CN1981173B - 可燃废物焚化的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

公开一种在制造水泥熟料过程中可燃废物焚化的方法以及装置，通过该方法，废物通过废物进口(11)引入并且被支撑在并入分离室(9)中的支撑面(21)上，其中该废物被主动输送穿过该室到其出口(23)，同时进行焚化，其中与废物焚化有关产生的热废气被排到用于加热水泥生料的预热器体系中，并且其中在废物焚化处理过程中产生的炉渣从该室(9)中取出。该方法和装置的特征在于：将包含NOx的废气引入室(9)。

Description

可燃废物焚化的方法和装置
本发明涉及一种在制造水泥熟料过程中可燃废物的焚化方法，其中：在具有或者没有煅烧炉的预热器体系中预热水泥生料，在窑中烧成熟料，并且在后续熟料冷却器中冷却，通过这种方法，废物通过废物进口引入并且被支撑在并入分离室中的支撑面上，其中该废物在分离室被主动(actively)输送穿过该室到其出口，同时进行焚化，其中与废物焚化有关产生的热废气被排放到用于加热水泥生料的预热器体系中，并且其中在废物焚化处理过程中产生的炉渣从该室中取出。
本发明还涉及实现该方法的装置。
可燃废物的实例包括轮胎、家具、地毯、废材、花园废物、厨房垃圾、纸渣、生物质、petcoke、下水道污泥和漂白土。
从EP-1200778中，其内容在本文中引用作为本申请的一部分，已知上述类型的方法以及装置，根据该方法和装置，废物在分离室中燃烧并且同时供应优选来自于熟料冷却器的热空气。将焚化过程中形成的废气从该室送入预热器，在此这些废气被用于加热水泥生料。实际上，已经证明这种方法和装置尤其适合用于废物的焚化，提供显著的热量贡献，这已改善工厂总的经营成本。然而，还已确定：假使在该室中没有还原窑中在烧水泥熟料过程中形成的NOx，这种已知的装置的NOx排放可处于高水平。另外，在煅烧炉中引入到可能的NOx还原区域中并且可用于还原从窑中排出的NOx的燃料的量减少，因此在这种情况下还原窑NOx效果较小。
本发明的目的是提供一种在制造水泥熟料过程中废物焚化的方法和装置，通过这种方法和装置显著减少装置的NOx排放总量。
根据本发明的第一方面，这通过前言中所述的方法实现，其特征在于：将包含NOx的废气引入室中。
根据本发明的第二方面，提供一种焚化可燃废物的装置，包括：生料仓库、具有或没有煅烧炉的预热器体系、窑、熟料冷却器、焚化废物的室、所述室包括用于将废物引入该室的进口和用于将炉渣和任何未燃烧的废物输送的出口，该室还包括用于在焚化处理过程中支撑废物的支撑面和用于将废物从室废物进口输送到出口的装置，其特征在于：它包括用于将包含NOx的废气引入室(9)的装置。
从而获得一种装置，该装置不仅仅在设计性能方面简单，而且也具有充分减少NOx排放的能力。这是因为以下事实：包含NOx的废气与燃料接触，该燃料通过各种在该处理过程中发生的NOx还原反应减少废气中的一部分NOx含量，如在下文中更详细地说明的那样。在该室内的废物的焚化可以看作包括由加热阶段、热解阶段、点火阶段、气相中组分之间的反应阶段和炭与煤烟(soot)的反应阶段组成的5个阶段。在加热过程中，与废物的热解有关，形成气态反应物、炭和煤烟。这三种热解产物包含与废物和任何可能导入的燃料一起引入室中的氮。在该气体中，氮以N2、HCN、NH3和NO的形式存在。剩余部分的氮仍然被束缚在煤烟和炭中。除了含氮化合物之外，气体也包含SO2、H2、CO、CH4、和烃(CxHy)或其基团。在将废物引入室之后，废物的热解立即开始。室内NOx还原通过在烃基(CHi·)和NO之间的反应实现，该反应形成HCN：
CHi·+NO→HCN，i＝1，2，3                      (1)
或通过CO或H2和NO之间的反应实现，该反应通过生料或炭催化：
Figure S05814734420061110D000021
Figure S05814734420061110D000022
反应(1)通过高温促进，并且需要少量氧以便维持CHi·的形成。如前所述，反应(2)、(3)和(4)通过生料催化，并且此外如果存在氧，使这些反应不可能进行。在NO的热解和分解过程中，形成化合物HCN和NH3。被生料催化，HCN或NH3将根据反应(5)和(6)分解，或将通过反应(5a)或(6a)与基团(在本文中用O2/OH·举例)和NO反应，这分别除去或形成NOx。
