專利名稱：用于銷毀變濃的揮發(fā)性有機化合物流的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明領(lǐng)域是用于凈化摻雜有揮發(fā)性有機化合物(“VOC’s”)的氣體物流的方法和設(shè)備。特別是，本發(fā)明雖然可廣泛地適用于任何釋放出VOC’s的工業(yè)過程，但本發(fā)明特別涉及用于來自土壤蒸氣提取系統(tǒng)、土壤改良系統(tǒng)、或其它濃度隨時間改變的有機蒸氣源的VOC’s的受控放熱反應(yīng)的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
有許多不同的VOC’s源，它們具有隨時間改變的煙霧濃度。例如，某些間歇制造過程會有這樣的VOC’s煙霧流，它們會在長時間(如每24小時)內(nèi)由富變?yōu)樨殹?br> 另外，被有機化學品污染的土壤和淤泥是世界性的普遍存在的，只在美國就有數(shù)百萬立方米需要改良。例如，濃的地下有機污染物煙流是最普遍的地下水污染源之一。一種典型的濃煙流源是泄漏的地下貯罐。當貯存的液體從罐內(nèi)緩慢溢出時，操作人員可能需要數(shù)年才能知道這個問題。到那時，溶劑或燃料會深深地滲入地下，往往進入載水區(qū)。在作為一種稱為非水相液體(“NAPL’s”)的單獨的液態(tài)有機相收集時，這些污染物成為一種使周圍地下水連續(xù)遭到損害的根源。這種泄漏是最難以解決的環(huán)境問題之一。
這類被污染的物料的凈化還受到美國許多種規(guī)章的制約，所述規(guī)章包括The Comprehensive Environmental Response，Compensation，andLiability Act of 1980(“CERCLA”)、The Superfund Amendments andReauthorization Act of 1986(“SARA”)和The Resource Conservationand Recovery Act(“RCRA”)。在以后的30-40年里，美國的這些凈化項目的總費用估計超過2000億美元。
許多方法可被用于處理這些被污染的土壤和淤泥。早期的技術(shù)包括簡單地挖掘被污染的土壤并將它置于允許接收危險廢料的設(shè)施處。這種方法直接投資很高，而且可導(dǎo)致商業(yè)運作在長時期內(nèi)的嚴重混亂。
通過抽吸地下水除去這種物料的嘗試需要大量的水經(jīng)過該系統(tǒng)洗滌，這需要數(shù)十年的時間。在某些場所抽吸許多年已使流出水看起來是干凈的，但當關(guān)掉泵，并在數(shù)年后重新開始時，地下水還含污染物，這是因為在該第一地點沒有徹底去除它們。
諸如熱解吸和現(xiàn)場土壤蒸氣提取(“SVE”)之類的方法能控制有機物與固體和土壤的分離。在這些方法中，使有機物料揮發(fā)以產(chǎn)生有機蒸氣，此后該蒸汽必須被除去或進行其它處理。這與直接焚燒的方法相反，直接焚燒法包括在氧化環(huán)境中將固體物料加熱到破壞溫度，這時同時發(fā)生有機物的揮發(fā)和燃燒。
土壤蒸氣提取法SVE是一種用于現(xiàn)場除掉污染物的流行的方法。SVE法是一種用于從滲流區(qū)除去VOC’s和某些部分揮發(fā)性有機化合物(“SVOC’s”)的技術(shù)。滲流區(qū)是位于地表面和地下水面之間的地下土壤區(qū)。SVE通過在土壤區(qū)的強制真空產(chǎn)生空氣(或蒸汽)經(jīng)過土壤的預(yù)定運動，使有機化合物揮發(fā)并隨氣經(jīng)過井系統(tǒng)排到表面的真空系統(tǒng)中。SVE方案最適合于在已通過常規(guī)抽吸技術(shù)回收游離的產(chǎn)物或液體后使用，以除掉保留在土壤顆粒的間隙中的封留的液體。
在努力改進SVE改良的效率的過程中，最近已將輔助技術(shù)用于標準的SVE系統(tǒng)，所述輔助技術(shù)包括空氣攪動和蒸汽噴射法?？諝鈹噭幽芡ㄟ^將熱空氣注到地下水面之下來回收水面下的難揮發(fā)性有機物和溶解的污染物及殘留物。所注入的空氣通過增加水與空氣的表面積和加熱土壤基質(zhì)來增加揮發(fā)性。在某些情況下，它可以用空氣泡的移動來誘導(dǎo)產(chǎn)物滴的向上移動。
蒸汽噴射法將蒸汽注入污染區(qū)以升高地下溫度，從而使高沸點的有機化合物揮發(fā)。由蒸汽提供的加量增加了土壤中的有機殘留物的揮發(fā)性。蒸汽鋒使重殘留物流動并使輕組分揮發(fā)。增加的揮發(fā)性和殘留物遷移產(chǎn)生了更快、更徹底的傳質(zhì)過程，從而加速了改良并減少了凈化費用。
SVE不管是否與空氣攪動或蒸汽注入技術(shù)結(jié)合，它必須與其它技術(shù)一起在一個處理系統(tǒng)中使用，因為它使污染物從土壤和隙間水中轉(zhuǎn)移到空氣中和所夾帶和冷凝的廢水物流中，這些空氣和物流需要進一步的處理。典型的SVE法的污染空氣的處理目前包括用活性碳吸附、冷凝或氧化VOC’s，通過催化或焚燒氧化。還可以使用其它方法，如生物處理、紫外線氧化和分散法。
碳吸附是最常用的蒸氣處理方法并且適合于寬范圍的VOC濃度和流速。裝于滑動底板上的、現(xiàn)場外再生的、碳罐系統(tǒng)一般用于低氣量情況，而現(xiàn)場再生的床系統(tǒng)用于高氣量和長時間凈化的。然而，當污染物量大或VOC’s不易被吸附時，顆粒狀活性碳吸附往往是不適合的，因為這些情況導(dǎo)致碳的迅速飽和。另外，這些系統(tǒng)只能使蒸氣聚集到固體床上，所述固體床必須周期性地反洗以使碳復(fù)原。所述反洗又會引起到處排放污染物的問題。
可以使用冷凝法來從空氣載氣中分離出VOC’s流出物。這通常通過致冷作用來實現(xiàn)。這種技術(shù)的效率取決于溫度對VOC’s的蒸氣壓的影響。對于高濃度的蒸氣，冷凝是最有效的。這種技術(shù)隨著凈化的進行和蒸氣濃度的降低而變得效率下降。在凈化的最后階段過程中，該技術(shù)會是不起作用的。由于蒸氣未被完全冷凝，會需要碳吸附或其它附加的處理步驟以從流出物流中除去殘留的蒸氣。
對于許多種化合物來說，通過焚燒或催化氧化來熱銷毀污染物蒸氣會是有效的。
催化氧化對于烴蒸汽是有效的。近來開發(fā)的催化劑還能有效地銷毀鹵代化合物(溴化物、氯化物或氟化物)。然而，雖然催化燃燒或氧化可能是優(yōu)選的方法，但其應(yīng)用受到某些因素的制約。例如，如果污染物中的VOC’s如汽油的濃度超過爆炸下限(“LEL”)的25％時，則在氧化過程中放出的熱使催化氧化器的溫度升到催化劑的熱失活溫度。雖然這些問題可以通過在催化燃燒室前使用稀釋空氣而在某種程度上得到解決，但是這種控溫手段在蒸氣提取法的早期階段常常遇到的高VOC濃度下是不現(xiàn)實的。
然而，常規(guī)的基于火焰的燃燒技術(shù)只提供適當?shù)匿N毀效率，同時產(chǎn)生二代污染物如NOx。其它熱氧化系統(tǒng)，特別是使用催化劑的那些已表明在氯代烴濃度升高下效率大大下降。催化劑在低達100ppm的氯代烴濃度下出現(xiàn)問題。
基于火焰的銷毀方法還造成嚴重的操作、調(diào)節(jié)和公眾接受問題。焚燒難以控制并可導(dǎo)致很不希望產(chǎn)生的副產(chǎn)物如二喔星(dioxins)、呋喃和氮的氧化物的生成。
例如，當處理氯代烴時，標準燃燒室是特別不合需要的。自由火焰還會在某些情況下導(dǎo)致不完全燃燒，并且導(dǎo)致不能控制地產(chǎn)生不合需要的副產(chǎn)物。因為燃燒室一般在約3500°F的火焰溫度下操作，往往產(chǎn)生大量的不需要的NOx。一氧化二氮(N2O)和氨(NH3)往往是除NOx技術(shù)的副產(chǎn)物。高溫還產(chǎn)生安全問題。
利用流行的技術(shù)，由于SVE的應(yīng)用一般產(chǎn)生其它形式的污染的殘留物。這些殘留物可能包括回收的冷凝液(污染的水和可能存在的上層有機物)、由抽氣處理產(chǎn)生的廢活性碳、土壤中未回收的污染物、由鉆探產(chǎn)生的土壤碎渣和處理后排放的空氣。這些殘留物中的每一種都會產(chǎn)生處置問題。
到目前為止，所選的處理類型一般取決于污染物的成分和濃度。例如，在VOC’s的濃度和/或沸點低的情況下，與吸附或氧化的投資和操作費用相比，冷凝在經(jīng)濟上是不現(xiàn)實的。問題是在許多除去VOC的情況中，VOC’s的濃度會隨時間而改變。這對于SVE特別重要，在某一地點開始可能有很高的VOC濃度，經(jīng)過數(shù)月的改良后，該濃度會降至極低的VOC濃度。對于高VOC負荷來說，一般優(yōu)選熱氧化器，這歸因于其耐高溫性、以及其低操作費用和高銷毀率。對于低VOC負荷，一般優(yōu)選催化氧化器，這歸因于其低操作溫度，低操作溫度很少需要補加燃料。相反，當熱氧化器用于低VOC煙霧時，需要高燃料消耗來保持氧化器所需的高溫。當催化氧化器用于高VOC煙霧時，由于溫度過高會導(dǎo)致潛在的催化劑燒結(jié)和失活。
人們已進行許多嘗試以通過創(chuàng)造利用熱氧化器和催化氧化器的系統(tǒng)來克服操作費用/熄火問題(burnout scenerio)，但這類系統(tǒng)總是有兩種氧化器作為獨立的實體，具有某種切換機構(gòu)用于根據(jù)VOC濃度從一個裝置切換到另一個。U.S.4983364(Buck等人)中示出了這樣一種二元系統(tǒng)的一個實例。這樣一種二元的、分開的系統(tǒng)導(dǎo)致高的投資費用。
另外，雖然據(jù)說氧化催化劑以無焰、低NOx方式操作，但在大多數(shù)情況下，在催化氧化器中使用小火焰以使催化劑溫度保持在最適宜水平。這部分歸因于這樣的事實，一般得到的輔助燃料如天然氣和丙烷由在大多數(shù)催化劑中不易氧化的低碳物料組成。另外，由于催化劑本身一般成本高，大多數(shù)催化床是相當小的，而且需將煙霧濃度的變化破壞在不使用輔助小火焰下操作的催化床的穩(wěn)定狀態(tài)的可能性與使用小火焰的益處進行權(quán)衡。從而，利用來自上游小火焰的熱燃燒廢氣的流過實現(xiàn)催化劑的溫度控制。然而，該方法的問題是雖然催化氧化本身本來是一種低NOx過程，但擴散性的小火焰使大量NOx進入催化氧化器廢氣中。
