專利名稱：蒸發(fā)和再生式廢水燃燒系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于燃燒有機廢水和揮發(fā)性有機化合物的系統(tǒng)以及相應(yīng)方法，具體地說，涉及一種用再生熱氧化器氧化蒸發(fā)包含有機化合物的廢水產(chǎn)生的廢氣，以便經(jīng)濟有效地除去有機化合物的蒸發(fā)和再生式廢水燃燒系統(tǒng)。
與本發(fā)明相關(guān)的技術(shù)背景一般地，包含所有烴類化合物的揮發(fā)性有機化合物通常產(chǎn)生于化工廠、廢水處理廠、和在汽車制造廠的噴漆工作過程中的物質(zhì)，它會引起光化學(xué)煙霧、使地球變暖、破壞同溫層中的臭氧層，等等，而且對人體和人類環(huán)境有致命的毒性，如致癌等。
已知的處理揮發(fā)性有機化合物的技術(shù)有燃燒、吸收除去、吸附、冷卻冷凝、生物處理和層分離方法等，而尤其再生熱氧化法是被廣泛應(yīng)用的。
再生熱氧化器(亦稱為“RTO”)的操作，是燃燒包含揮發(fā)性有機化合物的廢氣，并采用陶瓷填充材料收集在燃燒過程中產(chǎn)生的熱能，從而大大降低系統(tǒng)操作費用，并且減小裝備空間。RTO的處理效率很高，超過99％，而且二次污染小，并且，如果在廢氣中的揮發(fā)性有機化合物的濃度超過300vppm，通過利用系統(tǒng)本身的燃燒能量，不需要補充供給能量。
其操作更詳細地敘述為，RTO最大程度地收集廢氣放出的余熱能量作為預(yù)熱引入的氣體的能量。為達到這一目的，它采用直接加熱和冷卻陶瓷進行熱交換，來代替典型的熱交換器。
也就是說，當(dāng)利用管殼式熱交換器或板式熱交換器進行氣體的熱交換時，熱交換器入口和出口之間的氣體的溫差是100到200℃，因而限制了應(yīng)用。但是，陶瓷具有950℃的最高使用溫度，并且當(dāng)進行熱交換時，入口和出口的溫差可降到20℃，因而可取得98％的熱回收率。
圖1和圖2出了在典型的RTO中的正/反方向的操作狀態(tài)，在操作開始，將位于排列在RTO的左側(cè)和右側(cè)的陶瓷層1、2中間的的燃燒室加熱到適于燃燒室的操作后，引入廢氣。
廢氣通過陶瓷層1預(yù)熱到燃燒室的溫度，同時廢氣中的有機氣體開始氧化，并且當(dāng)以一定時間間隔通過燃燒室時，全部有機化合物在約800℃的溫度下被氧化。
在此時，當(dāng)處理過的高溫氣體通過陶瓷層2時，氣體放出幾乎全部的熱，從而氣體恰好冷卻到比在陶瓷層1處的入口溫度高10到30℃的溫度。
在此時，過一會兒，氣體入口路徑切換成如圖2中所示。
以一定的時間間隔(約1.5到3分鐘)重復(fù)切換圖1和圖2所示的操作，從而減少氣體燃燒所需能量。
在圖1和2中所示的系統(tǒng)稱為二床型RTO，并且二床型RTO是一種經(jīng)濟型系統(tǒng)。但是，在閥門切換過程中存在于RTO的陶瓷上的未處理氣體和繞道通過RTO的燃燒室的其它未處理氣體，在閥門切換時間中被放出，因此，由于未處理氣體的放出，使整個有機化合物的除去效率約為95％。
為解決這一問題，可使用三床型RTO或氣體緩沖器。使用緩沖器的情況在圖3中給出。
也就是說，燃燒系統(tǒng)由RTO、氣體緩沖器、和鼓風(fēng)機組成。
