CN112063408A - 一种煤热解半焦高效低氮燃烧耦合含酚废水零排放装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤热解半焦高效低氮燃烧耦合含酚废水零排放装置,其特征在于,包括热解废水喷射装置,设置在旋风分离器出口后燃区下部侧壁喷口内,通过热解废水喷射装置喷射热解煤气、废水等。本发明的有益之处在于:在一套装置内,通过煤热化学转化过程中自身产生的大量廉价热解煤气还原剂,低成本地解决了含酚热解废水高温焚烧所需的热源问题及NOx还原反应所需的还原剂供应问题;通过分区分级脱硝还原反应,大幅度降低了系统燃烧过程中产生的NOx原始排放浓度,解决了NOx的排放控制问题;通过高温后燃技术手段,保证了系统的高能效转化效率,实现了含酚热解废水的完全分解与零排放,无二次污染产生。
Description
技术领域
本发明属于煤分级分质转化技术领域,具体涉及一种煤热解半焦高效低氮燃烧耦合含酚废水零排放装置。
背景技术
我国能源结构为富煤、少油、缺气,煤炭资源在目前以及未来相当长一段时间内都将是我国最主要的一次能源。据统计,我国NOx排放的70%都来自于煤炭的燃烧,因此开发煤的清洁高效燃烧技术显得尤为重要与迫切。当前煤的利用方式主要是通过直接燃烧,其中具有更高价值的挥发分等组分得不到充分利用。近年来,国内外煤炭能源领域的科研工作者针对此问题,提出了一种煤炭利用新概念——煤炭热解燃烧分级转化多联产,即将热解、燃烧、合成等过程有机结合,针对不同组分活性差异进行分级转化利用,在同一系统中实现热、电、油、气多联产,一定程度上缓解了我国油气资源的短缺问题。
以煤热解燃烧为基础的分级转化多联产技术针对煤炭各组分反应活性不同的特点,利用热解工艺提取煤中反应活性强的组分转化为焦油和煤气,焦油可用于燃烧、加氨提质制取燃料油,煤气可用作燃气,热解后的半焦则可用于燃烧供热发电,该技术提高了系统的能源转化效率,具有广阔的市场应用前景。由于热解半焦具有挥发分低,灰分高,着火温度与燃尽温度高等特点,通常采用提高床温的方式来实现高效燃烧,但随之带来的是高NOx原始排放问题。中国专利CN201810853698.X公开了一种废活性焦循环流化床焚烧系统,以废活性焦为原料,通过合理的配风比例和安装选择性非催化还原(SNCR)脱硝装置来实现低NOx排放。
另外,热解过程中产生的热解废水,其成分复杂,具有高COD、高色度、可生化性差等特点,回收循环利用困难,且热解过程中易生成苯、挥发酚等有机物,还含有氨氮和油类等,增加了废水处理难度。热解废水目前通常采用“预处理—生化处理—深度处理—浓盐水处理”的技术路线来实现近零排放,但以上工艺复杂,一次投资与运行成本高,脱酚效率不高,治理不彻底,容易形成二次污染。
废水焚烧法工艺简单、高效而又不受水温、水质等因素影响,在高温下可把废水完成氧化成CO2和H2O等无害物质,是一种真正的废水零排放处理技术,但高温焚烧需要提供专门的焚烧炉设备及额外的燃料,故投资运行成本高,同时高温焚烧带来的排放问题也使得该技术难以在工业上推广应用。中国专利CN201910148139.3公开了一种高温分解处理含酚废水的系统和方法,通过设置空气加湿塔,利用含酚废水的显热来蒸发废水中的水和酚并进入焚烧炉,在额外燃料的高温燃烧下分解并与氧气反应生成CO2和H2O,尽管这种方法含酚废水蒸发所消耗的热仅需低品位热,可以降低含酚废水前处理的运行成本,但需要需要额外燃料,运行成本较高。
综上所述,现有煤基热解燃烧分级转化多联产技术还存在以下缺陷:
(1)煤基热解燃烧分级转化多联产过程中产生半焦,在半焦燃烧过程中产生的NOx主要通过尾部安装选择性非催化还原(SNCR),或选择性非催化还原(SNCR)结合选择性催化还原(SCR)脱硝设备来实现达标排放,投资运行成本高,且易产生氨逃逸二次污染问题等。
