CN107420927A - 一种燃煤锅炉烟气高效净化及余热利用工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及节能环保领域，具体涉及一种燃煤锅炉烟气高效净化及余热利用工艺；包括顺序设置的低氮燃烧工序、烟气高温除尘工序、SCR脱硝工序、烟气余热回收工序、O3烟气氧化工序及喷淋鼓泡吸收工序；采用本发明技术方案的燃煤锅炉烟气高效净化及余热利用工艺，可以实现烟气中99％以上的空气动力学直径1～5微米的烟尘除去，使得SCR催化剂的使用寿命增加至4‑6年，同时处理单位烟气的催化剂用量降低30％；系统能耗指标下降8％，烟尘、SO2、NOx排放浓度分别低于5mg/Nm3、25mg/Nm3、35mg/Nm3。

Description

一种燃煤锅炉烟气高效净化及余热利用工艺
技术领域
本发明涉及节能环保领域，具体涉及一种燃煤锅炉烟气高效净化及余热利用工艺。
背景技术
目前，我国的环境保护日益严峻，燃煤污染物作为大气污染物的主要来源之一，其治理受到人们的格外关注。燃煤电站、工业窑炉是主要的燃煤污染排放源，对各种形式的燃煤锅炉、窑炉进行烟气污染物处理，是我国工业领域面对大气污染需要进行的关键工作之一。按照《煤电节能减排升级与改造行动计划2014-2020年》和《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》的规划，到2020年我国所有具备改造条件的燃煤电厂和新建燃煤发电机组的污染物排放浓度要达到超低排放水平，即在6％氧含量下，烟尘、SO2、NOx排放浓度分别低于10mg/Nm3、35mg/Nm3、50mg/Nm3。而当前我国的各燃煤电站锅炉、工业窑炉所采用的主要污染治理设备和工艺，很难达到超低排放的要求，具体原因如下：
当前燃煤企业采用的除尘技术主要是静电除尘，传统的电除尘器出口烟尘浓度能够控制20-30mg/Nm3，单纯依靠传统电除尘已经无法满足烟尘排放限值低于10mg/Nm3的严格要求。因此新形势下，各燃煤企业开始加装一些新型的烟尘处理设备，如电袋复合除尘、湿式电除尘等，这些新型除尘技术虽然效率较高，但普遍造价昂贵。
湿法脱硫，特别是石灰石-石膏湿法喷淋脱硫技术是燃煤企业主采用的脱硫技术，该技术虽然脱硫效率能够达到95％，以脱硫塔入口SO2浓度1500mg/Nm3为例，脱硫效率需要达到97.7％才能使其出口SO2低于35mg/Nm3。当前应对该问题的主要方法是进行脱硫塔的改造，如增加喷淋层、进行双塔串联、单塔双循环等方式，提高脱硫效率，改造后的脱硫塔脱硫效率基本能够满足SO2低于35mg/Nm3的要求，但使得脱硫系统复杂、烟气阻力增大，投资和运行成本均高涨。
SCR脱硝是目前燃煤锅炉控制NOx排放的主要措施，在更高的NOx排放标准下，企业一般采取增加SCR催化剂层的方式，提高脱硝效率，使得NOx排放浓度低于50mg/Nm3，这种方式不仅一次投入成本高昂，而且使用过程中的维护成本也非常高昂，具体来说是由于SCR催化剂最合适的作用温度在250～420℃，这个温度区间正好位于烟气灰浓度最高的省煤器与空气预热器之间，由于传统的除尘方式难以低成本的工作在此温度下，因此SCR脱硝大多直接布置于省煤器与空气预热器，这里高浓度的烟尘不仅极易造成空气预热器的磨损和堵灰，更重要的是导致SCR催化剂堵塞、磨损，中毒、催化剂寿命缩短、催化效果降低，一般情况下SCR催化剂每隔3年就需要更换，频繁更换大幅增加了企业的运行成本。
综上，可见我国的燃煤企业普遍面临着如何更经济、高效的进行燃煤烟气污染治理这一技术问题。为了解决这些问题，急需一种能够达到高效、经济和节能要求的烟气治理工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种经济和高效的燃煤锅炉烟气净化及余热利用工艺。
为了实现上述目的，本发明提供一种燃煤锅炉烟气高效净化及余热利用工艺，包括顺序设置的低氮燃烧工序、烟气高温除尘工序、SCR脱硝工序、烟气余热回收工序、O3烟气氧化工序及喷淋鼓泡吸收工序，其中：
所述低氮燃烧工序通过煤粉燃烧器为燃煤锅炉进行旋流或直流供料，并为燃煤锅炉的炉膛进行二次配风，二次配风的喷口自上而下分层而置，且与一次配风的喷口保持不小于1000mm的距离；