使用緩沖器12的正向操作敘述如下在閥門5打開時，來自前述步驟的未處理廢氣被引入到二床型RTO一端的陶瓷層3中，在室溫下引入的氣體被熱交換陶瓷加熱到800℃的氧化溫度，以使空氣中的有機化合物(VOC)被氧化。氧化后氣體的溫度升至830℃，比熱交換陶瓷高30℃。在此溫度下的氣體通過另一側(cè)的陶瓷層4冷卻下來。大部分熱傳遞給陶瓷層4從而使陶瓷層4的溫度上升。冷卻后的氣體依次通過閥門8、鼓風(fēng)機13、和閥門10，并排放到大氣中。
如上所述，在正方向操作過程中，閥門5、8是打開的而閥門6、7是關(guān)閉的，氣體緩沖器前面的緩沖器閥門9是關(guān)閉的。
當(dāng)正方向操作保持2分鐘后，預(yù)熱氣體的陶瓷層3的陶瓷被冷卻，陶瓷層4吸收熱氣體的熱量并被加熱。在此時氣體的引入開始啟動反方向操作。
正方向和反方向操作的條件是相同的，而廢氣的引入方向變到另一側(cè)的陶瓷層4。在正/反方向操作之間有一個切換時間。
由于反方向操作的閥門5、8是關(guān)閉的，而閥門6、7是打開的，存在于陶瓷層3和閥門5之間的未處理氣體，通過閥門7經(jīng)過鼓風(fēng)機13、再由閥門10排放到大氣中。
通過使用氣體緩沖器12可防止這一現(xiàn)象，緩沖閥門9是打開的，而通向煙囪的管道上的閥門10是關(guān)閉的。
因此，未處理氣體經(jīng)過緩沖閥門9收集到氣體緩沖器12中，而在氣體緩沖器12的上部的處理過的氣體直接排放到煙囪中。
在切換時間過后，RTO后的氣體路徑轉(zhuǎn)到排放管，并且閥門9是關(guān)閉的。
在氣體緩沖器12內(nèi)部裝備擋板，以減小引入氣體的混合。緩沖器的下邊與未處理氣體入口管線連接，而氣體緩沖器的上邊與通大氣排放管連通。儲存在緩沖器中的未處理氣體，在閥門11打開時自動循環(huán)到RTO之前，并且緩沖器的內(nèi)部變成從大氣中引入的氣體，直到下一個切換時間。
同時，在印染廠、化工廠、廢水處理廠和汽車制造公司，產(chǎn)生大量除上述有機化合物以外的其它種類的廢水。當(dāng)有機廢水中有機化合物的濃度低(即COD低于5000ppm)時，用活性油處理劑處理，但在高濃度(即COD高于10,000ppm)的情況下，活性油處理劑不能滿足要求，并且不經(jīng)濟，因此采用燃燒處理。
在此時，使用典型燃燒爐的廢水燃燒操作，是將含有機化合物(包括揮發(fā)性有機化合物)的廢水引入到燃燒爐中，然后通過加熱廢水到950℃，氧化廢水中的有機化合物。但是，盡管可用熱交換器收集能量，熱回收率也非常低，并且燃燒爐的操作費用巨大。
因此，裝備這種典型的燃燒爐，由于它生產(chǎn)費用增加，導(dǎo)致防污染方法的費用大幅提高，因此需要發(fā)展低能耗的經(jīng)濟型廢水處理系統(tǒng)。
一般地，在燃燒系統(tǒng)中，有機廢水直接噴霧到高溫爐中，以便在爐中氣化廢水、氧化氣態(tài)有機化合物。在廢水中含有鹽類的情況下，采用如圖4所示的驟冷型燃燒爐，而在廢水中沒有鹽類的情況下，采用如圖5所示的熱交換燃燒爐。
但是，在如上所述的典型燃燒方法中，廢水都是直接噴霧到爐中，因而向其中過量供給熱能，并且因為使用一般的回收熱交換器，由于缺少熱交換媒介，熱回收率非常低。
發(fā)明簡述本發(fā)明提供了一種處理有機廢水和揮發(fā)性有機化合物的燃燒系統(tǒng)，同時，所述系統(tǒng)提供的效率與相關(guān)技術(shù)的燃燒系統(tǒng)相同或更高，并且至少節(jié)省系統(tǒng)操作費用80％。