(2)煤基热解燃烧分级转化多联产过程中产生热解废水,热解废水主要有二种处理方法:第一是通过生化处理方法,但生化处理工艺复杂,一次投资与运行成本高,脱酚效率不高,治理不彻底,容易形成二次污染;第二是采用高温焚烧法,高温焚烧对热解废水分解彻底,但额外增加的高温焚烧炉带来的成本问题以及高温焚烧过程中产生的NOx污染物排放问题仍待解决。
发明内容
为解决现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种煤热解半焦高效低氮燃烧耦合含酚废水零排放装置。
为了实现上述目标,本发明采用如下的技术方案:
一种煤热解半焦高效低氮燃烧耦合含酚废水零排放装置,包括:煤热解半焦燃烧单元、分级转化单元和废水处理单元;所述煤热解半焦燃烧单元与分级转化单元相连通,所述分级转化单元与废水处理单元相连通;其特征在于,所述废水处理单元包括至少一个热解废水喷射装置;所述热解废水喷射装置与煤热解半焦燃烧单元连接。
优选的,所述热解废水喷射装置包括废水引入管、压缩空气引入管、热解煤气引入管、热解煤气管、压缩空气管、热解废水管、热解废水管喷口、压缩空气管喷口、一级混合区出口喷口、热解煤气管喷口、二级混合区出口喷口和三级混合区出口喷口;所述热解废水喷射装置内部设有一级混合区、二级混合区与三级混合区;所述热解废水管内通道与一级混合区通过热解废水管喷口相连通;所述压缩空气管内通道与一级混合区通过压缩空气管喷口相连通,一级混合区与二级混合区通过一级混合区出口喷口相连通;所述热解煤气管内通道二级混合区通过热解煤气管喷口相连通;所述二级混合区与三级混合区通过二级混合区出口喷口相连通;所述三级混合区与后燃室通过三级混合区出口喷口相连通,三级混合区的外套管与热解煤气管出口之间通过螺纹连接;所述热解煤气管出口与压缩空气管出口之间通过圆柱环固定连接;所述压缩空气管出口与热解废水管出口之间通过圆柱环固定连接。
优选的,所述煤热解半焦燃烧单元设置有循环流化床燃烧室、旋风分离器;所述循环流化床燃烧室设置有主燃还原区,分离器气相出口设置有后燃氧化区,所述热解废水喷射装置沿旋风分离器气相出口垂直段水平方向或竖直方向布置。
优选的,所述煤热解半焦燃烧单元设置有循环流化床燃烧室;所述循环流化床燃烧室内部从下至上依次设置主燃氧化区和再燃还原区;所述热解废水喷射装置设置在循环流化床燃烧室主燃氧化区下部上层二次风喷口内。
优选的,所述煤热解半焦燃烧单元还包括热解室;所述热解室高温除尘器的下部固相出口通过管道与循环流化床燃烧室再燃还原区中下部细半焦喷口相连通,热解室下部侧壁通过下返料器与循环流化床燃烧室下部返料口相连通。
一种上述煤热解半焦高效低氮燃烧耦合含酚废水零排放装置的应用方法,所述主燃还原区的过量空气系数为0.9~1.0,反应温度为900~1000℃;所述后燃氧化区的过量空气系数为1.10~1.15,反应温度为1000~1150℃,烟气停留时间为0.8~1.5s。
优选的,所述主燃还原区的过量空气系数为0.95~1.05,反应温度为950~1100℃,烟气停留时间为2.0~5.0s。
优选的,所述主燃氧化区的过量空气系数为1.1~1.15,反应温度为950~1100℃,烟气停留时间为1.0~2.0s;所述再燃还原区的过量空气系数为0.95~1.05。
本发明的有益之处在于:
(1)本发明可以实现在一套装置内,通过煤热化学转化过程中自身产生的大量廉价热解煤气还原剂(富含CH4、H2、CO等)与细半焦还原剂,低成本地解决了含酚热解废水高温焚烧所需的热源供应问题及NOx还原反应所需的还原剂供应问题,降低了处理含酚热解废水单独建立焚烧炉的成本。
