TWI653087B

TWI653087B - 處理來自焚化過程之廢氣流的方法

Info

Publication number: TWI653087B
Application number: TW103133632A
Authority: TW
Inventors: 納瑞許Ｊ瑟察克
Original assignee: 林德股份公司
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2019-03-11
Also published as: TW201611882A

Abstract

本發明係關於一種自藉由焚化廢料產生之燃燒氣體移除污染物之方法。將空氣與燃料一起注入焚化裝置中且補充氧氣進料。所得燃燒廢氣流含有諸如氮氧化物之污染物且使其驟冷，接著饋入反應區，在該反應區中其將與臭氧接觸預定時間段。可將經如此處理之燃燒廢氣流饋入洗滌器組件，在該洗滌器組件中移除藉由臭氧與該等污染物反應所形成之反應產物。

Description

處理來自焚化過程之廢氣流的方法

相關申請案之交叉參考

本申請案主張2013年9月25日申請之美國臨時申請案第61/882,280號之優先權。

本發明係關於廢料之焚化及由焚化產生之污染物(諸如氮氧化物、硫氧化物、微粒、酸氣、重金屬及有機毒素)的移除。

本發明將在焚化過程中使燃燒中所用之空氣富含氣體氧與使用臭氧氧化燃燒廢氣流中發現之污染物有利地組合。

氧氣富集可改良廢料之熱破壞以及提高通過量。然而，熟知氧氣富集增加燃燒過程中之氮氧化物形成。環境許可通常限制焚化設施在其產生較高排放時增加通過量。臭氧注入空氣污染控制(Air Pollution Control；APC)系統以處理焚化廢氣使得可有效移除氮氧化物以及其他污染物。用臭氧氧化氮氧化物之化學反應描述於多個專利中，諸如美國專利第5,206,002號、第5,985,223號、第6,162,409號、第6,649,132號及第7,303,735號。

當處理廢料之替代性方法過於昂貴或不再被准許時，對化學及危險性廢料之焚化愈來愈受關注。國際條約及美國環境法規已對諸如傾倒廢料或在排放至大氣之前無效處理之替代方式進行限制。期望達到峰值產量之加工工業通常進行最佳化及強化演習而以相對低的資金邊際投資使產量及利潤達最大。

此等演習通常使所產生之廢料的數量增加，從而可能超出已安裝之焚化系統的處理能力。新穎焚化系統可能很昂貴且通常將吸引更嚴格之環境審查。儘管需要焚化設備，但氣流中之污染物、尤其氮氧化物之控制始終具有挑戰性。

目前先進技術通常藉由燃燒改良達成焚化中氮氧化物排放之控制。通常使用兩種技術：低氮氧化物燃燒器及燃燒分級。低氮氧化物燃燒器降低火焰溫度，從而形成較少氮氧化物。在燃燒分級中，在第一階段中在有限空氣存在之情況下進行初始燃燒，從而形成富含燃料之環境。此確保在緊鄰第一燃燒區之下游形成還原區，在該還原區中藉由存在於燃燒產物中之高水準一氧化碳還原氮氧化物。在該過程之第二階段中，在添加或不添加補充燃料下引入第二空氣以完成包括一氧化碳之燃燒產物的氧化。可注入氨以藉由SNCR(選擇性非催化還原)方法降低氮氧化物。用於控制燃燒過程之氮氧化物的更高端方法為SCR(選擇性催化還原)。由於各種原因，包括資金成本昂貴及提供可持續效能需要能量密集組態，此並非用於處理焚化廢氣之較佳方法。

使空氣富含氣體氧以改良玻璃及金屬熔爐中之燃燒過程的實踐為吾人所熟知。在焚化中使用氧氣富集極不常見。氧氣富集可改良廢料之熱破壞以及提高通過量。然而，熟知氧氣富集增加燃燒過程中之氮氧化物形成。環境許可通常限制焚化設施在其產生較高排放時增加通過量。安裝在焚化爐上之空氣污染控制系統通常可處理較高負荷之其他空氣污染物(諸如硫氧化物、微粒、酸氣(諸如HCl、HF、Cl₂)、重金屬及有機毒素(諸如戴奧辛、呋喃類及PCB))，而不會犧牲效能，但仍難以控制氮氧化物。

