CN104403697B - 一种电厂燃煤锅炉烟气排放污染物控制装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种电厂燃煤锅炉烟气排放污染物控制工艺装置及控制方法，括粉煤气化系统、与粉煤气化系统相连接的烟气热量回收系统以及与烟气热量回收系统相连接的净化系统三部分；粉煤气化系统用于生产低热值燃气，在烟气热量回收系统中的锅炉的后部合成气作用下除去烟气中的SOX、NOX，通过净化系统除去烟气中的重金属及卤素。本发明具有工艺原料简单易得，不产生二次污染，污染物脱除效率高，污染物脱除效率不受烟气成分影响的优势，可实现高效同步脱除NOX、SOX、卤素、汞、铅、铬、砷等烟气污染物的目的。

Description

一种电厂燃煤锅炉烟气排放污染物控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及燃煤烟气的深度脱硝技术领域，具体涉及一种电厂燃煤锅炉烟气排放污染物控制装置及控制方法。
背景技术
氮氧化物(NO、NO2等，简称NOx)是化石燃料燃烧产生的主要大气污染物之一，NOx与大气中的水、氧气发生一系列复杂的氧化还原反应，最终生成的硝酸，是酸雨的主要贡献者。此外，排放到大气中的NOx通过光化学反应产生光化学烟雾，光化学烟雾可影响能见度，刺激人类的呼吸系统粘膜及眼睛。最重要的是，在城市上空，NOx可以吸附在空气中的微小颗粒物上，与大气中存在的PAH、SOX、细菌、病毒等形成极具危害性的PM10和PM2.5颗粒，引发雾霾等极端恶劣天气。从世界范围来看，燃料燃烧尤其是燃煤发电是大气中NOX的主要来源之一。结合我国相对富煤、贫油、少气的先天资源禀赋特点及现阶段的技术经济发展水平，在可以预见的相当长的一段时期内，煤炭仍将主导我国的能源消费格局。在可预见的将来，煤炭直接燃烧不仅能源利用效率低下，而且燃烧过程中又会向大气中排放大量的SOX，NOX，固体颗粒物，重金属等污染物，因此，燃煤烟气脱硝脱硫及脱除其它污染物是我们国家急需重点解决的问题。预计到2020年，全国用电量将达到4.6×1012kW·h以上，所需的发电装机容量为11亿kW左右，燃煤机组约占6.5亿kW以上。随之而来的是NOx的排放将随着火电机组和发电量的不断增加而增长，若不采取有效控制措施，预计到2020年和2030年，中国的NOx排放量将分别达到2363～2914万吨和3154～4296万吨，火力发电会占NOx排放占排放总量的50％左右。为此，国家在“十二五”期间明确提出烟气中NOx的排放浓度值≤100mg/m3的要求。
美国、日本、欧洲等国家和地区较早就对大气中的NOx污染给予了重视，相继制定了严格的火电厂NOx排放标准，研究开发了多种火电厂燃煤烟气NOx污染控制技术，火电厂普遍采用NOx污染控制技术和装置。目前开发和应用的火电厂NOx污染控制技术包括采用低NOx燃烧和烟气脱硝等工艺技术。低NOx燃烧技术不能满足严格的环保标准，必须同时采用烟气脱硝技术。
低NOx燃烧技术(Low NOx Combustion)是在煤的燃烧过程中抑制NOx生成或者将生成的NOx还原的一类技术，包括低NOx燃烧器、空气分级和燃料分级(也称为再燃)技术等，而低NOx燃烧器也是基于分级燃烧的原理。烟气脱硝技术是燃烧后NOx控制技术(Post-Combustion NOx Control)的总称，它采用化学或物理方法从烟气中将NOx脱除。虽然与烟气脱硝技术相比，低NOx燃烧技术初期投资和运行费用较低，且易于工程实施，但低NOx燃烧技术对NOx的控制效率有限(约为30～60％)，仅采用低NOx燃烧技术将难以满足日益严格的环保要求。目前主要的商业化烟气脱硝技术包括选择性非催化(Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR)技术、选择性催化(Selective Catalytic Reduction，SCR)和SNCR/SCR复合技术等。目前，SCR工艺的商用催化剂基本都是以TiO2为载体，而以V2O5为主要活性成份，而工业上接触法氧化SO2制SO3再制备发烟硫酸所用的催化剂活性组分也是V2O5，因此在SCR工艺脱除NOX过程中势必会将燃煤烟气中的部分SO2氧化为SO3，导致用常规的干法脱硫工艺很难将氧化生成的SO3去除。如果采用湿法脱硫，氧化生成的SO3很容易与水发生反应形成严重的酸雾。与此同时，SCR及SNCR还存在着投资、运行费用过高，难以实现长周期、规模化应用的缺点；SNCR技术还存在操作稳定性差，脱硝效率低等问题。面对环境污染的日益严重以及国内大气污染物排放标准的进一步细化和严格，迫切需要能够实现燃煤锅炉烟气NOx减排的技术。