(2)本发明通过热解煤气一级脱硝还原反应和或细粉半焦二级脱硝还原反应,大幅度降低了热解半焦燃烧过程中产生的NOx原始排放浓度,低成本地解决了热解半焦燃烧过程中NOx的排放控制问题。
(3)本发明通过高温后燃技术手段,解决了半焦燃尽困难的技术难题,保证了半焦的燃烧效率,解决了煤基热解燃烧分级转化多联产技术的低能效转化问题。
(4)本发明充分考虑了热解半焦和含酚热解废水的物理化学特性,实现了热解半焦高效低氮无氨燃烧,以及含酚热解废水的高温彻底分解,实现了热解半焦燃烧的超低NOx原始排放与含酚废水零排放的协同控制,无二次污染问题。
附图说明
图1是本发明煤热解半焦高效低氮燃烧耦合含酚废水零排放装置具体实施例1的结构示意图;
图2是图1具体实施例中热解废水喷射装置的结构示意图;
图3是图2具体实施例中热解废水喷射装置头部结构示意图;
图4是本发明煤热解半焦高效低氮燃烧耦合含酚废水零排放装置具体实施例2的结构示意图;
图5是本发明煤热解半焦高效低氮燃烧耦合含酚废水零排放装置具体实施例3的结构示意图;
图中标示的含义为:1-循环流化床燃烧室;11-热解废水喷射装置;12-废水引入管;13-压缩空气引入管;14-热解煤气引入管;111-热解煤气管;112-压缩空气管;113-热解废水管;114-热解废水管喷口;115-压缩空气管喷口;116-一级混合区出口喷口;117-热解煤气管喷口;118-二级混合区出口喷口;119-三级混合区出口喷口;2-旋风分离器;21-水平烟道;3-上返料器;4-热解室;41-给煤机;42-高温除尘器;43-下返料器;5-高温热解气分级冷凝器;6-焦油捕集器;7-热解废水罐;8-废水循环泵;9-煤气循环风机;A-主燃还原区;A1-主燃氧化区;B-再燃还原区;C-后燃氧化区;D-一级混合区;E-二级混合区;F-三级混合区;PA-一次风;SA-二次风;SA1-下层二次风;SA2-上层二次风;TA-后燃风;AP-压缩空气;WW-热解废水;PG-热解煤气;FSC-细半焦;CSC-粗半焦;Tar-焦油。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步具体说明。
实施例1
一种煤热解半焦高效低氮燃烧耦合含酚废水零排放装置,包括:煤热解半焦燃烧单元、分级转化单元和废水处理单元;所述煤热解半焦燃烧单元包括循环流化床燃烧室1、旋风分离器2、水平烟道21、上返料器3、热解室4、给煤机41、高温除尘器42、下返料器43和尾部烟道;所述分级转化单元包括高温热解气分级冷凝器5和焦油捕集器6;所述废水处理单元还包括热解废水罐7、废水循环泵8、煤气循环风机9和热解废水喷射装置11;
循环流化床燃烧室1底部密相区前墙或前后墙设有二次风SA喷口,循环流化床燃烧室1底部密相区的底部设有风室,风室设有一次风PA进风口;所述旋风分离器2进口与循环流化床燃烧室1的上部出口相连通,旋风分离器2上部气相出口设有一段截面积由小变大的过渡烟道,旋风分离器2上部气相出口通过过渡烟道与水平烟道21进口相连通;所述水平烟道21出口与尾部烟道进口相连通;所述上返料器3进料口通过返料立管与旋风分离器2下部固相出口相连通;所述上返料器3包括两个出料口,第一出料口与循环流化床燃烧室1下部返料口相连通,第二出料口通过管道与热解室4上部相连通;所述热解室4顶部设有给煤机41,热解室4上部侧壁通过管道与高温除尘器42相连通,热解室4下部通过返料器与高温除尘器42下部固相出口相连通,热解室4下部侧壁通过下返料器43与循环流化床燃烧室1下部返料口相连通,热解室4底部设有风室;所述高温热解气分级冷凝器5进口与高温除尘器42气相出口相连通;所述焦油捕集器6进口与分级冷凝器5侧壁出口相连通,焦油捕集器6出口与净化煤气输送管道及煤气循环风机9进口管相连通;所述热解废水罐7进口分别与高温热解气分级冷凝器5出口及焦油捕集器6排水出口相连通;所述废水循环泵8进口管与热解废水罐7出口相连通;
