用双效反应器处理高温废物焚化炉产生的烟气的方法和系统

摘要

本发明提供了一种利用双效反应器处理垃圾焚烧所产生的高温烟气的方法及其系统。本发明的方法包括以下步骤：对焚化炉产生的焚烧烟气的温度进行监控；将焚烧烟气以及碱性物料输入到双效反应器的焚烧反应室；气粉混合物进入双效反应器的气固悬浮混合室反应，清除烟气中的酸性气体和二噁英前体物质；所述气粉混合物进入高温收尘器，气固分离，气体通过独立烟囱排出；剩余未反应的碱性物料循环再用，或收集于储灰仓。本发明还提供了一种使用该方法的系统，其包括：焚化炉、温度监控系统、降温系统、双效反应器、高温收尘器、热能回收及除尘系统、储灰仓和独立烟囱，其中，双效反应器由相连的焚烧反应室和气固悬浮混合室组成。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用双效反应器(Dual Purposes Reactor，DPR)应用于垃圾焚烧工艺的环保技术领域，尤其涉及用于解决在垃圾焚烧过程所产生的有害含有机质、毒性及酸性气体及资源化技术等的问题。 

背景技术

随着经济的高速发展，城市废物垃圾急剧增多，特别是工业危险废物，医疗垃圾等，若处理不当，会直接威胁人类的健康。城市垃圾产量不断增长，近年来，年增长速度达到8％左右。目前，我国的垃圾年产量已超过1.5亿吨，因此垃圾处理日益引起重视。目前，最有效处理废物垃圾的方法是焚烧处理。但是焚烧法在缓解城市垃圾处理压力、节约耕地的同时，也带来了许多问题，如焚烧烟气中的酸性气体，会造成换热面和烟道的高温腐蚀和低温腐蚀。另外，焚烧烟气中的二噁英，毒性极大，可致癌，若处理不当，仍会产生严重的二次污染。 

普遍有效的垃圾焚烧处理方法是垃圾焚化炉处理，但垃圾焚化炉产生的烟气中的有害物成分也相应增加，特别是医疗，工业垃圾等危险废弃物焚烧后产生的大量有毒物质。同时由于垃圾焚化炉有时需要在居民区附近设立，因此各国制定的废气排放标准都比较严格。加上垃圾焚烧技术本身就是一项环保技术，其排放标准也将越来越严格，这对垃圾焚烧烟气净化技术提出了很高的要求。严格的排放指标往往导致净化系统的投资及运行费用大大增加。 

垃圾焚化炉产生的主要污染物是各种酸性气体、氯的化合物、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、重金属、粉尘、二噁英等等，另外烟气中焦油含量往往也比较高。这些污染物有的是气态形式，有的是固态形式，还有的是液态形式。其中有些污染物可以通过改进燃烧工艺来削减，但最重要的还是烟气净化技术及系统工艺设计。垃圾焚烧烟气污染物一般含有以下污染物： 

  污染物名称>  污染物浓度(mg/Nm³)>  粉尘>  1000-20000>  HCl>  100-3300>  SO_X  200-3900>  HF>  5.8>  NOX>  750>  Hg>  0.2-5.0>  CO>  300>  其它重金属>  5-30>  总有机物>  200-2000>

可以看出，垃圾焚化炉处理产生的烟气中的污染物含量是比较高的。烟气中污染物的成分及含量与垃圾成分有很大关系，还与辅助燃料有关。国内国外对焚化炉烟气排放的限制项目比较多，排放标准也比工业上的要求要高。我国垃圾焚烧技术起步较晚，烟气净化技术也比较落后，往往导致二次污染。我国自有的垃圾焚烧烟气净化技术虽然有了一些应用，但在实际应用中还存在很多问题，释放烟气的指标与国外相比还有不小的差距。 