天然气再燃控制NOx技术是一种典型的再燃烧脱硝技术，此工艺通过向燃煤锅炉中部喷入占总热值约10％～30％的天然气形成再燃区，过量空气系数小于1，不完全燃烧形成大量的碳氢自由基，将NOx还原成N2，再燃区中不仅能使已生成的NOx得到还原，同时还抑制了新的NOx生成，理论上可以使NOx的排放浓度进一步降低。最后在炉膛上部一定位置喷入过量空气形成燃尽区。再燃脱硝效果比低NO燃烧器方法脱硝效率高，而且其成本低于SCR技术，但是采用天然气作为再燃燃料进行燃煤锅炉内烟气脱硝在我国气源丰富的一些地区如西部地区是可行的，而在天然气供应短缺、价格较高的东部地区却不具备成本优势。同时，天然气高温再燃脱硝技术燃后烟气中NOx含量远高于100mg/Nm3，还必须加其它的脱硝工艺，如同步喷氨、尿素等方式来强化脱硝效果。这样无疑会大幅削减天然气脱硝技术的经济性。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明目的在于提供一种电厂燃煤锅炉烟气排放污染物控制装置及控制方法，利用高效煤基合成气再燃脱除燃煤烟气中NOx及电厂燃煤锅炉烟气综合污染物。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种电厂燃煤锅炉烟气排放污染物控制装置，包括粉煤气化系统、与粉煤气化系统相连接的烟气热量回收系统以及与烟气热量回收系统相连接的净化系统三部分；
所述的粉煤气化系统包括进料单元、气化炉以及与气化炉相连的气化除尘单元；气化炉上开设有气化炉脱硫剂加注口和气化炉粉煤进料喷嘴；所述进料单元包括气化炉粉煤进料系统和气化炉脱硫剂进料系统；
所述的烟气热量回收系统包括锅炉进料系统和锅炉，锅炉上开设有锅炉脱硫剂加注口、锅炉粉煤入口喷嘴和锅炉烟气出口；锅炉尾部烟道依次设置有过热器、省煤器、空气预热器；锅炉进料系统包括与锅炉粉煤入口喷嘴相连接的锅炉加煤仓；
所述的净化系统包括与锅炉烟气出口相连的烟气初级除尘净化塔，烟气初级除尘净化塔连接有烟气深度净化洗涤塔，烟气深度净化洗涤塔的上部连接有净化烟气排放塔，烟气深度净化洗涤塔的下部连接有灰浆过滤处理器；
所述的气化炉粉煤进料系统包括空气风机和气化炉加煤仓，空气风机出口的管路分为三路，第一路和气化炉加煤仓出口的管道汇合后与气化炉粉煤进料喷嘴相连通；第二路与气化炉脱硫剂加注口相连通，第三路与锅炉加煤仓出口的管道汇合后与锅炉粉煤入口喷嘴相连通；
所述的气化炉脱硫剂进料系统包括与空气风机相连接的脱硫剂加料仓，脱硫剂加料仓的出口分别与气化炉脱硫剂加注口及锅炉脱硫剂加注口相连接。
所述锅炉上还开设有合成气入口；气化炉顶部开设有粗合成气出口；气化除尘单元包括用于捕集粗合成气中粒径50μm以上的含碳固体颗粒的含碳颗粒捕集器，含碳颗粒捕集器上开设有粗合成气入口和净化合成器出口，含碳颗粒捕集器内部设置有含碳颗粒气-固分离器；粗合成气出口与粗合成气入口相连通，净化合成器出口与合成气入口相连通，含碳颗粒捕集器底部经过含碳颗粒返回器与气化炉上开设的含碳颗粒返回口相连通。
所述气化炉为Lurgi炉、GE炉、U-gas炉、Shell炉、GSP炉、恩德炉、UGI炉或BGL炉；当气化炉为Lurgi炉、UGI炉或BGL炉时，入炉煤粒径范围为6～50mm；空气风机的出口处设置有接力风机。
所述气化炉上还开设有气化剂喷嘴和气化炉排渣口；气化剂经气化剂喷嘴进入气化炉；气化炉排渣口连接有灰渣处理器，灰渣处理器连接有灰渣储罐。
所述锅炉上开设有锅炉预热空气喷嘴和用于通入空气使剩余合成气燃烧完全的燃尽风喷嘴，空气风机的出口的管路还有一路与锅炉预热空气喷嘴相连通；烟气初级除尘净化塔底部与灰渣处理器的灰渣入口相连通。
一种电厂燃煤锅炉烟气排放污染物控制方法，气化炉加煤仓中的粉煤通过气化炉加煤仓出口后在空气风机提供的输送气的气力输送下进入气化炉；气化剂通过气化剂喷嘴进入气化炉，并在900～1300℃条件下进行气化反应，产生的粗合成气经气化炉顶部粗合成气出口进入含碳颗粒捕集器内，经过气固分离后，粒径小于50μm的半焦颗粒与经过含碳颗粒捕集器除尘净化后的合成气一起通过锅炉上设置的合成气入口进入锅炉，在锅炉的中后部形成还原气氛区，在1000～1200℃条件下，半焦颗粒被活化，与合成气中的CO、H2、CH4及NH3还原性组分一起协同将锅炉烟气中的NOX还原为N2；同时，由气化炉脱硫剂加注口及锅炉脱硫剂加注口分别向气化炉及锅炉中加入复合脱硫剂脱除烟气中的SOX；
锅炉加煤仓中粉煤通过锅炉粉煤入口喷嘴进入锅炉，在锅炉内粉煤经过空气预热器预热后通过锅炉预热空气喷嘴进入锅炉中的热空气进行燃烧；粉煤燃烧所释放的热量将锅炉内部温度提高至脱硝反应的温度1000～1200℃；
