专利名称：闭合循环废料燃烧的制作方法
背景技术：
本发明涉及有机废料的燃烧，特别涉及使用浓缩氧气的闭合循环废料燃烧。
废料如市政固体废料、污水处理沉淀物以及造纸残渣，通常通过焚烧进行处理。这种废料含有有机可燃物及无机金属氧化物。有机可燃物一般能在燃烧过程中提供足够热能，从而使燃烧室维持较高温度而无需附加燃料。废料无机部分的特点在于其中含有一些二氧化硅(SiO2)以及其它形成玻璃的金属氧化物。如果使用炉渣燃烧器如旋转窑或旋风炉进行燃烧，废料的无机部分能达到足以熔融的高温。得到的熔融材料作为熔渣从燃烧器中排出。
传统的焚烧炉设计时使用空气作为氧化剂源燃烧有机废料。由于空气的近五分之四是惰性气体(主要是氮气)，大部分空气对燃烧过程不起作用。实际上，惰性气体还具有一些显著的缺点。第一个缺点就是，燃烧焰温度下降，因此很难维持能使废料中的无机金属氧化物熔融所需的温度。第二，来自焚烧炉的废气会被大量的氮气污染从而产生大量废气，这些废气在排放到空气中之前需要进一步的处理。
已提出通过在燃烧室中引入浓缩氧气与循环废气来减少有害废物焚烧炉中氮气的不良效应。参见于1994年5月10号授于Downs等人的美国专利5,309,850。
本发明在闭合循环中也使用浓缩氧气处理无害废料以便将废料转变为有用的终端产品。
发明概述根据本发明，将无害有机废料引入炉渣燃烧器中进行燃烧。燃烧得到了废气及熔融无机灰分熔渣，将炉渣从燃烧器中移走。处理废气除去其中含有的大部分颗粒物质。将部分处理的废气与浓缩氧气源混合，其混合比必须使混合气体中氧气的体积浓度至少达到30％。在燃烧器中引入混合气体来支持废料的燃烧。
混合气体中氧气的体积比优选40％至50％。在与浓缩氧气混合前，废气必须先冷却并干燥。
进一步根据本发明，可以将处理气体的第二部分进行处理，除去其中的二氧化碳。优选将除去的二氧化碳转换成液态。
根据本发明的一个实施例，在将混合气体引入燃烧器前，将来自废气的一部分热量传递给混合气体。
本发明还包括实施这种方法的装置。
本发明的焚烧方法的产物很有用。液化二氧化碳可以作为产品进入市场。由此得到的二氧化碳将代替目前使用天然气或利用其它自然资源生产的二氧化碳，从而保护了自然资源。使废料中的无机产品玻璃化形成高度惰性的颗粒材料，这种材料可以用作建筑材料。传统的废料焚烧炉通常会得到必须掩埋的灰分。除了在二氧化碳回收系统的出口处有少量无法冷凝的(non-condensible)气体外，本发明的焚烧过程没有气体排放到空气中，与传统的会有大量气体排出的焚烧过程相比，本过程对环境的影响很小。
本发明前述以及其它目的及优势将在以下详细说明书中表述。说明书参考附图，
了本发明的各种实例。
附图简要说明图1是用来实施本发明的装置的示意图。
图2是用来实施本发明的装置的另一个实施例的示意图。
图3也是用来实施本发明的装置的另一个实施例的示意图。
图4是用来实施本发明的装置的再一个实施例的示意图。
本发明的详细说明图1中，通过管路7将干燥废料(湿含量足够低以便支持良好的燃烧)引入混合器9。对于某些废料，有可能要加入助熔剂或玻璃成形材料(如SiO2)或者加入两者，来优化熔点、确保得到的玻璃熔渣具有良好的质量。助熔剂和/或玻璃成形材料通过管路8引入混合器9中。混合材料通过管路10引入燃烧室11中。
