CN105579116A - 通过添加臭氧处理来***化过程的废气流的方法 - Google Patents

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Abstract

用于除去废弃物焚化中产生的燃烧气体中的污染物的方法。将空气与燃料注入焚化装置并补充氧气供给。产生的燃烧废气流含有诸如氮氧化物的污染物，该气流被猝灭然后供入反应区，其中它会在一段预设的时间内与臭氧接触。由此处理过的燃烧废气能够被供入洗涤器组件，其中臭氧和污染物的反应形成的反应产物被除去。

Description

通过添加臭氧处理来***化过程的废气流的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年9月25日提交的美国临时申请系列第61/882,280号的优先权。
发明背景
本发明涉及废弃物的焚化以及污染物的除去，所述污染物例如有由焚化产生的氮氧化物、硫氧化物、颗粒、酸性气体、重金属和有机毒素。
本发明将焚化工艺中用气态氧增浓燃烧中所用的空气与使用臭氧氧化燃烧废气流中的污染物进行有利地组合。
氧气增浓可改善废弃物的热分解并提高处理量。但是，已熟知氧气增浓会增加燃烧过程中氮氧化物的形成。当焚化设备产生更高的排放时，环境许可文件通常限制其增加处理量。向空气污染控制(APC)***中注入臭氧用于处理焚化排放物能够有效除去氮氧化物以及其他污染物。臭氧对氮氧化物的氧化的化学作用在多个专利中进行了描述，例如美国专利编号5,206,002；5,985,223；6,162,409；6,649,132；和7,303,735。
当处理废弃物的替代性方法的成本过高或不再被许可时，化学废弃物和有害废弃物的焚化则受到越来越多的关注。国际条约以及美国环境法规已限制了一些替代性方法，例如废弃物的倾倒或排放至大气前未进行有效处理。需要达到峰值产量的处理工业通常进行最优化和强化预演以在相对较低的边际投资资本的条件下使产量和收益最大化。
这些预演通常会导致产生的废弃物增加，其可能超过已安装的焚化***的处理能力。新的焚化***可能是昂贵的，并且通常会招致更严格的环境审查。尽管存在对焚化设备的需求，但是对污染物的控制，特别是气流中氮氧化物的控制总是具有挑战性的。
焚化中对氮氧化物最先进的排放控制通常由燃烧的改进来实现。有两种常用的技术；低氮氧化物燃烧器和燃烧分级。低氮氧化物燃烧器降低火焰的温度，从而形成更少的氮氧化物。在燃烧分级中，起始阶段中的初始燃烧在有限的空气下进行，从而形成富燃料的环境。这确保了在紧接着主要燃烧区域的下游还原区域的形成，其中氮氧化物被燃烧产物中高水平的一氧化碳还原。在该工艺的第二阶段中，导入第二空气以完成含有一氧化碳的燃烧产物的氧化，其中添加或不添加补充燃料。可通过SNCR(选择性非催化还原)法将氨注入更低价态的氮氧化物。用于燃烧工艺的控制氮氧化物的更高端的方法是SCR(选择性催化还原)。该方法不是优选的用于处理焚化排放物的方法，原因有多种，包括提供持续性能所需的昂贵的资金成本以及能源密集配置。
使用气态氧实施空气增浓以改善玻璃和金属炉中的燃烧过程是熟知的。在焚化中采用氧气增浓是相当罕见的。氧气增浓可改善废弃物的热分解并提高处理量。但是，已熟知氧气增浓会增加燃烧过程中氮氧化物的形成。当焚化设备产生更高的排放时，环境许可文件通常限制其增加处理量。安装于焚化炉的空气污染控制***通常能够处理更大量的其他空气污染物而不牺牲性能，所述污染物例如有硫氧化物，颗粒，诸如HCl、HF、Cl2的酸性气体，重金属，诸如二噁英的有机毒素，呋喃和PCB，但是氮氧化物仍然难以控制。
焚化工艺正经受越来越多的审查，原因在于对公众健康和环境的担忧，在排放至大气之前，其需要优越的烟道气清理，特别是当处理量增加时。