锅炉中最终产生的高温烟气的热量通过过热器、省煤器、空气预热器进行回收；经过换热以后的低温烟气经锅炉烟气出口排出后，再经烟气入口进入烟气初级除尘净化塔脱除其中产生的灰渣颗粒，初级除尘净化塔捕集的灰渣颗粒由烟气初级除尘净化塔排渣口排出后再由排渣线进入灰渣处理器；经烟气初级除尘净化塔除尘净化后的烟气由初级除尘净化烟气出口经烟气初级除尘净化塔入口进入烟气深度净化洗涤塔，向烟气深度净化洗涤塔中加入洗涤液以除去烟气所含的卤化物，烟气深度净化洗涤塔中产生的洗涤浆液由洗涤浆液出口排出再经灰浆过滤器入口进入灰浆过滤处理器，最终产生的脱水滤饼由脱水灰渣排放口外排，经灰浆过滤处理器固液分离所得的循环水由灰浆过滤器循环水出口排出；经过脱SOX及NOX、卤素、重金属及除尘后的净化烟气由深度净化烟气出口排出，再经引风机后由净化烟气排放塔排入大气中。
所述洗涤液为pH值为10.0-11.5的Ca(OH)2溶液；由灰浆过滤器循环水出口排出的循环水再经循环水入口返回烟气深度净化洗涤塔；复合脱硫剂为石灰石、白云石、生石灰中的一种或两种以上，复合脱硫剂中的钙与烟气中硫的摩尔比值范围在1.3～1.8。
含碳颗粒捕集器所捕集的粒径大于50μm的含碳颗粒将经循环返料料腿进入含碳颗粒返回器，最后通过气化炉的含碳颗粒返回口循环回气化炉继续气化。
所述气化炉的操作温度为900～1300℃；气化炉中所产生的灰渣通过气化炉底部气化炉排渣口排出后经灰渣入口进入灰渣处理器，最终经过灰渣处理器处理后进入灰渣储罐中贮存，并定期清理外运；所述气化炉与锅炉共用同一种原料煤时，气化炉与锅炉的用煤量占总煤量的质量百分比分别为10～40％、60～90％；气化炉所产生的粗合成气组成包括CO：30～35vol％，H2：15～20vol％，CH4：5～7vol％，NH3：0.2～0.4vol％。
气化炉的含碳原料为一种或多种低阶煤；或秸秆、锯末、稻壳、核桃壳中的一种或多种；通过锅炉上的燃尽风喷嘴向锅炉中通入用于使剩余合成气燃烧完全的空气。
与现有技术相对比，本发明具有的有益效果：
本发明中通过设置气化炉和锅炉，锅炉上开设有锅炉脱硫剂加注口，通过锅炉脱硫剂加注口可以向锅炉内加入脱硫剂，能够除去锅炉中的SOX；气化炉所产生的主要组成为CO、H2、CH4及NH3的粗合成气进入锅炉的后部于高温条件下形成还原性气氛，活化的粒径小于50μm的半焦颗粒与还原性气氛协同将烟气中的NOX还原为对环境无害的N2，所以无需额外使用较为昂贵的天然气作为还原剂进行NOX的还原脱除；同时，本发明中所采用的脱硝试剂为相对廉价且高效的合成气组份，所以无需向锅炉燃烧系统中添加价格昂贵的催化剂及尿素、氨水等药剂。本发明中由于锅炉尾部烟道依次设置有过热器、省煤器、空气预热器，所以能够回收烟气中的热量。通过烟气初级除尘净化塔能够除去烟气中的灰渣颗粒，通过烟气深度净化洗涤塔能够除去烟气中的大部分的卤化物。
本发明的控制装置对系统燃煤烟气组成无要求，不受烟气成分影响，且工艺流程短，设备结构紧凑，占地面积小，易配套电厂现有燃煤锅炉改造，且不受地区资源的限制，易于实现及规模化推广应用。
进一步的，本发明的气化除尘单元中通过设置用于捕集粗合成气中粒径50μm以上的含碳固体颗粒的含碳颗粒捕集器，可以减少进入锅炉的粗合成气中的大颗粒物，利于锅炉中烟气与粗合成气进行反应，除去锅炉烟气中的NOX和SOX。
进一步的，通过锅炉上开设的燃尽风喷嘴，可以向锅炉中通入空气，使剩余合成气燃烧完全。
本发明通过在气化炉中进行气化反应，产生粗合成气，粗合成气经含碳颗粒捕集器除去较大颗粒的后进入锅炉，在锅炉的后部将烟气中的NOX还原为对环境没有影响的N2；通过向气化炉、锅炉中加入复合脱硫剂，能够除去烟气中SOX，并且未反应的复合脱硫剂在烟气深度净化洗涤塔中，在烟气中飞灰的各组分的协同作用下可以转化为具有高比表面积、高表面吸附及反应活性的产物，进而促进燃煤烟气中常见重金属类污染物如汞、铅、铬、砷等在其表面的吸附、沉积与富集；从而去除了重金属，实现高效同步脱除NOX、SOX、重金属的目的；经过脱除NOX后的烟气中NOx含量小于100mg/Nm3；通过向烟气深度净化洗涤塔中加入洗涤液能够去除烟气中所含的卤素。
本发明的控制方法简单，并且投资模式为一次性投资、脱硝过程中运行费用低、经济性好、容易实现工业化，脱硝过程能量无损耗，能够达到脱除NOx污染物及能源高效利用的双重目的。
与传统的SCR或SNCR法相比，本发明的原理是采用煤基合成气(CO和H2)为原料，通过脱硝反应区的烟气与合成气发生氧化还原作用下将NOx完全脱除，最终以无害化的N2形式排放，此过程中不产生污染性副产物。本发明所用的还原性组分主要是CO、H2，原料简单易得，由于反应温度较高，不产生二次污染，脱硝效率高。此外，本发明的合成气中本来就含有2000～4000ppm的NH3，本身就可以起到还原NOx的作用。与此同时，本发明的控制方法中再燃脱硝工艺具有投资模式为一次性投资、脱硝过程中对系统燃煤烟气组成无要求，不受烟气成分影响，且工艺流程短。
