,少量的活性基在浓度大的区域燃烧,利用这些大的活性基,将活性基传播到整个燃烧室中。
燃料同废液混合时(特别是彼此的分散性是溶解分散的情况),消除浓度大的部分(活性基连锁易发生的部分),马上得到均一浓度,对于混合装置设计非常重要。
(迅速)
理由与前述完全相同。图5的喷头型混合器是发明人考虑活性基理论后,采用的混合器形式,在各燃料混合中作为予混合器被采用,即是加快流速在周围均匀混合,同时混合后产生乱流的理想的混合方法。
喷头理论对于这样的快速混合是非常容易的,而且是所希望的。所以,旋转台里的叶片形式的混合器,作为本发明的混合器,要通过若干段的叶片,在混合过程中要花费混合时间,因此容易生成活性基,这是喷头式略微不好的地方。
(简单混和)
不仅仅是前述的化学混合中、机械混合也需要不少的能量,这样的能量传递给混合的流体,成为产生活性基的原因。因此,象燃料和废液那样,尽量不要在燃烧前与有活性基的成分混合,过度的混合能量不仅是多余的,还可能成为安全故障的原因。对于这一点,[专利1220654]的混合器,没有按照本次德活性基理论进行设计,用必要的最低限度的能量进行高效率混合的观点出发设计的,偶然与活性基理论为基础的理论相吻合,可以认为是乳液燃料制造用混合器的成功例子。
因此考虑活性基理论,调查身边的各种食品以及各种混合体,是一件值得关注的有趣的事。如巧克力和牛奶。牛奶混合器也被称为均化器,是一种用高压泵升压,并通过微细的小孔,制造出非常均匀的乳液的混合器。
但是,这些牛奶和巧克力不会受到猛烈的活性基反应,因此,我们可以绝对放心的享用这些牛奶和巧克力,这是众所周知的事实。即加热也是相同的原理,牛奶和巧克力具有优异的活性基抑制效果,因为有吸收应力而无害化的作用,所以认为是安全的。然而,若以此理论为基础,不难想像,如果喝没有应力状态的牛奶,对健康会更好。
因此,若以此理论为基础,作为混合方式,在本发明中使用超声波等高能量的混合器,限定在非常稳定的废液的混合条件下应该使用。
附图的简单说明:
图1是表示NOx低减效果的图;
图2是燃烧器前在线比例方式的水乳液燃料油制造装置的基本构成图;
图3是表示锅炉的比例注入的应用说明图;
图4是有破碎功能的混合器构成图;
图5是喷雾型混合器构成图;
图6是具有发热量的废液用燃料调整阀注入的情况的关于空燃比控制方法的说明图;
图7是燃烧水和各种废液情况下的检测火焰长度的结果的图示;
图8是在C重油中使用的柴油机中的NOx和烟浓度的检测结果的图示;
图9是因水乳液效果的热NOx的低减效果的图示;
图10是表示利用中间混合式燃烧炉的水喷射喷嘴的处理形态的构成图;
图11是燃烧器的说明图;
图12是表示排放气体中的有害物浓度的图;
图13应用于石灰烧成炉的构成图;
图14是气体涡轮机的乳液法和用水喷射喷嘴进行废液注入的构成图;
图15是在不具有因水喷射而降低NOx手段的气体涡轮机中的适用的构成图;
图16是纵型石灰烧成炉的构成图;
图17是废液燃烧的构成图;
图18是综合处理的构成图;
图19是用工业用燃烧设备处理废液的流程图;
图20是实验中的氧浓度和CO以及HCl和燃料中总的氯含量的图;
图21是表示毒性等价和燃料中氯浓度相关的图;
图22是表示A重油和水道水和流动水流量的毒性等价的图;
图23是表示二噁英类的产生分布的图;
图24是表示锅炉和吸收式冷冻机等的基本构成的构成图;
图25是表示多燃烧器的锅炉基本构成的构成图;
图26是表示焚烧炉等的基本构成的构成图;
图27是表示气体涡轮机一代的基本构成的构成图;
图28是表示柴油机的基本构成的构成图;
图29是内部混合式燃烧器的概念图;
图30是外部混合式燃烧器的概念图;
图31是旋转燃烧器的概念图;
图32是反复压力喷雾式燃烧器的概念图;
图33是三段燃烧式的焚烧机构的概念图;
图34是分割火焰燃烧器的正面的火焰模型的概念图;
图35是自己排放气体再循环燃烧器的燃烧机构的概念图;
图36是关于气体涡轮机的浓淡燃烧机构的概念图;
图37是排放气体再循环式燃烧设备的结构的概念图;
图38是用油罐混合法的水乳液燃料油制造装置的基本结构的构成图;
图39是通常型在线比例方式的水乳液燃料油制造装置的基本结构图。
实施例
下面,结合附图说明本发明的实施例。
[高精度的乳液制造和新的理论]
原则上,在本发明中使用的乳液技术,是以具有被称为燃烧器前在线比例方式的高精度的比例注入结构的乳液装置为前提的。
[燃烧器前在线比例方式]
图2是现在的发明人们实际制造的水乳液装置的基本结构。
图2,燃料槽中贮留的燃料用燃料泵2加压,同时用燃料流量调整4来调整燃料的流量,通过燃料流量计5和混合器20,在燃烧器9中燃烧。水从容积式水泵164中流出,通过给水流量计168、注入到混合器中。只考虑流动构成,是非常简单的结构。混合器应使用与前述的[喷燃泵前在线比例方式]的混合器相同的,根据流量变化乳液粒子直径不变化的混合器。
(过渡现象的解决)
但是,用燃料流量调整阀进行流量控制的燃料配管中注入水,在比例控制技术方面,要求非常严格的控制性。其中一个就是注入开始时和注入停止时的过渡现象的问题。
也就是说,在该点注入的场合,不论有无水注入,用燃料流量调整阀进行流量调整的燃料多为一定。(这也是在燃料流量调整阀的特性产生的作用。)假设在100L/h的流量流动的状态、一次注入30L/h的水的情况下,注入的瞬间在燃烧器中喷射的燃料是2流体的总和,共增加到130L/h。
但是,在注入的瞬间,燃烧器附近的燃料中没有被注入水,结果燃料总共以130L/h流动,这样就发生过渡现象。因此,注入后发生大量的发烟现象。相反,该状态下达到稳定的状态,一下子停止注水,在燃烧器中以130L/h被喷雾的燃料一下减少到100L/h。所以,停止之后,因为燃烧器附近的燃料中大约含有23%的水,实质的的燃烧量减少到87L/h。这与过剩的空气燃烧有关,是产生白烟和断火等现象的原因。
因此,为了解决这些状态,需要实施以对燃烧系统不产生影响的速度进行加水注入停止和加水率变化等特别的控制方法。而且,因为过渡的现象是由从混合器到燃烧器前端的燃料体系的容积和流量决定的值,如果混合器和燃烧器之间的距离小、配管口径也应尽量小,注入速度的变化迅速,所以对于比象气体涡轮机那样的锅炉中要求更严格的负荷特性的用途的场合,应该设计更加短细的管道。
(对应负荷变动)
第二是负荷的变动。锅炉等燃烧设备随着负荷的变动、要求高速负荷对应的情况较多,特别是中小容量的锅炉中消耗蒸气的地方大多比较分散,这种倾向更明显。对于燃料流量的各种变动,要求不低于该变化速度的正确的跟踪比例,但对此不留心的技术人员也很多。即,对于燃料变化一产生响应延迟,则会发生前述的过渡现象,用前述的说明可以理解,但例如在以100L/h燃烧的状态下,燃烧量增加到200L/h的场合,加水率如有30%,130L/h和260L/h的乳液燃料如果没有误差的向燃烧器中喷雾,就不可避免发生过渡的发烟和白烟。但是,在通常的PID演算法中,虽然进行高精度反馈控制,还是一定会发生130L/h→230L/h→260L/h的过渡状况。这是因为比例注水的跟随性不好。
本技术的注水控制,燃料流量计的信号被输入到流量比例控制器61,这里进行后述的模糊推论为基础的高速比例演算的信号通过对容积式水泵的旋转数的控制来实现。因为容积式水泵使用的是高精度的泵,原则上可以进行开环控制,(相反若没有开环控制,这样的高速的比例响应会有困难。)因随时变化同时或仪器误差每1转的输出量都会变化。因此,以给水流量计的信号为基础,得出现在使用的给水泵的仪器误差的特性,在预先加入操作仪器的误差的基础上,进行前述高速比例演算。
(其他各项课题)
这里不详细叙述,其他混合器的内压对应于燃烧负荷变化,随着燃料油温度的上升注水沸腾现象的防止等各技术课题不被克服,这种看似简单的流动在实际的装置上没有用处。
对于比例控制技术,在发明人拥有的技术中应用模糊推论,使用在燃料增加的瞬间注水速度也随之瞬间跟踪变化的手法,并且为了开发不产生引起振荡的超过和下溢现象的比例注入方法,安全而且有效的被运用在超过数百台的实际工业用燃烧设备上。
(解决了各课题的装置的实绩)
由于使用这样的乳液燃料制造装置,不仅C重油、A重油和分离速度极快的煤油等,也不使用乳化剂等添加剂,燃烧器在可燃烧的范围内,能任意设定的同时,利用即使水停止空燃比也不变化的特性,在低燃烧区域,因最终注水自动停止,在再起动时利用水分离解决着火性的问题等,在乳液燃烧实用化上,是作为乳液装置解决所有课题的注入方法和装置。
[乳液燃烧的新理论]
以前,认为乳液燃烧是利用微爆作用和水煤气反应来降低煤的。但是,煤即碳的结晶的团块在燃烧后期会发生,这样的燃烧促进不会引起NOx生成,但对于实际的锅炉燃烧,虽然A重油和煤油的燃烧也有降低NOx的效果,而C重油燃焚烧没有NOx的降低效果(使用良好的乳液燃料,增加水的量也不会降低NOx。),这个不可思议的原因很令人苦恼。由此,对用于乳液燃烧的锅炉有了限制,成为在相对于乳液燃烧的其他焚烧机械上的应用犹豫的原因。
·活性基理论
但是,乳液燃烧的效果有微爆作用和活性基作用,它的解释很简单。即能进行良好燃烧的乳液,微爆后变成活性基如前述,它是以此理论为基础被发现的,本发明不是利用有机物的热分解进行无害化热回收的简单的想法,而是建立在科学安全性的理论基础上的。
[乳液燃烧的归纳]
发明人克服了水乳液燃烧的各种危险因素,从前述用途实例中的数百台水乳液装置的卖出和其运用情况来看,悟出新的活性基理论,从而确立了本处理法的废液处理。但是,不只是这里说到的困难,如后述的那样,乳液燃烧的困难,不仅仅是乳液装置引起的,还必须适当组合适于乳液燃烧的燃烧方法和燃烧手段等、及实装的燃烧设备所应该处理的各种相关技术。
同时,在实施例中提到的那样,即使使用水道水,含有并不比废液中少的卤素量,必须弄清楚视运用情况而产生二噁英的主要原因,对于没有克服过渡现象等的发烟要因的装置,参考这些观点,要考虑相应的环境问题。
而且,关于对燃烧室和传热面的影响,作为乳液用水与其使用被称为软水的以Na置换Ca和Mg的水,不如使用使用被叫作原水的置换前的水,这是很明显的,对于含有钒的燃料情况,与使用纯水相比也更希望使用原水,要根据浓度和后面叙述的燃烧室的形状和燃烧器等的形式,选择最合适的水质。
[废液种类的研究]
研究废液种类,根据了解进行焚烧处理的废液的种类,事先预测仅要特定组成和物性要花费膨大的时间和费用等的主要分析物质,或类推预想的组成的误差范围等很重要。
因此,不管怎样,以废液的主要原料和加工物等及预想的成分和浓度等的信息为基础,必须对废液种类的研究、组成、物性和混合特性进行调查。
[食品系废液]
食品废液,除植物油、精制的动物油等,有必要注意生物的腐烂和霉等引进的浮渣和输送障碍等。含有糖类和蛋白质的情况下,为了烧焦或者炭附着等的对策,需要注意燃烧器的种类。
(植物油、动物油)
是平底锅中油炸物油的废油。重要的是在制造过程中混入的食盐等的浓度特定。
(果汁类的废液)
除了果汁等的在制造工程中的废液,也需要对超过饮用期限等的回收品进行处理。生产者为了制品上市,要进行相当严密的成分检测,可能对注入速度等的每个项目都要按照预设定值进行处理。
(牛奶类的废液)
除了含有蛋白质和盐分等、因加热易固化外,因为也是NOx上升的主要因素,所以要注意燃烧设备、使用燃料、降低NOx方法等。
另外,牛奶类在制造脱脂奶粉时,浓缩工程中牛奶中的水分被蒸发,因为蒸发成分几乎全是蒸馏水,所以作为乳液用水最合适。但是,在生产过程中一出现异常,有时高浓度牛奶成分会泄漏,所以牛奶类那样的注意是必要的。
(煮汁废液)
对应于对象制品,预想会流出中的各种物质,所以必须注意。但是,对于预先加入食盐等的煮汁,如果不研究脱盐等前处理,就不能应用。
(糖类废液)
对于果糖液糖等的稀释水和制糖过程中的废糖等也要注意其浓度变化。而且,象喷射阀和压力喷雾燃烧器那样,因为喷雾停止时容易受到热的直接影响,所以容易固化成焦糖状,而引起喷雾障碍。这一点对于蒸气喷雾燃烧器,在使用饱和蒸气的范围内,因可抑制此类现象,故是有利的。
[醇类废液]
(乙醇、甲醇系列)
在酿造过程和药品工厂中被排出。根据制造过程,因为其他醇类成分大概是能特定的,所以它们也需要特定。
(多元·高级醇类废液)
乙撑二醇、甘油等多元醇和丙醇、丁醇等高级醇类废液,如果成分被特定,通过密度测定可以推断大概的浓度。
[切削油、金属加工油]
与水溶性、非水溶性一起,含有以金属皂的形式作为加工对象的金属,所以需要事先掌握它们的浓度、性质。
[胺、氨类废液]
象单乙醇胺、吗啡啉等那样在组成中含N成分的废液。但是,需要注意氧化还原电势。
[溶剂类废液]
苯、甲苯、乙酸乙酯等有机溶剂为主体的成分。被抽出的熔剂能在气体涡轮机等上使用的也有,含有颜料等的熔剂,需要研究按照成分浓度能够使用对象设备,或实施预处理。特别需要注意使用颜料等的因素。
[化学工业类废液]
除了福尔马林、乙酸、乙醛等水溶性有机物外,溶剂类废液等也被排出。灰分和卤素等少的废液有可能在气体涡轮机上使用。
[可能含有有毒物质的废液]
对于可能含有有毒物质的废液,调查有毒物质的性质,对于能产生即使微量也有致死性的沙林(甲氟磷酸异丙酯)等毒气的液体,一定要仔细加以研究。对于其它可能含有一般剧毒物的废液,需要根据它们的MSDS(处理说明书)对其组成分析和物性进行研究。
另外,对于它们可能在正常时候检测不出来、而在异常时候能检查出来的情况,应该运用能检出异常状态的注入停止措施。
[可能含有放射能的废液]
因为它们在工业用燃烧设备中的焚烧处理中不熔化,一定要仔细进行研究。
而且,对于它们可能在正常时候检测不出来、而在异常时候能检查出来的情况,应该运用能检出异常状态的注入停止措施。
[可能含有重金属的废液]
它们必须进行预处理,使相关工业用燃烧设备中排出的浓度在要求的标准以下,对于不进行预处理的情况,对于它们可能在正常时候检测不出来、而在异常时候能检查出来的情况,应该运用能检出异常状态的注入停止措施。
[特定预计一定的误差范围]
对于废液中的发热量在50%左右的废液,特别需要注意浓度误差。因为这是后述的空燃比控制方法特别重要的信息。同时,对那些误差能够特别指定的分析方法等也需要事先研究。
例如,醇类废液的场合,利用密度测量,就可大体确定其浓度即发热量,所以废液注入时,密度测定信号能作为发热量信号使用。
对于必须预处理的废液,需要注意其预处理装置的不完备等引起的浓度误差等,在这样的情况下,事先把其障碍信息的联锁装置组合在废液注入装置中,可以防止工业用燃烧设备的故障。
其他,就构成废液的各组分的最大误差而言,要使用对于进行研究的各种场合的对应方法的相关模拟和对策,这是安全运用上的关键。
[废液的组成]
首先,在用本工业用燃烧设备燃烧废液的本方式中,重要的是进行废液的详细分析。为什么要这样做,是因为废液是在各个工业、各个过程中具有各种成分和性状的物质集合体,即使涉及到过程的担当者,对于其详细的情况也不清楚。
废液的组成分析项目有不同的种类,被分为以下各项。
[水分含量]
也有出现发热量相反的情况,与过多的水分混合并燃烧,会成为燃烧恶化的原因,所以必须注意。
然而,适当地添加水分,可以期望减低煤尘的含量,降低NOx,使难燃性的物质分解。因此,在仔细把握废液中水分量的基础上,有必要确定最大可能的注入比率。
[卤素类]
因Cl是二噁英类物质产生的原因,要注意,其它作为HCl的容许排出量每个燃烧设备都要规定。另外,作为全部的卤素,因为会导致燃烧设备的耐火材料如传热管的劣化,必须限制燃料中总的卤素含量,这对设备的保护很重要。
[灰分类]
灰分是指在空气中加热到700℃以上燃烧后的固体残留物,含有各种金属成分的氧化物、磷酸和硫酸等。灰分中的各个成分在很大程度上影响了燃烧设备和区域环境,对应于各项目,必须进行适当的前处理和注入比率的控制。
(总灰分含量)
在空气中用700℃以上的温度加热上述蒸发残留物,对残留物量进行分析,应该符合JISK2272中相应的规定。
(碱性金属类)
钠、钾等碱性金属盐熔点低,燃烧室内会形成煤渣。在燃料中少量存在,要尽量减少废液中的存在量,这对燃烧管理有好处。
(碱土金属类)
钙、镁等碱土金属氧化物熔点高,在燃烧室内引起障碍比较少。另外,容易与氯等卤素强力结合,如果这类成分相对于氯过量存在时,会相应减低二噁英的产生。
特别的,在本处理方法中,废液中存在碱金属的情况下,因废液中的分散方法,作为非常细小的氧化钙粒子伴随氯向燃烧室转移,游离的氯原子和其他金属成分形成氯化物之前与氯结合的概率较高,因此,要防止氯引起的腐蚀等损害。
另外,钙和镁对生物体的亲和性高,即使向大气中扩散的话,不会造成特别的伤害。同时也有使其它低熔点物质的熔点上升的效果,为了降低这些成分的有害性,积极添加的场合也有。
(铜)
对环境的危害不大,但是,因为能变为二噁英合成的有效催化剂的氯化铜,必须进行前处理尽量除掉,或加入碱土金属类也会使催化剂失效。
(铁族金属类)
对环境无害,因氧化铁的熔点高,在废液中允许有一定含量。
(锡、亚铅类)
大多在润滑油等废油中含有。与碱金属相似,因可生成低熔点的化合物,考虑到对燃烧设备的热负荷以及燃烧室表面温度等的影响,有必要对废液中含有的该成分加以限制。
(钒)
钒在C重油等比重大的燃料中的含量大约在10ppm左右。它是高温腐蚀性物质,希望该成分的含量尽可能的少。
(硅元素类)
在水中以硅酸盐的形存在的场合以及象硅油等那样均匀分散场合,有必要对其进行与碱金属类相同的注意。
(铝)
主要在加工过程中使用切削油等的废液中存在。铝的氧化物与碱金属一样,具有极高的熔点,难以成为燃烧室的障碍。因此,各种燃烧设备都有一定的容许极限,是比较容许的成分。
(磷、砷类)
