NO166202B - Fremgangsmaate for forbrenning av brennbare materialer sominneholder forloepere for dioxiner og furaner. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en fremgangsmåte for forbrenning av brennbare materialer som inneholder forløpere for dioxiner og furaner.

Det er kjent a forbrenne fast brensel såsom kull, brunkull og mange andre brennbare materialer, deriblant RDF (av-fallsbrensel), både i form av "fast avfall" og i form av opp-malt fast avfall, samt i den mer foredlede form for RDF, som består av den tørre del av det faste avfall.

Denne forbrenning kan foregå på en hvilken som heist type rist, i en rotérovn eller i et fluidisert skikt, i en-kelttrinnsutførelse eller i flertrinnsutførelse eller i en kombinasjon av disse.

Det er likeledes kjent at temperaturen varierer meget fra sted til sted i forbrenningskammeret og at ulike brensler har behov for ulike kvanta overskuddsluft for at det skal oppnåes en tilfredsstillende forbrenning i forbrenningskammeret .

Det er likeledes kjent at en vesentlig del av de giftige gasser (NO^) utvikles fra det nitrogen som finnes i den luft som tilføres forbrenningskammeret, samt at dioxiner og furaner utvikles av deres forløpere når temperaturen i forbrenningskammeret varierer fra ca. 180°C og opp til ca. 1000-1200°C, avhengig av den type dioxinisomer som er tilstede.

Det er også kjent at jo mer temperaturen i forbrenningssonen i en forbrenningsovn kan reduseres, jo mindre vil utviklingen av giftige gasser (NOx) bli, eller med andre ord: jo lavere temperaturen i forbrenningskammeret kan være, jo mindre mengder giftige gasser vil bli sendt ut i atmosfæren.

På den annen side er det blitt vist at det er nødvendig å holde en temmelig høy temperatur (rundt 1200°C) i forbrenningskammeret for å fjerne de dioxiner og furaner som dannes av deres forløpere i røkgassene. Denne fjerning krever at store kvanta frisk luft tilføres forbrenningskammeret i forbrenningsovnen.

I forbrenningsanlegg hvor det anvendes standard rister, vil det i mange tilfeller være vanskelig å oppnå den nødven-dige temperatur i forbrenningskammeret, og det vil derfor v. r r'2 nødvendig med et f orbrenningskammer nr. 2, hvor temperaturen kan holdes ved hjelp av en sekundærbrenner.

På grunn av temperaturøkningen fra normal temperatur (ca. 600°C) til den temperatur rundt 1200°C ved hvilken innholdet av dioxinene reduseres, vil dannelsen av giftige gasser øke, og denne dannelse av giftige gasser må reduseres til det kvantum som dannes ved normal temperatur.

Forbrenningsovner hvor det benyttes en kombinasjon

av en rist etterfulgt av en rotérovn, vil medføre nøyaktig de samme problemer som dem som er omtalt ovenfor.

I US patentskrift nr. 3 403 643 beskrives en fremgangsmåte for forbrenning av brennbart organisk avfallsmateriale, hvor det fjernes røk og lukt fra gassene som dannes under forbrenningen. I henhold til dette US patentskrift innføres oxygenanriket luft i f orbrenningssonen, hvorved luktende forbrenningsgasser brennes og det oppnåes en mer fullstendig forbrenning av det brennbare avfall. Det antydes imidlertid intet i US patentskriftet om noen mulighet for a eliminere giftige dioxiner og furaner i tillegg til de skadelige nitrogenholdige gasser. Av US patentskriftet fremgår det bare at bruk av oxygenanriket luft gir et vesentlig mindre volum skorsteinsgass, som skal behandles i tilknyttede gassrens-ningsanlegg. Ved fremgangsmåten beskrevet i US patentskriftet kan temperaturen komme opp i over 1600°C.

Det er et siktemål med denne oppfinnelse å tilveie-bringe en fremgangsmåte for forbrenning av brensel og brennbart avfall som sikrer en reduksjon i dannelsen av de giftige gasser (nitrogenoxyder, NO^), samtidig som det kvantum frisk luft som er nødvendig for denne forbrenning, reduseres, dog således at det stadig er tilstede tilstrekkelig mye oxygen til å redusere innholdet av alle hydrocarboner samt dioxiner og furaner.