进一步的，过热器回收的热量可以用于产生电厂发电机组所需的过热蒸汽。
进一步的，气化炉所产生的粗合成气组成包括CO：30～35vol％，H2：15～20vol％，CH4：5～7vol％，NH3：0.2～0.4vol％，利于将锅炉烟气中的NOX还原为对环境无害的N2。
进一步的，通过向气化炉及锅炉中加入复合脱硫剂脱除烟气中的SOX，SOX最终被转为对环境无害的CaSO4及其相应的水合物排出。
进一步的，通过向烟气深度净化洗涤塔中注入pH值为10.0-11.5的Ca(OH)2溶液除去烟气所含的卤化物，可使深度净化洗涤塔排出的尾气中卤化物含量小于5ppm。
进一步的，由于气固分离所得的循环水也是碱性洗涤液，可作为回用洗涤液，所以由灰浆过滤器循环水出口排出的循环水再经循环水入口返回烟气深度净化洗涤塔中，以减少新鲜洗涤液的注入量。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图中：1为空气风机，2为接力风机，3为气化炉加煤仓，4为输送气，5为气化剂，6为气化炉脱硫剂加注口，7为气化炉粉煤进料喷嘴，8为气化剂喷嘴，9为气化炉排渣口，10为脱硫剂加料仓，11为粗合成气出口，12为气化炉，13为含碳颗粒返回口，14为灰渣处理器，15为灰渣入口，16为灰渣储罐，17为锅炉加煤仓，18为含碳颗粒返回器，19为混合器，20为含碳颗粒捕集器，21为粗合成气入口，22为净化合成气出口，23为含碳颗粒气-固分离器，24为循环返料料腿，25为锅炉脱硫剂进料线，26为锅炉脱硫剂加注口，27为锅炉，28为燃尽风喷嘴，29为锅炉粉煤入口喷嘴，30为锅炉预热空气喷嘴，31为合成气注入区，32为合成气入口，33为后燃尽区，34为锅炉烟气出口，35为烟气初级除尘净化塔，36为烟气入口，37为烟气深度净化洗涤塔，38为烟气初级除尘净化塔排渣口，39为初级除尘净化烟气出口，40为烟气初级除尘净化塔入口，41为深度净化烟气出口，42为循环水入口，43为洗涤浆液出口，44为灰浆过滤器入口，45为灰浆过滤处理器，46为灰浆过滤器循环水出口，47为脱水灰渣排放口，48为引风机，49为净化烟气排放塔，50为排渣线，51为冷空气。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
参见图1，本发明的电厂燃煤锅炉烟气排放污染物控制装置包括粉煤气化系统、烟气热量回收系统、净化系统三部分。
所述的粉煤气化系统包括进料单元、气化除尘单元和带有气化炉粉煤进料喷嘴7、气化剂喷嘴8的气化炉12，气化除尘单元与气化炉12相连；所述的粉煤气化系统的进料单元包括气化炉粉煤进料系统和气化炉脱硫剂进料系统；
所述烟气热量回收系统包括锅炉进料系统和锅炉27，锅炉27上开设有锅炉脱硫剂加注口26、锅炉粉煤入口喷嘴29和锅炉烟气出口34；锅炉粉煤入口喷嘴29连接有锅炉加煤仓17，锅炉27尾部烟道依次设置有过热器、省煤器、空气预热器；锅炉内部包括粉煤燃烧区、合成气注入区31、后燃尽区33。
锅炉27上还开设有合成气入口32；气化炉12顶部开设有粗合成气出口11；气化除尘单元包括用于捕集粗合成气中粒径50μm以上的含碳固体颗粒的含碳颗粒捕集器20，含碳颗粒捕集器20上开设有粗合成气入口21和净化合成器出口22，含碳颗粒捕集器20内部设置有含碳颗粒气-固分离器23；粗合成气出口11与粗合成气入口21相连通，净化合成器出口22与合成气入口32相连通，含碳颗粒捕集器20底部经过含碳颗粒返回器18与气化炉12上开设的含碳颗粒返回口13相连通。
所述的锅炉进料系统包括锅炉加煤仓17、锅炉发料罐、锅炉加料斗、锅炉进料锁斗；所述的锅炉加煤仓17与锅炉发料罐入口相连接，锅炉发料罐出口与锅炉加料斗入口相连接，锅炉加料斗出口与锅炉进料锁斗入口相连接，锅炉进料锁斗出口与锅炉粉煤入口喷嘴29相连接。
所述气化炉脱硫剂进料系统包括脱硫剂加料仓10，脱硫剂加料仓10的出口的管路分为两路，一路与气化炉脱硫剂加注口6相连，另一路经锅炉脱硫剂进料线25与锅炉脱硫剂加注口26相连；
所述的气化炉粉煤进料系统包括空气风机1、接力风机2、气化炉加煤仓3、气化炉发料罐、气化炉加料斗、气化炉进料锁斗；其中，气化炉加煤仓3的出口气化炉发料罐的入口相连接，气化炉发料罐的出口与气化炉加料斗入口相连接，气化炉加料斗出口与气化炉进料锁斗入口相连接；
空气风机1的出口与接力风机2入口相连，接力风机2的出口管路分为三路，第一路与气化炉进料锁斗出口的管道汇合后与气化炉粉煤进料喷嘴7相连通；气化炉进料锁斗出口处的粉煤在输送气4(空气载气)的气力输送下通过气化炉粉煤进料喷嘴7进入气化炉12，气化炉12的底部开设有气化炉排渣口9；第二路与脱硫剂加料仓10的出口的管道汇合后与气化炉脱硫剂加注口6、锅炉脱硫剂加注口26相连通，第三路与锅炉进料锁斗出口管道汇合后与锅炉粉煤入口喷嘴29相连通，锅炉进料锁斗出口处的粉煤在空气载气的气力输送下通过粉煤进料喷嘴29进入锅炉；