所述循环风机9出口与热解废水喷射装置11热解煤气引入管相连通;热解废水喷射装置11设置在旋风分离器2出口后燃室下部侧壁喷口内;所述热解废水喷射装置11包括废水引入管12、压缩空气引入管13、热解煤气引入管14、热解煤气管111、压缩空气管112、热解废水管113、热解废水管喷口114、压缩空气管喷口115、一级混合区出口喷口116、热解煤气管喷口117、二级混合区出口喷口118和三级混合区出口喷口119;所述热解废水喷射装置11内部设有一级混合区D、二级混合区E与三级混合区F;所述循环流化床燃烧室1内部设有主燃还原区A;所述旋风分离器2上部气相出口与水平烟道21进口间设有后燃氧化区C;所述热解废水管113内通道与一级混合区D通过热解废水管喷口114相连通;所述压缩空气管112内通道与一级混合区D通过压缩空气管喷口115相连通,一级混合区D与二级混合区E通过一级混合区出口喷口116相连通;所述热解煤气管111内通道二级混合区E通过热解煤气管喷口117相连通;所述二级混合区E与三级混合区F通过二级混合区出口喷口118相连通;所述三级混合区F与后燃室通过三级混合区出口喷口119相连通,三级混合区的外套管与热解煤气管111出口之间通过螺纹连接;所述热解煤气管111出口与压缩空气管112出口之间通过圆柱环固定连接;所述压缩空气管112出口与热解废水管113出口之间通过圆柱环固定连接;所述热解煤气管111进口通过热解煤气引入管14与煤气循环风机9出口相连通;所述压缩空气管112进口通过压缩空气引入管13与空气压缩机出口管相连通;所述热解废水管113进口通过废水引入管12与废水循环泵8出口相连通。
其中,热解废水喷射装置11沿旋风分离器2出口后燃室垂直段水平方向或竖直方向布置的数量大于或等于一个。
热解废水喷口114均匀布置在热解废水管113出口端面,热解废水喷口114的数量大于或等于一个。
压缩空气喷口115均匀布置在压缩空气管112出口沿圆周方向,压缩空气喷口115的数量大于或等于两个。
热解煤气喷口117沿圆周方向均匀布置在热解煤气管111出口,热解煤气喷口117的数量大于或等于两个。
三级混合区出口喷口119沿圆周方向均匀布置在热解废水喷射装置11出口外套管上,三级混合区出口喷口119的数量大于或等于两个。
应用时,主燃还原区A的过量空气系数为0.9~1.0,反应温度为900~1000℃;后燃氧化区C的过量空气系数为1.10~1.15,反应温度为1000~1150℃,烟气停留时间为0.8~1.5s;热解室4的反应温度为550~650℃。
煤首先通过给煤机41从热解室4顶部给入,与从上返料器3进入的高温循环灰混合加热至600℃左右开始热解反应,热解后产生的热解气、焦油及细焦粉进入高温除尘器42进行气固分离,分离后的热解气、焦油、热解水以气相形式进入高温热解气分级冷凝器5进行冷却,冷却后进入焦油捕集器6,最后得到净化的干净热解煤气PG,热解后产生的粗焦粉从下返料器43返回循环流化床燃烧室1底部主燃还原区A进行燃烧。
从高温热解气分级冷凝器5与焦油捕集器6分离下来的含酚热解废水WW通过废水循环泵8从含酚废水储罐中抽取,通过管路送入热解废水喷射装置11,与压缩空气AP及热解煤气PG雾化后一起喷入后燃氧化区C进行高温焚烧。对于热解废水喷射装置11中的热解煤气PG:一方面,热解煤气PG为后燃区提供热量,保证后燃区能提供高温反应环境(1000~1150℃),为含酚热解废水WW高温焚烧提供反应条件;另一方面,热解煤气PG中的大量还原性气体(富含CH4、H2、CO等)可以将后燃氧化区C产生的NOx进行脱硝还原反应生成N2。