熱解吸熱解吸法已成功地用于處理被有機化合物污染的土壤和固體。利用熱解吸法處理摻雜有有機化合物、二喔星、多核芳香烴(PAHs)、多氯代聯(lián)苯(PCBs)和低含量混合廢物的土壤是公知的?？紤]到熱解吸法在費用方面有競爭力，許多改良公司已將其生產(chǎn)能力的一部分變?yōu)闊峤馕?。其它一些公司正將現(xiàn)有的流化床焚化爐改為著重熱解吸的熱解吸塔作為優(yōu)選的熱處理方法。另外，熱解吸已被證實是一種對改良摻雜有放射性化合物和有機物的混合的廢物或土壤有效的方法。
利用熱解吸，該方法通過間接加熱土壤和固體到足以蒸發(fā)危險成分的溫度來除去有機污染物。一般將土壤加熱到不高于550℃，而且經(jīng)常在無氧狀態(tài)下進行加熱。
用作分離器的熱解吸塔除去有機污染物，將含有惰性成分、放射性物料(當存在時)和金屬的殘留物留在土壤中。一旦處理過的土壤已被穩(wěn)定化以防止土壤中的任何金屬鹽溶于水中，穩(wěn)定的物料可以作為低含量放射性廢料處置或處理。
揮發(fā)后，廢氣中的有機蒸氣一般通過在高溫燃燒室/焚燒爐中氧化或通過冷凝和所得到的少量冷凝液的常規(guī)處理如捕集到碳基質(zhì)上來處理。用于使用下列燃燒技術(shù)的熱解吸的公知系統(tǒng)的實例包括U.S.5282695(Grosby等人)、5228803(Crosby等人)、4974528(Barcell)、4961391(Mak等人)、4925389(DeCicco等人)、4815398(Keating等人)、4766822(DeCicco等人)和4746290(DeCicco等人)中所述的那些。用于使用下列冷凝技術(shù)的熱解吸的公知系統(tǒng)的實例包括U.S.5098481(Monlux)和5228803(Crosby等人)中所述的那些。
然而，熱解吸技術(shù)存在著，特別是在污染物揮發(fā)后需要進一步的處理方面存在著。在冷凝用于揮發(fā)后處理時產(chǎn)生的問題的實例包括用于吸附的碳和回收的液態(tài)有機廢料的處置問題。往往優(yōu)選將廢有機物直接分解成良性的產(chǎn)品如水、二氧化碳和鹽，作為最終溶液。
在處理揮發(fā)后的污染物過程中使用銷毀技術(shù)一般涉及有機化合物化學轉(zhuǎn)化成這些氧化產(chǎn)物。雖然正如前面關(guān)于SVE所討論的，作為這樣一種最終溶液是所希望的，但基于火焰的銷毀方法可造成嚴重的操作、調(diào)節(jié)和公眾接受。利用基于火焰的技術(shù)的危險廢物處理方法即土壤的直接焚燒或揮發(fā)的污染物的焚燒的操作困難以及費用問題也是眾所周知的。另一方面，冷凝方式固有的處理污染的碳廢料或現(xiàn)場外液態(tài)廢料處置的困難增加了那種系統(tǒng)的費用并對操作因素產(chǎn)生副面影響。另外，與熱分離有關(guān)的相對低溫可以是將PAHs和氯化酚醛塑料轉(zhuǎn)化成氧芴和二喔星的最適宜溫度。
這樣，可見需要一種銷毀從被污染的土壤或可變濃度的VOC’s的其它來源中除去的有機物的實用裝置，該裝置能避免現(xiàn)有技術(shù)的各種困難和低效率。進一步需要這樣一種系統(tǒng)，它能以經(jīng)濟的方式產(chǎn)生高的銷毀和去除效率(“DRE”)。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及用于銷毀煙霧流中所含的VOC’s的方法和設(shè)備，所述銷毀是通過使用催化床和多孔惰性介質(zhì)(“PIM”)銷毀基質(zhì)的結(jié)合來進行的，所述基質(zhì)作為無焰、非催化的氧化器中的一部分。使催化氧化器和無焰氧化器在除去蒸氣過程中選擇性地適應(yīng)不同的VOC濃度。從而，本發(fā)明是無焰、非催化氧化和催化氧化的受到控制的結(jié)合，當烴濃度較高時使用無焰的、非催化的氧化器，且當烴濃度降到預(yù)定的限值以下時使用催化氧化器。該系統(tǒng)可對蒸氣物流中的任何VOC濃度有效地操作。
當煙霧物流的VOC含量可隨時間改變時，本發(fā)明保證了壽命周期內(nèi)的成本效率，同時達到極低的NOx產(chǎn)生量。在煙霧流有低VOC含量期間，將低溫催化過程用于銷毀，同時PIM氧化器保持低流量以在催化床內(nèi)保持穩(wěn)定的溫度。在煙霧流有高VOC含量期間，將PIM氧化器用于主氧化。
如此布置催化床和無焰氧化器的結(jié)合使得煙霧流可初始加入無焰氧化器或直接加入催化床。使用補充的燃料和/或空氣來保持無焰氧化器和催化床中有適當?shù)臏囟取?br> 這種結(jié)合系統(tǒng)提供一種完整的、能量有效的VOC銷毀方法，該方法具有顯著的優(yōu)點。這些優(yōu)點包括去污效率高、“幾乎無”排放物和費用低。
無焰氧化器的銷毀基質(zhì)由惰性陶瓷材料構(gòu)成，這種材料增強了過程混合并為過程穩(wěn)定性提供熱惰性。銷毀基質(zhì)被設(shè)計成產(chǎn)生大于99.99％的DRE’s，小于10ppmV的CO和小于2ppmV的NOx。熱氧化器/銷毀基質(zhì)被設(shè)計成在低于要被銷毀的揮發(fā)物的正常的自燃極限溫度1550-1800°F的溫度以無焰的方式操作。
在比常規(guī)焚燒爐中所需的低的溫度和停留時間下可獲得適當?shù)霓D(zhuǎn)化率，同時仍能處理全范圍的VOC濃度。在使用一種沒有明火(可能不同于在預(yù)熱器中)的方法時還有固有的安全性，而且，其中要被引入基質(zhì)中的氣體的混合物是較冷的，在組分的自燃極限之外，從而在環(huán)境條件下不爆炸。避免了突然冒火焰的問題。另外，出于實際考慮，所有這些特點應(yīng)能更容易地獲得所需要的政府的許可。
從而，本發(fā)明的一個目的是提供一種多級氧化系統(tǒng)，其中效率最佳而用于VOC污染物的最終處置的費用最少。
本發(fā)明的另一個目的是提供能夠滿足現(xiàn)有的規(guī)章的方法和設(shè)備，它們用于銷毀土壤或其它濃度隨時間變化的VOC’s源內(nèi)所含的有機污染物。
本發(fā)明的再一個目的是提供用于銷毀從土壤或其它濃度隨時間變化的VOC’s源除去的有機污染物的方法和設(shè)備，它們使NOx氧化副產(chǎn)物減至低于由常規(guī)技術(shù)達到的那些量。
其它和進一步的目的和優(yōu)點會在下文看出。
附圖簡述

圖1是可用于本發(fā)明的方法和設(shè)備中的無焰氧化器的實施方案。
圖2是說明本發(fā)明的設(shè)備的一個實施方案的流程圖。
優(yōu)選實施方案的詳述目前已發(fā)現(xiàn)，表現(xiàn)成功的催化氧化器技術(shù)與創(chuàng)新的高性能無焰氧化法的結(jié)合產(chǎn)生一種完整的VOC破壞裝置，這種裝置操作簡單、幾乎無排放物且費用低。所提出的完整的除VOC系統(tǒng)被設(shè)計成對于含有隨時間變化的VOC濃度的氣體物流能有效地操作，從而提供一種便宜的、優(yōu)越的且更可靠的替代焚燒或嚴格的催化氧化的方案。應(yīng)當理解，本發(fā)明相似地用于任何溢出或泄漏的VOC’s或任何其它來源的VOC’s的凈化。
近來對多孔惰性介質(zhì)(“PIM”)內(nèi)的氧化現(xiàn)象進行了大量研究。由于PIM氧化可在正常預(yù)混合的燃料/空氣自燃極限之外發(fā)生，該技術(shù)可被稱為“無焰的”。關(guān)于這一點，U/S.4688495(Galloway)和4823711(Kroneberger等人)公開了關(guān)于基質(zhì)氧化技術(shù)的早期成果。另外，U.S.5165884(Martin等人)和5320518(Stilger等人)更詳細地討論了無焰氧化器中所涉及的技術(shù)。
作為一種處理技術(shù)，這樣一種無焰氧化器法顯示出具有常規(guī)的或催化熱燃燒法的大多數(shù)優(yōu)點，同時避免了許多缺點。象基于火焰的熱燃燒一樣，有機物被氧化成無害的產(chǎn)物氣(CO2、H2O)或易于中和的酸性氣體(HCl、SO2)。不產(chǎn)生廢物或殘留物，而且該方法適合于寬范圍的化合物或混合物。不象熱焚燒法，其中混合和反應(yīng)與火焰相互依存，它們在本發(fā)明的系統(tǒng)中是無必然聯(lián)系的，這樣能夠有更大的靈活性和便于控制，并避免了產(chǎn)生不完全燃燒的產(chǎn)物(“PIC”)。
這種氧化法的基礎(chǔ)是一種“銷毀基質(zhì)”，它促成了有機化合物的穩(wěn)定的、無焰的氧化所需的在其各自的自燃極限之外的條件。允許無焰氧化的破壞基質(zhì)的三個主要的特征是它的空隙式的幾何結(jié)構(gòu)(它增進混合)、它的熱惰性(它促進穩(wěn)定性)和它的表面特性(它利于傳熱)。基質(zhì)的熱性能允許混合區(qū)為大約環(huán)境溫度，煙霧進入所述混合區(qū)，而在其下游的無焰反應(yīng)區(qū)有適當?shù)难趸瘻囟取?br> 這些特性在實際應(yīng)用中產(chǎn)生一些與性能和安全有關(guān)的優(yōu)點。這些優(yōu)點包括能夠建立穩(wěn)定的反應(yīng)區(qū)(其中煙霧氧化速度比焚燃爐的后火焰區(qū)中的快得多)；能夠適應(yīng)快速的過程波動(正如間歇化學反應(yīng)器排放的情況一樣)；能夠進行寬范圍的過程調(diào)節(jié)(能經(jīng)濟地適合于變化的條件)；能抑制逆燃(借助于基質(zhì)的高表面積和熱吸附能力)；和有高水平的可操縱性和控制(與火焰相比)。
下面詳細描述附圖，其中同樣的數(shù)號表示同樣的構(gòu)件。圖1表示可被用于本發(fā)明的方法和總體設(shè)備中的一種無焰氧化器的一個實施方案，但并沒有按比例表示所有構(gòu)件。一般來說，無焰氧化器(10)由填充有一定量的形成基質(zhì)床(14)的耐熱材料的適合的基質(zhì)床容器殼(12)組成。所用的基質(zhì)材料的類型應(yīng)優(yōu)選有高的導(dǎo)熱性，導(dǎo)熱是通過輻射、對流和傳導(dǎo)進行的。該系統(tǒng)的傳熱性能取決于輻射與對流傳熱的比。