本發(fā)明的主要構(gòu)思和目標(biāo)可歸納為以下三點第一，采用用于處理包含有機化合物的廢氣的再生熱氧化器(此后記作RTO)處理廢水，并且采用蒸發(fā)器產(chǎn)生用于上述目的的廢氣。
第二，廢氣中的有機化合物的氧化產(chǎn)生的熱能可以回收，用于操作蒸發(fā)器的能源，同時最大限度地體現(xiàn)RTO消耗很少能量進行氧化的特性。
第三，在正/反方向操作切換過程中產(chǎn)生的，上一步存在的殘余未處理氣體，在下一批處理過程前，儲存在一定空間中。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種通過利用蒸發(fā)器將含有機化合物的有機廢水加熱到一定溫度，進行蒸發(fā)后，在RTO中燃燒廢氣的燃燒方法。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種蒸發(fā)和再生式有機廢水燃燒系統(tǒng)，其中含有有機化合物的有機廢水經(jīng)蒸發(fā)產(chǎn)生廢氣，產(chǎn)生的廢氣用空氣氧化，并且氧化過程的熱能回收用于蒸發(fā)廢水。
我們可以認為，前面的一般敘述和接下來的詳細敘述，兩者都是示范性和說明性的，并且意味著為本發(fā)明的權(quán)利要求提供進一步的解釋。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的蒸發(fā)和再生式廢水燃燒系統(tǒng)。
正如


的那樣，典型的二床型再生熱燃燒系統(tǒng)和特別設(shè)計的緩沖器與蒸發(fā)器互相配合。換句話說，在典型的再生熱燃燒系統(tǒng)的再生熱氧化器(RTO)18之前，有一個蒸發(fā)器15，用來在引入燃燒系統(tǒng)之前加熱和蒸發(fā)廢水。
根據(jù)本發(fā)明的用于廢水處理的蒸發(fā)和再生式廢水燃燒系統(tǒng)，參考圖6進行詳細敘述。
首先，未處理廢水經(jīng)熱交換器14加熱并引入到蒸發(fā)器15中，從廢水中蒸發(fā)出的廢氣從蒸發(fā)器15中輸出，然后，蒸發(fā)出的廢氣與儲存在緩沖器25中的未處理氣體混合，接著通過緩沖冷凝器16和熱交換器17預(yù)熱，這一步驟將在后面解釋，最后混合氣體引入到二床型RTO18中。這一步驟產(chǎn)生的冷凝廢水，回流到廢水罐。
在廢氣引入到左側(cè)陶瓷層19的情況下，三通閥21的C和B是打開的，而A是關(guān)閉的。
引入到左側(cè)陶瓷層19的混合氣體被加熱到約850℃，并且有機化合物隨著溫度升高被氧化，因此爐內(nèi)氣體的溫度保持在950℃。
氧化后的熱氣體通過右側(cè)的陶瓷層20冷卻下來，然后，在此步驟，三通閥22打開B閥門和A閥門而關(guān)閉C閥門，氣體被吸收到鼓風(fēng)機23中。
上述正方向操作保持約2分鐘，然后是反方向操作，通過轉(zhuǎn)換氣流路徑依次保持約2分鐘。
也就是說，依照反方向操作混合氣體引入到右側(cè)的陶瓷層20中，并且在本步驟，三通閥22的C和B是打開的，而A是關(guān)閉的。
引入到右側(cè)陶瓷層20中的混合廢氣，被上一步積累的熱能預(yù)熱后的陶瓷層加熱到850℃，并且有機化合物隨著溫度升高被氧化，因此，爐內(nèi)氣體的溫度保持在950℃的溫度。
氧化后的熱氣體通過左側(cè)的陶瓷層19冷卻下來，然后，通過三通閥21吸收到鼓風(fēng)機23中，從而排放到空氣中，在本步中，三通閥21的B和A是打開的，而C是關(guān)閉的。