目前技术和申请专利都未能很好地解决垃圾焚烧烟气净化技术存在的问题。已有的除酸性气体和二噁英技术多采用急速冷却，喷淋碱液，活性炭吸附系统，处理成本高，处理设备复杂，而且存在着处理不彻底，二次污染严重等缺陷。中国申请专利号200710178933.X的专利采用急冷方式将烟气温度从高温瞬间降 至155～180℃，之后喷淋碱液，这样操作造成了热能的浪费，而且水耗量大，加大了处理成本。中国专利申请号200710025602.2的专利采用活性炭吸附烟气中的二噁英气体，这种操作并不能从根本上阻止有毒二噁英的生成，而且成本极高。中国专利申请号200710040771.3的专利采用水热处理的方法对垃圾焚烧产生的烟气进行处理。虽然本方法可以销毁飞灰中的二噁英等有害气体，但是会产生废水，增加了废水处理环节，且浪费了水资源。 

因此，本领域需要提供一种解决由垃圾焚烧，特别是垃圾焚化炉处理工艺产生的烟气所引起的环境污染，并完全去除烟气中酸性有害气体和二噁英及其前体物质的方法及其系统。 

发明内容

本发明提供了一种用双效反应器处理高温废物焚化炉产生的烟气的方法，其包括以下步骤： 

(1)对垃圾焚化炉产生的焚烧烟气的温度进行监控，令其保持在高温，所述高温为850～950℃；如果焚烧烟气的温度高于所述高温的上限，则对其进行降温处理，使得温度接近所述温度的上限；在烟气温度不到所述高温的情况下，向焚烧反应室内补充燃料，通过燃烧维持焚烧反应室的温度在所述高温； 

(2)将焚烧烟气输入到双效反应器的焚烧反应室； 

(3)将碱性物料输入到焚烧反应室进行加热； 

(4)在维持所述高温的条件下，所述烟气与所述碱性物料组成的气粉混合物进入双效反应器的气固悬浮混合室，在气固悬浮混合室充分混合反应，所述烟气中的酸性气体和二噁英前体物质被清除； 

(5)所述气粉混合物进入高温收尘器，气固分离，气体进入热能回收及除尘系统，最终通过独立烟囱排出； 

(6)剩余未反应的碱性物料回入焚烧反应室循环再用，或收集于储灰仓。 

在本发明的一个方面，所述方法中步骤(1)至(4)中所述高温为850～920℃，优选的，所述高温为860至890℃。 

本发明使用的碱性物料可以是烟气处理领域各种碱性物质。在本发明的一个方面，使用的是固体的碱性物料，例如石灰(包括生石灰和熟石灰)、石灰石、硅沙、氧化铝和粘土，或其组合等。在本发明的方法中，所述固体以粉状方式使用。石灰石主要成分是碳酸钙。石灰有生石灰和熟石灰。生石灰的主要成分是氧化钙。熟石灰主要成分是氢氧化钙。熟石灰经调配成石灰浆、石灰膏、石灰砂浆等。粘土是一种矿物原料，由多种水合硅酸盐和一定量的氧化铝、碱金属氧化物和碱土金属氧化物组成，并含有石英、长石、云母及硫酸盐、硫化物、碳酸盐等杂质。含硅量高的粘土更适合用于烟气处理。 

在本发明的另一个方面，双效反应器的焚烧反应室具有燃料喷嘴，燃料经燃料喷嘴注入到焚烧反应室进行燃烧，维持焚烧反应室的温度在所述高温；优选所述燃料喷嘴为复合式燃料喷嘴，其可作为燃料喷嘴和碱性物料的喷嘴。 

在本发明的另一个方面，可以在步骤(4)将足够的尿素和氨气等还原剂加入双效反应器的气固悬浮混合室，将氮氧化物(NO_X)的产生减至低于100mg/Nm3。 

相应地，本发明还提供了一种烟气处理系统，该烟气处理系统使用了本发明提供的方法进行烟气处理及热能回收。所述系统包括：焚化炉10、温度监控系统20、降温系统30、双效反应器40、高温收尘器50、热能回收及除尘系统60、储灰仓70和独立烟囱80，其中，双效反应器40由相连的焚烧反应室41和气固悬浮混合室42组成。 