气化剂5(气化剂为空气、富氧空气、纯氧三种气体中的一种与水蒸气)经混合器19混合后通过气化剂喷嘴8进入气化炉12。
所述净化系统包括设有烟气入口36、初级除尘净化烟气出口39、底部排渣口的烟气初级除尘净化塔35，设有初级烟气入口、深度净化烟气出口41、循环水入口42、洗涤浆液出口43的烟气深度净化洗涤塔37，设有净化洗涤浆液入口、脱水灰渣排放口47及循环水出口的灰浆过滤处理器45及设有引风机48的净化烟气排放塔49。其中，烟气初级除尘净化塔35的烟气入口36与锅炉烟气出口34相连接，烟气初级除尘净化塔35顶部初级除尘净化烟气出口39与烟气深度净化洗涤塔37的初级烟气入口40相连接，烟气深度净化洗涤塔37顶部的深度净化烟气出口41与引风机48入口相连接，引风机出口与净化烟气排放塔49相连接；烟气深度净化洗涤塔底部洗涤浆液出口43与灰浆过滤处理器入口44相连接，灰浆过滤处理器循环水出口46与烟气深度净化洗涤塔37的循环水入口42相连接，过滤后所得灰渣经脱水灰渣排放口47外排。烟气初级除尘净化塔排渣口38与灰渣处理器14的灰渣入口15相连接，灰渣入口15还与气化炉排渣口9相连接，灰渣处理器14的出口还连接有灰渣储罐16。
所述的气化炉可以是Lurgi炉、GE炉、U-gas炉、Shell炉、GSP炉、恩德炉等工业气化炉中的任何一种。
若气化炉为移动床气化炉，如Lurgi炉、UGI炉、BGL炉等气化炉时，入炉煤粒径范围为6～50μm。
本发明的电厂燃煤锅炉烟气排放污染物控制方法为：将粉煤分别加入气化炉加煤仓3和锅炉加煤仓17中，气化炉加煤仓3中的粉煤在自身重力下通过气化炉加煤仓3出口进入气化炉发料罐，气化炉发料罐出口与气化炉进料斗相连通，气化炉进料斗与气化炉进料锁斗与相连通，气化炉进料斗出口处的粉煤在接力电机提供的空气载气的气力输送下，通过气化炉粉煤进料喷嘴7进入气化炉12。
气化剂5经过混合器19混合之后形成的气化剂通过气化剂喷嘴8进入气化炉12，并且在900～1100℃条件下进行气化反应，气化炉12内产生的粗合成气的温度范围为900～1100℃，气化炉12所产合成气典型的热值范围为4500～6000KJ/Nm3；粗合成气主要组成为CO：30～35vol％，H2：15～20vol％，CH4：5～7vol％，NH3：0.2～0.4vol％；粗合成气经气化炉12顶部粗合成气出口11进入含碳颗粒捕集器20内部的含碳颗粒气-固分离器23，经过气固分离后，粒径小于50μm的半焦颗粒与经过含碳颗粒捕集器20除尘净化后的合成气一起通过合成气入口32喷嘴喷射进入锅炉27中与锅炉烟气相混合；粗合成气进入锅炉27炉膛的中后部于高温条件下形成还原性气氛区，气相中CO、H2的体积分数之和约为0.5～2.0vol％，在1000～1200℃条件下，半焦颗粒被高温活化，与合成气中的CO、H2、CH4及NH3还原性组分协同将锅炉烟气中的NOX还原为对环境无害的N2，无需额外使用较为昂贵的天然气作为还原剂进行NOX的还原脱除；烟气与注入的粗合成气进行氧化还原反应，在2～3s的反应时间内，烟气温度升高至1250～1500℃；还原气氛区产生的高温烟气经过对流区换热之后温度降低至750～950℃；未被捕集的小于50μm的半焦颗粒进入锅炉27中燃烧或者作为活性焦于高温条件下也可将烟气中的NOX还原为对环境无害的N2；
同时，由气化炉脱硫剂加注口6及锅炉脱硫剂加注口26分别向气化炉12及锅炉27中加入复合脱硫剂脱除烟气中的SOX；复合脱硫剂为廉价易得的石灰石、白云石、生石灰中的一种或两种以上，复合脱硫剂中的钙与烟气中硫的摩尔比值范围在1.3～1.8。
含碳颗粒捕集器20所捕集的粒径大于50μm的全部含碳颗粒经循环返料料腿24进入含碳颗粒返回器18，最后通过气化炉12的含碳颗粒返回口13循环回气化炉12继续气化。
锅炉加煤仓17中粉煤在空气风机1提供的空气载气的气力输送下通过锅炉粉煤入口喷嘴29进入锅炉27；通过接力风机2提供的冷空气51经气预热器预热后通过锅炉预热空气喷嘴30进入锅炉中，在锅炉27内粉煤在热空气中进行燃烧；粉煤燃烧所释放的热量将锅炉27内部温度提高至脱硝反应的温度1000～1200℃；
锅炉27中烟气氧含量为2～12vol％，经过与入炉合成气反应后，烟气中的氧含量会降低至0.0～1.0vol％；锅炉27中有利于同时脱除SOX，NOX的温度范围为1000～1200℃。