在上述正和反方向操作切換過程中，引入上述混合廢氣的陶瓷層19、20的前部存在未處理氣體。殘余未處理氣體在正和反方向操作切換過程中儲存在緩沖器中，下面進行詳細介紹。
首先，假定正方向操作完成，三通閥22的B和C是打開的而A是關(guān)閉的，同時反方向操作開始的三通閥21的B和A是打開的而C是關(guān)閉的。
在本步驟中，鼓風(fēng)機23吸收上述殘存未處理氣體，并且三通閥24的B和C是打開的，而A是關(guān)閉的，上述氣體通過陶瓷制成的緩沖冷凝器16儲存在緩沖器25中。高溫的未處理氣體通過陶瓷的緩沖冷凝器16冷卻下來，并且上述氣體的體積由于冷卻而減小，因而可減小緩沖器25的尺寸。
由于其體積依賴于切換時間，緩沖器25是與大氣連通的，并且在預(yù)定的切換時間過程中儲存引入的未處理氣體。當(dāng)未處理氣體儲存在緩沖器25中時，在上一步引入到緩沖器25中的空氣從緩沖器中排放到大氣中。當(dāng)未處理氣體從緩沖器25排放時，空氣從大氣進入緩沖器中。
如上所述，隨著反方向操作的開始，從蒸發(fā)器15排放的廢氣，與儲存在緩沖器25中的通過緩沖冷凝器16并經(jīng)熱交換器17預(yù)熱后的未處理氣體混合。這里，冷凝緩沖器16被從引入的未處理氣體中取得的熱能加熱，因此，該未處理氣體通過緩沖冷凝器16時被預(yù)熱。
依照本發(fā)明，RTO18的操作只需少量的熱能。相應(yīng)地，來自引入的混合廢氣中的有機化合物的氧化的熱能僅有一部分被利用，而其它熱能提供給蒸發(fā)器15，或作為余熱的通過排放管線P，作為其它熱源。因此，在整個系統(tǒng)的操作過程中，可有效地利用熱能。
下面將進行更詳細的敘述。
如果廢氣中的有機化合物的放熱反應(yīng)的卡路里回收率為85％，廢氣的燃燒和RTO內(nèi)部的廢水的蒸發(fā)所需要的卡路里可計算出來。如果包含有機化合物的廢水是2MT(水1950kg和廢有機化合物50kg)，燃燒蒸發(fā)出的廢氣所需空氣的數(shù)量按照廢氣∶空氣=1∶1確定為1200m3。
蒸發(fā)廢水所需的卡路里是1950kg×540kcal/kg=1,053,000kcal。在此步驟，蒸汽的潛熱是540kcal/kg。如果計算在RTO中燃燒所需的卡路里，并且假設(shè)廢氣和空氣的總和=2400m3,CP=0.38(熱容量)，而在入口和出口之間的溫度差ΔT=50，卡路里是2400m3×0.38kcal/m3℃×50℃=45,600kcal。因此，蒸發(fā)廢水和燃燒廢氣的卡路里是1,053,000kcal+45,600kcal=1,098,600kcal(1)如果廢氣中的有機化合物放熱的能量是500,000kcal/MT(MT為公噸)，總能量是500,000kcal/MT×2MT=1,000,000kcal。如上所述，如果回收率是85％，用于蒸發(fā)和燃燒的總卡路里是1000,000kcal×0.85=850,000kcal(2)因此，外部供給的卡路里可由從(1)中減去(2)計算出。也就是，1,098,600kcal-850,000kcal=248,600kcal/2MT=124,300kcal/MT。
同時，在典型燃燒系統(tǒng)中所需的卡路里計算如下在典型燃燒方法中，包含有機化合物的廢水是加熱燃燒的。為達到這一目的，它應(yīng)在加熱到950℃來蒸發(fā)廢水中的水，并氧化有機化合物。如果計算所需空氣的量，例如在120％空氣的情況下(用氣比率適當(dāng)過量)，為12.5m3對1m3(10,000kcal)的LNG(液化天然氣)。
