PL175373B1

PL175373B1 - Sposób i piec do spopielania chlorowcowanych związków organicznych

Info

Publication number: PL175373B1
Application number: PL94305971A
Authority: PL
Inventors: Loo T. Yap
Original assignee: Boc Group Inc
Priority date: 1993-11-26
Filing date: 1994-11-24
Publication date: 1998-12-31
Also published as: PH31313A; AU683940B2; AU7892394A; JPH07190339A; US5609104A; PL305971A1; ZA947837B; US5449854A; EP0655582A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i piec do spopielania chlorowcowanych związków organicznych, zwłaszcza takich jak PCB, rozpuszczalników i półproduktów wyrobów chemicznych i farmaceutycznych.

W znanym sposobie i piecu do spopielania, chlorowcowane związki organiczne, ewentualnie w połączeniu z paliwem wzbogaconym w wartość opałową, spopiela się w obecności tlenu lub powietrza wzbogaconego w tlen. Aby minimalizować tworzenie się polichlorowcowanych furanów i dioksyn, produkty spalania takiego spopielania wprowadza się do strefy dopalania, w której paliwo zawierające wodór spala się w obecności tlenu.

Chlorowcowane związki organiczne, na przykład PCB i in., muszą być rozkładane, gdyż stanowią niebezpieczne odpady. Ogólnie, materiały takie poddaje się spopielaniu w piecu do spopielania. Idealnie, w wyniku spopielania, atomy węgla przekształca się do dwutlenku węgla, atomy wodoru tworzą wodę, a halogenki spala się z wodorem, aby powstały HCl, HBr, HF i HI.

Spopielanie prowadzi się na drodze spalania chlorowcowanych związków organicznych w obecności nadmiaru tlenu. Jeżeli spopielanie prowadzi się w warunkach niedomiaru tlenu, to istnieje niebezpieczeństwo, że niektóre z chlorowcowanych związków organicznych będą, w najlepszym razie, tylko częściowo utlenione. Takie częściowo utlenione chlorowcopochodne związki węgla są generalnie bardzo toksyczne. Jednocześnie, zwykłe dostarczenie nadmiaru tlenu może spowodować, że chlorowcowane związki utworzą w śladowych stężeniach, chlorowcowane furany i dioksyny. Jednakże, nawet śladowe ilości tych związków, takie jak 2,3,7,8-tetrachlorodibenzodioksyna, są niepożądane, gdyż stanowią jedne z najsilniejszych znanych substancji rakotwórczych.

W rozwiązaniu znanym z amerykańskiego opisu patentowego nr US A-4 974 530 występuje strefa spalania i strefa dopalania, przy czym paliwo jest wtryskiwane bezpośrednio do strefy dopalania w tym celu, aby zostały zniszczone substancje utlenione i nieutlenione. Występuje tu nadmiar tlenu do reakcji z paliwem, tak że część tlenu pozostaje nieprzereagowana. Tak więc, rozwiązanie to byłoby nieskuteczne dla chlorowcowanych furanów dioksyn.

Sposób według wynalazku, stosowany jest do spopielania chlorowcowanych związków organicznych, przy czym w płomieniu spopiela się chlorowcowane związki organiczne w obecności tlenu lub powietrza wzbogaconego w tlen i wytwarza się produkty spalania zawierające chlorowcowane furany i dioksyny, powstałe na drodze reakcji pomiędzy nieprzereagowanym tlenem i związkami organicznymi zawierającymi chlorowiec, także obecnymi w produktach spalania. Sposób tego rodzaju charakteryzuje się tym, że przy zachowaniu ponadstechiometrycznej ilości paliwa, w płomieniu palników dodatkowych spala się paliwo zawierające wodór w obecności tlenu i produkty spalania, w których nieprzereagowany tlen doprowadza się do reakcji z paliwem do redukcji tworzenia się chlorowcowanych furanów i dioksyn, a jeszcze powstałe chlorowcowane furany i dioksyny doprowadza się do reakcji z wodorem dostarczanym przez paliwo i do rozkładu na drodze reakcji dehalogenacji. Następnie, po spaleniu produktów spalania z paliwem zawierającym wodór, wydala się produkty spalania jako gazy wylotowe.

Korzystnym jest, że mierzy się w gazach wylotowych stężenie wylotowe nieprzereagowanego tlenu, i dozuje się tlen dostarczany do spalania paliwa zawierającego wodór tak, że

175 373 wylotowe stężenie tlenu w gazach wylotowych mieści się w wystarczająco małym zakresie, wynoszącym 0,5% - 2,5%, w którym redukcja tworzenia się chlorowcowanych fUranów i dioksyn jest podwyższona.

Przed pomiarem stężenia wylotowego tlenu i dozowaniem tlenu, mierzy się temperaturę gazu wylotowego na wylocie i dozuje się paliwo zawierające wodór tak, że temperatura gazu wylotowego mieści się w zakresie temperatur 700°C - 800°C, poniżej którego zwiększa się stężenie tlenku węgla w gazach wylotowych i powyżej którego wzrasta stężenie chlorowcowanych furanów i dioksyn w gazach wylotowych.