Med oppfinnelsen tilveiebringes det således en fremgangsmåte for forbrenning av brennbare materialer som inneholder forløpere for dioxiner og furaner, hvilken fremgangsmåte er særpreget ved at det ved forbrenningen anvendes luft som er tilstrekkelig anriket på oxygen tii at forbrenningstemperaturen når opp i minst 1200°C, og at forbrennings temperaturen på minst 1200°C holdes i minst to sekunder.

Den oxygenanrikede luft som tilføres forbrenningskammeret, skal typisk inneholde mellom 30 og 35?; oxygen sammenlig-net med normal atmosfærisk luft, som inneholder 2 3,19 vekt-: oxygen. For produksjon av anriket luft kan man benytte en av de velkjente prosesser, såsom Pressure Swing Absorption (PSA), Vaccum Swing Absorption (VSA) eller et kryogent anlegg eller en annen passende fremgangsmåte, eller også få oxygenet levert.

Ved at man under hele prosessen anvender gassformig oxygen i den anrikede luft unngår man den besværlige omdan-nelse av oxygenet til væske og oppnår økonomiske fordeler.

Det er selvfølgelig også mulig, men mindre økonomisk, å benytte teknisk oxygen tilført gjennom rørledninger eller flytende oxygen levert i tank.

I det tilfelle hvor forbrenning i.h.t. en foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen finner sted i to trinn, omfattende et første trinn med forgassing (pyrolyse) og et sekundært trinn med forbrenning av den utviklede gass, benyttes oxygenanriket luft i det sekundære trinn for å holde utviklingen av giftige gasser på et lavt nivå og samtidig fremme reduksjonen av mengden av dioxiner på grunn av den høye temperatur og den oxygenrike atmosfære.

Denne metode er meget pålitelig når den utføres i et anlegg som omfatter et "skikt"-pyrolyseaniegg hvor det benyttes en strøm av resirkulert røkgass (en oxygenfattig atmosfære), og som enten har et standard forbrenningskammer hvor den anrikede luft tilføres, eller et sirkulerende skikt, fra hvilket gassene skilles ut i en syklon, som er forbundet med et sekundært kammer eller etterbrenningskammer hvor de gasser som utvikles i pyrolyseanlegget med fluidisert skikt, anten-nes og brennes i en oxygenanriket luft.

Fordelen med kombinasjonen av pyrolyseaniegg og etterbrenningskammer består i at pyrolysetemperaturen kan holdes så lav (600-800°C) at problemene med smeltende aske i høy grad reduseres, og når et fluidisert skikt benyttes i pyrolyseanlegget, oppnåes en meget høy grad av gjenvinning på grunn av at det brennbare avfall brennes totalt ut for det forlater det fluidiserte skikt.

Erfaringene har vist at et slikt pyrolyseaniegg med fluidisert skikt kan reguleres fra ca. 40% belastning og opp til belastningen ved full fluidisering.

I forbrenningssonen eller det sekundære kammer etter syklonen reguleres det kvantum anriket luft som tilføres forbrenningskammeret for å sikre kontinuerlig drift ved minst 1200°C med ekstra oxygen, idet nevnte sekundære kammer er tilstrekkelig stort til å oppfylle spesifikasjonene.

Som følge av de ovennevnte forholdsregler vil røkgas-sene som forlater forbrenningsanlegget, ha et innhold av gif-tig gass som er likt med eller lavere enn det som normalt oppnåes ved forbrenning av brensler og fast avfall (dvs. RDF) ved 700-800°C, og samtidig vil de dioxin- og furanmengder som dannes ved forbrenningen, reduseres til praktisk talt ingenting, takket være den høye temperatur, den oxygenrike atmosfære, turbulensen og oppholdstiden.

Forbrenningssystemet etterfølges av et system for fjerning av partikler, omfattende f.eks. sykloner, multisykloner, elektrostatiske filtere eller andre typer utstyr for fjerning av faste partikler og tungmetaller (med unntak av kvikksølv, som i dampform ikke kan utfelles på denne måte).

