CN107011947B - 一种生物质气化燃烧过程控制氮氧化物及颗粒物排放的方法及实现该方法的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物质气化燃烧过程控制氮氧化物及颗粒物排放的方法，包括如下步骤：(1)将生物质原料通过气化反应器内的热解区进行热解，生物质氮以半焦氮、焦油氮、和气相氮的形式存在，将热解后的生物质通过气化反应器内的气化区进行气化反应；(2)一部分粗燃气、半焦颗粒和焦油在半焦氧化区与底风进行完全燃烧得到燃烧尾气；另一部分粗燃气、半焦颗粒和焦油经气化气引出口进入燃烧区；(3)将在燃烧区内燃烧后的未燃烧气体和残余含碳颗粒通入燃尽区与进行完全燃烧，使洁净尾气达标排放。本发明利用各区域合理布风，实现反应过程的最优化，在燃烧装置内实现氮氧化物与颗粒物的达标排放，具有广泛的推广及使用价值。

Description

一种生物质气化燃烧过程控制氮氧化物及颗粒物排放的方法 及实现该方法的装置
技术领域：
本发明属于生物质燃气净化技术领域，具体涉及一种生物质气化燃烧过程控制氮氧化物及颗粒物排放的方法及实现该方法的装置。
背景技术：
生物质挥发分含量较煤炭高，其燃烧过程与其他固体燃料如煤炭相比显著不同，由于生物质脱挥发分速度较快，半焦燃烧与挥发分燃烧不同步，如果燃烧区域供氧不充分，燃尽程度会变得很差，这种情形在无组织供风的生物质小型燃烧设备上尤为明显，比如农用灶炕、露天焚烧。因此传统燃烧过程中燃烧温度分布不均匀，在供氧充分的燃烧区域温度很高，而在缺氧区域温度则很低，由此带来的问题是氮氧化物浓度及未燃尽残炭量上升，污染环境的同时，热利用效率低下。
宏观上生物质燃烧过程可分为热解脱挥发分、挥发分燃烧、半焦燃烧几个过程，上述过程的最优化学反应条件存在显著差异，而现有燃烧装置未充分考虑生物质燃烧过程的阶段性特点。解决氮氧化物排放的有效办法为解耦燃烧，即把生物质燃烧过程涉及的热解、燃烧反应在不同的反应器或者同一反应器不同区域里进行，控制不同的反应条件使热解和燃烧反应在最优的反应条件下进行，以此减少氮氧化物的排放。
专利ZL201110173424.4公布了一种生物质低氮直燃锅炉，根据生物质燃料的成分和燃烧特性，采用层燃与气化耦合燃烧技术，实现了燃料的高效燃烧，采用分级布风、半焦还原及热解产物再燃技术，降低氮氧化物的排放。但由于热解气体到达还原区之前与烟气混合时发生了部分氧化反应，降低了其还原效果，因此氮氧化物排放浓度只能控制在100mg/Nm3左右，尚不能达标排放。
尤为重要的是，现有生物质燃烧技术未能有效控制颗粒物的排放问题。研究表明，生物质燃烧产生的颗粒物是引起空气PM2.5浓度上升的较重要的来源之一。专利ZL201210193463.5公开了一种同时脱除烟气中重金属和细颗粒物的方法及系统，涉及一种燃烧设备排出的烟气中重金属和粉尘的脱除方法及设备。其特点是采用旋风分离器实现活性炭或活性焦在循环流化床反应器内的物料循环，再利用干湿组合式静电除尘器实现颗粒物的高效脱除。该技术是一种炉外排烟粉尘脱除技术，现阶段针对炉内燃烧过程中的颗粒物抑制技术，尤其是氮氧化物与颗粒物同时控制的技术尚不多见。
因此，现有技术有待改进和发展。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种生物质气化燃烧过程控制氮氧化物及颗粒物排放的方法及实现该方法的装置，其利用各区域合理布风，实现反应过程的最优化，主要在生物质气化过程中运用了分级气化、半焦燃烧、气化气燃烧、气化气对氮氧化物的还原技术，针对生物质燃烧的特点，有效利用生物质热能的同时，在燃烧装置内实现氮氧化物与颗粒物的达标排放，具有广泛的推广及使用价值。