Korzystnym jest, że prowadzi się spopielanie i spala się paliwo zawierające wodór w piecu do spopielania ze strefą spopielania, w której przeprowadza się spopielanie chlorowcowanych związków organicznych i strefą dopalania, w której przeprowadza się dopalanie produktów spalania pozostałych ze strefy spopielania i spala się paliwo zawierającego wodór, ponadto mierzy się temperaturę strefy dopalania i dozuje się chlorowcowane związki organiczne dostarczane do pieca do spopielania, przy czym utrzymuje się temperaturę strefy dopalania w zakresie temperatur 1500°C - 1600°C, poniżej którego chlorowcowane związki organiczne nie reagują z tlenem lub powietrzem wzbogaconym w tlen i powyżej którego przekroczone są eksploatacyjne ograniczenia temperaturowe pieca do spopielania. Ponadto, w czasie gdy dozuje się chlorowcowane związki organiczne, jednocześnie dozuje się tlen lub powietrze wzbogacone w tlen dostarczane do spopielania chlorowcowanych związków organicznych i utrzymuje się stechiometrię tego spopielania, a po ustaleniu temperatury w strefie dopalania w zakresie temperatur 1500°C - 1600°C, jak w strefie dopalania, mierzy się stężenie tlenu w piecu do spopielania i następnie dozuje się tlen lub powietrze wzbogacone, przy czym stężenie tlenu w piecu do spopielania utrzymuje się w zakresie wynoszącym 1% - 6% i kontroluje się ilość tlenu w gazach wylotowych, która mieści się w zakresie stężenia wylotowego tlenu.

Korzystnym jest, że mierzy się stężenie tlenku węgla w gazach wylotowych i następnie ciągle dozuje się tlen lub powietrze wzbogacone w tlen dostarczane do spopielania chlorowcowanych związków organicznych, przy czym poziom tlenku węgla utrzymuje się poniżej maksimum wartości 1000 ppm, wskazującego że dehalogenacja chlorowcopochodnych związków węgla jest skuteczna i węgiel jest przekształcony do C0₂.

Piec według wynalazku, do spopielania chlorowcowanych związków organicznych, jest zaopatrzony w strefę spopielania zawierającą środki do spopielania chlorowcowanych związków organicznych w obecności tlenu lub powietrza wzbogaconego w tlen, wytwarzając produkty spalania potencjalnie zawierające stężenie chlorowcowanych furanów i dioksyn wytwarzanych na drodze reakcji pomiędzy nieprzereagowanym tlenem i związkami organicznymi zawierającymi chlorowiec także potencjalnie obecnymi w produktach spalania, strefę dopalania połączoną ze strefą spopielania oraz wylot połączony ze strefą dopalania, przy czy produkty spalania przechodzą przez strefę dopalania i następnie przez wylot. Piec tego rodzaju charakteryzuje się tym, że jest zaopatrzony w przynajmniej jeden palnik dodatkowy usytuowany w strefie dopalania, który to palnik jest wyposażony we wloty paliwa i tlenu oraz środki do spalania z zachowaniem nadstechiometrycznej ilości paliwa zawierającego wodór w obecności tlenu.

Zgodnie z rozwiązaniami według wynalazku, chlorowcowane związki organiczne spopiela się tak, że tworzenie się polichlorowcowanych furanów i dioksyn jest zminimalizowane.

Rozwiązania według wynalazku zostaną bliżej objaśnione w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1(A) przedstawia schemat pieca do spopielania znany ze stanu techniki, fig. 1(B) - wykres temperatury w funkcji odległości wewnątrz pieca do spopielania, fig. 1(C) - wykres procentowej zawartości tlenu w funkcji odległości wewnątrz pieca do spopielania, fig. 2(A) - schemat pieca do spopielania według wynalazku, fig. 2(B) - wykres temperatury w funkcji odległości wewnątrz pieca, fig. 2(C) - wykres procentowej zawartości tlenu w funkcji odległości wewnątrz pieca, fig. 3 - schemat logiczny programu sterowników komputerowych zastosowanych w piecu do spopielania przedstawionym na fig. 2(A), fig. 4 - rzut główny poziomy palnika tlenowo-paliwowego stosowanego w piecu do spopielania z fig. 2(A), fig. 5 - rzut pionowy palnika z fig. 4, fig. 6 - rzut pionowy od przodu palnika z fig.

175 373

4, fig. 7(A) - fragmentaryczny lub dzielony rzut wzdłuż linii 7-7 z fig. 6, fig. 7(B) - fragmentaryczny, przedni rzut pionowy z fig. 7(A), fig. 7(C) - fragmentaryczny rzut poprzeczniedzielony wzdłuż linii 7C-7C z fig. 7(A), fig. 7(D) - fragmentaryczny, rzut poprzeczniedzielony wzdłuż linii 7D-7D z fig. 7(A).

Na figurach 1(A) - 1(B) przedstawiono piec do spopielania znany ze stanu techniki. Piec do spopielania 10 zaopatrzony jest w palnik 12 do spalania chlorowcowanych związków organicznych, które wchodzą do palnika 12 poprzez przewód paliwowy 14. W przypadku substancji odpadowych z ciepłem spalania zbyt małym aby podtrzymać płomień, następuje domieszanie i/lub współspalanie paliwa lub substancji z wyższym ciepłem spalania. Powietrze dostarcza utleniacz i wchodzi do palnika 12 poprzez przewód dla utleniacza 16. Chlorowcowane związki organiczne spopiela się w strefie spopielania 18 pieca 10 w płomieniu 20. Produkty spalania następnie wchodzą do strefy chłodzenia lub dopalania 22, a następnie usuwane są z pieca 10 przez wylot 24.