在特定的温度区域内,会对钢材产生腐蚀性,因次,必须根据前述碱土金属中的平衡,对注入率以及注入方法加以控制。废液中碱土金属的存在,会形成融点很高的磷酸钙和磷酸镁等,会对燃烧室产生恶劣的影响,这种情况必须阻止。
用与磷酸一样的方法来阻止砷类对燃烧室产生的影响,同时也要考虑在大气中的扩散问题,希望用前处理的方法尽量除去。
(重金属类)
原则上燃料中几乎存在,而且也未考虑到工业用燃烧设备会向大气中排放。因此,废液中若含有该成分的场合,用前处理的方法除去,或采用后处理的方法不能完全除去的场合,本发明不适用。
[其他的组成]
(氮元素成分)
在燃烧方面没有特别的影响,因氮元素的含有状态排放气体中是以氮氧化物的形式被排出的,所以有必要注意。在以硝酸形式含有的场合,近100%转化为NOx,在以氨的形态的氮元素存在的场合,约有50%的转化为NOx。
有脱硝设备的场合例外,在处理含有这些东西的废液的场合,以不超过处理对象设备的NOx排出基准为限度,一面调整混合率,一面与前处理和降低NOx的手段同时进行处理是必要的。
(硫磺成分)
在燃烧上无特定的损害,与氮元素成分一样,排放气体中含有的量作为排放基准已被规定。有脱硫装置的场合例外,排出浓度以不超过它们的基准的量为限度有必要进行调整处理。
然而,一般废液中含有的S成分与燃料油相比比较低的情况较多,相反,有稀释燃料的S分作用的情况比较多。
(鳞状物(SS))
燃烧设备的燃烧手段,都是利用喷雾微细燃料粒子的方法以形成理想的火焰。废液中的SS成分,它们形成有机物,无论采用何种分散方法,都不能形成比燃料喷雾粒子更细的微粒的场合,有必要事先除去。
在研究该废液的过滤或者分离设备的基础上,要对SS成分加以把握,不仅是量,而且还要事先把握粒度分布、性质等物性方面的内容。
[废液的物理性质]
(发热量、比重、粘度)
废液持有的发热量的把握,对由废液的注入点的决定,燃烧设备的空燃比控制方法有很大影响。
另外,根据注入方法,有必要把握废液的比重。也就是说,利用离心式和连轴式泵的场合,高比重液体的输送,与接下来粘度增大的场合一样,都有移送困难的问题。
溶液的粘度对输送方法、注入方法、温度管理等各种因素都有影响。适当的粘度,可选择容积式泵,并且有只用泵来实现输送手段和流量控制手段等的优点,对于粘度很高的场合,随着配管口径的增大和温度管理的必要性,是其成本上升的主要原因。另外,溶液没有粘度时,使用容积式泵就要受到限制,对于高压注入的情况不利。
[金属腐蚀性]
主要是对金属材料的腐蚀性,一般pH低的场合有问题,故有必要对接触液体的材质、在燃烧手段中的燃烧器的材料等进行调查。然而,即使pH高时,有必要注意象氨类那样对铜和铜合金有侵蚀性质的物质、以及因为象金属皂那样的金属,使接触液体的金属被腐蚀等情况,有必要注意。。
在具有腐蚀性的场合,作为原则,希望用耐腐蚀性的材质来设计接触液体的材料,象柴油机那样,与燃料的接触部分很多,采取对策困难的场合,采用中和的方法,或与防腐剂并用才有效。
[润滑性]
在使用容积式泵和柴油机的场合,润滑性是重要的因素。润滑性质受各种液体的性质的影响,作为在多大程度上防止金属互相摩擦的磨耗和粘联的指标,仅靠废液分析很难决定这样的性质。
在这个因素是必要的场合,原则上希望,在与作为对象燃料油混合的基础上,进行润滑试验。也就是说,燃料油是灯油、A重油、还是C重油,即使是重油,也会因为其蒸馏方法和分解方法不同,而润滑性不同,或者直接与废液混合的场合,润滑性也不同。
如果废液是油性液体,可以采用四球试验机以及泰姆肯摩擦试验机等方法求出其润滑性,废液是水溶性液体的情况下,因变为状态,在保持乳化状态不变的状态下的润滑试验装置的开发是必要的,对其结果和实际运行结果进行研究,并且采用经验方法求得。
[氟橡胶耐性]
在处理燃料油时,最近在液封装置上使用氟橡胶的情况比较普遍。氟橡胶是除聚四氟乙烯弹性体(商品名是カルレッツ)之外,在有橡胶弹性的材料中,其耐溶剂性能最优。燃料油中含有苯成分时,使用丁腈系耐油橡胶,润滑油的使用寿命会缩短。
聚四氟乙烯弹性体是现在所使用的材料中价格最高的,作为密封材料的PTFE(商品名是特氟隆)使用时要进行专门的设计,废液注入的设备、燃烧手段以及输送手段的设计对其都有影响,所以氟化橡胶能使用还是不能使用的判定就很重要。
[焦烧性、粘着性]
废液燃烧中必要的特殊性质。即伴随象糖类物质那样的加热蒸发,有必要事先对糖类具有粘着性的性质调查。就燃烧器的种类而言毫无问题,但在燃烧断续进行的柴油机以及采用喷射方式的气体涡轮机上禁止使用。
除糖分外一部分蛋白质等也被认可,在认为没有问题组成以外,根据120℃加热残留物的性质进行判断。
[HLB]
HLB原来是表示乳化剂中所占亲油基团和亲水基团的平衡的数值,最低亲油性为0,而最高的亲水性为20。因此,备齐HLB为已知的表面活性剂与废液混合,一般来说可以推断出废液的HLB。一般如果HLB在10以下,该废液可认为具有亲油性,液体燃料如果是矿物油那么就容易混合,超过10时要使用乳化剂,或者有必要使用机械能量进行乳化。
[油性液体]
油性废液的代表性物质有植物性油脂的废油、各种工业用油脂的废油、有机溶剂等。初一看这里的废油与燃料油的混合似乎极其容易。然而,油脂类根据相相溶性,含有相同的可溶基团能很强地结合在一起,相反,残留的成分作为不溶性泥状沉积残留。
通常称这为混合稳定性。如果是和燃料油的混合稳定性良好的组分相混合,混合时没有问题,偶尔用油罐内混合的简便方法来处理这些废液。
然而,当燃料的品质发生种种变化时,用这样容易的方法就很难维持稳定的燃烧。
阻碍稳定性的因素,已知的主要有混合后经历得时间、氧和臭氧的影响、热冲击等,总之希望在燃料油中能够按比例混合,当燃烧装置停止的时候,希望在没有废液残留的状态下停止。
另外,注入点也要与体系的混合稳定性相对应,应选择在燃烧处里德范围内能够维持稳定性的注入点。
[水溶性液体]
水溶性废液的代表物质有废酒精、食品类的排水等以及其他有机酸废水。要将这些物质混合到在燃料油中,有采用称作乳化手段的混合器和均化器等给与其机械剪切作用的方法,或使用表面活性剂进行乳化的方法。一般来说,水溶性液体和燃料油的相溶性小,夺走燃料油的可溶性基团那样的功能较少,相反因起因于乳化粒子的稳定性的问题容易发生,比例的注入的同时,希望尽量在燃烧之前注入。
另外,在这样的场合,原则上希望乳液形成油包水型(W/O)的,特别是当燃料油为重质油时,因为微爆效果可能使煤尘量大幅减少。又,水溶性液体的场合,除醇类废液外,都有发热量小的倾向。因此,注入比率的增大会导致火焰稳定性的恶化,最大注入率有必要对应于各燃烧负荷带确定其最大值,除此之外,因为在最大燃烧域中燃烧器的喷射量是燃料油和废液的合计量,超过设计上的定格喷雾量的情况比较多,不超过定格喷射量那样的注入率限制是必要的。
[乳化性]
乳化性废液的代表性物质有水溶性切削油(压延油)、压缩机排水和洗涤废水等。一般形成O/W乳液(水包油性的乳化油滴)的情况比较多,也有加压浮上设备的浮油是引起相翻转的物质,以及离心分离油脂类并去除不纯物的称作清洁机的设备的排水那样的显示W/O乳液(油包水性的乳化水滴)。
乳化型废液的特征,保存中油脂和水分离或形成奶油状物质,虽然是同一废液,但性质不均一。在相对于燃料添加量极少的场合,对空燃比的影响比较小,处理上就不存在太大的难度,相对于燃料注入量增加后,空燃比的调整就比较困难。
原则上,相对于燃料的混合率一旦超过10%,乳液的场合,分离成水相和油相,形成稳定的水相(若干油粒中有牛奶存在,分离的情况就会减少,从而没有问题存在)和水分减少后的油相的2相后,希望前面所述的油性液体与水溶性液体一样进行处理。
另外,关于乳化废液,另一个必须注意的地方是相反转问题。即一般乳化废液大多是采取了油水分离处理后的排水,尽管是W/O型乳液,但水的比例较大,而如果是O/W型的,油的含量比较多,这些情况不少。
顺便说一下,W/O型乳液表示油是连续相,其中水以粒子的形式存在,O/W则正好表示相反的情况。一般来讲,相对于分散粒子连续相大量存在,即使加入机械的冲击(采用泵送、阀的空化作用),这种乳液也不变化而保持稳定。
另一方面,例如W/O型乳化剂,在水的含量比较多的情况下,机械的冲击作用可使水形成连续相,油变为粒子相。这就是相反转。相反转如果在全部溶液中一起进行,可以形成稳定的乳液,如果这种现象是在整个溶液中的一部分发生的,因为在其界面相上(W/O和O/W)各互的溶液难于移动,产生极高的流动阻力,即表示为粘度增大。
作为该现象得应用实例,蛋黄酱等就是身边的一个例子,其他如洗发剂和化妆品中也是应用该原理的,使用时具有高粘度,干燥后(连续相蒸发掉)用水洗,赋予其极易流动的特性。
用本方法注入的废液中这样的现象一发生,配管的阻力增大不仅会导致注入流体的注入停止,如果在燃料体系中发生这种现象,燃烧设备自身也会停止,应该特别注意。
顺便说一下,这样不稳定的乳液,如果是W/O型乳液,容易发生在W/O型乳液中的沉淀,如果是O/W型乳液,容易发生在O/W型乳液中的上浮相和离心分离相。
[着火点]
在废液处理法中是没有直接影响的项目,在日本的法律中,根据着火点,详细的确定了必要的相关防灾设备的规定。
另外,着火点,废液的着火点为10℃时,燃料油为100℃的场合,废液注入量相对于燃料油仅为1%,作为着火点主要是废液的着火点,所以着火点的把握、是注入设备以及燃烧设备全部预防灾等设计上的主要问题。
[毒性]
例如乙醛和甲醛等,进行燃烧处理生成水和二氧化碳气体,虽然毫无问题,但是因在向燃料的注入过程中发生泄漏和溢出,对环境和操作者有危害的液体的场合,因为一般燃烧设备不是专为处理这样的液体而制作的,在没有充分充足的防护对策的场合,要加于仔细的研究才行。
特别的,烯和光气等具有挥发性,即使微量的泄漏,在含有毒气和易生成致命的毒气的物质的场合,要中止应用。
[腐败性]
例如,在食品类废液中,在贮留过程中会有发酵、腐败、发霉等发生,不仅生成恶臭和气体,还会产生过滤器的堵塞等故障。因此,一定要认识其对策的必要性进行把握。
[自然发火性、自反应性、氧化性]
自然发火性、自反应性、氧化性等是预防事故的指定内容,以消防法等的分类为基准作调查,在其作为对象的场合,在前处理阶段,有必要除去,使其失去它们的性质。
例如,象硝化甘油等在冲击和热的条件下很容易发生爆炸的物质,有较强的氧化性、因与可燃物混合容易自发着火的物质,用前处理不能回避这种状态一定要限制其使用。
[废液和液体燃料或者水的混合特性]
是与前项的组成与物性都有很大关系的项目,与前面的成分分析和物性相一致,有必要对燃料油和水的混合特性进行研究。
[分散性]
作为分散性,指燃料油和废液的混合状态,考虑在燃料油的HLB为3~5左右、废液的HLB超过10的情况下,进行乳化状分散,废液的HLB低于10的场合为溶解分散。
(乳化状分散)
用本处理方法的乳液状分散的形态是W/O型乳液即油包水性的水滴做为原则的。
废液呈乳液状分散形态的场合,根据高精度的乳液制造方法选择混合方法,象柴油机和焚烧炉那样的有复数的燃烧手段可选择的时候,就采用以前在线方式,希望注入点尽量配置在燃烧手段的前方。
依赖油罐混合方法的场合,一般都使用乳化剂,但在废液中含有乳化成分等的场合,没有这样的限制。然而,因为可能会产生沉淀等的各种障碍,所以不能选用。
废液呈乳液状分散形态的场合,不并用能维持W/O型乳液的HLB在3~7左右的表面活性剂的场合,从添加率为100%(含水率50%)左右,进行超过该值的添加时,例如即使使用在线比例方式的高性能乳化燃料制造装置,由于伴随燃料喷射等的剪切作用而发生相反转,或伴随粘度剧增可能有喷雾不良的现象,所以必须注意。
(溶解分散)
溶解分散是指燃料油和植物油、溶剂等的分散互溶时,没有必要担心象前记的乳液状分散那样的分离。一般被认为是极其简单的技术,利用向燃料罐内投入以及简单混合根据固定量注入(即使燃烧量变化注入量也不变),就可没有任何问题进行运用。
然而,这些初看没有问题的运用实例,实际上燃料相对于混合比极少时,实际上还是发生泥状沉积物,会滞留在罐的底部,看拟增加筛网的清扫频率即可解决的轻微障碍,实际上也很麻烦。
注入率大概超过10%附近,因为后面叙述的异物所致的障碍的影响变大。这个问题的对策,倒不如采取前者的乳液性分散形态的废液的方面对应容易得多。
混合后的损害,是由于废液成分和燃料油的化学的主要因素而产生的,因为经过一段时间、热冲击、光等物理因素以及氧、臭氧等物质也有影响,混合后要尽早焚烧处理,与采取乳液性分散形态没有差异。
[异物生成]
异物生成,表示燃料油以及废液一起,对工业用燃烧设备的燃烧手段来讲在没有障害的状态下除去异物后,两者混合的情况下,生成产生障碍的异物的状态。
(结晶状物质)
燃料油和废液混合时很难发生,在2种以上的废液混合的情况下,一旦含有结晶成分就容易发生。必须注意的是钙和镁的碳酸盐以及磷酸盐。
(泥状沉积物质)
废液中的溶剂成分和矿油等,由于燃料中的沥青烯溶解,最一般可能发生的情况就是沥青成分不能溶解而产生泥状沉积物,其他的情况,因为燃料中存在不饱和基团交联而发生泥浆化沉淀也要注意。
[固化、高粘度化]
象有吸附性凝胶化剂那样,在水溶性状态下处在溶液中,因为有和燃料油和混合后固化或者高粘度化成分产生,也有必要对它们进行确认试验。
例如,在水处理中被使用的肼,即使在废液中混入微量也具有使燃料固化的功能,会有异物生成,求得引起这些障碍的成分的全部组分要会花费大量的时间和成本,因此实际混合对象燃料、然后确认的手段是合理的。
[稳定性]
必须对前面所述的各种状态在什么样的条件下发生加以验证。也就是说,混合后极短时间内障碍发生、改善注入方法原则上回避困难的情况下,一定要前处理和添加剂的注入等方面避免。
(时间稳定性)
预先确认经过一段时间上述的混合特性,经过什么样的过程是很必要的。最简单的判定就是乳液状分散的稳定性。例如发生在数秒内产生分离时,如果把注入点设计在这段时间内能燃烧处理的位置上,就可以不用表面活性剂。然而,在燃烧手段中断燃烧前,必须不停止废液的注入。
另外,因为异物生成、固化、高粘度化在经过混合后的时间内会发生状态变化,所以有必要进行预先确认。
(热稳定性)
由于加热器等加热,就会显著表现出异物生成、固化以及高粘度化等障害。特别的,象电加热器那样表面温度高的情况下,也容易发生更明显的障害。热稳定性差的成分,在含有亚油酸等的不饱和基团的植物废油和燃料油混合时,如给予必要的加热使其混合燃烧,就有可能进行不发生异物的燃烧,当加热它们的混合物时,在加热器表面泥状物堆积、在使用电加热器的情况下,因为相关泥状沉积物的热传导性差、加热器表面过热,导致事故的产生的情况也可能发生。
另外,过氧化物和交联性的物质等,由于热冲击,也容易与燃料油中的不饱和基团结合,所以必须注意。
(贮藏稳定性)
随时间推移,引起前述障害的尺度。具有加热器和流速落后或停止那样的设备的燃烧手段,在它们的前面,一混合就滞留的混合燃料引起起因于贮藏稳定性障害,必须进行充分确认。
另外,即使就在最短时间内能处理的锅炉用燃烧手段而言,1~2秒内损害发生的场合有时不能处理,故有必要注意。
(氧、臭氧、紫外线稳定性)
通常是只要不采取油罐内混合法就没有问题的项目。在用油罐内混合法就有这些问题发生的可能,必须注意。
[混合特性的总结]
与起因于象以上那样的废液和燃料油或者废液和水的混合特性的各种状态和特性一起,必须对前处理方法、注入方法、混合方法、燃烧装置以及添加剂等进行研究。
[理想状态的燃烧火焰和排出气体的组成]
理想状态的燃烧火焰和排出气体的组成是指能够基本上抑制二噁英类的发生,并且能抑制NOx和煤尘的发生的理想燃烧状态。
它们通过良好状态的把握,从有无对理想燃烧状态持有疑问的各事项上进行综合判断而被决定的,不能只根据特定的现象断定理想的燃烧条件。
[生飞]
燃烧量与定格燃烧的燃烧量相比极少,燃烧器的雾化性能恶化的场合。超过燃烧器的定格时,或在保焰性能恶化的场合,燃料油在几乎不发生氧化反应的状态下,从燃烧室中逃逸的现象。
除上记的原因外,在燃料油温度管理不合适、燃烧器喷嘴的劣化和污染、以及象废液中的水分和氯元素那样降低燃烧温度的成分在燃料中过多含有的场合等都会出现该现象。
燃料和废液在未燃烧的状态,除了可能会向烟道中移动外,因为液体燃料不蒸发可能残留其中,所以由于催化反应带来的泥状沉积物可能第2次发生,必须对其项保持最高警惕。
另外,对于生飞溅的监视,在燃烧室后方设置监视窗的场合,因玻璃窗上燃料油滴的附着就能很容易观察出来,在这种情况以外的场合,因为采用象白烟、黑烟那样从烟囱中进行异常监视比较困难,用HC和CO的异常以及煤尘测试纸的异常来进行判断,或者有必要从火焰异常等来类推。
[白烟]
在燃烧器附近能进行正常的燃烧,是由于燃烧用空气和炉内气氛温度,在火焰被冷却气体成分残存状态下燃烧中断时发生的现象。主要除了象低燃烧和燃烧设备的冷态启动那样,燃烧室气氛温度降低时易发生外,由于燃烧空气过剩也会发生。
假定是气态物质,二噁英类的2次发生比生飞少,相反在燃烧室内直接被生成的危险大。
[黑烟]
在燃烧器附近能进行正常的燃烧,因燃烧用空气不足而产生黑烟,这要与由于燃烧器喷嘴和保焰机构或者空气调节器等空气混合手段不匹配,造成火焰的一部分伸展或延迟,即使通过燃烧室燃烧不间断的场合发生的现象发生相区别。
依氧气不足和黑烟的程度而不同,毕竟要防止二噁英类发生所以要绝对回避这一现象。
[火焰长]
没有直接表示燃烧状态恶化的指标,因为锅炉和工业用炉等,能比较容易确认火焰长,就同一燃烧负荷和氧气浓度而言,与对象燃料专门燃烧中的火焰长产生极端差的场合,就有可能诱发各种损害。
一般情况下,总认为越短越好,这是使用同一燃料的场合的经验,但在混合溶剂等的挥发性物质的场合,必须注意过分短的弊害。
[可能是其他理想的燃烧状态现象]
(可观察到的现象)
萤火
