CN109539276B - 防止燃料焚烧过程中二噁英排放的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防止燃料焚烧过程中二噁英排放的方法和装置。当燃烧秸秆和垃圾时，通过调节汇集式旋风后燃烧室(1)内部压力、控制来自几个燃烧装置的气体流量来增强热裂解过程的一种方法，即通过减少低温气体流入量获得期望的混合烟气温度。为此在可燃烟气的流动过程中设置可从外部实现调控的截面积减量装置(10、11、12)，这样在燃烧室内就能实现负压700Pa和温度不低于850℃的状态，而且由于烟气在以上状态中停留时间超过2秒，就有望实现在排出废气中无二噁英的目标。此外，截面积减量装置(10、11、12)作为燃烧喷嘴，还可以强化燃烧室中游离态氢离子的形成，而游离态氢离子通过与游离态氯离子结合成为HCL，能把氯离子从二噁英重新合成的过程中去除。

Description

防止燃料焚烧过程中二噁英排放的方法

技术领域

本发明涉及一种秸秆与垃圾共同燃烧的工艺和低燃烧质量秸秆捆的热利用，还将提出利用该工艺的燃烧装置建造装配方法。这是一个非常清洁的燃烧方法，主要是为了避免排放剧毒的多氯代烃化合物(二噁英)等。

背景技术

由于循环多氯烃的毒性非常大，垃圾的燃烧过程有严格的法律规定。一般认为破坏二噁英结构需要在温度为850℃条件下燃烧至少2秒钟，也有一些国家的法规要求破坏二噁英结构需要在温度为1000℃条件下燃烧至少2秒钟。

然而由于多氯代烃化合物的种类繁多，更详细的研究，例如中国科学院的研究，表明还有的二噁英和呋喃类化合物更稳定，需要在1100℃条件下至少2秒钟分解。然而这是一个在已有的正常燃烧装置中难于持续保持的温度，而不能持续保持这个温度就会产生腐蚀和结焦等继发性问题。

由于如此高的温度一般我们不能仅依靠垃圾燃烧而连续性获得，所以在实践中会添加燃油或天然气，这就造成相当大的成本提高。

虽然有很多关于温度和保温时间的文献可供参考，但这些报道中对于准确参数，如燃烧室压力、燃烧气体中椎体形成强度、催化剂的使用以及其它化学反应伙伴的存在等鲜有人提及。在已为人们熟知的大型锅炉系统中，燃烧系统允许上述参数的微小变化。特别是大型锅炉燃烧室内的负压一般都比较小，其建造结构也很难将负压成倍数放大。

二噁英等剧毒物质的释放需要卤素，尤其是氯元素的存在。这些氯元素不仅存在于垃圾和塑料中，还会来自存于田里的秸秆中。在靠近大海的地方气候干燥的时候会有由升华的海盐和卤素等组成的颗粒物质到达陆地，氯元素也会随着含氯的化肥和植物保护产品等进入土壤、进入秸秆并进入燃烧过程。

虽然水溶性好的氯盐会被雨水等从秸秆中很好地去除，但由于气候的不稳定性和农业技术的局限性，秸秆中氯元素的存在仍然是一个持续性问题。

在关于秸秆燃烧装置中如何解决二噁英问题的文献中，除去温度和保温时间等数据外，其它更多相关参数未见报道。

为了防止二噁英在温度下降的时候重新键合形成，一般会推荐尽最大可能急速冷却，使氯离子几乎没有时间找到合适的键合位置。目前也没有发现关于二噁英热分解过程中如何释放出氯离子并以化学键将其锁定，使其不能再参与到二噁英重组合的进一步应用成果。

发明内容

应制定一种方法，利用必要的工艺和设施防止氯代烃合物(简称二噁英)的排放，从而尽可能降低安全破坏二噁英结构所需的温度。那样就可以大大提高这一过程的安全性、可行性并降低相关成本，与已知的将垃圾与石油、天然气或煤炭共烧不同，本发明使用的是更便宜的有机燃料秸秆替代石油、天然气或煤炭。

