专利名称：一种用于有机废料的控制氧化方法
技术领域：
本发明涉及一种废料的热氧化方法，更特别涉及一种对所选定的固体废料进行两级控制的热氧化方法，以显著的减少对大气排放的指标。
两级燃烧方法为现有技术，其中在第一级燃烧室中可燃物质通常都是在准理想反应配比的条件下进行燃烧并生成燃气和灰分。将所得可燃气体在第二级燃烧中与空气进一步相混合，并在超理想反应配比的条件下进行燃烧。
两级燃烧控制的典型例子公开于美国专利NO4,013,023和4,182,26中，第一级的操作温度靠逆作用的空气调节与辅助燃料烧咀控制在特定范围内，同时借助过剩空气和附设的辅助烧咀来保证在准理想反应配比的条件下进行燃烧，若需要，燃气在进入第二级燃烧时还应保持一定的含氧量。第二级的温度是靠直接方式加以调控，因为二级温度的增加必会引起空气流量的增加；使燃气受冷激效应并降至较低的温度。在调控温度时还会遇上另外的困难问题，即当空气流量过剩增加时，在二次气体出口处无法保持最小的含氧量水平。
有关对典型两级燃烧系统调控的改进，可参见美国专利NO4,474,121，在第一级燃烧中集中保证能在准理想反应配比下进行燃烧，而在第二级中空气的流量则采用超理想反应配比的条件，实质上在第一级的气体出口处可取消任何对氧气的监控要求，这比起早期的燃烧技术可实现更佳的调控。
有关介绍其他的废料焚烧方法及其设备的背景材料还包括U.S.No.3,595,181Anderson 1971年7月27日U.S.No.3,610,179Shaw 1971年10月5日U.S.No.3,651,771Eberle 1972年3月28日U.S.No.3,664,277Chatterjee et al 1972年5月23日U.S.No.3,680,500Pryor1972年8月1日U.S.No.4,517,906Lewis et al 1985年5月21日U.S.No.4,800,824DiFonzo 1989年1月31日U.S.No.4,870,910Wrignt et al 1989年10月3日U.S.No.4,941,415Pope et al 1990年7月17日U.S.No.4,976,207Richard et al1990年12月11日U.S.No.5,095,829Nevels 1992年3月17日U.S.No.5,123,364Gitman et al1992年6月23日U.S.No.5,222,446Edwards et al 1993年6月29日在这些典型的调控系统中并未提及有关大气排放问题，这一问题与通过第一级的燃烧废料层的十分易变的空气流量有关系，从中可造成微尘颗粒的意外增加，因此在排气进入热交换器或放入大气前必须采用一系列的除尘系统。而监控第一级排气组份所用的分析仪器则也会因排放中恒定污染造成读数不精确，必需对之进行必要的防范与维持，以便使其控制过程达理想的程度。
因此，本发明旨在提供一种能为国际标准所接受的、并保证能按规定满足空气质量的燃烧氧化方法，而又不需配置昂贵的排气洗涤和过滤设施来清除其中的有机化物和固体尘粒。
本发明提出一种燃烧固体废料的热控制氧化方法。该方法包括第一燃烧级，其中废料从其顶部向底部、朝向下方向进行燃烧。首先把固定的预定体积的空气从废料层的底部向顶部通过，其次把可调的较少体积的预定空气从废料层的表面流过并穿入燃烧的火焰层。本发明方法还包括一第二燃烧级，其中从第一燃烧级引入的燃烧产物是在135％至200％的总化学计量空气条件下短时间暴露于高温条件下。
在第二燃烧级中，燃烧产物暴露于1832°F的高温条件下至少2秒钟是优选的。
本发明方法特别适用于固体废料的最大含湿量为60wt％，最小平均高位发热值为约4000BTU/Ib，湿分与非可燃物的最大组合含量约为57wt％，本发明对固体废料燃烧所释放的有机化学组分，以及对燃烧过程所生成的固有合成物，即二噁英和呋喃等(Dioxins/Furans)基本上完全氧化。
附图简要说明本发明的上述和其它优点在详细阅读了以下内容介绍和参阅附图后是显而易见的。
图1为实施本发明方法的燃烧室设备的总示意图。
尽管在介绍本发明时还同时联系具体的示例来说明，但这应理解到，并非把本发明仅局限在该具体的示例上，相反地，它意欲覆盖后附的本发明的权利要求定义所包括的精神和范围内的所有内容、以及替换、改进或其等同物。