本发明的第一个目的是提供一种生物质气化燃烧过程控制氮氧化物及颗粒物排放的方法，将生物质燃烧过程分解在热解区、气化区、半焦氧化区、燃烧区和燃尽区五个区域进行，包括如下步骤：
(1)将生物质原料在热解区进行热解，热解温度400℃～650℃，停留时间1～3min，热解后的生物质氮以半焦氮、焦油氮和气相氮的形式存在，将热解后的生物质通过气化反应器内的气化区进行气化反应，气化区内设置有使生物质气化的中心风入口、环形风入口和水蒸气入口，气化区温度为750℃～950℃，停留时间为3～5min，生物质与水蒸气的质量比为0～0.2；
(2)气化反应后得到的一部分粗燃气、半焦颗粒和焦油在半焦氧化区与底风进行完全燃烧得到燃烧尾气，粗燃气中的气相氮、半焦氮及焦油氮被氧化生成NOx和N2O，半焦颗粒及焦油被氧化生成CO2、CO和含碳的颗粒；另一部分粗燃气、半焦颗粒和焦油经气化气引出口进入燃烧区，并与经半焦氧化区燃烧后的尾气在燃烧区混合，燃烧区设有一次风口，在富燃料条件下，一次风、燃烧尾气、经气化气引出口进入燃烧区的粗燃气在燃烧区内均匀混合进行低氧燃烧反应，利用粗燃气中的HCN、NH3、CO、H2、CH4还原燃烧尾气中的NOx、N2O，得到N2，半焦氧化区温度为750℃～1050℃，停留时间为2～5min；燃烧区温度为800℃～1050℃，气体停留时间为0.5～3.0min，燃烧区空气当量比为0.5～1.0；
(3)将在燃烧区内燃烧后的未燃烧气体和残余含碳颗粒通入燃尽区与燃尽风进行完全燃烧，燃尽区温度为950℃～1100℃，气体停留时间为0.5～3.0min，空气当量比为1.0～1.5，使洁净尾气达标排放。
本发明提出的生物质气化燃烧过程控制氮氧化物及颗粒物排放的方法，气化反应器采用固定床形式，燃烧反应器采用流化床形式，2个相连的气化反应器和燃烧反应器自上而下，自左至右分为热解区、气化区、半焦氧化区、燃烧区、燃尽区，即：1)在热解区实现生物质热解，生物质氮以半焦氮、焦油氮、气相氮的形式存在；2)在气化区得到粗燃气；3)在半焦氧化区进行半焦与焦油的完全燃烧，实现半焦氮及焦油氮向NOx、N2O的迁移；4)在气化区和燃烧区之间设置有气化气引出管，部分气化气经此气化气引出管进入燃烧区，与燃烧区的一次风均匀混合进行燃烧，同时将在半焦氧化区生成的氮氧化物被气化气还原为氮气；5)在燃尽区进行气化气及未燃尽残炭的充分燃烧。
优选地，中心风为空气或氧气，环形风为空气或氧气，底风为空气或氧气，中心风、环形风和底风其总量为控制空气当量比为0.35～0.42，中心风、环形风、底风的体积比为3:4:3。通入中心风和环形风的目的是为了供给生物质气化所需的O2，并通过在气化区域的多位置均匀配给使其温度分布均匀，底风的目的是完全氧化未气化半焦和残炭颗粒，在气化区内通入水蒸气的目的是使反应温度均匀并提高燃气中的H2产率。
本发明的第二个目的是提供一种实现生物质气化燃烧过程控制氮氧化物及颗粒物排放的方法的装置，包括气化反应器和燃烧反应器，所述的气化反应器包括由上而下设置的热解区和气化区，所述的燃烧反应器包括由上而下设置的燃尽区、燃烧区和半焦氧化区，所述的半焦氧化区经隔板分为底部连通的第一半焦氧化区和第二半焦氧化区，所述的第一半焦氧化区上端与所述的气化区的下端连通，所述的第二半焦氧化区的上端与所述的燃烧区的下端连通，所述的第一半焦氧化区为半焦颗粒组成的密相移动床，所述的第二半焦氧化区为半焦颗粒组成的密相流化床；所述的气化区与所述的燃烧区通过气化气引出口连通，所述的气化区上端设置有中心风入口，所述的气化区一侧设置有环形风入口和水蒸气入口，所述的第一半焦氧化区的一侧为倾斜斜面，所述的倾斜斜面上设置有底风入口，所述的燃烧区设置有一次风入口，所述的燃烧区内空气当量比为0.5～1.0，所述的燃尽区设置有燃尽风入口，所述的燃尽区内空气当量比为1.0～1.5。