本发明包括以下优点： 

第一，通过在本发明烟气处理系统的双效反应器中采用碱性物料与有害气体混合高温煅烧的处理方式，在整个烟气处理过程和系统的初始阶段就进行有害气体处理，从而省去了后续烟气处 理中常用的石灰喷洒装置，同时，由于将处理步骤提前，有效地大大减小了酸性气体对设备的腐蚀。 

第二，焚烧反应室排出的净化烟气，其热能的可利用空间为约850～950℃到约120℃，从而对比现有的有害气体净化-热回收系统有着更高的热能回收效率。 

第三，有害气体在焚烧反应室被加热至约850至950℃，在高度保温条件下进入气固悬浮混合室，整个过程停留时间达6至10秒。因此焚烧反应室对二噁英及形成二噁英的烃类有机物、有机氯化物和无机氯化物等的去除极为彻底，其效果远超过现有的方法。 

第四，在本发明的一个方面，在通过将足量的尿素和氨气等还原剂通入气固悬浮混合室，从而将氮氧化物(NO_X)的产生控制为低于100mg/Nm³。 

第五，碱性物料可在本发明的烟气处理系统中循环使用，减少了碱性物料的投入。 

本发明提供的烟气处理方法及其系统具有能在高温条件下连续运行、吸收酸性气体和消除二噁英和/或其前体物质，包括烃类有机物、有机氯化物和无机氯化物等的功能。该系统既能高度消除含有机质、毒性及酸性气体中的有机物颗粒、CO、SO₂、HCl、HF酸性气体及二噁英等有害物质，同时又能保持或提高处理气体的温度，使之成为可供利用的稳定热源。在高度净化烟气的毒性及酸性气体的同时，实现原有害气体资源化。 

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显： 

图1为是根据本发明的解决由垃圾焚烧工艺所引起的环境污染的方法的一种具体实施方式的流程图； 

图2是使用图1示出的解决由垃圾焚烧工艺所引起的环境污 染的方法的系统的一种具体实施方式的结构示意图； 

具体实施方式

使用了带有双效反应器(Dual Purposes Reactor，DPR)的本发明的方法和系统在产业中进行了小试和中试。 

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 

请参考图1，图1是根据本发明的烟气处理方法的一种具体实施方式的流程图，该方法包括： 

如图1所示，步骤S101为对垃圾焚化炉产生的焚烧烟气的温度进行监视，目的是让其温度不能过高，特别是不超过在后续反应步骤中保持的高温。一般来说垃圾焚化炉产生的焚烧烟气都比较高，超过1200℃。如果焚烧烟气的温度高于所述高温的上限，则对其进行降温处理，使得温度接近所述温度的上限。一旦温度超过所述温度上限，就先进入降温系统进行降温处理。在本发明中，降温系统可采用自动调节冷空气阀。 

S102为将保持在上述温度范围的焚烧烟气输入到双效反应器的焚烧反应室。由于焚烧烟气属于高温烟气，可以使用专门的高温烟气通道进行传输，高温烟气通道与焚烧反应室可以通过液压阀门相连。 

如果温度高达1400～1600℃时，对燃烧反应室管壁材料的要求很高，需要Al₂O₃含量为90％的刚玉砖。而当温度在850～950℃区间时，只需采用Al₂O₃含量为60～75％的II等高铝砖。本发明的焚烧反应室可采用Al₂O₃含量为60～75％的II等高铝砖。 

S103将碱性物料输入到焚烧反应室进行加热。所述碱性物料为粉状固体，其选自石灰、石灰石、硅沙、氧化铝和黏土，或其组合。含硅量高的粘土更适合用于烟气处理。为了使碱性物料在焚烧反应室内充分反应，碱性物料可通过喷嘴喷入焚烧反应室。为了方便、简洁，也可以采用组合式喷嘴，该喷嘴的特点是，在必要时，还可以喷入燃料。 

