閉合循環廢料燃燒的制作方法

專利名稱：閉合循環廢料燃燒的制作方法
背景技術：
本發明涉及有機廢料的燃燒，特別涉及使用濃縮氧氣的閉合循環廢料燃燒。
廢料如市政固體廢料、污水處理沉淀物以及造紙殘渣，通常通過焚燒進行處理。這種廢料含有有機可燃物及無機金屬氧化物。有機可燃物一般能在燃燒過程中提供足夠熱能，從而使燃燒室維持較高溫度而無需附加燃料。廢料無機部分的特點在于其中含有一些二氧化硅(SiO2)以及其它形成玻璃的金屬氧化物。如果使用爐渣燃燒器如旋轉窯或旋風爐進行燃燒，廢料的無機部分能達到足以熔融的高溫。得到的熔融材料作為熔渣從燃燒器中排出。
傳統的焚燒爐設計時使用空氣作為氧化劑源燃燒有機廢料。由于空氣的近五分之四是惰性氣體(主要是氮氣)，大部分空氣對燃燒過程不起作用。實際上，惰性氣體還具有一些顯著的缺點。第一個缺點就是，燃燒焰溫度下降，因此很難維持能使廢料中的無機金屬氧化物熔融所需的溫度。第二，來自焚燒爐的廢氣會被大量的氮氣污染從而產生大量廢氣，這些廢氣在排放到空氣中之前需要進一步的處理。
已提出通過在燃燒室中引入濃縮氧氣與循環廢氣來減少有害廢物焚燒爐中氮氣的不良效應。參見于1994年5月10號授于Downs等人的美國專利5,309,850。
本發明在閉合循環中也使用濃縮氧氣處理無害廢料以便將廢料轉變為有用的終端產品。
發明概述根據本發明，將無害有機廢料引入爐渣燃燒器中進行燃燒。燃燒得到了廢氣及熔融無機灰分熔渣，將爐渣從燃燒器中移走。處理廢氣除去其中含有的大部分顆粒物質。將部分處理的廢氣與濃縮氧氣源混合，其混合比必須使混合氣體中氧氣的體積濃度至少達到30％。在燃燒器中引入混合氣體來支持廢料的燃燒。
混合氣體中氧氣的體積比優選40％至50％。在與濃縮氧氣混合前，廢氣必須先冷卻并干燥。
進一步根據本發明，可以將處理氣體的第二部分進行處理，除去其中的二氧化碳。優選將除去的二氧化碳轉換成液態。
根據本發明的一個實施例，在將混合氣體引入燃燒器前，將來自廢氣的一部分熱量傳遞給混合氣體。
本發明還包括實施這種方法的裝置。
本發明的焚燒方法的產物很有用。液化二氧化碳可以作為產品進入市場。由此得到的二氧化碳將代替目前使用天然氣或利用其它自然資源生產的二氧化碳，從而保護了自然資源。使廢料中的無機產品玻璃化形成高度惰性的顆粒材料，這種材料可以用作建筑材料。傳統的廢料焚燒爐通常會得到必須掩埋的灰分。除了在二氧化碳回收系統的出口處有少量無法冷凝的(non-condensible)氣體外，本發明的焚燒過程沒有氣體排放到空氣中，與傳統的會有大量氣體排出的焚燒過程相比，本過程對環境的影響很小。
本發明前述以及其它目的及優勢將在以下詳細說明書中表述。說明書參考附圖，


了本發明的各種實例。
附圖簡要說明圖1是用來實施本發明的裝置的示意圖。
圖2是用來實施本發明的裝置的另一個實施例的示意圖。
圖3也是用來實施本發明的裝置的另一個實施例的示意圖。
圖4是用來實施本發明的裝置的再一個實施例的示意圖。
本發明的詳細說明圖1中，通過管路7將干燥廢料(濕含量足夠低以便支持良好的燃燒)引入混合器9。對于某些廢料，有可能要加入助熔劑或玻璃成形材料(如SiO2)或者加入兩者，來優化熔點、確保得到的玻璃熔渣具有良好的質量。助熔劑和/或玻璃成形材料通過管路8引入混合器9中。混合材料通過管路10引入燃燒室11中。