Figure S05814734420061110D000024
Figure S05814734420061110D000025
HCN+NO+OH·→N2，CO，CO2，H2O    (5a)
NH3+NO+OH·→N2，H2O             (6a)
NH3+O2→NO，N2，H2O              (7)
HCN+O2→NO，N2，CO，CO2，H2O     (8)
在后续预热器体系的底部，反应(7)和(8)将继续进行，因此形成一定量NOx。在炭和在炭中的氮的燃烧在室的还原性气氛中开始，并且主要在煅烧炉或后续预热器的立管中发生。仅仅在炭中的一部分氮在燃烧过程中形成NOx，剩余部分将形成N2。而且，炭中的碳能够与NO反应，形成N2和CO。
炭-N+O2→NO              (9)
炭-N+O2→N2，O2          (10)
炭-C+NO→N2，CO          (11)
NOx还原反应由高温促进。
进一步，优选的是；室中至少一部分废物焚化在亚化学计量的气氛中进行。这进一步增强许多上述的NOx去除反应。
引入室中的包含NOx的废气原则上可以来自于任何燃烧单元，但是根据本发明，优选的是：从窑中取出废气，并且通过竖管引入室内。更优选的是：将来自于窑的所有废气引入室内。如果在向该过程的任意输入空气之前将来自于窑的废气引导到室内，由此室内唯一可用的氧是包含于来自于窑的废气中的氧，典型地为2-4％的氧。在焚化处理过程中，这些氧被迅速消耗，从而形成NOx还原区域，在该区域中反应(2)到(4)的NOx还原显著增强，使得除去基本上所有包含于来自于窑的废气中的NOx，同时离开该室的废气仅仅包含可忽略不计的NOx。
为了获得满意程度的NOx还原，必须保证室中废物具有足够的与废气接触的停留时间，以便形成还原区。因此，优选的是室中废物以防止废物本身具有穿过室的能力的方式支撑，这可以简单地通过确保室中的支撑面跨越其总面积的一部分上为基本水平的来实现。根据本发明，因此废物必须被主动输送穿过该室，并且原则上，这可以以任何方式进行。例如，废物可以沿着基本上为直线的路径通过往复移动的推动机构穿过该室进行输送。然而，优选的是废物沿着圆周路径(优选在旋转圆盘上)穿过该室进行输送。这允许通过调节圆盘的转速简单地控制室中废物的保留时间。
同样，已经证明有利的是：将废气以与废物流成逆流方式导入并且穿过该室。这样的效果之一是：未燃烧的炭，在从室排放时，将被来自于窑的废气俘获并携带，当与废气中的氧气反应时导致炭燃烧。因此，最后可燃的剩余物可以有效地燃烧，并且室中NOx的还原可以通过其他条件都相同的条件下延伸室内的NOx还原区来改善。
可改善反应(1)的效率的高温可以通过优选使用用于将生料分裂成支流(sub-streams)的可变装置来产生，该支流分别导入竖管、室和煅烧炉中。优选将室中温度调节到925-1050℃之间的区间，或不带来涂层(coating)形成的风险的最高可能范围。根据本发明，优选通过进口将水泥生料引入竖管。
为了优化装置的容积和调节用于废物焚化的室中的温度，进一步优选的是：通过水泥生料的进口将水泥生料引入室中。引入的生料起蓄热器作用，有助于即使当工艺条件波动时，保持所需的温度。室可以包括从预热器引入生料的进口、煅烧炉和/或生料仓库。进一步，水泥生料可以俘获气流中的挥发性组分，否则挥发性组分引起形成结块。
典型地，必须将10-50％的生料引入窑竖管和/或室中。
对于NOx还原，至关重要的是：具有带有强烈还原的条件的区域，以便促进NOx还原反应。根据本发明，在这种还原区中的保留时间通过在亚化学计量的气氛中引入并且燃烧废物来提供。反应的结果是：除去50-90％的包含于窑废气中的NOx。
在特定情况下，有利的是：从熟料冷却器向室内引入热空气。
优选的是：将废物焚化处理过程中产生的废气供应到用于煅烧水泥生料的预热器的煅烧炉中。这在煅烧炉中导致包含于来自于室的废气中的可燃挥发性组分和任何不希望的燃烧产物、CO、煤烟等被分别烧尽和分解。
进一步优选的是：在废物焚化处理过程中产生的炉渣以及任何未燃烧的废物在其出口处从该室排出并且经过竖管进入窑内。结果，一部分任何未燃烧的废物被从窑导入的废气俘获和携带，如上所述，并且当与存在于废气中的氧反应时，将被烧尽。
