CN101078517A - 一种在燃煤炉膛内同时去除SO2、NOx的方法 - Google Patents

Abstract

一种在燃煤炉膛内同时去除SO₂、NOx的方法，属燃煤技术领域，用于解决去除二氧化硫与氮氧化物的问题。其技术方案是：它将燃煤炉膛分为主燃区、再燃区和燃尽区，常规煤粉在主燃烧区内燃烧，再燃区位于主燃区的下游，为炉膛内还原NOx的区域，将燃料总重15％～30％的超细煤粉作为还原燃料喷入炉膛上部再燃区进行燃烧，促进剂采用有机酸盐溶液，它以雾化形态也喷入再燃区，在超细煤粉燃烧过程中脱除二氧化硫和氮氧化物，完成净化工艺；所述促进剂为有机酸的Ca、Mg或Fe盐或其混合液为主要成分的有机酸盐溶液。本发明具有投资和运行费用低、设备简单、操作方便、脱除效率较高、不产生二次污染等优点，具有良好的工业化前景。

Description

一种在燃煤炉膛内同时去除SO2、NOx的方法

技术领域

本发明涉及一种燃煤炉膛内净化有害物质的方法，特别是利用喷射有机酸盐溶液脱硫脱硝，属燃煤技术领域。

背景技术

近年来，随着工业的快速发展，环境污染的问题也越来越突出，如石油、煤炭等燃烧废气中二氧化硫、氮氧化物等有害气体排入大气，引起大气环境的严重污染。据有关消息披露，中国每年因二氧化硫、氮氧化物等造成的酸雨污染，对生态环境损害和人体健康影响造成的经济损失在一千一百亿元人民币左右。因此，国家对二氧化硫、氮氧化物等有害气体污染的控制、治理力度越来越大。

燃煤产生的SO₂、NOx，无论联合脱除还是同时脱除，均不同程度地存在占地面积大、系统复杂、设备投资与运行维护费用高等缺点。近年来，国内外对烟气同时脱硫脱硝技术报道较多，目前在烟气脱硫技术中，湿法脱硫占世界市场的82％左右，在湿法脱硫中又以钙法为主。钙法脱硫的优点是脱除效率和脱硫剂利用率高，但也存在设备易结垢、堵塞，导致系统无法运行等问题。脱硝技术则以干法中的催化还原法研究最多，但采用还原法脱除NO_X，要消耗大量的还原剂。同时SO₂的共存易使NO催化剂中毒，这是国际上多年来未能解决的难题。而目前开发的氧化法脱硝则普遍存在使用氧化剂价格昂贵，甚至有些采用的气体氧化剂在设备运行中存在安全隐患等问题。此外，现存的烟气脱硫脱硝技术均为分级处理方式，分级处理不仅占地面积大，系统复杂，而且设备投资与运行维护费用高。因此，各国在脱除方式及提高脱除效率等方面展开广泛研究，其中炉内脱除技术具有投资少、操作简单等优点而日益受到重视。以往的炉内脱除技术存在的主要问题一是不能实现同时脱硫脱硝，二是脱除效率和吸收剂利用率低。如炉内喷钙脱硫技术中，吸收剂在高温下容易烧结，使效率降低。超细煤粉再燃技术是降低燃煤电站脱硝排放的有效措施之一，可以使NOx的排放减少50％-80％，虽然其脱硝效率低于烟气脱硝，但其成本却大大降低。如果在超细煤粉再燃过程中能够有效地脱硫，并进一步提高再燃还原NOx效率，则其优势更加明显。

发明内容

本发明用于提供一种脱除效率高、投资和运行费用低、可在燃煤炉膛内同时去除SO2、NOx的方法。

本发明所称问题是由以下技术方案解决的：

一种在燃煤炉膛内同时去除SO2、NOx的方法，它将燃煤炉膛分为主燃区、再燃区和燃尽区，常规煤粉在主燃烧区内燃烧，再燃区位于主燃区的下游，为炉膛内还原NOx的区域，将燃料总重15％～30％的超细煤粉作为还原燃料喷入炉膛上部再燃区进行燃烧；促进剂采用有机酸盐溶液，它以雾化形态也喷入再燃区，在超细煤粉再燃过程中同时脱除二氧化硫和氮氧化物，完成净化工艺；所述促进剂为有机酸的Ca、Mg或Fe盐或其混合液为主要成分的有机酸盐溶液。

上述在燃煤炉膛内同时去除SO2、NOx的方法，在炉膛再燃区的下游设置燃尽区，将燃尽风送入燃尽区，燃尽区的空气系数α＞1。

上述在燃煤炉膛内同时去除SO2、NOx的方法，所述超细煤粉的细度为80％小于325目筛。

上述在燃煤炉膛内同时去除SO2、NOx的方法，所述促进剂溶液在超细煤粉喷入位置的下游喷入。

上述在燃煤炉膛内同时去除SO2、NOx的方法，所述有机酸盐溶液促进剂的浓度为20～30％。

上述在燃煤炉膛内同时去除SO2、NOx的方法，所述促进剂采用醋酸钙镁。

本发明在燃煤炉内以超细煤粉为再燃燃料，并在其燃烧过程中喷射有机酸盐溶液为促进剂，(同时)脱除二氧化硫和氮氧化物，完成净化工艺。试验表明，采用一种混煤超细煤粉为再燃燃料，以醋酸钙镁(CMA)为促进剂，再燃燃料比为25％，Ca/S的摩尔比为2.0，浓度约30％，SO₂脱除效率78％，NOx脱除效率为85％。