锅炉27中最终产生的高温烟气的热量通过过热器、省煤器、空气预热器进行回收，过热器产生电厂发电机组所需的过热蒸汽；经过换热以后的低温烟气经锅炉烟气出口34排出后再经烟气入口36进入烟气初级除尘净化塔35脱除其中产生的灰渣颗粒，捕集的灰渣颗粒由烟气初级除尘净化塔排渣口38排出后再由排渣线50进入灰渣处理系统；除尘净化后的烟气由初级除尘净化烟气出口39经烟气初级除尘净化塔入口40进入烟气深度净化洗涤塔37；气化炉12、锅炉27中未反应的复合脱硫剂在烟气深度净化洗涤塔37中在烟气中飞灰的各组分的协同作用下可以转化为具有高比表面积、高表面吸附及反应活性的产物，进而促进燃煤烟气中常见重金属类污染物如汞、铅、铬、砷等在其表面的吸附、沉积与富集；
向烟气深度净化洗涤塔37中注入pH值为10.0-11.5的Ca(OH)2溶液作为洗涤液，以除去烟气所含的卤化物，在此pH值条件下，烟气所含的绝大多数卤化物都会被去除，深度净化洗涤塔37排出的尾气中卤化物含量小于5ppm；燃煤烟气中的SOX最终被转为对环境无害的CaSO4及其相应的水合物，烟气深度净化洗涤塔37中产生的洗涤浆液由洗涤浆液出口43排出后再经灰浆过滤器入口44进入灰浆过滤处理器45，最终产生的脱水滤饼由脱水灰渣排放口47外排，固液分离所得的循环水由灰浆过滤器循环水出口46排出，再经循环水入口42返回烟气深度净化洗涤塔37；经过脱SOX及NOX、卤素、重金属及除尘后的净化烟气由深度净化烟气出口41排出，再经引风机48后由净化烟气排放塔49排入大气中。其中，经过过热器、省煤器及空气预热器热量回收后，锅炉27底部烟气出口34最终排出的烟气温度范围为100～120℃。
本发明中灰渣处理器14和灰渣储罐16构成灰渣处理系统。
本发明中煤粉输送方式为气力输送；气化炉12的操作温度为900～1300℃，气化炉顶部输往锅炉粗合成气温度范围为900～1100℃；气化炉12中所产生的灰渣通过气化炉12底部气化炉排渣口9排出后经灰渣入口15进入灰渣处理器14，最终经过灰渣处理器14处理后进入灰渣储罐16中贮存，并定期清理外运；所述气化炉12与锅炉27共用同一种原料煤时，气化炉12与锅炉27的用煤量占总煤量的质量百分比分别为10～40％、60～90％。
本发明所述的粉煤气化系统与锅炉可以采用同样的电厂煤作原料；气化工艺可以采用任意形式的气化炉；气化炉所产生的煤气除尘后直接加入锅炉的对流段；煤气注入点的温度应为800～850℃；煤气的加入量应保证烟气中的O2含量近似为零，H2与CO总含量在烟气中的体积分数约为1～2％。
气化炉12的含碳原料为一种或多种低阶煤；或秸秆、锯末、稻壳、核桃壳中的一种或多种；通过锅炉27上的燃尽风喷嘴28向锅炉27中通入用于使剩余合成气燃烧完全的空气。
下面结合一个具体实施例来对本发明的技术方案进行描述。
先将一种或多种低阶煤如褐煤、长焰煤、烟煤、焦炭(气化炉所用原料还可以是秸秆、锯末、稻壳、核桃壳等含碳原料)等原料粉碎为粒径范围40～300μm的粉料，经过粉碎、筛分及烘干处理后所得的粉煤分别加入气化炉加煤仓3和锅炉加煤仓17中，在自身重力作用下，气化炉加煤仓3中的粉煤通过气化炉加煤仓3出口进入气化炉发料罐，气化炉发料罐出口与气化炉进料斗出口相连通，气化炉进料斗与气化炉进料锁斗相连通，气化炉进料锁斗出口处的粉煤在空气载气的气力输送下通过气化炉粉煤进料喷嘴7进入气化炉12。
气化剂5经过混合器19后通过气化剂喷嘴8进入气化炉12的气化剂在900～1100℃条件下进行气化反应。产生的粗合成气经气化炉12顶部粗合成气出口11、粗合成气入口21进入含碳颗粒捕集器20(含碳颗粒捕集器主要用于捕集粗合成气中粒径50μm以上的含碳固体颗粒)的含碳颗粒气-固分离器23，经过气固分离后，粒径小于50μm的半焦颗粒与经过除尘净化后的合成气一起分别通过锅炉27上设置的合成气入口32进入锅炉27，在锅炉27后部形成还原气氛区，在1000～1200℃条件下，半焦颗粒被高温活化，与合成气中的CO、H2、CH4及NH3等还原性组分一起，协同将锅炉烟气中的NOX还原为对环境无害的N2。同时，由气化炉脱硫剂加注口6及锅炉脱硫剂加注口26分别向气化炉12及锅炉27中加入由石灰石、白云石、生石灰中的一种或两种以上按照一定比例调和的复合脱硫剂，在高温条件下高效脱除烟气中的SOX。添加脱硫剂时，需要保证脱硫剂中有效钙与烟气中硫的摩尔比值范围在1.3～1.8；含碳物料气化后所产生的高温灰渣通过气化炉12底部气化炉排渣口9排出，经灰渣入口15进入灰渣处理器14，最终经过灰渣处理器14处理后进入灰渣储罐16中贮存，并定期清理外运。含碳颗粒捕集器20所捕集的粒径大于50μm的含碳颗粒将经循环返料料腿24进入含碳颗粒返回器18，最后通过含碳颗粒返回口13循环回气化炉12继续气化。
锅炉加煤仓17中粉煤通过加煤仓出口进入锅炉发料罐，锅炉发料罐出口与锅炉进料斗相连通，锅炉进料斗与锅炉进料锁斗相连通，锅炉进料锁斗出口处的粉煤在空气载气的气力输送下通过锅炉粉煤入口喷嘴29进入锅炉27，在锅炉27内粉煤与经过空气预热器预热后经过锅炉预热空气喷嘴30进入锅炉中的热空气进行燃烧。粉煤燃烧所释放的热量将锅炉27内部温度提高至脱硝反应的最佳温度1000～1200℃。