W temperaturach wyższych niż w przybliżeniu 800°C, w strefie dopalania 22 w obecności tlenu, który nie przereagował z chlorowcowanymi związkami organicznymi, będą tworzyć się chlorowcowane furany i dioksyny. Warunki konieczne do tworzenia chlorowcowanych furanów i dioksyn występują w piecu do spopielania 10 w strefie pomiędzy szczytem temperatur w piecu 10 i w przybliżeniu w temperaturze 800°C, jak wskazano przez litery odniesienia A i B. W strefie tej tlen występuje w stężeniach pomiędzy 2 a 20 procent. Zazwyczaj piec do spopielania pracuje przy wylotowych stężeniach tlenu około 10-15%, aby zapobiegać przestrzeniom nisko-tlenowym w piecu w czasie odpowiedzi impulsowych lub zakłóceń.

Na figurze 2(A), przedstawiony jest piec do spopielania 26 według wynalazku. Piec do spopielania 26 zaopatrzony jest w znany palnik 28 do spalania chlorowcowanych związków organicznych w obecności tlenu, lub powietrza wzbogaconego w tlen. Chlorowcowane związki organiczne wchodzą do palnika 28 przez przewód paliwowy 30, powietrze wzbogacone w tlen, lub tlen, wchodzą do palnika 28 przez przewód dla utleniacza 32. Paliwo pomocnicze, takie jak metan, można doprowadzać do palnika 28 przez przewód paliwa pomocniczego 33. W rozwiązaniu według wynalazku można stosować znaną konstrukcję palnika, lub posłużyć się modyfikacją konstrukcji już istniejącego pieca do spopielania. Chociaż odpady o wyższym cieple spalania lub paliwo mogą być zmieszane i/lub współspalane, potrzeba taka jest bardzo zmniejszona, jeśli nie jest wyeliminowana przez zastosowanie powietrza wzbogaconego w tlen lub tlenu, co wiąże się ze znanym rozszerzeniem granic zapalności. Chlorowcowane związki organiczne palą się płomieniem 34 w strefie spopielania 36 pieca do spopielania 26. Wytwarza się produkty spalania, które schładza się w strefie dopalania 38 i które usuwa się z pieca 26 poprzez wylot 40.

W celu minimalizacji tworzenia się chlorowcowanych furanów i dioksyn strefa dopalania 38 zaopatrzona jest w parę palników dodatkowych 42 i 44, które palą się płomieniem 45 w warunkach nadmiaru paliwa. Zrozumiałe jest, że w mniejszym piecu do spopielania byłby stosowany tylko jeden dodatkowy palnik, taki jak palniki 42 i 44. Tlen wchodzi do palników dodatkowych 42 i 44 przez główny przewód tlenowy 46 i boczny przewód tlenowy 48, a paliwo korzystnie metan lub jakieś inne paliwo zawierające wodór, wchodzi do palników dodatkowych 42 i 44 przez przewód paliwowy 50, który rozgałęzia się na przewody rozgałęzione 52a i 52b.

Spalanie przy nadmiarze paliwa w palnikach dodatkowych 42 i 44 działa jako tlenowy obszar odpływowy dla usuwania nieprzereagowanego tlenu ze strefy dopalania 38. W dodatku spalanie paliwa zawierającego wodór wstrzykuje wodór do strefy dopalania 38, który reaguje z chlorowcowanymi furanami i dioksynami, które powstały w strefie spalania. Połączenie tlenowego obszaru odpływowego i wprowadzanie reaktywnego wodoru dostarczanego przez palniki dodatkowe 42 i 44, redukuje tworzenie się polichlorowcowanych furanów i dioksyn.

Jak można zaobserwować na fig. 2(B) i 2(C), odległość między punktami A’ i B’, mianowicie odległość wewnątrz palnika pomiędzy punktem szczytowej temperatury i punktem o temperaturze 800°, jest znacznie krótsza niż między punktami A i B dla znanego palnika przedstawionego na figurach 1(A) - (C). Jest to wynikiem wyższej straty ciepła płomienia 34, spowodowanej przez zastosowanie jako utleniacza powietrza, wzbogaconego w tlen, lub tle6

175 373 nu. Dodatkowo, paliwo zawierające wodór dostarcza wodór, który reaguje z chlorowcowanymi furanami i dioksynami. Końcowym rezultatem jest to, że minimalizuje się wydalanie chlorowcowanych furanów i dioksyn przez wylot 40.

Palniki dodatkowe 42 i 44 mogą być nastawione na stały stosunek paliwa do tlenu jeśli rodzaj i ilość chlorowcowanego związku organicznego są stałe, zwłaszcza jeśli spopielanie jest prowadzone jako proces okresowy. Jeśli natomiast spopielanie jest prowadzone jako okres ciągły, rodzaj i ilość związku zmienia się, wskutek czego ilość nieprzereagowanego tlenu obecnego w strefie dopalania 30 także się zmienia. W rezultacie muszą się także zmieniać warunki spalania w palnikach dodatkowych 42 i 44. Warunki spalania, które się kontroluje, są to temperatura gazu wylotowego i stężenie tlenu w gazie wylotowym. Jeśli temperatura gazu wylotowego jest zbyt niska, tlenek węgla nie utleni się i pojawi się w wylocie 40, a jeśli temperatura jest zbyt wysoka, strefa pomiędzy punktami A’ i B’ będzie się wydłużać, powodując wzrost wydajności powstawania chlorowcowanych furanów i dioksyn. Ograniczenie i kontrola tlenu zapewnia, że stężenia tlenu będą wystarczająco niskie, aby ograniczać ilość obecnego nieprzereagowanego tlenu, który mógłby reagować tworząc fńrany i dioksyny.