由於對公共健康及環境之關注，焚化過程受到愈來愈多的審查，且將要求在排放至大氣中之前、尤其在提高通過量時煙道氣清除優良。

本發明將氧氣富集與基於臭氧之污染物控制組合。此方法將允許更高通過量之廢氣流自焚化單元流出，同時亦降低污染物向大氣中之排放。氧氣需要量為氧氣富集所需之量的較小增量且可自與供應臭氧發生器相同之氧氣供應系統輸送。藉由提高相同設備中之通過量，可降低所處理廢料之單位成本，甚至在氮氧化物控制之成本增多的情況下。

氧氣富集及基於臭氧之氮氧化物移除提供在最少資金投資下解決焚化過程之缺陷的能力；伴隨生產活動之最少中斷；包括加工設備中之最小變化；提供穩固及優良的氮氧化物移除，同時降低處理之廢料的單位成本。

在本發明之一第一實施例中，揭示一種自離開焚化裝置之氣流移除污染物之方法，其包含以下步驟：a)將廢料、燃料及空氣源饋入焚化裝置中之燃燒室；b)將氧氣饋入廢料、燃料及空氣源之混合物；c)燃燒混合物從而形成含有污染物之燃燒廢氣流；d)將燃燒廢氣流饋入驟冷單元；從而降低燃燒廢氣流之溫度；e)將燃燒廢氣流饋入反應區；f)將臭氧饋入反應區，從而使臭氧與燃燒廢氣流保持接觸預定時間段；及g)將燃燒廢氣流饋入洗滌器，在該洗滌器中將污染物移除。在本發明之另一實施例中，揭示一種自離開焚化裝置之氣流移除污染物之方法，其包含以下步驟：a)將廢料饋入焚化裝置之燃燒室； b)將用於支持燃燒之空氣注入焚化裝置中；c)向焚化裝置中供應氣體氧；d)焚化廢料從而形成含有污染物之燃燒廢氣流；e)將燃燒廢氣流饋入驟冷單元；從而降低燃燒廢氣流之溫度；f)將燃燒廢氣流饋入反應區；g)將臭氧饋入反應區，從而使臭氧與燃燒廢氣流保持接觸預定時間段；及h)將燃燒廢氣流饋入洗滌器，在該洗滌器中將污染物移除。

在本發明之替代性實施例中，關於第一實施例，可顛倒步驟f)與步驟g)且在燃燒廢氣流與臭氧在反應區中接觸之前對其進行洗滌。接著將所得燃燒廢氣流饋入選自由靜電除塵器及袋濾器組成之群的裝置。在該替代性實施例中，顛倒步驟g)與步驟h)，從而在燃燒廢氣流在反應區中接觸臭氧之前進行洗滌。

所焚化之廢料通常為工業廢料、化學廢料及危險性廢料。

焚化中所使用之燃料通常為煤或油。

污染物主要為氮氧化物，但亦可包括硫氧化物、汞及酸氣。

氮氧化物係選自由熱型、快速型及燃料型氮氧化物組成之群。

饋入焚化單元之氧氣通常為純氧氣。氧氣將以超過維持焚化單元中之燃燒所需之化學計量之量饋入。

廢料一經燃燒後，含有污染物之燃燒廢氣流即離開焚化單元且可視情況先饋入廢熱鍋爐。

將所產生之氧氣的一部分饋入臭氧發生單元，從而產生臭氧與氧氣之混合物。臭氧在其在反應區中接觸到尤其為氮氧化物之污染物時將形成氮氧化物之更高價氧化物。

藉由量測存在於燃燒廢氣流中之氮氧化物及臭氧的量來控制添加至燃燒廢氣流中之臭氧的量。

饋入焚化單元之氧氣可藉由注入與待燃燒之燃料及廢料一起添加之空氣中來饋入。替代地，可藉由注入將氧氣直接饋入焚化單元。

可使用變壓吸附(PSA)系統自由臭氧發生單元流出之氧氣與臭氧流混合物分離臭氧。可將經分離臭氧饋入反應區位置以用於氧化存在於來自焚化單元之廢料流中的氮氧化物。可將自經組合流體分離之氧氣再循環回焚化單元以用於在其中進行氧氣富集。