利用系统自身产生的廉价热解煤气PG解决了含酚热解废水WW高温焚烧所需的热源问题及焚烧后生成的NOx还原所需的还原剂供应问题。对于热解废水喷射装置11中的热解废水WW:在后燃氧化区C通过渐扩过渡烟道来降低烟气流速,延长烟气停留时间,以保证后热解废水WW一定的反应停留时间,在高温氧化条件(1000~1150℃,α=1.1~1.15)及保证一定的停留时间下,热解废水WW中的苯、酚、氨氮及胺类有机化合物可进行彻底的分解反应,生成无毒无污染的CO2和H2O,解决了含酚热解废水WW排放的二次污染问题。对于热解废水喷射装置11中起雾化作用的后燃风TA:将循环流化床燃烧室1未反应完全的CO、H2及残炭颗粒进行充分燃尽,以保证系统的燃烧效率。
本发明能够实现在一套装置内,通过煤热化学转化过程中自身产生的大量廉价热解煤气还原剂,低成本地解决了含酚热解废水WW高温焚烧所需的热源问题及NOx还原反应所需的还原剂供应问题;通过分区分级脱硝还原反应,大幅度降低了系统燃烧过程中产生的NOx原始排放浓度,解决了NOx的排放控制问题;通过高温后燃技术手段,保证了系统的高能效转化效率,实现了含酚热解废水WW的完全分解与零排放,无二次污染产生。
实施例2
实施例2与实施例1的主要结构区别在于,热解废水喷射装置11设置在循环流化床燃烧室1主燃还原区A下部的上层二次风SA2喷口内部。在旋风分离器2出口设有后燃风TA喷口。循环流化床燃烧室1底部通过投入热解煤气PG产生高温区(1000~1150℃),含酚热解废水WW通过压缩空气AP雾化后从循环流化床燃烧室1下部上层二次风口喷入循环流化床燃烧室1底部高温区发生完全分解反应,生成无毒的CO2和H2O。
应用时,主燃还原区A的过量空气系数为0.95~1.05,反应温度为950~1100℃,烟气停留时间为2.0~5.0s;后燃氧化区C的过量空气系数为1.10~1.15。
实施例3
实施例3与实施例2的主要结构区别在于,循环流化床燃烧室1内部从下至上依次设置主燃氧化区A1和再燃还原区B;热解废水喷射装置11设置在循环流化床燃烧室1主燃氧化区A1下部上层二次风SA2喷口内;热解室4与高温除尘器42的下部固相出口通过管道与循环流化床燃烧室1再燃还原区B中下部细半焦FSC喷口相连通,热解室4下部侧壁通过下返料器与循环流化床燃烧室1下部返料口相连通。
应用时,主燃氧化区A1的过量空气系数为1.1~1.15,反应温度为950~1100℃,烟气停留时间为1.0~2.0s;所述再燃还原区B的过量空气系数为0.95~1.05;所述后燃氧化区C的过量空气系数为1.10~1.15。
需要说明的是,上述实施例不以任何形式限制本发明,凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案,均落在本发明的保护范围内。
Claims (12)
1.一种煤热解半焦高效低氮燃烧耦合含酚废水零排放装置,包括:煤热解半焦燃烧单元、分级转化单元和废水处理单元;所述煤热解半焦燃烧单元与分级转化单元相连通,所述分级转化单元与废水处理单元相连通;其特征在于,所述废水处理单元包括至少一个热解废水喷射装置(11);所述热解废水喷射装置(11)与煤热解半焦燃烧单元连接。
2.根据权利要求1所述的煤热解半焦高效低氮燃烧耦合含酚废水零排放装置,其特征在于,所述热解废水喷射装置(11)包括废水引入管(12)、压缩空气引入管(13)、热解煤气引入管(14)、热解煤气管(111)、压缩空气管(112)、热解废水管(113)、热解废水管喷口(114)、压缩空气管喷口(115)、一级混合区出口喷口(116)、热解煤气管喷口(117)、二级混合区出口喷口(118)和三级混合区出口喷口(119);所述热解废水喷射装置(11)内部设有一级混合区、二级混合区与三级混合区;所述热解废水管(113)内通道与一级混合区通过