Dla odczytywania ilości tlenu obecnego w wylocie 40 stosuje się pierwszy czujnik tlenowy 54. Dodatkowo, aby odczytywać temperaturę gazu wylotowego w wylocie 40, stosuje się pierwszy czujnik temperatury 55. Stężenie tlenu i temperatura są następnie przekazywane do pierwszego sterownika komputerowego 56, który w odpowiedzi na sygnały wejściowe kontroluje pierwszy i drugi zawór kontrolny 58 i 60, kontrolując szybkości przepływu masowego tlenu i paliwa, dostarczanych do palników dodatkowych 42 i 44.

Ponadto, ważna jest kontrola spopielania chlorowcowanych związków, tak aby kompozycja dostarczana do strefy dopalania 38 nie zmieniała się zbyt szeroko. Szerokie fluktuacje w stężeniu tlenu mogłyby czynić prawie niemożliwym, mając na uwadze kontrolę stabilności, utrzymanie wymaganego niskiego stężenia tlenu w wylocie 40. Ponadto, jeśli spopielanie przeprowadza się w zbyt niskiej temperaturze, nie będzie zapewniony rozkład chlorowcowanych związków organicznych. Wysokie temperatury mogą także przewyższać ograniczenie eksploatacyjne pieca do spopielania. Dlatego też, stężenie tlenu i temperaturę w strefie dopalania 38 odczytuje się za pomocą drugiego czujnika tlenowego 62 i dnigiego czujnika temperatury 63. Sygnały wytworzone przez takie czujniki są następnie przekazywane do drugiego sterownika komputerowego 64, który także reaguje na sygnał czujnika tlenku węgla 65 umieszczonego na wylocie 40. Sterownik komputerowy 64 steruje trzeci zawór kontrolny 66, kontrolując ilość tlenu lub powietrza wzbogaconego w tlen, wprowadzaną do palnika 28, oraz czwarty, i piąty zawór kontrolny 67a i 67b, mierząc odpowiednio natężenia przepływu chlorowcowanych związków organicznych i paliwa pomocniczego także dostarczanych do palnika 28.

Poziom CO na wylocie wskazuje na całkowitość reakcji dehalogenacji w procesie spopielania. Zasadniczo chlorowce mogą być usuwane z chlorowcowanych dioksyn/furanów w postaci HF, HCL, HBr i HI, które są niezwykle stabilnymi związkami. Podczas procesu dehalogenacji usuwanie rodników wodorowych przez chlorowce wstrzymuje ważną reakcję rozgałęzienia łańcucha:

H + 0₂-> OH + O

To z kolei powstrzymuje najefektywniejszy szlak dla utleniania tlenku węgla:

CO + OH -> C02 + H

W wyniku tego można zaobserwować, że wysokie poziomy CO wskazują, że odpady lub chlorowcowane związki organiczne nie zostały zniszczone. Steruje się także trzeci zawór kontrolny 66 dozując tlen, lub powietrze wzbogacone w tlen dostarczone do spopielania chlorowcowanych związków organicznych tak, że zawartość tlenku węgla mieści się w zakresie, który wskazuje na zniszczenie chlorowcowanych związków organicznych.

Na figurze 3 pokazano schemat logiczny, który ilustruje przepływ informacji na zewnątrz oprogramowania pierwszego i drugiego sterownika komputerowego 56 i 64. Na figurze 3 PLC, przedstawia pierwszy sterownik komputerowy 56, a PLC2jest drugim sterownikiem komputerowym 64. Symbol X_exh oznacza stężenie tlenu odczytywane przez pierwszy

175 373 czujnik tklenowy 54, a symbol T_exh oznacza temperaturę odczytywaną przez pierwszy czujnik temperatury 55. Symbole q_f i q'₍₎₂ oznaczają odpowiednio masowe natężenia przepływu paliwa i tlenu, wpływających do palników dodatkowych 42 i 44. Symbol [O₂]_exll oznacza zadany zakres stężenia tlenu wymaganego w wylocie 40, a symbol T_CXh oznacza zadany zakres temperatury, jaka ma być utrzymana na wylocie 40.

Określenia [OJ2 i T2 oznaczają zakresy stężeń tlenu i temperatury, które mają być utrzymane w strefie dopalania 38. Określenia Χ2 i T2 oznaczają odpowiednio temperaturę i stężenie tlenu odczytywane przez drugi czujnik tlenu 62 i drugi czujnik temperatury 63. Określenia q_w i qa_Ux oznaczają natężenia przepływu chlorowcowanych związków organicznych i paliwa pomocniczego do palnika 28. Określenie q²02 wskazuje masowe natężenie przepływu powietrza wzbogaconego w tlen, lub tlenu, do palnika 28. CO oznacza stężenie tlenku węgla odczytywane przez czujnik tlenku węgla 65, a [CO] oznacza maksymalną wartość stężenia tlenku węgla, która ma być utrzymana w wylocie 40.

Ogólnie, znak + oznacza stały stopniowany wzrost masowego natężenia przepływu, podczas gdy znak - oznacza serię opadających kroków masowego natężenia przepływu. Jakikolwiek symbol mający indeks dolny L lub H, oznacza niskie i wysokie części zakresu, który został wprowadzony albo do PLCj, albo PLC2. W związku z tym, X2_L i Χ2Η oznaczają niskie i wysokie składniki zakresu stężenia tlenu [O₂]2, które mają być utrzymywane w strefie dopalania 38. Taki zakres byłby wejściem na drugi sterownik komputerowy 64.