基質(zhì)床(14)可通過改變基質(zhì)流動截面、高度、物料、空隙率、出口溫度和補充熱添加量(如果需要的話)中的一種或多種來確定其尺寸以適合任何所需的流動物流。優(yōu)選的基質(zhì)材料是陶瓷球或鞍形材料，但也可使用其它床材料和構(gòu)形，包括但不限于其它隨機陶瓷填料如鮑爾環(huán)、構(gòu)型陶瓷填料、陶瓷或金屬泡沫體、金屬或陶瓷棉等。一般來說，基質(zhì)床的空隙率在0.3和0.9之間。另外，基質(zhì)床中材料一般有40m2/m3-1040m2/m3范圍的比表面積。
在圖1這種優(yōu)選的實施方案中，使用兩種耐熱材料。在無焰氧化器(10)的下部分中，一個陶瓷球床用作一個混合區(qū)(16)。該混合區(qū)(16)一般有約40％的隙間體積且局部用作一個送氣室的等同物。在該球床上方，使用一個陶瓷鞍形物床以形成一個反應(yīng)區(qū)(18)。該反應(yīng)區(qū)(18)一般有約70％的隙間體積。
在無焰氧化器(10)的底部設(shè)有一個預(yù)熱設(shè)備(30)。該預(yù)熱器(30)最初使熱氣通過基質(zhì)床(14)以預(yù)熱陶瓷球混合區(qū)(16)和陶瓷鞍反應(yīng)區(qū)(18)到正常的操作溫度。在一個供選擇的實施方案中，優(yōu)選為電的加熱元件(未示出)可環(huán)繞該容器殼(12)以給系統(tǒng)提供預(yù)熱并使系統(tǒng)在操作過程中保持適當?shù)臏囟?。還可能在無焰氧化器(10)上游設(shè)置一個作為獨立的裝置的預(yù)熱器，該預(yù)熱器加熱氣體，然后該氣體流經(jīng)無焰氧化器(10)以加熱基質(zhì)床(14)。
整個熱氧化組件有時但不總是被設(shè)計成使到環(huán)境中的熱損失最小，同時保證所有暴露的表面保持在Class I、Division 2、Group D區(qū)域可接受的那些溫度之下。(以類(Class)、部(division)和組(group)表示的美國國家電氣規(guī)程分類定域，取決于可能存在的可燃蒸氣、液體或氣體的性質(zhì)或可燃的或可氧化的濃度或量存在的可能性。該規(guī)程要求任何暴露表面的表面溫度低于有關(guān)氣體或蒸氣的引燃溫度。)來自VOC收集系統(tǒng)上游的入口氣體(20，經(jīng)入口(22)進入無焰氧化器(10)。盡管如圖1所示經(jīng)過單獨的入口(22)進入，但入口氣體(20)可以經(jīng)過與預(yù)熱器(30)所用的相同的入口進入，從而不需要一個單獨的入口(22)。另外，根據(jù)過程條件，以及按照提供足夠的熱值以在無焰氧化器內(nèi)保持自給自足的操作環(huán)境的需要，可將附加的空氣和/或天然氣或其它燃料加到該入口物流(20)中。(下面對于結(jié)合的催化/PIM氧化器更詳細地討論這一點)。一般有但不必需有一個優(yōu)選由耐熱材料如穿孔板制成的在基質(zhì)床(14)底部的送氣室(24)以防止耐熱材料(16)進入基質(zhì)床下面的管路。
按照正常的流動模式，氧化器進料物流(20)進入無焰氧化器(10)的底部附近，該送氣室(24)還將用于均勻分布進來的氣體并在它們進入基質(zhì)床(14)之前進一步混合這些氣體。然而，盡管圖1表明進料物流(20)在底部進入無焰氧化器(10)并且氣態(tài)產(chǎn)物(26)在頂部排出，而這是優(yōu)選的實施方案，本發(fā)明可以在一種供選擇的結(jié)構(gòu)中操作，其中氣體在頂部進入且在底部排出。
在正常處理過程中的反應(yīng)器(10)內(nèi)，含VOC’s(20)的氣體物流首先進入混合區(qū)(16)，該區(qū)接近環(huán)境溫度。在混合區(qū)(16)的基質(zhì)間隙內(nèi)進行密切混合后，反應(yīng)混合物進入反應(yīng)區(qū)(18)，在反應(yīng)區(qū)進行氧化和放熱。入口氣體將升到1400-3500°F(760-1925℃)且優(yōu)選1550-1800°F(845-980℃)的氧化溫度。然后氣體在這些溫度下保持一段足夠的停留時間以確保基本上完全破壞VOC’s。按照正常的操作，預(yù)計該停留時間將少于2.0秒且優(yōu)選少于0.2秒。
隨著氣體變熱，它們膨脹，而且該膨脹優(yōu)選通過在反應(yīng)區(qū)(18)中基質(zhì)空隙增加來適應(yīng)，例如在反應(yīng)區(qū)內(nèi)使用陶瓷鞍形物而在混合區(qū)內(nèi)使用陶瓷球。
這種加熱的結(jié)果是在基質(zhì)床(14)內(nèi)形成無焰氧化區(qū)，藉此VOC’s被引燃并氧化成穩(wěn)定的產(chǎn)品如水和二氧化碳。觀測到氧化區(qū)床溫從該區(qū)的入口側(cè)的環(huán)境溫度急劇增加到該區(qū)出口側(cè)的混合物的大約絕熱氧化溫度。這種快速變化在典型的氧化器中在通常數(shù)英寸的距離內(nèi)出現(xiàn)，實際的距離取決于進料濃度、進料速度、氣速分布、床材料以及床的物理性質(zhì)、具體的進料的種類等。在流動方向的熱損失還會對氧化區(qū)的長度有影響。這種變化的快速性允許使用很緊湊的反應(yīng)器。
氧化溫度取決于進料濃度、進料速率、氣速分布、床的物理性質(zhì)、具體的進料的種類、熱損失、加熱器的熱輸入等。
通過使混合與氧化分開，使三個關(guān)鍵參數(shù)中的一個(湍動，另兩個是時間和溫度)從設(shè)計因素中除去。在反應(yīng)前完成混合得到兩個有益的結(jié)果。第一，確保煙霧和空氣的充分混合，不存在混合差的部分未反應(yīng)離開系統(tǒng)的可能性。第二，反應(yīng)物流的均勻性還有助于建立反應(yīng)區(qū)的均勻性。這些因素使處理速度能在寬得多的范圍內(nèi)調(diào)快或調(diào)慢，而無需考慮流體力學的制約。
在無焰氧化器中徹底銷毀后，產(chǎn)物氣(26)經(jīng)出口(28)離開反應(yīng)器。
這樣已經(jīng)公開了用于本發(fā)明中的無焰氧化器的優(yōu)選實施方案的基本特點。對這些基本實施方案還可以進行許多改變或增加。
存在與流動軸向垂直的均勻的、基質(zhì)內(nèi)的反應(yīng)區(qū)是這種無焰氧化法的基本條件。在該區(qū)，通過熱基質(zhì)表面將反應(yīng)氣有效地預(yù)熱到氧化溫度，于是將它們被放熱氧化。它們快速地釋放其熱，使該熱返回基質(zhì)以保持其局部溫度。這種獨特的基質(zhì)床(14)的傳熱性質(zhì)是允許在遠低于組分的自燃低限的有機物濃度下進行穩(wěn)定的反應(yīng)的原因所在。
反應(yīng)區(qū)覆蓋了無焰氧化器(10)的整個流動截面，確保了所有反應(yīng)物通過該強反應(yīng)區(qū)。在該區(qū)域中存在大量的反應(yīng)基(H、OH等)，這使得氧化反應(yīng)發(fā)生的速度比在常規(guī)的焚燒爐或熱氧化器的后焰區(qū)中發(fā)生的簡單的熱分解反應(yīng)快兩個數(shù)量級。由于本發(fā)明的方法利用以燃燒鏈反應(yīng)為特征的反應(yīng)基化學(如)，銷毀大量有機分子所需的反應(yīng)時間少于0.1秒。這是與在“后焰”區(qū)中銷毀的大量有機分子的常規(guī)焚燒法完全不同的，常規(guī)焚燒法反應(yīng)基的總數(shù)少，控制化學的熱分解反應(yīng)(如)慢。
這些出乎意料快的動力學避免了需要附加的停留時間，因為反應(yīng)在數(shù)十毫秒內(nèi)完成。從而，為了確保高的銷毀效率，由溫度和動力學而不是停留時間決定的設(shè)計能力流速和有關(guān)的截面需要量在這樣一種無焰氧化器中會有適當?shù)闹萍s。因為最大流速由裝置的幾何形狀和反應(yīng)區(qū)性質(zhì)決定，這種制約是與裝置相關(guān)的而不是一般的，就象停留時間對于基于火焰的技術(shù)一樣。
另外，均勻的反應(yīng)區(qū)的存在使PICs的生成最少，PICs往往在焚燒爐的后焰區(qū)中生成，有機碎片比反應(yīng)基總量高的情況更可能相互結(jié)合。
均勻的反應(yīng)區(qū)還消除了有焰裝置中存在的極高溫以及陡的溫度梯度。無焰氧化器能夠控制最高反應(yīng)溫度相當于平均反應(yīng)溫度，實際上避免了生成熱的NOx和CO。在一個用于按照本發(fā)明的復(fù)合系統(tǒng)中的一種典型的無焰氧化器系統(tǒng)中，已表明有機蒸氣的DRE大于99.99％。由于無焰氧化器一般在顯著低于標準燃燒器中存在的溫度(約3500°F)的溫度(1550-1850°F)下操作，很少產(chǎn)生不需要的NOx副產(chǎn)物。出口物流中的典型的NOx濃度小于2ppmV，且CO一般測不出。
已經(jīng)進行了該技術(shù)的廣泛的測試以確定可在處理各種烴和鹵代烴時得到的DRE。這些測試結(jié)果概括在表1中。
表1試驗條件和結(jié)果概述一揮發(fā)性有機化合物的銷毀<
>*注受檢測水平限制無焰氧化法本身是高能效的。如果進入無焰氧化器的煙霧含有足夠的有機物(熱函約30BTU/SCF或更多)，該反應(yīng)可以自維持，而且在氧化器本身內(nèi)不需要補充燃料或熱。該特性與基于火焰的氧化器的操作相反，在這種基于火焰的氧化器中，通過一種干凈、穩(wěn)定的燃料源如天然氣專門供給主火焰燃料，而不考慮煙霧的熱函。
該方法一般通過簡單的溫度控制裝置來控制。可將如圖1中所示的溫度元件(32)連接到一個程控系統(tǒng)上(圖1中未示出但下面參照圖2來描述)以調(diào)節(jié)補充燃料或在貧或富煙霧物流的各自情況中的空氣的流量。
出于人員安全和保溫的考慮，一般將無焰氧化反應(yīng)器隔熱?；|(zhì)還用作一個受熱器，以緩沖煙霧流、濃度和組成方面的可能的波動。在流量或濃度的增量或階躍變化開始影響基質(zhì)溫度后的延遲期間，監(jiān)控系統(tǒng)能夠采取適當?shù)难a償行動(添加補充燃料或空氣)以保持溫度。
基質(zhì)的熱容和幾何形態(tài)還提供了一種重要的安全益處，一種固有的抑制火焰的能力。在可燃混合物進入反應(yīng)器的情況下，基質(zhì)床(14)的冷(混合)區(qū)(16)會防止上游火焰的反向蔓延。
另外，基質(zhì)間隙提供了高的驟冷表面積和適于阻止流動的曲折的路徑，這樣的表面積和路徑是商品化的滅火器所固有的。