廢料可能含有造紙廢渣、市政廢水處理沉淀物、市政固體廢料或類似材料。廢料的特征在于，熱值低于傳統燃料、灰分含量高于傳統的固體燃料如煤炭。熱值的范圍一般為，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％之間。燃燒室11一般是耐火襯里的。燃燒室的設計能促進廢料與氣體源之間具有良好的接觸。燃燒室可以是水冷卻燃燒室、旋風爐或旋轉窯。燃燒室的平均工作溫度范圍通常在2,500°F(1371℃)與3,500°F(1927℃)之間。燃燒室11內部的工作溫度足以使廢料中的無機灰分熔化成液體狀態。熔融無機灰分通過管路12從燃燒室11的底部排出，熔渣在燃燒室11的底部淬火。用盡的燃燒廢氣通過管路13在2,500°F(1371℃)至3,500°F(1927℃)的溫度范圍內排出進入混合室14。熱廢氣與從管路33進入的涼循環氣體混合。限制涼循環氣體的流動來控制由管路15流出混合器14的氣體溫度，使其在750°F(399℃)與1,400°F(760℃)之間。在一種替換結構中，混合室14可以由蒸汽鍋爐代替。
來自管路15的廢氣進入氣體一氣體熱交換器16，在熱交換器中熱量由廢氣傳遞至再生循環廢氣。推薦使用熱交換器16，但也可以任選，這要取決于系統的操作參數。接著，廢氣通過管路17進入蒸汽鍋爐或水加熱器18，并在其中進一步冷卻。鍋爐給水通過管路19進入鍋爐18，蒸汽通過管路20排出。涼燃燒氣體通過管路21離開蒸汽鍋爐18進入顆粒過濾器22，在過濾器中管路將細顆粒物質捕獲并通過管路23從體系中除去。不含顆粒的廢氣通過管路24從過濾器中排出進入水蒸氣冷凝器25。冷循環水通過管路26進入并經由管路27排出。大部分水蒸氣從廢蒸汽中冷凝出來并通過管路28排出。蒸汽冷凝器25優選由耐腐蝕材料構造。蒸汽冷凝器還會進一步除去顆粒過濾器22沒有捕獲的顆粒物質。
大部分水蒸氣除去后，廢氣經由管路29出來。這時，大部分(體積比為75％至95％)過程氣流(process gas stream)是二氧化碳(CO2)，還有少量氮氣(N2)，氧氣(O2)以及水蒸氣(H2O)。過程氣流也會含有痕量的二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)、揮發性有機化合物(HxCy)、氯化氫(HCl)、一氧化碳(CO)以及顆粒物質。
第一部分氣體蒸汽通過管路31循環回到燃燒回路，剩余的蒸汽通過管路30進入進一步的處理過程。管路30中二氧化碳的質量流速與穩態條件下過程的燃燒階段中形成的二氧化碳量相等。要進行循環的第一部分氣流進入鼓風機32，鼓風機能提供必要的壓力以克服氣流通過閉循環時的壓力損失。氣流從鼓風機32出來，分成管路33及管路34。在管路34中的氣流與通向氧氣源38的管路40中的濃縮氧氣混合。管路40中氧氣的體積濃度一般在90％至95％之間。管路35接收來自管路34及40的混合氣體。這樣混合氣體得以再生并含有足以用于燃燒的氧氣濃度。再生氣體蒸汽中氧氣的體積濃度一般在30％至80％之間，最佳濃度為40％至55％。再生蒸汽中理想的氧氣濃度基于維持燃燒室11中最佳燃燒溫度及燃燒效率來選擇。理想的氧氣濃度可以隨廢物燃料、燃燒技術以及其它操作因素的不同而變化。混合蒸汽中氧氣的量由氧氣傳感器57檢測并通過管路40中的閥門58控制。
管路35中的再生氣體進入氣-氣熱交換器16，在熱交換器中，再生氣體接收來自廢氣的熱量。提高再生氣體的溫度能提高燃燒性能。再生氣體的溫度一般在400°F(204℃)與1200°F(649℃)之間。加熱的再生氣體進入管路36，并由此進入燃燒室11。
濃縮氧氣在空氣分離單元38中得到，該分離單元從管路37接收空氣并將氧氣(O2)與氮氣(N2)分離。氧氣從管路40出來而氮氣則通過管路39排回大氣中。空氣分離技術已十分成熟。可以用任意幾幾種方法分離空氣，例如真空壓力搖擺吸附法(vacuum pressure swing absorption)或低溫空氣分離法。任何一種方法都能提供適量的濃縮氧氣。
在不要求回收二氧化碳的特殊情況中，管路30中的第二部分廢氣可以直接排入大氣中或先通過最終過濾器(未顯示)再排入大氣中。