Przykład. Z zastosowaniem pieca według wynalazku przeprowadzono proces spopielania chlorowcowanych związków organicznych. Kontrolowany zakres temperatury gazu wylotowego w wylocie 40 utrzymywano w zakresie od około 700°C do około 800°C. Ponadto, stężenie tlenu w wylocie 40 utrzymywano w zakresie od około 0.5% do około 2.5%. Korzystnie, na wejściach pierwszego sterownika komputerowego 56, T_exlh ustalono temperaturę na 700°C, Te_XllH na 800°C, Xe_XllL na 0.5% i XeXhH na 2.5%. Zakres temperatury dla strefy dopalania 36 utrzymywano w zakresie od około 1500°C do około 1600°C. Poprzez odpowiednio dostarczane sygnały wejściowe do drugiego sterownika komputerowego 64, T2L ustalono korzystnie na 1500°C, a T2H na 1600°C. Dodatkowo, kontrolowano ilość tlenu obecnego w produktach spalania. Zakres ilości tlenu utrzymywany w strefie dopalania 36 był ustalony przez drugi sterownik komputerowy 64 w zakresie mieszczącym się od około 1% do około 6%. Zatem, X2l było równe 1%, a Χ2Η było ustalane na 6%. Regulowano poziomy tlenku węgla tak, aby były wszędzie poniżej wartości w zakresie około 200 i około 1000 ppm. Dlatego też, [CO] było ustalone mniej więcej pomiędzy 200 a 1000ppm.

Po nastawieniu wejść pierwszego i drugiego sterownika komputerowego 56 i 64 odpowiednio ustawione zostają pierwszy, drugi, trzeci, czwarty i piąty zawory kontrolne 58, 60, 66, 67a i 67b, tak że na wylocie temperatura gazu wylotowego, stężenie tlenu i stężenie tlenku węgla, a w strefie dopalania temperatura i stężenie tlenu, mieszczą się w podanych zakresach.

Jeśli Te_Xh wskazywane przez pierwszy czujnik temperatury 55 jest mniejsze niż Te_XllL, wtedy drugi zawór kontrolny 60, otwiera się krokowo dając progresywnie więcej paliwa do palników dodatkowych 42 i 44. Ponadto, pierwszy zawór kontrolny 58 otwiera się aby utrzymać w palnikach dodatkowych 42 i 44 ponadstechiometryczną ilość paliwa. W związku z tym, stopień do którego pierwszy i drugi zawór kontrolny 58 i 60 są otwarte, monitoruje się ciągle za pomocą pierwszego sterownika komputerowego 56. Dodatkowo oblicza się i rejestruje stosunek, pomiędzy stopniem do którego otwarte są pierwszy i drugi zawory kontrolne 58 i 60. W celu utrzymania ponadstechiometrycznej ilości paliwa, otwiera się pierwszy zawór kontrolny 58 tak, że jest zachowany stosunek otwarcia pomiędzy pierwszym i drugim zaworem kontrolnym 58 i 60. Alternatywnie, jeśli Te_Xh jest większy niż T_ex„H wtedy krokowo zamyka się drugi zawór kontrolny 60 aż Tex będzie w zakresie wejścia na drugi sterownik komputerowy 56. Pierwszy zawór kontrolny 58 zamyka się proporcjonalnie, w sposób wskazany powyżej, utrzymując nadstechiometryczną ilość paliwa. Po każdym kroku sprawdza się temperaturę. Gdy temperatura mieści się w pożądanym zakresie, stężenie tlenu, [O₂]e_Xh sprawdza się następnie poprzez pomiar pierwszym czujnikiem tlenu 54, tak że dalsze dostrojenie pierwszego zaworu kontrolnego 58 może być dokonane poprzez pierwszy sterownik komputerowy

175 373

56, zwiększając lub zmniejszając masowe natężenie przepływu tlenu, który wprowadza się do palników 42 i 44, tak że [O₂]exi, pozostaje w zakresie Xe_XhL a Xe_XhH.

W czasie pracy urządzenia, jeśli temperatura odczytywana przez drugi czujnik temperatury 63 jest albo poniżej albo powyżej T2L lub T2H, otwiera się i zamyka krokowo, czwarty i piąty zawór kontrolny 67a i 67b (dodatkowo trzeci zawór kontrolny 66, aby utrzymać stechiometrię), aż temperatura T2 będzie w odpowiednich granicach. Otwieranie i zamykanie czwartego i piątego zaworu kontrolnego 67a i 67b kontroluje q_w i q_aux, które nie są oddzielnie monitorowane przez mierniki przepływu w przedstawionym przykładzie wykonania. Stechiometrię utrzymuje się przez proporcjonalne otwieranie trzeciego zaworu kontrolnego 66 tak, że stosunek stopnia do którego jest otwarty w porównaniu do czwartego zaworu kontrolnego 67a, jest zachowany. Po każdym etapie sprawdza się temperaturę T2. Natychmiast po odczytaniu temperatury, aby pozostała w zaprogramowanym zakresie, ilość tlenu jest odczytywana przez dragi czujnik tlenowy 62 i mierzona. Jeśli ilość tlenu jest albo poniżej X2l albo powyżej X2H, to następnie steruje się trzecim zaworem kontrolnym 66 otwierając go i zamykając, aby dostosować poziom tlenu, także w trybie wielo-krokowym. Po każdym kroku, bada się stężenie tlenu, jak również temperaturę.