本发明基于污染物控制将氧气增浓和臭氧进行组合。该工艺使焚化单元排放的废气流的处理量更高，并且减少向大气中的污染物排放。氧气要求条件是氧气增浓所需的小的增量，并能够从与供给臭氧发生器相同的氧供给***进行输送。通过增加同一设备中处理量，甚至能在具有氮氧化物控制的额外成本的情况下降低废弃物处理的单位成本。
基于氧气增浓和臭氧的氮氧化物去除方法提供了在最小资金投入下消除焚化工艺的瓶颈的能力；对生产活动具有最小的干扰；涉及最少的处理设备的改变；提供稳健和优越的氮氧化物去除并降低废弃物处理的单位成本。
发明内容
本发明第一实施方式中公开了从焚化装置排出的气流中除去污染物的方法，其包括以下步骤：
a)将废弃物、燃料和空气补给供入焚化装置的燃烧室中；
b)将氧气供入废弃物、燃料和空气补给的混合物中；
c)燃烧该混合物以形成含有污染物的燃烧废气流；
d)将燃烧废气流供入猝灭单元；藉此燃烧废气流的温度得到降低；
e)将燃烧废气流供入反应区域；
f)将臭氧供入反应区域，藉此臭氧和燃烧废气流在一段预设的时间内保持接触；且
g)将燃烧废气流供入洗涤器，其中污染物被除去。
本发明另一实施方式中公开了从焚化装置排出的气流中除去污染物的方法，其包括以下步骤：
a)将废弃物供入焚化装置的燃烧室中；
b)将用于支持燃烧的空气注入焚化装置；
c)将气态氧供给于焚化装置；
d)焚化该废弃物从而形成含有污染物的燃烧废气流；
e)将燃烧废气流供入猝灭单元；藉此燃烧废气流的温度得到降低；
f)将燃烧废气流供入反应区域；
g)将臭氧供入反应区域，藉此臭氧和燃烧废气流在一段预设的时间内保持接触；且
h)将燃烧废气流供入洗涤器，其中污染物被除去。
在本发明的替代性实施方式中，可将第一实施方式的步骤f)和g)的顺序调换，且燃烧废气流在与反应区域中的臭氧接触之前被洗涤。然后所得燃烧废气流被供入选自静电除尘器和堆袋室的装置。在替代性实施方式中，步骤g)和h)的顺序可被调换，从而在反应区域中与臭氧接触之前对燃烧废气流进行洗涤。
被焚化的废弃物通常是工业废弃物、化学废弃物和有害废弃物。
焚化中采用的燃料通常是煤或油。
污染物主要是氮氧化物，但也可包括硫氧化物、水银和酸性气体。
氮氧化物选自热力型氮氧化物、瞬时型氮氧化物和燃料型氮氧化物。
供入焚化单元的氧气通常是纯净的氧气。氧气将以超过所需化学计量的量被供入，以维持焚化单元中的燃烧。
一旦废弃物被燃烧，则含有污染物的燃烧废气流离开焚化单元并能任选地被首先供入废热锅炉。
产生的氧气的一部分被供入臭氧产生单元，从而生成臭氧和氧气的混合物。当在反应区域接触污染物(特别是氮氧化物)时，臭氧将形成更高氧化态的氮氧化物。
通过测定燃烧废气流中存在的氮氧化物和臭氧的量来控制添加于燃烧废气流的臭氧的量。
供于焚化单元的氧气可通过注入到空气中来供入，所述空气与燃料和所要燃烧的废弃物一同被添加。或者，氧气可通过注入而直接供入焚化单元。
可采用变压吸附(PSA)***以使臭氧从来自臭氧产生单元的氧气和臭氧气流混合物中分离。分离的臭氧可被供入反应区域点以氧化来***化单元的废气流中的氮氧化物。从组合气流中分离的氧气可循环回到焚化单元以用于其中的氧气增浓。
附图的简要说明
图1是废弃物焚化***中的氮氧化物去除***的示意图。
图2是废弃物焚化***中氮氧化物去除***的示意图，其中焚化器具有两个燃烧后的区域。
图3是描绘焚化器排出的气流中氮氧化物浓度对氧气增浓的量的图。
发明详述
图1是具有氮氧化物控制的焚化***的示意图。含有污染物的废弃物被供入焚化器C燃烧区域，同时燃料和空气分别通过管线7和9被供入焚化器中的燃烧器。主要空气9通过管线3被来自氧源A的氧气增浓，并被供入焚化器C，其中主要空气9将会改善燃烧。增浓的空气中含有的氧气维持在超过所需化学计量的量，以使燃料和废弃物中的可燃物完全燃烧。
