CN109054906A - 一种生物质气化燃烧及脱硝一体化系统及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物质气化燃烧及脱硝一体化系统及工艺，该系统包括生物质气化燃烧单元、还原气处理单元、还原气脱硝单元，生物质气化燃烧单元中生物质气化炉的气体出口连接燃烧炉的燃料进口；还原气处理单元中生物质气化炉的气体出口还连接还原气净化装置；燃烧炉的烟气出口连接余热锅炉的烟气进口，还原气净化装置的出口连接余热锅炉的侧壁进口，还原气净化装置的出口还连接低温脱硝装置的进口，余热锅炉的烟气出口也连接低温脱硝装置的进口，低温脱硝装置的进口设有加热装置，低温脱硝装置的出口连接低温等离子体设备。本发明能够大大提高生物质类废弃物的气化燃烧后的脱硝效率，从而实现生物质类废弃物的气化燃烧清洁能源化利用。

Description

一种生物质气化燃烧及脱硝一体化系统及工艺
技术领域
本发明涉及生物质气化燃烧与烟气脱硝技术领域，具体涉及一种生物质气化燃烧及脱硝一体化系统及工艺。
背景技术
近年来，生物质气化技术作为一种新能源的处理技术发展迅速，国家对环保的政策要求也是日趋严格，全面实现烟气超低排放势在必行。目前主流的燃烧烟气氮氧化物的控制方法仍然是沿用传统的燃煤锅炉的SNCR(选择性非催化还原法)和SCR(选择性催化还原法)，然而这两种方法都涉及到还原剂(尿素、氨水等)使用，还原剂使用量大，且存在氨基还原剂储存过程中的泄露和后续氨逃逸等问题。同时，氨基还原剂进行低温SCR脱硝时，烟气中的SO2和还原剂氨气易生成硫酸氢氨、硫酸铵等物质吸附在催化剂的表面，造成催化剂孔隙结构堵塞，催化剂活性减弱甚至丧失。再者，生物质灰中含有K、Na、Mg、Ca等碱金属物质吸附在催化剂表面，易造成催化剂碱中毒。
针对以上问题，为实现生物质类废弃物的气化燃烧清洁能源化利用，急需一种生物质气化燃烧及脱硝一体化系统及工艺。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种生物质气化燃烧及脱硝一体化系统，采用生物质气化气作为脱硝技术中的还原气代替常规使用的氨基还原气，避免氨气泄露、逃逸等问题的同时保证脱硝效果，从而实现生物质类废弃物的气化燃烧清洁能源化利用。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种生物质气化燃烧及脱硝一体化系统，包括生物质气化燃烧单元、还原气处理单元、还原气脱硝单元及低温等离子体设备；
所述生物质气化燃烧单元包括生物质气化炉、燃烧炉，生物质气化炉的气体出口连接燃烧炉的燃料进口；
所述还原气处理单元包括还原气净化装置，所述还原气净化装置为去除生物质气化炉气化产生的生物质气中含有的杂质的装置，生物质气化炉的气体出口还连接还原气净化装置；
所述还原气脱硝单元包括余热锅炉、低温脱硝装置，所述低温脱硝装置为内部脱硝催化剂为低温脱硝催化剂的脱硝装置，燃烧炉的烟气出口连接余热锅炉的烟气进口，还原气净化装置的出口连接余热锅炉的侧壁进口，还原气净化装置的出口还连接低温脱硝装置的进口，余热锅炉的烟气出口也连接低温脱硝装置的进口，低温脱硝装置的进口设有加热装置，低温脱硝装置的出口连接低温等离子体设备。