本发明中SOX及NOX脱除反应主要在锅炉后部快速完成，为了将未反应完全的入炉合成气燃烧完全，通过燃尽风喷嘴28向锅炉27中通入空气，使剩余合成气燃烧完全。最终产生的高温烟气的热量通过过热器、省煤器、空气预热器进行回收，过热器产生电厂发电机组所需的过热蒸汽。经过换热以后的低温烟气经锅炉烟气出口34排出，经烟气入口36进入烟气初级除尘净化塔35脱除其中产生的灰渣颗粒，捕集的灰渣颗粒由烟气初级除尘净化塔排渣口38排出，再由排渣线50进入灰渣处理系统。除尘净化后的烟气由初级除尘净化烟气出口39经烟气初级除尘净化塔入口40进入烟气深度净化洗涤塔37，烟气深度净化洗涤塔37中产生的洗涤浆液由洗涤浆液出口43排出，再经灰浆过滤器入口44进入灰浆过滤处理器45，最终产生的脱水滤饼由脱水灰渣排放口47外排，固液分离所得的循环水由灰浆过滤器循环水出口46排出，再经循环水入口42返回烟气深度净化洗涤塔37。经过脱SOX及NOX、卤素、重金属及除尘后的净化烟气由深度净化烟气出口41排出，再经引风机48后由净化烟气排放塔49排入大气中。
本发明中将一种或多种低阶煤如褐煤、长焰煤、烟煤及焦炭或生物质等含碳原料在气化炉中气化产生的粗合成气进入锅炉形成还原性气氛，于高温条件下协同将烟气中的NOX还原为对环境无害的N2与水蒸汽。通过向气化炉及锅炉中加入复合脱硫剂，将烟气中的SOX转为对环境无害的CaSO4。本发明解决了现有SCR及SNCR脱硝技术存在的投资、运行费用过高，难以实现长周期、规模化应用的缺点，满足环境污染的日益严重以及国内大气污染物排放标准的进一步细化和严格所带来的业界对低能耗、高效率NOx减排的迫切技术需求。本发明具有工艺原料简单易得，不产生二次污染，污染物脱除效率高，污染物脱除效率不受烟气成分影响的优势，可实现高效同步脱除NOX、SOX、卤素、汞、铅、铬、砷等烟气污染物的目的。

Claims (10)

1.一种电厂燃煤锅炉烟气排放污染物控制装置，其特征在于：包括粉煤气化系统、与粉煤气化系统相连接的烟气热量回收系统以及与烟气热量回收系统相连接的净化系统三部分；
所述的粉煤气化系统包括进料单元、气化炉(12)以及与气化炉(12)相连的气化除尘单元；其中，气化除尘单元包括用于捕集粗合成气中粒径50μm以上的含碳固体颗粒的含碳颗粒捕集器(20)，含碳颗粒捕集器(20)上开设有粗合成气入口(21)和净化合成气出口(22)，含碳颗粒捕集器(20)内部设置有含碳颗粒气-固分离器(23)；气化炉(12)上开设有气化炉脱硫剂加注口(6)和气化炉粉煤进料喷嘴(7)；所述进料单元包括气化炉粉煤进料系统和气化炉脱硫剂进料系统；
所述的烟气热量回收系统包括锅炉进料系统和锅炉(27)，锅炉(27)上开设有锅炉脱硫剂加注口(26)、锅炉粉煤入口喷嘴(29)和锅炉烟气出口(34)；锅炉(27)尾部烟道依次设置有过热器、省煤器、空气预热器；锅炉进料系统包括与锅炉粉煤入口喷嘴(29)相连接的锅炉加煤仓(17)；
所述的净化系统包括与锅炉烟气出口(34)相连的烟气初级除尘净化塔(35)，烟气初级除尘净化塔(35)连接有烟气深度净化洗涤塔(37)，烟气深度净化洗涤塔(37)的上部连接有净化烟气排放塔(49)，烟气深度净化洗涤塔(37)的下部连接有灰浆过滤处理器(45)；
所述的气化炉粉煤进料系统包括空气风机(1)和气化炉加煤仓(3)，空气风机(1)出口的管路分为三路，第一路和气化炉加煤仓(3)出口的管道汇合后与气化炉粉煤进料喷嘴(7)相连通；第二路与气化炉脱硫剂加注口(6)相连通，第三路与锅炉加煤仓(17)出口的管道汇合后与锅炉粉煤入口喷嘴(29)相连通；
所述的气化炉脱硫剂进料系统包括与空气风机(1)相连接的脱硫剂加料仓(10)，脱硫剂加料仓(10)的出口分别与气化炉脱硫剂加注口(6)及锅炉脱硫剂加注口(26)相连接。
2.根据权利要求1所述的电厂燃煤锅炉烟气排放污染物控制装置，其特征在于：所述锅炉(27)上还开设有合成气入口(32)；气化炉(12)顶部开设有粗合成气出口(11)；粗合成气出口(11)与粗合成气入口(21)相连通，净化合成气出口(22)与合成气入口(32)相连通，含碳颗粒捕集器(20)底部经过含碳颗粒返回器(18)与气化炉(12)上开设的含碳颗粒返回口(13)相连通。
3.根据权利要求1所述的电厂燃煤锅炉烟气排放污染物控制装置，其特征在于：所述气化炉(12)为Lurgi炉、GE炉、U-gas炉、Shell炉、GSP炉、恩德炉、UGI炉或BGL炉；当气化炉(12)为Lurgi炉、UGI炉或BGL炉时，入炉煤粒径范围为6～50mm；空气风机(1)的出口处设置有接力风机(2)。