燃烧过程中形成的氮氧化物是热力型氮氧化物、瞬时型氮氧化物和燃料型氮氧化物。热力型氮氧化物是通过燃烧空气中存在的双原子氮气的高温氧化而形成的氮氧化物。瞬时型氮氧化物是大气中氮气与来源于燃料的自由基(例如C、CH和CH2片段)反应产生的氮氧化物的来源，其无法用热力过程或燃料过程解释。燃料型氮氧化物是由含氮燃料(例如某些煤和油)在燃烧过程中通过与燃料结合的氮气向氮氧化物的转化而生成的氮氧化物的主要来源。
在燃烧过程中，与燃料结合的氮气作为自由基释放并最终形成游离的氮气或NO。废气流8中的含氮化合物在燃烧过程中还形成额外的氮氧化物。对于所需的废弃物的热分解，含有燃烧产物的气流在焚化炉C中以所需的温度维持一段预定的时间。为增加焚化器C中废弃物的处理量，管线9中的一部分主要空气被来自管线3的氧气替换，使气体的总体积保持在设计流量之内。氧气增浓通常会导致火焰温度的升高。由氧气增浓导致的更高的火焰温度会改善废弃物分解效率，但是会增加热力型氮氧化物的形成。氧气燃烧增浓供给A的一条氧气滑流2被转移至臭氧发生器B，其中氧气被转化为臭氧含量不高于10重量％的氧气。臭氧发生器通常是用于形成臭氧的电晕放电装置。
从焚化器C排出的含有燃烧产物的燃烧废气流通过管线10被任选地供入废热锅炉以回收热，然后通过管线11被供入猝灭单元E，其中将会被水性溶液猝灭。进行冷却和猝灭以最大程度减少其他的污染物(例如PCB、二噁英和呋喃)形成。
有两种选择用于将氮氧化物的除去和废弃物焚化进行整合。选择1中，臭氧通过管线5在干燥或湿润洗涤器F的上游被注入猝灭的气流12。在与臭氧混合并以合适的保留时间维持之前，反应区域中氮氧化物被氧化为更高价态的氧化物，优选是五价形式的N2O5。五价形式的氮氧化物极易溶于水性溶液。猝灭的气流由水蒸气饱和，将把氧化的氮氧化物转化为稳定的含氧酸(例如硝酸)，其将与水以所有的比例混合并被捕集在湿润洗涤装置F中。硝酸和氧化的氮氧化物也非常具有反应性，并通过常用的吸附剂几乎完全保持在干燥洗涤器中。
选择2中，氮氧化物在湿润或干燥洗涤器F的下游被氧化。臭氧发生器B中产生的臭氧通过管线4被供入湿润或干燥洗涤器F和湿润静电除尘器或堆袋室G之间的反应区域13。该选择使干燥或湿润洗涤器F中氮氧化物的除去与其他污染物的除去分隔开。氧化的洗涤器组分被捕集在湿润洗涤器F下游的湿润静电除尘器G中，或被捕集在堆袋室G中，为便于说明将其替代性地置于湿润或干燥洗涤器F的下游。经过如此处理的不含污染物的燃烧废气流通过管线14被排入大气。
来自氧气供给A的氧气流的量通常是用于增浓的氧气的量的1/50-1/4。臭氧与温度约为25°F(-4℃)-325°F(163℃)的气流混合。臭氧在臭氧发生器B中产生，其含量不高于氧气的10重量％。通常，臭氧与氮氧化物的摩尔比维持在0.5-1.5之间，以除去氮氧化物。
图2描绘了本发明的不同的实施方式。对类似的组件、管线和单元设备给出与图1相同的编号和字母符号。焚化器单元C具有两个位于燃烧过程之后的区域，称作还原区域C1和氧化区域C2。增浓的空气中含有的氧气维持在接近所需化学计量的量，以使燃料和气流中的可燃物燃烧。通过在燃烧过程中不维持过量的氧气，在燃烧产物流中会形成大量的一氧化碳。形成的氮氧化物是热力型氮氧化物、瞬时型氮氧化物和燃料型氮氧化物。废气流中的含氮化合物在燃烧过程中还形成额外的氮氧化物。由于氧气的增浓，热力型氮氧化物的量急剧升高。
燃烧的下游，但仍然位于焚化单元C之内，以预设的时间在还原区域C1中保持气体。由于缺少过量的氧气而导致的燃烧产物中高浓度的一氧化碳将可观的量的氮氧化物还原为氮气。还原区域C1之后为氧化区域C2，其中，来自管线3A的能够被来自氧源A的氧气3任选增浓的补充空气或第二空气，与补充燃料混合或不混合。过量的氧气能够使一氧化碳快速转化为二氧化碳。低氮氧化物燃烧器和燃烧分级减少了氮氧化物的形成，其甚至会需要更少剂量的臭氧。同样地，一些形成的氮氧化物自身在焚化器单元C中被还原，从而将如图1所示的下游设备中氮氧化物除去所需的臭氧需求减少。