本发明还给出一种方法将二噁英分解过程中释放的氯离子通过与氢离子进行化学结合而析出，使其无法再做为反应伙伴参与到二噁英可能的重组当中。

根据本发明，所提出任务通过以下描述的过程步骤来解决。二噁英是含有碳原子环状结构的化合物，这些环状结构需要被破坏才能氧化其组成成分。一般来说温度越高、主导压力越低、涡流越强，其环状结构化合物分解越快。

根据本发明，垃圾和秸秆燃烧装置的排气吸风扇是为了在燃烧室产生负压，这种条件下燃烧的气体在燃烧室就会停留较长时间。如果是在更低压状态下，二噁英分解所需温度会降低，所以在相同的温度条件下二噁英的分解就会越安全和越充分。

为了在将燃烧气体送入后燃室的通道中实现压力的降低，本发明提供了一种通过减小截面积而降低流量容积的装置，即扼流圈，更适于进一步设计成为一种可变截面积、流量优先的燃烧喷嘴。

当通过燃烧喷嘴时燃烧气体的流动速度加快。这就在燃烧的气体形成高涡流，被设计成燃烧喷嘴的横截面减缩装置就会让火焰的几何形状变窄，这些作用加总就会使温度提高。随着负压的增加二噁英的碳环被撕裂，其它较大的有机分子的裂解过程也被强化，从而提供符合要求的烟气。

所述燃烧喷嘴或截面减缩装置以及用于减缩截面的部件均由催化陶瓷材料制成，这些材料中优选铝含量高的耐火材料，这里认为这种耐火材料可以充分吸收热辐射并使其集中作用于与表面接触的分子。

本发明在横截面减缩装置之后、陶瓷隔热层内设置了一个或多个大的燃烧室，从而使其能够保证燃烧气体可以停留2秒以上。同时因内部是较好形状的圆形截面，所以燃烧气体流速增加，燃烧喷嘴在热风正切进入即被用来形成一个快速旋转的涡流，随涡流中内部压力持续下降，进一步支持有机大分子的化学分解。

二噁英化合物中至少含有一个由6个碳原子组成的环，与其它分子较大的生物燃料成分相比，将二噁英完全分解并燃烧其裂解产物显然要更困难一些。随着烟气出燃烧室后温度的下降，二噁英通过碳环键合重新形成的现象就有可能发生，整个反应过程中如果有氯原子存在，氯原子就会重新附着在碳环上。

根据本发明，从二噁英及其他含氯有机和无机化合物中释放出来的氯具有更强的化学结合性并且不易失去活性。一种元素只有其与氯的键合强度大于氯和碳原子环的键合强度时才能使氯原子失去活性，作为反应伙伴只有氢能够符合这个条件。

H⁺+Cl^-→HCl

HCl是一个更牢固的结合，与氢离子化学反应后游离氯在燃烧室中就会被释放出来。虽然HCl在燃烧过程中也是一种非常不受欢迎的物质，但它没有二噁英那样的极端毒性，所以可谓是两害相较取其轻。

此外，氢也可以替代氯进入其原来在碳环中的位置，也就是氯离子与碳环结合转化生成二噁英的位置。

因此需要尽可能多的刚刚解除键合状态的游离电离氢，这样也能使温度下降更快。所以生产更多的氢气是燃料喷嘴的第二项任务，它一般是在更低压下工作。低温状态下水蒸气很少发生分解，在800到900℃范围内水蒸汽的分解会更强一些，而在超低压+催化剂支持的涡流状态下，更多的化学键合会被破坏、更多的氢离子被释放，氢离子还会来自碳氢化合物的强化裂解过程。

以上反应会在两个方向上被放大，一是随着温度上升、二是在更强涡流状态下压力的下降。

包含较多绿色物质、燃烧性能差的秸秆捆，因为其中氯盐不能被雨水充分的溶解就会造成二噁英排放的风险，由于绿色物质、残余营养成分以及经常过多的水分的存在使得这种秸秆捆的燃烧性能较差，就会危及二噁英分解所需要的高温的产生。本专利对这种秸秆捆在热力系统中就像对待垃圾一样，或者被分开燃烧，或者被放在一个巨大的燃烧室中和燃烧性能优异的秸秆捆一起燃烧。