将生物质燃烧过程分解为生物质气化与燃气燃烧两个主要过程，相应的反应装置包括生物质气化反应器、及燃气燃烧反应器两部分，气化反应器及燃烧反应器由金属或耐火砖墙砌成，内表面敷设耐火水泥层，反应器横截面为矩形或圆形。在气化反应器上端设置生物质进料口，在燃烧反应器底部设置灰渣排泄口，在燃烧反应器上部设置废气排放口。气化反应器采用固定床形式，燃烧反应器采用流化床形式，两个相连的气化反应器和燃烧反应器自上而下，自左至右分为热解区、气化区、半焦氧化区、燃烧区、燃尽区。根据生物质给料及粗燃气、半焦运动路径，这些反应区的位置及连接方式依次为，热解区顶部的生物质加料器通过加料管与热解区连通，热解区下端为生物质气化区，气化区设置有中心风及环形风引入口、水蒸气引入口、气化气引出口，其中气化气引出口与燃烧区中部偏下部分相连。半焦氧化区经中间隔板隔离成为底部联通的第一半焦氧化区和第二半焦氧化区，气化区的下端与第一半焦氧化区相连通，燃烧反应器的下端与第二半焦氧化区相连通，第一半焦氧化区的一侧为倾斜斜面，并在斜面设置底风引入口，第二半焦氧化区的下缘设置灰渣排泄口。
本发明提出的生物质气化燃烧过程控制氮氧化物及颗粒物排放的方法的工作过程是：通过生物质进料口将经过预处理后的生物质加入热解区，经过热解后的生物质进入气化区，在气化区内通过水蒸气和空气或氧气的作用，使生物质的高聚物发生热解、氧化、还原重整反应，最终转化为气化气(一氧化碳、氢气和低分子烃类等可燃气体)，一部分气化气通过气化气引出管进入燃烧区与一次风燃烧，另一部分气化气、半焦颗粒和焦油进入半焦氧化区，第一半焦氧化区为半焦颗粒组成的密相移动床，第二半焦氧化区为半焦颗粒组成的密相流化床，半焦颗粒依靠重力的作用从第一半焦氧化区缓慢向下移动至第二半焦氧化区，并在第一半焦氧化区底风的作用下呈流态化状态，在这里半焦颗粒发生氧化反应，半焦颗粒燃烧后产生的灰渣从排渣口排出。部分未完全燃烧的半焦颗粒因粒径变小而被底风输送至燃烧区继续燃烧，燃烧区底部设置一次风引入口，未完全燃烧的半焦颗粒与由气化气引出口流入到燃烧区中下部的气化气、一次风在燃烧区混合，发生氧化反应、脱硝反应并放热。燃烧区的上部是燃尽区，燃尽区的下缘设置燃尽风引入口，使燃烧区残余含碳颗粒及未燃烧的气体组分完全燃烧，洁净尾气从设置在燃尽区顶部的尾气排放口排放。
优选地，所述的中心风为空气或氧气，环形风为空气或氧气，底风为空气或氧气，中心风、环形风和底风其总量为控制空气当量比为0.35～0.42，中心风、环形风、底风的体积比为3:4:3。
优选地，所述的中心风入口设置有中心风引入管，所述的中心风引入管管端设置有2～6组呈水平方向的气体引入管，每组包括四个引入管，每个引入管的管径为10～40mm，所述的环形风入口设置有环形风引入管，所述的环形风引入管沿气化区四周均匀分布，并处于同一径向位置，环形风引入管的数目为4～12个，每个引入管的管径为10～40mm。
优选地，所述的气化气引出口上设置有气化气引出管，联通气化区与燃烧区，所述的气化气引出管的管径为10～50mm。
优选地，所述的倾斜斜面角度为45°～75°。倾斜斜面的设置使为了使半焦颗粒较方便的从第一半焦氧化区运动到第二半焦氧化区，使半焦颗粒在半焦氧化区与底风进行充分燃烧，倾斜斜面角度优选为60°。
本发明的有益效果是：
1、利用分级气化技术将生物质气化得到粗燃气；
2、在燃烧区利用气化气还原半焦燃烧产生的氮氧化物；
3、在燃尽区合理配风，实现未燃尽残炭及可燃气体的高效燃烧，降低颗粒物的排放。
附图说明：
图1为本发明实施例1实现生物质气化燃烧过程控制氮氧化物及颗粒物排放的方法的装置示意图；
图2为中心风引入管内部结构示意图；
图3为环形风和水蒸气引入管内部结构示意图；
图4为底风引入管主视示意图；
图5为底风引入管左视示意图；
图6为气化气引出管内部结构示意图。
具体实施方式：