热解废水管喷口(114)相连通;所述压缩空气管(112)内通道与一级混合区通过压缩空气管喷口(115)相连通,一级混合区与二级混合区通过一级混合区出口喷口(116)相连通;所述热解煤气管(111)内通道与二级混合区通过热解煤气管喷口(117)相连通;所述二级混合区与三级混合区通过二级混合区出口喷口(118)相连通;所述三级混合区与后燃室通过三级混合区出口喷口(119)相连通,三级混合区的外套管与热解煤气管(111)出口之间通过螺纹连接;所述热解煤气管(111)出口与压缩空气管(112)出口之间通过圆柱环固定连接;所述压缩空气管(112)出口与热解废水管(113)出口之间通过圆柱环固定连接。
3.根据权利要求1或2所述的煤热解半焦高效低氮燃烧耦合含酚废水零排放装置,其特征在于,所述煤热解半焦燃烧单元设置有循环流化床燃烧室(1)、旋风分离器(2);所述循环流化床燃烧室(1)设置有主燃还原区,分离器气相出口设置有后燃氧化区,所述热解废水喷射装置(11)沿旋风分离器(2)气相出口垂直段水平方向或竖直方向布置。
4.根据权利要求1或2所述的煤热解半焦高效低氮燃烧耦合含酚废水零排放装置,其特征在于,所述煤热解半焦燃烧单元设置有循环流化床燃烧室(1);所述循环流化床燃烧室(1)内部从下至上依次设置主燃氧化区和再燃还原区;所述热解废水喷射装置(11)设置在循环流化床燃烧室(1)主燃氧化区下部上层二次风喷口内。
5.根据权利要求4所述的煤热解半焦高效低氮燃烧耦合含酚废水零排放装置,其特征在于,所述煤热解半焦燃烧单元还包括热解室(4);所述热解室高温除尘器(42)的下部固相出口通过管道与循环流化床燃烧室(1)再燃还原区中下部细半焦喷口相连通,热解室(4)下部侧壁通过下返料器与循环流化床燃烧室(1)下部返料口相连通。
6.根据权利要求2所述的煤热解半焦高效低氮燃烧耦合含酚废水零排放装置,其特征在于,所述热解废水喷口(114)均匀布置在热解废水管(113)出口端面,热解废水喷口(114)的数量大于或等于一个。
7.根据权利要求2所述的煤热解半焦高效低氮燃烧耦合含酚废水零排放装置,其特征在于,所述压缩空气喷口(115)均匀布置在压缩空气管(112)出口沿圆周方向,压缩空气喷口(115)的数量大于或等于两个。
8.根据权利要求2所述的煤热解半焦高效低氮燃烧耦合含酚废水零排放装置,其特征在于,所述热解煤气喷口(117)沿圆周方向均匀布置在热解煤气管(111)出口,热解煤气喷口(117)的数量大于或等于两个。
9.根据权利要求2所述的煤热解半焦高效低氮燃烧耦合含酚废水零排放装置,其特征在于,所述三级混合区出口喷口(119)沿圆周方向均匀布置在热解废水喷射装置(11)出口外套管上,三级混合区出口喷口(119)的数量大于或等于两个。
10.一种权利要求3所述的煤热解半焦高效低氮燃烧耦合含酚废水零排放装置的应用方法,其特征在于,所述主燃还原区的过量空气系数为0.9~1.0,反应温度为900~1000℃;所述后燃氧化区的过量空气系数为1.10~1.15,反应温度为1000~1150℃,烟气停留时间为0.8~1.5s。
11.一种权利要求4所述的煤热解半焦高效低氮燃烧耦合含酚废水零排放装置的应用方法,其特征在于,所述主燃还原区的过量空气系数为0.95~1.05,反应温度为950~1100℃,烟气停留时间为2.0~5.0s。
12.一种权利要求5所述的煤热解半焦高效低氮燃烧耦合含酚废水零排放装置的应用方法,其特征在于,所述主燃氧化区的过量空气系数为1.1~1.15,反应温度为950~1100℃,烟气停留时间为1.0~2.0s;所述再燃还原区的过量空气系数为0.95~1.05。
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