Ponieważ zmienia się ilość lub rodzaj, albo chlorowcowanych związków organicznych, albo paliwa pomocniczego dostarczanych do palnika 28, ilość popłomiennych związków takich jak furany i dioksyny, które potrzebują zniszczenia, także się zmienia. W odpowiedzi na wzrost lub spadek masowego natężenia przepływu q_w i q_ailx, steruje się drugim zaworem kontrolnym 58, otwierając lub zamykając liniowo z odpowiednim wzrostem lub spadkiem przepływu chlorowcowanych związków organicznych do palnika 28, przez co dostarcza się wymaganą ilość wodoru, aby reagował z chlorowcowanymi furanami lub dioksynami w reakcjach dehalogenizacji. Spowodowane jest to otwarciem drugiego zaworu kontrolnego 60 tak, że stosunek pomiędzy stopniem, do którego otwarty jest drugi zawór kontrolny 60 i czwarty zawór kontrolny 67a, jest wstępnie utrzymany. Stosunek ten obliczany jest w drugim sterowniku komputerowym 64, który z kolei pobudza pierwszy sterownik komputerowy 56 do właściwego sterowania drugim zaworem kontrolnym 60. Dodatkowo pierwszy zawór kontrolny 58 proporcjonalnie otwiera się, jak to już przedstawiono, aby utrzymać nadstechiometryczną ilość paliwa w spalaniu w palnikach dodatkowych 42 i 44.

Jak stwierdzono, q_w i q_aux kontroluje się tak, że temperatura spalania w strefie dopalania 38 jest na właściwych poziomach. Jeśli na przykład wiadomo, że chlorowcowane związki organiczne poddawane procesowi mają wystarczająco wysokie ciepło spalania, to qaux wynosi 0 i piąty zawór kontrolny 67b zostaje nastawiony na pozycję zamkniętą, lub może być całkowicie odłączony od układu. Tak więc regulowane byłoby tylko q_w. Jeśli jest wiadomo, że ciepło spalania odpadów poddawanych obróbce są stałe i stale niskie, to wtedy ilość paliwa pomocniczego do odpadów jest regulowana w stałym stosunku. Zatem, aby zachować taki stosunek, zawory 67a i 67b są zawsze przyrostowo otwarte dla tej samej ilości.

W przypadku gdy zmienia się ciepło spalania odpadów, które mają być poddawane procesowi i nie jest wystarczające aby podtrzymać stabilny płomień w palniku 28, masowe natężenia przepływu odpadów i pomocniczego paliwa muszą zmieniać się w odczycie temperatury przez drugi czujnik temperatury 63 tak, że T2 jest w zakresie T2L i T2H. Takich zmian dokonuje się aby po pierwsze nastąpiło podwyższenie masowego natężenia przepływu chlorowcowanych związków organicznych, które mają być spopielane i odczytywanie temperatury przez pierwszy czujnik tlenowy 63. Ten wzrost temperatury może być skorelowany z ciepłem spalania standardowego paliwa posiadającego znane ciepło spalania, na przykład metanu. Następnie przez zastosowanie tablicy przeglądowej, masowe natężenie przepływu paliwa pomocniczego, także posiadające znane ciepło spalania, będzie się stopniowo zwiększać lub zmniejszać do wymaganego masowego natężenia przepływu, aby zwiększać lub obniżać temperaturę w wymaganym zakresie. Jeśli temperatura będzie w pożądanym zakresie, stężenie tlenu może być odczytywane przez drugi czujnik tlenowy 62 i ilość tlenu będzie następnie dopasowana tak, żeby stężenie tlenu było w pożądanym zakresie. Dodatkowo, aby precyzyjnie wyregulować masowe natężenie przepływu tlenu, tlenek węgla odczytuje się przez czujnik tlenku węgla 65. A zatem, po odczytaniu temperatury strefy dopalania i stężenia nieprzere175 373 agowanego tlenu w strefie dopalania 38 i określeniu ich na odpowiednim poziomie, zwiększa się stopniowo ilość tlenu lub powietrza wzbogaconego w tlen, które dostarczane są do palnika 28, poprzez stosowne kontrolowanie trzeciego zaworu kontrolnego 66, aż ilość tlenku węgla będzie na, lub poniżej maksymalnego zadanego poziomu ilości tlenku węgla [CO].

Przy zastosowaniu rozwiązania według wynalazku, w którym stężenie nieprzereagowanego tlenu, jak również stosunek chlorowca do wodoru w odpadach nie zmieniały się szeroko, i utrzymywały prawie stałe poziomy, usuwa się drugi sterownik komputerowy 64, drugi czujnik tlenu 62, trzeci zawór kontrolny 66 i czujnik CO 65. W takim rozwiązaniu, mierzy się stężenie tlenu w wylocie 40, a następnie pierwszy zawór kontrolny 58 reguluje się tak, aby utrzymać stężenie tlenu w pożądanym zakresie.

Na figurach 4, 5, 6 i 7A-7D, przedstawiono konstrukcję palnika zastosowanego jako palnik dodatkowy 42. W ten sam sposób jest skonstruowany drugi palnik dodatkowy 44. Palnik dodatkowy 42 zawiera centralką dyszę 68, która wytwarza strumień tlenu o zewnętrznie rozbieżnej konfiguracji w kształcie wachlarza. Dysze paliwowe 69 i 70 służą do wytwarzania strumienia paliwa, o zewnętrznie rozbieżnej konfiguracji w kształcie wachlarza, wtłoczonego w strumień tlenu. Strumienie paliwa z dysz paliwowych 69 i 70 mają niższą szybkość niż strumień tlenu. W rezultacie, paliwo ma wyższe ciśnienie niż tlen i paliwo dąży do zasysania się w tlenie. Zatem, strumień tlenu o wysokiej szybkości jest ekranowany przez strumień paliwa o niskiej szybkości.