将2个以上燃烧装置产生的烟气结合用来对建筑进行冬季供暖无论如何都是有用的，因为一个燃烧系统很难始终如一的单独应对天气变化并且保证较高的燃烧性能。

优质燃料用来保证燃烧室温度足够高，尤其是是使用秸秆，因为比较差的成分往往需要较长的燃烧时间，这就会产生很长的火焰，即便在几米之外的后燃烧室中光和热辐射的释放仍在继续，在后燃烧室里好的和有问题的燃烧气体聚集在一起。

根据这一过程，燃烧气体通过一个作为阻风门的截面缩减装置，这样一个更强的吸力风扇可以在随后的燃烧室内创造更大的负压，这个减压过程又通过气体涡流中的压降得到加强。碳环和较大分子等被强裂解，截面缩减装置让火焰紧密结合并使得温度升高。以上这些共同作用保证了二噁英的分解。

在本发明的进一步设计中，至少要有两个独立的燃烧装置。优质燃料秸秆燃烧产生的灰烬是一种有价值的肥料可以被充分再利用，只有像垃圾等不良燃料的炉灰才需要进行处理。

优质燃料在燃烧装置中可以燃烧充分并产出例如高达935℃的烟气被送入后燃烧室，而比较差秸秆或者垃圾在第二次燃烧时的温度可能只能达到685℃的温度。当以上两种来自不同燃烧装置、相同容量的烟气混合时，则混合后温度只能达到810℃。这个温度已被发现在压力低到700Pa的时候仍然可以实现二噁英排放低于限定值，但这个温度值不能保证在所有的地方都符合二噁英排放标准要求。

为解决这一问题，进入汇集式后燃烧室的每个燃气通道都包含一个燃烧喷嘴，其自由截面可以从外部或者通过远程遥控进行调整。当有来自劣质燃料燃烧装置燃烧产生的低温燃气进入时，燃料喷嘴的横截面就会变小从而降低流动容量，在负压作用下经过燃烧喷嘴的气流流动速度和温度就会增加。如果来自低温侧(685℃)的烟气流量减少一半，则汇集式旋风后燃烧室混合气体的温度就可以达到851℃以上。这个温度足以满足更多地方的法规要求，也足以保证最终排出的废气中不含二噁英，而这个混合后温度还没有包括通过减少烟气量可能造成的温度升高因素。

根据本发明，包含一个足够强大的引风扇装置应该能够产生至少1000Pa的负压，在一个特制的更大的系统里负压更可高达3000Pa，其它极特殊情况下负压还可以更大。此外所述的每个烟气供应通道还包含通过改变截面积调整进入后燃烧室烟气量的装置，该装置布置在第一后燃烧室烟气流入通道汇合处的附近。

此外在几个后燃烧室烟气传送通道中还可以包含1个以上这样的烟气减量装置。例如进入第一汇集式后燃烧室的烟气通过这样的烟气减量装置控制，保证了烟气达到足够高温度。燃烧气体进入第二个汇集式后燃烧室时同样可以再次由这样一个烟气减量燃烧喷嘴控制，在这种情况下负压更强，就会促进任何其他残留的碳环或更大的含碳分子结构的分裂。以这种方式释放出来的碳原子将被阻止通过氧化参与二噁英的再生成，最终生成二氧化碳释放出来。

这种裂变过程的加剧也会导致烟气中产生更多的氢离子，这样的氢离子数量越多，即便是温度因热量损失而下降，也会有更多的游离氯与氢离子结合成HCl，从而将氯元素排除在可能的二噁英重组中。

从这个意义上说，在燃料秸秆比较干燥的情况下可以考虑向气化室加水。实现本发明的目标，秸秆中约18％的含水量是比较理想的值，如果秸秆中只含有12％的水，每小时燃烧100公斤秸秆时加水约6升就可以有助于在燃烧室内获得最大的氢含量。

根据本发明方法，可以创造在一个燃烧系统中利用困难的、可燃垃圾等的机会。

然而，即便是不存在氯原子而无法产生二噁英危害的情况下，以上过程也是有帮助的，因为获得一个没有燃料优劣之分、燃烧性能稳定、只排出完全无味废气、特别充分和清洁的燃烧过程也是非常重要的。