2‧‧‧氧氣滑流

3‧‧‧管線/氧氣

3A‧‧‧管線

4‧‧‧管線

5‧‧‧管線

7‧‧‧管線

8‧‧‧廢料流

9‧‧‧管線/第一空氣

10‧‧‧管線

11‧‧‧管線

12‧‧‧經驟冷氣流/反應區

13‧‧‧反應區

14‧‧‧管線

A‧‧‧氧氣源

B‧‧‧臭氧發生器

C‧‧‧焚化爐/焚化爐單元

C1‧‧‧還原區

C2‧‧‧氧化區

D‧‧‧廢熱鍋爐

E‧‧‧驟冷單元

F‧‧‧乾式或濕式洗滌器/濕式洗滌操作/濕式或乾式洗滌器

G‧‧‧濕式靜電除塵器或袋濾器

圖1為廢料焚化系統中之氮氧化物移除系統之示意圖。

圖2為具有焚化爐之廢料焚化系統中的氮氧化物移除系統的示意圖，其中該焚化爐在燃燒後具有兩個區域。

圖3為描繪離開焚化爐之氣流的氮氧化物濃度相對於氧氣富集之量的曲線圖。

圖1為具有氮氧化物控制之焚化系統的示意圖。將含有污染物之廢料與燃料及空氣一起饋入焚化爐C燃燒區，其中燃料及空氣分別經由管線7及管線9饋入焚化爐中之燃燒器。使第一空氣9富含經由管線3來自氧氣源A之氧氣且饋入焚化爐C，在該焚化爐C中其將改良燃燒。維持富集空氣中所含氧氣超過完全燃燒燃料及廢料中之可燃物之化學計量需求。

在燃燒期間形成之氮氧化物為熱型、快速型及燃料型氮氧化物。熱型氮氧化物為經由燃燒空氣中發現之雙原子氮之高溫氧化形成的氮氧化物。快速型氮氧化物為大氣中之氮與諸如來源於燃料之C、CH及CH₂片段之基團反應所產生之氮氧化物的來源，其中此反應無法由熱或燃料過程來解釋。燃料型氮氧化物為自含氮燃料(諸如某些煤及油)藉由在燃燒期間燃料結合之氮轉化為氮氧化物而產生的氮氧化物的主要來源。

在燃燒期間，燃料中結合之氮以自由基形式釋放且最終形成游離氮或NO。廢料流8中之含氮化合物亦在燃燒期間形成其他氮氧化物。為達成廢料之所要熱破壞，在焚化爐C中將含有燃燒產物之氣流維持在所需溫度下預定時間段。為提高焚化爐C中廢料之通過量，用來自管線3之氧氣替代管線9中的一些第一空氣，從而保持氣體之總體積在設計流量內。氧氣富集通常將引起火焰溫度增加。因氧氣富集所產生之較高火焰溫度將改良廢料破壞效率，但將致使熱型氮氧化物形成增加。將來自氧氣A之燃燒富集供應的氧氣滑流2轉移至臭氧發生器B，在該臭氧發生器B中氧氣轉化為含至多10重量%臭氧之氧氣。臭氧發生器通常為用於形成臭氧之電暈放電裝置。

視情況將離開含有燃燒產物之焚化爐C的燃燒廢氣流經由管線10饋入廢熱鍋爐D以回收熱，接著經由管線11饋入驟冷單元E，在該驟冷單元E中使用水溶液將其驟冷。進行冷卻及驟冷以使其他污染物(諸如PCB、戴奧辛及呋喃類)之形成降至最低。

存在兩個選項來整合氮氧化物移除與廢料焚化。在選項1中，經由管線5將臭氧注入乾式或濕式洗滌器F上游之經驟冷氣流12中。在與臭氧混合且維持適當滯留時間後，在反應區中將氮氧化物氧化至更高價氧化物，較佳五價形式N₂O₅。氮氧化物之五價形式極易溶於水溶液中。用水蒸氣使經驟冷流體飽和且將經氧化之氮氧化物轉化成穩定含氧酸(諸如硝酸)，將其與水以各種比例混合且在濕式洗滌操作F中捕獲。硝酸及經氧化之氮氧化物亦極具反應性且藉由常用吸附劑幾乎完全保留於乾式洗滌器中。

在選項2中，在濕式或乾式洗滌器F之下游氧化氮氧化物。將臭氧發生器B中產生之臭氧經由管線4饋入濕式或乾式洗滌器F與濕式靜電除塵器或袋濾器G之間的反應區13。此選項使得可在乾式或濕式洗滌器F中將移除氮氧化物與移除其他污染物分開。在濕式洗滌器F之下游的濕式靜電除塵器G中或在出於說明之目的替代性地位於濕式或乾式洗滌器F之下游的袋濾器G中捕獲經氧化之洗滌器組分。將如此處理之不含污染物之燃燒廢氣流經由管線14排放至大氣中。