主要是起因于燃烧器的不合适的巨大油滴在火焰中以荧光样燃烧并在燃烧室内闪动的现象。残留碳成分多的燃料中容易发生,另外废液不是均匀混合时也易发生。
这种现象除了成为煤尘产生的主要因素外,也是在烟道中进行2次堆积的主要因素。
然而,由于在废液中含有水的场合,以及在和废油的混合中加入水,会明显改善。
跳火
是火焰带脱离主火焰在燃烧室内徘徊的现象,经过燃烧室存在的场合,也是黑烟和白烟发生的原因。
主要在低燃烧时用低过剩空气比燃烧发生的现象,也可以说是白烟发生的前一阶段。在这样的症状存在时,燃料中一添加含有水的废液,马上会产生更恶劣的燃烧状态,所以必须注意。
在中间燃烧区域或者高燃烧区域产生的场合,火焰形式和空气混合上有问题,包括燃烧器都有改善的必要。在中、高燃烧区域这样的燃烧条件时,成为燃烧恶化的主要因素的废液混合存在危险。
熄灭再点火燃烧
燃烧火焰时大时小,通风计有较大振动,这是它的特征。
是由于燃料和燃烧器的保焰机能不完全而发生的,多数情况是由于燃烧器的保焰机能不完全。也就是说,保焰机能降低,火焰在燃烧室内提升,形成一瞬间消火的状态,然后喷雾的燃料再着火,使得急剧燃烧定期发生。作为二噁英类发生前的问题,也会在燃烧设备的运用上产生大的损害,必须注意。由于废液的混合(除水分这样难燃成分外,在溶剂这样燃烧性太好的成分也有发生的可能)主要在低燃烧域被确认极易引起这样的现象的燃烧域中,必须避免废液的混合。
中、高燃烧域发生的场合,必须采取这种现象不发生的保焰功能的强化对策。
振动燃烧
与前述的熄灭再点火不同,比较快的振动出现在通风及其设备上的现象。
该现象,燃烧反应产生的低频音波在锅炉燃烧室内共鸣所引起的。该现象本身不会直接导致二噁英类的产生,但是会破坏燃烧设备的同时、对计量用计器类也有坏的影响,所以要尽量避免。
伴随废液的混合燃烧速度的差异、有时也成为振动燃烧的原因,用空燃比的调整、空气阻力、喷雾用蒸汽量的调整等方法多数场合是可以避开的,但有时必须根据情况更换燃烧器。
(要求分析手段的现象)
CO的增大
燃烧产生的CO,理想状态希望其值是零,就工业用燃烧设备而言防止10~30ppm的CO的产生有一点困难。
完全防止燃烧引进的CO的发生之所以困难,可以认为燃烧正常结束是表示能继续燃烧的燃烧性气已经烧完的时点,达到这个浓度的CO气体也不能继续燃烧这一氧化反应。
就一般的工业用燃烧设备而言,即使在燃烧室内,因为热量被冷却壁和对象物吸收,燃烧的氧化反应一停止,气氛温度急剧降低,CO被氧化为CO2的条件不能成立。
因此,使CO为零,就工业用燃烧设备而言是困难的,但这些较小浓度的CO不会导致二噁英类的发生,又,就生态体系而言,各种微生物把CO氧化成CO2,或被光化学反应氧化,不会引起大气中CO的增加。
然而,检验出来CO的量超过CO通常的量时,就表示燃烧室内有任何异常现象生成的征兆。前述的生飞、白烟、黑烟等现象也可以通过CO含量异常上升检测出来。
CO有已知的各种分析方法,其中非分散型红外线方法是最值得信赖的。
HC的增大
与CO发生的情况相同,完全防止HC是有困难的,就连续燃烧式燃烧设备而言,其值可以抑制在比CO的值更低的范围内。
特别是C1~C4轻的气体,浓度低的情况下,与CO同样不是二噁英类直接产生的主要因素,浓度高的时候,苯等的C6以上的HC被检出的场合,二噁英类发生的危险就会增大。
HC的分析是用THC计等采用在氢焰中燃烧排出气体来进行测定的,已知的还有测定离子电流方法。
·NOx值的异常
NOx值一般情况下都认为越低越好,视燃烧设备大幅降低或增大确定的NOx值的场合,以此作为发生异常现象的指标。
特别的燃料中几乎不含有N成分的A重油和灯油等燃料的场合,NOx值降低多表示燃烧异常,然而废液中含有水等不可燃物质的场合、象C重油等那样在燃料中含有N成分的场合,以及由于不含有N成分的可燃性废液的混合也会使NOx的值降低的场合都有。
另外,废液中含有N成分时,由于它在燃料中混合使NOx值上升,所以必须对在相关燃烧设备容许的NOx值以下进行运转管理的混合率进行抑制。
NOx值的测量除了用化学分析的方法外,还有连续分析法的化学发光方法以及红外线分析法等。
煤尘量的增大
煤尘量,在象A重油和灯油那样的残留炭成分少的燃料燃烧的场合几乎不发生。生飞、白烟、黑烟即使产生也不过是极少量的煤尘量。然而象C重油那样残留碳成分多、废液中残留的碳成分多的情况下,排出气体中煤尘量很容易大幅增加。这样的场合煤尘量增大大多伴随产生前述萤火,而与生飞、白烟、黑烟的相关较小。
而且,燃料中残留碳成分多的场合,减小从燃烧器喷射的油滴直径,使煤尘量减少是有可能的。废液中含有水分时,因微爆现象和水煤气反应等的促进燃烧效果,煤尘量会显著地减少。
无论怎样,含有碳成分的煤尘可能是烟道中二噁英类2次发生的主要因素,必须控制在尽量低的值,因此必须注意煤尘量的增大。但是,废液中有金属成分存在时,作为灰分的煤尘量增加,因此必须把握对应于废液的组成和混合比的煤尘量。
煤尘量的测定一般是在煤尘捕集室中通过一定量气体,然后计量收集煤尘量,另外利用静电容量的连续分析装置等也正在被实用化。
排出气体氧浓度的异常
排出气体中的氧浓度本身与二噁英类的发生没有直接关系,但是原来被控制最适合空燃比燃烧域的氧浓度急剧变化,会导致异常现象发生。
在本方式中,由于废液持有发热量的变化和废液的注入率变化等,会导致排出气体氧浓度的异常,所以必须进行监视。
而且,氧浓度,除了化学分析方法外,利用磁哑铃式、磁风式、氧化锆式等连续分析法也比较容易分析。
背景指数的增大
燃烧的好坏,通过用称作背景指数的比色纸吸附排出气体中煤的方法来确认。如果使用该方法,可以根据背景指数值在前述黑烟形态发生以前确定发烟的界限。
发烟界限是降低氧浓度时判断排出气体的未燃炭的增加的状况的,它随各设备及其燃烧负荷变化。
作为二噁英类的对策,背景指数尽量限制在0附近,这是关键。
二噁英类前驱物质值的增大
氯化苯、氯化酚等二噁英类前驱物质的值不能有异常。通过开发该物质的连续监控装置等,并与该装置组合,可以确认理想燃烧状态。
二噁英类,等价毒性浓度
目前,二噁英类的检测,必须用JIS规定的气相色谱进行分析,而且因为检测后出结果的时间比较长,与本专利的主旨有若干背离,只把它作为确认理想燃烧状态的方法。
但是,与科学的发展和需要的高涨的同时,二噁英类和等价毒性浓度的实时计量成为可能,在这样的情况下可以使用确认理想的燃烧状态的方法。
[废液注入方法的调整]
在图3中,对注入方法的调整进行说明。本图就锅炉设备而言,表示在燃料中混合水溶性废液、油性废液、乳液性废液等并进行焚烧处理的场合的结构,燃料使用的是称作C重油的必须加热的燃料。另外,本图除了是本调整的说明外,混合方法的调整中也使用。
[废液注入的实现和注入泵的选定]
在燃料槽1贮留的燃料用喷燃泵2加压,用加热器30加热到合适的温度,用燃料流量调整阀4调整流量后,用燃烧器使之燃烧。此时,燃料流量计5检测燃烧流量,输送给进行多点注入率决定装置64等废液比例控制的控制装置。
水溶性废液是3%的浓度的醋酸废液,被贮留于废液槽11中,用具有级联结构的废液泵12加压,经由基于前记燃料流量的废液比例控制器的信号所控制的废液流量调整阀14和加热器30,在混合器20中与燃料混合。废液泵和流量调整阀,是用对醋酸有十分的耐腐蚀性的不锈钢制成的,其他接液部分也是由不锈钢制作的。
油性废液是植物性废油,被贮留在副废液槽21中,因为加热器直接加热会容易产生焦烧的障害,所以在副废液槽内只加热到60℃。植物性废液因为润滑性良好,所以作为副废液泵选择容积式泵形态的齿轮泵,根据来自添加器比例控制器66的指令控制的VVVF装置22的输出转数,由此使旋转速度可变,可根据容积式泵的特性来达到控制流量。
乳液废液是利用离心分离机分离洗净过程排水得到的,因此它是由HLB14程度的非离子型表面活性剂和植物性油脂及水分按5∶55∶40的比率得到的O/W型废液。该废液量较少,如果利用象离心泵那样具有的剪切作用的泵输送,发生相反转,会引起奶油状的高粘度物质的产生,因此乳化废液泵52需要使用隔膜泵,不施工机械的剪切作用,根据乳化废液比例控制器的输出脉冲信号,在流量调整阀的二次侧比例注入废液。
废液,相对于乳液废液有10倍以上的容量,植物油脂因表面活性剂形成胶束,因此隔膜泵的脉动对注入点几乎没有影响,在水溶性废液容易稳定分散(相反转不发生的油∶水比)。
[注入点的选择]
(燃烧器前注入)
废液的注入方法第一是注入点的选择。前记的水溶性液体和乳液性液体的场合,由于容易产生分离和发热量较少等,故希望在燃烧器前注入。
图3中,混合器20的位置被放置在作为燃料流量控制手段的燃料流量调整阀的下流侧。选择该点作为水溶性废液、特别是选择几乎没有发热量的废液的注入位置,废液燃烧可不随空燃比控制设备的变更而变化。
(调量前注入)
因混合器10的位置位于燃料流量调整阀的上流侧,所以希望在该注入点注入的是与燃料具有同等的发热量、植物油和润滑油等废油类。然而,如混合状态的把握中所述的那样,要研究互溶后泥状沉积物的发生量和对热冲击的耐性,从而选择注入点。
(废液中注入)
本构成例中乳液废液,是含有HLB为14的表面活性剂的O/W型的废液,所以象本构成例那样事先注入到水溶性废液中,所以不会因移送冲击发生相反转,是稳定的O/W型乳液。
然而,在水溶性废液中界面活性剂的注入会有同样的效果,混合器的乳化容易,可以使用廉价的混合器。
[注入率和含有率]
另外,上面所记的注入点的特性,必须区别注入率和含有率。在研究燃烧器前注入的场合,作为表示混合比率的名称用注入率或加水率。进行调量前注入时,使用含有率、混合率、混油率等的表达较好。
两者的不同是注入率是用(混合比率)/(燃料流量)来表示,而含有率是用(混合比率)/(混合比率+燃料流量)来表示,例如注入率为100%则含有率为50%。
[比例注入方法]
作为注入方法,第一应选择的是对应于象本图那样的燃料流量的比例控制方法。该方法是利用从流量检知手段出来的信号控制流量控制手段,按比例注入目标废液的方法。该方法能与下述的各种注入控制相对应,所以有利。
此外,也有燃料流量调整阀和燃料机架进行机械连接,作为流量控制手段进行废液注入方法。
然而后者的方法仅限于废液中含有的氯很少,燃烧性与燃料几乎没有变化的,没有二噁英类发生的废液。
[与燃烧区域相应的注入]
在工业用燃烧设备中,根据对象负荷的变动,燃烧量也发生变化。第一要注意的是由于燃烧量降低而发生各种燃烧恶化的主要原因。
(伴随燃烧量的降低燃烧恶化的主要因素)
废液具有和燃料同样的燃烧特性,并且除去氯元素等的含有量比燃料中更少的场合,因为以下的原因而停止注入废液。
喷雾特性的恶化
燃烧量可能变化的燃烧手段,用大概定格燃烧量的70%~100%附近的喷雾特性发挥最高的特性。接下来的例子是各种燃烧器形式中的低燃烧情况下的注意事项。
(1)蒸汽喷雾式燃烧器
相对于燃料的喷射量,孔径过大会招致喷射速率下降和粒子直径增大。
相对于燃料的喷雾蒸汽量增加,废液中含有水分等的燃烧能力会降低。
(2)旋转焚烧炉?低压空气喷雾
因为旋转杯和喷雾口径大,溢流的燃料量一旦减少,对杯会有轻微损伤,使油膜不均匀,火焰极易混乱。火焰形成用的一次空气的控制变得困难,容易发生炭附着。
(3)恢复压力喷雾
油滴的轴向的贯穿力减弱,火焰短小,燃烧器附近涡流急剧增加,燃烧器喷嘴易发生污染。
(4)单纯压力喷雾
由于喷雾压力降低,油滴直径增大,喷雾形式恶化。
燃烧室温度的下降
全部工业用燃烧装置和燃烧器的组合共有的,因为燃烧室度温度变低,在燃烧完结前被冷却,不能维持氧化反应,因此HC、CO增大。容易成为白烟产生的原因。
与空气的混合性恶化
一般情况下,因为燃烧用空气量减少,空气流速降低,油滴和空气的混合恶化,从而成为黑烟产生的原因。
过剩空气
要提高前记的混合性,空气过剩,从而会招致燃烧室温度降低。
燃烧的中断
在锅炉等装置中,随着蒸汽压的上升,燃烧自动停止。这不是故障、而是利燃烧量控制引进的蒸汽压力控制的一种形态,使用方法带来的日常可能发生的现象。因此与废液混合,接下来再着火时会导致废液的分离和着火性的恶化。伴随燃烧量的降低而引起的燃烧恶化的主要因素的总结
也就是说,在工业用燃烧设备的低燃烧域,根据低燃烧的设定方法或燃烧手段的性能,判断什么区域能形成理想状态的燃烧焰,同时也要考虑各种燃烧设备的特性和废液组成等,进行注入率和有无注入的判断是必要的。
(定格燃烧附近应注意的事项)
喷雾容量的增大和喷雾压力的增加
废液中几乎不含热量的场合,定格燃烧时多量的废液在燃料中添加,超过燃烧器的最大喷射能力时,会发生压力的上升和喷雾形状的变化等障害。
由于燃烧器喷嘴的孔径增加、燃烧设备的改善也能避免,工业用燃烧设备的燃烧手段的调低比,最大值是1∶10左右,在低燃烧域难于成为燃烧恶化的原因。
像一般工业用锅炉那样,对于常用负荷带是70%前后的设备,定格燃烧时控制废液的注入率在不发生这些障害的程度,就可不变更对应的燃烧设备。
空气流速的增大导致生飞的发生
在定格燃烧域中,除从燃烧设备中出来的燃料的喷雾速度、空气流速也会增大。就燃烧设备的设计而言,如果与燃料油的性能相吻合,就可形成急速燃烧,火焰带附近的燃料和空气的混合速度急剧上升。
这种情况在燃料中的水分含量比较多时,油滴的一部分在水分蒸发结束、着火以前,通过火焰带,它们形成生飞,移向燃烧室内和排出气体中。
生飞的油中如含有氯元素,燃烧室的传热面等上被热干馏发生氧化分解,可能生成二噁英类。
因此,在试运转时从中燃烧域向定格燃烧域过渡,抑制到不发生生飞的添加率,实施保焰功能强化的燃烧调整是重要的。
[燃烧异常引起的注入中断]
基于前记的理想状态的燃烧火焰的监视和排出气体组成的状态,一旦确认到异常,含有氯元素废液的场合,为了防止二噁英类的产生,采取废液注入的中断等处置是必要的。
[废液的混合方法的调整]
搅拌的方法、静电式、喷嘴式、剪切式、超声波式
一般称作混合器的装置的应用也必须根据废液的性状和注入点等来选择。
[机械混合方法]
主要是利用发动机的动力等进行剪切、分散等功能的混合器。广知的有具有螺旋桨那样的叶片的螺旋桨混合器,因为这种形式的混合器是在槽内使用的,只适用罐内混合法。
在本发明中原则上都是可以在线方式混合的,而且即使流量变化也能得到稳定的混合性能、适用于燃料和水的乳化燃料的制造的目的[专利1220654号管路内连续乳化机]等,其他的凝胶状固体物质等可以破碎、混合的筒型的混合器图4等也能使用。
[高压喷射方法]
因为废液和燃料油一次性混合后,混合液在高压下通过微细的节流装置,利用空化和剪切使物质使之微细化,常在牛奶均化中使用。
压力在10MPa以上,如果通过微细的节流装置,与粘度无关,能够得到均质的乳液,但是一次混合的混合器是必须的,而且纵混合性少,流量变化弱,能量的效率也低,因此常在要求乳液的均质性的用途上使用。
[静的混合方法]
(旋回桌面搅拌式)
在管路内设有具有90度的回旋角度的向导叶片,由于向导叶片得到回旋力的流体在互相合流的时候会产生乱流,因此使2种液体混合,所以在乳液制造的时候,有必要对粘度管理和流速管理进行严格控制,象油类与水类那样,在不需要采用剪切力混合时,取连接部位的构造简单较好。
(注射式)
应用注射的原理,在燃料的高速流中的低压部一边吸入废液一边进行混合,咽喉部(扩散)流量比较低,混合后会产生乱流状态,所以2种液体的分散性好,前记高压喷射混合器等一次混合器和在油之间或水之间混合时使用(参照图5)。
[超声波式]
称作超声波振动的喇叭形振动子和混合液接触,使得乳化粒子微细化,因为超声波能量高效率的传送给混合液的喇叭形振动子设计困难,没有一次性的分散能力,常与与机械式混合法共同使用。
[混合方法所要求的性能]
(分散性能)
这种性能是予混合器所要求的性能,可以通过使液体呈现乱流状态来得到。象A重油和煤油的混合那样、在溶解分散的溶液之间,如果该性能在全负荷域能维持的话就可以充分使用。
(乳化性能)
为了分散象燃料和水那样相互不能混合的液体,通常如不施加对应于相互的表面张力的能量,分散就不能实现。乳化性能是在流体中施加这种能量的手段,这种性能如果在全部负荷区域不可以维持,本发明的在线比例控制使用存在困难。
(纵向混合性)
有脉动的泵对在控制中不能完全修正的燃料和废液流量的微小的时间滞后进行机械修正,就是纵向混合性。纵向混合是实行混合的同时,一部分采用进行循环,因此具有使2液体的混合状态平均化的作用。
通常,流速一变快,纵混合性就变差,因此有必要与比例注入方法一起进行研究。
(破碎功能)
用更强的能量对液体施加剪切力作用,使固形物在水中分散也是可能的。例如,果肉汁和豆腐等几乎都是由水分构成的物质,多数情况采用破碎机能使其液态化。另外也有利用机械剪切的筒式混合器和高能超声波形式的混合器,使燃料中的泥状沉积物破碎。
[根据废液成分燃烧设备的空燃比控制方法的调整]
[不具有发热量的废液]
不具有发热量和发热量极低的废液,在前记[注入点]的选择中已经描述,在图3中的混合器20的位置注入,根据燃料流量调整阀4决定的燃料流量上增加废液流量,燃烧器9的喷射量增加,发热量不变化,理论空气量也没有变化,就不会扰乱稳定的空燃比。然而,废液量的急剧增加和急剧较少,以及废液和燃料不能进行正确地比例控制,因此过渡状况下会发烟、产生白烟,也是二噁英类发生的主要因素。
连这种过渡状况用废液的注入控制也能控制的话,用通常的空燃比控制装置就有可能处理。
[发热量与燃料一致的废液]
(混合后性能稳定的废液)
在前记[废液和液体燃料的混合状态的把握]中混合状态稳定,并且与燃料油具有相等的发热量的废液的场合,可以在图3的混合器10的位置能注入废液。这种情况下通过燃料流量调整阀4的燃料是废液和燃料的合计量,因为废液的发热量和燃料相等,燃烧器9中燃烧燃料的发热量不变化,因此用通常的空燃比控制装置来处理是可能的。