生物质经过生物质气化炉热解气化后产生的生物质气中含有气化燃气(包括CO、H2、CH4等)、不燃气体(例如CO2、N2等)及杂质(例如飞灰、焦油等)。本发明直接利用气化燃气的还原性，能够在余热锅炉中还原燃烧炉产生烟气中的氮氧化物，从而实现一次脱硝。然而，生物质气中含有飞灰、焦油等杂质，若直接将还原气利用，则在输送过程飞灰、焦油等杂质会沉降附着在管路内侧，长期运行容易导致输送管路、设备堵塞等问题。因而本发明在生物质气通入余热锅炉及低温脱硝装置前，先经过还原气净化装置去除生物质气中的飞灰、焦油等杂质，防止生物质气中携带的焦油和飞灰等杂质冷凝在容器及管路中造成的设备堵塞等问题。由于余热锅炉能够将高温气体冷却至175～230℃，低温脱硝催化剂的起活温度为150℃，符合设计要求。然而在长期运行过程中，由于生物质燃烧后的烟气中含有K、Na、Mg、Ca等碱金属物质，而这些物质与烟气中硫氧化物/氨气等接触反应生成硫酸盐/铵盐等晶体物质会附着在催化剂表面，从而降低催化剂的比表面积，脱硝率降低。因而本发明在低温脱硝装置的进口设有加热装置，一是起炉停炉过程中烟气温度较低(160℃以下)时，升高温度满足催化剂脱硝要求；二是定期将烟气温度升高至300～350℃运行5～8h对催化剂进行维护，将附着在催化剂表面的硫酸盐/铵盐等物质加热挥发，释放催化剂被杂质物质占据的活性位点，保证脱硝效果的同时延长催化剂的使用寿命，以提高二次脱硝效率。本发明通过等离子体对二次脱硝后的烟气进行进一步处理，能够更进一步脱硝，同时减少燃烧生物质过程中产生的有毒有害气体的排放。本发明通过生物质气余热锅炉内的一次高温脱硝、低温脱硝催化剂的二次催化脱硝及低温等离子体的辅助处理，大大提高了生物质燃料的脱硝效率，实现生物质类废弃物的气化燃烧清洁能源化利用。
本发明的目的之二是提供一种生物质气化燃烧及脱硝一体化工艺，提供上述一体化系统，将生物质加入至生物质气化炉进行热解反应后获得生物质气，生物质气一部分进入燃烧炉进行燃烧，另一部分经过还原气净化装置去除杂质获得还原气，燃烧炉排出的烟气与一部分还原气在余热锅炉中进行高温还原一次脱硝，余热锅炉排出的烟气与另一部分还原气混合后进入低温脱硝装置，在低温催化剂的作用下进行催化还原二次脱硝，低温脱硝装置排出的气体采用低温等离子体进行进一步处理。
本发明的有益效果为：
1.本发明不使用氨基还原剂对氮氧化物进行还原，因此不存在氨气泄露、逃逸等问题。
2.本发明对生物质气进行多级利用，实现生物质气化燃烧脱硝一体化，工艺简单。
3.本发明采用等离子体工艺对烟气进行辅助处理，达到进一步脱硝的同时减少燃烧过程中产生的有毒有害气体等的排放。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的一体化系统的结构示意图；
其中，Ⅰ、生物质气化燃烧单元，Ⅱ、还原气处理单元，Ⅲ、还原气脱硝单元，1、生物质气化炉，2、燃烧炉，3、两级燃料管路，4、燃烧炉配风室，5、循环烟气管路，6、还原气净化装置，7、还原气储存装置，8、余热锅炉，9、脱硝还原气输送管路，10、旋风除尘器，11、低温脱硝装置，12、加热装置，13、布袋除尘器，14、低温等离子体设备，15、脱硫塔。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本申请中所述高温脱硝中的高温是指不低于900℃的温度。
本申请中所述低温脱硝中的低温是指低于400℃的温度。
本申请中所述低温等离子体是等离子体的一种，其电子温度远大于离子温度，电子温度可达上万度，而离子和中性粒子的温度却可低至室温，因而整个体系的表观温度较低，因此称为低温等离子体。而高温等离子体的电子温度等于离子温度，即体系温度可达上万度。