因此，當(dāng)引入燃燒系統(tǒng)的空氣溫度為30℃時，使空氣(12.5m3)升溫到950℃所需的卡路里是12.5m3×0.35kcal/m3℃×(950℃-30℃)=4,000kcal。該4,000kcal是使空氣的溫度升高的卡路里，它自身升到950℃的溫度，而用于蒸發(fā)的卡路里是10,000kcal中的6,000kcal。
換句話說，在2MT包含有機化合物廢水(水1950kg，有機化合物50kg)的情況下，蒸發(fā)所需的卡路里是1950kg×900kcal=1,755,000kcal，而卡路里供給總量是1,755,000kcal×10,000kcal(毛)÷6,000kcal(凈)=2,925,000kcal。除去放熱反應(yīng)的卡路里，500,000kcal/MT×2MT=1,000,000kcal，要從外部供給的卡路里是2,925,000kcal-1,000,000kcal=1,925,000kcal。如果在廢熱回收中的熱能回收率是50％，利用的真實卡路里是1,925,000kcal×0.5=962,500kcal/2MT=481,250kcal/MT。因此，所需的單位卡路里率比本發(fā)明的情況高約3.9倍。
也就是說，依照本發(fā)明的有機廢水燃燒系統(tǒng)，所需卡路里與典型燃燒系統(tǒng)相比每1MT可節(jié)省356,950kcal。
如上所述，依照本發(fā)明，系統(tǒng)的裝備費用低于典型系統(tǒng)，因而操作效率可節(jié)省80％。
另外，在典型系統(tǒng)中，是將廢水直接引入到燃燒爐中，并加熱到950℃，而依照本發(fā)明，由于廢水在提供給RTO之前先蒸發(fā)并隨后與空氣混合，在引入RTO之前，只有蒸發(fā)的能量可由外部供給，其余的操作能量回收可超過95％。
還有，因為RTO由于其操作特性只消耗很少能量，也就是說，利用了一部分混合廢氣中有機化合物氧化的能量，其余能量提供給蒸發(fā)器，在整個系統(tǒng)中熱能效率很高。
顯然對于那些所屬技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)人員而言，可以根據(jù)對本發(fā)明的精神進行各種各樣的修改和改進。因此，本發(fā)明受所附權(quán)利要求的限定和保護。
權(quán)利要求
1． 一種處理有機廢水的燃燒方法，包括利用蒸發(fā)器將包含有機化合物的廢水加熱到一定溫度以蒸發(fā)，并在再生熱氧化器中燃燒有機化合物的步驟。
2． 一種處理有機廢水的燃燒方法，包括的步驟為a)將包含有機化合物的所述的有機廢水引入一個蒸發(fā)器中；b)將引入的廢水加熱到一定溫度并蒸發(fā)；c)將蒸發(fā)出的廢氣引入到再生熱氧化器中；d)用空氣氧化引入的廢氣；并且e)將氧化后的氣體排放到大氣中。
3． 根據(jù)權(quán)利要求2所述的處理有機廢水的燃燒方法，其中所述的有機廢水在引入蒸發(fā)器之前進行預(yù)熱。
4． 根據(jù)權(quán)利要求2所述的處理有機廢水的燃燒方法，其中所述的氧化廢氣產(chǎn)生的一部分熱能是提供給蒸發(fā)器的。
5． 根據(jù)權(quán)利要求2所述的處理有機廢水的燃燒方法，其中所述的廢氣與由于再生熱氧化器的操作方向切換所產(chǎn)生的未處理氣體混合，然后引入到再生熱氧化器中。