然而,这里值得注意的是废液的发热量和燃料油的发热量之间的比较是在体积上的比较还是在重量上的比较。也就是说燃料流量调整阀,是进行体积控制的,单位体积的发热量一发生变化,燃烧器燃烧的燃料量即使相同,发热量也发生变化,空燃比也会混乱。
另外,也必须注意粘度。粘度通常与混合率相对应,按对数比例粘度发生变化。即,同一温度下200cst和2cst的燃料和废油以50∶50的比例混合时,混合后的粘度为20cst。燃料流量调整阀产生来自粘度的流量变化,因此希望掌握混合后的预想粘度,预测空燃比会混乱,采取必要的相应对策。
一般来说这种情况下,使用燃料控制手段进行用质量流量计使质量流量一定的反馈控制,多数场合可以回避。
(混合后性能不稳定的废液)
在该情况下不采取前记的稳定的场合的方法,必须在图3的混合器的位置上设置注入点,这种情况在用燃料流量调整阀控制的燃料中,加上具有发热量的废液使之在燃烧器中燃烧,因此用通常的空燃比控制方法对极少的注入率进行控制的燃烧设备较多。
这里的记载与接下来的[具有发热量但与燃料不相等的废液]相同。
[具有发热量但与燃料不相等的废液]
在具有发热量,但与燃料不相等的废液的场合,无论在图3混合器一部分与混合器的任何部分注入,都不能避免空燃比的变化。空燃比控制的概念比较薄弱的气体涡轮机和柴油机的场合是没有问题的,对于象锅炉那样运用低过剩空气比的燃烧设备的场合,注入量的增加是导致发烟、过剩空气效率下降以及NOx上升的原因。
例如,发热量是燃料的一半的废液的场合,如果对于两个注入点进行同量注入,结果互相抵消,燃烧器的发热量不变化,也没有引起空燃比混乱,但系统变得烦杂,不能适用于混合后性能不稳定废液。
因此,用图6对混合后性状不稳定的场合和发热量为燃料一半的场合的空燃比控制的方法进行说明。
图6是燃料槽1的燃料用燃料泵2加压,用燃料流量调整阀4控制的燃料,通过混合器20和燃料流量计5在燃烧器9燃烧,在这样的锅炉38的燃料系统中,压力发信器43检测的蒸汽压力信号用压力调整器44进行PID演算,输出到级联的燃料流量控制PID演算器230和气流调解器开度控制PID演算器,调整燃料流量和气流调解器开度,并保持合适的空燃比,具有蒸汽压力控制的空燃比控制结构。
在废液槽11中贮留卡路里为5000Kcal/L的酒精废液,用废液泵12进行加压,废液流量调整阀14控制流量,在混合器20燃料中被注入、并进行乳化,用燃烧器9进行焚烧处理。
燃料流量计5的信号输送给废液比例控制器65,根据此时予先设置的目标混合率,进行废液流量调整阀的开度调整。接下来对注入开始之后的动作进行说明。
在预设值为20%时的比例混合时,废液比例控制器不是突然进行变成20%的混合率的开度调整,而是以例如1%的注入率开始注入。此时废液比例控制器将注入废液的发热量和废液流量输送给燃料流量控制PID演算器。
燃料流量控制PID演算器,假定现在必须流过的目标流量是500L/h,根据从废液比例控制器输出的信号,按(目标流量+废液流量-废液流量×(废液发热量/燃料发热量))进行计算,根据现在的废液注入量中的目标流量,进行燃料流量调整阀的控制。在该条件下新的目标流量为502.5L/h。
废液比例控制器根据燃料的通过流量的积分值或时间控制等,慢慢地增加废液的注入率。目标流量慢慢地被修正,最终的废液注入率为20%时能安全实现550L/h的目标流量的控制。
在该构成例中列举的方法之外,慢慢将废液的注入量增加,对燃料流量进行修正,从而得到实行正确空燃比的控制方法,反过来说气流调节器的开度修正和使用送风机VVVF时的运转数修正,维持目标的空燃比的方法也是可行的。
原理上,O2计产生故障时会伴随一定的危险,根据O2微调法进行修正也是有效的方法。然而,实行该方法的时候,尽量使注入量变少的同时,O2计出故障的时候,有必要采取马上将废液的注入停止的安全对策。
此外,如果氧气修正法结合上述的目标流量的变更方法,由于吸收废液发热量的不同,它可能成为相当有效的应急办法,万一氧气计发生故障,预先设定期望的最大发热值,就有可能防止由于发烟等燃烧故障而生成二噁英类物质。并且,根据氧气修正法进行的修正,对气流调节修正和送风机旋转速度的有效修正方法也是有效的。
为了掌握发热量,基本上是事前进行详细分析并预先设定,使废液流量计15变为也能进行比重测定的质量流量计,在酒精溶液的情况下,测出水和酒精的比重差,就可以计算出大致的发热量,在废液比例制御器中按照这个程序,燃料流量制御PID演算器送来的发热量信号与实际发热量相近时,,那么就能够灵活地适应酒精的浓度变化。
(根据废液成分调整燃烧装置)
[燃烧器形式的选定]
由废液成分选定燃烧器的形式,首先,在废液中水含量是比较重要的因素,也就是说,废液中水含量多的场合,随着相对于处理的燃料量的水分的增加,这就意味着需要增大从燃烧器喷射出来的混合燃料量。
对燃料的增加最有效的燃烧器形式是旋转式。这种燃烧器容量很大,燃料油的滴嘴对于过大流量也有较大的余地。当然,如果有发热量的燃料被过大喷雾,会成为风量不足和异常燃烧等的原因,与定格燃烧时的发热量匹配、只增加喷雾量,从经验上或者原理上来说并不困难。
其次有效的燃烧器形式是内部混合式蒸汽雾化器。在这种燃烧器中,其向外部喷雾的喷嘴芯片37的口径喷雾与蒸汽混合后的烟雾,因此液体流量的少许增加不会使压力增大。但是,混合器33的油孔随着液体流量的增加压力也增加,故在定格燃烧时增加混和比率的场合,必要选择大一些的孔直径。但是,这部分的修正虽然导致低燃烧时的喷雾特性部分恶化,燃烧器所特有的雾化特性有很大的削减比,就成为主要的负面因素。
最困难的形式是回归压力喷雾式。回归压力喷雾式对定格能力的削减比只有1∶5,比较小,而喷嘴口径又较大,如增加最大燃烧时的燃料流量,那样可能控制的最低燃烧量也增加。因此,对于发热量尽量与燃料接近的,而喷雾量不怎么增加也可以的废液,应当选择这种形式的燃烧器。
(容易烧焦的废液)
例如,废液里含有大量的蔗糖的场合,由于受到辐射热而易焦,燃烧中断容易发生燃烧器喷嘴障碍。原则上,因为在燃烧停止前停止注入废液,但在此类废液的场合,如果是蒸汽喷雾燃烧器形式(特别是内部混合式),烧焦引起的障碍几乎不发生,这是有利的。
相反,具有喷射阀结构的柴油发动机和气体涡轮机,在喷射阀喷嘴的底座面糖类粘着的状态下被加热的话,紧固成焦糖状、而成为燃烧障碍的原因,因此有必要注意。
[保焰类型的选择]
(含水废液)
含有水分的废液混入燃料中燃烧时,必须注意的是,被雾化的油滴着火是因为废液中含有的水分被蒸发的缘故。通常,这种蒸发,被叫做W/O乳化液的微爆现象,通过蒸发能让乳化液燃料粒子表面的燃料再分散、由油滴直径的微细化带来的燃烧促进效果使煤尘量大幅度降低的技术。
但是,从燃烧手段出来的混合燃料被喷射,这种微爆现象发生,到微细化的油滴着火的时间通常来说比一般的情况要长。为此,如前面提到的[定格燃烧附近的注意事项]的那样,必须确保保焰性,并要得到足够长的保焰带的滞留时间。
关于水乳液燃料系,微爆效果应使火焰变为短焰,但有时火焰不变短、或者反而变得稍长,这是由于保炎机能与水乳化液系列的燃料燃烧特性不相匹配。
图7为,通过具有考虑了这个不匹配的保焰功能的燃烧器和可对火焰进行监测的水冷壁炉测量的水和各种废液燃烧时的火焰长度。各标志分别是(1)A单独的重油,(2)自来水,(3)丹宁酸类型化学制品锅炉吹动水,(4)茶提取废液,(5)果汁废液,(6)酒精废液,(7)胺类溶剂废液。除(1)之外都是各种样品在燃料中20%的浓度乳化后对它进行火焰长度测量。
如果是考虑了保炎措施的燃烧器,如上所述在火焰的长度上没有明显的差别,可以维持令人满意的燃烧。
(挥发性高的废液)
混入挥发性高的废液的燃料油,一般具有高的着火性(着火点低),燃烧反应马上进行。如图7所示,试用燃烧器是空气雾化式,所以效果并不显著,但(7)的胺类溶剂废液的混合燃料的火焰长度明显变短。
火焰长度变短从完全燃烧的立场来看毫无问题,但是,火焰变短、在保炎带附近燃烧,有时会使燃烧器喷嘴和保炎机能自身的烧损,有必要注意。
(保焰功能的总结)
也就是说,用燃烧设备进行废液处理时,按原则上来说,应在相关燃料油的火焰长度不发生大幅度变化的范围内决定注入率,并考虑上述的要点,通过保焰功能的最优化也可使对象废液量增加。
[空气记数器]
(灰分浓度高的废液)
灰分浓度高的废液与燃料油相混合,进行废液处理时,必须留意的是,熔融的灰分与传热面相接触,会形成被称作为熔岩状物质的烧结块。
许多使用优良品质的燃料油的燃烧设备,为改进热效率,让火焰尽量接近水冷壁等,进行提高辐射热的吸收的燃烧调整。但是,采用这种燃烧形式时,灰分浓度高的废液与燃料油相混合的场合,火焰温度大约在1400℃左右,在此温度下熔融的灰分会在冷却固化前,先与传热表面相接触并且固化,所以容易形成烧结块。
因此,当灰分浓度高的废液相混合时,它应该选择火焰不直接接近水冷壁的火焰样式,对喷嘴喷射角度等也有影响,空气记数器如是具有可变的结构类型的燃烧手段,经过这个调整,多数情况下形成难以影响灰分的火焰形状。
(与水混合的废液)
如前所述,对于水乳化液,微爆比较保炎功能影响较小,但它有增加所有方向上的运动力,使火焰有变粗的倾向。就是说,这个倾向是增加燃料和空气的接触面积的主要原因,是显示水乳化液的燃烧改善效果的一个重要证据。
但是,由空气记数器形成的火焰样式相当接近于水冷壁的场合,因废液的水乳化效果,火焰接近的倾向越大,越容易产生碳附着等障碍,并且还可能由于水冷壁的急冷产生未燃物。
未燃物和碳是二噁英类发生的主要因素,担心这种征兆产生的场合,有必要调整空气记数器,调整废液的水乳化液作用引起的不良后果。
此外,这种情况下因与水同样的微爆作用,发生同样现象的废液成分也是一样的。
[喷嘴角度和孔数的选择]
用上述的空气记数器的调整修正火焰形状困难的场合,或者空气计数器的调整不能进行、或者无此结构的燃烧手段,调整喷嘴角度或调整孔数,都有可能使废液燃烧时达到合适的火焰形状。
[喷管口径的选择]
因为欲处理的废液被加到燃料中,在定格燃烧时,发热量低的废液会派生因喷嘴油压上升、喷射速度增加带来的火焰形状的异常等障碍。燃烧设备中的定格燃烧时间少的燃烧设备,在这种场合有可能通过减少废液的注入量来防止上述的危害。几乎所有的进行定格燃烧的柴油机和燃气机,有必要用重新调整喷嘴口径等方法调整到最适合于处理目标废液所需要的喷嘴口径。
[抗腐蚀性的选择]
对于一般的燃烧器,燃烧室处于高温氧化状态,燃烧器的先端部等部位多使用耐腐蚀材料。为此,不需要特别注意的芯片,但连接芯片的管路多使用钢材。根据废液的腐蚀性和pH值有必要选择最合适的材料。
此外,选择相应的耐腐蚀燃烧设备比较困难,但是,可以在燃料或废液中添加对燃烧无损害的成分组成的防腐蚀剂。
[用废液成分调整降低NOx的方法]
燃烧方法中降低NOx的方法也会受到来自废液添加的各种影响。更进一步,必须对降低NOx的方法进行探讨,首先整理课题,因为有使NOx含量降低和使NOx含量增加的废液同时存在,必须分别对其进行研究。
[降低NOx的废液]
(不存在具有发热量的氮组分)
由于这种废液被认为是几乎与煤油相似的液体燃料,当它混合入煤油,不会减少NOx,但对于含有其它氮组分的燃料,可成为NOx浓度降低的原因。例如,象C重油那样含有2000ppm氮组分的燃料,在排出的气体中产生的苯酚NOx约为80~100ppm,燃料中每存在100ppm的氮,就会对排出气体中的NOx产生约4~5ppm的影响。
这种C重油与发热量相等但不含氮成分的废液相混合,混合比例各为50%时,燃料中的含氮量下降到1000ppm,可望出现降低NOx 40~50ppm的效果。
(水含量多)
?锅炉、焚烧炉和气体涡轮机等
对于煤油和A重油来说,水含量多的废液成为降低NOx的主要因素。如果按规定完全用水,则可出现如表1的降低NOx的效果。
若是C重油燃料,使用焚烧炉和锅炉时,水含量多并不能直接造成NOx降低。但煤灰量大幅度降低,因此可使氧气浓度降低,进而使得NOx的生成量减少,从而达到降低NOx的效果。
柴油机
对于柴油机,不管什么样的燃料,因为热NOx占总NOx值的比例相当高,水含量多的话可望出现NOx的降低效果。图8是使用C重油的柴油机的NOx和烟密度测量事例。此外,图1表示了在柴油机中可得到的NOx降低效果。虽然要克服一定的困难,但这是一个可以认为有进行水乳化液的燃烧的社会意义的结果。
[增加NOx的废液]
废液中若含有包括胺和氨或蛋白质等含氮成分,废液中的NOx成为加算到废气中的NOx的主要因素。但是,若含水量多,水的乳化作用会造成热NOx的降低。故也有象图9(5)的食物类废液那样总NOx量不变。图9中的各标志分别是(1)A单独的重油,(2)自来水,(3)丹宁酸类型化学制品锅炉吹动水,(4)茶提取废液,(5)果汁废液,(6)酒精废液,(7)胺类溶剂废液。
总之,由废液的分析而明确知道含氮成分,可以预先求出NOx值(因为含氮组分不同,NOx的转化率也不一样,所以必须预先测定已知物,再求出预想NOx值,对于蛋白质和氨基酸等复杂的化合物,可认为必须得通过实验炉实际测定来求得。)这样就可以确定混合比例、加强降低NOx的方法、控制NOx的排出量。
[降低NOx方法的研究]
若废液中含有水,原则上随着水含量的增加,就会出现如前所讲的NOx降低效果。但是在降低NOx的办法中,水雾化和蒸汽雾化等与该废液中含有的水相竞争,很有可能成为燃烧恶化的原因,必须加以注意。
(两段燃烧方式的选择)
因此,尽可能少采取这种方法,最好是选用低NOx燃烧器。其中对于废液中有水存在的情况下,多级空气吹入燃烧器是最适宜的。也就是说,多级空气吹入燃烧器可以使乳化状分散的水滴在整个燃烧范围内产生微爆现象,空气流速较慢使得火焰难以冷却。由此,水的存在难以成为生飞的原因,还可以控制这个燃烧区域的温度过度升高。而且由于有微爆效果,可以极大地防止二次空气或三次空气吹入时的发烟现象。
所以,作为可最大限度的有效利用本专利的燃烧机理,这种燃烧方式会相互产生相乘效果,是一种有望得到低NOx的好方法。此外,目的虽然不同,用燃气轮机的多级空气吹入方法、柴油机内的副燃烧室方式、着火范围(乳化微爆后的油滴着火燃烧的区域)不冷却空气的方式引起的燃烧方式可以提高废液中含有水分时的注入率。
(分割火焰的选择)
相反必须注意的是,如分割火焰燃烧器等那样,空气和辐射热的吸收都可以积极地降低火焰温度的降低NOx的方法。这种降低NOx的方法,乳化液产生微爆过程的着火滞后容易造成火焰长度增大,油滴不燃烧引起的生飞等现象也容易发生。
(水雾化和蒸汽雾化的选择)
含水废液时,必须注意水喷雾和蒸汽喷雾的适用性。即,水的活性基抑制作用引起的NOx降低对每一个燃烧设备都有一定的极限,过度使用反而会成为HC和CO增加的原因,生成二噁英类物质的危险也增加。结合调整废液处理中的喷雾量等方法,必须控制住HC和CO的增加。
(排出气体脱氮装置的选择)
最近的主流是采用氨还原式废气脱氮装置。但不能说在此温度条件和作用机理下二噁英类物质类的再合成的危险很低,对当前的盲目使用,必须在脱氮装置前后采用测量二噁英量的方法来对其发生的危险性进行调查。根据结果,对200以下的环境中进行脱氮可能的脱氮装置也有必要进行研究,只进行一次处理,就可防止其发生。
(降低C重油中的NOx)
锅炉等种种NOx生成量少的工业用燃烧设备,象C重油那样含有氮成分的燃料的场合,存在着成分间比例的变化使得NOx值超过规定值的危险。由于降低C重油中的含氮成分异常困难,为了抑制NOx,如硬要采用降低NOx的方法和进行低氧气浓度运转则会增加生成煤灰的危险。
不含氮但发热量多的废液的场合,可望得到降低燃料NOx的效果。若不是,混合象A重油那样的含氮组分较少的燃料,而不依赖于勉强的降低NOx的方法是重要的。
废液的发热量不多、也不少的场合,只要废液的热量不稳定,有必要通过适当增加氧气浓度为预想不到的情况做准备。为降低NOx,将氧气浓度降低到发烟限度附近的锅炉用于废液处理变得困难。
[调整低NOx方法的总结]
如前所述,伴随着废液的注入,考虑降低NOx或增加NOx的主要原因的同时,确定废液的注入量。现在采用的降低NOx的方法是将注入率限制到废液注入和竞争不产生负面影响的范围,或者必须变更相应的降低NOx的方法。特别是,按在线比例控制式混油法混入了A重油的C重油在燃烧中,联合使用本处理方法和装置有很大好处,并且联用可以灵活地对应C重油中氮组分的变化等。
(添加剂的有无及种类)
本专利阐述的添加剂指的是在废液注入燃料阶段所使用的添加剂,废液的预处理阶段所必须加入的添加剂不包括在内。
添加剂的使用目的原则上来说有以下要点,基本上由于它成为成本增加的主要因素,相对于装置来说若没有添加剂也可适用的场合,则没有必要使用添加剂。若考虑到不使用时会造成危害的场合,就必须加入添加剂。此时,添加剂的加入比例和种类的选择都是很重要的技术。
[赋予润滑性]
混合状态是呈乳液状分散的场合,废液只要不是有润滑性的,混合液的润滑性就下降。但是,如果燃料油的润滑性较高,有时可以避免这种危害。
这样,使用煤油的齿轮式容量泵,滚珠轴承受到液体的润滑作用,输出压力为1Mpa的状态下,在其中加入30%的水,工作不到30分钟,齿轮的磨损导致运转停止。但是,若在同样条件下使用C重油,5年以上才会出现相似问题。
润滑性由各种各样的流体因素和摺動材料的组合可以被推出、是非常含糊的指标。例如,上述的煤油中若加入特定的添加剂,只要30分钟的运转时间增加到5年以上,这显然是添加剂的效用。
发明人采用这样的实验方法,对乳化状态下的燃料的润滑性进行动态评估,开发出根据燃料和废液及燃烧设备所要求的多种润滑性的添加剂。
当然,应该尽可能不使用这些药品,但是象使用柴油机那样仅靠设备上的改进而其它润滑措施困难的场合,这种润滑剂加入到燃料和废液中可以防止出现事故。
[赋予耐腐蚀性]