本申请所述的低温脱硝催化剂是指钒钛基为主的钒-钛-钨系列脱硝催化剂或钒-钛-钼系列脱硝催化剂，该种催化剂在低温下具有高活性、高比表的优势，具有良好的抗硫抗水侵蚀效果，能有效避免催化剂孔道堵塞，延长催化剂寿命。且该低温催化剂的起活温度在150℃，200℃的脱硝率可达到90％以上，满足工艺设计。例如：钒-钛-钨系列低温催化剂，活性组分种类：V-W-Ti，活性组分含量0.5～3.0％，载体为TiO2，载体成分在80～85％，最低使用温度为180℃，轴向抗压强度≥2.0MPa，径向抗压强度≥0.4MPa，磨损率≤0.15％/kg，硬化端长度为20mm。
本申请所述的还原气为不含杂质的生物质气，即主要组分包括CO(10％～20％)、H2(10％～25％)、CH4(0％～10％)、CO2(10％～20％)、N2(40％～60％)。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在脱硝技术在处理生物质为燃料的烟气时存在氨气泄露、逃逸的可能，为了解决如上的技术问题，同时实现生物质气化燃烧清洁能源化利用，本申请提出了一种生物质气化燃烧及脱硝一体化系统及工艺。
本申请的一种典型实施方式，提供了一种生物质气化燃烧及脱硝一体化系统，包括生物质气化燃烧单元、还原气处理单元、还原气脱硝单元及低温等离子体设备；
所述生物质气化燃烧单元包括生物质气化炉、燃烧炉，生物质气化炉的气体出口连接燃烧炉的燃料进口；
所述还原气处理单元包括还原气净化装置，所述还原气净化装置为去除生物质气化炉气化产生的生物质气中含有的杂质的装置，生物质气化炉的气体出口还连接还原气净化装置；
所述还原气脱硝单元包括余热锅炉、低温脱硝装置，所述低温脱硝装置为内部脱硝催化剂为低温脱硝催化剂的脱硝装置，燃烧炉的烟气出口连接余热锅炉的烟气进口，还原气净化装置的出口连接余热锅炉的侧壁进口，还原气净化装置的出口还连接低温脱硝装置的进口，余热锅炉的烟气出口也连接低温脱硝装置的进口，低温脱硝装置的进口设有加热装置，低温脱硝装置的出口连接低温等离子体设备。
生物质经过生物质气化炉热解气化后产生的生物质气中含有气化燃气(包括CO、H2、CH4等)、不燃气体(例如CO2、N2等)及杂质(例如飞灰、焦油等)。本申请直接利用气化燃气的还原性，能够在余热锅炉中还原燃烧炉产生烟气中的氮氧化物，从而实现一次脱硝。然而，生物质气中含有飞灰、焦油等杂质，若直接将还原气利用，则在输送过程飞灰、焦油等杂质会沉降附着在管路内侧，长期运行容易导致输送管路、设备堵塞等问题。因而本申请在生物质气通入余热锅炉及低温脱硝装置前，先经过还原气净化装置去除生物质气中的飞灰、焦油等杂质，防止生物质气中携带的焦油和飞灰等杂质冷凝在容器及管路中造成的设备堵塞等问题。由于余热锅炉能够将高温气体冷却至175～230℃，低温脱硝催化剂的起活温度为150℃，符合设计要求。然而在长期运行过程中，由于生物质燃烧后的烟气中含有K、Na、Mg、Ca等碱金属物质，而这些物质与烟气中硫氧化物/氨气等接触反应生成硫酸盐/铵盐等晶体物质会附着在催化剂表面，从而降低催化剂的比表面积，脱硝率降低。因而本申请在低温脱硝装置的进口设有加热装置，一是起炉停炉过程中烟气温度较低(160℃以下)时，升高温度满足催化剂脱硝要求；二是定期将烟气温度升高至300～350℃运行5～8h对催化剂进行维护，将附着在催化剂表面的硫酸盐/铵盐等物质加热挥发，释放催化剂被杂质物质占据的活性位点，保证脱硝效果的同时延长催化剂的使用寿命，以提高二次脱硝效率。本申请通过等离子体对二次脱硝后的烟气进行进一步处理，能够更进一步脱硝，同时减少燃烧生物质过程中产生的有毒有害气体的排放。本申请通过生物质气余热锅炉内的一次高温脱硝、低温脱硝催化剂的二次催化脱硝及低温等离子体的辅助处理，大大提高了生物质燃料的脱硝效率，实现生物质类废弃物的气化燃烧清洁能源化利用。