如果要回收二氧化碳，管路30中多余的氣體進入氣體凈化系統41。一些痕量氣體的存在會影響產品的質量及銷售。痕量氣體包括二氧化氮(NO2)，二氧化硫(SO2)，氯化氫(HCl)，烴基氣體(HxCy)以及一氧化碳(CO)。各種化合物的存在及濃度是消耗的廢物燃料以及燃燒系統的操作參數的函數。實際操作中，系統41包括幾個步驟，可能的步驟包括，但不限于用來調整氣體溫度的熱交換器、空氣加熱器、催化劑床(減少痕量氣體如NO2，CO，HxCy并將其轉化成N2，H2O及CO2)、洗滌器(使用試劑直接除去HCl及SO2)、除濕器或干燥器(除去水蒸氣)以及最終過濾器(除去任何精細顆粒物質)。各種清除裝置的順序及選擇是本技術領域所熟知的，并且會隨著痕量氣體的初始濃度及所要求的終產品規格的不同而變化。
凈化氣體從系統41出來進入管路42并由此進入壓縮機43。壓縮機入口處的氣壓等于或小于1.0大氣壓(14.7psia)。為了提供合適的條件使二氧化碳液化，壓縮機43將氣體壓縮使壓力達到20至65大氣壓。壓縮氣體從管路46出來。壓縮機使用管路44的水冷卻，熱水從管路45流出。
壓縮氣體進入熱交換器48，在熱交換器中氣體使用管路47中裝備的冷凍劑間接冷卻。取決于氣體壓縮機的初始操作壓以及要求的二氧化碳除去效率，冷凍劑的溫度一般在30°F與-30°F(-1℃與-34℃)之間。一部分二氧化碳由氣體轉換成液體并從管路49排出。氮氣與氧氣以及一些在第一階段沒有液化的二氧化碳從管路50出來進入熱交換器52。管路51中溫度一般在0°F與-55°F(-17℃與-48℃)之間的冷凍劑將進一步冷卻廢氣使另外的二氧化碳冷卻。該另外的二氧化碳從管路53出來，并在管路55中與管路49中的二氧化碳混合。管路55中的二氧化碳可以作為傳統的液態二氧化碳產品。將管路54出來的氣體排出，該氣體主要含有氮氣與氧氣，還有少量未液化的二氧化碳。
分離的第二階段(熱交換器52)是任選的，其必要性根據所要求的CO2收集效率決定。如果不使用分離的第二階段，管路50將通入大氣中。
可以通過管路60在燃燒室11中加入補充燃料如天然氣、丙烷、石油、木材以及煤炭來維持熔化無機材料所需的溫度。
圖2所示是實施本發明的另一個裝置。該裝置與圖1中所示裝置的區別在于，圖1的裝置將來自氧氣源38的濃縮氧氣與管路34中的循環氣體混合，而圖2的裝置則是通過管路59將氧氣直接引入燃燒室11。進入燃燒室11的氣體中氧氣濃度維持在與上述討論的圖1(30％-80％)中的再生氣流相同的水平。氧氣濃度由對氧氣傳感器57做出響應而調整的閥門58控制。
圖3所示是另一個實施本發明的裝置。圖3中的裝置與圖2中裝置的區別在于，氧氣傳感器57從管路59移到管路15重新安置。因此，圖3中的裝置提供了可選擇的地點通過氧氣傳感器57檢測裝置中的氧氣。管路40中的閥門58對氧氣傳感器57做出響應而控制，從而使進入燃燒室11的氣體中氧氣濃度與上述圖1(30％-80％)中所討論的相同。
圖4所示是另一個實施本發明的裝置圖。圖4的裝置與圖2的裝置區別在于，氧氣傳感器從管路59中移走，管路40中安裝了第一流動傳感器60，管路36中安裝了第二流動傳感器61。圖4的裝置中，第一流動傳感器60測量管路40中的流體流動，氧氣的體積百分比可以計算(例如在系統控制器中)，計算值可以用來控制管路40中的閥門。用這種方法，閥門58響應于自第一流動傳感器60以及第二流動傳感器61的氧氣計算值，從而使進入燃燒室11的氣體中氧氣濃度維持在與上述討論的圖1中(30％-80％)再生蒸汽中氧氣濃度相同的水平。
盡管本發明通過參考某些實例進行了詳細說明，本領域的技術人員都會認可，實施本發明可以使用所說明的實例以外的方法，所說明的實例只是為了說明本發明的實施方法，而不是限制本發明。因此，附加的權利說明書的范圍不限于所包含的實時例說明。
權利要求