关于耐腐蚀性,原则上最好是对装置方面进行处理。但是,柴油机等添加废液后燃料系统变长,在要求燃料压力很高的用途中,这些改善要花掉很大的费用。
对于水的腐蚀性问题,可在燃料中加入胺类表面活性剂,胺类表面活性剂在钢材表面形成油膜,可防止腐蚀。如前所述,胺类中含有氮,这成为了NOx增加的主要因素,但通过加水可以抵消这个效果,所以这是有效的技术。
[赋予乳化性]
废液是水溶性液体,燃烧时采用乳滴状分散的燃烧方法,废液从注入点开始到被雾化期间的稳定性处于不耐燃烧的状态的场合,则必须使用乳化剂。因为W/O型乳液较稳定,最好将HLB值为3~7的油溶性表面活性剂预先分散到燃料中,再把废液注入到混合了表面活性剂的燃料油中。
但是,废液和表面活性剂具有亲和力,它与水被乳化的情况不同,必须事先对燃料和废液进行预备试验。
[防止杂质产生]
例如,由于溶剂等的混合,燃料中可能会产生淤渣,而本来溶解分散时,不需要考虑稳定性问题。但是,燃料中的可溶部分溶解到溶剂中,而不溶的沥青部分游离导致了淤渣产生的危险,伴随着泵送和流量控制的空穴作用生成自由基,是淤渣产生的最根本原因。这种场合下也可使用表面活性剂。特别是挥发性高的溶剂在与燃料混合后,在泵升压时摺動面由于蒸发易造成干燥运行,这样润滑性又成为问题。这样的情况下,使用多价的乙醇脂肪酸酯类表面活性剂,可以在钢材表面形成油膜,减少产生淤渣的危险,同时也可赋予润滑性,保护泵和喷射阀等。
并且,根据自由基理论,含有具有抑制自由基功能的抗氧剂和多酚的废液,也可望产生防止杂质产生的效果。关于防止淤渣的方法同时也预备申请专利。
[防止结晶]
由于废液中加入了聚丙烯酸和PVA等水溶性分散剂,可以防止作为重碳酸盐混入的钙和镁组分的结晶。特别是,柴油机有相当窄的小孔,泵在高压压缩时,水中的少量气泡由于绝热压缩而发热,恐怕会发生上述的钙等物质的结晶。结晶的微细的钙可能会对喷射泵和喷射阀的摺動部位产生危害。所以最好是对防止钙结晶的药品的类型和用途加以研究。
[着眼于废液特性的再利用]
但是,作为废液被排出的物质中,含有上述的有用的添加剂成分也被一并排出。例如,(润滑油、防锈油、排水中含有的表面活性剂、食品废液中含有的维生素C、维生素E等),已经有了关于发动机润滑油的知识,如果今后本处理进入实际的商业应用阶段时,因为废弃物可以被再利用,可能无须购买添加剂。
[是否要联用水乳化液燃烧]
用工业用燃烧设备进行废液处理时,必须注意的是,不同于为防止二噁英类产生而设计的焚烧炉,此时通常不能得到充分的燃烧室停留时间。特别是柴油机和气体涡轮机等在高温高压下燃烧时,仅仅只有几十毫秒的停留时间。因此不产生煤灰的技术就变得重要。也就是说,在燃烧过程中一生成煤灰(石墨),二噁英类的连锁反应被隔断,被保护在内部的碳氢化合物增加二噁英类生成的危险。
另外,如果在低温下对煤灰进行催化燃烧,这可能会是产生二噁英类的最适宜条件。因此,至少在焚烧处理少量废液时,防止在燃烧室产生二噁英类物质是重要的。
[不含有小分子结构水的废液和优良的液体燃料]
如前所述,水乳化液燃烧有优良的有机物分解作用。因为燃料和废液均是由不易生成苯环的小分子碳氢化合物构成,对这样的废液进行处理时,伴随着热量的损失,应用水乳化液燃烧除了有降低NOx的效果之外没有别的优点。
[含水的废液]
并且,废液中若含有水可出现水乳化效果,如果其中含有高分子有机物的时候则有可以促进其分解,没有必要专门进行水乳化。但是,如果水量有限,水乳化作用不充分时,只得考虑用水稀释废液等方法来发挥水乳化液的功效。
[与C重油等液体燃料并用]
C重油,象前面提到的那样受到各种自由基表述的攻击,(也包括开采石油之前来自地球的自由基),含有各种相对于自由基而言非常稳定的物质。
如果不怕误解的说,现代社会中说C重油是废弃物的再生品也并不过分。C重油是从原油中提取汽油、轻油、煤油、A重油等燃料和各种润滑油、塑料原料、溶剂等各种产品之后的残渣。但是,要是处理这样的工业废弃物,包括处理费其成本高得惊人、转嫁到产品会使社会成本也增加、同时也浪费能源、而且CO2气体的排放量也会增加。也就是说,不应该对C重油的使用加以限制,重要的是怎样使它进行环境影响小的燃烧,这对降低社会成本并防止地球变暖是极其重要的。
但是,当前条件下相当少的燃烧C重油的用户考虑这样的社会意义,不少用户只考虑了价格便宜而使用的。因此,遗憾的是,与使用气体燃料的用户相比,感觉这些用户环境意识不足。发明人希望社会意识强的用户转而使用气体燃料,日本乃至全球都应该密切关注原油残渣即C重油,致力于在环境中对它进行热回收,这样对社会整体的环境改善是有利的。
能安定地燃烧C重油的锅炉和柴油机原本就具有焚烧工业废弃物的能力。但是,若同时处理少量的废液,废液中不含水时,应与设定到炉腹浓度变得最低的比率的水乳化液联用以适应社会需要。
[含有高分子碳氢化合物或卤化物的废液]
必须处理这种废液时,如果废液中不含有水,进行是否适合乳化燃烧的判定,如有必要则应采用水乳化法,但。用锅炉燃烧植物油,若植物油的混合比例高的话,也应采用水乳化法。
[乳化液燃烧效果和适用的判定]
在不使用乳液的状态下,炉腹浓度判定(使白色的纸上吸附煤灰)变黑的场合,在炉腹浓度变得最小的范围内调整废液中的加水率或含水量是最为简便的。但在炉腹浓度高的状态下处理废液,其社会风险较高。
[乳化液燃烧无效的燃烧器的存在]
如果用于水乳化和水雾化,因同样的理由(降低NOx作用),对所有燃烧器类型都是有效的。但是,如前面所讲到的那样,不具备充分保焰功能的燃烧器、空气流速过快的燃烧器、蒸汽式内部混合燃烧器中的乳化燃料中的水分子脱离、喷嘴内部进行预混的燃烧器等,微爆及微暴引发的自由基效果对一部分火焰不有效地作用,反而变成自由基抑制效果,成为产生未燃物的原因。考虑到这一点,必须将燃烧方法的特性和水乳化结合在一起来研究,若是废液中含有水,也必须根据要求研究燃烧方法的改良等等。
[废液的预处理手段]
所谓废液的预处理方法,即通过改善废液的成分、物性和混合特性等的改善,是为了在工业用燃烧设备中改善废液使混合废液变为可能的方法。
[成分除去]
工业化燃烧设备或者燃烧手段中,处理对象可能会含有有害的成分,必须事先予以除去。这就意味着,此技术与本发明相结合,将能变成液状的几乎所有有机物都能通过热的再利用用于抑制化石燃料的消费。
(SS组分的除去)
用过滤的办法去除废液中的不溶解固态物质,一般来说,视粒子的大小不同,除粒方法也不同。如果有大量的固态粒子存在,离心分离等方法比较有效。
此外,使用柴油机时,必须要特别注意除去固体粒子。
(除去灰分)
当灰分溶解成离子状态时,利用离子交换树脂和离子交换膜等可以除去有机物和灰分。
(除去卤素)
与除去灰分一样,利用离子交换树脂和离子交换膜等可以将有机物和卤素去掉。
也可能将其与灰分同时除去,因为氯化钠等与有机物相比是相当小的分子,使用低性能的反渗透膜(即盐类可以透过的反渗透膜)和高性能的超滤膜(只有小分子成分透过)等如今已开发的有价值的非渗透膜等与本处理的目的一致的过滤法是能同时处理灰分和卤素。
(除去氮)
当它混合了有机溶剂后,利用蒸发温度之差可以将含有氮的物质和不含氮的物质分离开。
(除去重金属)
当重金属以离子状态溶解时,可以用螯合树脂等将其除去。
(成分除去总结)
目前,因为本废液处理法还处于未确立的阶段,在这些除去法中许多是导体制造和医药制造等精细化工领域的技术,非常昂贵,也不贴合实际。但是,本处理法的特征在于,对于进行燃烧处理的工业燃烧设备和燃烧方法,去除到不产生较大影响的那个程度即可。只要等到能充分利用这个特征的出现,应用本处理法就可以处理供餐设备等食盐含量百分数在%以上的废液,也可以用于处理只有有机物成分的废液。
[氧化还原电位的中和]
通常废液的pH值因腐蚀性和对连接液体材料的影响被限定,因为采取中和手段会使得处理量增加,所以从废液处理的观点出发,最好采用变更材质的方法。
但是,关于氧化还原电位,对燃料油的影响(固化或是产生淤渣)较大的场合,则必须对氧化还原电位预先进行中和。
[浓缩]
废液量相对于燃料消费量多的场合,废液是水溶性液体时,要将水分预先蒸发掉,使全量达到本处理法可以处理的程度的预处理。
用于处理的燃烧设备是蒸汽锅炉时,如果在燃烧负荷少的时间内使用预处理产生的蒸汽,可望增加废液的处理量。
当废液中的有机物含量在大约7%,作为发热量是600Kcal/L时,因废液自身的发热量正好可以维持自身的蒸发热,本处理法的能源消耗为零。浓缩法使用蒸汽,若觉得热量损失多的话,如果增加废液中的有机物含量,因为可以贡献出相反的热效率,就不会有热量损失。
而且,比起以本处理法勉强处理全部的废液,使用被称作为多重效应的浓缩装置,其能量的运用效率高、可以节省能源。此外,由于低温蒸发是可能的,故应用多重效应的减压蒸馏法对于含有有热固化悬念的牛奶等蛋白质的废液是有效的。适用于废液处理的浓缩法或和蒸馏法也预备申请有关专利。
[杀菌]
与预处理的概念稍稍不同,保存中生物可能会产生腐烂、发酵、霉、形成浮渣、恶臭等,必须用合适的杀菌和防菌等手段来防止此类危害发生。
关于这些手段,在食品保存中一般使用加热、冷冻、紫外线、臭氧等方法,此外,因为之后的焚烧处理是可能的,醛类和有机酸等碳氢化合物类杀菌剂注入法对环境无太大影响,故也是一种有效的办法。
[防止固化、酶分解、溶解处理]
例如,如果废液中含有牛奶等蛋白质,必须根据燃料油的温度和辐射热等来控制混合方法和燃烧手段。但是,如果使用胃蛋白酶之类的蛋白质分解酶,因为可以分解氨基酸,无须担心上面的情况,使处理变得容易。
蔗糖向葡萄糖和果糖的分解、淀粉向葡萄糖的分解之外、这也可以应用到将聚乳酸等生物降解塑料分解为乳酸,然后使其液状化的方法上。
另外,即使不使用酶,采用以与特定物质发生反应将高粘度的固态物质变为低粘度液体的方法(例如,发泡聚苯乙烯溶于柠檬烯中),可以扩大本处理的应用范围。
还有,利用废溶剂将塑料类溶解,在废酒精和废有机酸中利用固体废弃物的易溶性质将其溶解来提取成分,这种溶解液的燃烧方法等也值得研究。
[合理的预处理手段]
所谓合理的预处理手段是对废液施加前面所讲的预处理方法并使它在工业燃烧设备上可以混合的预处理手段,这些预处理所必需的全费用与其他处理方法及用于处理废液的工业燃烧设备的维修费用相比较显得合理的预处理手段。而后,结合下面的[选定可能适用的工业燃烧设备],由掌握广泛的技术知识以及最先进的技术水平的优秀技术人员可以确认是合理的。
[选定可能适用的工业燃烧设备]
根据前面的合理的预处理手段,对应于除去废液中的水分、可以改善的物性,同时也可以改善的混合特性,选定相应的可以用于处理的工业燃烧设备。除了在前面的[废液的成分和组成的分析]项目中所讲的部分之外,在选择设备对象上,对重要成分的有代表性的项目的构成作一阐述。
[氯成分]
因为对于所有的工业燃烧设备,排放气体中含氯的浓度都有限定,有必要象焚烧炉那样对含有百分之几的浓度的氯的废液进行预先脱氯。
但是,当然需要研究是否进行脱氯,如果废液中氯浓度本来就很低,再结合各种燃烧设备的特性,若此类废液的使用难以影响设备,则不加脱氯设备可以在很大程度降低成本。此外,显示氯成分为零并不表示绝对值为零,只是因为超出了目前通用的分析技术的检测下限。
另外,从原则上来说,燃烧设备中的可以燃烧的燃料含有的氯,应从实际效果来确保安全,因此,确定安全标准是很重要的因素。
此外,如果用来辨别二噁英类产生的危险,通常氯的检测分辩力是0.01ppm,对于合成ppb级别的二噁英类来讲是很充分的,检测出的氯浓度因为是零,因此无论进行什么燃烧二噁英类不被生成的想法是要不得的。
气体涡轮机
气体涡轮机系统禁止含有氯成分。废液中含有食盐等氯成分,300以下大致就开始发生离解,这时没有什么腐蚀性。但是一超过300,游离氯就有强氧化性,可以侵蚀耐热合金和陶瓷等耐高温材料。因此,用气体涡轮机处理废液时,A重油中的氯的废液浓度最好是在10ppm以下,如果废液的发热量几乎为零,因为氯的废液浓度则为A重油中的氯浓度加上废液的氯浓度,尽量使它为零。
柴油机
柴油机的汽缸和活塞表面温度虽然很低,但是活塞顶部和排放气体阀等部位温度超过300,必须要防止高的氯浓度。
另外,不同于其它燃烧设备,柴油机是间歇式燃烧,按照点火、灭火周期性反复进行,这样容易增加未燃物。因此,相对于其它连续式燃烧设备,柴油机的平均的二噁英类浓度要高出10~100倍(低于最严格的燃烧器的基准值),因此,最好是废液中的含氯量要尽量少一些。
锅炉等
这样的燃烧设备中如优质电热器和热煤油管由于有水冷壁结构,从原理上来说不会超过300,只要是使排放气体中HCl浓度低于法定值以下,这个程度的氯含量就可以接受。但是,氯会使得火焰形状、燃烧室形态和锅炉的负荷受到影响,因此,对每个锅炉和燃烧器形式进行腐蚀情况的确认的同时,最好是用实验方法从基本的安全量开始慢慢增加燃料中的含氯量。
·其它设备
对于石灰等碱性土类金属炼炉,只要是不影响产品的性能,可以允许有较高浓度的氯的存在。除了其它禁用的工业用炉等,只要废气中氯气含量在允许范围内都是可以使用的。因为多是在300以上的高温区域使用,可能需要将耐火材料的维修费用和此处理的优点加以比较。
[氮成分]
因为对于所有的工业燃烧设备,氮成分是NOx增加的主要因素,总认为需要对其尽量加以控制。但是,对于柴油机,比起燃料中的氮成分引起的NOx,热生成的NOx高出很多。图9中(7)的胺类废液的NOx增加值大约250ppm,而按照柴油机的氧气浓度13%来换算应是117ppm。
柴油机如果应用乳化燃料,按照图8中的乳化效果,每加入10%的水大约可以降低120ppm的NOx。那么,将(7)中的胺类废液都加入10%的水来防止增加废气中的NOx,这样可以用来处理氮成分多的废液。
更进一步说,在含有3000ppm的NOx转化率高的胺类和氨类的处理较困难的废水的场合,如果用柴油机进行处理,抑制NOx的增加还是可能的。此外,如前面所讲的胺类可能具有燃料的防腐蚀功能和抑制活性基引起的淤渣的效果,这样就很值得研究。
[灰分]
气体涡轮机
从原则上来说,如果存在高熔点的灰分,可能会对气体涡轮机涡轮刀片产生损耗,所以必须严格加以控制。
柴油机
除了600以下的低熔点物质,柴油机相对于灰分的耐性是高的。但是,硬质泥浆会使喷射泵和喷射阀的寿命大为缩短。同时,因为棒状物的产生可能会使机器停止运转,所以必须除去因为SS分的混入和其它混入成分而造成的结晶物质。例如,钙等与磷酸结合变成硬质磷灰石和磷酸盐。醋酸钙溶液和磷酸铵等容易经混合形成磷酸钙,所以必须注意。
特别是,虽然由微细粉末生成的灰分没有问题,但是在燃烧室内部的片状固态物质脱落后会卡住阀门座和活塞而使得发动机产生故障,其危害程度取决于它的大小和硬度,所以含有灰分的废液,如果在燃烧前到达活塞头会引起发动机的燃烧性不良(水与高温部分接触后蒸发,其中溶解的盐类沉淀成片状)。对于这样的发动机,必须控制灰分浓度使其不至于产生片状物,并调整发动机。但是,要想预测这样的现象,因为使用前难以对它进行评判,必须要采用使用后的实验方法进行判断。
·锅炉等
对于高熔点物质,大多数装置允许最多可有500ppm的浓度,但是,根据除去堆积的灰分的清扫可能性设备不同,允许量各有不同。对于低熔点物质,高火炉负载的情况下(超过100万Kal/m3),水冷壁与火焰之间距离很小,使得熔融状态的低熔点物质接触到水冷壁的几率很高,因此必须尽量限制低熔点物质的含量。
另外,使用超级加热器等蒸汽加热器和热煤锅炉时,先研究低熔点物质的熔融温度,如果加热器温度超过了熔点,则要研究预先将低熔点物除去,或与熔点上升剂等并用。
(低熔点物质)
磷酸等低熔点物质,钙和镁都是需要控制的物质,其含量要控制在工业燃烧设备允许的程度。对于其它的低熔点物质,将燃料燃烧时对所使用的燃烧手段无害的允许浓度作为目标值来控制应该可以说得过去,视燃烧设备等各种要素,发生危害的浓度各不相同。其成分是对环境不造成影响的成分如钠和钾等,注意废气的温度和通风等,可以慢慢的增加废液的注入量。
(高熔点物质)
如果在允许的煤尘量以下,运用除了气体涡轮机之外的工业燃烧设备,允许对燃烧手段无影响的高熔点物质存在。但是,需要先研究飞灰的构成成分,如果含有钙、镁、铁等人体吸收后无害、对环境又无不良影响的物质,可以允许有一定程度的存在。本处理中必须对飞灰所含有的成分进行研究。
(灰分一般項目)
各种燃烧设备的性能说明书上多数情况下记载有许可的灰分量,最好参照这个值来确定灰分量。如果没有说明时,在此燃烧设备中用燃料来确定大概的灰分量的上限值。如果需要控制的物质只是灰分,通过慢慢地增加添加量,可以知道每个设备的上限浓度的方法是有效的。这样就可以根据前面所讲的灰分的组成来判断容易造成影响的物质,影响小的物质,或是与不良影响项相互抵消的物质等等。废液和水的情况与燃料不同,因为存在难以判断灰分的上限的种种因素。
[混合分散方法]
(调整废液和添加剂的注入量和注入量的变化率)
注入量的调整对本课题有3个重要的意义。
第一,废液注入到显示为处于非理想状态的燃烧区域,不但会产生二噁英,也会使得燃烧停止或运转间断,这不仅会造成大气污染,也会对工业燃烧设备的安全运行产生危害。
第二,废液注入到显示为处于理想状态的燃烧区域,如果注入比例过高的话,很明显就不再是理想状态。但是纯水不是造成燃烧室和大气污染的原因,如果注入的废液相对于燃料过剩,会造成不稳定燃烧,燃料中含有的氯可能会生成二噁英,同样也可能使得燃烧停止会运转间断。
第三,目的是为了保持预定的废液浓度。既是说在预处理后或者根据预处理的结果,注入前是理想的燃烧状态,废液注入后还是处于理想的燃烧状态的情况下,根据最初含有的水分和其余各类物质像前面所讲的那样来控制许可的废液浓度。
因为添加剂是为了防止废液的危害而使用的,所以对应于废液的注入量的变化,添加剂的注入量一般也要发生改变。