本申请中，若余热锅炉采用大型锅炉时，所述的还原气净化装置为机械式除焦油器，若余热锅炉采用小型锅炉时，所述的还原气净化装置采用湿式水洗方法去除焦油和含尘，还原气体自下而上经过循环水喷淋进入储存装置中。本申请中所述加热装置为烟道加热器或燃烧机。
优选的，燃烧炉设有多级燃料进口，生物质气化炉的气体出口通过多级燃料管路连接燃烧炉的多级燃料进口，一级燃料管路对应一级燃料进口。
优选的，所述生物质气化燃烧单元还包括燃烧炉配风室，燃烧炉设有多级助燃风进口，燃烧炉配风室通过多级配风管路连接燃烧炉的多级助燃风进口，一级配风管路对应一级助燃风进口。
优选的，所述还原气处理单元还包括还原气储存装置，还原气净化装置的出口经过还原气储存装置连接余热锅炉烟气进口、低温脱硝装置的进口。通过还原气储存装置，能够保证系统稳定提供还原气。
优选的，余热锅炉出口与低温脱硝装置进口之间设有旋风除尘器，且旋风除尘器安装在低温脱硝装置的进口和与低温脱硝装置的进口连接的还原气净化装置的出口之间。能够使烟气与还原气混合后进入低温脱硝装置。
优选的，低温脱硝装置与低温等离子体设备之间设有布袋除尘器。
进一步优选的，布袋除尘器的出口不仅连接低温脱硝装置的进口，还连接燃烧炉的助燃风进口。
优选的，包括脱硫装置，低温等离子体设备的出口连接脱硫装置进口。
本申请中燃烧炉以烟气出口的一端为燃烧炉后端，与后端相对的另一端为燃烧炉前端。
本申请的另一种实施方式，提供了一种生物质气化燃烧及脱硝一体化工艺，提供上述一体化系统，将生物质加入至生物质气化炉进行热解反应后获得生物质气，生物质气一部分进入燃烧炉进行燃烧，另一部分经过还原气净化装置去除杂质获得还原气，燃烧炉排出的烟气与一部分还原气在余热锅炉中进行高温还原一次脱硝，余热锅炉排出的烟气与另一部分还原气混合后加热进入低温脱硝装置，在低温催化剂的作用下进行催化还原二次脱硝，低温脱硝装置排出的气体采用低温等离子体进行进一步处理。
优选的，高温还原一次脱硝的温度为900～1050℃。还原气与烟气中氮氧化物的体积比为2～3.5:1。
优选的，催化还原二次脱硝的温度为200～230℃。还原气与烟气中氮氧化物的体积比为1.5～3:1。
优选的，进入燃烧炉进行燃烧的生物质气为总生物质气的90～95％(体积)。
优选的，进入燃烧炉的生物质气分为两级，第一级生物质气进入燃烧炉前段，第二级生物质气进入燃烧炉中段，第一级生物质气为进入燃烧炉的生物质气中体积的60～80％。
优选的，燃烧炉配风分三级通入，按燃烧炉前端至后端依次分为第一级配风、第二级配风和第三级配风，第一级配风、第二级配风、第三级配风的体积比为40～50:20～30:15～25。
进一步优选的，催化还原二次脱硝后的烟气引出10～20％(体积)烟气作为循环烟气，将循环烟气分别加入至第一级配风和第二级配风。加入循环烟气后的配风含氧量不低于17％。添加循环烟气的作用为：一是降低氮氧化物的生成；二是降低燃烧室温度，保护燃烧室浇注料，延长其使用寿命。