由于燃烧喷嘴即便是在运行过程中也可以从外部进行更换，所以即使只有一个燃烧系统工作时也可以实现清洁燃烧。而使用可互换的燃烧喷嘴也是本发明的一部分。

附图说明

图1所示为秸秆整捆燃烧式热力系统。

图2所示为一种通过远程遥控操作调控横切面面积的装置。

图中：1-汇集式旋风后燃烧室，2-第二后燃烧室，3-劣质燃料燃烧产生的烟气供应通道，4-优质燃料燃烧产生的烟气供应通道，5-烟气传送通道，6-热风传送通道，7-温度传感器，8-压力测量装置，9-绝缘陶瓷内衬，10-截面积减量装置，11-截面积减量装置，12-截面积减量装置，13-冷却水套，14-陶瓷旋转截面积减量连杆，15-外轴心点，16-杠杆，17-链接杆，18-手动杠杆，19-机械传动装置，20-位置编码器，21-温度传感器，22-温度传感器。

具体实施方式

图1所示为秸秆整捆燃烧式热力系统，其中图上部为简化的第一个汇集式旋风后燃烧室1和第二后燃烧室2，本实施说明还包含两个未显示出来的燃烧装置，其中的一个燃烧装置或可用作特殊燃料的燃烧气化。来自劣质燃料燃烧产生的烟气供应通道3和来自优质燃料(优选植物秸秆)燃烧产生的烟气供应通道4将烟气旋切送入第一个汇集式旋风后燃烧室1，从而提供稳定和可靠的燃烧温度与热出力。

在第一个汇集式旋风后燃烧室1和第二后燃烧室2之间设有烟气传送通道5，充分燃烧后的清洁的热风通过热风传送通道6送出用于热工用途。

后燃烧室1，2包含用于显示和过程控制的温度传感器7，21，22和压力测量装置8。所有组件在临火面都有隔热耐火陶瓷内衬9，即图中绘制成黑颜色的部分，这部分也可以被用来做结构件。

在烟气供应通道3中设置有一截面积减量装置10，在烟气供应通道4中设置有一截面积减量装置11，或者更大的截面积减量装置12还可以放置在烟气传送通道5中。

在图2中所示是一种可能的，通过远程遥控调控横切面面积的装置。在覆有外部冷却水套13的锥形烟气供应通道3、4中，插入了一个以陶瓷材料为主的、以外轴心点15为中心点的陶瓷旋转截面积减量连杆14。这个装置可置于系统的外部，陶瓷旋转截而积减量连杆14通过杠杆16和链接杆17连接到外轴心点15。

陶瓷旋转截面积减量连杆14可以通过手动杠杆18移动或通过机械传动装置19锁定。

通过温度传感器7和压力测量装置8可以连续记录后燃烧室内的压力和温度。

根据设定步骤，一个燃烧装置使用优质燃料，最好是秸秆，而第二个燃烧装置可以使用较差的燃料。在来自使用优质燃料燃烧的燃烧装置的燃气供应通道4中，截面积减量装置11首先会在图2指针的零位置处保持最大开启状态，大量的烟气流入汇集式旋风后燃烧室1并将其加热到较高温度。随后来自使用劣质燃料的另一个燃烧装置的、温度较低和没有充分燃烧的烟气流入汇集式旋风后燃烧室1。此时测量汇集式旋风后燃烧室1内混合烟气后温度，如果温度过低则通过截面积减量装置10来减少进入汇集式旋风后燃烧室1的流量，将混合烟气后的温度提高到设定值。

这样一方面由于两个燃烧装置中的一个烟气通道截面积的减少，就会使得汇集式旋风后燃烧室1的负压强化，从而使另一个燃烧装置获得更高的热力。另一方面烟气通道截面积减少会导致燃烧喷嘴内气体速度增加、火焰聚集、内部湍流增大，从而使火焰温度升高。

或者当尾气排放引风机有足够负压时，烟气可以通过另一个截面积减量装置12引导，特别是如果是燃烧性能很不好的物质，例如石油蒸馏残留物等，这种方法就特别有用。在这里优质秸秆可以提供长燃程及稳定热力，持续和经济的为二噁英化学键断裂提供超低压能量。