(调整注入量的变化率)
这是与调整废液的注入方法有关的项目,例如,特别是会影响在锅炉的流量调整手段以后注入水系废液的场合。过快的注入量的变化会导致燃料和废液的比例不平衡,这被称为过渡现象,所以必须对应于从注入点到燃烧器喷嘴端的缓冲来调整变化率。
如果有发热量但与燃料的不相等,则必须结合空燃比控制装置来实行监控(如果废液注入量很小则没有问题)。这种情况下,必须结合空燃比控制装置的响应性来确定注入量的变化率。
另外,使用高空气比的工业炉、柴油机和气体涡轮机的时候,因为在过剩空气下运转,即使是随着废液的注入量变化,空燃比的变化不发生大的问题,但是使用这类的燃烧设备因为会产生急剧的发热量变化,这样会扰乱燃烧负荷的控制系统从而影响安全运转,因此必须注意变化率。
在对装置的控制性和响应性都有把握的情况下,在试运行中采用从低速开始,慢慢使变化率加快的手法,其安全性是比较高的。
(防止废气中氧气浓度脱离正常范围)
这个预防措施主要适用于锅炉和低空气比的工业用炉。在正常的应用情况下,通过结合[调整废液的注入方法]和[根据废液成分控制燃烧设备的空燃比]的技术,可以达到目的。脱离了正常范围如果是废液混合引起的燃烧方法的障碍所致的话,都必须再对所使用的全部技术进行探讨。
例如,如果燃烧器堵塞是原因的话,则有必要进行分析堵塞的理由,对预处理进行重新评价,研究燃烧设备的最优化。
[维持燃烧设备的理想燃烧状态]
这个预防措施适用于全部的工业燃烧设备的燃烧手段,由组合本发明的全部构成要素来达到。但是,要在不注入废液的状态下维持理想状态,如前所述,最重要的是要使注入量最优化。
[防止对燃烧手段的危害]
这个预防措施适用于全部的工业燃烧设备的燃烧手段,由组合本发明的全部构成要素来达到。特别是要根据燃烧手段方法来注意易焦性、腐蚀性。例如,如果是锅炉和气体涡轮机等连续燃烧设备,在喷射停止前注入量为零的情况下,可以避免出现烧焦。如果能使添加剂的注入量和废液的注入量保持平衡,也可以防止出现腐蚀等。
[根据燃烧后的残渣成分来预防对工业燃烧设备的损害]
这个防止对策适用于全部的工业燃烧设备,运用本发明的[废液种类的探讨][废液的组成][废液的预处理方法]可以达到。特别要注意氯和灰分的浓度。
例如,众所周知,氯等卤素在燃烧室的高温下会使得耐火材料的性能变差,超过300时会对蒸汽管等造成腐蚀。因此,工业燃烧设备燃烧室中如果有这样的部位存在的话,必须分别控制卤素浓度和二噁英的生成。而且,被损害的这些部位能否易于被替换对浓度的设定有很大的影响。为此,设计这类燃烧设备的厂商要对氯成分的上限值必须有所了解,如果测试是安全的话,就可以使氯浓度达到其制造商推荐的燃料中含氯量的最大值。
另外,如果有灰分存在,可以按照前面所讲的那样计算灰分的组成,灰分会对工业燃烧设备产生影响,制造商也必须认识到这一点。与氯相同,依据推荐的燃料中含有的最大许可灰分量来确定基准值具有较大的安全性。
因此,这些因素重要的意义在于控制注入量。
(随着废液组成来控制煤烟浓度的变化在规定值以内)
这个预防措施适用于所有的工业燃烧设备的燃烧手段,结合本发明的[废液种类的探讨][废液的组成][根据废液成分调整燃烧装置][根据废液成分来调整降低NOx的方法][废液的预处理方法]等的使用可以实现。
但是,含氯量的多少会决定二噁英的量,含氮量决定NOx量,含硫量决定SOx,最重要的是要控制注入量。
另外,对于煤尘量,因为水分有时反而会降低煤尘量,加入这个废液后,必须控制在许可的煤尘量,这也需要控制注入量。
[锅炉的实施例]
图3是有单级燃烧器结构的比例式燃烧手段的燃烧器的实施例。一部分在调整空燃比控制方法中已有说明,这里再解说一下。
[基本构成]
燃料罐1中储存的燃料是C重油,其中含氮0.1%,含硫0.5%,含氯200ppm,80时粘度是20cst。燃料由燃料泵2加压,加热器3加热后,再经由混合器10,用燃料流量控制阀4来控制流量,燃料流量计5测定流量,再经过混合器20,燃料关闭阀6之后,最后进入燃烧器9中燃烧。
[对废液的研究]
在废液罐中储存的废液,是浓度为大约10%的乙醇水溶液,混合特性是乳状分散,发热量是600Kcal/L。这种废液与燃料相比,热值为燃料的6%,注入20%的话可以增加1.2%的发热量。因为在排出的废气中氧气浓度下降不多,相对于[有发热量但与燃料的不相等],不需要应用空燃比控制方法。
[对副废液的研究]
副废液是植物性的废油,含氮0.01%以下,含硫0.01%,含氯300ppm,50℃时粘度是50℃。植物油用线型加热器一加热,容易造成碳的析出,因此将副废液储料罐21中预先用温水加热器加热到50℃。
[对乳化废液的研究]
乳化废液是指含有HLB14的表面活性剂的以O/W型形态分散的植物油废液。为了减少排水负荷,离心分离器排出液中的油浓度大约为60%。
[对燃烧器的研究]
燃烧器采取外在混合型蒸汽雾化器,结合燃烧点的燃料量来调整喷雾蒸汽。
[废液注入区域的假定]
首先,从最低燃烧量到额定燃烧量将燃烧区域分为10类。根据各个燃烧负荷,确定是[理想状态的燃烧火焰和废气组成],废液的注入哪种程度的燃烧区域为止是可能的。此外,在各燃烧范围内可能的废液注入量的预测值设置到多点注入率决定器内。
(多点注入率決定器)
多点注入率决定器是根据燃料流量计5的信号,选择特定的燃烧区域(燃料流量)中的废液注入率,并将预设好的注入率输入到目标比率变更时间控制器62和废液比例控制器66的装置。燃烧开始后,燃料在燃料流量计中流动,多点注入率决定器就将预设好的注入率输送到目标比率变更时间控制器和废液比例控制器。
(目标比例变更时间控制器)
目标比例变更时间控制器用于记录变更前的注入率,对于指示新的注入率,为了避免[焚烧炉前内部联机方式]中所说的可以避开过渡现象的速度,从变更前的注入率开始慢慢接近设定的注入率,并将注入率信号送至废液比例控制器65中。
[废液比例控制的组成]
废液比例控制器接受燃料流量计来的流量信号和注入率信号后,计算必须注入的废液量,根据计算结果确定废液流量控制阀14的开度。在进行此项计算时,压力发信器14接收废液流量控制阀14的前后压力信号,此压力差也应被附加到到计算中。即是说,如果废液泵12的输出压力一定,与废液流量无关,则由于燃料流量或燃料流量和废液流量之和引起的压力损失使得混合器的压力发生变化。如果不事先参照这种压力变化进行预测控制的话,由废液流量计15再来进行反馈控制的时间间隔较大,就不能避免出现过渡现象。
(压力预测控制和流量修正)
对于压力修正方法,人们知道有各种各样的计算方法,就是在一定条件下,将燃料流量计的信号作为多级控制中的主控制器的分级信号(PV)、构筑注入率信号作为SV的开环控制,输出这部分的正比例计算(只有P控制)输出作为一次输出。对应于压力差,根据从预先计算的压差表得来的修正数据将这个一次输出作为二次输出。如果燃料流量变化不大,则采用从以前的废液流量计得出的流量修正值,如果燃料流量变化大的时候,采用以前的流量修正值作为最终输出并输出到废液流量控制阀14。之后,从废液流量计输入现在的正确的流量,这个值是经过计算的流量修正值,可以使注入流量维持更高的精度。
[控制废液的温度]
因为通常废液在常温下20左右,添加20%的这样的废液,由于燃料的比热为水的一半,则混合溶液的温度大约降低到30,粘度上升60cst。粘度的上升,由于水乳化液的微爆效果可以作一定的修正,60cst是蒸汽喷雾器的喷雾极限粘度,容易成为炭化的原因。为此,在混合前将废液用加热器30加热,以防止燃料油温度的下降。因为废液是在未与燃料混合时被加热,因此难以发生热休克等危害。还有,如果超过100,燃烧器油压低的时候,废液中的水份会被蒸发,所以控制温度是很重要的。废液中如果含有比水的沸点还要低的物质,就必须要将温度控制到此温度以下。而且,废液中的各成分的沸点,如果降低C重油的恰当粘度,将燃料变更为A重油等不需要加热的燃料,在燃烧器前设置内压保持阀,低沸点物质到燃烧器入口后沸腾,应注意不要让发烟和熄火等现象发生。此外,从经验上来说,燃烧器喷嘴内的沸腾,几乎发生在直线部位,相对于流量由于缓冲较少等,因此为取得平衡,不需要特别的配置。低燃烧区域的燃烧器油压低,由于燃烧器喷嘴中忽略相对于燃烧量的缓冲,这容易成为不稳定因素,所以不注入低沸点废液时必须要注意。
[副废液的比例控制的构成]
副废液粘度为20cst或更高一些时由于润滑性良好,所以副废液泵22可以采用齿轮型。而且,这个注入点由于随着燃料流量变化压力不变化,因此不需要压力修正,可以实现良好的控制。副废液比例控制器进行前面所讲的开放式多级计算,改变送往VVVF装置68的转速信号,控制副废液泵的转速,将副废液注入到目标之中。实现这种控制时,除了废液泵的消耗和副废液温度过度上升,开环计算都可以进行十分准确的控制,为防止某些预料之外的事故,根据副废液流量计的信号,进行流量校正。
[控制乳化废液比例]
乳化废液因为有乳化性,预料到浓度变化会较大,相对于废液注入2%,对空燃比的影响较小。乳化比例控制器多级控制来自于废液流量计的信号来作为乳化废液泵的输出,但是如前面讲的那样,这个泵的剪切力会引起相转移,使得乳化废液容易析出,如果是膜片式泵,只能添加极少量,如果是脉冲反馈式泵,对应于乳化废液比例控制器的输出控制,控制输出对应于该泵的脉冲列。
原则上来说,在控制的压力范围内,输出误差一定被限定的泵,吐出量即使有点变化,也不会对燃烧产生影响。乳化废液流量计的信号被用于确定是否输出,不一定非要进行修正计算,不构成定期的维护等运转问题时即使不用也没问题。
[燃烧器喷管嵌入型水喷射喷管的运用]
图10是利用中间混合式燃烧器的概念的水喷雾式燃烧器的概念图。图11的中间混合式燃烧器的注射器部分33,设计了吃水线39,可以同时喷射燃料油和水。
利用这个吃水线,注入不具有发热量的废液,可以进行废液处理。注入具有发热量的物质的时候,根据与不含有具有发热量的燃料的废液的控制空燃比的同样的方法,必须减少燃料量。
(优点)
为了避免注水过度的减少,可以采用比较容易的注水控制系统。还有,使用已有的嵌入型燃烧器的时候,因为改造范围一定,可以容易的改装,如果和燃料的混合无法避免杂质产生,燃料和水基本上不混合的方式是有效的。
(缺点)
由于不能期待水乳化的功效,必须注意燃料油在C重油等残留很多的燃料的场合。另外,非但乳化的功效无法出现之外,水还会夺走蒸汽喷射的能量,所以,添加水会对抑制燃烧起作用。随着注水量的增加,HC、CO等的理想状态的燃烧火焰及排放气体组成燃烧范围因为注水而比较容易变窄。
[锅炉适应形态的归纳]
图12是在本适用形态下的主要排放气体中有害物浓度。(1)C重油(100%)(2)C重油(100%)+废液(20%)(3)C重油(50%)+副废液(50%)(4)C重油(50%)+废液(20%)+副废液(50%),
此外,(2)(4)的比率合计超过100%是因为使用注入率表记法记录下来的。在注入C重油和废液时,几乎没有差别。如前面所述,原本是水乳化的话,NOx就不会降低,但是根据(2)可以推定,废液中含有的乙醇不具有稀释燃料NOx的效果。植物油废油会引起活性基反应的不稳定性,同时,被氧化的长直链不饱和基由于氢气不足容易形成苯和缩合苯化合物。由于有甘油等的活性基抵抗物质,故很难燃烧。因此,根据水乳化的活性基效果,可以促进燃烧,所以NOx值与C重油一样不变。
[纵型石灰煅烧炉的实施例]
图16是纵型石灰煅烧炉的实施例。石灰烧成炉是烧制碳酸钙,形成生石灰的设备,根据煅烧时间及滞留时间等可以烧制成各种对应粒径及反应性的制品。
本构成利用石灰的氯的吸收性及即使混入钙和钠也不会对制品的品质引起不良的影响这些特点,实现了碱洗净水和酸洗净水的处理。
洗净水利用碱性和酸性的特性,同时使界面活性剂起作用。一般用于完全除去含有蛋白质及脂肪类的有机物污垢。通常在中和两者之后,用加压浮上等分离油分,之后用活性污泥的处理方法一般被采用。
废液槽11贮存着碱性洗净液,附属废液槽21中贮存着酸性洗净液,废液泵6、副废液泵22都是筛式泵,比例注入管道上时,希望尽可能是没有脉动的泵。像本流动那样,在燃料流量调整阀4之前注入的场合,混合器20如有纵混合性,这个纵混合性在可以允许的范围内则脉动被允许。燃料流量调整阀、燃烧器及周边的配管改用耐碱、耐酸的不锈钢。
根据制造的石灰,在目标比率变更时间控制器62设定废液的混合率的同时,用切换器69决定那个废液。燃料流量调整阀一边检测烧成炉的温度,一边通过控制上段与下段各燃烧器的燃烧量进行制造希望的品质的石灰那样的燃料调整。与锅炉不同,因为小范围内的温度控制是重要的,象本图那样,各个燃烧器通常都分别配置燃料流量调整阀。
由于燃料流量调整阀之前注入的原因,即使注入量一下子增加上去,都不会有因注入量过度而产生冒烟、断火等现象。但是,如果由于废液注入,发热量一下子下降很多,由于烧成炉的温度控制发生摆动,所以逐步将设定值升高为宜。因为目的是不同的,但用目标比率变更时间控制器,将预先调整的值作为最终目标值,逐渐将设定值输出到流量比例控制器。流量比例控制器是基于级联输入和燃料流量计5的信号之上、将比例输出输出至转换器。转换器输出至以比例输出信号为对象的废液用VVVF装置。同时,打开切断阀作为对象,控制回转数,将废液注入混合器、乳状化、再经由各燃料流量调整阀4、在各焚烧炉9中喷雾燃烧。
过程临近结束时,准备以下的转换。用转换阀在给水槽163的水置换管道中的水。然后在注入相反的废液时,可以防止氯等的刻度化。
另外,水分注入燃料中,由于产生的水蒸气,生石灰将接近于消石灰中生成的结晶构造,石灰炉可制造出活性度更高的制品,对提高品质也有帮助。
[气体涡轮机的实施例]
气体涡轮机的实施例是基于锅炉的废液处理的知识、新的乳状液理论以及现阶段的气体涡轮机燃烧理论的预测,提出发明时还没有证实,但是深信通过实验可以追认它的正确性。
[普通乳液法及水喷射管嘴的利用]
图14的气体涡轮机发电是具有使用灯油燃料的单筒式燃烧器的等压燃烧型气体涡轮机。
贮存在燃料槽1中的燃料在燃料泵2中执行加压,根据发电负载进行燃料调整,用燃料流量计5中计量后,经由混合器20,在主燃烧器中喷雾燃烧。
废液槽11中贮存着浓度为20%左右的乙醇废液,根据权利要求1的方法:用废液泵12加压,根据燃料流量计5的信号的阶式蒸发器,控制废液流量调整阀14,已经用所述方法送至混合器,乳状化后直接供给主燃烧器进行燃烧。
[基本控制方法和回避过渡现象]
本控制是与燃烧器前在线比例方式法相同的方法。但是,气体涡轮机在空气比上没有像锅炉那样有严格的限制。可认为不用像锅炉那样有目标比率变更时间控制器。但是,发电负荷的场合,对转矩需控制敏感,如前述的过度现象一旦发生,像锅炉这样冒烟、断火的顾虑可以少些,但是派生出回转数不稳定等问题。另外,比例控制的响应性不好的话,较容易产生由于过度现象而发生的转矩变动。与锅炉控制同样,需要高速、高精度的控制。
[废液混合范围的研究]
一次燃烧域大体上可以与理论空气比相同(也就是与锅炉的燃烧相同)程度的空气比燃烧,但是由于一次空气流入量是固定的,低燃烧时容易产生过剩空气比。相反,定格燃烧时有氧气不足的倾向,火焰容易伸长。另外,为了废液注入只要不增大燃烧器喷嘴尺寸,定格燃烧时就不会有过剩喷雾现象。
[废液混合范围的研究]
在与锅炉一样作定格燃烧域时,一般的设计裕度是喷射量的110%作为目标,来调整注入量。低燃烧时,由于前述理由锅炉中火焰不稳定,CO、HC浓度容易急剧上升,所以或停止注入、或极少量的注入,要密切关注,不让CO、HC浓度上升。
[乳液燃料的效果]
从主燃烧器中被喷雾出来的废液混合燃料,由于废液中的水分会引起微爆。煤油等的残留碳较少的燃料,即使不依赖于微爆,由于高温空气的蒸发热也很容易成为气体状。由于微爆作用可以在一次燃烧域中吸收潜热,可以降低一次燃烧域的火焰温度。像煤油这样分子量小、又容易热分解的燃料,用水乳化减少NOx的事前已述及。
如前面所述,这种对一次燃烧域的水喷射有机械上的限制,所以非常困难。但是,若是分散成乳状的水或水溶性废液的话,就会很均一,不会给燃烧带来坏的影响。在这种状态下,可以用水作用于降低NOx的效果最明显的一次燃烧域中。一般,如果一次燃烧域的水喷射能给予的NOx减低效果为1的话,二次燃烧域就为0.5。因为乳液确实可以均一得作用于最好、最有效的一次燃烧域,所以与对二次燃烧域的水喷射相比,只要添加一半就可以有同样的NOx减少效果。
[调整因水喷射引起的NOx减低]
给水槽163中贮存着纯水或者是蒸馏水。用水喷射泵263升压,通常由燃烧负荷决定的水量是从由水喷射控制阀269控制,由水喷射喷管267向二次燃烧域喷雾。但是,此时由于混合在燃料油中的废液中的水的作用,降低了火焰温度,某种程度也降低了NOx,因此在假定无废液状态的量的情况下,NOx有过低的危险。
[防止因水喷射引起的过冷]
一般希望能尽量降低NOx,如果由水喷射引起的根本的抑制效果会加速火焰的过冷却,燃烧就会不完全,如前面所讲的那样会成为CO、HC增加的原因。由于一次火焰引起的水的蒸汽潜热吸收作用,在二次燃烧域的火焰温度已降低的情况下,进行与无添加时一样量的水喷射的话,很明显由于过冷而发生不适合的可能性很高。
[对水喷射管道的废液添加及防止过冷对策]
这种情况下,控制水喷射的喷射量是防止过冷的一般手法。在本构成例中,为了更进一步增加废液处理量,提高效率,不采用废液槽而是用水喷射用废液泵279进行加压。水喷射用废液流量调整阀控制的废液通过混合器10在水注入管道中混合,结果减少了水的喷射量,相反通过废液的二次燃烧增大了热值,同时可使火焰稳定。而且,这里的混合由于水和酒精是溶液,并且溶解分散,用简单的注入混合器等静态混合器就足够了。另外,这里的注入物,C6以下的有机物热分解难以形成苯环的碳氢化合物类希望高度分馏出来,如果存在大分子量的碳氢化合物的话,由于低温蒸汽的自由基抑制效果使其不能进行热分解,这是二恶英类产生的主要原因,需要注意。