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
除特别说明，本发明中的实验材料和试剂均为本技术领域常规市购产品。
一种生物质气化燃烧过程控制氮氧化物及颗粒物排放的方法，将生物质燃烧过程分解在热解区、气化区、半焦氧化区、燃烧区和燃尽区五个区域进行，包括如下步骤：
(1)将生物质原料在热解区进行热解，热解温度400℃～650℃，停留时间1～3min，热解后的生物质氮以半焦氮、焦油氮和气相氮的形式存在，将热解后的生物质通过气化反应器内的气化区进行气化反应，气化区内设置有使生物质气化的中心风入口、环形风入口和水蒸气入口，气化区温度为750℃～950℃，停留时间为3～5min，生物质与水蒸气的质量比为0～0.2；
(2)气化反应后得到的一部分粗燃气、半焦颗粒和焦油在半焦氧化区与底风进行完全燃烧得到燃烧尾气，粗燃气中的气相氮、半焦氮及焦油氮被氧化生成NOx和N2O，半焦颗粒及焦油被氧化生成CO2、CO和含碳的颗粒；另一部分粗燃气、半焦颗粒和焦油经气化气引出口进入燃烧区，并与经半焦氧化区燃烧后的尾气在燃烧区混合，燃烧区设有一次风口，在富燃料条件下，一次风、燃烧尾气、粗燃气在燃烧区内均匀混合进行低氧燃烧反应，利用粗燃气中的HCN、NH3、CO、H2、CH4还原燃烧尾气中的NOx、N2O，得到N2，半焦氧化区温度为750℃～1050℃，停留时间为2～5min；燃烧区温度为800℃～1050℃，气体停留时间为0.5～3.0min，空气当量比为0.5～1.0；
(3)将在燃烧区内燃烧后的未燃烧气体和残余含碳颗粒通入燃尽区与燃尽风进行完全燃烧，燃尽区温度为950℃～1100℃，气体停留时间为0.5～3.0min，空气当量比为1.0～1.5，使洁净尾气达标排放，其中洁净尾气中氧气体积浓度为6％～10％。
中心风、环形风和底风为空气或氧气，其总量为控制空气当量比为0.35～0.42，中心风、环形风和底风的体积比为3:4:3。中心风入口管管端设置2～6组呈水平方向的引入管，优选为3组，每组设置4个管径围10～40mm的引入管，管径优选为15mm。环形风引入管沿气化区四周均匀分布，并处于同一径向位置，引入管的数目为4～12个，优选为8个，管径为10～40mm，优选为20mm。
生物质与水蒸气的质量比为0～0.2，优选为0.1。气化区与燃烧区中间设置气化气引出口，气化气的流动方向为从气化区至燃烧区，气化气引出管的管径为10～50mm可调，优选为25mm。第一半焦氧化区的倾斜斜面的角度为45°～75°，优选为60°。燃烧区内一次风风量为控制一次空气当量比为0.5～1.0，优选为0.7。
实现该方法的装置，包括气化反应器和燃烧反应器，气化反应器包括由上而下设置的热解区和气化区，燃烧反应器包括由上而下设置的燃尽区、燃烧区和半焦氧化区，半焦氧化区经隔板分为底部连通的第一半焦氧化区和第二半焦氧化区，第一半焦氧化区上端与气化区的下端连通，第二半焦氧化区的上端与燃烧区的下端连通，第一半焦氧化区为半焦颗粒组成的密相移动床，第二半焦氧化区为半焦颗粒组成的密相流化床；气化区与燃烧区通过气化气引出口连通，气化区上端设置有中心风入口，气化区一侧设置有环形风入口和水蒸气入口，第一半焦氧化区的一侧为倾斜斜面，倾斜斜面上设置有底风入口，燃烧区设置有一次风入口，燃烧区内空气当量比为0.5～1.0，燃尽区设置有燃尽风入口，燃尽区内空气当量比为1.0～1.5。
实施例1
参阅图1～6，使用如图1所示的装置，取我国北方某省秸秆，其工业分析和元素分析如表1所示，秸秆经自然风干粉碎后由生物质加料器通过生物质加料管送至热解区，热解区的温度为500℃、停留时间为2min，在热解区实现热解，秸秆N以半焦N、焦油N、气相N的形式存在；随后进入气化区，气化区的温度850℃，停留时间3min，气化区内设置有使生物质气化的中心风入口、环形风入口和水蒸气入口，水蒸气与生物质的质量比为0.1，中心风入口管管端设置3组呈水平方向的引入管，每组设置4个管径围15mm的引入管。环形风引入管沿气化区四周均匀分布，并处于同一径向位置，引入管的数目为8个，管径为20mm。