所述烟气高温除尘工序，由布置于锅炉省煤器之后、SCR反应器之前的金属间化合物膜过滤除尘器完成，金属间化合物膜过滤除尘器出口温度为380～420℃；通过金属间化合物膜过滤除尘器能够将烟气中绝大多数空气动力学直径1～5微米的烟尘除去，同时通过定时采用高压空气反吹，可以保证金属间化合物膜过滤除尘器的过滤效率；
所述SCR脱硝工序由SCR反应器完成，其中烟气与NH3的供应比例为80～100:1，SCR反应器中的SCR催化剂采用蜂窝状多孔结构催化剂，并采用模块式多层安装布置，以提高单位体积的催化面积，NH3由储存的液氨蒸发、稀释，然后由烟道内的喷NH3均布系统与烟气混合。所述SCR脱硝催化剂在250～420℃的温度区间内时，催化NH3和NOx的反应，把NOx还原为N2和H2O，具体反应方程如下：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O
所述SCR脱硝过程能够根据要求的效率将指定流量的NH3均匀喷入烟道内，实现所要求效率的NOx脱除。
所述烟气余热回收工序由烟气-水换热器完成，烟气从120～140℃降温至65～75℃；烟气放出的热量被水吸收，用于加热水，实现烟气的余热利用；所述烟气-水换热器采用壳管式换热器，并采用碳纳米复合材料的耐腐蚀管材，从而实现耐受烟气中SO2、NOx和H2O以及其反应生成的稀硫酸、稀硝酸的腐蚀，寿命达到10年以上。
所述O3烟气氧化工序由O3源和O3源喷释装置完成，臭氧喷释装置的喷口设置在烟气-水换热器后的烟气管道上，保证连续生成浓度大于100mg/L的O3；O3烟气氧化过程，能够将烟气中的NO氧化成易溶于水的高价NOx，将Hg0氧化成易溶于水Hg2+，将VOCs氧化成CO2等无害气体。
2NO+3O3＝N2O5+3O2
2NO2+O3＝N2O5+O2
NO+O3＝NO2+O2
所述喷淋鼓泡吸收工序由喷淋鼓泡吸收塔完成，所述喷淋鼓泡吸收塔包括竖向设置的柱状塔，柱状塔底部设置SO2吸收液，吸收液上方设置容积上大下小的容器，容器的开口浸没在吸收液中，容器内部上方设置有喷淋器，喷淋器通过提升泵连接到吸收液中，烟气的进口与容器上部连通，烟气的出口设置在柱状塔的上部，烟气出口前设置有除雾器。
这样烟气进入柱状塔内，首先经过喷淋洗涤反应，然后再经过鼓泡洗涤反应，最后经过除雾器除雾后离开反应塔；所述喷淋鼓泡吸收塔内的吸收液可以根据要求选用石灰石液、NH3液等能够吸收SO2的吸收液；所述喷淋鼓泡吸收塔的另一个功能，是吸收烟气中的高价NOx和Hg2+，以及脱除烟气中残留的PM2.5等烟尘。
作为优选方案，所述金属间化合物膜过滤除尘器的滤芯为孔隙率不小于40％，过滤精度大于0.1μm的FeAl滤芯，通过这样的设置可以使得烟气中空气动力学直径大于5微米的烟尘100％除去，将空气动力学直径1～5微米的烟尘99％以上除去，同时烟气流动压降低于1.5kPa。
作为优选的方案，所述SCR反应器中的SCR催化剂采用蜂窝状多孔结构催化剂，并采用模块式多层安装布置。
作为优选的方案，所述O3源采用放电式O3发生器，其中，喷臭氧设备生成的臭氧均匀喷入烟道内，实现与烟气的均匀混合；
作为优选的方案，所述SO2的吸收液为石灰石液或NH3液。
进一步，所述喷淋鼓泡吸收工序，通过调节喷淋吸收液流量和/或调整吸收液液面位置，来改变烟气中SO2的脱除效率。
附图说明
图1为本发明实施例的烟气流向结构示意图。
其中，1、锅炉本体，2、锅炉省煤器，3、高温除尘器，4、SCR反应器，5、O3发生器及喷施装置，6、喷淋鼓泡吸收塔，7、烟囱，8、气-水换热器，9、引风机，10、空气预热器，11、送风机，12、低氮燃烧器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