[通常乳化法归纳]
当然这些控制需要以不少于气体涡轮机的负荷追从速度来控制,同时由于PID与模糊推论组合的协议以及最近的序列发生器为首的电子机器的发达,这样的构成也就容易了。对于像这样将主燃烧器和水喷射嘴并用,不但维持了理想的燃烧,结果也大幅度减少了水添加量,改善了效率,同时也可以有效利用废液的热能量,使得在低压燃烧锅炉中不可能实现的,比如对于燃料量1,废液的处理量超过1的情况变为可能。此外,若用水喷雾喷嘴,在采用气体燃烧的气体涡轮机中也适用,使其应用范围变大。
[分割混合法]
[浓淡燃烧理论燃烧器]
图15是根据浓淡燃烧理论或称稀薄燃烧理论,为了减低NOx,而避开NOx的发生峰值的空气比(理论当量比左右),适用于不具备用水喷射来作为减低NOx的手段的气体涡轮机的例子。这种类型的燃烧器除了主燃烧器外,还有几个辅助燃烧器。可通过调整主燃烧器与各辅助燃烧器的燃料比率,位于主燃烧器下流的NOx容易上升的一次火焰带的氧浓度保持在当量比以下,可以抑制NOx的发生量,同时由于稀薄燃烧辅助燃烧器的火焰抑制了火焰温度的上升。
[对稀薄燃烧用燃烧器的废液添加]
取这种燃烧形态的燃烧器,尤其是辅助燃烧器火焰中若有水存在,因为容易对稀薄燃烧产生阻碍,所以对这种燃烧器的混合的话,有机溶剂等的热值与燃料相同,挥发性高(着火点低)的废液较好。也就是扩散燃烧理论中,在燃烧的燃烧器中加水几乎是无意义的,而且有时会抑制液体燃料的蒸发,有可能成为不合适的原因。这种情况根据燃烧负荷域的不同也会有不同,但一般情况下,稀薄燃烧域对温度条件及空气比有严格的规定,在这种情况下较难发生激烈的氧化反应(激烈的自由基)。由于稀薄燃烧是一种抑制火焰温度的上升、降低NOx的技术,所以像水那样的抑制自由基的作用发生在着火范围内的话,发生不完全燃烧的可能性很高。此外,这种理论没有一般的液体燃料的扩散燃烧形态,因为以与气体燃烧相同的预混合燃烧形态为前提,所以一般不适用于处理挥发性低、容易残留碳的润滑油等。
[向主燃烧器的废液添加]
因为主燃烧器采用普通的燃烧理论,所以用含水分的燃料也没有问题。但是,作为稀薄燃烧的着火源,必须控制能够维持正常火焰的水量。另外,有关从低燃烧域到中燃烧域,由于着火域的空燃比上升,下降50%负荷后,为了防止不完全燃烧,还是抑制主燃烧器的注水为好。此外,对照燃烧负荷可以变更主燃烧器附近的空气量,那就不在此限制中了。
[针对浓淡燃烧燃烧器的实施例]
图15是那种根据浓淡燃烧来实行低NOx化的,适用于没有水喷射喷嘴的气体涡轮机的例子。燃料槽1中装有A重油,用燃料泵2加压,用燃料流量调整阀4使发电机输出追随负荷来执行燃料流量控制。分配阀195的功能很复杂。首先在着火域中,只对辅助燃烧器263提供燃料,用点火器点火,进行扩散燃烧。负荷少许上升后,对主燃烧器22提供燃料,所有的燃烧器进行扩散燃烧。当负荷为50%左右时,只对主燃烧器体提供燃料,辅助燃烧器灭火后,再次喷射燃烧。同时使主燃烧器的比率降低,此时主燃烧器火焰带的周围形成了预混合燃烧火焰,也就可以实现超稀薄燃烧了。
因此,必须了解废液注入控制装置的过程,准确无误地实施废液的注入。
[废液的研究]
废液槽11中装有异丙醇水溶液,副废液槽21中装有醋酸乙酯、甲苯以及甲乙酮的混合溶液。在印刷过程中扩散于大气中的有机溶剂可以用活性炭吸附法回收。抽出蒸汽的废液可以利用异丙醇可溶解于蒸馏水这一点分为水溶性废液和溶剂类废液。溶剂类废液几乎不含水分,所以各成分的若干比率变化对本燃烧系是完全没有问题的。因为主废液由于气温的变化以及蒸汽凝缩装置的状态,水分量可能发生变化,根据比重等的测量,应尽可能让其浓度一定。如果含有水的话,自由基作用加快了热分解,因此即使混入一些碳较多的不纯物,处理起来也应该是毫无问题的。
[废液注入负荷的研究]
原则上希望在超稀薄燃烧实现后进行废液注入。也就是对照燃烧状态的着火过程中燃料流量不断变化,不再是正常的火焰状态,火焰的稳定性较差。
进行向各个主燃烧器及辅助燃烧器的燃料管道比例注入废液的控制手段,图中没有记录,但利用目标比率变更时间控制器和串联比例演算器是众所周知的。
[对气体燃烧的应用]
气体涡轮机的燃烧器是气体燃烧器的情况下,作为降低NOx的方法,若是有水喷射设备,对水喷雾管道注入废液,可以进行废液处理。但是这种情况下,由于对二次燃烧域添加了燃料,要注意NOx上升,希望控制废液的注入量,同时也希望水注入控制阀能实行从连续NOx计的自动控制。另外,在燃烧后期,喷雾形式不能进行充分的热分解反应,热缩合生成苯环的风险较大,所以希望不要使用C6以上的碳氢化合物。
[内燃机发动机的实施例]
[水乳液+植物油+润滑油]
图16是在具有A重油运转的淬火型喷射形式的中型柴油发动机中,采用水乳液燃料作为降低NOx的对策,为了提高润滑性和十六烷值,添加了植物油,使用润滑油的废油作为防蚀、乳化剂的实施例。
最近,A重油主要用于锅炉等的燃烧器,由于要提高热效率,低硫化的要求也比较强烈,需要进行脱硫,增加芳香族成分较多的燃料油。因为从十六烷值来看不一定是好的燃料,尤其是像水乳液燃烧这样,如果采用降低十六烷值的低NOx方法,预混合时间就会变长,故易引起烟色改善效果与效率降低。
在这种乳液燃料系中混入植物油的话,植物油具有C16-18左右的不饱和系的直链构造,与C17的十六烷值相近,而且不饱和基容易变成自由基,所以植物油有提高内燃机发动机的着火性的功效。因此既可以用乳液燃烧的高加水率运转来计算低NOx化,对烟色改善也有功效。
[水乳液与植物油的相乘效果]
水乳液中的水若不蒸发,那么油滴就不能引火。被喷射在发动机中的乳液燃料,由于发动机室中的高温引起的水的微爆作用被微粒化。此时,油滴表面温度下降,抑制了CH基团的自由基连锁反应。因此,若是十六烷值低的A重油的话,着火越来越慢、由于延迟效果引起效率低下。植物油的改善效果使得着火慢这种情况越来越少。
但是,植物油含有很多的不饱和脂肪酸,而且有C17左右这种比较大的分子结构,所以相对于C,H值的不足容易发生煤尘。但是因点火而产生火焰以后的乳胶燃料,正如已经说明的那样,发挥了优良的低煤尘性,所以可以减少添加植物油带来的弊端。
更进一步来说,植物油的分子构造中含有不饱合基和水溶性甘油,所以吸附在金属表面,具有提高润滑性的功效。进而,因高加水率导致的润滑性不足,可以由植物油的润滑性进行弥补。
[与润滑油的相乘效果]
在发动机本体中产生废润滑油。发动机润滑油使用一定的时间后,润滑油中的清净成分与氧化度上升,这样就会不耐发动机润滑,必须定期交换发动机润滑油,通常这些润滑油也就成了废弃物了。但是,虽然是废润滑油,若在极其严格的管理下,也不是完全不能用,通常在还有利用价值时就被废弃了。
因此,润滑油中含有充分的清净分散成分、防锈成分、油性向上成分。若是将这种润滑油添加到之前曾说到的植物油水乳化燃料中的话,分散了由于植物油的混合而产生的淤渣,同时,防止了因植物油的氧化而产生的过氧化物对钢材的腐蚀,可以持有因水引起的腐蚀、油性下降以及水的乳化作用。在低磺磺A重油中被使用的润滑油原本是有很多低灰分的东西,但是为了用于这个用途,希望使用低灰分低氯的润滑油。
另外,在润滑油不足的情况下,精制自家用车中的废润滑油也可以,废弃物处理方法的应用从本专利成立开始更具弹力,可除去油泥,不单单是再利用热法再生利用的方法了。
[植物油水乳液的实施例]
燃料槽11中贮存的燃料用燃料升压泵167升压,经由混合器10、过滤器8、用燃料流量控制计5进行计量,这是发动机系的供给路线。通过供给管道的燃料经过用燃料泵2升压的过滤器搅拌器20后,被送到喷射泵218,用压力调整阀门进行压力调整,再次送回燃料泵,这是发动机中的循环路线。含有水粒子的乳胶燃料被注入到循环管道中。喷射泵218使此循环管道中的燃料对照燃料轮216的时间,再从喷射阀219喷射到圆筒里。
若是具有淬火型喷射机构的柴油机的话,将喷射泵机构上的,也就是超过最大吐出量的燃料填充到活塞里,用叫做控制齿板的速度调整器在喷射中将燃料输送到循环管道中,由于有中断喷雾这项功能,必须要有循环管道,因此,用以往的在线比例控制的方法能形成乳化。所以不需要目标比率变更时间控制等,即使水在瞬间变为0或50%,因为循环管道系统成为缓冲器,所以不会发生像锅炉、蒸气体涡轮机那样不适合的情况。
但是,在负荷变动较大的情况下,比如过度低燃烧或过度高燃烧时,即使停止加水,乳化燃料也不会没有。因为循环线的乳化燃料会被慢慢地稀释到纯燃料中,所以在负荷变动下,对于加水适当与否就有必要进行研究。
[水的比例注入]
给水槽163中储存的水是蒸馏水。保给水如果用软水的话,内燃机的套管水蒸馏一段时间后也可以得到足量的蒸馏水。由于叶片型泵可以控制转数,所以给水泵164可以进行流量控制,燃料流量计的信号,加水速率设定信号分别以PV、SV的串联控制来控制转数。给水流量计168作为这个串联控制的反馈控制信号被使用。这个控制像前面提到过的PID控制一样即使是响应性不好的控制,它也可以应对。已控制比例的水被送到搅拌器20中进行乳液化。
[植物油的比例注入]
植物性废油被储存在废液缸11中。如锅炉的实施例中表示的那样,植物性废油对混合后的热冲击较弱,所以预先在缸内将其升温直到达到发动机的喷雾适当粘度。废液泵12可使用一般的齿轮泵。但是,被长期保存的植物废油经氧化后带有酸性,所以希望使用未被长期保存的废油。这一系统也可以利用燃料流量计的串联控制来控制转数,在混合器10中与燃料混合。
[润滑油的比例注入]
润滑油废油被储存在副废液缸21中。由于润滑油占燃料量(A重油与植物油制和)2%是比较好的,所以使用膜片式泵。这一系统也可以用燃料流量计的串联控制、电脉冲数控制来进行比例设定。
[植物油和润滑油混合的功能和处理]
植物油、润滑油与燃料一起通过过滤器。在润滑油中如前所述那样,含有抗氧剂和由于过氧化物而使用的保护钢材的过氧化物分解剂,所以希望在已出现淤渣的情况下先去除氧化的植物油中障碍物,生成非游离基生成物(无害的过氧化物),并在经过过滤器前先进行混合。
[注水后的功能和处理]
混合器的位置最好是在循环管道的二次过滤器8的后段。即象过滤器那样在流速慢的部分可能会因为沉淀而形成巨大粒子,由喷射泵供给的这样的水粒子是形成润滑不良的原因。通过过滤器后在喷射泵前直接配置混合器,这样形成巨大粒子的机会也就少了。
被喷射泵反复加压的植物油,因水中含有微量的氧等容易产生自由基,润滑油中含有抗氧剂能除去过氧化物,其中的分散清净剂又会抑制淤渣的产生。
[植物油乳液的总结]
水、植物油废油、润滑油三者混合能够互相取长补短是个很好的方法,测得具有低的NOx低的煤尘、并且植物油和润滑油的热能也被回收、同是因为改善了燃烧性所以能够抑制二噁英类的产生在原来的程度之下。
[直接水喷射法的利用控制]
这里发明人在自由基理论的基础上,预测的关于注入柴油机发动机的废液处理的一种形态,还没有被证实。
图17是在喷射阀添加喷射线266的喷射托架。假定由高压管道294供给的燃料是C重油的加水50%的乳液燃料。这种乳液燃料如果着火后显示出优异的低NOx性和低煤尘性、但是有着火较慢的倾向,与最佳加水率20%-40%相比煤尘值和烟色有少许恶化的倾向。
废液缸11中储存着浓度约60%的甲醇废液。甲醇的十六烷值很低,在柴油机的压缩热下很难靠自身点火。况且在这里添加了水,由于水蒸气形成的自由基抑制使得靠自身点火也变得困难。
被废液泵12加压的燃料在经过混合器10时由废液流量计15测量流量、这种流量计是质量流量计同时也能够进行比重测量、所以能够让给水泵进行给水比例控制,在质量一定的情况下控制甲醇浓度在30%。稀释的醇废液在循环泵中加压用废液压力调整阀13将压力控制在1MPa。电磁阀48根据4循环动力装置的吸入工程只在规定时间内经由水喷射管道向燃烧室喷射废液。燃烧室中的压力几乎接近常压,因为只要一点点压力就可以喷出废液,装置也很轻,但是燃烧室作用于逆止阀50上的压力接近10Mpa,因此设计逆止阀时要能耐住这个压力。如果在吸入工艺中喷雾时间没有特别的问题时,也就没有因为电磁阀的惯性而响应迟缓等这些问题了。
喷到燃烧室的甲醇因为含有小分子的CH元素,即使受到400-500℃热影响也不会合成二噁英类。压缩过程一开始就有受到热影响而气化的甲醇一路产生自由基,虽然变得不稳定,但是因为分子量低和浓度被控制,所以一点都不用担心会自燃。即在发热和高压的条件下因为即使接受被活化的O-离子的攻击,只形成CH3+和H+,但是H+和OH-完全中和。此外,因为在这种温度和压力范围内水蒸气不会自由基化,所以抑制了侧基的作用不会发生连锁反应。
一到喷射时机,加水率为50%(含水率33%)燃料被喷雾,会发生微爆,喷射燃料变成自由基基团,这时因为存在不稳定的甲醇容易发生连锁反应,点火滞后变少。因为改进了预先混合的状态,如不控制甲醇的量,内燃机碰撞会发生,所以要注意。因为水蒸气十分充足所以随着燃料油的完全燃烧的进行,NOx低减的效果也十分明显。
对废液缸内注入量进行调整,如果控制到不能自燃的注入量,那么在十六烷值较高的废液中也可以应用了。根据这种方法,象柴油机发动机那样的混合燃料系,润滑性降低、而且容易发生沉淀化的废液也能够被处理。
此外,很明显这个理论对即使是使用天然气等的气体发动机也是适用的,因为其燃烧形态与气体发动机是相近的,所以可以认为是可以降低NOx的优异的技术。
[理想的处理形态]
发明人认为,首先要选择将来能被有效利用的能源媒介、为了让各种各样的废液(废弃物)燃烧,选择适当的工业用燃烧设备将其有效的能量加于再利用是废弃物处理的原点。
前处理手段的开发以本专利为基础可以期待有各种各样的发展。在本专利中虽然没有涉及,但是,这种前处理技术如发展下去,也一定可以将工业废液用于下一代能源的燃料电池用的氢的原料。
但是,如C重油栏中谈到过的那样,这里最重要的事是,从制造阶段开始,醇作为原料,就不是在燃料电池中可以使用的高钝物了,因此,为了能用于燃料电池,有必要将各种不纯物质都除去。一般被称为净化技术的难点是在于如何处理不纯的物质。燃烧是从被废弃的、叫做不纯物的有机物中回收能量。因为防止因为杂质而增大社会的成本,燃烧在今后一定会被放在一个重要的位置上。
本发明不是将废液统统收集到一起、然后作为工业废弃物处理将其烧掉的方法,而是把注意力放到从废弃前的过程开始到再利用为止的全过程,最大限度地发挥各种废液持有的潜在价值,从而减轻废水处理设备的负担,为了削减凝集剂的消费量、不只停留在废气净化上,由此得到的水、污泥的消减引起的连锁效应是不可估量的。
图18是综合了这些想法的基础上的综合处理结构示意图。
[低浓度食品系废液]
在低浓度食品系废液槽241中储存着食盐等盐含量为100ppm的含BOD的废水。在脱盐有机物浓缩器251中,从这种废液中分离出盐份以及含有分解比较快的小分子有机物的废水和较难处理的高分子有机物,并过滤被高浓度化的有机物,与C重油混合后用本处理法在锅炉38中焚烧处理。产生的蒸汽在气体涡轮机163中作发电用。
[植物废油]
在植物废油槽242中储存着植物油的废油、用小型贯流炉58燃烧热应力少的A重油进行处理,同时回收其热能。
[乳制品]
乳制品罐243中储存着从生产线排放出来的副产品、以及期限已过的乳制品。牛奶中含有大量的乳蛋白恐怕会在处理过程中发生固化以及NOx的原因,所以需要在脱蛋白处理装置中将乳蛋白分离出去。因已被分离的乳糖类能够酒精发酵,可将它们送到酒精发酵装置254中去。
[果汁类]
果汁槽244中储存着从生产线排放出来的副产品、以及期限已过的果汁。因为果汁类中含有大量的糖类,被送到酒精发酵装置中,在糖度低的情况下进行浓缩等也是有效的。
[酒精类废液槽]
在酒精类废液槽245中储存着含有杂质的乙醇。用锅炉等设备燃烧是没问题的,为了用于燃料电池189用的酒精,需要在酒精蒸馏器253中蒸馏。在这种酒精蒸馏器中所使用的蒸汽就是在这里的各种燃烧设备发出的蒸汽。从其他酒精发酵装置送来的发酵液也合在一起被送到酒精蒸馏器中,并对纯度高的酒精和含有杂质的酒精以及发酵残液进行分离。纯度高的酒精可以被用于燃料电池中作发电使用,即使含有杂质但是不含有灰份的酒精可以试图通过锅炉或者是燃气轮机等进行热回收。发酵残液被送到脱盐有机物浓缩器中,并分离成在排水和锅炉用废液。
[乳液性废液]
不含灰分的乳液性废液和压缩机排水被储存在乳液性废液槽247中。因此它能作为柴油机181用水乳液水来加于利用。压缩机排水中是蒸馏水,因为不含起因于水的灰分,那是求之不得的;压缩机机油是出于润滑的目的和防止氧化的目的也不含灰分,同样是求之不得的。
[胺类废液]
胺类废液槽248中放有胺类有机溶剂。它们没有燃烧性问题,用于燃烧。也有一部分利用排气热使胺热分解排出氨气,气体部分在气体涡轮机182中燃烧,同时氨气是作为脱硝设备用还原氨气使用。气体涡轮机是使用几乎不含高质量氯的燃料。因为在高压下预先混和气体化燃烧、以及不生成二噁英类的主要原因的苯环,产生的NOx与从胺中得来的NOx由使用来自胺的氨水的干式脱硝法进行脱硝也完全没有问题。
[甲苯系废液]
甲苯系废液槽249中放有甲苯系有机溶剂。因为这种有机溶剂的挥发性比煤油还高,作为气体涡轮机用的稀薄燃烧用燃烧器使用最合适。然而,与气体燃烧相比较液体燃料不要消耗大量能量的升压器、能量回收率好、碳酸气体削减效果好。
[润滑油废液]
润滑油废液槽250中储存着润滑油废液。尽可能把它们变为低灰分的废液,作为柴油机用的添加剂而被再利用。
[理想性的处理形态的总结]
如上所述,显示了将废液以最希望的形态供给根据最合适的燃烧设备处理的各种各样的废液利用形态。
[从废液提供到处理为止的流程]
图19是用工业用燃烧设备处理废液的流程示意图。关于各个处理或判断由具有各种专业知识的技术人员参考本发明的这些项目可以实现的内容。