基質(zhì)床(14)中的材料種類可以變化，以便可在床內(nèi)控制殼內(nèi)傳熱特性、輻射特性、強制對流特性和內(nèi)部基質(zhì)固體的導(dǎo)熱特性。這可以通過使用不同尺寸的耐熱材料(16，18)來改變平均自由輻射路程或改變這些材料的輻射系數(shù)而改變基質(zhì)床(14)的輻射傳熱特性、通過改變其單位體積的表面積或幾何形態(tài)而改變基質(zhì)床(14)的強制對流傳熱特性、通過使用具有不同導(dǎo)熱系數(shù)的耐熱材料(16、18)而改變基質(zhì)床(14)的熱傳導(dǎo)傳熱特性或者改變床內(nèi)材料的點與點表面接觸面積來進行。為了達到所需效果可以同時或個別地改變這些特性。
除了改變基質(zhì)床(14)本身的性質(zhì)以外，可將一個或數(shù)個界面引入床中，在界面任何側(cè)單個或同是改變床的一個或多個傳熱特性且該改變有助于該位置的反應(yīng)區(qū)并起“氧化區(qū)定位”的作用。這可以例如通過在基質(zhì)床內(nèi)引入一個空隙率在其兩邊改變的界面來進行，例如圖1中由混合區(qū)(16)和反應(yīng)區(qū)(18)所示意的。界面可以改變不依賴空隙率的界面兩邊的平均自由輻射路程。通過改變耐熱材料，可以改變基質(zhì)床內(nèi)界面兩邊的輻射系數(shù)。改變界面兩邊的每單位體積耐熱材料的面積，可以改變氣體經(jīng)過該界面時的強制對流傳熱特性。
與流動軸向垂直的基質(zhì)床橫截面可以構(gòu)造成圓形、方形、矩形或其它幾何形狀?？梢杂幸飧淖兘孛婷娣e(即作為一種截頭圓錐體或截頭棱錐體)以在各種給定的基質(zhì)燃燒速度下實現(xiàn)寬的、穩(wěn)定的反應(yīng)物體積流速范圍。
現(xiàn)在討論這種無焰氧化器技術(shù)在用于濃度隨時間改變的揮發(fā)物流的VOC銷毀的整個系統(tǒng)內(nèi)的結(jié)合，圖2圖示出本發(fā)明的一個實施方案。
在該實施方案中，一個無焰、非催化氧化器(10)與一個催化氧化器(36)構(gòu)造成一整體關(guān)系，使得由無焰氧化器(10)排出的氣必需經(jīng)一個連接簡體或其它直接連接件(56)流經(jīng)催化氧化器(36)。這種結(jié)合的非催化/催化氧化器(33)還構(gòu)造成允許添加的氣體物流在無焰氧化器(10)和催化氧化器(36)之間的一個位置流經(jīng)結(jié)合的氧化器(33)，下面將進行進一步的描述。
圖2并不是結(jié)合的氧化器(33)的各構(gòu)件的成比例的表示圖。盡管一般的圓筒形設(shè)計會是最有效的，但無焰氧化器(10)、連接件(56)和催化氧化器(36)還可能有各種其它的截面形狀。
本發(fā)明的設(shè)備與常規(guī)的催化氧化器的設(shè)計在有用于入口氣(20)的煙霧引入和一定量的氧化催化劑(36)方面有些相似。然而與通常的催化氧化器相反，本發(fā)明不使用擴散燃燒器調(diào)節(jié)裝置。取而代之的是，本發(fā)明使用上述這種PIM氧化器(10)。另外，用于本發(fā)明的系統(tǒng)控制裝置是與典型的擴散焰氧化器或催化氧化器的完全不同的。
按照本發(fā)明的設(shè)備的所示結(jié)構(gòu)，含VOC’s的氣體物流(34)可以經(jīng)過組合管(38)、(40)和(20)直接加入無焰氧化器(10)。另外，還可將補充燃料源(42)加入無焰氧化器(10)，在這種情況下使用組合管(44)、(38)、(40)和(20)。最后，可將補充空氣源(46)經(jīng)組合管(46)、(48)、(38)、(40)和(20)加入無焰氧化器(10)。提供一混合器(50)使得含VOC’s的氣體物流(34)、補充燃料源(42)和空氣源(46)的任何組合物流在進入無焰氧化器(10)之前充分混合。
按圖2的實施方案，將預(yù)熱器(30)作為無焰氧化器(10)上游的一個單獨的裝置來描述。正如所描述的，該預(yù)熱器(30)可以利用經(jīng)燃料管(52)提供的補充燃料產(chǎn)生熱氣。這些熱氣可被用于初始加熱基質(zhì)床，使其達到或超過要被銷毀的VOC’s的自燃溫度。
另外，含VOC’s的氣體物流(34)可供選擇地被送至無焰氧化器(10)的下游且在催化劑(36)的上游的一個位置，所述輸送是使用旁通管(54)進行的。正如所述，這種旁路氣體物流會在催化氧化器(36)上游的一個位置混入結(jié)合的非催化/催化氧化器(33)的流動物流中。優(yōu)選使旁路物流在結(jié)合的氧化器(33)周圍的數(shù)個位置通過一個內(nèi)部氧化器送氣室(56)加入。一般來說，該內(nèi)部氧化器送氣室(56)會簡單地是位于結(jié)合的氧化器(33)外側(cè)周圍的一系列入口。這種環(huán)繞式充入確保旁路物流與來自結(jié)合的氧化器(33)的無焰氧化器(10)部分的任何氣體物流的最大程度混合。
按照一種相似的方式，空氣可以經(jīng)管(58)被送入內(nèi)氧化器送氣室(56)，從而被加入催化劑(36)上游的結(jié)合的非催化/催化氧化器(33)中的流動物流中。
閥(60)和(62)允許將含VOC’s的氣體物流(34)選擇性地輸送到無焰氧化器(10)的上游或下游。閥(64)和(66)允許將補充燃料選擇性地送到預(yù)熱器(30)或無焰氧化器(10)的入口物流(20)中。最后，閥(68)和(70)允許將空氣(46)選擇性地送到無焰氧化器(10)的上游或下游。
來自結(jié)合的氧化器(33)的廢氣流經(jīng)由廢氣管(72)排出結(jié)合的氧化器(33)。
如圖2所示，本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方案使用一種整個系統(tǒng)控制器(74)。該控制器(74)優(yōu)選與一個溫度傳感器(76)聯(lián)合工作，所述傳感器測量系統(tǒng)氣體物流排出無焰氧化器(10)且進入催化氧化器(36)之前時的溫度。其它溫度傳感器(75)和(77)測量無焰氧化器(10)內(nèi)的系統(tǒng)氣體物流以及當它排出催化氧化器(36)時的溫度，并且還被連接到控制器(74)上。另外，系統(tǒng)控制器(74)監(jiān)測和控制經(jīng)過各閥的流速，使用控制管(78)監(jiān)測和控制補充燃料閥(64)和(66)，使用控制管(80)監(jiān)測和控制氣體物流閥(60)和(62)，并且使用控制管(82)監(jiān)測和控制空氣閥(68)和(70)。在操作過程中，系統(tǒng)控制器(74)利用由溫度傳感器(76)傳感的溫度以及監(jiān)測到的經(jīng)過閥(60)、(62)、(64)、(66)、(68)和(70)的流速選擇性地確定那個閥應(yīng)當開啟和開多大程度。通過適當?shù)挠嬎?，系統(tǒng)控制器(74)可以結(jié)合來自溫度傳感器(76)的溫度數(shù)據(jù)和經(jīng)過各閥的氣體流速數(shù)據(jù)來確定氣體物流(34)的固有的BTU值。
雖然已描述了一種簡單的系統(tǒng)控制器(74)，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是可以使用各種不同的控制器來控制該系統(tǒng)的各方面，可以自動也可以手動，而不脫離本發(fā)明的實質(zhì)。
為了進一步描述本發(fā)明設(shè)備的一種優(yōu)選的實施方案的構(gòu)件，下面描述一種優(yōu)選的系統(tǒng)操作方法，所述操作處理初始含有高VOC濃度的氣體物流。
在系統(tǒng)啟動過程中，補充燃料經(jīng)閥(66)和燃料管(52)與經(jīng)閥(68)和組合管(48)、(38)和(40)的空氣一起加入預(yù)熱器(30)，在此處，燃料燃燒產(chǎn)生熱氣，然后熱氣經(jīng)入口管(20)進入無焰氧化器(10)。所述熱氣預(yù)熱耐熱材料基質(zhì)床(14)。一旦基質(zhì)床(14)已被預(yù)熱到超過要被氧化的VOC物流的自燃溫度的溫度時，關(guān)閉閥(66)并開啟閥(60)，所述自燃溫度一般在1400°F(760℃)至約3500°F(1925℃)范圍內(nèi)。(如下所述，閥(68)可以被關(guān)閉或可以保持部分開啟，這取決于進來的氣體物流的分布。)閥(60)的開啟允許高VOC濃度氣體物流(34)經(jīng)混合器(50)和預(yù)熱器(30)進入無焰氧化器(10)。
當加入無焰氧化器(10)的氣體有約30-35BTU/SCF的固有BTU值時，該無焰氧化器(10)的優(yōu)選實施方案的操作狀態(tài)最佳。作為優(yōu)選的設(shè)計，具有這樣的BTU值的氣體會允許在無焰氧化器(10)的基質(zhì)床(14)內(nèi)建立穩(wěn)定的、無焰的反應(yīng)區(qū)。
只要氣體一般含30-35BTU/scf，所述的這種無焰氧化器一般可在寬的氣體流速范圍內(nèi)操作。對于這樣一種無焰氧化器來說有20比1的調(diào)節(jié)比是很正常的，也就是說氧化器可以被設(shè)計成處理以20倍變化的流速(例如從1000scfm降至50scfm)。
通常，氣體物流(34)的VOC濃度初始時高于會提供30-35BTU/scf的固有BTU值的VOC濃度。在這些情況下，溫度傳感器(76)會檢測來自無焰氧化器(10)的氣態(tài)產(chǎn)物廢(26)中的增加的和/或不穩(wěn)定的溫度。系統(tǒng)控制器(74)將通過開啟閥(68)以允許稀釋空氣經(jīng)管(48)進入在無焰氧化器(10)的上游的系統(tǒng)中來校正該情形。該空氣將與管38中的氣體物流混合，這兩者此后經(jīng)混合機(50)中充分混合。加入足夠的稀釋空氣以使混合的空氣一氣體物流的固有的BTU值降到30-35BTU/SCF范圍內(nèi)。
在一種典型的方法如SVE中，氣體物流(34)的VOC濃度會隨時間而逐漸降低。隨著VOC濃度的降低和氣體物流(34)的固有的BTU值更接近優(yōu)選的0-35BTU/scf范圍，所需的并經(jīng)閥(68)引入的稀釋空氣的量會減少。一旦氣體物流固有的BTU值達到30-35BTU/scf范圍，無需更多的稀釋空氣并且將閥(68)關(guān)閉。