优选实施方案的详细介绍如图1所示，本发明方法所采用的焚烧炉2系间歇式、定量投放废料、并需对之供应空气，其中第一级燃烧室4装载的固体废料，要求满足规定的最大和最小的相应物性，诸如平均高位发热值、湿含量以及非可烧物的总含量。经点火燃烧一小时后，第一级的燃烧只按准理想反应配比(小于100％空气)的条件下进行，直至燃烧循环已认定完成为止。燃烧室4装有两个完全不同的新鲜空气供料口以及独立测量和控制空气流量的装置。第一处空气供应口6系按固定体积量从燃烧室4的最低处供气，经废料层8被燃烧，再进入燃烧室4的最顶部区10；第二处空气供应口12供给的，体积量则是可变的，它从燃烧室废料层8的表面流入。二次空气的体积流量不超过第一处空气供应口6处空气供入量的50％。在废料层8上面最顶部区10的温度(T1)借仪表16测量并加以记录。两股空气流在进入第二级燃烧室14前，于废料层8的顶部相混合。
最顶部区10的温度(T1)最高限为1350°F，下限为850°F，若过载就应停闭燃烧室最顶部的第二处空气供量。在燃烧室4的最顶部区域10还设有辅助燃料烧咀18，供固体废料在较高限条件下开工点火用。以保证能在非常规的情况下连续地沿朝向下方向进行燃烧，直至燃烧完成为止。
燃烧室4最顶部区域10内的燃烧气体经循环时间的第一小时后，温度T1可达1150°F，这时燃烧室4内的燃烧过程可认为已基本完成，再经下一周期时间后，温度降至850°F。
在第二级燃烧室14中装有把从第一级燃烧室4引入的燃烧气体与新鲜的空气相混合以实现第二级燃烧设备20的。该混合气体被暴露在第二级燃烧室14的高温区中，并借助烧咀21所处燃烧室中最低为1832°F的温度进一步燃烧。第二级燃烧室14中所有的燃烧产物在排入烟卤22以前，要求在燃烧室中最少停留2秒钟。
本发明方法提供通常的两级燃烧中预期的135％至200％的反应配比是在总化学计量空气条件下进行的。
适合于本发明方法的固体废料应根据废料产品样本所确认的，必须具有足够的平均高位发热值以及合适的水分和非可燃物含量，以便在第一级燃烧室4中能自持地按准理想反应配比的条件下进行燃烧，而不需附加辅助烧咀以提供辅助热能，这与现以有的燃烧有所不同。还应特别指出，采用如下所列的、并经确认的最大和最小相关物性的固体废料是适宜的·最大含湿量为60wt％·最小的平均高位发热值约为4000BTU/Ib；·湿分与非可燃物的最大组合含量约为57wt％；现已显示，废料按本发明方法进行燃烧时，烟卤的大气排放状况已获显著的改善，具体指标为·固体微尘挟带量少于10mg/dcsm(干基)；·排气中各种TOC有机化合物(如碳)的含量少于10mg/dcsm(干基)，以干物料为基础；·排气中二噁英和呋喃(Dioxins/Furans)的含量少于0.10mg/dcsm(干基)，按I-TEQ计量；·排气中一氧化碳(CO)的含量少于50mg/dcsm(干基)；·排气中各种氮氧化物(NOX)的含量小于210mg/dcsm(干基)；用本发明方法处理固体废料具有很高的处理能力和经济效果，即24小时可处理约50吨，每燃烧机组每小时可产生洁净的可用热能2千5百万BTU。
本发明方法在第一级燃烧室4中备有二处完全不同的空气供应口，第一处供应的空气量是固定的、体积流量较大，从燃烧室的底部流入，经固体废料层8，随后又通过灰层。第二处供应的空气量是可调的，其体积流量较小，从燃烧室顶部流入，不经固体废料层及其灰层，同时穿入火焰区，从而促使其气体进一步燃烧，并在第一级燃烧室中析出额外的热量。采用这种两处供应空气的方案，可显著改善燃烧过程的控制，可产生下述的效果(a)由于流过废料层及其上层的灰层的空气体积流量固定，使第一级出口的燃气温度范围较宽，因而可减少微尘的挟带；(b)由于空气的体积流量小且固定，燃烧区的温度低，从而避免形成灰渣与熔融物，使灰分更易再循环。
(c)不需提高废料层内的空气流量，而只是借助改变其二次空气量，就可提高燃烧室的最顶部区域的燃气温度。
(d)使第一级燃烧室出口和第二级燃烧室进口的燃气温度和体积(流量)更为协调一致。
现结合一实施例对本发明所述的方法做更进一步说明。