由于本发明中的烟气属高温气体，一般情况下无需燃料，但是在少数烟气温度不高的情况下，需要向焚烧反应室内补充燃料，通过燃烧维持焚烧反应室的温度在要求的温度范围。此时，可以采用单独的燃料添加装置，如煤气燃料喷嘴、燃料油喷嘴等，也可以采用上述提到的组合式喷嘴。这样不但结构更为紧凑，可以有效减小系统占用空间，也可以改善烟气与高温气流的接触状况。 

碱性物料的用量为其化学反应所需摩尔质量的20至85倍。碱性物料的用量是其反应所需的量的20～85倍时，反应更加充分，能够彻底消除废气中的酸性气体及二噁英。小于20倍，反应不够充分，会导致少量废气清除不够彻底；大于85倍，会增加燃烧炉负担。另外，由于本发明中的碱性物料可以循环利用，因此虽然用量很大，但并不会造成材料浪费。 

S104在高温下，所述烟气与所述碱性物料组成的气粉混合物进入双效反应器的气固悬浮混合室反应，烟气中的酸性气体、持久性有机污染物和二噁英生成组分被清除。 

所述气固悬浮混合室采用喷腾和旋流复合的模式，令碱性物料在烟气流中形成涡流，以达到碱性物料在气固悬浮混合室中均匀分布，并与热气体充分混合接触的效果。 

在需要时，还可以将足够的尿素和氨气等还原剂加入气固悬浮混合室，可将氮氧化物(NO_X)的产生减至低于100mg/Nm³。 

步骤S102至S104均保持在850-950℃的高温之间。优选的所述方法中，步骤(b)至(d)中保持850至920℃的高温，最优选的，所述方法中步骤(b)至(d)中保持860至890℃的高温。 

为了使反应更加充分，处理烟气的时间也很重要，时间太短，会导致反应不够充分；时间过长会造成资源浪费，效率降低。本发明中，所述烟气在焚烧反应室和气固悬浮混合室中停留时间合共为6至10秒，优选8至10秒。 

S105所述气粉混合物进入高温收尘器，气固分离，气体进入热能回收及除尘系统进行处理，处理后的气体是温度在 120～150℃的无害气体，可以直接排入大气，例如可以在热能回收及除尘系统上设置一独立烟囱。在本发明的方法和系统中，使用独立的烟囱将经过本发明的方法和系统处理的气体排出。独立的烟囱是指不用于排出来自其它系统、设备、方法的气体或烟气，也就是说，本发明的系统使用的烟囱与其它系统或设备的分开。 

如果该气体需要被加以利用，那么可以不直接排入大气，而是通入其他系统，可以通过烟气管道将热能回收及除尘系统与其他系统相连接。 

S106经高温收尘器进行气固分离后的固体残渣是剩余未反应的碱性物料，这些固体物料回入焚烧反应室循环再用，或收集于储灰仓。所述高温收尘器、焚烧反应室和储灰仓可以通过一高温三通阀进行连接。当从高温收尘器中经过气固分离的固体碱性物料出来后，可以通过高温固料管道直接返回焚烧反应室；而当所述固体碱性物料质量降低，或者其他原因不适宜再次利用时，可以直接通入储灰仓储存，或转作其他工业应用。 

结合图2进行参考，图2是使用图1示出的解决由垃圾焚烧工艺所引起的环境污染的方法的系统的一种具体实施方式的结构示意图，该系统包括： 

焚化炉10、温度监控系统20、降温系统30、双效反应器40、高温收尘器50、热能回收及除尘系统60、储灰仓70和独立烟囱80，其中，双效反应器40由相连的焚烧反应室41和气固悬浮混合室42组成。下面结合图1示出的方法对该系统的各部分进行说明。 