废料可能含有造纸废渣、市政废水处理沉淀物、市政固体废料或类似材料。废料的特征在于，热值低于传统燃料、灰分含量高于传统的固体燃料如煤炭。热值的范围一般为，但不限于500Btu/lb(1163千焦/千克)至9,000Btu/lb(20,934千焦/千克)。灰分含量一般在5％至65％之间。燃烧室11一般是耐火衬里的。燃烧室的设计能促进废料与气体源之间具有良好的接触。燃烧室可以是水冷却燃烧室、旋风炉或旋转窑。燃烧室的平均工作温度范围通常在2,500°F(1371℃)与3,500°F(1927℃)之间。燃烧室11内部的工作温度足以使废料中的无机灰分熔化成液体状态。熔融无机灰分通过管路12从燃烧室11的底部排出，熔渣在燃烧室11的底部淬火。用尽的燃烧废气通过管路13在2,500°F(1371℃)至3,500°F(1927℃)的温度范围内排出进入混合室14。热废气与从管路33进入的凉循环气体混合。限制凉循环气体的流动来控制由管路15流出混合器14的气体温度，使其在750°F(399℃)与1,400°F(760℃)之间。在一种替换结构中，混合室14可以由蒸汽锅炉代替。
来自管路15的废气进入气体一气体热交换器16，在热交换器中热量由废气传递至再生循环废气。推荐使用热交换器16，但也可以任选，这要取决于系统的操作参数。接着，废气通过管路17进入蒸汽锅炉或水加热器18，并在其中进一步冷却。锅炉给水通过管路19进入锅炉18，蒸汽通过管路20排出。凉燃烧气体通过管路21离开蒸汽锅炉18进入颗粒过滤器22，在过滤器中管路将细颗粒物质捕获并通过管路23从体系中除去。不含颗粒的废气通过管路24从过滤器中排出进入水蒸气冷凝器25。冷循环水通过管路26进入并经由管路27排出。大部分水蒸气从废蒸汽中冷凝出来并通过管路28排出。蒸汽冷凝器25优选由耐腐蚀材料构造。蒸汽冷凝器还会进一步除去颗粒过滤器22没有捕获的颗粒物质。
大部分水蒸气除去后，废气经由管路29出来。这时，大部分(体积比为75％至95％)过程气流(process gas stream)是二氧化碳(CO2)，还有少量氮气(N2)，氧气(O2)以及水蒸气(H2O)。过程气流也会含有痕量的二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)、挥发性有机化合物(HxCy)、氯化氢(HCl)、一氧化碳(CO)以及颗粒物质。
第一部分气体蒸汽通过管路31循环回到燃烧回路，剩余的蒸汽通过管路30进入进一步的处理过程。管路30中二氧化碳的质量流速与稳态条件下过程的燃烧阶段中形成的二氧化碳量相等。要进行循环的第一部分气流进入鼓风机32，鼓风机能提供必要的压力以克服气流通过闭循环时的压力损失。气流从鼓风机32出来，分成管路33及管路34。在管路34中的气流与通向氧气源38的管路40中的浓缩氧气混合。管路40中氧气的体积浓度一般在90％至95％之间。管路35接收来自管路34及40的混合气体。这样混合气体得以再生并含有足以用于燃烧的氧气浓度。再生气体蒸汽中氧气的体积浓度一般在30％至80％之间，最佳浓度为40％至55％。再生蒸汽中理想的氧气浓度基于维持燃烧室11中最佳燃烧温度及燃烧效率来选择。理想的氧气浓度可以随废物燃料、燃烧技术以及其它操作因素的不同而变化。混合蒸汽中氧气的量由氧气传感器57检测并通过管路40中的阀门58控制。
管路35中的再生气体进入气-气热交换器16，在热交换器中，再生气体接收来自废气的热量。提高再生气体的温度能提高燃烧性能。再生气体的温度一般在400°F(204℃)与1200°F(649℃)之间。加热的再生气体进入管路36，并由此进入燃烧室11。
浓缩氧气在空气分离单元38中得到，该分离单元从管路37接收空气并将氧气(O2)与氮气(N2)分离。氧气从管路40出来而氮气则通过管路39排回大气中。空气分离技术已十分成熟。可以用任意几几种方法分离空气，例如真空压力摇摆吸附法(vacuum pressure swing absorption)或低温空气分离法。任何一种方法都能提供适量的浓缩氧气。
在不要求回收二氧化碳的特殊情况中，管路30中的第二部分废气可以直接排入大气中或先通过最终过滤器(未显示)再排入大气中。