更进一步优选的，催化还原二次脱硝后的烟气经除尘后，引出10～20％(体积)烟气作为循环烟气，将循环烟气分别加入至第一级配风和第二级配风。引出经过除尘后的烟气，为了使循环气中的含尘量减少，降低循环烟道中的烟气负荷，减小烟尘对催化剂的冲刷作用。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。
实施例
一种生物质气化燃烧及脱硝一体化系统，如图1所示，包括生物质气化燃烧单元Ⅰ、还原气处理单元Ⅱ、还原气脱硝单元Ⅲ。
生物质气化燃烧单元Ⅰ包括生物质气化炉1、燃烧炉2、燃烧炉配风室4，燃烧炉2设有两级燃料进口，生物质气化炉1的气体出口通过两级燃料管路3连接燃烧炉2的两级燃料进口，一级燃料管路对应一级燃料进口。燃烧炉配风室4通过三级配风管路连接燃烧炉2的三级助燃风进口，一级配风管路对应一级助燃风进口。第一级燃料进口位于燃烧炉2的前端部，第二级燃料进口位于燃烧炉2的中部。第一级助燃风进口位于燃烧炉2的前端部，第二级助燃风进口位于燃烧炉2的前端部与中部之间，第三级助燃风进口位于燃烧炉2的中部与后端部之间。
还原气处理单元Ⅱ包括还原气净化装置6、还原气储存装置7。还原气净化装置6为去除生物质气化炉气化产生的生物质气中含有的杂质的装置。生物质气化炉1的气体出口还连接还原气净化装置6。还原气净化装置6的出口连接还原气储存装置7的进口。还原气净化装置6为机械式除焦油器，余热锅炉为大型锅炉(蒸汽量在20t/h的锅炉)。
还原气脱硝单元Ⅲ包括余热锅炉8、旋风除尘器10、低温脱硝装置11，低温脱硝装置11为内部脱硝催化剂为低温脱硝催化剂(钒-钛-钨系列低温催化剂，活性组分种类：V-W-Ti，活性组分含量1.0％，载体为TiO2，载体成分在85％，余量为锰、铈等其他金属元素。)的脱硝装置，燃烧炉2的烟气出口连接余热锅炉8的烟气进口，还原气储存装置7的出口通过脱硝还原气输送管路9连接余热锅炉8的烟气进口，还原气储存装置7的出口还连接旋风除尘器10的进口，余热锅炉8的烟气出口也连接旋风除尘器10的进口，旋风除尘器10的出口连接低温脱硝装置11的进口，低温脱硝装置11的进口设有加热装置12，低温脱硝装置11的出口依次连接布袋除尘器13、低温等离子体设备14、脱硫塔15。布袋除尘器13的出口不仅连接低温脱硝装置11的进口，还通过循环烟气管路5连接燃烧炉2的第一级助燃风进口和第二级助燃风进口。加热装置12为燃烧机，燃料由还原气储存装置7提供。
利用该系统的工艺如下：
生物质经气化炉气化产生生物质气，其中90％生物质气进入燃烧室燃烧，10％生物质气作为还原气经还原气净化装置进行储存、使用；
进行燃烧的生物质气分为两级进入燃烧炉气，其中一级和二级比例为4:1；
燃烧室未掺入循环风量的第一级配风、第二级配风、第三级配风比例为5:3:2；
自除尘器后端引出15％的烟气体积作为循环风，并按照第一级配风、第二级配风的比例5:3分别与第一级配风和第二级配风混合进入，烟气末端的含氧量为17.9％；
测试1：未开启脱硝系统，烟气中氮氧化物含量为260mg/m3；
测试2：开启余热锅炉内脱硝：烟气中氮氧化物含量为91mg/m3，脱硝率65％；
测试3：开启余热锅炉内脱硝+低温脱硝装置：烟气中氮氧化物含量为13mg/m3，脱硝率95％；
测试4：开启余热锅炉内脱硝+低温脱硝装置+低温等离子装置：烟气中氮氧化物含量为8mg/m3，脱硝率96.8％。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物质气化燃烧及脱硝一体化系统，其特征是，包括生物质气化燃烧单元、还原气处理单元、还原气脱硝单元及低温等离子体设备；
