CN112892206B - 生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法与装置 - Google Patents

生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法与装置，属于生物质能源清洁利用技术领域。本发明为实现生物质热解过程中热解气和热解残渣的耦合利用，提供了一种生物质热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法，包括：生物质经热解，得热解残渣和含油气体；热解残渣制得脱硝催化剂；含油气体得热解气和热解油；部分热解气燃烧所得烟气返回热解单元，为生物质热解供热，得换热烟气；换热烟气与另一部分热解气混合后，经脱硝催化剂脱硝。本发明将生物质热解、热解残渣基催化剂和热解气燃烧烟气脱硝进行耦合，实现了生物质高效能源转化、自产能量回用及污染物超低排放。

Description

生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法与装置
技术领域
本发明属于生物质能源清洁利用技术领域，具体涉及一种生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法与装置。
背景技术
废弃生物质热解气化或液化制备燃气或燃油是极具应用潜力的大规模资源化利用途径。热解分质转化后产生的热解气含有CO、H2、CH4等可燃成分，若将其燃烧热量利用于生物质热解，可显著降低能耗成本；然而，热解气燃烧后产生的烟气含有大量NOx，其为主要的大气污染物之一，导致臭氧、雾霾等严重环境问题，因此对热解气燃烧烟气脱硝也是生物质清洁利用的重要内容。
SCR(选择性催化还原)是目前最为成熟的烟气脱硝技术之一，在催化剂作用下通过NH3、CO、H2、CH4等还原剂选择性地将NOx还原成N2和H2O，具有高效稳定的特点。然而，对SCR脱硝装置投资运行通常需要稳定的还原剂和催化剂供应，导致运行成本较高。
CN1415891A公开了一种用生物质热解气再燃脱硝的燃烧方法及其装置，该方法利用从煤粉炉尾部烟道来的部分热烟气进入热解气化炉内使其中生物质热解气化；热解气喷入煤粉炉还原区进行脱硝。虽然该方法利用生物质热解气体进行脱硝，但其根本是将生物质作为外加原料进行气化，且仅利用热解气脱硝功能处理煤粉燃烧烟气。
CN110616076A公开了一种制备活性炭热解气耦合生物质直燃脱硝的系统和方法，通过将生物质原料进行炭化产生热解气，再将热解气进行燃烧后，一部分进行换热供热解，一部分与换热后的热解气进行脱硝。然而，热解气燃烧后，其中的可燃性还原组分完全消耗，无法作为还原剂进行SCR脱硝。
CN107022363A公开了一种连续式生物质热解气逆流回用炭气联产设备，利用生物质高温热解气与生物质原料进行逆流换热为生物质热解提供内部热源，并通过生物质热解气的部分燃烧，为其余热解气的高温裂解和前端生物质的连续热解提供热源。但其仅利用热解气燃烧提供热能回用，未对燃烧烟气进行脱硝处理。
发明内容
本发明为实现生物质热解过程中热解气和热解残渣的耦合利用，提供了一种生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法，其包括以下步骤：
A、生物质在热解单元内进行热解，然后经旋分单元，得热解残渣和含油气体；
B、以热解残渣制备载体，负载活性组分，得到脱硝催化剂；含油气体经过冷凝单元，得到热解气和热解油；
C、大部分热解气进入燃烧单元，燃烧所得烟气返回热解单元，为生物质热解供热，得换热烟气；换热烟气与另一部分热解气混合后，进入含有步骤B所得脱硝催化剂的脱硝单元内脱硝。
其中，上述生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法，步骤A中，所述生物质为秸秆、谷壳、果壳、纸类、木屑、竹屑、酒糟、污泥、枯枝落叶、棉麻织物、畜禽粪便、生活垃圾或中药渣中的至少一种。
其中，上述生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法，步骤A中，热解温度为400～900℃，物料在热解过程停留时间＜30s。
其中，上述生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法，步骤B中，热解残渣制备所得载体为炭基、硅基或炭硅复合载体。
其中，上述生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法，步骤B中，所述活性组分为过渡金属；优选的所述活性组分为Mn、V、Fe、Ce或Cu中的至少一种。
其中，上述生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法，步骤B中，所述热解气的主要有效成分为CO、H2和CH4。
其中，上述生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法，步骤C中，进入燃烧单元的热解气占总热解气产量的80～96％。
其中，上述生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法，步骤C中，所述脱硝的温度为80～500℃。
为实现生物质热解过程中热解气和热解残渣的耦合利用，本发明还提供了一种生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合装置，其包含原料单元、热解单元、旋分单元、冷凝单元、燃烧单元、混合单元及烟气脱硝单元；其中，原料单元用于进料；热解单元用于生物质热解；旋分单元用于分离热解残渣和含油气体；冷凝单元用于冷凝含油气体，并分离热解气和热解油；燃烧单元用于热解气燃烧供热；混合单元用于换热烟气与热解气混合；烟气脱硝单元用于脱硝净化烟气。
本发明的有益效果：
本发明将生物质快速热解、热解残渣基催化剂和热解气燃烧烟气脱硝进行耦合，将大部分热解气用于生物质快速热解，小部分热解气作为还原剂与换热烟气混合，并利用热解残渣制备得到的脱硝催化剂进行SCR脱硝，实现了生物质全组分高值化利用、生物质高效能源转化、自产能量回用及污染物超低排放，具有现场试验和产区分散的废弃生物质分布式处理功能，可降低额外脱硝装置及脱硝催化剂的投资和运行费用。