[适用前研究项目]171
根据废液处理的依据71首先应该完成的事是研究废液的种类72。关于这一技术知识,由对制造过程中的废液有相关知识的技术人员、有进行废液的组成的调查73(组成分析调查)、物性的调查74(物性分析研究)、混合特性的调查75(混合物性研究)的技术知识的技术人员必须对该技术课题进行研究。
这时,一般接受委托的一方,除在废液种类的研究的栏显示的项目外,做成记有作为组成和物性和成分等的调查表,让委托方记下这些数据。因此,委托方即使对本发明不怎么了解,也能圆满地运用本发明。
此外,如不和拥有关于剧毒物的处理和放射性物质的处理的知识的技术人员一起研究,组成、物性、混合特性的调查本身是很危险的,这一点必须加于注意。
各种调查结束后,根据这些数据,必须进行合理的前处理手段76中的工业用燃烧设备的选定77。能选定合理的前期处理手段是在研究了水处理领域的知识、蒸馏领域的知识、界面活性剂领域的知识等、以及最合理处理情况下的成本和预测有害物浓度的推定值之后,综合对锅炉领域的知识、燃气轮机领域的知识、柴油机领域的知识、各种焚烧炉领域的知识,在可适用的燃烧设备中选定最合理的燃烧设备。
此外,这时如没有适用研究项目的各项可以期待的性格等一定程度的技术知识,成为在进行下一步研究时预期性能不能满足的主要原因,所以必须注意。
接下来,在这个研究中,所谓合理的前期处理手段,比如说,根据本方式从废液处理委托方能得到的好处的总和上扣除包含前期处理手段的必要经费的全部后的差额要大于比单纯委托废液处理专业单位进行处理时的好处。在研究阶段没有找到合理的前期处理手段的场合,判断不能进行废液处理也是一个重要的项目。
[适用前提条件项目]172
在这里,成为研究对象的工业用燃烧设备至少在1点的燃烧负荷范围内,能表现出理想的燃烧状态,这一点是重要的前提条件。即,在所有的燃烧状态下都不能达到理想燃烧状态的燃烧设备,除了注入废液确实改善了燃烧状态之外,注入废液往往是危险的。
[适用研究项目]173
在达成前两个项目后,在以实际的适用为目的的研究中必要的项目。
(1)前处理手段
在前处理手段的研究79中,有在前述合理的前处理的研究显示的知识的技术人员必须对作为目标的组成值和物性值等作具体的研究,不要前处理的结论也是重要的结论。在前处理手段的研究的下面的处理表示实施研究结果的场合的处理。右边的各种处理也是一样的。
但是,包括过滤的前处理手段是本技术中最重要的技术、而且如果没有多方面的技术知识,合理的前处理也就不能实现。比如说,含有糖分的废液因为具有易焦性,在具有柴油机和喷射阀形式的气体涡轮机蒸或者是压力喷雾式燃烧器中不适合使用。但是,如果被酒精发酵,就能够作为安全的废液进行处理。但是,从糖分中得到酒精的方法不只是发酵,利用触媒等的氧化也应该能够实现,根据这些可实用化或研究成果,这时有必要选择最合理的前处理法。
(2)注入方法
关于注入方法的研究80,以有注入装置的知识的技术人员为中心,研究注入方法,在担心有腐蚀性的情况下必须具备对设备的防腐蚀性的知识。
(3)混合方法
关于混合方法的研究81,必须是对混合装置有知识的技术人员进行研究,对设备的防腐蚀性的知识也是比要的。
(4)空燃比控制方法
空燃比控制方法的研究82,对应于废液发热量,有对计装控制范围以及注入装置的知识的技术人员必须进行相互的研究
(5)燃烧装置的最适化
燃烧装置的最适化研究83,既要有对燃烧器领域的知识,也要考虑到主要废液的焦性,若有必要也对燃烧设备进行变更、改良。
(6)低NOx手段的研究
低NOx手段的研究84,主要有燃烧器领域、燃料领域、混合领域等相关知识的技术人员确定否有必要使用低NOx手段和对其进行改良。
(7)添加剂的研究
添加剂的研究85,在废液和其溶剂进行乳液分散的场合,必须研究相应的乳化剂是否适用,为了改善废液的腐蚀性和润滑性,有必要使用相应的防止剂。因此要具有表面面活性剂领域、腐蚀、润滑领域的知识的技术人员进行研究。
(8)水乳液的研究
水乳液的研究86,因为NOx低减的用途和煤尘低减用途的目的不一样,也有把双方都作为目的的场合,因为必须对废液中的水份量的增加进行研究,所以要对混合装置、组成分析、物性分析、燃烧器等领域有相关知识的技术人员就进行研究。
[适用后运用项目]174
注入率调整151和注入率的变化率调整152是在上述的适用研究项目中的各项都能够顺利完成的基础上,在安全有效的运用废液处理的基础上,最重要的项目。通过上述两个的调整、能够实现防止氧浓度超出153、理想的燃烧维持154、防止燃烧手段的障碍155、防止燃烧设备的障碍156、将烟浓度的变化控制在规定值以内157。如果不能实现上述情况,注入率调整和变化率调整有必要进行适当的补正后在实行。
因此,就各个项目而言,注入装置、混合装置、计装控制部分、燃烧器领域的其他对象等构成的工业用燃烧设备的技术领域的知识,排放气体分析领域的知识都是必要的。
此外,如果有适用研究项目手段异常的话,上述的适用前提条件项目、适用前研究事项的各项目不正常的情况下,根据异常内部危险情报176采取停止注入等方法,可以防止有这类事件引起的障碍。
在适用前提条件中必须要注意的是,比如说排出废液过程异常。此外,在适用前提条件方面作为对象的工业用燃烧设备也有自身故障的异常,适用研究项目就是对各种各样的装置和手段的故障进行说明的。
关于停止注入和调整超出的方法,例如注入装置收到各项目的异常信号,用接受根据比重、压力、振动、温度、粘度、PH、氧化还原电位、电流传导度、浊度、色度、色彩等的物理、化学方法能比较容易地监视的连续分析器的情报来实现。
此外,异常不只是与废液有关的异常,也要考虑燃烧手段和空燃比控制的异常。如果意识到了异常发生的危险,持有与各个项目相关技术知识的技术人员在认识到危险的基础上要决定必要的处理方法(是否停止注入废液,量应该控制在什么程度)。
于是,根据上述情况得到的结果是运用87,由上述情形得到的运用结果即使不进行下面的适用后确认项目的基础,但是也能推定得到适用后确认项目期待的处理结果。
[适用后确认项目]175
具体的是,担心二噁英类测定158、Nox、Sox、烟尘测定159、重金属类测定160和其他处理的废液中含有的有害成分的排出而实行以上各类的测定,测定的结果要得到社会和法律的认可,并且因为有吸入从这些烟囱中排出的气体成分,要确认能保证从业人员及附近居民的健康。
[一部技术的挪用的危险性]
例如,废植物的适用,在只有废植物油时,经过从组分分析开始的各种各样的调查,在“废植物的适用”不能被适用的情况下,如果只是挪用“混合方法的适用”,废植物油组成偶尔也可以使用这种方法。但是,在这样适用的场合,如果是处理含有食盐的废植物油的情况,这种方法仍可以被安全的使用,但这也是产生二噁英类的主要原因。
此外,关于制造过程,通常毒物和重金属类是不应该作为废液排除的,但是在制造管道中多少会流放出一些有毒物质。即使分析手段得出没有毒性和重金属的结论,如果不采取防止手段,操作者和附近的居民都可能有危险。
因此,就目前所见的现状而言在工业用燃烧设备方面的废液焚烧方法都是在本发明正确的认识研究的基础上使用的,是能够防止社会上各种危险的优秀技术。
根据上述的实施例,有如下的效果
(1)研究适用前研究项目171、适用前提条件项目172、以及适用研究项目173,之后实行适用后运用项目174以及适用后确认项目175。因为排除了产生二噁英的环境,利用防止二噁英产生的工业用燃烧设备进行废液的焚烧处理的处理方法。
还有,本发明是不被前面提到的实施例限定的,在能够达成本发明目的的领域内的变形、改良都包含在本发明中。
[在试验炉中得到的实验数据]
如果正确地运用以上的技术,原则上能够维持在作为对象的工业用燃烧设备中被期待的二噁英类的浓度,并且NOx值和烟尘量都应该维持在工业用燃烧设备要求的值。
[试验炉的概要]
试验炉是火炉负荷为30万Kcal/h、燃烧室容积为700mm×2500mm的球形炉,大致是以炉筒烟管式燃烧炉的燃烧室为模型制作的。因为燃烧室外部用30℃左右的冷却水冷却,比锅炉要过冷很多,在1MPa的蒸汽压力的水冷壁上贴合陶瓷纤维制的隔热材料,确保炉温在900℃-1000℃。实验时的燃烧量为30L/h计算火炉的负荷约为14万Kcal/h,相当于一般的锅炉的定格火炉负荷60万Kcal/h(除了小型贯流式火炉)的23%,是在很低的燃烧领域内的实验。
燃烧器用的是内部混合型空气喷雾式燃烧器中,喷雾空气量为440m3/h空气压力是0.04MPa,空气温度是常温,炉内压力约为40mmH2O。
如图9所示,NOx的产生量表示的是用没有实施特别低NOx化的燃烧器的一般的值,(7)的胺系废液的NOx值是从氮分浓度求得的例外值。在其他的A重油的氮浓度不变的供试试料中因为水乳液的自由基抑制作用,NOx值降低。
图20是是比较实验中的氧浓度和CO以及HCl和燃料中总的氯含量的图。图20中各个记号分别是(1)A重油单独、(2)水道水、(3)丹宁系药品锅炉流动水、(4)茶抽出废液、(5)果汁废液、(6)醇系废液。A重油的氯含量为5.5ppm。(2)的水道水在5小时的实验中约在40分钟时发生了不分解的现象。本图的纵坐标用%、ppm、倍数等各个不同的单位值表示,这样做是为了能够清楚简单的表示相关的性质。此外,在图20中,引用了相关直线。这条直线是在除了(2)的数据的基础上画的。
此外,因为O2以及CO取的是5小时计测时间的平均值,如果考虑其他干扰因素的话,最终的值会有一些误差,就当事者而言相信没有特别大的误差数据。
[不可分解的氧浓度的变化]
最初氧浓度开始原因不明的急速上升到12%。注意到氧浓度直接达到的适正值附近这一异常、燃烧状态恶化,CO浓度最大可以上升到1300ppm。这种异常现象大约持续30分钟、这以后氧浓度急速下降并开始发烟,所以停止二噁英类试样及CO、O2的计测,恢复正常后再继续测定。
(通过台风)
燃料流量和燃烧监视项目没有异常,所以没有特定的原因,其后整理从2001/09/11 11∶00到11∶40左右的数据,确认实验所在地千叶上空有台风通过,与燃烧用空气和炉内抵抗低的事相符,并由此断定因为炉内压低下燃烧状态恶化。因此,本来A重油和流动水应该同等的水道水试验结果的CO显示了最高值。
[二噁英类毒性等量和它的评价]
图21是毒性等价和燃料中氯浓度的相关图示。图21种各记号分别表示(1)A重油单独、(2)水道水、(3)丹宁系药品锅炉流动水、(4)茶抽出废液、(5)果汁废液、(6)醇系废液。所有的数据都是焚烧炉的基准值的1/50-1/200,可以判断本处理方法是安全的处理方法。除了(2)水道水的结果,燃料中的氯浓度都表现出了线性关系特征。根据下面水道水结果详细的解释说明,仍然不得不考虑台风对异常燃烧的影响。此外,(6)醇系废液中有比(1)A重油单独的等价毒性等量要低的特征,如果氯含量少的话可采用燃烧法修正化可能进一步抑制产生量。
此外,本图的各个点值连成的曲线是为了方便的判断上面提到的台风的影响。一般的连线法是用这些值中间部分添加近似直线来表示的,而因为在这里用曲线所以应该舍去(2)的没有意义的数据。
(A重油、水道水和流动水样品的毒性等价特征)
图22是(1)A重油(2)水道水和(3)流动水成分的各毒性等价的图示。按PCB类排列,(1)(2)(3)按从上到下排列。在构造上成为PCB类元的联苯,氧不能结合在苯环,这容易在氧当量比附近发生。在这次试验中氧浓度目标定位4%进行燃烧管理,比一般的焚烧炉空气过剩率要低。
在这次试验中,用的试验炉,除去了上面提到的台风的影响,在严密的燃烧管理下进行的,无氯配位的联苯的产生量在全部的供试试样的燃烧下变化很少。测定与氯含量增加相关的纯粹的试验状况,很难断定氯和二噁英类产生量的相关性。
此外,关于锅炉方面通常在燃烧时域低氧浓度燃烧时能显示出废液处理的优越性,因为考虑到氧浓度高的低燃烧域时等价毒性的危险增加且容易发生。
[A重油、水道水和流动水样品的成分分布的相互区别]
图23是检出下限以上的(含有定量下限以下的参考值)全部的二噁英类的产生分布图。比较(1)A重油(2)水道水和(3)流动水,(2)的二苯基二噁英类和二苯基呋喃类与(1)和(3)的明显不同。不同的是因为在5小时内有30分钟的异常,确定毒性等价水平不高。考虑到因为不完全燃烧(容易生成等价毒性浓度高的物质)使得产生由二噁英类引发的危险,故将此结果用图来表示。
[氯、等价毒性的相关值和管理浓度的上限]
除去图21(2)的水道水,剩下的值是由毒性等价(pg/Nm3)=0.0613×氯ppm求得的近似函数,但是大概在1700ppm以下的浓度有最高的斜率,如果实行合适的运转管理可以使废液焚烧炉在最严格的浓度基准0.1ng/Nm3以下的运用成为可能。
[实施例的总结]
在本实施例中使用的废液全部都是从实际的需要方提供得到的,现在作为工业废弃物丢弃或用废水处理设备进行处理。今后在本处理法的基础上,利用正确的处理方法,可以抑制二噁英类的产生的同时,因其节省能源性和低公害性,将会满足需要方的期待。
[工业上利用的可能性]
本发明可作为对伴随着工厂等的生产单位和医疗、研究机关的工业活动时副生的废液进行处理的工业用燃烧设备中的废液的焚烧处理方法及混合液体利用。
Claims (4)
1.利用工业用燃烧设备的废液的焚烧处理方法,其特征在于:利用具有让燃烧液体燃料的燃烧手段的工业用燃烧设备,在该燃料中让废液混合分散后进行焚烧处理时,预先对想要焚烧处理的废液的废液种类的研究、组成和物性、混合特性进行调查,在合理的前处理手段方面进行可使用的工业用燃烧设备的选定的适用前研究项目,该燃烧设备的燃烧火焰的状态和排放气体组成是在该设备中呈理想状态时的燃烧范围内的适用前提条件项目,综合调整废液的前处理方法、废液的注入方法、废液的混合方法、燃烧设备的空燃比控制方法、燃烧装置最适化、低NOx手段、添加剂的有无和种类、是否并用水乳液燃烧的适用前研究项目,调整废液和添加剂的注入速率和注入速率的变化率,防止排放气体中氧气浓度超过正常范围,维持理想的燃烧状态,防止燃烧手段上的障害,防止燃烧后残留成分引起的工业用燃烧设备的损害,控制伴随废液组成的煤烟浓度的变化在规定值之内,当前述的适用前研究项目、适用前提条件项目、适用研究项目超出正常范围时,使注入停止进行,或者调整到可以修正该超出的注入率的适用后运用项目,以进行确认有无依靠后处理的二噁英类物质对策手段,或在该手段前,将控制排放气体中的二噁英类物质的浓度抑制在在工业用燃烧设备作为其对象的燃料油被燃烧的场合被期待的浓度水平,NOx和煤尘产生量,燃烧废液引起的卤素和重金属类物质也在工业用燃烧设备的容许范围之内可以运转管理的适用后确认项目。
2.利用工业用燃烧设备的废液的焚烧处理方法,其特征在于:在利用具有使液体燃料或气体燃料或这两种燃料燃烧的燃烧手段的工业用燃烧设备方面,前述的工业用燃烧设备具备利用喷雾水来达到降低NOx的效果的水喷射设备,在实施水喷射的状态,二噁英的产生量是工业用燃烧设备所期待的浓度水平时,或依靠废液混合变为水喷射所期待的浓度水平的场合,预先对想要焚烧处理的废液的废液种类的研究、组成和物性、混合特性进行调查,在合理的前处理手段方面进行可使用的工业用燃烧设备的选定的适用前研究项目,该燃烧设备的燃烧火焰的状态和排放气体组成是在该设备中呈理想状态时的燃烧范围内的适用前提条件项目,综合调整废液的前处理方法、废液的注入方法、废液的混合方法、燃烧设备的空燃比控制方法、燃烧装置最适化、低NOx手段、添加剂的有无和种类、是否并用水乳液燃烧的适用前研究项目,调整废液和添加剂的注入速率和注入速率的变化率,防止排放气体中氧气浓度超过正常范围,维持理想的燃烧状态,防止燃烧手段上的障害,防止燃烧后残留成分引起的工业用燃烧设备的损害,控制伴随废液组成的煤烟浓度的变化在规定值之内,当前述的适用前研究项目、适用前提条件项目、适用研究项目超出正常范围时,使注入停止进行,或者调整到可以修正该超出的注入率的适用后运用项目,进行确认有无依靠后处理的二噁英类物质对策手段,或在该手段前,将控制排放气体中的二噁英类物质的浓度抑制在在工业用燃烧设备作为其对象的燃料油被燃烧的场合被期待的浓度水平,NOx和煤尘产生量,燃烧废液引起的卤素和重金属类物质也在工业用燃烧设备的容许范围之内可以运转管理的适用后确认项目,作为满足前述的适用后确认项目的水溶液或者乳液喷射。
3.根据权利要求1或2所述的利用工业用燃烧设备的废液的焚烧处理方法及混合液体,其特征在于:利用工业用燃烧设备的废液的焚烧处理方法处理的废液,在具有让液体燃料燃烧的燃烧手段的工业用燃烧设备的燃烧手段上,或在工业用燃烧设备中,由于喷雾水而持有降低NOx的效果的水喷射手上利用前述的适用前研究项目,适用前提条件项目,适用研究项目,适用后运用项目中的一个以上被制造的同时,被喷向燃烧室的全喷雾流体中的平均含有浓度,致死性有毒气体成分、放射能强度不超过一般被容许的限度的范围,而且,氯,重油换算的总燃烧量小于2000Kg/h时,小于85000ppm;在2000-4000Kg/h之间时,小于17000ppm,4000Kg/h以上时,不超过1700ppm的范围,N不超过各种燃烧设备的NOx的规定值范围,S不超过各种燃烧设备的SOx的规定值范围,重金属不超过各种燃烧设备的重金属类的规定值范围,在燃烧手段中的含水量在0-60%的范围,在水喷雾手段中的含水量小于100%,灰分基本上不超过该燃烧设备上适用可能的燃料中被允许的灰分量的范围,或依靠适用后运用项目的实施调整到安全性被确认的范围。
4.根据权利要求3所述的利用工业用燃烧设备的废液的焚烧处理方法及混合液体,其特征在于:混合液体含有进行乳化的乳液用水。
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