此后，隨著氣體物流(34)的VOC濃度連續(xù)降低，需要通過添加補充燃料來補充固有的BTU值。天然氣有約1000BTU/scf的固有BTU值，從而可以用較少量的天然氣來提高總的BTU值。為此，系統(tǒng)控制器(74)使燃料閥(64)逐漸打開以引入管(44)中的補充燃料。該燃料與管(38)和混合器(50)中的氣體物流(34)在進入無焰氧化器(10)之前混合。
雖然系統(tǒng)控制器(74)的主要功能是測定氣體物流(34)的固有的BTU值并調(diào)節(jié)在無焰氧化器(10)上游的補充燃料和/或空氣的流量，但是它還有與催化劑(36)有關(guān)的附加功能。因為如果經(jīng)過催化劑(36)的氣體初始時過熱或含有太大的固有BTU值，催化劑(36)會熱失活，所以調(diào)節(jié)引入催化氧化器(36)的氣體的固有BTU值和溫度是很關(guān)鍵的。排出催化劑的氣體的最后溫度必須保持在催化劑(36)會被燒結(jié)的溫度之下。從而，系統(tǒng)控制器(74)通過監(jiān)測溫度和流速來確定是否和多少稀釋空氣應(yīng)與來自無焰氧化器(10)的氣態(tài)產(chǎn)物(26)混合以保護催化氧化器(36)免于不正常的催化劑的危險。系統(tǒng)控制器(74)將適當?shù)卮蜷_空氣閥(70)以將空氣經(jīng)管(58)送至內(nèi)部氧化器送氣室(56)而降低氣體物流的溫度和BTU值。
在全部氣體物流(34)被送至無焰氧化器(10)期間，催化氧化器(36)在氧化有害排出物方面幾乎不起作用，這是由于在無焰氧化器(10)中進行完全氧化。然而，優(yōu)選控制氣態(tài)產(chǎn)物(26)和稀釋空氣(70)的相對混合量，以便混合物的溫度將使催化劑床(36)保持在其優(yōu)選的操作溫度。許多催化氧化器的排出氣溫度為600-800°F(315-425℃)。因為應(yīng)當保持廢氣溫度不超過該正常的600-800°F(315-425℃)，任何加入催化氧化器(36)中的氣體物將不得不以較低的溫度加入，這是由于氧化過程本身產(chǎn)生熱。
如果可能的話，基于固有的BTU值，優(yōu)選使用催化氧化器(36)來處理VOC’s。其主要原因是需要較低的操作溫度，靠此節(jié)省總能量。
當氣體物流(34)的固有BTU值降至近似5BTU/scf或更低時，氣體物流(34)可以通過催化氧化器(36)進行可行的處理。此時，至少大部分氣體物流(34)將旁路繞過無焰氧化器(10)，直接進入催化氧化器(36)。閥(62)將開啟，同時閥(60)將幾乎全部(如果不是全部的話)關(guān)閉。
雖然出于正常的處理的觀點，考慮到整個系統(tǒng)效率和確保在催化氧化器(36)內(nèi)保持適當?shù)牟僮鳒囟?，?yōu)選直接通過催化氧化器(36)處理含5BTU/scf或更低的任何氣體物流，但是在本發(fā)明方法中優(yōu)選在最低流速下連續(xù)操作無焰氧化器(10)。這樣，控制器(74)優(yōu)選控制閥(60)和(64)以形成混合的氣體/補充燃料物流，該物流以適合于無焰氧化器(10)操作的盡可能小的量流動并且還含有優(yōu)選的30-35BTU/scf。由于天然氣有很高的BTU值，它將必須與一種稀釋物流混合，所述稀釋物流為低BTU值的煙霧或稀釋空氣或氧氣。其余的氣體物流(34)旁路經(jīng)過閥(62)進入內(nèi)部氧化器送氣室(56)。
雖然這是優(yōu)選的實施方案，但是還可能經(jīng)過無焰氧化器(10)加入補充的燃料/空氣混合物流，同時使所有氣體物流(34)旁路進入催化氧化器(36)。然而，這種改變并不是效率高的，因為會需要更多的補充燃料來為無焰氧化器(10)形成適當?shù)?0-35BTU/scf物流。
由于需要在所有時間保持經(jīng)過無焰氧化器(10)的流量最小，可能需要將稀釋空氣加入內(nèi)部氧化器送氣室(56)，以便混合的氣態(tài)產(chǎn)物(26)、氣體物流(54)和稀釋空氣(58)將有適當?shù)腂TU值/溫度以避免損害催化氧化器(36)。
總的來說，在正常操作期間，如果氣體物流(35)的VOC濃度降低或升高，系統(tǒng)控制器會起作用以為最有效地銷毀VOC’s而重新配置系統(tǒng)。
為了本發(fā)明的最有效的操作，一個需要考慮的關(guān)鍵問題是要確保進入無焰氧化器(10)的物流和進入催化氧化器(36)的那些在進入之前充分混合。例如，如果為了避免催化氧化器(36)過熱將稀釋空氣加入來自無焰氧化器(10)的氣態(tài)產(chǎn)物(26)中，必須使稀釋空氣與熱的氣態(tài)產(chǎn)物(26)進行良好的混合，以便不存在會導(dǎo)致催化劑中毒的局部熱點。正因為如此，優(yōu)選在圍繞無焰氧化器(10)和催化氧化器(36)之間的連接件周圍的一組位置處充入或另外添加任何稀釋空氣或旁路氣體物流。
雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明方法和設(shè)備的一種優(yōu)選的實施方案，但可以預(yù)示在本發(fā)明的范圍內(nèi)將有許多其它變化。例如，可能如此配置本系統(tǒng)使得廢氣物流(72)的熱量被回收用于預(yù)熱無焰氧化器(10)的入口氣體(20)。然而應(yīng)當注意，如果氣體物流(34)有超過優(yōu)選的30-35BTU/scf的BTU值，沒有理由試圖回收廢氣的熱用于該物流(盡管它總是可被用于加熱其它的、這里沒有描述的系統(tǒng))。另一方面，當氣體物流(34)有在5和30BTU/scf之間的BTU值或大大低于5BTU/scf時，從廢氣物流(72)回收熱是很可能有用的。(除了用于所述的系統(tǒng)內(nèi)以外，回收的熱可被用于其它系統(tǒng)如熱量回收鍋爐或用于熱解吸過程。)本發(fā)明相對現(xiàn)有的系統(tǒng)有顯著的優(yōu)點，甚至相對于現(xiàn)有系統(tǒng)的結(jié)合也有顯著的優(yōu)點。如上所述，催化床常常使用火焰調(diào)節(jié)裝置來保持適當?shù)臏囟?。所述火焰調(diào)節(jié)裝置是必需的，因為與將小催化劑單元用于大的系統(tǒng)有關(guān)的停留時間很短。由于催化材料昂貴催化床通常很小，而且煙霧值變化，所以如果不使用外部熱源如火焰調(diào)節(jié)裝置，很難在催化床自身內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的、自調(diào)節(jié)的溫度。因為床的最大使用溫度太低以致不能提供足夠的熱回流(沿催化劑基質(zhì)輻射和傳導(dǎo)的)，引起在正常的煙霧氣體流速下催化劑的前邊存在高于“點火”溫度(一般不小于400°F)。然而，本發(fā)明通過使用無焰氧化器(10)作為催化氧化器(36)的調(diào)節(jié)熱源消除了對所述火焰調(diào)節(jié)裝置的需要。
另外，當用有焰燃燒器代替無焰氧化器(10)時，利用本發(fā)明的一般設(shè)計會是幾乎無效的。這是由于大多數(shù)有焰燃燒器需要200-250BTU/scf的固有BTU值。(事實上某些情形要求有焰燃燒器滿足這些標準。)由于催化氧化器一般只能容許約5BTU/scf，有焰燃燒器用于本系統(tǒng)的一般布置會需要加入補充燃料，越過VOC濃度從200-250BTU/scf降至5BTU/scf的整個范圍。
相反，這里所述的PIM技術(shù)是到目前為此已知的唯一的可以用現(xiàn)在所述的兩步法熱操作從200BTU/scf降至30BTU/scf的VOC濃度范圍。因為這一點以及由于兩步系統(tǒng)是成一體的而不是作為三個和另一個之間切換的兩個分開的系統(tǒng)操作，本發(fā)明的系統(tǒng)會有較低的操作費用。另外，使用本發(fā)明會導(dǎo)致有較低熱NOx產(chǎn)量的廢氣，以體積計NOx不多于2ppm。
這種結(jié)合的非催化/催化氧化器系統(tǒng)克服了在操作高VOC濃度的物流時對催化氧化器所要求的過量的稀釋空氣的需要，同時，克服了在運行基于火焰的熱氧化器來銷毀低VOC濃度物流時對所要求的過量的補充燃料的需要。
雖然本發(fā)明對于VOC濃度在初始較高并隨時間逐漸降低的土壤改良系統(tǒng)是特別有用的，它還可以容易地用于VOC濃度隨時間變化大的任何系統(tǒng)。例如，某些間歇方法(如丙烯酸的制造)在24小時或更長時間內(nèi)由富VOC流變至貧VOC物流。
最后，本發(fā)明的設(shè)計提供的另一個主要優(yōu)點是這種處理方法不能分為焚燒爐類。這很容易被批準?？梢员砻?，這種完整的處理系統(tǒng)可以放大形成在較低單元操作費用下系統(tǒng)性能和操作可靠性超過焚燒系統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)能力。
概括地說，已描述了用于利用結(jié)合的無焰氧化系統(tǒng)銷毀來自土壤和其它VOC濃度變化的來源現(xiàn)場的危險有機物的設(shè)備和方法。
已經(jīng)以數(shù)個優(yōu)選實施方案的方式描述了本發(fā)明。然而，并不限于所述的實施方案，本發(fā)明的范圍內(nèi)可以有許多變化方案。例如，雖然描述的是一種燃料燃燒的預(yù)熱器，但是對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)內(nèi)也可使用其它的標準的預(yù)熱裝置。
從而，本發(fā)明的范圍不應(yīng)當由所述的實施方案來確定，而應(yīng)由權(quán)利要求及其正當?shù)牡韧飦泶_定。盡管是這樣描述的本發(fā)明，但希望保護的專利權(quán)由所附的權(quán)利要求限定。
根據(jù)條約第19條修改時的聲明這里提交的替換頁第32-41頁中有權(quán)利要求1-32，這些權(quán)利要求替換原始申請的權(quán)利要求1-32。
權(quán)利要求25和32已經(jīng)修改。其余權(quán)利要求未改變。