现有一两级热氧化器，由ECO废料处理公司制造，该氧化器的第一级内部容积为343立方尺，尺寸为7ft×7ft×7ft，在第一级燃烧室4上备有两处独立的新鲜空气进口，如图1所示，按本发明借助图中26和28装置分别对两股空气进行测量和记录。第一级燃烧室在其顶部区备有测量和记录燃烧气体温度(T1)的仪表。第二级燃烧室14的内部总容量为198立方尺，所有燃烧产物在排出烟卤以前，要求在最低温度为1832°F的条件下至少在第二级燃烧室内停留2秒钟以上。烟卤进口处的温度(T2)借仪表30加以测量和记录，在第二级燃烧室侧端部上，在相对应的位置上设置有二个燃料烧咀21。
所有燃烧试验都是在如图1所示的焚烧/氧化系统上实施的。
开始燃烧试验采用预混合的非均匀系城市固体废料(MSW)，其高位发热值约为4300BTU/Ib，不采用顶部供空气。燃烧试验是为了确定排烟微尘含量在低于10mg/dcsm(干基)条件下，从底部供应空气的最大流量，排烟按氧气含量为11％进行计算。经过3小时的周期时间后，三组燃烧的排烟总含尘量汇总列于表1上。
表1
从表1可以看出，底部空气供量为30scfm或更小时，可认为已有足够的裕度来保证排烟含尘量低于10mg/dcsm(干基)。顶部空气供量为30标准立方尺/分，相当于每平方米的第一级燃烧室床层面积的空气流量为0.61dscf(床层面积为49sq.ft)。
第二组系列的燃烧试验都是采用MSW废料进行的，以便确定在各种方法条件下所存在的差异。这些不同方法条件是(a)第4号试验，对底部空气流量不予调控，也不在顶部加入空气，而仅靠烟卤的自然通风。
(b)第5号试验，底部空气流量予以固定，也不在顶部加入空气。
(c)第6号试验，底部空气流量予以固定，顶部空气按递增的方式，使其体积流量达底部空气最大流量的50％。
第4、5、6号燃烧试验的时间、温度和空气流量，列于表2上。应注意，所有出现的废料在这些燃烧试验中都是采用预先混合并达高度一致的，它们的发热值约为4700BTU/Ib，其装载重量为从1850Ib至1870Ib。表2
说明在燃烧循环第1小时后的一段时间，温度T1最低可达1150°F，随后又经历一段时间，温度可降至850°F，这时，可以认为燃烧循环已基本完成。#4至#6燃烧所持的时间、温度及其空气流量情如下所示1．当固体废料烧烬后，从底部和顶部对第一级燃烧室组合供应空气的#6燃烧，比起#4和#5燃烧的循环时间要减少15％至20％。
2．对于处理这类废料，#6燃烧的的操作温度T1，更早以前就已达到，这就可以促使其燃烧循环时间显著减少。
3．以各循环经历了3小时为起点，各燃烧(#4、#5、#6)在经历3小时后，烟卤排气的平均微尘含量，如下所示烟卤中的微尘含量#4燃烧-17.3mg/dscm(干基)。按含氧量11％计算；#5燃烧-8.6mg/dscm(干基)。按含氧量11％计算；#6燃烧-9.2mg/dscm(干基)。按含氧量11％计算；4．对比#4和#5燃烧的结果可以进一步表明，从底部对第一燃烧级供应空气，对排烟气体的微尘含量有着显著显的影响。
5．对比#5和#6燃烧的含尘量后同样可以进一步表明，当底部的空气供量固定，只从第一级燃烧室的顶部供应空气，其供气量至少为底部空气供量的二分之一时，对排烟含尘量并不会有严重的影响。
第三组的系列燃烧试验是在如下的条件下进行的，即不向顶部供应空气，底部的最大空气供量为30scfm(相当于每平方尺的第一燃烧级床面积的流量为0.61scfm)，温度T1的范围为850°F至1350°F。本系列试验旨在确定对各种不同平均高位发热值的固体废料的适用范围及其所需要的从底部供给空气的固定流量，这些固体废料燃烧时要求能自持地按准理想反应配比的条件下实现自顶部至底部的朝向下方向的燃烧。表3列出#7至#12系列燃烧试验的材料。表4列出#7至#12系列燃烧试验的条件及其各排烟大气排放试验结果。
表3
表4
#7、#8、#9、#10各燃烧试验显示它们对各种不同固体废料在第一级燃烧室参数和条件如前述已给定的情况下的适应能力。由于这些试验与本发明如下的基本要求相一致，因此出可认定它们也同样适用于本发明1．按准理想反应配比条件进行燃烧。
2．底部的空气体积总供给流量小于或等于30scfm。
3．通过固体废料实现自持朝下燃烧时，温度T1的范围为850至1350°F。
4．烟卤中的最大排气含尘水平为10mg/dscf(干基)或更少。