自氧氣供應A流出之氧氣流之量通常在用於富集之氧氣量的四分之一至五十分之一範圍內。將臭氧混合至處於約25℉(-4℃)至325℉(163℃)之溫度下的氣流中。在臭氧發生器B中產生相對於氧氣至多10重量%臭氧之量的臭氧。通常，臭氧與氮氧化物之莫耳比維持在0.5與1.5之間以進行氮氧化物移除。

圖2描繪本發明之不同實施例。相同組件、管線及單元操作以與圖1所給之相同數字及字母名稱給出。焚化爐單元C在燃燒後具有兩個區域，亦即還原區C1及氧化區C2。維持富集空氣中所含氧氣接近燃燒燃料及氣流中之可燃物的化學計量需求。若在燃燒期間不維持過量氧氣，則將在燃燒產物流中形成大量一氧化碳。所形成之氮氧化物為熱型、快速型及燃料型氮氧化物。廢料流中之含氮化合物亦在燃燒期間形成額外氮氧化物。由於氧氣富集，熱型氮氧化物之量急劇上升。

在燃燒之下游，但仍在焚化爐單元C內，將氣體在還原區C1中保留預定時間。燃燒產物中因缺乏過量氧氣而存在之高濃度一氧化碳將大量氮氧化物還原為氮氣。還原區C1後為氧化區C2，在該氧化區C2中將來自管線3A之可視情況富含來自氧氣源A之氧氣3的補充或第二空氣與或不與補充燃料混合。過量氧氣使得一氧化碳快速轉化為二氧化碳。低氮氧化物燃燒器及燃燒分級降低氮氧化物形成，從而將需要甚至更少劑量之臭氧。因此，在焚化爐單元C自身中還原一些形成之氮氧化物，從而減少如圖1中所描繪之下游設備中氮氧化物移除之臭氧需求。

將離開焚化爐之含有燃燒產物及污染物之燃燒廢氣流經由管線 10通向視情況選用之廢熱鍋爐D以回收熱，接著在經由管線11饋入驟冷單元E之後用水溶液驟冷。極其快速地進行冷卻及驟冷，以將空氣毒素或污染物(諸如PCB、戴奧辛及呋喃類)之形成降至最低。

存在兩個可用選項來處理氮氧化物且將其移除整合至焚化爐單元C中。第一選項(即選項1)係將來自乾式或濕式洗滌器F之上游的臭氧發生器之臭氧注入反應區12中且使其與自驟冷單元E饋入之驟冷氣流充分混合。存在於經驟冷燃燒廢氣流中之氮氧化物將被臭氧氧化為更高價氮氧化物，較佳氧化為五價形式(N₂O₅)。操作者可控制例如在反應區12中之滯留時間，以允許有足夠時間來發生反應。氮氧化物之五價形式極易溶於水中。用水蒸氣使經驟冷燃燒廢氣流飽和且將經氧化之氮氧化物轉化成穩定含氧酸(諸如硝酸)，將其與水以各種比例混合且在濕式洗滌操作中捕獲。硝酸及經氧化之氮氧化物亦極具反應性，可藉由常用吸附劑保留於乾式洗滌操作中。

在第二選項(即選項2)中，將經驟冷氣流饋入乾式或濕式洗滌器F，在該乾式或濕式洗滌器F中在移除氮氧化物之前移除存在於經驟冷氣流中之其他污染物。離開乾式或濕式洗滌器之氣流未去除諸如微粒、硫氧化物、汞之污染物及其他污染物，且將其饋入位於濕式靜電除塵器或者袋濾器G之前的反應區13。將來自臭氧發生器之臭氧饋入此反應區，在該反應區中其接觸來自乾式或濕式洗滌器F之氣流且在此處保留足夠時間量以用臭氧將氮氧化物氧化為可能存在於氣流中之更高價氮氧化物及硝酸。將含有更高價氮氧化物及硝酸之氣流饋入濕式靜電除塵器或者袋濾器G。濕式靜電除塵器(ESP或WESP)G將移除任何微粒及其他污染物(諸如存在於氣流中之更高價氮氧化物及硝酸)。袋濾器G亦移除此等污染物。將如此處理之不含污染物之燃燒廢氣流經由管線14排放至大氣中。