4.根据权利要求1或3所述的电厂燃煤锅炉烟气排放污染物控制装置，其特征在于：所述气化炉(12)上还开设有气化剂喷嘴(8)和气化炉排渣口(9)；气化剂(5)经气化剂喷嘴(8)进入气化炉(12)；气化炉排渣口(9)连接有灰渣处理器(14)，灰渣处理器(14)连接有灰渣储罐(16)。
5.根据权利要求1所述的电厂燃煤锅炉烟气排放污染物控制装置，其特征在于：所述锅炉(27)上开设有锅炉预热空气喷嘴(30)和用于通入空气使剩余合成气燃烧完全的燃尽风喷嘴(28)，空气风机(1)的出口的管路还有一路与锅炉预热空气喷嘴(30)相连通；烟气初级除尘净化塔(35)底部与灰渣处理器(14)的灰渣入口(15)相连通。
6.一种电厂燃煤锅炉烟气排放污染物控制方法，其特征在于：气化炉加煤仓(3)中的粉煤通过气化炉加煤仓(3)出口后在空气风机(1)提供的输送气(4)的气力输送下进入气化炉(12)；气化剂(5)通过气化剂喷嘴(8)进入气化炉(12)，并在900～1300℃条件下进行气化反应，产生的粗合成气经气化炉(12)顶部粗合成气出口(11)进入含碳颗粒捕集器(20)内，经过气固分离后，粒径小于50μm的半焦颗粒与经过含碳颗粒捕集器(20)除尘净化后的合成气一起通过锅炉(27)上设置的合成气入口(32)进入锅炉(27)，在锅炉(27)的中后部形成还原气氛区，在1000～1200℃条件下，半焦颗粒被活化，与合成气中的CO、H2、CH4及NH3还原性组分一起协同将锅炉烟气中的NOX还原为N2；同时，由气化炉脱硫剂加注口(6)及锅炉脱硫剂加注口(26)分别向气化炉(12)及锅炉(27)中加入复合脱硫剂脱除烟气中的SOX；
锅炉加煤仓(17)中粉煤通过锅炉粉煤入口喷嘴(29)进入锅炉(27)，在锅炉(27)内粉煤经过空气预热器预热后通过锅炉预热空气喷嘴(30)进入锅炉中的热空气进行燃烧；粉煤燃烧所释放的热量将锅炉(27)内部温度提高至脱硝反应的温度1000～1200℃；
锅炉(27)中最终产生的高温烟气的热量通过过热器、省煤器、空气预热器进行回收；经过换热以后的低温烟气经锅炉烟气出口(34)排出后，再经烟气入口(36)进入烟气初级除尘净化塔(35)脱除其中产生的灰渣颗粒，初级除尘净化塔(35)捕集的灰渣颗粒由烟气初级除尘净化塔排渣口(38)排出后再由排渣线(50)进入灰渣处理器(14)；经烟气初级除尘净化塔(35)除尘净化后的烟气由初级除尘净化烟气出口(39)经烟气初级除尘净化塔入口(40)进入烟气深度净化洗涤塔(37)，向烟气深度净化洗涤塔(37)中加入洗涤液以除去烟气所含的卤化物，烟气深度净化洗涤塔(37)中产生的洗涤浆液由洗涤浆液出口(43)排出再经灰浆过滤器入口(44)进入灰浆过滤处理器(45)，最终产生的脱水滤饼由脱水灰渣排放口(47)外排，经灰浆过滤处理器(45)固液分离所得的循环水由灰浆过滤器循环水出口(46)排出；经过脱SOX及NOX、卤素、重金属及除尘后的净化烟气由深度净化烟气出口(41)排出，再经引风机(48)后由净化烟气排放塔(49)排入大气中。
7.根据权利要求6所述的一种电厂燃煤锅炉烟气排放污染物控制方法，其特征在于：所述洗涤液为pH值为10.0-11.5的Ca(OH)2溶液；由灰浆过滤器循环水出口(46)排出的循环水再经循环水入口(42)返回烟气深度净化洗涤塔(37)；复合脱硫剂为石灰石、白云石、生石灰中的一种或两种以上，复合脱硫剂中的钙与烟气中硫的摩尔比值范围在1.3～1.8。
8.根据权利要求6所述的一种电厂燃煤锅炉烟气排放污染物控制方法，其特征在于：含碳颗粒捕集器(20)所捕集的粒径大于50μm的含碳颗粒将经循环返料料腿(24)进入含碳颗粒返回器(18)，最后通过气化炉(12)的含碳颗粒返回口(13)循环回气化炉(12)继续气化。
9.根据权利要求6所述的一种电厂燃煤锅炉烟气排放污染物控制方法，其特征在于：所述气化炉(12)的操作温度为900～1300℃；气化炉(12)中所产生的灰渣通过气化炉(12)底部气化炉排渣口(9)排出后经灰渣入口(15)进入灰渣处理器(14)，最终经过灰渣处理器(14)处理后进入灰渣储罐(16)中贮存，并定期清理外运；所述气化炉(12)与锅炉(27)共用同一种原料煤时，气化炉(12)与锅炉(27)的用煤量占总煤量的质量百分比分别为10～40％、60～90％；气化炉(12)所产生的粗合成气组成包括CO：30～35vol％，H2：15～20vol％，CH4：5～7vol％，NH3：0.2～0.4vol％。
10.根据权利要求6所述的一种电厂燃煤锅炉烟气排放污染物控制方法，其特征在于：气化炉(12)的含碳原料为一种或多种低阶煤；或秸秆、锯末、稻壳、核桃壳中的一种或多种；通过锅炉(27)上的燃尽风喷嘴(28)向锅炉(27)中通入用于使剩余合成气燃烧完全的空气。
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