修改后的權(quán)利要求25和32描述的是本發(fā)明的優(yōu)選的操作方式。本發(fā)明涉及有效地銷毀存在于一種過程氣體物流中的揮發(fā)性有機化合物(VOCS)。方法權(quán)利要求涉及更專門地處理一種有變化的VOCS濃度的過程氣體物流。修改后的權(quán)利要求描述了明顯不同于引用的文獻中單獨的或其結(jié)合的技術(shù)。
權(quán)利要求書按照條約第19條的修改1.一種用于銷毀VOC’s的設(shè)備，包括具有無控制VOC含量的一種或多種氣體物流源；一個無焰、非催化的氧化器，該氧化器具有(a)一個與氣體物流源相通的入口；(b)一個出口；和(c)一個位于入口和出口之間的部分，該部分包括一個非催化的、耐熱材料的基質(zhì)床，該床包括一個與所述入口相通的上游側(cè)和一個與所述出口相通的下游側(cè)；一個催化氧化器，該氧化器裝有催化劑并有一個入口和一個出口；一個無焰非催化氧化器的出口和催化氧化器的入口之間的連接件，使基質(zhì)床的下游側(cè)與催化氧化器相通；用于選擇性地添加補充燃料和空氣到基質(zhì)床的上游側(cè)的物流中的裝置；用于選擇性地添加空氣到連接件的物流中的裝置；一個直接連接連接件的氣體物流源的旁通管，使一種或多種氣體物流與催化氧化器的入口直接相通；和一個選擇性地控制輸送到無焰、非催化氧化器的一種或多種氣體的物流量和經(jīng)旁通管直接送至催化氧化器的量的控制系統(tǒng)。
2.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中控制系統(tǒng)選擇性地輸送一種或多種氣體物流部分到無焰、非催化氧化器或直接到催化氧化器，這取決于在該一種或多種氣體物中的VOC’s的濃度。
3.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中基質(zhì)床構(gòu)造成使它可以熱銷毀揮發(fā)性污染物而不使用或產(chǎn)生火焰。
4.權(quán)利要求1的設(shè)備，進一步包括控制裝置，它控制加到基質(zhì)床上游側(cè)的物流中的補充燃料和空氣的量，使基質(zhì)床的最熱部分內(nèi)的溫度保持在約1400°F(760℃)和約3500°F(1925℃)之間。
5.權(quán)利要求1的設(shè)備，進一步包括控制裝置，它控制加到連接件物流中的空氣的量，使得催化氧化器的出口處的溫度保持在低于催化劑的熱失活溫度。
6.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中控制系統(tǒng)選擇性地輸送一種或多種固體物流的一部分到無焰、非催化氧化器或直接到催化氧化器，這取決于由一個或多個溫度傳感器在基質(zhì)床或連接件內(nèi)傳感器的溫度。
7.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中耐熱材料包括陶瓷球、陶瓷鞍形物、陶瓷鮑爾環(huán)、陶瓷拉西環(huán)、陶瓷泡沫材料、陶瓷棉、金屬泡沫材料或金屬棉。
8.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中基質(zhì)床包括至少兩層耐熱材料，其中所述層由不同尺寸的耐熱材料構(gòu)成，而且無焰氧化器部分構(gòu)造成形成從入口到出口的流動模式，使得任何物流首先經(jīng)過較小尺寸的材料層。
9.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中基質(zhì)床具有0.3-0.9的空隙率。
10.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中基質(zhì)床中的材料具有40m2/m3至1040m2/m3的比表面積。
11.權(quán)利要求1的設(shè)備，進一步包括一個預(yù)熱器，它能將基質(zhì)床預(yù)熱到在一種或多種氣體物流中的VOC’s的自燃溫度之上的溫度。
12.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中無焰的、非催化的氧化器進一步包括一個位于入口和基質(zhì)床之間的送氣室。
13.權(quán)利要求1的設(shè)備，進一步包括一個送氣室裝置，它用于使加到連接件物流中的任何空氣和基質(zhì)床下游的任何氣體物流在它們進入催化氧化器之前進行混合。
14.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中用于一種或多種氣體物流的旁通管和用于選擇性添加空氣到連接件物流中的裝置構(gòu)造成在所述物流進入催化氧化器之前，在圍繞連接件周圍的數(shù)個位置處添加所述氣體物流。
15.一種設(shè)備，包括一個含VOC’s的氣體物流；一個無焰、非催化氧化器，它有一個與氣體物流相通的氣體入口，一個氣體出口，和一個位于入口和出口之間的非催化、耐熱材料的基質(zhì)床，該床包括一個與入口相通的上游側(cè)和一個與出口相通的下游側(cè)；一個有入口和出口的催化氧化器，其中入口與基質(zhì)床的下游側(cè)通過一連接件相通；用于選擇性添加燃料和空氣到基質(zhì)床的上游側(cè)物流中的裝置；用于選擇性添加空氣到基質(zhì)床的下游側(cè)和催化氧化器入口之間的物流中的裝置；一個使氣體物流和催化氧化器入口之間直接相通的旁通管；和一個控制系統(tǒng)，它控制輸送到無焰的、非催化的氧化器的氣體物流的量、經(jīng)旁通管直接輸送到催化氧化器的氣體物流的量、添加到基質(zhì)床的上流側(cè)的物流中的燃料或空氣的量和添加到基質(zhì)床的下游側(cè)和催化氧化器入口之間的物流中的空氣的量。
16.權(quán)利要求15的設(shè)備，其中控制系統(tǒng)選擇性地輸送部分或全部氣體物流到無焰、非催化氧化器或直接到催化氧化器，這取決于氣體物流中的VOC’s的濃度。
17.權(quán)利要求16的設(shè)備，其中控制系統(tǒng)構(gòu)造成利用由一個或多個溫度傳感器在基質(zhì)床或連接件內(nèi)傳感出的溫度確定氣體物中的VOC’s的濃度。
18.權(quán)利要求15的設(shè)備，其中基質(zhì)床構(gòu)造成使得它可以熱銷毀揮發(fā)性的污染物而不使用或產(chǎn)生火焰。
19.權(quán)利要求15的設(shè)備，其中控制系統(tǒng)控制添加到基質(zhì)床上游側(cè)的物流中的燃料和空氣的量以保持基質(zhì)床的最熱部分內(nèi)的溫度在約1400°F(760℃)和約3500°F(1925℃)之間。
20.權(quán)利要求15的設(shè)備，其中控制系統(tǒng)控制添加到基質(zhì)床的下游側(cè)和催化氧化器入口之間的物流中的空氣的量以保持在催化氧化器出口處的溫度在催化劑的熱失活溫度之下。
21.權(quán)利要求15的設(shè)備，其中耐熱材料包括陶瓷球、陶瓷鞍形物、陶瓷鮑爾環(huán)、陶瓷拉西環(huán)、陶瓷泡沫材料、陶瓷棉、金屬泡沫或金屬棉。
22.權(quán)利要求15的設(shè)備，進一步包括一個用于使添加到連接件物流中的任何空氣和基質(zhì)床下游側(cè)的任何氣體物流在進入催化氧化器之前進行混合的送氣室裝置。
23.權(quán)利要求15的設(shè)備，其中旁通管和用于選擇性地添加空氣到基質(zhì)床的下游側(cè)和催化氧化器入口之間的物流中的裝置與連接件通過圍繞連接件周圍的數(shù)個注入位置相連通。
24.一種用于銷毀VOC’s的設(shè)備，包括具有無控制的VOC含量的一種或多種氣體物流源；一個無焰、非催化氧化器，它具有(a)一個與氣體物流源相連通的入口；(b)一個出口；和(c)一個位于入口和出口之間的部分，該部分包括一個非催化的、耐熱材料的基質(zhì)床，該床包括一個與所述入口相通的上游側(cè)和一個與所述出口相通的下游側(cè)；一個催化氧化器，該氧化器裝有催化劑并有一個入口和一個出口；一個無焰非催化氧化器和催化氧化器入口之間的連接件，使基質(zhì)床的下游側(cè)與催化氧化器相通；一個預(yù)熱器，它能使基質(zhì)床預(yù)熱到一種或多種氣體物流中的VOC’s的自燃溫度之上的溫度；用于選擇性地添加補充燃料和空氣到基質(zhì)床的上游側(cè)的物流中的裝置；用于選擇性地添加空氣到連接件物流中的裝置；一個控制裝置，它控制添加到基質(zhì)床上游側(cè)的物流中的補充燃料和空氣的量，使得基質(zhì)床的最熱部分的溫度保持在約1400°F(760℃)和約3500°F(1925℃)之間；一個第二控制裝置，它控制添加到連接件物流中的空氣的量，使得催化氧化器出口處的溫度保持在催化劑的熱失活溫度之下；一個旁通管，它使連接件直接一種或多種氣流源，使得一種或多種氣體物流與催化氧化器的入口相通，其中旁通管和用于選擇性地添加空氣到連接件物流中的裝置構(gòu)造成在圍繞連接件周圍的一組位置處將任何氣體物流和空氣在它們進入催化氧化器之前充入其中；和一個控制系統(tǒng)，用于選擇性地控制輸送到無焰、非催化氧化器中的一種或多種氣體物流的量和經(jīng)旁通管直接輸送到催化氧化器中的量，其中控制系統(tǒng)選擇性地輸送一種或多種氣體物流，這取決于一種或多種氣體物流中的VOC’s的濃度，所述濃度是由通過一個或多個溫度傳感器在基質(zhì)床或連接件內(nèi)傳感出的溫度確定的。
25.一種從含有可變量的VOC排出物的氣體物流中除去VOC排出物的方法，包括下述步驟(a)直接或間接監(jiān)測含有可變量的VOC’s的氣體物流中的VOC’s的濃度；(b)將氣體物流的任意部分通入無焰、非催化氧化器，所述氣體物流有超過可在下游的催化氧化器中銷毀而不使該催化氧化器中催化劑過熱應(yīng)有的BTU值的BTU值，所述非催化氧化器有耐熱材料的基質(zhì)床，該床已被預(yù)熱到超過VOC排出物的自燃溫度的溫度，藉此，氣體物流中的VOC’s在無焰反應(yīng)中被熱氧化成熱氣態(tài)產(chǎn)物而不使用或產(chǎn)生火焰；(c)將氣態(tài)產(chǎn)物導(dǎo)入下游的有催化劑的催化氧化器；(d)直接或間接監(jiān)測來自無焰氧化器的任何氣態(tài)產(chǎn)物的溫度并且使足夠的稀釋空氣混入所述氣態(tài)產(chǎn)物中，以在將氣態(tài)產(chǎn)物導(dǎo)入催化氧化器之前將混合的氣態(tài)產(chǎn)物-空氣物流的溫度降至導(dǎo)致催化氧化器廢氣溫度低于催化劑的熱失活溫度的溫度；(e)按照保持無焰氧化器內(nèi)的無焰反應(yīng)區(qū)的需要，將補充燃料和空氣混入氣體物流的任意部分中，所述氣體物流有這樣的VOC濃度，它高于可在催化氧化器中氧化而不使催化劑的溫度超過其熱失活溫度的濃度；和(f)當一部分氣體物流有足夠低的BTU值使它可以在催化氧化器內(nèi)被氧化而不使催化劑過熱時，使具有足夠低的BTU值的該部分氣體物流中的至少一部分直接旁流進入催化氧化器，同時將具有足夠低的BTU值的氣體物流的任何其余部分與為保持無焰反應(yīng)區(qū)所需的補充燃料和空氣一起加入無焰氧化器。