本实施例中，在该系统独立运行的情况下，在双效反应器40的焚烧反应室41内加入粉状固体碱性物料，排出气体的除水含氧率为8至11％，涤气温度850至950℃，停留时间时间6至10秒。 

如图1和图2所示，首先，垃圾焚化10产生的烟气进入温度监控系统20，该系统对烟气温度进行监控。为了充分去除烟气中的酸性气体和二噁英及其前体物质，同时，控制反应成本，要始终将双效反应器40的焚烧反应室41的温度保持在850～950℃。 一旦垃圾焚化10产生的烟气温度超过950℃，就要将烟气输入到降温系统30进行降温处理，使温度居于850～950℃。在本发明中，可采用自动调节冷空气阀实现降低温度。温度低于950℃时，则将烟气直接输入到焚烧反应室41，若温度低于850℃之间，要在焚烧反应室中加入燃料燃烧，以便将温度升至850～950℃，若温度处于850～950℃，则省去了燃料注入步骤。 

本发明的双效反应器采用Al₂O₃含量为60～75％的II等高铝砖。 

在焚烧烟气输入到焚烧反应室1，并控制好焚烧反应室温度之后，将碱性物料输入到焚烧反应室1进行加热。 

所述碱性物料可以是石灰、石灰石、硅沙、氧化铝和粘土，或其组合。 

经过煅烧后，由焚烧反应室41排出气粉混合物，将该气粉混合物通入双效反应器40的气固悬浮混合室42，该气粉混合物中的高温粉状碱性物料和高温烟气在气固悬浮混合室42中充分均化、混合、接触和反应；最终达气体净化的效果。 

本发明的气固悬浮混合室42采用喷腾和旋流复合式的模式，使涤气温度达到850℃至950℃，在去除了酸性气体的同时，彻底抑制和焚尽了二噁英的组成元素和有机物，使二噁英在降温过程中难以重新形成。 

之后，充分反应后的气粉混合物由气固悬浮混合室42内进入高温收尘器50，通常气固悬浮混合室42和高温收尘器50可以通过气固混合管道连接。在该高温收尘器50中所述气粉混合物中的粉尘与气体分离，将所述气粉混合物中的粉尘净化后，余下高温气体进行下一步处理。 

气固分离后高温气体进入热能回收及除尘系统60，经过热能回收和收尘处理后的气体是温度在120～150℃的无害气体，可以直接排入大气，例如可以在热能回收及除尘系统60上设置一独立烟囱80，或者通过烟气管道将热能回收及除尘系统60与独立烟 囱80相连接。如果该气体需要被加以利用，那么可以不直接排入大气，而是通入其他系统，可以通过烟气管道将热能回收及除尘系统60与其他系统相连接。 

剩余未反应的碱性物料回入焚烧反应室41循环再用，或收集于储灰仓70。所述高温收尘器50、焚烧反应室41和储灰仓70可以通过一高温三通阀进行连接。 

当从高温收尘器50中经过气固分离的固体碱性物料出来后，可以通过高温固料管道直接返回焚烧反应室41；当在实际操作中发现碱性物料性能不良、需要快速更换时，从高温收尘器50出来的碱性物料也可以直接进入储灰仓70，同时加大焚烧反应室41的碱性物料投入量并增加燃料用量，直至碱性物料的比重达到反应要求且温度恢复正常。 

经初步测量和估算，使用本发明双效反应器(Dual PurposesReactor，DPR)的系统最后释放出的气体的二噁英低于0.018ngTEQ/m³，总挥发性有机碳低于3mg/m³，氯化氢气体(HCl)低于3mg/m³，氟化氢气体(HF)低于0.03mg/m³，SO₂低于20mg/m³(以标准状态下含11％O₂的干烟气为参考值换算)。排出的气体的各项指标符合欧盟和中国的大气污染物综合排放标准。 

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。