#11和#12两燃烧试验都要求在燃烧循环3小时期间，采用第一级辅助燃料烧嘴实现多位燃烧的施以维持最低的850°F温度T1，因而未满足自持燃烧所要求的参数。虽然该两燃烧试验底部的空气体积供量进行了多位调节，力求在期望的范围内维持其温度，但若固定其底部的空气流量，即使循环进行了一半时间仍无法达到目的。还应进一步看到，在有些场合下，为了维持燃烧还必需对该两燃烧试验在第一燃烧级中采用按超理想反应配比的条件(大于100％空气)进行燃烧。#11和#12燃烧试验所采用的固体废料特性并不适用于本发明所适应的方法，这些特性是1．固体废料的含湿量高于或约为60％。
2．固体废料的平均高位发热值低于或约为3500BTU/Ib。
3．固体废料的湿分与非可燃物的组合含量大于57Wt％。
另外7组系列燃烧试验与本发明的主要条件完全符合，可以作为对#7和#12固体废料燃烧试验的进一步开发应用的示例。
表5例出了在本发明举例中所使用的每一种固体废料的参数。
表5
表6列出#1至#7系列燃烧试验示例的观测结果。表6
表7逐项列出示例#1至#7的烟卤大气排放水平。表7
从1#至7#试验示例便可清楚看到，采用前已述的本发明的两级燃烧方法，可燃烧各种不同的固体废料，这些固体废料具有以下各种已被确认的最小和最大的特性1、按重量百分数计的最大含湿量为60％。
2、最低的平均高位发热值为4000BTU/Ib。
3、湿分与非可燃物的最大组合含量为57wt％。
还可进一步指出，采用两级燃烧方法对烟卤的大气排放质量还有所改进，如权利要求所述1、固体微尘排放量小于10mg/dscm(干基)。
2、有机化合物TOC排放量(如碳)mg/dscm少于10(干基)。
3、二噁英和呋喃(Dioxins/Furans)的排放量少于0.10mg/dscm(干基)，按国际排放质量标准的毒性当量计(I-TEQ)。
4、一氧化碳(CO)排放量少于50mg/dscm(干基)。
5、各种氮氧化物(NOx)的排放量少于210mg/dscm(干基)。
也就是说，不需对排烟气体采用通常的洗涤和过滤措施，就可达到低程度的较好排气质量大气排放效果。
采用本发明方法后排出的气体中的成份。诸如各种氮氧化物，一氧化碳，有机物(如碳)以及各种二恶英和呋喃等，不需借助袋式除尘装置或洗涤措施，就可满足现有国际排放标准的水平。
因此可看出，采用本发明所介绍的可控制的两级热氧化方法，对所选定的固体废料可十分满意地实现前述的目的、任务和效果。尽管本发明还结合若干具体实例加以说明，但已证实根据上面的描述，很多替换，改进和变化对本领域熟练技术人员是显而易见的。因此，本发明拟包括落入本发明精神和宽范围内的所有替换、改进和变化。
权利要求
1.一种用于燃烧固体废料的控制热氧化方法，该方法包括其中，第一燃烧级中固体废料从顶部至底部朝向下方向燃烧，首先把固定的预定体积流量的空气从废料层的底部向顶部通过，其次把可调的体积流量较小的预定空气从废料层的表面流过并穿入燃烧的火焰层；其中，第二燃烧级从第一燃烧级引入其中的燃烧产物是在135％至200％总化学计量空气条件下，短时间暴露在高温条件下。
2.根据权利要求1所述的用于燃烧固体废料的控制热氧化方法，其中，在第二燃烧级中的燃烧产物至少要在最低1832°F的温度下暴露2秒钟。
3.根据权利要求1所述的用于燃烧固体废料的控制热氧化方法，其中，废料的最大含湿量为60wt％，最低的平均高位发热值为4000BTU/Ib，湿分和非可燃物的最大组合含量为57wt％。
4.根据权利要求2所述的用于燃烧固体废料的控制热氧化方法，其中，废料的最大含湿量为60wt％，最低的平均高位发热值为4000BTU/Ib，湿分和非可燃物的最大组合含量为57wt％。
5.根据权利要求1所述的用于燃烧固体废料的控制热氧化方法，其中，第一燃烧级的一次空气最大流量为0.61标准立方尺/分/每平方尺第一级床层面积。
6.根据权利要求5所述的用于燃烧固体废料的控制热氧化方法，其中，二次空气的体积流量不能超过一次空气体积流量的50％。
全文摘要
本方法是一种用于固体可燃废料的控制热氧化方法。该方法包括第一燃烧级,其中废料按从顶部向底部朝向下方向燃烧。首先,固定的预定体积的空气从废料层的底部向顶部通过。其次,可调体积较少的预定空气从废料层的表面流过并穿入燃烧的火焰层。本发明方法还包括另一第二燃烧级,其中从第一燃烧级引入的燃烧产物要求在135%至200%总化学计量空气下,短时间暴露在高温条件下。
文档编号F23L9/00GK1219668SQ9812517
公开日1999年6月16日 申请日期1998年12月2日 优先权日1997年12月2日
发明者露西卡萨西亚, 泊里挪路敦, 弗兰克舍尔门 申请人:Eco肥料处理公司