在本实施例中，中心风为氧气，环形风为氧气，底风为氧气，中心风、环形风和底风其总量为控制空气当量比为0.35，中心风、环形风、底风的体积比为3:4:3。
在气化区得到粗燃气、半焦颗粒和焦油，一部分粗燃气、半焦颗粒和焦油在半焦氧化区与底风进行完全燃烧得到燃烧尾气，粗燃气中的气相氮、半焦氮及焦油氮被氧化生成NOx和N2O，半焦颗粒及焦油被氧化生成CO2、CO和含碳的颗粒，半焦氧化区温度为850℃，停留时间为3min；另一部分粗燃气、半焦颗粒和焦油经气化气引出口进入燃烧区，并与经半焦氧化区燃烧后的尾气在燃烧区混合，气化气引出口设置有气化气引出管，气化气引出管的管径为25mm，燃烧区温度为950℃，气体停留时间为2.0min，燃烧区设有一次风口，在富燃料条件下，一次风、燃烧尾气、粗燃气在燃烧区内均匀混合进行低氧燃烧反应，利用粗燃气中的HCN、NH3、CO、H2、CH4还原燃烧尾气中的NOx、N2O，得到N2，空气当量比为0.7；燃烧区的温度为900℃，燃烧区内一次风风量为控制一次空气当量比为0.5，部分气化气经此导管进入燃烧区，与燃烧区的一次风均匀混合进行燃烧，半焦氧化区生成的氮氧化物被气化气还原为N2；将在燃烧区内燃烧后的未燃烧气体和残余含碳颗粒通入燃尽区进行完全燃烧，在燃尽区进行气化气及未燃尽残炭的充分燃烧，使洁净尾气达标排放，其中洁净尾气中氧气体积浓度为8％，其中燃尽区温度为1000℃，气体停留时间为2.0min，燃尽区内空气当量比为1.2。
半焦氧化区经中间隔板隔离成为底部联通的第一半焦氧化区和第二半焦氧化区，气化区的下端与第一半焦氧化区相连通，燃烧反应器的下端与第二半焦氧化区相连通，第一半焦氧化区的一侧为倾斜斜面，并在斜面设置底风引入口，第二半焦氧化区的下缘设置灰渣排泄口。本实施例中第一半焦氧化区的倾斜斜面的角度为60°，在倾斜斜面处引入底风，使半焦颗粒不会沉积能够并充分燃烧。第一半焦氧化区底部设置有灰渣排泄口，在灰渣排泄处还设置有底风入口，该处底风的作用是使半焦颗粒呈流态化状态并充分燃烧。
在气化区中心风、环形风、底风按3:4:3的比例分别通入空气，此三处空气总引入量控制当量比为0.35。气化反应温度850℃，部分粗燃气由设置气化气引出口引入到燃烧区，部分粗燃气随半焦运动至半焦氧化区，并依次进入燃烧区、燃尽区完全燃烧，燃烧区温度保持在900℃。燃尽区下部通入二次空气以进一步燃尽残炭，燃烧烟气通过尾气排放口排放。
表1
对比例1
参考实施例1，不同之处在于，关闭气化气引出管，使所有粗燃气经半焦氧化区进入燃烧区进行燃烧，获得尾气排空。
对比例2
参考实施例1，不同之处在于，关闭气化气引出管，关闭中心风、环形风引入口，使秸秆仅经历热解反应，热解气及半焦经半焦氧化区进入燃烧区进行燃烧，获得尾气排空。
对比例3
参考对比例2，不同之处在于，打开气化气引出管，热解气经气化气引出管进入燃烧区进行燃烧，获得尾气排空。
实施例1和对比例1、对比例2、对比例3得到的尾气中的NO、N2O采用testo 350烟气分析仪测定，颗粒物采用便携式颗粒物采样器采样后，采用分析天平称重计量。利用本发明方法测得实施例1和对比例1、2和3的尾气中氮氧化物和颗粒物浓度的对比结果如表2所示：
表2
由表2可见，采用本发明装置进行秸秆燃烧，得到尾气的总氮氧化物含量为89mg/Νm3，较传统燃烧方式降低了38.6％～70.8％；总颗粒物含量为49mg/Nm3，较传统燃烧方式降低了37.2％～55.9％。
实施例2