附图说明
图1为本发明生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合装置和流程示意图。
具体实施方式
具体的，生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法，包括以下步骤：
A、生物质在热解单元内进行热解，然后经旋分单元，得热解残渣和含油气体；
B、以热解残渣制备载体，负载活性组分，得到脱硝催化剂；含油气体经过冷凝单元，得到热解气和热解油；
C、大部分热解气进入燃烧单元，燃烧所得烟气返回热解单元，为生物质热解供热，得换热烟气；换热烟气与另一部分热解气混合后，进入含有步骤B所得脱硝催化剂的脱硝单元内脱硝。
本发明方法中，生物质热解时需要提供初始热源(例如采用电炉加热)使生物质开始热解，此后即可仅通过热解气燃烧供热为生物质热解供能。
本发明中，生物质可选择本领域内常用的生物质，如秸秆、谷壳、果壳、纸类、木屑、竹屑、酒糟、污泥、枯枝落叶、棉麻织物、畜禽粪便、生活垃圾或中药渣中的至少一种；采用这些生物质，根据生物质的选择，热解得到的热解残渣主要含碳和/或硅元素，可制备得到炭基、硅基或炭硅复合载体，再负载相应活性组分，即可得到脱硝催化剂；采用本发明热解残渣制备载体，再制备脱硝催化剂，可采用本领域内的常规方法进行。其中，炭基载体包括生物炭、活性炭中的至少一种，硅基载体包括沸石、分子筛、多孔二氧化硅、硅酸钙中的至少一种。
本发明步骤A中，热解温度为400～900℃，物料在热解过程停留时间＜30s，通过快速热解使热解油或热解气产率最优化，以保证生物质具有较高的能源化利用率。
本发明步骤B中，活性组分可采用本领域常用的活性组分，例如过渡金属，更具体可以为Mn、V、Fe、Ce或Cu等中的至少一种。
本发明步骤B中，含油气体经过冷凝单元后，得到热解气，其主要有效成分为CO、H2和CH4，因此可直接作为还原气用于SCR脱硝反应。
经试验，步骤C中，需要控制进入燃烧单元的热解气占总热解气产量的80～96％，从而为生物质热解提供足够的热源，以保证仅通过生物质热解产生的热解气，既能维持后续生物质完成热解；并且将4～20％的热解气用于后续脱硝，正好能保证脱硝率达到85％以上。
本发明步骤C中，将换热烟气与剩余热解气混合后，混合气体温度一般为80～500℃，此即为脱硝温度。
为实现生物质热解过程中热解气和热解残渣的耦合利用，本发明还提供了一种生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合装置，其包含原料单元、热解单元、旋分单元、冷凝单元、燃烧单元、混合单元及烟气脱硝单元；其中，原料单元用于进料；热解单元用于生物质热解；旋分单元用于分离热解残渣和含油气体；冷凝单元用于冷凝含油气体，并分离热解气和热解油；燃烧单元用于热解气燃烧供热；混合单元用于换热烟气与热解气混合；烟气脱硝单元用于脱硝净化烟气。
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此将本发明保护范围限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
将干燥后的木屑(粉碎过筛)从进料口加入热解炉在550℃(通过烟气供热)下进行快速热解，物料在热解炉内停留时间约0.8s；随后通过两级旋分，将热解残渣分离，利用热解残渣制备负载Mn的炭基催化剂；含油气体经过冷凝换热系统后，油分冷凝成为热解油，剩余气体即为热解气。将90％热解气进入燃烧单元进行燃烧，所得烟气为热解炉供热；另一部分热解气接出，与换热后的烟气混合，混合后烟气(温度150℃)在固定床脱硝装置中在150℃下脱硝。
固定床反应器管径21mm，催化剂装填高度2cm，脱硝反应空速为6000h-1，气体总流量为750mL/min。烟气进出口NO的浓度使用便携式烟气分析仪Gasboard-3800P进行连续在线分析，取样时间间隔为5min。脱硝测试持续8h，测试结束后根据起始NO浓度计算脱硝效率，本实施例的烟气脱硝效率为97％。
实施例2
将干燥后的酒糟(粉碎过筛)从进料口加入热解炉在600℃(通过烟气供热)下进行快速热解，物料在热解炉内停留时间约2s；用于脱硝的热解气占总热解气量的5％；混合后烟气温度150℃，利用热解残渣制备负载Mn和Fe的炭基催化剂，其余操作同实施例1。
固定床反应器管径21mm，催化剂装填高度2cm，脱硝反应空速为8000h-1，气体总流量为1000mL/min。烟气进出口NO的浓度使用便携式烟气分析仪Gasboard-3800P进行连续在线分析，取样时间间隔为5min。脱硝测试持续8h，测试结束后根据起始NO浓度计算脱硝效率，本实施例的烟气脱硝效率为86％。
实施例3
将干燥后的秸秆(粉碎过筛)从进料口加入热解炉在550℃(通过烟气供热)下进行快速热解，物料在热解炉内停留时间约0.8s；用于脱硝的热解气占总热解气量的8％；混合后烟气温度220℃，利用热解残渣制备负载Mn的生物炭-介孔二氧化硅催化剂，其余操作同实施例1。
固定床反应器管径21mm，催化剂装填高度2cm，脱硝反应空速为4000h-1，气体总流量为500mL/min。烟气进出口NO的浓度使用便携式烟气分析仪Gasboard-3800P进行连续在线分析，取样时间间隔为5min。脱硝测试持续8h，测试结束后根据起始NO浓度计算脱硝效率，本实施例的烟气脱硝效率为95％。
实施例4
将干燥后的稻壳(粉碎过筛)从进料口加入热解炉在550℃(通过烟气供热)下进行快速热解，物料在热解炉内停留时间约2s；用于脱硝的热解气量占总热解气量的8％；混合后烟气温度350℃，利用热解残渣制备负载V的沸石基催化剂，其余操作同实施例1。
固定床反应器管径21mm，催化剂装填高度2cm，脱硝反应空速为8000h-1，气体总流量为1000mL/min。烟气进出口NO的浓度使用便携式烟气分析仪Gasboard-3800P进行连续在线分析，取样时间间隔为5min。脱硝测试持续8h，测试结束后根据起始NO浓度计算脱硝效率，本实施例的烟气脱硝效率为94％。