26.權(quán)利要求25的方法，其中監(jiān)測來自無焰氧化器的任何氣態(tài)產(chǎn)物的溫度和監(jiān)測氣體物流中的VOC’s濃度的步驟利用在無焰氧化器中的或在無焰氧化器和催化氧化器之間的一個或多個溫度傳感器來完成。
27.權(quán)利要求25的方法，其中將稀釋空氣和任何旁路氣體物流加入來自無焰氧化器的任何氣態(tài)產(chǎn)物物流中，所述添加是在這些物流進入催化氧化器之前在圍繞氣態(tài)產(chǎn)物物流周圍的數(shù)個位置處進行的。
28.權(quán)利要求25的方法，其中基質(zhì)床溫度保持在無焰反應(yīng)區(qū)中的約1400°F(760℃)和約3500°F(1925℃)之間。
29.權(quán)利要求25的方法，其中，當一部分氣體物流旁路直接進入催化氧化器時，將該氣體物流的其余部分加入無焰氧化器，所述其余部分在與補充燃料混合時足以滿足無焰氧化器最小流量需要，同時保持無焰反應(yīng)區(qū)。
30.權(quán)利要求25的方法，其中添加到無焰氧化器的任何氣體物流、補充燃料和空氣的混合物流被控制成有約30到約35BTU/scf。
31.權(quán)利要求25的方法，其中添加到催化氧化器的任何氣體物、氣態(tài)產(chǎn)物和空氣的混合物流被控制成有不大于約5BTU/scf。
32.一種從含有可變量的VOC排出物的氣體物流中除去VOC排出物的方法，包括下述步驟(a)直接或間接監(jiān)測含有可變量的VOC’s的氣體物流中的VOC’s濃度；(b)將氣體物流的任意部分通入無焰、非催化氧化器，所述氣體物流有超過可在下游的催化氧化器中銷毀而不使該催化氧化器中催化劑過熱應(yīng)有的BTU值的BTU值，所述非催化氧化器有耐熱材料的基質(zhì)床，該床已被預(yù)熱到超過VOC排出物的自燃溫度的溫度，藉此，氣體物流中的VOC’s在無焰反應(yīng)區(qū)中被熱氧化成熱氣態(tài)產(chǎn)物并且無焰反應(yīng)區(qū)中溫度被保持在約1400°F(760℃)和約3500°F(1925℃)；(c)將氣態(tài)產(chǎn)物導(dǎo)入下游的有催化劑的催化氧化器；(d)直接或間接監(jiān)測來自無焰氧化器的任何氣態(tài)產(chǎn)物的溫度并且使足夠的稀釋空氣混入所述氣態(tài)產(chǎn)物中，以在將氣態(tài)產(chǎn)物導(dǎo)入催化氧化器之前將混合的氣態(tài)產(chǎn)物一空氣物流的溫度降至導(dǎo)致催化氧化器廢氣溫度低于催化劑的熱失活溫度的溫度；(e)按照保持無焰氧化器內(nèi)無焰反應(yīng)區(qū)的需要，將補充燃料和空氣混入氣體物流的任意部分中，所述氣體物流有這樣的VOC濃度，它高于可在催化氧化器中氧化而不使催化劑的溫度超過其熱失活溫度的濃度；和(f)當一部分氣體物流有足夠低的BTU值使它可以在催化氧化器內(nèi)被氧化而不使催化劑過熱時，使具有足夠低的BTU值的該部分氣體物流中的至少一部分直接旁流進入催化氧化器，同時將具有足夠低的BTU值的氣體物流的任何其余部分與為保持無焰反應(yīng)區(qū)所需的補充燃料和空氣一起加入無焰氧化器；(g)控制添加到無焰氧化器的任何氣體物流、補充燃料和空氣的混合物流為有約30-約35BTU/scf；(h)控制添加到催化氧化器中的任何氣體物流、氣態(tài)產(chǎn)物和空氣的混合物流為有不超過約5BTU/scf；和(i)添加稀釋空氣和任何旁路氣體物流到來自無焰氧化器的任何氣態(tài)產(chǎn)物物流中，所述添加是在這些物流進入催化氧化器之前在圍繞氣態(tài)產(chǎn)物物流周圍的數(shù)個位置處進行的；其中監(jiān)測來自無焰氧化器的任何氣態(tài)產(chǎn)物的溫度和監(jiān)測氣體物流中的VOC’s濃度的步驟利用在無焰氧化器內(nèi)或在無焰氧化器和催化氧化器之間的一個或多個溫度傳感器來完成。
權(quán)利要求
1.一種用于銷毀VOC’s的設(shè)備，包括具有無控制VOC含量的一種或多種氣體物流源；一個無焰、非催化的氧化器，該氧化器具有(a)一個與氣體物流源相通的入口；(b)一個出口；和(c)一個位于入口和出口之間的部分，該部分包括一個非催化的、耐熱材料的基質(zhì)床，該床包括一個與所述入口相通的上游側(cè)和一個與所述出口相通的下游側(cè)；一個催化氧化器，該氧化器裝有催化劑并有一個入口和一個出口；一個無焰非催化氧化器的出口和催化氧化器的入口之間的連接件，使基質(zhì)床的下游側(cè)與催化氧化器相通；用于選擇性地添加補充燃料和空氣到基質(zhì)床的上游側(cè)的物流中的裝置；用于選擇性地添加空氣到連接件的物流中的裝置；一個直接連接連接件的氣體物流源的旁通管，使一種或多種氣體物流與催化氧化器的入口直接相通；和一個選擇性地控制輸送到無焰、非催化氧化器的一種或多種氣體的物流量和經(jīng)旁通管直接送至催化氧化器的量的控制系統(tǒng)。
2.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中控制系統(tǒng)選擇性地輸送一種或多種氣體物流部分到無焰、非催化氧化器或直接到催化氧化器，這取決于在該一種或多種氣體物中的VOC’s的濃度。
3.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中基質(zhì)床構(gòu)造成使它可以熱銷毀揮發(fā)性污染物而不使用或產(chǎn)生火焰。
4.權(quán)利要求1的設(shè)備，進一步包括控制裝置，它控制加到基質(zhì)床上游側(cè)的物流中的補充燃料和空氣的量，使基質(zhì)床的最熱部分內(nèi)的溫度保持在約1400°F(760℃)和約3500°F(1925℃)之間。
5.權(quán)利要求1的設(shè)備，進一步包括控制裝置，它控制加到連接件物流中的空氣的量，使得催化氧化器的出口處的溫度保持在低于催化劑的熱失活溫度。
6.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中控制系統(tǒng)選擇性地輸送一種或多種固體物流的一部分到無焰、非催化氧化器或直接到催化氧化器，這取決于由一個或多個溫度傳感器在基質(zhì)床或連接件內(nèi)傳感器的溫度。
7.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中耐熱材料包括陶瓷球、陶瓷鞍形物、陶瓷鮑爾環(huán)、陶瓷拉西環(huán)、陶瓷泡沫材料、陶瓷棉、金屬泡沫材料或金屬棉。
8.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中基質(zhì)床包括至少兩層耐熱材料，其中所述層由不同尺寸的耐熱材料構(gòu)成，而且無焰氧化器部分構(gòu)造成形成從入口到出口的流動模式，使得任何物流首先經(jīng)過較小尺寸的材料層。
9.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中基質(zhì)床具有0.3-0.9的空隙率。
10.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中基質(zhì)床中的材料具有40m2/m3至1040m2/m3的比表面積。
11.權(quán)利要求1的設(shè)備，進一步包括一個預(yù)熱器，它能將基質(zhì)床預(yù)熱到在一種或多種氣體物流中的VOC’s的自燃溫度之上的溫度。
12.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中無焰的、非催化的氧化器進一步包括一個位于入口和基質(zhì)床之間的送氣室。
13.權(quán)利要求1的設(shè)備，進一步包括一個送氣室裝置，它用于使加到連接件物流中的任何空氣和基質(zhì)床下游的任何氣體物流在它們進入催化氧化器之前進行混合。
14.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中用于一種或多種氣體物流的旁通管和用于選擇性添加空氣到連接件物流中的裝置構(gòu)造成在所述物流進入催化氧化器之前，在圍繞連接件周圍的數(shù)個位置處添加所述氣體物流。
15.一種設(shè)備，包括一個含VOC’s的氣體物流；一個無焰、非催化氧化器，它有一個與氣體物流相通的氣體入口，一個氣體出口，和一個位于入口和出口之間的非催化、耐熱材料的基質(zhì)床，該床包括一個與入口相通的上游側(cè)和一個與出口相通的下游側(cè)；一個有入口和出口的催化氧化器，其中入口與基質(zhì)床的下游側(cè)通過一連接件相通；用于選擇性添加燃料和空氣到基質(zhì)床的上游側(cè)物流中的裝置；用于選擇性添加空氣到基質(zhì)床的下游側(cè)和催化氧化器入口之間的物流中的裝置；一個使氣體物流和催化氧化器入口之間直接相通的旁通管；和一個控制系統(tǒng)，它控制輸送到無焰的、非催化的氧化器的氣體物流的量、經(jīng)旁通管直接輸送到催化氧化器的氣體物流的量、添加到基質(zhì)床的上流側(cè)的物流中的燃料或空氣的量和添加到基質(zhì)床的下游側(cè)和催化氧化器入口之間的物流中的空氣的量。
16.權(quán)利要求15的設(shè)備，其中控制系統(tǒng)選擇性地輸送部分或全部氣體物流到無焰、非催化氧化器或直接到催化氧化器，這取決于氣體物流中的VOC’s的濃度。