使用如图1所示的装置，取我国北方某省秸秆，其工业分析和元素分析如表3所示，秸秆经自然风干粉碎后由生物质加料器通过生物质加料管送至热解区，热解区的温度为400℃、停留时间为1min,，在热解区实现热解，秸秆N以半焦N、焦油N、气相N的形式存在；随后进入气化区，气化区的温度750℃，停留时间5min，气化区内设置有使生物质气化的中心风入口、环形风入口和水蒸气入口，本实施例中不通入水蒸气，中心风入口管管端设置3组呈水平方向的引入管，每组设置4个管径为15mm的引入管。环形风引入管沿气化区四周均匀分布，并处于同一径向位置，引入管的数目为8个，管径为20mm。
在气化区得到粗燃气，在本实施例中，中心风为空气，环形风为空气，底风为空气，中心风、环形风和底风其总量为控制空气当量比为0.42，中心风、环形风、底风的体积比为3:4:3。
在气化区得到粗燃气、半焦颗粒和焦油，一部分粗燃气、半焦颗粒和焦油在半焦氧化区与底风进行完全燃烧得到燃烧尾气，粗燃气中的气相氮、半焦氮及焦油氮被氧化生成NOx和N2O，半焦颗粒及焦油被氧化生成CO2、CO和含碳的颗粒，半焦氧化区温度为750℃，停留时间为2min；另一部分粗燃气、半焦颗粒和焦油经气化气引出口进入燃烧区，并与经半焦氧化区燃烧后的尾气在燃烧区混合，气化气引出口设置有气化气引出管，气化气引出管的管径为25mm，燃烧区温度为800℃，气体停留时间为0.5min，燃烧区设有一次风口，在富燃料条件下，一次风、燃烧尾气、粗燃气在燃烧区内均匀混合进行低氧燃烧反应，利用粗燃气中的HCN、NH3、CO、H2、CH4还原燃烧尾气中的NOx、N2O，得到N2；燃烧区的温度为800℃，燃烧区内一次风风量为控制一次空气当量比为0.5，部分气化气经此导管进入燃烧区，与燃烧区的一次风均匀混合进行燃烧，半焦氧化区生成的氮氧化物被气化气还原为N2；将在燃烧区内燃烧后的未燃烧气体和残余含碳颗粒通入燃尽区与进行完全燃烧，在燃尽区进行气化气及未燃尽残炭的充分燃烧，使洁净尾气达标排放，其中洁净尾气中氧气体积浓度为6％，其中燃尽区温度为950℃，气体停留时间为0.5min，燃尽区内空气当量比为1.0。
半焦氧化区经中间隔板隔离成为底部联通的第一半焦氧化区和第二半焦氧化区，气化区的下端与第一半焦氧化区相连通，燃烧反应器的下端与第二半焦氧化区相连通，第一半焦氧化区的一侧为倾斜斜面，并在斜面设置底风引入口，第二半焦氧化区的下缘设置灰渣排泄口。本实施例中第一半焦氧化区的倾斜斜面的角度为45°，在倾斜斜面处引入底风，使半焦颗粒呈流态化状态，不会使半焦颗粒沉积使其充分燃烧。
在气化区中心风、环形风、底风按3:4:3的比例分别通入空气，此三处空气总引入量控制当量比为0.35。气化反应温度750℃，部分粗燃气由设置气化气引出口引入到燃烧区，部分粗燃气随半焦运动至半焦氧化区，并依次进入燃烧区、燃尽区完全燃烧，燃烧区温度保持在800℃。燃尽区下部通入二次空气以进一步燃尽残炭，燃烧烟气通过尾气排放口排放。
表3
对比例4
参考实施例2，不同之处在于，关闭气化气引出管，使所有粗燃气经半焦氧化区进入燃烧区进行燃烧，获得尾气排空。
对比例5
参考实施例2，不同之处在于，关闭气化气引出管，关闭中心风、环形风引入口，使秸秆仅经历热解反应，热解气及半焦经半焦氧化区进入燃烧区进行燃烧，获得尾气排空。
对比例6
参考对比例5，不同之处在于，打开气化气引出管，热解气经气化气引出管进入燃烧区进行燃烧，获得尾气排空。
实施例2和对比例4、对比例5、对比例6得到的尾气中的NO、N2O采用testo 350烟气分析仪测定，颗粒物采用便携式颗粒物采样器采样后，采用分析天平称重计量。利用本发明方法测得实施例2和对比例4、5和6的尾气中氮氧化物和颗粒物浓度的对比结果如表4所示：
表4