在特定工况时，通过使减少来自使用优质燃料燃烧装置的热风、在燃烧室内获得更强低压、产生更多游离态氢的过程最优化，可以进一步减少二噁英重新生成的风险和实现燃料的充分燃烧。

同样，在气化过程中加水是一种有效的强化气化过程的方法，它可以产生更好的传热性和有助于增加烟气中的氢含量。

整个过程，包括排风扇设置、燃烧室内部压力、燃烧系统前段给风，尤其是后燃室温度等都可以通过程序化实现控制。在小型系统中该技术也可以按照描述的方式进行手动控制，然后在小的变化步骤中通过经验的积累很好的完成调控。

本发明工艺适用于将秸秆能源化过程中二噁英的风险降至最低，这个工艺还可以延伸到解决那些依靠自身很难实现清洁燃烧的燃料的热力应用中，还可以适用于由于天气条件和储存不当造成秸秆捆品质下降等情况。

在生产实践中，要想做到来自钾肥中的氯始终确保不进入秸秆几无可能，因此防止秸秆能源化中二噁英产生将是一项持续性的任务，这个任务首先是对农民，再就是热力设备制造者的任务。

这也使得管理当局立法约束在低压力状态燃烧秸秆成为可能。

本发明除用于处理劣质秸秆燃料外，还可通过利用较小的热力系统分散燃烧处理家庭废物来降低相关费用。这个技术路径可以用来实现优质秸秆燃料和劣质可燃烧物互为补充的混烧，从而降低这些劣质可燃烧物的处置成本。

由于该工艺的应用通常可以实现清洁燃烧，因此建议在在特别敏感位置利用秸秆进行供暖时可采纳，但此时需要考虑使用引风机时的额外用电需求。

Claims (7)

1.防止燃料焚烧过程中二噁英排放的方法，借助于在后燃烧室(1、2)监测压力和温度的传感器及测量装置，由较大引风机产生的负压驱动，首先来自优质燃料燃烧装置的可燃气体经由第一烟气供应通道(4)进入后燃烧室，然后来自劣质燃料燃烧装置的可燃气体经由第二烟气供应通道(3)进入后燃烧室，上述可燃气体均旋切进入后燃烧室，旋风燃烧并停留2秒钟以上；其特征在于，来自优质燃料燃烧装置的可燃气体和来自劣质燃料燃烧装置的可燃气体在进入后燃烧室(1)之前，经过带有截面积减量装置(10、11)的耐火陶瓷第一烟气供应通道(4)和第二烟气供应通道(3)。

2.根据权利要求1所述的防止燃料焚烧过程中二噁英排放的方法，其特征在于，可燃烧气体在至少为700pa的负压下，经由起燃烧喷嘴作用的截面积减量装置(10、11)逐渐变窄被吸入一个简单的后燃烧室或者汇集式旋风后燃烧室(1、2)。

3.根据权利要求1所述的防止燃料焚烧过程中二噁英排放的方法，其特征在于，利用来自截面积减量装置(10、11、12)形成的不同截面积来优化燃烧过程。

4.根据权利要求3所述的防止燃料焚烧过程中二噁英排放的方法，其特征在于，可燃气体经过若干个后燃烧室(1、2)、再经由截面积减量装置(12)，通过气体的反复加速、火焰的缩窄和负压来强化裂解过程。

5.根据权利要求3所述的防止燃料焚烧过程中二噁英排放的方法，其特征在于，根据对后燃烧室(1、2)内的温度与压力和截面积减量装置(10、11、12)开口宽度的监测，然后通过手动或者程控改变截面积减量装置(10、11、12)的开口宽度，确保后燃烧室(1、2)的最低温度达到850℃以上，负压不低于700Pa。

6.根据权利要求1所述的防止燃料焚烧过程中二噁英排放的方法，其特征在于，在运行一个或多个燃烧装置时要加水，加水的量要控制补充到秸秆含水量18％左右。

7.根据权利要求3所述的防止燃料焚烧过程中二噁英排放的方法，其特征在于，截面积减量装置(10、11、12)包含一个陶瓷旋转截面积减量连杆(14)，它以喷嘴的形式减少截面积，可以在外部以手动或电动完成操作。