如果要回收二氧化碳，管路30中多余的气体进入气体净化系统41。一些痕量气体的存在会影响产品的质量及销售。痕量气体包括二氧化氮(NO2)，二氧化硫(SO2)，氯化氢(HCl)，烃基气体(HxCy)以及一氧化碳(CO)。各种化合物的存在及浓度是消耗的废物燃料以及燃烧系统的操作参数的函数。实际操作中，系统41包括几个步骤，可能的步骤包括，但不限于用来调整气体温度的热交换器、空气加热器、催化剂床(减少痕量气体如NO2，CO，HxCy并将其转化成N2，H2O及CO2)、洗涤器(使用试剂直接除去HCl及SO2)、除湿器或干燥器(除去水蒸气)以及最终过滤器(除去任何精细颗粒物质)。各种清除装置的顺序及选择是本技术领域所熟知的，并且会随着痕量气体的初始浓度及所要求的终产品规格的不同而变化。
净化气体从系统41出来进入管路42并由此进入压缩机43。压缩机入口处的气压等于或小于1.0大气压(14.7psia)。为了提供合适的条件使二氧化碳液化，压缩机43将气体压缩使压力达到20至65大气压。压缩气体从管路46出来。压缩机使用管路44的水冷却，热水从管路45流出。
压缩气体进入热交换器48，在热交换器中气体使用管路47中装备的冷冻剂间接冷却。取决于气体压缩机的初始操作压以及要求的二氧化碳除去效率，冷冻剂的温度一般在30°F与-30°F(-1℃与-34℃)之间。一部分二氧化碳由气体转换成液体并从管路49排出。氮气与氧气以及一些在第一阶段没有液化的二氧化碳从管路50出来进入热交换器52。管路51中温度一般在0°F与-55°F(-17℃与-48℃)之间的冷冻剂将进一步冷却废气使另外的二氧化碳冷却。该另外的二氧化碳从管路53出来，并在管路55中与管路49中的二氧化碳混合。管路55中的二氧化碳可以作为传统的液态二氧化碳产品。将管路54出来的气体排出，该气体主要含有氮气与氧气，还有少量未液化的二氧化碳。
分离的第二阶段(热交换器52)是任选的，其必要性根据所要求的CO2收集效率决定。如果不使用分离的第二阶段，管路50将通入大气中。
可以通过管路60在燃烧室11中加入补充燃料如天然气、丙烷、石油、木材以及煤炭来维持熔化无机材料所需的温度。
图2所示是实施本发明的另一个装置。该装置与图1中所示装置的区别在于，图1的装置将来自氧气源38的浓缩氧气与管路34中的循环气体混合，而图2的装置则是通过管路59将氧气直接引入燃烧室11。进入燃烧室11的气体中氧气浓度维持在与上述讨论的图1(30％-80％)中的再生气流相同的水平。氧气浓度由对氧气传感器57做出响应而调整的阀门58控制。
图3所示是另一个实施本发明的装置。图3中的装置与图2中装置的区别在于，氧气传感器57从管路59移到管路15重新安置。因此，图3中的装置提供了可选择的地点通过氧气传感器57检测装置中的氧气。管路40中的阀门58对氧气传感器57做出响应而控制，从而使进入燃烧室11的气体中氧气浓度与上述图1(30％-80％)中所讨论的相同。
图4所示是另一个实施本发明的装置图。图4的装置与图2的装置区别在于，氧气传感器从管路59中移走，管路40中安装了第一流动传感器60，管路36中安装了第二流动传感器61。图4的装置中，第一流动传感器60测量管路40中的流体流动，氧气的体积百分比可以计算(例如在系统控制器中)，计算值可以用来控制管路40中的阀门。用这种方法，阀门58响应于自第一流动传感器60以及第二流动传感器61的氧气计算值，从而使进入燃烧室11的气体中氧气浓度维持在与上述讨论的图1中(30％-80％)再生蒸汽中氧气浓度相同的水平。
尽管本发明通过参考某些实例进行了详细说明，本领域的技术人员都会认可，实施本发明可以使用所说明的实例以外的方法，所说明的实例只是为了说明本发明的实施方法，而不是限制本发明。因此，附加的权利说明书的范围不限于所包含的实时例说明。
权利要求