自氧氣供應單元A流出之氧氣流3之量通常在用於富集之氧氣量的四分之一至五十分之一範圍內。將臭氧混合至處於約25℉(-4℃)至325℉(163℃)之溫度下的氣流中。在臭氧發生器B中產生相對於氧氣至多10重量%臭氧之量的臭氧。通常，臭氧與氮氧化物之莫耳比維持在0.5與1.5之間以進行氮氧化物移除。

在某些情況下，饋入焚化爐單元C之廢料具有較高水含量及較少可燃物含量。此等情況將實質上降低通過量，因為可處理之液體廢料的容量或體積將因所需燃料增加而減少。氧氣富集與基於臭氧之氮氧化物移除整合將經操作以提供正常通過量而同時解決存在於離開焚化爐之氣流中之污染物的問題。

圖3為描繪離開焚化爐之氣流的氮氧化物濃度上升相對於饋入焚化爐之進料氣體中的氧氣富集量的曲線圖。

儘管本發明已關於其特定實施例描述，但顯而易知，本發明之多種其他形式及修改將對於熟習此項技術者顯而易見。本發明之隨附申請專利範圍通常應視為涵蓋屬於本發明之真實精神及範疇內的所有該等顯而易見之形式及修改。

Claims

一種自離開焚化裝置之氣流移除氮氧化物之方法，其包含以下步驟：a)將廢料、燃料及空氣源饋入該焚化裝置中之燃燒室；b)將氧氣饋入該廢料、燃料及空氣源之混合物，其中將該氧氣以超過燃燒之化學計量之量饋入該混合物；c)燃燒該混合物，從而形成含有氮氧化物之燃燒廢氣流；d)將該燃燒廢氣流饋入驟冷單元；從而降低該燃燒廢氣流之溫度；e)將該燃燒廢氣流饋入反應區；f)將臭氧饋入該反應區，從而使該臭氧與燃燒廢氣流保持接觸預定時間段，其中該臭氧將與氮氧化物反應，從而形成更高價氧化物；及g)將該燃燒廢氣流饋入洗滌器，在該洗滌器中將該等氮氧化物移除。
如請求項1之方法，其中該廢料係選自化學及危險性廢料之群。
如請求項1之方法，其中該燃料係選自由煤及油組成之群。
如請求項1之方法，其中該等氮氧化物係選自由熱型、快速型及燃料型組成之群。
如請求項1之方法，其進一步包含將該燃燒廢氣流饋入廢熱鍋爐。
如請求項1之方法，其中將該氧氣之一部分饋入臭氧發生器，從而產生臭氧。
如請求項1之方法，其中藉由量測存在於該燃燒廢氣流中之氮氧化物及臭氧的量來控制添加至該燃燒廢氣流之臭氧的量。
一種自離開焚化裝置之氣流移除氮氧化物之方法，其包含以下步驟：a)將廢料饋入焚化裝置之燃燒室；b)將用於支持燃燒之空氣注入該焚化裝置中；c)向該焚化裝置中供應氣體氧，其中將該氧氣以超過燃燒之化學計量之量饋入；d)焚化該廢料，從而形成含有氮氧化物之燃燒廢氣流；e)將該燃燒廢氣流饋入驟冷單元；從而降低該燃燒廢氣流之溫度；f)將該燃燒廢氣流饋入反應區；g)將臭氧饋入該反應區，從而使該臭氧與燃燒廢氣流保持接觸預定時間段，其中該臭氧將與氮氧化物反應，從而形成更高價氧化物；及h)將該燃燒廢氣流饋入洗滌器，在該洗滌器中將該等氮氧化物移除。
如請求項8之方法，其中藉由注入該空氣中來將該氧氣饋入該焚化裝置。
如請求項8之方法，其中藉由注入該焚化單元中來將該氧氣饋入該焚化裝置。
如請求項8之方法，其中顛倒步驟f)及g)且將該燃燒廢氣流饋入選自由靜電除塵器及袋濾器組成之群的裝置。
如請求項8之方法，其中該廢料係選自化學及危險性廢料之群。
如請求項8之方法，其中該燃料係選自由煤及油組成之群。
如請求項8之方法，其中該等氮氧化物係選自由熱型、快速型及燃料型組成之群。
如請求項8之方法，其進一步包含將該燃燒廢氣流饋入廢熱鍋爐。
如請求項8之方法，其中將該氧氣之一部分饋入臭氧發生器，從而產生臭氧。
如請求項8之方法，其中藉由量測存在於該燃燒廢氣流中之氮氧化物及臭氧的量來控制添加至該燃燒廢氣流之臭氧的量。