本方法具有以下优点：

1)可以实现炉内同时去除NOx、SO₂，解决了现有烟气脱硫脱氮成本高、系统工艺复杂等难题；

2)采用超细煤粉为再燃燃料，具有稳燃效果好、燃烧效率高、综合经济性好等特点；

3)促进剂为以Ca/或Mg/或Fe的有机酸盐为主要成分的有机酸盐溶液，易制备，原料价廉宜得；

4)喷入炉内的促进剂溶液浓度高、用量小，对炉内燃烧情况无影响；

5)有机酸盐溶液以雾化形态喷入再燃区，迅速发生热解、催化、固硫等化学反应，由于反应速率很高，需要的停留时间很短，因此传质传热过程不会成为化学反应限制因素；

6)促进剂的催化作用可以进一步提高再燃还原NOx效率，同时有机酸根在高温下裂解为烃根，参与还原NO反应和燃烧反应，还可以减少再燃煤粉的用量；

7)促进剂中的金属离子以及促进剂热解后产生的活性金属氧化物与气态含硫化合物反应可以获得较高的脱硫效率，在还原气氛和火焰温度较低的条件下，促进剂可以改善煤粉燃烧过程中形成金属氧化物(如氧化钙)的活性，使飞灰中金属氧化物的活性增强，活性物质增多，固硫效率进一步提高；

8)一方面有机酸根在高温下裂解产生的烃根即使逸出再燃区，也很容易在富氧气氛的燃尽区燃尽；另一方面，有机酸盐热解生成的活性氧化物与含硫化合物反应或直接吸附于灰粒上，最终以固相形式固定于灰渣中，由于有机酸盐溶液促进剂使用量较小，而且其中的金属离子广泛贮存于自然界中，反应产物不会对环境造成二次污染。

附图说明

图1是本发明的燃煤炉膛结构位置示意图。

图中标记如下：燃煤炉体1、主燃区2、再燃区3、燃尽区4、烟道5、主燃区燃料入口6、再燃区燃料入口7、有机酸盐溶液喷嘴8、燃尽风送入口9。

具体实施方式

本发明以超细煤粉为再燃燃料，以有机酸盐溶液为促进剂，在再燃条件下可以实现炉内同时去除NOx、SO₂。该方法具有低成本、便于实现、同时去除NOx、SO₂、没有引入二次污染物等特点。

采用该方法时，将燃煤锅炉炉内分为主燃区(过量空气系数α＞1)、再燃区(α＜1)和燃尽区(α＞1)三部分，见图1。主燃烧区是主要的燃料主要的释热区，将占总燃料70％～85％的常规煤粉经主燃烧器送入主燃烧区域，该区域的过量空气系数α＞1，主燃烧区产生的NOx和未完全燃烧的燃料随烟气一起离开该区进入再燃区。

再燃区是炉内还原NOx的区域，位于主燃区的下游，将其余15～30％左右的再燃燃料—超细煤粉作为还原剂喷入炉膛上部再燃区，有机酸盐溶液以雾化形态也在此喷入。在实际的工业化应用中，有机酸盐溶液促进剂的喷入位置设在再燃超细煤粉喷入位置的下游，将促进剂溶液喷入再燃区。

在上述燃烧过程中，一方面有机酸根提供再燃还原NOx所需的部分烃根，同时有机酸盐的金属离子对再燃还原NOx起催化作用，可以进一步提高NOx还原效率；另一方面有机酸盐的金属离子通过一系列反应，生成硫酸盐(MSO₄)等化合物可以达到固硫的目的。此外，再燃条件下的还原气氛和较低的温度有利于在燃烧过程中煤中金属化合物形成高活性化合物，可以强化飞灰自固硫作用。因此，采用这种有机酸盐溶液促进剂为实现炉内同时高效去除SO₂、NOx提供了保证。

再燃区还原NO的主要反应如下：

再燃煤粉剂有机酸盐的热解

              Coal→CHi+NHi+H₂S+Char+MO(f)+…                                                   (1)

              有机酸盐→CHi+MO(f)i＝0，1，2，3                          (2)

再燃还原NO：

              NO+CH_i→HCN+…i＝0，1，2，3                              (3)

              HCN+O，OH→N₂+…                                                                                  (4)

              NO+NH_i→N₂+…i＝0，1，2，3                              (5)