1.一种用于处理以灰分含量高、热值在每磅500至9,000Btus左右为特征的有机废料的装置，其特征在于，所述装置包括用来燃烧有机废料得到熔融无机灰分以及废气的炉渣燃烧器；与燃烧器间有流体交换的冷却器，该冷却器接收来自燃烧器的废气并将废气冷却；与冷却器间有流体交换的冷凝器，该冷凝器接收来自冷却器的冷却废气并将冷却废气干燥；与冷凝器间有流体交换的冷凝器气体输出管道；与冷凝器气体输出管道及燃烧器间有流体交换的废气再循环管道，该废气再循环管道从冷凝器气体输出管道中接收第一部分冷却干燥废气，并将所述第一部分冷却干燥废气循环到燃烧器；与燃烧器间有流体交换的浓缩氧气源，用于向燃烧器中加入浓缩氧气；用于测定进入冷却器的气体中氧气量的氧气传感器，其中，所述浓缩氧气源包括响应氧气传感器的阀门，该阀门响应氧气传感器，用于调节进入燃烧器的浓缩氧气的流量。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述浓缩氧气源包括用来从环境空气输入料中分离浓缩氧气的空气分离器。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括与冷却器及冷凝器间有流体交换的颗粒过滤器，该颗粒过滤器从冷却器接收冷却废气并在冷却废气进入冷凝器之前从冷却废气中除去颗粒物质。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括位于废气再循环管道中的鼓风机，该鼓风机用来增加压力促使第一部分冷却干燥废气流动。
5.如权利要求1所述的装置还包括气体热交换器，其第一部分与燃烧器及冷却器间有流体交换，第二部分与废气再循环管道及燃烧器间有流体交换，该热交换器将热量从燃烧器中的废气传递给废气再循环管道中的气体混合物。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括与燃烧器及热交换器的第一部分间有流体交换的气体混合器，该气体混合器与废气再循环管道间有流体交换，该混合器将来自燃烧器的废气与一定量的来自废气再循环管道的第一部分冷却干燥废气混合。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括与冷凝器气体输出管道间有流体交换的废气回收管道，用于接收来自冷凝器气体输出管道的第二部分冷却干燥废气；与废气回收管道间有流体交换的二氧化碳清除系统，该系统接收来自废气回收管道的第二部分冷却干燥废气，并从第二部分冷却干燥废气中回收二氧化碳。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述二氧化碳清除系统包括与废气回收管道间有流体交换的压缩机，用于压缩来自废气回收管道的所述第二部分冷却干燥废气；与压缩机间有流体交换的回收热交换器，该回收热交换器接收来自冷凝器的压缩的压缩的第二部分冷却干燥废气，并从压缩的压缩的第二部分冷却干燥废气中回收液态二氧化碳。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述二氧化碳清除系统还包括与废气回收管道及压缩机间有流体交换的气体净化器，该气体净化器接收来自废气回收管道的所述第二部分冷却干燥废气，并在第二部分冷却干燥废气进入压缩机之前从第二部分冷却干燥废气中除去痕量气体。