所述生物质气化燃烧单元包括生物质气化炉、燃烧炉，生物质气化炉的气体出口连接燃烧炉的燃料进口；
所述还原气处理单元包括还原气净化装置，所述还原气净化装置为去除生物质气化炉气化产生的生物质气中含有的杂质的装置，生物质气化炉的气体出口还连接还原气净化装置；
所述还原气脱硝单元包括余热锅炉、低温脱硝装置，所述低温脱硝装置为内部脱硝催化剂为低温脱硝催化剂的脱硝装置，燃烧炉的烟气出口连接余热锅炉的烟气进口，还原气净化装置的出口连接余热锅炉的侧壁进口，还原气净化装置的出口还连接低温脱硝装置的进口，余热锅炉的烟气出口也连接低温脱硝装置的进口，低温脱硝装置的进口设有加热装置，低温脱硝装置的出口连接低温等离子体设备。
2.如权利要求1所述的系统，其特征是，燃烧炉设有多级燃料进口，生物质气化炉的气体出口通过多级燃料管路连接燃烧炉的多级燃料进口，一级燃料管路对应一级燃料进口。
3.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述生物质气化燃烧单元还包括燃烧炉配风室，燃烧炉设有多级助燃风进口，燃烧炉配风室通过多级配风管路连接燃烧炉的多级助燃风进口，一级配风管路对应一级助燃风进口。
4.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述还原气处理单元还包括还原气储存装置，还原气净化装置的出口经过还原气储存装置连接余热锅炉烟气进口、低温脱硝装置的进口。
5.如权利要求1所述的系统，其特征是，余热锅炉出口与低温脱硝装置进口之间设有旋风除尘器，且旋风除尘器安装在低温脱硝装置的进口和与低温脱硝装置的进口连接的还原气净化装置的出口之间。
6.如权利要求1所述的系统，其特征是，低温脱硝装置与低温等离子体设备之间设有布袋除尘器；
优选的，布袋除尘器的出口不仅连接低温脱硝装置的进口，还连接燃烧炉的助燃风进口。
7.一种生物质气化燃烧及脱硝一体化工艺，其特征是，提供权利要求1～6任一所述的系统，将生物质加入至生物质气化炉进行热解反应后获得生物质气，生物质气一部分进入燃烧炉进行燃烧，另一部分经过还原气净化装置去除杂质获得还原气，燃烧炉排出的烟气与一部分还原气在余热锅炉中进行高温还原一次脱硝，余热锅炉排出的烟气与另一部分还原气混合后加热进入低温脱硝装置，在低温催化剂的作用下进行催化还原二次脱硝，低温脱硝装置排出的气体采用低温等离子体进行进一步处理。
8.如权利要求7所述的工艺，其特征是，高温还原一次脱硝的温度为900～1050℃；
或，催化还原二次脱硝的温度为200～230℃。
9.如权利要求7所述的工艺，其特征是，进入燃烧炉进行燃烧的生物质气为总生物质气的90～95％(体积)；
或，进入燃烧炉的生物质气分为两级，第一级生物质气进入燃烧炉前段，第二级生物质气进入燃烧炉中段，第一级生物质气为进入燃烧炉的生物质气中体积的60～80％。
10.如权利要求7所述的工艺，其特征是，燃烧炉配风分三级通入，按燃烧炉前端至后端依次分为第一级配风、第二级配风和第三级配风，第一级配风、第二级配风、第三级配风的体积比为40～50:20～30:15～25；
优选的，催化还原二次脱硝后的烟气引出10～20％(体积)烟气作为循环烟气，将循环烟气分别加入至第一级配风和第二级配风；
进一步优选的，催化还原二次脱硝后的烟气经除尘后，引出10～20％(体积)烟气作为循环烟气，将循环烟气分别加入至第一级配风和第二级配风。
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