Partikkelfilteret etterfølges av en varmeveksler for fjerning av overskuddsvarmen fra røkgassene, og til slutt passerer røkgassene en skrubber for fjerning av svoveldioxyder ( SO ) , klorider (Cl), fluorforbindelser (såsom HF) og kvikk-sølv .

Etter en dråpefanger (demistor) føres de rensede røk-gasser ved hjelp av sugetrekkblåseren til skorstenen, med eller uten ny oppvarmning av røkgassene.

Alt dette utstyr for fjerning av partikler, varmeveks-ling og røkgasskrubbing utgjør ingen del av den foreliggende oppfinnelse, men er nødvendig for å oppnå en røkgass som kan aksepteres i naturen, og som har et meget lavt innhold av forurensende stoffer.

De vedlagte tegninger viser noen anvendelser av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

På disse tegninger er figurene 1-4 blokkdiagrammer

av anlegg hvor fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan utfores. På disse figurer anvendes de samme henvisnings tall for identisk eller lignende utstyr.

På fig. 1 betegner 1 et forbrenningskarnmer eller en forbrenningsovn hvor et fast, brennbart materiale, såsom avfall eller en hvilken som helst type brensel, innmates.

De slagger (S) som dannes i forbrenningskammeret 1, fjernes fra dette. Forbrenningskammer 1 forsynes med luft anriket med oxygen fra et aggregat (6), som kan inneholde en luftseparator for tilførsel av den nødvendige mengde oxygen i luftform samt en blander i hvilken oxygenet blandes med en viss mengde frisk luft. Den dannede blanding av luft og oxygen føres til forbrenningsovnen 1.

I tilfeller hvor kaloriverdien av det brennbare materiale er så lav at det ikke er mulig å oppnå den spesifiserte temperatur, kan det tilsettes et bedre brensel, såsom kull (ved hjelp av ikke viste innretninger) til forbrenningskammeret, eller det kan installeres en olje- eller gassbrenner med automatisk oppstarting for å opprettholde nevnte temperatur .

Tilførselen av oxygenanriket luft til forbrenningskammeret øker temperaturen til en verdi som bevirker en reduksjon i den dannede mengde giftige nitrogenholdige gasser og en om-dannelse av dioxiner, furaner og andre giftige forbindelser til deres harmløse forløpere.

Forbrenningsovnen 1 kan være en forbrenningsovn av

en hvilken som helst type, såsom en ovn med rist, en roterende ovn eller en ovn med fluidisert skikt.

Faste partikler i det luftformige avløp fra forbrenningsovn 1 utskilles fra avløpet i en partikkelseparator 3, som kan være en syklon, en multisyklon, et elektrostatisk filter, et tekstilfilter eller lignende. De rensede gasser avkjøles deretter i en kjøler 4, som kan være en varmeveksler av kjent type, som overfører varmen til et energiforbru-

kon de system (E), såsom en f jervarmesentral.

Den utgående gass behandles deretter valgfritt med kjemiske reagenser (C) i et såkalt "røkgassrenseanlegg" 5,

i hvilket forurensende stoffer (P) såsom svoveldioxyd, klor, fluor, tungmetaller såsom kvikksølv osv., utskilles. Røkgas-sene kan deretter føres til en skorsten (CH).

Anlegget som er vist på fig. 2, er identisk med anlegget vist på fig. 1, bortsett fra at forbrenningen finner sted i to enheter, nemlig i en forgassingsenhet 1, hvor det brennbare materiale pyrolyseres til en hydrocarbonholdig gass,

som så brennes i forbrenningskammer 2, som tilføres oxygenanriket luft.

Pyrolysen i forgasningskammeret 1 kan forbedres ved

at man resirkulerer en del av forbrenningsgassene som dannes i forbrenningskammeret 1, slik som vist ved X.

Anlegget som er vist på fig. 3, er identisk med anlegget vist på fig. 2, bortsett fra at partikkelseparatoren 3

er innsatt mellom forgasningskammeret 1 og forbrenningskammeret 2. I dette tilfelle kan en del av de gasser som dannes ved pyrolyse av det brennbare materiale i forgasningkammeret 1, resirkuleres til dette kammer 1.