10.一种用于处理灰分含量高、热值在每磅500至9,000Btus之间的有机废料的装置，其特征在于，它包括用来燃烧有机废料得到熔融无机灰分以及废气的炉渣燃烧器；与燃烧器间有流体交换的冷却器，该冷却器接收来自燃烧器的废气并将废气冷却；与冷却器间有流体交换的冷凝器，该冷凝器接收来自冷却器的冷却废气并将冷却废气干燥；与冷凝器间有流体交换的冷凝器气体输出管道；与冷凝器气体输出管道及燃烧器间有流体交换的废气再循环管道，该废气再循环管道从冷凝器气体输出管道中接收第一部分冷却干燥废气，并将第一部分冷却干燥废气循环到燃烧器；位于废气再循环管道中的第一流动传感器；通过氧气管道与燃烧器间有流体交换、用于向燃烧器中加入浓缩氧气的浓缩氧气源；以及位于氧气管道中的第二流动传感器，其中，浓缩氧气源包括响应第一流动传感器及第二流动传感器对应的阀门，该阀门由第一流动传感器及第二流动传感器控制，适用于调节进入燃烧器的浓缩氧气的流量。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，第一流动传感器及第二流动传感器测试流体流量，计算氧气的体积百分比以便控制阀门。
12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述浓缩氧气源包括用于从环境空气中分离浓缩氧气的空气分离器。
13.如权利要求10所述的装置，其特征在于，还包括与冷却器及冷凝器间有流体交换的颗粒过滤器，该颗粒过滤器从冷却器接收冷却废气并在冷却废气进入冷凝器之前从冷却废气中除去颗粒物质。
14.如权利要求10所述的装置还包括位于废气再循环管道中的鼓风机，该鼓风机用来增加压力促使所述第一部分冷却干燥废气流动。
15.如权利要求10所述的装置，其特征在于，还包括气体热交换器，其第一部分与燃烧器及冷却器间有流体交换，第二部分与废气再循环管道及燃烧器间有流体交换，该热交换器将热量从来自燃烧器的废气传递给废气再循环管道中的气体混合物。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，还包括与燃烧器及热交换器的第一部分间有流体交换的气体混合器，该气体混合器与废气再循环管道间有流体交换，该混合器将来自燃烧器的废气与一定量的来自废气再循环管道的第一部分冷却干燥废气混合。
17.如权利要求10所述的装置，其特征在于，还包括与冷凝器气体输出管道间有流体交换、用于接收来自冷凝器气体输出管道的第二部分冷却干燥废气的废气回收管道；与废气回收管道间有流体交换的二氧化碳清除系统，该系统接收来自废气回收管道的所述第二部分冷却干燥废气，并从所述第二部分冷却干燥废气中回收二氧化碳。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述二氧化碳清除系统包括与废气回收管道间有流体交换、用来压缩来自废气回收管道的第二部分冷却干燥废气的压缩机；与压缩机间有流体交换的回收热交换器，该回收热交换器接收来自冷凝器的压缩的第二部分冷却干燥废气，并从所述压缩的第二部分冷却干燥废气中回收液态二氧化碳。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述二氧化碳清除系统还包括与废气回收管道及压缩机间有流体交换的气体净化器，该气体净化器接收来自废气回收管道的所述第二部分冷却干燥废气，并在所述第二部分冷却干燥废气进入压缩机之前从所述第二部分冷却干燥废气中除去痕量气体。
全文摘要
本装置包括用来燃烧有机废料得到熔融无机灰分及废气的炉渣燃烧器、用来接收及冷却废气的冷却器、用来接收并干燥冷却废气的冷凝器、用来接收来自冷凝器的第一部分冷却干燥气体的废气再循环管道以及浓缩氧气源，该浓缩氧气源与废气再循环管道间有流体交换，以便在第一部分冷却干燥废气中加入浓缩氧气得到气体混合物，该气体混合物通过废气再循环管道加入燃烧器中，其中，浓缩氧气源包括一个阀门，该阀门响应于废气再循环管道中的氧气传感器，从而控制进入废气再循环管道的浓缩氧气流量。
文档编号F23J15/00GK1589382SQ02808294
公开日2005年3月2日 申请日期2002年4月11日 优先权日2001年4月16日
发明者T·J·鲍德休英 申请人:米内吉有限公司