Palnik dodatkowy 42 jest zaopatrzony w korpus 72 o wydłużonym kształcie posiadającym ścianki górną i dolną 74 i 76, i ścianki boczne 78 i 80. Aby usztywnić korpus 72 palnik dodatkowy 42 zaopatrzony jest w ustawione pod kątem elementy wzmocnienia 82-88. Centralna dysza tlenowa 68 dzieli korpus 72 na dysze paliwowe 69 i 70, które zawierają poprzeczne kanały 90 i 92 posiadające otwory wylotowe 94 i 96 oraz otwory wlotowe 98 i 100.

Zespół sprzęgający 102 łączy się z tyłem korpusu 72 wprowadzając paliwo do korpusu 72, które następnie wpływa do otworów wlotowych 98 i 100 dysz paliwowych 69 i 70, a następnie wypływa przez ich otwory wylotowe 94 i 96. W praktyce zespół sprzęgający 102 jest przyłączony do przewodu paliwowego 50.

Centralna dysza tlenowa 68 jest podtrzymywana w korpusie 72 przez zestaw łopatek 104 i 106. Łopatki 104 i 106 są połączone ze ściankami 74 i 76 oraz centralną dyszą tlenową 68. Łopatki 104 i 106 dzielą w kierunku wzdłużnym poprzeczne kanały 90 i 92 i dlatego strumień paliwa przechodzi przez poprzeczne kanały 90 i 92 w postaci licznych podstrumieni. Łopatki 104 i 106 są specjalnie skonstruowane tak, że wektory prędkości podstrumieni mają zasadniczo równe wartości i są skierowane tak, żeby stopniowo odchylają się w kierunku poprzecznym względem przepływu paliwa. Spowodowane jest to zewnętrznym zakrzywieniem łopatek 104 i 106, które są skonstruowane tak, że styczne narysowane w ich maksymalnym zakrzywieniu przecinają się w jednym miejscu odpowiedniego kanału poprzecznego 90 i 92, których łopatki 104 i 106 dzielą na poddziały. Nie przedstawiono tego na rysunku, ale łopatki przedłużają się ku tyłowi do wlotów 98 i 100 dysz paliwowych 69 i 70. Dalszą korzyścią dysz paliwowych z łopatkami jest to, że łopatki pozwalają na skuteczne samochłodzenie w palniku 42 bez zewnętrznego chłodzenia wodą.

Centralna dysza tlenowa 68 stanowi korzystnie dwa segmenty 108 i 110. Centralna dysza tlenowa 68 ma taki kształt, gdyż centralna część korpusu ma komorę 112 i liczne kanały poprzeczne 114 o równej długości, rozmieszczone jeden za drugim, i stopniowo wachlarzowo wychodzące z komory 112. Komora 112 zapewnia komunikację pomiędzy kanałem 114 i wlotem paliwa 116 tak, że tlen przepływa od wlotu paliwa 116 i wypływa kanałami 114. Kanały 114 stopniowo wychodzą wachlarzowo z komory 112 tak, że wypadkowy strumień tlenu też wychodzi wahlarzowo. Równa długość kanałów 114 wytwarza równy spadek ciśnienia i dlatego też równą szybkość tak, że strumień tlenu wychodzi wachlarzowo lub z poziomym odchyleniem o małym rozproszeniu. Przewód 118 o prostokątny-poprzecznym przekroju łączy złączkę nakrętką 120 za pomocą elementu przejściowego 122, który przechodzi od kołowego przekroju poprzecznego do prostokątnego przekroju poprzecznego. Złączka nakrętka 120 połączy się z przewodem tlenowym 48.

175 373

Zgodnie z wynalazkiem, chlorowcowane związki organiczne spopiela się w obecności tlenu lub powietrza wzbogaconego w tlen, aby wytworzyć produkty spalania potencjalnie zawierające chlorowcowane furany i dioksyny. Chlorowcowane furany i dioksyny tworzą się w reakcjach pomiędzy nieprzereagowanym tlenem i związkami organicznymi zawierającymi chlorowiec, także potencjalnie obecnymi w produktach spalania. Paliwo zawierające wodór spala się w obecności tlenu i produktów spalania, przy nadstechiometrycznej ilości paliwa. Jako rezultat tego spalania, nieprzereagowany tlen reaguje z paliwem aby zredukować tworzenie się chlorowcowanych furanów i dioksyn, a chlorowcowane furany i dioksyny, które powstały reagują z wodorem dostarczonym przez paliwo i rozkładają się w reakcjach dehalogenacji. Po wystawieniu produktów spalania na działanie palącego się paliwa zawierającego wodór, produkty spalania wydala się jako gazy wylotowe.

Piec do spopielania zawiera strefę spopielania, strefę dopalania i wylot. Strefa spopielania posiada środki do spopielania chlorowcowanych związków organicznych w obecności tlenu lub powietrza wzbogaconego w tlen. Rezultatem takiego spopielania jest wytworzenie produktów spalania potencjalnie zawierających chlorowcowane ubrany i dioksyny. Chlorowcowane furany i dioksyny wytwarzane są w reakcji pomiędzy nieprzereagowanym tlenem i związkami organicznymi zawierającymi chlorowiec, także potencjalnie obecnymi w produktach spalania. Strefa dopalania jest połączona ze strefą spopielania i przynajmniej jednym palnikiem palącym się w strefie dopalania. Przynajmniej jeden palnik posiada wloty paliwa i tlenu oraz środki do spalania paliwa zawierającego wodór w obecności tlenu, przy nadstechiometrycznej ilości paliwa. W wyniku spalania, nieprzereagowany tlen reaguje z paliwem, zmniejszając tworzenie się chlorowcowanych furanów i dioksyn, a powstałe chlorowcowane furany i dioksyny reagują z wodorem dostarczanym w paliwie i rozkładają się na drodze reakcji dehalogenowania. Wylot jest połączony ze strefą dopalania tak, że produkty spalania przechodzą przez strefę dopalania, a następnie przez wylot.