由表4可见，采用本发明装置进行秸秆燃烧，在低温低氧条件下得到尾气的总氮氧化物含量为66mg/Νm3，较传统燃烧方式降低了48.1％～74.0％，且较实施例1下降了25.8％；总颗粒物含量为63mg/Nm3，较传统燃烧方式降低了32.3％～51.2％，但由于燃烧温度较低，较实施例1上升了28.5％。
实施例3
使用如图1所示的装置，取我国北方某省秸秆，秸秆经自然风干粉碎后由生物质加料器通过生物质加料管送至热解区，热解区的温度为650℃、停留时间为3min，在热解区实现热解，秸秆N以半焦N、焦油N、气相N的形式存在；随后进入气化区，气化区的温度950℃，停留时间3min，气化区内设置有使生物质气化的中心风入口、环形风入口和水蒸气入口，水蒸气与生物质的质量比为0.2，中心风入口管管端设置5组呈水平方向的引入管，每组设置4个管径围15mm的引入管。环形风引入管沿气化区四周均匀分布，并处于同一径向位置，引入管的数目为8个，管径为20mm。
在本实施例中，中心风为空气，环形风为空气，底风为空气，中心风、环形风和底风其总量为控制空气当量比为0.42，中心风、环形风、底风的体积比为3:4:3。
在气化区得到粗燃气、半焦颗粒和焦油，一部分粗燃气、半焦颗粒和焦油在半焦氧化区与底风进行完全燃烧得到燃烧尾气，粗燃气中的气相氮、半焦氮及焦油氮被氧化生成NOx和N2O，半焦颗粒及焦油被氧化生成CO2、CO和含碳的颗粒，半焦氧化区温度为1050℃，停留时间为5min；另一部分粗燃气、半焦颗粒和焦油经气化气引出口进入燃烧区，并与经半焦氧化区燃烧后的尾气在燃烧区混合，气化气引出口设置有气化气引出管，气化气引出管的管径为25mm，燃烧区温度为1050℃，气体停留时间为3.0min，燃烧区设有一次风口，在富燃料条件下，一次风、燃烧尾气、粗燃气在燃烧区内均匀混合进行低氧燃烧反应，利用粗燃气中的HCN、NH3、CO、H2、CH4还原燃烧尾气中的NOx、N2O，得到N2；燃烧区的温度为1050℃，燃烧区内一次风风量为控制一次空气当量比为1.0，部分气化气经此导管进入燃烧区，与燃烧区的一次风均匀混合进行燃烧，半焦氧化区生成的氮氧化物被气化气还原为N2；将在燃烧区内燃烧后的未燃烧气体和残余含碳颗粒通入燃尽区与进行完全燃烧，在燃尽区进行气化气及未燃尽残炭的充分燃烧，使洁净尾气达标排放，其中洁净尾气中氧气体积浓度为6％，其中燃尽区温度为1100℃，气体停留时间为3.0min，燃尽区内空气当量比为1.5。
半焦氧化区经中间隔板隔离成为底部联通的第一半焦氧化区和第二半焦氧化区，气化区的下端与第一半焦氧化区相连通，燃烧反应器的下端与第二半焦氧化区相连通，第一半焦氧化区的一侧为倾斜斜面，并在斜面设置底风引入口，第二半焦氧化区的下缘设置灰渣排泄口。本实施例中第一半焦氧化区的倾斜斜面的角度为75°，在倾斜斜面处引入底风，使半焦颗粒呈流态化状态，不会使半焦颗粒沉积使其充分燃烧。
本发明利用各区域合理布风，实现反应过程的最优化，主要在生物质气化过程中运用了分级气化、半焦燃烧、气化气燃烧、气化气对氮氧化物的还原技术，针对生物质燃烧的特点，有效利用生物质热能的同时，在燃烧装置内实现氮氧化物与颗粒物的达标排放，具有广泛的推广及使用价值。
以上对本发明提供的生物质气化燃烧过程控制氮氧化物及颗粒物排放的方法及实现该方法的装置进行了详细的介绍，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种生物质气化燃烧过程控制氮氧化物及颗粒物排放的方法，其特征在于，将生物质燃烧过程分解在热解区、气化区、半焦氧化区、燃烧区和燃尽区五个区域进行，包括如下步骤：
(1)将生物质原料在热解区进行热解，热解温度400℃～650℃，停留时间1～3min，热解后的生物质氮以半焦氮、焦油氮和气相氮的形式存在，将热解后的生物质通过气化反应器内的气化区进行气化反应，气化区内设置有使生物质气化的中心风入口、环形风入口和水蒸气入口，气化区温度为750℃～950℃，停留时间为3～5min，生物质与水蒸气的质量比为0～0.2；