Sluttelig er det anlegg som er vist på fig. 4, lik det anlegg som er vist på fig. 3, med det unntak at en forut-bestemt del av de gasser som dannes i forgasningsenheten 1, renses i støvseparatoren 3, brennes i oxygenanriket luft i forbrenningskammeret 2 og resirkuleres til forgasningsenheten 1, som vist ved X.

Med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er det nu mulig å brenne materiale som inneholder forløperne for dioxin, furan og andre giftige materialer og å oppnå de høye temperaturer som er nødvendige for å destruere disse giftige materialer,

og samtidig oppnå høye temperaturer som følge av at det benyttes oxygenanriket luft i forbrenningskammeret, slik at det normalt ikke er nødvendig å tilsette ekstra brensel for å sikre de høye temperaturer som er nødvendige for å destruere de giftige stoffer.

Dette oppnåes takket være at den anrikede luft inneholder mer oxygen og derfor mindre nitrogen, slik at det blir mindre inaktiv gass som skal oppvarmes under forbrenningen,

og høyere temperaturer kan derved oppnåes uten tilsetning av ekstra brensel.

En ytterligere fordel oppnåes ved å benytte oxygenanriket luft, fordi den mengde giftige gasser som dannes under en forbrenning, normalt øker ved økende temperatur, men i dette tilfelle - hvor nitrogeninnholdet i lufttilførselen er blitt redusert som følge av det høyere oxygeninnhold i den anrikede luft - reduseres den dannelse av giftige stoffer som skyldes tilstedeværelsen av nitrogen tilsvarende, og dette tillater bruk av de nødvendige høyere temperaturer uten øket dannelse av giftige gasser (NO^).

Med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen taes det hoved-sakelig sikte på forbrenning av avfall som inneholder for-løperne for giftige stoffer såsom dioxiner, furaner og andre, hvor noen få hundre grader Celcius høyere temperatur enn normalt vil ødelegge de giftige stoffer uten å øke dannelsen av giftige gasser.

Den samme fremgangsmåte kan selvfølgelig benyttes

for forbrenning av andre faste eller flytende brensler, hvor bruken av oxygenanriket luft reduserer den tilstedeværende mengde nitrogen, og hvor økningen i temperaturen unngåes gjennom resirkulering av en del av røkgassen med lav temperatur for å redusere temperaturen.

Nedenfor er det foretatt en sammenligning mellom tre forbrenningssystemer for ved hjelp av numeriske verdier å

vise fordelene som oppnåes med oppfinnelsen.

Spalte II angår den konvensjonelle forbrenningsprosess. Spalte I angår en forbrenningsprosess hvor det benyttes et etterforbrenningskammer for å oppnå en sluttemperatur på 1200°C. Spalte III angår en fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen, hvor det benyttes oxygenanriket luft, men alltid utregnet på basis av den vanligvis benyttede 100% overskuddsluft. Det er å merke at den nødvendige mengde luft som benyttes pr. kilo brensel, reduseres til ca. 4,10 kg eller til 49% av mengden ved etter-forbrenning, og nitrogeninnholdet reduseres til ca. 43%.

Spalte IV angår fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, hvor det benyttes oxygenanriket luft, men nu utregnet etter resultater fra forsøk i full skala, som viser at det kun er nødvendig med 15% overskuddsluft.

Her skal det bemerkes at selv om det er tilstrekkelig med 15% overskuddsluft ved forbrenningen, så nødvendiggjør kravet om 6% oxygen i røkgassene - for å ødelegge dioxiner og furaner - at det benyttes 23% overskuddsluft med 32% oxygen. Røkgassene vil bli redusert til bare 30% av den opprin-nelige mengde og nitrogeninnholdet til ca. 27% - en betydelig fordel.

Kommentarer og konklusjoner

Generelt er sammensetningen av det brennbare materiale som finnes i fast avfall, basert på analyser av mange anlegg i adskillige land.

Teknologi I vedrører bruken av et etterforbrenningskammer hvor temperaturen heves fra et nivå på 750-950°C til 1200°C i minst to sekunder under spesifiserte betingelser.