从焚化器排出的含有燃烧产物和污染物的燃烧废气流通过管线10被引导至可选的废热锅炉D以回收热，然后通过管线11被供入猝灭单元E并在其中被水性溶液猝灭。将会相当快速地进行冷却和猝灭，以最大程度减少空气毒素或污染物(例如PCB、二噁英和呋喃)的形成。
有两种选择可供氮氧化物处理并将氮氧化物的除去整合至焚化器单元C。第一种选择，即选择1，是将臭氧从干燥或湿润洗涤器F上游的臭氧发生器注入反应区域12，并使之与从猝灭单元E供给的猝灭气流充分混合。猝灭的燃烧废气流中的氮氧化物会被臭氧氧化为更高价态的氮氧化物，优选为五价的形式(N2O5)。操作员能够控制例如反应区域12中的保持时间，以获得足够的时间用于反应的发生。五价形式的氮氧化物极易溶于水。猝灭的燃烧废气流由水蒸气饱和，将把氧化的氮氧化物转化为稳定的含氧酸(例如硝酸)，其与水以所有的比例混合并在湿润洗涤操作中被捕集。硝酸和氧化的氮氧化物也非常具有反应性，并可在干燥洗涤操作中通过常用的吸附剂保持。
在第二选择中，即选择2，猝灭气流被供入干燥或湿润洗涤器F，其中猝灭气流中含有的其他污染物在氮氧化物之前被除去。离开干燥或湿润洗涤器的气流含有例如颗粒、硫氧化物、水银的污染物，且其他污染物会被供入安装在湿润静电除尘器或替代性的堆袋室G之前的反应区域13。来自臭氧发生器的臭氧会被导入该反应区域，其中它会与来自干燥或湿润洗涤器F的气流接触并被保持足够长的时间，以使臭氧将氮氧化物氧化为气流中可含有的更高价态的氮氧化物和硝酸。含有更高价态的氮氧化物和硝酸的气流将被供入湿润静电除尘器或替代性的堆袋室G。湿润静电除尘器(ESP或WESP)G会除去任何颗粒以及其他污染物，例如气流中含有的更高价态的氮氧化物和硝酸。堆袋室G也会除去这些污染物。经过如此处理的不含污染物的燃烧废气流通过管线14被排入大气。
来自氧气供给单元A的氧气流3的量通常是用于增浓的氧气的量的1/50-1/4。臭氧与温度约为25°F(-4℃)-325°F(163℃)的气流混合。臭氧在臭氧发生器B中产生，其含量不高于氧气的10重量％。通常，臭氧与氮氧化物的摩尔比维持在0.5-1.5之间，以除去氮氧化物。
在某些情况下，供入焚化单元C的废弃物会具有更高的水含量和更少的可燃物材料含量。这些情况会大幅降低处理量，原因在于可被处理的液体废弃物的容积或体积会因所需燃料的增加而减少。与基于臭氧的氮氧化物的除去相整合的氧气增浓会运行以提供常规的处理量，同时解决了焚化器排出的气流中的污染物的问题。
图3是描绘焚化器排出的气流中氮氧化物浓度的升高对比供入焚化器的供给气体中氧气增浓的量的图。
虽然结合本发明的具体实施方式描述了本发明，但是显然，本发明的许多其他形式和改变对本领域技术人员是显而易见的。本发明所附的权利要求书一般应被解释成包括在本发明的真正精神和范围之内的所有这些显而易见的形式和改变。

Claims (24)

1.一种用于从焚化装置排出的气流中除去污染物的方法，其包括以下步骤：
a)将废弃物、燃料和空气补给供入焚化装置的燃烧室中；
b)将氧气供入废弃物、燃料和空气补给的混合物中；
c)燃烧该混合物以形成含有污染物的燃烧废气流；
d)将燃烧废气流供入猝灭单元；藉此燃烧废气流的温度得到降低；
e)将燃烧废气流供入反应区域；
f)将臭氧供入反应区域，藉此臭氧和燃烧废气流在一段预设的时间内保持接触；且
g)将燃烧废气流供入洗涤器，其中污染物被除去。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，调换步骤f)和g)的顺序并将燃烧废气流供入选自静电除尘器和堆袋室的装置。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述废弃物选自化学废弃物和有害废弃物。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料选自煤和油。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述污染物是氮氧化物。