6． 根據(jù)權(quán)利要求2所述的處理有機廢水的燃燒方法，其中，由于再生熱氧化器的操作方向切換所產(chǎn)生的未處理氣體暫存在一個緩沖裝置中。
7． 根據(jù)權(quán)利要求6所述的處理有機廢水的燃燒方法，其中未處理氣體通過一個陶瓷制成的緩沖冷凝器冷卻下來。
8． 根據(jù)權(quán)利要求7所述的處理有機廢水的燃燒方法，其中所述的儲存的未處理氣體在通過緩沖冷凝器時被加熱。
9． 根據(jù)權(quán)利要求2所述的處理有機廢水的燃燒方法，其中再生熱氧化器是一種二床型(two-bed type)再生熱氧化器。
10．一種處理有機廢水的燃燒系統(tǒng)，包括a)一個容納包含有機化合物的有機廢水并將其加熱進行蒸發(fā)的蒸發(fā)器；b)一個具有一對陶瓷層，而燃燒室位于這對陶瓷層之間的再生熱氧化器，其中蒸發(fā)出的廢氣通過一個陶瓷層引入、預(yù)熱、在燃燒室中用空氣氧化，并通過另一個陶瓷層排放出來；以及c)一個將再生熱氧化器排放的氣體排放到大氣的鼓風(fēng)機。
11．根據(jù)權(quán)利要求10所述的處理有機廢水的燃燒系統(tǒng)，進一步包括用來在同一時間依照再生熱氧化器的正/反方向操作，限定接受蒸發(fā)出的廢氣的路徑，和接受從再生熱氧化器排放出的廢氣的路徑的第一和第二閥門。
12．根據(jù)權(quán)利要求11所述的處理有機廢水的燃燒系統(tǒng)，進一步包括一個緩沖器，用來暫時儲存在再生熱氧化器的正/反方向操作切換過程中，上一步驟中沒有引入到再生熱氧化器中的殘余未處理廢氣，直到下一步驟。
13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的處理有機廢水的燃燒系統(tǒng)，進一步包括一個三通閥，用來切換從再生熱氧化器中排放出的氣體排放到大氣中的路徑，以及未處理氣體被輸送到緩沖器中的路徑。
14．根據(jù)權(quán)利要求12所述的處理有機廢水的燃燒系統(tǒng)，其中一個陶瓷制成的緩沖冷凝器安裝在緩沖器之前，與未處理氣體進行熱交換。
15．根據(jù)權(quán)利要求10所述的處理有機廢水的燃燒系統(tǒng)，進一步包括一個用來將再生熱氧化器的燃燒室中的廢氣氧化產(chǎn)生的熱能提供給蒸發(fā)器的裝置。
16．一種處理有機廢水的蒸發(fā)/再生式燃燒系統(tǒng)，其中廢氣通過蒸發(fā)包含有機化合物的有機廢水產(chǎn)生，產(chǎn)生的廢氣用空氣氧化，并且收集氧化產(chǎn)生的熱能，用來蒸發(fā)有機廢水。
全文摘要
提供一種用來以低費用完全燃燒有機廢水和揮發(fā)性有機化合物的有機廢水蒸發(fā)/再生式燃燒系統(tǒng)及相應(yīng)方法。通過在蒸發(fā)器中蒸發(fā)包含有機化合物的廢水產(chǎn)生廢氣,并且,產(chǎn)生的廢氣在與蒸發(fā)器連通的再生熱氧化器(RTO)中與空氣混合進行氧化,氧化所產(chǎn)生的熱能被收集并提供給蒸發(fā)器。
文檔編號C02F1/04GK1313944SQ99809909
公開日2001年9月19日 申請日期1999年8月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月21日
發(fā)明者吳碩仁 申請人:關(guān)鍵工程株式會社