17.權(quán)利要求16的設(shè)備，其中控制系統(tǒng)構(gòu)造成利用由一個或多個溫度傳感器在基質(zhì)床或連接件內(nèi)傳感出的溫度確定氣體物中的VOC’s的濃度。
18.權(quán)利要求15的設(shè)備，其中基質(zhì)床構(gòu)造成使得它可以熱銷毀揮發(fā)性的污染物而不使用或產(chǎn)生火焰。
19.權(quán)利要求15的設(shè)備，其中控制系統(tǒng)控制添加到基質(zhì)床上游側(cè)的物流中的燃料和空氣的量以保持基質(zhì)床的最熱部分內(nèi)的溫度在約1400°F(760℃)和約3500°F(1925℃)之間。
20.權(quán)利要求15的設(shè)備，其中控制系統(tǒng)控制添加到基質(zhì)床的下游側(cè)和催化氧化器入口之間的物流中的空氣的量以保持在催化氧化器出口處的溫度在催化劑的熱失活溫度之下。
21.權(quán)利要求15的設(shè)備，其中耐熱材料包括陶瓷球、陶瓷鞍形物、陶瓷鮑爾環(huán)、陶瓷拉西環(huán)、陶瓷泡沫材料、陶瓷棉、金屬泡沫或金屬棉。
22.權(quán)利要求15的設(shè)備，進一步包括一個用于使添加到連接件物流中的任何空氣和基質(zhì)床下游側(cè)的任何氣體物流在進入催化氧化器之前進行混合的送氣室裝置。
23.權(quán)利要求15的設(shè)備，其中旁通管和用于選擇性地添加空氣到基質(zhì)床的下游側(cè)和催化氧化器入口之間的物流中的裝置與連接件通過圍繞連接件周圍的數(shù)個注入位置相連通。
24.一種用于銷毀VOC’s的設(shè)備，包括具有無控制的VOC含量的一種或多種氣體物流源；一個無焰、非催化氧化器，它具有(a)一個與氣體物流源相連通的入口；(b)一個出口；和(c)一個位于入口和出口之間的部分，該部分包括一個非催化的、耐熱材料的基質(zhì)床，該床包括一個與所述入口相通的上游側(cè)和一個與所述出口相通的下游側(cè)；一個催化氧化器，該氧化器裝有催化劑并有一個入口和一個出口；一個無焰非催化氧化器和催化氧化器入口之間的連接件，使基質(zhì)床的下游側(cè)與催化氧化器相通；一個預(yù)熱器，它能使基質(zhì)床預(yù)熱到一種或多種氣體物流中的VOC’s的自燃溫度之上的溫度；用于選擇性地添加補充燃料和空氣到基質(zhì)床的上游側(cè)的物流中的裝置；用于選擇性地添加空氣到連接件物流中的裝置；一個控制裝置，它控制添加到基質(zhì)床上游側(cè)的物流中的補充燃料和空氣的量，使得基質(zhì)床的最熱部分的溫度保持在約1400°F(760℃)和約3500°F(1925℃)之間；一個第二控制裝置，它控制添加到連接件物流中的空氣的量，使得催化氧化器出口處的溫度保持在催化劑的熱失活溫度之下；一個旁通管，它使連接件直接一種或多種氣流源，使得一種或多種氣體物流與催化氧化器的入口相通，其中旁通管和用于選擇性地添加空氣到連接件物流中的裝置構(gòu)造成在圍繞連接件周圍的一組位置處將任何氣體物流和空氣在它們進入催化氧化器之前充入其中；和一個控制系統(tǒng)，用于選擇性地控制輸送到無焰、非催化氧化器中的一種或多種氣體物流的量和經(jīng)旁通管直接輸送到催化氧化器中的量，其中控制系統(tǒng)選擇性地輸送一種或多種氣體物流，這取決于一種或多種氣體物流中的VOC’s的濃度，所述濃度是由通過一個或多個溫度傳感器在基質(zhì)床或連接件內(nèi)傳感出的溫度確定的。
25.一種從含有可變量的VOC排出物的氣體物流中除去VOC排出物的方法，包括下述步驟(a)直接或間接監(jiān)測含有可變量的VOC’s的氣體物流中的VOC’s的濃度；(b)將任意部分的氣體物流通入無焰、非催化氧化器，所述氣體物流有超過可在下游的催化氧化器中銷毀而不使該催化氧化器中催化劑過熱應(yīng)有的BTU值的BTU值，所述非催化氧化器有耐熱材料的基質(zhì)床，該床已被預(yù)熱到超過VOC排出物的自燃溫度的溫度，藉此，氣體物流中的VOC’s在無焰反應(yīng)中被熱氧化成熱氣態(tài)產(chǎn)物而不使用或產(chǎn)生火焰；(c)將氣態(tài)產(chǎn)物導(dǎo)入下游的有催化劑的催化氧化器；(d)直接或間接監(jiān)測來自無焰氧化器的任何氣態(tài)產(chǎn)物的溫度并且使足夠的稀釋空氣混入所述氣態(tài)產(chǎn)物中；以在將氣態(tài)產(chǎn)物導(dǎo)入催化氧化器之前將混合的氣態(tài)產(chǎn)物-空氣物流的溫度降至導(dǎo)致催化氧化器廢氣溫度低于催化劑的熱失活溫度的溫度；(e)按照保持無焰氧化器內(nèi)的無焰反應(yīng)區(qū)的需要，將補充燃料和空氣混入任意部分的氣體物流中，所述氣體物流有這樣的VOC濃度，它高于可在催化氧化器中氧化而不使催化劑的溫度超過其熱失活溫度的濃度；和(f)當一部分氣體物流有足夠低的BTU值使它可以在催化氧化器內(nèi)被氧化而不使催化劑過熱時，使具有足夠低的BTU值的該部分氣體物流中的至少一部分直接旁流進入催化氧化器，同時將具有足夠低的BTU值的氣體物流的任何其余部分與為保持無焰反應(yīng)區(qū)所需的補充燃料和空氣一起加入無焰氧化器。
26.權(quán)利要求25的方法，其中監(jiān)測來自無焰氧化器的任何氣態(tài)產(chǎn)物的溫度和監(jiān)測氣體物流中的VOC’s濃度的步驟利用在無焰氧化器中的或在無焰氧化器和催化氧化器之間的一個或多個溫度傳感器來完成。
27.權(quán)利要求25的方法，其中將稀釋空氣和任何旁路氣體物流加入來自無焰氧化器的任何氣態(tài)產(chǎn)物物流中，所述添加是在這些物流進入催化氧化器之前在圍繞氣態(tài)產(chǎn)物物流周圍的數(shù)個位置處進行的。
28.權(quán)利要求25的方法，其中基質(zhì)床溫度保持在無焰反應(yīng)區(qū)中的約1400°F(760℃)和約3500°F(1925℃)之間。
29.權(quán)利要求25的方法，其中，當一部分氣體物流旁路直接進入催化氧化器時，將該氣體物流的其余部分加入無焰氧化器，所述其余部分在與補充燃料混合時足以滿足無焰氧化器最小流量需要，同時保持無焰反應(yīng)區(qū)。
30.權(quán)利要求25的方法，其中添加到無焰氧化器的任何氣體物流、補充燃料和空氣的混合物流被控制成有約30到約35BTU/scf。
31.權(quán)利要求25的方法，其中添加到催化氧化器的任何氣體物、氣態(tài)產(chǎn)物和空氣的混合物流被控制成有不大于約5BTU/scf。
32.一種從含有可變量的VOC排出物的氣體物流中除去VOC排出物的方法，包括下述步驟(a)直接或間接監(jiān)測含有可變量的VOC’s的氣體物流中的VOC’s濃度；(b)將氣體物流的任意部分通入無焰、非催化氧化器，所述氣體物流有超過可在下游的催化氧化器中銷毀而不使該催化氧化器中催化劑過熱應(yīng)有的BTU值的BTU值，所述非催化氧化器有耐熱材料的基質(zhì)床，該床已被預(yù)熱到超過VOC排出物的自燃溫度的溫度，藉此，氣體物流中的VOC’s在無焰反應(yīng)區(qū)中被熱氧化成熱氣態(tài)產(chǎn)物并且無焰反應(yīng)區(qū)中溫度被保持在約1400°F(760℃)和約3500°F(1925℃)；(c)將氣態(tài)產(chǎn)物導(dǎo)入下游的有催化劑的催化氧化器；(d)直接或間接監(jiān)測來自無焰氧化器的任何氣態(tài)產(chǎn)物的溫度并且使足夠的稀釋空氣混入所述氣態(tài)產(chǎn)物中，以在將氣態(tài)產(chǎn)物導(dǎo)入催化氧化器之前將混合的氣態(tài)產(chǎn)物—空氣物流的溫度降至導(dǎo)致催化氧化器廢氣溫度低于催化劑的熱失活溫度的溫度；(e)按照保持無焰氧化器內(nèi)無焰反應(yīng)區(qū)的需要，將補充燃料和空氣混入氣體物流的任意部分中，所述氣體物流有這樣的VOC濃度，它高于可在催化氧化器中氧化而不使催化劑的溫度超過其熱失活溫度的濃度；和(f)當一部分氣體物流有足夠低的BTU值使它可以在催化氧化器內(nèi)被氧化而不使催化劑過熱時，使具有足夠低的BTU值的該部分氣體物流中的至少一部分直接旁流進入催化氧化器，同時將具有足夠低的BTU值的氣體物流的任何其余部分與為保持無焰反應(yīng)區(qū)所需的補充燃料和空氣一起加入無焰氧化器；(g)控制添加到無焰氧化器的任何氣體物流、補充燃料和空氣的混合物流為有約30到約35BTU/scf；(h)控制添加到催化氧化器中的任何氣體物流、氣態(tài)產(chǎn)物和空氣的混合物流為有不超過約5BTU/scf；和(i)添加稀釋空氣和任何旁路氣體物流到來自無焰氧化器的任何氣態(tài)產(chǎn)物物流中，所述添加是在這些物流進入催化氧化器之前在圍繞氣態(tài)產(chǎn)物物流周圍的數(shù)個位置處進行的；其中監(jiān)測來自無焰氧化器的任何氣態(tài)產(chǎn)物的溫度和監(jiān)測氣體物流中的VOC’s濃度的步驟利用在無焰氧化器內(nèi)或在無焰氧化器和催化氧化器之間的一個或多個溫度傳感器來完成。
全文摘要
公開了一種用于處理所含VOC濃度可變的氣體物流的設(shè)備和方法，藉此，VOC’s在一種組合的非催化/催化氧化系統(tǒng)(33)中被銷毀。當VOC濃度高時使用一種非催化銷毀基質(zhì)(12)，該基質(zhì)由惰性陶瓷材料(14)構(gòu)成，它增強過程混合并提供利于過程穩(wěn)定性的熱惰性，當VOC濃度低時，主要使用一個催化氧化器(36)。使來自非催化銷毀基質(zhì)(12)的排出氣通過催化氧化器(36)以保持適當?shù)拇呋趸鳒囟?。添加補充的燃料和空氣作為非催化氧化器(10)的適當?shù)纳嫌位蛳掠挝锪饕栽谙到y(tǒng)的各部分保持適當?shù)臒嶂怠?br> 文檔編號B01J8/02GK1166794SQ95196469
公開日1997年12月3日 申請日期1995年11月29日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月1日
發(fā)明者馬克·R·霍爾斯特, 理查德·J·馬丁 申請人:熱質(zhì)公司