在过热和/或爆炸的风险的情况下，不可能以常规燃烧器中实践的方式瞬时中断室内的焚化处理，并且因此在这种情况下，优选可以将来自于生料仓库或特别设置的备用料仓的冷生料可以引入室内。进一步优选的是：以足以冷却废物并且保护废物免受热气流影响的量向室内引入冷生料。
该装置优选包括用于将废气引入室内的竖管，所述竖管连通到窑。
进一步优选的是：支撑面是基本上水平的，以防止废物独立地移动穿过该室。
在本发明的优选实施方案中，支撑面包括旋转的圆盘，它同时充当用于输送废物穿过室的装置。
在优选的实施方案中，装置进一步包括用于使在废物焚化处理过程产生的炉渣以及任何未燃烧的废物在其出口处转向离开该室并且进入竖管的刮刀机构。
旋转的圆盘可以构成室的底部的一部分或全部。
可以安装旋转的圆盘用于围绕穿过其中心基本上垂直的轴进行旋转。轴可以相对于垂直的平面成角度，优选在1和10度之间。如果如此使旋转的圆盘向室的出口稍微倾斜，它会改善炉渣和废渣从室排放。
为了防止废气在室内循环，后者包括优选气密的固定的分隔壁，该分隔壁安装在室的出口和其进口之间的旋转范围(stretch)内，并且从室的侧壁延伸到旋转圆盘的旋转轴。
旋转的圆盘优选包括陶瓷材料。
在本发明的另一个实施方案中，支撑面是固定的，并且输送废物穿过该室的装置包含元件，该元件围绕垂直于支撑面的轴进行旋转。在这个实施方案中，输送装置优选包含装备有至少二个铲的扬水轮(scoop wheel)。
现在参考示意性的附图，进一步详细说明本发明，并且其中：
图1表示本发明的装置，
图2表示从上看本发明的优选实施方案的细节，和
图3-6表示本发明装置的交替实施方案。
在图1中看到用于制造水泥熟料的设备。该设备包括具有煅烧炉3的旋风预热器1、旋转窑5、熟料冷却器7、和用于焚化通过室9的开口11引入的废物的室9。在所示的实施方案中，室9位于煅烧炉3和旋转窑5之间。在操作期间，水泥生料从生料仓库17送到预热器1的生料进口F。生料由此以与来自于旋转窑5的热废气逆流的方式穿过预热器1的旋风器和煅烧炉3向旋转窑5流动，从而使生料被加热并煅烧。在旋转窑5中，煅烧的生料被烧成水泥熟料，水泥熟料在后续的熟料冷却器7中通过大气冷却。如此加热的一些空气从熟料冷却器7通过管15导入煅烧炉3中。
废物通过室9中支撑面21(还是参见图2)上的废物进口11引入，并且随后，当与从旋转窑5通过竖管6供应到室9中的热废气接触时，该废物被加热、热解并且至少部分焚化，同时沿着圆周路径以向室的出口23的方向输送。来自于窑5的废气一般包含2-4％的氧，该氧在所谓的包括竖管6和室9的出口端的燃烧区18中将主要与炭及其它可燃的固体组分反应。在室9的其余部分，即所谓的热解区19中，废气的温度足够高，导致废物热解，释放废物包含的挥发性可燃组分，该挥发性可燃组分被携带在废气流中，并且通过竖管4排放到将其烧尽的煅烧炉3中。在室9的这种后面的热解或NOx还原区19中，亚化学计量的NOx还原条件由此占优势，导致通过反应(1)到(4)有效除去NOx。
在竖管6和室9中的温度可以分别通过从预热器、煅烧炉和/或生料仓库分别经过12和13向竖管6和室9本身引入水泥生料进行控制。引入竖管6中的生料会有效地降低废气温度，并且俘获废气中的挥发性组分，因此防止在该区域形成结块。而且，在该区域中，这种生料会起到NOx还原的催化剂作用。
在所示的实施方案中，支撑面由旋转的圆盘21组成，该旋转圆盘21围绕轴25旋转，并且构成室9的底部。为了以炉渣和任何未燃烧的形式通过室的出口23转移燃烧残渣，并且进入竖管6中，室9包括刮刀机构27。
在这个实施方案中，废物从旋转圆盘21支撑的进口11沿着如同箭头所示的圆周路径输送，直到室9的出口23，其中刮刀机构27确保将旋转圆盘上的所有材料推倒边缘并且进入竖管6，其中将材料分类，使得悬浮在废气中的小颗粒被向上推，并且回到室9中，而任何大颗粒向下导入窑中。因此被掷回室9中的颗粒当与废气中的氧反应时会被烧尽，从而在室9中延伸NOx还原区。
室也可以包含气密的固定分隔壁29，该分隔壁29位于室的出口23和进口11之间的旋转范围内。分隔壁的作用是确保来自于窑5的热废气以对废物逆流的方式沿着大致相同的路径移动。因此，在室中焚化过程中由它们包含的可燃组分形成的废气通过竖管4导入煅烧炉3中，在其中，它包含的可燃组分被烧光，并且用于水泥生料的煅烧。