Claims (8)

1.生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、生物质在热解单元内进行热解，然后经旋分单元，得热解残渣和含油气体；含油气体经过冷凝单元，得到热解气和热解油；
B、以热解残渣制备载体，负载活性组分，得到脱硝催化剂；
C、大部分热解气返回燃烧单元燃烧，燃烧烟气与供给燃烧单元的空气换热，为生物质热解供热；换热烟气与另一部分热解气混合后，进入含有步骤B所得脱硝催化剂的脱硝单元内脱硝；
步骤A中，热解温度为400～900℃，物料在热解过程停留时间＜30s；
步骤C中，进入燃烧单元的热解气占总热解气产量的80～96％。
2.根据权利要求1所述的生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法，其特征在于：步骤A中，所述生物质为秸秆、谷壳、果壳、纸类、木屑、竹屑、酒糟、污泥、枯枝落叶、棉麻织物、畜禽粪便、生活垃圾或中药渣中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法，其特征在于：步骤B中，热解残渣制备所得载体为炭基、硅基或炭硅复合载体。
4.根据权利要求1所述的生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法，其特征在于：步骤B中，所述活性组分为过渡金属。
5.根据权利要求4所述的生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法，其特征在于：步骤B中，所述活性组分为Mn、V、Fe、Ce或Cu中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法，其特征在于：所述热解气的主要有效成分为CO、H2和CH4。
7.根据权利要求1所述的生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法，其特征在于：步骤C中，所述脱硝的温度为80～500℃。
8.根据权利要求1所述的生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合方法，其特征在于：生物质快速热解及热解气燃烧烟气脱硝耦合装置包含原料单元、热解单元、旋分单元、冷凝单元、燃烧单元、混合单元及烟气脱硝单元；其中，原料单元用于进料；热解单元用于生物质热解；旋分单元用于分离热解残渣和含油气体；冷凝单元用于冷凝含油气体，并分离热解气和热解油；燃烧单元用于热解气燃烧并给热解单元供热；混合单元用于换热烟气与热解气混合；烟气脱硝单元用于烟气脱硝净化。
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