式中(f)表示活性物质；M表示金属原子。

再燃区还原气氛条件下，烟气中的SO₂被还原为H₂S等物质，再燃燃料中的S分也主要以H₂S等物质释放。促进剂中的金属离子以及促进剂热解后产生的活性金属氧化物迅速与气态含硫化合物反应，生成硫化物。此外，再燃区还原气氛和较低的火焰温度有助于煤灰中金属化合物形成高活性化合物(如活性CaO等)，强化飞灰自固硫作用。再燃区固硫的主要反应如下：

                         H₂S+MO(f)→MS                                  (7)

燃尽区是炉膛的最终燃烧区。在再燃区上部送入相应的空气作为燃尽风，以保证剩余燃料的燃尽。该区域α＞1，为富氧区(或贫燃料区)。再燃区生成的一部分含硫的金属化合物在氧化气氛下生成硫酸盐(MSO₄)；一部分被氧化释放SO₂，大部分SO₂就地发生硫酸化反应，又生成硫酸盐。主要反应如下：

                            MS+O₂→MSO₄                                 (8)

                            MO(f)+SO₂+O₂→MSO₄                         (9)

                            SO₃+MO(f)→MSO₄                             (10)

                            MSO₄→MO(f)+SO₂+O₂                         (11)

                            MS+O₂→MO(f)+SO₂                            (12)

脱硫效率主要取决于抑制反应(11)、(12)的发生，反应温度是关键。由于促进剂溶液在再燃区的蒸发、热解吸热，使得燃尽区烟气温度较低，在一定程度上抑制了反应(11)、(12)，并且反应(9)是就地硫酸化反应，促进剂和煤中的活性金属离子化合物利用率高，强化了固硫作用，提高了脱硫效率。此外，由于耐热的玻璃态氧化物为主的不定形相及其它少量硅酸盐相的形成，促使炉渣表面熔融而将再燃区生成的MS包裹，从而有效抑制了MS的进一步氧化和MSO₄的分解。虽然燃尽区SO₂浓度高于再燃区，但远低于主燃区SO₂浓度。

该技术除了可以有效地控制NOx、SO₂排放以外，还扩大了炉膛内的燃烧区域，降低了火焰的峰值温度，NOx的原始生成量相应减少，而且SO₃的生成量也减少，从而减轻下游设备的酸性腐蚀。

鉴于煤是电力生产的主要一次能源，因此，以煤粉作为再燃燃料，就可以为实际煤粉炉应用再燃技术提供极为有利的条件。采用微细煤粉作为再燃燃料不仅可以提高再燃降低NOx的效率，还可以降低飞灰可燃物含量，减弱或消除飞灰在炉内受热面上的沉积与结渣现象。因此，本方法采用超细煤粉作为再燃燃料。

考虑到促进剂的价廉易得，本方法采用以Ca/或Mg/或Fe的有机酸盐为主要成分的有机酸盐溶液作为促进剂，如醋酸钙、醋酸镁、醋酸钙镁以及醋酸铁等。本发明的一个(实验室规模的)实施例为：采用混煤超细煤粉为再燃燃料，以醋酸钙镁(CMA)为促进剂，再燃燃料比25％，Ca/S的摩尔比为2.0，浓度约30％，SO₂脱除效率78％，NOx脱除效率85％。

本发明可以通过对电站常规燃煤粉锅炉、再燃煤粉锅炉改造，以及新设计的再燃煤粉锅炉上实施，具有投资和运行费用低、设备简单、操作方便、脱除效率较高、不产生二次污染等优点，具有良好的工业化前景。

Claims (6)

1.一种在燃煤炉膛内同时去除SO2、NOx的方法，其特征在于，它将燃煤炉膛分为主燃区、再燃区和燃尽区，常规煤粉在主燃烧区内燃烧，再燃区位于主燃区的下游，为炉膛内还原NOx的区域，将燃料总重15％～30％的超细煤粉作为还原燃料喷入炉膛上部再燃区进行燃烧，促进剂采用有机酸盐溶液，它以雾化形态也喷入再燃区，在超细煤粉燃烧过程中脱除二氧化硫和氮氧化物，完成净化工艺；所述促进剂为有机酸的Ca、Mg或Fe盐或其混合液为主要成分的有机酸盐溶液。

2.根据权利要求1所述的在燃煤炉膛内同时去除SO2、NOx的方法，其特征在于：在炉膛再燃区的下游设置燃尽区，将燃尽风送入燃尽区，燃尽区的空气系数α＞1。

3.根据权利要求2所述的在燃煤炉膛内同时去除SO2、NOx的方法，其特征在于：所述超细煤粉的细度为80％小于325目筛。

4.根据权利要求1、2或3所述的在燃煤炉膛内同时去除SO2、NOx的方法，其特征在于：所述促进剂溶液在超细煤粉喷入位置的下游喷入。

5.根据权利要求4所述的在燃煤炉膛内同时去除SO2、NOx的方法，其特征在于：所述有机酸盐溶液促进剂的浓度为20～30％。

6.根据权利要求5所述的在燃煤炉膛内同时去除SO2、NOx的方法，其特征在于：所述有机酸盐溶液促进剂采用醋酸钙镁。