Det må tilføres ekstra varme for å opprettholde temperaturen på 1200°C under alle omstendigheter. Det foreutsetter anvendelse av olje- eller gassbrennere.

Resultatene er basert på et temperaturnivå over 950°C, og fordi oxygeninnholdet i røkgassene er 6-8%, vil det være nødvendig med ekstra luft for å sikre at olje- eller gass-brennerne funksjonerer godt.

Teknologiene III og IV (dvs. oppfinnelsen) foreskriver bruk av luft anriket med oxygen, og ekstra brensel er ikke nødvendig for å oppnå temperaturen på 1200°C. Det høyere oxygeninnhold i den luft som tilføres forbrenningsovnen, vil alene øke temperaturen, fordi den varme som utvikles under forbrenningen, vil bli benyttet til å oppvarme en meget mindre mengde luft (ettersom oxygeninnholdet vil være høyere), og temperaturen vil bli høyere enn ved normal forbrenning med vanlig luft.

For å sikre en temperatur på 1200°C vil det nødvendige oxygeninnhold i luften være 32% i stedet for det normale innhold på 23,19%.

Disse ekstra 8,81% oxygen eller 0,3594 kg oxygen pr. kg avfall kan enten tilføres som flytende oxygen eller produ-seres lokalt ved hjelp av en av de ovennevnte prosesser. Prisene er utregnet for det ugunstigste tilfelle, dvs. for det tilfelle hvor oxygenet leveres utenfra. En lokal produksjon av oxygen vil i de fleste tilfeller være betydelig billigere, idet man da kan regne med mellom 30 og 45% av den ovennevnte pris .

Prisen på flytende oxygen med 99,9% oxygen er fastsatt i en fiktig monetær enhet for å gjøre det muJig å s arrnenligne

flere forskjellige kostnader.

Alle kalkulasjoner er strengt støkiometriske og derfor uten de tap som normalt iakttaes under drift, men det er iakt-tatt at tapene blir desto større jo større mengder overskudds-luf t som benyttes.

Det skal videre bemerkes at utstyret omfattende kjel, varmeveksler, skrubbere, ventilatorer, skorsten osv., vil bli betydelig billigere ved bruk av anriket luft,fordi den mengde som anvendes bare er 4,10 kg/kg i prosess III og 2,5 kg/kg i prosess IV, mens den er 8,43 kg/kg i prosess I. Røk-gassmengden reduseres med henholdsvis 50% og 70%.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte for forbrenning av brennbare materialer som inneholder forløpere for dioxiner og furaner, karakterisert ved at det ved forbrenningen anvendes luft som er tilstrekkelig anriket på oxygen til at forbrenningstemperaturen når opp i minst 1200°C, og at forbrenningstemperaturen på minst 1200°C holdes i minst to sekunder.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det ved forbrenningen anvendes luft som inneholder en så stor mengde oxygen at det fåes en oxygenmengde i røkgassen på minst 6 vekt%.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at det ved forbrenningen anvendes luft som inneholder en så stor mengde oxygen at det fåes en oxygenmengde i røkgassen på 6-8 vekt%.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den omfatter de to følgende trinn: (1) pyrolyse av det brennbare materiale ved en relativt lav temperatur og (2) forbrenning av gassene som dannes i trinn (1), ved en høy temperatur ved hjelp av oxygenanriket luft.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at det brennbare materiale først pyrolyseres ved en temperatur på 600-850°C, og at gassene som dannes i trinn (1), deretter forbrennes med oxygenanriket luft ved en høy temperatur på minst 1200°C.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 3-5, karakterisert ved at en del av den varme røkgass resirkuleres til trinn (1) før forbrenning.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 4 eller 5, karakterisert ved at en del av røkgassen resirkuleres til trinn (1) etter forbrenning med oxygenanriket luft.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6 eller 7, karakterisert ved at en del av den varme røkgass resirkuleres til trinn (1) etter fjerning av de faste partikler som inneholdes i gassen.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1-8, karakterisert ved at det som brennbart materiale anvendes et fast brensel valgt blant kull, brunkull, torv, flis, fast avfall og brennstoffer avledet fra avfall eller en blanding av to eller flere av disse.