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述氮氧化物选自热力型氮氧化物、瞬时型氮氧化物和燃料型氮氧化物。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以超过用于燃烧的化学计量的量将氧气供入混合物。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将燃烧废气流供入废热锅炉。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，一部分氧气被供入臭氧发生器从而产生臭氧。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述臭氧会与氮氧化物反应从而形成更高价态的氧化物。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过测定燃烧废气流中存在的氮氧化物和臭氧的量来控制添加于燃烧废气流的臭氧的量。
12.一种用于从焚化装置排出的气流中除去污染物的方法，其包括以下步骤：
a)将废弃物供入焚化装置的燃烧室中；
b)将用于支持燃烧的空气注入焚化装置；
c)将气态氧供给于焚化装置；
d)焚化该废弃物从而形成含有污染物的燃烧废气流；
e)将燃烧废气流供入猝灭单元；藉此燃烧废气流的温度得到降低；
f)将燃烧废气流供入反应区域；
g)将臭氧供入反应区域，藉此臭氧和燃烧废气流在一段预设的时间内保持接触；且
h)将燃烧废气流供入洗涤器，其中污染物被除去。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述氧气通过注入到空气中而被供入焚化装置。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述氧气通过注入到焚化单元中而被供入焚化装置。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，调换步骤f)和g)的顺序并将燃烧废气流供入选自静电除尘器和堆袋室的装置。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述废弃物选自化学废弃物和有害废弃物。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述燃料选自煤和油。
18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述污染物是氮氧化物。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述氮氧化物选自热力型氮氧化物、瞬时型氮氧化物和燃料型氮氧化物。
20.如权利要求12所述的方法，其特征在于，以超过用于燃烧的化学计量的量将氧气供入混合物。
21.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括将燃烧废气流供入废热锅炉。
22.如权利要求12所述的方法，其特征在于，一部分氧气被供入臭氧发生器从而产生臭氧。
23.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述臭氧会与氮氧化物反应从而形成更高价态的氧化物。
24.如权利要求12所述的方法，其特征在于，通过测定燃烧废气流中存在的氮氧化物和臭氧的量来控制添加于燃烧废气流的臭氧的量。
CN201480052714.5A 2013-09-25 2014-09-25 通过添加臭氧处理来***化过程的废气流的方法 Pending CN105579116A (zh)

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