如图1所示：本发明提供一种燃煤锅炉烟气高效净化及余热利用工艺，包含顺序设置的低氮燃烧工序、烟气高温除尘工序、SCR脱硝工序、烟气余热回收工序、O3烟气氧化工序及喷淋鼓泡吸收工序；工序的完成需要以下按照煤粉燃烧和烟气处理流程串联布置的设备：低氮燃烧器12、高温除尘器3、SCR反应器4、烟气-水换热器8、O3发生器及喷施装置5、喷淋鼓泡吸收塔6，其中高温除尘器3布置在锅炉省煤器2之后，SCR反应器4布置在高温除尘器3之后，烟气-水换热器8布置在引风机9之后，O3发生器及喷施装置5布置在气-水换热器8之后，喷淋鼓泡吸收塔6布置在O3发生器及喷施装置5之后。
本发明的具体工艺实施方式如下：首先，煤粉由低氮燃烧器12以旋流或直流的方式喷入锅炉1内燃烧，此处选择为旋流，同时通过鼓风机对炉膛进行分级配风，煤粉燃烧产生SO2、NOx、烟尘以及重金属等污染物；烟气在锅炉内换热降温，当烟气经过了锅炉省煤器2的换热后，温度达到400℃左右；
烟气继续进入高温除尘器2，高温除尘器2位于SCR反应器之前，高温除尘器2为金属间化合物膜过滤除尘器，金属间化合物膜过滤除尘器的滤芯为孔隙率不小于40％，过滤精度大于0.1μm的FeAl滤芯，烟气中的烟尘被过滤下来，通过高温除尘器2的烟尘只含有极微量的飞尘，金属间化合物膜过滤除尘器出口的烟气温度为380～420℃；通过金属间化合物膜过滤除尘器能够将烟气中100％的空气动力学直径5微米以上的烟尘除去，将99％的空气动力学直径1～5微米的烟尘除去，为了保证金属间化合物膜过滤除尘器的过滤效率，可通过定时采用高压空气反吹对FeAl滤芯进行清理，通常时间间隔不超过10天，这样使得采用本申请工艺的SCR反应器4处于微尘烟气中，从而比常规的SCR反应器具有更低的磨损、中毒和失效的可能性，具有更长的使用寿命，本申请技术应用后SCR反应器催化剂寿命相比采用传统技术的寿命延长一倍，而且失效慢而平均效率更高，并且由于所处的烟尘很低，具有很好的流通性，发生积灰的可能性很低，可以采用小孔道、大比表面积催化剂结构，从而节省空间；
烟气进入SCR反应器4，在其中与NH3发生选择性催化还原反应，NH3一般可由储存的液氨蒸发、稀释得到，然后由烟道内的喷NH3均布系统与烟气混合，为保证反应的转化率，同时节约NH3，烟气与NH3的供应比例为80～100:1，SCR反应器中的SCR催化剂采用蜂窝状多孔结构催化剂，并采用模块式多层安装布置，以提高单位体积的催化面积，SCR脱硝催化剂在250～420℃的温度区间内催化NH3和NOx的反应，把NOx还原为N2和H2O，具体反应方程如下：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O
此时，大部分的部分NOx被还原为N2和H2O，其余的NOx随烟气向下游流动；此过程可以根据要求的效率将指定流量的NH3均匀喷入烟道内，实现所要求效率的NOx脱除。
然后烟气经过空气预热器10的换热，空气预热器10为锅炉1的煤粉燃烧提供热空气，此时烟气温度进一步降低到120～140℃左右；
随后烟气经过引风机9后进入烟气-水换热器8，烟气中的热量向水侧传热，水温升高，烟温降低到65～75℃；
然后烟气经过O3发生器及喷施装置5，此时O3混入烟气，其中未被消除的NO被氧化为高价态易溶于水NOx、元素Hg0被氧化为易容于水的Hg+，O3的喷释装置的喷口应密封固定在烟气-水换热器后的烟气管道上，O3喷释装置应保证混入烟气中的O3浓度大于100mg/L；
之后烟气进入喷淋鼓泡吸收塔6，喷淋鼓泡吸收塔6包括竖向设置的耐腐蚀柱状塔，柱状塔底部设置SO2吸收液，此处的吸收液优选成本低廉的石灰石溶液，吸收液上方固定容积上大下小的容器，容器的下端开设有出气口，出气口浸没在吸收液中，容器内部上方固定有喷淋器，喷淋器通过提升泵连通吸收液，烟气的进口与容器上部连通，烟气的出口固定在柱状塔的上部，烟气出口前固定有除雾器。烟气进入喷淋鼓泡吸收塔6后，先后经过喷淋和鼓泡，从而使得烟气中的SO2先溶于水，并与石灰石反应生成CaSO4，而NOx也溶于水，生成硝酸盐，NOx被深度吸收，Hg2+溶于水被捕集，烟气中的PM2.5被进一步捕集；最后经过除雾器得到干净的烟气，流出喷淋鼓泡吸收塔6，进入烟囱7，排入大气。