1.一種用于處理以灰分含量高、熱值在每磅500至9,000Btus左右為特征的有機廢料的裝置，其特征在于，所述裝置包括用來燃燒有機廢料得到熔融無機灰分以及廢氣的爐渣燃燒器；與燃燒器間有流體交換的冷卻器，該冷卻器接收來自燃燒器的廢氣并將廢氣冷卻；與冷卻器間有流體交換的冷凝器，該冷凝器接收來自冷卻器的冷卻廢氣并將冷卻廢氣干燥；與冷凝器間有流體交換的冷凝器氣體輸出管道；與冷凝器氣體輸出管道及燃燒器間有流體交換的廢氣再循環管道，該廢氣再循環管道從冷凝器氣體輸出管道中接收第一部分冷卻干燥廢氣，并將所述第一部分冷卻干燥廢氣循環到燃燒器；與燃燒器間有流體交換的濃縮氧氣源，用于向燃燒器中加入濃縮氧氣；用于測定進入冷卻器的氣體中氧氣量的氧氣傳感器，其中，所述濃縮氧氣源包括響應氧氣傳感器的閥門，該閥門響應氧氣傳感器，用于調節進入燃燒器的濃縮氧氣的流量。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述濃縮氧氣源包括用來從環境空氣輸入料中分離濃縮氧氣的空氣分離器。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括與冷卻器及冷凝器間有流體交換的顆粒過濾器，該顆粒過濾器從冷卻器接收冷卻廢氣并在冷卻廢氣進入冷凝器之前從冷卻廢氣中除去顆粒物質。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括位于廢氣再循環管道中的鼓風機，該鼓風機用來增加壓力促使第一部分冷卻干燥廢氣流動。
5.如權利要求1所述的裝置還包括氣體熱交換器，其第一部分與燃燒器及冷卻器間有流體交換，第二部分與廢氣再循環管道及燃燒器間有流體交換，該熱交換器將熱量從燃燒器中的廢氣傳遞給廢氣再循環管道中的氣體混合物。
6.如權利要求5所述的裝置，其特征在于，還包括與燃燒器及熱交換器的第一部分間有流體交換的氣體混合器，該氣體混合器與廢氣再循環管道間有流體交換，該混合器將來自燃燒器的廢氣與一定量的來自廢氣再循環管道的第一部分冷卻干燥廢氣混合。
7.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括與冷凝器氣體輸出管道間有流體交換的廢氣回收管道，用于接收來自冷凝器氣體輸出管道的第二部分冷卻干燥廢氣；與廢氣回收管道間有流體交換的二氧化碳清除系統，該系統接收來自廢氣回收管道的第二部分冷卻干燥廢氣，并從第二部分冷卻干燥廢氣中回收二氧化碳。
8.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述二氧化碳清除系統包括與廢氣回收管道間有流體交換的壓縮機，用于壓縮來自廢氣回收管道的所述第二部分冷卻干燥廢氣；與壓縮機間有流體交換的回收熱交換器，該回收熱交換器接收來自冷凝器的壓縮的壓縮的第二部分冷卻干燥廢氣，并從壓縮的壓縮的第二部分冷卻干燥廢氣中回收液態二氧化碳。
9.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述二氧化碳清除系統還包括與廢氣回收管道及壓縮機間有流體交換的氣體凈化器，該氣體凈化器接收來自廢氣回收管道的所述第二部分冷卻干燥廢氣，并在第二部分冷卻干燥廢氣進入壓縮機之前從第二部分冷卻干燥廢氣中除去痕量氣體。
10.一種用于處理灰分含量高、熱值在每磅500至9,000Btus之間的有機廢料的裝置，其特征在于，它包括用來燃燒有機廢料得到熔融無機灰分以及廢氣的爐渣燃燒器；與燃燒器間有流體交換的冷卻器，該冷卻器接收來自燃燒器的廢氣并將廢氣冷卻；與冷卻器間有流體交換的冷凝器，該冷凝器接收來自冷卻器的冷卻廢氣并將冷卻廢氣干燥；與冷凝器間有流體交換的冷凝器氣體輸出管道；與冷凝器氣體輸出管道及燃燒器間有流體交換的廢氣再循環管道，該廢氣再循環管道從冷凝器氣體輸出管道中接收第一部分冷卻干燥廢氣，并將第一部分冷卻干燥廢氣循環到燃燒器；位于廢氣再循環管道中的第一流動傳感器；通過氧氣管道與燃燒器間有流體交換、用于向燃燒器中加入濃縮氧氣的濃縮氧氣源；以及位于氧氣管道中的第二流動傳感器，其中，濃縮氧氣源包括響應第一流動傳感器及第二流動傳感器對應的閥門，該閥門由第一流動傳感器及第二流動傳感器控制，適用于調節進入燃燒器的濃縮氧氣的流量。