175 373

FIG. 3 (A)

CHLOROWCOWANE

ZWIĄZKI

ORGANICZNE

175 373

FIG. 3

175 373

FIG. 7 (B) FIG. 7(A) _7r_ FIG. 7(C)

116

175 373

FIG. 1 ()

FIG. 1 (B) temperatura cc)

FIG. HO

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 4,00 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób spopielania chlorowcowanych związków organicznych, w którym w płomieniu spopiela się chlorowcowane związki organiczne w obecności tlenu lub powietrza wzbogaconego w tlen i wytwarza się produkty spalania zawierające chlorowcowane furany i dioksyny, powstałe na drodze reakcji pomiędzy nieprzereagowanym tlenem i związkami organicznymi zawierającymi chlorowiec, także obecnymi w produktach spalania, znamienny tym, że przy zachowaniu ponadstechiometrycznej ilości paliwa, w płomieniu palników dodatkowych spala się paliwo zawierające wodór w obecności tlenu i produkty spalania, w których nieprzereagowany tlen doprowadza się do reakcji z paliwem do redukcji tworzenia się chlorowcowanych furanów i dioksyn, a jeszcze powstałe chlorowcowane furany i dioksyny doprowadza się do reakcji z wodorem dostarczanym przez paliwo i do rozkładu na drodze reakcji dehalogenacji, następnie, po spaleniu produktów spalania z paliwem zawierającym wodór, wydala się produkty spalania jako gazy wylotowe.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że mierzy się w gazach wylotowych stężenie wylotowe nieprzereagowanego tlenu, i dozuje się tlen dostarczany do spalania paliwa zawierającego wodór, przy czym wylotowe stężenie tlenu w gazach wylotowych utrzymuje się w wystarczająco małym zakresie, wynoszącym 0,5% - 2,5%, w którym redukcja tworzenia się chlorowcowanych furanów i dioksyn jest podwyższona.
3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że przed pomiarem stężenia wylotowego tlenu i dozowaniem tlenu, mierzy się temperaturę gazu wylotowego na wylocie i dozuje się paliwo zawierające wodór, przy czym temperaturę gazu wylotowego utrzymuje się w zakresie temperatur 700°C - 800°C, poniżej którego zwiększa się stężenie tlenku węgla w gazach wylotowych i powyżej którego wzrasta stężenie chlorowcowanych furanów i dioksyn w gazach wylotowych.
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że prowadzi się spopielanie i spala się paliwo zawierające wodór w piecu do spopielania ze strefą spopielania, w której przeprowadza się spopielanie chlorowcowanych związków organicznych i strefą dopalania, w której przeprowadza się dopalanie produktów spalania pozostałych ze strefy spopielania i spala się paliwo zawierające wodór, ponadto mierzy się temperaturę strefy dopalania i dozuje się chlorowcowane związki organiczne, dostarczane do pieca do spopielania, przy czym utrzymuje się temperaturę strefy dopalania w zakresie temperatur 1500°C - 1600°C, poniżej którego chlorowcowane związki organiczne nie reagują z tlenem lub powietrzem wzbogaconym w tlen i powyżej którego przekroczone są eksploatacyjne ograniczenia temperaturowe pieca do spopielania, ponadto w czasie gdy dozuje się chlorowcowane związki organiczne, jednocześnie dozuje się tlen lub powietrze wzbogacone w tlen dostarczane do spopielania chlorowcowanych związków organicznych i utrzymuje się stechiometrię tego spopielania, a po ustaleniu temperatury w strefie dopalania w zakresie temperatur 1500°C - 1600°C, jak dla strefy dopalania, mierzy się stężenie tlenu w piecu do spopielania i następnie dozuje się tlen lub powietrze wzbogacone w tlen, przy czym stężenie tlenu w piecu do spopielania utrzymuje się w zakresie wynoszącym 1%o - 6% i kontroluje się ilość tlenu w gazach wylotowych, która mieści się w zakresie stężenia wylotowego tlenu.
5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że mierzy się stężenie tlenku węgla w gazach wylotowych i następnie ciągle dozuje się tlen lub powietrze wzbogacone w tlen dostarczane do spopielania chlorowcowanych związków organicznych, przy czym poziom tlenku węgla utrzymuje się poniżej maksimum wartości 1000 ppm, wskazującego że dehalogenacja chlorowcopochodnych związków węgla jest skuteczna i węgiel jest przekształcony do C02.
6. Piec do spopielania chlorowcowanych związków organicznych, zaopatrzony w strefę spopielania zawierającą środki do spopielania chlorowcowanych związków organicznych w obecności tlenu lub powietrza wzbogaconego w tlen, wytwarzając produkty spalania poten175 373 cjalnie zawierające stężenie chlorowcowanych furanów i dioksyn wytwarzanych na drodze reakcji pomiędzy nieprzereagowanym tlenem i związkami organicznymi zawierającymi chlorowiec także potencjalnie obecnymi w produktach spalania, strefę dopalania połączoną ze strefą spopielania oraz wylot połączony ze strefą dopalania, przy czym produkty spalania przechodzą przez strefę dopalania i następnie przez wylot, znamienny tym, że jest zaopatrzony w przynajmniej jeden palnik dodatkowy (42, 44) usytuowany w strefie dopalania (38), który to palnik (42, 44) jest wyposażony we wloty paliwa i tlenu (120, 102) oraz środki do spalania z zachowaniem nadstechiometrycznej ilości paliwa zawierającego wodór w obecności tlenu.