本实施例中烟气-水换热器8采用壳管式换热器，通过采用碳纳米复合材料的耐腐蚀管材，能够有效防止酸腐蚀，壳管式换热器中被加热的水可以是锅炉的给水，用烟气的余热加热锅炉的给水，从而实现了烟气的余热利用，并且烟气温度的降低，为后续的O3氧化过程和喷淋鼓泡脱硫提供更加适宜的烟温环境，既便于反应的进行，又可以减小水的浪费；O3发生器及喷施装置5可采用当前技术成熟的放电式O3发生器作为O3源，连续产生O3，并均匀喷入烟气，该部位的烟气温度在70℃左右，适合采用O3作为强氧化剂氧化烟气中的NO和Hg0等，此外由于多余的O3在空气中很快分解为O2，因此是一种没有二次危害的高效强氧化剂；喷淋鼓泡吸收塔6采用喷淋与鼓泡相结合的方式，主要功能是用于脱硫，由于能够将鼓泡脱硫和喷淋脱硫方式结合，能够有效利用两种脱硫方式最高效的脱硫反应阶段，因此具有脱硫效率高、烟气流动阻力小等优点，又由于本工艺采用的塔入口烟气温度比常规脱硫塔的低，相比于常规脱硫塔入口烟温100℃以上，具有更大的节水效果，同时喷淋鼓泡塔中的鼓泡工艺具有较高的脱除PM2.5的效果，在与O3氧化过程结合起来之后，烟气中的NO和Hg0被氧化为易溶于水的成分，能够在喷淋鼓泡塔中得到深度的脱除。喷淋鼓泡塔，能够根据需求调节喷淋浆液流量和浆液池液面位置，从而改变脱硫效率。
本发明申请的工艺通过引入高温除尘，重新有机结合当前较为成熟的低氮燃烧技术、SCR脱硝技术，并结合O3氧化技术和喷淋鼓泡脱硫技术，工艺对上述对各过程进行整合后，实现了烟尘、SO2和NOx中的每个污染物都经过了两个或以上的协同治理过程，污染治理效率高，排放烟气中烟尘≤5mg/Nm3，SO2≤25mg/Nm3，NOx≤35mg/Nm3，通过余热利用使得，系统能耗总能耗下降8％。
以上所述的仅是本发明的优选的实施方式，方案中公知的具体结构及特性等常识在此没有作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明工艺和结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (6)

1.一种燃煤锅炉烟气高效净化及余热利用工艺，其特征在于：包括顺序设置的低氮燃烧工序、烟气高温除尘工序、SCR脱硝工序、烟气余热回收工序、O3烟气氧化工序及喷淋鼓泡吸收工序，其中：
所述低氮燃烧工序通过煤粉燃烧器为燃煤锅炉进行旋流或直流供料，并为燃煤锅炉的炉膛进行二次配风，二次配风的喷口自上而下分层而置，且与一次配风的喷口保持不小于1000mm的距离；
所述烟气高温除尘工序，由布置于锅炉省煤器之后、SCR反应器之前的金属间化合物膜过滤除尘器完成，金属间化合物膜过滤除尘器出口温度为380～420℃；
所述SCR脱硝工序由SCR反应器完成，其中烟气与NH3的供应比例为80～100:1；
所述烟气余热回收工序由烟气-水换热器完成，烟气从120～140℃降温至65～75℃；
所述O3烟气氧化工序由O3源和O3喷释装置完成，O3喷释装置的喷口设置在烟气-水换热器后的烟气管道上，混入烟气中的O3浓度大于100mg/L；
所述喷淋鼓泡吸收工序由喷淋鼓泡吸收塔完成，所述喷淋鼓泡吸收塔包括竖向设置的柱状塔，柱状塔底部设置吸收SO2的吸收液，吸收液上方设置容积上大下小的容器，容器的开口浸没在吸收液中，容器内部上方设置有喷淋器，喷淋器通过提升泵连接到吸收液中，烟气的进口与容器上部连通，烟气的出口设置在柱状塔的上部，烟气出口前设置有除雾器。
2.根据权利要求1所述的燃煤锅炉烟气高效净化及余热利用工艺，其特征在于：所述金属间化合物膜过滤除尘器的滤芯为孔隙率不小于40％，过滤精度大于0.1μm的FeAl滤芯。
3.根据权利要求1所述的燃煤锅炉烟气高效净化及余热利用工艺，其特征在于：所述SCR反应器中的SCR催化剂采用蜂窝状多孔结构催化剂，并采用模块式多层安装布置。
4.根据权利要求1、2或3所述的燃煤锅炉烟气高效净化及余热利用工艺，其特征在于：所述O3源采用放电式O3发生器。
5.根据权利要求1、2或3所述的燃煤锅炉烟气高效净化及余热利用工艺，其特征在于：所述SO2的吸收液为石灰石液或NH3液。
6.根据权利要求5所述的燃煤锅炉烟气高效净化及余热利用工艺，其特征在于：所述喷淋鼓泡吸收工序，通过调节喷淋吸收液流量和/或调整吸收液液面位置，来改变烟气中SO2的脱除效率。
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