11.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，第一流動傳感器及第二流動傳感器測試流體流量，計算氧氣的體積百分比以便控制閥門。
12.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述濃縮氧氣源包括用于從環境空氣中分離濃縮氧氣的空氣分離器。
13.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，還包括與冷卻器及冷凝器間有流體交換的顆粒過濾器，該顆粒過濾器從冷卻器接收冷卻廢氣并在冷卻廢氣進入冷凝器之前從冷卻廢氣中除去顆粒物質。
14.如權利要求10所述的裝置還包括位于廢氣再循環管道中的鼓風機，該鼓風機用來增加壓力促使所述第一部分冷卻干燥廢氣流動。
15.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，還包括氣體熱交換器，其第一部分與燃燒器及冷卻器間有流體交換，第二部分與廢氣再循環管道及燃燒器間有流體交換，該熱交換器將熱量從來自燃燒器的廢氣傳遞給廢氣再循環管道中的氣體混合物。
16.如權利要求15所述的裝置，其特征在于，還包括與燃燒器及熱交換器的第一部分間有流體交換的氣體混合器，該氣體混合器與廢氣再循環管道間有流體交換，該混合器將來自燃燒器的廢氣與一定量的來自廢氣再循環管道的第一部分冷卻干燥廢氣混合。
17.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，還包括與冷凝器氣體輸出管道間有流體交換、用于接收來自冷凝器氣體輸出管道的第二部分冷卻干燥廢氣的廢氣回收管道；與廢氣回收管道間有流體交換的二氧化碳清除系統，該系統接收來自廢氣回收管道的所述第二部分冷卻干燥廢氣，并從所述第二部分冷卻干燥廢氣中回收二氧化碳。
18.如權利要求17所述的裝置，其特征在于，所述二氧化碳清除系統包括與廢氣回收管道間有流體交換、用來壓縮來自廢氣回收管道的第二部分冷卻干燥廢氣的壓縮機；與壓縮機間有流體交換的回收熱交換器，該回收熱交換器接收來自冷凝器的壓縮的第二部分冷卻干燥廢氣，并從所述壓縮的第二部分冷卻干燥廢氣中回收液態二氧化碳。
19.如權利要求18所述的裝置，其特征在于，所述二氧化碳清除系統還包括與廢氣回收管道及壓縮機間有流體交換的氣體凈化器，該氣體凈化器接收來自廢氣回收管道的所述第二部分冷卻干燥廢氣，并在所述第二部分冷卻干燥廢氣進入壓縮機之前從所述第二部分冷卻干燥廢氣中除去痕量氣體。
全文摘要
本裝置包括用來燃燒有機廢料得到熔融無機灰分及廢氣的爐渣燃燒器、用來接收及冷卻廢氣的冷卻器、用來接收并干燥冷卻廢氣的冷凝器、用來接收來自冷凝器的第一部分冷卻干燥氣體的廢氣再循環管道以及濃縮氧氣源，該濃縮氧氣源與廢氣再循環管道間有流體交換，以便在第一部分冷卻干燥廢氣中加入濃縮氧氣得到氣體混合物，該氣體混合物通過廢氣再循環管道加入燃燒器中，其中，濃縮氧氣源包括一個閥門，該閥門響應于廢氣再循環管道中的氧氣傳感器，從而控制進入廢氣再循環管道的濃縮氧氣流量。
文檔編號F23J15/00GK1589382SQ02808294
公開日2005年3月2日 申請日期2002年4月11日 優先權日2001年4月16日
發明者T·J·鮑德休英 申請人:米內吉有限公司