室中废物的保留时间可以简单地通过调节旋转圆盘转速来控制。而且，通过在短的时间内在较高的速度下进行操作，接着，长时间中断，可以获得显著的优点，因为这导致比恒定的低速操作可实现的性能更好的刮削性能。另一选择包括正向间歇高速操作，通过在较小的间隔进行反向操作的间歇周期分隔。不同的操作方式可以改变废物的保留时间，以便确保废物的完全燃烧。
在室9中过热和/或爆炸的风险情况下，可以将来自于生料仓库17或特别设置的备用料仓的冷生料引入室9中。优选以确保冷却废物和保护废物以免受到来自于窑5的热气的影响的量提供冷生料。
在图3到6中看到本发明装置的交替实施方案的4个实施例。
图3所示的实施方案不包括管15，这意味着所有从熟料冷却器7排出的加热空气被引到通过窑5。因此，从窑5排出并且引入室9的废气具有较高的氧含量，这要求室中废物更快焚化。在这个实施方案中，发生包含于窑气中的NOx的还原，因为废物和热解气体与包含窑气的NOx接触，并且在局部存在还原条件，然而总的NOx还原程度低于图1所示的实施方案。
图4所示的实施方案包括额外的管14，以便通过调节装置10以可变方式使来自于窑的废气、颗粒和挥发性的可能形成结块的组分可分别通过或围绕室9进行发送。
除了包括“倒风”(down draft)类型的煅烧炉3a、3b以外，图5所示的实施方案相应于图4所示的实施方案。
除了包括用于取出炉渣和未燃烧组分的部件16之外，图6所示的实施方案基本上相应于图1所示的实施方案，与具有高含量的铁或钢的废物如汽车轮胎的燃烧中有关，其是非常重要的，以免以无意的方式影响水泥的化学性质。

Claims (13)

1.一种在制造水泥熟料过程中可燃废物的焚化方法，其中水泥生料在具有或者没有煅烧炉(3)的预热器体系(1)中预热，在窑(5)中烧成熟料，并且在后续熟料冷却器(7)中冷却，通过这种方法废物通过废物进口(11)引入并且被支撑在并入分离的室(9)中的支撑面(21)上，其中该废物被主动输送穿过该室到其出口(23)，同时进行焚化，其中在该室中至少一部分废物焚化在亚化学计量的气氛中进行，其中与该废物焚化有关产生的热废气被排到用于加热水泥生料的预热器体系中，并且其中在废物焚化处理过程中产生的炉渣从该室(9)中取出，其特征在于将来自窑(5)的包含NOx的废气以与废物流逆流的方式通过竖管(6)引入并且穿过室(9)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于将所有来自于该窑的废气引入该室中。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于将废物沿着圆周路径穿过室(9)输送到其出口(23)。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于将废物沿着圆周路径穿过室(9)输送到其出口(23)。
5.根据权利要求1到4中任何一项所述的方法，其特征在于将水泥生料通过进口(12)引入竖管(6)中。
6.根据权利要求1到4中任何一项所述的方法，其特征在于将水泥生料通过进口(13)引入室(9)中。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于将水泥生料通过进口(13)引入室(9)中。
8.根据权利要求1到4中任何一项所述的方法，其特征在于将来自于熟料冷却器(7)的热空气引入室(9)中。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于将来自于熟料冷却器(7)的热空气引入室(9)中。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于将来自于熟料冷却器(7)的热空气引入室(9)中。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于将来自于熟料冷却器(7)的热空气引入室(9)中。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于将废物焚化处理过程中产生的废气供应到用于煅烧水泥生料的预热器体系(1)的煅烧炉(3)中。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于将废物焚化处理过程中产生的炉渣以及任何未燃烧废物在室(9)的出口(23)排出室(9)并且进入该窑中。
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