(2)气化反应后得到的一部分粗燃气、半焦颗粒和焦油在半焦氧化区与底风进行完全燃烧得到燃烧尾气，粗燃气中的气相氮、半焦氮及焦油氮被氧化生成NOx和N2O，半焦颗粒及焦油被氧化生成CO2、CO和含碳的颗粒；另一部分粗燃气、半焦颗粒和焦油经气化气引出口进入燃烧区，并与经半焦氧化区燃烧后的尾气在燃烧区混合，燃烧区设有一次风口，在富燃料条件下，一次风、燃烧尾气、经气化气引出口进入燃烧区的粗燃气在燃烧区内均匀混合进行低氧燃烧反应，利用粗燃气中的HCN、NH3、CO、H2、CH4还原燃烧尾气中的NOx、N2O，得到N2，半焦氧化区温度为750℃～1050℃，停留时间为2～5min；燃烧区温度为800℃～1050℃，气体停留时间为0.5～3.0min，燃烧区空气当量比为0.5～1.0；
(3)将在燃烧区内燃烧后的未燃烧气体和残余含碳颗粒通入燃尽区与燃尽风进行完全燃烧，燃尽区温度为950℃～1100℃，气体停留时间为0.5～3.0min，空气当量比为1.0～1.5，使洁净尾气达标排放；
中心风为空气或氧气，环形风为空气或氧气，底风为空气或氧气，中心风、环形风和底风其总量为控制空气当量比为0.35～0.42，中心风、环形风、底风的体积比为3:4:3。
2.一种实现权利要求1所述的生物质气化燃烧过程控制氮氧化物及颗粒物排放的方法的装置，其特征在于：包括气化反应器和燃烧反应器，所述的气化反应器包括由上而下设置的热解区和气化区，所述的燃烧反应器包括由上而下设置的燃尽区、燃烧区和半焦氧化区，所述的半焦氧化区经隔板分为底部连通的第一半焦氧化区和第二半焦氧化区，所述的第一半焦氧化区上端与所述的气化区的下端连通，所述的第二半焦氧化区的上端与所述的燃烧区的下端连通，所述的第一半焦氧化区为半焦颗粒组成的密相移动床，所述的第二半焦氧化区为半焦颗粒组成的密相流化床；所述的气化区与所述的燃烧区通过气化气引出口连通，所述的气化区上端设置有中心风入口，所述的气化区一侧设置有环形风入口和水蒸气入口，所述的第一半焦氧化区的一侧为倾斜斜面，所述的倾斜斜面上设置有底风入口，所述的燃烧区设置有一次风入口，所述的燃烧区内空气当量比为0.5～1.0，所述的燃尽区设置有燃尽风入口，所述的燃尽区内空气当量比为1.0～1.5。
3.根据权利要求2所述的实现生物质气化燃烧过程控制氮氧化物及颗粒物排放的方法的装置，其特征在于：所述的中心风为空气或氧气，环形风为空气或氧气，底风为空气或氧气，中心风、环形风和底风其总量为控制空气当量比为0.35～0.42，中心风、环形风、底风的体积比为3:4:3。
4.根据权利要求2或3所述的实现生物质气化燃烧过程控制氮氧化物及颗粒物排放的方法的装置，其特征在于：所述的中心风入口设置有中心风引入管，所述的中心风引入管管端设置有2～6组呈水平方向的气体引入管，每组包括四个引入管，每个引入管的管径为10～40mm，所述的环形风入口设置有环形风引入管，所述的环形风引入管沿气化区四周均匀分布，并处于同一径向位置，环形风引入管的数目为4～12个，每个引入管的管径为10～40mm。
5.根据权利要求2或3所述的实现生物质气化燃烧过程控制氮氧化物及颗粒物排放的方法的装置，其特征在于：所述的气化气引出口上设置有气化气引出管，所述的气化气引出管的管径为10～50mm。
6.根据权利要求2或3所述的实现生物质气化燃烧过程控制氮氧化物及颗粒物排放的方法的装置，其特征在于：所述的倾斜斜面角度为45°～75°。
7.根据权利要求6所述的实现生物质气化燃烧过程控制氮氧化物及颗粒物排放的方法的装置，其特征在于：所述的倾斜斜面角度为60°。
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